JP6138232B2 - 減衰装置を備えた燃焼室シールセグメント - Google Patents

Description

本発明はガスタービンの分野に関し、より詳しく言うと、高周波数の、熱音響的に誘発される圧力振動を抑制するために、燃焼器シールに組み込まれた１つ又は複数の調整された減衰装置を備えたガスタービン燃焼器に関する。

背景技術
ガスタービンの燃焼器は運転中に、ガス圧力（音響的）及び温度振動を発生させることがある。これらは、希薄予備混合の、低エミッション燃焼器では特に問題である。

これらの熱音響的燃焼振動は、振動の周波数が、燃焼器容積の１つ又は複数の音響的共振周波数に一致した場合に増幅される。これらの圧力及び熱変動はタービンに機械的かつ熱的損傷を生ぜしめる恐れがある。またこれにより、タービンの使用可能範囲が制限される場合がある。

このような振動は、ガスタービン開発当初以来、知られた問題であった。このような振動を抑制し得る方法は、共振空洞を有した減衰装置又は類似の装置を燃焼器に取り付けることにある。

スペース的制約
かつては、ダンパはバーナのフロントパネルに取り付けられてきた。より多くの減衰装置は減衰効率を上げるので、いくつかの減衰装置を使用する場合がある。複数の周波数を減衰させることもある。このために付加的な減衰装置が必要となろう。従って、フロントパネル上にスペース的制約が生じ得る。

設置・交換の困難性
また、減衰装置は燃焼器ライナセグメント上にも設置されていた。燃焼器ライナセグメントの位置のため、往々にして設置は困難である。また、タービンが大きく変更されたら、タービンによって発生させられる音響周波数は変化する。従って、このような場合には、減衰される周波数を変化させることが望まれる。バーナライナ及びその他のアクセス困難な位置に取り付けられたダンパは、減衰される共振周波数を変更するために交換するのが困難である。

昨今は、よりコンパクトで、設置又は交換が簡単であっても、依然として効率的なパフォーマンスを提供する、ガスタービン燃焼器における音響熱振動を減衰させるためのシステムの必要性が生じている。

概要
本発明の技術的課題は、コンパクトで、従来のバーナにおける既存のスペースに嵌め込むことができ、設置及び交換が簡単にでき、既知の音響周波数を減衰させることができるような、所望の周波数を減衰させるためのバーナ用ストリップ状シール装置を提供することである。

ダンパをシールに組み込んだ本発明の設計により大きな設計の柔軟性が得られる。何故ならば、通常、十分なスペースがある場所にシールが配置されるからである。従って、シールセグメント上の減衰装置により、高周波数減衰能力を向上させることができ、対処される周波数の数を増やすことができる。シールストリップ装置は、バーナフロントパネル又は燃焼器ライナセグメントに設置された従来の設計と比較してより安価かつ簡単に設置及び交換可能である。

第１のシール面を第２のシール面に対してシールするように設計されたストリップ状シール装置について記載する。このストリップ状シール装置は、燃焼室に面した前面と、燃焼室とは反対側を向いた背面とを有したシールプレートを備えている。このシールプレートは、シールプレートの長さに沿って配置された、シールプレートの厚さを貫通して延在する所定の断面積の単数又は複数の穴を有している。

所定の容積を有する１つ又は複数のコンテナは、シールプレートの背面に取り付けられていて、該コンテナは、少なくとも１つの音響ダンパを形成するために、前記１つ又は複数の穴と流体を通すように連通されている。ストリップ状シール装置は所定の音響振動を減衰しながら２つの構成部分をシールする。

本発明はさらに、音響減衰特性を備えたストリップ状シール装置を設計する方法であって、該方法は、燃焼室に隣接した前面と、前記燃焼室とは反対側を向いた背面とを有したシールプレートであって、前記前面から前記背面まで当該シールプレートの厚さを貫通して延在する所定の断面積の単数又は複数の穴を有するように形成されたシールプレートを提供し、
所定の容積を有する１つ又は複数のコンテナを、前記１つ又は複数の穴が前記１つ又は複数のコンテナと流体を通すように連通され、これにより少なくとも１つの音響ダンパが形成されるように、前記シールプレートの前記背面に取り付ける、ステップを有する、音響減衰特性を備えたストリップ状シール装置を設計する方法として記載されている。

本発明はさらに、ストリップ状シール装置を使用して所望の音響周波数を減衰させる、タービン構成部分間のシールを形成する方法であって、前面と背面とを有したシールプレートを提供し、
前記所望の音響周波数を減衰させるヘルムホルツダンパを形成するために、少なくとも１つの断面積と、少なくとも１つのコンテナ容積とを算定し、
前記前面から前記背面まで延在する、前記シールプレートの厚さを貫通する、算定された断面積を有する１つ又は複数の穴を形成し、
算定された容積を有する前記１つ又は複数のコンテナを、前記シールプレートを貫通して成形された前記穴が前記コンテナと流体を通すように連結されるように、前記シールプレートに取り付け、
２つのタービン構成部分間に前記シールプレートを取り付け、これにより前記構成部分間にシールを形成する、ステップを有する、タービン構成部分間のシールを形成する方法として記載されている。

一実施態様によれば、シールは、既存のタービン構成部分に組み込むために使用することができる。減衰を行うシールを組み込む方法は、タービン構成部分間の既存のシールを取り除き、前記２つのタービン構成部分間に音響減衰特性を有するシールを取り付けるためのスペースを形成するステップと、複数の穴と、取り付けられた複数のコンテナとを有する前記シールを挿入し、これにより前記タービン構成部分間にシールを形成するステップとを有する。

本発明の別のシステム、方法、特徴及び利点は、以下の図面及び詳細な説明の考察により当業者には明らかとなろう。このような全ての付加的なシステム、方法、特徴及び利点はこの記載に含まれ、本発明の範囲内にあり、添付の請求項により保護されるものである。

本発明の多くの実施態様は、以下の図面を参照しながらより良く理解することができる。図面の構成要素は必ずしも縮尺にしたがったものではなく、本発明の原理を明瞭に図示することを優先したものである。さらに、図面では、参照符号等は、複数の図面にわたって対応する部分を示している。以下に、本発明を添付の図面につきさらに詳しく説明する。

従来のヘルムホルツ音響ダンパを示した図である。 従来のヘルムホルツ音響ダンパと、該音響ダンパの背面に取り付けられた付加的なヘルムホルツダンパとを示した図である。 ストローハル数０．３、０．５、１．０について示した、標準化された周波数に対する反射率の振幅及び位相を示した図である。 従来のシールストリップが、本発明の一実施態様によるシールストリップ装置に置き換えられることを示すタービンのバーナアッセンブリを示す斜視図である。 フロントパネルのスロットの内側に部分的に嵌め込まれた２つのダンパを有するシールストリップ装置を示す斜視図である。 フロントパネルのスロット内に部分的に嵌め込まれた２つの減衰装置を有するシールストリップ装置を示す側面図である。 ６つの減衰装置を使用する本発明のシールストリップ装置を示す斜視図、及びこのダンパの部分拡大図である。

詳細な説明
理論
１／４波長管、ヘルムホルツダンパ、音響スクリーンのようないくつかのタイプの音響ダンパが存在している。ここではヘルムホルツダンパについて述べる。

空気が空洞内に押し込まれると、空洞内の圧力は高まる。空気を空洞内に押し込んでいる外的な力がなくなると、内部のより高圧の空気が流出する。空洞は外部よりも僅かに低い圧力となり、空気は内部へ引き戻される。このプロセスは、圧力変化の度合いをその都度減少させながら繰り返される。

入口部分（チャンバのネック）における空気は質量を有する。この空気は動いているので、ある程度の運動量を有している。比較的長い入口部分は比較的大きな質量を形成し、逆のことも言える。入口部分の横断面の径は空気の質量とチャンバの容積に関係する。チャンバ容積に対して面積が小さすぎる入口部分は流れを「チョーク」し、チャンバ容積に対して面積が大きすぎる入口部分は、入口部分における空気の運動量を減じる傾向がある。

例えば図１には従来のヘルムホルツダンパが示されている。このヘルムホルツダンパは、体積Ｖを有する共鳴器１を有していて、この共鳴器は音響ネック２を備えこのネック２は空洞３に通じている。通常、空洞３は、減衰させたい音響振動を有する燃焼室７のようなチャンバへと通じている。

共鳴器の容積Ｖ、音響ネック２の断面積（ここでは直径Ｄで示されている）、音響ネック２の長さＬのような主要なパラメータは太字で示されている。

ヘルムホルツダンパの設計パラメータは、ダンパの共振周波数ｆ_Hが燃焼器振動の周波数に対応するように選択されている。

角周波数（共振周波数ｆ_Hに対応する）は

によって求められると示すことができる。

この場合、
・γは比熱の断熱指数又は断熱率である。この値は空気及び二価のガスでは通常、１．４である。
・Ａはネックの断面積である。
・ｍはネック内の質量である。
・Ｐ₀は、空洞内の静圧である。
・Ｖ₀は、空洞内の静容積である。

一定の断面積を有するネックに関して、面積は、
Ａ＝Ｖ_n／Ｌである。

この場合、
Ｌはネックの長さであって、
Ｖ_nはネックの容積である。
従って、

である。
密度の定義により：Ｖ_n／ｍ＝１／ρであるので、

である。そして
ｆ_H＝ωＨ／２π であって、
この場合、ｆ_Hは共振周波数（Ｈｚ）である。
ガス内の音速は、

で求められる。
従って、共振周波数は、

である。

従って、共振周波数ｆ_Hは、音響ネック２の固有断面積Ａ、音響ネック２の長さＬ、共鳴器１の容積Ｖ₀を決めることにより選択することができる。（この式は、音響ネックの断面積と同じである空洞の断面積について成立する。これは、一定の断面積の音響ネック２のためにも適用される。空洞３の断面積が音響ネック２の断面積とは異なるサイズである場合、又は音響ネック２が一定の断面積を有していない場合には、この式にさらなる調整が加えられなければならない。）

ヘルムホルツダンパについてはさらに、２０１１年７月２８日に開示された米国特許出願２０１１／０１７９７９６号明細書において説明されている。この明細書は、本出願人によるものであり、従って参照することにより本願に包括される。

ガスタービンの分野におけるヘルムホルツダンパの減衰効果は通常、減衰容積Ｖ（図１参照）を増やすことにより、かつ／又は燃焼器における単一ヘルムホルツダンパの数を増やすことにより増加させられる。

図２には、減衰装置の直列接続による配置が示されている。この配置は、上述した基本的なヘルムホルツダンパとは異なり、第１のヘルムホルツダンパの背面に取り付けられた付加的なヘルムホルツダンパを有している。従って、容積Ｖ２を有する第２の共鳴器４は、第２の直径Ｄ２と第２の長さＬ２とを有した第２のネック５を有していて、このネック５は第２の空洞６へと通じている。

固有容積Ｖ２と、直径Ｄ２と、長さＬ２とを選択することにより、第２のダンパは、第２の所望の周波数を減衰する。この配置に続いて、同じ位置に含まれるダンパの数に応じて、いくつかの周波数が制御されて減衰されて良い。

図３には、標準化された周波数に対する反射率の振幅及び位相のグラフが示されている。反射率は、共鳴器から外部へ出る空気の、共鳴器の内部に入る空気に対する比である。このグラフは、ストローハル数０．３、０．５、１．０について記載されている。ストローハル数（Ｓｔ）は、周波数×音響ネック直径／流体速度によって規定される。

示されているように、標準化された周波数が約１である場合、反射率の最小絶対値が生じる。これは最大減衰点を示している。

図４は、従来のシールストリップ５０が、本発明の一実施態様によるシールストリップ装置１００に置き換えられることを示すタービンのバーナアッセンブリ１０を示す斜視図である。

バーナアッセンブリ１０はフロントパネル２０とバーナスロート４０とを有している。フロントパネル２０の上縁部２１と下縁部２３とはタービンハウジング（図示せず）の一部に固定されている。フロントパネル２０の左縁部２５と右縁部２９とはスロット３１を有している。シールストリップアッセンブリ１００は、隣接するバーナアッセンブリの別のフロントパネルに対してフロントパネル２０をシールするために設けられている。

典型的には、バーナアッセンブリ１０の各側におけるフロントパネルの後方にはスペースがあって、このスペースにシールストリップ装置１００が収容される。

従来の形式の装置では、従来のシールストリップ５０の左側が、フロントパネル２０の右縁部２９に設けられたスロット３１内に嵌め込まれる。典型的には、従来のシールストリップ５０の右側は、隣接する第２のバーナアッセンブリ（図示せず）のフロントパネルに設けられたスロット内に嵌め込まれる。選択的に従来のシールストリップ５０の右側はタービンハウジング部材に嵌め込むことができる。

従来のシールストリップ５０は、ガスタービンの２つの構成部分間にシールを提供するために設けられた。これは、バーナアッセンブリ１０と第２のバーナアッセンブリとの間、又はバーナアッセンブリ１０とタービンのハウジング部材との間であって良い。

本発明のシールストリップ装置１００は、従来のシールストリップ５０と置き換えるためのものである。従来のシールストリップ５０と同様に、本発明のシールストリップ装置１００も、ガスタービンの２つの構成部分間にシールを提供するために設けられている。

ここに図示したように、６つのダンパ１５０がシールストリップ装置１００に組み込まれている。このシールストリップ装置１００は完全にスロット３１内に嵌め込まれるのではなく、ダンパ１５０の穴（図５、図６、図７の符号１５１）を露出させた部分を有している。これらの穴は、タービンの燃焼室と流体的に相互作用することができる。

図５には、フロントパネル２０のスロットの内側に嵌め込まれた、２つのダンパ１５０を有するシールストリップ装置１００が斜視図で示されている。

図６には、フロントパネル２０のスロット内に嵌め込まれた、２つのダンパ１５０を有するシールストリップ装置１００が側面図で示されている。

図７には、６つのダンパ１５５を有する本発明のシールストリップ装置１００が斜視図で示されていて、かつこれらダンパ１５５の一部が拡大されて示されている。

本発明を図５、図６、図７につきさらに説明する。シールストリップ装置１００は、シールプレート１１０に取り付けられた複数のダンパ１５０を含む。シールプレート１１０は、第１の遠位端部１１１、第２の遠位端部１１３、左縁部１１５、右縁部１１７を有している。幅は左縁部１１５から右縁部１１７までの距離である。長さは第１の遠位端部１１１から第２の遠位端部１１３までを測定したものである。ストリップの厚さは、前面１１９から背面１２１までの距離である。

穴１５１は、前面１１９の開口部として示されていて、ネック１５３内へと通じている。ネック１５３は、シールプレート１１０の厚さを貫通し、コンテナ１５５内に通じている。穴１５１とネック１５３とコンテナ１５５とがダンパ１５０を形成している。穴１５１はネック１５３と同じ断面積を有することができ、これにより連続した断面直径の１つの通路が形成される。

上述した通り、ダンパ１５０の寸法及び容積は、所望の音響周波数を減衰するように決定される。

選択的な実施態様では、効率向上のため、又は付加的な音響周波数を減衰するために、（図２及びそれに関連する上記記載に示したように）付加的なダンパを、図５〜図７に示したダンパに取り付けることができる。

本発明の共鳴器及び音響ネックはここに図示した形状に限定するものではないことを理解されたい。共鳴器及び音響ネックは上記の仮定と式とを満たす限りは別の形状であって良い。

本発明を、複数の好適な実施態様につき説明したが、当業者は、本発明の主旨を逸脱することなく変更を行ったり、本発明の要素を同等のもので代用することができるのは明らかであろう。さらに、本発明の主旨を逸脱することなく本発明の教示に照らして、複数の改良形により特別な状況や材料に適応させることができる。

従って、本発明は、本発明を実現するために考慮された最良の形式として開示された特別な実施態様に限定されるものではなく、本発明は、請求の範囲に入る全ての実施態様を包含するものである。さらに、第１、第２といった用語の使用はいかなる順序や重要性を示すものではなく、第１、第２といった用語は一方の要素を他方の要素と区別するために用いられている。

本開示の典型的な実施の形態を図面につき説明するが、この場合、全体にわたって同じ参照符号は同じ要素を示すために使用されている。以下の記載では、説明の目的で、幾つかの特定の詳細が、本開示の完全な理解を提供するために説明されている。しかしながら本開示は、これらの特定の詳細なしでも実施されてよく、ここに記載した典型的な実施の形態に限定されるものではない。

１ 共鳴器
２ 音響ネック
３ 空洞
４ 第２の共鳴器
５ 第２の音響ネック
６ 第２の空洞
７ 燃焼室
１０ バーナアッセンブリ
２０ フロントパネル
２１ 上縁部
２３ 下縁部
２５ 左縁部
２９ 右縁部
４０ バーナスロート
５０ 従来のシールストリップ
１００ シールストリップ装置
１１０ シールプレート
１１１ 第１の遠位端部
１１３ 第２の遠位端部
１１５ 左縁部
１１７ 右縁部
１１９ 前面
１２１ 背面
ｗ 幅
ｌ 長さ
ｔ 厚さ
１５０ ダンパ
１５１ 穴
１５３ ネック
１５５ コンテナ

Claims (15)

1. 燃焼室（６０）に面した前面（１１９）と、前記燃焼室（６０）とは反対側を向いた背面とを有したシールプレート（１１０）を備えた、第１のシール面を第２のシール面に対してシールするために形成されたストリップ状シール装置（１００）であって、前記シールプレート（１１０）は、バーナアッセンブリ（１０）の互いに隣接するフロントパネル（２０）間にシールを提供するものであって、
   前記シールプレートの長さに沿って配置された、前記シールプレート（１１０）の厚さを貫通して延在する所定の断面積の１つ又は複数の穴（１５１）と、
   前記シールプレート（１１０）の前記背面（１２１）に取り付けられた、所定の容積を有する１つ又は複数のコンテナ（１５５）と、を有していて、該コンテナ（１５５）は、少なくとも１つの音響ダンパ（１５０）を形成するために、前記１つ又は複数の穴（１５１）と流体を通すように連通されていることを特徴とする、ストリップ状シール装置。
2. 前記シールプレート（１１０）は、第１の遠位端部（１１１）と第２の遠位端部（１１３）との間に延在している、請求項１記載のストリップ状シール装置。
3. 前記シールプレート（１１０）の厚さは、該シールプレート（１１０）の前記前面（１１９）と前記背面（１２１）との間に延在している、請求項１記載のストリップ状シール装置。
4. 前記シールプレート（１１０）の厚さは、２ｍｍ〜８ｍｍ±０．１ｍｍである、請求項１記載のストリップ状シール装置。
5. 前記１つ又は複数の穴（１５１）と前記１つ又は複数のコンテナ（１５５）との組み合わせにより、対応する１つ又は複数のダンパ（１５０）が形成される、請求項１記載のストリップ状シール装置。
6. 前記１つ又は複数の前記ダンパ（１５０）は、１つ又は複数の脈動周波数を減衰するように調整されている、請求項５記載のストリップ状シール装置。
7. 前記１つ又は複数のダンパ（１５０）は、対応する前記１つ又は複数の穴（１５１）及び１つ又は複数のコンテナ（１５５）のサイズ及び容積を変化させることにより調整される、請求項６記載のストリップ状シール装置。
8. ガスタービンの２つの構成部分間にシールを提供するように形成された、請求項１記載のストリップ状シール装置。
9. 音響減衰特性を備えたストリップ状シール装置（１００）を設計する方法であって、該方法は、
   燃焼室（６０）に隣接した前面（１１９）と、前記燃焼室（６０）とは反対側を向いた背面（１２１）とを有した、バーナアッセンブリ（１０）の互いに隣接するフロントパネル（２０）間にシールを提供するシールプレート（１１０）であって、前記前面（１１９）から前記背面（１２１）まで当該シールプレート（１１０）の厚さを貫通して延在する所定の断面積の１つ又は複数の穴（１５１）を有するように形成されたシールプレート（１１０）を提供するステップと、
   所定の容積を有する１つ又は複数のコンテナ（１５５）を、前記１つ又は複数の穴（１５１）が前記１つ又は複数のコンテナ（１５５）と流体を通すように連通され、これにより少なくとも１つの音響ダンパ（１５０）が形成されるように、前記シールプレート（１１０）の前記背面（１２１）に取り付けるステップとを有する、音響減衰特性を備えたストリップ状シール装置（１００）を設計する方法。
10. ガスタービンの２つの構成部分間にシールを提供するために、前記ストリップ状シール装置（１００）を使用するステップをさらに有する、請求項９記載の方法。
11. 減衰させたい操作上の音響周波数を決定するステップをさらに有する、請求項１０記載の方法。
12. 減衰させたい周波数の１つ以上を減衰させるように前記シールストリップ装置（１００）を調整するステップをさらに有する、請求項１１記載の方法。
13. 前記ストリップ状シール装置（１００）を調整するために、前記１つ又は複数の穴（１５１）の横断面直径及び少なくとも１つの前記コンテナ（１５５）の容積を変化させるステップをさらに有する、請求項１２記載の方法。
14. ストリップ状シール装置（１００）を使用して所望の音響周波数を減衰させる、タービン構成部分間のシールを形成する方法であって、
    前面（１１９）と背面（１２１）とを有したシールプレート（１１０）を提供し、
    前記所望の音響周波数を減衰させるヘルムホルツダンパを形成するために、少なくとも１つの断面積と、少なくとも１つのコンテナ容積とを算定するステップと、
    前記前面（１１９）から前記背面（１２１）まで延在する、前記シールプレート（１１０）の厚さを貫通する、算定された断面積を有する１つ又は複数の穴（１５１）を形成するステップと、
    算定された容積を有する前記１つ又は複数のコンテナ（１５５）を、前記シールプレート（１１０）を貫通して成形された前記穴（１５１）が前記コンテナと流体を通すように連結されるように、前記シールプレート（１１０）に取り付けるステップと、
    前記ヘルムホルツダンパを形成する部分を含まない２つのタービン構成部分間に前記シールプレート（１１０）を取り付け、これにより前記構成部分間にシールを形成するステップとを有する、タービン構成部分間のシールを形成する方法。
15. 前記２つのタービン構成部分間に前記シールプレート（１１０）を取り付けるスペースを提供するために、前記タービン構成部分間の既存のシールを取り除くステップと、複数の穴（１５１）と、取り付けられた複数のコンテナ（１５５）とを有する前記シールプレート（１１０）を前記スペース内に取り付け、これにより前記タービン構成部分間にシールを形成するステップとをさらに有する、請求項１４記載のタービン構成部分間にシールを形成する方法。

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