JP6522747B2 - 高周波数燃焼ダイナミックスのもとで振動モードを減衰するための燃焼器及び方法 - Google Patents

Description

背景
１．技術分野
開示された実施形態は、一般に、ガスタービンエンジンなどのタービンエンジンで使用することができる燃焼器及び方法に関し、より詳細には、高周波数燃焼ダイナミックスのもとで生じ得る振動モードを減衰するように構成されたバーナ管を含む燃焼器及び方法に関する。

２．従来技術の説明
ガスタービンエンジンなどのタービンエンジンは、例えば、圧縮機セクションと、燃焼器セクションと、タービンセクションとを有する。吸気は圧縮機セクションで圧縮され、次いで燃料と混合される。混合物は燃焼器セクションで燃焼され、高温及び高圧の作動ガスが発生され、この作動ガスはタービンセクションへと方向付けられ、タービンセクションでは熱エネルギが機械エネルギに変換される。

混合物の燃焼中は、燃料・空気化学量、総質量流量、及びその他の運転条件に依存する通常の運転条件の結果として、比較的高周波数の熱音響振動が燃焼器内で生じる可能性がある。これらの熱音響振動により、燃焼器内で許容できないほど高レベルの圧力振動が生じる恐れがあり、その結果、燃焼器のハードウェアに機械的かつ／又は熱的疲労を生じさせる恐れがある。

このような熱音響振動を緩和する１つの公知の技術は、ヘルムホルツ型共鳴器の使用を含む。例えば、米国特許第７０８０５１４号明細書参照。このような熱音響振動を確実かつ低コストで効果的に緩和するさらなる技術が求められている。

開示された燃焼器の非限定的な実施形態を示す正面図であって、この燃焼器は特定のバーナ管を含んでおり、これら特定のバーナ管は、その他の管のボディとは異なる構造的特徴を有するボディを有するように構成されており、燃焼器で生じ得る振動モードを効果的に減衰する構造的非対称性を導入するように選択的にグループ化されている。 図１に示した管の配置によって効果的に減衰することのできる１Ｒ振動モードを示す圧力振動の非限定的な例の図である。 様々な軸方向長さを有するボディを有する管を備えた開示された燃焼器の非限定的な１つの実施形態を示す側面図である。 異なる構造的特徴を有するように構成された管を示す開示された燃焼器の正面図であって、この異なる構造的特徴は、別の非限定的な実施形態において、図５に示す圧力振動の非限定的な例の図に示されるような１Ｔ振動モードを減衰するように選択的にグループ化することができる。 圧力振動の非限定的な例の図に示された１Ｔ振動モードを示す図である。 異なる構造的特徴を有するように構成された管を示す開示された燃焼器の正面図であって、この異なる構造的特徴は、さらに別の非限定的な実施形態において、図７に示す圧力振動の非限定的な例の図に示されるような２Ｔ振動モードを減衰するように選択的にグループ化することができる。 圧力振動の非限定的な例の図に示された２Ｔ振動モードを示す図である。 熱音響振動のコヒーレント相互作用を減じ、従って、燃焼器内の振動モードを効果的に減衰する特定の管に構成することができる、異なる構造的特徴の別の非限定的な実施形態を示す断面図である。 熱音響振動のコヒーレント相互作用を減じ、従って、燃焼器内の振動モードを効果的に減衰する特定の管に構成することができる、異なる構造的特徴の別の非限定的な実施形態を示す断面図である。 熱音響振動のコヒーレント相互作用を減じ、従って、燃焼器内の振動モードを効果的に減衰する特定の管に構成することができる、異なる構造的特徴の別の非限定的な実施形態を示す断面図である。

詳細な説明
本発明の発明者らは、ガスタービンエンジンで使用することができるような従来技術のいくつかの燃焼器内で生じ得る特定の問題点を認識している。音響定在波が半径方向、周方向、又は半径方向と周方向の両方に沿って伝播することができる、例えば横断音響モードのような、様々な音響振動モードのいずれかを有する可能性がある高周波数燃焼ダイナミックスは、エンジンの動作範囲を限定する恐れがある。ほぼ対称的な構造を含む従来技術の燃焼器では、これらの振動モードのレベルは、音響圧力振動と熱放出振動（即ち、熱音響振動）のコヒーレント相互作用により悪化する恐れがあり、その結果、燃焼器のエミッション性能が劣化し、さらには、燃焼器のハードウェアの耐用期間が短縮する恐れがある。このような認識のもと、本発明は、燃焼器内で生じる可能性のある振動モードを確実かつ低コストで減衰するように構成されたバーナ管（以後、単に管と呼ぶ）を含む、改善された燃焼器と方法とを提供する。管内に配置された構造的な非対称性は、このような熱音響振動のコヒーレント相互作用を減じるのに効果的であり、従って、燃焼器内の高周波数燃焼ダイナミックスのもとで生じる恐れのある振動モードを減衰するのに効果的である。

以下の詳細な説明では、このような実施の形態の十分な理解を提供するために、様々な特定の詳細が示される。しかしながら、当業者は、本発明の複数の実施の形態が、これらの特定の詳細なしに実施され得ること、本発明が、例示された実施の形態に限定されないこと、及び本発明が様々な代替的な実施の形態において実施され得ることを理解するであろう。他の例においては、当業者によって十分に理解されるであろう方法、手順及び構成部材は、不要で煩わしい説明を避けるため、詳細に説明されていない。

さらに、本発明の実施の形態を理解するために役立つ形式で行われる複数の個別のステップとして、様々な操作が説明されるかもしれない。しかしながら、説明の順序は、これらの操作が、説明された順序で行われる必要があること、又はそのように記載されていない限り順序に依存していることを示唆するものとして解釈されるべきではない。さらに、「１つの実施形態では」の文言の反復した使用は、必ずしも、同一の実施形態を示すものではないが、そうであり得る。開示された実施形態は、所与の適用の必要性に応じて、当業者が適切に組み合わせることができるので、互いに排他的な実施形態として解釈される必要はないことに留意されたい。

本願において使用されている「含む」、「備える」、「有する」などの表現は、そうでないことが示されない限り、同義であることが意図されている。最後に、本明細書で使用されるように、「ように構成される」又は「ように配置される」という表現は、「ように構成される」又は「ように配置される」という表現に先行する特徴が意図的かつ具体的に設計されるか、または特定の方法で作用または機能するように意図されているという概念を含み、そのように指定されていない限り、その特徴が、指定された方法で作用または機能するための可能性または適合性だけを有することを意味すると解釈されるべきではない。

図１は、ガスタービンエンジンのようなタービンエンジン（概略的にブロック１２によって示されている）で使用することができる、開示された燃焼器１０の非限定的な１つの実施形態を示す正面図である。燃焼器１０は、支持体１４と複数の管１６とを含み、この複数の管１６は、例えば中心に配置されたパイロットバーナ１８のまわりに支持体内で環状に配置することができる。非限定的な１つの実施形態では、燃焼器１０は、希薄酸素燃焼（ＤＯＣ）形式の燃焼器を有していてよい。

本発明の実施形態によれば、複数の管のうち一部の管（文字Ｘで示されている）は、その他の管（文字で示されていない）の各ボディとは異なる構造的特徴を有しているボディを有する。このような異なる構造的特徴を有する管は、図２に示す圧力振動の図に代表されるような１Ｒ振動モードのような（ただしこれに限定されることのない）燃焼器内の所定の振動モードを効果的に減衰するために、このような管から成る１つ以上のセットを形成するように、支持体内で選択的にグループ化することができる。

非限定的な１つの実施形態では、管の環状の配置は、複数の管から成る少なくとも２つの同心的な環を有していてよく、異なる構造特徴を有する管のセットは、図１に示したように、複数の管から成る少なくとも２つの同心的な環のうち半径方向で最も内側の環内でグループ化されたセットであってよい。

図３でわかるように、非限定的な１つの実施形態では、構造的非対称性を導入するように構成された異なる構造的特徴は、複数の管１６が異なる軸方向の長さのボディを有するように、軸方向のボディ延長部２０を有することができる。例えば、管は、ほぼ同じ軸方向長さを有するように構成することができ、この場合は、ボディ延長部２０は、管のいくつかに実質的に固定することができる（例えば、溶接、ねじ接続等）。代替的に、管を、異なる軸方向長さを有する多数のものとして製造することもでき、従ってこの代替的な実施形態では、ボディ延長部２０は必要ない。構造的特徴のその他の形式のものも、このような構造的非対称性を提供するために管に配置できることがわかる。

非限定的に、図８〜図１０にはそれぞれ、異なる構造的特徴を有する別の非限定的な実施形態が断面図で示されており、この異なる構造的特徴は、このような熱音響振動のコヒーレンスを減じるように一部の管に構成されていてよい。非限定的な１つの実施形態では、複数の管の各ボディが、図８に示すように管状のボディを有していてよく、管１６のいくつかは、管状のボディの長手方向軸線２４に対して傾斜している横断面領域を画定する排出端部２２を有していてよい。非限定的な別の実施形態では、図９に示すように、管１６のいくつかは複数の波状部２６を有していてよく、これらの波状部２６は、このような管の各排出端部２２に構成されてよい。非限定的なさらに別の実施形態では、図１０に示すように、管１６のいくつかは複数のキャスタレーション２８を有していてよく、これらのキャスタレーション２８は、このような管の各排出端部２２に構成されてよい。本発明は、構造的非対称性を導入する任意の形式の構造的特徴に限定されるものではないので、一部の管に構成することができる異なる構造的特徴の上記例は、限定的なものとしてではなく、例として解釈すべきであることが理解される。

図４及び図６によりわかるように、異なる構造的特徴（文字Ｘで示されている）を有する管は、複数の管から成る２つの同心的な環において、（例えば対称的に分布した）区分３２にわたって選択的にグループ化された管のセット３０をそれぞれ含んでよい。図４に示す非限定的な１つの実施形態では、約１２０°の角度ぶん離れた等距離を置いた３つの区分３２に配置された３つの各セット３０があることがわかるだろう。このような非限定的な実施形態では、セット３０は、図５に示す圧力振動の図に代表されるような１Ｔ振動モードを減衰するのに効果的である。

非限定的な別の実施形態として、図６には、約１８０°の角度ぶん離れた等距離を空けた２つの区分３２に配置された２つの各セット３０が示されている。このような非限定的な別の実施形態では、セット３０は、図７に示す圧力振動の図に代表されるような２Ｔ振動モードを減衰するのに効果的である。本発明の実施形態は、図２、図５、図７に示した特定の振動モードのみを減衰することに限定されるわけではないことがわかるだろう。大まかに言って、所与の使用例の必要性に応じて、管のセットは選択的に、その妥当な固有ベクトルによって規定され得るような任意の振動モードを減衰するように、又は高周波数燃焼ダイナミックスのもとで生じ得る振動モード相互作用（例えば内部モード連結）を減じるように配置することができる。

本開示の実施の形態を実施例として開示したが、当業者には、本発明の思想と範囲及び以下の請求の範囲に記載のものと同等なものから逸脱することなく、様々な改良、追加、削除を行い得ることが明らかであろう。

Claims (14)

1. 燃焼器であって、
   バーナ支持体（１４）と、
   該バーナ支持体に配置された複数のバーナ管（１６）と、を備え、前記複数のバーナ管のうち一部のバーナ管は、その他のバーナ管の各ボディとは異なる構造的特徴を有するボディをそれぞれ有しており、さらに、前記一部のバーナ管は、前記燃焼器内の所定の振動モードを生じさせない前記一部のバーナ管から成る少なくとも１つのセットを形成するように、前記バーナ支持体内で選択的にグループ化されており、
   前記複数のバーナ管は、複数のバーナ管から成る少なくとも２つの同心的な環を有する環状の配置として前記バーナ支持体に配置されており、
   前記一部のバーナ管から成る前記少なくとも１つのセットは、複数のバーナ管から成る前記少なくとも２つの同心的な環内の複数の区分にわたってグループ化されたセットを含み、
   前記セットのそれぞれは、約１８０°の角度分離れた２つの区分に配置されている、
   燃焼器。
2. 前記一部のバーナ管における前記異なる構造的特徴は、前記その他のバーナ管の各ボディの軸方向長さとは異なる軸方向長さのボディを含む、請求項１記載の燃焼器。
3. 前記一部のバーナ管における前記異なる構造的特徴は、前記複数のバーナ管が異なる軸方向長さのボディを有するようにした軸方向のボディ延長部（２０）を含む、請求項１記載の燃焼器。
4. 前記一部のバーナ管における前記異なる構造的特徴は、前記一部のバーナ管の各排出端部に形成された複数の波状部又はキャスタレーションを含む、請求項１記載の燃焼器。
5. 前記複数のバーナ管の各ボディは管状のボディを含み、前記一部のバーナ管における前記異なる特徴は、前記管状のボディの長手方向軸線に対して傾斜している横断面領域を画定する排出端部を含む、請求項１記載の燃焼器。
6. 前記燃焼器は希薄酸素燃焼器である、請求項１記載の燃焼器。
7. 請求項１から６までのいずれか１項記載の燃焼器を有するガスタービンエンジン。
8. 燃焼器にバーナ支持体を設けるステップと、
   前記バーナ支持体に、複数のバーナ管から成る少なくとも２つの同心的な環を有する環状の配置として、複数のバーナ管を配置するステップと、
   前記複数のバーナ管のうち一部のバーナ管のボディに、その他のバーナ管の各ボディとは異なる構造的特徴を配置するステップと、
   前記一部のバーナ管を前記バーナ支持体内で選択的にグループ化するステップであって、該ステップは、前記燃焼器内の所定の振動モードを生じさせない前記一部のバーナ管から成る少なくとも１つのセットを形成する、ステップと、
   を含む、方法であって、
   前記一部のバーナ管から成る前記少なくとも１つのセットは、複数のバーナ管から成る前記少なくとも２つの同心的な環内の複数の区分にわたってグループ化されたセットを含み、
   前記セットのそれぞれは、約１８０°の角度分離れた２つの区分に配置されている、
   方法。
9. 前記一部のバーナ管のボディに配置される構造的特徴は、前記燃焼器に形成される熱音響振動のコヒーレンスを減じるように構成されている、請求項８記載の方法。
10. 前記所定の振動モードは、周方向圧力振動と、半径方向圧力振動と、周方向圧力振動及び半径方向圧力振動の組み合わせとから成るグループから選択された圧力振動を含む、請求項８記載の方法。
11. 前記一部のバーナ管のボディに前記異なる構造的特徴を配置するステップは、前記複数のバーナ管が異なる軸方向長さのボディを有するように、前記複数のバーナ管の軸方向端部に軸方向のボディ延長部を固定するステップを含む、請求項８記載の方法。
12. 前記一部のバーナ管のボディに前記異なる構造的特徴を配置するステップは、前記複数のバーナ管を異なる軸方向長さのボディを有するように構成するステップを含む、請求項８記載の方法。
13. 前記一部のバーナ管のボディに前記異なる構造的特徴を配置するステップは、前記一部のバーナ管の各排出端部に複数の波状部又はキャスタレーションを構成するステップを含む、請求項８記載の方法。
14. 前記複数のバーナ管の各ボディは管状のボディを含み、前記一部のバーナ管における前記異なる特徴は、前記管状のボディの長手方向軸線に対して傾斜している横断面領域を画定する排出端部を含む、請求項８記載の方法。

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