JP6756897B2 - 共振器リングを備えるガスタービンエンジン - Google Patents

Description

開示された実施の形態は、一般にガスタービンエンジンに関し、より詳細にはガスタービンエンジンにおいて使用される共振器に関する。

ガスタービンエンジンは、一般的に、圧縮機セクションと、複数の燃焼器を有する燃焼セクションと、タービンセクションとを有する。周囲空気は、圧縮機セクションにおいて圧縮され、燃焼セクションにおける燃焼器へ搬送される。燃焼器は、圧縮された空気を燃料と組み合せ、混合物に点火し、燃焼生成物を生じる。燃焼生成物は、乱流形式で、高速で流れる。燃焼生成物は、移行ダクトを介してタービンセクションへ送られる。タービンセクション内には、ベーンアセンブリの複数の列が設けられている。回転ブレードアセンブリはタービンロータに結合されている。燃焼生成物がタービンセクションを通って膨張するとき、燃焼生成物は、ブレードアセンブリおよびタービンロータを回転させる。タービンロータは、発電機に連結され、電気を発生させるために使用されてもよい。

ガスタービンエンジンの作動中、ガスタービンエンジンの構造に影響する恐れがある強い力が生じる。最適な作動を提供し続けるためにこれらの力に対処することが、ガスタービンエンジンの継続的な作動のためには重要である。

簡潔に述べると、本開示の態様は共振器に関する。

本開示の１つの態様は、燃焼器バスケット内に配置された燃焼器を有するガスタービンエンジンであってもよい。ガスタービンエンジンは、燃焼器バスケットに接続された共振器リングを有していてもよい。共振器リングは、第１のリングおよび第２のリングを有し、第１のリングは第２のリングの上流に配置されている。第１のリングは、周方向に延びる第１の周壁および第２の周壁を有し、第１の周壁および第２の周壁の間には、第１の底部および第１の上部が配置されており、第１の底部は、第１の複数の孔を有し、第１の上部は、第２の複数の孔を有する。第１の周壁と第２の周壁との間には、第１の複数のバッフルが配置されており、第１の複数のバッフルはそれぞれ、第１の周壁および第２の周壁に対して直交方向に延びている。第２のリングは、周方向に延びる第２の周壁および第３の周壁を有し、第２の周壁と第３の周壁との間には、第２の底部および第２の上部が配置されており、第２の底部は、第３の複数の孔を有し、第２の上部は、第４の複数の孔を有する。さらに、第２の周壁と第３の周壁との間には、第２の複数のバッフルが配置されており、第２の複数のバッフルはそれぞれ、第２の周壁および第３の周壁に対して直交方向に延びている。

本開示の別の態様は、第１のリングおよび第２のリングを有する燃焼器バスケットに接続可能な共振器リングであってもよく、第１のリングは、第２のリングの上流に配置されている。第１のリングは、周方向に延びる第１の周壁および第２の周壁を有し、第１の周壁および第２の周壁の間には、第１の底部および第１の上部が配置されており、第１の底部は、第１の複数の孔を有し、第１の上部は、第２の複数の孔を有する。第１の周壁と第２の周壁との間には、第１の複数のバッフルが配置されており、第１の複数のバッフルはそれぞれ、第１の周壁および第２の周壁に対して直交方向に延びている。第２のリングは、周方向に延びる第２の周壁および第３の周壁を有し、第２の周壁と第３の周壁との間には、第２の底部および第２の上部が配置されており、第２の底部は、第３の複数の孔を有し、第２の上部は、第４の複数の孔を有する。さらに、第２の周壁と第３の周壁との間には、第２の複数のバッフルが配置されており、第２の複数のバッフルはそれぞれ、第２の周壁および第３の周壁に対して直交方向に延びている。

共振器リングを有するガスタービンエンジンの図を示している。 共振器リングを備える燃焼器バスケットの図を示している。 上部を備えない共振器リングの図である。 上部を備える共振器リングの図である。 バッフルの据付けを示す共振器リングの内部の概略図である。 ラビリンスロックを示す共振器リングの内部の概略図である。

本願発明者らは、ガスタービンエンジンにおいて使用される少なくとも幾つかの既存の共振器に影響する複数の欠点を認識した。これらの欠点は、ガスタービンエンジンの作動信頼性を低下させつつ、複雑さおよびコストを付加する傾向がある。例えば、これらの既存の共振器は、比較的高い製造コストおよび比較的短い耐用寿命を伴う傾向がある。例えば、ガスタービンエンジンは、所望の音響減衰を達成するために複数のこのような共振器または共振器ボックスを有することができる。これらの共振器ボックスは、据え付けかつ適切な構造的一体性を達成するために、広範囲の機械加工、複数の溶接箇所および困難な溶接位置を必要とすることがある。さらに、共振器ボックスの間のスペースに冷却を提供するために、複雑な形状が要求されることがあり、ひいては、ガスタービンエンジンの設計を複雑にする。

このような認識に鑑みて、本願発明者らは、上記の欠点を回避または少なくとも低減することが期待される革新的な共振器リング構造を提案する。制限なく、共振器リングの開示された実施の形態は、２つ以上のリングを備えて形成されてもよく、改良された共振器ボックスを形成するためにバッフルを使用してもよい。本明細書に開示された共振器リングにおいて、共振器ボックスは、バッフルによって形成された壁部を共有する。壁部の共有は、冷却のための複雑な特徴を使用する必要性を排除し、これにより、設計の複雑さを軽減する。さらに、共振器ボックスの困難な機械加工および溶接が減り、これにより、全体的な製造コストを削減する。加えて、共振器リングの使用は、共振器リングおよび共振器ボックスの改良された冷却を可能にし、これにより、構成部材の寿命を改善し、部品の交換を減らす。

本明細書に開示されかつ上記のものに限定されない特徴によって、追加の利点が達成され得ることが理解されるべきである。

本開示の実施の形態、原理および特徴の理解を促進するために、これらは、以下で例示的な実施の形態における実行に関して説明される。しかしながら、本開示の実施の形態は、記載されたシステムまたは方法における使用に限定されない。

様々な実施の形態を構成するものとして以下で説明される構成部材および材料は、例示的であり、限定的でないことが意図されている。本明細書において説明された材料と同じまたは類似の機能を果たす多くの適切な構成部材および材料が、本開示の実施の形態の範囲内に包含されることが意図されている。

図１は、ガスタービンエンジン５の図を示している。燃焼器６は燃焼器バスケット７内に配置されている。図２は、燃焼器バスケット７および共振器リング１０の拡大図を示している。燃焼器６は、燃焼生成物を生じる。燃焼生成物は、燃焼器バスケット７および共振器リング１０を通って、移行システム内へ下流に搬送される。そこから、燃焼生成物は下流にタービンセクションへ流れ、電気を発生させるために使用されてもよい。

共振器リング１０は、ガスタービンエンジン５の作動中に燃焼器６によって発生する様々な音響周波数を制御することができる。さらに、本明細書に記載された共振器リング１０は、容易に製造することができ、さらに、共振器リング１０において生じる冷却を改善する。

図３は、共振器リング１０の内部を示す共振器リング１０の図である。共振器リング１０は、第１のリング３０および第２のリング３１を有する。第２のリング３１は、燃焼器６から見て下流に配置されている。この実施の形態は第１のリング３０および第２のリング３１を示しているが、より多いかまたはより少ないリングが使用されてもよいことが理解されるべきである。使用されるリングの数は、特定のガスタービンエンジンのために必要なサイズ、形状および複雑さに応じて、本明細書に示された概念に従って決定されてよい。

第１のリング３０は、燃焼器６および燃焼器バスケット７の軸線の周りに周方向に延びる第１の周壁１２および第２の周壁１４によって形成されている。第２のリング３１は、燃焼器６および燃焼器バスケット７の軸線の周りに周方向に延びる第２の周壁１４および第３の周壁１６によって形成されている。第１のリング３０および第２のリング３１は、共振器リング１０を形成するために１つの一体的な部品において一緒に形成されてもよい。しかしながら、第１のリング３０および第２のリング３１は、溶接、ろう接または当業者によって理解されるその他の方法で接合される別個の部品によって形成されてもよいことが理解されるべきである。

第１のリング３０は、第１の周壁１２および第２の周壁１４によって境界を定められた第１の底部１１を有する。第１の底部１１は、軸線の周りに周方向に延びている。第２のリング３１は、第２の周壁１４および第３の周壁１６によって境界を定められた第２の底部１３を有する。第２の底部１３もまた、軸線の周りに周方向に延びている。

図４を参照すると、組立て中、第１の上部２６は、第１の底部１１と、第１の周壁１２と、第２の周壁１４とによって形成されたスペース上に配置される。加えて、第２の上部２７は、第２の底部１３と、第２の周壁１４と、第３の周壁１６とによって形成されたスペース上に配置される。第１の上部２６および第２の上部２７は、１つの部品から形成されてもよいまたは別個の構成部材から形成されてもよい。

再び図３を参照すると、複数の第１のバッフル２０が第１のリング３０内に配置されている。複数の第２のバッフル２２は第２のリング３２内に配置されている。第１のバッフル２０は、第１の周壁１２と第２の周壁１４との間に直交方向に延びている。第２のバッフル２２は、第２の周壁１４と第３の周壁１６との間に直交方向に延びている。第１のバッフル２０および第２のバッフル２２は直交方向に延びるように示されているが、第１のバッフル２０および第２のバッフル２２は、第１の周壁１２と、第２の周壁１４と、第３の周壁１６との間でその他の角度および方向で延びていてもよい。第１のバッフル２０および第２のバッフル２２の据付けならびに第１の上部２６および第２の上部２７の取付けにより、第１のリング３０および第２のリング３１において、第１の共振器ボックス２４および第２の共振器ボックス２５が形成される。

図３に示した実施の形態では、第１のリング３０は、第２のリング３１に形成された第２の共振器ボックス２５の数と異なる数の第１の共振器ボックス２４を有する。さらに、第１の共振器ボックス２４の全体サイズおよび容積は、第２の共振器ボックス２５と異なる。これにより、第１のリング３０における第１の共振器ボックス２４は、第２のリング３１における第２の共振器ボックス２５と異なる音響周波数を処理することができる。

図示された共振器リング１０では、第１のバッフル２０は、第２のバッフル２２の長さＬ２よりも小さい長さＬ１を有している。その結果、第１の共振器ボックス２４の幅Ｗ１は、第２の共振器ボックス２５の幅Ｗ２よりも小さい。図示したように、第１のバッフル２０の高さＨ１は、第２のバッフル２２の高さＨ２と同じである。しかしながら、第１のバッフル２０および第２のバッフル２２の高さは異なっていてもよく、これにより、潜在的に異なる容積を形成することが理解されるべきである。

２つの隣接する第１のバッフル２０の間の距離Ｄ１は、２つの隣接する第２のバッフル２２の間の距離Ｄ２よりも大きい。つまり、共振器ボックス２４は、図３においてより低く見える共振器ボックス２５よりも薄く見える。さらに、隣接する第１のバッフル２０の間に形成された面積は、隣接する第２のバッフル２２の間に形成された面積よりも小さい。加えて、隣接する第１のバッフル２０の間に形成された容積は、隣接する第２のバッフル２２の間に形成された容積よりも小さい。

第１のリング３０の一部として形成された共振器ボックス２４の寸法は、第２のリング３１の一部として形成された共振器ボックス２５の寸法と異なるが、この寸法を形成する様々な要素は、複数の異なる結果を達成するために変更することができ、これは、全体的な寸法が同じであるかまたは寸法のうちの幾つかが同じである、例えば２つの隣接する第１のバッフル２０の間の距離が、２つの隣接する第２のバッフル２２の間の距離と同じであるが、第１のバッフル２０の長さが第２のバッフル２２の長さと異なることを含むと理解されるべきである。寸法の変化の結果、第１のリング３０および第２のリング３１によって打ち消される音響周波数は異なる。

ここで図３および図４の双方を参照すると、複数の孔１７が第１の底部１１に形成されており、複数の孔２８が第１の上部２６に形成されている。２つの隣接する第１のバッフル２０によって規定されたスペースの間に形成された複数の孔１７および複数の孔２８の分布は、異なっていてもよい。すなわち、複数の孔１７の数、間隔またはサイズは、複数の孔２８の数、間隔またはサイズと異なっていてもよい。しかしながら、それらは同じであってもよいことが理解されるべきである。

第２の底部１３に形成された複数の孔１９と、第２の上部２７に形成された複数の孔２９とは、複数の孔１７および複数の孔２８と異なる分布を有することができる。また、２つの隣接する第１のバッフル２２によって規定されたスペースの間に形成された複数の孔１９および複数の孔２９の分布は、異なっていてもよい。すなわち、複数の孔１９の数、間隔またはサイズは、複数の孔２９の数、間隔またはサイズと異なっていてもよい。しかしながら、それらは同じであってもよいことが理解されるべきである。

図５は、バッフル２０の据付けを示す共振器リング１０の内部の概略図である。図４に示したバッフル２０の据付けは、バッフル２２の据付けにも適用可能である。ここでは、第１の周壁１２および第２の周壁１４に配置されたスロット３３にバッフル２０がどのように挿入されているかが示されている。同様に、類似のスロット３３が、第３の周壁１６内に見られる。スロット３３は、バッフル２０の底部が第１の底部１１に溶接される必要なく、バッフルの据付けおよびそれぞれの壁部への溶接を可能にする。しかしながら、バッフル２０を第１の底部１１に溶接することもできることが理解されるべきである。これは、第１のリング３０において周方向に伝播する音響波のより良い妨害を可能にする。第２のリング３１における類似の構成も、同じことを達成する。代替的な実施の形態では、スロット３３に挿入される代わりに、バッフル２０は、図６に示したように、ラビリンスロック４４を使用することによって所定の位置に保持されてもよい。ラビリンスロック４４は、第１の底部１１および第２の底部１３に配置されてもよい。

バッフル２０およびバッフル２２の使用は、ガスタービンエンジン５における共振器のより容易な配置を可能にする。バッフル２０およびバッフル２２は、他のタイプの共振器を使用するときに必要とされることがある溶接の量も減らす。加えて、バッフル２０およびバッフル２２は、共振器を構成するために必要とされる材料の量も減らす。第１のリング３０および第２のリング３１は、異なる周波数に対応するように調節することもできる。

本開示の実施の形態について例示的な形式で開示してきたが、以下の請求項に示されるように、本発明およびその均等物の思想および範囲から逸脱することなく、本開示の実施の形態において多くの変更、付加および削除をなすことができることは当業者に明らかになるであろう。

Claims (10)

1. ガスタービンエンジンであって、
   燃焼器バスケット（７）内に配置された燃焼器（６）と、
   前記燃焼器バスケット（７）に接続された共振器リング（１０）と、を備え、該共振器リング（１０）は、第１のリング（３０）および第２のリング（３１）を有し、前記第１のリング（３０）は前記第２のリング（３１）の上流に配置されており、
   前記第１のリング（３０）は、周方向に延びる第１の周壁（１２）および第２の周壁（１４）を有し、前記第１の周壁（１２）と前記第２の周壁（１４）との間に、第１の底部（１１）および第１の上部（２６）が配置されており、前記第１の底部（１１）は第１の複数の孔（１７）を有し、前記第１の上部（２６）は第２の複数の孔（２８）を有し、
   さらに、前記第１の周壁（１２）と前記第２の周壁（１４）との間に第１の複数のバッフル（２０）が配置されており、該第１の複数のバッフル（２０）のそれぞれは、前記第１の周壁（１２）および前記第２の周壁（１４）に対して直交方向に延びており、
   前記第２のリング（３１）は、周方向に延びる前記第２の周壁（１４）および第３の周壁（１６）を有し、前記第２の周壁（１４）と前記第３の周壁（１６）との間に、第２の底部（１３）および第２の上部（２７）が配置されており、前記第２の底部（１３）は第３の複数の孔（１９）を有し、前記第２の上部（２７）は第４の複数の孔（２９）を有し、
   さらに、前記第２の周壁（１４）と前記第３の周壁（１６）との間に第２の複数のバッフル（２２）が配置されており、該第２の複数のバッフル（２２）のそれぞれは、前記第２の周壁（１４）および前記第３の周壁（１６）に対して直交方向に延びており、
   前記第１の複数のバッフル（２０）、前記第１の上部（２６）、前記第１の底部（１１）、前記第１の周壁（１２）および前記第２の周壁（１４）により複数の第１の共振器ボックス（２４）が形成され、前記第２の複数のバッフル（２２）、前記第２の上部（２７）、前記第２の底部（１３）、前記第２の周壁（１４）および前記第３の周壁（１６）により複数の第２の共振器ボックス（２５）が形成され、前記第１の共振器ボックス（２４）および前記第２の共振器ボックス（２５）の上部および底部のそれぞれは、複数の孔を有する、
   ガスタービンエンジン。
2. 前記第１の複数のバッフル（２０）の各バッフル（２０）の長さは、前記第２の複数のバッフル（２２）のそれぞれの長さと異なる、請求項１記載のガスタービンエンジン。
3. 前記第１の複数のバッフル（２０）の隣接するバッフル（２０）の間の距離は、前記第２の複数のバッフル（２２）の隣接するバッフル（２０）の間の距離よりも大きい、請求項１または２記載のガスタービンエンジン。
4. 前記第１の複数のバッフル（２０）におけるバッフル（２０）の総数は、前記第２の複数のバッフル（２２）におけるバッフルの総数と異なる、請求項１から３までのいずれか１項記載のガスタービンエンジン。
5. 前記第１の複数のバッフル（２０）からの２つの隣接するバッフル（２０）の間に配置された前記第１の複数の孔（１７）からの孔の分布は、前記第２の複数のバッフル（２２）からの２つの隣接するバッフル（２０）の間に配置された前記第３の複数の孔（１９）からの孔（２０）の分布と異なる、請求項１から４までのいずれか１項記載のガスタービンエンジン。
6. 前記第１の上部（２６）は、複数の上部セクションから形成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のガスタービンエンジン。
7. 前記第１の複数のバッフル（２０）の隣接するバッフル（２０）の間の前記第１の底部（１１）の面積は、前記第２の複数のバッフル（２２）の隣接するバッフル（２０）の間の前記第２の底部（１３）の面積と異なる、請求項１から６までのいずれか１項記載のガスタービンエンジン。
8. 前記第１の複数のバッフル（２０）の隣接するバッフル（２０）の間に形成された容積は、前記第２の複数のバッフル（２２）の隣接するバッフル（２０）の間に形成された容積と異なる、請求項１から７までのいずれか１項記載のガスタービンエンジン。
9. 前記第１の複数の孔（１７）における各孔の直径は、前記第２の複数の孔（２８）における各孔の直径と異なる、請求項１から８までのいずれか１項記載のガスタービンエンジン。
10. 前記第１の複数のバッフル（２０）はそれぞれ、ラビリンスシール（４４）によって固定されている、請求項１から９までのいずれか１項記載のガスタービンエンジン。

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