JPH07293885A - 燃焼室内の熱音響振動を減衰するための装置 - Google Patents

燃焼室内の熱音響振動を減衰するための装置

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JPH07293885A
JPH07293885A JP7097282A JP9728295A JPH07293885A JP H07293885 A JPH07293885 A JP H07293885A JP 7097282 A JP7097282 A JP 7097282A JP 9728295 A JP9728295 A JP 9728295A JP H07293885 A JPH07293885 A JP H07293885A
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combustion chamber
connecting pipe
resonator
gas
chamber
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フィシャー メルヒ
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    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/16—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration with devices inside the flame tube or the combustion chamber to influence the air or gas flow
    • F23R3/18—Flame stabilising means, e.g. flame holders for after-burners of jet-propulsion plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 交番する運転条件下でも不変な減衰効率を得
ることのできるようにする。 【構成】 燃焼室（７）、特にガスタービンの燃焼室内
の熱音響振動を減衰するための装置であって、共振室
（２）及び接続管（３）を備えたヘルムホルツ・共振器
（１）が設けられていて、前記接続管（３）を介して共
振室（２）が燃焼室（７）に接続されている形式のもの
において、ヘルムホルツ・共振器（１）が燃焼室振動の
振動数に関連して共振器・振動数を調整するための第１
の手段を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、燃焼技術分野に関す
る。
【０００２】本発明は、燃焼室、特にガスタービンの燃
焼室内の熱音響振動を減衰するための装置であって、共
振室及び接続管を備えたヘルムホルツ・共振器が設けら
れていて、前記接続管を介して共振室が燃焼室に接続さ
れている形式のものに関する。
【０００３】
【従来の技術】このような装置は、例えばヨーロッパ特
許公開第０５７７８６２号明細書から公知である。
【０００４】特にガスタービンにおいて使用されるよう
な燃焼室内では、熱的な外乱と音響的な外乱との間の増
幅する相互作用によって、音響振動が励起される。この
場合、燃焼室の音響固有振動が励起されると、不都合に
大きな振動振幅が生ぜしめられる。
【０００５】これによって不都合には、燃焼室が許容し
得ない程著しく機械的に負荷され、不均質な燃焼により
エミッションが増大し、かつ極端な場合フレームが消え
るようになる。最新の燃焼室の場合にはこのような問題
性が増大している。それというのも、圧力脈動を減衰す
る燃焼室内の冷却空気開口ができるだけ省かれねばなら
ないからである。
【０００６】ガスタービン・燃焼室の場合には（燃焼室
のサイズに応じて）１００乃至２５０Ｈｚの振動数範囲
で高い振幅の狭帯域励起が生ずる。このような励起はい
わゆるヘルムホルツ・共振器によって減衰することがで
き、この場合、ヘルムホルツ・共振器・振動数は正確に
燃焼室振動の振動数に適合されねばならない。
【０００７】ガスタービン用のアフターバーナに関連し
て、上記ヨーロッパ特許公開第０５７７８６２号明細書
では既に、前記目的のためにこのようなヘルムホルツ・
共振器を使用することが提案されている。
【０００８】しかしながら経験により、運転条件（全負
荷／部分負荷、周囲温度、燃料／空気比、ガス又はオイ
ル運転等）に応じて燃焼室・振動数が±２０％までだけ
変化することが、明らかとなった。
【０００９】他面、ヘルムホルツ・共振器内の振動数も
運転条件に関連している。即ち、実験による精査によ
り、脈動振幅が増大した場合にヘルムホルツ・共振器・
振動数が１９％までだけ低い値にずれ込むことが、明ら
かとなった。しかし、両振動数間の僅かな差によるだけ
で減衰効率が著しく減少することは、周知である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、交番
する運転条件下でも不変な減衰効率を得ることのでき
る、ヘルムホルツ・共振器を備えた減衰装置を提供する
ことにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】前記課題は本発明によれ
ば、冒頭に述べた形式の装置において、ヘルムホルツ・
共振器が燃焼室振動の振動数に関連して共振器・振動数
を調整するための第１の手段を備えていることによっ
て、解決された。
【００１２】
【発明の効果】つまり本発明の要旨は、減衰すべき振動
の振動数が変化した場合に共振器・振動数が適当に後調
整されるように、装置を設計することにある。
【００１３】共振器の後調整は種々異なる形式で行なう
ことができる。本発明の装置の有利な構成では、第１の
手段が、接続管内を占めるガスの密度を制御するための
第２の手段を有している。これによって、共振器容積を
（機械的に複雑に）変化させることなしに、簡単な形式
で共振器・振動数を変えることができる。
【００１４】特に簡単に制御を行なうことができるよう
にするために、本発明の別の構成では、第２の手段が、
接続管内を占めるガスの密度を温度変化により制御する
ようになっている。
【００１５】温度制御の第１の有利な構成では、第２の
手段が、共振室内を占めるガスを加熱する電気的な加熱
エレメントを有している。
【００１６】温度制御の第２の有利な構成では、第２の
手段が、接続管内を占めるガスを加熱する電気的な加熱
エレメントを有している。
【００１７】温度制御の第３の有利な構成では、第２の
手段が、共振室内に連通する掃気供給導管を有してい
て、この掃気供給導管により掃気が共振室を介して案内
されるようになっている。（比較的冷たい）掃気によっ
て、振動数差を調整するために、共振室内の温度を燃焼
室に比して目的通り下げることができる。
【００１８】本発明の装置の別の構成では、第２の手段
が、共振室に連通するガス供給導管を有していて、この
ガス供給導管を介して選択的に異なる密度のガスを共振
室内に案内することができる。このようにして共振器・
振動数を、異なる組成の混合気内の平均密度を変化させ
ることによって変えることができる。
【００１９】その他の有利な構成はその他の請求項に記
載されている。
【００２０】
【実施例】本発明の要旨は、簡単な手段で調整可能なヘ
ルムホルツ・共振器を提供することにあり、この共振器
・振動数はあらゆる運転状態で正確に燃焼室・振動数に
調整される。ヘルムホルツ・共振器・振動数は次ぎの一
般化された式によって示される。即ち；
【００２１】
【数１】
【００２２】この場合 ω ＝ヘルムホルツ・共振器・振動数 ｃII ＝共振器内の音響速度 ｓ ＝接続管の横断面積 ｌ ＝接続管の長さ ρIII ＝接続管内の空気密度 Ｖ ＝共振器容積 ρII ＝共振器内の空気密度。
【００２３】ヘルムホルツ・共振器・振動数ωは燃焼室
・振動数に従って種々の形式で離調される。共振器・振
動数を制御可能もしくは調整可能な装置用の第１実施例
は第１図で概略的に図示されている。図示のヘルムホル
ツ・共振器１は共振器壁１３によって取り囲まれた、共
振器容積Ｖを有する共振室２を有している。共振室２は
接続管（長さｌ；横断面積ｓ；第３図参照）３を介して
燃焼室７に接続されていて、この燃焼室自体は燃焼室壁
８によって制限されている。
【００２４】この場合共振器の離調は、調整された（電
気的な）加熱エレメント５を介して共振室２内の温度を
高めることによって行なわれる。前記加熱エレメント５
は直接ガス容積内に設けられるか又は共振器壁１３を介
してガス容積を加熱する。例えば６００°Ｋから６６０
°Ｋに１０％だけ温度を高めることは、空気密度ρIII
を１０％だけ下げることによってひいては（上述の公式
によれば）共振器・振動数を５％だけ高めることによっ
て、行なわれる。
【００２５】この場合、少なくとも共振室２が、熱絶縁
体４を介して熱的に絶縁されると、有利である。更に、
熱いガスが燃焼室７から共振室２内に進入するのを阻止
するために、遮蔽空気９が外部から（例えばガスタービ
ンのプレナム１０から）接続管３内に吹き込まれると、
有利である。これによって、加熱エレメント５の端子６
ａ，６ｂにかけられねばならない所要の加熱出力が最小
限に減少される。
【００２６】温度変化による共振器の離調の第２の可能
性は第２図の実施例で図示されている。この場合燃焼室
７に連通する接続管３内のガスは加熱エレメント１２に
よって加熱されひいてはガス密度は直接接続管３内で下
げられる。加熱エレメント１２は例えば接続管３の周り
に巻かれた加熱巻体であってよい。この場合にも、一次
的に接続管３をかつ二次的に共振室２をそれぞれ熱絶縁
体１１もしくは４によって取り囲むことによって、所要
の加熱出力を最小限に減少させることができる。遮蔽空
気９の供給も第１図の場合のように行なわれる。
【００２７】温度変化による共振器の離調の第３の可能
性は第４図の実施例で図示されている。この場合、制御
弁１９を備えた掃気供給導管２６により、調整された
（冷たい）掃気がヘルムホルツ・共振器１を介して案内
されひいては共振器内の温度に影響を及ぼす。掃気量が
少量の場合、共振室２内の空気は加熱ガス側から（即
ち、燃焼室７から）加熱される。掃気量が多量の場合、
これに相応して共振室２内の空気が冷却される。
【００２８】この実施例でも、ヘルムホルツ・共振器１
が接続管３と共に熱絶縁体４もしくは１１によって取り
囲まれると、有利である。これによって、所望される場
合、共振室２内の空気を高い温度にまで加熱することが
できる。更に、接続管３が管片２０によって僅かばかり
燃焼室７内の突入すると、有利であり、これにより、燃
焼室７に対する共振器の熱的な連結が改善される。これ
によって共振室内の空気の加熱が促進される。
【００２９】共振器の離調の別の可能性は第３図の実施
例で図示されている。この場合振動数は、共振室２内で
高密度のガス（例えばＣＯ2）又は低密度のガス（例え
ばヘリウム）を混合することによって、離調される。こ
の場合にも音響速度は密度変化により変えられるが、密
度変化はガス内の温度に起因するのではなく、種々の密
度のガスの混合比変化に起因する。
【００３０】このために共振室２には、補助ガスを供給
する少なくとも１本のガス供給導管１４が接続されてい
る。ガス供給導管１４にそれぞれ１つの制御弁１７，１
８を備えた２つの分岐部１５，１６が設けられる場合に
は、両方向で共振器・振動数を容易に変えることがで
き、前記制御弁を介して同時に高密度のガス及び低密度
のガスを調整して供給することができる。
【００３１】振動数調整のための調整値としては、燃焼
室７内の圧力振動と共振室２内の圧力振動との間の位相
角（位相差）が最も適している。この場合、 ｆＢＫ＝ｆＲＥのためにφ＝−９０° ｆＢＫ＞ｆＲＥのためにφ＜−９０° ｆＢＫ＜ｆＲＥのためにφ＞−９０° が該当し、この場合、ｆＢＫは燃焼室・振動数、ｆＲＥ
は共振器・振動数、φは位相角を示す。
【００３２】位相角は振動数差に極めて敏感に応答し、
それ故加熱出力もしくは掃気供給又は補助ガス供給のた
めの調整値として最も適している。第１図の実施例の対
応する完全な調整回路は第５図で図示されている。圧力
振動を受け取るために燃焼室７内及び共振室２内の適当
な個所にそれぞれ少なくとも１つの圧力センサ２１ａも
しくは２１ｂが配置されている。
【００３３】圧力センサ２１ａ，２１ｂからの測定信号
は後続の測定変換器２２，２３によって評価されかつ位
相比較器２４の両入力部に供給される。前記位相比較器
２４は位相差から制御信号を取出しかつ後続の制御ユニ
ット２５に引き渡し、この制御ユニット２５は加熱エレ
メント５の加熱出力を制御する出力部分を有している。
これに相応して第２図乃至第４図の実施例では加熱エレ
メント１２もしくは制御弁１７，１８，１９は制御ユニ
ット２５に接続される。
【００３４】全体として本発明によって、交番する運転
条件下でも燃焼室内の熱音響振動を減衰する簡単で確実
に機能する装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】加熱可能な共振室を有する本発明のよる装置の
第１実施例の概略図。
【図２】加熱可能な接続管を有する本発明のよる装置の
第２実施例の概略図。
【図３】異なる密度の補助ガスを供給する装置を有する
本発明のよる装置の第３実施例の概略図。
【図４】掃気を供給する装置を有する本発明のよる装置
の第４実施例の概略図。
【図５】完全な調整回路を有する第１図の装置の概略
図。
【符号の説明】
１ ヘルムホルツ・共振器 ２ 共振室 ３ 接続管 ４，１１ 熱絶縁体 ５，１２ 加熱エレメント ６ａ，６ｂ 端子 ７ 燃焼室 ８ 燃焼室壁 ９ 遮蔽空気 １０ プレナム １３ 共振器壁 １４ ガス供給導管 １５，１６ 分岐部 １７，１８，１９ 制御弁 ２０ 管片 ２１ａ，２１ｂ 圧力センサ ２２，２３ 測定変換器 ２４ 位相比較器 ２５ 制御ユニット ２６ 掃気供給導管

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃焼室(７)、特にガスタービンの燃焼室
    内の熱音響振動を減衰するための装置であって、共振室
    （２）及び接続管（３）を備えたヘルムホルツ・共振器
    (１)が設けられていて、前記接続管（３）を介して共振
    室（２）が燃焼室（７）に接続されている形式のものに
    おいて、ヘルムホルツ・共振器（１）が燃焼室振動の振
    動数に関連して共振器・振動数を調整するための第１の
    手段を備えていることを特徴とする、燃焼室内の熱音響
    振動を減衰するための装置。
  2. 【請求項２】 第１の手段が、接続管（３）内を占める
    ガスの密度を制御するための第２の手段を有している、
    請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 第２の手段が、接続管（３）内を占める
    ガスの密度を温度変化により制御するようになってい
    る、請求項２記載の装置。
  4. 【請求項４】 第２の手段が、共振室（２）内を占める
    ガスを加熱する電気的な加熱エレメント（５）を有して
    いる、請求項３記載の装置。
  5. 【請求項５】 第２の手段が、共振室（２）に連通する
    掃気供給導管（２６）を有していて、この掃気供給導管
    （２６）により掃気が共振室（２）を介して案内される
    ようになっている、請求項３記載の装置。
  6. 【請求項６】 掃気供給を制御するために掃気供給導管
    （２６）内に制御弁（１９）が配置されている、請求項
    ５記載の装置。
  7. 【請求項７】 燃焼室（７）に対する共振室（２）の熱
    的な連結を改善するために、接続管（３）が管片（２
    ０）によって燃焼室（７）内に突入している、請求項５
    及び６記載の装置。
  8. 【請求項８】 第２の手段が、接続管（３）内を占める
    ガスを加熱する電気的な加熱エレメント（１２）を有し
    ている、請求項３記載の装置。
  9. 【請求項９】 共振室（２）及び／又は接続管（３）が
    熱絶縁体（４もしくは１１）によって取り囲まれてい
    る、請求項３から８までのいずれか１項記載の装置。
  10. 【請求項１０】 第２の手段が、共振室(２)内に連通す
    るガス供給導管（１４）を有していて、このガス供給導
    管（１４）を介して選択的に異なる密度のガスが共振室
    （２）内に案内されるようになっている、請求項２記載
    の装置。
  11. 【請求項１１】 熱いガスが燃焼室（７）から共振室
    （２）内に進入するのを阻止するために、遮蔽空気
    （９）が外部から接続管（３）内に吹き込まれるように
    なっている、請求項４及び８記載の装置。
  12. 【請求項１２】 第１の手段が、接続管（３）内を占め
    るガスの密度を燃焼室振動と共振器振動との間の位相差
    に従って制御する調整回路を有している、請求項２記載
    の装置。
  13. 【請求項１３】 調整回路が、燃焼室（７）及び共振室
    （２）内に設けられたそれぞれ少なくとも１つの圧力セ
    ンサ（２６ａ，２６ｂ）と、後続の測定変換器（２２，
    ２３）と、位相比較器（２４）と、制御ユニット（２
    ５）とを有している、請求項１２記載の装置。
JP7097282A 1994-04-23 1995-04-21 燃焼室内の熱音響振動を減衰するための装置 Pending JPH07293885A (ja)

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DE4414232A DE4414232A1 (de) 1994-04-23 1994-04-23 Vorrichtung zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen in einer Brennkammer
DE4414232.3 1994-04-23

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