JPS60200022A - ガスタ−ビンの燃焼器の共振防止装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、ガスタービンの燃焼器の共振防止装置に係シ
、特に燃焼器の固有振動と燃焼振動との共振による燃焼
器およびその支持部の損傷を未然に防止するために好適
なガスタービンの燃焼器の共振防止装置に関する。

〔発明の背景〕

ガスタービン燃焼器は、一般に円筒形状となっており、
その内部で燃料が燃焼する際、気柱との共鳴によシ燃焼
振動が発生する。この燃焼振動は、振動レベルの大小は
あるものの、燃焼という現象が生じている限りにおいて
は、必ず生じる。この燃焼振動は、ある特有の振動周波
数の範囲をもって生じ、運転中の熱膨張による伸びを吸
収するために設けられている燃焼器とこれを支持する支
持部の間隙部において、燃焼器を極度に振動させること
によシ摩耗が生じる。この燃焼振動による燃焼器の振動
は、燃焼器そのものの固有振動数と密接な関係にあり、
燃焼振動数範囲と固有振動数とが一致した点、すなわち
共振状態において燃焼器の極度の振動が発生するもので
ある。通常、燃焼振動周波数の範囲は、燃焼器の長さお
よび燃焼ガスの温度により若干具なるが、燃焼器の燃焼
性能の観点よシ制約を受けるため、１００Ｈ，前後から
２００ないし３００Ｈ，前後までとなっている。

また、同じく燃焼性能の観点から燃焼器の直径。

長さが決定され、急激な温度上昇、変化による熱応力の
緩和のため、肉厚が薄い形状とされ、さらには運転中の
熱伸び吸収のため、燃焼器の支持部にはかなりの間隙を
設けて組み込まれるため、第１次〜第３次くらいまでの
振動次数においては、固有振動数の範囲は１００Ｈ，か
ら３００Ｈ，となり、共振が避けられない状態にある。

以下、これらの点を図面により説明する。

第１図にガスタービンの燃焼器部分の詳細を示し、第２
図に燃焼振動特性を示し、第３図に燃焼振動数と燃焼器
の固有振動数との関係を示す。

その第１図において、空気１は圧縮機２により圧縮空気
３となシ、燃焼器内筒４内へ流入する。

ここで、燃料ノズル５よシ噴射された燃料と混合拡散し
、点火プラグ６により点火され燃焼し、燃焼ガス７とな
ってタービン部８へ導かれ仕事をした後、排ガス９とな
って大気へ放出されるようになっている。燃焼器は、一
般に燃焼を生じさせる燃焼器内筒４と、その燃焼ガス７
をタービン部８へ導く尾筒１０とを備えて構成されてい
る。

前記燃焼器の支持部は、一般に燃焼器内筒頭部４ａの前
側サポート１１、尾筒入口部１０ａの中間サポート１２
および尾筒出口部１０ｂの後側サポート１３との３個の
サポートを備えている。これら３個所のサポートのうち
、１個所を完全に固定し、他の２個所は、運転中の熱伸
びを吸収するため、間隙が設定されていて、燃焼器とし
ては、その間隙部は自由に動き得る構造となっている。

なお、この第１図において、後側サポート１３の個所を
完全固定部としている。

前記燃焼振動は、燃焼状態において、燃焼器内筒４と尾
筒１０とにより形成される一種の筒、すなわち気柱が振
動することによシ生じるものであり、気柱の考え方から
燃焼器の全長および燃焼ガスの温度より決まる音速によ
シ周波数が決まってくる。そして、燃焼器の全長は、運
転中であってもほぼ変化しないが、燃焼ガス温度よシ決
まる音速は、ガスタービンの負荷変化による燃料流量の
変化あるいは一定負荷においても燃焼ガス温度の不均一
によりたえず変化している。そのため、燃焼振動は第２
図に示すごとく、ある周波数の範囲１４をもってビーク
１５が生じる。また、燃焼器の固有振動数には第３図に
示すごとく、各振動次数において変化している。この固
有振動数１６も燃焼振動同様、燃焼器そのもののメタル
温度の変化により多少の範囲をもって変化するが、燃焼
振動の周波数範囲はどの変化ではない。

このような状態で、固有振動数１６と燃焼振動のピーク
を生じた周波数範囲１７とをグラフ上で重ねると、第３
図において固有振動次数第３次の位置で共振周波数１８
となシ、燃焼器の共振が生じることとなる。この共振が
生じた場合、燃焼器は極度に振動し、各支持部に、燃焼
器の自重の作用によシ短時間に過度の摩耗が生じること
となる。

また、燃焼器そのものの部材も撮動するため、振動応力
による高サイクル疲労によりクラックの発生等が問題と
なる。

前述の共振を回避するには、現状ではガスタービンの負
荷を急変させて燃焼ガス温度を変化させ、燃焼振動の周
波数範囲を変えてやるか、あるいは何らかの手段により
燃焼器のメタル温度自体を大幅に変えて固有振動数を変
化させるようにしている。また、他の手段としては燃焼
器およびその支持部を定期的に点検し、補修あるいは交
換するようにしている。しかし、これらの手段ではその
いずれも燃焼器およびその支持部の損傷を効果的に防止
できない欠点があったっ 〔発明の目的〕 本発明の目的は、前記従来技術の欠点をなくし、燃焼器
の固有振動と燃焼振動との共振を回避し、共振による燃
焼器およびその支持部の損傷を未然に防止し得るガスタ
ービンの燃焼器の共振防止装置を提供するにある。

〔発明の概要〕

本発明は、ガスタービンのケーシング側に、燃焼器のク
ランプ装置を取シ伺け、前記燃焼器に振動計を取り付け
、この振動計に燃焼器の固有振動と燃焼振動との共振を
判定する信号処理系を接続し、この信号処理系に、共振
判定時にクランプ装置をクランプ方向に制御する制御装
置を接続したところに特徴を有するもので、この構成に
よシ、燃焼器の固有振動と燃焼振動とが共振した時、こ
れを検出し、即座に燃焼器を機械的に締め付け、燃焼器
の固有振動数を一時的に高くシ、共振を回避することに
よって、燃焼器およびその支持部の損傷を未然に防止す
ることができる。

〔発明の実施例」 以下、本発明の一実施例を図面により説明する。

第４図は燃焼器とその回りの部材との取シ付は状態を示
し、第５図はクランプ装置の一例を示し、第６図はクラ
ンプ装置の一部を拡大して示している。

ガスタービンの燃焼器は、第４図に示すように、燃焼器
内筒２０と、尾筒２１とを備えて構成されている。

そして、圧縮機（図示せず）によシ昇圧された圧縮空気
１９は、尾筒２１の外側を通って燃焼器内筒２０の上流
部へと流れ、燃焼ガス２２となって燃焼器内筒２０内を
通シ、尾筒２１の内部を通ってタービン部２３へと導か
れるようになっている。

前記尾筒２１は、下流側２４においてタービン部２３に
固定され、上流側２５において尾筒２１の熱伸びを吸収
するために各部に間隙が設定されたサポート２６によシ
支持されている。このサポート２６は、ケーシング２７
の一部２７Ｈに固定されている。これによシ、尾筒２１
に加振力が作用すれば、尾筒２１は容易に振動し得る構
造となっている。これは、運転中の熱伸び吸収のために
、完全拘束ができないことによるものでアシ、ガスター
ビンの燃焼器の設計においては必ず考慮すべきものであ
シ、必要不可欠の手段である。また、尾筒２１の上流側
２５には、尾筒２１の共振を防止するクランプ装置２８
が設けられている。

前記クランプ装置２８は、第４図に示すように、燃焼器
の固有振動モードにおいて最も振幅の大きい個所として
の、燃焼器の熱伸びを自由に許容するサポート２６の近
傍に設けられている。また、このクランプ装置２８は第
５図および第６図に示すように、第１．第２のクランプ
部材２９．３０を組み合わせて構成されている。

前記第１．第２のクランプ部材２９．３０は、円弧形に
形成されておシ、第１．第２のクランプ部材２９．３０
の一端部は第４図に示すように、ケーシング２７の一部
２７ａに取り付けられたサポート２６に設けられたピン
３１により結合されていて、第１．第２のクランプ部材
２９．３０は開閉可能に構成されている。また、第１．
第２のクランプ部材２９．３０の他端部間には、締め代
としての空間部３２が設けられており、さらに第１、第
２のクランプ部材２９．３０の他端部には互いに対向さ
せて第１．第２の突起３３．３４が設けられている。

前記第１の突起３３には、クランプ用穴３５が形成され
ており、このクランプ用穴３５には後述の制御装置を構
成しているポ気抜き孔４６が設けられている。また、こ
の第１の突起３３には第２の突起３４を受け止めるかぎ
形のストツノく３８が付設されている。

前記第２の突起３４には、クランプ用突起３６が設けら
れている。このクランプ用突起３６は、クランプ用穴３
５側の端部が側壁３６ａにより閉じられ、他方の端部は
開口部３６ｂを通じてケーシング２７に開口されている
。また、このクランプ用突起３６は前記クランプ用穴３
５に摺動可能に挿入されている。

前記第１．第２のクランプ部材２９．３０間の空間部３
２側には、第５図に示すように圧縮ばね３７が設けられ
ておシ、この圧縮ばね３７により第１．第２のクランプ
部材２９．３０がアンクランプ方向に付勢されている。

このアンクランプ時、第２の突起３４は第１の突起３３
に付設されたストッパ３８に係止されている。

さらに、前記尾筒２１には第４図に示すように、振動計
３９が設けられている。この振動計３９も、燃焼器の固
有振動モードにおいて最も振幅の大きい個所としてのサ
ポート２６の近傍に取り付けられておシ、この振動計３
９は燃焼器の振動を常時、監視している。

前記振動計３９には、信号処理系が接続され、この信号
処理系には制御装置が接続されている。

前記信号処理系は、第４図に示すように、周波数分析計
４１と、比較器４２とを備えている。前記周波数分析計
４１は、振動計３９から出力される検出信号４０の周波
数を分析し、振動レベル４３を抽出するようになってい
る。前記比較器４２は、周波数分析計４１から出力され
る振動レベル４３と基準値４４とを比較し、燃焼器の共
振発生の有、無を判定し、制御装置に制御信号４５を送
るようになっている。

前記制御装置は、第６図に示すように、クランプ装置２
８の第１の突起３３に形成されたクランプ用穴３５に連
通ずる空気抜き孔４６と、第４図に示すように、一端部
は空気抜き孔４６に接続されかつ他端部は大気に開口さ
れた空気出口配管４７と、これに設けられた開閉弁４８
とを備えている。前記開閉弁４８は、前記比較器４２に
接続され、この比較器４２から共振発生時に制御信号４
５を受けて開き、前記クランプ用穴３５内の圧縮空気１
９を空気抜き孔４６および空気出口配管４７を通じて大
気に放出するようになっている。

なお、第６図において４９はクランプ用穴とクランプ用
突起間の摺動部を示し、第４図において５０は燃焼器の
固定形の後側サポートを示す。

前記実施例の共振防止装置は、次のように作用する。

すなわち、燃焼器にその固有振動と燃焼振動とによる共
振が発生していない時は、第５図に示すように、圧縮ば
ね３７の作用により、かぎ形のストッパ３８に第２の突
起３６が当接されていて、クランプ装置２８がアンクラ
ンプ状態にセットされている。この状態では、尾筒２１
は運転中の熱伸びに対して自由に動けるように、尾筒２
１とクランプ装置２８の第１．第２のクランプ部材２９
゜３０間にすき間が確保されており、尾筒２１とクラン
プ装置２８とは互いに接触しないようになっている。

さらに、運転中、尾筒２１に取シ付けられた振動計３９
により燃焼器の振動が監視されているうそして、運転中
、前記振動計３９からの検出信−弓４０が信号処理系の
周波数分析計４１に送られ、振動レベルが分析され、そ
の分析結果が第７図に示すごとく、ある周波数において
他の周波数とは異なる高いレベルの振動加速度値５１を
示現し、４８号処理系の比較器４２によシ異常と判定さ
れると、制御装置の開閉弁４８に開の制御信号４５が送
られ、開閉弁４８は即座に開操作される。

つまり、第７図に示す状態が燃焼器の固有振動数と燃焼
振動周波数範囲との共振現象の発生を意味し、燃焼器が
異常に振動し、燃焼器の振動応力の高サイクル疲労によ
るクラック発生、および燃焼器の支持部における過度の
摩耗をもたらすことになる。

これに対して、この実施例では前記共振状態を判定した
時点で即座に開閉弁４８が開操作され、これによシクラ
ンブ装置２８の第１の突起３３に形成されたクランプ用
穴３５内に入っている１０数ｋｇ　／ｃｍ　”　ｇ前後
の圧力の圧縮空気１９が第４図および第６図から分かる
ように、空気抜き孔４６→空気出ロ配管４７→開閉弁４
８を通って大気に放出される。

したがって、前記クランプ用穴３５内が瞬時に大気圧ま
で降下する。一方、クランプ用突起３６の開口部３６ｂ
を通じて側壁３６ａには圧縮空気１９の１０数ｋｇ　／
ｌｔｎ　２ｇの圧力が作用しているので、クランプ用穴
３５内の圧力とクランプ用突起３６に作用している圧縮
空気１９の圧力との差圧によシ、クランプ用突起３６が
クランプ用穴３５の内部に直ちに進入し、第１．第２の
クランプ部材２９．３０が閉じられ、クランプ装置２８
によυ尾筒２１が強力にクランプされ、振動が機械的に
抑止される。

これは、第８図に示すごとく、燃焼器本来の固有撮動数
５２に対し、燃焼振動周波数範囲５３が共振する状態に
おいて、クランプ装置２８によシ尾筒２１がクランプさ
れることによシ、燃焼器の固定支持部が一時的に付加さ
れた状態となる。したがって、燃焼器はクランプ装置２
８と固定形の後側サポート５０との複数個所の固定支持
部によりガスタービンのケーシング側に支持されること
になるので、燃焼器の剛性が急速に高まり、燃焼器の固
有振動数５４が振動次表を問わず、第８図に破線で示す
ごとく、高いレベルに移行する。これにより、燃焼振動
周波数範囲５３との共振を回避することができ、燃焼器
が共振することに起因する燃焼器およびその支持部の損
傷を防止することができる。

また、燃焼振動周波数範囲５３は、気柱の振動数と密接
な関係にあシ、ガスタービンの負荷変化による燃焼ガス
温度の変化により変動するが、クランプ装置２８によシ
燃焼器の固有振動数が大幅に増大するので、燃焼振動周
波数範囲５３の変動に関係なく、燃焼器の固有振動と燃
焼振動との共振を回避することができる。

ついで、燃焼器の共振が回避された後、第７図に示す振
動加速度が、ある一定レベル以下になると、信号処理系
の比較器４２から制御装置の開閉弁４８に対して閉の制
御信号４５が送られ、この制御信号４５によシ開閉弁４
８が閉じられる。

前記開閉弁４８が閉じられた後、クランプ用穴３５内に
、クランプ用穴３５とクランプ用突起３６との摺動部４
９から圧縮空気１９が流入し、前記クランプ用穴３５と
クランプ用突起３６内の圧力がほぼ同一となシ、この状
態で圧縮ばね３７によシ第１．第２のクランプ部材２９
．３０が開かれ、尾筒２１がアンクランプされ、クラン
プ装置２８の各部材が第５図に示す状態に戻る。

なお、本発明では信号処理系と制御装置は、図面に示す
実施例に限らず、要は振動計３９から出力される振動の
検出信号４０に基づいて燃焼器の共振を判定し、共振状
態の判定時にクランプ装置２８をクランプ方向に作動さ
せ得る構造であればよい。

また、クランプ装置２８の構造も、図面に示すものに限
らず、所期の機能を有するもので娶ればよい。

さらに、クランプ装置２８は１個所に限らず、複数個所
に設けてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明した本発明によれば、ガスタービンのケーシン
グ側に、燃焼器のクランプ装置を取υ付け、前記燃焼器
に振動側を取り付け、この振動計に燃焼器の固有振動と
燃焼振動との共振を判定する信号処理系を接続し、この
信号処理系に、共振判定時に前記クランプ装置をクラン
プ方向に制御する制御装置を接続Ｌ７、共振判定時に、
直ちにクランプ装置を作動させ、ガスタービンのケーシ
ング側に燃焼器を固定するようにしているので、燃焼器
の固有振動を大幅に増大できるため、燃焼器の固有振動
と燃焼振動とによる共振を回避し得る効果を有し、した
がって共振による燃焼器およびその支持部の損傷を未然
に防止し得る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はガスタービンの燃焼器とその回シの部分を示す
縦断側面図、第２図は燃焼振動特性の説明図、第３図は
燃焼振動数と固有振動数との関係を示す図、第４図〜第
６図は本発明の一実施例を示すもので、その第４図は縦
断側面図、第５図はクランプ装置部分の正面図、第６図
はクランプ装置部分の一部拡大縦断正面図、第７図は共
振状態の説明図、第８図は本発明の作用特性の説明図で
ある。 １９・・・圧縮空気、２０・・・燃焼器内筒、２１・・
・尾筒、２６・・・燃焼器の中間のサポート、２７・・
・ガスタービンのケーシング、２８・・・クランプ装置
、２９゜３０・・・第１．第２のクランプ部材、３１・
・・燃焼器の中間のサポートと第１．第２のクランプ部
材とを結合するピン、３２・・・第１．第２のクランプ
部材間の空間部、３３．３４・・・第１．第２の突起、
３５・・・クランプ用穴、３６・・・クランプ用突起、
３７・・・圧縮ばね、３９・・・振動計、４０・・・振
動の検出信号、４１・・・信号処理系の周波数分析計、
４２・・・同比較器、４３・・・振動レベル、４４・・
・振動レベルの基準値、４５・・・制御信号、４６・・
・クランプ装置用の制御装置の空気抜き孔、４７・・・
空気出口配管、４８・・・開閉弁。 代理人　弁理士　秋本正実 第１　区 第２圀 寮３０ 振動文ＩＬ １４０　。 解５囚 ｆｊ、ｒｒ　医 Ｏ旧孜数（ｆｉｌｌ）− 第４の

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ガスタービンのケーシング側に、燃焼器のクランプ
   装置を取シ付け、前記燃焼器に振動計を取シ付け、この
   振動計に燃焼器の固有撮動と燃焼振動との共振を判定す
   る信号処理系を接続し、この信号処理系に、共振判定時
   にクランプ装置をクランプ方向に制御する制御装置を接
   続したことを特徴とするガスタービンの燃焼器の共振防
   止装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記クランプ装置
   は、第１．第２のクランプ部材の一端部をピンを介して
   開閉可能に結合し、第１．第２のクランプ部材の他端部
   間に締め代としての空間部を設けかつ第１．第２の突起
   部を対向させて設け、一方の突起部には前記制御装置に
   連通ずるガス抜き孔を有するクランプ用穴を形成し、他
   方の突起部にはクランプ用穴側の端部が閉塞されかつ他
   端部が前記ケーシングの内部に開口されたクランプ用突
   起を設けるとともに、このクランプ用突起をクランプ用
   穴に挿入し、クランプ用穴側の圧力とクランプ用突起側
   に作用する圧力との差圧により作動するように構成され
   ていることを特徴とするガスタービンの燃焼器の共振防
   止装置。