JP5584700B2 - 音響ダンパ - Google Patents

Description

本明細書に記載する技術は、全体としてターボ機械に関し、特にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジン燃焼器の動圧パルスを制御する音響減衰装置に関する。

有害な音圧振動または圧力パルスは、正常運転条件の結果として、燃料と空気の化学量論比、総質量流量、および他の運転条件に応じてガスタービンエンジンの燃焼器内で発生することがある。米国連邦政府および地方の大気汚染基準を満たすために求められる低ＮＯｘ排出量に向かっている近年のガスタービン燃焼器設計における傾向により、燃料および空気が炎色反応領域の上流側で均質に混合される、希薄予混合燃焼システムが使用されるようになっている。燃空比、またはこれらの燃焼システムが動作する当量比は、低い火炎温度を維持し、それに伴って望ましくない気体ＮＯｘ排出物の生成を許容されるレベルまで制限するために、より以前の従来型の燃焼器よりもはるかに「希薄」である。水または蒸気の噴射を使用することなく低排出量を達成するこの方法は広く使用されているが、低い当量比での運転に伴う燃焼不安定性は、燃焼器内で許容できないほど高い動圧振動をもたらす傾向もあり、それによって、ハードウェアの損傷および他の動作上の問題が引き起こされる可能性がある。圧力パルスは、燃焼器ハードウェアに対する機械的疲労および熱疲労を含めて、エンジンに対して悪影響を及ぼす可能性がある。圧力パルスの問題は、低排出量燃焼器においてさらに重要なものであることが判明している。というのは、そのような設計では燃料空気混合器に導入される空気の含量がはるかに高いからである。

航空機エンジン転用型（ａｉｒｃｒａｆｔ ｅｎｇｉｎｅ ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）環状燃焼システムは、長さが短くコンパクトな燃焼器設計を有し、燃焼器内で複雑かつ顕著な音圧振動モードを作り出すことが観察されている。複雑なモードは、２つの反射表面間の定在型軸方向振動モード（ｓｔａｎｄｉｎｇ ａｘｉａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｓ）と結合された周方向モードを有するものとして特徴付けられる。２つの反射表面はそれぞれ、圧縮機の外側ガイドベーン（ＯＧＶ）およびタービンノズル入口に対応する燃焼器の端部に位置する。これによって、燃焼システム全体にわたって高い動圧振動が生じる。

ガスタービンエンジン燃焼器内におけるそのような動圧パルスによって作り出される音圧を排除、防止、または軽減するためのいくつかの試みがなされてきた。１つの方法は火炎温度を上昇させるというものであり、これはある程度の成果を挙げてきた。しかし、現代の燃焼器における低排出量という目標には、比較的低温度の帯域が好ましいので、火炎温度を上昇させることがその目標に反していることは明らかである。さらに、燃焼器内の火炎温度を上昇させることは、そのライナに対して望ましくない影響があることが見出されている。

提案されている別のシステムは、非対称な圧縮機吐出圧力ブリード（ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｌｅｅｄ）を利用するというものである。このシステムでは、燃焼器内の圧力パルスは、燃焼室に隣接して位置する周方向パルスの形態を取ると考えられる。しかし、燃焼器内の圧力パルスは周方向だけではなく軸方向にも移動することが見出されている。より具体的には、燃焼室内で発生するパルスはその中を移動し、次に反射して燃料空気混合器を通り、燃焼器の低温区画内へと戻る。したがって、非対称な圧縮機吐出圧力ブリードは、燃焼器内の圧力パルスにうまく有効に対処できないことが判明している。

ガスタービンエンジン燃焼器内の圧力パルスを相殺するさらに別の方法は、燃焼器の上流側に位置付けられたディチューニング管（ｄｅｔｕｎｉｎｇ ｔｕｂｅｓ）を使用するというものである。これらのディチューニング管は、燃焼器の前方にあるチャンバ内へと予め定められた量だけ延在し、固定の振幅および周波数を有する圧力パルスを有効に釣り合わせる。それでもなお、燃焼器内の圧力パルスは動的であって、振幅および周波数が変化することが見出されている。したがって、前述のディチューニング管はある程度の成果しか挙げられていない。

この問題を解決するため、能動的な音響または圧力振動の制御システムも提案されてきた。そのような発想の１つが米国特許第５，５７５，１４４号に開示されており、該特許は、ガスタービンエンジン燃焼器内の動圧パルスを能動的に制御する装置を提供し、燃焼器内の圧力パルスを感知する手段と、感知した圧力パルスの主圧力パルスの振幅および周波数を判断する第１の処理手段と、主圧力パルスを相殺する取消しパルスの振幅、周波数、および位相角シフトを計算する第２の処理手段と、取消しパルスを作り出すため、計量された量の空気を燃焼器から周期的に抽出する空気ブリード手段とを含み、空気ブリード手段は第２の処理手段によって制御される。そのようなシステムは複雑であり、多数の可動部品を有し、それら部品は摩耗および故障して、修理または交換が必要となることがある。オペレータおよび製造者は、より単純な方法を使用することを好む。

独国特許第１０ ２００５ ０５００２９号

ガスタービンエンジン燃焼器内のこれらの高い動圧振動を排除または低減する静的手段、特に長さが短く、低いＮＯｘ（一酸化二窒素）、ＣＯ、および未燃炭化水素排出量を目的として設計されたものが非常に望ましい。また、異なる振幅および周波数を有する複雑なモードの音圧振動を排除、防止、または軽減することができ、燃焼器の排出量に対するいかなる悪影響も有さないような装置を開発することが非常に望ましい。

１つの態様では、少なくとも１つの空気／燃料混合器を含むガスタービンエンジン燃焼器の燃焼器壁によって部分的に閉じ込められたガス流の音響振動を減衰する装置は、閉止端および開放端とそれら端部の間の単一のキャビティとを備えた少なくとも１つの共振管（ｒｅｓｏｎａｔｉｎｇ ｔｕｂｅ）を含む。管は、空気／燃料混合器の下流側にある燃焼器壁に位置する。

別の態様では、圧縮機出口ガイドベーン段の下流側にあるディフューザ出口とタービンの入口ガイドベーン段との間に配置されるガスタービンエンジンの燃焼器は、外側ケーシングとそこから離隔した内側ケーシングおよびそれらの間の燃焼室と、ディフューザ出口にある燃焼器入口およびタービン入口にある燃焼器出口と、ケーシングの間で径方向に配置されるとともに燃焼器入口と燃焼器出口との間で軸方向に配置される、環状に配置された複数の混合気噴射器と、燃焼室の周りに配置される、環状に配置された複数の共振管とを含む。管はそれぞれ、閉止端および開放端とそれら端部の間の単一のキャビティとを備える。環状に配置された複数の共振管は、複数の混合気噴射器と燃焼器出口との間で軸方向に配置される。

例示的なガスタービンエンジン燃焼器の断面図である。 図１に示される音圧振動減衰装置の正面断面図である。 図２に示される装置の遠位端の正面部分断面図である。 図２に示される装置の中間部分の正面部分断面図である。 図２に示される装置の近位端の正面部分断面図である。

ここで、同一の番号が全体を通して同じ要素を指す図面を詳細に参照すると、図１は、圧縮機出口ガイドベーン段（図示なし）の下流側にあるディフューザ出口１３を有するディフューザ１２と、タービン入口２０を有するタービン入口ガイドベーン段（図示なし）との間に配置された燃焼区画、すなわち燃焼器１０を示す。燃焼器１０は、ガスタービンエンジンで使用するのに適した、特に低ＮＯｘ船舶／工業用ガスタービンエンジン向けのタイプのものである。燃焼器１０は、米国特許第７，０５９，１３５号および米国出願公開２００７０２５６４１８号により詳細に記載されているような、低排出量を作り出すように設計された二重環状燃焼器（ｄｕａｌ ａｎｎｕｌａｒ ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ）である。燃焼器１０は、外側ケーシング２４の径方向内側に離隔して置かれる内側ケーシング２２を有し、それらの間には、燃焼室２９を内部に画定する中空本体２７が配置される。中空本体２７は、全体的に環状の形態であり、外側ライナ３１、内側ライナ３３、および当該業界ではドーム３５と呼ばれるドーム状端部を含む。しかし、本明細書に記載される技術はそのような環状の構成に限定されず、周知の円筒状容器または環状多筒形の燃焼装置も等しく有効に用いられてもよいことを理解されたい。さらに、本明細書に記載される技術は二重環状燃焼器に利用されるものとして示されるが、単一または三重の環状設計などが開発されているので、それらにも利用されてもよい。

より具体的には、米国特許第７，０５９，１３５号および米国出願公開２００７０２５６４１８号に記載されているように、二重環状燃焼器１０は外側ドーム３７および内側ドーム４１を含む。燃料噴射器（図示なし）によって燃焼器に注入される燃料の空気／燃料気化は、外側ドーム３７および内側ドーム４１それぞれの開口部４３に対応して配置される外側および内側の燃料／空気混合器５０および５２によって達成される。個々の主要燃焼器区域６１および６５を分離するため、熱シールド６６および６８がそれぞれ設けられる。部品６９および７２は熱シールドであり、それぞれ熱シールド６６および６８と同じ構成要素である。円錐形の熱シールドの機能は、米国出願公開２００７０２５６４１８号に説明されている。

燃焼器１０の運転に伴う動圧パルスまたは音圧振動は、ガスタービンエンジンに対して過剰な機械的応力を課すことが理解されるであろう。例えば、符号８０によって特定される音圧振動は、個々の主要燃焼器区域６１および６５からそれぞれ発生し、タービン入口ガイドベーン段１８で反射して、比較的オープンフローの旋回流混合器５０および５２を介して上流へと戻る。音圧振動は、ディフューザ１２を介して上流に移動し、圧縮機出口ガイドベーン段で反射し、その結果、動圧または音響振動を作り出すフィードバックループが確立される。これには、いくつかの望ましくない影響の中でも特に、熱シールド６６および６８に亀裂が入るという影響がある。この動圧または音響振動の影響がそれほど強力であると思われる理由の１つは、燃焼器１０の短くコンパクトな設計である。米国連邦政府および地方の大気汚染基準を満たすために求められる低ＮＯｘ排出量に向かっている近年のガスタービン燃焼器設計における傾向により、予混合燃焼システムが使用されており、予混合燃焼システムでは、燃料および空気が、比較的オープンフローのタイプの旋回流混合器５０および５２を使用して火炎反応の上流側で均質に混合され、旋回流混合器５０および５２は、フィードバックループを確立し、音響振動またはその圧力波がタービン入口ガイドベーン段と圧縮機出口ガイドベーン段との間で、本質的に妨害されずに、かつ燃焼器１０の全長を通して前後に揺れ動くことを可能にする。気体ＮＯｘ排出物を必要なレベルまで制限する低い火炎温度を維持するため、燃空比、またはこれらの燃焼システムが動作する当量比は、従来の燃焼器に比べてはるかに「希薄」になる。水または蒸気の噴射を使用することなく低排出量を達成するこの方法は広く使用されているが、低い当量比での運転に伴う燃焼不安定性は、燃焼器内で許容できないほど高い動圧振動も生成し、それによって、ハードウェアの損傷および他の動作上の問題が引き起こされる。そのため、本明細書に記載される技術では、燃焼器１０内の音圧振動８０からの圧力パルスを抑制または減衰する装置１００が開発された。装置１００は、燃料／空気混合器５０および５２の下流側（それらの「加熱側面」）に位置付けられると有効であることが見出されている。

装置１００は、図２により明瞭に示されるように、共振器キャビティ１０３を取り囲む、共振管１０１の形態であることが好ましいが必ずしもそうでなくてもよい四分の一波長共振器を有する。次により具体的に図２、３、４、および５を参照すると、共振管１０１は、外側シェル１０２に封入され、第１の端部１０４は平坦な反射性エンドキャップ１０６によって閉じられ、第２の端部１０８は開いており、管１０１の中心線１０９に沿って測定した特性長さＬを有し、管１０１は、到来波に対して１８０度位相外れの波をエンドキャップから反射する。動圧振動が散逸性損失（粘性および渦損失）を作り出している間、空気が共振器キャビティ１０３を出入りする迅速な動きは、四分の一波長共振管１０１と併せて、境界面での散逸を最大限にする。したがって、入射波に含まれる音響エネルギーが減衰され、結果として燃焼器内の動圧が低くなる。開放端１０８は、本質的に外側ライナ３１の内表面と同一面にある。したがって、開放端１０８は燃焼器１０の外側ライナ３１の開口部と位置合わせされているので、共振器キャビティ１０３は燃焼器１０の内部と流体連通している。外側シェル１０２は、遠位端１３２と燃焼器１０に近接した近位端１３４とを有する。共振管１０１は直線状である方が多少良好に動作するが、設置のため、わずかに曲がっていてもよい。曲がった管１０１は装置１００の外形を低減し、それによってパッケージングおよびエンジンへの取付けがより簡単になる。

図３に示されるように、エンドキャップ１０６は、後述する機能に役立つ１つまたは複数のアパーチャ１１０を含む。装置１００はまた、１つもしくは複数のアパーチャ１１４をそれぞれ含む、管１０１を外側シェル１０２に対して離隔させて維持する１つまたは複数のスペーサ１１２を含む。スペーサ１１２が、管１０１と外側シェル１０２との間の空間の周囲に完全に延在しない場合、アパーチャ１１４の機能性にはスペーサ１１２の非連続的な全長が役立つので、アパーチャ１１４は不要なことがある。

図２に戻ると、管１０１とシェル１０２との間の空間１０５は加圧空気Ｐの供給源と流体連通している。管１０１およびシェル１０２が両方とも中空の円筒状の形態である場合、空間１０５は事実上環状である。供給源は、エンジン内の圧縮機のＴ３もしくは他の段など、ガスタービンエンジン内の比較的高圧の領域であるか、または必須の温度および圧力であって適切な容量で利用可能な他の適切な空気源であってもよい。加圧空気Ｐは、キャビティ１０５を自由に貫流し、アパーチャ１１０を介してキャビティ１０３に入り、それによってキャビティ１０３内のガスをパージし、それらのガスを開放端１０８の外に、かつ燃焼器１０内へと運ぶ。スペーサ１１２のアパーチャ１１４によって、加圧空気Ｐが空間１０５全体に流れることが容易になる。

図４は、接続部１２２によって互いに適切に連結された、外側、すなわち遠位側部分１２０と、内側、すなわち近位側部分１３０とを含む、シェル１０２の構造の詳細を示す。接続部１２２は、ツールを使用して遠位側部分１２０を除去して管１０１を点検または交換することを可能にする、六角の平坦な機構または他の適切な形状を含む、部分１２０および１３０を隣接させる、図４に示されるようなねじ込み接続などの任意の適切な形態であってもよい。ロックワイヤまたは他の適切な手段を使用できるようにして、部分１２０および１３０が係合を保つことを確保するため、アパーチャ１２６が設けられてもよい。部分１２０および１３０の間の継ぎ目を封止するため、シール１２４が設けられてもよい。部品１２８は、管１０１にろう付けまたは他のやり方で適切に固着されるリングである。このリングの目的は、管１０１を接続部１２２内で保持する手段を提供することである。このようにして管を保持することで、音波によって励振されたときの管の変位を制限する。この構成に対する顕著な設計上の課題の１つは、管１０１の（機械的変位の）固有周波数が管内の音波の周波数と一致しないことを確保することであった。管を複数の場所で保持することによって、その固有周波数が変わり、機械的変位が制限される。上述したようにアパーチャ１１４が含まれてもよい。

管１０１が外側ライナ３１に接し、開放端１０８が外側ライナ３１を通るアパーチャと位置合わせされている場合、管１０１は、図５に示されるように任意の適切な手段によって適所で保定されてもよい。部品１３６は、管の周りの空間を介して燃焼器に入る空気の量を制限するため、管１０１の周りにしっかり（緊密にではなく）適合するフェルールである。

設置の詳細、運転環境、および機械的設計上の考慮点、ならびに他のそのような要因に応じて、わずかに異なる構造的構成を用いて利点をもたらす、本明細書に記載される技術の他の変形例が開発されてもよい。例えば、より厚い、かつ／またはより堅牢な管１０１を選んで外側シェル１０２を排除し、それによって付加的な構造要素ならびに加圧パージ空気Ｐを排除するのが望ましいことがある。あるいは、外側シェル１０２を有さないような構成では、加圧空気Ｐは、外側ライナ３１付近の開放端１０８付近にある１つまたは複数のアパーチャを介して、管１０１の内部１０３に導入されてもよい。他のそのような変形例も同様に利用されてもよい。

特性長さＬの設計は、非常に重要であり、減衰すべき音圧振動８０の波長を判断する、当該分野で良く知られている半経験的方法を使用して最も良好に達成される。どの周波数を減衰すべきかの判断は、通常、過去の経験と経験的および半経験的モデリングとの組み合わせによって、かつ試行錯誤によって行われる。図面に示される、本明細書に記載される技術の例示的実施形態は、音圧振動８０に関する問題が約４００〜７００ヘルツ（Ｈｚ）の周波数範囲に存在することが見出されている、ゼネラルエレクトリック社のＬＭ６０００ ＤＬＥ（乾式低公害）ガスタービンエンジン向けのものである。以下の式は特性長さＬの計算を示す。
ｆ＝Ｃ／ｌ＝Ｃ／４Ｌ
Ｌ＝Ｃ／４ｆ
ｆ＝振動数（ＨＺ）、
Ｃ＝管内に閉じ込められた空気中での音の音速（フィート／秒）、
ｌ＝音圧振動の波長（フィート）
Ｌ＝特徴的長さ（フィート）である。
空気温度＝２６０℃（５００°Ｆ）、ｃ＝４６０．２５ｍ／ｓ（１５１０フィート／秒）の場合の計算例。
４２５ＨＺの振動を減衰するのに求められる特性長さＬは、４６０．２５／（４×４２５）＝０．２７ｍ＝２７ｃｍ（１５１０／（４×４２５）＝０．８９フィート＝１０．７インチ）である。

考察の大部分は航空機転用型ガスタービンエンジンに焦点を当ててきたが、本明細書に記載される装置は、航空機ガスタービンエンジンなどの他の環境で使用するのに適していてもよいことが予測できる。

本発明を様々な特定の実施形態の観点で記載してきたが、当業者であれば、請求項の趣旨および範囲内で修正して本発明を実施できることを理解するであろう。

３１ 外側ライナ
１００ 装置
１０１ 共振管
１０２ 外側シェル
１０３ 共振器キャビティ
１０４ 第１の端部
１０５ 空間
１０６ エンドキャップ
１０８ 第２の端部
１０９ 中心線
１３２ 遠位端
１３４ 近位端
Ｌ 特性長さ
Ｐ 加圧空気

Claims (18)

1. 少なくとも１つの空気／燃料混合器を含むガスタービンエンジン燃焼器の燃焼器壁によって部分的に閉じ込められたガス流の音響振動を減衰する装置であって、
   閉止端および開放端とそれら端部の間の単一のキャビティとを有する少なくとも１つの共振管であり、前記空気／燃料混合器の下流側にある前記燃焼器に位置する共振管を備え、
   前記管が外側シェル内に封入されることを特徴とする、装置。
2. 前記開放端が前記燃焼器壁の開口部と位置合わせされる、請求項１記載の装置。
3. 前記キャビティが前記燃焼器の内部と流体連通している、請求項１記載の装置。
4. 前記管が中空の円筒状の形態を有する、請求項１記載の装置。
5. 前記外側シェルが中空の円筒状の形態を有する、請求項１記載の装置。
6. 前記管および前記外側シェルがそれらの間に空間を画定し、前記空間が加圧空気源と流体連通している、請求項５記載の装置。
7. 前記閉止端が、加圧空気が前記キャビティに入るのを可能にする少なくとも１つのアパーチャを含む、請求項６記載の装置。
8. 前記外側シェルが接続部によって連結された内側部分および外側部分を含む、請求項１記載の装置。
9. 少なくとも１つの空気／燃料混合器を含むガスタービン燃焼器の燃焼器壁によって部分的に閉じ込められたガス流の音響振動を減衰する装置であって、
   閉止端および開放端とそれら端部の間の単一のキャビティとを有する少なくとも１つの共振管であり、前記空気／燃料混合器の下流側にある前記燃焼器壁に位置する共振管を備え、
   前記開放端が前記燃焼器壁の開口部と位置合わせされ、前記キャビティが前記燃焼器の内部と流体連通しており、
   前記管が外側シェル内に封入されることを特徴とする、装置。
10. 圧縮機出口ガイドベーン段の下流側にあるディフューザ出口とタービン入口ガイドベーン段との間に配置されるガスタービンエンジンの燃焼器であって、
    外側ケーシングとそこから離隔した内側ケーシングおよびそれらの間の燃焼室と、
    前記ディフューザ出口にある燃焼器入口および前記タービン入口にある燃焼器出口と、
    径方向において前記両ケーシングの間に配置されるとともに軸線方向において前記燃焼器入口と前記燃焼器出口との間に配置される、環状に配置された複数の混合気噴射器と、
    前記燃焼室の周りに配置される、環状に配置された複数の共振管とを備え、
    前記管がそれぞれ、
    閉止端および開放端とそれら端部の間の単一のキャビティとを備え、
    前記環状に配置された複数の共振管が、前記複数の混合気噴射器と前記燃焼器出口との間で軸方向に配置されており、
    前記管が外側シェル内に封入されることを特徴とする、燃焼器。
11. 前記開放端が前記燃焼器の壁の開口部と位置合わせされる、請求項１０記載の燃焼器。
12. 前記キャビティが前記燃焼器の内部と流体連通している、請求項１０記載の燃焼器。
13. 前記管が中空の円筒状の形態を有する、請求項１０記載の燃焼器。
14. 前記外側シェルが中空の円筒状の形態を有する、請求項１０記載の燃焼器。
15. 前記管および前記外側シェルがそれらの間に空間を画定し、前記空間が加圧空気源と流体連通している、請求項１４記載の燃焼器。
16. 前記閉止端が、加圧空気が前記キャビティに入るのを可能にする少なくとも１つのアパーチャを含む、請求項１５記載の燃焼器。
17. 前記外側シェルが接続部によって連結された内側部分および外側部分を含む、請求項１０記載の燃焼器。
18. 二重環状燃焼器である、請求項１０記載の燃焼器。
    

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