JPH0471126B2 - - Google Patents

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
置に係り、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つ
ており、その内部で燃料が燃焼する際、気柱との
共鳴により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
もつて生じ、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
せることにより摩耗が生じる。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異なるが、燃焼器の燃焼
性能の観点より制約を受けるため、100Hz前後か
ら200ないし300Hz前後までとなつている。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100Hzから300Hz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となり、燃焼器内筒４内へ流入する。
ここで、燃料ノズル５より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となつてタービン部８へ導かれ仕事をし
た後、排ガス９となつて大気へ放出されるように
なつている。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、
その間隙分は自由に動き得る構造となつている。
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り生じるものであ
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り周波数が決まつて
くる。そして、燃焼器の全長は、運転中であつて
もほぼ変化しないが、燃焼ガス温度より決まる音
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をもつてピーク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つて変化するが、燃焼振
動の周波数範囲ほどの変化ではない。

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となり、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
用により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振動するた
め、振動応力による高サイクル疲労によりクラツ
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つた。

〔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り付け、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、この構成により、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し、共振を回避す
ることによつて、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り付け
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）により昇圧された
圧縮空気１９は、尾筒２１の外側を通つて燃焼器
内筒２０の上流部へと流れ、燃焼ガス２２となつ
て燃焼器内筒２０内を通り、尾筒２１の内部を通
つてタービン部２３へと導かれるようになつてい
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により支持されている。このサポ
ート２６は、ケーシング２７の一部２７ａに固定
されている。これにより、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
つている。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あり、
ガスタービンの燃焼器の設計においては必ず考慮
すべきものであり、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り、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空気抜き孔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パ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には
開口穴３６ｃが設けられている。該開口穴３６ｃ
は、クランプ用穴３５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３５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３２側には、第５図に示すように圧縮ばね
３７が設けられており、この圧縮ばね３７により
第１のクランプ部材２９のクランプ穴３５内より
第２のクランプ部材３０のクランプ用突起３６の
先端部が挿出しようとする方向、すなわちクラン
プとしない方向に付勢されている。このクランプ
をしない時、第２の突起３４は第１の突起３３に
付設されたストツパ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３
９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
付けられており、この振動計３９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４
３を抽出するようになつている。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
るようになつている。

前記制御装置は、第６図に示すように、クラン
プ装置２８の第１の突起３３に形成されたクラン
プ用穴３５に連通する空気抜き孔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せた空気出口配管４
７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１９を空気抜き孔４６および空気出口配管４
７を通じて大気に放出するようになつている。

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に示し、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
トツパ３８に第２の突起３６が当接されていて、
クランプ装置２８がクランプをしない状態にセツ
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２１
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２
１とクランプ装置２８とは互いに接触しないよう
になつている。

さらに、運転中、尾筒２１に取り付けられた振
動計３９により燃焼器の振動が監視されている。

そして、運転中、前記振動計３９からの検出信
号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、信号処理系の比較器４２により異常と判定さ
れると、制御装置の開閉弁４８に開の制御信号４
５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ツク発生、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、
これによりクランプ装置２８の第１の突起３３に
形成されたクランプ用穴３５内に入つている10数
Kg／cm²ｇ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
気出口配管４７→開閉弁４８を通つて大気に放出
される。

したがつて、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／cm²ｇ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
り、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２
９，３０が閉じられ、クランプ装置２８により尾
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
有振動数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により
尾筒２１がクランプされることにより、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
たがつて、燃焼器はクランプ装置２８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が振動次数を問わず、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り、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により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により開閉弁４８が閉じられる。

前記開閉弁４８に閉じられた後、クランプ用穴
３５内に、クランプ用穴３５とクランプ用突起３
６との摺動部４９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
力がほぼ同一となり、この状態で圧縮ばね３７に
より第１、第２のクランプ部材２９，３０が開か
れ、尾筒２１がクランプをしない状態にされ、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あれば
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り付
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し、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、したがつ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りの部
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、２
７……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、３３，３
４……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。

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
   ランプ装置を取り付け、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、他端部を締め代
   としての空間部を介して対向配置する第１、第２
   の突起部を設け、一方の突起部には、一端部に前
   記制御装置に連通するガス抜き孔を有し、他端部
   に開口するクランプ用穴を設け、他方の突起部に
   は、外周をクランプ用穴内に摺動自在に挿入し、
   内周のクランプ用穴側先端部を閉塞するととも
   に、後端部を前記ケーシングの内部に開口する開
   口穴を有するクランプ用突起を設け、該クランプ
   用突起がその開口穴内と、前記クランプ用穴内と
   の圧力差により摺動するように構成されたことを
   特徴とするガスタービンの燃焼器の共振防止装
   置。