JP2009508082A - 特にガスタービンにおける熱音響振動の減衰方法とその装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、共鳴体積部（４２）を有する共鳴器（７０）によって熱音響振動（６０）を減衰する方法に関し、熱音響振動を起こす空洞（４６）内に熱音響振動（６０）が誘起され、空洞（４６）から熱音響振動（６０）の少なくとも一部（７４）が放出され、共鳴体積部（４２）に導入され、共鳴体積部（４２）において、熱音響振動（６０）に同調された減衰振動（６２）が発生され、減衰振動（６２）の少なくとも一部が空洞（４６）に、減衰振動と熱音響振動が重畳域（６４）において重なり合うように入れられ、少なくとも重畳域（６４）において振動が十分に消滅されることを特徴とする。また本発明は、共鳴体積部（４２）の共鳴器（７０）と空洞（４６）とを有する振動性空洞（４６）における熱音響振動（６０）を減衰するための装置（６５）に関し、空洞（４６）が放出管（７２）を介して共鳴体積部（４２）に接続され、前記放出管（７２）が、この放出管（７２）における熱音響振動（６０）を制御できる調整装置（７６）を有し、共鳴器（７０）から空洞（４６）に通じている共鳴管（４４）が設けられていることを特徴とする。さらにまた本発明は、本発明に基づく方法と装置を利用した燃焼室（４）およびこの燃焼室（４）を備えたガスタービン（１）に関する。

Description

本発明は、共鳴体積部を有する共鳴器によって熱音響振動を減衰する方法と、共鳴体積部を有する共鳴器と空洞とを備えた振動性空洞において熱音響振動を減衰するための装置に関する。

この方法および装置はガスタービンにおける燃焼室に採用される。

ガスタービン設備は例えば圧縮機と燃焼室とタービンを有している。吸い込まれた空気が圧縮機において圧縮され、続いて、燃料と混合される。燃焼室において混合気が燃焼され、その燃焼ガスがタービンに導かれる。そのタービンによって燃焼ガスから熱エネルギが取り出され、機械エネルギに変換される。

混合気の燃焼時に燃焼室内に熱音響振動が生じ、この熱音響振動は波の形で伝搬する。燃焼室内に共鳴周波数の定在波が発生し、この定在波は燃焼室を撤回不能に損傷する。この熱音響振動問題は、かかるガスタービンの新燃焼室、燃焼室部品およびバーナの設計時および運転時に問題となる。

従って、熱音響振動を減少するため、従来において例えばヘルムホルツ共鳴器がその振動を減衰するために採用されている。ヘルムホルツ共鳴器は、通常、空気あるいは他の気体が封入された体積を有する。その体積に、同様に空気あるいは他の気体が封入され燃焼室に開口する管、いわゆる共鳴管が続いている。体積内および共鳴管内における空気あるいは気体はばね・質量系を形成し、その場合、体積内の空気あるいは気体はばねを形成し、共鳴管内の空気あるいは気体は質量を形成する。ばね・質量系が体積および共鳴管の横断面積と長さによって決定される共鳴周波数で振動するとき、ヘルムホルツ共鳴器は、共鳴周波数の定在波の発生を防止する無限長の開口のように振る舞う。

しかし、ヘルムホルツ共鳴器は固定の共鳴周波数を有する。従って熱音響振動の発生は、ヘルムホルツ共鳴器の共鳴周波数に相当するかそれに近い周波数に対してしか効果的に抑制されない。共鳴周波数からずれた周波数に対して、ヘルムホルツ共鳴器の作用はかなり低下される。

本発明の課題は、効果的な作用を有し、減衰すべき熱音響振動の変化に対して柔軟に対応する、改善された熱音響振動減衰方法と、その改善された装置を提供することにある。この方法および装置はガスタービンにおける燃焼室に利用される。

方法に向けられた課題は、本発明に基づいて、共鳴体積部を有する共鳴器によって熱音響振動を減衰する方法において、熱音響振動を起こす空洞内に熱音響振動を誘起し、空洞から熱音響振動の少なくとも一部が放出され、共鳴体積部に導入され、これにより、共鳴体積部内に熱音響振動に同調された減衰振動が発生され、減衰振動の少なくとも一部が、減衰振動と熱音響振動が重畳域において重なり合うように、空洞に導入され、少なくとも重畳域において振動が十分に消滅されることによって解決される。

本発明は、振動性空洞における熱音響振動の実際周波数と予め計算された共鳴器の共鳴周波数との偏差が、減衰時におけるかなりの作用損失によって際立って現れる、という知識から出発している。その偏差は、空洞例えば燃焼室における例えば機械的変化あるいは他の熱的障害やそのほかの障害によって引き起こされる。これにより、音響減衰も低下され、このために、熱音響振動が増加する。その場合、熱的障害と音響的障害との間に振幅を拡大する相互作用が生じ、これは、空洞例えば燃焼室に大きな負荷を生じさせる。採用される共鳴器は、従来は、予め決められた固定の共鳴周波数に設計され、従って、振動性空洞の音響特性が変化した際、もはや所望の減衰作用は得られない。

その認識から出発して、空洞における熱音響振動を減衰する本発明に基づく方法によってはじめて、減衰時における望ましくない効率低下が防止される。これは、共鳴器の共鳴周波数を空洞における熱音響振動の現下の周波数に同化させることによって行われる。

本発明の基本原理は、一方では、共鳴器の的確な励振が行われ、他方では、その励振が熱音響振動自体によって生ずることにある。この場合、共鳴器は理想共鳴器のように振る舞う。これは、熱音響振動の少なくとも一部が共鳴器に、その熱音響振動部分が共鳴器内において減衰振動の励振を発生するように、導入されることによって生じ、すなわち、発生した減衰振動が空洞に帰還される際に、少なくとも熱音響振動と減衰振動との重畳域において両振動が十分に消滅されるように生ずる。空洞の熱音響振動の一部はそれ自体で共鳴体積部を励振するために利用される。これによって、熱音響振動の周波数が変化した際、これに伴って、振動の放出時および振動の共鳴器への導入時における周波数の変化も生じ、これにより、共鳴器で発生される減衰振動も変化する。さらに、前もって行われる熱音響振動の放出は、共鳴器が熱音響振動に対して時間的に遅延して励振されるように作用をする。その遅延時間は、発生された減衰振動が熱音響振動との重畳域において消滅（破壊干渉）するように設定される。その遅延時間は放出された熱音響振動部分の空洞から共鳴器までの走行時間により生ずる。

従ってこの方法は、空洞にその都度生ずる熱音響振動に、共鳴器を後から同調させることを可能とする。この減衰振動の熱音響振動への同化および局所的消滅によって、たとえ熱音響振動の周波数が外的影響によって予め計算された共鳴器の必要な共鳴振動の周波数からずれても、空洞に共鳴周波数の定在波が発生することが防止される。これによって、空洞においてその空洞自体ないし空洞を画成する壁を損傷する共鳴破壊は生じない。

さらに、共鳴体積部を励振するための空洞振動の利用は容易で単純な共鳴振動方式である。共鳴器に対して補助的励振器は不要である。

有利な実施態様において、減衰振動は熱音響振動に関して逆相的に同調される。これによって、熱音響振動の減衰が生ずる。

好適には、減衰振動はその位相、波長および周波数が調整される。これによって、重畳域において両振動の完全消滅が生ずる。

有利な実施態様において、重畳域における減衰振動の位相は、空洞から放出された熱音響振動部分の走行時間の制御により調整される。これは、共鳴器を後から熱音響振動に簡単に同調させることを可能にする。例えば大きく異なった運転温度に曝される空洞の場合、空洞の固有振動は空洞の変化した熱音響振動によって変移するので、単純に整性できることはそのような空洞において特に有利である。

好適には、重畳域における時間的に連続した振動消滅を達成するために、減衰振動が熱音響振動にｉｎ−ｓｉｔｕ制御で適合される。これによって、大きく変動する外的影響時でも両振動の十分な消滅が迅速に保証される。ｉｎ−ｓｉｔｕ制御適合は、常に十分な完全消滅を行うように遅延時間従って位相を再調整する制御回路によって行われる。

有利な実施態様において、減衰振動は１０Ｈｚ〜４００Ｈｚの周波数範囲にわたり調整される。この大きな周波数調整範囲は空洞の多くの適用可能性と変形可能性とを与える。その周波数範囲は、熱音響振動が不安定燃焼のために生じ拡散するので、特に燃焼室として形成された空洞において価値がある。

空洞における熱音響振動は燃焼振動によって誘起される。空洞内において適当な燃料／気体・混合気の燃焼時に生ずる例えば燃焼ガスは、続いてエネルギを発生するために利用される。

装置に向けられた課題は、本発明に基づいて、共鳴体積部の共鳴器と空洞とを有する振動性空洞における熱音響振動を減衰するための装置において、空洞が放出管を介して共鳴体積部に接続され、前記放出管が、この放出管内における熱音響振動を制御できる調整装置を有し、共鳴器から空洞に通じている他の共鳴管が設けられていることによって解決される。

この装置の基本原理は、共鳴器と、空洞と、共鳴管と、熱音響振動を変化させ得る調整装置を備えた放出管とから成っていることにあり、すなわち、例えば熱音響振動の周波数の変化が、共鳴器内で発生される減衰振動の変化を生じさせるようにされている。その変化は、共鳴器の励振が、減衰振動が共鳴管により空洞に導入された際に重畳域における熱音響振動の局所的消滅を達成する減衰振動を発生する、ようにされている。その振動消滅は、空洞内に共鳴周波数の定在波が発生することを防止し、これによって、空洞の損傷を防止する。

有利な実施態様において、調整装置は熱音響振動の位相を調整する移相器である。この移相器によって、熱音響振動の位相が調整できる。正しい位相の調整は、共鳴器が熱音響振動の正しい位相で励振されるように作用する。これは、熱音響振動に同調された正しい位相の減衰振動を発生するために必要である。

好適には、移相器は放出管の長さを変化させ得る手段を有している。その長さ調整は、放出管の長さを所定の方向に延長ないし短縮する、放出管に例えば外から設けられた機械的スライド装置によって簡単に実施できる。かかるスライド装置の場合には共鳴器は特に点検し易い。

有利な実施態様において、移相器は放出管の横断面積を変化させ得る手段を有している。その横断面積の変更は、長さの変更と同様に、例えば外から設けられた機械的スライド装置によって実施できる。この場合にも、共鳴器は特に点検し易い。

好適には、移相器は放出管における放出熱音響振動部分の伝搬速度を制御できる手段を有している。熱音響振動の伝搬速度の制御によって、共鳴器の励振が制御され、詳しくは、共鳴器が重畳域における両振動の消滅に関して発生減衰振動に積極的に作用するようにされている。

他の実施態様において、移相器は放出管における媒体の温度を変化させ得る加熱要素を有している。その温度の制御は、熱音響振動の周波数の変化を生じさせる。これによって、共鳴器の励振も変化され、すなわち、共鳴器が、重畳域における両振動の消滅に関し発生される減衰振動に積極的に作用するようにされている。これは例えば放出管の目的に適った加熱あるいは冷却によって生じさせられる。そのために、放出管は例えば水で取り囲まれ、その水は外側から可変的に並びに空洞における変化時に迅速に冷却可能あるいは加熱可能である。

好適には、移相器は放出管における媒体の圧力を変化させ得る手段を有している。その圧力変更は放出管内における密度を変更させ、これにより、熱音響振動の周波数が変化される。

好適には、移相器は位相可変媒体入り容器を放出管に挿入できる手段を有している。ここでは、空洞の変化時あるいは外的影響の変化時、他の位相変化媒体例えば他の液体あるいは他の気体が利用されることにより、有利に迅速に且つ効果的に反応することができる。

有利な実施態様において、空洞は燃焼室として形成されている。ここでは例えば、燃料／空気・混合気の燃焼によって、燃焼ガス流が発生され、この燃焼ガス流は続いてエネルギを発生するために利用される。

有利な実施態様において、この装置は燃焼室に利用される。その燃焼室は内部ハウジングと燃焼室を少なくとも部分的に包囲する外部ハウジングとを有し、その内部ハウジングに共鳴器が設けられている。

他の実施態様において、この装置は燃焼室に利用され、その燃焼室は内部ハウジングと燃焼室を少なくとも部分的に包囲する外部ハウジングとを有し、その外部ハウジングに共鳴器が設けられている。この形態は、燃焼室の外側から共鳴器に接近できるので、特に点検し易い。

以下図を参照して本発明を詳細に説明する。なお、図は実寸通りでなく、概略的に示され、各図において同一部分には同一符号が付されている。

図１におけるガスタービン１は、燃焼空気用の圧縮機２と、燃焼室４と、圧縮機２および発電機や作業機械（図示せず）を駆動するためのタービン６と、燃焼ガスＭを燃焼室４からタービン６に導く環状室２４とを有している。導入された空気Ｌは圧縮機２において圧縮される。そのために、タービン６および圧縮機２は、中心軸線を中心として回転可能に支持されタービンロータとも呼ばれる共通タービン軸８上に配置され、そのタービン軸８は発電機ないし作業機械に連結されている。タービン６はタービン軸８に固定された多数の動翼１２を有している。これらの動翼１２はタービン軸８に翼列（翼輪）の形で配置され、これによって、複数の動翼列を形成している。タービン６はさらに多数の静翼１４を有している。動翼１２は、タービン６を貫流する高温媒体、作動媒体例えば燃焼ガスＭの衝撃伝達によって、タービン軸８を駆動するために使われる。これに対して、静翼１４は作動媒体例えば燃焼ガスＭの流れを案内するために使われる。

燃焼室４内において混合気の燃焼によって熱音響振動６０が生ずる。共鳴周波数の定在波の発生を防止するために、燃焼室４を取り囲む燃焼室ハウジング２６にヘルムホルツ共鳴器２０が設けられている。

図２は、熱音響振動６０を減衰するために利用する従来におけるヘルムホルツ共鳴器２０を備えた装置３０を示している。ヘルムホルツ共鳴器２０は共鳴管４４により空洞４６に接続されている。空洞４６内に、例えば燃焼室４内における燃焼によって発生されるような熱音響振動６０が発生される。ヘルムホルツ共鳴器２０は、このヘルムホルツ共鳴器２０が熱音響振動６０を重畳域６４において消滅することによって、空洞４６における共鳴周波数の定在波の発生を防止する目的を有している。これは共鳴体積部４２内における減衰振動６２の発生によって行われ、その減衰振動６２は共鳴管４４を通って空洞４６に達し、そこで、熱音響振動６０と重なり合って、その熱音響振動６０を消滅する。これによって、空洞４６が損傷から防護される。その場合、ヘルムホルツ共鳴器２０は予め熱音響振動６０に合わされた固定の共鳴周波数を有する。しかし、空洞４６例えば燃焼室の熱的障害によって、熱音響振動６０の周波数が変移する。その結果、ヘルムホルツ共鳴器２０はその能力が低下し、即ち、熱音響振動６０は重畳域６４においてほんの僅かしか減衰されないか、全く減衰されない。従って、空洞４６を損傷させる定在波が空洞４６内に生ずる。

図３は、本発明に基づく熱音響振動６０の減衰装置６５と減衰方法を示し、その装置６５に応じた方法について説明する。その装置６５は、共鳴体積部４２の共鳴器７０と、空洞４６と、空洞４６と共鳴器７０とを接続する共鳴管４４と、放出管７２とを有している。放出管７２は共鳴器７０と空洞４６との接続経路となっている。さらに、放出管７２は調整装置７６を有している。空洞４６例えば燃焼室において、熱音響振動６０が発生される。熱音響振動の一部７４が放出管７２によって放出され、この放出管７２を通して共鳴器７０に導入され、これにより、共鳴器７０が励振される。

放出管７２に設けられた調整装置７６は、放出管７２における放出熱音響振動部分７４の変化を生じさせる。調整装置７６は放出管７２の長さを変化させる例えば矢印Ｌの方向へのスライド装置である。そのようにして制御された遅延時間によって、放出された熱音響振動部分７４は共鳴器７０を減衰振動６２が生ずるように励振し、その減衰振動６２は共鳴管４４を通して空洞４６に伝わり、重畳域６４において両振動は相殺され消滅する。空洞４６内における熱音響振動６０の周波数が外的作用のために変化したとき、重畳域６４で両振動の消滅を達成するために、減衰振動６２の周波数を変化させる必要がある。これは部分的に既に、熱音響振動６０の変化およびそれに伴って誘起される放出熱音響振動部分７４による共鳴器７０の変化した励振によって行われる。減衰振動６２の空洞４６内における熱音響振動６０への適合は、調整装置７６の種々の調整によって得られる。長さ変更のための例えばスライド要素としての調整要素７６の単純な形成は、保守点検性において有利であり、また安価である。

これによって、重畳域６４における両振動の十分な消滅が保証される。従って、空洞４６内における共鳴周波数の定在波の発生が防止され、空洞４６の破損が回避される。

共鳴器７０の共鳴周波数の追加的同調は、プロトタイプ試験において空洞４６の例えば燃焼室としての特に多種多様の安全な利用を可能とする。

ガスタービンの概略構成図。 従来のヘルムホルツ共鳴器の概略構成図。 本発明に基づく熱音響振動の減衰方法を実施する装置の概略構成図。

符号の説明

１ ガスタービン
４ 燃焼室
４２ 共鳴体積部
４４ 共鳴管
４６ 空洞
６０ 熱音響振動
６２ 減衰振動
６４ 重畳域
６５ 熱音響振動減衰装置
７０ 共鳴器
７２ 放出管
７６ 調整装置

Claims (21)

1. 共鳴体積部（４２）を有する共鳴器（７０）によって熱音響振動（６０）を減衰する方法において、
   ａ）熱音響振動を起こす空洞（４６）内に熱音響振動（６０）が誘起され、
   ｂ）空洞（４６）から熱音響振動（６０）の少なくとも一部（７４）が放出され、共鳴体積部（４２）に導入され、
   ｃ）共鳴体積部（４２）内に熱音響振動（６０）に同調された減衰振動（６２）が発生され、
   ｄ）減衰振動（６２）の少なくとも一部が、減衰振動（６２）と熱音響振動（６０）が重畳域（６４）において重なり合うように、空洞（４６）に導入され、
   ｅ）少なくとも重畳域（６４）において振動が十分に消滅される
   ことを特徴とする熱音響振動の減衰方法。
2. 減衰振動（６２）が熱音響振動（６０）に関して逆相的に同調されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 減衰振動（６２）が周波数、位相および波長に関して調整されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 重畳域（６４）における減衰振動（６２）の位相が、空洞（４６）から放出された熱音響振動部分（７４）の走行時間の制御により調整されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の方法。
5. 重畳域（６４）における時間的に連続した振動消滅を達成するために、減衰振動（６２）が熱音響振動（６０）にｉｎ−ｓｉｔｕ制御で適合されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の方法。
6. 減衰振動（６２）が１０Ｈｚ〜４００Ｈｚの周波数範囲にわたり調整されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の方法。
7. 空洞（４６）における熱音響振動（６０）が燃焼振動によって誘起されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の方法。
8. 燃焼室（４）における熱音響振動（６０）を減衰するために利用されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. ガスタービン（１）の燃焼室（４）において利用されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 振動性空洞（４６）における熱音響振動（６０）を減衰するために共鳴体積部（４２）を有する共鳴器（７０）と空洞（４６）とを備えた装置（６５）において、
    空洞（４６）が放出管（７２）を介して共鳴体積部（４２）に接続され、前記放出管（７２）が該放出管（７２）内における熱音響振動（６０）を制御できる調整装置（７６）を有し、共鳴器（７０）から空洞（４６）に通じている共鳴管（４４）が設けられていることを特徴とする熱音響振動の減衰装置。
11. 調整装置（７６）が、熱音響振動（６０）の位相を調整する移相器であることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 移相器が、放出管（７２）の長さを変化させ得る手段を有していることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 移相器が、放出管（７２）の横断面積を変化させ得る手段を有していることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
14. 移相器が、放出管（７２）における放出熱音響振動部分（７４）の伝搬速度を制御できる手段を有していることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
15. 移相器が、放出管（７２）における放出熱音響振動部分（７４）の伝達媒体の温度を変化させ得る手段を有していることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
16. 移相器が、放出管（７２）における放出熱音響振動部分（７４）の伝達媒体の圧力を変化させ得る手段を有していることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
17. 移相器が、位相可変媒体入り容器を放出管（７２）に挿入できる手段を有していることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
18. 空洞（４６）が燃焼室（４）によって形成されていることを特徴とする請求項１０ないし１７のいずれか１つに記載の装置。
19. 燃焼室（４）が内部ハウジングと燃焼室（４）を少なくとも部分的に包囲する外部ハウジングとを有する請求項１０ないし１８のいずれか１つに記載の装置（６５）を備えた燃焼室（４）において、
    共鳴器（７０）が内部ハウジングに設けられていることを特徴とする燃焼室（４）。
20. 燃焼室（４）が内部ハウジングと燃焼室（４）を少なくとも部分的に包囲する外部ハウジングとを有する請求項１０ないし１８のいずれか１つに記載の装置（６５）を備えた燃焼室（４）において、
    共鳴器（７０）が外部ハウジングに設けられていることを特徴とする燃焼室（４）。
21. 請求項１９又は２０に記載の燃焼室（４）を備えていることを特徴とするガスタービン（１）。

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