JP2011052954A - 音響的に補剛されたガスタービン燃焼器供給部 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンの燃焼時、各燃焼器内における空気及び燃料の圧力は、時間とともに周期的に変動し、これらの変動は、様々な周波数の燃焼器圧力振動を励起し、１つの周波数帯域が、ガスタービンエンジン内の部品又はサブシステムの固有振動数に対応する場合には、その部品又はエンジン全体の損傷が引き起こされ得る。このため、音響的に補剛されたガスタービン燃焼器供給部を提供する。
【解決手段】システム１０は、タービンエンジンの燃焼器１６より上流において流体流路１４、４０、４２に結合されるように構成される可変形状共振器４４、４６、４８を含む。可変形状共振器４４、４６、４８は、流体流路１４、４０、４２及び燃焼器１６内の圧力振動を減衰させるように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、音響的に補剛されたガスタービン燃焼器供給部に関する。

一般に、ガスタービンエンジンは、圧縮された空気と燃料との混合物を燃焼させて高温燃焼ガスを生じさせる。燃焼は、ガスタービンエンジンの長手軸の周りに半径方向に配置される複数の燃焼器内において起こる。各燃焼器内における空気及び燃料の圧力は、時間とともに周期的に変動する。

これらの変動は、様々な周波数の燃焼器圧力振動を励起する。１つの周波数帯域が、ガスタービンエンジン内の部品又はサブシステムの固有振動数に対応する場合には、その部品又はエンジン全体の損傷が引き起こされ得る。

原クレームに記載の本発明の範囲に相応する特定の実施形態の概要を以下に説明する。これらの実施形態は、特許請求の範囲に記載の本発明の範囲を制限することを意図するものではなく、むしろ本発明の可能な形態を簡単に要約することだけを意図するものである。実際のところ、本発明は、以下に記載の実施形態と同様であるか、又は異なる様々な形態を包含する。

第１の実施形態において、システムは、圧縮機と、タービンと、圧縮機より下流且つタービンより上流に配置される燃焼器とを含むタービンエンジンを含む。タービンエンジンは更に、１つ以上の流体を燃焼器内に噴射するように構成される流体噴射システムと、流体噴射システムに結合される可変形状共振器とを含む。更に、タービンエンジンは、フィードバックに呼応して可変形状共振器を調整するように構成される制御装置を含む。

第２の実施形態において、システムは、タービンエンジンの燃焼器より上流において流体流路に結合されるように構成される可変形状共振器を含む。可変形状共振器は、流体流路及び燃焼器内の圧力振動を減衰させるように構成される。

第３の実施形態において、方法は、タービンエンジンの燃焼器に関連ある圧力フィードバックを受けるステップを含む。この方法は更に、このフィードバックに基づいて、燃焼器より上流において流体流路に結合される共振器を調整するステップを含む。

本発明の上記及びその他の特徴と態様と利点とは、図面全体を通して同様の符号が同様の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むとより明確に理解されよう。

本発明の特定の実施形態に従って、空気供給部、燃料供給部及び希釈剤供給部に結合されて燃焼器の圧力振動を低減させる共振器を有するタービンシステムのブロック図である。 本発明の特定の実施形態に従った、図１のタービンシステムの側断面図である。 本発明の特定の実施形態に従って、空気供給部と燃料供給部と希釈剤供給部とに結合されて燃焼器の励起振動を低減させる共振器を有する、図１の燃焼器の側断面図である。 本発明の特定の実施形態に従って、図１に示すように燃料供給部に結合されるヘルムホルツ共振器の線図である。 本発明の特定の実施形態に従って、図１に示すように空気供給部に結合されるヘルムホルツ共振器の線図である。 本発明の特定の実施形態に従って、図１に示すように希釈剤供給部に結合されるヘルムホルツ共振器の線図である。 本発明の特定の実施形態に従って、図１に示すように希釈剤供給部に結合される複数の４分の１波長共振器の線図である。 本発明の特定の実施形態に従って、図１に示すように希釈剤供給部に結合される他の４分の１波長共振器の線図である。

本発明の１つ以上の特定の実施形態を以下に説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するために、実際の実施形態の全ての特徴を本明細書に説明しない場合もある。こうしたいかなる実際の実施態様の開発においても、あらゆる技術又は設計プロジェクトの場合と同様に、システム関連及び事業関連の制約事項に準拠すること等の、実施態様毎に異なることもある、開発者の特定の目標を達成するために、その実施態様特有の数多くの決定を行わなければならないことを理解されたい。更に、このような開発努力は複雑であり、且つ時間がかかることもあるが、それでもやはり、本発明を利用することができる当業者にとっては、設計、製作及び製造という定常作業であることを理解されたい。

本発明の様々な実施形態の要素を示す場合、「１個の」、「ある」、「この」及び「前記の」という冠詞は、その要素が１個以上あることを意味することを意図している。「からなる」、「含む」及び「有する」という用語は、包含的であることを意図するとともに、列挙された要素以外の追加の要素が存在し得ることを意味する。

本発明の実施形態は、流体供給部（例えば液体及び／又は気体管路）内の圧力変動を抑えることによって、燃焼器の励起振動を低減させる。形状調節可能な共振器は、各流体供給部（例えば空気、燃料又は希釈剤）に結合され、燃焼器内の圧力振動の周波数に合わせられる。共振器を燃焼器の燃焼領域ではなく流体供給部に結合させることにより、共振器は、高温燃焼ガスに直接露出されないため、より低い耐熱性の材料により構成される。特定の実施形態は、流体供給部及び燃焼器内の振動を減衰させる周波数に共振器を合わせるように構成される制御装置を含む。制御装置は、燃焼器と連通して圧力振動の周波数を測定する圧力センサと通信可能に結合される。制御装置は更に、共振器と通信可能に結合され、共振器を圧力センサにより検出された周波数に合わせるように構成される。共振器には、ヘルムホルツ共振器及び／又は４分の１波長共振器等が含まれる。特定の実施形態において、異なる周波数に合わせられた複数の共振器が各流体供給部に結合されて、燃焼器内における複数の周波数の圧力振動を減衰させる。

次に図面において、最初に図１を参照すると、ガスタービンシステム１０の一実施形態のブロック図が示されている。この図には、燃料ノズル１２と、燃料供給部１４と、燃焼器１６とが含まれている。図示のように、燃料供給部１４は、天然ガス等の液体及び／又は気体燃料１８を、タービンシステム１０の燃焼器１６内に、燃料供給部１４と燃料ノズル１２とを介して送給する。後述するように、燃料ノズル１２は、燃料１８を燃焼器１６内に噴射するように構成される。空気は燃焼器１６内に直接噴射され、燃焼器は燃料−空気混合物に点火して混合物を燃焼させ、その後高温の加圧排気ガスをタービン２０内に送り込む。この排気ガスはタービン２０内においてタービン翼を通過し、タービンを駆動して回転させる。更にタービン２０の翼と軸２２との間における結合が軸２２の回転を引き起こし、この軸は更に、図示のように、タービンシステム１０全体を通していくつかの構成要素にも結合される。最終的に燃焼過程の排気は、排気出口２４を介してタービンシステム１０から排出される。

タービンシステム１０の一実施形態において、圧縮機翼又はブレードは、圧縮機２６の構成要素として含まれる。圧縮機２６内のブレードは、軸２２に結合され、軸２２がタービン２０により駆動されて回転する時に回転する。圧縮機２６は、タービンシステム１０に空気取入部２８を介して空気を取り入れる。更に、軸２２は負荷３０に結合され、この負荷は軸２２の回転によって動力駆動される。理解されるように、負荷３０は、発電プラント又は外部機械負荷等、タービンシステム１０の回転出力により動力を生じる何らかの適切な装置である。例えば、負荷３０には、発電機及び航空機のプロペラ等が含まれる。空気取入部２８は、低温空気取入部等の適切な機構により、空気３２をタービンシステム１０内に引き込んで、その後、空気３２は燃焼器１６により燃料１８と混合する。以下に詳細に述べるように、タービンシステム１０により取り入れられた空気３２は、圧縮機２６内においてブレードを回転させることにより送給されるとともに圧縮されて、加圧空気となる。加圧空気は、その後、矢印３４により示されるように、燃焼器１６内に送給される。燃料も、矢印３６により示されるように、燃焼器１６内に燃料ノズル１２から送給される。燃焼器１６は、加圧空気と燃料とを混合して、燃焼に最適な混合比、例えば燃料がより完全に燃焼して燃料の浪費又は過剰な排出が起こらないようになる燃焼を生じさせる。

更に、希釈剤３８が、図示のように、希釈剤供給部４０により、燃料ノズル１２内又は直接燃焼器１６内に噴射される。希釈剤には、蒸気、水、窒素及び二酸化炭素等が含まれる。希釈剤の噴射は、タービンシステム１０がより低出力で動作する時に、窒素酸化物（ＮＯｘ）、粒子状物質、硫黄酸化物（ＳＯｘ）及び／又は炭素酸化物（ＣＯｘ）の排出を低減させる。希釈剤は更に、ある一定の動作条件下において、タービンの性能向上をもたらす。

タービンシステム１０は更に、流体供給部に結合される共振器を含み、この共振器は流体供給部及び燃焼器１６内における圧力振動を低減する。具体的には、圧縮機２６からの加圧空気３４は、空気供給部４２を通って流れた後に燃焼器１６に流入する。共振器４４は、空気供給部４２に結合されて、空気圧力振動を減衰させる。同様に、共振器４６は、燃料供給部１４に結合されて、燃料圧力振動を減衰させる。また、共振器４８が希釈剤供給部４０に結合されて、希釈剤振動を減衰させる。流体供給部内の振動を減衰させることにより、これらの共振器は燃焼器１６内の圧力振動を低減して、タービンシステム１０を燃焼器１６内と燃焼器１６の上流及び下流との様々な構成要素の疲労及び早期摩耗に対して保護する。

しかし、燃焼温度及びタービン負荷条件が変動するため、燃焼器の励起振動の周波数は時間とともに変動する。補償のために、共振器は、継続的に調整されて、変動する周波数の燃焼器振動を減衰させるように幾何学的に構成可能とされる。本実施形態において、制御装置５０は、各々の共振器４４、４６及び４８と、燃焼器１６と連通する圧力センサ５５とに通信可能に結合される。制御装置５０は、燃焼器１６、燃料供給部１４、希釈剤供給部４０及び／又は空気供給部４２内の圧力振動の周波数を検出するように構成される。他の実施形態において、制御装置５０は更に、燃焼器１６の下流の圧力振動の周波数、タービンシステム１０内の振動、燃焼器１６内の火炎温度及び／又は圧力振動を示すその他のパラメータを検出するように構成される。そして制御装置５０は、共振器４４、４６及び４８を検出された周波数に合わせるように調整する。このような態様で、流体供給部の振動が減衰されて、燃焼器１６内の圧力振動の大きさが減じられる。

図２に、タービンシステム１０のある実施形態の側断面図を示す。図示のように、この実施形態は、環状配列の燃焼器１６に結合される圧縮機２６を含む。例えば、６個の燃焼器１６が図のタービンシステム１０に配置される。各燃焼器１６は、各燃焼器１６内に位置する燃焼領域に燃料を送給する１個以上の燃料ノズル１２を含む。例えば、各燃焼器１６は、環状又はその他の適切な構成をなす１個、２個、３個、４個、５個、６個、７個、８個、９個、１０個又は１１個以上の燃料ノズル１２を含み得る。燃焼器１６内における空気−燃料混合物の燃焼は、排気ガスが排気出口２４の方へと通過する時に、タービン２０内の翼又は羽根を回転させる。以下に詳細に述べるように、空気供給部４２に結合される共振器４４と、燃料供給部１４に結合される共振器４６と、希釈剤供給部４０に結合される共振器４８とは、それぞれの供給部及び燃焼器１６内における圧力振動を低減させる。

図３は、燃焼器１６の一実施形態の詳細側断面図である。図示のように、燃焼器１６は、燃焼器１６の基礎部においてエンドカバー５２に取り付けられる燃料ノズル１２を含む。燃焼器１６のある実施形態は、５個又は６個の燃料ノズル１２を含む。燃焼器１６のその他の実施形態は、単一の大型燃料ノズル１２を用いる。燃料ノズル１２の表面及び形状は、燃料が下流方向に燃焼器１６内へと流れる時に最適な燃料流路を提供するように設計され、これによってチャンバ内における燃焼が高まり、タービンエンジンの出力を高めることができる。燃料は、燃料ノズル１２から下流方向５４に噴射され、空気と混合した後、燃焼器ケーシング５８の内側の燃焼領域５６に流入する。燃焼領域５６は、燃焼器１６内で空気−燃料混合物の点火に最も適する場所である。また、空気−燃料混合物を基礎部の下流で燃焼させて、燃焼領域５６から燃料ノズル１２への熱伝達を低減させることが一般に好ましい。図の実施形態では、燃焼領域５６は、燃焼器ケーシング５８の内側において、燃料ノズル１２より下流且つ加圧排気ガスをタービン２０の方へと誘導するトランジションピース６０より上流に配置される。トランジションピース６０は、燃焼した排気ガスが燃焼器１６から流出する時に速度の増加を可能にして、タービン２０を回転させるためにより大きい力を生じる先細部を含む。次に、排気ガスが軸２２の回転を引き起こして負荷３０を駆動する。ある実施形態において、燃焼器１６は更に、ケーシング５８の内側に配置されて冷却用空気流のための中空環状流路を提供するライナ６２を含み、冷却用空気流は、燃焼領域５６の周りのケーシング５８とライナ６２とを冷却する。ライナ６２は更に、燃料ノズル１２からタービン２０への流れを向上させるために適切な輪郭を提供する。

図３には更に、燃焼器より上流に配置される流体供給部と付随の共振器４４、４６及び４８とが示されている。圧縮機２６からの加圧空気は、空気供給部４２を通って流れた後に燃焼器１６に流入する。共振器４４は、空気供給部４２に結合されて、空気供給部４２及び燃焼器１６内の振動を減衰させる。燃料は、燃料供給部１４を介して燃焼器１６に流入する。この図に示されるように、共振器４６は、燃料供給部１４と連通しており、燃料供給部１４内の振動を減衰させて、燃焼器の励起振動を低減させる役割を果たす。同様に、希釈剤は、希釈剤供給部４０を介して燃焼器１６に流入する。共振器４８は希釈剤供給部４０に結合されて、希釈剤供給部４０及び燃焼器１６内の振動を減衰させる。共振器４４、４６及び４８は、燃焼領域５６から上流方向に様々な距離に設けられる。図３に示す共振器は、形状可変ヘルムホルツ共振器である。しかし、その他の実施形態では、４分の１波長及び／又は同心穴−空洞共振器等が用いられる。更に、各流体供給部は、異なる周波数に合わせられる複数の共振器を含む。

図４に、燃料供給部１４に結合された共振器４６の線図を示す。上述のように、燃料供給部１４は、燃焼器１６より上流に配置される。この構成において、燃料は下流方向５１に燃料供給部１４を通って燃焼器１６へと流れる。燃料供給部１４の内圧は、時間とともに変動して、燃焼器１６内において振動を誘発する。これらの振動は、燃焼器１６に結合される導波管５３と圧力センサ５５とによって測定される。導波管は、音響エネルギーを伝播し、且つ案内するように構成される管である。燃焼器１６内における圧力変動は、導波管５３内において等しい周波数の対応する振動を誘発する。導波管５３に結合されるセンサ５５は、導波管５３内の圧力変動を検出することにより、これらの振動を測定するように構成される。この構成により、圧力センサ５５を高温燃焼ガスに直接露出することなく、正確な圧力測定が行い易くなる。圧力センサ５５には、光ファイバセンサ、機械的撓みセンサ、圧電センサ又は微小機械システム（ＭＥＭＳ）センサ等が含まれる。

圧力センサ５５は、例えば電気接続又は無線送信により圧力測定値を制御装置５０に送信する。制御装置は、圧力測定値を分析し、燃焼器１６内における圧力振動の優勢な周波数を判断する。例えば、制御装置５０は、圧力センサ５５からの圧力信号に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行う。この変換により、時間領域圧力信号が周波数領域に変換される。つまり、制御装置５０は、音響エネルギーと燃焼器１６内の周波数との間の関係を明らかにする。そして制御装置５０は、圧力振動の１つ又は２つ以上の優勢な周波数を判断する。例えば、制御装置５０は、最も大きい音響エネルギーを発する単一の周波数を識別する。制御装置５０はその後、共振器４６をこの周波数に合わせて、燃焼器１６内における振動を減衰させる。これに代わる方法として、制御装置５０は、確定された閾値音響エネルギーを有して構成される。この閾値を超える音響エネルギーを発するあらゆる周波数が優勢周波数と考えられる。複数の共振器を用いる構成において、制御装置５０は、各共振器をそれぞれの優勢な周波数に合わせる。このような態様で、燃焼器１６内における複数の優勢な周波数が減衰される。

制御装置５０は更に、例えば電気接続又は無線送信により、共振器４６と通信可能に結合される。上述のように、共振器４６は、所望の周波数に合わせられるように幾何学的に構成可能とされる。このため、制御装置５０は、所望の周波数を示す信号を共振器４６に送って、燃焼器１６内の振動を減衰させる。共振器４６は更に、自身の幾何学的構成を変化させて所望の周波数に対応する。一実施形態において、制御装置５０は、共振器４６を燃焼器１６内の優勢な周波数に合わせる。しかし、理解されるように、制御装置５０は、共振器４６を、燃焼器の振動を低減させるいかなる所望の周波数にも合わせる。

共振器は、加圧流体の特定の周波数での振動を誘発する音響チャンバである。共振器の幾何学構成が振動の周波数を直接決定する。流体圧力が外力の影響によって変動する場合に、これらの周波数に合わせられた共振器は、この変動の大きさを抑えることができる。共振器の１つは、ヘルムホルツ共振器である。ヘルムホルツ共振器は、本体と、本体より小さい直径を有するのど部とを含む。のど部に流入する加圧流体は本体内で回収されて、最終的に本体の内圧が外部流体圧力より高くなる。その時点で、本体内の流体はのど部を出て、本体内の流体圧力が低下する。本体の圧力低下は本体内への流体の流入を誘発し、この過程が繰り返される。空気が周期的に移動することによって、ヘルムホルツ共振器の共振周波数が確定される。

図４に示す実施形態において、共振器４６は、本体５７とのど部５９とを含む円筒状ヘルムホルツ共振器である。容積６１は、共振器本体５７と、基礎部６３と、共振器本体５７の開口端部内に挿入されるピストン６４とによって画定される。理解されるように、ヘルムホルツ共振器の共振周波数は、共振器の幾何学構成によって決定される。具体的には、円筒状ヘルムホルツ共振器は、下式に基づいて共振周波数を生じる。
ｆ＝（ｃ／２π）（ｄ^２／（ＬＨＤ^２））^１／２
ここで、ｃは流体（例えば空気、燃料又は希釈剤）を通る音の速度であり、ｄはのど部５９の直径であり、Ｌはのど部５９の長さであり、Ｈはピストン６４と共振器本体５７の基礎部６３との間における距離であり、Ｄは共振器本体５７の直径である。本実施形態において、のど部の直径ｄとのど部の長さＬと共振器本体の直径Ｄとは決定されている。従って、共振器４６の共振周波数ｆは、高さＨを変化させることによって調節される。高さＨは、ピストン６４を軸６６に沿って基礎部６３への方向６８に並進させることによって減少する。また、高さＨは、ピストン６４を軸６６に沿って基礎部６３から離れる方向７０に並進させることによって増加する。このような態様で、共振周波数ｆは、共振器４６の幾何学的制約の範囲内であらゆる周波数に調節される。

ピストン６４は、ピストン駆動装置７４を貫通する軸７２に結合される。ピストン駆動装置７４は、ピストン６４を軸７２により並進させることができるいかなる形態のリニアアクチュエータであっても良い。例えば、軸７２は、駆動装置７４内の小歯車のそれぞれの歯と噛み合うように構成される歯を有するラックを含む。小歯車は、例えば制御装置の入力に基づいて小歯車を回転させるように構成される電動機に結合される。小歯車が回転すると、ピストン６４は、軸７２のラックにより直線的に駆動される。その他のリニアアクチュエータ（例えば、ねじ伝動式、空気圧式、油圧式、電気機械式等）は、他の実施形態において用いられる。

共振器４６を燃焼器１６の優勢な周波数に合わせることによって、燃料供給部１４内における圧力振動が減衰されることにより燃焼器の励起振動が低減される。例えば、燃料供給部１４の内圧は、燃料ポンプ速度の変動、乱流及び／又は背圧変動等に基づいて変動する。これらの燃料圧力振動は、燃焼器１６内において実質的に同様の周波数の対応する振動を励起する。従って、共振器４６を燃焼器１６の優勢な周波数に合わせることにより、燃料供給部１４及び燃焼器１６内における振動が減衰する。更に、燃料供給部１４が複数の共振器を含む場合は、各共振器が燃焼器１６内の優勢な周波数に合わせられる。例えば、特定の実施形態では、各々が異なる周波数に合わせられる１個、２個、３個、４個、５個、６個、７個、８個、９個、１０個又は１１個以上の共振器が用いられ得る。共振器は、燃料供給部１４の特定の軸方向位置の周りにおいて平行に配置されるか、又は燃料供給部１４の長手に沿って連続して配置されるか、又はこれらを組み合わせた構成で配置される。このような態様で、複数の周波数が同時に減衰される。

図５に、空気供給部の共振器４４の線図を示す。上述のように、空気供給部４２は、燃焼器１６より上流に配置される。この構成において、空気は、燃焼器１６に方向７５に流入し、燃焼器ケーシング５８とライナ６２との間において下流方向７７に流れる。空気は、その後、燃料供給部１４から下流方向５１に流れる燃料と混合する。図５には、燃焼器ケーシング５８に直接取り付けられる共振器４４の他の位置を示す。共振器４４を燃焼器ケーシング５８に結合させると、空気供給部４２内における圧力振動が燃焼領域５６に入る前に燃焼器ケーシング５８を介して下流に伝播するため、燃焼器１６内における振動を減衰させるのに役立つ。従って、共振器４４を燃焼器ケーシング５８に結合させることにより、燃焼器の励起振動が誘発される前に空気圧力振動を減衰させる。図４に示す共振器４６と同様に、ヘルムホルツ共振器４４は、本体７６と、のど部７８と、内部容積８０と、基礎部８２と、ピストン８４とを含む。内部容積８０は、ピストン８４を軸８６に沿って基礎部８２への方向８８に、又は軸８６に沿って基礎部８２から離れる方向９０に並進させることによって変動する。ピストン８４は、軸９２とピストン駆動装置９４とにより並進移動する。このような態様で、共振器４４が調整されて、空気供給部４２及び燃焼器１６内における振動が減衰される。

図５に示すように、燃焼器１６は、導波管５３と圧力センサ５５とを含む。圧力センサ５５は、制御装置５０と通信可能に結合される。制御装置５０は更に、ピストン駆動装置８４と通信可能に結合される。この構成において、制御装置５０は、燃焼器１６内における優勢な周波数を判断し、ピストン駆動装置９４に対して、共振器４４を燃焼器１６内の振動を減衰させるために適切な周波数に合わせるように命令する。

共振器４４を燃焼器ケーシング５８に取り付けることにより、共振器４４を空気供給部４２に結合させる場合と比べて、燃焼器１６内における振動の減衰促進が達成される。更に、図５に示すように、共振器４４は、希釈剤入口９６に隣接して取り付けられる。この構成により、燃焼器の圧力振動の減衰は更に促進する。

図５に示す実施形態には１個の共振器４４のみが存在するが、その他の実施形態では、いくつかの共振器が用いられて、空気供給部４２及び燃焼器１６内の複数の周波数が減衰される。例えば、特定の実施形態では、各々が異なる周波数に合わせられる１個、２個、３個、４個、５個、６個、７個、８個、９個、１０個又は１１個以上の共振器が用いられ得る。更に、これらの共振器は、空気供給部４２及び／又は燃焼器ケーシング５８に取り付けられる。例えば、共振器は、燃焼器ケーシング５８及び／又は空気供給部４２の周りに、且つ／又は長手軸に沿って配置される。

図６に、希釈剤供給部の共振器４８の線図を示す。上述のように、希釈剤供給部４０は、燃焼器１６より上流に配置される。この構成において、希釈剤は、希釈剤供給部４０を通って下流方向９７に燃焼器１６へと流れる。図示のように、その後希釈剤は、下流方向７７に流れる空気と混合した後、燃焼領域５６に流入する。他の実施形態では、希釈剤は、下流方向に燃料ノズル１２内へと直接流入する。図４に示す共振器４６と同様に、ヘルムホルツ共振器４８は、本体９８と、のど部１００と、内部容積１０２と、基礎部１０４と、ピストン１０６とを含む。内部容積１０２は、ピストン１０６を軸１０８に沿って基礎部１０４への方向１１０に、又は軸１０８に沿って基礎部１０４から離れる方向１１２に並進させることによって変動する。ピストン１０６は、軸１１４とピストン駆動装置１１６とにより並進移動する。このような態様で、共振器４８が調整されて、希釈剤供給部４０及び燃焼器１６内における振動が減衰される。

図６に示すように、燃焼器１６は、導波管５３と圧力センサ５５とを含む。圧力センサ５５は、制御装置５０と通信可能に結合される。制御装置５０は更に、ピストン駆動装置１１６と通信可能に結合される。この構成において、制御装置５０は、燃焼器１６内の優勢な周波数を判断し、ピストン駆動装置１１６に対して、共振器４８を燃焼器１６内の振動を減衰させるために適切な周波数に合わせるように命令する。

図６に示す実施形態には１個の共振器４８のみが存在するが、その他の実施形態では、複数の共振器４８を用いて希釈剤供給部４０及び燃焼器１６内の複数の周波数が減衰される。更に、図４〜６の実施形態において円筒状ヘルムホルツ共振器を示すが、他の実施形態では、その他の断面形状（例えば多角形、楕円形等）が用いられる。また、更に他の実施形態では、図４〜６に示す共振器を組み合わせたものが用いられる。例えば、特定の実施形態では、燃料供給部１４に結合される共振器４６と、燃焼器ケーシング５８に結合される共振器４４と、希釈剤供給部４０に結合される共振器４８とが含まれる。これらの共振器の各々は、制御装置５０と通信可能に結合される。更に、制御装置５０は、燃焼器振動の分析に基づいて、各々の共振器を同じ周波数又は異なる周波数に合わせる。例えば、制御装置５０は、第１の燃焼器振動周波数は希釈剤供給部４０によって励起され、第２の燃焼器振動周波数は空気供給部４２によって励起されると判断する。そこで、制御装置５０は、希釈剤供給部の共振器４８を第１の周波数に、空気供給部の共振器４４を第２の周波数に合わせる。このような態様で、両方の燃焼器振動周波数が減衰される。

図７に、希釈剤供給部の共振器４８の他の実施形態を示す。この実施形態では、共振器４８は、複数の４分の１波長共振器１１８、１２４及び１３４を含む。４分の１波長共振器１１８は、端部キャップ１２０で終端する高さＡの管を含む。共振器１１８は更に、開弁することで共振器１１８を希釈剤供給部４０に結合させる隔離弁１２２を含む。隔離弁１２２が閉弁すると、共振器１１８は希釈剤供給部４０から隔離されて、共振器１１８は希釈剤供給部４０から効果的に結合解除される。

その名称が暗示するように、４分の１波長共振器は、音響振動の波長の４分の１の波長に合わせられる。従って、４分の１波長共振器１１８の共振周波数は下記のようになる。
ｆ＝ｃ／４Ａ
ここで、ｃは流体（例えば空気、燃料又は希釈剤）中の音の速度であり、Ａは共振器１１８の高さである。よって、共振器１１８は、高さＡの４倍の波長に対応する周波数を減衰させる。

同様に、端部キャップ１２６で終端する共振器１２４は、高さＢの４倍の波長に対応する周波数を減衰させる。共振器１２４は、隔離弁１２８を含み、共振器１２４を希釈剤供給部４０から結合解除し易くなっている。ある一定の動作条件下では、燃焼器圧力振動は、複数の優勢な周波数を含む。例えば、燃焼器１６は、高さＡの４倍及び高さＢの４倍の波長に対応する周波数の圧力振動を受ける。このような状況では、両方の隔離弁１２２及び１２８が開弁されて、共振器１１８及び１２４が両方の周波数の振動を減衰させるようにする。他の動作条件では、燃焼器１６は、高さＡの４倍の波長に対応する振動のみを受ける。このような状況では、隔離弁１２８が閉弁されて、共振器１２４が希釈剤供給部４０から結合解除される。高さＢの４倍の波長に対応する圧力振動が燃焼器１６に存在しない時に隔離弁１２８を開弁させたままにすると、希釈剤流に対して有害な効果を及ぼし得る。

上述のように、４分の１波長共振器の共振周波数は管長さに依存する。従って、４分の１波長共振器は、自身の長さを増加又は減少させることによって調整される。共振器の長さを変更する１つの方法は、一連の弁によるものである。例えば、共振器１２４は、下側弁１３０と上側弁１３２とを含む。弁１３０は、希釈剤供給部４０から高さＦだけ上方に配置される一方で、弁１３２は高さＥの位置にある。これらの弁が開弁及び閉弁されて、共振器１２４の有効長さが調節される。弁１３０が閉弁される一方で弁１２８が開弁されると、共振器１２４は、高さＦの４倍の波長に対応する振動を減衰させる。弁１２８及び１３０が開弁される一方で弁１３２が閉弁されると、共振器１２４は、高さＥの４倍の波長に対応する振動を減衰させる。３個の全ての弁１２８、１３０及び１３２が開弁されると、共振器１２４は、高さＢの４倍の波長に対応する振動を減衰させる。

希釈剤供給部４０は更に、端部キャップ１３６を有する第３の共振器１３４を含む。共振器１２４と同様に、共振器１３４は、隔離弁１３８と２個の長さ調節弁１４０及び１４２とを含む。上述のように、隔離弁１３８が閉弁されると、共振器１３４は希釈剤供給部４０から隔離されて、共振器１３４の効果が無効になる。しかし、隔離弁１３８と長さ調節弁１４０及び１４２とが開弁されると、共振器１３４は、共振器１３４の高さＣの４倍の波長に対応する周波数を減衰させる。共振器１３４の有効高さは、弁１４０及び１４２の状態に依存する。具体的には、弁１４０及び１４２が開弁されると、共振器１３４は、希釈剤供給部４０と端部キャップ１３６との間の距離である高さＣの４倍に対応する振動を減衰させる。弁１３８及び１４０が開弁される一方で弁１４２が閉弁されると、共振器１３４の有効高さは、高さＧに減少する。弁１４０が閉弁される一方で弁１３８が開弁されると、共振器１３４の有効高さは更に、高さＩに減少する。このような態様で、共振器１３４は、燃焼器１６内において検出される優勢な周波数に基づいて、所望の周波数に合わせられる。

図７に示す実施形態では、３個の４分の１波長共振器が用いられるが、その他の実施形態には、より多数又はより少数（例えば１個、２個、４個、５個、６個、７個、８個、９個、１０個又は１１個以上）の共振器が含まれ得る。例えば、特定のタービンシステム構成は、燃焼器１６内において４つの優勢な周波数を生じる。このようなシステムでは、４個の共振器が希釈剤供給部４０に結合されて、これら４つの各々の周波数の振動を減衰させる。その他のタービンシステム構成では、２個の共振器を用いて２つの優勢な周波数を減衰させる。更に、個別の共振器は隔離弁を閉弁させることによって結合解除されるため、２つの優勢な周波数を生じるタービンシステムは、希釈剤供給部４０に結合される２個を超える個数の共振器を含む。このような構成では、更に他の周波数が、あらかじめ結合解除されている共振器の隔離弁を開弁させることによって減衰される。

その他の実施形態は、異なる個数の弁を各共振器内に含む。例えば、共振器は、特定の実施形態では、１個、２個、３個、４個、５個、６個、７個、８個、９個、１０個又は１１個以上の弁を含む。更に、各弁間の高さ及び間隔は変動する。具体的には、弁間の間隔が密であるほど共振器の有効長さをより良好に制御し易くなる。また、弁の動作は、制御装置５０によって制御される。例えば、制御装置５０は、優勢な周波数の数を判断するとともに、対応する個数の隔離弁を開弁させる。同様に、制御装置５０は、長さ調節弁を開弁及び閉弁させることにより、各共振器の共振周波数を調節して、燃焼器１６内で検出された各々の優勢な周波数に対応させる。図７に示す４分の１波長共振器は希釈剤供給部４０に配置されているが、同様の構成が空気供給部の共振器４４及び／又は燃料供給部の共振器４６にも用いられる。

図８に、４分の１波長共振器４８の高さを変動させるための他の構成を示す。一連の弁を用いる代わりに、共振器の高さを連続的に変動させる。この実施形態では、共振器４８は、希釈剤供給部４０に結合される基礎部１４４と、基礎部１４４の開口端部の周りに配置される調節可能な端部キャップ１４６とを含む。基礎部１４４及び端部キャップ１４６の断面は、様々な構成がある中で、とりわけ円形又は多角形とされる。基礎部１４４の外径は、密封部を確立するために、端部キャップ１４６の内径と実質的に同様である。この密封部は、基礎部１４４と端部キャップ１４６との間における流体の通過を実質的に阻止しながら、端部キャップ１４６を基礎部１４４に対して並進させることを可能にする。

共振器４８の高さＪは、端部キャップ１４６を軸１４８に沿って並進させることによって調節される。具体的には、端部キャップ１４６を方向１５０に軸１４８に沿って並進させると、高さＪは減少する。端部キャップ１４６を方向１５２に軸１４８に沿って並進させると、高さＪは増加する。端部キャップ１４６は、該端部キャップ１４６を軸１４８に沿って両方の方向１５０及び１５２に並進させるように構成されるリニアアクチュエータ１５４に結合される。リニアアクチュエータ１５４は、空気圧式、油圧式又は電気機械式等の何らかの適切な種類とされる。この構成では、共振器４８の高さＪが調節されて希釈剤圧力振動周波数を減衰し、燃焼器の励起振動が低減される。

リニアアクチュエータ１５４は、制御装置５０と通信可能に結合され、燃焼器振動を減衰させる周波数に常に合わせる。また、この構成のいくつかの共振器が希釈剤供給部４０に結合されて、複数の周波数が減衰される。更に、特定の実施形態では、連続可変４分の１波長共振器が弁調節可能４分の１波長共振器及び／又は調節不能４分の１波長共振器と組み合わされて、複数の周波数の振動が減衰される。更に、連続可変４分の１波長共振器を用いて空気供給部４２及び／又は燃料供給部１４内の振動が減衰される。

その他の音響学的共振器構成（例えば同心穴−空洞共振器）が他の実施形態において用いられる。更に、異なる種類の共振器を組み合わせたものがタービンシステム全体及び／又は流体供給部間に用いられる。例えば、特定の実施形態では、空気供給部４２にはヘルムホルツ共振器が用いられ、燃料供給部１４及び希釈剤供給部４０には４分の１波長共振器が用いられる。その他の実施形態では、空気供給部４２にヘルムホルツ共振器と４分の１波長共振器とが用いられ、複数の周波数が減衰される。更に、共振器の個数は、流体供給部間において変動する。例えば、空気供給部４２は単一の共振器を含み、燃料供給部１４は３個の共振器を含み、希釈剤供給部４０はいかなる共振器も含まなくても良い。

本明細書は、最良の形態を含めて、例を用いて本発明を開示し、更に、装置又はシステムの製作及び使用と本明細書に組み込まれた方法の実行とを含めて、あらゆる当業者が本発明を実施することを可能にするものである。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲により定められ、当業者が想到するその他の例を含み得る。このようなその他の例は、特許請求の範囲の文言と相違しない構造要素を有する場合、又は特許請求の範囲の文言と実質的に相違しない等価の構造要素を含む場合に、特許請求の範囲内に含まれることを意図する。

１０ ガスタービンシステム
１２ 燃料ノズル
１４ 燃料供給部
１６ 燃焼器
１８ 燃料
２０ タービン
２２ 軸
２４ 排気出口
２６ 圧縮機
２８ 空気取入部
３０ 負荷
３２ 空気
３４ 加圧空気
３６ 燃料
３８ 希釈剤
４０ 希釈剤供給部
４２ 空気供給部
４４ 空気供給部の共振器
４６ 燃料供給部の共振器
４８ 希釈剤供給部の共振器
５０ 制御装置
５１ 下流方向
５２ 燃焼器エンドカバー
５３ 導波管
５４ 下流方向
５５ 圧力センサ
５６ 燃焼領域
５７ 燃料供給部の共振器の本体
５８ 燃焼器ケーシング
５９ 燃料供給部の共振器ののど部
６０ トランジションピース
６１ 燃料供給部の共振器の容積
６２ 燃焼器ライナ
６３ 燃料供給部の共振器の基礎部
６４ 燃料供給部の共振器のピストン
６６ 燃料供給部の共振器の軸
６８ 下方向
７０ 上方向
７２ 燃料供給部の共振器の軸
７４ 燃料供給部の共振器のピストン駆動装置
７５ 空気流
７６ 空気供給部の共振器の本体
７７ 下流方向
７８ 空気供給部の共振器ののど部
８０ 空気供給部の共振器の容積
８２ 空気供給部の共振器の基礎部
８４ 空気供給部の共振器のピストン
８６ 空気供給部の共振器の軸
８８ 下方向
９０ 上方向
９２ 空気供給部の共振器の軸
９４ 空気供給部の共振器のピストン駆動装置
９６ 希釈剤入口
９７ 下流方向
９８ 希釈剤供給部の共振器の本体
１００ 希釈剤供給部の共振器ののど部
１０２ 希釈剤供給部の共振器の容積
１０４ 希釈剤供給部の共振器の基礎部
１０６ 希釈剤供給部の共振器のピストン
１０８ 希釈剤供給部の共振器の軸
１１０ 下方向
１１２ 上方向
１１４ 希釈剤供給部の共振器の軸
１１６ 希釈剤供給部の共振器のピストン駆動装置
１１８ ４分の１波長共振器
１２０ 端部キャップ
１２２ 隔離弁
１２４ ４分の１波長共振器
１２６ 端部キャップ
１２８ 隔離弁
１３０ 下側弁
１３２ 上側弁
１３４ ４分の１波長共振器
１３６ 端部キャップ
１３８ 隔離弁
１４０ 下側弁
１４２ 上側弁
１４４ 共振器の基礎部
１４６ 調節可能な端部キャップ
１４８ 共振器の軸
１５０ 下方向
１５２ 上方向
１５４ リニアアクチュエータ

Claims (10)

1. 圧縮機（２６）と、
   タービン（２０）と、
   前記圧縮機（２６）より下流且つ前記タービン（２０）より上流に配置される燃焼器（１６）と、
   １つ以上の流体（１８、３２、３８）を前記燃焼器（１６）内に噴射するように構成される流体噴射システム（１４、４０、４２）と、
   前記流体噴射システム（１４、４０、４２）に結合される可変形状共振器（４４、４６、４８）と、
   フィードバックに呼応して前記可変形状共振器（４４、４６、４８）を調整するように構成される制御装置（５０）とを含むタービンエンジンを備えるシステム（１０）。
2. 前記可変形状共振器（４４、４６、４８）はヘルムホルツ共振器からなる、請求項１に記載のシステム（１０）。
3. 前記可変形状共振器（４４、４６、４８）は４分の１波長共振器（１１８、１２４、１３４）からなる、請求項１に記載のシステム（１０）。
4. 前記フィードバックは前記燃焼器（１６）内における圧力振動からなる、請求項１に記載のシステム（１０）。
5. 前記可変形状共振器（４４、４６、４８）は、異なる周波数に合わせられる複数の可変形状共振器（１１８、１２４、１３４）からなる、請求項１に記載のシステム（１０）。
6. 前記可変形状共振器（４６）は、前記流体噴射システム（１４、４０、４２）の燃料流路（１４）に結合される、請求項１に記載のシステム（１０）。
7. 前記可変形状共振器（４８）は、前記流体噴射システム（１４、４０、４２）の希釈剤流路（４０）に結合される、請求項１に記載のシステム（１０）。
8. 前記可変形状共振器（４４）は、前記流体噴射システム（１４、４０、４２）の空気流路（４２）に結合される、請求項１に記載のシステム（１０）。
9. 前記可変形状共振器（４４、４６、４８）は、前記流体噴射システム（１４、４０、４２）及び前記燃焼器（１６）内の圧力振動を減衰させるように構成される、請求項１に記載のシステム（１０）。
10. タービンエンジンの燃焼器（１６）より上流において流体流路（１４、４０、４２）に結合されるように構成される可変形状共振器（４４、４６、４８）であって、前記流体流路（１４、４０、４２）及び前記燃焼器（１６）内の圧力振動を減衰させるように構成される可変形状共振器（４４、４６、４８）を備えるシステム（１０）。