JP5901693B2 - ガスタービンのためのダンパ - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンに関し、より詳細にはガスタービンの燃焼室における脈動を低減するためのダンパに関する。

従来のガスタービンでは、通常、燃焼過程中に、ガスタービンの燃焼室において、燃焼の不安定性および種類に起因する音響振動が生じる。この音響振動は、非常に顕著な共振になることがある。燃焼室脈動としても知られているそのような振動は、燃焼室自体を、燃焼室の寿命を決定的に低減し、かつ最悪の場合、燃焼室の破壊さえも引き起こすことがある厳しい機械的負荷にさらす、振幅およびその関連する圧力変動の形をとることがある。

一般的に、ヘルムホルツダンパとして知られているタイプのダンパは、ガスタービンの燃焼室で発生する脈動を減衰させるために使用されている。現在、そのようなダンパを使用する際の主な難点の１つとして、これらのダンパのための空間が制限されているという事実がある。そのような状況に取り組む際に考えられる１つの手段は、燃焼室の外側にダンパを配置することである。実際には、燃焼室を構成している複数の異なる層の熱膨張によって、そのようなダンパを直接使用することができない。

ガスタービンの燃焼室における共振振動を低減するための減衰装置が、米国特許出願公開第２００４／０２４８０５３号明細書に開示されており、燃焼室が、燃焼室に面している外部壁面部分と内部壁面部分とを備えており、中間空間を気密に囲んでおり、その中間空間には、燃焼室壁を対流冷却するために冷却空気が供給され得る。少なくとも１つの第３の壁面部分が設けられており、外部壁面部分とともに気密な体積を囲んでいる。気密な体積は、少なくとも１つの接続ラインによって燃焼室に気密に接続されている。ガスケットが、気密な体積に位置している接続ラインの端部において溶接されており、かつ外部壁面部分を覆い、気密性を提供している。このガスケットおよび接続ラインによって、減衰装置は、外部壁面部分と内部壁面部分との間の熱膨張差を１つの方向において補償することができる。

ガスタービンエンジンに適した燃焼室が、米国特許出願公開第２００６／０１２３７９１号明細書に示されており、共振器キャビティと、室内と流体接続している共振器ネックとを有した、少なくとも１つのヘルムホルツ共振器を備えている。ヘルムホルツ共振器は、燃焼室の内部ケーシングに固定されており、共振器ネックは、燃焼室の内壁の開口部から燃焼室の内部に貫通している。環状シール部材が、ネックの外周に配置されており、ネックと開口部との間に気密シールを提供している。ネックは、燃焼室に対するネックの限定的な相対的軸方向運動を提供しているので、エンジン作動時に、負荷が共振器ネックから燃焼室へ実質的に伝達されない。

少なくとも１つの共振器を備えているガスタービンのための燃焼器が、国際公開第２０１２／０５７９９４号に開示されており、外側ライナと内側ライナとを備えている。共振器は、外側ライナに接続されている。燃焼器ライナは、共振器の基部から延び、かつ内側ライナと外側ライナとを貫通して燃焼室まで達しているスロート部を備えている。燃焼器ライナは、ハトメアセンブリをさらに備えている。ハトメアセンブリは、スロート部の軸線に沿った第１の方向および第１の方向に直交した第２の方向において、スロート部付近における内側ライナと外側ライナとの間の相対的な熱膨張を可能にしている。

脈動減衰分野において上記のような開発があるが、熱膨張差をなくすための補償効果を向上させる余地が大いにある。

米国特許出願公開第２００４／０２４８０５３号明細書 米国特許出願公開第２００６／０１２３７９１号明細書 国際公開第２０１２／０５７９９４号

本発明の目的は、燃焼器室とダンパ、特にダンパの共振器キャビティとの間に発生する熱膨張差による相対回転を補償することができるガスタービンのためのダンパを提供することである。

この目的は、ガスタービンの燃焼室における脈動を低減するためのダンパによって得られ、ダンパは、入口と、燃焼室の内部および共振器キャビティに流体接続したネックチューブとを備えた共振器キャビティと、ネックチューブと回転可能に接続され、かつ共振器キャビティと燃焼室との間に挿入され、燃焼室と共振器キャビティとの間の相対回転を可能にする補償アセンブリとを備えている。

１つの可能な実施の形態によれば、ネックチューブは、その第１の端部において、燃焼室の壁部に気密に取り付けられており、補償アセンブリは、ネックチューブの第２の端部に回転可能に接続されており、補償アセンブリは、ネックチューブの第２の端部に形成された球状部と、球状部と気密に嵌合しているソケット部とを備えており、燃焼室と共振器キャビティとの間に相対回転を提供している。

別の１つの可能な実施の形態によれば、補償アセンブリは、ソケット部に形成された第１の摺動部と、第１の摺動部と気密に嵌合している第２の摺動部をさらに備えており、第１の摺動部と第２の摺動部との間に、ネックチューブの長手方向軸線に平行な方向に沿った相対的な摺動を提供している。

別の１つの可能な実施の形態によれば、補償アセンブリは、第２の摺動部に形成された第３の摺動部と、第３の摺動部と気密に嵌合している、共振器キャビティの入口に形成された第４の摺動部とをさらに備えており、第３の摺動部と第４の摺動部との間に、ネックチューブの長手方向軸線を横断する方向の相対摺動を提供している。

別の１つの可能な実施の形態によれば、燃焼室の壁部は、外壁と、外壁より半径方向内側に位置した内壁とを備えており、ネックチューブは、その第１の端部において、燃焼室の内壁に気密に取り付けられており、かつ外壁の開口部を通って延びており、ハトメが、ネックチューブの周囲に気密に取り付けられて外壁の開口部を覆っている。

別の１つの可能な実施の形態によれば、第３の摺動部は、突出部を備えており、突出部は、第４の摺動部に対して気密に摺動することができる。

別の１つの可能な実施の形態によれば、ネックチューブは、第１の端部において、共振器キャビティの入口に気密に取り付けられており、補償アセンブリは、ネックチューブの第２の端部に回転可能に接続されており、補償アセンブリは、ネックチューブの第２の端部に形成された球状部と、球状部に気密に嵌合しているソケット部とを備えており、燃焼室と共振器キャビティとの間に相対回転を提供している。

別の１つの可能な実施の形態によれば、補償アセンブリは、ソケット部に形成された第１の摺動部と、第１の摺動部と気密に嵌合している第２の摺動部とをさらに備えており、第１の摺動部と第２の摺動部との間に、ネックチューブの長手方向軸線に平行な方向に沿った相対的な摺動を提供している。

別の１つの可能な実施の形態によれば、補償アセンブリは、第２の摺動部に形成された第３の摺動部と、第３の摺動部と気密に嵌合している、燃焼室の壁部に形成された第４の摺動部とをさらに備えており、第３の摺動部と第４の摺動部との間に、ネックチューブの長手方向軸線を横断する方向の相対摺動を提供している。

別の１つの可能な実施の形態によれば、第３の摺動部は、突出部を備えており、突出部は、第４の摺動部に対して気密に摺動することができる。

本発明のダンパにおいて、補償アセンブリを設けることによって、燃焼室と共振器キャビティとの間における相対回転の補償が保証され、それによって、動作寿命が延びる。

本発明の目的、利点および他の特徴は、単に例証を目的とした好適な実施の形態の非限定的な記載を添付の図面を参照して読むことによってより明らかとなるであろう。添付の図面において、同じ部材には同じ参照符合が使用されている。

一部を見やすいように切り取った、本発明の実施の形態によるガスタービンの燃焼室の一部を備えたダンパの模式的な断面図である。 一部を見やすいように切り取った、本発明の別の実施の形態によるガスタービンの燃焼室の一部を備えたダンパの模式的な断面図である。

図１は、一部を見やすいように切り取った、本発明の実施の形態による、ガスタービンの燃焼室２００の一部とともに示すダンパ１００の模式的な断面図である。ダンパ１００は、周壁１０２と入口１０４とにより画定された、箱状または筒状の共振器キャビティ１１０を備えている。図１に示されるように、本発明の技術的解決策の十分かつ完全な理解を妨げることがないため、共振器キャビティ１１０の主要部は切り取ってある。また、見やすくかつ簡潔にするために、燃焼室２００の本発明に密接に関わっている部分のみを図１に示している。共振器キャビティ１１０は、図１には示されていない留め具によって、燃焼室２００の構造部１０６に気密に取り付けられている。本発明の例示的な実施態様では、燃焼室２００の構造部１０６は、燃焼室２００のケーシングであってよい。構造部１０６が、共振器キャビティ１１０のための支持部を提供し、かつ本明細書において記載されているように燃焼室のケーシングに限定されているのではないということが当業者には理解されよう。加えて、共振器キャビティ１１０と燃焼室２００との間の相対運動を補償するために、ダンパ１００は、本発明による補償アセンブリ１３０を通じて共振器キャビティ１１０と流体接続しているネックチューブ１２０を備えている。

１つの例示的な実施の形態によれば、ネックチューブ１２０は、第１の端部１２２において、燃焼室２００の壁部に気密に取り付けられている。例えば、ネックチューブ１２０の第１の端部１２２は、燃焼室２００の壁部に溶接されていてもよい。燃焼室２００が、内壁２０２と内壁２０２より半径方向外側に位置した外壁２０４とを備えている２重壁燃焼室に適用することができる１つの可能な実施態様として、ネックチューブ１２０が外壁２０４の開口部２０６を通って延びた状態で、ネックチューブ１２０の第１の端部１２２を燃焼室２００の内壁２０２に気密に取り付けてもよい。この場合、ネックチューブ１２０と開口部２０６との間に生じる隙間を覆うために、ハトメ２０８を、例えば溶接によってネックチューブ１２０の周囲に気密に取り付けて、それにより気密性を提供してもよい。

別の実施の形態として、本発明を１重壁燃焼室に適用する場合、ハトメ２０８を使用しなくてもよい。

本発明の１つの例示的な実施の形態によれば、補償アセンブリ１３０を、ネックチューブ１２０に回転可能に接続し、かつ共振器キャビティ１１０と燃焼室２００との間に挿入して、燃焼室２００と共振器キャビティ１１０との間の相対回転を可能にしてもよい。この実施の形態では、補償アセンブリ１３０は、ネックチューブ１２０の第１の端部１２２の反対側の第２の端部１２４に回転可能に接続してもよい。具体的には、補償アセンブリ１３０は、第２の端部１２４に形成された球状部１２６と、球状部１２６に気密に嵌合したソケット部１３２とを備えており、燃焼室２００と共振器キャビティ１１０との間の相対回転を提供してもよい。ガスタービンの作動中、燃焼室２００と共振器キャビティ１１０との間の熱膨張差による相対回転は、潜在的な構造的損傷を防ぐため、補償アセンブリ１３０により補償または吸収される。

加えて、補償アセンブリ１３０は、ソケット部１３２の反対側に形成された第１の摺動部１３４と、第１の摺動部１３４に気密に嵌合している第２の摺動部１３６とを備えており、第１の摺動部１３４と第２の摺動部１３６との間に、ネックチューブ１２０の長手方向軸線に平行な方向に沿った相対摺動を提供してもよい。ガスタービンの作動中、第１の摺動部と第２の摺動部との間の相対摺動によって、燃焼室２００と共振器キャビティ１１０との間における、ネックチューブ１２０の長手方向軸線に沿った、熱膨張差による相対運動を補償することができる。

さらに、補償アセンブリ１３０は、第１の摺動部１３４の反対側の第２の摺動部１３６に形成された第３の摺動部１３８と、第３の摺動部１３８に気密に嵌合している、共振器キャビティ１１０の入口１０４に形成された第４の摺動部１０８とを備えており、第３の摺動部１３８と第４の摺動部１０８との間に、ネックチューブ１２０の長手方向軸線を横断する方向の相対摺動を提供してもよい。ガスタービンの作動中、第３の摺動部１３８と第４の摺動部１０８との間の相対摺動によって、燃焼室２００と共振器キャビティ１１０との間における、ネックチューブ１２０の長手方向軸線を横断する方向の、熱膨張差による相対運動を補償することができる。

図１に示されるように、第４の摺動部１０８を入口１０４の端面によって提供してもよく、このことは、当業者が採用し得る１つの可能な解決策を示している。しかし、同等の構造を第４の摺動部１０８として使用してもよい。例えば、共振器キャビティ１１０を、入口１０４の大きさおよび寸法を調整するための開口部を有したプレートなどの図示しない中間部材によって、燃焼室２００の構造部１０６に取り付ける場合、第４の摺動部１０８をプレートによって提供してもよい。別の例として、凹部を入口１０４の下方に提供し、この凹部に沿って第３の摺動部１３８が摺動することができるような特別な形を構造部１０６が有しているのであれば、燃焼室２００の構造部１０６の一部を使用して第４の摺動部１０８を提供してもよい。

１つの可能な実施態様として、共振器キャビティ１１０は、円形の入口１０４を備えた筒状であってよい。この場合、円形の入口１０４は、その周囲にフランジを備えており、そのフランジによって、共振器キャビティ１１０は、燃焼室２００のケーシングに取り付けられている。この実施態様では、球状部１２６は、特定の用途に適合した大きさを有する管状のネックチューブ１２０の第２の端部１２４の周囲に形成してもよい。補償アセンブリ１３０のソケット部１３２および第１の摺動部１３４は、特定の幅および厚さを備えるリングによって提供されてもよく、その場合、ソケット部１３２はリングの内周面に円形溝として形成され、かつ第１の摺動部１３４はリングの外周面になる。この場合、図１は、補償アセンブリ１３０の断面図を示してもよい。補償アセンブリ１３０の第２の摺動部１３６は、リングの外径に気密に嵌合する内径を有するスリーブによって提供されてよく、リングとスリーブとの間の相対摺動を提供する。さらに、第３の摺動部１３８は、円縁部に突出部を備えた円形プレートによって提供されてよい。円形プレートは、スリーブと一体に形成してもよい。円形プレートの突出部は、第４の摺動部としてのフランジの端面に沿って気密に摺動可能であり、円形プレートと共振器キャビティとの間の相対摺動を提供してもよい。上記の実施態様は１つの例のみを意図しており、かつ本発明の範囲および用途に関する任意の限定として解釈されないことが当業者には理解されよう。本開示の教示に従って、当業者は、本発明を、共振器キャビティ、補償アセンブリおよびネックチューブの形状、寸法および構造が異なる別の用途に適合させることができ、それらはすべて本発明の保護範囲に該当すると見なされるべきである。

別の例示的な実施の形態によれば、図２に示されるように、本発明によるダンパ１００の切取模式断面図が提供される。ダンパ１００は、周壁１０２と入口１０４とにより画定された、箱状または筒状の共振器キャビティ１１０を備えている。共振器キャビティ１１０は、図２には示されていない留め具によって、燃焼室２００の構造部１０６に気密に取り付けられている。本発明の例示的な実施態様では、燃焼室２００の構造部１０６は、燃焼室２００のケーシングであってよい。構造部１０６が、共振器キャビティ１１０のための支持部を提供し、かつ本明細書において記載されているように燃焼室のケーシングに限定されているのではないということが当業者には理解されよう。加えて、共振器キャビティ１１０と燃焼室２００との間の相対運動を補償するために、ダンパ１００は、本発明による補償アセンブリ１３０を通じて共振器キャビティ１１０と流体接続しているネックチューブ１２０を備えている。図２に示される実施の形態として、ネックチューブ１２０は、第１の端部１２２において、共振器キャビティ１１０の入口１０４に気密に取り付けられている。例えば、ネックチューブ１２０の第１の端部１２２は、共振器キャビティ１１０の入口１０４と一体に形成されている。別の例として、ネックチューブ１２０の第１の端部１２２は、共振器キャビティ１１０の入口１０４に溶接されていてもよい。この実施の形態において、補償アセンブリ１３０は、ネックチューブ１２０の第２の端部１２４に回転可能に接続されている。

本発明の１つの例示的な実施の形態によれば、補償アセンブリ１３０は、回転補償構造を備えていてもよい。具体的には、補償アセンブリ１３０は、ネックチューブ１２０の第１の端部１２２とは反対側の第２の端部１２４に形成された球状部１２６と、球状部１２６に気密に嵌合しているソケット部１３２とを備えており、燃焼室２００と共振器キャビティ１１０との間に相対回転を提供してもよい。ガスタービンの作動中、燃焼室２００と共振器キャビティ１１０との間における熱膨張差による相対回転は、補償アセンブリ１３０により補償または吸収され、潜在的な構造的損傷を防ぐことができる。

加えて、補償アセンブリ１３０は、ソケット部１３２の反対側に形成された第１の摺動部１３４と、第１の摺動部１３４と気密に嵌合している第２の摺動部１３６とを備えており、第１の摺動部１３４と第２の摺動部１３６との間に、ネックチューブ１２０の長手方向軸線に平行な方向に沿った相対摺動を提供してもよい。ガスタービンの作動中、第１の摺動部と第２の摺動部との間の相対摺動によって、燃焼室２００と共振器キャビティ１１０との間におけるネックチューブ１２０の長手方向軸線に沿った、熱膨張差による相対運動を補償することができる。

さらに、補償アセンブリ１３０は、第１の摺動部１３４の反対側の第２の摺動部１３６に形成された第３の摺動部１３８と、第３の摺動部１３８に気密に嵌合している燃焼室２００の壁部２１０に形成された第４の摺動部１０８とを備えており、第３の摺動部１３８と第４の摺動部１０８との間に、ネックチューブ１２０の長手方向軸線を横断する方向の相対摺動を提供してもよい。図２に示されるように、第４の摺動部１０８は、燃焼室２００の壁部２１０の表面により提供されている。

燃焼室と共振器キャビティとの間の相対回転が顕著であり、かつネックチューブの長手方向軸線およびネックチューブの長手方向軸線を横断する直交方向に沿ったそれらの間の相対回転がわずかである特定の用途において、補償アセンブリの第１の摺動部と第２の摺動部とを一体的に形成してもよく、かつ補償アセンブリの第３の摺動部と第４の摺動部とを一体的に形成してもよいか、または締付具によって固定してもよいことに注意すべきである。この場合、補償アセンブリは、燃焼室と共振器キャビティとの間の相対回転を、ネックチューブの球状部と補償アセンブリのソケット部とによって補償するだけでよい。

相対回転と相対運動とを同時に補償する必要がある別の用途において、摺動部対、すなわち第１の摺動部および第２の摺動部ならびに第３の摺動部および第４の摺動部の両方または一方を、ネックチューブの球状部と補償アセンブリのソケット部と組み合わせて使用することができることにも注意すべきである。当業者は、適切な組み合わせの補償構造を理解し、所望の回転補償および／または運動補償を達成することができることを理解するだろう。

本発明は、限られた数の実施の形態のみに関して詳細に記載されているが、本発明がそれらの開示された実施の形態に限定されているのではないということが容易に理解されよう。むしろ、本発明は、前述されていないが本発明の趣旨と範囲に適合している、任意の数の変形、改変、代替または類似の配置を含むように変更することができる。加えて、本発明の実施の形態が種々記載されているが、本発明の態様は、一部の実施の形態のみを含んでもよいことが理解されよう。従って、本発明は、上述の記載により限定されるものとは見なされず、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

１００ ダンパ
１０２ 周壁
１０４ 入口
１０６ 構造部
１０８ 第４の摺動部
１１０ 共振器キャビティ
１２０ ネックチューブ
１２２ 第１の端部
１２４ 第２の端部
１２６ 球状部
１３０ 補償アセンブリ
１３２ ソケット部
１３４ 第１の摺動部
１３６ 第２の摺動部
１３８ 第３の摺動部
２００ 燃焼室
２０２ 内壁
２０４ 外壁
２０６ 開口部
２０８ ハトメ
２１０ 壁部

Claims (7)

1. ガスタービンの燃焼室の脈動を低減するためのダンパであって、
   入口と、前記燃焼室の内部および共振器キャビティに流体接続したネックチューブとを有する共振器キャビティと、
   前記ネックチューブと回転可能に接続され、かつ前記共振器キャビティと前記燃焼室との間に挿入され、前記燃焼室と前記共振器キャビティとの間の相対回転を可能にする補償アセンブリとを備えており、
   前記ネックチューブは、第１の端部において、前記燃焼室の壁部に気密に取り付けられており、かつ前記補償アセンブリは、前記ネックチューブの第２の端部に回転可能に接続されており、
   前記補償アセンブリは、前記ネックチューブの前記第２の端部に形成された球状部と、該球状部と気密に嵌合したソケット部とを備えており、前記燃焼室と前記共振器キャビティとの間に前記相対回転を提供していることを特徴とする、ダンパ。
2. 前記燃焼室の前記壁部は、内壁と、該内壁より半径方向外側に位置した外壁とを備えており、
   前記ネックチューブは、前記第１の端部において、前記燃焼室の前記内壁に気密に取り付けられており、かつ前記外壁の開口部を通って延びており、前記ネックチューブと前記開口部との間に生じる隙間を覆うために、ハトメが、前記ネックチューブの周囲に気密に取り付けられている、請求項１記載のダンパ。
3. 前記補償アセンブリは、前記ソケット部に形成された第１の摺動部と、該第１の摺動部に気密に嵌合している第２の摺動部とをさらに備えており、前記第１の摺動部と前記第２の摺動部との間に、前記ネックチューブの長手方向軸線に平行な方向に沿った相対摺動を提供する、請求項１または２記載のダンパ。
4. 前記補償アセンブリは、前記第２の摺動部に形成された第３の摺動部と、該第３の摺動部に気密に嵌合している、前記共振器キャビティの前記入口に形成された第４の摺動部とをさらに備えており、前記第３の摺動部と前記第４の摺動部との間に、前記ネックチューブの前記長手方向軸線を横断する方向の相対摺動を提供している、請求項３記載のダンパ。
5. 前記補償アセンブリは、前記第２の摺動部に形成された第３の摺動部と、該第３の摺動部に気密に嵌合している、前記燃焼室の前記壁部に形成された第４の摺動部とをさらに備えており、前記第３の摺動部と前記第４の摺動部との間に、前記ネックチューブの前記長手方向軸線を横断する方向の相対摺動を提供している、請求項３記載のダンパ。
6. 前記第３の摺動部は、該第３の摺動部に形成された突出部を備えており、該突出部は、前記第４の摺動部に対して気密に摺動することができる、請求項４又は５記載のダンパ。
7. 請求項３から６までのいずれか１項記載のダンパを有する燃焼チャンバ。