JP6148504B2 - マイクロミキサ内の燃焼器ダイナミックスを減衰させるためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本出願の実施形態は、一般に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、燃焼器ダイナミックスを減衰させるためのシステムおよび方法に関する。

ガスタービンは、一般に、ベース負荷または部分負荷のいずれかで運転される。負荷運転により、部分的に、消費燃料の量が決定される。燃料消費率が変動することにより燃焼器ダイナミックスが発生し、この燃焼器ダイナミックスは燃焼器全体に及ぶ可能性がある。ガスタービンがベース負荷にある場合、燃焼器ダイナミックスのピークは一般に比較的低い。

米国特許出願公開第２００８／０２４５３３７号公報

しかし、移行モードの切替えまたは部分負荷運転の間に、燃焼器ダイナミックスのピークが高くなる可能性がある。さらに、一般にダイナミックスの最も破壊的な形態の１つと考えられるスクリーチダイナミックス（ｓｃｒｅｅｃｈ ｄｙｎａｍｉｃｓ）が部分負荷運転中にさらに高いレベルに達する可能性がある。したがって、燃焼器ダイナミックスを減衰させるシステムおよび方法が必要とされる。

上記の必要性および／または問題の一部あるいはすべてが、本出願の特定の実施形態によって対処され得る。一実施形態によれば、燃焼器ダイナミックスを減衰させるためのシステムが開示される。このシステムはマイクロミキサを含む。このシステムはまた、マイクロミキサ内でマイクロミキサのキャップフェイスプレート（ｃａｐ ｆａｃｅ ｐｌａｔｅ）に隣接して配置される少なくとも１つの環状共振器を含む。環状共振器は、低温側孔パターンを形成する複数の孔を有する第１の側部と、高温側孔パターンを形成する複数の孔を有する第２の側部と、第１の側部および第２の側部によって実質的に画定される空洞とを含む。

別の一実施形態によれば、燃焼器ダイナミックスを減衰させるための別のシステムが開示される。このシステムはマイクロミキサを含む。このシステムはまた、マイクロミキサ内でマイクロミキサの衝突プレートに隣接して配置される少なくとも１つの環状共振器を含む。環状共振器は、低温側孔パターンを形成する複数の孔を有する第１の側部と、高温側孔パターンを形成する複数の孔を有する第２の側部と、第１の側部および第２の側部によって実質的に画定される空洞とを含む。

さらに、別の一実施形態によれば、燃焼器ダイナミックスを減衰させるための方法が開示される。この方法は、マイクロミキサ内で少なくとも１つの環状共振器を位置決めするステップを含む。環状共振器は、低温側孔パターンを形成する複数の孔を有する第１の側部と、高温側孔パターンを形成する複数の孔を有する第２の側部と、第１の側部および第２の側部によって実質的に画定される空洞とを含む。

本発明の他の実施形態、態様および特徴が、以下の詳細な説明、添付図面、および、添付の特許請求の範囲から当業者には明白になる。

次に、必ずしも正確な縮尺で描かれているわけではない添付図面を参照する。

一実施形態による、圧縮機、燃焼器およびタービンを備える、ガスタービンエンジンを示す例示の概略図である。 一実施形態によるマイクロミキサを示す例示の概略図である。 一実施形態による環状共振器を示す例示の概略図である。 一実施形態による環状共振器を示す例示の概略図である。 一実施形態による環状共振器を示す例示の概略図である。

次に、すべての実施形態ではないが一部の実施形態を示す添付図面を参照して、例示の実施形態を以下でより完全に説明する。本出願は、多くの異なる形態で具体化され得、また、本明細書に記載される実施形態のみに限定されるものとしてみなされるべきではない。全体を通して同様の符号は同様の要素を示す。

例示の実施形態は、とりわけ、燃焼器のためのマイクロミキサを対象とする。図１は、本明細書で使用され得るガスタービンエンジン１０の概略図である。知られている通り、ガスタービンエンジン１０は圧縮機１５を含むことができる。圧縮機１５が空気２０の流入流れを圧縮する。圧縮機１５が空気２０の圧縮された流れを燃焼器２５に送る。燃焼器２５が、空気２０の圧縮された流れを燃料３０の加圧された流れと混合してそれらの混合物を点火し、燃焼ガス３５の流れを作る。単一の燃焼器２５のみが示されるが、ガスタービンエンジン１０は任意の数の燃焼器２５を含むことができる。次いで、燃焼ガス３５の流れがタービン４０に送られる。燃焼ガス３５の流れがタービン４０を駆動させ、機械仕事が得られる。タービン４０で得られる機械仕事がシャフト４５を介して圧縮機１５を駆動させ、さらには、発電機などの外部負荷５０を駆動させる。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、種々のタイプの合成ガス、および／または、別のタイプの燃料を使用することができる。ガスタービンエンジン１０は、ニューヨーク州スケネクタディのＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから提供されるいくつかの異なるガスタービンエンジンのうちの任意の１つであってもよく、これらには限定しないが、７シリーズまたは９シリーズのヘビーデューティガスタービンエンジンなどが含まれる。ガスタービンエンジン１０は異なる構成を有することができ、別のタイプの構成要素を使用することもできる。

本明細書では別のタイプのガスタービンエンジンも使用され得る。本明細書では、複数のガスタービンエンジン、別のタイプのタービン、および、別のタイプの動力発生設備も共に使用され得る。

図２は、図１の燃焼器２５の一構成要素、具体的には、マイクロミキサ１００、すなわちその一部分を描いている。マイクロミキサ１００は、燃料プレナム１０４と、空気取入口１０６と、多数の混合管１０８とを含む。一実施形態では、燃料ライン１０２が燃料プレナム１０４に燃料を供給する。燃料は燃料プレナム１０４を出て、混合管１０８内の１つまたは複数の孔１０９を介して混合管１０８に入る。空気が、空気取入口１０６を介して混合管１０８に入るように誘導され、燃料と混合され、それにより空気／燃料の混合物すなわち作動流体が生成される。空気／燃料の混合物は混合管１０８を出て燃焼室１１１に入る。マイクロミキサ１００はまた、燃焼室１１１に直接に燃料を供給するための中央燃料ノズル１１２を含むことができる。

継続して図２を参照すると、混合管１０８は、燃料プレナム１０４の下流で混合管１０８を取り囲むエンドキャップ組立体１１４を含むことができる。エンドキャップ組立体１１４は、混合管１０８の下流側端部付近に配置されるキャップフェイスプレート１１６を含むことができる。冷却空気孔１１８がエンドキャップ組立体１１４内に配置されてもよい。冷却空気孔１１８は、圧縮機からの空気を、エンドキャップ組立体１１４内の、混合管１０８間の隙間空間の周りに誘導する。方向転換された空気が混合管１０８を冷却する。エンドキャップ組立体１１４はまた、キャップフェイスプレート１１６付近に配置される衝突プレート１２０を含むことができる。衝突プレート１２０はエンドキャップ組立体１１４内の冷却空気流れに衝突される。

１つまたは複数の環状共振器１２２が、エンドキャップ組立体１１４内で、マイクロミキサ１００のセンターラインの周りに配置され得る。環状共振器１２２は、エンドキャップ組立体１１４内のキャップフェイスプレート１１６および／または衝突プレート１２０に取り付けることができる。

図３〜図５でまとめて描かれているように、環状共振器１２２は、各々が、第１の側部１２４と、空洞１２６と、第２の側部１２８とを含むことができる。第１の側部１２４、空洞１２６および第２の側部１２８は接合されて共振器１２２を形成する。特定の例示の実施形態では、環状共振器１２２は中央燃料ノズル１１２の周りに配置されてもよい。別の例示の実施形態では、環状共振器１２２は混合管１０８の共同の環状束（ｃｏ−ａｎｎｕｌａｒ ｂｕｎｄｌｅ）間に配置されてもよい。

第１の側部１２４は、第１の側方対向表面１３０と、低温側孔パターン１３２とを含むことができる。第１の側部１２４は、環状共振器１２２の上流側を形成することができる。第１の側部１２４は、低温側孔パターン１３２を形成する複数の孔を有することができる。低温側孔パターン１３２は、第１の側方対向表面１３０を貫通するように形成されてもよい。低温側孔パターン１３２は、冷却空気が環状共振器１２２に入ることを可能にする。冷却空気は第２の側部１２８を冷却し、さらには、共振器１２２内に作動流体が戻るのを防止することができる。

低温側孔パターン１３２内のこの複数の孔は、低温側孔パターン１３２上の各孔を冷却空気が通るように、構成および方向付けされ得る。これにより、第２の側部１２８が十分な冷却空気を受けてさらにその冷却空気が最終的に第２の側方対向表面１３４から放出されることを可能にすることができる。

空洞１２６は、第１の側方対向表面１３０と第２の側方対向表面１３４との間で環状容積として画定されてもよい。通常、空洞１２６は密閉容積である。高温側孔パターン１３６を通過する作動流体の流体慣性が空洞１２６の容積剛性（ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）の作用を受け、それにより、高温側孔パターン１３６を通る作動流体の速度において共振が起こる。このような流れ振動は、概して、明確な固有振動数を有し、音響エネルギーを吸収するための効果的な機構を実現する。したがって、空洞１２６が第２の側部１２８から音響エネルギーを受け、それを吸収し、それによりスクリーチダイナミックスが減衰される。

第２の側部１２８は、第２の側方対向表面１３４および高温側孔パターン１３６を含むことができる。第２の側部１２８は共振器１２２の下流側を形成することができる。第２の側部１２８は作動流体の一部を受けることができる。作動流体は第２の側部１２８を通るように誘導されて空洞１２６を通って流れる。第２の側部１２８は、高温側孔パターン１３６を形成する複数の孔を有することができる。高温側孔パターン１３６は第２の側方対向表面１３４を貫通するように形成され得る。

第２の側部１２８の厚さは、概して、環状共振器１２２のスロート長として機能する。このスロート長は、典型的に、特定の振動数のダイナミックスを減衰させる共振器を構成するための重要なパラメータとして機能する。本発明の一実施形態は、１０００Ｈｚ以上の振動数で発生する可能性があるスクリーチダイナミックスを減衰させるように働く。

高温側孔パターン１３６内のこの複数の孔は、低温側孔パターン１３２上の各孔を通って流れる作動流体の噴流が第２の側方対向表面１３４上に衝突するように誘導されるように、構成および方向付けされる。一実施形態では、低温側孔パターン１３２を形成する孔の数は高温側孔パターン１３６を形成する孔の数より少なくてもよい。さらに、一実施形態では、低温側孔パターン１３２内の各孔のサイズは高温側孔パターン１３６内の各孔のサイズより小さくてもよい。上で言及した特徴は、確実に作動流体が適切に誘導されることおよび燃焼器ダイナミックスを減衰させることを可能にする。

使用中、共振器１２２は、燃焼の特定の動的振動数を排除するように調整され得る。すなわち、共振器１２２は、共振器内の孔のサイズおよび数を変化させることにより燃焼の特定の動的振動数を排除するように構成され得る。例えば、燃焼の動的振動数は約１０００ｈｚから約４０００ｈｚの範囲であってもよく、さらに、燃焼の動的振動数は約１０００ｈｚより大きい任意の振動数から発生してもよい。

本発明の譲受人に譲渡された同時係属の、２００７年４月３日に出願された、公開番号第２００８／０２４５３３７号を有する、Ｂａｎｄａｒｕらによる特許出願第１１／７３２，１４３号は、共振器デバイスを含んでおり、これは参照により本明細書に組み込まれる。

図２に描かれているマイクロミキサ１００に関連して環状共振器１２２を説明してきた。しかし、この環状共振器が、限定されないが、参照により本明細書に組み込まれる、２０１２年３月１９日に出願された同時係属の米国特許出願第１３／４２３，８９４号に記載されるセグメント型マイクロミキサを含めた任意のマイクロミキサ構成のセンターラインの周りに配置され得ることを認識されたい。例えば、上述した環状共振器は、同時係属の米国特許出願第１３／４２３，８９４号のベースノズル構造の周りにエンドキャップ組立体内で配置され得る。

構造的特徴および／または方法論的動作（ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｉｃａｌ ａｃｔ）に特有の文言で実施形態を説明してきたが、本開示が、説明した特定の特徴または動作のみに必ずしも限定されないことを理解されたい。むしろ、これらの特定の特徴および動作は、実施形態を実施する例示の形態として開示される。

１０ ガスタービンエンジン
１５ 圧縮機
２０ 空気
２５ 燃焼器
３０ 燃料
３５ 燃焼ガス
４０ タービン
４５ シャフト
５０ 外部負荷
１００ マイクロミキサ
１０２ 燃料ライン
１０４ 燃料プレナム
１０６ 空気取入口
１０８ 混合管
１０９ 複数の孔
１１１ 燃焼室
１１２ 中央燃料ノズル
１１４ エンドキャップ組立体
１１６ キャップフェイスプレート
１１８ 冷却空気孔
１２０ 衝突プレート
１２２ 環状共振器
１２４ 第１の側部
１２６ 空洞
１２８ 第２の側部
１３０ 第１の側方対向表面
１３２ 低温側孔パターン
１３４ 第２の側方対向表面
１３６ 高温側孔パターン

Claims (10)

1. マイクロミキサを備える燃焼器ダイナミックスを減衰させるためのシステムであって、
   前記マイクロミキサが、
   中央燃料ノズルの周りに配置された複数の混合管と、
   前記中央燃料ノズルと前記複数の混合管の周りに配置されたエンドキャップ組立体であって、キャップフェイスプレートと衝突プレートとを有するエンドキャップ組立体と、
   前記マイクロミキサ内に配置され、前記キャップフェイスプレートから前記衝突プレートまで延在する少なくとも１つの環状共振器であって、前記中央燃料ノズルを囲む少なくとも１つの環状共振器と
   を含み、
   前記少なくとも１つの環状共振器が、
   低温側孔パターンを形成する複数の孔を有する第１の側部と、
   高温側孔パターンを形成する複数の孔を有する第２の側部と、
   前記第１の側部および前記第２の側部によって実質的に画定される空洞と
   を含む、
   システム。
2. 前記少なくとも１つの環状共振器が、混合管の共同の環状束間に配置される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記低温側孔パターンは、前記低温側孔パターン内の前記複数の孔の各々により冷却空気の噴流が第２の側方対向表面に実質的に衝突することが可能となるように、方向付けされる、請求項１又は請求項２に記載のシステム。
4. 前記低温側孔パターンを形成する複数の孔が、前記高温側孔パターンを形成する複数の孔より少ない、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のシステム。
5. 前記低温側孔パターン内の前記各孔のサイズが、前記高温側孔パターン内の各孔のサイズより小さい、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のシステム。
6. 前記低温側孔パターンが、前記空洞を通るように冷却空気を誘導するように構成されている、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のシステム。
7. 前記少なくとも１つの環状共振器が、燃焼の動的振動数を約１０００Ｈｚ以上から減衰させるように構成されている、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のシステム。
8. 前記マイクロミキサが、前記エンドキャップ組立体の上流に燃料プレナムをさらに含んでおり、前記複数の混合管の各々が、燃料プレナム内の燃料を該混合管に導入するための１つまたは複数の孔を有している、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のシステム。
9. 前記マイクロミキサが、前記燃料プレナムの上流に空気取入口をさらに含んでおり、該空気取入口を介して空気が前記複数の混合管に導入される、請求項８に記載のシステム。
10. 燃焼器ダイナミックスを減衰させるための方法であって、
    マイクロミキサ内で少なくとも１つの環状共振器を位置決めするステップであって、
    前記マイクロミキサが、
    中央燃料ノズルの周りに配置された複数の混合管と、
    前記中央燃料ノズルと前記複数の混合管の周りに配置されたエンドキャップ組立体と
    を含み、
    前記エンドキャップ組立体が、キャップフェイスプレートと衝突プレートとを有し、
    前記少なくとも１つの環状共振器が、前記マイクロミキサ内に配置され、前記キャップフェイスプレートから前記衝突プレートまで延在しているとともに、前記中央燃料ノズルを囲み、
    前記少なくとも１つの環状共振器が、
    低温側孔パターンを形成する複数の孔を有する第１の側部と、
    高温側孔パターンを形成する複数の孔を有する第２の側部と、
    前記第１の側部および前記第２の側部によって実質的に画定される空洞と
    を含む、ステップと、
    燃焼の特定の動的振動数を排除するために前記少なくとも１つの環状共振器を調整するステップと
    を含む方法。