JP6258042B2 - 減衰装置、燃焼器及びガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、燃焼時に発生する燃焼振動を減衰させるための減衰装置、燃焼器及びガスタービンに関するものである。

従来、音響ライナ及び音響ダンパを備える減衰装置が設けられた燃焼器が知られている（例えば、特許文献１参照）。この減衰装置において、音響ライナは、筒状の板部と、板部の外周側に設けられるライナカバーとを有しており、音響ダンパは、ライナカバーの外周側に設けられるダンパカバーと、ライナカバーに形成される開口部とを有している。板部とライナカバーとの間に形成された空間は、第１仕切板及び第２仕切板によって仕切られており、上部の全周の三分の一に亘る空間が第１音響ダンパ共鳴空間となり、下部の全周の三分の二に亘る空間が音響ライナ共鳴空間となっている。また、ライナカバーとダンパカバーとの間に形成された空間は、第２音響ダンパ共鳴空間となっている。そして、第２音響ダンパ共鳴空間は、開口部を介して第１音響ダンパ共鳴空間と連通することで、一体の音響ダンパとして作用している。

国際公開第２０１０／０９７９８２号

ところで、特許文献１の燃焼器において、開口部は、第１音響ダンパ共鳴空間と第２音響ダンパ共鳴空間とを連通することで、一体の音響ダンパとしており、音響ライナ共鳴空間は、周方向において、第１音響ダンパ共鳴空間により分断されている。音響ライナ共鳴空間が周方向において分断されると、分断される部位では、音響ライナによる燃焼振動の抑制を図ることが困難である。このため、音響ダンパでは、振動抑制を図ることができる一方で、音響ライナでは、分断される部位がある分、振動抑制の性能が低減してしまう。

そこで、本発明は、音響ダンパによる振動抑制の性能を維持しつつ、音響ライナによる振動抑制の性能向上を図ることができる減衰装置、燃焼器及びガスタービンを提供することを課題とする。

本発明の減衰装置は、流体が流通する内部流路の外周に沿って音響ライナ共鳴空間を形成する音響ライナと、前記音響ライナの外周側に設けられ、前記音響ライナ共鳴空間と連通する音響ダンパ共鳴空間を形成する音響ダンパと、を備え、前記音響ライナは、前記音響ライナ共鳴空間と前記音響ダンパ共鳴空間とを連通させるために前記音響ダンパが接続されるダンパ開口が形成され、前記ダンパ開口によって前記内部流路の外周に沿う方向において分断される部位となる分断部位と、前記内部流路の外周に沿う方向に亘って連続する部位となる連続部位と、を有することを特徴とする。

この構成によれば、音響ライナに連続部位を設けつつ、ダンパ開口を形成することができる。このため、音響ライナの分断部位において、ダンパ開口により音響ライナ共鳴空間と音響ダンパ共鳴空間とを連通させることができるため、内部流路を流通する流体による振動を音響ダンパによって減衰させることができる。また、音響ライナの連続部位により、内部流路の外周に沿う方向において音響ライナが分断されることがないため、音響ライナの連続部位において、音響ライナ共鳴空間を、内部流路の外周に沿う方向に亘って形成することができる。このため、音響ライナが分断されることがない分、内部流路を流通する流体による振動を音響ライナによって好適に減衰させることができる。以上から、音響ダンパによる振動抑制の性能を維持しつつ、音響ライナによる振動抑制の性能向上を図ることができる。なお、ダンパ開口は、矩形、円形、楕円形等のいずれの形状であってもよく、特に限定されない。

また、前記音響ライナは、前記内部流路の外周に沿う方向が周方向となる円筒形状に形成されており、前記周方向に直交する軸方向が幅方向となっており、前記ダンパ開口は、前記幅方向の一方側に寄せて形成されることが好ましい。

この構成によれば、ダンパ開口を音響ライナの幅方向の一方側に寄せて形成することができる。このため、音響ライナの幅方向の一方側に分断部位を設け、音響ライナの幅方向の他方側に連続部位を設けることができる。

また、前記音響ライナは、前記内部流路の外周に沿う方向が周方向となる円筒形状に形成されており、前記周方向に直交する軸方向が幅方向となっており、前記ダンパ開口は、前記幅方向の中央に形成されることが好ましい。

この構成によれば、ダンパ開口を音響ライナの幅方向の中央に形成することができる。このため、音響ライナの幅方向の中央に分断部位を設け、音響ライナの幅方向の両側に連続部位を設けることができる。

また、前記ダンパ開口は、矩形状の開口に形成されることが好ましい。

この構成によれば、ダンパ開口を矩形状とすることで、ダンパ開口を容易に形成することができる。

本発明の燃焼器は、上記の減衰装置と、内部に前記内部流路を形成する尾筒と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、燃焼器の尾筒の内部を流通する流体としての燃焼ガスによって発生する燃焼振動を、減衰装置によって好適に減衰させることができる。つまり、音響ダンパが接続された音響ライナを燃焼器の尾筒の外周に沿って設けることにより、燃焼器の火炎付近の燃焼振動を音響ライナ及び音響ダンパで減衰できる。これにより、より効果的に燃焼振動を減衰することができる。

本発明のガスタービンは、上記の燃焼器と、前記燃焼器において発生する燃焼ガスにより回転するタービンと、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、燃焼振動の抑制を図った燃焼器を用いることで、燃焼振動による負荷を抑制することができるため、耐用性の向上を図ることができる。

図１は、実施例１に係るガスタービンの概略構成図である。 図２は、図１のガスタービンの燃焼器における拡大図である。 図３は、実施例１の減衰装置を軸方向に沿って切ったときの断面図である。 図４は、図３のＡ−Ａ断面図である。 図５は、図３のＢ−Ｂ断面図である。 図６は、実施例１の音響ライナを周方向に展開した展開図である。 図７は、実施例１の音響ライナの吸音力の性能に関するグラフである。 図８は、実施例２の音響ライナを周方向に展開した展開図である。

以下に、本発明に係る実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせることも可能である。

図１は、実施例１に係るガスタービンの概略構成図である。図２は、図１のガスタービンの燃焼器における拡大図である。図３は、実施例１の減衰装置を軸方向に沿って切ったときの断面図である。図４は、図３のＡ−Ａ断面図である。図５は、図３のＢ−Ｂ断面図である。図６は、実施例１の音響ライナを周方向に展開した展開図である。図７は、実施例１の音響ライナの吸音力の性能に関するグラフである。

図１に示すように、ガスタービン１は、圧縮機１１と燃焼器１２とタービン１３と排気室１４とを備えており、圧縮機１１側に図示しない発電機が連結されている。

圧縮機１１は、空気を取り込む空気取入口１５を有し、圧縮機車室１６内に複数の静翼１７と複数の動翼１８とが交互に配設されている。燃焼器１２は、圧縮機１１で圧縮された圧縮空気に対して燃料を供給し、バーナで点火することで燃焼可能となっている。タービン１３は、タービン車室２０内に複数の静翼２１と複数の動翼２２とが交互に配設されている。排気室１４は、タービン１３に連続する排気ディフューザ２３を有している。また、圧縮機１１、燃焼器１２、タービン１３、排気室１４の中心部を貫通するようにロータ２４が位置しており、圧縮機１１側の端部が軸受部２５により回転自在に支持される一方、排気室１４側の端部が軸受部２６により回転自在に支持されている。そして、このロータ２４に複数のディスクプレートが固定され、各動翼１８，２２が連結されると共に、圧縮機１１側の端部に図示しない発電機の駆動軸が連結されている。

従って、圧縮機１１の空気取入口１５から取り込まれた空気が、複数の静翼２１と複数の動翼２２とを通過して圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となり、燃焼器１２にて、この圧縮空気に対して所定の燃料が供給されることで燃焼する。そして、この燃焼器１２で生成された作動流体である高温・高圧の燃焼ガスが、タービン１３を構成する複数の静翼２１と複数の動翼２２とを通過することでロータ２４を駆動回転させて、このロータ２４に連結された発電機を駆動する。一方、ロータ２４を駆動回転させた後の燃焼ガスである排気ガスは、排気室１４の排気ディフューザ２３で静圧に変換されてから大気に放出される。

図２は、図１の燃焼器における拡大図である。燃焼器１２は、燃焼器ケーシング３０を有する。燃焼器ケーシング３０は、外筒３１の内部に配置された内筒３２と、内筒３２の先端部に連結された尾筒３３とを有し、ロータ２４の回転軸Ｉに対して傾斜した中心軸Ｓに沿って延在する。

外筒３１は、圧縮機１１からの圧縮空気が流入する車室３４を形成する車室ハウジング２７に締結されている。内筒３２は、その基端部が外筒３１に支持され、外筒３１の内側に、外筒３１から所定間隔をあけて配置されている。内筒３２の中心部には、中心軸Ｓに沿ってパイロットバーナ４０が配設されている。パイロットバーナ４０の周囲には、パイロットバーナ４０を取り囲むように等間隔にかつパイロットバーナ４０と平行に複数のメインバーナ５０が配設されている。尾筒３３は、その基端が円筒状に形成されて内筒３２の先端に連結されている。尾筒３３は、先端側にかけて断面積が小さくかつ湾曲して形成され、タービン１３の１段目の静翼２１に向けて開口している。尾筒３３は、内部に燃焼室３５を形成する。この尾筒３３には、尾筒３３で発生する燃焼振動を減衰させるための減衰装置６０が設けられている。

図３から図５に示すように、減衰装置６０は、内周側に設けられる音響ライナ６１と、外周側に設けられる音響ダンパ６２とを有する。音響ライナ６１は、燃焼振動によって発生する高い周波数の振動を吸収するために設けられ、音響ダンパ６２は、燃焼振動によって発生する低い周波数の振動を吸収するために設けられる。

音響ライナ６１は、円筒形状の尾筒３３の外周に沿って、周方向の全周に亘って設けられている。音響ライナ６１は、複数の吸音孔７３が形成される多孔板７１と、この多孔板７１の周囲に設けられるライナカバー７２とを含んで構成されている。多孔板７１は、尾筒３３の一部を兼ねており、円筒状に形成され、その内部が上記の燃焼室（内部流路）３５となっている。ライナカバー７２は、多孔板７１の外周側に設けられる円筒形状の円筒部７２ａと、円筒部７２ａの中心軸Ｓの軸方向両側に設けられる一対の側板部７２ｂとを有しており、多孔板７１を覆うように設けられる。これにより、多孔板７１とライナカバー７２との間には、音響ライナ共鳴空間７５が全周に亘って形成され、音響ライナ共鳴空間７５は、ライナカバー７２によって外部空間と遮断される。

音響ダンパ６２は、音響ライナ６１の外周に沿って、周方向の全周に亘って設けられている。音響ダンパ６２は、音響ライナ６１の周囲に設けられるダンパカバー８１と、ライナカバー７２の円筒部７２ａに形成されるダンパ開口８２とを含んで構成されている。

ダンパカバー８１は、音響ライナ６１の外周側に設けられる円筒形状の円筒部８１ａと、円筒部８１ａの中心軸Ｓの軸方向両側に設けられる一対の側板部８１ｂとを有しており、音響ライナ６１の円筒部７２ａを覆うように設けられる。これにより、音響ライナ６１の円筒部７２ａとダンパカバー８１との間には、音響ダンパ共鳴空間８５が全周に亘って形成され、音響ダンパ共鳴空間８５は、ダンパカバー８１によって外部空間と遮断される。

ダンパ開口８２は、音響ライナ６１の音響ライナ共鳴空間７５と、音響ダンパ６２の音響ダンパ共鳴空間８５とを連通する開口となっている。図６に示すように、ダンパ開口８２は、周方向に展開したライナカバー７２の円筒部７２ａに対し、中心軸Ｓの軸方向を幅方向とすると、幅方向の一方側に寄せて形成されており、矩形状の開口となっている。

上記のダンパ開口８２が形成された音響ライナ６１において、ライナカバー７２の円筒部７２ａには、ダンパ開口８２によって周方向において分断される分断部位８７と、周方向に亘って連続する連続部位８８とが形成される。このため、音響ライナ共鳴空間７５は、図４に示すように、連続部位８８において、全周に亘って形成される一方で、図５に示すように、分断部位８７において、周方向に分断されて形成される。そして、連続部位８８は、ライナカバー７２の幅方向の一方側に設けられ、分断部位８７は、ライナカバー７２の幅方向の他方側に設けられる。

上記のように形成された減衰装置６０は、燃焼室３５において燃料が燃焼されることで燃焼振動が発生すると、燃焼振動は、多孔板７１の吸音孔７３を介して燃焼室３５から音響ライナ共鳴空間７５に伝達する。音響ライナ共鳴空間７５内に伝達された燃焼振動のうち、高い周波数となる燃焼振動は、音響ライナ共鳴空間７５内において減衰する。

また、音響ライナ共鳴空間７５は、ダンパ開口８２を介して音響ダンパ共鳴空間８５に連通している。このため、燃焼室３５で発生した燃焼振動は、音響ライナ共鳴空間７５を介して音響ダンパ共鳴空間８５に伝達する。音響ダンパ共鳴空間８５に伝達された燃焼振動のうち、低い周波数となる燃焼振動は、音響ダンパ共鳴空間８５内において減衰する。

次に、図７を参照して、実施例１の音響ライナ６１による減衰の性能（吸音力）について説明する。図７のグラフは、その縦軸が、音響ライナ６１の吸音力の従来比であり、その横軸が、ダンパ開口８２のアスペクト比（Ｌ／θ）となっている。音響ライナ６１の吸音力は、所定の計算手法を用いた解析によって導出している。ここで、従来の音響ライナは、ダンパ開口８２が、ライナカバー７２の円筒部７２ａの全幅に亘って形成されたものである。このとき、実施例１のダンパ開口８２と、従来のダンパ開口との開口面積は、同じ面積となっている。また、ダンパ開口８２のアスペクト比は、ダンパ開口８２の幅方向における長さをＬとし、ダンパ開口８２の周方向における長さをθとすると、Ｌ／θで表される。

ここで、音響ライナ６１の吸音力は、複数の音響モードに亘って解析されている。音響モードは、ノーダルダイヤ数（ＮＤ）で表され、ノーダルダイヤ数は、燃焼室３５の周方向において発生する正弦波の数を示すものである。つまり、１ＮＤは、燃焼室３５の周方向において正弦波が１波分だけ発生する音響モードであり、同様に、２〜８ＮＤは、燃焼室３５の周方向において正弦波が２〜８波分だけ発生する音響モードである。また、音響ライナ６１の吸音力は、燃焼室３５の周方向に沿って発生する正弦波を、所定の位相分だけ位相を異ならせながら、３６０°に亘って解析している。

図７に示すように、上記の解析の結果、音響ライナ６１の吸音力は、従来に比して、プラス側となることが確認された。つまり、ダンパ開口８２の開口面積は、従来のダンパ開口の開口面積と同じであることから、音響ダンパ６２による振動減衰の性能は維持されつつ、音響ライナ６１による振動減衰の性能の向上が確認された。

以上のように、実施例１によれば、音響ライナ６１に連続部位８８を設けつつ、ダンパ開口８２を形成することができる。このため、音響ライナ６１の分断部位８７において、ダンパ開口８２により音響ライナ共鳴空間７５と音響ダンパ共鳴空間８５とを連通させることができるため、燃焼室３５で発生する燃焼振動を音響ダンパ６２によって減衰させることができる。また、音響ライナ６１の連続部位８８により、周方向において音響ライナ６１の音響ライナ共鳴空間７５が分断されることがないため、音響ライナ６１の連続部位８８において、音響ライナ共鳴空間７５を、周方向に亘って形成することができる。このため、音響ライナ６１の音響ライナ共鳴空間７５が分断されることがない分、燃焼室３５内の燃焼振動を音響ライナ６１によって好適に減衰させることができる。以上から、音響ダンパ６２による振動抑制の性能を維持しつつ、音響ライナ６１による振動抑制の性能向上を図ることができる。

また、実施例１によれば、ダンパ開口８２を音響ライナ６１の幅方向の一方側に寄せて形成することができる。このため、音響ライナ６１の幅方向の一方側に分断部位８７を設け、音響ライナ６１の幅方向の他方側に連続部位８８を設けることができる。

また、実施例１によれば、ダンパ開口８２を矩形状とすることで、機械加工によってダンパ開口８２を容易に形成することができる。

また、実施例１によれば、燃焼器１２の尾筒３３の内部を流通する燃焼ガス（流体）によって発生する燃焼振動を、減衰装置６０によって好適に減衰させることができる。つまり、音響ダンパ６２が接続された音響ライナ６１を燃焼器１２の尾筒３３の外周に沿って設けることにより、燃焼器１２の火炎付近の燃焼振動を音響ライナ６１及び音響ダンパ６２で減衰でき、より効果的に燃焼振動を減衰することができる。

また、実施例１によれば、燃焼振動の抑制を図った燃焼器１２を用いることで、燃焼振動による負荷を抑制することができるため、ガスタービン１の耐用性の向上を図ることができる。

なお、実施例１では、ダンパ開口８２を矩形状としたが、この形状に限定されず、例えば、円形、楕円形等のいずれの形状としてもよい。

次に、図８を参照して、実施例２に係る減衰装置１００について説明する。図８は、実施例２の音響ライナを周方向に展開した展開図である。なお、実施例２では、重複した記載を避けるべく、実施例１と異なる部分について説明し、実施例１と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。実施例１に係る減衰装置６０では、ダンパ開口８２を、ライナカバー７２の円筒部７２ａに対して幅方向の一方側に寄せて形成したが、実施例２に係る減衰装置１００では、ダンパ開口８２を、ライナカバー７２の円筒部７２ａに対して幅方向の中央に形成している。

図８に示すように、実施例２に係る減衰装置１００において、ダンパ開口８２がライナカバー７２の円筒部７２ａの幅方向の中央に形成されるため、分断部位８７は、幅方向の中央に形成される。また、連続部位８８は、分断部位８７を挟んで幅方向の両側に一対設けられる。

以上のように、実施例２によれば、ダンパ開口８２を音響ライナ６１の幅方向の中央に形成することができる。このため、音響ライナ６１の幅方向の中央に分断部位８７を設け、音響ライナ６１の幅方向の両側に連続部位８８を一対設けることができる。

１ ガスタービン
１１ 圧縮機
１２ 燃焼器
１３ タービン
２４ ロータ
３０ 燃焼器ケーシング
３１ 外筒
３２ 内筒
３３ 尾筒
３４ 車室
３５ 燃焼室
６０ 減衰装置
６１ 音響ライナ
６２ 音響ダンパ
７１ 多孔板
７２ ライナカバー
７５ 音響ライナ共鳴空間
８１ ダンパカバー
８２ ダンパ開口
８５ 音響ダンパ共鳴空間
８７ 分断部位
８８ 連続部位

Claims (6)

1. 流体が流通する内部流路の外周に沿って音響ライナ共鳴空間を形成する音響ライナと、
   前記音響ライナの外周に沿って周方向の全周に亘って設けられ、前記音響ライナ共鳴空間と連通する音響ダンパ共鳴空間を形成する音響ダンパと、を備え、
   前記音響ライナは、
   前記音響ライナ共鳴空間と前記音響ダンパ共鳴空間とを連通させるために前記音響ダンパが接続されるダンパ開口によって、前記内部流路の外周に沿う方向において分断される部位となる分断部位と、
   前記内部流路の外周に沿う方向に亘って連続する部位となる連続部位と、を有することを特徴とする減衰装置。
2. 前記音響ライナは、前記内部流路の外周に沿う方向が周方向となる円筒形状に形成されており、前記周方向に直交する軸方向が幅方向となっており、
   前記ダンパ開口は、前記幅方向の一方側に寄せて形成されることを特徴とする請求項１に記載の減衰装置。
3. 前記音響ライナは、前記内部流路の外周に沿う方向が周方向となる円筒形状に形成されており、前記周方向に直交する軸方向が幅方向となっており、
   前記ダンパ開口は、前記幅方向の中央に形成されることを特徴とする請求項１に記載の減衰装置。
4. 前記ダンパ開口は、矩形状の開口に形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の減衰装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の減衰装置と、
   内部に前記内部流路を形成する尾筒と、を備えることを特徴とする燃焼器。
6. 請求項５に記載の燃焼器と、
   前記燃焼器において発生する燃焼ガスにより回転するタービンと、を備えることを特徴とするガスタービン。
   

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