JP7045851B2 - Combustor and gas turbine - Google Patents

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Description

本発明は、燃焼器及びガスタービンに関する。 The present invention relates to a combustor and a gas turbine.

ガスタービンを構成する燃焼器は、圧縮機によって生成された圧縮空気が導入される車室内部に設けられている。燃焼器は、筒状をなす燃焼筒の内部で高温かつ高圧の燃焼ガスを生成する。燃焼器は、燃焼ガスが供給されるタービンの周方向に複数個が互いに隣接するように配置されている。 The combustor constituting the gas turbine is provided in the vehicle interior where the compressed air generated by the compressor is introduced. The combustor produces high-temperature, high-pressure combustion gas inside the tubular combustion cylinder. A plurality of combustors are arranged so as to be adjacent to each other in the circumferential direction of the turbine to which the combustion gas is supplied.

例えば特許文献１には、燃焼器に音響管を取り付けることによって、燃焼器の運転時に発生する燃焼振動を抑制する技術が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a technique of suppressing combustion vibration generated during operation of a combustor by attaching an acoustic tube to the combustor.

特開２０１２－１７７５１７号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-177517

ここで、燃焼器では、燃焼ガスが流通する流路内での音波の反射に起因する気柱共鳴が発生する場合がある。この気柱共鳴は、流路内に反射境界が存在することで生成される後退波と進行波とが互いに干渉することで発生する。気柱共鳴が発生すると、複数の燃焼器が連成した音響モードでの燃焼振動が発生する場合がある。 Here, in the combustor, air column resonance may occur due to the reflection of sound waves in the flow path through which the combustion gas flows. This air column resonance occurs when the receding wave and the traveling wave generated by the existence of the reflection boundary in the flow path interfere with each other. When air column resonance occurs, combustion vibration in an acoustic mode in which a plurality of combustors are coupled may occur.

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、気柱共鳴に基づく燃焼振動を効果的に抑制することができる燃焼器及びガスタービンを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a combustor and a gas turbine capable of effectively suppressing combustion vibration based on air column resonance.

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用している。
即ち、本発明の一態様に係る燃焼器は燃料を噴射する燃料ノズル、及び、前記燃料が燃焼することで生成される燃焼ガスが流通するとともに下流側の端部である出口がタービンの入口に接続される燃焼筒を有する燃焼器本体と、前記燃焼筒の前記出口と前記タービンの入口との境界に接するように前記燃焼器の外周側から一端が接続された導入管、及び、該導入管の他端に接続されて該導入管内の流路から広がる音響空間を内側に形成するチャンバを有する音響デバイスと、を備える。 The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
That is, in the combustor according to one aspect of the present invention, a fuel nozzle for injecting fuel and a combustion gas generated by combustion of the fuel flow through and an outlet at the downstream end is at the inlet of the turbine. A combustor body having a combustor cylinder to be connected, an introduction pipe having one end connected from the outer peripheral side of the combustor so as to be in contact with the boundary between the outlet of the combustion cylinder and the inlet of the turbine, and the introduction pipe. It comprises an acoustic device having a chamber connected to the other end of the tube and forming an acoustic space inside which extends from a flow path in the introduction tube.

一般に、相対的に流路断面積の小さい燃焼筒内の空間と相対的に流路断面積の大きいタービン内の空間とでは、音響インピーダンスが大きく異なる。このように音響インピーダンスが異なる空間の間の音響的な境界は、進行波が反射されることで生成される後退波のエネルギーが大きい反射境界とされる。即ち、燃焼器本体の末端である燃焼筒の出口は、反射境界とされる。
本態様では、燃焼筒の出口に音響デバイスの導入管の一端が接続されている。そのため、上記境界の音響インピーダンスを直接的に調整することができる。特に、音響デバイスによって上記境界の音響インピーダンスをρｃ（ρは燃焼ガスの密度、ｃは燃焼ガスの速度）に近づけることによって、上記境界を無反射境界とすることができる。これによって、後退波の生成を抑えることができる。
また、導入管の他端には該導入管の流路よりも広がる音響空間を有するチャンバが接続されている。そのため、音響デバイスに導入される音圧による該音響デバイス内の流体の変位は、チャンバを有していない場に比べて小さくなる。その結果、音響デバイスでの音響抵抗を小さくすることができるため、該音響デバイスによる上記境界での音響インピーダンスの調整幅を大きくすることができる。 In general, the acoustic impedance is significantly different between the space in the combustion cylinder having a relatively small flow path cross section and the space in the turbine having a relatively large flow path cross section. The acoustic boundary between spaces having different acoustic impedances is a reflection boundary in which the energy of the receding wave generated by the reflection of the traveling wave is large. That is, the outlet of the combustion cylinder, which is the end of the combustor body, is regarded as the reflection boundary.
In this embodiment, one end of the introduction pipe of the acoustic device is connected to the outlet of the combustion cylinder. Therefore, the acoustic impedance at the boundary can be directly adjusted. In particular, the boundary can be made a non-reflective boundary by bringing the acoustic impedance of the boundary close to ρc (ρ is the density of the combustion gas and c is the velocity of the combustion gas) by the acoustic device. This makes it possible to suppress the generation of receding waves.
Further, a chamber having an acoustic space wider than the flow path of the introduction pipe is connected to the other end of the introduction pipe. Therefore, the displacement of the fluid in the acoustic device due to the sound pressure introduced into the acoustic device is smaller than that in the field without the chamber. As a result, since the acoustic resistance of the acoustic device can be reduced, the adjustment range of the acoustic impedance at the boundary by the acoustic device can be increased.

本発明の一態様に係るガスタービンは、上記いずれかの燃焼器と、前記燃焼器が生成する燃焼ガスによって駆動されるタービンと、を備える。 The gas turbine according to one aspect of the present invention includes any of the above combustors and a turbine driven by the combustion gas generated by the combustors.

本発明によれば、気柱共鳴に基づく燃焼振動を効果的に抑制することができる。 According to the present invention, combustion vibration based on air column resonance can be effectively suppressed.

本発明の第一実施形態に係る燃焼器を有するガスタービンの模式的な縦断面図である。It is a schematic vertical sectional view of the gas turbine which has a combustor which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第一実施形態に係る燃焼器を有するガスタービンの部分的な縦断面図である。It is a partial vertical sectional view of the gas turbine which has a combustor which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第一実施形態に係る燃焼器を有するガスタービンの音響インピーダンス調整の理論を説明するための第一の模式図である。It is 1st schematic diagram for demonstrating the theory of acoustic impedance adjustment of the gas turbine which has a combustor which concerns on 1st Embodiment of this invention. 比較例の音響管における共鳴周波数と音響インピーダンスとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the resonance frequency and the acoustic impedance in the acoustic tube of the comparative example. 第一実施形態の音響デバイスにおける共鳴周波数と音響インピーダンスとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the resonance frequency and acoustic impedance in the acoustic device of 1st Embodiment. 本発明の第二実施形態に係る燃焼器を有するガスタービンの部分的な縦断面図である。It is a partial vertical sectional view of the gas turbine which has the combustor which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第三実施形態に係る燃焼器を有するガスタービンの部分的な縦断面図である。It is a partial vertical sectional view of the gas turbine which has a combustor which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第四実施形態に係る燃焼器を有するガスタービンの部分的な縦断面図である。It is a partial vertical sectional view of the gas turbine which has a combustor which concerns on 4th Embodiment of this invention.

以下、本発明に係る第一実施形態について図１から図４を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態に係るガスタービン１は、高圧空気を生成する圧縮機１０と、燃焼ガスによって駆動されるタービン３０と、高圧空気に燃料を混合して燃焼させることで燃焼ガスを生成する燃焼器４０とを備えている。 Hereinafter, the first embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 4.
As shown in FIG. 1, the gas turbine 1 according to the present embodiment burns by mixing a compressor 10 for generating high-pressure air, a turbine 30 driven by combustion gas, and high-pressure air with fuel for combustion. It is equipped with a combustor 40 that produces gas.

圧縮機１０は、軸線Ｏ回りに回転する圧縮機ロータ１１と、圧縮機ロータ１１を外周側から覆う圧縮機ケーシング１２と、を有している。圧縮機ロータ１１は、軸線Ｏに沿って延びる柱状をなしている。圧縮機ロータ１１の外周面上には、軸線Ｏ方向に間隔をあけて配列された複数の圧縮機動翼段１３が設けられている。各圧縮機動翼段１３は、圧縮機ロータ１１の外周面上で軸線Ｏの周方向に間隔をあけて配列された複数の圧縮機動翼１４を有している。 The compressor 10 has a compressor rotor 11 that rotates around the axis O, and a compressor casing 12 that covers the compressor rotor 11 from the outer peripheral side. The compressor rotor 11 has a columnar shape extending along the axis O. On the outer peripheral surface of the compressor rotor 11, a plurality of compressor moving blade stages 13 arranged at intervals in the axis O direction are provided. Each compressor blade stage 13 has a plurality of compressor blades 14 arranged at intervals in the circumferential direction of the axis O on the outer peripheral surface of the compressor rotor 11.

圧縮機ケーシング１２は、軸線Ｏを中心とする筒状をなしている。圧縮機ケーシング１２の内周面には、軸線Ｏ方向に間隔をあけて配列された複数の圧縮機静翼段１５が設けられている。これらの圧縮機静翼段１５は、上記の圧縮機動翼段１３に対して、軸線Ｏ方向から見て交互に配列されている。各圧縮機静翼段１５は、圧縮機ケーシング１２の内周面上で、軸線Ｏの周方向に間隔をあけて配列された複数の圧縮機静翼１６を有している。 The compressor casing 12 has a cylindrical shape centered on the axis O. A plurality of compressor stationary blade stages 15 arranged at intervals in the axis O direction are provided on the inner peripheral surface of the compressor casing 12. These compressor stationary blade stages 15 are alternately arranged with respect to the above-mentioned compressor moving blade stage 13 when viewed from the axis O direction. Each compressor stationary blade stage 15 has a plurality of compressor stationary blades 16 arranged at intervals in the circumferential direction of the axis O on the inner peripheral surface of the compressor casing 12.

タービン３０は、軸線Ｏ回りに回転するタービンロータ３１と、タービンロータ３１を外周側から覆うタービンケーシング３２と、を有している。タービンロータ３１は、軸線Ｏに沿って延びる柱状をなしている。タービンロータ３１の外周面上には、軸線Ｏ方向に間隔をあけて配列された複数のタービン動翼段３３が設けられている。各タービン動翼段３３は、タービンロータ３１の外周面上で、軸線Ｏの周方向に間隔をあけて配列された複数のタービン動翼を有している。このタービンロータ３１は、上記の圧縮機ロータ１１に対して軸線Ｏ方向に一体に連結されることで、ガスタービンロータ２を形成する。 The turbine 30 has a turbine rotor 31 that rotates around the axis O, and a turbine casing 32 that covers the turbine rotor 31 from the outer peripheral side. The turbine rotor 31 has a columnar shape extending along the axis O. A plurality of turbine blade stages 33 arranged at intervals in the axis O direction are provided on the outer peripheral surface of the turbine rotor 31. Each turbine blade stage 33 has a plurality of turbine blades arranged on the outer peripheral surface of the turbine rotor 31 at intervals in the circumferential direction of the axis O. The turbine rotor 31 is integrally connected to the compressor rotor 11 in the axis O direction to form the gas turbine rotor 2.

タービンケーシング３２は、軸線Ｏを中心とする筒状をなしている。タービンケーシング３２の内周面には、軸線Ｏ方向に間隔をあけて配列された複数のタービン静翼段３５が設けられている。これらのタービン静翼段３５は、各タービン動翼段３３の上流側にこれら各タービン動翼段３３に一対一で対応するように設けられている。これにより、タービン静翼段３５とタービン動翼段３３は軸線Ｏ方向に交互に配置されている。各タービン静翼段３５は、タービンケーシング３２の内周面上で、軸線Ｏの周方向に間隔をあけて配列された複数のタービン静翼を有している。タービンケーシング３２は、上記の圧縮機ケーシング１２に対して軸線Ｏ方向に連結されることで、ガスタービンケーシング３を形成する。すなわち、上記のガスタービンロータ２は、このガスタービンケーシング３内で、軸線Ｏ回りに一体に回転可能とされている。 The turbine casing 32 has a cylindrical shape centered on the axis O. A plurality of turbine stationary blade stages 35 arranged at intervals in the axis O direction are provided on the inner peripheral surface of the turbine casing 32. These turbine blade stages 35 are provided on the upstream side of each turbine blade stage 33 so as to have a one-to-one correspondence with each turbine blade stage 33. As a result, the turbine blade stage 35 and the turbine blade stage 33 are alternately arranged in the axis O direction. Each turbine vane stage 35 has a plurality of turbine vanes arranged at intervals in the circumferential direction of the axis O on the inner peripheral surface of the turbine casing 32. The turbine casing 32 is connected to the compressor casing 12 in the O-axis direction to form the gas turbine casing 3. That is, the gas turbine rotor 2 is integrally rotatable around the axis O in the gas turbine casing 3.

次に燃焼器４０について図２を参照して説明する。燃焼器４０は、ガスタービンケーシング３における圧縮機ケーシング１２とタービンケーシング３２との連結部分の内側に形成された車室内空間Ｒ内に設けられている。燃焼器４０は、軸線Ｏの周方向に間隔をあけて複数が設けられている。本実施形態の燃焼器４０は、燃焼器本体４１と該燃焼器本体４１に接続された音響デバイス５０とから構成されている。 Next, the combustor 40 will be described with reference to FIG. The combustor 40 is provided in the vehicle interior space R formed inside the connecting portion between the compressor casing 12 and the turbine casing 32 in the gas turbine casing 3. A plurality of combustors 40 are provided at intervals in the circumferential direction of the axis O. The combustor 40 of the present embodiment is composed of a combustor main body 41 and an acoustic device 50 connected to the combustor main body 41.

燃焼器本体４１は、ノズル支持筒４２、燃料ノズル４３及び燃焼筒４４を有している。
ノズル支持筒４２は、円筒状の部材であって該筒状の一端が圧縮機ケーシング１２に固定されている。ノズル支持筒４２は、圧縮機ケーシング１２との固定箇所から、車室内空間Ｒの内側に向かって延びている。ノズル支持筒４２は、軸線Ｏ方向一方側（図２における右側）に向かうに従って径方向内側に向かって延びるように傾斜した姿勢で配置されている。ノズル支持筒４２における圧縮機ケーシング１２との固定箇所側の部分には、車室内空間Ｒからノズル支持筒４２内に高圧空気を導入可能な連通部が形成されている。 The combustor main body 41 has a nozzle support cylinder 42, a fuel nozzle 43, and a combustion cylinder 44.
The nozzle support cylinder 42 is a cylindrical member, and one end of the cylindrical shape is fixed to the compressor casing 12. The nozzle support cylinder 42 extends from a fixed portion with the compressor casing 12 toward the inside of the vehicle interior space R. The nozzle support cylinder 42 is arranged in an inclined posture so as to extend inward in the radial direction toward one side in the O direction of the axis (right side in FIG. 2). A communication portion capable of introducing high-pressure air from the vehicle interior space R into the nozzle support cylinder 42 is formed in a portion of the nozzle support cylinder 42 on the side where the compressor casing 12 is fixed.

燃料ノズル４３は、ノズル支持筒４２内で該ノズル支持筒４２に支持されるように設けられている。燃料ノズル４３は、ノズル支持筒４２の延在方向に平行な棒状をなしている。燃料ノズル４３は、ノズル支持筒４２内で互いに間隔をあけて複数が設けられている。燃料ノズル４３は、外部から導入される燃料をノズル支持筒４２内で噴出する。本実施形態では燃料ノズル４３として、ノズル支持筒４２の中心に配置されたパイロットノズル４３ａ、及び、該パイロットノズル４３ａの外周側でノズル支持筒４２の周方向に間隔をあけて複数が配置された複数のメインノズル４３ｂが設けられている。 The fuel nozzle 43 is provided so as to be supported by the nozzle support cylinder 42 in the nozzle support cylinder 42. The fuel nozzle 43 has a rod shape parallel to the extending direction of the nozzle support cylinder 42. A plurality of fuel nozzles 43 are provided in the nozzle support cylinder 42 at intervals from each other. The fuel nozzle 43 ejects fuel introduced from the outside into the nozzle support cylinder 42. In the present embodiment, as the fuel nozzle 43, a pilot nozzle 43a arranged at the center of the nozzle support cylinder 42 and a plurality of fuel nozzles 43 are arranged at intervals in the circumferential direction of the nozzle support cylinder 42 on the outer peripheral side of the pilot nozzle 43a. A plurality of main nozzles 43b are provided.

燃焼筒４４は、筒状をなす部材であって、ノズル支持筒４２の下流側の端部（圧縮機ケーシング１２との固定箇所とは反対側の端部）に該ノズル支持筒４２内に連通するように設けられている。燃焼筒４４は、ノズル支持筒４２と同様に、軸線Ｏ方向一方側に向かうに従って径方向内側に向かって延びている。燃焼筒４４の上流側の端部は、ノズル支持筒４２に接続されており、燃焼筒４４の下流側の端部は、タービン３０の入口に接続されている。燃料筒の下流側の端部を含む部分は、軸線Ｏ方向に沿うように屈曲している。 The combustion cylinder 44 is a tubular member, and communicates with the nozzle support cylinder 42 at the downstream end (the end opposite to the fixing point with the compressor casing 12) in the nozzle support cylinder 42. It is provided to do so. Like the nozzle support cylinder 42, the combustion cylinder 44 extends radially inward toward one side in the O direction of the axis. The upstream end of the combustion cylinder 44 is connected to the nozzle support cylinder 42, and the downstream end of the combustion cylinder 44 is connected to the inlet of the turbine 30. The portion including the downstream end of the fuel cylinder is bent along the axis O direction.

燃焼筒４４の上流側の端部は、ノズル支持筒４２と同様に断面形状が円形をなしている。燃焼筒４４の下流側の端部の断面形状は、軸線Ｏの周方向及び径方向にそれぞれ辺が延びる矩形状をなしている。燃焼筒４４の断面形状は、上流側から下流側に向かうにしたがって、円形状から矩形状に徐々に遷移している。 The upstream end of the combustion cylinder 44 has a circular cross-sectional shape similar to the nozzle support cylinder 42. The cross-sectional shape of the downstream end of the combustion cylinder 44 has a rectangular shape whose sides extend in the circumferential direction and the radial direction of the axis O, respectively. The cross-sectional shape of the combustion cylinder 44 gradually changes from a circular shape to a rectangular shape from the upstream side to the downstream side.

圧縮機１０で生成された高圧空気は、ノズル支持筒４２の連通部を介して該ノズル支持筒４２内に導入される。そして、当該高圧空気と燃料ノズル４３から噴出された燃料とがノズル支持筒４２内で混合されることで予混合ガスとなる。そして、燃焼筒４４内で予混合ガスが燃焼することで高温高圧の燃焼ガスＧが生成される。燃焼ガスＧは、燃焼筒４４内を下流側に向かって流通する。そして、燃焼ガスＧは、燃焼筒４４の下流側の端部を出口４５として、タービン３０に導入される。燃焼筒４４の出口４５はタービン３０の入口でもある。 The high-pressure air generated by the compressor 10 is introduced into the nozzle support cylinder 42 via the communication portion of the nozzle support cylinder 42. Then, the high-pressure air and the fuel ejected from the fuel nozzle 43 are mixed in the nozzle support cylinder 42 to become a premixed gas. Then, the premixed gas burns in the combustion cylinder 44 to generate a high-temperature and high-pressure combustion gas G. The combustion gas G circulates in the combustion cylinder 44 toward the downstream side. Then, the combustion gas G is introduced into the turbine 30 with the downstream end of the combustion cylinder 44 as the outlet 45. The outlet 45 of the combustion cylinder 44 is also the inlet of the turbine 30.

次に音響デバイス５０について説明する。音響デバイス５０は、燃焼器本体４１における燃焼筒４４に接続されるように設けられている。音響デバイス５０はいわゆるρｃチャンバであって、導入管５１及びチャンバ５２を有している。 Next, the acoustic device 50 will be described. The acoustic device 50 is provided so as to be connected to the combustion cylinder 44 in the combustor main body 41. The acoustic device 50 is a so-called ρc chamber, which has an introduction tube 51 and a chamber 52.

導入管５１は、管状をなす部材である。導入管５１の一端は、燃焼筒４４の外周側から燃焼筒４４に接続されている。導入管５１の内側の流路と燃焼筒４４の内側の空間とは互いに連通状態とされている。即ち、燃焼筒４４には内外を連通する開口が形成されており、当該開口に導入管５１の一端が接続されている。導入管５１の流路断面積は、延在方向の全域にわたって一定とされている。 The introduction pipe 51 is a tubular member. One end of the introduction pipe 51 is connected to the combustion cylinder 44 from the outer peripheral side of the combustion cylinder 44. The flow path inside the introduction pipe 51 and the space inside the combustion cylinder 44 are in communication with each other. That is, the combustion cylinder 44 is formed with an opening that communicates inside and outside, and one end of the introduction pipe 51 is connected to the opening. The cross-sectional area of the flow path of the introduction pipe 51 is constant over the entire area in the extending direction.

本実施形態では、導入管５１の一端は、燃焼筒４４の出口４５に該燃焼筒４４の外周側から接続されている。導入管５１の一端は、燃焼筒４４の下流側の端部に接するように該燃焼筒４４に接続されている。導入管５１の内部の空間は、軸線Ｏの径方向から見て燃焼筒４４の出口４５と重なる位置に配置されている。 In the present embodiment, one end of the introduction pipe 51 is connected to the outlet 45 of the combustion cylinder 44 from the outer peripheral side of the combustion cylinder 44. One end of the introduction pipe 51 is connected to the combustion cylinder 44 so as to be in contact with the downstream end of the combustion cylinder 44. The space inside the introduction pipe 51 is arranged at a position overlapping the outlet 45 of the combustion cylinder 44 when viewed from the radial direction of the axis O.

導入管５１の一端は燃焼筒４４の外周面における軸線Ｏの径方向内側の部分に接続されている。導入管５１は、一端から燃焼筒４４の上流側に屈曲するように延びている。導入管５１の他端は、燃焼筒４４の上流側に開口している。 One end of the introduction pipe 51 is connected to the radial inner portion of the axis O on the outer peripheral surface of the combustion cylinder 44. The introduction pipe 51 extends from one end to the upstream side of the combustion cylinder 44 so as to bend. The other end of the introduction pipe 51 is open to the upstream side of the combustion cylinder 44.

チャンバ５２は、内側の空間が音響空間とされた箱状の部材である。チャンバ５２は、導入管５１の他端に接続されている。チャンバ５２の音響空間と導入管５１内の流路とは導入管５１の他端を介して連通状態とされている。 The chamber 52 is a box-shaped member whose inner space is an acoustic space. The chamber 52 is connected to the other end of the introduction pipe 51. The acoustic space of the chamber 52 and the flow path in the introduction pipe 51 are in a communicating state via the other end of the introduction pipe 51.

チャンバ５２における音響空間は、導入管５１内の流路から広がるように形成されている。導入管５１の流路断面積を基準とすると、導入管５１内から音響空間内に移行した際に流路断面積は急激に大きくなる。即ち、チャンバ５２の流路断面積（導入管５１の他端の開口の延長方向を流路方向とした場合に当該流路方向に直交する断面積）は、導入管５１よりも十分に大きい。チャンバ５２の容積は、導入管５１の容積よりも十分に大きい。 The acoustic space in the chamber 52 is formed so as to extend from the flow path in the introduction pipe 51. Based on the cross-sectional area of the flow path of the introduction pipe 51, the cross-sectional area of the flow path suddenly increases when the introduction pipe 51 moves into the acoustic space. That is, the flow path cross-sectional area of the chamber 52 (the cross-sectional area orthogonal to the flow path direction when the extension direction of the opening at the other end of the introduction pipe 51 is the flow path direction) is sufficiently larger than the introduction pipe 51. The volume of the chamber 52 is sufficiently larger than the volume of the introduction pipe 51.

本実施形態のチャンバ５２は、燃焼筒４４の外周面における軸線Ｏの径方向内側を向く部分に一体に固定されている。チャンバ５２は、導入管５１よりも燃焼筒４４の上流側の部分に固定されている。チャンバ５２の音響空間と燃焼筒４４内の空間とは直接的に連通していない。チャンバ５２の音響空間は、導入管５１を介してのみ、燃焼筒４４内の空間と連通されている。 The chamber 52 of the present embodiment is integrally fixed to a portion of the outer peripheral surface of the combustion cylinder 44 facing the radial inward side of the axis O. The chamber 52 is fixed to a portion on the upstream side of the combustion cylinder 44 with respect to the introduction pipe 51. The acoustic space of the chamber 52 and the space inside the combustion cylinder 44 do not directly communicate with each other. The acoustic space of the chamber 52 communicates with the space inside the combustion cylinder 44 only through the introduction pipe 51.

次に上記構成のガスタービン及び燃焼器４０の作用効果について説明する。
ガスタービン１を運転するに当たっては、まず外部の駆動源によって圧縮機ロータ１１（ガスタービンロータ２）を回転駆動する。圧縮機ロータ１１の回転に伴って外部の空気が順次圧縮され、高圧空気が生成される。この高圧空気は、圧縮機ケーシング１２内部の空間を通じて燃焼器４００内に供給される。 Next, the action and effect of the gas turbine and the combustor 40 having the above configuration will be described.
In operating the gas turbine 1, first, the compressor rotor 11 (gas turbine rotor 2) is rotationally driven by an external drive source. As the compressor rotor 11 rotates, the external air is sequentially compressed to generate high-pressure air. This high-pressure air is supplied into the combustor 400 through the space inside the compressor casing 12.

燃焼器本体４１の燃焼筒４４内では、燃料ノズル４３４３から供給された燃料が高圧空気に混合されて燃焼し、高温高圧の燃焼ガスＧが生成される。燃焼ガスＧは、燃焼筒４４内を下流側に進行し燃焼筒４４の出口４５を介してタービン３０内に導入される。タービン３０内では、タービン静翼段３４及びタービン動翼段３３に燃焼ガスＧが順次衝突することで、タービンロータ３１（ガスタービンロータ２）に対して回転駆動力が与えられる。この回転エネルギーは、軸端に連結された発電機Ｐ等の駆動に利用される。そして、燃焼ガスＧは、最終段のタービン動翼段３３を経て、排気ディフューザを介して外部に排出される。 In the combustion cylinder 44 of the combustor main body 41, the fuel supplied from the fuel nozzle 4343 is mixed with the high-pressure air and burned, and a high-temperature and high-pressure combustion gas G is generated. The combustion gas G travels downstream in the combustion cylinder 44 and is introduced into the turbine 30 via the outlet 45 of the combustion cylinder 44. In the turbine 30, the combustion gas G sequentially collides with the turbine blade stage 34 and the turbine blade stage 33, so that a rotational driving force is applied to the turbine rotor 31 (gas turbine rotor 2). This rotational energy is used to drive the generator P or the like connected to the shaft end. Then, the combustion gas G is discharged to the outside via the exhaust diffuser via the turbine blade stage 33 in the final stage.

ここで一般に、相対的に流路断面積の小さい燃焼筒４４内の空間と相対的に流路断面積の大きいタービン３０内の空間とでは、音響インピーダンスが大きく異なる。このように音響インピーダンスが異なる空間の間の音響的な境界は、進行波が反射されることで生成される後退波のエネルギーが大きい反射境界とされる。図３（ａ）に示すように、仮に音響デバイス５０を備えていない構成とした場合、燃焼器本体４１の末端である燃焼筒４４の出口４５は、反射境界とされる。このような反射境界が存在すると、燃焼筒４４内の下流側に向かって進む進行波が反射境界で反射することで進行波とは逆向きに進む後退波が発生する。そして、進行波と後退波とが互いに干渉することで気柱共鳴が発生する結果、複数の燃焼器４０が連成した音響モードでの燃焼振動が発生する場合がある。 Here, in general, the acoustic impedance is significantly different between the space in the combustion cylinder 44 having a relatively small flow path cross section and the space in the turbine 30 having a relatively large flow path cross section. The acoustic boundary between spaces having different acoustic impedances is a reflection boundary in which the energy of the receding wave generated by the reflection of the traveling wave is large. As shown in FIG. 3A, if the configuration is not provided with the acoustic device 50, the outlet 45 of the combustion cylinder 44, which is the end of the combustor main body 41, is regarded as a reflection boundary. When such a reflection boundary exists, a traveling wave traveling toward the downstream side in the combustion cylinder 44 is reflected at the reflection boundary, and a backward wave traveling in the opposite direction to the traveling wave is generated. Then, as a result of air column resonance occurring due to mutual interference between the traveling wave and the receding wave, combustion vibration in an acoustic mode in which a plurality of combustors 40 are coupled may occur.

これに対して、本実施形態では音響デバイス５０が設けられているため、反射境界を無反射境界に近づけることができ、これによって後退波の発生を抑制できる。
即ち、図３（ｂ）に示すように、燃焼筒４４固有の出口４５における流路断面積をＡ０、音響インピーダンスをＺ０とする。音響デバイス５０の断面積をＡ１、音響インピーダンスをＺ１とする。そして、音響デバイス５０が設けられたことによって変化した燃焼筒４４の出口４５における音響インピーダンスをＺ０１とすると、以下（１）式が成立する。 On the other hand, since the acoustic device 50 is provided in the present embodiment, the reflection boundary can be brought closer to the non-reflection boundary, and the generation of the receding wave can be suppressed by this.
That is, as shown in FIG. 3B, the cross-sectional area of the flow path at the outlet 45 peculiar to the combustion cylinder 44 is A 0 , and the acoustic impedance is Z 0 . Let A 1 be the cross-sectional area of the acoustic device 50 and Z 1 be the acoustic impedance. Then, assuming that the acoustic impedance at the outlet 45 of the combustion cylinder 44 changed due to the provision of the acoustic device 50 is Z 01 , the following equation (1) is established.

Figure 0007045851000001
Figure 0007045851000001

ここで、Ｚ０１の値がρｃとなれば、燃焼筒４４の出口４５は無反射境界となる。ここで、ρは燃焼ガスＧの密度、ｃは燃焼ガスＧの速度である。したがって、燃焼デバイスの設計を、Ｚ０１がρｃに近づくように設計を行うことで、燃焼筒４４の出口４５を無反射境界に近づけることができる。その結果、後退波の生成を抑え、気柱共鳴及び燃焼振動の発生を抑制することができる。 Here, if the value of Z 01 is ρc, the outlet 45 of the combustion cylinder 44 becomes a non-reflection boundary. Here, ρ is the density of the combustion gas G, and c is the velocity of the combustion gas G. Therefore, by designing the combustion device so that Z 01 approaches ρc, the outlet 45 of the combustion cylinder 44 can be brought closer to the non-reflective boundary. As a result, it is possible to suppress the generation of receding waves and suppress the generation of air column resonance and combustion vibration.

なお、音響インピーダンスは一般的に実数と虚数との和をして表すことができる。燃焼筒４４の出口４５は、タービン側の広い空間に対して開とされているため、音圧はゼロに近く、虚数部もゼロに近くなる。したがって、上記Ｚ０を実数として見なすことができる。したがって、音響インピーダンスＺ０１をρｃに近づける設計をする際に、Ｚ０の虚数の影響を考慮する必要がない。そのため、設計をより容易に行うことができる。 The acoustic impedance can generally be expressed by summing a real number and an imaginary number. Since the outlet 45 of the combustion cylinder 44 is open to a wide space on the turbine side, the sound pressure is close to zero and the imaginary part is also close to zero. Therefore, the above Z 0 can be regarded as a real number. Therefore, when designing the acoustic impedance Z 01 to be close to ρc, it is not necessary to consider the influence of the imaginary number of Z 0 . Therefore, the design can be performed more easily.

ここで仮に、例えば図４（ａ）に示すように、本実施形態の音響デバイス５０に変えて一様な断面形状（延在方向に直交する断面形状）の音響管１００を用いた場合、音響デバイス１００に導入される音圧による該音響管内の流体の体積変位ΔＶは、比較的大きなものとなる。このように音響管内の体積変位ΔＶが大きいと、音圧の周波数によっては音響管に導入される音圧の音響抵抗が大きくなる。即ち、図４（ｂ）に示すように、音圧が共鳴周波数（音響管の長さに対応する値）付近の場合には、燃焼筒４４の出口４５での音響インピーダンスＺ１を小さくできるものの、共鳴周波数から少しでも外れれば、音響インピーダンスＺ１を小さくすることはできない。即ち、適用範囲が非常に狭いものとなる。 Here, for example, as shown in FIG. 4A, when an acoustic tube 100 having a uniform cross-sectional shape (cross-sectional shape orthogonal to the extending direction) is used instead of the acoustic device 50 of the present embodiment, the sound is acoustic. The volume displacement ΔV of the fluid in the acoustic tube due to the sound pressure introduced into the device 100 is relatively large. When the volume displacement ΔV in the acoustic tube is large as described above, the acoustic resistance of the sound pressure introduced into the acoustic tube increases depending on the frequency of the sound pressure. That is, as shown in FIG. 4B, when the sound pressure is near the resonance frequency (value corresponding to the length of the acoustic tube), the acoustic impedance Z1 at the outlet 45 of the combustion cylinder 44 can be reduced, but The acoustic impedance Z1 cannot be reduced if it deviates from the resonance frequency even a little. That is, the applicable range is very narrow.

これに対して本実施形態では、図５（ａ）に示すように、導入管５１の他端には該導入管５１の流路よりも広がる音響空間を有するチャンバ５２が接続されている。そのため、音響デバイス５０に導入される音圧による該チャンバ５２内の流体の体積変位ΔＶは、比較的小さなものとなり、音響デバイス５０での音響抵抗を小さくすることができる。即ち、図５（ｂ）に示すように、音圧が共鳴周波数付近のみではなく、幅広い周波数の範囲において燃焼器４０で出口４５での音響インピーダンスＺ１を小さくすることができる。これによって、音響インピーダンスの調整幅を大きくすることができ、よりブロードな設計を行うことが可能となる。 On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIG. 5A, a chamber 52 having an acoustic space wider than the flow path of the introduction pipe 51 is connected to the other end of the introduction pipe 51. Therefore, the volume displacement ΔV of the fluid in the chamber 52 due to the sound pressure introduced into the acoustic device 50 becomes relatively small, and the acoustic resistance in the acoustic device 50 can be reduced. That is, as shown in FIG. 5B, the acoustic impedance Z1 at the outlet 45 can be reduced by the combustor 40 not only in the vicinity of the resonance frequency but also in a wide frequency range. As a result, the adjustment range of the acoustic impedance can be increased, and a broader design can be performed.

次に本発明の第二実施形態に係る燃焼器４０を備えたガスタービンについて図６を用いて説明する。第二実施形態では第一実施形態と同様の構成要素には、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
第二実施形態の音響デバイス６０は、第一実施形態の導入管５１及びチャンバ５２と同様の導入管６１及びチャンバ６２を備えているが、導入管６１の一端の接続箇所が第一実施形態とは相違する。 Next, the gas turbine provided with the combustor 40 according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the second embodiment, the same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
The acoustic device 60 of the second embodiment includes the introduction pipe 61 and the chamber 62 similar to the introduction pipe 51 and the chamber 52 of the first embodiment, but the connection point at one end of the introduction pipe 61 is the same as that of the first embodiment. Is different.

即ち、第二実施形態の音響デバイス６０における導入管６１の一端は、燃焼筒４４の延在方向の範囲うち燃焼筒４４の出口４５から上流側に向かって燃焼振動の波長の１／４波長の領域Ａに接続されている。 That is, one end of the introduction pipe 61 in the acoustic device 60 of the second embodiment has a wavelength of 1/4 of the wavelength of the combustion vibration toward the upstream side from the outlet 45 of the combustion cylinder 44 in the extending direction of the combustion cylinder 44. It is connected to the area A.

燃焼筒４４内における上記領域Ａは、比較的音圧が高く、かつ、燃焼振動の波長が同位相の範囲となる。このような領域Ａに音響デバイス６０の導入管６１を接続することにより、当該接続箇所での音響インピーダンスの調整が設計上容易である。即ち、領域Ａにおいては、音響デバイス６０を設けない場合の燃焼筒４４固有の音響インピーダンスの虚数の影響が小さい。そのため、音響インピーダンスＺ０１をρｃに近づける設計をする際に、Ｚ０の虚数の影響を考慮する必要がない。したがって、設計をより容易に行うことができる。 In the region A in the combustion cylinder 44, the sound pressure is relatively high, and the wavelength of the combustion vibration is in the range of the same phase. By connecting the introduction pipe 61 of the acoustic device 60 to such a region A, it is easy in design to adjust the acoustic impedance at the connection point. That is, in the region A, the influence of the imaginary number of the acoustic impedance peculiar to the combustion cylinder 44 when the acoustic device 60 is not provided is small. Therefore, it is not necessary to consider the influence of the imaginary number of Z 0 when designing the acoustic impedance Z 01 to be close to ρc. Therefore, the design can be performed more easily.

次に本発明の第三実施形態に係る燃焼器４０を備えたガスタービンについて図７を用いて説明する。第三実施形態では第一実施形態と同様の構成要素には、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
第三実施形態の音響デバイス７０は、第一実施形態の導入管５１及びチャンバ５２と同様の導入管７１及びチャンバ７２を備えているが、導入管７１の一端の接続箇所が第一実施形態とは相違する。 Next, the gas turbine provided with the combustor 40 according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 7. In the third embodiment, the same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
The acoustic device 70 of the third embodiment includes the introduction pipe 71 and the chamber 72 similar to the introduction pipe 51 and the chamber 52 of the first embodiment, but the connection point at one end of the introduction pipe 71 is the same as that of the first embodiment. Is different.

即ち、第三実施形態の音響デバイス７０の導入管７１の一端は、燃焼筒４４の延在方向の範囲のうち、該燃焼筒４４の内側の燃焼領域Ｃよりも下流側の非燃焼領域Ｎに外周側から接続されている。燃焼筒４４の内側の空間における燃焼領域Ｃよりも下流側の部分は、燃焼反応がない非燃焼領域Ｎとなる。また、燃焼領域Ｃと非燃焼領域Ｎとの境界は、燃焼反応の末端の火炎面Ｆとなる。 That is, one end of the introduction pipe 71 of the acoustic device 70 of the third embodiment is located in the non-combustion region N on the downstream side of the combustion region C inside the combustion cylinder 44 in the extending direction of the combustion cylinder 44. It is connected from the outer peripheral side. The portion downstream of the combustion region C in the space inside the combustion cylinder 44 is a non-combustion region N where there is no combustion reaction. Further, the boundary between the combustion region C and the non-combustion region N is the flame surface F at the end of the combustion reaction.

燃焼筒４４内の燃焼領域Ｃでは燃焼反応が行われているため上記ρ及びｃは随時変動している。ρ及びｃの値は安定しない。一方、燃焼領域Ｃの下流側、即ち、火炎面Ｆよりも下流側の非燃焼領域Ｎでは、燃焼反応がないため、ρ及びｃが安定している。このような領域に音響デバイス７０の導入管７１を接続することにより、当該接続箇所での音響インピーダンスの調整を容易に行うことができる。即ち、燃焼筒４４における音響デバイス７０を接続した箇所の音響インピーダンスを容易にρｃに近づけることができる。これによって、燃料領域の下流側に反射境界が存在する場合には、当該反射境界を無反射境界に容易に近づけることができる。 Since the combustion reaction is carried out in the combustion region C in the combustion cylinder 44, the above ρ and c fluctuate at any time. The values of ρ and c are not stable. On the other hand, in the non-combustion region N on the downstream side of the combustion region C, that is, on the downstream side of the flame surface F, ρ and c are stable because there is no combustion reaction. By connecting the introduction pipe 71 of the acoustic device 70 to such a region, the acoustic impedance at the connection point can be easily adjusted. That is, the acoustic impedance of the portion of the combustion cylinder 44 to which the acoustic device 70 is connected can be easily brought close to ρc. Thereby, when the reflection boundary exists on the downstream side of the fuel region, the reflection boundary can be easily brought close to the non-reflection boundary.

次に本発明の第四実施形態に係る燃焼器４０を備えたガスタービン１について図８を用いて説明する。第三実施形態では第一実施形態と同様の構成要素には、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
第四実施形態の音響デバイス８０は、、第一実施形態の導入管５１及びチャンバ５２と同様の導入管８１及びチャンバ８２を備えているが、導入管８１の一端の接続箇所が第一実施形態とは相違する。 Next, the gas turbine 1 provided with the combustor 40 according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the third embodiment, the same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
The acoustic device 80 of the fourth embodiment includes the introduction pipe 81 and the chamber 82 similar to the introduction pipe 51 and the chamber 52 of the first embodiment, but the connection point at one end of the introduction pipe 81 is the first embodiment. Is different.

第四実施形態の音響デバイス８０の導入管８１の一端は、タービン３０の流路内に直接的に接続されている。燃焼筒４４の出口４５が接続されるタービン３０の流路は、軸線Ｏを中心とした環状をなしている。燃焼筒４４の出口４５が、上記タービン３０の流路の入口となる。
本実施形態では、当該流路に設けられた第一段目のタービン静翼段３４（第一段静翼）と該第一断面のタービン静翼段３４のすぐ下流側の第一段目のタービン動翼段３３（第一段動翼）との間の領域に、導入管８１の一端が接続されている。本実施形態では、タービン３０の環状の流路における径方向内側から導入管８１の一端が接続されている。
なお、図８に示すように、第四実施形態の音響デバイス８０のチャンバ８２は、燃焼筒４４に固定されることなく、一部が車室内空間Ｒに設けられている。当該チャンバ８２が第一～第三実施形態同様、燃焼筒４４に固定されていてもよい。 One end of the introduction pipe 81 of the acoustic device 80 of the fourth embodiment is directly connected to the flow path of the turbine 30. The flow path of the turbine 30 to which the outlet 45 of the combustion cylinder 44 is connected forms an annular shape centered on the axis O. The outlet 45 of the combustion cylinder 44 serves as the inlet of the flow path of the turbine 30.
In the present embodiment, the first stage turbine blade stage 34 (first stage blade) provided in the flow path and the first stage immediately downstream of the turbine blade stage 34 of the first cross section. One end of the introduction pipe 81 is connected to the region between the turbine blade stage 33 (first stage blade). In the present embodiment, one end of the introduction pipe 81 is connected from the inside in the radial direction in the annular flow path of the turbine 30.
As shown in FIG. 8, the chamber 82 of the acoustic device 80 of the fourth embodiment is not fixed to the combustion cylinder 44, but is partially provided in the vehicle interior space R. The chamber 82 may be fixed to the combustion cylinder 44 as in the first to third embodiments.

タービン３０の流路内における第一段目のタービン静翼段３４と第一段目のタービン動翼段３３の間の領域では、第一段目のタービン動翼段３３により燃焼ガスＧの流速が急激に上昇する。そのため、当該領域では、音響インピーダンスが大きく変化する。したがって、このような領域には音響的な境界として反射境界が生成される場合がある。
本実施形態では、このような第一段目のタービン静翼段３４と第一段目のタービン動翼段３３との間の領域に音響デバイス８０の導入管８１の一端が接続されているため、上記境界の音響インピーダンスを直接的に調整することができる。これによって、後退波の生成を抑えることができる。 In the region between the first stage turbine blade stage 34 and the first stage turbine blade stage 33 in the flow path of the turbine 30, the flow velocity of the combustion gas G is due to the first stage turbine blade stage 33. Rise sharply. Therefore, the acoustic impedance changes significantly in the region. Therefore, a reflection boundary may be generated as an acoustic boundary in such a region.
In the present embodiment, one end of the introduction pipe 81 of the acoustic device 80 is connected to the region between the turbine blade stage 34 of the first stage and the turbine blade stage 33 of the first stage. , The acoustic impedance of the boundary can be adjusted directly. This makes it possible to suppress the generation of receding waves.

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、音響デバイス５０，６０，７０，８０における導入管５１及びチャンバ５２の形状は第一～第四実施形態で示した構成に限定されることはない。これらの形状は適宜変更することが可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto and can be appropriately modified without departing from the technical idea of the invention.
For example, the shapes of the introduction pipe 51 and the chamber 52 in the acoustic devices 50, 60, 70, 80 are not limited to the configurations shown in the first to fourth embodiments. These shapes can be changed as appropriate.

１ ガスタービン
２ ガスタービンロータ
３ ガスタービンケーシング
１０ 圧縮機
１１ 圧縮機ロータ
１２ 圧縮機ケーシング
１３ 圧縮機動翼段
１４ 圧縮機動翼
１５ 圧縮機静翼段
１６ 圧縮機静翼
３０ タービン
３１ タービンロータ
３２ タービンケーシング
３３ タービン動翼段
３４ タービン静翼段
４０ 燃焼器
４１ 燃焼器本体
４２ ノズル支持筒
４３ 燃料ノズル
４３ａ パイロットノズル
４３ｂ メインノズル
４４ 燃焼筒
４５ 出口
５０ 音響デバイス
５１ 導入管
５２ チャンバ
６０ 音響デバイス
６１ 導入管
６２ チャンバ
７０ 音響デバイス
７１ 導入管
７２ チャンバ
８０ 音響デバイス
８１ 導入管
８２ チャンバ
Ｏ 軸線
Ｒ 車室内空間
Ｇ 燃焼ガス
Ａ 領域
Ｃ 燃焼領域
Ｎ 非燃焼領域
Ｆ 火炎面
Ｐ 発電機 1 Gas turbine 2 Gas turbine rotor 3 Gas turbine casing 10 Compressor 11 Compressor rotor 12 Compressor casing 13 Compressor moving blade stage 14 Compressor moving blade 15 Compressor static blade stage 16 Compressor stationary blade 30 Turbine 31 Turbine rotor 32 Turbine casing 33 Turbine moving blade stage 34 Turbine stationary blade stage 40 Combustor 41 Combustor body 42 Nozzle support cylinder 43 Fuel nozzle 43a Pilot nozzle 43b Main nozzle 44 Combustion cylinder 45 Outlet 50 Acoustic device 51 Introductory tube 52 Chamber 60 Acoustic device 61 Introductory tube 62 Chamber 70 Acoustic device 71 Introductory tube 72 Chamber 80 Acoustic device 81 Introductory tube 82 Chamber O Axis line R Vehicle interior space G Combustion gas A Region C Combustion region N Non-combustion region F Flame surface P Turbine

Claims (2)

燃料を噴射する燃料ノズル、及び、前記燃料が燃焼することで生成される燃焼ガスが流通するとともに下流側の端部である出口がタービンの入口に接続される燃焼筒を有する燃焼器本体と、
前記燃焼筒の前記出口と前記タービンの入口との境界に接するように前記燃焼器の外周側から一端が接続された導入管、及び、該導入管の他端に接続されて該導入管内の流路から広がる音響空間を内側に形成するチャンバを有する音響デバイスと、
を備える燃焼器。 A combustor body having a fuel nozzle for injecting fuel and a combustion cylinder having a combustion cylinder in which a combustion gas generated by burning the fuel flows and an outlet at a downstream end is connected to an inlet of a turbine.
An introduction pipe to which one end is connected from the outer peripheral side of the combustor so as to be in contact with the boundary between the outlet of the combustion cylinder and the inlet of the turbine, and a flow in the introduction pipe connected to the other end of the introduction pipe. An acoustic device with a chamber that forms an acoustic space inside that extends from the road,
Combustor equipped with. 請求項１に記載の燃焼器と、
前記燃焼器が生成する燃焼ガスによって駆動されるタービンと、
を備えるガスタービン。 The combustor according to claim 1 and
A turbine driven by the combustion gas generated by the combustor,
A gas turbine equipped with.
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