(57)【要約】【課題】運転中のガスタービンにおいて有効に減衰することができ、したがって、ある周波数においてガスタービンの運転により生じる燃焼ダイナミクスを有効に低減する音響ダンパを提供する。【解決手段】ネック１３および減衰体積１５を備え、ネック１３は、チャンバ５と流体通流可能に接続された口１７を有している音響ダンパ１１において、ネック１３の口１７に隣接して、シーリングガス用の少なくとも１つの開口２７，３５が配置されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ネック（１３）および減衰体積（１５）を備え、前記ネック（１３）は、チャンバ（５）と流体通流可能に接続された口（１７）を有している音響ダンパ（１１）において、前記ネック（１３）の前記口（１７）に隣接して、シーリングガス用の少なくとも１つの開口（２７，３５）が配置されていることを特徴とする、音響ダンパ。
【請求項２】
前記チャンバ（５）内において、流れ（１９）の好適な方向を有するガスが、前記口（１７）上を流れ、前記シーリングガス用の少なくとも１つの開口（２７，３５）は、前記口（１７）の上流に配置されている、請求項１記載のダンパ。
【請求項３】
前記シーリングガス用の少なくとも１つの開口（２７，３５）を流過するガスが、前記流れ（１９）の好適な方向を有するガスの流れを、前記ネック（１３）の前記口（１７）から離れるように逸らせる、請求項１または２記載のダンパ。
【請求項４】
前記ネック（１３）の前記口（１７）の周囲に、複数の開口（２７，３５）、好適には３〜８個、さらにより好適には４または５個の開口（２７，３５）が配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のダンパ。
【請求項５】
前記シーリングガス用の少なくとも１つの開口（２７，３５）は、円形、だ円形または正方形の横断面を有する、請求項１から４までのいずれか１項記載のダンパ。
【請求項６】
前記シーリングガス用の少なくとも１つの開口（２７，３５）は、高圧環境、例えばガスタービンのフードからガスを供給される、請求項１から５までのいずれか１項記載のダンパ。
【請求項７】
前記少なくとも１つの開口（２７，３５）を流過するシーリングガスは、冷却空気または、燃焼されたまたは未燃焼の空気および燃料の混合物である、請求項１から６までのいずれか１項記載のダンパ。
【請求項８】
前記ダンパ（１１）は、１つまたは複数の減衰体積（１５，３３）を備えるヘルムホルツ共振器、半波長管、四分の一波長管、複数体積ダンパ、ライナ、またはあらゆる種類の音響貫流型ダンパである、請求項１から７までのいずれか１項記載のダンパ。
【請求項９】
前記チャンバ（５）は、ガスタービンの燃焼室、混合チャンバ、プレナムおよび／または空気チャネルである、請求項１から８までのいずれか１項記載のダンパ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼ダイナミクスの音響減衰に関する。本願の意味における燃焼ダイナミクスとは、脈動、音響振動、圧力および速度変動を含み、日常用語では“ノイズ”と称されるものである。
【背景技術】
【０００２】
燃焼ダイナミクスは、例えば燃料供給の変化の結果として、ガスタービンの燃焼器において生じる。過剰な圧力変動は、機械構成部材の損傷を生じ得る。単純にするため、以下では、“チャンバ”という用語が用いられ、チャンバは、燃焼ダイナミクスが生じる全ての位置を含む。これらのチャンバにおいては、ガス（例えば燃料および空気または高温燃焼ガスの混合物）が高速で流れる。
【０００３】
これらの燃焼ダイナミクスを低減するために、従来技術では、ヘルムホルツ共振器、半波長管、四分の一波長管などの音響減衰装置、またはガスの流過を伴うまたは伴わないその他のタイプの減衰装置を取り付けることが知られている。
【０００４】
これらの音響減衰装置は、１つまたは複数の共振周波数を有してもよい。ガスタービンの運転中に燃焼ダイナミクスが音響減衰装置の共振周波数を刺激すると、燃焼ダイナミクスが低減または減衰される。
【０００５】
図１は、反射係数（Ｙ軸）と、周波数に対する反射係数の関連とを示している。
【０００６】
線１は、約３００ヘルツの共振周波数を有する音響減衰装置を使用したときの理論上の反射係数を示している。見られるように、３００ヘルツの周波数において、反射係数は、約０．５の極小を有する。約２２５ヘルツおよび３７５ヘルツの周波数においては、反射係数は、約０．７５の局所極大を有する。
【０００７】
例えば、ガスタービンの燃焼室には、３００ヘルツの共振周波数を有する音響減衰吸収器が装備されている。運転中、この燃焼室において、３００ヘルツの周波数を有する変動が発生すると仮定すると、３００ヘルツにおける反射係数の極小により、３００ヘルツの周波数を有する変動が、有効に減衰および低減されると推測することができる。
【０００８】
技術的実験において、出願人は測定を行い、理論的反射係数（線１）を、５０ヘルツ〜４００ヘルツの周波数範囲で行った測定と比較した。測定値は、図１に点３によって示されている。
【０００９】
測定値を理論的反射係数（線１）と比較すると、２５０ヘルツ〜３５０ヘルツの範囲において、測定値３は、推測されるように、極小を示さないことが分かる。換言すれば、音響減衰装置は、十分に機能していない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、運転中のガスタービンにおいて有効に減衰することができ、したがって、ある周波数においてガスタービンの運転により生じる燃焼ダイナミクスを有効に低減する音響ダンパを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この課題は、ネックおよび減衰体積を備える音響ダンパであって、ネックは、チャンバと流体通流可能に接続された口を有しており、チャンバは、ネックの開口に隣接して、シーリングガス用の少なくとも１つの開口を有する、音響ダンパによって達成された。
【００１２】
少なくとも１つの開口を通ってチャンバ内へ流れるシーリングガス、空気またはあらゆるその他の適切なガスは、かすめる流れからダンパの口を保護する“フェンス”またはシールドの効果を有する。請求項に記載の発明に関連して、かすめる流れとは、ダンパの口を有する壁部に対して多かれ少なかれ平行なガスの流れである。このかすめる流れは、ダンパのネックに対して多かれ少なかれ垂直な主方向または好適な方向を有しており、したがって、ネックおよび開口を通る減衰体積内へのガスのバイアス流を妨害し得る。
【００１３】
請求項に記載の開口またはダンパの口に隣接して配置された複数の開口によって、かすめる流れは逸らされ、したがって、ダンパのネックおよび口を通るバイアス流を妨害せず、その結果、ダンパの性能が高められる。
【００１４】
請求項に記載の発明の好適な実施の形態では、シーリングガス用の少なくとも１つの開口は、かすめるガス流をダンパの口から離れるように逸らせるために、口の上流に配置されている。この開口が口の上流に配置されていると、開口は、かすめるガス流から口を最も効率的に保護する。
【００１５】
かすめる流れをダンパの口から離れるようにさらにより効率的に逸らせるために、口の上流に２つ以上の開口を提供することが有利であり得る。かすめる流れの好適な方向が変化し得る実施の形態では、かすめる流れを、流れの実際の方向とは無関係に逸らせ、かつかすめる流れからダンパの口を保護するために、３つ、４つまたはさらにより多くの開口がダンパの口の周囲に配置されていることが好ましい。
【００１６】
口に隣接した請求項に記載の開口の効果を最適化するために、シーリングガス用の開口は、円形、だ円形または正方形の横断面を有してもよい。もちろん、開口の特定の横断面の選択は、効率、すなわちかすめるガスの最適な逸らせおよび僅かなシーリングガス消費に基づいてよい。シーリングガスの流れを減じることは、ガスタービンの全体的な効率を高める。なぜならば、チャンバ内の圧力よりも高い圧力のシーリングガスを供給することは、エネルギを必要とするからである。
【００１７】
原則的に、利用可能な高圧ガスのあらゆる適切な供給源が、本発明による、かすめる流れの空力的遮蔽のために使用されてもよい。ダンパが、貫流型ダンパである場合、チャンバの開口を流過するシーリングガスは、ダンパを通ってチャンバ内へ流れるガスと同様のものであってよい。
【００１８】
請求項に記載の発明は、あらゆるタイプの音響ダンパ、例えば、１つまたは複数の減衰体積を有する共振器、半波長管、四分の一波長管、複数体積ダンパ、ライナまたはあらゆる種類の音響貫流型ダンパに基づいてよい。
【００１９】
請求項に記載の発明は、音響ダンパタイプの貫流を有さないダンパに適用されてもよい。
【００２０】
請求項に記載の発明は、好適には、ダンパの口がガスタービンの燃焼室、混合室、プレナムおよび／または空気チャネル内へ開口しているならば、適用されてよい。
【００２１】
請求項に記載の発明のさらなる利点および詳細は、この後、図面および図面の説明に関連して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】３００ヘルツの共振周波数を有する典型的な音響ダンパの反射係数を示すグラフである。
【図２】従来技術より公知の音響ダンパを備える燃焼室を示す図である。
【図３】請求項に記載の発明の実施の形態を示す図である。
【図４】請求項に記載の発明の実施の形態を示す図である。
【図５】請求項に記載の発明の実施の形態を示す図である。
【図６】請求項に記載の発明の実施の形態を示す図である。
【図７】請求項に記載の発明の実施の形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図２は、チャンバ５、例えば内面９を有する少なくとも１つの壁部７によって画成されたガスタービンの燃焼室ＣＣの概略的な断面図を示している。図２から分かるように、チャンバ５には、ネック１３および減衰体積１５を含む音響ダンパ１１が装備されている。ネック１３は、減衰体積１５を燃焼室５に接続している。燃焼室５向きのネック１３の開口は、ネック１３の“口”１７と称される。
【００２４】
この典型的な実施の形態における減衰装置１１は、ヘルムホルツ共振器であってもよいが、請求項に記載の発明は、このタイプの音響減衰装置に限定されるわけではない。請求項に記載の発明は、半波長管、四分の一波長管などのあらゆるタイプの音響減衰装置に関連して使用されてもよい。請求項に記載の発明は、貫流型音響減衰装置および貫流を有さない音響減衰装置に関連して使用されてもよい。
【００２５】
図２から分かるように、ネック１３の口１７および壁部７の内面９は、同じ高さにある。
【００２６】
チャンバ５において、内面９に対して多かれ少なかれ平行にガスが流れる。このガスは、流れの好適な方向（矢印１９によって示されている）を有しており、かすめる流れ１９とも称される。このかすめる流れ１９の好適な方向は、減衰体積１５と燃焼室５との間のバイアス流２１に対してほぼ垂直であり、ネック１３を通るバイアス流２１を妨害する。バイアス流２１に対するかすめる流れ１９のこの負の効果は、上記で図１に関して説明したようにダンパ１１の性能を低下させる。
【００２７】
図３は、請求項に記載の発明の第１の実施の形態を示している。使用されている参照符号は、図２のものと同じであり、したがって、相違点のみが詳細に説明される。
【００２８】
図３において、バイアス流は、左から右への好適な流れ方向を有しており、したがって、図３における口１７の上流は、口１７の左側を意味する。
【００２９】
この実施の形態では、ダンパ１１は、貫流型ダンパであり、これは、減衰体積１５がネック１３を介して燃焼室５と接続されていることを意味する。減衰体積１５の反対側の端部において、減衰体積１５は、小さなボア２３を介して別のチャンバＲ１に接続されている。
【００３０】
図３から分かるように、口１７に隣接しかつ口１７の上流において、開口２７を備える別のボア２５が設けられている。ボア２５は、チャンバ５およびＲ１を接続している。
【００３１】
チャンバＲ１における圧力ｐR1は、チャンバ５における圧力ｐ5よりも高いので、シーリング空気は、ボア２５および開口２７を通ってチャンバＲ１からチャンバ５内へ流れる。ボア２３はかなり小さな直径を有するので、ボア２３の流れ抵抗は大きく、その結果、ボア２３は、ダンパ１１を通るバイアス流２１を制限する。
【００３２】
結果的な差圧Δｐ（＝ＰR1−Ｐ5）は、ダンパ１１を通過するバイアス流２１を生ぜしめるのみならず、ボア２５および開口２７を通過するシーリングガスの流れ２９をも生ぜしめる。
【００３３】
管２３の流れ抵抗は、ネック１３の流れ抵抗よりも大きい。これは、ボア２３における減圧Δｐ23が、ダンパのネック１３における減圧Δｐ13よりも大きいことを意味する。換言すれば：Δｐ23＞Δｐ13である。
【００３４】
これは、管２３が、その小さな直径および／またはその長さにより、ネック１３を通過するバイアス流２１を減じる流れ制限器として機能することを意味する。
【００３５】
チャンバＲ１は、あらゆる高圧環境、例えばフード、ライナ圧力、または冷却空気用の貯蔵部であってもよい。請求項に記載の発明のほとんどの用途において、チャンバ５は、ガスタービンの燃焼室であるが、請求項に記載の発明はそれに限定されるわけではない。
【００３６】
ボア２５を流過し、かすめる流れ１９に対して多かれ少なかれ垂直な方向に開口２７を通ってチャンバ５に進入するシーリングガスは、かすめる流れをダンパ１１の口１７から離れるように逸らせる。
【００３７】
図２に関して説明したように、チャンバ５において、その速度がバイアス流２１の速度よりも著しく高いかすめる流れ１９が存在し得る。
【００３８】
ボア２５の流れ抵抗は、ボア２３の流れ抵抗よりも小さい。これは、ボア２３よりもボア２５により大きな直径を与えることにより達成することができる。
【００３９】
その結果、ボア２５を通る矢印によって示されたガス流２９は、バイアス流２１よりも著しく大きいが、ダンパ１１およびボア２５には、同じチャンバＲ1から、空気またはガスが供給され、同じチャンバ５へ開口している。
【００４０】
矢印２９および１９を比較することによって分かるように、ボア２５を通るシーリングガス流の速度は、かすめる流れ１９の速度よりもさらに高い。
【００４１】
ボア２５を通る空気またはガス流２９の高い速度は、図３に矢印１９．２によって示したように、かすめる流れ１９を内面９から離れるように、かつダンパ１１の口１７から離れるように逸らせる。この効果は、矢印１９．２によって示されている（逸らされたかすめる流れ）。
【００４２】
そうすることによって、かすめる流れ１９はダンパ１１の口１７に到達せず、これにより、バイアス流２１はもはやかすめる流れ１９によって妨害されることはない。その結果、ダンパ１１の効率および有効性は高まり、かすめる流れ１９とは無関係になる。
【００４３】
図１に戻ると、請求項に記載の発明によるダンパ１１の動作は、図１における線１と同様である。もちろん、これは一例でしかなく、同じ発明が、３００ヘルツとは異なる減衰周波数を有するダンパ１１に適用されてもよい。
【００４４】
図４には、同じ配列が別の観点で示されている。図４の右側の部分には、開口２７から出てくる空気またはガス２９が高速でチャンバ５に進入し、かすめる流れ１９を内面９および口１７から離れるように逸らせることによって、ダンパ１１の口１７をかすめる流れ１９から保護していることが分かる。ボア２５からチャンバ５へ進入するガスまたは空気は、口１７およびダンパのバイアス流２１を、かすめる流れ１９から保護するウィンドシールド３１である。
【００４５】
換言すれば：口１７は、ボア２５を通過する空気またはガスの流れ２９によって生ぜしめられた“ウィンドシールド３１”の風下側にある。ほとんどの場合、口１７はウィンドシールド３１の風下側にあるべきであるので、少なくとも１つの開口２７が口１７の上流に配置されていることが好ましい。
【００４６】
図４の左側には、チャンバ５から、口１７および開口２７を備える内面９を見た平面図が示されている。かすめる流れ１９が横方向にも逸らされており、これが、ウィンドシールド３１の効果をさらに高めていることが分かる。
【００４７】
図５は、ダンパ１１の口１７に隣接した２つのボア２５および３２を備えた、本発明の第２の実施の形態を示している。この場合、一方の開口２７が口１７の上流にあり、他方の開口３５が口１７の下流にある。図６から分かるように、開口３５を通過する空気またはガス流から得られたウィンドシールド３７は、第１の開口２７から始まるウィンドシールド３１を補助および強化する。したがって、口１７を通過するバイアス流２１は、かすめる流れからさらに一層保護される。
【００４８】
図７には、ウィンドシールド３１を形成するためにシーリングガスまたは空気２９を供給するために機能するボアの複数の設計および配列が示されている。
【００４９】
実施の形態７ａ）は、図４に関して既に説明されている。
【００５０】
図７ｂ）に示された実施の形態において、開口２７はだ円形の横断面を有しており、このだ円形の横断面は、ウィンドシールド３１を広げ、その結果、バイアス流２１の保護をさらに高める。
【００５１】
図７ｃ）に示された実施の形態では、口１７の上流に配置されただ円形横断面を有する２つの開口２７が設けられている。
【００５２】
図７ｄ）に示された実施の形態によれば、口１７の上流に配置された円形の横断面を有する５つの開口２７が設けられている。
【００５３】
図７ｅ）には、矩形の横断面を有する１つの開口２７が設けられており、図７ｆ）には、矩形の横断面を有する４つの開口２７を備えた実施の形態が示されている。
【００５４】
図７ｇ）は、湾曲した横断面を有する１つの開口２７を備える実施の形態を示している。
【００５５】
図７ｈ）に示された実施の形態は、図５および６から分かる。図７ｉ）および図７ｊ）に示された実施の形態は、３つおよび４つの開口２７を備える別の実施の形態を示している。
【符号の説明】
【００５６】
１  線
３  点
５  チャンバ
７  壁部
９  内面
１１  音響ダンパ
１３  ネック
１５  減衰体積
１７  ネックの口
１９  矢印／かすめる流れ
１９．２  逸らされたかすめる流れ
２１  バイアス流
２３  ボア
Ｒ１  別のチャンバ
２５  ボア
２７  開口
２９  ガス／空気流
３１  ウィンドシールド
３３  ボア
３５  開口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【外国語明細書】
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