(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温の加圧燃焼ガス（２９）の流路を区切る燃焼システム壁（２５）と、共振器空間（３１）が共振器壁（２５、３３、３５、４９）によって区切られた少なくとも１つの共振器（２７）とを備え、前記共振器壁（２５、４９）の１つが、前記燃焼システム壁（２５）に隣接して配置されているか、または、それによって形成されており、前記燃焼システム壁（２５）は、前記流路に向けられ、断熱コーティング（３９）を施された高温側を有し、前記共振器（２７）は、前記流路に向かって開いたネック開口（３７、１３７）と、冷却流体源に向かって開いた少なくとも１つの冷却流体供給口（４１、４７、１４１、１４７、２４７）とを有するガスタービン燃焼システムであって、前記ネック開口がネックスロット（３７、１３７）の形をなし、単一ネックスロット（３７、１３７）が前記流路に向いた前記共振器（２７）の唯一の開口であることを特徴とする、燃焼システム。
【請求項２】
前記少なくとも１つの冷却流体供給口が供給スロット（４７、１４７、２４７）の形をなすことを特徴とする、請求項１に記載のガスタービン燃焼システム。
【請求項３】
前記冷却流体源に向いた前記共振器の唯一の開口として、単一供給スロット（４７、１４７、２４７）が存在することを特徴とする、請求項２に記載のガスタービン燃焼システム。
【請求項４】
前記少なくとも１つの冷却流体供給口（４１、４７、１４１、１４７、２４７）が、前記ネックスロット（３７、１３７）を有する前記共振器壁（２５、４９）に対向するように配置された共振器壁（３３）に存在することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１つに記載のガスタービン燃焼システム。
【請求項５】
前記少なくとも１つの冷却流体供給口（４１、４７、１４１、１４７）が前記ネックスロット（３７、１３７）とアライメントがとれていることを特徴とする、請求項４に記載のガスタービン燃焼システム。
【請求項６】
前記少なくとも１つの冷却流体供給口（４１、１４１）が、前記ネックスロット（３７、１３７）を備える前記共振器壁に対向する前記共振器壁（３３）に配置され、前記ネックスロット（３７、１３７）とアライメントのとれるラインに沿って配列されたいくつかの冷却流体供給孔（４１、１４１）としてなることを特徴とする、請求項４に記載のガスタービン燃焼システム。
【請求項７】
前記共振器（２７）に、少なくとも１つの周囲壁（３５）が含まれており、前記ネックスロット（３７、１３７）が、周囲壁（３５）に近接し、それに沿って延びるように配置されていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１つに記載のガスタービン燃焼システム。
【請求項８】
前記共振器（２７）に、少なくとも２つの周囲壁（３５）が含まれており、前記ネックスロット（３７、１３７）が、第１の周囲壁に近接し、それに沿って延びるように配置され、前記少なくとも１つの冷却流体供給口（４１、４７、１４１、１４７、２４７）が、第２の周囲壁（３５′）に近接し、それに沿って延びるように配置されていることを特徴とする、請求項７に記載のガスタービン燃焼システム。
【請求項９】
前記第２の周囲壁（３５′）が、前記第１の周囲壁３５に対向するように配置されていることを特徴とする、請求項８に記載のガスタービン燃焼システム。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１つに記載の燃焼システムを備えるガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン燃焼システムに関するものであり、とりわけ、共振器を含むガスタービン燃焼システムに関するものである。さらに、本発明は、ガスタービンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
希薄予混合燃焼技術を利用したガスタービン燃焼システムは、自励音響振動の傾向を示す。この現象の理由は、火炎の熱発生と燃焼システムにおける圧力レベルの相互作用である。特定の条件において、燃焼器内における音響雑音の原因となる可能性のある圧力振動を生じることがある。特定の周波数において、こうした圧力振動が増幅され、燃焼器内の音響圧力レベルが極めて高くなって、燃焼器構造の損傷を回避するため、エンジン停止を余儀なくされる可能性がある。
【０００３】
共振器は、ガスタービン燃焼システムにおいて励振しやすい周波数の圧力振動をさらに減衰及びディチューンするための一般的な手段である。とりわけ、最新のガスタービン燃焼室では高周波動特性（ＨＦＤ）を回避する共振器がよく用いられる。例えば先行技術文献の１つには、共振器を用いる燃焼システムの記載がある（例えば、特許文献１参照）。この文献に記載されている共振器は、冷却空気供給孔のアレイと、音響振動を減衰させるべき燃焼システムの燃焼空間に共振器空間をつなぐネックホールのアレイを備えている。ネックホールへの高温燃焼ガスの流入を防ぐため、これらのホールは冷却空気でパージされる。しかしながら、冷却空気を必要とする共振器は、共振器の取付け領域における燃焼器ライナへの断熱コーティングを妨げる場合がある。従って、十分な冷却空気を供給するか、もしくは、燃焼器に十分な断熱コーティングを施すことができなければ、それらの共振器は、局部的過熱のために燃焼器ライナのライフサイクルを縮める可能性がある。さらに、ネックホールのアレイは、後続の断熱コーティングのためにマスキングを施す場合、製造工程中にかなりの努力が必要になる。共振器が最も有効な周波数は、断熱コーティングの厚さに左右されるホールの有効長に影響されやすいので、用いられるホールの直径が小さいと、慎重にマスキングしなければならない。設定された許容限度内でマスキングを行う努力は極めて厳しいので、コーティングの妨げになる可能性さえある。この場合、供給される冷却空気の圧力は、一般にネックホールのパージングに十分なほど高いのに対し、質量流量は、構造に十分な冷却を施すには不十分な可能性があるので、燃焼器ライナの過熱を生じる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６，５３０，２２１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、本発明の目的は、冷却空気によるネック開口のパージングを可能にする共振器を含む有利なガスタービン燃焼システムを提供することにある。本発明のもう１つの目的は、有利なガスタービンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の目的は、請求項１に記載のガスタービン燃焼システムによって解決され、第２の目的は、請求項１１に記載のガスタービンによって解決される。従属クレイムには、本発明のさらなる改良を含む。
【０００７】
本発明のガスタービン燃焼システムには、高温の加圧燃焼ガスのための流路を区切る燃焼システム壁と、共振器壁によって共振器空間が区切られた少なくとも１つの共振器が含まれている。共振器壁の１つは、これからは燃焼システム壁と呼ばれる燃焼システムの壁に隣接して配置されているかまたはそれによって形成されている。共振器には、流路に向かって開いたネック開口と、冷却流体源に向かって開いた少なくとも１つの冷却流体供給口が含まれている。ネック開口は、ネックスロットの形で実施される。
【０００８】
本発明によれば、従来の燃焼システムの共振器のネックホールアレイは、スロットに置き換えられる。ネックスロットの有効面積は、減衰させられる周波数と、共振器空間と、音響的に関連する断熱コーティング厚を含む燃焼システム壁の厚さ、さらには、該当する場合、燃焼システム壁に隣接する共振器壁の厚さによって決まる共振器のネック長と、ネックの入口及び出口における音響放射効果に基づいて選択される。燃焼システム壁を包囲する表面にコーティングを施す場合、ネックスロットへのマスキングは、比較的小さいネックホールアレイに比べて容易に行うことが可能である。従って、共振器が設けられる場所に断熱コーティングを施すことによる燃焼システム壁の保護は、従来のシステムよりも容易に実施することが可能である。マスキングのため断熱コーティングで覆われていない領域はスロットに隣接した位置にあるので、マスキングのため断熱コーティングで覆うことができないこうした領域は、スロットのパージングに用いられる冷却流体によって有効に冷却することが可能である。
【０００９】
本発明によって得られる利点は、各共振器毎に単一のネックスロットしか存在しない場合、すなわち、共振器のネックスロットが、高温燃焼ガスの流路に向いたそれぞれの共振器の唯一の開口である場合、最も有効に実現される。
【００１０】
ネック開口に加えて、少なくとも１つの冷却流体供給口は、以下では供給スロットとも呼ばれるスロットとして実施可能である。流路に向いた共振器の唯一の開口であるネックスロットと同様、供給スロットは、冷却流体源に向いた共振器の唯一の開口とすることが可能である。
【００１１】
少なくとも１つの冷却流体供給口のこの実施例とは関係なく、ネックスロットを含む共振器壁に対向するように配置された共振器壁に、前記少なくとも１つの開口が存在するのは有利である。具体的には、例えば、ネックスロットとアライメントのとれた冷却流体供給口として単一供給スロットを設けるか、あるいは、ネックスロットとアライメントのとれたラインに沿って配置された冷却流体供給口としていくつかの冷却流体供給孔を設けることによって、少なくとも１つの冷却流体供給口とネックスロットのアライメントをとることが可能である。従って、本発明の上述の改良によれば、従来のシステムで用いられる複数の冷却流体供給孔のアレイは、少数の孔または単一スロットによって置き換えられ、高温ガスの吸い込みが回避されるようにネックスロットにパージエアを有効に供給する。
【００１２】
本発明のガスタービン燃焼システムのさらなる改良によれば、共振器には、少なくとも１つの周囲壁が含まれており、ネックスロットが周囲壁に近接し、それに沿って延びるように配置されている。供給スロットまたは列をなす供給孔についても同様である。共振器には、その幾何学形状が円形であれば、１つの周囲壁が含まれ、その幾何学形状が環状であれば、２つの周囲壁が含まれ、その幾何学形状が多角形であれば、３つ以上の周囲壁が含まれるという点に留意されたい。幾何学形状に応じて、スロットまたは供給孔列は、線形スロット、折れ形スロットまたは供給孔列、または、円弧状スロットまたは供給孔列とすることが可能である。
【００１３】
共振器に少なくとも２つの周囲壁が含まれる場合、例えば、その形状が四角形になるように４つの周囲壁が含まれる場合、ネックスロットは、周囲壁のうち第１の周囲壁に近接し、それに沿って延びるように配置することが可能であり、少なくとも１つの冷却流体供給口は、周囲壁のうち第２の周囲壁に近接し、それに沿って延びるように配置することが可能である。第２の周囲壁は、とりわけ第１の周囲壁に対向するように配置することが可能である。この構成の場合、冷却流体は、共振器の高温ガス流路側に配置された共振器壁に沿ってネックスロットまで流れ、これにより、ネックスロットのパージング前に、この壁が冷却流体によって冷却される。
【００１４】
本発明の燃焼システムの場合、燃焼システム壁には、とりわけ、流路に向けられ、断熱コーティングを施された高温側を含むことが可能である。とりわけ、共振器空間内の冷却空気が、ネックスロットのパージング前に燃焼システム壁に沿って流れる場合には、断熱コーティングを施すことによって燃焼システム壁の過熱を避けることが可能になる。
【００１５】
本発明のガスタービンには、本発明の燃焼システムが含まれる。こうしたガスタービンの場合、共振器が存在する場所における燃焼システム壁の寿命を縮めることなく、音響振動の励起を抑制することが可能である。
【００１６】
本発明のさらなる特徴、特性、及び、効果については、添付の図面に関連した実施形態の下記説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】ガスタービンの概略断面図である。
【図２】本発明のガスタービン燃焼システムの第１の実施形態の一部に関する概略透視図である。
【図３】図１の実施形態の断面図である。
【図４】第１の実施形態の変形を示した図である。
【図５】本発明のガスタービン燃焼システムの第２の実施形態の一部を示した概略透視図である。
【図６】第２の実施形態の変形の一部を示した略透視図である。
【図７】本発明のガスタービン燃焼システムの第３の実施形態の一部を示した概略透視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１には、圧縮機セクション３、燃焼器セクション５、及び、タービンセクション７を含むガスタービンエンジン１がかなり略式の図で示されている。ロータ９が、全てのセクションを貫通して延びており、圧縮機セクション３では、環状の圧縮機ブレード１１を支持し、タービンセクション７では、環状のタービンブレード１３を支持している。隣接する環状の圧縮機ブレード１１間、及び、隣接する環状のタービンブレード１３間において、環状の圧縮機静翼１５と環状のタービン静翼１７が、それぞれ、ガスタービンエンジン１のハウジング１９からロータ９に向かって半径方向の内側に延びている。
【００１９】
燃焼器セクション５は、圧縮機セクション３とタービンセクション７の間に配置されている。圧縮機セクション５には、１つ以上のバーナ６が接続される少なくとも１つの燃焼室８を備えた燃焼システムが含まれている。少なくとも１つのバーナ６は、燃料供給システムからガス燃料または液体燃料を与えられる。さらに、少なくとも１つのバーナ６は、圧縮機セクション３と流体的に通じていて、圧縮空気が与えられる。燃焼室８は、タービンセクション７と流体的に通じていて、燃焼室８における混合気の燃焼から生じる高温の加圧燃焼ガスをタービンブレード１３に供給する。
【００２０】
ガスタービンエンジン１の動作時、圧縮機セクション３の空気吸入口２１から空気が取り入れられる。空気は、回転する圧縮機ブレード１１によって圧縮され、同時に燃焼器セクション５の方に導かれる。燃焼器セクション５において、空気はガス燃料または液体燃料と混合され、その混合物が少なくとも１つの燃焼室８内で燃焼させられる。次に、混合気の燃焼によって生じる高温の加圧燃焼ガスがタービンセクション７に送られる。タービンセクション７を通過するとき、高温の加圧燃焼ガスは、膨張及び冷却の間に、タービンブレード１３に運動量を移動させ、その結果、圧縮機や、例えば電力を発生する発電機または産業用機械のようなコンシューマを駆動するロータ９に回転運動が伝えられる。環状のタービン静翼１７は、高温の加圧燃焼ガスを導いて、タービンブレード１３への運動量の移動を最適化するためのノズルとして機能する。最後に、膨張し、冷却された燃焼ガスは、排気管２３を通ってタービンセクション７から出て行く。
【００２１】
図２及び３には、本発明によるガスタービン燃焼システムの第１の実施形態が描かれている。図２には、共振器を装備した燃焼器壁またはライナ２５の一部を三次元的に眺めた略図が示されており、図３には、共振器２７及び燃焼器壁またはライナ２５の断面図が示されている。今後、実施形態全体を通じて「燃焼器壁」２５と呼ぶことにするが、「燃焼器壁」という用語には「燃焼器ライナ」の意味も含まれている。
【００２２】
本実施形態において、燃焼器壁２５で表わされる燃焼システム壁は、高温の加圧燃焼ガスの流路を制限する。高温の加圧燃焼ガスの流れが矢印２９で示されている。共振器２７は、燃焼器壁２５及び対向する共振器壁３３が、燃焼器壁２５及び対向する共振器壁３３間に延びる共振器周囲壁３５と共に共振器空間３１を取り囲むように、燃焼器壁２５に隣接して配置されている。
【００２３】
燃焼器壁２５には、燃焼器空間３１を高温の加圧燃焼ガス２９の流路につなぐスロット３７が存在する。共振器２７の周囲壁３５に近接して配置されたスロット３７は、高温の加圧燃焼ガスの流路に向かって開いた共振器のネック開口と似ている。スロット３７によって決まる共振器ネックのネック長は、燃焼器壁２５の厚さと、燃焼器壁の内側、すなわち、燃焼器壁の高温の加圧燃焼ガスに面した側に施された断熱コーティング３９の厚さの合計によって得られる。共振器空間のサイズ及びネックスロットの有効面積と共に、共振器ネックの長さを適正に選択することによって、共振器を減衰させるべき特定の周波数に同調させることが可能になる。
【００２４】
圧縮機によって供給される冷却空気が共振器空間３１及びネックスロット３７を通って、高温の加圧燃焼ガス２７の流路に流入し、ネックスロット３７をパージできるようにするため、燃焼器壁２５に対向するように配置された共振器壁３３にはいくつかの供給孔４１が設けられている。供給孔４１は、供給孔４１を通って共振器空間３１に流入する冷却空気４３が妨げられることなくその空間３１を通過し、矢印４５で示されるようにネックスロット３７をパージすることができるように、ネックスロット３７とアライメントの取れたラインに沿って配置されている。冷却空気がネックスロット３７を有効にパージできるようにすることによって、共振器空間３１内への高温の加圧燃焼ガスの吸い込みを有効に回避することが可能になる。
【００２５】
列をなす供給孔４１の代わりに、図２及び３に示す実施形態の変形を断面図で描いた図４に示されるように、共振器壁３３に供給スロット４７を設けることが可能である。供給孔４１の代わりに、冷却流体供給口としての供給スロット４７を用いる変形の他に、共振器２７には、燃焼器壁２５に隣接して、従って、供給スロット４７を含む共振器壁３３に対向するように配置されたもう１つの共振器壁４９も含まれている。従って、ネックスロット３７は、燃焼器壁２５及び断熱コーティング３９を貫いて延びるだけではなく、もう１つの共振器壁４９も貫いて延びており、ネックスロット３７によって決まるネック長が増すことになる。
【００２６】
図５には、本発明のガスタービン燃焼システムの第２の実施形態の概略が透視図で示されている。第１の実施形態と異ならない第２の実施形態の特徴は、第１の実施形態の場合と同じ参照番号で表示されており、再度の説明は省略する。
【００２７】
第１の実施形態に対する第２の実施形態の相違は、ネックスロット１３７及び列をなす供給孔１４１が、高温の加圧燃焼ガス２９の流れ方向に関してである。第１の実施形態のネックスロット１３７及び列をなす供給孔１４１は、高温の加圧燃焼ガスの流れ方向に対して平行に向けられているが、本実施形態の場合、ネックスロット１３７及び列をなす供給孔１４１の向きは、高温の加圧燃焼ガス２９の流れ方向に対して垂直である。第１の実施形態の場合と同様、ネックスロット１３７と供給孔１４１は互いにアライメントがとれており、共振器の周囲壁３５に近接して配置されている。
【００２８】
図６には、第２の実施形態の変形が示されている。この変形は、列をなす供給孔１４１が、ネックスロット１３７とアライメントのとれた供給スロット１４７に置き換えられているという点にある。
【００２９】
燃焼器壁２５及び共振器２７の一部を略透視図で示す図７には、本発明のガスタービン燃焼システムの第３の実施形態が示されている。第１及び第２の実施形態の特徴と異ならない第３の実施形態の特徴は、第１及び第２の実施形態の場合と同じ参照番号で表示されており、再度の説明は省略する。
【００３０】
第３の実施形態は、ネックスロット１３７と同じ向きを共有するが、ネックスロット１３７とアライメントがとれていない供給スロット２４７が設けられているという点において、図６に示す第２の実施形態の変形とは異なっている。代わりに、供給スロット２４７は、ネックスロット１３７が近接している周囲壁３５に対向する位置にある第２の周囲壁３５に近接して配置されている。これは、供給スロット１４７を通って共振器空間３１に流入する冷却空気４３が、燃焼器壁２５に沿って共振器空間を通り、ネックスロット１３７へと流れることを表わしている。燃焼器壁２５に沿って流れる間に、冷却空気は集熱し、従って、ネックスロット１３７のパージング前に燃焼器壁２５を冷却する。
【００３１】
全ての実施形態において、供給口または供給スロットを含む共振器壁３３に対向する位置にある共振器壁は、それぞれ、図３に示すように燃焼器壁２５によって、もしくは、図４に示すように共振器の固有壁４９によって形成することが可能であるという点に留意されたい。
【００３２】
これらの実施形態に関して説明してきた本発明によれば、小さいネックホールのアレイよりも、ネックスロットのほうがコーティング前のマスキングを容易に行うことができるので、共振器を含むガスタービン燃焼システムが改善される。従って、コーティングによって、共振器が取り付けられる領域の過熱からライナ材料または壁材料を容易に保護することが可能になる。冷却空気をネックスロットに送ることによって、空気によるスロットのパージングが効率よく行われ、マスキングのためにコーティングで覆うことができない残りのライナ材料または壁材料の冷却が効率よく行われるようにすることが可能になる。
【符号の説明】
【００３３】
２５  燃焼器壁
２７  共振器
２９  高温の加圧燃焼ガス
３１  共振器空間
３３  共振器壁
３５  共振器の周囲壁
３７  ネック開口、ネックスロット
４１  冷却流体供給口
４７  冷却流体供給口
４９  共振器壁
１３７  ネック開口、ネックスロット
１４１  冷却流体供給口
１４７  冷却流体供給口
２４７  冷却流体供給口
【図１】
0005377747.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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