(57)【要約】  燃焼領域から発生する排ガスを大気中にまで搬送するための排気ダクトのアセンブリが開示されている。このアセンブリは、排ガスを大気中に排出するための排ガス排気口と、排ガス排気口の上流側に位置する排ガス排気口とを備え、音響ダクト部は、通過する音の伝播を促進させるように配置及び構成された貫通路を画定する周壁を有する。音響ダクト部は、流れ方向で、貫通路の平均水力直径の少なくとも５０％の長さを有する。【選択図】  図２Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼領域から発生する排ガスを大気中にまで搬送するための排気ダクトのアセンブリであって、
排ガスを大気中に排出するための排ガス排気口と、
前記排ガス排気口の上流側に位置し、通過する音の伝播を促進させるように配置及び構成された貫通路を画定する周壁を有する音響ダクト部と、
を備える、排気ダクトのアセンブリ。
【請求項２】
前記音響ダクト部が、流れ方向で、前記貫通路の平均水力直径の少なくとも５０％の長さを有する、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項３】
前記音響ダクト部が、前記流れ方向で、前記貫通路の前記平均水力直径の少なくとも１００％の長さを有する、請求項２に記載のアセンブリ。
【請求項４】
前記音響ダクト部が、前記流れ方向で、前記貫通路の前記平均水力直径の少なくとも２００％の長さを有する、請求項３に記載のアセンブリ。
【請求項５】
前記音響ダクト部が穴のあいたシートを含む、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項６】
前記音響ダクト部がスチールメッシュを含む、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項７】
前記スチールメッシュの前記音響ダクト部が織布である、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項８】
空気吸入部を含む、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項９】
前記空気吸入部が前記音響ダクト部を含む、請求項８に記載のアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、「排ガスアセンブリ（AN EXHAUST GAS ASSEMBLY）」と題され２０１８年９月１３日に出願された豪州仮特許出願第２０１８９０３４４１号の優先権を主張し、参照によりその全体をここに組み入れる。
【０００２】
本願は、騒音抑制に関する。特に、本願は高温排気システムから発生する騒音の抑制に関する。
【背景技術】
【０００３】
高温ガスを排出する排気システム、特に燃焼機関のための排気システムは、通常、サイレンサーを有する。サイレンサーは一般に低周波では強い騒音低減をもたらさず、ある用途においては低周波の騒音が問題となり得る。
【０００４】
従来のサイレンサーは、音の波長がサイレンサー内の吸収材の厚さと同等である場合においてのみ、良い騒音低減をもたらす。例えば、２２Ｈｚの下限周波数を有する３１．５Ｈｚのオクターブ帯域や、６３Ｈｚのオクターブ帯域のような低周波で、高温排ガス中の音速が約５００ｍ／ｓである状態では、その音の波長は２３ｍくらいになり得る。ガス火力発電所で使用されるような大きな排気システムに対しては、工業サイレンサーが使用される。そのようなサイレンサーには、通常約０．５ｍの厚さ（波長のおよそ１／４５しかない）である吸音材が並べられており、そのため低周波では良い音響減衰が得られない。これは、うるさい「轟音」又は発電所から遠く離れた場所で知覚される他の低周波の効果音につながる。
【０００５】
高温排気システムから発生する騒音を抑制することの更なる課題は、高温ガスは粘度が低下していて音の吸収がより難しくなることである。
【０００６】
高温排気システムから発生する騒音を抑制することの別の更なる課題は、高温ガスは流速が速くなり、これが自己雑音（排気システムを通る高速なガスの流れによって発生する音）に大きな影響を与えることである。
【０００７】
風が変わりやすい外部環境では、低周波での音圧レベル（ＳＰＬｓ）は、排ガス騒音源から離れる方向で距離が２倍になるごとに必ずしも６ｄＢ低下するわけではない。風が排ガスと干渉する場合には特にそうである。ある大気条件が、長距離にわたる音波屈折を生じさせるか又はそれに寄与する可能性がある。結果として、高温排気システムから放出される騒音を適切に抑制することについて課題が生じる。
【０００８】
上述のような問題のある騒音抑制状況の例として、ガス火力発電所、特に単一サイクル発電所がある。なぜなら、単一サイクル発電所でのより高い排気温度（５５０−６００℃、複合サイクルでは８０−２００℃）が、従来のサイレンサーの効率を低下させるからである。これが音響抑制における課題をもたらす。
【０００９】
問題のある騒音抑制状況の別の例として、商業発電のために使用される内燃機関式発電機、及びセメント生産において使用されるか焼炉がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本願の目的は、上述の問題のうちの少なくともいくつかに対処すること、又は少なくとも有効な選択肢を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本開示の第１形態に従って、
燃焼領域から発生する排ガスを大気中にまで搬送するための排気ダクトのアセンブリであって、
排ガスを大気中に排出するための排ガス排気口と、
前記排ガス排気口の上流側に位置し、通過する音の伝播を促進させるように配置及び構成された貫通路を画定する周壁を有する音響ダクト部と、
を備える、排気ダクトのアセンブリ、を提供する。
【００１２】
一形態においては、前記音響ダクト部が、流れ方向で、前記貫通路の平均水力直径の少なくとも５０％の長さを有する。
【００１３】
一形態においては、前記音響ダクト部が、前記流れ方向で、前記貫通路の前記平均水力直径の少なくとも１００％の長さを有する。
【００１４】
一形態においては、前記音響ダクト部が、前記流れ方向で、前記貫通路の前記平均水力直径の少なくとも２００％の長さを有する。
【００１５】
一形態においては、前記音響ダクト部が穴のあいたシートを含む。
【００１６】
一形態においては、前記音響ダクト部がスチールメッシュを含む。
【００１７】
一形態においては、前記スチールメッシュの前記音響ダクト部が織布である。
【００１８】
一形態においては、前記アセンブリが空気吸入部を含む。
【００１９】
一形態においては、前記空気吸入部が前記音響ダクト部を含む。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
本開示の実施形態が、添付の図面を参照して説明されている。
【００２１】
【図１】本開示の第１の実施形態に係る排気ダクトのアセンブリの正面図である。
【００２２】
【図２Ａ】図１に示された排気ダクトのアセンブリの上側部分の断面図である。
【００２３】
【図２Ｂ】図１に示された排気ダクトのアセンブリの上側部分を一般化した図である。
【００２４】
【図３】本開示の第２の実施形態に係る排気ダクトのアセンブリの正面図である。
【００２５】
【図４】排気ダクトのアセンブリが設置された場所を示す断面図であり、風の影響及び離れた場所への音の伝播を示している図である。
【００２６】
【図５】本開示の第３の実施形態に係る排気ダクトのアセンブリの正面図である。
【００２７】
【図６Ａ】図５に示された排気ダクトのアセンブリの上側部分の断面図である。
【００２８】
【図６Ｂ】図６Ａに示された本開示の第２の一般化された実施形態に係る排気ダクトのアセンブリの上側部分の概略図である。
【００２９】
【図７】本開示の第４の実施形態に係る排気ダクトのアセンブリの正面図である。
【００３０】
【図８】本開示の第５の実施形態に係る排気ダクトのアセンブリの正面図である。
【００３１】
【図９】本開示の第１の実施形態の音響ダクト部の周壁の一部の詳細な正面図である。
【図１０】本開示の第１の実施形態の音響ダクト部の周壁の一部の詳細な断面図である。
【００３２】
【図１１】穏やかな横風にさらされたときの従来の排気システムからの音線の伝播を示す図である。
【図１２】流れを通さない音響的に透過性のノズルを用いたときの、高温排気プルームとの音響相互作用を概略的に示す図である。
【００３３】
【図１３】流れを通さない音響的に透過性のノズルを用いていないときの、高温排気プルームとの音響相互作用を概略的に示す図である。
【００３４】
【図１４】左から右への流れがある状態での、本開示に係る音響ダクト部の小規模バージョンでの風洞内での試験結果を示す音の指向性プロットである。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
図１を参照すると、本開示の第１の実施形態に係る、燃焼領域から発生する排ガスを大気中にまで搬送するための排気ダクトのアセンブリが、正面図に図式的に示されている。アセンブリ１００は、排ガスを大気中に排出するための排ガス排気口１９０と、排ガス排気口１９０の上流側に位置する音響ダクト部２００とを有する。音響ダクト部２００は、図２Ａの断面図においてより明確に見られる、周壁２４０を有する。周壁２４０は、通過する音の伝播を促進させるように配置及び構成された貫通路を画定する。
【００３６】
図１及び２Ａに示された本開示の実施形態では、図１に図式的に示されるように、排気ダクトのアセンブリ１００が接続されるガスタービン１０を利用した設備がある。ガスタービン１０内は燃焼領域１２である。排気拡散管１４がタービン１０をサイレンサー１６に連結している。高温の排ガスは、燃焼領域１２から排ガス拡散器１４を通り、さらにサイレンサー１６を通って流れ、その後にこの場合にはさらに中間管１５０によって連結されている上述の音響ダクト部２００に入る。
【００３７】
図２Ｂには、図２Ａに示された排気ダクトのアセンブリの一般化された概略図が示されている。図２Ａの排気ダクトのアセンブリと同様に、図２Ｂの排気ダクトのアセンブリは、排ガスを大気中に排出するための排ガス排気口１９０と、排ガス排気口１９０の上流側に位置する音響ダクト部２００とを有する。音響ダクト部２００は、通過する音の伝播を促進させるように配置及び構成された貫通路を画定する周壁を有する。これは、半球状音波３００を示す破線の半円の線で示されている。図２Ａに示された排気ダクトのアセンブリは、どのような高温排気システムにも適用し得る。
【００３８】
図２Ａ及び２Ｂにおいて、音響ダクト部２４０は流れ方向での長さ「Ｌ」を有する。音響ダクト部２００の内径は「ＤＨ」である。Ｌ／ＤＨの比が大きい音響ダクト部２００は、Ｌ／ＤＨの比が小さい音響ダクト部２００に比べて、図４に示す風下位置８のような設備から遠く離れた場所でのより大きな騒音低減効果をもたらすであろう。ある範囲のＬ／ＤＨが使用されるが、図示の実施形態では、音響ダクト部は流れ方向での長さＬを有し、それは貫通路の平均水力直径ＤＨの４００％である。すなわち換言すると、比Ｌ：ＤＨはおよそ４：１である。
【００３９】
図２Ｂには、音波３００が示されている。長さＬで、音波３００は次の表面積を有する：
２πＬ２
【００４０】
Ｌ＝４ＤＨである図２Ｂに示す実施形態では、これは次のようになる：
２π（４ＤＨ）２=３２πＤＨ２
音響ダクト部２００への吸入口１５９は、断面積＝πＤＨ２／４である。水力直径ＤＨを有する音響ダクト部２００の長さＬの、音に対して透過的でない硬質のダクトに対する、音響強度の比は、次の通りである。
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これは、音響強度の２１ｄＢの減少に相当する。透過性の音響ダクト部２００が長いほど、音響ダクト部２００の排気口１９０での音響強度の減少が大きくなり、これにより高温プルーム１９５と干渉する音の量が減少して、（交差する風の）下流での音波屈折が減少する。
【００４１】
図２Ａにおいて、排ガスダクト１５０は、防音部材１５５を有するものとして示されている。特に、排ガスダクトがガスタービンを利用した設備のために使用されている場合、その直径は、例えば、３から７メートルの範囲とすることができる。防音部材は約１メートルの厚さとすることができ、内側のバッフルサイレンサーを設けることができる。バッフルサイレンサーは、音響ダクト部２００を補うことができ、また多くの用途において役に立つであろう。
【００４２】
これまでに説明した図１から２Ｂに示す実施形態では、ダクトは円形断面を有する。そのような場合には、内径Ｄの測定は容易であり、概してダクトの水力直径であるＤＨに等しくなる。図示しない他の実施形態においては、楕円又は四角形の断面を有するダクトを使用することができる。そのようなダクトに対しては、ＤＨを計算することができ、比Ｌ／ＤＨの大きい音響ダクト部２００がより大きな騒音低減効果をもたらすという同じ原理が適用される。
【００４３】
図１及び２Ａに示された全体的な配置が、排気ダクトのアセンブリ１００が設置された場所を示す断面図である図４にも示されている。図４は、風の影響と離れた場所への音の伝播を示している。図４は、横風によって向きを変えられている高温の排ガスプルーム１９５を示している。これについては後でより詳細に説明する。図１及び２Ａ、特に図２Ａに戻って、音響ダクト部２００は排ガスダクト１５０と排ガス排気口１９０との間に配置されている。音響ダクト部２００は、構造部分と非構造部分を有する音響ダクト壁２４０を含む。構造部分は、この実施形態では穴のあいた金属ダクトであり、重力の荷重、風、排気の流れ、熱膨張、及びその他に対して、音響ダクト部２００の形状を維持するように配置及び構成されている。概して、構造部分は風荷重に対抗するようにも配置されている。音響ダクト壁２４０はまた、少なくとも低周波領域の音が通過できるように配置及び構成された非構造部分を有している。さまざまな材料を使用することができるが、本開示の図示の実施形態では、非構造部分は、薄いシート、ワイヤーメッシュ、穴が開けられたシート及び／又は織布又はガラス／鉱物繊維のバット（batt）を含む、音響的に非反射性の構造体から作られている。
【００４４】
図９及び１０は、音響ダクト壁２４０の構造をより詳細に示している。特に図９は、複数の開口部２５５を画定する構造壁部分２５０の一部を示している。図１０は、構造壁部分２５０とその開口部２５５を示しているが、ワイヤーメッシュの形式の非構造壁部分２６０も示している。
【００４５】
ここで図３を参照すると、図３に示された排気ダクトのアセンブリ１００は、図１に示された本開示の第１の実施形態と類似している。しかしながら、本開示の第２の実施形態では、末端ダクト部分１８０が音響ダクト部２００の後に設けられている。末端ダクト部分１８０には、地面に固定されている支線１８５が取り付けられており、排気ダクトのアセンブリ１００にさらなる横方向の安定性がもたらされるようになっている。
【００４６】
ここで図５を参照すると、本開示の第３の実施形態が示されている。この実施形態は、空気吸入部を備えている。本開示のこの実施形態では、排ガスダクト１５０は音響ダクト部２００の口２９５の中で終端している。音響ダクト部２００は、矢印Ａで示されているように、排ガスプルームの中へ空気を吸引又は引き込むように形作られている。排ガスプルームの中への空気の引き込みにより、その温度が下がる。これは、プルーム１９５が音を屈折させる性質を低下させるのに役立つ。図６Ａに示された音響ダクト壁２４０は、図９及び１０を参照して上述したのと同様に構成されている。代わりに、別の構造を使用することもできる。
【００４７】
図６Ｂには、図６Ａに示したものと類似した排気ダクトのアセンブリの一般化された概略図が示されている。図６Ａの排気ダクトのアセンブリと同様に、図６Ｂの排気ダクトのアセンブリは、排ガスを大気中に排出するための排ガス排気口１９０と、排ガス排気口１９０の上流側に配置された音響ダクト部２００とを備える。また、音響ダクト部２００は、そこを通る音の伝播が促進されるように配置及び構成された貫通路を画定する周壁を有する。音響ダクト部２００の形状及び排ガス吸入口１５０に対するその配置は、周囲の空気が矢印Ａで示されるように排ガスプルームの中へと吸引又は引き込まれるようなものとなっている。
【００４８】
図６Ａと６Ｂに示された音響ダクト部２００はともに、流れ方向での長さ「Ｎ」を有する。音響性能により関連する長さは、流れ方向で測定される「Ｌ］である。ある範囲のＬ／ＤＨが使用されるが、図示の実施形態では、音響ダクト部は流れ方向での長さＬを有し、それは貫通路の平均水力直径ＤＨの４００％である。すなわち換言すると、比Ｌ：ＤＨはおよそ４：１である。
【００４９】
図７は、本開示の第４の実施形態を示す。この本開示の第４の実施形態は本開示の上記３つの実施形態と類似しているが、上記の音響ダクト部２００が排気ダクトのアセンブリ１００の終端部で垂直に向けられているか又はそこに向かって垂直に向けられていたのに対して、この実施形態では、音響ダクト部２００は水平に向けられている。他の点では、本開示のこの実施形態は同様である。例えば、音響ダクト壁２４０は、図１、２、３、５、９及び１０に示された本開示の実施形態の音響ダクト部２００と同じ構成を有することができる。他方で、この配置では、音響ダクト壁２４０に対してかなりの構造部分を有する必要性はほとんどないかも知れない。音響ダクト部２００は、例えば風荷重にさらされないように、配置及び支持されるようにできる。
【００５０】
図７に示された実施形態の変形形態においては、（図示のダクト部２００だけではなく）サイレンサー１６の下流側のダクトの全体が音響的に透過性である。
【００５１】
本開示の第５の実施形態が図８に示されている。本開示のこの実施形態では、音響ダクト部は、内燃機関を有する発電機内の燃焼領域１２の下流側にある。
【００５２】
本開示の上述の実施形態は、内壁が音響的に非反射性である（壁が音響的に透過性であるか又は吸収性であることを示唆する）排気筒であり、それは音が容易にその中に入るか又は通過するが、硬い壁のパイプと同様に又は少なくとも幾らかはそれと同様にガスの流れを依然として拘束することを意味する。そのようにすることで、音は、排気プルームから分離されてそれから離れるように放射されることが可能となり、それにより、音はほとんど屈折されない（曲げられない）。望ましくは、音響的に透過性の排気ダクト部は、ガスの分散及びタービンの性能にとって重要である流れ特性又背圧を、変えないか又は少なくとも実質的に変えない。そのような実施形態は、（音が容易に通過できる程度には十分に低いが、ガスの流れが排気ダクトに沿って排気口に至るまで流れる程度には十分に高い）適当な流れ抵抗を有する様々な材料を使用して構成することができる。そのような材料の例には、限定するわけではないが、薄いシート、ワイヤーメッシュ、あけられた穴を有するシート及び／又は織布、又は穴のあいたシートのような構造要素の間に挟まれた（ガラスや鉱物面のような）吸収材を備える吸収性サイレンサーにおいてよく見られる構造体が含まれる。例えば、いくつかの用途では、５０、０００mak rayl/mの流れ抵抗性を有し、〜５，０００mks rayls(Pa/m/s)の流れ抵抗を与えるロックウールが適している。より一般的には、ロックウール又は他の適した材料は、２，０００mks rayls(Pa/m/s)から５０、０００mks rayls(Pa/m/s)の範囲の流れ抵抗をもたらすような大きさ及び配置とすることができる。
【００５３】
本開示の実施形態が使用可能である特定の用途の一例は、より高温の排気温度（５５０−６００℃）が生じる単一サイクルのガス火力発電所におけるものである。そのような単一サイクルのガス火力発電所からの排気プルームは、高温の排気の流れによって強く反射される（下方に曲げられる）、高い排気音圧レベルをもたらす。これが穏やかな横風と合わさったときに、図１１に示すように、地表面で下流側の音圧レベルが増加する結果となる。
【００５４】
図１１は、公差流の速度Ｒに対する排気の速度の比が減少すると、高温プルームがより高い角度で放出されるが、音線はやはり地面にまで反射される（曲げられる）ことを示している。これは、近隣地域に大きな影響を与え得る。これは、図４に図式的に示されており、１９０は設備５の排ガス排気口であり、８は設備５から離れた風下の場所である。音は、プルーム１９５内で反射され、場所８に向かって下方に向けられる。設備からのＳＰＬが騒音条例の規制を超える結果となっている多くの確認された事例がある。
【００５５】
図１２及び１３は、（図１、２Ａ、及び２Ｂに示された音響ダクト部２００のような）流れを通さない音響的に透過性のダクト部又はノズルを備える場合（図１２）と備えない場合（図１３）の、高温排気プルームとの音響相互作用を概略的に示している。直線状部分のノズル２００は、流れをノズル２００の内側に拘束して、流体がより高い垂直高さでダクトから出るようにしている。音響的に透過性のノズル又はダクト２００は、ダクトの音響中心が変わらないようにできる。これにより、音響エネルギー（又は少なくともかなり大きな割合の音響エネルギー）が、突出した垂直な排気筒から早い段階で「解放される」又は「漏れる」ようにできる。したがって、ほとんどの音は、冷たい横風によって曲げられた高温プルームと干渉しない。高温プルームとの音の干渉を低減することによって、プルームによって屈折される音の量が低減され、最終的には、排気筒の風下で確認される最大ＳＰＬが低減される。
【００５６】
上述の通り、本開示の実施形態は、高温排気プルームとの音の干渉の仕方を制御し、最終的には地面に向かって屈折される（曲げられる）音の量を低減する。提案した開示は、背圧を過度に変えず、したがってガスタービンの性能を変えず、またガスの分散特性が実質的に変わらないように元々のガス放出速度を維持する。
【００５７】
図１４は、本開示に係る音響ダクト部の小規模バージョンでの風洞内での試験結果を示す音の指向性プロットである。示された結果は、（ガス火力発電所の典型的な規模である）１００倍にスケールアップしたシステムでの５０Ｈｚに相当する、５０００Ｈｚの３分の１オクターブ帯域に対するものである。「ノズルあり」のプロットは、３．３８ｍ／ｓの横風の速度及びおよそ５０ｍ／ｓの排気速度に対するものである。音響ダクト（又は「ノズル」）は、右側の極大部分のピークレベルを３−６ｄＢだけ低下させている。図１４に示した測定は、２８の直径で行なわれた。この距離は、１００倍スケールでの、排気筒から約１５０ｍに相当する。回折は、この距離を優に超えて続く。
【００５８】
本開示は、単一サイクルのガス火力発電所のような高温の排気の流れを発生させる設備の近くの地域における高い騒音レベルの問題に対処するのに役立つ。本開示の実施形態は、既存の又は新規の設備に設置することができる。多くの用途において、従来のサイレンサーは依然として使用されていくであろうが、それらは、ここに説明した音響ダクト部の実施形態が地面の下流側での音圧レベルを大きく減少させるので、少なくなっていくであろう。より一般的には、この開示は、全てではないとしても多くの高温排気システムに関連した騒音問題に対処するのに役立つ。
【００５９】
本明細書及び添付の特許請求の範囲を通して、別段の要求がない限り、用語「備える」及び「含む」並びに「備えている」及び「含んでいる」のような変形は、記載された整数又は整数の群を包含することを示唆しているが、他の整数又は整数の群を排除することを示唆するものではないことが理解されるであろう。
【００６０】
この明細書中での如何なる従来技術の参照も、そのような従来技術が通常の一般的知識の一部を形成していることの如何なる形での提言の承認としては見なされず、またそのように見なされるべきではない。
【００６１】
本開示は説明された特定の用途への使用に限定されないことは、当業者には理解されるであろう。本開示は、ここに説明又は示された特定の要素及び／又は特徴に関して、好ましい実施形態に限定されない。本開示は記載された実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲に既定及び定義されている開示の範囲から逸脱すること無く、多くの再構成、改良、及び置き換えが可能である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
2022500594.tif 000012
【図８】
2022500594.tif 000013
【図９】
2022500594.tif 000014
【図１０】
2022500594.tif 000015
【図１１】
2022500594.tif 000016
【図１２】
2022500594.tif 000017
【図１３】
2022500594.tif 000018
【図１４】
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【国際調査報告】
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2022500594.tif 000021
2022500594.tif 000022
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