(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器（１）内の音響振動を減衰するための装置であって、当該装置が、共鳴容積（３）と、該共鳴容積（３）に燃焼器（１）を接続することができる接続通路（２）とを備えたヘルムホルツ共鳴器（４）から成っている形式のものにおいて、
ヘルムホルツ共鳴器（４）が、中空体（６）に隣接しており、これによって、ヘルムホルツ共鳴器（４）の共鳴容積（３）が、中空体（６）の容積の変化時に変化するようになっており、ヘルムホルツ共鳴器（４）が、中空体（６）に隣接する少なくとも１つの位置可変な壁（１１）を有していて、少なくとも部分的にベローズとして形成されていることを特徴とする、燃焼器内の音響振動を減衰するための装置。
【請求項２】
容積可変な中空体（６）が、膨張可能な耐熱性のバルーンである、請求項１記載の装置。
【請求項３】
容積可変な中空体（６）が、膨張可能な金属製のベローズである、請求項１記載の装置。
【請求項４】
中空体（６）をヘルムホルツ共鳴器（４）内に配置した場合、供給部（５）が、貫通案内部を通ってヘルムホルツ共鳴器（４）の壁内に延びている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項５】
ヘルムホルツ共鳴器（４）が、位置可変な壁（１１）を中空体（６）に向かって押圧するばね機構を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
供給部（５）にレギュレータ（７）が配置されており、該レギュレータ（７）が、供給部（５）を介しての流体の供給または排出を、燃焼器（１）内の、その都度最高の振動振幅の周波数に関連して制御している、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
【請求項７】
供給部（５）を介して供給される前記流体の温度が、接続通路（２）内に形成される温度に関連して変化させられるようになっている、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか１項記載の装置を備えた燃焼器装置であって、燃焼器（１）とヘルムホルツ共鳴器（４）とが、ガスタービンまたは蒸気タービンの圧力ハウジング（８）の内部に配置されている形式のものにおいて、
中空体（６）に通じる供給部（５）が、圧力ハウジング（８）を通って外方へ案内されていることを特徴とする、燃焼器装置。
【請求項９】
ガスタービンまたは蒸気タービンの圧縮機空気が供給可能であるように供給部（５）が配置されている、請求項８記載の燃焼器装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼器内の音響振動を減衰するための装置であって、当該装置が、共鳴容積と、該共鳴容積に燃焼器を接続することができる接続通路とを備えたヘルムホルツ共鳴器から成っている形式のものに関する。さらに、本発明は、前記装置を備えた燃焼器装置であって、燃焼器とヘルムホルツ共鳴器とが、ガスタービンまたは蒸気タービンの圧力ハウジングの内部に配置されている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明の主な使用分野は産業用ガスタービンの分野に位置している。世界的には、とりわけ発電所で使用される産業用ガスタービンにおいて、使用準備、耐用年数および排ガス特性に常に高い要求が課せられる。環境保護および環境適応に対する意識が増加するにつれて、可能な限り低い有害物質排出の維持が必要となる。
【０００３】
産業用ガスタービンでは、有害物質の低排出を主として予混合バーナの使用によってしか経済的に達成することができない。しかし、この種の燃焼は、閉鎖された燃焼器内において、コヒーレンス構造の形成と、これに基づき生ぜしめられる、変動する放熱とによって燃焼器内の熱音響振動を発生させる傾向にある。この熱音響振動は燃焼特性に不利な影響を与えるだけでなく、高負荷された構成エレメントの耐用年数をも著しく減少させることがあり得る。
【０００４】
この種の熱音響振動を減衰するために、すでに長い間、いわゆるヘルムホルツ共鳴器の原理の利用が知られている。以下に、この原理を図１につき詳しく説明する。図面には、ヘルムホルツ共鳴器４の原理的な構成が示してある。このヘルムホルツ共鳴器４は、共鳴容積３と、熱音響振動が生ぜしめられる室１に通じる接続通路２とから成っている。このような形式の装置は、機械的なばね質量系に類似して考慮することができる。この場合、ヘルムホルツ共鳴器４の容積Ｖがばねとして働き、接続通路２内に存在するガスが質量として働く。中空室寸法によって系の共鳴周波数ｆ０を演算することができる。
【０００５】
【数１】
0004880825.tif 000002
【０００６】
Ｖ＝ヘルムホルツ共鳴器４の容積
Ｒ＝接続通路２の半径
ｌ＝接続通路２の長さ
Ｓ＝励振が行われる開口の面積
この共鳴周波数ｆ０では、ヘルムホルツ共鳴器が音響的に限りなく大きな開口と見なされる。すなわち、ヘルムホルツ共鳴器が、この周波数における定常波の形成を阻止している。
【０００７】
ヘルムホルツ共鳴器を用いて熱音響振動を減衰するというこの技術は、ガスタービンまたは蒸気タービンの燃焼器内の振動を減衰するためにもすでに使用される。しかし、ガスタービンまたは蒸気タービンでの使用時には、減衰したい周波数が断続的な燃焼によって規定されるのではなく、燃焼器におけるレイリーの基準（Ｒａｙｌｅｉｇｈ−Ｋｒｉｔｅｒｉｕｍ）を満たすことによって、かつ流入部と、バーナと、燃焼器とから成る周囲のシステムと、音響的な最終条件との音響的な答えによって規定されるという問題が生じてしまう。
【０００８】
したがって、この系では、減衰したい周波数を、目下提供されている計算式によって、必要となる精度を備えて予め規定することができない。しかし、このことは、共鳴容積の正確な寸法設定をガスタービンの構成時に考慮することができるようにするための前提条件である。さらに、系の音響特性ひいては減衰したい振動の周波数は運転点の変化時に決定的に変化し得るので、場合によっては、別の周波数に調和されている付加的な共鳴器が使用されなければならない。
【０００９】
複数のヘルムホルツ共鳴器を備えたこのような形式の装置は、たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第３３２４８０５号明細書に基づき公知である。同第３３２４８０５号明細書には、燃焼器内の圧力振動を回避するための装置が記載されている。この装置では、それぞれ異なる共鳴容積を備えた複数のヘルムホルツ共鳴器が、バーナに通じるガス管路経路に沿って配置されている。それぞれ異なる共鳴容積によって、それぞれ異なる周波数の振動をこのシステムで減衰することができる。しかし、ここでもやはり個々のヘルムホルツ共鳴器の最適な寸法設定には、設備の運転時に生ぜしめられるが設備の構成時にはまだ正確に提示することができない周波数に関する知識が必要となる。さらに、複数のヘルムホルツ共鳴器の配置は、この配置のために必要となる付加的な空間要求に基づき不利となる。
【００１０】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９６４０９８０号明細書には、燃焼器内の熱音響振動を減衰するための別の公知の装置が記載されている。この装置では、ヘルムホルツ共鳴器の共鳴容積の側方の壁が機械的なばねとして形成されている。共鳴容積の端面の、ばね作用に基づき振動する壁には、付加的な機械的な質量体が固定されている。この配置形式によって、ヘルムホルツ共鳴器の仮容積に影響が与えられ、より大きな減衰性能が獲得される。ヘルムホルツ共鳴器に設けられた機械的な質量体の変化によって、共鳴周波数に対する微調整を付加的に実施することができる。しかし、このことにも、ガスタービン設備の構造への付加的な介入が必要となる。
【００１１】
過去、内燃機関の排ガス設備の分野では、振動減衰のためにヘルムホルツ共鳴器がやはり使用された。この分野に基づき、共鳴周波数を変化させるための、調節可能な共鳴器の使用も知られている。したがって、たとえばすでに第１次世界大戦の間、社名メイバッハ（Ｍａｙｂａｃｈ）のツェッペリン飛行船のための２サイクルディーゼル機関が、排ガス管内に設けられた調節可能な共鳴器によってあらゆる運転点に適合された。この目的のためには、機械的な伝動装置によってシリンダが内外で移動させられ、これによって、共鳴容積が変えられた。この技術は、前記排ガス設備において、この設備の良好な接近性と、この設備を支配している比較的低い圧力・温度比率とに基づき実用的であるということが分かった。しかし、現代の産業用ガスタービンの圧力分野での使用のためには、このような形式の解決手段は完全に除外されている。ガスタービンの圧力ハウジングを通って機械的な伝動装置を貫通案内することは、回避不能な漏れを生ぜしめる恐れがあり、したがって、許容不能な損失を生ぜしめる恐れがある。さらに、産業用ガスタービンにおいて予め支配している温度影響は、極めて複雑な伝動装置によってしか補償することができないかもしれない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、熱音響振動を減衰するための装置ならびにこの装置を備えた燃焼器装置を改良して、減衰したい振動の周波数への連続的な適合が、たとえばガスタービンにおいて存在するような高い圧力比率下でも可能となるようにすることである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の装置では、ヘルムホルツ共鳴器が、供給部を介して流体を供給するかまたは排出することによって容積可変な中空体を内部に有しているか、またはヘルムホルツ共鳴器が、中空体に隣接しており、これによって、ヘルムホルツ共鳴器の共鳴容積が、中空体の容積の変化時に変化するようになっているようにした。さらに、この課題を解決するために本発明の燃焼器装置では、中空体に通じる供給部が、圧力ハウジングを通って外方へ案内されているようにした。
【００１４】
本発明による装置ならびに燃焼器装置の有利な構成は従属請求項の対象である。
【００１５】
【発明の効果】
本発明による装置は、燃焼器、たとえばガスタービンの燃焼器に接続される接続通路を備えたヘルムホルツ共鳴器から形成されている。公知の減衰装置とは異なり、本発明による装置では、供給部を介して流体を供給するかまたは排出することによって容積可変な中空体が設けられている。この中空体はヘルムホルツ共鳴器の内部に配置されているかまたはヘルムホルツ共鳴器に隣接しており、この場合には、ヘルムホルツ共鳴器の共鳴容積が、中空体の容積の変化時に変化するようになっている。
【００１６】
したがって、容積可変な中空体をヘルムホルツ共鳴器内に配置すると、中空体が供給部を介して、たとえばガスによって膨張された場合に共鳴容積が減少させられる。これとは逆の事例では、中空体から特定のガス量が排出された場合にヘルムホルツ共鳴器の共鳴容積が増加させられる。共鳴容積の変化は、公知のように周波数の変化を生ぜしめる。
【００１７】
こうして、ヘルムホルツ共鳴器の共鳴容積は、中空体の単純な膨張または流体排出によって、燃焼器容積内で生ぜしめられる熱音響振動周波数に常に適合することができる。したがって、相応する設備の構造において運転中に生ぜしめられる周波数の正確な認識はもはや不要となる。振動は、個々に調整可能な周波数の、幅広なスペクトルにわたって減衰させることができる。実際の使用では、設備の運転の間に常に可能である共鳴容積の変化によって、組み付けられた共鳴器の共鳴周波数をあらゆる運転点に適合させて調整することができる。
【００１８】
特別な利点は、一般的にガスタービンの圧力ハウジングの内部に配置されているヘルムホルツ共鳴器の共鳴容積を、可動な部分が圧力容器の壁を通って案内される必要なしに変化させることができることによって得られる。中空体に通じる供給部は剛性的な管として形成することができ、したがって、問題なく高いシール性を備えて圧力ハウジングを貫通して外室に案内することができる。
【００１９】
本発明の別の構成では、ヘルムホルツ共鳴器が、中空体に隣接する位置可変な壁を有している。位置可変な壁はばね機構によって中空体に向かって押圧される。こうして、中空体の膨張時に、位置可変な壁がばね力に抗して内部に向かって押圧され、こうして、ヘルムホルツ共鳴器の共鳴容積を減少させる。中空体からガスを排出するような逆の事例では、中空体の方向に作用するばね力に基づき壁が移動することによって共鳴容積が増加させられる。この場合、ヘルムホルツ共鳴器は、冒頭に記載したドイツ連邦共和国特許出願公開第１９６４０９８０号明細書に基づき公知であるように、ベローズの形で形成することができる。しかし、当然ながら、上述した効果が獲得されるような、ヘルムホルツ共鳴器の適宜な別の有利な構成も可能である。
【００２０】
この構成では、容積可変な中空体が、ヘルムホルツ共鳴器に対して相対的に一箇所で圧力ハウジングの内部で位置固定されなければならず、これによって、相応する抗力をヘルムホルツ共鳴器の位置可変な壁に加えることができるようになっている。
【００２１】
容積可変な中空体が、膨張可能な耐熱性のバルーンまたは膨張可能な金属製のベローズとして形成されていると有利である。中空体に通じる供給部は、フレキシブルにまたは剛性的に形成することができる。
【００２２】
有利な構成では、中空体へのガス供給もしくは中空体からのガス排出が、圧力ハウジングの外部で供給部に設けられたレギュレータによって自動的に行われる。このレギュレータは、ガスを中空体内に吹き込むかまたは中空体から排出することによってヘルムホルツ共鳴器の共鳴容積を、燃焼器内で生ぜしめられる、最高振幅を伴った熱音響振動周波数に関連して変化させる。この場合、その都度の振動振幅と振動周波数とは、当業者には周知であるような適宜なセンサによって測定される。レギュレータが共鳴容積もしくは中空体の容積を、ガスタービンの圧縮機流出部から得られる圧縮機空気の供給もしくは排出によって制御すると有利である。こうして、ガスタービンの運転の間常に最適な振動減衰を達成することができる。なぜならば、レギュレータが共鳴容積を、その都度生ぜしめられる周波数に常に最適に適合させることができるからである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面につき詳しく説明する。
【００２４】
図１には、公知先行技術に基づき公知である、共鳴容積３と接続通路２とを備えたヘルムホルツ共鳴器４の原理的な構成が示してある。このヘルムホルツ共鳴器４のための詳細は明細書冒頭にすでに記載してある。
【００２５】
図２には、ガスタービンの燃焼器１に設けられた本発明による装置のための第１実施例が示してある。この図面では、調和可能なヘルムホルツ共鳴器４を見ることができる。このヘルムホルツ共鳴器４は接続通路２を介して燃焼器１に接続されている。ヘルムホルツ共鳴器４の内部には中空体６が配置されている。この中空体６の容積は、供給部５を介してガスを供給しかつ排出することによって可変である。この実施例では、中空体６が金属製のベローズから成っている。このベローズは、ガスタービンの圧縮機流出部からの空気によって膨張されるかまたはこの空気の排出によって収縮される。これによって、ヘルムホルツ共鳴器４の、燃焼ガスによって充填された内室、いわゆる共鳴容積３が、図面に矢印によって示したように、中間位置から出発して増加されるかまたは減少される。ベローズ６の膨張および排出の制御は、その都度減衰したい熱音響振動周波数に関連して容積を調節する相応のレギュレータ７を介して行われる。金属製のベローズとしての中空体６の構成は、高い温度下での使用のために特に適している。
【００２６】
ベローズ６に通じる供給部５は、ガスタービンの圧力ハウジング８を貫通している。圧力ハウジング８を貫通するこの貫通案内部は良好にシールすることができる。なぜならば、この貫通案内部は可動な構成部分を有していないからである。したがって、本発明による装置によって、圧力ハウジング８の内部に組み付けられているヘルムホルツ共鳴器４の共鳴容積３を、圧力ハウジング８の漏れの危険を増大させることなしに圧力ハウジング８の外部から変化させることが可能となる。
【００２７】
調和可能なヘルムホルツ共鳴器４の共鳴周波数には、共鳴容積３の大きさおよび燃焼器１に通じる接続通路２の長さだけでなく、レギュレータ７に通じる供給部５の長さならびに制御空気、すなわち中空体６の膨張のために使用されるガスの温度も決定的に影響している。しかし、これらの関係は比較的複雑である。ガイドラインとして言えることは、本発明による装置によって制御可能な周波数範囲が、ヘルムホルツ共鳴器４内で互いに隣接するガス（共鳴容積３内の燃焼空気および中空体６内の制御空気）の温度差の増大に伴って増大されるということである。したがって、中空体６の膨張のために使用される制御空気を適切に選択するかもしくは適合させることよって、この周波数範囲を増大させることができる。
【００２８】
共鳴容積３の調和は自動的なレギュレータ７を介して行われる。このレギュレータ７は、すでに述べたように、燃焼器１内の最高振動振幅の周波数状態に応じてベローズ６を拡張させるかまたは縮小させる。バーナの運転時における周波数基準線に対するこの振幅の状態は比較的狭い帯域内でしか変化しないので、最適な適合を獲得するために、特に迅速な制御は不要となる。
【００２９】
さらに、図３には、本発明による装置の、可能な構成のための別の実施例が示してある。この実施例では、中空体６が、ヘルムホルツ共鳴器４の内部に配置されているのではなく、このヘルムホルツ共鳴器４の、位置可変な壁１１に隣接している。機能原理は、図２に関連してすでに説明した機能原理と同じである。この構成では、ヘルムホルツ共鳴器４が少なくとも部分的に、中空体６のようにベローズとして形成されている。この場合、ヘルムホルツ共鳴器４の端面は中空体６の端面に隣接している。中空体６の、反対の側に位置する端面は、圧力ハウジング８内に設けられた相応する固定部９に位置固定されている。
【００３０】
この構成において中空体６が供給部５とレギュレータ７とを介して膨張されると、ヘルムホルツ共鳴器４の、位置可変な壁１１が図面で見て左側に移動するので、共鳴容積３が減少させられる。逆の事例では右への移動が行われる。この場合、共鳴容積３は増加させられる。しかし、この移動のためには、ばね機構が、ヘルムホルツ共鳴器４の、位置可変な壁１１を中空体６に向かって押圧するということが必要となる。このばね機構は、たとえばベローズの壁材料の弾性的な構成によって達成することができる。このためには、選択的に、ばねがヘルムホルツ共鳴器４の内部に設けられていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】ヘルムホルツ共鳴器の原理的な構成を示す図である。
【図２】本発明による装置の構成のための第１実施例を示す図である。
【図３】本発明による装置の構成のための第２実施例を示す図である。
【符号の説明】
１  燃焼器、  ２  接続通路、  ３  共鳴容積、  ４  ヘルムホルツ共鳴器、５  供給部、  ６  中空体またはベローズ、  ７  レギュレータ、  ８  圧力ハウジング、  ９  固定部、  １０  空気、  １１  壁
【図１】
0004880825.tif 000003
【図２】
0004880825.tif 000004
【図３】
0004880825.tif 000005