JP2013036464A - ガスタービンエンジンに用いられる音響減衰装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンの燃焼器の燃焼室ライナにおける音響減衰器を提供する。
【解決手段】音響減衰器は、第１壁、オリフィスプレート、及び第２壁を備えている。第１壁は、第１流体源を第２流体源から分離する。第１壁は、第１流体源と音響減衰器の第１キャビティとの間の流体連通を可能にする孔を有する。オリフィスプレートは、音響減衰器の第１キャビティを音響減衰器の第２キャビティから分離する。第２壁は、音響減衰器の第１キャビティと音響減衰器の第２キャビティとの間の流体連通を可能にする孔を有する。第２壁は、音響減衰器の第２キャビティを第２流体源から分離する。第２壁は、音響減衰器の第２キャビティと第２流体源との間の流体連通を可能にする孔を有する。一実施形態では、音響減衰器はガスタービンエンジンの燃焼室ライナ内に形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して燃焼器に関し、より詳細には、ガスタービンエンジンの燃焼器の燃焼室ライナにおける音響減衰器に関する。

空気汚染に対する世界中の懸念により、国内及び国際間でのより厳しい排出基準がもたらされた。産業用航空エンジンからの汚染物質排出は、窒素酸化物（ＮＯｘ）、未燃炭化水素（ＨＣ）、及び一酸化炭素（ＣＯ）の排出を規制する環境保護庁（ＥＰＡ）基準の影響下にある。一般に、エンジン排気は、２つの種類：高い火炎温度を原因として生じるもの（ＮＯｘ）と、低い火炎温度で燃料空気反応が完了できないことを原因として生じるもの（ＨＣ及びＣＯ）とに分類される。

より厳しい排出規制が原因となり、ガスタービン燃焼システムが少燃料予混合燃焼を利用することになった。少燃料フレームは、火炎温度が低いためにＮＯｘ排出量を著しく低下させるが、燃焼音響により影響されやすく、運転性及び性能を制限し、汚染物質排出に影響し、燃焼器構成部品の耐用年数を減少させる可能性がある。一般的に、排出量及び運転性要求を満たすように燃焼器設計を最適化するための多大な努力が必要とされる。

少なくとも一部の公知のガスタービン燃焼器は複数のミキサを含んでおり、これらは、高速空気を液体燃料（ディーゼル燃料等）又は気体燃料（天然ガス等）と混合して、火炎安定化及及び混合を強化する。少なくとも一部の公知のミキサは、流入空気を旋回させるスワラの中心に設置された単一の燃料噴射器を含む。燃料噴射器及びミキサは共に、燃焼器ドームに設置される。燃焼器は、ミキサアセンブリと、ドームアセンブリを円滑に保護する熱シールドとを含む。熱シールド及び燃焼室ライナをドームに衝突する空気によって冷却して、熱シールドの作動温度を所定範囲内で円滑に維持する。

作動中、パイロットミキサから排出された混合流の膨張により、熱シールドの周囲に渦輪が生じることがある。未燃焼燃料が対流によって循環して、これらの非定常渦になる。燃焼ガスと混合した後、混合気が点火し、引き続いて放熱がひどく急に起こる可能性がある。多くの公知の燃焼器では、熱シールドを取り囲む高温ガスが、点火によって生じた火炎を円滑に安定させる。しかしながら、急な放熱によって生じた圧力インパルスが、二次的な渦の形成に影響を与え、燃焼器構成部品に対する反復的な応力疲労を引き起こす可能性がある。二次的な渦は、燃焼器内の圧力振動の原因となり、これが許容範囲を超えて、燃焼器構成部品に対する反復的な応力疲労を引き起こす。

米国特許第７６６１２６７号公報

ガスタービンエンジンにおける燃焼音響は、周波数の範囲にわたって発生することになる。典型的な周波数は、１０００Ｈｚ未満である。しかしながら、ある状況下では、１０００〜５０００Ｈｚの範囲の周波数の高い音響振幅が起こり得る。これらの高周波数音響モードは、高サイクル疲労が原因で燃焼器ハードウェアの急激な故障を引き起こす可能性がある。エネルギー放出密度の増加と、改良型ガスタービン燃焼器におけるＮＯｘ排出量を最小限に抑えるための反応物の急速混合とにより、高周波数音響の可能性が高まる。

一態様では、音響減衰器が提供される。音響減衰器は、第１キャビティ及び第２キャビティを備えている。第１キャビティは、第１キャビティと第１流体源との間の流体連通を可能にする孔を有する。第２キャビティは、第１キャビティと第２キャビティとの間の流体連通を可能にする第１孔を有する。第２キャビティは、第２キャビティと第２流体源との間の流体連通を可能にする第２孔を有する。

更なる態様では、ガスタービンエンジンが提供される。ガスタービンエンジンは、燃焼器と、音響減衰器とを含む。音響減衰器は、第１キャビティ及び第２キャビティを備えている。第１キャビティは、第１キャビティと第１流体源との間の流体連通を可能にする孔を有する。第２キャビティは、第１キャビティと第２キャビティとの間の流体連通を可能にする第１孔を有する。第２キャビティは、第２キャビティと第２流体源との間の流体連通を可能にする第２孔を有する。

更なる態様では、ガスタービンエンジン用の音響減衰器の製造方法が提供される。ガスタービンエンジンの燃焼室ライナ内で、第１壁及び円筒本体壁が形成される。円筒本体壁によって画定された円筒内に、オリフィスプレートが固定される。第１壁の反対側の円筒本体壁に、第２壁が固定される。

燃焼器を含むガスタービンエンジンの概略図である。 図１に示すガスタービンエンジンで使用することができる燃焼器の断面図である。 図２に示す音響減衰器の側面切欠図である。 従来技術において公知の音響減衰器の音響吸収係数を示すグラフである。 本明細書に記載した音響減衰器の吸収係数を示すグラフである。

音響減衰器は、乾式低公害型（ＤＬＥ）燃焼器における高周波数音響を軽減する。音響減衰器は、減衰器の内部に設置されたオリフィスプレートを含んでおり、調節度合を増して減衰器性能を最適化する。オリフィスプレートパラメータ（即ち、オリフィスプレート厚さ、オリフィスプレート表面積、並びにオリフィスプレートの孔の直径及び量）と、オリフィスプレートインサートの両側のキャビティの寸法（即ち、容積、直径、及び高さ）を慎重に選択することによって、単一チャンバの共鳴器と比較して減衰器をより高く広く吸収するより強力なものにすることができる。

図１は、低圧圧縮機１２、高圧圧縮機１４、及び燃焼器１６を含むガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０はまた、高圧タービン１８及び低圧タービン２０を含む。

作動中、空気は低圧圧縮機１２を通って流れ、圧縮空気は低圧圧縮機１２から高圧圧縮機１４に供給される。高圧縮空気は、燃焼器１６に送給される。燃焼器１６からの空気流（図１には図示せず）は、タービン１８及び２０を駆動する。一実施形態では、ガスタービンエンジン１０はＣＦＭエンジンである。別の実施形態では、ガスタービンエンジン１０は、オハイオ州シンシナティのゼネラル・エレクトリック社から入手可能なＬＭＳ１００型ＤＬＥエンジンである。

図２は、図１に示す燃焼器１６の断面図である。燃焼器１６は、環状の半径方向外側ライナ３２及び半径方向内側ライナ３４によって画定された燃焼域又は燃焼室３０を含む。より詳細には、外側ライナ３２は燃焼室３０の外側境界を画定し、内側ライナ３４は燃焼室３０の内側境界を画定する。ライナ３２及び３４は、ライナ３２及び３４の周囲に円周方向に延在する環状燃焼器ケーシング５１から半径方向内側にある。

燃焼器１６はまた、ドームプレート３７を含む。ドームプレート３７は、ドームプレート３７が燃焼室３０の上流端を画定するように、燃焼室３０の上流に取り付けられる。少なくとも２つのミキサアセンブリ３８，３９がドームプレート３７から延在して、燃料と空気の混合物を燃焼室３０に送給する。燃焼器１６は、半径方向内側ミキサアセンブリ３８及び半径方向外側ミキサアセンブリ３９を含む。燃焼器１６は、二重環状燃焼器（ＤＡＣ）として公知である。或いは、燃焼器１６は、単一環状燃焼器（ＳＡＣ）又は三重環状燃焼器（ＴＡＣ）であってもよい。

一般に、各ミキサアセンブリ３８，３９は、パイロットミキサと、メインミキサと、それらの間に延在する環状中央本体とを含む。内側ミキサアセンブリ３８は、パイロットミキサ４０と、後縁３１を有するメインミキサ４１と、メインミキサ４１とパイロットミキサ４０との間に延在する内側環状中央本体４２とを含む。同様に、ミキサアセンブリ３９は、パイロットミキサ４３と、後縁４９を有するメインミキサ４４と、メインミキサ４４とパイロットミキサ４３との間に延在する環状中央本体４５とを含む。

環状中央本体４２は、半径方向外面３５と、半径方向内面３６と、前縁２９と、後縁３３とを含む。面３５は内側パイロットミキサ４０の流路を画定し、面３６はメインミキサ４１の流路を画定する。パイロット中央本体５４は、対称軸５２に関してパイロットミキサ４０内の実質的に中央に置かれる。

同様に、環状中央本体４５は、半径方向外面４７と、半径方向内面４８と、前縁５６と、後縁６３とを含む。面４７は外側パイロットミキサ４３の流路を画定し、面４８はメインミキサ４４の流路を画定する。パイロット中央本体５５は、対称軸５３に関してパイロットミキサ４３内の実質的に中央に置かれる。

内側ミキサ３８はまた、一対の同心円状に取り付けられたスワラ６０を含む。内側スワラ６２は環状で、パイロット中央本体５４の周囲で円周方向に配置されており、外側スワラ６４はパイロット内側スワラ６２と中央本体４２の半径方向内面３５との間で円周方向に配置されている。

メインミキサ４１は外側スロート面７６を含んでおり、これは中央本体半径方向外面３６と共に環状プレミキサキャビティ７４を画定する。中央本体４２は、燃焼室３０へと延在する。メインミキサ４１は、パイロットミキサ４０に対して同心円状に位置合わせされ、ミキサ３８の周囲で円周方向に延在する。

同様に、外側ミキサ３９はまた、一対の同心円状に取り付けられたスワラ６１を含む。内側スワラ６５は環状で、パイロット中央本体５５の周囲で円周方向に配置されており、外側スワラ６７はパイロット内側スワラ６５と中央本体４５の半径方向内面４７との間で円周方向に配置されている。

メインミキサ４４は外側スロート面７７を含んでおり、これは中央本体半径方向外面４８と共に環状プレミキサキャビティ７８を画定する。ミキサ４３内の半径方向外面７７は円弧状に形成され、メインミキサ４３の外側流路を画定する。メインミキサ４４は、パイロットミキサ４３に対して同心円状に位置合わせされ、ミキサ３９の周囲で円周方向に延在する。

一実施形態では、燃焼器１６はまた、外側熱シールド１１０及び内側熱シールド１１１を含む。熱シールド１１０及び１１１は、プレミキサキャビティ７４及び７８から排出された流体が熱シールド１１０及び１１１の表面１１４に沿って下流且つ半径方向内方に案内されるように、ドームプレート３７の下流に取り外し可能に連結される。

組立中、熱シールド１１０及び１１１は、燃焼器１６内でそれぞれ内側ライナ３２及び３４に連結されて、ミキサアセンブリ３８が内側熱シールド１１１内で実質的に中央に置かれ、ミキサアセンブリ３９が外側熱シールド１１０内で実質的に中央に置かれるようになっている。熱シールド１１０は少なくとも１つのミキサアセンブリ３９の周囲で実質的に円周方向に配置され、熱シールド１１１は少なくとも１つのミキサアセンブリ３８の周囲で実質的に円周方向に配置される。

作動中、パイロット内側スワラ６２及び６５、パイロット外側スワラ６４及び６７、並びにメインスワラ４１及び４４は、燃料と空気を効果的に混合するように設計されている。パイロット内側スワラ６２及び６５、パイロット外側スワラ６４及び６７、並びにメインスワラ４１及び４４は、混合気に角運動量を与えて、各ミキサアセンブリ３８及び３９の下流に再循環領域１２０を形成する。混合気が各ミキサアセンブリ３８及び３９から流れた後、混合気が点火して火炎面を形成し、これが再循環領域１２０によって安定化される。再循環領域１２０における局所ガス速度は、乱流火炎速度にほぼ等しい。熱シールド１１０及び１１１は、未燃焼混合気が熱シールド１１０及び１１１に近接するように、燃焼室３０へと延在する。よって、熱シールド１１０及び１１１に近接するガス温度は、断熱火炎温度よりも圧縮機吐出温度にほぼ等しい。更に、熱シールド１１０及び１１１は燃焼室３０へと円弧状に延在するので、熱シールド１１０及び１１１は、通常は未燃焼反応物と高温の燃焼生成物との再循環混合物で満たされることになる燃焼器容積の一部分を円滑に減少させる。燃焼室ライナ３２は、音響減衰器３００を含む。

図３は、音響減衰器３００の側面切欠図を示している。一実施形態では、音響減衰器３００は、燃焼室ライナ３２と一体的な円筒外壁３２０を含む。音響減衰器３００の第１壁３０２は、各々が同一直径を有する複数の孔３１２を含む。図３に示した実施形態では、第１壁３０２は燃焼室ライナ３２と一体的である。オリフィスプレート３０４は、円筒外壁３２０によって画定された容積内に設置される。オリフィスプレート３０４は、各々が同一直径を有する複数の孔３１４を含む。オリフィスプレート３０４、第１壁３０２、及び円筒本体壁３２０は、第１キャビティ３０８を画定する。第１壁３１２の孔は、第１流体源（例えば、燃焼器３０内のガス）と第１キャビティ３０８との間の流体連通を可能にする。第２壁３０６は、第１壁３０２の反対側に設置されて、円筒本体壁３２０に固定される。第２壁３０６、円筒本体壁３２０、及びオリフィスプレート３０４は、第２キャビティ３１０を画定する。オリフィスプレート３０４の孔３１４は、第１キャビティ３０８と第２キャビティ３１０との間の流体連通を可能にする。一実施形態では、第２キャビティ３１０と第２流体源（例えば、吸気又は冷却空気）との間の流体連通を可能にする孔３１６は、円筒本体壁３２０にある。また、第２キャビティと第２流体源との間の流体連通を可能にする孔３１６が第２壁３０６にあってもよく、このことは特許請求の範囲の技術的範囲内であると考えられる。第２キャビティ３１０と第２流体源との間の流体連通を可能にする複数の孔３１６は、各々が同一直径を有する。

一実施形態では、音響減衰器３００は、燃焼室ライナ３２内に第１壁３０２及び円筒本体壁３２０を形成し、円筒本体壁３２０によって画定された円筒内に所定の深さでオリフィスプレート３０４を固定し、第２壁３０６を第１壁３０２の反対側の円筒本体壁３２０の端部に固定することによって構成される。別の実施形態では、第１壁３０２、円筒本体壁３２０の一部分、及びオリフィスプレート３０４は、全て燃焼室ライナ３２と一体的に形成されており、選択された円筒本体壁３２０の別の部分は、第２壁３０６と一体的に形成され、オリフィスプレート３０４又は円筒本体壁３２０に固定される。

孔３１６は、音響減衰器３００中のバイアス流の量を制御する計量オリフィスとしての機能を果たす。オリフィスプレート３０４の孔３１４及び第１壁３０２の孔３１２によって、バイアス流が高温燃焼室３０に拡散することができ、燃焼室３０で生じた音響波の音響減衰器３００の内外での通信も可能になる。第１及び第２キャビティ３０８及び３１０の各々の容積と、第１壁３０２、オリフィスプレート３０４、及び第２壁３０６の孔の寸法及び量とは、所望の周波数範囲の音響波が音響減衰器３００に吸収されるように選択される。燃焼室３０で使用される音響減衰器３００の位置及び数は、音響減衰器３００の数と燃焼室内のバイアス流の量との間にトレードオフが存在することを理解した上で、燃焼室３０の音響モデルに基づいて実験的且つ分析的に決定しなければならない。一実施形態では、２つの減衰器が２４°の燃焼器セクタ毎に使用される。所望の周波数範囲の燃焼音響の軽減は、キャビティ容積による音響波の吸収と、流出孔による所望の周波数の渦の離脱と、それによる音響エネルギーの渦エネルギーへの変換とによって達成される。ＬＭＳ１００型ＤＬＥ２エンジン用途での一実施形態では、第１壁３０２は各々が直径０．１４インチの１５個の孔を有し、オリフィスプレート３０４は各々が直径０．０７５インチの１６個の孔を有し、円筒本体壁３２０は各々が直径０．０８インチの５個の孔を有し、第１キャビティ３０８は１．１７３立方インチであり、第２キャビティ３１０は１．２２４立方インチである。

所望の周波数範囲の音響波は、高度に減衰されるか、又は完全に除去される。圧力解放と放熱との結合による駆動力がシステム減衰容量を超えた場合、燃焼音響は振幅が増加する。音響減衰器３００は、駆動力を克服するのに十分なシステム減衰を付加することによって燃焼音響を除去することができる。本明細書において開示した音響減衰器３００は、キャビティ容積が目標周波数に反比例して、目標周波数が高ければ高いほど、所望の装置容積が小さくなるようになっているので、高周波数（ＫＨｚ範囲）音響軽減に適している。これにより、小型完全環状燃焼器での実施が容易になる。

図４及び５を参照すると、完全環状燃焼器における単一チャンバのヘルムホルツ共鳴器の有効性と比較して、完全環状燃焼器における音響減衰器３００の有効性が示されている。図４は、完全環状燃焼器における単一チャンバのヘルムホルツ共鳴器の吸収係数を０〜５５００Ｈｚでプロットしている。このプロット線は、約２７５０Ｈｚを中心とする単一釣鐘曲線のようである。図５は、完全環状燃焼器における音響減衰器３００の吸収係数を０〜５５００Ｈｚでプロットしている。このプロット線は、異なる中心周波数（例えば、２５００Ｈｚ及び４７５０Ｈｚ）を有する一対の二重釣鐘曲線のようであるが、ピーク吸収係数は増加し、２つのピーク間の周波数で大幅に減少しない。更に、図５における吸収係数は広範囲の周波数にわたって比較的高いままであるため、曲線下面積は、異なる目標周波数を有する複数のヘルムホルツ共鳴器を用いて達成されるはずのものよりも大きくなる。

本発明を種々の特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明は特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更形態で実施可能であることは、当業者には理解されるであろう。

１０ ガスタービンエンジン
１２ 低圧圧縮機
１４ 高圧圧縮機
１６ 燃焼器
１８ 高圧タービン
２０ 低圧タービン
２９ 前縁
３０ 燃焼室
３１ 後縁
３２ 外側ライナ
３３ 後縁
３４ 内側ライナ
３５ 半径方向外面
３６ 半径方向内面
３７ ドームプレート
３８ 内側ミキサアセンブリ
３９ 外側ミキサアセンブリ
４０ 内側パイロットミキサ
４１ メインミキサ
４２ 中央本体
４３ 外側パイロットミキサ
４４ メインミキサ
４５ 環状中央本体
４７ 半径方向外面
４８ 半径方向内面
４９ 後縁
５１ 環状燃焼器ケーシング
５２ 対称軸
５３ 対称軸
５４ パイロット中央本体
５５ パイロット中央本体
５６ 前縁
６０ スワラ
６１ スワラ
６２ パイロット内側スワラ
６３ 後縁
６４ パイロット外側スワラ
６５ パイロット内側スワラ
６７ 外側スワラ
７４ プレミキサキャビティ
７６ 外側スロート面
７７ 外側スロート面
７８ プレミキサキャビティ
１１０ 熱シールド
１１１ 熱シールド
１１４ 表面
１２０ 再循環領域
３００ 音響減衰器
３０２ 第１壁
３０４ オリフィスプレート
３０６ 第２壁
３０８ 第１キャビティ
３１０ 第２キャビティ
３１２ 第１壁の孔
３１４ オリフィスプレートの孔
３１６ 円筒本体壁の孔
３２０ 円筒本体壁

Claims (7)

1. 第１キャビティ（３０８）であって、前記第１キャビティ（３０８）と第１流体源との間の流体連通を可能にする孔（３１２）を有する前記第１キャビティ（３０８）と、
   第２キャビティ（３１０）であって、前記第１キャビティ（３０８）と前記第２キャビティ（３１０）との間の流体連通を可能にする第１孔（３１４）と、前記第２キャビティ（３１０）と第２流体源との間の流体連通を可能にする第２孔（３１６）とを有する前記第２キャビティ（３１０）と
   を備えている、音響減衰器（３００）。
2. 第１流体源を第２流体源から分離するための第１壁（３０２）であって、前記第１流体源と前記音響減衰器（３００）の前記第１キャビティ（３０８）との間の流体連通を可能にする孔（３１２）を有する前記第１壁（３０２）と、
   前記音響減衰器（３００）の前記第１キャビティ（３０８）を前記音響減衰器（３００）の前記第２キャビティ（３１０）から分離するためのオリフィスプレート（３０４）であって、前記音響減衰器（３００）の前記第１キャビティ（３０８）と前記音響減衰器（３００）の前記第２キャビティ（３１０）との間の流体連通を可能にする孔（３１４）を有する前記オリフィスプレート（３０４）と、
   前記音響減衰器（３００）の前記第２キャビティ（３１０）を前記第２流体源から分離するための第２壁（３０６）であって、前記音響減衰器（３００）の前記第２キャビティ（３１０）と前記第２流体源との間の流体連通を可能にする孔（３１６）を有する前記第２壁（３０６）と
   を更に備えている、請求項１に記載の音響減衰器（３００）。
3. 前記第１壁（３０２）は、前記第１流体源と前記音響減衰器（３００）の前記第１キャビティ（３０８）との間の流体連通を可能にする複数の孔（３１２）であって、各々が同一寸法を有する前記複数の孔（３１２）を有し、
   前記オリフィスプレート（３０４）は、前記音響減衰器（３００）の前記第１キャビティ（３０８）と前記音響減衰器（３００）の前記第２キャビティ（３１０）との間の流体連通を可能にする複数の孔（３１４）であって、各々が同一寸法を有する前記複数の孔（３１４）を有し、
   前記第２壁（３０６）は、前記第２キャビティ（３１０）と前記第２流体源との間の流体連通を可能にする複数の孔（３１６）であって、各々が同一寸法を有する前記複数の孔（３１６）を有する、請求項２に記載の音響減衰器（３００）。
4. 前記第１壁（３０２）の孔の量、前記第２壁（３０６）の孔の量、及び前記オリフィスプレート（３０４）の孔の量の各々は異なる、請求項２に記載の音響減衰器（３００）。
5. 前記第１壁（３０２）、前記オリフィスプレート（３０４）、及び前記第２壁（３０６）の孔の量及び寸法、前記音響減衰器（３００）の前記第１キャビティ（３０８）の容積、並びに前記音響減衰器（３００）の前記第２キャビティ（３１０）の容積は、前記第１流体源で生じた音響波を減衰させるための渦を発生させるように選択される、請求項２に記載の音響減衰器（３００）。
6. 前記第１流体源はガスタービンエンジン（１０）の燃焼室（３０）であり、前記音響減衰器（３００）の前記第１壁（３０２）は前記ガスタービンエンジン（１０）の燃焼室ライナ（３２）と一体的である、請求項１に記載の音響減衰器（３００）。
7. 前記第２流体源はガスタービンエンジンの吸気又は冷却空気である、請求項１に記載の音響減衰器（３００）。

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