説明

ダンパ機構およびこのダンパを構成するための方法

【課題】 従来のヘルムホルツダンパ機構に関する技術的問題を扱うダンパ機構とこのダンパ機構を構成するための方法を提供することである
【解決手段】 少なくとも一つの第一のヘルムホルツダンパ(11)を備えており、この
第一のヘルムホルツダンパが第二のヘルムホルツダンパ(12)に直列に接続しているダンパ機構(10)において、少なくとも一つの第一のヘルムホルツダンパ(11)と第二のヘルムホルツダンパ(12)の共振周波数が、相乗ダンピング効果をもたらす量で互いに移動することにより解決される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ダンパ機構とこのダンパ機構を構成するための方法に関する。
【0002】
特に以下において、直列に接続され、かつガスタービンの燃焼室内で発生する恐れがある圧力振動あるいは脈動をダンピングするのに使用される、二つあるいは三つ以上のヘルムホルツダンパを備えたダンパ機構に関して説明する。
【背景技術】
【0003】
ガスタービンは、一つあるいは複数の燃焼室を備えていることが知られており、燃料は噴射され、空気流に混合され、そして燃焼され、タービン内で膨張する高圧煙道ガスを発生させる。
【0004】
運転時に、燃焼室に関する機械的かつ熱的損傷を起こし、かつ運転管理を制限するかもしれない圧力振動が発生する恐れがある。
【0005】
この理由で、通常燃焼室は1/4波長管(quarter wave tube)、ヘルムホルツダンパ、あるいは音響スクリーン(acoustic screen)のようなダンピング装置を備えており、これらの圧力振動をダンピングする。
【0006】
図1に関して、従来のヘルムホルツダンパ1はエンクロージャ2を備えており、このエンクロージャは共振容積室(resonance volume)3と燃焼室5に接続すべき頚部4を規定しており、燃焼とおそらくダンピングすべき圧力振動が生じる(符号6は燃焼室5の壁を示す)。
【0007】
ヘルムホルツダンパの共振周波数(すなわちダンピングされる周波数)は、共振容積室3と頚部4の形状的特徴に依存し、かつ燃焼室5内で発生した圧力振動の周波数に相応しなければならない。
【0008】
様々な周波数を有する圧力振動を処理するために、二つあるいはそれ以上のヘルムホルツダンパが使用される。
【0009】
例えば特許文献1には直列に接続された二つあるいはさらにそれ以上のへルムホルツダンパを有するダンパ機構が開示されている。すなわちへルムホルツダンパの頚部は別のへルムホルツダンパの容積室に接続している。このような機構は、例えば15Hzと90Hzのような異なる離れた周波数を有するダンピング圧力共振がかなり効率的であることがわかった。
【0010】
それにもかかわらず、周波数圧力振動はガスタービンからガスタービンへとわずかに変化し、さらに同じガスタービンに関しても、ガスタービンの運転時にわずかに変化することもある(例えば部分負荷、基本負荷、移行)。
【0011】
(ヘルムホルツダンパがよく使用される)低周波数領域では、ヘルムホルツダンパのダンピング周波数帯域幅が極めて狭いので、燃焼室内で発生した圧力振動のこのような周波数移動は、燃焼室に接続され、かつ全く役に立たない予め決められた設計共振周波数を有するヘルムホルツダンパを表すのかもしれない。
【0012】
これらの場合、従来から共振周波数を合わせるためのシステムが使用される。
【0013】
例えばヘルムホルツダンパは調節可能な容積室を有して開発されてきた。
【0014】
特許文献2にはテレスコープ式に取付けられた二つのカップ形状の管状体を有するヘルムホルツダンパが開示されている。
【0015】
特許文献3には、共振容積室がガスを噴出もしくは吹き出すことにより、大きさが変化する可撓な中空部材を収容するヘルムホルツダンパが開示されている。可撓な中空部材の大きさを変えることにより、共振容積室の大きさを変えることができる。
【0016】
特許文献4には共振容積室が固定された一つのダンピング容積室と一つの可変式容積室に分割されたヘルムホルツダンパが開示されている。可変式容積室は調節可能なピストンを用いて調節されてもよい。
【0017】
代替として、共振周波数の同調はヘルムホルツダンパの頚部を調節することにより達せられる。
【0018】
これに関して、特許文献5には頚部の横断面が調節されるヘルムホルツダンパが開示されている。
【0019】
特許文献6には頚部を一つ有するヘルムホルツダンパが開示されており、頚部の長さはその口部に対して孔の開いた板をオーバーラップさせることにより調節される。
【0020】
これらの解決手段はすべてかなり複雑であることがわかった。さらに、これらの解決手段だと、ヘルムホルツダンパの共振周波数の緻密な同調が、燃焼室内の周波数圧力振動の小さな移動に追従できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0021】
【特許文献1】独国特許出願公開第102005062284号明細書
【特許文献2】国際特許出願公開第2005/059441号明細書
【特許文献3】欧州特許第1158247号明細書
【特許文献4】米国特許出願公開第2005/0103018号明細書
【特許文献5】欧州特許第0724684号明細書
【特許文献6】欧州特許251第1624251号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0022】
従って、本発明の技術的課題は、先に挙げた公知技術の問題を扱うダンパ機構とこのダンパ機構を構成するための方法を提供することである。
【0023】
この技術的課題の範囲内における、本発明の側面は、特にヘルムホルツダンパで作られた従来のダンパ機構の帯域幅と比較した際に、広い帯域幅での圧力振動のダンピングが可能になるダンパ機構ならびにこのダンパ機構構成するための方法を提供することである。
【0024】
本発明の別の側面は、緻密な同調の必要性が全く無いかあるいは限定されている圧力振動の周波数移動を上手く処理することができるダンパ機構を提供することである。
【0025】
本発明の他の側面は、特に先に述べた従来のダンパ機構と比べた際に、極めて複雑でないダンパ機構を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0026】
この技術的課題は、これらの側面および別の側面と共に、添付の請求項によるダンパ機構ならびにこのダンパ機構を構成するための方法を提供することにより、本発明により達せられる。
【0027】
本発明を図に基づいて詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】ヘルムホルツダンパの概略図である。
【図2】本発明の様々な実施例における、ヘルムホルツダンパの様々な機構を示す図である。
【図3】本発明の様々な実施例における、ヘルムホルツダンパの様々な機構を示す図である。
【図4】本発明の様々な実施例における、ヘルムホルツダンパの様々な機構を示す図である。
【図5】テスト運転に役立つヘルムホルツダンパの別の機構を示す図である。
【図6】ヘルムホルツダンパの容積室を規定するためにシリンダ内に挿入されたピストンの詳細を示した図である。
【図7】ヘルムホルツダンパの容積室を規定するためにシリンダ内に挿入されたピストンの詳細を示した図である。
【図8】様々なヘルムホルツダンパ機構の反射率の大きさを示した図である。
【図9】様々なヘルムホルツダンパ機構の反射率の大きさを示した図である。
【図10】無次元数qの関数としての正常化された周波数を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【0029】
図2〜9に関して、これらの図は第二のヘルムホルツダンパに直列に接続している第一のヘルムホルツダンパ11を備えたダンパ機構10を示す。
【0030】
第一のヘルムホルツダンパ11の共振周波数と第二のヘルムホルツダンパの共振周波数は互いに近いか、あるいはかなり近く、特にこれら二つの共振周波数は相乗ダンピング効果をもたらしている範囲内で互いに変化する。
【0031】
ヘルムホルツダンパの共振周波数は、次の関係が満たされると互いに近似している。
(数式1) CL=(ω−ω/(ω×ω)≦1
【0032】
特に「極めて近似している」とは、CL≪1であることを意味しており、この場合、CL≪1とは1よりも少なくとも一桁小さいことを意味する。
【0033】
第二のヘルムホルツダンパ12は、チャンバ15の内部に接続可能な第二の容積室13と第二の頚部14を備えており、減衰されるべき圧力振動が生じるおそれがある(例えばガスタービンの燃焼室)。そして第一のヘルムホルツダンパ11は、第二の容積室13に接続した第一の減衰容積室16と第一の頚部17を有している。
【0034】
第一の減衰容積室16および/または第二の容積室13が可変の容積であると有利である。
【0035】
特に図に示したように、滑動可能なピストン21を収容している一つのシリンダ20は、ピストン21の一方の側で第一の減衰容積室16を規定し、ピストン21の他方の側で第二の容積室13を規定している。さらにピストン21は第一の頚部17も規定している。図示したように、第一の頚部17はピストン21内の複数の孔により規定されている。
【0036】
図2〜4は本発明の様々な実施例を示す。
【0037】
図2はシリンダ20がピストン21でもって二つの容積を規定する実施例を示す。この実施例では空気を冷却するための入口24も示してある。
【0038】
加えて、ピストンは棒体25を備えており、この棒体は棒体を動かし、かつ矢印Fで示したようにその位置を調節するためにピストン21に接続している。この調節により、容積16と13が調節される。
【0039】
図3は図2の実施例に似た実施例を示す。図3において、同じ参照符号は図におけるような同じかあるいは類似の構成部材を示す。
【0040】
特に図3の実施例はピストン21内に四つの第一の頚部17を備えている(二つの頚部だけが示してある)。もちろん様々な数量の頚部が使用されていてもよい。
【0041】
図4は図2および3の実施例に似た、機構の別の実施例を示しており、同じ参照符号は同じかあるいは類似の構成部材を示す。
【0042】
特に図4の機構は二つのピストンを備えたシリンダ20を有している。第一のピストン21aは第一および中間の容積室16,26を規定し、かつ四つの第一の頚部17aを有している(二つの頚部のみ示してある)。第二のピストン21bは第二の容積室13と中間の容積室26を規定し、かつ一つの中間の頚部17bを有している。したがって、中間の容積室26は第一および第二のピストン17a,17bの間で規定されており、第二の容積室13は第二の頚部17cを経由してチャンバ15に内部に接続している。
【0043】
この実施例において、ピストン21a,21bは各々、棒体28a,28bに接続している(例えばピストン21aに接続した孔の開いた棒体28aは、ピストン21bに接続した第二の棒体28bを収容している)。
【0044】
これによりピストン21a,21b両方の調節が互いに独立して可能になり、従って容積室16,26,13の調節も互いに独立して可能になる。
【0045】
図5は本発明の機構の別の実施例を示す。
【0046】
この実施例は図4の実施例に似ており、同じ参照符号は同じかあるいは類似の構成部材を示す。
【0047】
さらに図5の実施例において、棒体28a,28bは各々、その位置を調節するためにアクチュエータ29に接続している。アクチュエータは圧力振動センサ(pressure pulsation sensors)31に接続した制御ユニット30に接続しており、かつこの制御ユニットにより駆動されている。
【0048】
頚部17および/または17aおよび/または17bは、様々な横断面を有していると有利である。
【0049】
この点において、図6と7はピストン21の一例を示しており、このピストンは互いに重なり合うように滑動可能な二つの部材33,34を有しており、かつ各々が配列調整可能な孔35,36を備えている。すなわち、部材33,34は孔35,36の少なくとも一部が整列されるように回転する。様々な横断面を備えた頚部17は、部材33,34の整列された孔35,36により規定されている。
【0050】
図5に示した機構は、試験運転に特に適応している。
【0051】
この場合、圧力振動を発生するチャンバ15を備えた装置が作動する間、センサ31は燃焼室15内で発生した圧力振動を検出し、かつ制御ユニット30に表示する信号を検出する。圧力振動が広い大域幅で減衰するまで、制御ユニット30はアクチュエータ29を作動させて、ピストン21a,21bを調節する。
【0052】
この点で、機構を規定しているヘルムホルツダンパ(すなわち容積室13と頚部17c;
容積室26と頚部17b;容積室16と17aにより規定されたヘルムホルツダンパ)の共振周波数が、相乗ダンピング効果をもたらす範囲内で互いに極めて近いように、制御ユニット30とアクチュエータ29はピストン21a,21bを駆動する。
【0053】
アクチュエータ29、制御ユニット30およびセンサ31は、図2〜4に示したようにダンパ機構に接続されていてもよいことは当然である。この場合、単一ピストン21の位置だけが調節されるべきである。
【0054】
その後(すなわち広い大域幅が可能になる特殊な配列が得られると)、ピストン21あるいはピストン21a,21bは、シリンダ20に溶接されて、ダンパ機構10を作る。
【0055】
本発明はダンパ機構を構成するための方法にも関する。
【0056】
本方法は、少なくとも一つの第一のヘルムホルツダンパ11を備え、この第一のヘルムホルツダンパが第二のヘルムホルツダンパ12に直列に接続していること、および
相乗ダンピング効果をもたらす移動量が見つかるまで、第一のヘルムホルツダンパ11の共振周波数と第二のヘルムホルツダンパ12の共振周波数を互いに対して移動させることを特徴とする。
【0057】
特にダンパ機構のヘルムホルツダンパの共振周波数は、互いに移動されて、相乗ダンピング効果をもたらす小さい移動量を見つけ出す。
【0058】
第一および/または第二の容積室16,13を調節することにより、および/または第一の頚部の横断面を調節することにより移動量が得られ、第一の頚部を流れる流速を調節する。頚部内部の流速を適切に調節することにより、広帯域の特性が調節できる。
【0059】
ダンピング装置の広帯域特性は無次元値qに依存しており、以下のように定義される。
(数式2) q=(ω×L)/(ζ×u
二つの容積室から成るダンパの例ωは、単一ダンパの単一周波数手段であり、Lは中間頚部の長さであり、ζは中間頚部の損失係数であり、そしてuは中間頚部の内部の流速である。
【0060】
図10はq因子の関数としての効果的なダンピングのための正常化された周波数帯域幅を示す。ダンパ機構はqで最大の広帯域を有しており、主たる複数のパラメータはそれらの最適な値に調節される。
【0061】
テストにより、本発明の実施例における機構が、相乗ダンピング効果を有しており、これにより広いダンピングの帯域幅が得られることがわかった。
【0062】
図8は異なるヘルムホルツダンパの反射率の大きさを示したグラフを示す。
【0063】
パイプがパイプの軸線に対して垂直な壁により一方の端部で閉鎖されているという条件でグラフは描かれている。さらにダンパ機構は壁にかつ他方の端部で接続している(すなわちパイプの開口した端部で圧力振動源(例えばラウドスピーカー)が設けられている)。
【0064】
従って、圧力振動は発生しかつ壁に向かっている。壁に衝突すると、圧力振動の一部が(ダンパ機構により)ダンピングされ、かつ一部は反射される。反射した圧力振動が大きいほど、ダンパ機構のダンピング効率は悪くなり、従って図8のグラフにおける1に近い反射率の大きさの値は弱いダンピング効果を示しているが、小さい値(すなわち1より小さくかつできれば0に近い)は、良好なダンピング効果を示す。
【0065】
曲線Aは従来のヘルムホルツダンパ(例えば図1に示したようなヘルムホルツダンパ)に関する。曲線Aからは、ダンピング帯域幅が極めて狭いことが明らかである。
【0066】
曲線Bは二つのヘルムホルツダンパの機構に関しており、その共振周波数は離れて、直列に接続している。曲線Bからは、ダンピング帯域幅が二つの狭いダンピング領域(一つのヘルムホルツダンパの共振周波数にまたがった各領域)を有する。
【0067】
曲線Cは二つのヘルムホルツダンパを備えた図2に似た機構に関しており、その共振周波数は互いに近く、相乗ダンピング効果を有しており、直列に接続している。
【0068】
曲線Cから、二つの狭いダンピング領域の代わりに、相乗効果の場合、帯域幅は相乗効果を超えて極めて広い一つのダンピング領域を有している。
【0069】
図9は図3に似た機構をテストする際に描かれたグラフを示す。この場合においても、特に直列に接続したヘルムホルツダンパの機構の帯域幅と比べた際にダンピング帯域幅が極めて広いことが明らかである。
【0070】
記載した特徴が互いに独立して設けられていてもよいのは当然である。
【0071】
実際、使用される材料および寸法は、要求および技術水準に応じて任意に選ぶことができる。
【符号の説明】
【0072】
1 従来のヘルムホルツダンパ
2 エンクロージャ
3 共振容積室
4 頚部
5 燃焼室
6 5の壁
10 機構
11 第一のヘルムホルツダンパ
12 第二のヘルムホルツダンパ
13 12の容積室
14 12の頚部
15 燃焼室
16 11の容積室
17 11の頚部
17,17a,17b 頚部
20 シリンダ
21 ピストン
21a,21b ピストン
24 冷却空気用の入口
25 棒体
26 中間容積室
28a,28b 棒体
29 アクチュエータ
30 制御ユニット
31 センサ
33,34 21の部材
35,36 33,34の孔
A 従来のヘルムホルツダンパの反射率
B ヘルムホルツダンパの従来の機構の反射率
C 本発明の実施例におけるヘルムホルツダンパの機構の反射率
F 25の移動

【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも一つの第一のヘルムホルツダンパ(11)を備えており、この
第一のヘルムホルツダンパが第二のヘルムホルツダンパ(12)に直列に接続しているダンパ機構(10)において、
少なくとも一つの第一のヘルムホルツダンパ(11)と第二のヘルムホルツダンパ(12)の共振周波数が、相乗ダンピング効果をもたらす量で互いに移動することを特徴とするダンパ機構(10)。
【請求項2】
第二のヘルムホルツダンパ(12)が、第二の容積室(13)と、燃焼室(15)の内部に接続した第二の頚部(14)を備えており、その中でダンピングされるべき圧力振動が発生し、
第一のヘルムホルツダンパ(11)が、第一の容積室(16)と、第二の容積室(13)に接続した第一の頚部(17)を備えており、第一の容積室(16)および/または第二の容積室(13)が可変な容積室であることを特徴とする請求項1記載のダンパ機構(10)。
【請求項3】
少なくとも一つの滑動可能なピストン(21)を収容している一つのシリンダ(20)が、ピストン(21)の一方の側で第一の容積室(16)を規定しており、かつピストン(21)の他方の側で第二の容積室を規定しており、ピストン(21)が第一の頚部(17)を規定していることを特徴とする請求項2に記載のダンパ機構(10)。
【請求項4】
前記ピストン(10)がその位置を調節するためにアクチュエータ(29)に接続しており、アクチュエータ(29)が圧力振動センサ(31)に接続した制御ユニット(30)により駆動されていることを特徴とする請求項3に記載のダンパ機構(10)。
【請求項5】
第一の頚部(17)が様々な横断面を有していることを特徴とする請求項4に記載のダンパ機構(10)。
【請求項6】
ピストン(21)が互いに重なり合うように滑動可能な二つの部材(33,34)を有しており、様々な横断面を備えた頚部(17)が、二つの部材(33,34)の整列された孔(35,36)により規定されていることを特徴とする請求項5に記載のダンパ機構(10)。
【請求項7】
少なくとも一つの第一のヘルムホルツダンパ(11)を備え、この第一のヘルムホルツダンパが第二のヘルムホルツダンパ(12)に直列に接続しているダンパ機構(10)を構成するための方法において、
少なくとも一つの第一のヘルムホルツダンパ(11)を備え、この第一のヘルムホルツダンパが第二のヘルムホルツダンパ(12)に直列に接続していること、および
相乗ダンピング効果をもたらす移動量が見つかるまで、第一のヘルムホルツダンパ(11)の共振周波数と第二のヘルムホルツダンパ(12)の共振周波数を互いに対して移動させることを特徴とする方法。
【請求項8】
移動が第一および第二のヘルムホルツダンパ(11,12)の各々の第一および/または第二の容積室(16,13)を調節することにより、および/または第一および第二のヘルムホルツダンパ(11,12)の間の第一の横断面頚部(17)を調節することにより達せられることを特徴とする請求項7に記載の方法。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5】
image rotate

【図6】
image rotate

【図7】
image rotate

【図8】
image rotate

【図9】
image rotate

【図10】
image rotate


【公開番号】特開2012−2500(P2012−2500A)
【公開日】平成24年1月5日(2012.1.5)
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願2011−132999(P2011−132999)
【出願日】平成23年6月15日(2011.6.15)
【出願人】(503416353)アルストム テクノロジー リミテッド (394)
【氏名又は名称原語表記】ALSTOM Technology Ltd
【住所又は居所原語表記】Brown Boveri Strasse 7, CH−5401 Baden, Switzerland
【Fターム(参考)】