特表 2020-521907 音響ダンパーを備えたバーナー

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】特表2020-521907(P2020-521907A)

(43)【公表日】2020年7月27日

(54)【発明の名称】音響ダンパーを備えたバーナー

(51)【国際特許分類】

   F02C 7/24 20060101AFI20200626BHJP

   F02C 7/18 20060101ALI20200626BHJP

   F23R 3/50 20060101ALI20200626BHJP

   F23R 3/52 20060101ALI20200626BHJP

   F02C 7/00 20060101ALI20200626BHJP

【ＦＩ】

   F02C7/24 C

   F02C7/18 C

   F23R3/50

   F23R3/52

   F02C7/00 D

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2019-565275(P2019-565275)

(86)(22)【出願日】2018年6月29日

(85)【翻訳文提出日】2019年11月25日

(86)【国際出願番号】EP2018067612

(87)【国際公開番号】WO2019025094

(87)【国際公開日】20190207

(31)【優先権主張番号】17184044.0

(32)【優先日】2017年7月31日

(33)【優先権主張国】EP

(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DJ,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JO,JP,KE,KG,KH,KN,KP,KR,KW,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT

(71)【出願人】

【識別番号】517298149

【氏名又は名称】シーメンス アクティエンゲゼルシャフト

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(72)【発明者】

【氏名】ヨーン−エーリク・ラングレン

(72)【発明者】

【氏名】ヨーン・ペッテション

(57)【要約】

ターボ機械、特にガスタービンエンジンのバーナー（１）は、バーナー内部（６）の各部を囲む環状壁（１０）を有する少なくとも１つのバーナー部（３）を備え、環状壁（１０）は、バーナー内部（６）の範囲を定める環状内面（１６）と、バーナー内部（６）の熱音響振動を減衰させる複数の減衰キャビティ（３０）であり、それぞれが少なくとも１つの減衰孔（４０）を通じて環状内面に接続された、複数の減衰キャビティ（３０）と、を含む。本発明は、このようなバーナーを製造する方法も対象とする。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ターボ機械、特にガスタービンエンジンのバーナー（１）であって、
第１の燃料および酸素含有流体をバーナー内部（６）の上流端に供給する上流バーナー部（２）と、
バーナー内部（６）の各部を囲む環状壁（１０）を有する少なくとも１つの中間バーナー部（３）と、
第２の燃料を前記バーナー内部（６）の下流端または燃焼チャンバに供給する下流バーナー部（４）と、
を備え、
前記環状壁（１０）が、
前記バーナー内部（６）の範囲を定める環状内面（１６）と、
前記バーナー内部（６）の熱音響振動を減衰させる複数の減衰キャビティ（３０）であって、それぞれが少なくとも１つの減衰孔（４０）を通じて前記環状内面（１６）に接続されている複数の減衰キャビティ（３０）と、
を含むことを特徴とする、バーナー（１）。

【請求項2】

それぞれの減衰キャビティ（３０）が、少なくとも１つのパージ孔（５０）を通じて前記環状壁（１０）の環状外面（１７）に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載のバーナー（１）。

【請求項3】

前記減衰キャビティ（３０）のうちの少なくとも１つが、四角形プロファイルを有することを特徴とする、請求項１または２に記載のバーナー（１）。

【請求項4】

前記減衰キャビティ（３０）のうちの少なくとも１つが、六角形プロファイルを有することを特徴とする、請求項１または２に記載のバーナー（１）。

【請求項5】

前記減衰キャビティ（３０）のうちの少なくとも１つが、円形プロファイルを有することを特徴とする、請求項１または２に記載のバーナー（１）。

【請求項6】

前記複数の減衰キャビティ（３０）が、パターン（１０１、１０２、１０３）を形成するように、行および／または列に沿って前記環状壁（１０）に分布していることを特徴とする、請求項３〜５のいずれか一項に記載のバーナー（１）。

【請求項7】

前記行および／または列（Ｘ）が、前記バーナー（１）の長手方向軸（Ｙ）に平行であることを特徴とする、請求項６に記載のバーナー（１）。

【請求項8】

前記行および／または列（Ｘ）が、前記バーナー（１）の長手方向軸（Ｙ）に対して傾斜していることを特徴とする、請求項６に記載のバーナー（１）。

【請求項9】

前記環状壁（１０）が、環状外面（１７）に設けられた少なくとも１つの冷却流体入口孔（１４）から前記環状内面（１６）に設けられた複数の流出孔（１５）まで延びた環状冷却流体通路（１１）をさらに備えていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のバーナー（１）。

【請求項10】

少なくとも１つのバーナー（１）が請求項１〜９のいずれか一項に従って構成されている複数のバーナー（１）と、
前記バーナー（１）の下流に配置された少なくとも１つ燃焼チャンバ（７０）、特に環状またはカン型環状燃焼チャンバと、
を備えていることを特徴とする、燃焼器。

【請求項11】

請求項１〜９のいずれか一項に記載のバーナー（１）を製造する方法であって、
前記環状壁（１０）を一体形成コンポーネントとして積層造形するステップ、または
前記上流バーナー部（２）、前記中間バーナー部（３）、および前記下流バーナー部（４）を一体形成コンポーネントとして積層造形するステップ、
を含むことを特徴とする、方法。

【請求項12】

前記積層造形するステップが、選択的レーザ溶融または選択的レーザ焼結により実行されていることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、バーナー、ターボ機械、特にガスタービンエンジンの燃焼器、およびバーナーの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ターボ機械の一例としてのガスタービンエンジンは、主要構成要素として、圧縮機、燃焼器、および膨張タービンを備える。燃焼器に関しては、たとえば環状燃焼器（annular combustor）またはカン型環状燃焼器（can-annular combustor）等、さまざまな設計が存在する。燃焼器自体は、燃料が燃焼空間に供給されるバーナーと、燃焼空間を密封する燃焼チャンバとで構成される。また、燃焼空間には、燃焼用の酸素含有流体、特に圧縮機から供給された空気が供給される。

【0003】

バーナーは、排出物、特にNOxおよびCOが少なく保たれるように、リーン条件下で動作するように設計されていてもよい。リーン条件下では、燃料の全部またはほとんどが燃やされる燃料および空気の混合が考えられる。このようなリーン動作の場合は通常、いわゆる主燃料が供給される。たとえばターボ機械の始動時の過渡動作の場合は、いわゆるパイロット燃料として追加燃料が供給され、火炎を安定させるとともに、燃焼力学を回避するようになっていてもよい。

【0004】

NOx排出物の低減を図るため、乾式低公害（略称DLE）技術を使用可能である。

【0005】

DLE型の燃焼と関連する問題として、燃焼力学事象の発生が挙げられる。この現象は、多くの異なる物理的メカニズムを原因とするが、構造損傷や排出物への悪影響をもたらすとともに、試運転に重大な影響を及ぼす可能性がある。一般的に、燃焼力学を抑制する一手法として、（環状およびカン型環状の両燃焼器を含む）燃焼器の燃焼チャンバに直接設置された音響（受動）ダンパーを使用する。このようなダンパーは、たとえばヘルムホルツ共鳴器または穿孔ライナーを具備しており、燃焼チャンバにおいて音圧に直接働きかける。

【0006】

ただし、上記解決手段は、最適とは考えられない。燃焼力学と関連するメカニズムの１つとして、燃焼器、特に燃焼ゾーンに進入する変動燃料プロファイルの存在がある。この燃料の変調は、後続の音響事象が原因であり、破壊的な自己駆動フィードバックループとなる可能性がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明は、これらの欠点を軽減しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

この目的は、独立請求項によって実現される。従属請求項は、本発明の有利な発展および改良を記載している。

【0009】

本発明の第１の態様によれば、ターボ機械、特にガスタービンエンジンのバーナーであって、バーナー内部の各部を囲む環状壁を有する少なくとも１つのバーナー部を備え、環状壁が、
バーナー内部の範囲を定める環状内面と、
バーナー内部の熱音響振動を減衰させる複数の減衰キャビティであり、それぞれが少なくとも１つの減衰孔を通じて環状内面に接続された、複数の減衰キャビティと、
を含む、バーナーが提供される。

【0010】

この構成によって、音響ダンパーをバーナー部のうちの１つに導入することにより、上述のフィードバックメカニズムが抑えられ、この種の現象と関連する燃焼力学が抑制される。本発明の実施形態によれば、環状壁を有する少なくとも１つのバーナー部は、
第１の燃料および酸素含有流体をバーナー内部の上流端に供給する上流バーナー部と、
第２の燃料をバーナー内部の下流端または燃焼チャンバに供給する下流バーナー部と、
の間に設けられたバーナーの中間バーナー部、特に混合部である。

【0011】

上流バーナー部は、好ましくは旋回翼を介して、主燃料および空気を混合するように構成されていてもよい。下流バーナー部は、パイロット燃料を供給するように構成されていてもよい。中間バーナー部は、主燃料および空気のより良好な混合を可能にする混合器または混合部と称する場合がある。

【0012】

受動音響ダンパーを中間バーナー部に組み込むことによる好影響は、以下の通りである。
これらの音響ダンパーが燃焼ゾーンの上流に置かれることから、不要な空気消費が存在しなくなる。このため、火炎温度は影響を受けない（上昇する）が、これによる排出レベルへの悪影響は生じない。
変調現象と関連する部位に動的な問題が発生した場合、当該特定部位に対して、対応するバーナー調整を容易に実現可能である。
さまざまな燃料仕様を含む動作に起因する動的な問題が発生した場合、この問題に対処するため、バーナーの適正な音響調整を容易に実現し得る。

【0013】

本発明の第２の態様によれば、
複数のバーナーであり、少なくとも１つのバーナーが上記指定の通り構成された、複数のバーナーと、
バーナーの下流に配置された少なくとも１つ燃焼チャンバ、特に環状またはカン型環状燃焼チャンバと、
を備えた、燃焼器が提供される。

【0014】

本発明の第３の態様によれば、上記規定のバーナーを製造する方法が提供される。このような製造方法は、
環状壁を一体形成コンポーネントとして積層造形するステップ、または
上流バーナー部、中間バーナー部、および下流バーナー部を一体形成コンポーネントとして積層造形するステップ、
を含む。

【0015】

本発明の考え得る実施形態によれば、積層造形ステップは、選択的レーザ溶融または選択的レーザ焼結により実行される。

【0016】

積層造形技術の使用により、最適な減衰挙動となるように調節された（すなわち、既知の特定周波数の間隔が抑制された）減衰装置を備えたバーナーを設計可能である。

【0017】

本発明の他の考え得る実施形態によれば、各減衰キャビティは、少なくとも１つのパージ孔を通じて環状壁の環状外面に接続されている。

【0018】

本発明の別の考え得る実施形態によれば、減衰キャビティのうちの少なくとも１つは、四角形、六角形、または円形プロファイルを有する。

【0019】

複数の減衰キャビティは、パターンを形成するように、行および／または列に沿って環状壁に分布していてもよい。前記行および／または列は、バーナーの長手方向軸に対して平行であってもよいし、傾斜していてもよい。

【0020】

上記および以下の説明において、用語「長手方向」、「半径方向」、および「円周方向」は、別段の定めのない限り、バーナーの長手方向軸を参照する。

【0021】

用語「上流」／「下流」／「中間（流）」は、バーナーの長手方向軸に沿った方向を示すのに用いられ、燃料流の方向に対する。一部の流体は旋回するものの、最後には、バーナーの上流端からバーナーの出口（下流端）まで、主進行方向が与えられ得る。出口では、流体が燃焼チャンバ中へと解放されるため、この場合もバーナーの下流となる。

【0022】

用語「内部」および「外部」は、バーナーの長手方向軸に垂直なバーナーの半径方向に関して用いられる。半径方向内方のキャビティ（バーナー内部）は、半径方向外方が環状壁によって囲まれる。当該環状壁を越えて、すなわち、さらに半径方向外方に、バーナー外部が規定される。バーナー外部は、ターボ機械の圧縮機から供給された圧縮酸素含有流体をガイドする中空の空間となるはずである。

【0023】

さまざまな主題を参照して本発明の実施形態を説明したことに留意する必要がある。特に、装置型の請求項を参照して一部の実施形態を説明する一方、方法型の請求項を参照して他の実施形態を説明した。ただし、当業者であれば上記および以下の説明から推測できることとして、ある種の主題に属する特徴の任意の組み合わせのほか、さまざまな主題と関連する特徴間、特に、装置型の請求項の特徴と方法型の請求項の特徴との間の如何なる組み合わせについても、本願で開示されるものと考えられる。

【0024】

上記規定の態様および本発明の他の態様は、以下に説明する例示的な実施形態から明らかであり、これら例示的な実施形態を参照して説明する。以下、例示的な実施形態を参照して、本発明をより詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されない。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本発明に係る、バーナーの例示的な一実施形態の側面図である。

【図2】本発明に係る、バーナーの中間バーナー部の長手方向断面図である。

【図3】図２のバーナー部の不等角投影図である。

【図4】中間バーナー部の環状壁の内側を示すため、環状外面を除去した図３の不等角投影図である。

【図5】中間バーナー部の環状壁の内側のダンパーの第１のパターンを模式的に示した図である。

【図6】中間バーナー部の環状壁の内側のダンパーの第２のパターンを模式的に示した図である。

【図7】中間バーナー部の環状壁の内側のダンパーの第３のパターンを模式的に示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

図面中の各図は、模式的である。なお、異なる図において、同様または同一の要素または特徴には、同じ参照記号を付している。不要な繰り返しを避けるため、ある実施形態に関して説明済みの要素または特徴については、本明細書において再度説明することはない。

【0027】

図１は、本発明に係る、例示的なバーナー１を表す。バーナー１は、ガスタービンエンジンの一部であってもよく、また、環状燃焼器に用いられるようになっていてもよい。バーナー１は、当該バーナー１の長手方向軸Ｙに沿って長手方向に延びた上流バーナー部２、中間バーナー部３、および下流バーナー部４を備える。上流バーナー部２の上流では、バーナーシャフト５が燃料をバーナー１に供給する。上流バーナー部２は特に、燃料を空気と混合する旋回翼であってもよい。バーナー１の軸方向後段には、中間バーナー部３が上流バーナー部２に続き、前もって供給された空気および燃料をさらに混合する予混合ゾーンを提供する。さらに下流には、下流バーナー部４が存在し、具体的にはバーナー先端４２も提供する。上流バーナー部２、中間バーナー部３、および下流バーナー部４は一体的に、バーナー内部６を囲む。さらに下流では、バーナー先端４２が燃焼器の燃焼チャンバ７０に接続されている（さらに詳しく表すことはない）。

【0028】

バーナーシャフト５、旋回翼を備えた上流バーナー部２、下流バーナー部４、および燃焼チャンバ７０は、従来通りであり、本発明の具体的な目的ではないため、さらに詳しく説明することはない。

【0029】

図２〜図４は、本発明に係る、中間バーナー部３の一実施形態を表す。

【0030】

本実施形態において、中間バーナー部３は実質的に、バーナー１の長手方向軸Ｙ周りの円筒環状壁１０として構成されている。また、環状壁１０は、空間周りの環状である限り、異なる形状であってもよい。環状壁１０は、バーナー内部６の中間部を囲む。環状壁１０は、バーナー内部６の中間部の範囲を定める環状内面１６と、外部環境７と接触する環状壁１０の環状外面１７とを含む。環状壁１０は、環状冷却流体通路１１を備える。空気を環状冷却流体通路１１に供給するため、環状壁１０には、複数の冷却流体入口孔１４が存在し、上流バーナー部２に対して長手方向に近接する位置で環状外面１７に設けられている。環状冷却流体通路１１は、環状内面１６に設けられた複数の流出孔１５まで、冷却流体入口孔１４を延ばす。

【0031】

環状壁１０は、バーナー内部６の熱音響振動を減衰させる複数の減衰キャビティ３０をさらに備える。各減衰キャビティ３０は、各減衰孔４０を通じて環状内面１６に接続されている。各減衰孔４０は、環状内面１６に減衰開口４１を含む。

【0032】

各減衰キャビティ３０は、
減衰キャビティ３０の容積Ｖc、
減衰孔４０の断面積Ａ、
減衰孔４０の長さＬ、
といった主要な幾何学的パラメータを有するホルムヘルツ共鳴器を表す。

【0033】

各減衰キャビティ３０は、容積Ｖの内側の燃焼ガスにおける熱音響振動の周波数ｆを抑制するのに使用可能であり、周波数ｆは、面積Ａと容積Ｖcに長さＬを乗じた積との比の平方根に比例する。すなわち、以下のような記号となる。
ｆ〜sqrt（Ａ／（Ｖc*Ｌ））

【0034】

各減衰キャビティ３０は、各パージ孔５０を通じて環状外面１７にさらに接続されている。各パージ孔５０は、環状外面１７にパージ開口５１を含む。

【0035】

本発明の他の考え得る実施形態（添付の図面には図示せず）によれば、パージ孔５０は存在しない。

【0036】

各減衰キャビティ３０は、それぞれ半径方向内部および外部の２つの基面３１、３２ならびに２つの基面３１、３２を半径方向に接続する１つもしくは複数の側面３３によって範囲が定められている。添付の図面の図２〜図４の実施形態に示すように、２つの基面３１、３２は、環状内面１６および／または環状外面１７と実質的に平行に配向していてもよい。

【0037】

本発明の各実施形態によれば、２つの基面３１、３２は、それぞれのプロファイルを有していてもよい。特に、２つの基面３１、３２は、四角形プロファイル（図４および図５）であってもよいし、六角形プロファイル（図６）であってもよいし、円形または楕円形プロファイル（図７）であってもよい。

【0038】

より一般的に、本発明の他の実施形態（図示せず）によれば、各減衰キャビティ３０の立体形状は、任意（たとえば、球状、円錐状、矩形状、ハニカム状等）であってもよい。減衰孔４０およびパージ孔５０の形状は、円形または長円形等であってもよい。

【0039】

本発明の各実施形態によれば、複数の減衰キャビティ３０は、複数の各パターン１０１、１０２、１０３を形成するように、（軸配向Ｘにより表される）行および／または列に沿って環状壁１０に分布していてもよい。

【0040】

図４および図５の実施形態を参照すれば、バーナー１の長手方向軸Ｙに対して傾斜した複数の行（または、列）Ｘを含む第１のパターン１０１に従って、四角形、特に菱形の複数の減衰キャビティ３０が分布している。

【0041】

図６の実施形態を参照すれば、バーナー１の長手方向軸Ｙに平行な複数の行（または、列）Ｘを含む第２のパターン１０２に従って、六角形の複数の減衰キャビティ３０が分布している。

【0042】

図７の実施形態を参照すれば、バーナー１の長手方向軸Ｙに直交する複数の行（または、列）Ｘを含む第３のパターン１０３に従って、楕円形の複数の減衰キャビティ３０が分布している。

【0043】

環状壁１０、特に減衰キャビティ３０、減衰孔４０、およびパージ孔５０は、積層造形技術（たとえば、選択的レーザ溶融、選択的レーザ焼結、電子ビーム溶融、選択的加熱焼結、または電子ビーム自由形状製作）により構築されていてもよい。積層造形技術によれば、多種多様な減衰キャビティ３０の形状およびパターンを製造できるため都合が良い。このような種類のいくつかの考え得る例については、上述するとともに、添付の図面に示している。

【符号の説明】

【0044】

１ バーナー
２ 上流バーナー部
３ 中間バーナー部
４ 下流バーナー部
５ バーナーシャフト
６ バーナー内部
７ 外部環境
１０ 環状壁
１１ 環状冷却流体通路
１４ 冷却流体入口孔
１５ 流出孔
１６ 環状内面
１７ 環状外面
３０ 減衰キャビティ
３１ 基面
３２ 基面
３３ 側面
４０ 減衰孔
４１ 減衰開口
４２ バーナー先端
５０ パージ孔
５１ パージ開口
７０ 燃焼チャンバ
１０１ パターン
１０２ パターン
１０３ パターン
Ｘ 軸配向
Ｙ 長手方向軸

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【国際調査報告】