JP2013194574A

JP2013194574A - 吸気ダクト

Info

Publication number: JP2013194574A
Application number: JP2012061131A
Authority: JP
Inventors: Tei Yamato; 禎大和; Shinya Hashimoto; 真也橋本; Takanori Ito; 崇規伊藤; Keisuke Matsuyama; 敬介松山
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2013-09-30
Anticipated expiration: 2032-03-16
Also published as: JP5972619B2

Abstract

【課題】吸気ダクト本体の壁が振動して外部に放出される特定周波数の固体伝播を抑制する吸気ダクトを提供する。
【解決手段】吸気ダクトは、吸気ダクト本体４１と、共鳴器５０とを含む。吸気ダクト本体４１は、ガスタービンの吸気側の空気流路Ａｉｎである。共鳴器５０は、吸気ダクト本体４１に開けた開口４３と開口４３を介して空気流路Ａｉｎと連通する共鳴室５３とを備える。そして共鳴器５０は、特定の周波数成分に対して共鳴する。
【選択図】図４

Description

本発明は、例えば、ガスタービンの内部に外部から空気を取り入れる吸気ダクトに関するものである。

一般的なガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンにより構成されている。そして、吸気ダクトから取り込まれた空気が圧縮機によって圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となり、燃焼器にて、この圧縮空気に対して燃料を供給して燃焼させることで高温・高圧の燃焼ガス（作動流体）を得て、この燃焼ガスによりタービンを駆動し、このタービンに連結された発電機を駆動する。

このようなガスタービンの圧縮機やタービンで使用される吸気ダクトは、ガスタービンの特定の周波数成分の音を外部に放出する可能性がある。例えば、ガスタービンの吸込口から発生する吸気騒音は、ガスタービンのコンプレッサの回転によって発生する基本周波数と倍音が主成分となる。そして、基本周波数は、回転数×羽根枚数に比例する。ガスタービンの場合には、回転数がほぼ一定の運転とされることが多く、基本周波数が特定の周波数成分となる。

このような特定の周波数成分の音を外部に放出する可能性を低減するため、サイレンサ（消音器）の技術がある（特許文献１、特許文献２参照）。

国際公開第２００９／０３４６２９号特開２０１１−１４０９４９号公報

上述した特許文献１または特許文献２の吸気ダクトは、吸込口から放出する特定周波数の音を放出する直前（吸気の上流側）で、サイレンサにより吸音している。このようなサイレンサの技術は、吸込口から放出する特定周波数を消音することができる。しかしながら、特許文献１または特許文献２に記載の吸気ダクトでは、吸気ダクト本体の壁自体に伝播して、吸気ダクト本体の壁が振動して外部に放出される特定周波数の固体伝播を抑制することが求められている。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、吸気ダクト本体の壁が振動して外部に放出される特定周波数の固体伝播を抑制する吸気ダクトを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、吸気ダクトは、ガスタービンの吸気側の空気流路となる吸気ダクト本体と、前記吸気ダクト本体に開けた開口と、前記開口を介して前記空気流路と連通する共鳴室と、を備え、特定の周波数成分に対して共鳴する共鳴器と、を含むことを特徴とする。

上記構成により、吸気ダクト本体の壁自体に伝播して、吸気ダクト本体の壁が振動して外部に放出される特定周波数の固体伝播を抑制することができる。

本発明において、前記共鳴室は、前記吸気ダクト本体の外表面に設けられた側面部と、前記側面部を覆うと共に閉鎖端である蓋部と、前記吸気ダクト本体とで囲まれ、前記蓋部と前記開口との距離が、特定の周波数成分の１／４波長であることが好ましい。

上記構成により、特定の周波数成分特定の周波数成分の基本周波数の定在波が生じる。吸気ダクト本体内の特定の周波数成分特定の周波数成分の音圧を低減できる。

本発明において、前記側面部が、前記吸気ダクト本体の外表面の補強リブであることが好ましい。

上記構成により、吸気ダクト本体の壁の補強をすることができると共に、吸気ダクト本体の壁が振動すること自体を抑制することができる。また、補強リブを利用して、共鳴器を吸気ダクト本体の壁に取り付けることができるので、容易に施工をすることができる。

本発明において、前記共鳴器は、前記共鳴室内に吸音材を含むことが好ましい。

上記構成の消音作用により、共鳴室内の特定の周波数成分特定の周波数成分の音のエネルギーを低減することができる。その結果、吸気ダクト本体内の特定の周波数成分特定の周波数成分の音圧を低減できる。

本発明によれば、吸気ダクト本体の壁が振動して外部に放出される特定周波数の固体伝播を抑制する吸気ダクトを提供することができる。

図１は、実施形態１に係る吸気ダクトを有するガスタービンを表す概略構成図である。図２は、実施形態１の吸気ダクトを模式的に示す断面図である。図３は、図２の吸気ダクトを垂直方向と直交する平面でみたときに、吸気ダクトの周囲の共鳴器の配置の一例を模式的に示す断面図である。図４は、実施形態１の共鳴器を模式的に示す断面図である。図５は、図４の共鳴器を吸気ダクトの外表面に沿った断面でみた断面図である。図６は、実施形態１の吸気ダクトが低減する特定の周波数成分特定の周波数成分を説明する説明図である。図７は、実施形態２の吸気ダクトにおける補強リブを表す正面図である。図８は、図７のＡ−Ａ断面を示す部分断面図である。図９は、実施形態３の吸気ダクトにおける共鳴器を模式的に示す断面図である。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含まれる。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る吸気ダクトを有するガスタービンを表す概略構成図である。ガスタービンは、図１に示すように、圧縮機１１と燃焼器１２とタービン１３とを含む。このガスタービンには、図示しない発電機が連結されており、発電可能となっている。

圧縮機１１は、空気を取り込む吸気ダクト２０を有し、圧縮機車室２１内に入口案内翼（ＩＧＶ）２２が配設されると共に、複数の静翼２３と動翼２４が前後方向（後述するロータ３２の軸方向）に交互に配設されており、その外側に抽気室２５が設けられている。燃焼器１２は、圧縮機１１で圧縮された圧縮空気に対して燃料を供給し、点火することで燃焼可能となっている。タービン１３は、タービン車室２６内に複数の静翼２７と動翼２８が前後方向（後述するロータ３２の軸方向）に交互に配設されている。このタービン車室２６の下流側には、排気車室２９を介して排気室３０が配設されており、排気室３０は、タービン１３に連続する排気ディフューザ３１を有している。

また、圧縮機１１、燃焼器１２、タービン１３、排気室３０の中心部を貫通するようにロータ（主軸）３２が位置している。ロータ３２は、圧縮機１１側の端部が軸受部３３により回転自在に支持される一方、排気室３０側の端部が軸受部３４により回転自在に支持されている。そして、このロータ３２は、圧縮機１１にて、各動翼２４が装着されたロータディスク３５が複数重ねられて固定され、タービン１３にて、各動翼２８が装着されたロータディスク３６が複数重ねられて固定されており、排気室３０側の端部に図示しない発電機の駆動軸が連結されている。

そして、このガスタービンは、圧縮機１１の圧縮機車室２１が脚部３７に支持され、タービン１３のタービン車室２６が脚部３８により支持され、排気室３０が脚部３９により支持されている。

従って、圧縮機１１の吸気ダクト２０から取り込まれた空気が、入口案内翼２２、複数の静翼２３と動翼２４を通過して圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となる。燃焼器１２にて、この圧縮空気に対して所定の燃料が供給され、燃焼される。そして、この燃焼器１２で生成された高温・高圧の燃焼ガスが、タービン１３を構成する複数の静翼２７と動翼２８を通過することでロータ３２を駆動回転し、このロータ３２に連結された図示しない発電機を駆動する。一方、排気ガス（燃焼ガス）のエネルギは、排気室３０の排気ディフューザ３１により圧力に変換され減速されてから大気に放出される。

図２は、実施形態１の吸気ダクトを模式的に示す断面図である。図２に示すように、実施形態１に係る吸気ダクト２０は、吸気ダクト本体４１と、吸気口４２と、共鳴器５０とを含む。吸気ダクト本体４１は、所定長さを有し、所定形状に屈曲された形状をなし、一端部に吸気口４２が形成される一方、他端部が圧縮機車室２１（図１参照）に連通されている。吸気ダクト２０は、吸気口４２から空気流路Ａｉｎに沿って、空気を取り込むことができる。

上述したように、図１に示す圧縮機車室２１において、複数の静翼２３と動翼２４が前後方向に交互に配設されている。そして、図２に示すように、吸気ダクト２０の内部では、ガスタービンの圧縮機１１の動翼２４の回転によって発生する特定の周波数成分特定の周波数成分の音Ｕ２が生じている。この特定の周波数成分特定の周波数成分の音Ｕ２は、ガスタービンの圧縮機１１の回転によって発生する基本周波数と倍音が主成分となる。そして、ガスタービンの場合には、回転数がほぼ一定の運転とされることが多く、特定の周波数成分特定の周波数成分の基本周波数ｆ_ｑは、回転数をＮ（ｒｐｍ）、羽の数をＺとする場合、下記式（１）によって決定される。

例えば、上記式（１）により、特定の周波数成分の基本周波数ｆ_ｑは、Ｎ＝３６００ｒｐｍ、Ｚ＝３６枚である場合、２１６０Ｈｚとなる。なお、このような特定の周波数成分の基本周波数ｆ_ｑの音は、ＮＺ音と称することもある。

この特定の周波数成分特定の周波数成分の音Ｕ２は、吸気ダクト２０の吸気口４２から音Ｕ１として放出される。また、この特定の周波数成分特定の周波数成分の音Ｕ２は、吸気ダクト本体４１の壁自体に伝播して、吸気ダクト本体４１の壁が振動して外部に放出される特定周波数の固体伝播を生じさせることがある。実施形態１に係る吸気ダクト２０の共鳴器５０は、吸気ダクト２０の吸気口４２から放出される特定の周波数成分特定の周波数成分の音Ｕ１を低減できる。また、実施形態１に係る吸気ダクト２０の共鳴器５０は、吸気ダクト本体４１の壁が振動して外部に放出される特定周波数の固体伝播を低減できる。次に、図２から図６を参照して、実施形態１の共鳴器５０について説明する。

図３は、図２の吸気ダクトを垂直方向と直交する平面でみたときに、吸気ダクトの周囲の共鳴器の配置の一例を模式的に示す断面図である。図４は、実施形態１の共鳴器を模式的に示す断面図である。図５は、図４の共鳴器を吸気ダクトの外表面に沿った断面でみた断面図である。図６は、実施形態１の吸気ダクトが低減する特定の周波数成分を説明する説明図である。

共鳴器５０は、吸気ダクト本体４１の外表面に複数設けられている。共鳴器５０は、１つでも音Ｕ１または音Ｕ２を低減することができるが、共鳴器５０を配設する数を増やすことで、音Ｕ１または音Ｕ２を低減する効果を高めることができる。共鳴器５０は、吸気ダクト本体４１の外表面に設けられていれば、配設する位置は問わない。例えば、図２に示すように、共鳴器５０は、吸気ダクト本体４１の一面の壁の外表面に上下方向に配設してもよい。また、図３に示すように、共鳴器５０は、吸気ダクト本体４１の周囲の壁に渡って、周方向の外表面に複数配設してもよい。

共鳴器５０は、吸気ダクト本体４１の外表面に複数設けられている場合、一部の共鳴器５０のみが共鳴する場合もある。このように、一部の共鳴器５０が共鳴する場合、実施形態１に係る吸気ダクト２０は、共鳴した共鳴器５０周辺の吸気ダクト本体４１の壁を補強することで、より吸気ダクト本体４１の壁の振動を抑制することができる。

共鳴器５０は、吸気ダクト本体４１に開けた開口４３と、開口４３を介して空気流路Ａｉｎと連通する共鳴室５３とを備え、特定の周波数成分の基本周波数ｆ_ｑ、例えば上記２１６０Ｈｚの音Ｕ２に対して共鳴する、いわゆる音響箱となっている。共鳴室５３は、吸気ダクト本体４１の外表面に設けられた側面部５１と、側面部５１を覆うと共に閉鎖端である蓋部５２と、吸気ダクト本体４１とで囲まれている。側面部５１は、吸気ダクト本体４１の外表面に溶接等による固定部５１ａで密閉固定されている。

吸気ダクト本体４１に開けた開口４３は、フローガイド６０で開口４３の空気流路Ａｉｎ側の一部が覆われていることが好ましい。フローガイド６０は、開口４３の周囲で吸気口４２に近い側の流れを吸気ダクト本体４１の中央方向へ導くために、吸気ダクト本体４１の内壁に対して傾斜した整流傾斜部６２と、整流傾斜部６２と連続して延在し、かつ開口４３を覆う整流板部６１とを含む。フローガイド６０は、開口４３を塞ぐ密閉部材ではない。

図５に示すように、側面部５１の外周の大きさは、吸気ダクト本体４１に開けられた開口４３の縁部４１ａの直径よりも大きい。この構造により、開口４３の縁部４１ａは、共鳴室５３に出入りする音響粒子の変動成分の絞りとなり、音響粒子の渦を生じさせ、流体力学的な抵抗として作用する。開口４３の形状は、例えば円形であるが、楕円、四角、長方形でもよく、形状は問わない。

図４に示すように、吸気ダクト本体４１の外表面から共鳴室５３の蓋部５２までの距離、あるいは蓋部５２と開口４３との距離をＬとした場合、共鳴器５０の共鳴振動周波数ｆは、下記式（２）となる。ここで、ｃは、音波の速さ（例えば、３４０ｍ／ｓ）である。

上述したように、特定の周波数成分特定の周波数成分の音Ｕ２は、式（１）で示す基本周波数ｆ_ｑを含む。式（１）の基本周波数ｆ_ｑを上述した式（２）に代入して、Ｌを求めると下記式（３）により、上記距離Ｌを求めることができる。

そして、式（３）を満たす距離Ｌを有する共鳴室５３の内部では、蓋部５２が閉鎖端であるので特定の周波数成分特定の周波数成分の音Ｕ２の定在波の節となり、開口端となる開口４３が特定の周波数成分特定の周波数成分の音Ｕ２の定在波の腹となる。つまり、距離Ｌが、特定の周波数成分特定の周波数成分の基本周波数ｆ_ｑの１／４波長である。その結果、共鳴器５０は、ガスタービンのＮＺ音とよばれる、特定の周波数成分特定の周波数成分の基本周波数ｆ_ｑで共鳴し、吸気ダクト本体４１内の特定の周波数成分特定の周波数成分の音Ｕ２のエネルギーが減少する。その結果、実施形態１に係る吸気ダクト２０の共鳴器５０は、吸気ダクト２０の吸気口４２から放出される特定の周波数成分特定の周波数成分の音Ｕ１を低減できる。

また、図６に示すように、吸気ダクト本体４１の壁が振動する周波数を横軸にとり、音圧Ｐを縦軸にとる場合、実施形態１の共鳴器５０を備えていない吸気ダクト２０であれば、特性曲線Ｐ１のように、吸気ダクト本体４１の壁が、上述した特定の周波数成分の基本周波数ｆ_ｑと同期して振動する。これに対して、実施形態１の共鳴器５０を備えている吸気ダクト２０であれば、特性曲線Ｐ２のように、吸気ダクト本体４１の壁が、上述した特定の周波数成分の基本周波数ｆ_ｑと同期して振動することを抑制する。その結果、実施形態１の共鳴器５０は、吸気ダクト本体４１の壁が振動して放出される特定周波数の固体伝播を低減できる。

上述したように、実施形態１に係る吸気ダクト２０は、吸気ダクト本体４１と、共鳴器５０とを含む。吸気ダクト本体４１は、ガスタービンの吸気側の空気流路Ａｉｎである。共鳴器５０は、吸気ダクト本体４１に開けた開口４３と開口４３を介して空気流路Ａｉｎと連通する共鳴室５３とを備える。そして共鳴器５０は、特定の周波数成分に対して共鳴する。

上記構造により、実施形態１に係る吸気ダクト２０の共鳴器５０は、吸気ダクト２０の吸気口４２から放出される特定の周波数成分特定の周波数成分の音Ｕ１を低減できる。また、実施形態１に係る吸気ダクト２０の共鳴器５０は、吸気ダクト本体４１の壁が振動して外部に放出される特定周波数の固体伝播を低減できる。

（実施形態２）
図７は、実施形態２の吸気ダクトにおける補強リブを表す正面図である。図８は、図７のＡ−Ａ断面を示す部分断面図である。以下の説明においては、上述した実施形態と同じ構成要素には同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図７に示すように、吸気ダクト本体４１の外表面上には、補強リブ４５及び補強リブ４６が縦横に配置されている。吸気ダクト本体４１は、例えば数十ｍの高さとなる場合もあり、吸気ダクト本体４１の壁面の剛性に加えて、補強リブ４５及び補強リブ４６を配置することで、吸気ダクト本体４１の剛性を高めている。補強リブ４５及び補強リブ４６は、吸気ダクト本体４１の外表面上に溶接などにより立設され、固定されている。

実施形態２の共鳴器５０Ａは、共鳴室５３が補強リブ４５、４５及び補強リブ４６、４６に囲まれ、区画されている。つまり、共鳴室５３の側面部は、吸気ダクト本体４１の外表面の補強リブ４５、４５及び補強リブ４６、４６で構成されている。開口４３は、共鳴室５３に区画された吸気ダクト本体４１に開けられている。また、蓋部５５は、吸気ダクト本体４１の外表面に設けられた側面部となる補強リブ４５、４５間及び補強リブ４６、４６と、補強リブ４５、４５間及び補強リブ４６、４６間を覆う。この蓋部５５は音響的には閉鎖端である。

また、補強リブ４５、４６の高さは、上述した式（３）を満たす距離Ｌとなっている。蓋部５５が閉鎖端であるので特定の周波数成分特定の周波数成分の音Ｕ２の定在波の節となり、開口端となる開口４３が特定の周波数成分特定の周波数成分の音Ｕ２の定在波の腹となる。つまり、補強リブ４５、４６の高さと同じ距離Ｌが、特定の周波数成分の基本周波数ｆ_ｑの１／４波長である。その結果、共鳴器５０Ａは、ガスタービンのＮＺ音とよばれる、特定の周波数成分の基本周波数ｆ_ｑで共鳴し、吸気ダクト本体４１内の特定の周波数成分特定の周波数成分の音Ｕ２のエネルギーが減少する。その結果、実施形態２に係る吸気ダクト２０の共鳴器５０Ａは、吸気ダクト２０の吸気口４２から放出される特定の周波数成分特定の周波数成分の音Ｕ１を低減できる。

また、共鳴室５３の側面部となる補強リブ４５、４５において、各辺の長さをＤとすると、長さＤは、上述した特定の周波数成分の基本周波数ｆ_ｑ及び音波の速さｃ（例えば、３４０ｍ／ｓ）から以下の関係を満たすことがより好ましい。

また、実施形態２の共鳴器５０Ａは、吸気ダクト本体４１の壁が振動して放出される特定周波数の固体伝播を低減できる。さらに、補強リブ４５、４５及び補強リブ４６、４６は、吸気ダクト本体４１の壁が振動すること自体を抑制することができる。

上述したように、実施形態２に係る吸気ダクト２０は、吸気ダクト本体４１と、共鳴器５０Ａとを含む。吸気ダクト本体４１は、ガスタービンの吸気側の空気流路Ａｉｎである。共鳴器５０Ａは、吸気ダクト本体４１に開けた開口４３と開口４３を介して空気流路Ａｉｎと連通する共鳴室５３とを備える。そして共鳴器５０Ａは、特定の周波数成分に対して共鳴する。

上記構造により、実施形態２に係る吸気ダクト２０の共鳴器５０Ａは、吸気ダクト２０の吸気口４２から放出される特定の周波数成分特定の周波数成分の音Ｕ１を低減できる。また、実施形態２に係る吸気ダクトの共鳴器５０Ａは、吸気ダクト本体４１の壁が振動して外部に放出される特定周波数の固体伝播を低減できる。さらに、補強リブ４５、４５及び補強リブ４６、４６は、吸気ダクト本体４１の壁の剛性を補強すると共に、吸気ダクト本体４１の壁が振動すること自体を抑制することができる。また、実施形態２に係る吸気ダクト２０は、補強リブ４５、４５及び補強リブ４６、４６を利用して、共鳴器５０Ａを吸気ダクト本体４１の壁に取り付けることができるので、容易に施工をすることができる。

（実施形態３）
図９は、実施形態３の吸気ダクトにおける共鳴器を模式的に示す断面図である。以下の説明においては、上述した実施形態と同じ構成要素には同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図９に示すように、実施形態３の共鳴器５０は、共鳴室５３内に吸音材６３を含む。吸音材６３は、例えばグラスウールまたはロックウールなどであり、共鳴室５３内に充填されている。飛散抑制部材６４は、吸音材６３が開口４３から空気流路Ａｉｎに飛散しないように開口４３に設けられており、共鳴室５３内外に空気を連通させるため網状であることが好ましい。例えば、飛散抑制部材６４は、金網である。実施形態３の共鳴器５０は、吸音材６３を共鳴室５３内に充填することに限られず、側面部５１の内壁または蓋部５２の内壁に沿って貼り付けてもよい。

実施形態３の共鳴器５０は、ガスタービンのＮＺ音とよばれる、特定の周波数成分特定の周波数成分の基本周波数ｆ_ｑで共鳴し、吸気ダクト本体４１内の特定の周波数成分特定の周波数成分の音Ｕ２のエネルギーが減少する。さらに吸音材６３は、共鳴室５３内の特定の周波数成分特定の周波数成分の音Ｕ２のエネルギーを低減することができる。

その結果、実施形態３に係る吸気ダクト２０の共鳴器５０は、吸気ダクト２０の吸気口４２から放出される特定の周波数成分特定の周波数成分の音Ｕ１を低減できる。また、実施形態３に係る吸気ダクト２０の共鳴器５０は、吸気ダクト本体４１の壁が振動して外部に放出される特定周波数の固体伝播を低減できる。

また、上述した各実施形態に係る吸気ダクトをガスタービンに適用して説明したが、ガスタービンに限らず、外気を取り込んで使用するものであれば、いずれの設備でも適用することが可能である。

１１圧縮機
１２燃焼器
１３タービン
２０吸気ダクト
２１圧縮機車室
２２入口案内翼
２３静翼
２４動翼
２６タービン車室
４１吸気ダクト本体
４１ａ縁部
４２吸気口
４３開口
４５補強リブ
４６補強リブ
５０、５０Ａ共鳴器
５１ａ固定部
５１側面部
５２、５５蓋部
５３共鳴室
６０フローガイド
６１整流板部
６２整流傾斜部
６３吸音材
６４飛散抑制部材
Ａｉｎ空気流路

Claims

ガスタービンの吸気側の空気流路となる吸気ダクト本体と、
前記吸気ダクト本体に開けた開口と、前記開口を介して前記空気流路と連通する共鳴室と、を備え、特定の周波数成分に対して共鳴する共鳴器と、
を含むことを特徴とする吸気ダクト。
前記共鳴室は、前記吸気ダクト本体の外表面に設けられた側面部と、前記側面部を覆うと共に閉鎖端である蓋部と、前記吸気ダクト本体とで囲まれ、前記蓋部と前記開口との距離が、特定の周波数成分の１／４波長であることを特徴とする請求項１に記載の吸気ダクト。
前記側面部が、前記吸気ダクト本体の外表面の補強リブであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の吸気ダクト。
前記共鳴器は、前記共鳴室内に吸音材を含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の吸気ダクト。