JP2001289442A - 燃焼器ライナ冷却シンブル及び関連の方法 - Google Patents
燃焼器ライナ冷却シンブル及び関連の方法Info
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Abstract
冷却。 【解決手段】 タービン用燃焼器は、燃焼器ライナと、
円周の周りに形成された複数列の冷却孔を備える、ライ
ナを取囲む第1のフロースリーブと、燃焼器ライナ及び
フロースリーブに接続され、高温燃焼ガスをタービン段
に運ぶようになっている遷移部品と、を含む。遷移部品
は、冷却空気を遷移部品に導く第2のフロースリーブに
取囲まれる。第1のフロースリーブの複数列のうちの1
つの列の冷却孔が遷移部品に隣接して位置し、さらに、
冷却導管が複数列のうちの少なくとも第1列の冷却孔に
取付けられ、クロスフロー冷却空気を衝突冷却空気の周
りに迂回させながら、衝突冷却空気をライナの表面に対
して導く。
Description
る燃焼器に関するものであり、具体的にはガスタービン
燃焼器における燃焼器ライナの冷却に関する。
頼性があり高効率のタービンの運転を達成するために多
くの燃焼器組立体を用いる。各燃焼器組立体は、円筒形
のライナ、燃料噴射装置、及び高温ガスの流れを燃焼器
からタービンの入口まで導く遷移部品を備えている。一
般的に、圧縮機の排出空気の一部が燃焼器ライナを冷却
するのに用いられ、次いで燃焼器反応区域内に導かれて
燃料と混合され燃焼される。
では、中空のスリーブが遷移部品を取囲んでおり、スリ
ーブ壁には多数の孔があけられており、圧縮機の排出空
気がスリーブ壁の冷却開口を通って流れ遷移部品に衝突
(そして冷却)する。この冷却空気は、次に遷移部品を
取囲むスリーブと遷移部品自体との間の環状空間に沿っ
て流れる。このいわゆる「クロスフロー」は最終的に
は、燃焼器ライナとそれを取囲むフロースリーブの間に
ある他の環状空間へと流入する。また、フロースリーブ
はその円周の周りに数列の冷却孔を備えて形成されてお
り、その第1列はフロースリーブが遷移部品の外側スリ
ーブと結合している取付けフランジに隣接して位置して
いる。クロスフローは、フロースリーブの孔を貫通して
燃焼器ライナ表面に向かって流れる衝突冷却空気に対し
て垂直である。
ブ中の第1列の噴流が燃焼器ライナを衝突冷却すること
が予期される位置に近い区域において、冷却効果に直接
的影響を持つ。
ースリーブ噴流に衝突しそれらを曲げ、それらがライナ
を衝突冷却する能力を低下させる。ある従来のフロース
リーブの衝突冷却噴流の設計では、フロースリーブの円
周の周りに等間隔の24個の噴流からなる3つの列があ
る。遷移部品衝突冷却スリーブからの強力なクロスフロ
ーの存在のもとでのこの噴流のパターンでは、噴流の第
1列付近のライナ表面上で非常に低い伝熱率を生じる。
この低い伝熱率により、ライナ表面が高温度になり最終
的には強度の喪失へとつながる可能性がある。ライナの
高温による幾つかの潜在的な故障の様式には、それに限
定されないが、後部スリーブ溶接線の割れ、膨出、トラ
イアンギュレーションなどが含まれる。これらのメカニ
ズムがライナの寿命を縮め早期の部品交換を必要とす
る。
ナの後部の冷却に噴流衝突冷却が用いられる乾式低NO
x型ガスタービン燃焼器におけるライナの冷却を向上さ
せる。
生じる強力なクロスフローが存在するにも拘らず、燃焼
器ライナのフロースリーブの冷却孔に挿入され、それを
通って冷却噴流が流れる、シンブルとも呼ばれるカラー
或いは冷却導管を使用することによって、クロスフロー
の望ましくない影響が最小化される。これらのシンブル
はクロスフローに対して物理的な遮蔽を施しクロスフロ
ーを望ましい流路に強制的に流し、同時に冷却噴流が冷
却されるべき燃焼器ライナ表面を効果的に衝突冷却する
ことを保証する。
移部品が結合される取付けフランジに隣接する、フロー
スリーブの後端の少なくとも第1列の孔の各孔に取付ら
れるのが好ましい。この配置によって噴流オリフィスと
衝突冷却表面との間隙を減少させ、噴流を偏向させるク
ロスフローを遮蔽し、噴流を以後の噴流の列のために好
ましい流れの通路に強制的に流し、噴流の直径が小さく
なることを可能にしこれによって冷却空気を減少させ、
噴流の衝突冷却位置の一貫した正確な制御をもたらす。
それはまた、噴流の第1列の望ましからぬ軸方向の振動
を安定させ、噴流の第1列の上流に厚い境界層が形成さ
れる(及び、それにより伝熱の低下する)のを防止す
る。
は、燃焼器ライナと、円周の周りに形成された複数列の
冷却孔を備える、ライナを取囲む第1のフロースリーブ
と、燃焼器ライナ及びフロースリーブに接続され、高温
燃焼ガスをタービン段に運ぶようになっている、第2の
フロースリーブに取囲まれた遷移部品と、を含み、第1
のフロースリーブの複数列のうちの第1列の冷却孔が遷
移部品に隣接して位置し、さらに、1つあるいはそれ以
上の冷却導管が複数列のうちの少なくとも第1列の冷却
孔に取付けられているタービン用燃焼器に関する。
ナを取囲む関係に取付けられた燃焼器ライナフロースリ
ーブであって、複数列のうちの1列がフロースリーブの
一端に隣接して位置する複数列の冷却孔を形成された管
状本体と、フロースリーブ中に半径方向に突出する、少
なくとも第1列の孔の各孔に取付けられた冷却導管と、
を含む燃焼器ライナフロースリーブに関する。
実質的に同心の関係でフロースリーブに取囲まれてその
間に環状空間を形成している、実質的に円形の断面をし
た、ガスタービン燃焼器の燃焼器ライナを冷却する方法
であって、(a)各列がフロースリーブの円周方向に延
在し、複数列の第1列がフロースリーブの前方または下
流端に隣接する、複数の軸方向に間隔を置いた列の冷却
孔をフロースリーブに設ける段階と、(b)ライナに向
かって半径方向に延びるがライナに係合しない複数の冷
却導管を、前記複数列のうちの少なくとも第1列の冷却
孔内に位置づける段階と、(c)冷却導管が冷却空気を
ライナに向って導くように、冷却空気を冷却孔に供給す
る段階と、を含む方法に関する。
なガスタービンは、図中燃焼器ライナ12として示され
る上流の燃焼器からの高温燃焼ガスを14で示されるタ
ービンの第1段に通す、遷移部品10を備えている。ガ
スタービン圧縮機からの流れは、軸方向ディフューザ1
6を出て圧縮機排出ケース18に入る。圧縮機排出空気
の約50%が遷移部品衝突冷却スリーブ22に沿ってそ
の周りに形成された開口20を通って流れ遷移部品10
と半径方向外側の遷移部品衝突冷却スリーブ22の間の
環状領域即ち環状空間24中を流れる。圧縮機排出空気
流の残りの約50%は、フロースリーブ孔34へ流れ込
み環状空間30で遷移部品からの空気と混合し、最終的
には燃焼器内でガスタービン燃料と混合する。
10の衝突冷却スリーブ22は、燃焼器フロースリーブ
28の後端の取付けフランジ26に伸縮自在の関係で受
入れられ、また遷移部品10もまた燃焼器ライナ12に
伸縮自在の関係で受入れられる。燃焼器フロースリーブ
28は、燃焼器ライナ12を取囲んでその間に流れ環状
空間30を形成している。図2の流れの矢印32から理
解できるように、環状空間24内を流れるクロスフロー
冷却空気は引き続いて、フロースリーブ28の円周の周
りに形成されている冷却孔34(図2には3列示してあ
るが、フロースリーブにはそのような孔が何列有っても
よい)を通って流れる衝突冷却空気(流れの矢印35参
照)に対して直角に環状空間30内へ流れ込む。
フランジ26に最も近い列の孔)を通る衝突冷却流は、
特に環状空間24からのクロスフローによって破壊され
る。この望ましくない影響は図3に見ることができる。
図3に示す試験的な衝突冷却スリーブ/燃焼器ライナ構
成は、図2の配置とは多少異なるが、理解の便宜のため
に同様の参照番号が用いられている。クロスフローは孔
34から出てくる第1列の冷却噴流に衝突し、それらを
曲げ、ライナ12を衝突冷却するそれらの能力を低下さ
せる。クロスフローと噴流との相対的な強さによって
は、噴流は燃焼器ライナ12の表面に到達することさえ
できない可能性もある。衝突冷却噴流は高速なので、噴
流の後側でフロースリーブの入口孔付近に低静圧特性の
区域が生じる。クロスフローは低圧区域に向かって加速
されフロースリーブ/ライナ環状空間30を横切る速度
勾配を生じる。その結果生じるライナ表面近くの低速か
つ厚い境界層は伝熱効果が非常に低い。
ない影響を解消するために、図4に示すような冷却シン
ブル36が用いられる。これらのシンブルは、円形断面
の管38とその先端に溶接した平坦リングまたはフラン
ジ40を含むことができる。シンブル36の寸法形状
は、ライナ/フロースリーブ間隙、この寸法形状の公
差、噴流とクロスフローの運動量、シンブルの幾何学的
構造の制約、及び特定の冷却要求条件によって定まる。
1つのシンブル36が、フロースリーブ孔34の第1列の
各々に挿入され、リングまたはフランジ40でフロース
リーブ28の外側面に溶接される。20個のシンブル
が、取付けフランジ26に隣接する少なくとも第1列
の、フロースリーブ28の円周の周りの同数の孔34に
取付けられるが、それらは第2列及び/又は第3列にも
同様に付加えることができる。ある例示的な実施形態に
おける冷却すべき臨界位置はフロースリーブの対向端か
ら約30インチであると求められた(図示せず)。
が、他の断面形状も使用でき、例えば方形、三角形、エ
ーロフォイル形、半円形などである。開放チャネル形状
もまた使用できる。
れたライナ/フロースリーブ環状空間における流れ領域
を明らかにする断面図である。この図を図3と対比する
と、フロースリーブのシンブルを使用することによって
第1列の噴流を強化することの有利性を明確にすること
できる。ライナ12の衝突冷却が孔34の第1列で強化
されていること、及び少なくとも衝突冷却孔34からの
冷却噴流がライナ12の表面に達することができる程度
にクロスフローが遮られていることは特に明白である。
事実、シンブルは、フロースリーブ対向端から29.2
インチの第1列の噴流中心線において、ライナの伝熱係
数を150BTU/HR/ft2/F増加させることが
立証されている。
流にクロスフローが存在するようなところでの、衝突冷
却が適用される如何なる場合にも用いることができる。
形態と考えられるものとの関連において説明してきた
が、本発明は開示された実施形態に限定されるべきでは
なく、反対に、請求項の技術思想及び技術的範囲に含ま
れる種々の変更及び同等配置を保護せんとするものであ
ることを理解されたい。
面側面図。
ースリーブの詳細部分斜視図。
れの線図。
流れの線図。
Claims (9)
- 【請求項1】 燃焼器ライナ(12)と、 円周の周りに形成された複数列の冷却孔(34)を備え
る、前記ライナを取囲む第1のフロースリーブ(28)
と、 前記燃焼器ライナ(12)及び前記フロースリーブ(2
8)に接続され、高温燃焼ガスをタービン段(14)に
運ぶようになっている、第2のフロースリーブ(22)
に取囲まれた、遷移部品(10)と、を含み、 前記第1のフロースリーブの前記複数列のうちの第1列
の冷却孔(34)が前記遷移部品に隣接して位置し、さ
らに、1つあるいはそれ以上の冷却導管(36)が前記
複数列のうちの少なくとも前記第1列の冷却孔(34)
に取付けられている、ことを特徴とするタービン用燃焼
器。 - 【請求項2】 前記冷却導管の各々が、一端に半径方向
フランジ(40)を備える管(38)を含むことを特徴と
する請求項1に記載の燃焼器。 - 【請求項3】 前記冷却導管の各々が、前記管の反対側
端が前記ライナから予め定められた空間を置いて、前記
フロースリーブに溶接されていることを特徴とする請求
項2に記載の燃焼器。 - 【請求項4】 前記複数の冷却導管(36)のうちの1
つが、断面が円形であることを特徴とする請求項2に記
載の燃焼器。 - 【請求項5】 燃焼器ライナを囲む関係に取付けられた
燃焼器ライナフロースリーブであって、複数列のうちの
1列がフロースリーブの一端に隣接して位置する複数列
の冷却孔(34)を形成された管状本体(28)と、フ
ロースリーブ中に半径方向に突出する、少なくとも前記
第1列の孔の各孔に取付けられた冷却導管(36)と、
を含むことを特徴とする燃焼器ライナフロースリーブ。 - 【請求項6】 前記冷却導管の各々が、一端に半径方向
フランジ(40)を備える管(38)を含むことを特徴
とする請求項5に記載の燃焼器ライナフロースリーブ。 - 【請求項7】 実質的に同心の関係でフロースリーブ
(28)に取囲まれてその間に環状空間(30)を形成
している、実質的に円形の断面をした、ガスタービン燃
焼器の燃焼器ライナ(12)を冷却する方法であって、 (a)各列が前記フロースリーブの円周方向に延在し、
複数列の第1列が前記フロースリーブの前方または下流
端に隣接する、複数の軸方向に間隔を置いた列の冷却孔
(34)を前記フロースリーブに設ける段階と、 (b)前記ライナに向かって半径方向に延びるが前記ラ
イナに係合しない複数の冷却導管(36)を、前記複数
列のうちの少なくとも前記第1列の前記冷却孔(34)
内に位置づける段階と、 (c)前記冷却導管(36)が冷却空気を前記ライナ
(12)に向って導くように、前記冷却空気を前記冷却
孔(34)に供給する段階と、を含むことを特徴とする
方法。 - 【請求項8】 前記冷却導管の各々が、一端に半径方向
フランジを備える管を含むことを特徴とする請求項7に
記載の方法。 - 【請求項9】 前記管(38)が円形断面を持つことを
特徴とする請求項8に記載の方法。
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