JP2004108768A

JP2004108768A - ガスタービンの燃焼器

Info

Publication number: JP2004108768A
Application number: JP2003322626A
Authority: JP
Inventors: Peter Tiemann; ペーター　ティーマン
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-09-17
Filing date: 2003-09-16
Publication date: 2004-04-08
Also published as: US6957538B2; EP1400751A1; CN1493817A; US20040231333A1

Abstract

【課題】燃焼器（１）の入口開口（２）に配置できる可燃混合気を供給および点火するための少なくとも１つの密閉冷却形バーナ装置（３）と出口開口（４）とを備えたガスタービン（２４）の燃焼器（１）において、その製造および組立の簡単化を図る。
【解決手段】高温ガスを受ける少なくとも１つの部品特に燃焼器（１）の内側壁（６）の部品（５）が、その高温ガスを受ける側（５５）と反対側の外側面に、その上に配置された平面的な形状要素（８）と共に少なくとも１つの通路（９）を形成し、この通路（９）が流体的に、流入側が冷却材源に接続され、排出側がバーナ装置（３）の通路系に接続されている。
【選択図】図１

Description

　本発明は、燃焼器の入口開口に配置され、可燃混合気を供給および点火するための少なくとも１つの密閉冷却形バーナ装置と、出口開口とを備えたガスタービンの燃焼器に関する。本発明は又、そのような燃焼器に配置するためのバーナ装置並びにそのような燃焼器を備えたガスタービンに関する。

　ガスタービンは、航空機の推進用の他に、特にエネルギ発生用に広く利用されている。その場合、燃焼器において点火性混合気が点火され、発熱反応で発生したエネルギは膨張および／又は圧力上昇を生ずる。この燃焼ガスは、そのエネルギを機械エネルギ、特に回転エネルギに変換すべく、後置接続されたタービンの流路に導入される。かくして得られた機械回転エネルギは、例えば電流を発生し、又は船舶を駆動するために利用される。

　ガスタービンの燃焼器の構造的な観点から、基本的に２つの異なった様式が知られている。一方では、燃焼器は環状に形成され、少なくとも１つ、通常は複数のバーナによって点火された混合気が、環状燃焼器の中に導かれ、この環状燃焼器内に一様に分布され、ロータ軸の周囲に、半径方向に配置された静翼と動翼で形成されたタービンの流路に向けて環状の流れで導かれる。他方では、複数の個別燃焼器、所謂かん（Can）を有する燃焼器装置が知られている。

　かかるタービンでは、極端な物理的条件を考慮しつつ大きな出力を得るため、通常燃焼器とバーナ装置を冷却する。そのため、通常既存の冷却材槽から冷却材が取り出され、該冷却材は、同時に可燃混合気の成分ともなっている。冷却材として、特に燃焼器への導入前に圧縮した空気が利用される。該空気は同時に冷却材として使われる。冷却空気の分岐によりガスタービンの効率を顕著に害することがないよう、燃焼器の冷却機能を果たした後の空気を再び供給する密閉冷却方式が益々採用されている。かくして、一方では空気の損失を避け、他方では冷却空気が吸収した熱エネルギを再びプロセスに戻す。

　しかし従来の密閉冷却方式は構造的に非常に高価であり、組立が煩雑な欠点がある。

　本発明の課題は、製造と組立が簡単な密閉冷却形燃焼器を提供することにある。

　この課題は、燃焼器の入口開口に配置され、可燃混合気を供給および点火するための少なくとも１つの密閉冷却形バーナ装置と、出口開口とを備えたガスタービンの燃焼器において、本発明に基づいて、バーナ装置が入口開口の範囲に固定できる少なくとも１つの平面的な基板により固定され、該基板が燃焼器の内側壁の部分を兼ね、基板の外側に向いた側が、その上に配置された平面的な形状要素と共に少なくとも１つの通路を形成し、この通路が流体的に、流入側が冷却材源、排出側がバーナ装置の通路系に各々接続されることで解決される。

　本発明は、高温ガスを受ける部品の冷却によってその部品の負荷容量が増大し、その老化を防止できるという知見に基づく。これは、例えば点検間隔を延長し、或いはタービンの総合効率が高まるため、点検費および運転費に良好な影響を与える。従って本発明によって、燃焼器壁の構造部品を兼ね、冷却通路の構造部品を形成し、この結果良好な冷却作用が生ずる部品が初めて提供される。この結果、形状要素と共に冷却通路が形成され、その形態に伴って、要求に一層適った冷却作用が得られる。その結果、通路の形態に基づき、例えば部品の熱的に大きく負荷される範囲の冷却作用が高まり、僅かしか負荷されない範囲での冷却作用は低下する。更に、部品の十分に一様な負荷が達成され、この結果、部品の内部応力が減少する。全体として、その部品は大きく負荷できる。本発明の方式は、かん形燃焼器にも環状燃焼器にも採用できる。

　又本発明は、高温ガスを受ける部品の外側面に保持要素を配置することを提案する。形状要素は、保持要素を経て高温ガスを受ける部品に結合するとよい。かくして、保持要素が例えば形状要素を部品に摩擦結合で接続し、その際、支持部が部品面に沿って移動可能な可動的支持を形成する。保持要素を部品に固定すると有利であるが、別の機械部品に固定してもよい。保持要素はクランプやリンク等で形成される。又保持要素は、形状要素を部品に複数の異なった個所で固定するのを可能にする複数の保持腕を備えてもよい。

　本発明は更に、保持要素を少なくとも１つの取付け要素で、基板中央に固定することを提案する。この結果、荷重に伴う部品の幾何学的形状変化の保持要素への影響と、部品と保持要素の相対位置の変化を防げる。従って、保持要素を中央で部品に固定するとよい。この結果、保持要素と部品の相対位置が荷重に左右されない。取付け要素は、例えば部品のねじ孔に挿入したボルトで形成する。しかし、リベットやクランプ等の他の取付け手段も利用できる。この結果、組立費が安価になる。又複数の取付け要素も利用できる。

　又、保持要素がその終端部に支え部を有するとよい。保持要素は部品に固定するための取付け部と、この取付け部と間隔を隔てた形状要素と部品との固定部とを備える。保持要素はそのため、例えば中央に部品との取付け部および両端に支え部を備えた棒状要素として形成される。前記支え部は、形状要素および／又は部品の幾何学的長さの変化を妨げないように形成する。しかし保持要素はＸ状或いは星状の構造物にしてもよく、その際取付け要素に対し中央孔を利用する。保持腕は同じか異なる長さにできる。保持腕は相互に同じ又は異なる角度を成して配置できる。

　本発明の他の実施態様では、形状要素を少なくとも１つの覆い要素で覆う。かくして、形状要素を周囲の作用から保護する。例えば覆い要素を板状体として形成する。更に、覆い要素は形状要素と共に、例えば第１通路と連結したもう１つの通路を形成する。

　本発明の有利な実施態様の枠内で、高温ガスを受ける部品は、入口開口の範囲に配置され、燃焼器の内側壁の一部を兼ねる平面的な基板であり、該基板にてバーナ装置を固定する。この結果、密閉冷却方式を実施するためにバーナ装置の範囲で流れを分離するのに必要なもう１つの壁を節約できる。この結果、製造費が減少する。更に組立費と点検費も減る。密閉冷却系に必要な第２の壁は、同時にバーナ装置と組み合わせて基板により形成できる。通路を貫流する冷却空気を燃焼器に再び導入し、その際、冷却空気が吸収したエネルギを再びプロセスに戻す。基板は、例えば鋳造品として形成できる。その他に、基板はセラミックス等の別の材料でも形成できる。基板は燃焼器の一部にでき、自己支持形壁要素として形成される。

　又、高温ガスを受ける部品が、入口開口の範囲に配置され、燃焼器の内側壁の一部を兼ねる平面的な基板であり、該基板によりバーナ装置が固定されると好ましい。正に入口開口の範囲で、大幅な構造的な単純化と、組立および／又は分解の容易化が達成される。例えば基板は、両側縁に各々凹所を備えたＸ状構造物にできる。その基板は、バーナ装置の半分を包囲し、従って互いに隣接する２つの基板が、バーナ装置を全周にわたって包囲する。この結果、構成要素の種類が減少し、同時に大きな負荷容量が得られる。

　基板が、バーナ装置を受けるための横側凹所を有するとよい。該凹所はバーナ装置を受容し、この結果、組立が単純になる。更に又、例えば凹所が、冷却空気をバーナ装置に導入する通路に接続された開口を有することで、バーナ装置の通路系への通路の接続が可能になる。又、バーナ装置をタービンの外側範囲から燃焼器の中に挿入できる。

　更に、基板が入口開口に取り付けるべく、少なくとも１つの取付けフランジを備えるとよい。基板をボルト、リベット等の公知の取付け手段で入口開口に固定すると望ましい。そのフランジによって、それに対応して形成された入口開口における対向面と共に、大きく負荷できるシール機能が生ずる。必要に応じ、簡単に中間層が設けられ、この層で、シール作用の増大および／又は残留応力並びにシール面の非平坦性の補償が達成できる。又フランジとして形成することで、大きな機械的負荷容量が得られる。

　更に、取付けフランジと入口開口の取付け部との間にシール要素を配置するとよい。この結果、被接続表面の非平坦性を補償できる。又、特に運転中に、例えば被接続範囲の幾何学的位置と広がりが異なる変化を示した際、シール要素がその変化を補償する。

　又、シール要素を環状に形成するとよい。そうすれば単一部品として扱え、組立費を減らせる。

　本発明の他の実施態様では、互いに隣接して配置された２つの基板の凹所が、バーナ装置を包囲する１つの開口を形成する。この結果、バーナ装置を分割することなしに、基板を個々に分解できる。特に、環状燃焼器への配置にあたり、単純な組立を達成できる。

　本発明の他の実施態様では、基板とバーナ装置との間に連結スリーブを配置する。かくして、連結スリーブにより確実なシール作用を得、その際に同時に、密封すべき表面の公差を補償できる。

　又、連結スリーブを軸方向に延びる２つの半殻体から形成するとよい。かくして、連結スリーブをバーナ装置に、出口側端がスリーブの内径から突出するように配置できる。

　又、連結スリーブが少なくとも１つの半径方向孔を有し、この孔の一端が通路に接続され、他端が連結スリーブの内周面に設けた周溝に開口するとよい。かくして、損失を回避すべく、通路を貫流する冷却媒体を孔と周溝を経て再び混合気に導入できる。

　更に、連結スリーブが少なくとも１つの半径方向孔を有し、該孔の一端が形状要素と覆い要素で形成された通路に接続され、他端が連結スリーブの内周面に設けられた周溝に開口しているとよい。これに伴い、バーナ装置の冷却が連結スリーブを経て強化される。又バーナ装置の冷却作用を必要に合わせて調整する可能性が生ずる。かくして、バーナ装置と基板との熱絶縁が向上する。

　冷却流体を冷却通路の貫流後に再びプロセスに導入すべく、周溝を流体的にバーナ装置の通路系に接続するとよい。即ち冷却流体で吸収したエネルギを、再びプロセスに導入でき、タービンの効率が向上する。更に、他の望ましくない個所、例えばタービン車室でのエネルギ損失を防止できる。

　本発明の他の実施態様では、互いに隣接して配置した基板の相互に隣接する側縁間にシール要素を配置し、該要素を連結スリーブで固定する。この結果、荷重に依存した基板の幾何学的変化を、密封性に著しい影響を及ぼすことなく補償できる。大形燃焼器の相互に隣接する基板間のシール作用を改善するために、基板の互いに隣接する端面に、各々シール要素を挿入する溝を設ける。正に大形の燃焼器において、多数の基板を利用する際、良好なシール作用が生ずる。

　本発明によれば又、燃焼器の外側壁に結合された第１範囲と、この第１範囲に分離可能に結合された燃焼器に向けられた第２範囲とを備え、上述の燃焼器の入口開口に配置されるバーナ装置において、前記第２範囲は基板を経て燃焼器の入口開口に連結される。この結果、バーナ装置の第２範囲は、燃焼器を手間をかけて分解する必要なしに、燃焼器の内部に向けて分解できる利点がある。又、この結果点検費も減らせる。

　更に、本発明によれば、ロータに配置された動翼と、不動の静翼とから成り流路を形成する翼装置を備えたガスタービンにおいて、ガス流の流れ方向に見て翼装置の前に、上述の本発明に基づく燃焼器が配置される。この結果、コストと点検費を減らせる。

　更に、タービンの燃焼器に、上記バーナ装置を配置するとよい。この結果、バーナ装置の大きく負荷される範囲に、それが摩耗限界或いは最大運転寿命に達したとき、例えば交換を伴う保守のために簡単に接近することができる。バーナ装置全体の交換が回避でき、補充品コストを節約できる。

　以下の実施例の説明から本発明の他の詳細と利点を明瞭にする。なお各図において同一部分には同一符号を付している。同じ特徴と機能については図１の説明を参照されたい。

　図１は、入口開口２に配置され、可燃混合気を供給および点火するための密閉冷却形バーナ装置３と出口開口４とを備えたガスタービン２４の燃焼器１を示す。バーナ装置３は入口開口２の範囲に固定した平面形の基板５で固定できる。基板５の側面５５は燃焼器１の内側壁６の一部を兼ねている。基板５の外側面７は、その上に配置された平面形の形状要素８と共に２つの通路９を形成している。該通路９は、流体的に流入側が冷却材源（図示せず）に、排出側がバーナ装置３の通路系に各々接続されている（図３参照）。

　ここで形状要素８は板状部品として形成され、衝突冷却板とも呼ばれる。この冷却板８は基板５に形成された凹所３４と共に閉鎖通路９を形成する。そのため、衝突冷却板８の縁部が基板５に溶接されている。又、基板５はノズル３２を有し、これは管３５に結合でき、管はめ合い３６を形成している。或いは又、構造的な観点から意味があるなら、複数のノズル３２を設けてもよく、それらノズル３２は基板５に対し着脱できる。

　更に、衝突冷却板８の上側に覆い板１６がある。この板１６は衝突冷却板８と共に通路４４を形成する。そのため、覆い板１６も同様にその側面が基板５に溶接されている。ノズル３２の内部室は通路３７を経て通路４４に、そして通路自体は通路９に接続されている。通路９は開口３８を経てバーナ装置３の通路系（図示せず）に接続されている。

　図２は、この実施例において環状燃焼器用に設計された本発明に基づく基板５を概略的に斜視図で示す。基板５は互いに平行に延びる両側の長手側縁３９、４０を有し、その各側縁３９、４０の中央に凹所１０を備え、この結果、ほぼＸ状構造物を形成している。長手方向に沿い、横側縁４２、４３にフランジ１１、４１が設けられている。基板５はそのフランジ１１、４１を経て燃焼器１の入口開口２に結合される。横側縁４２、４３並びにフランジ１１、４１は、複数の基板５が環状燃焼器１に互いに並べて配置できるように、曲率を有している。かくして、互いに隣接する２つの基板５の凹所１０は、バーナ装置３を収容するための１つの開口１２を形成する。

　図４は、基板５の両側凹所１０の高さにおける断面を示す。そこで有用な横断面積を確保するため、通路９、４４の壁はそれに応じて高く形成されている。この図からも分かる如く、通路９は開口３８を経て外側に連通している。形状要素８を経てもう１つの通路４４が形成され、該通路４４の、衝突冷却板８の上側に覆い板１６が設けられている。

　基板５の中心にねじ孔４５がある。孔４７付きの平縁状保持要素１４がボルト４６によりねじ孔４５にねじ結合されている。図５は、基板５からバーナ装置３に向けての冷却材の流出範囲を拡大して示す。この実施例では、基板５は鋳造品として形成されている。

　図６は、基板５の組立方式を概略的に分解斜視図で示す。フランジ１１、４１に、ねじ４９をはめ込む孔５０が設けられている。基板５はねじ４９によって入口開口２に固定できる。フランジ１１、４１と入口開口２の対向面との間に各々シール要素５１が設けられている。長手側縁３９、４０に各々、凹所１０から横側縁４２、４３迄延びる溝５２が設けられ、これらの溝５２にシール要素４８がはめ込まれている。

　互いに隣接する基板５の凹所１０で形成された円形開口１２の中に、２つの半殻体で形成された連結スリーブ１７が各々はめ込まれている。この連結スリーブ１７は、その内周面にある周溝２０に接続される複数の孔５３を有する。これら孔５３は連結スリーブ１７の円周にわたり、組立状態において基板５の対応した開口と一致するよう分布している。連結スリーブ１７の中にバーナ装置３がはめ込まれている。その場合、周溝２０はバーナ装置３を密閉式に冷却するための通路系（図示せず）に接続される。かくして、基板５の通路９、４４で形成された通路系を貫流した冷却空気が燃焼器１に流入する。シール要素４８は連結スリーブ１７を経て固定されている。

　図７は、択一的なＸ状保持要素１４の配置方式を概略的に斜視図で示す。この要素１４は中央孔４７を有し、この孔４７を経て、ボルト４６により基板５のねじ孔４５に取り付けられる。保持要素１４はその先端に支え部５４を有し、該支え部５４は基板５の外側面に接する。かくして、熱膨張に基づく基板５の歪みは、保持要素１４により減少される。その場合、保持要素１４が一点だけで基板５に結合され、小さな接触面によって基板５から熱的に大きく分離されている。熱膨張に伴い幾何学的寸法が変化した際、支え部５４が基板５の対応した表面部上を滑り、この結果圧力および／又は応力の発生を防止する。保持要素１４の基板５に対する位置は、基板５の荷重に殆ど左右されない。

　図１から明らかなように、バーナ装置３は２分割構造をなしている。この装置３は燃焼器外側壁２１に結合された第１範囲２２を有する。バーナ装置３の第１範囲２２は、第２範囲２３に分離可能に結合されている。この第２範囲２３は基板５を経て燃焼器１の入口開口２に連結されている。スリーブ１７を除去すると、バーナ装置３の第２範囲２３を燃焼器の方向に取り外せる。従って、バーナ装置３の熱的に大きく負荷される範囲２３を交換するためにバーナ装置３を完全に分解する必要はなく、大きく負荷される部分だけを燃焼器１を通して簡単に交換できる。

　運転中に可燃混合気がバーナ装置３を経て燃焼器１に導入され、点火される。かくして発生した燃焼ガスは、矢印３１の方向にガスタービン２４の翼装置２５に流入する。該装置２５はロータ２７に配置された動翼２８と不動の静翼３０とから成り、流路２６を形成する。燃焼ガスに含まれるエネルギは、その翼装置２５で回転エネルギに変換される。

　本発明によれば、まずねじ４９を外し、続いて連結スリーブ１７と基板５とのねじ結合（図示せず）を外すことで、基板５を簡単に分解できる。その後、シール要素４８の分解を行う。その結果、基板５をその全組込み物と共に一緒に取り出せる。その組立は上述と逆の順序で行える。

　図示の実施例は単に本発明を説明するために用いており、本発明はこれに限定されるものではない。即ち、特に基板、保持要素並びに取付け方式等は変更できる。

本発明に基づく燃焼器のタービン部分も含めた部分断面図。本発明に基づく基板の概略斜視図。図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図。図２におけるＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図。図２におけるＶ−Ｖ線に沿った断面図。図２における基板のシール要素も含めた概略分解斜視図。図６における基板の補助的な保持要素も含めた分解斜視図。

符号の説明

１　燃焼器、２、４、１２、３８　開口、３　バーナ装置、５　基板、６　燃焼器内側壁、７　基板の外側面、８　形状要素、９、３７、４４　通路、１０、３４　凹所、１１、４１　フランジ、１４　保持要素、１６　覆い要素、１７　スリーブ、１９　円周、２０　周溝、２１　外側壁、２２　第１範囲、２３　第２範囲、２４　ガスタービン、２５　翼装置、２６　流路、２７　ロータ、２８　動翼、２９　車室、３０　静翼、３２　ノズル、３３　溶接個所、３５　管、３６　管はめ合い、３９、４０　長手側縁、４２、４３　横側縁、４５　ねじ孔、４６　ボルト、４７、５０、５３　孔、４８、５１　シール要素、４９　ねじ、５２　溝、５４　支え部

Claims

　燃焼器（１）の入口開口（２）に配置され、可燃混合気を供給および点火する少なくとも１つの密閉冷却形バーナ装置（３）と、出口開口（４）とを備えたガスタービンの燃焼器において、高温ガスを受ける少なくとも１つの部品、特に燃焼器（１）の内側壁（６）の部品（５）が、その高温ガスを受ける側（５５）と反対側の外側面に、その上に配置された平面的な形状要素（８）と共に少なくとも１つの通路（９）を形成し、該通路（９）が流体的に、流入側で冷却材源、排出側でバーナ装置（３）の通路系に各々接続されたことを特徴とするガスタービンの燃焼器。
　高温ガスを受ける部品（５）の外側面に保持要素（１４）が配置されたことを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
　保持要素（１４）が、少なくとも１つの取付け要素（４６）により基板（５）の中央に固定されたことを特徴とする請求項２記載の燃焼器。
　保持要素（１４）が、その終端部に支え部（５４）を有することを特徴とする請求項２又は３記載の燃焼器。
　形状要素（８）が、少なくとも１つの覆い要素（１６）で覆われたことを特徴とする請求項１から４の１つに記載の燃焼器。
　高温ガスを受ける部品（５）が、入口開口（２）の範囲に配置され、かつ燃焼器（１）の内側壁（６）の部分をも形成する平面的な基板（５）であり、該基板（５）によってバーナ装置（３）が固定されたことを特徴とする請求項１から５の１つに記載の燃焼器。
　基板（５）が、バーナ装置（３）を受けるための横側凹所（１０）を有することを特徴とする請求項６記載の燃焼器。
　基板（５）が、入口開口（２）に取り付けるために、少なくとも１つの取付けフランジ（１１、４１）を有することを特徴とする請求項６又は７記載の燃焼器。
　取付けフランジ（１１、４１）と入口開口（２）の取付け部との間に、シール要素（５１）が配置されたことを特徴とする請求項８記載の燃焼器。
　シール要素（５１）が環状に形成されたことを特徴とする請求項９記載の燃焼器。
　互いに隣接して配置された２つの基板（５）の凹所（１０）が、バーナ装置（３）を包囲する１つの開口（１２）を形成することを特徴とする請求項７から１０の１つに記載の燃焼器。
　基板（５）とバーナ装置（３）との間に、連結スリーブ（１７）が配置されたことを特徴とする請求項６から１１の１つに記載の燃焼器。
　連結スリーブ（１７）が、軸方向に延びる２つの半殻体から形成されたことを特徴とする請求項１２記載の燃焼器。
　連結スリーブ（１７）が少なくとも１つの半径方向孔（５３）を有し、該孔（５３）の一端が通路（９）に接続され、他端が連結スリーブ（１７）の内周面（１９）に設けられた周溝（２０）に開口することを特徴とする請求項１２又は１３記載の燃焼器。
　連結スリーブ（１７）が少なくとも１つの半径方向孔（５３）を有し、該孔（１８）の一端が形状要素（８）と覆い要素（１６）で形成された通路（１４）に接続され、他端が連結スリーブ（１７）の内周面（１９）に設けられた周溝（２０）に開口することを特徴とする請求項１２から１４の１つに記載の燃焼器。
　周溝（２０）が、流体的にバーナ装置（３）の通路系に接続されたことを特徴とする請求項１４又は１５記載の燃焼器。
　互いに隣接して配置された基板（５）の相互に隣接する側縁間にシール要素（４８）が配置され、該要素（４８）が連結スリーブ（１７）により固定されたことを特徴とする請求項１２から１６の１つに記載の燃焼器。
　請求項１から１７の１つに記載の燃焼器（１）の入口開口（２）に配置されるバーナ装置（３）であって、燃焼器（１）の外側壁（２１）に結合された第１範囲（２２）と、該範囲に分離可能に結合され燃焼室に向けられた第２範囲（２３）とを備え、第２範囲が基板（５）を経て燃焼器（３）の入口開口（２）に連結されたことを特徴とする装置。
　ロータ（２７）に配置された動翼（２８）と、不動に配置された静翼（３０）とから成り、流路（２６）を形成する翼装置（２５）を有するガスタービン（２４）において、ガス流の流れ方向に見て翼装置（２５）の前に、請求項１から１７の１つに記載の燃焼器（１）が配置されたことを特徴とするガスタービン。
　燃焼器（１）に、請求項１８記載のバーナ装置（３）が配置されたことを特徴とする請求項１９記載のガスタービン。