JP2004177109A

JP2004177109A - ディンプル付き表面を有するガスタービン移行部品及び関連する方法。

Info

Publication number: JP2004177109A
Application number: JP2003391554A
Authority: JP
Inventors: Ronald Scott Bunker; ロナルド・スコット・バンカー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2002-11-22
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2004-06-24
Also published as: EP1426558A2; KR20040045359A; EP1426558A3

Abstract

【課題】本発明は、ガスタービン用の移行部品組立体に関する。
【解決手段】移行部品組立体（４２）は、１端部がガスタービン燃焼器に接続されかつ反対側端部が第１タービン段に接続されるようになっている移行部品（４４）を含み、該移行部品には、外部表面上に複数の凹んだディンプル（４８）が形成される。インピンジメントフロースリーブ（４６）が、移行部品（４４）を囲み、該移行部品との間にプレナム（５４）を形成する。インピンジメントスリーブには、圧縮機冷却空気をプレナム内に導入するための複数の冷却開口（５２）が形成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、一般的にタービン構成部品に関し、より具体的には、環状の燃焼システムを有する地上設置式ガスタービンにおいて燃焼ガスを燃焼器からタービン段に導く移行部品組立体に関する。

従来型のガスタービン燃焼器は、燃料と空気が燃焼室に別々に流入する拡散（すなわち、非予混合式）火炎を用いる。混合及び燃焼の過程では、通常、３９００°Ｆを超える火炎温度を生じる。ライナを有する従来型の燃焼器及び／又は移行部品は、わずか約１５００°Ｆ程度の最高温度に約一万（１０，０００）時間耐える能力しかないので、燃焼器及び／又は移行部品を保護する措置を講じなければならない。このことは一般的に、燃焼器の外部を囲む燃焼器ライナにより形成されたプレナム内に比較的低温の圧縮機空気を導入することを含むフィルム冷却により行われてきた。この従来の構成では、プレナムからの空気は、燃焼器ライナ内のルーバを通過し次にフィルムとしてライナの内側表面上を流れて、それによって燃焼器ライナの健全性を維持している。

二原子の窒素は、約３０００°Ｆ（約１６５０℃）を超える温度で急速に解離するので、拡散燃焼の高温により、比較的多量のＮＯｘエミッションを発生することになる。ＮＯｘエミッションを減少させる１つの方法は、今までは最大可能量の圧縮機空気を燃料と予混合することであった。結果として生じる希薄予混合燃焼は、より低温の火炎温度を生じ、従ってより少ないＮＯｘエミッションを発生する。希薄予混合燃焼は、拡散燃焼より低温であるが、火炎温度は、それでもまだ従来型の燃焼器構成部品には耐えられないほど高温である。

更に、最新型の燃焼器は、ＮＯｘを減少させるために最大可能量の空気を燃料と予混合するので、冷却空気としては殆ど利用できないか又は全く利用できず、最善でも燃焼器ライナ及び移行部品のフィルム冷却を不十分なものにすることになる。それにも拘わらず、燃焼器ライナは、材料温度を限界値より低く維持するために能動冷却することを必要とする。乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）エミッションシステムでは、この冷却は、低温側対流として行うことができるだけである。このような冷却は、熱勾配及び圧力損失についての必要条件の範囲内で実施されなければならない。従って、燃焼器ライナ及び移行部品をそのような高熱による破壊から保護するために、「背面」冷却と共に断熱皮膜のような手段が今まで考慮されてきた。背面冷却は、空気を燃料と予混合する前に、圧縮機空気を燃焼器ライナ及び移行部品の外側表面上に流すことを必要とした。

強フレーム型ガスタービンは、移行部品を用いて、各燃焼器「缶」からの燃焼ガスをタービン第１段の入口ノズル区域に導く。これらの移行部品は、背面対流によるか又はクロスフロー対流を伴うインピンジメント噴流列によるかのいずれかにより冷却される。より旧式の設計は、主として移行部品を囲む区域内での「ルーズ」対流冷却に依存する。「ルーズ」対流というのは、対流冷却がフロースリーブによる強い強制対流ではなくて、移行部品の周りの低速度かつより広流域の弱い対流によるものであることを意味する。

この領域において作動している、特に強フレーム型装置のより旧式のタービン設計における現用の移行部品には、剥離及び有効性／寿命の低下という問題がある。

移行部品の寿命を延ばすことは、断熱皮膜（ＴＢＣ）を付加することによるか又は材料をより高い耐熱能力のものに変更することにより今までは対処されてきた。より新式の機械設計では、能動インピンジメント冷却を用いるが、これら設計は、燃焼器ライナ及び移行部品の高温ガス流路中にほとんど空気が放出されない乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）システムと組み合わされている。

本発明は、低温側表面内に一連の凹み又はディンプルを形成し、かつ移行部品の周りに金属薄板のフロースリーブを巻くことにより、移行部品組立体用の改良された対流冷却設計を提供する。表面ディンプルは、冷却能力を高め、またフロースリーブは、移行部品の表面に沿って燃焼器ライナの方向へ冷却流を導く。

移行部品のディンプルを付けた表面は、ディンプルを付けない場合に比べて１．５倍から２倍ほど熱伝達係数を高める。その結果、移行部品の金属温度が５０〜１００°Ｆほど低下し、寿命が延びかつＴＢＣの剥離を減少させることになる。燃焼器ライナに流れる冷却空気は、移行部品の冷却のために幾分か温度が高められることになるが、この影響は、燃焼器内に導入される他の冷却流と大量に混合されることにより著しく弱められることになる。最新式の設計と同様なフロースリーブは、移行部品上を流れる冷却流を能動的にかつ制御して導くことを可能にする。

従って、そのより広義な態様において、本発明は、ガスタービン用の移行部品組立体に関し、該移行部品組立体は、１端部がガスタービン燃焼器ライナに接続されかつ反対側端部が第１タービン段に接続されるようになっており、外部表面上に複数の凹んだディンプルが形成された移行部品と、移行部品を囲んで該移行部品との間にプレナムを形成し、かつ複数の冷却開口が形成されたインピンジメントフロースリーブとを含む。

別の態様において、ガスタービン用の移行部品組立体は、１端部がガスタービン燃焼器に接続されかつ反対側端部が第１タービン段に接続されるようになっており、直径Ｄと約０．０５〜０．５０Ｄの範囲の深さとを有する複数の円形の凹んだディンプルが外部表面上に形成された移行部品と、移行部品を囲んで該移行部品との間に冷却流路を形成し、かつ複数の冷却開口が形成されたインピンジメントフロースリーブとを含む。

更に別の態様において、本発明は、ガスタービン燃焼器と第１タービン段との間に接続された移行部品を圧縮機から吐出された空気で冷却する方法に関し、該方法は、（ａ）複数の冷却開口を備えたインピンジメントフロースリーブで移行部品を囲み、それによって該移行部品と該インピンジメントフロースリーブとの間にプレナムを形成する段階と、（ｂ）インピンジメントスリーブを通してプレナム内へ至る圧縮機吐出空気用流路を設定する段階と、（ｃ）移行部品の熱伝達係数を高めるために該移行部品上に複数の凹んだディンプルを形成する段階とを含む。

次ぎに、後で特定する図面の図と関連させて本発明を詳細に説明する。

図１は、燃料による燃焼ガスにより駆動される典型的な缶形環状逆流式燃焼器１０を概略的に示しており、該燃焼器１０において、高エネルギー含有量の流れ媒体、すなわち燃焼ガスが、ロータ上に取付けられたリング状の翼配列により向きを変えられる結果として回転運動を生じさせる。運転中に、圧縮機１２からの吐出空気（約２５０〜４００ｌｂ／ｉｎ²程度の圧力に加圧された）は、燃焼器（１つを符号１４で示す）の外側上を流れるとき、逆方向に流れ、そしてタービン（符号１６で示す第１段）への途中で燃焼器に流入するとき、再び逆方向になる。加圧空気及び燃料は、燃焼室１８内で燃焼されて、約１５００℃、すなわち約２７３０°Ｆの温度を有するガスを発生する。これらの燃焼ガスは、移行部品２０を介して高速でタービンセクション１６内に流入する。移行部品は、燃焼器ライナ２４に接続されるが、一部の用途では別個のコネクタセグメントを、移行部品２０と燃焼器ライナとの間に設置することができる。

図２は、燃焼室２５を形成する従来型の構成のほぼ円筒形の燃焼器ライナ２４を概略的形態で示す。燃焼器ライナ２４は、燃焼器（図示せず）が取付けられる燃焼器側ヘッド端部２６と二重壁の移行部品組立体２８が取付けられる反対側すなわち後端部とを有する。移行部品組立体は、移行部品２７と周囲のスリーブ２９とを含む。移行部品組立体２８は、二重壁セグメント（図示せず）を接続することにより、燃焼器ライナ２４とそのそれぞれのフロースリーブ３２とに接続されることができる。

燃焼器ライナ２４には、ヘッド端部２６に隣接する領域に複数の直立する環状の（又は部分環状の）リブ又はタービュレータ３０が設けられる。円筒形のフロースリーブ３２が、半径方向に間隔を置いた状態で燃焼器を囲み、ライナとフロースリーブとの間にプレナム３４を形成し、該プレナム３４は、移行部品２７とその外側スリーブ２９とにより形成されたプレナム３６と連通している。圧縮機冷却空気をプレナム３４内に導入するためのインピンジメント冷却孔４０が、フロースリーブ３２に設けられる。

次ぎに図３を参照すると、本発明の例示的な実施形態による移行部品組立体４２は、ライナ２４のタービン側端部に取付けられた、移行部品４４と周囲のインピンジメンドフロースリーブ４６とを含む。移行部品４４には、該移行部品の外部又は低温側表面上に一連の個別の表面ディンプル又は凹み４８が設けられる。ディンプル４８は、形状を円形又は楕円形にすることができ、部分球状の内側部分５０を有する。円形のディンプルの場合には、直径は、ディンプルの高さ又は深さと関連させることができ、例えば、直径Ｄの場合、ディンプルの深さは、約０．０５〜０．５０Ｄの範囲内にすることができる。ディンプルは、約１．１Ｄ〜５Ｄの中心間距離で、整合した列又は千鳥状配列で均一な間隔を置いて配置されるか、或いは不均一な配列で間隔を置いて配置されることができる。

インピンジメントフロースリーブ４６には、複数のインピンジメント冷却開口５２が設けられ、加圧冷却空気が、該インピンジメント冷却開口５２によって、インピンジメントフロースリーブ４６と移行部品４４の外部表面との間に形成されたプレナム５４に流入して、該移行部品４４の低温側表面上のディンプル４８と相互作用する。従って、フロースリーブ４６は、対流冷却空気が必要に応じてディンプル付き表面上を移行部品４４に沿ってタービン側端部から燃焼器ライナ端部まで導かれて、熱伝達係数を高めまた移行部品の温度を低下させることを保証する。

本発明は、現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるべきものではなく、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

移行部品を備えた公知のガスタービン燃焼器の概略図。線形タービュレータが設けられた円筒形の燃焼器ライナ及び移行部品の概略図。本発明による、外部表面上に複数の個別の凹んだディンプルが設けられた移行部品の概略側面図。

符号の説明

１６タービンセクション
２４燃焼器ライナ
４２移行部品組立体
４４移行部品
４６インピンジメントフロースリーブ
４８ディンプル
５２インピンジメント冷却開口
５４プレナム

Claims

ガスタービン用の移行部品組立体（４２）であって、
１端部がガスタービン燃焼器ライナ（２４）に接続されかつ反対側端部が第１タービン段（１６）に接続されるようになっており、外部表面上に複数の凹んだディンプル（４８）が形成された移行部品（４４）と、
前記移行部品（４４）を囲んで該移行部品との間にプレナム（５４）を形成し、かつ複数の冷却開口（５２）が形成されたインピンジメントフロースリーブ（４６）と、
を含むことを特徴とする移行部品組立体（４２）。
前記凹んだディンプル（４８）は、千鳥状配列で配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の移行部品組立体。
前記凹んだディンプル（４８）は、円形であることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の移行部品組立体。
前記凹んだディンプル（４８）は、直径Ｄと約０．０５〜０．５０Ｄの範囲の深さとを有することを特徴とする、請求項３に記載の移行部品組立体。
前記凹んだディンプル（４８）は、形状が楕円形であることを特徴とする、請求項１に記載の移行部品組立体。
前記複数の凹んだディンプル（４８）は、約１．１Ｄ〜５Ｄの中心間距離を有することを特徴とする、請求項４に記載の移行部品組立体。
ガスタービン燃焼器と第１タービン段との間に接続された移行部品（４４）を圧縮機から吐出された空気で冷却する方法であって、
（ａ）複数の冷却開口（５２）を備えたインピンジメントフロースリーブ（４６）で前記移行部品（４４）を囲み、それによって該移行部品（４４）と該インピンジメントフロースリーブ（４６）との間にプレナム（５４）を形成する段階と、
（ｂ）前記インピンジメントスリーブ（４６）を通して前記プレナム（５４）内へ至る圧縮機吐出空気用流路を設定する段階と、
（ｃ）前記移行部品の熱伝達係数を高めるために該移行部品（４４）上に複数の凹んだディンプル（４８）を形成する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
前記凹んだディンプル（４８）は、千鳥状配列で配置されていることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
前記凹んだディンプル（４８）は、円形であることを特徴とする、請求項７に記載の方法。