JP2005345093A - ガスタービンの燃焼器ライナ及び移行部品を冷却するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、タービンの燃焼セクションと排出セクションとの間の移行領域内で良好な及びより均一な冷却を行うための装置に関する。
【解決手段】 ガスタービンの燃焼器ライナ（１１２）及び移行部品を冷却するための装置は、燃焼器ライナ（１１２）の長さを定める長さに沿って軸方向にアレイで配列され且つ外面（２２３）上に位置付けられた複数の円形リングタービュレータ（１４０）を有する燃焼器ライナ（１１２）と；円周部回りに形成された複数の冷却孔（３４）の列を有する第１のフロー・スリーブ（１２８）と；燃焼器ライナ（１１２）に連結された移行部品（１０）と；冷却空気を第２のフロー・スリーブ（１２８）と移行部品（１０）との間の第２のフローアニュラス（２４）に導くための第２の複数の冷却用開口（１２０）の列を有する第２のフロー・スリーブと；を備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、一般にガスタービンエンジン内の内部冷却に関し、更に具体的には、タービンの燃焼セクションと排出セクションとの間の移行領域内で良好でより均一な冷却を行うための装置及び方法に関する。

従来のガスタービン燃焼器では、燃料と空気が燃焼室に別個に入る拡散（すなわち予混合されない）燃焼を使用する。混合及び燃焼プロセスは、３９００°Ｆを超える火炎温度を発生させる。ライナを有する従来の燃焼器及び／又は移行部品は、一般的に、約１０，０００時間にわたって約１５００°Ｆ程度の最高温度でしか耐えることができないので、燃焼器及び／又は移行部品を保護する手段を講じなければならない。これは、通常、燃焼器の外側を囲む燃焼器ライナによって形成されたプレナムに相対的に低温の加圧空気を導入する段階を含む膜冷却によって行われていた。この従来の構成においては、プレナムからの空気は、燃焼器ライナ内のルーバを通り、その後、ライナの内面を覆う膜として流れることにより、燃焼器ライナの一体性を維持する。

二原子窒素は約３０００°Ｆ（約１６５０℃）を超える温度で急激に解離するので、拡散の温度が高いと、結果的にＮＯｘエミッションが相対的に多くなる。ＮＯｘエミッションを減少させる１つの方法は、可能な限り最大量の加圧空気を燃料と予混合することであった。結果として得られるリーン予混合燃焼は、火炎温度を低下させ、従って、ＮＯｘエミッションが減少する。リーン予混合燃焼は拡散燃焼よりも低温であるが、火炎温度は、それでも従来の燃焼器構成品が耐えるには依然として高すぎる。

更に、先進の燃焼器では、ＮＯｘを減少させるために可能な限り最大量の空気を燃料と予混合するので、利用可能な冷却空気がほとんどないか又は全くなく、最善でも燃焼ライナ及び移行部品の膜冷却が不十分なものとなる。それにも拘わらず、燃焼ライナは、材料温度を限界値未満に維持する能動冷却を必要とする。乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）エミッションシステムでは、この冷却は、低温側対流としてのみ行うことができる。このような冷却は、熱勾配及び圧力損失の要件の範囲内で行なわなければならない。従って、燃焼器ライナ及び移行部品をこのような高熱による破壊から保護するために、「背面」冷却と関連した断熱皮膜などの手段を考慮してきた。背面冷却は、空気を燃料と予混合する前に移行部品及び燃焼器ライナの外面上に圧縮機吐出空気を流すことを必要とした。

燃焼器ライナにおいて、１つの現行の実施方法は、ライナを衝突冷却するか又は線形タービュレータをライナ外面上に設けることである。別の最新の実施方法では、ライナの外部つまり外面上に陥凹のアレイを設けることである（特許文献１を参照されたい）。種々の公知の方法は、熱伝達が高められるが、熱勾配及び圧力損失に与える作用は異なる。乱流ストリップは、表面での熱伝達を促進させるために、剪断層及び高い乱流を生成する流れを中断させる丸みのある本体を流れの中に設けることによって機能する。ディンプル陥凹部は、熱伝達を向上させるために、流れ混合を促進させ且つ表面のスクラビングを行う編成された渦流を形成することによって機能する。

ライナからの熱伝達率が低いと、高いライナ表面温度となり、最終的には強度損失が生じる可能性がある。ライナ温度が高いことに起因する幾つかの潜在的な欠陥モードとしては、後部スリーブ溶接線の亀裂、膨出及び三角形分割が含まれるが、これらに限定されない。これらのメカニズムによってライナ寿命が短くなり、耐用年数の前の部品交換が必要となる。
特表２００２−５１７６７３号公報 特開２００１−２８９４４２号公報 米国特許第６，６８１，５７８号公報 特公平０５−０２４３３７号公報

従って、発電コストを低減させるために、これまで有効な温度よりも高い燃焼温度での圧力損失を最小にしながら、燃焼検査間隔を延長する高度な能動冷却に対する要望がある。

上記で論じた欠点及び他の欠点並びに欠陥は、例示的な実施形態においてガスタービンの燃焼器ライナ及び移行部品を冷却する装置によって克服又は軽減される。本装置は、燃焼器ライナの長さを定める長さに沿って軸方向にアレイで配列され、且つ外面上に位置付けられた複数の円形リングタービュレータを備えた燃焼器ライナと；互いに平行にライナの後端の一部の上を延びる複数の軸方向チャネル（Ｃ）を含む、燃焼器ライナとの間に第１のフローアニュラスを備えて該燃焼器ライナを囲む第１のフロー・スリーブであって、各チャネルの断面積は、チャネルの長さに沿って実質的に一定か又は異なっており、第１のフロー・スリーブは、圧縮機吐出からの冷却空気を第１のフローアニュラスに導くため第１のフロー・スリーブの円周部回りに形成された複数の冷却孔の列を有する、第１のフロー・スリーブと；高温燃焼ガスをタービンの段に搬送するように適合された、燃焼器ライナに連結された移行部品と；移行部品を囲む第２のフロー・スリーブであって、冷却空気を第２のフロー・スリーブと移行部品との間の第２のフローアニュラスに導くための第２の複数の冷却用開口の列を有する第２のフロー・スリーブと；を備え、第１の複数の冷却孔及び第２の複数の冷却用開口は、各々、５０％未満の圧縮機吐出空気を第１のフロー・スリーブに分配し且つ第２のフローアニュラスからの冷却空気と混合する有効面積を備えて構成される。

本発明の更に別の実施形態においては、タービンエンジンは、燃焼セクションと；燃焼セクションの下流側の空気吐出セクションと；燃焼セクションと空気吐出セクションとの間の移行領域と；燃焼セクションの一部と移行領域とを定め、燃焼器ライナの長さを定める長さに沿って軸方向にアレイで配列され且つ外面上に位置付けられる複数の円形リングタービュレータを含む乱流燃焼器ライナと；燃焼器ライナとの間に第１のフローアニュラスを備えて該燃焼器ライナを囲む第１のフロー・スリーブであって、第１のフローアニュラスは、互いに平行にライナの後端部分の一部の上を延びる複数の軸方向チャネル（Ｃ）を含み、各チャネルの断面積は、チャネルの長さに沿って実質的に一定の断面積及び変化する断面積のいずれか一方であり、第１のフロー・スリーブは、圧縮機吐出空気からの冷却空気を第１のフローアニュラスに導くため第１のフロー・スリーブの円周部回りに形成された複数の冷却孔の列を有する第１のフロー・スリーブと；高温燃焼ガスを空気吐出セクションに対応するタービンの段に搬送するように適合された、燃焼器ライナと第１のフロー・スリーブの少なくとも１つに連結された移行部品と；移行部品を囲む第２のフロー・スリーブであって、該第２のフロー・スリーブが、冷却空気を第２のフロー・スリーブと移行部品との間の第２のフローアニュラスに導くための第２の複数の冷却用開口の列を有し、第１のフローアニュラスが該第２のフローアニュラスに連結される、第２のフロー・スリーブと；を備え、第１の複数の冷却孔及び第２の複数の冷却用開口は、各々、５０％未満の圧縮機吐出空気を第１のフロー・スリーブに分配し且つ第２のフローアニュラスからの冷却空気と混合する有効面積を備えて構成され、燃焼セクションと吐出空気部との間のエンジンの移行領域を通って流れる空気を冷却するよう機能する。

代替の実施形態においては、ガスタービン燃焼器の燃焼器ライナを冷却する方法が開示される。燃焼器ライナは、ほぼ円形の断面と、ほぼ同心の関係でライナを取り囲み、圧縮機吐出空気からの空気をガスタービン燃焼器に供給するための第１のフローアニュラスを形成する第１のフロー・スリーブを含み、移行部品は、第２のフロー・スリーブによって囲まれた状態で燃焼器ライナに連結され、これにより第１の流れの第１のアニュラスと連通した第２の流れの第１のアニュラスを形成する。本方法は、複数の軸方向に離間された冷却孔の列をフロー・スリーブ内に準備する段階を含み、各々の列がフロー・スリーブ回りで円周方向に延び、第２のスリーブ内の列の第１の列は、第１及び第２のフロー・スリーブが界面する端部近傍に位置しており、前記方法が更に、冷却空気を圧縮機吐出から冷却孔に供給する段階と、圧縮機吐出空気の１／３未満を第１のフロー・スリーブに分配して第２のフローアニュラスから流れる残りの圧縮機吐出空気と混合する有効面積を備えた冷却孔を構成する段階とを含む。

本発明の上記及び他の特長並びに利点は、以下の詳細な説明及び図面から当業者には認識及び理解されるであろう。

次に、幾つかの図において同じ要素に同じ符号が付けられた図面を参照する。

図１及び図２を参照すると、典型的なガスタービンは、燃焼器ライナ１２によって表された上流側燃焼器からの高温燃焼ガスが符号１４で表されたタービンの第１段を通過する移行部品１０を含む。ガスタービン圧縮機からの流れは、軸流ディフューザ１６を出て圧縮機吐出ケーシング１８に入る。圧縮機吐出空気の約５０％は、移行部品１０と半径方向外側の移行部品衝突スリーブ２２との間の環状領域又はアニュラス２４（すなわち第２のフローアニュラス）での流れに対して、移行部品衝突スリーブ２２に沿って且つその回りに形成された開口２０を通過する。圧縮機吐出流の残りの約５０％は、上流側燃焼ライナ冷却スリーブ（図示せず）のフロー・スリーブ孔に入って冷却スリーブとライナとの間のアニュラスに入り、最終的にはアニュラス２４内の空気と混合する。この混合された空気は、最終的に燃焼室内のガスタービン燃料と混合する。

図２は、図１の最も左側の位置に現れる、移行部品１０と燃焼器フロー・スリーブ２８との間の接続部を示す。具体的には、移行部品１０の衝突スリーブ２２（すなわち第２のフロー・スリーブ）は、燃焼器フロー・スリーブ２８（すなわち第１のフロー・スリーブ）の後端上の取り付けフランジ内に入れ子の関係で受けられ、更に移行部品１０はまた、入れ子の関係で燃焼器ライナ１２を受ける。燃焼器フロー・スリーブ２８は、燃焼器ライナ１２を囲んでフローアニュラス３０（すなわち第１のフローアニュラス）を形成する。アニュラス２４内で移動するクロスフロー冷却空気は、フロー・スリーブ２８の円周部回りに形成された冷却孔３４（流れの矢印３６を参照）を通って流れる衝突冷却空気に垂直な方向で継続的にアニュラス３０に入ることが、図２の流れの矢印３２から見ることができる（図２では３つの列が示されているが、フロー・スリーブは、このような孔の任意の数の列を有することができる）。

更に図１及び図２を参照すると、燃料からの燃料ガスによって駆動される典型的な缶型環状逆流式燃焼器が示されており、ここでは、高エネルギー含有量を有する流れ媒体、すなわち燃焼ガスが、ロータ上に取り付けられたリング状の翼配列によって偏向される結果として回転運動を発生させる。運転中、圧縮機からの吐出空気（約２５０ｌｂ／ｉｎ^２〜４００ｌｂ／ｉｎ^２程度の圧力に加圧された）は、燃焼器ライナ（１つを符号１２で示す）の外側上を通るとき、及び同様にタービン（符号１４で示す第１段）への途中で燃焼器ライナ１２に入るときに逆方向に反転する。加圧空気及び燃料は、燃焼室で燃焼されて、約１５００℃と約２８００°Ｆの間の温度を有するガスを生成する。これらの燃焼ガスは、高速で移行部品１０を介してタービンセクション１４に流入する。

燃焼ライナ１２内の燃焼セクションからの高温ガスは、セクション１６に流入する。これらの２つのセクションの間には、図２に符号４６で全体的に示す移行領域がある。上述のように、セクション１２の後端、すなわち領域４６の入口は、約２８００°Ｆである。しかしながら、下流側、すなわち領域４６の出口でのライナ金属温度は、約１４００°Ｆ〜１５５０°Ｆ程度であることが好ましい。ライナをこの低い方の金属温度範囲にまで冷却するのを助けるために、領域４６を通る加熱ガスの通過時に冷却空気を流すライナ１２が設けられる。冷却空気は、ライナから熱を取り除くことによって高温ガスの温度に対するライナ金属温度を有意に下げる役目をする。

例示的な実施形態において、図３を参照すると、ライナ１１２は、ライナ１１２のカバープレート１２３と移行領域４６の一部との間に取り付けられる、一般的にフラシールと呼ばれる付随の圧縮型シール１２１を有する。カバープレートは、ライナ上に取り付けられて、圧縮シール用の取り付け面を形成し、及び軸方向の空気流チャネルＣの一部を形成する。図３に示すように、ライナ１１２は、全てライナ１１２の後端の一部上を延びる複数の軸方向隆起セクション又はリブ１２４を伴って形成された複数の軸方向チャネルを有する。カバープレート１２３及びリブ１２４は共に、それぞれの空気流チャネルを定める。これらのチャネルは、ライナ１１２の後端の一部の上を延びる平行なチャネルである。冷却空気は、チャネルの前端の空気入口スロット又は開口１２６を介してチャネルに導入される。その後空気は、チャネルＣに流入して通過し、ライナの後端１３０の開口１２７を介してライナを出る。

本開示によれば、ライナ１１２の設計は、冷却空気流所要量を最小限に抑えると同時に、ライナ後端１３０での十分な熱伝達を更に可能にして、ライナに沿って均一な金属温度を生じるようにされる。タービンのセクション１２内で燃焼が発生することにより、結果としてライナ１１２の内面に高温側の熱伝達率及びガス温度を生じることになる点は当業者には理解されるであろう。現行では、ライナ後端が受ける金属温度及び熱応力が許容可能な限度内に留まるように、現在の設計によるライナの外面（後端）の冷却が必要とされる。そうでない場合、過度の応力、温度、又はその両方から生じるライナへの損傷は、ライナの有効寿命を有意に短くする。

本発明のライナ１１２は、ライナの後端での冷却を行うために、ライナの冷媒の外側と高温ガスの内側との間に発生する既存の静圧勾配を利用する。これは、チャネル及びライナの長さに沿って一定の冷却効果が発生するように空気の温度とライナチャネルＣ内の気流速度との均衡を取ることによって達成される。

図４に示すように、符号１００で全体的に示される従来技術によるライナは、カバープレートの前端全体にわたって延びる流量計量孔１０２を有する。ライナ１００の長さに沿って延びた点線で示すように、チャネルの断面は、その高さによって定義したときにチャネルの全長に沿って一定である。この厚みは、例えば、０．０４５インチ（０．１１ｃｍ）である。

これとは対照的に図５を参照すると、本発明のライナ１１２は、チャネルに対しての入口１２６のライナ１００のチャネル高さよりも大幅に（約４５％）大きいチャネル高さを有する。しかしながら、この高さは、チャネルＣの長さに沿って確実に且つ均一に減少し、その結果、チャネルの後端では、チャネル高さは従来技術によるライナ１００の出口高さよりも大幅に（約５５％）小さくなる。ライナ１１２は、例えば、０．０６５インチ（０．１６ｃｍ）の入口チャネル高さと、例えば、０．０２５インチ（０．０６ｃｍ）の出口高さとを有するので、チャネルの高さは、チャネルの入口端部から出口端部までの６０％より若干上回る分だけ減少する。

従来技術によるライナ１００と本発明のライナ１１２との比較において、ライナ１１２の冷却流に適合させるためにライナ１００のチャネル（図示せず）の高さを減少させても、ライナ１００において許容可能な金属温度を発生するのに十分な冷却が行われないだけでなく、ライナを通る冷却空気流所要量は効果的に変更されず、すなわち最小限に抑えられるようにはならないことが判明した。むしろ、ライナ１１２内に可変の通路高を設けると、ライナ後端１３０での冷却が最適化されることが判明した。可変チャネル高では、チャネル内の局所空気速度は、チャネルを通って流れる冷却空気の局所温度と均衡が取れられるので、最適な冷却が達成される。すなわち、チャネル高が各チャネルの長さに沿って漸次的に減少するので、チャネルの断面積も同様に減少する。これによって、チャネルＣを通って流れる冷却空気の速度が増加し、各チャネルの全長に沿ってより一定の冷却熱流速を生成することができる。従って、ライナ１１２は、より均一な軸方向の熱勾配及びライナ内での熱応力の低減が得られる利点を有する。その結果として、これによりライナの有効寿命が長くなる。同様に重要な点として、ライナを通って流れる冷却空気の所要量が大幅に減少され、この空気は、燃焼を改善し、且つ排気エミッション、特にＮＯｘエミッションを減少させるためにタービンの燃焼段に送ることができる。

次に図６及び図７を参照すると、衝突スリーブ１２２の例示的な実施形態が示されている。衝突スリーブ１２２は、符号１３２で全体的に示された前端で円周方向に配置された４８個の開口から成る第１の列１２９すなわち列０を含む。

しかしながら、望ましい最終目的に対して好適な任意の数の開口１３２が企図される点は当業者には認識されるであろう。各開口１３０は、約０．５インチの直径を有する。列０、すなわち単独の列１２９の開口１３２は、フロー・スリーブアニュラス３０に入る前に該開口を通って衝突スリーブアニュラス２４に入る新鮮な空気を一様に可能にする。列０は、アニュラス２４及び３０を通るクロス空気流路に対して鋭角に空気流を配向するスリーブ１２２の傾斜部１３４に位置する。衝突スリーブ１２２の前端に向かって配置された冷却孔の単独列１２９（列０開口１３２）は、フロー・スリーブ孔からの衝突のレベルを制御するのに使用され、その結果低温ストリークが回避される。

更に具体的には、フロー・スリーブ１２８は、ライナ１１２上での流れによる衝突を最小限に抑えるために、シンブルの配置のない孔構成を含む。このような燃焼器ライナ冷却シンブルは、特開２００１−２８９４４２号公報で開示されており、該特許の全体は引用により本明細書に組み入れられる。更に、ライナ１１２は、完全乱流ライナであり、その結果ライナ１１２に対する背面冷却時の熱伝達ストリークが減少する。完全乱流ライナ１１２は、本出願の譲受人に譲渡された米国特許第６，６８１，５７８号で説明されているものなどの燃焼器ライナ１１２の低温側に複数の離散的隆起円形リブ又はリング１４０を含み、該特許全体は引用により本明細書に組み入れられる。

例示的な実施形態によれば、燃焼器ライナ１１２は、複数の円形リングタービュレータ１４０を備えて形成される。各リングタービュレータ１４０は、リング内に密封区域を生成する隆起周縁リブによって定められた離散的又は個別の円形リングを含む。リングタービュレータは、リングがライナの低温側すなわち背面上に位置付けられ、取り囲むフロー・スリーブ１２８に向かって半径方向外方に面した状態で、ライナ１１２の長さに沿って軸方向に規則的な千鳥配置アレイで配列されるのが好ましい。また、リングタービュレータは、不規則（すなわち均一ではないが幾何学的様式でパターン化された）であるがライナの表面全体にわたってほぼ均一に配列することができる。

円形リングタービュレータ１４０を言及したが、タービュレータは、楕円又は他の好適な形状とすることができ、その寸法及び形状は流体混合において渦流を形成するのに十分な内側ディンプル又はボウルを定義する必要があることが認められる点は理解されるであろう。完全乱流と渦流混合が組み合わされた機能強化された態様は、ライナ１１２内に可変冷却通路高を設けることと共に機能し、ライナ後端１２８での冷却を最適化して熱伝達及び温度の均一性を改善し、その結果、このような機能強化された態様がない場合よりも圧力損失が低減されることになる。

また、列０の冷却孔１３２は、スリーブ１２８内のスロット１２６とスリーブ１２２内の１４個の列１５４（１から１４）の第１の列１５０との間の冷却用接続部を形成することに留意するべきであろう。列０によって、この領域での熱ストリークの発生が最小限に抑えられる。

列０の冷却孔１３２を含むことで、フロー・スリーブ１２８と衝突スリーブ１２２との間での冷却空気分割が更に強化される。２つのスリーブ１２８、１２２との間での５０−５０以外の空気分割は、冷却を最適化し、ストリーク発生を低減し、ライナを通って流れる冷却空気の所要量を減少させることが望ましいことが分かった。

ライナ１１２（フロー・スリーブ１２８）及び移行部品（衝突スリーブ１２２）に対する冷却システム間の空気分布は、フロー・スリーブ１２８及び衝突スリーブ１２２を通る空気の有効面積分布によって制御される。例示的な実施形態においては、既存の圧縮機吐出からの目標冷却空気分割は、ＣＦＤ予測に基づいて、フロー・スリーブ１２８が吐出空気の約３２．７％を受け取り、及び衝突スリーブ１２２が吐出空気の約６７．３％を受け取ることを含む。

移行部品１０及びこれらに付随の衝突スリーブは、圧縮機吐出ケーシング内に互いに極めて緊密にパックされる。結果として、移行ダクトの外側部分を冷却するために圧縮機吐出空気が流れることができる区域がほとんど存在しない。このため、空気は、隣接する移行ダクト側パネル間の狭い間隙を極めて急速に通り、従って、空気の静圧は相対的に低い。衝突冷却は静圧差に依存するので、従って、移行ダクトの側面パネルは、冷却が大きく不足している。その結果、ダクトの低サイクル疲労寿命は、仕様寿命を下回る可能性がある。衝突冷却によって移行部品又はダクトを冷却する実施例は、特公平０５−０２４３３７号公報で見ることができる。

図８は、例示的な実施形態に従って適用された空気力学的「流れキャッチャ装置」２２６を備えた移行部品衝突スリーブ１２２を示す。この例示的な実施形態においては、装置２２６は、軸方向、円周方向、又はその両方に延びる衝突スリーブ冷却孔１２０の幾つかの列に沿って、好ましくは移行ダクトの類似の側面パネルに隣接する側面パネルに沿ってスリーブの表面２２３上に取り付けられるスクープの形態である。上述のように、特定のガスタービン設計における燃焼器及び移行部品のコンパクトな環状アレイの場合、最も冷却が困難であるのは、移行部品１０の側面パネルである。典型的なスクープは、冷却孔１２０を完全又は部分的に囲む（例えば、スクープは頂部があるか又はない半円柱の形状とすることができる）か、又は冷却孔を部分的又は完全に覆い、ほぼ部分球形の形状とすることができる。また、類似の流れキャッチ機能をもたらす他の形状を使用してもよい。図８及び図９で最もよく分かるように、各スクープは、開放側面２２９を定める縁部２２７を有し、該縁部は、衝突スリーブ１２２の表面２２３にほぼ垂直な平面内にある。

スクープ２２６は、開放側面２２９、すなわち孔１２０を介して半径方向内方に、且つ移行ダクトの側面パネル上に圧縮機吐出空気を導くようにスリーブに個別に溶接することが好ましい。本発明の枠組み内で、スクープ２２６の開放側面２２９は、流れの方向に向かって角度を付けることができる。スクープは、単独で、ストリップとして、又は全てのスクープが単一の作業で固定された状態の薄板として製造することができる。スクープ２２６の個数及び位置は、衝突スリーブの形状、圧縮機吐出ケーシング内の流れ、及び圧縮機による移行部品に対する熱負荷によって定められる。

使用時には、空気は、衝突スリーブを通過する高速空気流内に突出する空力スクープ２２６によって移行部品表面に向かって流通する。スクープ２２６は、よどみ及び再配向の組み合わせによって、衝突冷却孔を通る流れを引き寄せる静圧差が欠如していたために、これまで衝突冷却孔１２０を通過していた空気を捕捉して流れを移行ダクトの高温面（すなわち側面パネル）上に内方に導き、その結果、金属温度を許容可能なレベルまで低下させ、衝突スリーブの冷却能力を高める。

本発明の１つの利点は、既存の設計品に適用することができ、相対的に廉価で且つ適合しやすい上に、追加の冷却を必要とする側面パネル上の任意の区域に適用することができる局所的な解決策を提供することである。

境界条件をベース負荷状態下の９ＦＢ １２ｋＣｌ燃焼システムのものと仮定した完全乱流ライナ１１２及び最適化されたフロー・スリーブ孔を有するフロー・スリーブ１２８のモデルを使用して、一連のＣＦＤ研究を行った。種々の研究の結果は、通常の運転条件下では、ライナ１１２及びフロー・スリーブ１２８の設計は、燃焼ライナの背面に十分な冷却を提供することを示している。図１０（Ｂ）を参照すると、フロー・スリーブ１２８の長さに沿った予測金属温度は、金属温度変動が有意に減少したことが分かる。

図１０（Ａ）及び（Ｂ）は、従来技術によるライナ１００及びフロー・スリーブ２８と、本発明のライナ１１２及びスリーブ１２８内の金属温度を表している。図１０（Ｂ）に示すように、ライナフロー・スリーブ１２８は、図１０（Ａ）のフロー・スリーブ２８に関して示したストリークよりも均一な金属温度を示す。上述のように、フロー・スリーブ及び衝突スリーブに対して円周方向の有効区域及びその分布パターンを単に変更又は均衡を通ることで、均一な空気流を最適化してこれまでの設計における不要なストリークを排除し、従って、これらのより高い金属温度で許容可能な熱歪みが生成されることが分かっている。同様に、これは、ライナの耐用年数を延ばす助けとなるだけでなく、これまではライナを通って配向されなければならなかった空気流の一部をタービンの燃焼セクション１２に送り、燃焼を改善してエミッションを低減することが可能となる。

ライナの長さに沿った冷却の最適化は、現行のライナ構造に優る有意な利点を有する。特定の利点は、新しいライナによる冷却の改善により、望ましいライナ金属温度を達成するためにライナを通って流れることが必要な空気量が少なくなり、且つ、空気の局所温度とライナ通路内の空気の局所速度との均衡が取れることである。これによって、ライナの長さに沿った一定の冷却熱流速が得られる。この結果として、ライナ内の熱勾配及び熱応力の減少がある。また、冷却空気所要量の低減は、燃焼反応温度の減少によりライナ耐用年数の延長を助ける。最後に、空気流所要量の低減により、より多くの空気をタービン燃焼セクションに配向して、燃焼を改善すると共にタービンエミッションを低減することが可能となる。

本発明を例示的な実施形態を参照しながら説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を行い且つ均等物をその要素と置き換え得ることは当業者によって理解されるであろう。なお、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。

燃焼器ライナ後部の従来の燃焼器移行部品の簡略化された側面断面図。 移行部品に接合された従来の燃焼器ライナ及びフロー・スリーブの部分詳細斜視図。 例示的な実施形態によるライナ後端の部分分解図。 タービンの移行領域内の複数のチャネルを通って冷却空気を流すための、従来技術による後部ライナ領域及び本発明の後部ライナ領域の立面図。 タービンの移行領域内の複数のチャネルを通って冷却空気を流すための本発明の後部ライナ領域の立面図。 例示的な実施形態による燃焼器ライナ及び移行部品を囲むフロー・スリーブ及び衝突スリーブを有する燃焼器の側断面図。 図６の衝突スリーブの拡大図。 例示的な実施形態による空力スクープを示す、衝突スリーブの簡略側面図。 衝突スリーブ上の空力スクープの拡大詳細図。 （Ａ）は、背面冷却中及び長さに沿った予想金属温度の相対的差異を示す従来のフロー・スリーブの斜視図で、（Ｂ）は、例示的な実施形態による、背面冷却中及び長さに沿った予想金属温度の相対的差異を示すフロー・スリーブの斜視図。

符号の説明

１１２ 燃焼器ライナ
１２１ 圧縮型シール
１２３ カバープレート
１２４ 軸方向隆起セクション又はリブ
１２６ 空気入口スロット又は開口
１２７ 開口
１３０ 後端

Claims (9)

1. タービン用燃焼器であって、
   燃焼器ライナ（１１２）の長さを定める長さに沿って軸方向にアレイで配列され且つ外面上に位置付けられた複数の円形リングタービュレータ（１４０）を含む燃焼器ライナ（１１２）と、
   前記燃焼器ライナとの間に第１のフローアニュラス（３０）を備えて前記燃焼器ライナ（１１２）を囲む第１のフロー・スリーブ（１２８）であって、前記第１のフローアニュラス（３０）が互いに平行に前記ライナ（１１２）の後端（１３０）部分の一部の上を延びる複数の軸方向チャネル（Ｃ）を含み、各チャネルの断面積は前記チャネルの長さに沿って実質的に一定断面積及び変化する断面積のいずれか一方であり、前記第１のフロー・スリーブ（１２８）は圧縮機吐出空気からの冷却空気を前記第１のフローアニュラス（３０）に導くため前記第１のフロー・スリーブ（１２８）の円周部回りに形成された複数の冷却孔（３４）の列を有する、第１のフロー・スリーブ（１２８）と、
   高温燃焼ガスを前記タービンの段に搬送するように適合された、前記燃焼器ライナ（１１２）に連結された移行部品（１０）と、
   前記移行部品（１０）を囲む第２のフロー・スリーブ（１２８）であって、前記第２のフロー・スリーブ（１２８）が圧縮機吐出空気からの冷却空気を前記第２のフロー・スリーブ（１２８）と前記移行部品（１０）との間の第２のフローアニュラス（２４）に導くための第２の複数の冷却用開口（１２０）の列を有し、前記第１のフローアニュラス（３０）が前記第２のフローアニュラス（２４）に連結される、第２のフロー・スリーブ（１２８）と、
   を備え、
   前記第１の複数の冷却孔（３４）及び第２の複数の冷却用開口（１２０）は、各々、５０％未満の圧縮機吐出空気を前記第１のフロー・スリーブ（１２８）に分配し且つ前記第２のフローアニュラス（２４）からの冷却空気と混合する有効面積を備えて構成されることを特徴とするタービン用燃焼器。
2. 前記第２のフロー・スリーブ（１２８）内の複数の冷却用開口（１２０）の列の第１の列が、前記第１のフロー・スリーブ（１２８）と界面する端部近傍に位置することを特徴とする請求項１に記載の燃焼器。
3. 前記第１の列（１２９）の冷却用開口（１２０）は、前記圧縮機吐出空気が前記第２のフローアニュラス（２４）に入る前に前記第１のフローアニュラス（３０）に入ることを可能にすることを特徴とする請求項２に記載の燃焼器。
4. 前記第１の列（１２９）の冷却用開口（１２０）は、前記第１及び第２のフローアニュラス（３０，２４）を通るクロス空気流路に対して鋭角で前記第２のフロー・スリーブ（１２８）通る空気流を導く前記第２のフロー・スリーブ（１２８）の傾斜部（１３４）上に位置することを特徴とする請求項３に記載の燃焼器。
5. 各冷却用開口（１３２）は、約０．５インチの直径を含むことを特徴とする請求項４に記載の燃焼器。
6. 前記第１の複数の冷却孔（３４）及び第２の複数の冷却用開口（１２０）は各々、圧縮機吐出空気の１／３未満を前記第１のフロー・スリーブ（１２８）に分配し且つ前記第２のフローアニュラス（２４）から流れる残りの圧縮機吐出空気と混合する有効面積を有して構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器。
7. 各チャネルの断面積は、各チャネルに空気を通すための空気入口から空気が前記ライナ（１１２）のライナ端部から排出される空気出口までの前記チャネルの長さに沿って均一に減少することを特徴とする請求項１に記載の燃焼器。
8. 各チャネルの高さが前記空気入口端部から前記ライナ（１１２）の空気出口端部まで前記チャンネルの長さに沿って均一に減少し、これによって、前記ライナ（１１２）の耐用年数を延長させるように前記ライナ（１１２）の後端（１３０）で発生する熱歪みを低減させ、且つ移行領域（４６）内で所望のレベルの冷却を行うために前記ライナ（１１２）を通って流れるのに必要とされる空気の量を減少させることを特徴とする請求項７に記載の燃焼器。
9. 複数の流れキャッチャ装置（２２６）を更に備え、各流れキャッチャ装置（２２６）が前記冷却用開口（１２０）のそれぞれの開口の一部の回りで前記第２のフロー・スリーブ（１２８）の外面（２２３）に固定されたスクープを備え、更に前記流れキャッチャ装置（２２６）が前記外面（２２３）にほぼ垂直の平面にある前記スクープ（２２６）の縁部（２２７）によって定められ、且つ圧縮機吐出空気流の方向に面するように配置された開放側面を有し、その結果、圧縮機吐出空気流を前記第２のフロー・スリーブ（１２８）を通って前記移行部品（１０）上に再配向するようにされることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器。