JP2005509827A - ガスタービン用の環状燃焼器 - Google Patents

Abstract

低ＮＯ_x放出で高出力、高効率を達成すべく密閉空気冷却を可能にするガスタービン用の環状燃焼器に関する。２分割構造の環状燃焼器ハウジング（１、３）は、バーナ（５）から流出する高温ガスをタービン入口（８）迄気密に案内する薄壁の密閉ライナ（４、４１）を取り囲む。該ライナと環状燃焼器ハウジングの間に可変的な環状隙間（７）が存在し、該隙間により冷却空気が高温ガスと対向流で集められ、バーナに導かれる。ライナ表面は、衝突冷却装置（１４）および環状燃焼器ハウジングに孔模様で配置された開口によって、領域的に可変的に冷却される。超音波点溶接されたリングで構成された熱弾性的なライナは、フランジ（３６）においてだけ軸方向に固定され、かつ円周方向に延びる補強ビードを備える。更に、自由に熱膨張可能なライナは、同心的に、弾性引張り要素（１０）を介して、常温の環状燃焼器ハウジングに懸架されている。

Description

本発明は、バーナ用の少なくとも１つの入口開口とタービン室に開口する出口を備えたガスタービン用の環状燃焼器に関する。本発明はまた、そのような環状燃焼器を備えたガスタービンに関する。

ガスタービンは、例えば航空機の推進力を発生するために利用される他に、原動機技術で広く用いられている。燃料・空気混合気が点火され、燃焼器内で燃焼する。その際発生した高温燃焼ガスは、燃焼器に後置接続されたタービン室に向けて膨張し、そこで静翼列と動翼列とから成る翼装置に衝突し、動翼を駆動し、もって動翼が結合されたタービンロータを駆動する。かくして生じた機械エネルギは、最終的に、例えば発電に利用される。

タービン用燃焼器の構造に関し、基本的に異なる２方式が存在する。即ち、本発明が関係する環状燃焼器（ＲＢＫ）の他に、複数の個別燃焼器、所謂カンを備えた燃焼器装置が公知である。本発明の対象の環状燃焼器では、少なくとも１つ、通常は複数のバーナで点火された燃料混合気が環状燃焼器に導入され、その中で一様に分布し、タービン室内を、ロータ軸の周りに半径方向に延びて配置された静翼と動翼の方向に環状流の形で流れる。その燃焼時に生ずる高温は、環状燃焼器の壁に作用し、その結果壁を冷却するために特別な要件が必要となる。

そのため、従来から種々の冷却法が知られている。該冷却法は、流れ形状（対流冷却、衝突冷却、膜冷却）と、冷却材（空気冷却と蒸気冷却）と、冷却後の冷却材の利用（例えば、燃焼部の下流において冷却材を混合する「開放冷却」、冷却材を（燃焼、膨張）プロセスに戻す「密閉冷却」）とに応じて、区別される。

開放空気冷却と比べ非常に有利な密閉空気冷却では、冷却の終了後、加熱済み空気を完全に燃焼に用い、一緒に運ばれた熱も同様に回収する。従って密閉空気冷却は、例えば開放空気冷却と比べ高い出力効率と低いＮＯ_x放出を可能にする。開放空気冷却の場合、低温の冷却空気が、燃焼部の下流で高温ガスに混入される（低いガスタービン効率、高い有害物値）。構造原理と無関係に、密閉空気冷却は、開放空気冷却より明確に優れている。

従来公知の環状燃焼器は、耐熱構造にすべく、通常多数の耐熱要素、例えばセラミックス要素から成る内張りを備える。該内張りと本来の環状燃焼器ハウジングの間に、冷却材の貫流する環状隙間が存在する。その構造は、一方で多数の部品を有するために複雑であり、他方で個々の内張り間に存在する隙間のため、密閉空気冷却回路の形成に適さない。

本発明の課題は、冒頭に述べた形式のガスタービン用の環状燃焼器を、単純に構成され且つ密閉冷却式ライナに適するように、改良することにある。

この課題は、本発明に基づいて、バーナ用の少なくとも１つの入口開口と、タービン室に開口する出口とを備えたガスタービン用の環状燃焼器において、この環状燃焼器が、環状空間を境界づける外側壁と、少なくとも１つの入口開口から出口迄高温ガスを案内するために前記環状空間内に配置された環状ライナとを有し、そのライナと外側壁との間に、冷却材で貫流される環状隙間が空けられていることによって解決される。

本発明に基づく構成の環状燃焼器は、少ない部品数、単純で機能に合った構造を特徴とする。従来の環状燃焼器構造では、高温ガスを案内する内張りは、通常多数の耐熱構成要素からなっている。それら構成要素は、自由に熱膨張運動できるが、「非気密性」の欠点がある。即ち冷却空気は、多数の隙間経て高温ガス中に、未利用のまま入り込む（それどころか、高温作動ガスが不必要に冷却される（上述の欠点を有する「開放冷却」））。

これに反し、本発明に基づく環状燃焼器は、高温ガスを案内するために関連する気密ライナを有している。提案された金属ライナ構造物は、次のような利点を有する。即ち
− ライナをガスや空気が透過できないので、効果的な密閉空気冷却が実現できる。
− 冷却空気は１００％燃焼に利用され、吸収された熱はプロセスに導かれる。
− 熱応力／温度勾配は、ライナの薄肉構造によって制限され、これによって、構造部品 の寿命が十分に長くなる。
− 構造的形態は単純で部品数が非常に少ない。
− 環状隙間における冷却空気の帰還流は、高温ガスに対する対向流原理に基づいて効果 的に行われる。

本発明の有利な実施態様では、ライナは薄肉の鋼板で形成される。最良の壁厚経過を持ち、形状が安定した熱弾性的なライナ構造物を提案する。該構造物は、経費的および製造的に、互いに溶接された複数の環状セグメントから成るとよい。効果的な衝突冷却と関連して、内圧ないし外圧並びに高温ガス側からの振動励起に対し十分に安定して、低い応力レベルで、大きな冷却作用効率が生ずる。

異なる熱膨張に基づき生ずるライナと環状燃焼器外側壁との相対運動を補償すべく、本発明の他の実施態様では、ライナは、環状燃焼器からタービン室への移行部で、外側壁に固定され、かつその表面に沿って分布して配置された弾性懸架装置で、外側壁に対し相対移動可能に、この外側壁で支持される。ライナは、追加的に、その表面に沿って弾性保持要素を備え、もってライナはそれを包囲する、常温で強固な環状燃焼器ハウジングに、自由に移動可能に低応力で懸架される。一端だけに存在する上述した固定点および「揺動性を有する」弾性懸架装置は、種々の運転状態により生ずる熱膨張変形差を、顕著な強制応力なしに吸収する。更に、これに伴い、ライナの膨らみと楕円形化を防止できる。弾性懸架装置は、あらゆる運転状態において引張り力がライナを一様にかつ対称的に保持するように、バイアスが与えられた圧縮ばね／控えボルトから成るとよい。更に懸架装置は、好適には摩擦減衰機能を有し、これに伴い振動励起が最小になる。

ライナを一層強固にすべく、本発明の他の有利な実施態様では、ライナはその円周方向に延びる補強組織、好適には補強ビードを備える。

ライナの長手方向における補強組織ないし弾性懸架装置の配置間隔は、静的又は動的な補強要件に応じて変化される。

本発明による環状燃焼器を点検に便利にすべく、本発明の有利な実施態様では、次の２つのことが可能である。即ち、
− 相応して形成された環状燃焼器ハウジング／バーナ輪郭によって、外側から、完全バ ーナを組立（分解）できる。
− ライナ／環状燃焼器ハウジングの下半部およびタービン第１静翼列に対するリングの 下半部を、上側位置に所謂「反転」することができる。これは、軸方向に沿った分割お よびそれらの部品の同形形状によって可能である。

従って、点検作業時、タービン車室と圧縮機車室を開ける必要なく、更にはロータを取り外す必要なく、それらの高温部品を非常に安価な費用で交換できる。

ライナを耐熱的に形成すべく、本発明の他の実施態様では、ライナの高温ガスに曝される表面に、被膜、特に断熱層や酸化防止層を設ける。これは、気中プラズマジェット法（ＡＰＳ）で設ける。或いはライナの内側面を非常に薄い酸化防止層で保護する。

バーナがそれを通してライナ内に突出するライナ開口を漏れ止めすべく、本発明の他の有利な実施形態では、ピストンパッキンリングを設ける。該リングは、高温ガスが案内されるライナの内部に対し、冷却空気が貫流する外側範囲を漏れ止めすべく適用される。

ライナの効果的な冷却を得るべく、本発明の他の有利な実施態様では、ライナを衝突冷却することを提案する。そのため冷却空気を、貫流開口装置を経てライナの外側表面に直接導き、そこでその外側表面に衝突させ、強い冷却作用を生じさせる。ライナの内部を導かれる高温ガス流の速度分布および温度分布に基づいて異なった冷却要件が与えられるので、ライナの冷却が、冷却要件に応じて分割された領域において異なって行われることが有利である。本発明の有利な実施態様では、高温ガスがバーナから燃焼器に流入する入口領域の範囲の、外側壁とライナとの間に空けられた中間空間内に、衝突冷却要素を配置する。この要素は、例えば鋼板製の中空箱で形成され、この箱は、そのライナ外側面に対向して位置する面に、シャワ状に噴射する孔模様を持つ開口を備える。衝突冷却要素への別個の冷却空気供給および中空箱への流れ案内によって、衝突流は有害な横流れから保護され、この結果、熱的に大きく負荷される入口領域が、特に強く冷却される。

また、環状燃焼器ハウジングを負荷（内圧、振動、自重）に合わせて形成すべく、本発明は、ハウジングを薄い壁厚とし、円周方向に延びる補強リブを設けることを提案する。

外側ハウジングを貫通するバーナ貫通部を漏れ止めすべく、本発明に基づき、ラビリンスパッキンを利用するとよい。該パッキンは、ライナと外側壁との間の中間空間内を導かれる冷却空気と、環状燃焼器の外側壁の外側で圧力密の外側ハウジングの内部に存在する空気との間で、単純な構造で漏れの少ない漏れ止めを提供する。

更に本発明は、タービンの第１静翼列を環状燃焼器に固着することを提案する。通常構造のタービンの場合、第１静翼列は静翼ホルダに連結され、その個所に大きな熱膨張差が生ずるので、「揺動可能に」懸架されている。本発明に基づいて第１静翼列を環状燃焼器と一体化することで、この個所での大きな熱膨張変位を防止できる。従って、ライナとタービン第１静翼列付きリングの（高い温度を受ける）重要な両部品は、唯一の軸方向固定点で、常温の環状燃焼器ハウジングに連結される。更に、その構造部品複合体全体は、場所が固定された軸保護体で支持される。

更に、本発明により、環状燃焼器を一体化した新たなガスタービンが得られる。

本発明の他の特徴および利点は、当該技術者において、以下の添付図を参照しての実施例の説明から明瞭になろう。

各図は尺度通りではなく、説明するためだけに用いる。なお、各図において同一部分には同一符号を付している。

図１は、本発明に基づく環状燃焼器１と、タービンの他の構成要素の位置を、縦断面図で概略的に示する。

環状燃焼器ハウジング１、３は、場所固定の軸保護体５４に支持され、耐圧外側ハウジング２にヒンジ結合されている。環状燃焼器ハウジングは３分割構造であり、半径方向内側に位置するハブハウジング１と、外側に位置する外殻ハウジング３と、バーナハウジング３３とから成っている。これら各構成要素１、３、３３で形成された「トーラス（円環面体）」内に、半径方向外側ライナ４１と内側ライナ４から成るライナが存在している。全てのハウジング部分は軸方向に沿って接合フランジを介して分割されている。環状燃焼器ハウジングとライナの間に、外向きに広がる環状隙間７が空けられ、該隙間７内に冷却空気が集められ、バーナ５に導かれる。更に、円周方向に分布して配置された個々のバーナ５が、バーナハウジング３３内に入り込み、その各バーナ５は外側ライナ４１に開口している。バーナから流出する高温ガスは、ライナにより案内され、加速され、場所８で、環状燃焼器から排出され、又はタービンの第１静翼列に導入される。

更に図１は、「環状燃焼器トーラス」が機械軸線ＭＡに対して傾斜し、軸保護体５４がロータ６と共に環状燃焼器の中心を通って延びていることを示す。

図１に断面図で示す本発明による環状燃焼器１の上部を、図２に拡大して同様に概略的に示している。この図から明らかな如く、互いに内外に位置する２つの殻は２分割構造であり、全て軸方向に沿って分割されている。即ち、
− ライナは半径方向に内側ライナ４と外側ライナ４１から成り、これら両ライナは支え フランジ４３を介して互いに気密に結合されている（図４ｂの符号４３参照）。
− 環状燃焼器ハウジングは、ハブハウジング１と、外側殻ハウジング３と、バーナハウ ジング３３とから成っている。これら３つのハウジングの上部（半径方向外側部）およ び下部（半径方向内側部）は、その接合フランジ並びに結合フランジ３５を介して、ボ ルト結合されている。その複合体全体は、軸保護体５４に支持されている。

また、常温の環状燃焼器ハウジング１、３の垂直フランジ３６は、ライナ４、４１およびタービン第１静翼列を備えたリング９に対し、各々上述の軸方向固定点を形成している（４４はボルト、３６はフランジボルト結合部）。

図２は、弾性懸架装置１０も概略的に示す。該装置１０によって、ライナ４、４１が環状燃焼器ハウジング１、３に自由に移動可能に懸架されている。

薄肉鋼板からなるライナ４を強化すべく、ライナ４はその円周に沿って延びる補強ビード（ひも状突起）４５を備える。該ビード４５は弾性的懸架装置１０と共に、ライナ４の膨らみと楕円形化を防止する。ライナ４の内部を案内される高温ガスに対する保護用に、ライナ４はその内側面に被膜４６、好適には断熱層又は少なくとも１つの酸化防止層を備える。該断熱層は、所謂気中プラズマジェット法で設けられる。断熱層を保持できる厚さは、高温ガス側温度を約１２０℃だけ低下し、この結果、このライナ４における熱流密度で、約７５０℃の最大金属温度並びに理想的な熱応力値ないし寿命値が生ずる。

ライナ４の入口領域１１の範囲の、外側壁３とライナ４の間の環状隙間７内に、衝突冷却要素１４が配置されている。該要素は金属中空箱として形成されている。この要素１４に特別に冷却空気が供給され、そのライナ４側の表面に、シャワー状に噴射する孔模様を持つ開口を有している。その開口を経て、冷却空気が、その範囲においてライナ４の表面に的確に導かれる。熱的に大きく負荷される入口領域１１において、その衝突冷却要素１４とライナ４の表面との距離および衝突冷却要素１４に形成された開口の数と分布と直径の選択により、非常に効果的な冷却が起る。特に、衝突冷却要素１４で案内される冷却空気は、有害な横流れにより転向されず、この結果高い衝突冷却効率が生ずる。

入口領域１１に、中間領域１２並びに出口領域１３が続いている。

ライナ４の中央領域１２の範囲は、外側壁３に形成された開口を経てライナ４に導かれる冷却空気で衝突冷却される。出口領域１３でも衝突冷却される。ライナ４を冷却すべく冷却空気流は２つの部分流に分けられ、第１部分流ｍ_k1は、外側壁３に形成された開口を経て、中央領域１２や出口領域１３を衝突冷却する。第２部分流ｋ_m2は、衝突冷却要素１４に直接導かれ、該要素１４を経て、入口領域１１を衝突冷却する。第１、第２の部分流ｍ_k1、ｋ_m2の総冷却空気は、共に冷却空気流ｋ_mとしてバーナに導かれ、そこで全部が燃焼空気として利用される。かくして、ガスタービンの高い効率を可能にする密閉空気冷却が実現する。冷却空気で吸収された熱は系統に戻され、無駄にならない。

図３は、本発明に基づく環状燃焼器１のライナ４を斜視図で示す。この図から、円周方向に延びる補強ビード４５の他に、弾性懸架装置１０の取付け点４８が理解できる。更に環状に一様に分布して配置されたバーナ開口４７も理解でき、これらバーナ開口４７に各々バーナ５が開口している。ライナ４は、溶接継手４９（図４ａ参照）、好適には超音波点溶接継手を介して結合された個々の環状鋼板セグメントからなっている。この構造は、本発明に基づく環状燃焼器におけるライナ４の安価で簡単な製造を可能にする。

図４ｂは、ライナの内側セグメント４と外側セグメント４１を接続するフランジ４３を詳細に示す。その個所で内側セグメント４と外側セグメント４１が突き当たり、フランジ４３は、ほっそりした部分における先端が膨出部状の補強リング４１０で終えている。このリング４１０は外側セグメント４１のへこみを防止する。フランジ４３で互いに突き当たる内側セグメント４と外側セグメント４１は、金属温度を均一化にすべくほっそりした部分に沿って、外側面に局所的な外側被膜４１２を備えている。一部ではライナ４の内側セグメント４、他の部分では外側セグメント４１にて形成された補強リング４１０の内部に、フランジ４３を空洞内に密封するシールプレート４１１がはめ込まれている。

図５は、ライナ４の補強ビード４５を拡大断面図で示す。この図で、補強ビード４５の適切な寸法が解る。ここでｈ_sはビードの高さであり、図示の実施例では、ビード半径ｒ_sと同じである。従ってビード幅ｅとして、ｅ＝ｈ_s×ｃｏｔαが生ずる。αは図示の角度である。ｂ_sで表すビード間隔は、ビード幅ｅとビード高ｈ_sと同様に、機械的な強度要求に応じ選定され、ビードの幾何学形状は、ライナ４の長手方向広がりにわたり変化して選定できる。

図６は、ライナ４と外側壁３の間の弾性懸架装置１０を詳細に示す。控えボルト１０１をライナ４の取付け点４８にねじ込んでいる。控えボルト１０１は外側壁３を貫通し、この個所で外側壁３にはめ込んだシリンダ（ケース）１０２を貫通している。シリンダ１０２内にピストン１０３がはめ込まれ、パッキン１０４によりシリンダ１０２に対し密封されている。シリンダ１０２とピストン１０４の間に、コイルばね１０５がはめ込まれ、該ばねは、ピストン１０３にシリンダ１０２から離れる方向の圧縮力を与える。控えボルト１０１は調整ナット１０６でピストン１０３に結合され、該ナット１０６のピストン１０３に接する表面は凸面状にされ、それに対応したピストン１０３の表面は凹面にされている。かくして、調整ナットとピストン１０３の間に球面座が生じている。控えボルトを固定して保持すべく、止めナット１０７が調整ナット１０６に対し締め付けられている。ライナ４と外側壁３との相対運動を補償すべく、ピストン１０３はシリンダ１０２内で控えボルト１０１の長手方向に移動する。コイルばね１０５により、控えボルト１０１に常に外側壁３の方向に向いた引張り力が加わり、ライナ４はバイアスを与えられている。ライナ４の振動を防止すべく、調整ナット１０６にあるスリットに、摩擦減衰要素１０８がはめ込まれ、該要素１０８は、シリンダ１０２に形成されて控えボルト１０１の広がり方向に延びるスリット内に波形構造ではめ込まれている。この範囲の摩擦減衰要素１０８の波形形状により、該範囲でシリンダ１０２と摩擦減衰要素１０８の間に摩擦力が生ずる。この摩擦力は、ライナ４と外側壁３との相対運動を減衰し、それに応じ振動を減衰する。Δｎはライナ４の相対熱膨張であり、これは弾性懸架装置にて補償される。

図示の実施例は、単に説明に用いただけであり、本発明はこれに限定されない。

本発明によれば、少ない部品数で簡単に構成され、特に密閉空気冷却による冷却に適用される環状燃焼器が得られる。

本発明に基づく環状燃焼器と別のタービン部品に関する位置の概略断面図。 本発明に基づく環状燃焼器の図１における上部の拡大概略断面図。 本発明に基づく環状燃焼器のライナの斜視図。 本発明に基づく環状燃焼器のライナの入口領域における部分の断面図。 ライナの内側セグメントと外側セグメントとの接続フランジの詳細図。 本発明に基づく環状燃焼器のライナに形成された補強ビードの拡大断面図。 本発明に基づく環状燃焼器の外側壁へのライナの弾性懸架装置の構造。

符号の説明

１ 環状燃焼器、３ 環状燃焼器ハウジング、４、４１ ライナ、７ 環状隙間、１０ 懸架装置、１１ 入口領域、１４ 衝突冷却要素、４６ 被膜、５１、５２ パッキン

Claims (17)

1. バーナ（５）用の少なくとも１つの入口開口と、タービン室に開口する出口（８）を備えたガスタービン用の環状燃焼器において、該燃焼器（１）が、環状空間を境界づける外側壁（３）と、少なくとも１つの入口開口から出口（８）迄高温ガスを案内するために前記環状空間の中に配置された環状ライナ（４、４１）とを有し、該ライナと外側壁（３）との間に、冷却材で貫流される環状隙間（７）が空けられたことを特徴とする燃焼器。
2. 環状隙間（７）を経て密閉空気冷却回路の冷却空気が導かれることを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
3. ライナ（４）が薄い肉厚の鋼板で形成されたことを特徴とする請求項１又は２記載の燃焼器。
4. ライナ（４）が、互いに溶接された個々の環状セグメントで構成されたことを特徴とする請求項３記載の燃焼器。
5. ライナ（４、４１）が、環状燃焼器（１）からタービン室への移行部で外側壁（３）に固定され、かつその表面に沿って分布して配置された弾性懸架装置（１０）で外側壁（３）に対して相対移動可能に、この外側壁（３）で支持さ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。
6. 弾性懸架装置（１０）が、外側壁（３）の方向にばね荷重されライナ（４、４１）と外側壁（３）との間に相対移動可能に配置された接続装置により形成されたことを特徴とする請求項５記載の燃焼器。
7. 弾性懸架装置（１０）が摩擦減衰機能を有することを特徴とする請求項５又は６記載の燃焼器。
8. ライナ（４、４１）が補強組織を有することを特徴とする請求項１から７の１つに記載の燃焼器。
9. ライナ（４、４１）および／又は外側壁（３）が、軸方向に分割されフランジ継手を介して互いに結合された少なくとも２つの部分から構成されたことを特徴とする請求項１から８の１つに記載の燃焼器。
10. ライナ（４、４１）が、高温ガスに曝される表面に被膜（４６）を有することを特徴とする請求項１から９の１つに記載の燃焼器。
11. バーナ（５）のライナ（４、４１）への流入部が、ピストンパッキンリング（５２）により漏れ止めされたことを特徴とする請求項１から１０の１つに記載の燃焼器。
12. ライナ（４、４１）を衝突冷却するための構造物を有することを特徴とする請求項１から１１の１つに記載の燃焼器。
13. バーナ（５）が、ライナ（４、４１）に開口する入口領域（１１）の範囲に衝突冷却要素（１４）を備えることを特徴とする請求項１２記載の燃焼器。
14. 外側壁（３）が補強組織を有することを特徴とする請求項１から１３の１つに記載の燃焼器。
15. バーナ（５）が外側壁（３）を貫通する貫通部が、ラビリンスパッキン（５１）により漏れ止めされたことを特徴とする請求項１から１４の１つに記載の燃焼器。
16. タービン第１静翼列（９）が環状燃焼器（１）に結合されたことを特徴とする請求項１から１５の１つに記載の環状燃焼器。
17. 請求項１から１６の１つに記載の環状燃焼器を備えることを特徴とするガスタービン。
    
    

Images