JP2006063984A - セグメント化傾斜面を用いる燃焼器冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、燃焼器ライナを提供する。
【解決手段】 ガスタービン（１６）用の燃焼器ライナ（２４）は、該燃焼器ライナ（２４）の外表面（２６）上に複数の傾斜ストリップ（４０）を有する本体を含む。複数の傾斜ストリップ（４０）は、外表面（２６）の周りのアレイの形態で配置される。複数の傾斜ストリップ（４０）の各々間にスペース（４２、４４、Ｐ）を配置して、燃焼器ライナ（２４）の外表面（２６）にわたって長手方向に流れる冷却空気内に渦を形成するようにする。燃焼器ライナ（２４）を製作する方法は、燃焼器ライナ（２４）の外表面（２６）上に該外表面（２６）の周りのアレイの形態で配置され、その各々が燃焼器ライナ（２４）の外表面（２６）にわたって長手方向に流れる冷却空気内に渦を形成するように間隔を置いて配置された複数の傾斜ストリップ（４０）を形成する段階を含む。
【選択図】 図８

Description

本発明は、総括的にはタービン構成部品に関し、より具体的には燃焼器ライナに関する。

従来型のガスタービン燃焼器は、燃料及び空気が別々に燃焼室に流入する拡散（すなわち非予混合）燃焼を用いる。混合及び燃焼の過程は、３９００°Ｆを超える可能性がある火炎温度を発生する。ライナを有する従来型の燃焼器及び／又は移行部品は、一般的に約１５００°Ｆのオーダの最高温度に約１００００時間耐えることを可能にするので、燃焼器及び／又は移行部品を保護する処置を取らなければならない。これは通常、フィルム冷却により実行され、フィルム冷却は、燃焼器の外側を囲む圧縮機吐出ケースによって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必要とする。この従来の構成では、プレナムからの空気は、燃焼器ライナのルーバを通って流れ、次にライナの内表面を覆うフィルムとして流れ、それにより燃焼器ライナの温度を許容レベルに維持する。

二原子窒素は、約３０００°Ｆ（約１６５０°Ｃ）を超える温度で急激に分離し、このような温度で酸素と容易に反応するので、拡散燃焼の高温により比較的高いＮＯｘエミッションが生じる。ＮＯｘエミッションを低減する１つの方法は、圧縮機空気の最大可能量を燃料と予混合することであった。得られた希薄予混合燃焼は、より低温の火炎温度を生じ、従ってより低いＮＯｘエミッションを発生する。希薄予混合燃焼は、拡散燃焼よりも低温であるが、火炎温度は、これまでの従来型の燃焼器構成部品が幾つかのタイプの能動冷却なしで耐えるには依然として高温すぎる。

さらに、最新式の燃焼器は、ＮＯｘ低減のために最大可能空気量を燃料と予混合するので、冷却空気を殆ど又は全く使用せず、燃焼器ライナ及び移行部品のフィルム冷却を実行不可能にする。それにも拘わらず、燃焼器ライナは、材料温度をその限界値以下に維持するために冷却を必要とする。乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）エミッションシステムでは、この冷却は、低温側対流として行うことができるのみである。このような冷却は、温度勾配及び圧力損失の許容限界内で実行されなければならない。従って、「背面」冷却と組合せた断熱皮膜のような手段を使用して、燃焼器ライナ及び移行部品をこのような高熱による破損から保護してきた。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表面全体にわたって流すことを必要とする。

現在のところ、燃焼室を対流冷却するのに３つの形式の従来技術がある。第１に、実際にはライナの表面を横切る直線の形状をした一連の長手方向すなわち軸方向に間隔を置いて配置された水平方向タービュレータを使用して、熱境界層を分裂させかつ冷却のための熱伝達を高めるようにする。これらのタービュレータは、金属表面内に機械加工されるか、又は材料のタック溶接ストリップとして金属に施されるかのいずれかである。第２に、燃焼室外側冷却フロースリーブによって供給された一連のインピンジメント噴流によって、対流冷却を行う。一般的に、燃焼室の全体範囲にわたってこのようなインピンジメント冷却を行うことは不可能であり、そのためインピンジメントと表面タービュレータとの幾つかの組合せが使用される。第３に、ライナ表面にディンプル又は半球凹部としても知られている表面凹部のアレイを設けて、熱伝達を高めるように作用する渦流を形成する。様々な公知の方法は、熱伝達を高めるが、温度勾配及び圧力損失への様々な影響も伴う。
米国特許６，６８１，５７８号公報

本発明の例示的な実施形態は、ガスタービン用の燃焼器ライナを含み、本燃焼器ライナは、該燃焼器ライナの外表面上に複数の傾斜ストリップを有する本体を含む。複数の傾斜ストリップは、外表面の周りのアレイの形態で配置される。複数の傾斜ストリップの各々間にスペースを配置して、燃焼器ライナの外表面にわたって長手方向に流れる冷却空気内に渦を形成するようにする。

本発明の例示的な実施形態はまた、燃焼器ライナを製作する方法を含む。本方法は、燃焼器ライナの外表面上に該外表面の周りのアレイの形態で配置され、その各々が燃焼器ライナの外表面にわたって長手方向に流れる冷却空気内に渦を形成するように間隔を置いて配置された複数の傾斜ストリップを形成する段階を含む。

図１を参照すると、カン・アニュラ型逆流燃焼器１０を示している。燃焼器１０は、密閉空間内で空気及び燃料を燃焼させ、固定ベーン列を通して発生した燃焼ガスを排出することによって、タービンの回転運動を駆動するのに必要なガスを生成する。動作中、圧縮機からの吐出空気１１（約２５０〜４００ポンド／平方インチのオーダの圧力に加圧された）は、該空気が燃焼器（１つを符号１４で示す）の外側上を流れかつタービン（第１段を符号１６で示す）への途中で再び燃焼器に流入するときに、逆方向に流れる。圧縮空気及び燃料は、燃焼室１８内で燃焼され、約１５００°Ｃすなわち約２７３０°Ｆの温度のガスを発生する。これらの燃焼ガスは、高速で移行部品２０を介してタービンセクション１６内に流れる。移行部品２０は、コネクタ２２で燃焼器ライナ２４に結合されるが、幾つかの用途では、移行部品２０と燃焼器ライナとの間に別個のコネクタセグメントを設置することができる。燃焼器ライナ２４及び移行部品２０は、吐出空気１１がその上を流れる外表面２６を有し、吐出空気１１は燃焼器ライナ２４を冷却する。

具体的には、吐出空気１１の環状流が存在し、この吐出空気１１は、ライナ２４の外表面２６（低温側）全体にわたって対流処理する。例示的な実施形態では、吐出空気はフロースリーブ２８を通って流れ、フロースリーブ２８は、高い熱伝達率を生じるのに十分なほど流速を高くすることができるような環状のギャップ３０を形成する。燃焼器ライナ２４及び移行部品２０の両方に設置されたフロースリーブ２８は、互いに結合された２つの別個のスリーブとすることができる。フロースリーブ２８は、大きな圧力低下を招くことなく十分な量の吐出空気１１がフロースリーブ２８内に移動することを可能にする一連の孔、スロット又はその他の開口（図示せず）を有する。

図２〜図７は、燃焼器ライナ２４の外表面２６（低温側）上に機械加工又は製作されたパターン化シェブロン及び破断シェブロン表面の別の実施形態を示す。具体的には、図は、そのような表面の一般的な幾何学形状及び流れの配向を示す。図２〜図７は、セグメント化傾斜ストリップ４０で囲まれた様々な実施形態の一部のみを表していることを理解されたい。様々な実施形態は、産業用ガスタービン燃焼器ライナ及び移行部品で得ることができる冷却の強化、具体的には対流冷却を向上させる。

具体的に、実施形態の各々は、シェブロンすなわちＶ字形の特定の形態で突出したストリップ４０、又はＶ字形の基部が除去されかつさらに千鳥配列の傾斜ストリップを形成するようにＶ字形の第２の側部からオフセットしたＶ字形の第１の側部を含むことができる破断シェブロン・ストリップのアレイ構成を示す。整列配列又は千鳥配列のアレイのいずれかのＶ字形ストリップで形成されたシェブロン表面は、冷却表面上の境界層流を分裂させるが、傾斜ストリップに沿って重要な２次流渦を形成する働きをする。これら２次流は、熱伝達強化を与え、またシェブロン間の領域内で相互作用して流れをさらに混合しかつ分裂させる。これらのストリップの端縁部又は端部はまた、局所的な発散渦を形成する。破断シェブロン・アレイはシェブロンの基部が除去され、従って千鳥配列のかつ配向性のストリップが残り、このストリップは、シェブロンが作用するのと同様に作用するがさらに付加された破断端縁部において付加的に強化した流れ及び熱伝達を生じる。

図２〜図９を、また具体的には図８及び図９を参照すると、ストリップ４０は、Ｖ字形ストリップ間及び傾斜ストリップ間にスペース４２及び４４が存在するようにセグメント化される。スペース４２は、Ｖ字形ストリップの各々間の水平方向距離である。スペース４４は、シェブロンの基部を除去した時に形成されたスペースの水平方向距離である。各ストリップ４０間の長手方向距離であるスペースＰも存在する。例示的な実施形態では、スペース４２及び４４は同一寸法であるが、スペース４２及び４４が同一寸法である必要はない。スペース４２及び４４は、別個の端縁部を形成し、吐出空気１１が端縁部と相互作用して流れを乱す渦を形成する。空気は主として長手方向に流れるが、スペース４２及び４４は各ストリップ４０に隣接して横方向に形成されることに注目されたい。

Ｖ字形ストリップ４０は、ストリップ４０のピッチによって定まるオフセット４６を形成するように千鳥配列することができる。各ストリップ４０は、各ストリップ４０間にスペースＰを有するように設置される。例示的な実施形態では、オフセット４６は、長手方向に任意の２つのストリップ４０間の距離Ｐの半分である。オフセット４６は、スペースＰの約０．３〜スペースＰの約０．７の範囲とすることができる。

ストリップ４０の異なる角度Ａは、異なる大きさの局所的２次流又は２次流渦を形成する。ストリップ４０の角度Ａの量は、水平線から約３０度〜約６０度の角度を含む。各ストリップ４０は、約１ｃｍ〜約２ｃｍの長さＬを有する。１つのパラメータは、ストリップ間の距離Ｐとストリップの高さＨとの間の比率（Ｐ／Ｈ）として定められる。例示的な実施形態では、比率Ｐ／Ｈは約６〜１４である。この比率は、最良の熱伝達のために各ストリップ間で流れが表面２６に再付着することができるような特徴形状部の列としてストリップの好ましいスペースを定める。別のパラメータは、表面ストリップの列間のスペース４２である。このスペースは、流れ渦がストリップの端縁部から自由に発生するのを可能にするほど十分に大きくなければならない。例示的な実施形態では、このスペース４２は高さＨの５〜１０倍である。スペースが非常に大きい場合であっても隣接するストリップ端縁部が渦を発生し続けることになるので、このスペース４２には上限はない。しかしながら、より密接したスペースはより多くの特徴形状部とより多くの表面積を付加することを意味する点で、スペース４２は、これらの強化した幾何学形状によって達成される表面積全体の増大に関連する。

直径が約１４〜１６インチ（３５．５〜４０．６ｃｍ）の大型燃焼室の場合には、ストリップ４０の高さＨの例示的な実施形態は、０．０２０インチ（０．０５１ｃｍ）〜０．１２０インチ（０．３０５ｃｍ）の間にある。ストリップ４０のスペース４２及び高さＨは、必要に応じて幾つかの冷却増強の調整を達成するように表面アレイに沿って変えることができる。さらに、セグメント化シェブロンパターン及びセグメント化破断シェブロンパターンの形態のストリップを使用することにより、吐出空気１１（冷却媒体）が相互作用する表面積は、ライナの外側上にストリップを使用しないものに比べて最大約２５％ほど増加する。

図９はまた、ストリップの基部にストリップの各々における応力を低減するのに役立つ半径Ｒがあることを示す。加えて、例示的な実施形態では、ストリップは、吐出空気の流れのより良好な乱流を可能にするための平坦な頂部５０を有することになる。半径及び平坦な頂部は機械加工したストリップの典型であり、また他の加工方法も考えられ、その加工方法では丸みのある頂部又は基部に非常に小さな半径を形成してもよいことを理解されたい。

スペース４２、４４及びオフセット４６は、付加的な外乱を与えて流れの乱流を増大させる。乱流を増大させることにより、吐出空気１１の流れがライナの外表面２６において撹拌され、これにより新鮮な吐出空気をライナの外表面まで下方に移動させることが可能になる。換言すると、表面から遠く離れており、従ってより低温の吐出空気がライナ表面にもたらされ、それにより、より低温の空気が表面の熱伝達率を高めることが可能になる。ストリップ４０が互いに近接しすぎている場合には、実際には気流が、冷却すべき表面から離れて隔離されることになることに注目されたい。加えて、ストリップ４０が小さすぎる場合には、表面の特徴形状部はもはや、ストリップ４０の方向に沿った２次流を殆ど形成しないことになる。

ストリップ４０は、大量の吐出空気１１が長手方向に該ストリップ４０を横切って流れるように指定した方式で配向される。空気の流れは、冷却すべき表面に直ぐ隣接する流れ内に多数のかつ良好に位置した端縁渦を生成する。長手方向の流れは、２重矢印で示すように上から下へ又は下から上への方向のいずれかとすることができることに注目されたい。矢印は、上から下へ又は下から上へのいずれかに流れるものとして流れを示しているが、この方向の変更は、ストリップ４０の別の配向を示すためのものであって、燃焼器ライナとフロースリーブとの間又は移行部品とフロースリーブとの間の主流の方向を変更することを示すものではない。これらの形状及び配向のストリップはまた、熱流束能力のための大きな表面積を付加すると共に、表面全体にわたってより均一な冷却増強を分布させる機能を果たす。

ストリップ４０を外表面２６上に形成する方法は、鋳造、機械加工、ろう付け、溶接、又はレーザ圧密化のような特定の堆積法などによって達成することができ、これによりストリップ４０は、ライナ２４を形成した後に該ライナ２４上に形成することが可能になる。従って、ストリップ４０は、ライナ２４の一部として一体形にすることができ、或いはライナを形成した後に該ライナ２４に付加することができる。ストリップ４０をライナ２４の一部として一体形にした（例えば機械加工、鋳造など）場合、このときストリップ４０はライナ２４に完全に組合され、ライナにストリップとの接合部は存在しない。従って、ライナ２４と一体形になったストリップ４０との間が完全な熱的接触状態になり、これにより吐出空気１１がストリップ４０上を流れるときの熱伝達が向上する。これに代えて、ストリップを表面２６に押し当て、次にライナの外表面２６とシームレス接合部を形成するような方法で接合することができる。

ストリップは、先行技術の従来型の方法に比べてより高い熱的強化をもたらし、特に燃焼器冷却通路の典型であるレイノルズ数、例えば５０００００〜１００００００においてそうである。最近の情報によると、ライナ冷却表面上の横方向タービュレータを用いる従来型の方法は、冷却流レイノルズ数が低エミッション燃焼器で用いる非常に高いレベル、例えば５０００００〜１００００００のオーダのレイノルズ数に増加した場合に、熱伝達増強係数の低下を生じることを示している。本明細書で説明した例示的な実施形態は、１５〜２０％ほどの熱伝達率増強係数の増大、それに加えて１０〜２０％の付加的表面積の増大、従って合計で２０〜４０％の熱流束又は冷却能力の増大をもたらす。ストリップ４０はまた、ほとんど表面処理の位置からすぐにその増強レベルに達すると共に、表面に沿って一定のレベルを保持するという予想外の利点を有し、この両方の特性は、従来型の乱流（タービュレータ付き）表面では見られなったものである。

図１０及び図１１は、セグメント化ストリップを用いることの有利性を示す。図１０において、横軸はレイノルズ数を表し、縦軸は、乱流表面摩擦係数の平滑表面摩擦係数に対する比率を表す。この図は、破断傾斜ストリップ４０及びＶ字形ストリップ４０の両方が、ストリップを有しない平滑表面と表面を横切る水平方向ストリップである横方向タービュレータとに比べて、様々なレイノルズ数又は流量（また特に高いレイノルズ数での）の全てにおいて乱流がどれほど大きいかを示す。図１１において、横軸はレイノルズ数を表し、縦軸は、乱流熱伝達率（「ＨＴＣ」）の平滑表面ＨＴＣに対する比率を表す。この図は、破断傾斜ストリップ４０及びＶ字形ストリップ４０の両方が、表面を横切る水平方向ストリップである横方向タービュレータに比べて、様々なレイノルズ数又は流量（また特に高いレイノルズ数での）の全てにおいて熱伝達率がどれほど大きいかを示す。

さらに、例示的な実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えることができ、また本発明の要素を均等物で置き換えることができることは、当業者には分かるであろう。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。さらに、第１の、第２のなどの用語の使用は、何らかの順序又は重要性を示すものではなく、むしろ第１の、第２のなどの用語は１つの要素を別の要素と区別するために用いている。

公知のガスタービン燃焼器の概略図。 燃焼器ライナの外表面の平面図。 図２の表面の別の実施形態を示す図。 図２の表面の別の実施形態を示す図。 図２の表面の別の実施形態を示す図。 図２の表面の別の実施形態を示す図。 図２の表面の別の実施形態を示す図。 表面の幾何学形状及び流れの配向を示す図。 ストリップの１つの断面図。 レイノルズ数と乱流表面摩擦係数の平滑表面摩擦係数に対する比率との対応を示すグラフ。 レイノルズ数と乱流熱伝達率（「ＨＴＣ」）の平滑表面ＨＴＣに対する比率との対応を示すグラフ。

符号の説明

１０ 燃焼器
１１ 圧縮機吐出空気
１６ タービンセクション
２０ 移行部品
２４ 燃焼器ライナ
２６ ライナ外表面
２８ フロースリーブ
４０ 傾斜ストリップ
４２、４４、Ｐ 傾斜ストリップ間のスペース

Claims (10)

1. ガスタービン（１６）用の燃焼器ライナ（２４）であって、
   該燃焼器ライナ（２４）の外表面（２６）上に該外表面（２６）の周りのアレイの形態で配置された複数の傾斜ストリップ（４０）を有する本体と、
   該燃焼器ライナ（２４）の外表面（２６）にわたって長手方向に流れる冷却空気内に渦を形成するように前記複数の傾斜ストリップ（４０）の各々間に配置されたスペース（４２、４４、Ｐ）と、
   を含む燃焼器ライナ（２４）。
2. 前記傾斜ストリップ（４０）の各々がＶ字形である、請求項１記載の燃焼器ライナ（２４）。
3. 前記傾斜ストリップ（４０）の各々がＶ字形であり、前記Ｖ字形の基部が除去されている、請求項１記載の燃焼器ライナ（２４）。
4. 前記傾斜ストリップ（４０）の各々がＶ字形であり、前記Ｖ字形の基部が、第１の側部と第２の側部とを形成するように除去され、前記第１の側部が、前記第２の側部から長手方向にオフセットしている、請求項１記載の燃焼器ライナ（２４）。
5. 前記第１の側部が、前記傾斜ストリップ（４０）の各々間の長手方向距離全体の約０．３〜約０．７だけ前記第２の側部からオフセットしている、請求項４記載の燃焼器ライナ（２４）。
6. 前記スペース（４２、４４、Ｐ）が、前記Ｖ字形から除去された基部と、前記Ｖ字形の各々間に配置された横方向スペース（４２）と、前記傾斜ストリップ（４０）の各々間に配置された長手方向スペース（Ｐ）とを含む、請求項４記載の燃焼器ライナ（２４）。
7. 前記複数の傾斜ストリップ（４０）の各々が、約０．０２インチ〜約０．１２インチの高さを有する、請求項１記載の燃焼器ライナ（２４）。
8. 前記スペース（４２、４４、Ｐ）が、長手方向スペース（Ｐ）と横方向スペース（４２、４４）とを含み、前記傾斜ストリップ（４０）の各々間の長手方向スペース（Ｐ）が、前記傾斜ストリップ（４０）の各々間の横方向スペース（４２、４４）の該傾斜ストリップ（４０）の各々の高さに対する比率によって定められ、前記比率が約６〜約１４の範囲にある、請求項１記載の燃焼器ライナ（２４）。
9. 前記横方向スペース（４２、４４）が、前記傾斜ストリップの各々の高さの約５倍〜約１０倍として定められている、請求項８記載の燃焼器ライナ（２４）。
10. 前記傾斜ストリップ（４０）の各々が、約３０°〜約６０°の範囲にある水平方向からの角度を有する、請求項１記載の燃焼器ライナ（２４）。

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