JP2009222062A - 燃焼ライナ用の断熱ブッシュ - Google Patents

Abstract

【課題】タービン用の燃焼器を提供する。
【解決手段】本タービン用の燃焼器は、燃焼器ライナ（１８）と、第１の流れアニュラス（３０）を形成するように燃焼器ライナを囲みまた冷却空気として圧縮機吐出空気を該第１の流れアニュラス内に導く冷却孔（２８）を有する第１の流れスリーブ（２０）と、燃焼器ライナに連結されて高温燃焼ガスをタービンに運ぶトランジションピース本体（１４）と、トランジションピース本体を囲みまた冷却空気として圧縮機吐出空気を該トランジションピース本体との間に設けられた第２の流れアニュラス（２６）内に導く冷却孔を有する第２の流れスリーブ（１６）と、燃焼器ライナ内に設けられて圧縮機空気を該燃焼器ライナによって形成された燃焼室内に流す１以上の希釈孔と、冷却又は希釈孔の少なくとも１つ内に嵌合されかつそれに対して固定されて該孔を通る圧縮機吐出空気用の流路を形成するブッシュ（４０）とを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスタービンエンジン内における内部冷却に関し、より具体的には、大きな温度勾配がトランジションピース又はライナ壁内に発生するのを防止するための組立体及び方法に関する。

伝統的なガスタービン燃焼器は、燃料及び空気が別個に燃焼室に流入する拡散（すなわち非予混合）燃焼をその中で使用している。混合及び燃焼プロセスは、３９００°Ｆを超える火炎温度を発生する。ライナを有する従来型の燃焼器及び／又はトランジションピースは一般的に、約１０、０００時間にわたる約１５００°Ｆ程度の最高温度にのみ耐えることができるので、燃焼器及び／又はトランジションピースを保護する処置を取らなければならない。それは一般的に、比較的低温の圧縮機空気を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内に導入することを含むフィルム冷却によって行われてきた。この従来技術の構成では、プレナムからの空気は、燃焼器ライナ内のルーバを通って流れ、次にライナの内表面上全体にわたってフィルムとして流れ、それによって燃焼器ライナの健全性を維持する。

二原子窒素は約３０００°Ｆ（約１６５０℃）を超える温度で急速に分解するので、拡散燃焼の高温により、比較的大量のＮＯｘエミッションが生じる。ＮＯｘエミッションを低減する１つの解決方法は、最大可能圧縮機空気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、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、その火炎温度は、従来技術の従来型の燃焼器構成要素が耐えるには依然として高温過ぎる。

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、冷却空気は殆ど又は全く使用することができず、最善でも燃焼器ライナ及びトランジションピースのフィルム冷却が不十分となる。それにもかかわらず、燃焼器ライナは、材料温度を限界値以下に維持するために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、低温側対流として供給することができるのみである。そのような冷却は、温度勾配及び圧力損失の要件内で実施されなければならない。従って、そのような高熱による破壊から燃焼器ライナ及びトランジションピースを保護するために、「背面」冷却と組合せた遮熱コーティング（ＴＢＣ）のような手段が考えられてきた。背面冷却は、空気を燃料と予混合する前に圧縮機吐出空気をトランジションピース及び燃焼器ライナの外表面上全体にわたって流すことを含んでいた。

冷却又は希釈空気を燃焼器内に加える従来の方法は、単に壁を貫通して孔を穿孔することである。燃焼器ライナ又はトランジションピース内に燃焼又は希釈孔を形成した場合には、比較的低温の空気が、孔を通して急激に流れかつ孔の内表面を冷却する。孔から離れた領域に移動すると、ライナ材料の温度は、かなり大幅に高い値に上昇する。生じた熱膨張差異により、ライナ材料内に歪み及び応力が発生し、これら歪み及び応力は、ライナ及びトランジションピース内に低サイクル疲労割れ発生を引き起こすのに十分なほど高くなるおそれがある。

本発明は、燃焼器ライナ又はトランジションピースの燃焼冷却又は希釈孔内に挿入されて、トランジションピース又はライナ壁内に大きな温度勾配が発生するのを防止する断熱体として作用するブッシュを提供する。

従って、本発明は、タービン用の燃焼器として具現化することができ、本タービン用の燃焼器は、燃焼器ライナと、燃焼器ライナとの間に設けられた第１の流れアニュラスを備えた状態で該燃焼器ライナを囲みまたその円周部の周りに形成されて冷却空気として圧縮機吐出空気を第１の流れアニュラス内に導く複数の冷却孔を有する第１の流れスリーブと、燃焼器ライナに連結されまた高温燃焼ガスをタービンに運ぶトランジションピース本体と、トランジションピース本体を囲みまた冷却空気として圧縮機吐出空気を該トランジションピース本体との間に設けられかつ第１の流れアニュラスに連結された第２の流れアニュラス内に導く第２の複数の冷却孔を有する第２の流れスリーブと、燃焼器ライナ内に設けられて圧縮機空気を該燃焼器ライナによって形成された燃焼室内に流す１以上の希釈孔と、冷却又は希釈孔の少なくとも１つ内に嵌合されかつそれに対して固定されて該孔の半径方向内側面から半径方向外側面まで該孔を貫通して延びて該孔を通る圧縮機吐出空気用の流路を形成するブッシュとを含む。

本発明はまた、タービンエンジンとして具現化することができ、本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に設けられた空気吐出セクションと、燃焼及び空気吐出セクション間に位置した移行領域と、燃焼セクション及び移行領域の一部分を形成した燃焼器ライナと、燃焼器ライナとの間に設けられた第１の流れアニュラスを備えた状態で該燃焼器ライナを囲みまたその円周部の周りに形成されて冷却空気として圧縮機吐出空気を第１の流れアニュラス内に導く複数の冷却孔の列を有する第１の流れスリーブと、燃焼器ライナ及び第１の流れスリーブの少なくとも１つに連結されまた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段に運ぶトランジションピース本体と、トランジションピース本体を囲みまた冷却空気として圧縮機吐出空気を該トランジションピース本体との間に設けられかつ第１の流れアニュラスに連結された第２の流れアニュラス内に導く第２の複数の冷却孔の列を有する第２の流れスリーブと、燃焼器ライナ内に設けられて圧縮機空気を該燃焼器ライナによって形成された燃焼室内に流す１以上の希釈孔と、冷却又は希釈孔の少なくとも１つ内に嵌合されかつそれに対して固定されて該孔の半径方向内側面から半径方向外側面まで該孔を貫通して延びて該孔を通る圧縮機吐出空気用の流路を形成するブッシュとを含む。

本発明はまた、燃焼器ライナ、及び燃焼器ライナとの間に設けられた第１の流れアニュラスを備えた状態で該燃焼器ライナを囲みまたその円周部の周りに形成されて冷却空気として圧縮機吐出空気を第１の流れアニュラス内に導く複数の冷却孔を有する第１の流れスリーブを含む燃焼セクションと、燃焼器ライナに連結されまた高温燃焼ガスをタービンに運ぶトランジションピース本体、及びトランジションピース本体を囲みまた冷却空気として圧縮機吐出空気を該トランジションピース本体との間に設けられかつ第１の流れアニュラスに連結された第２の流れアニュラス内に導く第２の複数の冷却孔を有する第２の流れスリーブを含む移行セクションとの間に位置し、また燃焼器ライナ内に設けられて圧縮機空気を該燃焼器ライナによって形成された燃焼室内に流す１以上の希釈孔を備えた移行領域を冷却する方法として具現化することができ、本方法は、冷却又は希釈孔の少なくとも１つ内にブッシュを嵌合するステップと、孔に対してブッシュを固定して、該孔の半径方向内側面から半径方向外側面まで該孔を貫通して延びて該孔を通る圧縮機吐出空気用の流路を形成するようするステップと、孔を通して圧縮機吐出空気を流すステップとを含む。

本発明のこれらの及びその他の目的及び利点は、添付の図面と関連させて行った本発明の現時点で好ましい例示的な実施形態の以下のより詳細な説明を注意深く精査することによって、より完全に理解されかつ評価されるであろう。

ガスタービン燃焼器セクションの部分概略図。 本発明の例示的な実施形態により構成した断熱ブッシュを示す燃焼器ライナ又はトランジションピースの拡大断面図。

図１は、燃焼器の後方端部を断面で概略的に示している。図に示すように、この実施例では、トランジションピース１２は、半径方向内側トランジションピース本体１４と、トランジションピース本体１４から間隔を置いて配置された半径方向外側トランジションピース衝突スリーブ１６とを含む。トランジションピース１２の上流には、燃焼器ライナ１８と、燃焼器ライナ１８に対して包囲関係で形成された燃焼器流れスリーブ２０とが設けられる。丸で囲んだ領域は、トランジションピース前方スリーブ組立体２２である。

ガスタービン圧縮機からの流れ（図示せず）は、ケース２４内に流入する。圧縮機吐出空気の約５０％は、トランジションピース衝突スリーブ１６に沿ってかつその周りに形成されたアパーチャ（詳細には図示せず）を通って流れて、トランジションピース本体１４と半径方向外側トランジションピース衝突スリーブ１６との間に設けられた環状領域つまりアニュラス２６内を流れる。圧縮機吐出流の残りの約５０％は、上流燃焼器ライナ冷却スリーブ２０の流れスリーブ孔２８内にまた冷却スリーブ２０及びライナ１８間のアニュラス３０内に流れ、最終的には下流アニュラス２６からの空気と混合する。混合空気の一部分は最終的には、燃焼器ライナ又はトランジションピースの希釈孔を通って流れ、燃焼室で燃焼ガスと混合する。

本発明は、燃焼器ライナ又はトランジションピースの燃焼冷却又は希釈孔内に挿入されたブッシュの構成に関する。本発明により構成されたブッシュは、トランジションピース又はライナ壁内に大きな温度勾配が発生するのを防止する断熱体として作用する。

上述のように、燃焼器ライナ内に孔を形成した場合に、比較的低温の空気がこの孔を通って急激に流れる。このことにより、孔を通って急激に流れる空気のために、孔の内径が比較的低温になる。この低温の空気は、金属材料を冷却し、これが次に、孔を囲む残りの高温金属材料との熱的不整合を引き起こす。熱的不整合は、ライナ及びトランジションピース内に熱疲労及び低サイクル疲労割れ発生を生じる。本発明の例示的な実施形態により構成したブッシュは、ライナ材料内の孔の内部壁を低温空気から遮蔽し、従って従来型の構造の大きな温度勾配及びその後の割れ発生問題を防止する。

本発明の例示的な実施形態では、ブッシュは、トラップ法を用いてライナ内に保持される。この点に関して、ブッシュが溶接により締結される場合には、その溶接領域内の大きな温度勾配のために短時間での割れ発生又は損傷の危険性が存在する。

図２を参照すると、図２は、本発明を具現化した断熱ブッシュを組み込んだ燃焼器ライナ１８又はトランジションピース１４の拡大断面図である。図示するように、ブッシュの長手方向端部は、該ブッシュとの１つの接点での金属材料との間のギャップを緊密に埋めるように広げられ（フレアされ）ている。この図示した実施例では、ライナの孔の端縁部内に、面取り形状部４２が形成される。その結果、ライナの低温側の保持リップ４６及びライナの高温側の保持リップ４８を形成したフレア端部間に、断熱空気ギャップ４４が形成される。空気ギャップ４４は、低温ブッシュ流路と高温ライナ孔直径との間の熱伝達に対する非常に高い熱伝達抵抗をもたらす。このことからわかるように、ブッシュの外側保持リップ４６は、ブッシュが燃焼器内に落下するのを防止し、かつ断熱空洞４４の１つの表面を形成する。ブッシュの内側保持リップ４８は、断熱空洞４４の半径方向内側境界部を形成すると共に、ブッシュを孔に対して心合わせする表面を形成する。上記からわかるように、ブッシュは、ライナの孔の半径方向内側面取り４２に対してリップ４８を強制的に当接させるようにかしめられるか又はフレアされる。これによって、ブッシュが心合わせされ、ブッシュ及びライナ間の漏洩が防止され、かつ摩耗を引き起こすおそれがある運動が防止される。例示的な実施形態では、ブッシュは、ライナの湾曲故に、孔に対してかしめられるか又はフレアされた後はサドル形状であることにも注目されたい。このサドル形状のために、より具体的にはブッシュの保持リップのサドル形状のために、保持リップの側面がライナの長軸に整列した該保持リップの部分に対して低い位置にあるので、ブッシュは孔内でライナに対して回転することができないことになる。しかしながら、外側保持リップ４６の一側おいて溶接、ステーキング又はピンを使用して、ブッシュ４０とライナとの間の移動がないことさらに保証することができる。面取りは、図示したものとは反対側に組み込むことができる。これは、耐久性が劣る可能性があるが、より良好な流量係数を有することができる。

ブッシュの材料は、該ブッシュ材料がライナ材料に比較して高い熱膨張を有し、それによって、システムが加熱された時にブッシュが強制的に半径方向により緊密に膨張することになるようにすることができる。しかしながら、このことは、厚さ方向の膨張により、好ましい熱整合が生じかつシステムが強制的により緊密になることになるので、必要条件ではない。ブッシュは、機械加工、成形又は鋳造によって製作することができる。別の選択肢として、ブッシュは、必要に応じて、例えばそれらブッシュが何らかの酸化などを受ける場合に、冷却することができる。これは、ライナ内にパージ孔又はスロットを付加することによって或いはブッシュ内に孔又はスロットを付加することによって達成することができる。これにより、断熱空洞が通気されてライナへの熱伝達又は冷却効果が依然として非常に低く保たれ、従って大きな温度勾配は発生することはない。

ブッシュを孔に対して固定するためのフレア加工を図示しているが、スリーブの低温半径方向外側面上でネジ締結具を使用するようなその他の保持方法を用いることもできる。しかしながら、そのような締結具は、図示した実施形態のフレア加工よりも費用がかかることになる。ネジ締結具はまた、上述のフレア法によって得られるような適当な空気ギャップを保証する心合わせ手段も欠いていることになる。

本発明は、孔を必要としかつ高い勾配が予想されるあらゆる燃焼器ライナ構成で使用することができる。例示的な実施形態によるブッシュは、その断熱能力に加えて、幾つかのその他の問題を解決することができる。例えば、本ブッシュを用いて、従来は希釈孔ウォッシャ又はプラグ内に溶接した状態で設けられていたよりも一層恒久的な方法で燃焼希釈孔を定寸することができる。希釈孔のより高い耐久性がある定寸方法が得られることに加えて、本発明のブッシュはまた、より迅速かつより安価に実行される定寸方法となる。ブッシュはまた、既存の孔を改造しまた定寸し直すために用いることができる。より具体的には、割れ発生、酸化及び同様のもののような損傷を受けた既存の孔は、機械加工することができ、また適当なブッシュを挿入しかつそれぞれの長手方向端部をフレアさせることによって固定して、従ってライナ又はトランジションピースの孔をその当初の貫流直径に戻すことができる。

開示した設計に対するさらに別の実施形態は、被覆処理（ＴＢＣ又は表面硬化）したブッシュを準備するステップ、及び／又はブッシュを燃焼室内に流れる空気を調整するような円形以外に成形するステップを含む。例えば、ブッシュによって形成された孔は、レーストラック形又は楕円形のような円形以外の形状を有することができる。これは、必要に応じて燃焼器内へのより良好な空気の貫入を得るように用いることができる。さらに別の実施形態として、ブッシュは、壁から垂直すなわち９０度以外の角度で例えば下流方向に、空気を燃焼器内に噴射するように構成することができる。

現時点で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本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な修正及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

１２ トランジションピース
１４ 半径方向内側トランジションピース本体
１６ 半径方向外側トランジションピース衝突スリーブ
１８ 燃焼器ライナ
２０ 燃焼器流れスリーブ
２２ トランジションピース前方スリーブ組立体
２４ ケース
２６ アニュラス
２８ 流れスリーブ孔
３０ アニュラス
４０ ブッシュ
４２ 面取り
４４ 断熱空気ギャップ
４６ 保持リップ
４８ 保持リップ

Claims (10)

1. タービン用の燃焼器であって、
   燃焼器ライナ（１８）と、
   前記燃焼器ライナとの間に設けられた第１の流れアニュラス（３０）を備えた状態で該燃焼器ライナを囲み、またその円周部の周りに形成されて冷却空気として圧縮機吐出空気を前記第１の流れアニュラス内に導く複数の冷却孔（２８）を有する第１の流れスリーブ（２０）と、
   前記燃焼器ライナに連結され、また高温燃焼ガスを前記タービンに運ぶトランジションピース本体（１４）と、
   前記トランジションピース本体を囲み、また冷却空気として圧縮機吐出空気を該トランジションピース本体との間に設けられかつ前記第１の流れアニュラスに連結された第２の流れアニュラス（２６）内に導く第２の複数の冷却孔を有する第２の流れスリーブ（１６）と、
   前記燃焼器ライナ内に設けられて圧縮機空気を該燃焼器ライナによって形成された燃焼室内に流す１以上の希釈孔と、
   前記冷却又は希釈孔の少なくとも１つ内に嵌合されかつそれに対して固定されて、該孔の半径方向内側面から半径方向外側面まで該孔を貫通して延びて該孔を通る圧縮機吐出空気用の流路を形成するブッシュ（４０）と、を含む、
   燃焼器。
2. 断熱空気ギャップ（４４）が、前記ブッシュと前記孔の内径との間で該ブッシュの円周方向の少なくとも一部に形成される、請求項１記載の燃焼器。
3. 前記ブッシュ（４０）が、該ブッシュの１以上の長手方向端部をフレアさせて保持リップ（４６、４８）を形成することによって前記孔に対して固定される、請求項１記載の燃焼器。
4. 面取り（４２）が、前記孔の半径方向内側又は半径方向外側端縁部の１以上の周りに形成される、請求項１記載の燃焼器。
5. 前記ブッシュが、その横断面がほぼ円形である、請求項１記載の燃焼器。
6. 前記ブッシュの材料が、前記燃焼器ライナの材料よりも高い熱膨張係数を有する、請求項１記載の燃焼器。
7. 前記ブッシュが、各長手方向端部（４６、４８）においてフレアされて、該ブッシュを心合わせしかつ該ブッシュ及びライナ材料間に形成された断熱空気ギャップ（４４）の半径方向内側及び外側境界部を形成する、請求項１記載の燃焼器。
8. 請求項１に記載したような燃焼器と、
   前記燃焼器の下流に設けられた空気吐出セクションと、
   前記燃焼器及び空気吐出セクション間に位置した移行領域と、
   を含むタービンエンジン。
9. 燃焼器ライナ（１８）、及び前記燃焼器ライナとの間に設けられた第１の流れアニュラス（３０）を備えた状態で該燃焼器ライナを囲みまたその円周部の周りに形成されて冷却空気として圧縮機吐出空気を前記第１の流れアニュラス内に導く複数の冷却孔（２８）を有する第１の流れスリーブ（２０）を含む燃焼セクションと、前記燃焼器ライナに連結されまた高温燃焼ガスをタービンに運ぶトランジションピース本体（１４）、及び前記トランジションピース本体を囲みまた冷却空気として圧縮機吐出空気を該トランジションピース本体との間に設けられかつ前記第１の流れアニュラスに連結された第２の流れアニュラス（２６）内に導く第２の複数の冷却孔を有する第２の流れスリーブ（１６）を含む移行セクションとの間に位置し、また前記燃焼器ライナ内に設けられて圧縮機空気を該燃焼器ライナによって形成された燃焼室内に流す１以上の希釈孔を備えた移行領域を冷却する方法であって、
   前記冷却又は希釈孔の少なくとも１つ内にブッシュ（４０）を嵌合するステップと、
   前記孔に対して前記ブッシュを固定して、該孔の半径方向内側面から半径方向外側面まで該孔を貫通して延びて該孔を通る圧縮機吐出空気用の流路を形成するようするステップと、
   前記孔を通して圧縮機吐出空気を流すステップと、を含む、
   方法。
10. 前記ブッシュの１以上の長手方向端部が、該ブッシュを所定の位置に固定するための保持リップ（４６、４８）を形成するようにかしめられるか又はフレアされる、請求項９記載の方法。

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