JP2009257325A - 燃焼器ライナ用の発散形冷却シンブル及び関連する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タービン燃焼器ライナ用の冷却装置を提供する。
【解決手段】本冷却装置は、燃焼器ライナと、燃焼器ライナの少なくとも一部分を、該燃焼器ライナとの間に流れ環状空間を備えた状態で囲む流れスリーブとを含み、流れスリーブは、該流れスリーブの周辺部の周りに形成されて流れ環状空間内にかつ燃焼器ライナに向かって冷却空気を導く複数の冷却孔の列を有する。冷却孔の１つ又はそれ以上には、燃焼器ライナに向かって半径方向に延びるシンブルが嵌合され、シンブルは、冷却空気の流れの方向に発散した周壁を有する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、総括的にはターボ機械に関し、具体的には、ガスタービン燃焼器における燃焼器ライナの冷却に関する。

従来型のガスタービン燃焼システムは、複数の燃焼器組立体を用いて信頼性がありかつ効率的なタービン運転を達成している。各燃焼器組立体は、円筒形ライナ、燃料噴射システム及びトランジションピースを含み、トランジションピースは、燃焼器からの高温ガスの流れをタービンの入口に導く。一般的に、圧縮機吐出空気の一部分は、燃焼器ライナを冷却するために使用され、次に燃焼器反応ゾーン内に導入されて、燃料と混合されかつ燃焼される。

インピンジメント冷却式トランジションピースを組込んだシステムでは、中空スリーブ（本明細書では、「トランジションスリーブ」とも呼ぶ）がトランジションピースを囲み、そのスリーブ壁は穿孔されて、圧縮機吐出空気がスリーブ壁内に冷却用アパーチャを通って流れかつトランジションピース上にインピンジ（衝突）する（また、従って冷却する）。この冷却用空気は次に、スリーブとトランジションピースとの間の環状空間に沿って流れる。この所謂「クロスフロー」は、最終的には燃焼器ライナと周囲の流れスリーブ（本明細書では、「ライナスリーブ」とも呼ぶ）との間の別の環状空間内に流れる。ライナスリーブにもまた、その周辺部の周りに幾つかの冷却孔の列が形成され、第１の列は、ライナスリーブがトランジションスリーブに接合される取付けフランジに隣接して設置される。

トランジションピース冷却流れにより生じた強力なクロスフローが存在する場合であっても、インピンジメント冷却流れに対するクロスフローの悪影響は、「シンブル」とも呼ばれるカラー又は冷却導管の使用によって最少にすることができ、この「シンブル」は、燃焼器ライナスリーブの冷却孔内に挿入され、それを通して冷却ジェットが通過する。これらのシンブルは、クロスフローに対して物理的妨害を形成して、該クロスフローを強制的に所望の流路内に向けると同時に、冷却ジェットが冷却しようとする燃焼器ライナ表面上に効果的にインピンジすることを保証する。

シンブル又はカラーは、燃焼器ライナ及びトランジションピースが接合される取付けフランジに隣接して、ライナスリーブの後方端部における少なくとも第１の孔の列の各孔内に取付けるのが好ましい。このような構成は、ジェットオリフィスとインピンジメント表面との間のギャップを減少させ、ジェットを偏向させるクロスフローを阻止しかつ後続のジェット列のためにクロスフローを所望の流路内に強制的に向け、ジェットの直径をより小さくしてそれによって冷却空気を減少させるのを可能にし、またジェットインピンジメントの位置全体にわたって確実かつ正確な制御を行う。この構成はまた、第１のジェットの列の望ましくない軸方向振動を安定させかつ第１のジェットの列の上流での厚い境界層の形成（また熱伝達の低下の発生）を防止する。上記のようなシンブルの使用は、本願出願人の米国特許第６４８４５０５号に開示されている。

米国特許第６４８４５０５号明細書

しかしながら、ライナ表面に導かれた冷却ジェットによって燃焼器ライナを一層より効果的に冷却するが該ライナに沿って大きな熱勾配を形成することがないインピンジメント冷却に対する必要性が依然として存在している。

１つの例示的であるが非限定的な実施形態では、シンブルジオメトリは、シンブルの壁が、シンブル入口からシンブル出口への方向に発散するように変更される。言い換えれば、シンブルは、冷却ジェットが燃焼器ライナに向かって流れる時に該冷却ジェットが半径方向外向きに広がり、それによってライナの後方セクションのより均一な冷却が行われるような切頭円錐形状を有する。

従って、１つの態様では、本発明は、タービン燃焼器ライナ用の冷却装置に関し、本冷却装置は、燃焼器ライナと、燃焼器ライナの少なくとも一部分を、該燃焼器ライナとの間に流れ環状空間を備えた状態で囲む流れスリーブとを含み、流れスリーブは、該流れスリーブの周辺部の周りに形成されて流れ環状空間内にかつ燃焼器ライナに向かって冷却空気を導く複数の冷却孔の列を有し、１以上のシンブルが、冷却孔のそれぞれの１つ又はそれ以上内に嵌合され、１以上のシンブルは、燃焼器ライナに向かって半径方向に延びかつ冷却空気の流れの方向に発散した周壁を有する。

別の態様では、本発明は、流れスリーブによって囲まれた燃焼器ライナを冷却する方法に関し、本方法は、流れスリーブ内に複数の冷却孔を形成するステップと、それを通って燃焼器ライナに向かう冷却流体の流れの方向への発散形周壁をその各々が有するシンブルを、冷却孔の少なくとも幾つか内に嵌合させるステップとを含む。

次に、本発明を以下に示した図と関連して説明することにする。

燃焼器ライナ後部の従来型の燃焼器トランジションピースの簡略側方断面図。 トランジションピースに接合された従来型の燃焼器ライナ及びライナ流れスリーブの一部分ではあるがより詳細な斜視図。 従来の装置における燃焼器ライナのインピンジメント冷却を示す流れ図。 本発明の例示的であるが非限定的な実施形態による発散形シンブルを用いたインピンジメント冷却を示す部分斜視図。 図４から取った拡大細部を示す図。

図１及び図２を参照すると、一般的なガスタービンは、トランジションピース１０を含み、このトランジションピース１０によって、燃焼器ライナ１２（図２）として示す上流側燃焼器からの高温燃焼ガスが、符号１４で表わした多段タービン構成部品の第１段に送られる。

ガスタービン圧縮機からの流れは、軸方向ディフューザ１６から流出し、圧縮機吐出ケース１８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インピンジメントスリーブ２２沿ってかつ該スリーブ２２の回りに形成されたアパーチャ２０を通して送られて、トランジションピース１０と半径方向外側トランジションピースインピンジメントスリーブ２２との間の環状領域つまり環状空間２４内に流れる。圧縮機吐出流れの残りの約５０％は、流れスリーブ孔３４内を通過し、環状空間３０でトランジションピースからの空気と混合しかつ最終的には燃焼器内でガスタービン燃料と混合する。

図２は、図１の可なり左側に見られることになるトランジションピース１０と燃焼器系統流れスリーブ２８との間の連結を示している。具体的には、トランジションピース１０のインピンジメントスリーブ２２は、燃焼器流れスリーブ２８の後方端部上の取付けフランジ２６内にテレスコーピング関係で受けられ、かつトランジションピース１０もまた、テレスコーピング関係で燃焼器ライナ１２を受ける。燃焼器流れスリーブ２８は、燃焼器ライナ１２を囲んで、それらの間に流れ環状空間３０を形成する。

図２における流れ矢印３２から、環状空間２４内を移動するクロスフロー冷却空気は、ライナスリーブ２８の円周部の周りに形成された冷却孔３４（図２には３つの列を示しているが、ライナスリーブは、あらゆる数のそのような孔の列を有することができる）を通って流れるインピンジメント冷却空気（流れ矢印３６を参照）に対して垂直方向に環状空間３０内を流れ続けることが理解できるであろう。

ライナスリーブの第１の孔３４の列（取付けフランジ２６に最も近い孔の列）におけるインピンジメント冷却流れは、環状空間２４からのクロスフローによって個々に崩壊を生じる。クロスフローは、孔３４から流出した第１の冷却ジェットの列に衝突して、ライナ１２上方で該第１の冷却ジェットの列を曲げかつそれらのライナ１２上へインピンジする能力を低下させる。クロスフローとジェットとの相対的強さによっては、ジェット流れは、燃焼器ライナ１２の表面に到達することさえできない。インピンジメントジェットは高速度であるので、ジェットの背後及びライナスリーブ入口孔の近傍に低い静圧の特性ゾーンが形成される。クロスフローは、低圧ゾーンに向かって加速されて、ライナスリーブ／ライナ環状空間３０にわたって速度勾配が生じる。生じたライナ表面近傍での低速かつ厚い境界層は、極めて低い熱伝達効率を有する。

冷却ジェットに対するクロスフローのマイナス影響をなくすために、図３に示すような冷却シンブル３６が使用されてきた。これらのシンブルは、その頂部に溶接された（一体に形成された）平坦リングつまりフランジ４０を備えた、円形断面のチューブ３８を含む。各シンブル３６のチューブつまり本体部分３８は、均一な直径で形成されていた。圧縮機吐出口からの冷却流れは、トランジションピース環状空間に流入し、次にシンブル内に流入していた。シンブルは、冷却ジェットをライナ内の高温スポット上に集中させて、強力なインピンジメント冷却作用をもたらしていた。しかしながら、このインピンジメント作用により、ライナの周辺部に沿って大きな熱勾配が生じていた。

本発明の例示的であるが非限定的な実施形態によると、また図４及び図５を参照すると、燃焼器ライナ４４を囲む燃焼器ライナ流れスリーブ４２には、改良型のシンブル４６が嵌合されており、これらシンブル４６の各々は、流れの方向に発散した周壁４８を有して、冷却ジェットは、それらがライナ４４の表面に向かって流れるにつれて膨脹するようになっている。シンブル４６の寸法は、ライナ／流れスリーブギャップ、この寸法の公差、ジェット及びクロスフロー慣性、該シンブルの幾何学形状制約条件、及び個々のタービンの特定冷却要件によって設定される。しかしながら、好ましい相互関係では、１．２Ｄ〜２Ｄの発散形壁の最小〜最大直径の範囲が含まれ、この場合にＤは周壁の基部直径である。発散角度は、最大約３０度までのあらゆる角度とすることができる。シンブル４６は、流れスリーブ４２と同一の材料で製作することができる。１以上のシンブル４６は、軸方向に間隔を置いて配置された冷却孔の１つ又はそれ以上の列内に（千鳥状態で又は整列状態で）設置することができるが、必ずしも各列の全ての孔内に設置する必要はない。幾つかの列のみが、発散形シンブル４６を有することができるが、その他の列には、全て直線形シンブル３６を有することができ、またさらにその他の列には、２つのシンブルの形式の組合せを採ることもできる。全ての場合において、シンブルは、それぞれリングつまりフランジ４０又は５０の位置でライナスリーブ２８又は４２の外側に対して溶接するのが好ましい。

チューブ状周壁４８の断面は円形として示しているが、流れ方向において発散状態である限り、例えば方形、三角形、翼形形状、半円形などのような他の断面形状も使用することができる。発散形又は膨脹形シンブル設計は、ライナに沿って大きな熱勾配を発生させない状態で該ライナに向かってジェットを導きかつ広げることによってライナの後方セクションを効率的に冷却し、従ってライナの後方セクションのより均一な冷却を行う。

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ついて本発明を説明してきたが、本発明が、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変更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。

１０ トランジションピース
１２ 燃焼器ライナ
１４ 多段タービンの第１段
１６ ディフューザ
１８ 圧縮機吐出ケース
２０ アパーチャ
２２ トランジションピースインピンジメントスリーブ
２４ 環状空間
２６ 取付けフランジ
２８ 燃焼器ライナ流れスリーブ
３０ 環状空間
３２ 流れ矢印
３４ 流れスリーブ孔
３６ 流れ矢印
３８ シンブルのチューブ
４０ フランジ
４２ 燃焼器ライナ流れスリーブ
４４ 燃焼器ライナ
４６ シンブル
４８ 周壁

Claims (10)

1. タービン燃焼器ライナ用の冷却装置であって、
   燃焼器ライナ（４４）と、
   前記燃焼器ライナの少なくとも一部分を、該燃焼器ライナとの間に流れ環状空間を備えた状態で囲む流れスリーブ（４２）と、を含み、
   前記流れスリーブが、該流れスリーブの周辺部の周りに形成されて前記流れ環状空間内にかつ前記燃焼器ライナに向かって冷却空気を導く複数の冷却孔（３４）の列を有し、
   １以上のシンブル（４６）が、前記冷却孔のそれぞれの１つ又はそれ以上内に嵌合され
   前記１以上のシンブルが、前記燃焼器ライナに向かって半径方向に延びかつ前記冷却空気の流れの方向に発散した周壁（４８）を有する、
   装置。
2. 前記１以上のシンブル（４６）が、該シンブルの一端部に半径方向フランジ（５０）を備えた状態で、その形状がチューブ状である、請求項１記載の冷却装置。
3. 前記１以上のシンブル（４６）が、前記チューブの反対側端部が所定の量だけ前記ライナ（４４）から半径方向に間隔を置いて配置された状態で、前記流れスリーブ（４２）に溶接される、請求項２記載の冷却装置。
4. 前記１以上のシンブル（４６）が、一端部から別の端部まで最大約３０°までの発散角度で均一に発散する、請求項１記載の冷却装置。
5. 前記１以上のシンブル（４６）が、その一端部に半径方向フランジ（５０）を備えたチューブ（４８）を含み、
   前記半径方向フランジが、前記流れスリーブ（４２）の外周表面上に着座する、
   請求項１記載の冷却装置。
6. 流れスリーブ（４２）によって囲まれた燃焼器ライナ（４４）を冷却する方法であって、
   ａ．前記流れスリーブ内に複数の冷却孔（３４）を形成するステップと、
   ｂ．それを通って前記燃焼器ライナに向かう冷却流体の流れの方向への発散形周壁（４８）をその各々が有するシンブル（４６）を、前記冷却孔の少なくとも幾つか内に嵌合させるステップと、を含む、
   方法。
7. 前記発散形周壁（４８）が、その断面が円形である、請求項６記載の方法。
8. 前記ステップａ．が、複数の冷却孔の列を形成するステップを含み、また
   前記ステップｂ．が、各列の少なくとも幾つかの冷却孔内にシンブル（４６）を嵌合するステップを含む、
   請求項６記載の方法。
9. 前記シンブル（４６）の各々が、一端部から別の端部まで約３０°の発散角度で均一に発散する、請求項６記載の方法。
10. 前記シンブル（４６）の少なくとも幾つかが、前記流れスリーブの後方端部に設置される、請求項８記載の方法。

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