JP2010065996A - セグメント燃焼器キャップ - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器キャップ（１８）は、タービン燃料ノズルにおけるインピンジメントプレート（１２）と協働可能である。
【解決手段】本燃焼器キャップは、インピンジメントプレートに独立して固定可能な複数のキャップセグメント（２２）を含む。複数のキャップセグメントは、インピンジメントプレートに対して半径方向にかつ接線方向に移動可能である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、気体及び液体燃料タービに関し、より具体的には、発電プラントで使用する産業用ガスタービンにおける燃焼器に関する。

ガスタービンは一般に、圧縮機、１以上の燃焼器、燃料噴射システム及びタービンを含む。一般に、圧縮機は、吸入空気を加圧し、加圧空気は次に、燃焼器に向かう方向に反転しかつ該燃焼器に向かって逆流し、燃焼器において、加圧空気は、該燃焼器を冷却しかつさらに燃焼過程に空気を供給するために使用される。複数燃焼器タービンでは、ガスタービンの周辺部の周りに燃焼器を設置し、移行ダクトにより、各燃焼器の出口端部をタービンの入口端部と連結して、タービンに燃焼過程の高温生成物を送給する。

長年にわたって、燃焼器キャップ組立体は、単一燃料ノズル構成から、燃料ノズルの各々又はグループに対する独立燃料制御を備えた複数ノズル乾式低ＮＯｘ構成に発展してきた。この独立燃料制御は、運転範囲全体にわたる安定燃焼を保証するのに役立つ。キャップの機能は、燃料及び空気を混合させる前において、下流燃焼ゾーンと上流区域との間における物理的バッファとして作用することである。空気及び燃料は、各燃料ノズルを通って軸方向に流れる。空気はまた、キャップエフュージョン（噴流）プレート内の複数アパーチャを通って流れる。

最新のキャップ設計では、熱疲労及びそれに続く割れ発生を生じ、時としてキャップの部分片の分離を引き起こしかつ高温ガス通路に対して損傷を与える。さらに、この割れ発生は、補修コストの原因となる。

米国特許第５３５７７４５号明細書 米国特許第７０１０９２１号明細書 米国特許第７０８２７６６号明細書 米国特許第７４６１５０９号明細書

エフュージョンプレートの割れ発生を排除し、それによってキャップの補修コストを排除するか又は低減させ、また下流の高温ガス通路部品に対する損傷の危険性を排除するか又は減少させることは、望ましいと言える。さらに、キャップを共振器として利用し、それによって燃焼ダイナミックスの振幅（大きさ）を低下させることは望ましいと言える。

例示的な実施形態では、燃焼器キャップ組立体は、中心開口の周りの円形配列として配置された複数の一次燃料ノズル開口を備えたインピンジメントプレートと、インピンジメントプレートに固定された燃焼器キャップとを含む。燃焼器キャップは、インピンジメントプレートに独立して固定された複数のキャップセグメントを含む。複数のキャップセグメントは、該キャップセグメントの端縁部をインピンジメントプレートに対して半径方向にかつ接線方向に移動可能にすることが可能になるような方法で固定される。

別の例示的な実施形態では、燃焼器キャップは、タービン燃料ノズルにおけるインピンジメントプレートと協働可能であり、かつ該インピンジメントプレートに独立して固定可能な複数のキャップセグメントを含む。複数のキャップセグメントは、インピンジメントプレートに対して半径方向にかつ接線方向に移動可能である。

さらに別の例示的な実施形態では、燃焼器キャップ組立体は、中心開口の周りの円形配列として配置された複数の一次燃料ノズル開口を備えたインピンジメントプレートと、インピンジメントプレートに固定された燃焼器キャップとを含む。燃焼器キャップは、インピンジメントプレート内の複数の一次燃料ノズル開口と整列したノズル開口を含む。キャップのノズル開口は、インピンジメントプレート内の複数の一次燃料ノズル開口を貫通して延びるカラーを有する。燃焼器キャップは、インピンジメントプレートに独立して固定された複数のキャップセグメントを含み、また複数のキャップセグメントは、該キャップセグメントの端縁部がインピンジメントプレートに対して半径方向にかつ接線方向に移動可能であるように固定される。本組立体はさらに、キャップノズル開口のカラーに固定されて複数のキャップセグメントをインピンジメントプレートに固定するコネクタを含む。複数のキャップセグメントをインピンジメントプレートに固定したコネクタは、該複数のキャップセグメントと該インピンジメントプレートとの間の唯一の剛体取付け部である。

セグメント燃焼器キャップの平面図。 単一のキャップセグメントの斜視図。 キャップセグメントの断面図。 インピンジメントプレートの斜視図。 インピンジメントプレートに対して組立てられたキャップセグメントの断面図。

図面を参照すると、燃焼器キャップ組立体１０は、中心開口１６の周りに示したような円形配列として配置された複数の一次燃料ノズル開口１４を備えたインピンジメントプレート１２を含む。

燃焼器キャップ１８は、インピンジメントプレート１２に取付け可能であり、かつ該インピンジメントプレート１２内の一次燃料ノズル開口１４と整列したノズル開口２０を含む。好ましい実施形態では、燃焼器キャップ１８は、好ましくはインピンジメントプレート１２に固定した時に円形配列として配置される円弧形セグメントのような形状になった複数のキャップセグメント２２で構成される。キャップセグメント２２は、カラー２６によってインピンジメントプレート１２に独立して固定される。これにより、キャップセグメント２２の端縁部がインピンジメントプレート１２の平面内で半径方向にかつ接線方向に移動するのを拘束せずに、該キャップセグメント２２が該インピンジメントプレート１２と断続的に接触状態に保たれる。

特に図３及び図５を参照すると、各キャップセグメント２２のノズル開口２０は、インピンジメントプレート１２内の一次燃料ノズル開口１４を貫通して延びることが可能なカラー２４を含む。カラー２４の一体形要素又は延長部は、ネジを設けられ、該カラー２４の少なくともネジ付き部分は、図５に示すようにインピンジメントプレート１２を貫通して延びる。ナットなどのようなコネクタ２６が、カラー２４上に螺合されてキャップセグメント２２をインピンジメントプレート１２に固定する。キャップセグメント２２をインピンジメントプレート１２に固定するコネクタ２６は、該キャップセグメント２２と該インピンジメントプレート１２との間の唯一の剛体取付け部として機能する。この好ましい実施形態では、カラー２４の遠位端部は、ナット２６を受けるネジを備えているが、その他にコネクタも好適なものとすることができ、また本発明は、必ずしもこの図示したネジ継手に限定されることを意図するものではない。

各キャップセグメント２２の深さＤ（図３）は、インピンジメントプレート１２内の陥凹部又はスタンドオフ２８と協働可能として、該インピンジメントプレート１２と該キャップセグメント２２の各々との間にボリューム３０を形成することができる。インピンジメントプレート１２及びキャップセグメント２２内の孔の直径と共にボリューム３０を使用して、単一又は複数の燃焼器振動数の振幅を減少させる音響共振器を形成することができる。燃焼音響不安定性は、火炎熱発生量変動と燃料流量変動との間の相加又は強化相互作用によって引き起こされる。熱発生量変動は、燃焼器内に圧力波を引き起こし、燃料ノズル内の燃料流オリフィス間における圧力比を変化させ、燃料流量の変動を生じさせ、かつ熱発生量における更なる変動を促進させる。共振器は、それら圧力波のエネルギーを吸収し、それによって圧力波の振幅を減少させ、かつ燃料流量及び熱発生量における変動を減少させるか又は排除する。このことは、共振器が、燃料流量変動を熱発生量変動から離調するか又は切離し、それによって不安定性を抑制するのを可能にする。

キャップ組立体の高温部分をセグメント化すること及びこれもまたインピンジプレートを形成した裏当て構造体に対してそれらセグメント化流路要素を取付けることによって、燃焼器キャップ組立体内の熱応力を大きく低下させることができる。つまり、キャップ内の熱勾配によって生じた応力は、図示するようにエフュージョンプレートをセグメント化しかつ端縁部拘束を取除くことによって除去される。熱応力を減少させることは、エフュージョンプレートの割れ発生を減少させるか又は排除し、それによってキャップの補修コストを低下させまた下流の高温ガス通路部品に対する損傷の危険性を減少させるのに役立つことになる。

現在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属す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 燃焼器キャップ組立体
１２ インピンジメントプレート
１４ 一次燃料ノズル開口
１６ 中心開口
１８ 燃焼器キャップ
２０ ノズル開口
２２ キャップセグメント
２４ カラー
２６ コネクタ
２８ 陥凹部又はスタンドオフ
３０ ボリューム

Claims (10)

1. 中心開口（１６）の周りの円形配列として配置された複数の一次燃料ノズル開口（１４）を備えたインピンジメントプレート（１２）と、
   前記インピンジメントプレートに固定された燃焼器キャップ（１８）と
   を備える燃焼器キャップ組立体であって、燃焼器キャップが、前記インピンジメントプレートに独立して固定された複数のキャップセグメント（２２）を含み、前記複数のキャップセグメントが、該キャップセグメントの端縁部が前記インピンジメントプレートに対して半径方向にかつ接線方向に移動可能であるような方法で固定される、燃焼器キャップ組立体。
2. 前記複数のキャップセグメント（２２）の各々が、前記インピンジメントプレート（１２）内の複数の一次燃料ノズル開口（１４）と整列した燃料ノズル開口（２０）を含む、請求項１記載の燃焼器キャップ組立体。
3. 前記複数の燃料ノズル開口（２０）が、前記インピンジメントプレート（１２）内の一次燃料ノズル開口（１４）を貫通して延びることが可能なカラー（２４）を含み、該燃焼器キャップ組立体が、前記複数のキャップセグメントのコネクタ要素の各々のカラーに固定可能なコネクタ（２６）をさらに含む、請求項２記載の燃焼器キャップ組立体。
4. 各カラー（２４）の遠位端部が、ネジを設けられており、前記コネクタ（２６）が、ナットを含む、請求項３記載の燃焼器キャップ組立体。
5. 前記複数のキャップセグメント（２２）の各々のカラー（２４）に固定可能なコネクタ（２６）が、該複数のキャップセグメントと前記インピンジメントプレート（１２）との間の唯一の剛体取付け部である、請求項３記載の燃焼器キャップ組立体。
6. 前記複数のキャップセグメント（２２）が、前記インピンジメントプレート（１２）に固定した時に円形配列として配置可能な円弧形セグメントを含む、請求項１記載の燃焼器キャップ組立体。
7. 前記インピンジメントプレート（１２）と前記複数のキャップセグメント（２２）の各々との間に形成されたボリューム（３０）をさらに含み、前記ボリュームが、前記インピンジメントプレート及び複数のキャップセグメントの相対的形状によって形成され、前記ボリュームが、燃焼ダイナミックスの振幅を減少させる音響共振器を形成する、請求項１記載の燃焼器キャップ組立体。
8. タービン燃料ノズルにおけるインピンジメントプレート（１２）と協働可能な燃焼器キャップ（１８）であって、前記インピンジメントプレートに独立して固定可能な複数のキャップセグメント（２２）を含み、前記複数のキャップセグメントが、前記インピンジメントプレートに対して半径方向にかつ接線方向に移動可能である、燃焼器キャップ。
9. 前記複数のキャップセグメント（２２）が、前記インピンジメントプレート（１２）に固定した時に円形配列として配置可能な円弧形セグメントを含む、請求項８記載の燃焼器キャップの組立体。
10. 中心開口（１６）の周りの配列として配置された複数の一次燃料ノズル開口（１４）を備えたインピンジメントプレート（１２）と、
    前記インピンジメントプレートに固定されかつ該インピンジメントプレート内の複数の一次燃料ノズル開口と整列したノズル開口（２０）備えた燃焼器キャップ（１８）と
    を備える燃焼器キャップ組立体であって、前記キャップのノズル開口が、前記インピンジメントプレート（１２）内の複数の一次燃料ノズル開口（１４）を貫通して延びるカラー（２４）を含み、前記燃焼器キャップが、前記インピンジメントプレートに独立して固定された複数のキャップセグメント（２２）を含み、前記複数のキャップセグメントが、該キャップセグメントの端縁部が前記インピンジメントプレートに対して半径方向にかつ接線方向に移動可能であるように固定され、該燃焼器キャップ組立体が、前記キャップノズル開口のカラー（２４）に固定されて前記複数のキャップセグメントを前記インピンジメントプレートに固定するコネクタ（２６）をさらに含み、前記複数のキャップセグメントを前記インピンジメントプレートに固定したコネクタが、該複数のキャップセグメントと該インピンジメントプレートとの間の唯一の剛体取付け部である、燃焼器キャップ組立体。

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