JP2010159745A - 燃焼器移行部片用の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器移行部片用の冷却装置を提供する。
【解決手段】一部片管路１０を冷却するための装置であって、移行部片の外側に位置された、移行部片に配設された少なくとも１つの金属被包体３８を含む装置が開示される。少なくとも１つの支持ボス３６が、金属被包体と移行部片との間に位置される。支持ボスと、金属被包体と、移行部片とが、移行部片を冷却するための流れを誘導するための少なくとも１つの冷却フローチャネルを画定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービンに関する。より詳細には、本発明は、ガスタービン構成要素の冷却に関する。

典型的なガスタービンは、回転可能なシャフトの周囲に環状アレイとして配列された複数の燃焼器を含む。燃焼器は、燃料供給源から可燃性燃料を受け取り、かつシャフトによって駆動される圧縮機から圧縮空気を受け取る。各燃焼器ごとに、燃焼器ライナによって画定される燃焼室の内部で燃料が圧縮空気中で燃焼されて、高温燃焼ガスが生じる。燃焼ガスは、タービンを通して膨張されて、シャフトを駆動させる働きをする。高温燃焼ガスは、燃焼器ライナから、移行部片または管路によってタービンに搬送される。移行管路を通って流れる高温燃焼ガスは、管路構造を非常に高い温度にさらす。典型的には、移行管路に被さるスリーブに離散位置で設けられた衝突穴を通る通過気流から誘導される衝突流によって、移送管路の冷却が行われる。ライナと移行部片との可撓性接合部は、圧縮機排出空気による追加の冷却を必要とする。

本願と同一の権利者が所有する米国特許第７０８２７６６号に、一部片の一体型の燃焼器ライナ／移行部片が開示され、これは、可撓性接合部をなくし、したがって接合部の目標冷却の必要もなくす。

米国特許第７０８２７６６号公報

それにも関わらず、一部片の一体型の燃焼器ライナ／移行部片のより効果的な冷却が必要である。

本発明の一態様によれば、燃焼室の前端部と第１のタービン段階との間に延在するように適合された一部片管路と、一部片管路の周囲に部分的に延在し、かつ一部片管路の実質的に軸方向全長に延在する金属被包体と、半径方向で金属被包体と管路との間に配設された複数の支持ボスとを備え、複数の支持ボスと、少なくとも１つの金属被包体と、一部片管路とが、管路に沿って、かつ管路の周囲で流れを誘導するための複数の冷却流路を画定するガスタービン燃焼器が提供される。

本発明の別の態様によれば、前端部と後端部とを有する少なくとも１つの燃焼室と、一端で燃焼室の前端部に接続され、他端でタービンの第１の段階に接続された管路と、一部片管路の周囲に少なくとも部分的に配設された少なくとも１つの被包体と、半径方向で少なくとも１つの被包体と一部片管路との間に配設された複数の概してエーロフォイル形状の羽根とを備えるガスタービン燃焼器が提供される。

本発明のさらに別の態様によれば、燃焼器の前端部とタービンの第１の段階との間に延在する一部片管路を冷却する方法であって、半径方向で一部片管路と一部片管路の周囲に少なくとも部分的に延在する金属被包体との間に複数の流れ誘導デバイスを提供するステップと、一部片管路と金属被包体との間の空間内に冷却空気を流し、それにより、前記複数の流れ誘導デバイスが、前記金属被包体によって囲われた前記一部片管路の表面の周囲で冷却空気を案内するステップとを含む方法が提供される。

本発明の前述および他の態様、特徴、および利点は、以下で特定される添付図面に関連付けて読めば、以下の詳細な説明から明らかになる。

既知のガスタービン燃焼器構成の部分断面図である。 図１のガスタービンにおける移行部片の構成の一実施形態を例示する軸方向部分断面図である。 図１のガスタービンの移行部片の冷却装置の一実施形態の平面図である。

以下の詳細な説明において、本発明の実施形態を、利点および特徴と共に、図面を参照しながら例として説明する。

図１を参照すると、一部片の一体型の燃焼器ライナ／移行部片（または一部片管路）１０が例示され、これは、円形の燃焼器ヘッド端部（または前端部）１２から、タービンの第１の段階１６に接続された概して長方形であるが弓形の区域１４に直接移行する。一部片管路１０は、組立てまたは製造を容易にするために、一体に溶接または接合された２つの半体または複数の構成要素から形成されることもある。しかし、管路が一部片として鋳造されることが好ましい。同様に、管路１０を取り囲む一部片のフロースリーブ１８が、円形の燃焼器ヘッド端部１２から後部フレーム２０に直接移行する。一部片のフロースリーブ１８もまた、組立てを容易にするために、２つの半体から形成されて、一体に溶接または接合されることがある。フロースリーブ１８と後部フレーム２０との接合により、半径方向でフロースリーブ１８と一部片管路１０との間にある、端部が実質的に閉じられた冷却環体２２が形成される。

さらなるガスタービン燃焼器構成要素として、円形キャップ２４と、複数の燃料ノズル２８を支持する端部カバー２６とを挙げられる。また、一部片管路１０は、前側スリーブ３０を支持し、この前側スリーブ３０は、定位置に鋳造または溶接された半径方向ストラット３２によって、またはろう接もしくは機械的接続など他の適切な手段によって、一部片管路１０に固定して取り付けることができる。

一部片管路１０は、その前端部で、半径方向でキャップ２４と管路１０との間にあり、キャップ２４に取り付けられた従来のフラシール３４によって支持される。

使用時、フロースリーブ１８に形成された衝突冷却穴、スロット、または他の開口により、圧縮機排出空気は、フロースリーブ１８が一部片管路１０を取り囲むことによって形成された冷却環体２２内に流れ、かつ冷却環体２２に沿って流れ、これらの穴により、圧縮機排出空気のいくらかの部分が、穴を通って半径方向にも流れて、一部片管路１０に衝突し、したがって管路１０を冷却し、次いで環体２２に沿って燃焼器の前端部に流れ、そこで空気が燃焼室内に逆流するようにできる。

衝突穴は、様々なパターンで、例えば軸方向で離隔された、位置合わせされた、もしくはオフセットされた環状列などとして、またはさらにはランダムアレイとして配列されることがある。

本発明の例示的であるが限定的ではない実装形態では、フロースリーブ１８の代わりに、一部片管路１０上に支持された、管路１０を少なくとも部分的に取り囲むシート金属被包体が採用される。より具体的には、図２および３に示されるように、一部片管路１１０に１つまたは複数の支持ボス３６が配設され、管路から半径方向に突出する。支持ボス３６は、一部片管路の少なくとも一部分の周囲に延在する被包体３８を良好に支持できるように位置され、それにより、支持ボス３６は、被包体３８と管路１１０との間に１つまたは複数の冷却流路４０を形成する。支持ボス３６は、鋳造または溶接など、任意の数の許容できる製造技法によって一部片管路１１０に固定される概してエーロフォイル形状の流れ誘導デバイスの形態であってよい。金属被包体３８は、一部片管路１１０全体を取り巻く必要はなく、好ましくは管路の上部（または外部）のみを覆う。

図２および３に示されるように、エーロフォイル形状のボス３６を一部片管路１１０の周囲に概して螺旋状に配置することによって、得られる流路４０も概して螺旋状になり、それにより、圧縮機排出空気が、エーロフォイル形状のボス２６によって流路４０内で案内されて、冷却空気は、一部片管路１１０の外面にわたって、かつ外面の周囲に流れ、それにより管路を冷却する。排出流を他の方向に向け直すために他の支持ボス形状が使用されることもあり、さらにはボスのパターンが本発明の開示によって企図されることを理解されたい。例えば、管路の両側で鏡映パターンのボスが採用されることがある。しかし、ボスがライナの長手方向中心線を横切らないことが好ましい。

上述した実施形態では、単一の外側被包体３８が一部片管路の外側に配設されるが、ここでまた、いくつかの燃焼器が、タービンロータの周囲に環状アレイとして配列されることに留意されたい。この実施形態では、圧縮機排出空気を実質的に軸方向に流すことによって、一部片管路１１０の内側部分が冷却される。すなわち、冷却空気の一部が、隣接する一部片管路の間、およびそれらの管路の内側領域に沿って流れ、その一方で、それらの管路の外側領域での流れは、複数の被包体３８を支持する１つまたは複数のエーロフォイル形状のデバイスによって向け直され、その結果、冷却排出空気が、一部片管路の外側部分の外面にわたって、かつ外面の周囲に流れ、したがって管路の外側で、より効果的な冷却を提供する。上述したのと同様に、各一部片管路の内側部分を囲むために第２の鏡映被包体（図３の下側被包体４０参照）が使用されることもあり、同様の支持ボス（または上側もしくは外側被包体でのボスからの連なり）と、圧縮機排出空気流に対する同様の効果とを有する。

いくつかの実施形態では、被包体は、１つまたは複数の冷却穴を含むことがあり、冷却穴により、追加の圧縮機排出空気が、所望の位置で少なくとも１つの冷却フローチャネル内に流れることができるようになり、衝突冷却成分を追加することによって冷却効果をさらにより一層改善する。さらに、熱伝達率を高め、かつ排出流の分散の均一性を高めて冷却をさらに改善するために、概してエーロフォイル形状の支持ボス３６は、サイズ、形状、および配置を変えることができる。例えば、同様に向きを定められたボスの組が、位置合わせされて、または千鳥配置でライナの両側に提供されることがある。ボスは、被包体の内側に完全に隠されることがあり、または図２に示されるように部分的に露出されることもある。さらに、いくつかの実施形態では、被包体の先端部が、例えば、一体形成された、または縁部を折り返すことによって形成された丸みの付いた縁部を含むことがあり、これは、少なくとも１つの冷却フローチャネル４０に入る排出流の圧力降下を低減し、それにより冷却フローチャネルの冷却効率を高める。

本発明を、最も実用的であり好ましい実施形態と現在みなされるものに関連して説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されず、逆に、添付の特許請求の範囲の精神および範囲内に含まれる様々な修正形態および等価構成を網羅するものと意図されていることを理解されたい。

１０ 一部片の一体型の燃焼器ライナ／移行部片、一部片管路
１２ 円形の燃焼器ヘッド端部、前端部
１４ 概して長方形であるが弓形の区域
１６ タービンの第１の段階
１８ フロースリーブ
２０ 後部フレーム
２２ 冷却環体
２４ 円形キャップ
２６ 端部カバー
２８ 燃料ノズル
３０ 前側スリーブ
３２ 半径方向ストラット
３６ 支持ボス
３８ 被包体
４０ 冷却流路
１１０ 一部片管路

Claims (10)

1. 燃焼室の前端部１２と第１のタービン段階１６との間に延在するように適合された一部片管路１０と、
   前記一部片管路の周囲に部分的に延在し、かつ前記一部片管路の実質的に軸方向全長に延在する金属被包体３８と、
   半径方向で前記金属被包体３８と前記管路１０との間に配設された複数の支持ボス３６とを備え、前記複数の支持ボスと、前記金属被包体と、前記一部片管路とが、前記管路に沿って、かつ前記管路の周囲で流れを誘導するための複数の冷却流路４０を画定する
   ガスタービン燃焼器。
2. 前記複数の支持ボス３６が、実質的にエーロフォイル形状の羽根を備える請求項１記載のガスタービン燃焼器。
3. 前記支持ボス３６がそれぞれ、前記管路１０の周面に少なくとも部分的に螺旋状に配置され、かつ前記金属被包体３８によって係合される請求項１記載のガスタービン燃焼器。
4. 前記金属被包体３８が、前記一部片管路を実質的に完全に取り囲む一対の被包体３８を備える請求項１記載のガスタービン燃焼器。
5. 前記複数の支持ボス３６が、前記金属被包体３８と前記一部片管路１０との一方または両方に固定される請求項１記載のガスタービン燃焼器。
6. 前記金属被包体３８が、少なくとも１つの冷却フローチャネル内に追加の流れを提供するための少なくとも１つの穴を設けられる請求項１記載のガスタービン燃焼器。
7. 前記金属被包体３８が、前記少なくとも１つの冷却フローチャネルへの入口での圧力降下を低減するための丸みの付いた先端部を含む請求項１記載のガスタービン燃焼器。
8. 前記支持ボス３６が、前記金属被包体３８の縁部を越えて延在する請求項１記載のガスタービン燃焼器。
9. 前端部１２と後端部１４とを有する少なくとも１つの燃焼室と、
   一端で前記燃焼室の前記前端部に接続され、他端でタービンの第１の段階１６に接続された管路１０と、
   前記一部片管路の周囲に少なくとも部分的に配設された少なくとも１つの被包体３８と、
   半径方向で前記少なくとも１つの被包体と前記一部片管路との間に配設された複数の概してエーロフォイル形状の羽根３６と
   を備えるガスタービン燃焼器。
10. 燃焼器の前端部１２とタービンの第１の段階１６との間に延在する一部片管路１０を冷却する方法であって、
    半径方向で前記一部片管路１０と前記一部片管路の周囲に少なくとも部分的に延在する金属被包体３８との間に複数の流れ誘導デバイス３６を提供するステップと、
    前記一部片管路１０と前記金属被包体３８との間の空間内に冷却空気を流し、それにより、前記複数の流れ誘導デバイス３６が、前記金属被包体によって囲まれた前記一部片管路の表面の周囲で冷却空気を案内するステップと
    を含む方法。

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