JP2010169093A - タービュレータを備える後端部ライナアセンブリと関連の冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン用燃焼器の燃焼器ライナとトランジションピースの界面領域の冷却効率を改善すると共に、耐久性を高める。
【解決手段】燃焼器ライナ１１８の後端部分と弾性シール構造１３８との間に、カバースリーブ１４０が半径方向に設置され、これにより両者間には空気流路が画定されている。カバースリーブ１４０の前端部分には、空気流路に冷却空気を導入するための吸気孔１４６が設けられている。この空気流路を画定する燃焼器ライナ１１８の後端部分の半径方向外側表面は、カバースリーブ１４０に向かって突出しているがカバースリーブ１４０から離間している複数のタービュレータ５２と、カバースリーブ１４０と複数のタービュレータ５２との間で、カバースリーブ１４０まで延在してカバースリーブ１４０に係合し、この空気流路を画定する複数の支持部１４４を含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、ガスタービンエンジン内部の冷却に関し、特に、燃焼器ライナと燃焼ガスをタービンの第１段に導く遷移ダクトとの間の遷移領域における冷却を均等且つ効果的に行うアセンブリ及び方法に関する。

従来、ガスタービン燃焼器では、燃焼チャンバに燃料と空気とを別々に導入する拡散（すなわち非予混合）燃焼方式を採用してきた。混合及び燃焼の過程において、火炎温度は３９００°Ｆを上回る。基本的に、従来の燃焼器ライナ及び／又はトランジションピースでは、約１５００°Ｆ（約８２０°Ｃ）の最高温度に約１万時間（１０，０００時間）しか耐えることができないので、耐久性と耐クリープ性と密封保全性とを得るためには、燃焼器ライナ及び／又は遷移ダクトと、燃焼器ライナとトランジションピースとの界面における密封構造とを保護するステップが必要である。このステップは、一般に、燃焼器の外側を取り囲む燃焼器ライナから成るプレナムに、比較的低温の圧縮機空気を導入するステップを含むフィルム冷却によって行われる。この従来構成では、プレナムからの空気を、燃焼器ライナのルーバを通過させた後、ライナ内面の上方をフィルムとして通過させることによって、燃焼器ライナの完全性を維持している。

約３０００°Ｆ（約１６５０°Ｃ）を上回る温度において、二原子窒素は急速に解離するので、高温での拡散燃焼を行うと、ＮＯｘ排出量が比較的多くなる。ＮＯｘ排出量を低減させる方法の１つは、燃料となるべく多くの圧縮機空気を予混合することである。その結果である希薄予混合燃焼により、火炎温度を低くし、ＮＯｘ排出量を低減させる。予混合燃焼によってどれだけＮＯｘ排出量を低減させられるかは、燃焼に用いることができる圧縮機空気の割合によって決まる。希薄予混合燃焼温度は拡散燃焼よりも低いとはいえ、火炎温度は、従来の燃焼器構成要素には耐えることができない高温である。

また、新型の燃焼器の場合、ＮＯｘを低減させるために最大限の空気を燃料と予混合するので、利用可能な冷却空気が僅か又は皆無となる。その結果、燃焼器ライナ及びトランジションピースをフィルム冷却できなくなる。しかし、燃焼器ライナでは、材料温度を限度未満に維持するために能動的冷却が必要となる。乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）排出システムの場合、この冷却空気は、低温側の対流としてのみ供給可能である。このような冷却を行うのは、温度勾配及び圧力損失の要件範囲内である必要がある。そこで、高熱による損傷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、遮熱コーティング等の手段と「背面」冷却との併用が検討されている。背面冷却の場合、圧縮機排気を燃料と予混合する前に、トランジションピース及び燃焼器ライナ外面の上方において、空気を通過させる必要がある。

別の周知の方法においては、例えば特許文献１（米国特許第７，０１０，９２１号）に開示のように、ライナを衝突冷却し、ライナの外面に任意でタービュレータを設置する。また別の方法では、米国特許第６，０９８，３９７号（特許文献２）に開示のように、ライナの外側又は外面に配列状の凹部を設ける。このような種々の周知の技術では、熱伝達効率を向上させることはできても、温度勾配と圧力損失に対する効果はまちまちである。

共有特許である米国特許第７，０１０，９２１号（特許文献１）に開示のまた別の技術では、ライナと、ライナの後端部のシールとの間に、特にシールを冷却するように設計された直線状の軸方向冷却空気チャネルを半径方向に設ける。

米国特許第７，０１０，９２１号 米国特許第６，０９８，３９７号

しかし、燃焼器ライナ／トランジションピース界面領域の冷却効率を更に改善すると共に、耐久性を高めることにより、燃焼器ライナとそれに付随するシールの耐用寿命を延長させることが更に求められている。

以下に例示する実施形態に係る、ガスタービンの燃焼器ライナとトランジションピースとの間の界面領域を冷却する装置により、上述の課題や欠点、並びにその他の課題や欠点を少なくとも部分的に解決又は克服することができる。

本発明に係る燃焼器ライナは、一実施形態において、前端部と後端部とを有する開放型の略円筒状の本体を有する。この本体は、周方向に離間する複数の軸方向延在リブ部から成る複数の軸方向延在チャネルを備え、これらのチャネルはそれぞれ、軸方向に離間する複数の横方向タービュレータを備えている。なお、リブ部の高さは、タービュレータの高さを上回る。

本発明に係るタービン用燃焼器は、一実施形態において、燃焼器ライナと；この燃焼器ライナを取り囲み、この燃焼器ライナとの間に第１の環状流路を形成する第１の流れスリーブであって、圧縮機排気を第１の環状流路内へと導く、周まわりに複数の冷却孔が設けられた第１の流れスリーブと；高温の燃焼ガスをタービンに運搬する、燃焼器ライナに接続されたトランジションピース本体と；このトランジションピース本体を取り囲む第２の流れスリーブであって、圧縮機排気を、第２の流れスリーブとトランジションピース本体との間の、第１の環状流路が接続された第２の環状流路内へと導く、第２の複数の冷却孔が設けられた第２の流れスリーブと；燃焼器ライナの後端部分とトランジションピース本体の前端部分との間に半径方向に設置された弾性シール構造と；燃焼器ライナの後端部分と弾性シール構造との間に半径方向に設置されたカバースリーブと；このカバースリーブと燃焼器ライナの後端部分との間に設けられた、周方向に離間する複数の軸方向延在空気流チャネルと；カバースリーブに向かって突出しているがカバースリーブから離間している、空気流チャネルそれぞれに設けられた軸方向に離間する複数の横方配向タービュレータを有する。

本発明に係る、ガスタービン燃焼器において燃焼器ライナの後端部分とトランジションピースの前端部分との間の遷移領域を冷却する方法を開示する。ここで、トランジションピースは、タービンに高温の燃焼ガスを運搬するように燃焼器ライナに接続されている。また、燃焼器ライナは、燃焼器ライナを取り囲み燃焼器ライナとの間に第１の環状流路を形成する第１の流れスリーブであって、圧縮機排気を第１の環状流路内へと導く第１の複数の冷却孔が周まわりに設けられた第１の流れスリーブと；トランジションピースを取り囲む第２の流れスリーブであって、圧縮機排気を、第２の流れスリーブとトランジションピースとの間の第２の環状流路へと導く第２の複数の冷却孔が設けられた第２の流れスリーブとを有する。この第２の環状流路には、第１の環状流路が接続されている。更に、遷移領域は、燃焼器ライナの後端部分とトランジションピースの前端部分との間に、半径方向に設けられた弾性シール構造を含む。この方法は、一実施形態において、（ａ）燃焼器ライナの後端部分に、軸方向に配向された複数の流れチャネルと、これらの流れチャネルそれぞれに設けられた半径方向外方に突出する複数の横方向タービュレータとを備えるステップと；（ｂ）燃焼器ライナの後端部分と弾性シール構造との間にカバースリーブを設置することによって、流れチャネルの半径方向外側を閉鎖ステップであって、このとき、横方向タービュレータは、カバースリーブに向かって突出しているがカバースリーブから離間しているステップと；（ｃ）第１及び第２の複数の冷却孔の少なくともいずれかと流れチャネルとを介して圧縮機排気を供給することによって、弾性シールを冷却するステップとを含む。

これより、添付図面に関連して本発明を詳細に説明する。

燃焼器ライナの後端部とトランジションピースの前端部との界面領域を示す、ガスタービン燃焼器の部分概略断面図である。 図１の界面領域の部分詳細図である。 燃焼器ライナの後端部に設けられ、トランジションピースと係合するシール構造の分解部分図である。 本発明の例示的実施形態に係る燃焼器ライナの後端部の略正面図である。 図４の燃焼器ライナの端面図である。 図４及び５のライナの後端部の部分斜視図である。

図１は、環状筒形ガスタービン燃焼器１０における燃焼器ライナの後端部とトランジションピースの前端部との間の界面領域の概略図である。この例からわかるように、トランジションピース１２は、半径方向内側のトランジションピース本体１４と、このトランジションピース本体１４から離間して設置された半径方向外側のトランジションピース衝突スリーブ１６とを含む。その上流には、燃焼器ライナ１８と、このライナを取り囲むように燃焼器流れスリーブ２０とが設置されている。

ガスタービン燃焼器（図示せず）からの流れは、ケース２４に流入する。圧縮機排気の約５０％は、トランジションピース衝突スリーブ１６に沿って、スリーブ１６のまわりに設けられた孔部（詳細に図示せず）を通過して、トランジションピース本体１４と半径方向外側のトランジションピース衝突スリーブ１６との間の環状領域又は環状部２６内を流れる。残りの約５０％の圧縮機排気流は、上流の燃焼器ライナ流れスリーブ２０の流れスリーブ穴２８内及び流れスリーブ２０とライナ１８との間の環状部３０内に流入し、その後、下流の環状部２６からの空気と混合される。この混合空気は、燃焼チャンバにおいてガスタービン燃料と混合される。

図２は、トランジションピース／衝突スリーブ１４、１６と燃焼ライナ／流れスリーブ１８、２０との間の遷移領域（又は接続部）２２の詳細図である。具体的には、燃焼器流れスリーブ２０（又は第１の流れスリーブ）の後端部の取付けフランジ３２が、トランジションピース１４の衝突スリーブ１６（又は第２の流れスリーブ）を入れ子状に受け入れている。更に、トランジションピース１４が、燃焼器ライナ１８を入れ子状に受け入れている。燃焼器ライナ１８を取り囲んで、燃焼器流れスリーブ２０が設置されており、これによって両者間には、環状流路３０（又は第１の環状流路）が形成される。環状部２６内を移動する直交流の冷却空気は、図２の流れ方向矢印３４に沿って、流れスリーブ２０の周まわりに設けられた冷却穴２８から流入する衝突冷却空気（流れ方向の矢印３６参照）に対して垂直な方向に、引き続き環状部３０内へと流れる（流れスリーブの穴の列数は、図２においては３列であるが、いかなる列数であってもよい）。

上述のように、ライナ１８の後端部と接続部又は界面領域２２の高温ガスの温度は、約２８００°Ｆである。しかし、界面領域２２の下流の出口部分のライナ金属温度は、好ましくは約１４００〜１５５０°Ｆである。以下に詳細に説明するが、加熱されたガスを界面領域２２を通過させることにより、ライナ１８の金属温度をこのように低域まで冷却できるように、ライナ１８の後端部には、冷却空気が流れる軸方向流路が設けられている。この冷却空気により、ライナから熱を除去し、ライナの金属温度を高温ガスに比して大幅に低下させることができる。

具体的には、図３に最もわかりやすく示すように、ライナ１８には、一般に「フラシール（hula seal）」と称される付随の圧縮型シール３８が、ライナ後端部５０の環状カバースリーブ又はプレート４０とトランジションピース１４との間に取り付けられている。詳細には、カバープレート４０がライナ後端部５０に取り付けられており、圧縮シールの取付け面を構成している。ライナ１８は、ライナ１８の後端部５０のまわりに周方向に延在する複数の軸方向延在隆起部又はリブ部４４により形成される、複数の軸方向チャネル４２を有する。カバースリーブ４０とリブ部４４とにより、ライナの後端部のまわりに周方向に配列された、互いに対して実質的に平行な空気流チャネル４２が画定されている。冷却空気は、それぞれのチャネル４２に空気入口スロット及び／又は開口４６、４７を介して導入され、それぞれの開口４８を介してライナから流出する。

本発明に係る実施形態として、図３の冷却構成を改変し、軸方向延在リブ部４４間に乱流を生じる隆起部を備えたものを例示するが、本発明の実施形態はこれに限定されない。図４〜７において、図３の燃焼器構成要素に対応する参照符号の頭に「１」を追加する以外は、参照符号をそのまま用いる。図４〜７に最もわかりやすく示すように、軸方向延在リブ部１４４は、この場合も冷却流チャネル１４２を構成し、カバープレート又はスリーブ１４０により閉鎖されている。ただし、この場合は、それぞれのチャネル１４２内に、横方向（又は周方向）に延在するタービュレータ５２がそれぞれに対して実質的に平行に、軸方向に離間して設けられている。タービュレータ５２もリブ状であるが、その高さはリブ部１４４よりも小さい。そうすることで、カバースリーブ１４０をライナの後端部１１８のまわりに設置すると、冷却空気がチャネル１４２を通過するが、タービュレータ５２に「妨害」されるので、局所熱伝達率が高くなり、冷却能力が向上する。明らかなように、タービュレータ５２の形状は、図示においては略直線状であるが、タービュレータ５２の正確な高さ、断面形状及び軸方向間隔は、個々の用途に応じて変更可能である。加えて、適用する製造技術（機械加工、鋳造等）に応じて、１つのチャネルのタービュレータ１５２を、隣接するチャネルのタービュレータと周方向に整合させるか否かを決めることができる。

これまでの解析により、界面領域において温度が５０°〜１００°Ｆ低下することがわかっている。従って、本発明の実施形態のように、流路に横方向タービュレータ５２を設けることによって、タービュレータを備えない場合に比して、同量の冷却空気で高い熱伝達効率（又は少ない冷却空気で同等の熱伝達効率）を得ることができる。このように冷却機能を追加することにより、耐用寿命及び／又はガスタービンの高温燃焼耐性を向上させ、且つ／又はＮＯｘ排出量を低減させることができる。

以上、現時点で最も実用的且つ好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明してきたが、本発明の実施形態は本明細書に記載のものに限らず、これらに修正及び等価の措置を加えたものも、本発明の特許請求の範囲に含まれることを理解されたい。

Claims (10)

1. 前端部と後端部（１５０）とを有する開放型の略円筒状の本体であって、
   前記後端部は、周方向に離間する複数の軸方向延在リブ部（１４４）により画定された、それぞれが軸方向に離間する複数の横方向タービュレータ（５２）を備える、複数の軸方向延在チャネル（１４２）を備え、
   前記リブ部（１４４）の高さが前記タービュレータ（５２）の高さを上回る本体を有する、燃焼器ライナ（１１８）。
2. 前記横方向タービュレータ（５２）が、互いに対して実質的に平行に配置された、請求項１に記載の燃焼器ライナ。
3. 隣接するチャネルの前記横方向タービュレータ（５２）どうしが、周方向に整合している、請求項１に記載の燃焼器ライナ。
4. 前記横方向タービュレータ（５２）の形状が実質的に直線状である、請求項１に記載の燃焼器ライナ。
5. 前記後端部（１５０）が、前記リブ部（１４４）とは係合するが前記横方向タービュレータ（５２）とは係合しないスリーブ（１４０）に内包されている、請求項１に記載の燃焼器ライナ。
6. 燃焼器ライナ（１１８）と、
   前記燃焼器ライナを取り囲む前記燃焼器ライナとの間に第１の環状流路を形成する第１の流れスリーブ（１４０）であって、該第１の流れスリーブ（１４０）の周まわりには、圧縮機排気を前記第１の環状流路に導く複数の冷却孔（１４６）が設けられている第１の流れスリーブ（１４０）と、
   前記燃焼器ライナ（１１８）に接続されており、高温の燃焼ガスをタービンに運搬するよう構成された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（１４）を取り囲む第２の流れスリーブ（１６）であって、圧縮機排気を、該第２の流れスリーブ（１６）と前記トランジションピース本体との間の第２の環状流路に導く第２の複数の冷却孔を有しており、前記第２の環状流路には前記第１の環状流路が接続されている第２の流れスリーブ（１６）と、
   前記燃焼器ライナ（１１８）の後端部分と前記トランジションピース本体（１４）の前端部分との間で、半径方向に設置された弾性シール構造（３８）と、
   前記燃焼器ライナ（１１８）の前記後端部分と前記弾性シール構造（３８）との間で、半径方向に設置されたカバースリーブ（１４０）と、
   前記カバースリーブ（１４０）と前記燃焼器ライナ（１１８）の前記後端部分との間で、周方向に離間した複数の軸方向延在空気流チャネル（１４２）と、
   前記カバースリーブ（１４０）に向かって突出しているが前記カバースリーブ（１４０）から離間しており、前記空気流チャネルのそれぞれに設けられた軸方向に離間する複数の横方配向タービュレータ（５２）を有する、タービン用燃焼器。
7. 前記横方向タービュレータ（５２）が、互いに対して実質的に平行に設置された、請求項６に記載の燃焼器。
8. 隣接する空気流チャネルの前記横方向タービュレータ（５２）どうしが、周方向に整合している、請求項６に記載の燃焼器。
9. 前記横方向タービュレータ（５２）の形状が実質的に直線状である、請求項６に記載の燃焼器。
10. ガスタービン燃焼器の燃焼器ライナ（１１８）の後端部分とトランジションピース（１２）の前端部分との間の遷移領域（２２）を冷却する方法であって、
    前記トランジションピース（１２）は、タービンに高温の燃焼ガスを運搬するよう燃焼器ライナ（１１８）に接続されており、
    前記燃焼器ライナ（１１８）は、
    前記燃焼器ライナを取り囲み、前記燃焼器ライナとの間に第１の環状流路を有する第１の流れスリーブ（１４０）であって、圧縮機排気を前記第１の環状流路へと導く第１の複数の冷却孔（１４６）が周まわりに設けられた、第１の流れスリーブ（１４０）と、
    前記トランジションピース（１２）を取り囲む第２の流れスリーブ（１６）であって、圧縮機排気を該第２の流れスリーブと前記トランジションピースとの間の、前記第１の環状流路が接続された第２の環状流路へと導く第２の複数の冷却孔が設けられた、第２の流れスリーブ（１６）とを有し、
    前記遷移領域（２２）は、前記燃焼器ライナ（１１８）の前記後端部分と前記トランジションピース（１２）の前記前端部分との間で半径方向に設置された弾性シール構造（３８）を含む方法において、
    （ａ）前記燃焼器ライナ（１１８）の前記後端部分に、軸方向に配向した複数の流れチャネル（１４２）と、前記流れチャネルそれぞれにおいて半径方向外方に突出する複数の横方向タービュレータ（５２）とを備えるステップと、
    （ｂ）前記燃焼器ライナ（１１８）の前記後端部分と前記弾性シール構造（３８）との間にカバースリーブ（１４０）を設置することにより、前記流れチャネルの半径方向外側を閉鎖するステップであって、前記横方向タービュレータ（５２）は、前記カバースリーブ（１４０）に向かって突出しているが前記カバースリーブ（１４０）から離間しているステップと、
    （ｃ）前記第１及び第２の複数の冷却孔の少なくともいずれかと前記流れチャネルとを介して圧縮機排気を供給することによって、前記弾性シールを冷却するステップとを含む方法。

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