JP2010190216A - 熱伝達表面増強機構を有する一体形缶型燃焼器 - Google Patents

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Abstract

【課題】熱伝達表面増強機構を有する一体形缶型燃焼器を提供する。
【解決手段】缶型燃焼器102本体から熱を除去する方向に伝達しやすくする表面機構を有する一体形缶型燃焼器102を設けることと、前記表面機構に空気流112を導いて、缶型燃焼器102本体からの熱が表面機構から空気流112に伝達されるようにすることとにより、ガスタービンに付随する缶型燃焼器100から熱を伝達する方法、システム及び装置を提供する。
【選択図】図2

Description

本発明は、一般にタービン構成要素に関し、特に熱伝達表面増強機構を有する一体形缶型燃焼器に関する。
産業用ガスタービンは、一般に、タービンの周のまわりにおいて円形配列で配置されることが多い「燃焼器」又は「缶」とも呼ばれる1個以上の燃焼室を有して設計される。タービンの中には、空気流と燃料流とが予混合された後に燃焼器に流入するものもあれば、空気と燃料とがともに燃焼器内で混合されるものもある。燃料混合物の点火後に、高温の燃焼ガスが燃焼器から流出し、その結果として得られる力がタービンを回転させる作用をして、この回転エネルギーを用いて、例えば発電機により発電が行われる。
空気と燃料との混合物を燃焼させるプロセスでは、華氏約3900度を超える火炎温度が生じ得るが、金属壁部を有する従来の燃焼器と付随するライナとトランジションピースは、金属部品の交換が必要となるまで、一般に、華氏約1500度の温度に、通常約10,000時間の限られた時間しか耐えることができない。火炎温度を低下させる方法として、燃料と圧縮空気とを予混合することがある。このような方法は、主としてNOx排出量の削減要求により推進されているが、この方法によって生じる希薄予混合燃焼により火炎温度の低下とNOx排出量の減少とが達成されても、火炎温度は、依然として従来の燃焼器の構成要素には耐えることができないほど高温である。従って、段階的な方法を取って、燃焼器とライナとトランジションピースとを冷却しなければならない。
燃焼器と付随する構成要素とを冷却する、様々な方法が提案されている。一般に従来の燃焼器に関連ある冷却方法として、燃焼器の外側をフロースリーブで取り囲み、相対的に低温の圧縮空気をライナとフロースリーブとの間の流動チャネルからライナの穴を介して高温燃焼ガス流中に導入するというものがある。高温の表面の上を通過するフィルム状の空気は、構成要素の熱流束を低下させることができ、従ってこの種の冷却は、「フィルム冷却」と呼ばれることもある。しかし、予混合低NOx排出システムにおいては、利用可能な冷却空気の量が限られることがあり、燃焼器とライナと付随する構成要素とを冷却するために、「背面」冷却を含む代替方法が提案されている。
背面冷却は、空気と燃料とを予混合する前に、燃焼器ライナの外面の上をわたって圧縮された排気を流す段階を含む。多くの特許文献において、冷却を向上させるために、様々なライナ改変態様及び実施形態に重点が置かれてきた。例えば、ライナの外側に配置される様々な形状及び大きさの「タービュレータ」が、熱伝達を向上させるために提案されている(例えば、米国特許第7,104,067号、第6,681,578号、第6,098,397号を参照されたい)。熱伝達を向上させる様々な周知技術は、様々な効率で機能し、各々の技術は、熱勾配と圧力損失に影響を及ぼす。
タービン燃焼器の製造、組立、保守及び再構成の費用は、燃焼器の構成に必要とされる部品点数に直接関係する。米国特許第7,082,766号は、燃焼器のヘッド側から多部品のトランジションピース又はフロースリーブを排除するとともに、タービン環状部への遷移部に、互いに溶接された2個の半分体又はいくつかの構成要素によって形成される単一のトランジションピースを用いるという考え方を提案するものであった。
米国特許第7,104,067号明細書
しかし、依然として、燃焼器の組立又は燃焼器部分の表面上のタービュレータ及び/又は熱除去増強機構の形成に必要とされる付随の機械加工や溶接等を最小限に抑えて燃焼器の冷却を向上させることが必要とされている。
本発明の実施形態は、上記の必要性の一部又は全部に対処し得るものである。本発明の例示的実施形態によれば、ガスタービンに付随する缶型燃焼器から熱を伝達する方法が得られる。この方法は、一体形缶型燃焼器本体から熱を除去する方向に伝達する作用をしうる少なくとも1個の表面機構を有する一体形缶型燃焼器本体を設ける段階と、この少なくとも1個の表面機構に隣接させて空気流を導く段階とを含む。缶型燃焼器本体からの熱は、少なくとも1個の表面機構を介して空気流に伝達される。
本発明の例示的実施形態によれば、ガスタービンに付随する缶型燃焼器から熱を伝達するシステムが得られる。このシステムは、一体形缶型燃焼器本体から熱を除去する方向に伝達する作用をしうる少なくとも1個の表面機構を有する一体形缶型燃焼器本体と、この少なくとも1個の表面機構に隣接させて空気流を導くスリーブとを備える。缶型燃焼器本体からの熱は、少なくとも1個の表面機構を介して空気流に伝達される。
本発明の例示的実施形態によれば、ガスタービンに付随する缶型燃焼器から熱を散逸させる装置が得られる。この装置は、缶型燃焼器本体に付随するとともに、空気流が自身に隣接して導かれるときに、缶型燃焼器本体から熱を除去する方向に伝達する作用をしうる少なくとも1個の表面パターンを含む。
本発明の実施形態に従った一体形缶型燃焼器を含む例示的なタービンの図である。 本発明の例示的実施形態に従った、表面増強機構を有する例示的な一体形缶型燃焼器の斜視図である。 本発明の例示的実施形態に従った、図2の表面増強機構の例示的なシェブロンパターンの図である。 本発明の例示的実施形態に従った、図2の表面増強機構のシェブロン機構の拡大図である。 本発明の例示的実施形態に従った、図2の表面増強機構の例示的な凹部又は凸部パターンの図である。 本発明の例示的実施形態に従った、図2の表面増強機構の例示的なメサパターンの図である。 本発明の例示的実施形態に従った、図2の表面増強機構の例示的なひれ形パターンの図である。 本発明の例示的実施形態に従った、図2の表面増強機構の例示的な砂丘形パターンの図である。 本発明の例示的実施形態に従った、様々な表面増強機構の実施形態の摩擦乗数を示す例示的な測定データの図である。 本発明の例示的実施形態に従った、缶型燃焼器から熱を除去する例示的な方法の流れ図である。
次に、必ずしも一定の比率で描かれているわけではない添付図面を参照する。
本発明の実施形態に示されている添付図面を参照して、以下に本発明の実施形態をより完全に説明する。ただし、本発明は、多くの異なる形態で実施され得るものであって、本明細書に記載の実施形態に限定されると解釈されるべきではなく、むしろこれらの実施形態は、本開示が詳細且つ完全なものとして本発明の範囲を当業者に完璧に伝えることができるように提示されている。同様の符号は、図面全体を通して同様の要素を指す。
本発明の実施形態に従った、ガスタービンの例示的な缶型燃焼器100の部分を図1に示す。図1の燃焼器100は、複数の燃料ノズル106付近のヘッド側104とタービン110の第1段付近の後側108とを有する一体形缶型燃焼器102を示す。動作時において、約200〜400psiの圧力に圧縮された排気112は、インピンジメントスリーブ114に衝突するとともに、該スリーブの複数の穴を通って環状冷却部116内に流入し、この環状冷却部において、排気112は、一体形缶型燃焼器102から熱を除去する。中心軸130に対して垂直な環状冷却部116の任意の断面は、真の幾何学的環形を呈しても、又は呈さなくてもよく、必要に応じて円形、楕円形、正方形又は何らかの複合形である。排気112は、一体形缶型燃焼器102の周のまわりにおいて環状冷却部116内で渦を巻き、該冷却部内において、再びヘッド側104の方へと導かれ、燃料ノズル106内の燃料と混合される。燃料/空気混合物118は、その後、一体形缶型燃焼器102の後側108の方へと移動し、該後側において、点火された後に、タービン環状部120から流出し、タービン110の第1段を駆動する。
本発明の例示的実施形態によれば、一体形缶型燃焼器102のキャップシールインタフェース128は、ヘッド側104において缶型燃焼器100のフレームに放射状ストラット124により取り付けられる。一体形缶型燃焼器102の後側108は、後部フレーム122をブラケット組立体126に取り付けることにより、缶型燃焼器100のフレームに固定される。
再び図1を参照すると、排気112は、一体形缶型燃焼器102のまわりにおいて環状冷却部116内を流れるとともに、対流冷却により、一部又は全部の周囲構造から熱の一部分を除去する。しかし、本発明の実施形態によれば、表面増強機構を有する一体形缶型燃焼器102を製造して、(a)排気112が一体形缶型燃焼器102と相互作用する追加の表面部分を設け、(b)空気と表面との境界において多数回の局所的な流動妨害(又は乱流化)を行って空気と表面との相互作用を高めることで、より多くの熱を周囲構造から除去することによって、熱伝達係数が増加する。本発明の実施形態によれば、排気112は、表面及び/又は表面増強機構の法線に対して垂直方向及び平行方向を含むあらゆる方向に流れるように導かれる。本発明のその他の実施形態によれば、排気112は、表面及び/又は表面増強機構の法線に対して垂直方向及び平行方向を含むあらゆる方向に自然に流れる。表面増強機構に隣接して流れる排気112は、周囲の構造及び表面にも隣接して流れることにより、隣接する全ての表面からの熱を伝達する。
図2に、本発明の実施形態に従った例示的な表面機構202を有する一体形缶型燃焼器102を示す。後部フレーム122の例示的実施形態及びキャップシールインタフェース128も図示する。本発明の実施形態によれば、表面機構202とキャップシールインタフェース128と後部フレーム122とを含む一体形缶型燃焼器102の本体全体は、単体構造として鋳造される。表面増強機構の異なる例示的実施形態を以下の図3A〜3Fに示す。本発明のその他の例示的実施形態によれば、一体形缶型燃焼器102は、本発明の範囲から逸脱することなく、より多数又は少数の取付け用フレームとブラケットと表面機構とを備える。
本発明の例示的実施形態によれば、図1及び2に示すように、一体形缶型燃焼器102は、ヘッド側104において略円形又は楕円形の開口を有し、後側108のより小さい断面積の略矩形部分まで遷移する。一体形缶型燃焼器102の本体は、後側108からヘッド側104まで延在する非対称の湾曲を有して、多数の燃焼器が単一のタービンを駆動する一方で多重缶型燃焼器システムのある空間領域内に収まることを可能にする。
次に、図1〜3を参照して、図1の102のような一体形缶型燃焼器のある例示的な表面増強機構の実施形態を説明する。図3Aに、シェブロン配列のパターンをなす複数の分節状傾斜形タービュレータ又はリブからなる例示的な表面機構202を示す。図3Bは、図3Aに示す表面機構202の詳細図である。本発明の例示的実施形態によれば、表面機構202は、一体形缶型燃焼器102に鋳込まれており、約0.5mm〜1.0mmの高さを有し、さらに実質的に平面状又は丸形のいずれかのリブ頂部302表面を有する1個以上の要素又はリブからなる。これらのリブは、さらにまた、リブの高さに略等しい遷移半径303を有して平面状の下側部分からリブ頂部302まで遷移する。表面機構202のリブ幅304は、約0.5mm〜1.0mmとされ、長さ306は、約0.5〜1.5cmとされる。リブ列間隙308は、約5〜15mmとされる。1つの列のリブの端部から隣接する列のリブの端部までのリブ端部間隙310は、約1〜5mmとされる。表面機構202のリブは、列線316に対して約0〜約90度の角度312をなすが、一実施形態では、角度312は、約65度である。表面増強列線316は、一体形缶型燃焼器102の中心軸130に対して略平行に延在するか、又は列線314は、中心軸130に対して、例えば約0〜約45度の範囲内の角度に設定される。一体形缶型燃焼器102の直径は、ヘッド側104から後側108まで変動するため、表面機構202の個別の要素の長さ306又は端部間隙310は、一体形缶型燃焼器102の本体に沿って、位置の関数として変動することが理解されよう。
図3Cに、本発明の他の実施形態に従って一体形缶型燃焼器102内に鋳込まれる配列状の凸部又は凹部320からなる他の例示的な表面機構202を示す。この実施形態において、凹部320は、約7〜約13mmの範囲内の直径(D)322と、約0.25〜約0.5mmの範囲内の深さ(Δ)と、約11〜約20mmの中心間列間隔(Sr)324と、約11〜約20mmの中心間段間隔(Sc)326とを有する。本発明の例示的実施形態によれば、凹部列線328は、一体形缶型燃焼器102の中心軸130に対して略平行をなす。本発明のその他の例示的実施形態によれば、凹部列線328は、一体形缶型燃焼器102の中心軸130に対して約0〜約45度の範囲内の何らかの角度をなす。
図3Dに、本発明のまた他の実施形態に従って一体形缶型燃焼器102内に鋳込まれる配列状の溝330からなるまた他の例示的な表面機構202を示す。本実施形態において、溝330は、約1〜約3mmの範囲の曲率半径を有する円形の深さ輪郭を有する。これらの溝は、約2〜約8mmの範囲の溝幅332と、約5〜約13mmの範囲の溝間隔334とを形成する。本発明の例示的実施形態によれば、溝中心線336は、一体形缶型燃焼器102の中心軸130に対して略平行をなす。本発明のその他の例示的実施形態によれば、溝中心線336は、一体形缶型燃焼器102の中心軸130に対して約0〜約45度の範囲内の何らかの角度をなす。
図3Eに、本発明のまた他の実施形態に従って一体形缶型燃焼器102内に鋳込まれる配列状のひれ形340からなるまた他の例示的な表面機構202を示す。これらのひれ形340は、約0.5〜約3mmの高さであり、実質的に平面状又は丸形のいずれかのひれ形頂部342表面を有する。これらのひれ形340はさらに、約0.1mmの遷移半径を有して平面状の下側部分からひれ形頂部342まで遷移する。ひれ形の幅344は、約1〜約7mmとされ、長さ346は、約1〜約7mmとされる。ひれ形列間隔348は、約2〜約8mmとされ、ひれ形段間隔350は、約2〜約8mmとされる。ひれ形340は、約0〜約5mmの交互段オフセット352を有して形成される。ひれ形列線354は、一体形缶型燃焼器102の中心軸130に対して略平行をなす。本発明のその他の実施形態によれば、ひれ形列線354は、一体形缶型燃焼器102の中心軸130に対して約0〜約90度の範囲内の何らかの角度をなす。一体形缶型燃焼器の直径は、ヘッド側104から後側108まで変動するため、ひれ形長さ346、ひれ形列間隔348及び/又はひれ形段間隔350は、一体形缶型燃焼器102の本体に沿って、位置の関数として変動することが理解されよう。
図3Fに、本発明のまた他の実施形態に従って一体形缶型燃焼器102内に鋳込まれる配列状の湾曲砂丘形360からなるまた他の例示的な表面機構202を示す。これらの砂丘形360は、一般に、約0.5〜約3mmの範囲の高さの砂丘状の形状を有し、約3〜約7mmの範囲の上面半径を有する実質的に丸形の上面362を有する。砂丘形360は、さらに、湾曲砂丘形360の一方の側において、表面に垂直な線に対して約45度の切欠角を有するとともに砂丘形360の直径368の約2分の1の切欠部直径を有する中実円柱状切欠部366を特徴とする。砂丘形360の直径368は、約7〜約13mmとされる。砂丘形列周期370は、約11〜約20mmとされ、砂丘形段周期372は、約11〜約20mmとされる。砂丘形列線374は、一体形缶型燃焼器102の中心軸130に対して略平行をなす。本発明のその他の例示的実施形態によれば、砂丘形列線374は、一体形缶型燃焼器102の中心軸130に対して約0〜約45度の範囲内の何らかの角度をなす。本発明の例示的実施形態によれば、湾曲砂丘形360は、切欠部分364がヘッド側104に向かって配置されるように形成される。その他の例示的実施形態によれば、湾曲砂丘形360は、切欠部分364が各々の局所的な表面機構における排気流112の方向に対して実質的に風下に分布するように形成される。さらに、一体形缶型燃焼器102の直径は、ヘッド側104から後側108まで変動するため、砂丘形の直径368、列間隔370及び/又は段間隔372は、一体形缶型燃焼器102の本体に沿って、位置の関数として変動することが理解されよう。
図4に、本発明の例示的実施形態に従ったいくつかの例示的な表面増強機構の実施形態に関する摩擦乗数の測定データを示す。変数「f」は、何らかの特定の表面の抵抗係数と呼ばれることもある摩擦係数を表す。変数「fsm」は、増大機構又は凹凸を有さない円滑面の摩擦係数を表す。比「f/fsm」は、摩擦乗数とよばれることもある、非円滑面の摩擦係数の増大を表す。「Re」は、流体バルク速度と幾何学的形状の特性長さとの積を流体の動粘度で割った値として定義される、背面対流のレイノルズ数を表す。例えば、図4には、(表面増強機構を有さない)円滑面と、横方向タービュレータ(例えばリブ端部間隙310を有さず、且つ角度312が約90度である連続的なリブ形タービュレータ)と、(角度312が約65度の、図3Bに示すような)シェブロンパターンと、(図3Fに示すような)千鳥配置の砂丘形と、直列配置の砂丘形(図示せず)との比較データを示す。図4の変数「P」は、リブ間の「ピッチ」、すなわちリブ列間隙308を表す。変数「e」は、リブ高さを表す。摩擦乗数は、空気流の圧力降下に一致するため、特定の表面機構の実施形態は、一般に摩擦を最小限に抑えることと熱除去効率を最大限に高めることとの間における兼ね合いに基づいて選択される。
次に、図5の流れ図を参照して、本発明の実施形態に従った例示的な方法を説明する。まずブロック502において、102のような一体形缶型燃焼器が、一体形の単体構造として表面機構を有して鋳造される。本発明の例示的実施形態に従って102のような一体形缶型燃焼器を製造する方法は、消耗型鋳造法、非消耗型鋳造法、ダイカスト法、半固体金属鋳造法、遠心鋳造法、連続鋳造法等を用いる段階を含む。ある例示的実施形態によれば、102のような一体形缶型燃焼器の製造に用いられる様々な材料には、例えば、Udimet500、Haynes188又はHaynes230等の高温合金が含まれる。
ブロック502に続くブロック504において、102のような一体形缶型燃焼器は、104のようなタービン燃焼器ヘッド側と108のような後側との間に取り付けられる。図1及び2に示すように、密封面及び取付機構204を含む122のような後部フレームは、単体形缶型燃焼器102の一部分として鋳造され、取付機構204は、タービンのフレームに取り付けられる1個以上の取付ブラケット126に固定されるように設計される。一体形缶型燃焼器102のヘッド側104のキャップシールインタフェース128は、例えば放射状ストラット124を用いてタービンに取り付けられる。
ブロック504に続くブロック506において、102のような一体形缶型燃焼器を114のようなインピンジメントスリーブで取り囲み、圧縮機からの112のような排気が一体形缶型燃焼器102の表面に流れる流路を形成するとともに、一体形缶型燃焼器102のまわりにおいて116のような環状冷却部を形成し、空気は、104のようなヘッド側に向かって導かれて、該ヘッド側において106のような複数の燃料ノズル内の燃料と混合する。
ブロック506に続くブロック508において、116のような環状冷却部内を流れる排気は、102のような一体形缶型燃焼器の表面と相互作用することで、一体形缶型燃焼器102から熱を除去する。この熱除去プロセスは、排気112が表面機構202と局所的に相互作用することによって向上する。
図5の方法500の上記説明から、ある実施形態に従った、202のような1個以上の鋳造表面増強機構を有する102のような鋳物の一体形缶型燃焼器は、従来の多部品型燃焼器を上回る利点を有することが理解される。このような実施形態において、部品点数を最小限にすることにより、組立時間を短縮し、且つ燃焼器をタービンのヘッド側と後側とに接続するのに必要なシールの数を減らし、さもなければ表面機構202の形成に必要とされる余分な機械加工を排除又はその他の方法で削減する。本発明の少なくとも一実施形態の少なくとも一つの技術的効果は、缶型燃焼器本体からの熱が、少なくとも1個の表面機構を介して空気流に伝達されることである。
当業者には、上記の説明及び添付図面に示す教示内容を利用して、本発明の多くの改変態様及びその他の実施形態が考えられるであろう。従って、本発明は、開示の特定の実施形態に限定されるのではなく、改変態様及びその他の実施形態は、添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図されていることを理解されたい。本明細書では特殊な用語が用いられているが、これらの用語は、限定する目的ではなく包括的且つ説明的な意味で用いられている。
100 缶型燃焼器
102 一体形缶型燃焼器
104 ヘッド側
106 燃料ノズル
108 後側
110 タービン
112 排気
114 インピンジメントスリーブ
116 環状冷却部
118 燃料/空気混合物
120 タービン環状部
122 後部フレーム
124 放射状ストラット
126 ブラケット組立体
128 キャップシールインタフェース
130 中心軸
202 表面機構
204 取付機構
302 リブ頂部
303 遷移半径
304 表面増強機構の幅
306 表面増強機構の長さ
308 リブ列間隙
310 リブ端部間隙
312 列線に対する角度
316 列線
322 凹部の直径
324 中心間列間隔
326 中心間段間隔
328 中心間段間隔
330 溝
332 溝幅
334 溝間隔
336 溝中心線
340 配列状のひれ形
342 ひれ形頂部表面
344 ひれ形の幅
346 ひれ形の長さ
348 ひれ形列間隔
350 ひれ形段間隔
354 ひれ形列線
360 配列状の湾曲砂丘形
362 砂丘上面
366 円柱状切欠部
368 砂丘形の直径
370 砂丘形列周期
372 砂丘形段周期
374 砂丘形列線

Claims (7)

  1. ガスタービンに付随する缶型燃焼器(100)から熱を伝達する方法において、
    缶型燃焼器(102)本体から熱を除去する方向に伝達する作用をしうる少なくとも1個の表面機構(202)を含む一体形缶型燃焼器(102)本体を設ける段階と、
    前記少なくとも1個の表面機構(202)に隣接して空気流(112)を導く段階であって、前記缶型燃焼器(102)からの熱が前記少なくとも1個の表面機構(202)を介して前記空気流(112)に伝達される段階からなる方法。
  2. 前記缶型燃焼器(102)本体をガスタービン内において付随する燃焼器ヘッド側(104)とタービン(110)入口との間に取り付ける段階をさらに含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記少なくとも1個の表面機構(202)は、前記缶型燃焼器本体の表面より上の隆起部分と、前記缶型燃焼器本体の表面より下の陥没部分と、円形凸部と、円形凹部と、隆起した矩形のひれ形と、シェブロン形機構と、砂丘形機構と、溝と、畝部との少なくとも1個からなる、請求項1に記載の方法。
  4. 前記少なくとも1個の表面機構(202)に隣接して空気流(112)を導く段階は、インピンジメントスリーブ(114)を用いて空気流(112)を導く段階からなり、前記インピンジメントスリーブ(114)は、前記缶型燃焼器(102)本体に隣接する付随の環状流路(116)内へと空気を導く複数の冷却孔を含む、請求項1に記載の方法。
  5. 前記缶型燃焼器(102)本体と少なくとも1個の表面機構(202)とは、単体部品として鋳造される、請求項1に記載の方法。
  6. 前記少なくとも1個の表面機構(202)は、前記缶型燃焼器(102)本体に取り付けられるか、又は機械加工されるかのいずれかである、請求項1に記載の方法。
  7. 前記少なくとも1個の表面機構(202)は、前記缶型燃焼器(102)本体の外面に付随する、請求項1に記載の方法。
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