JP2010203439A - 噴流冷却式単一構成缶型燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンの構成部品を冷却する手段及び単一構成缶型燃焼器の噴流冷却を提供すること。
【解決手段】産業用タービンのための燃焼器は、燃焼器ヘッド端部からタービン入口に直接移行する単一移行部品を含む。移行部品は内表面及び外表面を含む。内表面は、燃焼器ヘッド端部からタービン入口までの燃焼ガス流のための内部空間を境界付ける。外表面は、圧縮機吐出空気流のための領域を少なくとも部分的に定める。移行部品は、圧縮機吐出空気流が内部空間に流入できるように構成された複数のアパーチャを含む。複数のアパーチャの各々は、外表面上の入口部分から内表面上の出口部分に延びる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、総括的に、ガスタービンの構成部品を冷却する手段に関し、より具体的には、単一構成缶型燃焼器の噴流冷却に関する。

ガスタービンは、タービン入口温度を最大値にまで引き上げることができる場合に極めて効率的に動作することができる。しかしながら、ここから燃焼ガスが発生してタービン入口に流入することになる燃焼室は、１５００°Ｆを遙かに上回る動作温度に達し、長期にわたる使用期間において最先端の合金でさえこのような温度に耐えることはできない。従って、タービンの性能及び寿命は、極端な加熱条件に曝されるタービン構成部品に提供できる冷却の程度に大きく依存する。

米国特許第７，０８２，７６６号公報

圧縮機吐出空気を使用してタービン構成部品を冷却する一般的な概念は、当該技術分野で公知である。しかしながら、タービン設計の開発及び変形形態には、タービン構成部品向けの冷却機構が実装された特定の構造を必ずしも伴っていない。従って、新規に開発されたタービン設計に冷却機構を具現化させる必要性がある。

以下は、本発明の幾つかの例示的な態様の基本的理解を提供するために本発明の簡易的な要約を提示している。この要約は、本発明の広範囲に及ぶ概要ではない。更に、この要約は、本発明の重要な要素を特定すること、及び本発明の技術的範囲を正確に説明することを意図するものではない。この要約の唯一の目的は、後述する詳細な説明の前置きとして本発明の幾つかの概念を簡易的な形態で示すことである。

本発明による上記及び他の態様を達成するために、燃焼器ヘッド端部からタービン入口に直接移行する単一移行部品を含む、産業用タービンための缶型燃焼器が提供される。移行部品は、圧縮機吐出空気流のための外部空間と、燃焼ガス流のための内部空間とを定める。移行部品は、外部空間の境界を定める外表面と内部空間の境界を定める内表面とを含む。移行部品は、圧縮機吐出空気流が内部空間に流入できるように構成された複数のアパーチャを含む。複数のアパーチャの各々は、外表面上の入口部分から内表面上の出口部分に延びる。

本発明の別の態様によれば、産業用タービンエンジンは、燃焼セクションと、燃焼セクションの下流側にある空気吐出セクションと、燃焼セクションと空気吐出セクションとの間の移行領域と、燃焼器移行部品とを含む。燃焼器移行部品は、燃焼セクションと移行領域とを定める。移行部品は、燃焼ガス流を空気吐出セクションに対応するタービンの第１段に運ぶように適合され、圧縮機吐出空気流のための外部空間及び燃焼ガス流のための内部空間を定める。移行部品は、外部空間の境界を定める外表面と、内部空間の境界を定める内表面とを含み、圧縮機吐出空気流が内部空間に流入できるように構成された複数のアパーチャを含む。複数のアパーチャの各々は、外表面上の入口部分から内表面上の出口部分に延びる。

本発明を実施することができる単一構成缶型燃焼器の例示的な実施形態の概略断面図。 噴流孔を備えた移行部品の拡大斜視図。 移行部品の噴流孔を横断する断面図。

本発明の前述及び他の態様は、添付図を参照して以下の説明を読むと、本発明に関連する当業者には明らかになるであろう。

本発明の１つ又はそれ以上の態様を組込んだ例示的な実施形態を説明し且つ図面において例示する。これらの図示した実施例は、本発明を限定することを意図するものではない。例えば、本発明の１つ又はそれ以上の態様は、他の実施形態において利用することができ、更に、他のタイプの装置においても利用することができる。

図１は、本発明を実施することができる単一構成の燃焼器１０の実施形態を示す。この図示の例示的な実施形態は、缶型環状逆流燃焼器１０であるが、本発明は、他のタイプの燃焼器にも適用可能である。燃焼器１０は、空気と燃料とを限定された空間内で燃焼し、且つ結果として生じた燃焼ガスをベーンの固定列を通して吐出することによって、タービンの回転運動を駆動するのに必要なガスを発生する。動作中、圧縮機からの吐出空気は、燃焼器１０の外側を通り過ぎると方向を反転し、タービンに向かう途中で再び燃焼器１０に流入する。加圧空気及び燃料は燃焼室内で燃焼される。燃焼ガスは、移行部品１２０を介してタービンセクションに高速で流入する。吐出空気が、移行部品１２０の外表面上を流れるときに、燃焼器構成部品に対流冷却を提供する。

図１において、移行部品１２０は、円形の燃焼器ヘッド端部１００からタービンアニュラスセクタ１０２（符号１６で示すタービンの第１段に相当する）に単一構成で直接移行する。単一構成の移行部品１２０は、組立て又は製造を容易にするために、共に溶接又は接合される２つの半部分又は複数の構成部品から形成することができる。スリーブ１２９はまた、円形燃焼器ヘッド端部１００から移行部品１２０の後方フレーム１２８に単一構成で直接移行する。単一構成のスリーブ１２９は、２つの半部分から形成され、組立てを容易にするため共に溶接又は接合することができる。スリーブ１２９と後方フレーム１２８との間の接合は、冷却アニュラス１２４に対して実質的に閉鎖した端部を形成する。また、「単一」とは、要素を接合するために何らかの適切な手段に基づいて共に接合された複数の部品、及び／又は単体構造、及び／又は単一構成、及び同様のものを意味する。

図１において、移行部品１２０の外表面にわたって対流処理された吐出空気の環状流がある。例示的な実施形態において、吐出空気はスリーブ１２９を通って流れ、該スリーブ１２９が環状ギャップを形成して、高い伝熱係数を生成するよう流速を十分に高速にできるようにする。スリーブ１２９は、移行部品１２０を囲み、これらの間にフローアニュラス１２４を形成する。アニュラス１２４において移動する直交流冷却空気は、矢印で示すように上流側に流れ続ける。代替の実施形態において、スリーブ１２９は、燃焼器ヘッド端部１００から後方フレーム１２８に完全には延びることができない。移行部品１２０の円形領域は、図２から図３においてより詳細に検討する。

従来の燃焼器において、燃焼器ライナ及びフロースリーブは一般に、移行部品及びスリーブそれぞれの上流側で見られる。しかしながら、図１の単一構成缶型燃焼器において、燃焼器ライナ及びフロースリーブは、より短い長さの燃焼器を提供するために排除されている。単一構成缶型燃焼器の主要な構成部品は、円形キャップ１３４、複数の燃料ノズル１３８を支持する端部カバー１３６、移行部品１２０、及びスリーブ１２９を含み、これらは当該技術分野で公知である。例えば、単一構成缶型燃焼器のより詳細な説明は、Ｗｉｄｅｎｅｒ他に付与された米国特許第７，０８２，７６６号に見られる。

図２は、分離した状態で、複数のアパーチャ又は噴流孔２００と共に形成された単一構成の移行部品１２０の実施形態を示す。図２は、単に説明を簡単にする目的で燃焼器ヘッド端部１００付近のアパーチャ２００の１つの例示的な配列を示しており、この例示的な配列は、本発明の限定と解釈してはならない点に留意されたい。従って、アパーチャ２００の形成は、移行部品１２０の他の選択領域にあるか、又はその領域にまで広がり、或いは外表面全体にわたることができる。アパーチャ２００が形成される選択領域は、タービンの動作中に他の領域よりも相対的に高温になる傾向があり、従って、冷却を更に行うことで恩恵を受けることができる移行部品１２０上のスポットとすることができる。或いはまた、アパーチャ２００は、円周方向に分散した様態で形成することができ、又は移行部品１２０の上流部分から下流部分に延びることができる。更に図２は、複数のアパーチャ２００をパターン化することができる複数の可能な配列の１つのみを示している。例えばアパーチャ２００は、互いの周囲で直交方向に配置することができる。別の実施例において、列をなした各アパーチャ２００は、隣接する列のアパーチャに対し僅かにオフセットすることができる。配列のかかる多様性は、本発明の技術的範囲内にある。

図３は、移行部品１２０の一部である壁３００を通って形成されたアパーチャ２００を通る断面図を示す。この場合もまた、説明を簡単にするために、限定数のアパーチャ２００が移行部品１２０上に示されている。図３は、壁３００の外表面３００ａ及び内表面３００ｂを示す。壁上の領域は、移行部品１２０の外部空間３０２であり、壁下の領域は、移行部品１２０の内部空間３０４である。上述のように、実施形態又は移行部品１２０の部分に応じて、スリーブ１２９は、移行部品１２０に隣接して存在する場合があり、又は存在しない場合もあり、従って、フローアニュラス１２４がこの領域に形成される場合、又は形成されない場合がある。スリーブ１２９が存在する場合、スリーブ１２９は、外部空間３０２の一部であり、フローアニュラス１２４は、スリーブ１２９と移行部品１２０との間に形成されることになる。

図３の右側は、タービンの上流領域に相当し、図３の左側は、タービンの下流領域に相当する。従って、高温ガスから構成される流れＨは、燃焼室から発生し、移行部品１２０の内部空間３０４の下流側に配向される。燃焼高温ガスよりも低温の圧縮吐出空気から構成される流れＣは、圧縮機から発生するが、タービンの下流領域から移行部品１２０に接近し、移行部品１２０の外部空間３０２の上流側に移動し、これは、通常の缶型環状逆流燃焼器と同様である。

アパーチャ２００は、壁３００の外表面３００ａから内表面３００ｂまで延びる。本発明は、壁３００に垂直に形成されたアパーチャ２００、及び壁３００に角度θで形成されたアパーチャ２００を含む。図３において、アパーチャ２００は、該アパーチャ２００の出口部分２００ｂがアパーチャ２００の入口部分２００ａに対して下流側又は後方になるように角度θで示される。一実施形態において、角度θは、アパーチャ２００の長手方向軸線２００ｃ及び壁３００の接線方向であり且つ下流側に向けられる方向２０２によって形成される。角度θは、３０度の鋭角とすることができ、２０から３５度の範囲とすることができる。しかしながら、より小さな又はより大きな他の角度も企図される。図３において、下流側接線は左を指している。第２のアパーチャ２００は実質的に円筒形であるが、アパーチャ２００が壁３００に垂直でない場合には、入口部分２００ａ及び出口部分２００ｂは楕円形を有することになる。しかしながら、アパーチャ２００、４００は、円形ではなく、例えば多角形などの断面を有することができる。

アパーチャ２００の別の変形形態は、入口部分２００ａの角度位置が、移行部品１２０の円周上の出口部分２００ｂの角度位置と異なることができるものである。更にアパーチャ２００の出口部分２００ｂは、アパーチャ２００の入口部分２００ａに対して上流側又は前方側とすることができ、これによりアパーチャ２００の長手方向軸線と方向２０２との間に鈍角を生成する。

図３において、アパーチャ２００は、入口部分から出口部分まで一定の直径を備えたほぼ円筒の幾何形状を有する。一実施形態において、直径は０．０３インチとすることができ、或いは、０．０２インチから０．０４インチの範囲とすることができる。勿論、アパーチャ２００の他の直径も企図される。例えば、アパーチャ２００は、壁３００を通して直径が漸次的に増加又は減少することができる。

アパーチャ２００は、レーザドリル加工又はコスト及び精度などの要因に基づいて選択された他の機械加工法によって、移行部品１２０の壁３００を貫通して形成することができる。

図３において、流れＣは、外表面３００ａを通り過ぎる間に熱を除去することによって、移行部品１２０の対流冷却を行う。アパーチャ又は噴流孔２００によって生成される流れＥは、移行部品１２０の全体又は選択領域において空気ジェットを提供し、これは、冷却空気がそこで内表面に接触するアパーチャ２００を通過するときに移行部品１２０を冷却する。噴流冷却は浸出冷却の一形態である。壁３００に垂直なもの以外のアパーチャは、長さの増大に起因して、壁に垂直なアパーチャに比べてより大きな内表面を有し、その結果、熱伝達が延長され、移行部品１２０のより大きな冷却を達成することができる。更に、冷却空気がアパーチャ２００の出口部分２００ｂから出た後、冷却空気の層又は膜が、移行部品１２０の壁３００の内表面３００ｂに隣接して形成される。内表面３００ｂ上のかかる冷却空気の層の形成は、移行部品１２０を更に冷却する。冷却空気により必要とされる方向の変化の程度が低減されるので、直角のアパーチャに比べ、角度付きアパーチャによってかかる層の形成が促進される。しかしながら本発明は、直角及び角度付きのアパーチャの２つの変形形態を含む。内表面上に形成された膜による冷却は、孔の大きさ及び角度が低減されるにつれて改善することができる。しかしながら、孔が小さくなるほど、不純物を遮断する傾向がより強くなる。相対的に、より大きな孔は、冷却空気ジェットによって高温ガスストリームの過度の浸透を引き起こし、タービンの効率を低減させる可能性がある。従って、かかる利点及び欠点は、噴流孔の幾何形状を決定する際に全体的に考慮する必要がある。

上述の例示的な実施形態に関して本発明を説明してきた。本明細書を読み理解すると、修正及び代替形態が想起されるであろう。本発明の１つ又はそれ以上の態様を組み込む例示的な実施形態は、添付の請求項の技術的範囲内にある限り、かかる全ての修正及び代替を含むものとする。

１０ 単一構成燃焼器
１０ 缶型環状逆流燃焼器
１０ 燃焼器（２）
１０ 燃焼器
１００ 円形燃焼器ヘッド端部（２）
１００ 燃焼器ヘッド端部（２）
１０２ タービンアニュラスセクタ
１２０ 移行部品（２９）
１２０ 単一構成移行部品
１２０ 単一構成移行部品
１２４ 冷却アニュラス
１２４ フローアニュラス（３）
１２４ アニュラス
１２８ 後方フレーム（３）
１２９ スリーブ（１０）
１２９ 単一構成スリーブ
１３４ 円形キャップ
１３６ 端部カバー
１３８ 複数の燃料ノズル
２００ 噴流孔（２）
２００ アパーチャ（２３）
２００ アパーチャの選択領域
２００ 複数のアパーチャ
２００ 各アパーチャ
２００ 限定数のアパーチャ
２００ アパーチャを含む
２００ 第２のアパーチャ
２００ａ 入口部分（２）
２００ａ 入口部分（２）
２００ｂ 出口部分（２）
２００ｂ 出口部分（３）
２００ｃ 長手方向軸線
２０２ 方向（２）
３００ 壁（１１）
３００ａ 外表面（３）
３００ｂ 内表面（４）
３０２ 外部空間（３）
３０４ 内部空間（２）

Claims (15)

1. 燃焼器ヘッド端部（１００）からタービン入口（１６）に直接移行する単一移行部品（１２０）を備えた産業用タービンの燃焼器であって、
   前記移行部品（１２０）が、内表面（３００ｂ）と外表面（３００ａ）とを含み、該内表面（３００ｂ）が、前記燃焼器ヘッド端部（１００）から前記タービン入り口（１６）への燃焼ガス流のための内部空間（３０４）の境界を定め、前記外表面（３００ａ）が、圧縮機吐出空気流（Ｃ）のための領域（３０２）を少なくとも部分的に定め、前記移行部品が、前記圧縮機吐出空気流を前記内部空間（３０４）に流入可能にするよう構成された複数のアパーチャ（２００）を含み、前記複数のアパーチャ（２００）の各々が、前記外表面（３００ａ）上の入口部分（２００ａ）から前記内表面（３００ｂ）上の出口部分（２００ｂ）に延びている燃焼器。
2. 前記入口部分（２００ａ）及び前記出口部分（２００ｂ）の一方が、前記入口部分（２００ａ）及び前記出口部分（２００ｂ）の他方よりも更に下流側に配置される、
   請求項１記載の燃焼器。
3. 前記燃焼器は、燃焼ガス流（Ｈ）及び圧縮機吐出空気流（Ｃ）が対向する方向にあり、前記アパーチャ（２００）を通る長手方向軸線（２００ｃ）が前記燃焼ガス流（Ｈ）の方向に対して鋭角（θ）を形成し且つ前記圧縮機吐出空気流（Ｃ）の方向に対して鈍角を形成するように構成された缶型環状逆流タイプである、
   請求項２記載の燃焼器。
4. 前記アパーチャ（２００）を通る長手方向軸線（２００ｃ）が、前記外表面（３００ａ）の下流側接線に対して鋭角（θ）を形成するような向きにされる、
   請求項１記載の燃焼器。
5. 前記鋭角（θ）が、２０°から３５°の範囲にある、
   請求項４記載の燃焼器。
6. 前記複数のアパーチャ（２００）が、前記入口部分（２００ａ）から前記出口部分（２００ｂ）まで０．０２インチから０．０４インチの範囲にある一定の直径を有する、
   請求項１記載の燃焼器。
7. 前記アパーチャ（２００）が、前記外表面（３００ａ）に対して実質的に直角である、請求項１記載の燃焼器。
8. 前記移行部品（１２０）が無接合である、
   請求項１記載の燃焼器。
9. 燃焼セクションと、
   前記燃焼セクションの下流側にある空気吐出セクションと、
   前記燃焼セクションと前記空気吐出セクションとの間にある移行領域と、
   前記燃焼セクション及び前記移行領域を定める燃焼器移行部品（１２０）と、
   を含む産業用タービンエンジンにおいて、
   前記移行部品（１２０）が、燃焼ガス流（Ｈ）を前記空気吐出セクションに対応するタービンの第１段に運ぶように適合され、
   前記移行部品（１２０）が、内表面（３００ｂ）及び外表面（３００ａ）を含み、
   前記内表面（３００ｂ）が、燃焼器ヘッド端部からタービン入口までの前記燃焼ガス流（Ｈ）の内部空間（３０４）の境界を定め、
   前記外表面（３００ａ）が、圧縮機吐出空気流（Ｃ）のための領域（３０２）を少なくとも部分的に定め、
   前記移行部品（１２０）が、前記圧縮機吐出空気流（Ｃ）が前記内部空間（３０４）内に流入できるように構成された複数のアパーチャ（２００）を含み、
   前記複数のアパーチャ（２００）の各々が、前記外表面（３００ａ）上の入口部分（２００ａ）から前記内表面（３００ｂ）上の出口部分（２００ｂ）に延びている、
   産業用タービンエンジン。
10. 前記入口部分（２００ａ）及び前記出口部分（２００ｂ）の一方が、前記入口部分（２００ａ）及び前記出口部分（２００ｂ）の他方よりも更に下流側に配置される、
    請求項９記載の産業用タービンエンジン。
11. 前記燃焼器移行部品（１２０）が、燃焼ガス流（Ｈ）及び圧縮機吐出空気流（Ｃ）が対向する方向にあり、前記アパーチャ（２００）を通る長手方向軸線（２００ｃ）が前記燃焼ガス流（Ｈ）の方向に対して鋭角（θ）を形成し且つ前記圧縮機吐出空気流（Ｃ）の方向に対して鈍角を形成するように構成された缶型環状逆流タイプである、
    請求項１０記載の産業用タービンエンジン。
12. 前記アパーチャ（２００）を通る長手方向軸線（２００ｃ）が、前記外表面（３００ａ）の下流側接線に対して鋭角（θ）を形成するような向きにされる、
    請求項９記載の産業用タービンエンジン。
13. 鋭角（θ）が、２０°から３５°の範囲にある、
    請求項１２記載の産業用タービンエンジン。
14. 前記複数のアパーチャ（２００）が、前記入口部分（２００ａ）から前記出口部分（２００ｂ）まで０．０２インチから０．０４インチの範囲にある一定の直径を有する、
    請求項９記載の産業用タービンエンジン。
15. 前記アパーチャ（２００）が、前記外表面（３００ａ）に対して実質的に直角である、
    請求項９記載の産業用タービンエンジン。

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