JP2010249136A - 成形した滲み出し冷却孔を持つ燃焼器キャップ - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン用の燃焼器キャップ組立体を提供する。
【解決手段】燃焼器キャップ組立体は、該燃焼器キャップ組立体を冷却するために空気を通過させることのできる複数の滲み出し冷却孔（２６）を含む。冷却孔（２６）の内径は、冷却孔を通過する冷却空気が出口（５４）に近づくにつれて減速するように、その開口の全長の少なくとも一部分に沿って拡大している。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンの燃焼器用の燃焼器キャップに関するものであり、より具体的には、燃焼器キャップに形成された滲み出し冷却孔に関するものである。

燃焼器キャップ組立体は、単一燃料ノズル構成から、二重燃焼領域の能力を持つ多ノズル乾式低ＮＯｘ構成へと進化している。

キャップ用一次ノズル・カップ組立体の機能は、燃料ノズル及び端部カバー組立体から燃焼器の一次領域へ燃料及び空気を供給することである。空気及び燃料は各々の一次ノズル・カップを軸方向に通過する。空気は、各々の一次ノズル・カップの側壁を半径方向内向きに通過して、カップの壁を冷却する。空気はまた、キャップ衝突板に設けた多数の開口を通過し、これによって衝突板を冷却し且つ全キャップ空気流を補完する。

米国特許第６６４０５４７号

一面において、本発明はガスタービン用の燃焼器キャップで具現化することができ、該燃焼器キャップは、外側スリーブと、該外側スリーブ内に装着された衝突板とを含み、衝突板には複数の冷却孔が形成されており、また少なくとも一部の冷却孔では、該冷却孔の入口の面積が該冷却孔の出口の面積よりも小さくなっている。

別の面では、本発明はガスタービン用の燃焼器キャップを形成する方法で具現化することができ、該方法は、衝突板に複数の冷却孔を形成する工程であって、少なくとも一部の冷却孔については、該冷却孔の入口の面積が該冷却孔の出口の面積よりも小さくなるようにする工程と、衝突板を外側スリーブ内に装着する工程とを含む。

図１は、燃焼器キャップ組立体の垂直断面図である。 図２は、図１に例示された断面図の一部分の拡大図である。 図３は、図１に例示された燃焼器キャップ組立体の背面図である。 図４は、図１に例示された燃焼器キャップ組立体の部分的正面図である。 図５は、燃焼器キャップ組立体のノズル・カップ又は衝突板に形成された冷却孔の輪郭を示す断面図である。 図６は、冷却孔の別の実施形態の輪郭を示す断面図である。 図７は、冷却孔の更に別の実施形態の輪郭を示す断面図である。 図８は、冷却孔の別の実施形態の輪郭を示す断面図である。 図９は、冷却孔の別の実施形態の輪郭を示す断面図である。 図１０は、冷却孔の別の実施形態の輪郭を示す断面図である。 図１１は、冷却孔の別の実施形態の輪郭を示す断面図である。 図１２は、冷却孔の別の実施形態の輪郭を示す断面図である。 図１３ａは、燃焼器キャップ組立体の一部分に形成された冷却孔を示す上面図である。 図１３ｂは、燃焼器キャップ組立体の一部分に形成された冷却孔を示す底面図である。 図１３ｃは、図１３ａ及び図１３ｂに例示された冷却孔の輪郭を示す断面斜視図である。

図面を参照して、特に図１及び図２を参照して説明すると、燃焼器キャップ組立体１０は、大体円筒形の、端部が開放したキャップ・スリーブ１２を含み、該キャップ・スリーブ１２は任意の適当な手段（例えば、ボルト）によって燃焼器ケーシング組立体（図示せず）に接続するように構成されている。

キャップ・スリーブ１２はその前側解放端部内に衝突板１４を受け入れる。衝突板１４は、スリーブ１２の内面に摩擦係合してそれに溶接されるように構成された前方に延在する外側環状リング部分を含む。衝突板はまた、模範的な実施形態では、図３に最も良好に見られるように、６個の一次燃料ノズル開口１８と、１個の中央に位置する二次燃料ノズル開口２０とを含む。これらの円形の開口１８は、中心軸Ａを中心に円形の二次ノズル開口２０の周りに円形配列を成すように配列されている。各々の開口又は孔１９については、内向きに且つ後方へ延在する傾斜した又はテーパーの付いた板部分２２があり、これが開口１８を画成する。衝突板中央孔２０は、それに溶接されて、後方に延在し又は燃焼領域から離れている内側環状リング２４を持つ。

図１〜図４に例示された実施形態は６個の一次燃料ノズル開口１８及び１個の中央の二次燃料ノズル開口２０を含んでいるが、代替実施形態では、異なる数及び配列の一次及び二次燃料ノズル開口を設けることが可能である。更に、実施形態によっては、二次燃料ノズル開口がないこともある。

テーパーの付いた部分２２と一次燃料ノズル開口１８相互の間の全ての区域とを含む（但し、内側及び外側環状リング１６及び２４を除く）衝突冷却板１４には、実質的にその全表面にわたって広がる冷却孔２６の配列が形成される。衝突板１４を通過する空気は、該衝突板を冷却すると共に、燃焼過程にに用いられる全キャップ組立体空気流を補完するように作用する。

好ましい実施形態では、これらの冷却孔２６は実質的に衝突板の全表面にわたって形成される。しかしながら、代替実施形態では、冷却孔は衝突板の選択された部分にのみ形成することも可能である。例えば、実施形態によっては、冷却孔は、高い動作温度を受ける衝突板の領域にのみ設けることができる。

また、図１及び図２に示されているように、ノズル・カップ２８にも冷却孔２６’が設けられる。これらの冷却孔２６’は、特定の燃焼器キャップ組立体の設計に応じて、衝突板中の冷却孔と同じ構成にするか又は異なる構成にすることができる。また、冷却孔２６’は、設計上の考慮事項に応じて、ノズル・カップ２８の全ての部分に形成するか又は選択された場所にのみ形成することが可能である。

冷却孔の形状及び輪郭は燃焼器キャップ組立体上の場所毎に変えることができる。冷却孔の形状及び輪郭は、最適な冷却及び空気流性能を与えるように異なる場所で選択的に変更することができる。

図５は、燃焼器キャップ組立体の一部分５０に形成された冷却孔の輪郭の一実施形態を例示する。図５に示されているように、冷却孔の長手方向中心軸が燃焼器キャップ組立体の壁を斜めに通過する。長手方向中心軸が表面に対して斜めの角度を形成しているので、冷却孔を出て行く冷却空気は、開口すなわち孔の出口５４を囲む表面の隣接した下流側部分に沿って流れる傾向がある。冷却空気と燃焼器キャップ組立体の表面との間のこの持続的な接触は、より多くの熱を燃焼器キャップ組立体の表面から冷却空気へ伝達できるようにする。更に、冷却孔の方向は、空気流を特定の所望の方向に案内するのに役立つことができる。

更に、冷却孔の側壁は、孔の長さに沿ってテーパーが付けられている。その結果、冷却孔の入口５２の直径Ｄ１は冷却孔の出口５４の直径Ｄ２よりも小さい。冷却孔の内径が入口５２から出口５４へより大きくなっているので、冷却孔を進行する空気の速度は、孔を通過するにつれて減速する。空気が出口でより大きく減速しているので、冷却空気がより高い速度で冷却孔を出て行く場合よりも、冷却空気はより長い時間にわたって出口５４に隣接した燃焼器キャップ組立体の表面と接触した状態に留まる傾向がある。従って、冷却空気の減速はまた、燃焼器キャップ組立体から冷却空気へ熱をより多く伝達するのに役立つ。

図５に例示された実施形態では、冷却孔の内壁は冷却孔の全長に沿って実質的に真っ直ぐである。しかしながら、これらの壁は入口５２から出口５４へ向かって互いから離れるように角度を成している。

代替実施形態では、図６に示されているように、冷却孔の内壁は、冷却孔の第１の長さに沿って互いにほぼ平行である。これらの内壁は、冷却孔の長さに沿った中間の点５６で互いから末広形に離れ始める。ここで繰り返すが、冷却孔の内径が中間の点５６から冷却孔の出口５４へ次第に広くなっているので、冷却孔を通過する空気は出口５４に近づくにつれて減速する。これにより、前に述べた利点の全てが得られる。

図７は、冷却孔の別の代替実施形態を示す。この実施形態では、冷却孔の壁は入口５２から中間の点５６まで互いにほぼ平行である。中間の点で、冷却孔の内壁は互いから末広形に離れて、冷却孔を通過する空気が中間の点から出口５４へ確実に減速し始めるようにする。

ここで、図６に例示された実施形態では、冷却孔の一方の側壁がその全長に沿ってほぼ真っ直ぐであるのに対し、反対側の側壁が中間の点５６で末広形に離れ始めることに注意されたい。図７に示された実施形態では、冷却孔の内壁は、中間の点５６から冷却孔の全周にわたって外向きに拡大し始める。

図８は、図６に例示されたものと同様な冷却孔の別の実施形態を例示する。しかしながら、図８に示された実施形態では、冷却孔の内壁の下流側がその全長に沿って真っ直ぐであるのに対し、その上流側は中間の点５６で末広形に離れ始める。

図５〜図８に例示された実施形態では、冷却孔の長手方向中心軸が衝突板の表面に対して斜めの角度を成している。前に述べたように、孔を斜めに形成することは、出口で冷却孔を出て行く空気が、一層長い時間にわたって、出口を囲む衝突板の表面と接触した状態に確実に留まるようにすることによって、冷却効率を改善するのに役立つことができる。また斜めの角度は、出口空気流を特定の所望の方向に差し向けるように作用することができる。

代替実施形態では、図９に示されているように、冷却孔の長手方向中心軸は燃焼器キャップ組立体の周囲の表面に対してほぼ垂直にすることができる。この種類の冷却孔は、冷却空気の流れが冷却孔を出て行くときに確実に所望の方向に（この場合、出口表面に対して垂直に）差し向けられるようにするのに望ましいことがある。図９に示されている実施形態では、冷却孔の内径はこの場合も入口５２から出口５４へ拡大する。前に述べたように、これは、冷却空気が出口５４に近づくにつれて、冷却空気を減速させる。

別の代替実施形態では、図１０に示されているように、冷却孔の内壁が、入口５２を取り囲む燃焼器キャップ組立体の表面に対してほぼ垂直に冷却孔の第１の部分に沿って延在する。しかしながら、中間の点５６で、孔の一方の側壁が外向きに拡がり始める。反対側の側壁は、冷却孔の長さ全体にわたってほぼ垂直に留まる。

図１１は、更に別の実施形態を例示しており、この場合、冷却孔の一方の内壁が、入口５２を取り囲む燃焼器キャップ組立体の表面に対して斜めの角度を成していると共に、反対側の側壁が該表面に対して垂直である。中間の点５６で、側壁の一方が、燃焼器キャップ組立体の表面に対して斜めの角度を形成し始める。

図１２は、更に別の実施形態を例示しており、この場合、冷却孔の内壁は、入口５２を取り囲む燃焼器キャップ組立体の表面に対してほぼ垂直である。しかしながら、中間の点５６ａ及び５６ｂで、冷却孔の内壁は、衝突板の外側表面に対して斜めの角度を成す。その上、中間の点から、冷却孔の内面は互いから末広形に離れ始める。

図５〜図１２に例示された様々な実施形態は、冷却孔の内部輪郭が多数の異なるやり方で構成し得ることを示そうとしたものである。しかしながら、異なる実施形態の各々において、冷却孔の最終的な形状輪郭は、冷却空気が冷却孔の出口に近づくにつれて該冷却空気を減速するためのディフューザとして作用する。

図１３ａ〜図１３ｃは、冷却孔の更に別の特性又は特徴を例示する。この実施形態では、冷却孔の入口及び出口はほぼ楕円形の形状を持つ。図１３ａは、冷却孔の入口５２を持つ燃焼器キャップ組立体の一部分の図である。図１３ｂは、燃焼器キャップ組立体の同じ部分の、冷却孔の出口５４を示している図を例示する。入口５２及び出口５４の両方とも楕円形の形状を持つ。また、冷却孔の内部側壁は入口から出口まで斜めの角度を成している。図１３ｃは、楕円形の形状の冷却孔を例示する断面斜視図である。

或る実施形態では、冷却孔は、入口及び出口が円形になるように形成することができ、また他の実施形態では、入口及び出口は楕円形に形成することができる。他の実施形態では、入口及び出口並びに冷却孔の中間の部分は代替の形状を持つことが可能である。更に、入口は第１の形状を持つことが可能であり、また出口は異なる形状を持つことが可能である。重要な点は、冷却孔の内径が入口から出口まで拡大することである。また、前に述べたように、冷却空気がより長い時間にわたって出口５４を取り囲む燃焼器キャップ組立体の表面と接触した状態に留まるように、冷却孔の長手方向中心軸を斜めにすることが有利であることがある。

更に、実施形態によっては、燃焼器キャップ組立体の或る場所では冷却孔が一定の内径を持つようにし、他の場所では、冷却孔が、その内径が入口から出口へより大きくなる輪郭を持つようにすることが可能である。換言すると、これまで述べた形状の冷却孔は、燃焼器キャップ組立体の中の最大の冷却を必要とする部分にのみに形成することができる。

以上、本発明を最も実用的で好ましい実施形態であると現時点で考えられるものについて説明したが、本発明が開示した実施形態に制限されるものではなく、それよりもむしろ、「特許請求の範囲」に記載の精神及び範囲内に含まれる様々な修正及び等価な構成を包含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 端部が開放したキャップ・スリーブ
１４ 衝突板
１６ 内側環状リング
１８ 一次燃料ノズル開口
２０ 二次燃料ノズル開口
２２ テーパーの付いた部分
２４ 外側環状リング
２５ ノズル・カップへの入口
２６ 冷却孔
２８ ノズル・カップ
３０ ノズル・カップの上流端部
３２ ノズル開口の入口
３４ 入口部材の端部
３６ 保持部材の角部
３８ 保持部材
４０ 保持部材
５０ 燃焼器キャップ組立体の一部分
５２ 入口
５４ 出口
５６ 中間の点
５６ａ／５６ｂ 中間の点

Claims (10)

1. 外側スリーブと、
   前記外側スリーブ内に装着された衝突板であって、当該衝突板には複数の冷却孔が形成されていて、少なくとも一部の冷却孔については、該冷却孔の入口の面積が該冷却孔の出口の面積よりも小さくなっている、衝突板と、
   を有している、ガスタービン用の燃焼器キャップ。
2. 前記少なくとも一部の冷却孔については、該孔の直径が入口から出口へ次第に大きくなっている、請求項１記載の燃焼器キャップ。
3. 前記少なくとも一部の冷却孔については、該孔の直径が該孔の長さに沿って入口から中間の点までほぼ同じであり、また該孔の直径が中間の点から出口までより大きくなっている、請求項１記載の燃焼器キャップ。
4. 前記孔の直径が前記中間の点から前記出口へ次第に大きくなっている、請求項３記載の燃焼器キャップ。
5. 前記少なくとも一部の冷却孔については、該孔の内壁の第１の部分が入口から出口まで真っ直ぐであり、また該孔の内壁の第２の部分に沿って中間の点で角度が形成されている、請求項３記載の燃焼器キャップ。
6. 前記少なくとも一部の冷却孔については、入口及び出口が楕円形の形状を持っている、請求項１記載の燃焼器キャップ。
7. 前記少なくとも一部の冷却孔については、該孔の直径が該冷却孔の全体の長さの一部分に沿って次第に大きくなっている、請求項６記載の燃焼器キャップ。
8. 前記少なくとも一部の冷却孔については、該孔の長手方向軸が前記衝突板の表面に対して鋭角を形成している、請求項１記載の燃焼器キャップ。
9. 前記少なくとも一部の冷却孔については、該孔の直径が該冷却孔の全体の長さの少なくとも一部分に沿って次第に大きくなっている、請求項８記載の燃焼器キャップ。
10. 前記少なくとも一部の冷却孔については、該孔の直径が該孔の長さに沿って入口から中間の点までほぼ同じであり、また該孔の直径が中間の点から出口まで次第に大きくなっている、請求項８記載の燃焼器キャップ。

Images