JP2011038766A - 空気漏洩を排除するための一体形ライナ及びベンチュリ - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン燃焼器用の燃焼ライナ組立体を提供する。
【解決手段】本燃焼ライナ組立体は、燃焼器の中心軸線の周りに円周方向に配置された複数の燃料ノズル（１６）と、燃料ノズルの下流に配置されかつライナ組立体のヘッド端部（６２）に連結されたベンチュリセクション（１８）とを含む。ベンチュリセクションは、燃料ノズルの下流に環状スロート面積（３２）を形成する。ライナスリーブ（１４）が、ベンチュリセクションの下流端部に連結されかつ該ベンチュリセクションの下流端部で始まる。ベンチュリセクションの少なくとも一部分は、ライナスリーブの上流のライナとして働く。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスタービン燃焼器内における希釈空気漏洩経路を最小にするか又は排除するための装置及び方法に関し、より具体的には、本発明は、希釈空気漏洩を管理してより低エミッションレベルを達成するための装置及び方法に関する。

公知のように、ガスタービンエミッションにおける特筆すべき燃焼生成物は、窒素酸化物つまりまとめてＮＯｘと呼ばれるＮＯ及びＮＯ₂、一酸化炭素ＣＯ、並びに未燃炭化水素、またさらにその他の微粒子である。エミッションを低減するために、様々なシステムが提案されかつ利用されてきた。例えば、ガスタービン燃焼器の燃焼ゾーン内への水又は蒸気噴射、ガスタービン排気からのＮＯｘ及びＮＯの触媒浄化、並びに乾式低ＮＯｘ燃焼器が、これ迄使用されてきた。燃焼器及びトランジションピースのライナスリーブ内に導入する圧縮機吐出希釈空気もまた、エミッションを低減するために利用されてきた。

米国特許第６９５１１０９号明細書

漏洩を大幅に減少させるか又は排除して、より重要でない領域内の空気流量を節約しかつ燃焼器缶毎においてより一定にするようにすることが望ましいと言える。加えて、漏洩を大幅に減少させるか又は排除して、混合孔を通してより分散しかつ均一に混合した状態で有効領域において空気流量を増加させることができるようにすることが望ましいと言える。

例示的な実施形態では、ガスタービン燃焼器用の燃焼ライナ組立体は、燃焼器の中心軸線の周りに円周方向に配置された複数の燃料ノズルと、燃料ノズルの下流に配置されかつライナ組立体のヘッド端部に連結されたベンチュリセクションとを含む。ベンチュリセクションは、燃料ノズルの下流に環状スロート面積を形成する。ライナスリーブが、ベンチュリセクションの下流端部に連結されかつ該ベンチュリセクションの下流端部で始まる。ベンチュリセクションの少なくとも一部分は、ライナスリーブの上流のライナとして働く。

別の例示的な実施形態では、ガスタービンにおいてベンチュリセクションと燃焼ライナ組立体のライナスリーブとの間での空気流量損失を減少させる方法は、ベンチュリセクションの少なくとも一部分をライナスリーブの上流のライナとして利用するステップと、
ベンチュリセクションとライナスリーブとの間の継手に及びベンチュリセクションと燃焼ライナ組立体のヘッド端部との間の継手に環状溶接部を設けるステップと含む。

さらに別の例示的な実施形態では、環状溶接部によってライナ組立体のヘッド端部に連結されかつ該ライナ組立体内に環状スロート面積を形成したベンチュリセクションと、ベンチュリセクションの下流端部に連結され、該ベンチュリセクションの下流端部で始まりかつ環状溶接部によって該ベンチュリセクションの下流端部に連結されたライナスリーブとを含む。ベンチュリセクションの少なくとも一部分は、ライナスリーブの上流のライナとして働く。

燃焼器中心線の周りの燃焼ライナ組立体の半分の部分断面図。 ライナの一部として働くベンチュリセクションを備えた実施形態を示す図。 別の設計を示す図。 コネクタを利用する別の実施形態を示す図。 さらに別の実施形態の断面図。 さらに別の実施形態の断面図。

次に図面、特に図１を参照すると、その全体を参照符号１０で表した燃焼ライナ組立体を示しており、燃焼ライナ組立体１０は、キャップ中心本体１２、ライナスリーブ１４、一次燃料ノズルカップ組立体１６及びベンチュリセクション１８を含む。燃焼ライナ組立体１０は、中心軸線２０の周りでその構成が円筒形又は環状であること、また複数の一次燃料ノズル１６が、軸線２０の周りに互いに円周方向に間隔を置いて配置されていることが分かるであろう。スワーラ２２は、キャップ中心本体１２の一部として示している。ライナスリーブ１４は、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたアパーチャ２４を含み、これらアパーチャ２４は、燃焼ライナ組立体と燃焼流れスリーブ／ケーシングとの間のプレナム（図示せず）から圧縮機吐出空気を受ける。ベンチュリ１８は、ライナスリーブ１４内に配置された事前製作の二重壁環状構造を含みかつ内側ライナ／壁２６及び外側ライナ／壁２８を備える。ベンチュリ１８は、キャップ中心本体１２との間でスロート面積３２を形成した半径方向内向きアペックス３０を有する。ベンチュリ１８の内側及び外側ライナ２６及び２８は、それぞれカップ組立体１６に向けて軸方向上流及び半径方向外向きに延びる内側及び外側壁部分３４及び３６を含む。壁部分３４及び３６は、それぞれほぼ軸方向下流方向に延びるように湾曲した一対のフランジ３８及び４０で終端する。フランジは、リベット４２によってライナスリーブ１４に固定することができる。従来技術の設計では、ベンチュリセクション１８の外側ライナ２８もまた、複数の円周方向に間隔を置いて配置されたリベット４４によってベンチュリの下流のライナスリーブ１４に固定される。図１に最もよく示すように、ライナスリーブ１４は、ベンチュリ１８の外側ライナ２８に重なるように半径方向内向きに凹設して、該ライナスリーブ１４及び外側ベンチュリスリーブ２８を互いに固定するためのインデンテッドバンド部を実質的に形成する。

燃焼器に供給される希釈空気の漏洩径路の変動は、エミッションに対して大きな影響を有すること、またこれらの変動は、部品製造誤差及び部品の組立の結果生じることが判明した。例えば、懸案の主漏洩経路は、リベット４４の領域においてライナスリーブ１４とベンチュリ１８の外側スリーブ２８との間に存在する。アパーチャ２４を介して燃焼ライナの外部から環状プレナム４６に供給された圧縮機吐出空気は、リベット連結部を通って漏洩する可能性があることが分かるであろう。しかしながら、リベット継手を通る漏洩流量の変動は、様々な同じ燃焼器に関して見られ、その結果エミッションが変化することになる。これ迄は、漏洩径路流により生じるそれらのエミッションは、特定されること又は制御されることがなかった。

外側ベンチュリスリーブ２８内のアパーチャ５０を介してプレナム４６からそれぞれ内側及び外側ベンチュリスリーブ２６及び２８間の空間内に流れる希釈空気における付加的な漏洩径路が存在する。この付加的な漏洩径路は、ベンチュリ１８のそれぞれ内側及び外側ライナ３４及び３６のフランジ３８及び４０間を通る。これ迄のこれらフランジ３８及び４０は、互いに係合しかつライナスリーブ１４にリベット止めされていたが、フランジ間及び燃焼ライナから同じ燃焼ライナまでのギャップが発生して、見かけ上は同じ燃焼器からエミッションの変動が生じていた。

ライナスリーブ１４とベンチュリ１８の重なったフランジ３８及び４０との間に、さらに別の漏洩ギャップが発生する。これらのギャップは、同じ構成の燃焼器間を変化させ、従ってエミッションの変動を引起す漏洩流を生じることを示していた。また、ベンチュリスロート面積３２は、保守及び整備の間におけるライナスリーブからのベンチュリの取外しにも拘らず所定の限界値の範囲内に維持しなければならないことが大切である。また、スロート面積は、その寿命の間に燃焼器に対して行なわれる様々な整備作業全体を通してベンチュリ及びライナスリーブの初期製造状態に維持することも重要である。

図２及び図５は、実質的に漏洩面積及び漏洩損失を減少させかつ排除する一体形ベンチュリセクション及びライナを備えた例示的な実施形態を示している。図示するように、ベンチュリセクション１８は、ライナ組立体のヘッド端部６２に連結される。現在の設計と同様に、壁部分３４、３６のフランジ３８及び４０は、ほぼ軸方向下流方向に延びる。しかしながら、図２に示す実施形態では、ベンチュリセクション１８の上流端部がヘッド端部６２に固定された位置と該ベンチュリセクション１８の下流端部との間の区域において、ライナスリーブ１４が、除去される。環状溶接部が、ベンチュリセクション１８の上流端部とヘッド端部６２との間の継手をシールする。加えて、ベンチュリセクション１８の下流端部は、環状溶接部６６によってライナスリーブ１４に連結される。このように、ベンチュリセクション１８の一部分は、短縮したライナスリーブ１４の上流のライナとして働く。この構造により、ベンチュリ１８及びライナスリーブ１４が効果的に統合される。

図３は、フォークセクション６８１及び直線セクション６８２を備えた伸縮継手又はスリップ継手６８を利用したより複雑な設計を示している。この実施形態では、フォークセクション６８１は、ヘッド端部６２及びベンチュリセクション１８と一体形になっている。その結果、ヘッド端部に対するベンチュリセクションの連結部（継手）における漏洩径路が排除される。冷却空気は、直線セクション６８２内のアパーチャ６９を通って流れる。空気がスリップ継手６８の周りで漏洩する場合には、空気は、最外側ライナ壁内のアパーチャ６９から既に中空のベンチュリ空洞内に流れることが可能になっているので、燃焼器の性能に対して悪影響を与えない。

図４には、別の実施形態を示している。この実施形態では、好ましくは機械加工コネクタ部品であるコネクタ部品７０がベンチュリセクション１８をヘッド端部６２に連結する。図示するように、好ましい構成では、コネクタ部品７０は、エンドポスト７２及びスリップエンド７４を備えたＹ字形状である。スリップエンド７４は、ベンチュリセクション１８の内側及び外側壁に溶接され、またスリップエンド７４よりも厚いエンドポスト７２は、ヘッド端部６２に溶接される。コネクタ部品の場合には、燃焼ライナ１４のより大きな区域が除去される。図４における矢印Ａは、その全体にわたってライナを除去した軸方向長さを示している。

図６は、さらに別の実施形態を示している。この実施形態では、ベンチュリセクション１８とヘッド端部６２との間及びベンチュリセクション１８とライナスリーブ１４との間の全てのギャップ並びに漏洩経路は、ロウ付けなどのような環状溶接部によってシールされる。組立時には、ライナを垂直方向に移動させてロウ付け材料がギャップ内に浸入するのを可能にする。

上記の実施形態は、実質的にベンチュリ壁とライナ壁との間での空気流量損失を減少させるか又は排除する。空気流量損失の排除は、直接のストリーム内への空気流の漏洩ではなくてより一定した空気流量をヘッド端部燃焼ゾーン内で燃料空気混合気として利用することを可能にする。上記した簡単な構成は、現在の設計に見られるのと同様な部品及び技術を使用する。この実施形態は、製造するのが容易でありかつ缶同士においてより反復可能な空気流量を生成することになり、そのことが、現在の設計よりも良好な燃料空気混合気パターンを形成しながらさらに燃焼エミッションを低下させるのを助ける。この設計は、ベンチュリとライナ壁との間の領域における空気流漏洩を大幅に減少させるか又は排除して、現在の設計によるよりも、混合孔を通してより分散しかつ均一に混合した状態で領域において使用することができるようにする。空気流量を調整する制御箇所としてこの構成要素を使用して、空気流量損失の減少による付加的空気流量を利用してエミッションを低減すると同時に缶毎における変動を低下させることができるようにすることができる。

現時点で最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明が開示した実施形態に限定されるべきものではなく、逆に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

１０ 燃焼ライナ組立体
１２ キャップ中心本体
１４ ライナスリーブ
１６ 一次燃料ノズルカップ組立体
１８ ベンチュリセクション
２０ 中心軸線
２２ スワーラ
２４ 円周方向に間隔を置いて配置されたアパーチャ
２６ 内側ライナ／壁
２８ 外側ライナ／壁
３０ 半径方向内向きアペックス
３２ スロート面積
３４ 内側壁部分
３６ 外側壁部分
３８ フランジ
４０ フランジ
４２ リベット
４４ 円周方向に間隔を置いて配置されたリベット
４６ 環状プレナム
５０ アパーチャ
６２ ヘッド端部
６４ 環状溶接部
６６ 環状溶接部
６８ 伸縮継手又はスリップ継手
６８１ フォークセクション
６８２ 直線セクション
６９ アパーチャ
７０ コネクタ部品
７２ エンドポスト
７４ スリップエンド

Claims (10)

1. ガスタービン燃焼器用の燃焼ライナ組立体であって、
   前記燃焼器の中心軸線の周りに円周方向に配置された複数の燃料ノズル（１６）と、
   前記燃料ノズルの下流に配置され、該ライナ組立体のヘッド端部（６２）に連結されかつ前記燃料ノズルの下流に環状スロート面積（３２）を形成したベンチュリセクション（１８）と、
   前記ベンチュリセクションの下流端部に連結されかつ該ベンチュリセクションの下流端部で始まるライナスリーブ（１４）と
   を備えていて、前記ベンチュリセクションの少なくとも一部分が前記ライナスリーブの上流のライナとして働く、燃焼ライナ組立体。
2. 前記ライナスリーブ（１４）が、環状溶接部（６６）によって前記ベンチュリセクション（１８）の下流端部に連結される、請求項１記載の燃焼ライナ組立体。
3. 前記ベンチュリセクション（１８）が環状溶接部（６４）によって前記ヘッド端部（６２）に連結される、請求項１記載の燃焼ライナ組立体。
4. 前記ヘッド端部（６２）に前記ベンチュリセクション（１８）を連結するコネクタ部品（７０）をさらに含む、請求項１記載の燃焼ライナ組立体。
5. 前記ベンチュリセクション（１８）が、内側壁（３４）及び外側壁（３６）を備えた二重壁構造を含み、前記コネクタ部品（７０）が、エンドポスト（７２）及びスリップエンド（７４）を備えたＹ字形状であり、前記スリップエンドが前記ベンチュリセクションの内側壁及び外側壁に溶接され、前記エンドポストが前記ヘッド端部（６２）に溶接される、請求項４記載の燃焼ライナ組立体。
6. 前記コネクタ部品（７０）のエンドポスト（７２）が前記スリップエンド（７４）よりも厚い、請求項５記載の燃焼ライナ組立体。
7. 前記ベンチュリセクション（１８）の上流端部が、軸方向下流方向に延びるように屈曲したフランジ（３８）で終端し、前記フランジが複数のリベット（４２）によって前記ヘッド端部（６２）に固定され、前記フランジが環状溶接部によってシールされる、請求項１記載の燃焼ライナ組立体。
8. 前記ベンチュリセクション（１８）と前記ヘッド端部（６２）との間及び前記ベンチュリセクション（１８）と前記ライナスリーブ（１４）との間の全てのギャップ並びに漏洩経路が、環状溶接部によってシールされる、請求項１記載の燃焼ライナ組立体。
9. ガスタービンにおいてベンチュリセクション（１８）と燃焼ライナ組立体のライナスリーブ（１４）との間での空気流量損失を減少させる方法であって、
   前記ベンチュリセクションの少なくとも一部分を前記ライナスリーブの上流のライナとして利用するステップと、
   前記ベンチュリセクション（１８）と前記ライナスリーブ（１４）との間の継手に及び
   前記ベンチュリセクション（１８）と前記燃焼ライナ組立体のヘッド端部（６２）との間の継手に環状溶接部（６４、６６）を設けるステップと
   含む方法。
10. 前記空気流量損失の減少による付加的空気流量を利用して前記ヘッド端部（６２）における燃料空気混合気内のより一定した空気流量を可能にするステップをさらに含む、請求項９記載の方法。

Images