JP2011169576A - タービンエンジン用の燃焼器ライナ - Google Patents

Abstract

【課題】タービンエンジンの燃焼器用の燃焼器ライナを提供する。
【解決手段】本燃焼器ライナは、ヘッド端部から後方端部まで延在する単一壁の略円筒形のライナ２０と、ヘッド端部及び後方端部間においてライナの内面に形成されたベンチュリとを含み、ベンチュリは、後方に進むほど直径が小さくなる単一壁ライナの第１の傾斜部分７３と後方に進むほど直径が大きくなる単一壁ライナの第２の傾斜部分７５とによって形成され、第１の傾斜部分の後方端部が、第２の傾斜部分のヘッド端部に接合される。
【選択図】図３

Description

本発明は、タービンエンジン用の燃焼器ライナに関する。

発電産業で使用するタービンエンジンには一般的に、複数の燃焼器で囲まれた圧縮機セクションが含まれる。燃焼器は、圧縮機の外部の周りに同心リングの形態で配置される。圧縮機セクションからの加圧空気が燃焼器内に送給され、燃焼器内において、加圧空気は燃料と混合される。燃料−空気混合気は次に、燃焼器内で燃焼され、かつ高温燃焼ガスがエンジンのタービンセクション内に送られて、タービンを回転させる原動力を与える。

タービンエンジンの典型的な燃焼器は、そこで燃料−空気混合気が燃焼する燃焼ゾーンを囲んだ燃焼器ライナを含むことができる。幾つかのタイプの燃焼器では、燃焼器ライナ内部に、基本的に該燃焼器ライナの内面の縮小直径部分であるベンチュリが設けられている。

ベンチュリを形成した燃焼器ライナの縮小直径部分は、多くの場合、ベンチュリを含む材料が高温燃焼ガスによって損傷するのを防止するための特殊な冷却を必要とする。それは通常、ベンチュリセクションの内側及び外側壁間の環状空間を通って冷却空気が流れて該ベンチュリセクションを冷却する二重壁構造を構成することによって達成される。不都合なことに、この構造は、複雑であり、製作するのが困難でありかつ高価となるおそれがある。さらに、二重壁ベンチュリセクションの複雑さにより、空気漏洩が生じ、そのことが、タービンの全体効率を低下させると共に望ましくない燃焼副生成物の発生を引き起こすおそれがある。

１つの態様では、本発明は、タービンエンジンの燃焼器用の燃焼器ライナとして具体化され、本燃焼器ライナは、ヘッド端部から後方端部まで延在する単一壁の略円筒形のライナで形成される。本燃焼器ライナは、ヘッド端部及び後方端部間においてライナの内面に形成されたベンチュリを含む。ベンチュリは、後方に進むほど直径が小さくなる単一壁ライナの第１の傾斜部分と後方に進むほど直径が大きくなる単一壁ライナの第２の傾斜部分とによって形成される。第１の傾斜部分の後方端部が、第２の傾斜部分のヘッド端部に接合される。

別の態様では、タービンエンジンの燃焼器用の燃焼器ライナとして具体化され、本燃焼器ライナは、ヘッド端部から後方端部まで延在する単一壁ライナで形成される。縮小直径部分が、ヘッド端部及び後方端部間において単一壁ライナ内に形成されかつ該ライナの内面にベンチュリを形成する。空気デフレクタが、該空気デフレクタの内面及び単一壁ライナの外面間に環状空間が存在するように該ライナの外面上に取付けられる。空気デフレクタは、ライナの外面に沿って後方端部からヘッド端部に向けて流れている空気の流れの一部分を該ライナの縮小直径部分の外面上に偏向させる。

二重壁ベンチュリを備えた燃焼器ライナを含む典型的な燃焼器の断面図。 ベンチュリを備えた単一壁燃焼器ライナを含む燃焼器の断面図。 空気デフレクタを備えた単一壁燃焼器ライナの実施形態の一部分の断面図。 空気デフレクタを備えた単一壁燃焼器ライナの別の実施形態の一部分の断面図。 空気デフレクタを備えた単一壁燃焼器ライナの別の実施形態の一部分の断面図。 空気デフレクタを備えた単一壁燃焼器ライナのさらに別の実施形態の一部分の断面図。 ベンチュリを備えた単一壁燃焼器ライナの一部分の断面図。

図１は、タービンエンジンで使用する典型的な燃焼器の断面図を示している。燃焼器は、タービンエンジンの圧縮機セクション１２に隣接して設置される。燃焼器は、エンジンのタービンセクションに至るトランジションピース１０を含む。燃焼器ライナ２０が、トランジションピース１０に連結される。燃焼器ライナ２０は、そこで燃料−空気混合気を燃焼させる燃焼ゾーン９５を囲む。燃焼器のヘッド端部に、複数の一次燃料ノズル５０が、燃焼器の周辺部の周りに円形パターンの形態で設置される。燃焼器はまた、該燃焼器の中心部に配置された二次ノズル６０を含むことができる。燃料は、燃料ノズル５０、６０を通して燃焼器ライナ２０の内部に送給される。

流れスリーブ３０が、燃焼器ライナ２０の外面の周りに設置される。燃焼器ハウジング４０が、流れスリーブ３０の外面を囲む。環状空間が、燃焼器ライナ２０の外面及び流れスリーブ３０の内面間に形成される。タービンエンジンの圧縮機セクション１２からの空気が、図１に矢印で示すようにこの環状空間内にかつ該環状空間を通って流れる。

加圧空気は、燃焼器ライナ２０及び流れスリーブ３０間の環状空間の後方端部に流入しかつ次に燃焼器のヘッド端部に向けて移動する。加圧空気がヘッド端部に到達すると、加圧空気は、１８０°方向転換しかつ次に燃焼器ライナ２０の内部に流入する。加圧空気は次に、燃料ノズル５０、６０によって送給された燃料と混合し、かつこの燃料−空気混合気は、燃焼ゾーン９５内で燃焼される。

図１に示すように、ベンチュリ２６が、燃焼器ライナ２０の内面に設置される。ベンチュリ２６は、内側壁２４及び傾斜外側壁２１、２２を備えた二重壁構造によって形成される。空気孔２３が、傾斜外側壁２１／２２内に形成されて、燃焼器ライナ２０及び流れスリーブ３０間の環状空間を通って流れる空気が該孔２３を通してかつベンチュリ２６の傾斜外側壁２１／２２及び内側壁２４間に形成された空間内に流れるのを可能にする。

ベンチュリの二重壁構造は、ベンチュリ２６を冷却するのを助け、それによってベンチュリが過加熱しかつ損傷状態になるのを防止するように設計される。図１に矢印で示すように、傾斜外側壁２１／２２内の孔２３を通って流れる空気は
ベンチュリの内側及び外側壁間の環状空間に沿って流れ、この空気は、ベンチュリの内側壁２４の後方端部２７において流出しかつ燃焼器ライナ２０の内部で燃焼している燃料−空気混合気に合流する。その結果、ベンチュリの傾斜外側壁２１／２２内の孔２３は、最終的に燃焼器ライナ２０の内部に空気を流入させる。

上述のように、ベンチュリをこのような二重壁構造にすることは比較的高価である。二重壁構造は製造するのが困難であり、そのような二重壁ベンチュリを形成するのに使用する複数傾斜及び部品の故に、様々な部分の漏洩及び劣化が生じるおそれがある。

図２は、ベンチュリを備えた燃焼器ライナの別の構造を示している。この構造ではベンチュリを含む燃焼器ライナ全体は、燃焼器のヘッド端部から後方端部まで延在する単一壁構造で形成される。図２に示すように、燃焼器ライナ２０は、ここでも同様に流れスリーブ３０によって囲まれ、圧縮機セクション１２からの加圧空気は、ここでも同様に燃焼器ライナ２０及び流れスリーブ３０間の環状空間を通って流れる。

図２に示すこの燃焼器ライナ２０ではベンチュリ２６は、単一壁燃焼器ライナ２０の長さに沿って縮小直径部分２８を形成した２つの傾斜壁によって形成される。燃焼器ライナ２０及び流れスリーブ３０間の環状空間に沿って流れる加圧空気は、ベンチュリを形成した縮小直径部分２８を含む燃焼器ライナ２０の外面を冷却することになる。

空気の流れが下方に縮小直径部分２８の外面上に導かれるのを保証するために、燃焼器は、空気デフレクタ７０を含むことができる。図２に示す実施形態では、空気デフレクタ７０は、燃焼器ライナ２０の縮小直径部分２８を形成した２つの傾斜壁に略平行でありかつ該２つの傾斜壁と整列した２つの傾斜壁を含む。空気デフレクタは、燃焼器ライナ２０及び流れスリーブ３０間の環状空間を通って流れる空気の一部分を下方に縮小直径部分内に偏向させて単一壁燃焼器ライナ２０のベンチュリ部分の外面壁を冷却する。

上記に説明したように、図１に戻って参照すると、二重壁ベンチュリ構造は、燃焼器セクションからの空気の一部分が最終的にベンチュリの内側壁２４の後方端部２７の直ぐ下流の位置において図１に示す実施形態の燃焼ゾーン９５内に送給されるようにする。図２に示す実施形態においてこの位置での空気の同様の流入を得るために、単一壁燃焼器ライナ２０を貫通して複数の希釈孔７４を形成することができる。

図２に示す実施形態では、希釈孔７４は、燃焼器ライナ２０の外面の周りに環状リングの形態で形成される。このことにより、燃焼器ライナ２０及び流れスリーブ３０間の環状空間からの空気が、図１に示す実施形態のベンチュリを冷却するのに使用する空気が送給されていた位置と略同様の位置において該燃焼器ライナ２０内部に流れることが可能になる。従って、図２に示す実施形態において希釈孔７４を設けることは、図１に示す実施形態において生じていたのと略同様の燃焼パラメータとなる。単一壁燃焼器ライナ２０の縮小直径部分２８の外面上に下方に冷却空気を偏向させるのに使用する空気デフレクタ７０は、種々の異なる形態を有することができる。図３は、空気デフレクタ７０が互いに対して傾斜した２つの直線セクションで形成されかつその２つの直線セクションがベンチュリを形成した単一壁燃焼器ライナ２０の縮小直径部分の傾斜セクション７３、７５と略平行である実施形態を示している。この実施形態は、図２に示す実施形態と略同様である。

図３に示す燃焼器ライナはまた、複数のタービュレータリング７６を含む。タービュレータリング７６は、単一壁燃焼器ライナ２０の外面上に形成された突出部である。タービュレータリング７６は、燃焼器ライナ２０の外面の周りに延在する。図３に示すように、複数のそのようなタービュレータリング７６は、燃焼器ライナ２０の後方部分に沿って互いに間隔を置いて配置することができる。

タービュレータリングは、燃焼器ライナ２０及び流れスリーブ３０間の環状空間を通って流れる加圧空気内に空気乱流を生じさせる働きをする。空気乱流は、この空気によってもたらされる冷却効果を高め、それによって燃焼器ライナ２０の全体温度を低下させるのを助ける。

図３に示す実施形態は、燃焼器ライナ２０の後方部分に沿って等しい間隔を置いて配置された５つのタービュレータリングを含むが、異なる数のタービュレータリングを設けることができ、それらタービュレータリングは、異なる間隔を置いて配置することができる。さらに、燃焼器ライナの外面上に突出部を設ける代わりに、燃焼器ライナ２０の表面に溝を切込んで空気乱流を生じさせて冷却効果を高めるようにすることも実施可能である。幾つかの実施形態では、溝及び突出部の組合せを使用して、空気乱流を生じさせることができる。またさらに、突出部又は陥凹部のいずれかとして同心リングを設けるのではなく、燃焼器ライナの外面の周りにリングを形成していない複数の個々の突出部又は陥凹部を設けることもできる。

図４に示す実施形態は、図３に示す実施形態と同様である。しかしながら、図４に示す実施形態では、空気デフレクタ７０は、直線傾斜部分ではなくて湾曲部分を含む。図４に示すように空気デフレクタを湾曲させることにより、加圧空気の流れを促進するか又は流れ抵抗を減少させることができる。

加えて、図４に示す実施形態では、空気デフレクタ７０の後方及びヘッド端部は、ベンチュリを形成した傾斜壁７３／７５の後方及びヘッド端部を越えて延在する。開示した実施形態のいずれか他の部分を修正して、空気デフレクタの端部がベンチュリのヘッド及び後方端部を越えて延在するようにすることも実施可能である。

図５に示す実施形態では、空気デフレクタ７０は、ベンチュリの後方端部に設けた単一の直線セクションで形成することができる。燃焼器ライナ２０及び流れスリーブ３０間の環状空間に沿って流れる空気は、図５に示す図では左方向に移動することになる。従って、図５における空気デフレクタ７０は、空気流の一部分をベンチュリの傾斜部分７３及び７５によって燃焼器ライナ２０の外面上に形成された陥凹部内に下方に偏向させるように作用することになる。このように空気が下向きに偏向されると、偏向空気ストリームによって得られる冷却効果の大半が達成されることになる。従って、燃焼器ライナ２０の縮小直径部分の良好な冷却を達成するために、図５に示す小型の空気デフレクタ以外のいずれのものも設けることを必要しないことになる。

図６は、図５に示す実施形態と同様の別の実施形態を示している。しかしながら、図６に示す実施形態では、空気デフレクタ７０の後方端部がさらに、ベンチュリの後方壁７５よりも後方に延在している。加えて、空気デフレクタ７０のヘッド端部は、ベンチュリの後方傾斜壁７５ほど全体にわたってヘッド端部方向に延在してはいない。さらに、図６における空気デフレクタは、空気流の一部分を所望の方向に燃焼器ライナ２０の縮小直径部分上に導くのを助けるように湾曲している。

図７は、２つの傾斜壁７３、７５で形成されたベンチュリを備えた単一壁燃焼器ライナ２０のさらに別の実施形態を示している。この実施形態では、空気デフレクタが設けられていない。燃焼器ライナの外面に沿った空気の流れは、２つの傾斜壁７３、７５によって形成された縮小直径部分さえも冷却するのに十分である。

縮小直径部分の後方端部にタービュレータリング７６（又は別の同様の構造体）を設けて、その位置に空気乱流を生じさせることは利点があることになる。その位置に空気乱流を生じさせることは、空気流の一部分をベンチュリの傾斜壁７３、７５によって形成された縮小直径部分上に下方に偏向させるようにするのを助けることができる。

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 トランジションピース
１２ 圧縮機セクション
２０ 燃焼器ライナ
２１、２２ 外側壁
２２ 縮小直径部分
２３ 空気孔
２４ 内側壁
２５ ベンチュリの環状空間
２６ ベンチュリセクション
２７ 後方端部
３０ 流れスリーブ
４０ 燃焼器ハウジング
５０ 一次燃料ノズル
６０ 二次燃料ノズル
７０ デフレクタ
７２ デフレクタ内部の環状空間
７４ デフレクタ孔
７６ タービュレータリング
９５ 燃焼ゾーン

Claims (10)

1. タービンエンジンの燃焼器用の燃焼器ライナであって、
   ヘッド端部から後方端部まで延在する単一壁の略円筒形のライナと、
   前記ヘッド端部及び後方端部間において前記ライナの内面に形成されたベンチュリと
   を備えており、前記ベンチュリが、後方に進むほど直径が小さくなる前記単一壁ライナの第１の傾斜部分と、後方に進むほど直径が大きくなる前記単一壁ライナの第２の傾斜部分とによって形成され、第１の傾斜部分の後方端部が第２の傾斜部分のヘッド端部に接合している、燃焼器ライナ。
2. 前記略円筒形のライナが第２の傾斜部分の後方端部に接合された後方円筒形部分を含み、複数の希釈孔が前記後方円筒形部分内に形成される、請求項１記載の燃焼器ライナ。
3. 前記複数の希釈孔が、前記後方円筒形部分の外周の周りに延在するリングの形態で配置され、前記希釈孔のリングが、第２の傾斜部分の後方端部から後方に離れて間隔を置いて配置される、請求項２記載の燃焼器ライナ。
4. 前記略円筒形のライナが、第２の傾斜部分の後方端部に接合された後方円筒形部分を備えており、少なくとも１つのタービュレータリングが、前記後方円筒形部分上に設置され、各少なくとも１つのタービュレータリングが、前記後方円筒形部分の外面から突出しかつ該後方円筒形部分の外周の周りに延在する、請求項１記載の燃焼器ライナ。
5. 前記少なくとも１つのタービュレータリングが、前記後方円筒形部分に沿って互いに間隔を置いて配置された複数のタービュレータリングを含む、請求項４記載の燃焼器ライナ。
6. 前記単一壁の略円筒形のライナとの間に環状空間が存在するように該略円筒形のライナの外面上に取付けられた空気デフレクタをさらに備えていて、前記空気デフレクタが、前記円筒形ライナの外面に沿って前記後方端部から前記ヘッド端部に流れている空気の流れの一部分を第１及び第２の傾斜部分によって該ライナの外面上に形成された環状陥凹部上に偏向させるように構成される、請求項１記載の燃焼器ライナ。
7. 前記空気デフレクタが、後方に進むほど直径が小さくなるとともに前記ライナの第１の傾斜部分と整列した第１の傾斜部分と、後方に進むほど直径が大きくなるとともに前記ライナの第２の傾斜部分と整列した第２の傾斜部分とを備えており、前記空気デフレクタの第１の傾斜部分の後方端部が、該空気デフレクタの第２の傾斜部分のヘッド端部に接合している、請求項６記載の燃焼器ライナ。
8. 前記空気デフレクタの第１の傾斜部分のヘッド端部が、前記円筒形ライナの第１の傾斜部分のヘッド端部を越えてヘッド方向に延在する、請求項７記載の燃焼器ライナ。
9. 前記空気デフレクタの第２の傾斜部分の後方端部が、前記円筒形ライナの第２の傾斜部分の後方端部を越えて後方に延在する、請求項８記載の燃焼器ライナ。
10. 前記空気デフレクタの第２の傾斜部分の後方端部が、前記円筒形ライナの第２の傾斜部分の後方端部を越えて後方に延在する、請求項７記載の燃焼器ライナ。