JP2011179495A

JP2011179495A - ハイブリッドベンチュリ冷却システム

Info

Publication number: JP2011179495A
Application number: JP2011037747A
Authority: JP
Inventors: Borys Shershnyov; ボリス・シェルシュノヨフ; Leonid Ginessin; レオニド・ジネッシン; Almaz Valeev Kamilevich; アルマズ・ヴァリーフ・カミレヴィッチ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-03-02
Filing date: 2011-02-24
Publication date: 2011-09-15
Also published as: CN102192510A; US20110214428A1; RU2010107420A; EP2363644A2; EP2363644A3; RU2519014C2

Abstract

【課題】タービン燃焼器用のベンチュリ装置を提供する。
【解決手段】本ベンチュリ装置（４２）は、ほぼ環状の外側ライナ（４８）と、ほぼ環状の内側ライナ（４６）と、ほぼ環状の外側及び内側ライナ（４８、４６）間に設置されたベンチュリチャネル（５０）とを含み、ほぼ環状の外側及び内側ライナ（４８、４６）は、その軸方向断面がほぼＶ字形状でありかつそれによってスロート領域（６０）を形成し、ほぼ環状の外側ライナ（４８）には、インピンジメント冷却孔（７６）のアレイが形成され、またほぼ環状の内側ライナ（４６）には、ほぼ環状の外側ライナ（４８）に対向した複数のボルテックスジェネレータ（７８）が形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービン燃焼器技術に関し、より具体的には、冷却を向上させた新規な燃焼器ベンチュリに関する。

スロート領域で相互連結した第１及び第２の燃焼チャンバ又は段を利用することによって、燃焼、未燃焼炭化水素或いは一酸化炭素を悪化させずに燃焼タービンからのＮＯ_Ｘエミッションの大幅な低減が達成されることが知られている。例えば、本願出願人に譲渡された米国特許第４２９２８０１号を参照されたい。

本願出願人に譲渡された米国特許第５１２７２２１号には、スロート領域の周りにプレナムを形成しかつ燃焼器ライナと周囲のケーシング又は流れスリーブとの間の環状通路内を流れる圧縮機空気を利用してスロート壁セクションを冷却する方法及び装置を開示している。

米国特許第６４２７４４６号には、同様に燃焼器ライナと周囲の流れスリーブとの間の通路内を流れる冷却空気を使用してインピンジメント冷却によってスロート壁を冷却する技術が開示されている。

米国特許第４２９２８０１号明細書米国特許第５１２７２２１号明細書米国特許第６４２７４４６号明細書

なお一層大きい冷却作用を達成するベンチュリ冷却システムに対する必要性が依然として存在している。

第１の例示的であるが非限定的な実施形態では、タービン燃焼器用のベンチュリ装置を提供し、本ベンチュリ装置は、ほぼ環状の外側ライナと、ほぼ環状の内側ライナと、ほぼ環状の外側及び内側ライナ間に設置されたベンチュリチャネルとを含み、ほぼ環状の外側及び内側ライナは、その軸方向断面がほぼＶ字形状でありかつそれによってスロート領域を形成し、ほぼ環状の外側ライナには、インピンジメント冷却孔のアレイが形成され、またほぼ環状の内側ライナには、ほぼ環状の外側ライナ及びインピンジメント冷却孔のアレイに対向した複数のボルテックスジェネレータが形成される。

別の例示的であるが非限定的な実施形態では、タービン燃焼器用のベンチュリ装置を提供し、本ベンチュリ装置は、ほぼ環状の外側ライナと、ほぼ環状の内側ライナと、ほぼ環状の外側及び内側ライナ間に設置されたベンチュリチャネルとを含み、ほぼ環状の外側及び内側ライナは、その軸方向断面がほぼＶ字形状でありかつそれによってスロート領域を形成し、ほぼ環状の外側ライナには、インピンジメント冷却孔のアレイが形成され、またほぼ環状の内側ライナには、インピンジメント冷却孔のアレイに対向した複数のボルテックスジェネレータとスロート領域においてほぼ環状の外側ライナに向けて半径方向外向きにベンチュリチャネル内に延びる複数の直立フィンとが設けられる。

さらに別の例示的であるが非限定的な実施形態では、半径方向内側ライナ及び半径方向外側流れスリーブで構成されかつ半径方向内側ライナがベンチュリに沿っているタービン燃焼器を提供し、ベンチュリは、該タービン燃焼器用のベンチュリ装置を含み、ベンチュリ装置は、ほぼ環状の外側ライナと、ほぼ環状の内側ライナと、ほぼ環状の外側及び内側ライナ間に設置されたベンチュリチャネルとを含み、ほぼ環状の外側及び内側ライナは、その軸方向断面がほぼＶ字形状でありかつそれによってスロート領域を形成し、ほぼ環状の外側ライナには、インピンジメント冷却孔のアレイが形成され、ほぼ環状の外側及び内側Ｖ字形状ライナは、別の環状部材によって閉鎖されたプレナムチャンバを形成し、別の環状部材は、プレナムチャンバに冷却空気を供給する１以上のアパーチャをその中に有し、またさらにベンチュリチャネルは、該ベンチュリチャネルの両端部において開口していて、１以上のアパーチャを通って該ベンチュリチャネルに流入した冷却空気がスロート領域において両方向に流れる。

インピンジメント冷却によって冷却されるベンチュリを組入れた従来技術の燃焼器を示す断面側面図。本発明の例示的であるが非限定的な実施形態による燃焼器ベンチュリの部分断面図。図２に示すベンチュリ断面セクションの斜視図。図２に示すベンチュリ断面セクションの別の斜視図。

図１を参照すると、この図は、従来のベンチュリ（又はスロート領域）冷却システムを示している。ベンチュリ１０は、燃焼器ライナ１６によって形成された第１及び第２の燃焼チャンバ領域１２、１４の軸方向間に設置される。ベンチュリは、それらの間に冷却流通路又はチャネル２２を備えた状態で半径方向外側壁１８及び半径方向内側壁２０で構成される。燃焼器ライナ１６は、下流方向にかつベンチュリ１０を越えて、一般的にタービン第一段に高温燃焼ガスを供給するトランジションピース又はダクト（図示せず）に該燃焼器ライナが接合される部位まで延びる。燃焼器ライナ１６は、燃焼チャンバ内に噴射するノズル２６、２８を支持した燃焼器端部カバー２４まで上流方向に延びる。環状プレナムが、ライナ１６及びベンチュリ１０によって形成されて、該プレナムがベンチュリを囲みかつ該ライナ１６の周りに間隔を置いて配置された１以上のアパーチャ３２を介してベンチュリプレナム３０に冷却空気を供給する。より具体的には、プレナム３０に供給された冷却空気は、外側ベンチュリ壁１８の収束部分３６及び発散部分３８の両方内のインピンジメント冷却孔３４のアレイを通して通路又はチャネル２２内に流入する。チャネル２２は、その上流端部において閉鎖されまたその下流端部４０において開口している。冷却空気は、下流開口端部４０を介してベンチュリチャネルから流出し、そこで、冷却空気は燃焼チャンバからタービンの第一段に向けて流出する燃焼ガスに合流する。

次に図２から図４に移ると、これらの図は、本発明の例示的であるが非限定的な実施形態によるベンチュリ４２を示している。ベンチュリ４２は、燃焼器ライナ４４によってその一部が形成され、内側ライナ壁４６及び外側ナイナ壁４８を含みかつそれらの間にベンチュリ流れ通路又はチャネル５０を備えている。内側ライナ壁４６には、収束部分５２及び発散部分５４（左側から右側への燃焼ガス流れ方向に対する）が形成され、また同様に外側ナイナ壁４８には、それぞれ対応する収束及び発散部分５６、５８が形成され、従って狭窄ベンチュリスロート領域６０が形成される。流れ通路又はチャネル５０は、上流端部６２及び下流端部６４の両方において開口していることに注目されたい。

環状燃焼器壁部分６６は、ベンチュリ４２を囲んで、環状プレナムチャンバ６８を形成する。この例示的な実施形態では、冷却空気が、複数の冷却ブッシュ又はシンブル７０を介してプレナムチャンバ６８に供給される。しかしながら、上記の従来の構成とは異なり、冷却空気は、燃焼器ライナ４４と周囲の流れスリーブ７４との間の環状通路７２内の流れからではなくＣＤＣ抽出空気から直接供給される。ＣＤＣ抽出空気は、燃焼器ライナと流れスリーブとの間の環状通路７２内の流れよりも低温であるだけでなく、ＣＤＣ抽出空気はまた、より高い圧力であり、内側ベンチュリ壁８０、８２のより効果的なインピンジメント冷却孔をもたらす。

より具体的には、プレナムチャンバ６８内の冷却空気は、外側ナイナ壁４８の収束及び発散部分５６、５８の両方内に設けられた円周方向に間隔を置いて配置されたインピンジメント冷却孔７６の環状アレイを介して通路又はチャネル５０に供給される。

内側ライナ壁４６には、該内側ライナ壁の収束及び発散（或いは前方及び後方）表面８０、８２の両方上に軸方向に間隔を置いて配置された環状ボルテックスジェネレータリブ（又はタービュレータ）７８の環状アレイが形成される。リブ７８は、インピンジメント孔７６の環状列に対して軸方向に千鳥状配置される。換言すると、リブ７８は、インピンジメント孔７６の隣接する列間に設置され、また孔及びリブのそれぞれのピッチは、ベンチュリの周りで維持される。この構成により空気ジェット、二次流れ、環状タービュレータ及び使用済み冷却空気間の複合相互作用が生じて、環状通路又はチャネル５０内における冷却空気の強力な混合、空気ジェットに対する直交流の衝突の大幅な減少、及び表面８０、８２沿った境界層の効果的な破壊のような利点が得られる。熱伝達が増大する限りまたインピンジメント冷却孔７６の列とのピッチの整列が維持される限り、様々なリブ断面形状を使用することができる。

ベンチュリスロート又はスロート領域６０において、内側ライナ壁４６には、該スロート６０の周りに環状に間隔を置いて配置されかつ該内側ライナ壁４６の収束及び発散部分５２、５４の両方に沿って延びた軸方向に延びるフィン８４が形成される（設けられる）。側面図におけるこれらのフィンは、Ｖ字又はシェブロン形状を有しかつスロートにおける冷却を著しく強化することができる。

加えて、フィルム冷却孔８６のアレイ（図３及び図４で最も良く分かる）は、フィン８４の上流にまた例えば隣接するタービュレータ又はリブ７８間にかつスロート領域６０に隣接して半径方向内側ライナ内に設けることができる。フィルム冷却孔は、スロート６０に近接してかつ該スロート６０の上流において内側ライナ壁４６の収束部分の内表面に沿って局所的フィルム冷却流を供給する。

使用中に、流れ通路５０に供給された空気は、両方向に流れて、それぞれ上流及び下流端部６２、６４の両方において通路５０から流出する。これに関して、下流端部６４における壁の輪郭は、「ブルノーズ」構成（又はブルノーズカーブ）８８で方向転換していて、流出する冷却空気を上流方向につまり上流端部６２から流出する空気と同じ方向に配向し直すことに注目されたい。インピンジメント冷却孔７６の幾つかは、ほぼブルノーズカーブで配向されて、方向転換での適切な冷却を保証していることに注目されたい。

加えて、スロートにおける双方向流れは、スロート端縁内部表面における直交流を大幅に排除し、このことは、局所冷却作用に極めて重要である。

このベンチュリ構成配置により、該ベンチュリの冷却作用の微調整が可能になり、システムの様々な領域における可変冷却作用を有すること、ベンチュリスロートを最適に冷却すること、及びベンチュリスロート領域における空気ジェットに対する直交流の影響を減少させることの実現性が可能になる。

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ベンチュリ
１２燃焼チャンバ領域
１４燃焼チャンバ領域
１６燃焼器ライナ
１８半径方向外側壁
２０半径方向内側壁
２２冷却流通路又はチャネル
２４燃焼器端部カバー
２６ノズル
２８ノズル
３０ベンチュリプレナム
３２アパーチャ
３４インピンジメント冷却孔
３６収束部分
３８発散部分
４０チャネル下流端部
４２ベンチュリ
４４燃焼器ライナ
４６内側ライナ壁
４８外側ナイナ壁
５０ベンチュリ流れ通路又はチャネル
５２内側ライナ壁の収束部分
５４内側ライナ壁の発散部分
５６外側ナイナ壁の収束部分
５８外側ナイナ壁の発散部分
６０ベンチュリスロート領域
６２チャネル上流端部
６４チャネル下流端部
６６環状燃焼器壁部分
６８環状プレナムチャンバ
７０冷却ブッシュ又はシンブル
７２環状通路
７４流れスリーブ
７６インピンジメント冷却孔
７８ボルテックスジェネレータリブ又はタービュレータ
８０内側ライナ壁の収束表面
８２内側ライナ壁の発散表面
８４フィン
８６フィルム冷却孔
８８ブルノーズ構成又はブルノーズカーブ

Claims

タービン燃焼器用のベンチュリ装置（４２）であって、
ほぼ環状の外側ライナ（４８）と、
ほぼ環状の内側ライナ（４６）と、
前記ほぼ環状の外側及び内側ライナ（４８、４６）間に設置されたベンチュリチャネル（５０）と、を含み、
前記ほぼ環状の外側及び内側ライナ（４８、４６）が、その軸方向断面がほぼＶ字形状でありかつそれによってスロート領域（６０）を形成し、
前記ほぼ環状の外側ライナ（４８）には、インピンジメント冷却孔（７６）のアレイが形成され、また
前記ほぼ環状の内側ライナ（４６）には、前記ほぼ環状の外側ライナ（４８）及びインピンジメント冷却孔（７６）のアレイに対向した複数のボルテックスジェネレータ（７８）が形成される、
ベンチュリ装置（４２）。
前記ほぼ環状の内側ライナ（４６）には、前記スロート領域（６０）において前記ほぼ環状の外側ライナ（４８）に向けて半径方向外向きに延びる複数の直立フィン（８４）が設けられる、請求項１記載のベンチュリ装置（４２）。
前記ベンチュリチャネル（５０）が、該ベンチュリチャネル（５０）の両端部において開口している、請求項１記載のベンチュリ装置（４２）。
前記ほぼ環状の外側及び内側Ｖ字形状ライナ（４８、４６）が、別の環状部材（６６）によって閉鎖されたプレナムチャンバ（６８）を形成し、
前記別の環状部材（６６）が、前記プレナムチャンバ（６８）に冷却空気を供給する１以上のアパーチャ（７０）をその中に有する、請求項１記載のベンチュリ装置（４２）。
タービン燃焼器用のベンチュリ装置（４２）であって、
ほぼ環状の外側ライナ（４８）と、
ほぼ環状の内側ライナ（４６）と、
前記ほぼ環状の外側及び内側ライナ（４８、４６）間に設置されたベンチュリチャネル（５０）と、を含み、
前記ほぼ環状の外側及び内側ライナ（４８、４６）が、その軸方向断面がほぼＶ字形状でありかつそれによってスロート領域（６０）を形成し、
前記ほぼ環状の外側ライナ（４８）には、インピンジメント冷却孔（７６）のアレイが形成され、また
前記ほぼ環状の内側ライナ（４６）には、前記インピンジメント冷却孔（７６）のアレイに対向した複数のボルテックスジェネレータ（７８）と前記スロート領域（６０）において前記ほぼ環状の外側ライナ（４８）に向けて半径方向外向きに前記ベンチュリチャネル（５０）内に延びる複数の直立フィン（８４）とが設けられる、
ベンチュリ装置（４２）。
半径方向内側ライナ及び半径方向外側流れスリーブ（７４）で構成されかつ前記半径方向内側ライナがベンチュリに沿っているタービン燃焼器であって、
前記ベンチュリが、該タービン燃焼器用のベンチュリ装置（４２）を含み、前記ベンチュリ装置が、
ほぼ環状の外側ライナ（４８）と、
ほぼ環状の内側ライナ（４６）と、
前記ほぼ環状の外側及び内側ライナ（４８、４６）間に設置されたベンチュリチャネル（５０）と、を含み、
前記ほぼ環状の外側及び内側ライナ（４８、４６）が、その軸方向断面がほぼＶ字形状でありかつそれによってスロート領域（６０）を形成し、
前記ほぼ環状の外側ライナ（４８）には、インピンジメント冷却孔（７６）のアレイが形成され、
前記ほぼ環状の外側及び内側Ｖ字形状ライナ（４８、４６）が、別の環状部材（６６）によって閉鎖されたプレナムチャンバ（６８）を形成し、
前記別の環状部材（６６）が、前記プレナムチャンバ（６８）に冷却空気を供給する１以上のアパーチャ（７０）をその中に有し、またさらに
前記ベンチュリチャネル（５０）が、該ベンチュリチャネル（５０）の両端部において開口していて、前記１以上のアパーチャ（７０）を通って該ベンチュリチャネル（５０）に流入した冷却空気が前記スロート領域（６０）において両方向に流れる、
タービン燃焼器。
前記ほぼ環状の内側ライナ（４６）には、前記ほぼ環状の外側ライナ（４８）に対向した複数のボルテックスジェネレータ（７８）と前記スロート領域（６０）に軸方向に隣接した複数のフィルム冷却孔（８６）とが形成される、請求項６記載のタービン燃焼器。
前記ほぼ環状の内側ライナ（４６）には、前記スロート領域（６０）において前記ほぼ環状の外側ライナ（４８）に向けて半径方向外向きに延びる複数の直立フィン（８４）が設けられる、請求項６記載のタービン燃焼器。
前記１以上のアパーチャ（７０）が、１以上の中空ブッシュによって形成され、
前記中空ブッシュが、前記プレナムチャンバ（６８）に流入する空気が前記流れスリーブ（７４）の外側の領域から供給されるように該流れスリーブ（７４）を貫通して延びる、
請求項６記載のタービン燃焼器。
前記インピンジメント冷却孔（７６）のアレイ及びボルテックスジェネレータ（７８）が、互いに軸方向にオフセットしている、請求項６記載のタービン燃焼器。