JP2011179812A - 燃焼器空気流スリーブ内の角度付き静翼 - Google Patents

Abstract

【課題】タービン燃焼器ライナ組立体を提供する。
【解決手段】タービン燃焼器ライナ組立体は、上流端部及び下流端部を持つ燃焼器ライナ（３２）と、前記燃焼器ライナ（３２）の下流端部に取り付けられた移行ダクト（４０）と、前記燃焼器ライナ（３２）を取り囲み、該ライナとの間に第１の半径方向流路を画成する第１の空気流スリーブ（３８）と、前記空気流スリーブ（３８）の後端部に設けられた第１の環状入口であって、当該第１の環状入口を介して前記第１の半径方向流路に入る空気を旋回させるように配列された複数の円周方向に間隔をおいて設けられた角度付き空気流静翼（５４）を備えた第１の環状入口と、を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般的に云えば、ガスタービン燃焼器についての技術に関し、より具体的には、半径方向における燃焼器ライナとその周囲の空気流スリーブとの間の軸方向延在環状流路を通って燃焼器バーナーへ圧縮機吐出空気を方向変更して、燃焼器ライナの冷却を改善し且つ圧力降下を小さくする空気流装置に関するものである。

或る種のガスタービン燃焼器では、燃焼器ライナを取り囲む空気流スリーブの周りに複数の開口を設けることにより、空気が空気流スリーブを半径方向に通り抜けて、半径方向における空気流スリーブと燃焼器ライナとの間の環状流路の中へ注入されて、ライナを衝突冷却するようにしている。前記空気は、半径方向における（燃焼ガスを燃焼器ライナからタービン第１段へ運ぶ）移行ダクトとその周囲の衝突スリーブとの間の同様な軸方向に接続された環状流路から送られて空気流スリーブ内を流れている衝突冷却空気の自由流に対して、ほぼ垂直に半径方向に注入される。この方向変更された圧縮機吐出空気は燃焼器の後端部で燃料と混合し、次いでその燃料／空気混合物はライナ内で燃焼する。

空気流スリーブの開口を通って自由流の中へ半径方向に注入された衝突冷却空気は、軸方向に流れる空気と運動量交換を生じるので、その交差して流れる空気が自由流の速度に達するまで、軸方向に流れる自由流空気によって加速させなければならない。このプロセスは、燃焼器への流れに望ましくない圧力降下を生じさせる。その圧力降下を小さくするために、既に流れている自由流の空気と実質的に同じ軸方向に圧縮機吐出空気を流路内に導入するように、空気供給装置の構成が変更されている。しかしながら、この構成では、注入する流れが流路の外側の壁すなわち空気流スリーブの内壁に吸い寄せられる傾向、すなわち、いわゆるコアンダ効果が出現し、これは冷却効率を低減する。

従って、空気を、空気流スリーブ流路の中へ半径方向以外の方向に、しかもコアンダ効果が除去され又は少なくとも最小にされ且つライナの冷却が高められるように、注入することが望ましい。

米国特許第７０８２７６６号

本発明の限定ではない模範的な一面によれば、タービン燃焼器ライナ組立体が提供される。該組立体は、上流端部及び下流端部を持つ燃焼器ライナと、前記燃焼器ライナの下流端部に取り付けられた移行ダクトと、前記燃焼器ライナを取り囲む空気流スリーブであって、半径方向における前記燃焼器ライナと当該空気流スリーブとの間に第１の環状流路を画成する空気流スリーブと、前記空気流スリーブの後端部に設けられた前記第１の環状流路への第１の環状入口であって、当該第１の環状入口に入った空気を前記燃焼器ライナの周りに旋回させるように前記第１の環状流路の周りに円周方向に配列された第１の複数の空気流静翼を備えた第１の環状入口と、有する。

限定ではない模範的な別の面では、本発明はタービン燃焼器ライナ組立体を提供する。該組立体は、上流端部及び下流端部を持つ燃焼器ライナと、前記ライナの前記下流端部に取り付けられた移行ダクトと、前記燃焼器ライナを取り囲んで、該ライナとの間に第１の半径方向流路を画成する第１の空気流スリーブと、前記空気流スリーブの後端部に設けられた前記第１の半径方向流路への第１の環状入口であって、当該第１の環状入口を介して前記第１の半径方向流路に入る空気を旋回させるように配列された複数の円周方向に間隔をおいて設けられた角度付き空気流静翼を備えた第１の環状入口と、前記移行ダクトを取り囲む衝突スリーブであって、半径方向における前記移行ダクトと当該衝突スリーブとの間に、前記第１の環状流路と連通する第２の環状流路を画成する衝突スリーブと、流れの方向に関して前記第１の環状入口よりも上流に設けられた前記第１の環状流路への第２の環状入口であって、当該第２の環状入口を介して前記第１の環状流路に入る空気を旋回させるように前記燃焼器ライナの周りに円周方向に配列され且つ前記燃焼器ライナと前記衝突スリーブとの間に半径方向に延在する第２の複数の空気流静翼を備えた第２の環状入口と、を有する。

本発明の限定ではない更に別の模範的な面では、タービン燃焼器ライナ組立体が提供される。該組立体は、上流端部及び下流端部を持つ燃焼器ライナと、前記ライナの前記下流端部に取り付けられた移行ダクトと、前記燃焼器ライナを取り囲んで、該ライナとの間に第１の半径方向流路を画成する第１の空気流スリーブと、前記空気流スリーブの後端部に設けられた前記第１の半径方向流路への第１の環状入口であって、当該第１の環状入口を介して前記第１の半径方向流路に入る空気を旋回させるように配列された複数の円周方向に間隔をおいて設けられた角度付き空気流静翼を備えた第１の環状入口と、前記移行ダクトを取り囲む衝突スリーブであって、半径方向における前記移行ダクトと当該衝突スリーブとの間に、前記第１の環状流路と連通する第２の環状流路を画成する衝突スリーブと、流れの方向に関して前記第１の環状入口よりも上流に設けられた前記第１の環状流路への第２の環状入口であって、当該第２の環状入口を介して前記第１の環状流路に入る空気を旋回させるように前記第１の環状流路の周りに円周方向に配列された第２の複数の空気流静翼を備えた第２の環状入口と、を有する。前記組立体において、前記第１の複数の空気流静翼は、前記空気流スリーブと前記移行ダクトを取り囲む衝突スリーブに前記空気流スリーブを取り付ける環状継手との間に半径方向に延在し、且つ前記空気流スリーブ及び前記環状継手に係合しており、また前記第２の複数の空気流静翼は前記燃焼器ライナと衝突スリーブとの間に半径方向に延在しており、また前記第１及び第２の複数の空気流静翼の各々は前縁部分及び後縁部分を含み、該前縁部分は前記第１の環状流路の中への流れの方向に関して前記後縁部分よりも上流に位置している。

次に、以下に示す図面を参照して本発明について詳しく説明する。

図１は、タービン燃焼器ライナ及び移行ダクト組立体の断面図である。 図２は、部分的に破断した燃焼器ライナの斜視図であって、本発明の限定ではない模範的な一実施形態に従った空気流スリーブと軸方向に隣接した移行部衝突スリーブとの間の接続部を示す。 図３は、図２の一部の拡大詳細図である。 図４は、図２及び図３の空気流スリーブ／衝突スリーブ接続部に利用される静翼の平面図である。 図５は、図３と同様な詳細図であるが、限定ではない代替実施形態を例示する。

次に図１を説明すると、ガスタービン用の燃焼器１０が例示されている。燃焼器１０は、該燃焼器の後端部に複数のバーナー１２を含んでいると共に、燃焼器ライナ１４及びその周囲の空気流スリーブ１６を含む。移行部又はダクト１８がライナの後端部に接続され、また衝突スリーブ２０が移行部を取り囲むと共に、空気流スリーブに接続される。理解されるように、空気流スリーブ１４及び衝突スリーブ２０を取り囲む区域には圧縮機吐出空気が供給され、該圧縮機吐出空気は次いで衝突スリーブ２０中の複数の開口（図示せず）及び空気流スリーブ中の複数の開口２２を通って流れ、そこで、軸方向に接続された環状流路２６，２８の中を燃焼器の後端部へ向かってほぼ軸流方向に方向変更すなわち逆流する。供給された空気は複数のバーナー１２内で燃料と混合して、その燃料／空気混合物はライナ１６内で燃焼する。燃焼ガスは移行部１８を通ってタービンの第１段（図示せず）へ流れる。

図１に例示されているように、矢印２４で示されている圧縮機吐出空気は複数の開口２２を介してほぼ半径方向内向きに供給される。理解されるように、複数の開口２２は空気流スリーブの周りに軸方向及び円周方向に間隔をおいて設けられる。半径方向に注入された空気は、流路２８内を軸方向に流れている流れと交差する。半径方向に注入された空気はライナに対して衝突冷却を生じさせるが、この交差する流れにより正味のエネルギ損失が生じる。

別の構成（図示せず）では、環状流路２８内を流れる空気にほぼ平行な方向で環状流路２８の中へ空気を導入する空気入口装置が設けられている。この装置では、既に述べたように、注入する流れが流路の外側の壁すなわち空気流スリーブの内壁に吸い寄せられる傾向、すなわち、いわゆるコアンダ効果が出現し、これはライナ１４の衝突冷却に悪影響を及ぼす。

ここで図２について説明すると、本発明の限定ではない模範的な一実施形態に従った燃焼器３０が示されており、この燃焼器３０は、外側表面を持つ燃焼器ライナ３２を含み、該外側表面には、随意選択により、軸方向に間隔をおいて設けられた浅いリブ３４の列（略図で示し、図３にはより明瞭に示している）の形態とすることができる複数の乱流要素が設けられる。ライナの後端部３６は通常のフラ・シール組立体を備えており、そのフラ・シール組立体によって、ライナが、図１に示した移行部１８と同様な移行部又はダクト４０と封止係合される。

燃焼器ライナ３２は空気流スリーブ３８（空気流スリーブ１６に設けられているような冷却孔を備えていない）によって取り囲まれており、また移行部４０は衝突スリーブ４２によって取り囲まれている。空気流スリーブ３８及び衝突スリーブ４２は、図３に最も良く示されている環状継手４４によって接続される。継手４４はその後端部に、衝突スリーブ４２上の半径方向フランジ４８に係合するのに適したフック部分４６を持つ。継手４４の反対側の端部すなわち前端部５０が、以下に述べる態様で空気流スリーブ３８の後端部５２に接合される。

継手４４の前端部５０は、複数の円周方向に間隔をおいて設けられた支柱５４によって空気流スリーブの後端部５２に取り付けられ、該支柱は、限定ではない模範的な実施形態では、図４に例示された（平面図における）形状を持つ空気流用静翼として形成される。これらの静翼５４は、それらの前縁部分５５が図３に示されるような流れに向かうように配置されて、後縁部分５７が流れの下流側にあるように、配列される。この模範的な実施形態では、後縁部分５７は、ライナの軸方向中心線に対して約１０°〜約８０°の角度で延在する。この構成では、空気流スリーブ３８及び衝突スリーブ４２より外側の圧縮機吐出空気が、空気流スリーブの後端部５２と継手４４の前端部５０との間の半径方向の空間を通って、燃焼器ライナ３２と空気流スリーブ３８との間の流路５６の中へ自由に流入する。しかしながら、この場所で流入する空気は角度付きの静翼５４によって強制的に方向変更され、その結果、空気はライナの周りを旋回する。

同時に、同様な形状構成の静翼６０（これもまた略図で示されている）が、衝突スリーブ４２の前端部６２とフラ・シール（３６）に隣接した燃焼器ライナとの間に配置される。これらの静翼は同様な形状を持ち、従って、衝突スリーブ４２と移行部４０との間の流路の中に軸方向に流入する空気を旋回させる作用を持つ。

継手４４と空気流スリーブ３８との間の支持支柱の全てが実際に空気流静翼５４である場合には、空気流静翼は固定（例えば、溶接）されていて、個別に調節する能力が無い。しかしながら、空気流静翼が、固定された半径方向の支柱と組み合わされている（例えば、交互に配置されている）場合には、空気流静翼５４は、図３に仮想線で示されているように、半径方向に延在する枢軸ピン６４を中心にして個別に又は包括的に調節することができる。空気流静翼を調節可能にすることによって、旋回の程度を希望通りに変えることができる。この同じ構成は、衝突スリーブ４２と移行部４０との間に延在する空気流静翼６０についても可能である。

また、ライナ内の燃焼ガスが所与の方向に旋回して、該ガスの流れに応じてホット・スポットが生成されることが理解されよう。本発明によれば、調節可能な空気流静翼５４により、冷却空気がライナ内のガスの旋回方向とは反対の旋回方向で角度を成して流れるようにすることができ、従って、ホット・スポットを冷却しながら熱伝達を向上させることができる。

図３について更に説明すると、継手４４は、例えば、継手の前端部の半径方向位置を空気流スリーブ３８の後端部５２に対して相対的に調節するように、必要に応じて修正することができる。仮想線で示すように、前端部は、開口の寸法を増大又は減少させ、従って、静翼５４を通過して環状空間５６に流入する空気の量を増大又は減少させるように、位置をずらすことができる。

図５に示されているように、継手６８は、個別の円周方向に間隔おいて設けられた管又は転送要素７２によって、圧縮機吐出空気が静翼５４を横切って環状空間７０に流入するように構成される。この構成は、ライナ７４の周面に沿って設ける管又は転送要素７２の寸法（直径）及び数を変えることによって、流路７０に入る空気の量をより良く制御することを可能にする。希望される場合、転送要素又は管７２は静翼５４の後縁部分５７に実質的に整合するように角度を付けることができる。

本発明について最も実用的で好ましい実施形態であると現在考えられるものに関して説明したが、本発明が開示した実施形態に制限されないこと、またそれよりむしろ、本発明が「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
１２ バーナー
１４ 燃焼器ライナ
１６ 空気流スリーブ
１８ 移行ダクト
２０ 衝突スリーブ
２２ 開口
２４ 圧縮機吐出空気
２６ 環状流路
２８ 環状流路
３０ 燃焼器
３２ 燃焼器ライナ
３４ 浅いリブ
３６ ライナの後端部３６
３８ 空気流スリーブ
４０ 移行ダクト
４２ 衝突スリーブ
４４ 環状継手
４６ フック部分
４８ 半径方向フランジ
５０ 継手の前端部
５２ 空気流スリーブの後端部
５４ 静翼
５５ 前縁部分
５６ 環状流路
５７ 後縁部分
６０ 静翼
６２ 衝突スリーブの前端部
６４ 枢軸ピン
６８ 継手
７０ 環状空間
７２ 管
７４ ライナ

Claims (10)

1. 上流端部及び下流端部を持つ燃焼器ライナ（３２）と、
   前記燃焼器ライナ（３２）の下流端部に取り付けられた移行ダクト（４０）と、
   前記燃焼器ライナ（３２）を取り囲む空気流スリーブ（３８）であって、半径方向における前記燃焼器ライナ（３２）と当該空気流スリーブ（３８）との間に第１の環状流路を画成する空気流スリーブ（３８）と、
   前記空気流スリーブ（３８）の後端部に設けられた前記第１の環状流路への第１の環状入口であって、当該第１の環状入口に入った空気を前記燃焼器ライナ（３２）の周りに旋回させるように前記第１の環状流路の周りに円周方向に配列された第１の複数の空気流静翼（５４）を備えた第１の環状入口と、
   有するタービン燃焼器ライナ組立体。
2. 前記第１の複数の空気流静翼（５４）は、前記空気流スリーブ（３８）と前記移行ダクト（４０）を取り囲む衝突スリーブ（４２）に前記空気流スリーブ（３８）を取り付ける環状継手（４４）との間に半径方向に延在し、且つ前記空気流スリーブ（３８）及び前記環状継手に係合している、請求項１記載の燃焼器ライナ組立体。
3. 前記第１の複数の空気流静翼（５４）の各々は前縁部分（５５）及び後縁部分（５７）を含み、該前縁部分（５５）は前記第１の環状流路の中への流れの方向に関して前記後縁部分（５７）よりも上流に位置している、請求項１記載の燃焼器ライナ組立体。
4. 前記第１の複数の空気流静翼（５４）の少なくとも幾つかは、それぞれの半径方向を向いた枢軸ピン（６４）を中心に調節可能である、請求項１記載の燃焼器ライナ組立体。
5. 更に、前記移行ダクト（４０）を取り囲む衝突スリーブ（４２）であって、半径方向における前記移行ダクト（４０）と当該衝突スリーブ（４２）との間に、前記第１の環状流路と連通する第２の環状流路を画成する衝突スリーブと、流れの方向に関して前記第１の環状入口よりも上流に設けられた前記第１の環状流路への第２の環状入口であって、当該第２の環状入口を介して前記第１の環状流路に入る空気を旋回させるように前記燃焼器ライナ（３２）の周りに円周方向に配列され且つ前記燃焼器ライナと前記衝突スリーブとの間に半径方向に延在する第２の複数の空気流静翼を備えた第２の環状入口と、を有している請求項１記載の燃焼器ライナ組立体。
6. 上流端部及び下流端部を持つ燃焼器ライナ（３２）と、
   前記ライナの前記下流端部に取り付けられた移行ダクト（４０）と、
   前記燃焼器ライナ（３２）を取り囲み、該ライナとの間に第１の半径方向流路を画成する第１の空気流スリーブ（３８）と、
   前記空気流スリーブ（３８）の後端部に設けられた前記第１の半径方向流路への第１の環状入口であって、当該第１の環状入口を介して前記第１の半径方向流路に入る空気を旋回させるように配列された複数の円周方向に間隔をおいて設けられた角度付き空気流静翼（５４）を備えた第１の環状入口と、
   前記移行ダクト（４０）を取り囲む衝突スリーブ（４２）であって、半径方向における前記移行ダクト（４０）と当該衝突スリーブ（４２）との間に、前記第１の環状流路と連通する第２の環状流路を画成する衝突スリーブ（４２）と、
   流れの方向に関して前記第１の環状入口よりも上流に設けられた前記第１の環状流路への第２の環状入口であって、当該第２の環状入口を介して前記第１の環状流路に入る空気を旋回させるように前記燃焼器ライナ（３２）の周りに円周方向に配列され且つ前記燃焼器ライナ（３２）と前記衝突スリーブ（４２）との間に半径方向に延在する第２の複数の空気流静翼（６０）を備えた第２の環状入口と、
   を有するタービン燃焼器ライナ組立体。
7. 前記第１の複数の空気流静翼（５４）は、前記空気流スリーブ（３８）と前記移行ダクト（４０）を取り囲む衝突スリーブ（４２）に前記空気流スリーブ（３８）を取り付ける環状継手（４４）との間に半径方向に延在し、且つ前記空気流スリーブ（３８）及び前記環状継手（４４）に係合している、請求項６記載のタービン燃焼器ライナ組立体。
8. 前記第１及び第２の複数の空気流静翼（５４，６０）の各々は前縁部分（５５）及び後縁部分（５７）を含み、該前縁部分（５５）は前記第１の環状流路の中への流れの方向に関して前記後縁部分（５７）よりも上流に位置している、請求項６記載のタービン燃焼器ライナ組立体。
9. 前記第１の複数の空気流静翼（５４）の少なくとも幾つかは、それぞれの半径方向を向いた枢軸ピン（６４）を中心に調節可能である、請求項６記載のタービン燃焼器ライナ組立体。
10. 上流端部及び下流端部を持つ燃焼器ライナ（３２）と、
    前記ライナの前記下流端部に取り付けられた移行ダクト（４０）と、
    前記燃焼器ライナ（３２）を取り囲み、該ライナとの間に第１の半径方向流路を画成する第１の空気流スリーブ（３８）と、
    前記空気流スリーブ（３８）の後端部に設けられた前記第１の半径方向流路への第１の環状入口であって、当該第１の環状入口を介して前記第１の半径方向流路に入る空気を旋回させるように配列された複数の円周方向に間隔をおいて設けられた角度付き空気流静翼（５４）を備えた第１の環状入口と、
    前記移行ダクト（４０）を取り囲む衝突スリーブ（４２）であって、半径方向における前記移行ダクト（４０）と当該衝突スリーブ（４２）との間に、前記第１の環状流路と連通する第２の環状流路を画成する衝突スリーブ（４２）と、
    流れの方向に関して前記第１の環状入口よりも上流に設けられた前記第１の環状流路への第２の環状入口であって、当該第２の環状入口を介して前記第１の環状流路に入る空気を旋回させるように前記第１の環状流路の周りに円周方向に配列された第２の複数の空気流静翼（６０）を備えた第２の環状入口と、を有し、
    前記第１の複数の空気流静翼（５４）は、前記空気流スリーブ（３８）と前記移行ダクト（４０）を取り囲む衝突スリーブ（４２）に前記空気流スリーブ（３８）を取り付ける環状継手（４４）との間に半径方向に延在し、且つ前記空気流スリーブ（３８）及び前記環状継手（４４）に係合しており、
    前記第２の複数の空気流静翼（６０）は、前記燃焼器ライナ（３２）と前記衝突スリーブ（４２）との間に半径方向に延在しており、更に、
    前記第１及び第２の複数の空気流静翼（５４，６０）の各々が前縁部分（５５）及び後縁部分（５７）を含み、該前縁部分（５５）が前記第１の環状流路の中への流れの方向に関して前記後縁部分（５７）よりも上流に位置していること、
    を特徴とするタービン燃焼器ライナ組立体。