JP2011232022A - 接線方向燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】空気流を回転させてタービン内に送る。
【解決手段】
ガス・タービンに対する燃焼領域が、チャンバを画定するケーシング（３２）と、ケーシング内に配置され環状パターンに配向された複数の燃焼筒（３４）と、複数の尾筒（３６）であってそれぞれ燃焼筒の１つと結合される複数の尾筒（３６）とを備える。尾筒は、燃焼筒から出た燃焼生成物をガス・タービンの回転動翼と接触させるように送る。各尾筒は、２つの平面において角度が付けられていて、燃焼生成物の回転を引き起こすとともに、ガス・タービンを短くしている。
【選択図】図２

Description

本発明はガス・タービンに関し、より詳細には、空気流を回転させてタービン内に送るための構造を備えるガス・タービンに対する燃焼領域に関する。

ガス・タービンの動作中、ガス流が燃焼器から排出されて、移行ダクトを経由して第１段の静翼およびブレード（回転動翼）に送られる。ガス流が移行ダクトの出口から排出されると、流れが第１段の静翼を通る。第１段の静翼の機能は、流れを加速してその方向を周方向に変えることで、静翼の後縁を離れるガス流の主な流れ方向を、長手方向に対して周方向または接線方向に角度を付けるようにすることである。その結果、このように回転した流れは、長手方向成分および周方向成分を有する。流れ角は、実質的な、長手軸から測って４０度〜８５度の範囲とすることができる。ガス流を加速して長手方向に対して周方向に角度を付けることによって、結果として生じるガス流は、そのエネルギーを第１の列のブレードに、より効果的に与え、ブレードはその結果、付随するロータ・アセンブリを回転させる。

第１段の静翼を用いて長手方向のガス流を加速して周方向に方向を変えることは、いくつかの問題を呈している。静翼および付随する静翼支持構造は、高温高圧ガス流の方向を比較的短い距離の間に実質的な角度に渡って変える際に生じる力に耐えるように、高張力特性を有さなければならない。またこの回転プロセスによって生じるガス流および熱の温度には、静翼冷却システムが必要である。関連する力および熱によって、静翼および付随する支持構造が割れる可能性が、そうでなければ損傷を受ける可能性がある。これらの種々の要求および動作条件に対処するために、第１段の静翼、付随する支持構造、および冷却システムは発展して複雑なシステムになっているため、製造、設置、および、損傷が生じた場合には修復および交換に、費用がかかる可能性がある。

第１段のノズルによって、約１．５％の全圧落下が付加され、装置の全圧力比が低下する。性能は圧力比に密接に関係している。エンジン性能の別の主要な関心事は、寄生流れである。従来技術の空冷式ガス・タービンにおける最低限の圧縮機質量流は、総合的なタービン性能の大きな低下を表わしている。この空気流は、（１）回転／絞り静翼の濡れ面積を非常に小さくすること（回転／絞り静翼が必要である場合）、（２）尾筒静翼の閉回路冷却を用いることが可能、（３）静翼を冷却した後に燃焼器を通過する空気を用いることが可能によって、減らすかまたは効果的に取り除くことができる。

米国特許第５，１２５，７９６号明細書

第１段の静翼に付随する複雑化、関連コスト、および損傷危険性を伴うことなく、第１段のブレード配列に与えるために、ガス流を加速して接線方向に方向を変えることは望ましいであろう。

典型的な実施形態においては、ガス・タービンに対する燃焼領域であって、ガス・タービンは、燃焼領域からの燃焼生成物によって駆動される回転動翼を備える燃焼領域が提供される。燃焼領域は、チャンバを画定するケーシングと、ケーシング内に配置され環状パターンに配向された複数の燃焼筒と、複数の尾筒であってそれぞれ燃焼筒のそれぞれと結合される複数の尾筒と、を備える。尾筒は、燃焼筒から出た燃焼生成物を回転動翼と接触させるように送る。各尾筒は、２つの平面において角度が付けられていて、燃焼生成物の回転を引き起こすとともに、ガス・タービンを短くしている。

別の典型的な実施形態においては、燃焼領域の尾筒は、環状パターンに対して接線方向に、また流れ方向において軸方向に角度が付けられている。

さらに別の典型的な実施形態においては、燃焼生成物をガス・タービンの回転動翼と接触させるように送る方法が、複数の燃焼筒を燃焼器ケーシング内で環状パターンに配向するステップと、複数の尾筒であってそれぞれ燃焼筒の１つと結合される複数の尾筒を設けるステップと、尾筒を軸流方向に対して接線方向に角度を付けるステップと、を含む。

従来の燃焼器の断面図である。 記載した実施形態のガス・タービンにおける燃焼領域の端面図である。 尾筒の軸方向配向を示す燃焼領域の側面図である。 絞りガイド／静翼を備える尾筒を伴う実施形態を示す図である。 回転する尾筒を伴う実施形態を示す図である。

図１に、ガス・タービンに対する典型的な燃焼器を例示する。ガス・タービンは、圧縮機、複数の燃焼器、およびタービンを備えている。圧縮機によって、入口空気は加圧され、次に逆に流されて燃焼器に至り、そこで燃焼器を冷却して燃焼プロセスに空気を供給するために用いられる。燃焼器１０は、燃焼ゾーンを画定する内筒１２と、燃焼器の出口端をタービンの入口端に接続して燃焼生成物をタービンに送出する尾筒１４とを備えている。燃焼尾筒１４とタービン第１段のノズルとの間の境界面では、ガス経路内への漏れを減らすためにシールを用いる必要がある。

図２は、ガス・タービンに対する燃焼領域３０の端面図である。燃焼領域３０は、チャンバを画定するケーシング３２と、図示するようにケーシング内に配置され環状パターンに配向された複数の燃焼筒３４とを備える。複数の尾筒３６（それぞれ燃焼筒３４のそれぞれと結合されている）は、燃焼筒３４から出た燃焼生成物をタービンの回転動翼と接触させるように送る働きをする。各尾筒３６は、２つの平面において角度が付けられていて、燃焼生成物の回転を引き起こすとともに、ガス・タービンを短くしている。

図２に示すように、尾筒３６は、燃焼筒３４の環状パターンに対して接線方向に角度が付けられている（Ｘ−Ｙ平面内、Ｚ軸は図２のページ奥に向かう）。さらに加えて、尾筒は、図３に示すように、流れ方向において軸方向に（すなわち、タービン動翼に向かう方向に）角度が付けられている（Ｙ−Ｚ平面内、Ｘ軸は図３のページ奥に向かう）。角度は、回転動翼から仕事を取り出す適切な入射角度をもたらすように決定されている。この角度はタービン・デザインによって変わる。

この構造によって、ガス・タービン性能および構成に対して利益が得られる。特に、フランジ・フランジ間長さを短くすることができ、第１段のノズルでの圧力損失を大幅に小さくすることができ、また第１段のノズルの冷却および漏れ流れを大幅に小さくすることができる。燃焼器を接線方向に角度を付けることによって、燃焼器は、通常はタービンの第１段のノズルにおいて施される回転効果の全部または一部を実現することができる。結果として、空気流を回転させて第１段の動翼内に送るプロセスにおいて生じる圧力低下がはるかに小さくなる。

図４を参照して、さらに別の代替案の配置において、尾筒は絞り静翼３８を備える。絞り静翼は、尾筒の側面に外形をつけることによって形成しても良い。絞り静翼は、流れをさらに加速して真っ直ぐにし、空気を、第１段動翼において仕事を取り出す理想状態にするであろう。

最近の空力解析によれば、絞り静翼は必要ではない場合がある。図５を参照して、代替的な構成において、尾筒３６の端部を、おそらく３０度以上まで回転させて、必要な全体回転を与えても良い。

回転が起きているところでは熱伝達が大きくなるために、熱負荷の別の大きい減少が生じる。周方向の回転が、高温側（ここでは燃焼室の前）で限られているかまたは無い場合、結果として、高温側での熱伝達は小さくなる。空気を回転させる一方で空気が依然として低温であるということが、この構成の著しい優位点である。

さらに加えて、回転／絞り静翼（必要な場合）は、濡れ面積が現状の第１段のノズルよりもはるかに小さい。その結果、静翼を許容可能な材料温度に保つために必要な熱伝達が小さくなる。また、燃焼器尾筒と第１段の案内羽根（ｔｕｒｎｉｎｇ ｖａｎｅ）とを一体にすることによって、最終的に燃焼器を通過してノズルを冷却する空気を用いる機会が促進される。燃焼器尾筒は第１段のノズルの代わりになるため、従来のデザインの場合のようなこれら二片間の干渉漏洩（ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｌｅａｋａｇｅ）はない。

本発明を、現時点で最も実用的で好ましい実施形態と考えられるものに関連させて説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されず、それどころか、添付の請求項の趣旨および範囲に含まれる種々の変更および等価な配置に及ぶことが意図されていることを理解されたい。

Claims (15)

1. ガス・タービンに対する燃焼領域であって、ガス・タービンは、前記燃焼領域からの燃焼生成物によって駆動される回転動翼を備え、
   前記燃焼領域は、
   チャンバを画定するケーシング（３２）と、
   前記ケーシング内に配置され環状パターンに配向された複数の燃焼筒（３４）と、
   複数の尾筒（３６）であって、それぞれ前記燃焼筒の１つと結合されて前記燃焼筒からの前記燃焼生成物を前記回転動翼と接触させるように送り、軸流方向に対して接線方向に角度が付けられている、複数の尾筒（３６）と、を備える燃焼領域。
2. 前記燃焼筒（３４）および前記尾筒（３６）はすべて、前記軸流方向に対して接線方向に相応に角度が付けられている請求項１に記載の燃焼領域。
3. 前記燃焼筒（３４）および前記尾筒（３６）は、前記回転動翼による仕事を取り出す適切な入射角度をもたらすように角度が付けられている請求項１に記載の燃焼領域。
4. 前記複数の尾筒（３６）の端部が回転している請求項１に記載の燃焼領域。
5. 前記前記複数の尾筒（３６）の端部が３０度まで回転している請求項４に記載の燃焼領域。
6. 前記複数の尾筒（３６）は絞り静翼（３８）を備える請求項１に記載の燃焼領域。
7. 前記絞り静翼（３８）は、前記尾筒の側辺に外形をつけることによって形成される請求項６に記載の燃焼領域。
8. ガス・タービンに対する燃焼領域であって、ガス・タービンは、前記燃焼領域からの燃焼生成物によって駆動される回転動翼を備え、
   前記燃焼領域は、
   チャンバを画定するケーシング（３２）と、
   前記ケーシング内に配置され環状パターンに配向された複数の燃焼筒（３４）と、
   複数の尾筒（３６）であって、それぞれ前記燃焼筒の１つと結合されて前記燃焼筒からの前記燃焼生成物を前記回転動翼と接触させるように送り、それぞれ、２つの平面において角度が付けられていて、前記燃焼生成物の回転を引き起こし前記ガス・タービンを短くする、複数の尾筒（３６）と、を備える燃焼領域。
9. 前記２つの平面は周方向面および接平面を含む請求項８に記載の燃焼領域。
10. 燃焼生成物をガス・タービンの回転動翼と接触させるように送る方法であって、
    複数の燃焼筒（３４）を燃焼器ケーシング（３２）内で環状パターンに配向することと、
    複数の尾筒（３６）であってそれぞれ前記燃焼筒のそれぞれと結合される複数の尾筒（３６）を設けることと、
    前記尾筒を軸流方向に対して接線方向に角度を付けることと、を含む方法。
11. 前記燃焼筒（３４）および前記尾筒（３６）はすべて、前記軸流方向に対して接線方向に相応に角度が付けられている請求項１０に記載の方法。
12. 前記角度を付けるステップは、前記回転動翼による仕事を取り出す適切な入射角度をもたらすように前記尾筒（３６）に角度を付けることによって実施される請求項１０に記載の方法。
13. 前記燃焼筒（３４）からの燃焼生成物を前記尾筒を通して前記回転動翼と接触させるように流すことをさらに含む請求項１０に記載の方法。
14. 前記流すステップは、前記燃焼生成物を前記環状パターンに対して接線方向に回転させることと、前記燃焼生成物を軸方向に前記回転動翼に向けて回転させることと、を含む請求項１３に記載の方法。
15. 前記角度を付けるステップは、前記尾筒（３６）を前記回転動翼の対応する案内羽根と一体にすることを含む請求項１４に記載の方法。