JP2013213492A - 移行ノズル燃焼システム - Google Patents

Abstract

【課題】本出願は冷却流れと共に使用されるための燃焼システムを提供する。
【解決手段】この燃焼システムは、ヘッド端部と、後端部と、ヘッド端部から後端部まで延在する移行ノズルと、移行ノズルの周りにある衝突スリーブとを含むことができる。衝突スリーブは、冷却流れの第１の部分のための、ヘッド端部に連通された第１の空洞と、冷却流れの第２の部分のための、後端部に連通された第２の空洞とを画定することができる。移行ノズルは、冷却流れの第２の部分に連通された複数の冷却孔をその上に備えることができる。
【選択図】図１

Description

本出願および得られる特許は概してガスタービンエンジンに関し、より詳細には、入口温度を上げて全体の効率を向上させるために、冷却圧力の損失を最小にする移行ノズル（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｎｏｚｚｌｅ）を備える燃焼システムに関する。

移行ノズル燃焼システム（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｎｏｚｚｌｅ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）（付随的燃焼器（ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ）としても知られる）では、燃焼システムはタービンの第１のステージに統合され得る。具体的には、燃焼器の幾何学的構成が、ライナと、第１のステージのノズル静翼の機能に取って代わるように構成される移行部片とを含むことができる。したがって、この構成は、タービン内で効率的に使用されるようにするために、高温燃焼ガスの流れを加速させてその高温燃焼ガスの流れを燃焼器からの長手方向から円周方向へと方向転換するのに使用され得る。したがって、移行ノズル燃焼システムの効率では、一般に、統合されたライナと、移行部片と、第１のステージのノズル静翼とに跨がる圧力降下を制限することに焦点が当てられる。さらに、効率に関して、燃焼ガス流れにより閉塞する可能性がある移行ノズルの特に後部近くにおける、付随的な冷却用の漏れ流れ（ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｃｏｏｌｉｎｇ ａｎｄ ｌｅａｋａｇｅ ｆｌｏｗ）を制限することに焦点が当てられる場合がある。具体的には、移行ノズルおよび付随する支持構造体は、高マッハ数の燃焼ガス流れに付随する空力的熱負荷に耐えるために冷却システムを必要とする場合がある。その場合、冷却流れの一部がフィルム冷却により移行ノズルを冷却するのに使用され得る。しかし、この一部の冷却流れは燃焼流れを装入することには関与しないことから、システム全体の性能を低下させる。

米国特許出願公開第２０１１／０２４７３４１号公報

したがって、移行ノズル燃焼システムを改善することが所望される。好適には、このような移行ノズル燃焼システムは、高温燃焼ガス経路の周りに配置される構成要素を十分に冷却することを可能にすると共に、付随的な冷却用の漏れ流れの量を制限することができ、それにより構成要素の寿命が延び、さらには全体の効率が向上する。

したがって、本出願および得られる特許は、冷却流れと共に使用されるための燃焼システムを提供する。この燃焼システムは、ヘッド端部と、後端部と、ヘッド端部から後端部まで延在する移行ノズルと、移行ノズルの周りにある衝突スリーブ（ｉｍｐｉｎｇｅｍｅｎｔ ｓｌｅｅｖｅ）とを含むことができる。衝突スリーブは、冷却流れの第１の部分のための、ヘッド端部に連通された第１の空洞と、冷却流れの第２の部分のための、後端部に連通された第２の空洞とを画定することができる。移行ノズルは、冷却流れの第２の部分に連通された複数の冷却孔をその上に含むことができる。

本出願および得られる特許は、冷却流れと共に使用されるための移行ノズル燃焼システムをさらに提供する。この移行ノズル燃焼システムは、ヘッド端部から後端部まで延在する移行ノズルと、移行ノズルの周りにある衝突スリーブとを含むことができる。移行ノズルは、統合されたライナと、移行部片と、第１のステージのノズル静翼とを含むことができる。衝突スリーブは、冷却流れの第１の部分を誘導するための、ヘッド端部に連通された第１の空洞と、冷却流れの第２の部分を誘導するための、後端部に連通された第２の空洞とを画定することができる。

本出願および得られる特許は、冷却流れと共に使用されるための移行ノズル燃焼システムをさらに提供する。この移行ノズル燃焼システムは、ヘッド端部から後端部まで延在する移行ノズルと、移行ノズルの周りにある衝突スリーブとを含むことができる。衝突スリーブは、冷却流れの第１の部分を誘導するための、ヘッド端部に連通された第１の空洞と、冷却流れの第２の部分を誘導するための、後端部に連通された第２の空洞とを画定することができる。衝突スリーブはまた、第１の空洞と第２の空洞とを分割するスプリッタレールを含むことができる。移行ノズルは、冷却流れの第２の部分に連通された複数の冷却孔をその上に含むことができる。

本出願および得られる特許のこれらのおよび別の特徴および改善が、複数の図面および添付の特許請求の範囲と併せて以下の詳細な説明を読むことにより、当業者には明らかとなる。

圧縮システムと、燃焼システムと、タービンとを備えるガスタービンエンジンを示す概略図である。 図１のガスタービンエンジンと共に使用され得る燃焼システムを示す概略図である。 本明細書で説明され得る移行ノズル燃焼システムを示す部分斜視図である。 図３の移行ノズル燃焼システムと共に使用され得る衝突スリーブの一部分を示す概略図である。 後端部から見た、図３の移行ノズル燃焼システムを示す部分断面図である。

次に、複数の図を通して同様の参照符号が同様の要素を示している図面を参照すると、図１が、本明細書で使用され得るガスタービンエンジン１０の概略図を示している。ガスタービンエンジン１０は圧縮システム１５を含むことができる。圧縮システム１５が空気２０の流入流れを圧縮する。圧縮システム１５が空気２０の圧縮された流れを燃焼システム２５に送る。燃焼システム２５が、空気２０の圧縮された流れを燃料３０の加圧された流れと混合してそれらの混合物を点火し、燃焼ガス３５の流れを作る。次いで、燃焼ガス３５の流れがタービン４０に送られる。燃焼ガス３５の流れがタービン４０を駆動させ、機械仕事が得られる。タービン４０で得られる機械仕事がシャフト４５を介して圧縮システム１５を駆動させ、さらには、発電機などの外部負荷５０を駆動させる。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、種々のタイプの合成ガス、および／または、別のタイプの燃料を使用することができる。ガスタービンエンジン１０は、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙ ｏｆ Ｓｃｈｅｎｅｃｔａｄｙ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋなどから提供される多数の異なるガスタービンエンジンのうちの任意の１つであってよい。ガスタービンエンジン１０は異なる構成を有することができ、別のタイプの構成要素を使用することもできる。本明細書では別のタイプのガスタービンエンジンも使用され得る。本明細書では、多重ガスタービンエンジン（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ ｅｎｇｉｎｅ）、別のタイプのタービン、および、別のタイプの動力発生設備も共に使用され得る。

図２は、ガスタービンエンジン１０で使用され得る燃焼システム２５の一実施例を示す。典型的な燃焼システム２５は複数の燃料ノズル６５を備えるヘッド端部６０を含むことができる。ライナ６８および移行部片７０が、燃料ノズル６５の下流側で、タービン４０の複数の第１のステージのノズル静翼８０の周りの後端部７５まで延在してよい。衝突スリーブ８５がライナ６８および移行部片７０を囲んでよく、衝突スリーブ８５はライナ６８および移行部片７０に対して冷却流れを提供する。別のタイプの燃焼器２５ならびに別のタイプの構成要素および別の構成も知られている。

圧縮システム１５または別の場所からの冷却流れ９０が衝突スリーブ８５を通過することができる。冷却流れ９０はライナ６８および移行部片７０を冷却するのに使用され得、さらには、燃焼ガス３５の流れを装入するのに少なくとも部分的に使用され得る。流れ９０の一部は後端部７５に向かうことができ、第１のステージのノズル静翼８０および関連する構成要素を冷却するのに使用され得る。別の種類の冷却流れが使用されてもよい。流れ９０のこの一部は燃焼流れ３５を装入するのに使用されないことから、冷却流れ９０の一部がこのように損失されることは付随的な損失に繋がる。

図３は、本明細書で説明され得る移行ノズル燃焼システム１００の一部分の一実施例を示す。移行ノズル燃焼システム１００は移行ノズル１１０を含むことができる。移行ノズル１１０は、上述した形と同様の形で、ライナと、移行部片と、第１のステージのノズル静翼との統合型の構成を有する。移行ノズル１１０は、燃料ノズル６５の周りのヘッド端部１２０から、第１のタービンステージ１５０内の複数のバケットブレードの周りの近位側の閉塞流れ領域（ｎｅａｒ ｃｈｏｋｅｄ ｆｌｏｗ ｒｅｇｉｏｎ）１３０および移行ノズル後端部１４０まで延在する。したがって、移行ノズル燃焼システム１００は統合型の燃焼システムとみなされ得る。本明細書では別の構成内で別のタイプの燃焼器も使用され得る。

図４は、移行ノズル燃焼システム１００の移行ノズル１１０の一部分を示す。具体的には、衝突スリーブ１６０が、移行ノズル１１０を囲んでいてよく、ヘッド端部１２０および後端部１４０に連通されていてよい。移行ノズル１１０および衝突スリーブ１６０はそれらの間に複数の空洞を形成することができ、第１の空洞１７０はヘッド端部１２０に連通され、第２の空洞１８０は後端部１４０に連通される。空洞１７０、１８０は空洞スプリッタレール１９０によって分割され得る。したがって、冷却流れ２００が第１の空洞１７０内の第１の流れ２１０と第２の空洞１８０内の第２の流れ２２０とに分割され得る。したがって、第１の流れ２１０はヘッド端部１２０に向かい、燃焼ガス３５の流れを装入するのに使用され得る。第２の空洞１８０内の第２の流れ２２０は後端部１４０に向かう。第２の流れ２２０はフィルム冷却流れまたは別のタイプの冷却流れに使用され得る。したがって、第２の流れ２２０は、近位側の閉塞流れ領域１３０の周りに配置される複数の冷却孔２３０に連通され得る。

具体的には、冷却孔２３０は、近位側の閉塞流れ領域１３０の周りの外側側壁２４５上にある複数の外側側壁フィルム孔２４０と、近位側の閉塞流れ領域１３０の周りの内側側壁２５５上にある複数の内側側壁フィルム孔２５０と、近位側の閉塞流れ領域１３０の周りの圧力側２６５にある複数の圧力側フィルム孔２６０と、近位側の閉塞流れ領域１３０の周りの吸込側２７５にある複数の吸込側フィルム孔２７０とを含むことができる。さらに、複数の外側側壁後部冷却孔２８０が外側側壁２４５上に配置されてよく、複数の内側側壁後部冷却孔２９０が内側側壁２５５上に配置されてよい。さらに、複数の後縁端部冷却スロット３００が後縁部３０５上で使用され得る。第２の衝突空洞の流れ（ｉｍｐｉｎｇｅｍｅｎｔ ｃａｖｉｔｙ ｆｌｏｗ）２２０は後縁端部冷却スロット３００に連通され得る。冷却孔２３０のサイズ、形状および構成は多様であってよい。冷却孔２３０のすべてを使用する必要があるわけではない。冷却孔２３０は、サイズ、形状、数、向きおよび位置が多様であってよい。冷却孔２３０はまた、ファイル冷却効率を向上させるために出口表面のところにディフューザを含むことができる。本明細書では別の構成要素および別の構成も使用され得る。

したがって、冷却孔２３０を使用することにより、燃焼ガスの空力負荷が最も高くなるところの移行ノズル１１０の後縁端部が効果的に冷却される。具体的には、冷却孔２３０のこの配置構成は、移行ノズル１１０の近位側の閉塞流れ領域１３０の周りのフィルム冷却の要求条件を制限する働きをする。したがって、冷却流れの要求条件が軽減されることにより、そこを跨がっての圧力損失が低減される。付随的な圧力損失の代りに、冷却流れがこのように節約されることにより、この分の冷却流れが燃焼ガス流れ３５の流れを装入することに使用され得るようになり、それにより入口温度が上がり、燃焼器全体の性能が向上する。

本明細書で説明される移行ノズル燃焼システム１００は高温表面上に遮熱コーティングを含むことができ、それにより冷却の要求条件が軽減され、システムおよびエンジンの全体の性能がさらに向上する。同様に、本明細書の構成要素は、高温に耐えることができかつ冷却の要求条件を軽減することができるセラミック金属複合材料などの高性能材料から作られてよい。

上記が、単に、本出願および得られる特許の特定の実施形態のみに関連することは明白である。本明細書では、以下の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される本発明の全体の精神および範囲から逸脱することなく、当業者により多くの変更および修正がなされ得る。

１０ ガスタービンエンジン
１５ 圧縮システム
２０ 空気
２５ 燃焼システム
３０ 燃料
３５ 燃焼ガス
４０ タービン
４５ シャフト
５０ 負荷
６０ ヘッド端部
６５ 燃料ノズル
６８ ノズル
７０ 移行部片
７５ 後端部
８０ 第１のステージ
８５ 衝突システム
９０ 流れ
１００ 移行ノズル燃焼システム
１１０ 移行ノズル
１２０ ヘッド端部
１３０ 近位側の閉塞流れ領域
１４０ 後端部
１５０ 第１のステージ
１６０ 衝突スリーブ
１７０ 第１の空洞
１８０ 第２の空洞
１９０ スプリッタレール
２００ 冷却流れ
２１０ 第１の流れ
２２０ 第２の流れ
２３０ 冷却孔
２４０ 外側側壁フィルム孔
２４５ 外側側壁
２５０ 内側側壁フィルム孔
２５５ 内側側壁
２６０ 圧力側フィルム孔
２６５ 圧力側
２７０ 吸込側フィルム孔
２７５ 吸込側
２８０ 外側側壁後部冷却孔
２９０ 内側側壁後部冷却孔
３００ 後縁端部スロット
３０５ 後縁端部

Claims (20)

1. 冷却流れと共に使用されるための燃焼システムであって、
   ヘッド端部、
   後端部、
   前記ヘッド端部から前記後端部まで延在する移行ノズル、
   前記移行ノズルの周りにあり、前記冷却流れの第１の部分のための、前記ヘッド端部に連通された第１の空洞と、前記冷却流れの第２の部分のための、前記後端部に連通された第２の空洞とを画定する衝突スリーブ、および
   前記移行ノズルの周りに配置され、前記冷却流れの前記第２の部分に連通された複数の冷却孔
   を含む燃焼システム。
2. 前記衝突スリーブが前記第１の空洞と前記第２の空洞とを分割するスプリッタレールを含む、請求項１記載の燃焼システム。
3. 前記複数の冷却孔が前記移行ノズルの近位側の閉塞流れ領域の周りに配置される、請求項１記載の燃焼システム。
4. 前記移行ノズルが、統合されたライナと、移行部片と、第１のステージのノズル静翼とを含む、請求項１記載の燃焼システム。
5. 前記移行ノズルが、複数の外側側壁フィルム冷却孔を上に備える外側側壁を含む、請求項１記載の燃焼システム。
6. 前記移行ノズルが、複数の内側側壁フィルム冷却孔を上に備える内側側壁を含む、請求項１記載の燃焼システム。
7. 前記移行ノズルが、複数の圧力側フィルム冷却孔を上に備える圧力側を含む、請求項１記載の燃焼システム。
8. 前記移行ノズルが、複数の吸込側フィルム冷却孔を上に備える吸込側を含む、請求項１記載の燃焼システム。
9. 前記移行ノズルが、複数の外側側壁後部冷却孔を上に備える外側側壁を含む、請求項１記載の燃焼システム。
10. 前記移行ノズルが、複数の内側側壁後部冷却孔を上に備える内側側壁を含む、請求項１記載の燃焼システム。
11. 前記移行ノズルが、複数の後縁端部冷却孔を上に備える後縁端部を含む、請求項１記載の燃焼システム。
12. 前記冷却流れの前記第１の部分に連通された複数の燃料ノズルをさらに含む、請求項１記載の燃焼システム。
13. 前記移行ノズルが遮熱コーティングを上に備える、請求項１記載の燃焼システム。
14. 前記ヘッド端部のところにある燃焼器と、前記後端部のところにあるタービンとをさらに含む、請求項１記載の燃焼システム。
15. 冷却流れと共に使用されるための移行ノズル燃焼システムであって、
    ヘッド端部から後端部まで延在し、統合されたライナと、移行部片と、第１のステージのノズル静翼とを含む、移行ノズル、および
    前記移行ノズルの周りにあり、前記冷却流れの第１の部分を誘導するための、前記ヘッド端部に連通された第１の空洞と、前記冷却流れの第２の部分を誘導するための、前記後端部に連通された第２の空洞とを画定する、衝突スリーブ
    を含む移行ノズル燃焼システム。
16. 前記衝突スリーブが前記第１の空洞と前記第２の空洞とを分割するスプリッタレールを含む、請求項１５記載の移行ノズル燃焼システム。
17. 前記移行ノズルが、複数の外側側壁フィルム冷却孔を上に備える外側側壁と、複数の内側側壁フィルム冷却孔を上に備える内側側壁とを含む、請求項１５記載の移行ノズル燃焼システム。
18. 前記移行ノズルが、複数の圧力側フィルム冷却孔を上に備える圧力側と、複数の吸込側フィルム冷却孔を上に備える吸込側とを含む、請求項１５記載の移行ノズル燃焼システム。
19. 前記移行ノズルが、複数の後縁端部冷却孔を上に備える後縁端部を含む、請求項１５記載の移行ノズル燃焼システム。
20. 冷却流れと共に使用されるための移行ノズル燃焼システムであって、
    ヘッド端部から後端部まで延在する移行ノズル、および
    前記移行ノズルの周りにあり、前記冷却流れの第１の部分を誘導するための、前記ヘッド端部に連通された第１の空洞と、前記冷却流れの第２の部分を誘導するための、前記後端部に連通された第２の空洞を画定する、衝突スリーブと
    を含む移行ノズル燃焼システムであって、
    前記衝突スリーブが前記第１の空洞と前記第２の空洞とを分割するスプリッタレールを含み、
    前記移行ノズルが、前記冷却流れの前記第２の部分に連通された複数の冷却孔をその上に備える、
    移行ノズル燃焼システム。