JP2013256950A - ガスタービンシステム用燃焼器ライナ冷却組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンシステム用の燃焼器ライナ冷却組立体を提供する。
【解決手段】ガスタービンシステム用の燃焼器ライナ冷却組立体は、燃焼器室２２を画定する燃焼器ライナ２０を具備する。また、燃焼器ライナ２０の少なくとも一部を包囲するフロースリーブ２４であって、各々が冷却流ジェットを燃焼器ライナ２０へ衝突させる複数の開口３２を備える少なくとも１つの開口列を含むフロースリーブ２４を具備する。さらに、フロースリーブ２４の後端２８近傍に配置された複数の流れ方向変更部品３８であって、冷却流ジェットに比較的直交して流れる衝突直交流を迂回させ、それによって冷却流ジェットに燃焼器ライナ２０への乱れのない流路をもたらす複数の流れ方向変更部品３８を具備する。
【選択図】図１

Description

本明細書で開示される主題は、ガスタービンシステムに関し、より詳細には、燃焼器ライナ冷却組立体に関する。

ガスタービンシステムの燃焼器部は、一般的に、尾筒に比較的隣接して配置された燃焼器室を備えており、高温ガスは、燃焼器室から尾筒を通ってタービン部へと進む。燃焼器室の少なくとも一部は、フロースリーブによって包囲されていることが多く、一方、尾筒の一部は衝突スリーブによって包囲されている。一般的に、フロースリーブは、燃焼器のライナの一部に対して衝突冷却を行うための複数の開口を有している。衝突スリーブおよび尾筒によって画定された領域から、フロースリーブおよび燃焼器ライナによって画定された領域へは、付加的な空気流が進んでいく。燃焼器のライナへの衝突冷却は、衝突スリーブ近傍の領域からフロースリーブ近傍の領域へ流れる付加的な空気流に比較的直交する方向においてライナへ押し当てられる冷却ジェットによって実現される。付加的な空気流は、冷却ジェットを乱すことが多く、それにより、冷却効率を低下させることになる。

米国特許第６４８４５０５号明細書

本発明の一態様によれば、ガスタービンシステム用の燃焼器ライナ冷却組立体は、燃焼器室を画定する燃焼器ライナを具備する。また、燃焼器ライナの少なくとも一部を包囲するフロースリーブであって、各々が冷却流ジェットを燃焼器ライナへ衝突させる複数の開口を備える少なくとも１つの開口列を含むフロースリーブを具備する。さらに、フロースリーブの後端近傍に配置された複数の流れ方向変更部品であって、冷却流ジェットに比較的直交して流れる衝突直交流を迂回させ、それによって冷却流ジェットに燃焼器ライナへの乱れのない流路をもたらす複数の流れ方向変更部品を具備する。

本発明の別の態様によれば、ガスタービンシステム用の燃焼器ライナ冷却組立体は、燃焼器室を画定する燃焼器ライナを具備する。また、燃焼器ライナの少なくとも一部を包囲し、後端を備えるフロースリーブであって、複数の冷却流ジェットを燃焼器ライナに衝突させるための複数の孔を含むフロースリーブを具備する。さらに、フロースリーブの後端近傍に配置された衝突スリーブであって、衝突流路が衝突スリーブおよび遷移ダクトによって画定されており、衝突直交流が衝突流路を通ってフロースリーブと燃焼器ライナとの間にある領域へと流れ込む衝突スリーブを具備する。またさらに、フロースリーブの後端近傍に配置されており、衝突直交流を迂回させる複数の流れ方向変更部品を具備する。

本発明のさらに別の態様によれば、ガスタービンシステム用の燃焼器ライナ冷却組立体は、燃焼器室を画定する燃焼器ライナを具備する。また、燃焼器ライナの少なくとも一部を包囲し、後端を備えるフロースリーブであって、複数の開口列を含み、複数の開口列の各々がフロースリーブの周りで周方向に延びる複数の開口を備え、複数の開口の各々が冷却流ジェットを燃焼器ライナに衝突させるフロースリーブを具備する。さらに、フロースリーブの後端近傍かつ衝突スリーブの前端近傍に位置させられた前方スリーブに配置され、各々が、フロースリーブの後端近傍でフロースリーブと燃焼器ライナとの間の領域に入る衝突直交流を迂回させるために、対応する第１の列の開口と共に周方向に並ぶ複数の流れ方向変更部品を具備する。

これらおよび他の利点および特徴は、図面と共に以下の説明からより明らかになる。

本発明と見なされる主題は、明細書の最後にある特許請求の範囲において、具体的に指摘され、かつ、明確に請求される。前述のおよび他の特徴、ならびに本発明の利点は、添付の図面と共に以下の詳細な説明から明らかである。

ガスタービンシステムの燃焼器部の部分概略図である。 図１の区画ＩＩの拡大図であり、燃焼器ライナ冷却組立体を示す。 燃焼器ライナ冷却組立体の複数の流れ方向変更部品の斜視図である。 第１の実施形態の複数の流れ方向変更部品の一つの拡大した斜視図である。 図４の第１の実施形態の流れ方向変更部品近傍での流れの分布の断面図である。 第２の実施形態の流れ方向変更部品の斜視図である。 第３の実施形態の流れ方向変更部品の斜視図である。 第４の実施形態の流れ方向変更部品の斜視図である。 第５の実施形態の流れ方向変更部品の斜視図である。 第６の実施形態の流れ方向変更部品の斜視図である。

詳細な記載によって、利点および特徴と共に、図面を参照しつつ例を用いて本発明の実施形態を説明する。

図１を参照すると、部分概略図によってガスタービンシステムの燃焼器部が示されており、その燃焼器部は概して符号１０で言及される。燃焼器部１０は、遷移ダクト１４を備える尾筒１２を具備し、遷移ダクト１４は、それの径方向外側に配置された衝突スリーブ１６によって少なくとも一部が包囲されている。遷移ダクト１４の上流側で、衝突スリーブ１６の前端１８近傍には、燃焼器室２２を画定する燃焼器ライナ２０がある。燃焼器ライナ２０は、それの径方向外側に配置されたフロースリーブ２４によって少なくとも一部が包囲されている。衝突スリーブ１６の前端１８とフロースリーブ２４の後端２８との間の接合位置には、前方スリーブ２６がある。

燃焼器部１０は、天然ガス、または水素を多く含む合成ガスなどの、可燃性の液体および／または気体の燃料を用いてガスタービンシステムを運転する。燃焼器室２２は、空気燃料混合物を受入および／または提供し、それによって高温の加圧された排ガスを生成する燃焼を引き起こす。燃焼器室２２は、高温の加圧されたガスを、尾筒１２を通過させてタービン部（図示せず）へと向かわせ、タービン部を回転させる。高温の加圧された排ガスは、燃焼器室２２を包囲する燃焼器ライナ２０の温度を、特に燃焼器ライナ２０の下流端３０近傍において上昇させる。燃焼器ライナ２０への過度な温度曝露に伴う問題を克服するために、フロースリーブ２４内に複数の開口３２が、複数の冷却ジェット３４の形態とされた衝突空気を燃焼器ライナ２０にもたらすように配置されている。複数の開口３２は、燃焼器ライナ２０に向かって突出し、複数の燃焼器ライナ２０に向かって冷却ジェット３４を送るための囲われた領域を提供する「シンブル」（図示せず）を適宜備えていてもよい。衝突直交流３６は、複数の冷却ジェット３４に比較的直交して流れ、燃焼器ライナ２０に沿って下流から上流へと流れる間に、燃焼器ライナ２０に対流による冷却効果を与える。具体的には、衝突直交流３６は、衝突スリーブ１６および遷移ダクト１４によって画定された領域から、フロースリーブ２４および燃焼器ライナ２０によって画定された領域へと流れる。

図２を参照すると、フロースリーブ２４の後端２８、前方スリーブ２６および衝突スリーブ１６の前端１８の拡大図が詳細に示されている。フロースリーブ２４内の複数の開口３２は、フロースリーブ２４の後端２８近傍において、一つまたは複数の周方向の列となって配置されてもよい。前方スリーブ２６は、少なくとも一つであるが一般的には複数の流れ方向変更部品３８を備えている。流れ方向変更部品３８は、前方スリーブ２６に作用可能に連結され、前方スリーブ２６の内面に沿って、周方向に間隔を空けた構成で配置されている。複数の流れ方向変更部品３８は、前方スリーブ２６と一体に形成されてもよいし、前方スリーブ２６に取り付けられてもよい。複数の流れ方向変更部品３８の各々は、燃焼器ライナ２０およびフロースリーブ２４に向かって上流に流れる衝突直交流３６と相互作用するように構成された流れ方向変更面４０を備える。複数の流れ方向変更部品３８の各々は、複数の開口３２のうちの少なくとも１つと共に比較的周方向に並んでいる。

複数の流れ方向変更部品３８は、上記で説明されており、前方スリーブ２６に作用可能に連結しているとして示されているが、代わりの実施形態は、衝突スリーブ１６の前端１８近傍で衝突スリーブ１６に作用可能に連結する複数の流れ方向変更部品３８を備えていてもよいと考えられる。また、複数の流れ方向変更部品３８は、複数の開口３２の下流に配置されている場合には、フロースリーブ２４の後端２８に作用可能に連結されてもよいと考えられる。

図３〜図５を参照すると、複数の流れ方向変更部品３８の第１の実施形態は、半円形状を有しており、前述のように、衝突直交流３６と相互作用するように構成された流れ方向変更面４０を有している。衝突直交流３６が流れ方向変更面４０と相互作用するとき、衝突直交流３６は流れ方向変更面４０の周りに迂回させられる。前述のように、複数の流れ方向変更部品３８は、複数の開口３２と共に相対的に並んでおり、そのため、複数の冷却ジェット３４は衝突直交流３６に比較的直交して流れる。衝突直交流３６を迂回させることで、複数の冷却ジェット３４の各々の乱れは、衝突直交流３６と複数の冷却ジェット３４との間での直接の相互作用がないことに基づいて低減させられ、それにより、複数の冷却ジェット３４はより効果的に燃焼器ライナ２０を冷却することができる。また、衝突直交流３６の迂回によって、衝突直交流３６の平均速度を増加させ、燃焼器ライナ２０上における衝突直交流３６の流れに伴う対流による熱伝達を増加させる。

ここで図６を参照すると、複数の流れ方向変更部品３８の第２の実施形態が示されており、図３〜図５に示す第１の実施形態と同様の構造となっている。具体的には、複数の流れ方向変更部品３８の第２の実施形態は、流れ方向変更面４０を通過した後の衝突直交流３６の再循環における渦の形成を低減するための複数の孔４２を備えている。

図７を参照すると、複数の流れ方向変更部品３８の第３の実施形態が示されており、前述の実施形態と同様の構造となっている。複数の流れ方向変更部品３８の第３の実施形態は、前述の半円形状を有する第１の部分４４を備え、その第１の部分４４は、第１の端４６および第２の端４８で途切れる流れ方向変更面４０を有する。第１の端４６および第２の端４８のうちの少なくとも一方から上流へと軸線方向に延びるのは、衝突直交流３６を軸線方向に沿って流すための追加的な軸線方向構造体を提供する第２の部分５０である。第２の部分５０によって提供される追加的な構造体は、複数の流れ方向変更部品３８と複数の冷却ジェット３４との間の軸線方向の空間を小さくし、それによって、衝突直交流３６が複数の冷却ジェット３４を乱す可能性を低くしている。第３の実施形態は、第２の実施形態と関連して上記で説明した複数の孔４２と共に示されているが、第３の実施形態は、第２の部分５０を備えているが、複数の孔４２を備えていなくてもよいことは理解されよう。

ここで図８〜図１０を参照すると、複数の流れ方向変更部品３８の追加的な実施形態が示される。追加の実施形態は、前述の実施形態と同様であるが、半円形状ではなく、三角形状を有している。具体的には、複数の流れ方向変更部品３８の第４の実施形態（図８）は、半円形状の実施形態の流れ方向変更面４０に関連して上記で説明したように、衝突直交流３６と相互作用するように構成された流れ方向変更先端部５２を有する三角形状を有している。また、第５の実施形態（図９）は、複数の孔４２を備えている。複数の孔４２を含む、上記で説明した実施形態と同様に、複数の孔４２は、様々な角度で、かつ、様々な数および形状で配置されてもよく、使用する用途に依存することになる。第６の実施形態（図１０）は、流れ方向変更先端部５２から第１の端５６および第２の端５８に延びる第１の三角部分５４を備え、上記で説明した第３の実施形態と同様に、少なくとも１つの第２の部分６０がそれらの端から延びていてもよい。第３の実施形態の同様に、複数の孔４２が示されているが、第６の実施形態は、少なくとも１つの第２の部分６０を備えているが、複数の孔４２を備えていなくてもよいことは理解されよう。複数の流れ方向変更部品３８は、上記で説明したように具体的な形状を有しているが、衝突直交流３６を迂回させることができる任意適切な形状を、複数の流れ方向変更部品３８として採用することができることは理解されよう。

本発明は、限られた数の実施形態だけに関連して詳細に説明されたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは容易に理解されるはずである。むしろ、本発明は、ここまで説明しなかったが、本発明の精神および範囲に見合う変形物、代用物、代替物、または同等の構成物をいくつでも組み入れるように改良することができる。また、本発明の様々な実施形態が説明されたが、本発明の態様は、説明された実施形態の一部だけを含んでいてもよいことは理解されることである。したがって、本発明は前述の説明によって限定されるとして解釈されることはなく、添付の特許請求の範囲によって限定されるのみである。

１０ 燃焼器部
１２ 尾筒
１４ 遷移ダクト
１６ 衝突スリーブ
１８ 前端
２０ 燃焼器ライナ
２２ 燃焼器室
２４ フロースリーブ
２６ 前方スリーブ
２８ 後端
３０ 下流端
３２ 開口
３４ 冷却ジェット
３６ 衝突直交流
３８ 流れ方向変更部品
４０ 流れ方向変更面
４２ 複数の孔
４４ 第１の部分
４６ 第１の端
４８ 第２の端
５０ 第２の部分
５２ 流れ方向変更先端部
５４ 第１の三角部分
５６ 第１の端
５８ 第２の端

Claims (20)

1. ガスタービンシステム用の燃焼器ライナ冷却組立体であって、
   燃焼器室を画定する燃焼器ライナと、
   前記燃焼器ライナの少なくとも一部を包囲するフロースリーブであって、各々が冷却流ジェットを前記燃焼器ライナへ衝突させる複数の開口を備える少なくとも１つの開口列を含むフロースリーブと、
   前記フロースリーブの後端近傍に配置された複数の流れ方向変更部品であって、前記冷却流ジェットに比較的直交して流れる衝突直交流を迂回させ、それによって前記冷却流ジェットに前記燃焼器ライナへの乱れのない流路をもたらす複数の流れ方向変更部品と
   を具備する燃焼器ライナ冷却組立体。
2. 前記少なくとも１つの開口列は前記フロースリーブの前記後端近傍に配置されており、前記複数の流れ方向変更部品は、周方向に並べられ、前記少なくとも１つの開口列の前記複数の開口と共に周方向に並べて配置されている、請求項１記載の燃焼器ライナ冷却組立体。
3. 前記フロースリーブの前記後端近傍かつ衝突スリーブの前端近傍に配置された前方スリーブをさらに具備し、前記複数の流れ方向変更部品は、前記前方スリーブの内面に作用可能に連結されている、請求項１記載の燃焼器ライナ冷却組立体。
4. 前記フロースリーブの前記後端近傍に配置された衝突スリーブをさらに具備し、前記複数の流れ方向変更部品は、前記衝突スリーブの内面に作用可能に連結されている、請求項１記載の燃焼器ライナ冷却組立体。
5. 前記衝突直交流は、衝突スリーブおよび遷移ダクトによって画定された領域から前記フロースリーブの前記後端に向かい、前記フロースリーブおよび前記燃焼器ライナによって画定された領域へと流れ込む、請求項１記載の燃焼器ライナ冷却組立体。
6. 前記複数の流れ方向変更部品の各々は、半円形状の第１の部分を備える、請求項１記載の燃焼器ライナ冷却組立体。
7. 前記複数の流れ方向変更部品の各々は、少なくとも１つの孔を備える、請求項６記載の燃焼器ライナ冷却組立体。
8. 前記複数の流れ方向変更部品の各々は、前記第１の部分の少なくとも一端から軸線方向に延びる第２の部分をさらに備える、請求項６記載の燃焼器ライナ冷却組立体。
9. 前記複数の流れ方向変更部品の各々は、三角形状の第１の部分を備える、請求項１記載の燃焼器ライナ冷却組立体。
10. 前記複数の流れ方向変更部品の各々は、少なくとも１つの孔を備える、請求項９記載の燃焼器ライナ冷却組立体。
11. 前記複数の流れ方向変更部品の各々は、前記第１の部分の少なくとも一端から軸線方向に延びる第２の部分をさらに備える、請求項９記載の燃焼器ライナ冷却組立体。
12. ガスタービンシステム用の燃焼器ライナ冷却組立体であって、
    燃焼器室を画定する燃焼器ライナと、
    前記燃焼器ライナの少なくとも一部を包囲し、後端を備えるフロースリーブであって、複数の冷却流ジェットを前記燃焼器ライナに衝突させるための複数の孔を含むフロースリーブと、
    前記フロースリーブの前記後端近傍に配置された衝突スリーブであって、衝突流路が前記衝突スリーブおよび遷移ダクトによって画定されており、衝突直交流が前記衝突流路を通って前記フロースリーブと前記燃焼器ライナとの間にある領域へと流れ込む衝突スリーブと、
    前記フロースリーブの前記後端近傍に配置されており、前記衝突直交流を迂回させる複数の流れ方向変更部品と
    を具備する燃焼器ライナ冷却組立体。
13. 前記複数の開口は第１の開口列を備え、前記複数の流れ方向変更部品は、周方向に並べられ、前記第１の開口列の前記複数の開口と共に周方向に並べて配置されている、請求項１２記載の燃焼器ライナ冷却組立体。
14. 前記フロースリーブの前記後端近傍かつ前記衝突スリーブの前端近傍に配置された前方スリーブをさらに具備し、前記複数の流れ方向変更部品は、前記前方スリーブの内面に作用可能に連結されている、請求項１２記載の燃焼器ライナ冷却組立体。
15. 前記複数の流れ方向変更部品は、前記衝突スリーブの内面に作用可能に連結されている、請求項１２記載の燃焼器ライナ冷却組立体。
16. 前記複数の流れ方向変更部品の各々は、前記衝突直交流を迂回させるように配置された流れ方向変更面を有する半円形状を有する、請求項１２記載の燃焼器ライナ冷却組立体。
17. 前記複数の流れ方向変更部品の各々は、前記衝突直交流を迂回させるように配置された流れ方向変更先端部を有する三角形状を有する、請求項１２記載の燃焼器ライナ冷却組立体。
18. ガスタービンシステム用の燃焼器ライナ冷却組立体であって、
    燃焼器室を画定する燃焼器ライナと、
    前記燃焼器ライナの少なくとも一部を包囲し、後端を備えるフロースリーブであって、複数の開口列を含み、前記複数の開口列の各々がフロースリーブの周りで周方向に延びる複数の開口を備え、前記複数の開口の各々が冷却流ジェットを前記燃焼器ライナに衝突させるフロースリーブと、
    前記フロースリーブの前記後端近傍かつ衝突スリーブの前端近傍に位置させられた前方スリーブに配置され、各々が、前記フロースリーブの前記後端近傍で前記フロースリーブと前記燃焼器ライナとの間の領域に入る衝突直交流を迂回させるために、対応する第１の列の開口と共に周方向に並ぶ複数の流れ方向変更部品と
    を具備する燃焼器ライナ冷却組立体。
19. 前記複数の流れ方向変更部品のうちの少なくとも一つは、前記衝突直交流を迂回させるように配置された流れ方向変更面を有する半円形状を有する、請求項１８記載の燃焼器ライナ冷却組立体。
20. 前記複数の流れ方向変更部品のうちの少なくとも一つは、前記衝突直交流を迂回させるように配置された流れ方向変更先端部を有する三角形状を有する、請求項１８記載の燃焼器ライナ冷却組立体。