JP2015222165A - 燃焼器スリーブのバッフルを含むターボ機械の燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】ヘッド側端部へ流れる空気流の乱れを減らして燃焼器性能を向上させるターボ機械の燃焼器を提供すること。
【解決手段】ターボ機械の燃焼器は、ヘッド側端部から出口側端部まで延在する燃焼器本体を含む。燃焼器本体は、燃焼室を画定する燃焼器ライナを含む。燃焼器スリーブは燃焼器ライナを囲む。燃焼器スリーブは、燃焼器ライナから間隔を置いて配置されて通路を形成する。燃焼器スリーブは少なくとも１つの開口を含む。バッフルは通路内に配置される。バッフルは、燃焼器スリーブから、少なくとも１つの開口を横切って燃焼器本体のヘッド側端部へ向かって延在する曲線状の面を含む。バッフルは、通路を通ってヘッド側端部へ向かって流れる流体流を圧縮するように構成および配置される。
【選択図】図１

Description

本明細書で開示される主題は、ターボ機械の技術に関し、より詳細には、燃焼器スリーブのバッフルを含むターボ機械の燃焼器に関する。

ターボ機械は、共通の圧縮機／タービン軸によってタービン部に連結された圧縮機部、および燃焼器組立体を含む。流入空気流は、吸気口を通過して圧縮機部へ向かう。圧縮機部では、流入空気流はいくつかの連続する段によって圧縮され、燃焼器組立体へ向かう。燃焼器組立体では、圧縮された空気流は燃料と混合して可燃混合気を形成する。可燃混合気は、燃焼器組立体内で燃焼して高温ガスを形成する。高温ガスは、尾筒によってタービン部の高温ガス通路に沿うように導かれる。高温ガスは、いくつかのタービン段を通る高温ガス通路に沿って膨張し、翼車に取り付けられたタービン動翼エーロフォイルに作用して、例えば発電機を作動させるために出力される仕事を生成する。圧縮された空気の一部は、冷却のためにターボ機械の様々な構成部品の中を通る。場合によっては、冷却用空気は燃焼器を囲む燃焼器スリーブの中を通る。冷却用空気は可燃混合気の一部として燃焼器に入ることができる。

米国特許第８５１６８２２号公報

例示的な実施形態の態様によれば、ターボ機械の燃焼器は、ヘッド側端部から出口側端部まで延在する燃焼器本体を含む。燃焼器本体は、燃焼室を画定する燃焼器ライナを含む。燃焼器スリーブは燃焼器ライナを囲む。燃焼器スリーブは、燃焼器ライナから間隔を置いて配置されて通路を形成する。燃焼器スリーブは少なくとも１つの開口を含む。バッフルは通路内に配置される。バッフルは、燃焼器スリーブから、少なくとも１つの開口を横切って燃焼器本体のヘッド側端部へ向かって延在する曲線状の面を含む。バッフルは、通路を通ってヘッド側端部へ向かって流れる流体流を圧縮するように構成および配置される。

例示的な実施形態の別の態様によれば、ターボ機械は、圧縮機部と、圧縮機部に動作可能に接続されたタービン部と、圧縮機部およびタービン部に流体的に接続された燃焼器組立体とを含む。燃焼器組立体は、ヘッド側端部から出口側端部まで延在する燃焼器本体を有する少なくとも１つの燃焼器を含む。燃焼器本体は、燃焼室を画定する燃焼器ライナを含む。燃焼器スリーブは燃焼器ライナを囲む。燃焼器スリーブは、燃焼器ライナから間隔を置いて配置されて通路を形成する。燃焼器スリーブは少なくとも１つの開口を含む。バッフルは通路内に配置される。バッフルは、燃焼器スリーブから、少なくとも１つの開口を横切って燃焼器本体のヘッド側端部へ向かって延在する曲線状の面を含む。バッフルは、通路を通ってヘッド側端部へ向かって流れる流体流を圧縮するように構成および配置される。

例示的な実施形態のさらに別の態様によれば、燃焼器ライナと燃焼器スリーブとの間に画定された通路を含む燃焼器の中を通るように空気を流す方法は、第１の空気流を通路を通って燃焼器のヘッド側端部へ向かうように導くステップと、第１の空気流をバッフルを越えて流すステップと、バッフルと燃焼器ライナとの間で第１の空気流を圧縮するステップと、第２の空気流をバッフルの下流で第１の空気流の中へ導入するステップと、第１の空気流と第２の空気流を合流させて、実質的に乱れのない空気流を生成するステップとを含む。

これらおよび他の利点および特徴は、図面と併せて以下の説明からより明らかになるであろう。

本発明と見なされる主題は、本明細書の終わりの特許請求の範囲において、具体的に指摘され、かつ明確に権利主張される。本発明の前述のおよび他の特徴、ならびに利点は、添付図面と併せて以下の詳細な説明から明らかである。

例示的な実施形態による、燃焼器スリーブのバッフルを備えた燃焼器を有するターボ機械を含むターボ機械システムの略図である。 図１の燃焼器の断面図である。 図２の燃焼器の一部の断面図である。 図１のバッフルの断面図である。 図４のバッフルを周方向に回転してバッフルの曲線状の面にある孔を示した、図４のバッフルの断面図である。 図１のバッフルの部分斜視図である。 例示的な実施形態の別の態様による、バッフルの断面図である。

発明を実施するための形態では、図面を参照しながら例として本発明の実施形態をその利点および特徴と共に説明する。

図１〜４を参照すると、図１では、例示的な実施形態によるターボ機械システム全体が、符号２で示されている。ターボ機械システム２はターボ機械３を含み、ターボ機械３は、軸８によってタービン部６に動作可能に接続された圧縮機部４を有する。圧縮機部４は、少なくとも１つの燃焼器１４を有する燃焼器組立体１０を通じて、タービン部６に流体的に接続される。図示の例示的な実施形態では、ターボ機械システム２は、ターボ機械３に動作可能に接続された被駆動負荷／機器２０を含む。被駆動機器２０は、発電機、ポンプ、および負荷を含む様々な形態をとることができる。被駆動負荷はまた、ターボ機械３によって駆動される輸送機関の形態をとることもできる。ターボ機械システム２はまた、圧縮機部４に流体的に接続された吸気システム２４を含んで示される。

空気は吸気システム２４に入り、圧縮機部４へ流れる。空気は圧縮され、燃焼器組立体１０へ流れる。空気の一部は、冷却のためタービン部６内へ流れる。燃焼器組立体１０では、空気は燃料および／または希釈剤と混合されて可燃混合気を形成する。可燃混合気は燃焼して高温ガスを形成し、高温ガスは燃焼器組立体１０からタービン部６へ流れる。高温ガスは、タービン部６を通って膨張し、タービン部６は高温ガスからの熱エネルギーを被駆動機器２０を駆動する機械エネルギーに変換する。高温ガスはタービン部６から排気システム（図示せず）へ流れる。

図２〜３に最もよく示されるように、燃焼器１４は燃焼器本体３４を含み、燃焼器本体３４は、ヘッド側端部３６、および尾筒４２を経てタービン部６に結合される出口側端部３８を有する。ヘッド側端部３６は複数のノズル４６を収容する。燃焼器１４はまた、燃焼器本体３４内に配置された燃焼器ライナ５０を含む。燃焼器ライナ５０は燃焼室５４を画定する。可燃混合気は燃焼室５４内へ送られて燃焼して高温ガスを形成し、高温ガスは尾筒４２を経てタービン部６へ送られる。燃焼器１４はまた、燃焼器ライナ５０を囲む燃焼器スリーブ６０を含む。燃焼器スリーブ６０は燃焼器ライナ５０から間隔を置いて配置されて通路６４を形成する。通路６４は空気流を圧縮機部４から燃焼器ライナ５０に沿って燃焼器１４のヘッド側端部３６へ向けて送る。複数の開口（それらの内の１つが符号６８で示されている）が、燃焼器スリーブ６０にわたって、その周りを周方向に延在している。下記でより完全に詳細を説明するように、開口６８は空気流を通路６４内へ送る。

例示的な実施形態によれば、燃焼器１４は通路６４内に配置されたバッフル８０を含む。バッフル８０は、通路６４内に存在し得るあらゆる障害物より下流に配置される。この配置では、バッフル８０を越えて流れる空気は、ヘッド側端部３６まで実質的に障害物のない流路を有する。図４に示すように、バッフル８０は、燃焼器スリーブ６０に結合された第１の端部８３から、曲線状の面８６を経て、第２の片持ちばりの端部８４まで延在する。曲線状の面８６は、開口６８を横切って延在し、燃焼器ライナ５０へ向かって近づく。バッフル８０の下流の通路６４を通って流れる空気は、インジェクタ、火炎伝播管、点火プラグ、および符号８８で示すようなものなどの様々な構成部品との相互作用の結果として、乱流で、周方向および半径方向に非一様の場合がある。空気がバッフル８０に達し、燃焼器ライナ５０と曲線状の面８６との間で圧縮されると、乱れが減り、かつ／または再循環が少なくなり、それによって、周方向の一様性が強くなる。付加の空気が開口６８を通って通路６４に入って、バッフル８０を超えて流れる空気と混合する。例示的な実施形態の態様によれば、バッフル８０の下流の通路６４を通過する全空気流の約１５％から約３０％が開口６８を通って入る。開口６８を通って空気が追加されると、ヘッド側端部３６へ流れる空気流の乱れがさらに減る。ヘッド側端部３６へ流れる空気流の乱れが減ると、燃焼器１４の性能が向上する。

燃焼器ライナ５０と曲線状の面８６との間で空気が圧縮されることにより、通路６４内の乱れは減り、それはまた燃焼器ライナ５０の高温側から燃焼器ライナ５０を覆って流れる空気への熱伝達を改善し、それによって全体的な耐用年数が延び、燃焼器組立体１０の信頼性が増す。性能の改善はまた、圧力損失の減少およびＮＯｘ排出の低減によって実現することができる。より詳細には、一様性を改善すると、各ノズル４６は実質的に（体積が）同一の空気流を受け入れ、したがって、燃焼のためのより一様な空気／燃料混合気を生成することができる。空気／燃料混合気が一様であると、燃焼がより完全になり、保炎性が改善され、その結果、ＮＯｘなどの排出が減少する。

図５に示す例示的な実施形態の態様によれば、バッフル８０は、曲線状の面８６に形成された、孔の形態で示される開口９０（その内の２つが符号９３、９４で示される）を含む。孔９３および９４は、曲線状の面８６に、開口６８の内の隣接する開口の間で形成することができる。孔９３および９４を組み込むことによって、開口６８が存在しない領域を付加の空気がバッフル８０を通って流れることができる。図６に示す例示的な実施形態の別の態様によれば、バッフル８０は開口９８を含んで示される。開口９８は、バッフル８０の中断部または切れ目１００の形態をとる。上記と同じように、開口９８によって、開口６８が存在しない領域を付加の空気がバッフル８０を通って流れることができる。

この時点で、例示的な実施形態がリバースフロー式燃焼器の環状通路に配置されたバッフルを記述していることを理解すべきである。バッフルは、燃焼器に沿ってヘッド側端部へ向かって流れる乱れた空気流を調整する。より詳細には、バッフルは、空気流を燃焼器ライナに押し付けて圧縮して、空気の再循環を減少させて流れの一様性を強める。この態様では、例示的な実施形態は、バッフルの開口を通って入る空気の衝突圧力損失を低減して、燃焼器の燃焼特性を向上させる。図７に示すように、バッフル８０は、通路６４の流れの一様性をさらに強めることができる末広がり部１６０を含むことができることもまた理解すべきである。末広がり部１６０は、５度より小さい角度で第２の端部８４から広がる。もちろん、末広がり部１６０の角度は５度より大きい角度もまた可能である。

限られた数の実施形態のみに関連して本発明を詳細に説明したが、本発明が開示されたこのような実施形態に限定されないことは容易に理解すべきである。むしろ、本発明は、これまで説明していないが、本発明の精神および範囲に相応する多くの変形、変更、置換、等価物を組み込んで修正することができる。加えて、本発明の様々な実施形態を説明したが、本発明の態様は、記載した実施形態のいくつかのみを含むことを理解されたい。したがって、本発明は、前述の説明に限定されるものと理解されるのではなく、添付の特許請求の範囲にのみ限定される。

２ ターボ機械システム
３ ターボ機械
４ 圧縮機部
６ タービン部
８ 軸
１０ 燃焼器組立体
１４ 燃焼器
２０ 被駆動負荷／機器
２４ 吸気システム
３４ 燃焼器本体
３６ ヘッド側端部
３８ 出口側端部
４２ 尾筒
４６ 複数のノズル
５０ 燃焼器ライナ
５４ 燃焼室
６０ 燃焼器スリーブ
６４ 通路
６８ 複数の開口
８０ バッフル
８３ 第１の端部
８４ 第２の片持ちばりの端部
８６ 曲線状の面
９３ 孔
９４ 孔
９８ 開口
１００ 中断部または切れ目
１６０ 末広がり部

Claims (23)

1. ヘッド側端部から出口側端部まで延在する燃焼器本体であって、燃焼室を画定する燃焼器ライナを含む燃焼器本体と、
   前記燃焼器ライナを囲む燃焼器スリーブであって、前記燃焼器ライナから間隔を置いて配置されて通路を形成し、少なくとも１つの開口を含む燃焼器スリーブと、
   前記通路内に配置されたバッフルであって、前記燃焼器スリーブから、前記少なくとも１つの開口を横切って前記燃焼器本体の前記ヘッド側端部へ向かって延在する曲線状の面を含み、前記通路を通って前記ヘッド側端部へ向かって流れる流体流を圧縮するように構成および配置されたバッフルと
   を含むターボ機械の燃焼器。
2. 前記少なくとも１つの開口が、前記燃焼器スリーブの周りを周方向に延在する複数の開口を含む、請求項１記載のターボ機械の燃焼器。
3. 前記バッフルが前記複数の開口の内の隣接する開口の間に配置された開口を含む、請求項２記載のターボ機械の燃焼器。
4. 前記開口が、前記曲線状の面に形成された少なくとも１つの孔を含む、請求項３記載のターボ機械の燃焼器。
5. 前記バッフルが、第１の端部から前記曲線状の面を経て第２の片持ちばりの端部まで延在し、前記第２の端部が末広がり部を含む、請求項１記載のターボ機械の燃焼器。
6. 前記末広がり部が、５度より小さい角度で前記第２の端部から広がる、請求項５記載のターボ機械の燃焼器。
7. 前記通路が前記バッフルの下流に実質的に障害物がない通路である、請求項１記載のターボ機械の燃焼器。
8. 圧縮機部と、
   前記圧縮機部に動作可能に接続されたタービン部と、
   前記圧縮機部および前記タービン部に流体的に接続され、少なくとも１つの燃焼器を含む燃焼器組立体であって、前記少なくとも１つの燃焼器が、
   ヘッド側端部から出口側端部まで延在する燃焼器本体であって、燃焼室を画定する燃焼器ライナを含む燃焼器本体と、
   前記燃焼器ライナを囲む燃焼器スリーブであって、前記燃焼器ライナから間隔を置いて配置されて通路を形成し、少なくとも１つの開口を含む燃焼器スリーブと、
   前記通路内に配置されたバッフルであって、前記燃焼器スリーブから、前記少なくとも１つの開口を横切って前記燃焼器本体の前記ヘッド側端部へ向かって延在する曲線状の面を含み、前記通路を通って前記ヘッド側端部へ向かって流れる流体流を圧縮するように構成および配置されたバッフルとを含む、燃焼器組立体と
   を含むターボ機械。
9. 前記少なくとも１つの開口が、前記燃焼器スリーブの周りを周方向に延在する複数の開口を含む、請求項８記載のターボ機械。
10. 前記バッフルが前記複数の開口の内の隣接する開口の間に配置された開口を含む、請求項９記載のターボ機械。
11. 前記開口が、前記曲線状の面に形成された少なくとも１つの孔を含む、請求項１０記載のターボ機械。
12. 前記バッフルが、第１の端部から前記曲線状の面を経て第２の片持ちばりの端部まで延在し、前記第２の端部が末広がり部を含む、請求項８記載のターボ機械。
13. 前記通路が前記バッフルの下流に実質的に障害物がない通路である、請求項８記載のターボ機械。
14. 燃焼器ライナと燃焼器スリーブとの間に画定された通路を含む燃焼器の中を通るように空気を流す方法であって、
    第１の空気流を前記通路を通って前記燃焼器のヘッド側端部へ向かうように導くステップと、
    前記第１の空気流をバッフルを越えて流すステップと、
    前記バッフルと前記燃焼器ライナとの間で前記第１の空気流を圧縮するステップと、
    第２の空気流を前記バッフルの下流で前記第１の空気流の中へ導入するステップと、
    前記第１の空気流と前記第２の空気流を合流させて、実質的に乱れのない空気流を生成するステップと
    を含む方法。
15. 前記第１の空気流の一部を前記バッフルを通して流すステップをさらに含む、請求項１４記載の方法。
16. 前記第１の空気流の前記一部を前記バッフルを通して流すステップが、前記第１の空気流の前記一部を前記バッフルに形成された開口を通して流すステップを含む、請求項１５記載の方法。
17. 前記第１の空気流の前記一部を前記バッフルを通して流すステップが、前記第１の空気流の前記一部を前記バッフルの中断部を通して流すステップを含む、請求項１５記載の方法。
18. 前記実質的に乱れのない空気流を前記燃焼器の前記ヘッド側端部へ向かって前記通路の障害物がない部分を通して流すステップをさらに含む、請求項１４記載の方法。
19. 前記第１の空気流を圧縮するステップが、前記第１の空気流を前記バッフルの曲線状の面を越えて流すステップを含む、請求項１４記載の方法。
20. 前記第２の空気流を前記バッフルの末広がり部を越えて流すステップをさらに含む、請求項１４記載の方法。
21. 前記実質的に乱れのない空気流を生成するステップが、前記燃焼器ライナからの熱伝達を強める、請求項１４記載の方法。
22. 前記実質的に乱れのない空気流を生成するステップが、前記空気流の周方向の一様性を強める、請求項１４記載の方法。
23. 前記実質的に乱れのない空気流を生成するステップが、衝突圧力損失を低減する、請求項１４記載の方法。