JP2015230162A - ガスタービンの環状の燃焼室及びこのような燃焼室を備えたガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】改良された熱的特性と組み合わされた、迅速な組立及び分解を可能にする、環状の燃焼室を提供する。
【解決手段】ガスタービンの燃焼室の第１のゾーンは、複数のバーナの燃料／空気混合物を受け取り、第２のゾーンは、高温ガスを第１のゾーンからタービンセクションの入口へ案内し、第１のゾーンと第２のゾーンとの間の移行部に配置されたライナセグメント２２ａは、前縁３５ａと、後縁３５ｄと、２つの側壁３５ｂ、３５ｃとを有し、ライナセグメント２２ａが軸方向で据え付けることができ、かつ隣接する第１のゾーン１８のセグメント２１ｃによって軸方向で固定されるように、前縁３５ａ及び後縁３５ｄに軸方向取付け手段２７，３１が設けられ、ライナセグメント２２ａと、隣接する第１のゾーン１８の固定セグメント２１ｃとの間に最小幅の間隙２９を形成するために、前縁３５ａにスペーサリブ３０が設けられている。
【選択図】図５

Description

本発明は、ガスタービンの技術に関する。本発明は、請求項１の前提部に記載のガスタービンの環状の燃焼室に関する。

本発明は、さらに、このような環状の燃焼室を備えたガスタービンに関する。

透視図で図１に示された、出願人のＧＴ１３Ｅ２のような工業用ガスタービンは、世界中で、コンバインドサイクルを備える又は備えない発電プラントにおいて、長年にわたり順調に運転されている。図１のガスタービン１０は、機械軸線Ａを中心に回転するロータ１２を有する。機械軸線Ａに沿って配置されて、ガスタービン１０には、ケーシング１３における圧縮機１４と、燃焼器１５，１７と、タービンセクション１６とが設けられている。

圧縮機１４は、空気入口１１において機械に進入してきた空気を圧縮する。圧縮空気は燃料と混合され、この混合物は、燃焼器の環状の燃焼室１５へ導入され、複数の周方向に分配されたバーナ１７によって燃焼させられる。その結果生じた高温ガスは、タービンセクション１６に進入し、機械を駆動する。

欧州特許出願公開第２２８２１２４号明細書から公知の燃焼室１５が、図２に断面図で示されている。図２の環状燃焼室１５は、２つのゾーン１８及び１９に分割されている。第１のゾーン１８は、上流側において燃焼室内へ開放したバーナ１７の燃焼する空気／燃料混合物を受け取る。第２のゾーン１９は、バーナ１７によって発生させられた高温ガスを前記第１のゾーン１８からガスタービン１０のタービンセクション１６の入口へ案内する。

燃焼室１５の第１のゾーン１８は、環状の外側ライナ２０によって同心状に包囲されており、外側ライナ２０は、内側ライナ２１を同心状に包囲している。外側ライナ２０は、異なる列１〜３において軸方向に配置された個々のセグメント２３から成る。内側ライナ２１もまた、異なる列１〜３において軸方向に配置された個々のセグメント２１ａ〜２１ｃから成る。第１のゾーン１８と第２のゾーン１９との間の移行部に移行ライナ２２が設けられており、この移行ライナ２２もまた、個々のライナセグメントから成っている。

この移行ライナ２２については、解決すべき複数の問題が存在する。
・移行ライナのセグメントのための所要のフィルム冷却を維持するために、そのセグメントと、第１のゾーン１８の隣り合うセグメント２１ｃとの間の軸方向間隙は、高温条件の間、最小限の幅に維持されなければならない。
・セグメントの冷却は十分でなければならない。
・移行ライナ２２のセグメントの組立及び分解の時間は、メンテナンス時間を短縮するために最小限にされなければならない。

他の従来技術文献、例えば米国特許第４５５５９０１号明細書は、燃焼室を記載しており、２つのゾーンを示しておらず、複数のバーナの燃料／空気混合物を受け取る第１のゾーンと、前記バーナによって発生させられた高温ガスを前記第１のゾーンから前記ガスタービンのタービンセクションの入口へ案内する第２のゾーンとを備える。その結果、前記第１のゾーンと第２のゾーンとの間の移行部に配置された環状の移行ライナの一部分であるライナセグメントは存在しない。

国際公開第２００８／０１７５５１号は、燃焼室を開示しているが、第１のゾーンと第２のゾーンとの間の移行部に配置された環状の移行ライナを開示していない。付加的な従来技術は、欧州特許出願公開第１７６７８３５号明細書、欧州特許出願公開第２７２８２５５号明細書及び欧州特許出願公開第０３８７１２３号明細書に記載されている。

欧州特許出願公開第２２８２１２４号明細書 米国特許第４５５５９０１号明細書 国際公開第２００８／０１７５５１号 欧州特許出願公開第１７６７８３５号明細書 欧州特許出願公開第２７２８２５５号明細書 欧州特許出願公開第０３８７１２３号明細書

本発明の課題は、従来のライナの欠点を回避し、改良された熱的特性と組み合わされた、迅速な組立及び分解を可能にする、環状の燃焼室を提供することである。

本発明の別の課題は、このような燃焼室を備えたガスタービンを提供することである。

これらのおよびその他の課題は、請求項１に係る環状の燃焼室および請求項１１に係るガスタービンによって達成される。

機械軸線を有するガスタービンの環状の燃焼室であって、前記燃焼室は、少なくとも２つのゾーンを有しており、第１のゾーンは、複数のバーナの燃料／空気混合物を受け取り、第２のゾーンは、前記バーナによって発生させられた高温ガスを前記第１のゾーンから前記ガスタービンのタービンセクションの入口へ案内し、複数のライナセグメントを含む環状の移行ライナが、前記第１のゾーンと前記第２のゾーンとの間の移行部に配置されており、前記ライナセグメントのそれぞれは、軸方向の高温ガスの流れに関して、前縁と、後縁と、２つの側壁とを有しており、前記ライナセグメントが軸方向で据え付けられることができかつ隣り合う第１のゾーンの各セグメントによって軸方向で固定されるように、前記ライナセグメントの前記前縁及び前記後縁に軸方向取付け手段が設けられている。

前記ライナセグメントと、隣り合う第１のゾーンの前記固定セグメントとの間に最小幅の間隙を形成するために、前記ライナセグメントの前記前縁に局所的なスペーサリブが設けられていることを特徴とする。

発明の１つの実施の形態によれば、前記軸方向取付け手段は、前記移行ライナの下方に設けられた各キャリヤに前記ライナセグメントを軸方向で掛合させるための軸方向に向けられたフックを含む。

発明の別の実施の形態によれば、前記パージ空気流と前記高温ガス流との間の相互作用を最小限にするために、隣り合う上流のセグメントからのパージ空気流が、下流のセグメントの冷却される領域へ方向付けられるように、前記ライナセグメントの前記前縁及び前記後縁が設計されている。

発明の別の実施の形態によれば、前記側壁と、隣り合うライナセグメントの隣接する側壁の間の周方向の間隙とを冷却及び／又はパージするために、前記ライナエレメントの前記側壁に冷却孔が設けられている。

発明の別の実施の形態によれば、前記ライナセグメントの内側にインピンジメント冷却手段が設けられている。

特に、前記インピンジメント冷却手段は、インピンジメントシートを有しており、該インピンジメントシートは、該インピンジメントシートの領域にわたって所定のパターンで分配された複数のインピンジメント孔を備えており、前記インピンジメントシートは、所定の距離において前記ライナセグメントの本体の内壁に対して平行に取り付けられている。

より具体的には、前記ライナセグメントの前記高温ガス側におけるしみ出し冷却フィルムの影響が増大するにつれて、前記インピンジメント孔の直径及び分配密度が減少するように、前記インピンジメントシートにおける前記インピンジメント孔のパターン及び直径が、前記ライナセグメントの前記高温ガス側におけるしみ出し冷却と相関させられている。

さらにより具体的には、前記ライナセグメントの前記高温ガス側における前記しみ出し冷却フィルムは、前記ライナセグメントの前記高温ガス側にわたって所定のパターンで分配された複数のしみ出し冷却孔によって行われる。

さらに、前記ライナセグメントの前記高温ガス側における前記しみ出し孔は、前記ライナセグメントの外側領域においてより有効な冷却を可能にするために、前記ライナセグメントの長手方向軸線及び横方向軸線に沿って様々な向きを有してもよい。

発明の別の実施の形態によれば、冷却材質量流量の減少を可能にし、これにより、より効率的な全体的な冷却空気分配、ひいてはガスタービンの好ましいエミッション性能につながるように、前記ライナセグメントの高温ガス側は、サーマルバリヤコーティング（ＴＢＣ）で被覆されている。

発明のガスタービンは、圧縮機と、複数のバーナを備える環状の燃焼室を備える燃焼器と、タービンセクションとを含み、前記環状の燃焼室は、分割された環状の外側ライナと、分割された環状の内側ライナとを有する。

本発明のガスタービンは、前記環状の燃焼室が、本発明による燃焼室であることを特徴とする。

ここで様々な実施の形態によって、添付の図面を参照しながら発明をより詳細に説明する。

出願人のＧＴ１３Ｅ２タイプの工業用ガスタービン（従来技術）を透視図で示している。 図１によるガスタービンの燃焼器（従来技術）の断面図を示している。 本発明の１つの実施の形態による、図２による燃焼器の移行ライナ及びライナセグメントを拡大図で示している。 図３の移行ライナ及びライナセグメントの詳細をさらに拡大した図で示している。 インピンジメントシートが取り付けられた、図４の移行ライナの１つのライナセグメントを示す透視図である。 側壁のための冷却孔を示す、図４の移行ライナの１つのライナセグメントの透視図である。 インピンジメントシートを備えない、図４の移行ライナの１つのライナセグメントを示す透視図である。 スペーサリブを示す、図４の移行ライナの１つのライナセグメントの透視図である。

図３及び図４に示したように、移行ライナ２２及びそのライナセグメント２２ａ（図５〜図８）は、第１のゾーン１８のセグメントのうちの第３の列のライナセグメント２１ｃと、第２のゾーン１９のライナとの間に配置されている。ライナセグメントは、軸方向でフック２７，３１によって各キャリヤ２４内へ掛合されている。ライナセグメント２２ａの上流側における局所的なスペーサリブ３０は、ライナセグメント２２ａと、第１のゾーン（ゾーン１）１８の内側ライナ２１の隣り合うセグメント２１ｃとの間に、最小限の幅を備えた間隙２９を形成している。

高温ガス流３８の方向（図２及び図３）と基本的に一致する軸方向でのセグメント２２ａの据付けは、隣り合うゾーン１のセグメント２１ｃを介した軸方向固定を保証し、このセグメント２１ｃ自体は、周方向に取り付けられている。キャリヤ２４とライナセグメント２２ａとの間には、移動自在な密着は存在しない。対応するゾーン１のセグメント２１ｃ（軸方向固定）が分解され、円周においてシフトさせられると、個々のライナセグメント２２ａを取り外すことができる。その結果、組立又は分解中のガスタービンの停止時間が短縮される。

軸方向において、隣り合うゾーン１のセグメント２１ｃに対する間隙の幅は、（この実施の形態では３つの）局所的なスペーサリブ３０（図８）によって維持されている。高温作動中、これは、ライナセグメント２２ａの所要の冷却を提供するための最小限の間隙を維持する。局所的なスペーサリブ３０は、付加的な軸方向固定部材としても機能する。

固定直径によるキャリヤ２４の鉛直方向ボルト結合は、２つの隣り合うセグメント（例えば２２ａ，２１ｃ）の間隙が、高温作動中においても、セグメントのフック２７及び３１の製造公差の範囲において、半径方向で不変のままであることを可能にする。キャリヤ２４内に形成された開口２５は、セグメント２２への空気供給のためのプレナムとして機能する。

ライナセグメント２２ａは、軸方向高温ガス流３８に関して、前縁３５ａと、後縁３５ｄと、２つの側壁３５ｂ，３５ｃとを有する（例えば図５参照）。セグメントの前縁及び後縁３５ａ，３５ｄは、上流のセグメントからのパージ空気流３９（図３及び図４）が下流のセグメントの冷却される領域へ方向付けられるように設計されており、パージ空気流３９と高温ガス流３８との間の相互作用が最小限にされている。

ライナセグメント２２ａの冷却は、燃焼器冷却の第２の段階を既に表しているので、セグメント側壁３５ｂ，３５ｃ（すなわち、周方向でのライナセグメント２２ａの間の間隙）の冷却及びパージのための空気は、完全な圧力降下が利用できるように、インピンジメント冷却の上流において取り出される。ライナエレメント２２ａの側壁３５ｂ，３５ｃにおいて、各冷却孔３６の列（図６及び図６ｃ）は、前記冷却空気を間隙に供給するために設けられている。冷却孔３６の出口領域は、２つの隣り合うセグメントの間の間隙サイズにかかわらず、隣り合うセグメントの側壁においてもまた冷却効果を維持するように設計されている。同様の原理が、同じ出願人によって出願された欧州特許出願公開第２７２８２５５号明細書に記載されている。

図５に示したように、ライナセグメント２２ａは、内側において、インピンジメントシート２８の形式のインピンジメント冷却手段が設けられている。インピンジメントシート２８は、前記インピンジメントシート２８の領域にわたって所定のパターンで分配された複数のインピンジメント孔３４を備える。インピンジメントシート２８は、支持ポスト３７と、側部において分配された支持突起３２と、固定エレメント３３とによって、所定の距離で、ライナセグメント２２ａの本体２６の内壁に対して平行に取り付けられている（図５、図７及び図８）。

セグメントの高温ガス側へのしみ出し冷却フィルムの影響が増大するにつれて、インピンジメントシート２８における孔３４の直径がより小さくなり、かつ孔３４がより低い密度で配置されるように（図５）、インピンジメントシート２８における孔３４の配列は、ライナセグメント２２ａの高温ガス側におけるしみ出し冷却孔（図示せず）の配列に注意深く適合されている。

ライナセグメント２２ａの高温ガス側におけるしみ出し孔は、セグメントの外側領域においてより有効な冷却を可能にするために、セグメントの長手方向軸線及び横方向軸線に沿って様々な向きを有する。高温ガス３８と、バーナタイプと、引き続いてタービンへの入口における温度分布との相互作用の最適化は、長手方向軸線に沿ったしみ出し孔の向きの適切な選択によって可能である。

当該技術によるサーマルバリヤコーティング（ＴＢＣ）を備えたライナセグメントのコーティングは、冷却材質量流量の減少を可能にし、これは、より効率的な全体的な冷却空気分配、ひいては、燃焼器の好適なエミッション性能につながる。

１０ ガスタービン（例えばＧＴ１３Ｅ２）
１１ 空気入口
１２ ロータ
１３ ケーシング
１４ 圧縮機
１５ 燃焼室
１６ タービンセクション
１７ バーナ
１８ ゾーン１
１９ ゾーン２
２０ 外側ライナ
２１ 内側ライナ
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ セグメント（内側ライナ、ゾーン１）
２２ 移行ライナ
２２ａ セグメント（移行ライナ）
２３ セグメント（外側ライナ）
２４ キャリヤ
２５ キャリヤ２４内に形成されたプレナム
２６ ボディ（ライナセグメント）
２７，３１ フック（ライナセグメント）
２８ インピンジメントシート
２９ 間隙
３０ スペーサリブ
３２ 支持突起
３３ 固定エレメント
３４ インピンジメント孔
３５ａ 前縁（ライナセグメント２２ａ）
３５ｂ、３５ｃ 側壁（ライナセグメント２２ａ）
３５ｄ 後縁（ライナセグメント２２ａ）
３６ 冷却孔
３７ 支持ポスト
３８ 高温ガス流
３９ パージ空気流
Ａ 軸線

Claims (11)

1. 機械軸線（Ａ）を有するガスタービン（１０）の環状の燃焼室（１５）であって、該燃焼室（１５）は、少なくとも２つのゾーン（１８，１９）を有しており、第１のゾーン（１８）は、複数のバーナ（１７）の燃料／空気混合物を受け取り、第２のゾーン（１９）は、前記バーナ（１７）によって発生させられた高温ガスを前記第１のゾーン（１８）から前記ガスタービン（１０）のタービンセクション（１６）の入口へ案内し、前記第１のゾーン（１８）と前記第２のゾーン（１９）との間の移行部に、複数のライナセグメント（２２ａ）を含む環状の移行ライナ（２２）が配置されており、前記ライナセグメント（２２ａ）のそれぞれは、軸方向の高温ガスの流れ（３８）に関して、前縁（３５ａ）と、後縁（３５ｄ）と、２つの側壁（３５ｂ，３５ｃ）とを有しており、前記ライナセグメント（２２ａ）が軸方向で据え付けられることができかつ隣接する前記第１のゾーン（１８）のそれぞれのセグメント（２１ｃ）によって軸方向で固定されるように、前記ライナセグメント（２２ａ）の前記前縁（３５ａ）及び前記後縁（３５ｄ）において軸方向取付け手段（２７，３１）が設けられている、燃焼室（１５）において、前記ライナセグメント（２２ａ）と、隣接する前記第１のゾーン（１８）の前記固定セグメント（２１ｃ）との間に最小幅の間隙（２９）を形成するために、前記ライナセグメント（２２ａ）の前記前縁（３５ａ）に局所的なスペーサリブ（３０）が設けられていることを特徴とする、環状の燃焼室（１５）。
2. 前記軸方向取付け手段は、前記移行ライナ（２２）の下方に設けられたそれぞれのキャリヤ（２４）に前記ライナセグメント（２２ａ）を軸方向で掛合させるための軸方向に向けられたフック（２７，３１）を含む、請求項１記載の燃焼室。
3. 隣り合う上流のセグメントからのパージ空気流（３９）が、下流のセグメントの冷却される領域へ方向付けられ、これにより、前記パージ空気流（３９）と前記高温ガス流（３８）との間の相互作用を最小限にするように、前記ライナセグメント（２２ａ）の前記前縁（３５ａ）及び前記後縁（３５ｄ）が設計されている、請求項１記載の燃焼室。
4. 前記側壁（３５ｂ，３５ｃ）と、隣り合うライナセグメント（２２ａ）の隣接する側壁の間の周方向の間隙とを冷却及び／又はパージするために、前記ライナエレメント（２２ａ）の前記側壁（３５ｂ，３５ｃ）に冷却孔（３６）が設けられている、請求項１記載の燃焼室。
5. 前記ライナセグメント（２２ａ）の内側にインピンジメント冷却手段（２８〜３４）が設けられている、請求項１記載の燃焼室。
6. 前記インピンジメント冷却手段は、インピンジメントシート（２８）を含み、該インピンジメントシート（２８）は、該インピンジメントシート（２８）の領域にわたって所定のパターンで分配された複数のインピンジメント孔（３４）を備えており、前記インピンジメントシート（２８）は、所定の距離において前記ライナセグメント（２２ａ）の本体（２６）の内壁に対して平行に取り付けられている、請求項５記載の燃焼室。
7. 前記ライナセグメント（２２ａ）の前記高温ガス側におけるしみ出し冷却フィルムの影響が増大するにつれて、前記インピンジメント孔（３４）の直径及び分配密度が減少するように、前記インピンジメントシート（２８）における前記インピンジメント孔（３４）のパターン及び直径が、前記ライナセグメント（２２ａ）の前記高温ガス側におけるしみ出し冷却と相関させられている、請求項６記載の燃焼室。
8. 前記ライナセグメント（２２ａ）の前記高温ガス側における前記しみ出し冷却フィルムは、前記ライナセグメント（２２ａ）の前記高温ガス側にわたって所定のパターンで分配された複数のしみ出し冷却孔によって行われる、請求項７記載の燃焼室。
9. 前記ライナセグメント（２２ａ）の外側領域においてより有効な冷却を可能にするために、前記ライナセグメント（２２ａ）の前記高温ガス側における前記しみ出し冷却孔は、前記ライナセグメント（２２ａ）の長手方向軸線及び横方向軸線に沿って様々な向きを有する、請求項８記載の燃焼室。
10. 冷却材質量流量の減少を可能にし、これにより、より効率的な全体的な冷却空気分配、ひいてはガスタービン（１０）のより好ましいエミッション性能につながるように、前記ライナセグメント（２２ａ）の前記高温ガス側は、サーマルバリヤコーティング（ＴＢＣ）で被覆されている、請求項１記載の燃焼室。
11. 圧縮機（１４）と、複数のバーナ（１７）を備える環状の燃焼室（１５）を備える燃焼器と、タービンセクション（１６）とを含み、前記環状の燃焼室（１５）は、分割された環状の外側ライナ（２０）と、分割された環状の内側ライナ（２１）とを有する、ガスタービン（１０）において、前記環状の燃焼室（１５）は、請求項１から１０までのいずれか１項記載の燃焼室であることを特徴とする、ガスタービン（１０）。