JP2015512500A - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Abstract

フロントパネル（１４）と、第１の端部（２２）および第２の端部（２４）を備えた伸長されたスリーブ（２０）と、このスリーブ（２０）内に組み付けられたバーナ（３０）とを有する、ガスタービンに用いられる燃焼器（１０）。スリーブ（２０）の第２の端部（２４）は、フロントパネル（１４）にシールレスに組み付けられている。スリーブとバーナとは、このバーナ（３０）をスリーブ（２０）内に摺動可能に組み付けることができるように形成されている。

Description

本開示は、概して、ガスタービンに使用するための燃焼器、より詳細には、該燃焼器に適した構成および配置の予混合バーナに関する。

背景情報
産業用ガスタービンは、通常、従来では１つの共通の軸に配置された１つの圧縮機と１つのタービンとを有している。この圧縮機とタービンとの間には、燃焼室が設けられている。この燃焼室内には、通常、複数のバーナが位置している。これらのバーナは、ガス状のかつ／または液状の燃料の燃焼から高温の燃焼ガスを発生させる。燃焼器に使用することができるバーナのタイプには、引抜き可能なランスタイプのバーナが含まれる。このようなバーナの引抜きのためには、通常、外側ケースにバーナの直径と同程度のサイズの開口が必要となる。バーナの直径が大きければ大きいほど、外側ケーシングに設けられる同程度の開口は大きくなり、また、製作コストも高くなってしまう。

燃料の燃焼のために必要となる燃焼空気は、空気供給路を介して圧縮機によって吸い込まれ、圧縮され、次いで、圧縮空気管路を介してプレナム室内に供給され、このプレナム室内から相応の開口を通過してバーナ内に達する。燃焼室からの高温の燃焼ガスは、高温ガス管路を介してタービン内に達し、このタービン内で１つ以上の段において作業が実施される。燃焼ガスの温度および燃焼ガスが漏れ出さないことを確保する必要性のため、燃焼器内の全ての封止結合部が、通常ではパージ空気によってパージされなければならない。しかしながら、パージ空気の付加は、ガスタービン効率にマイナスの影響を与えてしまう。したがって、シールの必要性を最小限に抑えた設計を提供することが所望されている。

このような産業用ガスタービンの燃焼器内で生じる恐れがある問題は、圧力振動である。この圧力振動は部材寿命を減らすことがあり、その結果、タービン出力の低下を招く恐れがある。米国特許出願公開第２００４／００１０２０号明細書には、振動を除去するために、燃料流量および空気流量のうちの少なくとも一方を制御する制御ユニットが開示されている。しかしながら、タービン能またはタービン性能に影響を与えない択一的な振動除去法を提供する必要性がある。

概要
本開示の目的は、バーナのより廉価な引抜きが容易であると共に圧力振動を除去するための調整が可能である燃焼器バーナを提供することである。

これらの問題は独立請求項の対象によって解決される。有利な態様は、従属請求項に記載してある。

本開示は、燃焼器ライナのフロントパネルの部分に固定されるかまたは、さもなければ、フロントパネルの一部を成すスリーブ内に移動可能に組み付けられるバーナを提供するという一般的な思想に基づいている。

本開示の１つの態様は、バーナが、燃焼器の運転中にスリーブの内側で軸方向にこのスリーブに対して相対的に移動可能である燃焼器を提供することである。

１つの態様は、伸長されたスリーブの第２の端部がシールレスに、つまり、封止装置なしに組み付けられたフロントパネルを有する、ガスタービンに用いられる燃焼器を提供している。この燃焼器は、さらに、スリーブ内に組み付けられたバーナを有している。シールレスな組付けは、燃焼器内の燃焼後の空気パージの必要性を減少させる。さもないと、燃焼ガスがシールを通って漏れることを防止すると共にシール温度を維持することが必要となってしまう。バーナは、燃料が導入されて、燃焼ガスと混合される燃焼器の混合領域であってよい。燃焼器はフロントパネルの下流に燃焼領域を有していてよい。フロントパネルは、通常、主流れ方向に対して垂直に向けられている。フロントパネルにおいて流れ領域は増加する。通常、この流れ領域の増加は段階的に生じる。

別の態様では、バーナが、摺動可能に引抜き可能なバーナであるように形成されており、スリーブ内への組付けが、スリーブの内部への軸方向の挿入と組付けとを可能にする。スリーブはバーナの部材ではないので、バーナ直径が最小化される。これによって、外側ケーシングの設計を簡単にすることが可能となる。

別の態様では、バーナが、ボディと、このボディに近い方の第１の端部から遠い方の第２の端部に延びる円錐形に拡張したスワールシェルとを有している。この態様では、スリーブがスワールシェルを包囲しており、これによって、このシェルに沿った等しい速度分配が確保される。この結果、バーナにわたる圧力損失が低くなる。さらに、空気分配の効率が、スリーブの、燃焼ガスを軸方向に向けるための円錐形の開口を有する上流の第１の端部によって高められる。

別の態様では、スリーブの出口における下流の第２の端部が、火炎安定性を提供するために、ベル状の出口を有している。

別の態様では、バーナが、上流の第１の端部と、遠位の下流の第２の端部と、内面と、外面とを備えたバーナリングを有しており、このバーナリングが、このバーナリングの内面において、このバーナリングの第１の端部と第２の端部との間の一点でスワールシェルの遠位の第２の端部に固く組み付けられていて、これによって、スワールシェルを少なくとも部分的に包囲している。バーナリングは、スリーブとバーナとの間の軸方向の接触面を増大させることによって、スリーブ内でのバーナの組付けの安定性を高めている。

別の態様では、バーナリングとスリーブとの間に形成されたキャビティを封止するためのシールが、バーナリングまたはスリーブに位置していて、バーナリングとスリーブとの間の組付け点を規定している。シールは、バーナの上流側へのガス漏れに対する可能性を最小限に抑えている。

１つの態様では、シールが、ラビリンス状のかつピストンリング状のシールであり、バーナリングの外面に位置している。

１つの態様では、スリーブが、このスリーブを貫いて、このスリーブの全周にわたって設けられた複数のパージ孔を有している。これらのパージ孔によって、バーナリングとスリーブとの間のキャビティのパージが可能となる。好ましくは、パージ孔は、バーナリングがスリーブ内に組み付けられている場合に、パージ孔がパージガスを、バーナリングの外面とスリーブとの間に形成されていて、シールの下流の端部から延びる環状ギャップに向けることができるように位置している。

１つの態様では、シールが、バーナリングの上流の第１の端部の側でバーナリングの外面に位置している。シールがバーナリングの上流の端部の側に位置していることによって、パージ孔をシールの下流の端部に維持しながら、スリーブ内へのバーナの組付けの軸方向のバリエーションを拡げることが可能となる。

１つの態様では、燃焼器が、周方向で固定された複数のスリーブと、本開示の別の態様の複数のバーナとを有しており、これらのバーナのうちの少なくとも２つのバーナの軸方向のアライメントが互いにずらされている。このことは、スリーブ内でのバーナの摺動可能な特徴によって可能となる。複数のバーナを備えたシステムでは、バーナの相対的な位置を軸方向でずらすことができることによって、圧力振動を消去するための効果的な手段が提供される。なお、その際には、燃料流れまたはガス流れもしくは別の運転条件がさらに調整される必要はない。

本発明の別の目的は、先行技術の不利な点および欠点を除去するかまたは少なくとも改善するか、さもなければ、有用な択一的な燃焼器を提供することである。

本開示の別の態様および利点は、本開示の例示的な実施の形態を示した添付の図面に関連して、以下の説明から明らかになる。

例として、本開示の実施の形態を添付の図面を参照しながら以下により詳細に説明する。

本開示の好適な実施の形態に係る例示的な燃焼器の断面図であり、図１ａが、スリーブ内に組み付けられたバーナを示す図であるのに対して、図１ｂは、スリーブから引き抜かれたバーナを示す図である。 図１の燃焼器に適したバーナおよびスリーブの例示的な実施の形態の断面図である。 図２のバーナリングおよびスリーブの一部の拡大断面図である。 図１の燃焼器に適したバーナおよびスリーブの例示的な実施の形態の断面図である。 スリーブが部分的に切り離された図１のバーナの概略図である。 複数の図２に示したような例示的なバーナを備えた例示的な実施の形態の断面図であり、これらのバーナが、軸方向のアライメントを互いにずらしている。

詳細な説明
本開示の例示的な実施の形態を、図面を参照しながら以下に説明する。図面中、同一のエレメントには、一貫して同じ符号が使用してある。以下の記述には、本開示の完全な理解のために、説明の目的で数多くの具体的な詳細が述べてある。しかし、本開示は、これらの具体的な詳細なしに実施されてもよく、本開示の例示的な実施の形態に限定されるものではない。

本明細書を通じて、軸方向という表現がある。軸方向とは、バーナ３０の軸線を指している。さらに、上流および下流は、バーナ３０が運転されている場合の燃料／空気の正常な流れ方向を基準としている。

図１に示した例示的な実施の形態では、ガスタービンに用いられる燃焼器１０が、フロントパネル１４を備えたライナ１２を有している。このライナ１２の目的は、燃焼器温度に耐え、燃焼器１０内に燃焼ガスを封じ込め、この燃焼ガスをタービンの第１の段に向けることである。フロントパネル１４の目的は、バーナ３０の、直交方向に向けられた端面から、燃焼器１０の軸方向の延長部への移行部を提供すると共に、バーナ３０のための組付け点を提供することである。燃焼器１０のフロントパネル１４には、伸長されたスリーブ２０の下流の第２の端部２４が固く組み付けられている。この組付けは、フロントパネル１４とスリーブ２０との間に動きが生じないように行われている。このことには、ギャップなしのひいてはシール、つまり、封止装置の要求なしの結合が含まれている。しかし、組付けは、２つの別個の部材の結合に限定されるものではなく、フロントパネル１４部分がスリーブ２０部分と一体に形成されている単一のエレメントを有していてもよい。

図２に示した例示的な実施の形態では、バーナ３０が、図１ｂに示したように、スリーブ２０内から摺動可能に引き抜かれるように、スリーブ２０に対して相対的に組み付けられていて、成形されている。バーナ３０が、引抜き可能なタイプのバーナ３０である場合には、このバーナ３０の縮径によって、引抜きおよび外側ケーシング設計が簡単になる。

例示的な実施の形態のバーナ３０は、図２に示したように、旋回流バーナ３０である。この旋回流バーナ３０は、スワールシェル３３を備えた上流区分を有している。この上流区分では、燃料が噴射され、燃焼空気に接触させられるようになっている。スワールシェル３３は、バーナボディ３１から延びる円錐形に拡張した区分を有している。燃料は、旋回流を促進するように形成されたスワールシェル３３の軸方向長さに沿って噴射されてよい。

図２に示したように、例示的な実施の形態では、スリーブ２０がバーナ３０の少なくとも一部を取り囲むかまたは包囲するように、バーナ３０がスリーブ２０内に組み付けられている。このスリーブ２０内へのバーナ３０の組付けおよびスリーブ２０の軸方向の延在は、スリーブ２０が、図２に示したように、バーナ３０のスワールシェル３３を取り囲みかつ／または包囲し、更には、このスワールシェル３３を越えて軸方向下流に延びているように行われている。スリーブ２０は、バーナ３０に固く組み付けられていないという点でバーナ３０の一体の部分ではないが、燃料と空気との均一な混合を確保するために、スワールシェル３３の下流で混合区分の機能を果たしている。

図２に示したような例示的な実施の形態では、スリーブ２０が、上流の第１の端部２２に、燃焼ガスを軸方向に向けるための円錐形の開口を有している。

バーナ３０はスリーブ２０内に摺動可能に組み付けられており、これによって、軸方向でのバーナ３０の調節が可能となる。さらに、摺動可能な組付けによって、バーナ３０をスリーブ２０から独立して燃焼器１０から引き抜くことが可能となる。このことは、図１ｂに示したように、スリーブ２０とスワールシェル３３の第２の端部３５との相対的な形状によって達成される。例示的な実施の形態では、スリーブ２０が、軸方向に延びる一定のまたはほぼ一定の直径の領域を有しているように成形されている。

図２に示した例示的な実施の形態では、スリーブ２０の出口を成すスリーブ２０の第２の端部２４が、火炎安定化のアシストのために、ベル状の出口を有している。

図２に示した例示的な実施の形態では、バーナ３０のスワールシェル３３の軸方向遠位の端部３５にバーナリング３６が取り付けられている。このバーナリング３６は、スリーブ２０の一定のまたはほぼ一定の直径を有する領域でスリーブ２０の内側の形状を補完するように成形されていることによって、スリーブ２０内へのバーナ３０の摺動可能な組付けを容易にしている。

図３に示した例示的な実施の形態では、バーナリング３６とスリーブ２０との間のキャビティ４２内にシール４０が位置している。バーナリング３６に位置していてもよいし、スリーブ２０に位置していてもよいシール４０は、スリーブ２０に対するバーナリング３６のための組付け点を規定することによって、バーナリング３６とスリーブ２０との間の接触点を成している。例示的な実施の形態では、シール４０がバーナリング３６の外面３９に位置している。図２に示した別の例示的な実施の形態では、組付け点が、バーナリング３６とスリーブ２０との間のただ１つの接触点を成している。

図３に示した例示的な実施の形態では、バーナリング３６の第１の端部３７が、バーナ３０の上流の端部の側に位置していて、バーナリング３６の第２の端部３８が、バーナ３０の下流の遠位の端部の側に位置しているように、バーナリング３６が組み付けられている。この配置形態では、シール４０はバーナリング３６の第１の端部３７の側でバーナリング３６の外面３９に位置している。

図３に示した例示的な実施の形態では、シール４０が、ラビリンス状のかつピストンリング状のシールであるものの、ほぼ平らな２つの面の間に１つのシールを燃焼器１０の温度・圧力状況下で維持することが可能な別の封止装置が使用されてもよい。

図４に示した別の例示的な実施の形態では、バーナボディ３１が、さらに、ランス３２を有している。このランス３２は、バーナボディ３１を貫いて延びていて、更には、バーナ３０のスワールシェル３３により形成されたキャビティ内に突出している。例示的な実施の形態では、ランス３２の目的は、オイル予混合ガスおよびパイロット噴射のための付加的な燃料付加手段を提供することである。

図５に示した例示的な実施の形態では、スリーブ２０が、このスリーブ２０を貫通して全周にわたって設けられた複数のパージ孔４４を有している。これらのパージ孔４４は、バーナリング３６とスリーブ２０との間でシール４０の下流に位置している。パージ孔４４の目的は、バーナリング３６とスリーブ２０との間に形成されたキャビティ４２から空気／燃料混合物をパージする手段を提供し、ひいては、混合物が場合によりシール４０を通って漏れるのを防止することである。

図６に示した例示的な実施の形態では、燃焼器１０が、複数の固定されたスリーブ２０と、複数のバーナ３０とを有している。この実施の形態では、少なくとも２つのバーナ３０の軸方向のアライメントがずらされている。

以上、本開示を、最も実用的であると考えられる例示的な実施の形態において図示しかつ説明してきたにもかかわらず、本開示は、その精神または本質的な特徴から逸脱することなしに、別の特有な形態で実施されてもよい。したがって、本開示の実施の形態は、全ての点において実例的なものであり、限定的なものであるとは考えられない。本開示の範囲は、添付した特許請求の範囲によって示してあり、それどころか、この特許請求の範囲と同等の意味および範囲に属する前述した説明および全ての変更も本開示に含まれる。

１０ 燃焼器
１２ ライナ
１４ フロントパネル
２０ スリーブ
２２ スリーブの第１の端部
２４ スリーブの第２の端部
３０ バーナ
３１ バーナボディ
３２ ランス
３３ バーナのスワールシェル
３４ シェルの第１の端部
３５ シェルの第２の端部
３６ バーナリング
３７ バーナリングの第１の端部
３８ バーナリングの第２の端部
３９ バーナリングの外面
４０ シール
４２ キャビティ
４４ パージ孔

Claims (15)

1. フロントパネル（１４）と、
   第１の端部（２２）および第２の端部（２４）を備えた伸長されたスリーブ（２０）と、
   該スリーブ（２０）内に組み付けられたバーナ（３０）と
   を有する、ガスタービンに用いられる燃焼器（１０）において、
   前記スリーブ（２０）の前記第２の端部（２４）が、前記フロントパネル（１４）にシールレスに組み付けられていることを特徴とする、ガスタービンに用いられる燃焼器。
2. 前記バーナ（３０）が、前記燃焼器（１０）の運転中に、前記スリーブ（２０）の内側で該スリーブ（２０）に対して相対的に軸方向で移動可能である、請求項１記載の燃焼器。
3. 前記スリーブ（２０）内での前記バーナ（３０）の軸方向の調節が可能となるように、該バーナ（３０）が、前記スリーブ（２０）内に摺動可能に組み付けられている、請求項１または２記載の燃焼器。
4. 前記スリーブ（２０）が、前記第２の端部（２４）で、ベル形状を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の燃焼器。
5. 前記バーナ（３０）が、
   バーナボディ（３１）と、
   該バーナボディ（３１）から延びていて、細い方の第１の端部（３４）とより広い第２の端部（３５）とを備えた円錐形に拡張したスワールシェル（３３）と
   を有しており、
   前記スリーブ（２０）が、前記スワールシェル（３３）を包囲している、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃焼器。
6. 前記バーナ（３０）が、
   バーナリング（３６）を有しており、該バーナリング（３６）が、
   前記バーナ（３０）の軸方向上流端の側の第１の端部（３７）と、
   前記バーナ（３０）の軸方向下流端の側の遠位の第２の端部（３８）と、
   外面（３９）と
   を備えており、
   前記バーナリング（３６）が、前記スワールシェル（３３）を少なくとも部分的に包囲するように、前記バーナリング（３６）の内面において該バーナリング（３６）の前記第１の端部（３７）と前記第２の端部（３８）との間の場所で前記スワールシェル（３３）の前記第２の端部（３５）に固く組み付けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の燃焼器。
7. 前記燃焼器（１０）が、さらに、前記バーナリング（３６）と前記スリーブ（２０）との間に形成されたキャビティ（４２）を封止するためのシール（４０）を有しており、該シール（４０）が、前記バーナリング（３６）または前記スリーブ（２０）に位置している、請求項６記載の燃焼器。
8. 前記シール（４０）が、ラビリンス状のかつピストンリング状のシールである、請求項７記載の燃焼器。
9. 前記シール（４０）が、前記バーナリング（３６）の前記外面（３９）に位置している、請求項７または８記載の燃焼器。
10. 前記シール（４０）が、前記バーナリング（３６）の前記第１の端部（３７）の側に位置している、請求項７から９までのいずれか１項記載の燃焼器。
11. 前記シール（４０）が、前記バーナリング（３６）の前記第１の端部（３７）の側で前記バーナリング（３６）の前記外面（３９）に位置している、請求項８から１０までのいずれか１項記載の燃焼器。
12. 前記スリーブ（２０）が、前記バーナリング（３６）の前記外面（３９）と前記スリーブ（２０）との間で前記シール（４０）と前記バーナリング（３６）の前記第２の端部（３８）との間に形成された環状ギャップ内にパージガスを向けることができるように位置しかつ前記スリーブ（２０）を貫通して形成された複数のパージ孔（４４）を有している、請求項７から１０までのいずれか１項記載の燃焼器。
13. 前記複数のパージ孔（４４）が、前記スリーブ（２０）の全周にわたって設けられている、請求項１２記載の燃焼器。
14. 前記バーナボディ（３１）が、さらに、ランス（３２）を有しており、該ランス（３２）が、オイル予混合およびガスパイロット噴射のために、前記バーナボディ（３１）を貫いて軸方向に延びていて、該バーナボディ（３１）から、前記スワールシェル（３３）内に形成されたキャビティ内に突出している、請求項５から１３までのいずれか１項記載の燃焼器。
15. 前記燃焼器（１０）が、さらに、複数のスリーブ（２０）と複数のバーナ（３０）とを有しており、前記スリーブ（２０）内の前記バーナ（３０）のうちの少なくとも２つが、互いに軸方向でずらされている、請求項１から１４までのいずれか１項記載の燃焼器。

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