JP2017150482A - 衝突冷却壁構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】衝突冷却壁構造体を提供する。【解決手段】衝突スリーブと、動作中に高温ガスに曝される壁と、壁に配置された前縁２５を有する複数のタービュレータ２１と、を備え、衝突スリーブは、少なくとも部分的にプレナムに配置されていて、かつ壁から間隔を置いて配置されており、壁と衝突スリーブとの間に冷却流路１５が形成されており、動作中、プレナムから複数の開口１３を通して冷却スリーブに噴出される圧縮ガスが、壁に衝突し、クロスフロー１６として、冷却流路１５の下流側端部２８における出口へ向けて流れる、衝突冷却壁構造体１２において、少なくとも１つの開口１３の中心が、長手方向軸線２９に沿って、少なくとも１つのタービュレータ２１の前縁２５と整合していることを特徴とする。【選択図】図４

Description

本開示は、衝突（インピンジメント）冷却構造体に関し、特に高温ガスに曝される壁を冷却するための衝突冷却壁構造体に関する。

開示の背景
発電サイクルの熱力学的効率は、たとえばガスタービンの場合には燃焼器から排出される高温ガスである、発電サイクルの作動流体の最高温度に依存している。高温ガスの実現可能な最高温度は、燃焼排出物により制限されている他に、その高温ガスと接触する金属部分の動作温度上限により制限されており、高温ガス温度よりも低くこれらの構成部分を冷却する能力に制限されている。改良型の高効率ガスタービンの高温ガス流路を形成する高温ガスダクト壁の冷却は、困難であり、現在知られている冷却方法は、高い性能損失を伴う、つまり出力および効率の低下を招いてしまう。

衝突冷却は、高い高温ガス温度を有するガスに曝される構成要素に対する最も効率的な冷却技術の１つである。壁の衝突冷却のために、スリーブが、壁外側面（この面は高温ガスから離間する方に面している）からわずかな間隔を置いて配置されている。衝突スリーブは、一連の孔を含み、孔を通して、圧縮ガスが排出されて、一連の空気ジェットが生成され、空気ジェットは、壁の外側面に衝突して、これを冷却する。衝突後、圧縮ガスは、冷却ガスとして、壁と衝突スリーブとにより画定された冷却路に流入して、冷却流路の端部へ向かう。この流れは、いわゆるクロスフローとなる。たいてい、最初の衝突列は、冷却通路内にクロスフローを何ら生じさせることなく、壁への衝突を許容する。これに続く衝突列の数が冷却流路の端部へ向けて増えているので、冷却通路にクロスフローが形成される。その欠点によれば、衝突ジェットが変向されて、壁に衝突する前に壁から逸れる（図２ａ参照）ので、冷却通路内のクロスフローの増加が、生じ得る衝突冷却の熱伝達係数を妨げて低下させる。

クロスフロー速度を制限するために、米国特許第４７１９７４８号明細書（US4719748）において、冷却通路の長さに関する冷却通路の高さを増加することが提案されている。しかし、冷却通路の高さの増加は、ダクト壁に到達するジェットの衝突効率を低下してしまう。欧州特許出願公開第２９５５４４３号明細書（EP2955443）における他の解決手段は、ダイバータと関連して付加的な衝突孔を追加することを提案している。

ゆえに、衝突冷却により冷却される壁の長さに関する衝突冷却の効率の低下に加えて、通常のダクト壁の熱負荷は、均一ではない。たとえば、ガスタービンのたいていの燃焼室は、機関軸に対して傾斜しており、これは、高温ガス流方向の変化に繋がる。燃焼室内の高温ガス流は、燃焼室壁の通常の位置における、より高い熱負荷を有する領域、いわゆるホットスポットに通じる主流方向のこの変化に適合させなければならない。増加する熱負荷に曝される壁の領域の寿命を保証するために、この領域に冷却を増加させる必要がある。

既存の解決手段を考慮すると、依然として効率的な衝突冷却構造体の要求が存在する。

開示の概要
本開示の主要課題は、高温ガス流を案内する壁の位置にかかわらず、壁の効率的な衝突冷却を可能にする、衝突冷却壁構造体を提供し、壁の延伸長さに沿って高い冷却効率を維持することである。

開示される衝突冷却壁構造体は、衝突スリーブと、動作中に高温ガスに曝される壁と、を備え、衝突スリーブは、少なくとも部分的にプレナムに配置されていて、かつ壁から間隔を置いて配置されており、壁と衝突スリーブとの間に冷却流路が形成されており、プレナムから複数の開口を通して冷却スリーブに噴出される圧縮ガスが、動作中、壁に衝突し、クロスフローとして、冷却流路の下流側端部における出口へ向けて流れる。開示される衝突冷却壁構造体は、壁に配置された前縁を有する複数のタービュレータも備える。少なくとも１つの開口の中心が、長手方向軸線に沿って、少なくとも１つのタービュレータの前縁と整合している。

本発明の１つの実施の態様によれば、構造体は、少なくとも１列の開口と少なくとも１列のタービュレータとを備える。

本発明の別の実施の態様によれば、開口の数は、タービュレータの数と同一である、またはその数より少ない。

さらに別の実施の態様によれば、各々の開口は、少なくとも１つのタービュレータと整合されている。

本発明の別の実施の態様によれば、全てのタービュレータは、同一の形状を有する。

さらに別の実施の態様によれば、少なくとも２つのタービュレータが、互いに結合されている。

別の好適な実施の態様によれば、少なくとも１つのタービュレータが、Ｖ字形状、錐体形状または半円形状を有する。

さらに別の好適な実施の態様によれば、タービュレータは、クロスフローの方向にみて開口の下流側に配置されている。

衝突冷却壁構造体とは別に、本開示は、前述のいずれか１つの実施の態様による衝突冷却壁構造体を備える燃焼器およびガスタービンも記述している。

さらに、動作中高温ガスに曝される壁を衝突冷却する方法が、本開示の１つの対象である。方法は、プレナムから複数の開口を通して冷却流路内へ圧縮ガスを噴出するステップと、圧縮ガスを壁に衝突させ、圧縮ガスを、クロスフローとして、冷却流路の下流側端部における出口へ向けて方向付けるステップと、壁に配置されたタービュレータにより、クロスフローを変向させるステップと、を有する。

以下、開示内容、その本質およびその利点を、付属の図面に基づいて、より詳しく説明する。

圧縮機と燃焼構造体とタービンとを備えるガスタービンを示す。 衝突冷却壁構造体を概略的に示す。 衝突冷却壁構造体を概略的に示す。 壁構造体における衝突流を概略的に示す。 開口とタービュレータとを有する衝突冷却壁構造体を平面図で示す。 開口とタービュレータとを有する衝突冷却壁構造体を概略的に示す。 従来慣用の衝突冷却壁と、タービュレータを有する衝突冷却壁との、長さに関する、結果として生じる熱伝達係数の推移を示す。

開示の実施の態様
同一のまたは機能的に同等の構成要素には、以下、同一の符号が用いられている。実施例は、そのような構造体の開示を何ら制限するものではない。

図１は、衝突（インピンジメント）冷却燃焼器４を備えるガスタービン１を示している。ガスタービン１は、圧縮機３と燃焼器４とタービン５とを含む。吸気２が、圧縮機３により圧縮されて、圧縮ガス１１が生成され、プレナム２０を介して燃焼器４に供給される。燃料８が、燃焼器４内で圧縮ガスとともに燃焼されて、高温ガス流１９が生成される。高温ガスは、機械的仕事を生成するタービン５において消費される。通常は、ガスタービンシステムは、発電機１７を含む。発電機１７は、ガスタービン１のシャフト６に連結されている。さらに、ガスタービン１は、タービン５および燃焼器４のための冷却システムを含む。冷却システムは、本開示の主体ではないので、図示されていない。排ガス２６は、タービン５から出ていく。残留熱は、通常は、後続の水・蒸気サイクルで使用される。水・蒸気サイクルも、ここでは図示されていない。

図２ａは、衝突（インピンジメント）冷却壁構造体１２の断面図を示しており、図２ｂは、図２ａの衝突冷却壁構造体１２の平面図を示している。図示のように、衝突冷却壁構造体１２は、壁７を含み、壁７は、１つの側で高温ガス流１９に曝されている。壁７の衝突冷却のための開口１３を含む冷却スリーブ若しくは衝突（インピンジメント）スリーブ１０は、壁７の上方で間隔を置いて配置されている。圧縮ガス１１は、プレナム２０から開口１３を通して供給され、壁７に衝突する。圧縮ガス１１が壁７に衝突した後、圧縮ガス１１は、クロスフロー１６として、壁７とスリーブ１０とにより形成された冷却流路１５内で、冷却流路１５の下流側端部２８へ向けて流れる。図２ａの実施例では、高温ガス流１９およびクロスフロー１６は、互いに平行の同一方向で、冷却流路１５の下流側端部２８へ向けて流れる。図２ｂは、図２ａの構造体の平面図を示している。衝突冷却壁構造体１２は、冷却領域壁２７により、上流側端部および両方の側部で画定されている。２列の開口１３は、平行に配置されている。圧縮ガス１１は、開口１３を通して流れ、クロスフロー１６が生成される。

図２ａおよび図２ｂに示された実施例では、壁７に圧縮ガスを噴出するための開口は、衝突冷却壁構造体１２の上流側部分に配置されている。下流側部分は、クロスフロー１６により冷却されているだけである。上流側端部から始端する冷却流路の長さｘは、図２ｂの下側に表示されている。

図３は、壁７における圧縮ガス流１１の衝突を示している。衝突後、二次流１４が生成される。

本開示による、衝突冷却壁構造体１２の第１の実施例は、図４（平面図を示す）および図５に示されている。衝突開口１３の直ぐ下流側における流量分布は、極めて不均一であり、開口１３と整合して、高い運動量の中心が存在する。図４では、２列の開口１３および４列のタービュレータ２１が存在する。タービュレータ２１は、前縁２５を有するＶ字形状を有する。クロスフロー１６は、図５に示されているように、それぞれ反対側に位置するつまり逆向きの複数の頂部を形成しているタービュレータ２１により変向される。本発明によれば、開口１３は、長手方向軸線２９に沿って、タービュレータ２１の前縁２５と整合している。タービュレータ２１と開口１３とが整合することにより、この構成は、下流側領域に開口１３により生成される高い運動量の中心の利点を有し、これにより、この特徴により生成される熱伝達レベルが増加する。この構成は、その部分において、より均一な熱伝達を可能にし、これにより、その部分の寿命が増加する他、下流側衝突開口の省略により、要求される冷却質量流量が著しく減少し、損失となる圧縮機の仕事量が減少する。図４および図５は、熱伝達の減少が認められるところから下流側の列を無くして、その代わりに、開口１３と整合するタービュレータ２１を配置することにより、どのようにして、上流側の衝突列により生成される高い熱伝達を維持する一方、質量流量の減少および冷却される部分の圧力降下要求の問題が解決されるのかを示している。前縁２５と衝突開口との整合は、冷却システムの同じ圧力降下における全体的な熱伝達レベルを増加しているか、またはその逆である。非鋳造部分においては、タービュレータの数を減らす可能性より製造コストが削減される。

タービュレータ２１は、図４および図５に示されているように、互いに結合されてよく、またはタービュレータ２１は、それぞれ別個であってもよい（図示されていない）。さらに、タービュレータ２１は、それぞれ反対側に位置する、つまり逆向きの２つの頂部を形成することができる様々な形状を有してよい。そのような形は、錐体および半円の形状を含む。

図６は、結果として生じる、図２ａ／図２ｂの衝突冷却壁の長さに関する熱伝達係数（ＨＴＣ）３０の推移と、図４および図５のタービュレータ２１を有する場合の衝突冷却壁の長さに関する熱伝達係数３１の推移（実在データではない）を示している。開口１３を通して壁７に導入される圧縮ガスの衝突による冷却の局所的なピークが明確に示されている。タービュレータ２１を有しない図２ａ／図２ｂの構造体において、ピークおよび熱伝達係数（ＨＴＣ）全体は、冷却流路１５の長さｘに沿って減少している。結果として生じる、衝突冷却壁の長さに関する熱伝達係数は、冷却壁部分の幅にわたる平均の熱伝達係数である。ピークは、長さｘにわたるクロスフロー１６により減少している。タービュレータ２１を有する構造体において、熱伝達係数３１は、大幅に改善されている。

実施の態様に示された衝突冷却壁構造体は、たとえば缶型燃焼器を備えるガスタービンに使用されてよい。缶型燃焼器は、通常は、ガスタービンのシャフト６の周りに周方向に分配されており、燃焼室の円形の横断面から、円環状のまたは実質的に矩形の流れ横断面の部分の形状を有する横断面へ移行するために、出口、つまりタービン入口で、トランジションピースまたはトランジション部分を有する。トランジションピースは、ダクトに一体的であってよいか、または、別体のダクトであってよく、開示された衝突冷却壁構造体は、同様にトランジションピースへ高温ガスを案内するダクトに使用されてよい。

開示された衝突冷却壁構造体および冷却のための方法は、ガスタービンと同様に、たとえば炉または反応器などの、壁が高温ガスに曝される他の機械または設備に使用されてよい。

前述の記載内容は、本出願の好適な実施の態様に関するものでしかなく、以下の特許請求の範囲に規定された発明の一般的な要旨および範囲を逸脱することなく、多数の変化および変更が、ここに通常の当業者により成され得ることが明らかである。

１ ガスタービン
２ 吸気
３ 圧縮機
４ 燃焼器
５ タービン
６ シャフト
７ ダクト壁
８ 燃料
９ バーナー
１０ スリーブ
１１ 圧縮ガス
１２ 衝突冷却壁構造体
１３ 開口
１４ 二次流
１５ 冷却流路
１６ クロスフロー
１７ 発電機
１９ 高温ガス流
２０ 圧縮ガスプレナム
２１ タービュレータ
２５ 前縁
２６ 排ガス
２７ 冷却領域壁
２８ 下流側端部
２９ 長手方向軸線
３０ タービュレータを有しない場合のＨＴＣ
３１ タービュレータを有する場合のＨＴＣ

Claims (13)

1. 衝突冷却壁構造体（１２）であって、
   衝突スリーブ（１０）と、
   動作中に高温ガス（１９）に曝される壁（７）と、
   該壁（７）に配置された前縁（２５）を有する複数のタービュレータ（２１）と、
   を備え、前記衝突スリーブ（１０）は、少なくとも部分的にプレナム（２０）に配置されていて、かつ前記壁（７）から間隔を置いて配置されており、該壁（７）と前記衝突スリーブ（１０）との間に冷却流路（１５）が形成されており、動作中、前記プレナム（２０）から複数の開口（１３）を通して冷却スリーブ内に噴出される圧縮ガス（１１）が、前記壁（７）に衝突し、クロスフロー（１６）として、前記冷却流路（１５）の下流側端部（２８）における出口へ向けて流れる、衝突冷却壁構造体（１２）において、
   少なくとも１つの前記開口（１３）の中心が、長手方向軸線（２９）に沿って、少なくとも１つの前記タービュレータ（２１）の前記前縁（２５）と整合していることを特徴とする、衝突冷却壁構造体（１２）。
2. 当該構造体（１２）は、少なくとも１列の前記開口（１３）と少なくとも１列の前記タービュレータ（２１）とを備える、請求項１記載の衝突冷却壁構造体（１２）。
3. 前記開口（１３）の数は、前記タービュレータ（２１）の数と同一であるか、またはその数より少ない、請求項１または２記載の衝突冷却壁構造体（１２）。
4. 各々の前記開口（１３）は、前記長手方向軸線（２９）に沿って、少なくとも１つの前記タービュレータ（２１）と整合されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の衝突冷却壁構造体（１２）。
5. 全ての前記タービュレータ（２１）が、同一の形状を有する、請求項１から４までのいずれか１項記載の衝突冷却壁構造体（１２）。
6. 少なくとも２つの前記タービュレータ（２１）が、互いに結合されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の衝突冷却壁構造体（１２）。
7. 少なくとも１つの前記タービュレータ（２１）が、Ｖ字形状を有する、請求項１から６までのいずれか１項記載の衝突冷却壁構造体（１２）。
8. 少なくとも１つの前記タービュレータ（２１）が、錐体形状を有する、請求項１から６までのいずれか１項記載の衝突冷却壁構造体（１２）。
9. 少なくとも１つの前記タービュレータ（２１）が、半円形状を有する、請求項１から６までのいずれか１項記載の衝突冷却壁構造体（１２）。
10. 前記タービュレータ（２１）は、クロスフロー（１６）の方向にみて前記開口（１３）の下流側に配置されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の衝突冷却壁構造体（１２）。
11. 請求項１から１０までのいずれか１項記載の衝突冷却壁構造体（１２）を備えることを特徴とする、燃焼器（４）。
12. 請求項１から１０までのいずれか１項記載の衝突冷却壁構造体（１２）を備えることを特徴とする、ガスタービン（１）。
13. 請求項１から１０までのいずれか１項記載の冷却壁構造体（１２）の内側で、動作中に高温ガス（１９）に曝される壁（７）を衝突冷却する方法であって、
    衝突スリーブ（１０）が、少なくとも部分的にプレナム（２０）に配置されていて、かつ前記壁（７）から間隔を置いて配置されており、該壁（７）と前記衝突スリーブ（１０）との間に冷却流路（１５）が形成されている、方法において、
    前記プレナム（２０）から複数の開口（１３）を通して前記冷却流路（１５）内へ圧縮ガス（１１）を噴出するステップと、
    前記圧縮ガス（１１）を前記壁（７）に衝突させ、前記圧縮ガス（１１）を、クロスフロー（１６）として、前記冷却流路（１５）の下流側端部（２８）における出口へ向けて方向付けるステップと、
    前記壁（７）に配置されたタービュレータ（２１）により、前記クロスフロー（１６）を変向させるステップと、
    を有することを特徴とする、方法。

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