JP3180830B2 - ガスタービンコンバスタ - Google Patents

ガスタービンコンバスタ

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    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • F23R3/50—Combustion chambers comprising an annular flame tube within an annular casing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/002—Wall structures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
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    • F05B2260/202—Heat transfer, e.g. cooling by film cooling

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼室を制限して
いて該燃焼室から離反した方の側では、ガスタービンの
圧縮機から供給される空気流に曝されており、かつ周方
向で互いにオーバーラップした複数の壁部分から構成さ
れているリング状の炎管を備え、前記の各壁部分が、前
記燃焼室から離反した方の側には、冷却空気のための、
全周にわたって分配された複数の入口ポートをそれぞれ
有し、少なくともほぼ周方向で、前記壁部分の出口側端
部へ冷却空気をガイドするための手段を有している形式
のガスタービンコンバスタに関する。
【０００２】
【従来の技術】前記のような空冷式の炎管を備えたガス
タービンは例えば米国特許第４，０７７，２０５号明細
書又は米国特許第３，９７８，６６２号明細書に基づい
て公知である。該特許明細書には、タービン軸線方向で
互いにオーバーラップする複数の壁部分から構成された
炎管用の冷却系が開示されている。各炎管は、冷却空気
を流出させるスリット全長にわたって延びるリブを有し
ている。該冷却空気の膜層は、炎管のための冷却断熱層
を形成するために該炎管の壁に付着していなければなら
ない。英国特許第１０９９３７４号明細書には、タービ
ン周方向で互いにオーバーラップする複数の壁部分から
構成された、冷却された燃焼室壁について開示されてい
る。これらの壁部分は、タービン軸線方向で多数の個別
のリブエレメントからグループ形式で組み立てられてお
り、これらのリブエレメントは、固定手段を介して位置
保持されている。互いにオーバーラップする壁部分によ
って、冷却空気は接線方向で燃焼室内に流入する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、冒頭
に述べた形式のガスタービンコンバスタを改良して、冷
却空気を有利な形式で分配することによって環状の炎管
のすべての壁部を効率的に冷却し、冷却空気の消費を減
少して、ＮＯ ｘ 排出を減少することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決した本発
明の構成手段は、壁部分がタービン軸線方向で湾曲され
た複数のエレメントであり、これらのエレメントが炎管
の全長に亘って延びており、前記壁部分の入口側端部に
分配室が配置されており、前記分配室が、冷却空気をガ
イドするための手段及び入口ポートに接続されており、
冷却空気をガイドするための前記手段が、少なくともほ
ぼ炎管の軸方向全長にわたって配置されており、炎管内
に流入する冷却空気の方向が、壁近くで生じる主流の方
向に適合されるようになっている。
【０００５】本発明の利点は就中、新規な手段により可
能な限り最小限のギャップ数で跳ね返り・対流冷却を効
果的に実施し、これによって冷却空気のロスを制御でき
るようにした点にある。
【０００６】本発明の実施態様では、タービン軸線方向
に延びる壁部分の縦辺がタービン軸線に平行に延在し、
かつ、炎管が、偶数の互いにオーバーラップする壁部分
を有しているのが特に有利である。軸方向で分割された
構造の場合には、互いにオーバーラップする部位は部分
継目として使用され、この部位に、壁部分を強制位置へ
もたらすための組立て手段を設けることが可能である。
更にまた、２つの隣合った壁部分間のオーバーラップギ
ャップから流出する冷却空気が、燃焼室内へ流入する前
にゲートにおいて変向ガイドされるのが有利である。そ
の場合ゲートの設定角度は、壁面近くで発生する燃焼ガ
ス旋回流と合致させるために炎管入口から炎管出口に至
るまで漸増的に変化することができる。
【０００７】
【実施例】次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説す
る。
【０００８】但し本図面には、本発明を理解する上で重
要な構成エレメントのみが図示されており、ガスタービ
ンユニットのうち例えば排気管と煙道とを有するガスタ
ービンの排気ケーシング並びに圧縮機部分の流入部の図
示は省かれている。駆動媒体の流動方向は矢印で示され
ている。
【０００９】図１において第１の軸流段を夫々３列のタ
ービン静翼列２′とタービン動翼列２″の形で示したタ
ービン１は実質的に、動翼つまり回転羽根を装備したタ
ービンロータ３と、静翼つまり案内羽根を装備した静翼
保持体４とから成っている。該静翼保持体４はタービン
ケーシング５内に懸架されている。図示の例ではタービ
ンケーシング５は、圧縮された可燃空気のための集気室
６をやはり有している。該集気室から可燃空気はリング
型コンバスタ７内へ到達し、該リング型コンバスタ自体
はタービン入口へ、すなわち第１のタービン静翼列２′
の上流で開口している。圧縮空気は圧縮機９のディフュ
ーザ８から集気室６内へ到達する。図面では圧縮機９の
うち夫々３列の圧縮機静翼列１０′と圧縮機動翼列１
０″の形の最後の３つの圧縮段だけが図示されているに
過ぎない。圧縮機とタービンとの動翼列は共通の軸１１
に装着されており、該軸の中心軸線はガスタービンユニ
ットの縦軸線１２に相当している。
【００１０】単に例示されているにすぎない３６個のバ
ーナ１３は全周にわたって均等に分配されて配置されて
いるが、圧縮された可燃空気は集気室６から該バーナ１
３内に矢印方向に流入する。燃料は燃料ノズル１４を介
して燃焼室１５内へ噴射される。燃料ノズル１４は一次
空気導入平面内で複数の渦羽根の形の旋回流発生体１６
によって取り囲まれている。前記渦羽根を通って空気は
燃焼室１５の一次ゾーンに達し、該一次ゾーンにおいて
燃焼動作が行なわれる。渦羽根によって、バーナに向か
って方位づけられた空気コアをもった旋回流が発生さ
れ、該空気コアはバーナに火炎を定着させ、これによっ
て該火炎は、空気速度が高速であるにも拘らず途切れる
ことはない。同時に旋回流によって急速燃焼が保証され
る。この燃焼の際に燃焼ガスは極めて高い温度に達し、
これによって炎管１７の壁を冷却すべき特別の要求が生
じる。これが特に当て嵌まるのは、図示の拡散型バーナ
の代りに所謂「低ＮＯｘバーナ」例えば大きな炎管表面
積と比較的控え目の冷却空気量を必要とする予混合式バ
ーナが使用される場合である。
【００１１】バーナ炎口の下流側でリング状の燃焼室１
５はタービン入口にまで延びている。該燃焼室は内側も
外側も共に炎管１７によって制限されている。該炎管は
本実施例では自己支持性構造として構想されている。該
炎管１７はそのインナーリングにおいてもアウターリン
グにおいても共に、長手方向でオーバーラップギャップ
２２（図２及び図６）をもって配置された所定数の壁部
分１８から成っている。鋳造部品から構成することので
きる前記壁部分はタービン軸線方向で、燃焼ガスを通流
させる燃焼室の経過方向に相応して湾曲されておりかつ
炎管の軸方向全長にわたって延在している。
【００１２】壁部分１８の縦辺、すなわち、冷却空気の
ための集気室６寄りの入口縁も燃焼室１５寄りの出口縁
も（図２）共に、タービン縦軸線１２に平行に延びてい
る。タービンケーシングは原則として、不可分の軸を組
外すために水平方向に分割されているので、偶数の壁部
分を選ぶのが有利である。これによって、互いに１８０
°対向して位置していて壁部分のオーバーラップしてい
る部位を夫々部分継目として使用することが可能であ
る。シンメトリーの理由からこの場合バーナと等数の、
つまり３６個の壁部分が選ばれる（図２）。しかしこの
手段が決して必要不可欠という訳ではないのは勿論であ
る。例えば炎管のインナーリングの壁部分数を炎管のア
ウターリングの壁部分数の半分にすることも可能であ
る。原則として壁部分の数はオーバーラップギャップか
ら燃焼室内へ流入する冷却空気を膜層冷却としてできる
だけ効果的に利用できるようにするという要求に基づい
て決まる。その結果それぞれ２つの冷却空気用オーバー
ラップギャップ間の間隔、ひいては壁部分の接線方向距
離が冷却空気膜層の有効長にほぼ等しくなる。このこと
から殊に、事実上必要とするだけの数のオーバーラップ
ギャップもしくは壁部分を設ければよいという製造上の
利点も認識することができる。更に前記構造に基づいて
任意の寸法及び任意の幾何学的形状のリング型炎管の実
現が可能になる。この構造の保守作業が容易になるのは
偏えに、損傷の場合にも損傷した壁部分のみを交換すれ
ばよいからである。
【００１３】図１において炎管を取り囲んでいる矢印に
基づいて判るように、炎管１７は、燃焼室１５から離反
した方の側で、圧縮機９から供給される集気室６内の空
気流に曝される。壁部分１８は、集気室６寄りの側には
夫々全周にわたって分配された複数の入口ポート１９
（図５及び図６）を有し、該入口ポートを介して冷却空
気が、壁部分に配置されていて燃焼室１５と連通する分
配室２０（図５及び図６）内へ導入される。
【００１４】壁部分１８における冷却空気の誘導は図２
に略示されている。冷却空気は、以下に説明する手段に
よって集気室６寄りの壁部分面に沿ってできるだけ周方
向に導かれる。燃焼室１５内に流入する際に冷却空気
を、矢印で示した燃焼ガスの旋回流の方に向かって方位
づけてはならないのは勿論である。このための必要条件
は、炎管インナーリングの壁部分における流入口と流出
ギャップが炎管アウターリングの壁部分における流入口
と流出ギャップに対して正反対に配置されていることで
ある。従って、図２では逆時計回り方向の旋回成分を有
している燃焼ガスの流動方向とは逆方向に見て、冷却空
気はアウターリングの壁部分をやはり逆時計回り方向に
通流するのに対して、インナーリングの壁部分を時計回
り方向に擦過する訳である。
【００１５】壁部分の出口側端部で必要なことは、冷却
空気膜層を維持するために冷却空気が、単に燃焼ガスの
流動方向と同方向であるばかりでなくて、該冷却空気の
方向を炎管の壁面近くでは燃焼ガスの流動方向とできる
だけ合致させるように、燃焼室１５内に導入されること
である。
【００１６】これに関連した図３では燃焼室１５内での
流動状態が円筒切断部の部分的展開図で示されている。
この図３では垂直線Ｂはバーナ炎口の平面を、垂直線Ｔ
はタービン入口の平面を示している。以下に数値を記載
して燃焼室内での流動を説明するが、該数値はその他多
数の決定的なパラメータに基づいて例示記号でしかない
場合もある。燃焼空気は旋回発生体１６から約７５°の
角度で流出する。符号Ｘで示したゾーンでは燃焼に基づ
く反動作用によって作動媒体の加速が生じ、その結果、
タービン軸線方向で軽度の偏向が生じる。こうして燃焼
ガスは約５５°の角度で流動する。ゾーンＹではガス流
はタービン軸線方向で加速され、ガスの通流させられる
通路は漸増的に急勾配をとる（図１）。タービン入口の
手前で通流路が狭窄されることによってガスはゾーンＺ
において約２０°に偏向され、こうして第１のタービン
段の静翼２′を負荷する。
【００１７】ところで前記旋回流の経過に基づいて判る
ように、炎管の軸方向全長にわたって燃焼室における冷
却空気のための種々異なった流入条件が考慮されねばな
らない。要するに集気室寄りの周壁に沿ってそれまで大
体において接線方向に流れている冷却空気の方向は、そ
の都度壁近くで生じる主流の方向に適合されねばならな
い。これは後述の手段によって行なわれ、該手段は、２
つの隣合った壁部分のオーバーラップ範囲のギャップ内
に位置している。
【００１８】図４及び図５には壁部分１８の構造、しか
も集気室寄りの側が平面図で示されている。図６では炎
管のインナーリングの壁部分が横断面図で示されてい
る。図２に示した図示とは異なって、該壁部分は周方向
に湾曲されていない。むしろ該壁部分は、殆ど扁平に近
いプレートであり、該プレートは図１のようにタービン
の長手方向で燃焼室の形状経過に相応して湾曲されてい
る。該プレートは集気室寄りの側の一端部にグリッパ２
１の形の保持装置を有している。該グリッパ２１によっ
て、夫々周方向で隣接したプレートが、プレート左端部
に破線で示したように保持される。これによって簡単な
組付け手段が得られ、該組付け手段によって、オーバー
ラップギャップ２２を各使用状態において狭い限度範囲
内に保つことが可能になる。プレートの他端部には、炎
管を固定するために使用することのできる凸設部２３が
設けられている。図示例では炎管構造は自己支持能を有
している。この自己支持能は或る所定のサイズオーダー
までしか可能でないのは明らかである。壁部分の前記凸
設部２３は本来の支持構造体と結合されているのは勿論
である。該支持構造体はいずれにしても、タービンユニ
ットの稼働の際に壁部分の自由面積範囲を妨害しないよ
うに構想されねばならない。
【００１９】壁部分は、燃焼室から離反した方の側に多
数の縦方向リブ２４を装備し、該縦リブは入口側の分配
室２０から出口側の貫通口３０まで延在している。これ
らの貫通口は、グリッパ２１を支持するビード部内に穿
設された孔として構想されてもよい。前記縦方向リブ２
４は、燃焼室１５から離反した方の壁部分側を多数の通
路２５に分割しており、該通路内を冷却空気は周方向で
貫通口３０へ導かれる。分配室２０並びに縦方向リブ２
４及び通路２５は集気室６に対してカバー２６を有して
いる。該カバーには分配室２０の平面に冷却空気のため
の所定数の入口ポート１９が設けられている。入口ポー
ト１９は、図４及び図５では図面を判り易くするという
理由からカバー２６を省いてあり、図５では本来認知で
きないものであるので、ここでは破線で孔として略示さ
れている。図４及び図５からやはり判るように、壁部分
の入口側端部の分配室２０は複数の隔壁２７によって複
数の分配セグメント２８に分割されている。該分配セグ
メント２８の軸方向長さ、これに伴う該分配セグメント
当り負荷される通路２５の数並びに入口ポート１９のサ
イズを適正に選ぶことによって冷却空気を正確に調量す
るための簡単な手段が得られる。
【００２０】通過口３０からオーバーラップギャップ２
２へ流出する冷却空気は、燃焼室１５内へ入る前にゲー
ト２９で変向ガイドされる。該ゲート２９は、オーバー
ラップされた隣合った壁部分の入口側端部で（図６）、
燃焼室寄りの壁部分側に配置されている。その場合ゲー
トの設定角度は、壁面近くで生じる燃焼ガスの旋回流に
合致するように、炎管入口から炎管出口に至るまで漸増
的に変化される。
【００２１】本発明が、以上説明した図示の実施例のみ
に限定されるものではないのは勿論である。壁部分の縦
辺は例えばタービン軸線に平行にではなくて、例えば４
５°の角度で螺旋形に延びることもできる。変向ガイド
用ゲートの図示の一体的な構造とは異なって該ゲートを
別体の構成単位として全く同様に構想することも可能で
ある。更にまた縦方向リブは、これを冷却目的のために
必ずしも必要としない限り、壁の軸方向全長にわたって
ではなくて、壁の一部分にだけ装着されてもよい。また
前記縦方向リブの代りに壁部分の表面に、乱流発生ゲー
トと共に、又はそれ無しに複数の条溝を形成することも
可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービンの部分縦断面図である。
【図２】図１の２−２断面線に沿ったコンバスタの炎管
の部分横断面図である。
【図３】バーナ高さで炎管を切断した円筒切断部分の部
分的展開図である。
【図４】炎管の壁部分を示す図である。
【図５】図４に示した壁部分の部分的な拡大図である。
【図６】図５の６−６断面線に沿った壁部分の横断面図
である。
【符号の説明】
１ タービン、 ２′ タービン静翼列、 ２″
タービン動翼列、３ タービンロータ、 ４ 静翼
保持体、 ５ タービンケーシング、６ 集気室、
７ リング型コンバスタ、 ８ ディフューザ、
９圧縮機、 １０′ 圧縮機静翼列、 １０″
圧縮機動翼列、 １１ 軸、 １２ タービン縦軸
線、 １３ バーナ、 １４ 燃料ノズル、 １５
燃焼室、 １６ 旋回流発生体、 １７ 炎
管、 １８ 壁部分、１９ 入口ポート、 ２０
分配室、 ２１ グリッパ、 ２２ オーバーラ
ップギャップ、 ２３ 凸設部、 ２４ 縦方向リ
ブ、 ２５通路、 ２６ カバー、 ２７ 隔壁、
２８ 分配セグメント、 ２９ゲート、 ３０ 貫
通口、 Ｂ バーナー炎口の平面、 Ｔ タービン
入口の平面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヘルマール ヴンダーレ スイス国 ヴァルツフート−ティーンゲ ン ２ ツィーゲルマトヴェーク ４ (56)参考文献 英国特許1099374（ＧＢ，Ａ) 英国特許642257（ＧＢ，Ａ) 米国特許4773227（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F23R 3/06 F02C 7/18 F23R 3/42

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃焼室（１５）を制限していて該燃焼室
    から離反した方の側では、ガスタービンの圧縮機（１
    １）から供給される空気流に曝されており、かつ周方向
    で互いにオーバーラップした複数の壁部分（１８）から
    構成されているリング状の炎管（１７）を備え、前記の
    各壁部分（１８）が、前記燃焼室（１５）から離反した
    方の側には、冷却空気のための、全周にわたって分配さ
    れた複数の入口ポート（１９）をそれぞれ有し、少なく
    ともほぼ周方向で、前記壁部分の出口側端部へ冷却空気
    をガイドするための手段（２４）を有している形式のガ
    スタービンコンバスタにおいて、 壁部分（１８）がタービン軸線方向で湾曲された複数の
    エレメントであり、これらのエレメントが炎管（１７）
    の全長に亘って延びており、 前記壁部分の入口側端部に分配室（２０）が配置されて
    おり、 前記分配室（２０）が、冷却空気をガイドするための手
    段（２４）及び入口ポート（１９）に接続されており、 冷却空気をガイドするための前記手段（２４）が、少な
    くともほぼ炎管（１７）の軸方向全長にわたって配置さ
    れており、 炎管内に流入する冷却空気の方向が、壁近くで生じる主
    流の方向に適合されるようになっている、 ことを特徴とする、ガスタービンコンバスタ。
  2. 【請求項２】 冷却空気をガイドする手段（２４）が、
    燃焼室（１５）から離反した方の壁部分（１８）側を複
    数の通路（２５）に分割するリブであり、前記通路自体
    が炎管（１７）の外側の空気室に対するカバー（２６）
    を有している、請求項１記載のガスタービンコンバス
    タ。
  3. 【請求項３】 リブ（２４）から流出する冷却空気が、
    燃焼室（１５）内へ流入する前にゲート（２９）におい
    て変向ガイドされ、該ゲートが、互いにオーバーラップ
    した隣合った壁部分（１８）の入口側端部で、しかも燃
    焼室寄りの側に配置されている、請求項２記載のガスタ
    ービンコンバスタ。
  4. 【請求項４】 壁部分（１８）の入口側端部に設けた分
    配室（２０）が複数の隔壁（２７）によって複数の分配
    セグメント（２８）に分割されている、請求項１記載の
    ガスタービンコンバスタ。
  5. 【請求項５】 タービン軸線方向に延びる壁部分(１８)
    の縦辺がタービン軸線(１２)に平行に延在している、請
    求項１記載のガスタービンコンバスタ。
  6. 【請求項６】 互いにオーバーラップする壁部分（１
    ８）が、自己支持性の炎管構造を形成している、請求項
    １記載のガスタービンコンバスタ。
  7. 【請求項７】 炎管（１７）が、偶数の互いにオーバー
    ラップする壁部分（１８）を有している、請求項１記載
    のガスタービンコンバスタ。
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