JP3694337B2 - タービン燃焼器 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ガスタービンの燃焼器に関する。より詳細には、本発明は、燃焼器をクロス火炎管（cross-flame tube）に連結するためのカップリング又は継手を形成するガスタービン燃焼器の部分に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービン燃焼器は代表的には、タービンロータを包囲した状態で燃焼器シェル内に円周方向に配置された複数のほぼ円筒形の燃焼器で構成される。燃焼器はクロス火炎管により列状に相互連結される。また、これらのうち２つの隣り合う燃焼器には、高エネルギ電気式イグナイタ（又は点火装置）が設けられている。始動時、イグナイタを備えた燃焼器内で、燃料と空気の混合物（以下、「混合気」という）に点火を行い、それにより火炎を生じさせる。すると、クロス火炎管はこの火炎を燃焼器列に沿ってぐるりと燃焼器から燃焼器へと運び、最終的には火炎が全ての燃焼器内で得られるようになる。イグナイタを備えた２つの隣り合う燃焼器と反対側に位置した２つの隣り合う燃焼器に設けられた火炎検出器により、火炎が各燃焼器内に達成されたことが分かる。作動中、クロス火炎管はフレームアウト（flame-out)が起きた燃焼器内での燃焼を再び行わせるのに役立つ。
【０００３】
従来、クロス火炎管は、各端部にフランジを備えた可撓性の金属ホースで構成されていた。クロス火炎管は、燃焼器から突き出たカップリングと組み合わせられるリング形の圧縮クランプ（「マーモン（marmon）」クランプと通称される）により燃焼器に取り付けられていた。各カップリングは、基端部を燃焼器に取り付け、外端部にフランジを設けた実質的に半径方向に延びる管で構成される。
【０００４】
一般に、燃焼器は、複数の同心状のリングを波形部により結合して形成したものである。これらリングを冷却するには、冷却用空気をリングの内壁に沿って流し、それにより燃焼器内の燃焼領域から出る熱に対する熱障壁が得られるようにする。この冷却用空気を導入するには、隣り合うリング間に形成した環状の冷却用空気通路を用い、冷却用空気はかかる環状通路を通って燃焼器に流入し、下流側のリングの内壁に沿って流れる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
残念なことに、クロス火炎管用カップリングが存在しているために、リングの内壁に沿う冷却用空気の流れが妨害される。その結果、この冷却用空気は、クロス火炎管用カップリングの下流側に位置するリングの部分及び管状カップリングへの流入口では役立たないことが判明した。従来試みられた一対策は、多数の小さな孔をリングに隣接するカップリングの周囲に、或いは、リング自体のカップリング包囲部分に設けることにより、冷却用空気をカップリングの付近に追加供給することであった。しかしながら、この試みは好結果を全くもたらさなかった。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、冷却用空気の流れを管状カップリングの端部に差し向けると共にカップリングに隣接した燃焼器の壁に沿って流すようになったクロス火炎管用カップリングを備えるガスタービン燃焼器を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的を考慮して、本発明の要旨は、圧縮空気室を形成するシェルと、圧縮空気室内に配置された複数の相互に連結された燃焼器とが設けられ、各燃焼器の内壁が燃焼室を画定し、クロス火炎管のカップリングが燃焼器の外壁から延びているタービンにおいて、クロス火炎管のカップリングは、内側スリーブ、内側スリーブを包囲して内側スリーブとの間に導管通路を形成する外側スリーブ、及び内側スリーブに取り付けられ、複数のランド及び凹みを備えたスカートより成り、複数のランドは燃焼器の内壁に固着されており、複数の凹みは導管通路と連通する複数の燃焼器通路が燃焼器の内壁との間に形成されるように前記内壁から距離を置いて配置されており、外側スリーブは燃焼器の外壁に固定され、圧縮空気が外側スリーブに設けられた孔、導管通路、複数の燃焼器通路を通って流れることにより外側スリーブ及び燃焼器の内壁を冷却するようになっていることを特徴とするタービンにある。
【０００８】
本発明の内容は、添付の図面に例示的に示す好ましい実施例についての以下の読むと、一層明らかになろう。
【０００９】
【実施例】
図面を参照すると、図１にはガスタービンの燃焼区分１が示されている。燃焼区分は内側シェル２及び外側シェル３で構成されており、これらのシェル２，３の間には環状の室５が形成され、圧縮機区分（図示せず）からの圧縮空気がこの環状室５を通って流れる。代表的なガスタービンの圧縮機区分及び燃焼区分は、米国特許第４，９９１，３９１号（発明者：Kosinski）に示されており、かかる米国特許の内容を本明細書の一部を形成するものとしてここに引用する。内側シェル２は中央に配置されたロータ４を包囲している。
【００１０】
複数のほぼ円筒形の燃焼器６が室５の周りに円周方向に配列されている。イグナイタ８（これはスパークギャップ形式のものであるのが良い）が、２つの隣り合う燃焼器６′内に配置されている。火炎検出器９（これは、紫外線検出形式のものであるのが良い）が、イグナイタ８の設けられている燃焼器６′から見て反対側の２つの隣り合う燃焼器６″の中に配置されている。クロス火炎管７が燃焼器６を一つずつ連結している。
【００１１】
点火時、各燃焼器６′内の混合気がイグナイタ８によって発生したスパークによって点火され、それにより、図２に示すように燃焼器６の各々の中に形成された燃焼領域１０中に火炎を生じさせる。クロス火炎管７が設けられているので、火炎は、燃焼器のすべての中の混合気が点火されるまで、燃焼器から燃焼器へと列に沿ってぐるりと伝播することができる。火炎検出器によって燃焼器６″内の火炎が検出されると、燃焼器が全て点火されたことが確認される。
【００１２】
図２に示すように、各クロス火炎管７は、各端部にフランジを有する可撓性の金属ホース１２で構成されている。マーモンクランプ１４が、クロス火炎管のフランジの各々と、クロス火炎管のカップリング１６に形成された合せフランジ１８（図４に最も良く示されている）とを相互に結合しており、カップリング１６は燃焼器からほぼ半径方向外方へ延びている。
【００１３】
図３に示すように、各燃焼器６の前側部分は、燃焼器の入口４１に連結されたドーム１９から後方へ延びる同心状のリング２０〜２２によって形成されている。燃料２８及び圧縮空気２９が燃焼器の入口４１に導入され、燃焼領域１０中で着火する。室５からの追加の圧縮空気４４が燃焼器のリング２０，２２に形成された孔２４を通って燃焼器６に流入し、混合されて二次燃焼領域４３中で燃焼ガス４６を冷却する。
【００１４】
図４に最も良く示されているように、波形ストリップ２３が、第１のリング１９の後縁と第２のリング２０の前縁との間に配置されている。ストリップ２３によって形成されるリング間の環状ギャップにより、室５からの冷却用空気２６の層がリング２０の内壁４８に沿って流れることができ、それにより高温の燃焼ガス４６に対する熱障壁となる。
【００１５】
クロス火炎管のカップリング１６は、図４に示すようにリングに形成された開口部５０を包囲するように基端部がリング２０に取り付けられた外側スリーブ４２を有する。外側スリーブ４２を種々の方法でリング２０に取り付けることができるが、図４に示す実施例では、スリーブは隅肉溶接部３９によって固着されている。マーモンクランプ１４のためのフランジ１８は外側スリーブ４２の外端部に取り付けられ、それによりクロス火炎管７を燃焼器６に固定することができる。
【００１６】
上述のように、カップリング１６が設けられているので、リングの内壁４８に沿う層状の冷却用空気２６の流れが妨害される。従来、この問題により、リング２０がカップリング１６の下流側で過熱すると共に外側スリーブ４２が開口部５０の付近で過熱するという結果が生じていた。
【００１７】
本発明によれば、この過熱の問題は、図４に示すようにリング２０の開口部５０を貫通する内側スリーブ４０を用いることによって解決できる。内側スリーブ４０は外側スリーブ４２内に同心状に設けられると共にこれによって包囲され、従ってスリーブの間には環状通路３４が形成される。図６に最も良く示されているように、多数の孔３０が外側スリーブ４２の周囲に沿って分布して配設されている。これらの孔３０により、室５からの冷却用空気２８は図４に示されているように通路３４に入ることができる。追加の冷却用空気が、フランジ１８のすぐ下に設けられた多くの一層小さな孔３２を通って通路３４に入る。内側スリーブ４０の外径は開口部５０の直径よりも小さく、通路３４からの冷却用空気２８が半径方向内方へ流れて、内側スリーブ４０と開口部５０の内周部との間の環状通路を通って流れ、それにより外側スリーブ４２を孔の付近において冷却するようになっている。
【００１８】
本発明の重要な特徴によれば、バッフル３６が内側スリーブ４０の基端部に取り付けられている。バッフル３６は内側スリーブ４０の軸線に対して実質的に半径方向に延びている。バッフル３６を種々の方法で内側スリーブ４０に取り付けることができるが、図４〜図６に示す実施例では、バッフルは内側スリーブに一体的に形成されている。図５に示すようにバッフル３６は、内側スリーブ４０の周囲を包囲するリング状の薄板金スカートによって形成されている。このスカートは波形になっていて隆起ランド５２及び凹み５３を形成している。
【００１９】
隆起ランド５２は各々、スポット溶接部３８（図４に一つ示す）によってリング２０の内壁４８に固定されている。かくして、凹み５３は、燃焼器の軸線に関し内壁４８から半径方向内方に変位し、即ち、距離を置いていて凹みと内壁との間に通路３５を形成している。通路３５は、環状通路３４からの半径方向に差し向けられた冷却用空気２８の流れを受入れ、それによりかかる冷却用空気２８の流れの向きを約９０°変えて内壁４８の表面に沿って流れるようにする。かくして、冷却用空気２８の層が、カップリング１６の下流側で内壁４８上に形成され、これは、高温燃焼ガス４６に対する熱障壁として働き、それにより過度の過熱を防止する。
【００２０】
図４〜図６に示す実施例では、スカートは３つの凹み５３を有する。ランド５２のうち最も大きなものは、開口部５０の軸線方向下流側の位置でリングの内壁４８に取り付けられている。その結果、凹み５３は、冷却用空気２８の流れを、図５に示すように３つの方向に、即ち、下流方向では軸線方向に、時計回り及び反時計回りの両方向においては円周方向に差し向けるよう配向している。しかしながら、冷却用空気の流れを他の方法で同様に、例えば軸線方向上流側の方向に差し向けるようランド５２と凹み５３のパターンを形成しても良い。
【００２１】
内側スリーブ４０はリング２０の開口部５０よりも直径が小さいので、スポット溶接部３８が破損した場合には、内側スリーブは外側スリーブ４２から滑り出て燃焼器内へ落下する恐れがある。このような事態になると、内側スリーブ４０がガス流の進路に入ってタービン部分中へ移動し、それによりタービンの回転翼に対して相当に大きな損傷をもたらす。
【００２２】
従って、好ましい実施例では、例えバッフル３６をリング２０に固定するスポット溶接部３８が破損しても、外側スリーブ４２内における内側スリーブ４０の動きを拘束する手段が採用される。図４〜図６に示す実施例では、これは２組のタブを形成することによって達成される。タブ５６の第１の組は、開口部５０内へ半径方向内方に延びるようリング２０に形成されている。タブ５８の第２の組は、半径方向外方に延びるよう内側スリーブ４０の周囲に形成されている。リングのタブ５６は、スリーブのタブ５８の間の空間５９よりも僅かに小さく、スリーブのタブ５８はリングのタブ５６間の空間５７よりも僅かに小さい。
【００２３】
組立て時、内側スリーブ４０のタブ５８がリングのタブ５６の間の空間を滑って通過すると共にリングのタブがスリーブのタブの間の空間を滑って通過するよう内側スリーブ４０を差し向けた状態で、内側スリーブ４０を開口部５０を通して外側スリーブ４２に挿入する。次に、スリーブ４０を回してタブ５６，５８がスリーブの軸線に対して整列するようにし、バッフル３６をリング２０にスポット溶接する。スポット溶接部３８が破損しても、外側スリーブ４２内の内側スリーブ４０の軸方向運動は、タブ５６とタブ５８の係合により拘束される。
【００２４】
図７〜図１０は、本発明のもう一つの実施例を示している。この変形例では、内側スリーブ４０′と外側スリーブ４２′は環状通路３４′を形成し、この環状通路３４′には上述の実施例と同様に外側スリーブの孔３０を通って冷却用空気２８が供給される。しかしながら、バッフル３６′は、燃焼器のリングの内壁４８の曲率に適合した弧状のプレートによって形成されている。また、ランド５２′はバッフルプレート３６′に設けられたディンプルによって形成されている。各ランド５２′は先の実施例と同様にスポット溶接部３８によって内壁４８に固定されている。図７及び図１０に示すように、４つの比較的小さなランド５２′がバッフル３６′の周りに分布して形成され、従って内壁４８とバッフルとの間に通路３５′を形成する４つの大きな凹み５３′が存在している。
【００２５】
図１０に示すように、凹み部５３′は、冷却用空気２８の流れが本質的には３６０°の円弧（ランド５２′によってのみ中断される）にわたり通路３５′から流出するよう差し向けられている。その結果、冷却用空気２８の流れは内側スリーブ４０の軸線に関し半径方向外方に差し向けられる。すると、冷却用空気２８は燃焼器の軸線に関し、上流側と下流側の両方向において軸線方向に、そして時計回りと反時計回りの両方向において円周方向に流れる。
【００２６】
この実施例では、スポット溶接部が破損した場合であっても、外側スリーブ４２′に対する内側スリーブ４０′の軸方向の変位は、図８に示すように内側スリーブ４０′及び外側スリーブ４２′にそれぞれ設けられている相互に係合する突起６０，６２によって拘束される。これらの突起を種々の方法で形成することができる。好ましい実施例では、内側スリーブ４０′の突起６０は、３６０°にわたり外方に延びるリブによって形成され、外側スリーブ４２′の突起６２は、外側スリーブの周囲に間隔を置いて設けられた内方に延びるディンプルによって形成されている。組立ての際、内側スリーブ４０′を押し上げると、弾性変形により突起６０は突起６２を滑り越えることができる。スポット溶接部が破損しても、突起６０，６２は外側スリーブ４２′に対する内側スリーブ４０′の動きを拘束して内側スリーブが燃焼器６内に落下しないようにする。
【００２７】
本発明は、その精神から逸脱することなく他の特定の形態で実施でき、従って本発明の技術的範囲を定めるにあたり上記の開示内容ではなく特許請求の範囲を参照すべきである。
【００２８】
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービンの燃焼区分の部分横断面図であり、本発明の燃焼器を示す図である。
【図２】本発明による図１に示す燃焼器のうち２つの詳細図である。
【図３】図２に示す燃焼器のうちの１つの前側部分の部分切欠き側面図である。
【図４】図３に示す燃焼器のクロス火炎管用カップリング部分の縦断面図である。
【図５】図４に示すクロス火炎管カップリングの内側スリーブのスカート部分の等角図であり、内側スリーブが想像線で示されている図である。
【図６】図４に示すクロス火炎管カップリングの分解図である。
【図７】本発明の燃焼器のクロス火炎管カップリング部分の変形例の平面図である。
【図８】図７に示すVIII−VIII線における断面図である。
【図９】図７に示すIX−IX線における断面図である。
【図１０】図７〜図９に示すクロス火炎管カップリングの内側スリーブの基端部の等角図である。
【符号の説明】
１ 燃焼区分
２ 内側シェル
３ 外側シェル
５ 環状室
６ 円筒形燃焼器
７ クロス火炎管
８ イグナイタ
９ 火炎検出器
１０ 燃焼領域
１６ カップリング
２０，２１，２２ リング
２３ 波形ストリップ
２８ 冷却用空気の流れ
３０，３２ 孔
３４ 環状通路
３５ 燃焼器通路
３６ バッフル又はスカート
４０ 内側スリーブ
４２ 外側スリーブ
４６ 高温燃焼ガスの流れ
４８ 燃焼器の内壁
５０ 開口部
５２ ランド
５３ 凹み
５６，５８ タブ

Claims (7)

1. 圧縮空気室を形成するシェルと、圧縮空気室内に配置された複数の相互に連結された燃焼器とが設けられ、各燃焼器の内壁が燃焼室を画定し、クロス火炎管のカップリングが燃焼器の外壁から延びているタービンにおいて、
   クロス火炎管のカップリングは、内側スリーブ、内側スリーブを包囲して内側スリーブとの間に導管通路を形成する外側スリーブ、及び内側スリーブに取り付けられ、複数のランド及び凹みを備えたスカートより成り、
   複数のランドは燃焼器の内壁に固着されており、
   複数の凹みは導管通路と連通する複数の燃焼器通路が燃焼器の内壁との間に形成されるように前記内壁から距離を置いて配置されており、
   外側スリーブは燃焼器の外壁に固定され、圧縮空気が外側スリーブに設けられた孔、導管通路、複数の燃焼器通路を通って流れることにより外側スリーブ及び燃焼器の内壁を冷却するようになっていることを特徴とするタービン。
2. スカートは波形になっていて複数のランド及び凹みを形成していることを特徴とする請求項１のタービン。
3. スカートは複数のランド及び凹みを形成する隆起したディンプルを有していることを特徴とする請求項１のタービン。
4. ランドは燃焼器の内壁に溶接されることを特徴とする請求項１のタービン。
5. クロス火炎管のカップリングは、外側スリーブ内での内側スリーブの動きを拘束する拘束手段を更に有することを特徴とする請求項１のタービン。
6. 拘束手段は、内側スリーブに設けられた一組のタブと、燃焼器の壁に設けられた一組のタブとより成り、内側スリーブのタブは燃焼器の壁のタブに整列させて該タブに係合できるようになっていることを特徴とする請求項５のタービン。
7. 拘束手段は、内側スリーブから外側スリーブに向かって延びる一組の突起と、外側スリーブから内側スリーブに向かって延びる一組の突起とより成り、内側スリーブの突起は外側スリーブの突起に整列させて該突起に係合できるようになっていることを特徴とする請求項５のタービン。

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