JP4362283B2 - 汚染物質低排出のガスタービンの燃焼室用の改良された内筒すなわち「ライナ」 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、汚染物質低排出のガスタービンの燃焼室用の改良された内筒すなわち「ライナ」に関する。
【0002】
【従来の技術】
公知のように、ガスタービンは、圧縮機及び1つ又はそれ以上の段を備えるタービンからなる機械であり、その中では、これらの構成部品が回転シャフトにより相互接続され、また燃焼室が圧縮機とタービンの間に設けられている。
【0003】
外部環境からの空気が圧縮機に供給されて、そこで空気は加圧される。
【0004】
加圧された空気は、収束部分において終端するダクトを通って流れ、インジェクタの組がこの収束部分内に燃料を供給し、この燃料が空気と混合されて、燃焼用の燃料空気混合気を形成する。
【0005】
従って、燃焼に必要とされる燃料は、加圧回路から供給されて1つ又はそれ以上のインジェクタにより燃焼室内に導入され、燃焼過程は、ガスの温度及びエンタルピーの増大を生じるように設計されている。
【0006】
混合ダクトの近傍にパイロットフレームを生成するための並列燃料供給システムが、一般的にフレームの安定特性を向上させるために設けられる。
【0007】
最後に、高温かつ高圧のガスが、適当なダクトを通してタービンの様々な段に到達するように流され、これらタービンの様々な段が、ガスのエンタルピーをユーザが利用できる機械的エネルギーに変換する。
【0008】
ガスタービン用の燃焼室の設計において考慮すべき主な点は、フレーム安定性及び過剰空気の制御であり、その目標は燃焼にとって理想的な状態を確立することであることはよく知られている。
【0009】
ガスタービンの燃焼室の設計に影響を及ぼす第2の要素は、燃焼室のドームのできるだけ近くで燃焼を起こさせるようにすることである。
【0010】
より具体的には、先行技術は、燃焼室内での内筒すなわち「ライナ」の使用を提案しており、この内筒は2つの主要な機能を有する。
【0011】
第一に、フレームは内筒内に収容されるから、過熱を避けるために燃焼室の外壁との接触が防止される。
【0012】
第二に、内筒は燃焼生成物の流れを減速させかつ拡散させて、フレームの消滅を防止する。
【0013】
更に極めて一般的には、燃焼室はその上流に予混合室を有しており、燃焼室の外壁を冷却するために使用された空気は、この予混合室内で燃料と混合される。
【0014】
内筒の周りに空洞を形成するのが好都合である。
【0015】
この空洞は、燃焼室を出る燃焼生成物の流れとは反対方向に循環する加圧空気を運ぶ。
【0016】
上に述べたように、この空気は、予混合室内で燃料と混合される燃焼空気として使用され、また燃焼室と燃焼生成物の両方を冷却するための冷却空気として使用される。
【0017】
タービンのあらゆる負荷レベルにおいて窒素酸化物である汚染物質の排出の低減を達成するために、燃焼空気は、空洞から内筒の外側を通り、予混合室の外面内の開口を介して予混合室に流され、また該燃焼空気は、絞られることができる。
【0018】
この絞りは、燃焼空気と燃料との比率が最適値において一定に保たれるように、使用燃料の量の関数として適用される。
【0019】
先行技術においては、内筒は、燃焼室の実際の燃焼領域すなわちメーンフレーム領域内において、予混合室に接続された截頭円錐(尖部を切り落とした円錐)形端部の出口に配置される。
【0020】
例えば軸流圧縮機によって加圧され、燃焼室から出る燃焼生成物の流れと反対方向に循環する冷却空気は、燃焼室の内筒と外壁との間を流れる。
【0021】
内筒は、截頭円錐形端部によって予混合室に接続されており、本質的に2つの異なる領域を含む円筒形構造体を有する。
【0022】
メーンフレームの周りに設置される第1の領域は、開口を持たない円筒形ケーシングを含み、他方、より長い第2の領域は、開口又は孔の組と該領域の壁に平行な方向にそれらを通して空気を案内するための流路とを有する。
【0023】
更に、截頭円錐形端部の周りには空洞が形成され、この空洞の外面は、空気を導入するための多数の小孔を有する。
【0024】
従って、これらの孔を通過する加圧空気は、第1の領域の外面に向けられた多数の空気ドラフトを形成し、本質的に対流によって冷却を与える。
【0025】
第1の領域内には開口は存在しない。このことは、流入空気が、汚染物質排出の問題を引き起こすことになる不完全燃焼を生じることを防止する。
【0026】
しかしながら、第2の領域においては、冷却空気の完全燃焼に対する影響はそれ程重大ではなく、従って壁は多数の開口を有し、壁の内側を通過して該壁を冷却する空気の流れを作り出す。
【特許文献1】
米国特許公開第2003/0014975号
【0027】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、第1の領域内におけるその冷却能力を増大させるように、上述した内筒を改良することである。
【0028】
汚染物質の排出を最小限度にまで減少させながら、直ぐ下において述べるような満足な燃焼に対するその他の要求を満たすことを主たる目標として、この特性を改善することは特に望ましい。
【0029】
従って、本発明の別の目的は、良好なフレーム安定性も得られる、汚染物質低排出のガスタービンの燃焼室用の改良された内筒すなわち「ライナ」を提供することでなければならない。
【0030】
本発明の更に別の目的は、燃焼室における圧力振動を低減させ、従って音響制振装置として作用する、汚染物質低排出のガスタービンの燃焼室用の改良された内筒すなわち「ライナ」を提供することである。
【0031】
本発明の更に別の目的は、高い燃焼効率を保証する、汚染物質低排出のガスタービンの燃焼室用の改良された内筒すなわち「ライナ」を提供することである。
【0032】
本発明の更に別の目的は、高温に曝される構成部品の平均寿命を増大させることができる、汚染物質低排出のガスタービンの燃焼室用の改良された内筒すなわち「ライナ」を提供することである。
【0033】
本発明の更に別の目的は、特に信頼性が高く、単純かつ機能的であり、また製造及び保守コストが比較的低い、汚染物質低排出のガスタービンの燃焼室用の改良された内筒すなわち「ライナ」を提供することである。
【0034】
【課題を解決するための手段】
本発明のこれら及びその他の目的は、請求項1に記載したように汚染物質低排出のガスタービンの燃焼室用の改良された内筒すなわち「ライナ」を作製することによって達成される。
【0035】
その他の特徴は、後続の請求項に特定されている。
【0036】
有利なことには、本発明による汚染物質低排出のガスタービンの燃焼室用の改良された内筒すなわち「ライナ」は、先行技術において公知であり、従って既に据え付けられている燃焼室内で容易に置き換え可能である。
【0037】
【発明の実施の形態】
本発明による汚染物質低排出のガスタービンの燃焼室用の改良された内筒すなわち「ライナ」の特徴と利点は、実例によって限定する意図ではなく添付の概略図面を参照してなされる以下の説明により一層明らかになるであろう。
【0038】
図1を参照すると、全体を符号10で表したガスタービンの燃焼室が示されており、この燃焼室内には先行技術による内筒すなわち「ライナ」12が設置されている。
【0039】
内筒12の上流には、予混合室14が設けられ、該予混合室14には、燃焼室10の内筒12と外壁18との間に設置された空洞16によって案内される燃焼空気が供給される。
【0040】
内筒12は、前記燃焼室10の実際の燃焼領域すなわちメーンフレーム領域内において、予混合室14に接続された截頭円錐(尖部を切り落とした円錐)形端部20の出口に設置される。
【0041】
図には示していない軸流圧縮機によって加圧された冷却空気は、燃焼室10の内筒12と外壁18との間を、燃焼室10から出る燃焼生成物の流れと反対方向に流れる。
【0042】
内筒12は、本質的に2つの異なる領域を含む円筒形構造体を有する。
【0043】
メーンフレームの周りに設置された第1の円筒形領域22は、開口を持たない円筒形ケーシング24を含み、他方、より長い第2の円筒形領域26は、開口又は孔28の組を有する。
【0044】
更に、截頭円錐形端部20の周りには空洞30が形成され、この空洞の外面32は、空気を導入するための多数の小孔を有する。
【0045】
従って、これらの孔を通過する加圧空気は、截頭円錐形端部20に向けられた多数の空気ドラフトを形成し、本質的に対流によって冷却を与える。
【0046】
他方、第2の領域26においては、空気が孔28を通過することによって生じる、壁の内側に隣接した空気の層によって、本質的に冷却が行なわれる。
【0047】
図2及び図3は、全体を符号110で表したガスタービンの燃焼室を示しており、この燃焼室内には、本発明による内筒すなわち「ライナ」112が設置されている。これら両図においては、先行技術に関連した図1に示す構成要素と同一及び/又は等価な構成要素は、同じ参照符号に100を付け加えた符号を有する。
【0048】
図示した例においては、予混合室114は内筒112の上流に設けられ、燃焼室110の内筒112と外壁118との間に設置された空洞116によって案内される燃焼空気を供給される。
【0049】
内筒112は、前記燃焼室110の実際の燃焼領域すなわちメーンフレーム領域内において、予混合室114に接続された截頭円錐形端部120の出口に設置される。
【0050】
図には示していない軸流圧縮機によって加圧され、燃焼室110から出る燃焼生成物の流れと反対方向に循環する冷却空気は、燃焼室110の内筒112と外壁118との間を流れる。
【0051】
内筒112は、本質的に2つの異なる領域を含む円筒形構造体を有する。
【0052】
メーンフレームの周りに設置された第1の円筒形領域122は、開口を持たない円筒形ケーシングを含み、他方、より長く先行技術の第2の円筒形領域と同様な第2の円筒形領域126は、燃焼生成物を案内しかつ開口又は孔128の組を有する。
【0053】
第1の円筒形領域122は、例えば正方形網の交点に位置決めされかつ截頭円錐形端部120に近接する区域内に形成された開口又は孔134の組を有する。
【0054】
この領域122は、円筒形ケーシング136によって封鎖され、この円筒形ケーシングは、環状チャンバ138のための空間を残して領域122を取り囲む。
【0055】
ケーシング136は、該ケーシングを第1の円筒形領域122に接続する環状接合部140をその両端部に有し、環状チャンバ138を封鎖している。
【0056】
これらの環状接合部140は、例えば内筒112の軸線に対して傾斜した成形部を第1の円筒形領域122に熔接することによって作られる。
【0057】
例えば円筒形領域122の孔134の正方形網の交点と同一の正方形網の交点に位置決めされた開口又は孔142の組が、ケーシング136内に形成される。
【0058】
ケーシング136内のこれらの孔142は、円筒形領域122内の孔134よりも小さくかつこれらの孔134に対して位置をずらして配列するが好都合である。
【0059】
第1の円筒形領域122はまた、開口を持たない部分を有しており、この部分は截頭円錐形端部120と反対側の領域内に設置される。
【0060】
環状チャンバ138内において、環状形状の隔離部材144が、孔134を有する領域122の部分と開口を持たない部分との間に設けられる。
【0061】
隔離部材144は、該隔離部材144によって形成された環状チャンバ138の2つの部分を接続するための少なくとも1つのギャップ146を有する。
【0062】
隔離部材144は、燃焼室110の截頭円錐形端部120に向かって傾斜した成形部を第1の円筒形領域122に熔接することによって形成するのが好都合である。
【0063】
最後に、例えばケーシング136内の孔142の寸法よりも大きい寸法を有する小孔148の円周方向の組が、環状接合部140の近傍の円筒形領域122の開口を持たない部分内に形成される。
【0064】
本発明による汚染物質低排出のガスタービンの燃焼室110用の改良された内筒すなわち「ライナ」112の作動は、図を参照しながら上記になされた説明によって明らかにされたが、要約すると次の通りである。
【0065】
冷却空気は、図には示していない軸流圧縮機によって加圧され、内筒112を冷却する。
【0066】
空気は、内筒112を冷却するにつれて加熱され、次に予混合室114に入り、燃焼空気として作用する。
【0067】
第2の円筒形領域126内において、冷却は、本質的に、先行技術におけるのと同様に、壁の内側に隣接しており、空気が孔128を通過することによって生成される空気の層によって与えられる。
【0068】
しかしながら、第1の円筒形領域122内においては、冷却は、本質的に、「インピンジメント冷却」として知られている冷却によって与えられ、単に先行技術においてそうであるような対流のみによって与えられるのではない。
【0069】
インピンジメント冷却は、表面に対する流体の衝突によって生じる熱伝達の仕組である。
【0070】
この場合、ケーシング136内の孔142を通過する加圧空気は、第1の円筒形領域122に向けられた対応する数の空気ドラフトを形成する。
【0071】
空気ドラフトが減速され圧力が増大する結果、衝突領域の周りに非常に薄い速度及び温度境界層が作り出される。
【0072】
その結果、極めて高い熱交換効率がこれらの領域において得られ、従って熱はこれらの個所において非常に容易に伝達される。
【0073】
孔134が設けられている環状チャンバ138の部分は、内筒112内で起る圧力振動を打ち消すための音響制振装置として作用する。
【0074】
孔148の組は、内筒112内への空気の導入が不完全燃焼の問題及びそれに伴う汚染物質の排出の問題を引き起こすことのない領域内に設けられる。
【0075】
同様に、上記の汚染の問題を防止するために、孔134は最小限の空気導入しか許さないものでなくてはならない。
【0076】
以上の説明は、本発明の目的である汚染物質低排出のガスタービンの燃焼室用の改良された内筒すなわち「ライナ」の特徴を明白に示しており、かつ対応する利点も明らかにしている。それらの利点には、以下のことが含まれる。
・改善された冷却能力。
・燃焼室内における低減された圧力振動と良好なフレーム安定性。
・高い燃焼効率。
・高温に曝される構成部品の増大された平均寿命。
・単純かつ信頼性の高い使用性。
・先行技術と比較して低い製造及び保守コスト。
・当技術分野において公知の燃焼室の内筒との優れた互換性、及びその結果としての、既に据え付けられているアップグレードすべきガスタービン内での容易な取付け。
【0077】
最後に、このように設計された汚染物質低排出のガスタービンの燃焼室用の改良された内筒すなわち「ライナ」は、全てが本発明の技術的範囲内に含まれる多くの方法により修正及び変更することができることは明らかである。
【0078】
更に、全ての構成部品は、技術的に同等の要素と置き換えることが可能である。
【0079】
実施において、形状及び寸法だけでなく使用される材料も、その時々に生じる可能性がある技術的要求に応じて自由に変えることができる。
【0080】
従って、本発明の保護の範囲は、添付の特許請求の範囲により限界が定められる。
【0081】
特許請求の範囲内に示す参照符号は、本発明の技術的範囲を狭めるのではなくそれらを容易に理解するためのものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 先行技術によるガスタービン用の燃焼室内の内筒すなわち「ライナ」の長手方向部分断面図。
【図2】 本発明によるガスタービン用の燃焼室内の内筒すなわち「ライナ」の長手方向部分断面図。
【図3】 図2の細部の長手方向拡大断面図。
【符号の説明】
110 燃焼室
112 内筒
114 予混合室
116 空洞
118 外壁
120 截頭円錐形端部
122 第1の円筒形領域
126 第2の円筒形領域
128 開口
136 円筒形ケーシング
Claims (10)
- 截頭円錐形端部(120)によって予混合室(114)の出口に接続された円筒形構造体を含み、前記予混合室(114)が、燃焼室(110)の内筒(112)と外壁(118)との間に設置された空洞(116)によって案内される空気を供給され、該空気が、燃焼生成物の流れと反対方向に循環する形式の、汚染物質低排出のガスタービンの燃焼室(110)用の改良された内筒すなわちライナ(112)であって、
該内筒(112)は、環状チャンバ(138)を形成する円筒形ケーシング(136)によって取り囲まれている、第1の円筒形領域(122)と、円筒形ケーシング(136)によって取り囲まれていない、開口(128)の組を有する第2の円筒形領域(126)とを備え、
前記第1の円筒形領域(122)の円筒形部分の前記截頭円錐形端部(120)に近接する第1の部分内に、開口(134)の組が存在し、
前記第1の円筒形領域(122)の円筒形部分の前記截頭円錐形端部(120)と反対側の第2の部分内には開口(134)が設けられておらず、
インピンジメント冷却孔(142)の組が、前記第1の部分に対応する前記ケーシング(136)の部分に形成されており、
前記環状チャンバ(138)内において、環状形状の隔離部材(144)が、前記第1の部分と第2の部分との間に設けられている
ことを特徴とする改良された内筒(112)。 - 前記円筒形領域(122)の前記開口(134)が、正方形網の交点に位置決めされた孔(134)であることを特徴とする、請求項1に記載の改良された内筒(112)。
- 前記円筒形ケーシング(136)が、該円筒形ケーシングを前記第1の円筒形領域(122)に接続する環状接合部(140)をその両端部に有し、前記環状チャンバ(138)を封鎖していることを特徴とする、請求項1又は2に記載の改良された内筒(112)。
- 前記インピンジメント冷却孔(142)が、正方形網の交点上に位置決めされた孔であることを特徴とする、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の改良された内筒(112)。
- 前記ケーシング(136)内の前記インピンジメント冷却孔(142)の網が、前記第1の円筒形領域(122)の前記開口(134)の網と同一であることを特徴とする、請求項4に記載の改良された内筒(112)。
- 前記ケーシング(136)内の前記インピンジメント冷却孔(142)が、前記第1の円筒形領域(122)内の前記開口(134)よりも小さく、かつ該開口(134)に対して位置をずらして配列されていることを特徴とする、請求項5に記載の改良された内筒(112)。
- 前記隔離部材(144)が、該隔離部材よって形成された前記環状チャンバ(138)の2つの部分を接続するための少なくとも1つのオリフィス(146)を有することを特徴とする、請求項1乃至6のいずれか1項に記載の改良された内筒(112)。
- 小孔(148)の円周方向の組が、前記環状接合部(140)の近傍において、前記第2の円筒形領域(126)内に形成されていることを特徴とする、請求項1乃至7のいずれか1項に記載の改良された内筒(112)。
- 前記第2の円筒形領域(126)が、前記第1の円筒形領域(122)よりも長いことを特徴とする、請求項1乃至8のいずれか1項に記載の改良された内筒(112)。
- 軸流圧縮機によって加圧された空気が、前記空洞(116)を通って流れることを特徴とする、請求項1乃至9のいずれか1項に記載の改良された内筒(112)。
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