JP4436837B2 - 燃焼ガスを案内する構成要素 - Google Patents

Description

本発明は、相互に隙間を空けた状態で並べて支持構造物に配置された多数の熱シールド要素を有し、該要素が支持構造物上に、両者間に内室が形成されるよう取り付けられ、内室が領域的に内室に冷却材を流入させるための入口通路を備えた冷却すべき燃焼ガス側壁で境界づけられた、燃焼ガスを案内する構成要素に対する熱シールド装置に関する。本発明はまた、かかる熱シールド装置を有する燃焼器内張りを備えた燃焼器と該燃焼器を備えたガスタービンに関する。
に関する。

燃焼ガス通路や他の燃焼ガス室に加わる高温のため、燃焼ガス通路の内壁をできるだけ耐熱的に形成する必要がある。そのため、一方では、例えばセラミックス等の耐熱材料が挙げられる。しかし、セラミックス材料は、脆性が大きく且つ熱伝達性が悪いという欠点がある。熱シールド用に、セラミックス材料に代えて、鉄基、クロム基、ニッケル基又はコバルト基の耐熱合金が挙げられる。しかし該耐熱合金の利用温度はセラミックス材料の最高利用温度よりかなり低い故、燃焼ガス通路内の熱シールドを冷却する必要がある。

欧州特許第０２２４８１７号明細書は、特にガスタービン設備の構造部品に対する熱シールド装置を開示している。この装置は、支持構造物を高温流体から保護すべく、特にガスタービン設備における燃焼ガス通路壁を保護するために使われる。その熱シールド装置は耐熱材料から成る内張りを有し、該内張りは、支持構造物に留められた熱シールド要素から平面的に覆って構成されている。それら熱シールド要素は、互いに冷却流体の貫流のための隙間を空けた状態で並べて配置され、熱膨張可能とされている。各熱シールド要素はキノコの形で頭部と軸部を持ち、頭部は、縁取り線が真っ直ぐであるか湾曲した平面的又は立体的な多角形プレート体となっている。軸部はプレート体の中央部位を支持構造物に結合する。頭部は、好適には三角形であり、この結果同一頭部部品によって、殆ど任意の幾何学形状の内張りが製造できる。熱シールド要素の頭部並びに場合によっては他の部分も耐熱材料、特に鋼から成る。支持構造物は複数の孔を有し、該孔を通して、冷却流体、特に空気が頭部と支持構造物との間の中間室に流入し、そこから、冷却流体貫流用の隙間を経て、熱シールドで取り囲まれた空間範囲、例えばガスタービン設備の燃焼器に流入する。この冷却流体流は、中間室への燃焼ガスの侵入を阻止する。

米国特許第５２１６８８６号明細書に燃焼室の金属内張りが開示されている。該内張りは、互いに並べて配置された多数の立方体状空洞部品（セル）から成り、これら空洞部品は共通の金属板に溶接又はろう付けされている。共通の金属板は、各々各立方体状セルに正確に対応する冷却流体の流入用開口を有する。立方体状セルは、各々互いに隙間を空けた状態で配置される。前記立方体状セルは、その各側壁に共通の金属板の近くに冷却流体の流出開口を備える。従って、冷却流体は隣接する立方体状セルの間の隙間に到達し、該隙間を通って流れ、金属板に対し平行に延び燃焼ガスに曝されるセルの表面に冷却膜を形成する。米国特許第５２１６８８６号明細書に開示の壁構造物の場合、冷却空気が壁構造物を経、セルを通って燃焼器の内部に送られる開放冷却系が規定されている。従って、冷却空気はそれ以上の冷却目的が失われる。

独国特許出願公開第３５４２５３２号明細書に、特にガスタービン設備における冷却流体通路を有する壁が記載されている。該壁は、好適にはガスタービン設備において高温室と冷却流体室との間に配置されている。前記壁は個々の壁要素で構成され、各要素は、耐熱材料で作られたプレート体である。各プレート体は、その底面にわたって分布し、互いに平行に延びる多数の冷却通路を有し、これら通路は一端が冷却流体室に、他端が高温室に連通している。冷却流体通路で案内されて高温室に流入する冷却流体は、壁要素および／又は隣の壁要素の高温室の側の表面に冷却流体膜を形成する。

英国特許出願公開第８４９２５５号明細書に、燃焼器壁を冷却するための冷却系が示されている。この燃焼器壁は壁要素で形成されている。各壁要素は、内側面と高温ガスを受ける外側面とを備えた燃焼ガス側壁を持つ。内側面に対して垂直にノズルが配置されている。該ノズルから冷却流体が集中流の形で流出し、内側面に衝突する。この結果燃焼ガス側壁が冷却される。冷却流体は集合室に集められ、集合室から排出される。

要約すれば、特にガスタービンの燃焼器に対するこれら全ての熱シールド装置は、圧縮機空気を燃焼器およびその内張りに対する冷却媒体並びに漏れ止め空気として利用する原理に基づいている。冷却用および漏れ止め用空気は、燃焼に関与することなく、燃焼器に流入する。この低温空気は燃焼ガスと混合し、ために燃焼器出口温度が低下する。従ってガスタービンの出力と熱力学的過程の効率が低下する。その補償は、部分的に高い火炎温度の設定により行われる。しかし、このため材料上の問題が生じ、有害物発生量の増大を招く。同様にその設計に伴い、バーナに供給される空気において、燃焼器への大きな冷却流体体積流量の流入により圧力損失が生ずるという欠点がある。

燃焼室への冷却材の吹き出しを完全に防止すべく、冷却流体帰還路付きの高価な系統が知られている。該系統の場合、冷却流体は供給系と帰還系とを備えた密閉循環回路内を案内される。かかる冷却流体帰還路付きの密閉冷却構想は、例えば国際公開第９８／１３６４５号パンフレット、欧州特許第０９２８３９６号明細書並びに欧州特許第１００５６２０号明細書に記載されている。

本発明の課題は、冷却時に僅かな冷却流体消失しか生じることがなく、冷却流体で冷却できる熱シールド装置を提供することにある。またこの装置を、ガスタービンの燃焼器に利用可能とすることにある。

この課題は本発明に基づき、相互に隙間を空けた状態で並べて支持構造物に配置された多数の熱シールド要素を有し、該要素が支持構造物上に、両者間に内室を形成するように取り付けられ、内室が領域的に内室に冷却材を流入するための入口通路を備え、冷却すべき燃焼ガス側壁で境界づけられた、燃焼ガスを案内する構成要素の熱シールド装置において、内室から冷却材を制御して流出させるべく、内室から隙間に開口している冷却材出口通路を備えることで解決される。

本発明は、燃焼ガス通路或いは他の燃焼ガス室、例えば定置形ガスタービンの燃焼器における非常に高い火炎温度のため、燃焼ガスを案内する構成要素を能動的に冷却せねばならないという考えから出発している。このため、種々の冷却技術やそれらの組合せが採用される。通常利用されている冷却構想は、対流冷却方式、乱流を高める処置を持つ対流冷却方式および衝突冷却方式である。非常に徹底した努力により、開放冷却系、例えばガスタービンの開放冷却形燃焼器からの有害物質放出量を減少せねばならず、冷却空気の節約が、その目的（著しいＮＯ_x低減）を達成するための特に重要な要因である。従って、開放冷却構想に対する目標は、必要な冷却空気体積流量の低減にある。既述の通常の開放冷却構想の場合、冷却空気は冷却後、最終的に相互に隣接する熱シールド要素間の隙間を経て流れ、続いて燃焼室内に達する。冷却空気の流出は、装置を隙間への燃焼ガスの侵入から保護する。しかし冷却空気の勝手な吹き出しに伴い、冷却目的よりも多量の冷却空気が隙間の漏れ止めのために流出する。この過剰配量は冷却空気の消費量を増大させ、設備の総効率および燃焼ガスを発生する燃焼系統の有害物発生量に対し不利に作用する。

この認識から出発して、本発明の熱シールド装置により、まず第１に、開放冷却系における冷却すべき燃焼ガス側壁の冷却冷却目的後に冷却材を制御して的確に流出させる。該熱シールド装置は、特に単純に実現し、冷却材帰還路付きの密閉冷却構想に比べて構造的にかなり安価な製造費で製造できる。隙間に制御して冷却材を流出させると、冷却材、例えば冷却空気を節約し、且つ同時に、有害物、特にＮＯ_x発生をかなり減少できる。これは、内室から冷却材を制御して流出させるべく、内室から隙間に開口する冷却材流出通路を設けることで達成される。

このため、隙間に冷却材を的確に配量して供給することで、隙間内で特に高い冷却作用が得られ、かつ燃焼ガスが隙間を経て侵入し、支持構造物に影響を与えるのを防止する冷却材の漏れ止め作用が得られる。その際、内室からの冷却材の制御した流出は、冷却材流出通路の適当な寸法づけ、例えば通路横断面積と通路長の寸法づけで簡単に実現できる。

好適な実施態様では、熱シールド要素は、燃焼ガス側壁に対し支持構造物の方向に傾斜した側壁を備える。この結果、熱シールド要素はその基礎幾何学形状が、支持構造物に取り付けられる単殻空洞体として形成され、その際内室を形成している。内室は、厳密に一方向で支持構造物、他の室方向では熱シールド要素自体で境界づけられ又は決定される。

特に有利な実施態様では、冷却材出口通路は側壁を貫通している。該通路は単純に側壁を貫通する孔として形成され、その内室は、隙間により形成された隙間空間に接続されている。これに伴い、冷却材は内室と、隙間で規定された隙間空間との圧力差により、内室から冷却材流出通路を通して制御下に流出する。

内室からの冷却材の余剰漏れを防止すべく、側壁と支持構造物の間にシール要素を設けるとよい。側壁が支持構造物に向けて傾斜していることで、支持構造物に熱シールド要素を脱着可能に取り付ける際、熱力学的理由から隙間が生じ、この隙間は不所望の冷却材漏れを生じさせる。従って、内室から冷却材の勝手な吹き出しを生じさせる隙間を、適当な漏れ止め処置で漏れ止めすることが特に有利である。かくして、熱シールド要素と支持構造物の間に気密結合が生ずる。側壁と支持構造物との間のシール要素は、冷却材消費量を一層減少するための、特に単純で有効な処置である。更に、シール要素は実施態様に応じて追加的に減衰機能を負い、このため熱シールド装置の熱シールド要素は、機械的に減衰されて支持構造物に設けられる。

熱シールド要素の内室に、燃焼ガス側壁を衝突冷却で冷却すべく、衝突冷却装置を付設するとよい。衝突冷却は、特に効果的な熱シールド装置の冷却方式であり、その際冷却材は、多数の非連続的な冷却噴射流で燃焼ガス側壁に対し垂直に燃焼ガス側壁に衝突し、これに伴い、燃焼ガス側壁が内室から効果的に冷却される。

衝突冷却装置は、支持構造物に設けた冷却材の多数の入口通路で形成するとよい。熱シールド要素の内室に開口する多数の入口通路で、簡単に衝突冷却装置を実現できる。支持構造物は、熱シールド装置を支持する機能の他に、支持構造物に設けた多数の冷却材の入口通路で冷却材分配機能も持つ。入口通路は、支持構造物の壁の孔として形成できる。

有利な実施態様では、熱シールド要素は金属又は合金から成る。そのため、特に鉄基、クロム基、ニッケル基或いはコバルト基の耐熱合金が使える。金属又は合金は鋳造法に適用できるので、熱シールド要素は鋳造品として形成できる。

熱シールド装置は、特に有利な実施態様では、燃焼器の燃焼室内張りへの採用に適している。熱シールド装置を備えたこの燃焼器は、ガスタービン、特に定置形ガスタービンの燃焼器として適する。

このガスタービンと燃焼器の利点は、熱シールド装置に対する上述の説明に対応する。

以下図を参照し本発明を詳細に説明する。各図の同一部分には同一符号を付している。

図１のガスタービン１は、燃焼空気用の圧縮機２、燃焼器４および圧縮機２と図示しない発電機又は作業機械とを駆動するタービン６を備える。そのためタービン６と圧縮機２は、タービンロータとも呼ばれる共通のタービン軸８上に配置されている。該軸８は回転中心線９を中心に回転可能に支持され、発電機や作業機械が結合される。環状燃焼器の形に形成された燃焼器４は、液体燃料や気体燃料を燃焼するための多数のバーナ１０を備えている。

タービン６はタービン軸８に取り付けられた多数の動翼１２を有する。これら動翼１２はタービン軸８に輪状に配置され、複数の動翼列を形成している。またタービン６は多数の静翼１４を有する。これらの静翼１４も同様に輪状に配置されて静翼列を形成し、タービン６の内部車室１６に固定されている。動翼１２は、タービン６を貫流する高温媒体、作動媒体或いは燃焼ガスＭの衝撃伝達によってタービン軸８を駆動するために使われる。これに対して静翼１４は、作動媒体Ｍの流れ方向に見て連続する各々２つの動翼列間又は動翼輪間で、作動媒体Ｍの流れを案内するために使われる。互いに連続して位置する一対の静翼輪又は静翼列１４と動翼輪又は動翼列１２はタービン段とも呼ばれる。

各静翼１４は翼脚とも呼ばれる翼台座１８を有し、該台座１８は静翼１４をタービン６の内部車室１６に固定すべく、壁要素として配置されている。翼台座１８は、タービン６を貫流する作動媒体Ｍに対する燃焼ガス通路の外側境界部を形成し、熱的に非常に大きく負荷される部品である。各動翼１２も同じように、翼脚とも呼ばれる翼台座２０を介してタービン軸８に固定されている。

互いに隣接する２つの静翼列の互いに間隔を隔てて配置された静翼１４の翼台座１８間に各々案内輪２１が配置され、タービン６の内部車室１６に固定されている。各案内輪２１の内側面も同様に、タービン６を貫流する高温の作動媒体Ｍに曝され、これに対向して位置する動翼１２の外側端２２から半径方向に隙間で間隔を隔てられている。隣接する静翼列間に配置された案内輪２１は、特に内側壁（内部車室）１６又は他の車室組込み部品を、タービン６を貫流する高温作動媒体Ｍ、燃焼ガスによる熱的過負荷から保護する覆い要素として使われる。

燃焼器４は燃焼器ハウジング２９により境界づけられ、燃焼室側に燃焼器壁２４を備える。この実施例では、燃焼器４は所謂環状燃焼器として形成され、タービン軸８の周りに円周方向に分布して配置された多数のバーナ１０が共通の燃焼器室に開口している。そのため燃焼器４は、全体でタービン軸８の周りに置かれた環状構造物を構成している。

大きな効率を得るべく、燃焼器は約１２００〜１５００℃の非常に高い作動媒体Ｍの温度に対応するよう設計されている。材料に不利なこの運転条件でも比較的長い運転期間を可能にすべく、燃焼器壁２４は作動媒体Ｍの側に、燃焼器内張りを形成する熱シールド装置２６を備えている。また、燃焼器４内部の高温のため、熱シールド装置２６に対する冷却系を備えている。該冷却系は、冷却材Ｋとしての冷却空気を十分に高い圧力の下で冷却すべき部品に多数の個所で、部品表面に対し垂直に加圧下で噴出する衝突冷却の原理を基礎としている。或いは冷却系を対流冷却とすることも、この冷却原理を追加的に衝突冷却と併用することもできる。

冷却系は、単純な構造で、冷却材Ｋを熱シールド装置に確実に、それを平面的に覆うように供給し、かつ冷却空気の消費量が特に少なくて済むように設計されている。

本発明の冷却構想を詳細に図示し説明すべく、図２に、ガスタービン１の燃焼器４の耐火性内張りとして特に適した熱シールド装置２６を示す。この装置２６は、相互に隙間４５を空けた状態で並べて配置され、支持構造物３１に配置された多数の熱シールド要素２６Ａ、２６Ｂを備える。これら熱シールド要素２６Ａ、２６Ｂは冷却すべき燃焼ガス側壁３９を持ち、この側壁３９は、燃焼ガスＭに面して運転中に燃焼ガスＭに曝される高温側面３５と、該側面３５と反対側の低温側面３３とを有する。

熱シールド要素２６Ａ、２６Ｂは、低温側面３３から冷却材Ｋ、例えば冷却空気で冷却される。該冷却材Ｋは、熱シールド要素２６Ａ、２６Ｂと支持構造物３１の間に形成された内室３７に、入口通路４１、４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃを経て供給され、各熱シールド要素２６Ａ、２６Ｂの低温側面３３に対し垂直方向に導かれる。この際、開放冷却原理が利用されている。熱シールド要素２６Ａ、２６Ｂの冷却後、少なくとも部分的に暖められた空気は、燃焼ガスＭと混合される。内室３７からの冷却材Ｋの制御下の流出と正確な配量のため、内室３７から隙間４５に開口する冷却材出口通路４３が設けられている。かくして、隙間４５に、正確に設定された質量流量の冷却材Ｋが供給される。各熱シールド要素２６Ａ、２６Ｂの内室３７に対応する多数の入口通路４１、４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃは、燃焼ガス側壁３９が特に効果的に衝突冷却により冷却されるよう、衝突冷却装置５３を形成している。この場合、冷却材Ｋの入口通路４１、４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃは、支持構造物３１の壁４７の孔で形成される。入口通路４１、４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃは、燃焼ガス側壁３９への垂直供給を達成すべく、内室３７に開口している。燃焼ガス側壁３９の衝突冷却後、冷却材Ｋは内室３７から相応して寸法づけられた冷却材出口通路４３を経て制御下に隙間４５に流入し、そこで、例えば支持構造物３１等の危険な構成要素を保護する燃焼ガスＭに対する漏れ止め作用が生ずる。

図３は、図２に示す熱シールド装置の部分ＩＩＩを拡大して示す。熱シールド要素２６Ａは、燃焼ガス側壁３９に対し支持構造物３１の方向に傾斜した側壁４９を持つ。熱シールド要素２６Ａに隣接して配置された熱シールド要素２６Ｂは、同様に側壁４９を備えている。冷却材出口通路４３は、熱シールド要素２６の側壁４９を貫通する孔として形成され、該孔は、側壁４９を高温側面３５の方向に僅かに上向きに傾斜した角度で隙間４５に開口している。この傾斜した開口により、冷却材Ｋは、隙間４５での漏れ止め作用の実行後、熱シールド要素２６Ａに隣接する熱シールド要素２６Ｂの高温側面３５に沿って、できるだけ冷却材Ｋから成る冷却膜を形成しながら流出する。隙間４５への冷却材Ｋの的確な供給により達成される追加的な膜冷却作用で、熱シールド装置２６における種々の冷却目的に対して冷却材Ｋの多重利用が可能となる利点がある。

熱シールド要素２６Ａ、２６Ｂの熱膨張を可能にする取付けのため、側壁４９は支持構造物３１に直接接しておらず、各々シール要素５１を介して支持構造物３１に結合されている。シール要素５１は冷却材Ｋの漏れ止め機能並びに熱シールド装置２６の機械的減衰作用を満たす。シール要素５１は、冷却材Ｋが内室３７から勝手に隙間４５に流入し、高温側面３５の方向に噴出するのを防止する。むしろ、シール要素５１は熱シールド装置２６の冷却のために必要な冷却材Ｋの量を補助的に減少させる。シール要素５１と冷却材出口通路４３との組合せによって、特に良好な冷却材勘定が達成される。更に、支持構造物３１の内室３７側の壁に沿った縦副流が、各々内室３７に付設されたシール要素５１により生ずる。熱シールド要素２６Ａ、２６Ｂと支持構造物３１との間のシール要素５１による気密結合は、冷却材消費量を更に減少するための特に単純且つ効果的な処置である。

製造技術上は経費がかかるが、図４に示す如く、冷却材出口通路４３を支持構造物３１の壁４７を貫通して延長してもよい。この構造でも、熱シールド要素２６Ａの冷却後、冷却材Ｋを隙間４５に的確に供給できる。この結果、隙間４５と、該隙間４５を冷却材出口通路４３の開口近くで境界づけるシール要素５１が冷却される。特に、隙間４５を境界づける側壁４９が追加的に対流冷却される。

ガスタービンの半部断面図。 本発明に基づく熱シールド装置の断面図。 図２に示された熱シールド装置の部分ＩＩＩの詳細図。 熱シールド装置の異なった構造の図３に相当した図。

符号の説明

１ ガスタービン、４ 燃焼器、２６ 熱シールド装置、３１ 支持構造物、３７ 内室、３９ 燃焼ガス側壁、４１ 入口通路、４３ 出口通路、４５ 隙間、４９ 側壁、５１ シール要素、Ｋ 冷却材、Ｍ 燃焼ガス

Claims (6)

1. 相互に隙間を空けた状態で並べて支持構造物（１）に配置された多数の熱シールド要素（２６Ａ、２６Ｂ）を有し、該要素（２６Ａ、２６Ｂ）が支持構造物（１）上に両者間に内室（３７）生ずるように取り付けられ、該内室（３７）が内室（３７）に冷却材（Ｋ）を流入するための入口通路（４１）を備え、冷却すべき燃焼ガス側壁（３９）で境界づけられた、燃焼ガス（Ｍ）を案内する構成要素の熱シールド装置（２６）において、
   熱シールド要素（２６Ａ、２６Ｂ）が、燃焼ガス側壁（３９）に対し支持構造物（１）の方向に傾斜した側壁（４９）を有し、
   内室（３７）から冷却材（Ｋ）を制御して流出させるべく、内室（３７）から隙間（４５）に開口する冷却材出口通路（４３）が設けられ、
   この冷却材出口通路（４３）が側壁（４９）を貫通しており、
   機械的な減衰機能を有するシール要素が側壁と支持構造物の間に設けられていることを特徴とする熱シールド装置。
2. 熱シールド要素（２６Ａ、２６Ｂ）の内室（３７）に、燃焼ガス側壁（３９）を衝突冷却で冷却すべく、衝突冷却装置（５３）が付設されたことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 衝突冷却装置（５３）が、支持構造物（１）に設けられた冷却材（Ｋ）の多数の入口通路（４１、４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ）で形成されたことを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 熱シールド要素（２６Ａ、２６Ｂ）が金属或いは合金から成ることを特徴とする請求項１から３の１つに記載の装置。
5. 請求項１から４の１つに記載の熱シールド装置（２６）を備えることを特徴とする燃焼器。
6. 請求項５記載の燃焼器（４）を備えることを特徴とするガスタービン。

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