JP4447077B2

JP4447077B2 - ガスタービンエンジン用燃焼装置

Info

Publication number: JP4447077B2
Application number: JP19728199A
Authority: JP
Inventors: イスハークマイナセオドリ
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-07-11
Filing date: 1999-07-12
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2019-07-12
Also published as: US6220015B1; DE69933092T2; EP0972993B1; DE69933092D1; EP0972993A2; GB2339468B; EP0972993A3; EA002319B1; EA199900537A3; EA199900537A2; GB9814975D0; JP2000039149A; GB2339468A; ES2270565T3

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンエンジンのための燃焼装置に関し、特に、各燃焼チャンバーが点火目的のためにクロスファイアー（交差点火）チューブによって相互に接続されている燃焼装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
代表的な工業用ガスタービンエンジンにおいては、多数の燃焼チャンバー（以下、「燃焼器」とも称する）その中で燃焼させるガス状又は液状燃料のためのオキシダントとして圧縮機段から加圧空気流を受け取るようにエンジンの周りに並列に配列されている。例えば、エンジンから所定の半径方向の間隔を置いてエンジンの中心線の周りに円周方向に等間隔に６基〜８基の燃焼器が配置される。エンジンの始動時に燃焼を開始させるための点火器を各燃焼器毎に設ける必要性を回避するために、各燃焼器をクロスファイアーチューブと称されるチューブで相互に接続することが一般的になってきている。クロスファイアーチューブは、点火された１つの燃焼器から他の燃焼器へ順次に点火用火炎を通すようになされている。しかしながら、このタイプの構成に随伴する１つの問題は、エンジン始動後の平常運転中、クロスファイアーチューブ又は燃焼器が高温ガスの流れによって損傷を受けるという問題である。
【０００３】
この問題を軽減する１つの方法が、本出願人のヨーロッパ特許ＥＰ−０５０３０１８に開示されている。同特許に開示された構成では、空気は、クロスファイアーチューブの、燃焼器への接続点に近接した部位の内表面を被って流れるように拘束されるような態様でクロスファイアーチューブに導入され、それによってクロスファイアーチューブを、その交差点火機能を阻害することなく、冷却することができ、従ってその有効寿命を延長する。
【０００４】
この構成は、従来のクロスファイアーチューブ構成に対する相当な改良であることが認められたが、実際の使用においては、燃焼器の、クロスファイアーチューブが突入している部位の近傍の壁を過熱させるおそれがあるという問題が残っていることが判明した。
【０００５】
ＵＳ−Ａ−５００１８９６は、各燃焼器を相互に接続するためのクロスファイアーチューブ組立体を開示している。この構成では、二重壁クロスファイアーチューブが用いられ、二重壁の外側壁に内外両壁間の空間に冷却空気を導入するための多数の小孔が形成されており、内側壁にも、若干の空気をクロスファイアーチューブ内のガス流内へ逃出させるための複数の孔が形成されている。クロスファイアーチューブ（以下、「相互接続チューブ」又は単に「チューブ」とも称する）の外側壁は、燃焼器の壁を貫通して燃焼器内へ突出した環状フランジに嵌入しており、クロスファイアーチューブの内側壁は、外側壁より先へ突出して該フランジに嵌入している。この構成は、相互接続チューブの冷却を良好にするが、燃焼器の内方へ向けられたフランジ及びそれを取り巻く燃焼器壁、並びに、相互接続チューブの、フランジに突入している部位の内表面の局部的過熱を起こすという問題が残っている。極端な条件下では、局部的過熱は、それらの部材のは破損を招くことがあり、その結果金属の破片がタービン内へ吹き飛ばされ、それがタービンを破損させるおそれがある。そのような大きな破損の危険性は非常に小さいとはいえ、フランジ周辺の過熱による燃焼器の早期破損の可能性は、かなり高い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来技術に随伴する上記諸問題を解決し、それによって、燃焼装置の耐用年数を改善することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
発明の概要
上記課題を解決するために、本発明は、隣接した燃焼器が、点火された１つの燃焼器から他の燃焼器へ点火用火炎を通すように構成されたクロスファイアーチューブ組立体によって相互に接続されており、各クロスファイアーチューブ組立体は、その点火用火炎に面する内表面をフィルム冷却即ち膜冷却（薄い流体層即ち流体膜を維持することによって物体や表面を冷却すること）するための空気を導入するための入口手段を備えているガスタービンエンジン用燃焼装置において、前記クロスファイアーチューブ組立体の、燃焼器への接続部を囲繞する冷却手段を設け、該冷却手段は、該クロスファイアーチューブ組立体の外表面を膜冷却するように構成されており、それによって、該クロスファイアーチューブ組立体の内表面と外表面の両方を膜冷却することができることを特徴とするガスタービンエンジン用燃焼装置を提供する。
【０００８】
本発明は、又、ガスタービンエンジン用燃焼装置であって、
複数基の燃焼器と、
隣接する燃焼器の間に点火用火炎を通すためのクロスファイアーチューブ組立体であって、点火用火炎を燃焼器の内外へ通すための端部チューブを含むクロスファイアーチューブ組立体と、
前記端部チューブの内表面を膜冷却するために冷却空気を前記クロスファイアーチューブ組立体内へ冷却空気を供給するための供給手段とから成り、
前記端部チューブは、前記燃焼器にスリーブを介して接続されており、該スリーブは、該燃焼器の壁から延長して該端部チューブの全長のうちの、該燃焼器に近接した一部分をそれとオーバーラップする（重なる）ように囲繞し、該端部チューブの外表面と該スリーブの内表面との間に環状間隙を画定し、該スリーブは、該端部チューブの、前記燃焼器の壁に近接した外表面と、該スリーブ自体の内表面との両方を膜冷却するように冷却空気を前記環状間隙内へ冷却空気を導入するための入口手段を有することを特徴とするガスタービンエンジン用燃焼装置を提供する。
【０００９】
好ましい実施例では、前記端部チューブの外表面を膜冷却するための空気が導入されるように、前記スリーブの、それが該端部チューブに接続されている部位に近接したところの周壁に複数の孔を穿設する。
【００１０】
好ましい実施例では、前記端部チューブは、前記スリーブを越えて燃焼器の内部に突出しないように配置される。より好ましくは、スリーブと端部チューブとのオーバーラップ部分がスリーブの全長に亘らないようにし、それによって、前記燃焼器の壁の内表面と端部チューブとの間に間隙が形成されるようにする。端部チューブと燃焼器の壁の内表面との間で測定した該間隙の長手方向の寸法が該スリーブの内表面と端部チューブの外表面との間の環状間隙の幅方向の寸法のほぼ２倍となるようにした場合、良好な性能が得られることが認められた。
【００１１】
前記スリーブは、又、燃焼器内へ突出しないように配置することが好ましく、それによって、冷却空気がスリーブからそれを囲繞する燃焼器の壁の内表面を被って流出するように構成する。
【００１２】
好ましい実施例では、前記クロスファイアーチューブ組立体は、上記ＥＰ−０５０３０１８に開示されたタイプの構成とし、第１燃焼器と第２燃焼器の間に延長する完成クロスファイアーチューブ（クロスファイアーチューブとして組立照られ完成した状態のクロスファイアーチューブ）は、クロスファイアーチューブの中央チューブ部分（中央クロスファイアーチューブ部分）と、該第１燃焼器と第２燃焼器からそれぞれ延長した第１端部チューブと第２端部チューブとから成り、中央クロスファイアーチューブ部分の一端は、第１端部チューブ内に嵌入されて溶接され、中央チューブ部分の他端は、第２端部チューブ内に押込嵌めされる。冷却空気は、中央クロスファイアーチューブ部分の外表面と各端部チューブ（第１端部チューブと第２端部チューブ）の内表面との間に画定された環状間隙内へ差し向けられ、中央クロスファイアーチューブ部分の両端と、各端部チューブの内表面を膜冷却する。
【００１３】
本発明は、又、上述した燃焼装置を組み入れたガスタービンエンジンを提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
好ましい具体例の説明
図１は、ＥＰ−０５０３０１８の発明によるガスタービンエンジン用燃焼装置の一部分であるクロスファイアーチューブ組立の断面図である。クロスファイアーチューブ組立体は、隣接する２基の燃焼器の壁１１と壁１２の間に延設されており、図１でみて左端において一方の燃焼器の壁１１から突出した端部チューブ１５に嵌入してそれに溶接されており、右端において他方の燃焼器の壁１２から突出した端部チューブ１７に押込み嵌めされた中央クロスファイアーチューブ部分１６から成る。冷却空気１８は、中央クロスファイアーチューブ部分１６の両端部２０、並びに、両端部チューブ１５，１７の内表面を膜冷却するために、中央クロスファイアーチューブ部分１６の両端に穿設された孔１９を通して、中央クロスファイアーチューブ部分１６の両端の外表面と各端部チューブ１５，１７のフレア（外方に拡開した）部分２２の内表面との間に画定された環状間隙又はダクト１３内へ差し向けられる。この先行発明の詳細については、公開された明細書を参照されたい。
【００１５】
図２は、１つの燃焼器１００の一側に装着された本発明のクロスファイアーチューブ組立体の半分を示す。このクロスファイアーチューブ組立体は、１つの燃焼器１００の壁１０１からそれと隣接する燃焼器（図示せず）の壁に向かって突出している。図１から理解されるように、一方の燃焼器は、クロスファイアーチューブ組立体の雄型部分組立体（図１の例では、溶接された中央クロスファイアーチューブ部分１６全体を含む左側の部分組立体）を有し、隣接する他方の燃焼器は雌型部分組立体（図１の例では、中央クロスファイアーチューブ部分１６を含まない右側の部分組立体）を有し、一方の燃焼器の雄型部分組立体の中央クロスファイアーチューブ部分を他方の燃焼器の雌型部分組立体の端部チューブに押込め嵌めすることによって嵌合結合させて完全なクロスファイアーチューブ組立体を構成する。図２に示された本発明のクロスファイアーチューブ組立体の中央チューブ１０２は、図２にはその一部分だけしか示されていないが、中央チューブ１０２の他方の部分組立体への接続態様は、上記ＥＰ−０５０３０１８に示されたものと実質的に同じである。
【００１６】
中央チューブ１０２は、端部チューブ１０４のフレア部分１０３内に嵌入され溶接される。冷却空気流１０６を導入するために、この溶接部に近接した、端部チューブ１０４のフレア部分１０３の周りに複数の孔（空気入口手段）１０５が穿設されている。使用時には、端部チューブ１０４のフレア部分１０３と中央チューブ１０２の自由端１１４（溶接部より内方の最先端）との間に画定された環状ノズルが、空気流１０６を端部チューブ１０４の内表面に沿って導き、その内表面を冷却してチューブ内の点火用火炎１１０の加熱作用から防護する。本発明によれば、冷却手段として、燃焼器１００の壁１０１から突出させたソケット又はスリーブ１０７の形とした外側冷却空気チューブを形成する。このスリーブ１０７内に、その内表面と端部チューブ１０４の外表面との間のオーバーラップ部分に環状間隙空間１１２が画定されるように端部チューブ１０４を嵌入し溶接する。この外側冷却用スリーブ１０７は、燃焼器１００の壁１０１の一体的延長部となるように壁１０１に溶接によって取り付けるか、あるいは、ボルト付きフランジ又は他の任意の適当な取付手段によって取り付けることができる。
【００１７】
冷却空気１０９をスリーブ１０７と端部チューブ１０４の外表面との間の環状間隙空間１１２内へ導入するために、外側スリーブ１０７と端部チューブ１０４との溶接部に近接した部位の外側スリーブ１０７の周りに複数の入口孔１０８を形成する。冷却空気１０９は、端部チューブ１０４の外表面を被って流れることによってそれを冷却し、燃焼器１００に流入してその壁１０１の内表面を被って内方へ流れ、それによって、端部チューブ１０４の端部１１４と、燃焼器壁１０１と外側冷却用スリーブ１０７との間の接続部とに冷却作用を施す。
【００１８】
ここで、スリーブ１０７と端部チューブ１０とのオーバーラップ部分は、スリーブ１０７の全長に亘っては延長していないことに留意されたい。即ち、端部チューブ１０４の端部１１４は、燃焼器壁１０１の内表面から外方へ間隙距離Ｄだけ離れた位置にある。この間隙距離Ｄは、スリーブ１０７の内表面と端部チューブ１０４の外表面との間の間隙距離Ｇのほぼ２倍とすることが好ましいことが判明した。この距離は、端部チューブ１０４の端部１１４を燃焼器１００の内部の燃焼過程の全熱に露呈させるのを回避する距離である。
【００１９】
更に、金属製の端部チューブ１０４の点火用火炎に面する内表面が、始動時にクロスファイアーチューブ組立体を通って隣の燃焼器を点火するための点火用火炎からその通過を妨害しないほどの薄い内側冷却空気膜によって隔離される。その結果として、クロスファイアーチューブ組立体の温度が低下され、それによって、クロスファイアーチューブ組立体の寿命を延長し、クロスファイアーチューブ組立体の、燃焼器に近接した端部に熱損傷が及ぼされる危険性が大幅に減少される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ＥＰ−０５０３０１８の発明によるガスタービンエンジン用燃焼装置の一部分であるクロスファイアーチューブ組立の断面図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態によるクロスファイアーチューブ組立体の２分の１の概略断面図である。
【符号の説明】
１００：燃焼器
１０１：燃焼器の壁
１０２：中央クロスファイアーチューブ部分
１０４：端部チューブ
１０６：冷却空気流
１０７：スリーブ
１０８：入口孔（入口手段）
１０９：冷却空気
１１０：点火用火炎
１１２：環状間隙空間
１１４：端部
Ｄ：間隙（間隙距離）
Ｇ：間隙（間隙距離）

Claims

ガスタービンエンジン用燃焼装置であって、
複数基の燃焼器と、
隣接する燃焼器の間に点火用火炎（１１０）を通すためのクロスファイアーチューブ組立体であって、点火用火炎を燃焼器（１００）の内外へ通すための端部チューブ（１０４）を含むクロスファイアーチューブ組立体と、
前記端部チューブ（１０４）の内表面を膜冷却するために冷却空気（１０６）を前記クロスファイアーチューブ組立体内へ供給するための供給手段（１０３，１０５）とから成り、
前記端部チューブ（１０４）は、前記燃焼器（１００）にスリーブ（１０７）を介して接続されており、該スリーブは、該燃焼器の壁（１０１）から延長して該端部チューブの全長のうちの、該燃焼器に近接した一部分をそれとオーバーラップするように囲繞し、それによって該端部チューブの外表面と該スリーブの内表面との間に環状間隙（Ｇ）を画定し、該スリーブは、該端部チューブの、前記燃焼器の壁（１０１）に近接した外表面と、該スリーブの内表面との両方を膜冷却するように冷却空気（１０９）を前記環状間隙内へ冷却空気（１０９）を導入するための入口手段（１０８）を有することを特徴とするガスタービンエンジン用燃焼装置。
前記端部チューブ（１０４）の外表面を膜冷却するための冷却空気（１０９）を導入するための入口手段（１０８）として、前記スリーブ（１０７）の、それが該端部チューブに接続されている部位に近接したところの周壁に複数の孔が穿設されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン用燃焼装置。
前記端部チューブ（１０４）は、前記スリーブ（１０７）を越えて前記燃焼器（１００）の内部に突出しないように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタービンエンジン用燃焼装置。
前記スリーブ（１０７）と前記端部チューブ（１０４）とのオーバーラップ部分が該スリーブの全長に亘らないように配置されており、それによって、前記燃焼器の壁（１０１）の内表面と該端部チューブ（１０４）との間に間隙（Ｄ）が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン用燃焼装置。
前記端部チューブ（１０４）と燃焼器の壁（１０１）の内表面との間で測定した前記間隙（Ｄ）の長手方向の寸法が該スリーブの内表面と端部チューブの外表面との間の前記環状間隙（Ｇ）の幅方向の寸法のほぼ２倍であることを特徴とする請求項４に記載のガスタービンエンジン用燃焼装置。
前記スリーブ（１０７）は、冷却空気が該スリーブからそれを囲繞する燃焼器の壁（１０１）の内表面を被って流出するように配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のガスタービンエンジン用燃焼装置。
第１燃焼器と第２燃焼器の間に延長する完成クロスファイアーチューブは、中央クロスファイアーチューブ部分（１０２）と、該第１燃焼器と第２燃焼器からそれぞれ延長した第１及び第２端部チューブ（１０４）とから成り、該中央クロスファイアーチューブ部分の一端は、該第１端部チューブ内に嵌入されて溶接されており、該中央チューブ部分の他端は、第２端部チューブ内に押込嵌めされており、冷却空気（１０６）は、中央クロスファイアーチューブ部分（１０２）の外表面と各端部チューブ（１０４）の内表面との間に画定された環状間隙内へ差し向けられ、該中央クロスファイアーチューブ部分の両端と、各端部チューブの内表面を膜冷却することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のガスタービンエンジン用燃焼装置。
請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃焼装置を有するガスタービンエンジン。