JP4454993B2 - 冷却を改善した二重壁燃焼器ライナセグメント - Google Patents

Description

本発明は一般にタービン構成要素に関し、特に、陸上ガスタービンにおいて燃焼器ライナを接合部材に接続するほぼ円筒形のコネクタセグメントに関する。

従来のガスタービン燃焼器は、燃料と空気が燃焼室に別個に入る拡散（すなわち、予混合されない）炎を使用する。混合と燃焼のプロセスが３９００°Ｆを超える火炎温度を発生させる。ライナを有する従来の燃焼器及び／又は接合部材は一般に約１００００時間にわたり約１５００°Ｆ程度の最高温度に耐えることしかできないため、燃焼器及び／又は接合部材、並びにそれらの間に介在する接続セグメントを保護するための手段を講じなければならない。これは、通常、相対的に低温の圧縮機空気を燃焼器の外側を包囲するプレナムに導入することを含む境膜冷却により実行されていた。この従来の構成においては、プレナムからの空気は燃焼器ライナのルーバを通過し、その後、膜として燃焼器ライナの内面に沿って流れ、それにより、燃焼器ライナの一体性を維持する。

二原子窒素は約３０００°Ｆ（約１６５０℃）を超える温度で急速に解離するので、拡散燃焼が高温であれば、その結果、ＮＯｘの放出は相対的に多くなる。ＮＯｘの放出を減少させる方法の１つはできる限り多くの量の圧縮機空気を燃料と予混合することであった。その結果である希薄予混合気燃焼は火炎温度を低下させ、それにより、ＮＯｘの放出は減少する。希薄予混合気燃焼は拡散燃焼より低温ではあるが、火炎温度は従来の燃焼器構成要素が耐えるには依然として高すぎる。

更に、進んだ燃焼器はＮＯｘ減少を目的としてできる限り多くの量の空気を燃料と予混合するので、冷却空気をほとんど又は全く利用できず、燃焼器ライナ及び接合部材の境膜冷却が不可能になってしまう。従って、燃焼器ライナ及び接合部材をそのような高温の熱により破壊から保護するために、「裏側」冷却と関連させた熱障壁被膜などの手段が考慮されている。裏側冷却は、空気を燃料と予混合する前に、圧縮機空気を燃焼器ライナ及び接合部材の外面に沿って通過させることを含む。

希薄予混合気燃焼は、発生する火炎温度を下げることによってＮＯｘを減少させる。しかし、特に燃焼器ライナの内面又は壁に沿って温度が低下すると、一酸化炭素と未燃炭化水素の酸化が抑制され、その結果、一酸化炭素と未燃炭化水素が許容できないレベルまで放出されやすくなる。一酸化炭素と未燃炭化水素を酸化するために、表面温度を一酸化炭素と未燃炭化水素を完全に燃焼し尽くすほど十分に高くすることができるように、ライナは極めて厚い（５０〜１００ミル）熱障壁被覆を必要とするであろう。これは、典型的な長さ及び流量条件の燃焼器の場合で約１８００〜２０００°Ｆの結合被覆温度及び約２２００°ＦのＴＢＣ（熱障壁被覆）温度になるであろう。しかし、典型的なガスタービン構成要素の寿命に対するそのような熱障壁被覆の厚さや温度は現在の材料の周知の能力を超えている。周知の熱障壁被覆はそのような温度では容認できないほど短い時間のうちに劣化してしまい、また、そのように厚い被覆は破砕しやすい。

現在開発中である進んだ冷却概念によれば、壁の薄い構造で複雑な冷却流路を製造することが必要とされる。これらの構造が複雑になるほど、鋳造などの従来の技法を使用して構造を製造するのが困難になる。これらの構造は、最新の超合金の能力範囲を越え、更に、破損と歪みの双方に関して、鋳造で使用されるもろいセラミック中子の能力を超えるような複雑さと壁寸法を有しているため、従来の技術のそのような限界を克服するために新たな製造方法を開発しなければならない。冷却を改善するために使用可能であると考えられる幾何学的構成は、例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３に開示されている。更に別の例として、特許文献４に記載されるように燃焼器ライナの低温側に複数の小さなくぼみを設けることにより、燃焼器ライナにおける冷却改善が実現される。

ガスタービン燃焼器構造の中には、ほぼ円筒形のセグメントが燃焼器ライナを接合部材に接続し、このセグメントについても同様に冷却を必要とするものがある。このいわゆる燃焼器ライナセグメントは、周囲方向に離間して配置されるアレイとして長手方向に配列された複数の冷却流路が形成された二重壁部材である。しかし、それらの冷却流路を形成する（例えば、特許文献１の場合）ことにより、表面が望ましくないほど粗い面になり、それに加えて、この構造では冷却剤をセグメントに沿って離間して導入できないということが判明している。
特開平１０−０７６３３５号 特開平１０−１１５４２５号 特開平１０−０３８２７６号 特表２００２−５１７６７３号

従って、燃焼器ライナと接合部材を接続するセグメントにおいて、高い燃焼温度に耐えられるように冷却を改善する必要がある。

本発明は、各冷却流路の片面又は両面に凹部のアレイ（配列）を設け、それにより、１００％もの冷却効率の向上を得ることによって冷却を改善した、燃焼器ライナと接合部材を接続するためのほぼ円筒形の二重壁セグメントを提供する。その結果、必要とされる冷却空気の体積を増すことなく、流路を元の長さの２倍もの長さに延長することもできる。更に、この構成では、冷却空気をセグメントの一端部でのみ強制的に送り出すのではなく、セグメントに沿って軸方向に離間して配置された複数の衝突冷却穴により冷却空気を送り込むこともできる。

実施例においては、二重壁冷却流路の一方又は双方の主面は、概して互いに近接して離間するように配置された凹部のアレイを含むように機械加工されるが、その間隔は特定の用途の条件に応じて異なっていても良い。間隔、凹部深さ、凹部直径及び流路高さは、結果として得られる熱特性の改善を確定する。凹部自体は半球形、部分半球形、卵型、又はほぼ球形の軸対称でない形状であって良い。冷却空気は流路の一端部から導入されるか、あるいはセグメントの一端部にある冷却空気入口と組み合わされる、軸方向に離間して配置された複数の衝突冷却穴を通して導入される。

二重壁流路の「高温」側に表面凹部のアレイを形成することにより、各凹部からのいわゆる旋風効果により熱伝達が向上される。二重の壁が互いに近接して位置している場合に、「低温」表面にも類似のアレイを配置する構成は熱伝達を向上させるように作用する。凹部との流れの相互作用のバルクうず混合運動によって、滑らかな面と比較して摩擦係数の増加は小さい。この総合的な冷却向上によって、流路のどの場所においても使用される冷却剤の総量を減少することができる。更に、衝突穴を使用して流路への冷却空気の導入を離間させることにより、その結果、追加の冷却剤を使用せずに、改善された二重壁セグメントの全長を約２倍に伸ばすことができるという効果が得られる。

従って、より広い面では、本発明は、ガスタービンの燃焼器ライナと接合部材を接続するためのコネクタセグメントであって、コネクタセグメントはほぼ円筒形の形状を有し、且つ内壁及び外壁と、内壁と外壁との間でセグメントに沿って軸方向に延出する複数の冷却流路とを含む二重壁構成であり、冷却流路は一部で半径方向内側の面及び外側の面により規定され、半径方向内側の面及び外側の面のうちの少なくとも一方に凹部のアレイが形成されているコネクタセグメントに関する。

別の面においては、本発明は、ガスタービンの燃焼器ライナと接合部材を接続するためのコネクタセグメントであって、コネクタセグメントは、内壁及び外壁と、内壁と外壁との間でセグメントに沿って軸方向に延出する複数の冷却流路とを含む二重壁構成であり、冷却流路は一部で半径方向内側の面及び外側の面により規定され、半径方向内側の面及び外側の面の双方に凹部のアレイが形成されており、外壁に、複数の冷却流路と連通する複数の軸方向に離間して配置された穴を更に具備するコネクタセグメントに関する。
以下、添付の図面に関連して本発明を詳細に説明する。

図１は、燃料からの燃焼ガスにより駆動される典型的なカン逆流燃焼器１０を概略的に示し、この燃焼器においては、エネルギー含有率の高い流動媒体、すなわち、燃焼ガスは回転子に装着された翼配列のリングにより偏向された結果として回転運動を発生させる。動作中、圧縮機１２からの排気（約２５０〜４００ｌｂ／ｉｎ²程度の圧力まで圧縮されている）は、燃焼器（図中符号１４により１つの燃焼器を示す）の外側を通過するときに方向を反転させ、タービン（図中符号１６により示す第１段）に向かう途中で燃焼器に入るときに再び方向を反転させる。圧縮空気と燃料は燃焼室１８内で燃焼されて、約１５００℃、すなわち、約２７３０°Ｆの温度のガスを発生する。それらの燃焼ガスは接合部材２０を介して高速でタービン部分１６に流入する。

接合部材２０と、燃焼室１８を包囲する燃焼器ライナ２４との間にコネクタセグメント２２（図２）を配置しても良い。

燃焼の温度ガスが約１５００℃であるか、又はそれを超える燃焼器及び接合部材の構成において、何らかの形態の冷却を伴わずにそのような高熱環境に耐えることができる周知の材料は存在しない。

図２は、燃焼器ライナ２４を接合部材２０に接続するために使用できる円筒形セグメント２６を示す。セグメント２６は二重壁構成であり、セグメントの周囲に周囲方向に離間された関係で複数の軸方向に延出する冷却流路２８が配列されている。燃焼器ライナと接合部材も類似の冷却流路を含む二重壁構成であって良い。図示されるように、セグメントは半径方向装着用フランジ３０を有するが、セグメントを燃焼器ライナ及び接合部材に装着する方法は必要に応じて変更されて良い。セグメント２６はＮｉ系超合金であるHaynes 230から製造されていても良い。個々の用途における温度に応じて、ステンレス鋼、合金、及びＮｉ系、Ｃｏ系、Ｆｅ系、Ｔｉ系、Ｃｒ系又はＮｂ系の複合材料を含めた他の材料も使用できるであろう。複合材料の一例は、微粒子、繊維又はラミネートとして存在しているＷ相で補強されたＦｅＣｒＡｌＹ金属マトリクスである。セグメントの高温の壁と低温の壁で使用される材料が同じ合金である必要はない。本明細書の説明においては、便宜上、セグメントの内壁３２が「高温」壁であり、外壁３４は「低温」壁である。

次に図３及び図４を参照すると、本発明に従った冷却流路構成の概略図が示されている。完成後の円筒形状にフープ圧延する前の、平坦な形態のセグメントの一部が示されている。特定の用途に応じて、セグメントの形状が楕円形又は円錐形であっても良いことは理解されるであろう。

設計し直された冷却流路３６は細長く、ほぼ矩形であり、各々が上面３８と、下面４０を有する。先に述べた外壁３４と内壁３２の指定に基づけば、上面（壁）３８が「低温」面（壁）であり、下面（壁）４０は「高温」面（壁）である。言い換えれば、面３２及び４０は燃焼室に最も近接しており、面３４、３８は燃焼器の外側で圧縮機冷却空気に最も近接しているということになる。

面４０、３８の少なくとも一方、好ましくは双方に凹部４２が形成されている。図５〜図７に最も明瞭に示されているように、凹部４２は半球形の形状である表面の不連続のくぼみ、又は小さなへこみであるが、本発明はそれに限定されない。更に、くぼみの間隔、直径、深さ並びに形状の様々な幾何学的特徴に関して表面凹部を変形しても良い。例えば、くぼみの所定の直径Ｄに対して、２つの隣接するくぼみの中心間距離は１．１Ｄから２Ｄであれば良く、くぼみの深さは０．１０Ｄから０．５０Ｄであれば良い（図５及び図７を参照）。流路の高さを流路の幅で除算した値として定義される流路縦横比は好ましくは１から０．２の範囲、更に好ましくは０．４から０．２の範囲にある。流路高さと凹部直径との比（つまり流路高さ／凹部直径比）は好ましくは０．２５から５の範囲、更に好ましくは０．５から１の範囲にある。凹部は単純なエンドミル削り、ＥＤＭ、ＥＣＭ又はレーザーにより形成されれば良い。

図５及び図６は、千鳥状に配列されたくぼみ４４のアレイを示すが、この場合にも、特定のアレイ構成を必要に応じて変更して良い。図６及び図７では、くぼみ４４は図５に示すくぼみ４２のような円形ではなく、卵形であることに注意すべきである。

図４を参照すると、各々の冷却流路３６に沿って互いに軸方向に離間する関係で衝突冷却穴４６が設けられていても良い。これにより、セグメントの軸方向長さに沿って、その周囲を巡るように流路３６内へ冷却空気を離間した関係で導入することができるため、セグメントの冷却が改善される。

表面凹部と衝突冷却穴を追加することにより、冷却効率は１００％も向上する。これは、追加の冷却空気を必要とせずに、冷却流路を２倍に延長できることを意味している。

本発明を現時点で最も実用的で、好ましい実施例であると考えられるものに関連して説明したが、本発明は開示された実施例に限定されず、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

周知のガスタービン燃焼器の概略図。 周知の軸方向に冷却される円筒形燃焼器ライナコネクタセグメントの斜視図。 本発明に従って冷却機能を向上させた冷却流路を示す、円筒形冷却セグメントを水平面上へ投射した部分横断面図。 冷却流路の長さに沿って軸方向に互いに離間して配置された衝突冷却穴を追加した構成を示す、図３のセグメントの斜視図。 冷却流路の２つの主面の長さに沿って現れると考えられる表面凹部を平面図で見た概略図。 本発明に従った冷却流路の下面にある表面凹部のアレイを示す、流路の上面を取り除いて平面図で見た冷却流路の概略図。 冷却流路の内面に沿った表面凹部の横断面形状を示す冷却流路の一方の主面の概略図。

符号の説明

１２…圧縮機、１４…燃焼器、１６…タービン部分、１８…燃焼室、２０…接合部材、２２…コネクタセグメント、２４…燃焼器ライナ、２６…円筒形セグメント、３２…（セグメントの）内壁、３４…外壁、３６…冷却流路、３８…（冷却流路の）上面、４０…下面、４２…凹部、４６…衝突冷却穴

Claims (9)

1. ガスタービンの燃焼器ライナ（２４）と接合部材（２０）とを接続するためのコネクタセグメント（２２）であって、当該コネクタセグメント（２２）が、内壁（３２）及び外壁（３４）と、前記内壁と外壁との間で前記セグメントに沿って軸方向に延出する複数の冷却流路（３６）とを含む円筒形の二重壁構成であり、前記冷却流路（３６）が一部で半径方向内側面（４０）と外側面（３８）により規定され、前記半径方向内側面（４０）と外側面（３８）の双方に凹部（４２）の配列が形成されており、前記凹部（４２）の各々が直径Ｄを有していて、隣接する凹部の中心間距離は１．１Ｄ〜２Ｄに等しく、かつ流路高さと凹部直径Ｄとの比が０．２５〜５の範囲内にある、コネクタセグメント。
2. さらに、前記冷却流路（３６）の少なくとも一部と連通した複数の穴（４６）が前記外壁（３８）に軸方向に離間して配置されている、請求項１記載のコネクタセグメント。
3. 各流路に複数の衝突穴（４６）が軸方向に離間して配置されている、請求項１記載のコネクタセグメント。
4. 前記冷却流路（３６）が０．２〜１の縦横比を有する、請求項１記載のコネクタセグメント。
5. ガスタービンの燃焼器ライナ（２４）と接合部材（２０）とを接続するためのコネクタセグメント（２２）であって、当該コネクタセグメント（２２）が、内壁（３２）及び外壁（３４）と、前記内壁と外壁との間で前記セグメントに沿って軸方向に延出する複数の冷却流路（３６）とを含む円筒形の二重壁構成であり、前記冷却流路（３６）が一部で半径方向内側面（４０）と外側面（３８）により規定され、前記半径方向内側面（４０）と外側面（３８）の双方に凹部（４２）の配列が形成されており、前記複数の冷却流路（３６）と連通する複数の穴（４６）が前記外壁（３４）に軸方向に離間して配置されており、前記冷却流路（３６）が０．２〜１の縦横比を有しており、前記凹部（４２）の各々が直径Ｄを有していて、隣接する凹部の中心間距離は１．１Ｄ〜２Ｄに等しく、かつ流路高さと凹部直径Ｄとの比が０．２５〜５の範囲内にある、コネクタセグメント。
6. 前記凹部（４２）が半球形である、請求項１又は請求項５記載のコネクタセグメント。
7. 前記凹部（４２）が千鳥状に配列されている、請求項６記載のコネクタセグメント。
8. 前記凹部（４２）が円形であって直径Ｄを有し、前記凹部の深さが０．１０Ｄ〜０．５０Ｄに等しい、請求項１又は請求項５記載のコネクタセグメント。
9. 前記流路高さと凹部直径Ｄとの比が０．５〜１の範囲内にある、請求項１又は請求項５記載のコネクタセグメント。

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