JP4498720B2 - インバーテッド・タービュレータを備える燃焼器ライナ - Google Patents

Description

本発明は、一般的にタービン構成部品に関し、より具体的には、地上設置式ガスタービンにおける構成部品を囲む燃焼器ライナに関する。

従来のガスタービン燃焼器は、燃料と空気が別々に燃焼室に流入する拡散（すなわち、非予混合式の）火炎を用いる。混合及び燃焼の過程は、摂氏２１５０°Ｃ（華氏３９００°Ｆ）を超える火炎温度を生じる。ライナを有する従来型の燃焼器及び／又は移行部品は、一般的にわずか８１５°Ｃ（約１５００°Ｆ）程度の最高温度に約一万（１０，０００）時間しか耐えることができないので、燃焼器及び／又は移行部品を保護するための手段が取られなければならない。これは、一般的に、燃焼器の外側を囲む燃焼器ライナにより形成されたプレナム内に比較的低温の圧縮機空気を導入することを含むフィルム冷却により行われてきた。この従来の構成では、プレナムからの空気は、燃焼器ライナ内のルーバを通り、次に薄膜フィルムとしてライナの内側表面上を流れ、それによって燃焼器ライナの保全性を維持する。

２価の窒素は１６５０℃（約３０００°Ｆ）を超える温度において急速に解離するために、拡散燃焼の高温により、比較的大量のＮＯｘエミッションを発生する。ＮＯｘエミッションを減少させるためにこれまで行われてきた１つの方法は、圧縮機空気の最大可能量を燃料と予混合することであった。得られた希薄予混合燃焼により、火炎温度はより低温になり、従ってＮＯｘエミッションがより低下する。希薄予混合燃焼は拡散燃焼よりも低温ではあるが、その火炎温度は、これまでの従来型の燃焼器構成部品が耐えるには依然として高温過ぎる。

更に、最新式の燃焼器は、ＮＯｘ低減のために最大可能量の空気を燃料と予混合するので、利用できる冷却空気がほとんど無いか又は全く無いことになり、燃焼器ライナ及び移行部品のフィルム冷却を最もよくいっても不十分なものにすることになる。それにもかかわらず、燃焼器ライナは、材料温度を限度以下に維持するために積極的に冷却する必要がある。乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）エミッションシステムでは、この冷却は、低温側の対流として供給されることができるだけである。このような冷却は、熱勾配及び圧力損失の必要条件の範囲内で実施されなければならない。従って、燃焼器ライナ及び移行部品をこのような高熱による破壊から保護するために、「背面」冷却と組み合わせて断熱皮膜のような手段が、これまで考えられてきた。背面冷却は、圧縮機空気を燃料と予混合するのに先立って、該空気を燃焼器ライナ及び移行部品の外側表面上に流さなければならなかった。

燃焼器ライナに関して、現在の常法は、ライナをインピンジメント冷却するか又はライナの外部表面上にタービュレータを設けることである。より最近の別の常法は、ライナの外部又は外側表面上に凹みの配列を設けること（特許文献１参照）である。種々の公知の技術により、熱伝達を高めているが、熱勾配及び圧力損失に及ぼす影響は様々である。
特開2002-517673号公報

最小限の圧力損失で冷却レベルを高めること、また局所的な要求に応じて冷却レベルを高めるようにすることができることに対する必要性が依然として存在する。

本発明は、圧力損失の発生を減少させる低温側（すなわち、外側）表面の特徴的形状を備える対流冷却式燃焼器ライナを提供する。

本発明の例示的な実施形態において、半円形又はほぼ半円形の断面の溝が、燃焼器ライナの低温側に形成され、各溝は、ライナ外周部の周りで連続しているか又は個別のセグメントになっている。１つの構成では、溝は冷却流の方向に対して横向きに配列され、従って逆設された（インバーテッド）又は凹設された連続するタービュレータの外観をしている。これらの溝は、熱伝達を高めるが隆起したタービュレータよりも圧力損失を著しく低下させる方法で、ライナ表面上の流れを分裂させるように作用する。

また、タービュレータ溝を流れの方向に対して傾斜させて、高温側熱負荷に「従った」パターン冷却を形成することができる。例えば、大きな高温ガス旋回速度を有する予混合燃焼式缶環状型システムにおいては、高温側熱負荷は、旋回強度と燃焼器ノズルの位置とに応じてパターン化される。

溝は、隆起形タービュレータにおけるような同一の流れ剥離及びブラッフボデー作用を生じないように、断面が円形又はほぼ円形であることが好ましい。溝はまた、冷却流が流入し渦を形成し、この渦が次に主流の流れと相互作用して熱伝達を向上させることができるような十分な深さと幅がなければならない。溝は、パターン化されることができ、及び／又は、付加的な熱伝達強化を生じるように交差させることもできる。

従って、そのより広い態様において、本発明は、ガスタービン用の燃焼器ライナに関し、その燃焼器ライナは、ほぼ円筒形の形状を有し、かつ該燃焼器ライナの外側表面に形成された複数の軸方向に間隔を置いて配置された円周方向溝を有する。

別の態様において、本発明は、ガスタービン用の燃焼器ライナに関し、その燃焼器ライナは、ほぼ円筒形の形状を有し、かつ該燃焼器ライナの外側表面に形成された複数の軸方向に間隔を置いて配置された円周方向溝を有し、該溝は、断面が円形であり、かつ直径Ｄを有しており、該溝の深さが約０．０５〜０．５０Ｄに等しい。

次に、付随の図面に関連させて本発明を詳細に説明する。

図１は、燃料による燃焼ガスにより作動される典型的な缶環状型逆流式燃焼器１０を概略的に示しており、高エネルギー含有量を持つ流動媒体、すなわち燃焼ガスが、ロータに装着されたリング状の翼配列により偏向される結果として回転運動を生成する。作動中、圧縮機１２からの吐出空気（約２５０〜４００ｌｂ／ｉｎ²程度の圧力に加圧された）は、燃焼器（１つを符号１４で示す）の外側を流れるときに逆方向に向かい、タービン（第１段を符号１６で示す）までの途中で燃焼器に流入するときに、再び反転する。加圧空気と燃料とは、燃焼室１８内で燃焼して、約１５００℃すなわち約２７３０°Ｆの温度を有するガスを発生する。これらの燃焼ガスは、移行部品２０を介して高速でタービンセクション１６内に流入する。移行部品は、燃焼器ライナ２４に接合されているが、一部のケースにおいては、別個のコネクターセグメントを移行部品２０と燃焼器ライナとの間に設置する場合がある。

燃焼ガスの温度が約１５００℃又はそれを超える燃焼器及び移行部品の構成において、何かの形態の冷却なしにこのような高度の熱環境に耐えることができる材料が知られているが、これら材料が耐えることができるのは限られた時間の間だけである。このような材料はまた、高価でもある。

図２は、燃焼室２５を形成する、従来型構成のほぼ円筒形の燃焼器ライナ２４を概略形式で示す。

図示した例示的な実施形態では、燃焼器ライナ２４は、燃焼器（図示せず）が取付けられる燃焼器ヘッド側端部２６と二重壁移行部品２８が取付けられる反対側端部すなわち後側端部とを有する。単一壁移行部品を備える他の構成も、本発明の技術的範囲内に含まれる。ライナ２４には、ヘッド側端部２６に隣接する領域に複数の隆起した環状（又は部分環状）のリブすなわちタービュレータ３０が設けられる。円筒形のフロースリーブ３２が、半径方向に間隔を置いて配置された状態で燃焼器ライナを囲み、該ライナと該フロースリーブとの間にプレナム３４を形成し、該プレナム３４は、移行部品２８の二重壁構造により形成されたプレナム３６と連通する。インピンジメント冷却孔３８が、移行部品２８とライナ２４のタービュレータ３０との軸方向の間の領域内においてフロースリーブ３２に設けられる。

図３は、別の公知の熱的強化技術を概略形式で示す。この場合には、燃焼器ライナ４２の外部表面４０には、該外部表面の拡張した区域にわたって複数の円形の凹みすなわちディンプル４４が形成されている。

図４に移ると、本発明の例示的な実施形態による燃焼器ライナ４６には、複数の「インバーテッド・タービュレータ」４８が形成されている。これらの「インバーテッド・タービュレータ」４８は、ライナ４６の長さに沿って軸方向に間隔を置いて配置された、個々の環状の凹形リング又は円周方向溝を含み、該凹形の表面はフロースリーブ５０に向かって半径方向外向きに面している。

図５において、ライナ５２には、流れの方向に対して傾斜させて高温側熱負荷に「従った」パターン冷却を形成する複数の類似の円周方向溝が形成されている。ここでも、溝の凹形表面は、フロースリーブ５６に面している。

図４及び図５に示す構成の場合には、半円形の溝は、直径Ｄに基づいており、約１．５〜４Ｄの隣接する溝間の中心間距離をもつ、約０．０５〜０．５０Ｄに等しい深さを有している。単一ライナにおける溝の深さは、上述の範囲内で変化させることができる。

これらの溝は、熱伝達を高めるが隆起したタービュレータよりも圧力損失を著しく低下させる方法で、ライナ表面上の流れを分裂させるように作用する。具体的には、冷却流は、溝に流入して渦を形成し、この渦が次に主流の流れと相互作用して熱伝達を向上させる。

図６は、本発明の別の実施形態を概略的に示し、この実施形態においては、円周方向溝５８がフロースリーブ６４に面する燃焼器ライナ６０内に形成されるが、該円周方向溝５８は、付加的な円周方向の熱的強化作用を生じるようにパターン化されている。具体的には、溝５８は、凹み６４が半径方向にフロースリーブ６４に面した状態で、本質的に円周方向に一部重なり合ったほぼ円形又は楕円形の凹み６２により形成される。これらのパターン化された溝はまた、図５におけるように傾斜させることも可能である。

図７において、凹形の円周方向溝６６が、フロースリーブ７０に面しかつライナの長さに沿って１つの方向に傾斜した（すなわち、燃焼器ライナの中心軸線に対して鋭角を成した）状態で、燃焼器ライナ６８内に形成され、同時に類似の溝７２が、反対方向に傾斜した状態で形成され、それによって「インバーテッド・タービュレータ」の交差パターンを形成して、付加的な全体的熱的強化作用を生じさせる。交差溝６６、７２は、一様な断面（図示するような）とするか又は図６におけるようにパターン化することができる。

本発明を、現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関連して説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、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。

公知のガスタービン燃焼器の概略図。 タービュレータを備える円筒形燃焼器ライナの概略図。 その外側表面上に凹みの配列を備える公知の円筒形燃焼器ライナの概略図。 本発明による環状の凹形溝を備える円筒形燃焼器ライナの概略側面図。 本発明の別の実施形態による傾斜した環状の凹形溝を備える円筒形燃焼器ライナの概略側面図。 本発明の更に別の実施形態による環状のパターン溝を備える円筒形燃焼器ライナの概略側面図。 本発明の更に別の実施形態による環状の交差溝を備える円筒形燃焼器ライナの概略側面図。

符号の説明

４６ 燃焼器ライナ
４８ 円周方向溝
５０ フロースリーブ
Ｄ 直径

Claims (7)

1. ガスタービン用の燃焼器ライナ（４６）であって、該燃焼器ライナは、円筒形の形状を有し、かつ該燃焼器ライナの外側表面に形成された複数の軸方向に間隔を置いて配置された円周方向溝（４８）を有しており、各溝（４８）が一様な半円形の断面を有しているとともにライナ外周部の周りで連続していることを特徴とする燃焼器ライナ（４６）。
2. 前記溝（４８）が冷却空気流の方向に対して横方向に配列されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼器ライナ。
3. 前記溝（４８）が直径Ｄを有しており、該溝の深さが０．０５〜０．５０Ｄに等しいことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の燃焼器ライナ。
4. 前記溝（４８）が直径Ｄを有しており、隣接する溝（４８）の中心間距離が１．５〜４Ｄに等しいことを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃焼器ライナ。
5. 前記溝（５４）は、冷却空気の方向に対して傾斜していることを特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の燃焼器ライナ。
6. 第１の前記複数の円周方向溝（６６）と交差した第２の複数の円周方向溝（７２）を含むことを特徴とする、請求項５に記載の燃焼器ライナ（６８）。
7. ガスタービン用の燃焼器ライナ（４６）であって、該燃焼器ライナは、円筒形の形状を有し、かつ該燃焼器ライナの外側表面に形成された複数の軸方向に間隔を置いて配置された円周方向溝（４８）を有しており、該溝は、断面が半円形であり、かつ直径Ｄを有しており、該溝の深さが０．０５〜０．５０Ｄに等しいことを特徴とする燃焼器ライナ（４６）。
   

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