JP4933578B2 - ベンチュリ冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、燃焼タービンで使用される燃焼器に関する。本発明は、特に、第１の燃焼チャンバーと第２の燃焼チャンバーとの間のベンチュリスロート領域を冷却するシステムに関する。

ガスタービンは、多くの用途、例えば、航空機の推進、船舶の推進、発電、及びポンプやコンプレッサー等の駆動プロセス、において、重要な役割を演じる。典型的には、ガスタービンは、コンプレッサーと、燃焼器と、タービンと、を備える。運転中は、空気が、コンプレッサーによって圧縮され、燃焼器で燃料と混合されるシステムに、供給される。圧縮空気と燃料の混合物は、次に、燃焼器内で燃焼され、空気流れの膨張を生じ、タービンの駆動を行う。

燃焼器のライナーは、燃焼器の内部容積を形成し、燃焼器ケーシングと、エンジンの他の部品を、燃焼器内に存在する極めて高い温度から保護する働きをする。ＮＯｘ排出を低減し、エンジン部品の寿命を延ばすために、コンプレッサーから送り出される空気の一部を、燃焼器のライナーを含む燃焼器の様々な部品の冷却に利用することが、好ましい。

燃焼器のライナーは、しばしばベンチュリスロート領域を備え、ベンチュリスロート領域は、燃焼器内の火炎の位置に影響を与え、燃焼器の火炎を安定させる。このような配置において、希薄燃焼と、燃料と空気の均質混合とによって、火炎温度のピークを低下させて、ＮＯｘ排出量の低減が行われる。均質混合は、普通、燃焼器におけるベンチュリの上流で燃料と空気との予混合を行い、次に、混合気をベンンチュリのエッジ部即ち頂部の下流で着火させ、第２の燃焼チャンバーへ送ることによって、達成される。ベンチュリの形状は、スロート部分の直前の流れを加速することによって、ベンチュリスロートの上流の、予混合領域又は第１の燃焼器チャンバーに、火炎が逆火しないように保持することを意図したものである。ベンンチュリ上流の、火炎保持領域は、特定の運転条件下で、冷却することが必要である。火炎は、ベンチュリの両側に存在する可能性があるので、両側を冷却する必要がある。しかしながら、もしベンチュリの下流で放出される冷却空気の流れが大きすぎると、又は、ベンチュリに接近しすぎて放出されると、冷却空気の流れは、燃焼性能に逆効果を与える。

特許文献１は、ベンンチュリの頂部即ちスロートから下流に延びる、ベンチュリ内の冷却通路を示しており、冷却空気は、第２の燃焼チャンバー内の火炎保持領域に再流入しない。火炎保持機能とベンチュリ冷却機能とが、分離して考えられている。特許文献２は、ベンチュリ内の冷却チャンバーを示し、冷却チャンバーは、冷却流れを、燃焼流れと反対方向に導き、冷却空気をベンチュリの上流に放出する。

ＵＳ５，１１７，６３６ ＵＳ６，４３０，９３２

ベンチュリの上流側と下流側の熱負荷が異なっており、ベンチュリの近くで冷却空気を放出することは、ベンチュリのどちら側であっても、燃焼器の作動に影響を与えることが判ってきた。従来は、ベンチュリの両側の冷却が連結されており、ベンチュリの壁内の熱の検出値はバランスしていなかったし、冷却通路内の圧力損失に対して適応していなかった。

本発明は、燃焼器の第１の端部に配置されたノズル組立体と、このノズルの下流の、燃焼器の第２の端部に形成された燃焼チャンバーと、を備えるタイプのガスタービンエンジンに対する燃焼器を提供する。ベンチュリは、ノズルと燃焼チャンバーとの間に、配置されている。ベンチュリは、燃焼器の第１の端部と燃焼器の第２の端部との間の、連結部を形成する。ベンチュリは、冷却空気流れを受容する通路を備える。この通路は、ノズルに面した第１の側と、燃焼チャンバーに面した第２の側とを有する。圧縮空気源は、ベンチュリの通路の第１の側と第２の側の両方に連結された入口で、ベンチュリの通路に導かれる。ベンチュリの通路は、圧縮空気源からの圧縮空気を、ベンチュリの内部で、互いに反対の方向に導く。即ち、この通路の第１の側と第２の側の空気流れは、互いに反対の方向に流れる。

本発明の更なる実施形態は、ベンチュリの通路の第２の側の上流に延びる第２の通路を備える。更に、冷却流れの入口は、ノズルに近接して又はベンチュリの頂部の上流側に近接して配置される。

好ましい実施例のいくつかを、図面に示す。

本発明の実施形態を組み込んだ、ガスタービンの燃焼システムの単純化した断面図である。 図１に示す燃焼システムのベンチュリスロート領域の部分断面図である。 燃焼システムで使用するベンチュリシステムの他の実施形態の部分断面図である。 燃焼システムで使用するベンチュリシステムの更なる実施形態の部分断面図である。

図には、典型的な燃焼器と、本発明のいくつかの実施形態の、図式的表現を示す。燃焼器は、符号１０で示し、ガスタービン（図示せず）に組み込まれるように考えられている。図１では、燃焼器１０は、燃焼器のライナー１２を備え、燃焼器のライナー１２は、熱シールド又は流れスリーブ１４によって少なくとも部分的に囲まれている。圧縮空気は、上流のコンプレッサー（図示せず）から供給され、熱シールド１４と燃焼器のライナー１２との間に形成された、周囲のチャンネル１６の中に供給される。

燃焼器のライナー１２の範囲内で、複数の第１燃料ノズル１８と、１つの第２燃料ノズル２０が備えられている。燃焼器流れスリーブ２２が、第２燃料ノズル２０を囲んで、備えられており、第２燃料ノズル２０を第１燃料ノズル１８から分離している。燃料２４は、コントローラ２６に導かれ、ノズル１８、２０に供給される。燃焼器のライナー１２と燃焼器流れスリーブ２２との間の領域は、上流の即ち第１の燃焼チャンバー２８を形成する。第２燃料ノズル２０の下流には、ベンチュリ３０が、燃焼器のライナー１２によって形成される領域内の環状の制限を形成している。ベンチュリ３０は、ベンチュリスロート部分を形成する頂部３２を有する。頂部３２は、ノズル１８、２０の下流に配置されている。下流の即ち第２の燃焼チャンバー３４は、燃焼器内の、ベンチュリの頂部３２の下流に、配置されている。

運転中は、火炎は、ベンチュリ３０のどちらの側にも、上流の燃焼チャンバー２８と下流の燃焼チャンバー３４の両方に、存在する可能性がある。初期運転では、燃料２４は、第１ノズル１８に供給され、上流の燃焼チャンバーに燃焼を発生し、ベンチュリスロート３２を通って下流に導かれる。リーン・リーン運転では、燃料２４は、第１燃料ノズル１８に供給されるとともに、第２燃料ノズル２０に供給される。燃焼は、上流の燃焼チャンバー２８と、下流の燃焼チャンバー３４と、の両方に発生する。更に、燃焼器１０は、第２燃料ノズル２０に単独に導かれた燃料２４で、燃焼を下流の燃焼チャンバー３４に発生して、運転することができる。追加の燃料２４は、上流の燃焼チャンバー２８に火炎を発生することなく、第１燃料ノズル１８に供給されることができる。上流の燃焼チャンバー２８を通過する燃料と空気との予混合気は、ベンチュリ３０によって下流の燃焼チャンバー３４に導かれ、下流の燃焼チャンバー３４内に予混合運転と主要火炎を発生する。

火炎は、ベンチュリ３０のどちらの側にも存在できるので、ベンチュリの壁の両方の側は、適切な運転と部品の寿命のために、冷却を必要とするのが普通である。図１に示すように、周囲のチャンネル１６内の冷却空気は、ベンチュリ３０の後ろ側に導かれ、次に、ベンチュリ３０の内部の壁に沿って導かれる。ベンチュリ３０の上流側と下流側の熱負荷は、異なっていると考えられる。更に、冷却空気の、ベンチュリ３０の両側の燃焼チャンバーへの逆流が、燃焼器１０の運転に影響を与える。

図２には、図１に示すベンチュリ３０の一方の側の拡大断面図を示す。圧縮空気３６は、ベンチュリ３０の後ろ側の空間３８に導かれる。この実施形態では、入口空間３８は、ベンチュリ３０の頂部３２の真後ろに配置されている。入口空間によってベンチュリ３０に導かれる冷却空気は、ベンチュリ３０の第１の側即ち上流側４１と、ベンチュリ３０の第２の側即ち下流側４３とに平行な、２つのチャンネル４０と４２に、流体接続される。チャンネル４０に導かれる冷却空気３６は、チャンネル４２に導かれる冷却空気に対して反対の方向に曲げられる。ベンチュリ３０の上流側４１の上流チャンネル４０を通る空気流れは、上流出口４４を通って導かれ、第１の燃焼チャンバー２８に入る。下流チャンネル４２を通り下流側４３に沿う冷却流れは、燃焼器のライナー１２に近接配置された出口４６を通って導かれ、下流の燃焼チャンバー３４に入る。ベンチュリ空気の出口の特定の形状のいくつかは、従来から知られており、本明細書で記載するように、ベンチュリ３０に適用することができる。

図３には、本発明の構造の変形が示されている。冷却空気３６は、チャンネル１６から、ベンチュリ３０の下流側４３に近接配置された出口を有する入口空間１３８に、導かれる。入口空間１３８は、下流チャンネル１４２と直接流体接続されている。冷却空気は、下流方向に導かれ、チャンネル１４２を通って下流出口４６に向かう。冷却空気の更なる流れは、下流チャンネル部分１４２ａ内に導かれ、下流出口４６とは反対の方向に導かれる。冷却チャンネル部分１４２ａは、ベンチュリ３０の上流側４１の後ろに配置された上流チャンネル１４０と連通する。上流チャンネル１４０内の冷却空気は、上流出口４４を通って導かれ、上流の燃焼チャンバー２８に入る。ベンチュリの下流表面上への冷却チャンネルの配置は、ベンチュリの下流部分に要求される冷却を低減する。或いは、入口空間１３８を、ベンチュリ３０の上流側４１に近接して配置することもできる。

従って、ベンチュリは、燃焼器の第１の端部と第２の端部との間の接続を形成する。ベンチュリ内の内部通路は、ベンチュリの頂部の互いに反対の側の、第１の側と第２の側を含む。圧縮空気流れの冷却入口は、ベンチュリの通路の第１の側及び第２の側と流体接続されており、冷却入口からの圧縮空気は、ベンチュリの通路を通って、第１の側及び第２の側の中を、反対の方向に導かれる。冷却入口は、ベンチュリの頂部と一致した位置で、又はベンチュリの頂部からずれた位置で、ベンチュリの通路と連通することができる。冷却入口は、ベンチュリの後ろに配置された半径空間として形成され、又は、その他の様々な形態をとることができる。

図４には、ベンチュリ冷却システムの更なる実施形態が示されている。冷却空気３６は、チャンネル１６から入口空間２３８に導かれる。入口空間２３８は、冷却空気を、ベンチュリ３０の後ろ側のチャンネル２４０、２４２に導く。図のように、入口空間２３８は、ベンチュリ３０の頂部３２に近接して配置され、上流チャンネル２４０が冷却空気を上流側４１に沿って、また、下流チャンネル２４２が冷却空気を下流側４３に沿って、導く。チャンネル２４２の下流端部は、第２の通路２４８と流体接続されている。チャンネル２４２内の冷却空気は、第２の通路２４８に入ると、方向を反対方向に変える。第２の通路２４８は、燃焼器の上流側に向かって延び、出口チャンネル２５０の近くで上流チャンネル２４０と合流する。上流チャンネル２４０と第２の通路２４８からの合流した流れは、出口チャンネル２５０を通過し、上流出口２４４を通って排出され、ベンチュリ３０の上流側の燃焼チャンバー２８に入る。

図４の実施形態では（また、上述の実施形態では）、入口空間２３８が、連続スロットや環状チャンネルとは異なった形態を備えることができる。入口空間２３８と第２の通路２４８とは、互いに交差する一連の配管によって形成することができる。従って、入口空間２３８は、通路２４８を形成する一連の配管上を交差して、ベンチュリ３０の後ろ側に、冷却空気を供給する。ベンチュリ３０の頂部３２の軸方向位置に関して、入口空間２３８を再配置することもまた、ベンチュリ３０への冷却効果を調整するために、利用される。更に、ここで記載した実施形態の全てにおいて、チャンネルと通路の相対寸法と形態とは、ベンチュリの壁の内部を移動し燃焼チャンバーに導かれる冷却空気の空気流れと圧力損失を調整するために、変更することができる。

本明細書における開示から、記載した実施例に対する様々な修正が、当業者に明確になったであろう。従って、本発明は、本発明の精神や、主要な属性から離れることなく、別の形態で実施することができ、従って、本発明の範囲の表示としては、上述の明細書よりはむしろ、添付請求項を参照すべきである。

１０ 燃焼器
１２ 燃焼器のライナー
１４ 熱シールド
１６ チャンネル
１８ 第１燃料ノズル
２０ 第２燃料ノズル
２２ 燃焼器流れスリーブ
２８ 上流の燃焼チャンバー
３０ ベンチュリ
３２ ベンチュリの頂部
３４ 下流の燃焼チャンバー
３６ 圧縮空気
３８ 空間
４１ ベンチュリの上流側
４３ ベンチュリの下流側

Claims (15)

1. ガスタービンの燃焼器であって、
   前記燃焼器の第１の端部に配置されたノズル組立体と、
   前記ノズルの下流で前記燃焼器内に配置された燃焼チャンバーと、
   前記燃焼器内に配置されたベンチュリであって、前記第１の端部と前記燃焼チャンバーとの間の連結部を形成し、前記ベンチュリが、ベンチュリの壁と、前記燃焼器の内側に近接し前記燃焼器の内側に沿って延在する半径方向外側の壁と、前記ベンチュリの壁と前記半径方向外側の壁との間の内部通路と、を備え、前記内部通路が、第１と第２の通路部分と、ベンチュリの壁に向かって半径方向内側に延び、半径方向に延びる側壁によって形成される半径空間と、を有し、前記半径空間が、前記第１と第２の通路部分と、直接流体接続されている、ベンチュリと、を備え、
   前記第１の通路部分が、ベンチュリの壁に沿って前記燃焼器の第１の端部に向かって延び、前記第２の通路部分が、ベンチュリの壁に沿って前記燃焼器の第２の端部に向かって延び、
   前記半径空間が、ベンチュリの壁に近接した前記第１と第２の通路部分に係合し、
   更に、冷却空気を、前記半径空間を介して前記第１と第２の通路部分に導く、圧縮空気源を備え、
   前記第１と第２の通路部分が、前記圧縮空気源からの圧縮空気を、ベンチュリ内で、互いに反対の方向に導く、
   燃焼器。
2. 前記内部通路の第２の通路部分の下流側端部と連結された第２の通路を更に備え、前記第２の通路部分を通って前記第２の通路に流れる空気流れが、方向を反対方向に変え、前記ベンチュリの前記第１の側に向かって導かれる、請求項１に記載の燃焼器。
3. 冷却空気を前記燃焼器の前記第１の端部に導く前記第１の通路部分の端部に配置された冷却空気の出口を更に備える、請求項２に記載の燃焼器。
4. 前記第２の通路と、前記第１の通路部分とが、それぞれ前記冷却空気の出口と流体接続された、請求項３に記載の燃焼器。
5. 前記冷却空気の出口が、前記第２の通路と前記第１の通路部分とからの空気流れを、前記ベンチュリの上流の燃焼器の前記第１の端部に導く、請求項４に記載の燃焼器。
6. 前記半径空間が、前記燃焼器内の前記ベンチュリの上流側の後ろの位置で、前記第１の通路部分と連通する、請求項１に記載の燃焼器。
7. ガスタービンの燃焼器であって、
   前記燃焼器の第１の端部に配置されたノズル組立体と、
   前記ノズルの下流で前記燃焼器内に配置された燃焼チャンバーと、
   前記燃焼器内に配置されたベンチュリであって、前記第１の端部と前記燃焼チャンバーとの間の連結部を形成し、前記ベンチュリが、ベンチュリの壁と、前記燃焼器の内側に近接し前記燃焼器の内側に沿って延在する半径方向外側の壁と、前記ベンチュリの壁と前記半径方向外側の壁との間の内部通路と、を備え、前記内部通路が、前記ベンチュリの頂部の互いに反対の側に位置し、互いに反対の側に沿って延在する、第１の側と第２の側と、前記ベンチュリの壁に向かって半径方向内側に延び、半径方向に延びる側壁によって形成される半径空間と、を有し、前記半径空間が、前記第１と第２の側と直接流体接続されている、ベンチュリと、を備え、
   前記半径空間が、ベンチュリの壁に近接した前記第１と第２の側に係合し、
   更に、前記半径空間を介して前記内部通路の前記第１の側と第２の側とに流体接続された、圧縮空気源を備え、
   前記圧縮空気源からの圧縮空気が、前記ベンチュリを冷却するために、前記第１の側と第２の側の内部で互いに反対の方向に、前記内部通路を通して導かれる、
   燃焼器。
8. 前記半径空間が、前記内部通路の前記第１と第２の側のいずれかと、前記燃焼器内の前記ベンチュリの頂部からずれた位置で連通する、請求項７に記載の燃焼器。
9. 前記内部通路の前記第２の側の下流端部と連通する第２の通路を更に備え、前記内部通路の前記第２の側を通って前記第２の通路に流れる前記空気流れが、流れの方向を逆方向に変えられ、前記ベンチュリの前記第１の側に向かって導かれる、請求項７に記載の燃焼器。
10. 冷却空気を前記燃焼器の前記第１の端部に導くために、前記内部通路の前記第１の側の端部に配置された前記冷却空気の出口を更に備える、請求項９に記載の燃焼器。
11. 前記第２の通路と前記内部通路の前記第１の側とが、それぞれ前記冷却空気の出口と流体接続された、請求項１０に記載の燃焼器。
12. 前記冷却空気の出口が、前記第２の通路と前記内部通路の前記第１の側からの空気流れを、前記ベンチュリの上流の前記燃焼器の前記第１の端部に導く、請求項１１に記載の燃焼器。
13. ガスタービンの燃焼器内のベンチュリであって、
    ベンチュリの壁と、前記燃焼器の内側表面に沿って延び、第１と第２の通路を形成する、ベンチュリの半径方向外側の壁と、を備え、
    上流の角度をつけた側と、下流の角度をつけた側と、前記上流の角度をつけた側と下流の角度をつけた側との間に配置された頂部と、ベンチュリの壁に向かって半径方向内側に延び、半径方向に延びる側壁によって形成される冷却空気の入口とが、ベンチュリの半径方向外側の壁に接続され、両側の角度をつけた側の間に配置され、前記頂部直前に冷却空気を供給し、
    更に、下流の角度をつけた側の内部表面に沿い、次に、ライナーに沿って上流へ前記冷却空気入口からの冷却空気を導く、前記第１の通路と、
    上流の角度をつけた側に沿って前記入口からの冷却空気を導く前記第２の通路と、
    前記第２の通路から、前記ベンチュリの頂部の上流の燃焼器に、冷却空気を導く、冷却出口と、
    を備える、ベンチュリ。
14. 前記冷却空気入口が、前記ベンチュリ内で、前記燃焼器周りに半径方向に延びる中央空間を備える、請求項１３に記載のベンチュリ。
15. 冷却出口が、前記ベンチュリの前記上流の角度をつけた側の上流に配置された、請求項１３に記載のベンチュリ。

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