JP5599584B2 - ターボ機械燃焼器用センターボディキャップ及び方法 - Google Patents

Description

本発明の例示的な実施形態はターボ機械技術に関し、特に、ターボ機械燃焼器ライナ用センターボディキャップに関する。

ガスターボ機械は、空気を圧縮する圧縮機、燃焼器及びタービンを有する。燃焼器で圧縮空気と燃料を混合して可燃性混合物を形成し、これを点火して高温ガスを発生させる。高温ガスはタービンに供給され、動力を発生させる。高温ガスはその後、排気システムを通してターボ機械から排出される。排気装置を流れる高温ガスには、不都合な窒素酸化物（ＮＯｘ）や一酸化炭素（ＣＯ）が含まれている。これらの不都合な汚染物質を減少させるため、従来のターボ機械では、ＮＯｘ、ＣＯその他の汚染物質の発生を抑制する乾式低ＮＯｘ（dry low NOx；ＤＬＮ）燃焼器が用いられている。ＤＬＮ燃焼器では、低負荷で火炎域の空気の一部を燃料と混合させることによって、不安定な火炎及び火炎吹き消しを回避しながら、希薄（リーン）燃料混合物に対応できる。

米国特許第５１２５２２７号明細書 米国特許第５２５３４７８号明細書 米国特許第６９１０３３６号明細書 米国特許第６９５１１０９号明細書

本発明の例示的な実施形態では、ターボ機械は、燃焼器アセンブリ、燃焼器アセンブリに取り付けられたキャップアセンブリ、キャップアセンブリ内のセンターボディ、第１端部と第２端部と中間部とを有するセンターボディの壁部、及びキャップアセンブリと動作可能に接続した外部タービュレータ部材を備える。外部タービュレータ部材は壁部から離間していて、センターボディの壁部と外部タービュレータとの間の間隙で画成される通路を形成する。外部タービュレータ部材は、センターボディの第２端部に位置する段を含む。段は、センターボディの第２端部の周囲で半径方向距離を画成する。外部タービュレータ部材は、センターボディに対して約０．８〜約１．２の範囲内の段／間隙比をもつように形成される。

本発明の別の例示的な実施形態では、ターボ機械用キャップアセンブリは、キャップアセンブリ内のセンターボディ、第１端部と第２端部と中間部とを有するセンターボディの壁部、及びキャップアセンブリと動作可能に接続した外部タービュレータ部材を備える。外部タービュレータ部材は壁部から離間していて、センターボディの壁部と外部タービュレータとの間の間隙で画成される通路を形成する。外部タービュレータ部材は、センターボディの第２端部に位置する段を含む。段は、センターボディの第２端部の周囲で半径方向距離を画成する。外部タービュレータ部材は、センターボディに対して約０．８〜約１．２の範囲内の段／間隙比をもつように形成される。

本発明のさらに別の例示的な実施形態では、ターボ機械燃焼器の排出を制御するとともに火炎安定性を向上させる方法は、燃焼器のキャップアセンブリセンターボディを通して流体を流す工程であって、センターボディが壁部を含む工程と、センターボディの壁部と段部を有するタービュレータ部材との間に延在する間隙によって画成される通路を通して冷却空気流を案内する工程とを含む。タービュレータ部材は、センターボディに対して約０．８〜約１．２の範囲内の段／間隙比をもつように形成される。この段／間隙比は、空気／燃料混合を促進し、燃焼器で必要とされる冷却空気流の量を低減する。

本発明の例示的な実施形態に係るセンターボディキャップを有するターボ機械燃焼器アセンブリの断面側面図である。 図１に示すセンターボディキャップアセンブリの断面側面図である。 図２に示すセンターボディキャップアセンブリの外部タービュレータ部の詳細図である。

図１に、本発明の例示的な実施形態にしたがって構成されたターボ機械燃焼器アセンブリの全体を符号２で示す。燃焼器アセンブリ２は第１端部６から中間部８を通して第２端部７まで延在する外側ケーシング４を有しており、第１端部６、中間部８及び第２端部７は共同して内側部分９を画成する。図では、燃焼器アセンブリ２は、外側ケーシング４の第１端部６に設けられたエンドカバーアセンブリ１２を含むものとして示してある。図では、エンドカバーアセンブリ１２は主ノズル１４と二次ノズル１５を含むものとして示してある。燃料はエンドカバーアセンブリ１２から導入され、空気と混合して点火させ、タービン（図示せず）の駆動に用いられる高温／高圧ガスを生じる。この目的のために、燃焼器アセンブリ２は、内側部分９の内部に延在してライナアセンブリ２３を収容するフロースリーブ２０を備える。

図に示す通り、ライナアセンブリ２３はヘッドエンド部２６を有しており、ベンチュリ２８及びエンドライナ部３０へと延在する。エンドライナ部３０は、フラシールアセンブリ３７を介してトランジションピース３４と結合している。キャップアセンブリ４０は、エンドカバーアセンブリ１２からヘッドエンド部２６を介してベンチュリ部２８まで延在する。燃料と空気は、キャップアセンブリ４０及びヘッドエンド２６へと導入され、混合されてベンチュリ部２８へと送られ、ベンチュリ部２８で燃料／空気混合物が点火して高温／高圧ガスを生じ、エンドライナ部３０を通過してトランジションピース３４を通してタービンの第１段（図示せず）へと送られる。

図２及び図３に明瞭に示されている通り、キャップアセンブリ４０は、センターボディ５４とキャップ５５とを備える。キャップアセンブリ４０は、ヘッドエンド部２６に取り付けられ、二次ノズルアセンブリ１５を保護する。以下でさらに詳しく説明する通り、キャップアセンブリ４０は、センターボディ５４の冷却に必要な冷却空気を包む。図に示す通り、センターボディ５４は、第１端部５９から中間部６１を通して第２端部６０まで延在する外面５８を有する壁部５７を含んでいて、内部通路６５を画成する。図に示す例示的な実施形態では、内部通路６５は約３インチ（７．６２ｃｍ）の直径を有する。ただし、自明であろうが、本発明の様々な例示的な実施形態では、内部通路６５の直径を種々変更できる。内部スワーラ又はタービュレータ６８が第２端部６０の近くの内部通路６５内に配置されている。内部タービュレータ６８は、燃料／空気混合物に旋回効果を与え、混合を促進する。

さらに、図に示す例示的な実施形態では、キャップアセンブリ４０は、第１端部５９から第２端部６０まで壁部５７に沿って延在するセンターボディ５４を囲繞する外部タービュレータ部材７５を備える。具体的には、外部タービュレータ部材７５は、幅「ｗ」の間隙又は通路７８が画成されるように、所定の間隔をあけてキャップアセンブリ４０に取り付けられる。冷却空気は通路７８に沿って流れ、キャップ５５から出る。外部タービュレータ部材７５は、第１端部８１から中間部８３を通して第２端部８２まで延在する。高さ「ｓ」を有する段８８が第２端部８２に設けられる。すなわち、段８８は第２端部８２と中間部８３との間で半径方向距離「ｓ」を画成する。いずれにせよ、本発明のある例示的な態様では、幅「ｗ」及び半径方向距離「ｓ」の寸法は、外部タービュレータ部材７５が約０．８〜約１．２の範囲内の段／間隙比（ｓ／ｗ）をもつようにされる。無論、具体的な段／間隙比の範囲がターボ機械の大きさ及び／又は定格に応じて変更し得ることはいうまでもない。本発明の別の例示的な態様では、本発明のある例示的な態様では、幅「ｗ」及び半径方向距離「ｓ」の寸法は、外部タービュレータ部材７５の段／間隙比が約０．９〜約１．１の範囲内になるようにされる。本発明のさらに別の例示的な態様では、幅「ｗ」及び半径方向距離「ｓ」の寸法は、外部タービュレータ部材７５の段／間隙比が約１．０となるようされる。

さらに、外部タービュレータ部材７５は、センターボディ５４の周囲で円周方向に延在する複数の冷却リブ９６と、第２端部８２に設けられたタービュレータ部９９とを含む。冷却リブ９６は、外部タービュレータ部材７５からの熱伝達を促進する。さらに、本発明の例示的な実施形態における上記段／間隙比は、冷却空気流の所要量を低減する。具体的には、段８８は外部タービュレータ部材７５の外面上を流れる燃料空気混合物の外部混合を促進し、間隙はセンターボディ５４上を流れる冷却空気流を低減する。こうして、段／間隙比を特定の所望の流量に適合させることによって、ターボ機械の排出量が低減し、火炎安定性が高まる。排出量の低減と火炎安定性の向上とによって燃焼効率が向上し、その結果、ターボ機械の全体的効率が向上する。間隙７８を縮小してセンターボディ５４上を流れる空気／燃料の量を減少させ、段部８６及び／又は８８を増大して空気／燃料混合を促進すると、ターボ機械の他の部品／システムに追加の空気流が利用できるようになる。この追加の空気流によって、ターボ機械の作動効率が向上する。

本明細書では概して、装置又はシステムを製造及び使用し、かつ付随する方法を実施することを含めて、当業者が本発明を実施できるように、最良の形態を含めた実施例を用いて本発明を開示してきた。本発明の特許性を有する範囲は特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の実施例も包含する。かかる他の実施例は、特許請求の範囲の記載と文言上差のない構成要素を有しているか或いは特許請求の範囲の記載と文言上実質的な差のない均等な構成要素を有する限り、本発明の例示的な実施形態の範囲に属する。

２ ターボ機械燃焼器アセンブリ
４ 外側ケーシング
６ 第１端部
７ 第２端部
８ 中間部
９ 内側部分
１２ エンドカバーアセンブリ
１４ 一次ノズル
１５ 二次ノズル
２０ フロースリーブ
２３ ライナアセンブリ
２６ ヘッドエンド部
２８ ベンチュリ
３０ エンドライナ部
３４ トランジションピース
３７ フラシールアセンブリ
４０ キャップアセンブリ
５４ センターボディ
５７ 壁部
５８ 外面
５９ 第１端部
６０ 第２端部
６１ 中間部
６５ 内部通路
６８ 内部タービュレータ
７５ 外部タービュレータ部材
７８ 通路
８１ 第１端部
８２ 第２端部
８３ 中間部
８８ 段部（「ｓ」）
９６ 冷却リブ
９９ タービュレータ部

Claims (10)

1. 燃焼器アセンブリ（２）、
   燃焼器アセンブリに取り付けられたキャップアセンブリ（４０）、
   キャップアセンブリ内部のセンターボディ（５４）、
   第１端部（５９）と第２端部（６０）と中間部（６１）とを有するセンターボディの壁部（５７）、及び
   キャップアセンブリと動作可能に接続した外部タービュレータ部材（７５）であって、センターボディの壁部と外部タービュレータ部材との間隙で画成される通路（７８）を形成するように上記壁部から離間している外部タービュレータ部材（７５）
   を備えるターボ機械であって、上記外部タービュレータ部材（７５）が、センターボディの第２端部（６０）に位置する段であってセンターボディの第２端部（６０）の周囲で半径方向距離を画成する段を含んでおり、外部タービュレータ部材（７５）が、センターボディに対して０．８〜１．２の範囲内の段／間隙比をもつように形成されている、ターボ機械。
2. 外部タービュレータ部材（７５）が０．９〜１．１の範囲内の段／間隙比を有する、請求項１記載のターボ機械。
3. 外部タービュレータ部材（７５）が１．０の段／間隙比を有する、請求項２記載のターボ機械。
4. キャップアセンブリ内部のセンターボディ（５４）、
   第１端部（５９）と第２端部（６０）と中間部（６１）とを有するセンターボディの壁部（５７）、及び
   キャップアセンブリと動作可能に接続した外部タービュレータ部材（７５）であって、センターボディの壁部と外部タービュレータ部材との間隙で画成される通路（７８）を形成するように上記壁部から離間している外部タービュレータ部材（７５）
   を備えるターボ機械用キャップアセンブリ（４０）であって、上記外部タービュレータ部材（７５）が、センターボディの第２端部（６０）に位置する段であってセンターボディの第２端部（６０）の周囲で半径方向距離を画成する段を含んでおり、外部タービュレータ部材（７５）が、センターボディに対して０．８〜１．２の範囲内の段／間隙比をもつように形成されている、ターボ機械用キャップアセンブリ（４０）。
5. 外部タービュレータ部材（７５）が０．９〜１．１の範囲内の段／間隙比を有する、請求項４記載のキャップアセンブリ。
6. 外部タービュレータ部材（７５）が１．０の段／間隙比を有する、請求項５記載のキャップアセンブリ。
7. ターボ機械燃焼器の排出を制御するとともに火炎安定性を向上させる方法であって、
   燃焼器のキャップアセンブリ（４０）センターボディを通して流体を流す工程であって、センターボディが壁部（５７）を含む工程、及び
   センターボディの壁部と段部を有するタービュレータ部材（７５）との間に延在する間隙によって画成される通路（７８）を通して冷却空気流を案内する工程であって、タービュレータ部材（７５）が、センターボディに対して０．８〜１．２の範囲内の段／間隙比をもつように形成されており、該段／間隙比が空気／燃料混合を促進し、燃焼器で必要とされる冷却空気流の量を低減する、工程と
   を含む方法。
8. 前記通路を通して冷却空気流を案内する工程が、０．９〜１．１の範囲内の段／間隙比で構成されたタービュレータ部材（７５）を通して冷却空気流を案内する工程を含む、請求項７記載の方法。
9. 前記通路を通して冷却空気流を案内する工程が、１．０の段／間隙比で構成されたタービュレータ部材（７５）を通して冷却空気流を案内する工程を含む、請求項８記載の方法。
10. 空気／燃料混合の促進並びに燃焼器で必要とされる冷却空気流の量の低減によって、排出量を減少させ、火炎安定性を向上させる、請求項７記載の方法。
    

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