JP5642186B2 - ガスタービンの燃焼器 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンの燃焼器に関する。

発明の背景
ガスタービンは、燃焼器を有することが知られており、この燃焼器において、圧縮機から送られてくる圧縮空気に気体又は液体の燃料が供給されかつ混合され、燃料は次いで燃焼される。

（例えば低エミッションが追求される場合又は部分負荷におけるような）幾つかの場合、燃焼中に、熱音響的な不安定性により燃焼器内に圧力振動が生じることがある。これらの圧力振動は、ガスタービン構成部材の構造的損傷又は過剰な摩耗、さらには騒がしい運転を生じることがある。

許容できるガスタービン寿命を保証しかつ騒音を制御するために、ガスタービン運転中に圧力振動を減衰させなければならない。

従来、減衰は受動的な減衰構造によって達成されている。

これらの受動的な減衰構造の例は、ヘルムホルツ共鳴器、四分の一波長管、スクリーン又は穿孔されたスクリーチライナである。

通常、ガスタービンが最初に設計及び最適化され、必要であれば、その後に初めて受動的な減衰構造がガスタービンに付加される。

これにより、一方では、減衰構造の適切な冷却を提供するために、冷却空気が他のガスタービン領域から逸らされなければならず、このガスタービンの運転温度の上昇、ひいては寿命の妥協を生じる。

さらに加えて、しばしばこの空気は燃焼器から（又は順次燃焼ガスタービンにおいて第１の燃焼器から）取り出されるので、火炎温度が上昇し、ひいてはＮＯｘエミッションを増大させる。

例えば、米国特許第７１０４０６５号明細書は、二重壁燃焼室と、燃焼室の内部に接続された気密体積を形成する別の外壁とを備えた燃焼器のための減衰配列を開示している。既に述べた欠点に加えて、この減衰配列は燃焼器の他の構成部材から機能的に分離されており、さらに、利用できるスペースが制限されていることにより、減衰配列を燃焼器に組み込むことが困難であることが分かった。

発明の概要
したがって、本発明の技術的課題は、公知技術の前記問題が排除される燃焼器を提供することである。

この技術的課題の範囲において、発明の一つの態様は、燃焼器の寿命を延長するために、あらゆる運転条件において適切な冷却を保証することができる燃焼器を提供することである。

本発明の別の態様は、ＮＯｘエミッションが制御される燃焼器を提供することである。

本発明の別の態様は、減衰システムが燃焼器の他の構成部材と機能的に一体化されかつこれらの構成部材に組み込まれてもいる燃焼器を提供することである。

技術的課題は、これらの態様及びその他の態様とともに、本発明によれば、添付の請求項に係る燃焼器を提供することによって達成される。

本発明の別の特徴及び利点は、添付の図面における非制限的な例によって例示された、本発明による燃焼器の好適な、しかし限定的ではない実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

燃焼器の概略図である。 図１の線ＩＩ−ＩＩに沿った、拡大した概略的な縦断面図である。 本発明による中空エレメント配列の１つの実施の形態を示す図である。 本発明による中空エレメント配列の１つの実施の形態を示す図である。 本発明による中空エレメント配列の１つの実施の形態を示す図である。 本発明の中空エレメントの拡大した断面図である。 本発明による固定中空エレメントの１つの実施の形態を示す図である。 本発明による固定中空エレメントの１つの実施の形態を示す図である。 本発明による固定中空エレメントの１つの実施の形態を示す図である。 本発明による中空エレメント配列の別の実施の形態を示す図である。

発明の詳細な説明
図１は、混合管２と、燃焼室３とを有する燃焼器１を示している。

燃焼器１（つまり、混合管２及び／又は燃焼室３及び／又は前板２ａ）は、少なくとも、内側ライナ５と、この内側ライナ５と共に、介在させられた冷却室７を形成する外側カバープレート６とを含む部分４を有する。

混合管２及び／又は燃焼室３及び／又は前板２ａのあらゆる部分、又は混合管２及び／又は燃焼室３及び／又は前板２ａの全ての壁部は、この構造を有していてよい。以下では簡潔さ及び明瞭さのために、図３に示された燃焼室３の部分４が参照される。

ライナ５から、冷却室７内へ突出した複数の中空エレメント９が延びている。

それぞれの中空エレメント９は、調整されたダクト１１（特にダクトの長さ及び直径が調整されている）を介して燃焼室３の内部に接続された減衰体積１０を形成している。

運転中、中空エレメント９は、圧力振動を減衰するためのヘルムホルツダンパとして働き、さらに、中空エレメント９は、ガスタービンの最も高温の部分を画成するライナ５に結合されているので、ライナ５から熱を回収してこの熱を放散し、熱を冷却空気へ伝導する。

中空エレメント９は、冷却室７を減衰体積１０に接続するパージ穴１３を有していてもよい。

特に、パージ穴１３は、冷却を高めるために設けられていてよいが、他の実施の形態では、あらゆる空気損失を排除するために設けられなくてもよい。

中空エレメント９は、熱を伝導して放散させるように配置されているので、中空エレメントの配置の様々な実施形態が可能である。

図１０は、中空エレメント９が冷却流れ方向１４に沿って整合させられている第１の配置を示しており、図３から図５は、中空エレメント９が冷却流れ方向１４に関して交互にずらされている別の実施形態を示している。この配置は、伝熱がより大きいので好適である。

中空エレメント９の形状は、許容できる圧力降下にしたがって選択及び最適化される。

これに関して、円筒形（図３）又はだ円形（図５）又は翼形（図４）又はこれらの組合せのような、中空エレメント９のための様々な形状が可能である。

さらに、図６に示したように、中空エレメント９の上壁１６はカバープレート６から分離されている。

広範囲の圧力振動を減衰するために、様々な中空エレメントは様々な減衰体積１０を形成する及び／又は中空エレメント１０は減衰材料１７が充填された減衰体積を有していてよく、減衰材料１７は、散逸を増大し、その特定の減衰体積によって減衰される圧力振動周波数を、空の減衰体積１０によって提供されるものと異なる値に切り替える。

ライナ５を支持するために、固定中空エレメント９ｆがカバープレート６に結合されている（図７から図９）。

固定カバーエレメント９ｆは、カバーエレメント９と同様の構造を有するが、付加的に、固定カバーエレメント９ｆをカバープレート６に結合させるための構成部材も有する。

これに関して、カバープレート６には貫通孔１９が設けられており、この貫通孔１９に、固定中空エレメント９ｆ（中空エレメント９よりも長い）が収容されている。

さらに、固定中空エレメント９ｆは肩部２０を有しており、この肩部２０に対してカバープレート６が載置される。

結合は、固定中空エレメント９ｆのねじ山付き端部２２がボルト２３を介してカバープレート９に結合されることによって達成される。もちろん、ろう付け結合又は溶接結合のような様々な結合も可能である。

これらの特徴（図７、図８及び図９の固定中空エレメント９ｆに共通である）に加え、図８の固定中空エレメント９ｆは、調節可能な上壁２４を有する。

図８の固定中空エレメント９ｆの調節可能な上壁２４は、固定中空エレメント９ｆの対応するねじ山付き部分２６に固定されたねじ山付きキャップ２５を有する。

減衰体積１０の調節は、減衰される圧力振動周波数を調節する。

図９の固定中空エレメント９ｆには減衰材料１７が設けられている。

減衰体積１０内に減衰材料１７を提供することも、減衰される圧力振動周波数を調節する。

本発明の燃焼器の運転は、説明及び図示されたものから明らかであり、実質的に以下のとおりである。

混合管２で形成された混合物は燃焼室３において燃焼され、タービン（図示せず）において膨張させられる高温ガスＧを生じる。これに関して、符号２７は火炎を示している。

燃焼中に圧力振動が発生すると、圧力振動は、高温ガスを較正されたダクト１１を介して中空エレメント９，９ｆの減衰体積１０へ流入させたり、減衰体積１０から流出させたりする。これらの振動は、エネルギを散逸させ、ひいては圧力振動を減衰させる。

さらに、冷却室７において冷却空気が循環するので（矢印Ｆによって示されている）、混合管２と、燃焼室３と、前板２ａとは冷却される。

有利には、中空エレメント９，９ｆは冷却室７内へ突出しているので、冷却空気が中空エレメントに衝突し、極めて強い冷却効果が達成される。

中空エレメント９，９ｆがパージ穴１３を有する場合、冷却効果はさらに高まる。なぜならば、冷却空気はパージ穴１３を介して減衰体積１０に進入し、減衰体積１３を冷却し、次いで減衰体積１０から、較正されたダクト１１を通って流出する。

この構造によって、極めて効率的な減衰効果が達成される。なぜならば、燃焼器には複数のヘルムホルツダンパが設けられており、これらのヘルムホルツダンパは、必要な場合には、燃焼器の壁部全体（すなわち、混合管２、燃焼室３及び前板２ａ）に沿って配置されてもよいからである。

さらに、要求に応じて減衰体積１０の様々な体積が選択されてよく、また減衰材料１７を減衰体積１０に導入することができるので、本発明の構造は、極めて広い範囲において圧力振動を減衰することができる。

冷却効果も極めて効率的である。なぜならば、冷却室１０内に突出した中空エレメント９，９ｆは、熱交換フィンのように働くからである。冷却効果を、中空エレメント９及び／又は９ｆにおいてパージ穴１３を介して高めることもできる。

もちろん、説明された特徴は互いに独立して提供されてよい。

実際には、使用される材料、及び寸法を、要求及び従来技術にしたがって任意に選択することができる。

１ 燃焼器
２ 混合管
２ａ 前板
３ 燃焼室
４ ２及び／又は３及び／又は２ａの部分
５ ライナ
６ カバープレート
７ 冷却室
９ 中空エレメント
９ｆ 固定中空エレメント
１０ 減衰体積
１１ 較正されたダクト
１３ パージ穴
１４ 冷却流れ方向
１６ ９の上壁
１７ 減衰材料
１９ ６の貫通孔
２０ ９ｆの肩部
２２ ９ｆのねじ山付き端部
２３ ボルト
２４ ９ｆの調節可能な上壁
２５ ねじ山付きカップ
２６ ９ｆのねじ山付き部分
２７ 火炎
Ｆ 冷却空気
Ｇ 高温ガス

Claims (13)

1. 少なくとも、内側ライナ（５）と、該内側ライナ（５）と共に、介在させられた冷却室（７）を形成する外側カバープレート（６）とを含む部分（４）を有する燃焼器（１）において、前記内側ライナ（５）から、冷却室（７）内へ突出した複数の中空エレメント（９，９ｆ）が延びており、それぞれの中空エレメント（９，９ｆ）が、調整されたダクト（１１）を介して燃焼器（１）の内部に接続された減衰体積（１０）を有しており、該減衰体積（１０）は、前記介在させられた冷却室（７）によって少なくとも部分的に包囲されており、運転中に、前記中空エレメント（９）が、圧力脈動を減衰し、付加的に、熱も伝導するものであり、
   前記内側ライナ（５）を支持するために、少なくとも幾つかの中空エレメントが、前記カバープレート（６）に結合される固定中空エレメント（９ｆ）を形成していることを特徴とする、燃焼器（１）。
2. 中空エレメント（９，９ｆ）が、冷却室（７）を減衰体積（１０）に接続するパージ穴（１３）を有する、請求項１記載の燃焼器（１）。
3. 中空エレメント（９，９ｆ）が、冷却流れ方向（１４）に沿って整合させられている、請求項１記載の燃焼器（１）。
4. 中空エレメント（９，９ｆ）が、冷却流れ方向（１４）に関して交互にずらされている、請求項１記載の燃焼器（１）。
5. 中空エレメント（９，９ｆ）が、円筒形、だ円形、翼形又はこれらの組合せである、請求項１記載の燃焼器（１）。
6. 様々な中空エレメント（９，９ｆ）が、様々な減衰体積（１０）を形成する、請求項１記載の燃焼器（１）。
7. 少なくとも幾つかの中空エレメント（９，９ｆ）が、減衰材料（１７）が充填された減衰体積（１０）を有する、請求項１記載の燃焼器（１）。
8. 中空エレメント（９）の上壁（１６）が、カバープレート（６）から分離されている、請求項１記載の燃焼器（１）。
9. カバープレート（６）に貫通孔（１９）が設けられており、該貫通孔に、固定中空エレメント（９ｆ）が収容されている、請求項８記載の燃焼器（１）。
10. 固定中空エレメント（９ｆ）が肩部（２０）を有しており、該肩部に対してカバープレート（６）が載置されている、請求項９記載の燃焼器（１）。
11. 固定中空エレメント（９ｆ）が、ボルト（２３）を介してカバープレート（６）に結合されるねじ山付き端部（２２）を有する、請求項１０記載の燃焼器（１）。
12. 固定中空エレメント（９ｆ）が、調節可能な上壁（２４）を有する、請求項８記載の燃焼器（１）。
13. 固定中空エレメント（９ｆ）の調節可能な上壁（２４）が、固定中空エレメント（９ｆ）の対応するねじ山付き部分（２６）に固定されたねじ山付きキャップ（２５）を有する、請求項１２記載の燃焼器（１）。

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