JP5678232B2 - 燃焼室ハウジング及びこれを備えるガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、請求項１に記載の燃焼室ハウジング及びそのような燃焼室ハウジングを有するガスタービンに関する。

上記のような燃焼室ハウジング及びガスタービンは、たとえば特許文献１より既知である。そこに記載されている燃焼室ハウジングは、ガスタービンの燃焼室の構成要素であり、炎管、及び、被覆管又はバッフルスクリーンを有しており、該被覆管又はバッフルスクリーンは炎管を取り囲んでいて、その壁には複数の貫通穴が設けられており、外側において被覆管に向かって流れる圧縮空気がこれら貫通穴を通って半径方向に、被覆管と炎管との間に形成された中間空間内に流入できる。

燃焼室は、単独モジュールとして、又はリング状に配置された単独燃焼器として、又はリング状燃焼室として実施されている。リング状燃焼室を除き、これらのタイプは常に、内側に位置する、円筒状に構成された炎管を有している。

上述のようなガスタービンにおいては、燃焼空気はまず大気圧で吸入され、それからガス発生器のコンプレッサ内で圧縮される。コンプレッサは半径方向又は軸方向に実施できる。そこから下流に後続する燃焼室において、燃焼ゾーン内へ向かう流れにするために燃焼空気は大きく方向転換される。換言すると、燃焼空気はまず燃焼室に対して半径方向に、被覆管と炎管との間に形成された中間空間内に供給され、次に方向転換されて、燃焼器へ向かう軸方向の流れが作られる。

中間空間内においては、多くが円筒状である炎管の周囲の円周方向の流れ又は回転する流れが起こり、それにより、燃焼空気の圧力分布又は流量分布に関してよどみ点及び後流が生じる。そのような不均一な質量流分布においてさらに、流れが先述のように大きく方向転換されると、この不均一性は保たれる。それにより、下流に位置する構成部品の冷却が不均一になり、また、空気含有率が変化するため燃焼ゾーン内は不安定になる。

独国特許第１０２００６０４２１２４号明細書

本発明の課題は、炎管の周囲に流入する空気の分布をより均等にすることが保証される、請求項１に記載の燃焼室ハウジング及びこれを有するガスタービンを提供することである。

このことは、請求項１に記載の燃焼室ハウジング又は請求項１０に記載のガスタービンにより達成される。本発明の発展形は従属請求項で定義される。

本発明の第１の態様においては、燃焼室ハウジング、特にガスタービン用の燃焼室ハウジングが提供され、該燃焼室ハウジングは望ましくは円筒状の炎管、及び望ましくは円筒状の被覆管又はバッフルスクリーンを有しており、該被覆管又はバッフルスクリーンは炎管を収容して包囲しており、また、その壁には複数の貫通穴があり、外側において被覆管に向かって流れる圧縮空気（冷却空気及び燃焼空気）がこの貫通穴を通じて半径方向に、被覆管と炎管との間に形成された、望ましくは円筒形の中間空間内に流入できる。本発明の燃焼室ハウジングは、中間空間内において両方の管（炎管及び被覆管）の円周方向に分配されて配置された複数のガイドリブを特徴としており、これらガイドリブはそれぞれ、被覆管と炎管との間では半径方向に延在し、また、被覆管及び炎管の長手方向に対して平行に、及び長手方向に沿って延在しているため、中間空間は、ガイドリブにより、貫通穴が設けられた被覆管の長さの望ましくはほぼ全体にわたって延在する、望ましくはそれぞれ円環扇形状の断面をもつ、複数の長手方向管に分割されている。

ガイドリブは、運転中に流入する空気が周囲を流れる方向に対して横方向に位置し、炎管の周囲の流れを中断又は阻害するようにはたらく。それにより、空気流はより均等に分配され、炎管の冷却もより妨げられなくなる。さらに、冷却空気及び燃焼空気は、半径方向の流れから軸方向の流れに方向転換された後は導管のように導かれるため、後続の燃焼ゾーンへ向かう流れが均質になる。

空気の流入を最適化することにより、本発明の燃焼室ハウジングを備える、ガスタービンの燃焼室においては特に均質な空燃混合気を形成することができ、それにより、燃焼工程において炎が安定して燃焼室中心にとどまる。炎の傾き又は揺らぎがあると、周囲の構成部品の局所的な温度上昇を起こし、それにより過度の負荷が起こる場合もあるが、これはガイドリブにより回避される。

その結果、ガスタービンの燃焼室において本発明により構成された燃焼室ハウジングを使用することにより、空気供給の不均一性が最小限に抑えられるため、最大設計温度での燃焼室の運転を制限なしで行うことができる。

本発明においてガイドリブは望ましくは被覆管に取り付けられる。また、各ガイドリブは、望ましくはガイドリブと炎管との間に間隙が形成されるように、半径方向に延在している。

この間隙は、材料特性及び熱膨張特性が異なるために起こりうるゆがみ又は応力を回避するために好適である。流れが常に半径方向において外に向かって、流れガイドリブも取り付けられている側面（被覆管の内周）に向かうため、この間隙を通って生じる横断流は無視できる。

本発明のガイドリブは望ましくはそれぞれ薄板状に構成されており、それぞれの幅は被覆管及び炎管の半径方向に、それぞれの長さは軸方向又は長手方向に延在する。それぞれのガイドリブの厚みは望ましくはおよそ３ｍｍである。

本発明のガイドリブ及び被覆管の壁内に形成された貫通穴は望ましくは、ガイドリブがいずれの貫通穴もふさぐことがないように配置されている。それにより好適に、中間空間への空気の半径方向の流れが最適に又は妨げられずに行われることが保証される。

本発明の望ましい実施形態によると、中間空間内に設けられたガイドリブの数は正確に８個であり、すべてのガイドリブは互いに同一の構成である。

本発明によると望ましくはガイドリブは中間空間内において互いに異なる円周方向の角距離をおいて配置される。角距離は望ましくはおよそ２８度からおよそ１２６℃の範囲にある。

本発明において望ましくは、ガイドリブは第１ガイドリブ・グループ及び第２ガイドリブ・グループを有しており、第１ガイドリブ・グループは互いの円周方向の角距離に関して所与の第１配置パターンで配置されており、第２ガイドリブ・グループは互いの円周方向の角距離に関して第２配置パターンで配置されており、この第２配置パターンは、炎管の対称軸について第１配置パターンの鏡像となっている。望ましくはこの対称軸は断面から見て炎管の中心を通って延在している。

本発明の第２の態様によるとガスタービンは、先述した本発明の燃焼室ハウジングの望ましい実施例の一つ、又は、複数、又はすべてを、あらゆる組み合わせで備えて提供される。

本発明には、明示的に引用された請求項の特徴の組み合わせによらない実施形態も含まれ、そのため、本発明の開示された特徴は、技術的に有意義である限り、互いに任意に組み合わせることができる。

本発明の一つの実施例における、ガスタービンの燃焼室の燃焼室ハウジングの斜視図であり、一部は透視的に図示されている。 図１の燃焼室ハウジングの正面図であるが、炎管はない。 図１の燃焼室ハウジングを、図２の線Ａ−Ａに沿って見た断面図である。. 図１の燃焼室ハウジングにおける空気の流れ及び圧力の分布を、ガイドリブの有無で比較した２つの断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、望ましい実施形態及び図を用いて詳細に説明する。

図１から４を参照しながら、本発明の実施形態の燃焼室ハウジング１０を持つガスタービン１（全体は図示されず）について以下に説明する。

ガスタービン１の燃焼室ハウジング１０は、円筒状炎管２０及び円筒状被覆管又はバッフルスクリーン３０を有しており、該円筒状被覆管又はバッフルスクリーン３０は炎管２０を収容して周りを取り囲んでおり、また、円筒状被覆管又はバッフルスクリーン３０の壁には、ぐるりと円周に沿って均等に分配された複数の貫通穴３１が設けられており、外周において被覆管３０に向かって流れる、ガスタービン１のコンプレッサ（図示されず）により圧縮された空気（冷却空気及び燃焼空気）が、これらの貫通穴３１を介して半径方向に、被覆管３０と炎管２０との間に形成された円筒形の中間空間４０内に流入できる。

中間空間４０内には、２つの管（炎管２０及び被覆管３０）の円周方向において分配されて配置された、複数の（ここでは正確に８個の）同一のガイドリブ５０が設けられており、これらのガイドリブ５０はそれぞれ被覆管３０と炎管２０との間では半径方向に、また、被覆管３０及び炎管２０の長手方向ＬＲに対して平行に、また、長手方向ＬＲに沿って延在しており、それにより、中間空間４０はガイドリブ５０により、貫通穴３１が設けられた被覆管３０の長さにわたってほぼ延在する、それぞれ円環扇形の断面を持つ複数の長手方向管４１に分割される。

ガイドリブ５０があることにより、運転中に貫通穴３１を介して半径方向に流入する空気に、中間空間４０内で円周方向又は炎管２０の周りを回転する流れの成分が生じることが確実に回避される。それにより、炎管２０の周りの空気流をより均等に配分することができ、炎管２０の冷却も改善される。さらに、空気は、（炎管２０に衝突することにより）半径方向から軸方向の流れに方向転換された後、導管状に長手方向管４１内を導かれ、それにより後続の燃焼ゾーン（図示されず）へ向かう流れを均質にできる。

ガイドリブ５０は被覆管３０の内周に取り付けられて（たとえば溶接されて）おり、各ガイドリブ５０は、ガイドリブ５０と炎管２０との間に間隙Ｓが形成されるように、半径方向に延在している。間隙Ｓの半径方向の幅は、ガスタービン１の運転中における、炎管２０、被覆管３０及びガイドリブ５０の、熱によるさまざまな材料膨張が、ガイドリブ５０が炎管２０に圧力をかけて押し付けられることなくちょうど補償できるような幅となっている。

ガイドリブ５０はそれぞれ金属片の形に形成されており、ガイドリブ５０のそれぞれの幅は被覆管３０及び炎管２０の半径方向に、また、それぞれの長さは軸方向又は長手方向ＬＲに延在している。このときそれぞれのガイドリブ５０の厚みはおよそ３ｍｍである。

特に図３（図の左半分）からわかるようにガイドリブ５０及び、被覆管３０の壁に形成された貫通穴３１は、ガイドリブ５０によりいずれの貫通穴３１もふさがれることがないよう配置されている。

特に図１及び２からわかるようにガイドリブ５０は互いに、異なる円周方向の角距離をおいて中間空間４０内に配置されている。

ガイドリブ５０は、（図２において炎管２０の対称軸Ｙの左に配置されている）ガイドリブ５０の第１グループ、及び、（図２において対称軸Ｙの右に配置されている）ガイドリブ５０の第２グループを有している。図示された本発明の実施形態によるとガイドリブ５０の第１グループは、その互いの円周方向角距離に関して所与の第１配置パターンで配置されており、ガイドリブ５０の第２グループは、その互いの円周方向角距離に関して第２配置パターンで配置されており、この第２配置パターンは、対称軸Ｙにおける第１配置パターンの鏡像である。

図２に図示された本発明の実施形態によるとガイドリブ５０の第１グループの所与の第１配置パターンは角度寸法ａ=２７度、ｂ=１．８度、ｃ=３４．２度、ｄ=５９．４度により定義される。ガイドリブ５０の第２グループの第２配置パターンは、角度寸法ａ'=２７度、ｂ'=１．８度、ｃ'=３４．２度、ｄ'=５９．４度により定義される。

換言すると、図２によるとガイドリブ５０の各グループにおいて、ガイドリブ５０間の角距離は２８．２度、３２．４度、２５．２度の組み合わせとなり、ガイドリブ５０の両方のグループの角距離は６１．２度（図２の下部）又は１２６度（図２の上部）となる。

図示されていない本発明の他の実施形態によると、第１及び第２配置パターンを完全に異なるものとすることも可能である。第１及び第２配置パターン又はガイドリブ５０のそれぞれの角距離は、ガスタービン１のたとえば寸法上、及び／又は、形状上のそれぞれの実施形態に応じて特別に実現することができ、それにより、その際に生じる特別な流れの状況に適応させることができる。

図４は、燃焼室ハウジング１０内における空気の流れ及び圧力の分布の比較を２つの断面図で図示したもので、図４の上の図の燃焼室ハウジングにはガイドリブ５０が設けられておらず、図４の下の図における本発明の燃焼室ハウジングにはガイドリブ５０が設けられている。

図４の上の図からわかるようにガイドリブ５０がない場合、ガスタービン１の運転中において炎管２０の円周方向の周囲の流れのために、中間空間４０内の空気の流れ及び圧力の状態は不均一となる。

図４の下の図からわかるように、ガスタービン１の運転中、流入する空気が周囲を流れる方向に対して横方向に位置するガイドリブ５０により、炎管２０の円周方向の周囲の流れが妨げられるため、中間空間４０内の空気の流れ及び圧力の状態がほぼ均質になり、それにより、炎管２０の周りに流入する空気が均等に分布し、炎管２０の冷却が改善される。さらに、空気は、半径方向の流れから軸方向の流れに方向転換された後、導管状に導かれるため、後続の燃焼ゾーンへ向かう流れが均質になる。

１ ガスタービン
１０ 燃焼室ハウジング
２０ 炎管
３０ 被覆管
３１ 貫通穴
４０ 中間空間
４１ 長手方向管
５０ ガイドリブ
Ｓ 間隙
ＬＲ 長手方向
Ｙ 対称軸
ａ、ｂ、ｃ、ｄ 角度寸法
ａ'、ｂ'、ｃ'、ｄ' 角度寸法

Claims (8)

1. ガスタービン（１）の燃焼室ハウジング（１０）であって、炎管（２０）及び被覆管（３０）を有しており、該被覆管（３０）は前記炎管（２０）を包囲していて、また、該被覆管（３０）の壁には複数の貫通穴（３１）が設けられており、前記ハウジング（１０）から前記被覆管（３０）に向かって流れる空気が前記複数の貫通穴（３１）を介して半径方向に、前記被覆管（３０）と前記炎管（２０）との間に形成された中間空間（４０）内に流入できる燃焼室ハウジング（１０）において、
   前記中間空間（４０）内において前記２つの管の円周方向に複数の流れガイドリブ(５０）が分配されて配置されており、前記複数の流れガイドリブ(５０）はそれぞれ、被覆管（３０）と炎管（２０）との間において半径方向に、また被覆管（３０）及び炎管（２０）の長手方向（ＬＲ）に対して平行に延在していて、その際前記複数の流れガイドリブ(５０）は前記被覆管（３０）にのみ固定されており、また、前記中間空間（４０）が前記流れガイドリブ（５０）により複数の長手方向管（４１）に分割されるように、少なくとも前記ガスタービン（１）の休止状態において前記炎管（２０）に対して間隙（Ｓ）が形成されることを特徴とする、燃焼室ハウジング（１０）。
2. 前記流れガイドリブ(５０）がそれぞれ薄板状に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃焼室ハウジング（１０）。
3. 前記流れガイドリブ(５０）の厚みが３ｍｍであることを特徴とする、請求項２に記載の燃焼室ハウジング（１０）。
4. 前記流れガイドリブ(５０）及び、前記被覆管（３０）の壁に形成された前記貫通穴（３１）は、前記流れガイドリブ(５０）によりいずれの前記貫通穴（３１）もふさがれることがないように配置されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃焼室ハウジング（１０）。
5. 前記複数の流れガイドリブ(５０）が正確に８個の、同一の流れガイドリブ(５０）から形成されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の燃焼室ハウジング（１０）。
6. 前記流れガイドリブ(５０）は互いに異なる円周方向の角距離をおいて前記中間空間（４０）内に配置されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の燃焼室ハウジング（１０）。
7. 前記流れガイドリブ(５０）が、流れガイドリブ(５０）の第１グループ、及び、流れガイドリブ(５０）の第２グループを有しており、前記流れガイドリブ(５０）の第１グループはその互いの円周方向の角距離に関して所与の第１配置パターンで配置されており、また、前記流れガイドリブ(５０）の第２グループはその互いの円周方向の角距離に関して第２の配置パターンで配置されていて、該第２の配置パターンは、前記炎管（２０）の対称軸（Ｙ）における前記第１配置パターンの鏡像となっていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の燃焼室ハウジング（１０）。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の燃焼室ハウジング（１０）を有することを特徴とするガスタービン（１）。