JP5683317B2 - ガスタービンのための燃焼装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンのための燃焼装置に関する。特に、本発明は、希薄予混合低エミッション燃焼装置に関する。燃焼装置は、順次燃焼ガスタービンの第１及び／又は第２の燃焼装置又は従来のガスタービン（すなわち順次燃焼ガスタービンではないガスタービン）の燃焼装置であってよい。単純でかつ分かりやすくするために、以下では、再熱燃焼装置（すなわち順次燃焼ガスタービンの第２の燃焼装置）のみに言及する。

ガスタービンの運転中、音響と、発熱率（燃焼）の変動との望ましくない結合により、燃焼室において著しい熱音響脈動が発生させられることがある。ガスタービンに希薄予混合低エミッション燃焼装置が設けられている場合には、熱音響脈動の発生のリスクは特に高い。

これらの脈動は、燃焼装置及びタービンのハードウェアに作用し、著しい機械的振動を生じ、これは、燃焼装置又はタービンの個々の部品の損傷を生じる恐れがある。従って、脈動を抑制しなければならない。

振動を抑制するために、燃焼装置には通常、減衰装置が設けられている。通常、減衰装置は、四分の一波長管、ヘルムホルツダンパ、又は音響スクリーンから成る。

米国特許出願公開第２００５／０２２９５８１号明細書は、混合管とフロントプレートとを備えた再熱燃焼装置を開示している。フロントプレートは、穴を有する音響スクリーンを有しており、この音響スクリーンに対して平行にかつ音響スクリーンから離れて、装置の冷却を保証する、穴が設けられたインピンジプレートも設けられている。

運転中、（燃焼室を閉じ込めたプレナムからの）空気はインピンジメントプレートを通過し、音響スクリーンに衝突し（音響スクリーンを冷却し）、次いで、音響スクリーンを通過し、燃焼室に進入する。

しかしながら、この減衰システムは、幾つかの欠点を有している。

実際、音響スクリーンの冷却は、減衰体積を冷却するためにプレナムから減衰体積へ逸らさなければならない大きな空気質量流量を必要とする。

このことは、減衰効率を減じるだけでなく、燃焼に関わらない空気質量流量をも増大し、火炎温度を上昇させ、その結果ＮＯｘ排出量が高くなる。

米国特許出願公開第２００５／０２２９５８１号明細書

従って、本発明の技術的目標は、燃焼装置を提供することであり、この燃焼装置によって公知技術の前記問題が排除される。

この技術的目標の範囲において、本発明の課題は、（従来の燃焼装置と比較して）より少ない空気質量流量がプレナムから減衰体積へ逸らされる燃焼装置を提供することである。

発明の別の態様は、対応する従来の装置と比較して高い減衰効率及び制限されたＮＯｘ排出量を有する燃焼装置を提供することである。

技術的目標は、これらの及びその他の態様とともに、添付の請求項に記載の燃焼装置を提供することによって本発明により達成される。

有利には、発明の実施形態における冷却装置は、周波数及び効率の観点から減衰性能に対して影響を有さないか又は限定された影響のみを有する。

発明の別の特徴及び利点は、添付の図面に非制限的な例によって示された、本発明による燃焼装置の好適であるが非制限的な実施形態の説明からより明らかとなるであろう。

再熱燃焼装置の概略図である。 混合管のフロントプレートの断面図である。 図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図である。 図２に記載のフロントプレートを製造するためのプレート部分を示す上面図である。 図２に記載のフロントプレートを製造するためのプレート部分を示す上面図である。 図２に記載のフロントプレートを製造するためのプレート部分を示す上面図である。 図２に記載のフロントプレートを製造するためのプレート部分を示す上面図である。 図２に記載のフロントプレートを製造するためのプレート部分を示す上面図である。 燃焼装置の内部を区切る壁部に対して平行な導管を形成するプレートの異なる実施形態を示す図である。 燃焼装置の内部を区切る壁部に対して平行な導管を形成するプレートの異なる実施形態を示す図である。 燃焼装置の内部を区切る壁部に対して平行な導管を形成するプレートの異なる実施形態を示す図である。 燃焼装置の内部を区切る壁部に対して平行な導管を形成するプレートの異なる実施形態を示す図である。 燃焼装置の内部を区切る壁部に対して平行な導管を形成するプレートの別の実施形態を示す図であり、導管はコイル状である。

図面は、概して参照符号１によって示された燃焼装置を示している。

燃焼装置１は、フロントプレート４を介して互いに結合された、混合管２と、燃焼室３とを有している。これらの要素は、プレナム５に閉じ込められており、プレナム５には、圧縮機（ガスタービンの圧縮機）から来る圧縮空気が供給される。

上記では、順次燃焼ガスタービンの第２の燃焼装置である燃焼装置が説明されたが、いずれにしても、発明の様々な実施形態において、燃焼装置は、順次燃焼ガスタービンの第１の燃焼装置、又は１つの燃焼装置又は燃焼装置列を有する従来のガスタービンの燃焼装置であってもよいことが明らかである。これらの燃焼装置は、当該技術分野において公知であるので以下では詳細に説明しない。単純で分かりやすくするために、順次燃焼ガスタービンの第２の燃焼装置のみについて以下では説明する。

燃焼装置１は、内壁７と外壁８とが設けられた部分６を有している。

これらの部分６は、フロントプレート４にかつ部分的に燃焼室壁部（図１に示されている）に配置されているか、又は別の実施形態においては、混合管壁部、フロントプレート、燃焼室壁部、又はこれらの組合せ（すなわち混合管２及び／又は燃焼室３及び／又はフロントプレート４の壁部）に配置されていてよい。

内壁７は、内壁７と外壁８との間の領域を燃焼装置１の内部１０に接続する第１の通路９を有している。

さらに、第２の通路１２が設けられており、この第２の通路１２は、燃焼装置１の外部１４に接続された入口１３を有しており、内壁７を冷却するために外壁８を貫通している。

内壁７と外壁８との間には、複数のチャンバ１８を形成する中間層１７が設けられている。

それぞれのチャンバ１８は、１つ又は２つ以上の第１の通路９と、複数の第２の通路１２とに接続されており、１つ又は複数のヘルムホルツダンパを形成している。

第２の通路１２は、チャンバ１８に接続された第３の通路２２において開放している。さらに、第２の通路１２は、互いに対面する出口２３を有している。

第１の通路９と第２の通路１２とは、内壁７に対して平行に延びた部分を有しているので、第３の通路２２はチャンバ１８の同じ側において開放している。

分かりやすくするために、図２には、第１の通路９と第３の通路２２とが異なる直径を有するように示されている。いずれにしても、様々な実施形態において、第１の通路９と第３の通路２２との直径は同じであってもよく、又はそれぞれ第１の通路９と第３の通路２２との間において最大及び／又は最小直径を有していてよいことが明らかである。

図示のように、第２の通路１２は、重なり合う長手方向軸線２５を有する、対を成して互いに関連させられた部分を有している。

好適には、互いに関連させられた第２の通路１２の互いに対面する出口２３の間には、例えば関連させられた通路１２の間に配置された壁部によって形成された、障害物２６が設けられている。

さらに、有利には第２の通路１２のそれぞれは、出口２３においてディフューザ２７を有している。

部分６は、少なくとも内壁７と、中間層１７と、外壁８とから形成された層状構造（及び場合によっては、第１の壁部７と第２の壁部８との間に配置された１つ又は２つ以上の別の層）を有している。この層状構造は、複数のプレート（内壁７、外壁８、間に配置された層１７、及び場合によっては別の層を形成する）から形成されており、これらのプレートは、互いに結合されていて、第１の通路９と、第２の通路１２と、第３の通路２２と、チャンバ１８とを形成するための開口が設けられている。

１つの実施形態において、第１の通路９と、第２の通路１２と、第３の通路２２と、チャンバ１８とを形成する開口は、貫通孔である。この実施形態は図２に示されている。

この実施形態において、第１の壁部７と第２の壁部８との間には、中間層１７に加えて、２つの別の層２９（冷却通路層）と、３０（分離層）とが設けられており、層状構造は、（例えばろう付けによって又はねじを介して）互いに結合された５つのプレートから成っている。

別の実施形態において、第１の通路９と、第２の通路１２と、第３の通路２２と、チャンバ１８とを形成する開口は、１つ又は２つ以上の止り穴を含む。

この態様においては、内壁７と層２９とは、１つの要素に、つまり一体に製造されていてよく、この場合は、層２９における第１の通路１２の部分は、止り穴（例えば止りミリング）によって形成されている。第３の通路２２の部分は、同じミリングの部分によって又はこれに結合された止り穴によって形成される（例えば止り穴、示されていない例）。内壁７及び層２９における第１の通路９の部分は貫通孔によって形成されている。

層３０は、この層３０を貫通した第１の通路９と、第２の通路１２と、第３の通路２２との一部を形成する（貫通孔のような）貫通開口を備えた、１つの要素に実現されてよい。

外壁８と、中間層１７とは、これらを貫通する第２の通路１２の一部を形成する（貫通孔のような）貫通開口と、チャンバ１８を形成する止り開口（止り穴）、つまり貫通していない開口、とを備えた、１つの要素に実現されてもよい。

当然、別の様々な実施形態が可能であり、例えば、内壁７は１つの要素に製造されてよく、２つの層２９，３０は１つの要素に製造されてよく、中間層１７と外壁８とは１つの要素に製造されてよい。択一的に、外側層は１つの要素に製造されてよく、層１７，３０は１つの要素であり、内壁７及び層２９は１つの要素である。簡略にするために、また、説明に基づいて当業者に明らかであるために詳細に説明されていない、別の実施形態も可能であることが明らかである。

分かりやすくするために、図４から図８は、５つの異なる要素から形成された層状構造の可能な態様を示している。これらの要素における全ての開口は貫通開口（孔又はミリング）である。

図４は外壁８を示している。この図には、この壁部を貫通した第２の通路１２の一部を形成する開口が示されている。さらに、チャンバ１８（中間層１７に形成されている）が点線で示されている。

図５は中間層１７を示している。この図には、この壁部を貫通した第２の通路１２の一部を形成する開口と、チャンバ１８とが示されている。

図６は分離層３０を示している。この図には、この壁部を貫通する、第２の通路１２と、第１の通路９と、さらに第３の通路２２との一部を形成する開口が示されている。さらに、チャンバ１８（中間層１７に形成されている）が、点線で示されている。

図７は層２９を示している。この図において、この壁部を貫通した、第２の通路１２の一部を形成する開口（ミリング）と、第１の通路９の一部を形成する開口（通常は孔）とが、示されている。第３の通路２２（層３０に形成されている）と、チャンバ１８（中間層１７に形成されている）も点線で示されている。さらに、層２９における第３の通路２２の一部と、出口２３とが、示されている。障害物２６も、この図に示されている。

図８は内壁７を示している。この図において、この壁部を貫通する第１の通路９の一部が示されている。さらに、チャンバ１８（中間層１７に形成されている）も点線で示されている。

前記説明に従い、図９から図１１はさらに層２９の可能な態様を示している。同じ参照符号は、これらの図において、同じ又は類似の要素を示している。その他の壁部及び層も、これに対応して変更されなければならないが、添付図面には示していない。これらの図面においても、全ての開口は貫通孔である。

図９は、第２の通路１２の一部を形成する４つの開口（ミリング）を有する態様を示しており、この図においても、この壁部を貫通した第１の通路９の一部を形成する開口（孔）が示されている。さらに、第３の通路２２（層３０に形成されている）と、チャンバ１８（中間層１７に形成されている）と、層２９及び３０が互いに結合されているときに形成される出口２３とが、示されている。

図１０は、ディフューザ２７を有する２つの開口（ミリングである）を備えた態様を示しており、図１１は、第２の通路１２の間に障害物２６が設けられていない態様を示しており、図１２は、それぞれの第３の通路２２に関連した、互いに対面する出口２３を有する、３つの第２の通路１２を備えた態様を示している。

図１３は、２つのコイル状の開口を備えた別の態様を示している。

本発明の実施態様における燃焼装置の運転は、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。

空気は、入口１３から進入し、第２の通路１２を通過し、部分６を冷却した後、空気はチャンバ１８内へ排出される。さらに、高温ガスは、第１の通路９において振動し、音響脈動を減衰させる。

チャンバ１８に進入する時、通路１２から来るそれぞれの空気流は、対面する通路１２から来る別の空気流と衝突するので、チャンバ１８に進入する強い空気流は存在せず、空気は、全ての方向に拡散しながらチャンバ１８に進入する。このことは、減衰効果に影響する、第１の通路９を通るガス振動に影響する、チャンバ１８内の空気再循環ゾーンの形成を回避する。同じ理由から、障害物２６が好適には設けられており、それぞれの空気流が別の空気流に衝突する前に、空気流は障害物２６に衝突し、チャンバ１８に向かって全ての方向に拡散する。

同様に、ディフューザ２７は、チャンバ１８に進入する空気流の運動エネルギを減じ、チャンバ１８内における空気再循環ゾーンの形成の可能性を減じる。

冷却は極めて効率的であるので、チャンバ１８と層状構造とを冷却するために、より少ない量の空気が、第２の通路１２を介してチャンバ１８内へ提供される。これは、高い減衰効率と、より少ないＮＯｘ排出量とを提供する。

さらに、改良された冷却により、減衰性能に対する冷却の影響が妨げられる。

当然のことながら、前記特徴は、互いに独立して提供されてよい。

実用上、使用される材料と、寸法とは、要求及び技術水準に従って任意に選択することができる。

１ 燃焼装置、 ２ 混合管、 ３ 燃焼チャンバ、 ４ フロントプレート、 ５ プレナム、 ６ 部分、 ７ 内壁、 ８ 外壁、 ９ 第１の通路、 １０ 内部、 １２ 第２の通路、 １３ 入口、 １４ 外部、 １７ 中間層、 １８ チャンバ、 ２２ 第３の通路、 ２３ 出口、 ２５ 長手方向軸線、 ２６ 障害物、 ２７ ディフューザ、 ２９ 層、 ３０ 層

Claims (15)

1. ガスタービンのための燃焼装置（１）であって、内壁（７）と外壁（８）とが設けられた部分（６）を有しており、内壁（７）が、内壁（７）と外壁（８）との間のゾーンを燃焼装置（１）の内部（１０）に接続する第１の通路（９）を有しており、前記外壁（８）が、内壁（７）を冷却するための第２の通路（２）を有している形式のものにおいて、内壁（７）と外壁（８）との間に、複数のチャンバ（１８）を形成している中間層（１７）が設けられており、それぞれのチャンバが、少なくとも１つの第１の通路（９）と複数の第２の通路（１２）とに接続されておりかつヘルムホルツダンパを形成しており、前記第２の通路（１２）が、前記チャンバ（１８）に接続された第３の通路（２２）において開放しており、互いに対面する出口（２３）を有することを特徴とする、ガスタービンのための燃焼装置。
2. 前記第２の通路（１２）が、対を成して互いに関連させられている、請求項１記載の燃焼装置。
3. 互いに関連させられた前記第２の通路（１２）が、重なり合う長手方向軸線（２５）を有する、請求項２記載の燃焼装置。
4. 互いに関連させられた第２の通路（１２）の互いに対面する出口（２３）の間に、障害物（２６）が設けられている、請求項２記載の燃焼装置。
5. 前記障害物（２６）が、互いに関連させられた第２の通路（１２）の間に配置された壁部によって形成されている、請求項４記載の燃焼装置。
6. それぞれの第２の通路（１２）が、出口（２３）においてディフューザ（２７）を有する、請求項２記載の燃焼装置。
7. 前記部分（６）が、少なくとも前記内壁（７）と、中間層（１７）と、外壁（８）とから形成された層状構造を有する、請求項１記載の燃焼装置。
8. 前記層状構造が、互いに上下に結合された、前記第１の通路（９）と、前記第２の通路（１２）と、前記第３の通路（２２）と、前記チャンバ（１８）とを形成するための開口が設けられている、複数のプレートから形成されている、請求項７記載の燃焼装置。
9. 前記開口のうちの少なくとも幾つか又は全てが、貫通孔である、請求項８記載の燃焼装置。
10. 前記開口のうちの少なくとも幾つかが、止り開口である、請求項８記載の燃焼装置。
11. 前記第３の通路（２２）が、前記チャンバ（１８）の、第１の通路（９）と同じ側において開放している、請求項１記載の燃焼装置。
12. 前記第２の通路（１２）が、内壁（７）に対して平行に延びた部分を有する、請求項１１記載の燃焼装置。
13. 前記第２の通路（１２）を部分的に形成した、内壁（７）に隣接した層（２９）が設けられている、請求項１記載の燃焼装置。
14. 前記内壁（７）と、該内壁に隣接した前記層（２９）とが、一体に形成されている、請求項１３記載の燃焼装置。
15. 外壁（８）と、中間層（１７）とが、一体に形成されている、請求項１記載の燃焼装置。

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