JP5730379B2 - ガスタービン燃焼器用の減衰装置 - Google Patents

Description

本発明は、明確な減衰性能及び十分な寿命を保証するために適切に冷却されなければならない、高い周波数範囲における熱音響的に誘発される圧力振動を抑制するための１つ以上の装置を有する、ガスタービン、特に希薄予混合される低エミッション燃焼システムの分野に関する。

ガスタービンにおける希薄予混合される低エミッション燃焼システムの欠点は、熱音響的に誘発される燃焼振動を発生するリスクが高いということである。ガスタービン開発の初期からよく知られた問題であるこのような振動は、発熱率及び圧力の変動の間の強い結合によるものであり、機械的及び熱的損傷を生じ、運転領域を制限する恐れがある。

このような振動を抑制するための可能性は、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などの減衰装置を取り付けることである。

音響スクリーンを有する、シーケンシャル燃焼を伴うガスタービン用の再熱燃焼システムは、米国特許出願公開第２００５／２２９５８１号明細書に記載されている。混合ゾーン及び／又は燃焼室内に設けられた音響スクリーンは、２つの穴あき壁部から成る。両者の間の体積は、複数の一体化されたヘルムホルツ体積であると見なすことができる。後方穴あき板は、高温の燃焼室に面した板の吹付け冷却を許容する。高温のガスが燃焼室から減衰体積へ進入することを防止するために、吹付け冷却質量流が必要とされ、これは、減衰効率を低下させる。吹付け質量流が小さすぎると、高温ガスが再循環し、音響スクリーンの隣接する穴を通過する。この現象は、高温ガス吸込みとして知られる。高温ガス吸込みの場合、減衰体積において温度が上昇する。これは、音の速度の上昇につながり、最終的に、減衰システムが設計されている周波数のシフトにつながる。周波数シフトは、減衰効率の著しい減少につながる恐れがある。加えて、減衰体積において高温ガスが再循環するので、冷却効率は低下させられ、これは、減衰装置の熱的損傷につながる恐れがある。さらに、高い冷却質量流量を用いることは、燃焼に関与しない空気の量を増大させる。これは、より高い燃焼温度を生じ、ひいては、ＮＯｘエミッションの増加につながる。

前記問題に対する解決手段は、例えば欧州特許第２２９５８６４号明細書に記載されている。この場合、高温の燃焼室の近くにおいて内部壁近傍冷却技術を用いて冷却される１つのコンパクトなヘルムホルツダンパを形成するために、複数の層が一緒に固定されている。したがって、高温ガス吸込みの問題に直面することなく冷却質量流量を著しく減じることができ、より少ないエミッション及びより高い減衰効率につながる。個別のヘルムホルツダンパが使用されるので、様々な周波数に個別に対応することができる。１つのヘルムホルツダンパが使用されるか、ヘルムホルツダンパの集団が使用されるかにかかわらず、設計は、壁近傍冷却の適切な実施に基づく。

冷却される壁部分を備えたガスタービンにおける燃焼器用の高周波減衰システムの別の解決手段は、欧州特許第２４０２６５８号明細書に開示されている。軸方向に延びた複数の冷却経路が燃焼器壁部に形成されている。冷却経路は、一方の端部において、蒸気又は冷却空気などの冷却媒体の供給源に、他方の端部において冷却媒体排出チャネルに接続されている。冷却経路を流過する冷却媒体は、貫通孔の周囲部分を冷却し、高温ガス吸込みの場合に貫通孔を通過するときに高温の燃焼ガスによって生ぜしめられる熱応力を回避又は最小限に抑制する。

欧州特許第２３６２１４７号明細書は、壁近傍冷却をどのように実現することができるかについて様々な解決手段を記載している。壁近傍冷却通路は、直線的な通路であるか、又は、積層された板に対して平行なコイル状の構造を有する。この解決手段の欠点は、壁近傍冷却チャネルの形状により、構成部材が、最終的にろう付けされなければならない複数の層から形成されるということである。ろう付け自体は、ターボ機械ビジネスにおいて公知技術であるが、他の接合方法と比較して欠点を有する。

壁構造において様々な形状の壁近傍冷却チャネルを実現するための別の方法は、いわゆる「ロストワックス鋳造プロセス」を使用することである。タービンブレードに冷却通路を形成するために広く使用されているこの技術において、後の冷却通路を実現するために鋳造プロセスの間にセラミックコアが使用される。セラミックコアの使用を回避することができる鋳造プロセスと比較して、製造コストは数倍高い。

米国特許出願公開第２００５／２２９５８１号明細書 欧州特許第２２９５８６４号明細書 欧州特許第２４０２６５８号明細書 欧州特許第２３６２１４７号明細書

本発明の課題は、高価な鋳造技術の欠点を排除する、著しく減じられた冷却空気質量流量要求を備えたガスタービン燃焼器の減衰装置用の壁近傍冷却システムを提供することである。

この課題は、請求項１に係るガスタービン燃焼器用の減衰装置によって達成される。

特に壁近傍冷却システムを備えたライナセグメント用の減衰装置である、ガスタービン燃焼器用の減衰装置は、互いに間隔を置いて配置された、第１の内側壁部、特にライナと、第２の外側壁部とを備えた壁部であって、前記内側壁部は一方の側において高温ガス流によって高い温度に曝される、壁部と、第１の内側壁部と第２の外側壁部との間に実質的に平行に延びた複数の冷却チャネルと、少なくとも１つの減衰体積であって、該減衰体積は、前記冷却チャネルと、冷却チャネルから減衰体積へ冷却媒体を供給するための第１の通路と、減衰体積を燃焼室に接続するための第２の通路とによって取り囲まれている、少なくとも１つの減衰体積と、を備え、減衰体積を燃焼室から分離するエンドプレートが内側壁部に固定されており、前記エンドプレートには、ネック通路が設けられておりかつ付加的に冷却媒体用の少なくとも１つの供給プレナムと、冷却媒体用の少なくとも１つの出口プレナムと、少なくとも１つの供給プレナムから別の供給プレナムへの又は少なくとも１つの出口プレナムへの冷却媒体の流れを可能にする少なくとも１つの冷却通路と、が設けられている。

前記プレナムの間の冷却通路は、壁近傍冷却チャネルとして作用する。

好適な実施の形態によれば、エンドプレートの側縁には凹所が設けられている。内側壁部に結合されると、これらの凹所は供給及び出口プレナムを形成する。

新規発明は、冷却空気質量流量要求が減じられた、高周波減衰システムの最適化された冷却及び寿命性能を可能にする。記載された製造プロセスは、機械加工及び溶接技術を使用し、したがって、ろう付け及び／又はセラミックコアを使用する高価な鋳造技術の前記欠点を排除する。新規の壁近傍冷却設計は、効率的な減衰を可能にし、製造リスクを減じる。

通常、缶燃焼システムにおける高周波ダンパは、軸方向範囲が制限されて、缶ライナの円周に沿って取り付けられている。壁近傍冷却ダンパ装置がこのように取り付けられていると、製造プロセスにおける困難が生じる。なぜならば、曲げプロセスが冷却チャネルの形状に影響し、ひいては、不均一な冷却分布を生じるからである。壁近傍ダンパ体積を軸方向で配列することにより、これらの困難が克服される。

本発明はここで、様々な実施の形態によって、図面を参照してより詳細に説明される。

ガスタービンの再熱燃焼器の概略図を示す。 燃焼室壁部の断面図を示す。 本発明による減衰装置の拡大図を示す。 本発明による減衰装置用のエンドプレートのより詳細な実施の形態を示す。 本発明による減衰装置用のエンドプレートのより詳細な実施の形態を示す。 本発明による減衰装置用のエンドプレートのより詳細な実施の形態を示す。

発明の様々な実施の形態の詳細な説明
図１は、従来技術によるシーケンシャル燃焼を伴うガスタービンの再熱燃焼器１を示す。燃焼器１は、燃焼室３に軸方向で接続されたバーナセクション２を有する。バーナセクション２に進入する高温ガス流には、高温ガス流内へ延びる燃料供給インジェクタ（例えば燃料ランス）によって燃料が供給され、高温ガス流は次いで混合ゾーンに沿って流れる。混合ゾーンにおいて形成された混合物は、出口においてバーナセクション２から出て、燃焼室３内へ膨張する。燃焼室３において、混合物は火炎２７において燃焼させられ、タービン（図示せず）において膨張させられる高温ガスＧを発生する。バーナセクション２と燃焼室３との間の境界面は、バーナセクション２の出口から燃焼室３の周壁まで延びた垂直な前板２ａによる規則的に突然の断面積変化を特徴とする。バーナセクション２及び／又は燃焼室３及び／又は前板２ａを含む燃焼器壁部の少なくとも一部分４には、冷却手段が装備されている。例えば、燃焼器壁部全体又はバーナセクション２及び／又は燃焼室３及び／又は前板２ａのあらゆる部分は、内側ライナ５と、それから間隔を置いて、外側カバープレート６とを有し、内側ライナ５と外側カバープレート６とは、それらの間に配置された冷却室を形成している。空気又は蒸気などの冷却媒体は、（矢印Ｆによって示されているように）この冷却室において冷却チャネル７を通って循環し、これにより、バーナセクション２と、燃焼室３と、前板２ａとを冷却する。

図２は、燃焼室壁部の断面図であり、冷却媒体用のチャネル７を形成したライナ５及びカバープレート６を示す。カバープレート６は、ライナ表面から延びたピン上に溶接された固定クリップ８を使用することによってライナ５と接合されている。ライナ５の外側におけるウェブは、冷却チャネル７の側壁として作用し、壁構造５，６を支持する。内側ライナ５とカバープレート６との間の距離には、音響減衰装置が配置されている。減衰体積９は、冷却チャネル７によって取り囲まれている。以下に説明するように、燃焼室３の側では減衰体積９はエンドプレート１０によって分離されている。

この設計の利点は、音響ダンパの外側形状をライナ５の鋳造プロセスにおいて付与することができることである。所要の音響体積９を形成しかつ減衰装置を閉鎖するために、機械加工されたエンドプレート１０がライナ５に溶接され、鋳造時に形成された凹所をカバーする。エンドプレート１０には、少なくとも１つの貫通孔１３、すなわち燃焼室３と減衰体積９との間の相互作用のためのネック通路とが設けられている。

図３は、本発明による減衰装置の原理構造を拡大図において示す。燃焼器１のライナ構成部材５は、鋳造によって規則的に製造される。鋳造のプロセスにおいて、ライナ５には多数の凹所９が成形される。次のステップにおいて、全ての凹所９にエンドプレート１０を溶接することによって凹所９はカバーされる。凹所を有するライナ５とエンドプレート１０とによって取り囲まれた体積は、減衰装置の減衰体積９を形成する。エンドプレート１０には、燃焼室３を音響ダンパ体積９に接続する少なくとも１つの音響ネック通路１３が設けられている。凹所を有するライナ５の外側部分には、冷却チャネル７を流過する冷却媒体Ｆが充填されており、したがって、ライナ５の外側部分は適切に冷却される。しかしながら、減衰装置は主に、冷却回路７からのパージ空気供給をほとんど又は全く有さない減衰体積９から成るので、減衰体積９と燃焼室３との間の壁部温度は、材料限界を超える。その結果、エンドプレート１０に付加的な冷却手段が設けられなければならない。この構成部材を冷却するための１つの選択肢は、壁近傍冷却手段である。本発明による減衰装置用の壁近傍冷却解決手段を実現するために、ライナ５に第１の通路１１が形成されている。この通路１１は、一方の端部において冷却チャネル７に接続されている。他方の端部において、この通路１１は第１の供給プレナム１２に接続されており、これにより、冷却媒体は通路１１を流過することができ、冷却媒体Ｆを冷却チャネル７からこのプレナム１２内へ供給することができる。この第１のプレナム１２はライナ５とエンドプレート１０との間に配置されている。好適な実施の形態によれば、エンドプレート１０にプレナム１２が配置されている。その側縁の領域において、凹所がエンドプレート１０にフライス削りされている。ライナ５に結合されると、これらの凹所はプレナム１２を形成する。また、このプレナム１２は、本発明の減衰装置の壁近傍冷却システムの始点である。

図４、図５及び図６は、エンドプレート１０の設計の様々な実施の形態をさらに詳細に示している。

図５から分かるように、冷却供給流Ｆは、第１の供給プレナム１２を通って壁近傍冷却装置に進入する。この第１の供給プレナム１２から、第２の通路１４は冷却空気を第２の供給プレナム１５へ導く。この原理は、第２の通路１４が出口プレナム１６に達するまで繰り返される。この位置において、冷却供給流Ｆはエンドプレート１０から出て、減衰装置のパージを提供するために音響体積９に進入するか、又は冷却供給流Ｆはエンドプレート１０から出て燃焼室３へ進入する。

図６から見られるように、エンドプレート１０を通って冷却供給流Ｆを導くための択一的な方法が実現可能である。共通の概念は、様々な供給及び出口プレナム（１２，１５及び１６）を接続する直線的な第２の通路を有することである。

（壁近傍冷却装置における高い圧力降下により）小さな冷却質量流量は、燃焼室３からの熱負荷を取り除くために効率的に利用される。壁近傍冷却装置の設計はエンドプレート１０を完全にカバーしているので、壁部温度分布は均一である。均一な温度分布は、熱応力を減じ、寿命を延長させる。

壁近傍冷却装置の全ての供給プレナム及び通路を穿孔、レーザ切断、ウォータージェット、フライス削り等によって形成することができることは、この構造の利点である。現在では、このような冷却技術の実現は、取り扱うのが困難な、高価な鋳造プロセス（セラミックコアを含む）又はろう付け技術を必要とする。本発明の利点は、機械加工及び溶接技術のみを使用するということである。

１ 燃焼器
２ バーナセクション
２ａ 前板
３ 燃焼室
４ 壁部
５ 内側壁部、ライナ
６ 外側壁部、カバープレート
７ 冷却チャネル
８ 固定クリップ
９ 減衰体積
１０ エンドプレート
１１ 冷却媒体を１２へ供給するための供給通路
１２ 第１の供給プレナム
１３ 音響減衰装置のネック通路
１４ 冷却媒体用の通路、壁近傍冷却チャネル
１５ 第２の供給プレナム
１６ 出口プレナム
Ｆ 冷却媒体
Ｇ 高温ガス

Claims (17)

1. ガスタービン燃焼器（１）用の減衰装置であって、互いに間隔を置いて配置された、第１の内側壁部（５）と、第２の外側壁部（６）とを備えた壁部（４）であって、前記内側壁部（５）が、一方の側において高温ガス流によって高い温度に曝されている、壁部（４）と、前記第１の内側壁部（５）と前記第２の外側壁部（６）との間に実質的に平行に延びた複数の冷却チャネル（７）と、少なくとも１つの減衰体積（９）であって、前記冷却チャネル（７）と、冷却チャネル（７）から減衰体積（９）へ冷却媒体を供給するための第１の通路（１１）と、減衰体積（９）を燃焼室（３）に接続するためのネック通路（１３）とによって取り囲まれた少なくとも１つの減衰体積（９）と、を備えるガスタービン燃焼器（１）用の減衰装置において、前記減衰体積（９）を燃焼室（３）から分離するエンドプレート（１０）が前記内側壁部（５）に固定されており、前記エンドプレート（１０）には、前記ネック通路（１３）が設けられておりかつ付加的に冷却媒体用の少なくとも１つの供給プレナム（１２，１５）と、冷却媒体用の少なくとも１つの出口プレナム（１６）と、少なくとも１つの第１の供給プレナム（１２）から第２の供給プレナム（１５）への又は少なくとも１つの出口プレナム（１６）への冷却媒体の流れを可能にする少なくとも１つの冷却通路（１４）と、が設けられていることを特徴とする、ガスタービン燃焼器（１）用の減衰装置。
2. 前記少なくとも１つの冷却通路（１４）は、壁近傍冷却チャネルとして作用する、請求項１記載の減衰装置。
3. 前記エンドプレート（１０）は、複数の壁近傍冷却チャネル（１４）を有する、請求項２記載の減衰装置。
4. 前記複数の壁近傍冷却チャネル（１４）は、実質的に同じ横断面を有する、請求項３記載の減衰装置。
5. 前記少なくとも１つの供給プレナム（１２）は、前記壁部（５）における供給通路（１１）を介して前記冷却チャネル（７）と連通している、請求項１又は２記載の減衰装置。
6. 前記少なくとも２つの供給プレナム（１２，１５）は、１つ以上の冷却通路（１４）によって直列に接続されている、請求項１又は２記載の減衰装置。
7. 少なくとも３つの供給プレナム（１２，１５）が直列に接続されている、請求項６記載の減衰装置。
8. 連続するプレナム（１２，１５，１６）は、前記エンドプレート（１０）の異なる側縁に配置されている、請求項６又は７記載の減衰装置。
9. 連続するプレナム（１２，１５，１６）は、前記エンドプレート（１０）の互いに反対側の縁部に配置されている、請求項８記載の減衰装置。
10. ２つ以上の前記冷却通路（１４）が設けられており、前記冷却通路（１４）は、互いに平行に延びている、請求項９記載の減衰装置。
11. 前記少なくとも１つの出口プレナム（１６）は、前記減衰体積（９）又は前記燃焼室（３）と連通している、請求項１又は２記載の減衰装置。
12. 前記エンドプレート（１０）の前記側縁に凹所が設けられており、これらの凹所は、結合された内側壁部（５）と協働して、プレナム（１２，１５，１６）を形成する、請求項８から１０までのいずれか１項記載の減衰装置。
13. 前記エンドプレート（１０）は、溶接によって前記内側壁部（５）に固定されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の減衰装置。
14. 前記内側壁部（５）は、ガスタービン燃焼器（１）のライナである、請求項１から１３までのいずれか１項記載の減衰装置。
15. 前記壁部（４）は、２つ以上の個々の減衰体積（９）を有する、請求項１から１４までのいずれか１項記載の減衰装置。
16. 前記２つ以上の個々の減衰体積（９）は、燃焼器軸線に関して軸方向で配置されている、請求項１５記載の減衰装置。
17. 個々の減衰体積（９）は異なるパラメータを有する、請求項１５又は１６記載の減衰装置。

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