JP6002313B2 - ターボ機械用燃焼器組立体 - Google Patents

Description

本明細書において開示する主題、即ち、本発明は、ターボ機械の分野、特にターボ機械用燃焼器組立体に関する。

多くのターボ機械は、共通圧縮機／タービンシャフト又はロータを介してタービン部分に連結された圧縮機部分及び燃焼器組立体を有する。圧縮機部分は、多数の順次ステージを通って圧縮空気流を圧縮機組立体に向かって案内する。圧縮機組立体内では、圧縮空気流は、燃料と混合して可燃性混合気が形成される。可燃性混合気を燃焼器組立体内で燃焼させて高温ガスを生じさせる。尾筒を通って高温ガスはタービン部分に案内される。高温ガスは、タービン部分を通って膨張し、それにより例えば発電機、ポンプに動力供給し又は動力を車両に提供するよう出力される仕事が得られる。燃焼用の圧縮空気を提供することに加えて、圧縮空気流の一部分は、冷却目的のためにタービン部分中に通される。

圧縮機組立体は、燃焼チャンバを画定するライナ（内筒）部分を含む。可燃性混合気を燃焼チャンバ内で燃焼させて高温ガスを形成する。経時的に、ライナは、高温ガスにさらされるので侵食し始める。エロージョン（侵食）は、燃焼器ノズルの出口部分に隣接して位置する高温ゾーン内で始まる場合が多い。エロージョンは、燃焼器の動作寿命にマイナスの影響を及ぼし、それにより、ターボ機械の作動を維持するためにはコストがかかり且つ定期的な保守及び交換が必要である。

例示の実施形態の一観点によれば、ターボ機械用燃焼器組立体が燃焼器本体及び燃焼器本体内に配置された燃焼器ライナを含む。燃焼器ライナは、ヘッド側端部及び放出端部を備えた燃焼チャンバを画定している。複数個の燃焼器ノズルが燃焼器チャンバのヘッド側端部のところに環状アレイの状態で配置され、流体送り出しノズルが燃焼器チャンバのヘッド側端部で環状アレイ内の実質的に中央に配置されている。流体送り出しノズルは、第１の端部分を有し、第１の端部分は、壁部分を貫通して第２の端部分まで延びている。壁部分は、少なくとも１つの燃焼チャンバ出口を有する。流体送り出しノズルは、不燃性流体を複数個の燃焼器ノズルの少なくとも１つの中に放出するよう構成されている。

例示の実施形態の別の観点によれば、不燃性流体をターボ機械用燃焼器中に導入する方法がターボ機械用燃焼器の燃焼チャンバ中に延びる流体送り出しノズル中に不燃性流体を送り込むステップと、不燃性流体の第１の部分を流体送り出しノズルの半径方向外方に流して流体送り出しノズルの周りにアレイ状に配置された複数個の燃焼器ノズルの少なくとも１つの中に流入させるステップと、流体送り出しノズルの端部のところに形成された燃焼チャンバ出口を通って不燃性流体の第２の部分を燃焼チャンバ中に流入させるステップとを含む。

例示の実施形態の更に別の観点によれば、ターボ機械が圧縮機部分と、圧縮機部分に機械的に連結されたタービン部分と、圧縮機部分及びタービン部分に流体連通された燃焼器組立体とを有する。燃焼器組立体は、燃焼器本体及び燃焼器本体内に配置された燃焼器ライナを含む。燃焼器ライナは、ヘッド側端部及び放出端部を備えた燃焼チャンバを画定している。複数個の燃焼器ノズルが燃焼器チャンバのヘッド側端部のところに環状アレイの状態で配置され、流体送り出しノズルが燃焼器チャンバのヘッド側端部で環状アレイ内の実質的に中央に配置されている。流体送り出しノズルは、第１の端部分を有し、第１の端部分は、複数個の燃焼器ノズルの２つの隣り合うノズルに流体連通された複数個の燃焼器ノズル出口を有する壁部分を通って第２の端部分まで延びている。壁部分は、第２の端部分に形成された第１の燃焼チャンバ出口及び第２の端部分に隣接して壁部分に形成された第２の燃焼チャンバ出口を有する。少なくとも１つの追加の不燃性流体出口が燃焼チャンバのヘッド側端部に隣接して燃焼器ライナに形成され、少なくとも１つの追加の不燃性流体出口は、不燃性流体を複数個の燃焼器ノズルの隣り合う燃焼器ノズル相互間に向かって送り出すよう構成されると共に配置されている。

これら利点及び特徴及び他の利点及び特徴は、図面と関連して行われる以下の説明から明らかになる。

本発明と見なされる主題は、明細書の結論のところに位置する特許請求の範囲に具体的に指摘されると共に明確に記載されている。本発明の上記特徴及び利点並びに他の特徴及び利点は、添付の図面と関連して行われる以下の詳細な説明から明らかである。

例示の実施形態としての燃焼器組立体を有するターボ機械の略図である。 例示の実施形態としての燃焼器組立体の部分断面図である。 図２の燃焼器組立体の端面図である。 例示の実施形態の燃焼器組立体の流体送り出しノズルの詳細図である。

詳細な説明は、本発明の実施形態を一例として図面を参照して利点及び特徴と共に開示する。

図１及び図２を参照すると、例示の実施形態に従って構成されたターボ機械の全体が符号２で示されている。ターボ機械２は、タービン部分６に作動的に連結された圧縮機部分４を有する。燃焼器組立体８は、圧縮機部分４及びタービン部分６に流体連通されている。燃焼器組立体８は、複数個の円周方向に間隔をおいて配置された燃焼器で構成され、これら燃焼器の１つは、符号１０で示されている。当然のことながら、燃焼器組立体８は、他の構成の燃焼器を含んでも良いことは理解されるべきである。この構成により、圧縮機部分４は、圧縮空気を燃焼器組立体８に送る。圧縮空気は、可燃性流体又は燃料と混合され可燃性混合気を生じさせる。可燃性混合気を燃焼器１０内で燃焼させて燃焼生成物又は高温ガスが生じさせ、この燃焼生成物又は高温ガスが、尾筒１４を通ってタービン部分６に送られる。高温ガスは、ガス経路（別個にラベル表示されてはいない）に沿ってタービン部分６を通って膨張し、それにより例えば発電機、ポンプ、車両等（これらも又図示されてはいない）に動力供給する。

例示の実施形態によれば、燃焼器１０は、燃焼器本体２０を有し、この燃焼器本体内に燃焼器ライナ又は内筒２４が配置されている。燃焼器ライナ２４は、通路２６を構成するよう燃焼器本体２０から間隔をおいて配置されている。燃焼器ライナ２４は、燃焼器キャップ３４を備えた第１の即ちヘッド側の端部３２と、尾筒１４に流体連通された第２の即ち放出側の端部３７とを備えた燃焼チャンバ３０を画定している。燃焼器１０は、ヘッド側端部３２のところに配置された複数個の燃焼器ノズル４４〜４９を有している。燃焼器ノズル４４〜４９は、中央領域（別個にラベル表示されてはいない）を有する環状のアレイの状態に配列されている。

図示の例示の実施形態では、燃焼器ノズル４４は、中央放出部分５３を包囲した外側ノズル部分５２を有している。外側ノズル部分５２は、流体キャビティ５５を形成するよう中央放出部分５３から間隔をおいて位置している。以下に十分に説明するように、流体キャビティ５５は、不燃性流体、例えば空気、水蒸気及び／又は不活性ガスを受け入れる。不燃性流体は、燃料入口５６を通って受け入れられた可燃性流体と混合し、流体入口５６は、燃焼器キャップ３４を貫通している。可燃性流体は、中央放出部分５３を通って不燃性流体と混合し、それにより可燃性混合気を形成する。不燃性流体は又、燃焼器ノズル４４に対して冷却作用を及ぼす。上述の仕方と類似した仕方で、燃焼器ノズル４５は、外側ノズル部分５７、中央放出部分５８及び流体キャビティ６０を有し、燃焼器ノズル４６は、外側ノズル部分６２、中央放出部分６３及び流体キャビティ６５を有し、燃焼器ノズル４７は、外側ノズル部分６８、中央放出部分６１及び流体キャビティ７１を有し、燃焼器ノズル４８、外側ノズル部分７３、中央放出部分７４及び流体キャビティ７６を有し、燃焼器ノズル４９は、外側ノズル部分７８、中央放出部分７９及び流体キャビティ８０を有する。

さらに、例示の実施形態によれば、燃焼器１０は、ヘッド側端部３０に配置されると共に燃焼器ノズル４４〜４９の中央領域（別個にラベル表示されてはいない）内に位置決めされた流体送り出しノズル９０を有する。流体送り出しノズル９０は、不燃性流体入口９２に流体連通され、この流体送り出しノズルは、第１の端部分９８を備えたノズル本体９４を有し、第１の端部分９８は、壁部分１００を通って第２の端部分９９まで延びている。流体送り出しノズル９０は、壁部分１００に形成された複数個の燃焼器ノズル出口を有し、これら燃焼器ノズル出口の１つが符号１１０で示されている。流体送り出しノズル９０は、第１の複数個の燃焼チャンバ出口（これらの１つが符号１１３で示されている）、第２の複数個の燃焼チャンバ出口（これらの１つが符号１１５で示されている）及び壁部分１００に設けられた第３の複数個の燃焼チャンバ出口１１７を更に有している。第１の複数個の燃焼チャンバ出口１１３は、壁部分１００に形成された開口部（別個にラベル表示されてはいない）の形態をしている。ノズル本体９０の周りに延びる単一の列の状態で示されているが、第１の複数個の燃焼チャンバ出口１１３の個数又は列及びサイズは、様々であって良い。第２の複数個の燃焼チャンバ出口１１５は、複数個の開口部１２２を有する小形しみ出しプレート１２０の形態をしている。第３の複数個の燃焼チャンバ出口１１７は、燃焼器ノズル出口１１０と第１の燃焼チャンバ出口１１３との間で壁部分１００に形成された開口部１２５の形態をしている。開口部１２５は、壁部分１００の外面（別個にラベル表示されてはいない）に設けられた１対の流れの向きを変える要素のところに形成され、１対の流れの向きを変える要素の一方が符号１２８で示されている。

この構成により、可燃性流体又は燃料が燃料出口５６を通って燃焼器ノズル４４〜４９に向かって通される。燃料は、各中央放出部分５３，５８，６３，６９，７４から流れる。ほぼそれと同時に、不燃性流体又は空気が不燃性流体入口９２を通って流体送り出しノズル９０に向かって通される。不燃性流体は、ノズル本体９４に沿って流れ、そして燃焼器ノズル出口１１０を通って各流体キャビティ５５，６０，６５，７１，７６中に流れる。具体的に説明すると、燃焼器ノズル出口１１０は、不燃性流体を燃焼器ノズル４４〜４９の２つの隣り合うノズル中に送り込むよう構成されている。この構成により、不燃性流体は、特定の向きで各流体キャビティ５５，６０，６５，７１，７６に入る。例えば、流体キャビティ５５に入った不燃性流体は、反時計回りの渦流状態で流れるのが良く、又、不燃性流体は、流体キャビティ６０に例えば図３に示すように時計回りの渦流状態で入るのが良い。かくして、隣り合うノズル中の渦流は、互いに逆の方向に流れる。不燃性流体は、可燃性流体と混合し、そして可燃性混合気として各燃焼器ノズル４４〜４９から流出し、この可燃性混合気は、燃焼チャンバ３０内で燃焼して高温ガスが生じる。高温ガスは、燃焼器１０から尾筒１４中に流れ、そしてタービン部分６の第１段又は初段に向かって進む。

更に、流体ノズル９０に流入した不燃性流体の第２の部分が第１の燃焼チャンバ出口１１３を通り、不燃性流体の第３の部分が第２の燃焼チャンバ出口１１５を通り、そして不燃性流体の第４の部分が第３の燃焼チャンバ出口１１７を通る。第１の燃焼チャンバ出口１１３から流出した不燃性流体の第２の部分は、流体ノズル９０から半径方向に流れて燃焼チャンバ３０内に流入し、そして可燃性混合気と混合してより完全な燃焼を助ける。流体の第３の部分は、第２の燃焼チャンバ出口１１５を通って燃焼チャンバ３０内へ軸方向に流れ、そして小形しみ出しプレート１２０に対して冷却作用を及ぼす。小形しみ出しプレート１２０が設けられていることにより、流れの絞りが生じ、この絞りは、流体ノズル９０内に所望の圧力を生じさせる。最後に、不燃性流体の第４の部分は、第３の燃焼チャンバ出口１１７を通り、そして流れの向きを回路部材１１８に向かって向きが変えられてフィルム冷却流が生じ、このフィルム冷却流は、冷却目的で壁部材１００の外面（別個にラベル表示されてはいない）上をこれに沿って流れる。

可燃性流体と不燃性流体の混合及び燃焼器ノズル４４〜４９及び流体ノズル９０からの流出に加えて、燃焼器１０は、燃焼器ライナ２４に形成された追加の不燃性流体出口１３４を有する。追加の不燃性流体出口１３４は、別の不燃性流体、例えば排ガス（ＥＧ）、水蒸気又は別の不活性ガスを燃焼チャンバ３０内へ案内して燃焼を一段と促進すると共にエミッションの減少をもたらす。追加の不燃性流体出口１３４は、追加の不燃性流体を流体送り出しノズル９０に向かって半径方向内方に差し向ける。具体的に説明すると、追加の不燃性流体出口１３４は、追加の不燃性流体を燃焼器ノズル４４〜４９の隣り合うノズル相互間に案内して可燃性混合気と混合すると共にこれと共に燃焼する。追加の不燃性流体の導入により、燃焼器ライナの内面（別個にラベル表示されてはいない）に対して冷却作用が及ぼされ、更に、ターボ機械２からのエミッションが減少する。燃焼ライナの内面の冷却により、燃焼ライナ及びひいては燃焼器の有効寿命が延びる。即ち、燃焼器の有効寿命を延ばすことによって、コストのかかる保守手順がターボ機械の作動停止時間と共に減少する。更に、追加の不燃性流体と共に流体送り出しノズルにより提供される可燃性流体と不燃性流体の混合により、ガスターボ機械２からのエミッションを減少させる結果をもたらす種々の物質、例えばＣＯ等の完全な燃焼が得られる。

本発明をほんの僅かな実施形態と関連して詳細に説明したが、本発明は、かかる開示した実施形態に限定されることがないということは容易に理解されるべきである。これとは異なり、本発明は、上記において説明していないが、本発明の精神及び範囲に含まれる多くの変形例、変更例、置換例又は均等構成例を含むよう改造可能である。加うるに、本発明の種々の実施形態を説明したが、本発明の観点は、説明した実施形態のほんの幾つかしか含まない場合のあることは理解されるべきである。したがって、本発明の範囲は、上述の説明によってではなく、特許請求の範囲の記載に基づいてのみ定められる。

Claims (17)

1. ターボ機械用燃焼器組立体であって、
   燃焼器本体と、
   前記燃焼器本体内に配置され、ヘッド側端部及び放出端部を備えた燃焼器チャンバを画定する燃焼器ライナと、
   前記燃焼器チャンバの前記ヘッド側端部に環状アレイ状で配置された複数個の燃焼器ノズルと、
   前記燃焼器チャンバの前記ヘッド側端部で前記環状アレイ内の実質的に中央に配置された流体送り出しノズルと、を備え、
   前記流体送り出しノズルは、第１の端部分を有し、前記第１の端部分は、壁部分を介して第２の端部分まで延び、前記壁部分は、少なくとも１つの燃焼チャンバ出口を有し、前記壁部分は、前記複数個の燃焼器ノズルに流体連通された複数個の燃焼器ノズル出口を有し、前記複数個の燃焼器ノズル出口の１つは、前記複数個の燃焼器ノズルの２つの隣り合うノズルに流体連通されており、前記流体送り出しノズルは、不燃性流体を前記複数個の燃焼器ノズルの少なくとも１つの中に放出するよう構成されている、
   ことを特徴とするターボ機械用燃焼器組立体。
2. 前記少なくとも１つの燃焼チャンバ出口は、前記第２の端部分に形成された第１の燃焼チャンバ出口と、前記第２の端部分に隣接して前記壁部分に形成された第２の燃焼チャンバ出口とを備えている、
   請求項１に記載のターボ機械用燃焼器組立体。
3. 前記流体送り出しノズルの前記第１の燃焼チャンバ出口は、前記第２の端部分に設けられたしみ出しプレートを有し、前記しみ出しプレートは、前記流体送り出しノズルから前記燃焼チャンバ中への流れを部分的に妨げる複数個の開口部を有する、
   請求項２に記載のターボ機械用燃焼器組立体。
4. 前記第２の燃焼チャンバ出口は、前記第２の端部分で前記壁部分に形成された複数個の開口部を有する、
   請求項３に記載のターボ機械用燃焼器組立体。
5. 前記複数個の開口部は、前記第２の端部分で前記壁部分を中心に円周方向に延びている、
   請求項４に記載のターボ機械用燃焼器組立体。
6. 前記燃焼チャンバの前記ヘッド側端部に隣接して前記燃焼器ライナに形成された少なくとも１つの追加の不燃性流体出口を更に含み、前記少なくとも１つの追加の不燃性流体出口は、追加の不燃性流体を前記複数個の燃焼器ノズルに向かって送り出すよう構成される且つ配置されている、
   請求項１に記載のターボ機械用燃焼器組立体。
7. 前記追加の不燃性流体は、排ガス及び不活性ガスの一方を含む、
   請求項６に記載のターボ機械用燃焼器組立体。
8. 前記不燃性流体は、空気である、
   請求項１に記載のターボ機械用燃焼器組立体。
9. 不燃性流体をターボ機械用燃焼器中に導入する方法であって、
   前記ターボ機械用燃焼器の燃焼チャンバ中に延びる流体送り出しノズル中に不燃性流体を送り込むステップと、
   前記不燃性流体の第１の部分を前記流体送り出しノズルの半径方向外方に流して前記流体送り出しノズルの周りにアレイ状に配置された複数個の燃焼器ノズルの少なくとも１つの中に流入させるステップと、を備え、
   前記不燃性流体の第１の部分を前記複数個の燃焼器ノズルの少なくとも１つの中に流入させる前記ステップは、前記流体送り出しノズルの壁に形成された燃焼器ノズル出口を通って前記不燃性流体の前記第１の部分を前記複数個の燃焼器ノズルの２つの隣り合うノズル中に流入させるステップを含み、
   さらに、前記方法は、
   前記流体送り出しノズルの端部のところに形成された燃焼チャンバ出口を通って前記不燃性流体の第２の部分を前記燃焼チャンバ中に流入させるステップを備えている、
   ことを特徴とする方法。
10. 前記不燃性流体の第１の部分を前記複数個の燃焼器ノズルの少なくとも１つの中に流入させる前記ステップは、前記不燃性流体の前記第１の部分を、第１の燃焼器ノズル周りの第１の方向における流れを生じさせる第１の燃焼器ノズル及び第２の燃焼器ノズルの周りの前記第１の方向とは逆の第２の方向における流れを生じさせる第２の燃焼器ノズル中に流入させるステップを含む、
    請求項９に記載の方法。
11. 前記流体送り出しノズルの前記端部に形成された別の燃焼チャンバ出口を通って前記不燃性流体の第３の部分を流すステップを更に含み、前記不燃性流体の前記第２の部分は、前記流体送り出しノズルから前記燃焼チャンバ中に半径方向に流れ、前記不燃性流体の前記第３の部分は、前記流体送り出しノズルから前記燃焼チャンバ中に軸方向に流れる、
    請求項９に記載の方法。
12. 前記ターボ機械用燃焼器のライナを通って追加の不燃性流体を前記流体送り出しノズルに向かって流すステップを更に備えている、
    請求項９に記載の方法。
13. 前記追加の不燃性流体を前記流体送り出しノズルに向かって流す前記ステップは、排ガス及び不活性ガスの一方を前記複数個の燃焼器ノズルの隣り合うノズル相互間に流すステップを含む、
    請求項１２に記載の方法。
14. ターボ機械であって、
    圧縮機部分と、
    前記圧縮機部分に機械的に連結されたタービン部分と、
    前記圧縮機部分及び前記タービン部分に流体連通された燃焼器組立体と、を備え、前記燃焼器組立体は、
    燃焼器本体と、
    前記燃焼器本体内に配置され、ヘッド側端部及び放出端部を備えた燃焼器チャンバを画定する燃焼器ライナと、
    前記燃焼器チャンバの前記ヘッド側端部に環状アレイ状に配置された複数個の燃焼器ノズルと、
    前記燃焼器チャンバの前記ヘッド側端部で前記環状アレイ内の実質的に中央に配置され、第１の端部分を有し、前記第１の端部分は、前記複数個の燃焼器ノズルの２つの隣り合うノズルに流体連通された複数個の燃焼器ノズル出口を有する壁部分を通って第２の端部分まで延び、前記壁部分は、前記第２の端部分に形成された第１の燃焼チャンバ出口及び前記第２の端部分に隣接して前記壁部分に形成された第２の燃焼チャンバ出口を有する流体送り出しノズルと、
    前記燃焼チャンバの前記ヘッド側端部に隣接して前記燃焼器ライナに形成された少なくとも１つの追加の不燃性流体出口であって、不燃性流体を前記複数個の燃焼器ノズルの隣り合う燃焼器ノズル相互間に向かって送り出すよう構成され且つ配置されている少なくとも１つの追加の不燃性流体出口と、を備えている、
    ことを特徴とするターボ機械。
15. 前記流体送り出しノズルの前記第１の燃焼チャンバ出口は、前記第２の端部分のところに設けられたしみ出しプレートを有し、前記しみ出しプレートは、前記流体送り出しノズルから前記燃焼チャンバ中への流れを部分的に妨げる複数個の開口部を有する、
    請求項１４に記載のターボ機械。
16. 前記第２の燃焼チャンバ出口は、前記第２の端部分で前記壁部分に形成された複数個の開口部を有する、
    請求項１５記載のターボ機械。
17. 前記複数個の開口部は、前記第２の端部分で前記壁部分を中心に円周方向に延びている、
    請求項１６記載のターボ機械。