JP7295748B2

JP7295748B2 - ガスタービン燃焼室

Info

Publication number: JP7295748B2
Application number: JP2019165461A
Authority: JP
Inventors: ジャマン・エル・マサルメ; シュテファン・クラウス; ヤン－ニクラス・ブレイル
Original assignee: MAN Energy Solutions SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2018-10-17
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2023-06-21
Anticipated expiration: 2039-09-11
Also published as: DE102018125698A1; US11592181B2; US20200124283A1; GB201914751D0; SE1930322A1; CN111059572A; GB2583390B; CN111059572B; SE544232C2; JP2020076564A; GB2583390A

Description

本発明は、ガスタービン燃焼室に関するものである。

特許文献１から、燃焼室ハウジングを有し、少なくとも部分的に燃焼室ハウジング内に配置されたバーナーを有し、かつ燃焼室ハウジング内に配置された火炎管を有するガスタービン燃焼室が公知となっている。バーナーのうち、いわゆる渦流発生器が公知となっており、当該渦流発生器を介して、燃料と空気とが、燃料と空気との混合物を火炎管に供給するために混合できる。火炎管の上流端には、いわゆる火炎管カバーが配置される。火炎管カバーの領域には、半径方向内側において火炎管カバーに隣接してバーナーの混合管が延在しており、バーナーの混合管は、少なくとも部分的にガスタービン燃焼室の予主要燃焼領域を画定する。ガスタービン燃焼室のこの予主要燃焼領域の後には、ガスタービン燃焼室のうち、火炎管によって画定される主要燃焼領域が続く。

特許文献１から公知のガスタービン燃焼室において、燃焼室ハウジングは、複数の開口部を有するいわゆるバッフルグリッドを形成し、圧縮空気が、当該バッフルグリッドを通って流れ、冷却のために火炎管に衝突する。火炎管のこうした冷却によって、ガスタービン燃焼室の耐用期間が延びる。

独国特許出願公開第１０２００６０４２１２４号明細書

ガスタービン燃焼室の耐用期間をさらに延ばすために、ガスタービン燃焼室のアセンブリの冷却を改善することが必要とされている。

これから出発して、本発明の目的は、新しいタイプのガスタービン燃焼室を作り出すことに基づいている。この目的は、請求項１に記載のガスタービン燃焼室によって達成される。本発明に基づくガスタービン燃焼室は、燃焼室ハウジングと、少なくとも部分的に燃焼室ハウジング内に配置されるバーナーと、燃焼室ハウジング内に配置される火炎管とを備えており、火炎管は、ガスタービン燃焼室の主要燃焼領域を画定する。火炎管の上流端には、火炎管カバーが配置される。火炎管カバーに半径方向内側に隣接して、バーナーの混合管が、火炎管カバーの領域内に延在しており、当該混合管は、少なくとも部分的にガスタービン燃焼室の予主要燃焼領域を画定する。バーナーの混合管と火炎管カバーとの間には、軸線方向空気流路が形成され、軸線方向空気流路を介して、混合管を冷却するための空気を、混合管に沿って軸線方向外側に誘導できる。火炎管カバーには、半径方向空気流路が導入されており、半径方向空気流路を介して、軸線方向空気流路を進んだ空気を、火炎管カバーを冷却するために火炎管カバーの半径方向に誘導できる。

ガスタービン燃焼室は、全体的に新しいタイプの冷却コンセプトを有する。少なくとも部分的にガスタービン燃焼室の予主要燃焼領域を画定するバーナーの混合管と、火炎管カバーのうち混合管の周りにおいて少なくとも部分的に半径方向外側に延在する部分と、の間において、軸線方向空気流路が形成される。混合管を冷却するため、空気は、この軸線方向空気流路を介して、混合管に沿って軸線方向外側に流れる。半径方向空気流路が、火炎管カバーに導入されている。軸線方向空気流路を介して流れる空気は、火炎管カバーを冷却するために火炎管カバーを通って半径方向に誘導されるべく、火炎管カバーを冷却するための軸線方向空気流路に続いて半径方向空気流路に入る。これによって、混合管と火炎管との効果的な冷却を保証できるだけでなく、冷却に必要な空気量も少なくなる。

優先的には、半径方向空気流路の入口開口部は、火炎管カバーの半径方向内側側面に形成されており、当該入口開口部を介して、空気が、軸線方向空気流路から半径方向空気流路へ移動する。主要燃焼領域に面する火炎管カバーの軸線方向表面において、当該軸線方向表面の半径方向外側部分に半径方向空気流路の出口開口部が形成されており、当該出口開口部を介して、空気が、半径方向空気流路を出て、主要燃焼領域に入る。半径方向空気流路は、火炎管カバー内で、半径方向空気流路の半径方向内側入口開口部と、半径方向空気流路の半径方向外側出口開口部と、の間に延在する。この構成は有利である。火炎管カバーの内側側面に形成された、すなわち、火炎管カバーのうち混合管周りで半径方向外側に延在する特定の部分の半径方向内側側面に形成された、半径方向空気流路の入口開口部を用いることで、軸線方向空気流路から放出された空気は、規定の様式で半径方向空気流路に入ることができる。火炎管カバーの軸線方向表面に形成された出口開口部を用いることで、加熱された空気は、最終的に、火炎管によって画定されるガスタービン燃焼室の主要燃焼領域、すなわち、炎から距離を置いた領域に入り、その結果、ＣＯ排出量を削減できる。半径方向空気流路は、半径方向において入口開口部と出口開口部との間に延在しており、火炎管カバーの半径方向の広がりを介して、火炎管カバーの効果的な冷却を可能にする。

優先的には、混合管と火炎管カバーとの間の軸線方向空気流路の下流端に、シールが配置される。シールを用いることで、軸線方向空気流路を介して誘導された空気が、半径方向空気流路を介して誘導されるが、軸線方向空気流路から放出された空気が主要燃焼領域に直接移動しないことが保証される。

有利なさらなる展開例によれば、バーナーは、入口リングを備えており、当該入口リングを介して、空気は、バーナーの混合管と火炎管カバーとの間に形成された軸線方向空気流路に入る、すなわち、空気は、入口リングの半径方向の開口部を介して半径方向に流れる。これによって、空気を規定の様式で軸線方向空気流路に供給できる。

本発明の好ましいさらなる展開例は、従属請求項および以下の説明から得られる。本発明の例示的な実施形態は、図面を用いてより詳細に説明されるが、これに限定されない。

本発明に基づくガスタービン燃焼室の抜粋を示す概略断面図である。図１の線II－IIの断面図である。

図１は、本発明に基づくガスタービン燃焼室１０の抜粋による概略断面図を示す。

ガスタービン燃焼室１０は、燃焼室ハウジング１１を備えており、燃焼室ハウジング１１は、バッフルグリッドを含むこともできる。燃焼室ハウジング１１内には、バーナー１２が少なくとも部分的に配置されており、バーナー１２のうち、バーナー蓋１３と渦流発生器１４とが図示されている。渦流発生器１４では、燃料と空気との混合物Ｇを提供するために、空気と燃料とが混合される。

燃焼室ハウジング１１内には、火炎管１５がさらに配置される。火炎管１５は、燃焼室１０の主要燃焼領域１６を画定する。火炎管１５の上流端には、火炎管カバー１７が配置される。火炎管カバー１７は、本質的に、２つの部分１７ａ、１７ｂを備える。

部分１７ａは、主要燃焼領域１６に面する軸線方向表面１８を有する板状部分である。部分１７ｂは、管状部分であり、その内側をバーナー１２の混合管１９が延在する。火炎管カバー１７の部分１７ｂは、少なくとも部分的に半径方向外側においてバーナー１２の混合管１９を包囲する。

混合管１９と火炎管カバー１７の部分１７ｂとの間には、軸線方向空気流路２０が形成されており、混合管１９を冷却するため、空気Ｌが、軸線方向空気流路２０を通って混合管１９に沿って軸線方向に誘導される。この軸線方向空気流路２０内に延びる矢印は、混合管１９に沿って外側で軸線方向空気流路２０を通る軸線方向の空気Ｌの流れを示す。

バーナー１２の混合管１９は、少なくとも部分的に、ガスタービン燃焼室１０のいわゆる予主要燃焼領域２１を画定しており、予主要燃焼領域２１は、ガスタービン燃焼室１０の主要燃焼領域１６の上流に配置される。

火炎管カバー１７には、すなわち火炎管カバー１７の部分１７ａには、半径方向空気流路２２が導入される。混合管１９を冷却するために軸線方向空気流路２０を介して流れる空気Ｌは、軸線方向空気流路２０に続いて、火炎管カバー１７を冷却するために、すなわち火炎管カバー１７の部分１７ａを冷却するために、半径方向空気流路２２を介して火炎管カバー１７を通るよう半径方向に流れ、半径方向空気流路２２は、火炎管カバー１７の半径方向内側部分から始まり、火炎管カバー１７の半径方向外側部分の方向に延在する、すなわち図２によれば、優先的に湾曲つまり曲がるようにあるいはらせん状に、延在する。

図１から明らかなように、半径方向空気流路２２の入口開口部２４は、火炎管カバー１７の半径方向内側側面２３に、すなわち火炎管カバー１７の部分１７ｂに形成されており、入口開口部２４を介して、空気Ｌが、軸線方向空気流路２０から半径方向空気流路２２に移動する。主要燃焼領域１６に面する火炎管カバー１７の軸線方向表面１８、すなわち火炎管カバー１７の部分１７ａには、半径方向空気流路２２の出口開口部が形成されている（図１および図２では視認できない）。これら出口開口部を介して、半径方向空気流路２２を介して誘導された空気Ｌは、半径方向空気流路２２を出て、燃焼室１０の主要燃焼領域１６に入り、図１においては矢印が、半径方向空気流路２２の出口開口部から出た空気Ｌを示す。したがって、空気は、半径方向外側で火炎管１５に隣接する火炎管カバー１７から、すなわち主要燃焼領域１６のうち炎から距離を置いた領域に流出する。これは、ＣＯ排出量に有益な影響を与える。ＣＯ排出量を削減できる。

半径方向空気流路２２は、軸線方向空気流路２０から始まって、出口開口部の方向に延在し、火炎管カバー１７の部分１７ａ内で広がり、かつ半径方向内側入口開口部２４と半径方向外側出口開口部との間で完了する（それら開口部の間に限られている）よう設計されている。すでに説明したように、図２によれば、半径方向空気流路２２は、優先的に、曲がった経路またはらせん状の経路をたどる。空気は、まず混合管１９と火炎管１７の部分１７ｂとの間の軸線方向空気流路２０を介して流れ、続いて火炎管カバー１７の部分１７ａの半径方向空気流路２２を介して流れ、バーナー１２の入口リング２６を介して軸線方向空気流路２０に入る。

入口リング２６は、半径方向開口部２７を有しており、空気Ｌは、入口リング２６の半径方向開口部２７を介して、図１で見られる矢印の方向において、軸線方向空気流路２０に入る。これは、軸線方向空気流路２０の上流端に存在する。

軸線方向空気流路２０の下流端には、シール２８が配置されており、当該シール２８によって軸線方向空気流路２０はその下流端でシールされる。これによって、最初に軸線方向空気流路２０を介して導かれる空気が、特に空気が軸線方向空気流路２０に続いて半径方向空気流路２２を介して流れる場合だけでなく、半径方向空気流路２２に入るが主要燃焼領域１６に直接流入しないことが保証される。

シール２８は、優先的には、ピストンリングシールである。

図２は、火炎管カバー１７を通る、すなわち火炎管カバー１７の部分１７ａを通る断面ＩＩ－ＩＩを示しており、図２において、この断面は、半径方向空気流路２２を通り、かつシール２８と混合管１９の隣接部分とを通って延在する。半径方向空気流路２２の曲がった経路は、図２から明らかであり、火炎管カバー１７の部分１７ａを介して半径方向内側から半径方向外側に延在する。火炎管カバー１７の部分１７ａには、半径方向空気流路２２に半径方向外側において隣接するフランジ部２５が形成され、フランジ部２５を介して、火炎管カバー１７を火炎管１５にねじ留め可能である。

火炎管カバー１７は、優先的には、ジェネレーティブ製造法を用いて、すなわち３Ｄ印刷によって生成された構成要素である。ジェネレーティブ製造法では、例えばレーザーベースのパウダーベッド融合法、レーザービーム溶融法（ＬＢＭ）、または選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）を使用できる。

したがって、本発明によって、混合管１９の冷却に役立つ空気を、混合管１９に続いて火炎管カバー１７も冷却するために、火炎管カバー１７を通るよう誘導できる。それゆえ、混合管１９および火炎管カバー１７を冷却するためにまったく同一の空気が利用される。これによって、比較的少量の空気で効果的な冷却を確実にすることができる。加えて、バーナーへの空気が多くなると、ＮＯｘが削減される。

規定された空気の誘導によって、ＣＯ排出量を削減できる。軸線方向空気流路２０および半径方向空気流路２２を介して誘導された空気は、火炎管カバー１７の半径方向外側部分に流入し、そして火炎管カバー１７の半径方向外側部分から流出し、その結果、半径方向外側部分においてすなわち炎から離れて主要燃焼領域１６に流入し、その結果、ＣＯ排出量が削減できる。

１０ガスタービン燃焼室
１１燃焼室ハウジング
１２バーナー
１３バーナー蓋
１４渦流発生器
１５火炎管
１６主要燃焼領域
１７火炎管カバー
１７ａ部分
１７ｂ部分
１８軸線方向表面
１９混合管
２０軸線方向空気流路
２１補助的な主要燃焼領域
２２半径方向空気流路
２３側面
２４入口開口部
２５フランジ部
２６入口リング
２７開口部
２８シール

Claims

ガスタービン燃焼室（１０）であって、
燃焼室ハウジング（１１）を有し、
少なくとも部分的に前記燃焼室ハウジング（１１）内に配置されたバーナー（１２）を有し、
前記ガスタービン燃焼室（１０）の主要燃焼領域（１６）を含む、前記燃焼室ハウジング（１１）内に配置された火炎管（１５）を有し、
前記火炎管（１５）の上流端には、火炎管カバー（１７）が配置され、
前記火炎管カバー（１７）の領域には、前記火炎管カバー（１７）に半径方向内側に隣接して、前記バーナー（１２）の混合管（１９）が延在しており、前記混合管（１９）は、少なくとも部分的に前記ガスタービン燃焼室（１０）の予主要燃焼領域（２１）を画定し、
前記バーナー（１２）の前記混合管（１９）と前記火炎管カバー（１７）との間には、軸線方向空気流路（２０）が形成されており、前記軸線方向空気流路（２０）を介して、前記混合管（１９）を冷却するために、空気を、前記混合管（１９）の径方向外側に沿って軸線方向に誘導でき、
半径方向空気流路（２２）が前記火炎管カバー（１７）に設けられており、前記半径方向空気流路（２２）を介して、前記軸線方向空気流路（２０）に続いて、空気を、前記火炎管カバー（１７）を冷却するために前記火炎管カバー（１７）の半径方向に誘導できることを特徴とするガスタービン燃焼室。
前記火炎管カバー（１７）の半径方向内側側面（２３）上に、前記半径方向空気流路（２２）の入口開口部（２４）が形成されており、
前記入口開口部（２４）を介して、前記軸線方向空気流路（２０）からの空気が、前記半径方向空気流路（２２）に移動することを特徴とする請求項１に記載のガスタービン燃焼室。
前記主要燃焼領域（１６）に面する前記火炎管カバー（１７）の軸線方向表面（１８）に、前記半径方向空気流路（２２）の出口開口部が形成されており、
前記出口開口部を介して、空気が、前記半径方向空気流路（２２）から出て、前記主要燃焼領域（１６）に入ることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスタービン燃焼室。
前記半径方向空気流路（２２）の前記出口開口部は、前記火炎管カバー（１７）の前記軸線方向表面（１８）の半径方向外側部分に形成されていることを特徴とする請求項３に記載のガスタービン燃焼室。
前記半径方向空気流路（２２）は、前記火炎管カバー（１７）の範囲内で、前記半径方向空気流路（２２）の半径方向内側入口開口部（２４）と、前記半径方向空気流路（２２）の半径方向外側出口開口部と、の間に延在することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のガスタービン燃焼室。
前記半径方向空気流路（２２）は、前記半径方向空気流路（２２）の半径方向内側入口開口部（２４）と、前記半径方向空気流路（２２）の半径方向外側出口開口部との間に限られていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のガスタービン燃焼室。
前記半径方向空気流路（２２）の半径方向内側入口開口部（２４）と、前記半径方向空気流路（２２）の半径方向外側出口開口部との間の前記半径方向空気流路（２２）は、湾曲経路またはらせん状の経路をたどることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のガスタービン燃焼室。
前記バーナー（１２）は、入口リング（２６）を備えており、
前記入口リング（２６）を介して、空気が、前記バーナー（１２）の前記混合管（１９）と前記火炎管カバー（１７）との間に形成された前記軸線方向空気流路（２０）に入ることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のガスタービン燃焼室。
前記入口リング（２６）は、半径方向開口部（２７）を有しており、
前記半径方向開口部（２７）を介して、空気が、半径方向において、前記軸線方向空気流路（２０）に入ることを特徴とする請求項８に記載のガスタービン燃焼室。
前記混合管（１９）と前記火炎管カバー（１７）との間において前記軸線方向空気流路（２０）の下流端には、シール（２８）が配置されていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のガスタービン燃焼室。
前記火炎管カバー（１７）は、ジェネレーティブ製造法を用いて、すなわち３Ｄ印刷によって生成されることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のガスタービン燃焼室。