JPH02187520A - ガスタービンの燃焼室 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 １班ム挺Ｉ この発明は、ガスタービンエンジン燃焼器に関するもの
であり、さらに詳しく言うと、燃焼室内に空気を導くた
めに用いられる空気取入口の冷却に関するものである。

見凱辺１遣 ガスタービンにおいて高い燃焼効率を得るためには、燃
焼室内がより高い温度であることが望まれる。このよう
なより高い温度で使用すると、燃焼室の壁は熱応力およ
び熱歪を受は易い。また、経済的な理由により、純燃料
よりもむしろ不純物を多く含んだ重質燃料もしくは残留
燃料を燃やすことがしばしば望まれる。この重質燃料は
燃焼室の壁に実質的により多くの熱を加えるので、燃焼
器の寿命および信頼性は減少する。

一方、それらの問題を解決するために、セラミック製の
燃焼室の壁の使用が提案されていたが、たいがいの燃焼
室の壁は金属材料で構成されたままである。

それらの問題の他の解決策は、燃焼室の壁により多くの
冷却した空気を導くことである。しかしながら、このよ
うな空気量の増大は、ガスがタービン羽根に導かれたと
きに、ガスの温度分布パターンに対して悪影響を与える
ことになる。なぜならば、冷却空気が流れる羽根端部と
その羽根の中心部との間に大きな温度差が生じ、羽根に
大きな熱応力と熱歪とを生じさせることになるからであ
る。

燃焼器バスケットの壁に対する冷却が改良されたガスタ
ービンについては、１９７５年８月１９日に発行された
ステファンアール、パーカー（ＳｔｅｐｈｅｎＲ，Ｐｍ
ｒｋｅｒ）の米国特許第３，８９９，８８２号明細書に
記載されている。そこに記載された燃焼器は、燃焼器の
壁の回りに環状の配列で配設された複数個の燃焼空気オ
リフィス即ち開口部を有している。空気取入口として知
られた開口部は、管部分、はぼ環状のフランジ部分およ
び燃焼器の壁と空気取入口の環状のフランジ部分との間
に配設された中間スペーサーからなっている。空気の流
れおよび燃焼器バスゲットの壁の冷却を可能にする空気
取入口の下流側には弓形の間隙が設けられている。燃焼
室内で半径方向内側に延びた空気取入口の管部分により
、燃料の燃焼と燃焼生成物の混斤とのために燃焼器の内
部に多少の空気が強制的に入れられる。

米国特許第３，８９９，８８２号明細書の燃焼室の特徴
は、燃焼器バスケットの壁を冷却することおよび燃料を
燃やすために使用される空気を燃焼室内に導入すること
を可能にすることであるが、空気取入口の管部分が燃え
てしまうことによって、修理に費用が多くかかり、かつ
顧客に不満を与えるという問題がある。空気取入口の管
部分が燃えるのは、燃焼室内に存在する酸化雰囲気中で
の過大の温度のためである。空気取入口の管部分を通っ
て流れる空気は、部分的な分離のために、管部分の金属
の冷却を維持しておくことはできない。空気取入口の環
状フランジ部分と管部分との間の連結部に存在する先の
尖ったアールはそのような分離を助長している。

この発明の目的は、燃焼室の壁を貫通する空気取入口を
有するガスタービン燃焼室を提供して、冷却される空気
取入口により、空気取入口内部での空気の部分的な分離
を阻止して、燃焼室内への空気流の制御を改良すること
である。

ｌ肌圓凛Ｉ かかる目的から、この発明では、上流端に燃料を入れる
燃料供給手段と、下流端から高温ガスを排出するための
排出手段とを有するガスタービン燃焼室において、燃焼
室の壁は、壁を貫通する開口部と、燃焼室内に空気を向
けるために同開口部を通して設けられた特有な構造の空
気取入口とを有している。

空気取入口は、内部円筒部と燃焼室の外表面に固着され
た第１の外側フランジ部とを有する外管部材と、外管部
材の内部円筒部の内径よりも小さな外径の内部円筒部を
有し、外管部材の中に同軸に位置決めされた内管部材と
を有している。従って、両管部材の間に環状の空気流通
路が形成される。内管部材は、外管部材の第１の外側７
ランジ部の上に位置した第２の外側フランジ部を有して
いる。冷却空気が第１の外囲フランジ部および第２の外
側フランジ部との間を流れ、また環状の空気流通路を通
って燃焼室内に流れるように、第１の外側フランジ部と
第２の外側フランジ部との間には少なくとも一つのスペ
ーサーが設けられ、それらに固着される。

内管部材を通る改良された空気流は、内管部材の内部円
筒部を所定内径にするとともに、内部円筒部と第２の外
側フランジ部との間に、内管部材の所定内径の少なくと
も約１７３の半径を有する半径方向外側に延びる弓形部
を設けることによって、得られる。

ゝｔ　　　の二重 第１図には、符号３で表示された燃焼装置を有するガス
タービン発電機プラント１の一部分が示されている。し
かし、この燃焼装置は図示以外の任意の型式のガスター
ビン発電機プラントとともに使用しうる。ガスタービン
発電機プラント１は、空気を燃焼装置３に向けるための
軸流空気圧縮機５と、燃焼装置３に接続され発電機プラ
ントを動作させるために燃焼装置から高温燃焼生成物を
受は取るガスタービン７とを含んでいる。

発電機プラントおよび燃焼装置の下半分部分は、発電機
プラントの中心線ＲＲ’即ち回転軸心の周りでその上半
分部分と実質的に同一であり、また対称的であるので、
それらの上半分部分だけが示されている。

空気圧＄９１（１１５は、その技術ではよく知られてい
ることであるが、多段羽根付きロータ９を有している。

この多段羽根付きロータ９は、それと同数の多段固定羽
根１１を有するステーターと共働して、同ロータおよび
ステーターを通るように流れる空気を、燃焼装置３内で
の適する圧力値まで圧縮する。空気圧縮機５の出口部は
、ハウジング１７により部分的に画定された充気室１５
のための通風孔を形成する環状拡散部１３に向けられて
いる。ハウジング１）は、円形断面で円筒形状をしてお
り発電機プラント１の中心線ＲＲ−と平行の外殻即ち燃
焼室壁１９と、空気圧縮機５の外箱に接続された前方丸
屋根形状の壁２１と、ガスタービン７の外箱に接続され
た後方環状壁２３とを含んでいる。

上で述べたように、このガスタービン７は、軸流型のも
のであり、タービンロータ２９に収り付けられた複数個
の回転羽根２７と協働的に関連された、それと同数複数
個の固定羽根２５の列によって形成された複数個の膨張
段を含んでいる。タービンロータ２９は空気圧縮機のロ
ータ９多こ管状接続軸３１により接続されている。また
、管状ライナー即ちフェアリング３３が接続軸３１に固
定的に散り囲んだ関係で適当に支持されているので、空
気圧縮機の環状拡散部１３から充気室１５に入る空気に
対しては円滑な空気流表面を提供することになる。

ハウジング１７内部には、入れ子式の複数個の細長い管
状の燃焼室３５即ち燃焼器が配設されている。

これらの燃焼室３５は、環状で相互に間隔をあけた配列
で、かつ発電機プラントの中心線と同軸の配列で配設さ
れている。また、各燃焼室３５は燃焼室１１９内で互い
に等間隔で配設されている。各燃焼室３５はそれらの軸
がハウジング１７と発電機プラントの中心線Ｒ−Ｒ’と
に実質的に平行になるように配列されている。この発明
は、単体の環状バスケット型あるいはかん型とアンニュ
ラ型との混合した特徴を有するカンニュラ型のような他
の燃焼器にも適用することができる。

燃焼室３５は一つだけが示されているが、他の燃焼室３
５も実質的に同一である。第１図に示されているように
各燃焼室３５は三つの部分、つまり上流の第１の部分３
７、中間の第２の部分３９および下流の移行部分４１か
らなっている。

燃焼装置３の前方壁２１には中心開口部４３が設けられ
ている。燃焼供給手段である燃料インゼクター４５がそ
の中心開口部４３を通って延設されている。

この燃料インゼクター４５には、適当な燃料供給部（図
示せず）に接続された適当な管４７によって燃料が供給
される。そして、その燃料インゼクター４５は、燃焼室
３５の第１の部分３７内に実質的に円錐形状の燃料の霧
を供給するように形成された周知の噴霧タイプのもので
ある。電気式点火装ｒａ４９が燃焼室３５内で燃料と空
気との混合物を点火するために備えられている。　燃焼
室３５の第１の部分３７には断面が円形をした複数個の
ライナ一部分５１があり、図ではそのライナ一部分は円
筒形状をしている。第１の部分３７は段状のライナー構
造になっており、各ライナ一部分５１は、それらの部分
が入れ子式の挿入ができるように、燃焼室３５の上流の
部分よりも下流端部に進むに従ってより大きな円周即ち
直径を有している。幾つかのライナ一部分５１は環状に
配列された開口部５３を有している。この開口部５３を
通じて、充気室１５内から燃料インゼクター４５によっ
て内部に噴射された燃料を燃焼させる燃焼室の第１の部
分３７内に一次空気あるいは二次空気が入れられる。さ
らに、燃焼室３５は環状の列に配列された別の開口部５
３が設けられた第２の部分３９を含んでいる。運転中、
この開口部５３を通じて充気室１５から第２の部分３９
内に二次空気が入れられ、高温のガス状生成物は冷却さ
れて、タービン羽根２５と回転羽根２７とに対して適温
になる。

移行部分４１には、第２の部分３９を取り囲みまた瓜か
に重なって配設された円筒形状の前方部分５５が設けら
れている。また、移行部分４１には後方管部分５フが設
けられている。この後方管部分５フは、円筒形状の前方
部分５５で円形断面からその出口端部５９で弓形断面に
特に変形している。排出手段である出口端部５９の弓形
部は他の燃焼室３５（図示せず）の出口端部と接続され
ているので、完全な環輪が、各燃焼室３５からガスター
ビン７の羽根２５．２７に燃焼による高温生成物を入れ
るために備えられ、それにより作動ガスはガスタービン
７の全周囲からその内部に入れられる。

この発明によると、空気取入口６１が少なくとも一つの
開口部５３に設けられている。その空気取入口６１は、
特殊な形状を有する、同軸状に離間した一対の管部材か
らなっている。第２図ないし第５図では、空気取入口６
１が燃焼室３５の壁６３の開口部５３に位置決めされて
いる。その空気取入口６１は外管部材６５、内管部材６
７およびスペーサー６９からなっている。外管部材６５
は内部円筒部７１とその外端７５で外側に延びた第１の
外側フランジ部７３とを有している。そのフランシフ３
は燃焼室３５の壁６３の外表面フ７に溶接のような手段
によって固着されている。

内管部材６７が外管部材６５の内部に、間隔をあけて同
軸に配設されている。内管部材６７は、内部円筒部７１
の内径（１′よりも小さな外径ｄを有する内部円筒部７
９と、外側に延びた第２の外側フランジ部８１とからな
っている。スペーサー６９が外管部材６５の第１の外側
フランジ部７３と内管部材６７の第２の外側フランジ部
８１との間に設けられている。内管部材６）が外管部材
６５と間隔をあけた関係でかつその内部に同軸に配列さ
れ、内管部材６フと外管部材６５との間には環状の空気
流通路８３が形成されている。外管部材６５の第１の外
側フランジ部７３と内管部材６７の第２の外側フランジ
部８１との間のスペーサー６９により、第５図の矢印に
示されているように、冷却空気が第１の外側フランジ部
フ３と第２の外側フランジ部８１との間を通って環状の
空気流通路８３を流れる。

スポット溶接８５のような溶接が燃焼室３５の壁６３の
外表面７７に外管部材６５の第１の外側フランジ部７３
を固着するために用いられている。一方、さらにスポッ
ト溶接８７のような溶接が外管部材６５の第１の外側フ
ランジ部７３と内管部材６７の第２の外側フランジ部８
１との各々にスペーサー６９を固着するために行われて
おり、その溶接により、スペーサー６９は適所に固着さ
れ、また内管部材６７と外管部材６５とが同軸の関係で
配列されて環状の空気流通路８３が形成される。

内管部材６フを通過する、改良された空気流が得られる
ように、内管部材６７は好ましく構成されかつ配列され
る。特に第４図に示されているように、内管部材６７中
で空気流の流線を改良するために、内管部材６７の入口
部での半径は大きくなっている６内管部材６７は（１゛
の内径を有しており、また内部円筒部）９の最初の垂直
部８９と第２の外側７ランジ部８１の最初の水平部との
間の半径Ｒの区域は、半径方向外側に延びた弓形部９３
となっており、内管部材６７の内径〔１′の少なくとも
１／３を値の有している。このような装置を用いること
により、実験によると５内管部材６７を通過する流れ係
数は、圧力が約２８１２−４２１８にｇ／ｍ’Ｇ（約４
−６　ｌｂ／１ｎ２（：）降下する実在の燃焼タービン
において生じる圧力降下での０．９よりも大きい。

空気取入口の管部材の相対寸法の例によると、好適な空
気取入口は、２．４ｃｚでもよいが、約２．５４−３．
５ｃｍ（１−１，３７５ｉｎｃ！＋）の内径ｄ”を有し
ている。

外管部材６５と内管部材６フとの間の環状の空気流通路
８３は約０．１６−０．３２ｃｍ（０，０７５−０，１
２５ｉｎｃｂ）の幅を有している。従って、内径ｄ”の
１７３の値である半径Ｒは約０．８５−１．１６ｃｍ（
０，３３−０，４６ｉｎｃｈ＞あるいはそれ以上である
。試作品での３００時間の運転後における調査結果は有
望なものであった。管部材の末端での材料の変色、ある
いは焼損は無かった。また、環状の空気流通路および管
部材の末端には、付着物はなく、これは均一で分離され
ない空気流を示している。

この発明は、ガスタービンの燃焼室内で構成され、配列
され、燃焼室の第１の区域での高温に耐え、また内管部
材に大きな半径を備え、燃焼室内への空気流の調整を改
善する空気取入口を提供する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に従って製作された燃焼室を備えたガ
スタービン発電機プラントの上半分の軸線方向の断面図
、第２図は燃焼室の壁の開口部を通って延びた空気取入
口を示した第１図の実施例の平断面図、第３図は第２図
の■−■線に沿う断面図、第４図は第３図に示された空
気取入口の内管部材の正断面図、第５図は第３図のＶ−
Ｖ線に沿う断面図である。 図において、３５は燃焼室、４５は燃料インゼクター（
燃料供給手段）、５３は開口部、５９は出口端部〈排出
手段）、６１は空気収入口、６３は壁、６５は外管部材
、６７は内管部材、６９はスペーサー、７１は内部円筒
部、７３は第１の外側フランジ部、７９は内部円筒部、
８１は第２の外側フランジ部、８３は空気流通路である
。 ＦＩＧ、２ ＪＣｂ　５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 燃焼室の上流端に燃料を入れる燃料供給手段と、前記燃
   焼室の下流端から高温ガスを排出するための排出手段と
   、外表面と同外表面を貫いた開口部を有する燃焼室壁と
   、前記燃焼室内に空気を向けるために前記開口部に通し
   て設けられた空気取入口とを含むガスタービンの燃焼室
   であって、前記空気取入口は、 内部円筒部と、前記燃焼室壁の外表面で前記燃焼室壁に
   固着された第１の外側フランジ部とを有する外管部材と
   、 前記外管部材の前記内部円筒部の内径よりも小さな外径
   を有し、外管部材の中に間隔をおいた関係で同軸に位置
   決めされて、環状の空気流通路を形成する内部円筒部と
   、前記外管部材の前記第１の外側フランジ部の上に位置
   した第２の外側フランジ部とを有する内管部材と、 前記第１の外側フランジ部と前記第２の外側フランジ部
   との間に配設されるとともに、前記第１の外側フランジ
   部および前記第２の外側フランジ部に固着されて、冷却
   空気が前記第１の外側フランジ部および前記第２の外側
   フランジ部との間を流れ、前記環状の空気流通路を通っ
   て前記燃焼室内に流れるように適合された少なくとも一
   つのスペーサーと からなっているガスタービンの燃焼室。