JPH1038276A - ガスタービン用高温ガス制御構造 - Google Patents
ガスタービン用高温ガス制御構造Info
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- JPH1038276A JPH1038276A JP9089835A JP8983597A JPH1038276A JP H1038276 A JPH1038276 A JP H1038276A JP 9089835 A JP9089835 A JP 9089835A JP 8983597 A JP8983597 A JP 8983597A JP H1038276 A JPH1038276 A JP H1038276A
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/002—Wall structures
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
- B23P11/00—Connecting or disconnecting metal parts or objects by metal-working techniques not otherwise provided for
- B23P11/02—Connecting or disconnecting metal parts or objects by metal-working techniques not otherwise provided for by first expanding and then shrinking or vice versa, e.g. by using pressure fluids; by making force fits
- B23P11/025—Connecting or disconnecting metal parts or objects by metal-working techniques not otherwise provided for by first expanding and then shrinking or vice versa, e.g. by using pressure fluids; by making force fits by using heat or cold
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
- B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
- B23P2700/00—Indexing scheme relating to the articles being treated, e.g. manufactured, repaired, assembled, connected or other operations covered in the subgroups
- B23P2700/13—Parts of turbine combustion chambers
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】フィルム冷却が極端に制限されるか、できない
かもしれない場合に、用いるガスタービン用高温ガス制
御構造を提供する。 【解決手段】ガスタービンの燃焼器／遷移部材が、軸方
向の複数の冷却路を有する二重壁構造を含み、ある場合
には、円周方向横断流通路が構造の内側部材と外側部材
の間に配置されて冷却空気をそれに供し、これら冷却流
通路は共に燃焼器の内側部材と外側部材との間の区域に
形成される。通路は、燃焼器／遷移部材を通る流れの方
向に対して、軸方向及び円周方向の両方向に延在するの
が好ましい。軸方向通路は一端から他端迄全体に延在
し、円周方向通路は燃焼器／遷移部材の周りに延在す
る。二重壁タービン構成要素内の軸方向流冷却材通路に
接続される円周方向に跨る流通路を追加したことは、通
常の非閉塞の場合の冷却に影響を与えずに、軸方向流路
の入り口閉塞による燃焼器／遷移部材の部品の破損を防
ぐことができる。
かもしれない場合に、用いるガスタービン用高温ガス制
御構造を提供する。 【解決手段】ガスタービンの燃焼器／遷移部材が、軸方
向の複数の冷却路を有する二重壁構造を含み、ある場合
には、円周方向横断流通路が構造の内側部材と外側部材
の間に配置されて冷却空気をそれに供し、これら冷却流
通路は共に燃焼器の内側部材と外側部材との間の区域に
形成される。通路は、燃焼器／遷移部材を通る流れの方
向に対して、軸方向及び円周方向の両方向に延在するの
が好ましい。軸方向通路は一端から他端迄全体に延在
し、円周方向通路は燃焼器／遷移部材の周りに延在す
る。二重壁タービン構成要素内の軸方向流冷却材通路に
接続される円周方向に跨る流通路を追加したことは、通
常の非閉塞の場合の冷却に影響を与えずに、軸方向流路
の入り口閉塞による燃焼器／遷移部材の部品の破損を防
ぐことができる。
Description
【０００１】
【関連出願】本出願は、本出願人に同様に譲渡された米
国出願番号０８／６６９，０７０（１９９６年６月２４
日出願）及び米国出願番号０８／６６９，０６９（１９
９６年６月２４日出願）に関連し、その記載をここに参
考にする。
国出願番号０８／６６９，０７０（１９９６年６月２４
日出願）及び米国出願番号０８／６６９，０６９（１９
９６年６月２４日出願）に関連し、その記載をここに参
考にする。
【０００２】
【従来の技術】本願発明は、ガスタービン燃焼器に関
し、特に、フィルム冷却が極端に制限されるか、できな
いかもしれない場合に、用いる改良された燃焼器及び／
又は遷移部材に関する。従来のガスタービン燃焼器は燃
料と空気が別々に燃焼室に入る拡散（即ち、非予混合）
火炎を用いる。
し、特に、フィルム冷却が極端に制限されるか、できな
いかもしれない場合に、用いる改良された燃焼器及び／
又は遷移部材に関する。従来のガスタービン燃焼器は燃
料と空気が別々に燃焼室に入る拡散（即ち、非予混合）
火炎を用いる。
【０００３】混合及び燃焼の過程で華氏３９００度を超
える火炎温度を生じる。ライナーを有する従来の燃焼器
及び／又は遷移部材が一般に耐えることができる最大温
度は華氏１５００度位であるから、燃焼器及び／又は遷
移部材のライナーを保護する手段が取られなければなら
ない。これは典型的にはフィルム冷却によっていたが、
これは燃焼器の外側を囲むプレナムに比較的冷たい圧縮
空気を導入するものである。この従来の構成では、プレ
ナムからの空気はルーバーを通って燃焼器ライナーに入
り、それから、燃焼器の内側表面上をフィルムとして通
過し、これにより燃焼器ライナーの一体性を保持する。
える火炎温度を生じる。ライナーを有する従来の燃焼器
及び／又は遷移部材が一般に耐えることができる最大温
度は華氏１５００度位であるから、燃焼器及び／又は遷
移部材のライナーを保護する手段が取られなければなら
ない。これは典型的にはフィルム冷却によっていたが、
これは燃焼器の外側を囲むプレナムに比較的冷たい圧縮
空気を導入するものである。この従来の構成では、プレ
ナムからの空気はルーバーを通って燃焼器ライナーに入
り、それから、燃焼器の内側表面上をフィルムとして通
過し、これにより燃焼器ライナーの一体性を保持する。
【０００４】二個の原子からなる窒素は３０００°Ｆ
（約１６５０°Ｃ）を越える温度で急速に分解するの
で、高温の拡散燃焼は比較的多くのＮＯx排出をもたら
す。ＮＯx排出を減少させる一手段はできうる限り最大
の量の圧縮空気と燃料を予混合することである。その結
果の希薄な予混合の燃焼はより低い火炎温度を生じ、従
って、ＮＯx排出は低くなる。希薄な予混合燃焼は拡散
燃焼より温度が低いが、依然として従来の燃焼器ライナ
ーには高すぎて耐えられない。しかも、先進の燃焼器
は、ＮＯxを減少させるさせるために、できうる限り最
大の量の圧縮空気と燃料を予混合するので、冷却空気は
ほとんど、或いは全く利用できず、燃焼器ライナーのフ
ィルム冷却を不可能にする。従って、「背面」冷却と関
連して熱障壁被覆のような手段が、燃焼器ライナーを高
熱による破壊から保護する為に考えられた。背面冷却
は、空気と燃料を予混合する前に燃焼器ライナーの外側
表面の上に圧縮空気を通過させるものである。
（約１６５０°Ｃ）を越える温度で急速に分解するの
で、高温の拡散燃焼は比較的多くのＮＯx排出をもたら
す。ＮＯx排出を減少させる一手段はできうる限り最大
の量の圧縮空気と燃料を予混合することである。その結
果の希薄な予混合の燃焼はより低い火炎温度を生じ、従
って、ＮＯx排出は低くなる。希薄な予混合燃焼は拡散
燃焼より温度が低いが、依然として従来の燃焼器ライナ
ーには高すぎて耐えられない。しかも、先進の燃焼器
は、ＮＯxを減少させるさせるために、できうる限り最
大の量の圧縮空気と燃料を予混合するので、冷却空気は
ほとんど、或いは全く利用できず、燃焼器ライナーのフ
ィルム冷却を不可能にする。従って、「背面」冷却と関
連して熱障壁被覆のような手段が、燃焼器ライナーを高
熱による破壊から保護する為に考えられた。背面冷却
は、空気と燃料を予混合する前に燃焼器ライナーの外側
表面の上に圧縮空気を通過させるものである。
【０００５】希薄予混合燃焼は、低温の炎を発生するこ
とによりＮＯx排出を減少させるものである。しかし、
低温は、特に燃焼器ライナーの内側表面或いは壁に沿っ
て、一酸化炭素及び不燃焼炭化水素の酸化を抑制する傾
向があり、これらの物質の許容できない排出をもたら
す。一酸化炭素及び不燃焼炭化水素の酸化をするため
に、表面温度が十分に高く一酸化炭素及び不燃焼炭化水
素の完全な燃焼を保証するようにライナーは極端な厚さ
（５０−１００ミル）の熱障壁被覆を必要とする。この
温度は典型的な長さ及び流れ条件の燃焼器に対して約１
８００−２０００°Ｆになる。しかしこの厚さ及び温度
は材料の性能を越えている。これらの温度で、公知の熱
障壁被覆は許容できない短い時間に劣化し、且つ、その
厚さの被覆は剥離しやすい。
とによりＮＯx排出を減少させるものである。しかし、
低温は、特に燃焼器ライナーの内側表面或いは壁に沿っ
て、一酸化炭素及び不燃焼炭化水素の酸化を抑制する傾
向があり、これらの物質の許容できない排出をもたら
す。一酸化炭素及び不燃焼炭化水素の酸化をするため
に、表面温度が十分に高く一酸化炭素及び不燃焼炭化水
素の完全な燃焼を保証するようにライナーは極端な厚さ
（５０−１００ミル）の熱障壁被覆を必要とする。この
温度は典型的な長さ及び流れ条件の燃焼器に対して約１
８００−２０００°Ｆになる。しかしこの厚さ及び温度
は材料の性能を越えている。これらの温度で、公知の熱
障壁被覆は許容できない短い時間に劣化し、且つ、その
厚さの被覆は剥離しやすい。
【０００６】従って、フィルム冷却なしに燃焼温度に耐
え、しかも火炎の安定性を保ち、低排出（特にＮＯx排
出）の燃焼器及び遷移部材に対する先進の冷却思想のよ
うに、一酸化炭素及び未燃焼炭化水素を燃やし尽くすこ
とができる燃焼器／遷移部材が要請されている。そのよ
うな燃焼器／遷移部材は、燃焼器／遷移部材の内側表面
に妥当な金属温度を維持させるような冷却路を薄壁構造
に備えなければならない。効率的な燃焼器／遷移部材
は、燃焼器の内側表面の金属温度を増加させずに冷却流
を約３５乃至６０％減少させなければならなない。その
ような構造は水力学的小径の軸流冷却通路を用いなけれ
ばならず、その通路は冷却空気流中の異物により入り口
が塞がりやすい。通路が塞がると、通常、冷却材は通路
を通して流れず、燃焼器又は遷移部材は、その結果高温
の壁温度及び温度勾配により破損するであろう。従っ
て、そのような燃焼器は、燃焼器／遷移部材が破損する
ことなく、塞がった通路に対応する手段を有さなければ
ならない。
え、しかも火炎の安定性を保ち、低排出（特にＮＯx排
出）の燃焼器及び遷移部材に対する先進の冷却思想のよ
うに、一酸化炭素及び未燃焼炭化水素を燃やし尽くすこ
とができる燃焼器／遷移部材が要請されている。そのよ
うな燃焼器／遷移部材は、燃焼器／遷移部材の内側表面
に妥当な金属温度を維持させるような冷却路を薄壁構造
に備えなければならない。効率的な燃焼器／遷移部材
は、燃焼器の内側表面の金属温度を増加させずに冷却流
を約３５乃至６０％減少させなければならなない。その
ような構造は水力学的小径の軸流冷却通路を用いなけれ
ばならず、その通路は冷却空気流中の異物により入り口
が塞がりやすい。通路が塞がると、通常、冷却材は通路
を通して流れず、燃焼器又は遷移部材は、その結果高温
の壁温度及び温度勾配により破損するであろう。従っ
て、そのような燃焼器は、燃焼器／遷移部材が破損する
ことなく、塞がった通路に対応する手段を有さなければ
ならない。
【０００７】
【発明の概要】上述した要請は、改良したガスタービン
燃焼器／遷移部材を提供する本願発明により達成され
る。燃焼器／遷移部材が二重壁構造を含み、該二重壁構
造が軸方向の複数の冷却路と共に、ある場合には、構造
の内側部材と外側部材の間に配置されて冷却空気を供す
る円周方向横断流通路とを有し、これら流通路は燃焼器
の内側部材と外側部材との間の区域に形成される。通路
は、燃焼器／遷移部材を通る流れの方向に対して、軸方
向及び円周方向の両方向に延在するのが好ましい。軸方
向通路は一端から他端迄の全体に延在し、円周方向通路
は燃焼器／遷移部材の周りに延在する。
燃焼器／遷移部材を提供する本願発明により達成され
る。燃焼器／遷移部材が二重壁構造を含み、該二重壁構
造が軸方向の複数の冷却路と共に、ある場合には、構造
の内側部材と外側部材の間に配置されて冷却空気を供す
る円周方向横断流通路とを有し、これら流通路は燃焼器
の内側部材と外側部材との間の区域に形成される。通路
は、燃焼器／遷移部材を通る流れの方向に対して、軸方
向及び円周方向の両方向に延在するのが好ましい。軸方
向通路は一端から他端迄の全体に延在し、円周方向通路
は燃焼器／遷移部材の周りに延在する。
【０００８】フィルム冷却が極端に制限されるか、選択
できるものではないような燃焼器、遷移部材、及びその
他のタービン構造が、予め組み合わせた集成体の金属加
工により二重壁冷却路と一緒に製作され、これは対流及
び／又は衝突冷却技術を効果的に用いることを可能にす
る。円筒及び円錐リング、またはより複雑な形状の遷移
部材が円周方向に延在する複雑な内部冷却路と共に、Ｈ
ＩＰ中間加工材の熱間圧延、続けて、冷間リングローリ
ング、溶接をし、更に、金属の変形の間、冷却路位置を
保持するために用いた犠牲材の化学的除去により製作す
ることができる。
できるものではないような燃焼器、遷移部材、及びその
他のタービン構造が、予め組み合わせた集成体の金属加
工により二重壁冷却路と一緒に製作され、これは対流及
び／又は衝突冷却技術を効果的に用いることを可能にす
る。円筒及び円錐リング、またはより複雑な形状の遷移
部材が円周方向に延在する複雑な内部冷却路と共に、Ｈ
ＩＰ中間加工材の熱間圧延、続けて、冷間リングローリ
ング、溶接をし、更に、金属の変形の間、冷却路位置を
保持するために用いた犠牲材の化学的除去により製作す
ることができる。
【０００９】二重壁タービン構成要素内の軸方向流冷却
材通路に接続される円周方向に跨る流通路を追加したこ
とは、通常の非閉塞の場合の冷却に影響を与えずに、軸
方向流路の入り口閉塞による燃焼器／遷移部材の部品の
破損を防ぐことができる。二重壁冷却構造は接着しない
２つの部材を用いて構成することもできる。内側部材は
機械加工されて冷却通路が形成される。熱膨張の差（高
温内側壁の外径がより冷たい外壁の内径と接触する迄の
膨張）が両円筒を一緒に固く保持する。高温壁に通路を
設けず、冷却壁に機械加工で冷却通路を設けることがで
きるけれども、熱伝達の表面区域がより大きいので、高
温壁の冷却通路が望ましい。
材通路に接続される円周方向に跨る流通路を追加したこ
とは、通常の非閉塞の場合の冷却に影響を与えずに、軸
方向流路の入り口閉塞による燃焼器／遷移部材の部品の
破損を防ぐことができる。二重壁冷却構造は接着しない
２つの部材を用いて構成することもできる。内側部材は
機械加工されて冷却通路が形成される。熱膨張の差（高
温内側壁の外径がより冷たい外壁の内径と接触する迄の
膨張）が両円筒を一緒に固く保持する。高温壁に通路を
設けず、冷却壁に機械加工で冷却通路を設けることがで
きるけれども、熱伝達の表面区域がより大きいので、高
温壁の冷却通路が望ましい。
【００１０】二重壁冷却構造は、締まりばめされた２部
材を用い、続けて、溶接のような接着方法により一緒に
接着することによっても構成することができる。内側部
材は機械加工されて、冷却通路が形成される。結合によ
る内側及び外側部材間の熱接触が改良され、その２つの
部材に熱的に誘発される応力を減少する。本願発明の他
の目的及び利点は、図面及び特許請求の範囲と共に、次
の記載から明らかになるであろう。
材を用い、続けて、溶接のような接着方法により一緒に
接着することによっても構成することができる。内側部
材は機械加工されて、冷却通路が形成される。結合によ
る内側及び外側部材間の熱接触が改良され、その２つの
部材に熱的に誘発される応力を減少する。本願発明の他
の目的及び利点は、図面及び特許請求の範囲と共に、次
の記載から明らかになるであろう。
【００１１】
【発明の詳しい説明】図１はガスタービン１０の模式図
である。運転にあたり、典型的なガスタービン１０は液
体燃料からの燃焼ガスによって駆動されるが、ここで、
高エネルギを含む流れ媒体、即ち燃焼ガス、はロータ上
に装着された動翼輪によって偏向された結果、回転動力
を生じる。動作において、圧縮機１６は新しい空気を引
き込み圧縮して約５０−７５lb／in2の圧力とし、空気
は圧縮機１６により熱交換器３２を通るように押しやら
れ、ここでタービン部２２から出でくる排出燃焼ガスに
まだ存在する熱により予熱され、最後に、予熱された空
気は燃焼部１８の燃焼室に導入される。燃焼室で、燃料
が燃やされ、これにより、約１５００°Ｃ又は約２７５
００°Ｆより高い温度のガスを発生する。これら燃焼ガ
スは高速でタービン部２２に入り、それを駆動する。
である。運転にあたり、典型的なガスタービン１０は液
体燃料からの燃焼ガスによって駆動されるが、ここで、
高エネルギを含む流れ媒体、即ち燃焼ガス、はロータ上
に装着された動翼輪によって偏向された結果、回転動力
を生じる。動作において、圧縮機１６は新しい空気を引
き込み圧縮して約５０−７５lb／in2の圧力とし、空気
は圧縮機１６により熱交換器３２を通るように押しやら
れ、ここでタービン部２２から出でくる排出燃焼ガスに
まだ存在する熱により予熱され、最後に、予熱された空
気は燃焼部１８の燃焼室に導入される。燃焼室で、燃料
が燃やされ、これにより、約１５００°Ｃ又は約２７５
００°Ｆより高い温度のガスを発生する。これら燃焼ガ
スは高速でタービン部２２に入り、それを駆動する。
【００１２】図示のように、タービン２２、圧縮機１
６、及び発電機１４は全て単一軸２４に装着される。周
知のように、タービンは動力出力の全部を発電機へ送達
しないが、それはかなりの部分が圧縮機１６を駆動する
のに必要だからである。タービン部２２は電動機１２の
の助けを借りて始動するが、電動機は、最初、圧縮空気
を発生するため圧縮機を動作させ、燃焼ガスを形成する
ことができるようにするために圧縮空気を燃焼室に供給
する。その時になって、タービンは運転を開始すること
ができる。
６、及び発電機１４は全て単一軸２４に装着される。周
知のように、タービンは動力出力の全部を発電機へ送達
しないが、それはかなりの部分が圧縮機１６を駆動する
のに必要だからである。タービン部２２は電動機１２の
の助けを借りて始動するが、電動機は、最初、圧縮空気
を発生するため圧縮機を動作させ、燃焼ガスを形成する
ことができるようにするために圧縮空気を燃焼室に供給
する。その時になって、タービンは運転を開始すること
ができる。
【００１３】図１に簡略に示されているように、燃焼室
３６を含む燃焼部１８は燃焼部１８からタービン入り口
３０への燃焼ガスの流れを供給する。遷移部材３８はタ
ービン入り口と燃焼部１８を接続する。 燃
焼ガスの温度が約１５００°Ｃかそれを越えるような燃
焼器又は燃焼器部分及び遷移部を製造する場合、何らか
の冷却を形成することなく、そのような強烈な熱の環境
に残れることのできる材料は知られていない。上述した
ように、フィルム冷却ができないか、或いは可能な選択
事項でない状況では、燃焼器及び遷移部材は軸方向冷却
路及び接着しない２つの部材を用いて作られる。
３６を含む燃焼部１８は燃焼部１８からタービン入り口
３０への燃焼ガスの流れを供給する。遷移部材３８はタ
ービン入り口と燃焼部１８を接続する。 燃
焼ガスの温度が約１５００°Ｃかそれを越えるような燃
焼器又は燃焼器部分及び遷移部を製造する場合、何らか
の冷却を形成することなく、そのような強烈な熱の環境
に残れることのできる材料は知られていない。上述した
ように、フィルム冷却ができないか、或いは可能な選択
事項でない状況では、燃焼器及び遷移部材は軸方向冷却
路及び接着しない２つの部材を用いて作られる。
【００１４】各部材４０,４２は鍛造板材をリングロー
リングして所望の厚さにし、次に、両部材の隙間の所で
ガス・タングステン・アーク溶接（ＧＴＡ）或いは電子
ビーム（Ｅビーム）溶接のような溶接法で結合して作こ
とができる。部材４０,４２は精確な最終直径の寸法に
される。冷却通路を形成する溝４４は、内側部材４０の
外側表面を機械加工されたものである。内側及び外側部
材４０,４２は図２に組立て前のものを図示する。それ
から、外側部材４２は内側部材４０の上に締まりばめさ
れ、冷却通路４６を形成する（図３）。出来上がった二
重壁構造の形状を図４に詳細を示す。冷却の形状は図示
のような簡単な軸方向通路４６に限定されるものではな
い、というのは、より複雑な性能を高めた冷却形状を内
側部材４０に、例えば機械加工することにより形成する
ことができると思われるからである。例えば、円周方向
横断流通路（図７参照）を形成工程に含めることができ
る。
リングして所望の厚さにし、次に、両部材の隙間の所で
ガス・タングステン・アーク溶接（ＧＴＡ）或いは電子
ビーム（Ｅビーム）溶接のような溶接法で結合して作こ
とができる。部材４０,４２は精確な最終直径の寸法に
される。冷却通路を形成する溝４４は、内側部材４０の
外側表面を機械加工されたものである。内側及び外側部
材４０,４２は図２に組立て前のものを図示する。それ
から、外側部材４２は内側部材４０の上に締まりばめさ
れ、冷却通路４６を形成する（図３）。出来上がった二
重壁構造の形状を図４に詳細を示す。冷却の形状は図示
のような簡単な軸方向通路４６に限定されるものではな
い、というのは、より複雑な性能を高めた冷却形状を内
側部材４０に、例えば機械加工することにより形成する
ことができると思われるからである。例えば、円周方向
横断流通路（図７参照）を形成工程に含めることができ
る。
【００１５】この例の外側部材４２は、冷却通路４６の
入り口５２が冷却空気に露出されるように配置され、冷
却空気は通路４６通って流れ、高温の内側壁５６を冷却
する。燃焼器の動作中は、燃焼器１８の内側部分を通っ
て流れる高温燃焼ガスは内側部材４０を外側部材４２よ
り高温に保つ。このため、熱膨張差は両部材４０,４２
を強く一緒に保持する。
入り口５２が冷却空気に露出されるように配置され、冷
却空気は通路４６通って流れ、高温の内側壁５６を冷却
する。燃焼器の動作中は、燃焼器１８の内側部分を通っ
て流れる高温燃焼ガスは内側部材４０を外側部材４２よ
り高温に保つ。このため、熱膨張差は両部材４０,４２
を強く一緒に保持する。
【００１６】冷却運転中、外側部材４２の位置を保つた
めに、機械的な止め６０（図２参照）のような手段を内
側部材４０の後端に機械加工して、外側部材４２が滑る
のを止めることができる。燃焼器の温度が上がりすぎ
て、燃焼器が塑性変形し、歪む（高温壁５６或いは低温
壁５８のいずれか）と、その結果、外側部材４２と内側
部材４０の不均一な嵌め合わせをもたらすならば、止め
が重要なものとなるであろう。
めに、機械的な止め６０（図２参照）のような手段を内
側部材４０の後端に機械加工して、外側部材４２が滑る
のを止めることができる。燃焼器の温度が上がりすぎ
て、燃焼器が塑性変形し、歪む（高温壁５６或いは低温
壁５８のいずれか）と、その結果、外側部材４２と内側
部材４０の不均一な嵌め合わせをもたらすならば、止め
が重要なものとなるであろう。
【００１７】
【実施例１】上述の考えを、長さが約７インチで直径が
約１４インチの実物大の二重壁燃焼器のセグメントを実
際のカン型燃焼器及び遷移部材に結合して実施した。最
初の反復工程は、ハステロイＸから作られ、幅約０.３
０インチ、深さ約０.０３０インチ、長さ約６.５インチ
の冷却通路が、約０.２０インチの厚さのリブで分離さ
れていて、１４インチの直径の燃焼器に全部で８８個の
通路４６を用いた。内側部材４０の冷却通路の下側の最
小壁厚さは約０.０６３インチであり、外側部材４２の
壁は約０.０６インチの厚さであった。冷却材は約７２
５°Ｆの温度で、約２１７ＰＳＩＡ（絶対）の圧力で、
冷却通路４４両端の８．５ＰＳＩＤ（差圧即ち圧力降
下）の圧力差で供給して、内側部材４０は入り口で約１
３４０°Ｆに、出口で約１６５０°Ｆの温度に冷却され
た。これは内側部材４０に約２９００°Ｆで流れる燃焼
ガスが約５０lbm／秒であり、各通路４６を流れる冷却
材が約０．００４３lbm／秒（全燃焼器に対し約０.３８
lbm／秒）であった。出力温度約１６５０°Ｆは所望の
温度より高かったので、燃焼器は再設計された。
約１４インチの実物大の二重壁燃焼器のセグメントを実
際のカン型燃焼器及び遷移部材に結合して実施した。最
初の反復工程は、ハステロイＸから作られ、幅約０.３
０インチ、深さ約０.０３０インチ、長さ約６.５インチ
の冷却通路が、約０.２０インチの厚さのリブで分離さ
れていて、１４インチの直径の燃焼器に全部で８８個の
通路４６を用いた。内側部材４０の冷却通路の下側の最
小壁厚さは約０.０６３インチであり、外側部材４２の
壁は約０.０６インチの厚さであった。冷却材は約７２
５°Ｆの温度で、約２１７ＰＳＩＡ（絶対）の圧力で、
冷却通路４４両端の８．５ＰＳＩＤ（差圧即ち圧力降
下）の圧力差で供給して、内側部材４０は入り口で約１
３４０°Ｆに、出口で約１６５０°Ｆの温度に冷却され
た。これは内側部材４０に約２９００°Ｆで流れる燃焼
ガスが約５０lbm／秒であり、各通路４６を流れる冷却
材が約０．００４３lbm／秒（全燃焼器に対し約０.３８
lbm／秒）であった。出力温度約１６５０°Ｆは所望の
温度より高かったので、燃焼器は再設計された。
【００１８】
【実施例２】後の反復工程は、実施例１と同じ冷却材及
び燃焼ガス条件で、幅約０.３７５インチ、深さ約０.０
４０インチ、長さ約４インチの冷却通路４６を用いた。
同じ差圧に対して、冷却材の流れは通路当たり約０.０
０９０lbm／秒（全燃焼器に対して約０.７９lbm／秒）
に増加し、金属温度は出口で約１４００°Ｆ未満に下が
り、ガスタビーン構成要素の長時間耐用に必要な条件と
一致した。
び燃焼ガス条件で、幅約０.３７５インチ、深さ約０.０
４０インチ、長さ約４インチの冷却通路４６を用いた。
同じ差圧に対して、冷却材の流れは通路当たり約０.０
０９０lbm／秒（全燃焼器に対して約０.７９lbm／秒）
に増加し、金属温度は出口で約１４００°Ｆ未満に下が
り、ガスタビーン構成要素の長時間耐用に必要な条件と
一致した。
【００１９】
【実施例３】組み立てる為の接着していない最後の例の
燃焼器１８は、実施例２の通路と同じ寸法で、より高温
耐力の為にニモニック（Ｎimonic）２６３で構成され
る。内側部材の最小壁厚は約０.０７５インチに増加
し、外側部材４２の壁厚は約０．０４０インチに減少し
た。冷却材入り口の下流約０．３７５インチの所に配置
された、幅０．３７５インチ、深さ約０．０４０インチ
の円周方向冷却通路を内側部材の周り全体に機械加工で
作った（図７参照）。この組み合わせは、燃焼条件で試
験され、高温側最大温度約１３８０°Ｆを達成したが、
これは、ガスタービンの長時間耐用に必要な条件と一致
した。
燃焼器１８は、実施例２の通路と同じ寸法で、より高温
耐力の為にニモニック（Ｎimonic）２６３で構成され
る。内側部材の最小壁厚は約０.０７５インチに増加
し、外側部材４２の壁厚は約０．０４０インチに減少し
た。冷却材入り口の下流約０．３７５インチの所に配置
された、幅０．３７５インチ、深さ約０．０４０インチ
の円周方向冷却通路を内側部材の周り全体に機械加工で
作った（図７参照）。この組み合わせは、燃焼条件で試
験され、高温側最大温度約１３８０°Ｆを達成したが、
これは、ガスタービンの長時間耐用に必要な条件と一致
した。
【００２０】図５と図６に示すように、軸方向冷却路を
有する構成を含む燃焼器及び遷移部材の更に可能な構成
は、互いに嵌まりばめし、それから、例えば溶接などに
より結合した２つの部材４０，４２を用いて製造するこ
とができる。上述の様に、各部材４０,４２は鍛造板材
をリングローリングして所望の厚さにし、次に、両部材
の隙間の所でガス・タングステン・アーク溶接（ＧＴ
Ａ）或いは電子ビーム（Ｅビーム）溶接のような溶接法
で結合することができる。更に上述した様に、それから
外側部材４２を内側部材４６の上に締まりばめして、冷
却通路４６を形成する。次いで、外側部材を、レーザ或
いはＥビーム溶接のような方法で適所に結合する。この
二重壁冷却構造の幾何形状及び各リブでの溶接位置６１
は図５に詳細が示されている。前に述べた様に、冷却の
形状は図示のような簡単な軸方向通路に限定されるもの
ではないから、より複雑な性能を高めた冷却形状を内側
部材壁に、円周方向横断流通路を形成工程に含めること
ができる。
有する構成を含む燃焼器及び遷移部材の更に可能な構成
は、互いに嵌まりばめし、それから、例えば溶接などに
より結合した２つの部材４０，４２を用いて製造するこ
とができる。上述の様に、各部材４０,４２は鍛造板材
をリングローリングして所望の厚さにし、次に、両部材
の隙間の所でガス・タングステン・アーク溶接（ＧＴ
Ａ）或いは電子ビーム（Ｅビーム）溶接のような溶接法
で結合することができる。更に上述した様に、それから
外側部材４２を内側部材４６の上に締まりばめして、冷
却通路４６を形成する。次いで、外側部材を、レーザ或
いはＥビーム溶接のような方法で適所に結合する。この
二重壁冷却構造の幾何形状及び各リブでの溶接位置６１
は図５に詳細が示されている。前に述べた様に、冷却の
形状は図示のような簡単な軸方向通路に限定されるもの
ではないから、より複雑な性能を高めた冷却形状を内側
部材壁に、円周方向横断流通路を形成工程に含めること
ができる。
【００２１】この例の外側部材４２は、冷却通路４６の
入り口５２が冷却空気に露出し、冷却空気が通路４６を
流れて高温内壁５６を冷却するように配置される。燃焼
器１８の運転中、高温燃焼ガスは内側部材４０を流れ外
側部材４２より高温に保つ。上述したように、この温度
差は両部材を接着させなくとも互いにきつく保持し合
う。ある場合には、その結果部材４０,４２に生じた応
力は十分に大きく高温壁５６或いは、低温壁５８又はそ
の両方を塑性変形し且つ歪ませることができる。
入り口５２が冷却空気に露出し、冷却空気が通路４６を
流れて高温内壁５６を冷却するように配置される。燃焼
器１８の運転中、高温燃焼ガスは内側部材４０を流れ外
側部材４２より高温に保つ。上述したように、この温度
差は両部材を接着させなくとも互いにきつく保持し合
う。ある場合には、その結果部材４０,４２に生じた応
力は十分に大きく高温壁５６或いは、低温壁５８又はそ
の両方を塑性変形し且つ歪ませることができる。
【００２２】結合動作によって生じる内側及び外側部材
４０,４２の間の改良された熱接触はその間の温度差を
かなり減らすことができ、これはまた後述の実施例４の
二重壁構造の温度勾配によって両部材に生じる熱応力レ
ベルをかなり減少させることができる。
４０,４２の間の改良された熱接触はその間の温度差を
かなり減らすことができ、これはまた後述の実施例４の
二重壁構造の温度勾配によって両部材に生じる熱応力レ
ベルをかなり減少させることができる。
【００２３】
【実施例４】ハステロイＸの二重壁円筒の９０度切片を
同じ燃焼ガス及び冷却材条件で有限要素解析法によりモ
デル化した。２つの部材４０,４２間に熱接触がない場
合と、最大にある２つの極端なケースをモデル化した。
熱接触が最大にある場合の最大応力は、熱接触がない場
合の最大応力の１／３であった。接着していない部材４
０,４２は勿論ある熱接触はあるが、応力レベルは２極
端の間の何処かに落ちるであろう。
同じ燃焼ガス及び冷却材条件で有限要素解析法によりモ
デル化した。２つの部材４０,４２間に熱接触がない場
合と、最大にある２つの極端なケースをモデル化した。
熱接触が最大にある場合の最大応力は、熱接触がない場
合の最大応力の１／３であった。接着していない部材４
０,４２は勿論ある熱接触はあるが、応力レベルは２極
端の間の何処かに落ちるであろう。
【００２４】使用された一溶接技術は、ニモニック（Ｎ
imonic）２６３試験片を一緒に溶接するＥビーム溶接で
あった。試験片は円筒と言うより平坦であったが、図６
に示すものと同じ通路／リブ形状である。接合した構造
のより低い応力レベルは構成要素に対しより長い耐用期
間をもたらし、これは接合作業に伴う費用を正当化する
であろう。
imonic）２６３試験片を一緒に溶接するＥビーム溶接で
あった。試験片は円筒と言うより平坦であったが、図６
に示すものと同じ通路／リブ形状である。接合した構造
のより低い応力レベルは構成要素に対しより長い耐用期
間をもたらし、これは接合作業に伴う費用を正当化する
であろう。
【００２５】前述したように、軸方向に延在する冷却通
路４６を有する燃焼器のような構造は、図７に示す様
に、冷却通路入り口５２のちょうど下流に円周方向横断
流通路６５を設けることにより、入り口の閉塞から保護
することができる。もしも、すべての軸方向通路４６が
閉塞されなければ、横断流通路６５を通して圧力差がな
いので横断流通路に流れがない。横断流通路６５は軸方
向通路４６と同じ方法で作ることができる。
路４６を有する燃焼器のような構造は、図７に示す様
に、冷却通路入り口５２のちょうど下流に円周方向横断
流通路６５を設けることにより、入り口の閉塞から保護
することができる。もしも、すべての軸方向通路４６が
閉塞されなければ、横断流通路６５を通して圧力差がな
いので横断流通路に流れがない。横断流通路６５は軸方
向通路４６と同じ方法で作ることができる。
【００２６】
【実施例５】流れ回路シミュレーションが典型的な冷却
通路４６の幾何形状のモデルについてなされた。モデル
は、幅約０．３７５インチ、高さ約０．０４０インチ、
長さ約４インチの平行な７個の軸方向通路を有してい
る。冷却通路が典型的なガスタビーン条件（冷却材温度
約７２５°Ｆ、冷却材圧力約２１７ＰＳＩＡ、通路の圧
力降下約８．５ＰＳＩ、金属温度約１４００°Ｆ）で動
作せられた場合、シミュレーションは、図８に図示する
ように、１つの入り口が完全に閉塞された場合、１冷却
通路の閉塞されない流れの約６３％を、横断流通路が維
持することを示している。図９は、閉塞された管の熱伝
達係数は閉塞されない値の約７０％になることが予測で
きることを示している。これらの結果は、閉塞された通
路の周りの冷却通路は、横断流通路により、閉塞された
通路への流れによって大きな影響は受けないことを示し
ている。
通路４６の幾何形状のモデルについてなされた。モデル
は、幅約０．３７５インチ、高さ約０．０４０インチ、
長さ約４インチの平行な７個の軸方向通路を有してい
る。冷却通路が典型的なガスタビーン条件（冷却材温度
約７２５°Ｆ、冷却材圧力約２１７ＰＳＩＡ、通路の圧
力降下約８．５ＰＳＩ、金属温度約１４００°Ｆ）で動
作せられた場合、シミュレーションは、図８に図示する
ように、１つの入り口が完全に閉塞された場合、１冷却
通路の閉塞されない流れの約６３％を、横断流通路が維
持することを示している。図９は、閉塞された管の熱伝
達係数は閉塞されない値の約７０％になることが予測で
きることを示している。これらの結果は、閉塞された通
路の周りの冷却通路は、横断流通路により、閉塞された
通路への流れによって大きな影響は受けないことを示し
ている。
【００２７】このような形の直交する横断流通路６５
は、平行冷却通路４６が二重壁構造に用いられ、閉塞さ
れるかもしれないような如何なる場合にも用いることが
できる。この思想は円筒形燃焼器に限定されるものでは
なく、より複雑な構造、例えばタービン遷移部材或い
は、環状燃焼器に用いることができる。ここに含まれる
装置及び方法は、本発明の好ましい実施例であるが、本
発明は開示した精確な装置及び方法に限定されるもので
はなく、特許請求の範囲に記載した本発明の範囲内で様
々な改変が可能であることを理解されたい。
は、平行冷却通路４６が二重壁構造に用いられ、閉塞さ
れるかもしれないような如何なる場合にも用いることが
できる。この思想は円筒形燃焼器に限定されるものでは
なく、より複雑な構造、例えばタービン遷移部材或い
は、環状燃焼器に用いることができる。ここに含まれる
装置及び方法は、本発明の好ましい実施例であるが、本
発明は開示した精確な装置及び方法に限定されるもので
はなく、特許請求の範囲に記載した本発明の範囲内で様
々な改変が可能であることを理解されたい。
【図１】代表的なガスタービンの模式図。
【図２】二重壁構造の内側部分の実施例の斜視図であ
り、外側表面を機械加工した冷却通路を有する内側円筒
を含む２つのリングローリングされ、且つ、溶接された
円筒から形成されたものである。
り、外側表面を機械加工した冷却通路を有する内側円筒
を含む２つのリングローリングされ、且つ、溶接された
円筒から形成されたものである。
【図３】図５の二重壁構造において、外側円筒が機械加
工された内側円筒の上に締まりばめされ冷却通路を形成
した図。
工された内側円筒の上に締まりばめされ冷却通路を形成
した図。
【図４】二重壁構造の部分断面図であり、機械加工され
た内側リングと締まりばめされた外側リングにより形成
された通路が示されている。
た内側リングと締まりばめされた外側リングにより形成
された通路が示されている。
【図５】図４の二重壁構造において、外側円筒が機械加
工された内側円筒の上に締まりばめされて冷却通路を形
成し、次いで内側円筒にそれぞれのリブの位置で電子ビ
ーム（Ｅビーム）溶接のような方法で結合される。
工された内側円筒の上に締まりばめされて冷却通路を形
成し、次いで内側円筒にそれぞれのリブの位置で電子ビ
ーム（Ｅビーム）溶接のような方法で結合される。
【図６】二重壁構造の部分断面図で、機械加工された内
側リングと締まりばめされ溶接された外側リングにより
形成された通路を示す。
側リングと締まりばめされ溶接された外側リングにより
形成された通路を示す。
【図７】二重壁の軸方向冷却の円筒構造を円周方向横断
流通路と共に示す実施例の斜視図。
流通路と共に示す実施例の斜視図。
【図８】７個の平行な軸方向冷却通路の流通網のシミュ
レーションの例を示すグラフであり、たとえ＃４の冷却
通路の入り口が完全に閉塞されても、横断流通路が冷却
通路＃４を通る閉塞されない流れの６３％を維持するこ
とを示す。
レーションの例を示すグラフであり、たとえ＃４の冷却
通路の入り口が完全に閉塞されても、横断流通路が冷却
通路＃４を通る閉塞されない流れの６３％を維持するこ
とを示す。
【図９】７個の平行な軸方向冷却通路の流通網のシミュ
レーションの例を示すグラフであり、横断流通路が、冷
却通路＃４内の閉塞されない流れの７０％の値で、熱伝
達係数を保持することを示す。
レーションの例を示すグラフであり、横断流通路が、冷
却通路＃４内の閉塞されない流れの７０％の値で、熱伝
達係数を保持することを示す。
４０：内側部材 ４２：外側部材 ４４：溝 ４６：軸方向冷却通路 ６５：円周方向横断流通路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 メルビン・ロバート・ジャクソン アメリカ合衆国、ニューヨーク州、ニスカ ユナ、ニスカユナ・ドライブ、2208番 (72)発明者 ロス・アンソニー・マクリーン アメリカ合衆国、ニューヨーク州、ボール ストン、ベルフラワー・ロード、15番 (72)発明者 ミッチェル・ルービン・コーエン アメリカ合衆国、ニューヨーク州、トロ イ、13ティーエイチ・ストリート、64番 (72)発明者 ネシム・アブアフ アメリカ合衆国、ニューヨーク州、スケネ クタデイ、バレンシア・ロード、1532番 (72)発明者 サンジャイ・マーク・コレア アメリカ合衆国、ニューヨーク州、ニスカ ユナ、ランプライター・ロード、1034番 (72)発明者 ランス・ゴードン・ピーターソン アメリカ合衆国、ニューヨーク州、ボール ストン・スパ、ピーサブル・ストリート、 1231番 (72)発明者 マイロン・クライド・ムス アメリカ合衆国、ニューヨーク州、ウェス ト・チャールトン、ウェスタン・アベニュ ー、７番 (72)発明者 エイドリアン・モーリス・ベルトラン アメリカ合衆国、ニューヨーク州、ボール ストン・スパ、ピーサブル・ストリート、 1162番 (72)発明者 コンスタンティノス・マイネス アメリカ合衆国、ニューヨーク州、スリン ガーランズ、カイレー・コート、1014番 (72)発明者 デイビッド・ロバート・シューマッカー アメリカ合衆国、ニューヨーク州、スコテ ィア、リッジ・ロード、1726番 (72)発明者 ジェフリー・アラン・グレイブス アメリカ合衆国、ニューヨーク州、ニスカ ユナ、ローズ・ヒル・ブールバード、1378 番
Claims (5)
- 【請求項１】 外側表面に形成された複数の溝を有する
内側部材と、 前記内側部材の上に作動的に配置された外側部材と、 前記外側部材と前記内側部材との間に作動的に配置さ
れ、前記内側部材の内側表面を冷却する冷却圧縮空気を
供給する複数の軸方向冷却通路とを有するタービン用高
温ガス制御構造。 - 【請求項２】前記外側部材が前記内側部材に締まりばめ
されている、請求項１記載の高温ガス制御構造。 - 【請求項３】前記内側部材が、更に、該内側部材の後端
に作動的に配置され、前記外側部材が滑るのを防ぐ複数
の機械的止めを含む請求項２記載の高温ガス制御構造。 - 【請求項４】前記外側部材が前記内側部材に結合されて
いる請求項２記載の高温ガス制御構造。 - 【請求項５】前記冷却通路の入り口の下流に作動的に配
置され、少なくともっ冷却通路の１つが閉塞されたなら
ば、軸方向通路に冷却を呈する複数の円周方向横断流通
路を更に含む請求項１記載の高温ガス制御構造。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/627,807 US5724816A (en) | 1996-04-10 | 1996-04-10 | Combustor for a gas turbine with cooling structure |
| US08/627807 | 1996-04-10 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1038276A true JPH1038276A (ja) | 1998-02-13 |
| JP4150938B2 JP4150938B2 (ja) | 2008-09-17 |
Family
ID=24516214
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP08983597A Expired - Lifetime JP4150938B2 (ja) | 1996-04-10 | 1997-04-09 | ガスタービン用高温ガス制御構造 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5724816A (ja) |
| EP (1) | EP0801210B1 (ja) |
| JP (1) | JP4150938B2 (ja) |
| DE (1) | DE69723495T2 (ja) |
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| JP2010038166A (ja) * | 2008-08-06 | 2010-02-18 | General Electric Co <Ge> | トランジションダクト後方端部フレーム冷却及び関連方法 |
| WO2016063311A1 (ja) * | 2014-10-21 | 2016-04-28 | 住友精密工業株式会社 | 航空機エンジン用の熱交換器 |
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