JP2010249131A - 複合対流／しみ出し冷却一体形缶型燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】強化されたガスタービンを提供する。
【解決手段】移行部品１２０は、燃焼ガス流のための内部空間画定する。スリーブ１２９は、スリーブ１２９と移行部品１２０の間に流れ環状空間１２４を形成するように燃焼器移行部品１２０を取り囲む。スリーブ１２９は、流れ環状空間１２４に圧縮機排気からの冷却空気を案内するための第１の組の開口部を含む。移行部品１２０は、流れ環状空間１２４の境界となる外面と、内部空間の境界となる内面とを含み、内部空間に流れ環状空間１２４内の冷却空気を案内するための第２の組の開口部を含む。第２の組の開口部の各々は、外面上の入口部分から内面上の出口部分まで延在する。
【選択図】図１

Description

本発明は、概してガスタービンの構成部品の冷却手段に関し、より詳細には、対流冷却及びしみ出し冷却の組み合わせによる一体形缶型燃焼器の冷却に関する。

ガスタービンは、タービン入口温度が最高値になると良い効率で作動することができる。しかし、タービン入口に入る前に、燃焼ガスが生じる燃焼室は１５００°Ｆをはるかに上回る動作温度に達し、多くの改良合金でさえも長期の使用期間にわたってこのような温度に耐えることはできない。従って、タービンの性能及び寿命は、極端な加熱状態にさらされるタービン構成部品に提供できる冷却の度合いに大きく左右される。

タービン構成部品を冷却するために圧縮機排気を使用するという一般概念は、従来技術において周知である。しかし、タービン設計の発達や変化には、タービン構成部品の冷却機構を備えた特別な構造が必ずしも伴うわけではない。そのため、新たに開発されたタービン設計に冷却機構を取り入れることが必要である。

米国特許第７，０８２，７６６Ｂ１号

従って、従来のガスタービンを強化することが本発明の目的である。

上記及びその他の目的を達成するために、本発明に従って、燃焼セクションと、燃焼セクションの下流の排気セクションと、燃焼及び排気セクションの間の移行領域と、燃焼セクション及び移行領域を画定する燃焼器移行部品と、スリーブとからなる工業用タービンエンジンを提供する。移行部品は、排気セクションに対応するタービンの第１段に燃焼ガス流を運ぶように構成される。移行部品は、燃焼ガス流のための内部空間を画定する。スリーブは、スリーブと移行部品の間に流れ環状空間を形成するように燃焼器移行部品を取り囲む。スリーブは、流れ環状空間に圧縮機排気からの冷却空気を案内するための第１の組の開口部を含む。移行部品は、流れ環状空間の境界となる外面と、内部空間の境界となる内面とを含む。移行部品は、内部空間に流れ環状空間内の冷却空気を案内するための第２の組の開口部を含む。第２の組の開口部の各々は、外面上の入口部分から内面上の出口部分まで延在する。

本発明の上記及びその他の態様は、添付図面を参照しながら以下の説明を読むことで本発明に関わる当業者には明らかになるであろう。

本発明を実施できる一体形缶型燃焼器の例示的実施形態を示す。 噴出孔を有する移行部品を取り囲む冷却空気侵入孔を有するスリーブの拡大斜視図を示す。 スリーブの冷却空気侵入孔及び移行部品の噴出孔全体の断面図を示す。

本発明の１つ以上の態様を組み込んだ例示的実施形態を、図面において説明し且つ図示する。これらの図示の例は、本発明の制限を意図するものではない。例えば、本発明の１つ以上の態様は、その他の実施形態及び更に他の形式の装置で利用できる。

図１は、本発明を実施できるシングルピースの燃焼器１０の実施形態を示す。この例示的実施形態は環状缶型逆流燃焼器１０であるが、本発明は、他の形式の燃焼器にも適用できる。燃焼器１０は、限定空間内で空気及び燃料を燃焼させ、得られた燃焼ガスを固定羽根列を介して排出することによって、タービンの回転運動を駆動するのに必要なガスを発生させる。動作中、圧縮機からの排気は、燃焼器１０の外側を通過する時に方向を転換し、タービンに向かう途中で燃焼器１０に再び入る。圧縮された空気及び燃料は、燃焼室内で燃焼する。燃焼ガスは、移行部品１２０を介してタービンセクションに高速度で流入する。排気が移行部品１２０の外面上を流れる時、燃焼器構成部品に対して対流冷却が行なわれる。

図１において、移行部品１２０は、シングルピースとして円形燃焼器ヘッドエンド１００からタービン環状空間セクタ１０２（１６で示すタービンの第１段に対応する）まで直接移行する。シングルピースの移行部品１２０は、組立又は製造を容易にするために互いに溶接又は接合された２つの半部分又は複数の構成部品から形成される。スリーブ１２９もまた、シングルピースとして円形燃焼器ヘッドエンド１００から移行部品１２０の後方フレーム１２８まで直接移行する。シングルピースのスリーブ１２９は、組立を容易にするために２つの半部分から形成され、互いに溶接又は接合できる。スリーブ１２９と後方フレーム１２８の間の接合部は、冷却環状空間１２４に対して実質的に閉鎖された端部を形成する。「シングル」という用語は、要素を接合するあらゆる適当な手段によって互いに接合した複数部品及び／又は単一構造及び／又は一体形並びにその他同種のものを意味することに留意されたい。

図１において、移行部品１２０の外面上で対流処理される排気の環状流が存在する。例示的実施形態では、排気がスリーブ１２９内を流れて環状隙間を形成するため、流速が十分高くなって高い熱伝達係数を示す。スリーブ１２９は移行部品１２０を取り囲み、それらの間に流れ環状空間１２４を形成する。矢印で示すように、環状空間１２４内を進む直交流冷却空気は、スリーブ１２９の円周の周りに形成された孔、スロット、開口又はその他の開口部４００を通って流れる冷却空気と垂直な方向に上流へ流れ続ける。スリーブ１２９は一連の孔、スロット、開口又はその他の開口部４００を有しており、高い熱伝達と低い圧力降下という競合する要件の適切な均衡を保つ速度で、排気がスリーブ１２９内に入ることができる。移行部品１２０の円で囲む領域については、図２〜３においてより詳細に述べる。

従来の燃焼器では、燃焼器ライナ及び流れスリーブは一般に、それぞれ移行部品及びスリーブの上流にある。しかし、図１の一体形缶型燃焼器では、長さが短い燃焼器を提供するために、燃焼器ライナ及び流れスリーブは排除されている。一体形缶型燃焼器の主要構成部品には、円形キャップ１３４と、複数の燃料ノズル１３８を支持するエンドカバー１３６と、移行部品１２０と、スリーブ１２９が含まれる。

図２は、移行部品１２０及びスリーブ１２９の拡大斜視図を示す。スリーブ１２９は移行部品１２０に対して半径方向外方にあり、移行部品１２０を取り囲み、その間に流れ環状空間１２４を形成する。スリーブ１２９は複数の第１開口部又は孔４００を備えて形成され、圧縮機排気が外部空間３０２から流れ環状空間１２４に入るように構成される。シングルピースの移行部品１２０は、複数の第２開口部又は噴出孔２００を備えて形成される。図２は、第１及び第２開口部２００、４００の１つの例示的な配列を示すが、本発明を制限するものとして解釈すべきではないことに留意しなければならない。開口部２００、４００は、それぞれ移行部品１２０及びスリーブ１２９の他の選択領域上又はそこまで及ぶか、或いはそれらの全面にわたって形成されても良い。開口部２００、４００は円周方向に分散して形成しても良く、それぞれ移行部品１２０及びスリーブ１２９の上流部分から下流部分まで延在しても良い。更に、図２は、複数の開口部２００、４００を形成できる複数の可能な配列の１つのみを示す。例えば、図２は、互いに対して直交配列の第２開口部２００を示す。別の例では、ある列の各々の第２開口部２００は、隣接する列の第２開口部に対して若干オフセットしても良い。第１開口部４００も行と列に配列されるが、第１開口部４００の間の間隔は行方向と列方向で異なる。第１開口部４００の間の間隔は、一つにはそれらの寸法の違いによって、図３に示す第２開口部２００とも異なる。このような配列の多様性は、本発明の範囲内である。

図３は、スリーブ１２９及び移行部品１２０の断面を示す。また、説明を容易にするため、限られた数の開口部２００、４００を移行部品１２０及びスリーブ１２９上に示す。特に、図３は、スリーブ１２９の一部である壁５００と、移行部品１２０の一部である壁３００とを示す。壁５００は、外部空間３０２を、流れ環状空間１２４から分離する。壁３００と壁５００の間の距離は、０．５インチ〜３．０インチである。

第１開口部４００は壁５００に垂直になるように構成され、空気流Ｉが垂直に移行部品１２０の外面３００ａに当たらず、即ち直接衝突しないように構成される。第１開口部４００は、第２開口部２００の真上に形成しても良く（図３）、第２開口部が第１開口部４００の下にないように、第２開口部２００からオフセットされるように形成しても良く（図２）、あるいは、部分的には第２開口部２００を含み、部分的には第２開口部２００を含まない壁３００の領域の上に形成しても良い。第１開口部４００が第２開口部２００の真上にはない構成では、空気流Ｉの大部分は、外面３００ａへの到着時に開口部２００に入るのではなく、移行部品１２０の外面３００ａ上を流れる。

図３は更に、壁３００の外面３００ａ及び内面３００ｂを示す。壁３００の上の領域は流れ環状空間１２４であるが、壁の下の領域は移行部品１２０の内部空間３０４である。図３の右側はタービン内の上流領域に対応し、図３の左側はタービン内の下流領域に対応する。燃焼高温ガスよりも冷たい圧縮機排気からなる流れＣは、圧縮機から生じ、タービンの下流領域から流れ環状空間１２４内の移行部品１２０に接近して、環状缶型逆流燃焼器において一般的であるように上流に移動する。同じく圧縮機排気からなる流れＩは、タービンの下流領域から外部空間３０２の上流に移動し、第１開口部４００を通って、流れ環状空間１２４に入る。高温ガスからなる流れＨは、燃焼室から生じ、移行部品１２０の内部空間３０４の下流に案内される。

図３に示すように、第２開口部２００は、壁３００の外面３００ａから内面３００ｂまで延在する。本発明は、壁３００に垂直になるように形成されると共に壁３００に対して角度θをなして形成される第２開口部２００を包含する。図３において、開口部２００は、開口部２００の出口部分２００ｂが開口部２００の入口部分２００ａに対して下流又は後方になるように角度θをなして示される。一実施形態では、開口部２００の縦軸と、壁３００に接して下流を指す方向２０２とによって形成された角度θは、３０度の鋭角であり、２０〜３５度の範囲である。しかし、その他の大小の角度も考えられる。図３において、下流接線は左側を指す。第２開口部２００は略円筒状であるが、開口部２００が壁３００に垂直でない場合は、入口部分２００ａ及び出口部分２００ｂが楕円形状を有することになる。しかし、開口部２００、４００は、円形ではなく、例えば多角形の断面を有し得る。

開口部２００の別の変形例では、入口部分２００ａの角度位置が、移行部品１２０の円周上の出口部分２００ｂの角度位置と異なる。更に、開口部２００の出口部分２００ｂが、開口部２００の入口部分２００ａに対して上流又は前方にあることによって、開口部２００の縦軸と方向２０２の間に鈍角を形成できる。

図３において、第２開口部２００は、入口部分から出口部分まで一定直径の略円筒形状を有する。一実施形態では、直径０．０３インチであり、代替的には０．０２インチ〜０．０４インチの範囲である。しかし、開口部２００のその他の寸法も考えられる。

第１開口部４００もまた、一定直径の略円筒形状を有する。一実施形態では、直径０．１インチ〜１．０インチの範囲である。しかし、開口部４００のその他の寸法も考えられる。

また、開口部２００、４００は、それぞれ壁３００、５００を通る直径が徐々に増減する。

第２開口部２００は、費用や精度等の要因に基づいて選択されるレーザー穴あけ又はその他の機械加工方法によって、移行部品１２０の壁３００上に形成される。第１開口部４００の寸法を大きくすることで許容範囲がより大きくなるので、同様の方法又はより経済的な機械加工方法を用いて、開口部４００を形成する。

図３において、第１開口部又は孔４００によって生じる流れＩは、外面３００ａ上に当たらない、即ち直接衝突しない空気噴射を形成することによって、移行部品１２０を冷却する。流れ環状空間内の流れＣは、外面３００ａに沿って進みながら熱を除去することによって、移行部品１２０の対流冷却を行なう。第２開口部又は噴出孔２００によって生じる流れＥは、移行部品１２０の全て又は選択領域に空気噴射を提供して、冷却空気が開口部２００を通過して内部で内面に接する時に、移行部品１２０を冷却する。しみ出し冷却は、吹出し冷却の一形態である。壁に対して角度をなした開口部は、長さが増すので壁に対して垂直な開口部に比べて大きな内面を有することになり、熱伝達が延長されて移行部品１２０の更なる冷却が達成できるようになる。更に、開口部２００の出口部分２００ｂから冷たい空気が出た後、冷却空気の層又は膜が移行部品１２０の壁３００の内面３００ｂに隣接して形成される。内面３００ｂ上のこのような冷却空気の層の形成により、移行部品１２０は更に冷却される。このような層の形成は、冷却空気に必要な方向の変化の度合いが減少するので、垂直な開口部に比べると角度をなした開口部によって促進される。しかし、本発明は、垂直な開口部と角度をなした開口部の２つの変形例を包含する。内面上に形成された膜による冷却は、孔の寸法と角度を減少させるにつれて向上させることができる。しかし、小さな孔は不純物からの妨害を受け易い。それに対し、大きな孔は、冷却空気噴射による高温ガス流の過剰な浸透を生させ、タービンの効率が低下する可能性がある。従って、噴出孔の形状を決める時に、このような利点及び欠点を集合的に考えなければならない。

本発明は、上記の例示的実施形態に関して説明してきた。本明細書を読んで理解することで、修正及び変更が想到されるであろう。本発明の１つ以上の態様を組み込んだ例示的実施形態は、添付の特許請求の範囲内に属する限り、全ての修正及び変更を含むことを意図している。

Claims (9)

1. 燃焼セクションと、
   前記燃焼セクションの下流の排気セクションと、
   前記燃焼セクションと前記排気セクションの間の移行領域と、
   前記燃焼セクション及び移行領域を画定する燃焼器移行部品（１２０）であって、前記排気セクションに対応する前記タービンエンジンの第１段（１６）に燃焼ガス流（Ｈ）を運ぶように構成され、燃焼ガス流（Ｈ）のための内部空間（３０４）を画定する前記移行部品（１２０）と、
   スリーブ（１２９）であって、前記スリーブ（１２９）と前記移行部品（１２０）の間に流れ環状空間（１２４）を形成するように前記燃焼器移行部品（１２０）を取り囲み、前記流れ環状空間（１２４）に圧縮機排気からの冷却空気（Ｉ）を案内するための第１の組の開口部（４００）を含む前記スリーブ（１２９）とからなり、
   前記移行部品（１２０）は、前記流れ環状空間（１２４）の境界となる外面（３００ａ）と、前記内部空間（３０４）の境界となる内面（３００ｂ）とを含み、前記移行部品（１２０）は、前記内部空間（３０４）に前記流れ環状空間（１２４）内の冷却空気を案内するための第２の組の開口部（２００）を含み、前記第２の組の開口部（２００）の各々は、前記外面（３００ａ）上の入口部分（２００ａ）から前記内面（３００ｂ）上の出口部分（２００ｂ）まで延在する、タービンエンジン。
2. 前記第１の組の開口部（４００）は前記スリーブ（１２９）に垂直である、請求項１に記載のタービンエンジン。
3. 前記第１の組の開口部（４００）は、０．１インチ〜１．０インチの範囲の一定直径を有する、請求項１に記載のタービンエンジン。
4. 前記入口部分（２００ａ）及び前記出口部分（２００ｂ）の一方は、前記入口部分（２００ａ）及び前記出口部分（２００ｂ）の他方よりも更に下流に配置される、請求項１に記載のタービンエンジン。
5. 前記燃焼器移行部品（１２０）は環状缶型逆流形式であって、燃焼ガス流（Ｈ）と圧縮機排気流（Ｃ）は反対方向になるように構成され、前記第２の組の開口部（２００）を通る縦軸は、燃焼ガス流（Ｈ）の方向と鋭角を、圧縮機排気流（Ｃ）の方向と鈍角を形成する、請求項４に記載のタービンエンジン。
6. 前記第２の組の開口部（２００）を通る縦軸は、前記外面（３００ａ）の下流接線と鋭角を形成するように配向される、請求項１に記載のタービンエンジン。
7. 前記鋭角は２０°〜３５°の範囲である、請求項６に記載のタービンエンジン。
8. 前記第２の組の開口部（２００）は、０．０２インチ〜０．０４インチの範囲の前記入口部分（２００ａ）から前記出口部分（２００ｂ）までの一定直径を有する、請求項１に記載のタービンエンジン。
9. 前記第２の組の開口部（２００）は前記外面（３００ａ）に略垂直である、請求項１に記載のタービンエンジン。

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