JP5349605B2 - ガスタービン燃焼室用のバーナ挿入装置およびガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、バーナを挿入するためのバーナ開口を有するガスタービン燃焼室用のバーナ挿入装置に関する。更に、本発明はガスタービンに関する。

ガスタービン燃焼室は、バーナ側の端部およびタービン側の端部を有する。タービン側の端部は開いており、燃焼室内で生じた高温の燃焼ガスがタービンへ向かって噴出するのを可能にする。バーナ側の端部にはしばしばバーナ挿入装置が存在し、このバーナ挿入装置は、耐熱性の高温面と冷却される低温面とを有する。バーナはバーナ挿入装置の開口に挿入されている。ガスタービンの運転中、一般には圧縮機から来る冷却空気が低温面沿いにバーナ挿入装置のバーナ開口からバーナ挿入装置の外側周縁へ向けて流れ、そこから冷却空気が燃焼室内に流入する。筒状燃焼室におけるバーナ挿入装置の例は公知である（例えば、特許文献１参照）。

環状燃焼室、即ちタービンロータの周りに環状に延びた燃焼室の場合には、一般に多数のバーナ挿入装置が環状燃焼室の周方向に並べて配置されている。バーナ側の低温面沿いに流れる冷却空気は、燃焼室の半径方向外側壁と半径方向内側壁との間において燃焼室に流入する。これに加えて、周方向に隣接しているバーナ挿入装置の間の間隙を通して冷却空気を燃焼室内に導入することもできる。この種の環状燃焼室は公知である（例えば、特許文献２参照）。この代わりに、バーナ挿入装置のバーナ開口から遠ざかる向きではなくてバーナ開口の方に向けて冷却空気を導き、それからバーナ開口の周縁と挿入バーナとの間の環状の間隙を通して冷却空気を燃焼室に導入することもできる（例えば、特許文献３参照）。

環状燃焼室用のバーナ挿入装置が図１に概略的に示されている。この図は環状燃焼室用のバーナ挿入装置を低温面１０３側から見た破断斜視図で示す。バーナ挿入装置１００の低温面１０３の中央部に開口１０５があり、この開口１０５にバーナが挿入される。このバーナ挿入装置は、バーナ挿入装置１００の低温面に張出した部分１０９にある環状フランジ部１０７により、ガスタービンケーシング内の支持構造物に取り付けられる。

ガスタービン燃焼室の運転中に燃焼室内で圧力変動が生じることがあり、これがバーナ挿入装置に高周波振動を励起させる。この高周波振動がバーナ挿入装置に負荷をかけ、バーナ挿入装置の寿命を短くする。バーナ挿入装置を補強しかつ冷却空気を案内するために、バーナ挿入装置１００の低温面１０３はリブ１１１を備えている。更に、図１に概略的にしか示されていない支持ボルト１１３が存在する。ボルト１１３およびリブ１１１は、ガスタービンケーシング内にある支持構造物に低温面を支える接触部分である。この種のバーナ挿入装置の場合、バーナ挿入装置におけるかなり広範な周縁に沿って不均一な間隙が形成されることがあり、このことが、増大された間隙を有する個所において冷却空気の供給過剰をもたらす。更にリブ１１１のほかに支持ボルト１１３も存在することによって、バーナ挿入装置１００がリブ１１にもボルトにも同時に支えられるので、過剰な静的安定性が生じる。

米国特許出願公開第２００５／００１６１７８号明細書 欧州特許出願公開第１５５７６０７号明細書 欧州特許出願公開第１７６７８５５号明細書

本発明の課題は、この従来技術に比べて有利なガスタービン燃焼室用のバーナ挿入装置を提供することにある。他の課題は、有利なガスタービン燃焼室ならびに有利なガスタービンを提供することにある。

第１の課題は請求項１記載のバーナ挿入装置によって解決され、第２の課題は請求項５記載のガスタービン燃焼室もしくは請求項９記載のガスタービンによって解決される。
従属請求項は本発明の有利な実施態様である。

本発明によるガスタービン燃焼室用のバーナ挿入装置は、低温面および高温面を備えたバーナ挿入壁を有する。そのバーナ挿入壁にバーナを挿入するためのバーナ開口が形成されている。このバーナ挿入装置はバーナ挿入壁の境界をなす外側周縁を有し、その外側周縁は少なくとも部分的に周りを取り巻くように低温面の上に突出した周縁フランジを備えている。この周縁は、例えば筒状燃焼室の場合にはほぼ円形に形成されているとよく、あるいは、例えば環状燃焼室の場合には、円環を切り分けた部分の周縁の形を有するとよい。基本的には燃焼室の形状に応じて他の輪郭も可能である。

本発明によるバーナ挿入装置の周縁フランジは、図１に基づいて説明した従来技術によるバーナ挿入装置に比べて高い固有振動数をもたらす。従って、燃焼室の運転時におけるバーナ挿入装置の振動負荷は従来技術によるバーナ挿入装置に比べて軽減される。更に、ガスタービン燃焼室の運転中に、この周縁フランジをガスタービンケーシング内の支持構造物の上に、周縁全体にわたって一様な間隙、とりわけ間隙が零になるように、完璧に着座させることができる。間隙が零の場合に冷却空気が遮断されないようにするために、本発明の発展形態では、周縁フランジが冷却流体の通り抜けのための開口を備えている。これらの開口を実現するためには、周縁フランジに複数の凸壁を設けてこれらの凸壁の間に開口を形成するか、周縁フランジに例えば穿孔のような複数の貫通孔を形成するかのいずれか一方又は両方を用いるとよい。凸壁もしくは孔によって規定される開口が周縁フランジ内に形成可能であることによって、周縁フランジを通り抜ける冷却空気量の正確な調整が、凸壁の大きさもしくは孔の直径の適切な選定により可能である。凸壁の場合には、凸壁が、例えば周縁フランジの断続によって形成される。しかし、周縁を断続させずに、代わりに周縁フランジを凸壁部位で、低温面の上にさらに、周縁フランジの残りの部位よりも突出させるのが有利である。上述の開口のほかに他の開口形状、例えばスリットも考え得る。

周縁フランジがバーナ挿入装置の周縁全体を取り巻いているとよい。この場合にはバーナ挿入装置の周縁の剛性がとりわけ高い。

本発明によるバーナ挿入装置の特別の実施態様では、低温面の上に突出していて環状フランジを備えた環状の壁領域によってバーナ開口が包囲されている。そのほかではバーナ挿入壁は平らに形成されている。即ち、例えば従来技術において存在するリブのような他の構造物が全く存在しない。本発明によるバーナ挿入装置の場合、冷却空気の一様な分配がこのようなリブなしにも行われることが明らかになったことから、この種のリブは不要である。リブの補強機能も、本発明によるバーナ挿入装置においては必要とされない。

以上のとおり、冷却空気供給時に過剰供給を招き得る不均一な間隙寸法が発生しないことから、本発明によるバーナ挿入装置は冷却空気の低減を可能にする。燃焼室への低減された冷却空気供給は、その結果として、ガスタービンの低減された有毒物質放出と、より高いタービン入口温度とをもたらし、このことが更にガスタービンの効率向上を可能にする。それに加えて周縁間隙における開口、例えば凸壁又は貫通開口の形での開口の場合には、開口断面積の適切な選定によって、燃焼室内に流入する冷却空気の量を規定どおりに調整することができる。更に、周縁フランジの端面もしくは凸壁の端面と支持構造物もしくは燃焼室壁との間の間隙を零に調整することが可能である。結局、本発明によるバーナ挿入装置のこの実施態様はコスト低減も可能にする。なぜならば、補強ボルトが省略可能であり、従って導入部において説明したバーナ挿入装置に比べて必要部品点数が少ないからである。

本発明によるガスタービン燃焼室は、少なくとも１つのバーナと、燃焼室内部空間を取り囲む少なくとも１つの燃焼室壁と、少なくとも１つのバーナ側の燃焼室隔離壁とを有する。このガスタービン燃焼室は本発明によるバーナ挿入装置を含み、そのバーナ挿入装置のバーナ挿入壁が燃焼室隔離壁を形成し、バーナ挿入壁の高温面が燃焼室内部に向けられている。本発明による燃焼室において、筒状燃焼室の場合には、燃焼室壁を円筒状に形成することができる。これに対して、環状燃焼室の場合には、２つの燃焼室壁、即ち半径方向外側の燃焼室壁と半径方向内側の燃焼室壁とが存在する。

従って、本発明によるバーナ挿入装置により達成される利点は、本発明によるガスタービン燃焼室において実現される。

本発明によるガスタービン燃焼室においては、少なくとも１つのバーナ挿入装置によって形成された燃焼室隔離壁と少なくとも１つの燃焼室壁との間に間隙が存在し、この間隙がバーナ挿入装置の低温面から燃焼室への冷却空気の流入を可能にする。

内側の燃焼室壁と外側の燃焼室壁との間に形成された環状の燃焼室内部空間を備えた環状燃焼室として構成されるガスタービン燃焼室の場合には、バーナ側の燃焼室隔離壁を、特に燃焼室の周方向に並べて配置された多数のバーナ挿入装置によって形成することができる。隣り合うバーナ挿入装置の間に、バーナ挿入装置間において冷却空気が環状燃焼室へ流入するのを可能にする間隙を設けることができる。

本発明によるガスタービンは、本発明によるガスタービン燃焼室として構成された少なくとも１つのガスタービン燃焼室を備えている。更に、本発明によるガスタービンは、冷却流体タンク、例えば圧縮機の出口に接続された燃焼室プレナムを含み、バーナ挿入壁の低温面が流体技術的に冷却流体タンクに接続されている。この種のガスタービンは本発明によるバーナ挿入装置を備えた燃焼室の利点を実現することを可能にする。

本発明の他の特徴、特性および利点は、以下における添付図面に基づく実施例の説明から明らかにする。

従来技術によるバーナ挿入装置を示す。 ガスタービンを部分縦断面図で示す。 環状燃焼室を部分破断斜視図で示す。 本発明によるバーナ挿入装置を示す。 図４のバーナ挿入装置の周縁を示す。 バーナ挿入装置の周縁を詳細図で示す。 部分変更されたバーナ挿入装置の周縁を詳細図で示す。

図２はガスタービン１を縦断面図で示す。このガスタービン１は、圧縮機部分３と、燃焼室部分５と、タービン部分７とを含む。回転軸９がガスタービン１の全ての部分を貫いて延びている。この回転軸９は、圧縮機部分３において圧縮機動翼１１の翼輪を備え、タービン部分７においてタービン動翼１３の翼輪を備えている。各動翼輪の間には、圧縮機部分３において圧縮機静翼１５の翼輪が存在し、タービン部分７においてタービン静翼１７の翼輪が存在する。これらの静翼は、ガスタービン装置１のケーシング１９からほぼ半径方向に回転軸９に向かって延びている。

ガスタービン１の運転中、空気２３が圧縮機部分３の空気吸込み口２１を通して吸込まれ、圧縮機動翼１１によって圧縮される。圧縮された空気は燃焼室部分５に配置された燃焼室２５に供給される。燃焼室２５は、この実施例では環状燃焼室として構成されていて、燃焼室にはガス状又は液体状の燃料が少なくとも１つのバーナ２７を介して噴射注入される。それによって生じた空気−燃料混合気が点火されて燃焼室２５内で燃焼させられる。流路２９に沿って高温の燃焼排ガスが燃焼室２５からタービン部分７の中に流入し、そこにおいてこの燃焼排ガスが膨張して冷え、その際に衝撃をタービン動翼１３に伝達する。その際にタービン静翼１７は噴出口として動翼１３への衝撃伝達を最適化するのに使われる。衝撃伝達によって引き起こされる回転軸９の回転が、負荷、例えば発電機を駆動するために利用される。膨張して冷えた燃焼ガスは最後に出口３１を通してガスタービン１から排出される。

図２に示されているガスタービンの環状燃焼室２５が、図３に部分破断斜視図で示されている。外側の燃焼室壁３３と内側の燃焼室壁３５とが認識できる。外側の燃焼室壁３３にも、内側の燃焼室壁３５にも、燃焼ガスに対して耐性のある熱遮蔽要素３７で形成されたライニングが内張りされている。この実施例では、熱遮蔽要素としてセラミック熱遮蔽要素が使用されている。燃焼室のタービン７側の端部は燃焼ガス流出開口３９を有し、この燃焼ガス流出開口３９を通して、燃焼室２５内で生じた高温の燃焼ガスがタービンに向かって流れることができる。燃焼室２５における燃焼ガス流出開口３９に対向する端部には、多数のバーナ挿入装置４１で形成した燃焼室隔離壁が存在する。各バーナ挿入装置４１には１つのバーナ２７が収容されている。これらのバーナ挿入装置４１は、ここでは、外側の燃焼室壁３３および内側の燃焼室壁３５に直接に結合されているのではなくて、支持構造物（図示されていない）に配置され、この支持構造物が再びガスタービンのケーシングに取り付けられている。一方では個々のバーナ挿入装置４１間に、他方では外側の燃焼室壁３３と内側の燃焼室壁３５との間に、それぞれの壁に沿って燃焼室内部に冷却空気が流入するのを可能にする間隙が残されている。このために、バーナ挿入装置４１は、バーナ挿入装置同士の間にも、即ち周方向に互いに隣接しているバーナ挿入装置４１の縁部の間にも、燃焼室内への冷却空気の流入を可能にする間隙が残されるように配置されている。

１つのバーナ挿入装置が図４に部分的に破断された斜視図で示されている。このバーナ挿入装置は、低温面４３と、燃焼室内部に向けられるべき高温面４４とを備えたバーナ挿入壁４２を有する（この高温面は図４では認識できない）。低温面４３は圧縮機に流体技術的に接続されているので、高温面の温度をバーナ挿入装置４１の材料にとって許容可能なレベルに保つべく冷却目的のために圧縮機空気を低温面沿いに導くことができる。このために、高温面は冷却空気の需要を減らすために、例えばセラミック被覆の形の断熱被覆を備えている。

バーナ挿入装置４１はその中央部に開口４５を有し、この開口４５の中にバーナ２７の出口部を挿入することができる。開口４５は、バーナ挿入壁４２における低温面４３の上に突出した部分４７によって区画されている。この突出した部分４７からは、開口４５の半径方向に突き出た環状フランジが延びていて、この環状フランジによりバーナ挿入装置４１を支持構造物に取り付けることができる。

この実施例では、バーナ挿入装置４１の外側周縁４６の全体が、低温面４３の上に突き出た周縁フランジ５１を備えている。この周縁フランジ５１は周縁４６の剛性を高めると共に、バーナ挿入壁４２の固有振動数を高める。周縁フランジ５１を備えた周縁部４６の詳細図が図５および図６に示されている。

周縁フランジ５１は、周縁フランジ５１の部分によって形成された多数の凸壁５３を有する。これらの凸壁は、低温面４３の上に周縁フランジ５１の残りの部分５４よりもさらに突き出ている。バーナ挿入装置が支持構造物に取り付けられかつ燃焼室隔離壁の一部を成している場合に、これらの凸壁５３は、低温面４３から最も離れた端面５５のところで支持構造物の接触面に零間隙にて当接する。複数の凸壁５３の間に複数の窓５７が形成され、これらの窓５７を通して、一般には突出壁部分４７の領域内に圧縮機から供給される冷却空気が燃焼室内に流れ込むことができる。その際に冷却空気は、冷却のために、周縁フランジ５１および突出壁領域４７に至るまで完全に平らに形成されている低温面４３に沿って流れる。凸壁５３の間の窓５７は、流れる冷却空気にとって、規定された通流断面積を有する開口である。なぜならば凸壁５３の端面５５が零間隙でもって支持構造物に当接しているからである。凸壁５３の高さおよび幅に対して凸壁５３の間の周縁フランジ部分５４の幅および高さを適切に選定することによって、燃焼室に流入する冷却空気量を目標どおりに調整することができる。周縁フランジ５１が周縁４６にもたらす高められた剛性のおかげで、凸壁面５５とその着座面との間に殆ど間隙偏差が生じないので、冷却空気のために存在していて窓によって規定されている通流断面積が、ガスタービン運転中にもそのまま維持される。それによって、増大する間隙寸法による冷却空気の過剰供給を従来技術に比べて著しく低減することができ、これがまたもや燃焼室内への冷却空気供給の低減をもたらし、結局は有害物質の低減ならびに高いタービン入口温度をもたらす。

図４乃至６に示された実施例では、冷却空気のための窓開口５７を規定するために、周縁フランジ５１が凸壁５３を備えているが、周縁フランジ５１を低温面４３の上に一様に突出させることもできる。冷却空気通路は、例えば穿孔の形で貫通口５９として実現することができる。これに相当する本発明によるバーナ挿入装置の実施例が図７に示されている。

この実施例では、周縁フランジがバーナ挿入装置４１の外側周縁全体に沿って延びているが、バーナ挿入装置４１の外側周縁４６の領域が周縁フランジを持たない変形実施例が考えられ得る。更に円筒状燃焼室のための変形実施例も可能である。このような変形実施例において、バーナ挿入装置の外側周縁はほぼ円形状であり、周縁フランジは少なくともその円周の一部に沿って、好ましくはその円周全体にわたって存在する。

本発明は、バーナ挿入装置の固有振動数の増大を可能にする同時に、燃焼室への冷却空気の流入を目標どおりに調整することを可能にする。それによって、冷却空気が予め規定された間隙を通してのみ流入することができる。これに伴って、例えば次の如き本発明の他の利点がもたらされる。即ち、バーナ挿入装置の寿命が長くなり、そして節減された冷却空気がバーナに供給されるならば（バーナ挿入装置における節減された冷却空気によって）本発明によるバーナ挿入装置を備えたガスタービンにおいては同じ出力の場合に有害物質の低減がもたらされる。同じ有害物質放出の場合には、出力を高めることができる。

１ ガスタービン
３ 圧縮機部分
５ 燃焼室部分
７ タービン部分
９ 回転軸
１１ 圧縮機動翼
１３ タービン動翼
１５ 圧縮機静翼
１７ タービン静翼
１９ ガスタービンのケーシング
２１ 空気吸込み口
２３ 空気
２５ 環状燃焼室
２７ バーナ
２９ 流路
３１ 出口
３３ 外側の燃焼室壁
３５ 内側の燃焼室壁
３７ 熱遮蔽要素
３９ 燃焼ガス出口
４１ バーナ挿入装置
４２ バーナ挿入壁
４３ 低温面
４４ 高温面
４６ 周縁
４７ 突出壁部分
４９ 環状フランジ
５１ 周縁フランジ
５３ 凸壁
５４ 残りの周縁フランジ部分
５５ 端面
５７ 窓開口
５９ 貫通孔

Claims (9)

1. 低温面（４３）および高温面（４４）を備えたバーナ挿入壁（４２）と、バーナ挿入壁（４２）の境界をなす周縁（４６）とを有し、そのバーナ挿入壁（４２）にバーナ（２７）を挿入するためのバーナ開口（４５）が形成され、前記周縁（４６）が、少なくとも部分的に周りを取り巻くように低温面（４３）の上に突出した周縁フランジ（５１）と、冷却流体が通り抜ける複数の開口（５７）とを有するガスタービン燃焼室（２５）用のバーナ挿入装置（４１）において、
   前記周縁フランジ（５１）が複数の凸壁（５３）を有し、前記複数の開口（５７）がそれらの凸壁（５３）の間に形成され、前記冷却流体が前記バーナ挿入壁（４２）の低温面（４３）に沿って流れ、そして前記複数の開口（５７）を通して流れることを特徴とするバーナ挿入装置。
2. 複数の凸壁（５３）が周縁フランジ部分によって形成されていて、これらの周縁フランジ部分が、残りの周縁フランジ部分（５４）よりも低温面（４３）の上にさらに突出していることを特徴とする請求項１記載のバーナ挿入装置。
3. 周縁フランジ（５１）が周縁（４６）の全体を取り巻いていることを特徴とする請求項１又は２記載のバーナ挿入装置。
4. バーナ開口（４５）が低温面（４３）の上に突出した環状壁部分（４７）によって取り囲まれ、この環状壁部分（４７）が環状フランジ部（４９）を備え、バーナ挿入壁（４２）がそのほかでは平らに形成されていることを特徴とする請求項１から３の１つに記載のバーナ挿入装置。
5. 少なくとも１つのバーナ（２７）と、１つの燃焼室内部空間を取り囲む少なくとも１つの燃焼室壁（３３，３５）と、バーナ側の燃焼室隔離壁とを備えたガスタービン燃焼室（２５）において、
   請求項１から４記載の少なくとも１つのバーナ挿入装置（４１）が存在し、このバーナ挿入装置（４１）のバーナ挿入壁（４２）が燃焼室隔離壁を少なくとも部分的に形成し、バーナ挿入壁（４２）の高温面（４４）が燃焼室内部に向けられていることを特徴とするガスタービン燃焼室。
6. 少なくとも１つのバーナ挿入装置（４１）によって形成された燃焼室隔離壁と少なくとも１つの燃焼室壁（３３，３５）との間に間隙が存在することを特徴とする請求項５記載のガスタービン燃焼室。
7. ガスタービン燃焼室（２５）が、内側の燃焼室壁（３５）と外側の燃焼室壁（３３）との間に形成された環状の燃焼室内部空間を備えた環状燃焼室として構成されていて、バーナ側の燃焼室隔離壁が、環状燃焼室（２５）の周方向に並べて配置された多数のバーナ挿入装置（４１）によって形成されていることを特徴とする請求項５又は６記載のガスタービン燃焼室。
8. 隣り合うバーナ挿入装置（４１）の間に間隙が存在することを特徴とする請求項７記載のガスタービン燃焼室。
9. 少なくとも１つのガスタービン燃焼室（２５）を備えたガスタービン（１）において、
   少なくとも１つのガスタービン燃焼室（２５）が請求項５から８の１つに記載のガスタービン燃焼室であり、
   冷却流体タンクが存在し、
   バーナ挿入壁（４２）の低温面（４３）が流体技術的にその冷却流体タンクに接続されていることを特徴とするガスタービン。
   

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