(57)【要約】【課題】第２のタービン燃焼器部品（３８）によって囲まれた第１のタービン燃焼器部品（４２）を冷却するための冷却装置を提供する。【解決手段】本冷却装置は、第２のタービン燃焼器部品（３８）に設けられかつ第１のタービン燃焼器部品（４２）の指定区域上に冷却空気を導く第１の複数のインピンジメント冷却孔（３６）と、第１のタービン燃焼器部品（４２）に設けられかつ該第１のタービン燃焼器部品の他の区域をエフュージョンによって冷却するように設置された第２の複数のエフュージョン冷却孔（４４）とを含む。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第２のタービン燃焼器部品（３８）によって囲まれた第１のタービン燃焼器部品（４２）を冷却するための冷却装置であって、
前記第２のタービン燃焼器部品（３８）に設けられかつ前記第１のタービン燃焼器部品（４２）の指定区域上に冷却空気を導く第１の複数のインピンジメント冷却孔（３６）と、
前記第１のタービン燃焼器部品（４２）に設けられかつ該第１のタービン燃焼器部品（４２）の他の区域をエフュージョンによって冷却するように設置された第２の複数のエフュージョン冷却孔（４４）と
を備える冷却装置。
【請求項２】
前記第１の複数のインピンジメント冷却孔（３６）が規則配列として前記第２のタービン燃焼器部品（３８）に配置され、前記エフュージョン冷却孔（４４）が前記第１の複数のインピンジメント冷却孔（３６）からオフセットした区域において前記第１のタービン燃焼器部品（４２）に配置される、請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】
前記第２の複数のエフュージョン冷却孔（４４）が前記第１の部品内における燃焼ガスの流れの方向にエフュージョン冷却空気を導くように傾斜している、請求項２記載の冷却装置。
【請求項４】
前記第１の複数のインピンジメント冷却孔（３６）が円形でありかつその各々が特定の断面積で形成され、前記第２の複数のエフュージョン冷却孔（４４）が、円形でありかつ前記第１の複数のインピンジメント冷却孔（３６）よりも比較的小さい断面積を有する、請求項２記載の冷却装置。
【請求項５】
前記第１の複数のインピンジメント孔（３６）が約０．１０〜約１．０インチの範囲内の直径を有し、前記第２の複数のエフュージョン孔（４４）が、約０．０２〜約０．０４インチの範囲内の直径を有する、請求項４記載の冷却装置。
【請求項６】
前記第１のタービン燃焼器部品がほぼ円筒形燃焼器ライナ（４２）を含み、前記第２のタービン燃焼器部品が、流れスリーブ（３８）を含む、請求項１記載の冷却装置。
【請求項７】
前記第１のタービン燃焼器部品が移行ダクト（２０）を含み、前記第２のタービン燃焼器部品が流れスリーブ（３２）を含む、請求項１記載の冷却装置。
【請求項８】
タービン燃焼器部品（２０）又は（４２）を冷却する方法であって、
（ａ）前記タービン燃焼器部品を流れスリーブ（３２）又は（３８）で囲んで、該タービン燃焼器部品と該流れスリーブとの間に環状流路（３０）を形成するステップと、
（ｂ）前記流れスリーブに複数のインピンジメント冷却孔（３６）を設けて、前記タービン燃焼器部品の指定区域上に冷却空気を供給するステップと、
（ｃ）前記タービン燃焼器部品に複数のエフュージョン冷却孔（４４）を設けて、該タービン燃焼器部品の他の指定区域に冷却空気を供給するステップと
を含む方法。
【請求項９】
前記複数のインピンジメント冷却孔（３６）を規則配列として前記流れスリーブ（３２）又は（３８）に配置するステップと、前記複数のエフュージョン冷却孔（４４）を、前記複数のインピンジメント冷却孔からオフセットした区域において前記タービン燃焼器部品（２０）又は（４２）に配置するステップとを含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記複数のエフュージョン冷却孔（４４）を、前記タービン燃焼器部品内における燃焼ガスの流れの方向にエフュージョン冷却空気を導くように傾斜させるステップを含む、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボ機械に関し、具体的には、ガスタービン燃焼器及び該燃焼器におけるトランジションピースの冷却に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来型のガスタービン燃焼システムでは、信頼性がありかつ効率的なタービン作動を達成するために複数の燃焼器組立体を使用している。各燃焼器組立体は、円筒形ライナと、燃料噴射システムと、高温ガスの流れを燃焼器からタービンの入口に導くトランジションピースとを含む。一般的に、圧縮機吐出空気の一部分は、燃焼器ライナを冷却するために使用され、次に燃焼器反応ゾーン内に導入されて燃料と混合されかつ燃焼される。
【０００３】
衝突（インピンジメント）冷却式トランジションピースを組入れたシステムでは、中空の流れスリーブがトランジションピースを囲み、流れスリーブ壁は、圧縮機吐出空気が該スリーブ壁内の冷却孔を通って流れかつトランジションピース上に衝突する（従って冷却する）ことになるように穿孔される。この冷却空気は次に、流れスリーブとトランジションピースとの間の環状空間に沿って流れ、次に燃焼器ライナと該ライナを囲む第２の流れスリーブとの間の別の環状空間内に流入する。第２の流れスリーブにはまた、該第２の流れスリーブが第１の流れスリーブに接合された取付けフランジに隣接して第１の列が設置された状態で、その周辺部の周りに幾つかの冷却孔の列が形成される。
【０００４】
燃焼器ライナ及び／又はトランジションピース（又はその他の燃焼器部品）に対してインピンジメント冷却を利用する燃焼器構成では、隣接するインピンジメント噴流間のピッチが大き過ぎて部品を有効に冷却することができなくなる傾向になる場合が多い。具体的には、大きいピッチ間隔は、冷却されない状態のまま残る区域（「ホットスポット」と呼ぶこともある）が増大し、また過度の温度勾配を引き起こす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５９６０６３２号明細書
【特許文献２】米国特許第６４８４５０５号明細書
【特許文献３】米国特許第６６８１５７８号明細書
【特許文献４】米国特許第６７６１０３１号明細書
【特許文献５】米国特許第７３０３３７２号明細書
【特許文献６】米国特許第７３７３７７８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、インピンジメント冷却式燃焼器部品の冷却効率を高める必要性が依然として存在している。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
例示的だが非限定的な実施形態によると、本発明は、インピンジメント冷却が十分なものとならない領域においては、エフュージョン冷却を使用する。従って、１つの態様では、本発明は、第２のタービン燃焼器部品によって囲まれた第１のタービン燃焼器部品のための冷却装置に関し、本冷却装置は、第２のタービン燃焼器部品に設けられかつ第１のタービン燃焼器部品の指定区域上に冷却空気を導く第１の複数のインピンジメント冷却孔と、第１のタービン燃焼器部品に設けられかつ該第１のタービン燃焼器部品の他の区域をエフュージョンによって冷却するように設置された第２の複数のエフュージョン冷却孔とを含む。
【０００８】
別の態様では、本発明は、タービン燃焼器部品を冷却する方法に関し、本方法は、（ａ）タービン燃焼器部品を流れスリーブで囲んで、該タービン燃焼器部品と該流れスリーブとの間に環状流路を形成するステップと、（ｂ）流れスリーブに複数のインピンジメント冷却孔を設けて、タービン燃焼器部品の指定区域上に冷却空気を供給するステップと、（ｃ）タービン燃焼器部品に複数のエフュージョン冷却孔を設けて、該タービン燃焼器部品の他の指定区域に冷却空気を供給するステップとを含む。
【０００９】
次に、以下に特定する図面と関連させて、本発明を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】公知のガスタービン燃焼器の概略図
【図２】本発明の例示的な実施形態による燃焼器ライナ及びインピンジメント流れスリーブの概略部分断面図。
【図３】本発明による流れスリーブ及び燃焼器ライナの部分斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１を参照すると、従来の缶−アニュラ型逆流式燃焼器１０を示している。燃焼器１０は、閉鎖空間内で空気及び燃料を燃焼させかつ発生燃焼ガスを固定のベーン列を通して吐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。作動中に、圧縮機（約２５０〜４００ポンド／平方インチ程度の圧力に加圧された）からの吐出空気（流れ矢印１１で示す）は、該空気が燃焼器（その１つを参照符号１４で示す）の外側上を流れる時に方向を逆にし、またタービン（参照符号１６で示す第１段ノズル）に向かって燃焼器に流入する時に再び方向を逆にする。加圧空気及び燃料は、燃焼室１８内で燃焼して、約１５００℃すなわち約２７３０°Ｆの温度のガスを発生させる。これらの燃焼ガスは、トランジションピース２０を介して高速でタービン第１段ノズル１６内に流入する。トランジションピース２０は、継手２２においてほぼ円筒形燃焼器ライナ２４に連結されるが、幾つかの用途では、トランジションピース２０と燃焼器ライナとの間に個別の継手セグメントを設置することができる。燃焼器ライナ２４及びトランジションピース２０は、それぞれ外表面２６、２８を有し、これら外表面２６、２８上をより低温の圧縮機吐出空気１１が流れる。
【００１２】
より具体的には、例示的だが非限定的な実施形態では、圧縮機吐出空気は、トランジションピース２０を囲んだ第１の流れスリーブ３２及びライナ２４を囲んだ第２の流れスリーブ３４によって形成された環状ギャップ３０を通って流れる。各流れスリーブ３２、３４は、圧縮機吐出空気１１がそれらを通って半径方向に流れてトランジションピース２０及びライナ２４上に衝突しかつ従って該トランジションピース２０及びライナ２４を冷却するのを可能にする一連の孔、スロット又はその他の開口（図示していないが、図２及び図３に同様な孔が見られる）を有する。本発明の目的では、第１及び第２の流れスリーブは、１つのスリーブとして形成することができるが、さらに本発明は、他方がない状態で単独で使用した何れか一方のスリーブにも適用可能である。
【００１３】
図２〜図３に示す例示的だが非限定的な実施形態では、ライナ流れスリーブ（つまり第１のタービン燃焼器部品）３８に複数のインピンジメント冷却孔３６を形成して、圧縮機吐出空気が半径方向に環状空間つまり流路４０内に流入してライナ（つまり第１のタービン燃焼器部品）４２上に直接衝突するのを可能にする。インピンジメント孔３６は、図３で最もよく解るように、例えば軸方向に間隔を置いた環状列などのような様々なパターンとして配置することができる。
【００１４】
しかしながら、隣接するインピンジメント孔冷却噴流間の一般的な大きなピッチ間隔の故に、ライナ冷却は、最適以下のものになる。インピンジメント冷却を補いかつ強化するために、ライナ４６には、エフュージョン冷却孔４４が付加された。より具体的には、インピンジメント冷却が十分な状態でない選択部位において、エフュージョン冷却孔４４の１つ以上の配列４８をライナ４６に形成した。
【００１５】
図２及び図３に示すように、例えばエフュージョン冷却孔４４の配列４８は、隣接する軸方向に間隔を置いたインピンジメント冷却孔３６の列間に設置される。配列４８は、ライナ４６の周辺部の周りの連続又は不連続な孔のパターンの形態とすることができ、また各隣接する対のインピンジメント孔列の軸方向間に或いはインピンジメント孔を通って流れる空気の噴流によって十分に冷却されないあらゆるその他のスペース内に同様の又は異なる配列を設けることができる。配列パターン、つまり矩形、方形、不規則形などは、冷却要件によって決定することができる。このようにして、インピンジメント冷却が不十分であるそれらの区域の高温度（つまりホットスポット）は、軽減することができると同時に、温度勾配もまた最小にすることができる。より具体的には、図２に流れ矢印で示すように、インピンジメント孔を介して流路４０に流入するインピンジメント噴流に対してほぼ垂直な、環状流路４０に沿ってかつ該環状流路４０を通って流れる冷却空気は、エフュージョン孔４４を通って流れかつライナ４２の内表面に沿って冷却空気のフィルムを確立し、従ってライナの冷却、特にインピンジメント冷却によって十分に冷却されない区域における冷却を強化することになる。エフュージョン孔は、ライナ内における燃焼ガスの流れの方向にエフュージョン冷却空気を導くように傾斜させることができる。
【００１６】
例示的だが非限定的な実施形態では、インピンジメント孔は、約０．１０〜約１．０インチ（つまり、非円形の場合にはほぼ等しい断面積）の範囲内の直径を有することができる。より小さいエフュージョン孔は、約０．０２〜約０．０４インチ（つまり、非円形の場合にはほぼ等しい断面積）の範囲内の直径を有することができる。
【００１７】
インピンジメント及びエフュージョン冷却の組合せは、インピンジメント噴流ピッチ間隔が好ましくない温度状態を生じるあらゆる部品に対して適用可能である。そのような部品には、それに限定されないが、第１段ノズルに高温燃焼ガスを供給する燃焼器ライナ及び移行ダクト（つまりトランジションピース）が含まれる。インピンジメント冷却孔及びエフュージョン冷却孔の個数、寸法、形状並びにパターンは、決して限定することを意図するものではない。
【００１８】
現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００１９】
１０  燃焼器
１１  圧縮機吐出空気
１４  燃焼器
１６  タービン第１段ノズル
１８  燃焼室
２０  トランジションピース
２２  継手
２４  燃焼器ライナ
２６  燃焼器ライナ外表面
２８  トランジションピース外表面
３０  環状ギャップ
３２  第１の流れスリーブ
３４  第２の流れスリーブ
３６  インピンジメント冷却孔
３８  流れスリーブ
４０  環状空間つまり流路
４２  ライナ
４４  エフュージョン冷却孔
４６  ライナ
４８  エフュージョン冷却孔の配列
【図１】
2010043643.tif 000003
【図２】
2010043643.tif 000004
【図３】
2010043643.tif 000005