(57)【要約】【課題】ガスタービン燃焼器を冷却する。【解決手段】周囲を取り囲む流れスリーブの中にほぼ封入され、流れスリーブとの間に半径方向に環状冷却間隙（２２）を有する一体型複合燃焼器ライナ／接合部材（１０）を冷却する冷却構造であって、流れスリーブに形成され、第１の直径を有し且つ一体型複合燃焼器ライナ／接合部材（１０）の複数の指定された領域に冷却空気を向けるように配列された第１の複数の衝撃冷却穴（４０）と；一体型複合燃焼器ライナ／接合部材（１０）に形成され、第１の直径より小さい第２の直径を有し且つ一体型複合燃焼器ライナ／接合部材（１０）の他の領域を浸出により冷却するように配列された第２の複数の浸出冷却穴（３６）とを含む冷却構造。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周囲を取り囲む流れスリーブ（１８）の中にほぼ封入され、前記流れスリーブとの間に半径方向に環状冷却間隙（２２）を有する一体型複合燃焼器ライナ／接合部材（１０）を冷却する冷却構造において、
前記流れスリーブに形成され、第１の直径を有し且つ前記一体型複合燃焼器ライナ／接合部材（１０）の複数の指定された領域に冷却空気を向けるように配列された第１の複数の衝撃冷却穴（４０）と；
前記一体型複合燃焼器ライナ／接合部材（１０）に形成され、前記第１の直径より小さい第２の直径を有し且つ前記一体型複合燃焼器ライナ／接合部材（１０）の他の領域を浸出により冷却するように配列された第２の複数の浸出冷却穴（３６）とを具備する冷却構造。
【請求項２】
前記第２の複数の浸出冷却穴（３６）は、前記一体型複合燃焼器ライナ／接合部材（１０）の前記第１の複数の衝撃冷却穴（４０）から外れた少なくとも１つの領域に配列される請求項１記載の冷却構造。
【請求項３】
前記一体型複合燃焼器ライナ／接合部材（１０）における燃焼ガスの流れの方向に浸出冷却空気を向けるために、前記第２の複数の浸出冷却穴（３６）は傾斜して形成される請求項１記載の冷却構造。
【請求項４】
前記一体型複合燃焼器ライナ／接合部材（１０）における燃焼ガスの流れの方向に浸出冷却空気を向けるために、前記第２の複数の浸出冷却穴（３６）は傾斜して形成される請求項２記載の冷却構造。
【請求項５】
前記第１の複数の衝撃冷却穴（４０）は約０．１０インチから約１．０インチの範囲の直径を有し、且つ前記第２の複数の浸出冷却穴（３６）は約０．０２インチから約０．０４インチの範囲の直径を有する請求項３記載の冷却構造。
【請求項６】
一体型複合ガスタービン燃焼器ライナ／接合部材（１０）を冷却する方法において、
（ａ）前記一体型複合ガスタービン燃焼器ライナ／接合部材を流れスリーブ（１８）で取り囲むことにより、前記一体型複合ガスタービン燃焼器ライナ／接合部材と前記流れスリーブとの間に環状流路（２２）を形成することと；
（ｂ）前記一体型複合ガスタービン燃焼器ライナ／接合部材の複数の指定された領域に冷却空気を供給するために、前記流れスリーブに複数の衝撃冷却穴（４０）を形成することと；
（ｃ）前記一体型複合ガスタービン燃焼器ライナ／接合部材の他の複数の指定された領域に冷却空気を供給するために、前記一体型複合ガスタービン燃焼器ライナ／接合部材に複数の浸出冷却穴（３６）を形成することとから成る方法。
【請求項７】
前記一体型複合ガスタービン燃焼器ライナ／接合部材（１０）の前記複数の衝撃冷却穴（４０）から外れた少なくとも１つの領域に前記複数の浸出冷却穴（３６）を規則正しい列として配列することを含む請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記一体型複合ガスタービン燃焼器ライナ／接合部材（１０）における燃焼ガスの流れの方向に浸出冷却空気を向けるために、前記複数の浸出冷却穴（３６）を傾斜させることを含む請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記複数の衝撃冷却穴（４０）は指定された横断面面積を有し、且つ前記複数の浸出冷却穴（３６）は、前記複数の衝撃冷却穴より相対的に狭い横断面面積を有する請求項６記載の方法。
【請求項１０】
前記複数の衝撃冷却穴（４０）は丸形であり、それぞれ指定された横断面面積により規定され、且つ前記複数の浸出冷却穴（３６）は丸形であり、前記複数の衝撃冷却穴より相対的に狭い横断面面積を有する請求項６記載の方法。
【請求項１１】
前記複数の衝撃冷却穴（４０）は約０．１０インチから約１．０インチの範囲の直径を有し且つ前記複数の浸出冷却穴（３６）は約０．０２インチから約０．０４インチの範囲の直径を有する請求項１０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にタービンの構成要素に関し、特にガスタービン燃焼器を冷却することに関する。
【背景技術】
【０００２】
工業用ガスタービンの燃焼器は、タービン回転翼の周囲に沿って１つの列として配列された複数の個別の燃焼室、すなわち「缶」を含むように通常構成される。従来、工業用ガスタービンの缶型燃焼室は、燃焼器の丸形ヘッドエンドと係合する円筒形又は円錐形の板金ライナと、ライナの丸形横断面からタービン第１段の入口の弓形セクタへと高温ガス流路の形状が変化する板金接合部材という２つの主な部材から形成される。それら２つの燃焼器構成要素は、可撓性継手によって端と端を合わせた関係で一体に接合されるので、継手の部分の流れ及び漏れを冷却するために圧縮機の排気の一部が使用されなければならない。
【０００３】
本出願と同一の所有者により所有される米国特許第７，０８２，７６６号公報には、燃焼器前端部、すなわち燃焼器ヘッドエンドからタービン第１段入口まで直接延出する導管を含む缶型燃焼器、すなわち従来の燃焼器ライナと接合部材とが一本の導管として組み合わされた燃焼器が開示される。例示的な一実施形態において、複合燃焼器ライナ／接合部材（本明細書において、「一体型導管」と呼ばれる場合がある）は継手を含まず、流れスリーブが一体型導管をほぼ同心の関係で取り囲むことにより、流れスリーブと一体型導管との間に、燃焼器へ空気を送り込むための環状空気流れ間隙を形成する。冷却は、一体型導管を取り囲むスリーブに衝撃冷却穴を形成することにより実行される。すなわち、圧縮機の排気の一部が衝撃冷却穴を通って半径方向に流れ、一体型導管と流れスリーブとの間の環状間隙に流入し、その結果、衝撃冷却及び対流冷却により導管が冷却される。
【０００４】
しかし、強制対流冷却では、一体型導管を有効に冷却できない場合がある。圧力降下の限界及び／又は冷却流れの不均一な分布があるために、冷却されないままの領域（すなわちホットスポット）が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７，２８４，３７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、ガスタービン燃焼器の従来の燃焼器ライナと接合部材とを組み合わせた一体型導管を更に効果的に且つ効率よく冷却する技術は依然として必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書において説明される例示的ではあるが限定的ではない実施形態によれば、本発明は、複合燃焼器ライナ／接合部材の衝撃冷却が不十分である領域を冷却するために浸出冷却を採用する。従って、１つの態様において、本発明は、周囲を取り囲む流れスリーブの中にほぼ封入され、流れスリーブとの間に半径方向に環状冷却間隙を有する一体型複合燃焼器ライナ／接合部材を冷却する冷却構造であって、流れスリーブに形成され、第１の直径を有し且つ一体型複合燃焼器ライナ／接合部材の複数の指定された領域に冷却空気を向けるように配列された第１の複数の衝撃冷却穴と；一体型複合燃焼器ライナ／接合部材に形成され、第１の直径より小さい第２の直径を有し且つ一体型複合燃焼器ライナ／接合部材の他の領域を浸出により冷却するように配列された第２の複数の浸出冷却穴とを含む冷却構造に関する。
【０００８】
別の態様において、本発明は、一体型複合ガスタービン燃焼器ライナ／接合部材を冷却する方法であって、（ａ）一体型複合ガスタービン燃焼器ライナ／接合部材を流れスリーブで取り囲むことにより、一体型複合ガスタービン燃焼器ライナ／接合部材と前記流れスリーブとの間に環状流路を形成することと；（ｂ）一体型複合ガスタービン燃焼器ライナ／接合部材の複数の指定された領域に冷却空気を供給するために、流れスリーブに複数の衝撃冷却穴を形成することと；（ｃ）一体型複合ガスタービン燃焼器ライナ／接合部材の他の複数の指定された領域に冷却空気を供給するために、一体型複合ガスタービン燃焼器ライナ／接合部材に複数の浸出冷却穴を形成することとから成る方法に関する。
【０００９】
添付の図面に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】図１は周知の構成に従って流れスリーブにより取り囲まれた一体型複合燃焼器ライナ／接合部材を示した概略図である。
【図２】図２は本発明の例示的な一実施形態に係る浸出冷却穴を具備する一体型複合燃焼器ライナ／接合部材を示した部分斜視図である。
【図３】図３は図２に示される一体型複合燃焼器ライナ／接合部材の浸出冷却領域における冷却流れパターンを示した概略横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１を参照すると、本発明の例示的ではあるが限定的ではない一実施形態は、複合形状で円筒状の一体型複合燃焼器ライナ／接合部材（又は一体型導管）１０を含む。一体型導管１０は、円形の燃焼器ヘッドエンド１２からタービン１６の第１段に結合されたほぼ矩形ではあるが弓形でもあるセクタ１４まで直接延出する。組立又は製造を容易にするために、一体型導管１０は一体に溶接又は接合された２つの半体又はいくつかの構成要素から形成されてもよい。同様に、一体型流れスリーブ１８は円形の燃焼器ヘッドエンド１２から後部フレーム２０まで直接延出する。組立を容易にするために、一体型流れスリーブ１８は２つの半体から形成され且つ一体に溶接又は接合されてもよい。流れスリーブ１８と後部フレーム２０との接合部は、流れスリーブ１８と一体型導管１０との間に半径方向に配置された環状冷却間隙２２に対してほぼ閉鎖された端部を形成する。
【００１２】
本実施形態の燃焼器は、従来のガスタービン燃焼器において採用されている構成要素に類似する円形キャップ２４と、複数の燃料ノズル２８を支持する端部カバー２６とを更に含む。一体型導管１０は前部スリーブ３０を更に支持する。前部スリーブ３０は、例えば溶接により半径方向支柱３２を介して一体型導管１０に固定装着されてもよい。
【００１３】
一体型導管１０の前端部は、キャップ２４と導管１０との間で半径方向にキャップ２４に装着された従来のフラシール３４により支持される。以上説明した例示的な実施形態は１つの構成例を示しているが、単缶型燃焼器の使用意図を損なわない他の構成も考えられる。例えば、フラシール３４は反転された状態で導管１０に装着されてもよい。別の例において、前部スリーブ３０は、例えば鋳造又は他の適切な製造工程により任意に導管１０と一体に形成される。
【００１４】
使用中、圧縮機の排気は、流れスリーブに形成された衝撃冷却穴、溝穴又は他の開口（図３の衝撃冷却穴４０を参照）によって、一体型導管１０を取り囲む流れスリーブ１８により形成された環状冷却間隙２２に流入し、冷却間隙２２に沿って流れる。それらの衝撃冷却穴により、圧縮機の排気の一部は穴を通って半径方向に流れ、一体型導管１０に衝撃することにより導管１０を冷却し、次に環状冷却間隙２２に沿って燃焼器の前端部まで流れ、そこで空気の流れる方向は反転され、空気は燃焼室に流入する。
【００１５】
衝撃冷却穴は、例えば軸方向に互いに離間して配列されるパターン、互いに整列された環状列又は互いに千鳥格子環状列、更にはランダムな配列などの種々のパターンで配列されてよい。
【００１６】
しかし、隣接する衝撃冷却穴の冷却ジェットの間隔は通常広いため、一体型導管１０の冷却が最適とは言いがたい場合もある。衝撃冷却を補助し、その効果を増すために、一体型導管１０に浸出冷却開口３６が追加されている。特に、一体型導管１０の周囲の衝撃冷却が不十分である選択された場所に、浸出冷却穴３６の１つ以上の列３８が形成される。
【００１７】
図２に示されるように、例えば、導管１０の前端部又はヘッドエンド１２により近く、フラシールの装着場所に近接する場所に浸出冷却穴３６の規則的な列３８が配置される。浸出冷却穴３６の少なくとも一部は、隣接する軸方向に互いに離間する衝撃冷却穴４０の列の間に配置される。浸出冷却穴の列３８は、導管１０の周囲に沿った連続する開口のパターン又は断続的な開口のパターンの形であってもよく、また、隣接する１対の衝撃冷却穴４０の列の間に配置されるか、もしくは衝撃冷却穴４０を通って流れる空気のジェットにより適切に冷却されない他の任意のスペースに配列された互いに類似する列又は互いに異なる列であってもよい。配列パターン、すなわち矩形、正方形、不規則などのパターンは、必要とされる冷却条件によって判定されてもよい。このような構成により、熱勾配を最小限に抑えながら、衝撃冷却が不十分である領域における高温（すなわちホットスポット）を軽減できる。特に、図３に流れ矢印により示されるように、環状冷却間隙２２に沿うか又はそれを介する冷却空気であって、衝撃冷却穴４０を介して間隙２２に流入する衝撃ジェットに対してほぼ垂直方向に流れる冷却空気は、浸出冷却穴３６を通って流れ、導管１０の内面に沿って冷却空気の膜を形成することにより、特に衝撃冷却による冷却が不十分である領域で導管の冷却効率を向上する。浸出冷却空気をライナにおける燃焼ガスの流れの方向に向けるために、浸出冷却穴３６は必要に応じて傾斜して形成されてもよい。
【００１８】
例示的ではあるが限定的ではない一実現形態において、衝撃冷却穴４０は約０．１０〜約１．０インチの範囲の直径を有してもよい（冷却穴が円形ではない場合、これとほぼ同等の横断面面積を有してもよい）。衝撃冷却穴４０より小さい浸出冷却穴３６は、約０．０２〜約０．０４インチの範囲の直径を有してもよい（冷却穴が円形ではない場合、これとほぼ同等の横断面面積を有してもよい）。
【００１９】
衝撃冷却と浸出冷却との組み合わせは、衝撃冷却ジェットの間隔が広いために熱条件が不適切になるどのような構成要素にも適用されてよい。
【００２０】
現時点で最も実用的で好適な実施形態であると考えられるものに関連して本発明を説明したが、本発明は開示された実施形態に限定されてはならず、添付の特許請求の範囲の趣旨の範囲内に含まれる種々の変形及び同等の構成を包含することが意図されると理解すべきである。
【符号の説明】
【００２１】
１０    一体型燃焼器ライナ／接合部材（一体型導管）
１８    流れスリーブ
２２    環状冷却間隙
３６    浸出冷却穴
４０    衝撃冷却穴
【図１】
2010159960.tif 000003
【図２】
2010159960.tif 000004
【図３】
2010159960.tif 000005
【外国語明細書】
2010159960000001.pdf