(57)【要約】【課題】タービン構成要素冷却装置及びタービン構成要素の冷却方法を提供すること。【解決手段】タービン構成要素冷却装置は、燃焼室を定める燃焼器ライナを含み、該燃焼器ライナが、外面と内面とを含む。タービン構成要素冷却装置はまた、外面に沿って配置されたチャンネルを含み、該チャンネルは、燃焼器ライナの外面に近接して配置されたライナリングを貫通して延びた少なくとも１つのアパーチャを通して冷却流を受けるように構成される。タービン構成要素冷却装置は更に、チャンネルと燃焼室の間で内面を貫通して延びて、燃焼室内の内面に沿って冷却流を送るようにする少なくとも１つの出口オリフィスを含む。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン構成要素冷却装置であって、
燃焼室を定め、外面と内面とを含む燃焼器ライナと、
前記外面に沿って配置され、前記燃焼器ライナの外面に近接して配置されたライナリングを貫通して延びた少なくとも１つのアパーチャを通して冷却流を受けるように構成されたチャンネルと、
前記チャンネルと前記燃焼室の間で前記内面を貫通して延びて、前記燃焼室内の内面に沿って前記冷却流を送るようにする少なくとも１つの出口オリフィスと、
を備える、タービン構成要素冷却装置。
【請求項２】
前記チャンネルが、前記燃焼器ライナの後方端部に近接して配置される、請求項１に記載のタービン構成要素冷却装置。
【請求項３】
前記チャンネルが、比較的軸方向に整列され、前方領域及び後方領域を含む、請求項１に記載のタービン構成要素冷却装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つのアパーチャが、前記チャンネルの前方領域に近接して配置される、請求項３に記載のタービン構成要素冷却装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの出口オリフィスが、前記チャンネルの後方領域に近接して配置される、請求項３に記載のタービン構成要素冷却装置。
【請求項６】
前記ライナリングを貫通して延びて、前記冷却流を前記チャンネル内及び前記チャンネル表面上に衝突させるための複数のアパーチャを更に備える、請求項１に記載のタービン構成要素冷却装置。
【請求項７】
前記冷却流が、移行部品ライナ及びインピンジメントスリーブによって定められるアニュラスから前記少なくとも１つのアパーチャに送られる、請求項１に記載のタービン構成要素冷却装置。
【請求項８】
少なくとも１つの冷却流操作部を更に備える、請求項１に記載のタービン構成要素冷却装置。
【請求項９】
前記少なくとも１つの冷却流操作部が、ディンプル、乱流リブ、及びシェブロンのうちの少なくとも１つを含む、請求項８に記載のタービン構成要素冷却装置。
【請求項１０】
ガスタービン燃焼システムであって、
燃焼室を定め、内側ライナ部分と、該内側ライナ部分の半径方向外向きに配置された外側ライナリングとを含む燃焼器ライナと、
前記内側ライナ部分と前記外側ライナリングとの間に配置され、比較的軸方向に整列されて前記外側ライナリングを貫通して延びた少なくとも１つのアパーチャを通して冷却流を受けるチャンネルと、
を備え、前記冷却流は、前記ライナ部分の外面に沿って前記チャンネル全体にわたって配向され、
前記ガスタービン燃焼システムが更に、
前記内側ライナ部分を貫通して前記チャンネルから前記燃焼室に延びて、前記冷却流を前記内側ライナ部分の内面に沿って流してこれに沿って冷却をするための少なくとも１つの出口オリフィスを備える、ガスタービン燃焼システム。
【請求項１１】
前記チャンネルが、前記燃焼器ライナの後方端部に近接して配置される、請求項１０に記載のガスタービン燃焼システム。
【請求項１２】
前記チャンネルが、前方領域及び後方領域を含む、請求項１０に記載のガスタービン燃焼システム。
【請求項１３】
前記少なくとも１つのアパーチャが、前記チャンネルの前方領域に近接して配置される、請求項１２に記載のガスタービン燃焼システム。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの出口オリフィスが、前記チャンネルの後方領域に近接して配置される、請求項１２に記載のガスタービン燃焼システム。
【請求項１５】
前記外側ライナリングを貫通して延びて、前記冷却流を前記チャンネル内及び前記チャンネル表面上に衝突させるための複数のアパーチャを更に備える、請求項１０に記載のガスタービン燃焼システム。
【請求項１６】
前記冷却流が、移行部品ライナ及びインピンジメントスリーブによって定められるアニュラスから前記少なくとも１つのアパーチャに送られる、請求項１０に記載のガスタービン燃焼システム。
【請求項１７】
少なくとも１つの冷却流操作部を更に備え、該少なくとも１つの冷却流操作部が、ディンプル、乱流リブ、及びシェブロンのうちの少なくとも１つを含む、請求項１０に記載のガスタービン燃焼システム。
【請求項１８】
タービンシステム構成要素を冷却する方法であって、
外側ライナリングに沿って冷却流を提供するステップと、
前記冷却流を前記外側ライナリング内に配置された少なくとも１つのアパーチャを通して、前記外側ライナリングと内側ライナ部分との間に配置されたチャンネルに送り、前記内側ライナ部分を冷却するステップと、
前記冷却流を前記チャンネルから出て前記少なくとも１つの出口オリフィスを通って前記内側ライナ部分の内面に送り、該内面に沿って冷却するステップと、
を含む、方法。
【請求項１９】
前記冷却流を前記チャンネルの前方領域において前記少なくとも１つのアパーチャを通して送るステップを更に含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記冷却流を前記チャンネルに沿った複数の軸方向位置に配置される複数のアパーチャを通して送り、前記冷却流をチャンネル表面上に衝突させるステップを更に含む、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題は、ガスタービンシステムに関し、より詳細には、タービン構成要素冷却装置並びにタービン構成要素の冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンシステムの燃焼器セクションは通常、移行部品に相対的に隣接して配置された燃焼室を含み、ここで高温ガスが燃焼室から移行部品を通ってタービンセクションに通過する。ガスタービン燃焼温度が高くなり、Ｎｏｘ許容量が少なくなるほど、燃焼器ライナの耐用期間要件への適合は、現在利用されている冷却方式を用いて次第に困難になってきている。
【０００３】
効果的な冷却を必要とする燃焼器ライナの１つの領域は、燃焼器ライナの後方端部が挙げられ、一般的な１つの冷却方法にはチャンネル冷却がある。チャンネル冷却は通常、冷却流をチャンネルに供給し、次いで該冷却流を移行部品の領域に放出することを含む。残念ながら、チャンネル冷却の有効な長さは、冷却チャンネル内の空気の温度によって決まるので、点火温度及び圧縮機吐出空気温度の上昇に起因して、燃焼器ライナのかなりの部分の冷却が効果的でなくなることが多い。或いは、燃焼室の種々の場所でフィルム冷却を利用してもよい。フィルム冷却は通常、流れスリーブと燃焼器ライナとの間のプレナムから空気を供給し、高温ガスと燃焼器ライナとの間に障壁を設けることを含む。残念ながら、フィルム冷却の利点は、持続する長さが有限であり、フィルム冷却される領域の流れ特性に大きく依存し、冷却ガスの温度への依存は僅かである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７，４９３，７６７号明細書
【発明の概要】
【０００５】
本発明の１つの態様によれば、タービン構成要素冷却装置は、燃焼室を定める燃焼器ライナを含み、該燃焼器ライナは、外面と内面とを含む。タービン構成要素冷却装置はまた、外面に沿って配置されたチャンネルを含み、該チャンネルは、燃焼器ライナの外面に近接して配置されたライナリングを貫通して延びた少なくとも１つのアパーチャを通して冷却流を受けるように構成される。タービン構成要素冷却装置は更に、チャンネルと燃焼室の間で内面を貫通して延びて、燃焼室内の内面に沿って冷却流を送るようにする少なくとも１つの出口オリフィスを含む。
【０００６】
本発明の別の態様によれば、ガスタービン燃焼システムは、燃焼室を定める燃焼器ライナを含み、該燃焼器ライナは、内側ライナ部分と、該内側ライナ部分の半径方向外向きに配置された外側ライナリングとを含む。ガスタービン燃焼システムはまた、内側ライナ部分と外側ライナリングとの間に配置されたチャンネルを含み、該チャンネルは、比較的軸方向に整列されて外側ライナリングを貫通して延びた少なくとも１つのアパーチャを通して冷却流を受けるようにし、冷却流は、ライナ部分の外面に沿ってチャンネル全体にわたって配向される。ガスタービン燃焼システムは更に、内側ライナ部分を貫通してチャンネルから燃焼室に延びて、冷却流を内側ライナ部分の内面に沿って流してこれに沿って冷却をするための少なくとも１つの出口オリフィスを含む。
【０００７】
本発明の更に別の態様によれば、タービンシステム構成要素を冷却する方法が提供される。本方法は、外側ライナリングに沿って冷却流を提供するステップを含む。本方法はまた、冷却流を外側ライナリング内に配置された少なくとも１つのアパーチャを通して、外側ライナリングと内側ライナ部分との間に配置されたチャンネルに送り、内側ライナ部分を冷却するステップを含む。本方法は更に、冷却流をチャンネルから出て少なくとも１つの出口オリフィスを通って内側ライナ部分の内面に送り、該内面に沿って冷却するステップを含む。
【０００８】
これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。
【０００９】
本発明とみなされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ガスタービンシステムの燃焼器セクションの部分概略図。
【図２】第１の実施形態によるタービン構成要素冷却装置を示す拡大断面図。
【図３】第２の実施形態によるタービン構成要素冷却装置を示す拡大断面図。
【図４】タービンシステム構成要素を冷却する方法を示すフロー図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。
【００１２】
図１を参照すると、全体的に参照符号１０で示した、ガスタービンシステムの燃焼器セクションの部分概略図が示されている。燃焼器セクション１０は、移行ダクト１４を有する移行部品１２を含み、移行ダクト１４は、該移行ダクトの半径方向外向きに配置されたインピンジメントスリーブ１６により少なくとも部分的に囲まれる。この上流側には、インピンジメントスリーブ１６の前方部分１８に近接して燃焼器ライナ２０があり、燃焼室２２を定める。燃焼器ライナ２０は、該燃焼器ライナ２０の半径方向外向きに配置された流れスリーブ２４によって少なくとも部分的に囲まれる。前方スリーブ２６は、インピンジメントスリーブ１６の前方部分１８と流れスリーブ２４の後方部分２８との間の接合部に配置される。
【００１３】
燃焼器セクション１０は、天然ガス又は水素リッチ合成ガスなどの可燃性液体及び／又は気体燃料を用いてガスタービンシステムを稼働する。燃焼室２２は、空気−燃料混合気を受け取り及び／又は提供し、これにより高温ガス経路３０として流れる高温の加圧排気ガスを生成する燃焼を生じさせるよう構成される。燃焼室２２は、高温加圧ガスを移行部品１２に通してタービンセクション（図示せず）に配向し、該タービンセクションの回転を引き起こす。高温の加圧排出ガスが存在することにより、特に燃焼器ライナ２０の後方端部３１に近接した燃焼室２２を囲む燃焼器ライナ２０の温度を上昇させる。燃焼器ライナ２０に対する過剰な熱暴露に伴う問題を解消するために、冷却流３２は、高温ガス経路３０の方向とは相対的に反対の方向で燃焼器ライナ２０に沿って下流側から上流側に流れる。具体的には、冷却流３２は、インピンジメントスリーブ１６及び移行ダクト１４によって定められる領域から、流れスリーブ２４及び燃焼器ライナ２０によって定められる領域に向かって流れる。
【００１４】
図２を参照すると、燃焼器ライナ２０の第１の実施形態による後方端部３１の拡大断面図が詳細に示される。後方端部３１の少なくとも一部は、燃焼器ライナ２０の外面３８に近接して配置されたチャンネル３６を含む。燃焼器ライナ２０の外面３８、従ってチャンネル３６に比較的隣接し且つその半径方向外向きに配置されるのは、外側ライナリング４０である。チャンネル３６は、燃焼器ライナ２０に沿って比較的軸方向に延びており、長さＬを含む。チャンネル３６はまた、長さＬを定める前方領域４２及び後方領域４４を含む。チャンネル３６は、様々な寸法の形態とすることができ、共に利用される用途の多くのパラメータに基づくことになる点は理解されたい。例えば、チャンネル３６の長さＬ、円周方向寸法距離、及び深さは全て変わることができる。寸法の正確さに関係なく、チャンネル３６は、外側ライナリング４０に配置されるアパーチャ４６を通して冷却流３２を受けるように構成される。アパーチャ４６は、外側ライナリング４０を通って延びており、該アパーチャ４６は、冷却流３２に対して比較的垂直に、又は冷却流３２に対してある角度で整列することができる点は理解されたい。
【００１５】
アパーチャ４６は、チャンネル３６の長さＬに沿って多くの位置に配置できることが企図されるが、通常は、チャンネル３６の前方領域４２に近接して位置付けられる。冷却流３２の少なくとも一部はアパーチャ４６に送られ、チャンネル表面４８に沿ってチャンネル３６全体を流れて、燃焼器ライナ２０を対流冷却する。出口オリフィス５０は、チャンネル３６から燃焼器ライナ２０の内面５２に燃焼器ライナ２０を貫通して延びており、該内面５２は燃焼室２２内の高温ガス経路３０に曝される。出口オリフィス５０は、チャンネル３６内を流れる冷却流３２の出口を提供し、このような流れの傾向は、燃焼室２２がチャンネル３６並びに外側ライナリング４０及び前方スリーブ２６によって定められる領域よりも低い圧力にあることに基づいて達成される。上述のアパーチャ４６と同様に、出口オリフィス５０は、チャンネル３６の長さＬに沿った様々な軸方向位置に位置付けることができるが、通常はチャンネル３６の後方領域４４に近接して配置されることも企図される。出口オリフィス５０は、比較的一定の円形断面、又はチャンネル表面４８の入口から燃焼器ライナ２０の内面５２の出口までの長さにわたって変化する断面を含む。加えて、出口オリフィス５０は、冷却流３２及び高温ガス経路３０の流れの方向に対して垂直であることを含む、種々の角度で整列することができる点を理解されたい。
【００１６】
燃焼器セクション１０は、単一のアパーチャ及び単一の出口オリフィスを有するように例示され説明されたが、アパーチャ４６及び／又は出口オリフィス５０の一方又は両方が複数のものを含めることができる点は理解されたい。具体的には、複数のアパーチャ及び／又は出口オリフィスを有する実施形態では、このような特徴要素は、チャンネル３６の長さＬに沿ったあらゆる位置に存在することができるが、上述の実施形態の場合と同様に、アパーチャ及び／又は出口オリフィスは通常、それぞれ前方領域４２及び後方領域４４に近接して配置される。このような実施形態は、円周方向に間隔を置いて配置されたアパーチャ及び／又は出口オリフィスを含み、このような特徴要素間の間隔は適用分野に応じて変わる。
【００１７】
出口オリフィス５０の各々に関して、複数の低角度の丸孔を比較的単一の軸方向平面内に円周方向に離間して配列できることが企図される。或いは、複数の列を含めて、軸方向に交互配列された出口オリフィスを設けることができる。上述のように、出口オリフィス５０は、燃焼器ライナ２０の表面接線に対して種々の角度に整列させることができる。例えば、出口オリフィス５０は、約１５度〜約９０度の角度に整列することができる。上述の単一の角度構成に加えて、２次又は複合角度が存在し、出口オリフィス５０の第１の角度部分と第２の角度部分を形成できることが企図される。このような実施形態において、２次又は複合角度は、第１の角度部分の軸方向に対して約０度〜約５０度で整列することができる。
【００１８】
ここで図３を参照すると、燃焼器ライナ２０の第２の実施形態による後方端部３１の拡大断面図が詳細に示される。燃焼器ライナ２０の第２の実施形態は、第１の実施形態と多くの点に関して同様であるが、外側ライナリング４０全体にわたって複数の軸方向に間隔を置いて配置されたアパーチャ６０が配置されている。複数の軸方向に間隔を置いて配置されたアパーチャ６０は、冷却のためにチャンネル３６及びより具体的には燃焼器ライナ２０のチャンネル表面４８上に冷却流３２のインピンジメント（衝突）を提供する。第１の実施形態と同様に、出口オリフィス５０は、チャンネル３６の後方領域４４に近接して配置され、冷却流３２をチャンネル３６から引き出し、これにより燃焼器ライナ２０に対して効率的な対流チャンネル冷却作用を提供する。第１の実施形態と同様に、冷却流３２は、出口オリフィス５０を通ってチャンネル３６から流出した後、燃焼器ライナ２０の内面５２の一部に沿って送られ、これにより出口オリフィス５０の下流側部分に沿って高温ガス経路３０と内面５２との間にフィルム冷却障壁を形成する。第１の実施形態と併せて説明されるように、第２の実施形態は、冷却流３２のインピンジメント（衝突）を提供するために円周方向に間隔を置いて配置されたアパーチャを含むことができる。
【００１９】
上述の実施形態の各々において、冷却表面４８及び／又は外側ライナリング４０の内面６４は、１つ又はそれ以上の流れ操作構成要素７０を含み、チャンネル３６を通って送られるときに冷却流３２の流れ特性に対して所望の作用を与えることができる。１つ又はそれ以上の流れ操作構成要素７０の網羅的ではなく例示的な実施例は、ディンプル、乱流リブ、及びシェブロンを含む。１つ又はそれ以上の流れ操作構成要素７０は、燃焼器ライナ２０の冷却を強化するために、チャンネル３６内のあらゆる場所に配置することができる。
【００２０】
作動時には、第１の実施形態及び第２の実施形態の両方において、冷却流３２は、燃焼室２２と外側ライナリング４０に近接した領域との間の圧力差に起因してチャンネル３６内に引き込まれる。チャンネル３６内の冷却は、該チャンネル３６の長さＬに比較的等しいか又はそれよりも小さい所定距離に対して効率的である。特定用途に関連する多くのパラメータに基づいて変化することになるこの所定距離では、出口オリフィス５０を配置することにより、冷却流３２がチャンネル３６から流出し、高温ガス経路３０内で燃焼器ライナ２０の領域のフィルム冷却を開始することが可能となる。
【００２１】
図４の流れ図に例示されるように、図１〜３を参照し、タービンシステム構成要素１００を冷却する方法も提供される。燃焼器セクション１０及びより具体的には燃焼器ライナ２０は、上記で説明されており、具体的な構造構成要素を詳細に説明する必要はない。タービンシステム構成要素１００を冷却する方法は、外側ライナリング１０２に沿って冷却流を提供するステップを含む。次に、冷却流３２は、上記で詳細に説明したアパーチャ４６を通ってチャンネル１０４に送られる。冷却流３２は、チャンネル３６内を流れることによって燃焼器ライナ２０を冷却した後、出口オリフィス１０６を通ってチャンネルから出て燃焼器ライナ２０の内面５２に送られ、ここでフィルム冷却を行う。
【００２２】
限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されるとみなすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２３】
１０  ガスタービンシステムの燃焼器セクション
１２  移行部品
１４  移行ダクト
１６  インピンジメントスリーブ
１８  前方部分
２０  燃焼器ライナ
２２  燃焼室
２４  流れスリーブ
２６  前方スリーブ
２８  後方部分
３０  高温ガス経路
３１  後方端部
３２  冷却流
３６  チャンネル
３８  外面
４０  外側ライナリング
４２  前方領域
４４  後方領域
４６  アパーチャ
４８  チャンネル表面
５０  出口オリフィス
５２  内面
６０  軸方向に間隔を置いて配置されたアパーチャ
６４  内面
７０  流れ操作構成要素
１００  タービンシステム構成要素
１０２  外側ライナリング
【図１】
2014037832.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2014037832.tif 000006
【外国語明細書】
2014037832000001.pdf