(57)【要約】作動媒体（Ｍ）を発生すべく、供給された燃料と燃焼空気を反応させ燃焼される燃焼器（４）を備えたガスタービン（１）を、非常に高い設備効率で特に単純な構造にする。そのために本発明に基づいて、燃焼器（４）が冷却可能にされ、管構造物として形成され、その燃焼器壁（２３）が冷却材管（２４）で形成される。冷却材管を鋳造材料で製造すると燃焼器壁の強度を向上でき、かつセラミックス保護層で覆うことで断熱性を高められる。
2005538310.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器（４）が冷却材管（２４）で形成された燃焼器壁（２３）を備えることを特徴とするガスタービン。
【請求項２】
冷却材管（２４）が鋳造材料からなることを特徴とする請求項１記載のガスタービン。
【請求項３】
冷却材管（２４）が断面台形状であることを特徴とする請求項１又は２記載のガスタービン。
【請求項４】
冷却材管（２４）が多数の共通支持リング（３６）に固定されたことを特徴とする請求項１から３の１つに記載のガスタービン。
【請求項５】
冷却材管（２４）が冷却可能なボルト（３８）を介して共通支持リング（３６）に固定されたことを特徴とする請求項４記載のガスタービン。
【請求項６】
支持リング（３６）が多数の縦リブによって支持架台の形に結合されたことを特徴とする請求項４又は５記載のガスタービン。
【請求項７】
各冷却材管（２４）が複数の管部材（２６）で構成されたことを特徴とする請求項１から６の１つに記載のガスタービン。
【請求項８】
冷却材管（２４）の連続する管部材（２６）が対応した移行部（３４）を介して相互に接続されたことを特徴とする請求項７記載のガスタービン。
【請求項９】
各冷却材管（２４）の出口側が集合室（４６）に接続され、流出する冷却材（Ｋ）が前記集合室（４６）を介してバーナ（１０）の１つに導入されることを特徴とする請求項１から８の１つに記載のガスタービン。
【請求項１０】
各バーナ（１０）に各々集合室（４６）が付設され、各集合室（４６）が各々同数の冷却材管（２４）に接続されたことを特徴とする請求項９記載のガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作動媒体を発生すべく供給された燃料が、供給された燃焼空気と反応して燃焼する燃焼器を備えたガスタービンに関する。
【０００２】
ガスタービンは多くの分野において、発電機或いは作業機械を駆動するために採用されている。その際、燃料の含有エネルギをタービン軸の回転運動を発生すべく利用する。そのために、燃料を多数のバーナで燃焼させ、その際、空気圧縮機で圧縮された空気を導入する。燃料の燃焼により高温高圧の作動媒体が発生する。該作動媒体は各バーナに後置接続されたタービン装置に導かれ、そこで仕事をしながら膨張する。その各バーナに別個の燃焼器が付設され、それらの燃焼器から流出する作動媒体は、タービン装置の前で又はその中で合流する。或いはまた、ガスタービンは所謂環状燃焼器構造に形成され、多数のバーナ、特に全てのバーナが一般に環状の、１つの共通燃焼器に開口する。
【０００３】
この種ガスタービンの設計時、獲得可能な出力に加えて、通常、特に高い効率が設計目標とされる。効率の増大は、熱力学的理由から、基本的に作動媒体が燃焼器から出てタービン装置に流入する際の入口温度の上昇により達成できる。従って、ガスタービンに対して約１２００〜１５００℃の入口温度が求められ、また達成されている。
【０００４】
しかし作動媒体がそのように高温であると、この媒体に曝される構成要素と部品は大きな熱的負荷を受ける。それにも係らず、それら構成要素の非常に長い寿命を大きな信頼性の下で保証すべく、通常それら構成要素、特に燃焼器を冷却する必要がある。構成要素の寿命を制限する材料の熱応力発生を防止すべく、一般に構成要素をできるだけ一様に冷却する必要がある。冷却材として、通常冷却空気が採用される。空気は、通常管と隔壁とから成る冷却系を経て、燃焼器の内側壁の外側面に沿ってこれを冷却すべく導かれる。
【０００５】
しかしそのように構成した冷却系は、燃焼器と冷却系が非常に高価であるという欠点を有する。特に、本来の燃焼器壁の外側面に別個の冷却系を付設し、該冷却系を外側から固定せねばならない。従って、この燃焼器の製造に多くの部品と接合作業が必要なため、長い作業時間と高い経費がかかる。これは更に、ガスタービンの製造時および運転中における欠陥の発生率を高める。更に複雑な燃焼器壁構造のために保守点検作業が困難である。
【０００６】
本発明の課題は、単純な構造で特に高効率のガスタービンを提供することにある。
【０００７】
この課題は本発明に基づき、燃焼器の壁を冷却材管で形成することで解決される。
【０００８】
本発明は、特に高い効率を保証するには、ガスタービンを特に高い媒体温度に適するよう形成せねばならないという考えから出発する。その際、欠陥の発生を低く抑えるべく、熱的に負荷される構成要素、特に燃焼器の特に確実な冷却を保証せねばならない。これは燃焼器壁を、一方でそれ自体冷却可能に形成し、他方で非常に単純且つ柔軟に保持した成形品で構成することで、非常に安価な経費で達成できる。燃焼器を形成する場合の上記両観点は、燃焼器の囲壁或いは燃焼器壁を適宜の管で構成することにより特に簡単に守られる。冷却材として特に冷却空気を利用し、この空気を冷却材管の貫流後に、燃焼器壁冷却により追加的に予熱された燃焼空気として燃焼器に導入する。
【０００９】
燃焼器壁の特に大きな強度を保証すべく、冷却材管を鋳造材料で作る、換言すれば鋳造品とするとよい。この材料選択のもう１つの利点は、鋳造材料をセラミック保護層で適当に被覆することで、確実な断熱が特に簡単に可能となることにある。
【００１０】
冷却材管を熱応力に対し特に鈍感にする、従って、冷却材管を特に丈夫にすべく、有利な実施態様では、断面台形に形成する。この断面台形は特に大きな熱的弾性を有し、管の個々の管部材が著しく異なる加熱を受ける場合でも、管の低温部と高温部との間に僅かな熱応力しか生じない。これによって、冷却材管の長い寿命が得られる。
【００１１】
燃焼器壁、従って本来の燃焼器を形成すべく、冷却材管は、燃焼器の円周方向に延びる支持リングで固定するとよい。該支持リングはその位置と形状に応じ、燃焼器の冷却材管により生ずる環状室の形を定める。その際本来の管の他に僅かな他の構成要素を利用するだけで、自己支持形構造物の形で、機械的に安定した燃焼器構造物が製造可能になる。
【００１２】
支持リングへの冷却材管の固定は、冷却形ボルトを介して行うとよい。ボルトによる冷却材管の固定は、燃焼ガス側から、即ち燃焼器を分解する必要なしに、個々の或いは複数の冷却材管を特に短時間で組立或いは分解することを可能にする。
【００１３】
燃焼器の特に大きな強度を保証すべく、支持リングを本来の冷却材管に加えて多数の縦リブでも相互に結合するとよい。該縦リブは、それに対し垂直に固定された支持リングと共に、大きな剛性と強度を持つ支持架台を形成する。この支持架台の特に大きな安定性のため、支持リングおよび縦リブは、好適には、互いに溶接され、この結果リングとリブは溶接支持体を形成する。
【００１４】
冷却材管を長手方向に互いに結合した２つ以上の管部材から形成すると望ましく、特に燃焼器内での作動媒体の流れ状態を考慮に入れて燃焼器を形成する際、特に大きな柔軟性が得られる。その際、同時に冷却材管の十分な長さと形状を保証できる。分割形の管の利点は、特に鋳物から十分な長さと所望の形状をした冷却材管を製造する際の製造上の問題を回避できることにある。
【００１５】
冷却材管の連続する２つの管部材を相互に結合すべく、各管部材の各管端に相応の移行部や接続部を設けるとよい。該移行部は、特にその形状を、簡単な相互接合に対応して設計するとよい。本発明の他の有利な実施態様では、移行部、特に管部材を差込み継手で結合するように構成する。冷却材管の断面が台形の場合、移行部の断面形状を、移行部が結合個所又は各管部材に達する迄に断面円形に変化するよう選択する。この断面円形の終端部は、続く管部材とぴったり合わせて接続するための単純な作業を可能にする。
【００１６】
燃焼器壁を形成する冷却材管の効果的な冷却を保証すべく、該冷却材管を冷却材の流入部で衝突冷却するとよい。そのため冷却材管の外側面に、冷却材が流入する孔を設ける。この結果冷却材は管の内側面に衝突し、この範囲での管材料との緊密な接触により特に効果的な冷却作用を保証する。それに続く範囲で、冷却材は管を長手方向に貫流し、管との接触によって該管を冷却する。
【００１７】
この冷却系は、一方で冷却系が燃焼器の壁構造物に一体化され、従って冷却系の構成のために僅かな追加部品しか必要としないという利点を有する。他方で冷却材の比較的直線的な排出に伴い、僅かな冷却材圧力損失しか生じない。これは冷却材側においてもタービン効率の向上を助長するという利点を有する。
【００１８】
ガスタービンの特に大きな総合効率のために、冷却材への入熱をガスタービンでの本来のエネルギ転換過程で回収するとよい。そのため燃焼器冷却時に加熱され冷却材として利用される冷却空気の燃焼器への供給を考慮し、その際予熱した冷却空気を専ら或いは追加的な燃焼空気として利用する。
【００１９】
この意味で、流出冷却材を燃焼器での燃焼過程に供給すべく、各冷却材管の出口側を集合室に接続し、該集合室の空気側を燃焼器に前置接続するとよい。この集合室で、冷却材を絞り装置によって圧縮機からの他の空気質量流と混合し、燃焼過程に供給する。
【００２０】
流れ状態の一様化は、各バーナに前記の集合室を付設し、各集合室に設計上同じ量の冷却空気又は冷却材が流入することで達成できる。そのため、各バーナに各々集合室を接続し、各集合室を同数の冷却材管に接続するとよい。この配置構造は、各バーナに、帰還する冷却空気をほぼ同量ずつ供給できるという特別の利点を有する。燃焼器を環状燃焼器として形成した場合、燃焼器内に特に一様な燃焼が生ずる。
【００２１】
本発明による特別の利点は、燃焼器壁を冷却材、特に冷却空気の貫流に利用する、互いに接続された多数の冷却材管として形成することで、単純な構造で、特に確実な燃焼器冷却が可能となることにある。特に支持リングで冷却材管を自己支持形燃焼器構造物の形に統合することで、点検を要する個々の管の非常に簡単な交換が可能となり、それにも係らず管構造物で得られる柔軟性に基づき、既設のガスタービンの、既存の燃焼器構造物の代用も簡単にできる。また管から成る燃焼器の構造は、冷却材管が環状室を支えて強固にするので、非常に安定し、燃焼器壁の振動に対しても強い。また管要素から成る燃焼器壁の構造により達成される、形成および構成要素選択における基本的柔軟性は、燃焼器における本来の燃焼過程を監視および／又は診断するセンサ、即ち監視センサの設置をも、特に例えば適当なセンサを外側室から燃焼器内室に貫通することを可能にする特別変更された管の目的に適った利用によって可能とする。
【００２２】
以下図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。各図において同一部分には同一符号を付している。
【００２３】
図１のガスタービン１は、燃焼空気用の圧縮機２、燃焼器４および圧縮機２と図示しない発電機又は作業機械とを駆動するタービン６を備える。そのためにタービン６と圧縮機２を、タービンロータとも呼ばれる共通のタービン軸８上に配置している。タービン軸８は、回転中心線９を中心に回転可能に支持され、発電機や作業機械に結合されている。
【００２４】
環状燃焼器の形に形成した燃焼器４は、液体燃料又は気体燃料を燃焼するための多数のバーナ１０を装備し、更にその内壁に断熱要素を備えている。
【００２５】
タービン６は、タービン軸８に取り付けられた多数の動翼１２を備える。これらの動翼１２はタービン軸８に輪状に配置され、多数の動翼列を形成している。またタービン６は多数の静翼１４を有する。これら静翼１４も同様に輪状に配置されて静翼列を形成し、タービン６の内部車室１６に固定されている。動翼１２は、タービン６を貫流する作動媒体Ｍの衝撃伝達によってタービン軸８を駆動すべく使われる。これに対し静翼１４は、作動媒体Ｍの流れ方向に見て連続する２つの動翼列間或いは動翼輪間で、作動媒体Ｍの流れを案内すべく使われる。互いに連続して位置する一対の静翼輪或いは静翼列１４と動翼輪或いは動翼列１２はタービン段とも呼ばれる。
【００２６】
各静翼１４は翼脚とも呼ばれる翼台座１８を有し、該台座１８は静翼１４をタービン６の内部車室１６に固定する壁要素として配置されている。翼台座１８は、タービン６を貫流する作動媒体Ｍに対する燃焼ガス通路の外側境界部を形成し、熱的に非常に大きく負荷される部品である。各動翼１２も同じように、翼脚とも呼ばれる翼台座２０を介してタービン軸８に固定されている。
【００２７】
互いに隣接する２つの静翼列の互いに間隔を隔てて配置された静翼１４の翼台座１８間に各々案内輪２１が配置され、タービン６の内部車室１６に固定されている。各案内輪２１の内側面も、同様にタービン６を貫流する高温の作動媒体Ｍに曝され、これに対向する動翼１２の外側端２２から半径方向に隙間により間隔を隔てられている。隣接する静翼列間に配置された案内輪２１は、特に内部車室１６又は他の車室組込み部品を、タービン６を貫流する高温作動媒体Ｍによる熱的過負荷から保護する覆い要素として働く。
【００２８】
比較的大きな効率を得るべく、ガスタービン１は、燃焼器４から出る作動媒体Ｍの非常に高い、約１２００〜１５００℃の入口温度に対して設計されている。その場合、ガスタービン１の長い寿命、即ち運転期間も保証すべく、特に燃焼器４のような主要な構成要素は冷却可能に形成している。燃焼器４の燃焼器壁２３への冷却材Ｋとしての冷却空気の確実且つ十分な供給を保証すべく、燃焼器壁２３を管構造物として形成し、燃焼器壁２３を形成するために互いに気密に結合した多数の冷却材管２４で構成している。
【００２９】
燃焼器４は、本実施例では所謂環状燃焼器として形成され、タービン軸８の周りに円周方向に分布して配置された多数のバーナ１０が共通の燃焼器室に開口している。この結果燃焼器４は、全体としてタービン軸８の周りに置かれた環状構造物を構成している。燃焼器壁２３の構造を一層明瞭にすべく、図２に燃焼器４の一部を縦断面図で示す。燃焼器部分は、燃焼器４を形成すべく、タービン軸８の周りで円環面状に連続している。
【００３０】
図２から解るように、燃焼器４は始まり部分、即ち流入部分を有し、その中に各々対応するバーナ１０の出口の終端側が開口している。燃焼器４の開口断面積は、その空間範囲での作動媒体Ｍの流れ分布を考慮に入れて、作動媒体Ｍの流れ方向に狭まっている。燃焼器４は出口側に、縦断面内において湾曲部を有している。この湾曲部により、燃焼器４からの作動媒体Ｍの流出が、流れ方向に見て最初の動翼列への特に大きな衝撃伝達およびエネルギ伝達に基づき助長される。
【００３１】
図２から解るように、燃焼器壁２３は燃焼器４の半径方向外側部と内側部とが冷却材管２４で形成されている。これら冷却材管２４の長手軸線は、燃焼器４の内室での作動媒体Ｍの流れ方向に対しほぼ平行に向いている。冷却材管２４は、冷却材管の特に大きな機械的および熱的強度を考慮に入れて適切に選択した鋳造材料で作られている。
【００３２】
冷却材管２４で形成した燃焼器４を、作動媒体Ｍの所望の流れ状態に特に柔軟に適合して形状付け可能とすべく、各冷却材管２４を、この実施例では互いに連続する複数の管部材２６の適当な組合せで形成している。管部材２６の形状と数は、一方で各管部材２６の長さおよび形状と、利用する鋳造材料とに関し、個々の各管部材２６の特に大きな機械的強度を保証できるように選択している。他方でいずれの場合にも、前記形状を、作動媒体Ｍに対する所望の流れ経路も考慮して適切に選択している。その際できれば望ましい比較的大きな局所的な湾曲は、冷却材管２４の分割構造により特に簡単且つ確実に得られる。
【００３３】
更に冷却材管２４は、局所的に変化する熱的負荷も考慮して、特別な強度および熱的負荷により生ずる熱応力に対応して設計している。そのため、冷却材管２４と、特にこれを形成する管部材２６は、図３ａに管部材２６の中央部を示すように、略断面台形に形成している。円環面状に湾曲した燃焼器４の構造物を形成すべく、冷却材管２４は横断面において比較的長い内側面２８と比較的短い外側面３０とを有する。隣接する冷却材管２４の間の隙間を密封すべく、適当なパッキン、例えばブラシシール・パッキン３２を用い、この結果、冷却材管２４相互の適当な組合せで、ガス側が気密の密閉燃焼室４が生ずる。
【００３４】
管を断面台形とすることで、特に隣接する冷却材管２４の接合で得られる構造物の平坦な形状付けが助長され、この結果燃焼器４の密閉形状が非常に簡単に得られる。
【００３５】
冷却材管２４の分割構造において、特に組立と点検を考慮して、各冷却材管２４の冷却材側で互いに連続する２つの管部材２６の、特に単純化した継手を考慮している。そのため、冷却材管２４の互いに連続する管部材２６を対応した移行部３４を経て相互に接続している。互いに連続する管部材２６の組立を容易にすべく、各管部材２６の終端部が各々の移行部３４を形成するよう、図３ｂに示す如く略断面円形にしている。冷却材管２４が鋳造材料からなるため、移行部３４の管部材２６への形状合せ非常に簡単にできる。移行範囲で、管部材２６の本来の断面台形の、終端側では断面円形への連続的移行を行う。図２から解るように、移行部３４はその中心線および管部材２６の中央部に対し、燃焼器４の外側部に向けて変位され、この結果、燃焼器４の内側壁内の適当なシール鋼板やシールプレートを利用して全域にわたりほぼ平らな面が生ずる。
【００３６】
燃焼器４を自己支持形の一体構造物として形成すべく、冷却材管２４を複数の共通支持リング３６に固定している。該支持リング３６は、長手、即ち作動媒体Ｍの流れ方向に見て適当に選択した相互間隔を隔てて、本来の冷却材管２４で形成した燃焼器４を取り囲んでいる。図３ｃの実施例に示すように、冷却材管２４又はこれを形成する管部材２６は、冷却可能なボルト３８を用いて支持リング３６に固定している。燃焼器４を形成する自己支持形構造物を一層強化し機械的に固定すべく、支持リング３６を略長手方向、即ち作動媒体Ｍの流れ方向に延びる縦リブで相互に結合している。
【００３７】
燃焼器４を管構造物として形成することで、燃焼器壁２３に冷却材Ｋとして比較的多量の冷却空気を極く僅かな圧力損失で供給できる。冷却材管２４を貫流する冷却材Ｋの、燃焼器壁２３の冷却時に生ずる加熱を、熱力学的効率にとって有利に、本来の燃焼過程に活用可能とすべく、冷却材管２４から流出する冷却材Ｋを専用の或いは追加的な燃焼空気として燃焼器４への供給に利用する。そのため燃焼器４の出口側端に冷却材管２４への冷却材Ｋの入口を設ける。冷却材Ｋは、図２に示す如く、適当な入口開口４２を経て冷却材管２４に流入する。入口開口４２はその空間的な向きに関し、冷却材Ｋとして流入する冷却空気により燃焼器４の出口部でまず各管部材２６の衝突冷却が起るように置かれている。それに続いて各管部材２６の内部で冷却材Ｋの転向が起り、冷却材Ｋは各冷却材管２４をその長手方向に貫流し、その際、冷却材Ｋは管壁に接触することで冷却される。
【００３８】
従って冷却材Ｋは、本来の作動媒体Ｍと対向流の形で、冷却材管２４の内部を燃焼器４の出口部から、各バーナ１０も配置されている燃焼器４の入口部に向かって流れる。各冷却材管２４の連続的冷却で加熱又は予熱された冷却材Ｋが、燃焼器４の入口部で冷却材管２４から流出し、各々に後置接続した集合室４６に流入する。集合室４６を経て、冷却材管２４の出口側が各々に対応したバーナ１０に接続され、この結果冷却材管２４から流出する冷却材Ｋは燃焼空気として各バーナ１０で利用される。ガスタービンの設計に応じ、各バーナ１０への燃焼空気の供給は、冷却材管２４から流出する冷却材Ｋによって専ら行うか、場合によって追加的に外部から導入した別の燃焼空気と共に行う。
【００３９】
燃焼器４を環状燃焼器として形成した場合、バーナ１０をできるだけ対称的に配置し、もって燃焼器４の内部での流れ状態をできるだけ対称化するのが通常有利である。この原則はガスタービン１において冷却材側でも考慮し、特に各バーナ１０に燃焼空気側において同数の冷却材管２４を付設する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】ガスタービンの半部断面図。
【図２】図１におけるガスタービンの燃焼器における一部縦断面図。
【図３ａ−ｃ】図２における燃焼器壁の一部横断面図。
【符号の説明】
【００４１】
１  ガスタービン、４  燃焼器、２３  燃焼器壁、２４  冷却材管、２６  管部材、３４  移行部、３６  支持リング、３８  ボルト
【図１】
2005538310.tif 000003
【図２】
2005538310.tif 000004
2005538310.tif 000005
2005538310.tif 000006
2005538310.tif 000007
【国際調査報告】
2005538310.tif 000008
2005538310.tif 000009
2005538310.tif 000010
2005538310.tif 000011
2005538310.tif 000012
2005538310.tif 000013