(57)【要約】【課題】燃焼器の冷却空気の圧力降下を減じることおよび／またはガスタービンの第１および／または第２の燃焼器の冷却のために必要な冷却空気の量を減じること。【解決手段】ライナ７と、カバープレート１１とを備え、ライナ７およびカバープレート１１は、冷却空気のためのチャネル９を画成している燃焼器において、チャネル９の上流始点において、カバープレート１１は、ノズル１３の形状を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンの燃焼器であって、ライナ（７）と、カバープレート（１１）とを備え、前記ライナ（７）および前記カバープレート（１１）は、冷却空気のためのチャネル（９）を画成している燃焼器において、前記チャネル（９）の上流始点において、前記カバープレート（１１）は、ノズル（１３）の形状を有することを特徴とする、ガスタービンの燃焼器。
【請求項２】
前記ライナ（７）はしみ出し穴（１９）を有し、該しみ出し穴（１９）のうちの少なくとも１つの長さは、前記ライナ（７）の局所的厚さの１．４倍よりも大きい、請求項１記載の燃焼器。
【請求項３】
前記しみ出し穴（１９）のうちの少なくとも１つの長さは、１５ｍｍよりも大きい、請求項１または２記載の燃焼器。
【請求項４】
前記しみ出し穴（１９）のうちの少なくとも幾つかは、前記ライナに設けられた溝（２９）と、カバー（３１）とによって部分的に画成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の燃焼器。
【請求項５】
前記しみ出し穴（１９）の一部分にわたって、前記しみ出し穴の長手方向軸線は、前記ライナ（７）の少なくとも１つの表面に対して平行である、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃焼器。
【請求項６】
前記一部分において、前記ライナ（７）は、前記ライナ（７）のチャネル部分におけるよりも大きな厚さを有する、請求項５記載の燃焼器。
【請求項７】
前記カバープレート（１１）または前記ノズル（１３）は、軸方向で前記しみ出し穴（１９）の少なくとも１つの列にわたって延びている、請求項１から６までのいずれか１項記載の燃焼器。
【請求項８】
前記しみ出し穴（１９）の列は、前記ライナ（７）の軸方向で、５ｃｍを超える長さ、好適には１０ｃｍを超える長さまたは１５ｃｍを超える長さにわたって延びている、請求項１から７までのいずれか１項記載の燃焼器。
【請求項９】
前記ライナ（７）は、鋳造によってまたは選択的レーザ溶融によって形成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の燃焼器。
【請求項１０】
前記しみ出し穴（１９）は、鋳造または選択的レーザ溶融の間に少なくとも部分的に形成される、請求項９記載の燃焼器。
【請求項１１】
冷却空気のための前記チャネル（９）が環状である、請求項１から１０までのいずれか１項記載の燃焼器。
【請求項１２】
少なくとも１つの圧縮機と、少なくとも１つの燃焼器（２，５）と、少なくとも１つのタービンとを備えるガスタービンであって、前記少なくとも１つの燃焼器（２，５）が、請求項１から１１までのいずれか１項記載の燃焼器であることを特徴とする、ガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンに関し、空冷式燃焼器を備えたガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
市場では空冷式燃焼器を備えたタービンが公知である。例えば、本出願人は、GT24/GT26の商品名のこのタイプのガスタービンの製造に成功している。図１は、ガスタービンGT24/GT26の概略的かつ単純化された断面図を示している。
【０００３】
このガスタービンのロータおよび回転軸線は図１に示されていない。これは、図１に示された複数の構成部材の幾つかが環状の形状を有することを意味する。
【０００４】
図１の左側から、バーナ（参照符号なし）に進入する圧縮空気は、参照符号１で示されている。圧縮空気１は、バーナに供給され、均質な希薄燃料／空気混合物を形成する。
【０００５】
燃料および空気のこの混合物は、１つの環状の火炎リングを形成する第１の燃焼器２において燃焼させられる。この火炎リングは、内側再循環ゾーンを有しており、この内側再循環ゾーンは、燃焼ゾーン内の自由空間において火炎を安定させる。
【０００６】
第１の燃焼器２から出た高温の排ガスは、第２の燃焼器５の第２のバーナ４に進入する前に高圧タービン段を通過する。
【０００７】
請求項に記載の発明は、第１の燃焼器２および／または第２の燃焼器５に関する。
【０００８】
図１から分かるように、燃焼器２および５は、半径方向でライナ７によって画成されている。これらのライナ７と、燃焼器２および５の外壁とは、火炎から生じる高温に曝される。
【０００９】
ライナ７は、圧縮された冷却空気を使用してインピンジメント冷却および対流冷却によって冷却される。冷却空気は環状のチャネル９を流過する。環状のチャネル９は、カバープレート１１（燃焼器５の場合）またはキャリヤ構造体（燃焼器２の場合）によって画成されている。
【００１０】
冷却空気は、図１において左から右へチャネル９を流過する。冷却空気は、圧縮空気を第１のバーナ１にも供給するガスタービン（図示せず）の圧縮機によって供給される。
【００１１】
空気を圧縮することは機械的エネルギを必要とするので、冷却空気消費および／またはチャネル９における冷却空気の圧力降下を減じることが常に目標となる。なぜならば、これは、ガスタービンの効率および電力出力を高めるからである。
【００１２】
従来のガスタービンは、Ｐin（圧縮機端部圧力）に対して約２〜３％の、第１の燃焼器２のチャネル９における圧力降下を有する。
【００１３】
前述のように、図１において冷却空気は左から右へ流れる。これは、“上流”が図１（および図２〜５）の“左側”と等しいことを意味する。“下流”という用語は、図面のより右側の部分をいう。いずれにせよ、“上流”及び“下流”という用語は、冷却空気の流れ方向に関する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
請求項に記載の発明の課題は、燃焼器の冷却空気の圧力降下を減じることおよび／またはガスタービンの第１および／または第２の燃焼器の冷却のために必要な冷却空気の量を減じることである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この目標は、ライナおよびカバープレートを有するガスタービンの燃焼器であって、ライナおよびカバープレートが冷却空気のためのチャネルを画成しており、カバープレートはその上流端部において、冷却空気のためのチャネルの始点においてノズルを形成している、燃焼器によって達成される。
【００１６】
そうすると、チャネルへの入口における冷却空気の乱流による圧力降下が減じられる。その結果、冷却空気の圧力降下が著しく減じられる。
【００１７】
請求項に記載のノズルの形状は、ラバルノズルの第１の部分と同様であってもよい。ノズルの形状は、長手方向で円形または放物線形状であってもよい。
【００１８】
ノズルの形状は、冷却空気のさらによりよい流れおよび／またはより容易な製造の理由から、実施例ごとに異なっていてもよい。
【００１９】
例えば、冷却空気流の一次元、二次元または三次元流れシミュレーションによってノズルの形状を最適化することができる。
【００２０】
（チャネルの上流側における）カバープレートの始点をノズルとして設計することにより、従来技術より公知の管状または円筒状のカバープレートと比較して圧力降下が著しく減じられ得る。カバープレートの始点にノズルを提供することによって、Ｐinに対して０．５％までの圧力降下減少が予想される。
【００２１】
さらに、ライナにしみ出し穴を穿孔することによって圧力降下損失を減じることができ、しみ出し穴のうちの少なくとも１つは、ライナの局所的厚さの１．４倍よりも長い。
【００２２】
そうすると、従来技術より公知のようなインピンジメント冷却なしにライナの上流端部を有効に冷却することができる。インピンジメント冷却は、ライナの温度を低下させるために極めて有効ではあるが、冷却空気の大きな圧力降下を生ぜしめる。したがって、冷却空気は高圧に圧縮されなければならず、これは、ガスタービンの全体的な効率を低下させる。
【００２３】
ライナの上流端部におけるインピンジメント冷却を回避することにより、冷却空気の圧力降下をさらに著しく減じることができる。インピンジメント冷却は、通常、圧縮機端部圧力に対して０．５％〜１．５％の圧力降下を使用する。
【００２４】
請求項に記載の発明の１つの別の重要な態様は、極めて長いしみ出し穴を提供することである。これは、請求項に記載の燃焼器ライナのしみ出し穴のうちの少なくとも幾つかが１５ｍｍよりも長いことを意味する。
【００２５】
１５ｍｍまでの長さは、レーザによるライナへのしみ出し穴の製造を可能にする。１５ｍｍよりも大きな厚さは、レーザによって形成することはできない。
【００２６】
請求項に記載の発明の別の実施の形態において１５ｍｍよりも大きな請求項に記載の長さを達成するために、しみ出し穴のうちの少なくとも幾つかが、ライナに設けられた溝およびカバーによって部分的に画成されていることが請求されている。
【００２７】
これらの溝は、１５ｍｍよりも大きなしみ出し穴の長さをカバーし得る。これらの溝は、ライナ７を鋳造するときに一緒に鋳造され得る。これらの極めて長いしみ出し穴を完成させるために、これらの溝をカバーによって覆うことが請求されている。これは、１５ｍｍよりも長いしみ出し穴を生じ、必要に応じて設計することができる。例えば、しみ出し穴は、しみ出し穴を流過する冷却空気へのライナからの熱伝達を最適化するために、しみ出し穴を曲げることができる。
【００２８】
請求項に記載の発明の別の態様は、しみ出し穴の一部分にわたって、その長手方向軸線がライナの少なくとも１つの表面に対して平行であることである。
【００２９】
これは、しみ出し穴がライナの上流端部におけるある領域を極めて有効に冷却することを意味する。したがって、ライナのこの領域のインピンジメント冷却は必要ない。
【００３０】
この場合、しみ出し穴の長手方向軸線はライナの長手方向軸線に対して平行であることが好ましい。
【００３１】
これらのしみ出し穴の製造を容易にするために、しみ出し穴がライナの少なくとも１つの表面に対して平行である部分において、ライナがライナのチャネル部分におけるよりも大きな厚さを有することが請求されている。このチャネル部分はしみ出し穴の下流に配置されている。
【００３２】
そうすると、ライナの上流端部に長いしみ出し穴を有することができ、さらに、最初の１５ｍｍについてはレーザによってこれらのしみ出し穴を製造することができる。しみ出し穴の付加的な長さを例えば穿孔によって形成することができる。しみ出し穴の全長を穿孔することもできる。
【００３３】
請求項に記載の発明の別の実施の形態において、カバープレート、特にカバープレートのノズル部分は、軸方向でしみ出し穴の少なくとも１つの列にわたって延びている。
【００３４】
これは、ライナの上流端部においてしみ出し穴がライナを冷却し、ライナのより下流部分においては、チャネルを流過する冷却空気が対流冷却を提供することを意味する。
【００３５】
本発明の別の有利な実施の形態では、しみ出し冷却を行う部分と対流冷却を行う部分とが軸方向で僅かに重なり合っている。その結果、ライナの全ての領域が適切に冷却され、局所的な過熱が生じない。
【００３６】
ライナの上流端部においてしみ出し穴の複数の列がライナの軸方向に５ｃｍを超える長さ、好適には１０ｃｍを超える長さまたはさらには１５ｃｍを超える長さにわたって延びていると有利であることが証明された。
【００３７】
鋳造または選択的レーザ溶融によってライナを製造することができる。ライナを鋳造することによって、例えば、鋳型に溝を形成することができる。そうすると、しみ出し穴のこの部分の寸法および形状はほとんど制限されず、最適な冷却効果を達成するように設計することができる。
【００３８】
ライナが選択的レーザ溶融によって製造される場合、しみ出し穴を三次元に曲げることもできる。選択的レーザ溶融の技術は、しみ出し穴の寸法および形状に関する限り、より高い自由度を可能にする。
【００３９】
その他の利点および特徴は図面およびそれらの説明に開示されている。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】ガスタービン（従来技術）の断面図を示している。
【図２】しみ出し穴の複数の列を有する、請求項に記載の発明の第１の実施の形態を示す図である。
【図３】しみ出し穴の別の実施の形態を示す図である。
【図４】しみ出し穴の別の実施の形態を示す図である。
【図５】しみ出し穴の別の実施の形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
請求項に記載の発明の第１の実施の形態から始めると、カバープレート１１の上流端部は、ノズル１３を形成するための曲げ部であることが見られる。
【００４２】
縦断面図で、ノズル１３は円形および／または放物線状であってもよい。ノズル１３は、ラバルノズルの入口の形状を有してもよい。
【００４３】
冷却空気流は複数の矢印１５によって示されている。見やすくするために、これらの矢印は全てに参照符号１５を付与してはいない。
【００４４】
矢印１７は、図２〜図５における左から右への冷却空気の流れの概略的な方向を示している。言い換えれば、矢印１７は、ライナ７の上流端部もしくは始点において始まり、ライナ７の下流端部（図示せず）に向かっている。この矢印１７は、ライナ７の長手方向に対して平行である。
【００４５】
図２から分かるように、この実施の形態は、ライナ７の上流端部においてしみ出し穴１９の複数の列を有する。
【００４６】
しみ出し穴１９のそれぞれの列は、ライナ７の周囲に周方向に配置されている。その結果、図２では各列から１つのしみ出し穴１９のみが図２に示されている。
【００４７】
さらに図２から分かるように、しみ出し穴１９の複数の列は、軸方向でライナ７の始点からライナ７の下流端部に向かって延びている。
【００４８】
しみ出し穴１９のこれらの列の軸方向の延在は、図２に線２１によって示されている。
【００４９】
ライナ７の始点からライナ７の端部に向かって線２３によって示されているように、ライナ７は対流冷却によって冷却される。ライナ７の上流始点において、対流冷却は、しみ出し穴１９の複数の列によって達成される。しみ出し穴のこれらの列は、ノズル１３（の始点）よりもさらに下流へ延びている。
【００５０】
しみ出し穴よりもさらに下流において、チャネル９における冷却空気の対流冷却は、ライナ７の外面におけるタービュレータ２５によって強められる。これは、タービュレータ２５がチャネル９の壁部の一部をカバーしていることを意味する。
【００５１】
しみ出し穴１９は、ライナ７の軸方向（矢印１７参照）に対して約３０〜４５度の角度で穿孔されているので、しみ出し穴１９はライナ７の局所的厚さよりも約１．４倍だけ長い。
【００５２】
しみ出し穴１９とライナ７の軸方向（参照符号１７参照）との間の角度は、しみ出し穴の冷却効果に影響する１つの可能性である。しみ出し穴１９が長くなるほど、しみ出し穴１９内の対流冷却がより強くなる。
【００５３】
明らかに、しみ出し穴１９の数は、冷却効果と、本発明による対流冷却のこの部分のための冷却空気需要とに影響する別の可能性である。
【００５４】
対流冷却の始点において、冷却空気１５は、約１７バールであってよい圧力Ｐinを有する。
【００５５】
チャネル９における不可避な圧力降下により、冷却空気１５は、チャネル９の端部において、低下した圧力ＰinマイナスΔｐを有する。
【００５６】
ノズル３０はこれらの圧力損失を減じ、インピンジメント冷却は全く存在しないので、圧力降下Δｐは、部分的なインピンジメント冷却を行う従来技術におけるよりも著しく小さい。
【００５７】
この実施の形態による圧力降下Δｐは、Ｐinの約１〜２％である。
【００５８】
部分的なインピンジメント冷却を行う慣用の冷却システムにおいては、圧力降下ΔｐはＰinの約２〜３％である。
【００５９】
ノズル１３を注意深く設計することによっておよびあらゆるインピンジメント冷却を回避することによってこの実施の形態から分かるように、圧力降下Δｐは、部分的なインピンジメント冷却を行う従来技術と比較して著しく減じられる。
【００６０】
図３は、さらにより長いしみ出し穴１９を備えた、請求項に記載の発明の第２の実施の形態を示している。この実施の形態では、しみ出し穴１９は、ライナ７の上流端部において穿孔されている。壁部２７の下流において、しみ出し穴１９は溝２９によって構成されており、これらの溝は、ライナ７およびそのタービュレータ２５と一緒に鋳造されてもよい。これらの溝２９は、カバー３１によって閉鎖されており、チャネル状のしみ出し穴を生じている。カバー３１は、ねじ、溶接または固定ピンによってライナ７に固定されてもよい。
【００６１】
溝２９を鋳造することによって、１５ｍｍをはるかに超えてしみ出し穴１９の長さを延長させることができる。１５ｍｍは、ライナ７が鋼または耐熱合金から形成されている場合に、レーザによってしみ出し穴１９を穿孔するための限界である。
【００６２】
同様に、この実施の形態は、ライナ７の始点から対流冷却のみを有する。ライナ７の上流端部において、それぞれのしみ出し穴１９の内部に対流冷却が生じる。この実施の形態は、周方向に配置されたしみ出し穴１９の１つの列のみを有する。これらのしみ出し穴１９は、ライナ７の厚さと比較して極めて長い。しみ出し穴は、しみ出し穴１９の穿孔された部分と、溝２９とカバー３１とによって形成されているしみ出し穴の部分とを組み合わせることができることにより、ライナ７の厚さよりも５〜１０倍だけ長くなり得る。
【００６３】
図４には、請求項に記載の発明の別の実施の形態が示されている。再び、しみ出し穴１９は、ライナの厚さと比較して極めて長い。この実施の形態では、しみ出し穴１９は曲げられており、（左側、すなわちライナ７の上流端部における）穿孔された部分と、同様に、溝を鋳造し、これらの溝をカバーによって覆うことによって製造され得る第２の部分３３とを有する。
【００６４】
選択的レーザ溶融によって、しみ出し穴１９の部分３３およびタービュレータ２５とともにライナ全体を製造することもできる。この製造方法は、しみ出し穴を含む複雑な形状を備えたライナ７が、金属の粉末を局所的に溶融させることによって形成されるように、金属の粉末を局所的に溶融させることを含む。選択的レーザ溶融は、当業者に公知の方法であるので、本願では詳細に説明しない。
【００６５】
この実施の形態では、部分３３は、長手方向でノズル１３の始点において終わっている。部分３３を、チャネル９内へ延びるまで延長させることもできる。
【００６６】
同様に、ライナ７の対流冷却のみが生じ、その結果、圧力降下Δｐが小さくなる。
【００６７】
図５は、ライナ７の局所的厚さと比較して極めて長いしみ出し穴１９を備えた別の実施の形態を示している。ライナ７の表面３５に対して多かれ少なかれ平行なしみ出し穴１９を製造することができるために、幾つかの場合、しみ出しが生じるところで（図３〜図５におけるバー２１）上側部分におけるライナの厚さを増大させる必要がある。
【符号の説明】
【００６８】
１  圧縮空気、  ２  第１の燃焼器、  ４  第２のバーナ、  ５  第２の燃焼器、  ７  ライナ、  ９  チャネル、  １１  カバープレート、  １３  ノズル、  １５  冷却空気、  １９  しみ出し穴、  ２１，２３  線、  ２５  タービュレータ、  ２７  壁部、  ２９  溝、  ３１  カバー、  ３３  部分、  ３５  表面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【外国語明細書】
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