(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器ライナ（１２）と、
前記ライナ（１２）を取囲んで、該ライナ（１２）との間に第１の流れ環状空間（３０）を形成する第１のフロースリーブ（２８）であって、冷却空気を前記第１の流れ環状空間（３０）に導くため該フロースリーブの円周の周りに形成された複数列の冷却孔（３４）を備える第１のフロースリーブ（２８）と、
前記燃焼器ライナ（１２）及び前記第１のフロースリーブ（２８）に接続され、高温燃焼ガスをタービン段（１４）に運ぶ遷移部品（１０）であって、該遷移部品（１０）が第２のフロースリーブ（２２）に取囲まれていてそれらの間に第２の流れ環状空間（２４）を形成し、該第２の流れ環状空間（２４）が前記第１の流れ環状空間（３０）と接続している、遷移部品（１０）と
を含むタービン用燃焼器であって、
前記第１のフロースリーブの前記複数列のうちの第１列の冷却孔（３４）が前記遷移部品に隣接して位置し、さらに、冷却空気を前記第１の流れ環状空間（３０）に導いて前記燃焼器ライナ（１２）を衝突冷却するとともに前記第２の流れ環状空間（２４）からの冷却空気と混合するための１つ以上の冷却導管（３６）が前記第１のフロースリーブの前記複数列のうちの前記第１列の冷却孔（３４）のみに取付けられており、前記１つ以上の冷却導管（３６）が、前記第２の流れ環状空間（２４）からの冷却空気のクロスフローに対して物理的な遮蔽をもたらして該冷却導管（３６）を流れる冷却空気が確実に燃焼器ライナ（１２）の表面に達するように、前記燃焼器ライナ（１２）に向かって半径方向に延びているが該ライナ（１２）には係合しておらず、前記冷却導管（３６）の各々がその一端に半径方向フランジ（４０）を備える管（３８）を含んでいて、該半径方向フランジ（４０）が前記第１のフロースリーブ（２８）の外側面に溶接されている、タービン用燃焼器。
【請求項２】
前記冷却導管（３６）の各々が、前記管の反対側端が前記ライナ（１２）から予め定められた空間を置いて、前記フロースリーブに溶接されている、請求項１に記載の燃焼器。
【請求項３】
前記複数の冷却導管（３６）のうちの１つが、断面が円形である、請求項１に記載の燃焼器。
【請求項４】
実質的に同心の関係で第１のフロースリーブ（２８）に取囲まれてその間に第１の環状空間（３０）を形成している、実質的に円形断面のガスタービン燃焼器の燃焼器ライナ（１２）を冷却する方法であって、
前記燃焼器ライナ（１２）に遷移部品（１０）が接続されていて、該遷移部品（１０）が第２のフロースリーブ（２２）に取囲まれていてそれらの間に第２の流れ環状空間（２４）を形成し、該第２の流れ環状空間（２４）が前記第１の流れ環状空間（３０）と接続しており、当該方法が、
（ａ）各列が前記第１のフロースリーブ（２８）の円周方向に延在し、複数列の第１列が前記遷移部品（１０）及び第２のフロースリーブ（２２）に隣接する、軸方向に間隔を置いた複数列の冷却孔（３４）を前記第１のフロースリーブ（２８）に設ける段階と、
（ｂ）各々がその一端に半径方向フランジ（４０）を備える管（３８）を含む複数の冷却導管（３６）を、前記燃焼器ライナ（１２）に向かって半径方向に延びるが該ライナ（１２）には係合しないように、前記複数列のうちの前記第１列の前記冷却孔（３４）のみに位置づけることにより、前記第２の流れ環状空間（２４）からの冷却空気のクロスフローに対して物理的な遮蔽をもたらす段階と、
（ｃ）前記半径方向フランジ（４０）を前記第１のフロースリーブ（２８）の外側面に溶接する段階と、
（ｄ）前記冷却導管（３６）で冷却空気を前記ライナ（１２）に向って導いて該冷却導管（３６）を流れる冷却空気が確実に燃焼器ライナ（１２）の表面に達するように、前記冷却空気を前記冷却孔（３４）に供給する段階と
を含む、方法。
【請求項５】
前記管（３８）が円形断面を持つ、請求項４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明はターボ機械における燃焼器に関するものであり、具体的にはガスタービン燃焼器における燃焼器ライナの冷却に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のガスタービン燃焼システムは、信頼性があり高効率のタービンの運転を達成するために多くの燃焼器組立体を用いる。各燃焼器組立体は、円筒形のライナ、燃料噴射装置、及び高温ガスの流れを燃焼器からタービンの入口まで導く遷移部品を備えている。一般的に、圧縮機の排出空気の一部が燃焼器ライナを冷却するのに用いられ、次いで燃焼器反応区域内に導かれて燃料と混合され燃焼される。
【０００３】
衝突冷却される遷移部品を組み込んだ装置では、中空のスリーブが遷移部品を取囲んでおり、スリーブ壁には多数の孔があけられており、圧縮機の排出空気がスリーブ壁の冷却開口を通って流れ遷移部品に衝突（そして冷却）する。この冷却空気は、次に遷移部品を取囲むスリーブと遷移部品自体との間の環状空間に沿って流れる。このいわゆる「クロスフロー」は最終的には、燃焼器ライナとそれを取囲むフロースリーブの間にある他の環状空間へと流入する。また、フロースリーブはその円周の周りに数列の冷却孔を備えて形成されており、その第１列はフロースリーブが遷移部品の外側スリーブと結合している取付けフランジに隣接して位置している。クロスフローは、フロースリーブの孔を貫通して燃焼器ライナ表面に向かって流れる衝突冷却空気に対して垂直である。
【０００４】
このクロスフローの存在は、フロースリーブ中の第1列の噴流が燃焼器ライナを衝突冷却することが予期される位置に近い区域において、冷却効果に直接的影響を持つ。
【０００５】
具体的には、クロスフローは第1列のフロースリーブ噴流に衝突しそれらを曲げ、それらがライナを衝突冷却する能力を低下させる。ある従来のフロースリーブの衝突冷却噴流の設計では、フロースリーブの円周の周りに等間隔の２４個の噴流からなる３つの列がある。遷移部品衝突冷却スリーブからの強力なクロスフローの存在のもとでのこの噴流のパターンでは、噴流の第1列付近のライナ表面上で非常に低い伝熱率を生じる。この低い伝熱率により、ライナ表面が高温度になり最終的には強度の喪失へとつながる可能性がある。ライナの高温による幾つかの潜在的な故障の様式には、それに限定されないが、後部スリーブ溶接線の割れ、膨出、トライアンギュレーションなどが含まれる。これらのメカニズムがライナの寿命を縮め早期の部品交換を必要とする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、燃焼器ライナの後部の冷却に噴流衝突冷却が用いられる乾式低ＮＯｘ型ガスタービン燃焼器におけるライナの冷却を向上させる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
遷移部品冷却流によって生じる強力なクロスフローが存在するにも拘らず、燃焼器ライナのフロースリーブの冷却孔に挿入され、それを通って冷却噴流が流れる、シンブルとも呼ばれるカラー或いは冷却導管を使用することによって、クロスフローの望ましくない影響が最小化される。これらのシンブルはクロスフローに対して物理的な遮蔽を施しクロスフローを望ましい流路に強制的に流し、同時に冷却噴流が冷却されるべき燃焼器ライナ表面を効果的に衝突冷却することを保証する。
【０００８】
シンブル即ちカラーは、燃焼器ライナと遷移部品が結合される取付けフランジに隣接する、フロースリーブの後端の少なくとも第1列の孔の各孔に取付られるのが好ましい。この配置によって噴流オリフィスと衝突冷却表面との間隙を減少させ、噴流を偏向させるクロスフローを遮蔽し、噴流を以後の噴流の列のために好ましい流れの通路に強制的に流し、噴流の直径が小さくなることを可能にしこれによって冷却空気を減少させ、噴流の衝突冷却位置の一貫した正確な制御をもたらす。それはまた、噴流の第1列の望ましからぬ軸方向の振動を安定させ、噴流の第1列の上流に厚い境界層が形成される（及び、それにより伝熱の低下する）のを防止する。
【０００９】
従って、より広い観点において、本発明は、燃焼器ライナと、円周の周りに形成された複数列の冷却孔を備える、ライナを取囲む第1のフロースリーブと、燃焼器ライナ及びフロースリーブに接続され、高温燃焼ガスをタービン段に運ぶようになっている、第２のフロースリーブに取囲まれた遷移部品と、を含み、第１のフロースリーブの複数列のうちの第１列の冷却孔が遷移部品に隣接して位置し、さらに、１つあるいはそれ以上の冷却導管が複数列のうちの少なくとも第１列の冷却孔に取付けられているタービン用燃焼器に関する。
【００１０】
別の観点において、本発明は、燃焼器ライナを取囲む関係に取付けられた燃焼器ライナフロースリーブであって、複数列のうちの１列がフロースリーブの一端に隣接して位置する複数列の冷却孔を形成された管状本体と、フロースリーブ中に半径方向に突出する、少なくとも第１列の孔の各孔に取付けられた冷却導管と、を含む燃焼器ライナフロースリーブに関する。
【００１１】
さらにまた別の観点において、本発明は、実質的に同心の関係でフロースリーブに取囲まれてその間に環状空間を形成している、実質的に円形の断面をした、ガスタービン燃焼器の燃焼器ライナを冷却する方法であって、（ａ）各列がフロースリーブの円周方向に延在し、複数列の第１列がフロースリーブの前方または下流端に隣接する、複数の軸方向に間隔を置いた列の冷却孔をフロースリーブに設ける段階と、（ｂ）ライナに向かって半径方向に延びるがライナに係合しない複数の冷却導管を、前記複数列のうちの少なくとも第１列の冷却孔内に位置づける段階と、（ｃ）冷却導管が冷却空気をライナに向って導くように、冷却空気を冷却孔に供給する段階と、を含む方法に関する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１及び図２を参照して、典型的なガスタービンは、図中燃焼器ライナ１２として示される上流の燃焼器からの高温燃焼ガスを１４で示されるタービンの第1段に通す、遷移部品１０を備えている。ガスタービン圧縮機からの流れは、軸方向ディフューザ１６を出て圧縮機排出ケース１８に入る。圧縮機排出空気の約５０％が遷移部品衝突冷却スリーブ２２に沿ってその周りに形成された開口２０を通って流れ遷移部品１０と半径方向外側の遷移部品衝突冷却スリーブ２２の間の環状領域即ち環状空間２４中を流れる。圧縮機排出空気流の残りの約５０％は、フロースリーブ孔３４へ流れ込み環状空間３０で遷移部品からの空気と混合し、最終的には燃焼器内でガスタービン燃料と混合する。
【００１３】
図２に最もよく見られるように、遷移部品１０の衝突冷却スリーブ２２は、燃焼器フロースリーブ２８の後端の取付けフランジ２６に伸縮自在の関係で受入れられ、また遷移部品１０もまた燃焼器ライナ１２に伸縮自在の関係で受入れられる。燃焼器フロースリーブ２８は、燃焼器ライナ１２を取囲んでその間に流れ環状空間３０を形成している。図２の流れの矢印３２から理解できるように、環状空間２４内を流れるクロスフロー冷却空気は引き続いて、フロースリーブ２８の円周の周りに形成されている冷却孔３４（図２には３列示してあるが、フロースリーブにはそのような孔が何列有ってもよい）を通って流れる衝突冷却空気（流れの矢印３５参照）に対して直角に環状空間３０内へ流れ込む。
【００１４】
フロースリーブの第1列の孔３４（取付けフランジ２６に最も近い列の孔）を通る衝突冷却流は、特に環状空間２４からのクロスフローによって破壊される。この望ましくない影響は図３に見ることができる。図３に示す試験的な衝突冷却スリーブ／燃焼器ライナ構成は、図２の配置とは多少異なるが、理解の便宜のために同様の参照番号が用いられている。クロスフローは孔３４から出てくる第1列の冷却噴流に衝突し、それらを曲げ、ライナ１２を衝突冷却するそれらの能力を低下させる。クロスフローと噴流との相対的な強さによっては、噴流は燃焼器ライナ１２の表面に到達することさえできない可能性もある。衝突冷却噴流は高速なので、噴流の後側でフロースリーブの入口孔付近に低静圧特性の区域が生じる。クロスフローは低圧区域に向かって加速されフロースリーブ／ライナ環状空間３０を横切る速度勾配を生じる。その結果生じるライナ表面近くの低速かつ厚い境界層は伝熱効果が非常に低い。
【００１５】
クロスフローが冷却噴流に及ぼす望ましくない影響を解消するために、図４に示すような冷却シンブル３６が用いられる。これらのシンブルは、円形断面の管３８とその先端に溶接した平坦リングまたはフランジ４０を含むことができる。シンブル３６の寸法形状は、ライナ／フロースリーブ間隙、この寸法形状の公差、噴流とクロスフローの運動量、シンブルの幾何学的構造の制約、及び特定の冷却要求条件によって定まる。1つのシンブル３６が、フロースリーブ孔３４の第1列の各々に挿入され、リングまたはフランジ４０でフロースリーブ２８の外側面に溶接される。２０個のシンブルが、取付けフランジ２６に隣接する少なくとも第1列の、フロースリーブ２８の円周の周りの同数の孔３４に取付けられるが、それらは第２列及び／又は第３列にも同様に付加えることができる。ある例示的な実施形態における冷却すべき臨界位置はフロースリーブの対向端から約３０インチであると求められた(図示せず）。
【００１６】
管３８の断面は円形として示されているが、他の断面形状も使用でき、例えば方形、三角形、エーロフォイル形、半円形などである。開放チャネル形状もまた使用できる。
【００１７】
図６は、シンブル３６が定位置に取付けられたライナ／フロースリーブ環状空間における流れ領域を明らかにする断面図である。この図を図３と対比すると、フロースリーブのシンブルを使用することによって第1列の噴流を強化することの有利性を明確にすることできる。ライナ１２の衝突冷却が孔３４の第1列で強化されていること、及び少なくとも衝突冷却孔３４からの冷却噴流がライナ１２の表面に達することができる程度にクロスフローが遮られていることは特に明白である。事実、シンブルは、フロースリーブ対向端から２９．２インチの第1列の噴流中心線において、ライナの伝熱係数を１５０ＢＴＵ／ＨＲ／ｆｔ2／Ｆ増加させることが立証されている。
【００１８】
本発明による装置及び方法は、第１列の噴流にクロスフローが存在するようなところでの、衝突冷却が適用される如何なる場合にも用いることができる。
【００１９】
本発明を現在最も実用的かつ好ましい実施形態と考えられるものとの関連において説明してきたが、本発明は開示された実施形態に限定されるべきではなく、反対に、請求項の技術思想及び技術的範囲に含まれる種々の変更及び同等配置を保護せんとするものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  燃焼器ライナ後方の燃焼器遷移部品の簡略断面側面図。
【図２】  遷移部品に結合された燃焼器ライナ及びフロースリーブの詳細部分斜視図。
【図３】  従来技術の燃焼器ライナの衝突冷却を示す流れの線図。
【図４】  本発明による冷却シンブルの側面図。
【図５】  図４に示すシンブルの断面側面図。
【図６】  本発明による燃焼器ライナの衝突冷却を示す流れの線図。
【符号の説明】
１２  ライナ
２８  フロースリーブ
３０  環状空間
３４  衝突冷却孔
３６  シンブル
３８  管
４０  フランジ
【図１】
0005166659.tif 000002
【図２】
0005166659.tif 000003
【図３】
0005166659.tif 000004
【図４】
0005166659.tif 000005
【図５】
0005166659.tif 000006
【図６】
0005166659.tif 000007