(57)【要約】      （修正有）【課題】燃焼器および燃焼器構成要素の温度勾配を減少させる方法を提供する。【解決手段】燃焼器１００は、その少なくとも一部に施されたコーティング１４０を含む。コーティング１４０は、それが施される燃焼器１００の少なくとも一部の放射率を変える働きをする。方法は、燃焼器ライナ１１２および流れスリーブ１１４の少なくとも１つにコーティングを施すことを含む。このコーティング１４０は、施される場所が示す放射率を変える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器（１００）であって、前記燃焼器（１００）の少なくとも一部に施されるコーティング（１４０）を備え、前記コーティングが、それが施される前記燃焼器（１００）の前記少なくとも一部の放射率を変える働きをする、燃焼器（１００）。
【請求項２】
流れスリーブ（１１４）と、燃焼器ライナ（１１２）と、前記流れスリーブと前記燃焼器ライナの間のクーラント空気経路（１１０）とを備え、前記コーティングが、前記流れスリーブおよび前記燃焼器ライナの少なくとも１つに施される、請求項１記載の燃焼器。
【請求項３】
前記クーラント空気経路に入る空気を受ける空気入口（１０８）と、前記クーラント空気経路から出る空気を放出する出口とを備え、前記コーティングが、前記空気入口と前記空気出口の間で放射率を変えるように前記空気入口と前記空気出口の間で変えられる、請求項２記載の燃焼器。
【請求項４】
前記クーラント空気経路に入る空気を受ける空気入口（１０８）と、前記クーラント空気経路から出る空気を放出する出口とを備え、前記コーティングが、前記流れスリーブと前記燃焼器ライナの少なくとも１つが前記出口におけるよりも前記空気入口においてより小さい放射率を示すように漸変される、請求項２記載の燃焼器。
【請求項５】
前記コーティングが一パターンで施され、ホットスポットに対処する、請求項４記載の燃焼器。
【請求項６】
燃焼器ライナをさらに備え、前記コーティングが、前記燃焼器ライナの前記クーラント空気経路に面する表面に施される、請求項１記載の燃焼器。
【請求項７】
流れスリーブをさらに備え、前記コーティングが、前記流れスリーブの１つまたは複数の表面に施される、請求項１記載の燃焼器。
【請求項８】
前記コーティングが、陽極酸化チタン、ジルコニウム、クロム、セリウムまたはその組み合わせを含む、請求項１記載の燃焼器。
【請求項９】
ケーシング（１２０）、燃焼器ライナ（１１２）および流れスリーブ（１１４）を備える燃焼器（１００）の構成要素の温度勾配を減少させる方法であって、
前記燃焼器ライナおよび前記流れスリーブの少なくとも１つにコーティング（１４０）を施すステップを含み、前記コーティングが、施された場所が示す放射率を変える、方法。
【請求項１０】
ガスタービンであって、
回転圧縮機と、
タービンと、
流れスリーブ（１１４）および燃焼器ライナ（１１２）の少なくとも１つを有する前記回転圧縮機と前記タービンの間のクーラント空気経路（１１０）と
を備え、
前記流れスリーブおよび前記燃焼器ライナの少なくとも１つが、その放射率を変える働きをする材料でコーティングされる、
ガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に燃焼器に関し、より具体的には燃焼器の温度の均一性に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼タービンとも呼ばれるガスタービンは、航空機、列車、船舶、タンクおよび発電機に動力を供給するのに使用される。そうしたタービンは、タービンからの上流に結合される回転圧縮機を有する。燃焼室すなわち燃焼器は、圧縮機とタービンの間に配置される。エネルギがガス流に加えられ燃焼器を通過し、燃焼器内では燃料が空気と混合し点火される。
【０００３】
燃料の燃焼は燃焼器内の温度を上昇させる。燃焼器の設計者は、燃焼器の部分の形成に使用され、最高温度までの特定の温度上昇に耐えるような材料を含む燃焼器を設計する場合が多い。さらに、燃焼器の設計者は特定の最高温度を念頭に置いて燃焼器を設計することが多く、それは一般的に材料の能力によって制限される。
【０００４】
従来の燃焼器にみられる１つの問題には、燃焼器の単なる動作によって構成要素の熱劣化が引き起こされるということがある。さらに、最高温度まで少しでも上にそれることによって燃焼器構成要素の熱劣化の加速が引き起こされる恐れがある。さらに、ホットスポットが燃焼器内に発生することがある。一般的な材料は加熱により膨張するので、ホットスポットまたは温度勾配によって内筒内に大きな熱応力が引き起こされる恐れがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／０１６９８９８号明細書
【発明の概要】
【０００６】
これらのいくつかを勘案して、耐熱性が向上し温度勾配が減少した燃焼器が当分野において望まれている。
【０００７】
いくつかの実施形態では、少なくとも一部にコーティングが施された燃焼器が提供される。コーティングは、それが施される部分の放射率を変える働きをする。
【０００８】
いくつかの実施形態では、クーラント空気経路によって冷却されるべき構成要素の温度勾配を減少させる方法が提供される。方法は、ケーシング、燃焼器ライナ、流れスリーブ、空気入口および出口を有する燃焼器を準備することを含む。方法は、さらに、燃焼器ライナおよび流れスリーブの少なくとも１つにコーティングを施すことを含む。コーティングは、それが施される場所が示す放射率を変える。
【０００９】
いくつかの実施形態では、ガスタービンが提供される。ガスタービンは、回転圧縮機、タービン、および回転圧縮機とタービンの間のクーラント空気経路を含む。クーラント空気経路は、放射率を変える働きをする材料でコーティングされた流れスリーブを含む。
【００１０】
上述の説明は、本発明の実施形態の特徴をかなり大まかに略述しており、したがって以下に述べる本発明の詳細な説明によってより良く理解することができる。本発明の特許請求の範囲の主題をなす本発明のさらなる特徴および利点は以下に記載されている。
【００１１】
次に、本発明およびその利点のさらに完全な理解のために、添付の図面と併せて以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態による燃焼器の断面図である。
【図２】ホットスポットがない場合のクーラント空気経路を通る流れの方向に沿った冷却用空気の温度の予測される変化の一例のグラフである。
【図３】本発明の一実施形態による漸変放射率コーティングの図である。
【図４】ホットスポットがある場合の構成要素の温度の予測される変化の一例のグラフである。
【図５】本発明の一実施形態による、複数のセクションにパターン化され燃焼器流路のホットスポットを捕える、放射率コーティングの図である。
【図６】本発明の他の実施形態による、燃焼器流路のホットスポットを捕えるようにパターン化された、漸変放射率コーティングの図である。
【図７】本発明の一実施形態による、燃焼器流路に沿った温度の均一性を向上させるステップの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下の説明では、本発明の実施形態の完璧な理解が得られるように、特定の量および寸法など、具体的に詳細を説明する。しかし、本発明がそうした特定の詳細を用いなくても実施可能であることは当業者には明らかであろう。多くの場合、そうした詳細は本発明を完全に理解するのに不要であり、また関係技術分野の当業者の知るところであるので、そうした考察に関する詳細などは省略してある。全体的に図面に関して、図示したものは本発明の具体的な実施形態を説明するためのものであり、本発明を限定する意図はないと理解されよう。明確な定義がない場合、用語は、当業者によって現在受容される意味を採用するとして解釈されるべきである。
【００１４】
図１を参照すると、図には燃焼器１００が示されている。燃焼器は、１つまたは複数のクーラント入口ダクト１０２、１０４、コンテインメント容器１０６および空気経路入口１０８を含むことができる。燃焼器は、ケーシング１２０をさらに含み、その内部には燃焼器ライナ１１２および流れスリーブ１１４がある。
【００１５】
具体的に図１の差し込み図を参照すると、図には、燃焼器ライナ１１２と流れスリーブ１１４の間にあるクーラント空気経路１１０が示されている。冷却用空気１１６は、空気入口１０８で受けられクーラント空気経路１１０に沿って運ばれる。冷却用空気１１６は、流れスリーブ１１４および燃焼器ライナ１１２を冷却するためのものである。
【００１６】
しかし、燃焼器ライナ１１２から流れスリーブ１１４および冷却用空気１１６に向かう方向１１８に放射および／または対流が発生する。放射／対流１１８によって、冷却用空気１１６の温度が上昇し、温度は空気入口から出口に向かう方向に上昇し続ける。冷却用空気は、どちらの方向にも流れることができ、冷却用空気の温度は流れの方向に上昇する。
【００１７】
燃焼器１００内における到達温度は、クーラント空気経路１１０を通過する空気の速度、クーラント空気経路を通過する空気の質量流量、燃焼器ライナ１１２および流れスリーブ１１４の表面の放射率、ならびに例えば熱ガス温度、熱ガス流量、熱ガス流れ面積および燃焼器ライナおよび流れスリーブの表面特性などの他のファクタによって決まる。
【００１８】
本発明の一実施形態は、例えば燃焼器ライナ１１２および流れスリーブ１１４の少なくとも１つである、クーラント空気経路１１０の１つまたは複数の構成要素の表面を材料でコーティングすることを含む。一実施形態では、コーティングされる面は、冷却用空気経路に面する。他の実施形態では、コーティングされる面は、流路とは別の方に面することができる。コーティングは、クーラント空気経路１１０の１つまたは複数の構成要素のコーティングされる部分の放射率εを変える働きをする。材料の放射率εは、放射によるエネルギを放出するその材料の表面の相対能力である。放射率εは、特定の材料から放射されるエネルギと、それと同じ温度における黒体から放射されるエネルギとの比である。例えば、真の黒体の放射率εは１．０であり、他の材料の放射率εは０．０〜１．０である。
【００１９】
図２は、冷却用空気１１６が燃焼器のクーラント空気経路に沿って流れるときに示すと予想される温度１３０を概略的に示している。図示のように、冷却用空気は、経路に沿って移動するにしたがって加熱される。冷却用空気の加熱は、それ自体が燃焼器ライナまたは流れスリーブの劣化を招くのではない。そうした構成要素の劣化は、一般的に、冷却用空気があるにもかかわらず構成要素の金属が高温になりすぎるとき、または構成要素の温度勾配の結果のどちらかによって起こる。本発明の実施形態は、温度だけでなく構成要素の温度勾配を最適化するように放射率パターンを制御かつ／または形成する（ｃｏｎｔｏｕｒ）のに使用され得る。許容最高温度だけでなく温度勾配も考慮する場合、冷却用空気の温度（および熱吸収（ｈｅａｔ  ｐｉｃｋｕｐ））が役に立つ。
【００２０】
本発明の一実施形態は、クーラント空気経路１１０の（燃焼器ライナおよび流れスリーブのどちらかまたは両方を意味する）燃焼器ライナ１１２および流れスリーブ１１４の少なくとも一方に様々なコーティングを行うことである。図３は、空気入口と出口の間におけるコーティングされた構成要素の温度勾配を減少させるように、空気入口と出口の間に施され得る漸変コーティング１４０を概略的に示している。図示のように、空気入口により近いコーティングの放射は少なく（ゼロに近く）、一方出口により近いコーティングの放射はより多い（１に近い）。あるいは、コーティング１４０は、漸変でなくてもよく、その代わりにクーラント空気経路１１０全体に沿って平均した放射率εをもたらすように選ぶこともできる。コーティング材料の非限定的な例には、陽極酸化チタン、ジルコニウム、クロム、セリウム、他の同様の材料およびその組み合わせを含む放射率コーティングがある。様々な温度で機能する放射率コーティングは、Ｔｉｏｄｉｚｅ  Ｃｏｍｐａｎｙ  ａｎｄ  Ｅｍｉｓｓｈｉｅｌｄ，Ｉｎｃ．などの製造元から市販されている。望むなら、単一コーティングを表面に使用することもできる。実施形態の中には、異なるコーティングを、異なる場所に異なる放射率特性の表面を形成するのに使用するものもある。図２、３の例では、ホットスポットはない。以下に説明するように、選択的にホットスポットを減少させるのに選り抜いた放射率形成を使用することができる。
【００２１】
図４は、クーラント空気経路１１０に沿って冷却用空気によって冷却されるべき構成要素にホットスポット２３２があるときの構成要素の温度の予測される変化の例を示したグラフである。グラフ２３０は、例示のために冷却用空気流れの方向に上方に傾いて示されているが、グラフ２３０の形状は、例えば、図１に関して上述したものを含む様々な構成要素の温度ファクタによって決まる。ホットスポットは、温度勾配２３０の波形すなわち急激な上昇を引き起こす。そうした状況では、コーティング１４０（図３）のような漸変コーティングは、曲線２３０の概ね直線の温度勾配部分には対処するが、ホットスポット２３２への対処にはあまり効果がない。したがって、一実施形態では、直線勾配が適用され、他の実施形態では、異なる勾配の放射率形成が適用され得る。
【００２２】
一実施形態では、図５に示されるように、セクション１４０ａ〜１４０ｎにコーティングを施すことができる。セクションは、空気入口から出口に向かう方向に漸変される、またはクーラント空気経路１１０の特定の部分について具体的に調整されてもよい。例えば、ホットスポット２３２に対処するようにコーティング１４２を施すこともできる。あるいは、図６に示されるように、漸変コーティング１４０をクーラント空気経路１１０の１つまたは複数の構成要素に沿って形成し、ホットスポットコーティング１４２をホットスポット２３２が検出された任意の場所に施してもよい。
【００２３】
最近設計された燃焼器では、設計モデル、経歴または詳細な分析から予測温度勾配を導くことができる。温度勾配が発生しやすい場所に関する情報に基づいて、設計者は、図７に示されるように、その部分にかかる応力を減少させその寿命を延ばすために温度勾配を減少させるように、放射率形成コーティングを計画することができる。
【００２４】
ガスタービンなどの大規模システムにすでに取り付けられている燃焼器の場合、必要な放射率変化コーティングのパターンのタイプを確認することが困難なことがある。一実施形態では、燃焼器の構成要素を感熱塗料で塗装することができる。既知の感熱塗料は、到達最高温度に基づいて色が変わる。しばらく使用すると感熱塗料は色が変わっていくので、その感熱塗料パターンと一致するようにコーティングパターンをプロファイルすればよい。そのコーティングを適用するように計算機数値制御（ＣＮＣ）ロボットをプログラムすることができる。
【００２５】
あるいは、熱劣化により機能しなくなった構成要素の調査に基づいてコーティングパターンを作ることもできる。機能しなくなるほどの熱劣化の発生は、機能しなくなった構成要素またはその近くにおける持続的な高温すなわちホットスポットの存在を示唆するものである。交換構成要素は、ホットスポットに対処するような放射率変化材料でコーティングすることができる。
【００２６】
具体的に、図７を参照すると、本発明の一実施形態は、クーラント空気経路に沿って冷却用空気によって冷却されるべき構成要素の温度勾配を減少させる方法を対象とする。ステップ２００で、燃焼器１００のような燃焼器について、温度勾配および最高温度プロファイルを決定する。温度勾配および最高温度プロファイルを特定する一プロセスは、燃焼器に感熱塗料を施し、燃焼器を動作させ、感熱塗料の熱パターンを突き止めることを含む。燃焼器の熱的に問題がある領域を特定する他のプロセスは、熱劣化により機能しなくなった燃焼器の構成要素の記録をつけることを含む。
【００２７】
ステップ２０５で、構成要素の放射率を変えるように設計されたコーティングを施すためにパターンを決定する。次に、ステップ２１０で、そのパターンと一致する放射率変化コーティングを施す。コーティングを施す一プロセスは、パターンがプログラムされた計算機数値制御（ＣＮＣ）ロボットを使用して行う。
【００２８】
限られた数の実施形態のみに関連して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はそうした開示の実施形態に限定されるものではないと容易に理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明していない様々な変形形態、代替形態、置換形態または均等物の構成を組み込むように修正することができ、これらは本発明の精神および範囲に相応する。例えば、実施形態は、当初、単一性を暗示する用語で述べてあっても、多数の構成要素を使用することができると理解されたい。さらに、本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態のいくつかだけしか含まなくてもよいと理解されるべきである。したがって、本発明は、上記の説明によって限定されると理解されるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【００２９】
新規であり米国の特許証によって保護を求めるものとして請求される内容は以下のとおりである。
【符号の説明】
【００３０】
１００  燃焼器システム
１０２  クーラント入口ダクト
１０４  クーラント入口ダクト
１０６  コンテインメント容器
１０８  空気経路入口
１１０  空気経路
１１２  燃焼器ライナ
１１４  流れスリーブ
１１６  空気
１１８  放射
１２０  ケーシング
１３０  温度勾配
１３２  ホットスポット
１４０  漸変放射率コーティング
１４０ａ〜１４０ｎ  漸変放射率コーティングセクション
１４２  放射率コーティングされたホットスポットセクション
【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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【図６】
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【図７】
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【外国語明細書】
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