(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側表面に形成された複数の溝を有するほぼ円筒形の内側部材と、
前記内側部材の上に作動的に配置されたほぼ円筒形の外側部材と、
前記外側部材と前記内側部材との間に作動的に配置され、前記内側部材の内側表面を冷却する冷却圧縮空気を供給する複数の軸方向冷却通路と
を有し、
前記外側部材が前記内側部材に締まりばめされていることを特徴とするガスタービンエンジンの燃焼部のための冷却構造。
【請求項２】
前記内側部材が、更に、該内側部材の後端に作動的に配置され、前記外側部材が滑るのを防ぐ複数の機械的止めを含む請求項１記載の冷却構造。
【請求項３】
前記外側部材が前記内側部材に結合されている請求項1又は２に記載の冷却構造。
【請求項４】
前記冷却通路の入り口の下流に作動的に配置され、少なくとも冷却通路の１つが閉塞されたならば、軸方向通路に冷却を呈する複数の円周方向横断流通路を更に含む請求項１乃至３のいずれか１項に記載の冷却構造。
【請求項５】
前記冷却通路の入り口の直ぐ下流に円周方向横断流通路を１つ備える、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関連出願】
本出願は、本出願人に同様に譲渡された米国出願番号０８／６６９，０７０（１９９６年６月２４日出願）及び米国出願番号０８／６６９，０６９（１９９６年６月２４日出願）に関連し、その記載をここに参考にする。
【０００２】
【従来の技術】
本願発明は、ガスタービン燃焼器に関し、特に、フィルム冷却が極端に制限されるか、できないかもしれない場合に、用いる改良された燃焼器及び／又は遷移部材に関する。
従来のガスタービン燃焼器は燃料と空気が別々に燃焼室に入る拡散（即ち、非予混合）火炎を用いる。
【０００３】
混合及び燃焼の過程で華氏３９００度を超える火炎温度を生じる。ライナーを有する従来の燃焼器及び／又は遷移部材が一般に耐えることができる最大温度は華氏１５００度位であるから、燃焼器及び／又は遷移部材のライナーを保護する手段が取られなければならない。これは典型的にはフィルム冷却によっていたが、これは燃焼器の外側を囲むプレナムに比較的冷たい圧縮空気を導入するものである。この従来の構成では、プレナムからの空気はルーバーを通って燃焼器ライナーに入り、それから、燃焼器の内側表面上をフィルムとして通過し、これにより燃焼器ライナーの一体性を保持する。
【０００４】
二個の原子からなる窒素は３０００°Ｆ（約１６５０°Ｃ）を越える温度で急速に分解するので、高温の拡散燃焼は比較的多くのＮＯx排出をもたらす。ＮＯx排出を減少させる一手段はできうる限り最大の量の圧縮空気と燃料を予混合することである。その結果の希薄な予混合の燃焼はより低い火炎温度を生じ、従って、ＮＯx排出は低くなる。希薄な予混合燃焼は拡散燃焼より温度が低いが、依然として従来の燃焼器ライナーには高すぎて耐えられない。しかも、先進の燃焼器は、ＮＯxを減少させるさせるために、できうる限り最大の量の圧縮空気と燃料を予混合するので、冷却空気はほとんど、或いは全く利用できず、燃焼器ライナーのフィルム冷却を不可能にする。従って、「背面」冷却と関連して熱障壁被覆のような手段が、燃焼器ライナーを高熱による破壊から保護する為に考えられた。背面冷却は、空気と燃料を予混合する前に燃焼器ライナーの外側表面の上に圧縮空気を通過させるものである。
【０００５】
希薄予混合燃焼は、低温の炎を発生することによりＮＯx排出を減少させるものである。しかし、低温は、特に燃焼器ライナーの内側表面或いは壁に沿って、一酸化炭素及び不燃焼炭化水素の酸化を抑制する傾向があり、これらの物質の許容できない排出をもたらす。一酸化炭素及び不燃焼炭化水素の酸化をするために、表面温度が十分に高く一酸化炭素及び不燃焼炭化水素の完全な燃焼を保証するようにライナーは極端な厚さ（５０−１００ミル）の熱障壁被覆を必要とする。この温度は典型的な長さ及び流れ条件の燃焼器に対して約１８００−２０００°Ｆになる。しかしこの厚さ及び温度は材料の性能を越えている。これらの温度で、公知の熱障壁被覆は許容できない短い時間に劣化し、且つ、その厚さの被覆は剥離しやすい。
【０００６】
従って、フィルム冷却なしに燃焼温度に耐え、しかも火炎の安定性を保ち、低排出（特にＮＯx排出）の燃焼器及び遷移部材に対する先進の冷却思想のように、一酸化炭素及び未燃焼炭化水素を燃やし尽くすことができる燃焼器／遷移部材が要請されている。そのような燃焼器／遷移部材は、燃焼器／遷移部材の内側表面に妥当な金属温度を維持させるような冷却路を薄壁構造に備えなければならない。効率的な燃焼器／遷移部材は、燃焼器の内側表面の金属温度を増加させずに冷却流を約３５乃至６０％減少させなければならなない。そのような構造は水力学的小径の軸流冷却通路を用いなければならず、その通路は冷却空気流中の異物により入り口が塞がりやすい。通路が塞がると、通常、冷却材は通路を通して流れず、燃焼器又は遷移部材は、その結果高温の壁温度及び温度勾配により破損するであろう。従って、そのような燃焼器は、燃焼器／遷移部材が破損することなく、塞がった通路に対応する手段を有さなければならない。
【特許文献１】
特開平７−４９０４１号公報
【０００７】
【発明の概要】
上述した要請は、改良したガスタービン燃焼器／遷移部材を提供する本願発明により達成される。燃焼器／遷移部材が二重壁構造を含み、該二重壁構造が軸方向の複数の冷却路と共に、ある場合には、構造の内側部材と外側部材の間に配置されて冷却空気を供する円周方向横断流通路とを有し、これら流通路は燃焼器の内側部材と外側部材との間の区域に形成される。通路は、燃焼器／遷移部材を通る流れの方向に対して、軸方向及び円周方向の両方向に延在するのが好ましい。軸方向通路は一端から他端迄の全体に延在し、円周方向通路は燃焼器／遷移部材の周りに延在する。
【０００８】
フィルム冷却が極端に制限されるか、選択できるものではないような燃焼器、遷移部材、及びその他のタービン構造が、予め組み合わせた集成体の金属加工により二重壁冷却路と一緒に製作され、これは対流及び／又は衝突冷却技術を効果的に用いることを可能にする。円筒及び円錐リング、またはより複雑な形状の遷移部材が円周方向に延在する複雑な内部冷却路と共に、ＨＩＰ中間加工材の熱間圧延、続けて、冷間リングローリング、溶接をし、更に、金属の変形の間、冷却路位置を保持するために用いた犠牲材の化学的除去により製作することができる。
【０００９】
二重壁タービン構成要素内の軸方向流冷却材通路に接続される円周方向に跨る流通路を追加したことは、通常の非閉塞の場合の冷却に影響を与えずに、軸方向流路の入り口閉塞による燃焼器／遷移部材の部品の破損を防ぐことができる。
二重壁冷却構造は接着しない２つの部材を用いて構成することもできる。内側部材は機械加工されて冷却通路が形成される。熱膨張の差（高温内側壁の外径がより冷たい外壁の内径と接触する迄の膨張）が両円筒を一緒に固く保持する。高温壁に通路を設けず、冷却壁に機械加工で冷却通路を設けることができるけれども、熱伝達の表面区域がより大きいので、高温壁の冷却通路が望ましい。
【００１０】
二重壁冷却構造は、締まりばめされた２部材を用い、続けて、溶接のような接着方法により一緒に接着することによっても構成することができる。内側部材は機械加工されて、冷却通路が形成される。結合による内側及び外側部材間の熱接触が改良され、その２つの部材に熱的に誘発される応力を減少する。
本願発明の他の目的及び利点は、図面及び特許請求の範囲と共に、次の記載から明らかになるであろう。
【００１１】
【発明の詳しい説明】
図１はガスタービン１０の模式図である。運転にあたり、典型的なガスタービン１０は液体燃料からの燃焼ガスによって駆動されるが、ここで、高エネルギを含む流れ媒体、即ち燃焼ガス、はロータ上に装着された動翼輪によって偏向された結果、回転動力を生じる。動作において、圧縮機１６は新しい空気を引き込み圧縮して約５０−７５lb／in2の圧力とし、空気は圧縮機１６により熱交換器３２を通るように押しやられ、ここでタービン部２２から出でくる排出燃焼ガスにまだ存在する熱により予熱され、最後に、予熱された空気は燃焼部１８の燃焼室に導入される。燃焼室で、燃料が燃やされ、これにより、約１５００°Ｃ又は約２７５００°Ｆより高い温度のガスを発生する。これら燃焼ガスは高速でタービン部２２に入り、それを駆動する。
【００１２】
図示のように、タービン２２、圧縮機１６、及び発電機１４は全て単一軸２４に装着される。周知のように、タービンは動力出力の全部を発電機へ送達しないが、それはかなりの部分が圧縮機１６を駆動するのに必要だからである。タービン部２２は電動機１２のの助けを借りて始動するが、電動機は、最初、圧縮空気を発生するため圧縮機を動作させ、燃焼ガスを形成することができるようにするために圧縮空気を燃焼室に供給する。その時になって、タービンは運転を開始することができる。
【００１３】
図１に簡略に示されているように、燃焼室３６を含む燃焼部１８は燃焼部１８からタービン入り口３０への燃焼ガスの流れを供給する。遷移部材３８はタービン入り口と燃焼部１８を接続する。
燃焼ガスの温度が約１５００°Ｃかそれを越えるような燃焼器又は燃焼器部分及び遷移部を製造する場合、何らかの冷却を形成することなく、そのような強烈な熱の環境に残れることのできる材料は知られていない。上述したように、フィルム冷却ができないか、或いは可能な選択事項でない状況では、燃焼器及び遷移部材は軸方向冷却路及び接着しない２つの部材を用いて作られる。
【００１４】
各部材４０,４２は鍛造板材をリングローリングして所望の厚さにし、次に、両部材の隙間の所でガス・タングステン・アーク溶接（ＧＴＡ）或いは電子ビーム（Ｅビーム）溶接のような溶接法で結合して作ことができる。部材４０,４２は精確な最終直径の寸法にされる。冷却通路を形成する溝４４は、内側部材４０の外側表面を機械加工されたものである。内側及び外側部材４０,４２は図２に組立て前のものを図示する。それから、外側部材４２は内側部材４０の上に締まりばめされ、冷却通路４６を形成する（図３）。出来上がった二重壁構造の形状を図４に詳細を示す。冷却の形状は図示のような簡単な軸方向通路４６に限定されるものではない、というのは、より複雑な性能を高めた冷却形状を内側部材４０に、例えば機械加工することにより形成することができると思われるからである。例えば、円周方向横断流通路（図７参照）を形成工程に含めることができる。
【００１５】
この例の外側部材４２は、冷却通路４６の入り口５２が冷却空気に露出されるように配置され、冷却空気は通路４６通って流れ、高温の内側壁５６を冷却する。燃焼器の動作中は、燃焼器１８の内側部分を通って流れる高温燃焼ガスは内側部材４０を外側部材４２より高温に保つ。このため、熱膨張差は両部材４０,４２を強く一緒に保持する。
【００１６】
冷却運転中、外側部材４２の位置を保つために、機械的な止め６０（図２参照）のような手段を内側部材４０の後端に機械加工して、外側部材４２が滑るのを止めることができる。燃焼器の温度が上がりすぎて、燃焼器が塑性変形し、歪む（高温壁５６或いは低温壁５８のいずれか）と、その結果、外側部材４２と内側部材４０の不均一な嵌め合わせをもたらすならば、止めが重要なものとなるであろう。
【００１７】
【実施例１】
上述の考えを、長さが約７インチで直径が約１４インチの実物大の二重壁燃焼器のセグメントを実際のカン型燃焼器及び遷移部材に結合して実施した。最初の反復工程は、ハステロイＸから作られ、幅約０.３０インチ、深さ約０.０３０インチ、長さ約６.５インチの冷却通路が、約０.２０インチの厚さのリブで分離されていて、１４インチの直径の燃焼器に全部で８８個の通路４６を用いた。内側部材４０の冷却通路の下側の最小壁厚さは約０.０６３インチであり、外側部材４２の壁は約０.０６インチの厚さであった。冷却材は約７２５°Ｆの温度で、約２１７ＰＳＩＡ（絶対）の圧力で、冷却通路４４両端の８．５ＰＳＩＤ（差圧即ち圧力降下）の圧力差で供給して、内側部材４０は入り口で約１３４０°Ｆに、出口で約１６５０°Ｆの温度に冷却された。これは内側部材４０に約２９００°Ｆで流れる燃焼ガスが約５０lbm／秒であり、各通路４６を流れる冷却材が約０．００４３lbm／秒（全燃焼器に対し約０.３８lbm／秒）であった。出力温度約１６５０°Ｆは所望の温度より高かったので、燃焼器は再設計された。
【００１８】
【実施例２】
後の反復工程は、実施例１と同じ冷却材及び燃焼ガス条件で、幅約０.３７５インチ、深さ約０.０４０インチ、長さ約４インチの冷却通路４６を用いた。同じ差圧に対して、冷却材の流れは通路当たり約０.００９０lbm／秒（全燃焼器に対して約０.７９lbm／秒）に増加し、金属温度は出口で約１４００°Ｆ未満に下がり、ガスタビーン構成要素の長時間耐用に必要な条件と一致した。
【００１９】
【実施例３】
組み立てる為の接着していない最後の例の燃焼器１８は、実施例２の通路と同じ寸法で、より高温耐力の為にニモニック（Ｎimonic）２６３で構成される。内側部材の最小壁厚は約０.０７５インチに増加し、外側部材４２の壁厚は約０．０４０インチに減少した。冷却材入り口の下流約０．３７５インチの所に配置された、幅０．３７５インチ、深さ約０．０４０インチの円周方向冷却通路を内側部材の周り全体に機械加工で作った（図７参照）。この組み合わせは、燃焼条件で試験され、高温側最大温度約１３８０°Ｆを達成したが、これは、ガスタービンの長時間耐用に必要な条件と一致した。
【００２０】
図５と図６に示すように、軸方向冷却路を有する構成を含む燃焼器及び遷移部材の更に可能な構成は、互いに嵌まりばめし、それから、例えば溶接などにより結合した２つの部材４０，４２を用いて製造することができる。上述の様に、各部材４０,４２は鍛造板材をリングローリングして所望の厚さにし、次に、両部材の隙間の所でガス・タングステン・アーク溶接（ＧＴＡ）或いは電子ビーム（Ｅビーム）溶接のような溶接法で結合することができる。更に上述した様に、それから外側部材４２を内側部材４６の上に締まりばめして、冷却通路４６を形成する。次いで、外側部材を、レーザ或いはＥビーム溶接のような方法で適所に結合する。この二重壁冷却構造の幾何形状及び各リブでの溶接位置６１は図５に詳細が示されている。前に述べた様に、冷却の形状は図示のような簡単な軸方向通路に限定されるものではないから、より複雑な性能を高めた冷却形状を内側部材壁に、円周方向横断流通路を形成工程に含めることができる。
【００２１】
この例の外側部材４２は、冷却通路４６の入り口５２が冷却空気に露出し、冷却空気が通路４６を流れて高温内壁５６を冷却するように配置される。燃焼器１８の運転中、高温燃焼ガスは内側部材４０を流れ外側部材４２より高温に保つ。上述したように、この温度差は両部材を接着させなくとも互いにきつく保持し合う。ある場合には、その結果部材４０,４２に生じた応力は十分に大きく高温壁５６或いは、低温壁５８又はその両方を塑性変形し且つ歪ませることができる。
【００２２】
結合動作によって生じる内側及び外側部材４０,４２の間の改良された熱接触はその間の温度差をかなり減らすことができ、これはまた後述の実施例４の二重壁構造の温度勾配によって両部材に生じる熱応力レベルをかなり減少させることができる。
【００２３】
【実施例４】
ハステロイＸの二重壁円筒の９０度切片を同じ燃焼ガス及び冷却材条件で有限要素解析法によりモデル化した。２つの部材４０,４２間に熱接触がない場合と、最大にある２つの極端なケースをモデル化した。熱接触が最大にある場合の最大応力は、熱接触がない場合の最大応力の１／３であった。接着していない部材４０,４２は勿論ある熱接触はあるが、応力レベルは２極端の間の何処かに落ちるであろう。
【００２４】
使用された一溶接技術は、ニモニック（Ｎimonic）２６３試験片を一緒に溶接するＥビーム溶接であった。試験片は円筒と言うより平坦であったが、図６に示すものと同じ通路／リブ形状である。
接合した構造のより低い応力レベルは構成要素に対しより長い耐用期間をもたらし、これは接合作業に伴う費用を正当化するであろう。
【００２５】
前述したように、軸方向に延在する冷却通路４６を有する燃焼器のような構造は、図７に示す様に、冷却通路入り口５２のちょうど下流に円周方向横断流通路６５を設けることにより、入り口の閉塞から保護することができる。もしも、すべての軸方向通路４６が閉塞されなければ、横断流通路６５を通して圧力差がないので横断流通路に流れがない。横断流通路６５は軸方向通路４６と同じ方法で作ることができる。
【００２６】
【実施例５】
流れ回路シミュレーションが典型的な冷却通路４６の幾何形状のモデルについてなされた。モデルは、幅約０．３７５インチ、高さ約０．０４０インチ、長さ約４インチの平行な７個の軸方向通路を有している。冷却通路が典型的なガスタビーン条件（冷却材温度約７２５°Ｆ、冷却材圧力約２１７ＰＳＩＡ、通路の圧力降下約８．５ＰＳＩ、金属温度約１４００°Ｆ）で動作せられた場合、シミュレーションは、図８に図示するように、１つの入り口が完全に閉塞された場合、１冷却通路の閉塞されない流れの約６３％を、横断流通路が維持することを示している。図９は、閉塞された管の熱伝達係数は閉塞されない値の約７０％になることが予測できることを示している。これらの結果は、閉塞された通路の周りの冷却通路は、横断流通路により、閉塞された通路への流れによって大きな影響は受けないことを示している。
【００２７】
このような形の直交する横断流通路６５は、平行冷却通路４６が二重壁構造に用いられ、閉塞されるかもしれないような如何なる場合にも用いることができる。この思想は円筒形燃焼器に限定されるものではなく、より複雑な構造、例えばタービン遷移部材或いは、環状燃焼器に用いることができる。
ここに含まれる装置及び方法は、本発明の好ましい実施例であるが、本発明は開示した精確な装置及び方法に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の範囲内で様々な改変が可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】代表的なガスタービンの模式図。
【図２】二重壁構造の内側部分の実施例の斜視図であり、外側表面を機械加工した冷却通路を有する内側円筒を含む２つのリングローリングされ、且つ、溶接された円筒から形成されたものである。
【図３】図５の二重壁構造において、外側円筒が機械加工された内側円筒の上に締まりばめされ冷却通路を形成した図。
【図４】二重壁構造の部分断面図であり、機械加工された内側リングと締まりばめされた外側リングにより形成された通路が示されている。
【図５】図４の二重壁構造において、外側円筒が機械加工された内側円筒の上に締まりばめされて冷却通路を形成し、次いで内側円筒にそれぞれのリブの位置で電子ビーム（Ｅビーム）溶接のような方法で結合される。
【図６】二重壁構造の部分断面図で、機械加工された内側リングと締まりばめされ溶接された外側リングにより形成された通路を示す。
【図７】二重壁の軸方向冷却の円筒構造を円周方向横断流通路と共に示す実施例の斜視図。
【図８】７個の平行な軸方向冷却通路の流通網のシミュレーションの例を示すグラフであり、たとえ＃４の冷却通路の入り口が完全に閉塞されても、横断流通路が冷却通路＃４を通る閉塞されない流れの６３％を維持することを示す。
【図９】７個の平行な軸方向冷却通路の流通網のシミュレーションの例を示すグラフであり、横断流通路が、冷却通路＃４内の閉塞されない流れの７０％の値で、熱伝達係数を保持することを示す。
【符号の説明】
４０：内側部材
４２：外側部材
４４：溝
４６：軸方向冷却通路
６５：円周方向横断流通路
【図１】
0004150938.tif 000002
【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】
0004150938.tif 000007
【図７】
0004150938.tif 000008
【図８】
0004150938.tif 000009
【図９】
0004150938.tif 000010