JPS6055723B2 - 定置ガスタ−ビン用燃焼器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は定置燃焼タービンに関し、特に、管状の段付リ
ング側壁構造を有する燃焼器に関するものである。

段付リング燃焼器構造体は、より高Ｓ、エンジン効率で
より高いタービン入口ガス温度を供給するのに必要なよ
り高い燃焼器ガス温度で、燃焼器を長期間運転するため
の能力を得るのに普通用いられている。

＼・段付リング構造体においては、燃焼器側壁は互い
に伸縮自在の関係で配設されたリングにより形成されて
いる。

各リングの上流端は次に隣接するリングの下流端と重複
しており、そしてリングの外側から、典型的には環状ウ
ェブのような支持部材又は支持帯により支持されている
。従つて、燃焼器容器の回りの閉じたタービン空間から
の比較的低温の圧縮機排出空気の環状薄膜を通過させる
ため、各対リング間には環状スロットが備えられている
。

環状薄膜状の空気は下流に流れるにつれて、燃焼器の金
属側壁から該空気へ熱が伝達され、そしてこの空気が燃
焼器高温ガスを燃焼器側壁との接触から遠ざかる状態に
大体保持する。この結果、燃焼器が１２０４℃（２２０
’Ｆ）の’ような高温でタービン入口ガスを生成してい
るとしても、冶金的設計限界温度（例えば８１６℃（１
５００’Ｆ））以下に燃焼器の側壁温度を維持できる。
段付リング燃焼器構造体の性能は環状空気薄膜の熱伝達
係数と冷却熱交換率とに直接依存している。また空気薄
膜の冷却熱交換率は、内部の高温燃焼器ガスと混合する
ことなく前記薄膜がどの程度良くまとまつているかに依
存する。一般に、各燃焼器側壁リングの下流端と次の下
流側壁リングの上流端とに環状の波形スペーサ帯を固定
することは、隣接する側壁リング間のスロットに結果と
して生ずる環状スペースを貫流する冷却材空気流に対し
て比較的殆んど障害になることなく燃焼器側壁に対して
必要な剛性を与えるのに有効であることが明らかになつ
ている。

側壁リングを一縮に固定するのに使用されるスペーサ部
材又は支持部材リング間に環状スロットをもたらし、該
環状スロットを貫流する冷却材空気流を少しばかり妨げ
る。環状波形スペーサ部材の場合には、波形スペーサ壁
の総流量障害横断面は環状スロットの全横断面の中の比
較的小部分である。波形スペーサ壁があるため、冷却材
空気流は環状スロット内の夫々の波形スペーサ室内でい
くつかの流れに分岐する。

そして分岐流は、一様な環状流が再び始まる下流側の点
までのある限られた距離分岐流間に存在する伴流と共に
波形スペーサから現れると、再び合流する。冷却材空気
薄膜と内部の高温燃焼器ガスの早期混合を妨げるため、
延長舌状部構造体が各上流側壁リングの下流端上に備え
られていた。

この舌状部は側壁リングの延長部を形成し、これにより
、．波形スペーサの下流端以上に環状スロットを下流方
向に伸長できる。この種の延長舌状部構造体は例えば米
国特許第３３０７３５４号明細書及び米国特許願連番第
６７９２屹号明細書に開示されている。波形スペーサ帯
は比較的に殆ど障害横断面を有してい！ないので、環状
冷却材流が波形スペーサ部材を通過して延長舌状部によ
り画定された環状スロット間隙に入るときに該冷却材流
が受ける速度低下は少ない。この延長舌状部構造体では
、環状スロットから４出て燃焼器に入る前に、伴流の散
逸と均一な環状冷却材流の実質的な再形成とを可能にす
るのに十分な距離が波形スペーサの下流の環状スロット
に存在することになる。

この結果、冷却材空気の環状薄膜が内側の高温ガス流と
の混合に逆らいながら燃焼室側壁の内面に沿い且つこれ
に対して下流に急速に流れるので、前記環状薄膜が存続
できるようになる。しかし延長舌状部構造体にはいくつ
かの構造的問題点がある。

試験を行なつたところによると、片持ばり状の延長舌状
部はこれが熱応力の下て半径方向に膨張しようとすると
座屈を受けやすいことが示された。この舌状部の座屈が
起こると、環）状冷却材スロットが座屈舌状部の外向き
部分により部分的に妨げられてしまい、これにより、ス
ロット内を貫流する冷却材空気流に重大な歪みを生じさ
せ、実質的な高温ガスと境界空気層との混合をもたらし
たり、これに伴なう燃焼室側壁に関す門る下流冷却熱交
換率の重大な又は受け入れ難い程の損失を引き起こした
りする。英国特許第１５３１６９吋明細書には、舌状部
に座屈を起こさないで該舌状部が熱膨張を行なえるよう
にするため、該舌状部にいくつかのスロットを゜設ける
ことが記載されている。

しかし、舌状部構造体の一般的な弱点により、またこれ
に伴なうスロットを通るスロット冷却材空気及び高温ガ
ス流の混合の若干の促進とにより、座屈に対抗する利点
はある程度まで相殺される。従つて、スロット付舌状部
は座屈を回避はできるが、舌状部の強度及び冷却熱交換
率を若干犠牲にしている。従つて、本発明の目的は、こ
うした従来の欠点を克服するための改良されたガスター
ビン用燃焼器を提供することにある。

本発明は、大体伸縮自在の配列で配設された複数の管状
側壁部材を有する大体管状の側壁と、前記側壁部材の各
々の外側に位置した上流端部分を、隣接する上流の側壁
部材の、内側に位置した下流端部分の外側から且つ該下
流端部分に対して支持し、前記側壁端部分間に大体環状
の冷却材空気通過スロットをつくるスペーサ装置とを備
え、前記側壁部材の少なくとも１つの前記下流端部分は
、関連するスロット冷却材空気流に伴流を散逸させるた
め前記スペーサ装置の下流端部から下流に伸びる大体管
状の舌状部を有している定置ガスタービン用燃焼器であ
つて、前記燃焼器はさらに、内側に位置した冷却材空気
通過スロットに沿つて下流方向に伸びるように、少なく
とも１つの前記側壁部材の上流端部に設けられ且つ円周
方向に隔置された複数のスロットを備えている定置ガス
タービン用燃焼器に存するものである。

前述したように、本発明は構造的健全性及び高い冷却熱
交換率の双方を有する燃焼器構造体を提供する。

燃焼器側壁は大体伸縮自在の配列で互いに重複した連続
的管状側壁部旦から構成されている。環状スロットはス
ペーサ装置を該スロットに配設して隣接側壁部材間に備
えられていて、また上流側壁部材の半径方向内側の下流
端部分を、隣接下流側壁部材の半径方向外側の上流部分
に固定している。スロット冷却材空気流における伴流散
逸に備えて、管状で堅固な舌状部が上流側壁部材から環
状スペーサ装置の下流端より下流方向に伸びている。

舌状部の半径方向の熱膨張はスペーサ装置を介して隣接
下流側壁部材の上流端部に半径方向外向きに伝達され、
この隣接下流側壁部材には、スロット冷却材空気流を乱
さないで実質的に半径方向の熱膨張を吸収するための装
置が備えられている。本発明は添付図面に関連した以下
の好適な実施例からさらに明らかになろう。

図面、特に第１図においては、定置燃焼タービンに装着
される燃焼器１０が示されており、燃焼器１０は、これ
と同様の他の燃焼器と共に、高温動力ガスを発生してこ
れを移送ダクト（図示せず）及び複数の固定羽根（図示
せず）へ送り出しタービン羽根（図示せず）を駆動する
ようにしている。

オイルのような燃料は燃焼器１０のドーム状上流端部１
２内に位置しているノズル（図示せず）を通じて供給さ
れる。点火は点火部１６を通つて挿入され、ばね偏位さ
れた通常の点火装置（図示せず）により行なわれる。燃
料燃焼は複数の第１取入口２０を通じて供給された１次
燃焼空気の助けを借りて内部の１次燃焼領域１８で起こ
る。

希釈空気は燃焼生成物との混合のため複数の穴２４を通
じて燃焼器１０の２次燃焼領域２２内の流入する。高温
の混合動力ガスは下流端部２６を貫流して移送ダクトへ
送られる。このダクトと燃焼器との間の相対的な軸方向
の熱膨張に対して備えるため、環状のばねクリップ２８
（第１，４及び５図参照）が前記ダクトを燃焼器１０上
に支持している。燃焼器１０は１次燃焼領域１８及び２
次燃焼領域２２を含む大体管状の側壁３０で構成される
。

燃焼器の下流端部２６内を急速に貫流するガスの温度は
１２０４℃（２２００゜Ｆ）又はこれ以上の高温である
。一方ハロステロイ（１１ＡｓｔａｌｌＯｙ）という商
標名の合金のような最高の耐温合金は８１６℃（１５０
００Ｆ）から８７１最Ｃ（１６００゜Ｆ）までの上限運
転限界温度を有しているので、側壁温度を上限構造限界
温度以下に維持するためには燃焼器側壁３０から熱を実
質的に吸収しなければならない。そして、高温火炎が周
囲の側壁部の直接輻射加熱を招来する１次燃焼領域の回
りでは、熱吸収の必要性は最も高い。一方、燃焼器１０
の外側の閉塞されたタービン空間において燃焼器１０に
沿つて流れる比較的冷たい空気によつていくらかの熱が
側壁３０から吸収される。

しかし外からの熱吸収は側壁を構成する金属の温度を限
界温度以下に維持するのには不十分であるため、内側壁
面の冷却及び／又は熱カバーを付加する必要がある。従
つて燃焼器の側壁３０は複数の環状スロット、即ち、６
個のスロット３２，３４，３６，３８，４０及び４２を
含むように構成されていて、これらは内側壁の金属面か
ら高温ガスを覆う冷却材空気の環状薄膜を夫々形成する
ため、高温ガス流路に沿つて隔置されている。

環状スロットは隣接する側壁部材、即ち、上流端部１２
及び側壁リング４４，４６，４８，５０，５２，５４の
間に夫々形成されている。燃焼器の側壁３０は波形スペ
ーサ帯５６，５Ｊ８，６０，６２，６４，６６によりほ
ぼ堅固に固定されていて、これらは符号３２から４２ま
での各スロットにある隣接側壁部材に点溶接されるか又
は固定されている。

スペーサ帯の幅は隣接側壁部材間に必要な燃焼器の構造
的強度を与えるのに・十分なように設定されている。ス
ペーサ帯の直径は、第２図及び第３図において参照符号
６８で示されているように、前記帯の内側波形部７０が
適所に点溶接されている側壁部材の下流端上にスペーサ
帯を配できるのに十分なように設定されていノる。次の
下流側壁部材の上端部７２（第２図及び第３図参照）は
波形スペーサ帯の上に配置されていて、参照符号７６に
より示されているように半径方向外側の波形部７４に対
して点溶接されている。

第２図に示されているように、環状冷却材スロット３８
は、他の冷却材スロットと同様、スペーサ帯横断面によ
り与えられる限られた障害を有している。

各側壁部材はこれの下流端にある一体延長舌状部７８を
備えるのが好適である。いくつかの適用例では、１次燃
焼領域１８の回り又はこれの近くに位置したスロットの
ような、環状冷却材スロットのいくつかだけに対して延
長舌状部を設けるのが望ましい。前述の理由のため、各
延長舌状部７８は関連する環状冷却材通過スロットを通
過する環状冷却材流における伴流散逸を与える。

各環状スロットを通過する冷却材薄膜は、側壁の金属か
らの効果的な輻射熱吸収に対する高熱伝達係数と、側壁
からの増大する熱の吸収に対する及び内部の高温ガス流
からの側壁の熱的カバーに対する高い冷却材熱交換率と
で特徴付けられることが一般に望ましい。

側壁の金属が受ける輻射熱は次の公式に従う内部冷却に
より吸収される：ここでＨ３＝熱伝達係数 Ｔｗ＝壁の温度 Ｔｐ＝冷却材薄膜の温度。

高冷却材空気通過速度はスロットの寸法設計と環状冷却
材ス咄ントを横断して比較的小さい空気速度差が起こる
という事実とにより増大し、前記空気速度差は、比較的
小さな全スペーサ帯横断面と、これによる上流の波形ス
ロット環状部から舌．状部７８より上のスロット部まで
の比較的小さいスロット横断面の増大との結果として生
ずる。

この高冷却材空気速度により、冷却材空気薄膜による熱
吸収に対する高熱伝達係数が与えられる。冷却材の熱交
換率は薄膜温度ＴＦをできるだけ．低く維持することに
より、即ち、内部の高温ガス流との混合に耐える環状薄
膜としての冷却材空気流の保持により達成される。従つ
て、冷却材熱交換率はスロットの高さを半径方向に増大
させるにつれ及び延長舌状部７８の厚さを減少するにつ
れ・て増大する。また冷却材熱交換率は、冷却材及び高
温ガスの混合が（舌状部７８の端部で）始まる関連平面
と、次の下流冷却材通過スロットの前に最大側壁温度が
起こる下流点との間の距離を減少するにつれて増大する
。全体的な構造は燃焼器流路に沿つて所定の間隔を有し
また所定の環状スロット横断面を有する特定数の環状冷
却材スロットを備えるという釣り合いのとれた工程を必
要とする。

舌状部７８の延長距離は冷却材伴流散逸を生ずるのに十
分なように設定されているが、舌状部が高温運転て半径
方向に膨張する点まで該舌状部が片持ちばり状に支持さ
れるほど大きくはない。英国特許第１５３１６９０号ノ
明細書に記載されているように、舌状部の延長部分が波
形壁の厚味の１２倍に等しいと良い結果を与える。従つ
て、０．１３ｃｍ（５０ミル）の波形厚さに対しては、
１ｃ！ｎ（０．４インチ）の舌状部の延長部分が高性能
な熱交換率を与える。舌状部７８のテーパは混合を行な
いにくくできるが、これはまた舌状部の強度を減少させ
るため、必要な場合にのみ用いるのが好ましい（本実施
例では用いていない）。従来の構造では、比較的短かい
延長舌状部でさえこの熱膨張により、下流端における（
高温）内側壁部材の半径方向の膨張に対する波形スペー
サ帯の制限により舌状部の座屈という結果になつた。

本発明によれば、舌状部に歪みを起こさないで側壁の半
径方向の膨張を可能にするのに必要な柔軟性を有する燃
焼器容器強度を全体的に備えながら、延長舌状部及び他
の種々の構成要素が所望の冷却材性能をもたらすよう動
作する商業的に実施可能な燃焼器構造体が提供される。
延長舌状部の構造体は、より高く且つより有効な燃焼器
排出口ガス温度をより低温の燃焼器側壁に与えながら、
より有効な環元冷却材流が可能になるので、延長舌状部
を用いた燃焼器構造体は信頼性があり非常に好ましい。

第６図に示されているように、延長舌状部の構造体は通
常の側壁構造体に比較してかなり低く且つ運転ガス温度
が上昇するにつれて増大する側壁温度を与えている。第
２図及び第３図に示されているように、半径方向の熱的
負荷は（高温）内側壁部材４８から波形スペーサ帯６２
を通り、外側リング端部７２により受け入れられる（低
温）外側壁部材５０へ伝達される。半径方向内側の波形
スペーサ帯６２と側壁部材４８の舌状部７８を含む下流
端部との半径方向の膨張を可能にするため、各リング上
流端部７２は、半径方向外側に熱負荷を増大させ外方に
そらせる環状スロットの上にこれに関連する構造体を備
えている。

そして、このような熱負荷は環状スロット３８を貫流す
る冷却材空気流の実質的な乱れを起こさないでそらされ
る。上流端部７２は円周方向に隔置されたいくつかのス
ロット７７を備えた壁端部分７３を含んでいて、該スロ
ット７７は、上流壁縁７『から下流方向へ、波形スペー
サ帯６２の下流端の下流にあり且つ舌状部７８の自由端
の上流にある点まで伸びたかぎ穴形状を有しているのが
好適である。

延長された外側壁部材に波形スペーサ帯６２を固定する
ため各スロット７７の間には溶接部７６が設けられてお
り、これにより半径方向の熱負荷を、スロット７７間の
壁端部分７３上に形成され、幅の広い、半径方向に偏向
しうる各フィンガへ直接伝達できる。参照符号８１で示
されているように、外カバー帯８０は、好適には上流縁
８２を該端部分７３の上流壁縁７『と整列させた状態で
、壁端部分７３に点溶接される。

円周方向に隔置されたいくつかのスロット８６はカバー
帯８０に備えられている。各スロット８６は上流壁縁７
『から所定の距離だけ下流に伸びていて、下にある端部
分７３にある各スロット７７の間に円周方向に位置して
いる。このようにして、波形スペーサ帯６２からの半径
方向外向きの熱負荷が増大するにつれて、各スロット８
６間のカバー帯部分と各スロット７７間の壁端部分７３
とが半径方向外向きに多少反る。しかし外部の空気が環
状スロット３８に入つたり、スロット８６及び７７を通
つて冷却材薄膜を乱したりすることは実質的に防止され
る。半径方向の側壁の熱膨張に対するこうした対策によ
り、同様に、延長舌状部は冷却材空気の薄膜を乱さない
で実質的に半径方向に熱膨張できる。こうして、側壁の
熱膨張に対して必要な柔軟性を有する高い強度の燃焼器
において、延長舌状部構造体の利点が達成される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適な実施例に従つて構成された燃焼
器の正面図、第２図は波形スペーサ帯によソー緒に保持
された連続側壁リング間に配置された環状冷却材入口ス
ロットを示すため第１図の線■−■に沿つて取られた拡
大部分断面図、第３図は第２図で示された燃焼器の部分
平面図、第４図は移送ダクトに結合するためのばね装置
を有する下流端側壁リングを示すため第１図の線■−■
に沿つて取られた拡大部分断面図、第５図は第４図で示
された燃焼器の部分平面図、第６図は本発明の冷却性能
を典型的な従来技術の波形燃焼器の”冷却性能と比較し
たグラフを示す図である。 １０・・・・・・燃焼器、１２・・・・・・上流端部（
側壁部材）、１８・・・・・・１次燃焼領域、２２・・
・・・・２次燃焼領域、２６・・・・・・下流端部、３
０・・・・・・管状側壁、３２，３４，３６，３８，４
０，４２・・・・・・環状冷却材空気通過スロット、４
４，４６，４８，５０，５２，５４・・・・・・側壁リ
ング（側壁部材）、５６，５８，６０，６２，６４，６
６・・・・・・波形スペーサ帯、７２・・・・・・上流
端部、７７・・・・・・スロット、７８・・・・・・延
長舌状部、８０・・・・・・外側カバー帯、８２・・・
ノ・・・上流縁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 大体伸縮自在の配列で配設された複数の管状側壁部
   材を有する大体管状の側壁と、前記側壁部材の各々の外
   側に位置した上流端部分を、隣接する上流の側壁部材の
   、内側に位置した下流端部分の外側から且つ該下流端部
   分に対して支持し、前記側壁端部分間に大体環状の冷却
   材空気通過スロットをつくるスペーサ装置とを備え、少
   なくとも１つの前記側壁部材の前記下流端部分は、関連
   するスツト冷却材空気流に伴流を散逸させるため前記ス
   ペーサ装置の下流端部から下流に伸びる大体管状の舌状
   部を有している定置ガスタービン用燃焼器であつて、前
   記燃焼器はさらに、内側に位置した冷却材空気通過スロ
   ットに沿つて下流方向に伸びるように、少なくとも１つ
   の前記側壁部材の上流端部に設けられ且つ円周方向に隔
   置された複数のスロットを備えている定置ガスタービン
   用燃焼器。