JP2009250605A - ガスタービンエンジン用の再熱燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンエンジンを提供する。
【解決手段】本タービンエンジンは、中心軸線に沿って配置された第１のタービン部分（１４）及び第２のタービン部分（２１）を有するタービンセクション（１０）を含む。再熱燃焼器（４２）が、第１及び第２のタービン部分（１４、２１）間に配置される。再熱燃焼器（４２）は、曲線流れ部分（７２）を有する燃焼ダクト（５８）を含む。曲線流れ部分（７２）は、再熱燃焼器（４２）を通って流れる燃焼生成物の滞留時間を増大させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ターボ機械の技術領域に関し、より具体的には、ガスタービンエンジン用の再熱燃焼器に関する。

一般に、ガスタービンエンジンは、熱エネルギーを放出するように燃料／空気混合気を燃焼させて、高温ガスストリームを形成する。高温ガスストリームは、高温ガス通路を通してタービンセクションに送られる。より具体的には、圧縮機が、流入空気を高圧に加圧する。高圧空気は、燃焼室に送給されて、燃料と混合されかつ可燃混合気を形成する。可燃混合気は次に、点火されて、タービンエンジンのタービンセクションに送給される高圧高速ガスストリームを形成する。タービンセクションは、高圧高速ガスストリームからの熱エネルギーを、タービンシャフトを回転させる機械エネルギーに変換する。タービンシャフトは、圧縮機及びさらに発電機のようなその他の機械に結合されかつそれらを駆動する。

高圧高速ガスストリームからの熱エネルギーを機械エネルギーに変換した後に、排気ガスが形成されかつタービンから放出される。排気ガスは、環境空気に放出するか又は該排気ガス内のエネルギーの一部分を回復させてサイクル効率を高めるようにするような方法で使用するかのいずれかとすることができる。特にベース負荷及びオフピーク負荷における様々な運転条件でサイクル効率を高めることは、常に関心事である。この目的のために、幾つかのタービンエンジンでは、該タービン内の排気ガスの一部分を再利用する再熱燃焼器を使用している。特にタービンセクション間での再熱燃焼器の使用は一般的に、あるレベルの効率を付加するが、タービンエンジンの軸方向長さを増大させる。つまり、再熱燃焼器は、付加的冷却流路及び燃焼用の付加的流路を必要とする。付加的流路は、タービンシャフト長さの全体的増大をもたらす。タービンシャフト長さを延長することにより、効率低下が生じ、メンテナンス及び信頼性の懸案事項が加わる。再熱燃焼器はまた、冷却空気についての大きな要求量を有する。一般的に、冷却空気は、タービンエンジンの圧縮機部分から抽出される。高圧冷却空気は、仕事を行うために使用されないので、冷却のために圧縮機空気を抽出することは、効率低下を引き起こす不利益がある。

米国特許第６６１９０２６号明細書

本発明の例示的な実施形態により構成したタービンエンジンは、中心軸線に沿って配置された第１のタービン部分及び第２のタービン部分を有するタービンセクションを含む。再熱燃焼器が、第１及び第２のタービン部分間に配置される。再熱燃焼器は、曲線流れ部分を有する燃焼ダクトを含む。曲線流れ部分は、再熱燃焼器を通って流れる燃焼生成物の滞留時間を増大させる。

本発明の例示的な実施形態はまた、タービンエンジンを運転する方法を含む。本方法は、タービンエンジンの第１のタービン部分内で空気流を発生させるステップと、燃焼ダクトを有する再熱燃焼器に向けて空気流を流すステップとを含む。本方法はさらに、燃焼ダクトの燃焼流入口を通して空気流を導くステップと、燃焼ダクトの曲線流れ部分に沿って燃焼流出口に向けて空気流を案内するステップと、燃焼流出口を通してタービンエンジンの第２のタービン部分内に空気流を流すステップとを含む。

付加的な特徴及び利点は、本発明の例示的な実施形態の技術によって実現される。本発明のその他の実施形態及び態様は、本明細書に詳細に説明しておりかつ特許請求した発明の一部と考えられる。その利点及び特徴と共に本発明を一層良好に理解するために、詳細な説明及び図面を参照されたい。

本発明の例示的な実施形態により構成した、再熱燃焼器を備えたタービンエンジンの部分概略図。 図１の再熱燃焼器の左側斜視図。 図２の再熱燃焼器の流れ導管部分の部分斜視図。 本発明の１つの例示的な実施形態により構成した再熱燃焼器の概略図。 本発明の別の例示的な実施形態により構成した再熱燃焼器の概略図。

最初に図１を参照すると、全体を符号１０で示した、ガスタービンエンジンのタービンセクションの典型的な実施例を図示している。タービンセクション１０は、移行ダクト又は部品１２を通して高温ガスを送る環状の燃焼器アレイから高温燃焼ガスを受ける。燃焼ガスは、移行ダクト１２を通って燃焼受けゾーン１３内に流れ、かつ第１のつまり高圧（ＨＰ）タービン部分１４に向けて流れる。ＨＰタービン部分１４は、幾つかのタービン段を含み、その1つを符号１５で示している。タービン段１５は、タービンローラ１８上に取付けられかつ該タービンローラ１８の一部を形成したその１つを符号１６で示す複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケットと、その１つを符号２０で示す複数の円周方向に間隔を置いて配置されたステータベーンとを含む。

タービンセクション１０はまた、中心軸線（別個には符号を付していない）に沿って第１のタービン部分１４に流体連結された第２のつまり低圧（ＬＰ）タービン部分２１を含む。ＬＰタービンセクション２１は、その１つを符号２３で示す複数の円周方向に間隔を置いて配置されたステータベーンを有する第１ＬＰ段２２を含む。第１ＬＰ段２２はまた、ローラホイール２７上に取付けられた複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケット２６を含む。また図１に示すように、ＬＰタービン部分２１は、ローラホイール３０上に取付けられた複数の円周方向に間隔を置いて配置されたバケット２８と複数の円周方向に間隔を置いて配置されたステータベーン３２とを有する第２ＬＰ段２７を含む。勿論、各タービン部分１４及び２１内に存在する段の数は変化させることができることを理解されたい。

この図示した例示的な実施形態によると、ＨＰタービン部分１４は、再熱燃焼器４２を介してＬＰタービン部分２１に接合される。図２〜図５に最も良く示すように、再熱燃焼器４２は、第１の端部セクション４６を含み、第１の端部セクション４６は中間セクション４８を通して第２の端部セクション４７まで延び、これらはまとまって、本体部分４４の周りに環状アレイとして配置されたその１つを符号５０で示す複数の流れ導管を形成する。複数の流れ導管の各々は実質的に同じであるので、流れ導管５０に関して以下に詳細に説明する。

流れ導管５０は、バイパスダクト５５と、この図示した例示的な実施形態では缶−アニュラ構成として構成された燃焼ダクト５８とを含む。パイパスダクト５５は、第１の端部部分６１を含み、第１の端部部分６１は、中間部分６３を通して第２の端部部分６２まで延びる。第１の端部部分６１は、ＨＰタービン部分１４に流体連結されたバイパス流入口６５を含み、またバイパス流出口６６は、ＬＰタービン部分２１に流体連結されている。以下に一層詳しく説明するように、タービン空気流の第１の部分は、ＨＰタービン部分１４からバイパス流入口６５内に流入しかつパイパスダクト５５を通って流れ、バイパス流出口６６を通ってＬＰタービン部分２１内に流出する。

図２〜図３にさらに示すように、燃焼ダクト５８は、第１の端部部分７０を含み、第１の端部部分７０は、中間部分７２を通して第２の端部部分７１まで延びる。中間部分７２は、パイパスダクト５５から外向きにかつ離れる方向に延びる弓形又は曲線流れ部分によって形成される。燃焼ダクト５８はさらに、第１の端部部分７０に配置された燃焼流入口７４と、第２の端部部分７１に配置され燃焼空気出口７５とを含む。さらに、燃焼ダクト５８には、燃焼流出口７４に配置された可変位置分流器８０が設けられる。分流器８０は、第１の端部部分７０にピボット動可能に取付けられ、かつ特により低いタービン速度において燃焼流入口７４の入口ジオメトリを変更して燃焼効率を高めるように選択的に切り替えられ（位置決めされ）る。分流器８０は、特定の負荷条件において、例えば再熱燃焼器４２におけるエンタルピ付加が必要でなく、それによって再熱燃焼器４２における圧力低下を減少させかつガスタービン効率を増大させる場合に、バイパスダクト５５を通して全ての空気流を導くことができる。

この図示した例示的な実施形態によると、燃焼ダクト５８には、全体を符号９３（図５参照）で示した複数の燃料ポートに流体連結された全体を符号９０で示した複数の燃料噴射器と1以上の燃料マニホルド（図示せず）とが設けられる。燃料噴射器９０は、第１の端部部分に近接して配置され、かつ燃焼ダクト５８を通って流れる空気内に燃料を導入するように構成される。燃焼ダクト５８にはまた、第２の端部部分７１に近接して配置された複数の希釈噴口９６が設けられる。希釈噴口９６は、燃焼ダクト５８によりバイパスダクト５５に流体連結される。希釈噴口９６は、バイパスダクト５５を通って流れる空気流の一部分が燃焼ダクト５８内に流入して、燃焼ダクト出口７５を通ってＬＰタービン部分２１内に流れる前に燃焼生成物を希釈するのを可能にする。

ここで、燃焼ダクトの曲線流れ部分が燃焼制御効率を高めることを理解されたい。つまり、燃焼ダクト５８を通って流れる燃焼生成物には、再熱燃焼器４２の軸方向長さを拡張せずに大きな滞留時間が与えられ、これは、拡大解釈するとタービン部分１０の軸方向長さを最小にすることになる。燃焼生成物の滞留時間を増大させることによって、再熱燃焼器は、燃焼効率を高めると同時に、エミッションを規制遵守レベル内に維持する。また、曲線流れ部分の全体形状／ジオメトリは、タービン長さを増大させずに特定のタービンに合わせて滞留時間を設定するように制御／変更／調整することができる。さらに、燃焼ダクトを再熱燃焼器の本体部分から外方に間隔を置いて配置することによって、燃焼ダクトとバイパスダクトとの間で冷却要件を分割し、それによって高温構成部品冷却の自由度を増大させることが可能になる。最後に、冷却を必要とする場合に、燃焼ダクトの周りに蒸気ジャケットを取付けて、冷却のためにより少ない空気を利用しながら、付加的な冷却をもたらしかつガスタービン性能（エミッション、出力及び効率）をさらに高めることができる。

全体として、本明細書は、実施例を使用して、最良の形態を含む本発明を開示し、またさらにあらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用すること及びあらゆる組込み方法を実行することを含む本発明の実施を当業者が行うのを可能にする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって定まり、かつ当業者が想起するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有するか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、本発明の例示的な実施形態の技術的範囲内に属することになることを意図している。

１０ タービンセクション
１２ トランジションピース／ダクト
１３ 燃焼受けゾーン
１４ 第１のタービンセクション（ＨＰ）
１５ タービン段（ＨＰ）
１６ タービン段のバケット
１８ タービンローラ
２０ ステータベーン
２１ ＬＰ部分（ＩＯ）
２２ 第１のＬＰ段
２３ 第１のＬＰ段のバケット
２４ ローラ
２６ 第１のＬＰ段のステータベーン
２７ 第２のＬＰ段
２８ 第２のＬＰ段のバケット
３０ ローラホイール
３２ 第２のＬＰ段のステータベーン
４２ 再熱燃焼器
４４ 本体部分
４６ 第１の端部セクション
４７ 第２の端部セクション
４８ 中間セクション
５０ 流れ導管
５５ バイパスダクト
５８ 燃焼ダクト
６１ 燃焼ダクトの第１の端部部分
６２ 燃焼ダクトの第２の端部部分
６３ 燃焼ダクトの中間部分
６５ バイパス流入口
６６ バイパス流出口
７０ 燃焼ダクトの第１の端部部分
７１ 燃焼ダクトの第２の端部部分
７２ 燃焼ダクトの中間部分（曲線形）
７４ 燃焼流入口
７５ 燃焼流出口
８０ 分流器
９０ 燃料噴射器
９３ 燃料噴射ポート
９６ 希釈噴口

Claims (10)

1. 中心軸線に沿って配置された第１のタービン部分（１４）及び第２のタービン部分（２１）を備えたタービンセクション（１０）と、
   前記第１及び第２のタービン部分（１４、２１）間に配置されかつ曲線流れ部分（７２）を有する燃焼ダクト（５８）を備えた再熱燃焼器（４２）と、を含み、
   前記曲線流れ部分（７２）が、前記再熱燃焼器（４２）を通って流れる燃焼生成物の滞留時間を増大させる、
   タービンエンジン。
2. 前記燃焼ダクト（５８）の曲線流れ部分（７２）が、前記中心軸線から外向きに延びる、請求項１記載のタービンエンジン。
3. 前記曲線流れ部分（７２）が、前記再熱燃焼器（４２）から間隔を置いて配置される、請求項２記載のタービンエンジン。
4. 前記燃焼ダクト（５８）が、前記第１のタービン部分（１４）に流体連結された燃焼流入口（７４）と前記第２のタービン部分（２１）に流体連結された燃焼流出口（７５）とを含む、請求項１記載のタービンエンジン。
5. 前記燃焼ダクト（５８）が、前記燃焼流入口（７４）に配置された分流器（８０）を含む、請求項４記載のタービンエンジン。
6. 前記分流器（８０）が、前記再熱燃焼器（４２）に対してピボット動可能に取付けられかつ前記燃焼流入口（７４）のジオメトリを変化させるように選択的に位置決めされる、請求項５記載のタービンエンジン。
7. 前記再熱燃焼器（４２）が、前記燃焼ダクト（５８）内に取付けられた１以上の燃料噴射器（９０）を含む、請求項４記載のタービンエンジン。
8. 前記１以上の燃料噴射器（９０）が、前記燃焼流入口（７４）に取付けられる、請求項７記載のタービンエンジン。
9. 前記再熱燃焼器（４２）が、前記燃焼ダクトに隣接して配置されたバイパスダクト（５５）を含む、請求項４記載のタービンエンジン。
10. 前記再熱燃焼器（４２）が、前記バイパスダクト（５５）と前記燃焼ダクト（５８）とを流体連結した１以上の希釈噴口（９６）を含む、請求項９記載のタービンエンジン。

Images