JP2010084763A - インピンジメント冷却式燃焼器シール - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器シール（５２）を開示する。
【解決手段】本燃焼器シール（５２）は、第１の燃焼器部品に設置可能でありかつ複数の貫通インピンジメント孔（９２）を有するシール支持体（６０）を含む。波形シール（５２）が、シール支持体（６０）に設置されかつ該シール支持体（６０）との間に１以上のシール空洞（９４）を形成する。波形シール（５２）の頂部（５８）は、第２の燃焼器部品に設置可能である。波形シール（５２）は、頂部（５８）の上流（１８）に設置されかつそれを通して１以上のシール空洞（９４）内にまた複数のインピンジメント孔（９２）を通して冷却流体を流すことができ、それによって第１の燃焼器部品を冷却する１以上の貫通通路（８４）を含む。さらに開示しているのは、燃焼器シール（５２）を含む燃焼器であり、また第１の燃焼器部品を冷却する方法である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、総括的には燃焼器に関する。より具体的には、本発明は、燃焼器の燃焼ライナの冷却に関する。

空気制御は、燃焼器設計における重要な考慮事項である。空気ストリームは、燃焼過程のための酸化剤となり、また燃焼器の高温部品に対して冷却を行う。シールは一般的に、燃焼器の様々な部品間に設けられて、空気が望ましくない位置において燃焼器内に漏洩するのを防止する。これらのシールは一般的に、Ｃ字形リング、フィンガ型フラリング、クロスシール及び同様のものを含み、高い温度及び圧力並びにシール両側における大きな圧力及び温度勾配を受ける。最新式の燃焼器では、高い火炎温度により、燃焼器の事実上全金属表面を能動冷却する必要性が増してきている。ライナフラシールの領域において燃焼器部品を能動冷却する１つの方法は、シール支持体と燃焼器部品の１以上との間に形成された冷却チャネル内に冷却空気を導いて、該部品を対流冷却することである。冷却空気は一般的に、シール支持体の上流端部における該シール支持体内の一連の孔を通って冷却チャネルに流入する。冷却空気は、シールの全体長さを貫通する冷却チャネル内を流れ、それによって対流熱伝達により第１の燃焼器部品を冷却する。しかしながら、冷却空気がチャネルに沿って流れるにつれて、部品を冷却するその効率が低下する。効率の低下に打ち勝つために、冷却チャネルを通して大量の冷却空気を導いて、部品の適切な冷却を行っている。

燃焼器、特に希薄予混合式ガスタービンエンジンで利用する燃焼器においては、冷却に使用する空気量を減少させて燃料ノズルを通して導かれる空気量を増加させ、それによって均一な希薄予混合燃料対空気比を達成して燃焼器性能を高めるのが望ましい。

本発明の１つの態様によると、燃焼器シール組立体は、複数の貫通インピンジメント孔を有しかつ第１の燃焼器部品に設置可能であるシール支持体を含む。波形シールが、シール支持体に設置されかつ該シール支持体との間に１以上のシール空洞を形成する。波形シールの頂部は、第２の燃焼器部品に設置可能である。波形シールは、頂部の上流に設置されかつそれを通して１以上のシール空洞内にまた複数のインピンジメント孔を通して冷却流体を流すことができ、それによって第１の燃焼器部品を冷却する１以上の貫通通路を含む。

本発明の別の態様によると、燃焼器は、第１の燃焼器部品と第２の燃焼器部品とを含む。第１の燃焼器部品は、少なくとも部分的に第２の燃焼器部品内に挿入可能であり、第１の燃焼器部品及び第２の燃焼器部品は、燃焼流体経路を形成する。燃焼器シール組立体が、第１の燃焼器部品及び第２の燃焼器部品間に設置される。燃焼器シール組立体は、第１の燃焼器部品に設置されかつ複数の貫通インピンジメント孔を有するシール支持体と、シール支持体に配置されかつ該シール支持体との間に１以上のシール空洞を形成した波形シールとを含む。波形シールの頂部は、第２の燃焼器部品に設置される。波形シールは、頂部の上流に配置されかつそれを通して１以上のシール空洞内にまた複数のインピンジメント孔を通して冷却流体を流すことができ、それによって第１の燃焼器部品を冷却する１以上の貫通通路を含む。

本発明のさらに別の態様によると、第１の燃焼器部品を冷却する方法は、第１の燃焼器部品と第２の燃焼器部品との半径方向間に燃焼器シール組立体を設置するステップを含む。第１の燃焼器部品は、少なくとも部分的に第２の燃焼器部品内に挿入可能であり、第１の燃焼器部品及び第２の燃焼器部品は、燃焼流体経路を形成する。冷却流体が、燃焼器シールの波形シールの上流部分における１以上の貫通通路内にかつ該波形シール及びシール支持体によって形成された１以上のシール空洞内に流される。冷却流体は、１以上のシール空洞から、第１の燃焼器部品と流体連通した該シール支持体内の複数のインピンジメント孔を通して流され、それによって該第１の燃焼器部品を冷却する。

これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させてなした以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の上記の及びその他の目的、特徴並びに利点は、添付図面と関連させてなした以下の詳細な説明から明らかである。

ターボ機械の実施形態の断面図。 燃焼器シールの実施形態の断面図。 図２の燃焼器シールの平面図。 燃焼器部品における冷却チャネルの実施形態を示す断面図。 燃焼器シールの別の実施形態の断面図。

この詳細な説明は、図面を参照しながら実施例によって、その利点及び特徴と共に本発明の実施形態を説明する。

図１に示すのは、ガスタービン１０の部分図である。加圧流体が、例えば圧縮機（図示せず）から燃焼器１２に供給される。燃料が、燃焼器１２内に噴射され、加圧流体と混合されかつ燃焼される。燃焼の高温ガス生成物が、タービン１４に流れ、タービン１４は、高温ガスから仕事を取出す。トランジションピース１６は、その上流端部１８において燃焼器１２に燃焼器ライナ２０の位置で結合され、またその下流端部２２においてタービン１４の後方フレーム２４に結合される。トランジションピース１６は、燃焼器ライナ２０からタービン１４に高温ガス流を搬送する。燃焼器１２は、燃焼器ライナ２０から半径方向外向きに間隔を置いて配置されかつ該燃焼器ライナ２０との間に燃焼器流れチャネル２８を形成した燃焼器スリーブ２６を含む。燃焼器キャップ３０が、燃焼器ライナ２０の上流端部３２に結合されかつその中に配置された１以上のノズル３４を含み、ノズル３４は、燃焼器キャップ３０及び燃焼器ライナ２０によって形成された燃焼チャンバ３６内に延びる。インピンジメントスリーブ３８が、燃焼器スリーブ２６に結合されかつトランジションピース１６から半径方向に間隔を置いて配置されて該トランジションピース１６との間に移行部流れチャネル４０を形成する。

運転時に、吐出流４２は、圧縮機からディフューザ４４を通ってインピンジメントスリーブ３８に流れる。吐出流４２は、インピンジメントスリーブ３８内の複数の孔４６を通りかつ移行部流れチャネル４０内を燃焼器１２に向かって進む。吐出流４２は、移行部流れチャネル４０から燃焼器流れチャネル２８を通って進んだ後に、最終的に１以上のノズル３４を通して燃焼器ライナ２０に導入される。燃焼過程のために空気を燃焼器１２に供給することに加え、比較的低温の吐出流４２はさらに、高温燃焼ガスに曝される例えば燃焼器ライナ２０及びトランジションピース１６のような部品に対して非常に必要となる冷却を行う。

図２に示すように、高温燃焼ガスに曝される例えばトランジションピース１６及び燃焼器ライナ２０のような隣接する部品間の接合部は、ラップ継手として構成され、ラップ継手では、例えば燃焼器ライナ２０の下流端部５０が、トランジションピース１６の上流端部１８内に挿入可能になるように構成される。シール、例えばフラシール５２は、トランジションピース１６及び燃焼器ライナ２０の重なり部分の半径方向間に配置されかつ継手の周りで外周方向に延びる。１つの実施形態では、フラシール５２は、波形断面を有する状態で構成されかつ２つの層、すなわち外側層５４及び内側層５６を含む。フラシール５２は、１以上の頂部５８を有する状態で構成されかつ配置されて、外側層５４における１以上の頂部５８がトランジションピース１６と接触する。幾つかの実施形態では、フラシール５２は、内側層５６と燃焼器ライナ２０との間に配置された１以上のシール支持体６０を含む。外側層５４及び内側層５６は、例えばフラシール５２の上流端部６４における１以上の溶接部６２によって１以上のシール支持体６０に固定することができる。図２に示す実施形態の１以上の溶接部６２は、上流端部６４に配置されているが、他の実施形態では、１以上の溶接部６２は、フラシール５２の下流端部６６に配置することができる。

図３に示すように、外側層５４及び内側層５６は、それぞれ複数の外側層フィンガ６８及び内側層フィンガ７０を含む。外側層フィンガ６８は、リム７２から延びかつ隣接する外側層フィンガ６８間に外側ギャップ７４を含む。同様に、内側層フィンガ７０は、リム７２から延びかつ隣接する内側層フィンガ７０間に内側ギャップ７８を含む。内側層フィンガ７０及び外側層フィンガ６８は、外側層５４が内側層５６上に配置された時に内側ギャップ５６の被覆長さ８０が外側層フィンガ６８によって覆われるように構成される。しかしながら、内側ギャップ７８の開口長さ８２の周辺方向位置は、外側ギャップ７４の少なくとも一部分の周辺方向位置と一致しており、従って外側層５４及び内側層５６の両方を貫通する複数の貫通通路８４が形成される。これら複数の貫通通路８４は、１以上の頂部５８の上流においてフラシール５２の上流部分８６内のみに配置され、従って流れチャネル４０からの空気が燃焼チャンバ３６に流入するのが防止される。被覆長さ８０及び開口長さ８２を有するフラシール５２を得るために、各ギャップ位置における外側ギャップ７４及び内側ギャップ７８の一方又は両方は、その方向９０が変化しており、その方向全体にわたって内側ギャップ７８が外側ギャップ７４とは異なる方向に延び、従って内側層フィンガ７０及び外側層フィンガ６８の重なりにより被覆長さ８０が形成されることができる。

再び図２を参照すると、１以上のシール支持体６０は、それを通して吐出流４２を導いて１以上のシール支持体６０の下方で燃焼器ライナ２０に衝突させ、従って該燃焼器ライナ２０を冷却するようする複数の貫通インピンジメント孔９２を含む。幾つかの実施形態では、複数のインピンジメント孔９２は、フラシール５２の上流端部６４と該フラシール５２の下流端部６６との間を含む該フラシール５２の全長に沿って配置される。吐出空気４２は、複数の通路８４を通して内側層５６と１以上のシール支持体６０との間のシール空洞９４に流入する。吐出空気４２は、複数のインピンジメント孔９２を通して燃焼器ライナ２０上に衝突するように導かれ、従ってフラシール５２及び１以上のシール支持体６０の直ぐ下方における該燃焼器ライナ２０の部分を冷却する。燃焼器ライナ２０を冷却するのに役立てるのに加えて、シール空洞９４に流入する吐出空気４２はまた、フラシール５２を冷却して該フラシール５２の破損を防止する。

図４に示すように、幾つかの実施形態では、複数の冷却チャネル９６が、１以上のシール支持体６０と燃焼器ライナ２０との間に配置される。図４に示すように、複数の冷却チャネル９６は、例えば燃焼器ライナ２０内に複数の冷却チャネル９６を形成することによって、又はそれに代えて１以上のシール支持体６０内に複数の冷却チャネル９６を形成することによって、或いはその２つの組合せによって形成することができる。複数の冷却チャネル９６は、複数のインピンジメント孔９２に流入する吐出流４２が、冷却チャネル９６を通り燃焼チャンバ３６内に流れるように構成されかつ配置される。従って、吐出流４２は、シール支持体６０の全長に沿ったインピンジメントによってまたさらに複数の冷却チャネル９６を通しての対流流れによっての両方によって、燃焼器ライナ２０を冷却する。

図５には、別の実施形態を示している。この実施形態では、複数の冷却チャネル９６は、１以上のシール支持体６０と燃焼器ライナ２０との間に１以上の支持体脚部９８を配置することによって形成される。上述のように、吐出流４２は、複数の冷却チャネル９６を通って流れかつ下流支持体脚部１０２内に配置された１以上の出口孔１００を介して複数の冷却チャネル９６から流出する。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきでなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。

１０ ガスタービン
１２ 燃焼器
１４ タービン
１６ トランジションピース
１８ 上流端部
２０ 燃焼器ライナ
２２ 下流端部
２４ 後方フレーム
２６ 燃焼器スリーブ
２８ 燃焼器流れチャネル
３０ 燃焼器キャップ
３２ 上流端部
３４ ノズル
３６ 燃焼チャンバ
３８ インピンジメントスリーブ
４０ 移行部流れチャネル
４２ 吐出流
４４ ディフューザ
４６ 複数の孔
５０ 下流端部
５２ フラシール
５４ 外側層
５６ 内側層
５８ 頂部
６０ シール支持体
６２ 溶接部
６４ 上流端部
６６ 下流端部
６８ 外側層フィンガ
７０ 内側層フィンガ
７２ リム
７４ 外側ギャップ
７８ 内側ギャップ
８０ 被覆長さ
８２ 開口長さ
８４ 通路
８６ 上流部分
９０ 方向
９２ インピンジメント孔
９４ シール空洞
９６ 冷却チャネル
９８ 支持体脚部
１００ 出口孔
１０２ 支持体脚部

Claims (10)

1. 複数の貫通インピンジメント孔（９２）を有しかつ第１の燃焼器部品に配置可能であるシール支持体（６０）と、
   前記シール支持体（６０）に配置され、該シール支持体（６０）との間に１以上のシール空洞（９４）を形成し、かつその頂部（５８）が第２の燃焼器部品に配置可能である波形シール（５２）と、
   前記頂部（５８）の上流（１８）において前記波形シール（５２）内に配置されかつそれを通して前記１以上のシール空洞（９４）内にまた前記複数のインピンジメント孔（９２）を通して冷却流体を流すことができ、それによって前記第１の燃焼器部品を冷却する１以上の貫通通路（８４）と
   を含む、燃焼器シール（５２）。
2. 前記波形シール（５２）が、外側シール層（５４）及び内側シール層（５６）を含み、
   各シール層が、シールリングと該シールリングから１つの方向（９０）に延びる複数のシールフィンガ（６８）とを含み、隣接するシールフィンガ（７０）が、それらの間にギャップ（７４）を有する、請求項１記載の燃焼器シール（５２）。
3. 前記１以上の貫通通路（８４）が、前記頂部（５８）の上流（１８）において前記外側シール層（５４）内のギャップ（７４）を前記内側シール層（５６）内のギャップ（７８）と整列させることによって形成される、請求項２記載の燃焼器シール（５２）。
4. 前記外側シール層（５４）内の前記ギャップ（７４）が、前記頂部（５８）の下流（２２）において前記内側シール層（５６）のシールフィンガ（７０）と重なる、請求項３記載の燃焼器シール（５２）。
5. 第１の燃焼器部品と、
   その中に少なくとも部分的に前記第１の燃焼器部品が挿入可能でありかつ該第１の燃焼器部品と共に燃焼流体経路を形成した第２の燃焼器部品と、
   前記第１の燃焼器部品及び第２の燃焼器部品間に配置された燃焼器シール（５２）と
   を備える燃焼器（１２）であって、前記燃焼器シール（５２）が、
   複数の貫通インピンジメント孔（９２）を有しかつ第１の燃焼器部品に配置されたシール支持体（６０）と、
   前記シール支持体（６０）に配置され、該シール支持体（６０）との間に１以上のシール空洞（９４）を形成し、かつその頂部（５８）が第２の燃焼器部品に配置された波形シール（５２）と、
   前記頂部（５８）の上流（１８）において前記波形シール（５２）内に配置されかつそれを通して前記１以上のシール空洞（９４）内にまた前記複数のインピンジメント孔（９２）を通して冷却流体を流すことができ、それによって前記第１の燃焼器部品を冷却する１以上の貫通通路（８４）と
   を含む、燃焼器（１２）。
6. 前記波形シール（５２）が、外側シール層（５４）及び内側シール層（５６）を含み、各シール層が、シールリングと該シールリングから１つの方向（９０）に延びる複数のシールフィンガ（６８）とを含み、隣接するシールフィンガ（７０）が、それらの間にギャップ（７４）を有する、請求項５記載の燃焼器（１２）。
7. 前記１以上の貫通通路（８４）が、前記頂部（５８）の上流（１８）において前記外側シール層（５４）内のギャップ（７４）を前記内側シール層（５６）内のギャップ（７８）と整列させることによって形成される、請求項６記載の燃焼器（１２）。
8. 前記第１の燃焼器部品が、前記複数のインピンジメント孔（９２）と流体連通した複数の流れチャネル（２８）を含む、請求項５記載の燃焼器（１２）。
9. 第１の燃焼器部品を冷却する方法であって、
   前記第１の燃焼器部品とその中に少なくとも部分的に該第１の燃焼器部品が挿入可能でありかつ該第１の燃焼器部品と共に燃焼流体経路を形成した第２の燃焼器部品との半径方向間に燃焼器シール（５２）を設置するステップと、
   前記燃焼器シール（５２）の波形シール（５２）の上流部分（８６）における１以上の貫通通路（８４）内にかつ前記波形シール（５２）及びシール支持体（６０）によって形成された１以上のシール空洞（９４）内に冷却流体を流すステップと、
   前記１以上のシール空洞（９４）から、前記第１の燃焼器部品と流体連通した前記シール支持体（６０）内の複数のインピンジメント孔（９２）を通して冷却流体を流し、それによって該第１の燃焼器部品を冷却するステップと
   を含む方法。
10. 前記第１の燃焼器部品内に形成されかつ前記複数のインピンジメント孔（９２）と流体連通した複数の流れチャネル（２８）を通して冷却流体を流すステップを含む、請求項９記載の方法。