JP2000146186A - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明はガスタービン燃焼器に係り、尾筒外表
面に流れる空気流速の偏差を抑制することで、尾筒やラ
イナの局所的な冷却性能悪化を防止し、また同時にバー
ナに導入される空気流量の偏りを抑え、燃焼性能の悪化
を防止することにある。 【解決手段】尾筒４を尾筒フロースリーブ５により対流
冷却するガスタービンにおいて、尾筒フロースリーブ５
の内表面に、空気流の偏差を抑制するガイドベーン４０
１を一枚又は複数枚設置する構造である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はガスタービン燃焼器
の尾筒に係り、尾筒外周部における冷却空気の偏流を抑
制する構造に関するものであり、これにより尾筒、ライ
ナの局所的な冷却性能の低下を防止でき、またバーナ部
に導入される空気の周方向の偏差を抑制することができ
る。

【０００２】

【従来の技術】尾筒とは、燃焼器内で燃料と空気の酸化
反応によって生成された高温高圧の燃焼ガスをタービン
翼まで導く流路であるが、その内部には1300℃以上の燃
焼ガスが高速で流れている為、何らかの冷却を施し部材
の温度を許容温度以下まで下げる必要がある。また近年
のガスタービンプラントに於ける高出力・高効率化の流
れの中、燃焼ガス温度が年々上昇し続けていることか
ら、尾筒冷却性能を更に強化する必要性が生じている。

【０００３】現在尾筒を冷却する手法としては、例えば
特公昭54−11443 号公報の様に尾筒外周に小径孔を設置
したインピンジメントカバーを設置し、小径孔から噴出
する空気流を尾筒に衝突させ冷却するインピンジ冷却方
法や、特開昭55−10004 号公報に示す様に尾筒の周囲に
フロースリーブを設け、尾筒とフロースリーブ間の流路
高さを調整することで空気流速を増加させ、尾筒の対流
冷却をおこなう方法等がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記公知例で
示した尾筒構造では、ディフューザから流出する空気
が、隣接する尾筒と尾筒の狭い間隙を流れる際に圧力の
損失が発生する為、尾筒のタービンロータ中心軸方向の
側（以下、腹側と表記）とその反対側（以下、背側と表
記）では全圧値に差が生じてしまう。

【０００５】この為、前記第１公知例で示したインピン
ジ冷却方式では、背側と腹側のインピンジ孔から尾筒に
噴出する冷却空気流速に偏差が生じてしまい、その結果
尾筒とインピンジカバー間に流れる空気流量に背側と腹
側で偏差が生ずる。

【０００６】また前記第２公知例に示したフロースリー
ブによる対流冷却方式でも、尾筒フロースリーブ間に流
入する空気流速が背側と腹側で異なる為に、尾筒外周表
面の対流冷却性能に偏りが生じてしまい、尾筒背側の冷
却性能が不足して部材温度が許容値を超える恐れがあ
る。

【０００７】これらの現象は尾筒冷却の局所的な性能悪
化とともに、ライナ外表面に流れる空気流速が周方向に
不均一になることでライナの冷却性能も悪化してしま
い、更にバーナに導入される空気流量が周方向に不均一
になる為に燃焼性能の低下も引き起こしてしまう。

【０００８】本発明の目的は、尾筒外表面に流れる空気
流速の偏差を抑制することで、尾筒やライナの局所的な
冷却性能悪化を防止し、また同時にバーナに導入される
空気流量の偏りを抑え、燃焼性能の悪化を防止すること
にある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の第一の特徴は、
尾筒フロースリーブにより尾筒を対流冷却するガスター
ビン燃焼器に於いて、尾筒フロースリーブの内周側に空
気の偏流を抑制するガイドベーンを一枚又は複数枚設置
することで、尾筒外周部の背側と腹側に流れる空気流の
偏りを抑制することにある。

【００１０】本発明の第二の特徴は、上記第一の特徴に
加えてライナフロースリーブの内周側にもガイドベーン
を設置することで、ライナ周方向の空気流量の偏りを更
に少なくすることにある。

【００１１】本発明の第三の特徴は、インピンジメント
冷却方式により尾筒を冷却するガスタービン燃焼器に於
いて、尾筒インピンジメントカバーの内周側に空気の偏
流を抑制するガイドベーンを一枚又は複数枚設置するこ
とで、尾筒の背側と腹側の外周部に流れる空気流の偏り
を抑制することにある。

【００１２】本発明の第四の特徴は、上記第三の特徴に
加えてライナフロースリーブの内周側にもガイドベーン
を設置することで、ライナ周方向の空気流量の偏りを更
に少なくすることにある。

【００１３】

【発明の実施の形態】ガスタービン燃焼器の概略を図５
で説明する。図５は尾筒フロースリーブ５により尾筒４
を対流冷却するガスタービンである。空気圧縮機３００
から導入された高圧空気１００は、ディフューザ１から
車室２，３に導入され、尾筒４と、その外周に設置され
た尾筒フロースリーブ５の間隙を流れた後に、ライナ６
とライナ外周の同心円上に配置されたライナフロースリ
ーブ７との間隙を通る流れ102となる。そして流れを反
転させバーナ部に導入する流れ１０３，１０４となり、
燃料系統２００，２０１から供給される燃料と混合し、
ライナ６内部の燃焼室８で火炎１０５，１０６を形成し
高温高圧の燃焼ガス１０７となる。その後に尾筒４から
タービン３０１に導入する流れ１０８となるが、ガスタ
ービンは、高圧高温の燃焼ガス流１０８が断熱膨張する
際に発生する仕事量を、タービン３０１において軸回転
力に転換することにより、発電機３０２から出力を得て
いる。

【００１４】ここで図５を用いて尾筒４周りの空気流動
を詳細に説明する。ディフューザ１から車室２に導入さ
れた高圧空気１００は、その一部が尾筒４の腹側から尾
筒４と尾筒フロースリーブ５の間隙に入る流れ２０とな
るが、残りは隣接する尾筒４の間をすり抜けて車室３に
回り込んだ後に、尾筒４と尾筒フロースリーブ５の間隙
に入る流れ２１となる。

【００１５】通常の多缶式燃焼器に於いては、周方向に
６〜１４個の燃焼器が配列されているために燃焼器間の
周方向の間隙は制限された構造とならざるを得ない。そ
のため、高圧空気１００が燃焼器腹側の車室２から背側
の車室３にすり抜ける際に、圧力の損失が発生してしま
い、車室３の全圧は車室２の全圧よりも低くなってしま
う。

【００１６】これは、尾筒４と尾筒フロースリーブ５の
間隙に導入される空気の流速が背側と腹側でアンバラン
スを生じてしまい、腹側の流れ２０よりも背側の流れ２
１が遅くなってしまうことから、尾筒４の背側の対流冷
却性能が低下してしまうということを意味している。

【００１７】更にこの尾筒４の外周における背側と腹側
の流速偏差は、ライナ６とライナフロースリーブ７の間
隙に流れる空気流１０２にも影響を及ぼし、ライナ６の
対流冷却性能が周方向に偏りが生ずるとともに、バーナ
に導入される空気流１０３も周方向に流量偏差が生じる
ことで燃焼性能の悪化を引き起こしてしまう。

【００１８】次に図６を用いて尾筒インピンジメントカ
バー９により尾筒４をインピンジ冷却するガスタービン
の尾筒４周りの空気流動を詳細に説明する。

【００１９】ディフューザ１から車室２に導入された高
圧空気１００は、その一部が尾筒インピンジメントカバ
ー９の腹側に設置された小孔から尾筒４に向けて噴出さ
れ、他は隣接する尾筒４の間をすり抜けて車室３に回り
込んだ後に、尾筒インピンジメントカバー９の背側に設
置された小孔から尾筒４に向けて噴出される。

【００２０】この場合も、高圧空気１００が燃焼器腹側
の車室２から背側の車室３にすり抜ける際に圧力損失が
発生し、車室３の全圧が車室２の全圧よりも低くなって
しまうため、尾筒４の背側に衝突される噴流２３の速度
が、尾筒４の腹側に衝突される噴流２２の速度よりも遅
くなってしまう。これは尾筒４の冷却性能に偏りが生ず
ると共に、ライナ６とライナフロースリーブ７の間隙に
流れる空気流１０２にも影響を及ぼし、ライナ６の冷却
性能が周方向に偏りが生じ、更にバーナに導入される空
気流１０３も周方向に流量偏差が生じることで燃焼性能
の悪化を引き起こしてしまう。

【００２１】以上のことから多缶式燃焼器構造をとるガ
スタービンに於いては、尾筒４とライナ６の局所的な冷
却性能低下を回避し、且つ安定な燃焼性能を達成する為
に、尾筒４の背側と腹側の外表面に流れる空気流の偏差
を抑えることが必須となる。本発明の第１の実施例を図
１（ａ）ないし（ｃ）と図５で説明する。

【００２２】この構造は尾筒４を尾筒フロースリーブ５
により対流冷却するガスタービンにおいて、尾筒フロー
スリーブ５の内表面に、空気流の偏差を抑制するガイド
ベーン４０１を一枚又は複数枚設置する構造である。

【００２３】この時ガイドベーン４０１の高さは、ガイ
ドベーン４０１が設置される位置における尾筒４と尾筒
フロースリーブ５の間隙の50%以上であることが望まし
い。この様な構造とすることで、尾筒４と尾筒フロース
リーブ５の間隙に流れる空気流１０１の偏差が改善さ
れ、尾筒４の冷却性能の局所的な性能低下を抑制でき、
更にはライナ６の外表面の空気流１０２を周方向に均一
化されることでライナ６の局所的な冷却性能低下も抑制
される。またバーナに導入される空気流量が周方向に均
等となる為に燃焼性能も安定化する。

【００２４】ここで、ガイドベーン４０１を尾筒４に取
り付けるのではなく、尾筒フロースリーブ５に取り付け
る理由を以下に説明する。

【００２５】仮に尾筒４にガイドベーン４０１を設置す
ると考える。本ガイドベーン４０１は冷却空気１０１の
流れの向きを変化させることを目的としている為に、流
路高さに対するガイドベーン４０１の高さは、通常冷却
フィンとして使用されるフィン高さよりも高くなってい
る。また尾筒４と尾筒フロースリーブ５の間隙には、尾
筒４を冷却する冷却空気１０１が高速で流れており、一
方、尾筒４の内部には高温の燃焼ガス１０７が流れてい
るので、ガイドベーン４０１の内側（尾筒との接合部）
と外側（尾筒フロースリーブ側）における温度差が大き
くなってしまい、熱応力が高くなることでガイドベーン
４０１が破損、又は尾筒４から外れてしまう恐れがあ
る。

【００２６】一方、尾筒フロースリーブ５はその内外面
の雰囲気温度はほぼ同一であり、前述したような温度差
に起因する熱応力の発生も少ない。

【００２７】以上の検討結果から、ガイドベーン４０１
は尾筒４に取り付けるのではなく、尾筒フロースリーブ
５に取り付ける方が、破損の恐れが無く信頼性が高くな
る。本発明の第２の実施例を図２（ａ),（ｂ）に示す。

【００２８】この構造は尾筒４を尾筒フロースリーブ５
により対流冷却するガスタービンにおいて、尾筒フロー
スリーブ５の内表面とライナフロースリーブ７の内周側
に、それぞれ空気流の偏差を抑制するガイドベーン４０
１，４０２を複数枚設置する構造である。

【００２９】この時ガイドベーン４０１，４０２の高さ
は、それぞれガイドベーン４０１，４０２が設置される
位置における流路高さの５０％以上であることが望まし
い。この様な構造とすることで、尾筒フロースリーブ５
に設置したガイドベーン４０１で抑制しきれない流量偏
差を、ライナフロースリーブ７に設置したガイドベーン
４０２で抑制することができる。このためライナ周方向
の空気流量の偏りを更に少なくしてライナ６の局所的な
冷却性能低下を抑制すると共に、バーナに導入される空
気流量が周方向に均等化される為に燃焼性能も安定化す
る。

【００３０】本発明の第３の実施例を図３（ａ）ないし
（ｃ）と図６で説明する。

【００３１】この構造は尾筒４を尾筒インピンジメント
カバー９によりインピンジメント冷却するガスタービン
において、尾筒インピンジメントカバー９の内表面に、
空気流の偏差を抑制するガイドベーン４０１を一枚又は
複数枚設置する構造である。この時ガイドベーン４０１
の高さは、ガイドベーン４０１が設置される位置におけ
る尾筒４と尾筒インピンジメントカバー９の間隙の５０
％以上であることが望ましい。

【００３２】この様な構造とすることで、尾筒４と尾筒
インピンジメントカバー９の間隙に流れる空気流の偏差
が改善され、尾筒４の冷却性能の局所的な性能低下を抑
制でき、更にはライナ６の外表面の空気流１０２を周方
向に均一化されることでライナ６の局所的な冷却性能低
下も抑制される。またバーナに導入される空気流量が周
方向に均等となる為に燃焼性能も安定化する。

【００３３】本発明の第４の実施例を図４（ａ）ないし
（ｃ）に示す。

【００３４】この構造は尾筒４を尾筒インピンジメント
カバー９によりインピンジメント冷却するガスタービン
において、尾筒インピンジメントカバー９の内表面とラ
イナフロースリーブ７の内周側に、それぞれ空気流の偏
差を抑制するガイドベーン４０１,４０２を複数枚設置
する構造である。この時ガイドベーン４０１,４０２の
高さは、それぞれガイドベーン４０１，４０２が設置さ
れる位置における流路高さの５０％以上であることが望
ましい。

【００３５】この様な構造とすることで、尾筒フロース
リーブ５に設置したガイドベーン４０１で抑制しきれな
い流量偏差を、ライナフロースリーブ７に設置したガイ
ドベーン４０２で抑制することができる。このためライ
ナ周方向の空気流量の偏りを更に少なくしてライナ６の
局所的な冷却性能低下を抑制すると共に、バーナに導入
される空気流量が周方向に均等化される為に燃焼性能も
安定化する。

【００３６】本発明の第１から第４までの実施例で述べ
たガイドベーンの断面形状は図７に示すように翼型や、
図８に示す様に多角形の形状であってもよい。

【００３７】更に本発明の第１から第４までの実施例で
述べたガイドベーンは、図９（ａ）ないし（ｃ）に示す
ように尾筒４の側面だけではなく、背側や腹側に設置す
る構造でもよい。

【００３８】

【発明の効果】本発明に依れば、尾筒外周部の流量偏差
を減少させることが可能であり、更にはライナ外周部の
流量偏差をも減少されることから、尾筒やライナの局所
的な冷却性能低下を回避することができ、またバーナに
導入される空気流量が周方向に均一化されることで燃焼
性能も安定化する。つまり、ガスタービン燃焼器の信頼
性を向上すると共に、燃焼安定性をも向上させることが
可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）と（ｂ）及び（ｃ）は本発明の第一実施
例を示す尾筒と尾筒フロースリーブの概略斜視図と同図
（ａ）の側断面図及び同図（ｂ）のＡ−Ａ断面図。

【図２】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第二実施例を示す
尾筒，尾筒フロースリーブ，ライナ，ライナフロースリ
ーブの概略図及び同図（ａ）の側断面図。

【図３】（ａ）と（ｂ）及び（ｃ）は本発明の第三実施
例を示す尾筒と尾筒インピンジメントカバーの概略斜視
図と同図（ａ）の側面図及び同図（ｂ）のＡ−Ａ線断面
図。

【図４】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第四実施例を示す
尾筒，尾筒インピンジメントカバー，ライナ，ライナフ
ロースリーブの概略図及び同図（ａ）の側面図。

【図５】尾筒をフロースリーブにより対流冷却する、ガ
スタービン燃焼器の全体構成を示す図。

【図６】尾筒をインピンジメント冷却する、ガスタービ
ン燃焼器の構成例を示す図。

【図７】本発明のガイドベーン形状例Ｉを示す側断面
図。

【図８】本発明のガイドベーン形状例IIを示す側断面
図。

【図９】（ａ）と（ｂ）及び（ｃ）は本発明の他のガイ
ドベーン配置例を示す図と同図（ａ）の側面図及び同図
（ｂ）のＡ−Ａ線断面図。

【符号の説明】

１…ディフューザ、２，３…車室、４…尾筒、５…尾筒
フロースリーブ、６…ライナ、７…ライナフロースリー
ブ、８…燃焼室、９…尾筒インピンジメントカバー、１
０…小孔、１０５，１０６…火炎、２００，２０１…燃
料系統、３００…圧縮機、３０１…タービン、３０２…
発電機、４０１，４０２…ガイドベーン。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料と空気の混合気を噴出するバーナと、 燃料−空気の混合気がその内部で燃焼反応を起こす筒状
   のライナと、 該ライナ内で発生した高温燃焼ガスをタービンまで導く
   流路である尾筒と、 該尾筒のタービン側の一部を除き、前記尾筒の外周側を
   包み込む様に配置された尾筒フロースリーブと、 前記ライナと同心円上に配置された外壁又はライナフロ
   ースリーブとを設け、 圧縮機から導入された空気が、前記尾筒フロースリーブ
   のタービン側の空気導入間口から、前記尾筒と前記尾筒
   フロースリーブとの間隙に流れた後に、前記ライナと前
   記ライナフロースリーブの間隙を流れ、前記バーナに導
   入されるガスタービン燃焼器に於いて、 前記尾筒フロースリーブの内周側に、ガイドベーンを一
   枚又は複数枚設置したことを特徴とするガスタービン燃
   焼器。
2. 【請求項２】燃料と空気の混合気を噴出するバーナと、 燃料−空気の混合気がその内部で燃焼反応を起こす筒状
   のライナと、 該ライナ内で発生した高温燃焼ガスをタービンまで導く
   流路である尾筒と、 該尾筒の外周側で前記尾筒全体を包み込む様に配置さ
   れ、前記尾筒に空気噴流を衝突させる為の小孔を全面に
   備えた尾筒インピンジメントカバーと、 前記ライナと同心円上に配置された外壁又はライナフロ
   ースリーブとを設け、 圧縮機から導入された空気が、前記尾筒インピンジメン
   トカバーに設置された前記小孔から前記尾筒に向けて噴
   出され、前記尾筒と前記尾筒インピンジメントカバーと
   の間隙を流れた後に、前記ライナと前記ライナフロース
   リーブの間隙を流れ、前記バーナに導入されるガスター
   ビン燃焼器に於いて、 前記尾筒インピンジメントカバーの内周側に、ガイドベ
   ーンを一枚又は複数枚設置したことを特徴とするガスタ
   ービン燃焼器。