JP2003286863A - ガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の冷却方法 - Google Patents
ガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の冷却方法Info
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Abstract
ブとの間隙に空気を導入する開口部と、尾筒フロースリ
ーブのタービン翼側に設けられた対流冷却用空気導入孔
とを備えたガスタービン燃焼器。また、前記開口部に空
気を導入して対流冷却を行い、且つ、前記対流冷却用空
気等の孔に空気を導入して対流冷却を行うガタービン燃
焼器の冷却方法。 【効果】低圧力損失で効果的に尾筒を冷却させ、且つ部
材の変形等を抑制し信頼性を向上させる。
Description
器及びガスタービン燃焼器の冷却方法に関する。
を低圧力損失で効果的に冷却することが望まれている。
尾筒を冷却する手段としては、特公昭54−11443
号公報や特開2001−289060号公報に示す様
に、尾筒全面を被覆筒体で覆い、被覆筒体に設けたイン
ピンジ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がある。
に、尾筒をフロースリーブで覆い、尾筒下流側はインピ
ンジ冷却、尾筒上流側は対流冷却孔による対流冷却を行
い、且つフロースリーブのタービン側端部に冷却空気を
流して尾筒端部を冷却する方法がある。
様に、尾筒の中央部からライナ側までフロースリーブで
覆い、フロースリーブで覆われている部位は対流冷却、
覆われていない部位は小孔群によるフィルム冷却を行う
という方式がある。
料と空気の酸化反応によって生成された燃焼ガスをター
ビン翼まで導く流路であり、その内部には高温高圧の燃
焼ガスが高速で流れている。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おり、部材温度を許容温度以
下まで下げるため、尾筒冷却性能を更に向上する必要性
が生じている。
力損失が増加してしまい、ガスタービン効率が下がると
いう課題があり、また、圧力損失の増加なく冷却するフ
ィルム冷却方式では、バーナ部に導入される空気流量が
フィルム冷却の分だけ減少してしまい、燃焼場に於ける
燃焼ガス温度が上昇する事で、大気汚染物質である窒素
酸化物(NOx)やスモークの排出量が増加するという
課題がある。
制しつつ冷却性能を強化する、新たな冷却方法が必要と
なっている。
討すると、特公昭54−11443号公報や特開200
1−289060号公報のインピンジ冷却方式では、尾
筒への衝突噴流速度が高くないと冷却効果が得られない
為、更なる冷却強化を実現するには、衝突噴流速度を更
に高めなければならず、その為に圧力損失が過大となり
ガスタービンの効率が下がるという問題がある。
覆筒体と尾筒との接続部付近に淀み部が発生し、空気流
速が低下するにより、尾筒下流端の冷却性能が低下する
という課題もある。
ン運転時に於いて被覆筒体/尾筒のメタル温度と線膨張
係数の差から、熱伸び量に差が生じ内部熱応力が発生す
る事で、部材の亀裂が発生する事も考えられる。
と同様にインピンジ冷却部では圧力損失が大きい。ま
た、尾筒下流端部に空気を流す事で端部の冷却は可能で
あるが、空気流入部に於ける入口損失係数が大きい為に
圧力損失が高いという問題と、フロースリーブ下流部
は、圧縮機から吐出される高速空気流に曝される為、フ
ロースリーブ端部が強度不足により変形する恐れもあ
る。
ロースリーブに覆われていない尾筒の領域が大きい為、
フィルム冷却で使用する冷却空気消費量が増大してしま
い、バーナに導入される空気流量が減少することから、
NOxやスモークの排出量が増加するという課題があ
る。冷却空気の消費量を増加させること無く、低圧力損
失で効果的に尾筒を冷却させ、且つ部材の変形や亀裂を
抑制し信頼性を向上させる事が望まれる。
筒を冷却させ、且つ部材の変形等を抑制し信頼性を向上
させることにある。
焼器は、燃料と空気の混合気がその内部で燃焼反応を起
こす筒状のライナ内で発生した高温燃焼ガスをタービン
翼まで導く流路である尾筒と、該尾筒の外周側を包み込
むよう所望の間隙をもって配置された尾筒フロースリー
ブと、前記タービン翼側で、前記尾筒と前記尾筒フロー
スリーブとの間隙に空気を導入する開口部と、前記尾筒
フロースリーブの前記タービン翼側に設けられた対流冷
却用空気導入孔とを備えたことを特徴とする。
却方法は、燃料と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内で発生した高温燃焼ガスをタービ
ン翼まで導く流路である尾筒と、該尾筒の外周側を包み
込むよう所望の間隙をもって配置された尾筒フロースリ
ーブとを備えたガスタービン燃焼器の冷却方法であっ
て、前記タービン翼側で前記尾筒と前記尾筒フロースリ
ーブとで形成される開口部から前記尾筒と前記尾筒フロ
ースリーブとの間隙に空気を導入して対流冷却する工程
と、前記尾筒フロースリーブの前記タービン翼側に設け
られた空気導入孔から前記尾筒と前記尾筒フロースリー
ブとの間隙に空気を導入して対流冷却する工程とを含む
ことを特徴とする。
例に基づき説明する。ガスタービンの構成及びガスター
ビン燃焼器の概略を図面を用い説明する。図10は、ガ
スタービンの構成図を示す。
気を圧縮する空気圧縮機110と、タービン180と、
発電機190と、ガスタービン燃焼器とを備えている。
の混合気を噴出するバーナ150と、燃料と空気の混合
気がその内部で燃焼反応を起こす筒状部材のライナ11
と、ライナ11の外周側でライナ11と同心円状に配置
された外壁又はライナフロースリーブ12と、ライナ1
1の内部で発生した高温燃焼ガスをタービン翼まで導く
流路である尾筒1と、尾筒1の外周側を包み込む尾筒フ
ロースリーブ2とを備えている。なお、ライナ11の外
周側でライナ11と同心円状に配置された部材として、
外壁又はライナフロースリーブ12があるが、本実施例
では、ライナフロースリーブ12で説明する。
入された高圧空気120が、ディフューザ130から車
室140に導入される。そして、その空気は、尾筒1と
尾筒1の外周に設置された尾筒フロースリーブ2との間
隙を流れた後に、ライナ11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12との間隙を流れ
る。
導入し、燃料系統160から供給される燃料と混合し
て、ライナ11内部の燃焼室21で火炎170を形成し
高温高圧の燃焼ガス22となる。
80に導入するが、ガスタービンは、高圧高温の燃焼ガ
スが断熱膨張する際に発生する仕事量を、タービン18
0において軸回転力に転換する事により、発電機190
から出力を得ている。一般にガスタービンでは、燃焼器
が周方向に複数缶配列されている。
施例を図1(a)及び図1(b)を用い説明する。図1
(a)は、本発明の一実施例であるガスタービン燃焼器
の尾筒構造図を示し、図1(b)は、本発明の一実施例
であるガスタービン燃焼器の尾筒断面図であり、図1
(a)のA−A断面図である。ここで、本実施例では、
主流ガスである燃焼ガス流22の流れを基準に上流側及
び下流側と称する。つまり、図面上、左側を上流側、右
側を下流側と称するものとする。
がその内部で燃焼反応を起こす筒状部材であるライナ1
1と、そのライナ11とほぼ同心円上でライナ11の半
径方向外側に配置されたライナフロースリーブ12とを
備えている。ライナ11とライナフロースリーブ12と
は所望の間隙をもって配置される。また、ライナ11内
で発生した高温燃焼ガスをタービン翼41まで導く流路
を形成する尾筒1と、その尾筒1と所定の流路間隙を設
けて覆われた尾筒フロースリーブ2とを備えている。つ
まり、尾筒1の外周側を包み込むよう所望の間隙をもっ
て尾筒フロースリーブ2が配置される。
ブ2とは、その下流側では接続されておらず、尾筒フロ
ースリーブ2のタービン翼側(下流側)に、尾筒1と尾
筒フロースリーブ2で形成される流路間隙以下の空気流
入用の開口部3を設けている。また、尾筒フロースリー
ブ2の開口端部には、円柱状のフローガイド4を具備し
ている。また、尾筒フロースリーブ2のタービン翼側
(下流側)に、一つ以上の空気導入孔5を設けている。
この空気導入孔5は、尾筒1と尾筒フロースリーブ2で
形成される流路間隙寸法と同等以上の直径としている。
が、空気導入孔5及び開口部から、尾筒1と尾筒フロー
スリーブ2との間隙に導入され、ライナ11とライナフ
ロースリーブ12との間隙を流れた後に、バーナ150
に導入される。
られ、一部は尾筒フロースリーブ2の開口部3から流入
する空気流31となり、尾筒1の下流端を対流冷却す
る。
られた空気導入孔5から流入する流れ32となり、先の
開口部3からの空気流31と合流して、尾筒1の外表面
で高速空気流33を形成することにより、尾筒全体を対
流冷却している。
能が向上する。
造のインピンジ孔との違いについて説明する。
に設けたインピンジ孔から高速空気流を尾筒表面に衝突
させて冷却するインピンジ冷却方式がある。一般に、こ
のインピンジ冷却を行う為には、「日本機械学会編,伝
熱工学資料[改訂第4版]、P−65」に記載のよう
に、被覆筒体と尾筒との間隙(Hと表記)と、インピン
ジ孔径(φDと表記)との寸法比を、次に示す式(1)
付近にする必要がある。
缶群の位置的な制約から大きく変える事は出来ないた
め、φDで示す孔の直径が小さくなり、空気流入時の空
気流速が高速となる事から、圧力損失が高いという課題
が生じてしまう。つまり、インピンジ孔の場合には、圧
力損失という課題が残る。
空気流を衝突させるインピンジ冷却方式ではなく、尾筒
外表面に高速空気流を形成する対流冷却方式を主眼に置
き、尾筒フロースリーブ2に設けた孔径と、尾筒1と尾
筒フロースリーブ2との流路間隙とは、(1)式に示す
比率ではなく同等の寸法としている。
る事で、対流冷却空気導入時の空気流速を低く抑え、圧
力損失の低減を図っている。
2に設置した孔5はインピンジ冷却孔ではなく、あくま
でも尾筒1を対流冷却する空気を導入するための空気導
入孔と考える事が出来る。
に示す。
51とを接続していた為、尾筒1と尾筒被覆筒体51と
の接続部52近傍に於いて、尾筒表面に淀み部53が発
生し、空気流速が低下するにより尾筒下流端の冷却性能
が低下していた。
フロースリーブ2の下流部に開口部3を設ける事で、尾
筒下流部に於いても尾筒表面に高速空気流31が存在す
る為、尾筒下流部を効果的に冷却をする事が可能であ
る。
いたフィルム冷却孔を削減し、バーナに導入される空気
流量を増加させる事で、NOxやスモークの排出量を低
減する事が出来るのと同時に、開口部3では、断面形状
が滑らかで流入抵抗の低いフローガイド4を設置してい
るため、空気流入時の圧力損失を低く抑える事が可能と
なる。
覆筒体51とを接続していた従来の場合は、タービン運
転時に於いて尾筒/被覆筒体のメタル温度と線膨張係数
の違いにより、熱伸び差に起因する内部熱応力が発生
し、被覆筒体に亀裂が発生する事も考えられるが、本実
施例構造の尾筒下流部では尾筒1と尾筒フロースリーブ
2には接続部が無い為、亀裂の恐れも無く信頼性が向上
している。
機から吐出される高速空気流に曝されてる為、常に大き
な流体力がかかっているが、本構造の尾筒フロースリー
ブ2の端部にフローガイド4を設けた構造では、断面積
増加による強度補強効果により、尾筒フロースリーブ2
が変形する恐れが無くなる。
施例を図4を用い説明する。
造に加え、空気導入孔部5付近の尾筒1の外面に、乱流
を促進するリブ61を設けている。この尾筒1の外面に
設けたリブ61により、尾筒外面の空気熱伝達率が増加
し、対流冷却性能を向上することができる。
図5を用い説明する。
造に加え、空気導入孔部5付近の尾筒1の外面に、放熱
フィン62を設けている。この尾筒1の外面に設けた放
熱フィン62により、尾筒外面の空気熱伝達率が増加
し、対流冷却性能を向上することができる。
又はフィン62を設置する事により伝熱特性が向上し、
第1実施例の構造より冷却空気流速を下げても同等の冷
却性能が確保できる事から、尾筒1と尾筒フロースリー
ブ2との流路間隙を広くする事が可能となる。
に対し、尾筒1と尾筒フロースリーブ2との流路間隙値
が大きくできる、言い換えれば、流路間隙値に対する製
作/組立公差値の比率を小さくできる、つまりガスター
ビンに配置されている複数の尾筒に於いて、各尾筒の空
気流入量の偏差を縮小できる事を示している。
小される事で、各燃焼器の燃焼ガス温度は均一になり、
タービン翼に流入するガス温度も周方向で均一化する事
が出来る。
は、冷却性能を向上させる為、リブ61又はフィン62
を尾筒1の全面に配置しても良く、リブ61又はフィン
62の、高さ,配列ピッチ、また尾筒1と尾筒フロース
リーブ2との流路間隙は、尾筒1の熱負荷に応じて適切
に変化させることが望ましい。
して、図8の示す様に連続形状か、図9に示す断続形状
でも良く、更に尾筒1の外表面の流れ方向に対して、傾
斜していても良い。
く、円柱状のいわゆるピンフィンでも同様の効果が得ら
れる。
図6を用い説明する。
造に加え、尾筒1の下流側に、尾筒1の内外を連通する
フィルム冷却孔71を設けている。この尾筒1の内外を
連通するフィルム冷却孔71により、尾筒下流部の冷却
性能が不足しがちな部位を効果的に許容温度以下まで冷
却できると共に、尾筒メタル温度の偏りを解消し、温度
差に起因する内部熱応力の発生を抑制する事が可能とな
る。
図7を用い説明する。
造に加え、尾筒1の下流側に、尾筒1の内外を連通する
フィルム冷却孔71を設ける事を特徴としている。
流部の冷却性能不足部を効果的に冷却できると共に、尾
筒メタル温度の偏りを解消し、内部熱応力の発生を抑制
する事が可能となる。
は、冷却性能を向上させる為、リブ61又はフィン62
を尾筒1の全面に配置しても良く、リブ61又はフィン
62の、高さ,配列ピッチ、また尾筒1と尾筒フロース
リーブ2との流路間隙は、尾筒1の熱負荷に応じて適切
に変化させることが望ましい。ここでリブ61は、尾筒
1の周方向に対して、図8の示す様に連続形状か、図9
に示す断続形状でも良く、更に尾筒1の外表面の流れ方
向に対して、傾斜していても良い。またフィン62はプ
レート状だけではなく、円柱状のいわゆるピンフィンで
も同様の効果が得られる。更に、尾筒1に設けるフィル
ム孔71は、尾筒下流部だけでなく、リブ61又はフィ
ン62の設置部位に設けても良い。
造は、尾筒1の熱負荷や圧力損失特性に応じて、尾筒フ
ロースリーブ2の全面に空気導入孔5を設けても同様の
効果が得られる。
流路間隙と同等である空気導入孔の設置により、インピ
ンジ孔に対して流入空気流速を低くする事が可能であ
り、またフローガイドの設置と相俟って、尾筒フロース
リーブ開口部の流入損失を低減する事ができる。従っ
て、尾筒の空気流入部に於ける圧力損失を減少し、ガス
タービン効率を上昇させる事ができる。
を設けた事で、尾筒下流部表面に高速空気流が存在し、
尾筒下流部を効果的に冷却をする事が可能であり、また
空気導入孔部にリブ又はフィンを設置する事で、尾筒の
冷却性能が向上する。
ム孔数を削減する事ができ、冷却空気消費量を削減し、
バーナ流入空気流量を増加させる事ができるため、燃焼
ガス温度を低く抑えNOxやスモークの排出量を低減さ
せることが可能となる。
ロースリーブ下流部の強度が補強されると共に、尾筒と
尾筒フロースリーブとを従来の様に接続していない為、
熱応力に起因する亀裂/破損が防止でき、ガスタービン
の信頼性が向上する。
り、尾筒と尾筒フロースリーブとの流路間隙を拡大で
き、流路間隙値に対する製作/組立公差値の比率が小さ
くなるため、ガスタービンに配置された各尾筒の流入空
気量偏差が減少する。
差も低減し、タービン翼に流入するガス温度も周方向で
均一化するため、ガスタービン効率の悪化防止が可能と
なる。
尾筒を冷却させ、且つ部材の変形等を抑制し信頼性を向
上させることができる。
器の尾筒構造図。
示す図。
器の尾筒構造図。
器の尾筒構造図。
フローガイド、5…空気導入孔、11…ライナ、12…
ライナフロースリーブ、21…燃焼室、22…燃焼ガス
流、31…空気流、61…乱流促進リブ、62…放熱フ
ィン、71…フィルム孔、110…空気圧縮機、130
…ディフューザ、140…車室、150…バーナ、16
0…燃料系統、180…タービン、190…発電機。
Claims (5)
- 【請求項1】燃料と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内で発生した高温燃焼ガスをター
ビン翼まで導く流路である尾筒と、 該尾筒の外周側を包み込むよう所望の間隙をもって配置
された尾筒フロースリーブと、 前記タービン翼側で、前記尾筒と前記尾筒フロースリー
ブとの間隙に空気を導入する開口部と、 前記尾筒フロースリーブの前記タービン翼側に設けられ
た対流冷却用空気導入孔とを備えたガスタービン燃焼
器。 - 【請求項2】燃料と空気の混合気を噴出するバーナと、 燃料と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、 前記ライナ内で発生した高温燃焼ガスをタービン翼まで
導く流路である尾筒と、 該尾筒の外周側を包み込む尾筒フロースリーブと、 を設けたガスタービン燃焼器であって、 前記尾筒フロースリーブの前記タービン翼側に、前記尾
筒と前記尾筒フロースリーブで形成される流路間隙以下
の開口部を設け、 且つ前記尾筒フロースリーブの前記開口端部には、円柱
状のフローガイドを具備し、 前記尾筒フロースリーブの前記タービン翼側に、前記尾
筒と前記尾筒フロースリーブで形成される流路間隙寸法
と同等以上の直径をなす、一つ以上の空気導入孔を設
け、 圧縮機から導入された空気が、前記空気導入孔及び前記
開口部から、前記尾筒と前記尾筒フロースリーブとの間
隙に導入され、前記ライナと前記ライナフロースリーブ
の間隙を流れた後に、前記バーナに導入されることを特
徴とするガスタービン燃焼器。 - 【請求項3】請求項2のガスタービン燃焼器において、 前記空気導入孔部付近の前記尾筒外面に、乱流を促進す
るリブ又は放熱フィンを設けることを特徴とするガスタ
ービン燃焼器。 - 【請求項4】請求項2又は請求項3に記載のガスタービ
ン燃焼器において、 前記尾筒の前記タービン翼側に、尾筒内外を連通する冷
却孔を設けることを特徴とするガスタービン燃焼器。 - 【請求項5】燃料と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内で発生した高温燃焼ガスをター
ビン翼まで導く流路である尾筒と、該尾筒の外周側を包
み込むよう所望の間隙をもって配置された尾筒フロース
リーブとを備えたガスタービン燃焼器の冷却方法であっ
て、 前記タービン翼側で前記尾筒と前記尾筒フロースリーブ
とで形成される開口部から前記尾筒と前記尾筒フロース
リーブとの間隙に空気を導入して対流冷却する工程と、 前記尾筒フロースリーブの前記タービン翼側に設けられ
た空気導入孔から前記尾筒と前記尾筒フロースリーブと
の間隙に空気を導入して対流冷却する工程とを含むこと
を特徴とするガスタービン燃焼器の冷却方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2002093549A JP2003286863A (ja) | 2002-03-29 | 2002-03-29 | ガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の冷却方法 |
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JP2002093549A Pending JP2003286863A (ja) | 2002-03-29 | 2002-03-29 | ガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の冷却方法 |
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