JP2004037035A

JP2004037035A - ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JP2004037035A
Application number: JP2002197599A
Authority: JP
Inventors: Kunihiro Ichikawa; 市川　国弘; Tomio Okihara; 澳原　登美男; Yasushi Hayasaka; 早坂　靖; Naoaki Shibashita; 柴下　直昭; Fumiyuki Hirose; 広瀬　文之
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-07-05
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2004-02-05

Abstract

【課題】タイピースのクラック発生を防止することにより、ガスタービンプラントの異常停止や損傷を防止し、ガスタービンプラント全体としての信頼性や経済性を向上させることができるガスタービン燃焼器を提供する。
【解決手段】燃焼器ライナ２４で圧縮空気及び燃料の混合気を燃焼させるガスタービン燃焼器のトランジションピース１１を、燃焼器ライナ２４の下流側に接続するトランジションピース本体２０と、このトランジションピース本体２０の外周側を間隙空間を介して覆うように設けたインピンジメントカバー２５と、このインピンジメントカバー２５の分割部を接合するジッパープレート２７と、インピンジメントカバー２５の上流側に固定されると共に、周方向に複数に分割された接続リング２６と、少なくとも１箇所の開先部を有すると共に接続リングの分割部を繋ぎ合わせる略板状のタイピース２８とを備える構成とする。
【選択図】　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンプラントに用いるガスタービン燃焼器に係り、特に、トランジションピースを有するガスタービン燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービン燃焼器は、通常、燃料と圧縮機から供給された圧縮空気との混合気を燃焼させる燃焼装置と、この燃焼装置からの燃焼ガスをガスタービンに供給するトランジションピースとで構成される。一般的に、これら燃焼装置及びトランジションピースは、共に二重筒構造に構成されている。そして、圧縮機からの圧縮空気を外筒及び内筒の間の間隙流路に取り込み、この間隙流路を通して燃焼装置の内筒（燃焼器ライナ）内に導く。燃焼器ライナ内に導かれた圧縮空気は、燃焼装置端部から供給された燃料と共に燃焼され、こうして燃焼器ライナ内で生じる燃焼ガスが、トランジションピースの内筒（後述のトランジションピース本体）を通って整流されガスタービンに供給され、ガスタービンを駆動させる。
【０００３】
トランジションピースは、先に触れたように、一般的に、内部に高温の上記燃焼ガスを通すトランジションピース本体と、このトランジションピース本体の外側を間隙を介して覆うインピンジメントカバーとの二重筒構造で構成される場合が多い。通常、インピンジメントカバーには、多数の吸気孔が穿設されており、圧縮機からの圧縮空気が、これら多数の吸気孔を介してトランジションピース本体との間の間隙空間に導かれ、これによりトランジションピース本体を冷却するようになっている。
【０００４】
また、通常、インピンジメントカバーは、周方向に２分割され、その継ぎ目部分は、ジッパープレートを介して溶接により繋ぎ合わされる場合が多い。こうして略筒状に構成されるインピンジメントカバーは、上記燃焼装置の外筒の下流側に設けた入口リングに接続することになるが、インピンジメントカバーの上流側には、通常、入口リングが差し込まれる接続リングが設けられる。この接続リングも、一般的に周方向に２分割されており、その接合部は、通常、タイピースを介して溶接により繋ぎ合わされている。即ち、タイピースの周囲を接続リングに溶接することにより、タイピースを介して半割れの接続リングが略リング状に製罐されるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃焼装置にて高温高圧の燃焼ガスを発生させる際、燃焼振動が生じる場合があり、燃焼振動が生じると、トランジションピースにおいては、上記の分割されたインピンジメントカバーや接続リング等の継ぎ目部分に振動応力が作用する傾向がある。特に、こうした継ぎ目部分の中でも、最も燃焼装置側に位置する接続リングの継ぎ目部分には、集中的に応力が作用する。
【０００６】
このとき、通常、半割れの接続リング同士は、互いの対向端部間に間隙を介した状態にあり、この状態においてタイピースを介して溶接して接合されている。しかしながら、上記のように、タイピースと接続リングとの溶接はタイピースの周囲のみに施され、それ以外の部分は非溶接領域となる。このような非溶接領域が大きいと、接続リングの接合部に作用する振動応力が大きくなり、特に、半割れの接続リング同士の間隙の生じた接合部分においては溶接金属が部分的に途切れるため、この溶接止端部に振動応力が集中的に作用することになる。
【０００７】
このことから、接続リングの継ぎ目部分を繋ぎ合わせる上記タイピースは、燃焼振動により最もクラックの入り易い部品と言える。そして、タイピースに一旦クラックが発生すると、それを機にタイピースのクラックが、インピンジメントカバーを繋ぎ合わせているジッパープレートに進展し、結果的にインピンジメントカバー全体の割れを引き起こす可能性がある。このようにインピンジメントカバーに割れが生じた場合、それだけインピンジメントカバー表面の開口面積が増加するために、割れの生じたインピンジメントカバーには、圧縮機からの圧縮空気が多く流れることになる。そのため、通常、ガスタービン燃焼器は、圧縮機周りに複数缶設けられているが、あるガスタービン燃焼器のインピンジメントカバーが破損した場合、インピンジメントカバーが破損したガスタービン燃焼器に対する圧縮空気流量が増加する。
【０００８】
その結果、各ガスタービン燃焼器に供給される圧縮空気流量、更には燃空比に偏差が生じ、発生させる燃焼ガスの流量や温度にも、各ガスタービン燃焼器によってバラツキが生じてしまう可能性がある。この場合、一般的に、温度センサにより排気温度偏差異常や燃焼異常と判断され、ガスタービンプラント全体が停止してしまう。また、上記のように、タイピースやジッパープレートが破損すると、飛散した破片が圧縮空気と共に燃焼装置内に混入してしまい、燃焼異常の原因となる可能性もある。また、混入した破片が燃焼ガスと共にガスタービンに供給されてしまうと、ガスタービンの静翼や動翼を損傷させてしまう可能性もある。
【０００９】
以上のように、トランジションピースのタイピースのクラックは、ガスタービンプラントの異常停止や他の部品の損傷につながる可能性がある。正常に復帰させるためには、ガスタービンプラントを分解してクラックの補修や部品交換等が必要となり、稼動率を低下させる原因の１つとなる。そのため、タイピースのクラック発生防止は、ガスタービンプラント全体としての信頼性や経済性の面でも非常に重要な課題であると言える。
【００１０】
本発明は、タイピースのクラック発生を防止することにより、ガスタービンプラントの異常停止や損傷を防止し、ガスタービンプラント全体としての信頼性や経済性を向上させることができるガスタービン燃焼器を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、燃焼器ライナで圧縮空気及び燃料の混合気を燃焼させ、燃焼ガスをトランジションピースを介してガスタービンに供給するガスタービン燃焼器において、前記トランジションピースは、前記燃焼器ライナの下流側に接続するトランジションピース本体と、このトランジションピース本体の外周側を間隙空間を介して覆うように設けられると共に、周方向に複数に分割され、多数の吸気口を有するインピンジメントカバーと、このインピンジメントカバーの分割部を接合するジッパープレートと、前記インピンジメントカバーの上流側に固定されると共に、周方向に複数の分割ピースに分割された接続リングと、少なくとも１箇所の開先部を有すると共に、前記接続リングの分割部に固着され、前記分割ピース同士を繋ぎ合わせる略板状のタイピースとを備える。
【００１２】
本発明によれば、タイピースに開先部を設け、非溶接領域を減少させることにより、溶接金属の溶接止端部に作用する応力を低減させ、タイピースへのクラックの発生を防止することができる。これにより、インピンジメントカバーのクラック発生を防止することができるので、排気温度偏差・異常燃焼によるガスタービン異常よるプラント自体の停止も防止することができ、タイピースやジッパープレートの破片が燃焼装置に吸込まれて燃焼異常を起こすことも、破片の衝突によるガスタービンの損傷も防止することができる。従って、インピンジメントカバーの溶接補修や交換までの時期を延伸でき、プラントの信頼性を向上させることができる。またこれにより、補修費や部品購入費が低減され経済性を向上させることができ、点検間隔の延長による大幅な運用コストの低減を図ることができるというメリットを得ることもできる。
【００１３】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記開先部として、前記タイピースにおける上流側及び下流側のうち少なくとも一方に、前記接続リングの分割部を跨ぐように切欠き部を設ける。
【００１４】
これにより、溶接止端部における溶接金属の溶け込みが十分となると共に、また非溶接領域が低減されるため、溶接金属に作用する応力を低減させ、タイピースへのクラックの発生を防止することができる。
【００１５】
（３）上記（２）において、また好ましくは、前記切欠き部を略円弧状に形成する。
【００１６】
（４）上記（１）乃至（３）のいずれか１つにおいて、また好ましくは、前記開先部として、前記タイピースにおける前記分割ピースの接合部を挟んだ両側位置のうち、少なくとも一方の位置に貫通孔を設ける。
【００１７】
このように、開先部として貫通孔を設け栓溶接による溶接箇所を追設することにより、タイピースと接続リングの溶接部に作用する応力を平均化し、溶接止端部への応力集中を低減し、タイピースへのクラックの発生を防止することができる。
【００１８】
（５）上記（４）において、好ましくは、前記貫通孔を略方形に形成する。
【００１９】
（６）上記（４）において、好ましくは、前記貫通孔を略円形に形成する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のガスタービン燃焼器の実施の形態を図面を用いて説明する。
まず、図１に本実施の形態のガスタービン燃焼器を用いたガスタービンエンジンの一構成例を一部断面で表す。この図１に示すように、ガスタービンエンジンは、外気を取り入れて圧縮する圧縮機１と、この圧縮機１から供給された圧縮空気を燃料と共に燃焼させるガスタービン燃焼器２と、このガスタービン燃焼器２から供給される燃焼ガスにより回転駆動するガスタービン３とで概略構成されている。
【００２１】
圧縮機１は、圧縮機ケーシング４と、この圧縮機ケーシング４内に回転自在に設けた圧縮機ロータ５とを備え、これら圧縮機ケーシング４及び圧縮機ロータ５の間の主流路６を通る空気を圧縮し、ガスタービン燃焼器２に対し圧縮空気として供給するようになっている。但し、圧縮空気の一部は、燃焼装置１０の燃焼器ライナ２４（後の図４参照）、トランジションピース１１、ガスタービン３の動翼１３、静翼１５等の冷却空気として主流路６から抽気されるようになっている。
【００２２】
主流路６においては、圧縮機ケーシング４の内壁面に周方向に複数設けた静翼７と、圧縮機ロータ５の外周部に周方向に複数設けた動翼８とが設けられ、これら静翼７及び動翼８のそれぞれの翼列が軸方向に交互に配置されている。そして、静止した静翼７の間で動翼８が回転することにより、主流路６内の空気がガスタービン燃焼器２に向かって導かれると共に、その際の主流路６の縮径により圧縮されていく。
【００２３】
上記ガスタービン燃焼器２は、圧縮機１の周囲にほぼ等間隔で複数設けられており、それぞれ燃焼装置１０と、この燃焼装置１０の下流側に設けたトランジションピース１１（詳細は後述）で構成されている。そして、圧縮機１からの圧縮空気は燃焼装置１０に燃焼用空気として供給され、ここで燃料と共に燃焼させられ、燃焼装置１０からの燃焼ガスは、トランジションピース１１を介して整流されつつ、ガスタービン３に供給されるようになっている。
【００２４】
ガスタービン３は、回転軸（ロータ）１２の周囲に設けた複数の動翼１３と、タービンケーシング１４内壁面に設けた複数の静翼１５とを有している。ガスタービン３においても、圧縮機１と同様、動翼１３及び静翼１５のそれぞれの翼列が交互に配置されている。そして、燃焼装置１０にて発生した高温高圧の燃焼ガスがトランジションピース１１を介して静翼１５を経て動翼１３に噴射され、これにより回転軸１２に回転力が付与されるようになっている。そして、特に図示していないが、一般的には回転軸１２に発電機ロータを連結し、回転エネルギーを電気エネルギーに変換するよう構成されている。
【００２５】
次に、本発明のガスタービン燃焼器の上記トランジションピース１１の詳細構造を説明する。
図２は上記トランジションピース１１の外観構造図、図３は図２中右側から見た外観構造図、図４は図２中ＩＶ−ＩＶ断面による断面図、図５は図４中矢印Ｖから見た矢視図、図６はトランジションピース１１の配置状態を表す図で、図１中左側から見た状態を表している。これら図２〜図６に示すように、トランジションピース１１は、燃焼装置１０（図１参照）からの燃焼ガスを内部に流通するトランジションピース本体（内筒）２０と、このトランジションピース本体２０の外周部を間隙空間２１を介して覆うように設けられたインピンジメントスリーブ（外筒）２２とで二重筒構造に構成されている。インピンジメントスリーブ２２には、多数の吸気孔２３が穿設されており、上記圧縮機１からの圧縮空気は、これら吸気孔２３から間隙空間２１に流入し、トランジションピース本体２０をインピンジ冷却するようになっている。
【００２６】
トランジションピース本体２０の上流側（図４中左側）端部は略円形に開口しており、この開口端部には燃焼装置１０の略円筒状の燃焼器ライナ２４（図４参照）が嵌合している。また、トランジションピース本体２０の下流側端部（図４中右側）端部は略矩形（又は略扇形）に開口している（図５参照）。
【００２７】
上記インピンジメントスリーブ２２も、トランジションピース本体２０に応じて上流側（図４中左側）が略円形、下流側（図４中右側）が略矩形に形成されている。また、インピンジメントスリーブ２２は、インピンジメントカバー２５と、このインピンジメントカバー２５の上流側（図４中左側）に設けた接続リング２６とで概略構成されている。これらインピンジメントカバー２５及び接続リング２６は、周方向に複数に分割されており、本実施の形態においては、それぞれ分割ピース２５ａ，２５ｂ及び分割ピース２６ａ，２６ｂの２分割構成となっている。インピンジメントカバー２５の分割ピース２５ａ，２５ｂはジッパープレート２７を介し、接続リング２６の分割ピース２６ａ，２６ｂはタイピース２８を介し、互いに背側（図４中上側）・腹側（図４中下側）にて溶接により固定されている。
【００２８】
タイピース２８は、略矩形のプレート状の部材であり、この分割ピース２６ａ，２６ｂの接合部分に当てられ、分割ピース２６ａ，２６ｂに溶接されている。これにより、分割ピース２６ａ，２６ｂは、タイピース２８を介して溶接により接合されている。このとき、分割ピース２６ａ，２６ｂ同士の接合部分は、僅かに間隙を介して互いの端面が対向した状態となっている。インピンジメントスリーブ２２は製罐構造物であるため、このような間隙を介することで、接続リング２６の寸法を調整可能な構造とすることが望ましい。即ち、間隙寸法ｔ（後述の図８参照）がインピンジメントスリーブ２２の寸法調整代になっており、一概に限定されるものではないが、通常２〜３ｍｍ程度に設定される場合が多い。このように、間隙寸法ｔを調整可能な構造とするため、接続リング２６の分割リング２６ａ，２６ｂをタイピース２８を介して連結してある。
なお、このタイピース２８に関しては、後で更に詳述する。
【００２９】
燃焼装置１０の図示しない外筒には、その下流側に入口リング３０が接続している。この入口リング３０は、特に限定されるものではないが、本実施の形態においては一体構造となっており、上記接続リング２６に嵌合している。また、この入口リング３０は、複数の支持板３１（図４参照）を介し、トランジションピース本体２０の上流側（図４中左側）端部と溶接等により固定されている。詳細には、この支持板３１は、トランジションピース２０に対して放射状に取付けられており、その先端部が入口リング３０の内径に接し、溶接により固着されている。また、図４に示すように、トランジションピース本体２０の下流側（図４中右側）には、突起部３２が設けられており、この突起部３２がインピンジメントカバー２５外周部に設けた突起部３３と係合し、両者をボルト締結することによりトランジションピース本体２０及びインピンジメントカバー２５が、下流側にて互いに固定されている。また、インピンジメントカバー２５の下流には断面がＵ字型のシール板３４が溶接されており、このシール板３４がトランジションピース本体２０の下流側端部に設けた溝３５に嵌合している。
【００３０】
以上の構成のトランジションピース１１は、前述のように圧縮機１の周囲に複数設けられている。その配置状態は、図６に示すように、隣接するもの同士、略矩形の下流側開口を当接させ、それぞれの下流側開口により、全体として略環状の燃焼ガスの流路を形成するようになっている。また、この環状流路の継ぎ目部分（即ち各トランジションピース１１，１１間のシール溝部分）には、板状のサイドシール３６を嵌合し燃焼ガスをシールしてある。このサイドシール３６は、ガスタービン３の入口部分の静翼１５（図１参照）の構成部品に対し、ピン穴３７に図示しないピンを介して固定されている。
【００３１】
また、トランジションピース本体２０には静翼１５との連結棒３８が備えられており、この連結棒３８が、ガスタービン３（図１参照）の入口部分の静翼１５（図１参照）の構成部品に対してピン３９を介して固定されている。更に、図４に示すように、トランジションピース本体２０の下流側端部とガスタービン３の入口部分の静翼１５との間は、Ｕ字部及び平坦部を有する断面形状のフローティングシール４０によりシールされており、高圧の圧縮空気が、ガスタービン３に供給される燃焼ガスに流入しないようにされている。詳細には、フローティングシール４０のＵ字部はトランジションピース本体２０の下流側の溝４１に嵌合し、フローティングシール４０の平坦部は静翼１５の構成部品に連結している。また、上記入口リング３０は、固定ストッパ４２を介し、圧縮機ケーシング４に対して固定されている。
【００３２】
以上の構成のトランジションピース１１を備えた本発明のガスタービン燃焼器における最も大きな特徴は、接続リング２６の分割ピース２６ａ，２６ｂ同士の接合強度を向上させると共に、タイピース２８におけるクラックの発生を抑制するために、タイピース２８に少なくとも１箇所の開先部を設けたことにある。以下に、本発明のガスタービン燃焼器に用いる上記タイピース２８の構成例を順次説明していく。
【００３３】
図７は本発明のガスタービン燃焼器に用いるタイピースの第１の構成例を表した斜視図、図８は本発明のガスタービン燃焼器に用いるタイピースの第１の構成例の溶接構造を表した上面図である。これら図７及び図８に示すように、本構成例において、タイピース２８は、燃焼ガスの流れ方向の上流側及び下流側（図８中上下側）に、円弧状の切欠き部を設けてこれを開先部４５ａ，４５ｂとしている。前述のように、接続リング２６の分割ピース２６ａ，２６ｂ間は、間隙（間隙寸法ｔ）を介して対向しており、開先部４５ａ，４５ｂは、この間隙を跨ぐように設けられている。そして、図８に示すように、タイピース２８は、分割ピース２６ａ，２６ｂを強固に接合するよう、その周囲を分割ピース２６ａ，２６ｂに対してすみ肉溶接される。符号５０を付した部分は溶接金属である。またこれと共に、開先部４５ａ，４５ｂを溶接金属５０でほぼ埋めるような形で更に強固に溶接されている。
【００３４】
但し、本構成例においては、上流側及び下流側の双方に開先部４５ａ，４５ｂを設けたが、必ずしもこの態様に限られず、どちらか一方を省略しても構わない。また、開先部４５ａ，４５ｂは、略楕円の円弧状に切り欠いた状態を図示したが、これにも限られず、単なる円弧状であっても、方形状であっても構わない。更には、図７に示す開先部４５ａ，４５ｂの幅寸法ｂ、奥行寸法ｈ、図８に示す開先部４５ａ，４５ｂ間距離Ｌ等は、タイピース２８や接続リング２６等の寸法や要求される溶接強度に応じて適宜設定変更可能である。特に寸法Ｌは、タイピース２８と分割ピース２６ａ，２６ｂとの非溶接長さ寸法であるとも言え、この寸法Ｌが小さいほど溶接強度が高くなることになる。
【００３５】
図９は本発明のガスタービン燃焼器に用いるタイピースの第２の構成例を表した斜視図、図１０は本発明のガスタービン燃焼器に用いるタイピースの第２の構成例の溶接構造を表した上面図である。これら図９及び図１０に示すように、本構成例において、タイピース２８は、接続リング２６の分割ピース２６ａ，２６ｂの接合部分を挟んで両側に（図１０中左右両側）に、略方形状の貫通孔を設けてこれらを開先部４５ｃ，４５ｄとしている。そして、図１０に示すように、タイピース２８は、分割ピース２６ａ，２６ｂを強固に接合するよう、その周囲を分割ピース２６ａ，２６ｂに対してすみ肉溶接され、かつ、開先部４５ｃ，４５ｄを溶接金属５０でほぼ埋めるような形で栓溶接されている。
【００３６】
但し、本構成例においては、分割リング２６ａ側及び分割リング２６ｂ側の双方に開先部４５ｃ，４５ｄを設けたが、必ずしもこの態様に限られず、どちらか一方を省略しても構わないし、逆に更に多数の貫通孔を設けても良い。また、図７及び図８の構成例と組合せる態様も考えられる。また、開先部４５ｃ，４５ｄは、各コーナにＲ部が形成された状態を図示したが、これも特に限定されるものではない。更には、図９に示す開先部４５ｃ，４５ｄの幅寸法ｂ、奥行寸法ｈ等は、タイピース２８や接続リング２６等の寸法や要求される溶接強度に応じて適宜設定変更可能である。
【００３７】
図１１は本発明のガスタービン燃焼器に用いるタイピースの第３の構成例を表した斜視図、図１２は本発明のガスタービン燃焼器に用いるタイピースの第３の構成例の溶接構造を表した上面図である。これら図１１及び図１２に示すように、本構成例のタイピース２８は、開先部４５ｅ，４５ｆを略円形にした点を除いて図９及び図１０に示した構成例と同様である。そして、図１２に示すように、タイピース２８は、分割ピース２６ａ，２６ｂを強固に接合するよう、その周囲を分割ピース２６ａ，２６ｂに対してすみ肉溶接され、かつ、開先部４５ｅ，４５ｆを溶接金属５０でほぼ埋めるような形で栓溶接されている。
【００３８】
但し、本構成例においても、分割リング２６ａ側及び分割リング２６ｂ側の双方に開先部４５ｅ，４５ｆを設けたが、必ずしもこの態様に限られず、どちらか一方を省略しても構わないし、逆に更に多数の貫通孔を設けても良い。また、図７及び図８の構成例と組合せる態様も考えられる。また、開先部４５ｅ，４５ｆを略円形としたが、これにも限られず、例えば楕円形状としても良い。更には、図１１に示す開先部４５ｅ，４５ｆの直径寸法Ｄ等は、タイピース２８や接続リング２６等の寸法や要求される溶接強度に応じて適宜設定変更可能である。
【００３９】
以上のように、タイピース２８の構成例として図７〜図１２を用いて３つの例を挙げて説明したが、これら３つの構成例は、比較的機械加工が易いよう開先部の形状が簡略なものを例として挙げたものである。即ち、本発明の本質的特徴は、タイピース２８に少なくとも１箇所の開先部を設け非溶接領域を減少させることにあり、以上の３つの構成例に限られず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、他にも種々変形可能なものである。また、タイピース２８自体、必ずしも機械加工で成形しなくとも、成形方法に特別な限定はなく、例えば鋳造により成形しても構わない。
【００４０】
次に、本発明のガスタービン燃焼器により得られる作用効果を説明する。
ここでまず、一般的にガスタービン燃焼器に用いられるタイピースの上面図を図１３（ａ）に、この図１３（ａ）中ｂ−ｂ断面による側断面図を図１３（ｂ）に本発明との比較例として表し、更に図１４には図１３（ａ）に示したタイピースのクラックの破面を含む断面斜視図を表した。図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示すように、一般的なタイピース２８’としては、単に矩形状に形成されたプレートが用いられ、接続リング２６の分割ピース同士を接合するよう、分割ピース２６ａ，２６ｂを跨いだ状態で、分割ピース２６ａ，２６ｂに対して周囲をすみ肉溶接することにより、分割ピース２６ａ，２６ｂを互いに接合する。
【００４１】
即ち、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示した一般的な構成である場合、タイピース２８’と分割ピース２６ａ，２６ｂとの溶接部は、タイピース２８’の周囲のみであり、分割ピース２６ａ，２６ｂの接合部分（分割ピース２６ａ，２６ｂの端面対向部分）においては、その奥行寸法（図１３（ａ）中上下方向寸法）ほぼ全長にわたる部分、またタイピース２８’と分割ピース２６ａ，２６ｂとの当接面部分は非溶接領域５１となる。そのため、非溶接領域５１、特に分割ピース２６ａ，２６ｂの対向端部近傍においては、溶接金属５０に大きな振動応力が作用する。また特に、溶接止端部５０’の溶け込みが十分でない場合、溶接金属５０に作用する振動応力は増大する。このような大きな振動応力が作用した場合、溶接止端部５０’からクラック５２が発生・進展し、タイピース２８’を破損させる場合がある。
【００４２】
溶接金属５０に作用する振動応力は、燃焼装置１０で高温高圧の燃焼ガスを発生させる時に生じる燃焼振動によるもので、燃焼振動による高サイクル疲労損傷により、一旦クラック５２が発生するとタイピース２８’からジッパープレート２７（図２参照）へ進展し、最終的にはインピンジメントスリーブ２２（図２参照）全体の破損に到ることもある。この場合、圧縮機１からの圧縮空気が、インピンジメントスリーブ２２の破損箇所からも流入するようになり、破損したインピンジメントスリーブ２２に対する圧縮空気の流入量が増大する。その結果、他のガスタービン燃焼器２との間で圧縮空気の流入量にアンバランスが生じ、燃焼装置１０における燃空比（燃焼と圧縮空気の割合）やトランジションピース本体２０の冷却割合に偏差が生じてしまい、場合によっては、排気温度偏差異常や燃焼異常でガスタービンエンジンそのものが停止してしまう可能性がある。また、タイピース２８’やジッパープレート２７が破損することにより、その破片が圧縮空気から燃焼装置１０中に吸込まれて燃焼異常を発生させたり、燃焼ガスに流入して静翼１５や動翼１３を損傷させる可能性もある。
【００４３】
それに対し、本発明においては、タイピース２８に開先部を設け、非溶接領域を減少させることにより、溶接金属５０に作用する応力を低減させ、クラックの発生を防止することができる。即ち、図７〜図１２に示したタイピース２８の第１〜第３の構成例では、開先部４５ａ〜４５ｆを設け溶接金属５０で満たすことにより、非溶接領域がそれだけ減少し溶接金属５０に作用する応力を低減することができる。
【００４４】
図１５（ａ）に、接続リング２６の分割ピース２６ａ，２６ｂの端面対向部分におけるタイピースの応力解析結果を示した。また、図１５（ｂ）は、この図１５（ａ）の応力解析の解析対象箇所（この図中Ａ−Ｂ点間）を模式的に表したものである。また、図１５（ａ）の結果は、先の図７及び図８に示した第１の構成例、図９及び図１０に示した第２の構成例、図１１及び図１２に示した第３の構成例、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示した比較例を解析対象としたものである。また、本試験では、各例において、タイピース２８又はタイピース２８’のサイズは６０ｍｍ×４０ｍｍとした。また、図７及び図８の第１の構成例においては、開先部４５ａ，４５ｂの寸法ｂを１５ｍｍ（タイピース２８寸法６０ｍｍの２５％）、寸法ｈを４ｍｍ（タイピース２８寸法４０ｍｍの１０％）とした。また、図９及び図１０の第２の構成例においては、開先部４５ｃ，４５ｄの寸法ｂを２０ｍｍ（タイピース２８寸法６０ｍｍの１／３）、寸法ｈを３０ｍｍ（タイピース２８寸法４０ｍｍの７５％）とした。また、図１１及び図１２の第３の構成例においては、開先部４５ｅ，４５ｆの直径Ｄをタイピース２８長さ６０ｍｍの１／３の２０ｍｍとした。
【００４５】
図１５（ａ）の試験結果に示すように、Ａ点及びＢ点に作用する応力は、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）の比較例と比較して、図７及び図８の第１の構成例では５０％程度、図９及び図１０の第２の構成例では６０％程度、図１１及び図１２の第３の構成例では６５％程度に低減されている。これは、開先部を設けたことにより、タイピース２８の分割ピース２６ａ，２６ｂとの非溶接領域が減少したためであると考えられる。特に図７及び図８の第１の構成例においては、Ａ点及びＢ点の溶接金属５０の溶け込みが強固となり、また非溶接部長さＬが短くなるため、特に顕著な応力低減の効果が得られる。また、第２及び第３の構成例においては、開先部４５ｃ〜４５ｆを設けて栓溶接による箇所を追設したことにより、タイピース２８と接続リング２６（分割ピース２６ａ，２６ｂ）の溶接部に作用する応力を平均化し、溶接止端部５０’への応力集中が低減されたものと考えられる。
【００４６】
図１６に本発明のクラック防止効果の検証のために実施した三点曲げによる高サイクル疲労試験の概略を、図１７にその試験結果を示した。図１６に示すように、本高サイクル疲労試験では、三点曲げ支持治具６０（スパン長さ１００ｍｍ）に、ピン６１ａ，６１ｂを介してタイピース２８（又はタイピース２８’）と接続リング２６（分割ピース２６ａ，２６ｂ）の溶接試験体（接続リング２６の長さ以外は実寸）を載置し、この状態でタイピース２８（又はタイピース２８’）の中央付近に対して荷重治具６２によりピン６１ｃを介して繰返し荷重を負荷した。この手法により、溶接止端部５０’からクラックが入る事象を再現し、タイピース２８（又はタイピース２８’）の破損繰返し数を測定した。
【００４７】
図１７において、各測定結果における水平に推移する部分は疲労限を表しており、一般的に、ある負荷で１０^７回程度の繰り返し荷重に耐えられた場合、その材料は、その負荷に対しては実質的に破損を起こさないとされている。この疲労限を比較した場合、疲労限に到達可能な繰り返し荷重の大きさは、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）の比較例に対して、第２及び図３の構成例では約１．５倍、第１の構成例にあっては約２倍となった。即ち、第２及び第３の構成例においては、繰り返し荷重をかけても実質的に破損が生じない応力振幅が比較例の約１．５倍、第１の構成例においては約２倍であり、それだけ燃焼振動に対する耐震強度が向上することになる。従って、ガスタービン燃焼器２の運転状態に対する許容が増し、破損をより生じ難くすることができる。これにより、本発明においては、タイピース２８へにクラックの発生を抑制することが可能となる。
【００４８】
以上のように、本発明によれば、タイピース２８のクラック発生が抑制できるので、インピンジメントスリーブ２２全体のクラック発生を防止することができ、排気温度偏差・異常燃焼によるガスタービン異常よるプラント自体の停止も防止することができる。更に、タイピース２８のクラック発生を防止することができるので、タイピース２８やジッパープレート２７の破片が燃焼装置１０に吸込まれて燃焼異常を起こすことも、破片の衝突により静翼１５や動翼１３が損傷することも防止することができる。これにより、インピンジメントスリーブ２２の溶接補修や交換までの時期を延伸でき、プラントの信頼性を向上させることができる。更に補修費や部品購入費が低減され経済性を向上させることができ、点検間隔の延長による大幅な運用コストの低減を図ることができるというメリットを得ることもできる。
【００４９】
なお、以上において、燃焼装置１０としては、拡散燃焼方式のものであっても、予混合燃焼方式、或いは予蒸発予混合燃焼方式のものであっても適用可能である。また、本発明のガスタービン燃焼器を備えるガスタービンエンジン（或いはガスタービンプラント）としては、必ずしも図１に示した態様に限られるものではない。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、タイピースに開先部を設け、非溶接領域を減少させることにより、溶接金属に作用する応力を低減させ、タイピースへのクラックの発生を防止することができる。これにより、インピンジメントスリーブのクラック発生を防止することができるので、排気温度偏差・異常燃焼によるガスタービン異常よるプラント自体の停止も防止することができ、タイピースやジッパープレートの破片が燃焼装置に吸込まれて燃焼異常を起こすことも、破片の衝突によるガスタービンの損傷も防止することができる。従って、インピンジメントスリーブの溶接補修や交換までの時期を延伸でき、プラントの信頼性を向上させることができる。またこれにより、補修費や部品購入費が低減され経済性を向上させることができ、点検間隔の延長による大幅な運用コストの低減を図ることができるというメリットを得ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスタービン燃焼器を用いたガスタービンエンジンの一構成例を一部断面で表す。
【図２】本発明のガスタービン燃焼器に備えられたトランジションピースの外観構造図である。
【図３】図２中右側から見た外観構造図である。
【図４】図２中ＩＶ−ＩＶ断面による断面図である。
【図５】図４中矢印Ｖから見た矢視図である。
【図６】トランジションピースの配置状態を表す図で、図１中左側から見た状態を表した図である。
【図７】本発明のガスタービン燃焼器に用いるタイピースの第１の構成例を表した斜視図である。
【図８】本発明のガスタービン燃焼器に用いるタイピースの第１の構成例の溶接構造を表した上面図である。
【図９】本発明のガスタービン燃焼器に用いるタイピースの第２の構成例を表した斜視図である。
【図１０】本発明のガスタービン燃焼器に用いるタイピースの第２の構成例の溶接構造を表した上面図である。
【図１１】本発明のガスタービン燃焼器に用いるタイピースの第３の構成例を表した斜視図である。
【図１２】本発明のガスタービン燃焼器に用いるタイピースの第３の構成例の溶接構造を表した上面図である。
【図１３】一般的にガスタービン燃焼器に用いられるタイピースの上面図、及びこの図中ｂ−ｂ断面による側断面図である。
【図１４】図１３（ａ）に示したタイピースのクラックの破面を含む断面斜視図である。
【図１５】接続リングの分割ピースの端面対向部分におけるタイピースの応力解析結果を表すグラフ、及びその応力解析の解析対象箇所を模式的に表す図である。
【図１６】本発明のクラック防止効果の検証のために実施した三点曲げによる高サイクル疲労試験の概略を表す図である。
【図１７】本発明のクラック防止効果の検証のために実施した三点曲げによる高サイクル疲労試験の結果を表すグラフである。
【符号の説明】
２　　　　　ガスタービン燃焼器
３　　　　　ガスタービン
１１　　　　トランジションピース
２０　　　　トランジションピース本体
２３　　　　吸気口
２４　　　　燃焼器ライナ
２５　　　　インピンジメントカバー
２６　　　　接続リング
２６ａ，ｂ　分割ピース
２７　　　　ジッパープレート
２８　　　　タイピース
４５ａ，ｂ　開先部（切欠き部）
４５ｃ〜ｆ　開先部（貫通孔）

Claims

燃焼器ライナで圧縮空気及び燃料の混合気を燃焼させ、燃焼ガスをトランジションピースを介してガスタービンに供給するガスタービン燃焼器において、
前記トランジションピースは、
前記燃焼器ライナの下流側に接続するトランジションピース本体と、
このトランジションピース本体の外周側を間隙空間を介して覆うように設けられると共に、周方向に複数に分割され、多数の吸気口を有するインピンジメントカバーと、
このインピンジメントカバーの分割部を接合するジッパープレートと、
前記インピンジメントカバーの上流側に固定されると共に、周方向に複数の分割ピースに分割された接続リングと、
少なくとも１箇所の開先部を有すると共に、前記接続リングの分割部に固着され、前記分割ピース同士を繋ぎ合わせる略板状のタイピースと
を備えることを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項１記載のガスタービン燃焼器において、前記開先部として、前記タイピースにおける上流側及び下流側のうち少なくとも一方に、前記接続リングの分割部を跨ぐように切欠き部を設けたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項２記載のガスタービン燃焼器において、前記切欠き部を略円弧状に形成することを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項１乃至３のいずれか１項記載のガスタービン燃焼器において、前記開先部として、前記タイピースにおける前記分割ピースの接合部を挟んだ両側位置のうち、少なくとも一方の位置に貫通孔を設けたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項４記載のガスタービン燃焼器において、前記貫通孔を略方形に形成したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項４記載のガスタービン燃焼器において、前記貫通孔を略円形に形成したことを特徴とするガスタービン燃焼器。