JP2004092409A

JP2004092409A - 燃焼器およびガスタービン

Info

Publication number: JP2004092409A
Application number: JP2002251025A
Authority: JP
Inventors: Katsunori Tanaka; 田中　克則; Hiroaki Kishida; 岸田　宏明
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2004-03-25

Abstract

【課題】燃焼筒とバイパス管との接続部における熱疲労の発生を防止して燃焼筒の耐久性を向上させる。
【解決手段】圧縮機によって圧縮された空気と燃料とを反応させて燃焼させ、発生した燃焼ガスを燃焼筒５を通じてタービンに導入する燃焼器において、燃焼筒５内に空気を導入するバイパス管６の側壁に貫通孔２０を形成し、バイパス管６の内側には貫通孔２０を通じて管内に吸い込まれた空気を燃焼筒５とバイパス管６との接続部に案内するスリーブ２１を配設した。
【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燃焼器を構成する燃焼筒の冷却構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンは、圧縮機、燃焼器およびタービンを主要な構成要素として備えており、圧縮機において空気を圧縮し、圧縮された空気を燃焼器において燃料と反応させて燃焼させ、発生した燃焼ガスの熱や運動エネルギーを取り出して様々な用途に利用するとともに、燃焼ガスによってタービンを回転させ、得られた回転エネルギーをロータを介して圧縮機に伝達して駆動するしくみとなっている。
【０００３】
ガスタービンの燃焼器には、燃焼ガスを後方に位置するタービンに導く燃焼筒が設けられているが、燃焼筒の壁面は絶えず高温の燃焼ガスに晒される。そこで、燃焼筒を形成する側壁部の内部に空気通路を設け、側壁部の外側から内側に加圧された空気を導入して冷却する構造が採用されている（これをフィルム冷却という）。さらに、燃焼筒には、圧縮機から燃焼器内筒へ流入する燃焼用空気量を調整するために、部分負荷運転時に予混燃焼器の空燃比を適正な値に保持できるよう、開閉制御し得る弁を備えたバイパス管が接続されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような構造の燃焼器においては、燃焼筒とバイパス管との接続部が、高温の燃焼ガスに晒されて過熱することが問題となっている。燃焼筒の側壁部にはフィルム冷却構造が採用されているので過熱は起こらないが、燃焼筒とバイパス管との接続部が過熱するために、その境界で温度差を生じ、これを原因とする熱応力が生じる。さらに熱応力の発生が繰り返されることによって燃焼筒が熱疲労を起こしてしまい、耐久性を低下させる要因となっている。
【０００５】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、燃焼筒とバイパス管との接続部における熱疲労の発生を防止して燃焼筒の耐久性を向上させることを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための手段として、次のような構成の燃焼器およびガスタービンを採用する。すなわち本発明に係る請求項１記載の燃焼器は、圧縮機によって圧縮された空気と燃料とを反応させて燃焼させ、発生した燃焼ガスを燃焼筒を通じてタービンに導入する燃焼器において、
前記燃焼筒の外側面に該燃焼筒内に空気を導入する空気導入管が接続され、該空気導入管の側壁には貫通孔が形成され、前記空気導入管の内側には前記貫通孔を通じて管内に吸い込まれた空気を前記燃焼筒と前記空気導入管との接続部に案内するガイド部材が設けられていることを特徴とする。
【０００７】
本発明においては、燃料筒の内外で圧力差が生じることによって貫通孔から燃焼筒の内側に空気が吸い込まれ、吸い込まれた空気がガイド部材によって燃焼筒と空気導入管との接続部に案内され、当該接続部を冷却する。
【０００８】
請求項２記載の燃焼器は、請求項１記載の燃焼器において、前記ガイド部材が、前記空気導入管の内側に配置された筒状体であり、該筒状体の外側面と前記空気導入管の内壁面との間には前記管内に吸い込まれた空気を前記接続部に向けて流通させる隙間が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
本発明においては、ガイド部材として上記のような筒状部材を配設することにより、空気導入管の主たる目的である負荷変動に応じた燃焼筒への空気導入を邪魔することなく、冷却用空気の案内が行える。
【００１０】
請求項３記載の燃焼器は、請求項１または２記載の燃焼器において、前記貫通孔が、前記空気導入管の周方向に離間して複数設けられていることを特徴とする。
【００１１】
本発明においては、貫通孔を空気導入管の周方向に離間して複数設けることにより、燃焼筒と空気導入管との接続部を周方向にわたって余すことろなく冷却することが可能となる。
【００１２】
請求項４記載のガスタービンは、請求項１ないし３のいずれか記載の燃焼器を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明においては、燃焼筒と空気導入管との接続部を冷却することが可能となり、その境界で温度差を生じ難くなるので、熱疲労の発生が防止される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る実施形態を図１ないし図４に示して説明する。
図１はガスタービンを構成する燃焼器の断面図である。図において符号１は燃焼器、２は車室、３はパイロットノズル、４はメインノズル、５は燃焼筒、６はバイパス管（空気導入管）、７はバイパス弁、８はタービンの静翼、９は同じくタービンの動翼である。
【００１５】
メインノズル４は、パイロットノズル３を取り囲むように複数（例えば８本）設けられている。燃焼筒５は、ノズル２，３から供給された燃料と空気とを反応させて燃焼させる部位であり、燃料と空気とを燃焼させる内筒５ａと、燃焼ガスの流速を速めて後段のタービンに導入する尾筒５ｂとにより構成されている。バイパス管６は、尾筒５ｂの外側面に接続され、負荷変動により燃焼筒５内の空気が不足する状態になった場合にバイパス弁７を開くことで車室２内の空気を燃焼筒５内に導入する流路となる。
【００１６】
尾筒５ｂの側壁部には、図２に示すようなフィルム冷却構造が採用されている。図において、符号１０は燃焼筒の側壁部、１１は側壁部１０に設けられた空気流路、１２は空気流路１１の入口、１３は空気流路１１の出口である。側壁部１０は、２枚の板材１０ａ，１０ｂを貼り合わせて形成されている。
【００１７】
空気流路１１は、燃焼筒の長手方向に向けて内外の壁面と平行に、かつ燃焼筒の幅方向に離間して複数設けられている。空気流路１１は、一方の板材１０ａに溝を形成しておき、この溝を形成した面に他方の板材１０ｂを貼り合わせることであたかも側壁部１０を穿ったかようにして形成されている。
【００１８】
図３および図４には、尾筒５ｂとバイパス管６との接続部に採用された冷却構造を示す。円筒形をなすバイパス管６は、燃焼筒５と一体となって外側面から立ち上がった基部６ａと、基部６ａに図示しない締結手段により固定されるエルボ管６ｂとからなる。基部６ａには、その側壁部を貫通する複数の貫通孔２０が、基部６ａの周方向に離間しかつ基部６ａの高さ方向にオフセットして形成されている。
【００１９】
基部６ａの内側には、基部６ａの内径よりも若干小径の円筒形のスリーブ（ガイド部材）２１が、互いの中心を一致させて配置されている。スリーブ２１は、その一端を基部６ａとエルボ管６ｂとの間で基部６ａ側に溶接により固定されている。スリーブ２１の長さは、他端が燃焼筒５の内側に突出しない程度に設定されている。
【００２０】
スリーブ２１の外側面には周方向に離間して複数の突起２１ａが形成されている。この突起２１ａが基部６ａの内壁面に当接することにより、基部６ａの内壁面とスリーブ２１の外側面との間には周方向に等間隔の隙間２２が設けられている。
【００２１】
上記のように構成された燃焼器１を備えるガスタービンが作動し、燃焼筒５の内側を燃焼ガスが高速で流れるようになると、側壁部１０の内側と外側との間に圧力差が生じ（外側がより高圧になる）、尾筒５ｂのフィルム冷却構造においては、入口１２から空気が吸い込まれて空気流路１１を流通し、一部の空気は燃焼ガスと同じ方向に流れて後方の出口１３から燃焼筒の内側に排出され、残りの空気は燃焼ガスとは逆方向に流れて前方の出口１３から排出される。このとき、空気流路１１を流通する空気が側壁部１０と熱交換して熱を奪うことによって尾筒５ｂが冷却される。
【００２２】
尾筒５ｂとバイパス管６との接続部に採用された冷却構造においては、基部６ａの側壁の内側と外側との間に生じた圧力差によって貫通孔２０から空気が吸い込まれ、隙間２２を通じて燃焼筒５の内側に吹き出す。隙間２２から吹き出す空気が、燃焼筒５と基部６ａとの接続部（図４中の領域Ｒ）を通過する際に冷却する。詳細には、接続部Ｒの内壁面が外側に緩やかな広がりをもつ曲面を形成していることから、隙間２２から吹き出した温度の低い空気が、接続部Ｒに沿って流れる過程で内壁面から剥離し、接続部Ｒのそばで滞留して接続部Ｒから熱を奪うのである。
【００２３】
しかも、貫通孔２０は基部６ａの周方向に離間して複数設けられ、さらに隙間２２は環状に形成されているから、隙間２２から吹き出す空気は、環をなす無端のエアカーテンのように吹き出して、接続部Ｒを全周にわたって余すところなく冷却する。
【００２４】
ところで、本実施形態においては、貫通孔２０から吸い込まれた空気を接続部Ｒに案内するガイド部材として筒状のスリーブ２１を採用したが、ガイド部材としては、これ以外に例えば貫通孔２０から接続部Ｒに配設した管状の流路のようなものであっても構わない。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料筒の内外で圧力差が生じることによって貫通孔から燃焼筒の内側に空気が吸い込まれ、吸い込まれた空気がガイド部材によって燃焼筒と空気導入管との接続部に案内されて当該接続部を冷却する。これにより、燃焼筒と空気導入管との接続部において温度差を原因とする熱応力の発生が防止され、燃焼筒の耐久性が向上する。
【００２６】
本発明によれば、ガイド部材として筒状部材を採用することにより、空気導入管の主たる目的である負荷変動に応じた燃焼筒への空気導入を邪魔することなく、冷却用空気の案内が行える。つまり、ガスタービンの運転状態や出力に影響を及ぼすことなく燃焼筒と空気導入管との接続部の冷却をすることが可能である。
【００２７】
本発明によれば、貫通孔を空気導入管の周方向に離間して複数設けることにより、燃焼筒と空気導入管との接続部を周方向にわたって余すことろなく冷却することが可能となるので、燃焼筒の耐久性がさらに向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃焼器の実施形態を示す断面図である。
【図２】燃焼筒を構成する側壁部の一部を示す断面図である。
【図３】燃焼筒に接続されるバイパス管の断面図である。
【図４】燃焼筒とバイパス管との接続部の断面図である。
【符号の説明】
１　　　燃焼器
５　　　燃焼筒
６　　　バイパス管（空気導入管）
２０　　貫通孔
２１　　スリーブ（筒状体）
２２　　隙間

Claims

圧縮機によって圧縮された空気と燃料とを反応させて燃焼させ、発生した燃焼ガスを燃焼筒を通じてタービンに導入する燃焼器において、
前記燃焼筒の外側面に該燃焼筒内に空気を導入する空気導入管が接続され、
該空気導入管の側壁には貫通孔が形成され、
前記空気導入管の内側には前記貫通孔を通じて管内に吸い込まれた空気を前記燃焼筒と前記空気導入管との接続部に案内するガイド部材が設けられていることを特徴とする燃焼器。
前記ガイド部材が、前記空気導入管の内側に配置された筒状体であり、該筒状体の外側面と前記空気導入管の内壁面との間には前記管内に吸い込まれた空気を前記接続部に向けて流通させる隙間が設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
前記貫通孔が、前記空気導入管の周方向に離間して複数設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の燃焼器。
請求項１ないし３のいずれか記載の燃焼器を備えることを特徴とするガスタービン。