JP2004191041A - ガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室が一方では環状燃焼器外側壁によって、他方ではその内部に配置された環状燃焼器内側壁によって境界づけられている環状燃焼器を備えたガスタービンを、燃焼器内側壁が非常に迅速に且つ簡単に分解できるように改良する。
【解決手段】燃焼器内側壁が、該壁の支持構造物に取り付けられた多数の壁要素で形成され、その支持構造物が、水平の接合部で突き合わされた複数の部分部材３０で形成され、これらの部分部材が、接合部の範囲において、内側壁面に対して斜めに延びる多数のボルト継手３２を介して互いに結合される。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃焼室が一方では環状燃焼器外側壁、他方ではその内部に配置された環状燃焼器内側壁によって境界づけられた環状燃焼器を備えるガスタービンに関する。

ガスタービンは多くの分野で、発電機や作業機械を駆動すべく採用されている。その場合、燃料の含有エネルギはタービン軸の回転運動を発生するために利用される。そのため燃料が多数のバーナで燃焼され、その際空気圧縮機で圧縮された空気が導入される。燃料の燃焼により、高温高圧の作動媒体が生ずる。この媒体は、バーナに後置接続されたタービン装置を経て導かれ、そこで仕事をしながら膨張する。その際、各バーナに別個の燃焼器が付属し、それら燃焼器から流出する作動媒体は、タービン装置の前又はタービン装置内で合流される。或いはガスタービンを所謂環状燃焼器構造に形成することもでき、その際、多数のバーナが特に全て、通常は環状の共通燃焼器に開口する。

かかるガスタービンの設計時、獲得可能な出力に加えて、通常、特に高い効率が設計目標とされる。その効率増大は、熱力学的理由から、基本的に作動媒体が燃焼器から出てタービン装置に流入する際の出口温度の上昇で達成させられる。従って、この種ガスタービンに対し約１２００℃〜１５００℃の温度が努めて求められ、また達成されている。

しかし、かかる高温の作動媒体の場合、該媒体に曝される構成要素や部品が大きな熱的負荷を受ける。それにも係わらず、構成要素の高い信頼性の下での非常に長い寿命を保証すべく、通常燃焼器とタービン装置のような構成要素を、特に耐熱材料で形成し、冷却する必要がある。特に燃焼器とタービン装置の可動部品は、熱的負荷および作動媒体の貫流による全般的摩耗に基づいて大きく摩耗し、このためにガスタービンを、損傷した部品を交換や修理するため定期的に点検せねばならない。

作動媒体の流れ方向で燃焼器に続くタービン装置は、通常タービン軸を有し、該軸に多数の動翼が取り付けられ環状動翼列を形成する。またタービン装置は多数の静翼を有し、この翼も同様に輪状に配置され、タービンの内部車室に取り付けられ静翼列を形成する。動翼は、タービン装置を貫流する作動媒体の衝撃伝達によりタービン軸を駆動し、これに対し静翼は、作動媒体の流れ方向に連続する２つの動翼列間で、作動媒体流を案内する。

タービン軸の回転運動は、通常燃焼器に前置接続した空気圧縮機の駆動のために利用される故、タービン軸はタービン装置を越えて延びている。従ってタービン軸は、タービンに前置接続された環状燃焼器の範囲で、該燃焼室によりトーラス状に包囲されている。

燃焼室は、一方では環状燃焼器外側壁、他方ではその内部に配置された環状燃焼器内側壁により境界付けられている。そのため、燃焼器の内側壁は、通常そのタービン軸の側で互いにボルト結合された２つ或いはそれ以上の個別部分から成っている。

しかしこの環状燃焼器の構造は、燃焼器の内側壁に点検作業のために接近できない欠点がある。即ち、内側壁の点検作業のため該壁に接近可能とするには、圧縮機翼ホルダ又はタービン翼ホルダの上半部を分解せねばならず、そのため、タービン軸を燃焼器の内側壁と共に分解せねばならない。従って、分解作業に非常な手間と時間がかかる。その結果、ガスタービンの組立て費用に加えて、ガスタービンの非常に長い停止時間に伴う運転停止費用が生じ、その結果ガスタービンの点検修理作業の総費用が非常に高くなる。

本発明の課題は、冒頭に述べた形式のガスタービンを、燃焼器の内側壁を非常に迅速に且つ簡単に分解できるように改良することにある。

この課題は、本発明に基づき、燃焼器内側壁を、燃焼器内側壁の支持構造物に取り付けられた多数の壁要素で形成し、その支持構造物を、水平の接合部で突き合わされた複数の部分部材で形成し、これらの部分部材を、接合部の範囲において、内側壁面に対して斜めに延びる多数のボルト継手を介して互いに結合することにより解決される。

壁要素は、特に高温ガスに曝される燃焼器表面を形成する。壁要素は、内側壁の本来の支持構造物に取り付けるとよい。この構造物も、特に同様に上半部と下半部とから成り、該上下両半部は、接合平面に対し斜めに延びるボルト継手を経て互いに結合されている。

本発明は、燃焼器内側壁の種々の壁要素相互の固定装置に燃焼室の側から接近し、燃焼器内側壁を燃焼室の側から分解するという考えから出発する。同時にまた、燃焼器内側壁に付属し、水平の接合部で互いに突き合わされる支持構造物の部分部材を、接合部における垂直力で部分部材を相互に結合する固定装置によって互いに結合する。その両機能は、内側壁面に対し斜めに延びるボルト継手により満される。この継手は、燃焼室の側からの接近性に加え、支持構造物の上下両半部を結合するに十分な垂直分力を持つ。

ボルト継手で相互に結合された支持構造物の両部分部材（上下両半部）の内側壁面に対し斜めに延びるボルト継手で生ずる水平分力を補償すべく、各ボルト継手に、キーを付属させるとよい。そのキーは、水平接合部において相互にねじ結合された壁要素がボルト継手の水平分力により相対移動するのを防止する。このため、キーが、水平接合部に沿って延び、互いに突き合わされた壁要素にある溝の中にぴったりはめ込まれ、この結果、壁要素は相対移動できず、特に、水平接合部において、ボルト継手の締付け固定のために必要なボルト継手の垂直力しか生じない利点がある。

燃焼器内部空間、従って燃焼器内側壁のボルト継手に接近可能とすべく、環状燃焼器の外側壁を２分割構造にし、相互に共働する上半部と下半部で形成するとよい。上半部を下半部にボルト結合して、燃焼器外側壁を取り外し可能とできる。かかる燃焼器外側壁の構造様式で、燃焼器内部空間、従って燃焼器内側壁要素のボルト継手に接近可能となる。

燃焼器壁を作動媒体の熱負荷から保護すべく、燃焼器内側壁と燃焼器外側壁の少なくとも一方を、多数の熱遮蔽要素で形成したライニングで内張りするとよい。このライニングに、好適には、特に耐火防護膜を設ける。

熱遮蔽要素を、キー継手装置を経て燃焼器内側壁から燃焼器外側壁に取り付ける。その際熱遮蔽要素の縁を折り返して曲げ、そこにアンカーを形成する。アンカーは、燃焼器壁にあり溝を形成する凹所に引っ掛かり、そこに固定される。燃焼器壁上の凹所を、互いに隣接する熱遮蔽要素に対し１つの凹所に統合するのが望ましい。この結果互いに隣接する熱遮蔽要素を、折り返し曲げに伴い生ずるそれらの端面で互いに突き合わせ、かくして、熱遮蔽要素を、燃焼器および燃焼器内を流れる作動媒体に対する漏れ止め装置とする。

本発明による利点は、特に燃焼器壁の接合部のボルト継手により、燃焼器壁を非常に単純且つ迅速に組立て可能なことにある。特に、燃焼器の内側壁を除去できるので、この燃焼器部分の迅速で良好な点検が可能になる。従って、タービン装置の広い範囲にわたり存在する動翼と静翼の手間のかかる取り外しは、燃焼器内部空間に接近可能なことに伴い不要となり、この結果、点検作業を非常に単純に且つ短時間に実施できる。

以下図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。各図において同一部分には同一符号を付している。

図１のガスタービン１は、燃焼空気用の圧縮機２、燃焼器４および圧縮機２と発電機或いは作業機械（図示せず）とを駆動するタービン６を備えている。そのためタービン６と圧縮機２は、タービンロータとも呼ばれる共通のタービン軸８上に配置されている。このタービン軸８は、その回転中心線９を中心に回転可能に支持され、発電機や作業機械が結合されている。環状燃焼器の形に形成された燃焼器４は、液体燃料や気体燃料を燃焼するための多数のバーナ１０を装備している。

タービン６は、タービン軸８に取り付けた多数の動翼１２を持つ。これら動翼１２はタービン軸８に輪状に配置され、多数の動翼列を形成する。またタービン６は多数の静翼１４を含む。これら静翼１４も同様に輪状に配置されて静翼列を形成し、タービン６の内部車室１６に取り付けられている。動翼１２は、タービン６を貫流する作動媒体Ｍの衝撃伝達によりタービン軸８を駆動する。これに対し静翼１４は、作動媒体Ｍの流れ方向に連続する２つの動翼列間で、作動媒体Ｍの流れを案内すべく使われる。互いに連続して位置する一対の静翼輪又は静翼列１４と動翼輪又は動翼列１２は、タービン段とも呼ばれる。

各静翼１４は翼脚とも呼ばれる翼台座１８を有し、該台座１８は静翼１４をタービン６の内部車室１６に固定する壁要素として働く。台座１８は、タービン６を貫流する作動媒体Ｍに対する高温ガス通路の外側境界部を形成し、熱的に大きく負荷される部品である。各動翼１２も、翼脚とも呼ばれる翼台座２０を経てタービン軸８に取り付けられている。

互いに隣接する２つの静翼列の互いに間隔を隔てて配置された静翼１４の翼台座１８間に、夫々案内輪２１が配置され、タービン６の内部車室１６に固定されている。各案内輪２１の内側面も、同様にタービン６を貫流する高温の作動媒体Ｍに曝され、これに対向する動翼１２の外側端２２から半径方向に隙間により間隔を取られている。隣接する静翼列間に配置された案内輪２１は、特に車室内壁１６又は他の車室組込み物を、タービン６を貫流する高温作動媒体Ｍによる熱的過負荷から保護する覆い要素として使われる。

この実施例で、燃焼器４は所謂環状燃焼器として形成している。この燃焼器では、多数のバーナ１０がタービン軸８の周囲に円周方向に分布して配置され、共通の燃焼室に開口している。そのため燃焼器４は、その全体形状がタービン軸８の周りに位置づけられた環状構造物として形成されている。

図２は、燃焼器４の形状を一層明瞭にすべく断面図で示す。燃焼器４はタービン軸８の周りにトーラス状に続いている。図から明らかなように、燃焼器４は始まり部分、即ち流入部分を有し、そこにバーナ１０の出口が開口している。燃焼器４の開口断面は、そこから作動媒体Ｍの流れ方向に狭まり、その際その空間範囲で生ずる作動媒体Ｍの流れ分布を考慮している。燃焼器４は縦断面において出口側で湾曲しており、この湾曲部を通り、燃焼器４からの作動媒体流は、特に大きな衝撃エネルギを伝達すべく流出側に設けられた後続の第１の動翼列に向かい噴射される。

図３から明らかなように、燃焼器４の燃焼室２４は、一方で環状燃焼器外側壁２６、他方でその中に配置された燃焼器内側壁２８により区画されている。燃焼器４は、例えば点検作業のため、燃焼器４の直後に続くタービン６の静翼列上半部の静翼１４とタービン軸８を分解することなく、燃焼器内側壁２８を特に簡単に取り外せるよう設計されている。そのため、燃焼器内側壁２８は、支持構造物の２つの部分部材（上下半部）３０上に取り付けた多数の壁要素から成り、部材３０は、水平の接合部３１を形成して燃焼器内側壁２８の形に結合されている。

燃焼器４は、特に燃焼器内側壁２８の壁要素と、これを支持する部分部材３０とを燃焼室２４の側から分解できるように設計されている。そのため、図４に断面図で示す如く、部分部材３０を、それに形成した水平接合部３１で、燃焼器内側壁２８の内側面に対し斜めに延びるボルト継手３２により結合している。各ボルト継手３２は、燃焼器内側壁２８で形成された表面に対し斜めに導かれるボルト３３を含む。これらボルト３３は、壁要素３０に設けられたねじ孔３４と共働する。

部分部材３０が燃焼器内側壁２８に対し斜めに延びるボルト３３により生ずる水平分力で相対移動しないようにすべく、ボルト継手３２にキー３５が付属している。該キー３５は、部分部材３０の水平接合部３１に沿って各ボルト継手３２の近くに延び、燃焼器内側壁２８の部分部材３０にある溝にぴったりはまり込んでいる。

燃焼器４の燃焼室２４への接近を容易にすべく、燃焼器外側壁２６は、図３から明らかなように、上半部３６と下半部３８とから成っている。その上半部３６と下半部３８は、燃焼器内側壁２８を形成する支持構造物の部分部材３０の結合と異なり、ここでは接近性についての問題がないので、接合平面に対し垂直に延びるボルト継手で結合できる。

大きな効率を得るため、燃焼器４は、約１２００〜１３００℃の高い作動媒体Ｍ温度に設計されている。材料にとって不利なこの運転パラメータでも、非常に長い運転期間を可能にすべく、図５に示すように、燃焼器外側壁２６と燃焼器内側壁２８は、夫々作動媒体Ｍの側の面に、熱遮蔽要素４０で形成されたライニングを備えている。その各熱遮蔽要素４０は、作動媒体Ｍの側の面に、特に耐火防護膜を備えている。

図５に概略的に示すように、熱遮蔽要素４０は、燃焼器内側壁２８に対しキー継手装置を経て、燃焼器内側壁２８に取り付けられている。そのため、熱遮蔽要素４０の縁が折り返して曲げられ、この結果、そこにアンカーが形成されている。該アンカーは、燃焼器内側壁２８にあり溝を形成する凹所に引っ掛かり、これによって固定される。同様に図５から明らかなように、互いに隣接する熱遮蔽要素は、熱遮蔽要素が相互に接触し、かくして燃焼器４の燃焼室２４を密封するように、統合された溝に取り付けられている。

ガスタービンの断面図。 環状燃焼器の断面図。 環状燃焼器の側面図。 燃焼器内側壁の壁要素におけるボルト継手の断面図。 燃焼器内側壁の一部断面図。

符号の説明

１ ガスタービン、２ 圧縮機、４ 環状燃焼器、６ タービン、８ タービン軸、９ 中心軸線、１０ バーナ、１２ 動翼、１４ 静翼、１６ 内部車室、１８ 翼台座、２０ 翼脚、２１ 案内輪、２２ 動翼の外側端、２４ 燃焼室、２６ 燃焼器外側壁、２８ 燃焼器内側壁、３０ 部分部材、３２ ボルト継手、３３ ボルト、３４ ねじ孔、３５ 調整ばね、３６ 燃焼器外側壁の上半部、３８ 燃焼器外側壁の下半部、４０ 熱遮蔽要素、 Ｍ 作動媒体

Claims (5)

1. 燃焼室（２４）が一方では環状燃焼器外側壁（２６）によって、他方ではその内部に配置された環状燃焼器内側壁（２８）によって境界づけられている環状燃焼器（４）を備えたガスタービン（１）において、燃焼器内側壁（２８）が、燃焼器内側壁（２８）の支持構造物に取り付けられた多数の壁要素で形成され、その支持構造物が、水平の接合部で突き合わされた複数の部分部材（３０）で形成され、これらの部分部材（３０）が、接合部の範囲において、内側壁面に対して斜めに延びる多数のボルト継手（３２）を介して互いに結合されたことを特徴とするガスタービン。
2. 各ボルト継手（３２）に調整ばね（３４）が付属することを特徴とする請求項１記載のガスタービン。
3. 環状燃焼器（４）の燃焼器外側壁（２６）が２分割構造にされ、相互に共働する上半部（３６）と下半部（３８）とで形成されたことを特徴とする請求項１又は２記載のガスタービン。
4. 燃焼器内側壁（２８）と燃焼器外側壁（２６）の少なくとも一方が、多数の熱遮蔽要素（４０）で形成されたライニングで内張りされたことを特徴とする請求項１から３の１つに記載のガスタービン。
5. 熱遮蔽要素（４０）が、キー継手装置を介して、燃焼器内側壁（２８）又は燃焼器外側壁（２６）に取り付けられたことを特徴とする請求項４記載のガスタービン。
   
   

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