JP2005076982A

JP2005076982A - ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JP2005076982A
Application number: JP2003308062A
Authority: JP
Inventors: Kazufumi Ikeda; 和史池田; Tatsuo Ishiguro; 達男石黒; Katsunori Tanaka; 克則田中; Satoshi Tanimura; 聡谷村
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2005-03-24
Also published as: EP1510757B1; CN1333161C; EP1510757A3; CN1590734A; EP1510757A2; US20050097890A1; US7089741B2

Abstract

【課題】耐熱性能が高い燃焼振動抑制手段を備えたガスタービン燃焼器を提供する。
【解決手段】燃焼器ライナの周方向に、燃焼器ライナの直径以上の長さ延長する音響ライナ（共鳴箱）を設置する。音響ライナが設置されている部分の燃焼器ライナの壁面には孔が設けられており、燃焼器ライナの内部の燃焼ガスと音響ライナの内部のガスとは共鳴し、孔の壁面の摩擦により燃焼振動が減衰される。音響ライナは内部に仕切りを持たず、燃焼器ライナの直径以上の長さの空間を有している。音響ライナはプレス加工により鋭角あるいは直角を有しないように成形されるため、応力集中が少なく耐熱強度が強い。
【選択図】図１

Description

本発明はガスタービン燃焼器に関し、特に燃焼振動を低減するための構造を備えたガスタービン燃焼器に関する。

ガスタービンプラントは、圧縮機と、燃焼器と、タービンとを有している。圧縮機は空気を取り込んで圧縮し、高圧の圧縮空気を吐出する。吐出された圧縮空気は燃焼器に取り入れられ、燃焼器に加えられた燃料とともに燃焼されて高温の燃焼ガスとなる。燃焼ガスはタービンに取り入れられ、タービンを駆動する。

燃料が燃焼される際、燃焼器内に燃焼振動が発生することがある。ガスタービンプラントが安定して運転されるために、燃焼器の燃焼振動が効果的に抑制されることが望まれる。

内部に燃焼領域を有する筒体を備え、その筒体には、空洞を有する共鳴器が外周に環装されるとともに、その空洞に開口する吸音孔が形成されることを特徴とするガスタービンエンジンが知られている（特許文献１参照）。

ガスタービン発電プラントの燃焼器の燃焼不安定性を抑制するための共鳴器モジュールが開示されている。その共鳴器モジュールは尾筒の周囲に取り付けられ、第１部材と第２部材とを含んでいる。第１部材は、尾筒の流路の直径よりも実質的に小さいサイズを有し、流路と連通する複数の開口を有している。第２部材は、第１部材と概ね等しいサイズを有している。第２部材は、全体的に第１部材とは離れており、第１部材との間に気体の空間を形成する（特許文献２参照）。

ガスタービン燃焼器において冷却空気側と高温ガス側とを仕切る壁部材の冷却空気側をカバーで覆いキャビティーを形成した二重壁部を有し、そのカバーにインピンジメント冷却孔を備え、二重壁部の壁部材に高温ガス側とキャビティーとを連通する吸音孔を備えたガスタービン冷却構造であって、壁部材内に冷却蒸気を通す蒸気冷却通路を吸音孔をかわして設けてなることを特徴とするガスタービン燃焼器冷却構造が知られている（特許文献３参照）。

特開２００２−１７４４２７号公報米国特許ＵＳ６５３０２２１−Ｂ１号公報特開２００３−２１４１８５号公報

本発明の目的は、耐熱性能が高い燃焼振動抑制手段を備えたガスタービン用燃焼器を提供することである。

本発明の他の目的は、軽量な燃焼振動抑制手段を備えたガスタービン用燃焼器を提供することである。

本発明の更に他の目的は、構造が簡素な燃焼振動抑制手段を備えたガスタービン用燃焼器を提供することである。

以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

なお、以下の説明において、第１範囲、第１共鳴空間、第１底部、第１側面部、第１平板部、第１曲面部、第１スラグ孔、第１取出しステップ、第２範囲、第２共鳴空間、第２底部、第２側面部、第２平板部、第２曲面部、第２スラグ孔、及び第２取出しステップという表現が用いられる。これらの表現に用いられている「第１」は燃焼筒に関係していることを示し、「第２」はスワラ支持筒に関係していることを示している。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）は、スワラ支持筒と、スワラ支持筒に接続され内部に燃焼領域（９）を形成する燃焼筒（２）と、燃焼筒（２）の所定の第１範囲に設けられ、燃焼筒（２）との間に第１共鳴空間を形成する燃焼筒ハウジング（１０）とを具備している。燃焼領域（９）と第１共鳴空間とは複数の燃焼筒貫通孔（１４）により連通している。燃焼筒ハウジング（１０）の最大長さは、燃焼筒（２）の直径以上である。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、燃焼筒（２）の壁面と、燃焼筒ハウジング（１０）の燃焼筒（２）の壁面に対向する面との距離は１０ｍｍから３０ｍｍの範囲内である。燃焼筒貫通孔（１４）は孔径が１ｍｍから５ｍｍの範囲内である。第１範囲の面積に対する燃焼筒貫通孔の面積の合計は３パーセントから１０パーセントの範囲内である。燃焼筒（２）の壁面は板厚が２ｍｍから７ｍｍの範囲内である。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、燃焼筒ハウジング（１０）は、燃焼筒（２）の直径方向に垂直な第１底部（１８）と、第１底部（１８）と燃焼筒（２）とを接続し、燃焼筒ハウジング（１０）を貫通する孔（１２）を有する第１側面部とを有している。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、第１側面部は、概ね平らな第１平板部（２０）と、第１底部（１８）と第１平板部（２０）とをなめらかに繋ぐ第１曲面部とを有している。第１底部（１８）と第１平板部（２０）とは鈍角をなして配置されている。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、燃焼筒ハウジング（１０）の第１共鳴空間に面しない側の側面と、燃焼筒（２）とは、鈍角をなして接合されている。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、燃焼筒ハウジング（１０）は、燃焼筒（２）の直径方向に垂直な第１底部（１８）と、第１底部（１８）と燃焼筒（２）とを接続する第１側面部（２３）とを有している。第１側面部（２３）は、概ね平らな第１平板部（２０）と、第１底部（１８）と第１平板部（２０）とをなめらかに繋ぐ第１曲面部（２１）とを有している。第１底部（１８）と第１平板部（２０）とは鈍角をなして配置されている。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、燃焼筒ハウジング（１０）と燃焼筒（２）とによって囲われる空間は、複数に隔離されていない。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、第１共鳴空間において、流体は燃焼筒（２）の直径以上の距離を自在に移動しうる。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、燃焼筒ハウジング（１０）は、燃焼筒（２）の周方向に長い形状をしている。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、燃焼筒ハウジング（１０）の長手方向の両端部は互いに離れている。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、燃焼筒ハウジング（１０）が燃焼筒（２）に接合する部分は、燃焼筒（２）の周方向に長いオーバル形状をしている。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、第１範囲は、燃焼筒（２）の周方向全周に連続している。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、燃焼筒ハウジング（１０）は、一体成形されている。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、燃焼筒ハウジング（１０）は、プレス加工により成形されている。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、燃焼筒ハウジング（１０）において燃焼筒（２）の壁面と対向する面は、窪んだ中央部を有する。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、燃焼筒ハウジング（１０）は燃焼筒（２）の外側に接合されている。燃焼筒（２）は、第１範囲の燃焼領域（９）に面する側に耐熱コーティング層を有する。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、燃焼筒貫通孔（１４）は、所定の範囲において不均一に分布している。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、燃焼筒貫通孔（１４）は、燃焼領域（９）の温度がより低い領域において数が少ない。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）は、スワラ支持筒の第２範囲に設けられ、スワラ支持筒との間に第２共鳴空間を形成するスワラ支持筒ハウジングを具備している。スワラ支持筒の内部に形成される空間と第２共鳴空間とは複数のスワラ支持筒貫通孔により連通している。スワラ支持筒ハウジングの最大長さは、スワラ支持筒の直径以上である。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、スワラ支持筒の壁面と、スワラ支持筒ハウジングのスワラ支持筒の壁面に対向する面との距離は１０ｍｍから３０ｍｍの範囲内である。スワラ支持筒貫通孔は孔径が１ｍｍから５ｍｍの範囲内である。第２範囲の面積に対する燃焼筒貫通孔の面積の合計は３パーセントから１０パーセントの範囲内である。スワラ支持筒の壁面は板厚が２ｍｍから７ｍｍの範囲内である。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、スワラ支持筒ハウジングは、スワラ支持筒の直径方向に垂直な第２底部と、第２底部とスワラ支持筒とを接続し、スワラ支持筒ハウジングを貫通する孔を有する第２側面部とを有している。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、第２側面部は、概ね平らな第２平板部と、第２底部と第２平板部とをなめらかに繋ぐ第２曲面部とを有している。第２底部と第２平板部とは鈍角をなして配置されている。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、スワラ支持筒ハウジングの第２共鳴空間に面しない側の側面と、スワラ支持筒とは、鈍角をなして接合されている。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、スワラ支持筒ハウジングは板厚が１．６ｍｍから５ｍｍの範囲内である。スワラ支持筒ハウジングにおいてスワラ支持筒の直径方向に垂直な第２底部と、第２底部とスワラ支持筒とを繋ぐ側面とは、曲率半径が５ｍｍから２０ｍｍの第２曲面部により接続されている。スワラ支持筒ハウジングの第２共鳴空間に面しない側の側面と、スワラ支持筒とは、１１０度以下の鈍角をなして接合されている。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、スワラ支持筒ハウジングとスワラ支持筒とによって囲われる空間は、複数に隔離されていない。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、第２共鳴空間において、流体はスワラ支持筒の直径以上の距離を自在に移動しうる。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、スワラ支持筒ハウジングは、スワラ支持筒の周方向に長い形状をしている。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、スワラ支持筒ハウジングの長手方向の両端部は互いに離れている。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、スワラ支持筒ハウジングがスワラ支持筒に接合する接合部は、スワラ支持筒の周方向に長いオーバル形状をしている。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、第２範囲は、スワラ支持筒の周方向全周に連続している。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、スワラ支持筒ハウジングは、一体成形されている。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、スワラ支持筒ハウジングは、プレス加工により成形されている。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、スワラ支持筒ハウジングにおいてスワラ支持筒の壁面と対向する面は、窪んだ中央部を有する。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、スワラ支持筒ハウジングはスワラ支持筒の外側に接合されている。スワラ支持筒は、第２範囲の内壁に耐熱コーティング層を有する。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、スワラ支持筒貫通孔は、所定の範囲において不均一に分布している。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）において、スワラ支持筒貫通孔は、スワラ支持筒の内部の温度がより低い領域において数が少ない。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）の製造方法は、燃焼筒ハウジング（１０）に第１スラグ孔を設けるステップと、燃焼筒ハウジング（１０）を溶接により燃焼筒（２）に接合するステップと、燃焼筒ハウジング（１０）の内部に残留する溶接スラグを第１スラグ孔より取り出す第１取出しステップとを具備している。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）の製造方法は、第１取出しステップの後で第１スラグ孔を塞ぐステップを具備している。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）の製造方法は、スワラ支持筒ハウジングに第２スラグ孔を設けるステップと、スワラ支持筒ハウジングを溶接によりスワラ支持筒に接合するステップと、スワラ支持筒ハウジングの内部に残留する溶接スラグを第２スラグ孔より取り出す第２取出しステップとを具備している。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）の製造方法は、第２取出しステップの後で第２スラグ孔を塞ぐステップを具備している。

本発明によれば、耐熱性能が高い燃焼振動抑制手段を備えたガスタービン用燃焼器が提供される。

更に本発明によれば、軽量な燃焼振動抑制手段を備えたガスタービン用燃焼器が提供される。

更に本発明によれば、構造が簡素な燃焼振動抑制手段を備えたガスタービン用燃焼器が提供される。

以下、図面を参照しながら発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１を参照すると、ガスタービン用の燃焼器の構成が示されている。燃焼器１は、燃焼筒２を備えている。燃焼筒２は、内部に燃焼領域９を形成し、外部に冷却空気領域７と接する筒状をなしている。燃焼筒２の上流側には、予混合ノズル４と、パイロットノズル６とが設けられている。燃焼筒２には、空気を導入するためのバイパス流路８が設けられている。燃焼筒２には、図示しない圧縮機から吐出される圧縮空気の一部を導入するための空気取入れ口１３が設けられている。

燃焼筒２には多数の孔１４が設けられている。孔１４が設けられた領域における燃焼筒２の外周（燃焼筒２から見て冷却空気領域７に接する側）には、燃焼筒２の壁面との間に空間を形成するハウジング１０ａ、１０ｂが取り付けられている。ハウジング１０ａ、１０ｂの側面には冷却孔１２が設けられている。冷却孔１２は、ハウジング１０ａ、１０ｂの上流側により多く設けられていることが好ましい。ハウジング１０ａ、１０ｂの燃焼筒２の壁面に対向する面にはパージ孔２２が設けられている。以下、多数の孔１４とハウジング１０で構成される燃焼振動抑制手段を音響ライナと称する。

燃焼筒２の空気取入れ口１３が設けられている部分の内周（燃焼筒２から見て燃焼領域７の側）には、燃焼筒２の壁面との間に空間を形成するハウジング１０ｃが設けられている。ハウジング１０ｃの燃焼筒２と接する接合部は、下流側に隙間１６を有しており、隙間１６によりハウジング１０ｃの内部と燃焼領域９とは連通している。空気取入れ口１３は、ハウジング１０ｃが設けられていない部分にも設けられていることが好ましい。ハウジング１０ｃは予混合ノズル４の近傍に設けられているが、より下流側に設けられてもよい。

図１に示される燃焼器のＡ−Ａ´における断面図が図２Ａに示されている。ハウジング１０ａは、燃焼筒２の外周を一周して環装されている。ハウジング１０ａの内部は仕切りが設けられておらず、一体的な空間をなしている。そのため、ハウジング１０ａは製造が容易であり、軽量である。

燃焼領域９には、他よりも高温となる高温領域１７がある。高温領域１７は、概ね予混合ノズル４の下流に位置している。高温領域１７に近い場所における燃焼筒２の壁面には、孔１４が多く設けられている。高温領域１７からより遠い場所における燃焼筒２の壁面には、孔１４がより少なく設けられているか、または孔１４が設けられていない。

図１に示される燃焼器のＢ−Ｂ´における断面図が図２Ｂに示されている。ハウジング１０ｂは、燃焼筒２の外周のうち３６０度未満の所定の角度の領域をカバーして設けられている。そのため、燃焼筒２の周囲に構造物が設けられている場合にその構造物がある部分を除く部分に装着することが可能である。ハウジング１０ｂが燃焼筒２の周方向に覆う長さは、燃焼筒２の直径よりと同じか、より大きいことが好ましい。言い換えれば、ハウジング１０ｂが燃焼筒２の周方向に覆う角度は概ね１１５度以上であることが好ましい。ハウジング１０ａの内部は仕切りが設けられておらず、一体的な空間をなしている。そのため、ハウジング１０ａは製造が容易であり、軽量である。

本実施の形態の変形例における燃焼器の断面図が図２Ｃに示されている。燃焼筒２の外周には、燃焼筒の外周のうち１１５度以上かつ１８０度未満の所定の角度の領域をカバーする２つのハウジング１０ｃが、燃焼筒の軸方向に関して同じ位置に設けられている。

燃焼領域９には、他よりも高温となる高温領域１７がある。高温領域１７に近い場所における燃焼筒２の壁面には、孔１４が多く設けられている。高温領域１７からより遠い場所における燃焼筒２の壁面には、孔１４がより少なく設けられているか、または孔１４が設けられていない。

図３を参照すると、ハウジング１０（図１におけるハウジング１０ａまたは１０ｂのいずれかを示す）の破断斜視図が示されている。ハウジング１０は、燃焼筒２の壁面に接する側面部２３と、側面部２３に接し燃焼筒２の側面に対向する底部１８とを有している。側面部２３は、概ね平坦で燃焼筒２に接合された平板部２０と、平板部２０と底部１８とを接続する曲面部２１とを有している。

底部１８にはパージ孔２２が設けられている。平板部２０には冷却孔１２が設けられている。冷却孔１２とパージ孔２２とのうちの一方が無い構成も可能である。

ハウジング１０が設けられている領域の燃焼筒２の燃焼領域９に面する側の面には、耐熱コーティング１９が施されている。耐熱コーティング１９の材質としては、セラミック、アルミナ、イットリウム合金が例示される。こうした耐熱コーティング１９により、多数の孔１４によって他の部分よりも強度が弱くなっている壁面の耐熱強度が強化される。

曲面部２１は曲率半径が大きく、概ね１０ｍｍ程度である。曲率が大きいことにより、角における応力集中は小さい。底部１８は、燃焼筒２の壁面に概ね平行に対向している。底部１８と平板部２０とは、概ね１００度程度の鈍角をなしている。そのため、角における応力集中は更に小さい。

ハウジング１０は、プレス加工により成形されている。底部１８は、曲面部２１に近い領域に対して、曲面部２１から遠い中央領域がわずかに凹んだ形状をしている。この凹んだ形状は、プレス加工により成形された工作物の底部に通常見られる形状である。

図４を参照すると、ハウジング１０ｃの破断斜視図が示されている。ハウジング１０ｃが設けられている部分の燃焼筒２の内壁には、空気取入れ口１３が設けられている。ハウジング１０ｃの底部１８ｃには、多数の孔１５が設けられている。ハウジング１０ｃの下流側の端部には、底部１８ｃと燃焼筒２の内壁との間に隙間１６が設けられている。

燃焼筒２の壁面の内部には、燃焼筒２の軸方向に冷却溝２６が設けられている。図５を参照すると、ハウジング１０が設けられている付近の燃焼筒２の壁面を壁面に平行にスライスした断面図が示されている。壁面の内部には複数の冷却溝２６が平行に設けられており、冷却溝２６の間に孔１４が設けられている。

図６Ａを参照すると、ハウジング１０の断面の形状が示されている。ハウジング１０は、燃焼筒２に接合された側面部２３と、側面部２３に接続され燃焼筒２の壁面に対向する底部１８とを有している。底部１８は燃焼筒２の直径方向に垂直である。

側面部２３は、概ね平らで燃焼筒２に接合された平板部２０と、平板部２０と底部１８とをなめらかに繋ぐ曲面部２１とを有している。底部１８と平板部２０とは鈍角をなして配置されている。

図６Ｂを参照すると、実施の形態の変形例におけるハウジングの断面の形状が示されている。ハウジング１０ｄは、燃焼筒２の軸方向に切断したときの断面が、楕円を長径で切断した半楕円形の底部１８ｄと、底部１８ｄの長径に位置する燃焼筒２の壁面とを含む形状をしている。こうしたハウジング１０ｄは、応力集中が少なく強度の面で有利である。

図６Ｃを参照すると、実施の形態の他の変形例における音響ライナの断面の形状が示されている。ハウジング１０ｅは、図３に示されるハウジング１０における底部１８が、燃焼筒２の壁面から離れる方向に凸の底部１８ｅとなっている。こうしたハウジング１０ｅは、曲面部２１ｅにおける応力集中が少なく強度の面で有利である。

音響ライナの特性は、ハウジング内の空間はバネのように働き、貫通孔の流体粒子が質量のように働き、貫通孔部での流体抵抗が減衰として働くような単純な振動モデルで考えることができる。対策したい燃焼振動の周波数、大きさに合わせて、ハウジング内の空間の寸法、貫通孔の孔径、孔ピッチ、燃焼筒の壁面の板厚を決める必要がある。

発明者は、次のように設計された音響ライナにより好ましい吸音特性を得た。
（１）燃焼筒２の壁面とハウジング１０の底部１８との距離は１０ｍｍから３０ｍｍの範囲内である。
（２）孔１４が設けられている領域（即ち、ハウジング１０により覆われている領域）の面積に対する孔１４の面積の合計は３パーセントから１０パーセントの範囲内である。
（３）燃焼筒２の壁の板厚は２ｍｍから７ｍｍの範囲内である。
音響ライナの特性は、これらの数値が相互に関連しあって決まる。そのため、（１）から（３）までの条件を同時に満たす構造を備えた燃焼器は、格別の相乗的効果を奏する。

音響ライナは、燃焼筒２の壁とハウジング１０の二重構造である。構造強度の観点から、燃焼筒２の壁とハウジング１０の強度のバランスが重要である。

発明者は、次のように設計された音響ライナにより好ましい強度を有する燃焼器を得た。
（４）燃焼筒２の壁の板厚は２ｍｍから７ｍｍの範囲内である。
（５）ハウジング１０の板厚は１．６ｍｍから５ｍｍの範囲内である。
（６）ハウジング１０の底部１８と平板部２０とを接合する曲面部２１の曲率半径は５ｍｍから２０ｍｍの範囲内である。
（７）側面部２３が燃焼筒２の壁に接する部分において、側面部２３は燃焼筒２の壁の法線方向に対して０度より大きく２０度以下の範囲内で傾斜している（すなわち、側面部２３の冷却空気領域７に接している面と燃焼筒２の壁面とは１１０度以下の鈍角をなして接している）。
音響ライナの強度は、これらの数値が相互に関連しあって決まる。そのため、（４）から（７）までの条件を同時に満たす構造を備えた燃焼器は、格別の相乗的効果を奏する。こうした条件を満たす構造を備えた燃焼器は、さらに冷却溝２６を備えていることにより、相乗効果的に高い強度が得られる。

更に、本発明の音響ライナは、より小さい（最大長さが燃焼筒の直径よりも小さい）音響ライナをより多い個数設ける構造、あるいはハウジングの内部に仕切りを設ける構造と比較して溶接部が少なく、強度が高い。
こうした仕切りのない構造と、上記の（１）から（３）までの条件を満たす構造と、上記の（４）から（７）までの条件とを同時に満たす構造を備えた燃焼器は、燃焼振動の抑制と強度の高さを同時に達成するという格別な相乗的効果を有する。

図７を参照すると、ハウジング１０ｂがプレス加工される前の板金２７の形状が示されている。板金２７は、長方形の胴部２８を備えている。胴部２８には、冷却孔１２とパージ孔２２とが設けられている。胴部２８の長手方向の両端には、半円形の端部３０が溶接部３２により接合されている。端部３０の少なくとも一方には、溶接スラグを取出すために十分な大きさのスラグ抜き孔３４が設けられている。

こうした板金２７がプレス加工され、燃焼筒２の壁面に溶接されることにより、図３に示される断面形状を有するハウジング１０が形成される。溶接の際に発生する溶接スラグは、スラグ抜き孔３４から取り除かれる。スラグ抜き孔３４は、燃焼器１を使用するときに存在しないほうが好ましい場合には、溶接により塞がれる。スラグ抜き孔３４が設けられていることにより、残留スラグがハウジング１０の特性に与える影響が低減される。

本発明による音響ライナは、燃焼筒のみならず、ガスタービン燃焼器の内筒、尾筒、あるいはスワラー支持筒に装着されることにより同様の効果を奏する。

以上の構成を備えた燃焼器１は、以下のように動作する。

燃焼器１を含むガスタービンシステムが駆動されると、図示しない圧縮機が吐出する冷却空気１１が空気取入れ口１３を通ってハウジング１０ｃの内部に流入する。

予混合ノズル４とパイロットノズル６とから燃料と空気とが供給される。供給された燃料は図示しない着火装置により着火され、燃焼領域９には火炎と高温の、燃焼ガスとが充満する。高温の燃焼ガスは尾筒の下流側から流出し、図示しないガスタービンに供給される。

ハウジング１０ｃの隙間１６からは、冷却空気１１が吹き出される。冷却空気１１は、燃焼筒２の内壁に沿って流れ、内壁を冷却する。

冷却溝２６には、冷却空気１１あるいは蒸気が流される。これにより、燃焼筒２の壁面が効果的に冷却される。

燃焼領域９の内部の燃焼ガスにより、燃焼筒２に固有の振動数で燃焼振動が引き起こされる。孔１４、１５において燃焼ガスは激しく振動する。燃焼ガスと孔１４、１５の壁面との摩擦により、その振動は減衰する。すなわち、ハウジング１０をバネに例えると、孔１４、１５はそのバネの振動を熱に変換して減衰させるダンパーの役割を果たす。その結果、燃焼器１の燃焼振動が抑制される。

ハウジング１０が設けられている領域において、孔１４が均一に設けられておらず、高温領域１７に孔１４が多くなるように設けられていることにより、高温領域１７とより温度が低い領域との温度差によりハウジング１０の内部に発生する対流が抑制される。そのため、燃焼領域９の燃焼ガスがハウジング１０の内部に流入する方向の流れが抑制される。

ハウジング１０の内部には、パージ孔２２からパージ空気が流入する。流入したパージ空気により、ハウジング１０の内部の圧力が高くなり、燃焼領域９の燃焼ガスがハウジング１０の内部に流入することが抑制される。ハウジング１０の内部には更に、冷却孔１２から冷却空気１１が流入する。冷却空気１１は燃焼筒２の壁面を冷却する。そのため、孔１４が設けられていることにより強度が他の領域よりも弱い壁面が効果的に冷却される。冷却孔１２は、平板部２０に設けられていることにより、パージ孔２２よりも燃焼筒２の壁面に近いため、冷却孔１２から流入した冷却空気１１は燃焼筒２の壁面を効果的に冷却する。

ハウジング１０の内部は小さく仕切られることが多い（特許文献２参照）。仕切りがない場合、燃焼器内から音響ライナに入射する音波の入射角によって音響ライナの吸音性能（音響ライナに入射する燃焼振動の音響エネルギを吸収する性能）が劣化するため、これを回避するために仕切りが採用されることが多い。しかし、本発明のハウジング１０の内部には、仕切りが設けられていない。

本発明の発明者は、燃焼筒２の内部の共鳴モードを計算し、音響ライナの吸音特性を計算することにより、音響ライナの吸音性能が極度に劣化する音波の入射角の条件では、音響ライナがなくても、大きな燃焼振動は発生しないため、ハウジング内部に仕切りは必要ないことを発見した。

上記の計算においては、燃焼筒２の断面が円形であることと、ハウジング１０が周方向に相当部分（例示：直径以上の長さ）の長さで燃焼筒２の壁面を覆っていることが条件として用いられた。上記の計算において、多数の仕切りを設けた場合とは、ハウジング１０の内部が多数の小部屋に区切られ、それぞれ小部屋が燃焼筒２の壁面を覆う面の最大長さが、燃焼筒２の直径に比べて無視しうる程度に小さいことを示す。

本発明によるハウジング１０は、上記の計算に基づき、仕切りを設けずに、多数の仕切りを設けたハウジング１０と比較して同等の吸音性能を達成する。こうしたハウジング１０は、仕切りが設けられないことにより、重量が小さい。こうしたハウジング１０は、製造が容易であり、製造コストが低減する。

図１は、燃焼器の構成を示す図２Ａは、音響ライナの配置を示す。図２Ｂは、音響ライナの配置を示す。図２Ｃは、音響ライナの配置を示す。図３は、音響ライナの構成を示す破断斜視図である。図４は、音響ライナの構成を示す破断斜視図である。図５は、音響ライナの断面形状を示す。図６Ａは、音響ライナの断面形状を示す。図６Ｂは、音響ライナの断面形状を示す。図６Ｃは、音響ライナの断面形状を示す。図７は、プレス成形する前における音響ライナの形状を示す。

符号の説明

１…燃焼器
２…燃焼筒
４…予混合ノズル
６…パイロットノズル
７…冷却空気領域
８…バイパス流路
９…燃焼領域
１０…ハウジング
１１…冷却空気
１２…冷却孔
１３…空気取入れ口
１４…孔
１５…孔
１６…隙間
１７…高温領域
１８…底部
１９…耐熱コーティング
２０…平板部
２１…曲面部
２２…パージ孔
２３…側面部
２６…冷却溝
２８…胴部
３０…端部
３２…溶接部
３４…スラグ抜き孔

Claims

内部に燃焼領域を形成する燃焼筒と、
前記燃焼筒の所定の第１範囲に設けられ、前記燃焼筒との間に第１共鳴空間を形成する燃焼筒ハウジング
とを具備し、
前記燃焼領域と前記第１共鳴空間とは複数の燃焼筒貫通孔により連通し、
前記燃焼筒ハウジングの最大長さは、前記燃焼筒の直径以上である
ガスタービン燃焼器。
請求項１において、
前記燃焼筒の壁面と、前記燃焼筒ハウジングの前記燃焼筒の壁面に対向する面との距離は１０ｍｍから３０ｍｍの範囲内であり、
前記燃焼筒貫通孔は孔径が１ｍｍから５ｍｍの範囲内であり、
前記第１範囲の面積に対する前記燃焼筒貫通孔の面積の合計は３パーセントから１０パーセントの範囲内であり、
前記燃焼筒の壁面は板厚が２ｍｍから７ｍｍの範囲内である
ガスタービン燃焼器。
請求項１または２において、
前記燃焼筒ハウジングは、
前記燃焼筒の直径方向に垂直な第１底部と、
前記第１底部と前記燃焼筒とを接続し、前記燃焼筒ハウジングを貫通する孔を有する第１側面部
とを有する
ガスタービン燃焼器。
請求項３において、
前記第１側面部は、概ね平らな第１平板部と、前記第１底部と前記第１平板部とをなめらかに繋ぐ第１曲面部とを有し、
前記第１底部と前記第１平板部とは鈍角をなして配置されている
ガスタービン燃焼器。
請求項１または２において、
前記燃焼筒ハウジングは、
前記燃焼筒の直径方向に垂直な第１底部と、
前記第１底部と前記燃焼筒とを接続する第１側面部
とを有し、
前記第１側面部は、概ね平らな第１平板部と、前記第１底部と前記第１平板部とをなめらかに繋ぐ第１曲面部とを有し、
前記第１底部と前記第１平板部とは鈍角をなして配置されている
ガスタービン燃焼器。
請求項１から５のうちのいずれか１項において、
前記燃焼筒ハウジングの前記第１共鳴空間に面しない側の側面と、前記燃焼筒とは、鈍角をなして接合されている
ガスタービン燃焼器。
請求項１から６のうちのいずれか１項において、
前記燃焼筒ハウジングは板厚が１．６ｍｍから５ｍｍの範囲内であり、
前記燃焼筒ハウジングは、
前記燃焼筒の直径方向に垂直な第１底部と、
前記燃焼筒に接合された第１平板部と、
５ｍｍから２０ｍｍの曲率半径を有し、前記第１底部と前記第１平板部とを接続する第１曲面部とを有し、
前記燃焼筒ハウジングの前記第１共鳴空間に面しない側の側面と、前記燃焼筒とは、１１０度以下の鈍角をなして接合されている
ガスタービン燃焼器。
請求項１から７のうちのいずれか１項において、
前記燃焼筒ハウジングと前記燃焼筒とによって囲われる空間は、複数に隔離されていない
ガスタービン燃焼器。
請求項１から８のうちのいずれか１項において、
前記第１共鳴空間において、流体は前記燃焼筒の直径以上の距離を自在に移動しうる
ガスタービン燃焼器。
請求項１から９のうちのいずれか１項において、
前記燃焼筒ハウジングは、前記燃焼筒の周方向に長い形状をしている
ガスタービン燃焼器。
請求項１から１０のうちのいずれか１項において、
前記燃焼筒ハウジングの長手方向の両端部は互いに離れている
ガスタービン燃焼器。
請求項１から１１のうちのいずれか１項において、
前記燃焼筒ハウジングが前記燃焼筒に接合する部分は、前記燃焼筒の周方向に長いオーバル形状をしている
ガスタービン燃焼器。
請求項１から１２のうちのいずれか１項において、
前記第１範囲は、前記燃焼筒の周方向全周に連続している
ガスタービン燃焼器。
請求項１から１３のうちのいずれか１項において、
前記燃焼筒ハウジングは、一体成形されている
ガスタービン燃焼器。
請求項１から１４のうちのいずれか１項において、
前記燃焼筒ハウジングは、プレス加工により成形されている
ガスタービン燃焼器。
請求項１から１５のうちのいずれか１項において、
前記燃焼筒ハウジングにおいて前記燃焼筒の壁面と対向する面は、窪んだ中央部を有する
ガスタービン燃焼器。
請求項１から１６のうちのいずれか１項において、
前記燃焼筒ハウジングは前記燃焼筒の外側に接合され、
前記燃焼筒は、前記第１範囲の前記燃焼領域に面する側に耐熱コーティング層を有する
ガスタービン燃焼器。
請求項１から１７のうちのいずれか１項において、
前記燃焼筒貫通孔は、前記所定の範囲において不均一に分布している
ガスタービン燃焼器。
請求項１から１８のうちのいずれか１項において、
前記燃焼筒貫通孔は、前記燃焼領域の温度がより低い領域において数が少ない
ガスタービン燃焼器。
請求項１から１９のうちのいずれか１項において、
更に、前記燃焼筒に接続されたスワラ支持筒と、
前記スワラ支持筒の第２範囲に設けられ、前記スワラ支持筒との間に第２共鳴空間を形成するスワラ支持筒ハウジング
を具備し、
前記スワラ支持筒の内部に形成される空間と前記第２共鳴空間とは複数のスワラ支持筒貫通孔により連通し、
前記スワラ支持筒ハウジングの最大長さは、前記スワラ支持筒の直径以上である
ガスタービン燃焼器。
スワラ支持筒と、
前記スワラ支持筒に接続され内部に燃焼領域を形成する燃焼筒と、
前記スワラ支持筒の所定の第２範囲に設けられ、前記スワラ支持筒との間に第２共鳴空間を形成するスワラ支持筒ハウジング
とを具備し、
前記スワラ支持筒の内部に形成される空間と前記第２共鳴空間とは複数のスワラ支持筒貫通孔により連通し、
前記スワラ支持筒ハウジングの最大長さは、前記スワラ支持筒の直径以上である
ガスタービン燃焼器。
請求項２０または２１において、
前記スワラ支持筒の壁面と、前記スワラ支持筒ハウジングの前記スワラ支持筒の壁面に対向する面との距離は１０ｍｍから３０ｍｍの範囲内であり、
前記スワラ支持筒貫通孔は孔径が１ｍｍから５ｍｍの範囲内であり、
前記第２範囲の面積に対する前記燃焼筒貫通孔の面積の合計は３パーセントから１０パーセントの範囲内であり、
前記スワラ支持筒の壁面は板厚が２ｍｍから７ｍｍの範囲内である
ガスタービン燃焼器。
請求項２０から２２のうちのいずれか１項において、
前記スワラ支持筒ハウジングは、
前記スワラ支持筒の直径方向に垂直な第２底部と、
前記第２底部と前記スワラ支持筒とを接続し、前記スワラ支持筒ハウジングを貫通する孔を有する第２側面部
とを有する
ガスタービン燃焼器。
請求項２３において、
前記第２側面部は、概ね平らな第２平板部と、前記第２底部と前記第２平板部とをなめらかに繋ぐ第２曲面部とを有し、
前記第２底部と前記第２平板部とは鈍角をなして配置されている
ガスタービン燃焼器。
請求項２０から２２のうちのいずれか１項において、
前記スワラ支持筒ハウジングは、
前記スワラ支持筒の直径方向に垂直な第２底部と、
前記第２底部と前記スワラ支持筒とを接続する第２側面部
とを有し、
前記第２側面部は、概ね平らな第２平板部と、前記第２底部と前記第２平板部とをなめらかに繋ぐ第２曲面部とを有し、
前記第２底部と前記第２平板部とは鈍角をなして配置されている
ガスタービン燃焼器。
請求項２０から２５のうちのいずれか１項において、
前記スワラ支持筒ハウジングの前記第２共鳴空間に面しない側の側面と、前記スワラ支持筒とは、鈍角をなして接合されている
ガスタービン燃焼器。
請求項２０から２６のうちのいずれか１項において、
前記スワラ支持筒ハウジングは板厚が１．６ｍｍから５ｍｍの範囲内であり、
前記スワラ支持筒ハウジングは、
前記スワラ支持筒の直径方向に垂直な第２底部と、
前記スワラ支持筒に接合された第２平板部と、
５ｍｍから２０ｍｍの曲率半径を有し、前記第２底部と前記第２平板部とを接続する第２曲面部とを有し、
前記スワラ支持筒ハウジングの前記第２共鳴空間に面しない側の側面と、前記スワラ支持筒とは、１１０度以下の鈍角をなして接合されている
ガスタービン燃焼器。
請求項２０から２７のうちのいずれか１項において、
前記スワラ支持筒ハウジングと前記スワラ支持筒とによって囲われる空間は、複数に隔離されていない
ガスタービン燃焼器。
請求項２０から２８のうちのいずれか１項において、
前記第２共鳴空間において、流体は前記スワラ支持筒の直径以上の距離を自在に移動しうる
ガスタービン燃焼器。
請求項２０から２９のうちのいずれか１項において、
前記スワラ支持筒ハウジングは、前記スワラ支持筒の周方向に長い形状をしている
ガスタービン燃焼器。
請求項２０から３０のうちのいずれか１項において、
前記スワラ支持筒ハウジングの長手方向の両端部は互いに離れている
ガスタービン燃焼器。
請求項２０から３１のうちのいずれか１項において、
前記スワラ支持筒ハウジングが前記スワラ支持筒に接合する接合部は、前記スワラ支持筒の周方向に長いオーバル形状をしている
ガスタービン燃焼器。
請求項２０から３０のうちのいずれか１項において、
前記第２範囲は、前記スワラ支持筒の周方向全周に連続している
ガスタービン燃焼器。
請求項２０から３３のうちのいずれか１項において、
前記スワラ支持筒ハウジングは、一体成形されている
ガスタービン燃焼器。
請求項２０から３４のうちのいずれか１項において、
前記スワラ支持筒ハウジングは、プレス加工により成形されている
ガスタービン燃焼器。
請求項２０から３５のうちのいずれか１項において、
前記スワラ支持筒ハウジングにおいて前記スワラ支持筒の壁面と対向する面は、窪んだ中央部を有する
ガスタービン燃焼器。
請求項２０から３６のうちのいずれか１項において、
前記スワラ支持筒ハウジングは前記スワラ支持筒の外側に接合され、
前記スワラ支持筒は、前記第２範囲の内壁に耐熱コーティング層を有する
ガスタービン燃焼器。
請求項２０から３７のうちのいずれか１項において、
前記スワラ支持筒貫通孔は、前記所定の範囲において不均一に分布している
ガスタービン燃焼器。
請求項２０から３８のうちのいずれか１項において、
前記スワラ支持筒貫通孔は、前記スワラ支持筒の内部の温度がより低い領域において数が少ない
ガスタービン燃焼器。
燃焼筒ハウジングに第１スラグ孔を設けるステップと、
前記燃焼筒ハウジングを溶接により前記燃焼筒に接合するステップと、
前記燃焼筒ハウジングの内部に残留する溶接スラグを前記第１スラグ孔より取り出す第１取出しステップ
とを具備する
請求項１から２０のうちのいずれか１項に記載されたガスタービン燃焼器の製造方法。
請求項４０において、
更に、前記第１取出しステップの後で前記第１スラグ孔を塞ぐステップ
を具備する
請求項１から２０のうちのいずれか１項に記載されたガスタービン燃焼器の製造方法。
請求項４０または４１において、
更に、前記スワラ支持筒ハウジングに第２スラグ孔を設けるステップと、
前記スワラ支持筒ハウジングを溶接により前記スワラ支持筒に接合するステップと、
前記スワラ支持筒ハウジングの内部に残留する溶接スラグを前記第２スラグ孔より取り出す第２取出しステップ
とを具備する
請求項２０に記載されたガスタービン燃焼器の製造方法。
請求項４２において、
更に、前記第２取出しステップの後で前記第２スラグ孔を塞ぐステップ
を具備する
請求項２０に記載されたガスタービン燃焼器の製造方法。
スワラ支持筒ハウジングに第２スラグ孔を設けるステップと、
前記スワラ支持筒ハウジングを溶接により前記スワラ支持筒に接合するステップと、
前記スワラ支持筒ハウジングの内部に残留する溶接スラグを前記第２スラグ孔より取り出す第２取出しステップ
とを具備する
請求項２０から３９のうちのいずれか１項に記載されたガスタービン燃焼器の製造方法。
請求項４４において、
更に、前記第２取出しステップの後で前記第２スラグ孔を塞ぐステップ
を具備する
請求項２０から３９のうちのいずれか１項に記載されたガスタービン燃焼器の製造方法。