JP2005171894A

JP2005171894A - 燃焼器壁面冷却構造

Info

Publication number: JP2005171894A
Application number: JP2003413497A
Authority: JP
Inventors: Yoshinao Komatsu; 由尚小松; Sosuke Nakamura; 聡介中村; Koichi Nishida; 幸一西田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】簡単な構成で、高温の燃焼ガスにより尾筒壁面が焼損することを効率よく防止することが可能な燃焼器壁面冷却構造を提供する。
【解決手段】燃焼器内筒の燃焼ガス下流側には尾筒１４が連設されており、各メインバーナの燃焼ガス下流側には延長管１２ａが連設されている。この複数の延長管１２ａ全体を取り囲み、テーパ状に下流側へ向かって開口する出口外側リング１５が配置されており、更に外側にはフィルムリング１５ａが配置されている。出口外側リング１５の下流端外壁面とフィルムリング１５ａ内壁面との間には空気供給隙間１６が、フィルムリング１５ａの下流端外壁面と尾筒１４内壁面との間には空気供給隙間１６ａが設けられている。空気供給隙間１６ａは空気供給隙間１６の下流側に配置されている。空気供給隙間１６，１６ａからは、矢印Ｂ，Ｃで示す如く冷却空気が尾筒１４壁面に沿うようにフィルム状に供給され、尾筒１４壁面を高温の燃焼ガスから保護している。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン燃焼器等の燃焼室の壁面冷却構造に関するものである。

従来のガスタービン燃焼器の概要について説明する。図５は、従来のガスタービン燃焼器の概略構成を模式的に示す縦断面図である。ガスタービン燃焼器は、同図に示すように、外筒４とこれに同心状に囲まれた内筒３とを有しており、内筒３の軸心位置には、パイロットコーン１１に連通したパイロットノズル１が配置されている。

パイロットノズル１の周囲には、メインバーナ１２に連通したメインノズル２が配設されており、また内筒３はその後端（図の右側）で図示しない尾筒に連絡している。また、内筒３とこれを囲んだ外筒４との間には、矢印ａで示すように空気が供給される空気流路１３が形成されている。内筒３の前端付近には、断面が例えばＣ形状で全体がリング状の仕切板７が配置されており、これにより供給空気がスムーズに流れるようにしている。

メインバーナ１２内において、メインノズル２の周囲にはメインスワラ８が設けられている。このメインスワラ８の空気流上流側において、メインノズル２外周面の噴出孔５から矢印ｂで示すように外側に向けて、放射状に燃料（メイン燃料）が噴出される。そして、この燃料はメインスワラ８の働きにより、メインバーナ１２において前記空気流路１３からの空気と混合し、予混合気を形成する。

その他、パイロットノズル１の先端の噴出孔１ａからは、矢印ｃで示すように空気流の下流側斜め方向に、放射状に燃料（パイロット燃料）が噴出される。そして、この燃料はパイロットノズル１の周囲に設けられたパイロットスワラ９及び前記パイロットコーン１１等と共働して拡散火炎を形成し、保炎性を高めている。以上のようにして、パイロットは拡散炎として火炎を安定させ、メインは予混合炎として低ＮＯｘ化を図っている。

図６は、従来のガスタービン燃焼器の尾筒壁面付近を模式的に示す縦断面図である。上記内筒３の燃焼ガス下流側には尾筒１４が連設されており、また上記各メインバーナ１２の燃焼ガス下流側には延長管１２ａが連設されている。そして、この複数の延長管１２ａ全体を取り囲み、テーパ状に下流側（図中の右側）へ向かって開口する出口外側リング１５が配置されている。また、出口外側リング１５の下流端外壁面と尾筒１４内壁面との間には、空気供給隙間１６が設けられている。

さて、燃焼器の運転時に、延長管１２ａの下流端からは、矢印Ａで示す如く燃焼ガスが尾筒１４内部へと噴出する。一方、空気供給隙間１６からは、矢印Ｂで示す如く冷却空気が尾筒１４壁面に沿うようにフィルム状に供給され、尾筒１４壁面を高温の燃焼ガスから保護している。なお、この冷却空気は燃焼器上流側よりの空気を分岐して供給しても良いし、尾筒１４壁面に空気の供給口を設けた構成としても良い。

その他、一端に第一冷却ナゲットが形成された第一環状パネルセクションと一端に第二冷却ナゲットが形成された第二環状パネルセクションとを含むガスタービンの燃焼器ライナが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

ここでは、第一冷却ナゲットには第一列の冷却孔が形成され、第二冷却ナゲットには第二列の冷却孔が形成されている。また、第二列の冷却孔は複数の配列を含んだ優先冷却パターンで配置されるが、各々の配列は第一直径をもつ第一組の冷却孔と第一直径よりも小さい第二直径をもつ第二組の冷却孔とを整列してなる等の構成としている。そして、このような構成により、工具セットアップの必要性を最小限に止めながら、冷却フィルム効率を最適化する冷却構造を有する燃焼器ライナを提供することができるとしている。

また、燃焼器の筒状の燃焼室を形成し、冷却空気取入孔から外周側の冷却空気を取り入れて冷却空気流出孔から燃焼室の内面に沿って送り込んで空気フィルムを形成することによりフィルム冷却を行う冷却構造が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。

ここでは、少なくとも前記冷却空気流出孔近傍には、燃焼室内にて旋回する燃焼ガスの旋回方向に沿って冷却空気を流出させる冷却空気導入流路が設けられている構成としている。そして、このような構成により、燃焼室の内面への冷却空気の貼り付き性を高めて、良好なフィルム冷却性を確保することができるとしている。
特開２００１−１９３４８４号公報特開２００２−１５５７５８号公報

しかしながら、上記図６で説明した従来の構成において、燃焼器と尾筒１４は別部品であり、これらを組み合わせる構造であるため、製作誤差や据付誤差により空気供給隙間１６を一定に保つことが難しく、周方向に供給空気量の不均一が生じることがある。つまり、空気供給隙間１６が広い部分は冷却空気が多く流れるので、尾筒１４壁面を高温の燃焼ガスから十分に保護することができるが、空気供給隙間１６が狭い部分は冷却空気が流れにくく、膜厚も薄くなるため、尾筒１４壁面を燃焼ガスから保護する効果が不十分になる恐れがある。こうなると、尾筒１４壁面にクラックが入る等の不具合が生じ、燃焼器の運転ができなくなる。

また、上記特許文献１に記載の構成は、燃焼器ライナ全体をフィルム冷却するものであり、高温部を集中的に冷却することが可能な構造とはなっていない。加えて、燃焼ガス温度が例えば１３５０〜１４００℃と比較的低温である従来の構成を想定しているので、燃焼ガス温度が１５００℃前後の高温である近年の燃焼器には対応できない。

また、上記特許文献２に記載の構成では、冷却空気を旋回させてフィルム厚を薄くしているので、高温の燃焼ガスに対しては冷却効果が不十分となる。加えて、燃焼ガス温度が例えば１３５０〜１４００℃と比較的低温である従来の構成を想定しているので、燃焼ガス温度が１５００℃前後の高温である近年の燃焼器には対応できない。

本発明は、以上のような問題点に鑑み、簡単な構成で、高温の燃焼ガスにより尾筒壁面が焼損することを効率よく防止することが可能な燃焼器壁面冷却構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、燃焼器の内筒の燃焼ガス下流側に連設される尾筒の内壁面に沿うように、冷却空気をフィルム状に供給して前記尾筒の内壁面を冷却する燃焼器壁面冷却構造において、前記燃焼器のメインバーナ各々の燃焼ガス下流側に連設された延長管全体を取り囲み、燃焼ガス下流側へ向かってテーパ状に開口する出口外側リングと、その出口外側リングの更に外側に単数或いは複数段配置されるフィルムリングとを備え、前記尾筒と前記フィルムリングとの間及び前記フィルムリングと前記出口外側リングとの間にそれぞれ設けられ、その尾筒の内壁面に沿うように冷却空気をフィルム状に供給する空気供給隙間各々を、冷却空気の流れ方向に異なる位置となるように配設したことを特徴とする。

また、前記空気供給隙間各々に、それらの周方向に所定或いは任意の配置間隔で、前記空気供給隙間の大きさを確保するスペーサを配設したことを特徴とする。そして、前記スペーサは、冷却空気の流れ方向に対して流線形或いは翼形としたことを特徴とする。

また、前記出口外側リングの開口するテーパ面に、周方向に所定或いは任意の配置間隔で、前記尾筒内部に冷却空気ジェットを噴出する空気供給孔を配設したことを特徴とする。或いは、前記出口外側リングの開口するテーパ面に、周方向に所定或いは任意の長さで、前記尾筒内部に冷却空気を噴出する空気供給スリットを配設したことを特徴とする。

その他、燃焼器の内筒の燃焼ガス下流側に連設される尾筒の内壁面に沿うように、冷却空気をフィルム状に供給して前記尾筒の内壁面を冷却する燃焼器壁面冷却構造であって、前記燃焼器のメインバーナ各々の燃焼ガス下流側に連設された延長管全体を取り囲み、燃焼ガス下流側へ向かってテーパ状に開口する出口外側リングを備え、前記尾筒と出口外側リングとの間にその尾筒の内壁面に沿うように冷却空気をフィルム状に供給する空気供給隙間を設けた燃焼器冷却構造において、前記出口外側リングの開口するテーパ面に、周方向に所定或いは任意の配置間隔で、前記尾筒内部に冷却空気を噴出する空気供給孔を配設したことを特徴とする。

或いは、燃焼器の内筒の燃焼ガス下流側に連設される尾筒の内壁面に沿うように、冷却空気をフィルム状に供給して前記尾筒の内壁面を冷却する燃焼器壁面冷却構造であって、前記燃焼器のメインバーナ各々の燃焼ガス下流側に連設された延長管全体を取り囲み、燃焼ガス下流側へ向かってテーパ状に開口する出口外側リングを備え、前記尾筒及び出口外側リング間に、その尾筒の内壁面に沿うように冷却空気をフィルム状に供給する空気供給隙間を設けた燃焼器冷却構造において、前記出口外側リングの開口するテーパ面に、周方向に所定或いは任意の長さで、前記尾筒内部に冷却空気を噴出する空気供給スリットを配設したことを特徴とする。

本発明によれば、簡単な構成で、高温の燃焼ガスにより尾筒壁面が焼損することを効率よく防止することが可能な燃焼器壁面冷却構造を提供することができる。

具体的には、冷却空気を供給する空気供給隙間を２段或いはそれ以上とし、各々の供給開始位置を流れ方向に異ならせることで、一つの空気膜による冷却効果が小さくなったときに、新しい空気膜を供給する構成としている。これにより、尾筒壁面を高温の燃焼ガスから効果的に保護することができる。

また、空気供給隙間各々に、それらの周方向に所定或いは任意の配置間隔でスペーサを配設している。これにより、周方向に関して少なくともスペーサの高さ以上の大きさの空気供給隙間を確保できるので、燃焼器及び尾筒の据付誤差等を極力抑制し、空気供給隙間における周方向の冷却空気流量を均一に保つことができる。従って、尾筒の周方向に関して燃焼ガスからの保護が不十分となる領域を無くすことができる。

そして、スペーサは冷却空気の流れ方向に対して流線形或いは翼形として、スペーサ表面を通過する空気流が剥離せず渦流が発生しないようにし、ウェークを極力小さくしている。これにより、冷却空気の流れがスペーサにより妨げられることが無くなる。

また、出口外側リングの開口するテーパ面に、周方向に所定或いは任意の配置間隔で空気供給孔を配設している。そして、冷却空気ジェットを噴出させるようにしている。これにより、燃焼ガスが直ちに尾筒壁面に近づかないように引き離し、尾筒の内側を通るようにしている。そして、高温の燃焼ガスが尾筒壁面に衝突することを防止し、燃焼ガスが尾筒壁面に到達するまでの距離を下流側に延ばしている。また、燃焼ガスがこの冷却空気と混合されることにより、この燃焼ガスが尾筒壁面に近づく頃には比較的低温となって、これが更に尾筒壁面付近の空気膜と混合されるので、尾筒壁面を高温の燃焼ガスから十分に保護することが可能となる。

或いは、出口外側リングの開口するテーパ面に、周方向に所定或いは任意の長さの空気供給スリットを配設している。そして、ここからフィルム状の冷却空気ジェットを噴出させるようにしている。これにより、燃焼ガスを尾筒壁面から引き離す効果を向上させている。つまり、空気供給孔の場合は、孔が開いていないところからは空気が出ないので、燃焼ガスを尾筒壁面から引き離す効果にムラがあるのに対し、空気供給スリットにすると、冷却空気ジェットがスリットの継ぎ目を除いて均一に噴出するので、効果が高くなる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本発明では、必要とされる範囲に必要な量の冷却空気を供給して、尾筒壁面を高温の燃焼ガスから効率よく保護することができる構成としている。なお、以下の実施例において、前記従来例と共通する部分には同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略する。

図１は、本発明の実施例１の燃焼器壁面冷却構造に係るガスタービン燃焼器の尾筒壁面付近を模式的に示す縦断面図である。本実施例では、同図に示すように、上記従来例における出口外側リング１５の更に外側に、フィルムリング１５ａが配置されている。そして、出口外側リング１５の下流端外壁面とフィルムリング１５ａ内壁面との間が空気供給隙間１６となっている。また、フィルムリング１５ａの下流端外壁面と尾筒１４内壁面との間には、空気供給隙間１６ａが設けられている。

この空気供給隙間１６ａは、空気供給隙間１６の下流側に配置されている。空気供給隙間１６ａからは、矢印Ｃで示す如く冷却空気が尾筒１４壁面に沿うようにフィルム状に供給され、尾筒１４壁面を高温の燃焼ガスから保護している。なお、この冷却空気は燃焼器上流側よりの空気を分岐して供給しても良いし、尾筒１４壁面に空気の供給口を設けた構成としても良い。また、フィルムリング１５ａを外側へ向かって複数段備え、これらの間に設けた空気供給隙間１６ａを、流れ方向に異なる位置となるように配設しても良い。

このように、本実施例では、冷却空気を供給する空気供給隙間を２段或いはそれ以上とし、各々の供給開始位置を流れ方向に異ならせることで、一つの空気膜による冷却効果が小さくなったときに、新しい空気膜を供給する構成としている。具体的には、同図に示す矢印Ｂの冷却空気が矢印Ａの燃焼ガスと混合されて、次第に冷却効果が減少して行くが、冷却効果が小さくなった辺りで矢印Ｃの冷却空気が出てくるので、更に下流まで空気膜を延ばすことができる。このような構成により、尾筒壁面を高温の燃焼ガスから効果的に保護することができる。

図２は、本発明の実施例２の燃焼器壁面冷却構造に係るガスタービン燃焼器の尾筒壁面付近を模式的に示す縦断面図である。本実施例では、同図に示すように、上記実施例１の構成に加えて、空気供給隙間１６及び１６ａに、それらの周方向に所定或いは任意の配置間隔でスペーサ１７を配設している。これにより、周方向に関して少なくともスペーサの高さ以上の大きさの空気供給隙間を確保できるので、燃焼器及び尾筒の据付誤差等を極力抑制し、空気供給隙間における周方向の冷却空気流量を均一に保つことができる。従って、尾筒の周方向に関して燃焼ガスからの保護が不十分となる領域を無くすことができる。

なお、スペーサ１７は、冷却空気の流れ方向に対してできるだけ薄形とするか、或いは流線形若しくは翼形として、スペーサ表面を通過する空気流が剥離せず渦流が発生しないようにし、ウェークを極力小さくすることが望ましい。これにより、冷却空気の流れがスペーサにより妨げられることが無くなる。

図３は、本発明の実施例３の燃焼器壁面冷却構造に係るガスタービン燃焼器の尾筒壁面付近を模式的に示す図であり、同図（ａ）は縦断面図、同図（ｂ）は燃焼ガス下流側から見た図である。本実施例では、同図に示すように、上記従来例における出口外側リング１５の開口するテーパ面に、周方向に所定或いは任意の配置間隔で空気供給孔１８を連続的に配設している。そして、ここから矢印Ｄで示す如く冷却空気ジェットを噴出させるようにしている。

これにより、矢印Ａの燃焼ガスが直ちに尾筒１４壁面に近づかないように引き離し、尾筒１４の内側を通るようにしている。そして、高温の燃焼ガスが尾筒１４壁面に衝突することを防止し、燃焼ガスが尾筒１４壁面に到達するまでの距離を下流側に延ばしている。また、矢印Ａの燃焼ガスが矢印Ｄの冷却空気と混合されることにより、この燃焼ガスが尾筒１４壁面に近づく頃には比較的低温となって、これが更に尾筒１４壁面付近の空気膜と混合されるので、尾筒壁面を高温の燃焼ガスから十分に保護することが可能となる。

図４は、本発明の実施例４の燃焼器壁面冷却構造に係るガスタービン燃焼器の尾筒壁面付近を模式的に示す図であり、同図（ａ）は縦断面図、同図（ｂ）は燃焼ガス下流側から見た図である。本実施例では、同図に示すように、上記従来例における出口外側リング１５の開口するテーパ面に、周方向に所定或いは任意の長さの空気供給スリット１９を連続的に配設している。そして、ここから矢印Ｄで示す如くフィルム状の冷却空気ジェットを噴出させるようにしている。

これにより、上記実施例３の効果に加えて、燃焼ガスを尾筒壁面から引き離す効果を向上させている。つまり、空気供給孔の場合は、孔が開いていないところからは空気が出ないので、燃焼ガスを尾筒壁面から引き離す効果にムラがあるのに対し、空気供給スリットにすると、冷却空気ジェットがスリットの継ぎ目を除いて均一に噴出するので、効果が高くなる。

本実施例では、各メインバーナのセクションにおける、上記空気供給孔１８或いは空気供給スリット１９の周方向に配設する位置を、尾筒壁面の特に温度が高くなる範囲、即ち冷却が必要な範囲に限定した構成とする。これにより、少ない空気量で尾筒壁面を効率よく冷却し、高温の燃焼ガスから保護することができ、さらには、空気供給側の圧力損失を低減することが可能となる。尾筒壁面の温度が高くなる範囲は、ＣＦＤ（Computed Fluid Dynamics）による解析や燃焼試験により特定することができる。

本実施例では、尾筒の全周において、上記空気供給孔１８或いは空気供給スリット１９に供給する空気量を、周方向の位置により制御することで、燃焼器の運転条件に応じて、必要な個所に必要量の冷却空気を供給する構成としている。これにより、少ない空気量で尾筒壁面を効率よく冷却し、高温の燃焼ガスから保護することができ、さらには、空気供給側の圧力損失を低減することが可能となる。

本実施例では、上記実施例１或いは実施例２に対して、実施例３〜実施例６のいずれかを組み合わせる構成としている。これにより、より効果的に尾筒壁面を高温の燃焼ガスから保護することを可能としている。

本発明の実施例１の燃焼器壁面冷却構造に係るガスタービン燃焼器の尾筒壁面付近を模式的に示す縦断面図。本発明の実施例２の燃焼器壁面冷却構造に係るガスタービン燃焼器の尾筒壁面付近を模式的に示す縦断面図。本発明の実施例３の燃焼器壁面冷却構造に係るガスタービン燃焼器の尾筒壁面付近を模式的に示す図。本発明の実施例４の燃焼器壁面冷却構造に係るガスタービン燃焼器の尾筒壁面付近を模式的に示す図。従来のガスタービン燃焼器の概略構成を模式的に示す縦断面図。従来のガスタービン燃焼器の尾筒壁面付近を模式的に示す縦断面図。

符号の説明

１パイロットノズル
２メインノズル
３内筒
４外筒
５噴出孔
７仕切板
８メインスワラ
９パイロットスワラ
１１パイロットコーン
１２メインバーナ
１２ａ延長管
１３空気流路
１４尾筒
１５出口外側リング
１５ａフィルムリング
１６，１６ａ空気供給隙間
１７スペーサ
１８空気供給孔
１９空気供給スリット

Claims

燃焼器の内筒の燃焼ガス下流側に連設される尾筒の内壁面に沿うように、冷却空気をフィルム状に供給して前記尾筒の内壁面を冷却する燃焼器壁面冷却構造において、
前記燃焼器のメインバーナ各々の燃焼ガス下流側に連設された延長管全体を取り囲み、燃焼ガス下流側へ向かってテーパ状に開口する出口外側リングと、該出口外側リングの更に外側に単数或いは複数段配置されるフィルムリングとを備え、
前記尾筒と前記フィルムリングとの間及び前記フィルムリングと前記出口外側リングとの間にそれぞれ設けられ、該尾筒の内壁面に沿うように冷却空気をフィルム状に供給する空気供給隙間各々を、冷却空気の流れ方向に異なる位置となるように配設したことを特徴とする燃焼器冷却構造。
前記空気供給隙間各々に、それらの周方向に所定或いは任意の配置間隔で、前記空気供給隙間の大きさを確保するスペーサを配設したことを特徴とする請求項１に記載の燃焼器冷却構造。
前記スペーサは、冷却空気の流れ方向に対して流線形或いは翼形としたことを特徴とする請求項２に記載の燃焼器冷却構造。
前記出口外側リングの開口するテーパ面に、周方向に所定或いは任意の配置間隔で、前記尾筒内部に冷却空気ジェットを噴出する空気供給孔を配設したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の燃焼器冷却構造。
前記出口外側リングの開口するテーパ面に、周方向に所定或いは任意の長さで、前記尾筒内部に冷却空気を噴出する空気供給スリットを配設したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の燃焼器冷却構造。
燃焼器の内筒の燃焼ガス下流側に連設される尾筒の内壁面に沿うように、冷却空気をフィルム状に供給して前記尾筒の内壁面を冷却する燃焼器壁面冷却構造であって、
前記燃焼器のメインバーナ各々の燃焼ガス下流側に連設された延長管全体を取り囲み、燃焼ガス下流側へ向かってテーパ状に開口する出口外側リングを備え、前記尾筒と出口外側リングとの間に、該尾筒の内壁面に沿うように冷却空気をフィルム状に供給する空気供給隙間を設けた燃焼器冷却構造において、
前記出口外側リングの開口するテーパ面に、周方向に所定或いは任意の配置間隔で、前記尾筒内部に冷却空気を噴出する空気供給孔を配設したことを特徴とする燃焼器冷却構造。
燃焼器の内筒の燃焼ガス下流側に連設される尾筒の内壁面に沿うように、冷却空気をフィルム状に供給して前記尾筒の内壁面を冷却する燃焼器壁面冷却構造であって、
前記燃焼器のメインバーナ各々の燃焼ガス下流側に連設された延長管全体を取り囲み、燃焼ガス下流側へ向かってテーパ状に開口する出口外側リングを備え、前記尾筒及び出口外側リング間に、該尾筒の内壁面に沿うように冷却空気をフィルム状に供給する空気供給隙間を設けた燃焼器冷却構造において、
前記出口外側リングの開口するテーパ面に、周方向に所定或いは任意の長さで、前記尾筒内部に冷却空気を噴出する空気供給スリットを配設したことを特徴とする燃焼器冷却構造。