JP2011012929A

JP2011012929A - ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JP2011012929A
Application number: JP2009159452A
Authority: JP
Inventors: Toru Imamura; 徹今村; Hideki Ogata; 秀樹緒方; Kunio Hitani; 邦夫日谷
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-07-06
Filing date: 2009-07-06
Publication date: 2011-01-20
Anticipated expiration: 2029-07-06
Also published as: US8511088B2; EP2273197A2; JP4815513B2; EP2273197B1; US20110000216A1; EP2273197A3

Abstract

【課題】スワーラおよびヒートシールドのみを容易に取り出して交換することのできるガスタービン燃焼器を提供する。
【解決手段】ガスタービン燃焼器(1) は、燃焼室(11)を形成する燃焼筒(8) と、燃焼筒(8) の頭部に燃料(F) を供給する燃料噴射装置(12)と、燃料噴射装置(12)を燃焼筒(8) に支持する支持体(27)と、支持体（27) を燃焼室(11)内の燃焼ガスから遮熱するヒートシールド(28)とを備え、燃料噴射装置(12)は、燃料(F) を噴射する燃料噴射弁(13)と、燃料噴射弁(13)から噴射された燃料(F) に圧縮空気（CA) を旋回させながら供給するスワーラ(14)とを有する。スワーラ(14)とヒートシールド(28)とを連結してスワーラユニット(40)が形成され、スワーラユニット(40)が支持体(27)に締結部材(42)を介して着脱自在に取り付けられる。
【選択図】図５

Description

本発明は、ガスタービンや航空機用ジェットエンジンの燃焼器（以下、ガスタービン燃焼器という）に関するものである。

この種のガスタービン燃焼器では、アニュラー型のものが広く採用されており、このアニュラー型燃焼器として、燃焼筒の頭部に設置された、燃料を噴射する燃料噴射弁の外周に、燃焼用の圧縮空気に旋回を与えて安定燃焼を図るためのスワーラが取り付けられ、スワーラを燃焼筒のカウリングに支持するための支持体が、ヒートシールドにより燃焼室内の燃焼ガスから遮熱された構造を有するものが知られている（特許文献１）。

特開２００６−３４３０９２

上記ガスタービン燃焼器では、スワーラに、燃料噴射弁とのフレッティングによる磨耗やクラックが発生することがあり、また、ヒートシールドの一部に燃焼による焼損が生じることがあり、これらスワーラおよびヒートシールドは、ガスタービン燃焼器における最も寿命が短い構成部品である。ガスタービン燃焼器の分解検査時においてスワーラやヒートシールドに上述のような不良が発見された場合には交換する必要がある。

しかしながら、上述のガスタービン燃焼器では、スワーラやヒートシールドの交換が容易でない。すなわち、ヒートシールドは、支持体に溶接により固定され、このヒートシールドにスワーラが分離不能に取り付けられていた。そのため、スワーラまたはヒートシールドの交換に際しては、これらを支持している支持体またはカウリングを切断する必要があり、作業性が悪いうえに、支持体またはカウリングの寿命を短くする。

本発明は、スワーラおよびヒートシールドのみを容易に取り出して交換することのできる構造を備えたガスタービン燃焼器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、本発明のガスタービン燃焼器は、圧縮機からの圧縮空気に燃料を混合して燃焼させ、燃焼ガスをタービンへ供給するガスタービン燃焼器であって、燃焼室を形成する燃焼筒と、前記燃焼筒の頭部に燃料を供給する燃料噴射装置と、前記燃料噴射装置を前記燃焼筒に支持する支持体と、この支持体を前記燃焼室内の燃焼ガスから遮熱するヒートシールドとを備え、前記燃料噴射装置は、燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁から噴射された燃料に圧縮空気を旋回させながら供給するスワーラとを有し、さらに、前記スワーラと前記ヒートシールドとを連結してスワーラユニットが形成され、前記スワーラユニットが前記支持体に締結部材を介して着脱自在に取り付けられている。

このガスタービン燃焼器によれば、スワーラとヒートシールドとを連結して形成されたスワーラユニットが、支持体に締結部材を介して着脱自在に取り付けられているので、スワーラまたはヒートシールドの交換に際しては、締結部材を弛めることによってスワーラユニットのみを容易に取り出すことができる。また、従来のように支持体やカウリングを切断する必要がないから、支持体またはカウリングの本来の寿命を確保できる。

本発明において、前記スワーラユニットが前記スワーラを径方向および周方向に移動可能に保持する保持プレートを有し、前記保持プレートと前記ヒートシールドとが接合されていることが好ましい。この構成によれば、スワーラユニットは、高温の燃焼ガスによるヒートシールドとスワーラとの熱膨張率の差および組立時のスワーラとヒートシールドとの寸法差を、スワーラの径方向および周方向の移動により吸収することができるから、スワーラおよびヒートシールドに大きな熱応力が発生するのを防止して、両者の寿命を延ばすことができる。

本発明において、前記締結部材は前記ヒートシールドに設けられたスタッドボルトとこれに螺合されるナットからなる構成とすることができる。この構成によれば、スタッドボルトとに対するナットの螺合および取り外しを行うだけで、スワーラユニットを支持体に対し容易に着脱することができる。

本発明において、前記スタッドボルトが前記支持体の挿通孔に挿通されていることが好ましい。この構成によれば、支持体の挿通孔に挿通されたスタッドボルトにナットを螺合して締結する簡単な固定手段を用いながらも、スワーラユニットを支持体に強固に固定することができる。

本発明において、前記燃焼筒はインナーライナ、アウターライナおよびこれらライナの頭部に連結されたカウリングを有するアニュラー型であり、前記締結部材が、前記カウリングの頂部の空気流入用開口に、この開口を通してアクセスが可能なように臨んでいることが好ましい。この構成によれば、既存の空気流入用開口を利用して締結工具を挿入し、締結部材を操作することができるので、別途アクセス用の開口を設ける必要なしに、締結部材を容易に操作できる。

本発明のガスタービン燃焼器によれば、スワーラとヒートシールドとを連結して形成されたスワーラユニットが、支持体に締結部材を介して着脱自在に取り付けられているので、スワーラまたはヒートシールドの交換に際しては、締結部材を弛めることによってスワーラユニットのみを容易に取り出すことができるうえに、支持体やカウリングを切断する必要がないから、支持体またはカウリングの本来の寿命を確保できる。

本発明の一実施形態に係るガスタービン燃焼器を示す概略横断面図である。同上のガスタービン燃焼器の燃焼筒の一部の拡大正面図である。図１のIII −III 線に沿った拡大断面図である。図３の要部の拡大図である。同上の要部の分解斜視図である。図５のVI−VI線に沿った拡大横断面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１に示すガスタービンエンジンは、ガスタービンエンジンの図示しない圧縮機から供給される圧縮空気に燃料を混合して生成した混合気を燃焼させて、その燃焼により発生する高温・高圧の燃焼ガスをタービンに送ってこれを駆動させるものである。

この燃焼器１は、ガスタービンエンジンの軸心Ｃと同心のアニュラ−型であり、環状のアウターケーシング３の内側に環状のインナーケーシング４が同心状に配置されて、環状の内部空間を有するハウジング２を構成している。このハウジング２の環状の内部空間には、環状のアウターライナ９の内側に環状のインナーライナ１０が同心状に配置されてなる燃焼筒８が、ハウジング２と同心状に配置されている。燃焼筒８は内部に環状の燃焼室１１を形成しており、この燃焼筒８に、燃焼室１１内に燃料を噴射する複数（例えば、１４〜２０個）の燃料噴射装置１２が、燃焼筒８と同心の単一の円上で、周方向に等間隔に並んで配設されている。各燃料噴射装置１２は、燃料を噴射する燃料噴射弁１３と、この燃料噴射弁１３の外周を囲むように燃料噴射弁１３に同心状に設けられて、圧縮空気を旋回流として燃焼室１１内に導入する半径流型のメインスワーラ１４とを備えている。燃焼器１の下部には２本の点火栓１８が配置されている。

図１のIII −III 線に沿った拡大断面図である図３において、ハウジング２の環状の内部空間には、図示しない圧縮機から送給される圧縮空気ＣＡが、環状のディフューザ１９を介して導入される。環状の燃焼筒８のアウターライナ９およびインナーライナ１０の頭部には、これらライナー９，１０と同心状に環状のカウリング２０が固定されている。このカウリング２０は、カウリングアウタ２０ａと、その内径側のカウリングインナ２０ｂとからなり、その間に、燃焼筒８内へ圧縮空気ＣＡを導入する空気流入用開口２２が形成されている。カウリングアウタ２０ａには複数の保持筒体２４が一体形成されており、保持筒体２４に、アウターケーシング３に外側から挿通された固定ピン２５がそれぞれ嵌入されることにより、燃焼筒８がアウターケーシング３に固定されている。

カウリング２０の後端部には、燃料噴射装置１２を後述する構成で支持する環状の支持体（以下、「ドーム」という）２７が一体形成されている。すなわち、カウリング２０とドーム２７とは一体鋳造品である。ただし、カウリング２０とドーム２７とを別体として、溶接のような手段で接合してもよい。ドーム２７には、燃焼室１１内の燃焼ガスからドーム２７を遮熱するためのヒートシールド２８が固定されており、このヒートシールド２８は、板状のシールド本体２８ａと、これに設けた開口の周縁部から燃料噴射装置１２の上流側へ向けた方向に突出する円筒部２８ｂが設けられており、この円筒部２８ｂがドーム２７に支持されている。

燃料噴射装置１２は、内部に燃料配管が通ったステム１５を有し、このステム１５の先端に前記燃料噴射弁１３が接続されている。メインスワーラ１４は、圧縮空気ＣＡを径方向の外側から内側に導入するもので、保持プレート３４を介してヒートシールド２８に支持されている。このメインスワーラ１４の支持構造については後述する。燃料噴射装置１２は、燃料噴射弁１３を、カウリング２０の頂部に形成された空気流入用開口２２から挿通してメインスワーラ１４の内側に嵌合した状態で、ステム１５が取付フランジ３０を介してアウターケーシング３に支持されている。燃焼筒８の下流端部８ａはタービンの第１段ノズルＴＮに接続される。

カウリング２０の頂部の空気流入用開口２２は、図２の拡大正面図に示すように、各メインスワーラ１４に相対向して形成された円形状開口部２２ａと、隣接する各二つの円形状開口部２２ａをそれぞれ連通する弧状開口部２２ｂとからなる。ヒートシールド２８は、各メインスワーラ１４に対向して、その後方に配置され、隣接する各二つのヒートシールド２８のほぼ台形状のシールド本体２８ａ，２８ａ間には、所定の間隙（例えば１ｍｍ）が設けられている。

図３の要部の拡大図を示す図４において、燃料噴射装置１２の燃料噴射弁１３は、中央部のインナースワーラ３１と外周側のアウタースワーラ３２とを有し、この両スワーラ３１，３２の各空気流路の間に、ステム１５内の燃料配管から送給される燃料Ｆを燃焼室１１内に導く環状の燃料流路３３が設けられており、この燃料流路３３の先端に周方向に等間隔で配置された噴射孔３３ａから燃料Ｆが燃焼室１１内へ噴射される。噴射された燃料Ｆは、内外のスワーラ３１，３２からの圧縮空気ＣＡの旋回流によって微粒化され、混合気Ｍとなって燃焼室１１内に供給される。したがって、この燃料噴射装置１２は拡散燃焼型である。メインスワーラ１４からの圧縮空気ＣＡの旋回流は、混合気Ｍの逆流領域のサイズや位置を調整して燃焼領域Ｓ（図２）を設定するものである。

ヒートシールド２８は、これの円筒部２８ｂの外周面に形成された大径段部２８ｃが、ドーム２７に設けた保持孔２７ａの内周端部が当接することで、ドーム２７に対して位置決めされている。ヒートシールド２８の円筒部２８ｂの開口縁部に形成された小径段部２８ｄに、リング状の保持プレート３４の内周縁部が当接されて、その当接箇所を溶接することにより、保持プレート３４がヒートシールド２８に固定されている。

一方、メインスワーラ１４の燃焼筒下流側端壁３６は径方向外方へ延出されて取付プレート３７を形成しており、この取付プレート３７における１８０°対向した位置にピン孔３７ａが形成されている。保持プレート３４には、外周縁に開口した一対の凹所３４ａが形成され、各凹所３４ａに挿通された取付ピン４１が、ピン孔３７ａに嵌合されて溶接により取付プレート３７に固定されている。図５に示すように、保持プレート３４の凹所３４ａは取付ピン４１の外径よりも大きな周方向幅Ｗおよび深さＨを有しており、したがって、メインスワーラ１４は、保持プレート３４に対し周方向および径方向に変位可能に支持されている。これにより、高温の燃焼ガスによるヒートシールド２８とメインスワーラ１４との熱膨張率の差および組立時のメインスワーラ１４とヒートシールド２８との寸法差が吸収される。

メインスワーラ１４と保持プレート３４は、互いに重ね合わせ状態とされる。保持プレート３４の凹所３４ａは、メイスワーラ１４の一対の取付プレート３７に対応する位置から径方向外方へ突設された保持片３４ｂに形成されており、取付プレート３７における保持片３４ｂに対応する位置に設けたフランジ３７ｂに前記ピン孔３７ａが形成されている。これら保持片３４ｂとフランジ３７ｂが重ね合わされた相対配置で、取付ピン４１を介して保持プレート３４と取付プレート３７が互いに連結される。

一方、ドーム２７の保持孔２７ａは、メインスワーラ１４および保持プレート３４の外径よりも僅かに大きな孔径に形成されており、互いに重ね合わせ状態の保持片３４ｂおよび取付プレート３７の挿通を許容しない。そこで、ドーム２７には、保持孔２７ａの孔縁部における径方向で相対向する２箇所に、保持孔２７ａに連通して径方向外方に延びる一対の逃げ凹所２７ｂが形成されており、この逃げ凹所２７ｂが、保持片３４ｂおよび取付プレート３７を挿通させることのできる形状を有している。

ところで、従来のこの種のガスタービン燃焼器では、カウリング２０に一体形成またはカウリング２０に固定されたドーム２７に、ヒートシールド２８を溶接により固定し、このヒートシールド２８に保持プレート３４を溶接により固定し、この保持プレート３４にメインスワーラ１４を周方向および径方向に移動可能に連結していた。これに対し、この実施形態では、図５の分解斜視図において、ヒートシールド２８に溶接により固定した保持プレート３４を取付ピン４１を介してメインスワーラ１４の取付プレート３７に溶接により固定して、メインスワーラ１４とヒートシールド２８とが保持プレート３４を介して連結されてなるスワーラユニット４０が予め形成されている。

前記スワーラユニット４０をドーム２７に着脱自在に取り付けるために、各ヒートシールド２８には、これの幅方向両側における燃焼器軸心Ｃ（図１）と同心円上で相対向する２箇所にそれぞれスタッドボルト４３が一体形成され、ドーム２７の保持孔２７ａの近傍の対応する箇所に、スタッドボット４３を挿通させる挿通孔２７ｃが形成され、この挿通孔２７ｃを挿通したスタッドボルト４３に、ナット４４が螺合されることで、スワーラユニット４０がドーム２７に固定される。こうして、スタッドボルト４３とナット４４が、スワーラユニット４０をドーム２７に着脱自在に取り付けるための締結部材４２を構成している。スタッドボルト４３の中間部には、ドーム２７の挿通孔２７ｃの孔縁部に当接する段部４３ｂが設けられ、この段部４３ｂよりも先端側の小径部にねじ部４３ａが形成され、段部４３ｂよりも基端側の大径部が円柱状のスペーサ部４３ｃを形成している。

前記スワーラユニット４０は、以下の手順でドーム２７に着脱自在に取り付けられる。まず、図５に示すように、スワーラユニット４０は、ドーム２７の後側（図５の右側）からこれの保持孔２７ａにメインスワーラ１４を挿通させながら、メインスワーラ１４の取付プレート３７のフランジ３７ｂおよび保持プレート３４の保持片３４ｂをドーム２７の逃げ凹所２７ｂに挿通させ、一対のスタッドボルト４３のねじ部４３ａをドーム２７の挿通孔２７ｃに挿通させて、図４のヒートシールド２８の大径段部２８ｃをドーム２７の保持孔２７ａの孔縁部に当接させる。このとき、図５のVI−VI線横断面図である図６に示すように、ヒートシールド２８の大径段部２８ｃがドーム２７の保持孔２７ａの孔周縁部に当接するとともに、スタッドボルト４３の段部４３ｂがドーム２７の挿通孔２７ｃの孔縁部に当接して、ヒートシールド２８とドーム２７とが、スタッドボルト４３のスペーサ部４３ｃの長さに対応する間隔に保持される。

図２に示すように、スタッドボルト４３のねじ部４３ａは、カウリング２０の空気流入用開口２２の弧状開口部２２ｂの後方側に対向して位置しており、弧状開口部２２ｂを通して締結工具がナット４４にアクセス可能である。そこで、ナット４４の締結工具を弧状開口部２２ｂから矢印Ｐ（図６）で示すようにカウリング２０内に挿入し、ナット４４をスタッドボルト４３のねじ部４３ａに螺合し、ナット４４を締結する。これにより、スワーラユニット４０がドーム２７に着脱自在に取り付けられる。

ガスタービン燃焼器１の分解検査などにおいてメインスワーラ１４またはヒートシールド２８に磨耗やクラックの発生または一部焼損などの不良が発見された場合、この不良部品を交換するに際しては、図２に示すように、ナット４４が燃焼筒８の正面側から空気流入用開口２２の弧状開口部２２ｂを通して視認できるので、図６に矢印Ｐで示すように、ナット４４の締結工具を弧状開口部２２ｂから挿入してナット４４を弛めて取り外す。このとき、図６に示すように、空気流入用開口２２における円形状開口部２２ａには燃料噴射装置１２の燃料噴射弁１３が挿入されているが、弧状開口部２２ｂには締結工具の使用の支障となるものが何ら存在しないので、ナット４４の取り外し作業を容易に行うことができる。ナット４４を取り外すと、スワーラユニット４０が後方（図６の上方）へ移動可能な状態となるので、メインスワーラ１４のフランジ３７ｂおよび保持プレート３４の保持片３４ｂをドーム２７の逃げ凹所２７ｂ（図５）に挿通させながら、スワーラユニット４０をドーム２７から燃焼室１１内に取り出し、図３に示す燃焼筒８の下流端部８ａの開口から外部へ取り出す。

このように、このガスタービン燃焼器１は、図５に示すメインスワーラ１４とヒートシールド２８とを連結してスワーラユニット４０を形成し、このスワーラユニット４０を締結部材４２を介してドーム２７に着脱自在に取り付けられているので、メインスワーラ１４またはヒートシールド２８の交換に際しては、締結部材４２のナット４４を弛めて取り外すことにより、スワーラユニット４０のみを容易に取り出すことができ、従来のようにドームやカウリングを切断する必要がないから、交換作業を容易、かつ短時間に行えることから、整備性が向上するとともに、ドーム２７またはカウリング２０の本来の寿命を十分に確保できるのに伴ってライフサイクルコストを低減することができる。

また、スワーラユニット４０は、高温の燃焼ガスによるヒートシールド２８とメインスワーラ１４との熱膨張率の差および組立時のメインスワーラ１４とヒートシールド２８との寸法差をヒートシールド２８に接合された保持プレート３４により吸収できるようになっているので、メインスワーラ１４およびヒートシールド２８の寿命を十分に延ばすことができる。さらに、ドーム２７の挿通孔２７ｃに挿通されたスタッドボルト４３のねじ部４３ａにナット４４を螺合して締結することで、スワーラユニット４０をドーム２７に確実に固定することができる。また、この実施形態のようにアニュラー型の燃焼器１に適用する場合には、カウリング２０の頂部の空気流入用開口２２における弧状開口部２２ｂに締結部材４２が臨んでいる構成とすることが可能となり、弧状開口部２２ｂから締結工具を挿入して締結部材４２のナット４４を緩める操作を行うことができるので、締結部材４２をアクセスするための開口などを別途設ける必要がない利点もある。

前記実施形態では、アニューラ型の燃焼器を例示して説明したが、本発明は逆流缶型の燃焼器にも適用することができる。また、本発明は、以上の実施形態で示した内容に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能であり、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１ガスタービン燃焼器
８燃焼筒
９アウターライナ
１０インナーライナ
１１燃焼室
１２燃料噴射装置
１３燃料噴射弁
１４メインスワーラ（スワーラ）
２０カウリング
２２空気流入用開口
２２ｂ弧状開口部（空気流入用開口）
２７ドーム（支持体）
２７ｃ支持体の挿通孔
２８ヒートシールド
３４保持プレート
４０スワーラユニット
４２締結部材
４３スタッドボルト
４４ナット
ＴＮタービン
ＣＡ圧縮空気
Ｆ燃料

Claims

圧縮機からの圧縮空気を燃焼させてタービンへ供給するガスタービン燃焼器であって、燃焼室を形成する燃焼筒と、前記燃焼筒の頭部に燃料を供給する燃料噴射装置と、前記燃料噴射装置を前記燃焼筒に支持する支持体と、前記支持体を前記燃焼室内の燃焼ガスから遮熱するヒートシールドとを備え、
前記燃料噴射装置は、燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁から噴射された燃料に圧縮空気を旋回させながら供給するスワーラとを有し、
さらに、前記スワーラと前記ヒートシールドとを連結してスワーラユニットが形成され、
前記スワーラユニットが前記支持体に締結部材を介して着脱自在に取り付けられているガスタービン燃焼器。
請求項１において、前記スワーラユニットが前記スワーラを径方向および周方向に移動可能に保持する保持プレートを有し、
前記保持プレートと前記ヒートシールドとが接合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、前記締結部材は前記ヒートシールドに設けられたスタッドボルトとこれに螺合されるナットからなるガスタービン燃焼器。
請求項１ないし３のいずれか一項において、前記スタッドボルトが前記支持体の挿通孔に挿通されているガスタービン燃焼器。
請求項１ないし４のいずれか一項において、
前記燃焼筒はインナーライナ、アウターライナおよびこれらライナの頭部に連結されたカウリングを有するアニュラー型であり、
締結部材が、前記カウリングの頂部の空気流入用開口に、この開口を通してアクセスが可能なように臨んでいるガスタービン燃焼器。