JP2013019566A - ガスタービン燃焼器及びガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】内筒の溶接線周辺の冷却効果を増大させたガスタービン燃焼器及びこれを備えたガスタービンを提供する。
【解決手段】ガスタービン燃焼器２は、ガスタービン１の車室内空間９に配置される。燃焼器２の内筒１２は、湾曲形状の板部材の端部を突き合せて溶接線１６に沿って溶接して円筒形状に形成される。また、内筒１２の内部空間を、隣接する燃焼器２の内筒１２の内部空間に連通させるための連通管２０が設けられている。内筒１２の溶接線１６の位置は、連通管２０の内筒１２への接続位置に一致している。そして、連通管２０または前記筒状部材の前記連通管の近傍には、車室内空間９からの冷却空気を内筒１２の内部に導入する冷却空気孔が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンの車室内空間に収納されて燃焼ガスを生成するガスタービン燃焼器及びこれを用いたガスタービンに関する。

ガスタービン燃焼器は、過酷な高温環境に曝される。そのため、従来から、冷却媒体を流すための流路が内部に多数形成された円筒状の部材がガスタービン燃焼器の構成部材として用いられている。
例えば、特許文献１には、冷却媒体としての空気が流れる空気流溝が内部に複数形成されたガスタービン燃焼器の内筒が記載されている。

ガスタービン燃焼器の内筒は、通常、冷却媒体が流れる流路を内部に有する板部材を湾曲させた後、この湾曲形状の板部材の端部を突き合せて溶接して円筒形状に形成される。
例えば、特許文献２には、表面に複数のフィンを有する板状部材をもう一方の板状部材に接合して、隣接するフィン間のスペースが冷却媒体用の流路となる板部材を形成した後、この板部材を冷間プレス成形により湾曲させることが記載されている。
また特許文献３には、複数の内筒リング及び隣接する内筒リング間に溶着される波形板リングからなる内筒を作製するにあたって、内筒リングと波形板リングとを一対の半円筒状体に成形し、これら一対の半円筒状体を溶接線に沿って溶接することが記載されている。

特開平５−４４９２７号公報 特開２０１０−２８１２２５号公報 特開平３−８５９０号公報

従来のガスタービン燃焼器は、内筒の内部に形成された流路に空気や蒸気等の冷却媒体を流すことにより冷却されるから、過酷な高温環境に耐えることができる。しかし、近年、高効率化の観点から燃焼温度がますます高温化していることから、より過酷な高温環境に耐えられる信頼性の高いガスタービン燃焼器の開発が期待されていた。

このような期待に応えるべく本発明者らが鋭意検討した結果、冷却媒体が流れる流路を形成することができない溶接線周辺は他の部分に比べて冷却効果が十分でないため、溶接線周辺のメタル温度が上昇し、クラックの発生等の損傷の原因になることが明らかになった。
この点、特許文献１〜３には、内筒の溶接線周辺の冷却効果を増大させるための手法は何ら開示されていない。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、内筒の溶接線周辺の冷却効果を増大させたガスタービン燃焼器及びこれを備えたガスタービンを提供することを目的とする。

本発明に係るガスタービン燃焼器は、ガスタービンの車室内空間に配置される燃焼器であって、湾曲形状の板部材の端部を突き合せて溶接線に沿って溶接して形成され、内部を燃焼ガスが流れる筒状部材と、前記筒状部材の内部空間を、隣接する燃焼器の筒状部材の内部空間に連通させるための連通管とを備え、前記溶接線の位置が、前記連通管の前記筒状部材への接続位置に一致しており、前記連通管または前記筒状部材の前記連通管の近傍には、前記車室内空間からの冷却空気を前記筒状部材の内部に導入する冷却空気孔が設けられていることを特徴とする。

このガスタービン燃焼器では、連通管または前記筒状部材の前記連通管の近傍に冷却空気孔を設けたので、冷却空気孔を介して車室内空間から導入された冷却空気が筒状部材の内部空間に流入し、筒状部材の内壁面に沿って燃焼ガス流れの下流側にフィルム状に流れる。ここで、溶接線の位置は連通管の筒状部材への接続位置に一致している。そのため、溶接線周辺の筒状部材の内壁面は、燃焼ガス流れの下流側にフィルム状に流れる冷却空気によって遮られて、高温の燃焼ガスに直接曝されることがない。このようにして、筒状部材の溶接線周辺は、主としてフィルム冷却によってメタル温度の上昇が抑制される。

上記ガスタービン燃焼器は、前記溶接線をよけるように前記筒状部材の外表面に設けられた共鳴装置をさらに備えていることが好ましい。
このように溶接線をよけるように共鳴装置を配置することで、筒状部材の溶接線周辺が車室内空間に直接曝されることになり、溶接線が共鳴装置で覆われている場合に比べて、筒状部材の溶接線周辺からの車室内空間への放熱が促進され、より大きな冷却効果が得られる。

また本発明に係るガスタービンは、上述のガスタービン燃焼器と、前記ガスタービン燃焼器を収納する車室と、前記車室に収納され、前記車室内空間を介して燃焼用空気としての圧縮空気を前記ガスタービン燃焼器に供給する圧縮機と、前記車室に収納され、前記ガスタービン燃焼器で生成した燃焼ガスによって駆動されるタービンとを備え、前記圧縮空気の一部が、前記冷却空気として前記冷却空気孔を介して前記筒状部材の内部に流入することを特徴とする。
このガスタービンによれば、圧縮機で生成された圧縮空気の一部が、冷却空気孔を介して車室内空間から筒状部材の内部空間に流入し、溶接線周辺の筒状部材の内壁面に沿ってフィルム状に流れるので、筒状部材の溶接線周辺のメタル温度の上昇が抑制される。

本発明によれば、連通管または前記筒状部材の前記連通管の近傍に冷却空気孔を設けたので、冷却空気孔を介して車室内空間から導入された冷却空気が筒状部材の内部空間に流入し、筒状部材の内壁面に沿って燃焼ガス流れの下流側にフィルム状に流れる。ここで、溶接線の位置は連通管の筒状部材への接続位置に一致している。そのため、溶接線周辺の筒状部材の内壁面は、燃焼ガス流れの下流側にフィルム状に流れる冷却空気によって遮られて、高温の燃焼ガスに直接曝されることがない。このようにして、筒状部材の溶接線周辺は、主としてフィルム冷却によってメタル温度の上昇が抑制される。

ガスタービンの構成例を示す断面図である。 ガスタービン燃焼器の内筒の詳細構造を示す図である。 図１におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図３におけるＢで示した領域の拡大図である。 ガスタービン燃焼器の内筒の連通管周辺における冷却空気の流れを示す図である。 ガスタービン燃焼器の内筒を作製する様子を示す図であり、（ａ）は成形前の平板状態の板部材を示す平面図であり、（ｂ）は板部材を湾曲形状に成形した後溶接して得られる内筒を示す斜視図である。 ガスタービン燃焼器の内筒において連通管の近傍に冷却空気孔が設けられた場合の冷却空気の流れを示す図である。

以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、ガスタービンの構成例を示す断面図である。図２は、ガスタービン燃焼器の内筒（筒状部材）の詳細構造を示す図である。図３は、図１におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。図４は、図３におけるＢで示した領域の拡大図である。図５は、ガスタービン燃焼器の内筒の連通管周辺における冷却空気の流れを示す図である。

図１に示すように、ガスタービン１は、ガスタービン燃焼器（以下、単に「燃焼器」という）２、圧縮機４及びタービン６により構成される。燃焼器２は、圧縮機４とタービン６との間の位置において、車室８によってロータ３の周りに形成される略環状の車室内空間９に収納されている。なお、図１には一つの燃焼器２しか示していないが、実際には、燃焼器２はロータ３の周方向に複数配列されている。

各燃焼器２は、燃料を噴射するノズル１０と、ノズル１０から噴射された燃料が燃焼される内筒（燃焼器ライナ）１２と、内筒１２で生成した燃焼ガスをタービン６側に導く尾筒（トランジションピース）１４とを有する。

内筒１２は、詳細は後述するが、湾曲形状の板部材の端部を突き合せて溶接線１６に沿ってプラズマ溶接を行うことで円筒形状に形成されている。また内筒１２の壁面内部には、図２に示すように、内筒１２の内部における燃焼ガスの流れ方向に沿って延びる複数の流路１３が形成されている。また、内筒１２の外表面には冷却空気入口１７が設けられ、内筒１２の内表面には冷却空気出口１８が設けられており、各流路１３は冷却空気入口１７及び冷却空気出口１８に連通している。これにより、車室内空間９からの冷却空気が冷却空気入口１７から各流路１３に導入され、各流路１３を流れた後、冷却空気出口１８から内筒１２の内部空間に排出されるようになっている。

また、内筒１２の外表面には、燃焼振動を抑制するための共鳴装置（音響ライナともいう）１５が取り付けられている。この共鳴装置１５は溶接線１６をよけるように配置されている。言い換えると、共鳴装置１５は内筒１２のほぼ全周に亘って設けられているが、溶接線１６周辺の領域には共鳴装置１５は設けられていない。そのため、内筒１２の溶接線１６周辺が車室内空間９に直接曝されて、内筒１２の溶接線１６周辺からの車室内空間９への放熱が促進されるようになっている。

図３に示すように、隣接する燃焼器２の内筒１２同士は連通管２０で接続されている。連通管２０は、内筒１２の外表面に溶接で取り付けられた連結短管２２、および、該連結短管２２と隣接する燃焼器２の内筒１２の連結短管２２との間に設けられる連結管２４により構成される。連結短管２２と連結管２４とは、それぞれのフランジ２２Ａ及び２４Ａを任意の締結部材で締結することで、連結されている。
このように、隣接する燃焼器２の内筒１２同士を連通管２０で接続することで、隣接する燃焼器２同士の内筒１２の内部空間は互いに連通している。

連通管２０の連結短管２２には、図４に示すように冷却空気孔２３が複数設けられている。これにより、圧縮機４で生成された圧縮空気の一部が、冷却空気として、車室内空間９から冷却空気孔２３を通って連結短管２２の内部に導入される。なお、冷却空気孔２３の形状，サイズ，個数，配置等は特に限定されず、冷却空気孔２３を介して連通管２０の内部に導入すべき冷却空気の量に応じて適宜設定されることが好ましい。
そして、連結短管２２の内部に導入された冷却空気は、この後、図５に示すように、内筒１２の内部に導入され、内筒１２の内壁面１２Ｓに沿って、燃焼ガス流れ方向の下流側へとフィルム状に流れていく。

ここで、本実施形態では、内筒１２の溶接線１６（図１参照）の位置と、連通管２０（具体的には連結短管２２）の内筒１２への接続位置とが一致している。このような構成の内筒１２は、例えば、次のようにして作製される。

図６は内筒１２を作製する様子を示す図であり、図６（ａ）は成形前の平板状態の板部材を示す平面図であり、図６（ｂ）は板部材を湾曲形状に成形した後溶接して得られる内筒１２を示す斜視図である。

図６（ａ）に示すように、成形前の板部材３０は平板形状である。板部材３０には、一方の連結短管２２の接続箇所に開口３２が設けられ、他方の連結短管２２の接続箇所に後で開口３４となる半円形状の切欠き（３４Ａ，３４Ｂ）が設けられている。なお、板部材３０には、図２に示した流路１３，冷却空気入口１７及び冷却空気出口１８が形成されている。
この板部材３０をプレス成形によって円筒形状に成形して、板部材３０の端部（３１Ａ，３１Ｂ）を突き合せて溶接線１６に沿ってプラズマ溶接を行うことで、図６（ｂ）に示す内筒１２が得られる。最後に、内筒１２の開口３２及び３４の位置に、連結短管２２が溶接により取り付けられる。これにより、溶接線１６の位置が連結短管２２の接続位置（すなわち開口３４の位置）と一致した内筒１２が得られる。

以上説明したように、本実施形態では、連通管２０（具体的には連結短管２２）に冷却空気孔２３を設けたので、冷却空気孔２３を介して車室内空間９から連通管２０に導入された冷却空気が内筒１２の内部空間に流入し、内筒１２の内壁面１２Ｓに沿って燃焼ガス流れの下流側にフィルム状に流れる。ここで、溶接線１６の位置は連通管２０（具体的には連結短管２２）の内筒１２への接続位置（すなわち開口３４の位置）に一致している。そのため、溶接線１６周辺の内筒１２の内壁面１２Ｓは、燃焼ガス流れの下流側にフィルム状に流れる冷却空気によって遮られて、高温の燃焼ガスに直接曝されることがない。このようにして、内筒１２の溶接線１６周辺は、主としてフィルム冷却によってメタル温度の上昇が抑制される。

また、内筒１２の外表面に取り付けられる共鳴装置１５は溶接線１６をよけるように配置されている。そのため、内筒１２の溶接線１６周辺が車室内空間９に直接曝されることになり、溶接線１６が共鳴装置１５で覆われている場合に比べて、内筒１２の溶接線１６周辺からの車室内空間９への放熱が促進され、より大きな冷却効果が得られる。
さらに、連結短管２２及び連結管２４のフランジ接合面から漏れ出た冷却空気が、連結短管２２周辺の内筒１２の外壁面を冷却する効果もあり、溶接線１６周辺の内筒１２の冷却をより確実に行うことができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。

例えば、上述の実施形態では、内筒１２の内部空間に冷却空気を導入するための冷却空気孔２３を連通管２０（具体的には連結短管２２）に設ける例について説明したが、冷却空気孔は内筒１２の連結短管２２の近傍に設けてもよい。図７は、冷却空気孔を連結短管２２の近傍に設けた場合における、連通管２０周辺の冷却空気の流れを示す図である。
図７に示すように、連結短管２２の近傍には冷却空気孔２５が設けられている。これにより、上述の実施形態と同様に、冷却空気孔２５から内筒１２の内部に導入された冷却空気は、内筒１２の内壁面１２Ｓに沿って、燃焼ガス流れ方向の下流側へとフィルム状に流れていく。そのため、溶接線１６周辺の内筒１２の内壁面１２Ｓは、燃焼ガス流れの下流側にフィルム状に流れる冷却空気によって遮られて、高温の燃焼ガスに直接曝されることがない。
なお、冷却空気孔２５の形状，サイズ，個数，配置等は特に限定されず、冷却空気孔２５を介して内筒１２の内部に導入すべき冷却空気の量に応じて適宜設定されることが好ましい。

また、上述の実施形態では、内筒１２が燃焼ガスの流れ方向に沿って延びる複数の流路１３を有する例について説明したが、内筒１２の溶接線１６が連通管２０の内筒１２への接続位置に一致している限り、内筒１２はこの例に限定されない。例えば、内筒１２は、流路１３が燃焼ガスの流れ方向に対して傾斜しているものや、流路１３が屈曲又は湾曲しているものであってもよい。

また、上述の実施形態では、一枚の板部材３０を円筒形状に成形した後、その両端部（３１Ａ，３１Ｂ）を突き合せて溶接して内筒１２を得る例について説明したが、内筒１２を作製するために用いる板部材３０は複数枚であってもよい。
例えば、２枚の板部材を湾曲形状（断面円弧状）に成形した後、これらの端部を突き合せて溶接することで円筒形状の内筒１２を作製してもよい。この場合、内筒１２の溶接線１６は２本であるから、各溶接線１６の位置を、対応する連通管２０の内筒１２への接続位置に一致させることが好ましい。これにより、各溶接線１６周辺の内筒１２の冷却効果を増大させることができる。

さらに、上述の実施形態では、内筒１２の溶接線１６周辺を冷却する例について説明したが、本発明は、湾曲形状の板部材の端部を突き合せて溶接線に沿って溶接して形成され、内部に燃焼ガスが流れる筒状部材の溶接線周辺を冷却するために広く利用することができる。例えば、尾筒１４が湾曲形状の板部材の端部を突き合せて溶接線に沿って溶接して形成されている場合、尾筒１４の溶接線周辺を冷却するために本発明を適用してもよい。

１ ガスタービン
２ 燃焼器
３ ロータ
４ 圧縮機
６ タービン
８ 車室
９ 車室内空間
１０ ノズル
１２ 内筒（筒状部材）
１２Ｓ 内壁面
１３ 流路
１４ 尾筒
１５ 共鳴装置
１６ 溶接線
１７ 冷却空気入口
１８ 冷却空気出口
２０ 連通管
２２ 連結短管
２２Ａ フランジ
２３ 冷却空気孔
２４ 連結管
２５ 冷却空気孔
２４Ａ フランジ
３０ 板部材
３１Ａ 端部
３１Ｂ 端部
３２ 開口
３４ 開口
３４Ａ 切欠き
３４Ｂ 切欠き

Claims (3)

1. ガスタービンの車室内空間に配置される燃焼器であって、
   湾曲形状の板部材の端部を突き合せて溶接線に沿って溶接して形成され、内部を燃焼ガスが流れる筒状部材と、
   前記筒状部材の内部空間を、隣接する燃焼器の筒状部材の内部空間に連通させるための連通管とを備え、
   前記溶接線の位置が、前記連通管の前記筒状部材への接続位置に一致しており、
   前記連通管または前記筒状部材の前記連通管の近傍には、前記車室内空間からの冷却空気を前記筒状部材の内部に導入する冷却空気孔が設けられていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 前記溶接線をよけるように前記筒状部材の外表面に設けられた共鳴装置をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン燃焼器。
3. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器と、
   前記ガスタービン燃焼器を収納する車室と、
   前記車室に収納され、前記車室内空間を介して燃焼用空気としての圧縮空気を前記ガスタービン燃焼器に供給する圧縮機と、
   前記車室に収納され、前記ガスタービン燃焼器で生成した燃焼ガスによって駆動されるタービンとを備え、
   前記圧縮空気の一部が、前記冷却空気として前記冷却空気孔を介して前記筒状部材の内部に流入することを特徴とするガスタービン。

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