JP2018100630A - メインノズル、燃焼器及びメインノズルの製造方法 - Google Patents

メインノズル、燃焼器及びメインノズルの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】フラッシュバックなどの異常燃焼により、メインノズルに火炎が付着して熱損傷するのを防止する。
【解決手段】パイロットノズルの外周側で周方向に間隔をあけて複数が設けられた燃焼器のメインノズル３４であって、軸線Ａｂに沿って延びるメインノズル本体３６と、メインノズル本体３６の外周面から軸線Ａｂの径方向に張り出して、軸線方向Ｄａｃの下流側に流れる流体を軸線回りに旋回させる旋回羽根３７と、メインノズル本体３６上に設けられ、旋回羽根３７の下流側であって、旋回羽根３７の翼腹面３７ａと翼背面３７ｂとの間の翼中心線の下流側端部の接線Ｌ上に配置されている複数の温度センサ４０と、を備えるメインノズル３４を提供する。
【選択図】図３

Description

本発明は、メインノズル、燃焼器及びメインノズルの製造方法に関する。
近年、ガスタービンの燃焼器においては、圧縮機から送られた圧縮空気（燃焼用空気）に予め燃料を混合して予混合気を生成して、この予混合気を燃焼させる予混合燃焼方式が広く用いられている。
この種の燃焼器としては、燃焼器の中心軸線上に設けられたパイロットノズルと、パイロットノズルと平行に配置された複数のメインノズルとを有するものが知られている。
ガスタービンの効率向上のためにはタービン入口温度の上昇が必要であるが、温度上昇に伴いＮＯｘが指数関数的に増加するという課題がある。ＮＯｘの増加に対する対策として、例えば、以下の特許文献１に開示されている燃焼器は、旋回流によって均一混合気を形成して局所的な高温領域の形成を抑制するメインノズルを備えている。
この燃焼器のメインノズルは、メインノズルの軸線に沿って延びる軸体であるメインノズル本体と、圧縮機から送り込まれた圧縮空気を旋回させる旋回羽根と、を備えている。
ところで、旋回が加えられた予混合気が燃焼する際、旋回流中心を火炎が遡上する現象（フラッシュバック）がしばしば生じることが知られている。フラッシュバックなどの異常燃焼が発生すると、メインノズルに火炎が付着し、熱損傷する恐れがあるため、この発生を抑えることが望まれている。
このような現象を抑制するために、メインノズルの先端に熱電対などの温度センサを設けて、温度センサの検出結果に基づいてタービンの車室内の圧縮空気を噴射するなどしてメインノズルの損傷を避ける技術が知られている。
特開２００６−３３６９９６号公報
しかしながら、温度センサをノズル先端に設けた場合においても、フラッシュバックの検知が遅れる場合があり、より詳細な温度監視が望まれている。
この発明は、詳細な温度監視により、フラッシュバックなどの異常燃焼により、メインノズルに火炎が付着して熱損傷するのを防止することができるメインノズル、このメインノズルを備える燃焼器、及びメインノズルの製造方法を提供することを目的とする。
本発明の第一の態様によれば、パイロットノズルの外周側で周方向に間隔をあけて複数が設けられた燃焼器のメインノズルであって、軸線に沿って延びるメインノズル本体と、前記メインノズル本体の外周面から前記軸線の径方向に張り出して、前記軸線方向の下流側に流れる流体を前記軸線回りに旋回させる旋回羽根と、前記メインノズル本体上に設けられ、前記旋回羽根の下流側であって、前記旋回羽根の翼腹面と翼背面との間の翼中心線の下流側端部の接線上に配置されている複数の温度センサと、を備える。
このような構成によれば、メインノズル本体の外面上に複数の温度センサを設けることによって、メインノズル本体の詳細な温度監視が可能となる。具体的には、複数の測定点によって面としての温度分布の把握が可能となる。
また、温度センサを流体の流速が遅くなる接線上に設けたことによって、旋回が加えられた予混合気が燃焼する際、フラッシュバックを検知しやすくなる。即ち、接線上では、流体の流速が遅くなるため、フラッシュバックの恐れが大きくなるが、当該箇所に温度センサを設けることによって、フラッシュバックの検知をし易くすることができる。
本発明の第二の態様によれば、燃焼器は、パイロットノズルと、上記複数のメインノズルと、を備える燃焼器を提供する。
本発明の第三の態様によれば、メインノズルの製造方法は、描画装置を用いて前記メインノズル本体に前記温度センサを直接描画する。
このような構成によれば、温度センサの薄型化が可能となる。これにより、温度センサによる流れの乱れを少なくすることができる。また、複数の温度センサを容易に形成することができる。
本発明によれば、メインノズル本体の外面上に複数の温度センサを設けることによって、メインノズル本体の詳細な温度監視が可能となる。具体的には、複数の測定点によって面としての温度分布の把握が可能となる。
また、温度センサを流体の流速が遅くなる接線上に設けたことによって、旋回が加えられた予混合気が燃焼する際、フラッシュバックを検知しやすくなる。即ち、接線上では、流体の流速が遅くなるため、フラッシュバックの恐れが大きくなるが、当該箇所に温度センサを設けることによって、フラッシュバックの検知をし易くすることができる。
本発明の実施形態のガスタービンの模式的全体側面図である。 本発明の実施形態のガスタービンの燃焼器周辺の拡大断面図である。 本発明の実施形態の燃焼器のメインノズルの側面図である。 本発明の実施形態のメインノズルに設けられる温度センサの配置を説明する概略図である。 本発明の実施形態の温度センサの概略図である。
以下、本発明の実施形態の燃焼器を備えるガスタービン（回転機械）について図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態のガスタービン１は、外気Ａｏを圧縮して圧縮空気Ａを生成する圧縮機２と、圧縮空気Ａ中で燃料Ｆを燃焼させて燃焼ガスＧを生成する複数の燃焼器３と、燃焼ガスＧにより駆動するタービン４と、を備えている。
圧縮機２は、ガスタービン軸線Ａｒを中心として回転する圧縮機ロータ６と、圧縮機ロータ６を回転可能に覆う圧縮機車室７と、複数の圧縮機静翼列８と、を有している。
なお、以下では、ガスタービン軸線Ａｒが延びる方向をガスタービン軸線方向Ｄａとする。また、ガスタービン軸線Ａｒを中心とした周方向を単に周方向Ｄｃとし、ガスタービン軸線Ａｒに対して垂直な方向を径方向Ｄｒとする。径方向Ｄｒで、ガスタービン軸線Ａｒから遠ざかる側を径方向外側とし、ガスタービン軸線Ａｒに近づく側を径方向内側とする。
圧縮機ロータ６は、ガスタービン軸線Ａｒに沿ってガスタービン軸線方向Ｄａに延びる圧縮機ロータ軸９と、圧縮機ロータ軸９に取り付けられている複数の圧縮機動翼列１０と、を有している。複数の圧縮機動翼列１０は、ガスタービン軸線方向Ｄａに並んでいる。各々の圧縮機動翼列１０は、いずれも、周方向Ｄｃに並んでいる複数の動翼で構成される。複数の圧縮機動翼列１０の各下流側には、圧縮機静翼列８が配置されている。各々の圧縮機静翼列８は、いずれも、圧縮機車室７の内側に固定されている。各々の圧縮機静翼列８は、いずれも、周方向Ｄｃに並んでいる複数の静翼で構成される。
タービン４は、ガスタービン軸線Ａｒを中心として回転するタービンロータ１１と、タービンロータ１１を回転可能に覆うタービン車室１２と、複数のタービン静翼列１３と、を有している。タービンロータ１１は、ガスタービン軸線Ａｒに沿ってガスタービン軸線方向Ｄａに延びるタービンロータ軸１４と、タービンロータ軸１４に取り付けられている複数のタービン動翼列１５と、を有している。
複数のタービン動翼列１５は、ガスタービン軸線方向Ｄａに並んでいる。各々のタービン動翼列１５は、いずれも、周方向Ｄｃに並んでいる複数の動翼で構成される。複数のタービン動翼列１５の各上流側には、タービン静翼列１３が配置されている。各々のタービン静翼列１３は、タービン車室１２の内側に固定されている。各々のタービン静翼列１３は、いずれも、周方向Ｄｃに並んでいる複数のタービン静翼５で構成されている。
ガスタービン１は、さらに、ガスタービン軸線Ａｒを中心として筒状の中間車室１６を備えている。中間車室１６は、ガスタービン軸線方向Ｄａで、圧縮機車室７とタービン車室１２との間に配置されている。圧縮機車室７、中間車室１６、タービン車室１２は、互いに接続されてガスタービン車室２１を成している。圧縮機ロータ６とタービンロータ１１とは、同一ガスタービン軸線Ａｒ上に位置し、互いに接続されてガスタービンロータ２０を成している。ガスタービンロータ２０には、例えば、発電機ＧＥＮのロータが接続されている。
燃焼器３は、圧縮機２で圧縮された圧縮空気Ａに対して燃料Ｆを供給することで、高温・高圧の燃焼ガスＧを生成するものである。複数の燃焼器３は、周方向Ｄｃに互いの間隔をあけて、中間車室１６に固定されている。
図２に示すように、燃焼器３は、圧縮空気Ａと共に燃料Ｆを噴射する燃料噴射器２６と、燃料噴射器２６を外周側から囲う内筒１７と、内筒１７の下流側に接続されてさらに下流側に延びる尾筒１８（燃焼器用尾筒）と、を有している。尾筒１８は、高温高圧の燃焼ガスＧをタービン車室１２内の燃焼ガス通路２２に送る。
燃料噴射器２６は、燃焼器軸線Ａｃ上に配置されているパイロットバーナ２７と、燃焼器軸線Ａｃを中心とする周方向（以下、燃焼器周方向Ｄｃｃと呼ぶ。）に等間隔で配置されている複数のメインバーナ２８と、筒状のバーナ保持筒２９と、中間車室１６に取り付けられる燃焼器トップフランジ３０と、燃焼器トップフランジ３０に固定されているノズル基台３１と、を有している。なお、以下では、燃焼器軸線Ａｃが延びる方向を燃焼器軸線方向Ｄａｃとする。
パイロットバーナ２７は、燃焼器軸線方向Ｄａｃに延びるパイロットノズル３３を有している。パイロットノズル３３の基端は、ノズル基台３１に固定されている。メインバーナ２８は、燃焼器軸線方向Ｄａｃに延びるメインノズル３４を有している。メインノズル３４の基端は、ノズル基台３１に固定されている。
バーナ保持筒２９は、パイロットバーナ２７及び複数のメインバーナ２８の外周側を覆っている。バーナ保持筒２９は、ノズル基台３１に固定されている。
燃焼器トップフランジ３０は、ノズル基台３１から燃焼器軸線Ａｃに対する放射方向に張り出している。燃焼器トップフランジ３０は、燃焼器軸線Ａｃ周りに環状を成している。
中間車室１６の外周側であって、中間車室１６に外周面に沿った領域には、図示されていないが、複数の燃焼器３に燃料Ｆを供給する複数の燃料配管や、冷却媒体をガスタービン１中で高温の燃焼ガスＧに接する高温部品に供給する複数の冷却媒体配管等が設けられている。
図３に示すように、メインバーナ２８は、メインノズル３４と、メインノズル３４の外周を覆うメインバーナ筒３５と、を有している。メインノズル３４は、燃焼器軸線Ａｃ（図２参照）と平行なバーナ軸線Ａｂ（軸線）に沿って延びる軸体であるメインノズル本体３６と、バーナ軸線Ａｂを中心として圧縮空気Ａを旋回させる複数の旋回羽根３７と、メインノズル本体３６上に設けられた複数の温度センサ４０と、を有している。
メインバーナ筒３５は、メインノズル３４に対して同心状で、かつ、メインノズル３４を囲繞する状態で配置されている。メインノズル本体３６の外周面とメインバーナ筒３５の内周面との間は、リング状の空気通路４５が形成される。空気通路４５には、上流側（図３では左側）から下流側（図３では右側）に向かい、圧縮空気Ａが流通する。
メインノズル３４の各々の旋回羽根３７は、メインノズル本体３６の外周面から径方向外側に張り出している。旋回羽根３７は、下流側に流通する予混合気をバーナ軸線Ａｂ回りに旋回させるように形成されている。
メインノズル本体３６は、下流側に設けられた尖形の先端部４６を有している。先端部４６は、下流側に向かうに従って漸次細くなっている。換言すれば、先端部４６は、下流側の先端に向かうに従って先細りとなるテーパ状に形成されている。
各々の旋回羽根３７には、燃料（ガス燃料）を噴射するための複数の燃料噴射孔３８が形成されている。メインノズル本体３６の内部には、旋回羽根３７の燃料噴射孔３８に燃料を供給する燃料流路（図示せず）が形成されている。
各々の旋回羽根３７の外周側端面（チップ）と、メインバーナ筒３５の内周面との間には、クリアランス４７（隙間）が設けられている。
旋回羽根３７の翼腹面３７ａは正圧であり、翼背面３７ｂは負圧で、翼背面３７ｂと翼腹面３７ａとの間に圧力差がある。このため、クリアランス４７を通って、翼腹面３７ａから翼背面３７ｂに回り込む、圧縮空気Ａの漏れ流れが生ずる。圧縮空気Ａの漏れ流れと、空気通路４５内をバーナ軸線Ａｂ方向に流通する圧縮空気Ａとが作用して、渦空気流が発生する。渦空気流により、燃料噴射孔３８から噴射されて蒸発し微粒化した燃料と圧縮空気Ａとがより効果的に混合され、予混合気の均一化が促進される。
温度センサ４０は、二種類の金属線の先端同士を接触させて回路を作り、接合点（測定点）に発生する熱起電力を通じて温度差を測定する熱電対である。
各々の温度センサ４０は、温度を測定する箇所である測定点４１と、第一金属線部４２と第二金属線部４３（図５参照）と、を有している。測定点４１は、第一金属線部４２と第二金属線部４３との接合点である。
ここで、発明者らは、メインノズル本体３６上で、旋回羽根３７の翼腹面３７ａと翼背面３７ｂ（図４参照）との間の翼中心線Ｍの延長線上においては、流体の流速が遅くなることを見出した。
図４に示すように、複数の測定点４１は、旋回羽根３７の下流側であって、旋回羽根３７の翼腹面３７ａと翼背面３７ｂとの間の翼中心線Ｍの下流側端部Ｍ１の接線Ｌ上に配置されている。複数の測定点４１は、接線Ｌ上に燃焼器軸線方向Ｄａｃに間隔をあけて設けられている。接線Ｌは、メインノズル本体３６の外面上で燃焼器軸線方向Ｄａｃに延びる仮想線である。接線Ｌは、バーナ軸線Ａｂを中心として螺旋状に形成されている。接線Ｌの本数は、旋回羽根３７の数に対応している。
測定点４１の燃焼器軸線方向Ｄａｃでの間隔は、バーナ軸線Ａｂを中心とする周方向に隣り合う接線Ｌ同士の間隔と同程度とすることが好ましい。これにより、周方向に隣り合う測定点４１同士の間隔と、燃焼器軸線方向Ｄａｃに隣り合う測定点４１同士の間隔が同程度となる。これにより、測定点４１が、メインノズル本体３６の外面上に均等に配置される。
次に、温度センサ４０の詳細について説明する。
図５に示すように、温度センサ４０の複数の測定点４１は、接線Ｌに沿って配置されている。第一金属線部４２は、接線Ｌ上に延在している。第二金属線部４３は、各々の測定点４１から接線Ｌと交差する方向に延在した後、接線Ｌに沿って延在している。即ち、複数の温度センサ４０では、複数の測定点４１に対して第一金属線部４２は共通である。
第一金属線部４２及び第二金属線部４３の線幅は、例えば、２５０μｍとすることができる。また、第一金属線部４２及び第二金属線部４３の厚さは、例えば、２５μｍとすることができる。
第一金属線部４２及び第二金属線部４３を構成する金属としては、高温測定に適した白金や、白金ロジウム合金を用いることが好ましい。
複数の温度センサ４０は、図示しない測定器と接続されている。使用者は、測定器を介して、複数の温度センサ４０によって測定されるメインノズル本体３６のメタル温度を把握することができる。
次に、メインノズル３４の製造方法について説明する。
本実施形態のメインノズル３４の製造方法は、メインノズル本体３６を製造するメインノズル本体製造工程と、温度センサ４０を形成する温度センサ形成工程と、を有している。
温度センサ形成工程では、温度センサ４０は、第一金属線部４２、及び第二金属線部４３を直接描画する描画装置を用いて形成することができる。描画装置は、線状の金属を連続的に配置することができる装置、例えば、溶接ロボットや、金属用３Ｄ（三次元）プリンタを採用することができる。ＬＭＤ（レーザ・メタル・デポジション、Ｌａｓｅｒ Ｍｅｔａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、以下ＬＭＤと呼ぶ。）装置などの溶接装置も採用することができる。
温度センサ形成工程では、温度センサ４０を構成する第一金属線部４２及び第二金属線部４３が、メインノズル本体３６上に直接描画される。
次に、本実施形態のガスタービン１の動作及び作用について説明する。
圧縮機２は、外気Ａｏを吸い込んでこれを圧縮する。圧縮機２で圧縮された空気は、燃焼器３のメインバーナ２８及びパイロットバーナ２７内に導かれる。メインバーナ２８及びパイロットバーナ２７には、燃料供給源から燃料が供給される。メインバーナ２８は、燃料と空気と予混合した予混合気体を、
尾筒１８内に噴出する。予混合気体は、尾筒１８内で予混合燃焼する。また、パイロットバーナ２７は、尾筒１８内に、燃料と空気とをそれぞれ噴出する。この燃料は、尾筒１８内で拡散燃焼または予混合燃焼する。尾筒１８内での燃料の燃焼で発生した高温高圧の燃焼ガスＧは、タービン４の燃焼ガス通路２２内に導かれ、タービンロータ１１を回転させる。
メインバーナ筒３５には、圧縮機２で圧縮された圧縮空気Ａがその上流端から導入される。圧縮空気Ａは、メインバーナ筒３５内の複数の旋回羽根３７よりバーナ軸線Ａｂを中心として旋回する。燃料は、複数の旋回羽根３７の燃料噴射孔３８からメインバーナ筒３５内に噴射される。
旋回羽根３７から噴射された燃料と、旋回しつつ下流側に流れる圧縮空気Ａとは、メインバーナ筒３５内で予混合された後、予混合気としてメインバーナ筒３５の下流端から尾筒１８内に噴出される。
複数の旋回羽根３７の燃料噴射孔３８からメインバーナ筒３５内に噴射された燃料は、複数の旋回羽根３７により形成される旋回流により、圧縮空気Ａとの混合が促進される。また、予混合気は、メインバーナ筒３５から旋回しつつ尾筒１８内に噴出することにより、この予混合気の燃焼により形成される予混合火炎の保炎効果が高まる。
上記実施形態によれば、メインノズル本体３６の外面上に複数の温度センサ４０を設けることによって、メインノズル本体３６の詳細な温度監視が可能となる。具体的には、複数の測定点４１によって面としての温度分布の把握が可能となる。
また、測定点４１を流体の流速が遅くなる接線Ｌ上に設けたことによって、旋回が加えられた予混合気が燃焼する際、フラッシュバックを検知しやすくなる。即ち、接線上Ｌでは、流体の流速が遅くなるため、フラッシュバックの恐れが大きくなるが、当該箇所に測定点４１を設けた温度センサ４０とすることによって、フラッシュバックの検知をし易くすることができる。
また、メインノズル本体３６の先端ではなく、メインノズル本体３６の外面上に複数の測定点４１を配置したことによって、従来と比較してフラッシュバックの検知を高速化することができる。
また、温度センサ４０を描画装置を用いてメインノズル本体３６に直接描画することによって、温度センサ４０の薄型化が可能となる。これにより、温度センサによる流れの乱れを少なくすることができる。また、複数の温度センサ４０を容易に形成することができる。また、温度センサ４０を構成する第一金属線部４２、第二金属線部４３の幅を細くすることができる。
また、複数の測定点４１に対して第一金属線部４２を共通とすることによって、温度センサ４０に必要なスペースを少なくすることができる。
以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
なお、上記実施形態では、温度センサ４０として熱電対を採用したが、これに限らず、メインノズル本体３６の面上に配置できるものであれば周知のいかなるものであっても良い。
１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン
６ 圧縮機ロータ
９ 圧縮機ロータ軸
１１ タービンロータ
１４ タービンロータ軸
１７ 内筒
１８ 尾筒
２０ ガスタービンロータ
２１ ガスタービン車室
２６ 燃料噴射器
２７ パイロットバーナ
２８ メインバーナ
３３ パイロットノズル
３４ メインノズル
３５ メインバーナ筒
３６ メインノズル本体
３７ 旋回羽根
３７ａ 翼腹面
３７ｂ 翼背面
３８ 燃料噴射孔
４０ 温度センサ
４１ 測定点
４２ 第一金属線部
４３ 第二金属線部
Ａ 圧縮空気
Ａｂ バーナ軸線（軸線）
Ａｃ 燃焼器軸線
Ａｒ ガスタービン軸線
Ｄａ ガスタービン軸線方向
Ｄａｃ 燃焼器軸線方向（軸線方向）
Ｄｃ 周方向
Ｄｃｃ 燃焼器周方向
Ｄｒ 径方向
Ｇ 燃焼ガス
Ｍ 翼中心線
Ｍ１ 下流側端部
Ｌ 接線

Claims (3)

  1. パイロットノズルの外周側で周方向に間隔をあけて複数が設けられた燃焼器のメインノズルであって、
    軸線に沿って延びるメインノズル本体と、
    前記メインノズル本体の外周面から前記軸線の径方向に張り出して、前記軸線方向の下流側に流れる流体を前記軸線回りに旋回させる旋回羽根と、
    前記メインノズル本体上に設けられ、前記旋回羽根の下流側であって、前記旋回羽根の翼腹面と翼背面との間の翼中心線の下流側端部の接線上に配置されている複数の温度センサと、を備えるメインノズル。
  2. パイロットノズルと、
    前記パイロットノズルの外周側で周方向に間隔をあけて複数が設けられた請求項１に記載のメインノズルと、を備える燃焼器。
  3. 請求項１に記載のメインノズルの製造方法であって、
    描画装置を用いて前記メインノズル本体に前記温度センサを直接描画するメインノズルの製造方法。
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