JP2020060119A - ガスタービン燃焼器及びガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器尾筒とタービン静翼の間の隙間からのリーク空気を活かしてタービンの初段の静翼エンドウォールの冷却効率を向上させることができるガスタービン燃焼器及びガスタービンを提供する。【解決手段】燃焼ガスＨをタービンに供給する燃焼器尾筒１６を備え、燃焼器尾筒とタービンの入口との間に隙間を介在させて組み付けられるガスタービン燃焼器において、燃焼器尾筒の出口部に接続されるフランジ１９に複数のシェイプト孔２３，２４を設ける。【選択図】図７

Description

本発明はガスタービン燃焼器及びガスタービンに関する。

ガスタービンは、圧縮機で圧縮した圧縮空気を燃焼器で燃料と共に燃焼させて高温の作動流体である燃焼ガスを発生させ、燃焼ガスでタービンを駆動するように構成されている（特許文献１等参照）。

特開２００２−８９８４２号公報

高温の燃焼ガスに晒されるタービンの部品は、酸化又は熱応力による亀裂や溶損が発生しないように、燃焼ガスよりも温度が低い低温流体を冷却空気に用いて冷却する必要がある。また、タービンの部品には、熱変形による応力集中を緩和する他、保守点検や交換を容易にする目的で、分割構造が採用されることが多い。このことから、部品間の隙間に燃焼ガスが流入しないように、燃焼ガス流路の外側から部品間の隙間にシール空気として高圧の低温流体を供給する必要がある。しかし、冷却空気やシール空気としてタービンに供給する低温流体は一般に圧縮機から抽気されるので、過剰に抽気量を増やすとタービンを駆動する燃焼ガスの流量が減少しガスタービン全体の効率低下につながる。そのため、タービンの部品間の隙間にはシールプレートが架け渡されている。但し、これらシールプレートはタービンの部品間の隙間を完全に密閉する訳ではなく、タービン部品との間に微小な低温流体のリークを発生させ、このリーク空気がシールプレートやタービン部品の冷却に貢献する。

しかし、環境問題の深刻化に伴って高効率化が急務となる発電用ガスタービンにあっては燃焼ガス温度（タービン入口温度）が年々上昇しており、タービン部品、例えば燃焼器の直ぐ下流に位置するタービンの初段静翼の熱負荷が増加しつつある。特に燃焼器尾筒との間に隙間が介在するタービン初段の静翼エンドウォールは薄肉で冷却構造を適用することが難しい。燃焼器尾筒との間の隙間からのリーク空気が静翼エンドウォールのフィルム冷却に活用できるが、この付近は馬蹄形渦等の二次流れの影響を強く受ける複雑な流れ場であり、安定したフィルム冷却膜が形成し難い。

本発明の目的は、燃焼器尾筒とタービン静翼の間の隙間からのリーク空気を活かしてタービンの初段の静翼エンドウォールの冷却効率を向上させることができるガスタービン燃焼器及びガスタービンを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、燃焼ガスをタービンに供給する燃焼器尾筒を備え、前記燃焼器尾筒と前記タービンの入口との間に隙間を介在させて組み付けられるガスタービン燃焼器において、前記燃焼器尾筒の出口部に接続されるフランジに複数のシェイプト孔を設ける。

本発明によれば、燃焼器尾筒とタービン静翼の間の隙間からのリーク空気を活かしてタービンの初段の静翼エンドウォールの冷却効率を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係るガスタービン燃焼器を適用するガスタービンの一例の模式図 本発明の一実施形態に係るガスタービン燃焼器とタービンの接続部との断面図 本発明の一実施形態に係るガスタービン燃焼器に備えられた燃焼器尾筒をタービン側から見た後面図 図３中のIV−IV線による矢視断面図 図３中の矢印Ｖによる矢視図 図３中の矢印VIによる矢視図 図５中のVII−VII線による矢視断面図 図３に示した燃焼器尾筒の後縁部をタービン初段の静翼と共に表した図

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

−ガスタービン−
図１は本発明の一実施形態に係るガスタービン燃焼器を適用するガスタービンの一例の模式図である。本実施形態では、ガスタービン燃焼器を燃焼器と略称する。図１に示したガスタービン１００は、圧縮機５１、燃焼器５２及びタービン５３を備えている。圧縮機５１は、吸気部を介して吸い込んだ空気Ａを圧縮し、高圧の圧縮空気Ｃを生成して燃焼器５２に供給する。燃焼器５２は、圧縮機５１で圧縮した圧縮空気Ｃを燃料と共に燃焼し、高温の燃焼ガスＨを発生させてタービン５３に供給する。タービン５３は、燃焼器５２で発生した燃焼ガスＨで駆動される。圧縮機５１及びタービン５３は同軸に連結され、また圧縮機５１又はタービン５３には負荷機器（本実施形態では発電機５４）が連結される。タービン５３で得られる回転動力は、一部が圧縮機５１の動力として使用され、一部が発電機５４の動力として使用される。タービン５３を駆動した燃焼ガスＨは、排気ガスＥとしてタービン５３から排出される。

なお、図１では単軸のガスタービンを本発明の適用対象として例示したが、他のタイプのガスタービンにおいても燃焼器尾筒に本発明を適用した場合には同様の効果を得ることができる。例えば、圧縮機に連結された高圧タービン、及び高圧タービンと分離されて負荷機器に連結された低圧タービンを有する二軸ガスタービンにも本発明は適用可能であり、同様の効果を得ることができる。

−燃焼器−
図２は本実施形態に係る燃焼器とタービンの接続部の断面図（タービン回転軸を含む断面図）である。図２に示したように、燃焼器５２は、燃焼ガスＨをタービン５３に供給する燃焼器尾筒１６を備えている。この燃焼器尾筒１６は、タービン５３の入口との間に隙間Ｓを介在させて組み付けられている。タービン５３は、静翼翼列５５及び動翼翼列５６を一列ずつ含むタービン段落５７を少なくとも１段備えている。同一の段落においては、タービン軸方向の上流側から順に静翼翼列５５及び動翼翼列５６が並んでいる。本実施形態においては複数のタービン段落５７を備える場合を図示しており、初段（第１段落）の静翼翼列５５と動翼翼列５６に符号を付して説明するが、第２段落以降の静翼翼列及び動翼翼列も概ね同様の構成である。

静翼翼列５５はタービン周方向（タービン回転方向）に並ぶ複数の静翼を含んで環状に構成されており、タービン周方向に複数のセグメント（図８）に分割されている。動翼翼列５６もタービン周方向に並ぶ複数の動翼を含んで構成されている。静翼翼列５５の１つのセグメントは、内周側及び外周側の２枚の静翼エンドウォール１７及び少なくとも１つの翼部１８を有している（図８も参照）。静翼エンドウォール１７は、静翼翼列５５における燃焼ガス流路（燃焼ガスＨが流通する環状の流路）の内外周を画定する薄板状の部材である。翼部１８は、燃焼ガスＨを整流する役割を果たすものであって、タービン径方向に延びて内外周の静翼エンドウォール１７を連結している。外周側の静翼エンドウォール１７をタービンケーシング１５に係合させることで、静翼翼列５５はタービンケーシング１５に対して固定されている。動翼翼列５６は、ディスク１３の外周部に複数の動翼１２を取付けて構成されている。動翼翼列５６における環状の燃焼ガス流路は、外周側がシュラウド１４により、内周側がディスク１３の外周面で画定されている。シュラウド１４は、タービン周方向に複数のセグメントに分割されており、各セグメントがタービンケーシング１５に対して固定されている。

−シール機構−
図２に示したように、タービン初段の内外周の静翼エンドウォール１７の前縁と燃焼器尾筒１６の後縁は、上記の隙間Ｓを介してタービン軸方向に対向している。燃焼器尾筒１６の後縁と静翼エンドウォール１７の前縁との間の隙間Ｓは、シール部材６でシールしてある。

燃焼器尾筒１６は本体部における燃焼ガスの出口部にフランジ１９を備えており、フランジ１９が静翼エンドウォール１７に対向する。このフランジ１９は額縁とも呼ばれ、燃焼器尾筒本体の出口部に接続（接合）されて本体と一体に構成されている。フランジ１９は弓形の矩形状に形成されており、タービン周方向に燃焼器尾筒１６が複数配置されると、各フランジ１９の出口開口が周方向に並んで環状に形成される。また、フランジ１９には上記シール部材６を保持する突起部２０が備わっている。突起部２０はフランジ１９のタービン径方向の内外の周壁から燃焼ガス流路と反対側に延びている。つまりフランジ１９におけるタービン径方向の外側の突起部２０は、フランジ１９におけるタービン径方向の外側を向いた壁面からタービン径方向外側に突出している。反対にフランジ１９におけるタービン径方向の内側の突起部２０は、フランジ１９におけるタービン径方向の内側を向いた壁面からタービン径方向内側に突出している。

前述したように、静翼エンドウォール１７は燃焼ガス流路の内外周を画定しており、燃焼ガス流路を流れる高温の燃焼ガスＨと、燃焼ガス流路の外側の空間を満たす低温流体Ｌとを隔てている。これら静翼エンドウォール１７は、燃焼器尾筒１６との対向面にシール溝２１を有している。シール溝２１はタービン周方向に延びると共に燃焼器尾筒１６に向かって開口している。

前述したシール部材６は、例えば板材を曲げ加工して形成した部材であり、フック部７とシールプレート部８とを備えている。フック部７はＵ字状に曲成されており、燃焼器尾筒１６のフランジ１９の突起部２０に被せられて突起部２０を抱え込む。このフック部７の内壁面は突起部２０に接触するか又は突起部２０との間に僅かな間隙が介在する。シールプレート部８はフック部７の後縁から静翼エンドウォール１７に向かってタービン軸方向に延在する部分であり、静翼エンドウォール１７のシール溝２１に挿入され、燃焼器尾筒１６（フランジ１９）と静翼エンドウォール１７との間の隙間Ｓを跨ぐ。シール部材６のフック部７で燃焼器尾筒１６の突起部２０の周囲がシールされ、シールプレート部８で隙間Ｓがシールされる。但し、これらシール部材６は隙間Ｓを完全に密閉する訳ではなく、隙間Ｓに微小な低温流体Ｌのリークを発生させる。このリーク空気Ｌ’はタービン初段の静翼エンドウォール１７等の冷却に活用される。

−初段静翼エンドウォールの冷却機構−
図３は本実施形態に係る燃焼器に備えられた燃焼器尾筒をタービン側から見た後面図である。図４は図３中のIV−IV線による矢視断面図、図５は図３中の矢印Ｖによる矢視図、図６は図３中の矢印VIによる矢視図、図７は図５中のVII−VII線による矢視断面図である。また図８は図３に示した燃焼器尾筒の後縁部をタービン初段の静翼と共に表した図である。図８、図５及び図６は燃焼ガス流路から見た図である。これらの図において、説明済みの要素については既出図面と同符号を付して適宜説明を省略する。

燃焼器尾筒１６は、前述したフランジ１９の他、複数のシェイプト孔２３，２４（図５−図８）及びその他の冷却孔２５（図５−図７）を備えている。冷却孔２５は燃焼器尾筒１６を冷却するためのもので、燃焼器尾筒１６の外周面に広く分布して多数設けられており、それぞれ燃焼器尾筒１６の周壁を貫通している。燃焼器尾筒１６の外側を流れる低温流体Ｌが、これら冷却孔２５を通って燃焼器尾筒１６の内側に流入する。冷却孔２５を設置する目的は、内部を流通する低温流体Ｌにより燃焼器尾筒１６のメタル温度を抑制することにある。対して、シェイプト孔２３，２４は、燃焼器尾筒１６ではなく、タービン初段の静翼エンドウォール１７を冷却することを目的として冷却孔２５とは別に設置されたものである。冷却孔２５は直交断面が円形であるのに対し、シェイプト孔２３，２４は直交断面が非円形であり、シェイプト孔２３，２４の出口開口は前縁（燃焼ガスの流れ方向の上流側）に対して後縁（同下流側）が幅広な形状（本例では台形状）をしている。

シェイプト孔２３，２４は、冷却孔２５と異なり燃焼器尾筒１６のフランジ１９にのみ設けられている。これらシェイプト孔２３，２４は、冷却対象であるタービン初段の内外の静翼エンドウォール１７に対応して、フランジ１９におけるタービン径方向の内側及び外側の周壁に配置されている。本実施形態ではフランジ１９におけるタービン径方向の内側の周壁に設けたシェイプト孔２３，２４を図示しているが、タービン径方向の外側の周壁に設けたシェイプト孔２３，２４も同様の構成である。図６に示したようにフランジ１９のタービン周方向を向いた側壁にシェイプト孔２３，２４は設けられていない。同図の領域Ｘは、フランジ１９の周壁のコーナー（タービン径方向の内側の周壁と側壁とでなるコーナー）の内壁のＲ部分である。

シェイプト孔２３，２４はそれぞれタービン周方向に並んで列を形成している。つまりシェイプト孔２３，２４によりタービン軸方向に複数の列（本実施例では２列）が形成されており、シェイプト孔２３の列のタービン５３側に更にシェイプト孔２４の列が存在している。これらタービン軸方向に隣り合う列同士でシェイプト孔の位置はタービン周方向にずれている（つまりシェイプト孔２３，２４の位置がタービン周方向にずれている）。本実施形態ではシェイプト孔２３，２４のピッチは同一であり、シェイプト孔２３がシェイプト孔２４に対してタービン周方向に半ピッチずれた構成を例示している。また、シェイプト孔２３，２４の列は、フランジ１９の内壁のうちのタービン径方向の内外の壁面におけるタービン周方向の実質全域をカバーしている。

図７に示したように前述した冷却孔２５は、燃焼器尾筒１６の外側から内側に向かって（燃焼ガス流路に向かって）タービン５３側に傾斜している。シェイプト孔２３，２４は、フランジ１９の外周側から内周側に向かってタービン５３側に、この冷却孔２５よりも大きな角度で傾斜している。つまり、フランジ１９の内壁面の法線に対するタービン周方向から見た冷却孔２５の傾斜角度をβ（図７）とすると、同様に採ったシェイプト孔２３，２４の傾斜角度αは傾斜角度βよりも大きい（例えば７５°より大きい）。こうしてシェイプト孔２３，２４をタービン軸方向に長く延ばし、タービン軸方向におけるシェイプト孔２３，２４の少なくとも一部の位置範囲を突起部２０と重複させてある。特にタービン５３に最も近い列に属するシェイプト孔２４は突起部２０を跨いで延在しており、シェイプト孔２４の後縁は突起部２０の後縁（後面）よりもタービン５３に近く、出口がタービン初段の静翼エンドウォール１７に接近している。

なお、タービン軸方向における突起部２０との位置範囲の重複がシェイプト孔２４に比べて少ないシェイプト孔２３は、フランジの周壁（突起部２０を除く薄板部分）に入口が開口するレイアウトである。そのため、制作上の都合でシェイプト孔２３の傾斜角度α’はシェイプト孔２４の傾斜角度αよりも幾分小さくなり得るが、冷却孔２５の傾斜角度βよりは十分に大きい。本実施形態においては、タービン周方向から見てシェイプト孔２３の出口側を図７に示したようにタービン５３側に広げ、傾斜角度α，α’に差が生じてもシェイプト孔２３，２４から噴出する低温流体Ｌ”の噴出角度が差を抑えられるようにしてある。

−動作−
ガスタービンの運転中、圧縮機５１の圧縮空気流路（不図示）から圧縮空気が一部抽気され、シール空気や冷却空気として各所に供給される。燃焼器尾筒１６の周囲の空間にも、例えば圧縮機５１の出口から吐出された圧縮空気が高圧の低温流体Ｌとして供給される。燃焼器尾筒１６の周囲の空間に低温流体Ｌが供給されると、燃焼ガス流路の内外の圧力差によってシール部材６が燃焼ガス流路側に押し付けられて燃焼器尾筒１６とタービン初段の静翼エンドウォール１７との間の隙間Ｓをシールする。同時に、シール部材６でシールしきれないリーク空気Ｌ’が隙間Ｓから燃焼ガス流路に流入する。また、タービン初段の静翼エンドウォール１７の直ぐ上流側の位置において、シェイプト孔２３，２４から燃焼ガスＨの流れに倣うようにして低温流体Ｌ”が燃焼ガス流路に流入する。これらシェイプト孔２３，２４から噴出した低温流体Ｌ”は燃焼ガス流路内においてフランジ１９の内壁面に沿って流れ、隙間Ｓから燃焼ガス流路に漏れ出すリーク空気Ｌ’に合流してタービン初段の静翼エンドウォール１７を覆うフィルム冷却膜を形成する。

−効果−
（１）本願発明者等の実験では、燃焼器尾筒１６（フランジ１９）と静翼エンドウォール１７との間の隙間Ｓからのリーク空気Ｌ’のみでは、フィルム冷却効果が隙間Ｓの直ぐ下流の領域に限定され、翼部１８の前縁や正圧面の付近まで及ばなかった。それに対し、本実施形態のようにフランジ１９にシェイプト孔２３，２４を設けて同様に試験したところ、フィルム冷却効果の及ぶ範囲がタービン初段の静翼エンドウォール１７における翼部１８の前縁や正圧面の付近まで広がることが知見された。静翼エンドウォール１７の直ぐ上流側の位置にシェイプト孔２３，２４を設けたことで、シェイプト孔２３，２４から噴出して壁面に沿って流れる低温流体Ｌ”により静翼エンドウォール１７の表面付近の渦構造を弱められたためと考えられる。隙間Ｓからのリーク空気Ｌ’のみの場合に比べ、同程度の空気流量であっても隙間Ｓとシェイプト孔２３，２４から分配して噴出させた方が、静翼エンドウォール１７の広範囲で冷却性能が向上した。以上のように、本実施形態によれば、隙間Ｓからのリーク空気Ｌ’を活かしてタービンの初段の静翼エンドウォール１７の冷却効率を向上させることができる。

（２）シェイプト孔２３，２４は大きな傾斜角度αで傾斜しており、また出口開口が前縁に対して後縁が幅広の形状であるため、フランジ１９の内壁面に沿って低温流体Ｌ”を噴出させることができ、フィルム冷却膜を効果的に形成することができる。

（３）シェイプト孔２３，２４をフランジ１９におけるタービン径方向の内周側及び外周側においてタービン周方向に並べて配置したことにより、タービン径方向の内外の静翼エンドウォール１７の直ぐ上流にシェイプト孔２３，２４の列を設けることができる。これにより静翼エンドウォール１７の概ね全幅をフィルム冷却膜でカバーすることができ、効果的である。

なお、本実施形態ではフランジ１９におけるタービン径方向の内周側及び外周側の双方の周壁にシェイプト孔２３，２４を設けた構成を説明した。しかし、シェイプト孔２３，２４が全く存在しない従来構造に比べてフィルム冷却効果を向上させる上では、タービン径方向の内周側及び外周側のうちのいずれか一方側のシェイプト孔２３，２４を省略しても良い。

（４）シェイプト孔２３，２４を千鳥状に配置したことで、シェイプト孔２３，２４から噴き出す低温流体Ｌ”によるフィルム冷却膜のタービン周方向の分布を均一化することができる。これによりシェイプト孔を単列で形成した場合に比べて安定したフィルム冷却膜を形成することができる。

但し、基本的な上記効果（１）を得る限りにおいては、シェイプト孔２３の列とシェイプト孔２４の列のいずれか一方を省略しても良い。反対にシェイプト孔の列を３列以上にしても良い。

（５）シェイプト孔２４の後縁が突起部２０の後縁よりもタービンに近く、タービン初段の静翼エンドウォール１７にシェイプト孔２３，２４が接近した構成としたことで、静翼エンドウォール１７の直ぐ上流から低温流体Ｌ”を噴出させることができる。これにより低温流体Ｌ”及びリーク空気Ｌ’によるフィルム冷却膜を静翼エンドウォール１７のより極力広範囲に形成することができる。

但し、上記効果（１）を得る限りでは、シェイプト孔２４の後縁が突起部２０の後縁よりもタービンに近い構成でなくとも、タービン軸方向においてフランジ１９と位置範囲が重複する程度に静翼エンドウォール１７にシェイプト孔２４が接近していれば良い。また、シェイプト孔２４に加えてシェイプト孔２３の出口開口の後縁が突起部２０よりタービン５３に近い構成であっても何ら問題ない。

６…シール部材、１６…燃焼器尾筒、１７…静翼エンドウォール、１９…フランジ、２０…突起部、２３，２４…シェイプト孔、２５…冷却孔、５１…圧縮機、５２…ガスタービン燃焼器、５３…タービン、１００…ガスタービン、Ａ…空気、Ｃ…圧縮空気、Ｈ…燃焼ガス、Ｓ…隙間、α，α’…シェイプト孔の傾斜角度、β…冷却孔の傾斜角度

Claims (9)

1. 燃焼ガスをタービンに供給する燃焼器尾筒を備え、前記燃焼器尾筒と前記タービンの入口との間に隙間を介在させて組み付けられるガスタービン燃焼器において、
   前記燃焼器尾筒の出口部に接続されるフランジに複数のシェイプト孔を設けたガスタービン燃焼器。
2. 請求項１のガスタービン燃焼器において、
   前記フランジが、シール部材を保持する突起部を備えており、
   前記複数のシェイプト孔が、タービン軸方向における位置範囲が前記突起部と重複するように前記フランジに形成されているガスタービン燃焼器。
3. 請求項１のガスタービン燃焼器において、前記複数のシェイプト孔の出口開口が、前縁に対して後縁が幅広な形状であるガスタービン燃焼器。
4. 請求項１のガスタービン燃焼器において、
   前記燃焼器尾筒に前記燃焼器尾筒の冷却用の冷却孔が複数設けてあり、
   前記複数のシェイプト孔が、前記フランジの外周側から内周側に向かって前記タービンの側に、前記冷却孔よりも大きな角度で傾斜しているガスタービン燃焼器。
5. 請求項１のガスタービン燃焼器において、前記複数のシェイプト孔が、前記フランジにおけるタービン径方向の内周側及び外周側の少なくとも一方側に配置されているガスタービン燃焼器。
6. 請求項１のガスタービン燃焼器において、前記複数のシェイプト孔が、タービン周方向に並んでいるガスタービン燃焼器。
7. 請求項１のガスタービン燃焼器において、前記複数のシェイプト孔が、タービン軸方向に複数列設けられており、タービン軸方向に隣り合う列同士で前記シェイプト孔の位置がタービン周方向にずれているガスタービン燃焼器。
8. 請求項７のガスタービン燃焼器において、
   前記フランジが、シール部材を保持する突起部を備えており、
   少なくとも前記タービンに最も近い列に属するシェイプト孔の後縁が、前記突起部の後縁よりも前記タービンに近いガスタービン燃焼器。
9. 空気を圧縮する圧縮機と、
   請求項１のガスタービン燃焼器と、
   前記ガスタービン燃焼器で発生した燃焼ガスで駆動されるタービンと、
   前記燃焼器尾筒とタービン初段の静翼エンドウォールとの間の隙間をシールするシール部材とを備えているガスタービン。

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