JP2020139671A - ガスタービン燃焼器及びガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】バーナの構造材に形成したキャビティの溶接部に作用する熱応力を軽減する。【解決手段】バーナが、複数の燃料ノズルに燃料を分配するキャビティを含んで構成されており、上記キャビティが、上記バーナの構造材に形成され開口部に段差を有する溝と、上記段差に嵌め込まれて上記溝を塞ぐ蓋とで画定されており、上記蓋は、上記溝の開口部をカバーするウェブと、上記溝の深さ方向に伸びて上記段差に収まるフランジとで断面がＬ字型に形成されると共に、上記構造材に対して溶接されており、上記溝に直交する断面で見て、上記キャビティの側面を構成する上記フランジの内面である蓋側内面は、上記キャビティの側面を構成する上記溝の内面である溝側内面と面一であり、上記キャビティの天井面を構成する上記ウェブの内面と上記蓋側内面とに挟まれた上記キャビティの第１のコーナーから、上記蓋側内面と上記溝側内面との境界が離れている。【選択図】図６

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。

ガスタービンの燃焼器は、圧縮機から吐出された圧縮空気と共に燃料を燃焼室で燃焼させ、生成した燃焼ガスをタービンに供給する。通常、燃焼室には複数の燃料ノズルから燃料が噴射されるため、バーナの構造材には各燃料ノズルに燃料を分配するキャビティ（マニホールド）が備わっている場合がある（特許文献１等参照）。

特開２００８−０２５９１０号公報

バーナの構造材は圧縮機から供給される圧縮空気に触れる。圧縮機から供給される圧縮空気は高温（４５０度程度）である。それに対し、キャビティに供給される燃料は常温（十数度程度）であり、圧縮空気との温度差が大きい。そのためキャビティの付近では圧縮空気と燃料との温度差による熱応力が構造材に作用する。燃料を予め温めてキャビティに供給することで構造材の熱応力を軽減することはできるが、燃料の加熱に設備及びエネルギーを要する。

ところで、キャビティは、例えばバーナの構造材に凹部を設け、この凹部に平板状の蓋をすることで形成される。この場合、構造材と蓋との取り合い部分をインロー構造とすると、断面において構造材と蓋との接触面がＬ字型となる。蓋は構造材に対して溶接し強固に固定する必要があるが、構造材と蓋とのＬ字型の接触面が一部溶け残ると、接合されていない接触面がキャビティのコーナーに臨んだ状態となる。接合されていない接触面は言わば亀裂のような存在であり、キャビティの壁面でも特に熱応力が集中するコーナーに亀裂があることで、亀裂を介して溶接部に大きな応力が作用する。

本発明の目的は、バーナの構造材に形成したキャビティの溶接部に作用する熱応力を軽減す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、圧縮機から吐出される圧縮空気に燃料を混合して燃焼し、生成した燃焼ガスをタービンに供給するガスタービン燃焼器であって、内側に燃焼室を形成する内筒と、前記内筒を覆い前記内筒との間に前記圧縮空気が流れる円筒状の外周流路を形成する外筒と、前記外筒の前記タービンと反対側の端部に装着されて前記燃焼室に臨むバーナとを備え、前記バーナが、燃料を噴射する複数の燃料ノズル、及び前記複数の燃料ノズルに燃料を分配するキャビティを含んで構成されており、前記キャビティが、前記バーナの構造材に形成され開口部に段差を有する溝と、前記段差に嵌め込まれて前記溝を塞ぐ蓋とで画定されており、前記蓋は、前記溝の底面に対向し前記溝の開口部をカバーするウェブと、前記ウェブの縁部から前記溝の深さ方向に伸びて前記段差に収まるフランジとで断面がＬ字型又はＵ字型に形成されると共に、前記構造材に対して溶接により接合されており、前記溝に直交する断面で見て、前記キャビティの側面を構成する前記フランジの内面である蓋側内面は、前記キャビティの側面を構成する前記溝の内面である溝側内面と面一であり、前記キャビティの天井面を構成する前記ウェブの内面と前記蓋側内面とに挟まれた前記キャビティの第１のコーナーから、前記蓋側内面と前記溝側内面との境界が離れているガスタービン燃焼器を提供する。

本発明によれば、バーナの構造材に形成したキャビティの溶接部に作用する熱応力を軽減することができる。

本発明の第１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プラントの一例の概略構成図 本発明の第１実施形態に係るガスタービン燃焼器の概略構成図 図２に示したガスタービン燃焼器の要部を表す概略構成図 図２に示したガスタービン燃焼器のエンドカバーの概略構成図 図４中のＶ−Ｖ線による矢視断面図 図５中のVI部分の拡大図 図２に示したガスタービン燃焼器のメインバーナの一部破断断面図 図７中のVIII部分の拡大図（要部拡大図） 図８中のIX−IX線による矢視断面図

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は本発明の第１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プラントの一例の概略構成図である。同図に示したガスタービンは負荷機器（不図示）を駆動する原動機であり、圧縮機１０、ガスタービン燃焼器（以下、燃焼器と略称する）２０、タービン３０及び排気室３５を備えている。圧縮機１０の車室（圧縮機車室１１）は脚部１２により、タービン３０の車室（タービン車室３１）は脚部３２により、排気室３５は脚部３８により支持されている。負荷機器は代表的には発電機であるが、ポンプが適用される場合もある。なお、一般的にガスタービンを「ガスタービンエンジン」と称する場合があり、この場合にはタービンを「ガスタービン」と称する場合がある。

圧縮機１０は、空気を取り込む空気取入口１３、及び圧縮機車室１１内に入口案内翼（ＩＧＶ：Inlet Guide Vane）１４を有し、この入口案内翼１４の後に静翼１５と動翼１６が前後方向（ロータ５の軸方向）に交互に配置されてなる。静翼１５と動翼１６が交互に並ぶ段落部の径方向の外側には抽気室１７が設けられている。燃焼器２０は圧縮機１０とタービン３０の間においてガスタービンケーシング（タービン車室３１）の複数設けられて外周部に環状に配置されている。タービン３０は、前後方向（後述するロータ５の軸方向）に交互に配置された複数の静翼３３と動翼３４をタービン車室３１内に備えている。このタービン車室３１の下流側には、排気車室３６を介して排気室３５が配設されている。排気室３５はタービン３０に連続する排気ディフューザ３７を有している。

また、圧縮機１０、燃焼器２０、タービン３０及び排気室３５の中心を貫通するようにロータ（回転軸）５が位置している。ロータ５における圧縮機１０側の端部は軸受６により、排気室３５側の端部は軸受７により、それぞれ回転自在に支持されている。ロータ５における圧縮機１０に属する部分は、外周部に複数の動翼１６が装着されたディスクが軸方向に複数重ねられて構成されている。ロータ５におけるタービン３０に属する部分は、外周部に複数の動翼３４が装着されたディスクが軸方向に複数重ねられて構成されている。図１の例では、ロータ５における排気室３５側の端部が、出力軸として負荷機器（不図示）の駆動軸に連結される。

上記構成において、空気取入口１３から圧縮機１０に取り込まれた空気が、入口案内翼１４、静翼１５の翼列、動翼１６の翼列を通過して圧縮され、高温高圧の圧縮空気が生成される。燃焼器２０においては、圧縮機１０から供給された圧縮空気に燃料系統（図３）から供給された燃料が混合されて燃焼され、高温の燃焼ガスが生成されてタービン３０に供給される。燃料には液体燃料も用いられ得るが、本実施形態の燃料は気体燃料であるとする。燃焼器２０で生成された作動流体である高温高圧の燃焼ガスが、タービン３０において静翼３３の翼列と動翼３４の翼列を通過することでロータ５を駆動回転する。タービン３０の出力の一部は圧縮機１０の動力として、残りは負荷機器４の動力として用いられる。タービン３０を駆動した燃焼ガスは排気室３５を介して排気ガスとして排出される。本実施形態では単軸のガスタービンを例示しているが、発明の適用対象には二軸式ガスタービンも含まれる。二軸式ガスタービンは、互いに回転軸が分離された高圧タービン及び低圧タービンを含み、高圧タービンが圧縮機と同軸に連結され、低圧タービンがタービンと同軸に連結された構成である。

−ガスタービン燃焼器−
図２はガスタービン燃焼器の概略構成図、図３は図２に示したガスタービン燃焼器の要部を表す概略構成図である。これらの図に示した燃焼器２０は、ガスタービンのケーシングに対して同ケーシングの周方向に複数取り付けられている。各燃焼器２０は、内筒（燃焼器ライナ）２１、外筒（フロースリーブ）２２、バーナ２３、尾筒（トランジションピース）２４（図２）等を含んで構成されている。

内筒２１は内部に燃焼室２１ａ（図３）を形成する円筒状の部材であり、圧縮機１０から供給されて外周流路Ｐ１を流れる圧縮空気と燃焼室２１ａで生成される燃焼ガスとを隔てている。内筒２１のタービン側（図中の右側）の端部は尾筒２４（図２）に挿し込まれている。尾筒２４は燃焼室２１ａで発生した燃焼ガスをタービン３０に導く部材である。尾筒２４のタービン側の端部は、タービン３０における静翼３３と動翼３４が臨む環状の作動流体流路に向かって開口している。尾筒２４にはバイパス管２５（図２）が連結されており、このバイパス管２５にはバイパス弁２６（図２）が設けられている。

外筒２２は内筒２１の外周を覆い、圧縮空気が流れる円筒状の外周流路Ｐ１を内筒２１との間に形成する。外周流路Ｐ１に圧縮空気を通すことで内筒２１を対流冷却する構成である。また、外筒２２はタービン側の端部にフランジ２２ａ（図２）を備えており、このフランジ２２ａを介してガスタービンのケーシングに固定されている。外筒２２のタービンと反対側（図中の左側）の端部は、エンドカバー４０等で構成されたバーナ２３で塞がれている。内筒２１の外周面には多数の孔（不図示）が形成されており、外周流路Ｐ１を流れる圧縮空気の一部が内筒２１に設けた多数の孔から燃焼室２１ａに導かれ、内筒２１の内周面のフィルム冷却に使用される。内筒２１のフィルム冷却に使用されたものを除く残りの圧縮空気は外周流路Ｐ１を流れ、エンドカバー４０で堰き止められて反転しバーナ２３に供給される。バーナ２３に導かれた圧縮空気は燃料と共に燃焼室２１ａに噴射されて燃焼される。

−バーナ−
バーナ２３は、エンドカバー４０、メインバーナ５０及びパイロットバーナ６０を含んで構成されており、外筒２２におけるタービンと反対側の端部に装着され、外筒２２におけるタービンと反対側の端部を塞ぐと同時に燃焼室２１ａに臨んでいる。

・エンドカバー
図４はエンドカバーの概略構成図、図５は図４中のＶ−Ｖ線による矢視断面図、図６は図５中のVI部分の拡大図である。

エンドカバー４０はトップハットとも称され、本体部４１、挿入部４２、燃料ノズル４４（図３）、及びキャビティ４５を含んで構成されている。本体部４１は中心孔４１ａを有する円環のフランジ状に形成されており、挿入部４２は本体部４１よりも小径の筒状に形成されて本体部４１から燃焼室２１ａ側に突出している。挿入部４２が外筒２２の開口部に挿し込まれた状態で、外筒２２に対して本体部４１がボルト等で固定されている。挿入部４２の内周面と内筒２１との間の円筒状の空間は外周流路Ｐ１の最下流領域をなす。本実施形態では外筒２２の内周に挿入部４２が収まる段差が形成してあり、挿入部４２の内周面が外筒２２の内周面と面一となるようにしてある。またエンドカバー４０の内面のコーナー部、具体的には本体部４１の燃焼室２１ａ側を向いた端面と挿入部４２の内周面とに挟まれたコーナー部はＲ形状になっており、外周流路Ｐ１を通過した圧縮空気の転向の円滑化が図られている。また、エンドカバー４３には燃料ポート４３（図３）が接続している。燃料ポート４３は、エンドカバー４０の外周面から伸びる燃料管４３ａと、燃料管４３ａの端部に設けたフランジ４３ｂとを含んで構成されている。燃料ノズル４４（図３）は外周流路Ｐ１において燃料を噴射するノズルであって、トップハットノズル又はペグとも称される。各燃料ノズル４４は外周流路Ｐ１に臨むようにエンドカバー４０の内面のコーナー部から突出して設けられ、周方向に所定間隔で複数設けられている。

キャビティ４５は複数の燃料ノズル４４に燃料を分配するマニホールドであり、バーナ２３の構造材であるエンドカバー４０の本体部４１の外面に形成された溝４６と、溝４６を塞ぐ蓋４７とで画定されている。溝４６はエンドカバー４０の本体部４１の中心孔４１ａの周囲を取り囲むようにして円環状に形成されており、エンドカバー４０の本体部４１における燃焼室２１ａと反対側の端面に開口した開口部に段差４６ａ（図６）を有している。蓋４７の構造の詳細については後で説明するが、この蓋４７は溝４６に合わせて円環状に形成されており、溝４６の開口部の段差４６ａに嵌め込まれて溝４６の開口を塞いでいる。溝４６すなわちキャビティ４５は燃料ポート４３及び各燃料ノズル４４に連絡しており、燃料ポート４３からキャビティ４５に流入した燃料が各燃料ノズル４４に分配されるようになっている。燃料供給系統に燃料の加熱設備は設けられておらず、キャビティ４５は燃料加熱設備を介することなく燃料供給源Ｆ（図３）と接続しており、キャビティ４５には常温（十数度程度）の燃料が供給される。

前述した通り、エンドカバー４０の本体部４１と蓋４７との取り合い部分には段差４６ａを用いたインロー構造が採用してある。そのため、溝４６に直交する（エンドカバー４０の中心線Ｃ（図５）を通る平面で切断した）断面において本体部４１と蓋４７との接触面（嵌め合い部分における対向面）はＬ字型である（図６）。蓋４７は本体部４１に対して溶接し強固に固定してある。溶接は円環状の蓋４７の内周面及び外周面に沿って施工されている。図６において黒く塗り潰した部分が溶接の溶け込み部であり、白抜きの点線で表したのが溶融前の蓋４７と本体部４１との接触面（対向面）である。従って溶接の溶け込み部は蓋４７の内周面又は外周面に沿ってエンドカバー４０の軸方向（図６における左右方向）に延びている。また本実施形態では、本体部４１と蓋４７との接合に電子ビーム溶接（レーザ溶接でも可）を採用しており、電子ビーム溶接を採用することで本体部４１と蓋４７との溶接工程を機械化することができる。また、本体部４１と蓋４７との接合に電子ビーム溶接（又はレーザ溶接）を採用したことで、この溶接による溶け込み深さＬがビード幅Ｗに対して大きい。本体部４１と蓋４７とのＬ字型の接触面の一部（蓋４７の内周面及び外周面からキャビティ４５に向かってエンドカバー４０の径方向に延びる部分のうちのキャビティ４５に臨む部分）には接触面同士が接合されない部分Ｘが生じることがある。本実施形態ではビード幅Ｗが小さいため、この部分Ｘが生じ易い傾向にある。

ここで、蓋４７の詳細構成について説明する。蓋４７はウェブ４７ａとフランジ４７ｂとで断面（溝４６に直交する断面）がＬ字型又はＵ字型（本実施形態ではＬ字型）に形成されている。ウェブ４７ａは溝４６の開口部をカバーする部分であり、溝４６の底面（溝４６の開口部の方を向く面であり図５及び図６では右側に位置する面）に対向してエンドカバー４０の中心線Ｃに直交する方向に延びる。フランジ４７ｂは溝４６の段差４６ａに収まる挿し込み部分であり、ウェブ４７ａの縁部（本例では内周側の縁部）から溝４６の深さ方向に伸び、前述した通り本体部４１に対して溶接により接合されている。溝４６に直交する断面で見て、キャビティ４５の側面（本例ではエンドカバー４０の径方向外側を向く面）を構成するフランジ４７ｂの内面である蓋側内面４７ｃは、同じくキャビティ４５の側面を構成する溝４６の内面である溝側内面４６ｂと面一である。フランジ４７ｂが段差４６ａに納まっているためである。そのため、ウェブ４７ａが構成するキャビティ４５の天井面４７ｄと蓋側内面４７ｃとに挟まれたキャビティ４５の第１のコーナー４７ｅから、蓋側内面４７ｃと溝側内面４６ｂとの境界４５ａが中心線Ｃ方向に離れている（ずれている）。第１のコーナー４７ｅはＲ形状に形成されている（後述する第２のコーナー４７ｉ及び他のコーナー部も同様である）。

また、蓋４７のウェブ４７ａは天井面４７ｄには凹部４７ｆが設けられており、蓋４７には凹部４７ｆを設けて抉られたことで薄肉部４７ｇが形成されている。この薄肉部４７ｇの板厚ｔ１は、ウェブ４７ａにおける薄肉部４７ｇの隣接部の板厚ｔ２よりも薄くなっている。ここで言う「隣接部」とは、薄肉部４７ｇに隣接し、燃焼室２１ａと反対側の端面が薄肉部４７ｇの同じく燃焼室２１ａと反対側の端面と同一平面をなす部分を指している。凹部４７ｆはキャビティ４５内でエンドカバー４０の径方向の外側に位置しており、段差４６ａに納まっている。これにより、凹部４７ｆの径方向外側の内面４７ｈと溝４６の径方向外側の内面４６ｃとが面一となるように構成されている。凹部４７ｆで形成される（内面４７ｈ）と天井面４７ｄとで挟まれたキャビティ４５の第２のコーナー４７ｉから、凹部４７ｆの内面４６ｈと溝４６の内面４６ｃとの境界４５ｂが中心線Ｃ方向に離れている（ずれている）。

・メインバーナ
図７はメインバーナの一部破断断面図、図８は図７中のVIII部分の拡大図（要部拡大図）、図９は図８中のIX−IX線による矢視断面図である。なお、IX−IX線は燃焼器中心軸を中心とする円筒の外周面であり、図９は円筒形の断面を平面状に展開した図に相当する。また図９においては、後述する整流板５４の近辺を断面ではなく外観図で表してある。メインバーナ５０は、ベースフレーム５１、燃料ノズル５２、及び整流板５４を含んで構成されている。

ベースフレーム５１は中心孔５１ａを有する円筒状に形成されており、フランジ５１Ａ、ノズル台５１Ｂ、及びキャビティ５１Ｄを含んで構成されている。フランジ５１Ａは上記中心孔５１ａを中央に備えた円板状の部分である。ノズル台５１Ｂはフランジ５１Ａよりも小径で上記中心孔５１ａを中央に通した筒状の形状をしており、フランジ５１Ａの燃焼室２１ａ側（図７における右側）の端面から燃焼室２１ａ側に突出して設けられている。ベースフレーム５１は、燃焼室２１ａと反対側からエンドカバー４０の中心孔４１ａにノズル台５１Ｂを挿し込んだ状態で、エンドカバー４０に対してフランジ５１Ａをボルト等で固定してある。また、フランジ５１Ａには燃料ポート５１Ｃ（図３）が接続している。燃料ポート５１Ｃは、フランジ５１Ａの外周面から伸びる燃料管５１Ｃａと、燃料管５１Ｃａの端部に設けたフランジ５１Ｃｂとを含んで構成されている。キャビティ５１Ｄは複数の燃料ノズル５２に燃料を分配するマニホールドであり、中心孔５１ａの周囲を取り囲むようにしてバーナ２３の構造材であるフランジ５１Ａの内部に円環状に形成されている。キャビティ５１Ｄは燃料ポート５１Ｃ及び各燃料ノズル５２に連絡しており、燃料ポート５１Ｃからキャビティ５１Ｄに流入した燃料が各燃料ノズル５２に分配されるようになっている。上記の通り燃料供給系統に燃料の加熱設備は設けられておらず、キャビティ５１Ｄは燃料加熱設備を介することなく燃料供給源Ｆ（図３）と接続しており、キャビティ５１Ｄには常温（十数度程度）の燃料が供給される。詳細には図示していないが、燃料ノズル５２は複数にグループ分けされており、各グループに燃料を供給する経路を分け、グループ毎に燃料の噴射及び停止がバルブによって切り換えられる構成とする場合がある。この場合、各グループに対応して円環状のキャビティが複数形成される場合もあるし、１つの円環状のキャビティが各グループに対応して複数に分割される場合もある。

燃焼室２１ａから見て、ベースフレーム５１のノズル台５１Ｂには、径方向に延びるスリット５１Ｂａが複数形成されている。複数のスリット５１Ｂａは放射状に配置されており、周方向に所定間隔で存在している。図９に示すように燃料ノズル５２とスリット５１Ｂａが周方向に交互に並んだ形態であり、周方向に隣接する燃料ノズル５２の間がスリット５１Ｂａで隔てられている。またベースフレーム５１のノズル台５１Ｂには、径方向に貫通する貫通孔５１Ｂｂが周方向に所定間隔で複数備わっている。貫通孔５１Ｂｂの断面形状は周方向に長軸を伸ばした楕円形状であるが、角のない滑らかな形状であれば良く、円形でも良いし長軸を軸方向に伸ばした楕円形状でも良い。複数のスリット５１Ｂａのぞれぞれはノズル台５１Ｂの燃焼室側２１ａ側の端面からフランジ５１Ａ側に延び、貫通孔５１Ｂｂに接続している。貫通孔５１Ｂｂとスリット５１Ｂａは一対一で対応付けられている。このように、ノズル台５１Ｂは、貫通孔５１Ｂｂよりもフランジ５１Ａ側の部分が一体をなす一方で、貫通孔５１Ｂｂよりも燃焼室２１ａ側の部分がスリット５１Ｂａで周方向に複数に分断されている。

また、ノズル台５１Ｂの外周面には、周方向に延びる窪み５１Ｂｃが設けられている。窪み５１Ｂｃはベースフレーム５１の中心孔５１ａの周囲を囲う円環状に形成されており、ノズル台５１Ｂにおける燃料通路５２ａ（後述）の径方向外側の部分を薄肉化し、ノズル台５１Ｂの外周面と燃料通路５２ａとの距離を縮めている。窪み５１Ｂｃの断面形状は、燃焼室２１ａ側の壁面が燃焼室２１ａに向かって径方向外側に傾斜し、反対側の壁面はベースフレーム５１の中心線Ｃに直交する平面に沿っている。

複数の燃料ノズル５２は、それぞれ対応するバーナ筒５５（図３）を介して燃焼室２１ａに燃料を噴射するノズルであって、メインノズルとも称される。各燃料ノズル５２は基端側がノズル台５１Ｂに挿し込まれ、先端側がノズル台５１Ｂにおける燃焼室２１ａに対向する端面から燃焼室２１ａに向かって突出して設けられている。燃料ノズル５２はノズル台５１Ｂの燃焼室２１ａに対向する端面に対して溶接で固定されている。また複数の燃料ノズル５２は、これらを囲う整流板５４によって中腹部分で連結されている。整流板５４と燃料ノズル５２も溶接により接合されている。

前述した通り、燃料ノズル５２は、周方向に隣接するスリット５１Ｂａの間に各１本設けられており、燃焼室２１ａから見て円形に配置されている。各燃料ノズル５２は内部に１本の燃料通路５２ａを有していて、燃料通路５２ａの入口はキャビティ５１Ｄに、出口は燃料ノズル５２の先端にそれぞれ開口している。本実施形態において燃料ノズル５２は少なくともノズル台５１Ｂを通る部分において二重管構造になっており、燃料通路５２ａを構成する内管５２ｂの外側に、内管５２ｂとの間に筒状の空気断熱層を形成する外管５２ｃを備えている。

・パイロットバーナ
パイロットバーナ６０（図３）は、ベースフレーム６１及び燃料ノズル６２を含んで構成されている。ベースフレーム６１は、フランジ６３、ノズル台６４及び燃料ポート６５を含んで構成されている。ベースフレーム６１は、燃焼室２１ａと反対側からメインバーナ５０のベースフレーム５１の中心孔５１ａにノズル台６４を挿し込んだ状態で、ベースフレーム５１に対してフランジ６３をボルト等で固定してある。燃料ノズル６２はパイロットノズルとも称され、ノズル台６４から燃焼室２１ａに向かって突出し、メインバーナ５０の円環状に配置された燃料ノズル６２の中心に位置する。燃料ポート６５はフランジ６３から伸びて燃料ノズル６２に接続しており、燃料ポート６５から供給された燃料が燃料ノズル６２からパイロットコーン６６を介して燃焼室２１ａに噴射される。上記の通り燃料供給系統に燃料の加熱設備は設けられておらず、燃料ノズル６２には常温（十数度程度）の燃料が供給される。

−動作−
ガスタービンの運転中、空気が圧縮機１０に取り込まれて圧縮され、高圧の圧縮空気として圧縮機１０から吐出される。圧縮機１０から吐出された圧縮空気は燃焼器２０に供給され、燃料系統（図３）から供給された燃料と共に燃焼される。これにより発生した高温の燃焼ガスによりタービン３０が駆動され、タービン３０の回転出力により負荷機器が駆動される。

−効果−
（１）本実施形態においては、キャビティ４５の蓋４７をウェブ４７ａとフランジ４７ｂとで断面Ｌ字型に形成し、キャビティ４５の蓋側内面４７ｃと溝側内面４６ｂとの境界４５ａがキャビティ４５の第１のコーナー４７ｅからずれた構造としてある。境界４５ａは溶接の溶け込み部から外れて亀裂状の未溶着の部分Ｘとなることがあるが、キャビティ４５の壁面において特に熱応力が集中するコーナー（第１のコーナー４７ｅ）から部分Ｘをずらすことで、部分Ｘを介して溶接部に作用する応力を軽減できる。このようにバーナ２３のキャビティ４５の溶接部に作用する熱応力を軽減することができ、バーナ２３の信頼性を向上させることができる。

（２）蓋４７のウェブ４７ａに薄肉部４７ｇが備わっているため、キャビティ４５の付近に応力が作用した場合に薄肉部４７ｇが他の部位に先行して変形し、未溶着の部分Ｘに作用する応力を軽減できる。この点もバーナ２３の信頼性の向上に貢献する。また、薄肉部４７ｇを形成する凹部４７ｆがウェブ４７ａのキャビティ４５側、つまり圧縮空気の流路に近く変形量の多い側に設けてあることで、キャビティ４５と反対側に設けた場合に比べて高い応力吸収効果を確保することができる。但し、上記の基本的効果（１）を得る限りにおいては、薄肉部４７ｇは必ずしも必要ではなく、例えばウェブ４７ａの厚みが一定である構成であっても良い。

（３）本実施形態においては、ウェブ４７ａがＬ型であるが、薄肉部４７ｇを形成する凹部４７ｆをキャビティ４５の角に寄せ、凹部４７ｆの内面４７ｈと溝４６の内面４６ｃとを面一としてある。こうして凹部４７ｆで形成されるキャビティ４５の第２のコーナー４７ｉから内面４７ｈ，４６ｃとの境界４５ｂを離すことで、上記効果（１）と同様にバーナ２３のキャビティ４５の溶接部に作用する熱応力を軽減することができ。

（４）本実施形態においては燃料系統に燃料加熱設備が備わっておらず、キャビティ４５には常温の燃料が供給される。その一方で圧縮機１０から供給される圧縮空気は４００℃を超え、燃料と圧縮空気の温度差の大きさからキャビティ４５の周囲に作用する熱応力が大きくなる傾向にある。このことから、上記効果（１）による熱応力軽減構造を適応する意義は特に大きい。

（５）本実施形態においては電子ビーム溶接（又はレーザ溶接）で蓋４７が溶接されるため、溶接のビード幅Ｗが狭い。そのためエンドカバー４０の本体部４１と蓋４７とのＬ字型の対向部において未溶着の部分Ｘが生じ易い傾向にある。この点においても、上記効果（１）による熱応力軽減構造を適応する意義が特に大きい。また、蓋４７に薄肉部４７ｇを形成した場合には、ビード幅Ｗが狭いことで薄肉部４７ｇへの溶接入熱が抑えられる。言い換えれば、蓋４７の形状の自由度を向上させることができ、薄肉部４７ｇを無理なく蓋４７に設けることができる。

（６）また、本実施形態においては、メインバーナ５０のノズル台５１Ｂに複数のスリット５１Ｂａを設け、周方向に隣接する燃料ノズル５２の間をスリット５１Ｂａで隔ててある。例えば部分負荷運転時に一部の燃料ノズル５２にのみ燃料が流通することによる熱応力の分布の偏りが生じ得る。このような場合でも、燃料ノズル５２の根元部分においてノズル台５１Ｂを部分的に分断することで、ノズル台５１Ｂの分断部分が変形して周方向に傾斜することにより、ノズル台５１Ｂに対して燃料ノズル５２を倒そうとする力が一部吸収できる。また、隣接する燃料ノズル５２間における変形の伝達もスリット５１Ｂａで遮断できる。これによりノズル台５１Ｂや整流板５４と燃料ノズル５２との溶接による接合部への応力を分散させることができ、バーナ２３における熱応力の集中を軽減することができる。但し、上記効果（１）を得る限りにおいては、ノズル台５１Ｂのスリット５１Ｂａは必ずしも必要ではない。

（７）スリット５１Ｂａの燃焼室２１ａと反対側の端部が貫通孔５１Ｂｂに繋がっているため、このスリット５１Ｂａの端部が貫通孔５１Ｂｂの内周面からなるＲ形状となっている。スリット５１Ｂａの端部は熱変形時に応力が集中する部位であるため、ここをＲ形状とすることで、より効果的に応力手中を軽減することができる。特に貫通孔５１Ｂｂを図９に示したような周方向に長い楕円形状とすることで、高い応力分散効果が得られる。但し、上記効果（１）を得る限りにおいては、ノズル台５１Ｂの貫通孔５１Ｂｂは必ずしも必要ではない。

（８）ノズル台５１Ｂの外周面に窪み５１Ｂｃを設けたことで、ノズル台５１Ｂにおける圧縮空気の存在域と燃料通路５２ａとの間の部分（燃料通路５２ａより外周側の部分）を薄肉化し、この部分の熱容量を減らすことができる。これにより燃料通路５２ａの付近のノズル台５１Ｂの構造材における温度差を減少させることができ、より効果的に応力手中を軽減することができる。但し、上記効果（１）を得る限りにおいては、ノズル台５１Ｂの窪み５１Ｂｃは必ずしも必要ではない。

（９）燃料ノズル５２に筒状の空気断熱層を設けたことで、燃料ノズル５２を流通する燃料とノズル台５１Ｂの材料との間の伝熱を抑制し、圧縮空気と燃料との温度差によりノズル台５１Ｂに生じる熱応力を軽減できる。この点も応力手中の軽減に貢献する。但し、上記効果（１）を得る限りにおいては、燃料ノズル５２の空気断熱層は必ずしも必要ではない。

−変形例−
エンドカバー４０のキャビティ４５の蓋４７にフランジ４７ｂを設けたり、薄肉部４７ｇを設けたりした例を説明したが、このような構造は、バーナ２３の他の構造材に設けたキャビティ（例えばメインバーナ５０のキャビティ５１Ｄ）にも適用可能である。蓋４７を断面Ｌ字型とした場合を例示したが、例えば内外周にフランジ４７ｂを備え、この内外周のフランジ４７ｂの間をウェブ４７ａで繋いだ断面Ｕ字型の形状に蓋４７を構成しても良い。

１０…圧縮機、２０…ガスタービン燃焼器、２１…内筒、２１ａ…燃焼室、２２…外筒、２３…バーナ、３０…タービン、３５ｃ…溝の内面、４０…ベースフレーム（バーナの構造材）、４４…燃料ノズル、４５…キャビティ、４５ａ，４５ｂ…境界、４６…溝、４６ａ…段差、４６ｂ…溝側内面、４７…蓋、４７ａ…ウェブ、４７ｂ…フランジ、４７ｃ…蓋側内面、４７ｄ…天井面、４７ｅ…第１のコーナー、４７ｆ…凹部、４７ｇ…薄肉部、４７ｈ…凹部の内面、４７ｉ…第２のコーナー、Ｆ…燃料供給源、Ｌ…溶け込み深さ、Ｐ１…外周流路、ｔ１…薄肉部の板厚、ｔ２…薄肉部の隣接部の板厚、Ｗ…ビード幅

Claims (8)

1. 圧縮機から吐出される圧縮空気に燃料を混合して燃焼し、生成した燃焼ガスをタービンに供給するガスタービン燃焼器であって、
   内側に燃焼室を形成する内筒と、
   前記内筒を覆い前記内筒との間に前記圧縮空気が流れる円筒状の外周流路を形成する外筒と、
   前記外筒の前記タービンと反対側の端部に装着されて前記燃焼室に臨むバーナとを備え、
   前記バーナが、燃料を噴射する複数の燃料ノズル、及び前記複数の燃料ノズルに燃料を分配するキャビティを含んで構成されており、
   前記キャビティが、前記バーナの構造材に形成され開口部に段差を有する溝と、前記段差に嵌め込まれて前記溝を塞ぐ蓋とで画定されており、
   前記蓋は、前記溝の底面に対向し前記溝の開口部をカバーするウェブと、前記ウェブの縁部から前記溝の深さ方向に伸びて前記段差に収まるフランジとで断面がＬ字型又はＵ字型に形成されると共に、前記構造材に対して溶接により接合されており、
   前記溝に直交する断面で見て、前記キャビティの側面を構成する前記フランジの内面である蓋側内面は、前記キャビティの側面を構成する前記溝の内面である溝側内面と面一であり、
   前記キャビティの天井面を構成する前記ウェブの内面と前記蓋側内面とに挟まれた前記キャビティの第１のコーナーから、前記蓋側内面と前記溝側内面との境界が離れている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、前記蓋の前記ウェブは薄肉部を備えており、前記薄肉部の板厚が前記ウェブにおける前記薄肉部の隣接部の板厚よりも薄くなっているガスタービン燃焼器。
3. 請求項２のガスタービン燃焼器において、前記ウェブが構成する前記キャビティの前記天井面に凹部が設けられており、前記凹部を設けることにより前記薄肉部が形成されているガスタービン燃焼器。
4. 請求項３のガスタービン燃焼器において、前記凹部の内面と前記溝の内面とが面一であり、前記凹部で形成される前記キャビティの第２のコーナーから前記凹部の内面と前記溝の内面との境界が離れ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、前記キャビティは、燃料加熱設備を介することなく燃料供給源と接続し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、前記溶接がレーザ溶接又は電子ビーム溶接であ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、前記溶接による溶け込み深さがビード幅に対して大きいガスタービン燃焼器。
8. 空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機と、
   前記圧縮機から吐出される圧縮空気に燃料を混合して燃焼し燃焼ガスを生成する請求項１のガスタービン燃焼器と、
   前記ガスタービン燃焼器から供給された燃焼ガスで駆動されるタービンと
   を備えたガスタービン。

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