JP2021143717A

JP2021143717A - 二重管

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Publication number: JP2021143717A
Application number: JP2020042964A
Authority: JP
Inventors: 優一森澤; Yuichi Morisawa; 正雄伊東; Masao Ito; 保憲岩井; Yasunori Iwai
Original assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2020-03-12
Filing date: 2020-03-12
Publication date: 2021-09-24
Anticipated expiration: 2040-03-12
Also published as: EP3879178B1; US20210285575A1; EP3879178A1; JP7237876B2

Abstract

【課題】中心軸を中心とした周方向の内管の回転を防止することができる二重管を提供する。【解決手段】実施形態の二重管６０Ａは、外管７０と、外管７０の内部に挿通され、高温二酸化炭素を流通させるための内管８０と、外管７０と内管８０との間の環状通路６１に低温二酸化炭素を導入する外管７０の開口７２とを備える。二重管６０Ａは、内管８０の外周面から半径方向外側に突出する内管突出部９１と、外管７０の内周面から半径方向内側に突出するとともに、内管突出部９１と嵌合する軸方向に貫通した嵌合溝９３を有する外管突出部９２とをさらに備える。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、二重管に関する。

発電プラントの高効率化は、二酸化炭素の削減や省資源などの要求から進められている。具体的には、ガスタービンの作動流体の高温化、コンバインドサイクル化などが積極的に進められている。また、二酸化炭素の回収技術についても、研究開発が進められている。

そのような中、超臨界ＣＯ_２雰囲気中で燃料と酸素を燃焼させる燃焼器を備えたガスタービン設備（以下、ＣＯ_２ガスタービン設備という。）が検討されている。このＣＯ_２ガスタービン設備では、燃焼器で生成した燃焼ガスの一部は、作動流体として系統に循環される。

ここで、ＣＯ_２ガスタービン設備の燃焼器では、燃料および酸化剤の流量は、例えば、量論混合比（当量比１）になるように調整されている。そのため、系統には、燃焼ガスから水蒸気が除去された二酸化炭素（ＣＯ_２）が循環する。

なお、ここでいう当量比は、燃料流量および酸素流量に基づいて算出した当量比である。換言すれば、燃料と酸素が均一に混合したと想定したときの当量比（オーバーオールでの当量比）である。

循環される二酸化炭素は、圧縮機によって臨界圧力以上に昇圧される。この二酸化炭素は、７００℃程度に加熱され、例えば、燃焼器に供給される。

この高温の二酸化炭素（以下、高温二酸化炭素と呼ぶ。）を燃焼器ケーシングを介して燃焼器に供給する場合、高温二酸化炭素を供給する配管は、燃焼器ケーシングに接続または貫通するように設けられる。

この構成の場合、配管に接触する燃焼器ケーシングを構成する金属材料として、例えば、高価なＮｉベースの耐熱合金を使用する必要がある。

そこで、燃焼器ケーシングを安価なＦｅベースの耐熱鋼で構成するために、高温二酸化炭素を燃焼器に供給する配管を二重管構造としている。二重管は、外管と、外管内に貫通して配置された内管とを備える。

内管には、高温二酸化炭素が供給される。外管（内管と外管の間の環状通路）には、高温二酸化炭素よりも温度が低い超臨界圧の二酸化炭素（以下、低温二酸化炭素と呼ぶ。）が供給される。この低温二酸化炭素の温度は、燃焼器ケーシングが耐え得る温度である。

特開２００５−２８２９９６号公報

上記したように、二重管において、内管内には高温二酸化炭素が流れ、内管と外管の間の環状通路には低温二酸化炭素が流れる。これによって、内管が外管よりも二重管の中心軸方向に伸びるため、内管と外管との間に熱伸び差が生じる。

このように熱伸び差が生じるため、外管に内管を動かないように固定することはできない。そのため、内管は、外管に対して二重管の中心軸方向に摺動可能に支持されている。また、内管は、外管に対して二重管の中心軸を中心として周方向に摺動可能に支持されている。

ここで、内管は、内管と外管との間の環状通路に供給される低温二酸化炭素によって、二重管の中心軸を中心とする周方向の回転力を受けることがある。内管が周方向の回転力を受けると、内管は、中心軸を中心として周方向に回転する。このように内管が回転する場合、内管を摺動可能に支持している摺動部の摩耗などが懸念される。

本発明が解決しようとする課題は、中心軸を中心とした周方向の内管の回転を防止することができる二重管を提供するものである。

実施形態の二重管は、外管と、前記外管の内部に挿通され、第１の流体を流通させるための内管と、前記外管と前記内管との間の環状通路に第２の流体を導入する流体導入部とを備える。

この二重管は、前記内管の外周面から半径方向外側に突出する第１の内管突出部と、前記外管の内周面から半径方向内側に突出するとともに、前記第１の内管突出部と嵌合する前記二重管の軸方向に貫通した嵌合溝を有する第１の外管突出部とを備える。

第１の実施の形態の二重管を備えるガスタービン設備の系統図である。第１の実施の形態の二重管を備える燃焼器および燃焼器ケーシングの縦断面を模式的に示した図である。第１の実施の形態の二重管の縦断面を拡大して示した図である。図３のＡ−Ａ断面を示す図である。図３のＢ−Ｂ断面を示す図である。図５のＣ−Ｃ断面を示す図である。第２の実施の形態の二重管の縦断面を拡大して示した図である。図７のＤ−Ｄ断面を示す図である。図７のＥ−Ｅ断面を示す図である。図９のＦ−Ｆ断面を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の二重管６０Ａを備えるガスタービン設備１の系統図である。図１に示すように、ガスタービン設備１は、燃料と酸化剤を燃焼させる燃焼器１０と、この燃焼器１０に燃料を供給する配管４０と、燃焼器１０に酸化剤を供給する配管４１を備えている。

配管４０には、燃焼器１０に供給される燃料の流量を調整する流量調整弁４６が備えられている。ここで、燃料として、例えば、メタン、天然ガスなどの炭化水素が使用される。また、燃料として、例えば、一酸化炭素および水素などを含む石炭ガス化ガス燃料を使用することもできる。

配管４１には、燃焼器１０に供給される酸化剤の流量を調整する流量調整弁４７が備えられている。また、配管４１には、酸化剤を昇圧する圧縮機５４が設けられている。酸化剤としては、空気分離装置（図示しない）によって大気から分離された酸素が使用される。配管４１を流れる酸化剤は、熱交換器５５を通過して加熱され、燃焼器１０に供給される。

なお、酸化剤として、例えば、酸素と、後述する圧縮機５３によって臨界圧力以上に昇圧された二酸化炭素（超臨界ＣＯ_２）との混合気を使用してもよい。この場合、昇圧された二酸化炭素は、例えば、熱交換器５５の上流側の配管４１に導入される。

燃焼器１０に導かれた燃料および酸化剤は、燃焼領域において反応（燃焼）を生じ、燃焼ガスとなる。ここで、ガスタービン設備１においては、燃焼器１０から排出される燃焼ガスに、余剰の酸化剤（酸素）や燃料が残存しないことが好ましい。そこで、燃料および酸化剤の流量は、例えば、量論混合比（当量比１）になるように調整されている。

ガスタービン設備１は、燃焼器１０から排出された燃焼ガスによって回動するタービン５０を備えている。このタービン５０には、例えば、発電機５１が連結されている。ここでいう、燃焼器１０から排出される燃焼ガスは、燃料と酸化剤とによって生成された燃焼生成物と、後述する二重管６０Ａを介して燃焼器１０に供給される二酸化炭素（水蒸気が除去された燃焼ガス）とを含んだものである。

タービン５０から排出された燃焼ガスは、配管４２に導かれ、熱交換器５５を通過することによって冷却される。この際、燃焼ガスからの放熱によって、配管４１を流れる酸化剤や配管４２を流れる二酸化炭素を加熱する。

熱交換器５５を通過した燃焼ガスは、冷却器５２を通過する。燃焼ガスは、冷却器５２を通過することで、燃焼ガス中に含まれる水蒸気が除去される。この際、燃焼ガス中の水蒸気は、凝縮して水となる。この水は、例えば配管４３を通り外部に排出される。

ここで、前述したように、燃料および酸化剤の流量を量論混合比（当量比１）になるように調整した場合、水蒸気が除去された燃焼ガス（ドライ燃焼ガス）の成分は、ほぼ二酸化炭素である。なお、水蒸気が除去された燃焼ガスには、例えば、０．２％以下の微量の一酸化炭素が混在する場合もあるが、以下、水蒸気が除去された燃焼ガスを単に二酸化炭素と称する。

二酸化炭素は、配管４２に介在する圧縮機５３によって臨界圧力以上に昇圧され、超臨界流体となる。昇圧された二酸化炭素の一部は、配管４２を流れ、熱交換器５５において加熱される。加熱された二酸化炭素は、二重管６０Ａを通り、燃焼器１０の周囲を包囲する筒体３０内に導かれる。熱交換器５５を通過した二酸化炭素の温度は、７００℃程度になる。なお、この加熱された超臨界二酸化炭素を以下において高温二酸化炭素と呼ぶ。

昇圧された二酸化炭素の他の一部は、配管４２から分岐した配管４４に導入される。配管４４に導入された二酸化炭素は、流量調整弁４８によって流量が調節され、冷却媒体として、二重管６０Ａに導かれる。なお、後に詳しく説明するが、配管４４に導入された二酸化炭素は、二重管６０Ａの外周側の通路を流れる。

配管４４から二重管６０Ａに導かれた二酸化炭素は、燃焼器ケーシング２０と筒体３０との間に導かれる。燃焼器ケーシング２０と筒体３０との間に導かれる二酸化炭素の温度は、４００℃程度である。ここで、この配管４４によって供給される二酸化炭素の温度は、高温二酸化炭素の温度よりも低い。そこで、配管４４を流れる超臨界二酸化炭素を以下において低温二酸化炭素と呼ぶ。

一方、昇圧された二酸化炭素の残部は、配管４２から分岐した配管４５に導入される。配管４５に導入された二酸化炭素は、流量調整弁４９によって流量が調節され、外部に排出される。なお、配管４５は、排出管として機能する。外部に排出された二酸化炭素は、例えば、石油採掘現場で採用されているＥＯＲ（Enhanced Oil Recovery）などに利用することができる。

次に、燃焼器ケーシング２０内の構成および二重管６０Ａについて詳しく説明する。

まず、燃焼器ケーシング２０内の構成について説明する。

図２は、第１の実施の形態の二重管６０Ａを備える燃焼器１０および燃焼器ケーシング２０の縦断面を模式的に示した図である。

図２に示すように、燃焼器１０は、燃料ノズル部１１、燃焼器ライナ１２およびトランジションピース１３（尾筒）を備える。

燃料ノズル部１１は、配管４０から供給された燃料および配管４１から供給された酸化剤を燃焼器ライナ１２内に噴出する。例えば、中央から燃料を噴出し、その周囲から酸化剤を噴出する。燃焼器１０は、燃焼器ケーシング２０の内部に収容されている。

燃焼器ケーシング２０は、燃焼器１０を囲むように、燃焼器１０の長手方向に沿って設けられている。燃焼器ケーシング２０は、例えば、燃焼器１０の長手方向に２分割されている。燃焼器ケーシング２０は、例えば、上流側の上流側ケーシング２１および下流側の下流側ケーシング２２で構成される。

上流側ケーシング２１は、例えば、一端（上流端）が閉塞され、他端（下流端）が開口された筒体で構成されている。一端の中央には、燃料ノズル部１１を挿入する開口２１ａが形成されている。

また、上流側ケーシング２１の側部には、二重管６０Ａが備えられている。二重管６０Ａの外管７０は、例えば、上流側ケーシング２１の側部に形成された開口２１ｂに嵌め込まれ、接合されている。二重管６０Ａには、高温二酸化炭素を流通させる配管４２および低温二酸化炭素を流通させる配管４４が連結されている。

下流側ケーシング２２は、両端が開口した筒体で構成されている。下流側ケーシング２２の一端は、上流側ケーシング２１に接続され、下流側ケーシング２２の他端は、例えば、タービン５０を囲むケーシングに接続されている。

図２に示すように、燃焼器ケーシング２０内には、燃焼器１０の周囲を包囲し、燃焼器ケーシング２０と燃焼器１０との間の空間を区画する筒体３０が設けられている。燃焼器１０と筒体３０との間には、所定の空間を有している。

筒体３０の一端（上流端）は、閉鎖され、燃料ノズル部１１を挿入する開口３１が形成されている。筒体３０の他端（下流端）は、閉鎖され、トランジションピース１３の下流端を貫通させる開口３２が形成されている。

筒体３０は、例えば、開口３１を有する板状の蓋部材３０ａを筒状の本体部材３０ｂに接合して形成される。筒体３０の下流側の開口３２の内周面は、トランジションピース１３の下流端部の外周面に接している。

また、筒体３０の上流側の側部には、二重管６０Ａの内管８０が連結されている。なお、二重管６０Ａは、１箇所に限らず、周方向に複数個所有してもよい。

次に、二重管６０Ａの構成につて説明する。

図３は、第１の実施の形態の二重管６０Ａの縦断面を拡大して示した図である。図４は、図３のＡ−Ａ断面を示す図である。図５は、図３のＢ−Ｂ断面を示す図である。図６は、図５のＣ−Ｃ断面を示す図である。ここで、図５は、図３に示す断面から二重管６０Ａの中心軸Ｏを中心として９０度ずれた位置での縦断面である。

図３および図５に示すように、二重管６０Ａは、外管７０と、内管８０と、周方向回動防止機構９０と、軸方向移動制限機構１１０とを備える。

図３に示すように、外管７０は、両端が開口した円管で構成される。外管７０の一端７０ａは、上流側ケーシング２１の側部に形成された開口２１ｂに嵌め込まれ、接合されている。外管７０の他端７０ｂは、配管４２と連結されている。例えば、外管７０の他端７０ｂに形成されたフランジ７１と、配管４２の端部に形成されたフランジ４２ａとを締結することで、外管７０と配管４２とが連結される。

また、外管７０の側部には、配管４４が連結されている。そして、外管７０の側部に形成された開口７２を介して配管４４から外管７０と内管８０との間に低温二酸化炭素が供給される。配管４４は、シール部１０５よりも燃焼器ケーシング２０側で外管７０に連結されている。

ここで、配管４４から低温二酸化炭素が導入される外管７０と内管８０との間の通路を環状通路６１と呼ぶ。なお、環状通路６１に供給される低温二酸化炭素は、第２の流体として機能する。また、外管７０の開口７２は、流体導入部として機能する。

上記したように上流側ケーシング２１は、低温二酸化炭素が流れる環状通路６１を構成する外管７０と連結される。そのため、上流側ケーシング２１は、低温二酸化炭素の温度に耐え得る、例えば、ＣｒＭｏＶ鋼、ＣｒＭｏ鋼などの安価なＦｅ（鉄）ベースの耐熱鋼で形成される。

内管８０は、外管７０の内部に挿通されている。内管８０は、例えば、内管８０の中心軸が、外管７０の中心軸と一致するように配置されることが好ましい。

内管８０の一端８０ａは、筒体３０の側部（本体部材３０ｂ）に形成された開口３０ｃに貫通し、支持部１００によって支持されている。

支持部１００は、支持部材１０１と、保持部材１０２とを備える。支持部材１０１は、例えば、開口３０ｃ内に設けられた環状部材で構成される。支持部材１０１は、内管８０の外周と接触して内管を軸方向および周方向に摺動可能に支持する。

ここで、軸方向とは、二重管６０Ａの中心軸Ｏの方向をいう。周方向とは、二重管６０Ａの中心軸Ｏを中心とする周方向をいう。なお、内管８０の中心軸と外管７０の中心軸とが一致しない場合には、軸方向とは、例えば、内管８０の中心軸の方向をいい、周方向とは、例えば、内管８０の中心軸を中心とする周方向をいう。

保持部材１０２は、支持部材１０１を支持し、支持部材１０１を開口３０ｃ内の所定の位置に保持する。保持部材１０２は、例えば、支持部材１０１の外周面から半径方向外側に広がる円盤状部材で構成される。ここで、半径方向外側とは、中心軸Ｏに垂直な方向で中心軸Ｏから遠ざかる方向を意味する。

保持部材１０２は、例えば、本体部材３０ｂの開口３０ｃの周端面に周方向に形成された溝部３０ｄに嵌合されている。また、保持部材１０２は、例えば、周方向に若干の移動が可能なように溝部３０ｄ内に嵌合されている。

このような構成の支持部１００で内管８０の一端８０ａ側を支持することで、燃焼器ケーシング２０（上流側ケーシング２１）と筒体３０（本体部材３０ｂ）との間に供給された低温二酸化炭素が開口３０ｃを介して筒体３０内に流入することを防止している。

内管８０の他端８０ｂ側は、図３に示すように、例えば、内管８０の一端８０ａ側よりも外径が大きく構成されている。また、内管８０の他端８０ｂは、配管４２の内部まで伸びている。内管８０には、配管４２から供給された高温二酸化炭素が流れる。なお、内管８０に供給される高温二酸化炭素は、第１の流体として機能する。

内管８０の他端８０ｂ側には、内管８０と外管７０との間をシールするシール部１０５が設けられている。

シール部１０５は、例えば、溝部１０６と、シール部材１０７とを備える。溝部１０６は、内管８０の外周面に周方向に亘って形成された環状溝で構成される。

シール部材１０７は、例えば、環状部材で構成される。シール部材１０７の内周部は、溝部１０６に嵌合され、外周は、外管７０の内周面に当接している。また、シール部材１０７は、外管７０の他端７０ｂ側から外管７０の内に内管８０を挿入する際、外管７０の内周面に対して摺動可能な部材または摺動可能な構造で構成されている。

シール部材１０７としては、例えば、金属製のＯリングやピストンリングなどが使用される。なお、シール部材１０７は、特に限定されるもではない。シール部材１０７は、内管８０と外管７０との間をシールする構成であればよい。

シール部１０５を備えることで、環状通路６１に供給された低温二酸化炭素が、配管４２側に流出することはない。また、配管４２から内管８０に供給される高温二酸化炭素が環状通路６１に流出することはない。

周方向回動防止機構９０は、内管８０が周方向に回動することを防止する。周方向回動防止機構９０は、図３および図４に示すように、内管突出部９１と、外管突出部９２とを備える。なお、内管突出部９１は、第１の内管突出部として機能し、外管突出部９２は、第１の外管突出部として機能する。

内管突出部９１は、内管８０の外周面から半径方向外側に突出する。ここでは、２つの内管突出部９１を備えた一例を示している。この場合、内管突出部９１は、周方向に均等に配置される。

内管突出部９１は、周方向および軸方向に所定の幅を有する。また、内管突出部９１は、後述する嵌合溝９３に嵌合できる程度の半径方向外側への突出高さを有する。

なお、周方向回動防止機構９０は、周方向に少なくとも１つ備えられていればよい。そのため、内管突出部９１は、周方向に少なくとも１つ備えられていればよい。

外管突出部９２は、外管７０の内周面から半径方向内側に突出する。ここで、半径方向内側とは、中心軸Ｏに垂直な方向で中心軸Ｏに近づく方向を意味する。

また、外管突出部９２は、図４に示すように、内管突出部９１と嵌合する軸方向に貫通した嵌合溝９３を有する。嵌合溝９３は、図４に示す中心軸Ｏに垂直な断面において、断面コ字状の溝で構成されている。なお、外管突出部９２は、周方向および軸方向に所定の幅を有する。

嵌合溝９３は、外管突出部９２を軸方向に貫通して形成されているため、内管８０の軸方向の移動を可能としている。一方、内管突出部９１が嵌合溝９３に嵌合することで、内管８０の周方向の回動が防止される。

ここで、内管突出部９１、外管突出部９２および嵌合溝９３の形状は特に限定されない。すなわち、これらの形状は、外管突出部９２を軸方向に貫通した嵌合溝９３に内管突出部９１が嵌合して、内管８０の周方向の回動を防止できる形状であればよい。

なお、ここでは、周方向回動防止機構９０を配管４４が連結された軸方向位置よりも燃焼器１０側の軸方向位置に設けた一例を示している。なお、周方向回動防止機構９０は、配管４４が連結された軸方向位置よりも配管４２側の軸方向位置に設けられてもよい。

軸方向移動制限機構１１０は、軸方向の所定位置よりも一方の側へ内管８０が移動することを制限する。ここでは、軸方向移動制限機構１１０は、所定位置よりも燃焼器１０側へ内管８０が移動することを抑制している。

図５および図６に示すように、軸方向移動制限機構１１０は、内管突出部１１１と、外管突出部１１２とを備える。なお、内管突出部１１１は、第２の内管突出部として機能し、外管突出部１１２は、第２の外管突出部として機能する。

内管突出部１１１は、内管８０の外周面から半径方向外側に突出する。ここでは、２つの内管突出部１１１を備えた一例を示している。この場合、内管突出部１１１は、周方向に均等に配置される。内管突出部１１１は、周方向および軸方向に所定の幅を有する。

なお、軸方向移動制限機構１１０は、周方向に少なくとも１つ備えられていればよい。そのため、内管突出部１１１は、周方向に少なくとも１つ備えられていればよい。

外管突出部１１２は、外管７０の内周面から半径方向内側に突出する。なお、外管突出部１１２および内管突出部１１１は、内管８０を軸方向に移動した際に、それぞれが接触するように、半径方向に突出している。

そのため、内管８０を外管７０内に挿入して軸方向に移動する際、内管突出部１１１が外管突出部１１２に接触した軸方向位置で内管８０の燃焼器１０側への移動が制限される。この内管突出部１１１と外管突出部１１２とが接触したときの、内管８０が存在する軸方向の位置が、軸方向の所定位置に相当する。

ここで、軸方向移動制限機構１１０は、周方向回動防止機構９０が備えられた周方向位置とは異なる周方向位置に備えられる。ここでは、軸方向移動制限機構１１０と周方向回動防止機構９０とが、周方向に９０度ずらして配置された一例を示している。

これによって、内管８０を外管７０内に挿入して軸方向に移動する際、周方向回動防止機構９０の内管突出部９１と軸方向移動制限機構１１０の外管突出部１１２とが接触することを回避できる。これによって、外管突出部１１２を避ける操作をすることなく、内管８０を所定位置まで外管７０内に挿入することができる。

ここでは、軸方向移動制限機構１１０が、周方向回動防止機構９０が備えられた軸方向位置とは異なる軸方向位置に備えられた一例を示している。また、ここでは、軸方向移動制限機構１１０が、配管４４が連結された軸方向位置よりも配管４２側の軸方向位置に設けられた一例を示している。なお、軸方向移動制限機構１１０は、配管４４が連結された軸方向位置よりも燃焼器１０側の軸方向位置に設けられてもよい。

なお、配管４４が連結された軸方向位置よりも燃焼器１０側の軸方向位置に周方向回動防止機構９０を備える場合、環状通路６１における圧力損失を低減するために、軸方向移動制限機構１１０は、配管４４が連結された軸方向位置よりも配管４２側の軸方向位置に設けられることが好ましい。

ここで、配管４２および配管４４から導入された二酸化炭素の流れについて、図２〜図６を参照して説明する。

高温二酸化炭素は、図２および図３に示すように、配管４２から内管８０内に導入される。内管８０内に導入された高温二酸化炭素は、筒体３０内に導入される。筒体３０内に導入された高温二酸化炭素は、燃焼器ライナ１２と筒体３０との間の環状の空間を下流側へ流れる。この際、高温二酸化炭素は、燃焼器ライナ１２およびトランジションピース１３を冷却する。

そして、高温二酸化炭素は、燃焼器ライナ１２およびトランジションピース１３の、例えば、多孔式膜冷却部の孔１４、１５や希釈孔１６などから燃焼器ライナ１２内やトランジションピース１３内に導入される。

このように、内管８０から導入された高温二酸化炭素の全量が燃焼器ライナ１２内やトランジションピース１３内に導入される。なお、燃焼器ライナ１２内やトランジションピース１３内に導入された高温二酸化炭素は、燃焼によって生成された燃焼ガスとともにタービン５０に導入される。

一方、配管４４から環状通路６１に導入された冷温二酸化炭素は、周方向回動防止機構９０が備えられた環状通路６１内を通り、燃焼器ケーシング２０と筒体３０との間に導かれる。

環状通路６１を流れる低温二酸化炭素は、内管８０を冷却する。また、内管８０の周囲には低温二酸化炭素が流れているため、高温二酸化炭素が流れる内管８０からの燃焼器ケーシング２０への熱伝達が抑制される。

ここで、配管４４から環状通路６１に冷温二酸化炭素が導入される際、冷温二酸化炭素は、例えば、内管８０の側面に向けて噴出される。この際、内管８０は、側面に流れの力を受ける。これによって、内管８０には、周方向への回転力が与えられる。しかしながら、周方向回動防止機構９０によって、内管８０の周方向への回動が防止される。

また、熱膨張によって内管８０に軸方向の熱伸びが生じる場合、軸方向移動制限機構１１０によって、内管８０が所定位置よりも燃焼器１０側へ移動することが制限される。一方、軸方向移動制限機構１１０は、配管４２側への熱伸びを制限していないため、配管４２側への内管８０の熱伸びは若干許容される。

燃焼器ケーシング２０と筒体３０との間に導かれた低温二酸化炭素は、燃焼器ケーシング２０と筒体３０との間の環状の空間を下流側へ流れる。この際、低温二酸化炭素は、燃焼器ケーシング２０および筒体３０を冷却する。この低温二酸化炭素は、例えば、タービン５０の静翼３５や動翼３６の冷却にも使用される。このような冷却によって、燃焼器ケーシング２０の温度は、例えば、４００℃以下となる。

上記したように、第１の実施の形態の二重管６０Ａによれば、周方向回動防止機構９０を備えることによって、環状通路６１に低温二酸化炭素が導入されても、内管８０の周方向への回動を防止することができる。また、周方向回動防止機構９０が備えられた部位においては、内管８０の軸方向の移動が制限されることはない。

このように内管８０の周方向への回動を防止することで、内管８０を摺動可能に支持している摺動部の摩耗などを防止できる。ここで、摺動部としては、支持部１００、シール部１０５などが挙げられる。

軸方向移動制限機構１１０を備えることによって、例えば、外管７０内の軸方向の所定位置に内管８０を容易に配置することができる。

また、軸方向移動制限機構１１０を備えることによって、熱膨張によって内管８０に軸方向の熱伸びが生じる場合においても、内管８０が全体として燃焼器１０側へ移動することが制限される。

ここで、内管８０の一端側および他端側は、自由端であり、軸方向に摺動可能な状態に支持されている。熱膨張によって内管８０に軸方向の熱伸びが生じた場合、外管突出部１１２に接触する内管突出部１１１よりも燃焼器１０側の内管８０は、燃焼器１０側へ熱伸びが可能である。また、内管突出部１１１よりも配管４２側の内管８０は、配管４２側へ熱伸びが可能である。なお、内管８０の配管４２側への熱伸びは、若干許容される。

これによって、熱膨張によって内管８０に軸方向の熱伸びが生じた場合、二重管６０Ａの方が、内管が外管に動かないように固定された二重管よりも、内管などの損傷を防止できる。

（第２の実施の形態）
図７は、第２の実施の形態の二重管６０Ｂの縦断面を拡大して示した図である。図８は、図７のＤ−Ｄ断面を示す図である。図９は、図７のＥ−Ｅ断面を示す図である。図１０は、図９のＦ−Ｆ断面を示す図である。ここで、図９は、図７に示す断面から二重管６０Ｂの中心軸Ｏを中心として９０度ずれた位置での縦断面である。

なお、第２の実施の形態において、第１の実施の形態の二重管６０Ａと同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。

第２の実施の形態の二重管６０Ｂにおいては、周方向回動防止機構１２０および軸方向移動制限機構１３０の構成以外は第１の実施の形態の二重管６０Ａの構成と同じである。そのため、ここでは、主に周方向回動防止機構１２０および軸方向移動制限機構１３０の構成について説明する。

図７および図９に示すように、二重管６０Ｂは、外管７０と、内管８０と、周方向回動防止機構１２０と、軸方向移動制限機構１３０とを備える。

ここで、外管７０および内管８０の構成は、第１の実施の形態における外管７０および内管８０の構成と同じである。

周方向回動防止機構１２０は、内管８０が周方向に回動することを防止する。周方向回動防止機構１２０は、図７および図８に示すように、内管突出部１２１と、外管突出部１２２とを備える。なお、内管突出部９１は、第１の内管突出部として機能し、外管突出部９２は、第１の外管突出部として機能する。

内管突出部１２１は、内管８０の外周面から半径方向外側に突出する。ここでは、２個の内管突出部１２１を備えた一例を示している。この場合、内管突出部１２１は、周方向に均等に配置される。

なお、内管突出部１２１は、周方向および軸方向に所定の幅を有する。また、内管突出部１２１は、後述する嵌合溝１２３に嵌合できる程度の半径方向外側への突出高さを有する。また、内管突出部９１は、周方向に少なくとも１つ備えられていればよい。

外管突出部１２２は、外管７０の内周面から半径方向内側に突出して周方向に亘って形成された一つの環状外管突出部で構成されている。すなわち、外管突出部１２２は、外管７０の内周面から半径方向内側に突出して周方向に亘って形成された環状の突条によって構成される。

また、外管突出部１２２は、図８に示すように、内管突出部１２１と嵌合する軸方向に貫通した嵌合溝１２３を有する。嵌合溝１２３は、図８に示す中心軸Ｏに垂直な断面において、断面コ字状の溝で構成されている。

嵌合溝１２３は、外管突出部１２２を軸方向に貫通して形成されているため、内管８０の軸方向の移動を可能としている。一方、内管突出部１２１が嵌合溝１２３に嵌合することで、内管８０の周方向の回動が防止される。

ここで、内管突出部１２１および嵌合溝１２３の形状は特に限定されない。すなわち、内管突出部１２１および嵌合溝１２３の形状は、外管突出部１２２を軸方向に貫通した嵌合溝１２３に内管突出部１２１が嵌合して、内管８０の周方向の回動を防止できる形状であればよい。

軸方向移動制限機構１３０は、軸方向の所定位置よりも一方の側へ内管８０が移動することを制限する。ここでは、軸方向移動制限機構１３０は、所定位置よりも燃焼器１０側へ内管８０が移動することを抑制している。

図９および図１０に示すように、軸方向移動制限機構１３０は、内管突出部１３１と、外管突出部１２２とを備える。なお、内管突出部１３１は、第２の内管突出部として機能し、外管突出部１２２は、第２の外管突出部として機能する。

ここで、軸方向移動制限機構１３０の外管突出部１２２は、周方向回動防止機構１２０の外管突出部１２２と同じである。すなわち、軸方向移動制限機構１３０の外管突出部１２２および周方向回動防止機構１２０の外管突出部１２２は、外管７０の内周面から半径方向内側に突出して周方向に亘って形成された一つの環状外管突出部で構成されている。換言すると、軸方向移動制限機構１３０および周方向回動防止機構１２０における外管突出部として、一つの外管突出部１２２を併用している。

内管突出部１３１は、内管８０の外周面から半径方向外側に突出する。ここでは、２つの内管突出部１３１を備えた一例を示している。この場合、内管突出部１３１は、周方向に均等に配置される。内管突出部１３１は、周方向および軸方向に所定の幅を有する。

なお、軸方向移動制限機構１３０は、周方向に少なくとも１つ備えられていればよい。そのため、内管突出部１３１は、周方向に少なくとも１つ備えられていればよい。

ここで、内管突出部１３１は、外管突出部１２２に他端７０ｂ側から当接するため、内管突出部１２１よりも他端７０ｂ側に位置する。

外管突出部１２２の構成は、前述したとおりである。なお、外管突出部１２２および内管突出部１３１は、内管８０を軸方向に移動した際に、それぞれが接触するように、半径方向に突出している。

そのため、内管８０を他端７０ｂ側から外管７０内に挿入して軸方向に移動する際、内管突出部１３１が外管突出部１２２に接触した軸方向位置で内管８０の燃焼器１０側への移動が制限される。この内管突出部１３１と外管突出部１２２とが接触したときの、内管８０が存在する軸方向の位置が、軸方向の所定位置に相当する。

ここで、軸方向移動制限機構１３０は、周方向回動防止機構１２０が備えられた周方向位置とは異なる周方向位置に備えられる。ここでは、軸方向移動制限機構１３０と周方向回動防止機構１２０とが、周方向に９０度ずらして配置された一例を示している。

この軸方向移動制限機構１３０と周方向回動防止機構１２０とを異なる周方向位置に備えることによる効果は、第１の実施の形態で説明したとおりである。

ここで、第２の実施の形態では、周方向回動防止機構１２０および軸方向移動制限機構１３０は、流体導入部である開口７２よりも低温二酸化炭素が流れる方向とは逆側に位置する。換言すると、周方向回動防止機構１２０および軸方向移動制限機構１３０は、配管４４が連結された軸方向位置よりも配管４２側の軸方向位置に設けられている。

なお、配管４２および配管４４から導入された二酸化炭素の流れは、第１の実施の形態において説明した、配管４２および配管４４から導入された二酸化炭素の流れと同じである。

また、周方向回動防止機構１２０および軸方向移動制限機構１３０を備えることによる効果は、第１の実施の形態において説明した、周方向回動防止機構９０および軸方向移動制限機構１１０を備えることによる効果と同じである。

ここで、第２の実施の形態の二重管６０Ｂにおいては、周方向回動防止機構１２０および軸方向移動制限機構１３０は、配管４４が連結された軸方向位置よりも配管４２側の軸方向位置に設けられている。

これによって、周方向回動防止機構１２０および軸方向移動制限機構１３０によって、低温二酸化炭素が流れる環状通路６１の流路断面積が減少されることはない。そのため、低温二酸化炭素が環状通路６１を流れる際の圧力損失を低減することができる。

ここで、第２の実施の形態の二重管６０Ｂの構成に、例えば、第1の実施の形態の二重管６０Ａの周方向回動防止機構９０をさらに備えてもよい。この場合、周方向回動防止機構９０は、配管４４が連結された軸方向位置よりも燃焼器１０側の軸方向位置に設けられる。

以上説明した実施形態によれば、中心軸を中心とした周方向の内管の回転を防止することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…ガスタービン設備、１０…燃焼器、１１…燃料ノズル部、１２…燃焼器ライナ、１３…トランジションピース、１４、１５…孔、１６…希釈孔、２０…燃焼器ケーシング、２１…上流側ケーシング、２１ａ、２１ｂ、３０ｃ、３１、３２、７２…開口、２２…下流側ケーシング、３０…筒体、３０ａ…蓋部材、３０ｂ…本体部材、３０ｄ、１０６…溝部、３５…静翼、３６…動翼、４０、４１、４２、４３、４４、４５…配管、４２ａ…フランジ、４６、４７、４８、４９…流量調整弁、５０…タービン、５１…発電機、５２…冷却器、５３、５４…圧縮機、５５…熱交換器、６０Ａ、６０Ｂ…二重管、６１…環状通路、７０…外管、７０ａ、８０ａ…一端、７０ｂ、８０ｂ…他端、７１…フランジ、８０…内管、９０…周方向回動防止機構、９１、１１１、１２１、１３１…内管突出部、９２、１１２、１２２…外管突出部、９３、１２３…嵌合溝、１００…支持部、１０１…支持部材、１０２…保持部材、１０５…シール部、１０７…シール部材、１１０…軸方向移動制限機構、１２０…周方向回動防止機構、１３０…軸方向移動制限機構。

Claims

外管と、前記外管の内部に挿通され、第１の流体を流通させるための内管と、前記外管と前記内管との間の環状通路に第２の流体を導入する流体導入部とを備える二重管であって、
前記内管の外周面から半径方向外側に突出する第１の内管突出部と、
前記外管の内周面から半径方向内側に突出するとともに、前記第１の内管突出部と嵌合する前記二重管の軸方向に貫通した嵌合溝を有する第１の外管突出部と
を具備することを特徴とする二重管。
前記二重管の軸方向の所定位置よりも一方の側へ前記内管が移動することを制限する軸方向移動制限機構を備えたことを特徴とする請求項１記載の二重管。
前記軸方向移動制限機構は、
前記内管の外周面から半径方向外側に突出する第２の内管突出部と、
前記外管の内周面から半径方向内側に突出して形成され、前記二重管の軸方向において前記第２の内管突出部と当接する第２の外管突出部と
を備えることを特徴とする請求項２記載の二重管。
前記第１の内管突出部および前記第１の外管突出部が形成される周方向位置は、前記軸方向移動制限機構が形成される周方向位置とは異なることを特徴とする請求項２または３記載の二重管。
前記第１の内管突出部、前記第１の外管突出部および前記軸方向移動制限機構が、前記流体導入部よりも前記第２の流体が流れる方向とは逆側に位置する場合において、
前記第１の外管突出部および前記第２の外管突出部が、前記外管の内周面から半径方向内側に突出して周方向に亘って形成された一つの環状外管突出部で構成され、
前記嵌合溝は、前記環状外管突出部に形成され、
前記第１の内管突出部が形成される周方向位置は、前記第２の内管突出部が形成される周方向位置とは異なることを特徴とする請求項３記載の二重管。
前記第１の流体の温度は、前記第２の流体の温度よりも高いことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の二重管。
前記流体導入部は、前記外管の側部に形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の二重管。