JP2554175B2 - ガスタービンの燃焼室 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 この発明は、ガスタービンエンジン燃焼器に関するも
のであり、さらに詳しく言うと、燃焼室内に空気を導く
ために用いられる空気取入口の冷却に関するものであ
る。

発明の背景 ガスタービンにおいて高い燃焼効率を得るためには、
燃焼室内がより高い温度であることが望まれる。このよ
うなより高い温度で使用すると、燃焼室の壁は熱応力お
よび熱歪を受け易い。また、経済的な理由により、純燃
料よりもむしろ不純物を多く含んだ重質燃料もしくは残
留燃料を燃やすことがしばしば望まれる。この重質燃料
は燃焼質の壁に実質的により多くの熱を加えるので、燃
焼器の寿命および信頼性は減少する。

一方、それらの問題を解決するために、セラミック製
の燃焼室の壁の使用が提案されていたが、たいがいの燃
焼室の壁は金属材料で構成されたままである。

それらの問題の他の解決策は、燃焼室の壁により多く
の冷却した空気を導くことである。しかしながら、この
ような空気量の増大は、ガスがタービン羽根に導かれた
ときに、ガスの温度分布パターンに対して悪影響を与え
ることになる。なぜならば、冷却空気が流れる羽根端部
とその羽根の中心部との間に大きな温度差が生じ、羽根
に大きな熱応力と熱歪とを生じさせることになるからで
ある。

燃焼器バケットの壁に対する冷却が改良されたガスタ
ービンについては、1975年８月19日に発行されたステフ
ァン アール．パーカー（Stephen R.Parker）の米国特
許第3,899,882号明細書に記載されている。そこに記載
された燃焼器は、燃焼器の壁の回りに環状の配列で配設
された複数個の燃焼空気オリフィス即ち開口部を有して
いる。空気取入口として知られた開口部は、管部分、ほ
ぼ環状フランジ部分および燃焼器の壁と空気取入口の環
状のフランジ部分との間に配設された中間スペーサーか
らなっている。空気の流れおよび燃焼器バスケットの壁
の冷却を可能にする空気取入口の下流側には弓形の間隙
が設けられている。燃焼室内で半径方向内側に延びた空
気取入口の管部分により、燃料の燃焼と燃焼生成物の混
合とのために燃焼器の内部に多少の空気が強制的に入れ
られる。

米国特許第3,899,882号明細書の燃焼の特徴は、燃焼
器バケットの壁を冷却することおよび燃料を燃やすため
に使用される空気を燃焼室内に導入することを可能にす
ることであるが、空気取入口の管部分が燃えてしまうこ
とによって、修理に費用が多くかかり、かつ顧客に不満
を与えるという問題がある。空気取入口の管部分に燃え
るのは、燃焼室内に存在する酸化雰囲気中での過大の温
度のためである。空気取入口の管部分を通って流れる空
気は、局所的な分離（剥離、つまり渦流が生じて局所的
に空気が滞留してしまう。）のために、管部分の金属の
冷却を維持しておくことはできない。空気取入口の環状
フランジ部分と管部分との間の連結部に存在する先の尖
ったアールはそのような空気の分離を助長している。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされた
ものであり、狭い通路である環状の空気流通路を形成す
るとともに、内部円筒部と第２の外側フランジ部との間
に弓形部を有する空気取入口を備えることにより、空気
は円滑に空気取入口を通じて燃焼室内に導入され、空気
取入口部での空気の部分的な分離（局所的に空気が滞留
すること）が阻止され、空気取入口の局所的な冷却不良
が生じるようなことのないガスタービンの燃焼室を得る
ことを目的とする。

発明の概要 かかる目的から、この発明では、上流端に燃料を入れ
る燃料供給手段と、下流端から高温ガスを排出するため
の排出手段とを有するガスタービン燃焼室において、燃
焼室の壁は、壁を貫通する開口部と、燃焼室内に空気を
向けるために同開口部を通して設けられた特有な構造の
空気取入口とを有している。

空気取入口は、内部円筒部と燃焼室の外表面に固着さ
れた第１の外側フランジ部とを有する外管部材と、外管
部材の内部円筒部の内径よりも小さな外径の内部円筒部
を有し、外管部材の中に同軸に位置決めされた内管部材
とを有している。従って、両管部材の管に環状の空気流
通路が形成される。内案部材は、外管部材の第１の外側
フランジ部の上に位置した第２の外側フランジ部を有し
ている。冷却空気が第１の外側フランジ部と第２の外側
フランジ部との間を流れ、また環状の空気流通路を通っ
て燃焼室内に流れるように、第１の外側フランジ部と第
２の外側フランジ部との間には少なくとも一つのスペー
サが設けられ、それらに固着される。

内管部材を通る改良された空気流は、内管部材の内部
円筒部と第２の外側フランジ部との間に半径方向外側に
延びる弓形部を設けることによって、得られる。

好適な実施例の説明 第１図には、符号３で表示された燃焼装置を有するガ
スタービン発電機プラント１の一部分が示されている。
しかし、この燃焼装置は図示以外の任意の型式のガスタ
ービン発電機プラントとともに使用しうる。ガスタービ
ン発電機プラント１は、空気を燃焼装置３に向けるため
の軸流空気圧縮機５と、燃焼装置３に接続され発電機プ
ラントを動作させるために燃焼装置から高温燃焼生成物
を受け取るガスタービン７とを含んでいる。

発電機プラントおよび燃焼装置の下半分部分は、発電
機プラントの中心線RR′即ち回転軸心の周りでその上半
分部分と実質的に同一であり、また対称的であるので、
それらの上半分部分だけが示されている。

空気圧縮機５は、その技術ではよく知られていること
であるが、多段羽根付きロータ９を有している。この多
段羽根付きロータ９は、それと同数の多段固定羽根11を
有するステーターと共働して、同ロータおよびステータ
ーを通るよるに流れる空気を、燃焼装置３内で適する圧
力値まで圧縮する。空気圧縮機５の出口部は、ハウジン
グ17により部分的に画定された充気室15のための通風孔
を形成する環状拡散部13に向けられている。ハウジンウ
17は、円形断面で円筒形状をしており発電機フランド１
の中心線RR′と平行の外殻即ち燃焼室壁19と、空気圧縮
機５の外箱に接続された前方丸屋根形状の壁21と、ガス
タービン７の外箱に接続された後方環状壁23とを含んで
いる。

上で述べたように、このガスタービン７は、軸流型の
ものであり、タービンロータ29に取り付けられた複数個
の回転羽根27と協動的に関連された、それと同数複数個
の固定羽根25の列によって形成された複数個の膨張段を
含んでいる。タービンロータ29は空気圧縮機のロータ９
に管状接続軸31により接続されている。また、管状ライ
ナー即ちフェアリング33が接続軸31に固定的に取り囲ん
だ関係で適当に支持されているので、空気圧縮機の環状
拡散部13から充気室15に入る空気に対しては円滑な空気
流表面を提供することになる。

ハウジング17内部には、入れ子式の複数個の細長い管
状の燃焼室35即ち燃焼器が配設されている。これらの燃
焼室35は、環状で相互に間隔をあけた配列で、かつ発電
機プラントの中心線と同軸の配列で配設されている。ま
た、各燃焼室35は燃焼室壁19内で互いに等間隔で配設さ
れている。各燃焼室35はそれらの軸がハウジング17と発
電機プラントの中心線Ｒ−Ｒ′とに実質的に平行になる
ように配列されている。この発明は、単体の環状バスケ
ット型あるいはかん型のアンニュラ型との混合した特徴
を有するカンニュラ型のような他の燃焼器にも適用する
ことができる。

燃焼室35は一つだけが示されているが、他の燃焼室35
も実質的に同一である。第１図に示されているように各
燃焼室35は三つの部分、つまり上流の第１の部分37、中
間の第２の部分39および下流の移行部分41からなってい
る。

燃焼装置３の前方壁21には中心開口部43が設けられて
いる。燃焼供給手段である燃料インゼクター45がその中
心開口部43を通って延設されている。この燃料イゼクタ
ー45には、適当な燃料供給部（図示せず）に接続された
適当な管47によって燃料が供給される。そして、その燃
料インゼクター45は、燃焼室35の第１の部分37内に実質
的に円錐形状の燃料の霧を供給するように形成された周
知の噴霧タイプのものである。電気式点火装置49が燃焼
室35内で燃料と空気との混合物を点火するために備えら
れている。

燃焼室35の第１の部分37には断面が円形をした複数個
のライナー部分51があり、図ではそのライナー部分は円
筒形状をしている。第１の部分37は段状のライナー構造
になっており、各ライナー部分51は、それらの部分が入
れ子式の挿入ができるように、燃焼室35の上流の部分よ
りも下流端部に進むに従ってより大きな円周即ち直径を
有している。幾つかのライナー部分51は環状に配列され
た開口部53を有している。この開口部53を通じて、充気
室15内から燃料インゼクター45によって内部に噴射され
た燃料を燃焼させる燃焼室の第１の部分37内に一次空気
あるいは二次空気が入れられる。さらに、燃焼室35は環
状の列に配列された別の開口部53が設けられた第２の部
分39を含んでいる。運転中、この開口部53を通じて充気
室15から第２の部分39内に二次空気が入れられ、高温の
ガス状生成物を冷却されて、タービン羽根25と回転羽根
27とに対して適温になる。移行部分41には、第２の部分
39を取り囲みまた僅かに重なって配設された円筒形状の
前方部分55が設けられている。また、移行部分41には後
方管部分57が設けられている。この後方管部分57は、円
筒形状の前方部分55で円形断面からその出口端部59で弓
形断面に特に変形している。排出手段である出口端部59
の弓形部は他の燃焼室35（図示せず）の出口端部と接続
されているので、完全な環輪が、各燃焼室35からガスタ
ービン７の羽根25,27に燃焼による高温生成物を入れる
ために備えられ、それにより作動ガスはガスタービン７
の全周囲からその内部に入れられる。

この発明によると、空気取入口61が少なくとも一つの
開口部53に設けられている。その空気取入口61は、特殊
な形状を有する、同軸状に離間した一対の管部材からな
っている。第２図ないし第５図では、空気取入口61が燃
焼室35の壁63の開口部53に位置決めされている。その空
気取入口61は外管部材65、内管部材67およびスペーサー
69からなっている。外管部材65は内部円筒部71とその外
端75で外側に延びた第１の外側フランジ部73とを有して
いる。そのフランジ73は燃焼室35の壁63の外表面77に溶
接のような手段によって固着されている。

内管部材67が外管部材65の内部に、間隔をあけて同軸
に配設されている。内管部材67は、内部円筒部71の内径
ｄ′よりも小さな外径ｄを有する内部円筒部79と、外側
に延びた第２の外側フランジ部81とからなっている。ス
ペーサ69が外管部材65の第１の外側フランジ部73と内管
部材67の第２の外側フランジ部81との間に設けられてい
る。内管部材67が外管部材65が間隔をあけた関係でかつ
その内部に同軸の配列され、内管部材67と外管部材65と
の間には環状の空気流通路83が形成されている。外間部
材65の第１の外側フランジ部73と内管部材67の第２の外
側フランジ部81との間のスペーサー69により、第５図の
矢印に示されているように、冷却空気が第１の外側フラ
ンジ部73と第２の外側フランジ部81との間を通って感情
の空気流通路83を流れる。

スポット溶接85のような溶接が燃焼室35の壁63の外表
面77に外管部材65の第１の外側フランジ部73を固着する
ために用いられている。一方、さらにスポット溶接87の
ような溶接が外管部材65の第１の外側フランジ部73と内
管部材67の第２の外側フランジ部81との各々にスペーサ
ー69を固着するために行われており、その溶接により、
スペーサー69は適所に固着され、また内管部材67と外管
部材65とが同軸の関係で配列されて環状の空気流通路83
が形成される。

内管部材67を通過する、改良された空気流が得られる
ように、内管部材67は好ましく構成されかつ配列され
る。特に第４図に示されるように、内管部材67中で空気
流の流線を改良するために、内管部材67の入口部での半
径は大きくなっている。内管部材67はｄ″の内径を有し
ており、また内部円筒部79の最初の垂直部89と第２の外
側フランジ部81の最初に水平部との間の半径Ｒの区域
は、半径方向外側に延びた弓形部93となっており、内管
部材67の内径ｄ″の少なくとも1/3を値の有している。
このような装置を用いることにより、実験によると、内
管部材67を通過する流量係数の値は、圧力が約2812−42
18Kg/m²G（約４−6lb/in²G）降下する実在の燃焼タービ
ンにおいて、0.9よりも大きな値を示しており、空気が
円滑に流れていることが分かる。

空気取入口の管部材の相対寸法の例によると、好適な
空気取入口は、2.4cmでもよいが、約2.54−3.5cm（１−
1.375inch）の内径ｄ″を有している。外管部材65と内
管部材67との間の環状の空気流通路83は約0.16−0.32cm
（0.075−0.125inch）の幅を有している。従って、内径
ｄ″の1/3の値である半径Ｒは約0.85−1.16cm（0.33−
0.46inch）あるいはそれ以上である。試作品で300時間
の運転後のおける調査結果は有望なものであった。管部
材の末端での材料の変色、あるいは焼損は無かった。ま
た、環状の空気流通路および管部材の末端には、付着物
はなく、これは均一で分離されない空気流を示してい
る。

以上説明したように、この発明のガスタービン燃焼室
によれば、外管部材と、その内部に同軸に位置決めされ
た内管部材との間に狭い環状の空気流通路を形成するこ
とにより、空気流通路を通過する空気は速度は増大し、
空気取入口は効率よく冷却される。

また、内管部材の内部円筒部と第２の外側フランジ部
との間に形成される弓形部は、外管部材の内側に位置し
ているので、それだけ半径が大きな曲面を有することに
なり、空気は内管部材の弓形部上を円滑に流れ、弓形部
での空気の局所的な分離（局所的に空気が滞留するこ
と）が阻止され、空気取入口が局所的な冷却不良で燃え
るようなことはを防止される。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に従って製作された燃焼室を備えたガ
スタービン発電機プラントの上半分の軸線方向の断面
図、第２図は燃焼室の壁の開口部を通って延びた空気取
入口を示した第１図の実施例の平断面図、第３図は第２
図のIII−III線に沿う断面図、第４図は第３図に示され
た空気取入口の内管部材の正断面図、第５図は第３図の
Ｖ−Ｖ線に沿う断面図である。 図において、35は燃焼室、45は燃料インゼクター（燃料
供給手段）、53は開口部、59は出口端部（排出手段）、
61は空気取入口、63は壁、65は外管部材、67は内管部
材、69はスペーサー、71は内部円筒部、73は第１の外側
フランジ部、79は内部円筒部、81は第２の外側フランジ
部、83は空気流通路である。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃焼室の上流端に燃料を入れる燃料供給手
   段と、前記燃焼室の下流端から高温ガスを排出するため
   の排出手段と、外表面と同外表面を貫いた開口部を有す
   る燃焼室壁と、前記燃焼室内に空気を向けるために前記
   開口部に通して設けられた空気取入口とを含むスタービ
   ンの燃焼室であって、前記空気取入口は、 内部円筒部と、前記燃焼室壁の外表面で前記燃焼室壁に
   固着された第１の外側フランジ部とを有する外管部材
   と、 前記外管部材の前記内部円筒部の内径よりも小さな外径
   を有し、外管部材の中に間隔をおいた関係で同軸に位置
   決めされて、環状の空気流通路を形成する内部円筒部
   と、、前記外管部材の前記第１の外側フランジ部の上に
   位置した第２の外側フランジ部と、前記内部円筒部と前
   記第２の外側フランジ部との間にある半径方向外側に延
   びた弓形部とを有する内管部材と、 前記第１の外側フランジ部と前記第２の外側フランジ部
   との間に配設されるとともに、前記第１の外側フランジ
   部および前記第２の外側フランジ部に固着されて、冷却
   空気が前記第１の外側フランジ部および前記第２の外側
   フランジ部との間を流れ、前記環状の空気流通路を通っ
   て前記燃焼室内に流れるように適合された少なくとも一
   つのスペーサと からなっているガスタービンの燃焼室。