JP2610348B2 - ガスタービンの火炎伝播管 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、火炎の通路となる部材の温度を適切に保っ
て熱損傷を防ぎ、かつ火炎を安定に伝播させてガスター
ビンを確実に起動させることのできるガスタービンの火
炎伝播管に関する。

（従来の技術） ガスタービンプラントは高温・高圧の燃焼ガスを膨脹
させてガスタービンを回し、回転力を得る回転式の内燃
機関で、発電、機関車、船舶、航空機などに使用され
る。第５図は、主に発電所で用いられるガスタービンプ
ラント１の断面図である。

空気インテーク２から空気３を取入れ、圧縮機４でこ
の空気３を圧縮する。圧縮した空気３は次いで燃焼器５
へ送り、ここで燃料６と混合した上点火する。こうして
空気と混合した燃料を燃焼させて高温・高圧の膨脹した
燃焼ガスを得、この燃焼ガスで燃焼器５に隣接するガス
タービン７を回し、回転力を得る。空気３はガスタービ
ン７を回した後、ディフューザ８から排出される。

なおガスタービンプラント１の起動時には、圧縮機４
とガスタービン７は外部駆動機構（図示せず）により駆
動し、燃焼ガスによるガスタービン７の回転力が増して
きたら、圧縮機４はガスタービン７の回転を利用して駆
動させる。このガスタービンプラント１は、燃焼器５内
への圧縮空気３と燃料６の流量を調節することによりガ
スタービン７の出力を調節できる。

第６図は、燃焼器５の斜視図である。燃焼器５はシリ
ンダ状で、かつ周方向に複数個配置される。そして隣り
合う燃焼器５は、火炎伝播管９で互いに連結される。ま
た１個ないし２個（第６図では２個）の燃焼器５には、
点火器10が接続される。

各燃焼器５は圧縮空気と燃料を混合して混合気を形成
するが、点火器10は電気スパークを発するため、点火器
10を備えた燃焼器５内の混合気は着火して火炎を生じ膨
脹する。すると点火器10を備えた燃焼器５とそうでない
燃焼器５とでは内部の圧力に差が生じるため、点火器10
を備えた燃焼器５から火炎伝播管９を通じて火炎が、点
火器10を備えていない燃焼器５へ伝播する。そして、以
降同様の原理で次々に隣接する燃焼器５に火炎が伝播
し、最終的にすべての燃焼器５において混合気の燃焼が
得られる。

このように、複数個の燃焼器５を火炎伝播管９で連結
すれば、点火器10の数を減らしてコストの低減を図るこ
とができ、また何らかの理由により燃焼器５が失火した
場合でも、隣接する燃焼器５から直ちに再着火して出力
変動の少ないガスタービンプラントを実現することがで
きる。

第７図は、火炎伝播管９の断面図である。隣接する２
個の燃焼器５を連結する火炎伝播管９は、燃焼器５の外
側に同軸に設けられる圧縮空気のフロースリーブ11に、
支持具12を介して支持される。そして火炎伝播管９には
複数個のバランスホール13が設けられる。

これらのバランスホール13は、火炎伝播管９外の空気
を火炎伝播管９内に取込むためのものである。すなわ
ち、燃焼器５間に圧力差があるときはバランスホール13
から空気が入り込むことにより燃焼器５間の圧力バラン
スを保ち、高温の燃焼ガスが燃焼器５間を流動して火炎
伝播管９の部材を熱で損傷しないようにする。またバラ
ンスホール13から入り込む空気は、同時に燃焼器５間を
伝播する火炎と混合されて火炎の温度を下げることによ
り、上述の効果を増幅させる。ただし、この場合火炎伝
播管９外においては空気の流動がないため、火炎伝播管
９壁の対流冷却はほとんど生じない。

（発明が解決しようとする課題） 第８図は、上述の火炎伝播管９で連結される燃焼器に
おける着火限界温度と火炎伝播限界温度を示す。横軸は
燃焼器内に流入する圧縮空気の流量であるが、この場合
燃焼器内に流入する燃焼と空気の流量比（F/A）は一定
に保たれている。同図から、着火限界温度と火炎伝播限
界温度は、圧縮空気の流量が変化しても、F/Aが一定で
あるかぎりは変化しないこと、および火炎伝播限界温度
は着火限界温度より高いことが分かる。

すなわち、燃焼器においては、第８図の着火温度が達
成されれば着火は可能な訳であるが、上述の火炎伝播管
９で連結され火炎の伝播元となる燃焼器においては、こ
の着火温度より高い火炎伝播温度以上の温度が得られな
いと、火炎が火炎伝播管９を通過する間に、バランスホ
ール13から流入する空気によって冷却され、火炎が伝播
する燃焼器においては着火温度が得られないことにな
る。

このような事態を防ぐためには、火炎の伝播元となる
燃焼器において燃料の流量を増加して火炎伝播温度を確
保すればよいわけであるが、燃焼器における火炎の温度
をあまり高くすると燃焼器やガスタービンの高温ガス通
路部が熱で損傷するおそれがある。

昨今ではガスタービンプラント用いてコンバインドサ
イクルを構成した発電装置が採用され始めたが、この発
電装置は例えば夜間の消費電力が少ないときには、ガス
タービンを停止させ、電力消費の上昇に合わせてガスタ
ービンを起動させることが多い。すなわち、このような
発電装置ではガスタービンの起動、すなわち燃焼器の点
火、火炎の伝播を行う頻度が高い。したがってこのよう
な発電装置においては、燃焼器の温度が低い起動時にお
いても火炎が安定に伝播し、ガスタービンプラントを確
実に起動させることが求められる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、火炎の通
路となる部材の温度を適切に保って熱損傷を防ぎ、かつ
火炎を安定に伝播させてガスタービンを確実に起動させ
ることのできるガスタービンの火炎伝播管を提供するこ
とを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は上記課題を解決するために、圧縮機とガスタ
ービンとの間に複数台の燃焼器を環状的に設置し、隣り
合う燃焼器を互いに連結し、一方の燃焼器から隣りの他
方の燃焼器の火炎を伝播するガスタービンの火炎伝播管
において、冷却空気流入孔を有する外筒に同心的に収容
された内筒とを備え、前記外筒と内筒の間を冷却空気流
路に形成する一方、前記内筒に冷却空気流出孔を形成
し、前記冷却空気流路はその軸方向に冷却フィンを、ま
たその横断面方向に仕切り突起をそれぞれ設けてボック
ス状に形成する一方、前記空気流出孔の孔径は、前記冷
却空気流入孔よりも大きく形成したことを特徴とするガ
スタービンの火炎伝播間を提供する。

（作用） 本発明に係るガスタービンの火炎伝播管は、火炎の流
路となる内筒と、この内筒の外側に冷却空気流路を形成
する外筒とを備える。また、冷却流路は、その軸方向に
冷却フィンを、その横断面方向に仕切り突起をそれぞれ
設けて細かく区切られたボックス状に形成される。さら
に、外筒と内筒はそれぞれ冷却空気流入孔と冷却空気流
出孔を有し、かつこの冷却空気流出孔は冷却空気流入孔
よりも孔径が大きい。このため、本発明の火炎伝播管に
おいては火炎の流路となる内筒に外部から冷却用空気が
入り込んでくるが、この冷却用空気は、まず外筒の冷却
空気流入孔から入り込み、細かく区切られたボックス状
の冷却空気流路毎に噴出する。すると、この冷却用空気
は内筒に噴流衝突してインピンジれ冷却を行い、噴流衝
突後、流れが乱れて対流冷却を行う。この間に、内筒が
火炎（燃焼ガス）から受ける熱は、冷却フィンおよび仕
切り突起を伝わって外部に放熱される。

次いでこの冷却用空気は、内筒の冷却空気流出孔から
内筒の内側に流出する。ところが、冷却空気流出孔は、
冷却空気流入孔より孔径が大きい。このため冷却空気流
出孔から内筒の内側に入り込む冷却用空気は、流速が低
くなって圧力（静圧）が回復するので、冷却空気流出孔
から内筒の表面上に沿うフィルム状の流れになる。すな
わち、内筒に入り込む空気は火炎と混り合うことが少な
いため、火炎の温度を下げる効果は少ない。

したがって、本発明の火炎伝播管によれば、火炎の通
過する内筒は冷却されるが、火炎自体の温度はあまり低
下しない。よって本発明の火炎伝播管を用いて燃焼器に
火炎を伝播させる場合は、火炎の伝播元となる燃焼器に
おいて火炎の温度をあまり高くしなくても、隣接する燃
焼器において充分な着火温度が得られる。すなわち本発
明の火炎伝播管は、冷却空気流路を流通する冷却用空気
によってまず内筒が熱損傷から保護される。そして、従
来より低い温度でも火炎を隣り合う燃焼器に確実に伝播
することができる。

（実施例） 以下第１図ないし第４図を参照して本発明の実施例を
説明する。

第１図は本発明の第１実施例に係る火炎伝播管19の断
面図、第２図は第１図のII−II線断面図である。

隣り合う２つの燃焼器20のそれぞれの開口部21には、
本実施例にかかる火炎伝播管19の外筒22が気密に接続さ
れる。外筒22は内側に、冷却空気流路24を形成し、かつ
隣り合う燃焼器20,20を互いに連通させる内筒23を、外
筒22と同心的に収容される。

そして、冷却空気流路24は、内筒23の横断面方向に垂
設されたリブ25,25、および内筒23の横断面方向に垂設
された仕切り突起26と内筒23の軸方向に沿う冷却フィン
32（第２図参照）とにより細かく区切られたボックス状
に形成される。ただし、内筒23の両端部の仕切り突起26
と外筒22の間にはギャップ27が保たれる。一方、リブ25
は、各燃焼器20,20の外側にそれぞれ同軸的に設置され
る圧縮空気のフロースリーブ28に支持具29を介して接続
する。

外筒22と内筒23には、それぞれ複数個の冷却空気流入
孔30と冷却空気流出孔31が設けられる。なお、ボックス
状に区切られた冷却空気流路24の開口面積は冷却空気流
入孔30と冷却空気流出孔31の開口面積よりも広く、冷却
空気流出孔31の孔径は冷却空気流入孔30の孔径よりも広
い。第１図、第２図とも冷却空気の流れを実線の矢印で
示す。

本実施例の火炎伝播管19においては、内筒23は火炎の
伝播に伴って温度が上昇する。しかし、一方で火炎伝播
管19外に滞留する冷却用空気が、外筒22の冷却空気流入
孔30を介して細かく区切られたボックス状の冷却空気流
路24に案内される。この際、冷却用空気は内筒23に噴流
衝突してインピンジ冷却を行い、噴流衝突後、流れを乱
して対流冷却を行う。さらに、この間、内筒23の熱は、
冷却フィン32、仕切り突起26に伝わって外部に放熱され
る。

したがって、本実施例では、冷却空気流路24を冷却フ
ィン32、仕切り突起26により細かく区切ったボックス状
にしてインピンジ冷却、対流冷却を行い、かつ冷却フィ
ン32、仕切り突起26により内筒23の熱を放熱させたの
で、限られた空間内でもより多くの冷却面積を確保する
ことができる。また、冷却フィン32、仕切り突起26は、
な内筒23を支持するので、内筒23の熱変形、熱応力に対
して強度保証になる。なお内筒23両端部のギャップ27
は、冷却空気流路24を流通する冷却用空気を一部流通さ
せ、燃焼器内の高温の燃焼ガスに触れるおそれのある内
筒23両端部を熱損傷から保護する役目を果たす。

内筒23を冷却した空気は、次いで冷却空気流出孔31を
通って冷却空気流路24から流出し、内筒23に入り込む。
この際、冷却空気流出孔31の孔径は冷却空気流入孔30の
孔径に比べて広いため、冷却空気流出孔31を通過する冷
却用空気は、圧力（静圧）が回復する。このため、冷却
用空気は、内筒23の内表面に沿ってフィルム状に流れる
ので火炎と混じり合うことが少なくなる。

このように、本実施例の火炎伝播管19に入り込む空気
は、内筒23は外側から充分に冷却した後、内筒23の内表
面上に沿ってフィルム状に流れるので、火炎との混合が
少なくなるため、その温度を低下させる効果はほとんど
少ない。よって本実施例の火炎伝播管19を用いれば、火
炎の伝播中の温度低下を心配する必要がないため、火炎
の伝播元となる燃焼器において低い温度で着火させるこ
とができる。

第３図は、本実施例の火炎伝播管19で連結される燃焼
器20における着火限界温度と火炎伝播限界温度を第８図
と同様にして示したものである。本実施例によれば、従
来と比べ燃焼器20内での着火限界温度は変化しないが、
火炎伝播限界温度は大幅に下げることができる。よって
本実施例の火炎伝播管19は、冷却空気流路24を流通する
空気によって内筒を熱損傷から保護できるだけでなく、
着火温度を下げて燃焼器をも熱損傷から護ることができ
る。そして低い着火温度でも火炎を伝播させることがで
きるため、低温の環境下でも確実にガスタービンを起動
させることができる。

第４図は、本発明の第２実施例に係る火炎伝播管40の
断面図である。第１図と同様の箇所には同一の符号を付
して説明を省略する。

本実施例の火炎伝播管40は、内筒23の両端部はベルマ
ウス状にして、燃焼器内の高温の燃焼ガスに触れるおそ
れのある内筒23両端部の面積を可能な限り減少させてい
る。

なお冷却空気流入孔30および冷却空気流出孔31の形状
は円形に限らず、角状その他の形状でもよい。また冷却
空気流入孔30と冷却空気流出孔31はテーパ加工して、空
気の吹出し角度を調節することもできる。

その他、仕切り突起26の数や冷却空気流路24の形状
も、本発明の目的の範囲内で種々に変更することができ
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明に係るガスタービンの火
炎伝播管は、火炎が流れる内筒の外側に同心的に外筒を
設けて冷却空気流路を形成し、この冷却空気流路を軸方
向に冷却フィンを、また横断面方向に仕切り突起をそれ
ぞれ設けて細かく区切ったボックス状に形成し、ボック
ス状の冷却空気流路毎に冷却用空気を供給して内筒のイ
ンピンジ冷却、対流冷却を行い、この間内筒の熱を冷却
フィン・仕切り突起を介して外部に放熱させたから、限
られた空間でもより多くの冷却面積を確保することがで
きる。

その際、冷却フィン・仕切り突起は、内筒を支持する
ので、内筒の剛性が高まり内筒の熱変形や熱応力に対し
強度保証になる。

また、本発明に係るガスタービンの火炎伝播管は、内
筒に穿設した冷却空気流出孔の孔径を、外筒に穿設した
冷却空気流入孔のそれよりも大きくしたので、冷却空気
流出孔を通過する冷却用空気の圧力を回復させて内筒の
内表面に沿って冷却用空気をフィルム状に流すことがで
きる。このため、火炎と混ざり合うことが少ないため、
火炎の温度を下げることが少ない。

このように、本発明に係るガスタービンの火炎伝播管
は、火炎の熱に対し内筒を余裕をもって対処させ、また
冷却用空気を内筒に案内しても火炎の温度を低くしない
ように対処させたので、優れた火炎伝播管を実現するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係る火炎伝播管の断面
図、第２図は第１図のII−II線断面図、第３図は第１実
施例の燃焼器における着火限界温度と火炎伝播限界温度
を示す図、第４図は本発明の第１実施例に係る火炎伝播
管の断面図、第５図はガスタービンの断面図、第６図は
燃焼器の斜視図、第７図は従来の火炎伝播管の断面図、
第８図は従来の火炎伝播管で連結させる燃焼器における
着火限界温度と火炎伝播限界温度を示す図である。 １……ガスタービンプラント、４……圧縮機、７……ガ
スタービン、19……火炎伝播管、20……燃焼器、22……
外筒、23……内筒、24……冷却空気流路、26……仕切り
突起、30……冷却空気流入孔、31……冷却空気流出孔、
32……冷却フィン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 前田 福夫 神奈川県横浜市鶴見区末広町２―４ 株 式会社東芝京浜事業所内 (56)参考文献 特開 昭62−200112（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機とガスタービンとの間に複数台の隣
   り合う燃焼器を互いに連結し、一方の燃焼器から隣りの
   他方の燃焼器へ火炎を伝播するガスタービンの火炎伝播
   管において、前記火炎伝播管は、冷却空気流入孔を有す
   る外筒と、この外筒に同心的に収容された内筒とを備
   え、前記外筒と内筒との間を冷却空気流路に形成する一
   方、前記内筒に冷却空気流出孔を形成し、前記冷却空気
   流路はその軸方向に冷却フィンを、またその横断面方向
   に仕切り突起をそれぞれ設けてボックス状に形成する一
   方、前記冷却空気流出孔の孔径は前記冷却空気流入口孔
   よりも大きく形成したことを特徴とするガスタービンの
   火炎伝播管。