JP3924136B2

JP3924136B2 - ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JP3924136B2
Application number: JP2001195310A
Authority: JP
Inventors: 重実萬代; 圭司郎斎藤; 克則田中; 正人片岡; 渉秋月
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2001-06-27
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2021-06-27
Also published as: CN1463345A; CA2433402A1; JP2003014236A; EP1400756A4; EP1400756B1; CA2433402C; WO2003002913A1; US20040074236A1; EP1400756A1; US7032386B2; CN1243195C

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガスタービンの燃焼器に関し、さらに詳しくは、運転時間や運転状況に関わらず燃焼器の壁面を安定して冷却できるガスタービン燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のガスタービン燃焼器においては、環境保全等の観点から、サーマルＮＯｘの低減により有利な予混合燃焼方式が使用されてきている。予混合燃焼方式とは、燃料と過剰な空気とを予め混合して燃焼させるものであり、燃焼器中におけるすべての領域において燃料が希薄な条件の下で燃焼するため、ＮＯｘを容易に低減できる。次に、これまで使用されてきた予混合燃焼器について説明する。
【０００３】
図１３は、これまで使用されてきたガスタービンの予混合燃焼器を示す軸方向断面図である。燃焼器ノズルブロック外筒７００内には、拡散火炎を形成するためのパイロットコーン６１０が設けられている。そして、燃焼器ノズルブロック外筒７００の出口には燃料ノズルブロック２９が取付けられており、この燃料ノズルブロック２９は燃焼室内筒１９に挿入されている。また、パイロットコーン６１０は、パイロット燃料供給ノズル（図示せず）から供給されるパイロット燃料と、圧縮機から供給される燃焼用空気とを反応させて拡散火炎を形成する。
【０００４】
図１３からは明らかではないが、予混合火炎を形成するための予混合火炎形成ノズル５１０は、前記パイロットコーン６１０の周囲に８個設けられている。予混合気体は、燃焼用空気と主燃料とを混合させて作られるものであり、前記予混合火炎形成ノズル５１０から燃焼器側へ噴射される。予混合火炎形成ノズル５１０から燃焼器内へ噴射された予混合気体は、上記拡散火炎から排出される高温の燃焼ガスによって着火され予混合気体燃焼火炎を形成する。予混合気体火炎からは高温・高圧の燃焼ガスが排出されて、当該燃焼ガスは燃焼器尾筒（図示せず）を通ってタービン第一段ノズルへと導かれる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃焼室内筒の壁面近傍で急激な燃焼が起こると振動燃焼が発生するが、従来は、この振動燃焼によって燃焼が不安定となり、安定した運転ができないという問題があった。また、燃焼室内筒の壁面近傍で燃焼が起こると、燃焼室内筒が過熱して寿命が短くなるという問題があった。そして、燃焼室内筒の寿命が短くなると頻繁に補修や交換が必要となり、保守や点検に手間を要していた。そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、運転時間や運転状況に関わらずガスタービン燃焼器の壁面を安定して冷却し、安定した運転ができるガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明に係るガスタービン燃焼器は、燃焼室内筒の内壁面に、前記燃焼室内筒の下流方向に向かう冷却空気層をガスタービン燃焼器の燃料ノズルブロック直後から形成する手段を設けたことを特徴とする。
【０００７】
このガスタービン燃焼器は、燃焼室内筒の内壁面に予混合気体の濃度が高いノズルブロック直後から冷却空気層を形成するので、この部分における壁面近傍での燃焼を抑制できる。したがって、振動燃焼が抑制でき、また高温の燃焼ガスから燃焼室内筒を保護できる。なお、圧縮機から送られてくる冷却空気の代わりに冷却用の蒸気によって燃焼室内筒の内壁面に冷却蒸気層を形成してもよい（以下同様）。蒸気は空気よりも冷却効率が高いので、燃焼室内筒の内壁面における燃焼をより抑制できる。したがって、空気を使用した場合よりも振動燃焼を確実に抑制できる。
【０００８】
また、次の本発明に係るガスタービン燃焼器は、燃焼室内筒との間に一定の間隔をもった隙間を設けて燃料ノズルブロックを設置し、当該隙間から前記燃焼室内筒の下流方向に向かって冷却空気を流して前記燃焼室内筒の内壁面に冷却空気層を形成することを特徴とする。
【０００９】
このガスタービン燃焼器は、燃料ノズルブロックと燃焼室内筒との間に設けた一定の隙間から冷却空気を流して燃焼室内筒の内壁面に冷却空気層を形成する。冷却空気はこの隙間から燃焼室内筒の内壁面に沿って流れるので、冷却空気の流れは剥離し難くなり均一な冷却空気層が形成できる。このため、燃焼室内筒を確実に冷却でき、内壁面近傍における燃焼を防止して振動燃焼を抑制できる。また、前記隙間は燃焼室内筒の周方向にわたって開口しているため、燃焼室内筒の周方向全体には均一に冷却空気層が形成される。このため、燃焼室内筒の周方向全域にわたって内壁面近傍における燃焼が防止できるので、振動燃焼の発生をより確実に抑制できる。
【００１０】
また、次の本発明に係るガスタービン燃焼器は、燃焼室内筒の内壁面に当該燃焼室内筒の下流方向に向かって冷却空気層を形成するための冷却空気層形成リングを、ガスタービン燃焼器の燃料ノズルブロックと前記燃焼室内筒との間に一定の隙間をもって備えたことを特徴とする。
【００１１】
このガスタービン燃焼器は、冷却空気層形成リングを燃焼室内筒と燃料ノズルブロックとの間に設けたので、燃料ノズルブロックが熱膨張によって変形しても、冷却空気層を形成するための一定の隙間を維持できる。このため、安定した運転ができ、燃焼器の信頼性も向上する。また、冷却空気層形成リングが燃料ノズルブロックによって高温の燃焼ガスから保護されるので、冷却空気形成リングが熱変形することはない。したがって、冷却空気層形成リングと燃焼室内筒との間に形成される隙間は常に一定の間隔に保たれるので、運転中に燃料ノズルブロックが変形しても冷却空気層は均一に形成される。このため、ガスタービンの運転時間や運転状況に関わらず安定して燃焼室内筒を冷却でき、振動燃焼も抑制できる。
【００１２】
また、次の本発明に係るガスタービン燃焼器は、上記ガスタービン燃焼器において、さらに、上記冷却空気層形成リングの上流側に冷却空気を蓄えるマニホールド部を備えたことを特徴とする。このガスタービン燃焼器は、冷却空気層形成リングの上流側にマニホールドを備え、このマニホールドに冷却空気を蓄えることで、冷却空気の脈動を除去し安定して冷却空気を燃焼室内筒に供給する。このため、冷却空気の脈動に起因する燃焼室内の圧力変化や燃焼室内筒の壁面近傍における一時的な燃焼が抑制できるので、振動燃焼を確実に抑制できる。
【００１３】
また、次の本発明に係るガスタービン燃焼器は、上記ガスタービン燃焼器において、さらに、上記冷却空気層形成リングと上記燃料ノズルブロックとの間に一定の間隔を設けたことを特徴とする。このガスタービン燃焼器は、冷却空気層形成リングと燃料ノズルブロックとの間に一定の間隔を設けてあるので、燃料ノズルブロックが熱変形してもこの間隔が熱膨張代となってこの熱変形を吸収できる。そして冷却空気層形成リングからは燃料ノズルブロックの熱変形に関わらず安定して冷却空気が供給されるので、ガスタービンの運転時間や運転状況に関わらず安定して冷却空気層が形成できる。また、上記間隔を設けてあるので、燃料ノズルブロックを燃焼室内筒に組み付ける際の作業が容易になる。さらに、この一定の間隔から流れる冷却空気によって燃料ノズルブロックが冷却されるため、当該燃料ノズルブロックの熱変形を抑制できる。
【００１４】
また、次の本発明に係るガスタービン燃焼器は、上記ガスタービン燃焼器において、さらに、周方向に異なる間隔で複数個の塞ぎ部材を上記隙間へ設けたことを特徴とする。また、次の本発明に係るガスタービン燃焼器は、上記ガスタービン燃焼器において、さらに、塞ぎ部材を上記隙間の一箇所に設けたことを特徴とする。燃焼室内筒の壁面近傍における燃焼が振動燃焼の原因となるが、燃焼室内筒内部に形成される振動場は、必ず圧力の腹が偶数個存在することで、振動場のモードを形成する。
【００１５】
このガスタービン燃焼器は、塞ぎ部材の直後で燃焼を許容して燃焼室内筒の周方向に燃焼箇所を異なる間隔で形成し、圧力の腹が不規則となるようにすることで、振動燃焼の発生を抑制するものである。なお、燃焼器の軸方向に垂直な断面内において、圧力の腹が１個であれば振動場のモードを形成できないので、振動燃焼は発生し難くなる。したがって、塞ぎ部材を一箇所に設けて燃焼箇所を一箇所としてもよい。このガスタービン燃焼器では塞ぎ部材によって冷却空気が通過する面積が小さくなるので、冷却空気層を形成するための冷却空気量が十分確保できない場合でも、振動燃焼を抑制できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるものが含まれるものとする。なお、次の実施の形態においては予混合燃焼方式のガスタービン燃焼器を例にとって説明するが、この発明を適用できるガスタービン燃焼器はこれに限定されるものではない。
【００１７】
（実施の形態1）
図１は、この発明の実施の形態１に係るガスタービン燃焼器を示す軸方向断面図である。このガスタービン燃焼器は、ガスタービン燃焼器の内壁面に、燃料ノズルブロックから燃焼器の軸方向に向かって冷却空気層を形成する手段を設けた点に特徴がある。予混合火炎形成ノズル５００およびパイロットコーン６００を内部に備えた燃料ノズルブロック２０は燃焼室内筒１０に挿入されている。そして、パイロットコーン６００から形成される拡散火炎によって、予混合火炎形成ノズル５００から噴射された予混合気体が着火し燃焼する。
【００１８】
燃焼室内筒１０の内壁面には周方向に向かって複数のスペーサ３０が設けられている。そして、燃料ノズルブロック２０と燃焼室内筒１０との間に冷却空気層を形成する手段として、燃料ノズルブロック２０と燃焼室内筒１０の内壁面との間に一定の隙間５０を形成する。また、燃焼室内筒１０には、隙間５０に冷却空気を送り込むための冷却空気供給孔４０が設けられている。そして、この冷却空気供給孔４０から送り込まれる冷却空気は隙間５０から流れ出て、燃焼室内筒１０の内壁面に冷却空気層を形成する。この冷却空気層が高温の燃焼ガスと燃焼室内筒１０との間に温度境界層を形成して燃焼室内筒１０を高温の燃焼ガスから保護する。
【００１９】
実施の形態１に係るガスタービン燃焼器によれば、燃焼室内筒１０の内壁面に冷却空気層が形成されるので、燃焼室内筒１０の内壁面が高温の燃焼ガスから保護される。これによって、燃焼室内筒１０の昇温を防止できるので、燃焼室内筒１０の寿命を長くできる。また、燃焼室内筒１０の内壁面に形成されるこの冷却空気層によって当該内壁面近傍では急激な燃焼が発生しなくなり、その結果振動燃焼も抑制できる。
【００２０】
（変形例）
図２（ａ）は、実施の形態１の変形例に係るガスタービン燃焼器を示す軸方向断面図である。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。なお、図２（ｂ）では下半分は省略してある。このガスタービン燃焼器は、燃料ノズルブロック２０の外縁に、冷却空気供給孔２０ａを設けた点に特徴がある。図２（ｂ）に示すように、燃料ノズルブロック２０の外縁近傍には、周方向に向かって冷却空気供給孔２０ａが設けられており、この冷却空気供給孔２０ａと上記隙間５０とから冷却空気を流して、燃焼室内筒１０の内壁面に冷却空気層を形成する。
【００２１】
図３は、ガスタービンの運転中における燃焼ノズルブロックの状態を示す説明図である。いま、高温の燃焼ガスによって燃料ノズルブロック２０が燃焼室内筒１０の内壁面側へ熱膨張すると、スペーサ３０が設けてある部分で上記熱膨張が拘束される結果、燃料ノズルブロック２０は花形状に変形する（図３（ａ））。その結果、図３（ａ）に示すように、冷却空気供給孔２０ａを備えていないガスタービン燃焼器では隙間５０の間隔が不均一になる可能性があるので、燃焼室内筒１０の内壁面に形成される冷却空気層も不均一になっていた。
【００２２】
しかし、図３（ｂ）に示すように、この変形例に係るガスタービン燃焼器では、燃料ノズルブロック２０の熱変形によって隙間５０が塞がれた部分にも冷却空気供給孔２０ａから冷却空気が供給されるので、燃焼室内筒１０の内壁面には冷却空気層が形成される。このように、燃料ノズルブロック２０の熱膨張に関わらず、燃焼室内筒１０の内壁面に冷却空気層を形成できるので、当該燃焼室内筒１０は常に高温の燃焼ガスから保護され、また振動燃焼も抑制できる。
【００２３】
（実施の形態２）
実施の形態１に係るガスタービン燃焼器は、運転中何らかの理由で燃料ノズルブロックがその径方向に移動すると、ガスタービン燃焼器内壁面と当該燃料ノズルブロックとで形成される隙間の大きさが不均一になってしまう。その結果、ガスタービン燃焼器内壁面に形成される冷却空気層の厚さも不均一となってしまうため、当該内壁面の冷却が不十分になるおそれがあった。
【００２４】
また、ノズルブロックが熱膨張すると、スペーサが存在する部分で径方向に向かう変形が阻害されるので、スペーサが存在する部分としない部分とでは変形の仕方が異なり、正面から見たノズルブロックの形状は花形状になってしまう（図３（ａ））。このような形に変形すると、ガスタービン燃焼器内壁面と燃料ノズルブロックとで形成される隙間の間隔が不均一になって、ガスタービン燃焼器内壁面に形成される冷却空気層が均一に形成されなくなる。その結果、燃焼室内筒の冷却が不十分になるおそれもあった。
【００２５】
実施の形態２に係るガスタービン燃焼器はこのような不具合を解決するものであって、冷却空気層を形成する手段として、ガスタービン燃焼器の壁面内壁面と一定の間隔をもって冷却空気層形成リングを設けた点に特徴がある。図４は、この発明の実施の形態２に係るガスタービン燃焼器を示す軸方向断面図である。燃焼室内筒１１の内壁面には、スペーサ３１によって当該内壁面と一定の間隔をもってリング１００が設けられている。このリング１００は、例えば溶接によって燃焼室内筒１１の内壁面に取付けることができる。なお、リング１００の強度が十分であれば、スペーサ３１を設けなくともよい。
【００２６】
また、図４（ｂ）に示すように、燃焼室内筒１１の壁面に垂直であるリング１００の側面１００ａに、燃料ノズルブロック２１の外縁部２１ａを垂直に当てるようにしてもよい。このようにすると、熱膨張によって燃料ノズルブロック２１ａがリング１００に当たっても、リング１００の側面１００ａには曲げのモーメントがほとんど作用しないため、リング１００と燃焼室内筒１１の内壁面とによって形成される隙間５１がつぶれることはない。このような構造をとれば、リング１００自体の強度、あるいはリング１００の取り付け部における強度を特に強くしなくとも、スペーサ３１を設けないで当該隙間５１を確保できる。
【００２７】
燃焼室内筒１１のリング１００が取付けられている部分には冷却空気供給孔４１が設けられており、ガスタービンの運転中はここからリング１００に冷却空気が供給される。そして、リング１００と燃焼室内筒１１の内壁面とによって形成される隙間５１から冷却用空気が流れ出て、燃焼室内筒１１の内壁面に冷却空気層を形成する。この冷却空気層は高温の燃焼ガスと燃焼室内筒１１との間に温度境界層を形成するため、燃焼室内筒１１は高温の燃焼ガスから保護される。なお、燃料ノズルブロック２１は燃焼室内筒１１に挿入されているが、このとき燃料ノズルブロック２１はリング１００の内側に一定の間隔をもって配置される。この一定の間隔によって燃料ノズルブロック２１を燃焼室内筒１１に組み込み易くなる。また、燃料ノズルブロック２１の熱変形をこの一定の間隔によって許容できる。さらに、この一定の間隔から流れる冷却空気によって燃料ノズルブロック２１が冷却されるため、当該燃料ノズルブロック２１の熱変形を抑制できる。
【００２８】
ガスタービンの運転中、高温の燃焼ガスによって燃料ノズルブロック２１の温度が上昇すると燃料ノズルブロック２１が径方向に熱膨張し、リング１００に接触することがある。実施の形態２に係るガスタービン燃焼器では、熱膨張によって燃料ノズルブロック２１がリング１００に接触したとしてもリング１００は変形しないため、前記隙間５１は一定の間隔を保つことができる。したがって、ガスタービンの運転中に燃料ノズルブロック２１が変形しても、冷却空気を燃焼室内筒１１の内壁へ均等に流すことができるため、確実に冷却空気層を形成できる。また、燃焼ガスはまず燃料ノズルブロック２１に当たりリング１００に直接当たることはないので、リング１００の温度は熱変形する程度まで上昇することはない。したがって、ガスタービン運転中にリング１００が熱変形することはなく、リング１００と燃焼室内筒１１内壁とによって形成される隙間５１の間隔を一定に保つことができる。
【００２９】
実施の形態２に係るガスタービン燃焼器によれば、燃料ノズルブロック２１が熱膨張によって変形しても、燃焼室内筒１１の内壁に冷却空気層を確実に形成できる。このため、ガスタービンの運転時間や運転状況に関わらず、確実に燃焼室内筒１１を冷却でき、また、振動燃焼も確実に抑制できるので、安定した運転ができる。
【００３０】
（実施の形態３）
図５は、実施の形態３に係るガスタービン燃焼器を示す軸方向断面図である。このガスタービン燃焼器は、ガスタービン燃焼器の内壁面に取付けられた冷却空気層形成リングにマニホールドを備えた点に特徴がある。燃焼室内筒１２の内壁面にはリング１０１が取付けられており、当該内壁面とリング１０１との間に設けられたスペーサ３２によって隙間５２を形成する。この隙間５２から燃焼室内筒１２側へ冷却空気を流して、燃焼室内筒１２の内壁面に冷却空気層を形成する。
【００３１】
リング１０１にはマニホールド２００が設けられており、燃焼室内筒１２に設けられた冷却空気供給孔４２から供給された冷却空気がここへ導かれる。この冷却空気は、マニホールド２００内へ蓄えられてから燃焼室内筒１２側へ向かって流れ出すので、冷却空気を周方向へ均一に供給できる。このため、燃焼室内筒１２の内壁面には安定して冷却空気層が形成されるので、燃焼室内筒１２を確実に高温の燃焼ガスから保護でき、また振動燃焼も安定して抑制できる。
【００３２】
（実施の形態４）
図６は、実施の形態４に係るガスタービン燃焼器の一例を示す軸方向断面図である。また、図７は、図６に示したガスタービン燃焼器の正面図である（予混合ノズル等は省略）。このガスタービン燃焼器は、燃焼室内筒と冷却空気層を形成するリングとによって形成される冷却空気を供給する隙間を塞ぎ部材によって塞ぎ、この塞ぎ部材の後流側でのみ燃焼を許容することで、対称性を崩して圧力の腹を形成することで振動燃焼を抑制する点に特徴がある。
【００３３】
図８は、ガスタービン燃焼器で振動燃焼が発生した場合における振動場のモードを表した概念図である。図中＋は正圧の腹を、−は負圧の腹を表す。燃焼室内筒１５の内壁面近傍で急激な燃焼が起こると急激な圧力変化が発生する結果、図８（ａ）〜（ｄ）に示すいずれかのモードで正圧の腹と負圧の腹とが交互に生じて振動燃焼が発生する。このように、この圧力の腹は必ず対称に生ずる。したがって、この対称性を崩すように燃焼室内筒１５の内壁面近傍において燃焼させた場合には、圧力の腹は燃焼室内筒１５の周方向へ不規則に発生するので対称性が崩される結果、振動燃焼は発生し難くなる。
【００３４】
図６および図７に示すように、燃焼室内筒１５の内部には、冷却空気層を形成するリング１０２が燃焼室内筒１５の内壁面と一定の間隔をもって挿入されており、隙間５５を形成する。また、燃焼室内筒１５には冷却空気供給孔４５が設けられており、ここから冷却空気がリング１０２へ供給される。図７に示すように、隙間５５には３個の塞ぎ部材３５がそれぞれ周方向に異なる間隔で備えられており、この部分を冷却空気が通過することを防止する。
【００３５】
なお、ｎ個の塞ぎ部材３５を使用する場合には、隣り合う塞ぎ部材３５同士の間隔もｎ個存在する。このとき少なくとも１つの間隔が他の間隔と異なっていれば、圧力の腹は燃焼室内筒１５の周方向へ不規則に発生するので、圧力の腹の対称性を崩すことはできる。また、塞ぎ部材３５の数があまり多くなると、塞ぎ部材３５が近接した部分で同時に燃焼が起こり、圧力の腹が対称に形成される場合がある。したがって、塞ぎ部材の個数は多くとも１５個程度までであり、塞ぎ部材３５同士に適当な間隔を設けるという観点および製作の容易さという観点から、５〜９個が好ましい。
【００３６】
塞ぎ部材３５の下流側は冷却空気が流れないため、塞ぎ部材３５の下流側における燃焼室内筒１５の内壁面近傍では予混合気体が燃焼する。しかし、燃焼室内筒１５の内壁面近傍で燃焼が発生しているのは塞ぎ部材３５の下流側のみであり、しかも燃焼箇所の間隔は周方向で異なっている。したがって、圧力の腹は燃焼室内筒１５の周方向へ不規則に発生するので、圧力の腹の対称性が崩される。その結果、図８（ａ）〜（ｄ）に示すような振動場のモードを形成できなくなるため、振動燃焼は発生し難くなる。なお、上記例において塞ぎ部材３５は３個としたが、図９に示すように塞ぎ部材３５の個数を１個としてもよい。振動場のモードは、圧力の腹が偶数個存在することで形成されるが、圧力の腹が１個のみでは振動場のモードを形成できないので、振動燃焼を抑制できるためである。
【００３７】
このガスタービン燃焼器は、塞ぎ部材３５を設けない場合と比較して隙間５５の面積が小さくなるので、隙間５５を通過する冷却空気量も、塞ぎ部材３５を設けない場合と比較して少なくできる。このため、例えば、冷却空気層を形成するために使用できる冷却空気の量が少ないために冷却空気層を燃焼室内筒１５の内周全体にわたって形成することが困難である場合であっても振動燃焼を抑制できる。
【００３８】
（実施の形態５）
図１０は、この発明の実施の形態５に係るガスタービン燃焼器を示す軸方向断面図である。このガスタービン燃焼器は、燃料ノズルブロック端部の外周部をばね構造とし、当該外周部に燃料ノズルブロックと燃焼室内筒との位置決め機能および燃料ノズルブロックの熱変形を吸収させる機能を持たせるとともに、当該外周に冷却空気供給孔を複数設けてガスタービン燃焼室内筒の内壁面に冷却空気層を形成する点に特徴がある。
【００３９】
燃料ノズルブロック２３は、燃焼室内筒１３の内壁面と一定の隙間５３をもって、燃焼室内筒１３に挿入されている。また、図１０（ｂ）に示すように、燃料ノズルブロック２３の外縁部には、その周方向に向かって冷却空気供給口２３ａが複数設けられている。なお、図２（ｂ）に示す燃料ノズルブロック２０のように、燃料ノズルブロック２３の外縁部に孔を貫通させることによってこの冷却空気供給口２３ａを形成してもよい。しかし、燃料ノズルブロック２３が燃焼室内筒１３の内壁方向に膨張した場合であっても確実に冷却空気層を形成できるように、図１０（ｂ）に示すように外縁側が開口した形状に形成することが望ましい。
【００４０】
図１０（ａ）に示すように、燃料ノズルブロック２３には環状のスペーサ８０が取り付けられている。環状のスペーサ８０は燃料ノズルブロック２３に溶接やリベット締めなどによって取り付けてもよいし、燃料ノズルブロック２３と一体に成形してもよい。そして、環状のスペーサ８０の端部８０ａが燃焼室内筒１３の内壁面に接触し、湾曲部８０ｂがたわむことで、燃料ノズルブロック２３を燃焼室内筒１３の中心部に保つようになっている。また、図１０（ａ）に示すように、環状のスペーサ８０は湾曲部８０ｂを備えているため、燃料ノズルブロック２３が高温の燃焼ガスによって燃焼室内筒１３の内壁側へ熱膨張しても、それにともなって環状のスペーサ８０の湾曲部８０ｂがたわむので、この熱膨張を吸収できる。そして、このとき環状のスペーサ８０の湾曲部８０ｂがたわむことによって発生する燃焼室内筒１３の中心方向に向かう力によって、燃料ノズルブロック２３の位置を燃焼室内筒１３の中心部に保つことができる。
【００４１】
なお、スペーサ８０の形状は環状であるため、湾曲部８０ｂがたわむときに環状のスペーサ８０を周方向へ圧縮する力が働く。この力を緩和し、より滑らかに環状のスペーサ８０をたわませるため、図１１（ａ）および（ｂ）に示すように、環状のスペーサ８０に切り欠き８０ｃを設ける等することで環状のスペーサ８０を周方向に分割する構造としてもよい。このようにすると、環状のスペーサ８０の湾曲部８０ｂがたわむ際に発生する環状のスペーサ８０を周方向へ圧縮する力は、切り欠き８０ｃが狭くなることで吸収される。その結果、燃料ノズルブロック２３の熱膨張をより滑らかに吸収して、燃料ノズルブロック２３を燃焼室内筒１３の中心部に保ちやすくできる。
【００４２】
図１０（ａ）に示すように、燃焼室内筒１３の胴部には冷却空気を供給するための冷却空気供給孔４３が設けられている。なお、環状のスペーサ８０の湾曲部８０ｂに冷却空気供給孔を設けて、ここから冷却空気を供給してもよいし、燃焼室内筒１３に設ける冷却空気供給孔４３と併用して冷却空気を供給してもよい。冷却空気供給孔４３から供給された冷却空気は環状のスペーサ８０と燃料ノズルブロック２３と燃焼室内筒１３の内壁面とで囲まれる空間に導かれる。そして、隙間５３と燃料ノズルブロック２３の外縁に設けられた冷却空気供給口２３ａとから冷却空気が燃焼室内筒１３側へ供給されて、燃焼室内筒１３の内壁面に冷却空気層を形成する。
【００４３】
このガスタービン燃焼器では、ガスタービンの運転中、高温の燃焼ガスによって燃料ノズルブロック２３が熱膨張しても、環状のスペーサ８０の湾曲部８０ｂがたわむことによって燃料ノズルブロック２３の位置は燃焼室内筒１３の中心部に保たれる。このため、燃料ノズルブロック２３の熱膨張にともなって隙間５３は周方向にわたって一定の間隔を保たれながら小さくなるので、燃焼室内筒１３の内壁面に形成される冷却空気層が途切れることはない。
【００４４】
さらに燃料ノズルブロック２３が熱膨張してその外縁部が燃焼室内筒１３の内壁面に接触しても、当該外縁に設けられた冷却空気供給口２３ａから常に冷却空気が供給されるので、燃焼室内筒１３の内壁面には常に冷却空気層が形成される。この冷却空気層によって、常に燃焼室内筒の内壁面は高温の燃焼ガスから保護され、また、当該壁面近傍では急激な燃焼が発生し難くなるので、振動燃焼も抑制できる。
【００４５】
（実施の形態６）
図１２は、実施の形態６に係るガスタービン燃焼器を示す軸方向断面図である。このガスタービン燃焼器は、燃焼室内筒の胴部を斜めに貫通する冷却空気供給孔を当該胴部に設け、この冷却空気供給孔から冷却空気を流すことで、燃料ノズルブロックの直後からガスタービン燃焼器の軸方向下流に向かってガスタービン燃焼器１４の内壁面に冷却空気層を形成する点に特徴がある。
【００４６】
冷却空気供給孔４４の中心軸Ｘと燃焼室内筒１４の軸Ｙとのなす角αが大きくなると、燃焼室内筒１４の内壁面に冷却空気流のよどみ点が発生するので、燃焼室内筒１４が十分冷却されない場合がある。このため、当該角度αは加工できる範囲でできるだけ小さくすることが望ましい。また、図１２（ｂ）に示すように、冷却空気孔４４の出口下流側へ、冷却空気流が剥離しないようにアンダーカット４４ａを設けてもよい。
【００４７】
このガスタービン燃焼器では、冷却空気供給孔４４は、燃料ノズルブロック２４の後端部よりも下流側における燃焼室内筒１４の内壁面側に開口している。このため、燃料ノズルブロック２４が高温の燃焼ガスによって燃焼室内筒１４の内壁面側へ膨張して隙間５４を塞いだとしても、冷却空気供給孔４４から供給される冷却空気によって燃焼室内筒１４の内壁面に冷却空気層が形成される。したがって、燃料ノズルブロック２４の変形に関わらず燃焼室内筒１４の内壁面が高温の燃焼ガスから保護されるため、ガスタービン燃焼器１４の寿命を長くできる。また、常にこの冷却空気層がガスタービン燃焼器１４の内壁面に形成されているので、当該内壁面近傍では急激な燃焼が発生し難くなる結果、振動燃焼を抑制して安定した運転ができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係るガスタービン燃焼器では、燃焼室内筒の内壁面にノズルブロック直後から冷却空気層を形成するようにしたので、予混合気体濃度の高いノズルブロック直後における壁面近傍での燃焼を抑えることができる。これによって振動燃焼が抑制でき、また高温の燃焼ガスから燃焼室内筒を保護できる。
【００４９】
また、この発明に係るガスタービン燃焼器では、燃料ノズルブロックと燃焼室内筒との間に設けた一定の隙間から冷却空気を流して燃焼室内筒の内壁面に冷却空気層を形成するようにした。このため、冷却空気はこの隙間から燃焼室内筒の内壁面に沿って流れるので、冷却空気の流れは剥離し難くなる。このため、均一な冷却空気層が形成されて燃焼室内筒を確実に冷却できるので、内壁面近傍における燃焼を防止して振動燃焼を抑制できる。また、一定の隙間が燃焼室内筒の周方向にわたって開口しているので、燃焼室内筒の周方向全域にわたって内壁面近傍における燃焼が防止して振動燃焼の発生をより確実に抑制できる。
【００５０】
また、この発明に係るガスタービン燃焼器では、冷却空気層形成リングを燃焼室内筒と燃料ノズルブロックとの間に設けたので、燃料ノズルブロックが熱膨張によって変形しても、冷却空気層を形成する冷却空気を流す一定の隙間を維持して安定した運転ができる。また、冷却空気層形成リングが燃料ノズルブロックによって高温の燃焼ガスから保護されるので冷却空気層が均一に形成される。その結果、ガスタービンの運転時間や運転状況に関わらず振動燃焼を抑制し、また燃焼室内筒を冷却して安定した運転ができる。
【００５１】
また、この発明に係るガスタービン燃焼器では、冷却空気層形成リングの上流側にマニホールドを備えるようにしたので、冷却空気の脈動を除去し安定して冷却空気を燃焼室内筒に供給できる。その結果、冷却空気の脈動に起因する燃焼室内の圧力変化や燃焼室内筒の壁面近傍における燃焼を抑制して、振動燃焼を確実に抑制できる。また、燃焼室内筒も安定して冷却できるので、燃焼器の寿命を長くできる。
【００５２】
また、この発明に係るガスタービン燃焼器では、冷却空気層形成リングと燃料ノズルブロックとの間に一定の間隔を設けるようにしたので、燃料ノズルブロックが熱変形してもこの間隔が熱膨張代となってこの熱変形を吸収できる。その結果、ガスタービンの運転時間や運転状況に関わらず安定して冷却空気層を形成して振動燃焼を抑制できる。また、上記間隔によって、燃料ノズルブロックを燃焼室内筒に組み付ける際の作業が容易になる。
【００５３】
また、この発明に係るガスタービン燃焼器では、上記ガスタービン燃焼器において、さらに、周方向に異なる間隔で複数個の塞ぎ部材を上記隙間へ設け、塞ぎ部材の直後で燃焼を許容し燃焼室内筒の周方向へ不規則に圧力の腹を形成することで、振動燃焼の発生を抑えるようにした。また、この発明に係るガスタービン燃焼器では、上記ガスタービン燃焼器において、さらに、塞ぎ部材を上記隙間の一箇所に設けることで、圧力の腹を燃焼室内筒の一箇所のみに形成することで、圧力の腹の対称性を崩して振動燃焼を抑えるようにした。このため、塞ぎ部材によって冷却空気が通過する面積が小さくなるので、冷却空気層を形成するための冷却空気量が十分確保できない場合でも、振動燃焼を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係るガスタービン燃焼器を示す軸方向断面図である。
【図２】実施の形態１の変形例に係るガスタービン燃焼器を示す説明図である。
【図３】ガスタービンの運転中における燃焼ノズルブロックの状態を示す説明図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係るガスタービン燃焼器を示す軸方向断面図である。
【図５】実施の形態３に係るガスタービン燃焼器を示す軸方向断面図である。
【図６】実施の形態４に係るガスタービン燃焼器の一例を示す軸方向断面図である。
【図７】図６に示したガスタービン燃焼器の正面図である。
【図８】ガスタービン燃焼器で振動燃焼が発生した場合における振動場のモードを表した概念図である。
【図９】実施の形態４に係るガスタービン燃焼器のもう一つの例を示す正面図である。
【図１０】実施の形態５に係るガスタービン燃焼器を示す軸方向断面図である。
【図１１】実施の形態５に係るガスタービン燃焼器に使用するスペーサの一例を示す説明図である。
【図１２】実施の形態６に係るガスタービン燃焼器を示す軸方向断面図である。
【図１３】これまで使用されてきたガスタービン予混合燃焼器を示す軸方向断面図である。
【符号の説明】
１０、１１、１２、１３、１４、１５、１９燃焼室内筒
２０、２１、２３、２４、２９燃料ノズルブロック
２０ａ冷却空気供給孔
２１ａ外縁部
２３ａ冷却空気供給口
３０、３１、３２スペーサ
３５部材
４０、４１、４２、４３、４４、４５冷却空気供給孔
４４ａアンダーカット
５０、５１、５２、５３、５４、５５隙間
８０環状のスペーサ
８０ａ端部
８０ｂ湾曲部
１００、１０１、１０２リング
１００ａ側面
２００マニホールド
５００、５１０予混合火炎形成ノズル
６００、６１０パイロットコーン
７００燃焼器ノズルブロック外筒
Ｘ中心軸
Ｙ燃焼室内筒の軸

Claims

燃焼室内筒との間に一定の間隔をもった隙間を設けて燃料ノズルブロックを設置し、また、前記燃料ノズルブロックの外縁近傍に、周方向に向かって冷却空気供給孔を設け、この冷却空気供給孔と前記隙間とから前記燃焼室内筒の下流方向に向かって冷却空気を流して、前記燃焼室内筒の内壁面に冷却空気層を形成するとともに、前記燃焼室内筒の内壁面には周方向に向かって複数のスペーサを設けることを特徴とするガスタービン燃焼器。
燃焼室内筒の内壁面に当該燃焼室内筒の下流方向に向かって冷却空気層を形成するための冷却空気層形成リングを、前記燃焼室内筒の内壁面に取り付けたスペーサによって、ガスタービン燃焼器の燃料ノズルブロックと前記燃焼室内筒との間に一定の隙間をもって備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
燃焼室内筒の内壁面に当該燃焼室内筒の下流方向に向かって冷却空気層を形成するための冷却空気層形成リングを、ガスタービン燃焼器の燃料ノズルブロックと前記燃焼室内筒との間に一定の隙間をもって備えるとともに、前記燃焼室内筒の壁面に垂直である前記冷却空気層形成リングの側面に、前記燃料ノズルブロックの外縁部を垂直に当てることを特徴とするガスタービン燃焼器。
さらに、上記冷却空気層形成リングの上流側に冷却空気を蓄えるマニホールド部を備えたことを特徴とする請求項２又は３に記載のガスタービン燃焼器。
さらに、上記冷却空気層形成リングと上記燃料ノズルブロックとの間に一定の間隔を設けたことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器。
さらに、周方向に異なる間隔で複数個の塞ぎ部材を上記隙間へ設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のガスタービン燃焼器。
さらに、塞ぎ部材を上記隙間の一箇所に設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のガスタービン燃焼器。