JP4123120B2 - Gas turbine combustor - Google Patents
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Description
本発明はガスタービン燃焼器に係り、特に、燃焼室ライナとトランジションピースとのはめ合い接続部分からすり抜ける空気流量を少なくすると同時に、燃焼室ライナのメタル温度上昇を抑制して、窒素酸化物(以下、NOxと記載する)の排出量の低減と燃焼器の信頼性の確保とが図られるようにしたガスタービン燃焼器に関する。 The present invention relates to a gas turbine combustor, and more particularly, it reduces the flow rate of air that passes through a mating connection portion between a combustion chamber liner and a transition piece, and at the same time suppresses a rise in metal temperature of the combustion chamber liner, thereby reducing nitrogen oxide (hereinafter referred to as nitrogen oxide) The present invention relates to a gas turbine combustor capable of reducing the emission amount of NOx) and ensuring the reliability of the combustor.
燃料を燃焼させる際に排出されるNOxの排出量の低減は環境負荷の増大を抑制する上で重要である。NOx排出量は燃焼火炎温度に大きく依存するため、主要な燃焼反応場における燃焼空気流量を増加させて希薄燃焼とし、火炎温度を低下させることが有効である。また、空気と燃料を予混合器内で混合してから燃焼室に供給して燃焼させる予混合燃焼とすると、燃料と空気が混合しつつ燃焼する拡散燃焼に比べて大幅にNOxを低減できる。予混合燃焼の場合、燃焼空気流量の増加はNOx排出量の低減に一段と効果がある。 A reduction in the amount of NOx emitted when the fuel is burned is important for suppressing an increase in environmental load. Since NOx emissions greatly depend on the combustion flame temperature, it is effective to decrease the flame temperature by increasing the flow rate of combustion air in the main combustion reaction field to achieve lean combustion. In addition, when premixed combustion is performed in which air and fuel are mixed in a premixer and then supplied to the combustion chamber for combustion, NOx can be greatly reduced as compared with diffusion combustion in which fuel and air are mixed and burned. In the case of premixed combustion, an increase in the combustion air flow rate is more effective in reducing NOx emissions.
このような事情から、ガスタービン機関においては、圧縮機から燃焼器に流入する空気をできる限り多く燃焼空気として使用する提案がなされている。これは、実質的に燃焼反応に寄与しない燃焼器を構成する部材の冷却空気流量を削減することにつながる。燃焼室ライナの冷却としては、燃焼室ライナ外壁に多数のスロットを設けることで燃焼室ライナ内壁にフィルム冷却空気を形成する方法が一般的に採用されているが、このフィルム冷却空気流量の削減方法に関し多くの提案がある。 Under such circumstances, in gas turbine engines, proposals have been made to use as much combustion air as possible from the compressor into the combustor. This leads to a reduction in the cooling air flow rate of the members constituting the combustor that does not substantially contribute to the combustion reaction. As a method for cooling the combustion chamber liner, a method of forming film cooling air on the inner wall of the combustion chamber liner by providing a number of slots on the outer wall of the combustion chamber liner is generally employed. There are many suggestions for
同様に、燃焼室ライナとタービンの間に配置されるトランジションピースあるいは連絡ダクトと呼称されるダクトとのはめ合い接続部分からすり抜ける空気流量を少なくすることで、燃焼空気流量を増加させることが可能となる。ここで、はめ合い接続構造としては、主室ライナの下流端にスプリングシールあるいはフラシールと呼称されるスリットを有する円弧上に成形された弾性板の一端をスポット溶接し、そのスプリングシールの部分をトランジションピースの内側に押し込む方式が採用されている。こうすることで、組み立てに際しトランジションピースの内側に密着したスプリングシールが弾性変形し、また主室ライナ及びトランジションピースのはめ合い部分は固定されていないので相互に滑ることができ、両者の寸法公差及び熱伸びを吸収できる。この部分からすり抜ける空気流量を削減するには、組み立て状態でのスプリングシールとトランジションピースとの間隙を小さくするか、あるいはスプリングシールが有するスリットの幅や数を減らして開口面積を低減する等の手段により達成するようにしている。 Similarly, it is possible to increase the flow rate of combustion air by reducing the flow rate of air that slips through a mating connection portion with a transition piece or a duct called a communication duct disposed between the combustion chamber liner and the turbine. Become. Here, as the fitting connection structure, one end of an elastic plate formed on an arc having a slit called a spring seal or a hula seal is spot welded at the downstream end of the main chamber liner, and the spring seal portion is transitioned. The method of pushing inside the piece is adopted. By doing so, the spring seal that is in close contact with the inside of the transition piece during the assembly is elastically deformed, and the mating portions of the main chamber liner and the transition piece are not fixed, so that they can slide relative to each other. Can absorb thermal elongation. In order to reduce the flow rate of air passing through this part, the gap between the spring seal and the transition piece in the assembled state is reduced, or the width and number of slits of the spring seal are reduced to reduce the opening area. To achieve.
本発明に関係するフィルム冷却による燃焼室ライナ構造としては、例えば、特許文献1,特許文献2に記載されている。また、特許文献3にはスプリングシール構造の例、特許文献4には燃焼室ライナとトランジションピースとのはめ合い接続部分からすり抜ける空気流量を少なくする手段の例、特許文献5には燃焼室ライナとトランジションピースとのはめ合い接続構造部分を冷却する手段の例が記載されている。
The combustion chamber liner structure by film cooling related to the present invention is described in, for example, Patent Document 1 and
本発明は、燃焼室ライナとトランジションピースの外側に空気が流れる流路があり、この流路を流れる空気の流れ方向がトランジションピースから燃焼室ライナであり、また、燃焼室ライナの内側で生成した燃焼ガスはトランジションピースを介してタービンに導かれるように構成した、いわゆるリターンフロー形ガスタービン燃焼器に好適な燃焼室ライナの信頼性向上手段を提供するものである。リターンフロー形ガスタービン燃焼器においては、トランジションピースの外側にスリーブを配置し、該スリーブとの間隙を空気流路とすることでトランジションピースを冷却している。一方、燃焼室ライナにおいても、その外側にスリーブあるいは外筒を配置し、該スリーブあるいは外筒との間隙を空気流路としている。この空気流路を流れる空気も燃焼室ライナの冷却に寄与するが、燃焼室ライナの場合には燃焼形態によって局所的に高温燃焼ガスが形成されるため、更なる冷却強化が必要となる場合が一般的である。この手段として、燃焼室ライナの外壁に多数のスロットを設けることで燃焼室ライナ内壁にフィルム冷却空気を形成する方法が一般的に採用されている。 In the present invention, there is a flow path through which air flows outside the combustion chamber liner and the transition piece, and the flow direction of the air flowing through the flow path is from the transition piece to the combustion chamber liner, and is generated inside the combustion chamber liner. The present invention provides a means for improving the reliability of the combustion chamber liner suitable for a so-called return flow type gas turbine combustor configured such that the combustion gas is guided to the turbine through a transition piece. In the return flow type gas turbine combustor, a transition piece is cooled by disposing a sleeve outside the transition piece and using an air flow path as a gap with the sleeve. On the other hand, also in the combustion chamber liner, a sleeve or an outer cylinder is arranged on the outer side, and a gap between the sleeve or the outer cylinder is used as an air flow path. The air flowing through this air flow path also contributes to the cooling of the combustion chamber liner. However, in the case of the combustion chamber liner, high-temperature combustion gas is locally formed depending on the combustion mode, so that further cooling enhancement may be required. It is common. As this means, a method of forming film cooling air on the inner wall of the combustion chamber liner by providing a large number of slots on the outer wall of the combustion chamber liner is generally employed.
前述のように、燃焼室ライナとトランジションピースとのはめ合い接続構造としてスプリングシールが一般的に用いられるが、この場合、はめ合い接続位置における空気流路の半径方向流路幅がトランジションピース側で小さく燃焼室ライナ側で大きくなり、当該部分で半径方向に段差が生じる。また、前述のように、燃焼室ライナとトランジションピースとのはめ合い接続部分からすり抜ける空気流量の削減は、組み立て状態でのスプリングシールとトランジションピースとの間隙を小さくするか、あるいはスプリングシールが有するスリットの幅を狭くする等の手段により達成するようにしている。 As described above, a spring seal is generally used as a fitting connection structure between the combustion chamber liner and the transition piece. In this case, the radial flow path width of the air flow path at the fitting connection position is on the transition piece side. Smaller and larger on the combustion chamber liner side, and a step is generated in the radial direction at that portion. In addition, as described above, the reduction of the air flow rate that slips through the mating connection portion between the combustion chamber liner and the transition piece can be achieved by reducing the gap between the spring seal and the transition piece in the assembled state, or by the slit that the spring seal has. This is achieved by means such as narrowing the width of.
本発明は、上述のような手段により燃焼室ライナとトランジションピースとのはめ合い接続部分からすり抜ける空気流量を削減した時に出現する問題点を把握し、この問題点に対して簡便かつ有効な手段を見出す過程でなされたものである。 The present invention grasps a problem that appears when the flow rate of air passing through the fitting connection portion between the combustion chamber liner and the transition piece is reduced by the above-described means, and provides a simple and effective means for this problem. It was made in the process of finding out.
即ち、トランジションピースの外側を流れる空気は、冷却効果を確保するために高流速になっており、この状態で燃焼室ライナとトランジションピースとのはめ合い接続部分に到達する。はめ合い接続部分においては、空気流路に半径方向の段差があるため、循環流れ領域が形成される。燃焼室ライナとトランジションピースとのはめ合い接続部分からすり抜ける空気流量は、この循環流れに影響されるが、燃焼室ライナ下流端のメタル温度を計測したところ、メタル温度の周方向分布の偏差が大きく、循環流れの状態が周方向に一様ではないことが分かった。これは、トランジションピースから燃焼室ライナに噴出する空気の流速分布が、トランジションピースの形状等の影響により周方向に一様ではないことに起因する。燃焼室ライナは信頼性を確保するためには、局所的な高メタル温度部位が出現しないようにしなければならない。しかるに、局所的に高メタル温度部位が出現するのを防止するために、スプリングシールとトランジションピースとの間隙を大きくするか、あるいはスプリングシールが有するスリットの幅や数を増やして開口面積を増加させ、燃焼室ライナとトランジションピースとのはめ合い接続部分からすり抜ける空気流量を大きくすることは、NOx排出量削減のために燃焼空気流量をできる限り増加させるという観点から逸脱してしまう問題点があった。 That is, the air flowing outside the transition piece has a high flow velocity in order to ensure a cooling effect, and in this state, reaches the fitting connection portion between the combustion chamber liner and the transition piece. In the mating connection portion, there is a step in the radial direction in the air flow path, so that a circulation flow region is formed. The flow rate of air passing through the mating connection between the combustion chamber liner and the transition piece is affected by this circulating flow, but when the metal temperature at the downstream end of the combustion chamber liner is measured, there is a large deviation in the circumferential distribution of the metal temperature. It was found that the state of the circulation flow is not uniform in the circumferential direction. This is due to the fact that the flow velocity distribution of the air ejected from the transition piece to the combustion chamber liner is not uniform in the circumferential direction due to the influence of the shape of the transition piece and the like. The combustion chamber liner must be free from the appearance of local high metal temperature sites in order to ensure reliability. However, in order to prevent the appearance of a high metal temperature region locally, the gap between the spring seal and the transition piece is increased, or the opening area is increased by increasing the width and number of slits of the spring seal. , Increasing the air flow rate that slips through the mating connection between the combustion chamber liner and the transition piece deviates from the viewpoint of increasing the combustion air flow rate as much as possible to reduce NOx emissions. .
本発明は、比較的簡便な方法により、燃焼室ライナとトランジションピースとのはめあい接続部からすり抜けていた空気流量を削減するとともに、燃焼室ライナの冷却空気流量の周方向分布を略一様にできる燃焼器を提供することを目的とする。 The present invention can reduce the air flow rate that has passed through the fitting connection between the combustion chamber liner and the transition piece by a relatively simple method, and can make the circumferential distribution of the cooling air flow rate of the combustion chamber liner substantially uniform. An object is to provide a combustor.
上記課題を解決するために、本発明は、燃焼室ライナとトランジションピースははめ合い構造で接続され、両者の外側に空気流路があるガスタービン燃焼器構造において、このはめ合い接続位置においては、空気流路の半径方向流路幅がトランジションピース側で小さく燃焼室ライナ側で大きくなる段差が生じるようにし、はめ合い接続位置におけるトランジションピース末端の近傍に空気流れの抵抗となる隔壁好ましくは、空気流路の段差の0.8倍 から燃焼室ライナ側における空気流路半径方向流路幅の約60%に当たる範囲の高さを有するリングを前記燃焼室ライナの外壁に設けたものである。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a gas turbine combustor structure in which a combustion chamber liner and a transition piece are connected with a fitting structure, and an air flow path is provided outside the both. A partition wall that provides resistance to air flow in the vicinity of the end of the transition piece at the fitting connection position so that a step in which the radial flow path width of the air flow path is small on the transition piece side and large on the combustion chamber liner side is generated. A ring having a height ranging from 0.8 times the level difference of the flow path to about 60% of the radial flow path width in the radial direction of the air flow path on the combustion chamber liner side is provided on the outer wall of the combustion chamber liner.
また、本発明は、上記ガスタービン燃焼器において、燃焼室ライナに希釈孔を設け、はめ合い接続位置側のトランジションピース末端と燃焼室ライナに配置した希釈孔との間に空気流れの抵抗となるリングを燃焼室ライナの外壁に設けたものである。 Further, according to the present invention, in the gas turbine combustor described above, a dilution hole is provided in the combustion chamber liner, and air flow resistance is provided between the end of the transition piece on the fitting connection position side and the dilution hole arranged in the combustion chamber liner. A ring is provided on the outer wall of the combustion chamber liner.
本発明により、燃焼室ライナとトランジションピースとのはめ合い接続部からすり抜けていた空気流量を節減し、かつ比較的簡便な方法により燃焼室ライナの冷却空気流量の周方向分布を一様にできる。したがって、NOx排出量の削減につながる燃焼空気流量の増大が図られると同時に、燃焼室末端のメタル温度が増大するのを抑制できる効果がある。 According to the present invention, it is possible to reduce the air flow rate that has passed through the fitting connection between the combustion chamber liner and the transition piece, and to make the circumferential distribution of the cooling air flow rate of the combustion chamber liner uniform by a relatively simple method. Therefore, an increase in the combustion air flow rate that leads to a reduction in the NOx emission amount can be achieved, and at the same time, an increase in the metal temperature at the end of the combustion chamber can be suppressed.
図1により本発明に関わるガスタービン燃焼器の一実施例を説明する。本発明に関わる、空気流れの抵抗となるリングをトランジションピース末端に近傍する外壁に設けた燃焼室ライナは、図1に示すようなガスタービン燃焼器に組み込まれて使用されるものである。 An embodiment of a gas turbine combustor according to the present invention will be described with reference to FIG. A combustion chamber liner according to the present invention, in which a ring serving as an air flow resistance is provided on the outer wall near the end of a transition piece, is used by being incorporated in a gas turbine combustor as shown in FIG.
本実施例のガスタービン燃焼器は、図示しないガスタービンの周囲に複数缶配置される。各燃焼器缶は、外筒1と燃焼室ライナ2及びトランジションピース3を有する。トランジションピース3の外側にはスリーブ4が配置される。また、燃焼室ライナ2の外側には、一部スリーブ5が配置される。
A plurality of cans of the gas turbine combustor of the present embodiment are arranged around a gas turbine (not shown). Each combustor can has an outer cylinder 1, a
燃焼用空気50は、図示しない圧縮機から供給され、トランジションピース3とスリーブ4の間を通過し、燃焼室ライナ2とスリーブ5及び外筒1の間を経て、拡散バーナ10に到達する。
燃焼室ライナ2の内側では燃焼用空気50と燃料60が燃焼し、生成した燃焼ガス70は、トランジションピース3を経て、図示しないタービンに送られ、タービンを駆動する。
The
図2に、燃焼室ライナ2とトランジションピース3とのはめ合い接続部分の拡大図を示す。燃焼室ライナ2とトランジションピース3はスプリングシール101を介してはめ合い構造となっている。スプリングシール101は、図3に示すように弾性板を円弧状に形成し、その一端を燃焼室ライナ2にスポット溶接する構造となっている。図3の実施例においては、スプリングシール101には幅1mm前後のスリット102が設けられている。該スリット102の一端はスプリングシール端まで達する。図2及び図4に示すすり抜け空気51はこのスリット102を通り燃焼室ライナの末端400へと流れる。
In FIG. 2, the enlarged view of the fitting connection part of the
従来の燃焼室ライナ2とトランジションピース3とのはめ合い接続部分においては、空気流路に半径方向の段差300があるため、燃焼用空気50の噴流により図6に示すような循環流れ領域200Bが形成される。この循環流れ領域200Bは、段差300に接して形成されるため、燃焼用空気50の噴流の動圧が回復し静圧が高くなるには十分な条件ではなく、段差300と燃焼室ライナの末端400との間の全圧差が小さかった。しかし、従来の燃焼室ライナ2のスプリングシール101においては、この全圧差においても十分なすり抜け空気51の流量が確保されるようにスリット102の開口面積を大きく設定していたので、図5に示すように、周方向にメタル温度のバラツキはあるものの燃焼室ライナ末端のメタル温度は十分に許容範囲内にあった。
In the fitting connection portion between the conventional
しかし、NOx排出量の低減を図るためにスプリングシール101のスリット102の開口面積を低減したところ、図5に示すように、メタル温度が全体的に上昇し、かつ局所的に高温となる部位が出現した。
However, when the opening area of the
本実施例では、この問題を解決するために、図2に示すように、はめ合い接続位置におけるトランジションピース末端301の近傍に空気流れの抵抗となるリング100を燃焼室ライナ2の外壁に配置した。ここで、リング100は、図6で示したリング100を配置しない場合の循環流れ領域200Bの外側にあたる距離以上にトランジションピース末端301から離して設置するのが望ましい。循環流れ領域200Bの範囲は、近年の流れ解析技術の発展により比較的容易に把握することが可能である。リング100の高さは、空気流路の段差300の0.8 倍から燃焼室ライナ側における空気流路半径方向流路幅の約60%に当たる範囲にするのが望ましい。このようにリング100を燃焼室ライナ2の外壁に配置すると、循環渦のコア領域200Aがトランジションピース末端301から離れて形成されるようになる。この結果、燃焼用空気50の噴流の動圧が回復し静圧が高くなり、段差300と燃焼室ライナの末端400との間の全圧差が大きくなるためスプリングシール101を通過する空気流量が増大する。リング100の高さを空気流路の段差
300の0.8 倍よりも小さくすると、燃焼用空気50の噴流の動圧の回復が十分ではなく、また、燃焼室ライナ側における空気流路半径方向流路幅の約60%に当たる高さ以上にすると流路抵抗により燃焼器の圧力損失が大きくなり、ガスタービン機関の熱効率に悪影響を及ぼす。リング100の高さを上記範囲にすることで、図5に示すように燃焼室末端のメタル温度は、ほぼ一様に低減し、かつメタル温度のバラツキ幅も低減した。本実施例において、従来例よりもメタル温度のバラツキ幅が低減したのは、リング100によって循環渦の形成状況が従来例よりも周方向に一様になり、スプリングシール101を通過する空気流量が従来例よりも周方向に一様になったためである。したがって、本実施例によって、従来例よりも燃焼空気流量を増大するという所期の目的は達成できている。本実施例の作用を考慮すれば、リング100の形状は特には限定されない。図2に示した形状はL字形であるが、平板のリングでも良く、厚さも限定されない。また、燃焼室ライナの組み込みが容易なように周方向に形状を変化させることも、上記作用が著しく損なわれない限り許容される。
In this embodiment, in order to solve this problem, as shown in FIG. 2, a
本実施例によれば、燃焼室ライナとトランジションピースとのはめ合い接続部分からすり抜ける空気流量を少なくしても、燃焼室ライナの末端のメタル温度の上昇を抑制できるので、燃焼室ライナの信頼性を確保できる効果がある。 According to the present embodiment, even if the flow rate of air passing through the fitting connection portion between the combustion chamber liner and the transition piece is reduced, the rise in the metal temperature at the end of the combustion chamber liner can be suppressed, so the reliability of the combustion chamber liner There is an effect that can be secured.
図4に、本発明における他の実施例を示す。図2の実施例との違いは燃焼室ライナ2に希釈孔401が設けられていることである。希釈孔401の作用と効果はガスタービン燃焼器に携わる技術者にとっては周知の事項である。本実施例においては、空気流れの抵抗となるリング100はトランジションピース末端301と希釈孔401との間に配置される。仮に、トランジションピース末端301からの距離が希釈孔401よりも大きい位置にリング100を配置した場合、段差300とリング100の間に形成される循環渦は、希釈孔401から燃焼室ライナ2内に噴出する空気流量に影響され周方向の一様性が著しく損なわれる。その結果、燃焼室ライナ2末端のメタル温度を少ない空気流量で冷却することができなくなる。本実施例のように、リング100をトランジションピース末端301と希釈孔401との間に配置することで燃焼室ライナ2の末端の冷却を効果的に実現できるのである。
FIG. 4 shows another embodiment of the present invention. The difference from the embodiment of FIG. 2 is that a
本実施例によれば、燃焼室ライナに希釈孔が配置されている場合であっても、少ない空気流量によって燃焼室末端を冷却できる効果がある。 According to the present embodiment, even if the dilution hole is arranged in the combustion chamber liner, there is an effect that the end of the combustion chamber can be cooled with a small air flow rate.
1…外筒、2…燃焼室ライナ、3…トランジションピース、4,5…スリーブ、10…拡散バーナ、20…予混合バーナ、50…燃焼用空気、60…燃料、70…燃焼ガス、
100…リング、101…スプリングシール、300…段差、400…燃焼室ライナの末端、401…希釈孔。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Outer cylinder, 2 ... Combustion chamber liner, 3 ... Transition piece, 4, 5 ... Sleeve, 10 ... Diffusion burner, 20 ... Premix burner, 50 ... Combustion air, 60 ... Fuel, 70 ... Combustion gas,
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