JP4129518B2 - ガスタービンの燃焼器壁構造 - Google Patents

Description

本発明はガスタービンの燃焼器壁構造に関する。さらに詳しくは、必要冷却空気が低減されてなるガスタービンの燃焼器壁構造に関する。

従来、ガスタービンの燃焼器壁を形成しているライナの燃焼室側は、耐熱合金により構成され、それを冷却空気により冷却するという構成が一般的に採られている。図１０に、かかる構成とされているライナの一例の要部を示し、図１１にその下流側端部を示す。

ライナ１００は、図１０に示すように、外壁１１０と内壁１２０との間が若干の隙間１３０が設けられてなる二重壁構造とされ、その隙間１３０に外壁１１０のバーナー側に設けられた多数の冷却孔１１１から、ライナ１００の外側を流れている燃焼用空気の一部が冷却空気として供給され内壁１２０の冷却がなされ、燃焼室ＢＲ出口の温度を１３００℃程度の高温下においても使用可能とされている。そして、この冷却に使用された冷却空気は、ライナ１００の下流側端の排気口（図１１参照）１４０から燃焼室ＢＲに放出され燃焼ガスと混合されて下流側のタービンに供給される。

しかるに、高効率のガスタービンを実現させる場合、燃焼室ＢＲ出口の温度を１７００℃〜１８００℃程度の高温にする必要がある。その一方で、窒素酸化物の排出低減の要求から多量の燃焼用空気を確保する必要があり、従来、ライナ１００の冷却に使用されている空気を燃料の燃焼に回す必要が生じ、結果的にライナ１００に供給される冷却空気が減少する。

しかしながら、ライナ１００に供給される冷却空気が減少すると、ライナ１００の素材温度が耐熱温度以上になり、予定されている温度条件下での使用が不可能となるという問題が生じる。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、必要冷却空気量が低減され、しかも１７００℃〜１８００℃程度の高温においても使用可能なガスタービンの燃焼器壁構造を提供することを目的としている。

本発明のガスタービンの燃焼器壁構造は、外壁と内壁との二重壁構造とされたガスタービンの燃焼器壁構造であって、内壁が、耐高温ガスセラミック層を有する耐熱ブロックを含む内壁セグメントを外壁に密集配列にて装着してなるものとされ、前記耐高温ガスセラミック層の保持片に対向する面が傾斜面に形成され、前記傾斜面が、保持部材の保持片により保持され、それにより前記耐高温ガスセラミック層の表面を前記保持片よりも燃焼室側に突出させられてなることを特徴とする。

さらに、本発明のガスタービンの燃焼器壁構造においては、保持片の先端部に切り欠きが形成されてなるのが好ましい。

さらに、本発明のガスタービンの燃焼器壁構造においては、耐熱ブロックがクッション性を有する断熱材層を含むのが好ましい。

さらに、本発明のガスタービンの燃焼器壁構造においては、保持部材の開口端をカバーする袖部を有するカバー部材を備え、前記袖部内面と耐熱ブロック端面との間に隙間が設けられてなるのが好ましい。

さらに、本発明のガスタービンの燃焼器壁構造においては、外壁に内壁セグメントを冷却する冷却孔が配設されてなるのが好ましい。

しかして、本発明のガスタービンの燃焼器壁構造は、ガスタービンの燃焼器に備えられる。

本発明によれば、燃焼器壁の必要冷却空気量を低減しながら、その耐熱温度を向上させることができるという優れた効果が得られる。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。

図１および図２に、本発明の一実施形態に係るガスタービンの燃焼器壁構造（以下、単に壁構造という）を示す。図１は燃焼器壁の燃焼ガスの流れ方向に沿った部分側面図を示し、図２は同燃焼器壁の部分展開図である。

壁構造Ｋは、図１および図２に示すように、外壁１０と、内壁２０の二重壁構造からなるもので、内壁２０を内壁セグメント２０Ａにより構成し、この内壁セグメント２０Ａを外壁１０にボルト・ナット留めしてなるものとされる。この内壁セグメント２０Ａは、所要数が密集配列にて外壁１０内面に配設される。

外壁１０は、従来、ライナの外壁として用いられている耐熱合金からなる、例えば円筒状部材とされる。外壁１０には、後述する内壁セグメント２０Ａに設けられているボルトを挿通するためのボルト挿通孔１１が所定配列にて貫通形成され、また外壁１０の外側を流れている燃焼用空気の一部を冷却空気として用い、内壁セグメント２０Ａ、より具体的には、保持部材４０およびカバー部材５０をインピンジ冷却するための冷却孔１２がボルト挿通孔１１周りに所定配列にて貫通形成されている。

内壁セグメント２０Ａは、図３〜図８に示すように、耐熱ブロック３０と、耐熱ブロック３０を保持する保持部材４０と、保持部材４０の開口端４０ａをカバーするカバー部材５０とを備えてなるものとされる。

耐熱ブロック３０は、耐高温ガスセラミック層３１と、耐火セラミック層３２と、断熱材層３３とを燃焼室ＢＲ側からこの順で積層してなるものとされる。ここで、耐火セラミック層３２および断熱材層３３を設けるのは、空冷されている保持部材４０上部と耐高温ガスセラミック層３１との間の伝熱抵抗を大きくして、耐高温ガスセラミック層３１の温度差に起因する亀裂発生を防ぐためである。

耐高温ガスセラミック層３１は、１７００℃程度の耐熱度を有する例えばＭＧＣ（Melt-Growth Composites）セラミック３１ａからなる板状体とされ、その断面形状は逆台形状とされている（図９参照）。これにより、保持部材４０の保持片４５との接触を線接触に近い状態としながら、つまり傾斜面としてその接触面積の低減を図りながら、耐高温ガスセラミック層３１の表面３１ｂを保持片４５よりも燃焼室ＢＲ側に突出させることができる。

なお、断面形状は、前記に限定されるものではなく、接触面積を低減しながら耐高温ガスセラミック層３１の表面３１ｂを燃焼室ＢＲ側に突出させることができる各種形状とされていればよい。例えば、角部が面取りされた形状とされてもよい。

耐火セラミック層３２は、例えば１５００℃程度の耐熱度を有するのものからなる板状体とされている。この耐火セラミック層３２を設けるのは、ＭＧＣセラミック３１ａが断熱材と反応して劣化するのを防ぐためである。そのため、耐高温ガスセラミック層３１が 断熱材と反応しない材質とされれば、この耐火セラミック層３２は設けられなくてもよい。

断熱材層３３は、例えばクッション性を有するグラスウールからなる直方体とされる。このクッション性を有する断熱材層３３が設けられていることにより、耐高温ガスセラミック層３１および耐火セラミック層３２の熱膨張が吸収されそれらの熱応力による損傷が防止される。

保持部材４０は、耐熱合金、例えばハステロイＸ（商品名）からなる板を幅広リップ溝型鋼状に折り曲げ成形し、その内部に耐熱ブロック３０を保持するようにされてなるものとされる。この保持部材４０の上面（外壁１０に向いた面）４１の中央には平頭付ボルト４２がボルト部４３を外方に向けて垂設されている。平頭４４の高さは、カバー部材５０の外壁１０との間に所定の隙間が形成され、保持部材４０およびカバー部材５０のインピンジ冷却がなし得るように調整されている。

また、リップ（保持片）４５を含む先端部つまり保持部４６には耐熱コーティング４７（図５等参照）がなされている。耐熱コーティング４７の材質は、例えばジルコニア・イットリヤ複合物とされる。この耐熱コーティング４７がなされていることにより、保持部４６と耐高温ガスセラミックとの熱衝撃が緩和され耐高温ガスセラミック層３１の損傷が防止される。この場合、図７に示すように、リップ４５に適宜切り欠き４５ａを設け、耐高温ガスセラミック層３１とリップ４５との接触面積を減少させることにより、熱衝撃による損傷のより一層の防止が図られる。

カバー部材５０は、耐熱合金、例えばハステロイＸ（商品名）からなる板を幅広溝型鋼状に折り曲げ成形してなるものとされる。このカバー部材５０の上面（外壁１０に向いた面）５１の中央には平頭付ボルト４２の平頭４４が挿通される透孔５２が形成されている。このカバー部材５０は、その袖部５３により保持部材４０の開口端４０ａが塞ぐようにして保持部材４０に装着される。ただし、袖部５３からの耐熱ブロック３０、より具体的には耐高温ガスセラミック層３１への熱衝撃を避ける観点から、袖部５３内面と耐熱ブロック３０端面との間に隙間が設けられてなるのが好ましい。

このように、本実施形態の燃焼器壁構造Ｋにおいては、内壁を耐高温ガスセラミック層３１を有する耐熱ブロック３０を保持部材４０により保持し、その保持部材４０の開口端４０ａをカバー部材５０によりカバーしてなる内壁セグメント２０Ａより構成しているので、耐熱度が向上し、しかも吸い込み空気量に対する必要冷却空気量の割合を従来の１５％程度から数％に低減できる。そのため、本実施形態の燃焼器壁構造Ｋは、高効率ガスタービンの燃焼器壁に適用可能である。

本発明は、高効率ガスタービンの燃焼器に適用できる。

本発明の一実施形態に係るガスタービンの燃焼器壁の燃焼ガスの流れ方向に沿った部分側面図である。 同燃焼器壁の部分展開図である。 同燃焼器壁の内壁セグメントの分解斜視図である。 図２の矢視Ｂ図である。 図２の矢視Ｃ図である。 図２のＤ−Ｄ線断面図である。 図６の矢視Ｅ図である。 図７のＦ−Ｆ線断面図である。 耐高温ガスセラミック層の２面図である。 従来の燃焼器ライナの図１相当図である。 図１０の矢視Ａ図である。

符号の説明

Ｋ 燃焼器壁構造
ＢＲ 燃焼室
１０ 外壁
１１ ボルト挿通孔
１２ 冷却孔
２０ 内壁
２０Ａ 内壁セグメント
３０ 耐熱ブロック
３１ 耐高温ガスセラミック層
３２ 耐火セラミック層
３３ 断熱材層
４０ 保持部材
４０ａ 開口端
４２ 平頭付ボルト
４５ リップ（保持片）
４５ａ 切り欠き
４７ 耐熱コーティング
５０ カバー部材
５２ 透孔
５３ 袖部

Claims (6)

1. 外壁と内壁との二重壁構造とされたガスタービンの燃焼器壁構造であって、
   内壁が、耐高温ガスセラミック層を有する耐熱ブロックを含む内壁セグメントを外壁に密集配列にて装着してなるものとされ、
   前記耐高温ガスセラミック層の保持片に対向する面が傾斜面に形成され、
   前記傾斜面が、保持部材の保持片により保持され、それにより前記耐高温ガスセラミック層の表面を前記保持片よりも燃焼室側に突出させられてなる
   ことを特徴とするガスタービンの燃焼器壁構造。
2. 保持片の先端部に切り欠きが形成されてなることを特徴とする請求項１記載のガスタービンの燃焼器壁構造。
3. 耐熱ブロックが、クッション性を有する断熱材層を含むことを特徴とする請求項１記載のガスタービンの燃焼器壁構造。
4. 保持部材の開口端をカバーする袖部を有するカバー部材を備え、前記袖部内面と耐熱ブロック端面との間に隙間が設けられてなることを特徴とする請求項１記載のガスタービンの燃焼器壁構造。
5. 外壁に内壁セグメントを冷却する冷却孔が配設されてなることを特徴とする請求項１記載のガスタービンの燃焼器壁構造。
6. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載のガスタービンの燃焼器壁構造を備えてなることを特徴とするガスタービンの燃焼器。

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