JP4154511B2 - 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。

この問題に対して、発明者等は、燃焼器ライナの内壁に超高温に耐えることができるセラミック（例えば、ＭＧＣ（Melt-Growth Composites：液融成長複合材料））を適用するものとし、これによって空気冷却をほとんど行うことなく超高温場でガスタービン燃焼器を使用することができるようにしたガスタービンの燃焼器壁構造を提案している（特願２００５−２９９７８号参照）。

ところが、前記提案に係る壁構造では、金属製のカバー部材によりセラミックを両側から挟むような状態でライナー外壁に保持させる構造とされており、カバー部材によるセラミックの拘束によりセラミックに割れ等が発生するという別の問題を生じるおそれがある。

また、前記カバー部材は空気冷却されており、セラミックがカバー部材と接触することによりセラミックに過大な熱応力が生じ、これによりセラミックに割れ等が発生するという問題も生じるおそれもある。

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であり、かつ耐久性の高い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、
内壁は、内壁セグメントを外壁に密集配列にて装着してなり、
前記内壁セグメントは、耐熱ブロックと、該耐熱ブロックを保持する保持部材と、 該保持部材をカバーするカバー部材を備えてなるものとされ、
前記耐熱ブロックは、耐高温ガスセラミック層を有し、
前記保持部材は、保持片が内側に向けて形成されたリップ溝形鋼状とされ、
前記カバー部材は、前記リップ溝形鋼状とされた保持部材の開口端を塞ぐ袖部を有し、
前記耐高温ガスセラミック層の前記保持片に対向する面が傾斜面に形成され、
前記傾斜面が、前記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が同保持片よりも燃焼室側に突出させられ、
前記袖部と前記保持部材に保持されている耐熱ブロック端部との間に隙間が設けられてなる
ことを特徴とする。

本発明のガスタービンの燃焼器壁構造においては、袖部内面の両端部に突起が設けられ、それにより耐熱ブロックが位置ずれしてカバー部材に接触した際の接触面積を小さくし高温ガスセラミック層の割れが防止されてなるのが好ましい。

また、本発明のガスタービンの燃焼器壁構造は、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、前記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、運転時におけるカバー部材による耐熱ブロックの拘束が回避され、かつ、耐熱ブロックとカバー部材の接触時の発生熱応力が大きく低減され、耐熱ブロックに割れが生ずるおそれはない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るとともに、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所要数の冷却孔１２が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の側方開口端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：液融成長複合材料）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のリップ（保持片）４５との接触を線接触に近い状態としながら、つまり一対の側面を傾斜面としてその接触面積の低減を図りながら耐熱ブロック３０を保持し、かつ耐高温ガスセラミック層３１の表面３１ｂをリップ４５よりも燃焼室ＢＲ側に突出させることが可能となる。

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）からなる板を幅広のリップ溝形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。

ここで、保持部材４０は、リップ（保持片）４５、４５を耐高温ガスセラミック層３１の一対の傾斜面３１ｃ、３１ｃ（図９参照）と両側から当接させて保持するものとされる。

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４および図５参照）が施されている。なお、図４中、斜線が施された部分は保持部材４０のコーティング箇所を示す。

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の側方開口端４０ａを塞ぐようにして保持部材４０に装着される。

ここで、図４に示すように、インピンジ冷却されているカバー部材５０の袖部５３と、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の一対の対向側面３１ｄ、３１ｄとの間には、対向側面３１ｄと袖部５３との大幅な接触を避けるために隙間Ｌ１、Ｌ１が設けられている。この隙間Ｌ１は、具体的には、稼働時に耐高温ガスセラミック層３１が対向側面３１ｄ、後述する突起５３ａと接触しない程度の隙間とする。つまり、大きな隙間を設けると冷却空気や燃焼ガスが流入しやすいので、必要最低限の隙間とする。

また、袖部５３の内側には、前記隙間Ｌ１による耐熱ブロック３０の位置ずれを防止するため、図３および図４に示すように、前記対向面３１ｄ、３１ｄと対向する袖部５３の所定箇所、例えば袖部５３の先端両端部近傍に突起５３ａ、５３ａが、前記隙間Ｌ１より短い突出量で設けられるものとされる。ここで、突起５３ａ、５３ａは、図には明瞭に示されていないが、保持部４６の耐熱コーティング４７と同様のコーティングがなされてもよい。

すなわち、耐熱ブロック３０が保持部材４０内で移動する等して前記対向面３１ｄ、３１ｄとカバー部材５０の袖部５３とが大幅に接触すると、耐高温ガスセラミック層３１表面の温度勾配が大きくなり、過大な熱応力が生じて耐高温ガスセラミック層３１が割れる等するおそれがある。したがって、そのような場合の耐高温ガスセラミック層３１とカバー部材５０との接触面積をできるだけ小さくするように、両材の対向箇所に突起５３ａ、５３ａを設けるとともに、その突起５３ａに断熱性を高めるためのコーティングを施すものとされる。これにより、耐高温ガスセラミック層３１とカバー部材５０とが接触したときに耐高温ガスセラミック層３１に発生する温度勾配を抑えて耐高温ガスセラミック層３１の損傷を避けることが可能となる。

このように、本実施形態の燃焼器壁構造Ｋにおいては、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より内壁２０を構成しているので、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％にまで低減することが可能となる。

これに加えて、カバー部材５０の袖部５３と、耐熱ブロック３０の耐高温ガスセラミック層３１の一対の対向側面３１ｄ、３１ｄとの間に隙間Ｌ１、Ｌ１を設けたことにより、カバー部材５０による耐高温ガスセラミック層３１の拘束を回避して耐高温ガスセラミック層３１に割れ等の損傷が発生するのを防止するとともに、インピンジ冷却されているカバー部材５０と耐高温ガスセラミック層３１との接触に起因する温度勾配から耐高温ガスセラミック層３１に熱応力が生じ、これにより耐高温ガスセラミック層３１に割れ等が発生するのを抑えて耐高温ガスセラミック層３１の状態を健全に保つことが可能となる。

さらに、カバー部材５０の耐高温ガスセラミック層３１との対向箇所に突起５３ａを設けたので、保持部材４０内で耐熱ブロック３０が移動する等して耐高温ガスセラミック層３１とカバー部材５０とが接触した場合にもその接触面積が小さくなり、さらに突起５３ａに断熱性のあるコーティングを施すことで、両材が接触した場合に耐高温ガスセラミック層３１に発生する温度勾配を小さくして、耐高温ガスセラミック層３１の状態を長く健全に保つことが可能となる。したがって、壁構造Ｋの耐久性を向上させることが可能となる。

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
Ｌ１ 隙間
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
５３ａ 突起

Claims (4)

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、
   内壁は、内壁セグメントを外壁に密集配列にて装着してなり、
   前記内壁セグメントは、耐熱ブロックと、該耐熱ブロックを保持する保持部材と、 該保持部材をカバーするカバー部材を備えてなるものとされ、
   前記耐熱ブロックは、耐高温ガスセラミック層を有し、
   前記保持部材は、保持片が内側に向けて形成されたリップ溝形鋼状とされ、
   前記カバー部材は、前記リップ溝形鋼状とされた保持部材の開口端を塞ぐ袖部を有し、
   前記耐高温ガスセラミック層の前記保持片に対向する面が傾斜面に形成され、
   前記傾斜面が、前記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が同保持片よりも燃焼室側に突出させられ、
   前記袖部と前記保持部材に保持されている耐熱ブロック端部との間に隙間が設けられてなる
   ことを特徴とするガスタービンの燃焼器壁構造。
2. 袖部内面の両端部に突起が設けられ、それにより耐熱ブロックが位置ずれしてカバー部材に接触した際の接触面積を小さくし高温ガスセラミック層の割れが防止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. 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。
4. 請求項１ないし３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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