JP4347657B2 - ガスタービンと燃焼器 - Google Patents

Description

本発明は、環状燃焼器が軸方向に沿って延び、燃焼室を封じ込め、その燃焼室側の内側面に支持構造物を有し、この支持構造物に取付けられたライニング要素が環状燃焼器を内張りしているガスタービンの環状燃焼器に関する。

今日、化石燃料エネルギを発電機で電気エネルギに変換すべく、ガスタービンが多く利用されている。燃料は圧縮空気と混合され、燃焼室に導入され、そこで燃焼する。その際に生じた作動媒体は、高温ガス通路に沿って複数のタービン段を通過する。各タービン段は、２つのリングの形に別個に配置された多数の静翼と動翼とからなる。静翼は固定ステータ、動翼は発電機を駆動するロータに各々取付けられている。燃焼室は燃焼器内に存在し、該燃焼器は耐熱性のライニング要素で内張りされている。

本発明による燃焼器のライニング要素は、ライナおよび燃焼器内に配置され燃焼室を境界づけ高温ガスに曝される別の部品である。燃焼器は、公知のようにタービン軸の軸方向並びに円周方向に互いに隣接する多数のライニング要素で内張りされている。

特許文献１でライナが公知である。その図２に、多数のライナを有する燃焼器が示されている。そこでは、作動媒体の流れ方向に見て前方のライナが、その後端で次のライナの始端を覆うように、互いに隣接するライナが重なり合っている。これはまた、作動媒体の流れ方向に連続するライナに対しても当てはまり、従って、相互に重なり合った連続ライナ組物を形成している。燃焼室内における条件に対するライナに必要な剛性は、ライナの全幅にわたり円周方向に延びる側壁で与えられている。該側壁は高温ガスと反対側の面に配置されている。側壁はライナから突出し、隣接するライナの後ろに引っ掛かるようにすべく、軸方向に折り曲がっている。

また、ライナ付きの閉鎖冷却形環状燃焼器が公知である。前記ライナは高温ガスと反対側の面に軸方向に延びる側壁を備える。ライナ自体はその側壁により非常に強固とされ、これは燃焼室内における条件に伴い必要とされる。ライナを支持するレールが環状燃焼器の内部に配置され、従ってそのレールは軟らかく形成される。

特許文献１で知られたライナの配置構造は、ライナの保全のため流れ方向の下流に配置したライナを交換せねばならないとき、高い経費を要すると言う欠点がある。その際、交換すべきライナの前に位置する全てのライナ組物を分解せねばならない。

同様に、側壁によりライナの固有剛性を与えている。剛性は、ガスタービンの始動時、運転時および緩速停止時に生ずる温度変化に基づき、支持構造物とライナとの間に残留応力を生ずる。該応力は環状燃焼器からのライニング要素の分解を困難にする。なお、ライニング要素は燃焼室内に加わる静的および動的圧力に耐えねばならない。
米国特許第４６１４０８２号明細書

本発明の課題は、ライニング要素が良好な保全性を有し、剛性および確実な取付け等の機械的要件を満足する環状燃焼器を提供することにある。本発明の他の課題は、良好な保全性のガスタービンを提供することにある。

環状燃焼器についてのこの課題は、本発明に基づき、冒頭に述べた形式のガスタービンの環状燃焼器において、ライニング要素の燃焼室と反対側の面においてライニング要素の軸方向に沿って延びる両側縁部に多数のフックが配置され、これらフックが各々軸方向にフック幅を有し、ライニング要素がそれに対応して形成された支持構造物に、ライニング要素を支持構造物から外すべく、ライニング要素がフックの幅だけ軸方向に移動可能なように取付けられることで解決される。

ライニング要素の選択的な配置、形状および位置に伴い、各ライニング要素の組立が簡単になる。ライニング要素自体は、相互に間隔を隔てた多数のフックにより軸方向弾性を示す。該弾性は、未組立時、ライニング要素の壁厚だけで定まる。ライニング要素の軸方向弾性は、フックの幅に相当する非常に短い移動行程の他に、単純且つ確実な組立と分解に貢献する。強固で不動の支持構造物に取付けられたライニング要素がその剛性を負う。ガスタービンの運転中に必要なライニング要素の剛性は、組立状態で生ずる。

ライニング要素自体の軸方向弾性は、通常存在する支持構造物とライニング要素との間の熱負荷に基づく残留応力が組立時に初めて生じないよう貢献する。この結果、本発明に基づくライニング要素の分解にはほんの僅かな力しか必要ない。

同時に、ライニング要素は、タービン軸に対し軸および円周方向に隣接するライニング要素と全く無関係に、組立および分解できる。

本発明の有利な実施態様では、ライニング要素の軸方向に延びる両側縁部の中央に、中央受けとして多数のフックを配置する。通常、燃焼器とライニング要素の高温ガスと反対側の面との間を、作動媒体より高い圧力を持つ冷却材、例えば冷却空気や蒸気が流れる。ライニング要素の作動媒体側の面における冷却材の高い圧力は、場合によりライニング要素を作動媒体側に向けて変形させる。この変形は、円周方向において両側縁部間のスパン幅が両縁部間の中央に配置されたフックにより減少されていることに伴い、耐え得る大きさに減少する。中央に配置されたフックは、両側縁部のフックと同じであるか、類似した形状を有しているか或いは異なっている。

本発明の有利な実施態様では、ライニング要素の軸方向に互いに直接隣接する２つのフックは、フックの幅と同じかそれより大きい間隔を示す。この場合、組立済みライニング要素をフックの幅だけ移動して取り外すことができる。各フックは、製造と操作を単純にする目的で、同一の幅にするとよい。

本発明の有利な実施態様では、ライニング要素の軸方向に互いに直接隣接する２つのフックは、フック幅の２倍の間隔を有する。

ライニング要素の軸方向で互いに直接隣接する２つのフックが、フック幅の３倍の大きさの間隔を有すると好ましい。

また、ライニング要素の軸方向で互いに直接隣接するフック間の各間隔が同じであると有利である。フック等の頻繁に利用される構成要素を対称、同形にすると、ライニング要素の製造が単純化できる。

本発明の有利な実施態様では、ライニング要素はその燃焼室と反対側の面に、環状燃焼器の円周方向に延びる補強リブを備える。このリブは、ライニング要素の円周方向に既に存在する剛性を一層増大する。この結果、ライニング要素の半径方向における意図しない曲がりを減らし、場合によっては防止できる。

補強リブがフックから間隔を隔てていると有利である。これに伴い、補強リブの先端とフックとの間に、局所的な曲がり個所が配置される。補強リブは、円周方向において両側に位置するフック間の中間領域におけるライニング要素の剛性を保証する。その局所的な曲がり個所は、ライニング要素の組立と分解をも容易にする。支持構造物とライニング要素との間の熱負荷で生ずる残留応力は、ライニング要素の分解に不利な影響を与えず、その分解に大きな力は必要ない。

フックは断面Ｌおよび／又はＴ形にするとよい。また、ライニング要素に対し他の形状のフックも適用でき、例えば球状、円錐状、裁頭円錐状或いは同じ目的を満たすバヨネットのようなフックも適用できる。

ガスタービンに関する課題は、本発明に基づき、上記の実施態様における環状燃焼器を備えたガスタービンにより解決される。

以下図示の実施例を参照し、本発明を詳細に説明する。

図１は、車室２、圧縮機３、環状燃焼器４および該燃焼器に後置接続された複数のタービン段５を備えたガスタービン１を示す。圧縮機３で吸引された空気はここで圧縮され、続いてバーナ６に導かれる。そこで、圧縮空気は燃料と混合され、環状燃焼器４内の燃焼室７への噴射時に燃え、作動媒体Ｍを生ずる。媒体Ｍは高温ガス通路２１を経てタービン段５を通過する。タービン段５は２つのリングに分割して配置された多数の静翼２２と動翼２３とからなる。回転軸線９を中心に回転するロータ８に配置された動翼２３により、作動媒体Ｍのエネルギが回転エネルギに変換される。

図２は、環状燃焼器４を横断面図で示す。環状燃焼器４が対称形状故、ここではロータ８の回転軸線９の周囲を環状に延びる環状燃焼器４の下部を省き、環状燃焼器４の上部のみを示している。環状燃焼器４は高温ガス通路１２側に面した流出端２４が、高温ガス通路１２に向けて開いている。高温ガス通路１２側に面した流出端２４と反対側に位置する環状燃焼器４の流入端２５に、バーナ６を配置している。環状燃焼器４は、環状燃焼器４の流入端２５と流出端２５との間で、互いに隣接する多数のライニング要素１０で内張りされている。これらライニング要素１０は支持構造物２６に取付けられている。

図２ａは、理解し易くするため、一部外側を開けた環状燃焼器４を斜視図です。環状燃焼器４は、多数のライニング要素１０で内張りされている。これらライニング要素１０は円周方向Ｕにリング２７の形で配置されている。

図３は、高温ガスと反対側の面１３に多数のフック１１を持つライニング要素１０を示す。これらフック１１は、ライニング要素１０の軸方向Ａに延びる両側縁部１５に位置する。各フック１１は幅Ｂを持ち、断面Ｌ形をなす。フック１１はライニング要素１０の面１３から突出し、ライニング要素１０の軸方向Ａに延びる直近の側縁１６に向けて直角に折れ曲がっている。互いに直接隣接する両フック１１の間隔をＬで示す。

ライニング要素１０を環状燃焼器４の対応した支持構造物２６に取付けるべく、ライニング要素１０は、フック１１を受ける支持構造物２６の開口に入れられ、フック１１が支持構造物２６に完全に掛かる迄、少なくとも幅Ｂだけ移動される。ライニング要素１０のフック１１と支持構造物２６は互いに固くかみ合う。

図４は、高温ガスと反対側の面１３に補強リブ１２を持つライニング要素１０を示す。補強リブ１２は円周方向Ｕに延び、フック１１に対し間隔を隔てている。補強リブ１２はガスタービン１の運転時、ライニング壁１７の曲がりを減らす。補強リブ１２の両端１８は各々フック１１に対し間隔を隔て、そこに生ずる局所的な曲がり個所１９は、ライニング要素１０の組立と分解を容易にする局所的な僅かな弾性を生じる。

図５は、高温ガス側と反対の面１３に所謂中央受け１４を設けたライニング要素１０を示す。受け１４は、ライニング要素１０の両側縁部１５に設けた両フック１１間の円周方向中央に配置された単一のフック２０から成っている。これら受け１４は、ライニング要素１０の両側縁部１５間のスパン幅減少に伴い、運転中にライニング壁１７の曲がりを減らし、剛性増大に貢献する。中央フック２０は断面Ｔ形をなす。即ち、これはまず面１３から突出し、次いで円周方向Ｕに対し接線的に腕の形で両側に折れ曲がっている。

図６は、ライニング要素１０を取付けた環状燃焼器４の部分的斜視図である。燃焼器４の燃焼室７側に、支持構造物２６を配置している。構造物２６は、ライニング要素１０に対応して形成したフック２８を持つ。ライニング要素１０のフック１１は支持構造物２６の対応したフック２８に係合する。その際、フック１１の幅Ｂは、互いに隣接する２つのフック１１の間隔Ｌより小さくしている。同様に支持構造物２６のフック２８は、相互に少なくともライニング要素１０のフック１１の幅と同様に位置決めする。ライニング要素１０の燃焼室７と反対側の面１３に、円周方向Ｕに延びるリブ１２を配置している。

ライニング要素１０は、これを軸方向Ａに少なくともフック１１の幅Ｂだけ移動することで、支持構造物２６から外せる。

ライニング要素１０のフック１１と、それに対応して形成した支持構造物２６とからなる取付け機構は、比較的大きな部品公差を持つ。対応した支持構造物２６に関するライニング要素１０の過剰寸法は、軸方向の弾性が円周方向Ｕに配置された局所的な曲げ個所１９に関連してライニング要素１０の過大寸法を補償する故、問題にならない。

ガスタービンの概略断面図。 環状燃焼器の断面図。 環状燃焼器の部分開放斜視図。 環状燃焼器用のライニング要素の斜視図。 環状燃焼器用の補強リブを備えたライニング要素の斜視図。 環状燃焼器用の中央受けと補強リブとを備えたライニング要素の斜視図。 支持構造物に取付けられたライニング要素の斜視図。

符号の説明

１ ガスタービン、２ 車室、３ 圧縮機、４ 環状燃焼器、５ タービン段、６ バーナ、７ 燃焼室、８ ロータ、９ ロータの回転軸線、１０ ライニング要素、１１、２０、２３、２８ フック、１２ 補強リブ、１３ 面、１４ 中央受け、１５ 縁部、１６ 側縁、１７ ライニング壁、１８ 補強リブ端、１９ 局所的曲げ個所、２１ 高温ガス通路、２２ 静翼、２３ 動翼、２４ 環状燃焼器４の流出端、２５ 環状燃焼器４の流入端、２６ 支持構造物、２７ ライニング要素１０のリング状配置、Ａ 軸方向、Ｂ フック幅、Ｌ フック間の間隔、Ｍ 作動媒体

Claims (11)

1. 環状燃焼器（４）が軸方向（Ａ）に延び、燃焼室（７）を封じ込めかつ該燃焼室側の内側面に支持構造物（２６）を有し、該構造物にフックにより取付けられたライニング要素（１０）が環状燃焼器（４）を内張りしてなるガスタービン（１）の環状燃焼器において、
   前記ライニング要素（１０）の燃焼室（７）と反対側の面（１３）でライニング要素の軸方向（Ａ）に延びる両側縁部（１５）に、前記軸方向（Ａ）に延びる直近の側縁に向かって夫々折れ曲がった多数のフック（１１）が配置され、該フックが各々軸方向（Ａ）にフック幅（Ｂ）を有し、ライニング要素（１０）がそれに対応して形成された支持構造物（２６）に、ライニング要素（１０）を支持構造物（２６）から分解可能とすべく、ライニング要素（１０）がフック（１１）の幅（Ｂ）だけ軸方向（Ａ）に移動して取付けられてなることを特徴とする環状燃焼器。
2. ライニング要素（１０）の軸方向（Ａ）に延びる両側縁部（１５）の中央に、中央受け（１４）として多数のフック（１１）が配置されたことを特徴とする請求項１記載の環状燃焼器。
3. ライニング要素（１０）の軸方向（Ａ）で互いに直接隣接する両フック（１１）が、フック（１１）の幅（Ｂ）と同じかそれより大きい間隔（Ｌ）を有することを特徴とする請求項１又は２記載の環状燃焼器。
4. 各フック（１１）が同一の幅（Ｂ）を有することを特徴とする請求項１から３の１つに記載の環状燃焼器。
5. ライニング要素（１０）の軸方向（Ａ）で互いに直接隣接する両フック（１１）が、フック（１１）の幅（Ｂ）の２倍の大きさの間隔（Ｌ）を有することを特徴とする請求項１から４の１つに記載の環状燃焼器。
6. ライニング要素（１０）の軸方向（Ａ）で互いに直接隣接する両フック（１１）が、フック（１１）の幅（Ｂ）の３倍の大きさの間隔（Ｌ）を有することを特徴とする請求項１から４の１つに記載の環状燃焼器。
7. ライニング要素（１０）の軸方向（Ａ）で互いに直接隣接する両フック（１１）間の各間隔（Ｌ）が同じであることを特徴とする請求項５又は６記載の環状燃焼器。
8. ライニング要素（１０）が燃焼室（７）と反対側の面（１３）に、環状燃焼器（４）の円周方向（Ｕ）に延びる補強リブ（１２）を有することを特徴とする請求項１から７の１つに記載の環状燃焼器。
9. 補強リブ（１２）がフック（１１）から間隔を隔てられたことを特徴とする請求項８記載の環状燃焼器。
10. フック（１１）が断面Ｌおよび／又はＴ形をなすことを特徴とする請求項１から７の１つに記載の環状燃焼器。
11. 請求項１から１０の１つに記載の環状燃焼器（４）を備えたガスタービン。
    

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