JP4652990B2

JP4652990B2 - ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JP4652990B2
Application number: JP2006038705A
Authority: JP
Inventors: 国弘市川; 和行伊藤; 泰行渡辺; 宏之遠藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-02-16
Filing date: 2006-02-16
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2026-02-16
Also published as: JP2007218487A

Description

本発明は、圧縮機から吐出される圧縮空気を燃料とともに燃焼するガスタービン燃焼器に関する。

ガスタービン燃焼器では、ライナの内部空間（燃焼室）で燃料を燃焼反応させるにあたり、燃焼室の上流側にノズルを設け、ノズルから燃焼室に向かって噴射される燃料を圧縮機からの圧縮空気とともに燃焼する。このとき、燃料とともに燃焼する圧縮機からの圧縮空気の一部は、ライナの外周側に形成された空気流路を通ってライナの上流側に導かれ燃焼室に導入される（特許文献１等参照）。

特開平７−１９０３７０号公報

この種の燃焼器において、燃料ノズルに対して燃焼器ケーシング（フロースリーブ）の径方向外側から燃料を供給する燃料導入用の流路を設けた場合、その流路がライナ外周側に設けた空気流路中に臨むことがある。

しかしながら、一般的なガスタービンでは、圧縮機から吐出されて燃焼用空気又は冷却媒体として使用される圧縮空気は３００℃程度であるのに対し、燃焼器に供給される燃料ガスは圧縮空気よりも低温で一般に２０〜３０℃程度である。そのため、上述したようなライナ外周側の圧縮空気流路に燃料導入用の流路が臨んでいる場合、燃料と空気の温度差による熱応力が燃料導入用の流路に作用し、クラック等が発生する恐れがある。

本発明は以上に鑑みなされたものであり、圧縮空気の流れに交差する燃料流路周辺に圧縮空気と燃料の温度差によって発生する熱応力を緩和し、クラックの発生を防止すること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。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、圧縮機から吐出される圧縮空気を燃料とともに燃焼するガスタービン燃焼器において、圧縮空気とともに燃料を燃焼させる燃焼室を形成するライナと、このライナの燃焼ガス噴出方向上流側に設置され、内周部に環状流路を、板厚内部に前記環状流路に対して燃料系統からの燃料ガスを径方向外側から導入する燃料導入流路を有するとともに、前記環状流路の径方向外側に前記ライナの外周側を流通する前記圧縮機からの圧縮空気を通過させる空気通路をさらに有するプレート部材と、燃料噴出孔が前記燃焼室を向くように前記プレート部材に設けられ、前記環状流路を流れる燃料ガスを前記燃焼室に向かって噴出する複数のノズルと、前記プレート部材の燃料導入流路に挿入され、当該燃料導入流路の内周面との間に断熱空間を介在させた遮熱パイプと、前記断熱空間のライナ径方向内側の端部に設けられ、前記環状流路と前記断熱空間との間を遮断するカラーと、前記断熱空間内で前記プレート部材の空気通路からライナ径方向に離間した位置に設けられ、前記遮熱パイプを支持する少なくとも１つの補強部材とを備えたことを特徴とする。

（４）上記（１）において、好ましくは、前記断熱空間に断熱材を充填したことを特徴とする。

本発明によれば、圧縮空気との温度差が大きな比較的低温の燃料ガスを燃料ノズルに供給しても、圧縮空気通路と交差する燃料導入流路に発生する熱応力が大幅に低減されクラックの発生を防止することができる。これにより、燃焼特性を損なうことなく燃料ノズルの寿命を向上させることができ、プラントの信頼性及び経済性を向上させることができる。

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の適用対象であるガスタービンの一構成例を一部断面で表す概略図である。
図１に示したように、ガスタービンは、吸い込んだ大気ａを圧縮して圧縮空気Ａを吐出する圧縮機１００と、この圧縮機１００からの圧縮空気Ａを燃焼用空気として燃料Ｆとともに燃焼し高温高圧の燃焼ガスＨを生じさせる燃焼器１と、この燃焼器１からの燃焼ガスによって駆動するタービン２００とを備えている。タービン２００は、ケーシング２０１と、回転軸（ロータ）２０２と、回転軸２０２の周囲に設置した動翼２０３と、ケーシング２０１の内周側に支持された静翼２０４とを備えている。通常、各段落の動翼２０３と静翼２０４はタービン周方向に複数枚列設されて翼列をなし、燃焼ガスＨが流通するガスパス中に臨んでいる。

タービン２００では、燃焼器１から供給された燃焼ガスＨ（一般に１３００℃程度）は静翼２０４を経て動翼２０３に噴射され、これによって燃焼ガスＨの流体エネルギーがタービンの回転エネルギーに変換される。タービン２００で得られた回転動力は同軸上に連結された負荷機器（図示せず）に伝達され、例えば発電機を負荷機器として連結した場合にはタービンの回転動力が電気エネルギーに変換される。また、タービン２００の回転動力の一部は圧縮機１００の動力としても消費される。
なお、タービン２００で仕事をした燃焼ガスＨは、排出ガスＥとしてタービンケーシング２０１外に排出され、適宜浄化処理されて大気放出される。また、圧縮機１００より吐出された圧縮空気Ａの一部は、燃焼器１や動翼２０３及び静翼２０４等の冷却空気としても使用される。

図２は本発明の第１の実施の形態に係るガスタービン燃焼器の概略構成を表す断面図、図３は図２のガスタービン燃焼器の上流部の部分拡大図である。
図２及び図３に示すように、燃焼器１は、圧縮機１００からの圧縮空気Ａの速度を圧力に変換するディフューザ２と、ディフューザ２を通過した圧縮空気Ａが導入される車室３を形成する燃焼器ケーシング４と、車室３から導入される圧縮空気とともに図示しない燃焼系統から供給される燃料を燃焼させる燃焼室６を内部に形成する略円筒状のライナ７と、このライナ７内で生成された燃焼ガスをタービン２００に導く尾筒８とを備えている。

燃焼器ケーシング４には、ライナ７の周囲を覆うフロースリーブ５が設けられており、フロースリーブ５とライナ７との間に形成された環状の間隙空間が車室２からの圧縮空気Ａをライナ７の上流側（燃焼ガスＨの流通方向上流側）に導く空気流路９を形成する。燃焼室６（ライナ７）の上流側には、１段目バーナ１０がライナ７とほぼ同心状に設けられている。この１段目バーナ１０は、その構成が限定されるものではないが、本例ではライナ１１と燃料ノズル１２等を備えたものを例に挙げる。

１段目バーナ１０の外周側には、ライナ１１を包囲するように２段目バーナ２０が設けられている。この２段目バーナ２０の構成も特に限定されるものではないが、本例ではいわゆる予混合燃焼バーナを例に挙げる。２段目バーナ２０は、噴射された燃料ガスが燃焼室６に達する前に空気と混ざり合うための空間（予混合室）を形成する予混合器２１と、この予混合器２１内に設けた燃料ノズル２２とを備えている。本実施の形態において、燃料ノズル２２は、後述するノズルユニット２３に設けられている。

予混合器２１は空気の流入口となる空気孔２４を有している。この空気孔２４は径方向外側を向いて開口しており、その開口部分を覆うように設けた円筒環２５をライナ軸方向に摺動自在としたことにより、空気孔２４の開口量が調整可能な構成となっている。予混合器２１の上流側（図３中の左側）には燃料ノズル２２に燃料を供給するフランジ（プレート部材）２６（後述）が空気流路９に臨むようにして取付けられている。フランジ２６には、空気流路９を流れる圧縮空気を流通させる空気通路２７が開口して設けられている。フランジ２６の付近には流量制御板２８が設けられており、この流量制御板２８がステー部２９と支持部３０を介して円筒環２５に連結され、円筒環２５と一体となってライナ軸方向に移動するようになっている。

ここで、ライナ７の燃焼ガスＨの流通方向上流側にある予混合器２１のさらに上流側には、予混合室、そして燃焼室６に燃料ガスを噴射するノズルユニット２３が設けられている。

図４はノズルユニット２３の概観構造を表す斜視図、図５はライナ中心線に沿ったノズルユニット２３の垂直断面を表す断面図である。図５ではノズルユニット２３の上側４分の１のカットモデルを図示してある。
図４及び図５に示すように、ノズルユニット２３は、前述したフランジ２６と、このフランジ２６に設けた前述の燃料ノズル２２とを備えている。

フランジ２６は、リング状に形成した板状部材からなり、ライナ７よりも燃焼ガスＨの流通方向上流側に設けられており、具体的には予混合器２１の上流側に、空気流路９を遮るようにして設けられている。このフランジ２６は、環状流路３５を内周部に、環状流路３５に対して燃料系統からの燃料ガスを径方向外側から導入する燃料導入用流路３６を板厚内部に有しており、ライナ軸方向に沿う断面は、図５に示すように全体がＬ字状に形成されている。環状流路３５はフランジ２６の外径とほぼ同心状に形成されており、断面はほぼ矩形（円形又は楕円形でも良い）に形成されている。燃料導入流路３６は、フランジ２６の外周側から中心に向かい環状流路３５に連結している。

また、本例においてフランジ２６自体は空気流路９を遮るように設けられているが、環状流路３５の径方向外側、この場合、ライナ７や予混合器２１の径方向外側に位置し空気流路９に臨むように、前述した空気通路２７（図３、図４参照）が複数設けられており、空気流路９を流通してきた圧縮空気をさらに上流側へ通過させるようになっている。空気通路２７は、燃料導入流路３６に干渉しないように設けられている。この空気通路２７に形状的な限定はないが、本例では空気流路９の断面に沿って円弧状に形成されたスリットを複数設けた例を示してある。

また、燃料ノズル２２は、その燃料噴出孔３７が予混合室を向くように（すなわち燃焼室６を向くように）フランジ２６の前面（燃焼ガス流通方向下流側の面）に設けられ、環状流路３５を流れる燃料ガスを予混合室及び燃焼室に向かって噴出するようになっている。本実施形態では、こうした燃料ノズル３７が、空気通路２７の内周側において、環状流路３５の円環形状に対応して複数設けられており、ライナ７と同心円状に配列されたリング状のノズル列を形成している。

ここで、本実施の形態に係るガスタービン燃焼器の大きな特徴は、図５に示すように、フランジ２６の燃料導入流路３６に挿入した円筒状の遮熱パイプ４０をさらに備えている点である。遮熱パイプ４０の材質は熱疲労強度に優れた材質が好ましく、ステンレス鋼等を用いることもできる。また、この遮熱パイプ４０のライナ径方向外側の端部（つまり燃料入口側の端部）は、円管４１の出口部分に対して溶接等によって固定されている。円管４１は、燃料導入流路３６の入口部に挿入され、フランジ２６に対して溶接部４２によって固定してある。

ここで、遮熱パイプ４０の外径寸法は燃料導入流路３６の内径寸法より直径で適当な寸法（例えば１ｍｍ程度）小さく形成されており、燃料導入用流路３６の内周面と遮熱パイプ４０の外周面の間に空間４３が創出されている。また、遮熱パイプ４０の内径寸法は円管４１のそれと同一又はそれより僅かに大きくし、燃料ガスの流れに圧力損失が生じ難いようにしてある。さらに、環状流路３５内の燃料Ｆが空間４３内に逆流して来ないように、遮熱パイプ４０のライナ径方向内側の端部側（つまり燃料出口側の端部側）において、遮熱パイプ４３の外周面と燃料導入流路３６の内周面との間隙を塞ぐカラー４４が設けてある。

なお、本実施の形態では、円管４１、遮熱パイプ３６、カラー４４をそれぞれ別々の部材として溶接等により固定する構成を採ったが、円管４１及びカラー４４を遮熱パイプ３６と同一の材質として遮熱パイプ３６と一体形成しても良い。

以上のように構成されたガスタービン燃焼器において、圧縮機１００からの圧縮空気はディフューザ２を通って速度エネルギーを圧力に変換し、車室３を介して空気流路９に流入する。空気流路９に流入した圧縮空気は下流側（図２中の左側）に向かって流れ、一部は空気孔２４を通過して予混合器２１に流入し、他の一部はフランジ２６の空気通路２７を通過してさらに下流側に向かい１段目バーナ１０に供給される。このとき、空気孔２４の開口面積は円筒環２５の摺動位置によって変化し、これと同時に予混合器２１へ流入する空気量も変化する。

それに対し、別置の燃焼ガス製造装置で生成され燃料系統から供給される燃料は、円管４１を介して遮熱パイプ４０中に流入し、空気流路９を横切るようにして環状流路３５に導かれ、周方向に等分量に分割されて各燃料ノズル２２から予混合室内に均一に噴射される。予混合室内に噴射された燃料は、空気孔２４から流入して来た圧縮空気と混合され、燃焼室３に供給されて燃焼される。また、１段目バーナ１０でも燃料ノズル１２から燃料が噴射され、ともにライナ１１内に流入してきた圧縮空気とともに燃焼される。

ここで、図６は遮熱パイプを持たないノズルユニットの断面を比較例として表した部分斜視図、図７は本比較例のライナ中心線に沿った垂直断面を表す断面図である。これらの図中、先の各図と同様の部分又は同様の役割を果たす部分には同符号を付してある。
フランジ２６の空気通路２７には、通常３００℃程度の圧縮空気が通過し、一方、着火時には燃料導入流路３６に通常３０℃程度の燃料ガスが流れる。このように圧縮空気の流れに対して交差するようにして燃料ガスを燃焼器に供給する構成の場合、フランジ２６の内部において燃料導入流路３６と空気流路２７が交差する位置近辺では、空気通路２７側と燃料導入流路３６側との間に温度差が生じ熱応力を発生させる。この熱応力は起動停止時に顕著に現れ、起動停止毎に繰り返し負荷されると図７に示したように燃料導入流路３６と空気通路２７が交差する位置付近に熱疲労損傷によるクラック５０が発生する恐れがある。このクラックが進展すると燃料導入流路３６から燃料が外部に漏洩し燃焼状態が不安定化し、燃焼器部品に大きな損傷が生じる恐れがある。

それに対し、本実施の形態によれば、燃料Ｆは燃料導入流路３６を流通するにあたり遮熱パイプ４０中を流れて環状流路３５に導かれ、燃料導入流路３６が直接的に燃料ガスＦに曝されることがない。また、本実施の形態では、遮熱パイプ４０と燃料導入流路３６の間には空間４３が断熱空聞として存在するため、遮熱パイプ４０を介しての燃料導入流路３６への熱的影響を抑制することができる。これにより、ガスタービン着火時等に低温（例えば３０度程度）の燃料ガスを燃料ノズル２２に供給する際等に生じていたフランジ２６における燃料導入流路３６と空気通路２７が交差部付近の空気通路２７側と燃料導入流路３６側の温度差を大幅に改善することができるので、燃焼特性を損なうことなく熱応力の発生を抑制することができ、クラックの発生を防止することができる。

図８は燃料導入流路３６と空気通路２７の交差部分付近の応力と寿命を本実施の形態と図６及び図７に示した比較例とで比較したグラフである。この比較結果は燃料導入流路３６の内周面のうち空気通路２７に最も近接する点におけるガスタービン着火時の評価結果である。
図８に示したように、比較例に比べ、本実施の形態では、着火時に発生する応力が半分未満に低減され、ノズルユニット２３の寿命を飛躍的に向上させることができる。

また、燃料導入流路３６の内周面は、燃料ガス中の腐食成分とガス流によるエロージョンにより腐食や減肉損傷が発生することがあり、損傷が甚だしい場合、比較例のような構成であるとノズルユニット２３そのものを交換しなければならない。それに対し、本実施の形態の場合、腐食や減肉損傷を受けるのは燃料Ｆに直接曝される遮熱パイプ４０であり、必要時には遮熱パイプ４０のみを交換すれば足り、メンテナンスの負担を軽減しコストの削減にも寄与する。また、燃料ノズル全体を腐食やエロージョンに優れた高級材に変更することはコストアップにつながるが、本実施の形態のように必要箇所のみを遮熱構造とすることによって新たなコストの発生を最小限に抑制することができ、また既存のノズルユニットへの適用も容易で改造費も最小限に抑えることができる。

図９は本発明の第２の実施の形態に係るガスタービン燃焼器に備えられたノズルユニットの垂直断面を表す断面図である。先の各図と同様の部分には同符号を付して説明を省略する。
図９において、本実施の形態が前述した本発明の第１の実施の形態と相違する点は、遮熱パイプ４０と燃料導入流路３６の内周面との間の空間４３に断熱材６０を充填した点である。また、断熱材６０の充填により空間４３への燃料ガスの逆流が生じないので、本実施の形態では空間４３にカラーを設ける必要がない。その他の構成については、前述した本発明の第１の実施の形態と同様である。

本実施の形態は、燃料導入流路３６に低温の燃料ガスが供給されても、フランジ２６が急激に冷却されないように断熱材６０を入れる例であり、本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、断熱材６０は遮熱パイプ４０を固定する役割も果たす。

さらには、図示したように円管４１を溶接部４２で固定する場合、遮熱パイプ４０を円管１１に連結すると遮熱パイプ４０の振動が円管４１に直接伝わるようになる。その結果、燃焼振動等による遮熱パイプ４０の振動が円管４１に伝わると溶接部４２に発生する振動応力が増大し溶接部４２が損傷する可能性がある。しかしながら、本実施の形態の場合、断熱材６０が遮熱パイプ４０の振動を抑制する役割を果たすため、熱応力の緩和のみならず振動応力の緩和にも効果的である。

図１０は本発明の第３の実施の形態に係るガスタービン燃焼器に備えられたノズルユニットの垂直断面を表す断面図である。先の各図と同様の部分には同符号を付して説明を省略する。
図１０において、本実施の形態が先の第１の実施の形態と相違する点は、燃料導入用流路３６の内周面と遮熱パイプ４０の外周面の間の空間４３に少なくとも１つ（本例では２つ）の補強リング７０を設けた点であり、その他の点は第１の実施の形態と同様であり、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

前述のように、遮熱パイプ４０を円管１１に連結すると燃焼振動等により溶接部４２に発生する振動応力が増大し、溶接部４２が損傷する可能性がある。そこで、本実施の形態では、遮熱パイプ４０と燃料導入流路３６の間の空間４３に補強リング７０を設置して、補強リング７０によってカラー４４とともに遮熱パイプ４０を部分的に支持している。これにより、遮熱パイプ４０の支点間距離が短縮されて遮熱パイプ４０の振動を抑制することができ、溶接部４２の破損を防止することができる。

なお、補強リング７０を空気通路２７近傍に設置すると、補強リング７０を介して遮熱パイプ４０から燃料導入流路３６の内壁面に熱が伝わり易くなるため、断熱効果が低下する可能性がある。そのため、補強リング２７は、空気通路２７近傍を避けて空気通路２７から適当に離間した箇所に設置することが望ましい。

本発明の適用対象であるガスタービンの一構成例を一部断面で表す概略図である。本発明の第１の実施の形態に係るガスタービン燃焼器の概略構成を表す断面図である。本発明の第１の実施の形態に係るガスタービン燃焼器の上流部の部分拡大図である。本発明の第１の実施の形態に係るガスタービン燃焼器に備えられたノズルユニットの概観構造を表す斜視図である。本発明の第１の実施の形態に係るガスタービン燃焼器に備えられたノズルユニットの垂直断面を表す断面図である。遮熱パイプを持たない比較例のノズルユニットを一部断面で表す斜視図である。遮熱パイプを持たない比較例のノズルユニットの垂直断面を表す断面図である。燃料導入流路と空気通路の交差部分付近の応力と寿命を本実施の形態と図６及び図７に示した比較例とで比較したグラフである。本発明の第２の実施の形態に係るガスタービン燃焼器に備えられたノズルユニットの垂直断面を表す断面図である。本発明の第３の実施の形態に係るガスタービン燃焼器に備えられたノズルユニットの垂直断面を表す断面図である。

符号の説明

１燃焼器
６燃焼室
７ライナ
２２燃料ノズル
２６フランジ
２７空気通路
３５環状流路
３６燃料導入用流路
３７燃料噴出孔
４０遮熱パイプ
４３空間
６０断熱材
７０補強リング
１００圧縮機
Ａ圧縮空気
Ｆ燃料

Claims

圧縮機から吐出される圧縮空気を燃料とともに燃焼するガスタービン燃焼器において、
圧縮空気とともに燃料を燃焼させる燃焼室を形成するライナと、
このライナの燃焼ガス噴出方向上流側に設置され、内周部に環状流路を、板厚内部に前記環状流路に対して燃料系統からの燃料ガスを径方向外側から導入する燃料導入流路を有するとともに、前記環状流路の径方向外側に前記ライナの外周側を流通する前記圧縮機からの圧縮空気を通過させる空気通路をさらに有するプレート部材と、
燃料噴出孔が前記燃焼室を向くように前記プレート部材に設けられ、前記環状流路を流れる燃料ガスを前記燃焼室に向かって噴出する複数のノズルと、
前記プレート部材の燃料導入流路に挿入され、当該燃料導入流路の内周面との間に断熱空間を介在させた遮熱パイプと、
前記断熱空間のライナ径方向内側の端部に設けられ、前記環状流路と前記断熱空間との間を遮断するカラーと、
前記断熱空間内で前記プレート部材の空気通路からライナ径方向に離間した位置に設けられ、前記遮熱パイプを支持する少なくとも１つの補強部材と
を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項１のガスタービン燃焼器において、前記断熱空間に断熱材を充填したことを特徴とするガスタービン燃焼器。