JP4764391B2 - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン燃焼器に関する。

ガスタービンの燃焼器は、ガスタービンの車室の周囲に環状に複数取り付けられたものである。図３に示すように、従来の燃焼器５１は、１つのパイロットノズル５２と、その周囲に環状に配置された複数のメインノズル５３を有している。油燃料又はガス燃料に切り替え可能なデュアル方式の場合、メインノズル５３は、油燃料が通る通路とガス燃料が通る通路とを有する構造となっており、パイロットノズル５２も同様な構造となっている。

米国特許第４２５８５４４号明細書 特許第３４９５７３０号公報

図４（ａ）、（ｂ）に、従来のメインノズル５３の詳細を示す。なお、図４（ａ）は、その先端側の軸方向の断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＣ−Ｃ線矢視断面図である。

前述したように、デュアル方式のガスタービン燃焼器において、そのメインノズル５３は、油燃料が通る通路とガス燃料が通る通路とを有する構造であり、中心管５４の内部を油燃料が通る油燃料通路５６としており、又、外管５５側に、ガス燃料が通るガス燃料通路５７ａ、５７ｂを設けている。油燃料通路５６を通る油燃料が４０℃程度であるのに対して、メインノズル５３の周囲を流れる燃焼用空気は４５０℃程度と高温であり、その温度差による熱応力を抑えるため、メインノズル５３は、図４（ｂ）に示すような、蓮根のような多孔形状に形成されており、その空洞部分を油燃料通路５６（中心管５４）及びガス燃料通路５７ａ、５７ｂとしている。又、メインノズル５３においては、中心管５４と外管５５との熱伸び差を吸収するため、中心管５４の後端部は軸方向にスライド可能となっており、更に、油室６１と中心管５４との間のシールのため、特殊なＯリング（フッ素樹脂系ゴム）を使用する構造となっている（図３参照）。

このように、デュアル方式のガスタービン燃焼器のメインノズル５３は複雑な構造を有するものであり、その構造の単純化、低コスト化が望まれていた。特に、メインノズル５３の断面形状は複雑なものであり、通常は、細長穴加工機やワイヤーカット等を用いて、棒部材の軸方向に特殊な細長穴加工を行うことにより、多孔形状に形成しており、高コストの大きな要因となっていた。

又、デュアル方式のガスタービン燃焼器では、油燃料のコーキングを防止しなければならず、そのためには、中心管５４の温度をコーキングが発生しない規定温度以下にする必要がある。従来のメインノズル５３においても、例えば、中心管５４の周囲に空気断熱層５８を形成することにより、メインノズル５３周囲の燃焼用空気からの影響を低減するようにしているが、図４（ｂ）に示すように、燃焼用空気と直接接触する外管５５に、空気断熱層５８が直接接触する構造となっており、中心管５４の温度を規定温度以下にすることは容易ではない。例えば、メインノズル５３の設計時から、その入熱のバランスを考慮しないと、中心管５４の温度を規定温度以下にすることが難しく、設計だけでなく、その製作も難しくして、高コストの要因となっていた。

このように、メインノズル５３は、色々な要因により高コストとなる問題があり、より低コストとなるものが望まれていた。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、低コストとなるガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係るガスタービン燃焼器は、
油燃料が通る油燃料通路とガス燃料が通るガス燃料通路とを備えたメインノズルを有するガスタービン燃焼器において、
前記メインノズルは、前記メインノズルの中心に配置され、内部を油燃料が流れる油燃料通路とする円筒状の中心管と、前記メインノズルの最外周に配置された円筒状の外管と、前記中心管と前記外管との間に配置された支持管とを有し、各々が独立して形成されたものであり、
前記支持管は、前記中心管の外周との間に空気断熱層となる隙間を形成する内径を有し、軸方向上流側に形成され、前記外管の内周に放射状に接する複数の支持部と、前記支持部同士の間に軸方向に沿って形成された複数の溝部と、軸方向下流側に形成され、前記溝部部分の外径以下の外径を有する円筒部とを備え、
前記外管と前記溝部が形成する空間及び前記外管と前記円筒部が形成する空間を、ガス燃料が流れるガス燃料通路とすることを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係るガスタービン燃焼器は、
上記第１の発明に記載のガスタービン燃焼器において、
前記外管の軸方向上流側の側面に開口部を設けると共に、前記開口部が位置する部分の前記支持部の一部を切り欠いて切欠部を設け、
ガス燃料は、前記開口部から供給され、前記切欠部から前記溝部に導入されることを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係るガスタービン燃焼器は、
上記第１、第２の発明に記載のガスタービン燃焼器において、
前記中心管は、該中心管の前端及び後端が溶接により固定されると共に、後端側にコイル状に形成したコイル曲げ部を有することを特徴とする。

第１の発明によれば、中心管、外管、支持管各々が独立して形成されたものであるので、簡単な構造により、中心管の外周との間に空気断熱層となる隙間を形成することができ、メインノズルの周囲を流れる燃焼用空気からの温度の影響を抑制して、油燃料のコーキングを防止することができる。又、中心管が振動した場合、支持管により、その振れ止めを行うことができる。加えて、メインノズルを設計、製作する際、その入熱のバランスを考慮しなくてもよくなり、設計、製作時のコストを低減することが可能となる。

第２の発明によれば、メインノズルに供給されるガス燃料の流体力を、中心管が直接受けない構造として、中心管の振動を防止すると共に、流入するガス燃料の流れを阻害しないようにすることができる。

第３の発明によれば、コイル曲げ部により中心管における熱伸びを吸収すると共に、熱応力を抑制することができる。この結果、従来とは異なり、Ｏリングは不要となるため、その部品点数を低減し、構造を単純にして、製造コストを低減すると共に、メンテナンス性を向上させることができる。

以下、図１〜図２を参照して、本発明に係るガスタービン燃焼器の実施形態例を説明する。

図１は、本発明に係るガスタービン燃焼器の実施形態の一例を示す概略図である。本実施例のガスタービンの燃焼器１も、従来と同様に、ガスタービンの車室の周囲に環状に複数取り付けられたものである。又、油燃料又はガス燃料に切り替え可能なデュアル方式であり、図１に示すように、１つのパイロットノズル２と、その周囲に環状に配置された複数（例えば、８本）のメインノズル３とを有し、共に、油燃料が通る油燃料通路とガス燃料が通るガス燃料通路とを有する構造となっている。

図２（ａ）〜（ｃ）に、本実施例のメインノズル３の構造を説明する断面図を示す。なお、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図であり、図２（ｃ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面図である。

図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、本実施例のメインノズル３も、従来と同様に、メインノズル３の中心に配置された円筒状の中心管４の内部を、油燃料が通る油燃料通路６としているが、ガス燃料が通るガス燃料通路７（７ａ、７ｂ）は、メインノズル３の最外周に配置された円筒状の外管５と、中心管４と外管５との間に配置された支持管８との間の空間により形成されている。

中心管４は、一般的に使用される標準パイプから形成されており、その先端部４ａは、円筒状の外管５の先端部５ａの内部に、後述する支持管８を介して、Ｔｉｇ溶接等により溶接されており、又、その後端部４ｂは、パイロットノズル２、メインノズル３を支持するノズル管台１１にＴｉｇ溶接等により溶接されて固定されている。更に、中心管４の後端部４ｂ近傍には、コイル状のコイル曲げ部４ｃが設けられており、中心管４と外管５における熱伸び差による変位を吸収すると共に、熱応力を抑制する構造としている。従って、従来とは異なり、Ｏリングは不要となるため、その部品点数を低減し、構造を単純にして、製造コストを低減すると共に、メンテナンス性を向上させている。

中心管４の外周側であり、外管５の内周側には、中心管４、外管５とは独立した支持管８が設けられている。この支持管８は、中心管４の外周との間に隙間を形成する内径を有するものであり、この隙間に空気断熱層９を形成して、メインノズル３の周囲を流れる燃焼用空気からの温度の影響を抑制して、油燃料のコーキングを防止している。加えて、この隙間は、０．２ｍｍ程度の微細なものであり、そのため、中心管４が振動した場合、支持管８は、その振れ止めとしても機能するものである。

この支持管８は、空気断熱層９を形成するため、その内周側は、中心管４の外径に合わせて、一定の内径を有しているが、その外周側は、軸方向下流側の径が小さく、軸方向上流側の径が大きい異径の筒状部材から構成されている。更に詳細には、軸方向上流側が、外管５の内周に放射状に接する複数の支持部８ｃと、支持部８ｃ同士の間に軸方向に沿って形成された複数の溝部（ガス燃料通路）７ａとからなり、軸方向下流側が、溝部７ａ部分の外径以下の外径を有する円筒状の円筒部８ｂからなっている。なお、外管５の内周は、この支持管８の外周に合わせて、その軸方向下流側で内径が小さく、その軸方向上流側で内径が大きく形成されている。

支持管８の先端部８ａは、外管５の先端部５ａの内部にＴｉｇ溶接等により溶接され、又、その後端側は、支持部８ｃにより外管５の内周側に接することにより、外管５の内部に支持される構造となっている。このように、支持管８は、軸方向前端側では、中心管４、外管５と溶接により固定されているが、軸方向後端側は外管５の内周側に接するのみであり、固定されておらず、支持管８自体も熱伸びに対応する構成となっている。

従って、メインノズル３の軸方向上流側の断面は、図２（ｂ）に示すように、外管５の内部に、支持管８の複数（本実施例では、一例として６つ）の支持部８ｃが配置され、その内部に、空気断熱層９を介して、中心管４を配置した構造である。一方、メインノズル３の軸方向下流側の断面は、図２（ｃ）に示すように、外管５の内部に、支持管８の筒状断面形状の円筒部８ｂが配置され、その内部に、空気断熱層９を介して、中心管４を配置した構造であり、所謂、アニュラー構造となっている。

上記構造のメインノズル３において、ガス燃料が通るガス燃料通路７は、外管５と支持管８との間の空間により形成されているが、メインノズル３の軸方向上流側においては、複数の溝部７ａと外管５とが形成する空間をガス燃料通路７ａとしており、メインノズル３の軸方向下流側においては、円筒部８ｂと外管５とが形成する空間をガス燃料通路７ｂとしている。

ガス燃料は、外管５の軸方向上流側の側面に設けられた開口部５ｂを通過して、その内部に供給されるが、支持管８は、開口部５ｂが設けられた位置より後方側（ノズル管台１１側）まで延設されると共に、開口部５ｂに対応する支持管８の位置には、支持部８ｃの一部を切り欠いた切欠部８ｄを設けて、溝部７ａにガス燃料を導くようにしている。これは、開口部５ｂから供給されるガス燃料の流体力を、中心管４が直接受けない構造として、中心管４の振動を防止すると共に、流入するガス燃料の流れを阻害しないようにするためである。

又、上記構造のメインノズル３において、空気断熱層９は、支持管８と直接接触しており、外管５と直接接触する構造ではない。加えて、支持管８は、軸方向下流側の円筒部８ｂでは外管５と直接接触することはなく、軸方向上流側の支持部８ｃでも、支持部８ｃを放射状に形成することにより、外管５と直接接触する面積をできるだけ少なくなるようにしており、このような構造により、空気断熱層９が十分に機能するようにしている。この結果、中心管５の温度をコーキングが発生しない規定温度以下に抑えることができ、油燃料のコーキングを確実に防止することができる。従って、従来のように、メインノズルを設計、製作する際、その入熱のバランスを考慮しなくてもよくなり、設計、製作時のコストを低減することが可能となる。

例えば、中心管４は、上述したように、標準パイプから作製すればよく、コイル曲げ部４ｃさえ形成すればよい。なお、コイル曲げ部４ｃを形成する際には、熱伸びした場合においても、支持管８の後端部の内周と中心管４がこすれ合わないように、支持管８の後端部からコイル曲げ部４ｃに至る間の中心管４の部分に直線部分を設けることが望ましい。又、外管５は、棒状部材を用意し、上述したように、その内径が軸方向下流側において小さくなるように、軸方向に円形状の穴を形成すればよい。なお、外管５は、メインノズル３の振動強度を向上させるため、ノズル管台１１に支持される部分３ｃにおいて、その肉厚を厚くすることが望ましい。又、支持管８は、異径の筒状部材を用意し、上述したように、その大きい外径の部分の軸方向に複数のＵ字断面の溝部７ａを形成することにより支持部８ｃを形成し、その一部に切欠部８ｄを形成すればよい。

このように、中心管４、外管５及び支持管８を各々別部材として作製したのち、外管５内部に支持管８を嵌め込み、支持管８内部に中心管４を配置し、その先端部を溶接することにより、上記構造のメインノズル３を組み立てている。このように、従来と比較して、設計の難易度も低く、又、高精度の加工も不要となり、その結果、加工及び組立が従来と比較して格段と容易になり、コストの低減が可能となる。

このような構造のメインノズル３では、油燃料を使用する場合には、メインノズル油室配管１２（図１参照）から供給された油燃料が、油燃料通路６となる後端部４ｂ、コイル曲げ部４ｃ、先端部４ａを通過して、メインノズル３の先端部３ａの噴射口３ｂから油燃料が噴霧されることになる。従来は、油燃料のコーキングが発生すると、この噴射口３ｂにおいて目詰まりが発生するおそれがあったが、本発明においては、上述したように、メインノズル３の周囲を流れる燃焼用空気からの影響を空気断熱層９が確実に防止し、油燃料のコーキングの発生を防止して、噴射口３ｂの目詰まりを防止している。

一方、ガス燃料を使用する場合には、メインノズルガス供給部１３（図１参照）から供給されたガス燃料が、ガス室１４、開口部５ｂ、切欠部８ｄを経由して、ガス燃料通路７へ供給され、ガス燃料通路７となる、ガス燃料通路７ａ、ガス燃料通路７ｂを通過して、メインノズル３からガス燃料が噴射されることになる。

本発明は、油燃料又はガス燃料に切り替え可能なデュアル方式のガスタービン燃焼器に好適なものである。

本発明に係るガスタービン燃焼器の実施形態の一例を示す概略図である。 図１に示す本発明に係るガスタービン燃焼器におけるメインノズルの断面図であり、（ａ）は、その軸方向の断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図であり、（ｃ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面図である。 従来のガスタービン燃焼器を示す概略図である。 図３に示す従来のガスタービン燃焼器におけるメインノズルの断面図であり、（ａ）は、その軸方向の断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＣ−Ｃ線矢視断面図である。

符号の説明

１ ガスタービン燃焼器
２ パイロットノズル
３ メインノズル
４ 中心管
５ 外管
６ 油燃料通路
７ａ ガス燃料通路（溝部）
７ｂ ガス燃料通路
８ 支持管
９ 空気断熱層

Claims (3)

1. 油燃料が通る油燃料通路とガス燃料が通るガス燃料通路とを備えたメインノズルを有するガスタービン燃焼器において、
   前記メインノズルは、前記メインノズルの中心に配置され、内部を油燃料が流れる油燃料通路とする円筒状の中心管と、前記メインノズルの最外周に配置された円筒状の外管と、前記中心管と前記外管との間に配置された支持管とを有し、各々が独立して形成されたものであり、
   前記支持管は、前記中心管の外周との間に空気断熱層となる隙間を形成する内径を有し、軸方向上流側に形成され、前記外管の内周に放射状に接する複数の支持部と、前記支持部同士の間に軸方向に沿って形成された複数の溝部と、軸方向下流側に形成され、前記溝部部分の外径以下の外径を有する円筒部とを備え、
   前記外管と前記溝部が形成する空間及び前記外管と前記円筒部が形成する空間を、ガス燃料が流れるガス燃料通路とすることを特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記外管の軸方向上流側の側面に開口部を設けると共に、前記開口部が位置する部分の前記支持部の一部を切り欠いて切欠部を設け、
   ガス燃料は、前記開口部から供給され、前記切欠部から前記溝部に導入されることを特徴とするガスタービン燃焼器。
3. 請求項１又は請求項２に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記中心管は、該中心管の前端及び後端が溶接により固定されると共に、後端側にコイル状に形成したコイル曲げ部を有することを特徴とするガスタービン燃焼器。

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