JP5047309B2 - ガスタービンにおけるバーナ - Google Patents

Description

本発明はガスタービンにおける主バーナとパイロットバーナとを備えたバーナに関する。

例えば特許文献１で知られているようにガスタービンは、空気圧縮用の圧縮機と、その圧縮空気と共に燃料を燃焼して高温ガスを発生するための燃焼器と、その高温ガスを膨張して仕事をするタービンとを有している。ガスタービンが望ましくない窒素酸化物（ＮＯ_X）と一酸化炭素（ＣＯ）を放出することは知られている。効果的燃焼と低ＮＯ_X発生を同時に達成する二段燃焼装置が開発されている。かかる二段燃焼装置の場合、第一段において火炎を点火し安定を保つために拡散燃焼が実施される。第二段においてＮＯ_X放出量を低減するために予混合燃焼が実施される。

その第一段はいわゆるパイロット段であり、通常、拡散バーナによって実施されるが、これはＮＯ_X発生量がかなり増大する原因となっている。

パイロットバーナの周りに主バーナが配置されている。この主バーナは複数の主燃料混合器を有し、これらの主燃料混合器はそれぞれ空気流に乱流を発生する旋回翼（旋回発生体）を備えている。その各旋回翼の中央に燃料を空気流に導入する燃料供給管が存在している。

図１は従来の主バーナにおける熱シールド付き燃料供給管（１６）を示している。その燃料供給管１６は旋回翼（４）の中央に配置された支持構造物６の内部に存在している。支持構造物６の内部から燃料を旋回翼４に導く配管１６が、その支持構造物６に存在している。その燃料は旋回翼４から流出する際に圧縮空気と混合される。

さらに、支持構造物６の内部に受け体８が存在し、この受け体８は燃料を受け体装置の尖端体１０に送る。その受け体８の内部に燃料を周囲に対して絶縁する熱シールド１８が存在している。熱シールド１８の端部に複数の燃料油噴射孔１９が存在している。

前記熱シールド１８は、旋回翼４に対する支持構造物６を受け体装置の内部において燃料油路１６に対して熱絶縁するために用いられる。従来、その熱シールド１８は支持構造物６に材料接続箇所１２でろう付けないし溶接された管から成っている。その材料接続箇所１２によって、低温の熱シールド１８に基づく支持構造物６の変形が防止され、そのために熱応力が生ずることがある。その起こり得る熱応力のために、最大可能始動回数（従って最大可能寿命）が実現できない。

米国特許第６０３８８６１号明細書

本発明の課題は、ガスタービンにおけるバーナを、支持構造物と熱シールドとの間の熱応力の発生が低減されるようにすることにある。

この課題は特許請求の範囲の請求項１に記載の特徴を有するバーナによって解決される。本発明の有利な実施態様は従属請求項に記載されている。

この課題の解決策は、本発明に基づいて、主バーナとパイロットバーナを備えたガスタービンにおけるバーナに存在する。その主バーナは、支持構造物と熱シールドとこの熱シールドに対する受け体とを有している。この受け体は少なくとも部分的に支持構造物の内部に、特に支持構造物の内部に同心的に存在し、熱シールドは少なくとも部分的に受け体の内部に、特に受け体の内部に同心的に存在している。この熱シールドは受け体に圧力結合および／又は摩擦結合によって固定されている。

その圧力結合および／又は摩擦結合によって、熱シールドの内部における燃料油路に対する受け体の熱絶縁が生ずる（油温度Ｔ_O1＝２５℃、熱伝達率＞５０００Ｗ／Ｍ²Ｋ）。即ち、受け体と熱シールドとの間の熱応力は、従来におけるろう付け結合あるいは溶接結合の場合より小さい。これはより多くの始動回数を許し、これにより、構成要素のより長い寿命を可能とする。また、より安全な運転が保証される。

本発明の有利な実施態様において、受け体も同様に支持構造物に圧力結合および／又は摩擦結合によって固定されている。これによって、受け体に対する支持構造物の熱絶縁が生ずる。支持構造物と受け体との間に従来におけるろう付け結合あるいは溶接結合の場合より小さな熱応力が生ずる。また、構成要素の寿命が高められ、これはガスタービンのより多くの始動回数を生じさせる。

本発明の他の有利な実施態様において、圧力結合および／又は摩擦結合は締付け継手である。換言すれば、熱シールドは前記尖端体と受け体との間の圧力ばめによって固定されている。その圧力ばめは自由な熱膨張を許し、これにより、部品における応力はかなり低減される。そのようにして必要な始動回数が得られる。またこの解決策は、（従来における）高い精度を必要とするろう付け結合の場合に比べて安価である。それに加えてあるいはその代わりに、熱シールドは受け体にねじ結合することもできる。

さらに、熱シールドはそのより良好な締付け固定に役立つカラーを有している。また、そのカラーは雄ねじを有することができ、受け体はそれに対応した雌ねじを有し、この雄ねじと雌ねじは熱シールドを受け体にねじ結合する際に協働する。

好適には、尖端体は受け体にねじ結合されている。前記ねじ結合は尖端体が受け体に結合されうる単純な構造方式である。

特に尖端体は受け体に収縮ばめすることができる。その収縮ばめはガスタービン運転中の制御不能な緩みを防ぐ。

本発明の他の有利な実施態様において、熱シールドは管の形に形成されている。これによって、熱シールドの内部における燃料油路はその全長にわたって熱絶縁される。

また、バーナは旋回翼を有することができ、その旋回翼の中央に、支持構造物が配置される。

さらに、上述の請求項に応じたバーナを備えたガスタービンが利用される。

以下の図を参照した実施例の説明から本発明の他の特徴、特性および利点が理解できる。

従来における旋回翼を備えた主バーナの断面図。 旋回翼と本発明に基づく熱シールドを備えた主バーナの断面図。 熱シールドの取付け構造の拡大詳細図。

図２に、旋回翼４と、支持構造物６と、受け体８と、尖端体１０と、燃料油路１６と、複数の旋回翼油路１７と、熱シールド１８とを備えた主バーナ２が示されている。

支持構造物６は旋回翼４の中央に存在している。この支持構造物６は管状に形成され、その両端がそれぞれ旋回翼４から突出している。受け体８も同様にほぼ管状に形成され、支持構造物６の内部に旋回翼４に対して同心的に存在している。受け体８の内部はその長手軸線に沿って延びる燃料油路１６を形成している。

受け体８の下流側部位に熱シールド１８が配置されている。この熱シールド１８は燃料油路１６に続き、受け体８から突出している。熱シールド１８も同様に管状に形成され、その下流側端に複数の孔１９を有し、燃料油路１６を通して供給され、熱シールド１８の内部および尖端体１０を通して導かれる燃料油が、それらの孔１９を通して燃焼室３に噴射される。

尖端体１０は円錐状部位と円筒状部位を有している。その円筒状部位は受け体８にねじ結合されている。尖端体１０を意図しない緩みに対して防ぐために、尖端体の円筒状部位は収縮ばめされている。尖端体１０は収縮ばめだけでも受け体８に固定できる。尖端体の円筒状部位と円錐状部位との移行部に複数の油噴射孔が存在し、これらの油噴射孔を通して、熱シールド内を導かれる燃料油が燃焼室３に噴射される。

運転中、空気が圧縮機（図示せず）から主バーナ２の旋回翼に導かれる。旋回翼は空気を旋回し、油路１７を通して旋回翼から出る燃料油が供給空気と混合される。また、油路１６を通して燃料油が導かれ、この燃料油は熱シールドの内部を通して導かれ、熱シールドにおける複数の孔１９および尖端体における複数の油噴射孔を通して主バーナ２の燃焼室３に噴射される。

図３に図２における熱シールド装置のＸ部が拡大して示されている。熱シールド１８は両側締付け箇所２０と雄ねじ２８を備えたカラー２２を有している。それらの締付け箇所２０は受け体８の段部２４と尖端体１０の段部２６との間で締め付けられる。加えて、熱シールド１８はその雄ねじ２８で受け体８の雌ねじにねじ込まれる。この実施例において、熱シールド１８は受け体８と尖端体１０との間に締め付けられ且つ受け体８にねじ結合されているけれども、基本的には、締付けだけでもあるいはねじ結合だけでも固定することができる。

受け体８と尖端体１０との間にパッキン２１が存在している。拡大詳細図において、尖端体１０を受け体８にねじ結合するねじ１４もはっきり理解できる。

熱シールドと受け体と尖端体との間における締付け箇所２０は、運転中、熱シールド１８の周りにおける受け体８と尖端体１０の自由な熱膨張を可能とし、その熱シールド１８はその材料（セラミックス）のために、ほとんど熱膨張しない。しかし金属部品８、１０は運転中に比較的大きな熱膨張をする。

２ 主バーナ
４ 旋回翼
６ 旋回翼の支持構造物
８ 熱シールドの受け体
１０ 受け体の尖端体
１８ 熱シールド
２２ カラー

Claims (8)

1. 主バーナ（２）とパイロットバーナを備え、前記主バーナ（２）が、旋回翼（４）と、前記旋回翼の中央に配置された支持構造物（６）と、熱シールド（１８）と、前記熱シールド（１８）に対する受け体（８）とを有し、前記受け体（８）が少なくとも部分的に支持構造物（６）の内部に存在し、熱シールド（１８）が少なくとも部分的に受け体（８）の内部に存在しているガスタービンにおけるバーナであって、
   前記熱シールド（１８）が前記受け体（８）に圧力結合又は摩擦結合によって固定され、前記受け体（８）が支持構造物（６）に圧力結合又は摩擦結合によって固定されており、
   前記バーナが、前記支持構造物（６）と受け体（８）と熱シールド（１８）とにそれぞれ隣接する尖端体（１０）を有し、前記熱シールド（１８）が前記尖端体（１０）と受け体（８）との間の圧力ばめによって固定されていることを特徴とするガスタービンにおけるバーナ。
2. 熱シールド（１８）が受け体（８）にねじ結合されていることを特徴とする請求項１に記載のバーナ。
3. 熱シールド（１８）がカラー（２２）を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載のバーナ。
4. カラー（２２）が雄ねじ（２８）を有し、受け体（８）がそれに対応した雌ねじを有していることを特徴とする請求項３に記載のバーナ。
5. 尖端体（１０）が受け体（８）にねじ結合されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のバーナ。
6. 尖端体（１０）が受け体（８）に収縮ばめされていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のバーナ。
7. 熱シールド（１８）が管の形に形成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載のバーナ。
8. 請求項１ないし７のいずれか１つに記載のバーナを有していることを特徴とするガスタービン。

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