JP5181050B2 - 燃焼器の尾筒、及びこれを備えているガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、燃焼器の尾筒、及びこれを備えているガスタービンに関する。

ガスタービンの燃焼器は、高温・高圧の燃焼ガスをタービンに送る尾筒を備えている。この尾筒を形成する胴板は、その焼損を防ぐために、内周側に冷却空気を導く構造を有している。具体的に、胴板には、尾筒の軸線に沿った方向に延びる複数の冷却空気通路が形成されていると共に、複数の冷却空気通路毎に、胴板の外周側に開口した冷却空気入口と胴板の内周側に開口した冷却空気出口とが形成されている。冷却空気は、尾筒の外周側の冷却空気入口から冷却空気通路内に入り、冷却空気出口から尾筒の内周側に出る。

複数の冷却空気通路毎の冷却空気出口は、尾筒の軸線方向の位置がほぼ同一であることが多い。ところで、近年、ガスタービンの熱効率を高めるために、尾筒内を流れる燃焼ガスの温度が高温化している。このため、空気冷却通路の数量を増やすと共に、空気冷却通路の相互間隔を狭めて、胴板の冷却効果を高めている。しかしながら、このように、冷却空気通路の相互間隔が狭まると、冷却空気出口の相互間隔が狭まる結果、一の冷却空気出口を基点にクラックが発生すると、そのクラックが隣の冷却空気出口までつながり易くなり、クラックの成長が促されてしまう。

そこで、以下の特許文献１では、複数の冷却空気通路毎の冷却空気出口を千鳥状に配置することが提案されている。このように、複数の冷却空気通路毎の冷却空気出口を千鳥状に配置すると、隣り合う冷却空気通路の相互間隔を狭めても、隣り合う冷却空気出口の軸線方向の位置が相互に異なっているため、隣り合う冷却空気出口相互間の間隔をある程度確保でき、結果として、一の冷却空気出口を基点にクラックが発生しても、このクラックの成長をある程度抑えることができる。

特開昭６２−１５０５４３号公報

前述したように、尾筒内を流れる燃焼ガスの温度の高温化が益々進むに伴い、胴板の冷却効果をより高めるため、冷却空気通路の相互間隔をより狭めることが検討されている。このため、冷却空気通路の相互間隔をさらに狭めても、特許文献１に記載の技術以上に、クラックの成長を抑えることができる構造が望まれている。

そこで、本発明は、このような要望に応えるべく、胴板の冷却効果を高めつつも、クラックの成長を抑えることができる燃焼器の尾筒及びこれを備えているガスタービンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための発明に係る燃焼器の尾筒は、
軸線回りに筒状に形成された胴板を有し、該胴板の内周側を高温の燃焼ガスが流れて、該燃焼ガスをタービンへ送る燃焼器の尾筒において、前記胴板には、前記軸線に沿った方向に延びる複数の冷却空気流路が形成されていると共に、複数の該冷却空気通路毎に、該胴板の外周側に開口した該冷却空気通路の冷却空気入口及び該胴板の内周側に開口した該冷却空気通路の冷却空気出口が形成され、複数の前記冷却空気通路毎の前記冷却空気出口は、複数の列を成し、該列を構成する複数の該冷却空気出口は、前記軸線に対して傾斜した方向に並んでおり、複数の前記列のうちで隣り合う列の相互間隔は、該列を構成する複数の冷却空気出口のうちで隣り合う冷却空気出口の相互間隔よりも大きく、前記列は、筒状に形成された前記胴板の内周側を前記燃焼ガスが流れている際に、該胴板の内周面に発生する主応力の方向に沿った方向に延びていることを特徴とする。
また、上記目的を達成するための発明に係る他の燃焼器の尾筒は、
軸線回りに筒状に形成された胴板を有し、該胴板の内周側を高温の燃焼ガスが流れて、該燃焼ガスをタービンへ送る燃焼器の尾筒において、前記胴板には、前記軸線に沿った方向に延びる複数の冷却空気流路が形成されていると共に、複数の該冷却空気通路毎に、該胴板の外周側に開口した該冷却空気通路の冷却空気入口及び該胴板の内周側に開口した該冷却空気通路の冷却空気出口が形成され、複数の前記冷却空気通路毎の前記冷却空気出口は、複数の列を成し、該列を構成する複数の該冷却空気出口は、前記軸線に対して傾斜した方向に並んでおり、複数の前記列のうちで隣り合う列の相互間隔は、該列を構成する複数の冷却空気出口のうちで隣り合う冷却空気出口の相互間隔よりも大きく、前記列は、筒状に形成された前記胴板の内周側を前記燃焼ガスが流れている際に、該胴板の内周面に発生する主応力の方向に沿った方向に延びていることを特徴とする。

胴板に発生するクラックの多くは、熱環境が厳しく且つ応力が集中する冷却空気出口を基点に発生する。また、このクラックは、主応力の方向に対してほぼ垂直な方向に延びる。
また、筒状に形成された胴板内に高温の燃焼ガスが流れると、この胴板には、仮想平面を基準にして、両側の部分には、いずれも、下流側に向うに連れて仮想平面に近づく向きに主応力が発生する。このため、当該尾筒では、仮想平面を基準にして、両側の部分の列を構成する複数の冷却空気出口は、いずれも、主応力の方向に沿った方向に並ぶことになる。このため、一の冷却空気出口を基点にクラックが発生し、さらに、この同じ列中で一の冷却空気出口と隣り合っている他の冷却空気出口を基点にクラックが発生しても、当該尾筒では、両クラックがつながるのを抑えることができる。

また、当該尾筒では、冷却空気出口の隣り合う列の相互間隔が列中で隣り合う冷却空気出口の相互間隔よりも大きい。このため、当該尾筒では、一の冷却空気出口を基点にクラックが発生し、さらに、この一の冷却空気出口を含む列に隣り合っている列中の他の冷却空気出口を基点にクラックが発生しても、両クラックがつながるのを抑えることができる。

よって、当該尾筒では、一の冷却空気出口を基点にクラックが発生し、さらに、この一の冷却空気出口に対して、方向を問わずに隣り合っている他の冷却空気出口を基点にクラックが発生しても、両クラックがつながるのを抑えることができる。

すなわち、当該尾筒では、胴板の冷却効果を高めるために、複数の冷却空気通路の相互間隔を狭めても、クラックの成長を抑えることができる。

また、前記燃焼器の尾筒において、複数の前記列は、いずれも、３個以上の前記冷却空気出口で構成されていることが好ましい。

隣り合う列の相互間隔は、列を構成する冷却空気出口の数量が多くなるほど広くなる。このため、当該尾筒では、一の冷却空気出口を基点にクラックが発生し、さらに、この一の冷却空気出口を含む列に隣り合っている列中の他の冷却空気出口を基点にクラックが発生しても、両クラックがつながるのをより抑えることができる。

また、前記燃焼器の尾筒において、前記軸線に対して傾斜した方向に延びる前記列は、少なくとも、前記燃焼ガスの上下流方向の中央部を含む下流側に形成されていることが好ましい。

尾筒は、一般的に、その断面積が下流に向うに連れて次第に小さくなっている。このため、尾筒内の燃焼ガスは、下流側に向うに連れて次第に流速が高まる。よって、尾筒の上流側の部分よりも下流側の部分の方が燃焼ガスからの入熱量が多くなる。当該尾筒では、燃焼ガスからの入熱量が相対的に多い下流側の部分において、クラックの成長を抑えつつも、冷却空気通路の相互間隔を狭めて、胴板中の当該部分の冷却効果を高めることができる。

ここで、前記燃焼器の尾筒において、複数の前記冷却空気通路毎の前記冷却空気入口と前記冷却空気出口との相互間隔は、複数の該冷却空気通路相互で同じであってもよい。この場合、複数の前記冷却空気通路毎の冷却空気入口は、冷却空気出口の列が延びている方向と同じ方向に並ぶことになる。

上記目的を達成するための発明に係るガスタービンは、
前記尾筒を有する前記燃焼器と、前記燃焼器へ圧縮空気を送る圧縮機と、前記燃焼器からの前記燃焼ガスにより駆動する前記タービンと、を備えていることを特徴とする。

当該ガスタービンも、前記尾筒を有するので、尾筒を形成する胴板の冷却効果を高めるために、複数の冷却空気通路の相互間隔を狭めても、クラックの成長を抑えることができる。

本発明では、尾筒を形成する胴板中の一の冷却空気出口を基点にクラックが発生し、さらに、この一の冷却空気出口に対して、方向を問わずに隣り合っている他の冷却空気出口を基点にクラックが発生しても、両クラックがつながるのを抑えることができる。

よって、本発明によれば、尾筒を形成する胴板の冷却効果を高めるために、複数の冷却空気通路の相互間隔を狭めても、クラックの成長を抑えることができる。

本発明に係る一実施形態における尾筒の要部切欠斜視図である。 本発明に係る一実施形態における尾筒の平面図である。 本発明に係る一実施形態における尾筒の要部平面図である。 比較例としての尾筒の要部平面図である。 本発明に係る一実施形態における尾筒の斜視図である。 本発明に係る一実施形態におけるガスタービンの要部断面図である。 本発明に係る一実施形態におけるガスタービンの要部を切り欠いた全体側面図である。 本発明に係る一実施形態の変形例における尾筒の平面図である。 本発明に係る一実施形態に他の変形例における尾筒の平面図である。

以下、本発明に係るガスタービンの実施形態について、図１〜図７を参照して詳細に説明する。

本実施形態のガスタービンは、図７に示すように、外気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機１と、燃料供給源からの燃料を圧縮空気に混合して燃焼させて燃焼ガスを生成する複数の燃焼器１０と、燃焼ガスにより駆動するタービン２と、を備えている。

タービン２は、ケーシング３と、このケーシング３内で回転するタービンロータ４とを備えている。このタービンロータ４は、例えば、このタービンロータ４の回転で発電する発電機（図示されていない。）と接続されている。複数の燃焼器１０は、タービンロータ４の回転軸線Ａｒを中心として、周方向に互いに等間隔でケーシング３に固定されている。

燃焼器１０は、図６に示すように、高温・高圧の燃焼ガスＧをタービン２に送る尾筒２０と、この尾筒２０内に燃料及び圧縮空気を供給する燃料供給器１１と、を備えている。燃料供給器１１は、パイロット燃料Ｘ及び圧縮空気Ａを尾筒２０内に供給して、この尾筒２０内に拡散火炎を形成するパイロットバーナ１２と、メイン燃料Ｙ及び圧縮空気Ａを予混合して、予混合気体として尾筒２０内に供給し、この尾筒２０内に予混合火炎を形成する複数のノズル１３と、を備えている。

尾筒２０は、軸線Ａｃ回りに筒状に形成されている胴板２１と、胴板２１の上流端に取り付けられる上流側枠２７と、胴板２１の下流端に取り付けられる下流側枠２８と、胴板２１の上流側に圧縮機１からの圧縮空気Ａを燃料供給器１１を介さずに送り込むためのパイパス管接続フランジ２９と、を有している。

筒状に形成されている胴板２１は、図５に示すように、上流側の断面形状が円形で、下流側の断面形状が略長方形状である。このため、上流側枠２７は円形を成し、下流側枠２８は略長方形状を成している。また、筒状に形成されている胴板２１の断面積は、上流側から下流側に向うに連れて次第に小さくなっている。

この胴板２１は、予め定めた軸線Ａｃに対して垂直な断面図心がこの軸線Ａｃ上に位置するように形成されている。言い換えると、燃焼ガスＧが流れる上下流方向における各位置での胴板２１の断面図心を連ねたものが軸線Ａｃを成す。また、本実施形態において、筒状の胴板２１は、尾筒２０の軸線Ａｃとタービンロータ４の回転軸線Ａｒとを含む仮想平面Ｐを基準にして、下流側に向って左右対称である。

胴板２１は、図１に示すように、２枚の板２１ｏ，２１ｉを接合したものを曲げ加工して形成されている。胴板２１を構成する２枚の板２１ｏ，２１ｉのうち、胴板２１の外周側を形成する外胴板２１ｏの内周面には、外周側に凹み且つ軸線Ａｃに沿った方向に延びる複数の溝２２が形成されている。外胴板２１ｏの内周面には、胴板２１を構成する２枚の板２１ｏ，２１ｉのうちの他方の板である内胴板２１ｉが接合されている。外胴板２１ｏに形成されている溝２２の開口は内胴板２１ｉにより塞がれて冷却空気通路２３を形成している。

胴板２１には、複数の冷却空気通路２３毎に、胴板２１の外周側に開口した冷却空気通路２３の冷却空気入口２４及び胴板２１の内周側に開口した冷却空気通路２３の冷却空気出口２５が形成されている。複数の冷却空気通路２３毎の冷却空気出口２５は、複数の列Ｒｏを成し、列Ｒｏを構成する複数の冷却空気出口２５は、軸線Ａｃに対して傾斜した方向に並んでいる。１つの列Ｒｏは、本実施形態において３つの冷却空気出口２５で構成されている。

複数の冷却空気通路２３毎に対を成す冷却空気入口２４と冷却空気出口２５との相互間隔Ｄioは、図３に示すように、複数の冷却空気通路２３相互で実質的に同じである。このため、複数の冷却空気通路２３毎の冷却空気入口２４も、冷却空気出口２５と同様、複数列Ｒｉを成し、列Ｒｉを構成する複数の冷却空気入口２４は、冷却空気出口２５の列Ｒｏが延びている方向に並んでいる。

列Ｒｏを成す複数の冷却空気出口２５は、いずれも、図２及び図５に示すように、胴板２１のうちで、タービンロータ４から遠い側の上胴部であって、燃焼ガスＧの上下流方向の中央部を含む下流側部に形成されている。よって、冷却空気出口２５と対を成す冷却空気入口２４も、胴板２１のうちで、タービンロータ４から遠い側の上胴部であって、燃焼ガスＧの上下流方向の中央部を含む下流側部に形成されている。

尾筒２０の軸線Ａｃとタービンロータ４の回転軸線Ａｒとを含む仮想平面Ｐを基準にして、両側に形成されている冷却空気入口２４の列Ｒｉ及び冷却空気出口２５の列Ｒｏは、いずれも、下流側に向うに連れて仮想平面Ｐ近づく向きに傾斜している。すなわち、仮想平面Ｐを基準にして、下流側に向かって左側に形成されている冷却空気入口２４の列Ｒｉ及び冷却空気出口２５の列Ｒｏは、いずれも、下流側に向かうに連れて右側に寄る向きに傾斜し、下流側に向かって右側に形成されている冷却空気入口２４の列Ｒｉ及び冷却空気出口２５の列Ｒｏは、いずれも、下流側に向かうに連れて左側に寄る向きに傾斜している。

冷却空気出口２５の複数の列Ｒｏのうちで隣り合う列Ｒｏの相互間隔Ｄｒは、図３に示すように、列Ｒｏを構成する複数の冷却空気出口２５のうちで隣り合う冷却空気出口２５の相互間隔Ｄｏよりも大きい。

圧縮機１からの圧縮空気Ａのほとんどは、図６に示すように、燃焼器１０の燃料供給器１１内へ送られ、この燃料供給器１１から燃料と共に尾筒２０内に噴射される。尾筒２０内では、燃料が燃焼して、高温の燃焼ガスＧが生成される。この高温の燃焼ガスＧは、尾筒２０からタービン２内に流れ込み、タービンロータ４を回転させる。

また、尾筒２０内には、圧縮機１からの圧縮空気Ａの一部が冷却空気として、その外周側から、この尾筒２０の冷却空気入口２４、冷却空気通路２３、冷却空気出口２５を経て流れ込む。このため、尾筒２０の内周面は、この冷却空気により、高温の燃焼ガスＧから保護される。なお、以上では、冷却空気入口２４及び冷却空気出口２５が、胴板２１のうちで、上胴部の下流側部にのみ形成されているように記載しているが、実際には、胴板２１の各部に形成されている。

図２に示すように、胴板２１の上胴部における下流側部の内周面には、燃焼ガスＧが内周側を流れている際、下流側に向うに連れて仮想平面Ｐに近づく向きの主応力σが発生する。本実施形態では、列Ｒｏを構成する複数の冷却空気出口２５は、この主応力σの方向に沿った方向に並んでいる、言い換えると、冷却空気出口２５の列Ｒｏは、この主応力σの方向に沿った方向に延びている。

図３に示すように、胴板２１に発生するクラックＣの多くは、熱環境が厳しく且つ応力が集中する冷却空気出口２５を基点に発生する。また、このクラックＣは、主応力σの方向に対してほぼ垂直な方向に延びる。

このため、列Ｒｏを構成する複数の冷却空気出口２５が、本実施形態にように、主応力σの方向に沿った方向に並んでいると、一の冷却空気出口２５ａを基点にクラックＣａが発生し、さらに、この同じ列Ｒｏ中で一の冷却空気出口２５ａと隣り合っている他の冷却空気出口２５ｂを基点にクラックＣｂが発生しても、両クラックＣａ，Ｃｂがつながるのを抑えることができる。

また、本実施形態では、前述したように、冷却空気出口２５の隣り合う列Ｒｏの相互間隔Ｄｒが列Ｒｏ中で隣り合う冷却空気出口２５の相互間隔Ｄｏよりも大きい。このため、一の冷却空気出口２５ａを基点にクラックＣａが発生し、この一の冷却空気出口２５ａを含む列Ｒｏに隣り合っている列Ｒｏ中の他の冷却空気出口２５ｃを基点にクラックＣｃが発生しても、両クラックＣａ，Ｃｃがつながるのを抑えることができる。

ところで、「背景技術」の欄で説明した特許文献１に記載の技術では、図４に示すように、複数の冷却空気通路３３毎の冷却空気出口３５を千鳥状に配置している。仮に、一の冷却空気出口３５ａと、この一の冷却空気出口３５ａに対して一方の側で隣り合っている他方の冷却空気出口３５ｂとが、主応力σの方向に沿った方向に並んでいるとする。この場合、以上で説明した本実施形態と同様に、一の冷却空気出口３５ａを基点にクラックＣａが発生し、さらに、他方の冷却空気出口３５ｂを基点にクラックＣｂが発生しても、両クラックＣａ，Ｃｂがつながるのを抑えることができる。

しかしながら、この場合、一の冷却空気出口３５ａと、この一の冷却空気出口３５ａに対して他方の側で隣り合っている他方の冷却空気出口３５ｃは、主応力σの方向に対してほぼ垂直な方向に並ぶ上に、両冷却空気出口３５ａ，３５ｃの相互間隔Ｄｄが比較的短いため、一の冷却空気出口３５ａを基点にクラックＣａが発生し、さらに、他方の冷却空気出口３５ｃを基点にクラックＣｃが発生すると、両クラックＣａ，Ｃｃがつながる可能性が極めて高くなる。

すなわち、特許文献１に記載の技術では、クラックＣの成長を抑えることができない場合がある。

一方、本実施形態では、一の冷却空気出口２５ａを基点にクラックＣａが発生し、さらに、この一の冷却空気出口２５ａに対して、方向を問わずに隣り合っている他の冷却空気出口２５ｂ，２５ｃを基点にクラックＣｂ，Ｃｃが発生しても、前述したように、両クラックＣａ，Ｃｂ、Ｃａ，Ｃｃがつながるのを抑えることができる。すなわち、本実施形態では、複数の冷却空気通路２３の相互間隔を狭めても、特許文献１に記載の技術よりも、クラックＣの成長を抑えることができる。

なお、以上の実施形態では、図２に示すように、冷却空気入口２４の複数の列Ｒｉや冷却空気出口２５の複数の列Ｒｏを尾筒２０の仮想平面Ｐに対して垂直な方向Ｖに並べているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、図８及び図９に示すように、冷却空気入口２４の複数の列Ｒｉや冷却空気出口２５の複数の列Ｒｏを尾筒２０の軸線Ａｃに対して傾斜した方向Ｖに並べてもよい。

また、以上の実施形態では、冷却空気通路２３毎に対を成す冷却空気入口２４と冷却空気出口２５との相互間隔Ｄioは、複数の冷却空気通路２３相互で実質的に同じであるが、複数の冷却空気通路２３相互間で同じである必要はない。

また、以上の実施形態では、冷却空気出口２５の列Ｒｏを３つの冷却空気出口２５で構成しているが、列Ｒｏを構成する冷却空気出口２５の数量が多いほど、隣り合う列Ｒｏの相互間隔Ｄｒが広がり、クラックＣの成長をより抑えることができるため、冷却空気出口２５の列Ｒｏを４つ以上の冷却空気出口２５で構成してもよい。

１：圧縮機、２：タービン、４：タービンロータ、１０：燃焼器、２０：尾筒、２１：胴板、２３：冷却空気通路、２４：冷却空気入口、２５：冷却空気出口、Ａｃ：尾筒の軸線、Ａｒ：タービンロータの回転軸線、Ｒｉ：冷却空気入口の列、Ｒｏ：冷却空気出口の列

Claims (6)

1. 軸線回りに筒状に形成された胴板を有し、該胴板の内周側を高温の燃焼ガスが流れて、該燃焼ガスをタービンへ送る燃焼器の尾筒において、
   前記胴板には、前記軸線に沿った方向に延びる複数の冷却空気流路が形成されていると共に、複数の該冷却空気通路毎に、該胴板の外周側に開口した該冷却空気通路の冷却空気入口及び該胴板の内周側に開口した該冷却空気通路の冷却空気出口が形成され、
   複数の前記冷却空気通路毎の前記冷却空気出口は、複数の列を成し、該列を構成する複数の該冷却空気出口は、前記軸線に対して傾斜した方向に並んでおり、
   複数の前記列のうちで隣り合う列の相互間隔は、該列を構成する複数の冷却空気出口のうちで隣り合う冷却空気出口の相互間隔よりも大きく、
   前記タービンが有しているタービンロータの回転軸線と前記軸線とを通る仮想平面を基準にして、前記燃焼ガスの上下流方向の下流側に向って右側の複数の前記列と左側の複数の前記列は、いずれも、該下流側に向うに連れて該仮想平面に近づく向きに傾いている、
   ことを特徴とする燃焼器の尾筒。
2. 軸線回りに筒状に形成された胴板を有し、該胴板の内周側を高温の燃焼ガスが流れて、該燃焼ガスをタービンへ送る燃焼器の尾筒において、
   前記胴板には、前記軸線に沿った方向に延びる複数の冷却空気流路が形成されていると共に、複数の該冷却空気通路毎に、該胴板の外周側に開口した該冷却空気通路の冷却空気入口及び該胴板の内周側に開口した該冷却空気通路の冷却空気出口が形成され、
   複数の前記冷却空気通路毎の前記冷却空気出口は、複数の列を成し、該列を構成する複数の該冷却空気出口は、前記軸線に対して傾斜した方向に並んでおり、
   複数の前記列のうちで隣り合う列の相互間隔は、該列を構成する複数の冷却空気出口のうちで隣り合う冷却空気出口の相互間隔よりも大きく、
   前記列は、筒状に形成された前記胴板の内周側を前記燃焼ガスが流れている際に、該胴板の内周面に発生する主応力の方向に沿った方向に延びている、
   ことを特徴とする燃焼器の尾筒。
3. 請求項１又は２に記載の燃焼器の尾筒において、
   複数の前記列は、いずれも、３個以上の前記冷却空気出口で構成されている、
   ことを特徴とする燃焼器の尾筒。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の燃焼器の尾筒において、
   前記軸線に対して傾斜した方向に延びる前記列は、少なくとも、前記燃焼ガスの上下流方向の中央部を含む下流側に形成されている、
   ことを特徴とする燃焼器の尾筒。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の燃焼器の尾筒において、
   複数の前記冷却空気通路毎の前記冷却空気入口と前記冷却空気出口との相互間隔は、複数の該冷却空気通路相互で同じである、
   ことを特徴とする燃焼器の尾筒。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の尾筒を有する前記燃焼器と、
   前記燃焼器へ圧縮空気を送る圧縮機と、
   前記燃焼器からの前記燃焼ガスにより駆動する前記タービンと、
   を備えていることを特徴とするガスタービン。

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