JP6082287B2 - 燃焼器、ガスタービン、及び燃焼器の第一筒 - Google Patents

Description

本発明は、燃料を圧縮空気中で燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器、これを備えているガスタービン、及び燃焼器の第一筒に関する。

ガスタービンは、圧縮空気を生成する圧縮機と、燃料を圧縮空気中で燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼ガスによって回転駆動されるタービンとを備えている。燃焼器は、燃料及び空気を供給する内筒と、内筒から供給された燃料及び空気によって火炎が内部に形成され、燃焼ガスを生成する尾筒とを有している（例えば、特許文献１参照）。

従来、尾筒で生成される燃焼ガスにより尾筒の内壁面が損傷することを防止するため、内筒の先端部を構成する出口外側リングと尾筒との間の隙間からフィルム空気を供給する構造が知られている。この構造においては、フィルム空気を供給するための隙間を確保するために、出口外側リングにスペーサーが取り付けられている。
スペーサーは、出口外側リングの外周面に周方向に複数取り付けられており、このスペーサーが尾筒の内周面に当接することによって、フィルム空気を供給するための隙間が全周にわたって均一に確保されている。

特開２００３−１３７４７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の構造のように、出口外側リングにスペーサーを取り付けることによって、部品点数が増え、燃焼器の製造コストが増大するという問題がある。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、部品点数を減らすことによって製造コストの低減を図ることができる燃焼器、これを備えているガスタービン、及び燃焼器の第一筒を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明の燃焼器は、先端の開口から燃料及び空気を供給する第一筒と、前記燃料及び空気により内周側に火炎が形成され前記第一筒の先端が基端の内周側に挿入されている第二筒と、を備え、前記第一筒は、第一筒本体部と前記第一筒の先端を形成するリング部とを備え、該リング部は、筒状の本体部と、該筒状の本体部の外周面に該筒状の本体部と一体に周方向に複数設けられ、径方向外側へ突出する凸部とを有し、前記筒状の本体部の外周面は、前記凸部が形成される範囲で前記第一筒の軸線に沿う軸方向から視た断面形状が多角形状に形成されていることを特徴とする。

上記構成によれば、リング部において本体部と凸部とが一体に形成されていることによって、部品点数が減らされ、燃焼器の製造コストの低減を図ることができる。また、加工対象である本体部の外周面を形成する際に、加工工具と加工対象との相対的角度の変更回数が少なくなるため、加工工数を低減させることができる。

上記燃焼器において、前記筒状の本体部は、前記凸部が形成された多角リング部と、該多角リング部よりも先端側に設けられ、該多角リング部の外周面よりも径方向外周側に外周面が円筒状に形成された絞り部とを有することが好ましい。

上記構成によれば、絞り部が円筒状に形成されているため、絞り部の外周面と第二筒の内周面との間の第二の隙間が均一となる。これにより、この隙間から噴出される空気を周方向に均一にすることができる。

上記燃焼器において、前記凸部は、前記多角リング部の外周平面の周方向中央に形成されていることが好ましい。

上記構成によれば、外周平面を形成するための加工工具を用いて、凸部を形成することによって、径方向の厚さが均一で、かつ、径方向に周面が伸びる精度良い凸部を形成することができる。

上記燃焼器において、前記第一筒の径に沿う径方向から視た前記凸部の断面形状が軸方向沿った紡錘形状とされていることが好ましい。

上記構成によれば、凸部配置位置における流体の乱れが効果的に抑制される。これにより、第二隙間から噴出される空気の均一性を向上させることができる。

また、本発明は、上記いずれかに記載の燃焼器と、前記燃焼器の前記第二筒から送出された燃焼ガスにより駆動するタービンと、を備えていることを特徴とするガスタービンを提供する。

当該ガスタービンは、前記燃焼器を備えているので、部品点数が減らされ、燃焼器の製造コストの低減を図ることができる。

本発明によれば、リング部において本体部と凸部とが一体に形成されていることによって、部品点数が減らされ、燃焼器の製造コストの低減を図ることができる。また、加工対象である本体部の外周面を形成する際に、加工工具と加工対象との相対的角度の変更回数が少なくなるため、加工工数を低減させることができる。

本発明の実施形態におけるガスタービンの要部切欠側面図である。 本発明の実施形態におけるガスタービンの燃焼器周りの断面図である。 本発明の実施形態における燃焼器の要部断面図であって内筒と尾筒との接続部を示す図である。 本発明の実施形態における出口外側リングの斜視図である。 本発明の実施形態における出口外側リングの周方向から視た断面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ矢視図である。 図５のＶＩＩ矢視図である。 本発明の実施形態における出口外側リングの製造方法を説明する図６に対応する断面図である。 比較例における出口外側リングの製造方法を説明する断面図である。 変形例の出口外側リングを示す図６に対応する矢視図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態のガスタービンＧＴは、圧縮空気を生成する圧縮機１と、燃料を圧縮空気中で燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼器３と、燃焼ガスによって回転駆動されるタービン５とを備えている。タービン５は、内部に車室７を形成するタービンケーシング６と、車室７内に回転可能に設けられているタービンロータ８とを有している。

圧縮機１は、その空気取込口２から外部の空気を取り込み、この空気を圧縮することによって圧縮空気を生成する。燃焼器３は、圧縮機１からの圧縮空気に燃料を混合して燃焼させる。燃料の燃焼により生成された高温且つ高圧の燃焼ガスは、タービンロータ８を回転駆動させる。

図２に示すように、燃焼器３は、圧縮機１（図１参照）からの圧縮空気Ａ及び燃料を噴射する燃料供給器１０と、燃料供給器１０からの圧縮空気Ａ及び燃料を供給する内筒２０（第一筒）と、内筒２０から供給された圧縮空気Ａ及び燃料から燃焼ガスＧを生成し、生成された燃焼ガスＧをタービン５に送る尾筒３０（第二筒）と、を有している。燃焼器３の内筒２０、及び尾筒３０は、いずれもタービン５の車室７内に配置されている。

燃料供給器１０は、パイロット燃料及び圧縮機１からの圧縮空気Ａを供給するパイロットバーナ１１と、メイン燃料及び圧縮機１からの圧縮空気Ａを予混合して、予混合気体とする複数のノズル１２と、を備えている。

内筒２０は、内筒２０の一方側に配置され円筒状をなす内筒本体部３９と、内筒２０の他方側に配置される円環状の出口外側リング４０とを有しており、一方の端部に燃料供給器１０が設けられ、他方の端部に開口２５が形成されている。この出口外側リング４０は、内筒２０の先端を形成している。

なお、以下の説明においては、内筒本体部３９の一方の端部を基端部２１、他方の端部を先端部２２とし、一方の端部である基端部２１の側を上流側、他方の端部である先端部２２の側を下流側とする。また、内筒２０の軸線Ｏに沿う方向を軸方向、軸線Ｏを中心とした円周に沿う方向を周方向とし、前記円周の径に沿う方向を径方向として説明する。
出口外側リング４０は、内筒本体部３９の先端部２２に内筒本体部３９を下流側に向かって拡径するように延長する形状とされている。

尾筒３０は、筒状を成し、一方の端部に開口３５が形成されている。開口３５の内径は、内筒２０の先端部２２の外径及び出口外側リング４０の外径よりも大きい。なお、以下では、尾筒３０の上流側の端部を基端部３１とする。この尾筒３０の基端部３１内には、内筒本体部３９の先端部２２及び出口外側リング４０が挿入されている。尾筒３０の下流側の端部は、タービン５（図１参照）の燃焼通路に接続されている。

燃料供給器１０は、タービンケーシング６に固定されている。内筒２０は、その基端部２１がタービンケーシング６に固定されている燃料供給器１０に支持され、内筒本体部３９の先端部２２が尾筒３０の基端部３１と共にタービンケーシング６に設けられている支持部材（図示せず）により支持されている。

燃料供給器１０のパイロットバーナ１１及び複数のノズル１２は、内筒２０の内部に配置されている。また、燃焼器３同士は連結部（図示せず）を介して連結されており、この連結部を介して燃焼器３の火炎が隣り合う燃焼器３に伝播するようになっている。

図３に示すように、内筒２０と尾筒３０との接続部（嵌めしろ）において、内筒本体部３９の外周面２０ｂと尾筒３０の内周面３０ａとの間には、内筒２０及び尾筒３０の熱による膨張及び変位を許容するために隙間Ｓ１がある。この隙間Ｓ１を封止するため内筒本体部３９の先端部２２付近の外周面２０ｂ上には、板バネ２３と、この板バネ２３によって支持されるシール板２４が取り付けられている。

シール板２４は、内筒２０と尾筒３０との接続部をシールするための円筒形状の薄板であって、周方向に複数のスリット（図示せず）が形成されている。シール板２４は、上流側の外周面が尾筒３０の内周面３０ａに当接しているとともに、下流側の内周面が内筒本体部３９の外周面２０ｂに接合されている。
板バネ２３は、シール板２４の上流側を径方向内周側から尾筒３０の内周面３０ａに向かって付勢する弾性部材であって、シール板２４と同様に円筒形状をなしている。

内筒本体部３９の先端部２２に接続されている出口外側リング４０は、筒状の本体部４１と、本体部４１の外周面に周方向に複数設けられ、径方向外側に突出する凸部４２とを有している。本体部４１の内周側には下流側に向かうに従って徐々に拡径するテーパ形状の拡大面４３が形成されている。即ち、拡大面４３によって、圧縮空気Ａ及び燃料が内筒２０から尾筒３０に滑らかに供給される。

図４及び図５に示すように、出口外側リング４０の本体部４１は、上流側より順に内筒本体部３９の先端部２２に嵌合する嵌合部４４と、多角リング部４５と、絞り部４６とを有している。また、出口外側リング４０には、少なくとも一つ（本実施形態では二つ）の切欠部４７が形成されている。

切欠部４７は、軸方向における絞り部４６の側に設けられており、前述した連結管を介した伝播する火炎の通り道として機能する。なお、以下の説明においては、この切欠部４７がないものとして本体部４１の形状を説明する。また、出口外側リング４０は、取り付けられる燃焼器３の位置や形状に応じて、異なる形状の切欠部４７が形成されている。また、切欠部４７は、火炎の伝搬に用いられる以外にも、点火栓との接続部や、火炎検出にも用いられる。

嵌合部４４は、内筒本体部３９の先端部２２の内周面２０ａと隙間なく嵌合する形状とされている。即ち、出口外側リング４０において、嵌合部４４は内筒本体部３９の先端部２２の内径よりも小さい外径となっている。

絞り部４６の外周面４６ａは、円筒状に形成されており、絞り部４６の外周面４６ａと尾筒３０の内周面３０ａとの間に隙間Ｓ２（図３参照）が設けられている。換言すれば、絞り部４６の外径は、出口外側リング４０を内筒本体部３９の先端部２２に取り付けた際に、尾筒３０の内周面３０ａとの間に隙間Ｓ２が形成されるように設定される。

図６に示すように、多角リング部４５は、軸方向から視た断面形状が多角形状をなしている。即ち、多角リング部４５の外周面４５ａは、円弧状に形成されておらず、複数の外周平面５０と、外周平面５０と外周平面５０との間に形成される複数の稜線５１とを有している。

本実施形態の多角リング部４５の外周面４５ａは、軸方向から視た断面形状が３２の平面、３２の稜線を有する３２角形をなしている。多角リング部４５の外周面４５ａの形状は、この実施形態に限らず、様々な多角形状を採用することができる。どのような多角形状とするかは、内筒２０の直径などに応じて適宜設定することができる。例えば、本実施形態の内筒２０の直径よりも小さい内筒であれば、２０角形など、本実施形態よりも平面や稜線の少ない多角形状とすることができる。

また、外周平面５０は、絞り部４６の外周面４６ａよりも径方向内側に形成されている。換言すれば、外周平面５０の中心軸Ｏからの距離は、絞り部４６の外周面４６ａの半径よりも短くなっている。これにより、図３に示すように、外周平面５０と尾筒３０の内周面３０ａとの間の隙間Ｓ３が、隙間Ｓ２より大きくなっている。

図５に示すように、凸部４２は外周面４５ａと略平行な突出端面５２を有している。突出端面５２は、絞り部４６の外周面４６ａよりも径方向外側に形成されている。図３に示すように、突出端面５２は、外周平面５０からの高さが隙間Ｓ３と略同一となるように形成されている。

図７に示すように、凸部４２は、外周平面５０の周方向の略中央に軸方向に延在するように形成されている。この凸部４２の径方向から視た断面形状は、軸方向に延在する紡錘形状となっている。換言すれば、凸部４２は、径方向と直交する断面形状が、圧縮空気Ａの流れ方向に延在する楕円形状であり、上流側より流入する圧縮空気Ａの流れを極力妨げない形状を有している。

図３に示すように、尾筒３０の基端部３１近傍には周方向にわたって複数（例えば８つ）の空気供給孔３２が形成されている。空気供給孔３２の軸方向位置は、尾筒３０と内筒２０とを組み合わせた際のシール板２４の下流側、かつ、凸部４２の上流側である。即ち、空気供給孔３２は、尾筒３０の外周側より流入する圧縮空気Ａが尾筒３０と内筒２０との間の隙間Ｓ１のシール板２４の下流側であって凸部４２の上流側に流入するような位置に形成されている。

次に、本実施形態の出口外側リング４０の製造方法について説明する。
本実施形態の出口外側リング４０は、その概形を例えば旋盤などの工作機械を用いて作製した後、例えばフライス盤などの工作機械を用いて細部を加工することによって製造される。特に、出口外側リング４０の多角リング部４５については、径方向に突出する凸部４２が一体に形成されているため、フライス盤のエンドミルによって加工される。

具体的には、図８に示すように、エンドミルＭを用いて、凸部４２が残るように外周平面５０が加工される。本実施形態において外周平面５０は、３２個あるため、これら外周平面５０を加工するために、エンドミルＭと加工対象との相対角度は、最初の設置も含めて３２回変更される。即ち、凸部４２が形成された外周平面５０は、ピッチＰ１の角度変更を３２回行うことによって加工される。

次に、本実施形態のガスタービンＧＴの動作について説明する。ガスタービンＧＴにおいて、圧縮機１で圧縮された圧縮空気Ａは、尾筒３０の外周面３０ｂ及び内筒２０の外周面２０ｂと、タービンケーシング６の内周面とに囲まれた流路１４（図２参照）を通り、反転部１５で反転して内筒２０に流入する。

次いで、燃料供給器１０のパイロットバーナ１１及び複数のノズル１２から供給される燃料と圧縮空気Ａが内筒２０から尾筒３０に供給される。内筒２０から供給された燃料及び圧縮空気Ａは、尾筒３０内で火炎を形成する。具体的には、パイロットバーナ１１より供給されるパイロット燃料及び圧縮空気Ａにより拡散火炎が形成され、複数のノズル１２にてメイン燃料及び圧縮空気Ａが予混合されることによって生成される予混合気体が拡散火炎により着火することで、予混合火炎が形成される。

パイロット燃料やメイン燃料の燃焼により生成された燃焼ガスＧは、尾筒３０からタービン側ガス流路（図示せず）内へ送出される。タービン側ガス流路内に入った燃焼ガスＧは、前述したように、タービンロータ８を回転駆動させる。

一方、図３に示すように、圧縮空気Ａは、空気供給孔３２を介して尾筒３０と内筒２０との間の空間に取り込まれる。そして、導入された圧縮空気Ａは、尾筒３０と出口外側リング４０の絞り部４６との間の隙間Ｓ２から尾筒３０の内周面３０ａに沿って噴出される。

尾筒３０に噴出された圧縮空気Ａは、尾筒３０の内周面３０ａ上に薄い膜を形成する。即ち、この圧縮空気Ａの膜は、尾筒３０の内周面３０ａをフィルム冷却し、内筒２０の開口２５から供給される燃料及び圧縮空気Ａと、これらより生成される燃焼ガスＧの熱から尾筒３０の内周面３０ａを保護する。
また、隙間Ｓ１から尾筒３０に導入される圧縮空気Ａは、燃焼用の空気として使用されてもよい。

上記実施形態によれば、隙間Ｓ２から噴出された圧縮空気Ａが尾筒３０をフィルム冷却することによって、尾筒３０の焼損を抑制することができる。

また、出口外側リング４０に凸部４２が形成されていることによって、尾筒３０をフィルム冷却するための圧縮空気Ａを供給する隙間Ｓ３を安定して確保することができる。
また、凸部４２が出口外側リング４０に一体に形成されていることによって、燃焼器３の内筒２０を構成するための部品点数を削減することができる。

また、凸部４２の径方向から視た断面形状が軸方向沿った紡錘形状とされていることによって、凸部４２配置位置における圧縮空気Ａの乱れが効果的に抑制される。これにより、隙間Ｓ２から噴出される圧縮空気Ａの均一性を向上させることができる。

また、出口外側リング４０の多角リング部４５が多角形状に形成されていることによって、多角リング部４５の外周平面５０を形成する際に、加工工具と加工対象との相対的角度の変更回数が少なくなるため、加工工数を低減することができる。

即ち、図９に示すように、本実施形態の多角リング部４５に相当する部位が軸方向から視て円筒形状に形成されている比較例の出口外側リング１４０の場合、当該部位を加工するためには、エンドミルＭの加工ピッチＰ２を図８に示すピッチＰ１と比較して小さくする必要がある。当該部位を円筒形に近づけるために、例えば３６０回の角度変更を必要とする場合、ピッチＰ２は約１°となる。

一方、本実施形態の出口外側リング４０の多角リング部４５は、多角形状に形成されている。例えば本実施形態の多角リング部４５は３２角形とされているため、図８に示すように、ピッチは約１１°である。

また、多角リング部４５が多角形状とされていることによって、エンドミルＭの大径化が可能となる。即ち、加工ピッチが小さい場合、そのピッチに対応した大きさのエンドミルＭが必要となるが、加工ピッチが大きくなり、加工する平面が大きくなることによって、エンドミルＭを大径化が許容される。

また、絞り部４６の外周面４６ａが円筒状に形成されており、絞り部４６の外周面４６ａと尾筒３０の内周面３０ａとの間の隙間Ｓ２が均一となるため、この隙間Ｓ２から噴出される圧縮空気Ａを周方向に均一にすることができる。

また、凸部４２が多角リング部４５の外周平面５０の周方向中央に形成されていることによって、外周平面５０を形成するためのエンドミルＭを用いて、凸部４２を形成することによって、径方向の厚さが均一で、かつ、径方向に周面が伸びる精度良い凸部４２を形成することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。また、上記複数の実施形態で説明した特徴を任意に組み合わせた構成であってもよい。

例えば、出口外側リング４０の凸部４２は本体部４１と一体に形成されていれば外周平面５０の周方向中央に形成する必要はなく、図１０に示すように、外周平面５０と外周平面５０との間の稜線上に凸部４２Ｂを形成してもよい。

また、フィルム冷却に用いられる圧縮空気Ａの導入は、空気供給孔３２を介した方法に限らず、他の導入方法を用いてもよい。例えば、シール板２４に形成されているスリットから圧縮空気Ａを導入してもよい。

また、凸部４２の形状は、径方向視紡錘形状に限ることはなく、圧縮空気Ａの流れに影響を及ぼさない形状を適宜採用することができる。例えば、径方向視円形としてもよい。
また、凸部４２の数は、外周平面５０に一つに限らず、複数形成してもよい。

１ 圧縮機
２ 空気取込口
３ 燃焼器
５ タービン
６ タービンケーシング
７ 車室
８ タービンロータ
１０ 燃料供給器
１１ パイロットバーナ
１２ ノズル
２０ 内筒（第一筒）
２０ａ 内周面
２０ｂ 外周面
２１ 基端部
２２ 先端部
２３ 板バネ
２４ シール板
２５ 開口
３０ 尾筒（第二筒）
３０ａ 内周面
３０ｂ 外周面
３１ 基端部
３２ 空気供給孔
３５ 開口
３９ 内筒本体部（第一筒本体部）
４０ 出口外側リング（リング部）
４１ 本体部
４２ 凸部
４３ 拡大面
４４ 嵌合部
４５ 多角リング部
４５ａ 外周面
４６ 絞り部
４６ａ 外周面
４７ 切欠部
５０ 外周平面
５１ 稜線
５２ 突出端面
Ａ 圧縮空気
Ｇ 燃焼ガス
ＧＴ ガスタービン
Ｓ１ 隙間
Ｓ２ 隙間
Ｓ３ 隙間

Claims (6)

1. 先端の開口から燃料及び空気を供給する第一筒と、
   前記燃料及び空気により内周側に火炎が形成され前記第一筒の先端が基端の内周側に挿入されている第二筒と、を備え、
   前記第一筒は、第一筒本体部と前記第一筒の先端を形成するリング部とを備え、
   該リング部は、筒状の本体部と、該筒状の本体部の外周面に該筒状の本体部と一体に周方向に複数設けられ、径方向外側へ突出する凸部とを有し、
   前記筒状の本体部の外周面は、前記凸部が形成される範囲で前記第一筒の軸線に沿う軸方向から視た断面形状が多角形状に形成されていることを特徴とする燃焼器。
2. 前記筒状の本体部は、前記凸部が形成された多角リング部と、該多角リング部よりも先端側に設けられ、該多角リング部の外周面よりも径方向外周側に外周面が円筒状に形成された絞り部とを有することを特徴とする請求項１に記載の燃焼器。
3. 前記凸部は、前記多角リング部の外周平面の周方向中央に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃焼器。
4. 前記第一筒の径に沿う径方向から視た前記凸部の断面形状が軸方向沿った紡錘形状とされていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃焼器。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃焼器と、
   前記燃焼器の前記第二筒から送出された燃焼ガスにより駆動するタービンと、を備えていることを特徴とするガスタービン。
6. 燃料及び空気により内周側に火炎が形成される第二筒の基端の内周側に先端が挿入されて、前記燃料及び空気を供給する燃焼器の第一筒であって、
   前記第一筒は、第一筒本体部と前記第一筒の先端を形成するリング部とを備え、
   該リング部は、筒状の本体部と、該筒状の本体部の外周面に該筒状の本体部と一体に周方向に複数設けられ、径方向外側へ突出する凸部とを有し、
   前記筒状の本体部の外周面は、前記凸部が形成される範囲で前記第一筒の軸線に沿う軸方向から視た断面形状が多角形状に形成されていることを特徴とする燃焼器の第一筒。

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