JP6387551B2

JP6387551B2 - ガスタービンエンジン

Info

Publication number: JP6387551B2
Application number: JP2014122906A
Authority: JP
Inventors: 康之濱地; 俊樹山口
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2014-06-13
Filing date: 2014-06-13
Publication date: 2018-09-12
Anticipated expiration: 2034-06-13
Also published as: JP2016003785A

Description

本発明は、ガスタービンエンジンの燃焼器のライナーの技術に関する。

ガスタービンエンジンは、内燃機関の一つとして良く知られている。また、燃焼器は、ガスタービンエンジンの一構成部品であって、圧縮された空気中に燃料を噴霧して連続燃焼させ、高温ガスを発生させるものとして公知である。さらに、ライナーは、燃焼器の一構成部品であって、略円筒形状に形成され、内部にて圧縮空気と燃料とを燃焼させるものとして公知である。

ライナーの内壁側には、複数の冷却リングが設けられている（例えば、特許文献１）。また、ライナーには、ライナー外部からの冷却空気をライナー内部へ導入する第一空気導入穴が形成されている。冷却リングは、冷却空気がライナーの内壁に沿うように導くものである。

しかし、冷却リングのライナーとの取り付け部は、第一空気導入穴から導入される冷却空気が接触しないため、ライナー内部の高温中に曝されている。そのため、冷却リングが高温となり、塑性変形する、或いは、クラックが入るおそれがある。

特開２０１０−１０６８２９号公報

本発明の解決しようとする課題は、冷却リングが高温となり、塑性変形する、或いは、クラックが入ることを防止できるガスタービンエンジンを提供することである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、ライナーを備える燃焼器を具備し、前記ライナーには、前記ライナー外部から前記ライナー内部へ冷却空気を導入する第一空気導入穴が形成され、前記ライナーの内壁には、前記冷却空気を前記ライナーの内壁に沿うように導く冷却リングが設けられるガスタービンエンジンであって、前記冷却リングは、円筒形状に形成される取り付け部と、前記取り付け部よりも縮径した円筒形状に形成される冷却空気導入部とが一体となって形成されるとともに、前記冷却リングは、前記ライナーの軸方向において等間隔に設けられ、前記冷却リングの取り付け部と、前記ライナーとは、局所的に溶接によって接合され、前記溶接部の間であって、かつ、前記取り付け部に対向する部分には、前記ライナーの周方向において等間隔に第二空気導入穴が形成されるものである。

本発明のガスタービンエンジンによれば、冷却リングが高温となり、塑性変形する、或いは、クラックが入ることを防止できる。

ガスタービンエンジンの構成を示す模式図。燃焼器の構成を示す模式図。ライナーの構成を示す模式図。ライナーの作用を示す模式図。別のライナーの作用を示す模式図。

図１を用いて、ガスタービンエンジン１００の構成について説明する。なお、図１は、ガスタービンエンジン１００の構成を一部断面視とした側面視にて模式的に表している。

ガスタービンエンジン１００は、本発明のガスタービンエンジンに係る実施形態である。ガスタービンエンジン１００は、圧縮機１０と、タービン２０と、燃焼器３０と、を具備している。

圧縮機１０は、回転することによって空気を圧縮するものである。圧縮機１０は、回転軸Ｌの周方向に螺旋状に形成された複数のインペラ１１を備えている。圧縮機１０は、回転軸Ｌを中心として回転し、各インペラ１１が空気をかくことによって空気を圧縮する。

なお、本ガスタービンエンジン１００における圧縮機１０は、回転軸Ｌに対して平行に供給された空気を圧縮し、回転軸Ｌに対して垂直に圧縮空気を送り出すものである。

燃焼器３０は、圧縮機１０から送り出された圧縮空気に燃料を供給して燃焼させるものである。燃焼器３０は、燃焼器外筒３１の内部に燃料噴射ノズル３２が取り付けられたライナー４０を備えている。

燃焼器３０は、燃焼器外筒３１によってライナー４０の空気孔４１及びスワラー３３からライナー４０の内部に圧縮空気を案内している。そして、燃焼器３０は、燃料噴射ノズル３２が燃料を供給することによって燃料を燃焼させる。

なお、本ガスタービンエンジン１００における燃焼器３０は、ライナー４０の下流側に燃焼ガスを案内する尾筒（図示略）を備えており、回転軸Ｌに対して平行に燃焼ガスを送り出している。

タービン２０は、燃焼器３０から送り出された燃焼ガスを受けて回転するものである。ガスタービンエンジン１００において、タービン２０は、高圧タービン２１と低圧タービン２２とで構成されている。

高圧タービン２１は、回転軸Ｌの周方向に回転軸Ｌに対して所定の角度をなす複数のブレード２３を備えている。また、低圧タービン２２も、回転軸Ｌの周方向に回転軸Ｌに対して所定の角度をなす複数のブレード２４を備えている。高圧タービン２１と低圧タービン２２は、各ブレード２３・２４に燃焼ガスを受け、回転軸Ｌを中心として回転する。

なお、ガスタービンエンジン１００におけるタービン２０は、圧縮機１０を回転させるとともに圧縮機１０に接続されたクイルシャフト１２を回転させる。クイルシャフト１２は、図示しない減速装置を介して発電装置を駆動する。

このような構成とすることで、ガスタービンエンジン１００は、連続的に空気を圧縮し、燃料を燃焼させ、回転動力を得ることができる。そして、ガスタービンエンジン１００は、連続的に得られる回転動力を利用して発電装置を駆動する。

なお、本実施形態のガスタービンエンジン１００は、軽油等の液体燃料を用いる仕様であるが、天然ガス等の気体燃料を用いる仕様であっても良い。また、本実施形態のガスタービンエンジン１００は、いわゆる一軸式ガスタービンエンジンであるが、二軸式ガスタービンエンジンであっても良い。

図２を用いて、燃焼器３０の構成について説明する。なお、図２では、燃焼器３０の構成を一部断面視とした側面視にて模式的に表している。また、以下では、図２に記載される軸方向の頂部側又は基端側に従って説明するものとする。

燃焼器３０は、燃焼器外筒３１とライナー４０との間に供給された圧縮空気を空気孔４１及びスワラー３３によってライナー４０内部に案内し、燃料噴射ノズル３２から燃料をライナー４０内部に供給し、燃料を燃焼させるものである。

ライナー４０は、軸方向の頂部側が先細りとなる略円筒形状に形成されている。ライナー４０の軸方向の頂部側であって軸心部には、燃料噴射ノズル３２が貫通している。ライナー４０の燃料噴射ノズル３２が貫通している周囲には、スワラー３３が設けられている。

スワラー３３は、旋回案内羽根であって、ライナー４０の頂部側からライナー４０の内部に進入する空気を旋回させる機能を有している。スワラー３３からライナー４０の内部（燃焼領域）に取り込まれた空気は、一次空気と呼ばれ、燃料と混合され燃料を燃焼させる。

ライナー４０の側面周囲には、複数の空気孔４１・・・４１が設けられている。空気孔４１からライナー４０の内部（燃焼領域）に取り込まれた空気は、二次空気と呼ばれ、燃焼室の内部冷却と燃焼ガスの希釈、一次空気で完全燃焼しなかった燃料の二次燃焼に利用される。

燃焼器外筒３１は、ライナー４０の径よりも拡径された略円筒形状に形成されている。燃焼器外筒３１は、ライナー４０を被装し、ライナー４０の外部に同軸上に配置されている。

図３を用いて、ライナー４０の構成について説明する。なお、図３では、ライナー４０の構成を一部断面視とした側面視にて模式的に表している。また、以下では、図３に記載される軸方向及び周方向に従って説明するものとする。

ライナー４０は、略円筒形状に形成され、内部にて圧縮空気と燃料とを燃焼させるものである。ライナー４０の内周側には、複数の冷却リング４５・・・４５が設けられている。

ライナー４０の側面周囲には、上述した複数の空気孔４１・・・４１と、複数の第一空気導入穴４６・・・４６と、複数の溶接用貫通穴４７・・・４７と、複数の第二空気導入穴４８・・・４８と、が形成されている。

冷却リング４５は、第一空気導入穴４６から導入される冷却空気をライナー４０の内壁に沿うように導くものである。冷却リング４５は、略円筒形状に形成され、略円筒形状に形成される取り付け部４５Ａと、取り付け部４５Ａよりも縮径した略円筒形状に形成される導入部４５Ｂと、が一体となって形成されている。

冷却リング４５は、ライナー４０の軸方向において略等間隔に設けられている。冷却リング４５の取り付け部４５Ａとライナー４０とは、局所的にプラグ溶接によって接合されている。プラグ溶接とは、母材を重ね合わせて接合する場合、一方の母材に丸穴を形成し、丸穴を埋めるように溶接し接合する溶接方法である。

本実施形態では、ライナー４０に溶接用貫通穴４７が形成され、溶接用貫通穴４７を埋めるように溶接して溶接部４７Ｙが形成され（図４参照）、冷却リング４５の取り付け部４５Ａとライナー４０とが接合される。

第一空気導入穴４６は、ライナー４０外部からの圧縮空気（冷却空気）をライナー４０内部へ導入するものである。第一空気導入穴４６は、冷却リング４５の導入部４５Ｂに対向する位置に形成されている。

第一空気導入穴４６は、冷却リング４５に対応してライナー４０の軸方向において略等間隔に形成されている。また、第一空気導入穴４６は、ライナー４０の周方向において略等間隔に形成されている。

溶接用貫通穴４７は、冷却リング４５とライナー４０とをプラグ溶接する際に用いられる貫通穴である。溶接用貫通穴４７は、冷却リング４５の取り付け部４５Ａに対向する位置に形成されている。

溶接用貫通穴４７は、冷却リング４５に対応してライナー４０の軸方向において略等間隔に形成されている。さらに、溶接用貫通穴４７は、ライナー４０の周方向において略等間隔に形成されている。

第二空気導入穴４８は、ライナー４０外部からの圧縮空気（冷却空気）をライナー４０内部へ導入するものである。第二空気導入穴４８は、冷却リング４５の取り付け部４５Ａに対向する位置に形成されている。

第二空気導入穴４８は、冷却リング４５に対応してライナー４０の軸方向において略等間隔に形成されている。また、第二空気導入穴４８は、ライナー４０の周方向において略等間隔に形成されている。

第二空気導入穴４８は、溶接用貫通穴４７・４７の間に形成されている。また、第二空気導入穴４８の径は、溶接用貫通穴４７の径と略同径に形成されている。

図４を用いて、ライナー４０の作用について説明する。なお、図４の上方左側には、ライナー４０の構成を側面視によって模式的に表し、図４の上方右側には、第二空気導入穴４８の周囲の構成を拡大した拡大図によって模式的に表し、図４の下方には、拡大図のＡＡ断面図を模式的に表している。

ガスタービンエンジン１００の運転中において、ライナー４０では、ライナー４０の内側に高温の燃焼ガスが通過し（図４における黒抜き矢印）、ライナー４０の外側に圧縮空気が通過する（図４における白抜き矢印）。このとき、ライナー４０の外側を通過する圧縮空気の一部が、第一空気導入穴４６を貫通して冷却空気としてライナー４０の内側に導かれる。

ライナー４０の内側に導かれた冷却空気は、冷却リング４５の導入部４５Ｂに導かれてライナー４０の内壁に沿って通過し、高温中に曝されているライナー４０の内壁及び冷却リング４５の導入部４５Ｂと接触する。そして、ライナー４０の内壁及び冷却リング４５の導入部４５Ｂは、冷却空気によって冷却される。

ここで、ライナー４０と冷却リング４５の取り付け部４５Ａとの間には、寸法公差又は熱膨張差により隙間が生じる。そして、ライナー４０の外側を通過する圧縮空気の一部が、第二空気導入穴４８を貫通して冷却空気としてライナー４０と冷却リング４５の取り付け部４５Ａとの隙間に導かれる。

ライナー４０と冷却リング４５の取り付け部４５Ａとの隙間に導かれた冷却空気は、高温中に曝されているライナー４０の内壁及び冷却リング４５の取り付け部４５Ａと接触する。そして、ライナー４０の内壁及び冷却リング４５の取り付け部４５Ａは、冷却空気によって冷却される。

ガスタービンエンジン１００の効果について説明する。ガスタービンエンジン１００によれば、冷却リング４５が高温となり、塑性変形する、或いは、クラックが入ることを防止できる。

従来、冷却リング４５の取り付け部４５Ａは、第一空気導入穴４６から導入される冷却空気が接触しないため、ライナー４０内部の高温中に曝されていた。そのため、冷却リング４５が高温となり、塑性変形する、或いは、クラックが入るおそれがあった。

本実施形態のガスタービンエンジン１００によれば、第二空気導入穴４８を設け、冷却空気をライナー４０と冷却リング４５の取り付け部４５Ａとの隙間に導き、冷却リング４５の取り付け部４５Ａを冷却することによって、冷却リング４５が高温となり、塑性変形する、或いは、クラックが入ることを防止できる。

また、本実施形態のガスタービンエンジン１００によれば、第二空気導入穴４８をライナー４０の周方向において等間隔に形成することによって、効率良く冷却リング４５の取り付け部４５Ａを冷却することができる。

さらに、本実施形態のガスタービンエンジン１００によれば、第二空気導入穴４８を溶接用貫通穴４７と同径とすることによって、第二空気導入穴４８と溶接用貫通穴４７とを同じ工程で形成することができるため、製造効率を向上できる。

図５を用いて、ライナー１４０の作用について説明する。なお、図５の上方左側には、ライナー１４０の構成を側面視によって表し、図５の上方右側には、第二空気導入穴１４８の周囲構成を拡大した拡大図によって表し、図５の下方には、拡大図のＢＢ断面図を模式的に表している。

ライナー１４０は、本発明のライナーに係る別の実施形態である。ライナー１４０の冷却リング１４５、第一空気導入穴１４６及び溶接用貫通穴１４７については、ライナー１４０の冷却リング１４５、第一空気導入穴１４６及び溶接用貫通穴１４７と同様の構成であるため、説明を省略する。

第二空気導入穴１４８は、ライナー１４０外部からの圧縮空気（冷却空気）をライナー１４０内部へ導入するものである。第二空気導入穴１４８は、冷却リング１４５の取り付け部１４５Ａに対向する位置に形成されている。

第二空気導入穴１４８は、冷却リング１４５に対応してライナー１４０の軸方向において略等間隔に設けられている。第二空気導入穴１４８は、長穴形状に形成されている。このような構成とすることで、ライナー１４０についてもライナー１４０と同様の作用を奏する。

１０圧縮機
２０タービン
３０燃焼器
４０ライナー
４１空気穴
４５冷却リング
４６第一空気導入穴
４７溶接用貫通穴
４８第二空気導入穴
１００ガスタービンエンジン

Claims

ライナーを備える燃焼器を具備し、前記ライナーには、前記ライナー外部から前記ライナー内部へ冷却空気を導入する第一空気導入穴が形成され、前記ライナーの内壁には、前記冷却空気を前記ライナーの内壁に沿うように導く冷却リングが設けられるガスタービンエンジンであって、
前記冷却リングは、円筒形状に形成される取り付け部と、前記取り付け部よりも縮径した円筒形状に形成される冷却空気導入部とが一体となって形成されるとともに、
前記冷却リングは、前記ライナーの軸方向において等間隔に設けられ、
前記冷却リングの取り付け部と、前記ライナーとは、局所的に溶接によって接合され、
前記溶接部の間であって、かつ、前記取り付け部に対向する部分には、前記ライナーの周方向において等間隔に第二空気導入穴が形成される、
ガスタービンエンジン。