JP6423760B2 - ガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造 - Google Patents

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Description

本発明はガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造に係り、特に、燃料と空気を予め混合した後に燃焼させる予混合燃焼を採用したものに好適なガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造に関する。
環境保護の観点から、ガスタービンの排出ガスには更なる低ＮＯｘ化が求められている。ガスタービン燃焼器の燃焼法として、燃料と空気を予め混合した後に燃焼させる予混合燃焼があり、これは、燃料を直接燃焼室に噴射して燃焼させる拡散燃焼に比べてＮＯｘを大幅に低減することができる。
従って、近年のＮＯｘ排出規制に対応すべく、この予混合燃焼を採用するガスタービンが増加している。
また、燃料と空気の同軸噴流を形成する燃料ノズルと燃料ノズルヘッダを備えたガスタービン燃焼器が、特許文献１に記載されている。この特許文献１には、燃料ノズルヘッダに生成する熱応力を抑制して寿命の向上を図るために、燃料ノズルヘッダに燃料ノズルを配設する設置孔を設け、燃料ノズルヘッダの設置孔の内部で燃料ノズルの外周側と設置孔の内周側との間に空気層の空間部又は中空の円筒形状の断熱層を形成し、燃料ノズルの後端部に燃料ノズルヘッダの設置孔又はこの設置孔を開口した燃料ノズルヘッダの端面と係合する係合手段を設置して、燃料ノズルを燃料ノズルヘッダに固定したことが記載されている。
特開２００９−１４２９７号公報
しかしながら、ガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ化を図る方策として、燃料と空気を予め混合した後に燃焼させる予混合燃焼があるが、これは燃料を直接燃焼室に噴射して燃焼させる拡散燃焼に比べて燃焼振動が発生しやすく、燃料ノズル等の燃焼器部材に振動応力が作用し、高サイクル疲労による損傷が懸念される課題があった。
また、特許文献１には、燃料ノズル等の燃焼器部材に振動応力が作用し、高サイクル疲労による損傷が懸念されることに対しての対策に関しては、全く触れられていない。
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、燃料と空気を予め混合した後に燃焼させる予混合燃焼を採用したものであっても、予混合燃焼用の燃料ノズルの耐振動強度が向上すると共に、燃料ノズルがエンドフランジとの溶接部で破損してもノズルが下流方向に飛散せず、燃焼器部材に損傷を与える懸念がなくなるガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造を提供することにある。
本発明のガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造は、上記目的を達成するために、拡散燃焼用の燃料を燃焼室に噴射する拡散用燃料ノズルを有する拡散用燃焼バーナと、予混合用の燃料を予混合器に噴射する予混合用燃料ノズルを有する予混合用燃焼バーナと、前記拡散用燃焼バーナ及び前記予混合用燃焼バーナが機械的に接合されたエンドフランジと、該エンドフランジに前記拡散用燃焼バーナを固定すると共に、前記予混合用燃料ノズルの前記エンドフランジとの接合部である根元部を覆うように挿入配置された拡散用燃焼バーナ支持部とを備え、前記予混合用燃料ノズルの外径が前記エンドフランジとの接合部に向うに従い太くなるよう長手方向に変化し、かつ、予混合用燃料ノズルの根元部の最大径が、前記拡散用燃焼バーナ支持部に設けられた孔部の内径より大きいことを特徴とする。
本発明によれば、燃料と空気を予め混合した後に燃焼させる予混合燃焼を採用したものであっても、予混合燃焼用の燃料ノズルの耐振動強度が向上すると共に、燃料ノズルがエンドフランジとの溶接部で破損してもノズルが下流方向に飛散せず、燃焼器部材に損傷を与える懸念がなくなる。
本発明のガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造が採用されるガスタービン燃焼器を示す断面図である。 図１における予混合用燃料ノズルが配置された予混合器を示す部分断面図である。 本発明のガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造の実施例１を示す部分断面図である。 本発明のガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造の実施例２を示す部分断面図である。 本発明のガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造の実施例３を示す部分断面図である。 本発明のガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造の実施例４を示す部分断面図である。 本発明のガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造の実施例５を示す部分断面図である。 本発明者等による実験結果であり、予混合用燃料ノズルの根元部に段差部を設けた場合の段差部の応力集中係数と溶接部の疲労限との関係を示す特性図である。 従来のガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造における予混合用燃料ノズルが配置された予混合器を示す部分断面図である。
以下、図示した実施例に基づいて本発明の本発明のガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造を説明する。
図１は、本発明のガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造が採用されるガスタービン燃焼器を示すものである
該図において、１００はガスタービン燃焼器、８は燃焼室、３は拡散用燃料ノズル（パイロットバーナ）、５は予混合器、１は予混合用燃料ノズルである。
ガスタービン燃焼器１００は、拡散燃焼用の燃料１０を燃焼室８に噴射する拡散用燃料ノズル３を有する拡散用燃焼バーナ１３と、予混合用の燃料６を予混合器５に噴射する予混合用燃料ノズル１を有する予混合用燃焼バーナ１１を備えている。即ち、燃焼室８の上流側中央部には拡散用燃焼バーナ１３が配置され、その周囲に複数個の予混合器５及び予混合燃焼用の予混合用燃料ノズル１が配置される構造となっている。そして、これら拡散用燃焼バーナ１３及び予混合用燃焼バーナ１１は、エンドフランジ７と機械的に接合されている。
図２に、図１における予混合用燃料ノズル１が配置された予混合器５、及び図９に、従来技術の予混合用燃料ノズル１が配置された予混合器５をそれぞれ示す。
該図に示す如く、予混合器５は、燃焼空気２が流通するガス流路とガス流路内に配置された予混合用燃料ノズル１を備え、予混合用燃料ノズル１から噴出された予混合用の燃料６が、予混合器５内で燃焼空気２と混合され、燃焼室８に供給される構造となっている。
図２に示す如く、予混合用の燃料６は、エンドフランジ７に設けられた孔７ａ及び予混合用燃料ノズル１の内部孔１ａを通過して、予混合器５へ噴出する。また、予混合用燃料ノズル１は、その根元部がエンドフランジ７と隅肉溶接５０で接合されている（図９も同様）。
予混合用燃料ノズル１は、上述したように、燃焼室８の中央に位置する拡散用燃焼バーナ１３の周囲に配置されるが、この拡散用燃焼バーナ１３をエンドフランジ７と固定するための拡散用燃焼バーナ支持部１２との干渉を回避するため、その拡散用燃焼バーナ支持部１２に孔部１２ａが設けられている。
これらを組立てする際は、予混合用燃料ノズル１をエンドフランジ７に溶接した後に、孔部１２ａを設けた拡散用燃焼バーナ支持部１２を、予混合用燃料ノズル１の先端側から挿入する手順がとられる。
ところで、燃焼室８へ供給された燃焼空気２と拡散燃焼用の燃料１０が燃焼する際、燃焼振動が発生することがあるが、予混合用燃焼バーナ１１は拡散燃焼に比べて燃焼振動が発生しやすく、しかも、発生時の圧力変動が大きいため、予混合用燃料ノズル１の作用する振動応力が大きい傾向にある。振動応力は、予混合用燃料ノズル１の先端部が振動することで、予混合用燃料ノズル１のエンドフランジ７と接合部である根元部や溶接部５０に曲げ応力が繰り返し負荷される形態となる。
従って、図９に示す従来技術では、予混合用燃料ノズル１に大きな振動応力が多数回にわたって作用すると、例えば、溶接止端部からき裂５１が発生して、それが内部に進展し、予混合用燃料ノズル１の断面を貫通することによって、予混合用燃料ノズル１の全体が破断する事象が生じる恐れがある。
また、図９に示す従来技術の予混合用燃料ノズル１の根元部や溶接止端部で破断が生じた場合、分断した予混合用燃料ノズル１が拡散用燃焼バーナ支持部１２の孔部１２ａを通って燃焼室８側へ飛散し、下流側の燃焼器部品を損傷させる恐れもある。
このような事象を防止する本発明のガスタービン燃焼器のノズル構造の実施例を、以下に説明する。
図１に、本発明のガスタービン燃焼器のノズル構造の実施例１を示す。なお、以降に説明する各実施例では、予混合用燃料ノズル１の外径を最も太い根元部２１、根元部２１よりは細い直線状の段差部２０及び段差部２０と同等の太さの直線状の先端部２２の３つの領域に分けたものとした。
そして、図３に示す実施例１では、予混合用燃料ノズル１のエンドフランジ７との接合部付近の根元部２１に段差部２０を設け、拡散用燃焼バーナ支持部１２の内径ｄ１より、予混合用燃料ノズル１の根元部２１の外径Ｄ１を大きくしたものである。
これにより、耐振動強度が他部と比較して低くなりやすい溶接部５０の止端部でき裂５１が発生し、この領域で予混合用燃料ノズル１が破損したとしても、破損部で燃料漏れが生じるものの、予混合用燃料ノズル１が拡散用燃焼バーナ支持部１２の孔部１２ａを通って下流側に飛散することがなくなり、下流側の燃焼器部品を損傷させる問題がなくなる。また、予混合用燃料ノズル１の根元部２１の外径Ｄ１を、従来より太くすることで曲げ応力が小さくなるため、溶接部５０の耐振動強度も向上することができる。
更に、本実施例では、段差部２０と根元部２１の境界域を、円弧状の滑らかな断面変化としているため、この部位の応力集中係数が小さくなり、この部位からのき裂発生と予混合用燃料ノズル１の破損の懸念が小さくなる。
このような本実施例の構成とすることにより、予混合用燃料ノズル１の根元部２１の外径Ｄ１が従来より太くなっているため、予混合用燃料ノズル１の耐振動強度が向上すると共に、拡散用燃焼バーナ支持部１２の内径ｄ１より、予混合用燃料ノズル１の根元部２１の外径Ｄ１を大きくしているので、予混合用燃料ノズル１がエンドフランジ７との溶接部５０で破損しても、予混合用燃料ノズル１が下流方向に飛散する恐れがなくなり、燃焼器部材に損傷を与える懸念がなくなる。
図４に、本発明のガスタービン燃焼器のノズル構造の実施例２を示す。
該図に示す本実施例では、予混合用燃料ノズル１の段差部２０における予混合用燃料ノズル１の外径の変化を、その長手方向に全域にわたって円弧状としたものである。即ち、予混合用燃料ノズル１の段差部２０の形状をフィレット状としたもので、段差部２０をフィレット状に形成することで、断面変化部の応力集中係数がさらに小さくなり、予混合用燃料ノズル１の根元部２１の応力が軽減される。
このような形状を適用しても、予混合用燃料ノズル１の根元部２１の外径は、拡散用燃焼バーナ支持部１２の内径より大きいので、溶接部５０から破損しても予混合用燃料ノズル１が下流方向に飛散する懸念はない。
図５に、本発明のガスタービン燃焼器のノズル構造の実施例３を示す。
該図に示す本実施例では、予混合用燃料ノズル１の段差部２０における予混合用燃料ノズル１の外径の変化を、溶接の止端部にまでに亘って円弧状（フィレット状）とすると共に、併せて、予混合用燃料ノズル１の先端部２２をテーパ状に形成したテーパ部とすることで、予混合用燃料ノズル１の先端部２２から根元部２１に向かう外径の長手変化を連続的としたものである。即ち、予混合用燃料ノズル１の外径は、根元部２１が直線状、段差部２０がフィレット状、先端部２２がテーパ状に形成されている。
このように構成することにより、実施例１及び２と同様な効果を得ることができることは勿論、予混合用燃料ノズル１の先端部２２の重量を軽減させると共に、予混合燃焼に供給される燃焼空気２との干渉が抑制されるため、予混合用燃料ノズル１の形状の太径化によって予混合燃焼の性能を劣化させることなしに、その耐振動強度を向上させることができる。
換言すると予混合用燃料ノズル１の拡散用燃焼バーナ支持部１２から先端側で燃焼空気２と接する領域の予混合用燃料ノズル１の直径を大きくすると、燃焼空気２と燃料１０の混合性が劣化するなど燃焼性能に悪影響を及ぼす懸念があるが、予混合用燃料ノズル１の拡散用燃焼バーナ支持部１２より根元側を太くしても悪影響はない。
図６に、本発明のガスタービン燃焼器のノズル構造の実施例４を示す。
該図に示す本実施例では、実施例３における段差部２０のフィレット形状を、並行部（直線部）２０ａとテーパ部２０ｂからなる形状としたものである。
このような構成であっても、実施例３と同様の効果が得られる。
図７に、本発明のガスタービン燃焼器のノズル構造の実施例５を示す。
該図に示す本実施例では、実施例４における段差部２０と同一形状を成す孔部を拡散用燃焼バーナ支持部１２に設けることで、拡散用燃焼バーナ支持部１２をエンドフランジ７側にボルト締結等で固定する際に、予混合用燃料ノズル１と拡散用燃焼バーナ支持部１２が加圧、密着するような構造としたものである。
このような構造を採用することによって、上述した実施例と同様な効果が得られることは勿論、予混合用燃料ノズル１が共振等で振動した際に、予混合用燃料ノズル１と拡散用燃焼バーナ支持部１２の接触界面で摩擦等が生じ振動が減衰する効果が得られる。
このように予混合用燃料ノズル１と拡散用燃焼バーナ支持部１２を密着させることで、振動減衰させる効果は、図７の実施例５に限定されるものではなく、両者が密着する形状とすれば発揮することができる。
[実験例１]
次に、本発明者等は、本発明に係る予混合燃焼用の予混合用燃料ノズル１の耐振動強度を評価し、その効果を従来技術と比較したので、以下に、その結果について記載する。
本実験例における疲労強度サンプルは、図９に示す従来技術による予混合用燃料ノズル１及び図３に示す本発明の実施例１による予混合用燃料ノズル１とし、それぞれの予混合用燃料ノズル１の先端部に変位を付加する疲労試験によって、各サンプルの疲労限を評価した。予混合用燃料ノズル１及びエンドフランジ７の材質はＳＵＳ３０４で、予混合用燃料ノズル１の根元部２１をエンドフランジ７と隅肉溶接したものである。
本発明の実施例１によるサンプルは、予混合用燃料ノズル１の段差部２０と根元部２１の境界部の角曲率をＲ０.５とＲ２.０の２種類とし、その部位の応力集中係数が異なるものとした。試験温度は４００℃で大気中である。
表１は、予混合用燃料ノズル１の曲げ疲労強度に関する本発明の実施例１と従来技術との比較を示す。ここでは、予混合用燃料ノズル１の疲労強度として、予混合用燃料ノズル１の溶接部５０に作用する公称曲げ応力で整理した試験結果を用いた。
Figure 0006423760
表１より、従来技術による予混合用燃料ノズルの疲労強度は約８５ＭＰａであった。この結果は、予混合用燃料ノズル１の外径がφ１０とφ１４ともにほぼ同等の結果となった。
これに対して、本発明の実施例１による結果は、予混合用燃料ノズル１の段差部２０の角曲率がＲ２と滑らかなものは、実施例１とほぼ同等の結果が得られたが、角曲率がＲ０.５と鋭角なものは、疲労強度が若干低い６５ＭＰａとなった。この要因は、角曲率が鋭角で応力集中が大きいものは溶接部５０でなく、角部で破損するためであった。
この予混合用燃料ノズル１に使用したＳＵＳ３０４の疲労限は約２００ＭＰａであり、溶接部５０の疲労限となった８５ＭＰａより大きな応力が作用する段差部２０を設けると、溶接部５０より段差部２０の方が疲労強度が低くなるためであった。即ち、予混合用燃料ノズル１の根元部２１に段差部２０を設ける場合には、その応力集中係数が、溶接部５０と母材の疲労強度の割合である２.３５より小さくする必要がある。
上述の実施例において、予混合用燃料ノズル１の外形状を変化させて不連続な部位が生じる場合は、その応力集中係数を少なくとも２.３５以下とすることが好ましい。
即ち、図８に、予混合用燃料ノズル１の根元部２１に段差部２０を設けた場合の段差部２０の応力集中係数と溶接部５０の疲労限との関係を示すが、該図に示す如く、疲労限がＳＵＳ３０４の疲労限である約２００ＭＰａから下がっても、溶接部５０の疲労限となった８５ＭＰａとの交点の応力集中係数が２.３５以下であれば、疲労強度は高く保つことができる明らかであり、応力集中係数は２.３５以下が好ましいことが分かる。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１…予混合用燃料ノズル、１ａ…予混合用燃料ノズルの内部孔、２…燃焼空気、３…拡散用燃料ノズル、４…保炎器、５…予混合器、６…予混合用の燃料、７…エンドフランジ、７ａ…エンドフランジの孔、８…燃焼室、１０…拡散燃焼用の燃料、１１…予混合用燃焼バーナ、１２…拡散用燃焼バーナ支持部、１２ａ…拡散用燃焼バーナ支持部の孔部、１３…拡散用燃焼バーナ、２０…予混合用燃料ノズルの段差部、２０ａ…段差部の並行部（直線部）、２０ｂ…段差部のテーパ部、２１…予混合用燃料ノズルの根元部、２２…予混合用燃料ノズルの先端部、５０…溶接部、５１…き裂、１００…ガスタービン燃焼器。

Claims (10)

  1. 拡散燃焼用の燃料を燃焼室に噴射する拡散用燃料ノズルを有する拡散用燃焼バーナと、予混合用の燃料を予混合器に噴射する予混合用燃料ノズルを有する予混合用燃焼バーナと、前記拡散用燃焼バーナ及び前記予混合用燃焼バーナが機械的に接合されたエンドフランジと、該エンドフランジに前記拡散用燃焼バーナを固定すると共に、前記予混合用燃料ノズルの前記エンドフランジとの接合部である根元部を覆うように挿入配置された拡散用燃焼バーナ支持部とを備え、
    前記予混合用燃料ノズルの外径が前記エンドフランジとの接合部に向うに従い太くなるよう長手方向に変化し、かつ、予混合用燃料ノズルの根元部の最大径が、前記拡散用燃焼バーナ支持部に設けられた孔部の内径より大きいことを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造。
  2. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造において、
    前記予混合用燃料ノズルの根元部が、前記エンドフランジと隅肉溶接されていることを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造。
  3. 請求項１又は２に記載のガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造において、
    前記予混合用燃料ノズルの外径は、最も太い前記根元部と、該根元部よりは細い段差部と、該段差部と同等の太さか或いは該段差部より細い先端部とから成ることを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造。
  4. 請求項３に記載のガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造において、
    前記根元部と段差部が、前記拡散用燃焼バーナ支持部に設けられた孔部内部に位置することを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造。
  5. 請求項３又は４に記載のガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造において、
    前記根元部と段差部との境界域は、円弧状に形成されていることを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造。
  6. 請求項３又は４に記載のガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造において、
    前記段差部は、フィレット状に形成されていることを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造。
  7. 請求項３又は４に記載のガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造において、
    前記予混合用燃料ノズルの外径は、前記根元部が直線状、前記段差部がフィレット状、前記先端部がテーパ状に形成されていることを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造。
  8. 請求項７に記載のガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造において、
    前記段差部のフィレット形状は、直線部とテーパ部からなることを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造。
  9. 請求項５乃至８のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造において、
    前記拡散用燃焼バーナ支持部に設けられた孔部の内径形状は、前記予混合用燃料ノズルの外径形状と同一に形成され、かつ、前記拡散用燃焼バーナ支持部に設けられた孔部と前記予混合用燃料ノズルが密着していることを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造。
  10. 請求項５乃至９のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造において、
    前記予混合用燃料ノズルの外径は、長手方向に不連続に変化する部位の応力集中係数が２.３５以下であることを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料ノズル構造。
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