JP6485942B2 - 燃焼器、ガスタービン - Google Patents

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Description

本発明は、燃焼器、及びこれを備えるガスタービンに関する。
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て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。
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間隙からフィルム空気を供給する構造が知られている(例えば、特許文献1参照)。
ここで、実際のガスタービンを構成するに当たっては、複数の燃焼器をガスタービンの外周に沿って配置するとともに、これらを連結管によって連結する構成が採られることが多い。このような燃焼器では、一の燃焼器のみに点火栓を設けた上で、点火された燃焼器内の火炎を、連結管を通じて他の燃焼器に伝搬させることで、燃焼器すべてに着火することを可能としている。上述のような連結管を燃焼器に設ける場合には、具体的には燃焼器の内筒の壁面に開口を設け、隣り合う燃焼器の開口同士を連結管で連結する構成が採られる場合がある。さらに、この開口付近では、連結管を流通する燃焼ガスや火炎が燃焼器内筒と干渉することを避けるために、切欠き部が形成されている。
特許第4709433号公報
しかしながら、上述のような構成の燃焼器では、フィルム空気を内筒の内部に一様に流通させることに困難を伴う場合がある。特に、特許文献1に記載された技術では、連結管が連結される領域近傍において、連結管によってフィルム空気の流れが妨げられるため、フィルム空気の剥離を生じてしまう。加えて、上述の切欠き部に燃焼ガスが滞留することで、望まない領域に火炎が形成されてしまう。これにより、燃焼器に損傷を生じる可能性がある。
上記課題を解決するため、本発明の燃焼器、及びガスタービンは、以下の手段を提案している。
本発明の一態様に係る燃焼器は、内側に流路を形成する尾筒と、前記流路の上流側から前記尾筒内に挿入されて燃焼ガスを前記流路内に吹き出すとともに、前記尾筒の内周面との間に圧縮空気を吹き出す間隙を形成する内筒と、を備え、前記内筒に、前記尾筒の内周面に開口する連結管に対応する形状をなすように、該内筒の下流側の端部から上流側に向かって凹む切欠き部と、前記間隙内の圧縮空気を前記切欠き部内に導入するパージ空気導入孔と、が形成されている。
上述のような構成によれば、パージ空気導入孔が設けられていることにより、切欠き部内に向けて、パージ空気流としての圧縮空気を導くことができる。パージ空気流が供給されることにより、切欠き部内における燃焼ガスの滞留や、この滞留した燃焼ガスに着火することで生じる火炎の形成を抑制することができる。
さらに、本発明の一態様に係る燃焼器では、前記内筒は、前記切欠き部の端縁に沿って形成されるとともに、前記流路から離間する方向に向かって突出する突出部を有し、前記パージ空気導入孔は、前記突出部を貫通する貫通孔であってもよい。
上述のような構成によれば、パージ空気導入孔として突出部を貫通する貫通孔が設けられていることにより、パージ空気流としての圧縮空気をより確実に切欠き部内に導入することができる。
さらに、本発明の一態様に係る燃焼器では、前記貫通孔は、上流側から下流側に向かうに従って、内径寸法が減少するように構成されていてもよい。
上述のような構成によれば、貫通孔の内径寸法が上流側から下流側にかけて減少することから、下流側におけるパージ空気流の流速を高める方向に適宜調節することができる。
さらに、本発明の一態様に係る燃焼器では、前記貫通孔は、上流側から下流側に向かうに従って、内径寸法が増大するように構成されていてもよい。
上述のような構成によれば、貫通孔の内径寸法が上流側から下流側にかけて増大することから、下流側におけるパージ空気流の流速を低める方向に適宜調節することができる。
さらに、本発明の一態様に係る燃焼器は、複数の前記貫通孔を備えていてもよい。
上述のような構成によれば、パージ空気導入孔として複数の貫通孔を備えていることから、切欠き部内のより広い範囲に向かってパージ空気流を導入することができる。
さらに、本発明の一態様に係るガスタービンは、上記の各態様のいずれか一つに係る前記燃焼器を複数備え、前記複数の前記燃焼器は前記切欠き部に対応する形状の連結管によって互いに連結される構成であってもよい。
上述のような構成によれば、燃焼器同士を連結する連結管と、内筒とが干渉することを回避することができるとともに、連結管が設けられる領域にもパージ空気流を十分に行き渡らせることができる。
本発明の燃焼器、及びガスタービンによれば、燃焼器に損傷が生じる可能性を効果的に低減することができる。
本発明の実施形態に係るガスタービンの概略図である。 本発明の実施形態に係る燃焼器の軸線に直交する方向から見た断面概略図である。 本発明の実施形態に係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係る燃焼器における、内筒と尾筒との接続部を周方向から見た断面図(図3のIV−IV線における断面図)である。 本発明の実施形態に係る燃焼器の変形例を示す図である。 本発明の実施形態に係る燃焼器の変形例を示す図である。
以下、本発明の第一実施形態について図面を参照して説明する。
図1に示すように、本実施形態に係るガスタービン1は、多量の空気を内部に取り入れて圧縮する圧縮機2と、この圧縮機2にて圧縮された圧縮空気Aに燃料を混合して燃焼させる燃焼器3と、燃焼器3から導入された燃焼ガスGの熱エネルギーを回転エネルギーに変換するタービン4とを備えている。
圧縮機2及びタービン4は、互いに一体で回転するように連結されたロータ5と、ロータ5の外周側を囲うステータ6とを備えている。ロータ5は、回転軸7と、軸線O方向に間隔を空けて固定されている複数の環状動翼群8と、を有している。各々の環状動翼群8は、回転軸7の外周に、周方向に互いの間隔を空けて固定されている複数の動翼を有して構成されている。
ステータ6は、それぞれケーシング9と、ケーシング9内において軸線O方向に間隔をあけて固定された複数の環状静翼群10とを備えている。環状静翼群10は、各々のケーシング9内面に、周方向に互いの間隔をあけて固定されている複数の静翼を有している。
環状静翼群10は、それぞれ、複数の環状動翼群8と、軸線O方向に交互に配置されている。
図2に示すように、燃焼器3は、圧縮機2からの圧縮空気A及び燃料を噴射する燃料供給器11と、燃料供給器11からの圧縮空気A及び燃料を供給する内筒20と、内筒20から吹き出された圧縮空気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4に送る尾筒30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4の車室14内に配置されている。
さらに、本実施形態では、複数の燃焼器3をガスタービン1のケーシング9の外周に沿って配置するとともに、これらを連結部Cによって連結する構成とされている。このような燃焼器3では、一の燃焼器のみに点火栓を設けた上で、点火された燃焼器内の火炎を、連結部Cを通じて他の燃焼器に伝搬させることで、燃焼器すべてに着火することを可能としている。
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、を有している。内筒20の一方の端部には燃料供給器11が設けられ、他方の端部には開口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、基端部21の側を上流側、先端部22の側を下流側とする。また、内筒20の軸線Oに沿う方向を軸線方向、軸線Oを中心とした円周に沿う方向を周方向とし、この円周の径に沿う方向を径方向とする。
尾筒30は、内筒20と同様に、筒状をなして形成された部材である。尾筒30の内部は一方から他方にかけて貫通されており、一方の端部は開口35とされている。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4の燃焼通路に接続されている。
燃料供給器11は、ケーシング9に固定されている。内筒20の基端部21は、この燃料供給器11によって支持されている。さらに、内筒本体部39の先端部22は、尾筒30の基端部31とともに、ケーシング9に設けられた不図示の支持部材によって支持されている。
燃料供給器11のパイロットバーナ12Pと、複数のメインバーナ12Mと、を有している。パイロットバーナ12Pは、燃焼器3の軸線Oに沿って設けられている。パイロットバーナ12Pは、供給された燃料をパイロットノズル13Pから噴射する。このパイロットノズル13Pから噴射された燃料に着火することで火炎が形成される。
また、詳細な図示は省略するが、パイロットバーナ12Pには、パイロットコーンが設けられている。パイロットコーンは、パイロットノズル13Pの外周側を囲む筒状の部材である。パイロットコーンは、火炎の拡散範囲、方向を規制することで保炎性を高めることを目的として設けられている。
さらに、内筒20の内側には複数のメインバーナ12Mが設けられている。より詳細には、複数のメインバーナ12Mは、パイロットバーナ12Pの外周側に周方向に等間隔で配置されている。それぞれのメインバーナ12Mは内筒20の軸線Oに沿って延びることで、上述のパイロットバーナ12Pと平行をなしている。
メインバーナ12Mの先端部には、メインノズル13Mが設けられている。このように形成されたメインバーナ12Mに対して、不図示の燃料ノズルから燃料を噴射する。噴射された燃料は、内筒20内の圧縮空気Aと混合し、予混合ガスを生成する。この予混合ガスは、上述のパイロットバーナ12Pで形成された火炎によって着火されて、尾筒30内で予混合拡散燃焼による火炎を生じる。燃焼された予混合ガスは、燃焼ガスGとして後続のタービン4に向かって流通される。
さらに、図3に示すように、内筒20と尾筒30との接続部(嵌めしろ)では、内筒本体部39の外周面20bと尾筒30の内周面30aとの間に、内筒20及び尾筒30の熱による膨張や変位を許容するための間隙S1が形成されている。この間隙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(不図示)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を内筒本体部39に対して脱落不能に固定するための固定部材(不図示)と、を有している。
さらに、本体部41の内周側には、下流側に向かうに従って次第に拡径するテーパ形状の拡大面43が形成されている。この拡大面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。
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、絞り部45と、を有している。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。すなわち、嵌合部44における外径寸法は、内筒本体部39の先端部22における内径寸法よりも小さく設定されている。さらに、絞り部45の外周面45bと、尾筒30の内周面30aとの間には、径方向における間隙が設けられている。
ここで、本実施形態に係るガスタービン1は、そのケーシング9の外周に沿って間隔を開けて配置された複数の燃焼器3を備えている。これら複数の燃焼器3は、連結部Cを介して互いに接続されている。すなわち、一の燃焼器3で生じた火炎は、連結部Cを通じて隣り合う他の燃焼器3に伝搬する。これにより、周方向に沿って配置されたすべての燃焼器3に火炎が伝搬されて、タービン4には対しては、一様な温度分布を有する燃焼ガスGが供給される。
連結部Cは隣り合う2つの燃焼器3,3同士を連結する配管部材である連結管C1と、連結管C1を燃焼器3に対して固定する固定部C2と、を有している。
連結管C1は、燃焼器3の尾筒30の外壁に設けられた連結孔C3と略同一の外径を有するように形成されている。この連結孔C3に対して、連結管C1の端部を接続することにより、燃焼器3,3同士が連結される。さらに、連結管C1と連結孔C3とは、固定部C2によって脱落不能に固定されている。この固定部C2の態様について詳細は図示しないが、ねじによる締結等が考えられる。その他、内部を流通する燃焼ガスGの漏洩を抑制するためのシール部材等が設けられていてもよい。
さらに、本実施形態に係る燃焼器3では、尾筒30の基端部31近傍には周方向全体にわたって、複数の空気供給孔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の下流側である。
以上のように構成された燃焼器3では、連結管C1の端部が尾筒30の内部にまで到達するため、連結管C1を流通する燃焼ガスや火炎と、出口外側リング40とが干渉することを回避する必要がある。このため、図3と図4に示すように、出口外側リング40には、連結管C1に対応する形状を有する切欠き部47が形成されている。
切欠き部47は、出口外側リング40の下流側端縁40aから上流側に向かって凹むようにして形成されている。より詳細には、図4に示すように切欠き部47は、円弧状に形成された円弧部47aと、この円弧部47aの両端部と出口外側リング40の下流側端縁40aとをそれぞれ直線状に接続する直線部47bと、を有している。円弧部47aの径方向における寸法は、連結管C1の外径寸法よりも十分に大きく設定されている。これにより生じる円弧部47aと、連結管C1との間の領域は、間隙S2とされている。
さらに、図3に戻って、軸線Oと直交する方向から見た場合、出口外側リング40の下流側端縁40aには、突出部48が形成されている。突出部48は、出口外側リング40の本体部41の外周面から離間する方向、すなわち径方向外側に向かって段差状に突出するように形成されている。
この突出部48には、複数のパージ空気導入孔49(貫通孔49)が形成されている。パージ空気導入孔49は、突出部48を軸線O方向に沿って貫通するように設けられている。本実施形態では、複数(7つ)のパージ空気導入孔49,49,49,49,49,49,49が、切欠き部47の円弧部47aにおいて、互いに平行をなすようにして設けられている。
次に本実施形態に係るガスタービン1の動作について説明する。ガスタービン1では、圧縮機2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、ケーシング9の内周面とに囲まれた流路14(図2参照)を通り、反転部15で反転された後、内筒20に流入する。
次いで、燃料供給器11のパイロットバーナ12P及び、メインバーナ12M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の内部で火炎を形成する。具体的には、パイロットバーナ12P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る。さらに、複数のメインバーナ12M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ガス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(不図示)の内部へ送出される。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、ロータ5を回転駆動させる。
一方で、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との間の間隙から、尾筒30の内周面30aに沿って吹き出される。
尾筒30の内部に吹き出された圧縮空気Aの一部は、尾筒30の内周面30a上に薄い膜(空気層)を形成する。この圧縮空気Aの膜は、尾筒30の内周面30aをフィルム冷却する。これにより、内筒20の開口25から供給される燃料及び圧縮空気Aと、火炎による輻射熱から尾筒30を保護する。なお、このフィルム冷却に供しない圧縮空気Aは、概ね大部分が、燃焼用の空気として使用される。
ここで、切欠き部47の近傍における圧縮空気Aの挙動について、図4を参照して説明する。図4に示すように、連結管C1の軸線方向(内筒20、尾筒30の周方向)から見た場合、切欠き部47の周辺では、パージ空気流Pとしての圧縮空気Aが流通する。このパージ空気流Pは、切欠き部47の突出部48に設けられた複数のパージ空気導入孔49から、切欠き部47の内側(切欠き部47によって囲まれた領域内部)に向かって導入される。
このようにパージ空気流Pが切欠き部47に対して供給されるため、切欠き部47の内側の領域で、例えばフィルム空気(圧縮空気A)が滞留する可能性を低減することができる。一方で、パージ空気導入孔49が設けられておらず、パージ空気流Pが供給されない場合、切欠き部47の内側では、フィルム空気が滞留することで、渦流れを生じる可能性がある。尾筒30内部で生じている火炎がこの渦流れに達した場合、当該領域で保炎されてしまう。これにより、例えば出口外側リング40の下流側端縁40a等に、損傷や劣化を生じる可能性がある。
しかしながら、本実施形態に係る燃焼器3では、上述のように出口外側リング40にパージ空気導入孔49が形成されているため、切欠き部47の内側で保炎される可能性を低減することができる。したがって、燃焼器3に生じる損傷や劣化を抑制することができる。
さらに、本実施形態に係る燃焼器3では、パージ空気導入孔49として、切欠き部47に設けられた突出部48を上下流方向に貫通する貫通孔49が設けられていることにより、パージ空気流Pとしての圧縮空気Aをより確実に切欠き部47内に導入することができる。
また、上述のような構成によれば、パージ空気導入孔49として複数の貫通孔49を備えていることから、切欠き部47内のより広い範囲に向かってパージ空気流Pを導入することができる。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、本実施形態では、パージ空気導入孔49(貫通孔49)の開口形状は特に限定せず、例えば円形断面や楕円形断面、あるいは多角形断面等のいずれであってもよい。
さらに、本実施形態では、パージ空気導入孔49(貫通孔49)は、切欠き部47の円弧部47aに設けられる構成とした。しかしながら、パージ空気導入孔49の配置はこれに限定されず、例えば図5に示すように、切欠き部47の直線部47bに設けられる構成であってもよい。
このような構成であれば、切欠き部47の内側においてフィルム空気(圧縮空気A)が滞留する可能性をさらに低減することができる。
加えて、上述の実施形態では、パージ空気導入孔49の内部は上流側から下流側にかけて、開口径が一定であるものとして説明をした。しかしながら、パージ空気導入孔49の開口径はこれに限定されず、例えば上流側から下流側に向かうに従って次第に開口径が増大、又は減少するように形成されていてもよい。
パージ空気導入孔49が、上流側から下流側に向かうに従って、内径寸法が増大するように形成されている場合、切欠き部47の下流側におけるパージ空気流Pの流速を低める方向に適宜調節することができる。
反対に、パージ空気導入孔49が、上流側から下流側に向かうに従って、内径寸法が減少するように形成されている場合、パージ空気流Pの流速を高める方向に適宜調節することができる。
加えて、上述の実施形態では、フィルム冷却に用いられる圧縮空気Aは、空気供給孔32を介して行われるものとした。しかしながら、圧縮空気Aの導入の態様はこれに限定されず、他の方法を用いてもよい。例えば、シール板24に形成されたスリットから圧縮空気Aを導入する構成であってもよい。
さらに、本実施形態に係る出口外側リング40では、パージ空気導入孔49は切欠き部47に設けられた突出部48を貫通するようにして設けられる構成とした。しかしながら、図6に示すように、パージ空気導入孔49を設ける上で、出口外側リング40の外周面に、凹部50を設けることで、この凹部50の上下流方向における壁面の一方と切欠き部47とを貫通するパージ空気導入孔49を設けてもよい。
このような構成であれば、切欠き部47におけるフィルム空気の滞留を抑制できることに加えて、フィルム空気としての圧縮空気Aの流れを妨げる可能性をより低減することができる。
さらに、上述の実施形態では、パージ空気導入孔49として、貫通孔49を形成する例について説明した。しかしながら、パージ空気導入孔49の態様はこれに限定されず、例えば出口外側リング40の外周面から径方向内側に向かってスリット状の溝を複数設けることでパージ空気導入孔49としてもよい。このような構成であれば、上述の実施形態と同様の効果を奏すると同時に、加工性をも向上させることができる。
1 ガスタービン
2 圧縮機
3 燃焼器
4 タービン
5 ロータ
6 ステータ
7 回転軸
8 環状動翼群
9 ケーシング
10 環状静翼群
11 燃料供給器
12P パイロットバーナ
12M メインバーナ
13P パイロットノズル
13M メインノズル
20 内筒
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
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
40 出口外側リング
41 本体部
43 拡大面
44 嵌合部
45b 外周面
46 絞り部
47 切欠き部
A 圧縮空気
C 連結部
C1 連結管
C2 固定部
C3 連結孔
G 燃焼ガス
S1 間隙
S2 間隙

Claims (6)

  1. 内側に流路を形成する尾筒と、
    前記流路の上流側から前記尾筒内に挿入されて燃焼ガスを前記流路内に吹き出すとともに、前記尾筒の内周面との間に圧縮空気を吹き出す間隙を形成する内筒と、
    を備え、
    前記内筒に、
    前記尾筒の内周面に開口する連結管に対応する形状をなすように、該内筒の下流側の端部から上流側に向かって凹む切欠き部と、
    前記間隙内の圧縮空気を前記切欠き部内に導入するパージ空気導入孔と、
    が形成されている燃焼器。
  2. 前記内筒は、前記切欠き部の端縁に沿って形成されるとともに、前記流路から離間する方向に向かって突出する突出部を有し、
    前記パージ空気導入孔は、前記突出部を貫通する貫通孔である請求項1に記載の燃焼器。
  3. 前記貫通孔は、上流側から下流側に向かうに従って、内径寸法が減少する請求項2に記載の燃焼器。
  4. 前記貫通孔は、上流側から下流側に向かうに従って、内径寸法が増大する請求項に記載の燃焼器。
  5. 前記パージ空気導入孔は、複数の前記貫通孔である請求項2から4のいずれか一項に記載の燃焼器。
  6. 請求項1から5のいずれか一項に記載の前記燃焼器を複数備え、前記複数の前記燃焼器は前記連結管によって互いに連結されているガスタービン。
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