JPH08193716A - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】保炎器１２を構成するリング１４とサポート１
５の一部をセラミックス等の無機材料で構成するととも
に、部分領域化もしくは分割化する。 【効果】セラミックス等の無機材料の適用により、耐熱
性が向上し、分割化等により熱応力が低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービン燃焼器の
保炎器に係り、特に、セラミックス等の無機材料を適用
した保炎器構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンは小型高効率の熱機関であ
り、現在では、蒸気タービンと組み合わせたコンバイン
ドサイクルの複合発電設備として期待されている。ガス
タービンは、基本的には圧縮機，燃焼器，タービンから
構成され、その効率は燃焼器出口温度が高いほど向上す
る。しかし、燃焼温度の上昇は同時に窒素酸化物（NOx)
の増大を招くため、環境問題の観点から低ＮＯｘ化は重
要な課題となっている。

【０００３】このため、燃焼器内の燃焼方式として、燃
料と燃焼用空気を燃焼器内に独立に供給する拡散燃焼方
式から、予め燃焼器入口で、燃料と燃焼用空気を窒素酸
化物（ＮＯｘ）の低減可能な割合に混合して、燃焼器内
に供給する予混合燃焼方式に変わりつつある。

【０００４】しかし、予混合燃焼方式では安定な燃焼範
囲が狭いため、燃焼器内の流れの微妙な変化、特に、流
速の変化で火炎が吹き消え、安定した燃焼の保持が困難
である。そこで、燃焼器内の予混合燃料の投入口直後
に、保炎器と呼ばれる鈍頭体を配設し、渦等により低流
速領域を生ぜしめることにより、保炎器後流に安定な火
炎を保持する方法が有効である。

【０００５】保炎器の構造は、日本航空整備協会発行の
航空工学講座１１ ジェットエンジン の１７２ページ
に記載の台形断面を有するものがある。本公知例は、ジ
ェットエンジンのアフターバーナに関するものである
が、発電用ガスタービンの燃焼器でも、同様の保炎器構
造を採用することにより、安定な予混合燃焼方式が可能
となり、高効率でかつ窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減可能
な燃焼器を供給できるようになった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術により、
安定な予混合燃焼方式の燃焼器が可能となったが、保炎
器後流の火炎温度は１５００℃を越えているため、現状
の金属製保炎器では、予混合燃料ガスを保炎器の上流側
で、冷却媒体として利用して、保炎器の信頼性を確保し
ている。しかし、火炎が、万が一、保炎器に接近もしく
は保炎器の上流側に巻き込まれる場合、保炎器の耐熱限
界を越え、溶融等の損傷が生じる可能性がある。

【０００７】本発明の目的は、特殊な燃焼状態でも信頼
性を確保できる保炎器を有するガスタービン燃焼器を提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、ガスタービ
ン燃焼器の保炎器をセラミックス等の無機系耐熱材料で
構成することにより達成される。

【０００９】

【作用】本発明によれば、ガスタービン燃焼器の保炎器
はセラミックス等の無機材料で構成されているため、特
殊な燃焼状態でも、保炎器の溶融等の損傷は発生せず、
また無機材料の適用にあたっては、部分的適用もしくは
分割化等の工夫を施してあるので、熱応力による損傷を
防止し、信頼性を確保することが可能である。

【００１０】

【実施例】図１７にはガスタービン燃焼器の従来の実施
例を示す。本実施例は予混合燃焼器の例で、一段燃焼筒
１と二段燃焼筒２から構成され、一段燃焼筒１では、一
段目燃料３が一段目燃料ノズル４から、補助バーナ燃料
５が補助バーナ燃料ノズル６から投入され、ガスタービ
ンの運転が初期に拡散燃焼の状態で開始される。

【００１１】次に、ガスタービンの負荷が上昇した状態
で、二段目燃料７が二段目燃料ノズル８より、予混合器
９内に投入され空気１０と最適混合比に混合されて、二
段燃焼筒２に供給され、一段燃焼筒１内の拡散火炎１１
を利用して着火，燃焼する。予混合器９の後流には保炎
器１２が配設され、低流速領域を形成し、予混合燃焼火
炎１３の安定性を図っている。この状態で、負荷を定格
運転状態まで上昇させ、予混合火炎１３の安定性を確保
した上で、一段目燃焼筒１内の拡散火炎を消化させる。

【００１２】図１８には、従来実施例の予混合器９の部
分断面図を示す。予混合器９内では、二段目燃料ノズル
８より投入された燃料が圧縮機からの空気１０と混合さ
れ、最適に近い混合比とした後、二段目燃焼筒２に投入
される。予混合器９の出口には、火炎の安定保持のため
の保炎器１２が配置されているが、保炎器１２は一般に
台形状断面を有したリング１４とこれを支えるサポート
１５より構成され、予混合器の連結材１６に溶接されて
いる。予混合火炎１３は、保炎器１２により保炎器の後
流側に安定に保持される。

【００１３】図１９には、従来の保炎器１２の部分断面
図、また図２０には保炎器１２の一部分の斜視図を示
す。現状の予混合燃焼器では、前述のとおり、火炎は台
形状断面を有する耐熱合金製のリング１４の底辺側１７
である後流に安定に保持されるが、火炎温度は１５００
℃を越えるため、保炎器１２の耐熱性を確保する必要が
ある。図１７ないし図２０の従来の実施例では、リング
の斜辺側１８およびサポート１５を予混合燃料で冷却す
ることにより、溶融から防御している。

【００１４】しかし、燃焼器内では燃焼状態の影響によ
り、稀に保炎器１２の台形状断面を有したリング１４の
斜辺側１８に火炎が逆流することがある。この場合、保
炎器のリング１４は冷却効果が消失し、全体が温度上昇
することにより、溶融等の損傷を受ける可能性がある。

【００１５】本発明は、保炎器の耐熱性の問題を解決す
るためのもので、図１には実施例の一つを示す。本実施
例では、保炎器１２のリング１４とこれを支えるサポー
ト１５を一体のセラミックス等の無機系材料で構成して
いる。本発明によれば、保炎器１２は耐熱性の高いセラ
ミックスで構成されているため、金属製の場合と比較し
て耐熱性が格段に向上し、また稀に火炎の逆流が生じて
も溶融等の損傷を避けることができる。

【００１６】しかし、セラミックス等の脆性材料は、強
度の体積効果が顕著で、部材寸法が大きいほど強度が低
下する問題がある。また、定格運転状態では、保炎器１
２の台形断面状リング１４の底辺部１７は燃焼ガスのた
め高温となり、斜辺部１８およびサポート１５は予混合
燃料により冷却されるため、保炎器１２全体に温度勾配
が生じ、熱応力が発生する。このため、信頼性を確保す
るためには、セラミックス等の無機系材料の適用領域を
限定するか、体積の小さい部材とすることが有効であ
る。

【００１７】図２は、実施例の一つで、セラミックスの
適用を保炎器のリング１４のみに限定し、サポート１５
を耐熱合金で構成し、両者を接合層１９にて接合するこ
とにより保炎器１２として一体化している。本発明によ
り、セラミックスの適用部材は、図１の実施例より体積
が小さくなるため、強度が高くなるとともに、温度勾配
が小さくなるため、発生する熱応力も小さくなる。

【００１８】図３は、図２の実施例の接合層１９の信頼
性を改善した例で、セラミックス製の保炎器リング１４
は嵌合溝２０を有し、サポート１５は嵌合溝２０に嵌合
されて後、接合層１９で接合する。本実施例の結果、接
合層１９は直接ガス流に曝露されないため、火炎が逆流
した場合の接合層１９の信頼性も確保することが可能と
なった。

【００１９】図４は、さらにセラミックスの適用部を限
定した例で、保炎器リング１４の底辺部１７にのみ、セ
ラミック部材２１を適用し、一体化した金属製のリング
１４とサポート１５に接合層１９を介して接合した実施
例である。本実施例により、定常燃焼状態における保炎
器１２は、セラミック部材２１のみが火炎と対向するた
め、耐熱性は従来実施例と比較して十分向上する。

【００２０】図５は、セラミックスで構成したリング１
４を周方向に分割構造とした保炎器１２の実施例であ
る。本実施例では、分割面は応力の自由面となるため、
分割のない場合と比較して、同一の燃焼状態でも熱応力
は低減され、信頼性を向上することが可能となった。

【００２１】図６は、分割構造としたリング１４をリン
グの分割数と同一本数の支柱２２で支持した実施例に一
つで、サポート１５を円管状から支柱２２に変更するこ
とにより、サポートに発生する熱応力を低減することが
可能となった。

【００２２】図７は、図６の実施例で、分割したセラミ
ックス製の複数のリング部材２３を支柱２２に固定する
方法に関する発明で、セラミックス製の複数のリング部
材２３の内周側面２４嵌合溝２０を設け、支柱に対して
外周側から分割した複数のセラミックス製リング部材２
３を嵌合した後、プレート等の抜け止め部材２５で固定
した例である。

【００２３】図８は、同様の実施例の一つで、本実施例
では、分割したセラミックス製の複数のリング部材２３
の隣接する側面に凹部２６を設け、発条等の弾力性のあ
る部材２７で、分割したセラミックス製の複数のリング
部材２３を互いに拘束せしめ、構造体として成立させた
例である。

【００２４】図９は、リング底辺部１７をセラミック部
材２１とし、それ以外のリング１４とサポート１５を金
属部材２８として、両者を、嵌合して構成した保炎器１
２の例である。本発明の例では、火炎と対向する領域は
セラミック部材２１で構成されるため耐熱性があり、そ
れ以外の領域は金属部材２８であるため、信頼性に優れ
る効果がある。

【００２５】図１０は、図９と同様の効果を目的とした
実施例で、本実施例では、セラミック部材２１にダブテ
イル状の突起２９を設け、金属部材２８に挿入すること
により嵌合している。また、セラミック部材２１，金属
部材２８の間には、遮熱緩衝層３０を配して高い信頼性
を得ている。

【００２６】図１１は、セラミック製のリング１４と支
柱２２をボルト３１で締結した例で、強固な固定を得る
ことが可能となった。本実施例では、セラミックリング
１４に雌ねじ、支柱２２の一端に雄ねじを構成し、両者
を締結したあと、支柱２２を連結部材１６に溶接するこ
とにより、構造体として成立させた。

【００２７】図１２は、リング１４底辺部１７に、セラ
ミック部材２１をボルト３１で固定した実施例で、両者
の間には信頼性向上のためさらに遮熱緩衝層３０を配し
た。本実施例では、セラミック部材２１の固定，交換が
容易であることが特徴である。ボルト３１の材質は、セ
ラミックスもしくは耐熱合金が効果的であった。

【００２８】図１３は、リング１４の内周側端部３２お
よび外周側端部３３のみ、セラミック部材２１とし、リ
ング１４に接合して構成した実施例で、火炎の安定性に
影響するリング端部３２，３３の酸化，溶融等による形
状の変化に対して効果的であった。

【００２９】図１４，図１５は、リング１４底辺部１７
の中央にセラミック部材２１を埋め込み、保温効果を持
たせることにより、火炎の吹き消え防止のための保炎器
構造である。

【００３０】図１６は、リング１４底辺部１７、組成が
連続もしくは段階的に変化する傾斜機能材３４で構成し
た実施例で、熱膨張率等をセラミックスから金属に連続
的に変化させることにより、発生する熱応力を低減する
ことが可能となった。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、ガスタービン燃焼器の
保炎器は、その全体もしくは一部をセラミックス等の無
機系材料で構成されているため、耐熱性が向上し、燃焼
火炎の巻き込みを防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】リングとサポートを一体のセラミックスで構成
した保炎器の部分断面図。

【図２】リングのみをセラミックスで構成した保炎器の
部分断面図。

【図３】セラミックリングに嵌合溝を設けた保炎器の部
分断面図。

【図４】リング底辺部のみをセラミックスで構成した保
炎器の部分断面図。

【図５】リングを周方向に分割した保炎器の斜視図。

【図６】分割構造のリングを支柱で支持した保炎器の斜
視図。

【図７】分割構造のリングを支柱に抜け止め材で固定し
た保炎器の平面図。

【図８】分割構造のリングを支柱に弾力性のある部材で
固定した保炎器の平面図。

【図９】リング底部にセラミック部材を嵌合した保炎器
の部分断面図。

【図１０】セラミック部材に突起を設けてリングに嵌合
した保炎器の部分断面図。

【図１１】リングとサポートをボルト締結した保炎器の
部分断面図。

【図１２】セラミック部材をリングにボルト締結した保
炎器の部分断面図。

【図１３】リングの内外周端部のみをセラミック部材と
した保炎器の部分断面図。

【図１４】リング底辺中央部にセラミック部材を埋め込
んだ保炎器の部分断面図。

【図１５】リング底辺中央部にセラミック部材を埋め込
んだ保炎器の部分断面図。

【図１６】リング底部を傾斜機能材で構成した保炎器の
部分断面図。

【図１７】ガスタービン燃焼器の従来の実施例の断面
図。

【図１８】従来実施例の予混合器の部分断面図。

【図１９】従来実施例の保炎器の部分断面図。

【図２０】図１９の保炎器の要部斜視図。

【符号の説明】

１２…保炎器、１３…予混合燃焼火炎、１４…リング、
１５…サポート、１６…連結材、１７…リングの底辺
部、１８…リングの斜辺部、１９…接合層。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃焼用の燃料と空気を燃焼筒内で予混合も
   しくは拡散状態で燃焼させるガスタービン燃焼器におい
   て、ガス流の流速を部分的に抑制し、燃焼火炎の安定性
   を図る機能を有する保炎器を無機材料で構成したことを
   特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 【請求項２】請求項１において、前記保炎器が無機材料
   で構成される部材と金属で構成される部材とからなる複
   合構造であるガスタービン燃焼器。
3. 【請求項３】請求項１において、前記保炎器を構成する
   無機材料部材が複数の要素から構成されるガスタービン
   燃焼器。
4. 【請求項４】請求項１において、前記保炎器を構成する
   無機材料部材は金属部材に、接合，嵌合もしくは締結で
   固定されるガスタービン燃焼器。
5. 【請求項５】請求項４において、嵌合もしくは締結され
   た前記無機材料部材と前記金属部材の中間には熱的もし
   くは機械的緩衝層が配設されてなるガスタービン燃焼
   器。
6. 【請求項６】請求項３において、複数の要素から構成さ
   れる無機材料部材を複数の支柱で支持したガスタービン
   燃焼器。
7. 【請求項７】ガスタービン燃焼器において、保炎器を組
   成を連続的もしくは段階的に変化させてなる傾斜機能材
   で構成したことを特徴とするガスタービン燃焼器。