JPH08254316A - ガスタービン燃焼器用ライナおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ガスタービン燃焼器の失火などの突発的事象に
より、ライナ内外面に圧力差が生じたり、それが拡大し
た場合でも、そのことに起因する外圧座屈を確実に防止
することができるガスタービン燃焼器用ライナを提供す
る。 【構成】ガスタービン燃焼器の燃焼室を形成する円筒状
のライナであって、周壁部の外周側に突出する複数のリ
ング状の突起４１を、周壁部の軸方向に沿って間隔的
に、かつ断面が波形をなす形で一体に形成する。

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の主要部品
の一つである燃焼器のライナおよびその製造方法に係
り、特に大型事業用ガスタービンの燃焼器に好適なガス
タービン燃焼器用ライナおよびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図８にガスタービン燃焼器の構造を示
す。コンプレッサ（図示せず）から流入した空気ａは燃
焼器のライナ１とフロースリーブ２との間の環状通路３
を通過し、燃料を燃焼して火炎４を形成する。

【０００３】生成された高温の燃焼ガス５はライナ１内
を通過し、トランジションピース６を介してタービン
（図示せず）に流入する。ライナ１は内部の高温燃焼ガ
ス５に加熱され、外部を流れる空気ａによって冷却され
る。

【０００４】ガスタービン燃焼器のライナ１はバーナ７
から噴出した可燃性ガスを燃焼させるための容器であ
り、薄肉の円筒型をしている。

【０００５】図９はライナ１の外観を例示している。こ
のライナ１では、軸方向一端にバーナ取付け用の孔８が
開口しており、バーナを介して可燃性のガスが送り込ま
れ、燃焼用の空気がライナ１に開けられた孔９から供給
される。可燃性ガスと空気との混合気は最初、点火プラ
グにより燃焼を始め、以後継続的に燃焼し、高温の燃焼
ガスとなって、燃焼器の他端１０側から下流側にあるト
ランジションピース（図８参照）を介してタービン翼に
導かれ、回転エネルギに変換される。

【０００６】このように燃焼器のライナ１は、その内部
で燃焼が連続的に行われるため、冷却しない場合には過
度に高温になり、溶融、高温劣化の損傷が起ることが考
えられる。

【０００７】このため、これらの損傷を防止するため
に、たとえば図１０に示すようなスロットクーリング構
造という、外部の空気をライナ１の周壁に開けられた小
さな孔１１から流入させ、ライナ１の内周面に取り付け
られた内リング１２とライナ１の周壁部１ａとの間のス
ロット部１３に空気を導き、内リング１２の衝突冷却
と、ライナ内周面のフィルム冷却の効果とで、メタル温
度を下げる工夫をしたり、ライナ内周面に熱遮蔽用のコ
ーティングを行い、ライナ外面を冷却する方法が行われ
ている。

【０００８】燃焼器ライナを冷却するための構造の代表
的な構造は、前記のようなスロットクーリングである。
この構造は、冷却空気を燃焼器内に導入するため、燃料
のための空気として使用されなければ、燃焼ガスと混合
してガス温度の低下につながり、ガスタービンの効率を
低下させることにつながる。

【０００９】そこで、ガスタービンの効率向上を図るた
めに、ライナの冷却方式として、冷却空気を燃焼に必要
な空気に転用できる燃焼器上流側では、スロットクーリ
ング方式を、また、下流側ではライナに孔を開けずに強
制的にライナ外表面を冷却するように、図１１に示すラ
イナ１の外周側にインピンジ冷却用の多数の孔１３を有
する円筒１４を取り付ける構造を採用することが考えら
れた。

【００１０】この下流側のライナは熱を効率よく外面の
強制冷却面から取り去るために、できる限り薄肉形状と
する必要がある。

【００１１】ところが、何らかの原因で火炎が消え、失
火状態になった場合には、燃焼器内部の圧力が急減し、
ライナ１の内外面の圧力差の拡大に起因する外圧座屈を
起す危険性があった。

【００１２】スロットクーリング部では、ライナ１のほ
かに内リング１２が取り付けられてることによる補強効
果もあり、特に問題視されていなかったが、燃焼器下流
側に外面の強制冷却構造を採用した場合、内リングの補
強効果がなくなり、単純な円筒形状では座屈強度として
不十分であった。

【００１３】円筒型のライナ１に外圧が作用して座屈す
る場合、一般に図１２に示すように、円周上に３個以上
の凸部１５が生じるような変形をする。この凸部１５の
数は円筒の径と板厚の組み合わせで決る。また、座屈を
起す圧力は同じ径の場合には板厚の２乗あるいはヤング
率に比例する。

【００１４】そこで、これまでは図１３に示すように、
ライナ１の周壁１ａの外面に背の低いリング１６を隅肉
溶接で接合し、座屈の防止を図っていた。

【００１５】しかし、溶接の工数が多く、薄肉構造物の
溶接時特有の溶接変形を防止するための特別な手段が必
要などの理由により、好ましい方法とは言えなかった。
従って、安価な手段でライナ１の座屈を防止する手段が
望まれていた。

【００１６】一方、近年の事業用ガスタービンでは、プ
ラント熱効率向上のため、そのタービン入口温度は上昇
の一途を辿っている。また、プラントの環境性改善のた
めＮＯｘ排出の低減に対する要求も年々高まってきてい
る。

【００１７】このため、ガスタービン燃焼器では燃焼ガ
ス温度の上昇（燃料の増加）に加えてＮＯｘ低減のため
に希薄予混合燃焼（空気に燃料を予め希薄に混合して燃
焼させる）を行うようになっている。この場合、燃料を
予混合する空気の割合が増加するので、燃焼器ライナ
（金属製）を冷却するために使用する空気の割合が減少
する。

【００１８】したがって、冷却用空気を節約しながら同
等の冷却性能を得るために、燃焼器ライナ内に空気を膜
状に流入させるフィルム冷却をやめて、ライナ外表面の
空気流れによる対流冷却を強化したり、特公平５−２４
３３７に示されるように、フロースリーブに開けられた
空気孔からの空気流をライナ外表面に衝突させたりして
いる。

【００１９】また、ライナ外表面の熱伝達率を向上する
ために、フィンやライナ表面に流れの乱れを発生させる
タービュレンスプロモータを設けるものがある。

【００２０】しかしながら、フィンやタービュレンスプ
ロモータをライナの外表面に設ける際に、従来では機械
加工による削りだしや溶接による取付構造をとっていた
ため、製作に要する工数が増加し、製作コストの大幅な
増加を招いていた。

【００２１】図１４は、フィンやタービュレンスプロモ
ータを取り付けた従来の燃焼器ライナ１の断面の一部を
示している。この図に示されるように、加工面３３を機
械加工によって削りだしてライナ１にフィンまたはター
ビュレンスプロモータ３２を形成するか、あるいは、溶
接部３４によりフィンまたはタービュレンスプロモータ
３２をライナ１に取り付けるため、それぞれ膨大な機械
加工量が必要となったり、ライナ１の円周上に膨大な長
さの溶接を施すために、溶接入熱によってライナ１が熱
変形して、その修正等に多くの作業工数が発生してい
た。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記欠点を解
決するためになされたもので、その目的はガスタービン
燃焼器の失火などの突発的事象により、ライナ内外面に
圧力差が生じたり、それが拡大した場合でも、そのこと
に起因する外圧座屈を確実に防止することができ、また
低コストでフィンやタービュレンスプロモータを外表面
に設けることができるガスタービン燃焼器用ライナを提
供することにある。

【００２３】また、本発明の他の目的は、ガスタービン
燃焼器用ライナを熱変形等なく高精度で、容易に製作す
ることができるガスタービン燃焼器用ライナおよびその
製造方法を提供することにある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、請求項１記載の発明は、ガスタービン燃焼器の燃
焼室を形成する円筒状のライナであって、周壁部の外周
側に突出する複数のリング状の突起を、前記周壁部の軸
方向に沿って間隔的に、かつ断面が波形をなす形で一体
に形成してなることを特徴とする。

【００２５】請求項２記載の発明は、ガスタービン燃焼
器用ライナにおいて、リング状の突起の側壁部分に通気
用の孔を穿設したことを特徴とする。

【００２６】請求項３記載の発明は請求項１または２記
載のガスタービン燃焼器用ライナにおいて、各突起間に
おける周壁部を内周側に向って緩やかな凸面をなす如く
突出する湾曲構造としたことを特徴とする。

【００２７】請求項４記載の発明は、請求項１から３ま
でのいずれかに記載のガスタービン燃焼器用ライナにお
いて、周壁部からの突起の突出長さを１０mm以下とした
ことを特徴とする。

【００２８】請求項５記載の発明に係るガスタービン燃
焼器用ライナおよびその製造方法は、金型にライナの素
材円筒を挿入し、その素材円筒の内側から高圧力を加
え、その素材円筒を内面側からの圧力により金型に押付
けることにより、金型に設けた成形面部に素材円筒を膨
出させて複数のリング状の突起を形成することを特徴と
する。

【００２９】

【作用】本発明によれば、円筒形のライナを外側金型に
入れ内側から水圧などで超高圧をかけて一気に塑性変形
させるバルジ成形や絞り加工等によって簡単に加工する
ことが可能になり、製作工数を低減し、製作コストの大
幅な低減が図られる。

【００３０】また、波形の突起を外側だけとし、内側に
は凸部をつけないことによってライナ内表面の燃焼ガス
の流れの乱れを極力抑制できる。したがって、内側の対
流熱伝達率（過熱側）の増大が緩和され、また、ライナ
外側の波形の突起によって、従来のフィンやタービュレ
ンスプロモータと同様に外側の対流熱伝達率（冷却側）
が増大するので、結果として従来と同等の冷却性能が得
られる。

【００３１】また、微小な空気孔を波型突起に設けるこ
とにより、突起内部へ空気が流入して内側の燃焼ガス流
れの温度を低下させるので、突起内部（窪み）への燃焼
ガスの巻き込みによってライナ突起内部の燃焼ガス流れ
による熱伝達が促進され、波形の突起部が過熱する場合
において、それを緩和することができる。

【００３２】さらに、前述したように、一般に円筒型の
管に外圧が作用して座屈する場合に生じる凸部（図１２
の符号１５参照）の数は、円筒の径と板厚の組み合わせ
で決る。また、座屈を起す圧力は同じ径の場合には板厚
の２乗あるいはヤング率に比例する。ところで、この円
筒に円周上の突起を等間隔につけた場合には円筒殻の曲
げ剛性が増大したものと等価な作用を発揮する。したが
って、外圧座屈防止に役立つ。

【００３３】一方、ライナ内面では高圧の燃焼ガスが流
れているため、円周上の突起はライナ内面のガスの流れ
の面から見て、突起が大きい場合には流れを乱し、周辺
のライナの熱伝達を促進し、ライナに局部的な高温部を
形成するおそれがある。

【００３４】そこで、内面の流体の挙動を解析した結
果、突起の高さが１０mm以内であれば高温部を形成する
ような乱れは生じない。

【００３５】以上のように、突起の高さを１０mm以内に
すれば燃焼器内部のガスの流れを乱すことなく外圧座屈
を防止するように作用する。

【００３６】また、本発明の方法によってガスタービン
燃焼器用ライナを製造することにより、溶接による入熱
がないので、熱変形等のない突起付きのライナを高精度
で製作することができる。また、従来行われていた機械
加工や溶接等に比べて製作も容易となり工数削減等が図
れる。

【００３７】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１〜図７を参照
して説明する。

【００３８】図１および図２に本実施例によるガスター
ビン燃焼器用ライナ１の断面の一部を示している。これ
らの図に示すように、ライナ１は、内周側には膨らま
ず、外周側に隆起した断面を持つ周方向に沿う環状の突
起４１を一体に有している。

【００３９】ここで、ライナ１の周壁１ａは例えば、板
厚１．２mmであり、突起４１の高さは３．５mm、突起間
の間隔は３６mmである。このライナ１の成形は１度の液
圧バルジ加工で行った。

【００４０】図３（Ａ）、（Ｂ）は、バルジ成形の概念
を示すものである。

【００４１】金型５１にライナ１の素材円筒５２を挿入
して、内側から高圧力の水圧５３をかけて素材円筒５２
の内面から圧力により金型５１に押しつけ、成形面５０
に膨出させることにより、上記の突起４１を有するライ
ナ用波板素材５４を成形する。

【００４２】この方法によれば、燃焼器用ライナ１に、
容易に上記の波形の突起４１を設けることが可能であ
る。これによって、フィンやタービュレンスプロモータ
を設けるために従来行っていた機械加工や溶接が一切不
要となるため、それらの製造工数が削減できる。さら
に、溶接作業が不要になることから溶接による入熱がな
くなり、溶接によって発生する熱変形もなく、製作精度
を向上させることができる。

【００４３】また、他の成型方法として図４（Ａ）、
（Ｂ）に示す絞り加工も可能である。ここでは、ライナ
１の素材円筒５２を外型５５と内型５６によって挾みな
がら回転し、上記の突起４１を有するライナ素材５４を
成形する。

【００４４】このようにして成形された本実施例のライ
ナ１では、図１に示すように、波型の突起４１がライナ
１の外側に流れる空気ａに対して、伝熱面積を増加させ
ることによるフィンの機能や、空気ａの流れの乱れｂを
発生して、外面を冷却する対流熱伝達を促進するタービ
ュレンスプロモータの機能を有する。

【００４５】また、内面は燃焼ガス流れに対して凸部が
ないような構造となっており、高温燃焼ガス５の流れに
対してライナ１の内面での流れの剥離や乱れが生じない
ようになっている。

【００４６】このため、平板円筒型のライナ１に溶接や
機械加工によってフィンやタービュレンスプロモータを
設ける従来の燃焼器ライナと、ほぼ同等の熱伝達率を維
持することができ、従来と同等の冷却性能が得られる。

【００４７】このように、本実施例のライナ１では、外
面の対流冷却促進効果を維持し、冷却性能としては従来
と同程度の燃焼器を構成でき、従来の機械加工や溶接に
比べて、製作工数を約１／５に削減でき、製作コストが
低廉価となる等の利点が得られる。

【００４８】一方、本実施例による座屈防止効果を、従
来の構造との比較で説明すると、以下の通りである。

【００４９】即ち、従来の構造では、例えば円筒型のラ
イナに高さ３mmのリングが５０mm間隔で隅肉溶接され、
燃焼器ライナの厚さ、径は本発明の実施例と同じとし
た。これと本実施例によるライナ１との２種類の形状に
ついて、有限要素法による座屈解析を行った結果、本実
施例のものは座屈圧力が従来構造の１．４倍であること
が判明した。

【００５０】一般に座屈を起す圧力は、同じ径の場合に
は板厚の２乗、あるいはヤング率に比例する。本実施例
のライナ１では、円周上の突起４１を等間隔で形成した
場合、円筒殻の曲げ剛性が増大したものと等価な作用を
発揮する。したがって、外圧座屈防止に役立つ。

【００５１】一方、ライナ１の内面では高温の燃焼ガス
が流れているため、円周上の突起はライナ１内面のガス
の流れの面から見て、突起４１が大きい場合には流れを
乱し、周辺のライナの熱伝達を促進し、ライナ１に局部
的な高温部を形成するおそれがある。そこで、内面の流
体の挙動を解析した結果、図５に示すように、突起の高
さｈが１０mm以内であれば、突起部のメタル温度が７０
０℃の許容温度内に保持され、高温部を形成するような
乱れは生じないことが判明した。

【００５２】以上のように、突起の高さを１０mm以内に
すれば燃焼器内部のガスの流れを乱すことなく外圧座屈
を防止するように作用する。

【００５３】なお、本実施例において種々の変形が可能
である。例えば図６に示すように、ライナ１に形成した
突起４１の側壁部に、内外に連通する小孔４２を設ける
ことにより、この小孔４２を通って流入する空気ａによ
って突起４１の内側のくぼみ４３の高温ガスを冷却する
ことができ、その近傍での高温燃焼ガス５の乱れによる
ライナ１への熱伝達を緩和することが可能である。

【００５４】この際に流入させる空気の量は、突起４１
の近傍を冷却するに足る量でよく、ライナ１の内面全体
を冷却する従来のフィルム冷却による空気量に比べれば
微小な量でよい。

【００５５】また、本実施例ではライナ１の各突起４１
の間のライナ周壁部１ａは円筒面として構成していた
が、例えば図７に示すように、軸方向断面の形状が内周
側に向って凸状となる緩やかな曲率を有する構造にして
もよい。

【００５６】このような構成によると、周壁部１ａ自体
が強化され、座屈圧力の改善につながる。

【００５７】

【発明の効果】以上にように、本発明によれば、ライナ
の周壁部の一部または全部につき、一体成形によって外
円周方向に隆起した突起を複数列設けることにより、フ
ィンやタービュレンスプロモータを形成し、これにより
円筒形のライナを外側金型に入れ内側から水圧などで超
高圧をかけて一気に塑性変形させるバルジ成形や絞り加
工等によって加工することが可能になる。したがって、
製作工数が低減され、製作コストの大幅な低減ができ
る。

【００５８】また、付加的に微小な空気孔を波型突起に
設けることにより、近傍での燃焼ガス流れの乱れによる
熱伝達の促進が緩和されることができ、波型突起を十分
冷却して信頼性や耐久性をさらに向上させることもでき
る。

【００５９】さらに、耐座屈圧力の向上に寄与すること
もできる等、優れた効果が奏される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるライナを一部断面で示
す斜視図。

【図２】図１に示したライナの一部を拡大して示す断面
図。

【図３】（Ａ）、（Ｂ）は前記実施例によるライナの製
造工程を順に示す図。

【図４】（Ａ）、（Ｂ）は前記実施例によるライナの他
の製造工程を順に示す図。

【図５】前記実施例の作用を示す特性図。

【図６】前記実施例の変形例を示す断面図。

【図７】前記実施例の他の変形例を示す断面図。

【図８】ガスタービン燃焼器を示す概略図。

【図９】ガスタービン燃焼器用ライナを示す概略図。

【図１０】ライナの冷却構造の一例を示す拡大断面図。

【図１１】ライナの冷却構造の他の例を示す拡大断面
図。

【図１２】ライナの座屈による変形状態を示す模式図。

【図１３】従来例による座屈防止用リングの構成を示す
断面図。

【図１４】従来例による座屈防止用リングの構成を一部
断面で示す斜視図。

【符号の説明】

１ ライナ １ａ 周壁部 ２ フロースリーブ ３ 環状通路 ４ 火炎 ５ 燃焼ガス ６ トランジションピース ７ バーナ ８，９ 孔 １０ 他端 １１ 孔 １２ 内リング １３ スロット １４ 円筒 １５ 凸部 １６ リング ３２ タービュレンスプロモータ ３３ 加工面 ３４ 溶接部 ４１ 突起 ４２ 小孔 ４３ くぼみ ５１ 金型 ５２ 素材円筒 ５３ 水圧 ５４ ライナ用波板素材 ５５ 外型 ５６ 内型 ａ 空気

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスタービン燃焼器の燃焼室を形成する
   円筒状のライナであって、周壁部の外周側に突出する複
   数のリング状の突起を、前記周壁部の軸方向に沿って間
   隔的に、かつ断面が波形をなす形で一体に形成してなる
   ことを特徴とするガスタービン燃焼器用ライナ。
2. 【請求項２】 請求項１記載のガスタービン燃焼器用ラ
   イナにおいて、リング状の突起の側壁部分に通気用の孔
   を穿設したことを特徴とするガスタービン燃焼器用ライ
   ナ。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載のガスタービン燃
   焼器用ライナにおいて、各突起間における周壁部を内周
   側に向って緩やかな凸面をなす如く突出する湾曲構造と
   したことを特徴とするガスタービン燃焼器用ライナ。
4. 【請求項４】 請求項１から３までのいずれかに記載の
   ガスタービン燃焼器用ライナにおいて、周壁部からの突
   起の突出長さを１０mm以下としたことを特徴とするガス
   タービン燃焼器用ライナ。
5. 【請求項５】 金型にライナの素材円筒を挿入し、その
   素材円筒の内側から高圧力を加え、その素材円筒を内面
   側からの圧力により金型に押付けることにより、金型に
   設けた成形面部に素材円筒を膨出させて複数のリング状
   の突起を形成することを特徴とするガスタービン燃焼器
   用ライナの製造方法。