JPH0893504A - ガスタービン用燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 セラミック製ライナを運転中の振動荷重に対
抗し且つ金属製のケーシングとの熱膨張差を吸収して自
動調心的にセンターリングを確保しつつ片当り等を防止
してガスタービン本体のスクロールに連結することがで
きるガスタービン用燃焼器を提供する。 【構成】 ガスタービン本体５のセラミック製スクロー
ル５５の周囲の金属製ケーシング５１に連設される円筒
状の金属製ケーシング１０内に円筒状のセラミック製記
ライナ２０を設け、このライナ２０の周囲とケーシング
１０との間およびスクロール５５の周囲とケーシング５
１との間を相互に連通する燃焼用空気通路に形成する。
ライナ２０の内端側２１を開口すると共に、この開口周
縁２１ａとスクロール５５の連結部の開口周縁５６ａと
を相互に対応する球面状に形成し、ケーシング１０内の
ライナ２０の外端側に、円筒状の金属製ライナ・サポー
ト３０を固定する。ライナ・サポート３０の内端部とラ
イナ２０の間にセラミック製コイルスプリング３５を縮
装し、ライナ２０をスクロール５５側へ付勢する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ガスタービンの作動
ガスとして利用される高温燃焼ガスを連続的に発生する
するためのガスタービン用燃焼器に関し、特にガスター
ビン用燃焼器のセラミック製ライナをガスタービン本体
のセラミック製スクロールに支持する構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】昨今のセラミックの成形・焼成技術の急
速な進歩によって、各種耐熱構造部品から高い精度が要
求される内燃機関ピストン等の作動部品に至るまでセラ
ミックで製造されるようになった。一方、熱と電気の負
荷変動に柔軟に対応でき且つ暖機運転時間が短くて済む
コージェネレーションシステムの開発が注目されるよう
になり、コンパクトで高出力のガスタービンが組み込ま
れるようになった。そして、その一層の熱効率の向上を
図るべくセラミック製部品の採用が検討されるようにな
り、セラミックを使用してガスタービンのスクロールや
ノズル、タービンブレード及びロータを製作し、燃焼器
から高温の燃焼ガスを冷却せずにそのまま導入するもの
が開発された。従って、燃焼器においてもより高温の燃
焼ガスを発生させる必要があり、ガスタービンと同様に
ライナ等にセラミックを利用するようになった。因み
に、このようなセラミック製部品を使用した燃焼器とガ
スタービン本体との組合わせでは、タービンのガス入口
温度が１３５０°Ｃ前後の極めて高い温度に達するよう
になり、冷却損失が大幅に減少すると同時に、再生熱交
換器におけるタービン排気ガスと燃焼器用吸入空気との
対向熱交換によって熱回収を行うことで、熱効率を大幅
に（４２％程度まで）高めることが出来るようになる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、セラミック製
部品の寸法精度が確保されるようになって耐熱性が要求
されるような部分に積極的に使用され得るようになった
とは言え、金属製部品に比較して脆く且つ熱膨張係数が
非常に小さいために、セラミック製部品と金属製部品を
組み合わせても高温状態で緩んでがたついたり又は取付
力が増大してセラミック製部品に割れが生じたりすると
言った事態によく遭遇するようになった。従って、セラ
ミック製部品同士の高温になる部位での固定には、熱応
力の増大を回避しつつ必要な取付力が残るように弾支す
る必要がある。

【０００４】本発明は上述のような高温になる部位での
セラミック製部品の支持上で生じる課題を解決するもの
で、内部で高温ガスを発生するセラミック製ライナを運
転中の振動荷重に対抗し且つ金属製のケーシングとの熱
膨張差を吸収して自動調心的にセンターリングを確保し
つつ片当り等を防止してガスタービン本体のスクロール
に連結することができるガスタービン用燃焼器を提供す
ることを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明に係るガスタービン用燃焼器は、a)燃料供給
手段と燃料の点火手段とを有し、ガスタービンのセラミ
ック製スクロールに連結して支持される円筒状のセラミ
ック製ライナを備えたガスタービン用燃焼器において、
b)前記スクロールの周囲の金属製スクロールケーシング
に連設される円筒状の金属製燃焼器ケーシング内に前記
ライナを設け、このライナの周囲と燃焼器ケーシングと
の間および前記スクロールの周囲とスクロールケーシン
グとの間を相互に連通する燃焼用空気通路に形成し、c)
前記ライナの内端を開口するとともに、この開口周縁と
前記スクロールの連結部の開口周縁とを、相互に対応す
る球形円弧状に形成し、d)前記燃焼器ケーシング内の前
記ライナの外端側に、円筒状の金属製ライナ・サポート
を固定するとともに、このライナ・サポートの内端部と
前記ライナとの間にセラミック製圧縮スプリングを縮装
して、前記ライナを前記スクロールの連結部側へ付勢し
ている。

【０００６】請求項２記載のように、e)前記スクロール
の連結部の開口周縁を凹球形円弧状に形成すると共に、
前記ライナの内端側開口周縁を凸球形円弧状に形成する
ことが好ましい。

【０００７】請求項３記載のように、f)前記ライナ外端
部の端壁を、外周部より内側中央に向かって傾斜したリ
ング状に形成し、前記ライナ・サポートの内端側に前記
セラミック製圧縮スプリングの複数個を円周方向に等間
隔に配置したり、請求項４記載のように、g)前記ライナ
・サポートには、前記ライナ外端部に設けた中央開口か
ら燃焼用空気をスワール状（渦巻き状）に供給する案内
羽根（スワーラー）を備えた燃焼用空気供給開口を設け
るとなお好ましい。

【０００８】

【作用】上記の構成を有する本発明のガスタービン用燃
焼器によれば、ガスタービン本体のセラミック製スクロ
ールに連結される燃焼器のセラミック製ライナが、その
開口の内端部においてスクロールの連結部（ガス受給
部）の開口に接続され、また、前記ライナはその外端側
に固定されたライナ・サポートにより、セラミック製圧
縮スプリングを介してスクロールの連結部側へ付勢さ
れ、これによりライナとスクロールの連結状態が維持さ
れている。この際、適当な付勢力を設定することで、セ
ラミック製ライナを運転中の振動荷重に対抗し且つ金属
製ケーシングとの熱膨張差を吸収して安定的にガスター
ビン本体のスクロールに連結して弾性的に支持すること
ができる。ライナおよびスクロールがセラミックからな
るとともに、ライナの付勢手段もセラミック製圧縮スプ
リングからなるため、本燃焼器で例えば１３５０°Ｃに
も達するような従来に無い超高温の燃焼ガスを発生させ
ても、クリープ現象等により付勢力が弱まることが無
い。また、ライナとスクロールの連結部の開口周縁を球
形円弧状（球形の一部を構成する円弧形）に形成してい
ることから、ライナあるいはスクロールが若干移動して
も、自動調心的にセンターリングが確保され且つ片当り
等が防がれ、安定した連結状態が確保される。

【０００９】本燃焼器では、セラミック製ライナ内に、
その周囲のケーシングとの間の空気通路から高温の燃焼
用空気が供給され、また燃料供給手段によって燃料が供
給されて燃焼用空気と混合されたのち、点火手段によっ
て燃料と空気との混合気に点火されることにより、超高
温度の燃焼ガスを発生させることが出来る。このため、
スクロールのほか、例えばノズル、タービンブレードを
各々セラミックから形成したセラミックガスタービンに
対して、途中で冷却すること無しに超高温のままノズル
やタービンブレードに導入させることで、冷却損失を大
幅に低減し、高温燃焼ガスへの排気熱回収と併せて大幅
に熱効率を向上させることが出来る。因みに、従来の金
属製スクロールの場合、供給燃焼ガス温度が９６０°Ｃ
前後と低く抑制されていたものが、セラミック製部品の
採用で１３５０°Ｃ程度まで高めることが可能になるた
め、ガスタービン熱効率を大幅に高める（４２％前後ま
で）ことが出来る。

【００１０】請求項２記載の燃焼器では、スクロール側
の凹球形円弧状の開口周縁とライナ側の凸球形円弧状の
開口周縁とが無理なく嵌合して連結され、仮にライナが
運転中の振動などによって若干傾倒するようなことがあ
っても、スクロールとのセンタリングが確実に保持さ
れ、連結状態が安定して維持される。

【００１１】請求項３記載の燃焼器では、セラミック製
圧縮スクロールの付勢力がライナの周辺部から中心部に
向けて作用することにより、例えばスクロール側が若干
移動してセンターがずれたとしてもライナの傾きが許容
され、ライナとスクロールとの連結状態が維持される。

【００１２】請求項４記載の燃焼器では、前記ライナ内
に供給される燃料と空気との混合が十分に促進され、燃
焼状態が良好に保たれて安定する。

【００１３】

【実施例】次に、本発明の高温燃焼ガス発生用燃焼器を
実施例によって添付図を参照にして以下に詳細に説明す
る。

【００１４】図１は本発明の一実施例に係るセラミック
ガスタービンに搭載された、液体燃料拡散燃焼タイプの
高温燃焼ガス発生用燃焼器を示す縦断面図、図２は図１
の燃焼器を備えたガスタービンの正面図、図３は図１の
燃焼器に使用されるライナ・サポートの内面を示す正面
図、図４は図１の燃焼器のサポート・リングの縦断面図
である。

【００１５】図１に示すように、本実施例に係るガスタ
ービン用燃焼器１は液体燃料拡散燃焼タイプの燃焼器
で、この燃焼器１はガスタービン本体５と組み合わせて
使用するのに好適なもので、これら両者は熱と電気の出
力比の変更に柔軟に対応でき且つ暖機運転時間が短くて
済むコージェネレーションシステムに組み込まれる。こ
の燃焼器１では、ガスタービン本体５の横向きに配置さ
れた金属製ケーシング（スクロールケーシング）５１の
外周部連結短管フランジ５２に、円筒状の金属製ケーシ
ング（燃焼器ケーシング）１０がその内端側フランジ１
２を介して連設され、またこのケーシング１０内には、
円筒状のセラミック製ライナ２０が同心円状に収容され
ている。ケーシング１０の内端側（自由端側）開口の周
囲のフランジ１３には、蓋１４が気密に取り付けられて
閉塞されており、この蓋１４の中央開口部１４ａを貫通
して燃料供給手段としての液体燃料噴射装置４８が気密
に配設され、またケーシング周壁１５の開口１５ａに点
火手段としての点火プラグ４９が気密に取り付けられて
いる。

【００１６】セラミック製ライナ２０の内端側２１は開
口され、この内端側２１は高温燃焼ガスの供給を受ける
ガスタービン本体５側のセラミック製スクロール５５の
ガス受給部５６に連結して支持される。また、ライナ２
０の外端部２２には、外側中央に向けて漸次傾斜し且つ
中央に開口２２ａを有する端壁２３を備えている。その
内端側２１の開口周縁２１ａと、スクロール５５のガス
受給部５６の開口周縁５６ａとは、それぞれライナ中心
軸線Ｘ上に中心点Ｏを持ち半径Ｒの凸球形円弧状（凸球
形の一部をなす円弧形）及び断面凹球形円弧状（凹球形
の一部をなす円弧形）を成しており、これら開口周縁２
１ａ・５６ａ同士の当接状態を維持しながらライナ２０
は中心点Ｏの周りでいずれの方向にも若干傾倒可能であ
る。上記燃料噴射装置４８の噴射ノズル４８ａは、端壁
２３の中央開口２２ａに臨んでおり、また点火プラグ４
９の点火部４９ａは、ライナ周壁２４の上部端壁側の複
数の開口２４ａの一つからライナ２０の内部に若干差し
込まれている。点火プラグ４９の装着に使用されていな
い開口２４ａは、それらの下方に近接状態で周壁２４に
形成されている開口２４ｂと共に、燃焼用空気供給手段
の２次空気供給の役目を担っている。更に、周壁２４の
中間部には、補助的に燃焼用空気を供給したり、ＮＯｘ
の発生量を抑えるための空気噴射又は蒸気噴射を行う空
気又は蒸気の供給管（図示は省略）を差し込んだりする
ための開口２４ｃを設けている。

【００１７】上述のようなライナ２０の外端部２２の端
壁２３には、円筒状の金属製ライナ・サポート３０がケ
ーシング１０の自由端側フランジ１３の内周側凹所１３
ａにフランジ３２を介して固定されているが、このライ
ナ・サポート３０は蓋１４を取り外した状態で、ケーシ
ング１０の端部の開口から挿入される。ライナ・サポー
ト３０は、そのフランジ３２を円筒周壁３１の自由端に
取り付けて、円筒周壁３１のライナ側端に底円盤３３を
取付けると共に、該底円盤３３のライナ側外周部にライ
ナ周壁２４の上部端壁側を緩く支える短筒３４を接続し
ている。

【００１８】筒周壁３１には、ケーシング１０との間の
燃焼用空気供給用通路としての環状空間Ｓ１からその内
部に燃焼用空気を導入する複数の開口３１ａが形成され
ている。また底円盤３３の内側には、ライナ２０の付勢
手段の複数のセラミック製圧縮コイルスプリング３５を
個々に収容するための複数の穴３３ａを円周方向に等間
隔に形成すると共に、燃料噴射装置４８の先端部が差し
込まれる中央開口３３ｂの周りに、１次燃焼用空気をス
ワール状にライナ２０内に供給する燃焼用空気供給開口
３３ｃ（図３）を形成している。この燃焼用空気供給開
口３３ｃには、図３のようにスワール発生用の多数のヘ
リカル状案内羽根（スワーラーともいう）３３ｄが装着
されている。

【００１９】ライナ２０の上部端壁２３上には、図４の
ようにセラミック製圧縮コイルスプリング３５との当接
面４１が平坦で且つ端壁２３との当接面４２が端壁２３
と同じ傾斜を成したセラミック製サポート・リング４０
が載置されているため、コイルスプリング３５の付勢力
がライナ２０の周辺部から作用することになり、ガス受
給部５６が多少移動してセンターがずれライナ２０が傾
倒しても、ライナ２０の内端側２１とスクロール５５の
ガス受給部５６の開口周縁２１ａ・５６ａ同士の当り
を、常に確保することが出来る。

【００２０】燃焼用空気通路は、ケーシング１０とライ
ナ２０及びライナ・サポート３０との間の環状空間Ｓ１
と、これに連通した円筒周壁３１の開口３１ａ及び底円
盤３３の１次燃焼用空気供給開口３３ｃと、同じく環状
空間Ｓ１に連通したライナ周壁２４の２次燃焼用空気供
給開口２４ａ、２４ｂ及び上記した補足用開口２４ｃと
から構成されている。

【００２１】燃焼用空気の供給システムについて説明す
ると、図２において、ガスタービン本体５内のロータ
（図示せず）によって回転駆動されるコンプレッサーＣ
によってベルマウスＭから吸入され圧縮された圧力空気
は、スクロール５５の最外周部空間Ｓ２からダクトＤ１
を経由して再生熱交換器Ｈに送られ、ここでタービン排
気ガスと対向熱交換によって熱回収を行うことで３００
°Ｃから８２０°Ｃに昇温する。加熱された圧力空気
は、次いで再生熱交換器ＨからダクトＤ２を経由してス
クロール５５（図１）の外周部第２空間Ｓ３に送られ、
そこから環状空間Ｓ１へ供給されることになり、この燃
焼器１において１３５０°Ｃにも達するような高温度の
燃焼ガスを発生することが可能になる。従って、ガスタ
ービン本体５において冷却損失が大幅に減少することに
なり、その熱効率を大幅に（４２％前後まで）高めるこ
とが出来るようになる。

【００２２】図５は燃料にガスを使用するガス予混合希
薄燃焼タイプの高温燃焼ガス発生用燃焼器を示す縦断面
図で、図１に対応する図面である。本例の燃焼器１’は
上記実施例の燃焼器１とは、燃料の種類が異なる（前者
は液体燃料、後者はガス）だけで、基本的な構造は共通
している。従って、共通する構成部材については上記実
施例と同一の符号を用いて示し、説明を省略する。そし
て、わずかに相違する点だけを説明する。図５に示すよ
うに、蓋１４の中央開口部１４ａを貫通して火種用パイ
ロットバーナー４９’が嵌挿され、このパイロットバー
ナー４９’の先端部は底円盤３３の中央開口３３ｂ内に
差し込まれ、ライナー２０内に臨ませてある。底円盤３
３の中央開口３３ｂの周りに、ガス燃料と空気との混合
気体を噴射するための複数の燃料供給孔３３ｄ’が穿設
され、燃料供給孔３３ｄ’にはスワーラー３３ｄ”が装
着されている。そして、各燃料供給孔３３ｄ’の入口付
近に入口からわずかに離間して、燃料供給手段としての
ガス燃料噴射装置４８’の先端が配置され、各ガス燃料
噴射装置４８’の基端側は蓋１４の中央開口部１４ａの
周りに穿設した開口１４ｂを貫通している。ライナー２
０の開口２４ｃに臨ませて、空燃比を適正に制御するた
めに空気の流れを変化させるバイパスバルブ２４ｄがケ
ーシング１０に取り付けられている。これらの構成が燃
焼器１と相違するが、これらの相違点はいずれも燃料の
種類の相違に基づくものであり、燃焼器自体の基本的な
構成及び作用については両者は全く共通している。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のガスター
ビン用燃焼器によれば、次のような優れた効果を享受す
ることが出来る。

【００２４】(1) セラミック製ライナをセラミック製ス
プリングで安定的に弾性支持し組み込むことで、従来に
無い高温度の燃焼ガスを発生が可能になる。

【００２５】(2) セラミック製ライナを、弾性支持で更
に運転中の振動荷重に対抗し且つ金属製支持構造部材と
の熱膨張差を吸収することが出来、同時に球面当接で自
動調心的にセンターリングを確保しつつ片当り等を防い
でガスタービン本体側のセラミック製スクロールに対し
安定的に連結することが出来る。

【００２６】(3) 燃焼器をガスタービンに一体に組み込
むことで、ガス供給経路を短くすることが出来、熱効率
上優れた、コンパクトになる。

【００２７】請求項２の燃焼器では、 (4) ライナが運転中の振動等によって若干傾倒するよう
なことがあっても、スクロールとのセンタリングが確実
に保持され、連結状態が安定して維持される。

【００２８】請求項３記載の燃焼器では、 (5) セラミック製圧縮スクロールの付勢力がライナの周
辺部から中心部に向けて作用することによって、例えば
スクロール側が若干移動してセンターがずれたとしても
ライナの傾きが許容され、ライナとスクロールとの連結
状態が維持される。

【００２９】請求項４記載の燃焼器では、 (6) 前記ライナ内に供給される燃料と空気との混合が十
分に促進され、燃焼状態が良好に保たれて安定する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るガスタービンに搭載さ
れた、液体燃料拡散燃焼タイプの高温燃焼ガス発生用燃
焼器を示す縦断面図である。

【図２】図１の本発明の燃焼器を搭載したガスタービン
の全体を示す正面図である。

【図３】図１の燃焼器に使用されているライナ・サポー
トの、ライナとの接合部の内面を示す正面図である。

【図４】図１の燃焼器のサポート・リングの縦断面図で
ある。

【図５】燃料にガスを使用するガス予混合希薄燃焼タイ
プの高温燃焼ガス発生用燃焼器を示す縦断面図で、図１
に対応する図面である。

【符号の説明】

１・１’ ガスタービン用燃焼器 ５ ガスタービン本体 １０ 金属製ケーシング １２ フランジ ２０ セラミック製ライナ ２１ ライナ２０の内端側 ２１ａ開口周縁 ２２ 外端部 ２３ 端壁 ３０ ライナ・サポート ３３ｄスワール案内羽根 ３５ セラミック製圧縮コイルスプリング ４０ セラミック製サポート・リング ４８・４８’ 燃料噴射装置 ４９ 点火プラグ ５１ 金属製ケーシング ５２ フランジ ５５ スクロール ５６ ガス受給部 ５６ａ開口周縁 Ｓ１ 環状空間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 谷村 和彦 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工業 株式会社明石工場内 (72)発明者 神社 洋一 兵庫県神戸市東川崎町３丁目１番１号 川 崎重工業株式会社神戸工場内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料供給手段と燃料の点火手段とを有
   し、ガスタービンのセラミック製スクロールに連結して
   支持される円筒状のセラミック製ライナを備えたガスタ
   ービン用燃焼器において、 前記スクロールの周囲の金属製スクロールケーシングに
   連設される円筒状の金属製燃焼器ケーシング内に前記ラ
   イナを設け、このライナの周囲と燃焼器ケーシングとの
   間および前記スクロールの周囲とスクロールケーシング
   との間を相互に連通する燃焼用空気通路に形成し、 前記ライナの内端を開口するとともに、この開口周縁と
   前記スクロールの連結部の開口周縁とを、相互に対応す
   る球形円弧状に形成し、 前記燃焼器ケーシング内の前記ライナの外端側に、円筒
   状の金属製ライナ・サポートを固定するとともに、この
   ライナ・サポートの内端部と前記ライナとの間にセラミ
   ック製圧縮スプリングを縮装して、前記ライナを前記ス
   クロールの連結部側へ付勢したことを特徴とするガスタ
   ービン用燃焼器。
2. 【請求項２】 前記スクロールの連結部の開口周縁を凹
   球形円弧状に形成すると共に、前記ライナの内端側開口
   周縁を凸球形円弧状に形成した請求項１記載のガスター
   ビン用燃焼器。
3. 【請求項３】 前記ライナ外端部の端壁を、外周部より
   内側中央に向かって傾斜したリング状に形成し、前記ラ
   イナ・サポートの内端側に前記セラミック製圧縮スプリ
   ングの複数個を円周方向に等間隔に配置した請求項１又
   は２記載のガスタービン用燃焼器。
4. 【請求項４】 前記ライナ・サポートには、前記ライナ
   外端部に設けた中央開口から燃焼用空気をスワール状に
   供給する案内羽根を備えた燃焼用空気供給開口を設けた
   請求項１〜３のいずれかに記載のガスタービン用燃焼
   器。