JPS62218732A - ガスタ−ビン燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はガスタービン燃焼器に係り、特に、空気を用い
て、燃焼器尾筒を冷却するガスタービン燃焼器に関する
。

〔従来の技術〕

従来のガスタービン燃焼器尾筒の冷却構造は。

特公昭５４−１１４４３号公報に記載のように、燃焼器
尾筒の一部に冷却スリーブを設け、この冷却スリーブに
配設された複数の孔からの冷却用流体の噴流を尾筒表面
に衝突させることにより冷却し、冷却後の流体は尾筒下
流に設けた貫通孔より燃焼ガスである主流ガスに合流す
る構造となっていた。

ガスタービンの効率を向上させるためには、燃焼温度を
上げることが最も効果的な方法である。

しかし、冷却用流体である空気の流欺は限られており、
燃焼温度の上昇した分、燃焼器ライナー及び燃焼器尾筒
の冷却は不十分となる。このため、燃焼器ライナー及び
燃焼器尾筒には高効率な冷却方法が要求される。

上記従来技術では、燃焼器尾筒の冷却に、空気の一部を
消費することになるため、燃焼器ライナーの冷却に供さ
れる空気流量が減少し、この分、燃焼温度を上げられな
いことになる。また、尾筒を冷却後、主流ガスに流入す
る冷却用空気は、主流ガスの高温部と、冷却用空気の低
温部の二層状のままタービン部に流入することになり、
タービン部の静翼及び動翼に悪影響を与えることになる
。

さらに、冷却スリーブは冷却効果を高めるため。

燃焼器尾筒に溶接で固定する方法が使われるが、燃焼器
尾筒と冷却スリーブの温度差による熱応力が高くなり、
信頼性低下の原因となる。

この冷却スリーブ方式の場合、冷却スリーブに配列され
た孔からの噴流は尾筒壁面に衝突後、尾筒の貫通孔から
主流ガスに流れ込む構造であるため、冷却スリーブ内外
及び尾筒内外で、この冷却流体を流すことができる圧力
差が必要となる。この圧力差を発生させるため、燃焼器
部の圧力損失を大きくする必要が生じ、この分、ガスタ
ービンの効率低下につながることになる。

さらに、冷却用流体の１部を燃焼器尾筒の冷却に消費し
、燃焼温度を一定に保持した場合、尾筒出口部に冷却空
気を流入させることと合せ、タービン部に対する温度不
均一率＝（最高燃焼温度−平均燃焼温度）／（平均燃焼
温度−冷却空気温度）に悪影響を与える。この温度不均
一率の悪化は、ダービン部動翼及び静翼にメタル温度の
ハイスポットを生じることにより、さらに破損に到る原
因となる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ガスタービンにおいては、圧縮機から供給される吐出空
気は、燃焼器ライナーと尾筒の位置する燃焼器室に導入
され１尾筒と燃焼器ライナーを冷却しながら燃焼器ライ
ナー内に入り込み、燃焼に供される。

上記従来技術では、尾筒の後流端に取付けた冷却スリー
ブの複数個の配列された孔から流れ込んだ冷却用流体は
、尾筒外壁に衝突して冷却した後。

尾筒壁に設けた貫通孔より主流ガスに流れ込む構造とな
る。この燃焼器尾筒の冷却として、冷却用流体の一部を
消費することは、この分、燃焼器ライナーの冷却に供さ
れる冷却用流体が減少することになるため、燃焼器ライ
ナーのメタル温度を許容温度以下にすることができなく
なくり、燃焼温度を下げざるをえなくなる。

さらに、冷却スリーブを通し、尾筒内に冷却用流体を、
所定の流速で流すためには、冷却スリーブの外側と尾筒
の内側間に、ある圧力差を持たせる必要があり、この分
、ガスタービンの効率が低下することになる。

本発明の目的は１尾筒の冷却に用いた冷却用流体の大部
分を燃焼用空気として燃焼器ライナーに流入させること
を可能にして、タービンの効率向上を図ると共に燃焼器
尾筒のメタル温度を許容温度以下に抑制し得るようにし
たガスタービン燃焼器を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕 上記目的は、燃焼器尾筒外壁からある間隙を持たせたフ
ロースリーブを全周にわたり設け、尾筒の冷却として、
このフロースリーブを利用し、尾筒のリテイナーリング
部は、フロースリーブの最後端に設けた開口部から入り
込む冷却用流体による対流冷却、尾筒的主流ガスの流速
が大きく、尾筒のメタル温度が特に高くなる後流部は、
フロースリーブに配列した複数個の孔からの冷却用流体
の噴流によるインピンジ冷却、その上流側の比較的メタ
ル温度が高くならない範囲はフロースリーブと尾筒間に
冷却用流体を所定の流速で流すことによる対流冷却、と
なる様にガスタービン燃焼器を構成することにより、達
成される。

本発明の燃焼器においては、圧縮機からの冷却用流体は
、スロースリーブ最後端の隙、インピンジ冷却のため設
けた複数個の孔及びインピンジ冷却と対流冷却の境界部
に設ける開口部よりフロースリーブ内に流入することに
なる。各流入の冷却用流体は、流入後、合流しつつ、上
流側に専かれ、燃焼器ライナー側へ流れ込む、そして燃
焼器ライナー側へ流れた冷却用空気は燃焼器ライナーに
設けた希釈空気孔、燃焼空気孔、スワラ−１冷却空気孔
から、設定した配分比に応じて、燃焼器ライナー内に流
入する。この空気のうち、温度不均一率に影響を与える
希釈空気孔からの空気をスムーズに流し込むため、その
外側に位置するフロースリーブに空気用カイトを設ける
。

〔作用〕

本発明のガスタービン燃焼器において、圧縮機からの吐
出空気である冷却用流体を燃焼器ライナー及び尾筒の冷
却として、最も効果的かつ有効に使用できる様、尾筒の
外側に所定の間隙を持たせたフロースリーブを全周に設
けた構造で、冷却用流体は尾筒の構造、尾筒内部の主流
ガス流速に起因するメタル温度に合わせ、インピンジ冷
却と対流冷却の組合わせとしたものであり、よって、圧
縮機からの燃焼用空気は、全量或は大部分、尾筒の冷却
用流体として使用できることになり、高効率な尾筒冷却
を実現することができる。

〔実施例〕

以下１本発明の一実施例であるガスタービン用燃焼器を
第１図により説明する。

ガスタービンの燃焼器室は、圧縮機吐出ケーシング１．
タービンケーシング２で囲まれた部屋の中に、複数個の
燃焼器ライナー３．燃焼器ライナー用フロースリーブ４
、尾筒５、尾Ｔａ　用フロースリーブ６、燃料ノズル７
により構成される。

圧縮機８からの吐出空気は、尾筒フロースリーブ６に設
けた開口部より尾筒５と尾筒フロースリーブ６との間に
流入し１尾筒５を冷却しつつ、上流側に流れ、燃焼器ラ
イナー用フロースリーブ４に案内されて、燃焼器ライナ
ー３内に流れ込む。

燃焼器ライナー３内で、燃料ノズル７からの燃料を燃焼
させ、その結果生じた高温ガスは燃焼器ライナー３及び
尾筒５の内部を通り、タービン９に導かれる。尾筒５は
燃焼器ライナー３とタービン９との遷移部材としての役
目を持つため、燃焼器ライナー３との取合部の円形状か
らタービン９取合部の扇形状まで滑らかな曲線で継なが
る三次元的形状となる。このため、尾筒５の断面積は、
第２図に示す様に、燃焼器ライナー３側からタービン９
側になるにつれ、減少しつつ変化する。この結果、尾筒
５内の主流ガスの流速が、第２図に示す断面積の変化と
、形状による向きの変化により、大きく変化することに
なる。この流速の変化は、尾筒５内の壁面に対する熱伝
達率に影響することになる。この熱伝達率と尾ａ５の位
置関係を第３図に示す。この熱伝達率の違いは、尾筒５
の壁メタル温度のバラツキとなって現われる。

尾筒５の上流側に比較し、下流側メタル温度はより品温
となり、冷却の強化が必要となる。

第４図は第１図の燃焼器室のうち、尾筒部分の詳細を示
す図である。尾筒５は、燃焼器ライナー３との取合部に
位置するリング５ａ、タービン９と面する出口部の変形
を防止するため肉厚構造体となるリテイナーリング５Ｃ
及びリング５ａとリテイナーリング５０間の本体部５ｂ
からなる。尾筒のメタル温度を許容温度以下とする冷却
構造について、第４図により説明する。

圧縮機からの冷却用流体は１尾筒フロースリーブ６の開
口部１０，１１，１２より尾筒５の冷却のため尾筒５と
尾筒フロースリーブ６の間に流れ込む構造となる。フロ
ースリーブ６の開口部１０はリテイナーリング５Ｃの冷
却のため、リテイナーリング５ｃの側面に冷却用流体を
流すためのものである。

フロースリーブ６の開口部１１は、尾筒５内の主流ガス
の流速が大で、特に尾筒壁メタル温度が高くなる範囲に
設ける。この範囲は、尾筒５と尾筒フロースリーブ６の
間隙をせばめ、フロースリーブ６に配列した複数個の噴
孔からの冷却用流体を尾筒５壁面に衝突させるインピン
ジ冷却と、開口部１０からの冷却用流体が上流側へ専か
れるときの対流冷却を組合わせたより強力な冷却構造と
する。フロースリーブ６の開口部１２は、開口部１０及
び１１からの尾筒５の冷却に必要な冷却用流体の残りの
全流量をフロースリーブ６内に導入するためのもので、
開口部１２から導入された冷却用流体は開口部１０及び
１１からの冷却用流体と合流し、尾筒５とフロースリー
ブ６間を上流に向は流れる。この範囲の尾筒５は、この
流れにより対流冷却され、尾筒壁メタル温度を許容温度
以下にすることが可能となる。

第５図は第４図で説明した尾ｆ？ｉ５の冷却のための冷
却用流体の配分とした場合の各部の圧力関係を示したも
のである。

フロースリーブ６開口部前の圧力をＰｚ、、開口部１１
の内側圧力Ｐｒ、開口部１２の内側の圧力をＰ８とする
。また開口部１２後の冷却用流体の流速を■とする。［
）２は圧縮機８の吐出圧力に相当する。冷却用流体の流
速ＶとＰｚに対するＰ８の関係は図中の破線Ｐ２８で示
される。また、開口部１１からの冷却用流体はＰｚとＰ
ｌの圧力差により配列された噴孔から流れる。この開口
部１１からの冷却用流体は、フロースリーブ内を上流側
に流れ、開口部１２からの冷却用流体と合流する。

ＰｚとＰ３と冷却用流体の流速Ｖとの関係は図中実線の
Ｐｌ３で示される。この圧力Ｐｔａは冷却用流体の流速
Ｖのエダクタ−効果により、Ｐｌの圧力から、Ｐ３の圧
力に回復することを示す。

この結果、本構造での圧力損失は第５図中のａとなり、
従来技術のインピンジ冷却し、尾ｎ５内に流す場合の圧
力損失すと比較し、大幅に低減可能となる。

したがって１本構造では、大きな圧力低下なしに尾筒５
の壁メタル温度を許容値以下にするに最適な配分で冷却
用流体を流すことが可能となる。

第６図は、燃焼器圧力損失の増減と、ガスタービン熱効
率差の増減の関係を示す。一般に、燃焼器圧力損失１％
はガスタービンの熱効率は０．２％に相当する。従来技
術の方法と比較し、この値以上の効果が期待できる。

第７図は、第１図の燃焼器室のうち、燃焼器ライナ一部
分の詳細図を示す。

尾筒５と尾筒フロースリーブ６間を流れる冷却用流体は
、燃焼器ライナーフロースリーブ４に案内されて、燃焼
器ライナー３の外周面を冷却しながら上流へ流れ、冷却
孔、希釈空気孔、燃焼空気孔から、燃焼器ライナー３内
に入る構造となる。

燃焼器ライナーフロースリーブ４には希釈空気案内板１
３を設ける。この希釈空気案内板１３は、尾筒側からの
冷却用流体を希釈空気孔から滑らかに流す働きを持つ。

この結果、燃焼器ライナー３内の温度不均一率が改善さ
れ、タービンの４ｍ頼性を大幅に向上させることができ
る。

また、尾筒の冷却に冷却用流体の全欺を流さず、一部を
バイパスして燃焼器ライナ一部に直接流す構造とした場
合においても、空気配分及び冷却用流体の流れを滑らか
に制御することが可能となる。

燃焼器ライナー３のメタル温度は、燃焼器ライナー３に
流れる冷却用流体流量により大きく影響を受け、流量の
減少は、燃焼器ライナーメタル温度の上昇につながる。

この関係を第８図に示す。

従来技術で１尾ｎ５の冷却として冷却用流体を消費する
場合、１％の消費は約２０℃の燃焼器ライナーのメタル
温度の上昇となる。この結果、燃焼器ライナー内燃焼温
度をこの分子げざるを得ないことになり、ガスタービン
の高温化に対処できなくなる。

また上述した構造の尾ｎ５において、背側に尾筒サポー
トボス５ｂ、尾筒出口部にはリティナーリング５Ｇが接
続される。この部分は、他部と形状を異とするため、メ
タル温度のハイスボットを生じることがある。このため
、この部分に、醒記実旅の効果に影響しない程度の冷却
用流体を尾筒に設けた貫通孔に流すことも行ない得る。

次に第９図で燃焼器の温度不均一率を説明する燃焼器ラ
イナーからの燃焼ガスは、希釈空気により混合・かくは
んされるが、外側、内側の温度差がある状態で、燃焼器
尾筒５に入る。燃焼器尾筒５の入口円形状から出口扇型
形状に移るにつれ、半径方向、及び周方向に、中心部が
高く、外周部が低い温度差を持った状態でタービン９に
流れることになる。この温度不均一率は、タービンに対
し、翼メタル温麿のハイスポットを生じさせることにな
り、信頼性低下の要因となる。

従来技術としての、尾筒冷却のインピンジ用空気を尾筒
に設けた貫通孔より尾筒内に流入する方法とした場合、
外周側の温度の低い部分をさらに低くし、この分、中心
部の温度の高い部分を突き上げることになる。これは、
ガスタービンの制御は排気ガス温度一定制御方式をとる
ため起る。

本発明の場合１尾筒内に冷却用流体を流さないため、上
記現象は起らず、温度不均一率も最小値にすることが可
能となる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、高効率化のため高温化したガ　１スタ
ービン燃焼器において、燃焼器尾筒の冷却の為に、冷却
流体の消費量を抑制して、冷却用に尾筒の外周に設けた
フロースリーブ構造により小さな圧力損失にすることが
可能となり、尾筒及び燃焼器ライナーのメタル温度を許
容値以下にすることができ、さらに、圧力損失が小さい
ことによる効率向上も期待できる。

そして従来技術と比較すれば、圧力損失１％の低減に見
合った効率向上０．２％分が期待できる。

また、冷却用流体の消費については従来技術と比較し、
２％分が削減でき、この分、燃焼器ライナーのメタル温
度は約４０℃低減が可能となる。

また、冷却用流体を尾筒に設けた貫通孔より。

尾筒内に流入しないことにより、温度不均一率を改善で
き、信頼性の高いガスタービンとすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例であるガスタービン燃焼器を
装着した燃焼器室の断面図、第２図は第１＠に示すガス
タービン燃焼器尾筒の断面積変化を表わす説明図、第３
図は第１図に示すガスタービン燃焼器尾筒内熱伝達率変
化を表わす説明図、第４図は第１図に示したガスタービ
ン燃焼器の尾筒まわり詳細図、第５図は第４図に示した
ガスタービン燃焼器の尾筒フロースリーブ開口部付近の
圧力分布状況図、第６図はガスタービン燃焼器における
圧力損失と熱効率差との関係図、！７図は第１図に示す
ガスタービン燃焼器の燃焼器ライナーまわり詳細図、第
８図は冷却空気流量と燃焼器ライナーメタル温度及び達
成可能燃焼温度との関係図、第９図はガスタービン燃焼
器出口における温度不均一状況の説明図である。 １・・・吐出ケーシング、２・・・タービンケーシング
、３・・・燃焼器ライナー、４・・・燃焼器ライナーフ
ロースリーブ、５・・・尾筒、６・・・尾筒フロースリ
ーブ、７・・・燃料ノズル、８・・・圧縮機、９・・・
タービン。 １０．１１．１２・・・フロースリーブ開口部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃焼器ライナーとタービン部を結ぶ尾筒の周囲に所
   定の間隙をおいてフロースリーブを設けたガスタービン
   燃焼器において、前記尾筒後流側の尾筒壁メタル温度が
   高い領域は、フロースリーブに配設した噴孔から冷却用
   流体を尾筒壁面に衝突させると共に、フロースリーブと
   尾筒壁間の流路を下流側に流れることによる対流の冷却
   方式とし、この範囲外の比較的尾筒壁メタル温度が低い
   範囲は、尾筒とフロースリーブ間の流路に冷却用流体の
   少なくとも一部を流すことによる対流の冷却方式とした
   ことを特徴としたガスタービン燃焼器。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記衝突・対流冷
   却後の冷却用流体は対流冷却の冷却用流体と合流し、尾
   筒にて冷却用流体を消費を低減したことを特徴としたガ
   スタービン燃焼器。 ３、特許請求の範囲第１項において、前記衝突・対流冷
   却の冷却用流体の低下した圧力を、その上流に位置する
   対流冷却用の冷却用流体の流速によるエダクター効果に
   より圧力回復させ、燃焼器圧力損失の低減を可能とした
   ことを特徴とするガスタービン燃焼器。 ４、特許請求の範囲第１項において、前記フロースリー
   ブのタービン側端を開口とし、冷却用流体の一部を流す
   ことにより尾筒のリテイナーリングを冷却できる様にし
   たことを特徴としたガスタービン燃焼器。 ５、特許請求の範囲第１項において、前記尾筒とフロー
   スリーブ間を上流側の燃焼器ライナー側に流れる冷却用
   空気が、燃焼器ライナーの希釈空気孔から、スムーズに
   流入できる様に、燃焼器ライナーフロースリーブに空気
   流入ガイドを設けたことを特徴としたガスタービン燃焼
   器。