WO2016047601A1 - 燃焼器、ガスタービン - Google Patents

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WO2016047601A1
WO2016047601A1 PCT/JP2015/076703 JP2015076703W WO2016047601A1 WO 2016047601 A1 WO2016047601 A1 WO 2016047601A1 JP 2015076703 W JP2015076703 W JP 2015076703W WO 2016047601 A1 WO2016047601 A1 WO 2016047601A1
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inner cylinder
combustor
notch
purge air
compressed air
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PCT/JP2015/076703
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直樹 角田
智志 瀧口
赤松　真児
西田　幸一
田中　克則
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三菱日立パワーシステムズ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a combustor and a gas turbine including the combustor.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2014-195035 for which it applied on September 25, 2014, and uses the content here.
  • the gas turbine includes a compressor that generates compressed air, a combustor that generates combustion gas by burning fuel in the compressed air, and a turbine that is rotationally driven by the combustion gas.
  • the combustor includes an inner cylinder for supplying fuel and air, and a tail cylinder in which a flame is formed by the fuel and air supplied from the inner cylinder and generates combustion gas.
  • film air is supplied from the gap between the outlet outer ring constituting the tip of the inner cylinder and the tail cylinder.
  • the structure is known (for example, refer to Patent Document 1).
  • a plurality of combustors are arranged along the outer periphery of the gas turbine and these are connected by a connecting pipe.
  • a connecting pipe as described above is provided in the combustor, specifically, a configuration may be employed in which an opening is provided on the wall surface of the inner cylinder of the combustor and the openings of adjacent combustors are connected by a connecting pipe. is there. Further, in the vicinity of the opening, a notch is formed in order to prevent the combustion gas and flame flowing through the connecting pipe from interfering with the combustor inner cylinder.
  • the combustor is inserted into the transition piece from the upstream side of the flow path, and the combustion gas is blown into the flow path.
  • an inner cylinder that forms a gap for blowing compressed air between the inner cylinder and the inner peripheral surface of the tail cylinder, and the inner cylinder has a cut that is recessed from the downstream end of the inner cylinder toward the upstream side.
  • a notch part and a purge air introduction hole for introducing the compressed air in the gap into the notch part are formed.
  • the purge air introduction hole is provided, so that the compressed air as the purge air flow can be guided toward the notch.
  • the inner cylinder is formed along an edge of the notch and is separated from the flow path.
  • the purge air introduction hole may be a through-hole penetrating the protrusion.
  • the compressed air as the purge air flow can be more reliably introduced into the notch.
  • the through hole may be configured such that the inner diameter dimension decreases from the upstream side toward the downstream side. Good.
  • the through hole since the inner diameter of the through hole decreases from the upstream side to the downstream side, the through hole can be appropriately adjusted to increase the flow rate of the purge air flow on the downstream side.
  • the inner diameter of the through hole increases from the upstream side toward the downstream side. It may be configured as follows.
  • the flow rate of the purge air flow on the downstream side can be appropriately adjusted in the direction of decreasing.
  • the combustor according to any one of the second to fourth aspects may include a plurality of the through holes.
  • the plurality of through holes are provided as the purge air introduction holes, it is possible to introduce the purge air flow toward a wider range in the notch portion.
  • a gas turbine according to a sixth aspect of the present invention includes a plurality of the combustors according to any one of the above aspects, and the plurality of combustors are connected in a shape corresponding to the notch portions.
  • tube may be sufficient.
  • FIG. 1 is a schematic view of a gas turbine according to an embodiment of the present invention. It is the cross-sectional schematic seen from the direction orthogonal to the axis line of the combustor which concerns on embodiment of this invention. It is principal part sectional drawing of the combustor which concerns on embodiment of this invention, Comprising: It is a figure which shows the connection part of an inner cylinder and a tail cylinder.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view (a cross-sectional view taken along the line IV-IV in FIG. 3) of a connecting portion between the inner cylinder and the tail cylinder viewed from the circumferential direction in the combustor according to the embodiment of the present invention. It is a figure which shows the modification of the combustor which concerns on embodiment of this invention. It is a figure which shows the modification of the combustor which concerns on embodiment of this invention.
  • the gas turbine 1 mixes fuel with a compressor 2 that takes in and compresses a large amount of air into the inside, and compressed air A generated by the compressor 2.
  • a combustor 3 for combusting, and a turbine 4 for converting thermal energy of the combustion gas G introduced from the combustor 3 into rotational energy are provided.
  • the compressor 2 and the turbine 4 include a rotor 5 connected so as to rotate integrally with each other, and a stator 6 that surrounds the outer peripheral side of the rotor 5.
  • the rotor 5 includes a rotating shaft 7 and a plurality of annular blade groups 8 fixed at intervals in the direction of the axis O.
  • Each annular blade group 8 has a plurality of blades fixed on the outer periphery of the rotating shaft 7 at intervals in the circumferential direction.
  • the stator 6 includes a casing 9 and a plurality of annular stator blade groups 10 fixed in the casing 9 at intervals in the direction of the axis O.
  • the annular stator blade group 10 has a plurality of stator blades fixed to the inner surface of each casing 9 at intervals in the circumferential direction.
  • the annular stationary blade group 10 and the annular moving blade group 8 are alternately arranged in the axis O direction.
  • the combustor 3 includes a fuel supply unit 11 that injects compressed air A and fuel from the compressor 2, an inner cylinder 20 that supplies compressed air A and fuel from the fuel supply unit 11, and A tail cylinder 30 that generates combustion gas G from the compressed air A and fuel blown out from the inner cylinder 20 and sends the generated combustion gas G to the turbine 4.
  • Both the inner cylinder 20 and the tail cylinder 30 of the combustor 3 are arranged in the casing 14 of the turbine 4.
  • the plurality of combustors 3 are arranged along the outer periphery of the casing 9 of the gas turbine 1.
  • the plurality of combustors are connected by a connecting portion C.
  • all the combustors are provided by providing a spark plug only in one combustor and propagating the flame in the combusted combustor to another combustor through the connecting portion C. Is ignited.
  • the inner cylinder 20 has an inner cylinder main body 39 that is arranged on one side of the inner cylinder 20 and has a cylindrical shape, and an annular outlet outer ring 40 that is arranged on the other side of the inner cylinder 20.
  • the fuel supplier 11 is provided at one end of the inner cylinder 20, and an opening 25 is formed at the other end.
  • the outlet outer ring 40 forms the tip of the inner cylinder 20.
  • one end portion of the inner cylinder main body 39 is defined as a base end portion 21, and the other end portion is defined as a tip end portion 22, the base end portion 21 side is defined as an upstream side, and the tip end portion 22 is defined.
  • the side is defined as the downstream side.
  • the direction along the axis O of the inner cylinder 20 is defined as the axial direction
  • the direction along the circumference centering on the axis O is defined as the circumferential direction
  • the direction along the diameter of this circumference is defined as the radial direction.
  • the tail cylinder 30 is a member formed in a cylindrical shape, like the inner cylinder 20.
  • the inside of the transition piece 30 is penetrated from one side to the other, and one end is an opening 35.
  • the inner diameter of the opening 35 is larger than the outer diameter of the distal end portion 22 of the inner cylinder 20 and the outer diameter of the outlet outer ring 40.
  • the upstream end portion of the transition piece 30 is referred to as a base end portion 31.
  • the distal end portion 22 of the inner tube main body portion 39 and the outlet outer ring 40 are inserted.
  • the downstream end of the transition piece 30 is connected to the combustion passage of the turbine 4.
  • the fuel supplier 11 is fixed to the casing 9.
  • the base end portion 21 of the inner cylinder 20 is supported by the fuel supplier 11.
  • the distal end portion 22 of the inner cylinder main body 39 is supported by a support member (not shown) provided in the casing 9 together with the proximal end portion 31 of the tail cylinder 30.
  • a pilot burner 12P of the fuel supplier 11 and a plurality of main burners 12M are provided.
  • the pilot burner 12 ⁇ / b> P is provided along the axis O of the combustor 3.
  • the pilot burner 12P injects the supplied fuel from the pilot nozzle 13P.
  • a flame is formed by igniting the fuel injected from the pilot nozzle 13P.
  • the pilot burner 12P is provided with a pilot cone.
  • the pilot cone is a cylindrical member that surrounds the outer peripheral side of the pilot nozzle 13P.
  • the pilot cone is provided in order to enhance flame holding properties by regulating the diffusion range and direction of the flame.
  • a plurality of main burners 12 ⁇ / b> M are provided inside the inner cylinder 20. More specifically, the plurality of main burners 12M are arranged at equal intervals in the circumferential direction on the outer peripheral side of the pilot burner 12P. Each main burner 12 ⁇ / b> M extends along the axis O of the inner cylinder 20. That is, each main burner 12M is parallel to the above-described pilot burner 12P. A main nozzle 13M is provided at the tip of the main burner 12M. Fuel is injected from a fuel nozzle (not shown) to the main burner 12M formed in this way. The injected fuel is mixed with the compressed air A in the inner cylinder 20 to generate a premixed gas. The premixed gas is ignited by the flame formed by the pilot burner 12P described above, and a flame is generated by premixed diffusion combustion in the tail cylinder 30. The burned premixed gas flows as the combustion gas G toward the subsequent turbine 4.
  • the inner cylinder 20 is disposed between the outer peripheral surface 20 b of the inner cylinder main body 39 and the inner peripheral surface 30 a of the tail cylinder 30.
  • a leaf spring 23 and a seal plate 24 supported by the leaf spring 23 are mounted on the outer peripheral surface 20b in the vicinity of the distal end portion 22 of the inner cylinder main body 39.
  • the seal plate 24 is a cylindrical thin plate for sealing a connection portion between the inner cylinder 20 and the tail cylinder 30.
  • the seal plate 24 is formed with a plurality of slits (not shown) in the circumferential direction.
  • the seal plate 24 has an upstream outer peripheral surface in contact with the inner peripheral surface 30 a of the tail cylinder 30, and a downstream inner peripheral surface joined to the outer peripheral surface 20 b of the inner cylinder main body 39.
  • the leaf spring 23 is an elastic member that urges the upstream side of the seal plate 24 from the radially inner peripheral side toward the inner peripheral surface 30 a of the tail cylinder 30, and has a cylindrical shape like the seal plate 24. .
  • the outlet outer ring 40 connected to the distal end portion 22 of the inner cylinder main body 39 includes a cylindrical main body 41 and a fixing member for fixing the main body 41 to the inner cylinder main body 39 so as not to drop off ( (Not shown). Further, a taper-shaped enlarged surface 43 is formed on the inner peripheral side of the main body 41 and gradually increases in diameter toward the downstream side. By the enlarged surface 43, the compressed air A and fuel are smoothly supplied from the inner cylinder 20 to the tail cylinder 30.
  • the main body portion 41 of the outlet outer ring 40 includes a fitting portion 44 and a throttle portion 45 that are fitted to the tip portion 22 of the inner cylinder main body portion 39 in order from the upstream side.
  • the fitting portion 44 has a shape that fits with the inner peripheral surface 20 a of the distal end portion 22 of the inner cylinder main body portion 39 without a gap. That is, the outer diameter dimension of the fitting portion 44 is set smaller than the inner diameter dimension of the distal end portion 22 of the inner cylinder main body portion 39. Further, a gap in the radial direction is provided between the outer peripheral surface 45 b of the throttle portion 45 and the inner peripheral surface 30 a of the transition piece 30.
  • the gas turbine 1 includes a plurality of combustors 3 arranged at intervals along the outer periphery of the casing 9.
  • the plurality of combustors 3 are connected to each other via a connecting portion C. That is, the flame generated in one combustor 3 propagates to another adjacent combustor 3 through the connecting portion C. As a result, the flame propagates to all the combustors 3 arranged along the circumferential direction, and the combustion gas G having a uniform temperature distribution is supplied to the turbine 4.
  • the connecting part C has a connecting pipe C1 that is a piping member that connects two adjacent combustors 3 and 3, and a fixing part C2 that fixes the connecting pipe C1 to the combustor 3.
  • the connecting pipe C ⁇ b> 1 has substantially the same outer diameter as the connecting hole C ⁇ b> 3 provided in the outer wall of the tail cylinder 30 of the combustor 3.
  • Combustors 3 and 3 are connected to each other by connecting the end of connecting pipe C1 to connecting hole C3. Further, the connecting pipe C1 and the connecting hole C3 are fixed by a fixing portion C2 so as not to drop off.
  • a seal member or the like for suppressing the leakage of the combustion gas G flowing inside may be provided.
  • a plurality of air supply holes 32 are formed in the vicinity of the base end portion 31 of the transition piece 30 over the entire circumferential direction.
  • the axial position of the air supply hole 32 is on the downstream side of the seal plate 24 when the tail cylinder 30 and the inner cylinder 20 are combined.
  • the end of the connecting pipe C1 reaches the inside of the tail cylinder 30, so that the combustion gas or flame flowing through the connecting pipe C1 interferes with the outlet outer ring 40. It is necessary to avoid that. Therefore, as shown in FIGS. 3 and 4, the outlet outer ring 40 is formed with a notch 47 having a shape corresponding to the connecting pipe C ⁇ b> 1.
  • the notch 47 is formed so as to be recessed from the downstream end edge 40a of the outlet outer ring 40 toward the upstream side. More specifically, as shown in FIG. 4, the cutout portion 47 includes a circular arc portion 47 a formed in an arc shape, and both ends of the circular arc portion 47 a and the downstream side edge 40 a of the outlet outer ring 40 are straight lines. And a linear portion 47b connected in a shape. The dimension in the radial direction of the arc portion 47a is set sufficiently larger than the outer diameter dimension of the connecting pipe C1. A region between the circular arc portion 47a generated thereby and the connecting pipe C1 is a gap S2.
  • a protruding portion 48 is formed on the downstream end edge 40 a of the outlet outer ring 40.
  • the protruding portion 48 is formed so as to protrude in a step shape in a direction away from the outer peripheral surface of the main body portion 41 of the outlet outer ring 40, that is, radially outward.
  • a plurality of purge air introduction holes 49 are formed in the protrusion 48.
  • the purge air introduction hole 49 is provided so as to penetrate the protrusion 48 along the axis O direction.
  • a plurality (seven) of purge air introduction holes 49, 49, 49, 49, 49, 49, 49, 49, 49 are provided in the arc portion 47 a of the notch portion 47 so as to be parallel to each other. Yes.
  • the compressed air A compressed by the compressor 2 is a flow path 14 surrounded by the outer peripheral surface 30 b of the tail cylinder 30, the outer peripheral surface 20 b of the inner cylinder 20, and the inner peripheral surface of the casing 9 (see FIG. 2), and after being reversed by the reversing unit 15, flows into the inner cylinder 20.
  • the fuel and compressed air A supplied from the pilot burner 12P and the main burner 12M of the fuel supplier 11 are supplied from the inner cylinder 20 to the tail cylinder 30.
  • the fuel and compressed air A supplied from the inner cylinder 20 form a flame inside the tail cylinder 30.
  • a diffusion flame is formed by the pilot fuel and compressed air A supplied from the pilot burner 12P.
  • a premixed flame is formed by igniting with a premixed gas generated by premixing the main fuel and the compressed air A in the plurality of main burners 12M.
  • the combustion gas G generated by the combustion of the pilot fuel and the main fuel is sent from the tail cylinder 30 to the inside of a turbine side gas flow path (not shown). As described above, the combustion gas G that has entered the turbine gas passage causes the rotor 5 to rotate. On the other hand, as shown in FIG. 3, the compressed air A is taken into the space between the tail cylinder 30 and the inner cylinder 20 through the air supply hole 32. The introduced compressed air A is blown out along the inner peripheral surface 30 a of the transition piece 30 from the gap between the transition piece 30 and the throttle portion 46 of the outlet outer ring 40.
  • a part of the compressed air A blown into the tail tube 30 forms a thin film (air layer) on the inner peripheral surface 30 a of the tail tube 30.
  • This film of compressed air A cools the inner peripheral surface 30a of the tail cylinder 30.
  • the tail cylinder 30 is protected from the fuel and compressed air A supplied from the opening 25 of the inner cylinder 20, and the radiant heat by a flame. Note that most of the compressed air A that is not used for film cooling is used as combustion air.
  • the behavior of the compressed air A in the vicinity of the notch 47 will be described with reference to FIG.
  • the compressed air A as the purge air flow P flows around the notch 47.
  • the purge air flow P is introduced from the plurality of purge air introduction holes 49 provided in the protrusion 48 of the notch 47 toward the inside of the notch 47 (inside the region surrounded by the notch 47). Is done.
  • the purge air flow P is supplied to the notch 47 in this way, the possibility that, for example, film air (compressed air A) stays in the area inside the notch 47 can be reduced.
  • the purge air introduction hole 49 is not provided and the purge air flow P is not supplied, the film air stays inside the notch 47, which may cause a vortex flow.
  • the flame generated in the tail cylinder 30 reaches this vortex flow, the flame is held in the region. As a result, for example, the downstream end edge 40a of the outlet outer ring 40 may be damaged or deteriorated.
  • the purge air introduction hole 49 is formed in the outlet outer ring 40 as described above, the possibility of flame holding inside the notch 47 is reduced. Can do. Therefore, damage and deterioration that occur in the combustor 3 can be suppressed.
  • the purge air introduction hole 49 is provided with a through hole 49 penetrating the protruding portion 48 provided in the notch portion 47 in the upstream and downstream directions, thereby purging air.
  • the compressed air A as the flow P can be introduced into the notch 47 more reliably.
  • the purge air flow P can be introduced toward a wider range in the notch 47. it can.
  • the opening shape of the purge air introduction hole 49 is not particularly limited, and may be any of a circular cross section, an elliptical cross section, a polygonal cross section, and the like.
  • the purge air introduction hole 49 (through hole 49) is provided in the arc portion 47a of the notch portion 47.
  • the arrangement of the purge air introduction holes 49 is not limited to this.
  • the purge air introduction holes 49 may be provided in the straight portions 47 b of the notches 47. With such a configuration, the possibility that the film air (compressed air A) stays inside the notch 47 can be further reduced.
  • the inside of the purge air introduction hole 49 has been described as having a constant opening diameter from the upstream side to the downstream side.
  • the opening diameter of the purge air introduction hole 49 is not limited to this, and for example, the purge air introduction hole 49 may be formed so that the opening diameter gradually increases or decreases from the upstream side toward the downstream side.
  • the purge air introduction hole 49 When the purge air introduction hole 49 is formed so that the inner diameter dimension increases from the upstream side toward the downstream side, the purge air introduction hole 49 is appropriately adjusted in the direction of decreasing the flow rate of the purge air flow P on the downstream side of the notch 47. be able to. On the other hand, when the purge air introduction hole 49 is formed so that the inner diameter dimension decreases from the upstream side toward the downstream side, the purge air flow P can be appropriately adjusted in the direction of increasing the flow rate of the purge air flow P.
  • the compressed air A used for film cooling is performed through the air supply hole 32.
  • the mode of introducing the compressed air A is not limited to this, and other methods may be used.
  • the structure which introduces compressed air A from the slit formed in the sealing plate 24 may be sufficient.
  • the purge air introduction hole 49 is provided so as to penetrate the protrusion 48 provided in the notch 47.
  • the recess 50 is provided on the outer peripheral surface of the outlet outer ring 40, so that one of the wall surfaces in the upstream and downstream direction of the recess 50 and the cutout portion are provided. 47 may be provided.
  • Such a configuration can further reduce the possibility of hindering the flow of the compressed air A as the film air in addition to suppressing the retention of the film air in the notch 47.
  • the mode of the purge air introduction hole 49 is not limited to this, and for example, the purge air introduction hole 49 may be formed by providing a plurality of slit-shaped grooves from the outer peripheral surface of the outlet outer ring 40 toward the inside in the radial direction.

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Abstract

燃焼器（３）は、内側に流路を形成する尾筒（３０）と、前記流路の上流側から尾筒（３０）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、尾筒（３０）の内周面（３０ａ）との間に圧縮空気（Ａ）を、出口から前記流路内に吹き出す間隙（Ｓ１）を画成する内筒（２０）と、を備え、内筒（２０）に、該内筒（２０）の下流側の端部から上流側に向かって凹む切欠き部（４７）と、間隙（Ｓ１）内の圧縮空気（Ａ）を切欠き部（４７）内に導入するパージ空気導入孔と、が形成されている。

Description

燃焼器、ガスタービン
　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。
　本願は、２０１４年９月２５日に出願された特願２０１４－１９５０３５号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　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。
　本発明の第一の態様によれば、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、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、本発明の第二の態様によれば、上記第一の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、本発明の第三の態様によれば、上記第二の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、本発明の第四の態様によれば、上記第二の態様、又は上記第三の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、本発明の第五の態様によれば、上記第二から第四のいずれか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、本発明の第六の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。
　上述の燃焼器、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にて生成された圧縮空気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、周方向に互いに間隔を空けて固定された複数の動翼を有している。
　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、周方向に互いに間隔をあけて固定された複数の静翼を有している。
　環状静翼群１０と環状動翼群８とは、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がガスタービン１のケーシング９の外周に沿って配置されている。これら複数の燃焼器は、連結部Ｃによって連結されている。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、すべての燃焼器が着火される。
　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と定義し、基端部２１の側を上流側、先端部２２の側を下流側と定義する。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定義し、この円周の径に沿う方向を径方向と定義する。
　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ために設けられている。
　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に沿って延びている。すなわち、それぞれのメインバーナ１２Ｍは、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と混合されて、予混合ガスが生成される。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る。シール板２４には、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に火炎が伝搬し、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。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。
 　上述の燃焼器、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。
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、
    　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２又は３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ているガスタービン。
PCT/JP2015/076703 2014-09-25 2015-09-18 燃焼器、ガスタービン WO2016047601A1 (ja)

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