WO2023013310A1 - ガスタービン燃焼器及びガスタービン - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2021年8月5日に日本国特許庁に出願された特願2021-129058号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
バーナと、
前記バーナに燃料を供給する燃料配管と、
を備えるガスタービン燃焼器であって、
前記燃料配管は、
燃料キャビティの少なくとも一部と前記ガスタービン燃焼器の外部とを区画する部材に接続され、
前記部材よりも上流側に位置する第1領域と、
前記部材に形成されていて前記外部と前記燃料キャビティとを連通する貫通孔に嵌合する第2領域と、
前記貫通孔の内周面から径方向内側に離間した外周面を有する第3領域と、
を含み、
前記燃料配管の下流端は、前記貫通孔の両端部の内、前記燃料キャビティに近い方の端部まで達している。
上記(1)の構成のガスタービン燃焼器
を備える。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
幾つかの実施形態に係るガスタービン燃焼器100は、エンドカバー500と、エンドカバー500に取り付けられていて、クラスタノズルを構成する複数の燃料ノズル31、32と、空気孔プレート33とを備えている。
エンドカバー500は、複数の燃料キャビティ510を形成する燃料キャビティ形成部501と、複数の燃料配管530とを有する。なお、図2では、エンドカバー500の構造を簡略化して表しており、燃料キャビティ510及び燃料配管530をそれぞれ1つだけ図示している。なお、エンドカバー500の構造については、後で詳述する。
なお、幾つかの実施形態に係るガスタービン燃焼器100では、使用する燃料は気体燃料であるが、液体燃料を使用することを排除するものではない。
以下の説明では、ガスタービン燃焼器100のことを、単に燃焼器100とも称する。
図3は、幾つかの実施形態に係るエンドカバー500の外観斜視図である。
図4は、幾つかの実施形態に係るエンドカバー500をガスタービン燃焼器100の軸線(中心軸AXc)方向に沿って上流側から下流側に向かって見た外観図である。
図5は、図4におけるA-A矢視断面を模式的に示した図である。
幾つかの実施形態に係るエンドカバー500は、燃料キャビティ形成部501内にF1系統燃料キャビティ5101と、F21系統燃料キャビティ5121と、F22系統燃料キャビティ5122と、F23系統燃料キャビティ5123とを有する。
F21系統燃料キャビティ5121は、軸方向上流側から蓋部材503で覆われている。
F21系統燃料キャビティ5121には、F21系統燃料キャビティ5121に燃料を供給するためのF21系統燃料配管5321が接続されている。なお、F21系統燃料配管5321は、蓋部材503に取り付けられている。
複数の燃料分配流路541のぞれぞれは、軸方向下流側において、1つの燃料分配流路541に対して複数の燃料ノズル31が接続されている。
F22系統燃料キャビティ5122は、軸方向上流側から蓋部材503で覆われている。
F22系統燃料キャビティ5122には、F22系統燃料キャビティ5122に燃料を供給するためのF22系統燃料配管5322が接続されている。なお、F22系統燃料配管5322は、蓋部材503に取り付けられている。
複数の燃料分配流路542のぞれぞれは、軸方向下流側において、1つの燃料分配流路542に対して複数の燃料ノズル31が接続されている。
F23系統燃料キャビティ5123には、F23系統燃料キャビティ5123に燃料を供給するためのF23系統燃料配管5323(図3参照)が接続されている。
F23系統燃料キャビティ5123には、複数の燃料ノズル31が接続されている。
幾つかの実施形態では、複数の燃料ノズル31、及び、複数の燃料ノズル32と、空気孔プレート33とによってバーナ(クラスタバーナ)3が構成されている。
幾つかの実施形態では、F21系統燃料キャビティ5121、F22系統燃料キャビティ5122、及びF23系統燃料キャビティ5123に接続されている複数の燃料ノズル31は、メインバーナ3Aを構成する。
幾つかの実施形態では、F1系統燃料キャビティ5101に接続されている複数の燃料ノズル32は、パイロットバーナ3Bを構成する。
幾つかの実施形態に係るガスタービン燃焼器100では、定格負荷運転時には、全ての燃料キャビティ510に燃料が供給されて、全ての燃料ノズル31、32から燃料が噴射されるように構成されている。
また、幾つかの実施形態に係るガスタービン燃焼器100では、部分負荷運転時には、一部の燃料キャビティ510にだけ燃料が供給されて、一部の燃料ノズル31、32から燃料が噴射されるように構成されている。
幾つかの実施形態に係るガスタービン燃焼器100では、さらに負荷が大きくなると、例えば、F22系統燃料キャビティ5122にも燃料が供給され、F23系統燃料キャビティ5123には、燃料配管530から高圧空気120が供給されるように構成されている。
幾つかの実施形態に係るガスタービン燃焼器100では、さらに負荷が大きくなると、例えば、F23系統燃料キャビティ5123にも燃料が供給されるように構成されている。
図6Bは、他の実施形態に係るガスタービン燃焼器100について、図5において破線で囲んだB部の構造を示す図である。
図6Cは、さらに他の実施形態に係るガスタービン燃焼器100について、図5において破線で囲んだB部の構造を示す図である。
図7は、従来のガスタービン燃焼器における、図5において破線で囲んだB部に相当する部位の構造の一例を示す図である。
そのため、一部の燃料キャビティ510に燃料配管530から高圧空気120が供給されると、燃料キャビティ510を画定する燃料キャビティ形成部501や蓋部材503が熱せられてしまう。
これに対して燃料は、例えば40℃程度の常温である。そのため、従来のガスタービン燃焼器では、例えば図7に示した燃料配管530Xを介して常温の燃料が燃料キャビティ510に供給されると、蓋部材503Xにおいて燃料が流通するように構成された孔部503aが燃料で冷却され、孔部503aの内周の縁の部分、すなわち、図7において破線で囲んだ領域Cに比較的大きな熱応力が作用することとなる。
そして、幾つかの実施形態に係るガスタービン燃焼器100では、燃料配管530(F21系統燃料配管5321)は、上記部材(蓋部材503)よりも上流側に位置する第1領域531と、上記部材(蓋部材503)に形成されていて外部と燃料キャビティ510(F21系統燃料キャビティ5121)とを連通する貫通孔505に嵌合する第2領域532と、貫通孔505の内周面505aから径方向内側に離間した外周面533aを有する第3領域533と、を含む。燃料配管530(F21系統燃料配管5321)の下流端530deは、貫通孔505の両端部の内、燃料キャビティ510に近い方の端部505deまで達している。
したがって、図6A、図6B及び図6Cに示すガスタービン燃焼器100によれば、ガスタービン燃焼器100の耐久性を向上できる。
なお、図6A、図6B及び図6Cに示すガスタービン燃焼器100において、F22系統燃料配管5322が上述したF21系統燃料配管5321と同様の構成を有していてもよい。
これにより、燃料キャビティ510の少なくとも一部とガスタービン燃焼器100の外部とを区画する部材(蓋部材503)の外側の表面に段差部535が当接するとともに、上述の構成のように第2領域532が貫通孔505に嵌合しているので、燃料配管530(F21系統燃料配管5321)と上記部材(蓋部材503)とはインロー嵌合している。これにより、燃料配管530(F21系統燃料配管5321)を上記部材(蓋部材503)に取り付ける際の位置決めが容易となる。また、インロー嵌合によって第3領域533の貫通孔505内における貫通孔505の径方向の位置が定まるので、第3領域533の外周面533aと貫通孔505の内周面505aとの隙間が周方向の位置によって異なることが抑制される。
なお、図6A及び図6Bに示すガスタービン燃焼器100において、F22系統燃料配管5322が上述したF21系統燃料配管5321と同様の構成を有していてもよい。
これにより、第3領域533が第2領域532よりも燃料配管530(F21系統燃料配管5321)の上流側に位置する場合と比べて第3領域533の位置が燃料キャビティ510に近づく。したがって、燃料キャビティ510の少なくとも一部とガスタービン燃焼器100の外部とを区画する部材(蓋部材503)における燃料キャビティ510に比較的近い領域が燃料によって冷やされ難くなる。
上記部材(蓋部材503)では、燃料キャビティ510の少なくとも一部とガスタービン燃焼器100の外部とを区画するので、燃料キャビティ510に近い方の領域が燃料キャビティ510から遠い方の領域と比べて温度が高くなる傾向にある。すなわち、上記部材(蓋部材503)では、燃料配管530(F21系統燃料配管5321)の下流側の領域の方が上流側の領域と比べて温度が高くなる傾向にある。したがって、図6A及び図6Bに示すガスタービン燃焼器100によれば、上述したように、上記部材(蓋部材503)における燃料キャビティ510に比較的近い領域が燃料によって局所的に冷やされ難くなるので、上記部材(蓋部材503)の熱応力を効果的に低減できる。
なお、図6A及び図6Bに示すガスタービン燃焼器100において、F22系統燃料配管5322が上述したF21系統燃料配管5321と同様の構成を有していてもよい。
これにより、段差部537が上記部材(蓋部材503)の外側の表面に当接するので、燃料配管530を上記部材(蓋部材503)に取り付ける際の位置決めが容易となる。
これにより、上記部材(蓋部材503)における貫通孔505に嵌合する第2領域532が第3領域533よりも燃料配管530の下流側に位置していることで、第3領域533における下流側の領域において、第3領域533の外周面533aと貫通孔505の内周面505aとの隙間が周方向の位置によって異なることが抑制される。
これにより、各領域の外径を燃料配管530(F21系統燃料配管5321)の外周の加工によって容易に設定できる。
なお、図6A及び図6Bに示すガスタービン燃焼器100において、F22系統燃料配管5322が上述したF21系統燃料配管5321と同様の構成を有していてもよい。
軸方向に沿った第3領域533の長さL3を軸方向に沿った第2領域532の長さL2よりも大きくすることで、第3領域533の外周面533aと貫通孔505の内周面505aとの間で遮熱層として機能する空所504の軸方向の長さを大きくすることできる。これにより、上記部材(蓋部材503)が燃料によって局所的に冷やされ難くなるので、上記部材(蓋部材503)の熱応力を効果的に低減できる。
なお、図6A及び図6Bに示すガスタービン燃焼器100において、F22系統燃料配管5322が上述したF21系統燃料配管5321と同様の構成を有していてもよい。
幾つかの実施形態に係るガスタービン燃焼器100によれば、少なくとも第1燃料配管530A(F21系統燃料配管5321)において上述した第3領域533を有していれば、第1燃料配管530A(F21系統燃料配管5321)が接続される部材である蓋部材503が燃料によって局所的に冷却され難くなるので、該部材の熱応力を低減できる。
ガスタービン燃焼器100で部分負荷運転を行ったり、定格負荷運転を行ったりする場合、部分負荷運転時には、メインバーナ3Aの一部における燃焼を停止させることになる。この場合、上述したように、燃料を停止させた一部のメインバーナ3Aから高圧空気120だけを噴出させる場合がある。この場合、上記の一部のメインバーナ3Aと連通する燃料キャビティ510に比較的温度が高い高圧空気120が流れ込むため、該燃料キャビティ510を区画する部材の温度が比較的高くなり易い。
幾つかの実施形態に係るガスタービン燃焼器100によれば、上記の一部のメインバーナ3A以外のメインバーナ3Aに燃料を供給するように構成された燃料配管530であるF21系統燃料配管5321において上述した第3領域533を有していれば、該燃料配管530が接続される部材(蓋部材503)が燃料によって局所的に冷却され難くなるので、該部材の熱応力を低減できる。
これにより、燃料配管530がガスタービン燃焼器100の外部において上流側に向かうにつれてガスタービン燃焼器100の径方向外側に向かうように延在するので、他の燃料配管530等、他の部材と干渉し難くなる。
これにより、第4領域534を含まない場合と比べて、溶接部507における溶金量を増やすことができ、燃料配管530と上記部材(蓋部材503)との接合強度を向上できる。
なお、図6A及び図6Bに示すガスタービン燃焼器100において、F22系統燃料配管5322が上述したF21系統燃料配管5321と同様の構成を有していてもよい。
これにより、燃料が液体燃料の場合と比べて、燃料配管530と燃料との間の熱伝達率が低くなり、燃料配管530が冷え難くなるので、蓋部材503の熱応力を低減できる。
例えば、上述した幾つかの実施形態では、バーナ3はクラスタバーナであったが、一般的な予混合バーナや拡散燃焼方式のバーナであってもよい。
また、F21系統燃料配管5321やF22系統燃料配管5322は、蓋部材503ではなく、燃料キャビティ形成部501に直接取り付けられていてもよい。
(1)本開示の少なくとも一実施形態に係るガスタービン燃焼器100は、バーナ3と、バーナ3に燃料を供給する燃料配管530と、を備えるガスタービン燃焼器である。燃料配管530は、燃料キャビティ510の少なくとも一部とガスタービン燃焼器100の外部とを区画する部材である蓋部材503に接続されている。燃料配管530(F21系統燃料配管5321)は、上記部材(蓋部材503)よりも上流側に位置する第1領域531と、上記部材(蓋部材503)に形成されていて外部と燃料キャビティ510(F21系統燃料キャビティ5121)とを連通する貫通孔505に嵌合する第2領域532と、貫通孔505の内周面505aから径方向内側に離間した外周面533aを有する第3領域533と、を含む。燃料配管530(F21系統燃料配管5321)の下流端530deは、貫通孔505の両端部の内、燃料キャビティ510に近い方の端部505deまで達している。
したがって、上記(1)の構成によれば、ガスタービン燃焼器100の耐久性を向上できる。
上記部材(蓋部材503)では、燃料キャビティ510の少なくとも一部とガスタービン燃焼器100の外部とを区画するので、燃料キャビティ510に近い方の領域が燃料キャビティ510から遠い方の領域と比べて温度が高くなる傾向にある。すなわち、上記部材(蓋部材503)では、燃料配管530(F21系統燃料配管5321)の下流側の領域の方が上流側の領域と比べて温度が高くなる傾向にある。したがって、上記(3)の構成によれば、上述したように、上記部材における燃料キャビティ510に比較的近い領域が燃料によって局所的に冷やされ難くなるので、上記部材(蓋部材503)の熱応力を効果的に低減できる。
上記(8)の構成によれば、少なくとも第1燃料配管530A(F21系統燃料配管5321)において上述した第3領域533を有していれば、第1燃料配管530A(F21系統燃料配管5321)が接続される部材である蓋部材503が燃料によって局所的に冷却され難くなるので、該部材の熱応力を低減できる。
上記(9)の構成によれば、上記の一部のメインバーナ3A以外のメインバーナ3Aに燃料を供給するように構成された燃料配管530において上述した第3領域533を有していれば、該燃料配管530が接続される部材(蓋部材503)が燃料によって局所的に冷却され難くなるので、該部材の熱応力を低減できる。
3 バーナ
3A メインバーナ
3B パイロットバーナ
31、32 燃料ノズル
33 空気孔プレート
100 ガスタービン燃焼器
500 エンドカバー
503 蓋部材
503a 表面
505 貫通孔
510 燃料キャビティ
530 燃料配管
530A 第1燃料配管
530B 第2燃料配管
531 第1領域
532 第2領域
533 第3領域
534 第4領域
535 段差部
Claims (14)
- バーナと、
前記バーナに燃料を供給する燃料配管と、
を備えるガスタービン燃焼器であって、
前記燃料配管は、
燃料キャビティの少なくとも一部と前記ガスタービン燃焼器の外部とを区画する部材に接続され、
前記部材よりも上流側に位置する第1領域と、
前記部材に形成されていて前記外部と前記燃料キャビティとを連通する貫通孔に嵌合する第2領域と、
前記貫通孔の内周面から径方向内側に離間した外周面を有する第3領域と、
を含み、
前記燃料配管の下流端は、前記貫通孔の両端部の内、前記燃料キャビティに近い方の端部まで達している
ガスタービン燃焼器。 - 前記第1領域の第1外径は、前記第2領域の第2外径よりも大きく、
前記燃料配管は、前記第1領域と前記第2領域との境界部分における前記第1外径と前記第2外径との差による段差部を有し、
前記段差部は、前記部材の外側の表面に当接する
請求項1に記載のガスタービン燃焼器。 - 前記第3領域は、前記第2領域よりも前記燃料配管の下流側に位置する
請求項1又は2に記載のガスタービン燃焼器。 - 前記第1領域の第1外径は、前記第3領域の第3外径よりも大きく、
前記燃料配管は、前記第1領域と前記第3領域との境界部分における前記第1外径と前記第3外径との差による段差部を有し、
前記段差部は、前記部材の外側の表面に当接する
請求項1に記載のガスタービン燃焼器。 - 前記第2領域は、前記第3領域よりも前記燃料配管の下流側に位置する
請求項1又は4に記載のガスタービン燃焼器。 - 前記第1領域の第1外径は、前記第2領域の第2外径よりも大きく、
前記第2領域の第2外径は、前記第3領域の第3外径よりも大きい
請求項1又は2に記載のガスタービン燃焼器。 - 前記燃料配管の軸方向に沿った前記第3領域の長さは、前記軸方向に沿った前記第2領域の長さよりも大きい
請求項1又は2に記載のガスタービン燃焼器。 - 前記燃料配管は、第1燃料配管と、前記第1燃料配管とは異なる第2燃料配管とを含み、
前記ガスタービン燃焼器の部分負荷運転時には、前記第1燃料配管には前記燃料が流通し、前記第2燃料配管には、前記燃料が流通せず、前記ガスタービン燃焼器の定格負荷運転時には、前記第1燃料配管及び前記第2燃料配管に前記燃料が流通する
請求項1又は2に記載のガスタービン燃焼器。 - 前記バーナは、メインバーナである
請求項1又は2に記載のガスタービン燃焼器。 - 前記第2領域は、前記ガスタービン燃焼器の軸方向に沿って延在し、
前記第1領域は、少なくとも一部の領域において上流側に向かうにつれて前記ガスタービン燃焼器の径方向外側に向かうように延在する
請求項1又は2に記載のガスタービン燃焼器。 - 前記燃料配管は、
前記部材と溶接部で接続され、
前記溶接部の溶金と接し、前記第1領域の第1外径よりも大きな第4外径を有する第4領域を含む
請求項1又は2に記載のガスタービン燃焼器。 - 前記燃料は、ガス燃料である
請求項1又は2に記載のガスタービン燃焼器。 - 前記燃料配管は、少なくとも、第1燃料配管と、前記第1燃料配管とは異なる第2燃料配管とを含み、
前記第1燃料配管と前記第2燃料配管とは、前記ガスタービン燃焼器の中心軸を中心として180度ずれた位置に配置されている
請求項1又は2に記載のガスタービン燃焼器。 - 請求項1又は2に記載のガスタービン燃焼器
を備える
ガスタービン。
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