JP2001173955A - 燃焼器支持構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ガスタービン用燃焼器において、トランジショ
ンピースに局部的な高応力域を伴わない剛な支持構造を
可能とする。 【解決手段】本発明の燃焼器支持構造では、トランジシ
ョンピース７の出口部に設けられた額縁部９に後側サポ
ート１８の一端を取付け、サポート１８の他端にヒンジ
構造１９を有し、ヒンジ１９を介してケーシングにより
支持されることで、サポート１８は、剛性を確保する機
能の上から剛構造である額縁部を利用して設け、トラン
ジションピース７に作用する圧力荷重を過大な応力を生
じることなく、ケーシングへ伝達することが可能とな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンの構
成要素である燃焼器にかかり、特に燃焼後の作動流体
を、円筒形状のライナーを経てガスタービンの環状流路
へ移行させるトランジションピースの支持構造に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図２にガスタービンの一般的な構造断面
図を示す。ガスタービンは大きくわけて圧縮機１，燃焼
器２およびタービン３から構成されている。圧縮機１は
大気からガスパス４へ吸い込んだ空気を作動流体として
断熱圧縮し、燃焼器２は圧縮機１から供給された圧縮空
気に燃料を混合し燃焼することで高温高圧のガスを生成
し、そしてタービン３は燃焼器２から導入した燃焼ガス
の膨張の際に回転動力を発生する。タービンからの排気
は大気中に放出される。タービン３にて発生した回転動
力から圧縮機１を駆動する動力を差し引いた残りの動力
が、ガスタービンの発生動力となり発電機を駆動する。

【０００３】図４はガスタービン燃焼器の構造図である
が、燃焼器２は、燃料を噴霧するノズル５，内部で燃焼
が行われる円筒形状のライナー６，作動流体をライナー
６の円筒形状の流路からガスタービンの環状流路に移行
するトランジションピース７，ライナー６とトランジシ
ョンピース７の外側に位置し、外表面の冷却を促進する
フロースリーブ８より構成される。

【０００４】ライナー６はノズル５との間に差込部を有
することで入口側にて支持され、出口側ではライナー６
に接合された板ばねをトランジションピース７に差し込
むことにより支持されて位置が定まる。

【０００５】トランジションピース７はライナー６に接
合された板ばねにて入口側の内面にて支持されるととも
に、フロースリーブ８との間に、入口断面の円周方向の
変形のみを拘束される嵌合部を有することで入口側にて
支持される。出口側では後側サポートにより支持されて
位置が定まる。

【０００６】フロースリーブ８は、トランジションピー
ス７とケーシングとの間に入口断面の円周方向の変形の
みを拘束する嵌合部を有することで入口側の内面にて支
持されるとともに、出口側ではトランジションピース７
と一緒にケーシングへ結合されることで位置が定まる。

【０００７】圧縮機より吐出された作動流体は、トラン
ジションピース７とフロースリーブ８の間の間隙を経て
ライナー６の入口側に導かれる。このときフロースリー
ブ８とライナー６，トランジションピース７間にて作動
流体の流速が上昇することから伝熱能力が上昇し、ライ
ナー６とトランジションピース７の外表面の冷却が促進
される。ライナー６に流入した作動流体は、ノズル５よ
り噴霧された燃料と混合して燃焼し、トランジションピ
ース７へ流入する。トランジションピース７に流入した
作動流体は、タービン３の流路へ排出される。ライナー
６は円筒形状であるため、ガスタービンの環状流路へ排
出するためには、トランジションピース７は入口が円筒
形状で、出口が台形形状となる。またトランジションピ
ース７の出口には、剛性を確保するための額縁が設けら
れる。

【０００８】構成上、ライナー６は入口側の差込部と出
口側の板ばねにて支持されているが、運転時に高温とな
るライナー６の熱膨張を吸収する支持構造となってい
る。

【０００９】フロースリーブ８は、トランジションピー
ス７およびケーシングの間に入口断面の円周方向の変形
のみを拘束する嵌合部を有することで入口側の内面にて
支持されるとともに、同様に入口断面の円周方向の変形
のみを拘束される嵌合部を介してケーシングにて支持さ
れる。出口側ではトランジションピース７と一緒にケー
シングへ結合されることで位置が定まる。

【００１０】トランジションピース７は、入口側にてラ
イナー６との間で板ばねにて支持されるとともに、フロ
ースリーブ８との間に、入口断面の円周方向の変形のみ
を拘束する嵌合部を有することで入口側にて支持され
る。

【００１１】しかしながら以上の支持構造では熱伸び差
を許容するため固定点が存在していなため、トランジシ
ョンピース７の出口部には後側サポートが設けられ、燃
焼器全体の位置が定まっている。

【００１２】以上より各部品の熱膨張による伸び差は、
吸収されつつ一点にて固定される構造になっているが、
トランジションピース７出口部の後側サポートは唯一位
置決めの基点となる部位のため、剛な構造にする必要が
ある。

【００１３】しかしながら、トランジションピース７に
は、内外表面の温度差による熱応力を低減するため、内
外表面の温度差が付きにくい薄肉化構造が採用される。
このような薄肉化構造に、剛な構造を混在させることは
局部的な高温部の発生要因となり、また柔構造部分と剛
構造部分の境界にて歪みが集中することにより、亀裂の
発生源となる。

【００１４】以上の課題を解決するには、その剛性を確
保する機能の上から剛構造である額縁部を利用して、ラ
イナー側への突き出し長さのアスペクト比が１以上の中
折れ形状の後側サポートを設ける構造が効果的である。

【００１５】このような燃焼器支持構造の１例として
は、米国特許Ｎo.5414999 号公報で示される燃焼器支持
構造がある。図３は該公知例の燃焼器の構造断面図であ
る。この燃焼器はトランジションピース７の額縁部に、
先端にヒンジを有するサポートを設ける支持構造であ
り、図中７はトランジションピース、９は複数のリブか
らなる額縁部でトランジションピース７の出口に取付け
られており、１０はサポートで９０度に折り曲げられて
おり先端にヒンジ１１を有する。サポート１０がヒンジ
１１を介してケーシングと結合されることにより、ライ
ナー６，トランジションピース７，フロースリーブ８
が、熱伸びを吸収しつつ、位置決めが可能となる支持構
造が実現されている。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】近年ガスタービン設備
においては、夏場の電力需要の増大に対応するために出
力の増大化が、また省エネルギーを目的とした高効率化
が求められるようになってきた。

【００１７】出力の増大化の手段としては、ガスタービ
ンの環状流路面積すなわち寸法の増大化が図られる傾向
にある。また高効率化の手段としては圧縮機圧力比の上
昇が採用される傾向にある。これらはいずれも燃焼器に
作用する圧力荷重の増大化に直結するために、燃焼器は
今後更に高圧力荷重下に曝される事が予想され、必然的
に強度，剛性の向上が求められることが予想される。

【００１８】上記の課題に対して、図３に示される従来
の技術のように、額縁部にサポート部を設け、９０度に
前傾させる構造では、トランジションピースに作用する
圧力荷重を吸収しきれずに、サポート部に過大な応力が
発生し、亀裂の発生源となることが予想される。

【００１９】本発明の目的は、上記課題を解決し、トラ
ンジションピースに局部的な高応力域を伴わない剛な支
持構造を可能とする、燃焼器支持構造を提供することに
ある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の第１の燃焼器支持構造は、燃料を噴霧する
ノズル，内部で燃焼が行われる円筒形状のライナー，作
動流体をライナーの円筒形状の流路からガスタービンの
環状流路に移行するトランジションピース，ライナーと
トランジションピースの外側に位置し、外表面の冷却を
促進するフロースリーブより構成される。

【００２１】ライナーはノズルとの間に差込部を有する
ことで入口側にて支持され、出口側ではライナーに接合
された板ばねをトランジションピースに差し込むことに
より支持されて位置が定まる。

【００２２】トランジションピースはライナーに接合さ
れた板ばねにて入口側の内面にて支持されるとともに、
フロースリーブとの間に、入口断面の円周方向の変形の
みを拘束する嵌合部を有することで上流側にて支持され
る。出口側では後側サポートにより支持されて位置が定
まる。

【００２３】フロースリーブは、トランジションピース
およびケーシングの間に入口断面の円周方向の変形のみ
を拘束する嵌合部を有することで入口側の内面にて支持
されるとともに、出口側ではトランジションピースと一
緒にケーシングへ結合されることで位置が定まる。

【００２４】圧縮機より吐出された作動流体は、トラン
ジションピースとフロースリーブの間の流路を経てライ
ナーの入口側に導かれる。

【００２５】このときフロースリーブとライナー，トラ
ンジションピース間にて作動流体の流速が上昇すること
から伝熱能力が上昇し、ライナーとトランジションピー
スの外表面の冷却が促進される。

【００２６】ライナーに流入した作動流体は、ノズルよ
り噴霧された燃料と混合して燃焼され、トランジション
ピースへ流入する。

【００２７】トランジションピースに流入した作動流体
は、タービンの流路へ排出される。ライナーは円筒形状
であるため、ガスタービンの環状流路へ排出するために
は、トランジションピースは入口が円筒形状で、出口が
台形形状となる。またトランジションピースの出口に
は、断面の剛性を確保するための額縁が設けられる。

【００２８】構成上、ライナーは入口側の差込部と出口
側の板ばねにて緩く支持されており、運転時に高温とな
るライナーの熱膨張を吸収する支持構造となっている。

【００２９】

【発明の実施の形態】本発明による燃焼器支持構造は、
燃料を噴霧するノズル、内部で燃焼が行われる円筒形状
のライナー、作動流体をライナーの円筒形状の流路から
ガスタービンの環状流路に移行するトランジションピー
ス、ライナーとトランジションピースの外側に位置し、
外表面の冷却を促進するフロースリーブより構成され
る。以下本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

【００３０】図１は本発明の実施の形態１として、本発
明の特徴を最も良く表わしている燃焼器支持構造の図で
あり、図４は燃焼器の構造断面図、図５はトランジショ
ンピース出口部ならびに額縁部の形状を示す図である。

【００３１】圧縮機１から吐出された作動流体は、図４
に示すようにフロースリーブ８とトランジションピース
７間の間隙１２に導かれる。間隙１２では作動流体の流
速が上昇するために、トランジションピース７の外表面
での冷却効果が高められる。

【００３２】間隙１２を経た作動流体は、燃料を燃焼前
に空気と混合させない拡散燃焼タイプでは、一部がライ
ナー６の外表面に設けられた冷却孔１３からライナー６
の内部に導かれることでライナー６の冷却をおこない、
残りはライナー６の入口側に設けられた流路１４からラ
イナー６の内部にノズル５から噴霧される燃料とともに
流入し、燃焼に用いられる。また燃料を燃焼前に空気と
混合させる予混合燃焼タイプではライナー６には冷却孔
１３を設けずに全ての作動流体を燃焼に用いてもよい。

【００３３】図４に示すように、ノズル５はライナー６
の入口側に設けられた差込部１５に差し込まれる。

【００３４】燃焼後の作動流体は、ライナー６からトラ
ンジションピース７を経てタービン３の環状流路へ放出
される。

【００３５】図中にてライナー６は出口側に板ばね１６
が溶接され、トランジションピース７に差し込まれる。

【００３６】トランジションピース７は、入口側にて板
ばね１６を介してライナー６が差し込まれるとともに、
フロースリーブ８に内包され、入口側にて入口断面の円
周方向の変形のみを拘束される嵌合部１７にて支持され
る。またトランジションピース７の出口側には、剛性を
高めるために額縁９が設けられる。

【００３７】フロースリーブ８は前記のように入口側に
おいてトランジションピース７と入口断面の円周方向の
変形のみを拘束される嵌合部にて支持されるとともに、
同様に入口断面の円周方向の変形のみを拘束される嵌合
部１７を介してケーシングに支持される。出口側ではト
ランジションピース７と一緒にケーシングへ結合される
ことで位置が定まる。

【００３８】さらに本発明の燃焼器支持構造では、図１
および図５に示すようにトランジションピース７の出口
部に設けられた額縁部９に、ライナー側への突き出し長
さのアスペクト比が１以上の中折れ形状の後側サポート
１８の一端を取付け、サポート１８は他端にヒンジ構造
１９を有し、ヒンジ１９を介してケーシングにより支持
される。

【００３９】図６にライナー側への突き出し長さのアス
ペクト比が、サポート根元に発生する応力へ与える影響
を表すグラフを示す。アスペクト比が大きくなるほど、
応力が反比例的に低減されている。

【００４０】したがって、サポート１８を剛構造である
額縁部に設置するにあたり、アスペクト比を１以上に設
定することで、トランジションピース７に作用する圧力
荷重を過大な応力を生じることなくケーシングへ伝達す
ることが可能となる。

【００４１】さらに本発明の実施の形態２を図７に示
す。

【００４２】圧縮機１から吐出された作動流体は、図４
に示すようにフロースリーブ８とトランジションピース
７間の間隙１２に導かれる。間隙１２では作動流体の流
速が上昇するために、トランジションピース７の外表面
での冷却効果が高められる。

【００４３】間隙１２を経た作動流体は、燃料を燃焼前
に空気と混合させない拡散燃焼タイプでは、一部がライ
ナー６の外表面に設けられた冷却孔１３からライナー６
の内部に導かれることでライナー６の冷却をおこない、
残りはライナー６の入口側に設けられた流路１４からラ
イナー６の内部にノズル５から噴霧される燃料とともに
流入し、燃焼に用いられる。また燃料を燃焼前に空気と
混合させる予混合燃焼タイプではライナー６には冷却孔
１３を設けずに全ての作動流体を燃焼に用いてもよい。

【００４４】図４に示すように、ノズル５はライナー６
の入口側に設けられた差込部１５に差し込まれる。

【００４５】燃焼後の作動流体は、ライナー６からトラ
ンジションピース７を経てタービン３の環状流路へ放出
される。

【００４６】図中にてライナー６は出口側に板ばね１６
が溶接され、トランジションピース７に差し込まれる。

【００４７】トランジションピース７は、入口側にて板
ばね１６を介してライナー６が差し込まれるとともに、
フロースリーブ８に内包され、入口側にて入口断面の円
周方向の変形のみを拘束される嵌合部１７にて支持され
る。またトランジションピース７の出口側には、剛性を
高めるために額縁９が設けられる。

【００４８】フロースリーブ８は前記のように入口側に
おいてトランジションピース７と入口断面の円周方向の
変形のみを拘束される嵌合部にて支持されるとともに、
同様に入口断面の円周方向の変形のみを拘束される嵌合
部１７を介してケーシングに支持される。出口側ではト
ランジションピース７と一緒にケーシングへ結合される
ことで位置が定まる。

【００４９】さらに本発明の燃焼器支持構造では、図７
に示すようにトランジションピース７の出口部に設けら
れた額縁部９に、ライナー側への突き出し長さのアスペ
クト比が１以上の複数の中折れ形状の後側サポート１８
の一端を取付け、同様に複数のサポート１８は他端にヒ
ンジ構造１９を有し、ヒンジ１９を介してケーシングに
より支持される。

【００５０】したがって、サポート１８は剛性を確保す
る機能の上から剛構造である額縁部を利用して設けられ
ることで、トランジションピース７に作用する圧力荷重
を過大な応力を生じることなくケーシングへ伝達するこ
とが可能となる。

【００５１】以上より、局部的な高応力域を伴わない剛
な支持構造を実現する、燃焼器支持構造の提供が可能と
なる。

【００５２】

【発明の効果】本発明によれば、本発明の燃焼器支持構
造は、燃料を噴霧するノズル、内部で燃焼が行われる円
筒形状のライナー、作動流体をライナーの円筒形状の流
路からガスタービンの環状流路に移行するトランジショ
ンピース、ライナーとトランジションピースの外側に位
置し、外表面の冷却を促進するフロースリーブより構成
され、トランジションピースの出口部に設けられた額縁
部に、後側サポートの一端を取付け、後側サポートの他
端にヒンジ構造を有し、ヒンジを介してケーシングによ
り支持される。

【００５３】したがって、後側サポートを、剛性を確保
する機能の上から剛構造である額縁部を利用して配し、
かつ中折れ形状のアスペクト比を１以上とすることで、
トランジションピースに作用する圧力荷重を過大な応力
を生じることなくケーシングへ伝達することが可能とな
る。

【００５４】以上より、局部的な高応力域を伴なわない
剛な支持構造を実現する、燃焼器支持構造の提供が可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１の燃焼器支持構造を最も
良く示す斜視図である。

【図２】一般的なガスタービンの構造断面図である。

【図３】従来の燃焼器支持を可能とする構造図である。

【図４】ガスタービンの燃焼器構造を示す図である。

【図５】トランジションピースの出口部および額縁部形
状を示す図である。

【図６】後側サポートの折り曲げアスペクト比が応力へ
与える影響を示す特性図である。

【図７】本発明の実施の形態２の燃焼器支持構造を示す
斜視図である。

【符号の説明】

１…圧縮機、２…燃焼器、３…タービン、４…ガスパ
ス、５…ノズル、６…ライナー、７…トランジションピ
ース、８…フロースリーブ、９…額縁部、１０…サポー
ト、１１…ヒンジ、１２…間隙、１３…冷却孔、１４…
入口流路、１５…差込部、１６…板ばね、１７…フロー
スリーブ／ケーシング間嵌合部、１８…後側サポート。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石橋 洋二 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (72)発明者 斉藤 武雄 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料を噴霧するノズル、内部で燃焼が行わ
   れる円筒形状のライナー、作動流体を前記ライナーの円
   筒形状の流路からガスタービンの環状流路に移行するト
   ランジションピース、前記ライナーと前記トランジショ
   ンピースの外側に位置し、外表面の冷却を促進するフロ
   ースリーブより構成され、 前記ライナーは前記ノズルとの間に差込部を有すること
   で入口側にて支持され、出口側では前記ライナーに接合
   された板ばねを前記トランジションピースに差し込むこ
   とにより支持されて位置が定まり、 前記トランジションピースは前記ライナーに接合された
   板ばねを入口側に差し込まれるとともに、前記フロース
   リーブとの間に入口円形断面の円周方向の変形のみを拘
   束する嵌合部を有することで入口側にて支持され、出口
   側では後側サポートにより支持されて位置が定まり、 前記フロースリーブは、前記トランジションピースおよ
   びケーシングとの間に入口円形断面の円周方向の変形の
   みを拘束する嵌合部を有することで入口側にて支持さ
   れ、出口側では前記トランジションピースと一緒にケー
   シングへ結合されることで位置が定まるガスタービン燃
   焼器において、 前記トランジションピースの出口部にはリブ状の額縁が
   設けられ、前記額縁にはライナー側への突き出し長さの
   アスペクト比が１以上の中折れ形状を有する前記後側サ
   ポートの一端が取付けられ、前記後側サポートの他端に
   ヒンジ構造を有し、前記ヒンジを介して前記ケーシング
   により支持されることで、熱変形の吸収を可能とするこ
   とを特徴とする燃焼器支持構造。