JP3054420B2

JP3054420B2 - ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JP3054420B2
Application number: JP1131282A
Authority: JP
Inventors: 安夫岡本; 浩明岡本; 勇鈴木; 福夫前田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-05-26
Filing date: 1989-05-26
Publication date: 2000-06-19
Anticipated expiration: 2015-06-19
Also published as: JPH031015A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（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
て燃焼器トランジションピース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、ガスタービン燃焼器のトランジションピース冷
却構造は、特開昭62−218732号公報に開示されているよ
うに、燃焼器トランジションピースにフロースリーブを
設け、このフロースリーブの一部に孔を穿設し冷却空気
をトランジションピースに向けて噴出することにより、
トランジションピースを冷却する方式である。

従来の燃焼器トランジションピースは第11図に示すよ
うに構成されており、圧縮機ａにて圧縮された圧縮空気
の一部はフロースリーブｂに穿設した冷却孔ｃより噴出
してトランジションピースｄを冷却する。フロースリー
ブｂに穿設した孔は小径の冷却孔ｃの外に、空気取入用
の大径の空気孔ｅがあり、これら各々の孔ｃ、ｅに流入
させた空気は、フロースリーブｂ、ｆを通過する間にト
ランジションピースｄおよびライナーｇを冷却させた
後、燃焼用空気としてガスタービン燃焼器の頭部に案内
されていた。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、ガスタービン燃焼器のトランジション
ピースｄは、ライナーｇとの接続部が円形断面をなして
いるものの、タービンｈとの接続部は第12図に示すよう
にほぼ扇形をなしている。このため、空気通路ｉもほぼ
扇形となり、フロースリーブｂとトランジションピース
ｄとの間を流れる空気は、その形状の相違から流動抵抗
が異なっており、流れがガスタービンの軸芯側に偏って
ガスタービン燃焼器の頭部に流入していた。

すなわち、第11図に示す燃焼器フロースリーブｆとラ
イナーｇ間に流入する周方向分布を第９図に破線で示
す。この従来例では流入する空気がガスタービン回転軸
芯側に多く、外側は反対に減少している。このような空
気流量配分になった時の燃焼状態を検討すると、第10図
に示すように、ガスタービン回転軸芯側とその外側とで
は燃料と空気の混合比（燃空比）にむらがあり、均等で
ないことになる。そして、燃料と空気の混合比は燃焼の
重要な因子であり、この値が大きいと安定して燃焼し、
小さくなると火炎が消失してしまい、燃焼を持続するこ
とができなくなる。

ところが、これまでのガスタービン燃焼器では、安定
して燃焼するように可燃限界より高い値に燃空比が設定
されていたが、現在では排気ガスに含まれる窒素酸化物
（NOx）を低減させるため、燃空比の小さい希薄燃焼
（低温燃焼）が要求されている。このような希薄燃焼を
行うため燃空比は可燃限界の近傍に設定されるため、上
述のように燃焼器の周方向に空気流量の偏りがあると、
部分的に可燃限界を下回る場所が発生し、その結果未燃
成分である一酸化炭素（CO）やハイドロカーボン（UH
C）を多量に排出することになる。

このような場合、燃焼が極めて不安定になり、燃焼器
のライナー内部に大きな圧力変動が発生し、燃焼器部品
であるライナーに割れが発生したり、フロースリーブ溶
接部の割れ、接続部の摩耗等が発生し、部品の修理や交
換が必要になり、またガスタービン全体を励振し、振動
過大でガスタービンの停止させる問題がある。

また、ガスタービン燃焼器のトランジションピースｄ
は、圧縮機ａにその冷却用空気源を求めているが、その
トランジションピースｄにより多くの冷却用空気として
振り分けると、本来、タービンｈに供給すべき燃焼ガス
が減少し、このためガスタービン熱効率が低下し、ガス
タービンの高出力化が図れない等の問題がある。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、排気ガ
ス中の有害廃棄物をより一層低く抑えるために、燃焼用
空気を均一かつ安定供給できるように図ったガスタービ
ン燃焼器を提供することを目的とする。

さらに、本発明の他の目的は、限られた冷却用空気を
有効に活用し、トランジションピースの燃焼ガスの熱負
荷に充分に対処でき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。

さらに、また本発明の目的は、冷却運転中、トランジ
ョンピースを事故なく安定状態に維持させることのでき
るガスタービン燃焼器を提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）本発明によるガスタービン燃焼器は、ライナー内筒の
外側を包囲させるライナー外筒を設けて燃焼用空気通路
を形成するとともに、上記ライナー内筒内で生成された
燃焼ガスをガスタービンに案内するトランジションピー
スを設けたガスタービン燃焼器において、上記トランジ
ションピースの外側を包囲させるスリーブを設けて冷却
用通路を形成し、この冷却用通路の上記スリーブに対し
て所定間隔の距離を置き、かつ上記トランジションピー
スに中実状の伝熱促進体を格子状に配置さて設ける一
方、伝熱促進体を中心に軸方向に沿って上記トランジシ
ョンピースに孔を穿設するとともに、上記伝熱促進体を
中心に周方向に沿って上記スリーブに孔を穿設したもの
である。

（作用）上記の構成を有する本発明においては、圧縮空気がト
ランジションピースを冷却する空気と、燃焼ガスの生成
を促進させる燃焼用空気とに分離して流れる。この燃焼
用空気はライナー内筒の冷却や燃料と反応し高温の燃焼
ガスを発生しタービンを駆動する。その際、トランジシ
ョンピース外周より流入する空気は、スリーブに穿設し
て孔よりトランジションピースに噴流衝突してトランジ
ションピースにインピンジ冷却を行わせる。

トランジションピースにインピンジ冷却を行わせた空
気は、伝熱促進体に衝突してその流れを乱し、その際熱
伝達係数を高めてスリーブおよびトランジションピース
に対流冷却を行わせる。

また、トランジションピース側に設けたた伝熱促進体
は、その一端を自由端にし、運転中に発生する熱伸縮に
対処させるとともに、中実状に形成し、より多くの伝熱
面積を確保する。

このように、本発明に係るガスタービン燃焼機は、燃
焼用空気と冷却用空気とを別々に分けた手段を講じてい
るので、燃焼器の頭部に均一、かつ安定した空気を案内
することができる。

また、本発明に係るガスタービン燃焼器は、インピン
ジ冷却と対流冷却とを組み合わせて冷却のより一層の促
進を図っているので、限られた冷却用空気であってもト
ランジションピースを充分に冷却することができ、燃焼
ガスの熱負荷に対して充分に保護することができる。

また、本発明に係るガスタービン燃焼器は、伝熱促進
体の一端を自由端にするとともに、伝熱促進体を中実状
にしているので、運転の際、熱伸縮によるスリーブとの
衝突がなく、損傷事故を防止でき、中実状のより一層の
伝熱面積の確保により効果的な冷却を行うことができ
る。

（実施例）以下、本発明に係るガスタービン燃焼器の一実施例に
ついて添付図面を参照して説明する。

第１図は本発明に係るガスタービン燃焼器の一実施例
を示し、ガスタービン燃焼器１は圧縮機２と発電機３を
駆動させるガスタービン４との間に設けられ、圧縮機２
からの吐出チャンバを画成する燃焼器外部ケーシング５
および燃焼器内部ケーシング６の間に収容される。この
燃焼器外部ケーシング５および燃焼器内部ケーシング６
は、圧縮機２とガスタービン４の各ケーシングを一体あ
るいは一体的に連結するとともに、ガスタービン燃焼器
１は燃焼器外部ケーシング５内の周方向に複数個、例え
ば10個あるいは14個配置される。

ガスタービン燃焼器１は、燃焼器本体を構成するライ
ナー外筒（燃焼器フロースリーブ）11とライナー内筒12
（燃焼器ライナー）とから二重筒構造に形成され、その
環状空間が燃焼用空気通路11aとして画成される。ライ
ナー内筒12内には、燃焼室12aが画成され、この燃焼室1
2a内に燃料と燃焼用空気とを供給して、混合せしめ、燃
焼に供される。また、燃焼器内部ケーシング６には燃焼
器ヘッドプレート16が設けられ、このヘッドプレート６
に燃料ノズルセット17が取付けられている。

一方、ライナー内筒12の先端部にはスワーラ23が設け
られ、ライナー外筒11と内筒12との間を流れる空気はス
ワーラ23の空気孔を通過するときに強い旋回流が与えら
れる。また、ライナー内筒12の後端部にはトランジショ
ンピース13が装着され、トランジションピース13の外側
を所定間隔を置いてスリーブ14で包囲し、冷却用通路14
cが形成される。

スリーブ14には、第２図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示
すように多数の円形の冷却孔24が穿設され、この冷却孔
24より冷却空気を導きトランジションピース13に向けて
噴出させる。そして、トランジションピース13の冷却用
通路14c側の周面には冷却孔24からの冷却空気を乱すた
めのペレット状、円柱状の伝熱促進体15が設けられてい
る。

伝熱促進体15は、燃焼ガスによるスリーブ14およびト
ランジションピース13の伸縮・変形を考慮してその端部
をスリーブ14との間に所定間隔Ｇの距離をもたせてい
る。また、伝熱促進体15は、中実状に形成し、伝熱面積
をより一層増加させている。また、トランジションピー
ス13には冷却用空気をフィルム状に流すことができるよ
うに、複数の円形のフィルム冷却孔26が穿設され、この
冷却孔26はスリーブ14の冷却孔24より噴出した冷却空気
が直接吹抜けないように相対位置を異なるように配置し
てある。

すなわち、スリーブ14に穿設した冷却孔24と、トラン
ジションピース13に穿設したフィルム冷却孔26との相対
位置関係は、第２図（Ａ）に示すように、格子状に配置
した伝熱促進体15を中心に、軸方向に沿ってトランジシ
ョンピース13にフィルム冷却孔36を穿設するとともに、
周方向に沿ってスリーブ14に冷却孔24を穿設している。

さらに、スリーブ14およびトランジションピース13は
前部サポート19および後部サポート20により支持され、
前部サポート19はスリーブおよびトランジションピース
13がガスタービン軸方向に延伸可能に固定しており、後
部サポート20はスリーブ14で囲むことが困難であるため
第３図に示すように別のインピンジプレート27および伝
熱促進体15を設け、トランジションピースサポート部も
均一な冷却が行われるようになっている。

次に、本実施例の作用を説明する。

圧縮機２により圧縮された空気は、燃焼器外部ケーシ
ング５および燃焼器内部ケーシング６により形成される
空気室21に流入し、ここからトランジションピース13を
冷却する冷却用通路14aと、燃焼ガスを生成させる燃焼
用空気通路11aとに分かれて流れる。ここで、圧縮機２
からの吐出空気は高周波の乱れをもって流入するが、空
気室21がその整流効果を有しているため大幅に減衰し、
ライナー外筒11と内筒12との間に流入し、内筒12に複数
穿設された燃焼空気孔22より内筒12の燃焼室12aに流入
する。

さらに、ライナー外筒11と内筒12との間を流れる空気
は、スワーラ23に設けられた空気孔を通り燃焼室12aに
流入する。スワーラ23の空気孔を通過するとき空気は強
い旋回流が与えられ、燃焼室12aで燃料との混合を良好
にし、燃焼の安定化が図られる。そして、燃焼室12aで
燃焼された高温の燃焼ガスはトランジションピース13に
より断面が円形の流路からガスタービン３の入口部に案
内される。

他方、トランジションピース13の冷却用通路14cには
空気室21に流入した空気の一部が冷却用として案内され
る。この冷却空気は、第２図に示すように、スリーブ14
に穿設した多数の冷却孔24よりトランジションピース13
に向けて噴流衝突させることにより、トランジションピ
ース13にインピンジ冷却を行わせる。そして、トランジ
ションピース13の表面をインピンジ冷却した冷却空気は
伝熱促進体15により流れが乱され、流れの乱れに伴って
熱伝達係数が高くなるのでトランジションピース13の対
流冷却がより一層促進される。

次いで、トランジションピース13を冷却した冷却用空
気は、冷却用通路14cを流れる間にフィルム冷却孔26を
通り、トランジションピース13の内面に沿ってフィルム
状に流れ、フィルム冷却を行う。このフィルム冷却によ
ってトランジションピース13は、燃焼ガスの熱負荷から
保護される。

トランジションピース13をフィルム冷却した冷却用空
気は、やがて燃焼ガスに混合、拡散し、設計条件に見合
うように燃焼ガス温度を低下させ、ガスタービンに供給
される。

このように、本実施例によれば、圧縮機からの高圧空
気を燃焼室12aとトランジションピース13とに分けて案
内する燃焼用空気通路11aと冷却用通路14cとを形成した
ことにより、燃料を希薄にした燃焼が安定して行え、そ
の結果、燃焼排気ガスの低NOx化が達成されるととも
に、COやUHCの排出が極めて少いガスタービン燃焼器を
提供することができる。また、燃焼器１において空気流
量が一定で、かつ均一に配分されるため燃焼器１内での
不安定な圧力変動がなくなり、ライナー外筒11、トラン
ジションピース13および前後部サポート19,20等の割れ
や摩耗が著しく減少し、信頼性が向上する。そして、ラ
イナー外筒11やトランジションピース13の冷却空気配分
が安定し、しかも偏り等が発生しないので、部分的に冷
却不足等の現象も発生せず、信頼性を一段と向上させる
ことができる。

また、冷却用通路14cに伝熱促進体15を備えることに
より、冷却用空気に乱れを与えて熱伝達係数を高めたの
で、対流冷却をより一層効果的に行うことができる。

また、伝熱促進体15は、スリーブ14側に臨む端部を自
由端にしているので、運転中に発生する熱伸縮に対し、
スリーブ14に衝突することがなく、損傷事故を防止する
ことができる。

また、伝熱促進体15は中実状に形成しているので、伝
熱面積をより一層増加させることができ、効果的な冷却
を行うことができる。

第４図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はスリーブの他の実施
例を示し、第４図（Ａ）に示されるスリーブ14は分割可
能な半割れ体14a,14bを組み合せて構成され、上記半割
れ体14a,14bの分割面に接続固定用の金具18を複数設け
てあり、第４図（Ｂ）は接続固定用の金具18aをほぼ接
続部全長に亘って延長し半割れ体14a,14bを接続してい
る。そして、接続部は溶接、ボルト等による連結が可能
であり、第４図（Ｃ）に示すように半割れ体14a,14bの
双方のフランジ32を複数の止め板29で連結固定すること
もでき、第５図（Ａ）に示すように止め板29にスプリン
グ効果を持たせ、双方のフランジ32を弾性保持するよう
にしてもよい。また、第５図（Ｂ）に示すようにフラン
ジ32の互いの当接面に凹凸を形成し、接続部のずれを防
止するようにしてもよい。そして、半割れ体14a,14bは
図示しないピンによって位置決めすることも可能であ
る。

また、スリーブ14およびトランジションピース13は、
第６図（Ａ）に示すように、燃焼ガスによる熱伸び変形
を許容できるようにスリーブ14の端部にスライド部33を
固着してもよく、このスライド部33はライナー外筒11側
以外に、タービン側やこれらの中間に配置し、その数も
複数設けることもできる。このスライド部33の代わりに
第６図（Ｂ）に示すようにスリーブ14の端部を折曲形成
してベローズ30とし、このベローズ30によって燃焼ガス
による熱伸び変形を吸収するようにしてもよい。

さらに、伝熱促進体15の形状は、第３図に示す円柱状
の他に、第７図（Ａ）に示すように円錐状であってもよ
く、要するにトランジションピース13の表面に新しい冷
却空気を供給するように乱れを誘発するものであればよ
い。また、トランジションピース13に穿設したフィルム
冷却孔26は第７図（Ｂ）に示すように斜めに設けること
で、フィルム冷却効率を一段と高めることができ、その
形状も円形以外にスリットのような長孔でもよく、しか
もスリーブ14の冷却孔24より径が大きくてもよい。そし
て、スリーブ14およびトランジションピース13の板厚は
上記実施例に限らず、スリーブ14側を厚くしたり、同一
であっても同様の作用を有する。加えて、スリーブ14の
冷却孔24および伝熱促進体15も上記実施例に限らず、そ
の配置や間隔は一定でなくてもよい。伝熱促進体15は必
ずしもトランジションピース13に取付けることなく、ス
リーブ14に取付けたり、これら双方に取付けるようにし
てもよい。

第８図（Ａ）はライナー外筒の他の実施例を示してお
り、この図に示すようにライナー外筒11の先端を外周方
向に湾曲形成して燃焼用空気の入口ガイド31を設け、こ
の入口ガイド31によって燃焼用空気流路11aへの空気の
流入を均一にでき、特に燃焼状態を安定させることがで
きる。また、第８図（Ｂ）は入口ガイド31を中空パイプ
状に成形してライナー外筒11に溶着したものであり、こ
の入口ガイド31は案内部材と補強部材を兼用し、同図
（Ａ）の入口ガイド31の機能の他に、強度を高めること
もできる。そして、ライナー外筒11とトランジションピ
ース13とが近接するような場合には、第８図（Ａ），
（Ｂ）に示すようにトランジションピース13の端面の角
を切り取った形状とすれば、空気の流入を一段と均等化
することができる。第９図および第10図にそれぞれ実線
で示すように、空気の周方向分布や燃空比の周方向分布
を均一化することができる。

〔発明の効果〕

以上に述べたように本発明に係るガスタービン燃焼器
においては、ライナー内筒およびトランジションピース
を流れる空気は安定であり、かつ均等に流れているため
各部は健全な温度に保持され燃焼不安定がない。その結
果、可燃限界付近での希薄（低温）燃焼を安定して持続
することができ、低NOx化と未燃成分（CO,UHC）の排出
量を減少させ、燃焼効率を高くしガスタービン燃焼器の
効率向上を図ることができる。

また、燃焼不安定を防止できるので、燃焼器部品の損
傷がなくなり、信頼性を大幅に向上させたガスタービン
燃焼器を提供することができる。

また、本発明に係るガスタービン燃焼器においては、
冷却用通路に伝熱促進体を設けて冷却空気の流れを乱
し、対流冷却をより一層促進させたので、インピンジ冷
却と組合せて、限られた冷却用空気でもトラジションピ
ースを燃焼ガスの熱負荷に対して充分に保護することが
できる。

さらにまた、本発明に係るガスタービン燃焼器におい
ては、伝熱促進体のスリーブ側に臨む端部を自由端にし
て運転中に発生する熱伸縮を考慮したので、スリーブと
の衝突による損傷事故を防止することができる。

その際、伝熱促進体を中実状に形成し、伝熱面積をよ
り一層増加させたので、損傷事故の防止と相埃って効果
的な冷却運転を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるガスタービン燃焼器を
示す部分断面図、第２図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はトラ
ンジションピース冷却構造を示し、同図（Ａ）はその拡
大図、同図（Ｂ）は第２図（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図、同
図（Ｃ）は第２図（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図、第３図はト
ランジションピースの後部サポートを示す断面図、第４
図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はスリーブの他の実施例を示
す斜視図、第５図（Ａ），（Ｂ）はスリーブの接合部を
示す断面図、第６図（Ａ），（Ｂ）はトランジションピ
ースとスリーブの端部を示す断面図、第７図（Ａ），
（Ｂ）はトランジションピース冷却構造の他の実施例を
示す断面図、第８図（Ａ），（Ｂ）はライナー外筒先端
部の他の実施例を示す断面図、第９図は燃焼器フロース
リーブ入口における空気の周方向分布を示す説明図、第
10図は燃焼器ライナー内における燃料と空気の流量比
（燃空比）の周方向分布を示す説明図、第11図は従来の
ガスタービン燃焼器を示す部分断面図、第12図は第11図
に示すトランジションピースのタービンとの接続部を示
す正面図である。１……ガスタービン燃焼器、２……圧縮機、４……発電
機、11……ライナー外筒、11a……燃焼用空気通路、12
……ライナー内筒、13……トランジションピース、14…
…スリーブ、14c……冷却用通路、15……伝熱促進体、2
4……冷却孔、26……フィルム冷却孔。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者前田福夫神奈川県横浜市鶴見区末広町２―４株式会社東芝京浜事業所内 (56)参考文献特開昭61−231330（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−15011（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−72822（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−131924（ＪＰ，Ａ) 実開昭61−154450（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F23R 3/06 F02C 7/18 F23R 3/42

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ライナー内筒の外側を包囲させるライナー
外筒を設けて燃焼用空気通路を形成するとともに、上記
ライナー内筒内で生成された燃焼ガスをガスタービンに
案内するトランジションピースを設けたガスタービン燃
焼器において、上記トランジションピースの外側を包囲
させるスリーブを設けて冷却用通路を形成し、この冷却
用通路の上記スリーブに対して所定間隔の距離を置き、
かつ上記トランジションピースに中実状の伝熱促進体を
格子状に配置して設ける一方、伝熱促進体を中心に軸方
向に沿って上記トランジションピースに孔を穿設すると
ともに、上記伝熱促進体を中心に周方向に沿って上記ス
リーブに孔を穿設したことを特徴とするガスタービン燃
焼器。