JP4773985B2 - ガスタービン燃焼器、支持脚 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンの燃焼器に関わるものであり、特にその支持脚に関する。

ガスタービンの燃焼器は、車室内に軸中心に対して環状に配置されており、燃料を燃焼させて得られる高温ガスをタービンに送り込む。
図４に示すように、このような燃焼器においては、燃料ノズル１から噴射された燃料が内筒２内で着火されて燃焼炎を形成し、その燃焼ガスは尾筒３を介しタービン部４へと送り込まれる。ここで尾筒３内において、燃焼ガスは例えば１５００〜１６００℃という高温に達し、尾筒３は熱膨張する。図５に示すように、この尾筒３の熱膨張を許容するため、尾筒３は、燃焼ガスの流れ方向下流側の端部３ａがタービン部４の１段目の静翼４ａに対し固定されており、熱膨張による尾筒３の軸方向への変形は、尾筒３の流れ方向上流側の端部３ｂに集中する。また、尾筒３は熱膨張により径方向にも変形（拡大）する。このため、尾筒３の流れ方向上流側の端部３ｂは、内筒２の端部に対し、尾筒３が燃焼ガスの流れ方向（以下、これを長さ方向と適宜称する）に沿って伸縮し、径方向にも変形した場合においても、内筒２との間でのシール状態が常に保てるよう、板バネ状のシール部材５を介して連結されている。

さらに、尾筒３の熱膨張を許容するための尾筒３の支持構造が従来より採用されている（例えば、特許文献１参照。）。
尾筒３の流れ方向上流側の端部３ｂは、その外周部において、尾筒３の長さ方向の変形と、径方向の変形とを許容するよう、支持脚６によって車室７に支持されている。支持脚６は、尾筒３の外周面に連結された上部支持部材８と、基端部が車室７に固定され、先端部が上部支持部材８に連結された下部支持部材９とから構成される。
上部支持部材８は、下部支持部材９に連結された中央部８ａに対し、両端部８ｂ、８ｂが略Ｕ字状あるいは略Ｖ字状に配置された形成された板バネからなり、両端部８ｂ、８ｂが弾性変形することで、尾筒３の径方向の熱変形を吸収するようになっている。
下部支持部材９は、板状の支持プレート９ａを有し、この支持プレート９ａは、その厚さ方向を尾筒３の長さ方向に一致させて、尾筒３の軸線方向に直交する面内に配置されている。この支持プレート９ａが厚さ方向に弾性変形することで、尾筒３の長さ方向の熱変形を吸収するようになっている。

実開昭６１−３４３６５号公報

しかしながら、従来の尾筒３の支持構造においては、以下に示すような問題が存在した。
まず、板バネからなる上部支持部材８には、燃焼器の作動によって生じる高周波振動が横方向に入力されるため、疲労破断を招く可能性がある。このため、上部支持部材８の表面に傷が付かないように配慮して加工を行ったり、表面粗度を高めたり、鋭角部分を丸める等して、応力の局所的な集中を避ける工夫がなされていた。従来より、上部支持部材８には、ニッケルを主成分とする耐熱性、耐食性の高い合金材料が用いられていたが、このような材料はそもそも材料コストが高いのに加え、加工が困難であるために、表面粗度を高めたり鋭角部分を丸める加工にもコストが掛かるという問題があった。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、低コストでありながら、燃焼器の尾筒を確実に支持することのできるガスタービン燃焼器および支持脚を提供することを目的とする。

かかる目的のもとになされた本発明のガスタービン燃焼器は、圧縮機で圧縮された空気と燃料を混合して燃焼させることで燃焼ガスを生成する燃焼器本体と、燃焼器本体の下流側に配置され、燃焼ガスをタービン部に送り込む尾筒と、を備える。尾筒は、下流側端部がタービン部に固定され、上流側端部が燃焼器本体に対して尾筒の軸線方向に相対移動可能に接続されるとともにガスタービン車室に支持脚によって支持されており、支持脚は、燃焼器本体で生成した燃焼ガスが尾筒内を通るときの尾筒の軸線方向への熱変形と径方向への熱変形の合成ベクトル方向に弾性変形する板状の弾性変形部を有し、この弾性変形部は、尾筒の軸線に直交する面に対して傾斜している。
燃焼器本体で生成した燃焼ガスが尾筒内を通過してタービン部へと送り込まれるとき、燃焼ガスの熱によって尾筒は熱変形する。この熱変形は、尾筒の下流側端部がタービン部に固定されているため、燃焼器本体に対して軸線方向に相対移動可能に接続された尾筒の上流側端部に集中する。このとき、前記のように傾斜した弾性変形部を有した支持脚でガスタービン燃焼器の尾筒を支持すると、尾筒の上流側端部に生じる尾筒の軸方向への変形と径方向への変形が、支持脚の弾性変形部の弾性変形によって吸収される。

弾性変形部は、尾筒の軸線に直交する面に対し、尾筒側の基端部を中心として燃焼ガスの流れ方向下流側に傾斜角θだけ傾斜して設ければ良い。傾斜角θは、燃焼器本体で生成した燃焼ガスが尾筒内を通るときの尾筒の軸線方向への変形量ΔＬと尾筒の径方向への変形量ΔＲとに基づいて設定され、
θ＝ｔａｎ^−１（ΔＲ／ΔＬ）
とすることもできる。

また、支持脚の弾性変形部は、ガスタービン車室側の基端部に対し、尾筒側の先端部を燃焼ガスの流れ方向下流側にオフセットして配置するのも好ましい。そのときのオフセット量Ｓは、
Ｓ＝（ΔＬ^２＋ΔＲ^２）^０．５／２
とするのが好ましい。
これにより支持脚の弾性変形部に、いわゆるコールドオフセットを付与することができる。

また、本発明は、ガスタービンの燃焼器で生成した燃焼ガスをタービン部に送り込むための尾筒をガスタービン車室に固定するための支持脚とすることもできる。この支持脚は、ガスタービン車室に固定される基端部と、燃焼器で生成した燃焼ガスをタービン部に送り込むための尾筒に固定される先端部と、基端部と先端部との間に形成され、燃焼器で生成した燃焼ガスが尾筒内を通るときの尾筒の熱変形に応じて弾性変形可能な弾性変形部と、を有する。そして、弾性変形部は、尾筒に取り付けた状態で、尾筒の軸線に直交する面に対し、基端部を中心として燃焼ガスの流れ方向下流側に傾斜角θだけ傾斜するように形成され、この傾斜角θは、燃焼器で生成した燃焼ガスが尾筒内を通るときの尾筒の軸線方向への変形量をΔＬ、尾筒の径方向への変形量をΔＲとしたときに、
θ＝ｔａｎ^−１（ΔＲ／ΔＬ）
であることを特徴とする。
このような支持脚を用いて尾筒をガスタービン車室に固定することで、上記したような本発明のガスタービン燃焼器を構成することができる。このような支持脚は、新設のガスタービンのみならず、既設のガスタービンに対しても適用することが可能である。

本発明によれば、燃焼器の尾筒の上流側端部の支持脚を、尾筒の軸線に対し、予め定めた傾斜角θだけ傾斜させて設けることで、燃焼器で発生する燃焼ガスの熱による尾筒の軸方向および径方向の変形を支持脚の弾性変形部のみで吸収することができる。したがって、従来のように尾筒の径方向の変形を吸収するための板バネ状の支持部材が不要となり、支持脚のコストを低減できる。また、弾性変形部のみで尾筒を支持できるので、板バネ状の支持部材を用いる従来の構成に比較して尾筒の支持剛性が向上し、燃焼振動によって生じ得る燃焼器の振動を有効に抑えることが可能となる。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態における燃焼器の支持構造を説明するための図である。
この図１に示すように、ガスタービン１０には、空気の流れの上流側から下流側に向かって空気取入口１１、圧縮機１２、燃焼器（燃焼器本体）１３、タービン部１４が設けられている。
空気取入口１１から取り込まれた空気は圧縮機１２によって圧縮され、高温・高圧の圧縮空気となって燃焼器１３へ送り込まれる。燃焼器１３では、この圧縮空気に天然ガス等のガス燃料、或いは軽油や軽重油等の液体燃料を供給して燃料を燃焼させ、高温・高圧の燃焼ガスを生成させる。この高温・高圧の燃焼ガスはタービン部１４に噴射され、タービン部１４内で膨張してタービン部１４を回転させる。タービン部１４の回転エネルギーにより、ガスタービン１０の主軸１５に連結された発電機等が駆動される。

燃焼器１３は、燃料ノズル２１から噴出される燃料に着火することによって、圧縮機１２からの圧縮空気を加熱し、燃焼ガスを生成する。燃焼器１３には、燃料ノズル２１の下流側に、燃焼ガスの流路を形成する内筒２２が設けられている。燃焼器１３の内筒２２のさらに下流側には、内筒２２を通った燃焼ガスをタービン部１４に送り込むための流路を形成する尾筒２３が設けられている。
ここで、燃料ノズル２１と内筒２２とを備える燃焼器１３は、ガスタービン１０のハウジング１６に固定されている。

一方、尾筒２３は、燃焼ガスの流れ方向上流側から下流側に向けてその内径が漸次縮小するテーパ形状とされ、燃焼ガスの流れ方向の下流側端部が固定金具２５によってタービン部１４の１段目の静翼１４ａに固定されている。また、図２に示すように、尾筒２３の上流側端部は、支持脚３０によってガスタービン１０の車室１７に支持されている。
支持脚３０は、その基端部３０ａが車室１７の表面に形成された固定ベース１７ａにボルト固定され、先端部３０ｂが尾筒２３の外周面に形成された取り付けベース２３ａにボルト固定されている。基端部３０ａと先端部３０ｂの間には、可撓性を有したフレキシブルプレート（弾性変形部）３１が設けられている。このフレキシブルプレート３１は、本実施の形態においては例えば２枚が間隔を隔てて平行に設けられている。ここで、フレキシブルプレート３１の枚数は、１枚であっても良いし、３枚以上であってもよい。これらフレキシブルプレート３１は、尾筒２３の荷重を十分に支持することのできる板厚および幅に設定されている。また、フレキシブルプレート３１は、尾筒２３の軸線に直交する面に対し、予め定めた傾斜角θだけ傾斜した面内に位置するよう形成されている。

ここで、傾斜角θは、尾筒２３内を燃焼ガスが通過したときの尾筒２３の熱膨張による軸線方向の変形量ΔＬと径方向の変形量ΔＲとの比に基づいて設定される。尾筒２３は、下流側端部が静翼１４ａに固定されているため、燃焼ガスの熱による尾筒２３の軸線方向の熱膨張変形の変位は上流側端部に生じ、これが前記の変形量ΔＬとなる。燃焼器１３で発生する燃焼ガスの温度は、１５００〜１６００℃であり、季節変動や設置環境等に応じて周囲の温度が変動しても、尾筒２３の軸線方向の変形量ΔＬ、径方向の変形量ΔＲの比はほぼ一定である。ここで、尾筒２３の軸線方向の変形量ΔＬ、径方向の変形量ΔＲは、車室１７においても同様に生じる熱変形との相対的な差である。
そこで、尾筒２３において、燃焼器１３で燃焼ガスを発生させたときの温度領域における軸線方向の変形量ΔＬ、径方向の変形量ΔＲに基づき、
θ＝ｔａｎ^−１（ΔＲ／ΔＬ）
となるように傾斜角θを設定するのである。

このような構成とすると、支持脚３０は、尾筒２３が熱膨張によって変位したとき、フレキシブルプレート３１が弾性変形することによってその変位を吸収する。フレキシブルプレート３１は、傾斜角θだけ尾筒２３の軸線に直交する面に対して傾斜しているため、フレキシブルプレート３１の先端部は、尾筒２３の軸線方向の変形と、径方向への変形の合成ベクトルＶ方向に概ね沿った方向に変位する。これによって、尾筒２３の軸線方向の変形と径方向への変形の双方がフレキシブルプレート３１の弾性変形によって吸収される。

このようにして、燃焼器１３の尾筒２３の上流側端部の支持脚３０を、尾筒２３の軸線に直交する面に対し、予め定めた傾斜角θだけ傾斜させて設けることで、燃焼器１３で発生する燃焼ガスの熱による尾筒２３の変形をフレキシブルプレート３１のみで吸収することができる。したがって、従来のように板バネ状の上部支持部材８（図５参照）が不要となり、支持脚３０のコストを低減できる。また、これにより上部支持部材８を用いる従来の構成に比較して尾筒２３の支持剛性が向上し、燃焼振動によって生じ得る燃焼器１３の振動を有効に抑えることが可能となる。

ところで、上記支持脚３０は、以下に示すような構成とすることも可能である。
すなわち、図３に示すように、支持脚３０’のフレキシブルプレート（弾性変形部）３１’をその長さ方向中間部において略Ｓ字状に湾曲させ、車室１７側の基端部３１ａ’に対し、尾筒２３側の先端部３１ｂ’を、基端部３１ａ’を通りかつ前記の傾斜角θだけ傾斜した面（図２のフレキシブルプレート３１が位置する面）に対し、予め定めたオフセット量Ｓだけオフセットさせる構成とすることもできる。
ここで、オフセット量Ｓは、尾筒２３の熱膨張による軸線方向の変形量ΔＬと径方向の変形量ΔＲとに基づき、
Ｓ＝（ΔＬ^２＋ΔＲ^２）^０．５／２
となるように設定する。
支持脚３０’の先端部３０ｂ’は、尾筒２３の熱膨張によって軸線方向に変形量ΔＬ、径方向に変形量ΔＲだけ変位する。そこで、フレキシブルプレート３１’の先端部３１ｂ’にその合成ベクトルＶの１／２だけオフセットを設定すると、支持脚３０’のフレキシブルプレート３１’の弾性変形によって、支持脚３０’の基端部３０ａ’を車室１７に固定するためのボルトに作用する荷重が減る。その結果、支持脚３０’の車室１７の取付部分の耐久性を向上させることができる。

なお、上記実施の形態では、ガスタービン１０の構成について説明したが、ガスタービン１０の各部の構成については、本発明の主旨の範囲内で適宜変更することが可能となる。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

本実施の形態におけるガスタービンの概略構成を示す図である。 燃焼器の支持脚を示す側面図および断面図である。 支持脚の他の例を示す図である。 従来の支持脚を用いた燃焼器を示す図である。 従来の支持脚を示す側面図および断面図である。

符号の説明

１０…ガスタービン、１２…圧縮機、１３…燃焼器（燃焼器本体）、１４…タービン部、１７…車室、２３…尾筒、３０…支持脚、３１、３１’…フレキシブルプレート（弾性変形部）、３１ａ’…基端部、３１ｂ’…先端部

Claims (4)

1. 圧縮機で圧縮された空気と燃料を混合して燃焼させることで燃焼ガスを生成する燃焼器本体と、
   前記燃焼器本体の下流側に配置され、前記燃焼ガスをタービン部に送り込む尾筒と、
   を備え、
   前記尾筒は、下流側端部が前記タービン部に固定され、上流側端部が前記燃焼器本体に対して前記尾筒の軸線方向に相対移動可能に接続されるとともにガスタービン車室に支持脚によって支持され、
   前記支持脚は、前記燃焼器本体で生成した前記燃焼ガスが前記尾筒内を通るときの前記尾筒の前記軸線方向への熱変形と径方向への熱変形の合成ベクトル方向に弾性変形する板状の弾性変形部を有し、前記弾性変形部は、前記尾筒の軸線に直交する面に対して傾斜していることを特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 前記弾性変形部は、前記尾筒の軸線に直交する面に対し、前記尾筒側の基端部を中心として前記燃焼ガスの流れ方向下流側に傾斜角θだけ傾斜して設けられ、
   前記傾斜角θは、前記燃焼器本体で生成した前記燃焼ガスが前記尾筒内を通るときの前記尾筒の前記軸線方向への変形量をΔＬ、前記尾筒の径方向への変形量をΔＲとしたとき、
   θ＝ｔａｎ^−１（ΔＲ／ΔＬ）
   であることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン燃焼器。
3. 前記弾性変形部は、前記ガスタービン車室側の基端部に対し、前記尾筒側の先端部がオフセット量Ｓだけ前記燃焼ガスの流れ方向下流側にオフセットして配置され、
   前記オフセット量Ｓは、
   Ｓ＝（ΔＬ^２＋ΔＲ^２）^０．５／２
   であることを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービン燃焼器。
4. ガスタービンの燃焼器で生成した燃焼ガスをタービン部に送り込むための尾筒をガスタービン車室に固定するための支持脚であって、
   前記ガスタービン車室に固定される基端部と、
   前記燃焼器で生成した燃焼ガスをタービン部に送り込むための尾筒に固定される先端部と、
   前記基端部と前記先端部との間に形成され、前記燃焼器で生成した前記燃焼ガスが前記尾筒内を通るときの前記尾筒の熱変形に応じて弾性変形可能な弾性変形部と、
   を有し、
   前記弾性変形部は、前記尾筒に取り付けた状態で、前記尾筒の軸線に直交する面に対し、前記基端部を中心として前記燃焼ガスの流れ方向下流側に傾斜角θだけ傾斜するように形成され、
   前記傾斜角θは、前記燃焼器で生成した前記燃焼ガスが前記尾筒内を通るときの前記尾筒の軸線方向への変形量をΔＬ、前記尾筒の径方向への変形量をΔＲとしたときに、
   θ＝ｔａｎ^−１（ΔＲ／ΔＬ）
   であることを特徴とする支持脚。

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