JP5967974B2 - Pilot nozzle, gas turbine combustor including the same, and gas turbine - Google Patents
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Description
本発明は、耐熱性を向上させたパイロットノズル、これを備えたガスタービン燃焼器およびガスタービンに関するものである。 The present invention relates to a pilot nozzle with improved heat resistance, a gas turbine combustor including the pilot nozzle, and a gas turbine.
ガスタービン燃焼器は、中央に拡散燃焼パイロットノズルが1本配置され、その周りに予混合燃焼させる複数本の予混合ノズルが配置された構造となっている。
ガスタービン燃焼器の内壁面は高温の燃焼ガスから自身を守るためにフィルム空気を流し断熱層を形成し、かつ、表面に遮熱コーティング処理するという断熱対策が採られている。
The gas turbine combustor has a structure in which one diffusion combustion pilot nozzle is arranged at the center, and a plurality of premixing nozzles for premixing combustion are arranged around it.
In order to protect itself from the high-temperature combustion gas, the inner wall surface of the gas turbine combustor forms a heat insulating layer by flowing film air, and a heat insulating coating treatment is applied to the surface.
しかし、燃焼器中央に位置するパイロットノズルは、高温な燃焼ガスの拡散炎がすぐ近くに形成され、この拡散炎に晒されることで焼損しやすいという問題がある。この対策として、例えば特許文献1,2に示されるように、パイロットノズルのノズル本体の周囲に空隙を介してノズルキャップ(遮熱板)を設け、このノズルキャップとノズル本体との間を空気通路として冷却空気を流し、ノズル本体を高熱から保護するようにしている。ノズルキャップの材質としては、耐熱性の高いニッケル合金ベースの耐熱材料が用いられていた。 However, the pilot nozzle located in the center of the combustor has a problem that a diffusion flame of high-temperature combustion gas is formed in the immediate vicinity and is easily burned by being exposed to this diffusion flame. As a countermeasure, for example, as shown in Patent Documents 1 and 2, a nozzle cap (heat shield plate) is provided around the nozzle body of the pilot nozzle via a gap, and an air passage is provided between the nozzle cap and the nozzle body. As the cooling air flows, the nozzle body is protected from high heat. As the material of the nozzle cap, a heat resistant material based on nickel alloy having high heat resistance has been used.
上述した従来の構造は、主にパイロットノズルのノズル本体を熱から保護するものであり、ノズルキャップについては耐熱性の高い金属材料が用いられるに留められている。しかしながら、次世代を担うガスタービンでは、燃焼ガスのタービン入口温度が1500℃以上になるように燃焼温度を高めて高効率化を狙っているため、従来のノズルキャップを備えた構造ではノズルキャップの耐熱性が危ぶまれており、燃焼温度を高めて高効率化を図ることが困難であった。 The above-described conventional structure mainly protects the nozzle body of the pilot nozzle from heat, and the nozzle cap is limited to using a metal material having high heat resistance. However, in the next-generation gas turbine, since the combustion temperature is increased so that the turbine inlet temperature of the combustion gas becomes 1500 ° C. or higher, the efficiency of the nozzle cap is increased. The heat resistance was in danger, and it was difficult to increase the combustion temperature and achieve high efficiency.
また、パイロットノズルのノズル本体の材質と、ノズルキャップの材質とが異なる場合には、熱膨張係数も異なるため、ノズル本体に対するノズルキャップの固定構造如何によっては、1000℃を超える超高温域においてノズルキャップに熱変形が起こり、ひいては破損に至る懸念もあり、信頼性に乏しかった。 Also, if the material of the nozzle body of the pilot nozzle is different from the material of the nozzle cap, the coefficient of thermal expansion will also be different. Therefore, depending on how the nozzle cap is fixed to the nozzle body, the nozzle is used in an extremely high temperature range exceeding 1000 ° C. The cap was heat-deformed, and as a result, there was concern that it would be damaged, and the reliability was poor.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ノズルキャップの耐熱性を向上させると同時に、熱膨張に起因するノズルキャップの熱変形を防止し、ガスタービンの高効率化に寄与するとともに耐久性および信頼性を高めることのできるパイロットノズル、これを備えたガスタービン燃焼器およびガスタービンを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and at the same time, the heat resistance of the nozzle cap is improved, and at the same time, the nozzle cap is prevented from being thermally deformed due to thermal expansion, thereby improving the efficiency of the gas turbine. An object of the present invention is to provide a pilot nozzle that can contribute and improve durability and reliability, a gas turbine combustor including the pilot nozzle, and a gas turbine.
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
即ち、本発明に係るパイロットノズルは、内部に燃料通路を有し、先端付近に前記燃料通路からの燃料を噴射させる噴射孔を有するノズル本体と、該ノズル本体の外周面および先端部付近を覆い、前記燃料が燃焼することにより生成される燃焼ガスの高熱から前記ノズル本体を保護するノズルキャップと、を備えたパイロットノズルであって、前記ノズルキャップがセラミックマトリックス複合材料(Ceramic Matrix Composites:略してCMCとも呼ぶ)により形成され、前記ノズルキャップを前記ノズル本体に固定するキャップ固定部は、前記ノズル本体の外周面に固着される係合筒部材と、前記ノズルキャップに貫通形成され、前記係合筒部材の外周に密に嵌合し、且つ、前記係合筒部材の軸方向に摺動可能な内径を有する係合穴と、を具備してなり、前記係合筒部材は、前記ノズル本体に前記ノズルキャップが装着された後で前記係合穴に挿入されて前記ノズル本体に固着されることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following means.
That is, the pilot nozzle according to the present invention has a nozzle body having a fuel passage therein, an injection hole for injecting fuel from the fuel passage in the vicinity of the tip, and the outer peripheral surface of the nozzle body and the vicinity of the tip. A nozzle cap that protects the nozzle body from high heat of combustion gas generated by the combustion of the fuel, wherein the nozzle cap is a ceramic matrix composite material (abbreviated for short) A cap fixing portion for fixing the nozzle cap to the nozzle body, and an engagement cylinder member fixed to an outer peripheral surface of the nozzle body, and a penetrating formation of the nozzle cap. An engagement hole that closely fits to the outer periphery of the tubular member and has an inner diameter that is slidable in the axial direction of the engagement tubular member; Becomes, the engaging cylindrical member, the are inserted into the engaging hole after the nozzle cap is attached to the nozzle body is fixed to the nozzle body, characterized in Rukoto.
上記構成によれば、セラミックマトリックス複合材料により形成されたノズルキャップの耐熱性が凡そ1300℃以上に向上するため、燃焼ガスのタービン入口温度が1500℃以上となる次世代のガスタービンに適用しても、冷却空気が少なくて済む。また、ノズルキャップが熱変形を起こし難くなるため、パイロットノズルの耐久性および信頼性を高めることができる。これらにより、ガスタービンの高効率化に寄与することができる。
しかも、係合筒部材の内周部をノズル本体の外周面に溶接することができ、簡素な構造によってノズルキャップをノズル本体に固定することができる。特に、ノズル本体とノズルキャップとの間に冷却空気を流す空隙を設ける場合には、両部材間に介在させるスペーサや突起の役割を係合筒部材が果たすので、スペーサや突起類を省略して構造を簡素化することができる。
また、ノズルキャップに貫通形成された係合穴が、ノズル本体の外周面に固着された係合筒部材に係合し、係合筒部材の軸方向に摺動可能であるため、例えばノズル本体がノズルキャップに対して熱膨張または熱収縮して外径が変化しても、その変位が係合筒部材と係合穴との相対移動によって吸収され、ノズルキャップに熱変形が起こりにくい。このため、パイロットノズルの耐久性と信頼性を高めることができる。
According to the above configuration, since the heat resistance of the nozzle cap formed of the ceramic matrix composite material is improved to about 1300 ° C. or higher, it is applied to the next generation gas turbine in which the turbine inlet temperature of the combustion gas is 1500 ° C. or higher. However, less cooling air is required. In addition, since the nozzle cap is less likely to be thermally deformed, the durability and reliability of the pilot nozzle can be improved. As a result, it is possible to contribute to higher efficiency of the gas turbine.
And the inner peripheral part of an engagement cylinder member can be welded to the outer peripheral surface of a nozzle main body, and a nozzle cap can be fixed to a nozzle main body with a simple structure. In particular, when providing a gap through which cooling air flows between the nozzle body and the nozzle cap, the engaging cylinder member serves as a spacer or protrusion interposed between the two members, so the spacer and protrusions are omitted. The structure can be simplified.
In addition, the engagement hole formed through the nozzle cap engages with the engagement cylinder member fixed to the outer peripheral surface of the nozzle body, and can slide in the axial direction of the engagement cylinder member. Even if the outer diameter changes due to thermal expansion or thermal contraction with respect to the nozzle cap, the displacement is absorbed by the relative movement of the engagement cylinder member and the engagement hole, and thermal deformation of the nozzle cap hardly occurs. For this reason, durability and reliability of the pilot nozzle can be improved.
前記構成において、前記ノズルキャップは、前記ノズル本体との間に空隙を持たずに設けられていてもよい。 The said structure WHEREIN: The said nozzle cap may be provided without having a space | gap between the said nozzle main bodies.
前述のように、セラミックマトリックス複合材料により形成されたノズルキャップは、その耐熱性が従来も向上することにより、ノズル本体とノズルキャップとの間に冷却空気を流す空隙を設けないようにすることもできる。これにより、パイロットノズルの構造を簡素化して信頼性を高めるとともに、コンパクト化を図ることができる。 As described above, the nozzle cap formed of the ceramic matrix composite material has improved heat resistance in the past, so that it is possible not to provide a gap through which cooling air flows between the nozzle body and the nozzle cap. it can. As a result, the structure of the pilot nozzle can be simplified to improve reliability and downsizing can be achieved.
本発明に係るパイロットノズルは、内部に燃料通路を有し、先端付近に前記燃料通路からの燃料を噴射させる噴射孔を有するノズル本体と、該ノズル本体の外周面および先端部付近を覆い、前記燃料が燃焼することにより生成される燃焼ガスの高熱から前記ノズル本体を保護するノズルキャップと、を備えたパイロットノズルであって、前記ノズルキャップがセラミックマトリックス複合材料により形成され、前記ノズルキャップを前記ノズル本体に固定するキャップ固定部は、前記ノズル本体の外周面に形成されて周方向に延びる外周凹溝と、前記ノズルキャップの内周面に形成されて周方向に延びる内周凹溝と、前記外周凹溝と前記内周凹溝とが合わせられて形成されるキー部材挿入通路に挿入される環状のキー部材と、を具備することを特徴とする。 The pilot nozzle according to the present invention has a fuel passage inside, a nozzle body having an injection hole for injecting fuel from the fuel passage in the vicinity of the tip, and covers the outer peripheral surface and the vicinity of the tip of the nozzle body, A nozzle cap that protects the nozzle body from high heat of combustion gas generated by combustion of fuel, wherein the nozzle cap is formed of a ceramic matrix composite material, and the nozzle cap is The cap fixing portion for fixing to the nozzle body includes an outer circumferential groove formed on the outer circumferential surface of the nozzle body and extending in the circumferential direction, an inner circumferential groove formed on the inner circumferential surface of the nozzle cap and extending in the circumferential direction, It is provided with a, an annular key member which is inserted into the key member insertion passage formed by aligned with the inner peripheral groove and the outer peripheral recessed groove And features.
上記構成によれば、ノズル本体の外周面に形成された外周凹溝と、ノズルキャップの内周面に形成された内周凹溝との間にキー部材が介在することによってノズルキャップがノズル本体に固定される。この場合、キャップ固定部が、ノズル本体およびノズルキャップの周囲全周に亘って形成されるため、ボルト等を用いてノズルキャップをノズル本体に対してポイント的に固定する場合に比べて、キャップ固定部に加わる熱応力を分散させることができる。したがって、ノズルキャップに熱変形や破損が起こることを防止して、パイロットノズルの耐久性および信頼性を高めることができる。 According to the above configuration, the nozzle cap is disposed on the nozzle body by interposing the key member between the outer circumferential groove formed on the outer circumferential surface of the nozzle body and the inner circumferential groove formed on the inner circumferential surface of the nozzle cap. Fixed to. In this case, since the cap fixing part is formed over the entire circumference of the nozzle body and the nozzle cap, the cap is fixed as compared with the case where the nozzle cap is fixed to the nozzle body using a bolt or the like. The thermal stress applied to the part can be dispersed. Therefore, it is possible to prevent the nozzle cap from being thermally deformed or damaged, and improve the durability and reliability of the pilot nozzle.
上記構成において、前記キー部材として円形断面のワイヤーを用いてもよい。 In the above configuration, a wire having a circular cross section may be used as the key member.
上記構成によれば、ワイヤーの持つ弾力性により、ノズル本体とノズルキャップとの間に相対移動可能な余裕が生まれる。このため、ノズル本体またはノズルキャップの熱膨張および熱収縮に起因する熱変形や破損が起こりにくくなり、パイロットノズルの耐久性および信頼性を高めることができる。 According to the said structure, the allowance which can move relatively between a nozzle main body and a nozzle cap arises with the elasticity which a wire has. For this reason, thermal deformation and breakage due to thermal expansion and thermal contraction of the nozzle body or nozzle cap are less likely to occur, and the durability and reliability of the pilot nozzle can be improved.
あるいは、前記キー部材として角形断面のエキスパンションリングを用い、前記外周凹溝の深さ寸法を、前記キー部材の径方向の厚み寸法以上に設定し、前記内周凹溝の深さ寸法を、前記キー部材の径方向の厚み寸法よりも小さく設定し、前記キー部材を、径方向に押し縮められた時には前記外周凹溝の中に完全に埋没し、且つ、前記キー部材挿入通路の内部で径方向に拡張した時には前記内周凹溝の底面に弾接されるようにしてもよい。 Alternatively, an expansion ring having a square cross section is used as the key member, the depth dimension of the outer circumferential groove is set to be equal to or greater than the radial thickness dimension of the key member, and the depth dimension of the inner circumferential groove is The key member is set to be smaller than the radial thickness dimension, and when the key member is compressed in the radial direction, the key member is completely buried in the outer circumferential groove, and the diameter is set inside the key member insertion passage. When expanded in the direction, it may be elastically contacted with the bottom surface of the inner circumferential groove.
上記構成によれば、キャップ固定部に加わる熱応力を分散させながら、ノズルキャップをノズル本体に確実に固定することができる。したがって、ノズルキャップに熱変形や破損が起こることを防止して、パイロットノズルの耐久性および信頼性を高めることができる。 According to the said structure, a nozzle cap can be reliably fixed to a nozzle main body, dispersing the thermal stress added to a cap fixing | fixed part. Therefore, it is possible to prevent the nozzle cap from being thermally deformed or damaged, and improve the durability and reliability of the pilot nozzle.
また、本発明に係るガスタービン燃焼器は、前記のパイロットノズルと、該パイロットノズルの外周側に周方向に間隔を空けて配置された予混合燃焼させる複数の予混合ノズルと、を備えていることを特徴とする。 A gas turbine combustor according to the present invention includes the pilot nozzle, and a plurality of premixing nozzles that are premixed and disposed on the outer peripheral side of the pilot nozzle at intervals in the circumferential direction. It is characterized by that.
上記構成によれば、ノズルキャップの耐熱性を向上させ、熱膨張に起因するノズルキャップの熱変形を防止し得るパイロットノズルを備えることによって、ガスタービンの高効率化に寄与するとともに、耐久性および信頼性の高いガスタービン燃焼器を提供することができる。 According to the above configuration, by providing the pilot nozzle that can improve the heat resistance of the nozzle cap and prevent thermal deformation of the nozzle cap due to thermal expansion, it contributes to high efficiency of the gas turbine, and durability and A highly reliable gas turbine combustor can be provided.
また、本発明に係るガスタービンは、前記ガスタービン燃焼器と、該ガスタービン燃焼器に圧縮空気を供給する圧縮機と、前記ガスタービン燃焼器からの燃焼ガスによって回転させられるタービンと、を備えていることを特徴とする。 The gas turbine according to the present invention includes the gas turbine combustor, a compressor that supplies compressed air to the gas turbine combustor, and a turbine that is rotated by combustion gas from the gas turbine combustor. It is characterized by.
上記構成のガスタービンによれば、耐熱性が向上したガスタービン燃焼器を備えることにより、燃焼温度を高くしてタービン入口における燃焼ガス温度を増大させ、高効率なガスタービンを提供することができる。 According to the gas turbine having the above configuration, by providing the gas turbine combustor with improved heat resistance, the combustion temperature can be increased to increase the combustion gas temperature at the turbine inlet, thereby providing a highly efficient gas turbine. .
以上のように、本発明に係るパイロットノズル、これを備えたガスタービン燃焼器およびガスタービンによれば、パイロットノズルにおけるノズルキャップの耐熱性を向上させ、且つ、熱膨張に起因するノズルキャップの熱変形を防止できるため、燃焼温度を高くしてタービン入口における燃焼ガス温度を増大させ、ガスタービンの高効率化に寄与するとともに耐久性および信頼性を高めることができる。 As described above, according to the pilot nozzle, the gas turbine combustor and the gas turbine including the pilot nozzle according to the present invention, the heat resistance of the nozzle cap in the pilot nozzle is improved and the heat of the nozzle cap due to thermal expansion is increased. Since deformation can be prevented, the combustion temperature can be increased to increase the combustion gas temperature at the turbine inlet, contributing to higher efficiency of the gas turbine and improving durability and reliability.
以下に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、本実施形態に係るガスタービン1の全体概略構成を示す部分断面側面図である。このガスタービン1は、例えば発電用であり、圧縮機3と、燃焼器(ガスタービン燃焼器)5と、タービン7とにより構成され、このタービン7に図示しない発電機が連結される。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a partial cross-sectional side view showing an overall schematic configuration of a gas turbine 1 according to the present embodiment. The gas turbine 1 is for power generation, for example, and includes a
圧縮機3は、空気を取り込む空気取入口9を有するとともに、圧縮機車室11内に複数の静翼13と動翼15が交互に配設されてなり、その外側に抽気マニホールド17が設けられている。燃焼器5は、圧縮機3で圧縮された圧縮空気に対して燃料を供給し、バーナで点火することで燃焼可能となっている。タービン7は、タービン車室19内に複数の静翼21と動翼23が交互に設けられている。
The
タービン7のタービン車室19には、排気室25が連続して設けられており、この排気室25は、タービン7に連続する排気ディフューザ27を有している。また、圧縮機3、燃焼器5、タービン7および排気室25の中心部を貫通するようにロータ29が軸支されており、圧縮機3側の端部が軸受部31により回転自在に支持される一方、排気室25側の端部が軸受部33により回転自在に支持されている。ロータ29には複数のディスクプレートが固定されており、各動翼15,23が連結されると共に、排気室25側の端部に図示しない発電機の駆動軸が連結されている。
An
上記構成により、圧縮機3の空気取入口9から取り込まれた空気が、複数の静翼13と動翼15を通過して圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となり、燃焼器5にて、この圧縮空気に対して所定の燃料が供給されることで燃焼する。そして、この燃焼器5で生成された高温・高圧の燃焼ガスが、タービン7を構成する複数の静翼21と動翼23を通過することでロータ29を駆動回転し、このロータ29に連結された発電機に回転動力を付与することで発電を行う一方、排気ガスは排気室25の排気ディフューザ27で静圧に変換されてから大気に放出される。
With the above configuration, the air taken in from the air intake 9 of the
図2に示すように、燃焼器5では、燃焼器外筒35に燃焼器内筒37が支持され、この燃焼器内筒37の先端部に燃焼器尾筒39が連結されて燃焼器ケーシングが構成されている。そして、燃焼器内筒37によって囲まれた空間内に燃焼ガスの流れが形成される。燃焼器内筒37内には、その中心部にパイロットノズル41が設けられると共に、燃焼器内筒37の内周面に周方向に沿ってパイロットノズル41を取り囲むように複数の予混合ノズル43が設けられている。パイロットノズル41の先端部にはパイロットコーン45が装着されている。
As shown in FIG. 2, in the
従って、圧縮機3における圧縮機車室11から高温・高圧の圧縮空気が燃焼器5に流れこむと、各予混合ノズル43内では、この圧縮空気がメイン燃料棒から噴射された燃料と混合され、予混合気の旋回流となって燃焼器内筒37内に流れ込む。一方、パイロットノズル41内では、圧縮空気がパイロット燃料棒から噴射された燃料と混合され、この混合気は図示しない種火により着火されて燃焼し、燃焼ガスとなって燃焼器内筒37内に噴出する。そして、燃焼ガスの一部が燃焼器内筒37内に火炎を伴って周囲に拡散するように噴出することで、各予混合ノズル43から燃焼器内筒37および燃焼器尾筒39に流れ込んだ予混合気に着火されて燃焼する。
Therefore, when high-temperature and high-pressure compressed air flows from the
このように構成されたガスタービン1では、圧縮機3で圧縮した圧縮空気の一部を圧縮機車室11から抽気マニホールド17により抽気して昇圧し、燃焼器5に冷却媒体として供給するようになっている。また、燃焼器5には、予混合ノズル35にメイン燃料を供給する燃料供給ライン47およびパイロットノズル41にパイロット燃料を供給する燃料供給ライン49が連結されている。
In the gas turbine 1 configured as described above, a part of the compressed air compressed by the
[第1実施形態]
次に、本発明に係るパイロットノズルの第1実施形態について、図3および図4を参照して説明する。
図3は、発明の第1実施形態を示すパイロットノズル41Aの先端部分の縦断面図である。
[First Embodiment]
Next, a first embodiment of a pilot nozzle according to the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view of the tip portion of the
パイロットノズル41Aの先端部分は、燃料供給ライン49から供給されるパイロット燃料が通る燃料通路51を内部に有し、先端付近に燃料通路51からの燃料を噴射させる噴射孔52を備えた略中空円筒形状をしたノズル本体53を備えている。
The front end portion of the
また、ノズル本体53の外周面53aおよび先端部53b付近を、間隔を空けて覆う略中空円筒形状のノズルキャップ55Aが設置されている。このノズルキャップ55Aは、ノズル本体53の外周面53aの周囲を覆う円筒部55aと、ノズル本体53の先端部53b付近を覆う端面部55bとが一体に形成されている。端面部55bにはノズル本体53の噴射孔52の位置に整合する複数の噴射開口部55cが形成されるとともに、ノズル本体53の先端部53bの中央部を外部に露呈させる1つの先端開口部55dが形成されている。
Further, a substantially hollow cylindrical nozzle cap 55 </ b> A that covers the outer
ノズルキャップ55Aは、燃料が燃焼することにより生成される燃焼ガスの高熱からノズル本体53を保護する遮熱板であり、セラミックマトリックス複合材料(CMC)により形成されていて、その耐熱温度は概ね1300℃程度である。このノズルキャップ55Aは、ノズル本体53の周方向に間隔を空けて設けられた複数のスペーサ57によってノズル本体53の外周面53aおよび先端部53bから所定の間隔を保持するように取り付けられている。スペーサ57には、ノズル本体53の噴射孔52およびノズルキャップ55Aの噴射開口部55cの位置に整合する開口部57aが形成されている。
The
ノズル本体53とノズルキャップ55Aとの間に形成される空気通路59には、抽気マニホールド17によって圧縮機3の圧縮機車室11から抽気された圧縮空気が供給され、この圧縮空気が冷却媒体として空気通路59内を先端側に向かって流れ、ノズル本体53の過熱を防止するようになっている。空気通路59を流れた圧縮空気はノズルキャップ55Aの先端開口部55dから排出され、その際にノズル本体53の先端部53bに沿う空気層を形成して先端部53bを熱から保護する。
The
図4(a)にも示すように、ノズルキャップ55Aをノズル本体53に固定するキャップ固定部61Aは、ノズル本体53の外周面53aに固着される係合筒部材62と、ノズルキャップ55Aに貫通形成された円孔状の係合穴63とを具備してなる。
As shown in FIG. 4A, the
係合筒部材62は、その内周部が、ノズル本体53の外周面53aに形成された短い円柱状の係合凸部64の外周部に嵌合し、係合筒部材62の内周部が溶接部65によって係合凸部64に固着される。一方、ノズルキャップ55Aの係合穴63は、ノズル本体53の係合凸部64の位置に整合する位置に形成され、その内径が係合筒部材62の外周に密に嵌合し、且つ、係合筒部材62の軸方向に摺動可能な寸法に設定されている(熱膨張吸収構造)。図4(b)に示すように、係合穴63をノズルキャップ55Aの軸方向に延びる長穴状にしてもよい(熱膨張吸収構造)。
The engaging
係合筒部材62は、ノズル本体53にノズルキャップ55Aが装着された後で係合穴63に挿入され、ノズル本体53の係合凸部64に溶接されて溶接部65が形成される。
なお、係合凸部64を省略して係合筒部材62をノズル本体53の外周面53aに直接溶接するようにしてもよい。
また、変形例として、係合筒部材62を係合穴63側に固定し、係合筒部材62を係合凸部64に対して摺動可能にしてもよい。
The
Note that the
As a modification, the
以上のように構成されたパイロットノズル41Aによれば、セラミックマトリックス複合材料により形成されたノズルキャップ55Aの耐熱性が凡そ1300℃に向上するため、ノズル本体53の噴射孔52から噴射される図示しない混合気(燃料)が燃焼して生成される燃焼ガスの温度が1500℃以上になっても、冷却空気が少なくて済む。
According to the
しかも、ノズルキャップ55Aが熱変形を起こし難くなるため、パイロットノズル41Aの耐久性および信頼性を高めることができる。これらにより、ガスタービン1の燃焼ガス温度を高くして高効率化に寄与することができる。
In addition, since the
また、ノズルキャップ55Aをノズル本体53に固定するキャップ固定部61Aにおいては、係合筒部材62の内周部をノズル本体53の外周面に溶接することができ、簡素な構造によってノズルキャップ55Aをノズル本体53に固定することができる。
Further, in the
係合筒部材62は、ノズル本体53とノズルキャップ55Aとの間に空気通路59内を形成するためのスペーサとしての役割も果たすため、スペーサや突起類を省略して構造を簡素化することができる。
Since the
また、ノズルキャップ55Aに貫通形成された係合穴63が、ノズル本体53の外周面53aに固着された係合筒部材62に係合し、係合筒部材62の軸方向に摺動可能であるため、この部分が熱膨張吸収構造となっている。したがって、ノズル本体53がノズルキャップ55Aに対して熱膨張または熱収縮して外径が変化しても、その変位が係合筒部材62と係合穴63との相対移動によって吸収される。
Further, the
さらに、図4(b)に示すように、係合穴63をノズルキャップ55Aの軸方向に延びる長穴状に形成した熱膨張吸収構造とすれば、ノズル本体53がノズルキャップ55Aに対して軸方向に熱膨張または熱収縮した場合においても、その変位は係合穴63内で係合筒部材62が軸方向に相対移動することによって吸収される。
Furthermore, as shown in FIG. 4B, if the thermal expansion absorbing structure is formed in which the
これらの熱膨張吸収構造を備えることにより、ノズル本体53の熱膨張に起因してノズルキャップ55Aが熱変形することを防止し、パイロットノズル41Aの耐久性と信頼性を高めることができる。
By providing these thermal expansion absorbing structures, it is possible to prevent the
[第2実施形態]
次に、本発明に係るパイロットノズルの第2実施形態について、図5を参照して説明する。
ここに示すパイロットノズル41Bは、第1実施形態のパイロットノズル41Aと同じく、ノズル本体53の外周面53aおよび先端部53bが、セラミックマトリックス複合材料(CMC)により形成されたノズルキャップ55Bによって覆われている。しかし、第1実施形態のノズルキャップ55Aと異なり、ノズルキャップ55Bはノズル本体53との間に空隙を持たずに設けられている。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the pilot nozzle according to the present invention will be described with reference to FIG.
In the
このノズルキャップ55Bは、ノズル本体53の外周面53aの周囲を覆う円筒部55aと、ノズル本体53の先端部53b付近を覆う端面部55bとが一体に形成されており、端面部55bにはノズル本体53の噴射孔52の位置に整合する噴射開口部55cが形成されている。なお、第1実施形態と異なり、端面部55bにはノズル本体53の先端部53bを露呈させる開口部が形成されていない。
In the
ノズルキャップ55Bをノズル本体53に固定するキャップ固定部61Bは、第1実施形態におけるキャップ固定部61Aと同様に、ノズル本体53の外周面53aに固着される係合筒部材62と、ノズルキャップ55Bに貫通形成された円孔状の係合穴63とを具備してなる。係合筒部材62の長さは、第1実施形態におけるキャップ固定部61Aのものよりも短く、ノズルキャップ55Bの肉厚に等しい。また、ノズル本体53の外周面53aには係合凸部が形成されていない。
The
係合筒部材62は、ノズル本体53にノズルキャップ55Bが装着された後で係合穴63に挿入され、ノズル本体53の外周面53aに対して溶接部65により溶接されて固定される。このキャップ固定部61Bの機能は第1実施形態のキャップ固定部61Aと同様である。
The
セラミックマトリックス複合材料により形成されたノズルキャップ55Bは、その耐熱性が従来も格段に向上したことにより、このようにノズル本体53との間に冷却空気を流す空隙を設けないようにすることもできる。これにより、パイロットノズル41Bの構造を簡素化して信頼性を高めるとともに、コンパクト化を図ることができる。
Since the
[第3実施形態]
次に、本発明に係るパイロットノズルの第3実施形態について、図6および図7を参照して説明する。
このパイロットノズル41Cは、そのノズルキャップ55Cをノズル本体53に固定するキャップ固定部61Cの部分以外の構成については、第1実施形態のパイロットノズル41Aと同様であるため、各部に同一符号を付して説明を省略する。ノズルキャップ55Cは、第1実施形態のノズルキャップ55Aと同じく、セラミックマトリックス複合材料により形成されて耐熱性が高められている。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the pilot nozzle according to the present invention will be described with reference to FIGS.
The configuration of the pilot nozzle 41C is the same as that of the
図7にも示すように、キャップ固定部61Cは、ノズル本体53の外周面53aに突設された締結ボス68に形成された雌ネジ部69に、ノズルキャップ55Cに貫通形成されたボルト挿通穴70が重ねられ、固定ボルト71がスプリングワッシャ72を介してボルト挿通穴70に挿通されて雌ネジ部69に締結される構造である。固定ボルト71はセラミックマトリックス複合材料により形成するのが好ましい。こうすれば、固定ボルト71の耐熱性が向上するため、熱による焼損や材質劣化等の懸念を排除し、パイロットノズル41Cの耐久性および信頼性を高めることができる。
As shown in FIG. 7, the cap fixing portion 61 </ b> C has a bolt insertion hole formed through the nozzle cap 55 </ b> C in the
ボルト挿通穴70の内径寸法は、固定ボルト71が径方向に相対移動できるように、固定ボルト71の外径寸法よりも十分に大きく設定されている。また、固定ボルト71の長さは、雌ネジ部69の底部まで締め込まれた状態で、固定ボルト71の頭部71aがノズルキャップ55Cの外周面55fに対して所定の寸法Sだけ浮き上がるように設定されている。さらに、スプリングワッシャ72は、固定ボルト71の頭部71aとノズルキャップ55Cの外周面55fとの間に弾装されている。上記の所定の寸法Sは、スプリングワッシャ72の最圧時における厚さ寸法よりも大きく、且つ該スプリングワッシャ72の自由時における厚さ寸法よりも小さく設定されている。
The inner diameter dimension of the
以上のようにキャップ固定部61Cを構成したことにより、非常に簡素な構造によってノズルキャップ55Cをノズル本体53に取り付けることができ、ノズルキャップ55Cの着脱性を向上させることができる。しかも、スプリングワッシャ72が設けられていることにより、固定ボルト71の弛みを防止することができる。
By configuring the
さらに、ボルト挿通穴70の内径寸法が固定ボルト71の外径寸法よりも十分に大きい上に、固定ボルト71が締め込まれた状態で、固定ボルト71の頭部71aがノズルキャップ55Cの外周面55fに対して所定の寸法Sだけ浮き上がり、この寸法Sは、固定ボルト71の頭部71aとノズルキャップ55Cの外周面55fとの間に弾装されるスプリングワッシャ72の最圧時における厚さ寸法よりも大きく、且つ該スプリングワッシャ72の自由時における厚さ寸法よりも小さく設定されているため、固定ボルト71を確実に締結して弛みを防止しつつ、熱膨張吸収構造を構築することができる。
Further, the inner diameter dimension of the
したがって、例えばノズル本体53がノズルキャップ55Cに対して熱膨張または熱収縮しても、ノズルキャップ55Cが面方向に相対移動することによってその変位が吸収され、ノズルキャップ55Cには熱変形が起こりにくい。また、スプリングワッシャ72の弾力により、ノズルキャップ55Cがノズル本体53側に押さえ付けられて振動が防止される。これらによって、パイロットノズル41Cの耐久性と信頼性を高めることができる。
Therefore, for example, even when the
[第4実施形態]
次に、本発明に係るパイロットノズルの第4実施形態について、図8を参照して説明する。
このパイロットノズル41Dは、そのノズルキャップ55Dをノズル本体53に固定するキャップ固定部61Dの部分以外の構成については、第1実施形態のパイロットノズル41Aと同様であるため、各部に同一符号を付して説明を省略する。ノズルキャップ55Dはセラミックマトリックス複合材料により形成されている。
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment of a pilot nozzle according to the present invention will be described with reference to FIG.
The configuration of the
キャップ固定部61Dは、ノズルキャップ55Dがノズル本体53に対してブラインドリベット75で固定される構造である。ブラインドリベット75は、周知のように、ノズルキャップ55Dの外側から締結することができるリベットである。
The
ノズルキャップ55Dには、周方向に所定の間隔で複数のすり鉢状の凹部76が形成されており、これらの凹部76の位置でブラインドリベット75による接合が行われ、接合後はブラインドリベット75の頭部75aが凹部76の中に埋没し、この頭部75aの高さがノズルキャップ55Dの外周面55fよりも低くなるようにされている。
The
以上のようにキャップ固定部61Dを構成したことにより、ノズル本体53にネジ部を加工する必要を無くして構成を簡素化するとともに、ノズルキャップ55Dをノズル本体53に固定する作業を容易にすることができる。また、ブラインドリベット75の頭部75aが凹部76の中に埋没されるため、燃焼ガスの高温から頭部75aを保護することができる。
By configuring the
[第5実施形態]
次に、本発明に係るパイロットノズルの第5実施形態について、図9および図10を参照して説明する。
このパイロットノズル41Eは、そのノズルキャップ55Eをノズル本体53に固定するキャップ固定部61Eの部分以外の構成については、第1実施形態のパイロットノズル41Aと同様であるため、各部に同一符号を付して説明を省略する。ノズルキャップ55Eはセラミックマトリックス複合材料により形成されている。
[Fifth Embodiment]
Next, a fifth embodiment of a pilot nozzle according to the present invention will be described with reference to FIGS.
The configuration of the
図10に拡大して示すように、キャップ固定部61Eは、ノズル本体53の外周面に形成されて周方向に延びる外周凹溝78と、ノズルキャップ55Eの内周面に形成されて周方向に延びる内周凹溝79と、これらの外周凹溝78と内周凹溝79と合わせられて形成されるキー部材挿入通路80に挿入される環状のキー部材81とを備えて構成されている。外周凹溝78は、ノズル本体53の外周面53aに溶接82等によって固着されたスペーサ83の外周面に形成されている。
As shown in FIG. 10 in an enlarged manner, the
キー部材81としてはワイヤーが用いられている。このワイヤーを用いたキー部材81は、その断面積がキー部材挿入通路80の断面積にほぼ等しく、キー部材挿入通路80の内部に密に、且つ、スムーズに挿入することができる。なお、ノズルキャップ55Eには、キー部材挿入通路80にキー部材81を挿入するための図示しない開口部が形成されている。
A wire is used as the
以上のようにキャップ固定部61Eを構成したことにより、外周凹溝78と内周凹溝79との間にキー部材81が介在することによってノズルキャップ55Eがノズル本体53に固定される。この場合、キャップ固定部61Eが、ノズル本体53およびノズルキャップ55Eの周囲全周に亘って形成されるため、ボルト等を用いてノズルキャップをノズル本体53に対してポイント的に固定する場合に比べて、キャップ固定部61Eに加わる熱応力を分散させることができる。したがって、ノズルキャップ55Eに熱変形や破損が起こることを防止することができる。
By configuring the
キー部材81はワイヤーであるため、ワイヤーの持つ弾力性により、ノズル本体53とノズルキャップ55Eとの間に相対移動可能な余裕が生まれる。このため、ノズル本体53またはノズルキャップ55Eの熱膨張および熱収縮に起因する熱変形や破損が起こりにくくなる。さらに、ノズルキャップ55Eをノズル本体53に対して防振的に保持することができる。これらにより、パイロットノズル41Eの耐久性および信頼性を高めることができる。
Since the
[第6実施形態]
次に、本発明に係るパイロットノズルの第6実施形態について、図11〜図15を参照して説明する。
このパイロットノズル41Fは、そのノズルキャップ55Fをノズル本体53に固定するキャップ固定部61Fの部分以外の構成については、第1実施形態のパイロットノズル41Aと同様であるため、各部に同一符号を付して説明を省略する。ノズルキャップ55Fはセラミックマトリックス複合材料により形成されている。
[Sixth Embodiment]
Next, a sixth embodiment of the pilot nozzle according to the present invention will be described with reference to FIGS.
The configuration of the
図12にも示すように、キャップ固定部61Fは、図9に示す第4実施形態のキャップ固定部61Eと同様に、ノズル本体53の外周面に形成されて周方向に延びる外周凹溝85と、ノズルキャップ55Fの内周面に形成されて周方向に延びる内周凹溝86と、これらの外周凹溝85と内周凹溝86と合わせられて形成されるキー部材挿入通路87に挿入される環状のキー部材88とを備えて構成されている。外周凹溝85は、ノズル本体53の外周面53aに溶接89等によって固着されたスペーサ90に形成されている。
As shown in FIG. 12, the cap fixing portion 61 </ b> F has an outer
キー部材88としてはエキスパンションリングが用いられている。図12に示すように、外周凹溝85の深さ寸法H1は、キー部材88の径方向の厚み寸法T以上に設定され、内周凹溝86の深さ寸法H2は、キー部材88の厚み寸法Tよりも小さく設定されている。
An expansion ring is used as the
また、エキスパンションリングであるキー部材88は、径方向に押し縮められた時には外周凹溝85の中に完全に埋没し、且つ、キー部材挿入通路87の内部で径方向に拡張した時には内周凹溝86の底面に弾接されるようになっている。
In addition, the
ノズルキャップ55Fをノズル本体53に装着する時には、図13に示すように、キー部材88を径方向に押し縮めて外周凹溝85の中に完全に埋没させた状態で、ノズルキャップ55Fを軸方向にスライドさせて装着する。そして、ノズルキャップ55Fの内周凹溝86がノズル本体53の外周凹溝85の位置に整合すると同時にキー部材88が径方向に拡張して内周凹溝86に嵌り込む(図12の状態となる)。すると、キー部材88が外周凹溝85と内周凹溝86との間に跨るように位置するため、ノズルキャップ55Fがノズル本体53に対して軸方向に移動できなくなる。
When the
上記構成によれば、キャップ固定部61Eに加わる熱応力を分散させながら、ノズルキャップ55Fをノズル本体53に確実に固定することができる。したがって、ノズルキャップ55Fに熱変形や破損が起こることを防止して、パイロットノズル41Fの耐久性および信頼性を高めることができる。
According to the above configuration, the
ところで、図14に示すように、ノズルキャップ55Fの外周面から内周凹溝86に連通する複数の雌ネジ穴92を周方向に間隔を空けて形成しておくことにより、ノズルキャップ55Fをノズル本体53から取り外す時に、これらの雌ネジ穴92にボルト93を捩じ込んでキー部材88をその拡張力に抗して内周凹溝86から追い出し、ノズルキャップ55Fを容易に取り外すことができる。
By the way, as shown in FIG. 14, a plurality of female screw holes 92 communicating from the outer peripheral surface of the
以上の各実施形態に示したように、ノズルキャップ55A〜55Fをセラミックマトリックス複合材料により形成してその耐熱性を向上させ、熱膨張に起因する熱変形を防止し得るパイロットノズル41A〜41Fをガスタービン燃焼器5に備えることにより、ガスタービン1の高効率化に寄与するとともに、耐久性および信頼性の高いガスタービン燃焼器5を提供することができる。特に、燃焼温度を高くしてタービン入口における燃焼ガス温度を増大させ、高効率化を図ることができる。
As shown in the above embodiments, the nozzle caps 55A to 55F are formed of a ceramic matrix composite material to improve the heat resistance thereof, and the
なお、本発明は上記第1〜第6実施形態の構成のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更や改良を加えることができ、このように変更や改良を加えた実施形態も本発明の権利範囲に含まれるものとする。例えば、上記第1〜第6実施形態の構成を組み合わせる等してもよい。 The present invention is not limited to the configurations of the first to sixth embodiments, and can be appropriately modified or improved within the scope not departing from the gist of the present invention. Embodiments to which are added are also included in the scope of rights of the present invention. For example, the configurations of the first to sixth embodiments may be combined.
1 ガスタービン
3 圧縮機
5 ガスタービン燃焼器
7 タービン
41,41A〜41F パイロットノズル
43 予混合ノズル
51 燃料通路
52 噴射孔
53 ノズル本体
53a ノズル本体の外周面
53b ノズル本体の先端部
55A〜55F ノズルキャップ
55f ノズルキャップの外周面
61A〜61F キャップ固定部
62 係合筒部材
63 係合穴
69 雌ネジ部
70 ボルト挿通穴
71 固定ボルト
71a 固定ボルトの頭部
72 スプリングワッシャ
75 ブラインドリベット
78,85 外周凹溝
79,86 内周凹溝
80,87 キー部材挿入通路
81,88 キー部材
H1 外周凹溝の深さ寸法
H2 内周凹溝の深さ寸法
S 固定ボルト頭部の、ノズルキャップの外周面からの浮き上がり寸法
T キー部材の径方向の厚み寸法
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (7)
該ノズル本体の外周面および先端部付近を覆い、前記燃料が燃焼することにより生成される燃焼ガスの高熱から前記ノズル本体を保護するノズルキャップと、
を備えたパイロットノズルであって、
前記ノズルキャップがセラミックマトリックス複合材料により形成され、
前記ノズルキャップを前記ノズル本体に固定するキャップ固定部は、
前記ノズル本体の外周面に固着される係合筒部材と、
前記ノズルキャップに貫通形成され、前記係合筒部材の外周に密に嵌合し、且つ、前記係合筒部材の軸方向に摺動可能な内径を有する係合穴と、
を具備してなり、
前記係合筒部材は、前記ノズル本体に前記ノズルキャップが装着された後で前記係合穴に挿入されて前記ノズル本体に固着されることを特徴とするパイロットノズル。 A nozzle body having a fuel passage inside and having an injection hole for injecting fuel from the fuel passage in the vicinity of the tip;
A nozzle cap that covers the outer peripheral surface and the vicinity of the tip of the nozzle body and protects the nozzle body from high heat of combustion gas generated by burning the fuel;
A pilot nozzle with
The nozzle cap is formed of a ceramic matrix composite material ;
The cap fixing part for fixing the nozzle cap to the nozzle body is:
An engagement cylinder member fixed to the outer peripheral surface of the nozzle body;
An engagement hole formed through the nozzle cap, tightly fitted to the outer periphery of the engagement cylinder member, and having an inner diameter slidable in the axial direction of the engagement cylinder member;
Comprising
The pilot nozzle according to claim 1, wherein the engagement cylinder member is inserted into the engagement hole and fixed to the nozzle body after the nozzle cap is mounted on the nozzle body .
該ノズル本体の外周面および先端部付近を覆い、前記燃料が燃焼することにより生成される燃焼ガスの高熱から前記ノズル本体を保護するノズルキャップと、 A nozzle cap that covers the outer peripheral surface and the vicinity of the tip of the nozzle body and protects the nozzle body from high heat of combustion gas generated by burning the fuel;
を備えたパイロットノズルであって、A pilot nozzle with
前記ノズルキャップがセラミックマトリックス複合材料により形成され、 The nozzle cap is formed of a ceramic matrix composite material;
前記ノズルキャップを前記ノズル本体に固定するキャップ固定部は、 The cap fixing part for fixing the nozzle cap to the nozzle body is:
前記ノズル本体の外周面に形成されて周方向に延びる外周凹溝と、 An outer circumferential groove formed in the outer circumferential surface of the nozzle body and extending in the circumferential direction;
前記ノズルキャップの内周面に形成されて周方向に延びる内周凹溝と、 An inner circumferential groove formed in the inner circumferential surface of the nozzle cap and extending in the circumferential direction;
前記外周凹溝と前記内周凹溝とが合わせられて形成されるキー部材挿入通路に挿入される環状のキー部材と、 An annular key member inserted into a key member insertion passage formed by combining the outer peripheral concave groove and the inner peripheral concave groove;
を具備してなることを特徴とするパイロットノズル。A pilot nozzle comprising:
前記外周凹溝の深さ寸法は、前記キー部材の径方向の厚み寸法以上に設定され、 The depth dimension of the outer circumferential groove is set to be equal to or greater than the radial dimension of the key member,
前記内周凹溝の深さ寸法は、前記キー部材の径方向の厚み寸法よりも小さく設定され、 The depth dimension of the inner circumferential groove is set smaller than the radial thickness dimension of the key member,
前記キー部材は、径方向に押し縮められた時には前記外周凹溝の中に完全に埋没し、且つ、前記キー部材挿入通路の内部で径方向に拡張した時には前記内周凹溝の底面に弾接されることを特徴とする請求項3に記載のパイロットノズル。 When the key member is compressed in the radial direction, the key member is completely buried in the outer circumferential groove, and when the key member is expanded in the radial direction inside the key member insertion passage, the key member is elasticated on the bottom surface of the inner circumferential groove. The pilot nozzle according to claim 3, wherein the pilot nozzle is in contact with the pilot nozzle.
該パイロットノズルの外周側に周方向に間隔を空けて配置された予混合燃焼させる複数の予混合ノズルと、 A plurality of premixing nozzles for premixing combustion arranged at intervals in the circumferential direction on the outer peripheral side of the pilot nozzle;
を備えていることを特徴とするガスタービン燃焼器。A gas turbine combustor comprising:
該ガスタービン燃焼器に圧縮空気を供給する圧縮機と、 A compressor for supplying compressed air to the gas turbine combustor;
前記ガスタービン燃焼器からの燃焼ガスによって回転させられるタービンと、 A turbine rotated by combustion gas from the gas turbine combustor;
を備えていることを特徴とするガスタービン。A gas turbine comprising:
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