JP6521283B2 - 燃焼器、ガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、燃焼器、及びこれを備えるガスタービンに関する。

ガスタービンは、圧縮空気を生成する圧縮機と、燃料を圧縮空気中で燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼ガスによって回転駆動されるタービンと、を備えている。燃焼器は、燃料及び空気を供給する内筒と、内筒から供給された燃料及び空気によって火炎が内部に形成され、燃焼ガスを生成する尾筒と、を有している。
従来、尾筒で生成される燃焼ガスにより尾筒の内壁面が損傷することを防止するため、内筒の先端部を構成する出口外側リングと尾筒との間の間隙からフィルム空気を供給する構造が知られている。

ここで、実際のガスタービンを構成するに当たっては、複数の燃焼器をガスタービンの外周に沿って配置するとともに、これらを連結管によって連結する構成が採られることが多い。このような燃焼器では、一の燃焼器のみに点火栓を設けた上で、点火された燃焼器内の火炎を、連結管を通じて他の燃焼器に伝搬させることで、燃焼器すべてに着火することを可能としている。上述のような連結管を燃焼器に設ける場合には、具体的には燃焼器の内筒の壁面に開口を設け、隣り合う燃焼器の開口同士を連結管で連結する構成が採られることが一般的である。さらに、このような連結管も、フィルム空気による熱からの保護を必要とする点では、燃焼器の内筒、尾筒と同様である。

連結管をフィルム空気によって保護するための技術として、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に記載された燃焼器は、連結管（バイパス管）の内部にスリーブを設けることで流路を画成し、この流路に空気を流通させることで、バイパス管の側壁にフィルム空気を供給する構成とされている。

特開２００４−９２４０９号公報

しかしながら、特許文献１に記載された燃焼器では、バイパス管の保護に供されたフィルム空気によって、燃焼器内の流路における圧縮空気の流れに乱れを生じる可能性がある。特に、バイパス管が連結される領域近傍において、フィルム空気の剥離を生じてしまう。これにより、燃焼器に損傷を生じる可能性がある。

上記課題を解決するため、本発明の燃焼器、及びガスタービンは、以下の手段を提案している。
本発明の一態様に係る燃焼器は、内側に流路を形成する尾筒と、前記流路の上流側から前記尾筒内に挿入されて燃焼ガスを前記流路内に吹き出すとともに、フィルム空気を前記尾筒の内周面との間に吹き出す間隙を形成する内筒と、を有する燃焼器本体と、前記間隙の出口よりも上流側で、前記燃焼器本体の外周側から接続されるとともに、前記流路に連通する連通孔が内側に形成された連結管と、前記連結管の外部から導入した圧縮空気を、前記流路内であって、前記連結管と前記燃焼器本体との連結部における下流側で、前記燃焼器本体の周方向にわたっての流速分布が均一となるように吹き出させるフローガイドと、を備え、前記連結部に、該連結部内外を連通する吸気孔が形成され、前記フローガイドは、前記連結管の内側で、前記吸気孔から前記流路に向かって延びる導入部と、前記導入部に接続されて、前記連結孔から前記流路の下流側に向かって扇形状に延びるフローガイド本体部と、を有し、前記フローガイド本体部は、前記導入部の断面がなす円弧と同心をなして形成された外側端縁と、該外側端縁の両端と導入部とを結ぶ一対の側端縁と、を有する。

上述のような構成によれば、連結管と燃焼器本体との連結部の下流側にフローガイドが設けられていることから、連結管の下流側の流路に対してもフィルム空気を案内することができる。加えて、このフローガイドによって圧縮空気が案内されることで、燃焼器本体の周方向における圧縮空気の流速分布を均一にすることができる。
さらに、上述のような構成によれば、連結管に設けられた吸気孔から外部の圧縮空気を取り入れて、連結管の下流側の流路にも吹き出させることができる。これにより、燃焼器本体の周方向における圧縮空気の流速分布を均一にすることができる。

さらに、本発明の一態様に係る燃焼器では、前記フローガイド本体部は、前記流路の下流側に向かうにしたがって、周方向の寸法が次第に拡大する扇形に形成されていてもよい。

上述のような構成によれば、フローガイド本体部が扇形に形成されていることにより、連結管の下流側における広い範囲にフィルム空気としての圧縮空気を供給することができる。

さらに、本発明の一態様に係るガスタービンは、前記圧縮空気を生成する圧縮機と、蒸気の各態様に係る前記燃焼器と、前記燃焼器が生成した燃焼ガスによって駆動されるタービンと、を備える。

上述のような構成によれば、耐久性の高い燃焼器を備えたガスタービンを提供することができる。

本発明の燃焼器、及びガスタービンによれば、燃焼器に損傷が生じる可能性を効果的に低減することができる。

本発明の実施形態に係るガスタービンの概略図である。 本発明の実施形態に係る燃焼器の軸線に直交する方向から見た断面概略図である。 本発明の実施形態に係る燃焼器の要部断面図である。 本発明の実施形態に係る燃焼器の連結部を、連結孔の軸線方向から見た断面概略図である。

以下、本発明の第一実施形態について図面を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態に係るガスタービン１は、多量の空気を内部に取り入れて圧縮する圧縮機２と、この圧縮機２にて圧縮された圧縮空気Ａに燃料を混合して燃焼させる燃焼器３と、燃焼器３から導入された燃焼ガスＧの熱エネルギーを回転エネルギーに変換するタービン４とを備えている。

圧縮機２及びタービン４は、互いに一体で回転するように連結されたロータ５と、ロータ５の外周側を囲うステータ６とを備えている。ロータ５は、回転軸７と、軸線Ｏ方向に間隔を空けて固定された複数の環状動翼群８と、を有している。各々の環状動翼群８は、回転軸７の外周に、周方向に互いの間隔を空けて固定されている複数の動翼を有している。

ステータ６は、それぞれケーシング９と、ケーシング９内において軸線Ｏ方向に間隔をあけて固定された複数の環状静翼群１０とを備えている。環状静翼群１０は、各々のケーシング９内面に、周方向に互いの間隔をあけて固定された複数の静翼を有している。
環状静翼群１０は、それぞれ、複数の環状動翼群８と、軸線Ｏ方向に交互に配置されている。

図２に示すように、燃焼器３は、圧縮機２からの圧縮空気Ａ及び燃料を噴射する燃料供給器１１と、燃料供給器１１からの圧縮空気Ａ及び燃料を供給する内筒２０と、内筒２０から吹き出された圧縮空気Ａ及び燃料から燃焼ガスＧを生成し、生成された燃焼ガスＧをタービン４に送る尾筒３０と、を有している。燃焼器３の内筒２０、及び尾筒３０はいずれもタービン４の車室内に配置されている。さらに、これら内筒２０と尾筒３０とは、燃焼器本体３Ｘをなしている。

さらに、本実施形態では、複数の燃焼器３をガスタービン１のケーシング９の外周に沿って配置するとともに、これらを連結部Ｃによって連結する構成とされている。このような燃焼器３では、例えば一の燃焼器のみに点火栓を設けた上で、点火された燃焼器内の火炎を、連結部Ｃを通じて他の燃焼器に伝搬させることで、燃焼器すべてに着火することを可能としている。

内筒２０は、内筒２０の一方側に配置され円筒状をなす内筒本体部３９と、内筒２０の他方側に配置される円環状の出口外側リング５０と、を有している。内筒２０の一方の端部には燃料供給器１１が設けられ、他方の端部には開口２５が形成されている。この出口外側リング５０は、内筒２０の先端を形成している。

なお、以下の説明においては、内筒本体部３９の一方の端部を基端部２１、他方の端部を先端部２２とし、基端部２１の側を上流側、先端部２２の側を下流側とする。また、内筒２０の軸線Ｏに沿う方向を軸線方向、軸線Ｏを中心とした円周に沿う方向を周方向とし、この円周の径に沿う方向を径方向とする。

尾筒３０は、内筒２０と同様に、筒状をなして形成された部材である。尾筒３０の内部は一方から他方にかけて貫通されており、一方の端部は開口３５とされている。開口３５の内径は、内筒２０の先端部２２の外径及び出口外側リング５０の外径よりも大きい。なお、以下では、尾筒３０の上流側の端部を基端部３１とする。この尾筒３０の基端部３１内には、内筒本体部３９の先端部２２及び出口外側リング５０が挿入されている。尾筒３０の下流側の端部は、タービン４の燃焼通路に接続されている。

燃料供給器１１は、ケーシング９に固定されている。内筒２０の基端部２１は、この燃料供給器１１によって支持されている。さらに、内筒本体部３９の先端部２２は、尾筒３０の基端部３１とともに、ケーシング９に設けられた不図示の支持部材によって支持されている。

燃料供給器１１は、パイロットバーナ１２Ｐと、複数のメインバーナ１２Ｍと、を有している。パイロットバーナ１２Ｐは、燃焼器３の軸線Ｏに沿って設けられている。パイロットバーナ１２Ｐは、供給された燃料をパイロットノズル１３Ｐから噴射する。このパイロットノズル１３Ｐから噴射された燃料に着火することで火炎が形成される。
また、詳細な図示は省略するが、パイロットバーナ１２Ｐには、パイロットコーンが設けられている。パイロットコーンは、パイロットノズル１３Ｐの外周側を囲む筒状の部材である。パイロットコーンは、火炎の拡散範囲、方向を規制することで保炎性を高めることを目的として設けられている。

さらに、内筒２０の内側には複数のメインバーナ１２Ｍが設けられている。より詳細には、複数のメインバーナ１２Ｍは、パイロットバーナ１２Ｐの外周側に周方向に等間隔で配置されている。それぞれのメインバーナ１２Ｍは内筒２０の軸線Ｏに沿って延びることで、上述のパイロットバーナ１２Ｐと平行をなしている。
メインバーナ１２Ｍの先端部には、メインノズル１３Ｍが設けられている。このように形成されたメインバーナ１２Ｍに対して、不図示の燃料ノズルから燃料を噴射する。噴射された燃料は、内筒２０内の圧縮空気Ａと混合し、予混合ガスを生成する。この予混合ガスは、上述のパイロットバーナ１２Ｐで形成された火炎によって着火されて、尾筒３０内で予混合拡散燃焼による火炎を生じる。燃焼された予混合ガスは、燃焼ガスＧとして後続のタービン４に向かって流通される。

ここで、本実施形態に係るガスタービン１は、そのケーシング９の外周に沿って間隔を開けて配置された複数の燃焼器３を備えている。これら複数の燃焼器３は、連結部Ｃを介して互いに接続されている。すなわち、一の燃焼器３で生じた火炎は、連結部Ｃを通じて隣り合う他の燃焼器３に伝搬する。これにより、周方向に沿って配置されたすべての燃焼器３に火炎が伝搬されて、タービン４には対しては、一様な温度分布を有する燃焼ガスＧが供給される。

図３に示すように、連結部Ｃは隣り合う２つの燃焼器３，３同士を連結する配管部材である連結管Ｃ１と、連結管Ｃ１を燃焼器３に対して固定する固定部Ｃ２と、を有している。
連結管Ｃ１は、燃焼器３の尾筒３０の外壁に設けられた連結孔Ｃ３と略同一の内径を有するように形成されており、その内部には燃焼器３で形成された火炎を他の燃焼器３に伝搬させるための流路が形成されている。連結孔Ｃ３は、尾筒３０の外周面３０ｂから燃焼器３の径方向外側に向かって突出するように形成された管状の部材である。さらに、連結孔Ｃ３は、軸線Ｏに対して、一定の角度だけ傾斜するようにして尾筒３０に取り付けられている。

この連結孔Ｃ３に対して、連結管Ｃ１の端部を接続することにより、燃焼器３，３同士が連結される。さらに、連結管Ｃ１と連結孔Ｃ３とは、固定部Ｃ２によって脱落不能に固定されている。この固定部Ｃ２の態様について詳細は図示しないが、例えば連結管Ｃ１と連結孔Ｃ３とにそれぞれ設けられたフランジ部を、ねじやボルトによって締結すること等が考えられる。その他、内部を流通する燃焼ガスＧの漏洩を抑制するためのシール部材等が設けられていてもよい。また、連結孔Ｃ３と、尾筒３０の内周面３０ａとが接続される部分は、角部をなして形成されることで、境界部Ｃ５とされている。

加えて、連結部Ｃには外部から圧縮空気Ａを導入するための吸気孔３２が設けられている。吸気孔３２は連結部Ｃにおける連結孔Ｃ３の壁面に設けられて、連結部Ｃの内外を連通する貫通孔である。具体的には、吸気孔３２は、連結孔Ｃ３の下流側の壁面に設けられている。

さらに、燃焼器３には、連結孔Ｃ３を介して外部から導入した圧縮空気Ａを、内筒２０の内部における連結部Ｃの下流側に向かって吹き出させるためのフローガイド４０が設けられている。フローガイド４０は、上述の間隙Ｓ１の出口、すなわち境界部Ｃ５に相当する位置と略同一の位置に設けられている。

より詳細には、図３に示すように、フローガイド４０は、吸気孔３２を、軸線Ｏから離間する側から囲むようにして、尾筒３０内の流路に向かって延びる導入部４１と、導入部４１における軸線Ｏ側の端部から流路の延在方向に沿って延びるフローガイド本体部４２と、を有している。導入部４１とフローガイド本体部４２とは、接続部４０Ｃによって互いに接続されている。接続部４０Ｃは、流体の挙動を妨げないことを目的として滑らかに湾曲するように形成されていてもよい。また、本実施形態に係るフローガイド４０の表面は平滑に形成されている。

フローガイド４０の導入部４１と、連結孔Ｃ３の内周面Ｃ４とは、間隙Ｓ２を介して互いに離間するように配置されている。同様に、フローガイド本体部４２と尾筒３０の内周面３０ａとは、間隙Ｓ２を介して互いに離間するように配置されている。

さらに、導入部４１は、連結孔Ｃ３の内周面Ｃ４の形状に対応するように形成されている。本実施形態では、連結孔Ｃ３の軸線方向から見た断面形状は円形をなしていることから、導入部４１はこの円形断面に沿うように円弧状の断面を有している。

加えて、図４に示すように、フローガイド本体部４２は、連結孔Ｃ３から流路の下流側に向かって略扇形状に延在している。具体的には、フローガイド本体部４２は、導入部４１の断面がなす円弧とおおむね同心をなして形成された外側端縁４３と、外側端縁４３の両端と導入部４１とを結ぶ一対の側端縁４４，４４と、を有している。すなわち、導入部４１から下流側に向かうにしたがって、フローガイド本体部４２の周方向の寸法が次第に拡大するように形成されている。

次に、本実施形態に係るガスタービン１の動作について説明する。ガスタービン１では、圧縮機２で圧縮された圧縮空気Ａは、尾筒３０の外周面３０ｂ及び内筒２０の外周面２０ｂと、ケーシング９の内周面とに囲まれた流路１４（図２参照）を通り、反転部１５で反転された後、内筒２０に流入する。

パイロット燃料やメイン燃料の燃焼により生成された燃焼ガスＧは、尾筒３０からタービン側ガス流路（不図示）の内部へ送出される。タービン側ガス流路内に入った燃焼ガスＧは、前述したように、ロータ５を回転駆動させる。
一方で、図３に示すように、圧縮空気Ａは、尾筒３０と内筒２０との間の間隙Ｓ１にも取り込まれる。そして、導入された圧縮空気Ａは、尾筒３０と出口外側リング５０との間の間隙Ｓ１から、尾筒３０の内周面３０ａに沿って吹き出される。

尾筒３０の内部に吹き出された圧縮空気Ａの一部は、尾筒３０の内周面３０ａ上に薄い膜（フィルム空気の層）を形成する。この圧縮空気Ａの膜は、尾筒３０の内周面３０ａをフィルム冷却する。これにより、内筒２０の開口２５から供給される燃料及び圧縮空気Ａと、火炎による輻射熱から尾筒３０を保護する。なお、このフィルム冷却に供しない圧縮空気Ａは、概ね大部分が、燃焼用の空気として使用される。

ここで、連結部Ｃの近傍における圧縮空気Ａの挙動について、図３と図４を参照して説明する。内筒２０と尾筒３０との間の間隙Ｓ１内部を流通した圧縮空気Ａは、連結部Ｃに到達すると、尾筒３０の内周面３０ａと連結部Ｃとの境界部Ｃ５に形成された角部により、流れに乱れを生じる。流れに乱れを生じることで、圧縮空気Ａは尾筒３０の内周面３０aから剥離してしまう。したがって、圧縮空気Ａは連結孔Ｃ３の下流側には到達しにくい状態となる。

その一方で、本実施形態に係る燃焼器３は、上述のように連結部Ｃ３の壁面に設けられた吸気孔３２と、吸気孔３２の近傍から尾筒３０内の流路に延びるフローガイド４０と、を備えている。吸気孔３２からは、圧縮空気Ａと同等の圧力を有する補充空気Ａ２が供給される。この補充空気Ａ２は、フローガイド４０と連結孔Ｃ３、及び尾筒３０の内周面３０aとの間に形成された間隙Ｓ２の内部を流通する。

間隙Ｓ２の内部を流通する補充空気Ａ２は、フローガイド４０の導入部４１とフローガイド本体部４２とに案内されて、尾筒３０の下流側に向かって吹き出される。尾筒３０の下流側に吹き出された補充空気Ａ２は、上述のフィルム空気としての圧縮空気Ａと同様に、尾筒３０の内周面３０ａに沿って流通する。すなわち、連結部Ｃよりも下流側における尾筒３０の内周面３０ａをフィルム冷却することで、火炎の輻射熱等から尾筒３０を保護する。

さらに、上述したようにフローガイド本体部４２は、連結孔Ｃ３から下流側に向かって扇形状に広がっている。これにより、フローガイド４０によって案内された補充空気Ａ２は、このフローガイド本体部４２の形状に沿って、連結孔Ｃ３から下流側に向かって広がるように吹き出される。

上述のように、連結管Ｃ１と燃焼器本体３Ｘ（内筒２０、尾筒３０）との連結部Ｃにフローガイド４０が設けられていることから、連結管Ｃ１の下流側における尾筒３０内の流路に対してもフィルム空気（補充空気Ａ２）を案内することができる。したがって、尾筒３０の内周面３０ａに損傷を生じる可能性を低減することができる。

さらに、上述のような構成によれば、連結部Ｃに設けられた吸気孔３２から外部の圧縮空気Ａ（補充空気Ａ２）を取り入れて、連結管Ｃ１の下流側の流路にも吹き出させることができる。これにより、燃焼器本体３Ｘの周方向における圧縮空気Ａの流速分布を均一にすることができる。したがって、尾筒３０の内周面３０ａに損傷を生じる可能性をさらに低減することができる。

加えて、上述のような構成によれば、フローガイド４０のフローガイド本体部４２が扇形に形成されていることにより、尾筒３０内の流路において、連結管Ｃ１の下流側における広い範囲にフィルム空気としての補充空気Ａ２を供給することができる。したがって、尾筒３０の内周面３０ａに損傷を生じる可能性をより効果的に低減することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

例えば、上述の実施形態では、吸気孔３２の開口形状は特に限定していない。しかしながら、例えば円形断面や楕円形断面、あるいは多角形断面等のいずれであってもよい。

さらに、上述の実施形態では、フローガイド４０の表面を平滑に形成する構成とした。しかしながら、フローガイド４０による補充空気Ａ２の流れをさらに効果的に整流することを目的として、フローガイド４０の表面に、流れの方向に沿って延びる凹溝状のスリットを設ける構成としてもよい（不図示）。反対に、フローガイド４０の表面に、流れの方向に沿って線状に延びる凸部を設けてもよい。
このような構成であれば、補充空気Ａ２の流れを積極的に整流することができるため、尾筒３０内の流路における補充空気Ａ２の流れをより均一にすることができる。

加えて、上述の実施形態では、フローガイド４０を燃焼器３の連結部Ｃに適用する例についてのみ説明した。しかしながら、フローガイド４０の適用対象はこれに限定されず、例えば点火栓や各種の測定装置など、燃焼器３（燃焼器本体３Ｘ）に対して、その軸線Ｏと交差する方向から挿入されて、燃焼器３の流路内に一部が露出する装置を設ける必要がある限りにおいては、いずれの態様であってもフローガイド４０を適用することが可能である。

１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン
５ ロータ
６ ステータ
７ 回転軸
８ 環状動翼群
９ ケーシング
１０ 環状静翼群
１１ 燃料供給器
１２Ｐ パイロットバーナ
１２Ｍ メインバーナ
１３Ｐ パイロットノズル
１３Ｍ メインノズル
２０ 内筒
２０ａ 内周面
２０ｂ 外周面
２１ 基端部
２２ 先端部
２５ 開口
３０ 尾筒
３０ａ 内周面
３０ｂ 外周面
３１ 基端部
３２ 吸気孔
３５ 開口
３９ 内筒本体部
４０ フローガイド
５０ 出口外側リング
Ａ 圧縮空気
Ａ２ 補充空気
Ｃ 連結部
Ｃ１ 連結管
Ｃ２ 固定部
Ｃ３ 連結孔
Ｃ４ 内周面
Ｃ５ 境界部
Ｇ 燃焼ガス
Ｓ１ 間隙
Ｓ２ 間隙

Claims (3)

1. 内側に流路を形成する尾筒と、前記流路の上流側から前記尾筒内に挿入されて燃焼ガスを前記流路内に吹き出すとともに、フィルム空気を前記尾筒の内周面との間に吹き出す間隙を形成する内筒と、を有する燃焼器本体と、
   前記間隙の出口よりも上流側で、前記燃焼器本体の外周側から接続されるとともに、前記流路に連通する連通孔が内側に形成された連結管と、
   前記連結管の外部から導入した圧縮空気を、前記流路内であって、前記連結管と前記燃焼器本体との連結部における下流側で、前記燃焼器本体の周方向にわたっての流速分布が均一となるように吹き出させるフローガイドと、
   を備え、
   前記連結部に、該連結部内外を連通する吸気孔が形成され、
   前記フローガイドは、前記連結管の内側で、前記吸気孔から前記流路に向かって延びる導入部と、前記導入部に接続されて、前記連結孔から前記流路の下流側に向かって扇形状に延びるフローガイド本体部と、を有し、
   前記フローガイド本体部は、前記導入部の断面がなす円弧と同心をなして形成された外側端縁と、該外側端縁の両端と導入部とを結ぶ一対の側端縁と、を有する燃焼器。
2. 前記フローガイド本体部は、前記流路の下流側に向かうにしたがって、周方向の寸法が次第に拡大する扇形に形成された請求項１に記載の燃焼器。
3. 前記圧縮空気を生成する圧縮機と、
   請求項１又は２に記載の前記燃焼器と、
   前記燃焼器が生成した燃焼ガスによって駆動されるタービンと、
   を備えたガスタービン。

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