JPH07233908A

JPH07233908A - ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JPH07233908A
Application number: JP2231294A
Authority: JP
Inventors: Kunihiro Ichikawa; 国弘市川; Kensho Matsuda; 憲昭松田; Shigeru Azuhata; 茂小豆畑; Nobuyuki Iizuka; 信之飯塚; Yoshikazu Moritomo; 嘉一森友; Senji Nakayama; ▲宣▼治中山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-02-21
Filing date: 1994-02-21
Publication date: 1995-09-05

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、保炎器の損傷をなくし、ガス
タービン燃焼器の信頼性を向上させることにある。【構成】上記の目的は、燃焼用の燃料と空気とを混合し
て可燃予混合気体を作成する二重円筒状の予混合器の環
状の出口部の前記可燃予混合気体の流通路上に、前記予
混合器と同心状に設置された円筒状台と、前記円筒状台
の下流端に結合され、前記可燃予混合気体の下流側に向
かって、肉厚が増大する断面が台形状のリング状の円板
とを含んでなる保炎器を有するガスタービン燃焼器にお
いて、前記円筒状台上流側端面に開口し、前記兼可燃予
混合気体の流れ方向下流側に向かって深さを持つ複数の
切れ目を設けることにより達成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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、保炎器を有するガスタービン燃焼器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のガスタービン燃焼器を、図６〜図
１５を用いて説明する。図６，図７及び図８は、それぞ
れガスタービン燃焼器における初期燃焼，中間燃焼及び
定常燃焼各状態の説明図、図９，図１０は従来の保炎器
の構造と燃焼時の火炎の状態の説明図、図１１は従来の
保炎器における変形状況の説明図、図１２，図１３は従
来の保炎器における取付け構造時の変形の例、図１４，
図１５は従来の保炎器における取り付け構造時の最大熱
応力発生個所の説明図である。１はガスタービン燃焼
器、２は１段目燃料、３は補助バーナ燃料、４は２段目
燃料、５は１段燃焼気筒、６は２段燃焼気筒、７は１段
目燃料ノズル、８は２段目燃料ノズル、９は空気流入
口、１０は燃料、１１は空気、１２は予混合器、１３は
保炎器、１４は補助バーナ燃料ノズル、１５は２段目予
混合気流、１６は１段目燃焼室、１７は２段目燃焼室、
１８は１段目燃焼火炎、１９は補助バーナ火炎、２０は
２段目燃焼火炎、２１は台形状段面のリング状円板、２
２は円筒状台、２３は端面、２４は台形状断面の斜辺部
分、２５は円筒状台内外周面、２６は保炎支持板、２７
は接合部、２８は保炎器支持板の上，下端部、２９は予
混合気筒、３０Ａは外周円筒、３０Ｂは内周円筒を示し
ている。

【０００３】ガスタービン燃焼器１は、圧縮機（図示せ
ず）から供給された高圧の空気１１をガスタービン燃焼
器１内に導き、１段目燃料２、補助バーナ燃料３および
２段目燃料４より、ガスタービン燃焼器１に供給される
燃料を燃焼させている。

【０００４】すなわち、ガスタービン燃焼器１は１段燃
焼気筒５と２段燃焼気筒６とを有しており、１段燃焼気
筒５には１段目燃料ノズル７および補助バーナ燃料ノズ
ル１４が、２段目燃焼気筒６には２段目燃料ノズル８
が、それぞれ設置されている。２段燃焼気筒６には２段
目燃料ノズル８の横には、空気流入口９があり、２段目
燃料ノズル８からの燃料１０と空気１１とが混じりあっ
て、２段目予混合気流１５となり、この混じりあう場所
を予混合器１２と呼んでいる。また、予混合器１２から
２段目予混合気流１５が流失した直後の、２段目予混合
気流１５の流通路上に保炎器１３が設置されている。

【０００５】以下、ガスタービン燃焼器１の作動につい
て説明する。まず、１段目燃料２と補助バーナ燃料３と
を１段目燃料ノズル７と補助バーナ燃料ノズル１４か
ら、それぞれ１段目燃焼室１６に投入して点火する。こ
の状態でガスタービンの運転が開始されるが、このとき
に形成される火炎の状態を図６に示す。

【０００６】次に、ガスタービンが、ある負荷に到達し
た段階において、２段目燃焼室１７への点火が行われ
る。２段目燃料４は予混合器１２において、空気１１と
混合し、２段目予混合気流１５として、２段目燃焼室１
７へ供給され、これが、１段目燃焼火炎１８により着火
され、２段目燃焼火炎２０となる。この場合、保炎器１
３を設置することにより、２段目予混合気流１５の燃料
濃度が薄くても、安定燃焼し、また、１段目燃焼火炎１
８が消火されても、２段目燃焼火炎２０だけの安定燃焼
が得られる。このときに形成される火炎の状態を図７に
示す。

【０００７】続いて、補助バーナ燃料ノズル１４からの
補助バーナ燃料３の供給が停止され、補助バーナ燃料３
は１段目燃料２へ合流して１段目燃料ノズル７から供給
され、補助バナ火炎１９は消火する。その後、１段目燃
焼火炎１８は渦流に流されて、１段目燃焼室１６の保炎
はなくなり、２段目燃焼火炎２０によって、火炎が保た
れている。この時に保たれている火炎の状態を図８に示
す。

【０００８】このように、ガスタービン燃焼器１は３段
階の燃焼過程を有しているが、これらの燃焼過程におい
て、重要な役割を果たしているのが、保炎器１３であ
る。保炎器１３は、第２段階及び第３段階における燃焼
の安定性を確保し、ＮＯｘ濃度を減少させる役目を有し
ている。

【０００９】保炎器１３の構造と燃焼時の火炎の状態を
図９に示す。保炎器１３は、２段目予混合気流１５が予
混合器１２から流出した直後の位置に設けてあり、図９
の場合は、予混合器１２の端部に保炎器支持板２６によ
り固定されている。保炎器１３は予混合器１２の出口部
の可燃予混合気流１５の流通路上に設置された円筒状台
２２と、肉厚が増大する断面が台形状のリング状の円板
２１とからなり、円筒状台２２の端部に台形状断面を有
するリング状円板２１とを接続して構成されている。

【００１０】火炎は、図９に示すように、保炎器１３の
台形状断面の底辺である端面２３側のみ発生しており、
火炎に接触するのは、端面２３のみである。台形状断面
の斜辺部分２４及び円筒状台２２内外周面２５に接触し
ているのは、２段目予混合気流１５である。この気流は
燃焼していないために、圧縮空気１１の温度に近く、し
たがって、台形状断面の斜辺部分２４及び円筒状台２２
の内外周面２５の温度は比較的低い状態にある。

【００１１】上記のことから、保炎器１３は、図１１に
示すような変形状況となる。すなわち、正常燃焼時で
は、保炎器１３の台形状断面の底辺である端面２３に高
温の火炎が、台形状断面の斜辺部分２４及び円筒状台２
２の内外周面２５には低温の２段目予混合気流１５が、
それぞれ接触するため、端面２３が高温となり、台形状
断面の斜辺部分２４や円筒状台２２の内外周面２５の温
度は端面２３から離れるに伴い低くなる。この結果、温
度が高い保炎器１３の先端部は熱膨張により変形し、逆
に、比較的温度が低い上流側部分は変形量が少なく、保
炎器１３は、円筒状の形状であるため、図１１に示すよ
うにラッパ状の変形状態となる。

【００１２】一方、保炎器１３はなんらかの方法で固定
される必要がある。図９，図１０に固定方法の例を示
す。図９は保炎器１３の円筒状台２２の周方向の複数個
所（例えば、１６ケ所）に保炎器支持板２６が溶接部２
７にて取り付けられ、保炎器支持板２６の上，下端部２
８が予混合気筒２９に溶接にて固定される例である。図
１０は保炎器１３の円筒状台２２と台形状断面のリング
状円板２１の両方に保炎器支持板２６を溶接部２７にて
固定し、保炎器支持板２６の上，下部２８を予混合気筒
２９に溶接にて固定される場合である。

【００１３】図９，図１０の固定方法の場合の保炎器支
持板２６，保炎器１３の変形状況を図１２，図１３に示
し、最大熱応力が発生する場所を図１４，図１５に示
す。図１２，図１４は保炎器１３の円筒状台２２におい
て固定される場合であり、図１３，図１５は、保炎器１
３の円筒状台２２と台形状断面のリング状円板２１の両
方にて固定される例である。保炎器１３の台形状断面の
リング状円板２１が高温となるために、保炎器１３は図
１１のような変形をする。その結果、いずれの固定方法
においても、リング状円板２１と円筒状台２２の先端近
傍は外側に開く変形状況となるが、リング状円板２１と
円筒状台２２の変形が保炎器支持板２６にて拘束される
ために、大きな熱応力が発生する。この最大応力は、図
１４の保炎器１３の円筒状台２２において固定される場
合では、保炎器支持板２６と円筒状台２２の溶接部の円
筒状台２２側に発生し、図１５の円筒状台２２と台形状
断面のリング状円板２１の両方にて固定される場合で
は、保炎器支持板２６に発生する。

【００１４】この熱応力は、燃焼ガスの着火，停止によ
り、繰り返される結果、最大熱応力発生場所より、き裂
が発生し、進展する恐れがある。この場合には、保炎器
が飛散し、後流のガスタービン部品に多大の損傷を与え
る恐れがあり、ガスタービン燃焼器１だけではなく、ガ
スタービンプラントの寿命に極めて大きな影響を与え
る。したがって、従来の燃焼器は保炎器１３の構造のた
めに、信頼性において非常に問題があった。なお、ガス
タービン燃焼器保炎器の熱応力を緩和する構造に関する
ものはない。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】ガスタービン燃焼器で
は、保炎器は低ＮＯｘ化のために、不可欠なものとなっ
ているが、従来の保炎器では、過大な熱応力が発生し、
これが、保炎器に重大な損傷を与えていた。

【００１６】本発明の目的は、保炎器の損傷をなくし、
ガスタービン燃焼器の信頼性を向上させることにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、燃焼用の
燃料と空気とを混合して可燃予混合気体を作成する二重
円筒状の予混合器の環状の出口部の前記可燃予混合気体
の流通路上に、前記予混合器と同心状に設置された円筒
状台と、前記円筒状台の下流端に結合され、前記可燃予
混合気体の下流側に向かって、肉厚が増大する断面が台
形状のリング状の円板とを含んでなる保炎器を有するガ
スタービン燃焼器において、前記円筒状台上流側端面に
開口し、前記兼可燃予混合気体の流れ方向下流側に向か
って深さを持つ複数の切れ目を設けることにより達成さ
れる。

【００１８】前記切れ目の長さは前記円筒状台と前記保
炎器支持板の接合部に発生する応力と許容応力の比及び
切れ目先端の円孔に発生する応力と許容応力の比の両者
が等しくなる長さを用い、この場合の発生応力と許容応
力の比が１.０を超える場合には切れ目の数を増やして
発生応力と許容応力の比を１.０以下にしなければなら
ない。

【００１９】切れ目の幅をｂは保炎器材料の線膨張係数
をα、室温とガスタービン運転時の保炎器切れ目部分の
温度との温度差をＴ₀、保炎器の半径をｒ、切れ目の数
をｎとした時、次式を満足していることが好ましい。

【００２０】ｂ≧αＴ₀・２πｒ／ｎ …（１）

【００２１】

【作用】保炎器の円筒状台に切れ目を入れてあるので、
切れ目を入れていない場合に発生する熱応力は、２段目
予混合気流１５の着火，消火時、共に解放され、大きく
低減される。したがって、２段目予混合気流１５の着
火，消火との繰り返しにより発生する繰り返し熱応力も
大幅に低減され、保炎器の信頼性が向上する。

【００２２】また、切れ目は保炎器において、熱応力が
発生しやすい箇所にもうけてあるので、効率良く熱応力
が低減できる。

【００２３】また、保炎器の内周側，外周側の境界条件
は対称であるので、切れ目を入れても、変形することな
く、正常に保炎性能を保てる。

【００２４】更に、保炎器が膨張しても、切れ目が閉じ
る程度の幅を切れ目に設けてあるので、上記の熱応力の
低減が阻害されることはない。また、切れ目が完全に閉
じているので、切れ目から予混合気流が漏れることはな
く、正常に保炎性能を保てる。

【００２５】

【実施例】以下、図面に従って実施例を説明する。

【００２６】図１は本発明の実施例に係る保炎器要部の
模式縦断面図、図２は図１のＡ方向矢視平面図、図３は
図２のＢ方向矢視側面図、図４は切れ目の数と応力比の
関係の説明図であり、図５は切れ目長さと応力比の関係
の説明図、３１は切れ目、３２は円孔を示しており、そ
のほかは前出の符号である。

【００２７】ガスタービン燃焼器１は先に述べたよう
に、１段燃焼気筒５と、１段燃焼気筒５の下流側外周に
１段燃焼気筒５と同心状に配置され、１段燃焼気筒５の
外周面との間に環状の予混合器１２を形成している２段
燃焼気筒６とを有しており、１段燃焼気筒５には１段目
燃料ノズル７および補助バーナ燃料ノズル１４が、２段
目燃焼気筒６には２段目燃料ノズル８が、それぞれ設置
されている。２段燃焼気筒６には、２段目燃料ノズル８
の横に空気流入口９が配置され、２段目燃料ノズル８か
らの燃料１０と空気流入口９からの空気１１とが混じり
あって、２段目予混合気流１５となり、この混じりあう
場所を予混合器１２と呼んでいる。また、予混合器１２
から２段目予混合気流１５が流出直後の、２段目予混合
気流１５の流通路上に保炎器１３が設置されている。

【００２８】図１はこの予混合器１２の下流に配置され
た保炎器１３の断面を示している予混合器１２は１段燃
焼気筒５の軸線と同心状の外周円筒３０Ａ及び内周円筒
３０Ｂと両円筒間に半径方向に配置されて両者を結合し
ている、軸線方向に伸びた平板上の複数の保炎器支持板
２６とを含んで形成されている。保炎器支持板２６の下
流端は外周円筒３０Ａと内周円筒３０Ｂの下流側端部よ
りも上流側に位置している。保炎器１３は、外周円筒３
０Ａの内径と内周円筒３０Ｂの外径のほぼ中間の径をな
して内周円筒３０Ｂと同心状に配置された円筒状台２２
と同じ径を持ち円筒状台２２の下流端に結合された台形
断面のリング状円板２１とを含んで構成されている。円
筒状台２２の上流端は保炎器支持板２６に形成された切
り込み部に嵌め込まれ、溶接により固着されている。

【００２９】本実施例では、保炎器１３の円筒状台２２
が６個の保炎器支持板２６により設置されており、保炎
器支持板２６の間の円筒状台２２の周長が等間隔に３分
割され、分割された各区域ごとに、円筒状台２２に半径
方向に、保炎器１３の長手方向に深さを持つ切れ目３１
が合計１２個入れられている。すなわち、切れ目３１は
燃焼器の軸線に対し、放射状に配置されており、円筒状
台２２の内周面と外周面の間を貫通している。なお、切
れ目を入れたままでは、切れ目３１の先端部の応力集中
係数が大きくなり、悪影響を与えるために、この先端部
には、切れ目３１の幅の３倍程度の直径を有する円孔３
２を設け、切れ目３１からのき裂の発生を防止してい
る。

【００３０】本実施例では、上記のように、円筒状台２
２に１２個の切れ目３１を設けてあるが、切れ目の数を
多くするほど、つまり切れ目と切れ目の間隔を短くする
ほど円筒状台２２と保炎器支持板２６の接合部２７に発
生する熱応力は低減する。切れ目の数と熱応力の関係の
一例を図４に示す。横軸は切れ目３１の数ｎと保炎器支
持板２６の数ｍの比ｎ／ｍ、縦軸は任意の切れ目の数の
時に発生する熱応力σと切れ目がないときに発生する熱
応力σ₀との比σ／σ₀を示している。図示した応力比
は、最大熱応力発生部である保炎器支持板２６と円筒状
台２２の接合部２７の応力値を示している。また、この
結果によれば、切れ目３１の数を無限に大きくすれば、
熱応力は無限に小さくなるが、これは現実的ではない。
したがって、切れ目を入れるに要する工数、発生熱応力
と許容応力と次に示す切れ目の長さの関係から、最適な
切れ目の数を選択すればよい。

【００３１】保炎器１３に入れる切れ目３１の長さと熱
応力の関係は、切れ目長さが大きくなるほど保炎器支持
板２６と円筒状台２２の接合部２７に発生する熱応力は
減少するが、逆に切れ目３１の先端の円孔２９に発生す
る熱応力は増加する。つまり、切れ目３１を入れたこと
により最大熱応力発生部である接合部２７の応力を低減
できたとしても、切れ目３１の先端の円孔２９に発生す
る応力が許容応力を超えてしまっては切れ目３１を入れ
た効果がない。従って保炎器１３に入れる切れ目３１の
長さは適切な長さを選定しなければならない。図６に切
れ目の数ｎが６個の場合と本実施例であるｎが１２個の
場合の接合部及び切れ目先端の円孔に発生する熱応力と
切れ目長さｌの関係を示す。縦軸は任意の切れ目長さの
時に発生する熱応力σと許容応力σ_bの比σ／σ_b、横軸
は切れ目長さｌを示している。切れ目長さｌは接合部に
発生する熱応力と切れ目先端の円孔に発生する熱応力の
両方が許容応力σ_b以下となる、即ち両者のσ／σ_bが等
しくなるＭ点の値が１.０以下となる長さを選定しなけ
ればならない。切れ目の数が６個の場合、Ｍ点は１.０
を超えてしまう。この場合には、切れ目の数ｎを増やせ
ば、切れ目長さのｌの増加に伴う接合部の応力の減少率
は大きく、逆に切れ目先端の円孔の応力の増加率は小さ
くなるので、Ｍ点はσ／σ_bが小さくなる方向に移動す
る。本実施例である切れ目の数ｎが１２個の場合、Ｍ点
のσ／σ_bが１.０以下となったのでＭ点の切れ目長さｌ
_Mを採用した。

【００３２】さらに、切れ目の幅は、次のようにして求
めた。すなわち、熱膨張により切れ目が塞がれて、隣り
の部分と拘束しあうようであれば、切れ目が熱応力の解
放に寄与しなくなる。したがって、熱膨張しても、切れ
目が塞がれることのない切れ目の幅を次式により決定し
た。

【００３３】ｂ≧αＴ₀・２πｒ／ｎここで、ｂは切れ目の幅、αは保炎器材料の線膨張係
数、Ｔ₀は室温とガスタービン運転時の保炎器切れ目部
分の温度との温度差、ｒは保炎器の半径、ｎは切れ目の
数。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、ガスタービン燃焼器の
保炎器において、ガスタービン燃焼器の正常燃焼時と火
炎の逆火時との繰返しによって、発生する繰返し熱応
力，起動，停止に伴って発生する繰返し応力などの低減
を図れ、保炎器の損傷を防止することができる。したが
って、ガスタービン燃焼器の信頼性の向上を図ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における保炎器要部の模式縦
断面図である。

【図２】図１のＡ方向矢視平面図である。

【図３】図１のＢ方向矢視平面図である。

【図４】切れ目の数と応力比との関係の説明図である。

【図５】切れ目の長さと応力比との関係の説明図であ
る。

【図６】ガスタービン燃焼器における初期燃焼状態の説
明図である。

【図７】ガスタービン燃焼器における中間燃焼状態の説
明図である。

【図８】ガスタービン燃焼器における定常燃焼状態の説
明図である。

【図９】従来の保炎器の構造と正常燃焼時の火炎の状態
の説明図である。

【図１０】従来の保炎器の構造と正常燃焼時の火炎の状
態の説明図である。

【図１１】従来の保炎器における変形状況の説明図であ
る。

【図１２】従来の保炎器における取り付け構造時の変形
の例を示す図である。

【図１３】従来の保炎器における取り付け構造時の変形
の例を示す図である。

【図１４】従来の保炎器における取り付け構造時の最大
熱応力発生個所を示す図である。

【図１５】従来の保炎器における取り付け構造時の最大
熱応力発生個所を示す図である。

【符号の説明】

１…ガスタービン燃焼器、２…１段目燃料、３…補助バ
ーナ燃料、４…２段目燃料、５…１段燃焼気筒、６…２
段燃焼気筒、７…１段目燃料ノズル、８…２段目燃料ノ
ズル、９…空気流入口、１０…燃料、１１…空気、１２
…予混合器、１３…保炎器、１４…捕助バーナ燃料ノズ
ル、１５…２段目予混合気流、１６…１段目燃焼室、１
７…２段目燃焼室、１８…１段目燃焼火炎、１９…補助
バーナ火炎、２０…２段目燃焼火炎、２１…台形状段面
のリング状円板、２２…円筒状台、２３…端面、２４…
台形状断面の斜辺部分、２５…円筒状台内外周面、２６
…保炎支持板、２７…接合部、２８…保炎器支持板の
上，下端部、２９…予混合気筒、３０Ａ…外周円筒、３
０…Ｂ内周円筒、３１…切れ目、３２…円孔。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者飯塚信之茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者森友嘉一茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者中山 ▲宣▼治茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼用の燃料と空気とを混合して可燃予混
合気体を作成する二重円筒状の予混合器の環状の出口部
の前記可燃予混合気体の流通路上に、前記予混合器と同
心状に設置された円筒状台と、前記円筒状台の下流端に
結合され、前記可燃予混合気体の下流側に向かって、肉
厚が増大する断面が台形状のリング状の円板とを含んで
なる保炎器を有するガスタービン燃焼器において、前記
円筒状台上流側端面に開口し、前記可燃予混合気体の流
れ方向下流側に向かって深さを持つ複数の切れ目を有す
ることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項２】前記切れ目の長さおよび切れ目の数を調整
して前記保炎器に発生熱応力及び繰返し熱応力を緩和
し、保炎器の寿命を向上させることを特徴とする請求項
１記載のガスタービン燃焼器。
【請求項３】切れ目の幅をｂ，保炎器材料の線膨張係数
をα，室温とガスタービン運転時の保炎器切れ目部分の
温度との温度差をＴ₀，保炎器の半径をｒ，切れ目の数
をｎとした時、次式を満足していることを特徴とする請
求項１又は２記載のガスタービン燃焼器。ｂ≧αＴ₀・２πｒ／ｎ