JP2009079789A - ガスタービン燃焼器の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ化。
【解決手段】ガスタービン燃焼器は、二重壁構造の内部に冷却空気が流れる冷却通路を有する燃焼筒壁面を備える。冷却通路は燃焼領域の側に設けられた主冷却空気供給口において開口する。主冷却空気供給口から供給される冷却空気は、ガイド部材によって内壁面に沿った方向に導かれる。壁面の内部の冷却通路を流れた冷却空気が、内壁面に沿ったフィルム冷却に再利用されるため、冷却空気が節約できる。そのため、圧縮機から供給される空気をより多く燃焼用の空気として利用することができ、低ＮＯｘ化が可能となる。
【選択図】図４

Description

本発明は、ガスタービン燃焼器の冷却構造に関する。

ガスタービン用の燃焼器は高温になるため、効果的な冷却手段が求められている。さらに、環境への配慮から、ＮＯｘを低減する燃焼器が求められている。

特許文献１は、ガスタービン燃焼器の冷却構造の一例が示されている（特に、図３〜６参照）。
特開２００５−３１５４５７号公報

本発明の目的は、低ＮＯｘ化を可能とするガスタービン燃焼器を提供することである。
本発明の他の目的は、ガスタービン燃焼器の壁面を効率的に冷却する手段を提供することである。

以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明によるガスタービン燃焼器は、燃料が燃焼する燃焼領域（８）に面した内壁面（２３）と燃焼領域（８）の外側の領域に面する外壁面（２０）との間に冷却材が流れる冷却通路（２２）を有する燃焼筒壁面を備える。冷却通路（２２）は燃焼領域の外側に設けられた主冷却材供給口（２４）において燃料領域（８）に開口する。ガスタービン燃焼器は更に、主冷却材供給口（２４）から供給される冷却材を内壁面に沿った方向に導くガイド（２５）を備える。

本発明によるガスタービン燃焼器において、ガイド（２５）は、燃焼器の燃料を供給するノズル（１４）が設けられている位置から燃焼器に接続された尾筒（３）に向う方向である下流方向に冷却材を導く。

本発明によるガスタービン燃焼器において、主冷却材供給口（２４）は、燃焼筒（２）の半径方向内側に向けて冷却材を供給する。

本発明によるガスタービン燃焼器において、主冷却材供給口（２４）は、冷却通路（２２）における冷却材の流れの下流端に設けられる。

本発明によるガスタービン燃焼器は更に、外壁面（２０）の外側の領域の冷却材を、内壁面（２３）とガイド（２５）との間に形成される隙間（２６）に供給する複数の補助冷却材供給口（２８）を備える。複数の補助冷却材供給口（２８）から導入された冷却材は、ガイド（２５）によって内壁面（２３）に沿った方向に導かれる。冷却通路（２２）は冷却通路群に属する。冷却通路群に属する複数の冷却通路の主冷却材供給口（２４）と、複数の補助冷却材供給口（２８）とは、ガイド（２５）によって導かれた冷却材の流れ方向に対して垂直な方向に互いにずれた位置に形成される。

本発明によるガスタービン燃焼器は更に、隙間（２６）が狭まることを防ぐスペーサ（２９）を備える。主冷却材供給口（２４）は、スペーサ（２９）の下流側において隙間（２６）に開口する。補助冷却材供給口（２８）は、スペーサ（２９）の上流側において隙間（２６）に開口する。主冷却材供給口（２４）は、補助冷却材供給口（２８）から供給される冷却材の流れ方向に見てスペーサ（２９）の下流側に配置される。

本発明によるガスタービン燃焼器は更に、隙間（２６）が狭まることを防ぐスペーサ（２９）を備える。主冷却材供給口（２４）は、スペーサ（２９）の上流側において隙間（２６）に開口する。補助冷却材供給口（２８）は、スペーサ（２９）の下流側において隙間（２６）に開口する。補助冷却材供給口（２８）は、主冷却材供給口（２４）から供給される冷却材の流れ方向に見てスペーサ（２９）の下流側に配置される。

本発明によるガスタービン燃焼器は更に、補助冷却材供給口（２８）が開口するキャビティ（３０）を備える。補助冷却材供給口（２８）から供給される冷却材はキャビティ（３０）を介して隙間（２６）に供給される。キャビティ（３０）における冷却材の流速は、隙間（２６）における冷却材の流速よりも遅い。

本発明によるガスタービン燃焼器において、燃焼筒壁面は、燃料の主な流れ方向に見て主冷却材供給口（２４）よりも上流側に設定される所定位置よりも上流側で、燃焼領域（８）の反対側に張り出す。ガイド（２５）は、所定位置よりも上流側と下流側とで主な流れ方向に平坦である。キャビティ（３０）は所定位置よりも上流側の内壁面とガイド（２５）とに挟まれた領域によって形成される。隙間は所定位置よりも下流側の内壁面とガイド（２５）とに挟まれた領域によって形成される。

本発明により、低ＮＯｘ化を可能とするガスタービン燃焼器が提供される。
更に本発明により、ガスタービン燃焼器の壁面を効率的に冷却する手段が提供される。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明する。

（実施の第１形態）
図１は、ガスタービンの燃焼器１を示す。燃焼器１は、地面に対して固定された車室壁により形成される車室４の内部に設置される。燃焼器１は、内部に燃焼領域を形成する燃焼筒２と、燃焼筒２の下流側（タービンに近い側）に接続された尾筒３とを備える。

図２は、燃焼器１の燃焼筒２の付近における断面図を示す。燃焼筒２の内部の空間は燃焼領域８である。燃焼筒２の上流側には、略円筒形のノズル保持筒１３が接続されるノズル保持筒１３の中心軸（燃焼筒２の上流側と下流側とを結ぶ方向に延長する中心軸１９に一致する）上に、パイロットノズル１２が設置される。中心軸１９から所定の半径上には、パイロットノズル１２を取り巻くように複数のメインノズル１４が設置される。図３は、図２及び後述する図４のＢ−Ｂ断面を示す。右上に燃焼筒２の壁面付近の拡大図を示す。

図４は、燃焼筒２のメインノズル１４が設置されている付近の壁面を示す。図４（ａ）は断面図である。壁面の燃焼領域８に面する側である内壁面２３と、車室に面する側である外壁面２０との間に、冷却材として働く空気が通る複数の冷却通路２２が設けられる。即ち壁面は、内部に冷却通路２２が設けられた二重壁構造を有する。図４（ｂ）は、壁面に垂直な方向から見たときの冷却通路２２の配置を示す上面図である。複数の冷却通路２２は、燃焼器の燃焼ガスの主な流れ方向に平行な方向、即ち中心軸１９に概ね平行な方向に延長するように配置される。複数の冷却通路２２は、所定位置で車室４側に開口する冷却材導入口２１に接続される。冷却通路２２の一端は、内壁面２３に設けられた冷却材供給口２４で開口する。冷却材供給口２４の位置は、冷却材導入口２１よりも燃料ガスの主な流れ方向の上流側、メインノズル１４に近い位置である。

冷却材供給口２４の燃焼領域８側は、隙間２６を介してガイド２５に覆われている。ガイド２５は燃焼筒２の壁面に対して固定されている。ガイド２５は、図３に示されるように、中心軸１９を中心として外壁面２０の内側に沿った位置（典型的には中心軸１９を中心とする円周上の位置）に配置される。ガイド２５によって隙間２６の上流側は閉じている。隙間２６の下流側は開いており、内壁面２３に近い位置で燃焼領域８に連通している。

ガイド２５と内壁面２３との隙間の高さをΔとする。冷却材供給口２４は直径がｄの円形であるとする。冷却材供給口２４の下流側の端部からガイド２５の下流側の端部までの中心軸１９に平行な方向の長さをＤとする。良好なフィルム空気を形成するためには、Δ＜ｄ、Ｄ＞ｄが満たされることが望ましい。

ガスタービンの運転中、圧縮機から車室４に圧縮空気が供給される。圧縮空気の一部は燃焼領域８における燃料の燃焼用に供給される。圧縮空気の他の一部は、圧力差によって冷却材導入口２１から冷却通路２２に導入される。燃焼壁は燃焼領域８に接しているため高温になる。空気が冷却材として冷却通路２２を流れることにより、燃焼壁が冷却される。冷却通路２２を通った空気は、冷却材供給口２４から隙間２６に供給される。冷却材供給口２４における空気の流れ方向は、中心軸１９を中心とした円筒形の中心軸を法線とする断面の直径方向内側である。隙間２６に供給された空気は、ガイド２５によって内壁面２３に沿った方向に導かれる。この空気により内壁面２３はフィルム冷却される。

このような構成により、冷却通路２２を通って壁面の内部を冷却するために使用された空気は、回収されてフィルム冷却にも用いられる。冷却用の空気を効率的に利用することにより、冷却用の空気を節約し、その分を燃焼用の空気として利用することが可能になる。燃焼用の空気が増加することにより、ＮＯｘの生成を抑制することができる。

フィルム空気は、燃焼器１の燃料としてガスを用いるガス焚きの時のフラッシュバックを防止するために、或いは燃料として油を用いる油焚きの時の油燃料が壁面に滞留するのを防止するために、所定の流量を確保する必要がある。冷却通路２２による壁面冷却に必要最小限の冷却空気よりも、フィルム冷却で必要な空気が多い場合は、冷却通路２２に必要最小限より多い冷却空気を流す事が出来、燃焼器の信頼性をさらに向上できる。この場合においても、燃焼用の空気は減少しない。

さらに、壁面冷却に使用される過程で空気の温度が上昇して密度が減少する。そのため、車室から同量の空気を直接にフィルム冷却に供給した場合と比較して、フィルム冷却の冷却材供給口２４の面積が同じであっても、フィルム流速が速くなり、フィルムの動圧を大きくすることができる。フィルム動圧が大きいと、特に内壁面２３での油の滞留を防止することができる。

図４に示された冷却材導入口２１、冷却通路２２、冷却材供給口２４及びガイド２５の冷却構造は、燃焼筒のどの壁面に設けられても効果的である。特に、メインノズルに近い領域の壁面は高温になるので、メインノズルに近い位置、即ち燃焼領域８の上流端に近い位置に設けられると効果的である。

（実施の第２形態）
実施の第２形態におけるガスタービン燃焼器は、実施の第１形態に比べて、燃焼筒２のメインノズル１４が設置されている付近の壁面の構成が異なる。その構成が図５に示されている。図５（ａ）は断面図である。本実施の形態における冷却構造は、実施の第１形態と同様の冷却材導入口２１、冷却通路２２、冷却材供給口２４及びガイド２５に加えて、補助冷却材供給口２８が設けられている。補助冷却材供給口２８は、車室４の内部の圧縮空気をガイド２５によって形成された隙間２６に直接に供給する。

図５（ｂ）は、壁面に垂直な方向から見たときの冷却通路２２の配置を示す上面図である。補助冷却材供給口２８は、冷却材供給口２４よりも上流側で隙間２６に開口する。冷却材供給口２４と補助冷却材供給口２８とは、冷却空気の主な流れ方向、即ち中心軸１９に平行でメインノズル１４、パイロットノズル１２が設けられている上流側から尾筒３が接続されている下流に向う方向に対して垂直な方向に半ピッチずつずれた位置に配置される。

ガスタービンの運転中、車室の圧縮空気が冷却材導入口２１、冷却通路２２、冷却材供給口２４を介して燃焼筒２の内部に導入され、ガイド２５によって下流側の内壁面２３に沿った領域に供給される。この空気によって形成されるフィルムは、冷却通路２２のピッチに起因した斑状の分布をしている。補助冷却材供給口２８により、冷却材供給口２４から供給されるフィルム空気の密度の薄い領域に補助フィルム空気が供給され、フィルム出口での速度斑を均一化できる。均一なフィルムを形成できるため、高いフィルム効率を実現でき、フラッシュバックや油の滞留を防止できる。

こうした構成は、冷却通路２２からフィルム空気として回収される冷却空気の量が、フィルム空気として必要な量よりも少ない場合に特に好適に用いられる。フィルムとして追加される空気は、フィルムで必要な空気であり、余計な量の空気は必要とされない。フィルム空気の一部は燃焼器壁の冷却に用いた空気を回収して再利用したものなので、冷却用の空気を節約することができる。そのため燃焼用の空気を確保でき、低ＮＯｘ化が図れる。

図６は、実施の第２形態の変形例を示す。この例では、補助冷却材供給口２８ａが冷却材供給口２４ａの下流側に設けられている点で図５と異なる。このような構成によっても同様の効果が得られる。

（実施の第３形態）
実施の第３形態におけるガスタービン燃焼器は、実施の第２形態に比べて、燃焼筒２の壁面とガイド２５の間にスペーサが設置されている点が異なる。その構成が図７に示されている。図７（ａ）は断面図である。図７（ｂ）は上面図である。ガイド２５と、ガイド２５に対向する内壁面２３との間に、スペーサ２９が設けられる。スペーサ２９によって、ガイド２５は内壁面２３に対して所定の距離に保たれる。

冷却材供給口２４はスペーサ２９の下流側に配置される。補助冷却材供給口２８はスペーサ２９の上流側に配置される。スペーサ２９と冷却材供給口２４とは、補助冷却材供給口２８から供給される冷却空気の流れ方向に対して垂直な方向に、補助冷却材供給口２８と半ピッチずれた位置に配置される。

ガスタービンの運転中、スペーサ２９によって隙間２５のスロット高さが一定に保たれる。車室の圧縮空気が補助冷却材導入口２１から隙間２６に供給される。供給された空気はガイド２５によって、内壁面２３に沿った領域に導かれる。補助冷却材導入口２１によって形成される補助フィルム空気は、スペーサ２９の下流側で流量が少ない。スペーサ２９の下流側の領域に対しては、冷却材導入口２４から供給されガイド２５によって向きを変えられて形成されたフィルム空気が供給される。このような構成により、隙間２６のスロット高さを一定に保つスペーサ２９を設置した場合でも、均一なフィルム空気を形成することができる。

本実施の形態の変形例として、冷却材導入口２４と補助冷却材導入口２８の位置を逆に配置することによって、同様の効果を得ることができる。図６における冷却材導入口２４と補助冷却材導入口２８との間にスペーサ２９を配置する構成である。その場合、スペーサ２９は、その上流側に形成された冷却材導入口２４に対して、冷却材導入口２４から導入されガイド２５によって下流側に導かれる空気の流れ方向に垂直な方向に見て、半ピッチずれた位置に設置される。

スペーサ２９が隙間２６のスロット高さを一定に保つためには、スペーサ２９は隙間２６の下流側の端に近い位置に配置されることが望ましい。そのため、補助冷却材導入口２８（実施の第３形態の場合）か、冷却材導入口２４（実施の第３形態の変形例）かのいずれかがスペーサ２９の上流側に配置される構成が望ましい。

（実施の第４形態）
実施の第４形態におけるガスタービン燃焼器は、実施の第２形態に比べて、車室から直接に供給される補助冷却材の流速を落とすためのキャビティを備えている点が異なる。図８は、その構成の断面図を示す。燃焼筒２の壁面が、冷却空気あるいは燃料の流れ方向に見て所定位置より上流側で、燃焼領域８の反対側、すなわち車室４の側に張り出している。ガイド２５は、その所定位置に対して上流側と下流側とを通じて、主な流れ方向に概ね平坦である。張り出した領域の内壁面２３とガイド２５との間の領域がキャビティ３０を形成する。キャビティ３０における隙間２６の流れ方向に垂直な断面積は隙間２６よりも大きい。

冷却材供給口２４から供給される空気も、補助冷却材供給口２８から供給される空気も、車室４と燃焼領域８との差圧によって供給されている。冷却材供給口２４から供給される空気は、冷却通路２２を通ってくる為、吹き出る流速は遅くなる。一方、補助冷却材供給口２８から供給される空気は、車室４から直接供給されるため、流速が速い。その結果、フィルムとして供給される空気に速度斑ができる。キャビティ３０を設けることにより、補助冷却材供給口２８から供給される空気の速度を減衰させ、均一なフィルムを形成することができる。

図９は、実施の第４形態の変形例を示す。燃焼筒２の壁面とガイド２５の間に、実施の第３形態と同様のスペーサ２９が設置される。スペーサ２９は、キャビティ３０より下流の、隙間２６の幅が狭くなっている領域の、冷却材供給口２４よりも上流側に設置される。スペーサ２９は、冷却材供給口２４に対して冷却空気の流れに垂直な方向に半ピッチずれた位置に設置される。

ガスタービンの燃焼器を示す。 燃焼筒の付近を側面から見た断面図である。 燃焼筒の付近を中心軸に垂直な方向から見た断面図である。 メインノズルが設置されている付近の壁面を示す断面図と上面図である。 メインノズルが設置されている付近の壁面を示す断面図と上面図である。 メインノズルが設置されている付近の壁面を示す断面図と上面図である。 メインノズルが設置されている付近の壁面を示す断面図と上面図である。 メインノズルが設置されている付近の壁面を示す断面図である。 メインノズルが設置されている付近の壁面を示す断面図である。

符号の説明

２…燃焼筒
３…尾筒
４…車室
８…燃焼領域
１２…パイロットノズル
１４…メインノズル
１９…中心軸
２０…外壁面
２１…冷却材導入口
２２…冷却通路
２３…内壁面
２４…冷却材供給口
２５…ガイド
２６…隙間
２８…補助冷却材供給口
２９…スペーサ
３０…キャビティ

Claims (9)

1. 燃料が燃焼する燃焼領域に面した内壁面と前記燃焼領域の外側の領域に面する外壁面との間に冷却材が流れる冷却通路を有する燃焼筒壁面と、前記冷却通路は前記燃焼領域の外側に設けられた主冷却材供給口において開口し、
   前記主冷却材供給口から供給される前記冷却材を前記内壁面に沿った方向に導くガイド
   とを具備するガスタービン燃焼器。
2. 請求項１に記載されたガスタービン燃焼器であって、
   前記ガイドは、前記燃焼器の燃料を供給するノズルが設けられている位置から前記燃焼器に接続された尾筒に向う方向である下流方向に前記冷却材を導く
   ガスタービン燃焼器。
3. 請求項２に記載されたガスタービン燃焼器であって、
   前記主冷却材供給口は、前記燃焼筒の半径方向内側に向けて冷却材を供給する
   ガスタービン燃焼器。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載されたガスタービン燃焼器であって、
   前記主冷却材供給口は、前記冷却通路における前記冷却材の流れの下流端に設けられる
   ガスタービン燃焼器。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載されたガスタービン燃焼器であって、
   更に、前記外壁面の外側の領域の冷却材を、前記内壁面と前記ガイドとの間に形成される隙間に供給する複数の補助冷却材供給口を具備し、
   前記複数の補助冷却材供給口から導入された冷却材は、前記ガイドによって前記内壁面に沿った方向に導かれ、
   前記冷却通路は冷却通路群に属し、
   前記冷却通路群に属する複数の冷却通路の前記主冷却材供給口と、前記複数の補助冷却材供給口とは、前記ガイドによって導かれた前記冷却材の流れ方向に対して垂直な方向に互いにずれた位置に形成された
   ガスタービン燃焼器。
6. 請求項５に記載されたガスタービン燃焼器であって、
   更に、前記隙間が狭まることを防ぐスペーサを具備し、
   前記主冷却材供給口は、前記スペーサの下流側において前記隙間に開口し、
   前記補助冷却材供給口は、前記スペーサの上流側において前記隙間に開口し、
   前記主冷却材供給口は、前記補助冷却材供給口から供給される冷却材の流れ方向に見て前記スペーサの下流側に配置される
   ガスタービン燃焼器。
7. 請求項５に記載されたガスタービン燃焼器であって、
   更に、前記隙間が狭まることを防ぐスペーサを具備し、
   前記主冷却材供給口は、前記スペーサの上流側において前記隙間に開口し、
   前記補助冷却材供給口は、前記スペーサの下流側において前記隙間に開口し、
   前記補助冷却材供給口は、前記主冷却材供給口から供給される冷却材の流れ方向に見て前記スペーサの下流側に配置される
   ガスタービン燃焼器。
8. 請求項５または６に記載されたガスタービン燃焼器であって、
   更に、前記補助冷却材供給口が開口するキャビティを具備し、
   前記補助冷却材供給口から供給される冷却材は前記キャビティを介して前記隙間に供給され、
   前記キャビティにおける前記冷却材の流速は、前記隙間における前記冷却材の流速よりも遅い
   ガスタービン燃焼器。
9. 請求項８に記載されたガスタービン燃焼器であって、
   前記燃焼筒壁面は、燃料の主な流れ方向に見て前記主冷却材供給口よりも上流側に設定される所定位置よりも上流側で、前記燃焼領域の反対側に張り出し、
   前記ガイドは、前記所定位置よりも上流側と下流側とで前記主な流れ方向に平坦であり、
   前記キャビティは前記所定位置よりも上流側の前記内壁面と前記ガイドとに挟まれた領域によって形成され、
   前記隙間は前記所定位置よりも下流側の前記内壁面と前記ガイドとに挟まれた領域によって形成される
   ガスタービン燃焼器。

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