JPH03195821A - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、ガスタービン燃焼器に関し、更に具体的には
、内部に燃焼室を形成している燃焼器筒と、この燃焼器
筒の一端に設けられている燃料ノズルと、燃焼器筒の外
周部に所定の間隔をおいて同心的に配置されているフロ
ースリーブとから成り、燃焼室の下流にタービンへの尾
筒が接続されるようになっているガスタービン燃焼器に
関するものである。

［従来の技術］ 燃焼器筒、燃料ノズル、フロースリーブ等から成るガス
タービン燃焼器は、例えば特開昭６１−１６１３３８号
公報、同６２−５６７１３号公報、同５６−１６８０３
８号公報、同５７−１２４６１９号公報等により周知で
あるが、特開昭６２−９１５７号公報に本発明に近い先
行技術が開示されている。

上記先行技術を第２図に示す。事業用ガスタービンにお
いては一般に複数個の燃焼器が設けられているが、第２
図にはそのうちの一つの断面が示されている。これらの
燃焼器はガスタービンの縦軸線の周りに一様に配置され
ている。内部が燃焼室を形成する燃焼器筒１には、燃料
及び１次燃焼空気が燃料ノズル２を介して燃焼器筒１の
中に噴射される。燃料及び空気が火花点火栓３によって
点火され、燃焼器筒１内で燃焼する。高温の燃焼ガス及
び加熱された過剰空気が尾ｍ４を介してタービン段５の
入口へ流入する。

燃焼器筒１及び尾筒４はケーシング６内の高圧室７に収
まっている。圧縮空気はガスタービン圧締機の出口８か
ら高圧室７へ供給される。この圧縮空気は燃焼器筒１の
外周とフロースリーブ９の間を通って流れ、燃焼器筒１
の空気孔１１を通ってＭ焼ｍｎｌ内に入る２こうして燃
焼器筒１の内部に入った空気は、燃料ノズル２より下流
側で燃焼反応にあずかるか、又は冷却フィルムとして燃
焼器筒１の内面に沿って流すことができる。燃焼器の出
口部の温度分布を制御するように高温ガスを希釈するた
めに、希釈孔１０がら空気を流入させる。また、燃焼器
筒１を取囲んでフロースリーブ９を設け、壁に沿った空
気の流れを改善するようにしである。

高圧室７内の高圧空気は尾筒４及び燃焼器筒１に沿って
流れ、フロースリーブ９内に入り、まず希釈孔１０に流
入する。この希釈孔は高温ガスを分散させて燃焼器の出
口温度を均一化する役目を持ち、その速度が大きければ
燃焼器筒１の筒中心まで達し、効果は一層有効である。

次に燃焼領域への空気は燃焼空気孔１１より燃焼器室内
へ流入し燃焼効率を上昇させたり排煙を低下させる役目
をもつ。また、残りの空気は燃料ノズル２の周り１２に
流れ込み、スワラ−孔を通って燃焼室内に入る。ここで
は保炎効果を増すため空気を旋回させて循環を良くしで
ある。一方、燃焼器筒１の各部には燃焼器筒のメタル温
度を低下させるためフィルム冷却用小孔を設けており（
図示していない。

）この小孔を通って冷却用空気が燃焼器筒１の内壁に沿
って流れ、内壁を冷却している。燃焼器筒１の外周とフ
ロースリーブとの間の空気は燃料ノズル側に向うにつれ
て流量が変化すなわち減少する。そのため燃焼器ノズル
側に向うにつれて燃焼ＤＢ外面の冷却を増すためフロー
スリーブ９と燃焼器筒１の間隔を小さくし流速を増して
冷却を調節している。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来の装置は、燃焼器の冷却についてのみ着目され
、衝突冷却により効率的な冷却が可能である。しかしな
がら、燃焼用の空気孔の配置からみて、冷却効果を調節
するのは困難である。また。

ガスタービンの高効率化、高出力化には燃焼器圧損を低
減すること、すなわち圧縮機から燃焼器へ供給される空
気の圧力損失を低減させることが必要であるが、前述し
た従来の装置はこの点についての配慮がなされておらず
、性能低下につながっている。

したがって、本発明は、燃焼器圧力損失の小さい、燃焼
器が均一に充分冷却される、ガスタービン燃焼器を提供
することも目的としている。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記目的を達成するために、特許請求の範囲
の各請求項に記載のガスタービン燃焼器を提供するもの
である。

［作　　　用］ 圧縮機から圧送される空気はフロースリーブ外側を流れ
、フロースリーブに形成されている燃焼用空気孔から燃
焼器筒の燃焼用空気孔に真直に流入して燃焼室に到り、
燃焼に供される。

このように、直接的に燃焼用空気が供給されるので、圧
損が小さく、したがって高温高効率ガスタービン燃焼器
が得られる。また冷却用空気は、フロースリーブに形成
されている冷却用空気孔から、燃焼器筒の空気孔が形成
されていない部分に向けて噴射され、燃焼器筒の外周面
に衝突して。

これを冷却して、燃焼器筒に設けた冷却用空気孔（フィ
ルム冷却孔）から燃焼器内へ流入し、そして燃焼器筒内
壁に沿ってフィルム状に流れ、燃焼器筒内壁が火炎と直
接接することを防止する。

このように、フロースリーブの冷却用空気孔から噴出す
る圧縮空気が燃焼器筒の表面に衝突するように噴射され
るので、燃焼器筒が高効率的に冷却されると共に、この
冷却用空気は燃焼用空気とは別に供給されるので、冷却
の制御も容易にできる。

［実　施　例］ 以下、本発明の１実施例を第１図で説明する。

なお第２図に示す従来例の部材と同様な部材には同じ参
照を付し１重複説明はしない。燃焼器筒１と尾筒４は連
結されており、燃焼器筒１の外周にはフロースリーブ９
が配置されている。このフロースリーブの軸端部１３は
燃焼器１に近づくように小径に絞られており、フロース
リーブ９と燃焼器筒１の間に円輪状の空間すなわちリザ
ーバ室１４が設けである。

この燃焼器部分の拡大図を第３図に示す。燃焼器筒１の
希釈孔１０とフロースリーブの希釈孔１５とは孔位置を
一致させている。また、燃焼器筒の燃焼空気孔１１とフ
ロースリーブの燃焼空気孔１６も孔の位置を燃焼器半径
方向に対し一致させている。燃料ノズル側では燃料ノズ
ルのスワラ−空気孔への流１６１２に空気を供給するた
めフロースリーブにも空気供給孔１７を設けている。

方、燃焼器筒１のメタル温度を低下させるため。

燃焼器筒１には、フィルム冷却孔１８がある。この位置
と異なる位置にてフロースリーブに衝突冷却孔１９をあ
けてあり、その位置は燃焼器筒１のメタル温度高温部に
空気が衝突するよう配置されている。

第４図は第３図のＡ−ＡｔＩ７７面図である。燃焼空気
孔１１は全周にわたって８ケ所設けてあり、それに対応
させて空気を導入できるようにフロースリーブの空気孔
１６の位置を一致させである。また、燃焼器筒１の燃焼
空気孔１１とその隣の燃焼空気孔１１との間にはフィル
ム冷却孔１８を設け。

これらの孔１８間にフロースリーブの衝突冷却孔１９が
ある（第７図）。

ここでケーシング６内面とフロースリーブ９との間にあ
る空気はフロースリーブ空気孔１６よりリザーバ室１４
に流れ、更に燃焼器筒１の内部に噴射される。この空気
は燃焼に使用される。一方、フロースリーブの衝突冷却
孔１９からリザーバ室１４に噴射された噴出空気は、燃
焼器筒１の外面に衝突しメタルを冷却したのち、燃焼器
筒のフィルム冷却孔１８を通って燃焼器筒１内に入り、
その内壁面に沿って流れ、これを冷却する。衝突冷却効
果は孔１９の面積、間隔、噴出速度などにより決まるの
でその冷却効率の調節が容易である。

また、フロースリーブの衝突冷却孔１９からの空気の略
全量を燃焼器筒のフィルム冷却孔１８−、流入させれば
、互いのクロスフローを防止でき？ｔＩ却効率を高くで
きるばかりでなく、燃焼空気孔１１への空気の乱れを少
なくすることができる。

第５図は第３図のＢ−Ｉ３断面を示す。フロースリーブ
の希釈孔１５から、燃焼器筒の希釈孔１０を介し燃焼器
室内へ希釈空気が噴出される。図示の例は全周４ケ所設
けた例であるが噴出速度が大きいため燃焼器筒１の中心
近くまで流入し、燃焼高温ガスを分散させる効果が大き
くなる。また、上流側の燃焼ガスはクロス状に噴出する
上記希釈空気にさえぎられ、希釈空気路以外の流路ａを
流れるが、希釈空気噴射速度を大きくすることによりの
穴径を小さくできる。すなわち燃焼高温ガス流路を狭く
しないように希釈孔１５の径を小さくし、圧力損失を小
さくすることができる。

第６図は第３図のＣ−〇断面を示す。この断面図は燃焼
器筒の壁面温度を低下させるため、フロースリーブの衝
突冷却孔１９がら空気をリザーバ室１４に噴出させて燃
焼器筒１の壁面を冷却し、更に、フィルム冷却孔１８か
ら燃焼器筒１内に流入させる状態を示している。孔１９
と１８の位置は、図示のように、＝ｆｆさせないように
してクロスフローを防止し、冷却効率を高くしである。

第７図の上の図は第３図のＤ部詳細図である。

ケーシング６とフロースリーブ９との間の空気はフロー
スリーブの衝突冷却孔１９からリザーバ室１４に噴出し
、燃焼器筒１に衝突してその外面を冷却する、しかる後
燃焼Ｆｇ筒のフィルム冷却孔１８から燃焼器筒ｌ内へ流
入し内壁を冷却する。

第７図の下の図は、本実施例による燃焼器筒のメタル温
度分布と、第２図に示す従来例のそれとを比較して示す
図である。同図に示されているように、従来のメタル温
度Ｔ工は燃焼器筒のフィルム冷却孔１８の存する個所と
それらの間の個所とでは温度差が大きい。しかし本実施
例によるメタル温度Ｔ２はフィルム冷却孔１８の間にフ
ロースリーブからの衝突冷却空気が流入するため冷却が
強化され温度差が少なくなる。すなわち、燃焼器筒に発
生する熱応力を小さくすることができる。第７図の空気
孔１９及び１８の入口部はなめらかなＲを設けると圧力
損失が減少し、更によい。冷却空気孔１８と１９の位置
と孔径及び壁間隔を制御すれば所望のメタル温度に調節
できるしクロスフローも発生しない。

第３図においてクロスフローを抑えるためには、フロー
スリーブ軸端１３を燃焼器筒１にできるだけ近づけるこ
とが必要となる。この場合、軸端１３のフロースリーブ
のメタル温度が燃焼器筒からの輻射熱や対流熱により上
界することが考えられる。このためフロースリーブ９を
耐熱金属にするか、価格低減には軸端１３のみ耐熱金属
を使用する。また、フロースリーブ端部１３の内面に熱
遮蔽コーティングを施工すれば温度低下を図れる。

ケーシング６とフロースリーブ９との間の高圧室７の面
積を十分確保すれば、ここを流れる空気の流速が低下す
る。この空気はフロースリーブ９と燃焼器筒１との間の
空間に噴出し、燃焼室内で後流に９０’曲がって流れる
。したがって、本実施例によると、１８０°反転して流
れる従来のものに比較して供給圧損失が小さく、高効率
な燃焼器が得られる。

第８図は別の実施例である６フロースリーブ９の燃焼空
気孔には燃焼器１との間に第３図に示す空気孔６に代え
て空気導入管２０が設けてあり、そして、その空気入口
部はなめらかなＲを付けである。これにより燃焼室内へ
流れる空気の流量係数は第３図の場合に比べて大きくな
り、流路間の圧力損失が少なくなる。また、噴出角も管
により精度よく燃焼器筒１内に流れるため衝突損失やク
ロスフローも少なくできる。

また、第９図（第８図Ｅ−Ｅ断面）に示すように燃料ノ
ズル２の近傍においては空気導入管２０を燃焼器筒１の
周方向に旋回させるように配置し、燃料と空気の循環を
促進して、保炎性能を向上することもできる。

第１０図（第８図Ｆ−Ｆ断面）に示すように、希釈孔に
空気導入管２１を設けである。ここから流入する空気は
圧力損失が少ないため孔断面を／Ｊ１さくできる（すな
わち孔径ｄを小さくできる）。

したがって、本実施例によると、燃焼ガスの流路ａの面
積は大きくなり、圧力損失は小さくなる。

第１１図は第８図の空気導入管２０を燃焼器後流に傾け
て設置した例である。本実施例によれば燃焼空気を燃焼
ガスの流れ方向に向けであるため、更に圧力損失を少な
くできる。

燃焼器筒の燃焼空気孔はフロースリーブの空気孔に合わ
せて加工すれば互いの孔位置は精度よく仕上がる。もち
ろん、計算により設計図に基づいて加工することもでき
る。

フロースリーブの空気導入管は管台を別に製作し溶接等
で接合してもよいが、フロースリーブから一体で絞り加
工で製作すれば安価である。　本実施例については発電
用ガスタービンの例を基に逆流形燃焼器について記述し
たが、もちろん直流形燃焼器にも適用可能である。

燃焼器筒空気孔とフロースリーブの空気孔の面積を調整
することにより圧力比を調整上、冷却空気や燃焼空気の
流入速度を調整し、最適化して実施することは同業者に
とって容易にできることである。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明によるとフロースリーブに
設けた燃焼用空気孔と、燃焼器筒に設けられている燃焼
用空気孔とが整合しているので、空気抵抗が小さく、し
たがって効率的なガスタービン燃焼器が得られる。また
、該空気孔が整合しているので、空気噴射速度が大きく
、燃焼性能を向上させて窒素酸化物の低減化、排煙低下
も達成できる。更に、フロースリーブの冷却用空気孔か
らは、冷却空気が燃焼器筒の空気孔のない部分に噴射衝
突されるので、衝突冷却により燃焼器筒冷却効果が大き
い。また燃焼用空気孔と冷却用空気孔とが分離した流路
系を構成しているため、各々の制御が独立して調整可能
となり、最適な燃焼器となる。これにより、燃焼器の冷
却にはクロスフローのない衝突冷却を行うことができ冷
却効率を向上させる。また、燃焼器の高温部には冷却孔
径。

孔数を大きくし、互の距離を小さくして温度調節が可能
となり、燃焼器筒の均一冷却が可能となる。

希釈空気孔においては燃焼ガスの分散効果を増し。

出口温度のバラツキを少なくてきる。

また、フロースリーブに設けた燃焼用空気孔又は希釈空
気孔から燃焼器筒に設けた対応する空気孔へ延びる空気
導入管を具備することにより、空気流入時の圧力損失を
少なくてきる。この空気導入管の向きを燃焼室の周方向
に向けて傾斜させれば、燃焼用空気孔においては燃料ノ
ズル近傍では旋回が促進され循環が高まって保炎性能が
向上し、希釈空気孔においては空気流れ方向を自由に変
化できるため更に温度分布が均一になる。また、空気導
入管を燃焼ガス下流方向に向けて傾斜させると、ガス流
れを空気が閉止する作用が弱くなり、燃焼器室内の圧力
損失を一層低くすることが可能である。

更に上記空気導入管を設けることにより流量が多く流れ
るため空気孔径を小さくでき、したがって燃焼ガス流れ
を閉塞しないようになり、圧力損失が少なくなる。

空気導入管をフロースリーブの絞り加工により形成すれ
ば製作コスト上有利である。またフロースリーブの軸端
部すなわち後流鍔端部は燃焼器に近接しているので、高
温になる可能性があるが。

請求項３記載のようにすれば高温障害も避けることがで
きる。

以上、要するに本発明によると、高効率で高性能なガス
タービン向けとして最適な高温化対応可能な低圧損燃焼
器を従来並の経済性で提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例を示す断面図、第２図は従来
例を示す断面図、第３図は第１図に示す燃焼器部分の拡
大断面図、第４図、第５図、第６図は第３図において線
Ａ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃでそれぞれみた断面図、第７図
は第３図においてＤで示す部分の拡大断面図および燃焼
器の温度分布図、第８図は本発明の他の実施例を示す断
面図、第９図、第１０図は、第８図においてそれぞれ矢
視Ｅ、−Ｅ、Ｆ−Ｆでみた断面図、第１１図は更に別の
実施例を示す断面図である。 １・・・燃焼器筒　　　　　９・・・フロースリーブ１
１・・・燃焼空気孔 １６・・・フロースリーブに設けた燃焼用空気孔１８・
・・フィルム冷却孔 １９・・・フロースリーブに設けた冷却空気孔２０．２
１・・・空気導入管 （化１名） 第 ６ 図 ９・・・フロースリーブ １９・・・フロースリーブ衝突冷却凡 策 図 第 ０ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　内部に燃焼室を形成している燃焼器筒と、この燃焼
   室の一端に設けられている燃料ノズルと、前記燃焼器筒
   の外周に所定の間隔をおいて同心的に配置されて外側に
   圧縮機からの空気が流れる様に設けられているフロース
   リーブとからなるガスタービン燃焼器において、 フロースリーブと燃焼器筒との間の空間は圧縮機からの
   空気がフロースリーブ軸端部から実質的に流入しない様
   なリザーバ室を形成しており、フロースリーブおよび燃
   焼器筒には、位置的に一致して相対向する複数の燃焼用
   空気孔、および位置的に不一致で相対向しない冷却用空
   気孔を明けたことを特徴とするガスタービン燃焼器。 ２　フロースリーブの軸端部は縮径されて燃焼器筒の周
   面に近接している請求項１記載のガスタービン燃焼器。 ３　フロースリーブの軸端部は、耐熱合金で形成され或
   は内面に遮熱コーティングが施されている請求項２記載
   のガスタービン燃焼器。 ４　フロースリーブの燃焼用空気孔から燃焼器筒の燃焼
   用空気孔に向けた空気導入管がフロースリーブに設けら
   れている請求項１、２又は３記載のガスタービン燃焼器
   。 ５　空気導入管は、燃焼室の周方向及び／又はガス下流
   方向に向けて傾斜されている請求項４記載のガスタービ
   ン燃焼器。 ６　空気導入管は、フロースリーブの絞り加工によって
   形成されている請求項４又は５記載のガスタービン燃焼
   器。 ７　燃焼室の下流寄りの部位においてフロースリーブお
   よび燃焼器筒には位置的に一致した相対向する希釈用空
   気孔を明けた請求項１ないし６のいずれかに記載のガス
   タービン燃焼器。 ８　フロースリーブの希釈用空気孔から燃焼器筒の希釈
   用空気孔へ向けた空気導入管を具えた請求項７記載のガ
   スタービン燃焼器。