JPH0726734B2 - ガスタ−ビン燃焼器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明はガスタービン発電プラントに用いられるガスタ
ービン燃焼器に係り、特に燃焼器尾筒の冷却構造の改良
に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

ガスタービン発電プラントはガスタービンと同軸に設け
られた圧縮器の駆動によって圧縮された吐出空気をガス
タービン燃焼器に燃焼用空気として案内し、燃焼器内で
燃料とともに燃焼させ、その燃焼ガスを燃焼器内筒から
ガスタービンに案内してガスタービンを駆動させ、仕事
をするようになっている。

図３は従来のガスタービン燃焼器の一般的な構成例を示
したものである。すなわち、ガスタービン燃焼器１は圧
縮機２とガスタービン３との間に位置して軸心周りに複
数個設けられ、圧縮器２から吐出される燃焼用空気の吐
出チャンバ４内に収容されている。このガスタービン燃
焼器１は外筒５と内筒６とを備え、その間に環状の燃焼
用空気流路７が形成される一方、内筒６の内部に燃焼室
８が画成され、この燃焼室８内で燃料が燃焼用空気と混
合して燃焼するようになっている。燃焼ガスは、内筒６
の後端に連結された尾筒９内を通ってガスタービン３の
入口に案内され、ガスタービン３を駆動させる。

上述したガスタービン燃焼器１の尾筒９は、従来一般に
一重の筒状構造とされ、その先端側が内筒６の後端部に
嵌合し板ばね等で弾性保持されている。この尾筒９は、
高温の燃焼ガスの流通によって内面側から加熱される
が、圧縮機２から吐出チャンバ４に供給される燃焼用空
気との接触によって対流冷却される。

ところで近年、省エネルギ等の見地から一層の燃焼効率
の向上が望まれ、それに伴なってガスタービン燃焼器の
燃焼温度が高温化してきている。この場合、上述した従
来の一重構造の尾筒９で対流冷却を行うものでは必ずし
も十分な冷却が行えず、例えば1300℃級以上の高温ガス
タービン燃焼器の場合、高温燃焼ガスに晒される尾筒９
の温度が尾筒材料の技術的対応温度（約800℃）を超え
てしまい、ガスタービン燃焼器の耐久性や信頼性を低下
させる虞れがあった。

このため尾筒の冷却性向上についての検討が進められ、
例えば尾筒の高温となり易い部分の外周側に冷却用の空
気流速を高めるための冷却空気ガイド用の板を設け、空
気との熱伝達を高める技術や、尾筒の外周側に環状の蒸
気流路を設け、比熱の高い蒸気によって効果的に冷却を
行う技術等がこれまで提案されている。

ところが、冷却空気ガイド用の板を設ける上記の技術に
おいては、尾筒形状によっては空気の流れが不均一とな
ったり、尾筒外周面に沿う一定厚さの空気層が形成さ
れ、その境界層の外側の空気は冷却のための熱伝達にあ
まり寄与しないため、1300℃級以上の高温ガスタービン
燃焼器の尾筒冷却には必ずしも十分な効果が得られず、
また蒸気を冷却卯媒体として使用するものでは蒸気供給
のための特別な供給部構造が必要となって構成が複雑化
する等の問題があった。

〔発明の目的〕

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、圧縮
機の吐出空気を冷却用空気として使用する比較的簡単な
構成のもとで、燃焼器尾筒の冷却性能を大幅に向上させ
ることができ、特に高温ガスタービンに適用した場合に
充分な耐久性と信頼性を維持することができ、これによ
って燃焼効率の一層の向上、ひいては省エネルギ化への
対応が有効的に図れるガスタービン燃焼器を提供するこ
とを目的とする。

〔発明の概要〕

上述した目的を達成するために、本発明はライナー外筒
とライナー内筒との間に燃焼用空気流路を形成し、上記
ライナー内筒内に燃焼室を画成し、燃焼ガスを案内する
尾筒を上記ライナー内筒に設けたガスタービン用燃焼器
において、上記尾筒は圧縮器から吐出される燃焼用空気
の吐出チャンバ内に収容するとともに尾筒外筒と尾筒内
筒とから二重構造に構成して、その環状部分を上記燃焼
用空気流路に通じる冷却流路とし、上記尾筒外筒に冷却
空気孔を多数穿設して上記尾筒内筒をインピンジ冷却可
能としたものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明に係るガスタービン燃焼器の一実施例につ
いて第１図および第２図を参照して説明する。

本実施例によるガスタービン燃焼器10は圧縮機11と発電
機12を駆動させるガスタービン13との間に設けられ、圧
縮機11から吐出チャンバ14を画成する図示しないチャン
バケーシング内に収容される。このチャンバケーシング
は圧縮機11とガスタービン13の各ケーシングを一体的に
連結するとともに、ガスタービン燃焼器10はチャンバケ
ーシング内の周方向に複数個、例えば10個あるいは14個
配置される。

各ガスタービン燃焼器10は燃焼器本体を構成するライナ
ー外筒15と内筒16とから二重筒構造に形成され、その環
状空間が燃焼用空気流路17として画成される。ライナー
内筒16内には燃焼室18が画成され、この燃焼室18内に燃
料と燃焼用空気とが供給されて燃焼せしめられる。

一方、ガスタービン燃焼器10の内筒後端部には尾筒20が
装着される。尾筒20は尾筒内筒21と尾筒外筒22とを有
し、この間の環状空間が冷却流路23として画成される。
冷却流路23内には補強を兼ねた複数枚の冷却用フィン24
が放射状に配設され、冷却流路23内の伝熱面積（熱交換
面積）を増大させ、放熱を促進させるようになってい
る。尾筒内筒21は燃焼器本体のライナー内筒18の後端部
に遊嵌され、板ばね等で弾性保持される。尾筒内筒21内
は燃焼室18で燃焼せしめられた燃焼ガスをガスタービン
13の入口に導く案内路25として形成される。

尾筒20に形成される冷却流路23は尾端側が入口23aとし
て形成され、その冷却流路23の前端側の出口23bが燃焼
用空気流路17に連通し、尾筒内筒21内を通る燃焼ガスと
熱交換された冷却用吐出空気は燃料用空気流路17に案内
される。

また、尾筒外筒22には第１図に示すように、多数の小径
な冷却空気孔27が例えば周方向に複数列あるいはランダ
ムに穿設され、尾筒外筒22の外周側の冷却用空気がこの
冷却空気孔27を介して冷却流路23内に導入され、尾筒内
筒21の表面に衝突（インピンジメント）するようになっ
ている。このような多数の冷却空気孔27の形成に伴い、
冷却流路23に流入する冷却空気の量が軸方向下流側で次
第に多くなるので、燃焼器の冷却性能計算に基いて、冷
却流路23の断面積が入口23a（後端）側よりも出口23b
（前端）側で大きくなるように設定されている。

次に、ガスタービン燃焼器10の作用について説明する。

ガスタービン発電プラントの圧縮機11の駆動により圧縮
された高圧の吐出空気は吐出チャンバ14内に吐出され、
この吐出チャンバ14から一部は冷却流路23に、残りは燃
焼用空気流路17に案内され。燃焼用空気流路17に案内さ
れた空気は続いてライナー内筒16内の燃焼室18に導か
れ、この燃焼室18に別途案内される燃料と混合して燃焼
に供され、高温の燃焼ガスとなる。この燃焼ガスは尾筒
内筒21内に形成される案内路25を通ってガスタービン13
に導かれる。燃焼ガスがガスタービン13を通過する際
に、膨脹して仕事をし、発電機12を回転駆動させる。ガ
スタービン13で仕事をした燃焼ガスは排気される。

この場合、尾筒内筒21は高温の燃焼ガスの通過によって
加熱されるが、その外周側に設けられた尾筒外筒22との
間に形成される冷却流路23での高速空気流、および尾筒
外筒22に穿設された冷却空気孔27からの導入空気による
インピンジ冷却によって極めて効果的に冷却される。

すなわち、吐出チャンバ14内の空気は第１の経路とし
て、尾筒外筒22の後端側の入口23aから冷却流路23に流
入し、この冷却流路23内で軸方向に沿って流動して前端
側の出口23bから燃焼用空気流路17に案内される。この
際、冷却流路23は環状の狭い空間となっているので、冷
却用空気は冷却流路23内で加速され、流速が例えば約10
m/secから約40m/secに増大する。この高速空気流が尾筒
内筒21の表面に接触して対立流冷却が能率よく行われる
結果、尾筒内筒21の放熱効率が向上し、尾筒内筒21が良
好な熱伝達のもとで積極的に冷却される。

また一方、吐出チャンバ14内の空気は第２の経路とし
て、尾筒外筒22に広範囲に亘って放射状に穿設された多
数の冷却空気孔27から冷却流路23内にそれぞれ径径方向
に沿ってスポット的に導入される。各冷却空気孔27はそ
れぞれ小径であるため、そこから導入される空気は高速
噴流となり、冷却流路23内で入口23a側から出口23b側に
向う軸方向の冷却空気層を穿って尾筒内筒21の表面に高
速で衝突（インピンジメント）し、これによりいわゆる
インピンジ冷却が行われる。

このインピンジ冷却によると、尾筒20の軸方向の全ての
位置において、吐出チャンバ14内の低温状態の空気が直
接、尾筒内筒21の表面に衝突するので、上流側から下流
側までに亘る広い領域で極めて良好な熱伝達率で大きい
放熱効果が得られる。したがって、前記第１の軸方向に
沿う冷却経路のみにおいては、尾筒形状によっては空気
流れが不均一となって放熱効率が下したり、また空気が
一定の層流状態となって軸方向に流動するので下流側で
熱伝達率が次第に低下する等の可能性があるが、これら
の点を十分に克服して、優れた尾筒冷却効果が奏され
る。

この結果、ガスタービン燃焼器10を高温ガスタービンに
適用し、例えば燃焼温度が1300℃以上であっても、尾筒
内筒21の温度を既存の燃焼用材料でも充分に耐え得る温
度、例えば約700℃以下まで低下すことができ、これに
よって燃焼効率の一層の向上、ひいては省エネルギ化へ
の対応が有効的に図れるようになる。しかも、蒸気冷却
等と異なり、圧縮機の吐出空気を冷却用空気として使用
する比較的簡単な構成のもとで、燃焼器尾筒の冷却性能
を大幅に向上させることができるので、製作および保守
の容易化および経済性等、実用的な面でも多くの優れた
利点が得られるものとなる。

なお、上したインピンジ冷却の採用によって、尾筒20の
冷却流路23に供給される空気量は下流側で漸増するが、
本実施例では冷却流路23の断面積が入口23a（後端）側
よりも出口23b（前端）側で大きくなるように設定して
あるので、冷却流路23における空気の流れは常時円滑に
行える。

また、本実施例では、第２図に示すように、冷却流路23
に冷却用フィン24を設け、これにより尾筒20の伝熱面積
を増大させたので、尾筒内筒21の表面の放熱効率をより
一層向上させることができる。

なお、以上の実施例ではライナー外筒を尾筒側に延長さ
せ、このライナー外筒内に尾筒外筒を挿入し、重ね合せ
部が形成される例について説明したが、ライナー外筒と
尾筒外筒との間に軸方向の間隙を形成するようにして
も、あるいは尾筒外筒をライナー外筒に一体あるいは一
体的に連結してもよい。

〔発明の効果〕

以上で詳述したように、本発明に係るガスタービン燃焼
器によれば、尾筒を尾筒外筒と尾筒内筒とから二重構造
に成し、その環状部分を燃焼用空気流路に通じる冷却流
路とすることで、冷却用空気を冷却流路内で加速し流速
を増大させて尾筒内筒の表面での対流冷却を能率よく行
わせ、尾筒内筒の放熱効率を向上させ良好な熱伝達のも
とで効果的が冷却が行える。また、尾筒外筒に冷却空気
孔を多数穿設して尾筒内筒をインピンジ冷却可能とした
ことにより、尾筒の軸方向の全ての位置において、吐出
チャンバ内の低温状態の空気を直接、尾筒内筒の表面に
衝突させ、上流側から下流側までに亘る広い領域で極め
て良好な熱伝達率で大きい放熱効果を得ることができ、
これによって上記の二重構造における下流側での熱伝達
の低下を十分に補足することができる。

したがって、本発明によれば、ガスタービン燃焼器を高
温ガスタービンに適用しても、尾筒内筒の温度を既存の
燃焼用材料でも充分に耐え得る温度まで低下することが
でき、これによって充分な耐久性と信頼性を確保するこ
とができ、燃焼効率の一層の向上、ひいては省エネルギ
化への対応が有効的に図れる。しかも、蒸気冷却等と異
なり、圧縮機の吐出空気を冷却用空気として使用する比
較的簡単な構成のもとで、燃焼器尾筒の冷却性能を大幅
に向上させることができるので、製作および保守の容易
化および経済性等、実用的な面でも多くの優れた利点が
得られる。

なお、冷却流路に冷却用フィンを設けた場合には、これ
により尾筒の伝熱面積を増大させ、尾筒内筒の表面の放
熱効率をより一層向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るガスタービン燃焼器の一実施例を
示す尾筒構造の部分的断面図、第２図は第１図のII−II
線に沿う図、第３図はガスタービンに取付けられるガス
タービン燃焼器を示す図である。 10……ガスタービン燃焼器、11……圧縮機、13……ガス
タービン、15……ライナー外筒、16……ライナー内筒、
17……燃焼用空気流路、18……燃焼室、20……尾筒、21
……尾筒内筒、22……尾筒外筒、23……冷却流路、23a
……冷却流路の入口、23b……冷却流路の出口、24……
冷却用フィン、25……燃焼ガス案内路、27……冷却空気
孔。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ライナー外筒とライナー内筒との間に燃焼
   用空気流路を形成し、上記ライナー内筒内に燃焼室を画
   成し、燃焼ガスを案内する尾筒を上記ライナー内筒に設
   けたガスタービン用燃焼器において、上記尾筒は圧縮器
   から吐出される燃焼用空気の吐出チャンバ内に収容する
   とともに尾筒外筒と尾筒内筒とから二重構造に構成し
   て、その環状部分を上記燃焼用空気流路に通じる冷却流
   路とし、上記尾筒外筒に冷却空気孔を多数穿設して上記
   尾筒内筒をインピンジ冷却可能としたことを特徴とする
   ガスタービン燃焼器。
2. 【請求項２】尾筒外筒と尾筒内筒とにより形成される冷
   却流路に複数枚の冷却用フィンが放射状に配設した特許
   請求の範囲第１項に記載のガスタービン燃焼器。