JPH09196377A

JPH09196377A - ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JPH09196377A
Application number: JP359196A
Authority: JP
Inventors: Tomoki Koganezawa; 知己小金沢; Kunihiro Ichikawa; 国弘市川; Shigeo Sakurai; 茂雄桜井; Toshio Ishizuki; 敏雄石附; Noriyuki Hayashi; 則行林; Shigeyoshi Kobayashi; 成嘉小林; Yoji Ishibashi; 洋二石橋; Tetsuo Sasada; 哲男笹田; Shinichi Nakahara; 信一中原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-01-12
Filing date: 1996-01-12
Publication date: 1997-07-29

Abstract

(57)【要約】【課題】予混合燃焼に対し、ガスタービン全体の効率を
損なうことの無い程度の少ない圧力損失で必要な冷却性
能を維持し、同時に燃焼振動応力を低減できる燃焼器ラ
イナ構造を提案し、燃焼器の信頼性を向上させる。【解決手段】燃料と空気とを燃焼させる燃焼器と、前記
燃焼器の下流側で燃焼を行うライナを配置し、前記ライ
ナの外周部に前記燃焼器に供給される空気が流れる流路
を有するガスタービン燃焼器において、前記流路は、筒
状の前記のライナと前記ライナより直径が大きく同心円
状の外周壁とから構成され、前記ライナの外周部には、
螺旋状のリブが設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はガスタービンなどの
燃焼器に用いられる燃焼器ライナの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】産業用ガスタービンなどの燃焼器におい
ては、環境問題への配慮から、燃焼器内に生じる窒素酸
化物（ＮＯｘ）の排出量を低減することが求められてい
る。ＮＯｘの低減は、燃料と空気を燃焼前に混合して燃
焼する予混合燃焼を利用し、かつ燃料と空気の混合比
(燃空比)が理論混合比よりも小さい状態で燃焼させるこ
とによって図られる。一方、高温雰囲気にさらされる燃
焼器ライナ保護のために、燃焼器ライナ内壁に沿わせて
冷却空気を流す膜冷却構造を備えた燃焼器ライナがある
が、燃焼用空気が減少するためにＮＯｘ増加の原因とな
る。そのため対流冷却のみで所定の冷却性能を得るため
に、例えば特開昭62−131927号公報では、衝突噴流冷却
と突起フィンによる冷却を組み合わせた冷却法が示され
ている。また、特開平4−116315 号公報には、フィンの
熱伝達率を変化させることにより、特開平6−221562 号
公報には流路高さ、かつ／または、燃焼器ライナ壁表面
粗さを変化させることにより、それぞれ燃焼器ライナの
温度分布を均一にする方法が示されている。さらに、文
献１(p.p.66／July／1995／Mechanical Engineering)に
は、燃焼器ライナの外壁にスタッガードリブを設けたラ
イナが公開されている。特開昭63−135719号公報には、
燃焼器ライナを多重波板構造とし、熱のび差を吸収でき
る構成とし、冷却効果を高めるライナが示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】予混合燃焼は低ＮＯｘ
化のために有効な燃焼方式である。しかし、予混合燃焼
により燃焼器ライナに過大な燃焼振動が発生し、これが
燃焼器ライナに重大な損傷を与える。前記公知例は、燃
焼振動に伴う問題点については解決されていない。

【０００４】また、予混合燃焼方式は、従来の拡散燃焼
に比べて燃焼器内で局所的に急激な発熱反応を生じるた
め、反応と空気や燃料の流動が共振して燃焼振動を生じ
やすい。特に燃焼振動数が燃焼器ライナの固有振動数と
一致した場合には、燃焼器ライナが共振現象を起こし、
瞬時に破損する恐れがある。この場合には、燃焼器ライ
ナが飛散し、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、燃焼器だけではなく、ガスタービンプ
ラント全体の寿命に極めて大きな影響を与える。

【０００５】本発明の目的は、予混合燃焼に対し、ガス
タービン全体の効率を損なうことの無い程度の少ない圧
力損失で必要な冷却性能を維持し、同時に燃焼振動応力
を低減できる燃焼器ライナ構造を提案し、燃焼器の信頼
性を向上させることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の特徴は、
燃料と空気とを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器の下流
側に前記燃料及び空気を燃焼させるライナを配置し、前
記ライナの外周部に前記燃焼器に供給される空気が流れ
る流路を有するガスタービン燃焼器において、前記流路
は、筒状の前記のライナと前記ライナより直径が大きく
同心円状に位置する筒状の外周壁とから構成され、前記
ライナの外周面には、螺旋状のリブが設けられているこ
とである。

【０００７】ガスタービン燃焼器に供給された空気は、
前記流路を流れて燃料と合流し燃焼される。

【０００８】前記リブの構成は、燃焼器軸に対してその
周囲を旋回するように、螺旋が構成されているものであ
る。また、リブは、該燃焼器ライナの外面の一部または
全部に、長手方向が該燃焼器ライナ軸と斜めに交わって
おり、かつ概してら旋状に連続している。

【０００９】流路を流れる主な空気の流れ方向はライナ
の長手方向（ライナ軸と平行）であり、前記リブは、空
気の流れに斜めに交わるように螺旋が形成されている。

【００１０】本発明は、例えば、ライナの外周面とその
外側にある外周壁により一つの大きな円筒状の流路が形
成されるようなガスタービン燃焼器に適応する。

【００１１】また、例えば、ライナとその外側に位置す
る外周壁の断面は概同心円状に形成され、共に筒状であ
る。前記外周壁は図２ではフロースリーブ１４により構
成されている。

【００１２】流路を流れるガスは、比較的低温の、燃焼
用空気または冷却用空気であることができる。または未
燃の燃料と空気の混合気であってもよい。燃焼後の比較
的高温の燃焼ガスは該燃焼器ライナの内側の空間を流れ
る。

【００１３】本発明の第２の特徴は、燃焼器の軸芯側に
配置された拡散燃焼器と、その外周側に予混合燃焼器と
を配置し、前記各々の燃焼器の下流側で燃焼を行うライ
ナを配置し、前記ライナの外周部に前記少なくとも一つ
の燃焼器に供給される空気が流れる流路を有するガスタ
ービン燃焼器において、前記流路は、筒状の前記のライ
ナと前記ライナより直径が大きく同心円状に位置する筒
状の外周壁とから構成され、前記ライナの外周面には、
螺旋状のリブが設けられ、前記リブが多重螺旋状に配置
されていることである。

【００１４】前記流路を流れる空気は予混合燃焼器及び
拡散燃焼器に供給される構成をとることができる。場合
によっては、予混合燃焼器のみに供給されるようにして
もよい。

【００１５】本発明の第３の特徴は、ガスタービン燃焼
器の前記リブは、不連続部を有し、一の不連続部を通る
ライナ軸と平行な直線からはずれた位置に隣接する不連
続部を配置することである。

【００１６】ライナ軸と平行な直線は、リブの一つの不
連続部で交わった場合、その交わった部分に隣接して直
線と交わるのはリブである。

【００１７】リブ自体としては軸方向に分割され、不連
続部を介して連続する。

【００１８】このリブの螺旋は、断続的にしてライナの
軸方向の温度分布による熱応力の発生を防止してもよ
い。

【００１９】本発明の第４の特徴は、前記ライナは周方
向に冷却孔が複数配置され、一端が前記冷却孔の上流側
の上記ライナ内周に設置され、他端が前記冷却孔より下
流側まで張り出したリングが設けられたことである。

【００２０】言い換えれば、外面に設けたリブに加え
て、該燃焼器ライナの軸方向および周方向に同列をなす
冷却孔が複数個設け、該冷却孔の周方向列間に一端が固
定され、該冷却孔から導かれる冷却空気を該燃焼器ライ
ナの内面に導く隙間を設けた段違いの断面を有するリン
グを複数個設ける構成にすることができる。

【００２１】また、本発明のガスタービン燃焼器のライ
ナは遠心鋳造法により作成することが好ましい。

【００２２】本発明により、傾斜ら旋リブを備えること
により高剛性化が図られ、燃焼振動の低次，高次いずれ
の振動モードに対しても燃焼器ライナの変形を抑制する
ことができる。また、周方向に進展するき裂を阻止する
ことができるため、燃焼振動に対する強度信頼性の向上
が図れる。また、前記螺旋状のリブにより、リブつけ根
部の応力集中係数を低減でき、燃焼振動応力や熱応力に
よるき裂の発生，進展を抑制することができる。

【００２３】冷却空気（または燃料）の流れと斜めに交
わる螺旋状のリブによって、冷却空気（または燃料）
の境界層が３次元的に乱されることにより、熱伝達率が
増大する、冷却面積が増大する、という両面から対流
冷却性能が向上する。したがってメタル温度が低減する
ため、燃焼器ライナの素材の強度特性が向上すると共に
燃焼器ライナに発生する熱応力が低下し、熱疲労に対す
る燃焼器ライナの強度信頼性も向上させることができ
る。また、冷却空気はすべて燃焼用空気として利用でき
るためＮＯｘ低減に効果的である。

【００２４】燃焼器ライナは、遠心鋳造法により成形す
ることで、複雑な形状のリブを容易に加工することがで
きる。遠心鋳造法は大量生産が可能であり加工コストの
削減が図れる。

【００２５】また、遠心鋳造法により内面は平滑とな
り、内面を流れる燃焼ガスによって飛散する欠落物がな
くなり、欠落物によるタービン等の破損防止を図れる。
また、遠心鋳造法により内面が平滑でスムーズであるこ
とにより、内面の検査性を向上することができる。更
に、内面が平滑でスムーズであることにより、内面に熱
遮蔽コーティングを施工しやすい。

【００２６】

【発明の実施の形態】本発明の好適一実施例としてガス
タービン燃焼器を取りあげ、図２に断面図を示して説明
する。発電用ガスタービンは、圧縮機１，燃焼器２，タ
ービン３から構成され、タービンの出力により発電機４
を回転させ電力を得る。燃焼器２は、ガスタービンケー
シング５，燃焼器外筒６、および燃焼器カバー７内に格
納されている。燃焼器２上流端中央には拡散パイロット
バーナ８があり、その外周に環状の予混合バーナ９があ
る。予混合バーナ９は、複数の予混合用ノズル１０、お
よび保炎器１１を備えている。予混合バーナ下流には、
未燃の空気と既燃の燃焼ガスを隔てる燃焼器ライナ１２
がある。燃焼器ライナには冷却性能を高めるための冷却
リブ１３が備えられている。リブの構造については後に
詳細に述べる。燃焼器ライナ１２の外周面には、空気流
路を形成し、流れを制御するための外壁（以下、フロー
スリーブと称す。）１４がある。

【００２７】圧縮機１からの高圧空気１００は、フロー
スリーブ１４と燃焼器ライナ１２の間の概して環状の空
間を通り、燃焼器ライナ１２の軸とほぼ平行に流れ、燃
焼器ライナ１２の対流冷却に使用される。その後、拡散
パイロットバーナ用空気101および予混合バーナ用空気
１０２に分かれて燃焼器内へ供給され、それぞれ燃焼用
空気として用いられる。既燃の燃焼ガス１０３は燃焼器
ライナ１２内側を通り、尾筒１５を経てタービン３に供
給される。燃料系統は、主燃料系統２００と、そこから
分岐する拡散パイロットバーナ用燃料系統２０１，予混
合バーナ用燃料系統２０２より成り立っている。ここで
燃焼器ライナ１２は、外側の未燃燃焼高圧空気１００と
内側の既燃燃焼ガス１０３を隔て、燃焼を安定に行わせ
る役割を果たしている。この際、燃焼器ライナ１２は、
内側の燃焼ガス１０３からの伝熱により加熱され、外側
の比較的低温の高圧空気１００によって冷却されるた
め、両者の入・出熱量が釣り合う温度となる。したがっ
て、燃焼ガスの入熱量を減らし、外側の冷却を強化して
燃焼器ライナの温度を低減させることにより、燃焼器ラ
イナの素材の強度を向上させることができる。

【００２８】コンバインド発電プラントで用いられるガ
スタービン用超低ＮＯｘ燃焼器では、ＮＯｘの目標達成
のため、ライナの冷却専用に使用できる空気はほとんど
なくなる傾向にある。

【００２９】また、予混合燃焼比率の増大にともない、
燃焼振動等に対するライナ強度確保の要求が強まってい
る。したがって冷却性能と構造強度を同時に向上させる
ことが求められている。本発明はこの様なニーズ・技術
課題からなされたものである。

【００３０】次に、図１に本発明の一実施例である燃焼
器ライナを示し説明する。本実施例では一例として直径
２Ｒが３６４mm，長さＬが８８０mm，板厚ｔが１.５７
mmの燃焼器ライナを用いた。また、本実施例では一例と
して、フロースリーブ直径は４６４mmとし、この場合の
空気流路の高さＨは５０mmである。図３に、燃焼振動の
周波数に近い９次の固有モードの燃焼器ライナの変形
図、およびき裂の発生状況を示す。変形は三〜四角形モ
ードであり、き裂は、変形の腹となる上流側から軸方向
に燃焼器ライナ全長Ｌの１／４の部位と、変形の節とな
る１／２の部位に発生し、周方向に進展した。この軸方
向１／２の部位に発生したき裂長さは約２５０mm，１／
４の部位に発生したき裂は２０〜４０mmであり、軸方向
１／２の部位に長いき裂が発生した。き裂が周方向に進
展したことから、軸方向に高い応力が作用したことがわ
かる。この燃焼器ライナ１２に発生する燃焼振動応力σ
は、単純には内圧Ｐを受ける直径２Ｒの薄肉円筒の応力
評価式（１）からわかるように、板厚ｔを大きくし、剛
性を上げることにより低減できると考えられる。

【００３１】 σ＝Ｒ・Ｐ／ｔ …（１）しかし、板厚を大きくすれば冷却性能が低下し、燃焼器
ライナ１２の温度が高くなり、素材の強度が低下する。
冷却リブ１３は、冷却効率を高めると共に板厚を大きく
し、剛性を高める効果をもたらす。しかし、図４に示す
ように燃焼器ライナ軸と冷却リブ１３が直交する構造
（以下直交リブと称する。）は、き裂の進展方向と平行
になるため、き裂の阻止に対しては効果がない。また、
軸方向１／２の部位に発生した長いき裂は、図３に示し
た高次の変形モードに、単純曲げに近い低次の変形モー
ド（図５）が混合して発生した可能性が高い。直交リブ
は図３に示した三〜四角形モードの変形抑制には効果が
あるが、図５に示した単純曲げに近いモードの変形抑制
には効果がない。

【００３２】また、周方向に進展するき裂阻止には全く
効果がない。逆に、直交リブのつけ根部は軸方向応力に
対して大きな応力集中を生じ、直交リブのつけ根部にき
裂が発生する可能性が高い。

【００３３】そこで本発明では、低次，高次のいずれの
変形モードに対しても変形抑制効果が図れるように、冷
却リブ１３の長手方向の軸と燃焼器ライナ１２の軸が斜
めに交わる螺旋状構造（以下、斜交リブと称する。）と
し、冷却リブ１３を燃焼器ライナ１２上にら旋状に備え
て、周方向に進展するき裂を阻止できる構造とした。斜
交リブと直交リブのつけ根部に、軸方向応力が作用した
時の応力拡大係数を、それぞれＫＩＳ，ＫＩＮとする
と、両者の大小関係はおよそ式（２）で表される。

【００３４】ＫＩＳ＝〔０.５＋０.５・cos(π・２θ)〕ＫＩＮ …（２）ここで、θは斜交リブの斜交角度（θ＝９０°のとき直
交リブ）であり、θ＝９０°のとき式（２）はＫＩＳ＝
ＫＩＮとなる。θを９０°より小さくしてリブを斜交さ
せ螺旋状に配置することにより、斜交リブの応力拡大係
数ＫＩＳは、直交リブの応力拡大係数ＫＩＮより常に小
さくなる。（例えばθ＝６０°の時、ＫＩＳ＝０.７５
・ＫＩＮ、θ＝４５°の時、ＫＩＳ＝０.５・ＫＩ
Ｎ。）したがって、本発明により提案した斜交リブは直
交リブよりき裂が発生，進展しにくい構造である。ま
た、従来技術として、文献１（p.p.66/July/1995/Mecha
nical Engineering)にリブを長手方向に断続的整列さ
せて配置することが示されている。この場合、燃焼振動
等の応力に対し、リブ間の隙間に応力集中が生じる。こ
のため疲労強度は著しく低下するおそれがある。一方、
熱応力のような降伏応力を越えるような負荷が作用する
場合には、このリブ間に塑性ヒンジが起こって変形しや
すくなるため、リブによる剛性向上の効果は、リブが連
続的な場合に比べ著しく低下することが考えられる。本
発明では、リブの構造は連続的なら旋状の斜交リブとし
てあるので、リブによる剛性向上の効果が図れる。ま
た、本発明の他の特徴のように部分的に不連続でも剛性
向上効果を得ることができる。

【００３５】次に、螺旋状の斜交リブの効果および寸法
を定量的に評価するために、斜交リブの巻き数を１，５
および８巻きに変化させ、それぞれ発生する応力をひず
みゲージ１６Ａおよび１６Ｂにて測定した。本実施例で
は一例として斜交リブの高さｈは１２mm、幅ｂは６mmと
した。ひずみゲージ１６Ａおよび１６Ｂは、き裂が発生
した軸方向１／４の部位および軸方向１／２の部位にそ
れぞれ貼付け、軸方向ひずみを測定した。

【００３６】燃焼振動Ｄ.Ｐ.とひずみゲージ出力の時刻
暦を図６に示す。図より燃焼振動とひずみゲージ出力は
ほぼ同期していることがわかる。また、長いき裂の発生
した１６Ｂのひずみゲージ出力の方が１６Ａより大きい
ことがわかる。図７に燃焼振動応力Ｄ.Ｐ.と発生応力範
囲△σの関係を示す。冷却リブ１３が１巻きおよび５巻
きの場合、小さい燃焼振動に対しても大きな応力が発生
し、早期にひずみゲージが破損してしまうため、データ
はほとんど採取できなかった。これに対し、冷却リブ１
３が８巻きの場合は燃焼振動Ｄ.Ｐ.＝１.７kg／cm²まで
ひずみが測定できた。また、ひずみゲージ１６Ａに比べ
長いき裂が発生した１６Ｂの発生応力は同じ燃焼振動
Ｄ.Ｐ.に対する１６Ｂの発生応力より大きくなった。燃
焼振動Ｄ.Ｐ.と応力範囲△σの関係には線形性が認めら
れ、巻き数が多く剛性が高いほど同じ燃焼振動に対する
発生応力は小さいことがわかった。

【００３７】図３のモード解析において変形を受ける領
域はライナ全長の約半分である。このため、冷却リブ１
３は燃焼器ライナ１２全長の半分の領域に取り付けた。
冷却リブ１３を長さ４４０mm（全長の半分）の領域に平
均的にならした板厚を等価板厚ｔｅとし、等価剛性Ｄを
次式で求めた。

【００３８】Ｄ＝Ｅ・ｔｅ３／１２(１−ν２) …（３）ここでＥはヤング率（＝１７０００kgｆ／mm²）、νは
ポアソン比（＝０.３）である。

【００３９】等価剛性Ｄと発生応力範囲△σの関係を燃
焼振動Ｄ.Ｐ.＝０.１,０.２,０.５,１.０および２.０kg
／cm²に対して求めたものを図８に示す。図８を用いれ
ば許容応力，許容燃焼振動に対する適切な等価板厚、す
なわち冷却リブ１３の数、高さｈおよび幅ｂを選定する
ことができる。また、許容応力と設計等価板厚から許容
燃焼振動を選定することができる。同様に、設計等価板
厚と燃焼振動レベルがわかっていれば、発生応力から適
切な材料を選定することができる。本実施例で用いた燃
焼器ライナ１２の材料はＣｏ基超合金であり、使用温度
６００℃の疲労限応力は１０kgｆ／mm²である。疲労限
応力の１／４の２.５kgｆ／mm²を設計応力とし、許容燃
焼振動を１.０kgｆ／cm²とすれば、図より等価剛性Ｄ
は34100kgｆ・mmとなり、式（２）より燃焼器ライナ１
２の等価板厚は２.８ mm以上に選定される。ただし、板
厚の増大により熱応力は増大することから、板厚の上限
値は許容熱応力によって規定される。また、燃焼器ライ
ナ１２の外側は比較的低温の高圧空気１００によって冷
却され、冷却性能の観点から板厚はできるだけ小さいこ
とが望まれる。

【００４０】したがって、等価板厚が２.８ mmとなる斜
交リブ高さ、巻き数の組合せを最適とした。したがっ
て、本実施例の一例として用いた高さｈが１２mm，幅ｂ
が６mmのリブに対しては、最適リブ巻き数は８巻きとし
た。

【００４１】次に、冷却リブ１３の斜交の角度θおよび
ピッチｐを冷却性能上から求める。実験結果によれば、
斜交の角度θの範囲は冷却性能上は６０°≦θ≦８０°
が望ましい。また、ら旋のピッチｐとリブ高さｈの関係
は冷却性能上は５≦ｐ／ｈ≦１５の範囲が望ましい。さ
て、θ＝７０°の傾きを持って、冷却リブ１３が燃焼器
ライナ１２の外面にら旋状に備わると、そのピッチｐ０
はＴａｎθ＝πｄ／ｐ０より、ｐ０＝４１６mmとなる。
燃焼器ライナ１２の長さはＬ＝８８０mmであるから、冷
却リブ１３のら旋は燃焼器ライナ１２上を約２周するこ
とになる。強度上、最適なリブ巻き数は前述の検討結果
より８巻きであるから、リブを８重ら旋とし、ピッチｐ
を５２とすると、ｐ／ｈ＝４．３となり５≦ｐ／ｈ≦１
５の条件を満たさない。斜交の角度θを６０°とすれば
ｐ０＝６６０，ｐ＝８２.５，ｐ／ｈ＝６.９となり、
強度および冷却条件の両方を満たす。そこで、本実施例
では、一例として用いた高さｈが１２mm，幅ｂが６mmの
冷却リブ１３を、斜交角度θ＝６０°で８重ら旋にして
燃焼器ライナ１２の外面に備えた。が、加工性や冷却性
能等の観点から、リブの高さをさらに小さくしたい場合
は、ライナ板厚を厚くすればよいので、寸法の組み合わ
せはこの限りではない。

【００４２】ところで燃焼器ライナ１２の構造強度を高
めるために、冷却性能を損なうことがあってはならな
い。前述したように、ＮＯｘ低減の観点から冷却専用空
気を抑制するために、ライナの冷却は強制対流冷却が望
ましい。本実施例では、燃焼器ライナ１２とフロースリ
ーブ１４の間の冷却空気流路の面積を、冷却性能，圧力
損失の両面から決定する。このとき冷却空気の流れが概
して燃焼器ライナの軸と平行になるように、フロースリ
ーブ１４の内面は概して円筒形を成すようにする。また
燃焼器ライナの軸方向で必要な冷却性能が異なる場合に
は、フロースリーブ１４の内径を軸方向に変化させても
よい。このように燃焼器ライナの軸方向に沿った冷却空
気の流れの中に、それとは斜交したリブが存在すると、
境界層が乱され伝熱が促進する。

【００４３】図９は、斜交リブと直交リブを模擬した試
験体を用いた熱伝達率測定結果をもとに、燃焼器ライナ
の温度分布を検討した結果である。傾斜リブは直交リブ
に比べてむしろ冷却性能が高く、同一圧力損失の条件で
燃焼器ライナメタル温度を低く抑えることが可能なた
め、熱応力を低減でき、熱疲労に対する強度信頼性も向
上させることができる。しかし、冷却空気の流れの方向
とリブの長手方向が一致するような配置では、リブが乱
流促進体としての働きをしないので、リブがあるために
伝熱面積が増大するフィン効果による冷却向上しか期待
できない。冷却効果が損なわれる。フィンと衝突噴流冷
却を組み合わせた冷却方法も考えられるが、衝突噴流冷
却は、冷却空気を燃焼用に回収する構造が必要となり、
圧力損失の増大を招くので設計に注意が必要である。そ
れに対し本発明によれば、比較的簡単な構造で、圧力損
失が少なく、高い冷却性能を得ることが可能となる。ま
た、言い換えれば、同一材料であれば、燃焼温度を高温
化することもできる。

【００４４】図１０は本発明の別の実施例である。基本
構造は図１に示した実施例と同じであるので、冷却性能
を損なうことなく、剛性を確保し燃焼振動応力を低減し
ている。さらに図１０に示すように、冷却リブ１３のら
旋を軸方向に分割（２〜３分割）することにより、ホッ
トスポット等の温度分布により冷却リブ１３のつけ根部
に発生する熱応力は、燃焼状態によってはら旋が連続的
な場合に比べて緩和され、熱疲労損傷に対する強度信頼
性を向上させることができる。ライナ長手方向（ライナ
軸）に対して隣接する不連続部が直線上に位置しないよ
うにする。リブの不連続部は、ほぼ一のリブの不連続部
が通る軸と平行な直線から外れた位置に隣接する不連続
部が来るようにする。

【００４５】その他の実施例に係る燃焼器ライナの横断
面図を図１１に示す。この場合、燃焼器ライナ１２の外
面に設けた冷却リブ１３に加えて、軸方向および周方向
に同列をなす冷却孔１８が複数個設けてあり、内面には
冷却孔１８の周方向列間に一端が固定され、内面との間
に隙間をなすように曲げられた段違いの断面を有するリ
ング１９が、複数個設置されている。この段違い断面を
有するリング１９は、冷却孔１８から導かれる圧縮機１
からの高圧空気１００を燃焼器ライナ１２の内面に導
き、内面を冷却する役目を果たしている。この様な構造
を用いれば、燃焼器ライナ１２の内，外面が両方同時に
冷却され、燃焼器ライナ１２の温度低減が図れる。これ
により、燃焼器ライナ１２の素材の強度特性が向上する
と共に、燃焼器ライナに発生する熱応力が低下し、熱疲
労に対する強度信頼性も向上させることができる。ま
た、この段違い断面を有するリング１９のつけ根部の板
厚ｙを増大させることによっても、燃焼器ライナ１２の
剛性が高められ、外面に設けた冷却リブ１３、もしくは
燃焼器ライナ１２の板厚を大きくして、燃焼振動応力を
低減するのと同じ効果が得られる。

【００４６】燃焼器ライナ１２は、遠心鋳造法により成
形することで、外面に設けたら旋状の冷却リブ１３など
複雑な形状を容易に加工することができる。燃焼器ライ
ナ１２は、苛酷条件で用いられる消耗品であり、遠心鋳
造を用いることにより大量生産が可能となり加工コスト
の削減が図れる。また、遠心鋳造法により燃焼器ライナ
１２を加工することにより、内面は平滑となり、内面を
流れる燃焼ガス103によって飛散する欠落物がなくな
り、欠落物によるタービン３等の破損防止を図れる。ま
た、遠心鋳造法により内面が平滑でスムーズであること
により、内面の検査性を向上することができる。

【００４７】更に、内面が平滑でスムーズであることに
より、内面に熱遮蔽コーティングを施工しやすい。

【００４８】また、燃焼方式や周辺部品との干渉から、
燃焼器ライナ１２の特定部位に高温域が存在する場合に
ついて、図１２を用いて説明する。この場合、高温の特
定部位２０の周辺のみ、冷却リブ１３を設置しすること
により高温部の低温化、即ち燃焼器ライナ１２全体の温
度分布の均一化を図ることができる。ライナ軸方向の温
度分布を緩和することができる。この時の燃焼振動応力
は板厚を大きく（本実施例の場合２.８mm)して剛性を上
げることにより低減する。燃焼器ライナ１２の温度分布
の均一化により、熱応力が低減し、その分だけ燃焼器ラ
イナ１２の使用温度を高くすることができる。これによ
り、燃焼ガスの高温化が可能となり、燃焼器をガスター
ビンに利用すればガスタービン全体の高温，高効率化が
図れる。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、低ＮＯｘ化のために予
混合燃焼を行う際に、燃焼器ライナに発生する過大な燃
焼振動応力を低減することができ、燃焼器の信頼性の向
上を図ることができる。また、冷却空気と斜交するリブ
によって、冷却空気の境界層が３次元的に乱されること
により、対流冷却性能が向上し、メタル温度が低減す
る。そのため、燃焼器ライナの素材の強度特性が向上す
ると共に燃焼器ライナに発生する熱応力が低下し、熱疲
労に対する燃焼器ライナの強度信頼性も向上させること
ができる。このような、燃焼器ライナを備えた燃焼器
は、冷却空気をすべて燃焼用空気として利用できるため
ＮＯｘ低減が可能である。燃焼器をガスタービンに利用
すれば、低ＮＯｘかつ高効率で信頼性の高いガスタービ
ンになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適一実施例である燃焼器ライナの概
略図である。

【図２】本発明の好適一実施例を説明するためのガスタ
ービン燃焼器の概略図である。

【図３】燃焼器ライナの高次の変形モード、およびき裂
発生位置を示す図である。

【図４】従来の燃焼器ライナのリブ構造の概略図であ
る。

【図５】燃焼器ライナの低次の変形モードの模式図であ
る。

【図６】燃焼器ライナに発生する燃焼振動とひずみゲー
ジ出力の時刻暦線図である。

【図７】燃焼器ライナに発生する燃焼振動と発生応力の
関係を示す図である。

【図８】燃焼器ライナの等価剛性と発生応力の関係を示
す図である。

【図９】燃焼器ライナのメタル温度の検討結果を示す図
である。

【図１０】本発明のその他の実施例の概要図である。

【図１１】本発明のその他の実施例の概要図である。

【図１２】本発明のその他の実施例の概要図である。

【符号の説明】

１…圧縮機、２…燃焼器、３…タービン、４…発電機、
５…ガスタービンケーシング、６…燃焼器外筒、７…燃
焼器カバー、８…拡散パイロットバーナ、９…予混合バ
ーナ、１０…予混合用バーナノズル、１１…保炎器、１
２…燃焼器ライナ、１３…リブ、１４…フロースリー
ブ、１５…尾筒、１６Ａ，１６Ｂ…ひずみゲージ、１８
…冷却孔、１９…段違い断面を有するリング、１００…
高圧空気、１０１…拡散パイロットバーナ用空気、１０
２…予混合バーナ用空気、１０３…燃焼ガス、２００…
主燃料系統、２０１…拡散パイロットバーナ用燃料系
統、２０２…予混合バーナ用燃料系統。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石附敏雄茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者林則行茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者小林成嘉茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者石橋洋二茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者笹田哲男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)発明者中原信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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料と空気とを燃焼させる燃焼器と、前記
燃焼器の下流側に燃焼を行うライナを配置し、前記ライ
ナの外周部に前記燃焼器に供給される空気が流れる流路
を有するガスタービン燃焼器において、前記流路は、筒状の前記のライナと前記ライナより直径
が大きく同心円状に位置する筒状の外周壁とから構成さ
れ、前記ライナの外周面に、螺旋状のリブが設けられている
ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項２】燃焼器の軸芯側に配置された拡散燃焼器
と、その外周側に予混合燃焼器を配置し、前記各々の燃
焼器の下流側に燃焼を行うライナを配置し、前記ライナ
の外周部に少なくともいずれかの燃焼器に供給される空
気が流れる流路を有するガスタービン燃焼器において、前記流路は、筒状の前記のライナと前記ライナより直径
が大きく同心円状に位置する筒状の外周壁とから構成さ
れ、前記ライナの外周部には、螺旋状のリブが設けられ、前
記リブが多重螺旋状に配置されていることを特徴とする
ガスタービン燃焼器。
【請求項３】請求項１および２のガスタービン燃焼器に
おいて、前記リブは、不連続部を有し、一の不連続部を通るライ
ナ軸と平行な直線からはずれた位置に隣接する不連続部
を配置することを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項４】請求項１から３のガスタービン燃焼器にお
いて、前記ライナは周方向に冷却孔が複数配置され、一端が前記冷却孔の上流側の上記ライナ内周に設置さ
れ、他端が前記冷却孔より下流側まで張り出したリング
が設けられたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項５】請求項１から４のガスタービン燃焼器にお
いて、前記ライナは遠心鋳造法により形成されることを特徴と
するガスタービン燃焼器。