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JP2008261605A - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

ガスタービン燃焼器 Download PDF

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JP2008261605A JP2007106415A JP2007106415A JP2008261605A JP 2008261605 A JP2008261605 A JP 2008261605A JP 2007106415 A JP2007106415 A JP 2007106415A JP 2007106415 A JP2007106415 A JP 2007106415A JP 2008261605 A JP2008261605 A JP 2008261605A
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友人 永井
Eigo Kato
永護 加藤
Satoru Konishi
哲 小西
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Abstract

【課題】ガスタービン燃焼器において、トップハット部の連結部に作用する応力を低減することで長寿命化を図る。
【解決手段】トップハットノズル37を有するトップハット部47を、第1燃料通路66が周方向に複数形成されたトップハット本体61に対して、凹部65をカバー62により被覆することで第1燃料通路66が連通するキャビティ49を形成し、トップハット本体61に内側リング63及び外側リング64を連結すると共に互いに連結することで第1燃料通路66に連通する第2燃料通路67を形成し、内側リング63にペグ52を固定して第3燃料通路68を介して第2燃料通路67に連通して構成し、内側リング63と外側リング64に熱延びを吸収する熱延び吸収手段として薄肉部63b,64bを設ける。
【選択図】 図1

Description

本発明は、圧縮した圧縮空気に燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給して回転動力を得るガスタービンにおいて、低NOx化を図るためにメイン燃料ラインに対して、トップハット燃料ラインを設けて均一な燃料混合気を生成可能としたガスタービン燃焼器に関する。
例えば、ガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンにより構成されており、空気取入口から取り込まれた空気が圧縮機によって圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となり、燃焼器にて、この圧縮空気に対して燃料を供給して燃焼させ、高温・高圧の燃焼ガスがタービンを駆動し、このタービンに連結された発電機を駆動する。この場合、タービンは、車室内に複数の静翼及び動翼が交互に配設されて構成されており、燃焼ガスにより動翼を駆動することで発電機の連結される出力軸を回転駆動している。そして、タービンを駆動した燃焼ガスは、排気車室のディフューザにより静圧に変換されてから大気に放出される。
図14は、従来のガスタービン燃焼器を表す概略図である。従来のガスタービン燃焼器において、図14に示すように、燃焼器外筒001の内側に燃焼器内筒002が支持され、この燃焼器内筒002の先端部に燃焼器尾筒003が連結されてケーシングが構成され、燃焼器外筒001と燃焼器内筒002との間に空気通路004が形成されている。この燃焼器内筒002内には、その中心部にパイロットノズル005が配設されると共に、燃焼器内筒001の内周面に周方向に沿って複数のメイン燃料ノズル006が配設され、パイロットノズル005の周囲にはメインバーナ007が配設され、各メイン燃料ノズル006の先端部が連通している。また、燃焼器外筒001の内周面に周方向に沿って複数のトップハットノズル008が配設され、各トップハットノズル008に燃料通路009が連結されている。
そして、パイロットノズル005にパイロット燃料ライン010が連結され、メイン燃料ノズル006にメイン燃料ライン011が連結され、トップハットノズル008にトップハット燃料ライン012が連結されている。
従って、圧縮機によって圧縮された高温・高圧の圧縮空気の空気流がガスタービン燃焼器の空気通路004に流れこむと、この空気がトップハットノズル008から噴射された燃料と混合され、この燃料混合気が燃焼器内筒002内に流れ込む。燃焼器内筒002内では、この燃料混合気がメイン燃料ノズル006から噴射された燃料とメインバーナ007により混合され、予混合気の旋回流となって尾筒003内に流れ込む。また、燃料混合気は、パイロットノズル005から噴射された燃料と混合され、図示しない種火により着火されて燃焼し、燃焼ガスとなって尾筒003内に噴出する。このとき、燃焼ガスの一部が尾筒003内に火炎を伴って周囲に拡散するように噴出することで、各メイン燃料ノズル006から尾筒003内に流れ込んだ予混合気に着火されて燃焼する。即ち、パイロットノズル005から噴射したパイロット燃料による拡散火炎により、メイン燃料ノズル006からの希薄予混合燃料の安定燃焼を行うための保炎を行うことができる。
このようなガスタービンとしては、下記特許文献1、2に記載されたものがある。
特開2001−141243号公報 特開2000−171038号公報
上述した従来のガスタービン燃焼器では、圧縮空気の空気流に対してトップハットノズル008から燃料を噴射して燃料混合気を形成し、この燃料混合気に対してメイン燃料ノズル006から燃料を噴射して予混合気を形成することで、均一な燃料混合気を形成して低NOx化を図っている。この場合、トップハット燃料ライン012からトップハットノズル008に燃料を供給するための燃料通路009を燃焼器外筒001に形成する必要がある。一般的には、燃焼器外筒001に周方向に沿って凹部を形成し、この凹部を被覆するカバーを固定することで燃料キャビティを形成し、この燃料キャビティから各トップハットノズル008に連通する複数の燃料通路009を燃焼器外筒001に形成している。そして、径の異なる2つのリングを嵌合させることで、両者の間に複数の燃料通路009を形成している。
ところが、このような構成にあっては、ガスタービン燃焼器の運転時に、燃料通路009を形成する2つのリングに対して熱応力が作用することから、強度低下が問題となる。即ち、ガスタービン燃焼器の起動時には、燃焼器外筒001は、内部から加熱されて熱膨張することから、高温側となる内側のリングが熱膨張することで圧縮応力が作用し、低温側となる外側リングに引張応力が作用するため、各リングの溶接部に応力集中が生じる。そして、ガスタービン燃焼器の起動と停止を繰り返し行うことで、この各リングの溶接部に亀裂等が発生するおそれがある。
本発明は上述した課題を解決するものであり、トップハット部の連結部に作用する応力を低減することで長寿命化を図ったガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するための請求項1の発明のガスタービン燃焼器は、燃焼器外筒と、該燃焼器外筒の内側に空気通路を介して配設される燃焼器内筒と、前記燃焼器外筒と前記燃焼器内筒が連結されるトップハット部と、該トップハット部に周方向に沿って配置される複数のトップハットノズルと、前記燃焼器内筒の中心部に設けられるパイロットノズルと、前記燃焼器内筒の内周面に周方向に沿って前記パイロットノズルを取り囲むように配置される複数の予混合ノズルとを具えたガスタービン燃焼器において、前記トップハット部は、円筒形状をなして軸方向に沿った第1燃料通路が周方向に複数形成されたトップハット本体と、該トップハット本体に形成された凹部を被覆することで前記第1燃料通路が連通するキャビティを形成するカバーと、前記トップハット本体に連結されると共に互いに連結されることで前記第1燃料通路に連通する第2燃料通路が形成される内側リング及び外側リングと、前記内側リングに固定されることで第3燃料通路を介して前記第2燃料通路に連通する燃料噴射部とを有し、前記内側リングと前記外側リングの少なくともいずれか一方に熱延びを吸収する熱延び吸収手段が設けられることを特徴とするものである。
請求項2の発明のガスタービン燃焼器では、前記熱延び吸収手段は、前記内側リングと前記外側リングの少なくともいずれか一方に形成される薄肉部を有することを特徴としている。
請求項3の発明のガスタービン燃焼器では、前記熱延び吸収手段は、前記第2燃料通路に連通する所定長さの隙間部を有することを特徴としている。
請求項4の発明のガスタービン燃焼器では、前記熱延び吸収手段は、前記内側リングまたは前記外側リングの一方に前記第2燃料通路から離間して形成されるスリットを有することを特徴としている。
請求項5の発明のガスタービン燃焼器では、前記熱延び吸収手段は、前記外側リングを前記内側リングより線膨張率の高い材料とすることで構成することを特徴としている。
請求項6の発明のガスタービン燃焼器では、前記トップハット本体に前記燃焼器外筒への取付フランジが形成され、該取付フランジ内に前記第1燃料通路に連通する空洞部が形成されることを特徴としている。
請求項7の発明のガスタービン燃焼器では、前記トップハット本体に前記燃焼器外筒への取付フランジが形成され、該取付フランジ内に外周面に開口する切欠部が形成されることを特徴としている。
請求項1の発明のガスタービン燃焼器によれば、円筒形状をなして軸方向に沿った第1燃料通路が周方向に複数形成されたトップハット本体と、このトップハット本体に形成された凹部を被覆することで第1燃料通路が連通するキャビティを形成するカバーと、トップハット本体に連結されると共に互いに連結されることで第1燃料通路に連通する第2燃料通路が形成される内側リング及び外側リングと、内側リングに固定されることで第3燃料通路を介して第2燃料通路に連通する燃料噴射部とによりトップハット部を構成し、内側リングと外側リングの少なくともいずれか一方に熱延びを吸収する熱延び吸収手段を設けるので、トップハット部の内側と外側で温度差が発生すると、内側リングまたは外側リングが熱膨張して圧縮応力が作用するが、熱延び吸収手段によりこの熱延びが吸収されることから、各リングの連結部への応力集中が低減して亀裂等の発生が抑制されることとなり、長寿命化を可能とすることができる。
請求項2の発明のガスタービン燃焼器によれば、熱延び吸収手段として、内側リングと外側リングの少なくともいずれか一方に薄肉部を形成するので、内側リングまたは外側リングが熱膨張して圧縮応力が作用するとき、薄肉部が変形することでこの熱延びが吸収されることから、各リングの連結部への応力集中が低減して亀裂等の発生を抑制することができる。
請求項3の発明のガスタービン燃焼器によれば、熱延び吸収手段として、第2燃料通路に連通する所定長さの隙間部を設けるので、内側リングまたは外側リングが熱膨張して圧縮応力が作用するとき、隙間部により各リングの変形が抑制されることから、各リングの連結部への応力集中が低減して亀裂等の発生を抑制することができる。
請求項4の発明のガスタービン燃焼器によれば、熱延び吸収手段として、内側リングまたは外側リングの一方に第2燃料通路から離間してスリットを形成するので、内側リングまたは外側リングが熱膨張して圧縮応力が作用するとき、スリットにより各リングの変形が抑制されることから、各リングの連結部への応力集中が低減して亀裂等の発生を抑制することができる。
請求項5の発明のガスタービン燃焼器によれば、熱延び吸収手段を、外側リングを内側リングより線膨張率の高い材料とすることで構成するので、内側リングが熱膨張して圧縮応力が作用するとき、線膨張率の高い材料により構成された外側リングが変形することでこの熱延びが吸収されることから、各リングの連結部への応力集中が低減して亀裂等の発生を抑制することができる。
請求項6の発明のガスタービン燃焼器によれば、トップハット本体に燃焼器外筒への取付フランジを形成し、この取付フランジ内に第1燃料通路に連通する空洞部を形成するので、内側リングまたは外側リングが熱膨張して圧縮応力が作用するとき、フランジ部が変形することでこの熱延びが吸収されることから、各リングの連結部への応力集中が低減して亀裂等の発生を抑制することができる。
請求項7の発明のガスタービン燃焼器によれば、トップハット本体に燃焼器外筒への取付フランジを形成し、この取付フランジ内に外周面に開口する切欠部を形成するので、内側リングまたは外側リングが熱膨張して圧縮応力が作用するとき、フランジ部が切欠部により変形することでこの熱延びが吸収されることから、各リングの連結部への応力集中が低減して亀裂等の発生を抑制することができる。
以下に添付図面を参照して、本発明に係るガスタービン燃焼器の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。
図1は、本発明の実施例1に係るガスタービン燃焼器におけるトップハット部の断面図、図2は、実施例1のガスタービン燃焼器におけるトップハット部の要部拡大図、図3は、実施例1のガスタービンの概略構成図、図4は、実施例1のガスタービン燃焼器の概略構成図、図5は、実施例1のガスタービン燃焼器における要部断面図である。
実施例1のガスタービンは、図3に示すように、圧縮機11と燃焼器(ガスタービン燃焼器)12とタービン13と排気室14により構成され、このタービン13に図示しない発電機が連結されている。この圧縮機11は、空気を取り込む空気取入口15を有し、圧縮機車室16内に複数の静翼17と動翼18が交互に配設されてなり、その外側に抽気マニホールド19が設けられている。燃焼器12は、圧縮機11で圧縮された圧縮空気に対して燃料を供給し、バーナで点火することで燃焼可能となっている。タービン13は、タービン車室20内に複数の静翼21と動翼22が交互に配設されている。排気室14は、タービン13に連続する排気ディフューザ23を有している。また、圧縮機11、燃焼器12、タービン13、排気室14の中心部を貫通するようにロータ(タービン軸)24が位置しており、圧縮機11側の端部が軸受部25により回転自在に支持される一方、排気室14側の端部が軸受部26により回転自在に支持されている。そして、このロータ24に複数のディスクプレートが固定され、各動翼18,22が連結されると共に、排気室14側の端部に図示しない発電機の駆動軸が連結されている。
従って、圧縮機11の空気取入口15から取り込まれた空気が、複数の静翼21と動翼22を通過して圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となり、燃焼器12にて、この圧縮空気に対して所定の燃料が供給されることで燃焼する。そして、この燃焼器12で生成された作動流体である高温・高圧の燃焼ガスが、タービン13を構成する複数の静翼21と動翼22を通過することでロータ24を駆動回転し、このロータ24に連結された発電機を駆動する一方、排気ガスは排気室14の排気ディフューザ23で静圧に変換されてから大気に放出される。
上述した燃焼器12において、図4に示すように、燃焼器外筒31の内部に所定間隔をあけて燃焼器内筒32が支持され、この燃焼器内筒32の先端部に燃焼器尾筒33が連結されて燃焼器ケーシングが構成されている。燃焼器内筒32内には、その中心部にパイロットノズル34が配設されると共に、燃焼器内筒32の内周面に周方向に沿ってパイロットノズル34を取り囲むように複数のメイン燃料ノズル(予混合ノズル)35が配設されており、パイロットノズル34の先端部にはパイロットコーン36が装着されている。また、燃焼器外筒31の内周面に周方向に沿って複数のトップハットノズル37が配設されている。
詳細に説明すると、図5に示すように、燃焼器外筒31は、外筒本体41の基端部に外筒蓋部42が密着し、複数の締結ボルト43により締結されて構成されており、この外筒蓋部42に燃焼器内筒32の基端部が嵌着され、外筒蓋部42と燃焼器内筒32との間に空気通路44が形成されている。そして、燃焼器内筒32内にて、その中心部にパイロットノズル34が配設されると共に、このパイロットノズル34を取り囲むように複数のメイン燃料ノズル35が配設され、各メイン燃料ノズル35の先端部がメインバーナ45に連通している。
また、外筒蓋部42には、トップハット部47が嵌合し、複数の締結ボルト48により締結されており、上述したトップハットノズル37は、このトップハット部47に設けられている。即ち、トップハット部47の基端部に周方向に沿って燃料キャビティ49が形成され、この燃料キャビティ49から先端側に向けて複数の燃料通路50が形成され、この各燃料通路50の先端部にペグ52が連結されている。
そして、図示しないパイロット燃料ラインがパイロットノズル34の燃料ポート53に連結され、メイン燃料ラインがメイン燃料ノズル35の燃料ポート54連結され、トップハット燃料ラインがトップハットノズル37の燃料ポート55に連結されている。
従って、図4及び図5に示すように、高温・高圧の圧縮空気の空気流が空気通路44に流れこむと、この圧縮空気がトップハットノズル37から噴射された燃料と混合され、この燃料混合気が燃焼器内筒32内に流れ込む。燃焼器内筒32内では、この燃料混合気がメイン燃料ノズル35から噴射された燃料とメインバーナ45により混合され、予混合気の旋回流となって尾筒33内に流れ込む。また、燃料混合気は、パイロットノズル34から噴射された燃料と混合され、図示しない種火により着火されて燃焼し、燃焼ガスとなって尾筒33内に噴出する。このとき、燃焼ガスの一部が尾筒33内に火炎を伴って周囲に拡散するように噴出することで、各メイン燃料ノズル35から尾筒33内に流れ込んだ予混合気に着火されて燃焼する。即ち、パイロットノズル34から噴射したパイロット燃料による拡散火炎により、メイン燃料ノズル35からの希薄予混合燃料の安定燃焼を行うための保炎を行うことができる。
ここで、上述した本実施例のトップハットノズル37を有するトップハット部47について、詳細に説明する。トップハット部47は、図1及び図2に示すように、トップハット本体61と、カバー62と、内側リング63及び外側リング64と、上述したペグ(燃料噴射部)52とから構成されている。
トップハット本体61は、円筒形状をなし、基端部(図1にて、左端部)の角部に周方向に沿って凹部65が形成されると共に、軸方向に沿った第1燃料通路66が周方向複数形成されている。そして、この凹部65を被覆するように断面がL字形状をなすカバー62がトップハット本体61に溶接部W1により固定されることで、燃料キャビティ49がトップハット部47の周方向に沿って設けられている。また、トップハット本体61の先端部(図1にて、右端部)に内側リング63及び外側リング64が溶接部W2,W3により連結されると共に、この内側リング63及び外側リング64同士が先端部側で互いにW4により連結されることで、この内側リング63と外側リング64との間に各第1燃料通路66に連通する第2燃料通路67が形成されている。そして、内側リング63には、各第2燃料通路67に連通する第3燃料通路68が径方向に沿って形成されており、この内側リング63の内周面に第3燃料通路68に連通するようにペグ52が溶接部W5により固定されている。なお、第1、第2、第3燃料通路66,67,68により上述した燃料通路50が構成される。
また、トップハット燃料ラインを構成する燃料配管69は、先端部にボス部70が固定されている。一方、カバー62の外周側には連結孔62aが形成されており、燃料配管69のボス部70がカバー62の連結孔62aに嵌入すると共に、ボス部70がカバー62に溶接部W6により固定されている。
そして、本実施例では、内側リング63と外側リング64に熱延びを吸収する熱延び吸収手段が設けられている。即ち、内側リング63と外側リング64の互いに対向する面、つまり、第2燃料通路67を構成する面に溝部63a,64aが形成されることで、この熱延び吸収手段を構成する薄肉部63b,64bが形成されている。
従って、ガスタービンの起動時に、トップハット部47(燃焼器外筒31)は内部から加熱されることで熱膨張することから、高温側となる内側リング63は軸方向に沿って延び、溶接部W2に圧縮応力が作用する一方、低温側となる外側リング64は軸方向に沿って早期に延びず、溶接部W3,W4に引張応力が作用する。ところが、本実施例では、内側リング63に薄肉部63bが形成されてこの部分の剛性が低下しているため、この薄肉部63bが変形することで内側リング63の熱延びを吸収することができ、各溶接部W2,W3,W4への熱応力による応力集中が低減されることとなる。
また、ガスタービンの停止時には、トップハット部47(燃焼器外筒31)は内部から冷却されることで収縮することから、低温側となる内側リング63は軸方向に沿って縮み、溶接部W2に引張応力が作用する一方、高温側となる外側リング64は軸方向に沿って早期に縮まず、溶接部W3,W4に圧縮応力が作用する。ところが、本実施例では、外側リング64に薄肉部64bが形成されてこの部分の剛性が低下しているため、この薄肉部64bが変形することで外側リング64の熱延びを吸収することができ、各溶接部W2,W3,W4への熱応力による応力集中が低減されることとなる。
このように実施例1のガスタービン燃焼器にあっては、トップハットノズル37を有するトップハット部47を、円筒形状をなして軸方向に沿った第1燃料通路66が周方向に複数形成されたトップハット本体61に対して、凹部65をカバー62により被覆することで第1燃料通路66が連通するキャビティ49を形成し、トップハット本体61に内側リング63及び外側リング64を連結すると共に互いに連結することで第1燃料通路66に連通する第2燃料通路67を形成し、内側リング63にペグ52を固定して第3燃料通路68を介して第2燃料通路67に連通して構成し、内側リング63と外側リング64に熱延びを吸収する熱延び吸収手段として薄肉部63b,64bを設けている。
従って、ガスタービンの起動時には、内側リング63の熱延びが薄肉部63bの変形により吸収される一方、ガスタービンの停止時には、外側リング64の熱延びが薄肉部64bの変形により吸収されることとなり、各溶接部W2,W3,W4への熱応力による応力集中を低減することができる。その結果、トップハット部47の内側と外側で発生する温度差による熱延びを適正に吸収することで、各リング63,64の連結部への応力集中が低減して亀裂等の発生が抑制されることとなり、長寿命化を可能とすることができる。
また、実施例1のガスタービン燃焼器では、内側リング63と外側リング64における第2燃料通路67を構成する面に溝部63a,64aを形成することで、この熱延び吸収手段としての薄肉部63b,64bを形成している。従って、内側リング63または外側リング64が熱膨張して圧縮応力が作用するとき、薄肉部63b,64bが変形することでこの熱延びが吸収されることから、各リング63,64の連結部への応力集中が低減して亀裂等の発生を抑制することができる。
なお、この実施例1では、内側リング63と外側リング64における第2燃料通路67を構成する面に溝部63a,64aを形成することで、この熱延び吸収手段としての薄肉部63b,64bを形成したが、内側リング63と外側リング64における外側の面に溝部を形成することで、熱延び吸収手段としての薄肉部を形成してもよい。
図6は、本発明の実施例2に係るガスタービン燃焼器におけるトップハット部の断面図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
実施例2のガスタービン燃焼器において、図6に示すように、本実施例のトップハットノズル37を有するトップハット部47は、トップハット本体61と、カバー62と、内側リング71及び外側リング72と、ペグ52とから構成されている。即ち、トップハット本体61は、基端部に周方向に沿って凹部65が形成されると共に、軸方向に沿った第1燃料通路66が複数形成されている。このトップハット本体61に、凹部65を被覆するようにカバー62が溶接部W1により固定されることで、燃料キャビティ49が設けられている。また、トップハット本体61の先端部に内側リング71及び外側リング72が溶接部W2,W3により連結されると共に、この内側リング71及び外側リング72同士が先端部側で互いにW4により連結されることで、この内側リング71と外側リング72との間に各第1燃料通路66に連通する第2燃料通路67が形成されている。そして、内側リング71には、第2燃料通路67に連通する第3燃料通路68が形成されており、この内側リング71の内周面に第3燃料通路68に連通するようにペグ52が溶接部W5により固定されている。
そして、本実施例では、内側リング71と外側リング72に熱延びを吸収する熱延び吸収手段が設けられている。即ち、内側リング71と外側リング72が連結されることで、この内側リング71と外側リング72との間に第2燃料通路67が形成されており、この内側リング71における外側リング72と対向する面に溝部71aが形成されることで、熱延び吸収手段を構成する所定長さの隙間部73が第2燃料通路67に連通して形成されている。この場合、内側リング71と外側リング72の軸方向の長さを十分に長く設定し、溶接部W4をこの隙間部73より先端部側に設けることで、溶接部W3,W4の間を長くしている。なお、この溶接部W3,W4の間の長さは、例えば、ガスタービンの運転時における一次応力(圧力)と熱応力(熱延び)との関係により設定している。
従って、ガスタービンの起動時に、トップハット部47は内部から加熱されることで熱膨張することから、高温側となる内側リング71は軸方向に沿って延び、溶接部W2に圧縮応力が作用する一方、低温側となる外側リング72は軸方向に沿って早期に延びず、溶接部W3,W4に引張応力が作用する。ところが、本実施例では、溶接部W3,W4の間の長さを所定長さに設定しているため、内側リング71の熱延びによる変形を緩和することができ、また、内側リング71と外側リング72との間に隙間部73を設けているため、内側リング71が外側リング72を直接押圧することを抑制でき、各溶接部W2,W3,W4への熱応力による応力集中が低減されることとなる。
また、ガスタービンの停止時には、トップハット部47は内部から冷却されることで収縮することから、低温側となる内側リング71は軸方向に沿って縮み、溶接部W2に引張応力が作用する一方、高温側となる外側リング72は軸方向に沿って早期に縮まず、溶接部W3,W4に圧縮応力が作用する。ところが、本実施例では、溶接部W3,W4の間の長さを所定長さに設定しているため、外側リング72の熱延びによる変形を緩和することができ、また、内側リング71と外側リング72との間に隙間部73を設けているため、外側リング72が内側リング71を直接押圧することを抑制でき、各溶接部W2,W3,W4への熱応力による応力集中が低減されることとなる。
このように実施例2のガスタービン燃焼器にあっては、トップハットノズル37を有するトップハット部47を、円筒形状をなして軸方向に沿った第1燃料通路66が周方向に複数形成されたトップハット本体61に対して、凹部65をカバー62により被覆することで第1燃料通路66が連通するキャビティ49を形成し、トップハット本体61に内側リング71及び外側リング72を連結すると共に互いに連結することで第1燃料通路66に連通する第2燃料通路67を形成し、内側リング71にペグ52を固定して第3燃料通路68を介して第2燃料通路67に連通して構成し、溶接部W3,W4の間の長さを所定長さに設定すると共に、内側リング71と外側リング72との間に熱延びを吸収する熱延び吸収手段として隙間部73を設けている。
従って、ガスタービンの起動時には、内側リング71の熱延びが隙間部73により吸収される一方、ガスタービンの停止時には、外側リング72の熱延びが隙間部73により吸収されることとなり、各溶接部W2,W3,W4への熱応力による応力集中を低減することができる。その結果、トップハット部47の内側と外側で発生する温度差による熱延びを適正に吸収することで、各リング71,72の連結部への応力集中が低減して亀裂等の発生が抑制されることとなり、長寿命化を可能とすることができる。
また、実施例2のガスタービン燃焼器では、内側リング71における外側リング72と対向する面に溝部71aを形成することで、熱延び吸収手段を構成する所定長さの隙間部73を第2燃料通路67に連通して形成している。従って、内側リング71または外側リング72が熱膨張して圧縮応力が作用するとき、隙間部73によりこの熱延びが吸収されることから、各リング71,72の連結部への応力集中が低減して亀裂等の発生を抑制することができる。
なお、この実施例2では、内側リング71における外側リング72と対向する面に溝部71aを形成することで、熱延び吸収手段を構成する所定長さの隙間部73を第2燃料通路67に連通して形成したが、外側リング72における内側リング71と対向する面に溝部を形成することで、熱延び吸収手段を構成する所定長さの隙間部を第2燃料通路67に連通して形成してもよい。
図7は、本発明の実施例3に係るガスタービン燃焼器におけるトップハット部の断面図、図8は、実施例3のガスタービン燃焼器におけるトップハット部の概略図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
実施例3のガスタービン燃焼器において、図7及び図8に示すように、本実施例のトップハットノズル37を有するトップハット部47は、トップハット本体61と、カバー62と、内側リング81及び外側リング82と、ペグ52とから構成されている。即ち、トップハット本体61は、基端部に周方向に沿って凹部65が形成されると共に、軸方向に沿った第1燃料通路66が複数形成されている。このトップハット本体61に、凹部65を被覆するようにカバー62が溶接部W1により固定されることで、燃料キャビティ49が設けられている。また、トップハット本体61の先端部に内側リング81及び外側リング82が溶接部W2,W3により連結されると共に、この内側リング81及び外側リング82同士が先端部側で互いにW4により連結されることで、この内側リング81と外側リング82との間に各第1燃料通路66に連通する第2燃料通路67が形成されている。そして、内側リング81には、第2燃料通路67に連通する第3燃料通路68が形成されており、この内側リング81の内周面に第3燃料通路68に連通するようにペグ52が溶接部W5により固定されている。
そして、本実施例では、内側リング81と外側リング82に熱延びを吸収する熱延び吸収手段が設けられている。即ち、内側リング81と外側リング82が連結されることで、この内側リング81と外側リング82との間に第2燃料通路67が形成されており、この内側リング81における先端部にこの第2燃料通路67から離間して、熱延び吸収手段を構成する複数のスリット83が形成されている。この場合、このスリット83は、内側リング81における溶接部W4より先端側で軸方向に沿って形成され、端部に止め孔84が形成されている。そして、このスリット83は、内側リング81の周方向に所定間隔で複数設けられている。
従って、ガスタービンの起動時に、トップハット部47は内部から加熱されることで熱膨張することから、高温側となる内側リング71は軸方向に沿って延び、溶接部W2に圧縮応力が作用する一方、低温側となる外側リング72は軸方向に沿って早期に延びず、溶接部W3,W4に引張応力が作用する。ところが、本実施例では、内側リング81における先端部に第2燃料通路67から離間して複数のスリット83を形成しているため、このスリット83の周辺部が軸方向及び周方向に変形することで内側リング81の熱延びを吸収することができ、各溶接部W2,W3,W4への熱応力による応力集中が低減されることとなる。
このように実施例3のガスタービン燃焼器にあっては、トップハットノズル37を有するトップハット部47を、円筒形状をなして軸方向に沿った第1燃料通路66が周方向に複数形成されたトップハット本体61に対して、凹部65をカバー62により被覆することで第1燃料通路66が連通するキャビティ49を形成し、トップハット本体61に内側リング81及び外側リング82を連結すると共に互いに連結することで第1燃料通路66に連通する第2燃料通路67を形成し、内側リング81にペグ52を固定して第3燃料通路68を介して第2燃料通路67に連通して構成し、内側リング81における先端部に第2燃料通路67から離間して複数のスリット83を形成している。
従って、ガスタービンの起動時には、内側リング81の熱延びがスリット83により吸収されることとなり、各溶接部W2,W3,W4への熱応力による応力集中を低減することができる。その結果、トップハット部47の内側と外側で発生する温度差による熱延びを適正に吸収することで、各リング81,82の連結部への応力集中が低減して亀裂等の発生が抑制されることとなり、長寿命化を可能とすることができる。
また、実施例2のガスタービン燃焼器では、熱延び吸収手段として、内側リング81における先端部に第2燃料通路67から離間して複数のスリット83を形成している。従って、内側リング81または外側リング82が熱膨張して圧縮応力が作用するとき、スリット83によりこの熱延びが吸収されることから、各リング81,82の連結部への応力集中が低減して亀裂等の発生を抑制することができる。
なお、この実施例3では、内側リング81における先端部に第2燃料通路67から離間してスリット83を形成することで、熱延び吸収手段を設けたが、外側リング82に第2燃料通路67から離間して溝部を形成することでスリットを設けてもよい。
図9は、本発明の実施例4に係るガスタービン燃焼器におけるトップハット部の断面図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
実施例4のガスタービン燃焼器において、図9に示すように、本実施例のトップハットノズル37を有するトップハット部47は、トップハット本体61と、カバー62と、内側リング91及び外側リング92と、ペグ52とから構成されている。即ち、トップハット本体61は、基端部に周方向に沿って凹部65が形成されると共に、軸方向に沿った第1燃料通路66が複数形成されている。このトップハット本体61に、凹部65を被覆するようにカバー62が溶接部W1により固定されることで、燃料キャビティ49が設けられている。また、トップハット本体61の先端部に内側リング91及び外側リング92が溶接部W2,W3により連結されると共に、この内側リング91及び外側リング92同士が先端部側で互いにW4により連結されることで、この内側リング91と外側リング92との間に各第1燃料通路66に連通する第2燃料通路67が形成されている。そして、内側リング91には、第2燃料通路67に連通する第3燃料通路68が形成されており、この内側リング91の内周面に第3燃料通路68に連通するようにペグ52が溶接部W5により固定されている。
そして、本実施例では、内側リング91と外側リング92に熱延びを吸収する熱延び吸収手段が設けられている。即ち、外側リング92を内側リング91より線膨張率の高い材料とすることで、この熱延び吸収手段を構成している。
従って、ガスタービンの起動時に、トップハット部47は内部から加熱されることで熱膨張することから、高温側となる内側リング91は軸方向に沿って延び、溶接部W2に圧縮応力が作用する一方、低温側となる外側リング92は軸方向に沿って早期に延びず、溶接部W3,W4に引張応力が作用する。ところが、本実施例では、外側リング92が内側リング91より線膨張率の高い材料により形成されているため、内側リング91の熱延びが吸収されて内側リング91と外側リング92との熱延び量ほぼ均等となり、各溶接部W2,W3,W4への熱応力による応力集中が低減されることとなる。
このように実施例4のガスタービン燃焼器にあっては、トップハットノズル37を有するトップハット部47を、円筒形状をなして軸方向に沿った第1燃料通路66が周方向に複数形成されたトップハット本体61に対して、凹部65をカバー62により被覆することで第1燃料通路66が連通するキャビティ49を形成し、トップハット本体61に内側リング91及び外側リング92を連結すると共に互いに連結することで第1燃料通路66に連通する第2燃料通路67を形成し、内側リング91にペグ52を固定して第3燃料通路68を介して第2燃料通路67に連通して構成し、外側リング92を内側リング91より線膨張率の高い材料により形成している。
従って、ガスタービンの起動時には、内側リング91の熱延びが吸収されることとなり、各溶接部W2,W3,W4への熱応力による応力集中を低減することができる。その結果、トップハット部47の内側と外側で発生する温度差による熱延びを適正に吸収することで、各リング91,92の連結部への応力集中が低減して亀裂等の発生が抑制されることとなり、長寿命化を可能とすることができる。
なお、この実施例4では、熱延び吸収手段として、外側リング92を内側リング91より線膨張率の高い材料とすることで、ガスタービンの起動時における熱延びを吸収するようにしたが、内側リング91を外側リング92より線膨張率の高い材料とすることで、ガスタービンの停止時における熱延びを吸収するようにしてもよい。
図10は、本発明の実施例5に係るガスタービン燃焼器におけるトップハット部の断面図、図11は、図10のXI−XI断面図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
実施例5のガスタービン燃焼器において、図10及び図11に示すように、本実施例のトップハットノズル37を有するトップハット部47は、トップハット本体101と、カバー62と、内側リング63及び外側リング64と、ペグ52とから構成されている。即ち、トップハット本体101は、基端部に周方向に沿って凹部65が形成されると共に、軸方向に沿った第1燃料通路102が複数形成されている。このトップハット本体101に、凹部65を被覆するようにカバー62が溶接部W1により固定されることで、燃料キャビティ49が設けられている。また、トップハット本体101の先端部に内側リング63及び外側リング64が溶接部W2,W3により連結されると共に、この内側リング63及び外側リング64同士が先端部側で互いにW4により連結されることで、この内側リング63と外側リング64との間に各第1燃料通路102に連通する第2燃料通路67が形成されている。そして、内側リング63には、第2燃料通路67に連通する第3燃料通路68が形成されており、この内側リング63の内周面に第3燃料通路68に連通するようにペグ52が溶接部W5により固定されている。
そして、本実施例では、トップハット本体101には、トップハット部47を外筒蓋部(燃焼器外筒)へ固定するためのリング形状をなす取付フランジ101aが一体に形成され、この取付フランジ101aに締結ボルトが貫通する取付孔101bが周方向に所定間隔で複数形成されている。また、トップハット本体101には、上述したように、第1燃料通路102が形成されており、この第1燃料通路102の中途部に通路面積が拡大する拡大部103が形成され、この拡大部103に連通して取付フランジ101a側に延出する空洞部104が形成されている。
従って、ガスタービンの起動時に、トップハット部47は内部から加熱されることで熱膨張することから、高温側となる内側リング63は軸方向に沿って延び、溶接部W2に圧縮応力が作用する一方、低温側となる外側リング64は軸方向に沿って早期に延びず、溶接部W3,W4に引張応力が作用する。ところが、本実施例では、トップハット本体101の取付フランジ101aの内部に第1燃料通路102の拡大部103に連通する空洞部104が形成されているため、外側リング64の温度が早期に上昇することとなり、内側リング63の熱延びによる変形を緩和することができ、各溶接部W2,W3,W4への熱応力による応力集中が低減されることとなる。
また、ガスタービンの停止時には、トップハット部47は内部から冷却されることで収縮することから、低温側となる内側リング63は軸方向に沿って縮み、溶接部W2に引張応力が作用する一方、高温側となる外側リング64は軸方向に沿って早期に縮まず、溶接部W3,W4に圧縮応力が作用する。ところが、本実施例では、トップハット本体101の取付フランジ101aの内部に第1燃料通路102の拡大部103に連通する空洞部104が形成されているため、外側リング64の温度が早期に下降することとなり、外側リング64の熱延びによる変形を緩和することができ、各溶接部W2,W3,W4への熱応力による応力集中が低減されることとなる。
このように実施例5のガスタービン燃焼器にあっては、トップハットノズル37を有するトップハット部47を、円筒形状をなして軸方向に沿った第1燃料通路102が周方向に複数形成されたトップハット本体101に対して、凹部65をカバー62により被覆することで第1燃料通路102が連通するキャビティ49を形成し、トップハット本体101に内側リング63及び外側リング64を連結すると共に互いに連結することで第1燃料通路102に連通する第2燃料通路67を形成し、内側リング63にペグ52を固定して第3燃料通路68を介して第2燃料通路67に連通して構成し、トップハット本体101における取付フランジ101aの内部に第1燃料通路102の拡大部103に連通する空洞部104を形成している。
従って、ガスタービンの起動時及び停止時には、内側リング63と外側リング64の熱延び量の差が減少することとなり、各溶接部W2,W3,W4への熱応力による応力集中を低減することができる。その結果、トップハット部47の内側と外側で発生する温度差による熱延びを適正に吸収することで、各リング63,64の連結部への応力集中が低減して亀裂等の発生が抑制されることとなり、長寿命化を可能とすることができる。
図12は、本発明の実施例6に係るガスタービン燃焼器におけるトップハット部の断面図、図13は、図12のXIII−XIII断面図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
実施例6のガスタービン燃焼器において、図12及び図13に示すように、本実施例のトップハットノズル37を有するトップハット部47は、トップハット本体111と、カバー62と、内側リング63及び外側リング64と、ペグ52とから構成されている。即ち、トップハット本体111は、基端部に周方向に沿って凹部65が形成されると共に、軸方向に沿った第1燃料通路112が複数形成されている。このトップハット本体111に、凹部65を被覆するようにカバー62が溶接部W1により固定されることで、燃料キャビティ49が設けられている。また、トップハット本体111の先端部に内側リング63及び外側リング64が溶接部W2,W3により連結されると共に、この内側リング63及び外側リング64同士が先端部側で互いにW4により連結されることで、この内側リング63と外側リング64との間に各第1燃料通路112に連通する第2燃料通路67が形成されている。そして、内側リング63には、第2燃料通路67に連通する第3燃料通路68が形成されており、この内側リング63の内周面に第3燃料通路68に連通するようにペグ52が溶接部W5により固定されている。
そして、本実施例では、トップハット本体111には、トップハット部47を外筒蓋部(燃焼器外筒)へ固定するためのリング形状をなす取付フランジ111aが一体に形成され、この取付フランジ111aに締結ボルトが貫通する取付孔111bが周方向に所定間隔で複数形成されている。また、トップハット本体111における取付フランジ111aには、外周面に開口する切欠部113が周方向に所定間隔で複数形成されている。この場合、切各部113は、取付フランジ111aの周方向に取付孔111bとの間に全て設けたり、その一部に設けるとよい。
従って、ガスタービンの起動時に、トップハット部47は内部から加熱されることで熱膨張することから、高温側となる内側リング63は軸方向に沿って延び、溶接部W2に圧縮応力が作用する一方、低温側となる外側リング64は軸方向に沿って早期に延びず、溶接部W3,W4に引張応力が作用する。ところが、本実施例では、トップハット本体111の取付フランジ111aに切欠部113が形成されているため、外側リング64の温度が早期に上昇することとなり、また、取付フランジ111aが周方向に変形することとなり、内側リング63の熱延びによる変形を緩和することができ、各溶接部W2,W3,W4への熱応力による応力集中が低減されることとなる。
また、ガスタービンの停止時には、トップハット部47は内部から冷却されることで収縮することから、低温側となる内側リング63は軸方向に沿って縮み、溶接部W2に引張応力が作用する一方、高温側となる外側リング64は軸方向に沿って早期に縮まず、溶接部W3,W4に圧縮応力が作用する。ところが、本実施例では、トップハット本体111の取付フランジ111aに切欠部113が形成されているため、外側リング64の温度が早期に下降することとなり、また、取付フランジ111aが周方向に変形することとなり、外側リング64の熱延びによる変形を緩和することができ、各溶接部W2,W3,W4への熱応力による応力集中が低減されることとなる。
このように実施例6のガスタービン燃焼器にあっては、トップハットノズル37を有するトップハット部47を、円筒形状をなして軸方向に沿った第1燃料通路112が周方向に複数形成されたトップハット本体111に対して、凹部65をカバー62により被覆することで第1燃料通路112が連通するキャビティ49を形成し、トップハット本体111に内側リング63及び外側リング64を連結すると共に互いに連結することで第1燃料通路112に連通する第2燃料通路67を形成し、内側リング63にペグ52を固定して第3燃料通路68を介して第2燃料通路67に連通して構成し、トップハット本体111における取付フランジ111aに外周側に開口する切欠部113を形成している。
従って、ガスタービンの起動時及び停止時には、内側リング63と外側リング64の熱延び量の差が減少することとなり、各溶接部W2,W3,W4への熱応力による応力集中を低減することができる。その結果、トップハット部47の内側と外側で発生する温度差による熱延びを適正に吸収することで、各リング63,64の連結部への応力集中が低減して亀裂等の発生が抑制されることとなり、長寿命化を可能とすることができる。
なお、上述した各実施例では、内側リング63,71,81,91と外側リング64,72,82,92の両方に熱延びを吸収する熱延び吸収手段を設けたが、内側リング63,71,81,91と外側リング64,72,82,92のいずれか一方に熱延び吸収手段を設けてもよい。
本発明に係るガスタービン燃焼器は、トップハット部に作用する熱延びを吸収することで、その連結部に作用する応力を低減して長寿命化を図るものであり、いずれの種類のガスタービンにも適用することができる。
本発明の実施例1に係るガスタービン燃焼器におけるトップハット部の断面図である。 実施例1のガスタービン燃焼器におけるトップハット部の要部拡大図である。 実施例1のガスタービンの概略構成図である。 実施例1のガスタービン燃焼器の概略構成図である。 実施例1のガスタービン燃焼器における要部断面図である。 本発明の実施例2に係るガスタービン燃焼器におけるトップハット部の断面図である。 本発明の実施例3に係るガスタービン燃焼器におけるトップハット部の断面図である。 実施例3のガスタービン燃焼器におけるトップハット部の概略図である。 本発明の実施例4に係るガスタービン燃焼器におけるトップハット部の断面図である。 本発明の実施例5に係るガスタービン燃焼器におけるトップハット部の断面図である。 図10のXI−XI断面図である。 本発明の実施例6に係るガスタービン燃焼器におけるトップハット部の断面図である。 図12のXIII−XIII断面図である。 従来のガスタービン燃焼器を表す概略図である。
符号の説明
11 圧縮機
12 燃焼器
13 タービン
14 排気室
31 燃焼器外筒
32 燃焼器内筒
33 燃焼器尾筒
34 パイロットノズル
35 メイン燃料ノズル
37 トップハットノズル
47 トップハット部
49 燃料キャビティ
50 燃料通路
52 ペグ(燃料噴射部)
61,101,111 トップハット本体
62 カバー
63,71,81 内側リング
63b 薄肉部(熱延び吸収手段)
64,72,82 外側リング
64b 薄肉部(熱延び吸収手段)
66,102,112 第1燃料通路
67 第2燃料通路
68 第3燃料通路
73 隙間部(熱延び吸収手段)
83 スリット(熱延び吸収手段)
91 内側リング(熱延び吸収手段)
92 外側リング(熱延び吸収手段)
101a,111a 取付フランジ
104 空洞部
113 切欠部
1,W2,W3,W4,W5,W6 溶接部(連結部)

Claims (7)

  1. 燃焼器外筒と、該燃焼器外筒の内側に空気通路を介して配設される燃焼器内筒と、前記燃焼器外筒と前記燃焼器内筒が連結されるトップハット部と、該トップハット部に周方向に沿って配置される複数のトップハットノズルと、前記燃焼器内筒の中心部に設けられるパイロットノズルと、前記燃焼器内筒の内周面に周方向に沿って前記パイロットノズルを取り囲むように配置される複数の予混合ノズルとを具えたガスタービン燃焼器において、前記トップハット部は、円筒形状をなして軸方向に沿った第1燃料通路が周方向に複数形成されたトップハット本体と、該トップハット本体に形成された凹部を被覆することで前記第1燃料通路が連通するキャビティを形成するカバーと、前記トップハット本体に連結されると共に互いに連結されることで前記第1燃料通路に連通する第2燃料通路が形成される内側リング及び外側リングと、前記内側リングに固定されることで第3燃料通路を介して前記第2燃料通路に連通する燃料噴射部とを有し、前記内側リングと前記外側リングの少なくともいずれか一方に熱延びを吸収する熱延び吸収手段が設けられることを特徴とするガスタービン燃焼器。
  2. 請求項1に記載のガスタービン燃焼器において、前記熱延び吸収手段は、前記内側リングと前記外側リングの少なくともいずれか一方に形成される薄肉部を有することを特徴とするガスタービン燃焼器。
  3. 請求項1に記載のガスタービン燃焼器において、前記熱延び吸収手段は、前記第2燃料通路に連通する所定長さの隙間部を有することを特徴とするガスタービン燃焼器。
  4. 請求項1に記載のガスタービン燃焼器において、前記熱延び吸収手段は、前記内側リングまたは前記外側リングの一方に前記第2燃料通路から離間して形成されるスリットを有することを特徴とするガスタービン燃焼器。
  5. 請求項1に記載のガスタービン燃焼器において、前記熱延び吸収手段は、前記外側リングを前記内側リングより線膨張率の高い材料とすることで構成することを特徴とするガスタービン燃焼器。
  6. 請求項1から5のいずれか一つに記載のガスタービン燃焼器において、前記トップハット本体に前記燃焼器外筒への取付フランジが形成され、該取付フランジ内に前記第1燃料通路に連通する空洞部が形成されることを特徴とするガスタービン燃焼器。
  7. 請求項1から6のいずれか一つに記載のガスタービン燃焼器において、前記トップハット本体に前記燃焼器外筒への取付フランジが形成され、該取付フランジ内に外周面に開口する切欠部が形成されることを特徴とするガスタービン燃焼器。
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