(57)【要約】  実施形態のガスタービン設備１０は、燃焼器ケーシング７０と、ケーシング内に設けられた燃焼器２０と、燃焼器２０の周囲を包囲し、燃焼器ケーシング７０と燃焼器２０との間の空間を区画する筒体８０と、燃焼器２０から排出された燃焼ガスによって回動されるタービン２５と、タービン２５から排出された燃焼ガスを冷却する熱交換器２４と、熱交換器２４で冷却された燃焼ガスの一部を熱交換器２４を通して加熱し、筒体内に導く配管４２と、熱交換器２４で冷却された燃焼ガスの他の一部を燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に導く配管４４と、熱交換器２４で冷却された燃焼ガスの残部を外部に排出する配管４５とを備える。
2017158636.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングと、
前記ケーシング内に設けられ、燃料と酸化剤を燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器の周囲を包囲し、前記ケーシングと前記燃焼器との間の空間を区画する筒体と、
前記燃焼器から排出された燃焼ガスによって回動されるタービンと、
前記タービンから排出された前記燃焼ガスを冷却する熱交換器と、
前記熱交換器で冷却された前記燃焼ガスの一部を前記熱交換器を通して加熱し、前記筒体内に導く高温燃焼ガス供給管と、
前記熱交換器で冷却された前記燃焼ガスの他の一部を前記ケーシングと前記筒体との間に導く低温燃焼ガス供給管と、
前記熱交換器で冷却された前記燃焼ガスの残部を外部に排出する排出管と
を具備することを特徴とするガスタービン設備。
【請求項２】
前記高温燃焼ガス供給管が、前記低温燃焼ガス供給管内を貫通し、
前記低温燃焼ガス供給管が、前記ケーシングに連結され、
前記低温燃焼ガス供給管を流れる前記燃焼ガスが、前記高温燃焼ガス供給管と前記低温燃焼ガス供給管との間を通り、前記ケーシングと前記筒体との間に導かれることを特徴とする請求項１記載のガスタービン設備。
【請求項３】
ケーシングと、
前記ケーシング内に設けられ、燃料と酸化剤を燃焼させる燃焼器と、
前記ケーシングと前記燃焼器との間に長手方向に設けられ、前記ケーシングと前記燃焼器との間の空間を外側空間と内側空間とに区画する筒体と、
前記燃焼器から排出された燃焼ガスによって回動されるタービンと、
前記タービンから排出された前記燃焼ガスを冷却する熱交換器と、
前記熱交換器で冷却された前記燃焼ガスの一部を前記熱交換器を通して加熱し、前記内側空間に導く高温燃焼ガス供給管と、
前記内側空間を形成する前記ケーシングの肉厚内部に形成され、前記外側空間に連通する流路と、
前記熱交換器で冷却された前記燃焼ガスの他の一部を前記流路に導く低温燃焼ガス供給管と、
前記熱交換器で冷却された前記燃焼ガスの残部を外部に排出する排出管と
を具備することを特徴とするガスタービン設備。
【請求項４】
前記高温燃焼ガス供給管が、前記ケーシングの、前記流路を有する流路形成部を貫通して連結されていることを特徴とする請求項３記載のガスタービン設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ガスタービン設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電プラントの高効率化は、二酸化炭素の削減や省資源などの要求から進められている。具体的には、ガスタービンや蒸気タービンの作動流体の高温化、コンバインドサイクル化などが積極的に進められている。また、二酸化炭素の回収技術についても、研究開発が進められている。【０００３】
図８は、従来のガスタービン設備３００の系統図である。図９は、従来のガスタービン設備３００に設けられる燃焼器３１３の縦断面を模式的に示した図である。従来のガスタービン設備３００では、燃焼器において生成した二酸化炭素と水蒸気を作動流体としてタービンを稼動し、タービンから排出された二酸化炭素の一部を循環させている。【０００４】
図８に示すように、従来のガスタービン設備３００において、空気分離機（図示しない）から分離された酸素は、配管３４０に導入される。そして、酸素は、圧縮機３１０によって昇圧され、流量調整弁３１１によって流量が制御される。流量調整弁３１１を通過した酸素は、熱交換器３１２において、後述する燃焼ガスからの熱を受けて加熱され、燃焼器３１３に供給される。【０００５】
燃料は、燃料供給源（図示しない）から配管３４１に導かれる。そして、燃料は、流量調整弁３１４によって流量が調節され、燃焼器３１３に供給される。この燃料は、炭化水素である。【０００６】
燃焼器３１３において、図９に示すように、配管３４０から供給された酸素および配管３４１から供給された燃料は、燃焼器３１３内で反応（燃焼）する。この燃焼によって、二酸化炭素と水蒸気を含む燃焼ガスが生成される。燃料および酸素の流量は、それぞれが完全に混合した状態において量論混合比（理論混合比）となるように調整されている。【０００７】
燃焼器３１３で生成した燃焼ガスは、タービン３１５に導入される。なお、図８に示すように、タービン３１５には、例えば、発電機３１９が連結されている。タービン３１５において膨張仕事をした燃焼ガスは、熱交換器３１２を通る。この際、熱を放出し、配管３４０を流れる酸素や配管３４３を流れる二酸化炭素を加熱する。【０００８】
熱交換器３１２を通過した燃焼ガスは、冷却器３１６を通る。この際、燃焼ガス中の水蒸気が凝縮して水となる。水は、配管３４２を通り外部に排出される。【０００９】
水蒸気と分離された二酸化炭素は、配管３４３に介在する圧縮機３１７で昇圧され、超臨界流体となる。昇圧された二酸化炭素の一部は、配管３４３から分岐した配管３４４に導入される。配管３４４に導入された二酸化炭素は、流量調整弁３１８によって流量が調節され、外部に抽出される。【００１０】
一方、二酸化炭素の残部は、配管３４３を流れる。そして、二酸化炭素は、熱交換器３１２において加熱され、図９に示すように、燃焼器３１３を収容する燃焼器ケーシング３５０内に供給される。熱交換器３１２を通過した二酸化炭素の温度は、７００℃程度になる。ここで、燃焼器ケーシング３５０は、上流側ケーシング３５１ａと、下流側ケーシング３５１ｂとで構成されている。【００１１】
上流側ケーシング３５１ａ内に導かれた二酸化炭素は、下流側ケーシング３５１ｂと、燃焼器ライナ３５２およびトランジションピース３５３（尾筒）との間をタービン３１５に向かって流れる。【００１２】
二酸化炭素が下流側ケーシング３５１ｂと、燃焼器ライナ３５２およびトランジションピース３５３との間を流れる際、二酸化炭素は、燃焼器ライナ３５２およびトランジションピース３５３を冷却する。これらの冷却は、例えば、多孔式膜冷却などによって行われる。二酸化炭素の一部は、図９に示すように、多孔式膜冷却部の孔３５４、３５６や希釈孔３５５などから燃焼器ライナ３５２内やトランジションピース３５３内に導入される。また、この二酸化炭素は、タービン３１５の静翼３６０や動翼３６１の冷却にも使用される。【００１３】
燃焼器ライナ３５２内やトランジションピース３５３内に導入された二酸化炭素は、燃焼によって生成された燃焼ガスとともにタービン３１５に導入される。このように、配管３４４から排出される以外の二酸化炭素は、系統内を循環する。【００１４】
ここで、上流側ケーシング３５１ａや下流側ケーシング３５１ｂは、高温の二酸化炭素に曝される。そのため、上流側ケーシング３５１ａや下流側ケーシング３５１ｂは、高価なＮｉベースの合金で構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２０００−３３７１０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上記したように、従来のガスタービン設備３００においては、高温の二酸化炭素に曝される燃焼器ケーシング３５０を高価なＮｉベースの合金で構成しなければならない。そのため、ガスタービン設備の製造コストが増加する。【００１７】
本発明が解決しようとする課題は、燃焼器の周囲に備えられるケーシングを安価な材料で構成することができるガスタービン設備を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
実施形態のガスタービン設備は、ケーシングと、前記ケーシング内に設けられ、燃料と酸化剤を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器の周囲を包囲し、前記ケーシングと前記燃焼器との間の空間を区画する筒体と、前記燃焼器から排出された燃焼ガスによって回動されるタービンとを備える。【００１９】
さらに、ガスタービン設備は、前記タービンから排出された前記燃焼ガスを冷却する熱交換器と、前記熱交換器で冷却された前記燃焼ガスの一部を前記熱交換器を通して加熱し、前記筒体内に導く高温燃焼ガス供給管と、前記熱交換器で冷却された前記燃焼ガスの他の一部を前記ケーシングと前記筒体との間に導く低温燃焼ガス供給管と、前記熱交換器で冷却された前記燃焼ガスの残部を外部に排出する排出管とを備える。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１の実施の形態のガスタービン設備の系統図である。
【図２】第１の実施の形態のガスタービン設備に設けられる燃焼器および燃焼器ケーシングの縦断面を模式的に示した図である。
【図３】第１の実施の形態のガスタービン設備に設けられる燃焼器および他の構成の燃焼器ケーシングの縦断面を模式的に示した図である。
【図４】第２の実施の形態のガスタービン設備の系統図である。
【図５】第２の実施の形態のガスタービン設備に設けられる燃焼器および燃焼器ケーシングの縦断面を模式的に示した図である。
【図６】図５のＡ−Ａ断面に相当する断面であり、第２の実施の形態のガスタービン設備の燃焼器ケーシングにおける他の流路の一部を示す図である。
【図７】図５のＢ−Ｂ断面に相当する断面であり、第２の実施の形態のガスタービン設備の燃焼器ケーシングにおける他の流路の一部を示す図である。
【図８】従来のガスタービン設備の系統図である。
【図９】従来のガスタービン設備に設けられる燃焼器の縦断面を模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２２】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態のガスタービン設備１０の系統図である。図１に示すように、ガスタービン設備１０は、燃料と酸化剤を燃焼させる燃焼器２０と、この燃焼器２０に燃料を供給する配管４０と、燃焼器２０に酸化剤を供給する配管４１を備えている。
【００２３】
配管４０には、燃焼器２０に供給される燃料の流量を調整する流量調整弁２１が備えられている。ここで、燃料として、例えば、メタン、天然ガスなどの炭化水素が使用される。また、燃料として、例えば、一酸化炭素および水素などを含む石炭ガス化ガス燃料を使用することもできる。
【００２４】
配管４１には、燃焼器２０に供給される酸化剤の流量を調整する流量調整弁２２が備えられている。また、配管４１には、酸化剤を昇圧する圧縮機２３が設けられている。酸化剤としては、空気分離装置（図示しない）によって大気から分離された酸素が使用される。配管４１を流れる酸化剤は、熱交換器２４を通過して加熱され、燃焼器２０に供給される。
【００２５】
燃焼器２０に導かれた燃料および酸化剤は、燃焼領域において反応（燃焼）を生じ、燃焼ガスとなる。ここで、ガスタービン設備１０においては、燃焼器２０から排出される燃焼ガスに、余剰の酸化剤（酸素）や燃料が残存しないことが好ましい。そこで、燃料および酸化剤の流量は、例えば、量論混合比（当量比１）になるように調整されている。なお、ここでいう当量比は、燃料と酸素が均一に混合したと想定したときの当量比（オーバーオールでの当量比）である。
【００２６】
ガスタービン設備１０は、燃焼器２０から排出された燃焼ガスによって回動するタービン２５を備えている。このタービン２５には、例えば、発電機２６が連結されている。ここでいう、燃焼器２０から排出される燃焼ガスは、燃料と酸化剤とによって生成された燃焼生成物と、燃焼器２０に供給される後述する二酸化炭素（水蒸気が除去された燃焼ガス）とを含んだものである。
【００２７】
タービン２５から排出された燃焼ガスは、配管４２に導かれ、熱交換器２４を通過することによって冷却される。この際、燃焼ガスからの放熱によって、配管４１を流れる酸化剤や配管４２を流れる二酸化炭素を加熱する。
【００２８】
熱交換器２４を通過した燃焼ガスは、冷却器２７を通過する。燃焼ガスは、冷却器２７を通過することで、燃焼ガス中に含まれる水蒸気が除去される。この際、燃焼ガス中の水蒸気は、凝縮して水となる。この水は、例えば配管４３を通り外部に排出される。
【００２９】
ここで、前述したように、燃料および酸化剤の流量を量論混合比（当量比１）になるように調整した場合、水蒸気が除去された燃焼ガス（ドライ燃焼ガス）の成分は、ほぼ二酸化炭素である。なお、水蒸気が除去された燃焼ガスには、例えば、０．２％以下の微量の一酸化炭素が混在する場合もあるが、以下、水蒸気が除去された燃焼ガスを単に二酸化炭素と称する。
【００３０】
二酸化炭素は、配管４２に介在する圧縮機２８によって昇圧され、超臨界流体となる。昇圧された二酸化炭素の一部は、配管４２を流れ、熱交換器２４において加熱される。そして、二酸化炭素は、燃焼器２０の周囲を包囲する筒体８０内に導かれる。熱交換器２４を通過した二酸化炭素の温度は、７００℃程度になる。なお、この高温の二酸化炭素を筒体８０内に導く配管４２は、高温燃焼ガス供給管として機能する。
【００３１】
昇圧された二酸化炭素の他の一部は、配管４２から分岐した配管４４に導入される。配管４４に導入された二酸化炭素は、流量調整弁２９によって流量が調節され、冷却媒体として、燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に導かれる。配管４４によって燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に導かれる二酸化炭素の温度は、４００℃程度である。なお、配管４４は、低温燃焼ガス供給管として機能する。
【００３２】
一方、昇圧された二酸化炭素の残部は、配管４２から分岐した配管４５に導入される。配管４５に導入された二酸化炭素は、流量調整弁３０によって流量が調節され、外部に排出される。なお、配管４５は、排出管として機能する。外部に排出された二酸化炭素は、例えば、石油採掘現場で採用されているＥＯＲ（Enhanced Oil Recovery）などに利用することができる。
【００３３】
次に、第１の実施の形態のガスタービン設備１０の燃焼器ケーシング７０内の構成について詳しく説明する。
【００３４】
図２は、第１の実施の形態のガスタービン設備１０に設けられる燃焼器２０および燃焼器ケーシング７０の縦断面を模式的に示した図である。
【００３５】
図２に示すように、燃焼器２０は、燃料ノズル部６０、燃焼器ライナ６１およびトランジションピース６２（尾筒）を備える。燃料ノズル部６０は、配管４０から供給された燃料および配管４１から供給された酸化剤を燃焼器ライナ６１内に噴出する。例えば、中央から燃料を噴出し、その周囲から酸化剤を噴出する。燃焼器２０は、燃焼器ケーシング７０の内部に収容されている。
【００３６】
燃焼器ケーシング７０は、燃焼器２０を囲むように、燃焼器２０の長手方向に沿って設けられている。燃焼器ケーシング７０は、例えば、燃焼器２０の長手方向に２分割されている。燃焼器ケーシング７０は、例えば、上流側の上流側ケーシング７１および下流側の下流側ケーシング７２で構成される。なお、燃焼器ケーシング７０は、ケーシングとして機能する。
【００３７】
上流側ケーシング７１は、例えば、一端（上流端）が閉塞され、他端（下流端）が開口された筒体で構成されている。一端の中央には、燃料ノズル部６０を挿入する開口７１ａが形成されている。また、上流側ケーシング７１の側部には、配管４４が連結されている。配管４４は、例えば、上流側ケーシング７１の側部に形成された開口７１ｂに嵌め込まれ、接合されている。
【００３８】
下流側ケーシング７２は、両端が開口した筒体で構成されている。下流側ケーシング７２の一端は、上流側ケーシング７１に接続され、下流側ケーシング７２の他端は、例えば、タービン２５を囲むケーシングに接続されている。
【００３９】
図２に示すように、燃焼器ケーシング７０内には、燃焼器２０の周囲を包囲し、燃焼器ケーシング７０と燃焼器２０との間の空間を区画する筒体８０が設けられている。燃焼器２０と筒体８０との間には、所定の空間を有している。
【００４０】
筒体８０の一端（上流端）は、閉鎖され、燃料ノズル部６０を挿入する開口８１が形成されている。筒体８０の他端（下流端）は、閉鎖され、トランジションピース６２の下流端を貫通させる開口８２が形成されている。
【００４１】
筒体８０は、例えば、開口７１ａを有する板状の蓋部材８０ａを筒状の本体部材８０ｂに接合して形成される。筒体８０は、例えば、次のように組み立てられる。蓋部材８０ａの開口７１ａに燃料ノズル部６０を貫通させる。そして、燃料ノズル部６０を備えた燃焼器ケーシング７０を本体部材８０ｂ内に挿入する。その後、蓋部材８０ａを本体部材８０ｂに接合する。
【００４２】
なお、筒体８０の組立構成は、これに限られない。筒体８０は、図２に示すように、燃焼器２０の周囲を包囲する構造であれば、筒体８０の組立構成は、限定されない。
【００４３】
筒体８０の下流側の開口８２の内周面は、トランジションピース６２の下流端部の外周面に接している。
【００４４】
また、筒体８０の上流側の側部には、配管４２が連結されている。この配管４２は、図２に示すように、上流側ケーシング７１の側部に連結された配管４４内を貫通して、筒体８０の側部に連結されている。配管４２が配管４４の内部を貫通する部分は、二重管構造となっている。
【００４５】
なお、配管４２は、例えば、配管４４に形成された開口４４ａを介して配管４４の内部に挿入されている。そして、開口４４ａを有する開口部において、配管４２は、配管４４と接合されている。また、配管４２と配管４４との二重管構造は、１箇所に限らず、周方向に複数個所有してもよい。
【００４６】
ここで、配管４２および配管４４から導入された二酸化炭素の流れについて説明する。
【００４７】
配管４２から筒体８０内に導入された二酸化炭素は、燃焼器ライナ６１と筒体８０との間の環状の空間を下流側へ流れる。この際、二酸化炭素は、燃焼器ライナ６１およびトランジションピース６２を冷却する。
【００４８】
そして、二酸化炭素は、燃焼器ライナ６１およびトランジションピース６２の、例えば、多孔式膜冷却部の孔６３、６４や希釈孔６５などから燃焼器ライナ６１内やトランジションピース６２内に導入される。
【００４９】
このように、配管４２から導入された二酸化炭素の全量が燃焼器ライナ６１内やトランジションピース６２内に導入される。なお、燃焼器ライナ６１内やトランジションピース６２内に導入された二酸化炭素は、燃焼によって生成された燃焼ガスとともにタービン２５に導入される。
【００５０】
ここで、配管４２から導入される二酸化炭素の温度は７００℃程度である。この二酸化炭素の温度は、燃焼器ライナ６１およびトランジションピース６２が曝される燃焼ガスの温度に比べると低い。そのため、この二酸化炭素によって、燃焼器ライナ６１およびトランジションピース６２は、十分に冷却される。さらに、二酸化炭素の温度が７００℃程度であるため、燃焼器ライナ６１内に導入された二酸化炭素によって、燃焼状態が悪化することはない。
【００５１】
このように、配管４２から導入された二酸化炭素は、燃焼器２０の周囲を包囲する筒体８０から燃焼器ケーシング７０側に流出することなく、タービン２５に導入される。
【００５２】
一方、配管４４を流れる低温の二酸化炭素は、配管４２および配管４４で構成される二重管に導かれる。二重管に導かれた二酸化炭素は、配管４４を通り、燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に導かれる。具体的には、二重管に導かれた二酸化炭素は、配管４２と配管４４との間の環状の通路を通り、燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に導かれる。
【００５３】
配管４２と配管４４との間を流れる二酸化炭素は、配管４２と配管４４との接合部や、配管４４内を貫通する配管４２を冷却する。また、配管４２の周囲には低温の二酸化炭素が流れているため、高温の二酸化炭素が流れる配管４２からの燃焼器ケーシング７０への熱伝達が抑制される。
【００５４】
燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に導かれた二酸化炭素は、燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間の環状の空間を下流側へ流れる。この際、二酸化炭素は、燃焼器ケーシング７０および筒体８０を冷却する。この二酸化炭素は、例えば、タービン２５の静翼８５や動翼８６の冷却にも使用される。このような冷却によって、燃焼器ケーシング７０の温度は、例えば、４００℃以下となる。
【００５５】
上記したように、燃焼器ケーシング７０は、高温の二酸化炭素に曝されずに、低温の二酸化炭素によって冷却される。そのため、燃焼器ケーシング７０は、例えば、ＣｒＭｏＶ鋼、ＣｒＭｏ鋼などのＦｅ（鉄）ベースの耐熱鋼で構成される。
【００５６】
上記したように、第１の実施の形態のガスタービン設備１０によれば、筒体８０およびこの筒体８０に連結された配管４２を備えることで、燃焼器ケーシング７０が高温の二酸化炭素に曝されることがない。また、燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に低温の二酸化炭素を流すことで、燃焼器ケーシング７０の温度の上昇を抑えることができる。
【００５７】
これによって、燃焼器ケーシング７０を、例えば、安価なＦｅベースの耐熱鋼で構成することができる。そのため、ガスタービン設備１０の製造コストを削減することができる。
【００５８】
ここで、第１の実施の形態のガスタービン設備１０における燃焼器ケーシング７０の構成は、上記した構成に限られない。図３は、第１の実施の形態のガスタービン設備１０に設けられる燃焼器２０および他の構成の燃焼器ケーシング７０の縦断面を模式的に示した図である。
【００５９】
例えば、超臨界流体の二酸化炭素を作動流体の一部とするときのように、ガスタービンの作動圧力が高圧となる場合、例えば、外部ケーシングと内部ケーシングの二重ケーシング構造を採用することが好ましい。図３には、このような二重ケーシング構造を採用したときの一例を示している。
【００６０】
図３に示すように、燃焼器ケーシング７０は、例えば、上流側に上流側ケーシング７１および下流側に下流側ケーシング７２を備える。下流側ケーシング７２は、外部ケーシング９０と、その内側に内部ケーシング９１とを備える。さらに、外部ケーシング９０と内部ケーシング９１との間の内周には、燃焼器２０の長手方向に沿って、筒状のスリーブ９２が設けられている。
【００６１】
スリーブ９２と内部ケーシング９１との間には、例えば、環状のシールリング９３が嵌合されている。シールリング９３を備えることによって、外部ケーシング９０と内部ケーシング９１との間からの二酸化炭素の漏洩が防止される。なお、ここでは、上流側ケーシング７１の下流側の端面に、外部ケーシング９０とスリーブ９２が接続されている。
【００６２】
このような構成を備える場合、燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に導かれた低温の二酸化炭素は、筒体８０と、上流側ケーシング７１、スリーブ９２および内部ケーシング９１との間を下流に向かって流れる。その際、低温の二酸化炭素は、上流側ケーシング７１、筒体８０、スリーブ９２、内部ケーシング９１を冷却する。
【００６３】
そのため、上流側ケーシング７１、スリーブ９２および内部ケーシング９１は、例えば、安価なＦｅベースの耐熱鋼で構成することができる。なお、スリーブ９２や内部ケーシング９１よりも外周側に設けられる外部ケーシング９０も、安価なＦｅベースの耐熱鋼で構成することができる。
【００６４】
（第２の実施の形態）
図４は、第２の実施の形態のガスタービン設備１１の系統図である。図５は、第２の実施の形態のガスタービン設備１１に設けられる燃焼器２０および燃焼器ケーシング７０の縦断面を模式的に示した図である。なお、第１の実施の形態のガスタービン設備１０の同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。
【００６５】
図４に示すように、圧縮機２８によって昇圧された二酸化炭素の一部は、配管４２を流れ、熱交換器２４において加熱される。そして、二酸化炭素は、筒体１３０によって区画された内側空間１００に導かれる。なお、配管４２は、高温燃焼ガス供給管として機能する。
【００６６】
昇圧された二酸化炭素の他の一部は、配管４２から分岐した配管４４に導入される。配管４４は、内側空間１００を形成する燃焼器ケーシング７０に連結される。なお、後に詳しく説明するが、配管４４は、内側空間１００を形成する燃焼器ケーシング７０の肉厚内部に形成された流路に連通している。
【００６７】
そのため、配管４４に導入された二酸化炭素は、冷却媒体として、上記流路に導入される。なお、この流路は、筒体１３０によって区画された外側空間１０１に連通する。なお、配管４４は、低温燃焼ガス供給管として機能する。
【００６８】
次に、第２の実施の形態のガスタービン設備１１の燃焼器ケーシング７０内の構成について詳しく説明する。
【００６９】
図５に示すように、燃焼器ケーシング７０と燃焼器２０との間には、この空間を区画する筒体１３０が設けられている。この筒体１３０は、燃焼器ケーシング７０と燃焼器２０との間に、燃焼器２０の長手方向に沿って設けられている。
【００７０】
筒体１３０の一端（上流端）は、開口している。また、筒体１３０の一端は、例えば、外周側に屈曲する環状部１３１を有する。この環状部１３１の外周面１３１ａは、例えば、上流側ケーシング７１の内周面に接合されている。
【００７１】
筒体１３０の他端（下流端）は、閉鎖され、トランジションピース６２の下流端を貫通させる開口１３２が形成されている。筒体１３０の下流側の開口１３２の内周面は、トランジションピース６２の下流端部の外周面に接している。
【００７２】
すなわち、筒体１３０は、燃焼器ケーシング７０と燃焼器２０との間の空間を、内側空間１００と外側空間１０１とに区画している。内側空間１００は、筒体１３０で区画された燃焼器ライナ６１側（燃料ノズル部６０側）の空間である。なお、内側空間１００は、上流側ケーシング７１の一部の内面によっても形成されている。外側空間１０１は、筒体１３０で区画された燃焼器ケーシング７０側の空間である。
【００７３】
上流側ケーシング７１の一端の中央には、燃料ノズル部６０を挿入する開口７１ａが形成されている。また、上流側ケーシング７１の肉厚内部には、外側空間１０１に連通する流路１１０が形成されている。
【００７４】
流路１１０は、上流側ケーシング７１の一端面７３に形成された開口７４を介して配管４４に連通している。流路１１０の出口１１１は、外側空間１０１に開口している。この出口１１１は、例えば、スリット状や複数の穴などで構成される。なお、上流側ケーシング７１の、流路１１０を有する部分は、流路形成部７８として機能する。
【００７５】
ここで、上流側ケーシング７１の肉厚内部とは、上流側ケーシング７１の内面と外面との間の肉厚部分である。
【００７６】
さらに、上流側ケーシング７１の上流側の側部には、配管４２が連結されている。この配管４２は、内側空間１００に連通する。すなわち、配管４２が連結される位置は、筒体１３０の環状部１３１が上流側ケーシング７１の内周面に接続される位置よりも上流側である。また、配管４２は、例えば、流路形成部７８を貫通して連結されている。
【００７７】
なお、上流側ケーシング７１の肉厚内部における流路１１０の構造は、上記した構造に限られるものではない。流路１１０の構造は、内側空間１００に面し、配管４２が連結された上流側ケーシング７１を、流路１１０を流れる低温の二酸化炭素で冷却できる構造であればよい。さらに、流路１１０の構造は、流路１１０を通過した二酸化炭素を外側空間１０１に導く構造であればよい。
【００７８】
ここで、上流側ケーシング７１は、図４に示すように、例えば、内部構造体７５と外部構造体７６の２つの筒状構造体を接合して形成される。具体的には、上流側ケーシング７１は、例えば、次のように形成される。
【００７９】
燃料ノズル部６０を挿入する開口７１ａを構成する部分において、内部構造体７５と外部構造体７６との間に環状リング７７を挟持し、開口７１ａの内面側から溶接接合する。流路１１０の出口１１１を構成する部分において、内部構造体７５と外部構造体７６との間に環状リングを挟持し、上流側ケーシング７１の内面側から溶接接合する。出口１１１を構成する環状リングには、スリットや穴などが形成されている。
【００８０】
このように形成することで、内部構造体７５と外部構造体７６との間に所定の間隔の隙間が形成される。すなわち、上流側ケーシング７１の肉厚内部に、流路１１０が形成される。
【００８１】
続いて、配管４２を挿入するための貫通孔を加工する。そして、その貫通孔に配管４２を挿入し、例えば、上流側ケーシング７１の内側および上流側ケーシング７１の外側から溶接接合する。
【００８２】
なお、上流側ケーシング７１の肉厚内部における流路１１０の形成方法は、上記した方法に限られるものではない。すなわち、上流側ケーシング７１の肉厚内部に流路１１０を形成できる方法であれば、他の方法であってもよい。
【００８３】
ここで、配管４２および配管４４から導入された二酸化炭素の流れについて説明する。
【００８４】
配管４２から内側空間１００に導入された二酸化炭素は、燃焼器ライナ６１と筒体１３０との間の環状の空間を下流側へ流れる。この際、二酸化炭素は、燃焼器ライナ６１およびトランジションピース６２を冷却する。
【００８５】
そして、この二酸化炭素は、第１の実施の形態で説明したとおり、燃焼器ライナ６１内やトランジションピース６２内に導入される。この際、燃焼器ライナ６１およびトランジションピース６２を冷却する。なお、配管４２から導入された二酸化炭素の全量が燃焼器ライナ６１内やトランジションピース６２内に導入される。
【００８６】
このように、配管４２から導入された二酸化炭素は、筒体１３０よりも燃焼器ケーシング７０側に流出することがない。
【００８７】
一方、配管４４を流れる低温の二酸化炭素は、上流側ケーシング７１の開口７４を介して流路１１０に導かれる。流路１１０に導かれた二酸化炭素は、流路１１０全体に広がりながら出口１１１に向かって流れる。この際、二酸化炭素は、上流側ケーシング７１を冷却する。
【００８８】
また、流路１１０を流れる二酸化炭素は、流路形成部７８を貫通する配管４２の周囲も流れる。そのため、高温の二酸化炭素が流れる配管４２からの上流側ケーシング７１への熱伝導が抑制される。
【００８９】
出口１１１から外側空間１０１に導かれた二酸化炭素は、燃焼器ケーシング７０と筒体１３０との間の環状の空間を下流側へ流れる。この際、二酸化炭素は、燃焼器ケーシング７０および筒体１３０を冷却する。この二酸化炭素は、例えば、タービン２５の静翼８５や動翼８６の冷却にも使用される。このような冷却によって、燃焼器ケーシング７０（上流側ケーシング７１および下流側ケーシング７２）の温度は、例えば、４００℃以下となる。
【００９０】
流路１１０に低温の二酸化炭素を流すことで、高温の二酸化炭素に曝させる上流側ケーシング７１の温度の上昇を抑えることができる。さらに、外側空間１０１に面する燃焼器ケーシング７０は、高温の二酸化炭素に曝されずに、低温の二酸化炭素によって冷却される。そのため、燃焼器ケーシング７０は、例えば、ＣｒＭｏＶ鋼、ＣｒＭｏ鋼などのＦｅ（鉄）ベースの耐熱鋼で構成される。
【００９１】
上記したように、第２の実施の形態のガスタービン設備１１によれば、流路１１０を備えることで、高温の二酸化炭素に曝させる上流側ケーシング７１の温度の上昇を抑えることができる。また、筒体１３０を備えることで、外側空間１０１に面する燃焼器ケーシング７０は、高温の二酸化炭素に曝させることがない。また、外側空間１０１に低温の二酸化炭素を流すことで、燃焼器ケーシング７０の温度の上昇を抑えることができる。
【００９２】
これによって、燃焼器ケーシング７０を、例えば、安価なＦｅベースの耐熱鋼で構成することができる。そのため、ガスタービン設備１０の製造コストを削減することができる。
【００９３】
ここで、流路１１０の構成は、上記した構成に限られるものではない。図６は、図５のＡ−Ａ断面に相当する断面であり、第２の実施の形態のガスタービン設備１１の燃焼器ケーシング７０における他の流路１１０の一部を示す図である。図７は、図５のＢ−Ｂ断面に相当する断面であり、第２の実施の形態のガスタービン設備１１の燃焼器ケーシング７０における他の流路１１０の一部を示す図である。
【００９４】
図６および図７に示すように、流路１１０に複数の流路壁１２０、１２１、１２２を設けてもよい。流路壁１２０、１２１、１２２は、例えば、板状のリブなどによって構成される。流路壁１２０、１２１、１２２の高さは、内部構造体７５と外部構造体７６との間の距離に相当する。
【００９５】
流路壁１２０は、例えば、図６に示すように、内部構造体７５と外部構造体７６との間の空間を同心円状の複数の流路に区画している。そして、流路１１０は、例えば、直径方向に設けられた流路壁１２１によって左半側および右半側に区画されている。
【００９６】
一方、側部の流路１１０には、図７に示すように、複数の流路壁１２２が所定の間隔をあけて設けられている。このような周方向に設けられた流路壁１２２の列は、流路１１０の長手方向（燃焼器２０の長手方向）に複数段設けられている。例えば、周方向における流路壁１２２間の流路の位置は、隣接する列の流路の位置に対して周方向にずらされている。これによって、二酸化炭素が、周方向に広がらずに、長手方向に直線的に流れるのを防止できる。
【００９７】
このような構成の流路１１０において、上流側ケーシング７１の開口７４から流路１１０内に導かれた二酸化炭素は、図６に示すように、左半側および右半側の流路間を周方向に流れつつ、内側から外側に向かって流れる。
【００９８】
外周の流路に流入した二酸化炭素は、長手方向（燃焼器２０の長手方向）に向きを変え、出口１１１に向かって流れる。この際、二酸化炭素は、図７に示すように、流路壁１２２間の隙間を周方向に広がりながら長手方向に流れる。そして、出口１１１から外側空間１０１に流出する。
【００９９】
このように、流路壁１２０、１２１、１２２を設けることで、流路１１０全体に亘って二酸化炭素を確実に導くことができる。また、流路壁１２０、１２１間の流路に二酸化炭素を流すことで、流路壁１２０、１２１を備えない場合に比べて、流速が増加する。これによって、熱伝達を向上させることができる。これらによって、上流側ケーシング７１を確実に冷却することができる。
【０１００】
なお、流路壁１２０、１２１、１２２の配置構成は、上記した構成に限られるものではない。流路壁１２０、１２１、１２２の配置構成は、流路１１０内に導かれた二酸化炭素を、流路１１０内全体に行き渡るように導く構成であればよい。
【０１０１】
また、流路壁１２２を備える場合、図７において、外部構造体７６から流路壁１２２を介して内部構造体７５まで貫通する貫通孔を形成してもよい。この場合、貫通孔に連通するように、配管４２は、外部構造体７６の側面に接合される。
【０１０２】
なお、上記した第２の実施の形態における流路１１０および筒体１３０は、図３に示すような二重ケーシング構造の場合においても適用できる。
【０１０３】
ここで、上記した実施の形態のガスタービン設備１０、１１では、配管４１を介して燃焼器２０に酸化剤である酸素が供給される一例を示したが、この構成に限られない。例えば、圧縮機２８によって昇圧された二酸化炭素の一部を、配管４１内に供給する構成としてもよい。
【０１０４】
この場合、圧縮機２８の下流側の配管４２から分岐する新たな配管を備える。この分岐された配管は、図１を参照すると、例えば、流量調整弁２２と熱交換器２４との間で配管４１に連結される。すなわち、酸化剤および二酸化炭素からなる混合ガスが、燃焼器２０に導かれる。なお、この混合ガスは、熱交換器２４を通過することで加熱される。
【０１０５】
このような構成においても、上記した実施の形態のガスタービン設備１０、１１における作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
【０１０６】
以上説明した実施形態によれば、燃焼器の周囲に備えられるケーシングを安価な材料で構成することが可能となる。
【０１０７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１０８】
１０、１１…ガスタービン設備、２０…燃焼器、２１、２２、２９、３０…流量調整弁、２３…圧縮機、２４…熱交換器、２５…タービン、２６…発電機、２７…冷却器、２８…圧縮機、４０、４１、４２、４３、４４、４５…配管、４４ａ、７４、８１、８２…開口、６０…燃料ノズル部、６１…燃焼器ライナ、６２…トランジションピース、６３、６４…孔、６５…希釈孔、７０…燃焼器ケーシング、７１…上流側ケーシング、７１ａ、７１ｂ、１３２…開口、７２…下流側ケーシング、７３…一端面、７５…内部構造体、７６…外部構造体、７７…環状リング、７８…流路形成部、８０、１３０…筒体、８０ａ…蓋部材、８０ｂ…本体部材、８５…静翼、８６…動翼、９０…外部ケーシング、９１…内部ケーシング、９２…スリーブ、９３…シールリング、１００…内側空間、１０１…外側空間、１１０…流路、１１１…出口、１２０、１２１、１２２…流路壁、１３１…環状部、１３１ａ…外周面。
【図１】
2017158636.tif 000003
【図２】
2017158636.tif 000004
【図３】
2017158636.tif 000005
【図４】
2017158636.tif 000006
【図５】
2017158636.tif 000007
【図６】
2017158636.tif 000008
【図７】
2017158636.tif 000009
【図８】
2017158636.tif 000010
【図９】
2017158636.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成29年2月20日(2017.2.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングと、
前記ケーシング内に設けられ、燃料と酸化剤を燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器の周囲を包囲し、前記ケーシングと前記燃焼器との間の空間を区画する筒体と、
前記燃焼器から排出された燃焼ガスによって回動されるタービンと、
前記タービンから排出された前記燃焼ガスを冷却する熱交換器と、
前記熱交換器で冷却された前記燃焼ガスの一部を前記熱交換器を通して加熱し、前記ケーシングと前記筐体の間を貫通して前記筒体内に導く高温燃焼ガス供給管と、
前記熱交換器で冷却された前記燃焼ガスの他の一部を前記ケーシングと前記筒体との間に導く低温燃焼ガス供給管と
を具備することを特徴とするガスタービン設備。
【請求項２】
前記高温燃焼ガス供給管が、前記低温燃焼ガス供給管内を貫通し、
前記低温燃焼ガス供給管が、前記ケーシングに連結され、
前記低温燃焼ガス供給管を流れる前記燃焼ガスが、前記高温燃焼ガス供給管と前記低温燃焼ガス供給管との間を通り、前記ケーシングと前記筒体との間に導かれることを特徴とする請求項１記載のガスタービン設備。
【請求項３】
ケーシングと、
前記ケーシング内に設けられ、燃料と酸化剤を燃焼させる燃焼器と、
前記ケーシングと前記燃焼器との間に長手方向に設けられ、前記ケーシングと前記燃焼器との間の空間を外側空間と内側空間とに区画する筒体と、
前記燃焼器から排出された燃焼ガスによって回動されるタービンと、
前記タービンから排出された前記燃焼ガスを冷却する熱交換器と、
前記熱交換器で冷却された前記燃焼ガスの一部を前記熱交換器を通して加熱し、前記内側空間に導く高温燃焼ガス供給管と、
前記内側空間を形成する前記ケーシングの肉厚内部に形成され、前記外側空間に連通する流路と、
前記熱交換器で冷却された前記燃焼ガスの他の一部を前記流路に導く低温燃焼ガス供給管と
を具備することを特徴とするガスタービン設備。
【請求項４】
前記高温燃焼ガス供給管が、前記ケーシングの、前記流路を有する流路形成部を貫通して連結されていることを特徴とする請求項３記載のガスタービン設備。
【手続補正書】
【提出日】平成29年12月25日(2017.12.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングと、
前記ケーシング内に設けられ、燃料と酸化剤を燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器の周囲を包囲するとともに両端が閉鎖され、前記ケーシングと前記燃焼器との間の空間を前記燃焼器側の空間と前記ケーシング側の空間とに区画する筒体と、
前記燃焼器から排出された燃焼ガスによって回動されるタービンと、
前記タービンから排出された前記燃焼ガスを冷却する熱交換器と、
前記熱交換器で冷却された前記燃焼ガスの一部を前記熱交換器を通して加熱し、前記ケーシングを貫通して前記筒体と前記燃焼器との間の前記燃焼器側の空間に導く高温燃焼ガス供給管と、
前記熱交換器で冷却された前記燃焼ガスの他の一部を前記ケーシングと前記筒体との間の前記ケーシング側の空間に導く低温燃焼ガス供給管と
を具備することを特徴とするガスタービン設備。
【請求項２】
前記高温燃焼ガス供給管が、前記低温燃焼ガス供給管内を貫通し、
前記低温燃焼ガス供給管が、前記ケーシングに連結され、
前記低温燃焼ガス供給管を流れる前記燃焼ガスが、前記高温燃焼ガス供給管と前記低温燃焼ガス供給管との間を通り、前記ケーシングと前記筒体との間の前記ケーシング側の空間に導かれることを特徴とする請求項１記載のガスタービン設備。
【請求項３】
ケーシングと、
前記ケーシング内に設けられ、燃料と酸化剤を燃焼させる燃焼器と、
前記ケーシングと前記燃焼器との間に長手方向に設けられ、前記ケーシングと前記燃焼器との間の空間を外側空間と内側空間とに区画する筒体と、
前記燃焼器から排出された燃焼ガスによって回動されるタービンと、
前記タービンから排出された前記燃焼ガスを冷却する熱交換器と、
前記熱交換器で冷却された前記燃焼ガスの一部を前記熱交換器を通して加熱し、前記内側空間に導く高温燃焼ガス供給管と、
前記内側空間を形成するとともに前記高温燃焼ガス供給管によって導かれた加熱された前記燃焼ガスに曝される領域の前記ケーシングの肉厚内部に形成され、前記外側空間に連通する流路と、
前記熱交換器で冷却された前記燃焼ガスの他の一部を前記流路に導く低温燃焼ガス供給管と
を具備することを特徴とするガスタービン設備。
【請求項４】
前記高温燃焼ガス供給管が、前記ケーシングの、前記流路を有する流路形成部を貫通して連結されていることを特徴とする請求項３記載のガスタービン設備。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
実施形態のガスタービン設備は、ケーシングと、前記ケーシング内に設けられ、燃料と酸化剤を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器の周囲を包囲するとともに両端が閉鎖され、前記ケーシングと前記燃焼器との間の空間を前記燃焼器側の空間と前記ケーシング側の空間とに区画する筒体と、前記燃焼器から排出された燃焼ガスによって回動されるタービンとを備える。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
さらに、ガスタービン設備は、前記タービンから排出された前記燃焼ガスを冷却する熱交換器と、前記熱交換器で冷却された前記燃焼ガスの一部を前記熱交換器を通して加熱し、前記ケーシングを貫通して前記筒体と前記燃焼器との間の前記燃焼器側の空間に導く高温燃焼ガス供給管と、前記熱交換器で冷却された前記燃焼ガスの他の一部を前記ケーシングと前記筒体との間の前記ケーシング側の空間に導く低温燃焼ガス供給管とを備える。
【国際調査報告】
2017158636.tif 000012
2017158636.tif 000013