(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器ライナおよびトランジションピースが嵌合されてそれぞれ二重構造とされ、両外筒に穿設された孔から流入した空気が両内筒外面をインピンジ冷却した後、さらに内外筒間に形成された連続環状通路を対流冷却し、燃焼用空気として消費される冷却方式を有するガスタービン燃焼器において、インピンジ冷却空気の直撃部分となるライナ内筒の胴部下流部はフィルム冷却孔を有しない無孔構造にし、この無孔構造から離れた位置の前記ライナ内筒の外表面に伝熱を促進するための突起状部を備える一方、前記ライナ内筒とトランジションピース内筒とが重なり合う部分のライナスプリングシール部の上流側に近接して少なくとも１列のフィルム冷却孔を備えるとともに、前記ライナスプリングシール部を円環筒状部材の一端からスリットが入れられ、かつ波形状に湾曲させたバネ片で構成したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明はインピンジ冷却に加え対流冷却方式を有する低ＮＯｘタイプのガスタービン燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
タービンの入口温度が１３００℃級のガスタービン燃焼器には、インピンジ冷却と対流冷却方式とを有するバックサイドフロー冷却方式と呼ばれる冷却システムがある。この冷却システムはトランジションピースにフィルム冷却を施すことなく冷却空気の低減を可能としている。
【０００３】
バックサイドフロー冷却方式を採用した従来の技術として、特開昭６３−１４３４２２号公報（図８参照）や特公平５−２４３３７号公報（図９参照）に示されるガスタービン燃焼器が知られている。
【０００４】
このうち、図８に示されるガスタービン燃焼器の構成を代表例として説明すると、ライナ１はライナ内筒を構成してトランジションピース内筒２にスプリングシール３を介して取り付けられ、ライナ（ライナ内筒）１の外側にはライナ外筒を兼ねるフロースリーブ４が、トランジションピース内筒２の外周にはトランジションピース外筒５がそれぞれ取り付けられており、フロースリーブ４はトランジションピース外筒５にシールリング６により接続されて連続した環状通路７，８を形成している。上記ライナ１とフロースリーブ４とから燃焼器ライナ１０が構成される。
【０００５】
一方、冷却空気の流れは、圧縮機８から出た吐出空気Ａの一部はまずトランジションピース外筒５の空気孔９より環状流路８に流入し、トランジションピース内筒２の外面をインピンジ冷却してトランジションピース内，外筒２，５間をライナ１側に流れて対流冷却する。残りの大半の空気はフロースリーブ空気孔１１から流入してライナ１の外面をインピンジ冷却し、ライナ内外筒であるフロースリーブ４とライナ１の間の環状通路７を対流冷却する。
【０００６】
トランジションピース内筒２を冷却した後の空気とライナ１を冷却した後の空気は前述の環状通路７内で合流し、その一部は燃焼用空気Ａａとなって燃焼ノズル１３からら噴射された燃料１４と混合して燃焼火炎Ｂを形成し、残りは燃焼器ライナフィルム用冷却空気Ａｂとなってライナ１の内面をフィルム冷却した後燃焼火炎Ｂと合流し、燃焼ガスＣとなってガスタービン１７へと送られる。図９の構成も基本的には図８と同様である。
【０００７】
従来のガスタービン燃焼器のバックサイドフロー方式によれば、トランジションピースを積極的に衝突冷却し、その使用済みの冷却空気をさらに対流させ、燃焼用空気やライナフィルム冷却に有効利用することにより、冷却空気を節約することができるという利点を有する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに従来の技術では、ガスタービンの入口温度の高温化に伴い稀薄予混合燃焼方式を有する低ＮＯｘタイプのガスタービン燃焼器をさらに低ＮＯｘ化するうえで予混合当量比をある範囲内に低く抑えなければならないとき燃焼用空気の割合を増加させる必要があるのに対し、冷却用空気流量割合を従来の割合よりさらに低くせざるを得なくなり、より一層のフィルム冷却空気の低減が必要となる。
【０００９】
この発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、従来に比してより少ない冷却空気配分によりさらなる低ＮＯｘ化を実現することを可能とし、かつメタル温度が許容値以下になることを可能とするガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明では、燃焼器ライナおよびトランジションピースが嵌合されてそれぞれ二重構造とされ、両外筒に穿設された孔から流入した空気が両内筒外面をインピンジ冷却した後、さらに内外筒間に形成された連続環状通路を対流冷却し、燃焼用空気として消費される冷却方式を有するガスタービン燃焼器において、インピンジ冷却空気の直撃部分となるライナ内筒の胴部下流部はフィルム冷却孔を有しない無孔構造にし、この無孔構造から離れた位置の前記ライナ内筒の外表面に伝熱を促進するための突起状部を備える一方、前記ライナ内筒とトランジションピース内筒とが重なり合う部分のライナスプリングシール部の上流側に近接して少なくとも１列のフィルム冷却孔を備えるとともに、前記ライナスプリングシール部を円環筒状部材の一端からスリットが入れられ、かつ波形状に湾曲させたバネ片で構成したものである。
【００１２】
【作用】
上記構成を備えることにより、本実施形態に係るガスタービン燃焼器は、ライナ内筒の下流側をインピンジ冷却と対流冷却とを行わせ、フィルム冷却を行わせていないから、フィルム冷却を行わせてない空気の分だけ燃焼用空気として使用され、その結果としてＮＯｘの発生量を低減させることができる。
また、ライナ内筒の外表面に突起状部を設けているので、対流冷却時に突起状部の上流側に空気の渦流が生じ、この空気の渦流により対流熱伝達率が上昇し、冷却効果を高めることができる。したがって、ライナ内筒は、その下流側をフィルム冷却孔を有しない無孔構造にすることができる。
【００１３】
一方、ライナ内筒は、下流側を無孔構造にすると、ライナ内筒とトランジションピース内筒とが重なり合う部分に設けたライナスプリングシール部の上流側の近傍が冷却されなくなる。
しかし、本実施形態に係るガスタービン燃焼器は、スプリングシール部の上流側の近傍に少なくとも１列のフィルム冷却孔を設けているので、このフィルム冷却孔を介してスプリングシール部の内面に沿って空気が流れる。
したがって、スプリングシール部は、確実に冷却される。
また、スプリングシール部は、円環筒状部材の一端からスリットを入れ、かつ波形状に湾曲させたバネ片で構成したので、バネ片によって運転中に生成される熱膨張に伴う熱応力を抑制することができ、空気のシール効果をより一層高めることができる。
【００１４】
【実施例】
以下、この発明の実施例を添付図面を参照して説明し、図８と共通する部分には同一符号を用いて説明する。
【００１５】
図１はこの発明の一実施例の断面を示し、図２はその要部の拡大断面を示すもので、燃焼器ライナ１０はライナ内筒としてのライナ１とトランジションピース内筒２との重なり合う部分にスプリングシール３が介装される。
また、トランジションピース外筒５には、ライナ外筒を兼ねるフロースリーブ４がシールリング６を介して接続される。
そして、本実施形態は、上述の構成を備えて燃焼器ライナ１０とトランジションピースとのそれぞれを二重構造によって環状通路７，８を連続して構成する。
【００１６】
燃焼器ライナ１０には、ライナ（ライナ内筒）１のヘッド側外周にメイン燃料と空気とを予混合させる予混合管としての予混合ダクト１８が設けられ、この予混合ダクト１８内に燃焼器ライナ１０の軸方向に沿って延びるメイン予混合室１９が形成されており、その周囲には燃焼器ケーシング２０が設けられ、この燃焼器ケーシング２０の一端側にはヘッドプレート２１が取り付けられるとともに燃焼器ライナ１０の頭部上流側にはパイロット燃料ノズル２３が取り付けられている。
【００１７】
トランジションピース外筒５およびフロースリーブ４には空気流入用の孔１０，２４が穿設され、フロースリーブ４の孔２４から入る冷却空気が直撃する部位に対向するライナ１の胴部は孔なし構造とされており、かつその部位のライナ１の外周面には伝熱を促進するための周方向に突出する複数条の突起状部２５が配設されている。突起状部２５を設けることにより熱交換面積を大きくとることができる。
【００１８】
スプリングシール３の上流側の近接した位置のライナ１には、少なくとも１列のフィルム冷却孔２６が下流側に向くように形成されており、この孔２６から入った空気２７がスプリングシール３が存在する部位の内面に沿って下流方向に流れるようになっている。
【００１９】
突起状部２５の形状は、図１，図２に示したように半円形状に湾曲して突出するようにしたもの（コルゲート構造）、あるいは図３に示すように角形状断面として鋭角状に突出するようにしたもの（フィン構造）などがあり、要すればその表面を流れる空気に突起状部２５の上流側で渦流２８を生じるような形態であればよい。突起状部２５は軸方向に突設あるいは凹設したものであってもよい。
【００２０】
スプリングシール３は、円環筒状部材の一端から一定間隔でスリット３ａが入れられて複数のバネ片３ｂが形成され、これらバネ片３ｂが波形状に湾曲されていてライナ１とトランジションピース内筒２との間で弾撥シールするようになされ、その他端が燃焼器ライナ１０に溶接２９により固着されている。
【００２１】
図１において、符号３０はタービンケーシングであり、このタービンケーシング３０にガスタービン燃焼器が複数台周方向に間隔をおいて据え付けられる。ガスタービン燃焼器には圧縮機（図示せず）から吐出される吐出空気が吐出通路３１を経て供給されるようになっている。また上記各図における矢印は空気や燃料の流れを示し、これに付した符号は作用の説明に使用する。
【００２２】
次に上記実施例の作用を説明する。
【００２３】
図示されていない圧縮機から送られた空気Ａは吐出通路（流入口）３１から入ってタービンケーシング３０内を流れ、その空気Ａの一部がトランジションピース外筒５の孔１０からその内部の環状通路８に流入し、残りの空気は燃焼器ライナ１０のライナ外筒を兼ねるフロースリーブ４の孔２４からその内部の環状通路７に流入する。
【００２４】
トランジションピース冷却用の空気ａはトランジションピース内筒２の外面をインピンジ冷却した後、トランジションピース内筒２と外筒５との間の環状通路８を対流冷却しながら燃焼器ライナ１０に向って流れる。この空気の一部はライナスプリングシール３のヘッド部側近傍に設けられた孔２６からライナ１内に流入し、フィルム冷却空気ｂとなってスプリングシール３が設けられている部位の内面に沿って下流方向へ流れ、スプリングシール部位の燃焼器ライナ１０のライナ１内面を冷却する。
【００２５】
またフロースリーブ冷却用の空気Ｃは、ライナ１の外面をインピンジ冷却しながらかつその空気の直撃箇所であるライナ１の外面に形成されている突起状部２５により流れが乱され、各突起状部２５の下流側で渦流２８を起こし、これにより対流熱伝達率が向上する。
【００２６】
こうしてインピンジ冷却およびライナ１の対流冷却を終了した空気はライナ１のヘッド部に到達し、燃焼用空気ｅとして使用される。すなわちその空気の一部はパイロット燃料ノズル２３内に入り、拡散燃料３４のパイロット燃焼用として消費され、他の一部は予混合燃料３５の一部と混合してライナ１内に噴射され、パイロット燃焼火炎Ｂを形成する。さらに残りの燃焼用空気ｅはメイン予混合燃料ノズル２３から噴射されたメイン燃料３７とメイン予混合室１９内で予混合され、この予混合燃料がライナ１内に噴射されて予混合燃焼せしめられ、メイン燃焼火炎Ｂａを形成する。なおこれら予混合当量比は、低ＮＯｘを達成するに最適な混合比に設定されている。
【００２７】
燃焼用空気ｅのさらに残りの分は、燃焼器ライナ１０のヘッド側のライナ１のフィルム冷却やシール空気等として消費される。また燃焼火炎Ｂ，Ｂａと冷却空気ｂとはライナ１内で混合し、燃焼ガスＣの流れとなってトランジションピース内筒２内を通過し、ガスタービン１７へ送られる。
【００２８】
図４は冷却空気の割合とＮＯｘ発生量との関係を示すグラフであり、ＮＯｘ発生量は従来のガスタービン燃焼器ではＡ点であったものがこの発明によるガスタービン燃焼器によればＢ点に低減される。また図５は燃焼器ライナ１０のライナ１胴部軸方向位置とライナメタル温度との関係を示すグラフである。この発明のガスタービン燃焼器によれば、ライナメタル温度分布が従来と同じであるのに加え、スプリングシール３部のフィルム冷却によりフィルム冷却がないガスタービン燃焼器に較べ著しく低くなっている。
【００２９】
フィルム冷却用の空気量は、目標とするＮＯｘレベルに不足な燃焼用空気分だけ確保されればよく、その使用されて不足した分の冷却不足は燃焼器ライナ１０のライナ１の突起状部２５を対流冷却に充分な最適なピッチや形状を選択することによって補うことかできる。概ね燃焼反応の終了した部分については燃焼ガス側の熱伝達率も低く、最終燃焼空気孔の下流側範囲、つまり燃焼器ライナ１０のライナ全長に対しトランジションピース側１／２〜１／３程度の範囲については従来存在したフィルム冷却空気の孔を省略することができることである。
【００３０】
一方、インピンジ冷却方式に依存しすぎると、下記のようなホットスポットが生じてしまう。すなわちライナ内筒であるライナ１がトランジションピース内筒２の内側にスプリングシール３を介して取り付けられているため、スプリングシール３部付近のライナ１はトランジションピース内筒２が邪魔することにより衝突噴流が直接当たりにくくなり、さらに燃焼ガス温度の高温化と相俟って冷却不足になるという点である。
【００３１】
この点従来ではライナ１の全域にフィルム冷却用孔があってフィルム冷却されているためライナ１の下流部分が冷却不足になることはないが、ライナ１の下流側をこの発明のガスタービン燃焼器のように無孔構造とした場合、スプリングシール３部の上流側にフィルム冷却用空気の孔が無い無孔構造になり、無冷却同然の状態になって、図５の線ｃのようにライナメイル温度が許容値を超えてしまう。この箇所はスプリングシール３がライナ１に溶接されている部分であり、メタル温度上昇に伴う溶接部およびライナ１の機械的信頼性を損うことになる。特にスプリングシール３は前述のように円環筒状の板状素材により形成されるため、その接合部分には必ずラップする部分が生じ、半径方向からのインピンジ冷却では冷却空気がどうしても行き届かず、高温域が生じることは避けられない。
【００３２】
この点、この発明では、上記スプリングシール３がラップしている箇所に、低ＮＯｘ化のための予混合当量比に影響を与えることのない量の冷却空気をフィルム冷却として当該部分に及ばせ、冷却を図ることにより上述の高温化の問題を解消している。
【００３３】
図６はこの発明の他の実施例の要部の断面図を示すもので、スプリングシール３の溶接２９の箇所をヘッド部（ライナ上流）側としたものである。こうすることにより、図５に示す温度分布からも分かるように溶接２９の箇所の温度が低くなり、熱による影響を低減してスプリングシール３の飛散防止等を予防し、機械的信頼度の一層の向上を図ることができる。
【００３４】
図７はこの発明のさらに他の実施例を示すもので、スプリングシール３をライナ１に取り付けず、トランジションピース内筒２の内面にバネ片３ｂが内向きで、かつ溶接２９箇所が上流側に位置するように取り付けたるものである。これによれば、高温ガス３９が接触しないようトランジションピース内筒２の最上流部に溶接２９の箇所が位置することになり、この溶接部の温度をさらに低く抑えることができ、機械的信頼性をより一層高めることができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、ライナ内筒下流部分のフィルム冷却用空気を燃焼用空気に廻し、フィルム冷却用空気の流入孔が存在していた部分のライナ内筒外面に伝熱促進用の突起状部を配設して対流冷却を強化したことにより低ＮＯｘ化およびライナ内筒のメタル温度を許容値以下に抑えることができる。
【００３６】
また、ライナスプリングシールが設けられる部位の上流側近傍位置に少なくとも１列のフィルム冷却空気の流入孔を配設したことにより、最適予混合当量比に影響を与えない程度の空気をライナスプリングシール部を冷却することができ、衝突流入する空気が到達しにくいスプリングシール部のライナメタル温度を低減させることができる。
また、ライナスプリングシール部は、円環筒状部材の一端からスリットを入れ、かつ波形状に湾曲されたバネ片で構成したので、バネ片によって各部材に生成される熱膨張に伴う熱応力を抑制し、空気のシール効果をより一層高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるガスタービン燃焼器の一実施例を示す断面図。
【図２】図１の一部拡大断面図。
【図３】図２における突起状部の変形例を示す図２相当図。
【図４】冷却空気割合とＮＯｘ発生量との関係を示す特性線図。
【図５】ライナ胴部軸方向位置とメタル温度との関係を示す特性線図。
【図６】この発明によるガスタービン燃焼器の他の実施例を示す図２相当図。
【図７】この発明に係るガスタービン燃焼器のさらに他の実施例を示す図２相当図。
【図８】従来のガスタービン燃焼器を示す断面図。
【図９】他の従来のガスタービン燃焼器を示す断面図。
【符号の説明】
１  ライナ（ライナ内筒）
２  トランジションピース内筒
３  スプリングシール
４  フロースリーブ（ライナ外筒）
５  トランジションピース外筒
７，８  環状通路
１０  燃焼器ライナ
１７  ガスタービン
１８  予混合ダクト（予混合管）
１９  メイン予混合室
２０  燃焼器ケーシング
２２  メイン予混合燃料ノズル
２３  パイロット燃料ノズル
２５  突起状部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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