(57)【要約】  【課題】  比較的簡単な構造で、フロースリーブ端部の振動に伴う変形を抑制し、フロースリーブのき裂や破断の発生を防止可能な信頼性の高いガスタービン燃焼器を提供する。  【解決手段】  燃焼器からタービンに燃焼ガスを導くトランジションピースと、前記トランジションピースの周囲に設けられ、前記トランジションピースを内包して当該トランジションピースとの間に圧縮機から吐出された冷却空気の流路を形成するフロースリーブと、を備えるガスタービン燃焼器であって、前記フロースリーブは、前記タービン側の端部近傍に前記冷却空気の導入孔となるインピンジメント孔が設けられており、複数の分割部同士が連結タイピースにより一体化されるとともに、前記タービン側の端部が全周一体ベルマウスで補強されていることを特徴とする。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器からタービンに燃焼ガスを導くトランジションピースと、
前記トランジションピースの周囲に設けられ、前記トランジションピースを内包して当該トランジションピースとの間に圧縮機から吐出された冷却空気の流路を形成するフロースリーブと、を備えるガスタービン燃焼器であって、
前記フロースリーブは、前記タービン側の端部近傍に前記冷却空気の導入孔となるインピンジメント孔が設けられており、
複数の分割部同士が連結タイピースにより一体化されるとともに、前記タービン側の端部が全周一体ベルマウスで補強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２】
請求項１に記載のガスタービン燃焼器であって、
前記フロースリーブは、左右に分割された２つの分割部同士を連結タイピースにより一体化した左右分割フロースリーブであ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２に記載のガスタービン燃焼器であって、
前記２つの分割部の結合部がガセットで補強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４】
請求項１に記載のガスタービン燃焼器であって、
前記フロースリーブは、上下に分割された２つの分割部同士を連結タイピースにより一体化した上下分割フロースリーブであることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項５】
請求項４に記載のガスタービン燃焼器であって、
前記２つの分割部は、各々ガセットが設けられて補強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６】
請求項１から５のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器であって、
前記トランジションピースの前記タービン側の出口部に額縁が設けられており、
前記フロースリーブは、背側がフロースリーブサポート、ヒンジ、額縁サポートにより前記額縁に連結され、腹側が内周側フロースリーブサポート、内周側ヒンジ、内周側額縁サポートにより前記額縁に連結されることで、前記トランジションピースに固定されることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項７】
請求項６に記載のガスタービン燃焼器であって、
前記フロースリーブは、さらに内周側固定板により前記トランジションピースに固定されることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器であって、
前記インピンジメント孔は、前記フロースリーブの背側面および腹側面にそれぞれ複数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９】
請求項３または５に記載のガスタービン燃焼器であって、
前記ガセットは、前記トランジションピース内を流れる燃焼ガスの流れ方向に沿って、複数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１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器であって、
前記全周一体ベルマウスは、ＳＵＳ材で形成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１１】
燃焼器からタービンに燃焼ガスを導くトランジションピースと、
前記トランジションピースの周囲に設けられ、前記トランジションピースを内包して当該トランジションピースとの間に圧縮機から吐出された冷却空気の流路を形成するフロースリーブと、を備えるガスタービン燃焼器であって、
前記トランジションピースの前記タービン側の出口部に額縁が設けられており、
前記フロースリーブは、背側がフロースリーブサポート、ヒンジ、額縁サポートにより前記額縁に連結され、腹側が内周側フロースリーブサポート、内周側ヒンジ、内周側額縁サポートにより前記額縁に連結されることで、前記トランジションピースに固定されることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項１２】
請求項１１に記載のガスタービン燃焼器であって、
前記フロースリーブは、さらに内周側固定板により前記トランジションピースに固定されることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項１３】
請求項１１または１２に記載のガスタービン燃焼器であって、
前記フロースリーブは、前記トランジションピース内を流れる燃焼ガスの流れ方向に沿って、複数のガセット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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン燃焼器の構造に係り、特に、フロースリーブの出口部の振動に伴う変形の抑制に有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン燃焼器のトランジションピースは、内部を高温の燃焼ガスが流れるため、その周囲にフロースリーブが設けられ、圧縮機から吐出した冷却空気がトランジションピースとフロースリーブの間の流路を流れるよう、フロースリーブに内包された形になっている。フロースリーブには、冷却空気によるトランジションピースの冷却効果を高めるために、トランジションピース出口側の背側面および腹側面に、インピンジメント孔（冷却孔）が設けられている。
【０００３】
フロースリーブにおいて懸念される損傷形態のひとつとして、振動に伴うき裂がある。き裂の例としては、フロースリーブ出口部の左右分割形状と圧縮機からの吐出空気および燃焼ガスなどの流体励振に起因しており、フロースリーブの自由端が片持ち梁状態で振動し、この振動の繰り返しにより金属表面などから微細なき裂が発生・成長して破断に至る事象が可能性として懸念される。この振動による損傷に対する有効な対策手段としては応力低減であり、フロースリーブの形状変更や剛性向上などにより振動応力を低減することが望ましい。
【０００４】
本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には、トランジションピースとフロースリーブの間に設けた対流冷却用の流路を、背側を広めにし、腹側を狭めにして、冷却空気を全周で均一とする構造が提案されている。
【０００５】
特許文献１のガスタービン燃焼器によれば、トランジションピースを効率良く、全周均等なメタル温度に冷却することができ、背側部と腹側部の温度差による熱的変形を抑制することができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１−１６７５３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年、ガスタービンの性能向上に伴い、高い温度で燃焼させると同時に圧縮機の圧力比を高める設計が主流となりつつあり、トランジションピースおよびフロースリーブに作用する負荷をさらに低減させる必要がある。上記特許文献１は、フロースリーブの応力低減を目的としておらず、新たな構造が必要とされている。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、比較的簡単な構造で、フロースリーブ端部の振動に伴う変形を抑制し、フロースリーブのき裂や破断の発生を防止可能な信頼性の高いガスタービン燃焼器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、燃焼器からタービンに燃焼ガスを導くトランジションピースと、前記トランジションピースの周囲に設けられ、前記トランジションピースを内包して当該トランジションピースとの間に圧縮機から吐出された冷却空気の流路を形成するフロースリーブと、を備えるガスタービン燃焼器であって、前記フロースリーブは、前記タービン側の端部近傍に前記冷却空気の導入孔となるインピンジメント孔が設けられており、複数の分割部同士が連結タイピースにより一体化されるとともに、前記タービン側の端部が全周一体ベルマウスで補強されていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、燃焼器からタービンに燃焼ガスを導くトランジションピースと、前記トランジションピースの周囲に設けられ、前記トランジションピースを内包して当該トランジションピースとの間に圧縮機から吐出された冷却空気の流路を形成するフロースリーブと、を備えるガスタービン燃焼器であって、前記トランジションピースの前記タービン側の出口部に額縁が設けられており、前記フロースリーブは、背側がフロースリーブサポート、ヒンジ、額縁サポートにより前記額縁に連結され、腹側が内周側フロースリーブサポート、内周側ヒンジ、内周側額縁サポートにより前記額縁に連結されることで、前記トランジションピースに固定されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、比較的簡単な構造で、フロースリーブ端部の振動に伴う変形を抑制し、フロースリーブのき裂や破断の発生を防止可能な信頼性の高いガスタービン燃焼器を実現することができる。
【００１２】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】一般的なガスタービンの構造例を示す図である。
【図２】従来の左右分割ベルマウスを有する左右分割型フロースリーブの構造例を示す図である。
【図３】図２の構造例において、左右分割型フロースリーブの内周側と外周側で振動により左右同相で生じる変形を模式化した図である。
【図４】図２の構造例において、左右分割型フロースリーブの内周側と外周側で振動により左右異相で生じる変形を模式化した図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る左右分割型フロースリーブを示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る上下分割型フロースリーブを示す図である。
【図７】従来のトランジションピースおよびフロースリーブの構造例を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態に係るトランジションピースおよびフロースリーブの構造を示す図である。
【図９】従来の左右分割ベルマウスを有する左右分割型フロースリーブの構造例を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る左右分割型フロースリーブを示す図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係る上下分割型フロースリーブを示す図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係るトランジションピースおよびフロースリーブの構造を示す図である。
【図１３Ａ】本発明の一実施形態に係る全周一体ベルマウスを示す図である。
【図１３Ｂ】図１３ＡにおけるＡ−Ａ’断面を示す図である。
【図１４】トランジションピースおよびフロースリーブ間の冷却空気の流れを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において、同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。
【実施例１】
【００１５】
先ず、図１から図４および図１４を参照して、本発明の対象となるガスタービンについて説明する。図１は一般的なガスタービンの構造例を示す断面図である。図２はガスタービンの燃焼器からタービンに燃焼ガスを導くトランジションピースの周囲に設けられるフロースリーブを示す斜視図であり、従来の左右分割ベルマウスを有する左右分割型フロースリーブの構造例を示している。図１４はトランジションピースおよびフロースリーブ間の冷却空気の流れを示す図である。また、図３，図４は、図２の構造例において、左右分割型フロースリーブの内周側（腹側）と外周側（背側）で振動により左右同相で生じる変形、左右異相で生じる変形をそれぞれ模式化して示した図である。
【００１６】
図１に示すように、ガスタービンは大きく分けて圧縮機１、燃焼器２およびタービン３から構成されている。圧縮機１は大気から吸い込んだ空気を作動流体として断熱圧縮し、燃焼器２は圧縮機１から供給された圧縮空気に燃料を混合し燃焼させることで高温高圧の燃焼ガスを生成し、そしてタービン３は燃焼器２から導入した燃焼ガスの膨張の際に回転動力を発生する。タービン３からの排気は大気中に放出される。
【００１７】
燃焼器２とタービン３の間には、燃焼器２からタービン３に燃焼ガスを導くトランジションピース（図示せず）が設けられている。トランジションピースの周囲には、図２のフロースリーブが設けられている。このフロースリーブは、２つの分割部である左右分割フロースリーブ４，４’を互いに突き合わせて構成されており、流れ方向９に沿って燃焼ガスが内部を流れる燃焼器トランジションピース（図示せず）を内包する。
【００１８】
左右分割フロースリーブ４，４’の内周側（腹側）と外周側（背側）のそれぞれの突き合わせ部は、左右連結タイピース１０により連結されている。左右分割フロースリーブ４，４’のタービン３側の端部には、端部の補強のために左右分割ベルマウス５，５’が設けられている。また、左右分割フロースリーブ４，４’のタービン３側の端部近傍には、内周側（腹側）と外周側（背側）のそれぞれに冷却空気の導入孔となるインピンジメント孔（冷却孔）６が複数設けられている。なお、図２ではフロースリーブの両側面にもインピンジメント孔（冷却孔）６が複数設けられている例を示している。
【００１９】
図１４に示すように、フロースリーブ４に設けられたインピンジメント孔（冷却孔）６を介して、圧縮機から吐出された冷却空気２４をフロースリーブ４とトランジションピース１５の間に取り込み、フロースリーブ４とトランジションピース１５の間に形成される冷却空気の流路を冷却空気２４が流れることで、トランジションピース１５が冷却される。
【００２０】
従来のガスタービン燃焼器では、図２に示すように、フロースリーブ４のタービン側の端部が左右分割ベルマウス５，５’で補強されているため、左右分割ベルマウス５，５’の突き合わせ部分では左右分割ベルマウス５，５’は互いに接続されておらず、それぞれ自由端となっている。また、左右分割フロースリーブ４，４’のタービン側の端部近傍では左右連結タイピース１０による連結がなされていない部分が生じる場合がある。
【００２１】
上述したように、圧縮機からの吐出空気および燃焼ガスなどの流体励振によりフロースリーブの自由端が片持ち梁状態で振動する。この振動は、フロースリーブの形状や大きさ、圧縮機からの吐出空気や燃焼ガスの流量・流速などの条件により異なるが、図３のようにフロースリーブの外周側７と内周側８が共に左右同相で振動し変形する場合と、図４のようにフロースリーブの外周側７と内周側８が共に左右異相で振動し変形する場合がある。いずれの場合においても、この振動の繰り返しにより金属表面などから微細なき裂が発生・成長して破断に至る可能性がある。
【００２２】
次に、図５および図１３Ａ、図１３Ｂを参照して、本実施例におけるフロースリーブを説明する。図５は本実施例のフロースリーブを示す斜視図であり、従来のフロースリーブを示す図２に対応する図である。図１３Ａは図５における全周一体ベルマウス１２の正面図であり、図１３Ｂは図１３ＡにおけるＡ−Ａ’断面を示している。
【００２３】
本実施例のフロースリーブは、図２に示す従来のフロースリーブと同様に、左右分割フロースリーブ４，４’の内周側（腹側）と外周側（背側）のそれぞれの突き合わせ部を、左右連結タイピース１０により連結して形成されている。左右分割フロースリーブ４，４’のタービン３側の端部近傍の内周側（腹側）と外周側（背側）のそれぞれに冷却空気の導入孔となるインピンジメント孔（冷却孔）６が複数設けられている点も図２と同じである。
【００２４】
図２のフロースリーブでは、左右分割フロースリーブ４，４’のタービン３側の端部を左右分割ベルマウス５，５’で補強しているのに対し、本実施例のフロースリーブは左右分割フロースリーブ４，４’のタービン３側の端部を全周一体ベルマウス１２で補強している点において、図２のフロースリーブと異なる。
【００２５】
図５のように、従来は左右分割構造だったベルマウスを全周一体化することで、フロースリーブのタービン側の端部（出口側の端部）の剛性を向上させるとともに、自由端となりうる構造を排除し、片持ち梁状の変形を抑制することができる。これにより振動に伴う繰り返し応力を軽減でき、フロースリーブの変形や損傷を防止することができる。
【００２６】
なお、全周一体ベルマウス１２は、ＳＵＳ材など剛性の高い材料を用いて一体物として形成するのが望ましい。
【実施例２】
【００２７】
図６を参照して、実施例２のフロースリーブについて説明する。図６は本実施例のフロースリーブを示す斜視図であり、実施例１の図５に対応する図である。本実施例のフロースリーブは、図６に示すように、上下分割フロースリーブ１１，１１’を互いに突き合わせて、突き合わせ部を上下連結タイピース１３により連結して形成されている。
【００２８】
上下分割フロースリーブ１１，１１’のタービン３側の端部近傍の内周側（腹側）と外周側（背側）のそれぞれに冷却空気の導入孔となるインピンジメント孔（冷却孔）６が複数設けられている点は図５と同じである。
【００２９】
本実施例の上下分割型のフロースリーブにおいても、上下分割フロースリーブ１１，１１’のタービン３側の端部を全周一体ベルマウス１２で補強している。従って、実施例１の全周一体ベルマウス１２を適用した左右分割側のフロースリーブと同様に、フロースリーブのタービン側の端部（出口側の端部）の剛性を向上させるとともに、自由端となりうる構造を排除し、片持ち梁状の変形を抑制することができる。
【００３０】
なお、図６の上下分割フロースリーブ１１，１１’は、図５の左右分割フロースリーブ４，４’に比べて、長さに対する板厚の剛性が相対的に向上し、同じ応力での振動に対してき裂や破断が発生し難くなるメリットがある。
【実施例３】
【００３１】
図７および図８を参照して、実施例３のフロースリーブおよびトランジションピースについて説明する。図７は比較のために示す従来のトランジションピースへのフロースリーブの固定方法の例である。図８は本実施例のトランジションピースへのフロースリーブの固定方法を示している。
【００３２】
従来のガスタービン燃焼器では、図７に示すように、フロースリーブ４の背側面（上面）に設けたフロースリーブサポート１９をヒンジ１８、額縁サポート１７を介して、トランジションピース１５の出口部に設けた額縁１６に連結することで固定している。フロースリーブ４を上面側のみで支持しているため、圧縮機からの吐出空気および燃焼ガスなどの流体励振により、フロースリーブ４全体が上下に振動し、フロースリーブの自由端が片持ち梁状態で振動する。
【００３３】
そこで、本実施例の構造では、図８に示すように、従来のようにフロースリーブ４を上面側で支持するのに加えて、フロースリーブ４の腹側面（下面）に設けた内周側フロースリーブサポート２３を内周側ヒンジ２２、内周側額縁サポート２１を介して、トランジションピース１５の出口部の額縁１６に連結することで固定する。
【００３４】
これにより、フロースリーブ４に生じる振動、特に、フロースリーブ４の腹側面（下面）に生じる振動を抑制することができ、フロースリーブ４へのき裂や破断の発生を防止することができる。
【００３５】
なお、本実施例の固定方法は、実施例１の左右分割型フロースリーブ、実施例２の上下分割型フロースリーブのいずれにも適用することができる。
【００３６】
また、図８に示すように、フロースリーブ４の背側面（上面）および腹側面（下面）の支持に加え、内周側固定板２０によりフロースリーブ４をトランジッションピース１５へ固定してもよい。
【００３７】
また、本実施例のトランジションピースへのフロースリーブの固定方法に加え、実施例１や実施例２で説明した全周一体ベルマウスを適用することで、フロースリーブ４の振動に伴う変形をさらに抑えることができ、ガスタービン燃焼器の信頼性を向上することができる。
【実施例４】
【００３８】
図９および図１０を参照して、実施例４のフロースリーブについて説明する。図９は比較のために示すガセット１４を設けた従来のフロースリーブの例である。図１０はガセット１４を設けた本実施例のフロースリーブを示している。ガセットは、鋼板部材の接続する箇所に補強部品として用いる板材である。
【００３９】
図９は、実施例１の図２で説明したフロースリーブに、左右分割フロースリーブ４，４’の結合部を補強するためのガセット１４を追加した形態である。図９のフロースリーブでは端部を左右分割ベルマウス５，５’で補強しているが、図１０のように全周一体ベルマウス１２で補強することで、左右分割フロースリーブ４，４’が左右連結タイピース１０、全周一体ベルマウス１２、および燃焼ガス流れ方向９に沿って複数設けられたガセット１４により固定され、フロースリーブ４の振動に伴う変形をより効果的に抑制することができる。
【実施例５】
【００４０】
図１１を参照して、実施例５のフロースリーブについて説明する。図１１は、実施例２の図６で説明した上下分割型のフロースリーブに、上下分割フロースリーブ１１，１１’のそれぞれに補強のためのガセット１４を追加した形態である。ガセット１４は、燃焼ガス流れ方向９に沿って複数設けられている。図１１のように上下分割フロースリーブ１１，１１’のそれぞれにガセット１４を設け、端部を全周一体ベルマウス１２で補強することで、フロースリーブ１１，１１’の振動に伴う変形を効果的に抑制することができる。
【実施例６】
【００４１】
図１２を参照して、実施例６のフロースリーブおよびトランジションピースについて説明する。図１２は本実施例のトランジションピースへのフロースリーブの固定方法を示している。図１２は、実施例３の図８で説明したトランジションピースへのフロースリーブの固定方法に加え、フロースリーブ４の背側面（上面）および腹側面（下面）に補強のためのガセット１４，１４’を追加した形態である。
【００４２】
フロースリーブ４の背側面（上面）および腹側面（下面）の支持に加え、フロースリーブ４に補強のためのガセット１４，１４’を設けることで、フロースリーブ４に生じる振動を抑制し、フロースリーブ４へのき裂や破断の発生を効果的に防止することができる。
【００４３】
なお、以上の各実施例で説明した実施の形態は、それぞれ単独で用いてもよく、複数の実施例を組み合わせてもよい。
【００４４】
また、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１…圧縮機
２…燃焼器
３…タービン
４，４’…左右分割フロースリーブ
５，５’…左右分割ベルマウス
６…インピンジメント孔（冷却孔）
７…外周側
８…内周側
９…燃焼ガス流れ方向
１０…左右連結タイピース
１１，１１’…上下分割フロースリーブ
１２…全周一体ベルマウス
１３…上下連結タイピース
１４，１４’…ガセット
１５…トランジションピース
１６…額縁
１７…額縁サポート
１８…ヒンジ
１９…フロースリーブサポート
２０…内周側固定板
２１…内周側額縁サポート
２２…内周側ヒンジ
２３…内周側フロースリーブサポート
２４…冷却空気。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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