(57)【要約】【課題】燃焼器用尾筒の寿命予測精度を向上させる。【解決手段】軸線に沿って延びるパイロットノズル３３と、パイロットノズル３３の外周側で周方向にあけて複数が設けられて、軸線方向Ｄａｃに延びるメインノズル３４と、パイロットノズル３３とメインノズル３４とを外周側から囲う内筒１７と、を備える燃焼器３に設けられ、内筒１７の下流側に接続されてさらに下流側に延びる燃焼器尾筒１８であって、軸線Ａｃに沿う筒状をなす尾筒本体３６と、尾筒本体３６の外面上で軸線方向Ｄａｃに延びる測定線上に間隔をあけて設けられた複数の測定点４１を有する温度センサ４０と、を備える燃焼器用尾筒１８を提供する。【選択図】図２
2018100627.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線に沿って延びるパイロットノズルと、
前記パイロットノズルの外周側で周方向に間隔をあけて複数が設けられて、前記軸線方向に延びるメインノズルと、
前記パイロットノズルと前記メインノズルとを外周側から囲う内筒と、を備える燃焼器に設けられ、前記内筒の下流側に接続されてさらに下流側に延びる燃焼器用尾筒であって、
前記軸線に沿う筒状をなす尾筒本体と、
前記尾筒本体の外面上で前記軸線方向に延びる測定線上に間隔をあけて設けられた複数の測定点を有する温度センサと、を備える燃焼器用尾筒。
【請求項２】
前記測定線の周方向の位置は、前記メインノズルの周方向の位置に対応している請求項１に記載の燃焼器用尾筒。
【請求項３】
軸線に沿って延びるパイロットノズルと、
前記パイロットノズルの外周側で周方向にあけて複数が設けられて、前記軸線方向に延びるメインノズルと、
前記パイロットノズルと前記メインノズルとを外周側から囲う内筒と、
請求項１又は請求項２に記載の燃焼器用尾筒と、を備える燃焼器。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の燃焼器用尾筒の製造方法であって、
描画装置を用いて前記尾筒に前記温度センサを直接描画する燃焼器用尾筒の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼器用尾筒、燃焼器及び燃焼器用尾筒の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、ガスタービン軸線を中心として回転するガスタービンロータと、このガスタービンロータを覆う車室と、この車室に取り付けられている複数の燃焼器と、を備えている。複数の燃焼器は、ガスタービン軸線に対する周方向に並んで車室に取り付けられている。
【０００３】
ガスタービンの燃焼器は、燃焼ガスの流路を形成する尾筒（又は燃焼筒）と、この尾筒内に空気と共に燃料を噴射する燃料噴射器と、を備えている。尾筒内では、燃料が燃焼すると共に、燃料の燃焼で生成された燃焼ガスが流れる。即ち、尾筒の内周面は、極めて高温の燃焼ガスに晒される。このため、燃焼器の尾筒には、遮熱コーティング層を形成することが一般的である（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
ガスタービンの各構成部品の寿命は様々な方法で管理されているが、尾筒に関しては、研究室で生成されたデータを基に寿命予測を行うのが一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２０９４４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、研究室で生成されたデータに基づく寿命予測では、寿命予測精度に限界があり、より早めの交換が必要となるなどの課題があった。
【０００７】
この発明は、詳細な温度監視により、寿命予測精度を向上させることができる燃焼器用尾筒、この燃焼器用尾筒を備える燃焼器、及び燃焼器用尾筒の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第一の態様によれば、燃焼器用尾筒は、軸線に沿って延びるパイロットノズルと、前記パイロットノズルの外周側で周方向にあけて複数が設けられて、前記軸線方向に延びるメインノズルと、前記パイロットノズルと前記メインノズルとを外周側から囲う内筒と、を備える燃焼器に設けられ、前記内筒の下流側に接続されてさらに下流側に延びる燃焼器尾筒であって、前記軸線に沿う筒状をなす尾筒本体と、前記尾筒本体の外面上で前記軸線方向に延びる測定線上に間隔をあけて設けられた複数の測定点を有する温度センサと、を備える。
【０００９】
このような構成によれば、燃焼器の尾筒の詳細な温度監視が可能となる。具体的には、複数の測定点によって面としての温度分布の把握が可能となる。これにより、尾筒の材料劣化に起因した機能の喪失、並びに、被覆の剥がれ、又は、亀裂、又は、破損の進行状況の把握が可能となり、寿命予測精度を向上させることができる。
【００１０】
上記燃焼器用尾筒において、前記測定線の周方向の位置は、前記メインノズルの周方向の位置に対応してよい。
【００１１】
このような構成によれば、より高温部分の温度測定が可能となる。即ち、より高温に曝されて寿命に影響を与える部位の温度を管理することができる。
【００１２】
本発明の第二の態様によれば、燃焼器は、軸線に沿って延びるパイロットノズルと、前記パイロットノズルの外周側で周方向にあけて複数が設けられて、前記軸線方向に延びるメインノズルと、前記パイロットノズルと前記メインノズルとを外周側から囲う内筒と、上記燃焼器用尾筒と、を備える。
【００１３】
本発明の第三の態様によれば、燃焼器用尾筒の製造方法は、上記燃焼器用尾筒の製造方法であって、描画装置を用いて前記尾筒に前記温度センサを直接描画する。
【００１４】
このような構成によれば、温度センサを有する燃焼器用尾筒の薄型化が可能となる。また、複数の温度センサを容易に形成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、燃焼器の尾筒の詳細な温度監視が可能となる。具体的には、複数の測定点によって面としての温度分布の把握が可能となる。これにより、尾筒の材料劣化に起因した機能の喪失、並びに、被覆の剥がれ、又は、亀裂、又は、破損の進行状況の把握が可能となり、寿命予測精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態のガスタービンの模式的全体側面図である。
【図２】本発明の実施形態のガスタービンの燃焼器周辺の拡大断面図である。
【図３】本発明の実施形態の燃焼器の尾筒の斜視図である。
【図４】本発明の実施形態の燃焼器の尾筒の燃焼器軸線方向から見た断面図である。
【図５】本発明の実施形態の温度センサの概略図である。
【図６】本発明の実施形態の尾筒に設けられる温度センサの配置を説明する概略図である。
【図７】本発明の実施形態の尾筒の周方向のメタル温度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態の燃焼器を備えるガスタービン（回転機械）について図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態のガスタービン１は、外気Ａｏを圧縮して圧縮空気Ａを生成する圧縮機２と、圧縮空気Ａ中で燃料Ｆを燃焼させて燃焼ガスＧを生成する複数の燃焼器３と、燃焼ガスＧにより駆動するタービン４と、を備えている。
【００１８】
圧縮機２は、ガスタービン軸線Ａｒを中心として回転する圧縮機ロータ６と、圧縮機ロータ６を回転可能に覆う圧縮機車室７と、複数の圧縮機静翼列８と、を有している。
なお、以下では、ガスタービン軸線Ａｒが延びる方向をガスタービン軸線方向Ｄａとする。また、ガスタービン軸線Ａｒを中心とした周方向を単に周方向Ｄｃとし、ガスタービン軸線Ａｒに対して垂直な方向を径方向Ｄｒとする。径方向Ｄｒで、ガスタービン軸線Ａｒから遠ざかる側を径方向外側とし、ガスタービン軸線Ａｒに近づく側を径方向内側とする。
【００１９】
圧縮機ロータ６は、ガスタービン軸線Ａｒに沿ってガスタービン軸線方向Ｄａに延びる圧縮機ロータ軸９と、圧縮機ロータ軸９に取り付けられている複数の圧縮機動翼列１０と、を有している。複数の圧縮機動翼列１０は、ガスタービン軸線方向Ｄａに並んでいる。各々の圧縮機動翼列１０は、いずれも、周方向Ｄｃに並んでいる複数の動翼で構成される。複数の圧縮機動翼列１０の各下流側には、圧縮機静翼列８が配置されている。各々の圧縮機静翼列８は、いずれも、圧縮機車室７の内側に固定されている。各々の圧縮機静翼列８は、いずれも、周方向Ｄｃに並んでいる複数の静翼で構成される。
【００２０】
タービン４は、ガスタービン軸線Ａｒを中心として回転するタービンロータ１１と、タービンロータ１１を回転可能に覆うタービン車室１２と、複数のタービン静翼列１３と、を有している。タービンロータ１１は、ガスタービン軸線Ａｒに沿ってガスタービン軸線方向Ｄａに延びるタービンロータ軸１４と、タービンロータ軸１４に取り付けられている複数のタービン動翼列１５と、を有している。
【００２１】
複数のタービン動翼列１５は、ガスタービン軸線方向Ｄａに並んでいる。各々のタービン動翼列１５は、いずれも、周方向Ｄｃに並んでいる複数の動翼で構成される。複数のタービン動翼列１５の各上流側には、タービン静翼列１３が配置されている。各々のタービン静翼列１３は、タービン車室１２の内側に固定されている。各々のタービン静翼列１３は、いずれも、周方向Ｄｃに並んでいる複数のタービン静翼５で構成されている。
【００２２】
ガスタービン１は、さらに、ガスタービン軸線Ａｒを中心として筒状の中間車室１６を備えている。中間車室１６は、ガスタービン軸線方向Ｄａで、圧縮機車室７とタービン車室１２との間に配置されている。圧縮機車室７、中間車室１６、タービン車室１２は、互いに接続されてガスタービン車室２１を成している。圧縮機ロータ６とタービンロータ１１とは、同一ガスタービン軸線Ａｒ上に位置し、互いに接続されてガスタービンロータ２０を成している。ガスタービンロータ２０には、例えば、発電機ＧＥＮのロータが接続されている。
【００２３】
燃焼器３は、圧縮機２で圧縮された圧縮空気Ａに対して燃料Ｆを供給することで、高温・高圧の燃焼ガスＧを生成するものである。複数の燃焼器３は、周方向Ｄｃに互いの間隔をあけて、中間車室１６に固定されている。
図２に示すように、燃焼器３は、圧縮空気Ａと共に燃料Ｆを噴射する燃料噴射器２６と、燃料噴射器２６を外周側から囲う内筒１７と、内筒１７の下流側に接続されてさらに下流側に延びる尾筒１８（燃焼器用尾筒）と、を有している。尾筒１８は、高温高圧の燃焼ガスＧをタービン車室１２内の燃焼ガス通路２２に送る。
【００２４】
燃料噴射器２６は、燃焼器軸線Ａｃ上に配置されているパイロットバーナ２７と、燃焼器軸線Ａｃを中心とする周方向（以下、燃焼器周方向Ｄｃｃと呼ぶ。）に等間隔で配置されている複数のメインバーナ２８と、筒状のバーナ保持筒２９と、中間車室１６に取り付けられる燃焼器トップフランジ３０と、燃焼器トップフランジ３０に固定されているノズル基台３１と、を有している。なお、以下では、燃焼器軸線Ａｃが延びる方向を燃焼器軸線方向Ｄａｃとする。
【００２５】
パイロットバーナ２７は、燃焼器軸線方向Ｄａｃに延びるパイロットノズル３３を有している。パイロットノズル３３の基端は、ノズル基台３１に固定されている。メインバーナ２８は、燃焼器軸線方向Ｄａｃに延びるメインノズル３４を有している。メインノズル３４の基端は、ノズル基台３１に固定されている。
バーナ保持筒２９は、パイロットバーナ２７及び複数のメインバーナ２８の外周側を覆っている。バーナ保持筒２９は、ノズル基台３１に固定されている。
燃焼器トップフランジ３０は、ノズル基台３１から燃焼器軸線Ａｃに対する放射方向に張り出している。燃焼器トップフランジ３０は、燃焼器軸線Ａｃ周りに環状を成している。
【００２６】
中間車室１６の外周側であって、中間車室１６に外周面に沿った領域には、図示されていないが、複数の燃焼器３に燃料Ｆを供給する複数の燃料配管や、冷却媒体をガスタービン１中で高温の燃焼ガスＧに接する高温部品に供給する複数の冷却媒体配管等が設けられている。
【００２７】
図３に示すように、尾筒１８は、燃焼器軸線方向Ｄａｃの下流側に向かうにしたがって漸次縮径する円筒形状をなしている尾筒本体３６と、尾筒本体３６に設けられた複数の温度センサ４０と、を備えている。温度センサ４０は、二種類の金属線の先端同士を接触させて回路を作り、接合点（測定点）に発生する熱起電力を通じて温度差を測定する熱電対である。
【００２８】
各々の温度センサ４０は、温度を測定する箇所である測定点４１と、第一金属線部４２と第二金属線部４３（図５参照）と、を有している。測定点４１は、第一金属線部４２と第二金属線部４３との接合点である。
複数の測定点４１は、尾筒本体３６に設けられる複数の測定線Ｌ上に燃焼器軸線方向Ｄａｃに間隔をあけて設けられている。測定線Ｌは、尾筒本体３６の外面上で燃焼器軸線方向Ｄａｃに延びる仮想線である。測定線Ｌは、燃焼器軸線Ａｃを中心とする燃焼器周方向Ｄｃｃに等間隔となるように設定されている。測定線Ｌの本数は、メインノズル３４の数に対応している。
【００２９】
測定点４１の燃焼器軸線方向Ｄａｃでの間隔は、燃焼器周方向Ｄｃｃに隣り合う測定線Ｌ同士の間隔と同程度とすることが好ましい。これにより、燃焼器周方向Ｄｃｃに隣り合う測定点４１同士の間隔と、燃焼器軸線方向Ｄａｃに隣り合う測定点４１同士の間隔が同程度となる。これにより、測定点４１が、尾筒本体３６の外面上に均等に配置される。
【００３０】
図４に示すように、尾筒本体３６の内面には、遮熱コーティング（ＴＢＣ，Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｃｏａｔｉｎｇ）が施されている。具体的には、尾筒本体３６は、耐熱合金によって形成されている母材３７と、遮熱コーティング層３８とから形成されている。遮熱コーティング層３８は、母材３７との密着性および耐酸化性を向上するための金属製のボンドコート層と、遮熱性を向上するセラミックス製のトップコート層とから形成されている。
【００３１】
温度センサ４０の測定点４１は、遮熱コーティング層３８の表面に形成されている。測定点４１の形成位置は、これに限ることはなく、例えば、遮熱コーティング層３８の内部でもよいし、遮熱コーティング層３８の裏面（表面と反対側の面）でもよい。
【００３２】
次に、温度センサ４０の詳細について説明する。
図５に示すように、温度センサ４０の複数の測定点４１は、測定線Ｌに沿って配置されている。第一金属線部４２は、測定線Ｌ上に延在している。第二金属線部４３は、各々の測定点４１から測定線Ｌと交差する方向に延在した後、測定線Ｌに沿って延在している。即ち、複数の温度センサ４０では、複数の測定点４１に対して第一金属線部４２は共通である。
【００３３】
第一金属線部４２及び第二金属線部４３の線幅は、例えば、２５０μｍとすることができる。また、第一金属線部４２及び第二金属線部４３の厚さは、例えば、２５μｍとすることができる。
第一金属線部４２及び第二金属線部４３を構成する金属としては、高温測定に適した白金や、白金ロジウム合金を用いることが好ましい。
【００３４】
図６に示すように、温度センサ４０の測定点４１が配置される測定線Ｌの燃焼器軸線Ａｃを中心とする周方向の位置（図６の三角印）は、メインノズル３４の周方向の位置に対応している。即ち、８本の測定線Ｌは、８つのメインノズル３４と燃焼器周方向Ｄｃｃの位置が同じとなるように設定される。
図７は、横軸を尾筒１８の燃焼器周方向Ｄｃｃの角度、縦軸をメタル温度とした、尾筒１８の燃焼器周方向Ｄｃｃのメタル温度を示すグラフである。図７中のＩ〜ＶＩＩＩのローマ数字は、図６のＩ〜ＶＩＩＩのローマ数字と対応している。
ここで、図７に示すように、尾筒１８の燃焼器周方向Ｄｃｃのメタル温度は、メインノズル３４の燃焼器周方向Ｄｃｃの位置に対応して変化している。尾筒１８の燃焼器周方向Ｄｃｃのメタル温度は、メインノズル３４が配置されている位置が高くなっている。尾筒１８の燃焼器周方向Ｄｃｃのメタル温度の高い位置は、メインノズル３４が設置されている位置と一致している。
【００３５】
具体的には、メインノズル３４（Ｉ）に対応する位置（尾筒１８の頂部を０°した場合の２２．５°の位置）のメタル温度が高くなっており、同様に、メインノズル３４（ＩＩ）に対応する位置、メインノズル３４（ＩＩＩ）に対応する位置、メインノズル３４（ＩＶ）に対応する位置、メインノズル３４（Ｖ）に対応する位置、メインノズル３４（ＶＩＩ）に対応する位置、メインノズル３４（ＶＩＩＩ）に対応する位置の温度が高くなっている。
測定線Ｌの燃焼器周方向Ｄｃｃでの位置、即ち、温度センサ４０の測定点４１が配置される燃焼器周方向Ｄｃｃでの位置は、メインノズル３４の燃焼器周方向Ｄｃｃでの位置と一致している。
【００３６】
複数の温度センサ４０は、図示しない測定器と接続されている。使用者は、測定器を介して、複数の温度センサ４０によって測定される尾筒１８のメタル温度を把握することができる。
【００３７】
次に、尾筒１８の製造方法について説明する。
本実施形態の尾筒１８の製造方法は、尾筒本体３６を製造する尾筒本体製造工程と、温度センサ４０を形成する温度センサ形成工程と、を有している。
温度センサ形成工程では、温度センサ４０は、第一金属線部４２、及び第二金属線部４３を直接描画する描画装置を用いて形成することができる。描画装置は、線状の金属を連続的に配置することができる装置、例えば、溶接ロボットや、金属用３Ｄ（三次元）プリンタを採用することができる。ＬＭＤ（レーザ・メタル・デポジション、Ｌａｓｅｒ  Ｍｅｔａｌ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、以下ＬＭＤと呼ぶ。）装置などの溶接装置も採用することができる。
温度センサ形成工程では、温度センサ４０を構成する第一金属線部４２及び第二金属線部４３が、尾筒本体３６上に直接描画される。
【００３８】
次に、本実施形態のガスタービン１の動作及び作用について説明する。
圧縮機２は、外気Ａｏを吸い込んでこれを圧縮する。圧縮機２で圧縮された空気は、燃焼器３のメインバーナ２８及びパイロットバーナ２７内に導かれる。メインバーナ２８及びパイロットバーナ２７には、燃料供給源から燃料が供給される。メインバーナ２８は、燃料と空気と予混合した予混合気体を、
尾筒１８内に噴出する。予混合気体は、尾筒１８内で予混合燃焼する。また、パイロットバーナ２７は、尾筒１８内に、燃料と空気とをそれぞれ噴出する。この燃料は、尾筒１８内で拡散燃焼または予混合燃焼する。尾筒１８内での燃料の燃焼で発生した高温高圧の燃焼ガスＧは、タービン４の燃焼ガス通路２２内に導かれ、タービンロータ１１を回転させる。
【００３９】
上記実施形態によれば、尾筒１８の外面上に複数の温度センサ４０を設けることによって、尾筒１８の詳細な温度監視が可能となる。具体的には、複数の測定点４１によって面としての温度分布の把握が可能となる。これにより、尾筒１８の材料劣化に起因した機能の喪失、並びに、被覆の剥がれ、又は、亀裂、又は、破損の進行状況の把握が可能となり、寿命予測精度を向上させることができる。
【００４０】
また、温度センサ４０の測定点４１が配置される測定線Ｌの燃焼器周方向Ｄｃｃの位置がメインノズル３４の燃焼器周方向Ｄｃｃの位置に対応していることによって、より高温部分の温度測定が可能となる。即ち、より高温に曝されて寿命に影響を与える部位の温度を管理することができる。
【００４１】
また、温度センサ４０を描画装置を用いて尾筒１８に直接描画することによって、温度センサ４０を有する尾筒１８の薄型化が可能となる。また、複数の温度センサ４０を容易に形成することができる。また、温度センサ４０を構成する第一金属線部４２、第二金属線部４３の幅を細くすることができる。
また、複数の測定点４１に対して第一金属線部４２を共通とすることによって、温度センサ４０に必要なスペースを少なくすることができる。
【００４２】
以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
なお、上記実施形態では、温度センサ４０として熱電対を採用したが、これに限らず、尾筒１８の面上に配置できるものであれば周知のいかなるものであっても良い。
【符号の説明】
【００４３】
１  ガスタービン
２  圧縮機
３  燃焼器
４  タービン
６  圧縮機ロータ
９  圧縮機ロータ軸
１１  タービンロータ
１４  タービンロータ軸
１７  内筒
１８  尾筒
２０  ガスタービンロータ
２１  ガスタービン車室
２６  燃料噴射器
２７  パイロットバーナ
２８  メインバーナ
３３  パイロットノズル
３４  メインノズル
３６  尾筒本体
３７  母材
３８  遮熱コーティング層
４０  温度センサ
４１  測定点
４２  第一金属線部
４３  第二金属線部
Ａ  圧縮空気
Ａｃ  燃焼器軸線（軸線）
Ａｒ  ガスタービン軸線
Ｄａ  ガスタービン軸線方向
Ｄａｃ  燃焼器軸線方向（軸線方向）
Ｄｃ  周方向
Ｄｃｃ  燃焼器周方向（周方向）
Ｄｒ  径方向
Ｇ  燃焼ガス
Ｌ  測定線
【図１】
2018100627.tif 000003
【図２】
2018100627.tif 000004
【図３】
2018100627.tif 000005
【図４】
2018100627.tif 000006
【図５】
2018100627.tif 000007
【図６】
2018100627.tif 000008
【図７】
2018100627.tif 000009