(57)【要約】【課題】発生した熱応力に対して冷却ジャケットの健全性を維持することが可能な燃焼器の冷却ジャケット、これを備えた燃焼器およびこれを備えたガスタービンを提供することを目的とする。【解決手段】内部に燃焼ガスが流れる筒状の壁部２と、壁部２の外周に環状に設けられ、壁部２の間に冷媒が通過する冷媒通路１７を形成する外筒４と、外筒４と壁部２とを接続する複数のリブ１６と、を備え、複数のリブ１６は、壁部２に向かって末広がりとなる脚部を有し、脚部が壁部２に溶接接続されることを特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に燃焼ガスが流れる筒状の壁部と、
該壁部の外周に環状に設けられ、該壁部の間に冷媒が通過する冷媒通路を形成する外筒と、
該外筒と前記壁部とを接続する複数のリブと、を備え、
複数の該リブは、前記壁部に向かって末広がりとなる脚部を有し、該脚部が前記壁部に溶接接続される燃焼器の冷却ジャケット。
【請求項２】
複数の前記リブは、前記外筒に向かって末広がりとなる頭部を有する請求項１に記載の燃焼器の冷却ジャケット。
【請求項３】
前記リブは、切り欠き部を該リブの長手方向における中途位置に有する請求項１または請求項２に記載の燃焼器の冷却ジャケット。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の冷却ジャケットを備えた燃焼器。
【請求項５】
請求項４に記載の燃焼器と、
該燃焼器に圧縮空気を供給する圧縮機と、
前記燃焼器からの燃焼ガスによって回転駆動するタービンと、を備えたガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼器の冷却ジャケット、これを備えた燃焼器およびこれを備えたガスタービンに関し、特に、冷却ジャケットの構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ガスタービンの燃焼器は、その内部に高温の燃焼ガスが流れるため燃焼器の壁部が高温となる。そのため、燃焼器の壁部には、高温になった壁部を冷却する冷却ジャケットが設けられている（例えば、特許文献１）。この冷却ジャケットと壁部との間には、冷媒通路が形成されており、冷却媒体として蒸気や水が通過することによって壁部を冷却している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４１３４５１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、燃焼器の尾筒（以下、「燃焼器尾筒」という。）に設けられている冷却ジャケットは、高圧の冷媒である蒸気によって冷媒通路内の圧力が高くなり冷却ジャケットが降伏することを防ぐため、低温側である冷却ジャケットと、高温側である燃焼器尾筒の壁部との間にリブが複数設けられている。しかし、高温側の燃焼器尾筒の壁部に溶接によって接続されているリブの端部が高温となり、低温側の冷却ジャケットに接続されているリブの他端部が低温となるため、この温度差によって壁部に接続されているリブの端部に熱応力が発生する。発生した熱応力が高くなった場合には、低サイクル疲労強度が低くなり、リブの端部と壁部とを接続している溶接に亀裂を生じるという問題があった。
【０００５】
また、特許文献１に記載の発明は、熱伸びの吸収を目的として柔構造（ベローズ構造）となっている燃焼器のライナ部にリブを設けるものであり、燃焼器尾筒のように熱伸びの吸収ができない剛構造に用いた場合には、リブと燃焼器尾筒の壁部とを接続している溶接に亀裂を生じるという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、生じた熱応力に対して冷却ジャケットの健全性を維持することが可能な燃焼器の冷却ジャケット、これを備えた燃焼器およびこれを備えたガスタービン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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の燃焼器の冷却ジャケット、これを備えた燃焼器およびこれを備えたガスタービンは、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る燃焼器の冷却ジャケットによれば、内部に燃焼ガスが流れる筒状の壁部と、該壁部の外周に環状に設けられ、該壁部の間に冷媒が通過する冷媒通路を形成する外筒と、該外筒と前記壁部とを接続する複数のリブと、を備え、複数の該リブは、前記壁部に向かって末広がりとなる脚部を有し、該脚部が前記壁部に溶接接続されることを特徴とする。
【０００８】
外筒と壁部との間に複数のリブを設けることによって、冷媒通路を流れる冷媒の圧力によって冷却ジャケットの外筒に作用する一次応力を低減させることができる。そのため、冷却ジャケットが降伏することを防止することができる。しかし、リブの一端である脚部は、燃焼ガスが流れることによって温度が高くなった壁部に接続されており、他端は、低温の外筒に接続されている。そのため、これらの温度差によって、壁部とリブとを接続している脚部の溶接部分には、熱応力が生じる。
【０００９】
そこで、壁部に向かって末広がりとなる脚部を有するリブを用いることとした。これにより、脚部の断面積が増加するので、リブの脚部に生じる熱応力を低減させることができる。そのため、低サイクル疲労強度によるリブの脚部の疲労寿命を改善した冷却ジャケットとすることができる。したがって、一次応力を低減しつつ、燃焼器の冷却ジャケットの健全性を向上させることができる。
【００１０】
さらに、本発明に係る燃焼器の冷却ジャケットによれば、複数の前記リブは、前記外筒に向かって末広がりとなる頭部を有することを特徴とする。
【００１１】
壁部に向かって末広がりとなる脚部に加えて、外筒に向かって末広がりとなる頭部を有するリブを用いることとした。そのため、壁部に向かって末広がりとなっている脚部だけを有するリブに比べて、リブの形状加工が容易となる。したがって、容易に冷却ジャケットの健全性を向上させることができる。
【００１２】
さらに、本発明に係る燃焼器の冷却ジャケットによれば、前記リブは、切り欠き部を該リブの長手方向における中途位置に有することを特徴とする。
【００１３】
応力が集中する切り欠き部をリブに設けることとした。これにより、熱応力を切り欠き部に集中させて、リブの脚部に生じる熱応力を緩和することができる。そのため、低サイクル疲労強度によるリブの脚部の疲労寿命を改善することができる。したがって、一次応力を低減しつつ、冷却ジャケットの健全性を向上させることができる。
【００１４】
さらに、本発明に係る燃焼器によれば、上記のいずれかに記載の冷却ジャケットを備えることを特徴とする。
【００１５】
燃焼器には、健全性を向上させた冷却ジャケットを設けることとした。そのため、冷却に伴う冷却ジャケットに生じる一次応力を低減させつつ、燃焼器の信頼性を向上させることができる。
【００１６】
さらに、本発明に係るガスタービンによれば、上記に記載の燃焼器と、該燃焼器に圧縮空気を供給する圧縮機と、前記燃焼器からの燃焼ガスによって回転駆動するタービンと、を備えることを特徴とする。
【００１７】
適切に冷却することが可能で、かつ、信頼性を向上させた燃焼器を有するガスタービンを用いることとした。そのため、ガスタービンの運転の信頼性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
壁部に向かって末広がりとなる脚部を有するリブを用いることとした。これにより、脚部の断面積が増加するので、リブの脚部に生じる熱応力を低減させることができる。そのため、低サイクル疲労強度によるリブの脚部の疲労寿命を改善した冷却ジャケットとすることができる。したがって、一次応力を低減しつつ、燃焼器の冷却ジャケットの健全性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る冷却ジャケットを備えたガスタービンの燃焼器尾筒の縦断面図である。
【図２】図１に示した冷却ジャケットの拡大図である。
【図３】図２に示した冷却ジャケットを構成するジャケット内上流側の斜視図である。
【図４】図２に示した冷却ジャケットを構成するジャケット内下流側の斜視図である。
【図５】図４に示したリブ部の拡大図である。
【図６】低サイクル疲労強度と温度とのグラフである。
【図７】各温度における熱応力と低サイクル疲労強度とのグラフである。
【図８】本発明の第２実施形態に係るリブ部の拡大図である。
【図９】図８に示したリブ部を備えたジャケット内下流側の斜視図である。
【図１０】図８に示したリブを備えた冷却ジャケットを有する燃焼器尾筒の横断面図である。
【図１１】本発明の第３実施形態に係るリブ部の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［第１実施形態］
図１には、本発明の第１実施形態に係る冷却ジャケットを備えたガスタービンの燃焼器尾筒の縦断面図が示されている。
燃焼器（図示せず）の一部である燃焼器尾筒１を形成する壁部２は、その外周に冷却ジャケット３を備えている。
燃焼器は、ガスタービン（図示せず）を構成するタービン（図示せず）へと導かれる作動流体である燃焼ガスを発生させるものである。燃焼器は、燃料と空気とを燃焼させて燃焼ガスを生成する筒形状のライナ（図示せず）と、ライナにおいて生成された燃焼ガスをタービンへと導く燃焼器尾筒１とを備えている。
【００２１】
燃焼器尾筒１には、その外周に環状に設けられている冷却ジャケット３が設けられている。冷却ジャケット３は、燃焼器尾筒１の長手方向の略中央部に設けられている冷却ジャケット（以下、「中間冷却ジャケット」という。）５と、中間冷却ジャケット５の下流側であって燃焼器尾筒１の長手方向の端であり燃焼ガスの出口近傍に設けられているジャケット（以下、「出口側冷却ジャケット」という）６との２個所に設けられている。
【００２２】
燃焼器尾筒１は、筒形状をしており、その内部を燃焼ガスが通過する。燃焼ガスが流入する側の燃焼器尾筒１の壁部２の近傍には、下方から燃焼器尾筒１を支持するサポート部３０が設けられている。また、燃焼器尾筒１に設けられている出口側冷却ジャケット６の外周には、ガゼット３１が接続されている。ガゼット３１は、図示しないタービンケーシングに反対端が固定されている。このガゼット３１によって、燃焼器尾筒１をタービンケーシングの内壁に固定することができる。
【００２３】
中間冷却ジャケット５および出口側冷却ジャケット６は、後述するジャケット部（外筒）とリブ部とによって各々燃焼器尾筒１の壁部２の外周に環状に設けられている。これにより、中間冷却ジャケット５および出口側冷却ジャケット６と、燃焼器尾筒１の壁部２との間には、冷媒通路７が形成されることとなる。冷媒通路７は、中間冷却ジャケット５および出口側冷却ジャケット６と、壁部２との間であって、壁部２の円周方向に渡って形成されている。冷媒通路７には、冷媒である高圧の蒸気が導かれる。冷媒通路７に蒸気が導かれることによって、燃焼器尾筒１の壁部２の壁温度の上昇を防止することができる。
【００２４】
図２には、図１に示した出口側冷却ジャケットの拡大図が示されている。
出口側冷却ジャケット６は、ジャケット内上流側８と、ジャケット内下流側９とを有している。
図３には、図２に示した出口側冷却ジャケットのジャケット内上流側の斜視図が示されている。また、図４には、図２に示した出口側冷却ジャケットのジャケット内下流側の斜視図が示されている。
【００２５】
ジャケット内上流側８は、前述したジャケット部４の一部を形成している。ジャケット内上流側８は、図２および図３において下方に向かって湾曲形状となっている湾曲部１０と、燃焼器尾筒１（図１参照）の壁部２に対して平行となる上流側平行部１１とを有している。湾曲部１０は、下方に延在している端が壁部２に溶接によって接続されている。上流側平行部１１の延在している端は、後述するジャケット内下流側９に溶接によって接続されている。これにより、壁部２と、ジャケット内上流側８との間には、上流側冷媒通路（冷媒通路）１２が形成されることになる。
【００２６】
ジャケット内下流側９は、燃焼器尾筒１（図２参照）の壁部２に平行で、かつ、ジャケット部４を形成する下流側平行部１３と、下流側平行部１３から鉛直上方に延在する鉛直部１４と、下流側平行部１３および鉛直部１４の各端部が接合している接合部（図示せず）から斜め下方に向かって延在するリブ部（リブ）１６とを有している。
【００２７】
下流側平行部１３は、鉛直部１４と接合している接合部の反対端が壁部２の出口に設けられているフランジ部２ａに溶接によって接続されている。鉛直部１４は、下流側平行部１３と接合している接合部の反対端が前述したガゼット３１（図１参照）に溶接によって接続されている。リブ部１６は、接合部から壁部２に向かって延在している。これら下流側平行部１３と、リブ部１６と、フランジ部２ａとによって、下流側冷媒通路（冷媒通路）１７が形成されることになる。
【００２８】
リブ部１６は、壁部２の円周方向に複数設けられている。これにより、上流側冷媒通路１２から下流側冷媒通路１７へと複数の分岐冷媒通路（冷媒通路）１８が形成されることとなる。分岐冷媒通路１８によって、上流側冷媒通路１２に導かれた蒸気は下流側冷媒通路１７へと導かれるようになっている。
【００２９】
図５には、図４に示したリブ部の拡大図が示されている。
壁部２と出口側冷却ジャケット６（図２参照）の下流側平行部１３との間に設けられているリブ部１６は、壁部２に向かって末広がりとなる脚部１６ａを有している。末広がりの脚部１６ａは、壁部２に溶接によって接続されている。下流側平行部１３に接続されているリブ部１６の頭部１６ｂは、リブ部１６の延在方向と同じ太さとなっている。
【００３０】
図６には、低サイクル疲労強度（ＬＣＦ強度）と温度との関係を表すグラフが示されている。図６の縦軸には、低サイクル疲労強度を示し、横軸には、温度を示している。
このグラフより、高温の場合には、低サイクル疲労強度が低下し、温度が低くなるにつれて、低サイクル疲労強度が増加することがわかる。
【００３１】
図７には、各温度に対する熱応力と低サイクル疲労強度（ＬＣＦ）との関係を表すグラフが示されている。図７の縦軸には、熱応力を示し、横軸には、低サイクル疲労強度（回数）を示す。図７中に示されている複数の曲線は、各温度を示している。
熱応力σは、リブ部１６に作用する引張力と、リブ部１６の断面積とから求めることができる。各冷媒通路１２、１７、１８に高圧の蒸気が流入することによってジャケット部４であるジャケット内上流側８と、ジャケット内下流側９の下流側平行部１３と、壁部２とには、例えば、５０ａｔａの気圧がかかることとなる。ジャケット部４および壁部２に高圧力がかかることによって、リブ部１６には、引張力Ｐが生じることとなる。リブ部１６の脚部１６ａと頭部１６ｂとの太さが同じ場合には、それらの断面積Ａが同じであるため、脚部１６ａおよび頭部１６ｂには、同じ熱応力σ１が生じる。
【００３２】
しかし、燃焼ガスが燃焼器尾筒１内を流れることによって、壁部２に溶接によって接続されているリブ部１６の脚部１６ａは、例えば、５００℃となる。一方、ジャケット部４に接続されているリブ部１６の頭部１６ｂは、例えば、３００℃とされる。脚部１６ａと頭部１６ｂとの間には、温度差があるため、脚部１６ａの低サイクル疲労強度Ｎ１が頭部１６ｂの低サイクル疲労強度Ｎ２に比べて低下する。
【００３３】
リブ部１６の脚部１６ａを壁部２に向かって末広がりの形状とした場合には、脚部１６ａの断面積Ａ’が増加する。脚部１６ａの断面積Ａ’が増加するので、脚部１６ａの熱応力がσ１からσ２に低下する。脚部１６ａの熱応力σ２が低下することによって、脚部１６ａの温度５００℃における低サイクル疲労強度がＮ１からＮ１’に増加する。
【００３４】
以上の通り、本実施形態に係る燃焼器の冷却ジャケット、これを備えた燃焼器およびこれを備えたガスタービンによれば、以下の作用効果を奏する。
燃焼器尾筒（燃焼器）１の壁部２に向かって末広がりとなる脚部１６ａを有するリブ部（リブ）１６を用いることとした。これにより、リブ部１６の脚部１６ａの断面積が増加するので、リブ部１６の脚部１６ａに生じる熱応力σを低減させることができる。そのため、低サイクル疲労強度によるリブ部１６の脚部１６ａの疲労寿命を改善した冷却ジャケット３とすることができる。したがって、一次応力を低減しつつ、燃焼器尾筒１の冷却ジャケット３の健全性を向上させることができる。
【００３５】
燃焼器尾筒１には、健全性を向上させた冷却ジャケット３を設けることとした。そのため、冷却に伴い冷却ジャケット３に生じる一次応力を低減させつつ、燃焼器の信頼性を向上させることができる。
【００３６】
適切に冷却することが可能で、かつ、信頼性を向上させた燃焼器尾筒１を備えている燃焼器をガスタービンに用いることとした。そのため、ガスタービンの運転の信頼性を向上させることができる。
【００３７】
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態の燃焼器の冷却ジャケット、これを備えた燃焼器およびこれを備えたガスタービンは、リブの形状が冷却ジャケットに向かって末広がりである点で第１実施形態と相違し、その他は同様である。したがって、同一の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３８】
図８には、本発明の第２実施形態に係るリブ部の拡大図が示されている。図９には、本発明の第２実施形態に係るリブ部を備えたジャケット内下流側の斜視図が示されている。図１０には、図８に示したリブ部を備えた下流側冷却ジャケットを有する燃焼器尾筒の横断面図が示されている。
リブ部（リブ）１６は、壁部２に向かって末広がりになっている脚部１６ａと、ジャケット部（外筒）４の一部である下流側平行部１３に向かって末広がりとなっている頭部１６ｂとを有している。脚部１６ａおよび頭部１６ｂが末広がり形状のため、リブ部１６は、その長手方向における中央部が窪んだＲ形状（湾曲形状）とされる。リブ部１６は、燃焼器尾筒（燃焼器）１の円周方向に複数設けられているため、燃焼器尾筒１の壁部２とジャケット部４との間には、図１０に示すように複数の分岐冷媒通路１８が設けられることになる。
【００３９】
以上の通り、本実施形態に係る燃焼器の冷却ジャケット、これを備えた燃焼器およびこれを備えたガスタービンによれば、以下の作用効果を奏する。
燃焼器尾筒（燃焼器）１の壁部２に向かって末広がりとなる脚部１６ａに加えて、ジャケット部（外筒）４に向かって末広がりとなる頭部１６ｂを有するリブ部（リブ）１６を用いることとした。そのため、壁部２に向かって末広がりとなっている脚部１６ａだけを有するリブ部１６に比べて、リブ部１６の形状加工が容易となる。したがって、容易に燃焼器尾筒１の冷却ジャケット３の健全性を向上させることができる。
【００４０】
［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態の燃焼器の冷却ジャケット、これを備えた燃焼器およびこれを備えたガスタービンは、リブの長手方向における中途位置に切り欠き部を有する点で第１実施形態と相違し、その他は同様である。したがって、同一の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４１】
図１１には、本発明の第３実施形態に係るリブ部の拡大図が示されている。
リブ部（リブ）１６は、その長手方向における中途位置にＵ字形状の切り欠き部１６ｃが設けられている。切り欠き部１６ｃは、リブ部１６の長手方向を軸として対象となる位置に１つずつ設けられている。
なお、切り欠き部１６ｃの大きさは、集中した熱応力によって亀裂などが生じないものとされる。
【００４２】
以上の通り、本実施形態に係る燃焼器の冷却ジャケット、これを備えた燃焼器およびこれを備えたガスタービンによれば、以下の作用効果を奏する。
応力が集中する切り欠き部１６ｃをリブ部（リブ）１６に設けることとした。これにより、熱応力を切り欠き部１６ｃに集中させて、壁部２に溶接によって接続されているリブ部１６の脚部１６ａに生じる熱応力σを緩和することができる。そのため、低サイクル疲労強度によるリブ部１６の脚部１６ａの疲労寿命を改善することができる。したがって、一次応力を低減しつつ、冷却ジャケットの健全性を向上させることができる。
【００４３】
また、本実施形態では、壁部２に向かって末広がりになっている脚部１６ａを有しているリブ部１６として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、末広がり形状の脚部１６ａに加えてジャケット部（外筒）４である下流側平行部１３に向かって末広がりとなっている頭部１６ｂを有するリブ部１６に切り欠き部１６ｃを設けることとしても良い。
【符号の説明】
【００４４】
１  燃焼器尾筒（燃焼器）
２  壁部
３  冷却ジャケット
４  ジャケット部（外筒）
６  出口側冷却ジャケット（冷却ジャケット）
１２  上流側冷媒通路（冷媒通路）
１６  リブ部（リブ）
１６ａ  脚部
１７  下流側冷媒通路（冷媒通路）
【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】
2011190717.tif 000013