(57)【要約】【課題】特にライナ部の冷却性能向上を図る。【解決手段】燃料を噴出するバーナと、このバーナから噴出された燃料を燃焼させる燃焼室と、燃焼室を形成するライナ１と、ライナ１の下流に接続されたトランジションピース２と、ライナ１とトランジションピース２の外側に設けられたフロースリーブ３とを有する燃焼器において、トランジションピース２の上流側に設けられた第一の空気供給孔と、ライナ１の下流側に設けられた第二の空気供給孔と、トランジションピース２の下流側から流出した空気を第二の空気供給孔に導くバイパス管２０とを有することを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を噴出するバーナと、前記バーナから噴出された燃料を燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室を形成するライナと、前記ライナの下流に接続されたトランジションピースと、前記ライナと前記トランジションピースの外側に設けられたフロースリーブとを有する燃焼器において、
前記トランジションピースの上流側に設けられた第一の空気供給孔と、前記ライナの下流側に設けられた第二の空気供給孔と、前記トランジションピースの下流側から流出した空気を前記第二の空気供給孔に導くバイパス管とを有することを特徴とする燃焼器。
【請求項２】
請求項１の燃焼器において、
前記バイパス管以外からの空気が前記第二の空気孔へ流入することを抑制する隔壁を有することを特徴とする燃焼器。
【請求項３】
請求項１または２の燃焼器において、前記第一の空気孔と前記第二の空気孔は、前記フロースリーブに設けられていることを特徴とする燃焼器。
【請求項４】
請求項１から３の何れかの燃焼器において、
前記フロースリーブの外側に設けられたケーシングを有し、
前記バイパス管が前記ケーシングの内側に設けられていることを特徴とする燃焼器。
【請求項５】
請求項１から３の何れかの燃焼器において、
前記フロースリーブの外側に設けられたケーシングを有し、
前記バイパス管が前記ケーシングの外側に設けられ、前記バイパス管には放熱促進手段が設けられていることを特徴とする燃焼器。
【請求項６】
圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮空気と燃料から燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスにより駆動されるタービンとを有し、
前記燃焼器は、前記燃料を噴出するバーナと、前記バーナから噴出された燃料を燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室を形成するライナと、前記ライナの下流に接続されたトランジションピースと、前記ライナと前記トランジションピースの外側に設けられたフロースリーブとを有するガスタービンにおいて、
前記トランジションピースの上流側に設けられた第一の空気供給孔と、前記ライナの下流側に設けられた第二の空気供給孔と、前記トランジションピースの下流側から流出した空気を前記第二の空気供給孔に導くバイパス管とを有し、前記バイパス管を流れる空気を前記圧縮機に供給する抽気管とを有することを特徴とするガスタービン。
【請求項７】
燃料を噴出するバーナと、前記バーナから噴出された燃料を燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室を形成するライナと、前記ライナの下流に接続されたトランジションピースと、前記ライナと前記トランジションピースの外側に設けられたフロースリーブとを有する燃焼器の冷却方法において、
前記トランジションピースを並行流式熱交換で冷却した空気で、前記ライナを対抗流式熱交換で冷却することを特徴とする燃焼器の冷却方法。
【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、特に燃焼器の冷却に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは主に圧縮機，燃焼器、そしてタービンにより構成されている。燃焼器において圧縮機で生成された圧縮空気と燃料を燃焼させ、高温の燃焼ガスを発生させてタービンを駆動し、タービンに接続されている発電機によって発電するものである。現在、ガスタービンの発電効率を向上させる一つの方法として、タービン入口燃焼ガス温度の高温化がある。しかし、燃焼ガス温度の高温化に伴って燃焼器（主に、燃料ノズル，ライナ，トランジションピース，フロースリーブにより構成される）のライナ壁面温度も上昇する。そのため、圧縮機で生成された燃焼空気を冷却空気としてライナ壁面を効果的に冷却する技術も必要となる。一例目として、ガスタービン燃焼器のトランジションピース冷却構造について、特許文献１に開示されている。この特許文献１の技術では、トランジションピースに設けた貫通孔（冷却空気流孔）の構成により均一な冷却効果を得る内容を開示している。二例目として、ガスタービン燃焼器のライナおよびトランジションピースの冷却構造について、特許文献２に開示されている。この特許文献２の技術では、対向流冷却によりライナおよびトランジションピースを効果的に冷却する構成を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６２−２１８７３２号公報
【特許文献２】特開平１−２０００２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
トランジションピース下流側から流入した冷却空気（燃焼空気）によって、初めにトランジションピースを冷却させる構造の燃焼器では、燃焼ガスの流れに対して、常に冷却性（伝熱性）の優れた対向流式を用いていることから、特に冷却する上で重要なライナ部においては、冷却空気温度の高温化により冷却性能が低下するおそれがある。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、特にライナ部の冷却性能向上を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
燃料を噴出するバーナと、前記バーナから噴出された燃料を燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室を形成するライナと、前記ライナの下流に接続されたトランジションピースと、前記ライナと前記トランジションピースの外側に設けられたフロースリーブとを有する燃焼器において、前記トランジションピースの上流側に設けられた第一の空気供給孔と、前記ライナの下流側に設けられた第二の空気供給孔と、前記トランジションピースの下流側から流出した空気を前記第二の空気供給孔に導くバイパス管とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によると、特にライナ部の冷却性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】並行流式冷却方法と対向流式冷却方法との組合せによって構成されるガスタービンの燃焼器冷却方法の概念図である。（実施例１）
【図２】比較例の対向流式冷却方法によるガスタービンの燃焼器冷却方法の概念図である。
【図３】比較例の対向流式冷却方法による冷却空気（燃焼空気）の伝熱特性を示す概念図である。
【図４】並行流式冷却方法と対向流式冷却方法との組合せによって構成される冷却空気（燃焼空気）の伝熱特性を示す概念図である。（実施例１）
【図５】並行流式冷却方法と対向流式冷却方法との組合せによる冷却方法を示す具体的構造図である。（実施例１）
【図６】並行流式冷却方法と対向流式冷却方法との組合せによる冷却方法を示すその他の具体的構造図である。（実施例２）
【図７】並行流式冷却方法と対向流式冷却方法との組合せによる冷却方法を示すその他の具体的構造図である。（実施例３）
【発明を実施するための形態】
【０００９】
燃焼ガス温度の高温化に伴って燃焼器（主に、燃料ノズル，ライナ，トランジションピース，フロースリーブにより構成される）のライナ壁面温度も上昇する。そのため、圧縮機で生成された燃焼空気を冷却空気としてライナ壁面を効果的に冷却する技術も必要となる。燃焼条件によっては、トランジションピースに比べてライナの壁面温度の方が高くなるため、ライナに供給する冷却空気温度は、より低い方が好ましい。
【００１０】
しかし、トランジションピース下流側から流入した冷却空気によって、トランジションピースおよびライナを順次冷却すると、冷却空気の温度は伝熱によって高温化するため冷却性能は低下する。冷却空気はトランジションピースを冷却するが、冷却空気自身の温度は伝熱によって逆に上昇するためである。その後、高温化した冷却空気によって高温状態のライナ壁面を冷却するため、冷却空気の温度は伝熱によって更に高温化しながら燃焼器に供給される。燃焼条件によっては、トランジションピースに比べてライナの壁面温度の方が高くなり、ライナ部の冷却が不十分になる可能性がある。この可能性を減らすために、ライナ部の冷却性能向上を図る必要がある。
【００１１】
以下の各実施例にて、本発明による並行流式冷却方法と対向流式冷却方法の組合せによって構成される、ガスタービン燃焼器の冷却方法の具体例について説明する。この実施例は、ライナとトランジションピースを通過する冷却空気通路を隔壁で分離し、燃焼ガスの流れに対して、ライナとトランジションピースの冷却方式をそれぞれ対向流式と並行流式に区別することによって、冷却性能の向上を図ったものである。
【００１２】
図２は、比較例の対向流式冷却方法によるガスタービン燃焼器の冷却方法の概念を示している。ケーシング４内に設置されている燃焼器は、主に燃料ノズル６，ライナ１，トランジションピース２およびフロースリーブ３によって構成されている。ライナ１およびトランジションピース２の周囲には、冷却空気通路が形成するために一定の間隙でフロースリーブ３が設けられている。また、燃焼器の内部では１,０００℃以上の高温の燃焼ガスＡが流れているため、ライナ１およびトランジションピース２の壁面温度は許容値以下に冷却しなければならない。そのため、圧縮機で生成された燃焼空気を冷却空気１０として、フロースリーブ３内の冷却空気通路に通気させることにより、ライナ１およびトランジションピース２の冷却を行う。この比較例の燃焼器構造では、トランジションピース下流側から流入した冷却空気によってトランジションピース２およびライナ１を順次冷却することから、冷却空気の温度は伝熱によって高温化して冷却性能が低下する。燃焼条件によっては、トランジションピースに比べてライナの壁面温度の方が高くなる。そのため、ライナ１に供給する冷却空気温度はより低い方が良い。
【００１３】
具体的な冷却空気温度の相関を図３に示す。トランジションピース下流点の冷却空気温度をＢ０，トランジションピース上流点（もしくは、ライナ下流点）の冷却空気温度をＢ１，ライナ上流点の冷却空気温度をＢ２としている。冷却性（伝熱性）に優れた対向流式をＢ０からＢ２に適用した本比較例では、図３に示す通り、それぞれの温度の関係はＢ２＞Ｂ１＞Ｂ０となる。
【００１４】
一般に、冷却空気１０として用いる空気の温度は低い方が、冷却性能にとって有利である。特に、ライナ１壁面を冷却するためには、Ｂ１の温度がより低いほうが好ましい。このように、比較例の冷却方式は、燃焼ガスＡの流れに対して、常に冷却性（伝熱性）の優れた対向流式をＢ０からＢ２にわたって用いていることから、特に冷却する上で重要なライナ部において、冷却空気の高温化による冷却性能低下という問題がある。
【００１５】
この問題に対し、以下に本発明の実施例について述べる。
【実施例１】
【００１６】
図１で示した実施例１は、本発明による並行流式冷却方法と対向流式冷却方法の組合せによって構成されるガスタービン燃焼器の冷却方法の概念を示している。
【００１７】
本実施例の特徴は、ライナ１およびトランジションピース２とフロースリーブ３で形成される冷却空気通路において、ライナ部とトランジションピース部を隔壁５で分離し、燃焼ガスＡの流れに対して、トランジションピース２上流側から冷却空気１０（燃焼空気）を供給する並行流式冷却方法（並行流式熱交換）と、その後、ケーシング４内に設けたバイパス管２０によって注気した冷却空気１０（燃焼空気）をライナ１の下流側から供給する対向流式冷却方法（対向流式熱交換）の組合せとしたことにある。
【００１８】
燃焼条件によっては、トランジションピースに比べてライナの壁面温度の方が高くなることから、ライナに供給する冷却空気温度は、より低い方が好ましい。そこで、燃焼ガスＡの流れに対して、冷却性（伝熱性）の優れた対向流式冷却方法（対向流式熱交換）と比べて冷却性能を多少抑えることができる並行流式冷却方法（並行流式熱交換）をトランジションピースの冷却に採用することにより、トランジションピース２を冷却した後の冷却空気１０（燃焼空気）温度は、従来の対向流式冷却方法（対向流式熱交換）の場合と比較して低いものとなる。この並行流式冷却方法（並行流式熱交換）によって温度低下した冷却空気１０（燃焼空気）をライナ１の下流側から供給する対向流式冷却方法（対向流式熱交換）とすることにより、特に冷却する上で重要なライナ１壁面の冷却効果向上が期待できる。
【００１９】
具体的な冷却空気温度の相関を図４に示す。トランジションピース上流点の冷却空気温度をＢ０＊，ライナ下流点（もしくは、トランジションピース下流点）の冷却空気温度をＢ１＊，ライナ上流点の冷却空気温度をＢ２＊とする。冷却性（伝熱性）の優れた対向流式冷却方法ではなく、並行流式冷却方法（並行流式熱交換）をトランジションピース２側の冷却に採用することで、図４に示す通り、それぞれの温度の関係はＢ２＊＞Ｂ１＊＞Ｂ０＊となる。
【００２０】
ここで、重要なポイントは、ライナ１を冷却する冷却空気温度Ｂ１＊の絶対値である。比較例の対向流式冷却方法（対向流式熱交換）によるライナ下流点（もしくは、トランジションピース上流点）の冷却空気温度Ｂ１に対して、冷却性能が多少低下する並行流式冷却方法（並行流式熱交換）による冷却空気温度Ｂ１＊は低くなることから、Ｂ１とＢ１＊の関係はＢ１＞Ｂ１＊となる。このことから、冷却空気の温度差ΔＴ（Ｂ１−Ｂ１＊）℃低下した分、ライナ１壁面を冷却するのに冷却効果向上が期待できることとなる。
【００２１】
図５に、本実施例におけるケーシング４内に設けた内部バイパス管２１の具体的構造例を示す。燃焼ガスの流れに対して、トランジションピース側のフロースリーブ下流側に冷却空気を注気する取合いを設け、その取合いに内部バイパス管２１が接続できるようになっている。内部バイパス管２１には固定用のフランジがあり、このフランジによってケーシング４内の隔壁５に固定される。
【００２２】
次に、本実施例によるその他の効果について以下に述べる。比較例の対向流式冷却方法によるガスタービン燃焼器の冷却方法では、圧縮機で生成された冷却空気（燃焼空気）吐出後、フロースリーブ下流側の冷却空気通路（トランジションピースとフロースリーブの間隙）に直接的に流入する構造となっている。しかし、この構造では、ケーシング内の空間形状やトランジションピースの形状が複雑であることにより、流入する冷却空気の流れに偏差を生じたときには、冷却効果や、燃焼器内に流入する空気配分に偏差を生じることがある。この場合、冷却効果が不十分な領域でライナ壁面温度を許容値以下に抑制できないことや、燃焼空気の偏差によって、燃焼特性が不安定になることが考えられる。また、本実施例では、単一の燃料ノズル６を備えた燃焼器を例に挙げて説明したが、拡散バーナと予混合バーナを備えた低ＮＯｘ（窒素酸化物）燃焼器の場合、空気配分の偏差によってＮＯｘ排出量が増加したり、予混合バーナの燃焼安定性が低下する問題が考えられる。
【００２３】
この問題に対して、本実施例では、トランジションピース側においてもライナ側においても、圧縮機から生成された冷却空気（燃焼空気）は、一旦、ケーシング内の広い空間領域に開放されることから空気の圧力が回復されるため、フロースリーブから流入する冷却空気流量の偏差が小さくできる。その結果、ライナ下流側から供給される冷却空気（燃焼空気）の流れは均一化しやすくなり、空気の偏流抑止効果も期待できるため、信頼性が高く、燃焼性に優れ、しかも窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量の少ない燃焼器を提供することが可能となる。
【実施例２】
【００２４】
実施例２として、図６に、実施例１におけるケーシング４外に設けた外部バイパス管の具体的構造例を示す。その構成は、燃焼ガスの流れに対して、トランジションピース側のフロースリーブ下流側に冷却空気を注気する取合いを設け、その取合いに外部バイパス取付管２２が接続できるようになっている。外部バイパス取付管２２には固定用のフランジがあり、このフランジによってケーシング４外側に固定される。そして、外部バイパス取付管２２に放熱用のフィンを設けた放熱フィン付外部バイパス管２４が接続されて、抽気した冷却空気をライナ側のケーシング４内に供給される。これにより、放熱フィン付外部バイパス管２４を通過した冷却空気温度は、放熱フィンの作用によって更に低下し、ライナ１壁面を冷却するのに冷却効果向上が期待できる。
【実施例３】
【００２５】
図７で示す実施例３では、実施例２におけるケーシング４外に設けた外部バイパス管２３のその他の具体的構造例も示している。その構成は基本的に図６と同様である。相違点は外部バイパス管２３に冷却空気抽出管９を設けたことである。この構造により、トランジションピース冷却後の高温化した冷却空気（燃焼空気）の一部を圧縮機７入口に戻すことによって、圧縮機入口空気温度を上昇させることができる。
【００２６】
特に、気温の低い時期にガスタービンを起動したとき、起動から無負荷定格回転数までの間、圧縮機内で空気の断熱膨張による着氷現象を生じることがある。この問題を回避するため、一般にはＩＢＨ（入口ブリード熱）制御が行われる。このＩＢＨ制御とは、通常、前置静翼（ＩＧＶ）の角度を小さくして運転する場合に、圧縮機を着氷から保護するため圧縮機吐出空気の一部を入口側に戻すものである。しかし、この方法では、ガスタービンの出力低下という欠点があるため、抽気する空気流量は少ないほうが良い。
【００２７】
この問題に対して、本実施例の構成では、一般的な圧縮機吐出空気温度に比べて高温化した冷却空気（燃焼空気）の一部を圧縮機７入口に戻すため、温度が高い分、抽気する空気流量は少なくて良く、ガスタービン出力低下を改善することができる。なお、ＩＢＨ制御が不要なガスタービン運転時には、抽気バルブ８を「閉」にして、抽気する冷却空気（燃焼空気）流量を停止すれば良い。
【００２８】
以上説明した各実施例の燃焼器は、トランジションピース２を並行流式熱交換で冷却した空気で、ライナ１を対向流式熱交換で冷却することができる燃焼器である。具体的には、燃料を噴出するバーナと、このバーナから噴出された燃料を燃焼させる燃焼室と、燃焼室を形成するライナ１と、ライナ１の下流に接続されたトランジションピース２と、ライナ１とトランジションピース２の外側に設けられたフロースリーブ３とを有し、トランジションピース２の上流側に設けられた第一の空気供給孔と、ライナ１の下流側に設けられた第二の空気供給孔と、トランジションピース２の下流側から流出した空気を第二の空気供給孔に導くバイパス管２０とを有している。
【００２９】
このような構成を採用することにより、燃焼ガスの流れに対して、冷却性（伝熱性）の優れた対向流式冷却方法（対向流式熱交換）と比べて冷却性能が多少低下する並行流式冷却方法（並行流式熱交換）をトランジションピース側の冷却に採用し、その後、注気した冷却空気をライナの下流側から供給する対向流式冷却方法（対向流式熱交換）とすることができる。その結果、トランジションピースを冷却した後の冷却空気（燃焼空気）の温度は、対向流式冷却方法（対向流式熱交換）の場合と比較して低下するため、この並行流式冷却方法（並行流式熱交換）によって温度低下した冷却空気（燃焼空気）をライナの下流側から供給する対向流式冷却方法（対向流式熱交換）とすることにより、特に冷却する上で重要なライナ壁面の冷却効果向上が期待できる。
【００３０】
更に、トランジションピースを冷却した後の冷却空気は、一旦、ケーシング内の広い空間に開放されることから空気の圧力が回復され、ライナ下流側から供給される冷却空気（燃焼空気）の流れは均一化しやすくなり、空気の偏流抑止効果も期待できる。
【００３１】
これらの効果を享受できる各実施例の燃焼器は、具体的には、図１等に示すように、バイパス管２０以外からの空気が第二の空気孔へ流入することを抑制する隔壁５を有している。また、第一の空気孔と第二の空気孔は、フロースリーブ３に設けられている。このフロースリーブ３の外側に燃焼器のケーシング４が設けられている。
【００３２】
実施例１のバイパス管がケーシング４の内側に設けられているため、簡素な構成で上記効果を得ることができる。一方、実施例２や３の燃焼器では、バイパス管はケーシング４の外側に設けられている。この外側のバイパス管には放熱促進手段であるフィンが設けられている。そのため、燃焼器ライナ１を冷却空気の温度をさらに下げることが可能であり、ライナ１の冷却性能が向上する。
【００３３】
各実施例の燃焼器は、圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮空気と燃料から燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスにより駆動されるタービンとを有するガスタービンに利用されるものである。実施例３のように、バイパス管を流れる空気を圧縮機に供給する抽気管である冷却空気抽出管９とを有することにより、少ない抽気空気量で、圧縮機入口空気温度を所望の温度まで上昇させることができる。
【符号の説明】
【００３４】
１  ライナ
２  トランジションピース
３  フロースリーブ
４  ケーシング
５  隔壁
６  燃料ノズル
７  圧縮機
８  抽気バルブ
９  冷却空気抽出管
１０  冷却空気（燃焼空気）
２０  バイパス管
２１  内部バイパス管
２２  外部バイパス取付管
２３  外部バイパス管
２４  放熱フィン付外部バイパス管
【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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