(57)【要約】【課題】  燃焼室ライナとトランジションピースとのはめ合い接続部からすり抜ける空気流量を削減するとともに、燃焼室ライナの冷却空気流量の周方向分布を略一様にし、これによりＮＯｘ排出量を削減につながる燃料空気流量の増大を図り、燃焼室ライナ末端のメタル温度が増大するのを抑制する。【解決手段】  燃焼室ライナ２とトランジションピース３がはめ合い構造で接続され、両者の外側には空気流路が形成される。はめ合い接続位置において、空気流路の半径方向流路幅がトランジションピース３側で小さく燃焼室ライナ２側で大きくなっており、段差３００が生じるようになっている。はめ合い接続位置におけるトランジションピース３末端近傍で燃焼室ライナ２の外壁に、空気流れの抵抗となる隔壁（リング）１００を設ける。【選択図】図２
2005106351.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機で加圧した空気と燃料とを燃焼器ライナ内で燃焼させ、生成した燃焼ガスをトランジションピースを介してタービンに導くように構成したガスタービン燃焼器において、前記トランジションピース及び燃焼器ライナの外壁面から所定の間隔をもって設置された案内壁に囲まれた燃焼器へ空気を導く流路における、前記トランジションピースと燃焼器ライナの組合せ箇所の下流側に燃焼器側へ流れる空気流れの抵抗となる隔壁を設けた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において、前記隔壁により燃焼器へ流れる空気流れに抵抗を持たせることにより前記トランジションピースと燃焼器ライナの組合せ箇所下流の静圧を増加させ前記トランジションピースと燃焼器ライナの組合せ間隙に流入する空気流量を増加させたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項３】
請求項１において、前記隔壁を前記燃焼器ライナの外壁面側に持つ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において、前記空気を導く流路の半径方向流路幅が前記トランジションピース側で小さく前記燃焼室ライナ側で大きくなる段差が生じており、前記隔壁は、前記空気流路の段差の０.８ 倍から前記燃焼室ライナ側における空気流路半径方向流路幅の６０％に当たる範囲の高さを有し、前記組合せ箇所であるトランジションピースと燃焼器ライナのはめ合い接続位置におけるトランジションピース末端の近傍で、前記燃焼器ライナの外壁面側に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５】
請求項３又は４において、前記燃焼室ライナには燃焼ガスを空気と混合させる希釈孔が設けられ、前記組合せ箇所におけるトランジションピース末端と前記希釈孔との間に前記隔壁を設け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】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスタービン燃焼器に係り、特に、燃焼室ライナとトランジションピースとのはめ合い接続部分からすり抜ける空気流量を少なくすると同時に、燃焼室ライナのメタル温度上昇を抑制して、窒素酸化物（以下、ＮＯｘと記載する）の排出量の低減と燃焼器の信頼性の確保とが図られるようにしたガスタービン燃焼器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料を燃焼させる際に排出されるＮＯｘの排出量の低減は環境負荷の増大を抑制する上で重要である。ＮＯｘ排出量は燃焼火炎温度に大きく依存するため、主要な燃焼反応場における燃焼空気流量を増加させて希薄燃焼とし、火炎温度を低下させることが有効である。また、空気と燃料を予混合器内で混合してから燃焼室に供給して燃焼させる予混合燃焼とすると、燃料と空気が混合しつつ燃焼する拡散燃焼に比べて大幅にＮＯｘを低減できる。予混合燃焼の場合、燃焼空気流量の増加はＮＯｘ排出量の低減に一段と効果がある。
【０００３】
このような事情から、ガスタービン機関においては、圧縮機から燃焼器に流入する空気をできる限り多く燃焼空気として使用する提案がなされている。これは、実質的に燃焼反応に寄与しない燃焼器を構成する部材の冷却空気流量を削減することにつながる。燃焼室ライナの冷却としては、燃焼室ライナ外壁に多数のスロットを設けることで燃焼室ライナ内壁にフィルム冷却空気を形成する方法が一般的に採用されているが、このフィルム冷却空気流量の削減方法に関し多くの提案がある。
【０００４】
同様に、燃焼室ライナとタービンの間に配置されるトランジションピースあるいは連絡ダクトと呼称されるダクトとのはめ合い接続部分からすり抜ける空気流量を少なくすることで、燃焼空気流量を増加させることが可能となる。ここで、はめ合い接続構造としては、主室ライナの下流端にスプリングシールあるいはフラシールと呼称されるスリットを有する円弧上に成形された弾性板の一端をスポット溶接し、そのスプリングシールの部分をトランジションピースの内側に押し込む方式が採用されている。こうすることで、組み立てに際しトランジションピースの内側に密着したスプリングシールが弾性変形し、また主室ライナ及びトランジションピースのはめ合い部分は固定されていないので相互に滑ることができ、両者の寸法公差及び熱伸びを吸収できる。この部分からすり抜ける空気流量を削減するには、組み立て状態でのスプリングシールとトランジションピースとの間隙を小さくするか、あるいはスプリングシールが有するスリットの幅や数を減らして開口面積を低減する等の手段により達成するようにしている。
【０００５】
本発明に関係するフィルム冷却による燃焼室ライナ構造としては、例えば、特許文献１，特許文献２に記載されている。また、特許文献３にはスプリングシール構造の例、特許文献４には燃焼室ライナとトランジションピースとのはめ合い接続部分からすり抜ける空気流量を少なくする手段の例、特許文献５には燃焼室ライナとトランジションピースとのはめ合い接続構造部分を冷却する手段の例が記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特許第２５９６９２１号公報
【特許文献２】特開２００１−２８９０６２号公報
【特許文献３】特開２００２−８９８４３号公報
【特許文献４】特開平１０−１５３１２９号公報
【特許文献５】特開平１０−３８２７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、燃焼室ライナとトランジションピースの外側に空気が流れる流路があり、この流路を流れる空気の流れ方向がトランジションピースから燃焼室ライナであり、また、燃焼室ライナの内側で生成した燃焼ガスはトランジションピースを介してタービンに導かれるように構成した、いわゆるリターンフロー形ガスタービン燃焼器に好適な燃焼室ライナの信頼性向上手段を提供するものである。リターンフロー形ガスタービン燃焼器においては、トランジションピースの外側にスリーブを配置し、該スリーブとの間隙を空気流路とすることでトランジションピースを冷却している。一方、燃焼室ライナにおいても、その外側にスリーブあるいは外筒を配置し、該スリーブあるいは外筒との間隙を空気流路としている。この空気流路を流れる空気も燃焼室ライナの冷却に寄与するが、燃焼室ライナの場合には燃焼形態によって局所的に高温燃焼ガスが形成されるため、更なる冷却強化が必要となる場合が一般的である。この手段として、燃焼室ライナの外壁に多数のスロットを設けることで燃焼室ライナ内壁にフィルム冷却空気を形成する方法が一般的に採用されている。
【０００８】
前述のように、燃焼室ライナとトランジションピースとのはめ合い接続構造としてスプリングシールが一般的に用いられるが、この場合、はめ合い接続位置における空気流路の半径方向流路幅がトランジションピース側で小さく燃焼室ライナ側で大きくなり、当該部分で半径方向に段差が生じる。また、前述のように、燃焼室ライナとトランジションピースとのはめ合い接続部分からすり抜ける空気流量の削減は、組み立て状態でのスプリングシールとトランジションピースとの間隙を小さくするか、あるいはスプリングシールが有するスリットの幅を狭くする等の手段により達成するようにしている。
【０００９】
本発明は、上述のような手段により燃焼室ライナとトランジションピースとのはめ合い接続部分からすり抜ける空気流量を削減した時に出現する問題点を把握し、この問題点に対して簡便かつ有効な手段を見出す過程でなされたものである。
【００１０】
即ち、トランジションピースの外側を流れる空気は、冷却効果を確保するために高流速になっており、この状態で燃焼室ライナとトランジションピースとのはめ合い接続部分に到達する。はめ合い接続部分においては、空気流路に半径方向の段差があるため、循環流れ領域が形成される。燃焼室ライナとトランジションピースとのはめ合い接続部分からすり抜ける空気流量は、この循環流れに影響されるが、燃焼室ライナ下流端のメタル温度を計測したところ、メタル温度の周方向分布の偏差が大きく、循環流れの状態が周方向に一様ではないことが分かった。これは、トランジションピースから燃焼室ライナに噴出する空気の流速分布が、トランジションピースの形状等の影響により周方向に一様ではないことに起因する。燃焼室ライナは信頼性を確保するためには、局所的な高メタル温度部位が出現しないようにしなければならない。しかるに、局所的に高メタル温度部位が出現するのを防止するために、スプリングシールとトランジションピースとの間隙を大きくするか、あるいはスプリングシールが有するスリットの幅や数を増やして開口面積を増加させ、燃焼室ライナとトランジションピースとのはめ合い接続部分からすり抜ける空気流量を大きくすることは、ＮＯｘ排出量削減のために燃焼空気流量をできる限り増加させるという観点から逸脱してしまう問題点があった。
【００１１】
本発明は、比較的簡便な方法により、燃焼室ライナとトランジションピースとのはめあい接続部からすり抜けていた空気流量を削減するとともに、燃焼室ライナの冷却空気流量の周方向分布を略一様にできる燃焼器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】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明は、燃焼室ライナとトランジションピースははめ合い構造で接続され、両者の外側に空気流路があるガスタービン燃焼器構造において、このはめ合い接続位置においては、空気流路の半径方向流路幅がトランジションピース側で小さく燃焼室ライナ側で大きくなる段差が生じるようにし、はめ合い接続位置におけるトランジションピース末端の近傍に空気流れの抵抗となる隔壁好ましくは、空気流路の段差の０.８倍 から燃焼室ライナ側における空気流路半径方向流路幅の約６０％に当たる範囲の高さを有するリングを前記燃焼室ライナの外壁に設けたものである。
【００１３】
また、本発明は、上記ガスタービン燃焼器において、燃焼室ライナに希釈孔を設け、はめ合い接続位置側のトランジションピース末端と燃焼室ライナに配置した希釈孔との間に空気流れの抵抗となるリングを燃焼室ライナの外壁に設けたものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、燃焼室ライナとトランジションピースとのはめ合い接続部からすり抜けていた空気流量を節減し、かつ比較的簡便な方法により燃焼室ライナの冷却空気流量の周方向分布を一様にできる。したがって、ＮＯｘ排出量の削減につながる燃焼空気流量の増大が図られると同時に、燃焼室末端のメタル温度が増大するのを抑制できる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１により本発明に関わるガスタービン燃焼器の一実施例を説明する。本発明に関わる、空気流れの抵抗となるリングをトランジションピース末端に近傍する外壁に設けた燃焼室ライナは、図１に示すようなガスタービン燃焼器に組み込まれて使用されるものである。
【００１６】
本実施例のガスタービン燃焼器は、図示しないガスタービンの周囲に複数缶配置される。各燃焼器缶は、外筒１と燃焼室ライナ２及びトランジションピース３を有する。トランジションピース３の外側にはスリーブ４が配置される。また、燃焼室ライナ２の外側には、一部スリーブ５が配置される。
【００１７】
燃焼用空気５０は、図示しない圧縮機から供給され、トランジションピース３とスリーブ４の間を通過し、燃焼室ライナ２とスリーブ５及び外筒１の間を経て、拡散バーナ１０に到達する。
【００１８】
燃焼室ライナ２の内側では燃焼用空気５０と燃料６０が燃焼し、生成した燃焼ガス７０は、トランジションピース３を経て、図示しないタービンに送られ、タービンを駆動する。
【００１９】
図２に、燃焼室ライナ２とトランジションピース３とのはめ合い接続部分の拡大図を示す。燃焼室ライナ２とトランジションピース３はスプリングシール１０１を介してはめ合い構造となっている。スプリングシール１０１は、図３に示すように弾性板を円弧状に形成し、その一端を燃焼室ライナ２にスポット溶接する構造となっている。図３の実施例においては、スプリングシール１０１には幅１mm前後のスリット１０２が設けられている。該スリット１０２の一端はスプリングシール端まで達する。図２及び図４に示すすり抜け空気５１はこのスリット１０２を通り燃焼室ライナの末端４００へと流れる。
【００２０】
従来の燃焼室ライナ２とトランジションピース３とのはめ合い接続部分においては、空気流路に半径方向の段差３００があるため、燃焼用空気５０の噴流により図６に示すような循環流れ領域２００Ｂが形成される。この循環流れ領域２００Ｂは、段差３００に接して形成されるため、燃焼用空気５０の噴流の動圧が回復し静圧が高くなるには十分な条件ではなく、段差３００と燃焼室ライナの末端４００との間の全圧差が小さかった。しかし、従来の燃焼室ライナ２のスプリングシール１０１においては、この全圧差においても十分なすり抜け空気５１の流量が確保されるようにスリット１０２の開口面積を大きく設定していたので、図５に示すように、周方向にメタル温度のバラツキはあるものの燃焼室ライナ末端のメタル温度は十分に許容範囲内にあった。
【００２１】
しかし、ＮＯｘ排出量の低減を図るためにスプリングシール１０１のスリット１０２の開口面積を低減したところ、図５に示すように、メタル温度が全体的に上昇し、かつ局所的に高温となる部位が出現した。
【００２２】
本実施例では、この問題を解決するために、図２に示すように、はめ合い接続位置におけるトランジションピース末端３０１の近傍に空気流れの抵抗となるリング１００を燃焼室ライナ２の外壁に配置した。ここで、リング１００は、図６で示したリング１００を配置しない場合の循環流れ領域２００Ｂの外側にあたる距離以上にトランジションピース末端３０１から離して設置するのが望ましい。循環流れ領域２００Ｂの範囲は、近年の流れ解析技術の発展により比較的容易に把握することが可能である。リング１００の高さは、空気流路の段差３００の０.８ 倍から燃焼室ライナ側における空気流路半径方向流路幅の約６０％に当たる範囲にするのが望ましい。このようにリング１００を燃焼室ライナ２の外壁に配置すると、循環渦のコア領域２００Ａがトランジションピース末端３０１から離れて形成されるようになる。この結果、燃焼用空気５０の噴流の動圧が回復し静圧が高くなり、段差３００と燃焼室ライナの末端４００との間の全圧差が大きくなるためスプリングシール１０１を通過する空気流量が増大する。リング１００の高さを空気流路の段差
３００の０.８ 倍よりも小さくすると、燃焼用空気５０の噴流の動圧の回復が十分ではなく、また、燃焼室ライナ側における空気流路半径方向流路幅の約６０％に当たる高さ以上にすると流路抵抗により燃焼器の圧力損失が大きくなり、ガスタービン機関の熱効率に悪影響を及ぼす。リング１００の高さを上記範囲にすることで、図５に示すように燃焼室末端のメタル温度は、ほぼ一様に低減し、かつメタル温度のバラツキ幅も低減した。本実施例において、従来例よりもメタル温度のバラツキ幅が低減したのは、リング１００によって循環渦の形成状況が従来例よりも周方向に一様になり、スプリングシール１０１を通過する空気流量が従来例よりも周方向に一様になったためである。したがって、本実施例によって、従来例よりも燃焼空気流量を増大するという所期の目的は達成できている。本実施例の作用を考慮すれば、リング１００の形状は特には限定されない。図２に示した形状はＬ字形であるが、平板のリングでも良く、厚さも限定されない。また、燃焼室ライナの組み込みが容易なように周方向に形状を変化させることも、上記作用が著しく損なわれない限り許容される。
【００２３】
本実施例によれば、燃焼室ライナとトランジションピースとのはめ合い接続部分からすり抜ける空気流量を少なくしても、燃焼室ライナの末端のメタル温度の上昇を抑制できるので、燃焼室ライナの信頼性を確保できる効果がある。
【００２４】
図４に、本発明における他の実施例を示す。図２の実施例との違いは燃焼室ライナ２に希釈孔４０１が設けられていることである。希釈孔４０１の作用と効果はガスタービン燃焼器に携わる技術者にとっては周知の事項である。本実施例においては、空気流れの抵抗となるリング１００はトランジションピース末端３０１と希釈孔４０１との間に配置される。仮に、トランジションピース末端３０１からの距離が希釈孔４０１よりも大きい位置にリング１００を配置した場合、段差３００とリング１００の間に形成される循環渦は、希釈孔４０１から燃焼室ライナ２内に噴出する空気流量に影響され周方向の一様性が著しく損なわれる。その結果、燃焼室ライナ２末端のメタル温度を少ない空気流量で冷却することができなくなる。本実施例のように、リング１００をトランジションピース末端301と希釈孔４０１との間に配置することで燃焼室ライナ２の末端の冷却を効果的に実現できるのである。
【００２５】
本実施例によれば、燃焼室ライナに希釈孔が配置されている場合であっても、少ない空気流量によって燃焼室末端を冷却できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施例に関するガスタービン燃焼器の断面図。
【図２】本発明の一実施例に関するガスタービン燃焼器の一部を拡大した断面図。
【図３】ガスタービン燃焼器の一部を拡大した断面図。
【図４】本発明の他の実施例に関するガスタービン燃焼器の一部を拡大した断面図。
【図５】燃焼室末端のメタル温度分布の比較を説明した図。
【図６】従来のガスタービン燃焼器の一部を拡大した断面図。
【符号の説明】
【００２７】
１…外筒、２…燃焼室ライナ、３…トランジションピース、４，５…スリーブ、１０…拡散バーナ、２０…予混合バーナ、５０…燃焼用空気、６０…燃料、７０…燃焼ガス、
１００…リング、１０１…スプリングシール、３００…段差、４００…燃焼室ライナの末端、４０１…希釈孔。
【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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