(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンロータを中心として環状に互いに隣接して複数配置される、ガスタービンの燃焼器であって、内部に燃焼ガスが流出開口に向かって長手方向に流れる筒形構造の尾筒を有し、この尾筒は、流出開口のまわりに、タービン側に固定された環状端フランジを有し、前記環状端フランジの内外縁との間に温度差を生じるガスタービンの燃焼器において、
前記環状端フランジは、前記環状端フランジの内縁のまわりの金属材料の線膨張係数より大きい線膨張係数を有する金属材料を、前記環状端フランジの外縁に沿って有することを特徴とするガスタービンの燃焼器。
【請求項２】
前記環状端フランジは、前記流出開口のまわりに第１金属材料からなる第１環状部と、この第１環状部のまわりに前記第１金属材料の線膨張係数より大きい線膨張係数を有する第２金属材料からなる第２環状部とを有し、両環状部は、前記第１金属材料の線膨張係数と前記第２金属材料のそれとの間の線膨張係数を有する溶材を用いた溶接によって接合される、請求項１に記載のガスタービンの燃焼器。
【請求項３】
前記第２金属材料の線膨張係数は、前記第１金属材料の線膨張係数の少なくとも10％以上大きい、請求項２に記載のガスタービンの燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フランジ付中空構造物に関し、特に環状フランジまわりの構造健全性を向上したフランジ付中空構造物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
外面のまわりに固定された環状フランジを有し、板厚方向に温度差を生じるフランジ付中空構造物が多種の技術分野に用いられている。
【０００３】
たとえば、ガスタービンにおいて、ガスタービンに作動ガスとして燃焼ガスを供給する燃焼器が、従来から使用されている。この燃焼器は、ガスタービンのロータを中心として環状に互いに隣接して複数配置されている。各々は、筒構造体からなり、燃焼ノズルを一端に備えたライナーと、このライナーと連結する尾筒とを有する。尾筒は、流出開口のまわりに、タービン側と連結するための環状端フランジを有する。
【０００４】
このような構成により、燃焼ノズルから内部に噴射された燃焼ガスは、内部で空気と混合されて、長手方向に流出開口に向かって流れ、タービンに燃焼ガスを供給することができる。
【０００５】
しかしながら、従来の燃焼器は、特に尾筒の環状端フランジの板厚方向の内外温度差が原因で、以下のような技術的問題点を有する。
【０００６】
すなわち、ガスタービンの通常運転時、燃焼ガスの温度は、最大約1500℃となるため、燃焼ガスに触れる尾筒の内面温度は、燃焼ガスにより加熱されて非常に高温となり、一方外気温度に触れる尾筒の外面温度は、内面温度より相当低温となる結果、尾筒の板厚方向に数百℃度に及ぶ急激な温度差を生じる。この温度差が原因で、端フランジには、矩形流出開口の場合、長辺の中央がへこみ、逆に長辺の両端がふくらむようにそり変形が生じ、その結果矩形開口の四隅には、高い熱応力が発生し、時間経過とともに熱疲労によるクラックが生じることがある。
【０００７】
このような問題に対処するために、従来から、板厚方向の温度差を低減することが行われている。より詳細には、高温側の尾筒内面の温度を低減するために、尾筒内面近傍に、冷媒を流す流路を備えた冷却構造を設けている。
【０００８】
しかしながら、いずれの温度差低減対策も以下のような技術的な問題を有する。
【０００９】
すなわち、高温側の温度を下げる場合には、それによりガスタービン自体の熱効率の低下を引き起こす。
【００１０】
一方、たとえば排気ダクトのように、筒形の中空構造物であって、その長手方向所定間隔を隔てて、複数の環状ダクトが外面のまわりに固定されているものもある。この排気ダクトの内部には、高温の排気ガスが流れるため、燃焼器と同様に、板厚方向に急激な温度差を生じ、これに起因して、中空構造物は外方に熱膨張する。このとき、この熱膨張は、フランジによって拘束されるため、図８に示すように、中空構造物は、フランジの固定部が谷部となる形態で長手方向に波形の変形、すなわち板材はフランジ間でそり変形を生じる。このため、各フランジの付け根部には、燃焼器の場合と同様に、過大な熱応力が発生する問題が生じる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
以上の問題点に鑑み、本発明の目的は、ガスタービンの熱効率の低下を引き起こすことなしに、通常運転の際発生する、環状端フランジまわりの熱応力を低減することが可能なガスタービン燃焼器を提供することにある。
【００１２】
本発明の別の目的は、フランジまわりに熱疲労に伴うクラックの発生を防止することにより、構造健全性を向上したフランジ付中空構造物を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
熱膨張は、一般的に線膨張係数、温度差及び初期長さが支配因子であるが、従来は、このうち温度差に着目し、高温側の温度を下げて冷却性能を向上させることにより、通常運転時に発生する燃焼器の環状端フランジの熱応力に対処していたが、温度差を低減する仕方は、ガスタービン自体の熱効率に悪影響を及ぼすことから、本発明においては、材料固有の特性である線膨張係数に着目して、線膨張係数が異なる金属材料をフランジまわりに採用することにより、熱応力の低減を達成する。
【００１４】
以上の課題を解決するために、本発明のフランジ付中空構造物は、
外面のまわりに固定された環状フランジを有し、板厚方向に温度差を生じるフランジ付中空構造物において、
前記環状フランジは、前記環状フランジの内縁のまわりの金属材料の線膨張係数より大きい線膨張係数を有する金属材料を、前記環状フランジの外縁に沿って有する構成としてある。
【００１５】
以上の構成によれば、フランジの低温側に、フランジの高温側の金属材料より線膨張係数の高い金属材料を採用することにより、低温側を高温側の金属材料と同じ材料を採用する場合に比して、通常運転時、高温側の金属材料の熱膨張量と低温側のそれとの差を低減する（いわゆるバイメタル効果）ことによって、フランジの外方への変形量を増加させ、その結果フランジによる中空構造物の半径方向外方への膨張の拘束が緩和されることにより、フランジ固定部が谷部となるフランジ付中空構造物の長手方向への波形変形が低減し、それによりフランジ部付け根部に発生する熱応力が低減する結果、熱疲労に伴うクラックの発生を起こりにくくすることが可能となる。
【００１６】
以上の課題を解決するために、本発明のガスタービン燃焼器は、
タービンロータを中心として環状に互いに隣接して複数配置される、ガスタービンの燃焼器であって、内部に燃焼ガスが流出開口に向かって長手方向に流れる筒構造の尾筒を有し、この尾筒は、流出開口のまわりに、タービン側と連結するための環状端フランジを有するものにおいて、
前記環状端フランジは、前記環状端フランジの内縁のまわりの金属材料の線膨張係数より大きい線膨張係数を有する金属材料を、前記環状端フランジの外縁に沿って有する構成としてある。
【００１７】
以上の構成によれば、低温側に、高温側の金属材料より線膨張係数の高い金属材料を採用することにより、低温側を高温側の金属材料と同じ材料を採用する場合に比して、通常運転時、高温側の金属材料の熱膨張量と低温側のそれとの差を低減する（いわゆるバイメタル効果）ことによって、そり変形量を減らし、その結果この変形に伴う熱応力、特に出口コーナ部の熱応力を低減し、それにより熱疲労に伴うクラックの発生を起こりにくくすることが可能となる。
【００１８】
このとき、１つの出口コーナー部に着目した場合、この出口コーナー部を形成する長辺及び短辺の少なくとも一方をバイメタル構成とすることによって、この出口コーナー部に発生する熱応力を低減することが可能である。
【００１９】
また、前記環状端フランジは、前記流出開口のまわりに第１金属材料からなる第１環状部と、この第１環状部のまわりに前記第１金属材料の線膨張係数より大きい線膨張係数を有する第２金属材料からなる第２環状部とを有し、両環状部は、前記第１金属材料の線膨張係数と前記第２金属材料のそれとの間の線膨張係数を有する溶材を用いた溶接によって接合されるのがよい。
【００２０】
さらに、前記第２金属材料の線膨張係数は、前記第１金属材料の線膨張係数の少なくとも10％であるのがよい。
【００２１】
加えて、前記端フランジの内縁のまわりの金属材料は、ハステロイ−Ｘであり、前記端フランジの外縁のまわりの金属材料は、Ａ−286或いはSUS系であるのが好ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明による第１の実施形態の燃焼器の尾筒の拡大図である。図２は、図１の尾筒の環状端フランジの部分拡大斜視図である。図３及び図５はそれぞれ、図２の線A-A、線B-Bに沿う断面図である。図４は、環状端フランジの平面図である。
【００２４】
燃焼器１０は、タービンロータを中心として環状に互いに隣接して複数、たとえば10基配置される。図１に示すように、燃焼器１０はそれぞれ、燃焼ノズル（図示せず）を一端に有するライナー１２と、このライナー１２と連結された尾筒１４とからなる筒構造である。図２に示すように、便宜上、筒構造のうち、ロータから半径方向に近い側を腹側部１６、半径方向に遠い側を背側部１８、ロータのまわりに周方向に互い隣接する面をサイド部２０と称する。
【００２５】
尾筒１４は、内部に燃焼ガスが流出開口２２に向かって長手方向に流れるようにしてあり、流出開口２２のまわりに、タービン側と連結するための環状端フランジ２４を有する。環状端フランジ２４は、流出開口２２からロータの半径方向外方に延びる、タービン側と連結するための当接面２６を有する。
【００２６】
流出開口２２は、背側部１８及び腹側部１６が長辺、及びサイド部２０が短辺となる矩形状である。
【００２７】
図３に示すように、環状端フランジ２４は、環状端フランジ２４の内縁３０のまわりの金属材料の線膨張係数より大きい線膨張係数を有する金属材料を、環状端フランジ２４の外縁３２に沿って有する構成としてあり、特に図４に示すように、流出開口２２のまわりに第１金属材料からなる第１環状部３４と、この第１環状部３４のまわりに第１金属材料の線膨張係数より大きい線膨張係数を有する第２金属材料からなる第２環状部３６とを有する。両環状部３４、３６は、第１金属材料の線膨張係数と第２金属材料のそれとの間の線膨張係数を有する溶材による溶接によって接合されるのがよい。第１環状部３４と第２環状部３６との接合面３８は、図４に示すように、流出開口２２と平行であるのが好ましい。
【００２８】
第１金属材料は、線膨張係数が約1.5E−5（1／℃）(400℃)であるハステロイ−Ｘであり、一方第２金属材料は、線膨張係数が約1.7E−5（1／℃）(400℃)であるＡ−286或いは線膨張係数が約1.８E−5（1／℃）(400℃)であるSUS系であるのが好ましい。材料強度の観点から、Ａ−286がより好ましい。
【００２９】
特に、熱疲労に伴うクラックの発生を防止する観点からは、第２金属材料の線膨張係数は、第１金属材料の線膨張係数の少なくとも10％であるのがよい。
【００３０】
以上の構成を有する燃焼器１０について、以下にその作用を説明する。
【００３１】
通常運転の際、まず燃焼ガスが燃焼ノズルからライナー１２の内部に尾筒１４の流出開口２２に向かって噴射される。次いで、燃焼器１０内部で空気と混合され、流出開口２２から燃焼ガスが作動ガスとしてタービン側に供給される。
【００３２】
尾筒１４の内面は、最大1500℃の燃焼ガスに晒され、一方外面は、外気温度に晒されるため、尾筒１４の板厚方向に数百℃に及ぶ温度差が生じる。
【００３３】
このとき、低温側に、高温側の第１金属材料より線膨張係数の高い第２金属材料を採用することにより、低温側を高温側の金属材料と同じ材料を採用する場合に比して、通常運転時、高温側の第１金属材料の熱膨張量と低温側のそれとの差を低減する（いわゆるバイメタル効果）ことによって、そり変形量を減らし、その結果この変形に伴う熱応力、特に出口コーナ部の熱応力を低減し、低減量によっては熱疲労に伴うクラックの発生を防止し、以って機器の長寿命化を達成することが可能となる。
【００３４】
第１の実施形態によるバイメタルを利用した熱応力低減効果は、フランジの背側、腹側及びサイド部すべてをバイメタルにするのが最も有効であるが、フランジの背側、腹側のみ、或いはサイド部のみをバイメタルにする場合でも、熱応力低減に有効である。
【００３５】
以下に本発明の第2の実施形態を説明する。本実施の形態において、第1の実施形態と同様な構成要素には、同様な参照番号を付することによりその説明は省略し、以下には特徴部分について説明する。図５は、本発明による第２の実施形態の燃焼器の図３に相当する図である。
【００３６】
本実施形態の特徴は、熱応力低減策として、環状端フランジ２４のフランジ高さhを低減した点にある。フランジ高さの低減割合は、低温側及び高温側の温度条件或いは採用する金属材料に応じて、適宜設定すればよい。
【００３７】
このような構成によれば、フランジ高さを低減することにより、高温側の尾筒内面の温度を下げると同時に、低温側の尾筒外面の温度を上げることが可能となるので、両者の温度差を低減し、以ってそり変形量を減らして、特に出口コーナー部に発生する熱応力を低減することが可能となる。
【００３８】
この場合、従来のように、高温側の温度を下げるだけの場合に比べれば、高温側の温度を下げることに起因するガスタービンの熱効率の低下を抑制することが可能である。
【００３９】
以下に本発明の第３の実施形態を説明する。図６は、フランジ付中空構造物の概略図である。
【００４０】
フランジ付中空構造物、例えば排気室50は、その長手方向に所定間隔を隔てて、複数の環状フランジ52が外面54のまわりに固定されている。複数の環状フランジ52はそれぞれ、第１の実施の形態と同様に、排気室50のフランジ高温側に第1金属材料、低温側に第2金属材料を用いている。
【００４１】
このような構成によれば、排気室50内部には高温の排気ガスが流れるため、第１の実施の形態の燃焼器と同様に、板厚方向に急激な温度差を生じ、これに起因して中空構造物は、点線で示すように外方に熱膨張する。このとき、フランジ低温側の第2金属材料は第1金属材料より線膨張係数が大きいため、フランジ単一材料（例えば第1金属材料のみ）としたときより、環状フランジ52はそれぞれ、外方に熱膨張する。この環状フランジ52の第2金属材料部の熱膨張によってフランジ間における板材のそり変形は相対的に減少し、フランジ付け根部に発生する熱応力を低減することが可能である。
【００４２】
以上、本発明の実施形態を詳細に説明したが、請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更、修正が可能である。たとえば、本実施形態では、環状端フランジ２４の全周に亘って熱応力低減対策を施したが、それに限定されることなく、環状端フランジ２４の一部、例えば背側のみ、腹側のみ、サイドのみ、背側と腹側のみ等任意の組み合わせにも適用可能である。
【００４３】
また、本実施形態では、環状端フランジ２４の内縁３０まわりは、従来尾筒１４の金属材料として用いられているハステロイ−Ｘとしているが、これに限定されることはない。その場合、環状端フランジ２４の外縁３２まわりには、内縁３０まわりの金属材料の線膨張係数より大きい線膨張係数を有する金属材料を用いれば、少なくともそり変形に伴う端フランジ２４の出口コーナ部の熱応力を低減することができ、線膨張係数の差が一定範囲を越える金属材料を用いれば、熱疲労に伴うクラックの発生を押さえ、機器の長寿命化に寄与することが可能となる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明のガスタービン燃焼器によれば、ガスタービンの熱効率の低下を引き起こすことなしに、通常運転の際発生する、環状端フランジまわりの熱応力を低減することが可能である。
【００４５】
本発明のフランジ付中空構造物によれば、フランジまわりの熱疲労に伴うクラックの発生を防止して、構造健全性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１の実施形態の燃焼器の尾筒の拡大図である。
【図２】図１の尾筒の環状端フランジの部分拡大斜視図である。
【図３】図２の線A-A、線B-Bに沿う断面図である。
【図４】環状端フランジの平面図である。
【図５】本発明による第２の実施形態の燃焼器の図３に相当する図である。
【図６】フランジ付中空構造物の概略図である。
【符号の説明】
１０ 燃焼器
１２ ライナー
１４ 尾筒
１６ 腹側部
１８ 背側部
２０ サイド部
２２ 流出開口
２４ 環状端フランジ
２６ 当接面
３０ 内縁
３２ 外縁
３４ 第1環状部
３６ 第2環状部
３８ 接合面
５０ 排気室
５２ 環状フランジ
５４ 外面
【図１】
0004008212.tif 000002
【図２】
0004008212.tif 000003
【図３】
0004008212.tif 000004
【図４】
0004008212.tif 000005
【図５】
0004008212.tif 000006
【図６】
0004008212.tif 000007