(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン燃焼器において、燃料と空気との予混合火炎を形成するメインノズルの下流の内側面に沿ってフィルム空気を供給して、前記内側面近傍領域において前記予混合火炎の燃空比を低減し、振動燃焼を抑制すると共に、前記ガスタービン燃焼器は、前記メインノズルの下流の側壁に複数の小孔より成る振動減衰孔が形成され、前記側壁の前記振動減衰孔が形成されている領域の外表面に音響ライナーが取り付けられ、前記音響ライナーは、前記側壁の外表面に取り付けられた複数のライナー部分を具備し、前記ライナー部分は、前記ガスタービン燃焼器の側壁との温度差による熱変形に基づく熱応力を低減するベローズ部を有しているガスタービン燃焼器。
【請求項２】
ガスタービン燃焼器において、燃料と空気との予混合火炎を形成するメインノズルの下流の内側面に沿ってフィルム空気を供給して、前記内側面近傍領域において前記予混合火炎の燃空比を低減し、振動燃焼を抑制すると共に、前記ガスタービン燃焼器は、前記メインノズルの下流の側壁に複数の小孔より成る振動減衰孔が形成され、前記側壁の前記振動減衰孔が形成されている領域の外表面に音響ライナーが取り付けられ、前記音響ライナーは、前記側壁の外表面に取り付けられた複数のライナー部分を具備し、前記側壁の外表面に係止部材が固定され、前記ライナー部分は前記係止部材に係合する係合部を有しており、前記係止部材と係合部とを係合させることにより前記ライナー部分が前記側壁外表面に取り付けられるガスタービン燃焼器。
【請求項３】
前記側壁の外表面に係止部材が固定され、前記ライナー部分は前記係止部材に係合する係合部を有しており、前記係止部材と係合部とを係合させることにより前記ライナー部分が前記側壁外表面に取り付けられる請求項１に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項４】
前記係止部材と前記係合部との間または前記係合部と前記側壁との間にシール部材が配設されている請求項２または３に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項５】
前記側壁には冷却蒸気を流通させる蒸気通路が形成されており、前記振動減衰孔の小孔が前記蒸気通路と平行に列状に配設されている請求項１から４の何れか１項に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項６】
前記音響ライナーは、前記側壁の外表面に対面する周側面に振動減衰孔の小孔の各列に対応させた列状に配設された複数の小孔より成る冷却空気孔が形成されている請求項５に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項７】
冷却空気孔を形成する複数の小孔の各々は、前記振動減衰孔を形成する複数の小孔の各間の側壁部分に対面するように配置されている請求項６に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項８】
ガスタービン燃焼器において、燃料と空気との予混合火炎を形成するメインノズルの下流の側壁に複数の小孔より成る振動減衰孔が形成され、前記側壁の前記振動減衰孔が形成されている領域の外表面に音響ライナーが取り付けられ、前記音響ライナーは、前記側壁の外表面に取り付けられた複数のライナー部分を具備し、前記ライナー部分は、前記ガスタービン燃焼器の側壁との温度差による熱変形に基づく熱応力を低減するベローズ部を有しているガスタービン燃焼器。
【請求項９】
ガスタービン燃焼器において、燃料と空気との予混合火炎を形成するメインノズルの下流の側壁に複数の小孔より成る振動減衰孔が形成され、前記側壁の前記振動減衰孔が形成されている領域の外表面に音響ライナーが取り付けられ、前記音響ライナーは、前記側壁の外表面に取り付けられた複数のライナー部分を具備し、前記側壁の外表面に係止部材が固定され、前記ライナー部分は前記係止部材に係合する係合部を有しており、前記係止部材と係合部とを係合させることにより前記ライナー部分が前記側壁外表面に取り付けられるガスタービン燃焼器。
【請求項１０】
前記側壁の外表面に係止部材が固定され、前記ライナー部分は前記係止部材に係合する係合部を有しており、前記係止部材と係合部とを係合させることにより前記ライナー部分が前記側壁外表面に取り付けられる請求項８に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項１１】
前記係止部材と前記係合部との間または前記係合部と前記側壁との間にシール部材が配設されている請求項９または１０に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項１２】
前記側壁には冷却蒸気を流通させる蒸気通路が形成されており、前記振動減衰孔の小孔が前記蒸気通路と平行に列状に配設されている請求項８から１１の何れか１項に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項１３】
前記音響ライナーは、前記側壁の外表面に対面する周側面に振動減衰孔の小孔の各列に対応させた列状に配設された複数の小孔より成る冷却空気孔が形成されている請求項１２に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項１４】
冷却空気孔を形成する複数の小孔の各々は、前記振動減衰孔を形成する複数の小孔の各間の側壁部分に対面するように配置されている請求項１３に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項１５】
請求項１から１４の何れか１項に記載のガスタービン燃焼器を具備するガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービンの燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンの燃焼器（本明細書では、単にガスタービン燃焼器と記載する）では、従来から燃焼器の中心軸線に沿って拡散火炎から成るパイロット火炎を形成して、該パイロット火炎を取り巻くように、予混合火炎から成るメイン燃焼を行うようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術によるガスタービン燃焼器では、予混合火炎はガスタービン燃焼器の軸方向または主流方向に比較的狭い距離で燃焼し短火炎となる、あるいは、壁面近傍で急激に燃焼することがある。このように、燃焼が狭い空間で生じると、燃焼により解放されるエネルギーの空間的な密度、すなわち、燃焼器の燃焼負荷率が高くなり、燃焼器の軸に垂直な断面内で、あるいは、燃焼器周方向に火炎が振動する振動燃焼が生じ易くなる。振動燃焼は、熱エネルギの一部が振動エネルギに変換されて生じる自励振動であり、燃焼器の燃焼負荷率が高くなると起振力が大きくなり、振動燃焼が発生し易くなる。
【０００４】
本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、ガスタービン燃焼器の振動燃焼を低減することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ガスタービン燃焼器において、燃料と空気との予混合火炎を形成するメインノズルの下流の内側面に沿ってフィルム空気を供給して、前記内側面近傍領域において前記予混合火炎の燃空比を低減し、振動燃焼を抑制するようにしているので、ガスタービン燃焼器の内側面近傍領域において前記予混合火炎の燃空比が低減され、燃焼器の燃焼負荷率が低くなり振動燃焼が抑制される。
【０００６】
また、本発明によれば、ガスタービン燃焼器において、燃料と空気との予混合火炎を形成するメインノズルの下流の側壁に複数の小孔より成る振動減衰孔が形成され、前記側壁の前記振動減衰孔が形成されている領域の外表面に音響ライナーが取り付けられているので、振動減衰孔を混合気が横断して流動する際その圧力が減少されて振動エネルギーが減衰し振動燃焼が抑制される。
また、前記音響ライナーは、前記側壁の外表面に取り付けられた複数のライナー部分を具備しているので、ガスタービン燃焼器の尾筒と音響ライナーの温度差から生じる熱応力が低減される。
また、前記ライナー部分は、前記ガスタービン燃焼器の側壁との温度差による熱変形に基づく熱応力を低減するベローズ部を有していれば、変形自在となる。
また、前記側壁の外表面に係止部材が固定され、前記ライナー部分は前記係止部材に係合する係合部を有しており、前記係止部材と係合部とを係合させることにより前記ライナー部分が前記側壁外表面に取り付けられれば、前記側壁外表面に対しライナー部分は相対移動可能となり、両者間の温度差による熱応力の発生を防止または抑制可能となる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。
本実施形態によるガスタービン１００は、図示しない圧縮機、該圧縮機に一軸で連結された膨張機、該圧縮機および膨張機を包囲するケーシング１０２、１０４、ケーシング１０２、１０４に固定された燃焼器１０を具備している。圧縮機により圧縮された空気は、ケーシング１０２、１０４が形成する圧縮空気室１０６から燃焼器１０へ供給される。
【０００８】
燃焼器１０は、筒状の尾筒１２と内筒３０とを有しており、内筒３０の中心にパイロットノズル１４が配設され、パイロットノズル１４の周囲に複数のメインノズル１６が配設されている。パイロット燃料供給管路２６からパイロット燃料、例えば天然ガスがパイロットノズル１４へ供給され、パイロットノズル１４はこのパイロット燃料を尾筒１２内に噴出して拡散火炎を形成する。メイン燃料供給管路２８からメイン燃料、例えば天然ガスが供給され、このメイン燃料はメインノズル１６の上流側の空間において圧縮空気室１０６からの空気と混合され、この混合気はメインノズル１６から尾筒１２内に噴出し、予混合火炎が形成される。
【０００９】
特に、図２を参照すると、本発明の１つの実施形態において、内筒３０は、尾筒１２の内径よりも小さな外径を有しており、内筒３０と尾筒１２との間には間隙ｄが形成されると共に、その先端部において軸方向に所定の距離Ｌを以て尾筒１２内に突き出している。これにより、圧縮空気室１０６内の高圧の空気が間隙ｄを通過して、尾筒１２の内側面に沿って尾筒１２内にフィルム空気として流入する。このフィルム空気は尾筒１２の内側面に沿って流動する間に、メインノズル１６から噴出されるメイン燃料と空気との混合気または予混合火炎に混合される。従って、予混合火炎の燃空比が尾筒１２の内側面近傍領域において低下し、尾筒１２の内側面近傍領域での急激な燃焼が抑制される。これにより、振動燃焼の原因となる振動エネルギが減少して振動燃焼が抑制される。
【００１０】
また、好ましくは、尾筒１２には、軸方向に延設された複数の蒸気通路１２ａ（図２、３参照）が形成されており、蒸気供給ヘッダ１８を介してガスタービン１００の外部の蒸気源、例えば中圧蒸気タービンの抽気から供給される冷却蒸気により冷却される。蒸気通路１２ａを流通して尾筒１２を冷却した蒸気は、蒸気回収ヘッダ２０、２２を介して蒸気回収装置、例えば低圧蒸気タービンに供給される。
【００１１】
好ましくは、尾筒１２の基端部近傍の外表面を包囲するように音響ライナー２４を取り付け、音響ライナー２４と尾筒１２の外表面の間に音響バッファ室２５を形成すると共に、尾筒１２の内部空間から音響バッファ室２５へ、尾筒１２の側壁を半径方向に貫通して振動減衰孔としての複数の小孔１２ｂを形成する。特に図３を参照すると、本実施形態では、４本の蒸気通路１２ａを一群として蒸気通路１２ａの各群の間に小孔１２ｂが軸方向に蒸気通路１２ａに平行に配列されている。これにより、尾筒１２の基端部近傍に振動燃焼、特に尾筒１２の軸に垂直な断面内の振動、若しくは、半径方向または周方向の振動が発生したときに、尾筒１２内部の基端部近傍領域の混合気または燃焼ガスが小孔１２ｂを横断して流動する際その圧力が減少して振動エネルギーが減衰し振動燃焼が抑制される。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態を説明したが本発明がこれに限定されず種々の変形と修正が可能であることは当業者の当然とするところである。
例えば、既述の実施形態では、燃料として気体燃料である天然ガスを例示したが、本発明はこれに限定されず、燃料は軽油やＡ重油相当の液体燃料であっても良い。
【００１３】
また、音響ライナー２４に冷却空気孔としての複数の小孔２４ａを形成して、圧縮空気室１０６から音響バッファ室２５内へ空気を流入させるようにすることができる。これにより、小孔１２ｂの各列内において隣接する小孔１２ｂの間の尾筒１２の側壁部分が効果的に冷却可能となる。好ましくは、音響ライナー２４の小孔２４ａは、尾筒１２の小孔１２ｂの各列に一致するように配列すると共に、音響ライナー２４の各列の小孔２４ａは、尾筒１２の対応する各列の隣接する小孔１２ｂの中間に位置するように、小孔２４ａを小孔１２ｂに対して軸方向にオフセットして配置する。音響ライナー２４の小孔２４ａをこのように配置することにより、音響ライナー２４の小孔２４ａから音響バッファ室２５内に噴出した空気は、尾筒１２に対して衝突噴流として流動し尾筒１２の隣接する小孔１２ｂの側壁部分を効果的に冷却する。
【００１４】
また、既述の実施形態では、音響ライナー２４は尾筒１２の基端部近傍の外表面を包囲するように形成されていると説明したが、音響ライナー２４は一体物にて形成する必要はない。音響ライナー２４は、図５に示すように、複数のライナー部分１２４を尾筒１２の外表面を包囲するように配設することにより形成してもよい。このように音響ライナー２４を複数のライナー部分１２４から形成することにより、尾筒１２と音響ライナー２４の間の温度差から生じる熱応力が低減される。
【００１５】
更に、ライナー部分には熱応力を低減するためにベロー部を設けても良い。図６（ａ）を参照すると、ライナー部分２４６は尾筒１２の側壁から立ち上がる側壁部分２４６ａと、尾筒１２の側壁に略平行な周側壁部分２４６ｂとの間に横ベロー部２４６ｃを有している。横ベロー部２４６ｃによりライナー部分２４６は主として側壁部分２４６ａと周側壁部分２４６ｂの間で矢印ａで示す尾筒１２の側壁に平行な方向に変形自在となる。
【００１６】
図６（ｂ）の実施形態では、ライナー部分３４６は、図６（ａ）の実施形態とは異なり、尾筒１２の側壁から立ち上がる側壁部分３４６ａと、尾筒１２の側壁に略平行な周側壁部分３４６ｂとの間ではなく、周側壁部分３５６ｂの中内部分に横ベロー部３４６ｃを有している。横ベロー部３４６ｃにより、ライナー部分３４６は矢印ａで示す尾筒１２の側壁に平行な方向に変形自在となる。
【００１７】
図６（ｃ）の実施形態では、ライナー部分４４６は尾筒１２の側壁から立ち上がる側壁部分４４６ａと、尾筒１２の側壁に略平行な周側壁部分４４６ｂとの間に縦ベロー部４４６ｃを有している。縦ベロー部４４６ｃによりライナー部分４４６は主として側壁部分４４６ａと周側壁部分４４６ｂの間で矢印ｒで示す尾筒１２の側壁に垂直な方向に変形自在となる。
【００１８】
更に、図７に示す実施形態では、ライナー部分５４６は尾筒１２の側壁から立ち上がる側壁部分５４６ａの先端が外方に屈曲した係合部５４６ｂが形成されており、尾筒１２の外表面に断面Ｚ字状の係止部材１３が固定されている。係合部５４６ｂを係止部材１３に係合させることにより、ライナー部分５４６は尾筒１２に対して相対移動可能に尾筒１２の外表面に取り付けられる。このように、ライナー部分５４６を尾筒１２に対して移動できるように尾筒１２に取り付けることにより、両者間の温度差による熱応力の発生を防止または抑制可能となる。また、ライナー部分５４６、特に係合部５４６ｂと係止部材１３との間または係合部５４６ｂと尾筒１２との間にシール部材５４８を配設してもよい。シール部材５４８は、耐熱性のＯリング、Ｃリング、Ｅリング、ワイヤメッシュ、ブラシシール等により構成することができる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、前記ガスタービン燃焼器の内側面近傍領域において前記予混合火炎の燃空比が低減されるので、燃焼器の断面燃焼負荷率が低くなり振動燃焼が抑制される。
【００２０】
また、本発明によれば、振動減衰孔を混合気が横断して流動する際その圧力が減少されて振動エネルギーが減衰し振動燃焼が抑制される。
また、複数のライナー部分を具備する音響ライナーは、温度差から生じる熱応力が低減され、ライナー部分がベローズ部を有していれば、変形自在となる。
また、ライナー部分は、係止部材と係合部との係合により、側壁外表面に対し相対移動可能となり、両者間の温度差による熱応力の発生を防止または抑制可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の好ましい実施形態によるガスタービン燃焼器の断面図である。
【図２】  図１においてＡで示す部分の拡大断面図である。
【図３】  図２において矢視線IIIで示す方向に見たガスタービン燃焼器の尾筒の側面図であり、蒸気通路と振動減衰孔たる小孔の配置を示す図である。
【図４】  図１においてＡで示す部分の別の断面で破断した拡大断面図である。
【図５】  ガスタービン燃焼器の尾筒の軸に垂直な断面で破断した半断面図であり、音響ライナーを形成するライナー部分の構成を示す図である。
【図６】  ガスタービン燃焼器の尾筒の軸を含む断面で破断した部分断面図であり、ライナー部分の他の実施形態を示す図である。
【図７】  ガスタービン燃焼器の尾筒の軸を含む断面で破断した部分断面図であり、更に他の実施形態によるライナー部分の他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１０  燃焼器
１２  尾筒
１２ａ  蒸気通路
１２ｂ  振動減衰孔としての小孔
１３  係止部材
１４  パイロットノズル
１６  メインノズル
１８  蒸気供給ヘッダ
２０  蒸気回収ヘッダ
２２  蒸気回収ヘッダ
２４  音響ライナー
２４ａ  冷却空気孔としての小孔
２５  音響バッファ室
２６  パイロット燃料供給管路
２８  メイン燃料供給管路
３０  内筒
１２４  ライナー部分
２４６  ライナー部分
３４６  ライナー部分
４４６  ライナー部分
５４６  ライナー部分
１００  ガスタービン
１０２  ケーシング
１０４  ケーシング
１０６  圧縮空気室  
【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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