| 【発明の名称】 |
ガスタービンの冷却構造 |
| 【発明者】 |
【氏名】石黒 達男
【氏名】松浦 正昭
【氏名】渡邊 康司
【氏名】稲田 満
【氏名】田中 克則
【氏名】赤松 真児
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| 【要約】 |
【課題】冷却不足の発生を防ぎながら燃焼用空気の量を増大し、それにより排気ガスの温度を低下させてＮＯｘを低減したガスタービンの提供。
【解決手段】燃焼筒（６）の後端内縁を延長して、静翼（７）を支持する静翼シュラウド（４０、４１）まで延びるガスよけスリーブ（６ｂ）を形成して燃焼ガスが静翼シールに直接当たらないようにしたのである。逆に、静翼シュラウドの前方内縁を延長して燃焼筒の後端まで延びるガスよけスリーブを形成してもよい。このようにすることにより、静翼シールの温度上昇が抑制され、車室内から静翼シール冷却空気通路（７ａ）を介して静翼シールに向けて流する空気の量を低減することができ、その分、燃焼用空気を増加させることができ、それにより燃焼温度が低下してＮＯｘが低減できる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 圧縮機から供給された圧縮空気と燃料ノズルから噴射された燃料を燃焼筒内で燃焼し、その燃焼ガスを燃焼筒に連結された静翼を介して動翼に導き動力を得るガスタービンの冷却構造であって、圧縮空気の一部を冷却空気として静翼シールを含む静翼領域の冷却におこなうようにされていて、静翼シールを含む静翼領域に、要求冷却量の低減または冷却空気の吹き出し部位の低減により、当該領域へ供給する冷却空気の量を低減可能にする静翼領域冷却空気量低減手段を設けたことを特徴とするガスタービンの冷却構造。
【請求項２】 静翼領域冷却空気量低減手段は静翼シールに直接燃焼ガスが当たるのを防止して静翼シールの温度を低下させ静翼シールへの要求冷却量を低減する静翼シール温度低下手段であることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンの冷却構造。
【請求項３】 静翼シール温度低下手段は、燃焼筒の後端を静翼まで下流側に延長し、静翼シールを延長された燃焼筒の後端の外側に配して成る、ことを特徴とする請求項２に記載のガスタービンの冷却構造。
【請求項４】 静翼シール温度低下手段は、静翼を支持する静翼シュラウドの一部を燃焼筒の後端まで上流側に延長し、静翼シールを延長された静翼シュラウドの一部の外側に配して成る、ことを特徴とする請求項２に記載のガスタービンの冷却構造。
【請求項５】 静翼領域冷却空気量低減手段は、隣接する燃焼筒の出口の隙間部分に配置される側部静翼の冷却空気吹き出し口を燃焼筒の出口の中央部分に配置される中央静翼の冷却空気吹き出し口よりも小さくして成る側部静翼冷却空気量低減手段である、ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンの冷却構造。
【請求項６】 側部静翼冷却空気量低減手段は、中央静翼には設ける前縁冷却空気吹き出し口を、側部静翼には設けないことにより成る、ことを特徴とする請求項５に記載のガスタービンの冷却構造。
【請求項７】 隙間から流出する空気による側部静翼の前縁の冷却効率を向上する側部静翼前縁冷却効率向上手段を有することを特徴とする請求項６に記載のガスタービンの冷却構造。
【請求項８】 側部静翼前縁冷却効率向上手段は、側部静翼の前縁と燃焼筒の出口の隙間の距離を小さくして成る、ことを特徴とする請求項７に記載のガスタービンの冷却構造。
【請求項９】 側部静翼の前縁を燃焼筒の出口の隙間の方へ延長して、側部静翼の前縁と燃焼筒の出口の隙間の距離を小さくした、ことを特徴とする請求項８に記載のガスタービンの冷却構造。
【請求項１０】 燃焼筒の出口を側部静翼の前縁の方へ延長して、側部静翼の前縁と燃焼筒の出口の隙間の距離を小さくした、ことを特徴とする請求項８に記載のガスタービンの冷却構造。
【請求項１１】 側部静翼前縁冷却効率向上手段は、側部静翼の前縁を平面にして隙間から流出する空気の前縁への吹きつけを向上して成る、ことを特徴とする請求項８に記載のガスタービンの冷却構造。
【請求項１２】 静翼領域冷却空気量低減手段は、静翼枚数を低減して成ることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンの冷却構造。
【請求項１３】 静翼領域冷却空気量低減手段は、静翼を除去し、燃焼筒の出口を出た燃焼ガスを直接動翼に導くようにして成る、ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンの冷却構造。
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【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冷却構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービンが発電や、その他、色々な用途のために数多く使用されている。このガスタービンは圧縮機で高温に圧縮された空気に燃料を噴射して燃焼筒内で燃焼して燃焼ガスを発生し、この燃焼ガスでタービン（動翼）を回転せしめて動力を得るものである。そして、ガスタービンの効率を上げるためにはタービン入口の燃焼ガス温度はできるだけ高い方がよく、従来、燃焼ガス温度を高めるべく設計されてきた。
【０００３】ところが、これらガスタービンについても昨今の排気ガスの規制強化により窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減をもとめられている。このＮＯｘは燃焼温度が高い程発生する。したがって、ＮＯｘを低減するためには、燃焼ガスの最高温度（燃焼筒の中間、すなわち、ノズル先端とタービン入口の中間で発生）を下げＮＯｘの発生を抑えることが必要である。
【０００４】ここで、燃焼ガスの温度は、基本的に燃焼時の燃料に対する空気、すなわち燃焼用空気の量で、決まると考えることができ、燃焼用空気の量が多い程低く、燃焼用空気の量が少ない程高くなる。したがって、ＮＯｘを低減するためには、燃焼用空気の量を増やすことが必要である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】そこで、ガスタービンの圧縮機から送りだされた空気の内、燃焼用ではなく各部の冷却のために使用している空気量を減らして燃焼用空気の量を大きくすることが必要である。しかし、冷却に使用する空気の量を減らしただけでは、冷却不足が発生し、耐久性が低下してしまう。本発明は上記に鑑み、冷却用に取り入れた空気の利用を改善して、冷却不足の発生を防ぎながら燃焼用空気の量を増大し、それにより燃焼ガスの温度を低下させてＮＯｘを低減せしめるガスタービンの冷却構造を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、圧縮機から供給された圧縮空気と燃料ノズルから噴射された燃料を燃焼筒内で燃焼し、その燃焼ガスを燃焼筒に連結された静翼を介して動翼に導き動力を得るガスタービンの冷却構造であって、圧縮空気の一部を冷却空気として静翼シールを含む静翼領域の冷却におこなうようにされていて、静翼シールを含む静翼領域に、要求冷却量の低減または冷却空気の吹き出し部位の低減により、当該領域へ供給する冷却空気の量を低減可能にする静翼領域冷却空気量低減手段を設けた冷却構造が提供される。このように構成されたガスタービンの冷却構造では、静翼領域への冷却空気の量が低減され、その分燃焼用空気が増大するので、燃焼ガス温度がさがり、ＮＯｘが低減される。
【０００７】静翼シールに直接燃焼ガスが当たるのを防止して静翼シールの温度を低下させ静翼シールへの要求冷却量を低減して冷却空気の量を低減することができるが、それには、燃焼筒の後端を静翼まで下流側に延長し、静翼シールを延長された燃焼筒の後端の外側に配してもよいし、逆に、静翼を支持する静翼シュラウドの一部を燃焼筒の後端まで上流側に延長し、静翼シールを延長された静翼シュラウドの一部の外側に配してもよい。
【０００８】隣接する燃焼筒の出口の隙間部分に配置される側部静翼の冷却空気吹き出し口を燃焼筒の出口の中央部分に配置される中央静翼の冷却空気吹き出し口よりも小さくして静翼領域への冷却空気の量を低減することができ、例えば、中央静翼には設ける前縁冷却空気吹き出し口を、側部静翼には設けないようにすればよい。その場合に、隙間から流出する空気による側部静翼の前縁の冷却効率を向上させるのが好ましく、それには、側部静翼の前縁と燃焼筒の出口の隙間の距離を小さくすればよく、そのための方法としては、側部静翼の前縁を燃焼筒の出口の隙間の方へ延長する方法と、逆に、燃焼筒の出口を側部静翼の前縁の方へ延長する方法がある。また、側部静翼の前縁を平面にする方法もある。
【０００９】静翼枚数を低減して静翼領域への冷却空気の量を低減することができるが、中央静翼を減らすのが好ましい。さらには、静翼を除去し、燃焼筒の出口を出た燃焼ガスを直接動翼に導くようにして静翼領域への冷却空気の量を無くすようにすることもできる。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照しながら、本発明の各実施の形態について説明する。先ず、本発明を適用しえる従来のガスタービンの燃焼器の周辺の基本的な構造を図７を参照して説明する。ケーシング１で形成される車室２内に燃焼器３が配設されていて、また車室２内には圧縮機４（一部のみ図示）で圧縮された高温の空気が矢印１００で示されるように導入される。燃焼器３は、燃料と空気を燃焼して燃焼ガスを発生する燃焼筒６と、燃焼筒６に燃料と空気を燃焼筒６に導く導入部５から成り、燃焼筒６の後端は静翼シール７を介して静翼８に結合され、静翼８の後流側には動翼９が配設されている。
【００１１】導入部５は内筒１０の内部に１つのパイロットノズル１１と複数のメインノズル１２を配設して構成されている。圧縮機４から車室２内に導入された高温の圧縮空気は矢印１０１で示されるように内筒１０の周りを通って上流側に向かい、内筒１０の上流端部に形成された燃焼空気入口１３から矢印１０２で示されるように内筒１０の内側に導入される。内筒１０の内側に導入された空気は複数のそれぞれスワラー１４を有して成るスワール流路１５でスワール空気とされてから、メインノズル１２から噴射される燃料が混合されて予混合気となって燃焼筒６に送られる。
【００１２】また、内筒１０の内側に導入された空気はパイロットノズル１１の周りの空気通路１１ａを通り、パイロットノズル１１の下流でパイロットノズル１１から噴射された燃料とともに拡散燃焼してパイロット火炎を生成する。このパイロット火炎が、スワール流路１５から排出された予混合気を着火し、それにより、燃焼ガスが生成される。なお、パイロットノズル１１の先端部１６はメガホン状に広がるパイロットコーン１７内に配置されている。
【００１３】以下、上記のような従来技術のガスタービンに適用される本発明のガスタービン燃焼器の各実施の形態について説明する。第１の実施の形態は静翼シールに直接燃焼ガスが当たらないようにして静翼シールの要求冷却量を減らし、その分、燃焼用空気を増加させるものである。以下、図１を参照して、従来技術と比較しながら第１の実施の形態の構造、作用を説明する。
【００１４】まず、従来は、図１の（Ｃ）のように燃焼筒６の後端と静翼８を支持する静翼シュラウド４０、４１の前端の間の隙間を埋めるように静翼シール７が配設され静翼シール７に直接燃焼ガスが当たるようになっており、静翼シール７が過熱するのをさけるために車室２（図７参照）内から静翼シール冷却空気通路７ａを介してかなりの量の空気を静翼シール７に向けて流さなければならなかった。
【００１５】そこで、本発明の第１の実施の形態では、燃焼筒６の後端内縁を延長して静翼７を支持する静翼シュラウド４０、４１まで延びるガスよけスリーブ６ｂを形成して燃焼ガスが静翼シール７に直接当たらないようにしたのである。図１の（Ｂ）は第１の実施の形態の変形例であって、逆に、静翼シュラウド４０、４１の前方内縁を延長して燃焼筒６の後端まで延びるガスよけスリーブ４５を形成して燃焼ガスが静翼シール７に直接当たらないようにしてある。
【００１６】第１の実施の形態は、その変形例も含めて上記のように構成され作用するので静翼シール７の温度上昇が抑制され、車室２（図７参照）内から静翼シール冷却空気通路７ａを介して静翼シール７に向けて流する空気の量を低減することができ、その分、燃焼用空気を増加させることができ、それにより燃焼温度が低下してＮＯｘが低減できる。
【００１７】次に、第２の実施の形態の詳細を説明する。第２の実施の形態は静翼８の冷却に使用する空気の量を低減し、その分、燃焼用空気を増加させるものである。先ず、従来、静翼８が燃焼筒６の後端出口に対してどのように配置されているかを図２を参照して説明する。図２は、燃焼筒６側から静翼を見たものであって、８個の燃焼筒６の後端が一点鎖線で示されているが、図示のように、隣接する燃焼筒６の後端の放射方向部分の間には隙間６ｃが形成され、この隙間からも冷却用の空気が放出されている。そして、静翼シュラウド４０、４１に支持される静翼８が、隙間６ｃの位置と、各燃焼筒６の後端の円周方向の中央の位置に配設されている。
【００１８】以下、必要に応じて、中間部分の静翼を中央静翼８ａ、隙間６ｃの位置の静翼を側部静翼８ｂということにする。図２に示される静翼８は前縁部が示されており、図示されるようにこの前縁部に静翼８をフィルム冷却するための空気吹き出し穴８０が多数形成されている。
【００１９】図３は、図２のような構造とされた静翼の部分における、温度分布を示したもので、図示のように、中央部分が高く、隙間６ｃが含まれる側部領域は比較的低い。すなわち、中央静翼８ａは高温領域にあるが、側部静翼８ｂは低温領域にある。そこで、図４の（Ｆ）に示される従来技術に対して、第２の実施の形態においては図４の（Ａ）に示すように中央静翼８ａは従来通り前縁部に空気吹き出し穴８０を設けるが、側部静翼８ｂについては前縁部の空気吹き出し穴８０を廃止して、その分、冷却空気を減少する。
【００２０】第２の実施の形態は、上記のように構成され、作用し、静翼８の冷却のための空気の量を減らすことができ、その分、燃焼用空気を増大させることができ、燃焼温度を下げてＮＯｘの低減をおこなうことができる。なお。中央静翼８ａも側部静翼８ｂも内部に冷却空気通路８１、８２を有しており、前縁部の空気吹き出し穴８０から放出される空気は前側の冷却空気通路８１を通って供給される。
【００２１】図４の（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）は、前縁部の空気吹き出し穴８０を廃止した側部静翼８ｂの前縁の隙間６ｃからの冷却空気による冷却の効率を上げるための変形例である。図４の（Ｂ）に示す第１の変形例は側部静翼８ｂの前縁を前方に延長し、隙間６ｃに近づけたものである。図４の（Ｃ）に示す第２の変形例は燃焼筒６の後端を後方に延長し、それにより隙間６ｃを側部静翼８ｂの前縁に近づけたものである。図４の（Ｄ）に示す第３の変形例は第１の変形例のように側部静翼８ｂの前縁を前方に延長し、かつ、前縁を平面にしたものである。図４の（Ｅ）に示す第４の変形例は第２の変形例のように燃焼筒６の後端を後方に延長し、それにより隙間６ｃを側部静翼８ｂの前縁に近づけ、かつ、前縁を平面にしたものである。各変形例は上記のように構成され側部静翼８ｂの前縁の隙間６ｃからの冷却空気による冷却の効率が向上し前縁部の空気吹き出し穴８０を廃止した分を補うことができる。また、隙間６ｃから流入する空気量を低減することもでき、第２の実施の形態の効果がさらに促進される。
【００２２】次に、第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態は静翼８の数を減らして、静翼の冷却に使用する空気の量を低減し、その分、燃焼用空気を増加させるものである。図５が、この第３の実施の形態の静翼８の配置を図２と同様な見方で示したものであって、図５に示されるように、中央静翼８ａは廃止され、側部静翼８ｂのみとされ、さらに、側部静翼８ｂも第２の実施の形態のように、前縁の空気吹き出し穴８０が廃止されている。第３の実施の形態は、上記のように構成され作用するので、第２の実施の形態と同じような効果を、より大きく得ることができる。
【００２３】次に、第４の実施の形態について説明する。第４の実施の形態は静翼８を廃止して、静翼の冷却に使用する空気の量をなくし、その分、燃焼用空気を増加させるものである。図６がこの第４の実施の形態の構成を示す図であって、図示されるように、燃焼筒６が動翼まで延長され、静翼は廃止されている。この時、燃焼筒６の出口で燃焼ガスを加速させつつ方向を変えて、動翼に導くような形状変化を与えている。第４の実施の形態は、上記のように構成され作用するので、第２の実施の形態と同じような効果を、第３の実施の形態よりさらに大きく得ることができる。
【００２４】
【発明の効果】各請求項に記載の発明による圧縮機から供給された圧縮空気と燃料ノズルから噴射された燃料を燃焼筒内で燃焼し、その燃焼ガスを燃焼筒に連結された静翼を介して動翼に導き動力を得るガスタービンの冷却構造は、圧縮空気の一部を冷却空気として静翼シールを含む静翼領域の冷却におこなうようにされているが、静翼シールを含む静翼領域に、要求冷却量の低減または冷却空気の吹き出し部位の低減により、当該領域へ供給する冷却空気の量を低減可能にする静翼領域冷却空気量低減手段を設けられており、静翼領域への冷却空気の量が低減され、その分、燃焼用空気が増大するので、燃焼ガス温度がさがり、ＮＯｘが低減される。また、冷却を終えた空気は、燃焼ガスと共に動翼に導かれるようになっており。それによって燃焼ガス温度を低減し効率を下げる方向に作用する。したがって、静翼領域の冷却に使用する空気の量の減少は、ＮＯｘの低減とともに、効率の低下も抑制する。特に、請求項７のように、中央静翼には設ける前縁冷却空気吹き出し口を、側部静翼には設けないようにしつつ、隙間から流出する空気による側部静翼の前縁の冷却効率を向上する側部静翼前縁冷却効率向上手段を有するようにすれば、側部静翼の冷却空気の量の低減を実現しつつ、側部静翼の冷却を確保できる。 特に、請求項１２のように、静翼枚数を低減すれば、大きな効果が得られ、また、請求項１３のように、静翼を除去し、燃焼筒の出口を出た燃焼ガスを直接動翼に導くようにすれば、さらに大きな効果を得ることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６２０８
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年４月４日（２０００．４．４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７７５１７
【弁理士】
【氏名又は名称】石田 敬 （外４名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−２８９００３（Ｐ２００１−２８９００３Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年１０月１９日（２００１．１０．１９） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−１０２１７０（Ｐ２０００−１０２１７０） |
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