特開 2024-91029 ガスタービンの燃焼器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024091029

(43)【公開日】2024-07-04

(54)【発明の名称】ガスタービンの燃焼器

(51)【国際特許分類】

   F23R 3/42 20060101AFI20240627BHJP

   F02C 7/00 20060101ALI20240627BHJP

   F01D 25/00 20060101ALI20240627BHJP

   F23R 3/06 20060101ALI20240627BHJP

   F02C 7/18 20060101ALI20240627BHJP

   F23M 5/04 20060101ALN20240627BHJP

【ＦＩ】

F23R3/42 B

F02C7/00 C

F01D25/00 L

F23R3/06

F02C7/18 Z

F23M5/04

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022207290

(22)【出願日】2022-12-23

(71)【出願人】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000556

【氏名又は名称】弁理士法人有古特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松山 竜佐

(57)【要約】

【課題】
本開示は、ライナーを取り付ける取付具の高温化を抑制可能なガスタービンの燃焼器を提供する。
【解決手段】
本開示の一態様に係るガスタービンの燃焼器は、燃焼室を囲む外側壁と、前記外側壁の内側に位置し、前記燃焼室に面するライナーと、少なくとも一部が前記外側壁と前記ライナーの間に位置するスペーサと、少なくとも一部が前記外側壁の外側に位置する締結具と、前記ライナーを支持するヘッド、及び、前記外側壁を貫通して前記締結具と締結する軸部を含み、前記ライナーを前記外側壁に取り付ける取付具と、を備え、前記締結具は、前記取付具に沿って延びて第１空気流路を形成する締結具溝を含んでおり、前記スペーサは、前記取付具に沿って延びて前記第１空気流路を通過した空気が通過する第２空気流路を形成するスペーサ溝を含んでいる。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃焼室を囲む外側壁と、
前記外側壁の内側に位置し、前記燃焼室に面するライナーと、
少なくとも一部が前記外側壁と前記ライナーの間に位置するスペーサと、
少なくとも一部が前記外側壁の外側に位置する締結具と、
前記ライナーを支持するヘッド、及び、前記外側壁を貫通して前記締結具と締結する軸部を含み、前記ライナーを前記外側壁に取り付ける取付具と、を備え、
前記締結具は、前記取付具に沿って延びて第１空気流路を形成する締結具溝を含んでおり、
前記スペーサは、前記取付具に沿って延びて前記第１空気流路を通過した空気が通過する第２空気流路を形成するスペーサ溝を含んでいる、ガスタービンの燃焼器。

【請求項2】

前記外側壁、前記締結具及び前記取付具は、金属製であり、
前記ライナーは、ＣＭＣ製である、請求項１に記載のガスタービンの燃焼器。

【請求項3】

前記締結具は、前記外側壁の外側に位置する外側空間に開口し、前記外側空間から前記第１空気流路に空気を取り入れる空気取入口を含んでいる、請求項１又は２に記載のガスタービンの燃焼器。

【請求項4】

前記スペーサは、前記外側壁と前記ライナーの間に位置する空間に開口し、前記第２空気流路を通過した空気を前記空間に排出する空気排出口を有している、請求項１又は２に記載のガスタービンの燃焼器。

【請求項5】

前記締結具は、
内周面が前記取付具と結合するサポートと、
前記サポートの外周面と結合するナット部材と、を含み、
前記サポートの内周面に前記締結具溝が位置している、請求項１又は２に記載のガスタービンの燃焼器。

【請求項6】

前記サポートは、前記取付具の中心軸方向に垂直な方向から前記取付具を挿入可能な切欠きを有している、請求項５に記載のガスタービンの燃焼器。

【請求項7】

前記スペーサは、
前記外側壁と前記ライナーの間に位置する本体部と、
前記取付具が貫通する前記外側壁の貫通孔内に位置する凸部と、を有し、
前記スペーサ溝は前記本体部及び前記凸部の両方に位置している、請求項１又は２に記載のガスタービンの燃焼器。

【請求項8】

前記ライナーは、前記取付具の前記ヘッドに沿って延びて第３空気流路を形成するライナー溝を含んでいる、請求項１又は２に記載のガスタービンの燃焼器。

【請求項9】

前記取付具は、前記取付具の前記ヘッドに沿って延びて第３空気流路を形成する取付具溝を含んでいる、請求項１又は２に記載のガスタービンの燃焼器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ガスタービンの燃焼器に関する。

【背景技術】

【0002】

下記の特許文献１には、燃焼室に面するライナーを備えたガスタービンの燃焼器が開示されている。このライナーは取付具を用いて外側壁に取り付けられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】米国特許出願公開第２００３／０１２３９５３号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

取付具は燃焼室にさらされているため、取付具が高温化するおそれがある。そこで、ライナーを取り付ける取付具の高温化を抑制する必要がある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の一態様に係るガスタービンの燃焼器は、燃焼室を囲む外側壁と、前記外側壁の内側に位置し、前記燃焼室に面するライナーと、少なくとも一部が前記外側壁と前記ライナーの間に位置するスペーサと、少なくとも一部が前記外側壁の外側に位置する締結具と、前記ライナーを支持するヘッド、及び、前記外側壁を貫通して前記締結具と締結する軸部を含み、前記ライナーを前記外側壁に取り付ける取付具と、を備え、前記締結具は、前記取付具に沿って延びて第１空気流路を形成する締結具溝を含んでおり、前記スペーサは、前記取付具に沿って延びて前記第１空気流路を通過した空気が通過する第２空気流路を形成するスペーサ溝を含んでいる。

【発明の効果】

【0006】

本開示の一態様の構成によれば、ライナーを取り付ける取付具の高温化を抑制可能なガスタービンの燃焼器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、燃焼器の断面図である。

【図2】図２は、取付具付近の拡大図である。

【図3】図３は、図２において締結具とスペーサを切断した図である。

【図4】図４は、図２のIV矢視図である。

【図5】図５は、図２のV-V矢視断面図である。

【図6】図６は、図２のVI-VI矢視断面図である。

【図7】図７は、変形例に係る燃焼器の図３に対応する図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、実施形態に係る燃焼器１００について説明する。本実施形態に係る燃焼器１００はガスタービン用の燃焼器であって、いわゆるアニュラー型である。ただし、燃焼器１００はキャン型などアニュラー型以外の形式であってもよい。図１は、燃焼器１００のある周方向位置における断面図である。

【0009】

図１に示すように、本実施形態に係る燃焼器１００は、外側壁１０と、ライナー２０と、取付具３０と、締結具４０と、スペーサ６０と、を備えている。以下、これらの構成要素について順に説明する。

【0010】

＜外側壁＞
外側壁１０は、燃焼室１１を囲む部材である。外側壁１０は、例えば、金属材料を含む金属製である。なお、以下では、燃焼室１１を基準として、燃焼室１１に近い側を「内側」と称し、燃焼室１１から遠い側を「外側」と称する。外側壁１０は環状のハウジング１４に囲まれており、外側壁１０の外側、つまり外側壁１０とハウジング１４の間には外側空間１５が形成されている。

【0011】

燃焼室１１には燃料噴射ユニット１６が位置しており、燃料噴射ユニット１６から燃焼室１１に燃料が噴射される。本実施形態では、ハウジング１４に空気が供給され、ハウジング１４に供給された空気の一部は燃料噴射ユニット１６に供給される。燃料噴射ユニット１６から燃焼室１１に噴射された燃料は空気と混合されて燃焼する。また、図１の白抜き矢印で示すように、ハウジング１４に供給された空気の残りの一部は、前述の外側空間１５に供給され、外側空間１５を流れる。

【0012】

図２は、取付具３０付近の拡大図である。図２の紙面下側が内側であり、紙面上側が外側である。図２の白抜き矢印で示すように、外側空間１５を流れた空気の一部は、外側壁１０の外側壁孔１７を通過して、外側壁１０とライナー２０の間に位置する空間２１に流入する。なお、空間２１には、燃料噴射ユニット１６に供給された空気の一部が流入することもある。また、外側壁１０は、取付具３０が貫通する貫通孔１８を含んでいる。

【0013】

＜ライナー＞
ライナー２０は、燃焼室１１に面する部材である。ライナー２０は、例えば、セラミックマトリックス複合材料（以下、「ＣＭＣ」と称する）を含むＣＭＣ製である。図１に示すように、ライナー２０は、外側壁１０の内側に位置しており、取付具３０によって外側壁１０に取り付けられている。また、図２に示すように、ライナー２０は、後述する取付具３０のヘッド３１を受ける取付孔２２を含んでいる。ライナー２０は、複数のパネルに分割されていてもよく、一体成形されていてもよい。また、ライナー２０は、冷却用の多数の空気孔を含んでいてもよい。

【0014】

＜取付具＞
取付具３０は、外側壁１０にライナー２０を取り付ける部材である。取付具３０は、例えば、金属材料を含む金属製である。図２に示すように、取付具３０は、ヘッド３１と、軸部３２と、を含んでいる。

【0015】

ヘッド３１は、ライナー２０を支持する部分である。本実施形態のヘッド３１は、ライナー２０の取付孔２２内に位置している。ヘッド３１は軸部３２と一体に形成されており、軸部３２よりも内側に位置している。本実施形態のヘッド３１は、円錐台形状であって、軸部３２側の部分の外径よりも、燃焼室１１側の部分の外径が大きい。ただし、ヘッド３１は、円錐台形状でなく、角錐台形状など他の形状であってもよい。ヘッド３１は燃焼室１１にさらされているため、燃焼室１１からヘッド３１に熱が伝わることで、取付具３０が高温化するおそれがある。

【0016】

軸部３２は、ヘッド３１と一体に形成されており、ヘッド３１よりも外側に位置している。また、軸部３２は、スペーサ６０及び外側壁１０を貫通して、締結具４０に締結している。図３は、図２において締結具４０とスペーサ６０を切断した図である。図３に示すように、軸部３２は小径部３３を有している。小径部３３は、外側に隣接する部分及び内側に隣接する部分よりも外径が小さい。また、軸部３２は、小径部３３の外周面に、取付具３０の中心軸方向（以下、単に「中心軸方向」と称する）に延びる断面凸状のキー３４を有している。なお、取付具３０は、冷却用の空気流路を内部に含んでいてもよい。

【0017】

＜締結具＞
締結具４０は、取付具３０と締結する筒状の部材である。締結具４０は、例えば、金属材料を含む金属製である。取付具３０が締結具４０と締結することで、ライナー２０を外側壁１０に取り付けることができる。図２に示すように、本実施形態の締結具４０は、外側壁１０よりも外側に位置している。ただし、締結具４０の一部が外側壁１０の貫通孔１８内に位置していてもよい。なお、本実施形態では、締結具４０と外側壁１０の間にワッシャ４１が位置している。

【0018】

図４は、図２のIV矢視図である。図４に示すように、締結具４０は内周面に複数の締結具溝４２を含んでいる。なお、締結具４０が含む締結具溝４２は、孔又は隙間であってもよい。溝、孔及び隙間の数及び形状は限定されない。図３に示すように、締結具溝４２は、取付具３０の軸部３２に沿って延びており、取付具３０との間で第１空気流路４３を形成している。また、締結具４０は、空気取入口４４を含んでいる。空気取入口４４は、締結具４０の外側端面に位置しており、外側空間１５に開口している。空気取入口４４は、比較的温度の低い外側空間１５の空気を第１空気流路４３に取り入れることができる。なお、空気取入口４４の位置は、締結具４０の外側端面に限定されない。例えば、空気取入口４４は、締結具４０の外周面に位置していてもよい。

【0019】

図３に示すように、本実施形態の締結具４０は、サポート４５と、ナット部材４６と、を含んでいる。締結具４０は、サポート４５を含まなくてもよい。ここで、図５は、図２のV-V矢視断面図である。図５に示すように、サポート４５はＵ字状であって、切欠き４７を有している。切欠き４７の幅寸法は、小径部３３の外径に略等しい。また、サポート４５の内周面のうち小径部３３に対向する部分の内径は、小径部３３の外径に略等しい。そのため、サポート４５は小径部３３の内側又は外側に隣接する部分に係止され、取付具３０に対する中心軸方向への移動が制限されている。

【0020】

また、サポート４５の内周面には中心軸方向に延びるキー溝４８が位置しており、キー溝４８には取付具３０のキー３４が挿入している。そのため、サポート４５は取付具３０に対して取付具３０の中心軸回りの回転が制限されている。また、サポート４５の内周面には締結具溝４２が位置している。そのため、取付具３０とサポート４５の間にも第１空気流路４３が形成されている。さらに、図３に示すように、サポート４５は、外周面に雄ねじ４９を有している。

【0021】

なお、本実施形態では、取付具３０の小径部３３とキー３４を用いて取付具３０に対するサポート４５の移動及び回転を制限しているが、これとは別の手段を用いて取付具３０に対するサポート４５の移動及び回転を制限してもよい。例えば、取付具３０にサポート４５を溶接するなどして、取付具３０に対するサポート４５の移動及び回転を制限してもよい。

【0022】

ナット部材４６は、サポート４５を覆うように配置されている。ナット部材４６は、内周面のサポート４５に対応する部分に雌ねじ５０を有している。そのため、サポート４５に対してナット部材４６を締め付けることにより、サポート４５とナット部材４６を結合することができ、ひいては取付具３０を締結具４０に締結することができる。サポート４５とナット部材４６の結合方法は、ねじを用いる方法以外の方法であってもよい。また、図４に示すように、ナット部材４６の外周面には、レンチ等の締付工具が接する平面部５１を有している。ナット部材４６の形状は図４に示す形状に限定されず、例えば六角形状であってもよい。

【0023】

なお、締結具４０がサポート４５を含まない場合、ナット部材４６が取付具３０と結合し、ナット部材４６の内周面に締結具溝を設けることで取付具３０との間に第１空気流路４３を形成することができる。

【0024】

＜スペーサ＞
スペーサ６０は、外側壁１０とライナー２０の間に空間２１を形成するための部材である。図２に示すように、本実施形態のスペーサ６０は、外側壁１０とライナー２０の間に位置する本体部６１と、外側壁１０の貫通孔１８内に位置する凸部６２とを含んでいる。スペーサ６０は、外側壁１０の貫通孔１８内に位置する凸部６２を含まなくてもよい。本体部６１は、ライナー２０に接する複数の脚６３と、脚６３の間に位置する複数の空気排出口６４とを有している。空気排出口６４は、空間２１に開口している。図６は、図２のVI-VI矢視断面図である。図６に示すように、本実施形態のスペーサ６０は４つの空気排出口６４を有している。ただし、スペーサ６０が有する空気排出口６４の数は限定されない。

【0025】

また、スペーサ６０は、内周面に複数のスペーサ溝６５を含んでいる。なお、スペーサ６０が含むスペーサ溝６５は、孔又は隙間であってもよい。溝、孔及び隙間の数及び形状は限定されない。そして、図３に示すように、各スペーサ溝６５は、取付具３０の軸部３２に沿って延びており、取付具３０との間で第２空気流路６６を形成している。なお、各スペーサ溝６５は、本体部６１の内周面と凸部６２の内周面の両方に位置している。さらに、スペーサ溝６５は、締結具溝４２と同じ中心軸回り位置に位置している。つまり、各第１空気流路４３の延長線上に第２空気流路６６が位置している。そのため、第１空気流路４３を通過した空気は、第２空気流路６６を通過する。そして、第２空気流路６６を通過した空気は、空気排出口６４を介して空間２１に排出される（図３及び図６の白抜き矢印参照）。

【0026】

また、図７に示すように、ライナー２０は、取付具３０のヘッド３１に沿って延びてヘッド３１との間で第３空気流路２４を形成するライナー溝２３を含んでいてもよい。そして、第１空気流路４３及び第２空気流路６６を通過した空気の全部又は一部を第３空気流路を２４介して燃焼室１１に排出してもよい。なお、ライナー溝２３は、孔又は隙間であってもよい。溝、孔及び隙間の数及び形状は限定されない。さらに、ライナー２０がライナー溝２３を含むことに代えて、又は、加えて、取付具３０が外周面に沿って延びてライナー２０との間で第３空気流路２４を形成する取付具溝３５を含んでいてもよい。なお、取付具溝３５は、孔又は隙間であってもよい。溝、孔及び隙間の数及び形状は限定されない。

【0027】

以上のように、本実施形態によれば、外側空間１５の空気が第１空気流路４３及び第２空気流路６６を通過して空間２１に排出されることにより、取付具３０が空気によって冷却され、取付具３０の高温化を抑制することができる。しかも、本実施形態では、スペーサ６０は、貫通孔１８内に位置する凸部６２を含み、凸部６２にもスペーサ溝６５が形成されている。そのため、第１空気流路４３と第２空気流路６６が近接し、取付具３０に沿って流れる空気の流路抵抗を抑制することができる。更に、第３空気流路２４を形成することで、ヘッド３１を含めて取付具３０の高温化を抑制することができる。

【0028】

また、本実施形態における外側壁１０にライナー２０を取り付ける方法は、外側壁１０とライナー２０の間にスペーサ６０を配置した状態で、取付具３０を燃焼室１１側からライナー２０の取付孔２２に挿入し、外側壁１０を貫通させる。その後、サポート４５を取付具３０の中心軸方向に対して垂直な方向からスライドさせて、サポート４５の切欠き４７に取付具３０の小径部３３を挿入する。最後に、ライナー２０とナット部材４６の間にワッシャ４１を配置した状態で、サポート４５にナット部材４６を締め付ける。これにより、外側壁１０にライナー２０を取り付けることができる。以上のとおり、本実施形態の取付方法によれば、外側壁１０にライナー２０を容易に取り付けることができる。ただし、外側壁１０にライナー２０を取り付ける方法又は順序は、これに限られない。

【0029】

＜まとめ＞
本明細書で開示する第１の項目は、燃焼室を囲む外側壁と、前記外側壁の内側に位置し、前記燃焼室に面するライナーと、少なくとも一部が前記外側壁と前記ライナーの間に位置するスペーサと、少なくとも一部が前記外側壁の外側に位置する締結具と、前記ライナーを支持するヘッド、及び、前記外側壁を貫通して前記締結具と締結する軸部を含み、前記ライナーを前記外側壁に取り付ける取付具と、を備え、前記締結具は、前記取付具に沿って延びて第１空気流路を形成する締結具溝を含んでおり、前記スペーサは、前記取付具に沿って延びて前記第１空気流路を通過した空気が通過する第２空気流路を形成するスペーサ溝を含んでいる、ガスタービンの燃焼器である。

【0030】

この構成によれば、空気が第１空気流路及び第２空気流路を通過することで、取付具が空気によって冷却され、取付具の高温化を抑制することができる。

【0031】

本明細書で開示する第２の項目は、前記外側壁、前記締結具及び前記取付具は、金属製であり、前記ライナーは、ＣＭＣ製である、第１の項目に記載のガスタービンの燃焼器である。

【0032】

この構成によれば、前記ライナーはＣＭＣ製であり、金属製の外側壁、締結具及び取付具より耐熱性が高いので、燃焼室で高温燃焼が可能となる。

【0033】

本明細書で開示する第３の項目は、前記締結具は、前記外側壁の外側に位置する外側空間に開口し、前記外側空間から前記第１空気流路に空気を取り入れる空気取入口を含んでいる、第１又は第２の項目に記載のガスタービンの燃焼器である。

【0034】

この構成によれば、取付具を冷却可能な外側空間の空気を第１空気流路に取り入れることができる。

【0035】

本明細書で開示する第４の項目は、前記スペーサは、前記外側壁と前記ライナーの間に位置する空間に開口し、前記第２空気流路を通過した空気を前記空間に排出する空気排出口を有している、第１乃至第３の項目のうちいずれか一の項目に記載のガスタービンの燃焼器である。

【0036】

この構成によれば、取付具を冷却した空気をライナーの冷却に利用することができる。

【0037】

本明細書で開示する第５の項目は、前記締結具は、内周面が前記取付具と結合するサポートと、前記サポートの外周面と結合するナット部材と、を含み、前記サポートの内周面に前記締結具溝が位置している、第１乃至第４の項目のうちいずれか一の項目に記載のガスタービンの燃焼器である。

【0038】

この構成によれば、取付具と締結具の間に第１空気流路を確保しつつ、取付具を締結具に締結することができる。

【0039】

本明細書で開示する第６の項目は、前記サポートは、前記取付具の中心軸方向に垂直な方向から前記取付具を挿入可能な切欠きを有している、第５の項目に記載のガスタービンの燃焼器である。

【0040】

この構成によれば、サポートを取付具に容易に固定することができ、ひいてはライナーを外側壁に容易に取り付けることができる。

【0041】

本明細書で開示する第７の項目は、前記スペーサは、前記外側壁と前記ライナーの間に位置する本体部と、前記取付具が貫通する前記外側壁の貫通孔内に位置する凸部と、を有し、前記スペーサ溝は前記本体部及び前記凸部の両方に位置している、第１乃至第６の項目のうちいずれか一の項目に記載のガスタービンの燃焼器である。

【0042】

この構成によれば、第１空気流路と第２空気流路が近接するため、取付具に沿って流れる空気の流路抵抗を抑制することができる。

【0043】

本明細書で開示する第８の項目は、前記ライナーは、前記取付具の前記ヘッドに沿って延びて第３空気流路を形成するライナー溝を含んでいる、第１乃至第７の項目のうちいずれか一の項目に記載のガスタービンの燃焼器である。

【0044】

この構成によれば、空気が第１空気流路及び第２空気流路を通過した後、更に第３空気流路を通過することで、ヘッドを含めて取付具が空気によって冷却され、取付具の高温化を抑制することができる。

【0045】

本明細書で開示する第９の項目は、前記取付具は、前記取付具の前記ヘッドに沿って延びて第３空気流路を形成する取付具溝を含んでいる、第１乃至第８の項目のうちいずれか一の項目に記載のガスタービンの燃焼器である。

【0046】

この構成によれば、空気が第１空気流路及び第２空気流路を通過した後、更に第３空気流路を通過することで、ヘッドを含めて取付具が空気によって冷却され、取付具の高温化を抑制することができる。

【符号の説明】

【0047】

１０ 外側壁
１１ 燃焼室
１５ 外側空間
１８ 貫通孔
２０ ライナー
２１ 空間
２３ ライナー溝
２４ 第３空気流路
３０ 取付具
３１ ヘッド
３２ 軸部
３３ 小径部
３５ 取付具溝
４０ 締結具
４２ 締結具溝
４３ 第１空気流路
４４ 空気取入口
４５ サポート
４６ ナット部材
４７ 切欠き
６０ スペーサ
６１ 本体部
６２ 凸部
６４ 空気排出口
６５ スペーサ溝
６６ 第２空気流路
１００ 燃焼器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】