JPH0663645B2 - ガスタ−ビンの燃焼用空気流量調節装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はガスタービンの燃焼用空気流量を調節する装置
に係り、特に、ガスタービン燃焼器の内筒に外嵌した円
筒状の調整リングを有する燃焼用空気流量の調節装置の
伝動部分の耐久性を向上せしめた空気調節装置に関する
ものである。

〔従来技術〕

ガスタービンの燃焼器において、最近、低NO_x化が図れ
る二段燃焼方式あるいはそれ以上の多段燃焼方式を採用
した燃焼器が使用されつつある。これらは、いずれも燃
料消費量に見合つて燃焼用空気流量を調節する必要があ
り、その調節を行うための機構がいろいろ発明されてい
る。例えば、特願昭59−95645は、燃焼用空気量調節の
ための可動円筒（調整リング）をリンク機構により動か
すようにした構成であり、機構が複雑でかつリンク結合
部に数多くの摺動部が存在している。

第７図は、調整リング４７を備えた拘置の空気調節装置
を備えたガスタービン燃焼器の縦断面図である。図にお
いて、圧縮機（図示せず）により圧縮された空気１２
は、燃焼器外筒１３内を通り、燃焼器前側内筒１４及び
燃焼器後側内筒１５へと流入する。ここで流入空気は、
前側燃料ノズル１６、後側燃料ノズル１７から噴射され
た燃料ガス１８，１９と混合拡散して燃焼する。上述し
た燃焼方式は、多段燃焼方式と呼ばれるもので、大幅な
低ＮＯｘ化が図れるとして、最近の環境規制の厳しい折
り、大容量のガスタービン発電設備などのガスタービン
燃焼器に積極的に採用されつつあるものである。しか
し、この大幅な低ＮＯｘ化を図るには、いかにして燃焼
ガス温度を低く抑えかつ局部的に温度の高い所がない均
一な温度で燃焼をさせるかが大きなポイントである。特
に、燃焼ガス温度については、燃料量と燃焼用空気量と
の比率と密接な関係があり低ＮＯｘ化を図るにはこの比
率をある一定の範囲内となるように制御する必要があ
る。しかし、ガスタービンの回転数により空気量が変化
したり、ガスタービンの負荷により燃料量が増減するた
め、各々を制御することは困難であり、通常は、燃料量
に応じて空気量を変え所定の比率となるように制御して
いる。

４３は、外筒１３を貫通して設けられた駆動用のシヤフ
トで、その内側端にレバー４２を固着している。そし
て、矢印２０方向の空気流を制御する調整リング４７と
前記のレバー４２とをリンク４８で連結してある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このように、リンク４８を介して連結した伝動機構は、
連結ピン回りに摺動部分があつて摩耗が発生する。特
に、ガスタービン燃焼器内においては高温ガスに曝され
るため潤滑用の給油脂が困難で、摩耗を防止できない。
而して、摩耗生じると各部のガタが多くなり調節精度が
悪くなつて燃焼器の性能が悪くなるという虞れがある。

本発明の目的は、前述した従来技術の欠点をなくし、摺
動部がなく、ガタのない可動機構とし長時間運転におけ
る耐久性の増大、調節精度の持続性増大を図り信頼性の
高い可動機構を備えた空気調節装置を提供しようとする
ものである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明の調節装置は、ガス
タービン燃焼器の内筒に外嵌した円筒状の調整リングを
有する燃焼用空気流量の調節装置において、駆動用レバ
ーの先端の円弧運動する部分と、調整リングと一体的に
直線往復運動する部分とを、板バネ状の部材で連結する
とともに、上記板バネ状の部材が万一破断しても伝動を
維持できるように、上記レバーの先端と直線往復運動部
材とに係合用の凹凸を設けて、該凹凸を隙間を介して対
向させる。

〔作用〕

上記のように構成すると、調整リングは板バネ状部材を
介して駆動用レバーによつて往復直線運動せしめられ
る。この際、駆動用レバーの先端は円弧を描き、調整リ
ングは直線運動をするが、双方の部材のズレは板バネ状
部材の撓みによつて吸収される。この構成は摺動部分が
無いので、給油脂しなくても摩耗する虞れが無い。その
上、前記板バネ状の部材が万一破損した場合には前記駆
動用レバー先端と、往復直線運動せしめられる部分とが
凹凸を介して係合され、双方の部材の伝動が維持され
る。

〔実施例〕

第１図は、本発明の一実施例を示す。本図において、駆
動部は、外レバー１、内レバー２、及びそれを連結した
シヤフト３により構成されており、外レバー１を駆動手
段（図示せず）により動かすことによりシヤフト３を介
して内レバー２がシヤフト３を中心とした円弧運動をす
るようなつている。一方、調整リングと共に移動する部
材は、可動ブロツク４と、この可動ブロツク４に対して
数ケ所固定されているサポート６により支持された円筒
状の調整リング７とにより構成されている。５は、前記
の可動ブロツクを支承するローラである。駆動部の内レ
バー２と移動部の可動ブロツク４とは、本発明に係る薄
板の板バネ８により連結されている。該板バネ８は、端
部をボルト９ａ，９ｂなどの機械的手段により固定され
ており、内レバー２の円弧運動により可動ブロツク４が
第１図の左・右に移動可能なように、板バネ８は板幅方
向に２ケ所設けられている。この部分における詳細な構
成は後で述べる。ローラ５により（可動ブロツク４と内
レバー２との関係を一定の位置関係に保つことができる
よう）可動ブロツク４の左右両端部付近を上下に挾んで
支持している。上記ローラ５の役目は、可動ブロツク４
の移動時のガイドである。内レバー２には、係合用の爪
１０が、取付けられており、可動ブロツク４に設けられ
た凹部１１に対してある間隔をもつて対向しており、通
常は、係合用の爪１０と凹部１１とは非接触の状態にあ
るが、板バネ８の破損などの異常時には、係合用の爪１
０と凹部１１とが当接係合し、内レバー２から可動ブロ
ツク４への運動の伝達が確実に維持されるようになつて
いる。

第７図に示した従来の装置に本発明の装置（第１図）を
適用した改良した一例を第２図に示す。調整リング７は
円筒形状をしており、燃焼器後側内筒１５の外側に位置
しており、燃焼器外筒１３を貫通して支持されたシヤフ
ト３およびそれに取付いている内レバー２により、燃焼
器後側内筒１５の外周を軸方向に移動するようになつて
いる。尚、この調整リング７の駆動部は、燃焼器外筒１
３を利用して左右一ケ所ずつ設けられており、ローラ５
により調整リング７の位置が保持されるようになつてい
る。調整リング７の移動により、燃焼器前側内筒１５内
に流入する空気２１も変化し制御されるようになつてい
る。

上に述べた伝動部分の詳細を、前記実施例（第１図，第
２図）と極めて類似した実施例について、第３図乃至第
５図を参照しつつ説明する。第４図は第３図のIV−IV断
面図である。

第３図及び第４図に示す如く、内レバー２の先端部両側
面２ａ，２ｂには、板バネ８ａ，８ｂを内レバー２に固
定するためのワツシヤー２２，２３とボルト２４，２５
が設けられており、該板バネ８ａ，８ｂの端部を板厚方
向にワツシヤー２２，２３により挾み込みボルト２４，
２５により内レバー２の両側面２ａ，２ｂに押付けるこ
とにより、摩擦力とボルトの耐剪力によつて板バネ８
ａ，８ｂを内レバー２に固定している。板バネ８ａ，８
ｂは、本図に示すように、板バネの板幅方向に２枚並べ
てあり、手前の板バネ８ａは、内レバー２の右側面２ａ
に、奥の板バネ８ｂは内レバー２の左側面２ｂに固定さ
れている。内レバー２の形状は、シヤフト３よりも幅の
狭くなる首部３ａまでは、比較的肉厚も薄いが、前述し
た板バネ８ａ，８ｂの取付く先端部３ｂは、幅も広く
し、肉厚も板バネ８ａ，８ｂが板巾方向に２枚並べた寸
法よりも余裕とつて厚くしてある。内レバー２の先端部
３ｂについて、先端部３ｂの最先端の外周３ｃは、円弧
となつている。これはシヤフト３の中心を中心としてシ
ヤフト３の中心から先端部３ｂの外周３ｃまでの寸法を
半径として円弧状に（詳しくは、立体的に円柱面に）加
工されたものである。このことより、内レバー２の先端
部３ｂの外周３ｃ部は、内レバー２の円弧運動におい
て、外周３ｃ部のいかなる位置においても常にシヤフト
３から同一の距離で運動することができるようになつて
いる。前述した板バネ８ａ，８ｂの各々の他端は、同様
にワツシヤー２６，２７及びボルト２８，２９により、
可動ブロツク４に固定されている。上記の可動ブロツク
４は、その両端を第１図に示すようにローラ５で支持さ
れており、第３図に示す如く、内レバー２の先端部の外
周３ｃ部との干渉を避けるために凹部４ａを設けてあ
る。この凹部４ａの両側には、板バネ８ａ，８ｂを固定
するためのワツシヤー２６，２７やボルト２８，２９が
取付く座３０が設けられている。この座３０は、ただ単
に座面を確保するための凸部ではなく、双方の座面を結
ぶ面が前記の外周３ｃに接するように設定してある。

このようにして、内レバー２の先端部に対して板バネ８
ａ，８ｂがそれぞれ接線状に（詳しくは接平面状に取付
けられるため、内レバー２の先端部の円弧運動に際し
て、板バネ８ａ，８ｂは常に水平状態に保たれることに
なり、荷重が板バネの長さ方向のみしか加わらないこと
になる。このため、可動ブロツク４は、常に軸方向の荷
重しか作用しないことになり、可動ブロツクの移動を確
実に行えるようになつている。各々の板バネ８ａ，８ｂ
は、内レバー２が右側へ動く場合は、手前の板バネ８ａ
が可動ブロツク４の左側座面３０ａへ引張力を伝達し
て、該可動ブロツク４を右側へ移動させることになる。
このとき奥の板バネ８ｂは、圧縮力を受けるが、内レバ
ーと可動ブロツクとを板バネにより連結する場合に、板
バネ８ａ，８ｂの両者に引張力が加わるように板バネを
各々左側座面３０ａ、右側座面３０ｂの方向に引張りぎ
みにして組込むようにしてあり、圧縮力は、この初期組
込みに生じている引張力と相殺するようになり、実質，
荷重はゼロに近くなるため、圧縮力は加わらないことに
なる。一方、板バネ８ａ，８ｂの、内レバー２に対する
取付部の付近においては、板バネ８ａ，８ｂが円弧（詳
しくは円柱）加工面と接しながらその曲率に沿つて曲げ
られるため、多少なりとも、可動ブロツク側の引張力の
みの場合とは異なり引張力に曲げ力が加わることにな
る。この部分の板バネと内レバーとの関係をモデル化す
ると第５図に示すようになる。本図において、円弧３１
は、内レバーの先端部の円弧加工面を示し、その外周に
ある肉厚ｔなるものは、板バネ８を示している。板バネ
８は一端を円弧３１の外周部３２に固定されており他端
を可動ブロツクの移動させる力Ｐで引張つている状態に
あり、この時の板バネに生じる応力は、引張応力σ_tと
円弧部に発生する曲げ応力σ_bである。いま、板バネ８
の板厚をｔとし、幅をｂ、円弧の半径をｒ、バネ材のヤ
ング率をＥとした時、引張応力σ_t、曲げ応力σ_bは、下
記式にて与えられる。

ここで、バネ材として炭素鋼を用いた場合、ヤング率
は、Ｅ₁＝２．１×１０⁴kg/mm²程度であり、この時の曲
げ応力をσ_b1とすると幅ｂを一定とした場合、肉厚ｔの
変化に伴う応力の変化は第６図に示すようになる。一
方、引張応力σ_tは、幅ｂが一定であれば第６図に示す
ように変化し、板バネに生じる応力σ₁は、σ_tとσ_b1と
の和となり、図中実線３３の如くになる。ここで着目す
べきことは、実線３３が下側に凸の曲線となつており、
応力σ₁の最低となる肉厚ｔを求めれば、応力の低い最
適な板バネを提供することができるということである。
さらに着目すべきことは、引張応力σ_tは、幅が一定で
あれば肉厚ｔのみの関数となつていることである。即
ち、曲げ応力に関しては、肉厚ｔとヤング率Ｅとに関係
があり、ヤング率Ｅを小さくすることにより曲げ応力を
低く抑えることができる。ちなみにＴｉ合金などは、炭
素鋼の２．１×１０⁴kg/mm²に比してヤング率が１．０
×１０⁴kg/mm²前後と約１／２の値であり、この時の曲
げ応力をσ_b2とすると板バネに生じる応力は、図中破線
３４で示すσ₂となり大幅に応力を下げることができ
る。さらに、この状態で、寿命を長くする方法として、
第５図に示す如く、板バネ８をさらに数枚、図中に１点
鎖線３５で示すように重ね合わせ使用することも可能で
ある。この方法であれば、各１枚毎の肉厚ｔが変わらな
いため応力は変わらず寿命を延ばすことができるもので
ある。本実施例は、以上述べたように、高温の雰囲気中
において、円弧運動を直線運動に変える連結部に板バネ
を使用したので、摩耗を生じる虞れが無く、高温ガス流
中においても高い信頼性，耐久性を発揮し得る。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明の空気流量調節装置によれ
ば、複雑な機構を設けずして円弧運動を直線運動に変え
ることができるので機械的なガタをなくすことができ、
精度の高い制御が可能となる。また、単純な機構である
ので、取付部のスペースを節約することができるため、
装置の収納を容易にすることができる。さらに、板バネ
の使用により、連結部において摺動部がなくなるので信
頼性の向上を図ることができ、しかも、上記板バネが万
一破損しても凹凸部の係合によって伝動が維持されるの
で調整リングの操作機能を喪失しない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す斜視図、第２図は上記
実施例を設けたガスタービン燃焼室の縦断面図である。 第３図は上記実施例と極めて類似する実施例の正面図を
示し、第４図はそのIV−IV断面図である。 第５図は上記実施例のモデル図、第６図は同じく板バネ
の応力を示す図表、第７図は公知例の断面図である。 １……外レバー、２……駆動用内レバー、３……シヤフ
ト、４……可動ブロツク、５……ローラ、６……サポー
ト、７……調整リング、８，８ａ，８ｂ……板バネ、１
０……係合用の爪、１１……凹部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 広瀬 文之 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 荒井 修 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (56)参考文献 特開 昭59−18314（ＪＰ，Ａ) 特公 昭41−17489（ＪＰ，Ｂ１) 実公 昭16−12836（ＪＰ，Ｙ１)

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガスタービン燃焼器の内筒に外嵌した円筒
   状の調整リングを有する燃焼用空気流量の調節装置にお
   いて、駆動用レバーの先端の円弧運動する部分と、調整
   リングと一体的に直線往復運動する部分とを、板バネ状
   の部材で連結し、かつ、 前記駆動用レバー先端の円弧運動する部分と、調整リン
   グと一体的に往復運動する部分との双方に係合用凹凸を
   設け、かつ、前記の板バネ状部材が破損した場合には上
   記双方の係合用凹凸が係合して前記駆動用レバーと往復
   運動部分との伝動が上記凹凸を介して維持されるように
   なっており、該板バネ状部材が正常に機能している状態
   においては前記双方の係合用凹凸が互いに離間している
   ように構成したことを特徴とする、ガスタービンの燃焼
   用空気流量調節装置。
2. 【請求項２】前記の板バネ状の部材は、その板幅方向に
   複数個を並べて配設したものであることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載のガスタービンの燃焼用空気
   流量調節装置。
3. 【請求項３】前記の板バネ状の部材は、その板厚方向に
   複数個を重ねて配設したものであることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載のガスタービンの燃焼用空気
   流量調節装置。
4. 【請求項４】前記の駆動用レバーの先端の円弧運動する
   部分に、該円弧に沿った円柱面を形成し、かつ、前記の
   板バネ状部材の１端付近を上記円柱面に接せしめて取り
   付けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   ガスタービンの燃焼用空気流量調節装置。
5. 【請求項５】前記の板バネ状部材は、駆動用レバー先端
   の円弧運動する部分と、調整リングと一体的に往復運動
   する部分との間に、引張力を受ける状態に介装取付けさ
   れたものであることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載のガスタービンの燃焼用空気流量調節装置。