JP2002174129A - プレートフィン及びそれを用いた燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧損を抑えつつ冷却性能を向上させ、燃焼用
空気の制限をなくして低公害の燃焼を可能とする。 【解決手段】 冷却空気取入孔３５と冷却空気流出孔３
６ａとに連通し、冷却空気取入孔３５から取り入れた冷
却空気が冷却空気流出孔３６ａへ向かって流されること
により対流冷却が行われる層状の冷却空間層３１ａを形
成する。冷却空気層３１ａに、冷却空気の流れる方向に
沿う板状の熱伝達板部４１を有する複数の冷却フィン３
４を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービン燃焼
器等の燃焼室を構成するプレートフィン及びそれを用い
た燃焼器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ガスタービンは、圧縮機、燃焼
器及びタービンを主な構成要素としており、圧縮機とタ
ービンとは互いに主軸で直結されている。圧縮機の吐出
口には燃焼器が接続されており、圧縮機から吐出された
作動流体は、燃焼器によって所定のタービン入口温度ま
で加熱される。タービンに供給された高温高圧の作動流
体は、ケーシング内において静翼及び主軸側に取り付け
られた動翼の間を通過して膨張し、これにより主軸が回
転して出力が得られる。ガスタービンの場合、圧縮機の
消費動力を引いた軸出力が得られるので、主軸の他端に
発電器などを接続することで駆動源として利用すること
ができる。

【０００３】ここで、ガスタービン燃焼器の概略構造を
説明する。図５において、符号１０は、燃焼器である。
この燃焼器１０は、内筒１１の軸中心に沿って予混合ノ
ズル１２を設置したものである。予混合ノズル１２は、
中央部にパイロットバーナ１３が配置され、このパイロ
ットバーナ１３の周囲を取り囲むようにして、複数のメ
インバーナ１が等ピッチで配設されている。従って、パ
イロットバーナ１３の中心軸は、内筒１１の中心軸と一
致してる。

【０００４】予混合ノズル１２のパイロットバーナ１３
は、パイロット燃料管１４と、パイロットスワーラ１５
とを具備して構成されている。パイロット燃料管１４
は、一端が図示略の燃料供給源に接続され、他端が内筒
１１により形成された燃焼器１０の燃焼室１０ａに開口
するパイロット燃料ノズル１４ａとなっている。また、
パイロットスワーラ１５は、パイロット燃料管１４の外
周部に設けられて通過する空気流に旋回を与えるもので
ある。このパイロットバーナ１３では、パイロット燃料
ノズル１４ａから供給されるパイロット燃料が、旋回流
となった空気流を燃焼空気として、燃焼室１０ａ内で燃
焼する。こうして形成されたパイロットバーナ１３の火
炎は、後述するメインバーナ１の火種として用いられ
る。

【０００５】このような予混合ノズル１２のメインバー
ナ１は、図示略の燃料供給源に接続されたメイン燃料供
給管２と、該メイン燃料供給管２の外周部を通過する空
気流に旋回を与えるメインスワーラ５とを具備して構成
される。このメインバーナ１は、メイン燃料供給管２を
通って導入された燃料を燃料噴出口から空気流中に噴出
させ、燃料と空気流とを予混合して予混合気を形成す
る。この予混合気は、各メインバーナ１から旋回流とな
ってパイロットバーナ１３の周囲に流出し、前述したパ
イロットバーナ１３の火炎を火種として燃焼する。

【０００６】上記の燃焼器１０の燃焼室１０ａを形成す
る内筒１１としては、図６及び図７に示すように、フィ
ルム冷却を行うためのプレートフィン２１が用いられて
いる。このプレートフィン２１は、燃焼室１０ａの内面
を構成するフィンリング２２と、燃焼室１０ａの外面を
構成する外面板２３とが僅かに隙間をあけて積層された
構造とされている。

【０００７】フィンリング２２には、外面板２３との対
向面側に、軸方向へ沿う複数の溝部２４が並列に形成さ
れており、予混合ノズル１２が設けられた上流側と反す
る下流側端部が開口されている。また、外面板２３に
は、フィンリング２２の溝部２４の閉鎖された上流側の
端部とそれぞれ連通する冷却空気取入孔２５が形成され
ており、燃焼室１０ａの外周側の空気が、冷却空気取入
孔２５から溝部２４内に冷却空気として流れ込むように
なっている。

【０００８】そして、上記プレートフィン２１によって
燃焼室１０ａが構成された燃焼器１０によれば、燃焼時
に、冷却空気が外面板２３の冷却空気取入孔２５からフ
ィンリング２２の溝部２４内に流れ込み、この溝部２４
内を流れた後、この溝部２４の端部からなる冷却空気流
出孔２６から燃焼室１０ａ内へ流出し、下流側のプレー
トフィン２１の内面に沿う空気フィルムを形成する。つ
まり、溝部２４内を流れる際に、内筒１１を対流冷却
し、その後、プレートフィン２１の内面に沿う空気フィ
ルムが形成されてフィルム冷却され、燃焼室１０ａを構
成する内筒１１の焼損が防止されるようになっている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このように、燃焼室１
０ａを構成する内筒１１として、上記プレートフィン２
１を用いることにより、対流冷却及びフィルム冷却によ
って内筒１１の焼損が防止されるようになっているが、
近年では、燃焼性能向上に伴い燃焼温度も高くなりつつ
あり、冷却のために多くの空気が必要となり、燃焼用空
気が制限されて、低ＮＯｘ化に限界が生じていた。この
ため、圧損を大きくすることなくさらに冷却性能が向上
されたプレートフィンが要求されているのが現状であっ
た。

【００１０】この発明は、上記事情に鑑みてなされたも
ので、圧損を抑えつつ、冷却性能に優れ、燃焼用空気の
制限をなくして低公害の燃焼が可能なプレートフィン及
びそれを用いた燃焼器を提供することを目的としてい
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載のプレートフィンは、燃焼器の燃焼室
を形成し、冷却空気取入孔から外周側の冷却空気を取り
入れて冷却空気流出孔から燃焼室の内面に沿って送り込
むことによりフィルム冷却を行うプレートフィンであっ
て、前記冷却空気取入孔と前記冷却空気流出孔とに連通
し、前記冷却空気取入孔から取り入れた冷却空気が前記
冷却空気流出孔へ向かって流されることにより対流冷却
が行われる層状の冷却空間層を有し、該冷却空間層に
は、冷却空気の流れる方向に沿う板状の熱伝達板部を有
する複数の冷却フィンが配設されていることを特徴とし
ている。

【００１２】このように、冷却空間層内に、冷却空気の
流れる方向に沿う板状の熱伝達板部を有する複数の冷却
フィンが設けられているので、冷却空気が熱伝達板部と
良好に熱伝達を行い、この冷却空間層において圧損が極
めて少なく良好な対流冷却を行うことができる。そし
て、この冷却空間層にて対流冷却した冷却空気は、冷却
空気流出孔から燃焼室の内面に沿って流されて空気フィ
ルムを形成して燃焼室の内面における良好なフィルム冷
却を行うことができる。つまり、このプレートフィンに
よれば、冷却空気の使用量を増加させることなく、良好
なフィルム冷却とともに良好な対流冷却を行うことがで
き、近年の燃焼性能の向上に伴う燃焼温度の上昇に対応
することができ、これにより、燃焼用空気の制限をなく
し、良好な低ＮＯx化を実現させることができる。

【００１３】請求項２記載のプレートフィンは、請求項
１記載のプレートフィンにおいて、前記冷却フィンが、
前記熱伝達板部の冷却空気の流れる方向の寸法が、初期
の境界層が形成される所定寸法とされていることを特徴
としている。

【００１４】すなわち、熱伝達板部の冷却空気の流れる
方向の寸法が初期の境界層が形成される所定寸法とされ
ているので、この熱伝達板部において境界層更新効果に
よる良好な熱伝達が可能となり、極めて良好な対流冷却
効果を得ることができる。

【００１５】請求項３記載のプレートフィンは、請求項
１または請求項２記載のプレートフィンにおいて、前記
冷却フィン同士の冷却空気の流れる方向の間隔が、上流
側の冷却フィンによって引き起こされる後流がなくなる
所定寸法とされていることを特徴としている。

【００１６】つまり、冷却フィン同士の冷却空気の流れ
る方向に沿う間隔が、上流側の冷却フィンの後流がなく
なる所定寸法とされているので、上流側の冷却フィンの
後流の下流側の冷却フィンへの影響をなくし、下流側の
冷却フィンによる良好な熱伝達が可能となり、極めて良
好な対流冷却効果を得ることができる。

【００１７】請求項４記載のプレートフィンを用いた燃
焼器は、中心に配置されたパイロットバーナの周囲に複
数のメインバーナが配置されたバーナと、このバーナか
らの燃焼ガスが送り込まれる筒状の燃焼室とを有する燃
焼器であって、前記燃焼室が、請求項１〜３のいずれか
１項記載のプレートフィンを筒状に形成してなることを
特徴としている。

【００１８】このように、優れた対流冷却及びフィルム
冷却が可能なプレートフィンによって燃焼室が形成され
ているので、この燃焼室において、良好な冷却効果が得
られた燃焼器とすることができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態例のプレ
ートフィン及びそれを用いた燃焼器を図面を参照して説
明する。図１及び図２において、符号３１は、本実施形
態例の燃焼器１０の内筒１１に用いられるプレートフィ
ンである。このプレートフィン３１は、内筒１１によっ
て形成された燃焼室１０ａの内面を構成するフィンリン
グ３２と、燃焼室１０ａの外面を構成する外面板３３と
が隙間をあけて積層された構造とされており、この隙間
が冷却空間層３１ａとされている。

【００２０】フィンリング３２には、外面板３３との対
向面側に、複数の冷却フィン３４が設けられている。ま
た、外面板３３には、上流側に、複数の冷却空気取入孔
３５が形成されており、外周側の空気が、冷却空気とし
て冷却空気取入孔３５からフィンリング３２と外面板３
３との間の冷却空間層３１ａへ流れ込むようになってい
る。

【００２１】また、フィンリング３２と外面板３３との
間には、予混合ノズル１２が設けられた上流側と反する
下流側端部近傍に、仕切板３６が並設されており、これ
ら仕切板３６から冷却空間層３１ａ内を流れた冷却空気
が流出され、燃焼室１０ａ内へその内面に沿って送り込
まれるようになっている。つまり、この仕切板３６が設
けられた部分が冷却空気流出孔３６ａとされている。

【００２２】そして、上記プレートフィン３１によって
燃焼室１０ａが形成された燃焼器１０によれば、燃焼時
に、冷却空気が外面板３３の冷却空気取入孔３５からフ
ィンリング３２と外面板３３との冷却空間層３１ａへ流
れ込み、この冷却空間層３１ａを流れた後、冷却空気流
出孔３６ａを形成する仕切板３６間を通過して燃焼室１
０ａ内へ流出し、下流側のプレートフィン３１の内周面
に沿う空気フィルムを形成する。

【００２３】つまり、プレートフィン３１と外面板３２
との間の冷却空間層３１ａを冷却空気が流れる際に、内
筒１１が対流冷却され、その後、プレートフィン３１の
内面に沿う空気フィルムが形成されてフィルム冷却さ
れ、燃焼室１０ａを構成する内筒１１の焼損が防止され
る。

【００２４】ここで、プレートフィン３１と外面板３２
との間の冷却空間層３１ａに設けられた冷却フィン３４
は、冷却空気の流れる方向に沿って平行にされた複数の
熱伝達板部４１を有している。具体的には、中央の熱伝
達板部４１の両端部から一方へ屈曲された連結板部４２
が形成され、さらに、この連結板部４２の端部から側方
へ左右の熱伝達板部４１が延在された形状とされてい
る。

【００２５】この冷却フィン３４を構成する熱伝達板部
４１は、冷却空気の流れの方向に沿う長さ寸法Ｌが、冷
却空気が流れる際に、図３に示すように、初期の境界層
が形成される程度の所定寸法とされており、したがっ
て、この熱伝達板部４１では、初期の境界層が形成され
て冷却空気と良好な熱伝達率にて熱伝達が行われる境界
層更新効果が得られるようになっている。

【００２６】また、上流側の冷却フィン３４の下流側端
部と下流側の冷却フィン３４の上流側端部との間の寸
法、つまり、冷却フィン３４の冷却空気の流れる方向の
間隔Ｐとしては、上流側の冷却フィン３４によって引き
起こされる後流がなくなる程度とされている。すなわ
ち、十分な後流回復効果が得られる所定寸法とされてい
る。

【００２７】このように、上記のプレートフィン３１に
よれば、冷却空間層３１ａ内に、冷却空気の流れる方向
に沿う板状の熱伝達板部４１を有する複数の冷却フィン
３４が設けられているので、冷却空気が熱伝達板部４１
と良好に熱伝達を行い、この冷却空間層３１ａにおいて
圧損なく良好な対流冷却を行うことができる。そして、
この冷却空間層３１ａにて対流冷却した冷却空気は、冷
却空気流出孔３６ａから燃焼室１０ａの内面に沿って流
されて空気フィルムを形成して燃焼室１０ａの内面にお
ける良好なフィルム冷却を行うことができる。

【００２８】つまり、このプレートフィン３１によれ
ば、冷却空気の使用量を増加させることなく、良好なフ
ィルム冷却とともに良好な対流冷却を行うことができ、
近年の燃焼性能の向上に伴う燃焼温度の上昇に対応する
ことができ、これにより、燃焼用空気の制限をなくし、
良好な低ＮＯx化を実現させることができる。

【００２９】また、熱伝達板部４１の冷却空気の流れる
方向の寸法Ｌが初期の境界層が形成される所定寸法とさ
れているので、この熱伝達板部４１において境界層更新
効果による良好な熱伝達が可能となり、極めて良好な対
流冷却効果を得ることができる。

【００３０】さらに、冷却フィン３４同士の冷却空気の
流れる方向に沿う間隔Ｐが、上流側の冷却フィン３４の
後流がなくなる所定寸法とされているので、上流側の冷
却フィン３４の後流の下流側の冷却フィン３４への影響
をなくし、下流側の冷却フィン３４による良好な熱伝達
が可能となり、極めて良好な対流冷却効果を得ることが
できる。

【００３１】そして、上記のプレートフィン３１を用い
た燃焼器１０によれば、優れた対流冷却及びフィルム冷
却が可能なプレートフィン３１によって燃焼室１０ａが
形成されているので、この燃焼室１０ａにおいて、良好
な冷却効果が得られた燃焼器とすることができる。

【００３２】なお、上記の例では、冷却フィン３４の熱
伝達板部４１同士を連結する連結板部４２が熱伝達板部
４１に対して直交に配置するように形成したが、図４に
示すように、熱伝達板部４１に対して連結板部４２を傾
斜させて配置するように形成しても良い。

【００３３】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明のプレー
トフィン及びそれを用いた燃焼器によれば、下記の効果
を得ることができる。請求項１記載のプレートフィンに
よれば、冷却空間層内に、冷却空気の流れる方向に沿う
板状の熱伝達板部を有する複数の冷却フィンが設けられ
ているので、冷却空気が熱伝達板部と良好に熱伝達を行
い、この冷却空間層において圧損が極めて少なく良好な
対流冷却を行うことができる。そして、この冷却空間層
にて対流冷却した冷却空気は、冷却空気流出孔から燃焼
室の内面に沿って流されて空気フィルムを形成して燃焼
室の内面における良好なフィルム冷却を行うことができ
る。つまり、このプレートフィンによれば、冷却空気の
使用量を増加させることなく、良好なフィルム冷却とと
もに良好な対流冷却を行うことができ、近年の燃焼性能
の向上に伴う燃焼温度の上昇に対応することができ、こ
れにより、燃焼用空気の制限をなくし、良好な低ＮＯx
化を実現させることができる。

【００３４】請求項２記載のプレートフィンによれば、
熱伝達板部の冷却空気の流れる方向の寸法が初期の境界
層が形成される所定寸法とされているので、この熱伝達
板部において境界層更新効果による良好な熱伝達が可能
となり、極めて良好な対流冷却効果を得ることができ
る。

【００３５】請求項３記載のプレートフィンによれば、
冷却フィン同士の冷却空気の流れる方向に沿う間隔が、
上流側の冷却フィンの後流がなくなる所定寸法とされて
いるので、上流側の冷却フィンの後流の下流側の冷却フ
ィンへの影響をなくし、下流側の冷却フィンによる良好
な熱伝達が可能となり、極めて良好な対流冷却効果を得
ることができる。

【００３６】請求項４記載のプレートフィンを用いた燃
焼器によれば、優れた対流冷却及びフィルム冷却が可能
なプレートフィンによって燃焼室が形成されているの
で、この燃焼室において、良好な冷却効果が得られた燃
焼器とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態例のプレートフィンの構
成及び構造を説明するプレートフィンの一部を破断視し
た斜視図である。

【図２】 本発明の実施の形態のプレートフィンの構成
及び構造を説明するプレートフィンの概略平断面図であ
る。

【図３】 本発明の実施の形態のプレートフィンを構成
する冷却フィンの形状を説明する冷却フィンの平面図で
ある。

【図４】 本発明の実施の形態のプレートフィンを構成
する冷却フィンの他の形状を説明する冷却フィンの平面
図である。

【図５】 燃焼器の構成及び構造を説明する燃焼器の一
部の概略側断面図及び横断面図である。

【図６】 従来のプレートフィンの構成及び構造を説明
するプレートフィンの一部を破断視した斜視図である。

【図７】 従来のプレートフィンの構成及び構造を説明
するプレートフィンの断面図である。

【符号の説明】

１ メインバーナ １０ 燃焼器 １０ａ 燃焼室 １３ パイロットバーナ ３１ プレートフィン ３１ａ 冷却空間層 ３４ 冷却フィン ３５ 冷却空気取入孔 ３６ａ 冷却空気流出孔 ４１ 熱伝達板部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼器の燃焼室を形成し、冷却空気取入
   孔から外周側の冷却空気を取り入れて冷却空気流出孔か
   ら燃焼室の内面に沿って送り込むことによりフィルム冷
   却を行うプレートフィンであって、 前記冷却空気取入孔と前記冷却空気流出孔とに連通し、
   前記冷却空気取入孔から取り入れた冷却空気が前記冷却
   空気流出孔へ向かって流されることにより対流冷却が行
   われる層状の冷却空間層を有し、該冷却空間層には、冷
   却空気の流れる方向に沿う板状の熱伝達板部を有する複
   数の冷却フィンが配設されていることを特徴とするプレ
   ートフィン。
2. 【請求項２】 前記冷却フィンは、前記熱伝達板部の冷
   却空気の流れる方向の寸法が、初期の境界層が形成され
   る所定寸法とされていることを特徴とする請求項１記載
   のプレートフィン。
3. 【請求項３】 前記冷却フィン同士は、冷却空気の流れ
   る方向の間隔が、上流側の冷却フィンによって引き起こ
   される後流がなくなる所定寸法とされていることを特徴
   とする請求項１または請求項２記載のプレートフィン。
4. 【請求項４】 中心に配置されたパイロットバーナの周
   囲に複数のメインバーナが配置されたバーナと、このバ
   ーナからの燃焼ガスが送り込まれる筒状の燃焼室とを有
   する燃焼器であって、 前記燃焼室が、請求項１〜３のいずれか１項記載のプレ
   ートフィンを筒状に形成してなることを特徴とするプレ
   ートフィンを用いた燃焼器。