JP2003328775A - ガスタービンの燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 少量の空気でも高効率で冷却できるガスター
ビンの燃焼器を提供する。 【解決手段】 ガスタービンの燃焼器の内壁に有し、圧
縮空気により冷却されるフィンリング２を、燃焼ガスの
流れる方向３に対して任意の角度を有する複数の溝２ａ
を外周表面に備えた円筒としたガスタービンの燃焼器。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンの燃
焼器に関し、特に、燃焼器の内筒に冷却構造を備えたガ
スタービンの燃焼器に関する。

【０００２】

【従来の技術】発電等に用いられるガスタービンは、主
に圧縮機、燃焼機、タービンから構成されており、例え
ば、タービンからの軸出力等により発電機等を回転させ
て発電している。ガスタービンは、複数の燃焼器を有し
ているものが多く、圧縮機により圧縮された空気と燃焼
器に供給された燃料を混合させ、各々の燃焼器内で燃焼
させて高温の燃焼ガスを発生させており、この高温の燃
焼ガスをタービンへ供給している。

【０００３】図３は、従来のガスタービンの燃焼器を示
す概略図である。吸気車室内における燃焼器の配置を示
すため、一部を断面にて示した。

【０００４】ガスタービンの燃焼器１０は、外側ケーシ
ング１１と内側ケーシング１２から成るケーシング１３
により形成される略環状の吸気車室１４内に複数個配置
される（図３では１個のみ示す）。図示していないが、
上流側に設けられた圧縮機により圧縮された空気が吸気
車室１４に導入され、燃焼器１０の周囲に設けられたカ
バー１５と燃焼器１０のボディを構成する内筒胴１６の
間を通って、燃焼器１０の上部に設けられた空気取り入
れ口１７から燃焼器１０の内部に入り、燃焼器１０の上
部に複数設けられた燃料ノズル１８から導入された燃料
と予混合された後、燃焼器１０内で燃焼され、燃焼ガス
はタービン室側へ供給され、軸出力等の仕事をしてい
る。

【０００５】図４は、従来のガスタービンの燃焼器を示
す全体図である。燃焼器全体の詳細な説明は、本発明と
直接関係ないため省略し、本発明と直接係る部分のみ説
明をする。

【０００６】燃焼器１０の内部では、空気取り入れ口か
ら供給された空気と、燃料ノズルから供給された燃料と
が予混合されたものを燃焼しており、燃焼器１０の内部
の燃焼温度は、通常１４００℃位まで上昇している。そ
のため、燃焼している部分、即ち、内筒胴１６の部分
は、耐熱性の高い素材を用いており、更に、冷却を行な
うことで、高温の燃焼温度から守っている。具体的に
は、図３、図４に示す領域Ａの部分の内筒胴１６の内部
に、後述するフィンリング１９を複数段設け、それらの
外径を変えて、連続して接続するなど構造を工夫し、圧
縮機により圧縮された空気をその周囲に流すことで冷却
を行なっている。

【０００７】図５は、従来のガスタービンの燃焼器の内
筒の冷却構造を示す図である。図５（ａ）は、従来のガ
スタービンの燃焼器の内筒の冷却構造の断面図であり、
図３、図４に示した領域Ａの一部分の拡大図である。
又、図５（ｂ）は、従来のガスタービンの燃焼器の内筒
の冷却構造の斜視図であり、図５（ａ）に示した断面の
斜視図となる。

【０００８】図５に示すように、燃焼器１０のボディと
なる内筒胴１６は、その強度の補強のため複数のリブ２
０を周方向に有しており、又、燃焼器１０の周囲を流れ
る圧縮空気を内筒胴１６等の冷却に用いるため、内筒胴
１６を貫通する流入孔２１が周方向に多数設けられてい
る。流入孔２１は、後述するフィンリング１９の各段階
において、上流側となる位置に配置されている。

【０００９】内筒胴１６の内部には、内筒胴１６の内壁
側と適切な間隙を有する円筒状のフィンリング１９設け
られており、フィンリング１９の外周表面には、燃焼ガ
スが流れる方向２２と同方向に設けられた複数の溝１９
ａによりフィン１９ｂを形成している。

【００１０】図４に示すように、フィンリング１９の外
径は、燃焼器１０の下流側に行くにしたがって、外径が
大きくなるように設けられており、それに伴い、フィン
リング１９の外側となる内筒胴１６も外径が大きくなる
ように作られている。

【００１１】これは、４段階ある各フィンリング１９に
おいて、上流側となる流入孔２１から流入してくる空気
が、フィンリング１９の溝１９ａを流れて対流冷却２３
を行ない、対流冷却２３を行なった空気が、後段側のフ
ィンリング１９の内壁側に沿って流れるように設計され
ているものであり、高温の燃焼ガスからの内筒胴１６側
への熱の流入を防止するための薄い空気層を形成し、い
わゆるフィルム冷却２４を行なえるようになっている。
つまり、内筒胴１６は、圧縮空気を用いた対流冷却２３
とフィルム冷却２４との、二重の冷却構造を有する構成
となっている。上記のような燃焼器の内筒壁面の冷却構
造をプレートフィン構造と呼ぶ。

【００１２】上記プレートフィン構造のフィンリング１
９では、燃焼ガスの流れる方向２２と同じ方向にフィン
１９ｂが設けられているため、流入孔２１から導入され
た圧縮空気は、このフィン１９ｂに沿って、燃焼ガスの
流れる方向２２と同じ方向に流れることが特徴である。
そのため、この圧縮空気の流れを、そのままフィルム冷
却２３へ用いることができる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ガスタービンは、ター
ビンの入り口での燃焼ガスの温度を高めることで、熱効
率を著しく向上させることができるため、従来から耐熱
材料や冷却技術の開発により、タービンの入り口での温
度の高温化が図られてきている。

【００１４】従来は、上記プレートフィン構造の冷却で
も十分耐えうる温度条件であった。しかしながら、ガス
タービンの高効率化のため、ガスタービンの運転条件、
即ち、温度条件が厳しいものとなってきている。

【００１５】タービンの入口での温度を上昇させるに
は、燃焼用の圧縮空気をより多く使用する必要がある。
しかしながら、圧縮空気は、上述してきたように、燃焼
用と冷却用とに使用されており、燃焼用の圧縮空気をよ
り多く使用するとなると、冷却用の圧縮空気が削減され
ることとなる。そのため、少量の空気でも十分に冷却で
きる冷却構造が必要とされている。

【００１６】本発明は、上記課題に鑑み、少量の空気で
も高効率で冷却できるガスタービンの燃焼器を提供す
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明に係るガスタービンの燃焼器は、圧縮空気により冷却
される冷却手段をガスタービンの燃焼器の内壁に有し、
前記冷却手段を、燃焼ガスの流れる方向に対して任意の
角度を有する複数の溝を外周表面に備えた円筒としたこ
とを特徴とする。

【００１８】上記課題を解決する本発明に係るガスター
ビンの燃焼器は、圧縮空気により冷却される冷却手段を
ガスタービンの燃焼器の内壁に有し、前記冷却手段を、
燃焼ガスの流れる方向に対して任意の角度を有する複数
の第１の溝と、前記第１の溝に交差する任意の角度を有
する複数の第２の溝とを外周表面に備えた円筒としたこ
とを特徴とする。

【００１９】上記課題を解決する本発明に係るガスター
ビンの燃焼器は、燃焼ガスの流れる方向に対する前記第
１の溝と前記第２の溝とが有する角度を互いに対称とし
たことを特徴とする。

【００２０】上記課題を解決する本発明に係るガスター
ビンの燃焼器は、前記円筒の外周表面に圧縮空気の流れ
を整流する整流手段を設けたことを特徴とする。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明において、ガスタービンの
燃焼器の構造は、前述したものと同等で良い。即ち、燃
焼器の内筒の内壁部分に、圧縮空気を流すことにより冷
却できる構造を有するものでよい。しかしながら、本発
明では内筒内部の冷却構造、特にフィンリングのフィン
の形状に特徴がある。

【００２２】（実施例１）図１は、本発明に係る実施形
態の一例を示すガスタービンの燃焼器の内筒の冷却構造
の概略図である。図１（ａ）は、内筒の冷却構造の斜視
図であり、図１（ｂ）は、内筒の冷却構造の上面図であ
る。

【００２３】図１に示すように、本発明に係るガスター
ビンの燃焼器の内筒の冷却手段は、燃焼器のボディとな
る内筒胴１の内側に設けられた円筒状のフィンリング２
の外周表面に、燃焼ガスの流れ３の方向に対して任意の
角度を有する（斜めの）溝２ａを複数設けることで、燃
焼ガスの流れ３の方向に任意の角度を有する（斜めの）
フィン２ｂを多数形成している。

【００２４】内筒胴１と斜めプレートフィンリング２の
間隙に導入された圧縮空気は、導入当初は燃焼ガスの流
れ３と同じ方向の流れを有するが、溝２ｂにより、燃焼
ガスの流れ３の方向に対して任意の角度をもって下流側
に流れる。そのため、図２（ｂ）に示すように、従来の
プレートフィンの流路長Ｌ０と比較して、斜めプレート
フィンリング２の流路長Ｌ１が長くなり、圧縮空気が冷
却する距離、即ち、冷却する表面積が増えることとな
り、対流冷却効果が向上する。

【００２５】又、上記構造の斜めプレートフィンリング
２では、従来のプレートフィンリング（燃焼ガスの流れ
３と同じ方向に溝、フィンを有する）と同じ溝幅、フィ
ンの幅を用いて、フィンを形成する場合、従来のプレー
トフィンリングと比較して溝２ａの数を減らすことがで
きるため、溝２ａに流れる圧縮空気の流速を増やすこと
ができ、さらに対流冷却効果が向上する。

【００２６】したがって、斜めプレートフィンリング２
では、圧縮空気が冷却する距離が長くなることと、圧縮
空気の流速を増やすことで、効率の良い冷却を行なうこ
とが可能となり、同一の空気量でも十分な冷却を行なう
ことができる。又、この斜めプレートフィンリング２
は、従来のプレートフィンリングの作製方法を大きく変
更することなく作製できることも大きな利点である。

【００２７】（実施例２）図２は、本発明に係る実施形
態の他の一例を示すガスタービンの燃焼器の内筒の冷却
構造の概略図である。図２（ａ）は、内筒の冷却構造の
斜視図であり、図２（ｂ）は、内筒の冷却構造の上面図
である。

【００２８】図２に示すように、本発明に係るガスター
ビンの燃焼器の内筒の冷却手段は、燃焼器のボディとな
る内筒胴１の内側に設けられた円筒状のフィンリングの
外周表面に、ヘリングボーン（杉綾模様）構造を有して
いるのが特徴である。具体的には、へリングボーン構造
フィンリング４は、燃焼ガスの流れ３の方向に対して任
意の角度を有する第１の溝４ａを複数設け、更に、この
溝に交差するように、対称の角度を有する複数の第２の
溝４ｂを設けることで、燃焼ガスの流れ３の上流側に任
意の角度の縁を有する菱形状のフィン４ｃを多数形成し
ている。

【００２９】内筒胴１とへリングボーン構造フィンリン
グ４の間隙に導入された圧縮空気は、導入当初は燃焼ガ
スの流れ３と同じ方向の流れを有するが、図２（ｂ）に
示すように、菱形状のフィン４ｃが上流側に任意の角度
の縁を有するため、圧縮空気の流れを乱して乱流とし、
圧縮空気の流路の抵抗を増やすこととなり、そのことに
よって冷却効果が向上する（前縁効果）。又、圧縮空気
の流れる表面積（フィン４ｃの表面積）も増えるため、
冷却される面積が増えることとなり、そのことによって
も冷却効果が向上する。

【００３０】上記へリングボーン構造フィンリング４で
は、菱形状のフィン４ｃを多数有することで、圧縮空気
の流れに乱流を起こし冷却効果を向上させているが、本
発明では、菱形状のフィンに限らず、他の形状のフィ
ン、例えば、三角形状のフィンを用い、三角形の角部を
上流側に配置して乱流を起こすようにしたようなもので
もよい。

【００３１】上記へリングボーン構造フィンリング４で
は、菱形状のフィン４ｃの作る乱流等のため、圧縮空気
の流速が落ち、特に下流側において作られる乱流が小さ
くなるとともに冷却効果も低下するおそれがある。そこ
で、フィンリングを菱形状のフィン４ｃのみで形成せず
に、フィンリングの外周表面の長手方向の途中に、圧縮
空気を整流する整流手段となるフィン等を設け、その下
流に再び菱形状のフィン４ｃを設けることで、再び大き
い乱流を発生させて、冷却効果の低下をできるだけ抑え
るようにすることも可能である。このようなフィン等の
構成を複数繰り返すことで、フィンリングの最下流まで
冷却効果を損なわない構造とすることもできる。

【００３２】更に、フィンリングを通過した圧縮空気
は、フィルム冷却のために使用されるが、へリングボー
ン構造フィンリング４では、菱形状のフィン４ｃを通過
した下流側では圧縮空気が乱流となり、フィルム冷却の
効果に影響を及ぼすおそれもあるため、フィンリングの
最下流部に整流用のフィンを設け、できるだけフィルム
冷却の効果を落とさないようにすることも可能である。

【００３３】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、圧縮空気
により冷却される冷却手段をガスタービンの燃焼器の内
壁に有し、前記冷却手段を、燃焼ガスの流れる方向に対
して任意の角度を有する複数の溝を外周表面に備えた円
筒としたので、従来と同等の圧縮空気の流量でも、冷却
の流路が長く、流路を通過する空気の流速も増やすこと
ができるため、冷却効果がより高くなる。そのため、冷
却用の圧縮空気を燃焼用に使用でき、ガスタービンの熱
効率も良くなる。又、燃焼器内壁のメタル温度を低減で
きるため、燃焼器の寿命も延ばすことが可能となる。

【００３４】請求項２乃至請求項３に係る発明によれ
ば、圧縮空気により冷却される冷却手段をガスタービン
の燃焼器の内壁に有し、前記冷却手段を、燃焼ガスの流
れる方向に対して任意の角度を有する複数の第１の溝
と、前記第１の溝に交差する任意の角度を有する複数の
第２の溝とを外周表面に備えた円筒としたので、従来と
同等の圧縮空気の流量でも、冷却される表面積を増やす
ことができ、更に、圧縮空気の流れの乱流を作ることに
より流路の抵抗を増やすことができるため、冷却効果が
より高くなる。そのため、冷却用の圧縮空気を燃焼用に
使用でき、ガスタービンの熱効率も良くなる。又、燃焼
器内壁のメタル温度を低減できるため、燃焼器の寿命も
延ばすことが可能となる。

【００３５】請求項４に係る発明によれば、前記円筒の
外周表面に圧縮空気の流れを整流する整流手段を設けた
ので、上流において発生した圧縮空気の乱流を整流する
ことで、その下流側で再び乱流を作ることができ、冷却
効果の低下を抑えることが可能である。又、最下流部に
整流手段を設けることで、フィルム冷却の効果を落とさ
ないようにすることも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る実施形態の一例を示すガスタービ
ン燃焼器の内筒の冷却構造の概略図である。（ａ）は、
内筒の冷却構造の斜視図であり、（ｂ）は、内筒の冷却
構造の上面図である。

【図２】本発明に係る実施形態の他の一例を示すガスタ
ービン燃焼器の内筒の冷却構造の概略図である。（ａ）
は、内筒の冷却構造の斜視図であり、（ｂ）は、内筒の
冷却構造の上面図である。

【図３】従来のガスタービンの燃焼器を示す概略図であ
る。

【図４】従来のガスタービンの燃焼器を示す全体図であ
る。

【図５】従来のガスタービンの燃焼器の内筒の冷却構造
を示す図である。（ａ）は、従来のガスタービンの燃焼
器の内筒の冷却構造の断面図であり、（ｂ）は、従来の
ガスタービンの燃焼器の内筒の冷却構造の斜視図であ
る。

【符号の説明】

１ 内筒胴 ２ 斜めプレートフィンリングング ２ａ 溝 ２ｂ フィン ３ 燃焼ガスの流れ ４ へリングボーン構造フィンリング ４ａ 溝 ４ｂ 溝 ４ｃ フィン

フロントページの続き (72)発明者 萬代 重實 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮空気により冷却される冷却手段を
   内壁に有するガスタービンの燃焼器において、 前記冷却手段を、燃焼ガスの流れる方向に対して任意の
   角度を有する複数の溝を外周表面に備えた円筒としたこ
   とを特徴とするガスタービンの燃焼器。
2. 【請求項２】 圧縮空気により冷却される冷却手段を
   内壁に有するガスタービンの燃焼器において、 前記冷却手段を、燃焼ガスの流れる方向に対して任意の
   角度を有する複数の第１の溝と、前記第１の溝に交差す
   る任意の角度を有する複数の第２の溝とを外周表面に備
   えた円筒としたことを特徴とするガスタービンの燃焼
   器。
3. 【請求項３】 請求項２記載のガスタービンの燃焼器
   において、 燃焼ガスの流れる方向に対する前記第１の溝と前記第２
   の溝とが有する角度を互いに対称としたことを特徴とす
   るガスタービンの燃焼器。
4. 【請求項４】 請求項２又は請求項３記載のガスター
   ビンの燃焼器において、 前記円筒の外周表面に圧縮空気の流れを整流する整流手
   段を設けたことを特徴とするガスタービンの燃焼器。