JP2009079484A - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン燃焼器を熱負荷分布に応じて効率的に冷却する。
【解決手段】ガスタービン燃焼器は、燃料供給部９と、燃焼筒２とを具備する。燃料供給部９は、燃料を燃焼筒２の内側の燃焼領域８に供給する。燃焼筒２は、燃料が燃焼して生成される燃焼ガスをタービンに供給する。燃焼筒２は、冷却空気が流れる空気通路３０〜３２が形成された第１領域２ｃと、冷却蒸気が流れる蒸気通路５１が形成された第２領域２ｄとを備える。第２領域２ｄは、第１領域２ｃよりも燃焼ガスの主流方向下流側に位置する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ガスタービンの燃焼器に関し、特にガスタービンコンバインドサイクルプラントの一部を構成するガスタービンの燃焼器に関する。

異なる冷却媒体を併用してガスタービン燃焼器を冷却する技術が知られている。

特許文献１は、このような技術の一つを開示している。特許文献１によれば、ガスタービン負荷の低いときには燃焼器壁面が圧縮機により加圧された空気で冷却され、ガスタービン負荷が高くなると蒸気のような他の冷却媒体による冷却が追加される。他の冷却媒体は、冷却後回収され、燃焼ガス中に放出されない。

特許文献１が開示している技術は、熱負荷変動に応じて燃焼器を冷却するものであると考えられる。

特開平９−３０３７７７号公報

本発明の目的は、ガスタービン燃焼器を熱負荷分布に応じて効率的に冷却することである。

以下に、（発明を実施するための最良の形態）で使用される番号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、（特許請求の範囲）の記載と（発明を実施するための最良の形態）との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、（特許請求の範囲）に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明のガスタービン燃焼器（１）は、燃料供給部（９）と、燃焼筒（２）とを具備する。燃料供給部（９）は、燃料を燃焼筒（２）の内側の燃焼領域（８）に供給する。燃焼筒（２）は、燃料が燃焼して生成される燃焼ガスをタービンに供給する。燃焼筒（２）は、冷却空気が流れる空気通路（３０〜３２、３０ａ、３０ｂ）が形成された第１領域（２ｃ）と、冷却蒸気が流れる蒸気通路（５１）が形成された第２領域（２ｄ）とを備える。第２領域（２ｄ）は、第１領域（２ｃ）よりも燃焼ガスの主流方向下流側に位置する。

空気通路（３０〜３２、３０ａ、３０ｂ）は、空気通路第１部分（３０、３０ａ、３０ｂ）と、空気通路第１部分（３０、３０ａ、３０ｂ）から燃焼ガスの主流方向上流側に向かって延びる空気通路第２部分（３１）と、空気通路第１部分（３０、３０ａ、３０ｂ）から主流方向上流側に向かって延びる空気通路第３部分（３２）とを含むことが好ましい。冷却空気は、空気通路第２部分（３１）、空気通路第１部分（３０、３０ａ、３０ｂ）及び空気通路第３部分（３２）を順に通過して燃焼領域（８）に流入する。

空気通路第１部分（３０、３０ａ、３０ｂ）は、案内板（３０ｃ）が設けられた湾曲部分（３０ｂ）を含むことが好ましい。

空気通路（３０〜３２、３０ａ、３０ｂ）は、複数キャビティ（３０ａ、３０ｂ）と、複数キャビティ（３０ａ、３０ｂ）の各々から燃焼ガスの主流方向上流側に向かって延びる空気通路第１部分（３１）及び空気通路第２部分（３２）とを含むことが好ましい。
冷却空気は、空気通路第１部分（３１）に供給され、空気通路第２部分（３２）を通過して前記燃焼領域（８）に流入する。複数キャビティ（３０ａ、３０ｂ）は、燃焼筒（２）の周方向に沿って配置される。複数キャビティ（３０ａ、３０ｂ）は互いに分離されている。

空気通路（３０〜３２、３０ａ、３０ｂ）を通過した冷却空気を燃焼筒（２）の内周面に沿ってフィルム状に噴出す噴出口（２８ａ）が燃焼筒（２）に設けられることが好ましい。

蒸気通路（５１）は、燃焼ガスの主流方向に延びていることが好ましい。冷却蒸気は、蒸気通路（５１）を第１領域（２ｃ）に向かって流れることが好ましい。

ガスタービン燃焼器（１）は、第１領域（２ｃ）に設けられた音響箱（５）を更に具備することが好ましい。空気通路（３２）は、冷却空気を音響箱（５）の内側の音響箱内空間に供給する。第１領域（２ｃ）には、音響箱内空間と燃焼領域（８）とを連通する吸音孔（１６）が設けられる。

燃料供給部（９）は、燃焼筒（２）の軸線を中心とする円に沿って配置された複数の燃料ノズル（１４）を含むことが好ましい。空気通路（３０〜３２、３０ａ、３０ｂ）及び蒸気通路（５１）の少なくとも一方は、燃焼ガスの主流方向に延びる複数通路（３１、３２、５１）を含むことが好ましい。複数通路（３１、３２、５１）は、燃料ノズル（１４）の主流方向下流側に配置される燃料ノズル対応通路（３２１）と、複数の燃料ノズル（１４）の隣り合う二つの間の主流方向下流側に配置される燃料ノズル間対応通路（３２２）とを含みことが好ましい。燃料ノズル対応通路（３２１）の等価直径は、燃料ノズル間対応通路（３２２）の等価直径より大きいことが好ましい。

ガスタービン燃焼器（１）は、第１領域（２ｃ）に設けられた音響箱（５）を更に具備することが好ましい。複数通路（３１、３２）は、空気通路（３０〜３２、３０ａ、３０ｂ）に含まれることが好ましい。燃料ノズル対応通路（３２１）及び燃料ノズル間対応通路（３２２）の各々は、第１領域（２ｃ）に設けられた開口（４２）から冷却空気を音響箱（５）の内側の音響箱内空間に供給することが好ましい。第１領域（２ｃ）には、音響箱内空間と燃焼領域（８）とを連通する吸音孔（１６）が設けられることが好ましい。燃料ノズル対応通路（３２１）は、等価直径が開口（４２）に近づくにつれて単調減少する等価直径単調減少部（３２１ａ、３２１ｂ）を含むことが好ましい。

燃料供給部（９）は、燃焼筒（２）の軸線を中心とする円に沿って配置された複数の燃料ノズル（１４）を含むことが好ましい。空気通路（３０〜３２、３０ａ、３０ｂ）は、燃焼ガスの主流方向に延びる複数通路（３２）を含むことが好ましい。複数通路（３２）は、燃料ノズル（１４）の主流方向下流側に配置される燃料ノズル対応通路（３２１）と、複数の燃料ノズル（１４）の隣り合う二つの間の主流方向下流側に配置される燃料ノズル間対応通路（３２２）とを含む。燃料ノズル対応通路（３２１）は、等価直径が局所的に大きい通路拡大部（３２１ｗ）を含む。燃料ノズル間対応通路（３２２）は、等価直径が局所的に大きい通路拡大部を含まない。

燃料ノズル対応通路（３２１）及び燃料ノズル間対応通路（３２２）の各々は、第１領域（２ｃ）に設けられた開口（４２）から冷却空気を音響箱内空間に供給することが好ましい。燃料ノズル対応通路（３２１）は、等価直径が開口（４２）に近づくにつれて単調減少する等価直径単調減少部（３２１ａ、３２１ｂ）を含むことが好ましい。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）の冷却方法は、燃焼筒（２）の内側の燃焼空間（８）に燃料を供給するステップと、燃料を燃焼して燃焼ガスを生成するステップと、燃焼ガスをタービンに供給するステップと、燃焼筒（２）に設けられた空気通路（３０〜３２、３０ａ、３０ｂ）に冷却空気を供給するステップと、タービンを通過した燃焼ガスを用いて蒸気を生成するステップと、燃焼筒（２）に設けられた蒸気通路（５１）に蒸気を供給するステップと、蒸気通路（５１）を通過した蒸気を蒸気タービンに供給するステップとを具備する。前記燃焼筒（２）は、空気通路（３０〜３２、３０ａ、３０ｂ）が形成された第１領域（２ｃ）と、蒸気通路（５１）が形成された第２領域（２ｄ）とを備える。第２領域（２ｄ）は、第１領域（２ｃ）よりも燃焼ガスの主流方向下流側に位置する。

本発明によるガスタービン燃焼器（１）の製造方法は、第１領域と第２領域とを含む第１板材（６１）の第１領域に空気溝を形成するステップと、第２領域に蒸気溝を形成するステップと、第１板材（６１）に第２板材（６２）を重ねて結合して前記空気溝に対応する空気通路（３０〜３２、３０ａ、３０ｂ）と蒸気溝に対応する蒸気通路（５１）とを形成するステップと、第１板材（６１）及び第２板材（６２）を曲げてガスタービン燃焼器（１）の燃焼筒（２）を形成するステップとを具備する。第１領域は、燃焼筒（２）の内側の燃焼領域（８）を流れる燃焼ガスの主流方向に関して第２領域よりも上流側に位置する。空気通路（３０〜３２、３０ａ、３０ｂ）を冷却空気が流れる。蒸気通路（５１）を蒸気が流れる。空気溝を形成するステップは、案内板（３０ｃ）が設けられた湾曲溝を形成するステップと、湾曲溝の一の端部から第２領域から遠ざかる方向に延びる第１溝を形成するステップと、湾曲溝の他の端部から第２領域から遠ざかる方向に延びる第２溝を形成するステップとを含む。湾曲溝を形成するステップは、略Ｕ字形状の第１軌跡（３８）に沿ってエンドミルを移動して第１板材（６１）に第１Ｕ字溝（３６）を形成するステップと、略Ｕ字形状の第２軌跡（３９）に沿ってエンドミルを移動して第１板材（６１）に第２Ｕ字溝（３７）を形成するステップとを含む。案内板（３０ｃ）は、第１Ｕ字溝（３６）及び第２Ｕ字溝（３７）の間に形成される。

本発明によれば、ガスタービン燃焼器が熱負荷分布に応じて効率的に冷却される。

添付図面を参照して、本発明によるガスタービン燃焼器、ガスタービン燃焼器の冷却方法及びガスタービン燃焼器の製造方法を実施するための最良の形態を以下に説明する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係るガスタービンは、ガスタービンコンバインドサイクルプラントの一部を構成する。ガスタービンコンバインドサイクルプラントは、ガスタービンに加えて蒸気タービンシステムを備える。

ガスタービンは、図１に示された燃焼器１と、圧縮機（不図示）と、タービン（不図示）とを備える。圧縮機は、加圧空気を生成する。加圧空気の一部は燃焼空気として燃焼器１に供給される。加圧空気の他の一部は冷却空気として燃焼器１に供給される。燃焼器１は、燃焼空気を用いて燃料を燃焼して燃焼ガスを生成する。冷却空気は、燃焼器１を冷却した後、燃焼ガスに混ぜられる。燃焼器１は、冷却空気が混ざった燃焼ガスをタービンに供給する。タービンは、燃焼ガスからエネルギーを受けて圧縮機及び発電機を駆動し、燃焼ガスを排ガスとして排出する。水蒸気タービンシステムは、排ガスを用いて水蒸気を生成し、水蒸気を用いて蒸気タービンを駆動する。水蒸気タービンシステムから水蒸気が抜き出されて燃焼器１の冷却に用いられる。燃焼器１を冷却した水蒸気は、水蒸気タービンシステムに戻されて蒸気タービンに供給される。

図１に示されるように、燃焼器１は、車室４の内部に設置されている。燃焼器１は、燃焼筒２と、燃料供給部９と、尾筒３を備える。燃焼筒２の内側空間を燃焼ガス主流が流れる方向を主流方向と呼ぶ。燃料供給部９は、燃焼筒２の主流方向上流側に接続されている。尾筒３は、燃焼筒２の主流方向下流側に接続されている。燃焼筒２の外側面には、音響箱５、蒸気ジャケット６及び蒸気ジャケット７が設けられている。音響箱５、蒸気ジャケット６及び蒸気ジャケット７の各々は、燃焼筒２を周方向に全周取り巻く帯状の形状をしている。音響箱５、蒸気ジャケット６、及び蒸気ジャケット７の各々は、環状の内部空間を形成している。蒸気ジャケット６は音響箱５の主流方向下流側に配置され、蒸気ジャケット７は蒸気ジャケット６の主流方向下流側に配置される。

図２は、燃料供給部９及び燃焼筒２の縦断面図を示す。燃料供給部９及び燃焼筒２は、中心軸Ｓを軸とした略回転対称な形状をしている。燃料供給部９は、燃焼筒２の主流方向上流側の端部２ａに接合される。燃焼筒２の主流方向下流側の端部２ｂは、端部２ａの反対側に配置され、尾筒３に接合される。燃料供給部９は、中心軸Ｓ上に配置されたパイロットノズル１２と、パイロットノズル１２を取り巻くように配置された複数のメインノズル１４とを備える。複数のメインノズル１４は、中心軸Ｓを中心とする円周上に配置されている。パイロットノズル１２及び各メインノズル１４は、燃焼筒２の内側空間としての燃焼領域８に向かって燃料を噴出する。各メインノズル１４は、燃料と燃焼空気との予混合火炎を形成する。各メインノズル１４の主流方向下流側には、燃料と燃焼空気の流れを一旦絞るための延長管１５が設けられる。延長管１５は、燃料と燃焼空気の混合を促進する。

燃焼領域８において、燃料が燃焼して燃焼ガスが生成する。燃焼ガス主流は、中心軸Ｓに略平行に図２の左側から右側に向かって流れ、尾筒３を通ってタービンに流入する。燃焼ガスは、下流に行くほど燃焼反応が進行して温度が上昇する。したがって、燃焼筒２は、主流方向下流側ほど大きい熱負荷を受ける。

図３を参照して、燃焼筒２を冷却するための構造を説明する。

燃焼筒２の延長管１５の主流方向下流端に対応する位置には、外側リング１８が燃焼筒２の全内周にわたって連続して設けられている。外側リング１８は、中心軸Ｓを中心とした回転対称形をしている。中心軸ＳをＺ軸とする円柱座標系を考える。動径長さをＲ、偏角をθで表す。外側リング１８は、Ｚ座標において延長管１５の主流方向下流端と一致する。外側リング１８が延長管１５の主流方向下流端の外側に配置されるため、外側リング１８のＲ座標は延長管１５の主流方向下流端のＲ座標より大きい。外側リング１８の内側端が主流方向下流側に延びて環状のガイド２３を形成している。ガイド２３も燃焼筒２の全内周にわたって連続して設けられている。ガイド２３は、中心軸Ｓを中心とした回転対称形をしている。ガイド２３と燃焼筒２の内壁面に挟まれたガイドスペース２８は、中心軸Ｓを中心とする環状空間である。燃焼筒２には、圧縮機から供給された冷却空気をガイドスペース２８に導入するための吸気孔２７が設けられている。ガイドスペース２８に導入された冷却空気は、ガイドスペース２８の主流方向下流側部分としての噴出口２８ａから燃焼筒２の内周面に沿って主流方向下流側にフィルム状に噴出される。噴出口２８ａは、Ｚ座標において延長管１５の主流方向下流端と一致する。フィルム空気は、燃焼筒２の内周面近傍領域における予混合火炎の燃空比を低くすると共に、燃焼負荷率を低くして振動燃焼を抑制する。

燃焼筒２には、周方向に延びる周方向キャビティ３０が音響箱５よりも主流方向下流側に設けられている。周方向キャビティ３０から複数の空気通路３１と複数の空気通路３２とが主流方向上流側に向かって延びている。複数の空気通路３１は、燃焼筒２の周方向に沿って配置されている。複数の空気通路３２は、燃焼筒２の周方向に沿って配置されている。各空気通路３１の主流方向上流端は、音響箱５より主流方向下流側に位置する開口４１において燃焼筒２の外周面に開口している。各空気通路３２の主流方向上流端は、音響箱５より主流方向上流側且つ吸気孔２７より主流方向下流側に位置する開口４３において燃焼筒２の外周面に開口している。各空気通路３２の中間部分は、開口４２によって音響箱５の内部空間と連通している。空気通路３２の開口４２と周方向キャビティ３０の間の部分は、空気通路部分３２ａと呼ばれる。空気通路３２の開口４３と開口４２の間の部分は、空気通路部分３２ｂと呼ばれる。燃焼筒２には、音響箱５の内部空間と燃焼領域８とを連通する複数の吸音孔１６が設けられている。

燃焼筒２の周方向キャビティ３０より主流方向下流側の部分に、蒸気ジャケット６の内部空間と蒸気ジャケット７の内部空間とを接続する複数の蒸気通路５１が設けられている。各蒸気通路５１は、主流方向に沿って延びている。複数の蒸気通路５１は、燃焼筒２の周方向に沿って配置されている。

空気通路３１、空気通路３２、周方向キャビティ３０、音響箱５、吸音孔１６、外側リング１８及び吸気孔２７は、上流側領域２ｃに設けられている。蒸気通路５１は、上流側領域２ｃより主流方向下流側の下流側領域２ｄに設けられている。上流側領域２ｃには、蒸気通路は設けられていない。下流側領域２ｄには空気通路は設けられていない。

蒸気ジャケット７の内部空間に蒸気タービンシステムから蒸気が供給される。蒸気は、蒸気通路５１を主流方向上流側に向かって流れて蒸気ジャケット６の内部空間に流入する。蒸気は、蒸気ジャケット６の内部空間から蒸気タービンシステムに戻される。蒸気通路５１を流れる蒸気によって下流側領域２ｄが冷却される。

開口４３から空気通路部分３２ｂに流入する冷却空気は、空気通路部分３２ｂを主流方向下流側に向かって流れて開口４２を通って音響箱５の内部空間に流入する。開口４１から空気通路３１に流入する冷却空気は、空気通路３１を主流方向下流側に向かって流れて周方向キャビティ３０に流入する。冷却空気は、周方向キャビティ３０から空気通路部分３２ａを主流方向上流側に向かって流れて開口４２を通って音響箱５の内部空間に流入する。音響箱５の内部空間の冷却空気は、吸音孔１６を通って燃焼領域８に流入する。

本実施形態においては、熱負荷が大きい下流側領域２ｄが比熱の大きい蒸気により強力に冷却されるため、燃焼筒２の疲労強度が向上する。さらに、熱負荷が小さい上流側領域２ｃを空気により冷却するため、燃焼筒２の冷却に用いる蒸気の流量が少なくてすむ。冷却に用いる蒸気の流量が少なくてすむのでガスタービンコンバインドサイクルプラント全体の熱効率が向上する。

本実施形態においては、上流側領域２ｃを冷却した冷却空気が、音響箱５の内部空間のパージに用いられる。そのため、上流側領域２ｃの冷却とパージとを別々の加圧空気で行う場合に比べて、燃焼空気の流量を増やすことが可能である。その結果、燃焼振動が抑制され、排ガス中の窒素酸化物濃度が低下する。

本実施形態においては、空気通路３１から周方向キャビティ３０に流入した冷却空気が方向を変えて空気通路部分３２ａに流入するため、衝突効果により周方向キャビティ３０における熱伝達率が向上する。その結果、上流側領域２ｃと下流側領域２ｄの境界部分においても十分な冷却がなされる。周方向キャビティ３０と蒸気ジャケット６のＺ座標が一致している場合、境界部分において更に十分な冷却がなされる。

本実施形態においては、蒸気が蒸気通路５１を上流側領域２ｃに向かって流れるため、上流側領域２ｃと下流側領域２ｄの境界部分における温度ギャップが小さくなる。その結果、燃焼筒２の疲労強度が向上する。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る燃焼器１は、第１の実施形態に係る燃焼器１において上流側領域２ｃの構造が変更されたものである。

図４は、第２の実施形態における燃焼筒２を冷却するための構造を示す。本実施形態においては、吸気孔２７は設けられていない。各空気通路３２は、開口４３から開口４４まで主流方向上流側に延びる空気通路部分３２ｃを更に備える。開口４３から空気通路３２に流入する冷却空気の一部は、空気通路部分３２ｂを主流方向下流側に向かって流れて開口４２を通って音響箱５の内部空間に流入する。開口４３から空気通路３２に流入する冷却空気の他の一部は、空気通路部分３２ｃを主流方向上流側に向かって流れて開口４４からガイドスペース２８に流入し、フィルム空気を形成する。

本実施形態においては、上流側領域２ｃを冷却した冷却空気を用いてフィルム空気が形成される。そのため、上流側領域２ｃの冷却とフィルム空気の形成とを別々の加圧空気で行う場合に比べて、燃焼空気の流量を増やすことが可能である。その結果、燃焼振動が更に抑制され、排ガス中の窒素酸化物濃度が更に低下する。

図５は、第２の実施形態係る燃焼筒２の変形例を示す。本変形例においては、開口４３は設けられていない。開口４１から空気通路３１に流入する冷却空気は、空気通路３１を主流方向下流側に向かって流れて周方向キャビティ３０に流入する。冷却空気は、周方向キャビティ３０から空気通路部分３２ａを主流方向上流側に向かって流れる。空気通路部分３２ａを流れた冷却空気の一部は、開口４２を通って音響箱５の内部空間に流入し、吸音孔１６を通って燃焼領域８に流入する。冷却空気の他の一部は、空気通路部分３２ｂ及び空気通路部分３２ｃを主流方向上流側に向かって流れて開口４４からガイドスペース２８に流入し、フィルム空気を形成する。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る燃焼器１は、第１又は第２の実施形態に係る燃焼器１において上流側領域２ｃの構造が変更されたものである。

図６は、第３の実施形態における燃焼筒２を冷却するための構造を示す。本実施形態においては、複数の独立通路が燃焼筒２の周方向に沿って配置されている。周方向キャビティ３０が複数の隔壁３５によって複数のキャビティ３０ａに分離されている。複数のキャビティ３０ａは、燃焼筒２の周方向に沿って配置されている。各独立通路は、１つのキャビティ３０ａと、キャビティ３０ａから主流方向上流側に向かって延びる１つの空気通路３１と、キャビティ３０ａから主流方向上流側に向かって延びる１つの空気通路３２とを備える。一の独立通路は、他の独立通路と燃焼筒２内において連通しない。

周方向に連通している周方向キャビティ３０に複数の空気通路３１及び複数の空気通路３２が接続されている場合には、周方向キャビティ３０内部の圧力の周方向分布によって空気通路３１や空気通路３２を流れる冷却空気の流量に周方向分布が生じる場合がある。本実施形態においては、空気通路３１や空気通路３２を流れる冷却空気の流量に周方向分布が生じることが防がれる。

図７は、第３の実施形態に係る燃焼筒２の変形例を示す。本変形例においては、キャビティ３０ａがＵ字型の湾曲部３０ｂで置き換えられている。湾曲部３０ｂには、案内板が設けられることが好ましい。案内板は、冷却空気が湾曲部３０ｂを流れる際の流れの剥離を抑制して湾曲部３０ｂにおける圧力損失を低減する。その結果、少ない冷却空気の流量で所望の冷却効果を得ることができる。

案内板の形状は、三日月型が好ましい。三日月型の案内板は製作が容易であるから、燃焼筒２の製作時間が短縮され、コストが削減される。

図８Ａ乃至図８Ｃを参照して、三日月型の案内板が設けられた燃焼筒２の製造方法を説明する。

はじめに、上流側領域２ｃとなるべき第１領域と下流側領域２ｄとなるべき第２領域とを含む板材６１を準備する。第１領域に空気通路３１となるべき第１溝、空気通路３２となるべき第２溝及び湾曲部３０ｂとなるべき湾曲溝を形成する。第１溝は、湾曲溝の一の端部から第２領域から遠ざかる方向に延びる。第２溝は、湾曲溝の他の端部から第２領域から遠ざかる方向に延びる。第２領域に蒸気通路５１となるべき蒸気溝を形成する。

図８Ａは、湾曲溝が形成される板材６１の部分を示す。Ｕ字形状の軌跡３８に沿ってボールエンドミルのようなエンドミルを移動して板材６１にＵ字溝３６を形成し、Ｕ字形状の軌跡３９に沿ってエンドミルを移動して板材６１にＵ字溝３７を形成する。このとき、Ｕ字溝３６とＵ字溝３７の間に三日月型の案内板３０ｃが形成される。湾曲溝は、Ｕ字溝３６と、Ｕ字溝３７と、案内板３０ｃとを備える。Ｕ字溝３６を切削するエンドミルとＵ字溝３７を切削するエンドミルは、同一であっても異なってもよい。

図８Ｂに示すように、空気通路３１、空気通路３２、湾曲部３０ｂ及び蒸気通路５１が形成されるように、板材６１に板材６２を重ねて結合する。

図８Ｃに示すように、板材６１及び板材６２を曲げて燃焼筒２を形成する。

以下、周方向の熱負荷分布に対応して燃焼筒２を冷却するための技術を説明する。

図９を参照して、燃焼筒２は、メインノズル１４の主流方向下流側に配置されるメインノズル下流側領域２ｅと、隣り合う二つのメインノズル１４の間の主流方向下流側に配置されるメインノズル間下流側領域２ｆとを備える。メインノズル下流側領域２ｅとメインノズル間下流側領域２ｆとは、燃焼筒２の周方向に沿って交互に配置されている。中心軸ＳをＺ軸とする円柱座標系において、メインノズル１４とこれに対応するメインノズル下流側領域２ｅとは、座標θが一致する。隣り合う二つのメインノズル１４の間とこれに対応するメインノズル間下流側領域２ｆとは、座標θが一致する。

燃焼筒２においては、メインノズル下流側領域２ｅにおいて熱負荷が大きくメインノズル間下流側領域２ｆにおいて熱負荷が小さい周方向の熱負荷分布が存在する。燃焼領域８の主流方向上流側の領域においては、燃焼反応が進行中であり燃焼ガスの混合も不十分である。燃焼領域８の主流方向下流側の領域においては、燃焼反応がほぼ完了しており燃焼ガスが十分に混合されている。したがって、周方向の熱負荷分布は、上流側領域２ｃにおいて比較的に顕著であり、下流側領域２ｄにおいて比較的に顕著でない。

（第４の実施形態）
図９は、本発明の第４の実施形態に係る燃焼筒２の横断面図を示す。図９に示すように、メインノズル下流側領域２ｅに配置された空気通路３２としての空気通路３２１の等価直径は、メインノズル間下流側領域２ｆに配置された空気通路３２としての空気通路３２２の等価直径よりも大きい。したがって、空気通路３２１を流れる冷却空気の流量は空気通路３２２を流れる冷却空気の流量よりも多い。図９において空気通路３２の等価直径は２種類であるが、３種類以上でも良い。

本実施形態においては、熱負荷が大きいメインノズル下流側領域２ｅが強力に冷却され、熱負荷が小さいメインノズル間下流側領域２ｆを冷却するための冷却空気が削減される。

本実施形態においては、燃焼筒２に周方向の温度分布が発生することが防がる。その結果、周方向の温度分布が引き起こす熱応力が小さくなって燃焼筒２の疲労強度が向上する。

空気通路３２１の周方向ピッチＰ１を空気通路３２２の周方向ピッチＰ２よりも小さくすると、上述の効果が更に高まる。

上述した等価直径の周方向分布は、空気通路３１に適用しても良く、蒸気通路５１に適用してもよい。しかし、上述した等価直径の周方向分布を上流側領域２ｃに配置された空気通路３１及び空気通路３２のみに適用し、下流側領域２ｄに配置された蒸気通路５１に適用しないことは、費用対効果の点で優れている。

本実施形態に係る等価直径の周方向分布は、第１乃至第３の実施形態のいずれにも適用することができる。

（第５の実施形態）
図１０は、本発明の第５の実施形態に係る燃焼筒２において音響箱５の近傍を示す。メインノズル下流側領域２ｅに設けられた空気通路３２としての空気通路３２１は、空気通路部分３２ａとしての空気通路部分３２１ａと空気通路部分３２ｂとしての空気通路部分３２１ｂとを備える。各空気通路３２１には、空気通路３２１の長手方向（主流方向）に沿って複数の通路拡大部３２１ｗが設けられている。各空気通路３２１は、通路拡大部３２１ｗにおいて等価直径（通路の通路断面積）が局所的に拡大している。通路拡大部３２１ｗは、空気通路部分３２１ａと空気通路部分３２１ｂの両方に設けられている。メインノズル間下流側領域２ｆに設けられた空気通路３２としての空気通路３２２には、通路拡大部３２１ｗのような通路拡大部は設けられていない。

図１１Ａは、空気通路３２２における熱伝達率と流れ方向距離との関係を示すグラフである。空気通路３２２は、等価直径が流れ方向距離によらずに値ｄ１で一定である。空気通路３２２においては、熱伝達率が流れ方向距離によらずに値Ｘで一定である。

図１１Ｂは、空気通路３２１における熱伝達率と流れ方向距離との関係を示すグラフである。空気通路３２１の通路拡大部３２１ｗ以外の部分の等価直径は値ｄ２である。ここで、ｄ１はｄ２と等しい。通路拡大部３２１ｗにおいて空気通路３２１の壁面近傍を流れる冷却空気の流れが切断され、空気通路３２１を起点として境界層が発達し始める。そのため、空気通路３２１においては、熱伝達率が値Ｘより大きい範囲で流れ方向距離に沿って変動する。

通路拡大部３２１ｗの空気通路３２１の長手方向のピッチＰは、ｄ２の１０倍以下であることが好ましい。この場合、境界層が未発達のまま流れが切断されるため、熱伝達率を増加させる上で有利である。

通路拡大部３２１ｗの長手方向距離Ｌは、通路拡大部３２１ｗの拡大深さＨの５〜１０倍であることが好ましい。この場合、通路拡大部３２１ｗにおける冷却空気の流れの剥離及び再付着がより確実に得られるため、熱伝達率を増加させる上で有利である。拡大深さの方向は、空気通路３２１の長手方向に垂直である。空気通路３２１は、通路拡大部３２１ｗにおいて燃焼筒２の周方向及び半径方向のいずれか一方又は両方に拡大される場合がある。

値ｄ２を値ｄ１より大きくすることが好ましい。このとき、通路拡大部３２１ｗにおける等価直径及び空気通路３２１の通路拡大部３２１ｗ以外の部分の等価直径は、いずれも空気通路３２２の等価直径より大きい。

図１０を参照して、空気通路３２１の周方向ピッチＰ１を空気通路３２２の周方向ピッチＰ２より小さくすることが好ましい。この場合、メインノズル下流側領域２ｅにおける吸音孔１６の周方向ピッチＰ３もメインノズル間下流側領域２ｆにおける吸音孔１６の周方向ピッチＰ４より小さくなる。

本実施形態に係る空気通路３２及び吸音孔１６は、第１乃至第３の実施形態のいずれにも適用することができる。

（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態においては、メインノズル下流側領域２ｅに配置された空気通路部分３２ａとしての空気通路部分３２１ａの等価直径（通路断面積）が開口４２に近づくにしたがって単調減少する。

図１２Ａは、燃焼筒２の半径方向の通路幅が開口４２に近づくにしたがって段階的（不連続）に単調減少する空気通路３２１を示す。

図１２Ｂは、燃焼筒２の半径方向の通路幅が開口４２に近づくにしたがって連続的（滑らか）に単調減少する空気通路部分３２１ａを示す。

図１２Ｃは、燃焼筒２の周方向の通路幅が開口４２に近づくにしたがって段階的（不連続）に単調減少する空気通路部分３２１ａを示す。

空気通路部分３２１ａは、燃焼筒２の周方向の通路幅が開口４２に近づくにしたがって連続的（滑らか）に減少してもよい。

本実施形態においては、冷却空気の出口としての開口４２に近づくにしたがって空気通路部分３２１ａの等価直径が減少するため、出口としての開口４２に近づくにしたがって冷却空気の流速が高くなる。したがって、空気通路部分３２１ａにおける熱伝達率は、出口としての開口４２に近づくにしたがって増加する。一方、冷却空気の温度は出口としての開口４２に近づくにしたがって上昇する。空気通路部分３２１ａの開口４２から遠い部分においては、冷却空気と通路壁面との大きな温度差を利用して冷却が行われ、圧力損失が小さい。空気通路部分３２１ａの開口４２に近い部分においては、冷却空気と通路壁面との温度差が小さいが、熱伝達率が大きいために必要な熱交換が確保される。このように、燃焼筒２が効率的に冷却される。

冷却空気の出口としての開口４２に近づくにしたがって空気通路部分３２１ａの等価直径が段階的（不連続）に減少する場合、不連続部分において冷却空気の剥離及び再付着が生じる。このことは、熱伝達率の増加と圧力損失の増加とを引き起こす。一方、冷却空気の出口としての開口４２に近づくにしたがって空気通路部分３２１ａの等価直径が連続的に減少する場合、このような熱伝達率の増加及び圧力損失の増加はない。開口４２に近づくにしたがって空気通路部分３２１ａの等価直径を段階的（不連続）又は連続的に減少させるかは、設計条件に応じて選択可能である。

上述の通路形状は、メインノズル下流側領域２ｅに配置された空気通路部分３２ｂにも、メインノズル間下流側領域２ｆに配置された空気通路部分３２ａ及び空気通路部分３２ｂにも適用可能である。上述の通路形状は、メインノズル下流側領域２ｅの通路に適用する方がメインノズル間下流側領域２ｆの通路に適用するよりも効果的である。

本実施形態に係る通路形状は、第４及び第５の実施形態に適用可能である。

上記実施形態の組み合わせは、具体的に記載されていない組み合わせを含めて可能である。

図１は、ガスタービンの燃焼器を示す。 図２は、燃焼筒の縦断面図を示す。 図３は、燃焼筒に設けられた通路を示す。 図４は、燃焼筒に設けられた通路を示す。 図５は、燃焼筒に設けられた通路を示す。 図６は、燃焼筒に設けられた通路を示す。 図７は、燃焼筒に設けられた通路を示す。 図８Ａは、燃焼筒の通路となるべき溝が形成された板材を示す。 図８Ｂは、溝が形成された板材と他の板材とを重ねた状態を示す。 図８Ｃは、重ねられた板材を筒状に曲げた状態を示す。 図９は、燃焼筒の横断面図を示す。 図１０は、燃焼筒に設けられた通路を示す。 図１１Ａは、通路拡大部分がない通路における熱伝達率と冷却媒体の流れ方向距離との関係を示す。 図１１Ｂは、通路拡大部分を備えた通路における熱伝達率と冷却媒体の流れ方向距離との関係を示す。 図１２Ａは、燃焼筒に設けられた通路の形状を示す。 図１２Ｂは、燃焼筒に設けられた通路の形状を示す。 図１２Ｃは、燃焼筒に設けられた通路の形状を示す。

符号の説明

１…燃焼器
２…燃焼筒
２ａ、２ｂ…端部
２ｃ…上流側領域
２ｄ…下流側領域
３…尾筒
４…車室
５…音響箱
６、７…蒸気ジャケット
８…燃焼領域
９…燃料供給部
１２…パイロットノズル
１４…メインノズル
１５…延長管
１６…吸音孔
１８…外側リング
２３…ガイド
２７…吸気孔
２８…ガイドスペース
２８ａ…噴出口
３０…周方向キャビティ
３０ａ…キャビティ
３０ｂ…湾曲部
３０ｃ…案内板
３１、３２（３２１、３２２）…空気通路
３２ａ、３２ｂ（３２１ａ、３２１ｂ）、３２ｃ…空気通路部分
３２１ｗ…通路拡大部
３５…隔壁
３６、３７…Ｕ字溝
３８、３９…軌跡
４１〜４４…開口
５１…蒸気通路
６１、６２…板材
Ｓ…中心軸

Claims (13)

1. 燃料供給部と、
   燃焼筒と
   を具備し、
   前記燃料供給部は、燃料を前記燃焼筒の内側の燃焼領域に供給し、
   前記燃焼筒は、前記燃料が燃焼して生成される燃焼ガスをタービンに供給し、
   前記燃焼筒は、冷却空気が流れる空気通路が形成された第１領域と、冷却蒸気が流れる蒸気通路が形成された第２領域とを備え、
   前記第２領域は、前記第１領域よりも前記燃焼ガスの主流方向下流側に位置する
   ガスタービン燃焼器。
2. 前記空気通路は、空気通路第１部分と、前記空気通路第１部分から前記燃焼ガスの主流方向上流側に向かって延びる空気通路第２部分と、前記空気通路第１部分から前記主流方向上流側に向かって延びる空気通路第３部分とを含み、
   前記冷却空気は、前記空気通路第２部分、前記空気通路第１部分及び前記空気通路第３部分を順に通過して前記燃焼領域に流入する
   請求項１のガスタービン燃焼器
3. 前記空気通路第１部分は、案内板が設けられた湾曲部分を含む
   請求項２のガスタービン燃焼器。
4. 前記空気通路は、複数キャビティと、前記複数キャビティの各々から前記燃焼ガスの主流方向上流側に向かって延びる空気通路第１部分及び空気通路第２部分とを含み、
   前記冷却空気は、前記空気通路第１部分に供給され、前記空気通路第２部分を通過して前記燃焼領域に流入し、
   前記複数キャビティは、前記燃焼筒の周方向に沿って配置され、
   前記複数キャビティは互いに分離されている
   請求項１のガスタービン燃焼器。
5. 前記空気通路を通過した前記冷却空気を前記燃焼筒の内周面に沿ってフィルム状に噴出す噴出口が前記燃焼筒に設けられる
   請求項１乃至４のいずれかに記載のガスタービン燃焼器。
6. 前記蒸気通路は、前記燃焼ガスの主流方向に延び、
   前記冷却蒸気は、前記蒸気通路を前記第１領域に向かって流れる
   請求項１乃至５のいずれかに記載のガスタービン燃焼器。
7. 前記第１領域に設けられた音響箱を更に具備し、
   前記空気通路は、前記冷却空気を前記音響箱の内側の音響箱内空間に供給し、
   前記第１領域には、前記音響箱内空間と前記燃焼領域とを連通する吸音孔が設けられる
   請求項１乃至６のいずれかに記載のガスタービン燃焼器。
8. 前記燃料供給部は、前記燃焼筒の軸線を中心とする円に沿って配置された複数の燃料ノズルを含み、
   前記空気通路及び前記蒸気通路の少なくとも一方は、前記燃焼ガスの主流方向に延びる複数通路を含み、
   前記複数通路は、前記燃料ノズルの前記主流方向下流側に配置される燃料ノズル対応通路と、前記複数の燃料ノズルの隣り合う二つの間の前記主流方向下流側に配置される燃料ノズル間対応通路とを含み、
   前記燃料ノズル対応通路の等価直径は、前記燃料ノズル間対応通路の等価直径より大きい
   請求項１のガスタービン燃焼器。
9. 前記第１領域に設けられた音響箱を更に具備し、
   前記複数通路は、前記空気通路に含まれ、
   前記燃料ノズル対応通路及び前記燃料ノズル間対応通路の各々は、前記第１領域に設けられた開口から前記冷却空気を前記音響箱の内側の音響箱内空間に供給し、
   前記第１領域には、前記音響箱内空間と前記燃焼領域とを連通する吸音孔が設けられ、
   前記燃料ノズル対応通路は、等価直径が前記開口に近づくにつれて単調減少する等価直径単調減少部を含む
   請求項８のガスタービン燃焼器。
10. 前記燃料供給部は、前記燃焼筒の軸線を中心とする円に沿って配置された複数の燃料ノズルを含み、
    前記空気通路は、前記燃焼ガスの主流方向に延びる複数通路を含み、
    前記複数通路は、前記燃料ノズルの前記主流方向下流側に配置される燃料ノズル対応通路と、前記複数の燃料ノズルの隣り合う二つの間の前記主流方向下流側に配置される燃料ノズル間対応通路とを含み、
    前記燃料ノズル対応通路及び前記燃料ノズル間対応通路の各々は、前記第１領域に設けられた開口から前記冷却空気を前記音響箱内空間に供給し、
    前記燃料ノズル対応通路は、等価直径が局所的に大きい通路拡大部を含み
    前記燃料ノズル間対応通路は、等価直径が局所的に大きい通路拡大部を含まない
    請求項７のガスタービン燃焼器。
11. 前記燃料ノズル対応通路は、等価直径が前記開口に近づくにつれて単調減少する等価直径単調減少部を含む
    請求項１０のガスタービン燃焼器。
12. 燃焼筒の内側の燃焼空間に燃料を供給するステップと、
    前記燃料を燃焼して燃焼ガスを生成するステップと、
    前記燃焼ガスをタービンに供給するステップと、
    前記燃焼筒に設けられた空気通路に冷却空気を供給するステップと、
    前記タービンを通過した前記燃焼ガスを用いて蒸気を生成するステップと、
    前記燃焼筒に設けられた蒸気通路に前記蒸気を供給するステップと、
    前記蒸気通路を通過した前記蒸気を蒸気タービンに供給するステップと
    を具備し、
    前記燃焼筒は、前空気通路が形成された第１領域と、前記蒸気通路が形成された第２領域とを備え、
    前記第２領域は、前記第１領域よりも前記燃焼ガスの主流方向下流側に位置する
    ガスタービン燃焼器の冷却方法。
13. 第１領域と第２領域とを含む第１板材の前記第１領域に空気溝を形成するステップと、
    前記第２領域に蒸気溝を形成するステップと、
    前記第１板材に第２板材を重ねて結合して前記空気溝に対応する空気通路と前記蒸気溝に対応する蒸気通路とを形成するステップと、
    前記第１板材及び前記第２板材を曲げてガスタービン燃焼器の燃焼筒を形成するステップと
    を具備し、
    前記第１領域は、前記燃焼筒の内側の燃焼領域を流れる燃焼ガスの主流方向に関して前記第２領域よりも上流側に位置し、
    前記空気通路を冷却空気が流れ、
    前記蒸気通路を蒸気が流れ、
    前記空気溝を形成するステップは、
    案内板が設けられた湾曲溝を形成するステップと、
    前記湾曲溝の一の端部から前記第２領域から遠ざかる方向に延びる第１溝を形成するステップと、
    前記湾曲溝の他の端部から前記遠ざかる方向に延びる第２溝を形成するステップと
    を含み、
    前記湾曲溝を形成するステップは、
    略Ｕ字形状の第１軌跡に沿ってエンドミルを移動して前記第１板材に第１Ｕ字溝を形成するステップと、
    略Ｕ字形状の第２軌跡に沿ってエンドミルを移動して前記第１板材に第２Ｕ字溝を形成するステップと、
    を含み、
    前記案内板は、前記第１Ｕ字溝及び前記第２Ｕ字溝の間に形成される
    ガスタービン燃焼器の製造方法。

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