JP2011089435A

JP2011089435A - ガスタービン燃焼器

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Publication number: JP2011089435A
Application number: JP2009242081A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Kashiwabara; 宏行柏原; Yasushi Yoshino; 泰吉野
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-10-21
Filing date: 2009-10-21
Publication date: 2011-05-06
Anticipated expiration: 2029-10-21
Also published as: JP5537895B2

Abstract

【課題】二重壁構造の内壁の温度分布をなるべく均一に保って内壁の熱応力に伴う変形の発生を効果的に防止できる冷却構造を有するガスタービン燃焼器を提供する。
【解決手段】燃焼室(13)を形成する燃焼筒(12)の少なくとも一部分が外壁(20)と内壁(21)とからなる二重壁構造を有し、外壁(20)と内壁(21)との間に、これら両壁(20,21) の間隔を保持するスペーサ(51)が配置されて、両壁(20,21) の間に冷却空気(A1)の通路(35)が形成されている。スペーサ(51)は外壁(20)に固定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧縮機からの圧縮空気の一部で燃焼筒を冷却する冷却構造を改良したガスタービン燃焼器に関するものである。

ガスタービン燃焼器では、燃焼室を形成する燃焼筒が燃焼室内の燃焼ガスからの伝熱により高温となるので、圧縮機からの圧縮空気の一部を利用して燃焼筒を冷却する冷却構造が設けられている。この冷却構造として、燃焼筒の少なくとも一部を外壁と内壁とからなる二重壁構造とし、その外壁と内壁との間に形成された通路に導入した圧縮空気で燃焼筒を冷却したのち、この二重壁内の圧縮空気を、二重壁の下流端開口から排出して外壁の内面に沿って流動させることにより、外壁を冷却するようにしたものが知られている（特許文献１参照）。

特開２００５−１７１８９４号公報

特許文献１の冷却構造では、燃焼ガスから伝熱による内壁の熱膨張に対して外壁と内壁との間を所定間隔に保持するためのスペーサが、燃焼ガスの流動方向に沿った複数箇所に配置して内壁に溶接により固定されており、これら各スペーサのうちの燃焼ガスの流動方向における最も下流側のスペーサは、その下流端縁を二重壁の下流端開口に合致させた配置で設けられている。スペーサを内壁に固定しているのは、圧縮空気により冷却されるスペーサへの伝熱により内壁を効果的に冷却するためである。また、最も下流側のスペーサを二重壁の下流端開口部に配置しているのは、この部分が燃焼室内の高温の燃焼領域に最も近接していることから、この部分の内壁が高温になり易いからである。

しかしながら、前記ガスタービン燃焼器の冷却構造では、スペーサが二重壁内を通過する圧縮空気によって冷却されるので、内壁におけるスペーサの取付箇所が、スペーサへの伝熱によって他の箇所よりも強く冷却されるために、内壁の軸方向に沿った温度分布が不均一となる。また、内壁におけるスペーサの取付箇所は、スペーサの厚み分だけ他の箇所よりも実質的に壁厚が大きくなるから、強度構造物として作用するスペーサによって、熱膨張を抑制する拘束力を受ける。その結果、内壁には、スペーサ取付箇所とその他の箇所との間の温度差によって局所的に大きな熱応力が生じて、特に径方向に大きく変形する。これにより、二重壁内の圧縮空気の通路面積が局所的に狭くなって冷却効果が不均一になるとともに、内壁における径方向内側に膨出するように変形した部分に高温の燃焼ガスが衝突することで、内壁が局所的に高温になって酸化が進み易くなり、燃焼筒の所期の寿命を確保するのが難しくなる。

また、前記冷却構造では、最も下流側のスペーサがその下流端縁を二重壁の下流端開口に合致する配置で設けられているから、二重壁内の通路を流動してきた圧縮空気がスペーサにより乱流状態となったまま二重壁の下流端開口から燃焼室内に排出されるので、その圧縮空気の乱流に燃焼室内の燃焼ガスが巻き込まれて、燃焼ガスが外壁の内面に接触することにより、外壁を損傷させて、燃焼筒の寿命を短くする。

本発明は、二重壁構造の内壁の温度分布をなるべく均一に保つことにより、内壁の熱応力に伴う変形の発生を効果的に防止して、燃焼器の耐久性を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のガスタービン燃焼器は、燃焼室を形成する燃焼筒の少なくとも一部分が外壁と内壁とからなる二重壁構造を有し、前記外壁と内壁との間にこれら両壁の間隔を保持するスペーサが配置されて、両壁の間に冷却空気の通路が形成されており、前記スペーサは前記外壁に固定されている。

このガスタービン燃焼器によれば、スペーサが外壁に固定されているから、内壁は、スペーサによる拘束力を受けず、また、冷却空気で冷却されるスペーサへの伝熱による冷却が行われなくなるので、内壁の温度分布の不均一が生じにくい。その結果、内壁は、温度差に伴う局所的な熱膨張の差に起因する変形が抑制されて、局所的な熱応力の発生が抑えられるので、燃焼筒の耐久性が向上する。

本発明において、前記内壁は前記外壁における前記燃焼筒上流部分の内側に対向するように配置され、前記内壁の下流端部に最も近い部分に配置された前記スペーサは、その下流端縁が前記内壁の下流端部よりも上流側に所定距離だけ離れて配置されて、前記スペーサを通過した二重壁内の圧縮空気の乱れを前記所定距離の間で低減させることが好ましい。この構成によれば、二重壁内の通路を流れてきた圧縮空気は、内壁の下流端部に最も近い部分に配置されたスペーサにより流れに乱れが生じるが、この乱れが、圧縮空気がスペーサから二重壁における内壁の下流端部の開口へ流動するまでの所定距離の間に低減されて、二重壁の下流端部の排出口からは、乱れの少ない整流された圧縮空気が層状の流れとなって排出される。その結果、前記排出口から排出された圧縮空気の流れに燃焼室内の燃焼ガスが巻き込まれるのが抑制されるので、排出口から外壁の内面に沿って層状に流れる圧縮空気によって外壁が効果的にフィルム冷却される。

前記スペーサをその下流端縁が前記内壁の下流端部よりも上流側に所定距離だけ離れた配置とする場合、前記外壁と内壁間の隙間の大きさをｔとしたとき、前記所定距離を４〜１５ｔに設定することが好ましい。この構成によれば、所定距離が４ｔ以下の場合には、下流端部に最も近い部分に配置されたスペーサにより生じた圧縮空気の乱流が十分に整流されないまま燃焼室内に排出されてしまい、一方、所定距離が１５ｔ以上の場合には、スペーサにより外壁と内壁とを所定間隔に保持して内壁の変形を防止する効果が得られ難くなる。さらに好ましい所定距離は４〜１０ｔである。

本発明において、前記スペーサは、運転停止中は、前記内壁と非接触であり、運転中に前記内壁の外周面に線接触または点接触することが好ましい。この構成によれば、運転停止中において内壁にスペーサから無理な力が作用せず、一方、運転中は、燃焼ガスにより高温となって径方向外方へ熱膨張した内壁が、スペーサに線接触または点接触して外壁と内壁とを所定間隔に保持する。さらに、線接触または点接触するスペーサと内壁との接触面積が小さいことから、内壁からスペーサへの伝熱も僅かであり、内壁におけるスペーサの接触箇所が局部的に冷却されるのを抑制して内壁の温度分布をほぼ均一に保つことができ、内壁の熱応力による変形を防止することができる。

本発明において、前記二重壁構造の上流部にインピンジ冷却領域とその下流側の対流冷却領域とが設定され、前記インピンジ冷却領域と対流冷却領域のうちの少なくともインピンジ冷却領域の外壁に、圧縮機からの圧縮空気を前記内壁に向けて導入するインピンジ冷却孔が形成され、前記対流冷却領域の内壁の外周面に二重壁内の圧縮空気に乱れを与える乱流生成手段が設けられ、前記対流冷却領域の下流端に、前記二重壁内の空間を下流方向に開口させて、前記二重壁内の圧縮空気をフィルム冷却空気として排出する排出口が設けられていることが好ましい。ここで、「上流部」とは、燃焼筒内部の燃焼室内の燃焼ガスの流れ方向に沿った上流部をいう。

この構成によれば、インピンジ冷却孔から二重壁内に導入した圧縮空気が内壁に衝突して内壁をインピンジ冷却し、このインピンジ冷却後の圧縮空気が、インピンジ冷却領域の下流側の対流冷却領域を流動するときに、内壁に設けた乱流生成手段により圧縮空気に乱流が発生して、この乱流により内壁から圧縮空気への伝熱が促進されて、圧縮空気による対流冷却によって内壁を効果的に冷却する。さらに、二重壁内の圧縮空気が排出口からフィルム冷却空気として層状に排出されるので、外壁が効果的にフィルム冷却される。したがって、冷却用の圧縮空気を有効に利用して、燃焼筒を高い冷却効率で冷却することができる。

本発明のガスタービン燃焼器によれば、二重壁構造の外壁と内壁との間隔を保持するためのスペーサを外壁に固定したので、内壁がスペーサによる拘束力を受けず、また、冷却空気で冷却されるスペーサへの伝熱による冷却も行われなくなるので、内壁の温度分布の不均一が生じにくい。その結果、内壁は、温度差に伴う局所的な熱膨張の差に起因する変形が抑制されて、局所的な熱応力の発生が抑えられるので、燃焼筒の耐久性が向上し、所期の寿命を確保することができる。

本発明の第１実施形態に係るガスタービン燃焼器を示す縦断面図である。同上のガスタービン燃焼器における燃焼筒の要部を示す拡大縦断面図である。図２のIII-III 線拡大断面図である。（ａ），（ｂ）は図３のスペーサの展開平面図および正面図である。図２のV-V 線拡大断面図である。（ａ），（ｂ）は本発明の第２実施形態に係るガスタービン燃焼器のスペーサを示す展開平面図および取付状態を示す横断面図である。本発明の第３実施形態に係るガスタービン燃焼器の要部を示す横断面図である。（ａ），（ｂ）は図７のスペーサの展開平面図および正面図である。本発明の第４実施形態に係るガスタービン燃焼器の燃焼筒を示す縦断面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明のガスタービン燃焼器はガスタービンエンジンのようなガスタービン設備に使用されるものである。ガスタービン設備は、圧縮機、燃焼器およびタービンを主な構成要素として構成され、圧縮機から供給された圧縮空気と、燃料制御装置を介して燃料供給装置から供給される燃料とを燃焼器で燃焼させ、これにより発生する高温高圧の燃焼ガスをタービンに供給して、このタービンを駆動する。圧縮機は回転軸を介してタービンにより駆動され、このタービンはまた、減速機を介して発電機のような負荷を駆動する。

図１は本発明の第１実施形態に係るガスタービン燃焼器２の縦断面図を示し、この燃焼器２は、これに導入される圧縮空気Ａと燃焼ガスＧとが互いに燃焼器２内の逆方向に流れる逆流缶型であり、円筒状のハウジングＨ内に、ほぼ円筒状の燃焼筒１２が収納され、燃焼筒１２の内部に燃焼室１３が形成されている。この燃焼器２は、前述のガスタービン設備の軸心と同心状の円筒上に複数（例えば６つ）配置されている。ハウジングＨは、ハウジング本体Ｈ１の頭部にハウジングトップＨ２をボルト１４で連結したものであり、ハウジングトップＨ２の先端側となる頭部にはエンドカバー１８がボルト１９により固定されている。

燃焼筒１２は、外壁２０と内壁２１とにより、燃焼ガスＧの流れ方向に沿った上流部が二重壁構造になっている。すなわち、燃焼筒１２は、ノズルユニット（バーナユニット）２８が外側ダクト２８ａを介して取り付けられた頭部１２ａと、その下流側に連設された円筒部１２ｂとを有している。これに対応して、外壁２０は、外側頭部２０ａと外側円筒部２０ｂとを有し，外壁２０と同心状に配置された内壁２１は、内側頭部２１ａと、燃焼筒１２の上流部のみに位置する短い内側円筒部２１ｂとを有している。

外壁２０の外側円筒部２０ｂの上流部分には、径方向外方へ向け突出する環状の支持部材２５が設けられており、この支持部材２５の径方向外端部がハウジング本体Ｈ１の頭部にボルト２２により連結されている。これにより、燃焼筒１２の外壁２０が支持部材２５を介してハウジングＨに支持されている。支持部材２５には円周方向に並んだ複数の空気通過孔２５ａが設けられている。外壁２０は、上流側端部でノズルユニット２８の外側ダクト２８ａを支持し、この外側ダクト２８ａが内壁２１を支持している。燃焼筒１２の円筒部１２ｂとこれを覆うハウジング本体Ｈ１との間には、圧縮機１からの圧縮空気Ａを燃焼筒１２の頭部１２ａ、つまり、上流側へ導く環状の空気通路２３が形成されている。ハウジングＨにおけるエンドカバー１８の内側には空気導入室２４が形成されている。

燃焼筒１２の頭部１２ａに取り付けられたノズルユニット２８は、燃料Ｆを燃焼室１３内に直接噴出する部分予混合方式のパイロットノズル２９と、このパイロットノズル２９の外周を囲むようにして、燃料Ｆと圧縮空気Ａを混合して生成した予混合気Ｍを燃焼室１３内に噴出する予混合型のメインノズル３０とを備えている。

メインノズル３０の縦断面Ｌ字状の予混合通路３１の上流端は径方向外向きに開口しており、その開口した環状の空気取入口３１ａの径方向外側に複数のメイン燃料ノズル３２がメインノズル３０の周方向に等間隔で配置されている。メイン燃料ノズル３２における空気取入口３１ａに対向する部分に、複数のメイン燃料噴射孔３２ａが形成されている。メイン燃料ノズル３２の基端はエンドカバー１８に設けたメイン燃料導入口３３に接続されている。前記空気取入口３１ａには複数のスワーラ３４が、燃焼筒１２の軸心Ｃに沿った方向（軸心方向Ｐ）に並んで配置されている。メイン燃料噴射孔３２ａから供給された燃料Ｆは、空気通路２３から空気導入室２４内に導入された圧縮空気Ａの一部とともに、スワーラ３４によって旋回力が付与されながら予混合通路３１に導入され、予混合通路３１内で予混合されたのち、環状の予混合噴出口３８から予混合気Ｍとして燃焼室１３内に噴出される。

パイロットノズル２９に燃料Ｆを送給するパイロット燃料導入口３９およびメイン燃料導入口３３には、燃料供給装置（図示せず）から燃料Ｆが供給される。

外側円筒部２０ｂにおける内側円筒部２１ｂの下流端近傍には、１つまたは複数の点火プラグ４０が、その先端を燃焼室１３内に臨ませて配置されている。点火プラグ４０は、ハウジングＨを貫通してハウジングＨに固定されており、起動時には、パイロットノズル２９から燃焼室１３内に燃料Ｆを噴射して点火プラグ４０による点火により拡散燃焼が行われる。続いて、通常運転時には、メインノズル３０から燃焼室１３内に噴射された予混合気Ｍを燃焼させて、燃焼筒１２の上流部において、第１の燃焼領域Ｓ１を形成させる。また、燃焼筒１２における第１の燃焼領域Ｓ１よりも下流側には、燃焼筒１２の外壁２０の外側円筒部２０ｂを貫通した複数（例えば４つ）の貫通孔４１が周方向に等間隔に設けられている。ハウジングＨにおける各貫通孔４１に対向する部分には、追焚きバーナ４２が取り付けられて、その先端部を、貫通孔４１を通して燃焼室１３内に臨ませている。こうして、追焚きバーナ４２から噴射される燃料Ｆにより、第１の燃焼領域Ｓ１の下流側に第２の燃焼領域Ｓ２が形成される。

図２に示すように、燃焼筒１２の頭部１２ａを含む上流部は、外壁２０と内壁２１とが所定の間隙を存し相対向して配置された二重壁構造になっており、外壁２０と内壁２１との間に空気通路３５が形成されている。この二重壁構造において、外壁２０の頭部１２ａと円筒部１２ｂの上流端部分とにインピンジ冷却領域４３が設定され、このインピンジ冷却領域４３の下流側に対流冷却領域４４が設定されている。つまり、燃焼筒１２の前記上流部は、インピンジ冷却領域４３と対流冷却領域４４とからなる。対流冷却領域４４の下流側の外壁２０にフィルム冷却領域４８が設定されている。インピンジ冷却領域４３における外壁２０には、圧縮空気Ａを冷却空気Ａ１として内壁２１に向けて二重壁内の空気通路３５に導入する複数のインピンジ冷却孔４９が等間隔で形成されている。

対流冷却領域４４では、内壁２１におけるインピンジ冷却領域４３の下流側の外周面に、二重壁内の空気通路３５を流れる冷却空気Ａ１に乱れを与える乱流生成手段５０が設けられている。乱流生成手段５０は、内壁２１の周方向に延びる環状リブを等間隔に、かつ互いに平行に複数形成した構成としている。なお、この実施形態では、対流冷却領域４４におけるインピンジ冷却を効果的に得られる上流部のみにインピンジ冷却孔４９を設けている。

フィルム冷却領域４８は、内壁２１の下流端に合致する対流冷却領域４４の下流端に、二重壁内の空間を下流方向に開口させる排出口５１を設けることで設定されている。排出口５１からは、内壁２１が無孔であることから、二重壁内の空間を下流側に向け流れてきた冷却空気Ａ１の全てが、フィルム冷却空気Ａ２として燃焼室１３内の外壁２０の内周面に沿った方向に排出される。なお、図１では図示を省略したが、図２の外壁２０の円筒部１２ｂにおける対流冷却領域４４よりも下流側の外周面の全体に、小さな多数の乱れ発生用リブ２０ｅが一体形成されている。この乱れ発生用リブ２０ｅは、空気通路２３を通る圧縮空気Ａによる外壁２０の対流冷却を促進する効果もある。

二重壁内の空間における外壁２０の頭部１２ａ、円筒部１２ｂの上流端近傍および内壁２１の下流端部近傍にそれぞれ対応する３箇所に、スペーサー５２，５３，５４が配設されている。内壁２１の下流端部に最も近い部分に配置されたスペーサ５４は、その下流端縁が内壁２１の下流端部よりも上流側に所定距離Ｌだけ離れた箇所に設けられている。この所定距離Ｌは、内壁２１の下流端縁とスペーサ５４の下流端縁との距離である。これにより、最下流のスペーサ５４を通過するときに生じた冷却空気Ａ１の乱れが所定距離Ｌの間に低減され、排出口５１からは乱れの少ない整流された圧縮空気がフィルム冷却空気Ａ２として排出される。

具体的には、外壁２０と内壁２１との隙間の大きさをｔとしたとき、上記所定距離Ｌは、４〜１５ｔに設定されており、好ましくは４〜１０ｔに設定される。また、いずれのスペーサー５２，５３，５４も、従来の固定箇所である内壁２１に代えて、外壁２０に溶接により固定されている。これらスペーサー５２，５３，５４は、燃焼ガスＧによる内壁２１の熱膨張に抗して、外壁２０と内壁２１間を所定間隔に保持するものである。

図２のIII-III 線拡大横断面図である図３に示すように、内壁２１の下流端部に最も近いスペーサ５４は、横断面円弧状の複数の取付部５４ａ，５４ａの間に、ほぼＶ字形状の先端部が丸みを帯びた横断面形状を有する突部５４ｂを周方向Ｑに沿って等間隔に形成したものである。このスペーサ５４は、隣接する各二つの突部５４ｂの間の箇所が外壁２０にそれぞれ溶接されて、外壁２０に固定されている。各突部５４ｂは、これの先端と内壁２１の外面との間に運転停止中において所定の間隙Ｃが生じる高さに設定されており、この間隙Ｃは、運転中に外壁２０よりも高温となる内壁２１が径方向外方へ熱膨張する際の熱膨張量に相当するように設定されている。

したがって、運転中は、各突部５４ｂの先端部が、図３に示す横断面において内壁２１の内面に点接触し、かつ図２に示す縦断面において内壁２１の内面に線接触する。つまり、突部５４ｂは全体として内壁２１に線接触する。このスペーサ５４は、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、細長い板材に折り曲げ加工を施すことにより、取付部５４ａに、周方向に並ぶ多数の突部５４ｂを形成して製作され、全体を外壁２０の内周面に対応する環状形状に湾曲して、取付部５４ａの外周面を外壁２０の内周面に接触させ、外壁２０に、例えば溶接により固定される。なお、外壁２０の円筒部１２ａの上流端近傍に設けられるスペーサ５３も前記スペーサ５４と同じ構造である。

一方、外壁２０の頭部１２ａに設けられるスペーサー５２は、図２のＶ−Ｖ線断面図である図５に示すように、その周方向の２つの取付部５４ａの間に１つの突部５２ａｂが形成された短い部材である。このスペーサー５２は、複数個（例えば６個）が周方向Ｑに等間隔に並べて各取付部５２ａを外壁２０の内周面に線接触させ、例えば溶接によって外壁２０に固定されている。なお、前述のスペーサ５３，５４も、このスペーサー５２と同じ構造とすることができる。

この第１実施形態のガスタービン燃焼器２は、図２に示す燃焼筒１２の上流部に設けたインピンジ冷却領域４３の外壁２０に形成されたインピンジ冷却孔４９から二重壁内に導入された冷却空気Ａ１が内壁２１に衝突して、内壁２１をインピンジ冷却する。また、このインピンジ冷却領域４３では、インピンジ冷却だけでなく、二重壁内に導入された冷却空気Ａ１により、対流冷却もなされる。このインピンジ冷却後の冷却空気Ａ１が下流側の対流冷却領域４４の二重壁内を流動するときに、内壁２１の外周面に設けた乱流生成手段５０により冷却空気Ａ１に乱流が生じ、この冷却空気Ａ１の乱流によって内壁２１から冷却空気Ａ１への伝熱が促進されて、冷却空気Ａ１による対流冷却効果が向上する。

対流冷却領域４４では、外壁２０に設けたインピンジ冷却孔４９から導入される冷却空気Ａ１が内壁２１に衝突することで、対流冷却に加えてインピンジ冷却も行われるので、冷却効果がさらに向上する。特に、対流冷却領域４４の上流部では、インピンジ冷却領域４３から流動してきた冷却空気Ａ１の流量がさほど多くないのに伴って流速も比較的遅いので、対流冷却領域４４における外壁２０の上流部のインピンジ冷却孔４９から二重壁内に導入される圧縮空気Ａは、二重壁内の空間を流れる冷却空気Ａ１によるクロスフローの干渉をさほど受けることなく、内壁２１に衝突する。したがって、対流冷却領域４４の上流部では、インピンジ冷却が効果的になされる。また、対流冷却領域４４の全体、特に下流部では、外壁２０のインピンジ冷却孔４９から二重壁内に導入される圧縮空気Ａが、乱流生成手段５０Ａによって乱流が発生した冷却空気Ａ１を攪拌するので、対流冷却による冷却効果が一層向上する。

したがって、この第１実施形態のガスタービン燃焼器２では、図１の燃焼室１３における特に高温の第１燃焼領域Ｓ１が形成される上流部に対応する内壁２１を、冷却効果の優れたインピンジ冷却に加えて、対流冷却によっても効果的、かつ効率的に冷却することができる。さらに、二重壁内の冷却空気Ａ１は、図２のインピンジ冷却領域４３から対流冷却領域４４に向け流動して、二重壁内の空気通路３５を下流方向に開口させる排出口５１から、燃焼室１３内にフィルム冷却空気Ａ２として排出される。内壁２１は無孔であるから、外壁２０のインピンジ冷却孔４９から空気通路３５内に導入された冷却空気Ａ１のすべてが、フィルム冷却空気Ａ２として有効に利用される。

上記構成の燃焼器２において、図２の各スペーサ５２，５３，５４が外壁２０に固定されており、特に、内壁２１の下流端部に最も近い部分、つまり燃焼領域Ｓ１，Ｓ２に近接して高温となる部分に配置されたスペーサ５４が外壁２０に固定されていることにより、内壁２１におけるスペーサ５４に対向する部分が、スペーサ５４への伝熱による冷却効果が抑制されるとともに、スペーサ５４による、熱膨張を阻止する拘束力も受けない。その結果、内壁２１の温度分布が全体にわたり均一となるため、内壁２１は、温度差に伴う熱応力が小さくなり、局所的な熱膨張の差に起因する変形も抑制される。

二重壁内の空気通路３５を流れる冷却空気Ａ１は、スペーサ５２，５３，５４に衝突することで、乱れが生じる。そのうち、内壁２１の下流端部に最も近い部分に配置されたスペーサ５４により生じた乱れは、冷却空気Ａ１がスペーサ５４から二重壁の排出口５１までの所定距離Ｌにわたって流動する間に低減される。その結果、二重壁の排出口５１から排出される、乱れの少ない整流されたフィルム冷却空気Ａ２が、速い流速で外壁２０の内面に沿って層状に流れるので、このフィルム冷却空気Ａ２の流れに図１の第１および第２の燃焼領域Ｓ１，Ｓ２の高温の燃焼ガスＧが巻き込まれて外壁２１の内面に接触するのを防止しながら、外壁２０を効果的にフィルム冷却することができる。

前記スペーサ５４は、外壁２０と内壁２１の隙間の大きさをｔとしたときに、自身の下流端縁が内壁２１の下流端部よりも上流側に４〜１５ｔに設定された所定距離Ｌだけ離れた箇所に配置されている。所定距離Ｌが４ｔ以下の場合には、スペーサ５４により生じた冷却空気Ａ１の乱流が十分に整流されずに排出口５１から排出されてしまい、一方、所定距離Ｌが１５ｔ以上の場合には、スペーサ５４が外壁２０と内壁２１とを所定間隔に保持して内壁２１の変形を防止する効果が得られ難くなる。

また、図３および図５に示すように、スペーサ５２，５４は、運転停止中において内壁２１に非接触であるから、内壁２１に無理な力が作用せず、一方、運転中は、熱膨張した内壁２１がスペーサ５４の先端に線接触して外壁２０と内壁２１との間を所定間隔に保持する。スペーサ５４と内壁２１との接触面積は、線接触であるから小さいので、内壁２１からスペーサ５４への伝熱も僅かになる。したがって、内壁２１がスペーサ５４への伝熱により局所的に冷却されるのを抑制して、内壁２１の温度分布を均一化でき、内壁２１の局所的な熱膨張の差に起因する変形の発生を抑制することができる。

図６（ａ），（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係るガスタービン燃焼器に用いられるスペーサ５８の展開平面図および取付状態の横断面図を示す。このスペーサ５８は、リング状の帯部５８ａにプレス加工により円錐状の突部５８ｂを周方向Ｑに沿って等間隔に形成したものである。帯部５８ａが外壁２０の内周面に、例えば溶接により固定される。このスペーサ５８を用いる場合にも、第１実施形態で説明したと同様の効果を得ることができるのに加えて、運転中に各突部５８ｂの先端が内壁２１に対して点接触するので、突部５８ｂと内壁２１との接触面積がさらに小さくなり、内壁２１からスペーサ５８への伝熱による内壁２１の局所的な冷却をさらに少なくすることができ、内壁２１の温度分布を一層均一化することができる。

図７は本発明の第３実施形態に係るスペーサ５９の取付部分の横断面図を示す。この実施形態で用いるスペーサ５９は、周方向Ｑに共にほぼ同じ長さの取付部５９ａと突部５９ｂとが交互に形成されている。取付部５９ａが外壁２０の内周面に、例えば溶接により固定されている。このスペーサ５９は、図８（ａ）および（ｂ）に示すように、細長い板材の曲げ加工により長手方向に沿って取付部５９ａと突部５９ｂとが等間隔に形成される。このスペーサ５９は、運転中において突部５９ｂが内壁２１の外周面に対し面接触するので、スペーサ５９によって外壁２０と内壁２１とを所定間隔に安定に保持できる利点がある。

図９は本発明の第４実施形態に係るガスタービン燃焼器の燃焼筒６０を示す。この燃焼筒６０は、複数、例えば７つの筒片２６Ａ〜２６Ｇが海老の殻のように部分的に重合して、燃焼ガスＧの流れ方向のほぼ全体にわたり二重壁構造が形成されている。二重壁構造の下流端部には、フィルム冷却空気Ａ２を燃焼室６１内へ向け排出する６つの排出口５１Ａ〜５１Ｆが設けられている。

すなわち、上流側から１段目の筒片２６Ａが頂壁２７の内側に隙間を存して配置され、この筒片２６Ａの円筒部分の外側に被さるように２段目の筒片２６Ｂが配置され、筒片２６Ｂの外側に被さり、かつ筒片２６Ｂよりも下流側に延出する３段目の筒片２６Ｃが配置され、この筒片２６Ｃの下流側の外側に被さるように４段目の筒片２６Ｄが配置され、以下同様に、５段目から７段目の筒片２６Ｅ〜２６Ｇが配置されている。３段目ないし６段目の筒片２６Ｃ〜２６Ｆは、その下流側の半分が径方向内側へ縮径しており、この縮径した部分の径方向外側に、後続する段の筒片の上流側の半分が重なっている。

頂壁２７と１段目の筒片２６Ａとの間、および各筒片２６Ａ〜２６Ｇの互いに重合した領域において、一方が外壁、他方が内壁となって二重壁構造を形成し、両壁の間に冷却空気Ａ１の空気通路３５が形成されている。空気通路３５には、各筒片２６Ａ〜２６Ｇに設けたインピンジ冷却孔６３から、空気通路２３内の圧縮空気Ａが導入される。各二重壁構造における内壁の下流端部よりも所定距離Ｌだけ上流側に離れた位置に、スペーサ６２が配置されている。この所定距離Ｌは、各二重壁内の径方向隙間をｔとしたとき、４〜１５ｔに設定されている。各スペーサ６２は、二重壁の外壁に、例えば溶接により固定されている。

この燃焼筒６０を用いた燃焼器においても、第１実施形態と同様に、スペーサ６２が各二重壁構造の外壁に固定されていることにより、内壁におけるスペーサ６２に対向する部分は、スペーサ６２への伝熱による冷却効果が抑制されるとともに、スペーサ６２による拘束力も受けないので、内壁は、温度分布が全体にわたり均一化されて、温度差に伴う熱応力が抑制される。また、スペーサ６２により二重壁内を流れてきた冷却空気に乱れが生じても、この乱れは冷却空気Ａ１がスペーサ６２から各二重壁の排出口５１Ａ〜５１Ｆへ流動するまでの間に低減するから、各二重壁の排出口５１Ａ〜５１Ｆからは、フィルム冷却空気Ａ２が外壁の内面に沿って層状に流れるので、このフィルム冷却空気Ａ２の流れに高温の燃焼ガスＧが巻き込まれて外壁に接触するのを防止しながら、外壁を効果的にフィルム冷却する。

なお、前記実施形態では、缶型の燃焼筒を用いる場合を例示して説明しているが、本発明はアニュラー型の燃焼筒にも適用可能である。さらに、本発明は、以上の各実施形態で示した内容に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能であり、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１２，６０燃焼筒
１３，６１燃焼室
２０外壁
２１内壁
２６Ａ〜２６Ｇ筒片（外壁，内壁）
２７頂壁（外壁）
３５空気通路
４３インピンジ冷却領域
４４対流冷却領域４８フィルム冷却領域
４９，６３インピンジ冷却孔
５０乱流生成手段
５１，５１Ａ〜５１Ｆ排出口
５２，５３，５４，５８，５９，６２スペーサ
Ａ圧縮空気
Ａ１冷却空気
Ａ２フィルム冷却空気
Ｌ所定距離

Claims

燃焼室を形成する燃焼筒の少なくとも一部分が外壁と内壁とからなる二重壁構造を有し、
前記外壁と内壁との間にこれら両壁の間隔を保持するスペーサが配置されて、両壁の間に冷却空気の通路が形成されており、
前記スペーサは前記外壁に固定されているガスタービン燃焼器。
請求項１において、前記内壁は前記外壁における前記燃焼筒上流部分の内側に対向するように配置され、前記内壁の下流端部に最も近い部分に配置された前記スペーサは、その下流端縁が前記内壁の下流端部よりも上流側に所定距離だけ離れて配置されて、前記スペーサを通過した二重壁内の圧縮空気の乱れを前記所定距離の間で低減させるガスタービン燃焼器。
請求項２において、前記外壁と内壁間の隙間の大きさをｔとしたとき、前記所定距離が４〜１５ｔであるガスタービン燃焼器。
請求項１から３のいずれか一項において、前記スペーサは、運転停止中は、前記内壁と非接触であり、運転中に前記内壁の外周面に線接触または点接触するガスタービン燃焼器。
請求項１から４のいずれか一項において、前記二重壁構造の上流部にインピンジ冷却領域とその下流側の対流冷却領域とが設定され、
前記インピンジ冷却領域と対流冷却領域のうちの少なくともインピンジ冷却領域の外壁に、圧縮機からの圧縮空気を前記内壁に向けて導入するインピンジ冷却孔が形成され、
前記対流冷却領域の内壁の外周面に二重壁内の圧縮空気に乱れを与える乱流生成手段が設けられ、
前記対流冷却領域の下流端に、前記二重壁内の空間を下流方向に開口させて、前記二重壁内の圧縮空気をフィルム冷却空気として排出する排出口が設けられているガスタービン燃焼器。