JP2012017666A - 二重壁冷却構造および燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却効率の低下を抑制できる二重壁冷却構造及び燃焼器の提供。
【解決手段】複数のインピンジ冷却孔２１が形成された外壁部２０と、外壁部２０と間隙Ｓをあけて配置される内壁部３０とを有する二重壁冷却構造であって、間隙Ｓにおいて、内壁部３０からインピンジ冷却孔２１と対向する位置以外の位置に、上記外壁部２０に向かって突出する凸部３２を有し、凸部３２は、内壁部３０と一体で形成されており、凸部３２は、内壁部３０に、並列で互いに間隔をあけて直線状に複数形成されているという構成を採用する。
【選択図】図３

Description

本発明は、二重壁冷却構造および燃焼器に関するものである。

従来から、高温に曝される部材（例えば、ガスタービンの燃焼器のライナ、タービン翼等）を冷却する手段として、インピンジメント冷却（impingement cooling）方式を用いた二重壁冷却構造が知られている。この二重壁冷却構造は、複数のインピンジ冷却孔が形成された第１の壁部と、該第１の壁部と間隙をあけて配置される第２の壁部とを有し、インピンジ冷却孔から冷却用流体を第２の壁部に向けて噴射・衝突させることで、高温に曝される側に配置される第２の壁部を冷却する構成となっている。

下記特許文献１には、複数のフィルム冷却孔を有する第２の壁部をさらに備えて、薄膜冷却（film cooling）方式と上記インピンジメント冷却方式とを併せ持った二重壁冷却構造が開示されている。また、この二重壁冷却構造においては、第１の壁部と第２の壁部との間を複数のピンで接続することで、壁部の間隙において熱を放出する熱放出面積を増加させると共に、高温に曝される第２の壁部の熱を第１の壁部に伝熱させることで、冷却効率を大幅に向上させる構成となっている。

特開平１１−６２５０４号公報

ところで、上記二重壁冷却構造は、冷却効率のさらなる向上を目的として微細化されつつある。しかしながら、当該微細化によって、第１の壁部、第２の壁部及びピンの三つの部材の位置合せ精度が厳しくなるため、逆に冷却効率が低下する虞がある。例えば、部材の組合せ時に、ピンが位置ずれして第１の壁部のインピンジ冷却孔に被ると、当該インピンジ冷却孔からの冷却用流体の流入を阻害し、冷却の局所的なムラを招く。また、例えば、部材の組合せ時に、フィルム冷却孔が位置ずれして、第１の壁部のインピンジ冷却孔に被ると、ピンの熱放出効果を生かせず、冷却の局所的なムラを招く。さらに、実使用時においても、低温側の第１の壁部と高温側の第２の壁部とで熱伸び量が異なるため、部材の位置ずれを招き易く、当初予定していた冷却性能を発揮できない場合がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、冷却効率の低下を抑制できる二重壁冷却構造及び燃焼器の提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、複数のインピンジ冷却孔が形成された第１の壁部と、上記第１の壁部と間隙をあけて配置される第２の壁部とを有する二重壁冷却構造であって、上記間隙において、上記第２の壁部から上記インピンジ冷却孔と対向する位置以外の位置に、上記第１の壁部に向かって突出する凸部を有し、上記凸部は、上記第２の壁部と一体で形成されており、上記凸部は、上記第２の壁部に、並列で互いに間隔をあけて直線状に複数形成されているという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、インピンジ冷却孔を避けて第１の壁部に向かって突出する凸部を第２の壁部と一体で形成する。そうすると、凸部と第２の壁部との位置関係が常に一定となるため、組合せ時の位置合せ精度を従来よりも容易に確保することができ、また、実使用時の熱伸びによる位置ずれも低減される。
なお、ここでいう一体とは、同一材からなることを意味し、削り出しによる機械加工や鋳造により形成されるものを意味する。
また、本発明では、第２の壁部に直線状の溝（凹）を間隔あけて並列に複数形成することで、その複数の溝のそれぞれの間に直線状の凸部を形成することができる。従来のピン形状のように凸部を形成しようとすると、少なくとも第２の壁部に沿う一次方向及びそれと直交する二次方向の加工が必要となるが、本発明の凸部は、第２の壁部に沿う一次方向の加工のみによって形成できるので、従来のようなピン形状とする凸部と比べて、加工精度に起因する凸部の位置ずれを抑制することができる。さらに、当該直線状の凸部が、第２の壁部を補強するリブとして機能し、強度が上昇する。

また、本発明においては、上記直線状の凸部の頂部から、上記第２の壁部の上記第１の壁部と対向する側と逆側の面に貫通して形成されたエフュージョン冷却孔を有するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、第２の壁部の厚みが厚くなる部位、すなわち凸部が形成されている部位に貫通孔を形成することで、第２の壁部をエフュージョン冷却（effusion cooling）する冷却用流体の流通経路を長くし、第２の壁部での吸熱量を上げることで、冷却効率を向上させることができる。

また、本発明においては、上記エフュージョン冷却孔は、上記凸部が上記直線状に延在する方向に沿って斜めに形成されているという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、凸部が直線状に形成されているので、その延在方向に沿ってエフュージョン冷却孔を斜めに形成できる。そうすると、第２の壁部をエフュージョン冷却する冷却用流体の流通経路をさらに長くすることができ、冷却効率をさらに向上させることができる。

また、本発明においては、上記直線状の凸部の頂部の少なくとも一部から突出して上記第１の壁部と接続される第２の凸部を有し、上記第２の凸部は、上記凸部と一体で形成されているという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、第１の壁部と接続される第２の凸部を、凸部と一体、すなわち第２の壁部と一体で形成することで、別途スペーサ部材を設けることなく、第１の壁部と第２の壁部との間隔が規定され、位置ずれも低減される。加えて、第２の壁部の熱を第１の壁部に伝熱させることができ、冷却効率を大幅に向上させることができる。

また、本発明においては、先に記載の二重壁冷却構造を有し、上記第２の壁部は、燃料が燃焼するための燃焼領域を形成し、上記第１の壁部は、上記第２の壁部を挟んで上記燃焼領域と逆側に配置されているという構成を採用する。
また、本発明においては、上記直線状の凸部は、その延在する方向が上記燃焼による燃焼ガスの流動方向に沿う方向となるように配置されているという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、燃焼器のライナ（壁部）がある曲率を有して設けられる場合、直線状の凸部が燃焼ガスの流動方向に沿って配置されるのでその曲率に応じた曲げ加工が容易となる。また、直線状の凸部が燃焼ガスの流動方向に沿って配置されるので、冷却用流体が、直線状の凸部に対しその延在方向に沿って斜めに形成されたエフュージョン冷却孔を通って燃焼領域側に流通し易くなる。さらに、エフュージョン冷却孔を通って燃焼領域側に流出した冷却用流体は、燃焼ガスの流動により第２の壁部に沿って流れるので、エフュージョン冷却と共に薄膜冷却が達成される。

本発明によれば、複数のインピンジ冷却孔が形成された第１の壁部と、上記第１の壁部と間隙をあけて配置される第２の壁部とを有する二重壁冷却構造であって、上記間隙において、上記第２の壁部から上記インピンジ冷却孔と対向する位置以外の位置に、上記第１の壁部に向かって突出する凸部を有し、上記凸部は、上記第２の壁部と一体で形成されており、上記凸部は、上記第２の壁部に、並列で互いに間隔をあけて直線状に複数形成されているという構成を採用することによって、凸部と第２の壁部との位置関係が常に一定となるため、組合せ時の位置合せ精度を従来よりも容易に確保することができ、また、実使用時の熱伸びによる位置ずれも低減される。また、凸部を直線状に複数形成することで、従来のようなピン形状とする凸部と比べて、加工精度に起因する凸部の位置ずれを抑制することができる。
したがって、本発明では、冷却効率の低下を抑制できる。

本発明の第１実施形態におけるガスタービンの構成図である。 本発明の第１実施形態における燃焼器の構成図である。 図２における矢視Ａ−Ａ断面図である。 図３における矢視Ｂ−Ｂ断面図である。 本発明の第１実施形態におけるライナの二重壁冷却構造の構成を示す分解斜視図である。 本発明の第２実施形態におけるライナの二重壁冷却構造の構成を示す断面図である。 図６における矢視Ｃ−Ｃ断面図である。 本発明の第２実施形態におけるライナの二重壁冷却構造の構成を示す分解斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態におけるガスタービン１の構成図である。
図１に示すように、ガスタービン１は、圧縮機２と、燃焼器３と、タービン４とを有する。圧縮機２は、吸気口５から吸気した外気を、タービン軸６に固定され回転自在な圧縮機動翼７とハウジング８に固定された圧縮機静翼９との間で圧縮して昇圧させて、燃焼器３が配置された圧縮空気室１０に供給する構成となっている。燃焼器３は、燃料供給ノズル１１を介して供給される燃料と圧縮機２から供給された圧縮空気との混合気体を、ライナ１２によって形成される燃焼領域１３内において燃焼させ、その燃焼ガスをタービン４に供給する構成となっている。タービン４は、タービン軸６に固定され回転自在なタービン動翼１４と、ハウジング８に固定されたタービン静翼１５とで燃焼器３から供給される燃焼ガスから回転運動エネルギーを得て、各タービン翼を通過した燃焼ガスを、排気口１６を介して外部に排気する構成となっている。

続いて、図２〜図５を参照して、本発明の燃焼器３の構成について説明する。
図２は、本発明の第１実施形態における燃焼器３の構成図である。図３は、図２における矢視Ａ−Ａ断面図である。図４は、図３における矢視Ｂ−Ｂ断面図である。図５は、本発明の第１実施形態におけるライナ１２の二重壁冷却構造の構成を示す分解斜視図である。

図２に示すように、燃焼器３は、圧縮空気室１０内に設置されている。圧縮空気室１０は、ハウジング８により外郭が構成され、タービン軸６周りに環状空間を形成する。燃焼器３は、圧縮空気室１０の環状空間に沿って、略環状を呈する、いわゆるアニュラー形のライナ１２を有する。ライナ１２の圧縮機２から圧縮空気が供給される側には、燃料供給ノズル１１が接続される。燃料供給ノズル１１は、環状となったライナ１２に対し、所定間隔毎に複数接続されている。燃料供給ノズル１１の周りには、スワラ１８が設けられている。スワラ１８は、圧縮機２から供給された圧縮空気を、燃料供給ノズル１１近傍から燃焼領域１３に導き入れて、混合ガスを生成する構成となっている。

ライナ１２は、外壁部（第１の壁部）２０と内壁部（第２の壁部）３０とを備える二重壁冷却構造を有する。本実施形態では、外壁部２０と内壁部３０とが、不図示のスペーサ部材によって間隙Ｓをあけて配置されている。
外壁部２０には、複数のインピンジ冷却孔２１が形成されている。インピンジ冷却孔２１は、圧縮空気室１０から圧縮空気（冷却用流体）を間隙Ｓに導き入れて、内壁部３０に向けて噴射・衝突させることで、燃焼領域１３側に配置されている内壁部３０を冷却する構成となっている。

一方、内壁部３０には、複数のエフュージョン冷却孔３１が形成されている。エフュージョン冷却孔３１は、内壁部３０の後述する凸部３２が設けられる部位を貫通し、間隙Ｓと燃焼領域１３を連通させる構成となっている。インピンジ冷却孔２１から間隙Ｓに導入した圧縮空気は、エフュージョン冷却孔３１を流通して内壁部３０の熱を奪って燃焼領域１３に流出する。そして、燃焼領域１３側に流出した圧縮空気は、内壁部３０の内面（外壁部２０と対向する側と逆側の面）３０ａに沿って流れて空気膜を形成し、燃焼領域１３から内壁部３０に伝わる入熱を低減させるよう機能する。

図３に示すように、凸部３２は、間隙Ｓにおいて、内壁部３０からインピンジ冷却孔２１と対向する対向位置以外の位置に、外壁部２０に向かって突出して設けられている。この凸部３２は、内壁部３０と一体で形成されている。凸部３２は、図３及び図５に示すように、内壁部３０のインピンジ冷却孔２１との対向位置において凹条に欠落された形状（以下、凹部３３と称する）の間に設けられている。内壁部３０には、凹部３３が複数、スリット状に形成され、隣り合う凹部３３の間のそれぞれに凸部３２が設けられる。すなわち、本実施形態の凸部３２は、内壁部３０に、並列で互いに間隔をあけて直線状に複数形成されている。この凸部３２は、内壁部３０を構成する板材に対し、フライス等で図５に示すＸ軸方向（一次方向）の削り出しを行うことで形成される。

本実施形態のエフュージョン冷却孔３１は、内壁部３０の厚みが厚くなる部位、すなわち直線状の凸部３２が形成される部位に設けられている。エフュージョン冷却孔３１は、凸部３２の頂部３２ａから、内壁部３０の内面３０ａに貫通して形成されている。また、エフュージョン冷却孔３１は、凸部３２が直線状に延在する方向（Ｘ軸方向）に沿って斜めに形成されている（図４及び図５参照）。本実施形態の凸部３２は、図２に示すように、その延在する方向が燃焼ガスの流動方向に沿う方向となるように配置されているため、エフュージョン冷却孔３１の内面３０ａ側の開口部が、燃焼ガスの流動方向に向けて配置される。

続いて、上記構成の二重壁冷却構造による作用効果について説明する。
図３に示すように、インピンジ冷却孔２１から間隙Ｓに導入された圧縮空気は、インピンジ冷却孔２１と対向する位置にある内壁部３０の凹部３３に衝突する。凹部３３は、内壁部３０の厚みの薄い部位であるから、当該圧縮空気の衝突よるインピンジ冷却の効果が、燃焼領域１３に曝される高温側に作用し易くなり、冷却効率が高まる。

凹部３３に衝突した圧縮空気は、リターンフローとなって、その両側に立設する凸部３２の側面に沿って流通する。凸部３２は、高温に曝される内面３０ａ側からの熱を伝熱により間隙Ｓ内に導くと共に、間隙Ｓにおける内壁部３０の熱放出面積を増加させて、間隙Ｓを流通する圧縮空気による冷却効率を高める。

凸部３２の側面に沿って流通した圧縮空気の一部は、凸部３２の頂部３２ａに形成されたエフュージョン冷却孔３１に導入される。本実施形態のエフュージョン冷却孔３１は、内壁部３０の厚みが厚くなる部位、すなわち直線状の凸部３２が形成される部位に設けられているから、内壁部３０をエフュージョン冷却する圧縮空気の流通経路を長くでき、冷却効率が向上する。また、本実施形態では、凸部３２が直線状に形成されているので、その延在方向に沿ってエフュージョン冷却孔３１を斜めに形成できる（図４参照）。そうすると、内壁部３０をエフュージョン冷却する圧縮空気の流通経路をさらに長くすることができ、冷却効率がさらに向上する。

エフュージョン冷却孔３１から燃焼領域１３側に流出した圧縮空気は、燃焼ガスの流動により内壁部３０に沿って流れ、内面３０ａに空気膜を形成し、燃焼領域１３から内壁部３０に伝わる入熱を低減させるよう機能する。また、本実施形態では、エフュージョン冷却孔３１の斜め流路が、燃焼ガスの流動方向に向いて配置されるので、内面３０ａに沿って空気膜を形成し易くなり、薄膜冷却による冷却孔率が向上する。
このように、本実施形態の二重壁冷却構造によれば、インピンジメント冷却方式、エフュージョン冷却方式、薄膜冷却方式、を併せ持つ高性能冷却が可能となる。

また、この二重壁冷却構造においては、凸部３２が内壁部３０と一体で形成されているので、上記高性能冷却方式による冷却効率の低下を抑制できる。
すなわち、この二重壁冷却構造の製造時においては、凸部３２と内壁部３０とを一体で形成することで、凸部３２と内壁部３０との位置関係が常に一定となるため、従来の三つの部材（外壁部とピンと内壁部）の組合せに比べて、二つの部材（外壁部と内壁部）の組み合わせですみ、その組合せ時の位置合せ精度を容易に確保することができる。そうすると、組合せの際に、凸部３２が位置ずれしてインピンジ冷却孔２１に被ることが抑制される。このため、インピンジ冷却孔２１からの圧縮空気の流入が滞りなく達成され、冷却の局所的なムラを招くことも無くなる。さらに、この二重壁冷却構造の実使用時においては、凸部３２と内壁部３０とが一体で熱伸びするので、従来よりも部材の位置ずれが発生し難くなる。

また、本実施形態の凸部３２は、内壁部３０に、並列で互いに間隔をあけて直線状に複数形成されている。すなわち、内壁部３０に直線状の溝（凹部３３）を間隔あけて並列に複数形成することで、その複数の凹部３３のそれぞれの間に直線状の凸部３２を形成することができる。ここで、従来のピン形状のように凸部を形成しようとすると、例えば、少なくとも図５に示すＸ軸方向（一次方向）及びそれと直交するＹ軸方向（二次方向）の加工が必要となるが、本実施形態の凸部３２は、Ｘ軸方向（一次方向）の加工のみによって形成できるので、従来のようなピン形状とする凸部と比べて、加工精度に起因する凸部３２の位置ずれを抑制することができる。さらに、当該直線状の凸部３２が、内壁部３０を補強するリブとして機能し、強度が上昇する。また、本実施形態の燃焼器３のようにライナ１２が、ある曲率を有して設けられる場合、直線状の凸部が燃焼ガスの流動方向に沿って配置されるのでその曲率に応じた曲げ加工が容易となる。

以上のように、本実施形態の燃焼器３のライナ１２に設けられた二重壁冷却構造によれば、高性能冷却を達成しつつ、その冷却効率の低下を抑制することができる。また、一次方向の削り出しにより凸部３２を形成できるので、従来よりも製造コストを下げることができる。また、凸部３２の加工精度も容易に確保できるので、二重壁冷却構造の微細化に対応することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。
図６は、本発明の第２実施形態におけるライナ１２の二重壁冷却構造の構成を示す断面図である。図７は、図６における矢視Ｃ−Ｃ断面図である。図８は、本発明の第２実施形態におけるライナ１２の二重壁冷却構造の構成を示す分解斜視図である。なお、図６は、第１実施形態の図３に対応する部位の断面を示す。

図に示すように、第２実施形態では、直線状の凸部３２の頂部３２ａの少なくとも一部から突出して外壁部２０と接続される第２の凸部３４を有し、この第２の凸部３４が、凸部３２と一体で形成されている点で、上述した第１実施形態と異なる。
第２の凸部３４は、凸部３２の頂部３２ａにおいて互いに間隔をあけて複数形成されたエフュージョン冷却孔３１のそれぞれの間に設けられている（図７及び図８参照）。この凸部３２及び第２の凸部３４を備える内壁部３０は、板材に対し、先ずフライス等で図８に示すＹ軸方向の浅い削り出しを行った後、Ｘ軸方向の深い削り出しを行うことで形成される。
なお、板材に対し、先ず、フライス等で図８に示すＸ軸方向の深い削り出しを行った後、Ｙ軸方向の浅い削り出しを行うことで、凸部３２及び第２の凸部３４を備える内壁部３０を形成しても良い。

第２実施形態によれば、直線状の凸部３２の頂部３２ａの少なくとも一部から突出して外壁部２０と接続される第２の凸部３４を有し、第２の凸部３４は、凸部３２と一体で形成されているという構成を採用することによって、外壁部２０と接続される第２の凸部３４を、凸部３２と一体、すなわち内壁部３０と一体で形成することで、上述の第１実施形態のように別途スペーサ部材を設けることなく、外壁部２０と内壁部３０との間隙Ｓが規定される。また、第２の凸部３４も、凸部３２と同様に内壁部３０と一体であるから、接触位置の位置ずれも低減される。加えて、内壁部３０の熱を外壁部２０に伝熱させることができ、冷却効率を大幅に向上させることができる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、凸部３２、第２の凸部３４を内壁部３０の削り出しにより一体で形成すると説明したが、鋳造によって一体で形成する構成であっても良い。但し、製造コストや、加工精度では上記削り出しの方が好ましい。

また、例えば、上記実施形態では、ガスタービン１の燃焼器３に本発明の二重壁冷却構造を適用した構成について説明したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、真空熱処理炉の外壁部の冷却構造にも本発明を適用できる。なお、この真空熱処理炉の場合、熱処理空間に冷却ガスが流入することは好ましくないので、エフュージョン冷却孔３１を設けない構成であることが好ましい。

３…燃焼器、１２…ライナ、１３…燃焼領域、２０…外壁部（第１の壁部）、２１…インピンジ冷却孔、３０…内壁部（第２の壁部）、３０ａ…内面、３１…エフュージョン冷却孔、３２…凸部、３２ａ…頂部、３４…第２の凸部、Ｓ…間隙

Claims (6)

1. 複数のインピンジ冷却孔が形成された第１の壁部と、前記第１の壁部と間隙をあけて配置される第２の壁部とを有する二重壁冷却構造であって、
   前記間隙において、前記第２の壁部から前記インピンジ冷却孔と対向する位置以外の位置に、前記第１の壁部に向かって突出する凸部を有し、
   前記凸部は、前記第２の壁部と一体で形成されており、
   前記凸部は、前記第２の壁部に、並列で互いに間隔をあけて直線状に複数形成されていることを特徴とする二重壁冷却構造。
2. 前記直線状の凸部の頂部から、前記第２の壁部の前記第１の壁部と対向する側と逆側の面に貫通して形成されたエフュージョン冷却孔を有することを特徴とする請求項１に記載の二重壁冷却構造。
3. 前記エフュージョン冷却孔は、前記凸部が前記直線状に延在する方向に沿って斜めに形成されていることを特徴とする請求項２に記載の二重壁冷却構造。
4. 前記直線状の凸部の頂部の少なくとも一部から突出して前記第１の壁部と接続される第２の凸部を有し、
   前記第２の凸部は、前記凸部と一体で形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の二重壁冷却構造。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の二重壁冷却構造を有し、
   前記第２の壁部は、燃料が燃焼するための燃焼領域を形成し、
   前記第１の壁部は、前記第２の壁部を挟んで前記燃焼領域と逆側に配置されていることを特徴とする燃焼器。
6. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の二重壁冷却構造を有し、
   前記第２の壁部は、燃料が燃焼するための燃焼領域を形成し、
   前記第１の壁部は、前記第２の壁部を挟んで前記燃焼領域と逆側に配置され、
   前記直線状の凸部は、その延在する方向が前記燃焼による燃焼ガスの流動方向に沿う方向となるように配置されていることを特徴とする燃焼器。

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