JP2012202258A - 冷却装置、燃焼器およびガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】温度監視を要せず、高温流体が流通する筒状流路を必要なときに冷却すること。
【解決手段】高温流体が軸Ｓ方向に流通する尾筒１３３の外周壁の外周を覆い、尾筒１３３の外周壁への冷却空気の流通を開閉するカバー部材２を備え、尾筒１３３を流通する燃焼ガスの高温時による尾筒１３３自身の軸Ｓ方向の熱膨張に伴いカバー部材２との位置変化によって尾筒１３３側への冷却空気の流通を開放する一方、尾筒１３３を流通する燃焼ガスの低温時による尾筒１３３自身の軸Ｓ方向の収縮に伴いカバー部材２との位置変化によって尾筒１３３側への冷却空気の流通を閉塞する。
【選択図】図４

Description

本発明は、高温流体が流通する筒状流路を冷却する冷却装置、当該冷却装置を適用する燃焼器およびガスタービンに関するものである。

例えば、ガスタービン燃焼器において、燃焼筒が高温になるとオーバーヒートとなって燃焼筒自身が破損するおそれがあったり、燃焼筒の径方向膨張によって下流のタービン翼においてガス流路のリーク隙間が大きくなり動力損失が発生したりするおそれがある。そこで、従来、例えば、特許文献１に記載のガスタービン燃焼器では、燃焼筒外壁面の外周を覆うように筒状のカバー部材を備えており、燃焼筒外壁面とカバー部材との間に、冷却空気を通す環状通路が形成されている。かかるガスタービン燃焼器は、環状通路に冷却空気を流通させることで燃焼筒の冷却を行っている。

特開２００７−１３２６４０号公報

ところで、例えば、ガスタービン燃焼器では、燃焼ガスによって燃焼筒がある所定の温度となったときにガス流路の隙間が最適となって動力損失が抑制される設計がなされている。しかし、常に燃焼筒の冷却を行うような構造の場合、始動時から燃焼筒を冷却することになるため、動力損失を抑制するための上記所定温度となるまでに時間がかかるおそれがある。また、バルブおよびアクチュエータを設けて機械的および電気的に冷却空気を制御することが考えられるが、制御のために温度を監視する必要があり、製造コストが嵩むことになる。

本発明は上述した課題を解決するものであり、温度監視を要せず、高温流体が流通する筒状流路を必要なときに冷却することのできる冷却装置、燃焼器およびガスタービンを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の冷却装置は、高温流体が軸方向に流通する筒状流路の外周壁の外周を覆い、前記筒状流路の外周壁への冷却空気の流通を開閉するカバー部材を備え、前記筒状流路を流通する高温流体の高温時による前記筒状流路自身の軸方向の熱膨張に伴い前記カバー部材との位置変化によって前記筒状流路側への前記冷却空気の流通を開放する一方、前記筒状流路を流通する高温流体の低温時による前記筒状流路自身の軸方向の収縮に伴い前記カバー部材との位置変化によって前記筒状流路側への前記冷却空気の流通を閉塞することを特徴とする。

この冷却装置によれば、高温流体の低温時は、筒状流路に冷却空気を接触させずに冷却を行わず、高温流体の高温時に、筒状流路に冷却空気を接触させて冷却を行うため、高温流体が流通する筒状流路を必要なときに冷却することができる。しかも、この冷却装置は、筒状流路自身の膨張／収縮によって作動するため、複雑な温度制御を必要とせず、製造コストを低減することができる。

また、本発明の冷却装置は、前記筒状流路の外周壁と前記カバー部材との間に形成された冷却通路に冷却空気を供給する供給口を有し、前記筒状流路自身の軸方向の熱膨張に伴って前記供給口を開放する一方、前記筒状流路自身の軸方向の収縮に伴って前記供給口を閉塞することを特徴とする。

この冷却装置によれば、カバー部材との位置変化によって冷却空気の流通を開放または閉塞する構成を具体的に実施でき、高温流体の低温時は、筒状流路に冷却空気を接触させずに冷却を行わず、高温流体の高温時に、筒状流路に冷却空気を接触させて冷却を行うため、高温流体が流通する筒状流路を必要なときに冷却することができ、筒状流路自身の膨張／収縮による簡素な構成によって、製造コストを低減することができる。

また、本発明の冷却装置は、前記冷却通路内であって前記カバー部材の内壁面に、断熱部材を設けることを特徴とする。

この冷却装置によれば、筒状流路が熱膨張する際の熱が、カバー部材に伝達する事態を抑制するため、カバー部材が筒状流路とともに熱膨張することがなく、供給口の開閉作動を適宜行わせることができる。しかも、筒状流路とカバー部材との熱膨張差を考慮しなくてもよいことから、筒状流路とカバー部材とを同一材料で構成することができ、製造コストを低減することができる。

また、本発明の冷却装置は、前記冷却通路内であって前記筒状流路の外周壁に、前記筒状流路内外を連通する連通孔を設けることを特徴とする。

この冷却装置によれば、冷却通路内に供給され、筒状流路の外壁面とカバー部材との間を通過する冷却空気は、連通孔から筒状流路内に入り、筒状流路の内壁面に沿って高温流体の流通方向に流通するエアカーテンとなって筒状流路の壁をより冷却する。このため、筒状流路の冷却効率を向上することができる。

また、本発明の冷却装置は、前記筒状流路の外周壁に、前記筒状流路内外を連通する連通孔が設けられているとともに、前記カバー部材に、前記連通孔を開閉するシャッタ機構が設けられ、前記筒状流路自身の軸方向の熱膨張に伴い前記カバー部材との位置変化によって前記シャッタ機構が前記連通孔を開放する一方、前記筒状流路自身の軸方向の収縮に伴い前記カバー部材との位置変化によって前記シャッタ機構が前記連通孔を閉塞することを特徴とする。

この冷却装置によれば、カバー部材との位置変化によって冷却空気の流通を開放または閉塞する構成を具体的に実施でき、高温流体の低温時は、筒状流路に冷却空気を接触させずに冷却を行わず、高温流体の高温時に、筒状流路に冷却空気を接触させて冷却を行うため、高温流体が流通する筒状流路を必要なときに冷却することができ、筒状流路自身の膨張／収縮による簡素な構成によって、製造コストを低減することができる。

また、本発明の冷却装置は、前記カバー部材における前記シャッタ機構を除く部分と前記筒状流路の外壁面との間に断熱部材を設けることを特徴とする。

この冷却装置によれば、筒状流路が熱膨張する際の熱が、カバー部材に伝達する事態を抑制するため、カバー部材が筒状流路とともに熱膨張することがなく、シャッタ機構の開閉作動を適宜行わせることができる。しかも、筒状流路とカバー部材との熱膨張差を考慮しなくてもよいことから、筒状流路とカバー部材とを同一材料で構成することができ、製造コストを低減することができる。

上述の目的を達成するために、本発明の燃焼器は、上記いずれか１つに記載の冷却装置を、燃焼筒に設け、前記燃焼筒を冷却することを特徴とする。

この燃焼器によれば、温度監視を要せず、高温流体（燃焼ガス）が流通する燃焼筒を必要なときに冷却することができ、燃焼筒が高温になる事態を防いで、オーバーヒートを防止することができる。

上述の目的を達成するために、本発明のガスタービンは、上記燃焼器を備えることを特徴とする。

このガスタービンによれば、温度監視を要せず、高温流体（燃焼ガス）が流通する燃焼筒を必要なときに冷却することが可能になり、燃焼筒内の温度上昇の立ち上がりが良く短い時間で適した温度に到達することから、静翼と動翼との間であるガス流路のリーク量の低下が早くなり、動力損失を低減することができる。

本発明によれば、温度監視を要せず、高温流体が流通する筒状流路を必要なときに冷却することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係るガスタービンの概略構成図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る燃焼器の側面図である。 図３は、本発明の実施の形態１に係る冷却装置の概略構成図である。 図４は、本発明の実施の形態１に係る冷却装置の動作を示す概略構成図である。 図５は、本発明の実施の形態に係る冷却装置の温度の時間変化を示す図である。 図６は、本発明の実施の形態に係る冷却装置のガス流路リーク量（動力損失）を示す図である。 図７は、本発明の実施の形態２に係る冷却装置の概略構成図である。 図８は、本発明の実施の形態２に係る冷却装置の動作を示す概略構成図である。

以下に、本発明に係る実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、本実施の形態に係るガスタービンの概略構成図である。ガスタービンは、図１に示すように、圧縮機１１１と燃焼器１１２とタービン１１３と排気室１１４により構成され、タービン１１３に図示しない発電機が連結されている。圧縮機１１１は、空気を取り込む空気取入口１１５を有し、圧縮機車室１１６内に複数の静翼１１７と動翼１１８が交互に配設されている。燃焼器１１２は、圧縮機１１１で圧縮された圧縮空気に対して燃料を供給し、バーナで点火することで燃焼可能となっている。タービン１１３は、タービン車室１２０内に複数の静翼１２１と動翼１２２が交互に配設されている。排気室１１４は、タービン１１３に連続する排気ディフューザ１２３を有している。また、圧縮機１１１、燃焼器１１２、タービン１１３、排気室１１４の中心部を貫通するようにロータ１２４が位置しており、圧縮機１１１側の端部が軸受部１２５により回転自在に支持される一方、排気室１１４側の端部が軸受部１２６により回転自在に支持されている。そして、このロータ１２４に複数のディスクプレートが固定され、各動翼１１８，１２２が連結されるとともに、排気室１１４側の端部に図示しない発電機の駆動軸が連結されている。

従って、圧縮機１１１の空気取入口１１５から取り込まれた空気が、複数の静翼１２１と動翼１２２を通過して圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となり、燃焼器１１２にて、この圧縮空気に対して所定の燃料が供給されることで燃焼する。そして、この燃焼器１１２で生成された作動流体である高温・高圧の燃焼ガスが、タービン１１３を構成する複数の静翼１２１と動翼１２２を通過することでロータ１２４を駆動回転し、このロータ１２４に連結された発電機を駆動する一方、排気ガスは排気室１１４の排気ディフューザ１２３で静圧に変換されてから大気に放出される。

図２は、本実施の形態に係る燃焼器の側面図である。燃焼器１１２は、車室ハウジング１３０および外筒１３１の内部に内筒１３２が支持され、内筒１３２の先端部に燃焼筒としての尾筒１３３が連結されている。

外筒１３１は、車室ハウジング１３０に締結されている。内筒１３２は、外筒１３１内で当該外筒１３１と間隔おいて設けられ、その内部の中心部であって燃焼器軸Ｓ（図３、図４、図７および図８参照）の延在方向である軸方向に沿ってパイロットノズル１３５が配設されている。また、内筒１３２は、その内部の内周面に周方向に沿ってパイロットノズル１３５を取り囲むように複数のメインノズル１３６が燃焼器軸Ｓと平行に配設されている。尾筒１３３は、基端が円筒状に形成されて内筒１３２の先端に連結され、先端側に向けて断面積が小さくなりつつ湾曲して変形し、先端がほぼ矩形状に形成されてタービン１１３の１段目の静翼１２１に向けて開口しており、ガセット１３７を介して車室ハウジング１３０に締結されている。この尾筒１３３は、内側が燃焼室として構成されている。なお、車室ハウジング１３０は、その内側が車室１３８として形成されて、尾筒１３３は車室１３８に設けられている。

このような燃焼器１１２は、圧縮機１１１からの高温・高圧の圧縮空気が車室１３８を経て、尾筒１３３および内筒１３２の外側を、尾筒１３３側から内筒１３２側に流通し、内筒１３２の基端側から内筒１３２の内部に流れこむ。この圧縮空気は、パイロットノズル１３５およびメインノズル１３６に誘導される。そして、圧縮空気は、メインノズル１３６から噴射された燃料と混合され、予混合気となって尾筒１３３内に流れ込む。また、圧縮空気は、パイロットノズル１３５から噴射された燃料と混合され、図示しない種火により着火されて燃焼し、燃焼ガスとなって尾筒１３３内に噴出する。このとき、燃焼ガスの一部が尾筒１３３内に火炎を伴って周囲に拡散するように噴出することで、各メインノズル１３６から尾筒１３３内に流れ込んだ予混合気に着火されて燃焼する。すなわち、パイロットノズル１３５から噴射したパイロット燃料による拡散火炎により、メインノズル１３６からの希薄予混合燃料の安定燃焼を行うための保炎を行うことができる。また、メインノズル１３６によって燃料を予混合することで燃料濃度を均一化することで低ＮＯｘ化を図ることができる。そして、燃焼ガスは、尾筒１３３を通じてタービン１１３に供給される。

［実施の形態１］
図３は、実施の形態１に係る冷却装置の概略構成図であり、図４は、冷却装置の動作を示す概略構成図である。

上述したガスタービンの燃焼器１１２は、燃焼ガスによって尾筒１３３が高温になる。そこで、本実施の形態の冷却装置１が適用される。冷却装置１は、図３および図４に示すように、高温流体である燃焼ガスが、燃焼器軸Ｓに沿う方向（軸方向）に流通する筒状流路としての尾筒１３３の外周壁と間隔をおき、当該尾筒１３３の外周壁の外周を覆う筒状のカバー部材２を備えている。カバー部材２と、尾筒１３３の外壁面との間は、冷却通路３が形成されている。

カバー部材２は、燃焼ガスの上流側となる一端が、尾筒１３３の外壁面から外側に突出して設けられた隔壁４に固定されている。隔壁４は、冷却通路３の内外に通じる貫通孔４ａが形成されている。また、カバー部材２は、燃焼ガスの下流側となる他端が、尾筒１３３の外周壁との間で間隔を有して設けられている。このカバー部材２の他端は、冷却通路３に冷却空気（圧縮空気）を供給する供給口５をなすフランジ５ａが外側に突出して設けられている。また、尾筒１３３の外壁面には、フランジ５ａに軸方向で対向して供給口５をなすように、尾筒１３３の外壁面から外側に突出する隔壁５ｂが設けられている。また、カバー部材２は、冷却通路３内となる内壁面に、軸方向に沿って筒状の断熱部材６が設けられている。

カバー部材２のさらに外側は、カバー部材２と間隔をおき、当該カバー部材２を覆うように筒状の外カバー部材７が設けられている。外カバー部材７は、燃焼ガスの上流側となる一端に、隔壁４と間隔をおいて対向するフランジ７ａが設けられている。また、外カバー部材７は、燃焼ガスの下流側となる他端に、フランジ５ａおよび隔壁５ｂと間隔をおいて対向するフランジ７ｂが設けられている。

尾筒１３３は、その外周壁に、冷却通路３内となる位置で尾筒１３３の内外を連通する連通孔１３３ａが設けられている。

このような、冷却装置１は、図４に示すように、尾筒１３３を流通する燃焼ガスの高温時では、図３に示す状態から、尾筒１３３自身が軸方向に熱膨張する。これに伴い隔壁４と隔壁５ｂとの間の間隔が広がって、隔壁４とともにカバー部材２が軸方向（図中左側）に移動することで、カバー部材２のフランジ５ａと、尾筒１３３に固定の隔壁５ｂとが離隔し、供給口５が開放される。同時に、尾筒１３３自身の軸方向への熱膨張に伴い、隔壁４とともにカバー部材２が軸方向（図中左側）に移動することで、カバー部材２のフランジ５ａと、外カバー部材７のフランジ７ｂとの間が閉塞される。このため、車室１３８内に送られた圧縮機１１１からの圧縮空気は、供給口５から冷却通路３内に供給され、尾筒１３３の外壁面とカバー部材２との間を通過し、隔壁４の貫通孔４ａから車室１３８内に戻される。したがって、尾筒１３３の外壁面に圧縮空気が触れることから、尾筒１３３が冷却される。また、冷却通路３内に供給され、尾筒１３３の外壁面とカバー部材２との間を通過する圧縮空気は、尾筒１３３の連通孔１３３ａから尾筒１３３内に入り、尾筒１３３の内壁面に沿って燃焼ガスの流通方向に流通する。この尾筒１３３の内壁面に沿う圧縮空気は、エアカーテンとなって尾筒１３３の壁をより冷却する。なお、カバー部材２の内壁面に断熱部材６が設けられていることから、尾筒１３３が熱膨張する際の熱がカバー部材２に伝達する事態を抑制するので、カバー部材２が熱膨張することがない。

一方、冷却装置１は、図３に示すように、尾筒１３３を流通する燃焼ガスの低温時では、図４に示す状態から、尾筒１３３自身が軸方向に収縮する。これに伴い隔壁４と隔壁５ｂとの間の間隔が狭まって、隔壁４とともにカバー部材２が軸方向（図中右側）に移動することで、カバー部材２のフランジ５ａと、尾筒１３３に固定の隔壁５ｂとが近接し、供給口５が閉塞される。また、尾筒１３３自身の軸方向への収縮に伴い、隔壁４とともにカバー部材２が軸方向（図中右側）に移動することで、カバー部材２のフランジ５ａと、外カバー部材７のフランジ７ｂとの間が開放される。このため、車室１３８内に送られた圧縮機１１１からの圧縮空気は、供給口５から冷却通路３内に供給されず、カバー部材２のフランジ５ａと、外カバー部材７のフランジ７ｂとの間から、カバー部材２と外カバー部材７との間に供給され、外カバー部材７のフランジ７ａと隔壁４との間から車室１３８内に戻される。したがって、尾筒１３３の外壁面には、圧縮空気が触れることがなく、尾筒１３３は冷却されない。

ここで、図５は、本実施の形態に係る冷却装置の温度の時間変化を示す図であり、図６は、本実施の形態に係る冷却装置のガス流路リーク量（動力損失）を示す図である。図５および図６において、実線は、本実施の形態の冷却装置１を適用したガスタービンを示し、破線は、尾筒１３３の外壁面を覆うようにカバー部材２のみを設けたガスタービンの例を示し、図５において、一点鎖線は冷却装置を適用しないガスタービンの例を示している。すなわち、図５において一点鎖線で示すように、冷却装置を適用しない場合は、尾筒１３３内の温度が時間とともに上昇する。また、図５において破線で示すように、カバー部材２のみを設けた場合は、常に冷却されるので、尾筒１３３内の温度上昇の立ち上がりが悪い。これに対し、図５において実線で示すように、冷却装置１を適用した場合は、尾筒１３３内の温度上昇の立ち上がりが良く短い時間で適した温度に到達するとともに、適した温度を維持することが可能になる。また、図６に破線で示すように、カバー部材２のみを設けた場合は、尾筒１３３内の温度上昇の立ち上がりが悪いことから、静翼１２１と動翼１２２との間であるガス流路のリーク量の低下が遅く、動力損失が大きい。これに対し、図６において実線で示すように、冷却装置１を適用した場合は、尾筒１３３内の温度上昇の立ち上がりが良く短い時間で適した温度に到達することから、静翼１２１と動翼１２２との間であるガス流路のリーク量の低下が早く、動力損失が小さい。

このように、本実施の形態の冷却装置１は、高温流体（燃焼ガス）が軸方向に流通する筒状流路（尾筒１３３）の外周壁の外周を覆い、筒状流路の外周壁への冷却空気（圧縮空気）の流通を開閉するカバー部材２を備え、筒状流路を流通する高温流体の高温時による筒状流路自身の軸方向の熱膨張に伴いカバー部材２との位置変化によって筒状流路側への冷却空気の流通を開放する一方、筒状流路を流通する高温流体の低温時による筒状流路自身の軸方向の収縮に伴いカバー部材２との位置変化によって筒状流路側への冷却空気の流通を閉塞する。

この冷却装置１によれば、高温流体の低温時は、筒状流路に冷却空気を接触させずに冷却を行わず、高温流体の高温時に、筒状流路に冷却空気を接触させて冷却を行うため、高温流体が流通する筒状流路を必要なときに冷却することが可能になる。しかも、この冷却装置１は、筒状流路自身の膨張／収縮によって作動するため、複雑な温度制御を必要とせず、製造コストを低減することが可能である。

本実施の形態の冷却装置１は、筒状流路（尾筒１３３）の外周壁とカバー部材２との間に形成された冷却通路３に冷却空気を供給する供給口５を有し、筒状流路自身の軸方向の熱膨張に伴って供給口５を開放する一方、筒状流路自身の軸方向の収縮に伴って供給口５を閉塞する。

この冷却装置１によれば、カバー部材２との位置変化によって冷却空気の流通を開放または閉塞する構成を具体的に実施でき、高温流体の低温時は、筒状流路に冷却空気を接触させずに冷却を行わず、高温流体の高温時に、筒状流路に冷却空気を接触させて冷却を行うため、高温流体が流通する筒状流路を必要なときに冷却することが可能になり、筒状流路自身の膨張／収縮による簡素な構成によって、製造コストを低減することが可能になる。

また、本実施の形態の冷却装置１は、冷却通路３内であってカバー部材２の内壁面に、断熱部材６を設ける。

この冷却装置１によれば、筒状流路が熱膨張する際の熱が、カバー部材２に伝達する事態を抑制するため、カバー部材２が筒状流路とともに熱膨張することがなく、供給口５の開閉作動を適宜行わせることが可能になる。しかも、筒状流路とカバー部材２との熱膨張差を考慮しなくてもよいことから、筒状流路とカバー部材２とを同一材料で構成することができ、製造コストを低減することが可能になる。

また、本実施の形態の冷却装置１は、冷却通路３内であって筒状流路（尾筒１３３）の外周壁に、筒状流路内外を連通する連通孔１３３ａを設ける。

この冷却装置１によれば、冷却通路３内に供給され、筒状流路の外壁面とカバー部材２との間を通過する冷却空気は、連通孔１３３ａから筒状流路内に入り、筒状流路の内壁面に沿って高温流体の流通方向に流通するエアカーテンとなって筒状流路の壁をより冷却する。このため、筒状流路の冷却効率を向上することが可能になる。

なお、上述した実施の形態１において、外カバー部材７や、外カバー部材７に係わるフランジ７ａ、およびフランジ７ｂは、冷却空気を通過させる通路をなしており、供給口５の開閉とは逆に開閉する。この構成により、供給口５から冷却通路３への冷却空気の供給または非供給を明確に切り分けて行うことが可能になる。

［実施の形態２］
図７は、実施の形態２に係る冷却装置の概略構成図であり、図８は、冷却装置の動作を示す概略構成図である。

上述したガスタービンの燃焼器１１２は、燃焼ガスによって尾筒１３３が高温になる。そこで、本実施の形態の冷却装置１１が適用される。冷却装置１１は、図７および図８に示すように、高温流体である燃焼ガスが、燃焼器軸Ｓに沿う方向（軸方向）に流通する筒状流路としての尾筒１３３の外周壁に沿って、当該尾筒１３３の外周壁の外周を覆う筒状のカバー部材１２を備えている。

カバー部材１２は、燃焼ガスの上流側となる一端が自由端となり、燃焼ガスの下流側となる他端が、尾筒１３３の外壁面から外側に突出して設けられた隔壁１４ａに固定されている。また、カバー部材１２は、軸方向における一端側の約半分の領域において、尾筒１３３の外壁面側とその反対側とを連通する連通孔１２ａが設けられている。また、カバー部材１２の軸方向における他端側の約半分の領域において、カバー部材２と尾筒１３３の外壁面との間には、軸方向に沿って筒状の断熱部材１６が設けられている。

カバー部材１２は、その外側において、一端から連続して他端側に折り返して延在された折返部１２ｂが設けられ、全体として他端側に開放する袋状に形成されている。この折返部１２ｂは、上記連通孔１２ａが設けられた部分と対向する部分に連通孔１２ｃが設けられている。

また、カバー部材１２の折返部１２ｂの外側には、折返部１２ｂの外周壁に沿って、当該折返部１２ｂの外周壁の外周を覆う筒状の外カバー部材１７が設けられている。この外カバー部材１７は、燃焼ガスの上流側となる一端が、カバー部材１２の一端よりも上流側において、尾筒１３３の外壁面から外側に突出して設けられた隔壁１４ｂに固定されている。また、外カバー部材１７は、燃焼ガスの下流側となる他端が、カバー部材１２の折返部１２ｂの他端と連結されている。この外カバー部材１７は、軸方向における一端側の約半分の領域であって、カバー部材１２の折返部１２ｂの連通孔１２ｃが設けられた部分と対面する壁に、折返部１２ｂの内外を連通する連通孔１７ａが設けられている。また、外カバー部材１７は、軸方向における他端側の約半分の領域において、軸方向に伸縮可能な伸縮部１７ｂが設けられている。伸縮部１７ｂは、例えば、蛇腹状に形成されている。また、外カバー部材１７は、連通孔１７ａが設けられた領域において、その外側に、当該外カバー部材１７の外周を覆う筒状の最外カバー部１７ｃが設けられている。最外カバー部１７ｃは、外カバー部材１７の連通孔１７ａが設けられた領域を、隔壁１４ｂとの間で覆うように設けられ、その一部が車室１３８に開放して構成されている。また、外カバー部材１７は、燃焼ガスの下流側となる他端に、隔壁１４ａと間隔をおいて対向するフランジ１７ｄが設けられている。そして、隔壁１４ａとフランジ１７ｄとは、尾筒１３３の周方向において、相互の先端の間の一部が被覆部材１８で覆われており、他の一部が被覆部材１８で覆われることなく車室１３８に開放して構成されている。

尾筒１３３は、カバー部材１２の連通孔１２ａが設けられた部分に対面する外周壁に、尾筒１３３の内外を連通する連通孔１３３ａが設けられている。

このような、冷却装置１１は、図８に示すように、尾筒１３３を流通する燃焼ガスの高温時では、図７に示す状態から、尾筒１３３自身が軸方向に熱膨張する。これに伴い隔壁４と隔壁５ｂとの間の間隔が広がって、尾筒１３３に固定の隔壁１４ａとともにカバー部材１２が軸方向（図中右側）に移動する。また、隔壁１４ｂとともに外カバー部材１７が軸方向（図中左側）に移動しようとすることで伸縮部１７ｂが伸びる。これにより、尾筒１３３の連通孔１３３ａと、カバー部材１２の連通孔１２ａとが互いに連通し、同時にカバー部材１２における折返部１２ｂの連通孔１２ｃと、外カバー部材１７の連通孔１７ａとが孔のない部分で互いに閉塞し合う。このため、車室１３８内に送られた圧縮機１１１からの圧縮空気は、カバー部材１２の袋状部分内に供給され、カバー部材１２の連通孔１２ａから尾筒１３３の連通孔１３３ａを通過して、尾筒１３３内に入り、尾筒１３３の内壁面に沿って燃焼ガスの流通方向に流通する。この尾筒１３３の内壁面に沿う圧縮空気は、エアカーテンとなって尾筒１３３の壁を冷却する。なお、カバー部材１２と尾筒１３３との間に断熱部材１６が設けられていることから、尾筒１３３が熱膨張する際の熱がカバー部材１２に伝達する事態を抑制するので、カバー部材１２が熱膨張することがない。

一方、冷却装置１１は、図７に示すように、尾筒１３３を流通する燃焼ガスの低温時では、図８に示す状態から、尾筒１３３自身が軸方向に収縮する。これに伴い隔壁４と隔壁５ｂとの間の間隔が狭まって、尾筒１３３に固定の隔壁１４ａとともにカバー部材１２が軸方向（図中左側）に移動する。また、隔壁１４ｂとともに外カバー部材１７が軸方向（図中右側）に移動しようとすることで伸縮部１７ｂが縮む。これにより、尾筒１３３の連通孔１３３ａと、カバー部材１２の連通孔１２ａとが孔のない部分で互いに閉塞し合い、同時にカバー部材１２における折返部１２ｂの連通孔１２ｃと、外カバー部材１７の連通孔１７ａとが互いに連通する。このため、車室１３８内に送られた圧縮機１１１からの圧縮空気は、カバー部材１２の袋状部分内に供給され、カバー部材１２における折返部１２ｂの連通孔１２ｃから外カバー部材１７の連通孔１７ａを通過して、車室１３８内に戻される。したがって、尾筒１３３の壁には、圧縮空気が送られることがなく、尾筒１３３は冷却されない。

このように、カバー部材１２の連通孔１２ａは、尾筒１３３の連通孔１３３ａに連通する一方、孔のない部分で連通孔１３３ａを閉塞するシャッタ機構をなす。また、カバー部材１２における折返部１２ｂの連通孔１２ｃは、外カバー部材１７の連通孔１７ａを孔のない部分で閉塞する一方、連通孔１７ａに連通するシャッタ機構をなす。

ここで、図５は、本実施の形態に係る冷却装置１１の温度の時間変化を示す図であり、図６は、本実施の形態に係る冷却装置のガス流路リーク量（動力損失）を示す図である。図５および図６において、実線は、本実施の形態の冷却装置１１を適用したガスタービンを示し、破線は、尾筒１３３の外壁面を覆うように実施の形態１のカバー部材２のみを設けたガスタービンの例を示し、図５において、一点鎖線は冷却装置を適用しないガスタービンの例を示している。すなわち、図５において一点鎖線で示すように、冷却装置を適用しない場合は、尾筒１３３内の温度が時間とともに上昇する。また、図５において破線で示すように、実施の形態１のカバー部材２のみを設けた場合は、常に冷却されるので、尾筒１３３内の温度上昇の立ち上がりが悪い。これに対し、図５において実線で示すように、冷却装置１１を適用した場合は、尾筒１３３内の温度上昇の立ち上がりが良く短い時間で適した温度に到達するとともに、適した温度を維持することが可能になる。また、図６に破線で示すように、実施の形態１のカバー部材２のみを設けた場合は、尾筒１３３内の温度上昇の立ち上がりが悪いことから、静翼１２１と動翼１２２との間であるガス流路のリーク量の低下が遅く、動力損失が大きい。これに対し、図６において実線で示すように、冷却装置１１を適用した場合は、尾筒１３３内の温度上昇の立ち上がりが良く短い時間で適した温度に到達することから、静翼１２１と動翼１２２との間であるガス流路のリーク量の低下が早く、動力損失が小さい。

このように、本実施の形態の冷却装置１１は、高温流体（燃焼ガス）が軸方向に流通する筒状流路（尾筒１３３）の外周壁の外周を覆い、筒状流路の外周壁への冷却空気（圧縮空気）の流通を開閉するカバー部材１２を備え、筒状流路を流通する高温流体の高温時による筒状流路自身の軸方向の熱膨張に伴いカバー部材１２との位置変化によって筒状流路側への冷却空気の流通を開放する一方、筒状流路を流通する高温流体の低温時による筒状流路自身の軸方向の収縮に伴いカバー部材１２との位置変化によって筒状流路側への冷却空気の流通を閉塞する。

この冷却装置１１によれば、高温流体の低温時は、筒状流路に冷却空気を接触させずに冷却を行わず、高温流体の高温時に、筒状流路に冷却空気を接触させて冷却を行うため、高温流体が流通する筒状流路を必要なときに冷却することが可能になる。しかも、この冷却装置１１は、筒状流路自身の膨張／収縮によって作動するため、複雑な温度制御を必要とせず、製造コストを低減することが可能である。

また、本実施の形態の冷却装置１１は、筒状流路（尾筒１３３）の外周壁に、筒状流路内外を連通する連通孔１３３ａが設けられているとともに、カバー部材１２に、連通孔１３３ａを開閉するシャッタ機構が設けられ、筒状流路自身の軸方向の熱膨張に伴いカバー部材１２との位置変化によってシャッタ機構が連通孔１３３ａを開放する一方、筒状流路自身の軸方向の収縮に伴いカバー部材１２との位置変化によってシャッタ機構が連通孔１３３ａを閉塞する。

この冷却装置１１によれば、カバー部材１２との位置変化によって冷却空気の流通を開放または閉塞する構成を具体的に実施でき、高温流体の低温時は、筒状流路に冷却空気を接触させずに冷却を行わず、高温流体の高温時に、筒状流路に冷却空気を接触させて冷却を行うため、高温流体が流通する筒状流路を必要なときに冷却することが可能になり、筒状流路自身の膨張／収縮による簡素な構成によって、製造コストを低減することが可能になる。

また、本実施の形態の冷却装置１１は、カバー部材１２におけるシャッタ機構を除く部分と筒状流路（尾筒１３３）の外壁面との間に断熱部材１６を設ける。

この冷却装置１１によれば、筒状流路が熱膨張する際の熱が、カバー部材１２に伝達する事態を抑制するため、カバー部材１２が筒状流路とともに熱膨張することがなく、シャッタ機構の開閉作動を適宜行わせることが可能になる。しかも、筒状流路とカバー部材１２との熱膨張差を考慮しなくてもよいことから、筒状流路とカバー部材１２とを同一材料で構成することができ、製造コストを低減することが可能になる。

なお、上述した実施の形態２において、カバー部材１２の折返部１２ｂおよび連通孔１２ｃや、これに係わる外カバー部材１７の構成は、冷却空気を通過させる通路をなしており、尾筒１３３の連通孔１３３ａの開閉とは逆に開閉する。この構成により、連通孔１３３ａへの冷却空気の供給または非供給を明確に切り分けて行うことが可能になる。

そして、上述した実施の形態１，２の冷却装置１，１１を燃焼筒（尾筒１３３）に設け、燃焼筒を冷却する燃焼器１１２によれば、温度監視を要せず、高温流体（燃焼ガス）が流通する燃焼筒を必要なときに冷却することが可能になり、燃焼筒が高温になる事態を防いで、オーバーヒートを防止することが可能である。

また、この燃焼器１１２を備えるガスタービンによれば、温度監視を要せず、高温流体（燃焼ガス）が流通する燃焼筒を必要なときに冷却することが可能になり、燃焼筒内の温度上昇の立ち上がりが良く短い時間で適した温度に到達することから、静翼１２１と動翼１２２との間であるガス流路のリーク量の低下が早くなり、動力損失を低減することが可能になる。

１ 冷却装置
２ カバー部材
３ 冷却通路
４ 隔壁
４ａ 貫通孔
５ 供給口
５ａ フランジ
５ｂ 隔壁
６ 断熱部材
７ 外カバー部材
７ａ フランジ
７ｂ フランジ
８ 被覆部材
１１ 冷却装置
１２ カバー部材
１２ａ 連通孔
１２ｂ 折返部
１２ｃ 連通孔
１４ａ 隔壁
１４ｂ 隔壁
１６ 断熱部材
１７ 外カバー部材
１７ａ 連通孔
１７ｂ 伸縮部
１７ｃ 最外カバー部
１７ｄ フランジ
１８ 被覆部材
１１２ 燃焼器
１３３ 尾筒（筒状流路：燃焼筒）
１３３ａ 連通孔
Ｓ 燃焼器軸

Claims (8)

1. 高温流体が軸方向に流通する筒状流路の外周壁の外周を覆い、前記筒状流路の外周壁への冷却空気の流通を開閉するカバー部材を備え、
   前記筒状流路を流通する高温流体の高温時による前記筒状流路自身の軸方向の熱膨張に伴い前記カバー部材との位置変化によって前記筒状流路側への前記冷却空気の流通を開放する一方、前記筒状流路を流通する高温流体の低温時による前記筒状流路自身の軸方向の収縮に伴い前記カバー部材との位置変化によって前記筒状流路側への前記冷却空気の流通を閉塞することを特徴とする冷却装置。
2. 前記筒状流路の外周壁と前記カバー部材との間に形成された冷却通路に冷却空気を供給する供給口を有し、前記筒状流路自身の軸方向の熱膨張に伴って前記供給口を開放する一方、前記筒状流路自身の軸方向の収縮に伴って前記供給口を閉塞することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記冷却通路内であって前記カバー部材の内壁面に、断熱部材を設けることを特徴とする請求項２に記載の冷却装置。
4. 前記冷却通路内であって前記筒状流路の外周壁に、前記筒状流路内外を連通する連通孔を設けることを特徴とする請求項２または３に記載の冷却装置。
5. 前記筒状流路の外周壁に、前記筒状流路内外を連通する連通孔が設けられているとともに、前記カバー部材に、前記連通孔を開閉するシャッタ機構が設けられ、前記筒状流路自身の軸方向の熱膨張に伴い前記カバー部材との位置変化によって前記シャッタ機構が前記連通孔を開放する一方、前記筒状流路自身の軸方向の収縮に伴い前記カバー部材との位置変化によって前記シャッタ機構が前記連通孔を閉塞することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
6. 前記カバー部材における前記シャッタ機構を除く部分と前記筒状流路の外壁面との間に断熱部材を設けることを特徴とする請求項５に記載の冷却装置。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の冷却装置を、燃焼筒に設け、前記燃焼筒を冷却することを特徴とする燃焼器。
8. 請求項７に記載の燃焼器を備えることを特徴とするガスタービン。

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