JP2014098508A - Gas turbine combustor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はガスタービン燃焼器に関する。 The present invention relates to a gas turbine combustor.
ガスタービンなどの燃焼器ライナ、タービン翼、熱交換器、フィン、ボイラ、加熱炉など、冷却、加熱、熱交換等における流体と固体の間の伝熱促進に対しては、各機器に要求される仕様に基づいて様々な構造が考えられている。 Combustor liners such as gas turbines, turbine blades, heat exchangers, fins, boilers, heating furnaces, etc. are required for each device to promote heat transfer between fluid and solid in cooling, heating, heat exchange, etc. Various structures are considered based on the specifications.
例えば、発電用ガスタービンなどの燃焼器においては、ガスタービン効率を損なうことの無い程度の少ない圧力損失で必要な冷却性能を維持し、構造強度の信頼性を維持することが求められている。さらに、環境問題への配慮の観点からは、燃焼器内に生じる窒素酸化物(NOx)の排出量を低減することが求められている。NOxの低減は、燃料と空気を燃焼前に混合して燃焼する予混合燃焼を利用し、かつ燃料と空気の混合比(燃空比)が理論混合比よりも小さい状態で燃焼させることによって図られる。 For example, in a combustor such as a gas turbine for power generation, it is required to maintain necessary cooling performance with a small pressure loss without impairing gas turbine efficiency and to maintain the reliability of structural strength. Furthermore, from the viewpoint of consideration of environmental problems, it is required to reduce the emission amount of nitrogen oxide (NOx) generated in the combustor. NOx reduction is achieved by using premixed combustion in which fuel and air are mixed and burned before combustion, and combustion is performed in a state where the fuel / air mixing ratio (fuel / air ratio) is smaller than the theoretical mixing ratio. It is done.
この点を鑑みたガスタービン燃焼器の伝熱装置(伝熱構造)として、略矩形の板材を筒状に丸めて形成した円筒材を軸方向に複数連結して形成したライナを備えるものがある(特開2001−280154号公報)。当該ライナにおける各円筒材は、隣り合う他の円筒材とオーバーラップして連結されており、当該オーバーラップ部分は溶接及びロー付けで結合されている。また、各円筒材の一方の端部(圧縮機からの圧縮空気の流通方向の下流側)にはプレス加工等で形成した凸部(縦渦発生器)が周方向に沿って複数配置されている。この縦渦発生器は、伝熱媒体(圧縮空気)の流れる方向に回転の中心軸を持つ縦渦を発生させ、当該縦渦によって伝熱媒体の流通路を攪拌する。さらに、当該燃焼器ライナの外周面には、縦渦発生器によって攪拌される伝熱媒体に生じる境界層を破壊するためのリブ(乱流促進体)が、溶接及びロー付け又は遠心鋳造法によって設けられている。 As a heat transfer device (heat transfer structure) for a gas turbine combustor in view of this point, there is one provided with a liner formed by connecting a plurality of cylindrical materials formed by rolling a substantially rectangular plate material into a cylindrical shape in the axial direction. (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-280154). Each cylindrical member in the liner is connected to another adjacent cylindrical member in an overlapping manner, and the overlapping portion is connected by welding and brazing. In addition, a plurality of convex portions (vertical vortex generators) formed by pressing or the like are arranged along the circumferential direction at one end of each cylindrical material (downstream in the flow direction of compressed air from the compressor). Yes. The vertical vortex generator generates a vertical vortex having a central axis of rotation in the flow direction of the heat transfer medium (compressed air), and agitates the flow path of the heat transfer medium by the vertical vortex. Further, on the outer peripheral surface of the combustor liner, ribs (turbulence promoting bodies) for breaking the boundary layer generated in the heat transfer medium stirred by the vertical vortex generator are formed by welding and brazing or centrifugal casting. Is provided.
上記文献が開示する伝熱装置は、従前のものと比較して冷却性能、構造強度および低NOx性等の点で優れたものであったが、製造工程の簡素性及び長寿命性という観点からは構造を改良する余地がある。 The heat transfer device disclosed in the above document was superior in terms of cooling performance, structural strength, low NOx properties, etc., compared to the previous one, but from the viewpoint of simplicity of manufacturing process and long life There is room to improve the structure.
例えば、上記ライナは複数の円筒部材を軸方向に結合して形成されているが、各円筒部材はオーバーラップ部分で溶接接合されている。そのため、当該溶接部分はクラックの発生原因となる可能性があり、溶接を用いない場合(すなわち、単一の円筒部材でライナを形成した場合)と比較して長期間の利用が阻害されるおそれがある。また、溶接箇所が多いと工数が増加するため製造コストが増加する点も指摘できる。この点は、乱流促進体であるリブの取り付けに溶接を利用する場合には一層顕著になる。さらに、溶接を利用すると各円筒部材が熱変形するが、燃焼器ライナと組み合わされる他の円形の部材(例えば、燃料ノズルや予混合ノズルが取り付けられた円板や、トランジションピース(尾筒))への組み込み性が低下し、ライナを再度円形に整形する手間が生じて燃焼器の製造工程が複雑化するおそれもある。また、ライナを形成する各円筒部材のオーバーラップ部分は、二重構造となり他の部分よりも厚くなるため、当該他の部分と比較して伝熱性(冷却性)が低下する点も指摘できる。 For example, the liner is formed by connecting a plurality of cylindrical members in the axial direction, and each cylindrical member is welded and joined at an overlap portion. Therefore, there is a possibility that the welded part may cause cracks, and long-term use may be hindered as compared to a case where welding is not used (that is, when a liner is formed with a single cylindrical member). There is. In addition, it can be pointed out that the manufacturing cost increases because the number of welding points increases the man-hours. This point becomes more prominent when welding is used to attach a rib that is a turbulent flow promoting body. Furthermore, when welding is used, each cylindrical member is thermally deformed, but other circular members that are combined with the combustor liner (for example, a disk with a fuel nozzle or a premix nozzle attached, or a transition piece (tail tube)) As a result, the combustor manufacturing process may be complicated by the trouble of shaping the liner again into a circular shape. Moreover, since the overlap part of each cylindrical member which forms a liner becomes a double structure and becomes thicker than another part, it can also point out that heat conductivity (coolability) falls compared with the said other part.
本発明の目的は、製造工程の簡素性及び長寿命性に優れた伝熱装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a heat transfer device that is excellent in the simplicity and long life of the manufacturing process.
本発明は、上記目的を達成するために、伝熱対象物の表面に沿って流れる伝熱媒体と当該伝熱対象物との間の熱交換を促進する伝熱装置において、前記伝熱対象物を外周から取り囲むベルト状の帯部材と、当該帯部材から伝熱媒体の流路に向かって突出した凸部であって、伝熱媒体の流れ方向に中心軸を有する縦渦を発生させ、前記流路を流れる伝熱媒体を攪拌する縦渦発生部と、前記帯部材上に設けられた線状の凸部であって、前記縦渦発生部により攪拌される伝熱媒体に生ずる境界層を破壊する乱流促進部とを備え、前記縦渦発生部に係る凸部の高さを、前記乱流促進部に係る凸部の高さよりも高くする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a heat transfer device that promotes heat exchange between a heat transfer medium that flows along the surface of the heat transfer object and the heat transfer object. A belt-like belt member that surrounds the outer periphery from the outer periphery, and a convex portion that protrudes from the belt member toward the flow path of the heat transfer medium, generating a vertical vortex having a central axis in the flow direction of the heat transfer medium, A vertical vortex generating portion for stirring the heat transfer medium flowing in the flow path, and a linear convex portion provided on the belt member, the boundary layer generated in the heat transfer medium stirred by the vertical vortex generating portion; A turbulent flow promoting portion that breaks, and the height of the convex portion related to the vertical vortex generating portion is made higher than the height of the convex portion related to the turbulent flow promoting portion.
本発明によれば、伝熱装置の製造に関する溶接箇所を低減できるので、製造工程の簡素化と長寿命化を実現できる。 According to the present invention, it is possible to reduce the number of welding points related to the manufacture of the heat transfer device, so that the manufacturing process can be simplified and the life can be extended.
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、本発明に係る伝熱装置の適用範囲は広いが、ここでは、高温領域でかつ流れが乱流場であるガスタービン燃焼器を例に挙げて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, although the application range of the heat transfer device according to the present invention is wide, here, a gas turbine combustor having a turbulent flow field in a high temperature region will be described as an example.
本発明に係る伝熱装置は、燃焼器ライナを外周から取り囲んで配置した環状の帯部材(シート)に対して、燃焼器ライナと外筒(フロースリーブ)の間に形成される空気用の環状流路に突き出した凸部である縦渦発生部を複数設けることで構成されている。縦渦発生部は、環状流路中の冷却空気の主流方向に対して一定の仰角を有しており、当該流れ方向に回転軸を持つ縦渦を発生する。当該縦渦は、環状流路の外周側(フロースリーブ側)と内周側(ライナ外壁面側)の冷却空気を大きく撹拌する渦を形成して下流に向かって流れる。この冷却空気が大きく撹拌しながら流れるということは、流路の下流に常に低温空気がライナ外壁面側に供給され、当該ライナ外壁面で暖められた空気は流路の外周側に運ばれるため、ライナの対流冷却を効率良く行うことができる。また、帯部材には、縦渦発生部とともに、当該縦渦発生部よりも高さの低い凸部である乱流促進部(リブ)を設けた。乱流促進部の長軸方向は、冷却空気の主流方向と略直角方向で交差しており、これにより環状流路の壁面近傍に小さな縦渦成分を含む複雑な渦が発生する。この渦は、前記の縦渦発生部のような作用はないものの、壁面近傍に生ずる伝熱媒体の境界層を破壊する効果が大きいため、縦渦発生部と併用することによってより大きな冷却促進効果が得られる。このように縦渦発生部及び乱流促進部を燃焼器ライナと異なる帯部材に構成すると、燃焼器ライナに溶接を利用する必要がないので、当該溶接に起因する製造コストの増加や燃焼器ライナの短寿命化などを抑制できる。 The heat transfer device according to the present invention is an air ring formed between a combustor liner and an outer cylinder (flow sleeve) with respect to an annular belt member (sheet) disposed so as to surround the combustor liner from the outer periphery. It is configured by providing a plurality of vertical vortex generating portions which are convex portions protruding into the flow path. The vertical vortex generator has a constant elevation angle with respect to the main flow direction of the cooling air in the annular flow path, and generates a vertical vortex having a rotation axis in the flow direction. The vertical vortex flows downstream by forming a vortex for greatly stirring the cooling air on the outer peripheral side (flow sleeve side) and the inner peripheral side (liner outer wall surface side) of the annular flow path. The fact that this cooling air flows with large agitation means that low temperature air is always supplied to the liner outer wall surface downstream of the flow path, and the air warmed by the liner outer wall surface is carried to the outer periphery side of the flow path, The convection cooling of the liner can be performed efficiently. Moreover, the turbulent flow promotion part (rib) which is a convex part lower than the said vertical vortex generating part was provided in the strip | belt member with the vertical vortex generating part. The major axis direction of the turbulent flow promoting portion intersects the main flow direction of the cooling air in a substantially right angle direction, thereby generating a complex vortex including a small vertical vortex component in the vicinity of the wall surface of the annular flow path. Although this vortex does not act like the vertical vortex generator, it has a great effect of destroying the boundary layer of the heat transfer medium generated in the vicinity of the wall surface. Is obtained. If the longitudinal vortex generator and the turbulent flow promoting portion are configured as a band member different from the combustor liner, it is not necessary to use welding for the combustor liner. It is possible to suppress the shortening of the service life.
図1は本発明の実施の形態に係るガスタービン燃焼器を縦断図で示すとともに、これを備えるガスタービンプラント(ガスタービン発電設備)の概略構成図である。この図に示すガスタービンプラントは、空気を圧縮して高圧の燃焼空気(圧縮空気)を生成する圧縮機1と、圧縮機1から導入される燃焼空気2と燃料を混合して燃焼させることで、高温の燃焼ガス4を生成する燃焼器6と、燃焼器6で生成された燃焼ガス4のエネルギーにより軸駆動力を得るタービン3と、タービン3によって駆動され発電を行う発電機7とを備えている。なお、図示した圧縮機1、タービン3及び発電機7の回転軸は機械的に連結されている。
FIG. 1 is a schematic view of a gas turbine combustor (gas turbine power generation facility) including the gas turbine combustor according to the embodiment of the present invention in a longitudinal view. The gas turbine plant shown in this figure compresses air to produce high-pressure combustion air (compressed air), and mixes and
燃焼器6は、外筒(フロースリーブ)10と、外筒10の内側に間隔を介して設けられ、燃焼室5を内部に形成する円筒状の燃焼器ライナ(内筒)8と、ライナ8のタービン3側の開口部に連接され、燃焼室5で生成された燃焼ガス4をタービン3に導くトランジションピース(尾筒)9と、外筒10とライナ8の間に形成され、圧縮機1から供給される燃焼空気(伝熱媒体)2が流通する環状流路11と、ライナ8の燃焼ガス流通方向上流側端部を全面的に塞ぎ、片側端面が燃焼室5に臨むようにライナ8の中心軸に略直交して配置されている略円板状のプレート12と、プレート12上に配置された複数のバーナ13を備えている。
The combustor 6 is provided with an outer cylinder (flow sleeve) 10, a cylindrical combustor liner (inner cylinder) 8 that is provided inside the
図2は本発明の第1の実施の形態に係る燃焼器ライナ8の斜視図であり、図3は図2中のIII-III断面における伝熱装置の断面図であり、図4は図2中の円筒状の伝熱装置を平面状に展開したときの上面図であり、図5は図3中のV方向から伝熱装置(燃焼器)を見た矢視図である。図1中に矢印で示した方向は燃焼空気2の流通方向である。なお、先の図と同じ部分には同じ符号を付して説明は省略することがある(後の図も同様とする)。
2 is a perspective view of the
これらの図に示すライナ8は溶接接合部の無い単一の円筒部材で形成されている。ライナ8の外周の環状流路11にはライナ8の外周面に沿って高圧の燃焼空気2が流れており、ライナ(伝熱対象物)8は当該燃焼空気(伝熱媒体)と熱交換をすることで冷却される。ライナ8の外周には、伝熱媒体である燃焼空気とライナ8の熱交換を促進する手段として、伝熱装置20が設置されている。伝熱装置20はライナ8に対して複数取り付けられており、図2の例では3つの伝熱装置20がライナ8の軸方向(伝熱媒体の流れ方向)に沿って所定の間隔を介して配置されている。伝熱装置20は、シート(帯部材)21と、縦渦フィン(縦渦発生部)22と、リブ(乱流促進部)23を備えている。
The
シート21は、ライナ8をその外周から取り囲むベルト状の部材である。図示した例のシート21は、略矩形状に形成されおり、ライナ8の外周に巻き付けられている。ライナ8の外周面上にシート21を固定する方法としては、シート21として長方形状の板部材を用意しておき、そのシート21をライナ8の表面に巻き付け、その後、シート21の複数箇所にスポット溶接を施すものがある。なお、シート21は、当初は長方形状の板部材であり、当該板部材を曲げて円筒状とすることで図示したようなベルト状の部材とするものである。シート21をライナ8に巻き付ける前に、後述するように縦渦フィン22とリブ23をシート21に成型加工しておくことが好ましい。
The
縦渦フィン22は、シート21から環状流路11に向かって突出した凸部であり、縦渦フィン22の高さは、燃焼空気の流れ方向の下流側に向かって徐々に高くなっている(図3参照)。また、本実施の形態に係る縦渦フィン22は、図4に示すように、燃焼空気の流れ方向に対して所定の角度(仰角)θ(例えば、10°〜20°)で下流側に向かって左右に広がる2つのフィンを1組として形成されており、当該1組のフィンはシート21の周方向に所定の間隔を介して複数配列されている。このように縦渦フィン22を構成すると、図5に示したように、燃焼空気の流れ方向に中心軸を有する縦渦が発生し、環状流路11を流れる燃焼空気が攪拌される。そして、角度θで左右に広がる1組のフィンでは、図5に示すように回転方向が互いに逆向きの縦渦が発生する。
The
縦渦フィン22をシート21上に設ける方法としては、縦渦フィン22の形状に対応する金型を用意しておき、当該金型をプレス機等でプレスすることでシート21に成型加工するものがある。このようにプレス加工で縦渦フィン22を形成すると、シート21と同一の部材に縦渦フィン22を容易に設けることができ、製造方法の簡素化により製造コスト低減も図れる。なお、図示した、流れ方向に対して角度θで傾いた1組の縦渦フィン22は、プレス機による1回のプレスで形成されるもので、当該2つのフィンの間のシート21はプレス時に打ち抜かれて開口部となっている。なお、1回のプレスで複数組の縦渦フィン22を一度に成型しても良い。
As a method of providing the
リブ23は、ライナ8の周方向に沿ってシート21上に設けられた線状の凸部である。図示したリブ23は、矩形状の断面を有しているが、後述する機能をそうする形状であれば他のものでも良い。また、リブ23は、燃焼空気の流れ方向に対して略直交する方向に沿ってシート21上に配設されており、図示したリブ23は、シート21の2つの端辺(長方形のシート21の2つの長辺)にそれぞれ設けられている。このようにリブ23を形成すると、ライナ8の表面近傍に小さな縦渦成分を含む複雑な渦が発生する。この渦は、縦渦フィン22のような流路11の全体を大きく攪拌する効果は持たないものの、縦渦フィン22により攪拌される燃焼空気がライナ8の表面近傍に発生させる境界層を破壊する効果を奏するので、縦渦フィン22と併用すると冷却効果を促進できる。リブ23の高さは、縦渦フィン22の高さよりも低くなっており、境界層を破壊する観点からは当該境界層の厚さに対応する1〜3mm程度とすることが好ましい。
The
リブ23をシート21上に設ける方法としては、燃焼空気の流れ方向に対して略直交するように配置されるシート21の両端を折り曲げて成型加工するものがある。このように曲げ加工でリブ23を成型すると、シート21と同一の部材にリブ23を容易に設けることができ、製造方法の簡素化により製造コスト低減も図れる。なお、リブ23と縦渦フィン22のシート21に対する成型順序に特に限定はなく、いずれを先に成型しても良い。また、図示した例では、シート21の上流及び下流の両端にリブ23を設ける場合について説明したが、いずれか一方に設けるだけでも良い。さらに、図示した例ではリブ23をシート21の全周に設けたが周方向の一部に設けても良く、また、リブ23の設置位置はシート21上であれば端部でなくても良い。
As a method of providing the
なお、ライナ8の軸方向に配置される複数の伝熱装置20(シート21)の間隔は、前段の縦渦フィン22によって発生する渦が消滅する位置より短い距離とし、常にライナ8の外周面上で縦渦が存在するようにする。また、伝熱装置20をライナ8に巻き付けて一体化することで、局所的にライナ8の板厚が増すことから構造的強度が増加する。それにより、構造的強度の信頼性向上および長寿命化も図ることができる。
The interval between the plurality of heat transfer devices 20 (sheets 21) arranged in the axial direction of the
上記のように構成した本実施の形態に係る伝熱装置20によれば、何も加工を施していない単純円筒のライナ8に対して、ベルト状のシート21を巻き付けて適宜スポット溶接等で固定するだけで伝熱装置20を取り付けることができる。そのため、ライナ8に対して溶接が行われることが無いので、溶接に起因する不具合(例えば、クラック、工数増加、熱変形等)の発生を防止できる。また、縦渦フィン22及びリブ23を有する伝熱装置20は、単一の部材(シート21)で成型されているので、複数の部材を組み合わせて伝熱装置を製造する場合と比較して加工及び製造が容易であり、製造コストを削減することができる。さらに、上記文献に係る技術のように、ライナを複数に分割して得た部材同士のオーバーラップ部での伝熱性の低下が懸念されることもない。したがって、本実施の形態によれば、伝熱装置20の製造に関する溶接箇所を低減できるので、製造工程の簡素化と長寿命化を実現できる。
According to the
次の本発明の第2の実施の形態について図6及び図7を用いて説明する。本実施の形態に係る伝熱装置20Aは、第1の実施の形態の伝熱装置20に対して複数のフィン24を追加したものに相当し、他の部分は第1の実施の形態と同じなので説明は省略する。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The
図6は図3と同じ断面における伝熱装置20Aの断面図であり、図7は図4と同様に伝熱装置20Aを平面状に展開したときの上面図である。これらの図示に召す伝熱装置20Aは、シート21上で縦渦フィン22とリブ23(上流側のリブ23又は下流側のリブ23)の間に位置し、燃焼空気の流れ方向に沿って延びるフィン(フィン部)24を複数備えている。図示した例では、フィン24の高さはリブ23の高さと同等としている。フィン24の製造方法は、縦渦フィン22と同様に、プレス機等の工作機械によりシート21に成型加工するものがある。また、上流側のリブ23と縦渦フィン22の間に位置するフィン24のライナ8における周方向の位置と、縦渦フィン22と下流側のリブ23の間に位置するフィン24のライナ8の周方向における位置は異なっており、両者は一方のフィン24の周方向配置間隔の半分だけずれて配置されている。
FIG. 6 is a cross-sectional view of the
上記のようにフィン24を設けると、リブ23によって発生される渦が他の渦と干渉することが抑制されて壊れにくくなる。これにより、第1の実施の形態よりも境界層の破壊が容易になる。また、第1の実施の形態に係る伝熱装置20では、シート21をライナ8表面に巻き付ける構造上、ライナ8とシート21(伝熱装置20)が重なる領域(オーバーラップ部)が発生するため、当該領域で局所的に伝熱特性が低下するおそれがあった。これに対して、本実施の形態では、プレス加工によってフィン24を設けることによりシート21に開口部が設けられることになるので、当該領域の面積を減少させることができる。これにより、ライナ8とシート21の伝熱特性を向上できる。
When the
次の本発明の第3の実施の形態について図8及び図9を用いて説明する。本実施の形態に係る伝熱装置20Bは、第1の実施の形態のシート21に複数の貫通孔(開口部)25を設けたものに相当する。他の部分は第1の実施の形態と同じなので説明は省略する。
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The
図8は図3と同じ断面における伝熱装置20Bの断面図であり、図9は図4と同様に伝熱装置20Bを平面状に展開したときの上面図である。これらの図示に示す伝熱装置20Bは、シート21に設けられた複数の貫通孔25を備えている。シート21上における貫通孔25の配置に特に限定は無いが、伝熱装置20Bの伝熱特性を均等化する観点からは、シート21上に均等配置することが好ましい。また、図示した貫通孔25は円形であるが、その形状に特に限定は無い。貫通孔25の加工方法としては、先述の各部と同様に、プレス機等の工作機械によりシート21を打ち抜いて成型するものがある。
FIG. 8 is a cross-sectional view of the
このように貫通孔25を設けても、ライナ8とシート21(伝熱装置20)が重なる領域の面積を減少させることができるので、ライナ8とシート21の伝熱特性を向上できる。
Even if the through
次の本発明の第4の実施の形態について図10及び図11を用いて説明する。本実施の形態に係る伝熱装置20Cは、第1の実施の形態のシート21に複数の縦渦フィン22Aを設けたものに相当する。他の部分は第1の実施の形態と同じなので説明は省略する。
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The
図10は図3と同じ断面における伝熱装置20Cの断面図であり、図11は図4と同様に伝熱装置20Cを平面状に展開したときの上面図である。これらの図示に召す伝熱装置20Cは、シート21上に燃焼空気の流れ方向に沿って所定の間隔を介して並列配置された複数の縦渦フィン22Aを備えている。図示した伝熱装置20Cでは、燃焼空気の流れ方向に2列の縦渦フィン22Aが配置されており、各列の縦渦フィン22Aは、ライナ8の周方向に沿って複数配列されている。また、上流側の列の縦渦フィン22Aの配置位置と、下流側の列の縦渦フィン22Bの配置位置とは、一方の列における縦渦フィン22Aの周方向間隔の半分だけずれている。このように各列の縦渦フィン22Aの配置位置を異ならせると、各列で発生する縦渦の干渉を抑制できるというメリットがある。
FIG. 10 is a cross-sectional view of the
上記のようにシート21上の縦渦フィン22Aの個数を増加させると、燃焼空気に発生する縦渦の発生数を増加することができる。この場合の縦渦フィン22Aの形状は、第1の実施の形態のものと比較して、製作寸法上、小型化するものと考えられるが、当該縦渦フィン22Aによって発生する小さな縦渦は、リブ23の機能と組み合わさることにより、ライナ8の表面近傍の燃焼空気流を更に撹拌するので、境界層の破壊作用を向上できる。したがって、本実施の形態によれば、ライナ8の冷却効率を向上できる。
When the number of the
なお、各列(すなわち、一列目と二列目)の縦渦フィン22Aの大きさ・高さを変えることにより、発生する縦渦の大きさを変化させても良い。
It should be noted that the size of the vertical vortex generated may be changed by changing the size and height of the
次の本発明の第5の実施の形態について図12及び図13を用いて説明する。本実施の形態に係る伝熱装置20Dは、第1の実施の形態の伝熱装置20(シート21)に対して複数の隔壁(隔壁部)26を追加したものに相当する。他の部分は第1の実施の形態と同じなので説明は省略する。
A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The
図12は本発明の第5の実施の形態に係る燃焼器ライナの斜視図であり、図13は図5と同じ方向から伝熱装置20Dを見た矢視図である。これらの図に示した伝熱装置20Dは、シート21に取り付けられ、燃焼空気の流れ方向に沿って延びる複数の隔壁26を備えている。各隔壁26は、ライナ8の軸方向において異なる位置に設置された複数のシート21に架け渡されている。また、各隔壁26は、1組の縦渦フィン22を区切るように当該1組の縦渦フィン22の左右両側に設置されており、ライナ8に対する軸方向位置が異なる他の伝熱装置20Dの縦渦フィン22も同様に区切っている。各隔壁26の高さは、縦渦フィン22の高さよりも高くなっている。
FIG. 12 is a perspective view of a combustor liner according to a fifth embodiment of the present invention, and FIG. 13 is an arrow view of the
既に述べたように、1組の縦渦フィン22において対向する2つの縦渦フィンが発生する渦の回転方向は互いに逆向きになるため、当該1組の縦渦フィン22とライナ8の周方向で隣接する他の縦渦フィン22の形成する縦渦が互いに干渉するおそれがあった。これに対して、上記のように隔壁26を設けると、図13に示すように、隣接する他の縦渦フィン22の形成する縦渦との干渉を抑制できるので、縦渦崩壊を防止できる。さらに本実施の形態では、1組の縦渦フィン22によって発生する1対の渦の独立作用を高めるために、1対の縦渦フィンごとに燃焼空気の流れ方向に沿って隔壁32を設けた。これにより、各々隔壁26で区切られた流路内に1対の縦渦フィン22が設置されることから、隣接する渦の影響を受けることがなく、安定した渦の独立作用を得ることが可能となる。また、伝熱媒体の流れ方向に沿って隔壁32を設けているので、圧力損失の増加を招くことなく、放熱フィンとしての作用も同時に得ることができるため、ライナ8の冷却効率を向上できる。
As described above, the rotation directions of the vortexes generated by the two vertical vortex fins facing each other in the pair of
次の本発明の第6の実施の形態について図14、図15及び図16を用いて説明する。本実施の形態に係る伝熱装置20E,20Fは、第1の実施の形態の伝熱装置20(シート21)をライナ8の外表面から径方向に間隔を介して配置したものに相当する。他の部分は第1の実施の形態と同じなので説明は省略する。
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 14, FIG. 15 and FIG. The
図14は本発明の第6の実施の形態に係る燃焼器ライナの斜視図であり、図15は図14中のXV-XV断面における伝熱装置20Eの断面図であり、図16は図14中のXVI-XVI断面における伝熱装置20Fの断面図である。これらの図に示したライナ8は、ライナ8の軸方向に所定の間隔を介して配置された2つの伝熱装置20Eと、この2つの伝熱装置20Eの間に位置するように配置された伝熱装置20Fを備えている。
14 is a perspective view of a combustor liner according to a sixth embodiment of the present invention, FIG. 15 is a cross-sectional view of the
伝熱装置20E,20Fは、それぞれ、シート21Aと、リブ23Aと、サポート(支持部材)27を備えている。シート21Aは、ライナ8の外周面の外側(ライナ8の径方向外側)に間隔を介して配置された円筒状の部材である。シート21Aの径は、ライナ8の径よりも大きく、ライナ8の円筒とともにシート21Aによって形成される円筒が配置される二重円筒方式となっている。シート21Aは、ライナ8の外周面(外表面)から突出するように取り付けられたサポート27を介してライナ8に固定されている。
Each of the
リブ23Aは、シート21Aの軸方向の両端に対応するように、ライナ8の外周面上に取り付けられている。すなわち、リブ23Aの位置は、第1の実施の形態のもの(リブ23)と同じである。
The ribs 23A are attached on the outer peripheral surface of the
伝熱装置20Eは、図15に示すように、シート21Aと外筒10によって画定される外側環状流路11Aに向かって突出する凸部である縦渦フィン22を備えている。すなわち、縦渦フィン22は、第1の実施の形態と同様にライナ8における径方向の外側に向かって突出している。一方、伝熱装置Fは、図16に示すように、シート21Aとライナ8によって画定される内側環状流路11Bに向かって突出する凸部である縦渦フィン22Bを備えている。すなわち、縦渦フィン22Bは、ライナ8における径方向の内側に向かって突出している。そして、縦渦フィン22が設けられたシート21Aと、縦渦フィン22Bが設けられたシート21Aは、燃焼空気の流れ方向(ライナ8の軸方向)において交互に配置されている。
As shown in FIG. 15, the
このように燃焼器ライナを構成すると、伝熱装置20Eの近傍ではシート21Aの外周側(外側環状流路11A)に縦渦が形成され、伝熱装置20Fの近傍ではシート21Aの内周側(内側環状流路11B)に縦渦が形成されることになり、ライナ8を全体でみるとその外周面に近いところと遠いところで交互に縦渦が形成されることになる。これにより、低温状態の燃焼空気と高温状態の燃焼空気を効果的に撹拌できるのでライナ8の冷却効率を向上できる。
When the combustor liner is configured in this manner, a vertical vortex is formed on the outer peripheral side (outer
なお、本実施の形態では、内側と外側に縦渦フィンを有する伝熱装置を交互に配置したが、内側及び外側の一方に縦渦フィンを有する伝熱装置をライナ8の軸方向に複数配置しても良い。
In the present embodiment, the heat transfer devices having the vertical vortex fins on the inner side and the outer side are alternately arranged, but a plurality of heat transfer devices having the vertical vortex fins on the inner side and the outer side are arranged in the axial direction of the
次の本発明の第7の実施の形態について図17を用いて説明する。本実施の形態に係る伝熱装置20Gは、第6の実施の形態の伝熱装置20Eをライナ8の軸方向に複数配置し、各伝熱装置20Eがライナ8の外周とともに形成する内側環状流路11B内に波板状の放熱体28を追加したものに相当する。
Next, a seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the
図17は本発明の第7の実施の形態に係る燃焼器ライナの斜視図である。この図に示す伝熱装置20Gがライナ8の外周とともに形成する内側環状流路11B内には、板材を蛇腹状に折って形成した波板状の放熱体28が挿入されている。このように環状流路11B内に放熱体28を挿入すると、ライナ8の外表面の熱が放熱体28を介して燃焼空気に放熱される。さらに、縦渦フィン22が発生する縦渦の作用により燃焼空気が撹拌され、低温状態の燃焼空気が効果的に放熱体28に供給されるので、ライナ8の冷却効率を向上できる。
FIG. 17 is a perspective view of a combustor liner according to a seventh embodiment of the present invention. A corrugated plate-
ところで、本発明は、上記の各実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば、本発明は、上記の各実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、ある実施の形態に係る構成の一部を、他の実施の形態に係る構成に追加又は置換することが可能である。 By the way, this invention is not limited to said each embodiment, The various modifications within the range which does not deviate from the summary are included. For example, the present invention is not limited to the one having all the configurations described in the above embodiments, and includes a configuration in which a part of the configuration is deleted. In addition, part of the configuration according to one embodiment can be added to or replaced with the configuration according to another embodiment.
また、上記の各実施の形態では、伝熱対象物がガスタービン燃焼器のライナの場合についてのみ説明したが、空気等の伝熱媒体が表面に沿って流れる物体であれば、本発明は燃焼器ライナと同様に適用することができる。また、上記の各実施の形態では、伝熱対象物たる燃焼器ライナを伝熱媒体で冷却する場合について説明したが、伝熱対象物を伝熱媒体で加熱する場合についても本発明は同様に適用することができる。 In each of the above embodiments, only the case where the heat transfer object is a liner of a gas turbine combustor has been described. However, if the heat transfer medium such as air flows along the surface, the present invention is combusted. It can be applied in the same way as a container liner. In each of the above embodiments, the case where the combustor liner as the heat transfer object is cooled by the heat transfer medium has been described. However, the present invention is similarly applied to the case where the heat transfer object is heated by the heat transfer medium. Can be applied.
1…圧縮機、2…燃焼空気、3…タービン、4…燃焼ガス、5…燃焼室、6…燃焼器、7…発電機、8…ライナ、9…トランジションピース、10…外筒、11…環状流路、12…プレート、13…バーナ、20…伝熱装置、21…シート、22…縦渦フィン、23…リブ、24…フィン、25…貫通孔、26…隔壁、27…サポート、28…放熱体
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記伝熱対象物を外周から取り囲むベルト状の帯部材と、
当該帯部材から伝熱媒体の流路に向かって突出した凸部であって、伝熱媒体の流れ方向に中心軸を有する縦渦を発生させ、前記流路を流れる伝熱媒体を攪拌する縦渦発生部と、
前記帯部材上に設けられた線状の凸部であって、前記縦渦発生部により攪拌される伝熱媒体に生ずる境界層を破壊する乱流促進部とを備え、
前記縦渦発生部に係る凸部の高さは、前記乱流促進部に係る凸部の高さよりも高いことを特徴とする伝熱装置。 In the heat transfer device that promotes heat exchange between the heat transfer medium flowing along the surface of the heat transfer object and the heat transfer object,
A belt-like belt member surrounding the heat transfer object from the outer periphery;
A convex portion protruding from the belt member toward the flow path of the heat transfer medium, generating a vertical vortex having a central axis in the flow direction of the heat transfer medium, and stirring the heat transfer medium flowing through the flow path A vortex generator,
A linear convex portion provided on the belt member, comprising a turbulence promoting portion for breaking a boundary layer generated in a heat transfer medium stirred by the vertical vortex generating portion,
The height of the convex part which concerns on the said vertical vortex generating part is higher than the height of the convex part which concerns on the said turbulent flow promotion part, The heat transfer apparatus characterized by the above-mentioned.
前記帯部材は、前記伝熱対象物の外周に巻き付けられていることを特徴とする伝熱装置。 The heat transfer device according to claim 1,
The belt member is wound around an outer periphery of the heat transfer object.
前記帯部材における前記縦渦発生部と前記乱流促進部の間に位置し、伝熱媒体の流れ方向に沿って延びるフィン部をさらに備え、
前記フィン部の高さは、前記乱流促進部に係る凸部の高さと同等であることを特徴とする伝熱装置。 The heat transfer device according to claim 1,
A fin portion positioned between the longitudinal vortex generating portion and the turbulent flow promoting portion in the belt member and extending along the flow direction of the heat transfer medium;
The height of the said fin part is equivalent to the height of the convex part which concerns on the said turbulent flow promotion part, The heat transfer apparatus characterized by the above-mentioned.
前記帯部材に設けられた複数の孔をさらに備えることを特徴とする伝熱装置。 The heat transfer device according to claim 1,
The heat transfer device further comprising a plurality of holes provided in the belt member.
前記縦渦発生部は、伝熱媒体の流れ方向に沿って前記帯部材上に複数設けられていることを特徴とする伝熱装置。 The heat transfer device according to claim 1,
A plurality of the vertical vortex generators are provided on the belt member along the flow direction of the heat transfer medium.
前記帯部材は、前記伝熱対象物と間隔を介して配置されており、
前記帯部材を前記伝熱対象物の表面に固定する支持部材をさらに備えることを特徴とする伝熱装置。 The heat transfer device according to claim 1,
The belt member is arranged with a space from the heat transfer object,
A heat transfer device further comprising a support member for fixing the belt member to the surface of the heat transfer object.
前記縦渦発生部は、前記帯部材と前記伝熱対象物によって画定される流路に向かって突出した第1の凸部、又は、前記帯部材から当該帯部材の外側に向かって突出した第2の凸部であることを特徴とする伝熱装置。 The heat transfer device according to claim 6,
The vertical vortex generator is a first protrusion protruding toward a flow path defined by the band member and the heat transfer object, or a first protrusion protruding from the band member toward the outside of the band member. A heat transfer device characterized by being two convex portions.
前記帯部材は、伝熱媒体の流れ方向に沿って前記伝熱対象物に対して複数配置されており、
当該複数の帯部材に設けられた前記縦渦発生部は、前記帯部材と前記伝熱対象物によって画定される流路に向かって突出した第1の凸部、又は、前記帯部材から当該帯部材の外側に向かって突出した第2の凸部であり、
前記第1の凸部が設けられた帯部材と、前記第2の凸部が設けられた帯部材は、伝熱媒体の流れ方向において交互に配置されていることを特徴とする伝熱装置。 The heat transfer device according to claim 6,
A plurality of the band members are arranged with respect to the heat transfer object along the flow direction of the heat transfer medium,
The vertical vortex generating portion provided in the plurality of belt members is a first protrusion protruding toward a flow path defined by the belt member and the heat transfer object, or the belt from the belt member. A second protrusion protruding toward the outside of the member;
The belt member provided with the first convex portion and the belt member provided with the second convex portion are alternately arranged in the flow direction of the heat transfer medium.
前記帯部材と前記伝熱対象物の間に位置する間隙に挿入された波板状の放熱体をさらに備えることを特徴とする伝熱装置。 The heat transfer device according to claim 6,
A heat transfer device, further comprising a corrugated heat sink inserted in a gap located between the belt member and the heat transfer object.
前記帯部材に取り付けられ、伝熱媒体の流れ方向に沿って延びる隔壁部をさらに備え、
当該隔壁部の高さは、前記縦渦発生部の高さより高いことを特徴とする伝熱装置。 The heat transfer device according to claim 1,
A partition part attached to the belt member and extending along the flow direction of the heat transfer medium;
The height of the said partition part is higher than the height of the said vertical vortex generating part, The heat transfer apparatus characterized by the above-mentioned.
長方形状の板部材に型をプレスすることで前記縦渦発生部を成型加工する手順と、
前記板部材の長辺の少なくとも1辺を折り曲げて前記乱流促進部を成型加工する手順と、
前記縦渦発生部及び前記乱流促進部が加工された前記板部材を曲げて円筒状とすることで前記帯部材としつつ、当該帯部材を前記伝熱対象物の外周上に固定または当該外周面から間隔を空けて固定する手順とを備えることを特徴とする伝熱装置の製造方法。 In the manufacturing method of the heat-transfer apparatus of Claim 1,
A procedure for molding the vertical vortex generating part by pressing a mold on a rectangular plate member,
A procedure for forming the turbulence promoting portion by bending at least one side of the long side of the plate member;
The band member is fixed on the outer periphery of the heat transfer object or the outer periphery while bending the plate member processed with the vertical vortex generating part and the turbulent flow promoting part into a cylindrical shape. And a procedure for fixing with a space from the surface.
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