JP2017160874A - 燃焼器用パネル、燃焼器、燃焼装置、ガスタービン、及び燃焼器用パネルの冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】開口が形成されている燃焼器用パネルの耐久性を高める。【解決手段】燃焼器用パネルの外面と内面との間には、複数の冷却流路３５が形成されている。冷却流路３５は、外面で開口して内部に冷却媒体を導く入口３６ｉと、内面で開口して内部を流れてきた冷却媒体を排出する出口３６ｏと、を有する。複数の冷却流路３５のうち、燃焼器用パネルの開口３７の縁に沿った位置から延びる複数の冷却流路３５は、それぞれ開口周り流路３５ａを成す。複数の開口周り流路３５ａのうち、出口３６ｏよりも入口３６ｉが開口側に形成されている開口側入口流路３５ａｉの数は、全ての開口周り流路３５ａの半数より多い。または、全ての開口周り流路３５ａが開口側入口流路３５ａｉである。【選択図】図４

Description

本発明は、燃焼ガスが流れる流路を画定する燃焼器用パネル、燃焼器、燃焼装置、ガスタービン、及び燃焼器用パネルの冷却方法に関する。

ガスタービンの燃焼器は、燃焼ガスの流路を画定する尾筒（又は燃焼筒）と、この尾筒内に空気と共に燃料を噴射する燃料噴射器と、を備えている。尾筒内では、燃料が燃焼すると共に、燃料の燃焼で生成された燃焼ガスが流れる。このため、尾筒の内周面は、極めて高温の燃焼ガスに晒される。

例えば、以下の特許文献１に開示されている尾筒には、外周側から内周側の燃焼ガス流路に空気を供給するための開口が形成されている。

実開昭６１−１３５１６９号公報

尾筒内では、燃料が燃焼すると共に、燃料の燃焼で生成された燃焼ガスが流れる。このため、尾筒を構成するパネルは、極めて高温の燃焼ガスに晒される。このように、尾筒を構成するパネルは、極めて高温の燃焼ガスに晒されるものの、耐久性の向上が望まれている。

そこで、本発明は、耐久性を高めることができる燃焼器用パネル、燃焼器、燃焼装置、及び燃焼器用パネルの冷却方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための発明に係る第一態様としての燃焼器用パネルは、
軸線が延びる軸方向の上流側から下流側に燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路の周囲を画定する燃焼器用パネルにおいて、前記燃焼ガスに対向する内面と、前記内面と相反する側を向く外面と、前記外面から前記内面に貫通した開口と、前記内面と前記外面との間を前記内面に沿った方向に延びて、内部を冷却媒体が流れる複数の冷却流路と、が形成され、複数の前記冷却流路は、それぞれ、前記外面で開口して内部に冷却媒体を導く入口と、前記内面で開口して内部を流れてきた前記冷却媒体を排出する出口と、を有し、複数の前記冷却流路のうち、前記開口の縁に沿った位置から前記内面に沿った方向に延びる複数の前記冷却流路が、それぞれ開口周り流路を成し、複数の前記開口周り流路のうち、前記出口よりも前記入口が前記開口側に形成されている開口側入口流路の数は、全ての前記開口周り流路の半数より多い、又は、全ての前記開口周り流路が前記開口側入口流路である。

燃焼器用パネル中で開口の周りには、開口の形成過程で生じた応力が残っていることが多い。つまり、開口の周りには残留応力が存在する場合が多い。また、冷却流路の出口は、燃焼器用パネルの内面に形成されている。このため、燃焼器用パネルの内面であって、この出口の周りにも、残留応力が存在する場合が多い。

仮に、開口周り流路の開口側に出口を形成すると、開口の縁に開口周り流路の出口が極めて近接する。このため、高温の燃焼ガスに対向する燃焼器用パネルの内面であって、開口の周りには、より高い応力が残ることになる。そこで、開口の縁から開口周り流路までの最短距離を大きくすると、開口周りに広い無冷却領域が生じることになり、この無冷却領域に高い熱応力が発生する。さらに、開口周り流路の出口に至る冷却空気は、開口周り流路を流れてきた冷却空気であるため、開口周り流路を流れている過程で加熱されており、冷却能力が低い。よって、開口周りの冷却能力が低下し、この観点からも、この開口周りに高い熱応力が発生する。

そこで、当該燃焼器用パネルでは、全ての開口周り流路の半数より開口側入口流路の数を多くしている、又は、全ての開口周り流路を開口側入口流路にしている。開口周り流路の入口は、燃焼器用パネルの外面に形成される。このため、高温の燃焼ガスに対向する燃焼器用パネルの内面であって、開口の周りの残留応力を、開口周り流路の出口を開口側に形成した場合よりも小さくすることができる。このため、開口の縁から開口周り流路までの最短距離を小さくすることができる。さらに、開口周り流路の入口に流入してきた冷却空気は、未だ開口周り流路を流れていない冷却空気であるため、冷却能力が高い。よって、当該燃焼器用パネルでは、空気開口周りの冷却能力が高まり、この開口周りの熱応力の発生を抑えることができる。

上記目的を達成するための発明に係る第二態様としての燃焼器用パネルは、
前記第一態様の前記燃焼器用パネルにおいて、複数の前記開口周り流路のうち、一部が前記開口側入口流路であり、残りの一部が前記出口よりも前記入口が前記開口側に形成されていない非開口側入口流路であり、前記非開口側入口流路は、前記開口の縁に沿った方向で前記開口側入口流路に隣接し、他の前記非開口側入口流路と隣接していない。

当該燃焼器用パネルでは、開口周りで、冷却能力の低い領域を極めて狭くすることができる。

上記目的を達成するための発明に係る第三態様としての燃焼器用パネルは、
以上のいずれか一の前記燃焼器用パネルにおいて、複数の前記開口周り流路のうち、前記開口の縁に沿った方向で互いに隣接している二つの開口周り流路は、いずれも、前記開口側入口流路であり、前記二つの開口側入口流路は、流路長が互いに異なる。

互いに隣接する二つの開口側入口流路のそれぞれの流路長が同じである場合、一の開口側入口流路の出口が、この一の開口側入口流路の延在方向で、他の開口側入口流路の出口の位置とほぼ同じ位置になる。すなわち、二つの開口側入口流路の出口が互いに近接することになる。開口側入口流路の出口に至る冷却空気は、開口側入口流路を流れてきた冷却空気であるため、冷却能力が低い。よって、二つの開口側入口流路の開口に対して遠い側の各端を含む領域は、冷却能力の低い領域になる。

そこで、当該燃焼器用パネルでは、流路長の短い開口側入口流路と流路長の長い開口側入口流路とを隣接させている。この結果、二つの開口側入口流路の出口の相互間距離が大きくなり、冷却能力が低い領域を離散させ且つ狭くすることができる。

上記目的を達成するための発明に係る第四態様としての燃焼器用パネルは、
前記第三態様の前記燃焼器用パネルにおいて、前記二つの開口側入口流路のうち流路長の短い第一開口側入口流路の延長線上に、前記第一開口側入口流路に隣接する前記冷却流路としての第一隣接流路が配置され、前記二つの開口側入口流路のうち流路長の長い第二開口側入口流路の延長線上に、前記第二開口側入口流路に隣接する前記冷却流路としての第二隣接流路が配置され、前記第一隣接流路は、前記入口よりも前記開口側に前記出口が形成され、前記第二隣接流路は、前記出口よりも前記開口側に前記入口が形成されている。

当該燃焼器用パネルでは、流路長の長い第二開口側入口流路の延長線上に配置されている第二隣接流路の入口を開口側に形成している。すなわち、当該燃焼器用パネルでは、第二開口側入口流路の出口と第二隣接流路の入口とが、第二開口側入口流路の延在方向で隣接している。このため、第二開口側入口流路で開口に対して遠い側に出口であっても、第二隣接流路の入口から流入する冷却空気により、この第二開口側入口流路の出口を含む領域における冷却能力の低下を抑えることができる。

また、当該燃焼器用パネルでは、流路長の短い第一開口側入口流路の延長線上に配置されている第一隣接流路の出口を開口側に形成している。このため、第一開口側入口流路の出口を含む領域における冷却能力を、第一隣接流路を流れる冷却空気で補うことができない。しかしながら、第一開口側入口流路は、第二開口側入口流路より流路長が短いため、第一開口側入口流路の出口に至った冷却空気の冷却能力はそれほど低下していない。このため、第一開口側入口流路の出口を含む流域における冷却能力は、それほど低くない。

よって、当該燃焼器用パネルでは、開口周り流路を除く冷却流路と開口周り流路のうちの開口側入口流路との境界を含む領域での冷却能力の均一化を図ることができる。

上記目的を達成するための発明に係る第五態様としての燃焼器用パネルは、
前記第三又は第四態様の前記燃焼器用パネルにおいて、前記二つの開口側入口流路の間の前記開口の縁に沿った方向における間隔は、前記二つの開口側入口流路のうち、一方の流路が延びている流路延在方向における複数の位置で同じ間隔である。

当該燃焼器用パネルでは、二つの開口側入口流路の間であって、二つの開口側入口流路のうち、一方の流路が延びている流路延在方向における複数の位置での冷却能力の均一化を図ることができる。

上記目的を達成するための発明に係る第六態様としての燃焼器用パネルは、
以上のいずれか一の前記燃焼器用パネルにおいて、前記開口の周りには、前記内面及び前記外面が、前記開口の縁に近づくに連れて、次第に、前記軸線に対する径方向であって前記燃焼ガス流路から遠ざかる外側に曲がる曲部が形成され、複数の前記開口周り流路のうち、前記開口側入口流路は、前記開口側の端が前記曲部中に形成されている。

開口の周りに、プレス加工で曲部を形成した場合、燃焼器用パネルの外面であって開口の周りには、プレス加工により圧縮応力が残留応力として残る。よって、この燃焼器用パネルの外面であって開口の周りに、開口側入口流路の入口を形成しても、この入口の縁には圧縮応力が作用するため、クラックが発生し難い。

上記目的を達成するための発明に係る第七態様としての燃焼器用パネルは、
以上のいずれか一の前記燃焼器用パネルにおいて、複数の前記開口周り流路が延びる方向は、いずれも、前記軸方向の方向成分を含む方向である。

当該燃焼器用パネルでは、二つの開口周り流路の間であって、軸方向における各位置での冷却能力の均一化を図ることができる。

上記目的を達成するための発明に係る第八態様としての燃焼器は、
以上のいずれか一の前記燃焼器用パネルと、前記燃焼器用パネルにより画定される前記燃焼ガス流路の前記上流側から前記燃焼ガス流路内に燃料及び空気を噴射する燃料噴射器と、を備える。

上記目的を達成するための発明に係る第九態様としての燃焼装置は、
前記第八態様の前記燃焼器と、前記開口から前記燃料ガス流路中に空気を供給する空気供給管と、前記空気供給管を流れる空気の流量を調節する弁と、を備える。

上記目的を達成するための発明に係る第十態様としてのガスタービンは、
前記第九態様の前記燃焼器と、前記燃焼器内で生成された燃焼ガスにより駆動するタービンと、を備える。

上記目的を達成するための発明に係る第十一態様としての燃焼器用パネルの冷却方法は、
燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路の周囲を画定する燃焼器用パネルの冷却方法において、前記燃焼器用パネルは、前記燃焼ガスに対向する内面と、前記内面と相反する外側を向く外面と、前記外面から前記内面に貫通した開口と、前記内面と前記外面との間を前記内面に沿った方向に延びて、内部を冷却媒体が流れる複数の冷却流路と、が形成され、複数の前記冷却流路のうち、前記開口の縁に沿った位置から前記内面に沿った方向に延びる複数の前記冷却流路が、それぞれ開口周り流路を成し、複数の前記開口周り流路のうちの開口側入口流路の数は、全ての前記開口周り流路の半数より多い、又は、全ての前記開口周り流路が前記開口側入口流路であり、前記開口側入口流路に対して、前記開口側入口流路の前記開口側で且つ前記外側から前記冷却媒体を供給し、前記開口側入口流路中で前記冷却媒体が供給された位置より前記開口から遠い位置で且つ前記内面から、前記開口側入口流路を流れた前記冷却媒体をを流出させる。

本発明に係る一態様では、燃焼器用パネルの耐久性を高めることができる。

本発明に係る一実施形態におけるガスタービンの構成を示す模式図である。 本発明に係る一実施形態におけるガスタービンの燃焼器周りの断面図である。 本発明に係る一実施形態における尾筒の斜視図である。 本発明に係る実施形態における燃焼器用パネルの平面図である。 図４におけるＶ−Ｖ線断面図である。 図４におけるＶＩ−ＶＩ線断面図である。 本発明に係る実施形態の変形例における燃焼器用パネルの平面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

「実施形態」
本実施形態のガスタービンは、図１に示すように、外気Ａｏを圧縮して圧縮空気Ａを生成する圧縮機１と、燃料Ｆを圧縮空気Ａ中で燃焼させ燃焼ガスＧを生成する燃焼装置２と、燃焼ガスＧにより駆動するタービン３と、を備えている。

圧縮機１は、回転軸線Ｘｒを中心として回転する圧縮機ロータ１ａと、圧縮機ロータ１ａを回転可能に覆う圧縮機車室１ｂと、を有する。タービン３は、回転軸線Ｘｒを中心として回転するタービンロータ３ａと、タービンロータ３ａを回転可能に覆うタービン車室３ｂと、を有する。圧縮機ロータ１ａの回転軸線Ｘｒとタービンロータ３ａの回転軸線Ｘｒとは、同一直線上に位置している。この圧縮機ロータ１ａとこのタービンロータ３ａとは、互いに連結されてガスタービンロータ５を構成する。ガスタービンロータ５には、例えば、発電機ＧＥＮのロータが連結されている。

ガスタービンは、さらに、ガスタービンロータ５を回転可能に覆う中間車室４を備えている。圧縮機車室１ｂ、中間車室４、及びタービン車室３ｂは、この順序で、回転軸線Ｘｒが延びる方向に並んでいる。圧縮機車室１ｂ、中間車室４、及びタービン車室３ｂは、相互に接続されて、ガスタービン車室６を構成する。

燃焼装置２は、複数の燃焼器１０を備える。燃焼器１０は、図２に示すように、内部で燃料Ｆが燃焼する尾筒２０と、尾筒２０内に燃料Ｆ及び圧縮空気Ａを送る燃料噴射器１１と、を有する。複数の燃焼器１０は、回転軸線Ｘｒを中心として周方向に並んで、中間車室４に固定されている。各燃焼器１０は、圧縮機１で圧縮された圧縮空気Ａが漂う中間車室４内に配置されている。燃焼装置２は、さらに、複数の燃焼器毎の尾筒２０内に圧縮空気Ａを供給する空気供給管１５と、この空気供給管１５を流れる空気の流量を調節する弁１６と、を有する。空気供給管１５及び弁１６は、いずれも、中間車室４内に配置されている。尾筒２０内には、弁１６及び空気供給管１５を介して、中間車室４内の圧縮空気Ａを供給することができる。

燃料噴射器１１は、燃料Ｆ及び圧縮空気Ａを噴射する複数のバーナ１２と、複数のバーナ１２を保持するバーナ保持筒１３と、を備えている。複数のバーナ１２は、いずれも、燃焼器軸線Ｘｃと平行にバーナ保持筒１３により支持されている。また、複数のバーナ１２は、いずれも、燃焼器軸線Ｘｃが延びる軸方向Ｄａの一方側から他方側に向かって燃料Ｆを噴射する。さらに、複数のバーナ１２は、いずれも、軸方向Ｄａの一方側から他方側に向かって圧縮空気Ａを一次空気Ａ１として噴射する。

尾筒２０は、図２及び図３に示すように、燃焼器軸線Ｘｃ周りに筒状を成して、燃焼ガスＧが流れる燃焼ガス流路２１の周囲を画定する。なお、以下では、軸方向Ｄａの前記一方側を上流側Ｓｕ、軸方向Ｄａの前記他方側を下流側Ｓｄとする。また、燃焼器軸線Ｘｃに対する周方向を単に周方向Ｄｃとし、燃焼器軸線Ｘｃに対する径方向を単に径方向Ｄｒする。さらに、この径方向で燃焼器軸線Ｘｃから遠ざかる側を径方向外側Ｄｒｏ、この反対側を径方向内側Ｄｒｉとする。なお、尾筒２０とバーナ保持筒１３とが一体化して、燃焼筒と呼ばれることもある。

本実施形態の尾筒２０は、図３に示すように、筒状の胴体部３０と、この胴体部３０の下流側Ｓｄに接合されている出口フランジ部２５と、を有する。

出口フランジ部２５は、燃焼器軸線Ｘｃ周りに筒状を成し、燃焼ガス流路２１の一部を画定する筒２６と、筒２６の下流端に形成されているフランジ２７と、を有する。フランジ２７は、図２に示すように、尾筒２０をタービン３の燃焼ガス入口部３ｉに接続するためのものである。筒２６とフランジ２７は、例えば、鋳造等により一体成型され、出口フランジ部２５を成す。筒２６の内周面には、図示されていない遮熱コーティング（Thermal Barrier Coating : TBC）層が施されている。

胴体部３０は、燃焼器軸線Ｘｃ周りに筒状を成し、燃焼ガス流路２１の一部を画定する。この胴体部３０は、湾曲した複数の燃焼器用パネル３１を有して構成される。湾曲した複数の燃焼器用パネル３１は、周方向Ｄｃに並べられ、各燃焼器用パネル３１の周方向Ｄｃの端相互を溶接で接合されて、筒状に形成される。なお、図３に示す胴体部３０は、二枚の燃焼器用パネル３１を周方向Ｄｃに並べたものである。しかしながら、胴体部３０は、例えば、三枚以上、例えば、四枚の燃焼器用パネル３１を周方向Ｄｃに並べたものであってもよい。また、胴体部３０は、一枚の燃焼器用パネル３１を筒状に湾曲させ、一枚の燃焼器用パネル３１の端相互を溶接で接合したものであってもよい。

燃焼器用パネル３１は、図５に示すように、外側板３２と内側板３４とを有する。外側板３２で相反する方向を向いている一対の面のうち、一方の面が外面３２ｏを成し、他方の面が接合面３２ｃを成す。また、内側板３４で相反する方向を向いている一対の面のうち、一方の面が接合面３４ｃを成し、他方の面が内面３４ｉを成す。外側板３２の接合面３２ｃには、外面３２ｏ側に凹み、一定の方向に長い複数の長溝３３が形成されている。外側板３２と内側板３４とは、互いの接合面３２ｃ，３４ｃ相互がろう付け等で接合されて、燃焼器用パネル３１を形成する。外側板３２と内側板３４との接合により、外側板３２に形成されている長溝３３の開口が内側板３４により塞がり、この長溝３３内が冷却流路３５になる。よって、複数の冷却流路３５は、燃焼器用パネル３１の外面３２ｏと内面３４ｉとの間を、内面３４ｉに沿った方向の延びている。

複数の冷却流路３５は、それぞれ、燃焼器用パネル３１の外面３２ｏで開口して内部に圧縮空気Ａを導く入口３６ｉと、燃焼器用パネル３１の内面３４ｉで開口して内部を流れてきた圧縮空気Ａを排出する出口３６ｏと、を有する。すなわち、本実施形態では、各冷却流路は、それぞれ、独立した一の入口、及び独立した一の出口を有する。入口３６ｉは、冷却流路３５の延在方向の二つの端のうち、一方の端の位置に形成される。また、出口３６ｏは、冷却流路３５の延在方向の二つの端のうち、他方の端の位置に形成される。

複数の燃焼器用パネル３１は、それぞれ、内側板３４の内面３４ｉが尾筒２０の内周側を向き且つ外側板３２の外面３２ｏが尾筒２０の外周側を向き、且つ複数の冷却流路３５の延びる方向が軸方向Ｄａになるように配置されて、前述したように、周方向Ｄｃの端相互が接合される。このため、胴体部３０の複数の冷却流路３５は、いずれも実質的に軸方向Ｄａに延び、周方向Ｄａで隣り合う二つの冷却流路３５の間隔は、軸方向Ｄａのいずれの位置でも実質的に同じ間隔である。燃焼器用パネル３１の内面３４ｉには、遮熱コーティング層３９が施される。よって、外側板３２の外面３２ｏは、胴体部３０の外面となり、遮熱コーティング層３９の表面が胴体部３０の内面となる。

胴体部３０には、図２〜図４に示すように、径方向外側Ｄｒｏから径方向内側Ｄｒｉに貫通する二次空気開口３７が形成されている。言い換えると、複数の燃焼器用パネル３１のうち、一の燃焼器用パネル３１には、この燃焼器用パネル３１の外面３２ｏから内面３４ｉに貫通する二次空気開口３７が形成されている。前述の空気供給管１５は、この二次空気開口３７の縁に接続される。なお、空気供給管１５と二次空気開口３７の縁との接続は、フランジ接続でもよい。尾筒２０の胴体部３０内には、弁１６及び空気供給管１５を介して、この二次空気開口３７から、この中間車室４内の圧縮空気Ａが必要に応じて二次空気Ａ２として供給される。

燃焼器用パネル３１の二次空気開口３７の周りには、図６に示すように、この燃焼器用パネル３１の内面３４ｉ及び外面３２ｏが、二次空気開口３７の縁に近づくに連れて、次第に径方向外側Ｄｒｏに曲がる曲部３８が形成されている。この曲部３８は、例えば、プレス成形等の塑性加工により形成される。

ここで、図４に示すように、複数の冷却流路３５のうち、二次空気開口３７の縁に沿った位置から内面３４ｉに沿った方向に延びる複数の冷却流路３５を、それぞれ開口周り流路３５ａとする。よって、開口周り流路３５ａの開口側の端から二次空気開口３７の縁までの最短距離を成す領域には、他の冷却流路３５は存在しない。本実施形態において、全ての開口周り流路３５ａは、開口側の端に入口３６ｉが形成され、開口側入口流路３５ａｉを成す。このため、全ての開口周り流路３５ａは、二次空気開口３７に対して遠い側の端に出口３６ｏが形成されている。

複数の開口周り流路３５ａには、流路長の短い第一開口側入口流路３５ａｉ１と流路長の長い第二開口側入口流路３５ａｉ２とがある。第一開口側入口流路３５ａｉ１と第二開口側入口流路３５ａｉ２とは、二次空気開口３７の縁に沿った方向で、交互に配置されている。言い換えると、二次空気開口３７の縁に沿った方向で隣り合う二つの開口側入口流路３５ａｉのうち、一方の開口側入口流路３５ａｉが第一開口側入口流路３５ａｉ１を成し、他方の開口側入口流路３５ａｉが第二開口側入口流路３５ａｉ２を成す。

複数の冷却流路３５のうち、第一開口側入口流路３５ａｉ１の延長線上であって、この第一開口側入口流路３５ａｉ１に対して軸方向Ｄａで隣接する冷却流路３５は、第一隣接流路３５ｂ１を成す。この第一隣接流路３５ｂ１は、開口側の端に出口３６ｏが形成され、二次空気開口３７に対して遠い側の端に入口３６ｉが形成されている。よって、第一開口側入口流路３５ａｉ１の出口３６ｏと、第一隣接流路３５ｂ１の出口３６ｏとは、軸方向Ｄａで隣接しているい。また、複数の冷却流路３５のうち、第二開口側入口流路３５ａｉ２の延長線上であって、この第二開口側入口流路３５ａｉ２に対して軸方向Ｄａで隣接する冷却流路３５は、第二隣接流路３５ｂ２を成す。この第二隣接流路３５ｂ２は、開口側の端に入口３６ｉが形成され、二次空気開口３７に対して遠い側の端に出口３６ｏが形成されている。よって、第二開口側入口流路３５ａｉ２の出口３６ｏと、第二隣接流路３５ｂ２の入口３６ｉとは、軸方向Ｄａで隣接している。

開口周り流路３５ａを除く複数の冷却流路３５ｂのうち、軸方向Ｄａで隣接する二つの冷却流路３５ｂでは、一方の冷却流路３５ｂの開口側の端に入口３６ｉが形成されている場合、他方の冷却流路３５ｂの開口側の端に出口３６ｏが形成されている。すなわち、軸方向Ｄａで隣接する二つの冷却流路３５ｂのうちの一方の冷却流路３５ｂの入口３６ｉと、他方の冷却流路３５ｂの出口３６ｏとが、軸方向Ｄａで隣接している。

複数の開口周り流路３５ａの開口側の端は、図６に示すように、開口周りの曲部３８中に形成されている。よって、この曲部３８には、開口周り流路３５ａ、つまり開口側入口流路３５ａｉの入口３６ｉが形成されている。

以上で説明した本実施形態におけるガスタービンの動作及び作用について説明する。
圧縮機１は、図１に示すように、外気Ａｏを吸い込み、これを圧縮して圧縮空気Ａを生成する。この圧縮空気Ａは、中間車室４を経て、燃焼器１０のバーナ保持筒１３内に一次空気Ａ１として流入する。バーナ保持筒１３に流入した一次空気Ａ１は、このバーナ保持筒１３から尾筒２０内に噴射される。場合によって、バーナ保持筒１３に流入した一次空気Ａ１は、このバーナ保持筒１３内のバーナ１２内に流入し、このバーナ１２から尾筒２０内に噴射される。燃焼器１０の各バーナ１２には、外部から燃料Ｆが供給される。バーナ１２に流入した燃料Ｆは、このバーナ１２から尾筒２０内に噴射される。尾筒２０内に噴射された燃料Ｆは、一次空気Ａ１中で燃焼する。この結果、この尾筒２０内では、燃焼ガスＧが生成される。

尾筒２０の胴体部３０内には、弁１６及び空気供給管１５を介して、胴体部３０の二次空気開口３７から、中間車室４内の圧縮空気Ａが二次空気Ａ２として供給される場合がある。この二次空気Ａ２は、例えば、尾筒２０内の燃空比の調節のため利用させる。

尾筒２０内で生成された高温高圧の燃焼ガスＧは、尾筒２０内に下流側Ｓｄに流れ、タービン３の燃焼ガス入口部３ｉからタービン３内に流入する。タービンロータ３ａは、この燃焼ガスＧにより回転する。タービンロータ３ａが回転すると、例えば、これに連結されている発電機ＧＥＮのロータが回転し、この発電機ＧＥＮは発電する。

尾筒２０の内面３４ｉは、高温の燃焼ガスＧに晒される。このため、尾筒２０の内面３４ｉには、遮熱コーティング層３９が施されている。さらに、尾筒２０を構成する燃焼器用パネル３１における冷却流路３５には、この尾筒２０の外側に存在する圧縮空気Ａが冷却空気（冷却媒体）Ａｃとして流入し、この冷却空気Ａｃにより燃焼器用パネル３１が冷却される。

圧縮空気Ａは、冷却空気Ａｃとして、燃焼器用パネル３１の外面３２ｏで開口している入口３６ｉから冷却流路３５内に流入する。冷却空気Ａｃは、冷却流路３５を流れる過程で、燃焼器用パネル３１と熱交換し、この燃焼器用パネル３１を冷却する。冷却空気Ａｃは、燃焼器用パネル３１の内面３４ｉで開口している出口３６ｏから燃焼ガス流路２１に流出する。燃焼ガス流路２１に流出した冷却空気Ａｃの一部は、尾筒２０の内面３４ｉに沿って流れ、この内面３４ｉをフィルム冷却する。

燃焼器用パネル３１中で二次空気開口３７の周りには、二次空気開口３７の形成過程で生じた応力が残っていることが多い。つまり、二次空気開口３７の周りには残留応力が存在する場合が多い。また、冷却流路３５の出口３６ｏは、燃焼器用パネル３１の内面３４ｉに形成されている。このため、燃焼器用パネル３１の内面３４ｉであって、この出口３６ｏの周りにも、残留応力が存在する場合が多い。

仮に、開口周り流路３５ａの開口側の端に出口３６ｏを形成すると、二次空気開口３７の縁に開口周り流路３５ａの出口３６ｏが極めて近接する。このため、高温の燃焼ガスＧに対向する燃焼器用パネル３１の内面３４ｉであって、二次空気開口３７の周りには、より高い応力が残ることになる。そこで、二次空気開口３７の縁から開口周り流路３５ａまでの最短距離を大きくすると、二次空気開口３７周りに広い無冷却領域が生じることになり、この無冷却領域に高い熱応力が発生する。さらに、開口周り流路３５ａの出口３６ｏに至る冷却空気Ａｃは、開口周り流路３５ａを流れてきた冷却空気Ａｃであるため、開口周り流路３５ａを流れている過程で加熱されており、冷却能力が低い。よって、二次空気開口３７周りの冷却能力が低下し、この観点からも、この二次空気開口３７周りに高い熱応力が発生する。

また、二次空気開口３７の周りに、前述した曲部３８をプレス加工で形成した場合、二次空気開口３７の周りに、より高い応力（残留応力）が残ることになる。特に、燃焼器用パネル３１の内面３４ｉであって二次空気開口３７の周りには、プレス加工により引張応力が残留応力として残る。この燃焼器用パネル３１の内面３４ｉであって二次空気開口３７の周りに、開口周り流路３５ａの出口３６ｏを形成すると、この出口３６ｏの縁に引張応力が作用し、この出口３６ｏの縁を起点にして、クラックが発生し易い。

そこで、本実施形態では、全ての開口周り流路３５ａに関して、開口側の端に入口３６ｉを形成している。開口周り流路３５ａの入口３６ｉは、燃焼器用パネル３１の外面３２ｏに形成される。このため、高温の燃焼ガスＧに対向する燃焼器用パネル３１の内面３４ｉであって、二次空気開口３７の周りの残留応力を、開口周り流路３５ａの出口３６ｏを開口側に端に形成した場合よりも小さくすることができる。よって、二次空気開口３７の縁から開口周り流路３５ａまでの最短距離を小さくすることができ、二次空気開口３７周りの無冷却領域を極めて小さくすることができる。さらに、開口周り流路３５ａの入口３６ｉに流入してきた冷却空気Ａｃは、未だ開口周り流路３５ａを流れていない冷却空気Ａｃであるため、冷却能力が高い。よって、二次空気開口３７周りの冷却能力が高まり、この二次空気開口３７周りの熱応力の発生を抑えることができる。

また、二次空気開口３７の周りに、前述した曲部３８をプレス加工で形成した場合、燃焼器用パネル３１の外面３２ｏであって二次空気開口３７の周りには、プレス加工により圧縮応力が残留応力として残る。この燃焼器用パネル３１の外面３２ｏであって二次空気開口３７の周りに、開口周り流路３５ａの入口３６ｉを形成しても、この入口３６ｉの縁には圧縮応力が作用するため、クラックが発生し難い。

よって、本実施形態では、燃焼器用パネル３１における二次空気開口３７周りの耐久性を高めることができる。

ここで、全ての開口周り流路３５ａに関して、開口側の端に入口３６ｉを形成し、且つ複数の開口周り流路３５ａの流路長を互いに同じにした場合について説明する。この場合、二次空気開口３７の縁に沿った方向で隣接する二つの開口周り流路３５ａ（開口側入口流路３５ａｉ）のそれぞれの出口３６ｏの位置が、軸方向Ｄａでほぼ同じ位置になる。すなわち、二つの開口周り流路３５ａの出口３６ｏが二次空気開口３７の縁に沿った方向で互いに近接することになる。前述したように、開口周り流路３５ａの出口３６ｏに至る冷却空気Ａｃは、開口周り流路３５ａを流れてきた冷却空気Ａｃであるため、冷却能力が低い。よって、二つの開口周り流路３５ａの二次空気開口３７に対して遠い側の各端を含む領域は、冷却能力の低い領域になる。

そこで、本実施形態では、流路長の短い第一開口側入口流路３５ａｉ１と流路長の長い第二開口側入口流路３５ａｉ２とを交互に配置している。この結果、二つの開口側入口流路３５ａｉの出口３６ｏの相互間距離が大きくなり、冷却能力が低い領域を離散させ且つ狭くすることができる。

さらに、本実施形態では、流路長の長い第二開口側入口流路３５ａｉ２の延長線上に配置されている第二隣接流路３５ｂ２の入口３６ｉを開口側の端に形成している。すなわち、本実施形態では、第二開口側入口流路３５ａｉ２の出口３６ｏと第二隣接流路３５ｂ２の入口３６ｉとが、軸方向Ｄａで隣接している。このため、第二開口側入口流路３５ａｉ２で二次空気開口３７に対して遠い側の端が出口３６ｏであっても、第二隣接流路３５ｂ２の入口３６ｉから流入する冷却空気Ａｃにより、この第二開口側入口流路３５ａｉ２の出口３６ｏを含む領域における冷却能力の低下を抑えることができる。

また、本実施形態では、流路長の短い第一開口側入口流路３５ａｉ１の延長線上に配置されている第一隣接流路３５ｂ１の出口３６ｏを開口側の端に形成している。このため、第一開口側入口流路３５ａｉ１の出口３６ｏを含む領域における冷却能力を、第一隣接流路３５ｂ１を流れる冷却空気Ａｃで補うことができない。しかしながら、第一開口側入口流路３５ａｉ１は、第二開口側入口流路３５ａｉ２より流路長が短いため、第一開口側入口流路３５ａｉ１の出口３６ｏに至った冷却空気Ａｃの冷却能力はそれほど低下していない。このため、第一開口側入口流路３５ａｉ１の出口３６ｏを含む流域における冷却能力は、それほど低くない。

よって、本実施形態では、開口周り流路３５ａを除く冷却流路３５ｂと開口周り流路３５ａとの境界を含む領域での冷却能力の均一化を図ることができる。

また、本実施形態では、軸方向Ｄａで隣接する二つの冷却流路３５ｂのうちの一方の冷却流路３５ｂの入口３６ｉと、他方の冷却流路３５ｂの出口３６ｏとが、軸方向Ｄａで隣接している。このため、他方の冷却流路３５ｂの出口３６ｏを含む領域における冷却能力を、一方の冷却流路３５ｂを流れる冷却空気Ａｃで補うことができる。よって、開口周り流路３５ａを除く複数の冷却流路３５ｂが配置されている領域での冷却能力の均一化を図ることができる。

以上のように、本実施形態では、開口周り流路３５ａを除く冷却流路３５ｂと開口周り流路３５ａとの境界を含む領域、及び、開口周り流路３５ａを除く冷却流路３５ｂが配置されている領域での冷却能力の均一化を図ることができる。このため、本実施形態では、これらの領域での熱応力の発生を抑えることができる。よって、本実施形態では、これらの領域の耐久性も高めることができる。

「各種変形例」
本実施形態の二次空気開口３７は、燃焼器用パネル３１の外面３２ｏ側から内面３４ｉ側に二次空気Ａ２を導く開口である。しかしながら、この開口は、燃焼器用パネル３１の外面３２ｏから燃焼器用パネル３１の内面３４ｉに貫通した開口であればよく、二次空気Ａ２を内面３４ｉ側に導くものでなくてもよい。

本実施形態の全ての開口周り流路３５ａは、開口側の端に入口３６ｉが形成されている開口側入口流路３５ａｉである。しかしながら、図７に示すように、燃焼器用パネル３１ａに形成されている複数の開口周り流路３５ａのうち、一部が開口側の端に入口３６ｉが形成されている開口側入口流路３５ａｉであり、残りの一部が開口側の端に入口３６ｉが形成されていない非開口側入口流路３５ａｏであってもよい。但し、この場合、開口側入口流路３５ａｉの数は、全ての開口周り流路３５ａの半数より多くすべきである。言い換えると、開口側入口流路３５ａｉの数は、非開口側入口流路３５ａｏの数より多くすべきである。さらに、この場合、非開口側入口流路３５ａｏは、開口側入口流路３５ａｉに隣接し、他の非開口側入口流路３５ａｏに隣接しないことが望ましい。

本実施形態における開口周り流路３５ａを含む冷却流路３５の全ては、冷却流路３５の延在方向の二つの端のうち、一方の端の位置に入口３６iが形成され、他方の端の位置に出口３６ｏが形成されている。しかしながら、入口３６i及び出口３６ｏは、冷却流路３５の延在方向の端の位置に形成されていなくてもよい。

上記実施形態では、複数の冷却流路３５のうち、二次空気開口３７の縁に沿った位置から内面３４ｉに沿った方向に延びる複数の冷却流路３５を開口周り流路３５ａとし、開口周り流路３５ａの開口側の端から二次空気開口３７の縁までの最短距離を成す領域には、他の冷却流路３５は存在しない。しかしながら、燃焼器用パネル３１中で、図６に示すように、曲部３８が始まる部分Ｘから開口３７までの領域内に、流路の少なくとも一部が存在する冷却流路３５を開口周り流路３５ａとしてもよい。また、図７に示すように、開口３７から一定の距離Ｙまでの領域内に、少なくとも一部が存在する冷却流路３５を開口周り流路３５ａとしてもよい。この場合、この領域を定める距離Ｙは、当該領域内に一部が存在する全冷却流路３５のうち、開口側入口流路３５ａｉの数が半数以上になる、又は開口側入口流路３５ａｉが全てである距離である。

本実施形態における開口周り流路３５ａを含む冷却流路３５の全ては、燃焼器用パネル３１の内面３４ｉに沿った面内で直線的に延びている。しかしながら、冷却流路３５は、燃焼器用パネル３１の内面３４ｉに沿った面内で曲がっている部分を有してもよい。

本実施形態における全ての冷却流路３５は、流路の延在方向におけるいずれの位置でも断面積が実質的に同一である。しかしながら、いずれかの冷却流路３５は、流路の延在方向の位置変化に伴って断面積が変化してもよい。例えば、加熱されやすい領域では、流路の断面積を大きくしてもよい。

以上の各実施形態において、燃焼器用パネル３１は、外側板３２と内側板３４との二枚が接合されて構成成されている。しかしながら、燃焼器用パネル３１は、単板で構成されてもよい。

１：圧縮機、１ａ：圧縮機ロータ、１ｂ：圧縮機車室、２：燃焼装置、３:タービン、３ａ:タービンロータ、３ｂ:タービン車室、３ｉ：燃焼ガス入口部、４：中間車室、５：ガスタービンロータ、６：ガスタービン車室、１０：燃焼器、１１：燃料噴射器、１２：バーナ、１３：バーナ保持筒、１５：空気供給管、１６：弁、２０：尾筒、２１：燃焼ガス流路、２５：出口フランジ部、３０：胴体部、３１，３１ａ：燃焼器用パネル、３２：外側板、３２ｏ：外面、３４：内側板、３４ｉ：内面、３５，３５ｂ：冷却流路、３５ａ：開口周り流路、３５ａｉ：開口側入口流路、３５ａｉ１：第一開口側入口流路、３５ａｉ２：第二開口側入口流路、３５ａｏ：非開口側入口流路、３５ｂ１：第一隣接流路、３５ｂ２：第二隣接流路、３６ｉ：入口、３６ｏ：出口、３７：二次空気開口（又は、単に開口）、３８：曲部、３９：遮熱コーティング層、Ａ：圧縮空気、Ａ１：一次空気、Ａ２：二次空気、Ａｃ：冷却空気（冷却媒体）、Ｆ：燃料、Ｇ：燃焼ガス、Ｘｒ：回転軸線、Ｘｃ：燃焼器軸線、Ｄａ：軸方向、Ｓｕ：上流側、Ｓｄ：下流側、Ｄｃ：周方向、Ｄｒ：径方向、Ｄｒｉ：径方向内側、Ｄｒｏ：径方向外側

上記目的を達成するための発明に係る第三態様としての燃焼器用パネルは、
以上のいずれか一の前記燃焼器用パネルにおいて、複数の前記開口周り流路のうち、前記開口の縁に沿った方向で互いに隣接している二つの前記開口側入口流路は、流路長が互いに異なる。

上記目的を達成するための発明に係る第九態様としての燃焼装置は、
前記第八態様の前記燃焼器と、前記開口から前記燃焼ガス流路中に空気を供給する空気供給管と、前記空気供給管を流れる空気の流量を調節する弁と、を備える。

上記目的を達成するための発明に係る第十態様としてのガスタービンは、
前記第八態様の前記燃焼器と、前記燃焼器内で生成された燃焼ガスにより駆動するタービンと、を備える。

上記目的を達成するための発明に係る第十一態様としての燃焼器用パネルの冷却方法は、
燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路の周囲を画定する燃焼器用パネルの冷却方法において、前記燃焼器用パネルは、前記燃焼ガスに対向する内面と、前記内面と相反する外側を向く外面と、前記外面から前記内面に貫通した開口と、前記内面と前記外面との間を前記内面に沿った方向に延びて、内部を冷却媒体が流れる複数の冷却流路と、が形成され、複数の前記冷却流路のうち、前記開口の縁に沿った位置から前記内面に沿った方向に延びる複数の前記冷却流路が、それぞれ開口周り流路を成し、複数の前記開口周り流路のうちの開口側入口流路の数は、全ての前記開口周り流路の半数より多い、又は、全ての前記開口周り流路が前記開口側入口流路であり、前記開口側入口流路に対して、前記開口側入口流路の前記開口側で且つ前記外側から前記冷却媒体を供給し、前記開口側入口流路中で前記冷却媒体が供給された位置より前記開口から遠い位置で且つ前記内面から、前記開口側入口流路を流れた前記冷却媒体を流出させる。

Claims (11)

1. 軸線が延びる軸方向の上流側から下流側に燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路の周囲を画定する燃焼器用パネルにおいて、
   前記燃焼ガスに対向する内面と、
   前記内面と相反する側を向く外面と、
   前記外面から前記内面に貫通した開口と、
   前記内面と前記外面との間を前記内面に沿った方向に延びて、内部を冷却媒体が流れる複数の冷却流路と、
   が形成され、
   複数の前記冷却流路は、それぞれ、前記外面で開口して内部に冷却媒体を導く入口と、前記内面で開口して内部を流れてきた前記冷却媒体を排出する出口と、を有し、
   複数の前記冷却流路のうち、前記開口の縁に沿った位置から前記内面に沿った方向に延びる複数の前記冷却流路が、それぞれ開口周り流路を成し、
   複数の前記開口周り流路のうち、前記出口よりも前記入口が前記開口側に形成されている開口側入口流路の数は、全ての前記開口周り流路の半数より多い、又は、全ての前記開口周り流路が前記開口側入口流路である、
   燃焼器用パネル。
2. 請求項１に記載の燃焼器用パネルにおいて、
   複数の前記開口周り流路のうち、一部が前記開口側入口流路であり、残りの一部が前記出口よりも前記入口が前記開口側に形成されていない非開口側入口流路であり、
   前記非開口側入口流路は、前記開口の縁に沿った方向で前記開口側入口流路に隣接し、他の前記非開口側入口流路と隣接していない、
   燃焼器用パネル。
3. 請求項１又は２に記載の燃焼器用パネルにおいて、
   複数の前記開口周り流路のうち、前記開口の縁に沿った方向で互いに隣接している二つの開口周り流路は、いずれも、前記開口側入口流路であり、
   前記二つの開口側入口流路は、流路長が互いに異なる、
   燃焼器用パネル。
4. 請求項３に記載の燃焼器用パネルにおいて、
   前記二つの開口側入口流路のうち流路長の短い第一開口側入口流路の延長線上に、前記第一開口側入口流路に隣接する前記冷却流路としての第一隣接流路が配置され、
   前記二つの開口側入口流路のうち流路長の長い第二開口側入口流路の延長線上に、前記第二開口側入口流路に隣接する前記冷却流路としての第二隣接流路が配置され、
   前記第一隣接流路は、前記入口よりも前記開口側に前記出口が形成され、
   前記第二隣接流路は、前記出口よりも前記開口側に前記入口が形成されている、
   燃焼器用パネル。
5. 請求項３又は４に記載の燃焼器用パネルにおいて、
   前記二つの開口側入口流路の間の前記開口の縁に沿った方向における間隔は、前記二つの開口側入口流路のうち、一方の流路が延びている流路延在方向における複数の位置で同じ間隔である、
   燃焼器用パネル。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の燃焼器用パネルにおいて、
   前記開口の周りには、前記内面及び前記外面が、前記開口の縁に近づくに連れて、次第に、前記軸線に対する径方向であって前記燃焼ガス流路から遠ざかる外側に曲がる曲部が形成され、
   複数の前記開口周り流路のうち、前記開口側入口流路は、前記開口側の端が前記曲部中に形成されている、
   燃焼器用パネル。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の燃焼器用パネルにおいて、
   複数の前記開口周り流路が延びる方向は、いずれも、前記軸方向の方向成分を含む方向である、
   燃焼器用パネル。
8. 請求項１から７のいずれかに一項に記載の燃焼器用パネルと、
   前記燃焼器用パネルにより画定される前記燃焼ガス流路の前記上流側から前記燃焼ガス流路内に燃料及び空気を噴射する燃料噴射器と、
   を備える燃焼器。
9. 請求項８に記載の燃焼器と、
   前記開口から前記燃料ガス流路中に空気を供給する空気供給管と、
   前記空気供給管を流れる空気の流量を調節する弁と、
   を備える燃焼装置。
10. 請求項９に記載の燃焼器と、
    前記燃焼器内で生成された燃焼ガスにより駆動するタービンと、
    を備えるガスタービン。
11. 燃焼ガスが流れる燃焼ガス流路の周囲を画定する燃焼器用パネルの冷却方法において、
    前記燃焼器用パネルは、
    前記燃焼ガスに対向する内面と、
    前記内面と相反する外側を向く外面と、
    前記外面から前記内面に貫通した開口と、
    前記内面と前記外面との間を前記内面に沿った方向に延びて、内部を冷却媒体が流れる複数の冷却流路と、
    が形成され、
    複数の前記冷却流路のうち、前記開口の縁に沿った位置から前記内面に沿った方向に延びる複数の前記冷却流路が、それぞれ開口周り流路を成し、
    複数の前記開口周り流路のうちの開口側入口流路の数は、全ての前記開口周り流路の半数より多い、又は、全ての前記開口周り流路が前記開口側入口流路であり、
    前記開口側入口流路に対して、前記開口側入口流路の前記開口側で且つ前記外側から前記冷却媒体を供給し、
    前記開口側入口流路中で前記冷却媒体が供給された位置より前記開口から遠い位置で且つ前記内面から、前記開口側入口流路を流れた前記冷却媒体をを流出させる、
    燃焼器用パネルの冷却方法。

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