JP2019184158A - 冷却構造及び燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却流体を壁部に対して均一に供給する冷却構造を提供する。【解決手段】溝部Ｋに設けられた拡散部材２ｄを通じて燃焼器ライナ２ｂ内に冷却空気が流入する。したがって、拡散部材２ｄにより、燃焼器ライナ２ｂへと流入する冷却空気の流速及び流量が、燃焼器ライナ２ｂの周方向において均一化され、燃焼器ライナ２ｂの壁面が均一に冷却される。拡散部材２ｄとして、焼結金属を用いることにより、多孔質構造としつつ、強度を担保することが可能である。ルーバ２ｅが拡散部材２ｄの近傍に設けられており、拡散部材２ｄから流入した冷却空気を燃焼器ライナ２ｂの内壁面に沿って案内することが可能である。したがって、燃焼器ライナ２ｂの内壁面を効果的に冷却することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、冷却構造及び燃焼器に関するものである。

例えば、特許文献１には、燃焼器の冷却構造が開示されている。燃焼器においては、複数の冷却孔が形成されている。この冷却孔から、燃焼用に供給される空気の一部を冷却空気として燃焼器内に導入することにより、燃焼器の内壁が許容温度を超える高温とならないように冷却している。

特開２０１２−３１７３７号公報

上述のような構造体における冷却は、壁部に形成された冷却孔より流入した冷却流体により行われる。しかしながら、冷却孔から流入した流体は、流体の流れ方向と交差する方向において冷却孔近傍にあたる領域において流量が多く、冷却孔から離れた領域において流量が少なくなる傾向がある。すなわち、冷却孔の形成位置に依存して、構造体の壁面における冷却流体の流量に分布が生じる。このような冷却流体の流量の分布は、壁面において発生する温度分布の原因となる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、冷却流体を壁部に対して均一に供給することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、冷却構造に係る第１の手段として、構造物の壁部の冷却を行う冷却構造であって、前記壁部に埋設されると共に冷却流体が通過可能な多孔質体の拡散部材を備えるという手段を採用する。

冷却構造に係る第２の手段として、上記第１の手段において、前記拡散部材は、焼結金属であるという手段を採用する。

冷却構造に係る第３の手段として、上記第１または第２の手段において、前記壁部に設けられ、壁面に沿って前記冷却流体を案内するルーバを備える、という手段を採用する。

燃焼器に係る第１の手段として、壁部を有する燃焼器ライナと、請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷却構造とを備えるという手段を採用する。

燃焼器に係る第２の手段として、上記第１の手段において、前記燃焼器ライナには、全周に渡って間隙が形成される、という手段を採用する。

本発明によれば、拡散部材を通じて構造体の内部に冷却流体が流入する。したがって、冷却流体が拡散部材により拡散され、構造体の内部へと流入する冷却流体の流速及び流量が、構造体の流れ方向に交差する方向において均一化され、構造体のの壁面が均一に冷却される。

本発明の一実施形態におけるガスタービンの構成図である。 本発明の一実施形態における燃焼器ライナの一部を表す模式斜視図である。 本発明の一実施形態における燃焼器が備える拡散部材の斜視図である。

図１に示すように、ガスタービンＧは、圧縮機１と、燃焼器２と、タービン３とを有する。圧縮機１は、圧縮機動翼１ａと、圧縮機静翼１ｂと、ハウジング１ｃとを備えている。圧縮機１は、吸気口Ｈ１から吸気した外気を、後述するタービン軸３ａに固定され回転自在な圧縮機動翼１ａとハウジング１ｃに固定された圧縮機静翼１ｂとの間で圧縮して昇圧させて、燃焼器２が配置された圧縮空気室Ｒ１に供給する構成となっている。

燃焼器２は、燃料供給ノズル２ａと、燃焼器ライナ２ｂと、スワラ２ｃと、拡散部材２ｄと、ルーバ２ｅとを備えている。燃焼器２は、燃料供給ノズル２ａを介して供給される燃料と圧縮機１から供給された圧縮空気との混合気体を、燃焼器ライナ２ｂによって形成される燃焼領域Ｒ２内において燃焼させ、その燃焼ガスをタービン３に供給する構成となっている。

タービン３は、タービン軸３ａと、タービン動翼３ｂと、タービン静翼３ｃとを備えている。タービン３は、タービン軸３ａに固定され回転自在なタービン動翼３ｂと、ハウジング１ｃに固定されたタービン静翼３ｃとで燃焼器２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Ｈ２を介して外部に排気する構成となっている。

図１に示すように、燃焼器２は、圧縮空気室Ｒ１内に設置されている。圧縮空気室Ｒ１は、ハウジング１ｃ内に設けられ、タービン軸３ａ周りに環状空間を形成する。燃焼器２は、圧縮空気室Ｒ１の環状空間に沿って、略環状を呈する、いわゆるアニュラ形の燃焼器ライナ２ｂと、スワラ２ｃと、拡散部材２ｄと、ルーバ２ｅとを有する。燃焼器ライナ２ｂの圧縮機１から圧縮空気が供給される側には、燃料供給ノズル２ａが接続される。燃料供給ノズル２ａは、環状となった燃焼器ライナ２ｂ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２ａの周りには、スワラ２ｃが設けられている。

燃焼器ライナ２ｂは、略円筒形状とされ、周方向に沿って溝部Ｋ（間隙）が形成されている。溝部Ｋは、図２に示すように、燃焼器ライナ２ｂの内側と外側とを連通する間隙であり、燃焼器ライナ２ｂの周方向に沿って形成されている。この溝部Ｋは、燃焼器ライナ２ｂの周方向において４か所に設けられると共に、燃焼器ライナ２ｂの軸方向において複数段設けられている。なお、燃焼器ライナ２ｂの周方向において互いに隣接する溝部Ｋ同士の間隔は短く、すなわち燃焼器ライナ２ｂの周方向において、４つの溝部Ｋが略周状となるように形成されている。

スワラ２ｃは、圧縮機１から供給された圧縮空気を、燃料供給ノズル２ａ近傍から燃焼領域Ｒ２に導き入れて、混合ガスを生成する構成となっている。

拡散部材２ｄは、略円環状の部材を４分割することにより形成される円弧状の形状とされ、それぞれの円弧状のパーツが溝部Ｋに対して隙間なく埋設されている。これにより、拡散部材２ｄは、燃焼器ライナ２ｂの環状の壁部の一部を形成している。本実施形態の拡散部材２ｄは、焼結金属とされ、内部に複数の細孔及び空洞が形成された多孔質部材である。また、拡散部材２ｄは、燃焼器ライナ２ｂへの取付時にそれぞれのパーツが対応する溝部Ｋに取り付けられることで略環状とされる。また、拡散部材２ｄは、軸方向に沿う断面において略矩形とされ、燃焼器ライナ２ｂに取り付けられた際には、壁面と段差なく平滑となる。

ルーバ２ｅは、図２に示すように、燃焼器ライナ２ｂ内壁面において、溝部Ｋに沿って周状かつ燃焼空気の下流方向に向けて設けられている。これにより、ルーバ２ｅは、燃焼器ライナ２ｂの周方向において溝部Ｋ及び拡散部材２ｄを覆っている。ルーバ２ｅと燃焼器ライナ２ｂの内壁面との間には隙間が形成されており、冷却空気が該隙間により燃焼器ライナ２ｂの内壁面に沿って案内される。

このような拡散部材２ｄ及びルーバ２ｅは、本発明における冷却構造に相当する。また、燃焼器ライナ２ｂの壁部は、本発明における構造体の壁部に相当する。

続いて、このような本実施形態に係る燃焼器ライナ２ｂにおける拡散部材２ｄの作用について説明する。

燃焼器２において燃焼が行われている際には、圧縮空気室Ｒ１より燃焼器ライナ２ｂの内側へと、溝部Ｋを介して冷却空気が流入する。この際、冷却空気は、溝部Ｋに設けられた拡散部材２ｄ内を通過することとなる。冷却空気は、拡散部材２ｄ内において内部に形成された複数の空洞及び細孔を通過することで、燃焼器ライナ２ｂの周方向において、流速及び流量がほぼ一定となる。そして、冷却空気は、拡散部材２ｄの細孔を通過すると、細孔の径方向外側に向けて拡散される。これにより、拡散部材２ｄの下流側の冷却空気は、燃焼器ライナ２ｂの周方向において流速及び流量が均一となる。

そして、冷却空気は、ルーバ２ｅと燃焼器ライナ２ｂとの間の隙間を通じて、燃焼器ライナ２ｂの壁面に沿って下流側に向けて流れる。燃焼器ライナ２ｂの壁面に沿って流れる冷却空気により、燃焼器ライナ２ｂの壁面は冷却される。その後、冷却空気は、燃焼器ライナ２ｂの下流端より排出される。

本実施形態によれば、溝部Ｋに設けられた拡散部材２ｄを通じて燃焼器ライナ２ｂ内に冷却空気が流入する。したがって、拡散部材２ｄにより、燃焼器ライナ２ｂへと流入する冷却空気の流速及び流量が、燃焼器ライナ２ｂの周方向において均一化され、燃焼器ライナ２ｂの壁面が均一に冷却される。

また、本実施形態によれば、拡散部材２ｄとして、焼結金属を用いることにより、多孔質構造としつつ、強度を担保することが可能である。

また、本実施形態によれば、ルーバ２ｅが拡散部材２ｄの近傍に設けられており、拡散部材２ｄから流入した冷却空気を燃焼器ライナ２ｂの内壁面に沿って案内することが可能である。したがって、燃焼器ライナ２ｂの内壁面を効果的に冷却することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態においては、ルーバ２ｅを設ける構成について説明したが、本発明はこれに限定されない。燃焼器ライナ２ｂにおいては、中心部に、軸方向に沿う燃焼空気の流れが形成されている。したがって、冷却孔より流入した冷却空気は、燃焼空気の流れによって燃焼器ライナ２ｂの内壁に押し付けられる。すなわち、ルーバ２ｅを設けない構成においても、冷却空気は、燃焼器ライナ２ｂの内壁面に沿って流れる。

（２）上記実施形態においては、溝部Ｋに拡散部材２ｄが設けられるものとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、燃焼器ライナ２ｂは軸方向において複数の環状部材に分割され、各構成部材の間に拡散部材２ｄが挟み込まれて固定されるものとしてもよい。この場合、燃焼器ライナ２ｂの全周に渡って拡散部材２ｄが設けられることとなる。これにより、拡散部材２ｄの表面積がより大きくなるため、より均一に冷却空気を供給することができると共に、より多くの冷却空気を燃焼器ライナ２ｂに取り込むことが可能である。

（３）上記実施形態においては、冷却構造を燃焼器ライナ２ｂに対して設けるものとしたが、本発明はこれに限定されない。高温の壁部を有する構造体であれば、その機能が限定されるものではない。

（４）また、燃焼器２は、カン型もしくはカンニュラ型とされ、１つもしくは複数の筒状の燃焼器ライナ２ｂを備えるものとしてもよい。この場合、燃焼器ライナ２ｂのそれぞれに対して冷却構造が設けられる。

（５）また、上記実施形態においては、拡散部材２ｄは、焼結金属により構成されるものとしたが、本発明はこれに限定されない。拡散部材２ｄは、例えば多孔質セラミックスにより構成されるものとしてもよい。

（６）また、上記実施形態においては、冷却流体として空気を用いるものとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、冷却流体は、構造体の機能に応じて変更可能であり、窒素等の不活性ガスや、液体状態の水等としてもよい。

（７）また、拡散部材２ｄと、燃焼器ライナ２ｂとが３次元プリンタ等により一体形成されるものとしてもよい。この場合、拡散部材２ｄを燃焼器ライナ２ｂに取り付ける必要がないため、組立時の作業工数を減らすことができ、製造が容易となる。

１ 圧縮機
１ａ 圧縮機動翼
１ｂ 圧縮機静翼
１ｃ ハウジング
２ 燃焼器
２ａ 燃料供給ノズル
２ｂ 燃焼器ライナ
２ｃ スワラ
２ｄ 拡散部材
２ｅ ルーバ
３ タービン
３ａ タービン軸
３ｂ タービン動翼
３ｃ タービン静翼
Ｇ ガスタービン
Ｈ１ 吸気口
Ｈ２ 排気口
Ｒ１ 圧縮空気室
Ｒ２ 燃焼領域

Claims (5)

1. 構造物の壁部の冷却を行う冷却構造であって、
   前記壁部に埋設されると共に冷却流体が通過可能な多孔質体の拡散部材を備えることを特徴とする冷却構造。
2. 前記拡散部材は、焼結金属であることを特徴とする請求項１記載の冷却構造。
3. 前記壁部に設けられ、壁面に沿って前記冷却流体を案内するルーバを備えることを特徴とする請求項１または２記載の冷却構造。
4. 壁部を有する燃焼器ライナと、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷却構造と
   を備えることを特徴とする燃焼器。
5. 前記燃焼器ライナには、全周に渡って間隙が形成されることを特徴とする請求項４記載の燃焼器。

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