JP2596921B2

JP2596921B2 - 燃焼器

Info

Publication number: JP2596921B2
Application number: JP61281858A
Authority: JP
Inventors: 正辻
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1986-11-28
Filing date: 1986-11-28
Publication date: 1997-04-02
Anticipated expiration: 2012-04-02
Also published as: JPS63135719A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、燃焼器に関し、更に詳細には、ガスタービ
ン及びボイラバーナ等の高負荷燃焼設備における燃焼器
の壁面を効果的に冷却する技術に関する。

従来の技術第6a図及び第6b図は、従来の典型的なガスタービン燃
焼器の２つの異なる型式を示す。すなわち、第6a図はキ
ャニュラー型燃焼器を示し、また第6b図はアニュラー型
燃焼器を示している。

これらの燃焼器は、ともに産業用ガスタービン、航空
機用ガスタービンに多用されている。第6a図のキャニュ
ラー型燃焼器は、複数個のキャン型（缶型）燃焼器BBが
円周上に配列されたもので、各燃焼器BBにそれぞれ燃料
ノズルAAが取り付けられている。一方、第6b図のアニュ
ラー型燃焼器は、１個の燃焼器BBに複数個の燃料ノズル
AAが取り付けられている。

次に、第7a,7b図及び第8a,8b図を参照して、従来の代
表的な２つの燃焼器壁面冷却方式について説明する。

第7a,7b図は、燃料ノズルを上流として、上流側壁面2
aと下流側壁面1aとの間に波板（コルゲート）3aを設け
た場合を示す。下流側壁面1a及び上流側壁面2aの各壁面
は波板3aとスポット溶接部５で接合され、数個の壁面が
燃焼器を構成する。そして、波板3aの隙間に流入する冷
却空気Ａが下流側壁面1aと上流側壁面2aとの間にフィル
ム冷却域ａを形成して壁面冷却を行う。

一方、第8a,8b図は下流側壁面1aと上流側壁面2aとを
シーム溶接部６にて結合して、燃焼器を構成した場合を
示す。そして、下流側壁面1aの傾斜部に形成した冷却空
気孔4aから流入する冷却空気Ａが7a,7b図の場合と同様
に、フィルム冷却域ａを形成する。

なお、第7b図及び第8b図においてはＸは燃焼ガス流れ
を示し、また8b図においてＴは内壁温度を、ｔは冷却媒
体（空気）温度を、T_Gは燃焼ガス温度をそれぞれ示す。

発明が解決しようとする課題以上述べた従来の燃焼器壁面冷却方式は、しかし、次
に述べるような問題がある。

ａ）冷却はフィルム冷却が主体のため、フィルム冷却域
ａより下流では燃焼ガスＸが冷却空気Ａと混合し、壁温
度を上昇させる。つまり、フィルム冷却域ａが限定され
ると共に、冷却強化（フィルム冷却以外の適用）が難し
い。

ｂ）上流側壁面2aが高温、下流側壁面1aが低温となるた
め、スポット溶接部５又はシーム溶接部６では熱応力が
発生し、振動等が生じると亀裂の始点となり易い。

ｃ）冷却媒体は、ガスタービンの圧縮機出口空気Ａを使
用しており、構造上別の冷却媒体（水蒸気等）が使えな
い。

ｄ）冷却はフィルム冷却が主体であるため、燃焼用空気
を１〜２割減らせて冷却にあてている。したがって、高
温の高負荷燃焼器とするには、冷却空気Ａの割合を増加
する必要があり、その分燃焼制御用空気を消費する訳
で、燃焼器設計の自由度が制限される。

ｅ）上流側壁面2aと下流側壁面1aとの接続部で冷却空気
Ａを導入するため、下流ほど壁面径が大きくなり、形状
設計の制約となる。

課題を解決するための手段本発明（第１の本発明）は、以上述べた従来技術の課
題を解決するために、燃焼器において、壁面を内壁と外
壁とより成る二重壁構造とし、前記外壁を波形とすると
共にその波形凹部に冷却孔を設け、かつ前記内壁に前記
外壁の波形凸部内にまで延びるフィンを設けたものであ
る。

また、本発明（第２の本発明）は、燃焼器において、
壁面を内壁と外壁とより成る二重壁構造とし、前記内壁
及び前記外壁をともに沿った形状の波形とすると共に外
壁の波形凹凸部にそれぞれ冷却孔を設けたものである。

作用第１の本発明によれば、冷却媒体が燃焼器外壁の波形
凹部に設けられた冷却孔から流入して内壁に衝突するこ
とにより衝突冷却が行われ、それから冷却媒体が内壁に
沿って流れることにより強制対流冷却が行われ、それか
ら冷却媒体がフィンに流れることによりフィン冷却が行
われるので、内壁を効果的に冷却できる。

そして、好適には、燃焼器の内壁に外壁の波形凹部の
冷却孔に対面する他のフィンを設け、衝突冷却に代えて
フィン冷却を行うことにより、内壁をより効果的に冷却
できる。

また、第２の本発明によれば、冷却媒体が燃焼器外壁
の波形凹凸部にそれぞれ設けられた冷却孔から流入して
内壁に衝突することにより衝突冷却が行われ、それから
冷却媒体が内壁に沿って流れることより強制対流冷却が
行われるので、内壁を効果的に冷却できる。

そして、好適には、燃焼器内壁の波形凸部の上流側根
部にフィルム冷却孔を設け、内壁の波形凸部内に安定し
てフィルム冷却域を保持してフィルムの安定（定在）性
を図ることにより、内壁をより効果的に冷却できる。

更に、第１の本発明にあっては燃焼器の外壁を、又は
第２の本発明にあっては燃焼器の内壁及び外壁を波形と
しているので、高温の内壁と低温の外壁との間の熱伸び
が差によって生ずる熱応力を軽減できる。

また、第１及び第２の本発明のいずれにおいても、燃
焼器外壁の外側に更に他の外壁を設けて、壁面を三重壁
構造とすることにより、冷却孔を有する外壁とその外側
の他の外壁との間に冷却媒体空間を確保し、内側の外壁
の冷却孔から冷却媒体を流入して内壁を冷却し、その御
冷却媒体を回収できるので、空気以外の他の回収を必要
とする冷却媒体を使用することもできる。ただし、フィ
ルム冷却媒体を内壁の穴から燃焼器内へ流入させる場合
には、燃焼器内に流入可能な媒体（空気、蒸気等）に限
定される。

実施例以下図面を参照して、本発明の実施例について詳述す
る。

第1a図は本発明の第１実施例を示し、燃焼器の壁面を
内壁７と外壁８とより成る二重壁構造とし、外壁８を波
形とすると共に、その波形凹部に冷却孔４を設け、かつ
内壁７に外壁８の波形凸部内にまで延びる長いフィン10
Bを設けたものである。

したがって、この構成においては、冷却媒体例えば冷
却空気Ａが燃焼器外壁８の波形凹部に設けられた冷却孔
４から流入して内壁７に衝突することにより衝突冷却が
行われ、それから冷却空気Ａが内壁７に沿って流れるこ
とにより強制対流冷却が行われ、それから冷却空気がフ
ィン10Bに流れることによりフィン冷却が行われるの
で、内壁７を効果的に冷却できる。

第1b図は本発明の第２実施例を示し、第1a図の変形例
であって、内壁７に、外壁８の波形凸部内に延びる長い
フィン10Bに加えて、外壁８の波形凹部に設けた冷却孔
４に対面する短いフィン10Aを設けたものである。

したがって、この構成においては、冷却空気Ａが外壁
８の冷却孔４から流入することにより、衝突冷却に代え
てフィン冷却が行われ、その後強制対流冷却及びフィン
冷却が行われるので、内壁７をより効果的に冷却でき
る。

第1c図は本発明の第３実施例を示し、燃焼器の壁面を
内壁７と外壁８とより成る二重壁構造とし、内壁７及び
外壁８をともに沿った形状の波形とすると共に、外壁８
の波形凹凸部にそれぞれ冷却孔４を設けたものである。

したがって、この構成においては、冷却空気Ａが外壁
８の冷却孔４から流入することにより衝突冷却が行わ
れ、その後強制対流冷却が行われるので、内壁７を効果
的に冷却できる。

第1d図は本発明の第４実施例を示し、第1c図の変形例
であって、冷却孔４を有する外壁８の外側に更に他の外
壁すなわち最外壁９を設けて、燃焼器の壁面を三重壁構
造としたものである。

したがって、このような構成においては、空気以外の
他の回収を必要とする冷却媒体Ｂを使用できるものであ
る。すなわち、冷却孔４を有する外壁８とその外側の最
外壁９との間に冷却媒体Ｂの空間を確保し、内側の外壁
８の冷却孔４から冷却媒体Ｂを流入し、その後内壁７と
外壁８との間を利用して冷却媒体Ｂを回収することがで
きるので、空気以外の他の回収を必要とする冷却媒体Ｂ
を使用することができ、冷却媒体の選択の自由を行え
る。

更に他の変形例として、図示はしないが、この第1d図
に示した最外壁９を第1a及び1b図の各構成に付加して、
同様に空気Ａ以外の他の冷却媒体Ｂを使用することもで
きる。

また、以上述べた各実施例において、内壁７と外壁８
とを組み合わせて一つの構造体を形成したので、内壁７
は高温、外壁８は低温となり、このため、それらの間の
熱伸び差の吸収が必要となるが、外壁又は内・外壁の両
方を波形とすることによって解決することができる。そ
して、この波形形状は、次の（ア）、（イ）両項の流体
力学的に優れた特性を持つ。

（ア）内・外壁7,8間の隙間を衝突冷却に必要な値ｌ
（第1a,1c及び1d図参照）に調整できる。

（イ）流路を仕切ることによって流れを整えることがで
きる。

次に、第2,3及び４図はそれぞれ第1a,1b及び1c図の実
施例における燃焼器内壁の温度分布を示す。また、第５
図は第４図（第1c図に相当）の実施例における内壁７の
波形凸部の上流側屋根にフィル冷却孔14bを設け、内壁
７の波形凸部内に安定してフィルム冷却域ａを保持して
フィルムの安定（定在）性を図ることにより、内壁７を
より効果的に冷却できるようにした例を示す。

これらの第２〜５図においては、内壁７の冷却内容
を、11・・衝突列客、12・・強制対流冷却、13・・フィ
ン冷却、14・・フィルム冷却で区分して示しており、冷
却効果の大小は、14＞11＞13＞12となる。

しかして、内壁温度Ｔは冷却の度合によって、燃焼ガ
ス温度T_G〜冷却媒体温度ｔの間の温度に調整される。

衝突冷却11は最も伝熱境界層が薄いため、内壁７から
の冷却伝熱量が最大となる。

強制対流冷却12は、伝熱境界層が厚くなり、上記衝突
冷却11よりも冷却伝熱量が小さい。この欠点を補うため
にフィン冷却13を用いるが、これは内壁７への入熱（伝
熱Area）に対して放熱Areaを多くとれる分だけ冷却効果
が強制対流冷却12より改善される。

フィルム冷却14はフィルム冷却域ａの空気層（冷却媒
体層）が高温の燃焼ガスXXを遮断するために冷却効果を
持つもので、第５図の波板凸部7A内に安定してフィルム
冷却域ａを保持できるときに最も効果が大きい。

次に、下記の表１は従来技術と対比して本発明の各実
施例の特徴を整理して示す。

この表から明らかなように、第1c図のケースが最良の
特徴を備えているが、その他のいずれのケースを用いて
も従来技術よりも良好な性能が得られる。

（ア）フィルム冷却：全ケース可能であるが、第1c図の
ケースのように内壁７が凹部を有する方が効果が大き
い。

（イ）衝突冷却：冷却孔４の真下にフィン10を配した第
1b図以外のケース全てに衝突冷却を適用。

（ウ）強制対流冷却：従来技術ではフィルム冷却域以外
の壁面が、周囲から近づく空気によって若干対流冷却さ
れるが、気流が乱れているため十分な冷却が期待できな
い。本発明の二重壁構造によって強制対流冷却のきめ細
かい計画が行える。

（エ）フィン冷却：強制対流冷却を更に効率良く行うた
め第1a図、第1b図のケースでは、フィン冷却を採用して
いる。第1b図のケースでは、冷却孔４の真下に設けたフ
ィン10A部が特に冷却効果が大きい。

（オ）壁温度分布差：従来技術（第7a、7b図及び第8a
図、第8b図）ではフィルム冷却域ａの後流は燃焼器内ガ
ス流れＸとの混合が激しく、ガス温度T_Gに近い壁温度と
なる（第8a、8b図）。フィルム冷却域との温度分布差は
（T_G−ｔ）で最大である。

本発明では、第1a図＞第1b図＞第1c図の順位で壁温度
分布差が小さくなる。第1c図のケースが最も熱応力が小
さくて良好である。

（カ）壁最大温度：前述のとおり、従来技術が最も高温
度を示す。

本発明では、第1b図＞第1a図＞第1c図の順位で壁温度
が小さくなる。第1c図のケースが最も熱応力耐力が大き
く良好である。特に、第５図のようにフィルム空気冷却
を併用すると最も熱応力の高い曲げ部を低温にでき、さ
らに熱応力耐力を高めることができる。

（キ）熱応力吸収：内・外壁をもとに波形とする第1c図
のケースが熱応力吸収性に優れている。

他のケースでは、外壁を波形として熱伸びの拘束を緩
和しているので、従来技術よりは熱応力吸収が良好であ
る。

（ク）一般媒体使用：本発明では、「三重壁の採用」及
び「フィルム冷却の非使用」の条件において、全て空気
以外の一般の冷却媒体が使用できる。

発明の効果以上述べたように、本発明（第１の本発明）は、燃焼
器において、壁面を内壁と外壁とより成る二重壁構造と
し、前記外壁を波形とすると共にその波形凹部に冷却孔
を設け、かつ前記内壁に前記外壁の波形凸部内にまで延
びるフィンを設け、冷却媒体が燃焼器外壁の波形凹部に
設けられた冷却孔から流入して内壁に衝突することによ
り衝突冷却が行われ、それから冷却媒体が内壁に沿って
流れることにより強制対流冷却が行われ、それから冷却
媒体がフィンに流れることによりフィン冷却が行われる
ので、内壁を効果的に冷却できる。

また、本発明（第２の発明）は、燃焼器において、壁
面を内壁と外壁とにより成る二重壁構造とし、前記内壁
及び前記外壁をともに沿った形状の波形とすると共に外
壁の波形凹凸部にそれぞれ冷却孔を設け、冷却媒体が燃
焼器外壁の波形凹凸部にそれぞれ設けられた冷却孔から
流入して内壁に衝突することにより衝突冷却が行われ、
それから冷却媒体が内壁に沿って流れることにより強制
対流冷却が行われるので、内壁を効果的に冷却できる。

更に、第１の本発明にあっては燃焼器の外壁を、又は
第２の本発明にあっては燃焼器の内壁及び外壁を波形と
しているので、高温の内壁と低温の外壁との間の熱延び
差によって生ずる熱応力を軽減できる。そして、波形は
溝に沿った方向での剛性が高いため、使用中の変形が少
なく寸法精度が保たれること、及び振動等での変形モー
ドが少なく、共振しにくい構造にできる等の優れた構造
特性を有する利点がある。

また、第１及び第２の本発明のいずれにおいても、燃
焼器外壁の外側に更に他の外壁を設けて、壁面を三重壁
構造とすることにより、冷却孔を有する外壁とその外側
の他の外壁との間に冷却媒体空間を確保し、内側の外壁
の冷却孔から冷却媒体を流入して冷却し、その後冷却媒
体を回収できるので、空気以外に他の回収を必要とする
冷却媒体を使用することができ、冷却媒体の選択が自由
に行える利点もある。

【図面の簡単な説明】

第1a図〜第1b図は本発明の４つの異なる実施例を示す燃
焼器の要部断面図、第２図〜第４図はそれぞれ第1a図〜
第1c図の実施例における内壁の温度分布を示す図、第５
図は第1c図及び第４図の実施例にフィルム冷却を付与し
た場合の内壁温度分布を示す図、第6a図及び第6b図はガ
スタービン燃焼器の２つの異なる型式を示す概略斜視
図、第7a図は従来の燃焼器壁面冷却方式の一例を示す要
部斜視図、第7b図は第7a図のVII b−VII b断面図、第8a
図は従来の燃焼器壁面冷却方式の他の例を示す要部斜視
図、第8b図は第8a図のVIII b−VIII b断面図である。４……冷却孔、７……内壁、８……外壁、９……最外
壁、10A,10B……フィン、11……衝突冷却、12……強制
対流冷却、13……フィン冷却、14……フィルム冷却、14
b……フィルム冷却孔、Ａ……冷却空気、Ｂ……冷却媒
体、ａ……フィルム冷却域、XX……燃焼器内ガス。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】壁面を内壁と外壁とより成る二重壁構造と
し、前記外壁を波形とすると共にその波形凹部に冷却孔
を設け、かつ前記内壁に前記外壁の波形凸部内にまで延
びるフィンを設けたことを特徴とする燃焼器。
【請求項２】特許請求の範囲第２項記載の燃焼器におい
て、前記内壁に前記外壁の波形凹部の冷却孔に対面する
他のフィンを設けたことを特徴とする燃焼器。
【請求項３】特許請求の範囲第１項又は第２項記載の燃
焼器において、前記外壁の外側に更に他の外壁を設け
て、壁面を三重壁構造としたことを特徴とする燃焼器。
【請求項４】壁面を内壁と外壁とより成る二重壁構造と
し、前記内壁及び前記外壁をともに沿った形状の波形と
すると共に外壁の波形凹凸部にそれぞれ冷却孔を設けた
ことを特徴とする燃焼器。
【請求項５】特許請求の範囲第４項記載の燃焼器におい
て、前記内壁の波形凸部の上流側根部にフィルム冷却孔
を設けたことを特徴とする燃焼器。
【請求項６】特許請求の範囲第４項又は第５項記載の燃
焼器において、前記外壁の外側に更に他の外壁を設け
て、壁面を三重壁構造としたことを特徴とする燃焼器。