JP3110338B2 - 燃焼器の蒸気による冷却構造 - Google Patents

燃焼器の蒸気による冷却構造

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は蒸気によって冷却す
る構造を有するガスタービン燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービンの熱効率向上のためには、
ガスタービン入口温度を上昇させるのが有効であり、そ
れに伴い燃焼器からのＮＯｘ排出の増加抑制やタービン
の耐熱性能の向上，冷却性能の向上が望まれている。
【０００３】通常燃焼器は、１５００〜２０００℃の高
温のガスに晒され、特に燃焼室の火炎の近くと出口部は
高温に晒されるので、この部位は適切に冷却され、壁面
温度が許容値以内でありまた応力も低いことが必要であ
る。
【０００４】従来の高温タービンで実際に使用されてい
る燃焼器壁面冷却技術は、図４に示すような積層式や図
５に示すようなスロット式冷却構造が採用されている。
【０００５】即ち図４に示すように燃焼器壁面を二層の
板状体２１，２２で構成し、壁面の外側に当る板状体２
１に設けた冷却空気導入孔２３から冷却空気を取り込
み、層間に設けた溝２４を通して同冷却空気を流し、壁
面を冷却して内側の板状体２２に設けた冷却空気出口孔
２５から燃焼器内部へ流し込むようにしている。
【０００６】また、図５に示すように、燃焼器の外壁３
１に設けた冷却空気導入孔３２から燃焼器の外側を経て
冷却空気を取り込み、同導入孔３２を通過直後に燃焼器
の内壁部３３に当ててこの部位でインピンジメント冷却
を行い、次いで、この導入した冷却空気を内壁部３４に
沿って流しながらフィルム冷却を行うようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】前記したように、従来
のガスタービン燃焼器の冷却構造は、積層式やスロット
式構造により空気冷却を行うものが主流であるが、状況
に応じて種々変動する運転条件に追随して、あらゆる場
合において燃焼を安定して行いかつＮＯｘ，ＣＯ等が規
制値を満足させるためには、より高度な冷却技術の追求
は、常に要求されて止まないものである。
【０００８】本発明はこのようなニーズに応えてなされ
たもので、燃焼器をより効果的に冷却させるようにした
ものを提供することを課題とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は前記した課題を
解決するべくなされたもので、蒸気冷却式ガスタービン
の燃焼器において、燃焼室の入口側と出口側に冷却蒸気
の供給口をそれぞれ設け、同燃焼室中央部に冷却蒸気の
排出口を設けた燃焼器の蒸気による冷却構造を提供し、
火炎に近い燃焼室の入口側と、全体的にガス温度が上昇
することによって燃焼ガスの流速が増加する出口側とか
ら冷却蒸気を導入して効果的な熱交換を行わせ、次いで
蒸気のパス流路が短かくなる燃焼器の中央の排出口から
冷却蒸気を排出させて蒸気の温度上昇を抑制するように
したものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明の実施の一形態を図１に基
づいて説明する。
【００１１】１は燃焼ノズル，２は尾筒，３は同燃焼ノ
ズルと尾筒２との間に設けられた燃焼室である。
【００１２】燃焼室３の上流側である入口側Ａと、下流
側である出口側Ｂには、それぞれ周方向に複数個の冷却
蒸気供給口４ａ，４ｂが設けられている。
【００１３】この冷却蒸気供給口４ａ，４ｂは、図示省
略しているが燃焼室３の壁面の通路を経て同燃焼室３の
中央部Ｃの周方向に複数個設けられた冷却蒸気排出口へ
と連通している。
【００１４】いま、燃焼室３の入口側Ａから出口側Ｂに
亘ってその軸方向の位置を横軸にとり、各位置における
ガス温度等を縦軸にプロットすると、図２に示すような
変化となる。
【００１５】即ち、燃焼ガスから蒸気冷却壁面に入る熱
量を示す入熱分布は、燃焼室入口側でピーク値を形成し
た後燃焼室中央部Ｃに向かって下降し、同中央部Ｃを過
ぎて燃焼室出口側Ｂに向かって再び上昇する様相を呈し
ている。
【００１６】また、燃焼ガスから蒸気冷却壁面に伝達す
る熱量の割合を示す熱伝達率も、燃焼室３の入口側Ａが
高く、この入口側Ａから燃焼室中央部Ｃに向かって下降
し、同中央部Ｃを過ぎてから燃焼室出口側Ｂに向かって
徐々に上昇して行く様相を呈している。
【００１７】更にまた、同燃焼室３内のガス温度分布
は、燃焼室３の入口側Ａで急上昇し、次いで中央部Ｃ、
出口側Ｂへと向かってゆるやかに上昇している。
【００１８】従って燃焼室３についてみれば、その入口
側Ａと出口側Ｂとに高温域が形成され、中央部Ｃにおい
て温度が低くなっているので、この高温域に当たる入口
側Ａと出口側Ｂとに冷却蒸気供給口４ａ，４ｂを設け、
冷却媒体である冷却蒸気の冷却能力が十分な段階で冷却
を行なえば効果的な冷却が期待されるものである。
【００１９】特に燃焼室３の入口側Ａにおいては、燃焼
ガス温度及び燃焼ガス側熱伝達率よりも燃焼ガスからの
入熱量が大きく、また、出口側Ｂでもこれに次いで入熱
量が大きいので、この位置を狙って冷却蒸気供給口４
ａ，４ｂを設けることは有効なことである。
【００２０】この様な観点から発明者らにおいて、本実
施の形態の様に冷却蒸気供給口及び排出口を設けたモデ
ルを用いて数度に亘って高圧燃焼試験を重ねた結果、図
３に示すようなメタル温度分布を確認することができ
た。
【００２１】即ち、温度が低く冷却能力が十分な蒸気を
入口側Ａ及び出口側Ｂから供給することにより、この冷
却蒸気の低い温度で入口側Ａと出口側Ｂの温度は下が
り、一方、冷却蒸気は中央部Ｃ方向へ流れるに従ってそ
の温度が上昇していくために、この冷却蒸気で冷却され
るメタルも、入口側Ａと出口側Ｂでは温度が低く中央部
Ｃでは高くなっていることが顕著に示されている。
【００２２】前記した様な知見に従い本実施の形態で
は、燃焼室３において燃焼ノズル１からの火炎の近くの
入口側Ａと、燃焼ガスの流速が増加する出口側Ｂのよう
に、特に高温に晒される部位に冷却蒸気の供給口４ａ，
４ｂを設け、同供給口４ａ，４ｂから供給した冷却蒸気
を、燃焼室３の壁面を通して中央部Ｃの排出口５から回
収するものである。
【００２３】従って本実施の形態では、温度の高い部分
から冷却を開始するので、冷却蒸気との熱交換が効果的
に良好に行われ、そしてこの冷却蒸気はパス流路を短か
くして中央部Ｃの排出口５から蒸気温度の必要以上の上
昇を抑えて回収されるものである。
【００２４】以上、本発明を図示の実施の形態について
説明したが、本発明はかかる実施の形態に限定されず、
本発明の範囲内でその具体的構造に種々の変更を加えて
よいことはいうまでもない。
【００２５】
【発明の効果】以上本発明によれば燃焼器の冷却効果が
良好となり熱応力が低減するとともに、燃焼器のメタル
温度も低減する。そしてガスタービンの今後の高温化に
も対応が可能となる等、その効果は非常に大きいものを
得ることができたものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係る燃焼器の冷却概要
の説明図。
【図２】燃焼室の入口側から出口側に亘って、燃焼室内
の入熱分布、ガス温度分布、熱伝達率分布を示す説明
図。
【図３】燃焼室の入口側から出口側に亘って、燃焼室の
メタル温度分布を示す説明図。
【図４】従来の燃焼器の冷却概要の一例を示す説明図。
【図５】従来の燃焼器の冷却概要の他の例を示す説明
図。
【符号の説明】
１ 燃焼ノズル ２ 尾筒 ３ 燃焼室 ４ａ 供給口 ４ｂ 供給口 ５ 排出口
フロントページの続き (72)発明者 赤城 弘一 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂製作所内 (72)発明者 稲田 満 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂製作所内 (56)参考文献 特開 平８−338633（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−111131（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−209778（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02C 7/18 F23R 3/42

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 蒸気冷却式ガスタービンの燃焼器におい
    て、燃焼室の入口側と出口側に冷却蒸気の供給口をそれ
    ぞれ設け、同燃焼室中央部に冷却蒸気の排出口を設けた
    ことを特徴とする燃焼器の蒸気による冷却構造。
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