JP3626861B2 - ガスタービン燃焼器の冷却構造 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービン燃焼器の冷却構造に関し、燃焼器の壁を二重構造として内部に冷却用の空気や蒸気を流通させて冷却する構造において冷却効率を高めるような構造としたものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１４はガスタービン燃焼器の一般的な構造とその冷却方式を示す図であり、（ａ），（ｂ）は空気冷却方式を、（ｃ）は蒸気冷却方式を採用した例である。これらの概要を要約して説明すると、図１４（ａ）において１００はパイロットノズルでパイロット燃料を噴射し、燃焼させるもの、１０１はメインノズルであり、アニユラーノズル方式と呼ばれ、パイロット内筒１０２の周囲に複数本配置され、メイン燃料を噴射し、パイロット内筒１０２でのパイロット燃料の燃焼によってメイン燃料が点火され、燃焼する。１０３はメイン内筒、１０４は接続筒、１０５は尾筒であり、これらはメイン燃料が燃焼して高温となった燃焼ガスをガスタービンの燃焼ガス通路に導くものである。１０６は空気バイパス弁であり、低負荷時において余分な圧縮機からの空気をバイパスダクトより尾筒１０５を通り、ガスタービン燃焼ガス通路に逃すためのものである。このような形式の燃焼器においては尾筒１０５の壁内部は図１５により後述するように空気により冷却するための冷却構造が採用されている。
【０００３】
図１４（ｂ）の燃焼器はマルチノズル方式と呼ばれ、１０７はパイロットノズルであり、その周囲には複数のメインノズル１０８が配置され、内筒１０９内へメインノズル１０８からメイン燃料が噴射され、パイロットノズル１０７からのパイロット燃料の燃焼によってメイン燃料が点火され、燃焼する。１１０は尾筒であり、１０６は空気バイパス弁である。このような構造の燃焼器においても尾筒１１０の壁内部が図１５において後述するように空気により冷却される。
【０００４】
図１４（ｃ）の燃焼器はマルチノズル方式の燃焼器に蒸気冷却方式を採用した例である。図において、１１１はパイロットノズル、１１２はその周囲に配列された複数のメインノズルであり、１１３はスワラーホルダである。１１４は内筒一体型の尾筒であり、スワラーホルダ１１３に接続され、高温の燃焼ガスをガスタービンの燃焼ガス通路へ導く。尾筒１１４には壁内部に冷却用の蒸気通路が多数設けられており、１１５は蒸気供給通路、１１６，１１７は蒸気回収通路である。冷却用の蒸気２００は蒸気供給通路１１５より尾筒１１４の壁内の通路に供給され、壁内を流れて壁面を冷却し、それぞれ両端側に設けられた蒸気回収通路１１６，１１７より蒸気２０１，２０２として回収され、蒸気発生源に戻されて有効利用される。
【０００５】
図１５は前述の図１４（ａ），（ｂ）の燃焼器尾筒１０５，１１０の壁の一部を示す斜視図である。図において壁は二重構造となっており、外側板１２０と内側板１２３とが接合されて構成されている。外側板１２０は尾筒の外表面を構成し、多数の断面形状が一定の溝１２１がほぼ燃焼ガス流れ方向に向かって配列して穿設されており、溝１２１の開口側が内側板１２３の接合面で閉じられている。又、外側板１２０には各溝１２１に連通する空気吸込穴１２２がそれぞれ設けられ、この空気吸込穴１２２は１本の溝１２１に沿って所定の間隔をおいて設けられている。
【０００６】
又、内側板１２３には空気吐出穴１２４が開けられている。この空気吐出穴１２４は、互いに接合する外側板１２０に穿設された溝１２１の開口部に連通するように配置され、溝１２１に沿って２個の空気吸込穴１２２の中間位置に配置されている。外側板１２０と内側板１２３とはハステロイＸ、トミロイ、ＳＵＳ材等の耐熱材が用いられ、接合されている。この接合は加熱と加圧によって熱間圧接させる拡散溶接によってなされる。
【０００７】
このような壁構造において尾筒の周囲から冷却用の空気３００が多数の空気吸込穴１２２を通り、それぞれ溝１２１内へ流入し、溝１２１内を流れて壁面を冷却し、各溝１２１の空気吐出穴１２４より空気３０１として尾筒内に流出する。このような溝１２１、この溝１２１に連通する空気吸込穴１２２及び空気吐出穴１２４が尾筒の壁全周囲に多数配列して設けられ、外側周囲より空気を吸い込み、壁内部を流れて尾筒全周を冷却し、その空気はそれぞれ空気吐出穴１２４より尾筒内に流出し、燃焼ガスに混入される。
【０００８】
図１６は図１４（ｃ）に示す蒸気冷却方式の燃焼器の拡大図である。図示のように車室１３０に取付けられた燃焼器のスワラホルダ１１３には内筒一体型の尾筒１１４が連結されており、尾筒１１４の壁内部には多数の蒸気通路１１８，１１９がほぼガス流れ方向に向かって全周に設けられている。各蒸気通路１１８，１１９は断面形状一定の通路であり、それぞれ蒸気供給通路１１５に連通し、蒸気２００の一部は供給通路１１５から多数の蒸気通路１１８を通ってノズル側に供給され、それぞれ壁を冷却して蒸気回収通路１１６から回収蒸気２０１として回収され、又、供給通路１１５からの残りの蒸気は多数の蒸気通路１１９を通って後流側に供給され、それぞれ壁を冷却して蒸気回収通路１１７から回収蒸気２０２として回収される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように従来のガスタービン燃焼器の冷却構造においては、空気冷却方式、蒸気冷却方式のいずれかにおいても壁内部の溝形状が一定で、かつ直線状に配置されている。そのために短区間の尾筒壁においては均一な冷却が必要な部位で必要冷却範囲をカバーするために相当数の直線状の冷却用溝を必要としている。しかも、冷却区間が短区間であるために冷却媒体の冷却能力を使い切らぬまま排出され、その結果、必要以上の冷却媒体の使用を余儀なくされていた。又、冷却用溝断面が一定形状であるため、冷却媒体の流速、圧力損失、熱伝達率は断面形状に支配されるので、冷却通路の冷却媒体の吸込穴から吐出穴までの冷却条件が断面形状により一義的に決まり、調整ができず最適化を計ることもできなかった。
【００１０】
そこで本発明は、燃焼器の壁内部の冷却通路の断面積を変化させ、又その流路長を直線状でなく変化させ、冷却空気や冷却蒸気の供給に合わせた冷却媒体の流速、圧力損失、熱伝達率の調整を可能とし、更に冷却流路長や幅を変化させることにより冷却効果を高めるようにした最適な冷却設計ができるようになり、燃焼器壁の温度分布を改善し、熱応力を軽減して割れ等の不具合が発生しない信頼性を向上するようにしたガスタービン燃焼器の冷却構造を提供することを課題としてなされたものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は前述の課題を解決するために次の（１）乃至（５）の手段を提供する。
【００１２】
（１）ガスタービン燃焼器の壁内部に冷却用空気の通路を燃焼ガス流れ方向に複数列設け、同各通路には多数の空気吸込穴と同空気吸込穴より径の大きい多数の空気吐出穴とを順次所定の間隔で配列して連通させ、同空気吸込穴より同通路内に冷却用空気を流して同空気吐出穴より燃焼器内部へ流出させる空気冷却構造において、前記通路の空気吸込穴と空気吐出穴との区間は、通路断面の幅が空気の流れ方向に向かってなめらかに変化し、且つ通路断面は前記空気吐出穴に近づくに従って断面形状が拡大すると共にその幅は上記空気吸込穴の位置で最小、上記空気吐出穴の位置で最大となっていることを特徴とするガスタービン燃焼器の冷却構造。
【００１３】
（２）上記（１）において、前記通路の所定区間には複数のタービュレータを設けた冷却構造。
【００１４】
（３）上記（１）において、前記通路の所定空間の壁面には空気の流れ方向に直交するように複数の凹形状の溝を設けた冷却構造。
【００１５】
（４）ガスタービン燃焼器の壁内部に冷却用空気の通路を燃焼ガス流れ方向に複数列設け、同各通路には多数の空気吸込穴と同空気吸込穴より径の大きい多数の空気吐出穴とを順次所定の間隔で配列して連通させ、同空気吸込穴より同通路内に冷却用空気を流して同空気吐出穴より燃焼器内部へ流出させる空気冷却構造において、前記通路の空気吸込穴と空気吐出穴との区間は断面形状が不変の区間と同区間より幅を狭くし断面積を小さくしたオリフィスとを交互に連通させて、前記空気吸込穴の両側部分はオリフィスとし、前記不変の区間に前記空気吐出穴を設けたことを特徴とするガスタービン燃焼器の冷却構造。
【００１６】
（５）上記（１），（４）のいずれかにおいて、前記各通路の空気吸込穴及び吐出穴の配列は、通路を流れる空気の流れ方向が隣接する通路の流れ方向と互いに逆方向となるように構成し、上記壁全体において均一な冷却を可能とし、温度分布を均一化し、熱応力発生のアンバランスを解消する冷却構造。
【００１７】
本発明は上記（１），（４）を基本的な発明としており、空気冷却方式に適用されるものである。従来の冷却構造においてはその通路形状が均一な断面であり、冷却用空気の流速、圧力損失、熱伝達率は断面形状により一義的に決まっており、温度分布の異る壁面の場所によってこれらの条件を調整することができなかった。本発明の（１）においては、ガスタービン燃焼器の壁内部に冷却用空気の通路を燃焼ガス流れ方向に複数列設け、同各通路には多数の空気吸込穴と同空気吸込穴より径の大きい多数の空気吐出穴とを順次所定の間隔で配列して連通させ、同空気吸込穴より同通路内に冷却用空気を流して同空気吐出穴より燃焼器内部へ流出させる空気冷却構造において、前記通路の空気吸込穴と空気吐出穴との区間は、通路断面の幅が空気の流れ方向に向かってなめらかに変化し、且つ通路断面は前記空気吐出穴に近づくに従って断面形状が拡大すると共にその幅は上記空気吸込穴の位置で最小、上記空気吐出穴の位置で最大となっているので、多数の空気吸込穴より流入した冷却空気は、両側に分かれて流れて壁を冷却し、温度分布の異なる壁面の場所により流速を変化させ、且つ、空気吐出穴に近づくに従って速度を抑え、これにより圧力損失も低下させることができ、冷却条件に合わせて流速、圧力損失、熱伝達率が調整可能となり、これにより最適条件での冷却通路の設計が可能となり温度分布を改善して熱応力を軽減させ、割れ、等の発生を防止することができ、燃焼器の信頼性が向上する。
【００１８】
又、（２）や（３）においてはタービュレータや凹みの作用により、冷却空気の流れを攪拌して熱伝達率を一層向上させることができ、（４）ではガスタービン燃焼器の壁内部に冷却用空気の通路を燃焼ガス流れ方向に複数列設け、同各通路には多数の空気吸込穴と同空気吸込穴より径の大きい多数の空気吐出穴とを順次所定の間隔で配列して連通させ、同空気吸込穴より同通路内に冷却用空気を流して同空気吐出穴より燃焼器内部へ流出させる空気冷却構造において、前記通路の空気吸込穴と空気吐出穴との区間は断面形状が不変の区間と同区間より幅を狭くし断面積を小さくしたオリフィスとを交互に連通させて、前記空気吸込穴の両側部分はオリフィスとし、前記不変の区間に前記空気吐出穴を設けることにより、通路の流路をオリフィス効果により絞ったり、流路を拡大して流速を調整することができる。
即ち、冷却用空気は尾筒の外周囲より空気吸込穴を通り、オリフィスへ流入し、両側に分かれて通路へ入り、それぞれ空気吐出穴に向かって流れ、壁を冷却しながら加熱されて膨張するが、通路の幅は空気吐出穴の近くで拡大し、断面積が増すのでその流速の増大が抑えられ、圧損の上昇が防止され、実施の第１形態と同様の効果が得られる。
【００１９】
（５）では隣接する通路では空気の流れが互いに逆方向となっているので、冷却のアンバランスが解消される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて具体的に説明する。図１は本発明の実施の第１形態に係るガスタービン燃焼器の冷却構造の壁の一部を示す平面図、図２は図１におけるＡ−Ａ断面図であり、（ａ）は内部溝の断面形状が一定のもの、（ｂ），（ｃ）はその変形例で内部溝の断面形状を変化させたものをそれぞれ示す。図１に示す壁構造は従来例で説明した図１４（ａ），（ｂ）のガスタービン燃焼器の尾筒１０５，１１０の壁として適用され、燃焼器尾筒が空気冷却されるものである。
【００２１】
図１において、１は外側板であり、尾筒の外表面を構成している。２は外側板１内部に設けられた溝であり、その断面形状は幅がテーパ状に変化している。このテーパ形状は直線状、あるいはなめらかな曲線で構成される。外側板１には空気吸込穴３が開けられており、内部に設けられた溝２に連通している。４は内側板であり、空気吐出穴５が貫通して開けられており、外側板１下面に接してこれと接合している。これら外側板１、内側板４の材料は従来と同様にハステロイＸ、トミロイ、ＳＵＳ材等の耐熱材料からなる。
【００２２】
内側板４の空気吐出穴５は外側板１の溝２の開口上に沿って、かつ外側板１の空気吸込穴３の両側に所定のピッチで配置され、溝２に連通するように配置される。溝２の幅は空気吸込穴３から空気吐出穴５へ向かって直線状に拡大しており、空気吸込穴３の位置で最小の幅、空気吐出穴５の位置で最大の幅となっており、この溝２はそれぞれ両穴３，５に連通している。これらの溝２はそれぞれ尾筒の前流側から尾筒のガス出口側端部まで伸び、かつ尾筒の周囲壁内部に所定のピッチで、例えば３．４mmピッチで配置される。
【００２３】
図２（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図であり、外側板１と内側板４との接合部には溝２が一定の高さｈで形成されており、深さは一定であるが図１に示すように幅方向には直線状に拡大している。空気吸込穴３は外側板１に開けられ、空気吐出穴５は内側板４に開けられ、これら両穴３，５は溝２に連通して設けられている。又、空気吐出穴５の径は空気吸込穴３の径よりも大きくなっており、溝２の拡大する体積分の流出量を確保するようになっている。具体的寸法の一例としては外側板１の厚さが３．２mm、内側板４の厚さが０．６mm、ｈが１．６mm程度である。
【００２４】
図２（ｂ）は（ａ）の変形例であり、溝２ａの高さを空気吸込穴３から空気吐出穴５へ向かって直線状に狭め、かつ、幅方向には図１に示すようにテーパ状に拡大した例である。又、（ｃ）は（ｂ）の形状とは逆に溝２ｂの高さを空気吸込穴３で狭くテーパ状に変化させて拡大させ、空気吐出穴５において広くし、かつ図１に示すように幅方向にもテーパ状に拡大した例である。なお、このテーパ状の深さ方向の変化も直線状でも、又なめらかな曲線でも良いものである。
【００２５】
このような（ｂ），（ｃ）の例では溝２の形状を３次元的に変化させた例であり、テーパの形状を適切に設定し、溝２内を流れる冷却空気の流速、圧力損失を場所によって調整可能とし、尾筒の温度分布や熱応力の分布状況により、流速や圧力損失を適切な値となるように設定し、設計することができる。これらの溝２，２ａ，２ｂの加工はミーリング加工ではむずかしいので放電加工や電解加工で行なわれる。
【００２６】
図１，図２に示すように冷却空気３００は尾筒周囲の多数の空気吸込穴３より溝２，２ａ又は２ｂ内に流入し、両側に分かれて流れて壁を冷却し、それぞれ等しい間隔で配置された空気吐出穴５より尾筒内に３０１のように流出する。空気吸込穴３に流入する空気の温度は３５０°Ｃ〜４００°Ｃであり、壁面を冷却する過程で加熱され、約６００°Ｃ程度に上昇して尾筒内に流出する。
【００２７】
空気吸込穴３より吸い込まれた空気は溝２，２ａ，２ｂ内を流れる過程において加熱されて膨張し、体積が増加し、従来のような溝形状一定の断面では空気吐出穴で流速が増し、空気の圧損が増加してしまうが、本実施の第１形態のように空気吐出穴５に近づくに従って溝２の断面形状が２次元的又は３次元的に拡大しているので速度を抑え、圧損を少くすることができる。
【００２８】
又、本実施の第１形態では空気吸込穴３と空気吐出穴５とを多数設けた構造において溝２，２ａ，２ｂの断面形状を２次元的又は３次元的に変化させる例で説明したが、図１，図２に示す断面形状は図１４（ｃ）又は図１６に示すような空気吸込穴や空気吐出穴がなく、蒸気供給通路１１５と蒸気回収通路１１６，１１７のある蒸気冷却方式の蒸気冷却用溝の断面形状にも同様に適用されるものであり、空気冷却方式と同様の効果が得られるものである。
【００２９】
図３は本発明の実施の第２形態に係るガスタービン燃焼器の冷却構造を示し、（ａ）は溝内にタービュレータを設けた例、（ｂ）は凹みを設けた例である。両図において、符号１乃至５は図１，図２に示す実施の第１形態のものと同じであり、本実施の第２形態においては図３（ａ）では溝２の内周面に凸形状のタービュレータ６を設け、流れ方向に直交するように多数配列し、冷却空気の流れを攪拌することにより熱伝達率を向上させるものである。又、図３（ｂ）はタービュレータ６の代わりに凹形状の凹み７を多数設けたものであり、（ａ）は同様に冷却空気の流れを攪拌し、熱伝達率を向上させる効果を有する。なお、これらタービュレータ６や凹み７は溝２の全長でも良く、又部分的に所定区間必要に応じて設けても良い。
【００３０】
図４は図３における溝の断面形状を示し、図４（ａ）は図３（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図、図４（ｂ）は図３（ｂ）におけるＣ−Ｃ断面図である。図４（ａ）のように溝２の周囲には凸形状のタービュレータ６が形成されており、又図４（ｂ）においては溝２の全周の壁面に凹み７を設けており、このようなタービュレータ６や凹み７を流れ方向と直交するように設けることにより冷却空気の流れが乱流となって熱伝達率が向上する。
【００３１】
図１，図２に示す実施の第１形態では空気吸込穴３から空気吐出穴５へ向かって溝２の断面形状が徐々に拡大し、冷却空気の熱膨張による流速の増大を抑え、圧損を小さくするようにしているが、その反面、冷却性能は空気吐出穴５近辺では低下することになる。本実施の第２形態においてはタービュレータ６や凹み７を設けることにより熱伝達率を向上させ、この分の冷却性能の低下分を補うことができる。なお、実施の第２形態の構造はもちろん図１６に示す蒸気冷却方式の溝に適用することができるものである。
【００３２】
図５は本発明の実施の第３形態に係るガスタービン燃焼器の冷却構造の壁の一部を示す平面図である。図において外側板１には従来と同じ空気吸込穴３が開けられている。内部には溝１２が加工されているが、この溝１２は断面形状が一定の溝であり、空気吸込穴３の前後両側部分には所定の長さだけ幅を狭くしたオリフィス１２ａとしている。内側板４には従来と同様に空気吐出穴５が開けられている。
【００３３】
このような構造の実施の第３形態においては、冷却用空気は尾筒の外周囲より空気吸込穴３を通り、オリフィス１２ａへ流入し、両側に分かれて溝１２へ入り、それぞれ空気吐出穴５に向かって流れ、壁を冷却しながら加熱されて膨張するが、溝１２の幅は空気吐出穴５の近くで拡大し、断面積が増すのでその流速の増大が抑えられ、圧損の上昇が防止され、実施の第１形態と同様の効果が得られる。
【００３４】
なお、図５における実施の第３形態においては溝１２の断面形状が一定として説明したが溝１２の深さ方向を空気吐出穴５に向かって徐々に拡大させるようにして２次元的に変化させても良く、又、溝１２の部分にタービュレータや凹みを設けるようにすればより熱伝達率が向上し、冷却性能を良くすることができる。又、もちろん図１６に示す蒸気冷却方式の溝形状に適用され、同様の効果を奏するものである。
【００３５】
図６は本発明の実施の第４形態に係るガスタービン燃焼器の冷却構造の壁の断面図であり、（ａ）は空気吐出穴を斜めに設けた例、（ｂ）は空気吐出穴出口部にカバーを設けた例である。図６（ａ）では図１，図２に示す実施の第１，第２形態、図５に示す実施の第３形態と異なる部分は空気吐出穴を燃焼ガス流れ方向Ｇの方向に傾斜させた空気吐出穴１５とした構造であり、その他の部分は図１，図２，図５と同じである。
【００３６】
このような構造により、冷却空気３００は尾筒の周囲より空気吸込穴３から溝２又は１２内に流入し壁を冷却して空気吐出穴１５より斜め方向に尾筒内に流出するが、内側板４に沿って燃焼ガス流れ方向Ｇに流出するので空気吐出穴１５近辺の壁面を冷却しながら流出し、冷却効果を増大させる。
【００３７】
図６（ｂ）は空気吐出穴１５のような傾斜した穴の代わりに、空気吐出穴は図１，図２，図５のように空気吐出穴５のままとし、出口部にカバー８を設けたものである。その他の構造は図１，図２，図５に示すものと同じである。このような構造においても空気吐出穴５から尾筒内に流出する空気は内側板４に沿って燃焼ガス流れ方向Ｇに流出するので図６（ａ）と同様の効果が得られ、冷却効果が増す。
【００３８】
図７は本発明の実施の参考としての第１の検討例に係るガスタービン燃焼器の冷却構造の壁の一部を示す平面図、図８はその斜視図である。両図において、外側板１には空気吸込穴３が明けられ、その内部に溝９が加工されている。又、内側板４には空気吐出穴５又は１５が明けられている。溝９は図示のようにＳ字状に蛇行して波形に設けられており、空気吸込穴３と空気吐出穴５又は１５とがそれぞれ連通し、空気吸込穴３の両側にそれぞれ空気吐出穴５又は１５が等間隔に配置されている。
【００３９】
上記構成の実施の第１の検討例においては、尾筒の外周囲より冷却用空気が空気吸込穴を通って溝９内に流入し、Ｓ字状に蛇行して流れて壁を冷却し、空気吐出穴５又は１５より尾筒内に流出するが、溝９が波形であるので、特に短い区間等ではその流路長が直線形状の溝よりも長くなり、冷却流路長を長くすることができる。これにより最小限の冷却空気で必要な冷却効果を得るような設計が可能となり、温度分布、冷却流路長に合わせて冷却空気の流速、圧力損失、熱伝達率の調整を行い、熱応力を軽減して割れ等を防ぎ、信頼性を向上することができる。
【００４０】
なお、図７，図８に示す溝９には図３に示すタービュレータ６や凹み７を設けることもでき、又、図５に示すオリフィスを空気吸込口の両側の所定区間に設けたり、あるいは必要に応じて図１に示すような２次元的、又は３次元的な断面形状の変化を設けることも可能である。又、この溝９の形状はもちろん図１６に示す蒸気冷却方式の蒸気通路に用いることもでき、同様の効果が得られるものである。
【００４１】
図９は本発明の実施の第５形態に係るガスタービン燃焼器の冷却構造の壁の一部を示す平面図で、（ａ）は直線状の溝の例、（ｂ）は波形の溝の例をそれぞれ示す。図９（ａ）は図１に示す構造において、空気吸込穴３と空気吐出穴５とを互いに隣接する溝２間で配置を互いに前後逆にして溝２内を流れる冷却空気３００の流れ方向が互いに隣接する溝２において逆になるようにしたものである。
【００４２】
又、図９（ｂ）においても空気吸込穴３と空気吐出穴５とを隣接する溝９間で互いに前後逆に配置して隣接する溝９において冷却空気の流れ方向が互いに逆となるようにしている。なお、図示省略しているが、図５に示す構造においても同様に冷却空気を流すことができる。又、図２に示すタービュレータ６や凹み７を設けても良く、又空気吐出穴は図６に示すような空気吐出穴１５やカバー８を適用することができる。
【００４３】
上記構成の実施の第５形態においては、冷却空気３００が壁内部で互いに隣接する溝において互いに逆方向に流れるので壁全体において均一な冷却が可能となり、尾筒の冷却による温度分布を均一化し、熱応力の発生のアンバランスが解消される。なお、このような図９に示す冷却構造は当然図１６に示す蒸気冷却方式における蒸気通路に適用でき、互いに隣接する蒸気通路において冷却用蒸気を互いに逆方向に流し、冷却のアンバランスを解消することができるものである。
【００４４】
図１０は本発明の実施の第６形態に係るガスタービン燃焼器の冷却構造の壁の一部を示す平面図で、（ａ）は壁の接続部に空気吐出穴を構成した例、（ｂ）は壁の接続部に空気吸込穴を構成した例である。これらの接続部の冷却構造は前述の実施の第１〜第５形態及び第１の検討例の冷却構造における壁の溶接接続部のすべてに適用できるものである。
【００４５】
図１０（ａ）において、２０は接続部であり、尾筒を構成する壁の接続部となり、溶接接続されて尾筒を形成する。外側板１は溝２が形成され、溝２に沿って空気吸込穴３が所定のピッチで設けられ、又外側板１に接する内側板４には空気吐出穴５が空気吸込穴３の両側に所定の間隔で配置されている。従って接続部２０においては必ずしもこれら穴３，５の配置が端部に所定の寸法で配置されるとは限らない。
【００４６】
上記状況より、図１０（ａ）に示すように壁の接続部２０の端部で溝２に連通し、かつ外側板１と内側板４とを貫通する貫通穴１０を穿設する。貫通穴１０には空気吸込穴３より冷却用空気３００が流入するので、この空気を尾筒内に流出させるために外側板１の外側より貫通穴１０へ蓋１１を挿入し、外側を閉じて空気は反対側の内側板４側へ流出させ、端部において空気を尾筒内へ流出させる。
【００４７】
図１１（ａ）は図１０（ａ）におけるＤ−Ｄ断面図の一部を示し、外側板１及び内側板４には貫通穴１０が穿設されており、この貫通穴１０の外側板１には蓋１１が挿入され、溝２内を流れてきた冷却用空気は内側板４側、即ち、尾筒内部へ３０１として流出するようにしている。
【００４８】
図１０（ｂ）においては接続部２０端部には同様に貫通穴１０が設けられている。これら貫通穴１０は溝２に連通しており、貫通穴１０の上流側は空気吐出穴５となっており、空気をこの上流側の空気吐出穴５から尾筒内に流出するように流す必要がある。従って貫通穴１０には内側板４側から蓋１１が挿入され、端部においては貫通穴１０を通り、外側板１の尾筒外周より空気が溝２内へ流入し、上流側の空気吐出穴５から尾筒内に流出させることができる。
【００４９】
図１１（ｂ）は図１０（ｂ）におけるＥ−Ｅ断面図であり、外側板１と内側板４とには貫通穴１０が穿設され、貫通穴１０には内側板４側から蓋１１が挿入され、貫通穴１０へは尾筒外周より空気３００が流入し、溝２内へ流れるようにしている。
【００５０】
上記に説明の実施の第６形態の接続部の構造をガスタービン燃焼器の空気冷却構造に採用することにより、尾筒の壁の接続部において端部の溝内すべてに冷却空気を流し、接続部２０の壁を均一に冷却することができる。
【００５１】
図１２は本発明の実施の参考としての第２の検討例に係るガスタービン燃焼器の冷却構造の壁接続部の平面図であり、蒸気冷却方式の尾筒に適用される例である。図において、２０は外側板１の接続部であり、溶接により接続され、尾筒が構成される。外側板１内部には蒸気通路１１８，１１９が多数加工されており、これら蒸気通路１１８，１１９は図１６で説明したように蒸気供給通路１１５から蒸気２００が供給されている。蒸気通路１１８，１１９を通って壁を冷却し、加熱された蒸気は蒸気回収通路２０１，２０２に集まり、回収されるようになっている。従って、これら蒸気通路１１８，１１９は接続部２０においても後流側の通路（図示省略）と連通する必要があり、このために接続部２０においては接続部溝２１が形成されており、各蒸気通路１１８，１１９はこの接続部溝２１に接続されている。
【００５２】
図１３は図１２における溝の断面図で、（ａ）はＦ−Ｆ断面図、（ｂ）はＧ−Ｇ断面図である。これら図において、外側板１の接続部には所定の間隔をおいて接続部溝２１が形成され、これに接合される内側板４は接続部２０で溶接されている。外側板１側からは接続部溝２１に蓋１６が挿入され溝内を閉じて蒸気溜まりが形成される。又、接続溝２１には多数の蒸気通路１１８，１１９が連通し、流れてきた蒸気が接続溝２１内に流入し、ここから隣接する壁内の蒸気通路（図示省略）に蒸気を供給し、又は回収されるようになっている。
【００５３】
上記構造の実施の参考としての第２の検討例における接続部は、実施の第１〜第３，第５の形態及び第１の検討例の溝断面形状、溝配置を用いた蒸気冷却方式のガスタービン燃焼器の冷却構造の壁接続部に適用できるものであり、蒸気通路の接続部での構造を簡単な構成で実現できるものである。
【００５４】
【発明の効果】
本発明のガスタービン燃焼器の冷却構造は、（１）ガスタービン燃焼器の壁内部に冷却用空気の通路を燃焼ガス流れ方向に複数列設け、同各通路には多数の空気吸込穴と同空気吸込穴より径の大きい多数の空気吐出穴とを順次所定の間隔で配列して連通させ、同空気吸込穴より同通路内に冷却用空気を流して同空気吐出穴より燃焼器内部へ流出させる空気冷却構造において、前記通路の空気吸込穴と空気吐出穴との区間は、通路断面の幅が空気の流れ方向に向かってなめらかに変化し、且つ通路断面は前記空気吐出穴に近づくに従って断面形状が拡大すると共にその幅は上記空気吸込穴の位置で最小、上記空気吐出穴の位置で最大となっていることを基本的な構成としている。
このような構成により冷却用空気の通路内での流速、圧力損失、熱伝達率を変化させて調整することができ、これにより最適条件での冷却通路の設計が可能となり壁面の場所により異なる温度分布を改善して熱応力を軽減させ、壁の割れ等の損傷を防止し、信頼性を著しく向上することができる。
又、（２）や（３）においてはタービュレータや凹みの作用により、冷却空気の流れを攪拌して熱伝達率を一層向上させることができる。
【００５５】
本発明の（４）は、ガスタービン燃焼器の壁内部に冷却用空気の通路を燃焼ガス流れ方向に複数列設け、同各通路には多数の空気吸込穴と同空気吸込穴より径の大きい多数の空気吐出穴とを順次所定の間隔で配列して連通させ、同空気吸込穴より同通路内に冷却用空気を流して同空気吐出穴より燃焼器内部へ流出させる空気冷却構造において、前記通路の空気吸込穴と空気吐出穴との区間は断面形状が不変の区間と同区間より幅を狭くし断面積を小さくしたオリフィスとを交互に連通させて、前記空気吸込穴の両側部分はオリフィスとし、前記不変の区間に前記空気吐出穴を設けたことを基本的な構成としている。
このような構成により、通路の流路をオリフィス効果により絞ったり、流路を拡大して流速を調整することができる。
【００５６】
（５）では隣接する通路では空気の流れが互いに逆方向となっているので、冷却のアンバランスが解消される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の第１形態に係るガスタービン燃焼器の冷却構造の壁の一部を示す平面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ断面図であり、（ａ）は溝断面の深さ一定、（ｂ）は深さが空気吐出穴へ向かって減少、（ｃ）は深さが空気吐出穴に向かって拡大した例をそれぞれ示す。
【図３】本発明の実施の第２形態に係るガスタービン燃焼器の冷却構造の壁の一部を示す平面図で、（ａ）は溝内にタービュレータを設けた例、（ｂ）は凹みを設けた例である。
【図４】図３における溝の断面形状を示し、（ａ）は図４（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図、（ｂ）は図４（ｂ）におけるＣ−Ｃ断面図である。
【図５】本発明の実施の第３形態に係るガスタービン燃焼器の冷却構造の壁の一部を示す平面図である。
【図６】本発明の実施の第４形態に係るガスタービン燃焼器の冷却構造の溝断面図を示し、（ａ）は空気吐出穴を斜めに設けた例、（ｂ）は空気吐出穴出口にカバーを設けた例である。
【図７】本発明の実施の参考としての第１の検討例に係るガスタービン燃焼器の冷却構造の壁の一部を示す平面図である。
【図８】図７に示す冷却構造の斜視図である。
【図９】本発明の実施の第５形態に係るガスタービン燃焼器の冷却構造の壁の一部を示す平面図で、（ａ）は直線状の溝、（ｂ）は波形状の溝をそれぞれ示す。
【図１０】本発明の実施の第６形態に係るガスタービン燃焼器の冷却構造の壁接続部の一部を示す平面図で、（ａ）は空気吐出穴を設けた例、（ｂ）は空気吸込穴を設けた例をそれぞれ示す。
【図１１】図１０における断面図であり、（ａ）は図１０（ａ）におけるＤ−Ｄ断面図、（ｂ）は図１０（ｂ）におけるＥ−Ｅ断面図である。
【図１２】本発明の実施の参考としての第２の検討例係るガスタービン燃焼器の冷却構造の壁接続部の一部を示す平面図である。
【図１３】図１２における断面を示し、（ａ）はＦ−Ｆ断面図、（ｂ）はＧ−Ｇ断面図である。
【図１４】ガスタービン燃焼器の一般的な構成図であり、（ａ），（ｂ）は空気冷却方式を、（ｃ）は蒸気冷却方式を採用した例をそれぞれ示す。
【図１５】従来の空気冷却方式のガスタービン燃焼器の壁構造の斜視図である。
【図１６】従来の蒸気冷却方式を採用したガスタービン燃焼器の側面図である。
【符号の説明】
１ 外側板
２，２ａ，２ｂ，９，１２ 溝
３ 空気吸込穴
４ 内側板
５，１５ 空気吐出穴
６ タービュレータ
７ 凹み
８ カバー
１０ 貫通穴
１１，１６ 蓋
１２ａ オリフィス
２０ 接続部
２１ 接続部溝
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービン燃焼器の冷却構造に関し、燃焼器の壁を二重構造として内部に冷却用の空気や蒸気を流通させて冷却する構造において冷却効率を高めるような構造としたものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１４はガスタービン燃焼器の一般的な構造とその冷却方式を示す図であり、（ａ），（ｂ）は空気冷却方式を、（ｃ）は蒸気冷却方式を採用した例である。これらの概要を要約して説明すると、図１４（ａ）において１００はパイロットノズルでパイロット燃料を噴射し、燃焼させるもの、１０１はメインノズルであり、アニユラーノズル方式と呼ばれ、パイロット内筒１０２の周囲に複数本配置され、メイン燃料を噴射し、パイロット内筒１０２でのパイロット燃料の燃焼によってメイン燃料が点火され、燃焼する。１０３はメイン内筒、１０４は接続筒、１０５は尾筒であり、これらはメイン燃料が燃焼して高温となった燃焼ガスをガスタービンの燃焼ガス通路に導くものである。１０６は空気バイパス弁であり、低負荷時において余分な圧縮機からの空気をバイパスダクトより尾筒１０５を通り、ガスタービン燃焼ガス通路に逃すためのものである。このような形式の燃焼器においては尾筒１０５の壁内部は図１５により後述するように空気により冷却するための冷却構造が採用されている。
【０００３】
図１４（ｂ）の燃焼器はマルチノズル方式と呼ばれ、１０７はパイロットノズルであり、その周囲には複数のメインノズル１０８が配置され、内筒１０９内へメインノズル１０８からメイン燃料が噴射され、パイロットノズル１０７からのパイロット燃料の燃焼によってメイン燃料が点火され、燃焼する。１１０は尾筒であり、１０６は空気バイパス弁である。このような構造の燃焼器においても尾筒１１０の壁内部が図１５において後述するように空気により冷却される。
【０００４】
図１４（ｃ）の燃焼器はマルチノズル方式の燃焼器に蒸気冷却方式を採用した例である。図において、１１１はパイロットノズル、１１２はその周囲に配列された複数のメインノズルであり、１１３はスワラーホルダである。１１４は内筒一体型の尾筒であり、スワラーホルダ１１３に接続され、高温の燃焼ガスをガスタービンの燃焼ガス通路へ導く。尾筒１１４には壁内部に冷却用の蒸気通路が多数設けられており、１１５は蒸気供給通路、１１６，１１７は蒸気回収通路である。冷却用の蒸気２００は蒸気供給通路１１５より尾筒１１４の壁内の通路に供給され、壁内を流れて壁面を冷却し、それぞれ両端側に設けられた蒸気回収通路１１６，１１７より蒸気２０１，２０２として回収され、蒸気発生源に戻されて有効利用される。
【０００５】
図１５は前述の図１４（ａ），（ｂ）の燃焼器尾筒１０５，１１０の壁の一部を示す斜視図である。図において壁は二重構造となっており、外側板１２０と内側板１２３とが接合されて構成されている。外側板１２０は尾筒の外表面を構成し、多数の断面形状が一定の溝１２１がほぼ燃焼ガス流れ方向に向かって配列して穿設されており、溝１２１の開口側が内側板１２３の接合面で閉じられている。又、外側板１２０には各溝１２１に連通する空気吸込穴１２２がそれぞれ設けられ、この空気吸込穴１２２は１本の溝１２１に沿って所定の間隔をおいて設けられている。
【０００６】
又、内側板１２３には空気吐出穴１２４が開けられている。この空気吐出穴１２４は、互いに接合する外側板１２０に穿設された溝１２１の開口部に連通するように配置され、溝１２１に沿って２個の空気吸込穴１２２の中間位置に配置されている。外側板１２０と内側板１２３とはハステロイＸ、トミロイ、ＳＵＳ材等の耐熱材が用いられ、接合されている。この接合は加熱と加圧によって熱間圧接させる拡散溶接によってなされる。
【０００７】
このような壁構造において尾筒の周囲から冷却用の空気３００が多数の空気吸込穴１２２を通り、それぞれ溝１２１内へ流入し、溝１２１内を流れて壁面を冷却し、各溝１２１の空気吐出穴１２４より空気３０１として尾筒内に流出する。このような溝１２１、この溝１２１に連通する空気吸込穴１２２及び空気吐出穴１２４が尾筒の壁全周囲に多数配列して設けられ、外側周囲より空気を吸い込み、壁内部を流れて尾筒全周を冷却し、その空気はそれぞれ空気吐出穴１２４より尾筒内に流出し、燃焼ガスに混入される。
【０００８】
図１６は図１４（ｃ）に示す蒸気冷却方式の燃焼器の拡大図である。図示のように車室１３０に取付けられた燃焼器のスワラホルダ１１３には内筒一体型の尾筒１１４が連結されており、尾筒１１４の壁内部には多数の蒸気通路１１８，１１９がほぼガス流れ方向に向かって全周に設けられている。各蒸気通路１１８，１１９は断面形状一定の通路であり、それぞれ蒸気供給通路１１５に連通し、蒸気２００の一部は供給通路１１５から多数の蒸気通路１１８を通ってノズル側に供給され、それぞれ壁を冷却して蒸気回収通路１１６から回収蒸気２０１として回収され、又、供給通路１１５からの残りの蒸気は多数の蒸気通路１１９を通って後流側に供給され、それぞれ壁を冷却して蒸気回収通路１１７から回収蒸気２０２として回収される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように従来のガスタービン燃焼器の冷却構造においては、空気冷却方式、蒸気冷却方式のいずれかにおいても壁内部の溝形状が一定で、かつ直線状に配置されている。そのために短区間の尾筒壁においては均一な冷却が必要な部位で必要冷却範囲をカバーするために相当数の直線状の冷却用溝を必要としている。しかも、冷却区間が短区間であるために冷却媒体の冷却能力を使い切らぬまま排出され、その結果、必要以上の冷却媒体の使用を余儀なくされていた。又、冷却用溝断面が一定形状であるため、冷却媒体の流速、圧力損失、熱伝達率は断面形状に支配されるので、冷却通路の冷却媒体の吸込穴から吐出穴までの冷却条件が断面形状により一義的に決まり、調整ができず最適化を計ることもできなかった。
【００１０】
そこで本発明は、燃焼器の壁内部の冷却通路の断面積を変化させ、又その流路長を直線状でなく変化させ、冷却空気や冷却蒸気の供給に合わせた冷却媒体の流速、圧力損失、熱伝達率の調整を可能とし、更に冷却流路長や幅を変化させることにより冷却効果を高めるようにした最適な冷却設計ができるようになり、燃焼器壁の温度分布を改善し、熱応力を軽減して割れ等の不具合が発生しない信頼性を向上するようにしたガスタービン燃焼器の冷却構造を提供することを課題としてなされたものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は前述の課題を解決するために次の（１）乃至（５）の手段を提供する。
【００１２】
（１）ガスタービン燃焼器の壁内部に冷却用空気の通路を燃焼ガス流れ方向に複数列設け、同各通路には多数の空気吸込穴と同空気吸込穴より径の大きい多数の空気吐出穴とを順次所定の間隔で配列して連通させ、同空気吸込穴より同通路内に冷却用空気を流して同空気吐出穴より燃焼器内部へ流出させる空気冷却構造において、前記通路の空気吸込穴と空気吐出穴との区間は、通路断面の幅が空気の流れ方向に向かってなめらかに変化し、且つ通路断面は前記空気吐出穴に近づくに従って断面形状が拡大すると共にその幅は上記空気吸込穴の位置で最小、上記空気吐出穴の位置で最大となっていることを特徴とするガスタービン燃焼器の冷却構造。
【００１３】
（２）上記（１）において、前記通路の所定区間には複数のタービュレータを設けた冷却構造。
【００１４】
（３）上記（１）において、前記通路の所定空間の壁面には空気の流れ方向に直交するように複数の凹形状の溝を設けた冷却構造。
【００１５】
（４）ガスタービン燃焼器の壁内部に冷却用空気の通路を燃焼ガス流れ方向に複数列設け、同各通路には多数の空気吸込穴と同空気吸込穴より径の大きい多数の空気吐出穴とを順次所定の間隔で配列して連通させ、同空気吸込穴より同通路内に冷却用空気を流して同空気吐出穴より燃焼器内部へ流出させる空気冷却構造において、前記通路の空気吸込穴と空気吐出穴との区間は断面形状が不変の区間と同区間より幅を狭くし断面積を小さくしたオリフィスとを交互に連通させて、前記空気吸込穴の両側部分はオリフィスとし、前記不変の区間に前記空気吐出穴を設けたことを特徴とするガスタービン燃焼器の冷却構造。
【００１６】
（５）上記（１），（４）のいずれかにおいて、前記各通路の空気吸込穴及び吐出穴の配列は、通路を流れる空気の流れ方向が隣接する通路の流れ方向と互いに逆方向となるように構成し、上記壁全体において均一な冷却を可能とし、温度分布を均一化し、熱応力発生のアンバランスを解消する冷却構造。
【００１７】
本発明は上記（１），（４）を基本的な発明としており、空気冷却方式に適用されるものである。従来の冷却構造においてはその通路形状が均一な断面であり、冷却用空気の流速、圧力損失、熱伝達率は断面形状により一義的に決まっており、温度分布の異る壁面の場所によってこれらの条件を調整することができなかった。本発明の（１）においては、ガスタービン燃焼器の壁内部に冷却用空気の通路を燃焼ガス流れ方向に複数列設け、同各通路には多数の空気吸込穴と同空気吸込穴より径の大きい多数の空気吐出穴とを順次所定の間隔で配列して連通させ、同空気吸込穴より同通路内に冷却用空気を流して同空気吐出穴より燃焼器内部へ流出させる空気冷却構造において、前記通路の空気吸込穴と空気吐出穴との区間は、通路断面の幅が空気の流れ方向に向かってなめらかに変化し、且つ通路断面は前記空気吐出穴に近づくに従って断面形状が拡大すると共にその幅は上記空気吸込穴の位置で最小、上記空気吐出穴の位置で最大となっているので、多数の空気吸込穴より流入した冷却空気は、両側に分かれて流れて壁を冷却し、温度分布の異なる壁面の場所により流速を変化させ、且つ、空気吐出穴に近づくに従って速度を抑え、これにより圧力損失も低下させることができ、冷却条件に合わせて流速、圧力損失、熱伝達率が調整可能となり、これにより最適条件での冷却通路の設計が可能となり温度分布を改善して熱応力を軽減させ、割れ、等の発生を防止することができ、燃焼器の信頼性が向上する。
【００１８】
又、（２）や（３）においてはタービュレータや凹みの作用により、冷却空気の流れを攪拌して熱伝達率を一層向上させることができ、（４）ではガスタービン燃焼器の壁内部に冷却用空気の通路を燃焼ガス流れ方向に複数列設け、同各通路には多数の空気吸込穴と同空気吸込穴より径の大きい多数の空気吐出穴とを順次所定の間隔で配列して連通させ、同空気吸込穴より同通路内に冷却用空気を流して同空気吐出穴より燃焼器内部へ流出させる空気冷却構造において、前記通路の空気吸込穴と空気吐出穴との区間は断面形状が不変の区間と同区間より幅を狭くし断面積を小さくしたオリフィスとを交互に連通させて、前記空気吸込穴の両側部分はオリフィスとし、前記不変の区間に前記空気吐出穴を設けることにより、通路の流路をオリフィス効果により絞ったり、流路を拡大して流速を調整することができる。
即ち、冷却用空気は尾筒の外周囲より空気吸込穴を通り、オリフィスへ流入し、両側に分かれて通路へ入り、それぞれ空気吐出穴に向かって流れ、壁を冷却しながら加熱されて膨張するが、通路の幅は空気吐出穴の近くで拡大し、断面積が増すのでその流速の増大が抑えられ、圧損の上昇が防止され、実施の第１形態と同様の効果が得られる。
【００１９】
（５）では隣接する通路では空気の流れが互いに逆方向となっているので、冷却のアンバランスが解消される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて具体的に説明する。図１は本発明の実施の第１形態に係るガスタービン燃焼器の冷却構造の壁の一部を示す平面図、図２は図１におけるＡ−Ａ断面図であり、（ａ）は内部溝の断面形状が一定のもの、（ｂ），（ｃ）はその変形例で内部溝の断面形状を変化させたものをそれぞれ示す。図１に示す壁構造は従来例で説明した図１４（ａ），（ｂ）のガスタービン燃焼器の尾筒１０５，１１０の壁として適用され、燃焼器尾筒が空気冷却されるものである。
【００２１】
図１において、１は外側板であり、尾筒の外表面を構成している。２は外側板１内部に設けられた溝であり、その断面形状は幅がテーパ状に変化している。このテーパ形状は直線状、あるいはなめらかな曲線で構成される。外側板１には空気吸込穴３が開けられており、内部に設けられた溝２に連通している。４は内側板であり、空気吐出穴５が貫通して開けられており、外側板１下面に接してこれと接合している。これら外側板１、内側板４の材料は従来と同様にハステロイＸ、トミロイ、ＳＵＳ材等の耐熱材料からなる。
【００２２】
内側板４の空気吐出穴５は外側板１の溝２の開口上に沿って、かつ外側板１の空気吸込穴３の両側に所定のピッチで配置され、溝２に連通するように配置される。溝２の幅は空気吸込穴３から空気吐出穴５へ向かって直線状に拡大しており、空気吸込穴３の位置で最小の幅、空気吐出穴５の位置で最大の幅となっており、この溝２はそれぞれ両穴３，５に連通している。これらの溝２はそれぞれ尾筒の前流側から尾筒のガス出口側端部まで伸び、かつ尾筒の周囲壁内部に所定のピッチで、例えば３．４mmピッチで配置される。
【００２３】
図２（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図であり、外側板１と内側板４との接合部には溝２が一定の高さｈで形成されており、深さは一定であるが図１に示すように幅方向には直線状に拡大している。空気吸込穴３は外側板１に開けられ、空気吐出穴５は内側板４に開けられ、これら両穴３，５は溝２に連通して設けられている。又、空気吐出穴５の径は空気吸込穴３の径よりも大きくなっており、溝２の拡大する体積分の流出量を確保するようになっている。具体的寸法の一例としては外側板１の厚さが３．２mm、内側板４の厚さが０．６mm、ｈが１．６mm程度である。
【００２４】
図２（ｂ）は（ａ）の変形例であり、溝２ａの高さを空気吸込穴３から空気吐出穴５へ向かって直線状に狭め、かつ、幅方向には図１に示すようにテーパ状に拡大した例である。又、（ｃ）は（ｂ）の形状とは逆に溝２ｂの高さを空気吸込穴３で狭くテーパ状に変化させて拡大させ、空気吐出穴５において広くし、かつ図１に示すように幅方向にもテーパ状に拡大した例である。なお、このテーパ状の深さ方向の変化も直線状でも、又なめらかな曲線でも良いものである。
【００２５】
このような（ｂ），（ｃ）の例では溝２の形状を３次元的に変化させた例であり、テーパの形状を適切に設定し、溝２内を流れる冷却空気の流速、圧力損失を場所によって調整可能とし、尾筒の温度分布や熱応力の分布状況により、流速や圧力損失を適切な値となるように設定し、設計することができる。これらの溝２，２ａ，２ｂの加工はミーリング加工ではむずかしいので放電加工や電解加工で行なわれる。
【００２６】
図１，図２に示すように冷却空気３００は尾筒周囲の多数の空気吸込穴３より溝２，２ａ又は２ｂ内に流入し、両側に分かれて流れて壁を冷却し、それぞれ等しい間隔で配置された空気吐出穴５より尾筒内に３０１のように流出する。空気吸込穴３に流入する空気の温度は３５０°Ｃ〜４００°Ｃであり、壁面を冷却する過程で加熱され、約６００°Ｃ程度に上昇して尾筒内に流出する。
【００２７】
空気吸込穴３より吸い込まれた空気は溝２，２ａ，２ｂ内を流れる過程において加熱されて膨張し、体積が増加し、従来のような溝形状一定の断面では空気吐出穴で流速が増し、空気の圧損が増加してしまうが、本実施の第１形態のように空気吐出穴５に近づくに従って溝２の断面形状が２次元的又は３次元的に拡大しているので速度を抑え、圧損を少くすることができる。
【００２８】
又、本実施の第１形態では空気吸込穴３と空気吐出穴５とを多数設けた構造において溝２，２ａ，２ｂの断面形状を２次元的又は３次元的に変化させる例で説明したが、図１，図２に示す断面形状は図１４（ｃ）又は図１６に示すような空気吸込穴や空気吐出穴がなく、蒸気供給通路１１５と蒸気回収通路１１６，１１７のある蒸気冷却方式の蒸気冷却用溝の断面形状にも同様に適用されるものであり、空気冷却方式と同様の効果が得られるものである。
【００２９】
図３は本発明の実施の第２形態に係るガスタービン燃焼器の冷却構造を示し、（ａ）は溝内にタービュレータを設けた例、（ｂ）は凹みを設けた例である。両図において、符号１乃至５は図１，図２に示す実施の第１形態のものと同じであり、本実施の第２形態においては図３（ａ）では溝２の内周面に凸形状のタービュレータ６を設け、流れ方向に直交するように多数配列し、冷却空気の流れを攪拌することにより熱伝達率を向上させるものである。又、図３（ｂ）はタービュレータ６の代わりに凹形状の凹み７を多数設けたものであり、（ａ）は同様に冷却空気の流れを攪拌し、熱伝達率を向上させる効果を有する。なお、これらタービュレータ６や凹み７は溝２の全長でも良く、又部分的に所定区間必要に応じて設けても良い。
【００３０】
図４は図３における溝の断面形状を示し、図４（ａ）は図３（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図、図４（ｂ）は図３（ｂ）におけるＣ−Ｃ断面図である。図４（ａ）のように溝２の周囲には凸形状のタービュレータ６が形成されており、又図４（ｂ）においては溝２の全周の壁面に凹み７を設けており、このようなタービュレータ６や凹み７を流れ方向と直交するように設けることにより冷却空気の流れが乱流となって熱伝達率が向上する。
【００３１】
図１，図２に示す実施の第１形態では空気吸込穴３から空気吐出穴５へ向かって溝２の断面形状が徐々に拡大し、冷却空気の熱膨張による流速の増大を抑え、圧損を小さくするようにしているが、その反面、冷却性能は空気吐出穴５近辺では低下することになる。本実施の第２形態においてはタービュレータ６や凹み７を設けることにより熱伝達率を向上させ、この分の冷却性能の低下分を補うことができる。なお、実施の第２形態の構造はもちろん図１６に示す蒸気冷却方式の溝に適用することができるものである。
【００３２】
図５は本発明の実施の第３形態に係るガスタービン燃焼器の冷却構造の壁の一部を示す平面図である。図において外側板１には従来と同じ空気吸込穴３が開けられている。内部には溝１２が加工されているが、この溝１２は断面形状が一定の溝であり、空気吸込穴３の前後両側部分には所定の長さだけ幅を狭くしたオリフィス１２ａとしている。内側板４には従来と同様に空気吐出穴５が開けられている。
【００３３】
このような構造の実施の第３形態においては、冷却用空気は尾筒の外周囲より空気吸込穴３を通り、オリフィス１２ａへ流入し、両側に分かれて溝１２へ入り、それぞれ空気吐出穴５に向かって流れ、壁を冷却しながら加熱されて膨張するが、溝１２の幅は空気吐出穴５の近くで拡大し、断面積が増すのでその流速の増大が抑えられ、圧損の上昇が防止され、実施の第１形態と同様の効果が得られる。
【００３４】
なお、図５における実施の第３形態においては溝１２の断面形状が一定として説明したが溝１２の深さ方向を空気吐出穴５に向かって徐々に拡大させるようにして２次元的に変化させても良く、又、溝１２の部分にタービュレータや凹みを設けるようにすればより熱伝達率が向上し、冷却性能を良くすることができる。又、もちろん図１６に示す蒸気冷却方式の溝形状に適用され、同様の効果を奏するものである。
【００３５】
図６は本発明の実施の第４形態に係るガスタービン燃焼器の冷却構造の壁の断面図であり、（ａ）は空気吐出穴を斜めに設けた例、（ｂ）は空気吐出穴出口部にカバーを設けた例である。図６（ａ）では図１，図２に示す実施の第１，第２形態、図５に示す実施の第３形態と異なる部分は空気吐出穴を燃焼ガス流れ方向Ｇの方向に傾斜させた空気吐出穴１５とした構造であり、その他の部分は図１，図２，図５と同じである。
【００３６】
このような構造により、冷却空気３００は尾筒の周囲より空気吸込穴３から溝２又は１２内に流入し壁を冷却して空気吐出穴１５より斜め方向に尾筒内に流出するが、内側板４に沿って燃焼ガス流れ方向Ｇに流出するので空気吐出穴１５近辺の壁面を冷却しながら流出し、冷却効果を増大させる。
【００３７】
図６（ｂ）は空気吐出穴１５のような傾斜した穴の代わりに、空気吐出穴は図１，図２，図５のように空気吐出穴５のままとし、出口部にカバー８を設けたものである。その他の構造は図１，図２，図５に示すものと同じである。このような構造においても空気吐出穴５から尾筒内に流出する空気は内側板４に沿って燃焼ガス流れ方向Ｇに流出するので図６（ａ）と同様の効果が得られ、冷却効果が増す。
【００３８】
図７は本発明の実施の参考としての第１の検討例に係るガスタービン燃焼器の冷却構造の壁の一部を示す平面図、図８はその斜視図である。両図において、外側板１には空気吸込穴３が明けられ、その内部に溝９が加工されている。又、内側板４には空気吐出穴５又は１５が明けられている。溝９は図示のようにＳ字状に蛇行して波形に設けられており、空気吸込穴３と空気吐出穴５又は１５とがそれぞれ連通し、空気吸込穴３の両側にそれぞれ空気吐出穴５又は１５が等間隔に配置されている。
【００３９】
上記構成の実施の第１の検討例においては、尾筒の外周囲より冷却用空気が空気吸込穴を通って溝９内に流入し、Ｓ字状に蛇行して流れて壁を冷却し、空気吐出穴５又は１５より尾筒内に流出するが、溝９が波形であるので、特に短い区間等ではその流路長が直線形状の溝よりも長くなり、冷却流路長を長くすることができる。これにより最小限の冷却空気で必要な冷却効果を得るような設計が可能となり、温度分布、冷却流路長に合わせて冷却空気の流速、圧力損失、熱伝達率の調整を行い、熱応力を軽減して割れ等を防ぎ、信頼性を向上することができる。
【００４０】
なお、図７，図８に示す溝９には図３に示すタービュレータ６や凹み７を設けることもでき、又、図５に示すオリフィスを空気吸込口の両側の所定区間に設けたり、あるいは必要に応じて図１に示すような２次元的、又は３次元的な断面形状の変化を設けることも可能である。又、この溝９の形状はもちろん図１６に示す蒸気冷却方式の蒸気通路に用いることもでき、同様の効果が得られるものである。
【００４１】
図９は本発明の実施の第５形態に係るガスタービン燃焼器の冷却構造の壁の一部を示す平面図で、（ａ）は直線状の溝の例、（ｂ）は波形の溝の例をそれぞれ示す。図９（ａ）は図１に示す構造において、空気吸込穴３と空気吐出穴５とを互いに隣接する溝２間で配置を互いに前後逆にして溝２内を流れる冷却空気３００の流れ方向が互いに隣接する溝２において逆になるようにしたものである。
【００４２】
又、図９（ｂ）においても空気吸込穴３と空気吐出穴５とを隣接する溝９間で互いに前後逆に配置して隣接する溝９において冷却空気の流れ方向が互いに逆となるようにしている。なお、図示省略しているが、図５に示す構造においても同様に冷却空気を流すことができる。又、図２に示すタービュレータ６や凹み７を設けても良く、又空気吐出穴は図６に示すような空気吐出穴１５やカバー８を適用することができる。
【００４３】
上記構成の実施の第５形態においては、冷却空気３００が壁内部で互いに隣接する溝において互いに逆方向に流れるので壁全体において均一な冷却が可能となり、尾筒の冷却による温度分布を均一化し、熱応力の発生のアンバランスが解消される。なお、このような図９に示す冷却構造は当然図１６に示す蒸気冷却方式における蒸気通路に適用でき、互いに隣接する蒸気通路において冷却用蒸気を互いに逆方向に流し、冷却のアンバランスを解消することができるものである。
【００４４】
図１０は本発明の実施の第６形態に係るガスタービン燃焼器の冷却構造の壁の一部を示す平面図で、（ａ）は壁の接続部に空気吐出穴を構成した例、（ｂ）は壁の接続部に空気吸込穴を構成した例である。これらの接続部の冷却構造は前述の実施の第１〜第５形態及び第１の検討例の冷却構造における壁の溶接接続部のすべてに適用できるものである。
【００４５】
図１０（ａ）において、２０は接続部であり、尾筒を構成する壁の接続部となり、溶接接続されて尾筒を形成する。外側板１は溝２が形成され、溝２に沿って空気吸込穴３が所定のピッチで設けられ、又外側板１に接する内側板４には空気吐出穴５が空気吸込穴３の両側に所定の間隔で配置されている。従って接続部２０においては必ずしもこれら穴３，５の配置が端部に所定の寸法で配置されるとは限らない。
【００４６】
上記状況より、図１０（ａ）に示すように壁の接続部２０の端部で溝２に連通し、かつ外側板１と内側板４とを貫通する貫通穴１０を穿設する。貫通穴１０には空気吸込穴３より冷却用空気３００が流入するので、この空気を尾筒内に流出させるために外側板１の外側より貫通穴１０へ蓋１１を挿入し、外側を閉じて空気は反対側の内側板４側へ流出させ、端部において空気を尾筒内へ流出させる。
【００４７】
図１１（ａ）は図１０（ａ）におけるＤ−Ｄ断面図の一部を示し、外側板１及び内側板４には貫通穴１０が穿設されており、この貫通穴１０の外側板１には蓋１１が挿入され、溝２内を流れてきた冷却用空気は内側板４側、即ち、尾筒内部へ３０１として流出するようにしている。
【００４８】
図１０（ｂ）においては接続部２０端部には同様に貫通穴１０が設けられている。これら貫通穴１０は溝２に連通しており、貫通穴１０の上流側は空気吐出穴５となっており、空気をこの上流側の空気吐出穴５から尾筒内に流出するように流す必要がある。従って貫通穴１０には内側板４側から蓋１１が挿入され、端部においては貫通穴１０を通り、外側板１の尾筒外周より空気が溝２内へ流入し、上流側の空気吐出穴５から尾筒内に流出させることができる。
【００４９】
図１１（ｂ）は図１０（ｂ）におけるＥ−Ｅ断面図であり、外側板１と内側板４とには貫通穴１０が穿設され、貫通穴１０には内側板４側から蓋１１が挿入され、貫通穴１０へは尾筒外周より空気３００が流入し、溝２内へ流れるようにしている。
【００５０】
上記に説明の実施の第６形態の接続部の構造をガスタービン燃焼器の空気冷却構造に採用することにより、尾筒の壁の接続部において端部の溝内すべてに冷却空気を流し、接続部２０の壁を均一に冷却することができる。
【００５１】
図１２は本発明の実施の参考としての第２の検討例に係るガスタービン燃焼器の冷却構造の壁接続部の平面図であり、蒸気冷却方式の尾筒に適用される例である。図において、２０は外側板１の接続部であり、溶接により接続され、尾筒が構成される。外側板１内部には蒸気通路１１８，１１９が多数加工されており、これら蒸気通路１１８，１１９は図１６で説明したように蒸気供給通路１１５から蒸気２００が供給されている。蒸気通路１１８，１１９を通って壁を冷却し、加熱された蒸気は蒸気回収通路２０１，２０２に集まり、回収されるようになっている。従って、これら蒸気通路１１８，１１９は接続部２０においても後流側の通路（図示省略）と連通する必要があり、このために接続部２０においては接続部溝２１が形成されており、各蒸気通路１１８，１１９はこの接続部溝２１に接続されている。
【００５２】
図１３は図１２における溝の断面図で、（ａ）はＦ−Ｆ断面図、（ｂ）はＧ−Ｇ断面図である。これら図において、外側板１の接続部には所定の間隔をおいて接続部溝２１が形成され、これに接合される内側板４は接続部２０で溶接されている。外側板１側からは接続部溝２１に蓋１６が挿入され溝内を閉じて蒸気溜まりが形成される。又、接続溝２１には多数の蒸気通路１１８，１１９が連通し、流れてきた蒸気が接続溝２１内に流入し、ここから隣接する壁内の蒸気通路（図示省略）に蒸気を供給し、又は回収されるようになっている。
【００５３】
上記構造の実施の参考としての第２の検討例における接続部は、実施の第１〜第３，第５の形態及び第１の検討例の溝断面形状、溝配置を用いた蒸気冷却方式のガスタービン燃焼器の冷却構造の壁接続部に適用できるものであり、蒸気通路の接続部での構造を簡単な構成で実現できるものである。
【００５４】
【発明の効果】
本発明のガスタービン燃焼器の冷却構造は、（１）ガスタービン燃焼器の壁内部に冷却用空気の通路を燃焼ガス流れ方向に複数列設け、同各通路には多数の空気吸込穴と同空気吸込穴より径の大きい多数の空気吐出穴とを順次所定の間隔で配列して連通させ、同空気吸込穴より同通路内に冷却用空気を流して同空気吐出穴より燃焼器内部へ流出させる空気冷却構造において、前記通路の空気吸込穴と空気吐出穴との区間は、通路断面の幅が空気の流れ方向に向かってなめらかに変化し、且つ通路断面は前記空気吐出穴に近づくに従って断面形状が拡大すると共にその幅は上記空気吸込穴の位置で最小、上記空気吐出穴の位置で最大となっていることを基本的な構成としている。
このような構成により冷却用空気の通路内での流速、圧力損失、熱伝達率を変化させて調整することができ、これにより最適条件での冷却通路の設計が可能となり壁面の場所により異なる温度分布を改善して熱応力を軽減させ、壁の割れ等の損傷を防止し、信頼性を著しく向上することができる。
又、（２）や（３）においてはタービュレータや凹みの作用により、冷却空気の流れを攪拌して熱伝達率を一層向上させることができる。
【００５５】
本発明の（４）は、ガスタービン燃焼器の壁内部に冷却用空気の通路を燃焼ガス流れ方向に複数列設け、同各通路には多数の空気吸込穴と同空気吸込穴より径の大きい多数の空気吐出穴とを順次所定の間隔で配列して連通させ、同空気吸込穴より同通路内に冷却用空気を流して同空気吐出穴より燃焼器内部へ流出させる空気冷却構造において、前記通路の空気吸込穴と空気吐出穴との区間は断面形状が不変の区間と同区間より幅を狭くし断面積を小さくしたオリフィスとを交互に連通させて、前記空気吸込穴の両側部分はオリフィスとし、前記不変の区間に前記空気吐出穴を設けたことを基本的な構成としている。
このような構成により、通路の流路をオリフィス効果により絞ったり、流路を拡大して流速を調整することができる。
【００５６】
（５）では隣接する通路では空気の流れが互いに逆方向となっているので、冷却のアンバランスが解消される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の第１形態に係るガスタービン燃焼器の冷却構造の壁の一部を示す平面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ断面図であり、（ａ）は溝断面の深さ一定、（ｂ）は深さが空気吐出穴へ向かって減少、（ｃ）は深さが空気吐出穴に向かって拡大した例をそれぞれ示す。
【図３】本発明の実施の第２形態に係るガスタービン燃焼器の冷却構造の壁の一部を示す平面図で、（ａ）は溝内にタービュレータを設けた例、（ｂ）は凹みを設けた例である。
【図４】図３における溝の断面形状を示し、（ａ）は図４（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図、（ｂ）は図４（ｂ）におけるＣ−Ｃ断面図である。
【図５】本発明の実施の第３形態に係るガスタービン燃焼器の冷却構造の壁の一部を示す平面図である。
【図６】本発明の実施の第４形態に係るガスタービン燃焼器の冷却構造の溝断面図を示し、（ａ）は空気吐出穴を斜めに設けた例、（ｂ）は空気吐出穴出口にカバーを設けた例である。
【図７】本発明の実施の参考としての第１の検討例に係るガスタービン燃焼器の冷却構造の壁の一部を示す平面図である。
【図８】図７に示す冷却構造の斜視図である。
【図９】本発明の実施の第５形態に係るガスタービン燃焼器の冷却構造の壁の一部を示す平面図で、（ａ）は直線状の溝、（ｂ）は波形状の溝をそれぞれ示す。
【図１０】本発明の実施の第６形態に係るガスタービン燃焼器の冷却構造の壁接続部の一部を示す平面図で、（ａ）は空気吐出穴を設けた例、（ｂ）は空気吸込穴を設けた例をそれぞれ示す。
【図１１】図１０における断面図であり、（ａ）は図１０（ａ）におけるＤ−Ｄ断面図、（ｂ）は図１０（ｂ）におけるＥ−Ｅ断面図である。
【図１２】本発明の実施の参考としての第２の検討例係るガスタービン燃焼器の冷却構造の壁接続部の一部を示す平面図である。
【図１３】図１２における断面を示し、（ａ）はＦ−Ｆ断面図、（ｂ）はＧ−Ｇ断面図である。
【図１４】ガスタービン燃焼器の一般的な構成図であり、（ａ），（ｂ）は空気冷却方式を、（ｃ）は蒸気冷却方式を採用した例をそれぞれ示す。
【図１５】従来の空気冷却方式のガスタービン燃焼器の壁構造の斜視図である。
【図１６】従来の蒸気冷却方式を採用したガスタービン燃焼器の側面図である。
【符号の説明】
１ 外側板
２，２ａ，２ｂ，９，１２ 溝
３ 空気吸込穴
４ 内側板
５，１５ 空気吐出穴
６ タービュレータ
７ 凹み
８ カバー
１０ 貫通穴
１１，１６ 蓋
１２ａ オリフィス
２０ 接続部
２１ 接続部溝
Claims (5)
- ガスタービン燃焼器の壁内部に冷却用空気の通路を燃焼ガス流れ方向に複数列設け、同各通路には多数の空気吸込穴と同空気吸込穴より径の大きい多数の空気吐出穴とを順次所定の間隔で配列して連通させ、同空気吸込穴より同通路内に冷却用空気を流して同空気吐出穴より燃焼器内部へ流出させる空気冷却構造において、前記通路の空気吸込穴と空気吐出穴との区間は、通路断面の幅が空気の流れ方向に向かってなめらかに変化し、且つ通路断面は前記空気吐出穴に近づくに従って断面形状が拡大すると共にその幅は上記空気吸込穴の位置で最小、上記空気吐出穴の位置で最大となっていることを特徴とするガスタービン燃焼器の冷却構造。
- 前記通路の所定区間には複数のタービュレータを設けたことを特徴とする請求項１記載のガスタービン燃焼器の冷却構造。
- 前記通路の所定空間の壁面には空気の流れ方向に直交するように複数の凹形状の溝を設けたことを特徴とする請求項１記載のガスタービン燃焼器の冷却構造。
- ガスタービン燃焼器の壁内部に冷却用空気の通路を燃焼ガス流れ方向に複数列設け、同各通路には多数の空気吸込穴と同空気吸込穴より径の大きい多数の空気吐出穴とを順次所定の間隔で配列して連通させ、同空気吸込穴より同通路内に冷却用空気を流して同空気吐出穴より燃焼器内部へ流出させる空気冷却構造において、前記通路の空気吸込穴と空気吐出穴との区間は断面形状が不変の区間と同区間より幅を狭くし断面積を小さくしたオリフィスとを交互に連通させて、前記空気吸込穴の両側部分はオリフィスとし、前記不変の区間に前記空気吐出穴を設けたことを特徴とするガスタービン燃焼器の冷却構造。
- 前記各通路の空気吸込穴及び吐出穴の配列は、通路を流れる空気の流れ方向が隣接する通路の流れ方向と互いに逆方向となるように構成し、上記壁全体において均一な冷却を可能とし、温度分布を均一化し、熱応力発生のアンバランスを解消することを特徴とする請求項１，４のいずれかに記載のガスタービン燃焼器の冷却構造。
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