JP3626862B2

JP3626862B2 - ガスタービン燃焼器パイロットコーンの冷却構造

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Publication number: JP3626862B2
Application number: JP32370498A
Authority: JP
Inventors: 寿恭佐藤; 幸一西田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1998-11-13
Filing date: 1998-11-13
Publication date: 2005-03-09
Anticipated expiration: 2018-11-13
Also published as: JP2000145480A

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パイロットコーンの冷却構造に関し、パイロットコーン壁面に冷却用空気を流通させて冷却する構造において冷却効果を高めるような構造としたものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１５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１５（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、アニュ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１６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１５（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１６において後述するように空気により冷却される。
【０００４】
図１５（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１６は前述の図１５（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が明けられている。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３０１ｆ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１７は図１５（ｂ），（ｃ）で説明した燃焼器のパイロットノズル先端に設けられたパイロットコーンの断面図でありその上半分の部分を示している。図において燃焼器内筒中心にはパイロットノズルが設けられ、その先端にはパイロットコーン１３０が取付けられている。パイロットコーン１３０は図示のようにラッパ状に開口しており、その周囲にはパイロットコーン１３０を支持するガイドリング１３１が設けられ、ガイドリング１３１は周囲に所定の間隔で接続部１３２でパイロットコーン１３０を溶接で固定して支持している。
【０００９】
パイロットコーン１３０の中心部にはパイロットノズルから噴射される燃料が燃焼し、高温の燃焼ガス１４０となって流出しており、コーンのテーパ状の壁面に沿って流出し、その壁内面は高温の燃焼ガスに絶えずさらされている。更に、前述したようにパイロットコーン１３０の周囲には複数のメインノズルが配置されており、流出する燃料がパイロットコーン１３０から流出する燃焼ガスの炎１４０によって点火されて燃焼しており、従ってパイロットコーン１３０の外面及びガイドリング１３１も高温にさらされている。
【００１０】
１４１は空気流であり、パイロットコーン１３０とガイドリング１３１の隙間を通って出口に流出している。この空気１４１は本来はパイロットコーン１３０の出口端部で炎が発生し、この炎が継続しないようにするために流出させるものであるが、この空気１４１はパイロットコーン１３０の裏面とガイドリング１３１との隙間を流れる過程において２次的にパイロットコーン１３０壁面を対流冷却することでパイロットコーン１３０の冷却を保持している。このように従来のガスタービン燃焼器においては、燃焼器の尾筒は二重構造により冷却用の溝を設けて空気又は蒸気を流して冷却され、パイロットコーン１３０はコーン壁面裏側を流れる空気１４１で冷却されていた。
【００１１】
【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は、尾筒では壁内部に冷却用の溝を設けた二重構造として空気又は蒸気を流す冷却方式を、パイロットコーンはそのコーン壁面裏側を通る空気により冷却する方式を採用していたが、近年においてはガスタービンの入口ガス温度が高温化し、燃焼器の使用環境が年々過酷になってきている。特にマルチ予混合燃焼器においては、燃焼振動が問題となっており、燃焼振動の軽減策としてパイロット燃料の比率を上げることが有効であることが確認されているが、パイロット燃焼の比率を増加させるとパイロットコーン壁面の熱負荷の増大につながり、従来のままの構造では冷却が不足し、冷却効果を上げる必要があった。
【００１２】
そこで本発明ではガスタービン燃焼器のパイロットコーンの冷却効果を高めるために、パイロットコーンの壁の冷却構造に尾筒の冷却構造と同様の冷却壁構造を採用したり、又、従来の空気冷却構造を改良し、空気冷却による効果を高めるようなパイロットコーン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。
【００１３】
【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）〜（８）の手段を提供する。
【００１４】
（１）ガスタービン燃焼器パイロットコーンの壁内部周囲に冷却用空気の通路を燃焼ガス流れ方向に向って複数列設け、同各通路にはパイロットコーン裏側に開口する多数の空気吸込穴及び同空気吸込穴の両側に同パイロットコーン内側に開口し同空気吸込穴よりも径の大きい空気吐出穴を順次所定の間隔で配列してそれぞれ連通させると共に、前記各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空気吸込穴の位置で最小、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パイロットコーンの冷却構造。
【００１５】
（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空気の流れ方向とほぼ直交するように設けたことを特徴とするガスタービン燃焼器パイロットコーンの冷却構造。
【００１６】
（３）上記（１）において、前記通路の所定区間の壁面には空気の流れ方向とほぼ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ガスタービン燃焼器パイロットコーンの冷却構造。
【００１７】
（４）ガスタービン燃焼器パイロットコーンの壁内部周囲に冷却用空気の通路を燃焼ガス流れ方向に向って複数列設け、同各通路にはパイロットコーン裏側に開口する多数の空気吸込穴及び同空気吸込穴の両側に同パイロットコーン内側に開口し同空気吸込穴よりも径の大きい空気吐出穴を順次所定の間隔で配列してそれぞれ連通させると共に、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の断面積よりも流路が狭く形状不変の空気吸込穴の前後両側部分のオリフィスとを交互に連通させて、構成されていることを特徴とするガスタービン燃焼器パイロットコーンの冷却構造。
【００１８】
（５）上記（１）又は（４）において、前記空気吐出穴は、パイロットコーン内側へパイロット燃焼ガス流れ方向に向って空気が流出するように傾斜して設けられていることを特徴とするガスタービン燃焼器パイロットコーンの冷却構造。
【００１９】
（６）上記（１）又は（４）において、前記空気吐出穴の出口周辺には、空気がパイロット燃焼ガス流れ方向に向って流出するようにカバーが設けられていることを特徴とするガスタービン燃焼器パイロットコーンの冷却構造。
【００２０】
（７）上記（１）又は（４）において、前記各通路の空気吸込穴及び空気吐出穴の配列は、通路を流れる空気の流れ方向が隣接する通路の空気の流れ方向と互に逆方向となるように構成されていることを特徴とするガスタービン燃焼器パイロットコーンの冷却構造。
【００２１】
（８）上記（１）又は（４）において、前記各通路の壁接続部における終端部は、同各終端部に対応してパイロットコーンの壁裏側から内側へ貫通する穴の途中にそれぞれ連通し、同各穴には裏側又は内側のいずれかから蓋が挿入されて閉じられていることを特徴とすることを特徴とするガスタービン燃焼器パイロットコーンの冷却構造。
【００２２】
従来のパイロットコーンの冷却構造はパイロットコーンの裏側へ空気を流通させることにより行う構造であり、パイロット燃料の比率を増大させるような場合には冷却不足の状態となっていた。本発明の（１）においてはパイロットコーンの壁内部に冷却通路を設け、パイロットコーンの裏側より多数の空気吸込穴から通路内に冷却空気を流し、壁内部を冷却した後、空気吸込穴の両側に同パイロットコーン内側に開口し同空気吸込穴よりも径の大きい空気吐出穴よりパイロットコーン内側へ流出させる構造としている。更に、通路断面の幅が空気の流れ方向に向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空気吸込穴の位置で最小、空気吐出穴の位置で最大となっているので、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、空気吸込穴よりも径の大きい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、パイロットコーンの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。
【００２３】
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。
（４）では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、冷却用空気はパイロットコーン裏側周囲より空気吸込穴を通り、溝へ流入し、両側に分かれて溝へ入り、それぞれ空気吸込穴よりも径の大きい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、溝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、上記本発明の（１）と同様の効果が得られる。
【００２４】
又、（５）においては、空気を空気吸込穴よりも径の大きい空気吐出穴より流出させる際に、パイロットコーン内壁面に沿って燃焼ガス流れ方向に流出させ、吐出穴近辺を有効に冷却しながらパイロットコーン内に流出させることができる。又、（６）では（５）と同様の効果をカバーを設けることにより実現可能としている。又、（７）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、パイロットコーン壁面の冷却のアンバランスが解消される。又、パイロットコーンの壁は溶接による接続により構成される場合には、この接続部では通路が途中で終端となり、冷却空気が流れずに滞溜する部分が生ずる場合があるが、（８）においては、この場合には通路終端部に貫通穴を設け、蓋で外側又は内側を塞ぐことにより、空気を外側から吸い込んだり、又はパイロットコーン内に吐出させたりすることができ、接続部においても効果的な冷却を可能としている。
【００２５】
【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パイロットコーンの冷却構造を示す断面図であり、パイロットコーンの上半分を示しており、図１５の従来例で説明した（ｂ），（ｃ）の燃焼器のパイロットコーンの壁として適用される。図において３０は本発明の冷却構造を適用したパイロットコーンの壁、１３１は従来と同じガイドリングであり支持部１３２でパイロットコーンの壁３０を支持している。３００は後述する冷却空気であり、パイロットコーンの壁３０の裏面をパイロット燃焼ガス流れ方向Ｇへ流れ壁内側に３０１のように流出し、壁を冷却する構造である。
【００２６】
図２は図１に示すパイロットコーンの壁３０の平面図であり、コーンの裏側から見た図であり、図３は図２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。
【００２７】
図２において、１は外側板であり、パイロットコーンの壁３０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が明けられており、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が貫通して明けられており、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。
【００２８】
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はそれぞれパイロットコーンの前流側から出口側端部まで伸び、かつパイロットコーンの周囲壁内部に所定のピッチで配置される。
【００２９】
図３（ａ）は図２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２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に明けられ、空気吐出穴５は内側板４に明けられ、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。
【００３０】
図３（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２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２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。
【００３１】
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、パイロットコーン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。
【００３２】
図２，図３に示すように冷却空気３００はパイロットコーン裏側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よりパイロットコーン内に３０１ａ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程度に上昇してパイロットコーン内に流出する。
【００３３】
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、従来の尾筒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。
【００３４】
図４は本発明の実施の第２形態に係るガスタービン燃焼器パイロットコーンの冷却構造を示し、図２と同じく二重構造のパイロットコーン３０で溝内部が異なるものである。即ち、（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２，図３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４（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４（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）と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。
【００３５】
図５は図４における溝の断面形状を示し、図５（ａ）は図４（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図、図５（ｂ）は図４（ｂ）におけるＣ−Ｃ断面図である。図５（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。
【００３６】
図２，図３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。
【００３７】
図６は本発明の実施の第３形態に係るガスタービン燃焼器パイロットコーンの冷却構造の壁の一部を示す平面図である。図において壁は同じく二重構造の壁３０であり、外側板１には空気吸込穴３が明けられている。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には空気吐出穴５が明けられている。
【００３８】
このような構造の実施の第３形態においては、冷却用空気はパイロットコーン裏側周囲より空気吸込穴３を通り、溝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。
【００３９】
なお、図６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。
【００４０】
図７は本発明の実施の第４形態に係るガスタービン燃焼器パイロットコーンの冷却構造の壁の断面図であり、壁は同じく二重構造の壁３０で、（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７（ａ）では図２，図３に示す実施の第１，第２形態、図６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２，図３，図６と同じである。
【００４１】
このような構造により、冷却空気３００はパイロットコーン裏側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３０１ｂのようにパイロットコーン内に流出するが、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。
【００４２】
図７（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２，図３，図６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２，図３，図６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７（ａ）と同様の効果が得られ、冷却効果が増す。
【００４３】
図８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、図９はその斜視図である。両図において、壁は二重構造の壁３０であり、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が開けられている。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。
【００４４】
上記構成の実施の第５形態においては、パイロットコーンの裏側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よりパイロットコーン内に３０１ｃのように流出するが、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。
【００４５】
なお、図８，図９に示す溝９には図４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６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２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。
【００４６】
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パイロットコーンの冷却構造の壁の一部を示す平面図で、壁は同じく二重構造の壁３０であり、（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１０（ａ）は図２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。
【００４７】
又、図１０（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６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３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７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。
【００４８】
上記構成の実施の第６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、パイロットコーン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。
【００４９】
図１１は本発明の実施の第７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６形態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り、パイロットコーンの壁３０を分割構造として各分割片を溶接してコーンを形成する場合に適用される。
【００５０】
図１１（ａ）において、２０は接続部であり、パイロットコーンを構成する壁の接続部となり、溶接接続されてパイロットコーンを形成する。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。
【００５１】
上記状況より、図１１（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より冷却用空気が流入するので、この空気をパイロットコーン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パイロットコーン内へ流出させる。
【００５２】
図１２（ａ）は図１１（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が突設されており、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、パイロットコーン内部へ３０１ｄとして流出するようにしている。
【００５３】
図１１（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からパイロットコーン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のパイロットコーン外周より空気が溝２内へ流入し、上流側の空気吐出穴５からパイロットコーン内に流出させることができる。
【００５４】
図１２（ｂ）は図１１（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へはパイロットコーン裏側より空気３００が流入し、溝２内へ流れるようにしている。
【００５５】
上記に説明の実施の第７形態の接続部の構造をガスタービン燃焼器パイロットコーンの空気冷却構造に採用することにより、パイロットコーン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。
【００５６】
図１３は本発明の実施の第８形態に係るガスタービン燃焼器パイロットコーンの冷却構造を示し（ａ）は断面図であり、パイロットコーンの上半分を示し、（ｂ）は拡大断面図である。図１３（ａ）において、３１はパイロットコーンであり、その外周囲は従来と同じくガイドリング１３１で支持されている。パイロットコーン３１の壁には内側に向って円錐状に突起しているディンプル１３が複数個配列して形成されており、ディンプル１３には燃焼ガスの流れ方向に向って空気３０１ｅが流出するように円錐部の壁面から傾斜した穴１４が開けられている。
【００５７】
図１３（ｂ）はその拡大断面図であり空気３００はパイロットコーン３１の裏側を流れて従来と同様に壁を冷却しながら先端部に流出するが、その過程において、ディンプル１３の穴１４からパイロットコーン３１の内側に流入し、壁面に冷却空気のフィルム層を作り、フィルム冷却を行うことにより壁面の冷却効果を高めることができる。
【００５８】
図１４は本発明の実施の第９形態に係るガスタービン燃焼器パイロットコーンを示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＦ−Ｆ断面図である。両図において、３２はパイロットコーン、１３１はガイドリングであり従来と同じものである。本実施の第９形態においては、パイロットコーン３２の裏側に多数のフィン１７をパイロットコーン３２の前後方向に配列して突設し、ガイドリング１３１はそのフィン１７の外周囲を支持する構成としたものである。
【００５９】
このような構造の実施の第９形態の冷却構造によれば、冷却空気３００はパイロットコーン３２の裏側でガイドリング１３１と多数のフィン１７で形成される空間を流れて端部へ流出するが、フィン１７が形成する凹凸により空気への放熱面積が大きくなり、従来よりも一層積極的に壁面の冷却がなされ、壁面を冷却した空気はパイロットコーン出口部での保炎防止に使用される。
【００６０】
【発明の効果】
本発明のガスタービン燃焼器パイロットコーンの冷却構造は、（１）ガスタービン燃焼器パイロットコーンの壁内部周囲に冷却用空気の通路を燃焼ガス流れ方向に向って複数列設け、同各通路にはパイロットコーン裏側に開口する多数の空気吸込穴及び同空気吸込穴の両側に同パイロットコーン内側に開口し同空気吸込穴よりも径の大きい空気吐出穴を順次所定の間隔で配列してそれぞれ連通させると共に、前記各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空気吸込穴の位置で最小、空気吐出穴の位置で最大となっていることを特徴としている。このような構成によりパイロットコーンを壁内部から効果的に冷却することができ従来の裏側に空気を流す方式と比べ著しく冷却効果が増加する。更に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。
【００６１】
本発明の（４）は、ガスタービン燃焼器パイロットコーンの壁内部周囲に冷却用空気の通路を燃焼ガス流れ方向に向って複数列設け、同各通路にはパイロットコーン裏側に開口する多数の空気吸込穴及び同空気吸込穴の両側に同パイロットコーン内側に開口し同空気吸込穴よりも径の大きい空気吐出穴を順次所定の間隔で配列してそれぞれ連通させると共に、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の断面積よりも流路が狭く形状不変の空気吸込穴の前後両側部分のオリフィスとを交互に連通させることを特徴としている。このような構造により、上記（１）と同様の効果が得られると共に、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。
【００６２】
又、（５）においては、空気を空気吸込穴よりも径の大きい空気吐出穴より流出させる際に、壁面に沿って燃焼ガス流れ方向に流出させ、吐出穴近辺を有効に冷却しながら燃焼器内に流出させることができる。又、（６）では（５）と同様の効果をカバーを設けることにより実現可能としている。又、（７）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。又、燃焼器の壁は溶接による接続により構成されており、この接続部では通路が途中で終端となり、冷却空気が流れずに滞溜する部分が生ずる場合があるが、（８）においては、この場合には通路終端部に貫通穴を設け、蓋で外側又は内側を塞ぐことにより、空気を外側から吸い込んだり、又は燃焼器内に吐出させたりすることができ、接続部においても効果的な冷却を可能としている。
【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パイロットコーンの冷却構造を適用するパイロットコーンの断面図である。
【図２】図１におけるパイロットコーンの壁の平面図である。
【図３】図２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４】本発明の実施の第２形態に係るガスタービン燃焼器パイロットコーン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５】図４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６】本発明の実施の第３形態に係るガスタービン燃焼器パイロットコーンの冷却構造の壁の一部を示す平面図である。
【図７】本発明の実施の第４形態に係るガスタービン燃焼器パイロットコーン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８】本発明の実施の第５形態に係るガスタービン燃焼器パイロットコーンの冷却構造の壁の一部を示す平面図である。
【図９】図８に示す冷却構造の斜視図である。
【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パイロットコーン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１１】本発明の実施の第７形態に係るガスタービン燃焼器パイロットコーン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１２】図１１における断面図であり、（ａ）は図１１（ａ）におけるＤ−Ｄ断面図、（ｂ）は図１１（ｂ）におけるＥ−Ｅ断面図である。
【図１３】本発明の実施の第８形態に係るガスタービン燃焼器パイロットコーンの冷却構造を示し、（ａ）はパイロットコーンの断面図、（ｂ）は壁の拡大断面図である。
【図１４】本発明の実施の第９形態に係るガスタービン燃焼器パイロットコーンの冷却構造を示し、（ａ）はパイロットコーンの断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＦ−Ｆ矢視図である。
【図１５】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１６】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１７】従来のガスタービン燃焼器のパイロットコーンの側面図である。
【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蓋
１２ａオリフィス
１３ディンプル
１４穴
１７フィン
３０，３１，３２パイロットコーン

Claims

ガスタービン燃焼器パイロットコーンの壁内部周囲に冷却用空気の通路を燃焼ガス流れ方向に向って複数列設け、同各通路にはパイロットコーン裏側に開口する多数の空気吸込穴及び同空気吸込穴の両側に同パイロットコーン内側に開口し同空気吸込穴よりも径の大きい空気吐出穴を順次所定の間隔で配列してそれぞれ連通させると共に、前記各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空気吸込穴の位置で最小、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パイロットコーンの冷却構造。
前記通路の所定区間には複数のタービュレータを空気の流れ方向とほぼ直交するように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パイロットコーンの冷却構造。
前記通路の所定区間の壁面には空気の流れ方向とほぼ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パイロットコーンの冷却構造。
ガスタービン燃焼器パイロットコーンの壁内部周囲に冷却用空気の通路を燃焼ガス流れ方向に向って複数列設け、同各通路にはパイロットコーン裏側に開口する多数の空気吸込穴及び同空気吸込穴の両側に同パイロットコーン内側に開口し同空気吸込穴よりも径の大きい空気吐出穴を順次所定の間隔で配列してそれぞれ連通させると共に、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の断面積よりも流路が狭く形状不変の空気吸込穴の前後両側部分のオリフィスとを交互に連通させて、構成されていることを特徴とするガスタービン燃焼器パイロットコーンの冷却構造。
前記空気吐出穴は、パイロットコーン内側へパイロット燃焼ガス流れ方向に向って空気が流出するように傾斜して設けられていることを特徴とする請求項１又は４に記載のガスタービン燃焼器パイロットコーンの冷却構造。
前記空気吐出穴の出口周辺には、空気がパイロット燃焼ガス流れ方向に向って流出するようにカバーが設けられていることを特徴とする請求項１又は４に記載のガスタービン燃焼器パイロットコーンの冷却構造。
前記各通路の空気吸込穴及び空気吐出穴の配列は、通路を流れる空気の流れ方向が隣接する通路の空気の流れ方向と互に逆方向となるように構成されていることを特徴とする請求項１又は４に記載のガスタービン燃焼器パイロットコーンの冷却構造。
前記各通路の壁接続部における終端部は、同各終端部に対応してパイロットコーンの壁裏側から内側へ貫通する穴の途中にそれぞれ連通し、同各穴には裏側又は内側のいずれかから蓋が挿入されて閉じられていることを特徴とする請求項１又は４に記載のガスタービン燃焼器パイロットコーンの冷却構造。