JP6223954B2 - 燃焼器及びガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンに用いられる燃焼器及びこの燃焼器を備えたガスタービンに関する。

ガスタービンの燃焼器は、ガスタービンの運転中高温にさらされるため、空気又は蒸気等の気体を冷却用媒体として用いて冷却される。このようなガスタービンにおいて、冷却媒体を用いて燃焼器の燃焼筒を冷却するガスタービン燃焼器が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００９−０７９４８３号公報

一般に、燃焼器は、燃焼ガスをタービンに導くための尾筒を備える。尾筒も高温にさらされるため、ガスタービンの運転中は冷却媒体によって冷却される。空気又は蒸気等の気体を冷却媒体として用いて尾筒を冷却する場合、他の部品との取り合いによって、冷却媒体を尾筒の冷却部に導入する部分が限られることがある。このような場合、冷却媒体による尾筒の冷却能力が低下する可能性がある。

本発明は、ガスタービンの燃焼器が備える尾筒を冷却用媒体で冷却する場合において、冷却能力の低下を抑制することを目的とする。

本発明は、筒状の部材であって、一端部に燃焼ガスの入口を有し、かつ他端部に前記燃焼ガスの出口を有しており、前記入口から流入した燃焼ガスを前記出口から流出させてタービンに導く尾筒と、前記尾筒の前記出口側における外周部の周方向における少なくとも一部に設けられて、冷却媒体が導入される冷却媒体導入部と、前記冷却媒体導入部に設けられて前記冷却媒体を前記冷却媒体導入部に導入する冷却媒体入口と、前記尾筒の前記出口から前記入口に向かって所定位置までの範囲に設けられ、前記冷却媒体導入部と接続されて、前記冷却媒体導入部からの前記冷却媒体を前記出口から前記入口に向かって通過させる冷却部と、前記冷却媒体入口から最も離れた部分を含む、前記尾筒の周方向における所定領域に少なくとも設けられて、前記冷却媒体導入部内の前記冷却媒体の一部を、前記冷却部が前記冷却媒体導入部と接続される接続部よりも前記入口側で、前記冷却部に流入させる分岐部と、を含む、燃焼器である。

この燃焼器は、冷却媒体導入部の冷却媒体を分岐部から冷却媒体を冷却部の途中に流すことにより、冷却媒体入口から遠いために冷却媒体の温度が上昇して冷却能力が低下した部分に、冷却媒体の温度が低く、冷却能力が高い冷却媒体を流すことができる。このため、冷却能力が低下した部分での冷却能力の低下を抑制することができる。その結果、ガスタービンの燃焼器が備える尾筒を冷却媒体で冷却する場合において、冷却能力の低下を抑制することができる。

前記分岐部は、前記尾筒の前記タービンの回転中心軸側に少なくとも設けられることが好ましい。冷却媒体入口は、尾筒の径方向外側、すなわちタービンの回転中心軸とは離れた部分に設けられることが多い。このため、尾筒の回転中心軸側は冷却媒体入口からの距離が大きくなり、冷却能力が低下しやすい可能性がある。分岐部が、尾筒の回転中心軸側に設けられることにより、尾筒の回転中心軸側における冷却能力の低下を抑制することができる。

前記冷却部は、前記接続部からの前記冷却媒体と、前記分岐部からの前記冷却媒体とを分離して通過させることが好ましい。このようにすることで、分岐部を通って冷却部を流れる冷却媒体の流量と、接続部を通って冷却部を流れる冷却媒体の流量とを制御しやすくなる。

前記冷却部は、前記接続部からの前記冷却媒体と、前記分岐部からの前記冷却媒体とを前記分岐部で混合させて通過させることが好ましい。このようにすることで、冷却部の分岐部よりも下流側を流れる冷却媒体の温度を均一にしやすくなるので、冷却効率が向上する。

前記冷却媒体導入部は、前記接続部から前記冷却部に前記冷却媒体を流す第１冷却媒体導入部と、前記分岐部から前記冷却部に前記冷却媒体を流す第２冷却媒体導入部と、を含むことが好ましい。このようにすることで、冷却媒体導入部の設置の自由度が向上する。

前記第２冷却媒体導入部と前記第１冷却媒体導入部とは、前記尾筒の径方向外側に向かってこの順に積み重ねられていることが好ましい。このようにすることで、第２冷却媒体導入部が周囲の高温の空気と接触する面積を低減できるので、第２冷却媒体導入部内の冷却媒体の温度上昇を抑制することができる。

前記冷却媒体導入部は、外表面に遮熱層を有することが好ましい。このようにすれば、遮熱層が、車室ハウジングの内部に満たされている空気から、冷却媒体導入部内の冷却媒体に伝わる熱の量を低減するので、冷却媒体導入部内の冷却媒体の温度上昇を抑制することができる。

前記冷却媒体導入部は、前記冷却媒体が導入される部分を取り囲む内壁と、前記内壁の外側に所定の間隔を空けて設けられる外壁とを有することが好ましい。このようにすれば、内壁と外壁との間の空気層が、車室ハウジングの内部に満たされている空気から、冷却媒体導入部内の冷却媒体に伝わる熱の量を低減するので、冷却媒体導入部内の冷却媒体の温度上昇を抑制することができる。

前記冷却媒体導入部は、複数の前記冷却媒体入口を有することが好ましい。このようにすれば、それぞれの冷却媒体導入部から最も遠く、温度が最も高くなる位置までの距離を短くできるので、冷却媒体が温度が最も高くなる位置まで流れる間に受ける熱量を低減できる。その結果、温度が最も高くなる位置の温度上昇がより効果的に抑制される。

本発明は、圧縮機と、前記圧縮機によって圧縮された空気と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成する前述の燃焼器と、前記燃焼器からの前記燃焼ガスが供給されて駆動されるタービンと、を含む、ガスタービンである。このガスタービンは、前述した燃焼器を備えるので、尾筒を冷却媒体で冷却する場合において、冷却能力の低下を抑制することができる。

本発明は、ガスタービンの燃焼器が備える尾筒を冷却媒体で冷却する場合において、冷却能力の低下を抑制することができる。

図１は、本実施形態に係る燃焼器を有するガスタービンの概略構成図である。 図２は、燃焼器の拡大図である。 図３は、本実施形態に係る燃焼器が備える尾筒の断面図である。 図４は、図３のＡ−Ａ矢視図である。 図５は、尾筒のクローズド部に設けられたジャケット内の冷却媒体の温度分布を示す図である。 図６は、本実施形態に係る燃焼器が備える尾筒の冷却部及びジャケットを示す一部断面図である。 図７は、本実施形態に係る燃焼器が備える尾筒の冷却部及びジャケットを示す平面図である。 図８は、図７のＢ−Ｂ矢視図である。 図９は、第１変形例の他の例を示す図である。 図１０は、本実施形態の第２変形例に係る燃焼器が備える尾筒の冷却部及びジャケットを示す一部断面図である。 図１１は、本実施形態の第３変形例に係るジャケットを説明するための図である。 図１２は、本実施形態の第３変形例に係るジャケットを説明するための図である。 図１３は、本実施形態の第４変形例に係る尾筒を示す図である。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る燃焼器を有するガスタービンの概略構成図である。図１に示すように、ガスタービン１は、流体の流れ方向の上流側から順番に、圧縮機１１と、ガスタービン用の燃焼器（以下、燃焼器という）１２と、タービン１３と、排気室１４とを有する。タービン１３には、例えば、発電機が連結されている。ガスタービンは、回転中心軸Ｌを中心に回転可能なロータ（タービン軸）２４を有する。

圧縮機１１は、空気を取り込む空気取入口１５を有し、圧縮機車室１６内に複数の静翼１７と動翼１８とが交互に配設されている。燃焼器１２は、圧縮機１１で圧縮された圧縮空気（燃焼用空気）に燃料を供給し、バーナで点火することで燃料と燃焼用空気との混合気を燃焼させて、燃焼ガスを生成する。タービン１３は、タービン車室２０内に複数の静翼２１と動翼２２とが、流体としての燃焼ガスの流れ方向における上流から下流に向かって交互に配設されている。

排気室１４は、タービン１３に連続する排気ディフューザ２３を有している。ロータ２４は、圧縮機１１、燃焼器１２、タービン１３及び排気室１４の径方向中心部を貫通するように位置する。ロータ２４の圧縮機１１側の端部は、軸受部２５により回転中心軸Ｌを中心にして回転自在に支持され、排気室１４側の端部は、軸受部２６により回転中心軸Ｌを中心にして回転自在に支持されている。ロータ２４には、複数のディスクプレートが固定され、各動翼１８、２２が連結されている。

このようなガスタービン１において、圧縮機１１の空気取入口１５から取り込まれた空気は、複数の静翼２１と動翼２２とを通過して圧縮され、高温・高圧の圧縮空気となる。この圧縮空気は、燃焼器１２において、圧縮空気に対して所定の燃料が供給されることで燃料との混合気を形成する。この混合気は、燃焼器１２で燃焼して燃焼ガスとなる。燃焼器１２で生成された作動流体である高温・高圧の燃焼ガスは、タービン１３が備える複数の静翼２１と動翼２２とを通過し、ロータ２４を回転させる。ロータ２４が回転することにより、ロータ２４に連結された発電機が駆動され、電力を発生する。ロータ２４を通過した排気ガスは、排気ガスとして大気に放出される。

図２は、燃焼器の拡大図である。燃焼器１２は、燃焼器ケーシング３０を有する。燃焼器ケーシング３０は、外筒３１の内部に配置された内筒３２と、内筒３２の先端部に連結された尾筒３３とを有し、回転中心軸Ｌに対して傾斜した中心軸Ｓに沿って延在する。

外筒３１は、車室ハウジング２７に締結されている。内筒３２は、その基端部が外筒３１に支持され、外筒３１の内側に、外筒３１から所定間隔を空けて配置されている。内筒３２の中心部には、中心軸Ｓに沿ってパイロットバーナ４０が設けられている。パイロットバーナ４０の周囲には、パイロットバーナ４０を取り囲むように、等間隔かつパイロットバーナ４０と平行に複数のメインバーナ４２が配設されている。尾筒３３は、その基端が円筒状に形成されて内筒３２の先端に連結されている。尾筒３３は、先端側にかけて断面積が小さくかつ湾曲して形成され、タービン１３の１段目の静翼２１に向けて開口している。尾筒３３は、内部に燃焼室を有する。

図３は、本実施形態に係る燃焼器が備える尾筒の断面図である。図４は、図３のＡ−Ａ矢視図である。尾筒３３は、筒状の部材であって、一端部に燃焼ガスＧの入口３３Ｉを有し、かつ他端部に燃焼ガスＧの出口３３Ｅを有している。尾筒３３は、入口３３Ｉから流入した燃焼ガスＧを出口３３Ｅから流出させて、図１に示すタービン１３に導く。尾筒は、作動流体としての燃焼ガスＧの流れ方向における上流側、すなわち入口３３Ｉ側の外周部に音響ライナ３６が設けられる。この部分を音響ライナ部３３Ｌという。音響ライナ部３３Ｌの出口から燃焼ガスＧの流れ方向下流側、すなわち出口３３Ｅ側に向かって、尾筒３３は、燃焼ガスＧが通過する通路の断面積が徐々に小さくなっている。この部分を、クローズド部３３Ｃという。燃焼ガスＧが通過する通路の断面積は、尾筒３３内を通過する燃焼ガスの流れ方向と直交する平面で尾筒３３を切ったときの断面の面積である。燃焼ガスＧの流れ方向における尾筒３３の各断面の重心を結ぶ軸線が、尾筒３３の中心軸Ｚである。

尾筒３３は、冷却媒体ａによって冷却される。本実施形態において、冷却媒体ａは空気であるがこれには限定されない。冷却媒体ａは、例えば、蒸気であってもよい。尾筒３３は、クローズド部３３Ｃに冷却部ＣＬＰを、音響ライナ部３３Ｌに冷却部ＬＬＰを備えている。冷却部ＣＬＰ及び冷却部ＬＬＰは、いずれも尾筒３３の出口３３Ｅ側から入口３３Ｉに向かって延在する複数の冷却媒体通路を有しており、複数の冷却媒体通路に冷却媒体ａを流すことにより、尾筒３３を冷却する。

クローズド部３３Ｃの冷却部ＣＬＰは、クローズド部３３Ｃの周方向全体にわたり、尾筒３３の出口３３Ｅから入口３３Ｉに向かって所定位置までの範囲に設けられる。本実施形態において、前述した所定位置は、音響ライナ部３３Ｌの終端、すなわちクローズド部３３Ｃの始端（入口３３Ｉに最も近いクローズド部３３Ｃの部分）である。本実施形態において、クローズド部３３Ｃの冷却部ＣＬＰは、尾筒３３の出口３３Ｅ側から入口３３Ｉ側、すなわち音響ライナ部３３Ｌに向かって冷却媒体ａが流れることにより、尾筒３３のクローズド部３３Ｃを冷却する。クローズド部３３Ｃの冷却部ＣＬＰを流れて尾筒３３を冷却した冷却媒体ａは、クローズド部３３Ｃの入口３３Ｉ側から図２に示す車室ハウジング２７内に放出される。

図４に示すように、クローズド部３３Ｃは、４個の側部３３ＳＴ、３３ＳＩ、３３ＳＳ、３３ＳＳを組み合わせた、外径が略四角柱の筒状の構造体である。このため、クローズド部３３Ｃを中心軸Ｚと直交する平面で切ったときの断面形状は、略扇形となる。側部３３ＳＩは、図１に示すガスタービン１の回転中心軸Ｌ側に配置される。側部３３ＳＴは、側部３３ＳＩと対向し、かつ側部３３ＳＩよりも回転中心軸Ｌから離れた位置に配置される。２個の側部３３ＳＳと側部３３ＳＳとは、それぞれ対向して配置され、かつ側部３３ＳＩと側部３３ＳＴとを接続する。

クローズド部３３Ｃの断面内の位置を表すため、前述した断面を規定する、尾筒３３の中心軸Ｚと直交する平面上に二次元座標系としてＸ−Ｙ座標系を定義する。このＸ−Ｙ座標系の原点は、尾筒３３の中心軸Ｚである。Ｘ−Ｙ座標系の原点、すなわち中心軸Ｚを基準とした角度θを用いてクローズド部３３Ｃの断面内の位置を表すことを考える。この場合、＋Ｙ方向を０°とし、Ｘ−Ｙ座標系の第１象限から第４象限、第３象限及び第２象限に向かって角度θが増加するものとする。

尾筒３３の出口３３Ｅ側における外周部３３ｏｓの周方向における少なくとも一部には、尾筒３３を冷却するための冷却媒体ａが導入される冷却媒体導入部として、ジャケット５０が設けられる。本実施形態において、ジャケット５０は、尾筒３３のクローズド部３３Ｃの外周部３３ｏｓであって、出口３３Ｅに隣接して設けられる。図４に示すように、ジャケット５０は、クローズド部３３Ｃの外周部３３ｏｓの全周にわたって設けられる。すなわち、ジャケット５０は、角度θが０°から３６０°の範囲に設けられるが、前述したように、尾筒３３の周方向における少なくとも一部に設けられていればよい。

ジャケット５０には、ジャケット５０内に冷却媒体ａを導入するための冷却媒体入口５１が設けられる。本実施形態において、冷却媒体入口５１は、尾筒３３のクローズド部３３Ｃの側部３３ＳＴ側、すなわち、図２に示す車室ハウジング２７に設けられる。図４に示すように、冷却媒体入口５１の位置は、角度θｉとなる。図６に示すように、冷却媒体入口５１からジャケット５０内に導入された冷却媒体ａは、図３に示す尾筒３３の入口３３Ｉ側から出口３３Ｅ側に流れた後、クローズド部３３Ｃの冷却部ＣＬＰ内に流入し、図３に示す音響ライナ部３３Ｌに向かって流れる過程でクローズド部３３Ｃを冷却する。ガスタービン１が備える他の部品との取り合いにより、尾筒３３の出口３３Ｅ側における端面に冷却媒体入口５１を設けられない。このため、冷却媒体入口５１は、尾筒３３の出口３３Ｅ側ではなく入口３３Ｉ側に設けられる。

本実施形態において、冷却媒体ａをジャケット５０内に導入する冷却媒体入口５１は、クローズド部３３Ｃの周方向における１箇所である。このため、クローズド部３３Ｃの周方向全体を考えた場合、冷却媒体入口５１から近い部分と遠い部分とが発生する。冷却媒体入口５１から最も遠い部分は、冷却媒体入口５１から角度θが１８０°の部分ＨＴである。部分ＨＴの位置は、角度θｃであり、θｃ≒θｉ＋１８０°である。

一般に、冷却媒体ａの温度は、クローズド部３３Ｃの冷却部ＣＬＰに冷却媒体ａを供給するジャケット５０の周囲を満たしている車室ハウジング２７の内部３４（図２参照）に満たされている空気の温度よりも低い。このため、車室ハウジング２７の内部３４の空気から、ジャケット５０側に熱が伝わり、ジャケット５０内の冷却媒体ａの温度が上昇する。すると、冷却媒体入口５１から近い部分では、温度が低く冷却能力が高い冷却媒体ａを使えるのに対し、冷却媒体入口５１から遠い部分では、温度が高く冷却能力が低い冷却媒体ａしか使えないことになる。

図５は、尾筒のクローズド部に設けられたジャケット内の冷却媒体の温度分布を示す図である。図５の縦軸は温度Ｔ、横軸は角度θである。前述したように、冷却媒体入口５１が１箇所であるため、ジャケット５０内の冷却媒体ａは、図５に示すように、冷却媒体入口５１において最も温度が低く、冷却媒体入口５１からの距離が遠くなるにしたがって温度が上昇する。冷却媒体ａの温度は、冷却媒体入口５１から最も遠い部分ＨＴ（θ≒θｃ）において、最も高くなる。

このように、ジャケット５０内の冷却媒体ａは、冷却媒体入口５１からの位置関係で温度が異なるので、ジャケット５０から冷却部ＣＬＰに流入する冷却媒体ａは、ジャケット５０の冷却媒体入口５１からの位置関係によって冷却能力にばらつきが生じる。冷却媒体ａの冷却能力は、特に、冷却媒体入口５１から遠い部分（部分ＨＴの近傍）で低下する。

また、一般に、尾筒３３の冷却部ＣＬＰに流入した冷却媒体ａは、冷却部ＣＬＰを流れる過程で尾筒３３を冷却して温度が上昇する。このため、尾筒３３、この例ではクローズド部３３Ｃの中心軸Ｚ方向において、冷却媒体ａの温度は、冷却部ＣＬＰから冷却媒体ａが放出される出口付近の部分ＨＥで最も高くなる。

尾筒３３は、中心軸Ｚと直交する平面で切ったときの断面において、冷却媒体入口５１から遠い部分（最も遠い部分ＨＴの近傍）が最も高温になり、中心軸Ｚ方向において、冷却部ＣＬＰの出口付近の部分ＨＥが最も高温になる。このため、尾筒３３は、断面においては最も遠い部分ＨＴ、中心軸Ｚ方向においては冷却部ＣＬＰの出口付近の部分ＨＥにおける冷却能力によって寿命が決定されることが多い。このため、尾筒３３の断面においては部分ＨＴ、中心軸Ｚ方向においては部分ＨＥでの冷却能力を改善できれば、燃焼器１２、より具体的には尾筒３３の寿命延長又は、冷却媒体ａの流量を低減してガスタービン１の性能を向上させることができる。

図６は、本実施形態に係る燃焼器が備える尾筒の冷却部及びジャケットを示す一部断面図である。図７は、本実施形態に係る燃焼器が備える尾筒の冷却部及びジャケットを示す平面図である。図８は、図７のＢ−Ｂ矢視図である。本実施形態において、尾筒３３の断面においては部分ＨＴ、中心軸Ｚ方向においては部分ＨＥでの冷却能力を改善するため、ジャケット５０内の冷却媒体ａを、冷却部ＣＬＰとジャケット５０との接続部５２よりも尾筒３３の入口３３Ｉ側で冷却部ＣＬＰに流入させる分岐部５３を備える。この分岐部５３により、冷却媒体ａの温度が上昇し、冷却能力が低下した部分ＨＥかつ部分ＨＴに、冷却媒体ａの温度が低く、冷却能力が高い冷却媒体ａを流すことができる。その結果、部分ＨＥかつ部分ＨＴでの冷却能力の低下を抑えることができるので、冷却媒体ａ流量の低減による性能向上又は尾筒３３の温度上昇が抑制されることによる寿命増加を実現できる。次に、ジャケット５０、冷却部ＣＬＰ及び分岐部５３の構造を、より詳細に説明する。

図６及び図７に示すように、尾筒３３のクローズド部３３Ｃが備える冷却部ＣＬＰは、内壁３３ＷＩと外壁３３ＷＥとの間に、冷却媒体ａが通過する通路５５Ａと通路５５Ｂと通路５５Ｃとを、それぞれ複数有している。以下において、通路５５Ａを適宜第１通路５５Ａと称し、通路５５Ｂを適宜第２通路５５Ｂと称し、通路５５Ｃを適宜第３通路５５Ｃと称する。図６及び図７に示すように、第１通路５５Ａ、第２通路５５Ｂ及び第３通路５５Ｃは、尾筒３３の中心軸Ｚの方向に延在している。第１通路５５Ａは、尾筒３３の出口３３Ｅ側に設けられ、第２通路５５Ｂ及び第３通路５５Ｃは、図３に示す尾筒３３の入口３３Ｉに設けられる。

本実施形態において、第１通路５５Ａの断面形状は、図８に示すように円形である。第２通路５５Ｂ及び第３通路５５Ｃの断面形状も、第１通路５５Ａと同様に円形である。第１通路５５Ａ、第２通路５５Ｂ及び第３通路５５Ｃの断面形状は円形に限定されるものではなく、例えば、矩形等であってもよい。

第１通路５５Ａは、接続部５２でジャケット５０と接続されて、ジャケット５０内の冷却媒体ａが流入する。複数の第２通路５５Ｂ及び第３通路５５Ｃは、図３に示す尾筒３３の入口３３Ｉ側に設けられる。第２通路５５Ｂは、第１通路５５Ａ側が閉塞部材５７によって塞がれている。第３通路５５Ｃは、第１通路５５Ａ側が開放されている。複数の第１通路５５Ａと、複数の第２通路５５Ｂ及び第３通路５５Ｃとの間には、クローズド部３３Ｃの周方向に沿って隙間５６が設けられている。

このような構造により、ジャケット５０から接続部５２を通って第１通路５５Ａに流入した冷却媒体ａは、第１通路５５Ａを流出してから隙間５６に流入し、その後、隙間５６から第３通路５５Ｃに流入する。冷却媒体ａは、第１通路５５Ａ及び第３通路５５Ｃを通過する過程で尾筒３３のクローズド部３３Ｃを冷却する。

図６及び図７に示すように、分岐部５３は、尾筒３３の外壁３３ＷＥであって、第２通路５５Ｂの位置に設けられている。本実施形態において、分岐部５３は、外壁３３ＷＥを貫通し、ジャケット５０の内部と第２通路５５Ｂとを連通する貫通孔である。分岐部５３は、接続部５２よりも、図３に示す尾筒３３の入口３３Ｉ側に設けられる。このような構造により、分岐部５３は、接続部５２よりも冷却媒体ａの流れ方向の上流側における冷却媒体ａを、接続部５２よりも上流側で第２通路５５Ｂに流入させることができる。

第２通路５５Ｂに流入した冷却媒体ａは、第２通路５５Ｂを通過する過程で、尾筒３３のクローズド部３３Ｃを冷却する。第２通路５５Ｂ及び第３通路５５Ｃを通過した冷却媒体ａは、尾筒３３のクローズド部３３Ｃの外壁３３ＷＥに設けられた冷却媒体出口５４から、図２に示す車室ハウジング２７の内部３４内に流出する。冷却媒体出口５４は、第２通路５５Ｂ及び第３通路５５Ｃ内を流れる冷却媒体ａの流れ方向下流側、すなわち、図３に示す尾筒３３の入口３３Ｉ側に設けられる。

分岐部５３は、ジャケット５０内の冷却媒体ａの一部を、接続部５２よりも尾筒３３の入口３３Ｉ側で冷却部ＣＬＰの第２通路５５Ｂに流入させる。このため、分岐部５３は、尾筒３３の最も温度が高くなる部分（図３に示す部分ＨＥかつ図４に示す部分ＨＴ、以下、適宜最高温度部という）に、第２通路５５Ｂから温度が低く冷却能力が高い冷却媒体ａを流すことができる。その結果、分岐部５３は、最高温度部における冷却能力の低下を抑制できる。

分岐部５３は、尾筒３３の温度に比較的余裕がある、尾筒３３の出口３３Ｅ側における冷却媒体ａの流量を低減し、尾筒３３（具体的にはクローズド部３３Ｃ）全体の温度を均一化することができる。このため、冷却媒体ａの過度の温度上昇が抑制されるので、冷却媒体ａの流量を低減して、ガスタービン１の性能を向上させることができる。冷却媒体ａの流量を、分岐部５３を設けない場合と同等にすれば、尾筒３３全体の温度上昇が抑制されるので、尾筒３３の寿命増加を実現できる。尾筒３３は、分岐部５３からジャケット５０内の冷却媒体ａを第２通路５５Ｂに流すのみであり、冷却部ＣＬＰが有する第１通路５５Ａ、第２通路５５Ｂ及び第３通路５５Ｃの形状は変更しない。このため、冷却部ＣＬＰ内における圧力損失は増加しないので、この冷却部ＣＬＰを備えるガスタービン１の性能低下を抑制できる。

分岐部５３は、ジャケット５０の冷却媒体入口５１から最も離れた部分、すなわち最高温度部を含む、尾筒３３の周方向における所定領域に少なくとも設けられることが好ましい。本実施形態において、尾筒３３のクローズド部３３Ｃの最高温度部は、図４に示す回転中心軸Ｌ側の側部３３ＳＩに存在する。このため、分岐部５３は、側部３３ＳＩに設けられた冷却部ＣＬＰに少なくとも設けられる。このようにすれば、分岐部５３を必要最小限にすることができるので、尾筒３３の温度に比較的余裕がある、尾筒３３の出口３３Ｅ側における冷却媒体ａの流量の低減量を抑制することができる。

分岐部５３は、クローズド部３３Ｃの周方向全体、すなわち側部３３ＳＩ、３３ＳＩ、３３ＳＳ、３３ＳＳすべてに設けられていてもよい。これらのうち、いずれか一つに分岐部５３を設けるとすれば、最高温度部を含む側部３３ＳＩが好ましい。

分岐部５３を設けない場合、図６に示す第２通路５５Ｂが備える閉塞部材５７を設けないようにする。この場合、さらに隙間５６も設けないで、第１通路５５Ａと、第２通路５５Ｂ及び第３通路５５Ｃとを連続した一体の通路としてもよい。

分岐部５３の数及び寸法の少なくとも一方が変更されると、冷却媒体ａが分岐部５３を通過する面積（以下、適宜分岐部面積という）が変更される。分岐部面積が変更されることにより、分岐部５３を通過する冷却媒体ａの流量が変更されるので、尾筒３３の出口３３Ｅ側における冷却媒体ａの流量の低減量も変更される。このように、分岐部５３の数及び寸法の少なくとも一方が変更されることによって、第２通路５５Ｂを流れる冷却媒体ａの流量と、第１通路５５Ａを流れる冷却媒体ａの流量との比率が変更される。ガスタービン１の仕様等によって分岐部５３の数及び寸法の少なくとも一方を変更することにより、第２通路５５Ｂを流れる冷却媒体ａの流量と、第１通路５５Ａを流れる冷却媒体ａの流量とを適切にして、尾筒３３全体を適切に冷却することができる。

分岐部５３は、尾筒３３の周方向において尾筒３３を冷却したい部分、すなわち図４に示す部分ＨＴに集中して設けられてもよい。また、尾筒３３の周方向において尾筒３３を冷却したい部分に設けられる分岐部５３を他の部分よりも大きくしたり、単位面積あたりにおける分岐部５３の数を多くしたりしてもよい。このようにすることで、最高温度部に冷却能力の高い温度の低い冷却媒体ａを確実かつ十分に供給できるので、最高温度部を確実かつ効果的に冷却することができる。分岐部５３は、尾筒３３の中心軸Ｚ方向において、複数箇所に設けられてもよい。

第２通路５５Ｂと第３通路５５Ｃとの両方が交互に設けられている部分において、第２通路５５Ｂは、分岐部５３から流入した冷却媒体ａのみを通過させ、第３通路５５Ｃは、接続部５２から第１通路５５Ａに流入し、第１通路５５Ａから流出した冷却媒体ａを通過させる。すなわち、冷却部ＣＬＰは、接続部５２から第１通路５５Ａに流入する冷却媒体ａと、分岐部５３から第２通路５５Ｂに流入する冷却媒体ａとを分離して通過させる。このようにすることで、第１通路５５Ａを通過する冷却媒体ａの流量と、第２通路５５Ｂを通過する冷却媒体ａの流量とを制御しやすくなる。

（第１変形例）
冷却部ＣＬＰは、第１通路５５Ａに流入する冷却媒体ａと、第２通路５５Ｂ流入する冷却媒体ａとを分離して通過させたが、接続部５２からの冷却媒体ａと、分岐部５３からの冷却媒体ａとを分岐部５３で混合させて通過させてもよい。この場合、第２通路５５Ｂは、図６及び図７に示す閉塞部材５７を有さない。このような構造により、第２通路５５Ｂと対向する位置の第１通路５５Ａから流出した冷却媒体ａは、第２通路５５Ｂに流入する。第２通路５５Ｂには、分岐部５３から冷却媒体ａが流入する。このため、第１通路５５Ａから流入した冷却媒体ａと分岐部５３から流入した冷却媒体ａとが、分岐部５３の位置で混合して、第２通路５５Ｂを通過する。

図９は、第１変形例の他の例を示す図である。図９に示す冷却部ＣＬＰａは、第１通路５５Ａａと、第２通路５５Ｂａとを有している。すべての第２通路５５Ｂａは、第１通路５５Ａａの出口と対向する部分が開口している。第１通路５５Ａａの出口５５ＡＥａと第２通路５５Ｂａの入口５５ＢＩａとは、隙間５６を挟んで対向している。このような構造により、接続部５２から第１通路５５Ａに流入して出口５５ＡＥａから隙間５６に流出した冷却媒体ａは、すべての第２通路５５Ｂａの入口５５ＢＩａから流入する。

冷却部ＣＬＰａは、隙間５６と対向する位置に分岐部５３ａを有している。分岐部５３ａは、図６に示すジャケット５０から冷却媒体ａの一部を隙間５６に流出させる。分岐部５３ａからの冷却媒体ａは、分岐部５３ａの位置で第１通路５５Ａからの冷却媒体ａと混合して、第２通路５５Ｂａの入口５５ＢＩａから第２通路５５Ｂａに流入する。

冷却部ＣＬＰａは、隙間５６と対向する位置に分岐部５３ａが設けられる代わりに、隣接する第２通路５５Ｂａ、５５Ｂａを跨ぐように分岐部５３ｂが設けられてもよい。このようにすると、分岐部５３ｂから第２通路５５Ｂａに流入した冷却媒体ａは、第１通路５５Ａａを通過した冷却媒体ａと分岐部５３ｂの位置で混合して、第２通路５５Ｂａを通過する。隣接する第２通路５５Ｂａ、５５Ｂａを跨ぐように分岐部５３ｂを設ける場合、隙間５６を設けず、第１通路５５Ａａと第２通路５５Ｂａとを連続させてもよい。

本変形例は、接続部５２からの冷却媒体ａと、分岐部５３、５３ａ、５３ｂからの冷却媒体ａとを分岐部５３、５３ａ、５３ｂで混合させて冷却部ＣＬＰ、ＣＬＰａを通過させる。この場合、接続部５２からの冷却媒体ａと、分岐部５３、５３ａ、５３ｂからの冷却媒体ａとを分離させる必要はないので、冷却部ＣＬＰ、ＣＬＰａの構造を簡略化することができる。また、接続部５２からの冷却媒体ａと、分岐部５３、５３ａ、５３ｂからの冷却媒体ａとを分岐部５３、５３ａ、５３ｂで混合させることにより、冷却媒体ａの温度を均一にしやすくなる。冷却媒体ａの温度が均一になると、冷却効率が向上するという利点がある。

（第２変形例）
図１０は、本実施形態の第２変形例に係る燃焼器が備える尾筒の冷却部及びジャケットを示す一部断面図である。尾筒３３ｃのクローズド部３３Ｃｃに設けられるジャケット５０ｃは、第１冷却媒体導入部としての第１ジャケット５０ｃ１と、第２冷却媒体導入部としての第２ジャケット５０ｃ２とを有する。他の構造は、図６に示す本実施形態に係るジャケット５０と同様である。冷却部ＣＬＰｃ及び分岐部５３ｃの構造は、前述した本実施形態又はその第１変形例の構造が適用される。

第１ジャケット５０ｃ１は、接続部５２ｃから冷却部ＣＬＰｃに冷却媒体ａを流す。第２ジャケット５０ｃ２は、分岐部５３ｃから冷却部ＣＬＰｃに冷却媒体ａを流す。第１ジャケット５０ｃ１と第２ジャケット５０ｃ２とは隣接して設けられている。第１ジャケット５０ｃ１と第２ジャケット５０ｃ２との間には、両者を区画する仕切り部５８が設けられている。仕切り部５８には、これを貫通して第１ジャケット５０ｃ１と第２ジャケット５０ｃ２とを連通する冷却媒体通路５８Ｈが設けられる。

第１ジャケット５０ｃ１には、冷却媒体入口５１ｃが設けられる。冷却媒体入口５１ｃから導入された冷却媒体ａは、第１ジャケット５０ｃ１内に流入し、一部は接続部５２ｃを通って第１通路５５Ａに流入し、一部は冷却媒体通路５８Ｈを通って第２ジャケット５０ｃ２内に流入する。

第２ジャケット５０ｃ２は、尾筒３３ｃのクローズド部３３Ｃｃの外壁３３ＷＥｃに設けられる。外壁３３ＷＥｃの第２ジャケット５０ｃ２に囲まれた部分には、分岐部５３ｃが設けられる。分岐部５３ｃは、外壁３３ＷＥｃを貫通し、第２通路５５Ｂと第２ジャケット５０ｃ２とを連通する。第２ジャケット５０ｃ２内の冷却媒体ａは、分岐部５３ｃを通って第２通路５５Ｂ内に流入する。

図１０に示すように、第２ジャケット５０ｃ２と第１ジャケット５０ｃ１とは、尾筒３３ｃの径方向外側に向かってこの順に積み重ねられている。第１ジャケット５０ｃ１は、尾筒３３ｃの径方向外側の表面及び尾筒３３の中心軸Ｚと直交する側面が、図２に示す車室ハウジング２７の内部３４に満たされている空気に接触する。これに対して、第２ジャケット５０ｃ２は、尾筒３３の中心軸Ｚと直交する側面のみが、車室ハウジング２７の内部３４に満たされている空気に接触する。このため、第２ジャケット５０ｃ２は、車室ハウジング２７の内部３４に満たされている空気に接触する面積が、第１ジャケット５０ｃ１よりも小さくなる。結果として、第２ジャケット５０ｃ２内の冷却媒体ａは、第１ジャケット５０ｃ１内の冷却媒体ａよりも温度の上昇が抑制される。

本変形例は、第２ジャケット５０ｃ２から、分岐部５３ｃを介して、第１ジャケット５０ｃ１内の冷却媒体ａよりも温度の低い冷却媒体ａを冷却部ＣＬＰｃに供給できる。このため、ジャケット５０ｃ、分岐部５３ｃ及び冷却部ＣＬＰｃは、冷却能力の高い温度の低い冷却媒体ａを最高温度部に与えて、最高温度部をより効果的に冷却することができる。

本変形例では、第１ジャケット５０ｃ１と第２ジャケット５０ｃ２とを、尾筒３３ｃの径方向外側に向かって積層させているが、第１ジャケット５０ｃ１を尾筒３３ｃの出口３３Ｅ側に、第２ジャケット５０ｃを冷却媒体出口５４側に設けてもよい。この場合、第１ジャケット５０ｃ１と第２ジャケット５０ｃ２とにそれぞれ冷却媒体ａを供給してもよいし、第１ジャケット５０ｃ１と第２ジャケット５０ｃ２とを、例えば配管で接続して、両者のうちいずれか一方に冷却媒体ａを供給することにより、両方に冷却媒体ａを供給してもよい。

本実施形態において、ジャケット５０ｃは、第１ジャケット５０ｃ１と第２ジャケット５０ｃ２との２個に分割されているが、ジャケット５０ｃが分割される数はこれに限定されない。また、他の部品との取り合いによってジャケット５０ｃの尾筒３３への設置が難しい場合、これを複数に分割することによって、設置の自由度が向上する。

（第３変形例）
図１１及び図１２は、本実施形態の第３変形例に係るジャケットを説明するための図である。図１１に示すジャケット５０ｄは、外表面５０ｄｓに遮熱層５９を有する。遮熱層５９は、例えば、セラミックの被覆層である。このようにすることで、図２に示す車室ハウジング２７の内部３４に満たされている空気から、ジャケット５０ｄ内の冷却媒体ａに伝わる熱の量を低減できるので、ジャケット５０ｄ内の冷却媒体ａの温度上昇を抑制することができる。その結果、ジャケット５０ｄは、冷却能力の高い温度の低い冷却媒体ａを最高温度部に与えて、最高温度部をより効果的に冷却することができる。

図１２に示すジャケット５０ｅは、冷却媒体ａが導入される部分５０ｅｉを取り囲む内壁５０ｅ１と、内壁５０ｅ１の外側に所定の間隔を空けて設けられる外壁５０ｅ２とを有する。このような構造により、ジャケット５０ｅは、内壁５０ｅ１と外壁５０ｅ２との間に空気層ＡＲが形成される。空気層ＡＲは、断熱層として機能する。このため、空気層ＡＲは、図２に示す車室ハウジング２７の内部３４に満たされている空気から、ジャケット５０ｅ内の冷却媒体ａに伝わる熱の量を低減できるので、ジャケット５０ｅ内の冷却媒体ａの温度上昇を抑制することができる。その結果、ジャケット５０ｅは、冷却能力の高い温度の低い冷却媒体ａを最高温度部に与えて、最高温度部をより効果的に冷却することができる。

さらに、図６に示すジャケット５０の肉厚を大きくしてもよい。このようにしても、図２に示す車室ハウジング２７の内部３４に満たされている空気から、ジャケット５０内の冷却媒体に伝わる熱の量を低減できるので、ジャケット５０内の冷却媒体ａの温度上昇を抑制することができる。

（第４変形例）
図１３は、本実施形態の第２変形例に係る尾筒を示す図である。図１３は、図３のＡ−Ａ矢視図に相当する尾筒３３ｆの部分を示している。この尾筒３３ｆのクローズド部３３Ｃｆは、複数（本変形例では２つであるが、これには限定されない）の冷却媒体入口５１ｆ１、５１ｆ２を有する点が、図４に示す尾筒３３のクローズド部３３Ｃと異なる。他の構造は、図４に示す尾筒３３のクローズド部３３Ｃと同様である。

２つの冷却媒体入口５１ｆ１、５１ｆ２は、側部３３ＳＩと対向し、かつ側部３３ＳＩよりも回転中心軸Ｌから離れた位置に配置される側部３３ＳＴに、尾筒３３ｆのクローズド部３３Ｃｆの周方向に沿って所定の間隔をもって設けられる。本実施形態では、２つの冷却媒体入口５１ｆ１、５１ｆ２は、Ｙ軸を挟んで、それぞれ角度θｉの位置に設けられる。すなわち、Ｙ軸からそれぞれの冷却媒体入口５１ｆ１、５１ｆ２までの距離は同一である。

冷却媒体入口５１ｆ１から流入した冷却媒体ａは、一部が冷却媒体入口５１ｆ２から離れる方向に向かって一方の側部３３ＳＳ及び側部３３ＳＩに沿って流れ、残りは冷却媒体入口５１ｆ２に近づく方向に向かって側部３３ＳＴに沿って流れる。冷却媒体入口５１ｆ２から流入した冷却媒体ａは、一部が冷却媒体入口５１ｆ１から離れる方向に向かって他方の側部３３ＳＳ及び側部３３ＳＩに沿って流れ、残りは冷却媒体入口５１ｆ１に近づく方向に向かって側部３３ＳＴに沿って流れる。

冷却媒体入口５１ｆ１から流入し、一方の側部３３ＳＳに沿って流れた冷却媒体ａと、冷却媒体入口５１ｆ２から流入し、他方の側部３３ＳＳに沿って流れた冷却媒体ａとは、側部３３ＳＩの中央部近傍で合流する。本変形例において、それぞれの冷却媒体入口５１ｆ１、５１ｆ２から最も遠い部分ＨＴは、両者から流入した冷却媒体ａが合流する部分であり、この部分の温度が最も高くなる。

尾筒３３ｆのクローズド部３３Ｃｆは、冷却媒体入口５１ｆ１、５１ｆ２から最も遠い部分ＨＴまでの距離は、図４に示す尾筒３３のクローズド部３３Ｃよりも小さくなる。このため、冷却媒体入口５１ｆ１、５１ｆ２から流入した冷却媒体ａが、最も遠い部分ＨＴに到達するまでに受ける熱量は、図４に示す尾筒３３のクローズド部３３Ｃよりも小さくなる。すなわち、冷却媒体入口５１ｆ１、５１ｆ２から流入した冷却媒体ａが、最も遠い部分ＨＴに到達したときの温度上昇は、図４に示す尾筒３３のクローズド部３３Ｃよりも小さくなる。その結果、複数の冷却媒体入口５１ｆ１、５１ｆ２を有する尾筒３３ｆのクローズド部３３Ｃｆは、冷却媒体入口５１ｆ１、５１ｆ２から最も遠い部分ＨＴの温度上昇をより効果的に抑制することができる。

以上、本実施形態及びその変形例について説明したが、前述した内容により本実施形態及びその変形例が限定されるものではない。また、前述した本実施形態及びその変形例の構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。また、本実施形態及びその変形例の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換及び変更を行うことができる。

１ ガスタービン
１１ 圧縮機
１２ 燃焼器
１３ タービン
１４ 排気室
１５ 空気取入口
１６ 圧縮機車室
１７、２１ 静翼
１８、２２ 動翼
２０ タービン車室
２３ 排気ディフューザ
２４ ロータ
２５、２６ 軸受部
２７ 車室ハウジング
３０ 燃焼器ケーシング
３１ 外筒
３２ 内筒
３３、３３ｆ 尾筒
３３Ｃ、３３Ｃｃ、３３Ｃｆ クローズド部
３３Ｌ 音響ライナ部
３３ＷＥ、３３ＷＥｃ 外壁
３３Ｅ 出口
３３ＳＴ、３３ＳＩ、３３ＳＳ 側部
３３ＷＩ 内壁
３３Ｉ 入口
３３、３３ｃ 尾筒
３３ｏｓ 外周部
３４ 内部
３６ 音響ライナ
４０ パイロットバーナ
４２ メインバーナ
５０、５０ｃ ジャケット（冷却媒体導入部）
５０ｃ１ 第１ジャケット（第１冷却媒体導入部）
５０ｃ２ 第２ジャケット（第２冷却媒体導入部）
５０ｄｓ 外表面
５０ｅ２ 外壁
５０ｅ１ 内壁
５０ｅｉ 部分
５１、５１ｃ、５１ｆ１、５１ｆ２ 冷却媒体入口
５２、５２ｃ 接続部
５３、５３ａ、５３ｂ 分岐部
５４ 冷却媒体出口
５５ＡＥａ 出口
５５Ａ、５５Ａａ 第１通路
５５Ｂ、５５Ｂａ 第２通路
５５Ｃ 第３通路
５５ＢＩａ 入口
５６ 隙間
５７ 閉塞部材
５８ 仕切り部
５８Ｈ 冷却媒体通路
５９ 遮熱層
ａ 冷却媒体
ＡＲ 空気層
ＣＬＰ、ＣＬＰａ、ＣＬＰｃ、ＬＬＰ 冷却部
Ｇ 燃焼ガス
ＨＥ、ＨＴ 部分
Ｌ 回転中心軸
Ｓ、Ｚ 中心軸
θ、θｃ、θｉ 角度

Claims (9)

1. 筒状の部材であって、一端部に燃焼ガスの入口を有し、かつ他端部に前記燃焼ガスの出口を有しており、前記入口から流入した燃焼ガスを前記出口から流出させてタービンに導く尾筒と、
   前記尾筒の前記出口側における外周部の周方向における少なくとも一部に設けられて、冷却媒体が導入される冷却媒体導入部と、
   前記冷却媒体導入部に設けられて前記冷却媒体を前記冷却媒体導入部に導入する冷却媒体入口と、
   前記尾筒の前記出口から前記入口に向かって所定位置までの範囲に設けられ、前記冷却媒体導入部と接続されて、前記冷却媒体導入部からの前記冷却媒体を前記出口から前記入口に向かって通過させる冷却部と、
   前記冷却媒体入口から最も離れた部分を含む、前記尾筒の周方向における所定領域、かつ前記尾筒の前記タービンの回転中心軸側に少なくとも設けられて、前記冷却媒体導入部内の前記冷却媒体の一部を、前記冷却部が前記冷却媒体導入部と接続される接続部よりも前記入口側で、前記冷却部に流入させる分岐部と、
   を含む、燃焼器。
2. 前記冷却部は、前記接続部からの前記冷却媒体と、前記分岐部からの前記冷却媒体とを分離して通過させる、請求項１に記載の燃焼器。
3. 前記冷却部は、前記接続部からの前記冷却媒体と、前記分岐部からの前記冷却媒体とを前記分岐部で混合させて通過させる、請求項１に記載の燃焼器。
4. 前記冷却媒体導入部は、前記接続部から前記冷却部に前記冷却媒体を流す第１冷却媒体導入部と、前記分岐部から前記冷却部に前記冷却媒体を流す第２冷却媒体導入部と、を含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃焼器。
5. 前記第２冷却媒体導入部と前記第１冷却媒体導入部とは、前記尾筒の径方向外側に向かってこの順に積み重ねられている、請求項４に記載の燃焼器。
6. 前記冷却媒体導入部は、外表面に遮熱層を有する、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃焼器。
7. 前記冷却媒体導入部は、前記冷却媒体が導入される部分を取り囲む内壁と、前記内壁の外側に所定の間隔を空けて設けられる外壁とを有する、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃焼器。
8. 前記冷却媒体導入部は、複数の前記冷却媒体入口を有する、請求項１から７のいずれか１項に記載の燃焼器。
9. 圧縮機と、
   前記圧縮機によって圧縮された空気と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成する請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の燃焼器と、
   前記燃焼器からの前記燃焼ガスが供給されて駆動されるタービンと、
   を含む、ガスタービン。

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