JP6282184B2 - 伝熱装置及びそれを備えたガスタービン燃焼器 - Google Patents

Description

本発明は、伝熱装置及びそれを備えたガスタービン燃焼器に関する。

ガスタービンなどの燃焼器ライナ、タービン翼、熱交換器、フィン、ボイラ、など、冷却、熱交換等における流体と固体の間の伝熱促進に対しては、各機器に要求される仕様に基づいて様々な構造が考えられている。

例えば、発電用ガスタービンなどの燃焼器においては、ガスタービン効率を損なうことの無い程度の少ない圧力損失で必要な冷却性能を維持し、構造強度の信頼性を維持することが求められている。さらに、環境問題への配慮の観点からは、燃焼器内に生じる窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を低減することが求められている。ＮＯｘの低減は、燃料と空気を燃焼前に混合して燃焼する予混合燃焼を利用し、かつ燃料と空気の混合比（燃空比）が理論混合比よりも小さい状態で燃焼させることによって図られる。

この点を鑑みたガスタービン燃焼器の伝熱装置（伝熱構造）として、圧縮機からの高圧空気が流通する円筒状の燃焼器ライナの外周面に、高圧空気の流通方向に回転の中心軸を持つ渦（縦渦、中心軸を持つ螺旋状の渦）を発生させる縦渦発生器を設けるとともに、この縦渦発生器を燃焼器ライナの軸方向及び周方向に並設し、かつ燃焼器ライナの周方向に隣接している縦渦発生器をその渦の回転方向が互いに逆向きとなるように形成し、かつ燃焼器ライナの軸方向に並設された縦渦発生器の間に、高圧空気に生ずる境界層を破壊する乱流促進体を設けたものが提案されている（特許文献１参照）。

特開２００１−２８０１５４号公報

上記した特許文献１に記載の伝熱装置においては、燃焼器ライナの周方向に隣接している縦渦発生器をその渦の回転方向が互いに逆向きとなるように形成し、隣り合う渦同士の回転が打ち消し合わないようにしている。そのため、高圧空気の流路には、縦渦発生器により生じた縦渦の回転面における流れの向きが異なる２つの領域が存在する。つまり、縦渦の回転面における流れの向きが流路内周側（燃焼器ライナ側）から流路外周側（フロースリーブ側）に向かう領域と、流路外周側（フロースリーブ側）から流路内周側（燃焼器ライナ側）に向かう領域との２つである。

フロースリーブ側から燃焼器ライナ側に縦渦が回転する一方側の領域に位置する燃焼器ライナの部分では、縦渦の燃焼器ライナへの衝突効果が加わり、ライナ表面の伝熱性（冷却性）は良好なものとなる。一方、燃焼器ライナ側からフロースリーブ側に縦渦が回転する他方側の領域に位置する燃焼器ライナの部分では、縦渦の衝突効果が得られないので、一方側の領域に位置する燃焼器ライナの部分よりも伝熱性（冷却性）が低下する。そのため、燃焼器ライナ（伝熱対象物）の周方向の温度分布が不均一となるので、熱応力の発生によりクラックの発生を助長することが考えられ、燃焼器ライナ（伝熱対象物）の寿命を縮める虞がある。

本発明は、上記の問題点を解消するためになされたものであり、その目的は、伝熱対象物に対する冷却特性の均一性の向上により伝熱対象物の長寿命化を図ることができる伝熱装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、伝熱対象物の表面に沿って流れる伝熱媒体と当該伝熱対象物との間の熱交換を促進する伝熱装置であって、伝熱媒体の流路に向かって突出し、伝熱媒体の流れ方向に中心軸を有する縦渦を発生させて前記流路を流れる伝熱媒体を攪拌する縦渦発生器と、前記伝熱対象物の伝熱媒体が流通する側の表面に設けられ、前記縦渦発生器により攪拌される伝熱媒体と熱交換する放熱フィンとを備え、前記縦渦発生器は、前記伝熱対象物の伝熱媒体が流通する側の表面側から前記流路に向かって突出する凸部であり、前記放熱フィンは、前記伝熱対象物の伝熱媒体が流通する側の表面における前記縦渦発生器より伝熱媒体の流れ方向下流側の部分のみで、且つ、前記縦渦発生器によって発生する縦渦の回転面における流れの向きが伝熱対象物側から離間する方向に向かう領域の部分及び伝熱対象物側に向かう領域の部分のうち、前記伝熱対象物側から離間する方向に向かう領域の部分のみに立設され、伝熱媒体の流れ方向に延びる板状部材であることを特徴とする。

本発明によれば、縦渦発生器により発生する縦渦の衝突効果を得ることができない領域に位置する伝熱対象物の部分に放熱フィンを立設したので、縦渦の衝突効果を得ることができない領域の伝熱対象物の冷却性が、縦渦の衝突効果を得ることができる領域の伝熱対象物の場合と同様に、良好となり、伝熱対象物に対する冷却特性の均一性を向上させることができる。この結果、急激な温度変化により生じる熱応力が低減されるので、伝熱対象物の長寿命化を実現することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の伝熱装置の第１の実施の形態を備えたガスタービン燃焼器を示す縦断面図及びそれを備えるガスタービンプラントを示す概略構成図である。 図１に示す本発明の伝熱装置の第１の実施の形態及びそれを備えたガスタービン燃焼器の一部を構成する燃焼器ライナを示す概略斜視図である。 図２に示す本発明の伝熱装置の第１の実施の形態の一部を構成する縦渦発生器の構造を示す平面図である。 図１に示す本発明の伝熱装置の第１の実施の形態を備えたガスタービン燃焼器の一部をIV−IV矢視から見た概略横断面図であり、縦渦発生器により発生した縦渦の回転面の流れ方向を示す説明図である。 図４に示す本発明の伝熱装置の第１の実施の形態を構成する縦渦発生器及び放熱フィンの形状寸法や配置等を示す説明図である。 図５に示す環状流路間隙と縦渦発生器ピッチの関係に対する伝熱特性を示す特性図である。 図５に示す環状流路間隙と縦渦発生器高さの関係に対する伝熱特性を示す特性図である。 図５に示す放熱フィン間隔と環状流路間隙の関係に対する伝熱特性を示す特性図である。 本発明の伝熱装置の第２の実施の形態及びそれを備えたガスタービン燃焼器の一部を構成する燃焼器ライナを示す概略斜視図である。 本発明の伝熱装置の第３の実施の形態を備えたガスタービン燃焼器の一部を示す概略横断面図である。 本発明の伝熱装置の第１の実施の形態を備えたガスタービン燃焼器の環状流路内の流れを示す説明図である。 本発明の伝熱装置の第４の実施の形態及びそれを備えたガスタービン燃焼器の一部を構成する燃焼器ライナを示す概略斜視図である。 本発明の伝熱装置の第５の実施の形態及びそれを備えたガスタービン燃焼器の一部を構成する燃焼器ライナを示す概略斜視図である。 本発明の伝熱装置の第６の実施の形態及びそれを備えたガスタービン燃焼器の一部を構成する燃焼器ライナを示す概略斜視図である。 図１４に示す本発明の伝熱装置の第６の実施の形態を備えたガスタービン燃焼器の一部を示す概略横断面図である。

以下、本発明の伝熱装置の実施の形態を図面を用いて説明する。なお、本発明の伝熱装置の適用範囲は広いが、ここでは、高温領域でかつ流れが乱流場であるガスタービン燃焼器を例に挙げて説明する。
［第１の実施の形態］
本発明の伝熱装置及びそれを備えたガスタービン燃焼器の第１の実施の形態を図１乃至図５を用いて説明する。
まず、本発明の伝熱装置を備えたガスタービン燃焼器の第１の実施の形態を図１を用いて説明する。図１は本発明の伝熱装置の第１の実施の形態を備えたガスタービン燃焼器を示す縦断面図及びこれを備えるガスタービンプラントを示す概略構成図である。図１中、矢印で示す方向はガスタービンプラントの作動流体の流れ方向である。

図１において、ガスタービンプラントは、空気を圧縮して高圧の燃焼空気２（圧縮空気）を生成する圧縮機１と、圧縮機１から導入される燃焼空気２と燃料を混合して燃焼させることで、高温の燃焼ガス４を生成する燃焼器６と、燃焼器６で生成された燃焼ガス４のエネルギーにより軸駆動力を得るタービン３と、タービン３によって駆動されて発電を行う発電機７とを備えている。圧縮機１、タービン３及び発電機７の回転軸は機械的に連結されている。

燃焼器６は、外筒（フロースリーブ）１０と、外筒１０の内側に間隔を介して設けられ、燃焼室５を内部に形成する円筒状の燃焼器ライナ（内筒）８と、燃焼器ライナ８のタービン３側の開口部に連接され、燃焼室５で生成された燃焼ガス４をタービン３に導くトランジションピース（尾筒）９と、燃焼器ライナ８の燃焼ガス４の流れ方向上流側の開口部を全面的に閉塞し、片側端面が燃焼室５に臨むように燃焼器ライナ８の中心軸に略直交して配置されている略円板状のプレート１２と、プレート１２上に配置された複数のバーナ１３とを備えている。外筒１０と燃焼器ライナ８の間には、圧縮機１から供給される燃焼空気２が流通する環状流路１１が形成されている。

燃焼器ライナ８は、その内部の燃焼室５で生成される燃焼ガス４の伝熱により加熱されるが、燃焼器ライナ８の外周面に沿って流れる燃焼空気２と熱交換することにより冷却される。伝熱対象物である燃焼器ライナ８と燃焼器ライナ８の表面に沿って流れる伝熱媒体である燃焼空気２との間の熱交換を促進する手段として、燃焼器ライナ８の外周には、伝熱装置２０が設置されている。

次に、本発明の伝熱装置の第１の実施の形態の詳細な構成を図２乃至図５を用いて説明する。
図２は図１に示す本発明の伝熱装置の第１の実施の形態及びそれを備えたガスタービン燃焼器の一部を構成する燃焼器ライナを示す概略斜視図、図３は図２に示す本発明の伝熱装置の第１の実施の形態の一部を構成する縦渦発生器の構造を示す平面図、図４は、図１に示す本発明の伝熱装置の第１の実施の形態を備えたガスタービン燃焼器の一部をIV−IV矢視から見た概略横断面図であり、縦渦発生器により発生した縦渦の回転面の流れ方向を示す説明図、図５は図４に示す本発明の伝熱装置の第１の実施の形態を構成する縦渦発生器及び放熱フィンの形状寸法や配置等を示す説明図である。図２及び図３中、矢印で示す方向は燃焼空気２の流れ方向である。図４中、矢印で示す方向は縦渦Ｅの回転方向である。なお、図２乃至図５において、図１に示す符号と同符号のものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図２において、燃焼器６の燃焼器ライナ８は、円筒部材で形成されている。燃焼器ライナ８の外周面における燃焼空気２の流れ方向上流側の部分には、伝熱装置２０が設置されている。

伝熱装置２０の特徴は、冷却を必要とする燃焼器ライナ８の外周表面の部位に設けた縦渦発生器２２及び放熱フィン２４を備えていることである。伝熱装置２０は、具体的な構成として例えば、燃焼器ライナ８を外周から取り囲むベルト状の帯部材２１と、帯部材２１に形成した縦渦発生器２２と、燃焼器ライナ８の外周表面における縦渦発生器２２より燃焼空気２の流れ方向下流側の部分に立設した放熱フィン２４とで構成されている。

図示した例の帯部材２１は、略矩形状に形成されおり、燃焼器ライナ８の外周に巻き付けられている。燃焼器ライナ８の外周面上に帯部材２１を固定する方法としては、帯部材２１として長方形状の板部材を用意しておき、その帯部材２１を燃焼器ライナ８の表面に巻き付け、その後、帯部材２１の複数箇所にスポット溶接を施すものがある。帯部材２１は、当初は長方形状の板部材であり、当該板部材を曲げて円筒状とすることで図示したようなベルト状の部材とするものである。帯部材２１を燃焼器ライナ８に巻き付ける前に、後述するように縦渦発生器２２を帯部材２１に予め成型加工しておくことが好ましい。帯部材２１を燃焼器ライナ８に巻き付けて一体化することで、局所的に燃焼器ライナ８の板厚が増す。このため、燃焼器ライナ８の構造的強度が増加し、その信頼性の向上を図ることができる。

縦渦発生器２２は、例えば、帯部材２１から環状流路１１に向かって突出する凸部の翼であり、その高さは、燃焼空気２の流れ方向下流側に向かって徐々に高くなっている。また、縦渦発生器２２は、図３に示すように、燃焼空気２の流れ方向に対して所定の角度（仰角）θ（例えば、１０°〜２０°）で下流側に向かって左右（帯部材２１の周方向）に広がる２つの翼が１組となるように成形されており、当該１組の翼は、図２及び図３に示すように、帯部材２１の周方向（燃焼空気２の流れ方向に直交する方向）に所定の間隔を介して複数配列されている。すなわち、隣接する縦渦発生器２２は、燃焼空気２の流れ方向に対する帯部材２１の周方向（燃焼器ライナ８の外表面に平行な方向）への傾斜方向が互いに逆方向になるように設けられている。縦渦発生器２２を帯部材２１上に設ける方法としては、縦渦発生器２２の形状に対応する金型をプレス機等でプレスすることで帯部材２１に成型加工を施すものがある。角度θで左右に拡がる１組の縦渦発生器２２は、１回のプレスで成形されるものである。

上記のように縦渦発生器２２を構成すると、図４に示すように、燃焼空気２の流れ方向に中心軸を有する縦渦Ｅが発生する。左右に広がる１組の縦渦発生器２２では、回転方向が互いに逆向きの縦渦Ｅとなる。

このような縦渦Ｅには、回転面での流れの向きが異なる２つの領域が存在する。すなわち、縦渦Ｅの回転面における流れの向きが環状流路１１の内周側（燃焼器ライナ８側）から外周側（フロースリーブ１０側）に向かう一方側の領域Ａと、環状流路１１の外周側（フロースリーブ１０側）から内周側（燃焼器ライナ８側）に向かう他方側の領域Ｂとの２つである。縦渦Ｅの回転面における流れの向きがフロースリーブ１０側から燃焼器ライナ８側に向かう他方側の領域Ｂに位置する燃焼器ライナ８の部分では、縦渦Ｅの衝突効果が得られ、ライナ表面の伝熱性（冷却性）は良好なものとなる。一方、縦渦Ｅの回転面における流れの向きが燃焼器ライナ８側からフロースリーブ１０側に向かう一方側の領域Ａに位置する燃焼器ライナ８の部分では、縦渦Ｅの衝突効果が得られないことから、一方側の領域Ａの燃焼器ライナ８の部分よりもライナ表面の伝熱性（冷却性）が低下する虞がある。

そこで、本実施の形態においては、燃焼器ライナ８の縦渦Ｅの衝突効果が得られない部分に放熱フィン２４を設けている。すなわち、放熱フィン２４は、燃焼器ライナ８の外周表面における、縦渦Ｅの回転面における流れの向きが燃焼器ライナ８側からフロースリーブ１０側（燃焼器ライナ８から離間する方向）に向かう一方側の領域Ａの部分に設けられている。

具体的な構造として、放熱フィン２４は、例えば、図２に示すように、燃焼空気２の流れ方向に延びる略矩形状の板状部材である。また、放熱フィン２４は、燃焼器ライナ８の周方向に所定の間隔を介して複数配列されている。これらの放熱フィン２４はそれぞれ、図４に示すように、燃焼空気２の流れ方向から燃焼器ライナ８を見た場合に、左右に拡がる２つの縦渦発生器２２を１組としたとき（図３参照）、周方向に隣接する一方の組と他方の組との間に位置するように配置されている。放熱フィン２４を燃焼器ライナ８の外周面上に設ける方法としては、遠心鋳造法や溶接・ロー付け等による一体化がある。

ここで、上記のように構成された伝熱装置２０においては、図５に示すように、縦渦発生器２２の高さをＨ、縦渦発生器２２のピッチをＰ、放熱フィン２４の間隔をＦ、環状流路１１の（燃焼器ライナ８に直交する方向の）間隙をＲとしたとき、以下の範囲が望ましい。すなわち、
環状流路間隙Ｒと縦渦発生器ピッチＰの関係は、０．５≦Ｒ／Ｐ≦３．８、
環状流路間隙Ｒと縦渦発生器高さＨの関係は、１．１≦Ｒ／Ｈ≦５．０、
放熱フィン間隔Ｆと環状流路間隙Ｒの関係は、０．５≦Ｆ／Ｒ≦３．６
である。

次に、上記関係式の設定理由について図６乃至図８を用いて説明する。
上記のように構成された伝熱装置２０の伝熱特性は、縦渦発生器２２の高さ・角度（仰角）θと放熱フィン２４の厚さ・高さ・ピッチ・形状の様々な組合せやヒートバランスによって大きく変化する。そこで、伝熱特性の定量的な説明を避けて、定性的に説明する。

図６乃至図８は、伝熱装置の特定の構造を代表例としてその定性的な伝熱特性の概念を示すものであり、図６は図５に示す環状流路間隙と縦渦発生器ピッチの関係に対する伝熱特性を示す特性図、図７は図５に示す環状流路間隙と縦渦発生器高さの関係に対する伝熱特性を示す特性図、図８は図５に示す放熱フィン間隔と環状流路間隙の関係に対する伝熱特性を示す特性図である。図６乃至図８中、縦軸は、伝熱特性を分かりやすくするために、平板（平滑面）を基準（１．０）として、その基準に対する一般的な伝熱特性の傾向性を、横軸はそれぞれ、環状流路間隙Ｒと縦渦発生器ピッチＰの比Ｒ／Ｐ、環状流路間隙Ｒと縦渦発生器高さＨの比Ｒ／Ｈ、放熱フィン間隔Ｆと環状流路間隙Ｒの比Ｆ／Ｒを示している。

これらの特性図から、それぞれの横軸の範囲で伝熱特性が基準よりも向上していることがわかる。しかし、伝熱装置２０においては、圧力損失との兼ね合いも考慮して、上記Ｒ／Ｐ、Ｒ／Ｈ、Ｆ／Ｒの各範囲を決める必要がある。特に、Ｆ／Ｒの小さい領域では伝熱特性が高くなる傾向があるものの圧力損失も非常に大きくなることから、適切な範囲の設定が必要となる。また、縦渦発生器２２の高さＨ・ピッチＰや放熱フィン２４の間隔Ｆ以外の、縦渦発生器２２の角度（仰角）θ等や放熱フィン２４の厚さ・高さ・形状等の組合せによっても伝熱特性が変化するため、それらも考慮する必要がある。そのため、各種パラメータによる伝熱実験および数値解析の結果から、上記に示した各Ｒ／Ｐ、Ｒ／Ｈ、Ｆ／Ｒの範囲を設定した。

次に、本発明の伝熱装置及びそれを備えたガスタービン燃焼器の第１の実施の形態の作用を図１、図２及び図４を用いて説明する。
図１に示すガスタービンプラントが稼動すると、燃焼器６の燃焼器ライナ８は、燃焼ガス４の伝熱により加熱されるが、環状流路１１内における燃焼器ライナ８の外周面に沿って流れる燃焼空気２と熱交換することで冷却される。

このとき、図４に示すように、縦渦発生器２２により燃焼空気２の流れ方向に中心軸を有する縦渦Ｅが発生する。この縦渦Ｅは、環状流路１１の外周側（フロースリーブ１０側）と内周側（燃焼器ライナ８側）の冷却空気（燃焼空気２）を大きく撹拌して下流に向かって流れる。この縦渦Ｅにより、環状流路１１の下流に常に低温の燃焼空気２が燃焼器ライナ８の外壁面側に供給され、当該ライナ８の外壁面で暖められた燃焼空気２は環状流路１１の外周側に運ばれる。このため、燃焼器ライナ８の対流冷却を効率良く行うことができる。

また、縦渦Ｅの回転面における流れの向きがフロースリーブ１０側（環状流路１１の外周側）から燃焼器ライナ８側（環状流路１１の内周側）に向かう他方側の領域Ｂでは、縦渦Ｅの燃焼器ライナ８への衝突効果が得られる。このため、他方側の領域Ｂに位置する燃焼器ライナ８の部分の伝熱性（冷却性）は良好なものとなる。

一方、燃焼器ライナ８側からフロースリーブ１０側に向かう一方側の領域Ａでは、縦渦Ｅの燃焼器ライナ８への衝突効果を得ることができないが、一方側の領域Ａの燃焼器ライナ８の部分に立設された放熱フィン２４と縦渦Ｅにより攪拌された燃焼空気２との熱交換により、一方側の領域Ａに位置する燃焼器ライナ８の外周表面の熱が放出される。このため、縦渦Ｅの衝突効果が得られない一方側の領域Ａに位置する燃焼器ライナ８の部分の伝熱性（冷却性）も良好なものとなる。したがって、縦渦Ｅの回転面における流れの向きが異なる両領域Ａ、Ｂに位置する燃焼器ライナ８の冷却性が共に良好となり、燃焼器ライナ８の周方向の冷却特性の均一性が向上する。

ところで、図２に示す燃焼器ライナ８に放熱フィン２４単体のみを設置し、縦渦発生器２２を設けない場合には、放熱フィン２４の表面（両側面）に境界層が徐々に生成されて燃焼空気２の流れ方向下流側の伝熱特性が低下しやすい。しかし、本実施の形態においては、縦渦発生器２２と放熱フィン２４とを組み合わせているので、放熱フィン２４表面に生じた境界層が縦渦Ｅによって乱される。このため、放熱フィン２４の長手方向（燃焼空気２の流れ方向）の伝熱特性が一定に保たれる。すなわち、燃焼器ライナ８の燃焼空気２の流れ方向における冷却特性の均一性が向上する。

また、燃焼器ライナ８の周方向に配列された放熱フィン２４により区切られた領域内の縦渦Ｅは、下流側への流れに伴う渦の拡大が抑制されるので、渦の外周側周速度が低下せずに一定に保たれる。このため、縦渦Ｅによる燃焼空気２の攪拌効果が燃焼空気２の流れ方向により長く持続し、燃焼器ライナ８の燃焼空気２の流れ方向における冷却特性の均一性が向上する。

さらに、本実施の形態においては、隣接する縦渦発生器２２により発生する縦渦Ｅは、図４に示すように、回転方向が互いに逆向きになり、隣り合う縦渦Ｅ同士が回転を打ち消しあうことがない。このため、縦渦Ｅによる燃焼空気２の攪拌効果が燃焼空気２の流れ方向により長く持続する。すなわち、燃焼器ライナ８の燃焼空気２の流れ方向における冷却特性の均一性が向上する。

加えて、縦渦発生器２２の形状寸法・配置、及び放熱フィン２４の配置に関して、各Ｒ／Ｐ、Ｒ／Ｈ、Ｆ／Ｒが上記範囲になるように設定すると、縦渦発生器２２によって生成された回転渦形状が真円に近い安定した縦渦になるという解析結果が得られる。真円に近い安定した縦渦は、周速度の変動が楕円状等の他の形状の縦渦よりも小さく、縦渦のエネルギー散逸が抑制される。したがって、縦渦Ｅが燃焼空気２の流れ方向に維持されるので、縦渦Ｅによる燃焼空気２の攪拌効果が燃焼空気２の流れ方向に更により長く持続し、燃焼器ライナ８の燃焼空気２の流れ方向における冷却特性の均一性が向上する。

上述したように、本発明の伝熱装置及びそれを備えたガスタービン燃焼器の第１の実施の形態によれば、縦渦発生器２２により発生する縦渦Ｅの衝突効果を得ることができない領域Ａに位置する燃焼器ライナ８（伝熱対象物）の部分に放熱フィン２４を立設したので、縦渦Ｅの衝突効果を得ることができない領域Ａの燃焼器ライナ８の冷却性が、縦渦Ｅの衝突効果を得ることができる領域Ｂの燃焼器ライナ８の場合と同様に、良好となり、燃焼器ライナ８（伝熱対象物）に対する冷却特性の均一性を向上させることができる。この結果、急激な温度変化により生じる熱応力が低減されるので、燃焼器ライナ８の長寿命化を実現することができる。

また、本実施の形態によれば、縦渦発生器２２及び放熱フィン２４を燃焼器ライナ８の周方向（燃焼空気２の流れ方向に直交する方向）に複数配列したので、燃焼器ライナ８の周方向の冷却特性の均一性を得ることができる。さらに、並列した放熱フィン２４により区切られた領域内では、縦渦Ｅによる燃焼空気２の攪拌効果が燃焼空気２の流れ方向に長く持続するので、燃焼器ライナ８の燃焼空気２の流れ方向における冷却特性の均一性を向上させることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の伝熱装置及びそれを備えたガスタービン燃焼器の第２の実施の形態を図９を用いて説明する。
図９は本発明の伝熱装置の第２の実施の形態及びそれを備えたガスタービン燃焼器の一部を構成する燃焼器ライナを示す概略斜視図である。なお、図９において、図１乃至図８に示す符号と同符号のものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図９に示す本発明の伝熱装置及びそれを備えたガスタービン燃焼器の第２の実施の形態は、第１の実施の形態の伝熱装置２０を構成する縦渦発生器２２及び放熱フィン２４の他に、冷却を必要とする燃焼器ライナ８の外表面の部位に乱流促進器としてのリブ２３を追加して設けたものである。

具体的には、伝熱装置２０Ａは、燃焼器ライナ８における放熱フィン２４の設置位置の部分に設けたリブ２３を更に備えている。リブ２３は、燃焼器ライナ８の周方向に設けられた線状の凸部であり、放熱フィン２４の高さよりも低い凸部である。リブ２３の横断面形状は、例えば、矩形状である。また、リブ２３は、燃焼空気２の流れ方向に所定の間隔を介して複数（図９では５列）配列されており、放熱フィン２４の長手方向の両端部に至る範囲に設けられている。リブ２３を燃焼器ライナ８の外周面上に設ける方法としては、遠心鋳造法や溶接・ロー付け等による一体化がある。

リブ２３の長軸方向は、燃焼空気（冷却空気）２の主流方向と略直角方向で交差しているので、環状流路１１の壁面近傍に小さな縦渦成分を含む複雑な渦が発生する。この渦は、縦渦発生器２２により生じた上記縦渦Ｅのような環状流路１１の全体を大きく攪拌する効果は持たないものの、燃焼器ライナ８の壁面近傍に生ずる、縦渦発生器２２により攪拌された燃焼空気２の境界層を破壊する効果を奏する。したがって、燃焼空気２の流れ方向に並列に設けたリブ２３を、縦渦発生器２２及び放熱フィン２４と併用することによって、燃焼器ライナ８に対する冷却効果が更に促進される。

ここで、リブ２３の高さは、縦渦発生器２２及び放熱フィン２４の高さよりも低くなるように設定されており、境界層を破壊する観点から当該境界層の厚さに対応する１〜３ｍｍ程度とすることが好ましい。また、リブ２３の横断面形状は、境界層を破壊する機能を有する形状であれば、矩形以外の形状も可能である。

上述した本発明の伝熱装置及びそれを備えたガスタービン燃焼器の第２の実施の形態によれば、前述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、本実施の形態によれば、燃焼器ライナ８に設けたリブ２３により、燃焼器ライナ８の外表面近傍の冷却空気（燃焼空気２）に生じる境界層が破壊されるので、燃焼器ライナ８に対する冷却効果を更に促進することができる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の伝熱装置及びそれを備えたガスタービン燃焼器の第３の実施の形態を図１０及び図１１を用いて説明する。
図１０は本発明の伝熱装置の第３の実施の形態を備えたガスタービン燃焼器の一部を示す概略横断面図、図１１は図１０に示す本発明の伝熱装置の第３の実施の形態を備えたガスタービン燃焼器の環状流路内の流れに関する比較例であり、本発明の伝熱装置の第１の実施の形態を備えたガスタービン燃焼器の環状流路内の流れを示す説明図である。なお、図１０及び図１１において、図１乃至図９に示す符号と同符号ものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図１０に示す本発明の伝熱装置及びそれを備えたガスタービン燃焼器の第３の実施の形態は、第１の実施の形態の一部を構成する放熱フィン２４の横断面形状が略矩形状であるのに対して、放熱フィン２４Ｂの横断面の外側輪郭形状を楕円形の一部の幾何学形状を用いた曲線による凹形状とするものである。具体的には、伝熱装置２０Ｂの放熱フィン２４Ｂは、その横断面形状が付け根部から先端部に向かって徐々に厚さが薄くなるように形成されている。さらに、その外側輪郭形状が楕円形の一部の幾何学形状を用いた曲線による凹形状となるように形成されている。

ここで、環状流路１１内の燃焼空気２の流れの状態について、本実施の形態と第１の実施の形態との場合で比較する。
第１の実施の形態においては、図１１に示すように、横断面矩形状の放熱フィン２４を燃焼器ライナ８に立設しているので、放熱フィン２４の付け根部の外側輪郭部が燃焼器ライナ８の外表面に滑らかに接続されない。そのため、縦渦発生器２２によって生成された縦渦Ｅの影響によって、放熱フィン２４の付け根部に二次流れ渦（微小渦流れ）Ｓが発生しやすくなり、燃焼空気（冷却空気）２の圧力損失の増加を招くことがある。

これに対して、本実施の形態においては、図１０に示すように、放熱フィン２４Ｂの横断面外側輪郭形状を楕円形の一部の幾何学形状を用いた曲線による凹形状としたので、放熱フィン２４の付け根部の外側輪郭部が横断面矩形状の放熱フィン２４の場合より燃焼器ライナ８の外表面に滑らかに接続される。このため、放熱フィン２４Ｂの付け根部での縦渦Ｅの影響による二次流れ（微小渦流れ）が発生しにくくなる。

上述した本発明の伝熱装置及びそれを備えたガスタービン燃焼器の第３の実施の形態によれば、前述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、本実施の形態によれば、放熱フィン２４Ｂの横断面外側輪郭形状を楕円形の一部の幾何学形状を用いた曲線による凹形状としたので、放熱フィン２４Ｂの付け根部での二次流れ（微小渦流れ）が発生しにくく、伝熱特性（冷却特性）を損なうことなく、燃焼空気２の圧力損失を低減することができる。

［第４の実施の形態］
次に、本発明の伝熱装置及びそれを備えたガスタービン燃焼器の第４の実施の形態を図１２を用いて説明する。
図１２は本発明の伝熱装置の第４の実施の形態及びそれを備えたガスタービン燃焼器の一部を構成する燃焼器ライナを示す概略斜視図である。なお、図１２において、図１乃至図１１に示す符号と同符号のものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図１２に示す本発明の伝熱装置及びそれを備えたガスタービン燃焼器の第４の実施の形態は、第１の実施の形態の伝熱装置２０を燃焼空気２の流れ方向に沿って複数（図１２では２列）配列させるものである。すなわち、伝熱装置２０Ｃは、帯部材２１と縦渦発生器２２と放熱フィン２４とを１つの組み合わせとしたものを燃焼空気２の流れ方向に沿って２列配置したものである。

縦渦発生器２２を２列設置する方が、１列設置する場合に比べて、縦渦Ｅによる燃焼空気２の流れ方向の撹拌効果が強化される。すなわち、１列目の縦渦発生器２２により発生した縦渦Ｅが消滅する前に２列目の縦渦発生器２２により縦渦Ｅを発生させるように構成されているので、燃焼器ライナ８の長手方向（燃焼空気２の流れ方向）の全長に亘って縦渦Ｅを維持することができる。なお、各列（すなわち、１列目と２列目）の縦渦発生器２２の大きさ・高さ・拡がり角度を変えることにより、発生する縦渦Ｅの大きさを変化させることも可能である。

上述した本発明の伝熱装置及びそれを備えたガスタービン燃焼器の第４の実施の形態によれば、前述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、本実施の形態によれば、縦渦発生器２２と放熱フィン２４の組み合わせを燃焼空気２の流れ方向に沿って複数配列したので、縦渦Ｅによる燃焼空気２の流れ方向の撹拌効果が強化され、燃焼器ライナ８の燃焼空気２の流れ方向における冷却特性の向上を図ることができる。

［第５の実施の形態］
次に、本発明の伝熱装置及びそれを備えたガスタービン燃焼器の第５の実施の形態を図１３を用いて説明する。
図１３は本発明の伝熱装置の第５の実施の形態及びそれを備えたガスタービン燃焼器の一部を構成する燃焼器ライナを示す概略斜視図である。なお、図１３において、図１乃至図１２に示す符号と同符号のものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図１３に示す本発明の伝熱装置及びそれを備えたガスタービン燃焼器の第５の実施の形態は、第４の実施の形態が縦渦発生器２２と放熱フィン２４の組み合わせを燃焼空気２の流れ方向に沿って２列配置することにより燃焼器ライナ８の長手方向全長の冷却特性の向上を図っているのに対して、縦渦発生器２２と放熱フィン２４Ｄの組み合わせを１列のみとし、放熱フィン２４Ｄを燃焼器ライナ８の長手方向に可能な範囲で長く形成することにより燃焼器ライナ８の長手方向全体の冷却特性の向上を図るものである。すなわち、伝熱装置２０Ｄの放熱フィン２４Ｄは、燃焼器ライナ８の長手方向（燃焼空気２の流れ方向２）における冷却を必要とする部分の全長まで延在している。

本実施の形態は、燃焼器ライナ８の冷却を必要とする部分のうち、高温部分を縦渦発生器２２による縦渦Ｅ及び放熱フィン２４Ｄで冷却すると共に、比較的低温部分を放熱フィン２４Ｄのみで冷却する場合に、特に有効なものである。この場合、燃焼器ライナ８の長手方向における冷却特性の均一性の向上を図ることができる。

上述した本発明の伝熱装置及びそれを備えたガスタービン燃焼器の第５の実施の形態によれば、伝熱装置２０Ｄの縦渦発生器２２が一列であるので、図１２に示す第４の実施の形態の場合と比較して、伝熱構造の簡素化を図ることができる。

［第６の実施の形態］
次に、本発明の伝熱装置及びそれを備えたガスタービン燃焼器の第６の実施の形態を図１４及び図１５を用いて説明する。
図１４及び図１５は本発明の伝熱装置及びそれを備えたガスタービン燃焼器の第６の実施の形態を示すもので、図１４は本発明の伝熱装置の第６の実施の形態及びそれを備えたガスタービン燃焼器の一部を構成する燃焼器ライナを示す概略斜視図、図１５は図１４に示す本発明の伝熱装置の第６の実施の形態を備えたガスタービン燃焼器の一部を示す概略横断面図である。なお、図１４及び図１５において、図１乃至図１３に示す符号と同符号のものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図１４及び図１５に示す本発明の伝熱装置及びそれを備えたガスタービン燃焼器の第６の実施の形態は、燃焼空気２の流れ方向に延びる板状の放熱フィン２４Ｅの両側面に縦渦発生器２２Ｅを設けるものである。

具体的には、伝熱装置２０Ｅの板状の放熱フィン２４Ｅは、燃焼器ライナ８の外周表面における燃焼空気２の流れ方向上流側の部分に立設されている。放熱フィン２４Ｅの燃焼空気２の流れ方向上流側の端部の両側面には、それぞれ縦渦発生器２２Ｅが設けられている。縦渦発生器２２Ｅは、放熱フィン２４Ｅの側面から環状流路１１に向かって突出する凸部である。縦渦発生器２２の高さは、燃焼空気２の流れ方向下流側に向かって徐々に高くなるように設定されている。また、縦渦発生器２２Ｅは、その燃焼空気２の流れ方向上流側の端部がその下流側の端部よりも燃焼器ライナ８側に位置するように、燃焼空気２の流れ方向に対して所定の角度（仰角）θ（例えば、１０°〜２０°）で傾斜している。放熱フィン２４Ｅ及びその両側面に設けられた縦渦発生器２２Ｅの１組は、燃焼器ライナ８の周方向に所定の間隔を介して複数配列されている。

上述のように構成した伝熱装置２０Ｅにおいては、図１５に示すように、縦渦発生器２２Ｅにより燃焼空気２の流れ方向に中心軸を有する縦渦Ｅが発生する。この縦渦Ｅは、放熱フィン２４Ｅで区切られた環状流路１１内を流れる燃焼空気２を大きく攪拌して下流に向かって流れる。この縦渦Ｅにより、放熱フィン２４Ｅで区切られた環状流路１１内の下流に常に低温の燃焼空気２が燃焼器ライナ８の外壁面側に供給され、当該ライナ８の外壁面で暖められた空気は放熱フィン２４Ｅで区切られた環状流路１１内の外周側に運ばれる。このため、燃焼器ライナ８の対流冷却を効率良く行うことができる。

また、縦渦発生器２２Ｅを、図１４に示すように、その燃焼空気２の上流側の端部が下流側の端部よりも燃焼器ライナ８側に位置するように傾斜させたので、放熱フィン２４Ｅは、図１５に示すように、この縦渦発生器２２Ｅにより発生する縦渦Ｅの回転面における流れの向きが環状流路１１の内周側（燃焼器ライナ８側）から外周側（フロースリーブ１０側）に向かう一方側の領域Ａに位置するようになる。このため、一方側の領域Ａに位置する縦渦Ｅの衝突効果が得られない燃焼器ライナ８の部分は、放熱フィン２４Ｅと縦渦Ｅにより攪拌された燃焼空気２との熱交換により伝熱性（冷却性）が良好なものとなる。また、放熱フィン２４Ｅが設置されていない他方側の領域Ｂに位置する燃焼器ライナ８の部分は、縦渦Ｅの衝突効果により伝熱性（冷却性）が良好なものとなる。したがって、縦渦Ｅの回転面における流れの向きが異なる両領域Ａ、Ｂに位置する燃焼器ライナ８の冷却性が共に良好となり、燃焼器ライナ８の周方向の冷却特性の均一性が向上する。

上述した本発明の伝熱装置及びそれを備えたガスタービン燃焼器の第６の実施の形態によれば、縦渦発生器２２Ｅにより発生する縦渦Ｅの衝突効果を得ることができない領域Ａに位置する燃焼器ライナ８（伝熱対象物）の部分に放熱フィン２４Ｅが立設されるので、縦渦Ｅの衝突効果を得ることができない領域Ａの燃焼器ライナ８の冷却性が、縦渦Ｅの衝突効果を得ることができる領域Ｂの燃焼器ライナ８の場合と同様に、良好となり、燃焼器ライナ８（伝熱対象物）に対する冷却特性の均一性を向上させることができる。この結果、急激な温度変化により生じる熱応力が低減されるので、燃焼器ライナ８の長寿命化を実現することができる。

また、本実施の形態によれば、縦渦発生器２２Ｅを燃焼器ライナ８でなく、放熱フィン２４Ｅの両側面に設置したので、縦渦発生器２２Ｅを設置するためのライナ８への溶接工程等が不要となり、燃焼器ライナ８の構造信頼性を確保することができる。

［その他の実施形態］
なお、上述した本実施の形態においては、伝熱対象物がガスタービン燃焼器の燃焼器ライナ８の場合についてのみ説明したが、空気等の伝熱媒体が表面に沿って流れる物体であれば、本発明は燃焼器ライナ８と同様に適用することができる。

また、上述した第１乃至第５の実施の形態においては、縦渦発生器２２を帯部材２１に形成して燃焼器ライナ８に設置する例を示したが、縦渦発生器は、縦渦Ｅを発生させる機能を有することができれば、帯部材２１に形成する必要はない。例えば、別途製作した縦渦発生器を燃焼器ライナ８に溶接やロー付けにより一体化することも可能である。

なお、第６の実施の形態においては、伝熱装置２０Ｅが縦渦発生器２２Ｅ及び放熱フィン２４Ｅで構成された例を示したが、第２の実施の形態と同様に、縦渦発生器２２Ｅ及び放熱フィン２４Ｅの他に、乱流促進器を設けることが可能である。

また、第６の実施の形態においては、放熱フィン２４Ｅの断面形状を矩形状とした例を示したが、放熱フィン２４Ｅの断面形状を第３の実施の形態と同様な形状にすることも可能である。

なお、第６の実施の形態においては、縦渦発生器２２Ｅ及び放熱フィン２４Ｅを１組として１列のみの配列とした例を示したが、第４の実施の形態と同様に、縦渦発生器２２Ｅ及び放熱フィン２４Ｅの組を燃焼空気２の流れ方向に沿って複数配列することも可能である。

また、第６の実施の形態においては、第５の実施の形態と同様に、放熱フィン２４Ｅを燃焼器ライナ８の長手方向に可能な範囲で長く形成することも可能である。

なお、本発明は上述した第１乃至第６の実施の形態に限られるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施形態は本発明をわかり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。

６ 燃焼器（ガスタービン燃焼器）
８ 燃焼器ライナ（伝熱対象物）
１０ フロースリーブ
１１ 環状流路（流路）
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ 伝熱装置
２２、２２Ｅ 縦渦発生器
２３ リブ（乱流促進器）
２４、２４Ｂ、２４Ｄ、２４Ｅ 放熱フィン

Claims (12)

1. 伝熱対象物の表面に沿って流れる伝熱媒体と当該伝熱対象物との間の熱交換を促進する伝熱装置であって、
   伝熱媒体の流路に向かって突出し、伝熱媒体の流れ方向に中心軸を有する縦渦を発生させて前記流路を流れる伝熱媒体を攪拌する縦渦発生器と、
   前記伝熱対象物の伝熱媒体が流通する側の表面に設けられ、前記縦渦発生器により攪拌される伝熱媒体と熱交換する放熱フィンとを備え、
   前記縦渦発生器は、前記伝熱対象物の伝熱媒体が流通する側の表面側から前記流路に向かって突出する凸部であり、
   前記放熱フィンは、前記伝熱対象物の伝熱媒体が流通する側の表面における前記縦渦発生器より伝熱媒体の流れ方向下流側の部分のみで、且つ、前記縦渦発生器によって発生する縦渦の回転面における流れの向きが伝熱対象物側から離間する方向に向かう領域の部分及び伝熱対象物側に向かう領域の部分のうち、前記伝熱対象物側から離間する方向に向かう領域の部分のみに立設され、伝熱媒体の流れ方向に延びる板状部材である
   ことを特徴とする伝熱装置。
2. 請求項１に記載の伝熱装置において、
   前記縦渦発生器は、伝熱媒体の流れ方向に対して前記伝熱対象物の表面に平行な方向に傾斜する
   ことを特徴とする伝熱装置。
3. 伝熱対象物の表面に沿って流れる伝熱媒体と当該伝熱対象物との間の熱交換を促進する伝熱装置であって、
   前記伝熱対象物の伝熱媒体が流通する側の表面に立設され、伝熱媒体の流れ方向に延びる板状の放熱フィンと、
   前記放熱フィンの側面における伝熱媒体の流れ方向上流側の部分から伝熱媒体の流路に向かって突出し、伝熱媒体の流れ方向に中心軸を有する縦渦を発生させて前記流路を流れる伝熱媒体を攪拌する縦渦発生器とを備え、
   前記放熱フィンは、前記伝熱対象物における、前記縦渦発生器によって発生する縦渦の回転面における流れの向きが伝熱対象物側から離間する方向に向かう領域に配置され、前記縦渦発生器により攪拌される伝熱媒体と熱交換する
   ことを特徴とする伝熱装置。
4. 請求項３に記載の伝熱装置において、
   前記縦渦発生器は、その伝熱媒体の流れ方向上流側の端部がその下流側の端部よりも伝熱対象物側に位置するように、伝熱媒体の流れ方向に対して傾斜する
   ことを特徴とする伝熱装置。
5. 請求項１に記載の伝熱装置において、
   前記縦渦発生器及び前記放熱フィンは、伝熱媒体の流れ方向に直交する方向に複数配列される
   ことを特徴とする伝熱装置。
6. 請求項５に記載の伝熱装置において、
   隣接する前記縦渦発生器は、回転方向が互いに逆向きの縦渦を発生させるように形成される
   ことを特徴とする伝熱装置。
7. 請求項６に記載の伝熱装置において、
   前記縦渦発生器の形状寸法・配置、及び前記放熱フィンの配置は、前記流路の前記伝熱対象物に直交する方向の間隙をＲ、前記縦渦発生器のピッチをＰ、前記縦渦発生器の高さ
   をＨ、前記放熱フィン同士の間隔をＦとしたときに、
   ０．５≦Ｒ／Ｐ≦３．８、
   １．１≦Ｒ／Ｈ≦５．０、
   ０．５≦Ｆ／Ｒ≦３．６とする
   ことを特徴とする伝熱装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の伝熱装置において、
   前記伝熱対象物の伝熱媒体が流通する側の表面に設けられ、前記縦渦発生器により攪拌された伝熱媒体の、前記伝熱対象物の表面に生ずる境界層を破壊する乱流促進器を更に備える
   ことを特徴とする伝熱装置。
9. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の伝熱装置において、
   前記放熱フィンは、その横断面形状が付根部から先端部に向かうに従って徐々に厚さが薄くなると共に、その横断面の外側輪郭形状が楕円形の一部の幾何学形状を用いた曲線の凹形状となるように形成される
   ことを特徴とする伝熱装置。
10. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の伝熱装置において、
    前記縦渦発生器及び放熱フィンは、伝熱媒体の流れ方向に沿って複数配列される
    ことを特徴とする伝熱装置。
11. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の伝熱装置において、
    前記放熱フィンは、前記伝熱対象物の伝熱媒体の流れ方向における冷却を必要とする部分の全長まで延在する
    ことを特徴とする伝熱装置。
12. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の伝熱装置を燃焼器ライナの外周面に設置する
    ことを特徴とするガスタービン燃焼器。

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