JPH03221720A - ガスタービン燃焼器冷却構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ガスタービン燃焼器に係り、とくに燃焼器出
口ガス温度の高い高温ガスタービン燃焼器に好適なガス
タービン燃焼器冷却構造に関する。

〔従来の技術〕

従来、燃焼器の冷却方法としては、高温の燃焼ガスに燃
焼器の構造材が直接さらされないように。

燃焼ガス側に燃焼器にそって冷却空気を膜状に流すフィ
ルム冷却が多く用いられていた。

この場合、燃焼ガスと反対側は、燃焼器内に供給される
空気が流れており、該空気の強制対流によっても燃焼器
は冷却されていた。しかるに近年ガスタービンの効率を
高めるため、高温高圧化が進められ、フィルム冷却と燃
焼器内に供給される空気の強制対流冷却の単なる組み合
わせでは、冷却性能を満足できなくなってきた。

そこで、さらに冷却性能を向上するために、燃焼器の構
造材の中に冷却空気が流れる空気流路を設け、強制対流
冷却を強化するとともに、その空気を燃焼ガス側に導き
、燃焼器にそって膜状に流すことにより、フィルム冷却
にも利用可能な冷却構造が提案された。たとえば、第２
５回航空原動機に関する講演会講演集（１９８５年）第
３４頁乃至第３７頁に紹介され、その要部を第１０図に
示すように、燃焼器を形成する構造材１の内部に空気流
路２が設けられており、該空気流＃！２には空気１０１
側および燃焼ガス１０２側に設けられ、互いに接続する
溝３，４によって燃焼器の空気１０１側と燃焼ガス１０
２側とを結んでいる。また燃焼ガス１０２側には。

燃焼器にそって滑らかに膜状のフィルム冷却空気１０５
が流れるように膜状のリップ５が延びている。

冷却空気１０３は、空気１０１側の溝３から構造材１内
部の空気流ｌ１ｔ２に流れ込み、燃焼器を冷却しながら
空気流路２内を燃焼ガス１０２側の溝４に向って流れる
。該燃焼ガス１０２側の溝４では、方向を反転するとと
もに溝４−杯に広がり、膜状のリップ５によって燃焼器
にそった−様な膜状の流れ１０５となって流出し、燃焼
器の燃焼ガス１０２側の表面を滑らかに覆う。燃焼器の
冷却は、燃焼器内に供給される空気１０１の強制対流と
燃焼器を形成する構造材１の内部に設けられた空気流路
２を流れる冷却空気１０３の強制対流、さらに燃焼ガス
１０２側に燃焼器にそって滑らかに膜状にフィルム冷却
空気が流れるフィルム冷却によって行われる。フィルム
冷却は、燃焼ガス１０２側表面から熱を奪うだけでなく
、燃焼ガス１０２側の燃焼器表面を温度の低いフィルム
冷却空気１０５で覆うことにより、高温の燃焼ガス１０
２に燃焼器表面が直接さらされることから保護する役割
を有している。

ガスタービン燃焼器を上記のような冷却構造にすること
により、フィルム冷却と燃焼器内に供給される空気の強
制対流によって行われていた燃焼器の冷却に、燃焼器を
形成する構造材の内部に設けられた空気流路を流れる冷
却空気の強制対流冷却が加わり、強制対流冷却される伝
熱面積が格段に増大し、高い冷却性能を可能としている
。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、燃焼器を形成する構造材の内部に設け
られた空気流路を冷却空気が流れるときに発生する圧力
損失について配慮がされておらず、つぎに述べるいずれ
かを招くという問題があった。

（１）フィルム冷却の性能低下。

（２）燃焼器における圧力損失の増大とそれに伴うガス
タービンの効率低下。

（３〉燃焼器を形成する構造材の板厚の増大による燃焼
器重量および材料費の増大と強制対流冷却性能の低下。

上記の問題は１強制対流冷却やフィルム冷却の機構に起
因している。すなわち、燃焼器内に供給される空気によ
る強制対流冷却は、熱伝達率が冷却構造の影響を受けな
いため、構造材の板厚が薄ければ薄いほど、構造材の中
を燃焼ガス側から空気側に熱が伝わる際に生じる温度差
が小さくなり、冷却性能が良くなる。

構造材の内部に設けられた空気流路を流れる冷却空気の
熱伝達率αは、流れが乱流の場合、冷却空気の流速Ｕ、
代表長さ悲との間にっぎの関係を有する。

強制対流冷却によって奪われる熱量に関係する伝熱面積
については、話を簡単にするために空気流路の断面形状
が円形の場合と正方形の場合を取り上げて説明する。た
だし、空気流路の長さはαとする。断面形状が円形の場
合、空気流路の間隔ｐと空気流路の径ｄの比ｐ／ｄを一
定とすると、燃焼器の周長りに対して伝熱面積Ａは、Ｌ
　　　　　　　　　　　　　　　　ｄＡ　＝　−ｙｃ　
ｄ　　Ｑ　＝　ｘ　Ｌ　Ｑ□ｐ　　　　　　　　　　　
　　　　　　　ｐとなり、流路の径ｄによらず伝熱面積
Ａは一定となる。また、断面形状が正方形の場合も、空
気流路の間隔ｐと空気流路の一辺の長さａの比ｐ／ａを
一定とすれば、燃焼器の周長しに対して伝熱面積Ａは、 Ｌ　　　　　　　　　　　　　　　　ａＡ　＝−４ａ　
　Ｑ　＝　４　　Ｌ　　Ｑ　−Ｐ　　　　　　　　　　
　　　　　　　　Ｐとなり、流路の一辺の長さａによら
ず伝熱面積Ａは一定になる。このため、空気流路を流れ
る冷却空気による強制対流冷却では、燃焼器における圧
力損失を大きくし、冷却空気の流速を高めるが、乱流の
範囲で流路の代表長さが小さくなるように流路の寸法（
たとえば、円形流路では流路の径ｄ、正方形流路では流
路の一辺の長さａ〉を小さくすれば、冷却性能が向上す
る。

フィルム冷却で最も重要な役割は、燃焼器にそって−様
な膜状のフィルム冷却空気の流れを作り、燃焼ガス側の
燃焼器表面を温度の低いフィルム冷却空気で覆うことに
より、高温の燃焼ガスに燃焼器表面が直接さらされるこ
とから保護することである。その性能は燃焼ガスの質量
流速（＝（密度）×（流速））とフィルム冷却空気の質
量流速の比によって大きく影響される。燃焼ガスの流れ
は、冷却構造の影響を受けないため、フィルム冷却の性
能は、フィルム冷却空気の質量流速、言い換えれば、フ
ィルム冷却の空気流量で決まる。フィルム冷却空気の流
量が多いほど、その性能は良いので。

高いフィルム冷却の性能を得るためには、圧力損失を大
きくし、構造材の内部に設けられた空気流路を流れる冷
却空気の流速を増すか、空気流路の断面積を大きくする
ことになる。空気流路の断面積を大きくする方法として
、再び断面形状が円形の場合と正方形の場合を取り上げ
て説明する。この際、空気流路を流れる冷却空気の強制
対流冷却の伝熱面積が変化すると、燃焼器全体としての
冷却性能の比較がしずらいので、ｐ／ｄあるいはｐ／ａ
を一定とする。空気流路の断面積はそれぞれ７ｃｄ２と
ａ２なので、ｐ／ｄあるいはｐ／ａを一定に保ちながら
流路の断面積を大きくするためには、円形流路では流路
の径ｄ、正方形流路では流路の一辺の長さａを大きくし
なければならない。

以上の説明かられかるように、強制対流冷却の性能は、
燃焼器を形成する構造材の板厚、あるいはその内部に設
けられている空気流路の寸法を小さくした方がよく、フ
ィルム冷却の性能をよくするためには、それらの寸法を
大きくしなければならないという相矛盾した結果となり
、どちらかを犠牲にしなければならない。どちらの冷却
性能をも満足する方法として、圧力損失を大きくし、空
気流路を流れる冷却空気の流速を高める方法がある。し
かしながら、一般に、ガスタービン燃焼器で発生する圧
力損失は、圧縮機の吐出圧力の３〜５％であり、燃焼器
で発生する圧力損失が大きくなると、ガスタービン全体
の効率の低下を招くので、できるだけ小さく抑える必要
があり、この方法も問題を抱えている。

本発明の目的は、燃焼器における圧力損失を増大させる
ことなく、燃焼器内に供給される空気による強制対流冷
却と燃焼器を形成する構造材の内部に設けられた空気流
路を流れる冷却空気による強制対流冷却の性能を最大限
発揮することが可能であり、かつ、フィルム冷却の性能
も確保できるガスタービン燃焼器の冷却構造を提供する
ことにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明のガスタービン燃焼
器冷却構造においては、ガスタービン燃焼器を構成する
構造材の内部に燃焼器の空気側と燃焼ガス側に連通ずる
空気流路と、該空気の燃焼ガス側と連通ずる部分に直接
空気側に連通ずるためのバイパス流路とを設けたもので
ある。

また、上記空気流路を燃焼器の長手方向にそって複数個
に分割し、該分割された各空気流路を燃焼器の空気側と
燃焼ガス側に連通ずるとともに、該空気流路の燃焼ガス
側に連通ずる部分を直接空気側に連通ずるためのバイパ
ス流路を設けたものである。

また、上記分割された各空気流路を燃焼ガス側に連通ず
る隙間を構造材の燃焼ガス側にそって形成するリップと
、上記空気流路の燃焼ガス側に接続する部分を直接燃焼
器の空気側に連通ずるバイパス流路とを設けたものであ
る。

また、バイパス流路を燃焼器の空気側と隙間とに直接連
通するように構成したものである。

また、上記分割された各空気流路を順次燃焼器の半径方
向の位置をずらして構成したものである。

また、上記分割された各空気流路を燃焼器に対して略同
一半径にて構成したものである。

〔作　用〕

本発明は、リップと構造材の成す隙間と燃焼器の空気側
とを直接連通するバイパス流路を設けることにより、燃
焼器における圧力損失を増大させることなく、フィルム
冷却の性能を確保するのに必要なフィルム冷却空気流量
を常に調達できることになる。このため、燃焼器を形成
する構造材の内部に設けられた空気流路の寸法、形状は
、フィルム冷却の性能とは別に、ただ、そこを流れる冷
却空気による強制対流冷却の性能が向上するように決め
ることが可能となる。即ち、燃焼器内に供給される空気
の強制対流と構造材の内部に放けられた空気流路を流れ
る冷却空気の強制対流による冷却性能を向上させるため
に、構造材の板厚あるいは空気流路の寸法を小さくし、
フィルム冷却の性能を確保するのに不足する空気量を燃
焼器の空気側から直接バイパス流路を通じて補充するこ
とにより、圧力損失を増大させることなく、強制対流冷
却の性能を高く維持したまま、フィルム冷却性能も確保
できることになる。また、構造材の板厚を薄くできるこ
とから、燃焼器重量および材料費も低減できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を示す図面について説明する。

第１図に示す実施例は燃焼器を構成する構造材１の内部
に空気流路２が形成されており、該空気流路２はその両
端部に設置された溝３，４により空気１０１側および燃
焼ガス１０２側に接続されている。

また燃焼ガス１０２側には溝４内から構造材ｌにそって
滑らかな膜状のフィルム冷却空気が流れるように膜状の
リップ５が延びている。さらに構造材１には燃焼ガス１
０２側の溝４と空気１０１側とを直接連通するためのバ
イパス流路６が設けられている。

つぎに冷却空気の流れについて説明する。

空気１０１側の冷却空気１０３は、溝３から空気流路２
に流れ込み、燃焼器を冷却しながら空気流ｌｓ２にそっ
て溝４に向って流れる。燃焼ガス１０２側の溝４に達し
た冷却空気１０３は空気１０１側からバイパス流路６を
通って流入したバイパス空気１０４と合流し、方向を反
転しながら溝４−杯に広がる。

しかるのち、バイパス空気１０４と合流した冷却空気１
０３は膜状のリップ５によって構造材１の壁面にそって
一様な厚さの膜状のフィルム冷却空気１０５となって流
出し、燃焼器の燃焼ガス１０２側の表面を滑らかに覆う
。この場合、構造材１の板厚および空気流路２の形状、
寸法は、燃焼器内に供給される空気１０１による強制対
流冷却と空気流路２を流れる冷却空気１０３による強制
対流冷却の性能が高くなるように、小さな寸法になって
いる。また、フィルム冷却が所定の性能を満足できるよ
うに、空気流路２を通ってきた冷却空気１０３の流量で
は不足する分を燃焼器の空気１０１側からバイパス流路
６を通って直接燃焼ガス１０２側の溝４に流入したバイ
パス空気１０４で補って、膜状に延ばされたリップ５に
よって燃焼器の燃焼ガス１０２側に燃焼器に沿って一様
で滑らかな膜状のフィルム冷却空気１０５を流すことに
より、燃焼器の圧力損失を増大させることなく、必要な
フィルム冷却性能を確保できるようになっている。この
冷却構造では、薄い構造材で燃焼器を製作することが可
能であり、燃焼器重量およびその材料費を低減できる。

また、熱負荷に応じて冷却性能を調整する場合、構造材
１の板厚や空気流路２の間隔、形状、寸法だけでなく、
バイパス流路６の断面積を変え、バイパス空気１０４の
流量を変化させることによっても制御が可能であり、多
様な対応が可能である。

当然のことながら、空気流路２の間隔とバイパス流路６
の間隔は異なっていてもよ（、材料強度等の観点も加味
し、決定されるべきものである。

第２図は、構造材１の内部の空気流路２と燃焼器の空気
１０１側および燃焼ガス１０２側とを連通ずるのに、流
入孔７および流出孔８をあけた構造の実施例である。冷
却空気１０３は流入孔７を通って空気流路２に流入し、
燃焼器を冷却しながら空気流路２内を流れ、流出孔８か
ら構造材１とリップ５の隙間に流出し、燃焼器の空気１
０１側からバイパス流路６を経て直接構造材ｌとリップ
５の隙間に至ったバイパス空気１０４と合流し、リップ
５によって燃焼器に沿った一様な膜状のフィルム冷却空
気１０５になって流出し、燃焼器の燃焼ガス１０２側の
表面を滑らかに覆う。冷却の作用、効果に関しては、第
１図で説明したことと同様であるが、空気流路２と空気
１０１側あるいは燃焼ガス１０２側と連通ずる手段とし
て流入孔７あるいは流出孔８を用いたことにより、この
断面積を変えることによって冷却空気１０３の流量を調
整することが可能となり、冷却性能の制御がより容易に
行える。また、構造材１に溝を設けないことにより、板
厚をほぼ一定にすることができ、強度的に楽になる。

第３図は、燃焼器の軸方向位置で構造材１内部の空気流
路２とバイパス流路６が重なった実施例である。この場
合、バイパス流路６あるいは空気流路２からの流出孔８
の位置はリップ５に掛かっていれば、軸方向のどこでも
よい。また、空気流路２の間隔とバイパス流路６の間隔
が異なり、空気流路２とバイパス流路６が交わってもよ
い。極端な場合には、流出孔８とバイパス流路６が兼用
されることもあり得る。冷却の作用、効果に関しては第
２図で説明した内容と同じである。

第４図は、フィルム冷却空気１０５の流れ方向と構造材
１の内部の空気流路２を流れる冷却空気１０３の流れ方
向が同じ場合の実施例である。この場合、第１図に比べ
て、空気流路２を流れる冷却空気１０３の折り返しが少
ないので、冷却空気１０３が空気流路２を流れるときの
圧力損失が小さく、冷却空気１０３の流量が多くなる。

この場合も、空気流路２の間隔とバイパス流路６の間隔
が異なったり、空気流路２とバイパス流路６が交わって
もよい。冷却の作用、効果は前述の他の実施例と大差な
い。

第５図は構造材１の空気１０１側を第２図に示すように
階段状あるいは波形状にしないで平らに魔法のリップ５
を燃焼ガス１０２側に張り出すように構成された実施例
である。

この場合、リップ５が燃焼器の燃焼ガス１０２側に張り
出しているため、燃焼器に沿って一様に膜状に流れるこ
とにより燃焼器の燃焼ガス１０２側の表面を滑らかに覆
っているフィルム冷却空気１０５状のフィルム冷却空気
１０５が燃焼器に沿って滑らかに流れるように設けたリ
ップ５が、構造材１と燃焼ガス１０２側で平らになるよ
うにした実施例である。フィルム冷却空気１０５が燃焼
器の燃焼ガス１０２側とある角度を持って流れ出すため
に、前述した平行に流れ出す実施例に比べるとフィルム
冷却性能が低下する。しかし、構造材１の一部でリップ
５を兼用できるため、工数の低減を図ることが可能とな
り、製作が容易になる。その他の冷却の作用、効果は、
前述の他の実施例と同じである。

第８図は第７図と比較し、構造材１の内部の空気流路２
を流れる冷却空気１０３の方向を逆にした場合の実施例
である。

また第９図は、構造材１の内部の空気流路２を連通し、
流入孔７の両側にバイパス流路６とリップ５を設けた場
合の実施例である。

この場合には流入孔７から空気流路２に流入した冷却空
気１０３は左右に分岐する。

上記第８図および第９図に示す実施例は、上記第８図に
示す冷却作用、効果と同じである。

がこの部分で乱され、フィルム冷却性能が若干低下する
。それ以外の冷却の作用、効果は第２図と同様である。

第６図は、構造材１の内部の空気流路２が、燃焼器の軸
方向にリップ５の位置で区切られることなく、連続して
いる実施例である。長い空気流路２に複数個の流入孔７
と流出孔８が設けられているため、空気流路２を流れる
冷却空気１０３の流量分布が第５図の場合とは少し違っ
てくるが、冷却の作用、効果に関しては、第５図で説明
した内容とほぼ同じになる。第６図において流入孔７お
よび流出孔８をすべてのリップ５とリップの間に設ける
必要はない。また、流入孔７はリップ５とリップ５の間
で複数個設けてもよい。当然のことながら、第５図と第
６図の折衷案である空気流路２の区切りをリップ５数段
毎に設ける構造も冷却の作用、効果はほぼ同様である。

第７図は、構造材１の内部の空気流路２と燃焼器の空気
１０１側および燃焼ガス１０２側とを流入孔７および溝
４によって結んでおり、かつ、−様な膜〔発明の効果〕 本発明によれば、フィルム冷却の性能を確保するのに必
要なフィルム冷却空気流量の不足分をバイパス流路を通
して直接構造材とリップの隙間に流すことができるため
、燃焼器内に供給される空気による強制対流冷却と燃焼
器を形成する構造材の内部に設けられた空気流路を流れ
る冷却空気による強制対流冷却の性能を高く維持できる
ように構造材の板厚および空気流路の寸法を小さくでき
、また、フィルム冷却空気は、必要とされる流量が膜状
に延ばされたリップによって燃焼器の燃焼ガス側に燃焼
器に沿って一様に膜状に燃焼器表面を滑らかに覆う様に
流れるので、燃焼器における圧力損失を増大することな
く、強制対流冷却の性能を高く維持したまま、必要とさ
れるフィルム冷却性能も確保できることになる。また、
構造材の板厚を薄くできるので、燃焼器重量および材料
費を低減できる。さらに、構造材の板厚や空気流路の間
隔、形状、寸法だけでなく、バイパス流路の断面積を変
えることによっても熱負荷に応じた冷却性能の調整が可
能である。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ本発明の実施例であるガ
スタービン燃焼器冷却構造を示す斜視図、第３図乃至第
９図はそれぞれ本発明の他の実施例であるガスタービン
燃焼器冷却構造を示し、第５図以外の各その（ａ）は上
平面図、各その（ｂ）は断面正面図、第１０図は従来の
ガスタービン燃焼器冷却構造を示す斜視図である。 ■・・・構造材、２・・・空気流路、３・・・空気側溝
、４・・燃焼ガス側溝、５・・・リップ、６・・・バイ
パス流路、１０１・・・空気、１０２・・・燃焼ガス、
１０３・・・冷却空気、１０４・バイパス空気、１０５
・・・フィルム冷却空気。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ガスタービン燃焼器を構成する構造材の内部に燃焼
   器の空気側と燃焼ガス側に連通する空気流路と、該空気
   流路の燃焼ガス側と連通する部分に直接空気側に連通す
   るためのバイパス流路とを設けたことを特徴とするガス
   タービン燃焼器冷却構造。 ２、請求項１記載のガスタービン燃焼器冷却構造におい
   て、上記空気流路を燃焼器の長手方向にそって複数個に
   分割し、該分割された各空気流路を燃焼器の空気側と燃
   焼ガス側に連通するとともに該空気流路の燃焼ガス側に
   連通する部分を直接空気側に連通するためのバイパス流
   路とを設けたことを特徴とするガスタービン燃焼器冷却
   構造。 ３、請求項２記載のガスタービン燃焼器冷却構造におい
   て、上記空気流路を燃焼器の燃焼ガス側に連通する隙間
   を構造材の燃焼ガス側にそって形成するリップと、上記
   空気流路の燃焼ガス側に接続する部分を直接燃焼器の空
   気側に連通するバイパス流路とを設けたことを特徴とす
   るガスタービン燃焼器冷却構造。 ４、請求項３記載のガスタービン燃焼器冷却構造におい
   て、上記バイパス流路を燃焼器の空気側と隙間とに直接
   連通するように構成したことを特徴とするガスタービン
   燃焼器冷却構造。 ５、請求項２乃至４のうち、いずれか１項記載のガスタ
   ービン燃焼器冷却構造において、上記分割された各空気
   流路を順次燃焼器の半径方向に位置をずらして構成した
   ことを特徴とするガスタービン燃焼器冷却構造。 ６、請求項２乃至４のうち、いずれか１項記載のガスタ
   ービン燃焼器冷却構造において、上記分割された各空気
   流路を燃焼器に対して略同一半径にて構成したことを特
   徴とするガスタービン燃焼器冷却構造。