JPH03267618A - ガスタービン燃焼器の冷却構造 - 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、特に、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冷却
構造に関する。

〔従来の技術〕

従来、燃焼器の冷却構造は、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
焼器に沿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。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、この空気の強制対流によって
も燃焼器は冷却されていた。しかし、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
。それで、さらに冷却性能を向上させるために、燃焼器
の構造材の中に冷却空気の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、燃焼器に沿って膜状に流すことにより、フィルム
冷却にも利用する冷却構造が発明された。このような冷
却構造については特開昭６３−２４３６３１号公報に述
べられている。その構造を第４図に示す。燃焼器を形成
する構造材１の内部には空気流路２が設けられ、空気流
路２は空気１０１側および燃焼ガス１０２側に設けられ
た流入孔３および流出孔４によって燃焼器の空気１０１
側と燃焼ガス１０２側とを結んでいる。冷却空気１０３
は、空気１０１側の流入孔３から構造材１の内部の空気
流路２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側の流出孔４に向かって流れる。流出
孔４から燃焼ガス１０２側に流れ出した冷却空気１０３
は、燃焼器に沿って流れ、燃焼ガス１０２側の表面を膜
状に覆う。燃焼器の冷は、燃焼器内に供給される空気１
０１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側に燃焼器に沿って膜状に冷
却空気１０３が流れるフィルム冷却によって行ねれる。

フィルム冷却は、燃焼ガス１０２側の表面から熱を奪う
だけでなく、燃焼ガス１０２側の燃焼器の表面を温度の
低い冷却空気１０３で覆うことにより、高温の燃焼ガス
１０２に燃焼器表面が、直接、さらさられることを保護
する役割を果している。

ガスタービン燃焼器をこ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、高い冷却性能が得られる。

〔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
損失について考慮がされておらず、（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、 のいずれかを招く問題があった。

これは強制対流冷却やフィルム冷却の機構に起因してい
るので、以下に説明する。

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の
０．８　乗に比例し、代表長さＱの０．２　乗に反比例
する。

ｕＯ０６ 強制対流冷却によって奪われる熱量に関する伝熱面積に
ついては１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Ｑ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、燃焼器の局長りに対して伝熱面積Ａは、 Ｌ　　　　　　　　　　　　ｄ Ａ＝−πｄＱ＝πＬＱ ｐ　　　　　　　　　　　　　　　ｐ となり、流路の径ｄによらず伝熱面積は一定となる。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　　　　　　　　　　　　　ａ Ａ　＝−４ａＱ＝４ＬＱ　− ｐ　　　　　　　　　　　　　　　ｐ となり、流路の一辺の長さａによらず伝熱面積は一定に
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か、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（例えば、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、燃焼器に沿って膜状
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、その性能はよいので、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
較がしづらいので、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、πｄ２．あ
るいは、ａ２なので、ｐ／ｄ、あるいは、ｐ／ａを一定
に保ちなか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泗した結果とな
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、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〕

上記目的は、燃焼器を形成するために相隣る構造材を接
合している構造材の端部と端部の間に燃焼器の空気側と
燃焼ガス側とを、直接、連通する隙間を設けることによ
り達成される。

〔作用〕

相隣る構造材の端部と端部の間に燃焼器の空気側と燃焼
ガス側とを、直接、連通ずる隙間を設けることにより、
燃焼器の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設
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、空気流路を流れてきた冷却
空気をフィルム冷却用に燃焼器の燃焼ガス側に燃焼器に
沿って膜状に流す。フィルム冷却の性能を確保するのに
不足する空気量の相隣る構造材の端部と端部の間に設け
た隙間を通じて燃焼器の空気側から、直接５補充し、燃
焼器の燃焼ガス側に燃焼器に沿って膜状に流すことによ
り、圧力損失を増大させることなく１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するこ
とができる。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第１図により説明する。燃焼
器は径の異なる円筒形の構造材１をつなぎ合わせること
により形成されている。それぞれの構造材１の内部には
空気流路２が設けられており、この流路２は空気１０１
側および燃焼ガス１０２側に設けられた流入孔３、およ
び、流出孔４によって燃焼器の空気１０１側と燃焼ガス
１０２側とを結んでいる。構造材１同士をつなぎ合わせ
ている構造材１の端部と端部の間には隙間５が設けられ
ており、隙間５には、第２図に示すように。

波状の薄板６が挿入されている。そして、波状の薄板６
と構造材１をそれらが接する部分７および８で接合する
ことにより、燃焼器は一体構造となっている。冷却空気
１０３は、空気１０１側の流入孔３から構造材１の内部
に設けられた空気流路２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側の流出孔４に向か
って流れる。流出孔４から燃焼ガス１０２側に流れ出し
た冷却空気１０３は、燃焼器に沿った膜状の流れとなり
、燃焼器の燃焼ガス１０２側の表面を覆い、燃焼器をフ
ィルム冷却する。構造材１の板厚、および、空気流路２
の形状９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
のフィルム冷却では不足する分を、構造材１の端部と端
部の間に設けられた隙間５を通って燃焼器の空気１０１
側から燃焼ガス１０２側に、直接、流入した補助空気１
０４を燃焼器の燃焼ガス１０２側に燃焼器に沿った一様
で滑らかな膜状のフィルム冷却空気として流して補うこ
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１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２寸法だけ
でなく、隙間５の断面積を変え、補助空気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。

第３図は、テーパ状の円筒形の構造材１をつなぎ合わせ
て燃焼器を形成した実施例である。その他は第１図と同
じであり、冷却の作用、効果も第１図で説明した内容と
同じである。

第５図ないし第８図は、第１図において空気流路２を燃
焼器の空気１０１側および燃焼ガス１０２側と連通させ
ている流入孔３、および、流出孔４の位置を変えたもの
である。その他の構造は第１図と同じであり、冷却の作
用、効果も第１図の実施例と大差ない。

以上の実施例において、空気流路２は燃焼器の軸方向と
平行になっているが、空気流路２は、必ずしも軸方向と
平行である必要はなく、また、構造材１の内部に空気流
路２を円周方向に結ぶ流路を設けてもよい。

第９図、第１０図は、構造材１をつなぎ合わせる方法に
関する他の実施例である。第９図は、隙間５にＳ字状の
薄板９を挿入し、Ｓ字状の薄板９と構造材１をそれらが
接する部分１０、および。

１１で接合することにより燃焼器を一体構造としている
。、Ｓ字状の薄板９には空気孔１２があけられており、
この空気孔１２を通じて補助空気１０４は燃焼器の空気
１０１側から燃焼ガス１０２側に流入する。第１０図は
、隙間５にスペーサ１３を挿入し、スペーサ１３と構造
材１をそれらが接する部分１４、および、１５で接合す
ることにより燃焼器を一体構造としている。スペーサ１
３には空気孔１２があけられており、この空気孔１２を
通じて補助空気１０４は燃焼器の空気１０１側から燃焼
ガス１０２側に流入する。このような方法で燃焼器を一
体構造にすれば、隙間５の断面積を一定にしたままでも
、空気孔１２の断面積を変えることによって補助空気１
０４の流量を変化させることができ、熱負荷に応じた冷
却性能の調整がより容易になる。

第１１図は、隙間５を介してつなぎ合わせている構造材
１の端部と端部の重なり合っている距離を長くし、例え
ば、波状の薄板を挿入した位置より、さらに燃焼ガス１
０２側に径の小さい方の構造材１の端部を延長した実施
例である。このように、径の小さい方の構造材１の端部
を燃焼ガス１０２側に延長することにより隙間５の燃焼
器軸方向の距離が長くなり、その隙間５を通って燃焼器
の空気１０１側から燃焼ガス１０２側すこ流入する補助
空気１０４の流れが安定し、その結果、燃焼器に沿って
燃焼器の燃焼ガス１０２側を膜状しこ滑らかに覆うフィ
ルム冷却空気の流れも安定し。

高温の燃焼ガス１０２から燃焼器表面を保護するフィル
ム冷却の性能が向上する。

（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相隣る構造材をつ
なぎ合わせている構造材の端部と端部の間に設けた隙間
を通して、直接、燃焼器の空気側から燃焼ガス側に流す
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構
造材の端部と端部の間の隙間から燃焼器の燃焼ガス側に
燃焼器しこ沿って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２寸法だけでなく、隙間の断面積・や空気孔の
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図は本発明の一実施例を示すガスタービン燃焼器の
冷却構造の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。 第２図は第１図のＡＡ矢視断面図、第３図は本発明の変
形例を示すガスタービン燃焼器の冷却構造の断面図、第
４図は従来のガスタービン燃焼器の冷却構造の断面図、
第５図ないし第８図は本発明の変形例を示すガスタービ
ン燃焼器の冷却構造の断面図、第９図、第１０図は第２
図以外の構造材同士をつなぎ合わせる実施例の断面図、
第１１図は本発明の変形例を示すガスタービン燃焼器の
冷却構造の断面図である。 １・・・構造材、２・・空気流路、３・・流入孔、４・
・・流出孔、５・・・隙間、６・・波状の薄板、９・・
Ｓ字状の薄板、１２・・・空気孔、１３・・・スペーサ
、１０１・・・空気、１０２・・・燃焼ガス、１０３・
・冷却空気、１０４・・・補助空気。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、径の異なる円筒形、あるいは、テーパ状の円筒形の
   構造材をつなぎ合わせて形成するガスタービン燃焼器に
   おいて、 前記構造材の内部に燃焼器の空気側と燃焼ガス側とを連
   絡する空気流路を設け、相隣る前記構造材をつなぎ合わ
   せる端部と端部の間に前記燃焼器の空気側と燃焼ガス側
   とを、直接、連通する隙間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。