JPH0524337B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 この発明はガスタービン機関、更に具体的に云
えば、高級なヘビー・デユーテイ・ガスタービン
機関の燃焼器からタービン段へ高温ガスを通す為
に使われる渡りダクトを冷却する装置に関する。

大形のヘビー・デユーテイ・ガスタービン機関
は、機関の第１タービン段に導入する為の高温高
エネルギ・ガスを発生する為に、並列に運転する
複数個の円筒形燃焼器段を用いるのが普通であ
る。第１タービン段が環状の高温ガスを受取るこ
とが好ましい。各々の燃焼段と第１タービン段の
間に渡りダクトを配置して、各々の燃焼器を出て
行くガスの流れの場を全体的に円筒形から、環の
一部分となる形に変える。この為、全ての渡りダ
クトからのガスの流れによつて、所望の環状の流
れが発生される。

周知の様に、熱機関が達成しうる熱力学的な効
率は、作業流体の最高温度に関係し、ガスタービ
ンの場合、この作業流体が燃焼器段を出て行く高
温ガスである。高温ガスの実現し得る最高温度
が、この高温ガスと接触する金属部品の動作温度
限界、及びこういう部品を高温ガス温度より低く
冷却する能力によつて制限される。この発明が対
象とするものもそうであるが、高級なヘビー・デ
ユーテイ・ガスタービン機関の渡りダクトを冷却
する課題は、現在知られている冷却方法が不適切
であつたり、或いは受入れ難い負担を伴なう為
に、困難なのである。

従来のヘビー・デユーテイ・ガスタービン機関
では、渡りダクトの外面全体が、圧縮機から吐出
される比較的低温の空気に露出している。この圧
縮機はガスタービンに対する全空気流を供給する
ものである。渡りダクトの外側を通つて燃焼器に
空気が流れることにより、受動的な冷却作用が行
なわれる。この受動的な冷却作用によつて、渡り
ダクトの外側のある部分は比較的よく冷却される
が、他の部分はあまりよく冷却されない。更に、
渡りダクトの外側の内、冷却作用が一番よくない
部分は、一般的に構造的に一層弱い区域であり、
こういう区域はその内側の高温ガスによつて一層
強く加熱される区域でもある。金属の温度が高す
ぎることによる破損を避ける為、最高の燃焼器出
口温度は、渡りダクトの一番冷却がよくない区域
の許容し得る最高金属温度に制限しなければなら
ない。ヘビー・デユーテイ・ガスタービンの燃焼
器の出口温度が、熱効率を高める為に上昇するに
つれ、渡りダクトの比較的高温の区域を積極的に
冷却する為に種々の手段が用いられている。その
燃焼器の出口温度が、ヘビー・デユーテイ・ガス
タービン機関で普通の大体2000℃よりかなり高く
なる様な高級なヘビー・デユーテイ・ガスタービ
ンでは、金属温度を許容し得るレベルに抑えるこ
とが出来る様に、渡りダクトの全面を積極的に冷
却しなければならない。

燃焼器の壁を冷却する公知の方法は、圧縮機か
ら吐出された空気が燃焼器の壁を通過することが
出来る様にし、その後この空気を、高温ガスとの
直接的な接触から保護する為の境膜として、その
内面に沿つて差向ける。この構成は、燃焼器の壁
が、高温ガスの温度よりかなり低い所で動作する
ことが出来る様にする。この境膜冷却方法は渡り
ダクトの限られた区域に対して、特に前に述べた
冷却作用のよくない区域に対して使われている。
然し、この様な境膜冷却を使うことも、燃焼器及
び渡りダクトの壁を冷却する為にだけ利用し得る
空気量によつて制限されている。この量は、燃焼
器に利用し得る全空気流量の30％未満であるのが
典型的である。高級なヘビー・デユーテイ・ガス
タービン機関では、境膜冷却の為に利用し得る略
全部の空気が燃焼器の壁を冷却する為に必要であ
り、渡りダクトの壁を冷却する為に利用し得る分
が殆んどない。この様に冷却空気流量の利用度が
限られるのは、燃焼器の全空気流量の大体半分
が、燃料の完全な燃焼の為に必要であり、更に1/
４の空気流量が、受入れることの出来る様な効率
並びに部品の寿命の為に、第１タービン段によつ
て要求される、燃焼器を出て行く高温ガスの希釈
及びその分布の整形の為に必要であることに由
る。ガスタービン機関の特定の設計の選び方に応
じて、こういう割合は若干変えることが出来る
が、種々の実際上の障害により、それから大幅に
ずれることはない。

渡りダクトの外側を冷却するのに使われる様に
なつた別の冷却方式は、渡りダクトの外面から短
かな距離だけ離して配置した衝突板、じやま板又
はスリーブを用いている。衝突スリーブが孔の配
列を持つており、圧縮機の吐出空気がこの孔を通
過して、渡りダクトの外面に衝突し、それを冷却
する空気ジエツトの配列を発生する。

米国特許第3652181号には、渡りダクトに対す
るこの様な衝突冷却方法が記載されており、この
場合、衝突スリーブが渡りダクトの一部分だけを
取囲んでいる。冷却しようとする面に当つた後、
使用済みの衝突空気が渡りダクトの外面と衝突ス
リーブの間の空間を流れ、渡りダクトの孔に向
う。こういう孔を通過した空気がタービン羽根の
回転子区域の直ぐ手前で、高温ガスと混合され
て、高温ガスの温度を下げ、こうしてタービン羽
根のこの部分の金属温度を下げるのを助ける。高
温ガスからの伝熱率及び許容し得る最高金属温度
に応じて、この方法は受入れることの出来る様な
金属温度を保つ為に、境膜冷却よりも使う冷却空
気量を少なくすることが出来、境膜冷却と組合せ
て金属温度を更に下げることが出来る。然し、渡
りダクトに対して衝突冷却及び境膜冷却の組合せ
を用いても、高級なヘビー・デユーテイ・ガスタ
ービンで利用し得るよりも一層多くの冷却空気が
必要である。

ガスタービンの燃焼部品の衝突冷却について
は、米国特許第4339925号にも記載されている。
これは、この発明で対象とするものとは完全に異
なる様な種類のガスタービンの燃焼部品の冷却を
対象としているものであるが、この米国特許に
は、衝突冷却装置の典型的な要素が記載されてい
る。この米国特許には、孔の配列を持つ殻体が記
載されており、冷却空気がこの孔を通過して、燃
焼器に向つて高温ガス・ケーシングに衝突する。
この米国特許に示される実施例では、衝突空気が
高温ガス・ケーシングに沿つて流れ、最終的には
燃焼過程に入る。高温ガス・ケーシングと穿孔殻
体の間の空間からの空気の噴射を助ける為の制限
器が記載されている。この米国特許では、入口開
口の数並びに高温ガス・ケーシングからの殻体の
間隔が、状況によつて要求される冷却効果を発生
する為に利用し得る変数を表わすことが認識され
ている。

米国特許第3652181号及び同第4339925号に見ら
れる様な従来技術から、燃焼部品の衝突冷却は、
燃焼過程に割当てられる空気流量の一部分を消費
するか、或いは燃焼器と直列に行なつて、燃焼部
品を冷却する為に使われた空気がその後で燃焼過
程に使われることが判る。この発明で取上げるの
は、この直列形式の渡りダクトの冷却である。

その理由はガスタービンの設計の当業者によく
知られているが、燃料と混合して、それと共に燃
焼させる為に、燃焼器の壁の開口に圧縮機の吐出
空気を強制的に通すと、それに伴なつて圧力降下
又は圧力損失がある。この同じ圧力降下が、燃焼
器の境膜冷却を促進し、燃焼器の前側部分を出て
行く空気の温度パターンを整形する様な希釈空気
ジエツトを促進する。典型的には、この圧力降下
は、圧縮機の吐出圧力の２乃至４％であり、熱効
率の理由で、出来るだけ小さく抑える。圧力降下
が小さすぎると、燃料と空気の混合が不良にな
り、その結果燃焼不良になる。圧力降下が高すぎ
ると、ガスタービンの熱力学的な効率が低下す
る。

衝突冷却を行なう為には、衝突スリーブ又はじ
やま板の前後に圧力降下が必要であり、こうして
冷却空気を所要の伝熱率が達成される様な十分に
高い速度で、孔に強制的に通す。一般的に、圧力
降下が高ければ高い程、冷却の割合が一層高くな
る。この為、直列空気流の配置で渡りダクトの衝
突冷却を用いると、燃焼装置に対して余分の圧力
降下が生じ、それを出来るだけ低いレベルに抑え
ないと、燃焼器の出口温度を高めることによつて
得られる上昇よりも、一層大きく熱効率を下げる
ことになる。

本質的には、衝突冷却装置の圧力降下は２つの
成分によつて発生する。第１に、冷却しようとす
る面に衝突するジエツトを作る為に、衝突スリー
ブの孔を通して空気を加速する為の圧力降下が必
要である。２番目はもつと微妙なものであり、他
の公知の衝突冷却の用途では大抵無視されてい
る。

使用済み衝突空気を燃焼器で使おうとする場
合、この空気を収集して燃焼器に持つてこなけれ
ばならない。この収集は、衝突スリーブと渡りダ
クトの外面との間で行なうのが自然であり、燃焼
器に近付くにつれて、より多くの空気が収集され
るので、空気の流速が着実に増加しなければなら
ないことが判る。圧力降下の第２の成分は、使用
済み衝突空気の各々の追加量を、既に燃焼器に向
つて移動しつつある空気の速度まで再加速すると
云う条件によつて起こる。

衝突冷却装置に於ける伝熱の局部的な大きさ
は、多数の変数によつて決定される。特に、こう
いう変数としては、冷却空気の性質、衝突スリー
ブと渡りダクトの面の間の局部的な距離、孔の寸
法、間隔及び配列パターン、衝突空気ジエツトの
速度、及び例えば使用済み衝突空気の収集によつ
て生ずる様な空気ジエツトに対して垂直に流れる
空気の速度がある。

全体的な衝突冷却装置の伝熱及び圧力降下の両
方の大きさに影響する変数の数が多いことが判
る。この発明は、高級なヘビー・デユーテイ・ガ
スタービン機関に対する完全に冷却された渡りダ
クトをうまく設計する為に、こういう変数の相互
作用を取上げる。

衝突板の開口によつて形成された空気ジエツト
は、衝突板を冷却しようとする面から隔たる空間
を通り、所望の冷却作用を行なうのに十分な速度
及び十分な容積で、冷却しようとする面に衝突し
なければならない。この様なジエツトの衝突の解
析は、１つのジエツトしかない時は比較的簡単で
ある。然し、ジエツトの配列を使う時、１つのジ
エツトから衝突後に離れる向きに流れ、冷却しよ
うとする面と衝突板の間に捕捉された衝突空気
は、空気のクロスフロー（横流）を発生する傾向
があり、このクロスフローが他のジエツト、特に
拘束空間を出て行く為に衝突空気が流れて行かな
ければならない方向に見て、下流側にあるジエツ
トの冷却作用を妨げる。即ち、孔と冷却しようと
する面との間の空間を通る空気のクロスフロー
が、孔によつて発生された空気ジエツトが冷却し
ようとする面に到達するのを妨げることがあり、
或いは空気ジエツトの内、冷却しようとする面に
到達し得る部分の効力を低下させることがある。
ジエツトの配列の実際の冷却効果を予測するのは
困難であり、経験的に導き出すしかない。

クロスフローの速度が高ければ高い程、クロス
フローの空気ジエツトの効力に対する干渉が一層
大きくなる。衝突冷却を受ける渡りダクトで、全
ての衝突空気が渡りダクトと衝突板の間から外向
きに流れなければならない様な場合、クロスフロ
ーの空気量及びその速度は、出口に近付くにつれ
て系統的に増加する。この高くなつた速度は、そ
の下流側に位置する衝突ジエツトの効力を部分的
に又は完全に打砕くことがある。渡りダクト（又
は高温ガス・ケーシング）の衝突冷却を用いる従
来の多数の装置が、使用済み衝突空気を渡りダク
トの内部に噴射する様にしているのは、この理由
によるものと思われる。前に述べた様に、高級な
ヘビー・デユーテイ・ガスタービンの設計にとつ
ては、利用し得る冷却空気のこの様な効率の悪い
使い方は受入れることが出来ない。

発明の目的と要約 従つて、この発明の目的は、従来の欠点を解決
する様な、渡りダクトに対する衝突冷却装置を提
供することである。

更に具体的に云うと、この発明の目的は、ガス
タービン機関の渡りダクト全体に対する衝突冷却
として、渡りダクトの設計条件に従つて冷却の分
布を調整することが出来る様にすることである。

この発明の別の目的は、面の冷却作用を調整す
る為に、孔の寸法、衝突冷却スリーブにある孔の
間隔、及び衝突スリーブと冷却しようとする面の
間の間隔の少なくとも１つを系統的に変える様に
した、渡りダクトの衝突冷却を行なうことであ
る。

この発明の別の目的は、衝突スリーブと渡りダ
クトの間の間隔を衝突空気のクロスフローの下流
側の方向に系統的に増加して、クロスフローの空
気速度を下げ、こうして衝突冷却スリーブの圧力
降下を減少する様な、ガスタービン機関の渡りダ
クトの衝突冷却を行なうことである。

この発明の別の目的は、衝突冷却スリーブの孔
の寸法及び間隔と、衝突スリーブと渡りダクトの
面の間の間隔とを系統的に変えて、衝突冷却に必
要な圧力降下を最低にし、こうしてガスタービン
機関の熱効率を最大にする様に、高級なヘビー・
デユーテイ・ガスタービンの渡りダクト全体の衝
突冷却を行なうことである。

この発明の別の目的は、衝突スリーブのある部
分にある開口がその別の部分にある開口よりも一
層大きくなる様にし、こうして渡りダクトと衝突
スリーブの間の一層大きなすき間を通過し且つ空
気の一層大きなクロスフローを通過し得る様な質
量流量が一層大きいジエツトを作ることにより、
ガスタービン機関の渡りダクトの衝突冷却を行な
うことである。一層大きな孔の間の間隔は、一層
小さな孔の間隔に対して変えて、渡りダクトの設
計によつて要求される様な所望の衝突冷却強度を
設定することが好ましい。

この発明の別の目的は、衝突冷却の圧力降下を
精密に制御し、燃焼器の圧力降下より上流側の燃
焼器の空気流の圧力降下を最小限に抑える様な、
衝突冷却及び空気流分配装置を提供することであ
る。

簡単に云うと、この発明は、高級なヘビー・デ
ユーテイ・ガスタービン機関の渡りダクトに対す
る衝突冷却を行なう。渡りダクトが、冷却しよう
とする面からある距離だけ隔てたスリーブの孔に
よつて形成された衝突ジエツトによつて冷却され
る。スリーブは、使用済み衝突空気を燃焼器に向
けて通す様な形になつており、そこでその後で燃
料と混合して燃焼する為に使うことが出来、或い
は燃焼器を冷却することが出来る。衝突スリーブ
と渡りダクトの面の間の距離を変えて、使用済み
衝突空気の空気のクロスフローの速度を制御し、
クロスフローによる圧力損失を最小限に抑える。
孔の断面積を変えて、種々の距離及びクロスフロ
ーの速度に対して、衝突ジエツトを噴射する。一
般的に云うと、一層大きな距離に対しては一層大
きな孔の面積を用いる。衝突スリーブと渡りダク
トの間の距離が、燃焼器と渡りダクトの交点に於
ける最大値まで、使用済み衝突空気の量が増加す
るにつれて、燃焼器に向つて系統的に増加する。
距離、孔の寸法及び孔の間の間隔の変化の組合せ
を利用して、可変の内部熱負荷を補償する様に衝
突冷却強度を変えると共に、設計条件に従つて渡
りダクトの面に対する所望の温度分布を作る。上
に述べた変化は、設計条件に従う所要の冷却強度
を達成しながら、燃焼装置より手前の空気流の圧
力降下を最小限にする為に最適にする。

この発明の１実施例では、圧縮空気の環境内に
配置されている面を冷却する衝突冷却装置を提供
する。この装置は、この面からある距離だけ隔た
つた衝突板と、該衝突板に設けられた複数個の孔
と、衝突板の前後で圧力降下を発生することによ
り、各々の孔が面に差向けられる衝突ジエツトを
発生する様にする手段とを有し、この孔はある面
積を持ち、孔はある間隔だけ隔たつていて、前記
距離、前記面積及び前記間隔の内の少なくとも１
つを衝突板にわたつて変えて、面の冷却作用を制
御する。

この発明の別の特徴として、ガスタービン機関
の燃焼器とタービン段の間に配置された渡りダク
トの面を冷却する衝突冷却装置が提供される。渡
りダクトは圧縮空気高圧室内に配置されている。
この渡りダクトは、渡りダクトを取囲んでいて、
それからある距離だけ隔たつてその間に流れの容
積を形成する衝突スリーブと、この衝突スリーブ
に設けられた複数個の孔とを有し、複数個の孔の
各々はある面積を持ち、隣合つた孔はある間隔だ
け離れており、更に、流れの容積のタービン側の
端にある閉端と、流れの容積の燃焼器側の端にあ
る出口と、燃焼器を取囲む流れスリーブと、流れ
スリーブの端にあつて出口と重なり、その間に空
気力学的に収斂する形を形成する朝顔形入口部分
とを有し、空気力学的に収斂する形を通つて燃焼
器に向つて流れる空気の流れが、出口の圧力を高
圧室内の圧力より低く下げる様に作用することに
より、前記衝突スリーブの前後の圧力降下が、
各々の孔から渡りダクトに向つて差向けられる空
気の衝突ジエツトを作る様にし、前記距離、面積
及び間隔の内の少なくとも１つを衝突スリーブに
わたつて変えて、面の冷却作用を制御する。

この発明の別の特徴として、渡りダクトに壁が
固定されていて、この渡りダクトが衝突スリーブ
によつて囲まれており、前記壁が衝突スリーブの
開口を通り抜け、渡りダクトと衝突スリーブが加
圧空気の環境を保つ様に作用する高圧室内に配置
されている時、前記壁によつて形成された囲まれ
た面を冷却する衝突冷却装置が提供される。この
衝突冷却装置は、壁の中にあつて、囲まれた面か
らある距離だけ隔たる平面状の底を持つ衝突挿着
体と、平面状の底にある複数個の孔と、衝突挿着
体の前後に圧力降下を発生することによつて、
各々の孔が囲まれた面に差向けられる衝突ジエツ
トを発生する様にする手段とを有し、孔はある面
積を持ち、孔はある間隔だけ隔たつており、前記
囲まれた面が渡りダクトを通る少なくとも１つの
境膜冷却孔を持つていて、衝突挿着体と囲まれた
面の間から使用済み衝突冷却空気を排出し、前記
面積及び間隔を平面状の底にわたつて変えて、面
の冷却作用を調整する様になつている。

この発明の上記並びにその他の目的、特徴及び
利点は、以下図面について説明する所から明らか
になろう。図面全体にわたり、同様の部分には同
じ参照数字を用いている。

好ましい実施例の詳しい説明 第１図には、従来のガスタービン機関の一部分
１０が示されている。ガスタービン機関１０が複
数個の燃焼器１２を持つが、その１つだけが示さ
れている。これらの燃焼器はその縦軸線の周りに
一様に配置されている。１形式のガスタービン機
関１０では、10個の焼燃器１２が用いられる。燃
料及び１次燃焼空気が燃料ノズル１４を介して燃
焼器１２の中に噴射される。燃料及び空気が、火
花点火栓１６によつて点火され、燃焼器１２内で
燃焼する。高温の燃焼生成物及び加熱された過剰
空気が渡りダクト１８を介してタービン段２０の
入口端へ通過する。

燃焼器１２及び渡りダクト１８が高圧室２２内
に収まつている。圧縮空気がガスタービン機関１
０の圧縮機の出口２４から高圧室へ供給される。
圧縮機の出口２４からの圧縮空気が燃焼器１２の
面に沿つて流れ、そこでその面に設けられた普通
の孔（図に示してない）を介して燃焼器１２の内
部に入る。こうして燃焼器１２の内部に入つた空
気は、燃料ノズル１４より下流側の燃焼反応に入
るか、或いは冷却境膜として燃焼器１２の内面に
沿つて差向けることが出来る。燃焼器１２の流出
物の温度及び分布を制御するように、高温ガスを
希釈する為に、若干の圧縮空気が用いられること
がある。燃焼器１２を取囲んで流れスリーブ２６
を設けて、その壁に沿つた空気の流れを改善する
ことが出来る。

渡りダクト１８の外面は、圧縮機の出口２４か
ら燃焼器１２に向つて流れる圧縮空気の対流によ
つて冷却される。渡りダクト１８の半径方向内側
の面２８が、圧縮機の出口２４を出た後に方向を
変える時の圧縮空気の直接的な流れの中に配置さ
れている。特に、半径方向内側の面２８の内、渡
りダクト１８の燃焼器側の端３２に近い部分３０
は、十分過ぎる程冷却される。半径方向内側の面
２８の内、タービン側の端３６に近い部分３４は
それ程強く冷却されない。これと対照的に、渡り
ダクト１８の半径方向外側の面３８は、圧縮機の
出口２４からの圧縮空気の直接的な流れによつて
保護される。

半径方向外側の面３８の内、燃焼器側の端３２
に近い部分４０は、燃焼器１２に向う途中で渡り
ダクト１８の円周の周りを流れる圧縮空気によつ
て冷却される。この冷却は、半径方向内側の面２
８が受ける冷却効果よりもずつと弱い。半径方向
外側の面３８の内、タービン側の端３６に近い部
分４２は、その上を循環する圧縮空気が極く僅か
しかないので、冷却が最も弱い。この為、渡りダ
クト１８に対する冷却効果は、燃焼器側の端３２
からタービン側の端３６へと低下する傾向があ
る。更に、渡りダクト１８の中を流れる高温ガス
がこの領域で強く旋回することにより、部分４２
に対する冷却の問題が更に強まる。即ち、高温ガ
スからの非常に効果的な対流による熱伝達が部分
４２に対して作用する。この結果、部分４２が渡
りダクト１８の内の一番高温の部分になり、燃焼
器１２から送込むことが出来る高温ガスの温度に
対する実効的な限界となる。最高ガス温度を制限
する他に、渡りダクト１８に生ずる不平等な温度
が、厄介な熱膨張パターンを設定して、渡りダク
ト１８の早期の破損の原因になることがある。

渡りダクト１８に温度変化が許せる場合、上に
述べた温度パターンは所望のパターンとは正反対
である。即ち、渡りダクト１８のタービン側の端
３６に近い部分３４，４２は、燃焼器側の端３２
に近い部分３０，４０程頑丈ではなく、その為に
高温に耐える能力が一層小さい。この様に頑丈さ
が低下する少なくとも１つの理由は、後側支持体
４４を部分４２に接続している為である。部分３
０，４０の温度が大体等しく、部分３４，４２の
温度よりも実質的高く上昇することが出来る様に
するのが理想的ある。部分３４，４２の温度は大
体等しくすべきである。

この発明の衝突冷却方式を説明する前に、以下
の説明を理解する助けとして、簡単な説明をす
る。

第２図には、衝突冷却によつてその面を冷却し
ようとする板４６が示されている。板４６の面か
ら隔たる衝突板４８には複数個の孔５０，５２，
５４が開けてある。閉端５６が板４６と衝突板４
８を架橋して室５８を形成する。室５８の出口６
０が、孔５０，５２，５４から噴出された全ての
空気がそこから出て行かなければならない唯一の
開口である。

衝突板４８の前後の圧力降下が、孔５０，５
２，５４を通る空気ジエツトを発生する様に作用
することが理解されよう。閉端５６に一番近い孔
５０が、板４６に衝突する衝突ジエツトを形成す
る。板４６に衝突した後、孔５０からの空気は、
矢印６２で示す様に、出口６０に向つて流れなけ
ればならない。その流れを矢印６４で示した、孔
５２によつて形成された衝突ジエツトの空気は、
孔５０から噴射された空気によつて出来たクロス
フローを通り抜けなければならない。孔５０，５
２によつて室５８に噴射される空気の容積が同じ
であると仮定すれば、孔５０，５２からの合計の
空気流の空気の容積は、孔５０だけからの容積の
２倍である。その結果、孔５２より下流側の合計
の空気流は、孔５２に到着する矢印６２で示した
クロスフローの空気の２倍の容積及び２倍の速度
を持つている。この合計の容積を突抜けて、孔５
４がそのジエツトを板４６に噴射しなければなら
ない。孔５４より下流側の合計の空気は、孔５２
より上流側の空気の３倍の速度を持つている。下
流側に向う距離が増加するにつれて、クロスフロ
ーの速度が増加するので、衝突ジエツトが板４６
の面に達し、それを適切に冷却する能力が低下す
る。

次に第３Ａ図について説明すると、この図に示
す実施例は、冷却作用を調整して、渡りダクト１
８上の所望の温度パターンを発生することが出来
る様にする。渡りダクト１８を取囲んでいて、そ
れから隔たる衝突スリーブ６６が、その間に流れ
の容積６８を形成し、この容積は、タービン側の
端３６で実質的に密封されていて、燃焼器側の端
３２で開放している。衝突スリーブ６６に複数個
の孔７０を開けて、渡りダクト１８に衝突する複
数個の衝突ジエツトの照準を合せる。前に説明し
た様に、使用済み衝突空気は全て燃焼器側の端３
２にある出口７２に向つて流れなければならない
から、その質量流量は出口７２に向つて系統的に
増加せざるを得ない。

衝突ジエツトの前後の全体的な圧力降下、又は
高圧室２２内の圧力（圧縮機の吐出圧力）と流れ
の容積６８の出口７２の圧力の間の差を制限する
ことが重要である。例えば、この圧力降下を、圧
縮機吐出圧力の２％未満に制限することが望まし
いことがある。前に説明した様に、衝突スリーブ
６６の全体的な圧力降下は、孔７０の前後の圧力
降下の合計と、使用済み衝突空気を流れの容積６
８内でクロスフローの速度まで加速するのに必要
な圧力とによつて決まる。

周知の様に、密閉された流路を流れるガスの速
度は、流路の断面積に反比例する。流れの容積６
８の高さがタービン側の端３６から燃焼器側の端
３２に向つて増加することが認められよう。これ
は流れの容積６８の長さ全体にわたつて、その一
層小さい高さを継続した場合に得られる空気の速
度に比べて、出口７２の近くの空気流の速度を下
げる傾向を持つ。これは、クロスフローの質量流
量が小さいタービン側の端３６の近くに於ける流
れの容積６８の小さな高さを活用しながら、出口
７２の近くのクロスフローの速度を制限すること
が出来る様にする。

衝突スリーブ６６と渡りダクト１８の間の間隔
が一層大きい時、適切な冷却作用を行なうのに十
分な速度で、衝突ジエツトが渡りダクト１８に衝
突する為には、衝突ジエツトに一層大きな質量流
量が必要である。タービン側の端３６の近くより
も、出口７２の近くで、孔７０の面積を一層大き
くすることにより、衝突スリーブ６６の前後の圧
力降下を増加しなくても、質量流量を増加するこ
とが出来る。一層大きな孔７０の配列によつて発
生される合計の空気流密度は、孔７０の帯の間の
間隔を変えることにより、並びに１つの帯の中の
孔７０の間の間隔を変えることにより、一層小さ
な孔７０を持つ区域に於ける配列の合計空気流密
度より大きく、又はそれと等しく又はそれより小
さくすることが出来る。これらの全ての変数が第
３図に示されている。即ち、タービン側の端３６
に隣接した衝突スリーブ６６の周りの孔の第１の
帯にある孔７０は、出口７２に隣接した孔７０の
最後の帯にある孔よりも、間隔がずつと密であ
る。更に、タービン側の端３６にある孔の最初の
２つの帯の間の間隔は、出口７２に隣接した孔の
最後の２つの帯の間の間隔よりもずつと小さい。
孔と孔の間、及び帯と帯の間の間隔の系統的な変
化が中間点に見られる。

上に述べた変数の内の任意の１つによつて得ら
れる面の冷却作用の融通性は、特定の用途の条件
に合せて冷却作用を調整することが出来る様にす
る。変数を対にして又は全部一緒にして制御する
時、衝突スリーブ６６の前後の圧力降下を受入れ
ることが出来る位に低くして、渡りダクト１８の
衝突冷却の略完全な制御が達成される。

第３Ａ図について説明すると、流れスリーブ２
６ある孔７０′は、燃焼器の空気流の内、衝突ス
リーブ６６を通過しない部分が、燃焼を開始する
前に消費された衝突空気と組合さることが出来る
様にする。孔７０′の数、寸法及び分布は、所望
の空気流が得られ、衝突スリーブに対する所要の
全体的な圧力降下が発生される様に選ばれる。流
れスリーブ２６と衝突スリーブ６６の間の封じ７
３は、その接続部で空気流が入らない様にしなが
ら、その間のかなりの整合外れがあつてもよいよ
うにする。この様な空気が入ると、それらの間で
分割される空気流の不平衡が生ずる。孔７０′を
通る空気の流れが使用済み衝突空気流に対して垂
直であるから、この流れを新しいクロスフロー速
度まで加速するには、衝突空気流、孔７０′の
各々の列を通る空気流、及び流れスリーブ２６と
燃焼器１２の間の環状の流れの面積の和に基づい
て、余分の圧力降下が必要である。

第３Ｂ図に示すこの発明の別の実施例は、第３
Ａ図と非常に似ている。主な違いは、流れスリー
ブ２６と、衝突スリーブ６６の出口側の端３２及
び流れスリーブ２６の朝顔形入口部分７４の間の
接続部の形である。この接続部の拡大図が第４図
に示されており、出口７２が流れスリーブ２６の
朝顔形入口部分７４によつて取囲まれ、環状の流
れ通路７８を作つている。環状の流れ通路７８は
孔７０′（第３Ａ図）に代るものであり、衝突ス
リーブ６６に対して必要な全体的な圧力降下を発
生しながら、所要の空気流が通過することが出来
る様に計算された面積を持つている。高圧室２２
から環状の流れ通路７８の出口までの圧力降下
は、衝突スリーブ６６の全体的な圧力降下に等し
いから、環状の流れ通路７８から出て行く空気流
の速度は出口７２の速度よりかなり高い。これら
の２つの流れが流れスリーブ２６の中で収斂する
ので、衝突スリーブの流れに対して有利な運動量
の伝達が有り、こうして出口７２の近辺に低圧領
域を作り、こうして使用済み衝突冷却空気を流れ
の容積６８から掃気する様に作用する。この掃気
作用の正味の効果として、高圧室２２と流れスリ
ーブ２６の内部と間の全体的な圧力降下が、衝突
スリーブ６６の同じ全体的な圧力降下に対し、第
３Ａ図に示した実施例に比べて減少する。この実
施例は、普通の又は高級なヘビー・デユーテイ・
ガスタービン機関の場合がそうであるが、並列に
運転される10個又は更に多くの燃焼器の間で、一
貫性を持つて流れを分割すると共に圧力降下の性
能が得られる様にする為に、環状の流れ通路７８
の寸法を精密に制御することを必要とする。

次に第５図について説明すると、後側支持体４
４が全体的に円形の壁８０を持ち、その略全周が
渡りダクト１８に溶接されていて、衝突スリーブ
６６に設けられた円形開口８２を通り、こうして
その上側の端では高圧室２２に開放しているが、
その下側の端では実質的に閉じた椀形盲容積８４
を形成する。後側支持体４４の構造並びに作用に
ついて更に詳しいことは、米国特許第4422288号
に記載されている。この断面図では、渡りダクト
１８が椀形容積８４に向つて外向きに弯曲してい
る。渡りダクト１８の内、円形の壁８０の中に囲
まれた部分を冷却する、以下説明する様な方法
は、熱負荷、距離及び空気クロスフローの容積の
差がその範囲内で全て起こる様な面の衝突冷却を
調整する能力及び融通性の優れた例となる。

上向きの壁９０及び平面状の底９２を持つ衝突
挿着体８６が椀形容積８４の中にびつたりとはめ
られていて、平面状の底９２が渡りダクト１８の
面から隔たつている。上向きの壁９０は、円形壁
８０の内面に取付ける為に、その上端にフランジ
９４を持つことが好ましい。フランジ９４は、例
えば溶接を用いて、円形壁８０に取付けることが
好ましい。上向きの壁９０と円形壁８０の間の環
状空間９６が、挿着体８６及び壁９０がフランジ
９４で結合される前に、同じ温度に達し、こうし
てこの継目に於ける熱応力を最小限に抑えること
が出来る様にする。平面状の底９０に設けられた
複数個の孔９８が、高圧室２２内の加圧空気が、
円形壁８０内にある渡りダクト１８の囲まれた面
１００を冷却する為の衝突ジエツトを形成するこ
とが出来る様にする。

囲まれた面１００が円形壁８０によつて取囲ま
れているから、使用済み衝突空気は、挿着体８６
及び囲まれた面１００の間の空間から、これまで
説明した衝突冷却方式で使われたのとは異なる形
で放出しなければならない。囲まれた面１００を
冷却するのに必要な冷却空気量の全体の空気供給
量に対する割合は無視し得る。従つて、使用済み
衝突空気を境膜冷却孔１０２を介して渡りダクト
１８の内部に逃がしても、空気流の利用効率を目
立つて低下させることはない。

次に第６図及び第７図について説明すると、
（第７図で平面状の底９２の下にある境膜冷却孔
１０２が点線で示されている）境膜冷却孔１０２
が互い違いの２列１０４，１０６に分けて配置さ
れていて、渡りダクト１８内のガス流に対し、平
面状の底９２の上流側の縁の近くに配置されてい
る。第６図に一番よく示されている様に、境膜冷
却孔１０２はガス流の方向に傾斜しており、こう
してそれを通過する空気によつて、渡りダクト１
８の内面の境膜冷却が促進される様にしている。
この様な境膜冷却は、境膜冷却孔１０２の下流側
の局部的な熱負荷を著しく変更する。更に、境膜
冷却孔１０２の場所が平面状の底９２のガス流に
対して上流側の縁の近くにあることは、孔９８に
入る全部の衝突冷却空気が列１０４，１０６に向
つて流れなければならないことにより、こうして
前に説明した様に、列１０４及び１０６に一層近
い空気ジエツトによる衝突冷却を妨げる惧れのあ
る強いクロスフローを発生する。囲まれた面１０
０の衝突冷却を行なう上での別の問題は、第５図
及び第６図の直交断面図に於ける囲まれた面１０
０内での渡りダクト１８の形の比較から判る。即
ち、第５図の断面図の囲まれた面１００は、その
周縁よりも中心で平面状の底９２に一層近いが、
第６図の縦断面図ではその反対である。この為、
囲まれた面１００の冷却作用の調整を複雑化する
３つの変数全部が存在する。即ち、囲まれた面１
００に対する局部的な熱負荷が境膜冷却によつて
修正され、衝突ジエツトの効果が空気のクロスフ
ローの影響を受けると共に、囲まれた面１００の
面に衝突する前に、ジエツトが通過しなければな
らない距離が変化することによつて更に影響を受
ける。

次に第７図について更に具体的に説明する。孔
９８が９列１０８乃至１２４に分けて配置されて
おり、各々の列がガス流路に対して横方向に整合
している。列１１４，１１６，１１８の夫々の中
心に近い３つの孔９８は、直径が比較的小さい。
この様に小さくしたのは、２つの因子、即ち囲
まれた面１００のこの領域が境膜冷却孔１０２に
よつて強く境膜冷却を受けること、並びに第５
図に示した列１１６の横断面図から判る様に、平
面状の底９２及び囲まれた面１００が比較的接近
しているによるものである。列１１４，１１６，
１１８の外側の３つの孔９８は、衝突ジエツトを
噴射しなければならない距離が増加すること（第
５図参照）に応答して、次第に大きくなつてい
る。

列１０８及び１２４が中間の寸法及び一番接近
した間隔の孔９８を待つている。これは、こうい
う場所では平面状の底９２と囲まれた面１００の
間の距離が短いこと（第６図参照）と、囲まれた
面１００に冷却空気を投射する妨げとなるクロス
フローを発生する様な上流側の衝突ジエツトがな
いことの組合せによるものである。列１００及び
１２２が、上流側の衝突ジエツトからのクロスフ
ローが存在すること並びに距離が増加すること
（第６図参照）を補償する為に、寸法が一層大き
く、且つ間隔が一層広い孔９８を持つている。

以上の説明から、この発明が、熱負荷、距離及
び空気のクロスフローと云う３つの変数が、関心
がある区域にわたつて独立の場で存在する様な区
域にわたり、衝突ジエツト冷却によつて行なわれ
る冷却作用を調整し得ることは明らかである。渡
りダクト１８の表面区域が衝突スリーブ６６を用
いて冷却される様なこの発明の実施例では、渡り
ダクト１８と衝突スリーブ６６の間の距離をわざ
と大きくし、孔７０の直径を大きくすることによ
つて、この距離の増加を埋合せることにより、空
気のクロスフローの速度が制御される。直径の大
きい孔７０の間隔を大きくして、空気質量流量密
度を制御する。後側の支持体４４内の囲まれた面
１００を冷却するこの発明の実施例では、一般的
に距離は渡りダクト１８の設計によつて決まる。
変化する距離に対処する為、孔９８の直径及び間
隔を適当に制御する。更に、使用済み衝突空気を
処分する問題が、使用済み衝突空気を境膜冷却に
用いること、並びに囲まれた面１００にわたる熱
負荷の変動を補償する様に、孔９８の直径及び間
隔を更に修正することによつて解決される。

図面についてこの発明の好ましい実施例を説明
したが、この発明がこういう実施例そのものに制
限されないこと、並びに特許請求の範囲によつて
定められたこの発明の範囲内で当業者であればこ
の実施例に種々の変更を加えることが出来ること
を承知されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の冷却を用いた燃焼器及び渡りダ
クトの一部分を断面で示した略図、第２図は衝突
ジエツトの性能に対する空気のクロスフローの影
響を説明する為の、冷却しようとする板及び衝突
板の断面図、第３Ａ図はこの発明の１実施例によ
る衝突冷却を用いた燃焼器及び渡りダクトの一部
分を断面で示した略図、第３Ｂ図はこの発明別の
実施例による衝突冷却を用いた燃焼器及び渡りダ
クトの一部分を断面で示した略図、第４図は第３
図の流れの容積の出口部分の拡大図、第５図は第
３図の線−で切つた横断面図、第６図は第５
図の線−で切つた横断面図、第７図は第６図
の線−で切つた横断面図である。 主な符号の説明、１８…渡りダクト、２６…流
れスリーブ、６６…衝突板、７０…孔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧縮空気供給源に接続されたタービンケーシ
   ングを有し、前記タービンケーシング内に複数の
   燃焼器、高温ガスをタービン段に送る複数の渡り
   ダクトを有するガスタービンにおける衝突冷却さ
   れる渡りダクトであつて、前記渡りダクトがそれ
   ぞれの渡りダクトの周囲を囲み略同一の範囲にわ
   たつて広がつている衝突スリーブを有し、かつ燃
   焼器側の端、タービン側の端、および前記衝突ス
   リーブと前記渡りダクトの間の前記タービン側の
   端で閉端を有し、前記衝突スリーブに複数の孔が
   形成され、前記孔の間の距離が、前記タービン側
   の端から前記燃焼器側の端に向つて増加するよう
   に前記孔の間隔があけられていることを特徴とす
   る渡りダクト。 ２ 特許請求の範囲１記載の渡りダクトであつ
   て、衝突スリーブの渡りダクトからの半径方向距
   離がその軸方向長さに沿つて変化するように間隔
   があけられ、その半径方向距離は、タービン側の
   端よりも燃焼器側の端で大きいことを特徴とする
   渡りダクト。 ３ 特許請求の範囲１記載の渡りダクトであつ
   て、渡りダクトの燃焼器側の端に出口があり、各
   燃焼器を囲み略同一の範囲にわたつて広がつてい
   る流れスリーブが出口に重なる朝顔形入口部を有
   し、環状の流れ通路を限定することを特徴とす
   る、渡りダクト。 ４ 特許請求の範囲３記載の渡りダクトであつ
   て、流れスリーブと衝突スリーブの間の環状の封
   じと、流れスリーブに形成された複数の孔を特徴
   とする、渡りダクト。 ５ 特許請求の範囲１記載の渡りダクトであつ
   て、連続壁を渡りダクトに取り付けた後側支持体
   を有していて、壁部分と、後側支持体内にぴつた
   りとはめられ、渡りダクトの面からある距離だけ
   隔たつている平面状の底とを有する衝突挿着体、
   平面状の底に形成され、衝突空気を渡りダクトの
   面に差向ける複数の孔、渡りダクトの複数の境膜
   冷却孔を特徴とする、渡りダクト。 ６ 特許請求の範囲５記載の渡りダクトであつ
   て、平面状の底の孔の面積および間隔が、平面状
   の底と渡りダクトの面の間の距離に従つて変る、
   渡りダクト。