JPS63135719A - 燃焼器 - 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、ガスタービン及びボイラバーナ等の高負荷燃
焼設備の燃焼器の壁面冷却に係り、冷却効果を大にする
技術分野で利用される。

従来の技術 第１２ａＳ１２ｂ図に従来の典型的なガスタービン燃焼
器の型式を示す。

第１２ａ図はキャニュラー型燃焼器、第１２ｂ図はア二
１→−ｙＩ！Ｊ！ＩＩ＆檀興木千十−これらは、ともに
産業用ガスタービン、航空機用ガスタービンに多用され
ている。第１２ａ図のキャニュラー型燃焼器は、複数個
のキャン型（缶型）燃焼器が円周上に配列されたもので
、燃焼器８８１個に、燃料ノズルＡＡ１個が対応してい
る。一方、第１２ｂ図のアニユラ−型燃焼器は、１個の
燃焼器ＢＢに複数個のノズルＡＡが取り付けられている
。

第１３ａ、　１３ｂ図と第１４ａ、　１４ｂ図に代表的
な壁面冷却方式を示す。

燃料ノズルＡＡを上流として、上流側壁面２ａと下流側
壁面１ａの間に波板（コルゲート）３ａを設けた場合を
第１３ａ、　１３ｂ図に示す。下流側壁１ａ。

上流側壁面２ａの各壁面は波板３ａとスポット溶接部５
で接合され、数個の壁面が燃焼器を構成する。

波板３ａの隙間を流入する冷却空気Ａは壁面１ａ１２ａ
の間にフィルム冷却域ａを形成して壁面冷却を行う。

第１４ａ、　１４ｂ図は壁面１ａと２ａをシーム溶接６
にて結合し、燃焼器を構成する。冷却空気孔４ａから流
入する冷却空気Ａは第１２ａ、１２ｂ図と同様、フィル
ム冷却域ａを形成する。

発明が解決しようとする問題点 従来技術の特徴と問題点は次のとおりである。

ａ）壁面の接続部で冷却空気を導入するため、後流はど
壁面径が大きくなり、形状設計の制約となる。

ｂ）冷却はフィルム冷却が主体のため、冷却域ａより下
流は燃焼ガスＸが冷却空気Ａと混合し、壁温度を上昇さ
せる。つまり、冷却域ａが限定されるとともに冷却強化
（フィルム冷却以外の適用）が難しい。

は熱応力が発生し、振動等が生じると亀裂の始点となり
易い。

ｄ）冷却媒体は、ガスタービンの圧縮機出口空気を使用
しており、構造士別の媒体（水蒸気等）が使えない。

ｅ）冷却はフィルム冷却が主体であるため、燃焼用空気
を１〜２割減らせて冷却にあてている。

さらに、高温の高負荷燃焼器とするには、冷却空気の割
合を増加する必要があり、その分燃焼制御用空気を消費
する訳で、燃焼器設計の自由度が制限される。

問題点を解決するための手段 本発明は、上述の問題点を解決するために、次のような
手段を採っている。

すなわち、燃焼器の内壁・外壁は熱伸び強度を有する波
板とし、壁面は該内壁と外壁とより成る二重もしくは三
重の多重構造とし、上記外壁は冷却媒体を適切に内壁へ
導くための形状・構造とし、かつ、内壁の冷却は各種冷
却法を適用し、フィルム冷却も適宜用いることにした燃
焼器とする。

作用 上述の手段によれば、次のような働きをする。

ａ）内壁・外壁を組み合わせて一つの構造体を形成した
ので、内壁は高温、外壁は低温のｆ二め、熱伸び差の吸
収が必要となるが、内・外壁の一方又は両方を波板とす
ることによって解決する。

ｂ）外壁に設ける冷却孔は、衝突冷却と壁面を沿う流れ
による強制対流熱伝達による冷却を狙って設け、内壁を
冷却する。ただし、必要に応じて内壁にも、冷却孔を設
けてフィルム冷却の効果を持たせるものとする。上記ａ
）の波形は冷却空気流を整流する効果を持ち、冷却効果
を高めることが出来る。

Ｃ）冷却媒体を回収する必要のある場合は、最外壁と外
壁で媒体空間を確保し、外壁から流出する媒体で内壁を
冷却する（三重構造）。本発明では、冷却媒体を燃焼器
内へ流出させず（内壁〜外壁）空間から回収可能のため
、媒体の選択を自由に行える。

ｄ）フィルム冷却媒体を内壁から燃焼器内へ流入させる
場合は、燃焼器内ガスとの混合を避けるために、スリー
ブを内側に付与して気流を整える。この技術は燃焼器内
に流入可能な媒体（空気、蒸気等）に利用可能である。

実施例 次に、本発明思想に基づ〈実施例を第１ａ、ｌｂ。

１−ＩＪｌ、−ｔｒｒｔＪｌｔ−二１％二十−ｋ・プａ
）内壁７と外壁８の構成（二重構造）を基本とするが、
空気以外の冷却媒体Ｂを用いるときは、最外壁９を設け
、三重構造とする。第１ａ図〜第１ｅ図に共通して最外
壁９を付加できるが、代表として第１ｅ図に最外壁９を
加えた例を第１ｒ図に示す。冷却媒体Ｂは外壁８〜最外
壁９間で供給し、内壁７〜外壁８間で排出する。

ｂ）冷却孔４は外壁８にのみ設け、冷却空気Ａもしくは
冷却媒体Ｂによって内壁７を冷却する。

Ｃ）冷却空気Ａは第７図のようなフィルム冷却孔１４を
内壁７に明けること等により、燃焼器内へ流入させる。

このフィルム冷却は第１ａ図、第１ｅ図のように内壁７
が波板の場合、滞留域（第７図のフィルム冷却域ａ）が
確保されるため冷却効果が大きい。

ｄ）内・外壁７．８の両方、もしくは一方は熱伸び差を
吸収できるように波形としている。一方、この波形形状
は、次の（ア）、（イ）両頂の流体力学的に優れた特性
を持つ、 （ア）内・外壁の隙間を衝突冷却に必要な値Ｑに調整で
きる。

（イ）流路を仕切ることによって流れを整えることがで
きる。第１ａ図の場合、内壁７の凸部７Ａで流れを仕切
り、凹部７Ｂで流れを保持でき、単純平板の場合よりは
安定した気流が得られる。また、第１ｂ図の場合、外壁
８の凹部８Ｂは流れを保持でき、流入流体（Ａ。

Ｂ）の方向性を安定にすることができる。

次表１に従来技術と対比して第１ａ図〜第１ｅ図に示し
た例の特徴を整理して示す。

上表の通り、第１ｅ図の例か最良の特徴を備えているが
、その他のいずれを用いても従来技術よりも良好な性能
が得られる。

（ア）フィルム冷却・・全ケース可能であるが、第１ａ
図、第１ｅ図のように内壁７が凹部を有する方が効果が
大きい。

（イ）衝突冷却・・冷却孔４の真下にフィン１ｏを配し
た第１ｃ図以外のケース全てに衝突冷却を適用。

（つ）強制対流冷却・・従来技術ではフィルム冷却域以
外の壁面が、周囲から近づく空気によって若干対流冷却
されるが、気流が乱れているため十分な冷却が期待でき
ない。本発明の二重壁構造によって強制対流冷却のきめ
細かい計画が行える。

（１）フィン冷却・・強制対流冷却を更に効率良く行う
ため第１ｃ図、第１ｄ図では、フィン冷却を採用してい
る。第１ｃ図では、冷却孔４の真下に設けたフィン部が
特に冷却効果が大きい。

（才）壁温度分布差・・従来技術（第１３ａ、１３ｂ図
及び第１４ａ図、第１４ｂ図）ではフィルム冷却域ａの
後流は燃焼器内ガス流れＸとの混合が激しく、ガス温度
Ｔｃに近い壁温度となる（第１４ａ。

１４ｂ図）。フィルム冷却域との温度分布差は（Ｔｃｔ
）で最大である。

本発明では、第１ａ図＝第１ｂ図〉第１ａ図〉第１ｃ図
〉第１ｅ図の順位で壁温度分布差が小さくなる。第１ｅ
図のケースが最も熱応力が小さくて良好である。

（力）壁量大温度・・前記のとおり、従来技術が最も高
温度を示す。

本発明では、第１ａ図＝第ｔｂ図〉第１ｃ図〉第１ｄ図
〉第１ｅ図の順位で壁温度が小さくなる。第１ｅ図のケ
ースが最も熱応力耐力が大きく良好である。第７図のよ
うにフィルム空気冷却を併用すると最も熱応力の高い曲
げ部を低温にでき、さらに熱応力耐力を高めることがで
きる。

（キ）熱応力吸収・・内壁７を波板とする第１ａ図、第
１ｅ図のケースが熱応力吸収性に優れている。

他のケースでは、外壁８を波板として熱伸びの拘束を緩
和しているので、従来技術よりは熱応力吸収が良好であ
る。

（り）一般媒体使用・・本発明では、「三重壁の採用」
、「フィルム冷却の非使用」の条件において、全て空気
以外の一般の冷却媒体が使用できる。

第２図より第７図に第１ａ図〜第１ｅ図のケースの内壁
温度分布を示す（但し、第７図は第６図の例にフィルム
冷却付与の場合）。

内壁の冷却内容を、 １１・・衝突冷却、 １２・・強制対流冷却 １３・・フィン冷却 １４・・フィルム冷却 で区分して示しており、冷却効果の大小は、１４＞　１
１＞　１３＞　１２ となる（フィルム冷却は冷却媒体と高温の燃焼ガスとの
混合を避けうる場合にのみ活用できる）。

内壁温度Ｔは冷却の度合によって、燃焼ガス温度Ｔ。〜
冷却媒体温度ｔの間の温度に調整される。

衝突冷却１１は最も伝熱境界層が薄いため、内壁７から
の冷却伝熱量が最大となる。

強制対流冷却１２は、伝熱境界層が厚くなり、上記衝突
冷却１１よりも冷却伝熱量が小さい。この欠点を補うた
めフィン冷却１３を用いるが、これは内壁７への入熱（
伝熱Ａｒｅａ）に対して放熱Ａｒｅａを多くとれる分だ
け冷却効果が強制対流冷却１２より改善される。フィル
ム冷却１４は空気層（媒体層）ａが高温の燃焼ガスＸｘ
を遮断するために冷却効果を持つもので、第７図の波板
凸部７Ａに安定してフィルム冷却域ａを保持できるとき
に最も効果が大きい。

第７図の例では、波板の直線部分で最も熱応力の小さい
所にフィルム冷却孔１４ｂを明けている。

これにより、熱応力の集中する凸部７Ａを減温でき、熱
応力耐力が向上する。

第６図および第７図の実施例で、凸部７Ａに燃焼ガスＸ
ｘが侵入して不都合な場合、ならびに第７図のフィルム
冷却媒体を安定して保持する場合は、第１１ａ、　ｕｂ
、　ｌｌｃ図のように、スリーブ部１６を設けることが
荷動である。シーム溶接部６は冷却の良好な箇所を選ぶ
、第１１ａ図はエレメント接合、第１１ｂ図、第１１ｃ
図は波板へのスリーブ接合の場合を示す。

次に、燃焼器加工法につき、第８８．８ｂ、８ａ図に燃
焼器構成を示して述べる。

波板の溝を燃焼器内ガス流れＸに対して平行（第８ａ図
）、垂直（第８ｂ図）、傾斜（第８Ｃ図）のいずれかに
するかは、加工のし易さ、冷却効果を総合的に判断して
決定する。

燃焼器組立方法の一例を次の表２と第９ａ、９ｂ。

９ａ図に示すが、板金加工技術の応用であるので、組立
方法はこれらに限定されず多数存在する。

表　２　　　燃焼器組立方法 第９ａ図　・・内・外壁ともにプレス成形し筒形とした
のちシーム溶接する。組立ては互いに軸方向スライドさ
せ、位置決めを行う。

第９ｂ図　・・内壁は第９ａ図と同じ加工とする。

外壁は上半８−１１下半８−２別々にプレス成形し、内
壁に被せて位置決めしたのち２箇所をシーム溶接する。

又は第９ａ図と同様、外壁溶接部を一箇所とし、スプリ
ングバックを利用して内壁の上へ位置決めの後、シーム
溶接する。

第９Ｃ図　・・内・外壁ともプレス成形し、溝に沿った
傾斜溶接線１５でシーム溶接する。組み立てはねじ様に
回転させながら軸方向にスライドさせ位置決めを行う。

次に、第９ａ図、第９ｂ図、第９Ｃ図に共通の組立方法
例を挙げておく。

内壁は上記の方法で製作し、外壁は水平二分割のフラン
ジを付け、ボルト締結とすれば、波板形状に無関係に共
通の組み立て方法で出来る。

第１１ａ、ｌｌｂ、　ｌｌｃ図のように、スリーブ部１
６を付与する時は、第１１ａ図で内筒７はエレメントで
作り、シーム溶接６で接合する。エレメントの後縁がス
リーブを構成する。

第１１ｂ１１ｉｅ図で、波板の内側にスリーブ１６をシ
ーム溶接６で接合する。

次に、波板断面形状について述べる。

波板の断面形状は、あらゆる形態を本発明の特徴である
請求の範囲に包含されるものとする。

第１０ａ、１０ｂ、　１０ｃ、　ｌＯｄ図に断面形状の
例を示す。

１０ｂ図で不均等／左右対称、α′〉α、第１０ｃ図で
不均等／左右不対称、　ト９０’　、第１０ｄ図で不均
等／左右対称、βｚ９０°である。

本発明は、 ａ）冷却効果 ｂ）寸法精度（耐変形） Ｃ）剛　性　（耐振動） 等の向上を狙って各種のものが考えられ、本発明の思想
を逸脱しないで、幾多の変化、変例のあることは勿論で
ある。

発明の効果 本発明を採用すると、次のような効果を発揮する。

ａ）壁面を内壁と外壁より成る二重構造とすることによ
り、内壁を衝突冷却／強制対流冷却／フィン冷却するこ
とが可能となる。フィルム冷却は必ずしも必要でなく、
三重構造の壁構成にて空気以外の冷却媒体が使用できる
。さらに、冷却を行う場合は、内壁に孔を明け、フィル
ム冷却を付与することが出来る。

ｂ）内・外壁の一方又は両方を波形とすることで、熱伸
び差によって生ずる熱応力を軽減できる。

Ｃ）外壁は冷却媒体を適切に内壁に導くための形状・構
造を有する。波板形状は「衝突冷却他の流体効果に必要
な位置決めを容易にする」ほか「流路を仕切ることによ
って流れの方向性を安定にする」ことに有効である。

ｄ）波形形状は説明の便宜上丸味を持たせて表現してい
るが、あらゆる形状・寸法のものを総て含むものとする
。

波板は溝に沿った方向での剛性が高いため、（ア）使用
中の変形が少なく寸法精度が保たれる。

（イ）振動等での変形モードが少なく、共振しにくい構
造にできる等の優れた構造特性を有する。

ｅ）フィルム冷却媒体を用いるときは、内壁波板の凹部
（燃焼器内）に保持されるが、スリーブを付与すること
により、更に安定を図る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例で、第１ａ図は第１例の断面図
、第１ｂ図は第２例の断面図、第１ｃ図は第３例の断面
図、第１ｄ図は第４例の断面図、第１ｅ図は第５例の断
面図、第１ｆ図は第６例の断面図、第２図は第１ａ図の
例の温度分布図、第３図は第ｔｂ図の例の温度分布図、
第４図は第１ｃ図の例の温度分布図、第５図は第１ｄ図
の例の温度分布図、第６図は第１ｅ図の例の温度分布図
、第７図は第１ｅ図の例にフィルム冷却を付与した例の
温度分布図、第８ａ図は燃焼器構成で、波板溝がガス流
れに対して平行の場合の斜視図、第８ｂ図は垂直の例の
斜視図、第８ｃ図は傾斜の例の斜視図、第９ａ図、第９
ｂ図、第９ｃ図は燃焼器組立の各側を示す斜視図、第１
Ｑａ図、第１０ｂ図、第１０ｃ図、第１０ｄ図は波板断
面形状の各側を示す略断面図、第Ｌｌａ図、第１１ｂ図
、第１ｉｅ図はフィルム冷却媒体の安定対策を示す各側
の断面図、第１２ａ図、第１２ｂ図はガスタービン燃焼
器の型式を示す略斜視図、第１３ａ図は従来の燃焼器壁
面冷却方式を示す一部斜視図、第１３ｂ図は第１３ａ図
のｘｎｒｂ−ｘｍｂ断面図、第１４ａ図は従来の冷却孔
による従来の冷却法を示す一部斜視図、第１４ｂ図は第
１４ａ図ノＸ　ＩＮ’　ｂ　−Ｘ　ＩＶ　ｂ断面図であ
る。 ４・・冷却孔、７・・内壁、７Ａ・・凸部、７Ｂ。 ８Ｂ・・凹部、８・・外壁、９・・最外壁、１０・・フ
ィン、１１・・衝突冷却、１２・・強制対流冷却、１３
・・フィン冷却、１４・・フィルム冷却、１４ｂ　・・
フィルム冷却孔、Ａ・・冷却空気、Ｂ・・冷却媒体、ａ
・・フィルム冷却域、１５・・溶接線、１６・・スリー
ブ部。　　　　　　　　　　　　１．−１、復代理人　
木　村　　正　巳　、１ 、ノ （ほか１名） 第５図 第１ａ図 第１ｃ図 第１０図 第１ｂ図 早１ｄ図 第１ｆ図 第Ｂａ図　　　　第８ｂ図 第６Ｃ図 第９α図 第９０図 第ｊｏａ図 第１０ｃ図 第１０ｄ図 第１１α図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 燃焼器の内壁・外壁は熱伸び強度を有する波板とし、壁
   面は該内壁と外壁とより成る二重もしくは三重の多重構
   造とし、上記外壁は冷却媒体を適切に内壁へ導くための
   形状・構造とし、かつ、内壁の冷却は各種冷却法を適用
   し、フィルム冷却も適宜用いることにした燃焼器。