JPS6315011A - ガスタ−ビンの冷却壁構造 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、ガスタービンエンジンの燃焼器設備に設ける
冷却壁構造に係り、特に空気による強制対流冷却と膜冷
却とを効果的に組み合せたガスタービンの冷却壁構造に
関する。

（従来の技術） ガスタービンエンジンは、外から取り入れた空気を内蔵
する圧縮機によって圧縮し、その圧縮空気と霧化した液
体燃料とを十分混合して燃焼器で燃焼させ、その燃焼ガ
スでタービンを駆動するものである。燃焼器内の燃焼ガ
ス温度は局所的に２０００℃以上に達するため、燃焼ガ
スと接触する燃焼器、トランジションピース、タービン
などの部材の高温疲労を防止づ゛る目的で冷却対策が必
要とされている。

しかし、燃焼器内面に冷却用空気を送入して器壁を冷却
する従来の膜冷却方式の場合は冷却に要する空気用が多
く、公害防止の見地から好ましくない。例えば、タービ
ン入口温度が約１１００℃に設定された燃焼器において
は、上記の冷却空気岱は圧縮機の全吐出空気量の約３０
％にも達し、その空気が高温で酸化されて窒素酸化物と
なり、燃焼ガスとともに排出される。

ところが、近年、公害対策の見地から燃焼ガス中に含ま
れる有害な窒素酸化物（Ｎｏ、）を低減する対策として
、燃料の希薄燃焼法が採用されつつある。この方法は、
過剰空気比の低減化を図り、最少世の空気によって完全
燃焼および効果的な冷却を図ることによって窒素酸化物
を低減するものである。

一方、ガスタービンエンジンの効率を向上するために、
今後、タービン入口温度は従来のものより大きく設定す
る傾向で開発が進められている。

この技術動向に対応して燃焼器設備の冷却構造において
も、より少ない空気Ｈによって効果的な冷却機能を発揮
するものが試行されていた。

その効果的な冷却壁構造を与えるものとして、従来第５
図および第６図に示すように空気噴流による強制対流冷
却と膜冷却を組み合せた冷却壁構造が実用化されている
。

すなわち、ガスタービンエンジンにおいて、高温燃焼ガ
スを生成する燃焼器および燃焼ガスをタービン翼に誘導
するトランジションピースを形成する壁体を二重にして
冷却壁１を形成している。

冷却壁１は燃焼ガス２の流路を内側に形成する円筒型の
内壁３と外壁５とから二重筒構造に構成され、内壁３お
よび外壁５の間の環状空間４には熱伝導性が優れたイン
サート金具６が介装される。

外壁５表面には、所定間隔をおいて冷却空気流入孔７が
多数穿設されている。

一方、内壁３には冷却空気流入孔８が設けられれ、環状
空間４に流入した冷却空気は冷却空気流入孔８を通り、
燃焼ガス２側へ流入する。この冷却空気流入孔８は第６
図の斜視図に示すように、外壁５に穿設した冷却空気流
入孔７およびインサート金具６の中心軸から外れた位置
に穿設されている。

さらに、燃焼ガス２と接触する内壁３の内周面側には熱
遮蔽コーティング１３が全面に施されており、この熱遮
蔽コーティング１３によって、燃焼ガス２の高温度を遮
断している。

上記構成の従来の冷却壁構造において、外壁５の外周面
側には圧縮機で圧縮された吐出空気９が流れており、燃
焼ガス２からの放射熱およびインサート金具６を介して
伝わった伝導熱を吸収し冷却している。一方、圧縮機か
らの吐出空気９の一部は、冷却空気１０として冷却空気
流入孔７を通り、内壁３および外壁５で形成される環状
空間４に流入する。

ここで、内壁に設けた冷却空気流入孔８の開口面積は、
外壁に設けた冷却空気流入孔７の開孔面積に比べ十分大
きく、また燃焼器の圧力損失に相当する圧力差が外壁５
の表裏において発生するため、冷却空気１０は毎秒数十
メートルから百メートル程度の線速度を有する高速噴流
１１となって環状空間４に流入する。この高速噴流１１
は対向する内壁３面に衝突し、このとき燃焼ガスによっ
て高温状態に加熱された内壁３を強制対流により冷却す
る。内壁３面に衝突した高速噴流１１は、第６図で矢印
示すように内壁面に衝突し六方に分散した後に、インサ
ート金具６を冷却しながら環状空間４を下流側に流れ、
続いて冷却空気流入孔８を通り、スペント流１２として
燃焼ガス２中に流入する。このスペント流１２は燃焼器
またはトランジションピースである内壁面に沿って下流
側に流れ、同時に内周壁面の膜冷却を行なう。

一方、内壁３の燃焼ガス側の内周壁面に施工された熱遮
蔽コーティング１３は燃焼ガス２の高熱を遮蔽し、内壁
３を保護する機能を有する。また、熱の良導体で形成さ
れ、環状空間４に介装されたインサート金具６は内壁３
の高熱を外壁５方向に伝達する媒体として機能する。

（発明が解決しようとする問題点） 上記構成の通り、内外壁をインサート金具６０両端面で
接合して二重壁構造とした従来の冷却壁構造においては
温度による壁面の変位に対して弱く、また二重壁自体の
加工製作に多大な工数を要する欠点があった。

すなわち、燃焼温度が１１００℃程度の燃焼器の場合、
内壁と外壁との平均的な温度差は２００℃以上にも達す
る。このとき内外壁の熱膨張量の差異によって内外壁と
インサート金具との接合部に過大な応力が集中して作用
する。このとき、内壁に変形じわ、または尖角端を生じ
る場合がある。

そのため、内壁３の内周面側に施工した熱遮蔽コーティ
ング１３が上記変形等によって剥１Ｉｆｉ脱落し、その
結果、断熱様能を喪失して燃焼器設備の寿命を短縮する
問題点があった。

また、従来の冷却構造を形成するには、内外壁用の部材
の他にインサート金具の調製が必要とされ、加工費およ
び材料費が増加していた。また、インサー金具を介して
二重壁を形成する作業は、壁体の加工、インサート金具
の調製、接合など多くの工程を要し、多大な加工工数を
要する欠点もあった。

本発明は以上の問題点を解決するために発案されたもの
であり、温度差によって生じる変位を無理なく吸収でき
る機構を有し、熱遮蔽コーティングが剥離するおそれが
少なく、また冷却壁の製作が容易で安価なガスタービン
の冷却壁構造を提供することを目的とする。

〔発明の溝底〕

（問題点を解決するための手段） 本発明に係るガスタービンの冷却壁構造は、冷却空気流
入孔を多数穿設した外壁と、外壁から所定空間をおいて
配設された内壁とで形成された　゛二重壁構造を有し、
内壁から外壁に向って凸状に曲率が連続的に変化する曲
面を有する曲面状突起を所定間隔をおいて内壁と一体形
成し、前記曲面状突起の頂部において外壁と接合し、さ
らに各曲面状突起の側壁面に冷却空気流入孔を設けたこ
とを要旨とする。

（作用） 上記構成の冷却壁構造を有するガスタービンの運転時に
おいて、内壁および外壁間の調度差によって大きな熱変
形や変位が生じても、その変位等は、内壁と一体形成さ
れた曲面状突起によって無理なく吸収されるので、変位
等に伴う過大な応力が内壁部材に作用することはない。

また、内壁に変位または熱変形が生じても熱遮蔽コーテ
ィングへの影響が抑止できる。すなわち、熱変形が生じ
た場合、曲面状突起部分が伸縮して、変位を自動的に吸
収する一方、その熱変形を吸収する前後にわたる曲面状
突起の形態は、その曲面の曲率が連続的に変位するのみ
であり、従来のように内壁に細かい変形じわや尖角部を
形成しないために熱遮蔽コーティングを剥離するおそれ
が少ない。

また、本構成の場合は、予め内壁に一体形成された曲面
状突起の頂部において、内壁と外壁を接合するのみで、
空間部を有する二重壁の冷却壁が形成されるので、改め
てインサート金具の介装を要しない。したがって、従来
のインサート金具を介装して形成する場合と比べ冷却壁
の加工組立が安価で容易になる。

（実施例） 次に、本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。

第１図は本発明に係るガスタービンの冷却壁構造の一実
施例を示す断面図、第２図は斜視図である。図において
、燃焼器設備の冷却壁１は、基本的に内壁３Ｉ３よび外
壁５から二重筒Ｍ４造に構成されている。外壁５には、
所定間隔をおいて多数の冷却空気流入孔７が穿設されて
いる。一方、内壁３には、外壁５方向に突出するように
凸状の曲面状突起１４が間隔をおいて設けられている。

この曲面状突起１４は、例えばプレス成形等によって内
壁３と一体形成され、また内壁３の平坦部から曲率が連
続的に変化するなめらかな曲面で構成されている。さら
に、各曲面状突起１４の側壁面１５には冷却空気流入孔
８が設けられている。また、内壁３の燃焼ガス側の内周
壁面には、高温燃焼ガスから部材を保護するために熱遮
蔽コーティング１３が施工されている。内壁３と外壁５
は、上記曲面状突起１４の頂部１７において接合され、
一体内な冷却壁を形成している。

なお、冷却空気流入孔７および曲面状突起１４の配設位
置は互いに重なることがないように、または冷却空気が
外壁に設けた冷却空気流入孔７から内壁に設けた冷却空
気流入孔１６に短絡して流れることのないように適切に
設計される。なお、第２図においては円形の冷却空気流
入孔７を千鳥状に配設した例を示しており、曲面状突起
１４が互いに隣接した４個の冷却空気流入孔７の中心部
に配設された例を示す。つまり、曲面状突起１４の１個
に対して冷却空気流入孔７を１個宛設けている。圧縮様
（図示せず）からの吐出空気９は外壁５表面において熱
交換し外壁５を冷却する。吐出空気の一部は、冷却空気
１ｏとなって冷却空気流入孔７より環状空間４に流入す
る。流入した冷却空気１０は、高速噴流１１となり対向
する内壁３と衝突し、強制対流を起して内壁面を冷却す
る。

その後、高速噴流１１は、環状空間４を下流側に流れる
途中で曲面状突起１４を冷却し、さらに、冷却空気流入
孔１６を通り、スペント流１２となって燃焼ガス２側に
流入する。

このとき、冷却空気流入孔１６は曲面状突起１４の側壁
面１５に穿設されているため、いわゆるコアンダ効果に
よってスペント流１２は曲面状突起１４の内壁面に沿っ
てなめらかに流出する。したがって、曲面状突起１４の
内壁面における膜冷却効率が改善され、冷却性能並びに
冷却壁構造の信頼性が向上する。

また、本発明構造においては、従来のようにインサート
金具６を使用せず連続的に曲率が変化する曲面で形成し
た曲面状突起１４により内外壁を接合する構造のため、
内外壁の温度差によって生じる熱変形等に対して耐性が
強い。

すなわち、熱変形等が生じても曲面状突起１４において
無理なく変位が吸収されるため、過大な応力が周辺部材
に作用することが少ない。その熱変形等を吸収する前後
における曲面状突起１４は、構成する曲面の曲率が連続
的になめらかに変位するのみであり、従来のように細か
い変形しわまたは尖角部を生じないので、熱遮蔽コーテ
ィング１３が剥離して脱落することは少ない。

また、上記曲面状突起１４は、プレス成形等の手段によ
って内壁材と一体形成されるので、加工組立が非常に簡
素化される。

すなわち、内外壁間に別途調製したインサート金具６を
介装して環状空間４を有する二重壁を構成していた従来
構造と比較して、本発明構造では、予め曲面状突起１４
を一体形成した内壁に外壁を接合するのみで二重壁が形
成されるので、構造および加工組立が大幅に簡素化され
る。インサート金具６を使用した場合は、インサート金
具６の両端面において溶接接合が必要とされるが、本発
明構造の場合は、曲面状突起１４の頂部の一箇所におい
てスポット抵抗溶接などの手段を用いて接合するのみで
ある。

なお、冷却空気流入孔１６は第２図に例示するように、
各曲面状突起１４の側壁面１５において同一方位に穿設
すると、各スペント流１２の流れが円滑になり流動抵抗
も少なくなる。特に燃焼ガス２の流れにスペント流１２
が沿うように燃焼ガス２の流れの一次側に対応する方位
に設けると良い。

次に、他の実施例について説明する。

第３図は本発明の第２実施例を示す斜視図であり、１個
の曲面状突起１４に対して４個の冷却空気流入孔７を均
等に配置している。この場合、第２図に示す第１実施例
の場合と比較して冷却空気流入孔７の開孔面を広く分散
するので内壁の温度分布を均一化できる。第４図は本発
明の第３実施例を示す斜視図であり、１個の曲面状突起
１４の側壁面１５に円形の冷却空気流入孔１６を２個設
けた例を示している。

第２実施例における冷却空気流入孔１６が長穴で形成さ
れている場合と比較して穴開は加工が容易になる。

なお、上記の実施例においては、いずれも曲面状突起を
内壁と一体形成した例で示しているが、反対に外壁から
内壁に向って突出する曲面状突起を外壁に設けることも
できる。

なお、本発明は上述の実施例に限定されるものでなく、
冷却空気流入孔の形状、配設間隔、内外壁における冷却
空気流入孔の開口面積比、曲面状突起の側壁面に設ける
冷却空気流入孔の方位などについて本発明の要旨を逸脱
しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

〔発明の効果〕

以上の説明で明らかなように本発明のガスタービンの冷
Ｗ壁構造によれば、内壁と一体形成された曲面状突起を
設けているため、温度差に生じる変形等が無理なく吸収
される。したがって、熱遮蔽コーティングが剥離するお
それが少ない。

また、予め内壁と一体形成された曲面状突起が従来のイ
ンサート金具の役目を兼用し、インサート金具を不要に
できるので、冷却壁の構造が簡素化され、また製作が容
易で安価になるなどの効用を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図は部分
的に破断して示す斜視図、第３図は本発明の第２実施例
を示す斜視図、第４図は第３実施例を示す斜視図、第５
図は従来の冷却壁構造を示す断面図、第６図は従来の冷
却壁構造を部分的に破断して示す斜視図である。 １・・・冷却壁、２・・・燃焼ガス、３・・・内壁、４
・・・環状空間、５・・・外壁、６・・・インサート金
具、７゜８．１６・・・冷却空気流入孔、９・・・吐出
空気、１０・・・冷却空気、１１・・・高速噴流、１２
・・・スペント流、１３・・・熱遮蔽コーティング、１
４・・・曲面状突起、１５・・・側壁面、１７・・・頂
部。 出願人代理人　　　波　多　野　　　久第１図 １に２図 第３図 第５図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、冷却空気流入孔を多数穿設した外壁と、外壁から所
   定空間をおいて配設された内壁とで形成された二重壁構
   造を有し、内壁から外壁に向って凸状に曲率が連続的に
   変化する曲面を有する曲面状突起を所定間隔をおいて内
   壁と一体形成し、前記曲面状突起の頂部において外壁と
   接合し、さらに各曲面状突起の側壁面に冷却空気流入孔
   を設けたことを特徴とするガスタービンの冷却壁構造。 ２、曲面状突起の側壁面に設ける冷却空気流入孔は、各
   曲面状突起において同一方位に穿設してなる特許請求の
   範囲第１項記載のガスタービンの冷却壁構造。