(57)【要約】【課題】少ない空気量で効率よく保炎器のフィルム冷却を行うことが可能な燃焼器を提供する。【解決手段】スワラーベーンの出口近傍に冷却空気を導入し、内筒内の空気側と尾筒内の燃焼ガス側とを仕切る壁面部材２０に形成した多数の冷却空気孔２１から冷却空気を流出させて保炎器のフィルム冷却が行われる燃焼器において、壁面部材２０の空気側に複数の空気側凹溝２２を平行に形成し、かつ、空気側凹溝２２と交差するように壁面部材２０の燃焼ガス側に複数の燃焼ガス側凹溝２４を平行に形成し、空気側凹溝２２及び燃焼ガス側凹溝２４が交差する位置に両面を貫通する矩形の空気貫通孔を形成した。【選択図】図１
2010196917.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スワラーベーンの出口近傍に冷却空気を導入し、内筒内の空気側と尾筒内の燃焼ガス側とを仕切る壁面部材に形成した多数の冷却空気孔から前記冷却空気を流出させて保炎器のフィルム冷却が行われる燃焼器において、
前記壁面部材の空気側に複数の空気側凹溝を平行に形成し、かつ、前記空気側凹溝と交差するように前記壁面部材の燃焼ガス側に複数の燃焼ガス側凹溝を平行に形成し、
前記空気側凹溝及び前記燃焼ガス側凹溝が交差する位置に両面を貫通する矩形の空気貫通孔を形成したことを特徴とする燃焼器。
【請求項２】
前記燃焼ガス側凹溝は、外部流体の流れ方向と略同方向の前記空気側凹溝より狭い溝幅とされることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器。
【請求項３】
前記燃焼ガス側凹溝は、前記空気側壁面へ断面積を狭めた略Ｖ字形断面とされることを特徴とする請求項１または２に記載の燃焼器。
【請求項４】
前記空気側凹溝及び前記燃焼ガス側凹溝は、前記空気貫通孔を千鳥配置とするように形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃焼器。
【請求項５】
前記燃焼ガス凹溝は、燃焼器軸線と平行な基準軸線から外部流体流れ方向へ傾斜する軸線に沿って形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の燃焼器。
【請求項６】
空気を導入して圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から供給される空気で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する請求項１から５のいずれかに記載の燃焼器と、前記燃焼器から燃焼ガスの供給を受けるタービンとを具備して構成したことを特徴とするガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼器及びこれを備えたガスタービンに係り、特に、ガスタービン燃焼器の冷却に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、圧縮機と、燃焼器（ガスタービン燃焼器）と、タービンとを主な構成要素とする装置である。
圧縮機は空気を取り込んで圧縮し、高圧の圧縮空気を吐出する。圧縮機から吐出された圧縮空気は、燃焼用空気として燃焼器に取り入れられ、燃焼器に供給された燃料とともに燃焼して高温の燃焼ガスとなる。この燃焼ガスはタービンに取り入れられ、動翼及び静翼間を燃焼ガスが流れることによりタービンを駆動する。
【０００３】
このようなガスタービンの燃焼器においては、たとえば図７〜図８に示すように、高温となる燃焼器１の性能を維持するため、スワラーベーン１０の出口近傍で保炎器１１を冷却するフィルム冷却が行われている。なお、図中の符号２は内筒、３は尾筒、４は外側スワラー、５は内側スワラーを示しており、従って、図示の燃焼器１は二重スワラー燃焼器である。
【０００４】
上述したフィルム冷却は、保炎器１１の周辺で内筒２内の空気側と尾筒３内の燃焼ガス側とを仕切る壁面部材１２に多数の冷却空気孔１３を形成し、各冷却空気孔１３から流出する空気（矢印１４）により壁面部材１２のフィルム冷却を行うものである。
この場合の冷却空気孔１３は小径の円形（小孔）であり、多数の小孔から空気が漏れ出すように（浸み出すように）流出して、壁面部材１２の燃焼ガス側に冷却フィルム１５を形成する。従って、上述したフィルム冷却は、浸み出し冷却孔（冷却空気孔）１３から流出した空気１２による「浸み出し冷却」とも呼ばれている。
【０００５】
従来のガスタービン燃焼器においては、フィルム冷却孔から希薄混合気を燃焼器内壁面に吹き付けて冷却するフィルム冷却構造が知られている。（たとえば、特許文献１参照）
また、燃焼器ライナの多孔フィルム冷却においては、フィルム冷却孔の向きを変えることにより、冷却フィルムによる冷却効果を増大させる技術が開示されている。この場合のフィルム冷却孔は、比較的小径の円形である。（たとえば、特許文献２参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２３３５７４号公報
【特許文献２】特開２００２−１３９２２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述した燃焼器においては、ガスタービンの効率向上を達成するため、運転温度の高温化が求められている。このため、燃焼器１内で取り扱う燃焼ガスの温度が高くなると、燃焼器１に求められる冷却性能も高くなるので、保炎器１１のフィルム冷却においては、使用する空気（以下では、「フィルム空気」と呼ぶ）の量を増して冷却性能を向上させることが必要となる。
しかし、フィルム空気量が多くなると、予混合気の燃料濃度が高くなるので、燃焼ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成量を増大させることとなる。すなわち、フィルム空気は、燃焼用空気として供給される空気の一部を導入したものであるから、フィルム空気量を増すと燃料との予混合に使用できる空気量が相対的に減少し、結果的に燃料濃度が高くなる。
一方、フィルム空気量が多くなりすぎると、保炎部の温度を必要以上に低下させることになるので、所望の保炎効果を得にくくなる。
【０００８】
さらに、円形の冷却空気孔１３は、流出する冷却空気の貫通力が強いので、すなわち、流出する冷却空気の直進性が高いので、少ない空気量で良好な冷却フィルムを形成するというフィルム冷却の効率面においては改善の余地がある。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、少ない空気量で効率よく保炎器のフィルム冷却を行うことが可能な燃焼器、及びこの燃焼器を備えたガスタービンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る燃焼器は、スワラーベーンの出口近傍に冷却空気を導入し、内筒内の空気側と尾筒内の燃焼ガス側とを仕切る壁面部材に形成した多数の冷却空気孔から前記冷却空気を流出させて保炎器のフィルム冷却が行われる燃焼器において、前記壁面部材の空気側に複数の空気側凹溝を平行に形成し、かつ、前記空気側凹溝と交差するように前記壁面部材の燃焼ガス側に複数の燃焼ガス側凹溝を平行に形成し、前記空気側凹溝及び前記燃焼ガス側凹溝が交差する位置に両面を貫通する矩形の空気貫通孔を形成したことを特徴とするものである。
【００１０】
このような本発明の燃焼器によれば、壁面部材の空気側に複数の空気側凹溝を平行に形成し、かつ、空気側凹溝と交差するように壁面部材の燃焼ガス側に複数の燃焼ガス側凹溝を平行に形成し、空気側凹溝及び燃焼ガス側凹溝が交差する位置に両面を貫通する矩形の空気貫通孔を形成したので、冷却空気を燃焼ガス側凹溝に留めておくことができる。このため、少ない冷却空気量で、効率よくフィルム冷却を行うことができる。
また、冷却空気孔を矩形にしたので、円形の場合と比較して冷却空気の貫通力を小さくすることができる。このため、少ない冷却空気量で、効率よくフィルム冷却を行うことができる。
【００１１】
上記の発明において、前記燃焼ガス側凹溝を外部流体の流れ方向と略同方向の前記空気側凹溝より狭い溝幅とすることが好ましく、これにより、冷却空気孔の開口面積を小さくしても、壁面部材の面を効率よくカバーするフィルム冷却が可能になる。
また、燃焼ガス側凹溝は、前記空気側壁面へ断面積を狭めた略Ｖ字形断面とすることが好ましく、これにより、冷却空気孔は燃焼ガス側凹溝の下部（空気側）に開口し、その断面積も出口側へ徐々に拡大するので、冷却空気の貫通力を弱めることができる。
【００１２】
上記の発明において、前記空気側凹溝及び前記燃焼ガス側凹溝は、前記空気貫通孔を千鳥配置とするように形成されていることが好ましく、これにより、壁面部材の冷却対象面を略均等に冷却することができる。
【００１３】
上記の発明において、前記燃焼ガス凹溝は、燃焼器軸線と平行な基準軸線から外部流体流れ方向へ傾斜する軸線に沿って形成されていることが好ましく、これにより、冷却空気の流れが斜めにゆっくりと流出するようになるので、冷却フィルムを広範囲に形成して冷却することができる。
【００１４】
本発明に係るガスタービンは、空気を導入して圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から供給される空気で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する請求項１から５のいずれかに記載の燃焼器と、前記燃焼器から燃焼ガスの供給を受けるタービンとを具備して構成したことを特徴とするものである。
【００１５】
このような本発明のガスタービンによれば、圧縮機から供給される空気で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する請求項１から５のいずれかに記載の燃焼器を備えているので、少ない空気量で効率よく保炎器のフィルム冷却を行うことができる。
【発明の効果】
【００１６】
上述した本発明によれば、少ない空気量で効率よく保炎器及び周辺のフィルム冷却を行うことが可能な燃焼器、及びこの燃焼器を備えたガスタービンを提供することができる。すなわち、燃焼器の壁面部材においては、冷却空気を燃焼ガス側の凹溝に留めておくことができ、しかも、冷却空気の貫通力が低下するので、少ない冷却空気量で効率よくフィルム冷却を実施できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る燃焼器の一実施形態について、内筒内の空気側と尾筒内の燃焼ガス側とを仕切る壁面部材に形成された冷却空気孔の構成例を示す図で、（ａ）は壁面部材の縦断面図（図１（ｂ）のＡ−Ａ断面図）、（ｂ）は壁面部材に形成された冷却空気孔を燃焼ガス側から見た正面図、（ｃ）は（ｂ）のＢ−Ｂ断面図である。
【図２】冷却空気孔を形成した壁面部材周辺の構成例を示す燃焼器要部の縦断面図である。
【図３】図１（ｂ）の冷却空気孔に係る第１変形例を示す正面図である。
【図４】図１（ｂ）の冷却空気孔に係る第２変形例を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
【図５】図１（ｂ）の冷却空気孔に係る第３変形例を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。
【図６】図１（ｂ）の冷却空気孔に係る第４変形例を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。
【図７】従来例として冷却空気孔を形成した壁面部材の周辺構造を示す燃焼器要部の縦断面図である。
【図８】図７の冷却空気孔形成部となる壁面部材を示す図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は燃焼ガス側から見た正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る燃焼器及びガスタービンの一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１及び図２に示す実施形態において、二重スワラーの燃焼器１は、内筒２の後流側に尾筒３が連結され、外側スワラー４及び内側スワラー５から流出する燃料及び空気が尾筒３内で燃焼して燃焼ガスを生成する。この燃焼器１において、空気が存在する内筒２と、燃焼ガスが存在する尾筒３との間は、壁面部材２０により仕切られている。
【００１９】
壁面部材２０より内筒２側の空間は、図示しない圧縮機より燃焼及び冷却に使用する空気が供給されてくるので、壁面部材２０より上流側を内筒２内の空気側と呼ぶ。また、壁面部材２０より下流側となり、尾筒３内の火炎が形成される空間は、生成された燃焼ガスが存在するため燃焼ガス側と呼ぶ。
内筒２に供給された空気は、燃焼用空気として外側スワラー４及び内側スワラー５へ流入するものと、外側スワラー４及び内側スワラー５の周囲から冷却空気として尾筒３側へ流入するものとに分かれる。
【００２０】
外側スワラー４及び内側スワラー５の出口側端部は、壁面部材２０を貫通して開口している。また、外側スワラー４及び内側スワラー５の内部には、周方向に多数のスワラーベーン１０が配列されている。そして、外側スワラー４にはリーン燃焼火炎を形成するように、かつ、内側スワラー５にはリッチ燃焼火炎を形成するように、それぞれ燃料及び空気が供給されている。
このような外側スワラー４及び内側スワラー５において、スワラーベーン１０の出口近傍には保炎器１１が設けられており、この保炎器１１を冷却するため、内筒２内の空気側から導入した冷却空気により保炎器１１の周囲にある壁面部材２０のフィルム冷却が行われる。
【００２１】
フィルム冷却は、壁面部材２０に形成した多数の冷却空気孔２１から冷却空気を流出させることにより、壁面部材２０の燃焼ガス側となる面に沿って流れる冷却空気の層を形成するものである。
このような壁面部材２０のフィルム冷却を行うため、図１に示す本発明では、壁面部材２０の空気側に複数の空気側凹溝２２を平行に形成し、かつ、空気側凹溝２２と交差するように壁面部材２０の燃焼ガス側に複数の燃焼ガス側凹溝２４を平行に形成している。この場合、空気側凹溝２２は、図中に白抜き矢印で示す外部流体の流れ方向と略同方向の周方向へ等ピッチに形成され、燃焼ガス側凹溝２４は、空気側凹溝２２と略直交する半径方向へ等ピッチに形成されている。
【００２２】
そして、空気側凹溝２２及び燃焼ガス側凹溝２４が交差する位置には、冷却空気孔２１となる空気貫通孔が形成されている。この冷却空気孔２１は、たとえば長方形のような矩形の断面形状を有し、壁面部材２０の空気側となる面から燃焼ガス側となる面まで、壁面部材２０の両面を燃焼器１の軸方向に貫通して形成されている。こうして形成された冷却空気孔２１は、燃焼ガス流れ方向へ等ピッチに配置され、かつ、半径方向にも等ピッチに配置されている。
【００２３】
上述した構成により、冷却空気孔２１を通って空気側から燃焼ガス側へ流出する冷却空気（矢印Ａｃ参照）は、燃焼ガス側凹溝２２の深さ部分に留めておくことができるようになり、従って、壁面部材２０の燃焼ガス側壁面には、少ない冷却空気量でもフィルム冷却に有効な空気層（波線Ｆ参照）を形成することができる。
また、冷却空気孔２１を矩形にしたことにより、円形の場合と比較して冷却空気の流れが燃焼ガス側へ直進する貫通力も小さくなるので、これによっても少ない冷却空気を有効利用してフィルム冷却の空気層を形成することができる。
従って、上述した壁面部材２０に形成された冷却空気孔２１は、少ない冷却空気量で効率のよいフィルム冷却を可能にする。
【００２４】
また、燃焼ガス側凹溝２４の溝幅Ｗａについては、外部流体の流れ方向と略同方向になる空気側凹溝２２の溝幅Ｗｂより狭く（Ｗａ＜Ｗｂ）しているので、すなわち、外部流体の流れ方向と交差する燃焼ガス側凹溝２４の溝幅Ｗａを狭くしたので、冷却空気孔２１は外部流体流れ方向と交差する辺が長い長方形等の矩形となる。この結果、冷却空気孔２１から流出した冷却空気は、外部流体の流れ方向へ流れてフィルム冷却の空気層を形成するので、冷却空気孔２１の開口面積を小さくしても、幅広の空気層により壁面部材２０の面を効率よくカバーすることができる。
【００２５】
ところで、燃焼ガス側凹溝２４の溝幅Ｗａ及び空気側凹溝２２の溝幅Ｗｂを同じにすると、正方形の冷却空気孔２１となる。このため、円形の冷却空気孔と比較すれば、冷却空気の貫通力を小さくできる分だけ冷却空気の使用量を低減できる。しかし、正方形の冷却空気孔２１は、冷却空気層がカバーする幅を同じにした場合、長方形と比較して大きな開口面積となるため、冷却空気量の低減効果は小さなものとなる。
【００２６】
さらに、燃焼ガス側凹溝２２は、壁面部材２０の空気側壁面へ断面積を狭めた略Ｖ字形断面を有している。このため、冷却空気孔２１は、燃焼ガス側凹溝２２の下部（空気側）に開口し、その断面積が出口側へ徐々に拡大する形状となるので、燃焼ガス側凹溝２２の深さ分に冷却空気を確実に留めておくことができ、しかも、流路断面積が徐々に拡大するため冷却空気の貫通力を弱めることもできる。従って、上述した壁面部材２０に形成された冷却空気孔２１は、少ない冷却空気量で効率のよいフィルム冷却を可能にする。
なお、燃焼ガス側凹溝２２は、Ｖ字型断面に限定されることはなく、冷却空気量の低減効果は小さくなるものの矩形断面としてもよい。
【００２７】
図３に示す第１変形例の壁面部材２０Ａでは、冷却空気孔２１Ａが千鳥配置となるように、空気側凹溝２２Ａ及び燃焼ガス側凹溝２４を形成したものである。具体的には、空気側凹溝２２Ａを外部流体の流れ方向から傾斜させることにより、燃焼ガス側凹溝２４と直交しないようになっている。この結果、壁面部材２０Ａの燃焼ガス側に開口する冷却空気孔２１Ａは、外部流体流れ方向において１列毎にずれて千鳥状の配置となり、その形状は平行四辺形となる。
従って、外部流体の流れ方向において、前列の無冷却部分を後列の冷却空気孔２１Ａがカバーするので、壁面部材２０Ａの冷却効果は、冷却対象面の全面にわたって偏りの少ないものとなる。すなわち、壁面部材２０Ａの冷却効果を均一化することが可能になる。
【００２８】
図４に示す第２変形例の壁面部材２０Ｂでは、燃焼ガス凹溝２４Ａが、燃焼器軸線と平行な基準軸線Ｃから外部流体流れ方向へ傾斜する軸線Ｃａに沿って形成されている。すなわち、この場合の燃焼ガス凹溝２４Ａは、壁面部材２０Ｂの板厚を最短距離で貫通するのではなく、壁面部材２０Ｂの表面に対して、９０度より小さな角度θとなるように燃焼ガス流れ方向へ傾斜して設けられている。
この結果、燃焼ガス側凹溝２４Ａの深さ（長さ）は増大し、しかも、冷却空気の流れが斜めにゆっくりと流出するようになるので、少ない冷却空気量でも冷却フィルムを広範囲に効率よく形成して冷却することができる。
【００２９】
図５に示す第３変形例の壁面部材２０Ｃは、上述した第１変形例及び第２変形例を組み合わせたものである。すなわち、空気側凹溝２２Ｃを外部流体の流れ方向から傾斜させて壁面部材２０Ｃの燃焼ガス側に開口する冷却空気孔２１Ｃを千鳥状の配置とし、さらに、燃焼ガス側凹溝２４Ｃを表面に対して９０度よりも低い角度に傾斜させている。
従って、外部流体の流れ方向において、前列の無冷却部分を後列の冷却空気孔２１Ｃがカバーし、冷却対象面の全面を略均等に冷却するとともに、壁面部材２０Ｃの表面に這わせるように冷却空気を流出させている。この結果、冷却空気が斜めにゆっくりと流出して広範囲に広がり、しかも、前列側の無冷却部を後列側がカバーするように広がるので、広範囲に広がった冷却フィルムにより効率よく確実なフィルム冷却が可能になる。
【００３０】
図６に示す第４変形例の壁面部材２０Ｄは、燃焼ガス側凹溝２４Ｄと空気側凹溝２２Ｄとを斜めに交差させることにより、冷却空気孔２１Ｄを外部流体流れ方向において交互に配置した千鳥状となっている。この場合、図１に示す実施形態から、燃焼ガス側凹溝２４Ｄ及び空気側凹溝２２Ｄをともに傾斜させており、この結果、冷却空気孔２１Ｄの長辺は外部流体流れ方向に対して傾斜したものとなる。
このような冷却空気孔２１Ｄを形成することにより、千鳥状の配置により前列の無冷却部分を後列がカバーできるようになり、冷却効果の偏りが小さくなる。さらに、冷却空気孔２１Ｄの長辺が外部流体流れ方向から傾斜しているので、冷却空気は斜めにゆっくりと流出し、広範囲に広がる冷却フィルムにより冷却効果が向上する。
【００３１】
上述した実施形態及びその変形例で説明した燃焼器１は、空気を導入して圧縮する圧縮機と、この圧縮機から供給される空気で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスをタービンに供給して駆動する。すなわち、本発明の燃焼器１は、圧縮機及びタービンとともにガスタービンの構成要素となる。
【００３２】
従って、上述した燃焼器１を備えたガスタービンは、燃焼器１において少ない空気量で効率よく保炎器及び周辺のフィルム冷却を行うことが可能になる。すなわち、上述した本発明によれば、冷却空気を燃焼ガス側凹溝２４に留めておくことができ、しかも、冷却空気の貫通力を低下させたことにより、少ない冷却空気量で効率よくフィルム冷却を実施できる燃焼器１が得られるので、この燃焼器１を用いたガスタービンにおいては、高温の燃焼ガスを導入する運転温度の高温化により効率向上を達成することができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、たとえば各変形例を適宜組み合わせた構成を採用するなど、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１    燃焼器
２    内筒
３    尾筒
４    外側スワラー
５    内側スワラー
１０    スワラーベーン
１１    保炎器
２０，２０Ａ〜２０Ｄ    壁面部材
２１，２１Ａ，２１Ｃ，２１Ｄ    冷却空気孔
２２，２２Ａ，２２Ｃ，２２Ｄ    空気側凹溝
２４、２４Ａ，２４Ｃ，２４Ｄ    燃焼ガス側凹溝
【図１】
2010196917.tif 000003
【図２】
2010196917.tif 000004
【図３】
2010196917.tif 000005
【図４】
2010196917.tif 000006
【図５】
2010196917.tif 000007
【図６】
2010196917.tif 000008
【図７】
2010196917.tif 000009
【図８】
2010196917.tif 000010