(57)【要約】【課題】二重壁構造を用いた冷却を行うにあたり、その冷却効率を更に向上させることのできる冷却構造、燃焼器及びタービン翼を提供すること。【解決手段】本発明の冷却構造６は、第１板部５と、該第１板部５と空間Ｓ３をあけて配置される第２板部４とを有し、第２板部４に板厚方向で貫通して設けられた複数の孔部４１を介して冷却用の流体Ｇ２が空間Ｓ３に導入されて第１板部５を冷却する冷却構造であって、第１板部５の第２板部４側に形成され且つ互いに非連通に設けられた複数の凹部５１を有し、複数の凹部５１のうちの少なくとも一部の凹部５１は孔部４１と対向して配置されているという構成を採用する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１板部と、該第１板部と空間をあけて配置される第２板部とを有し、前記第２板部に板厚方向で貫通して設けられた複数の孔部を介して冷却用の流体が前記空間に導入されて前記第１板部を冷却する冷却構造であって、
前記第１板部の前記第２板部側に形成され、且つ互いに非連通に設けられた複数の凹部を有し、
前記複数の凹部のうちの少なくとも一部の前記凹部は、前記孔部と対向して配置されていることを特徴とする冷却構造。
【請求項２】
請求項１に記載の冷却構造において、
前記複数の凹部の、前記孔部の非対向位置に配置されているもののうちの少なくとも一部の前記凹部に設けられ、前記第１板部の板厚方向で貫通する第２孔部を有することを特徴とする冷却構造。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の冷却構造を有し、
前記第１板部は、燃料が燃焼するための燃焼領域を形成し、
前記第２板部は、前記第１板部を挟んで前記燃焼領域と逆側に配置されていることを特徴とする燃焼器。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の冷却構造を有し、
前記第１板部は、燃焼ガス又は排気ガスに曝される翼外壁であり、
前記第２板部は、前記翼外壁の内側に配置される翼内壁であることを特徴とするタービン翼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却構造、燃焼器及びタービン翼に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ガスタービン等において、高温の燃焼ガスに曝される部材の表面部を冷却する冷却構造が用いられている。このような冷却構造の一例として、上記表面部における二重壁構造を利用するインピンジメント冷却構造がある。二重壁は、燃焼ガスに曝される高温側壁部と、該高温側壁部と空間をあけて配置される低温側壁部とからなる。
【０００３】
インピンジメント冷却は、低温側壁部に設けられた複数の孔部を介して冷却用の流体（空気等）を噴流として上記空間に導入させ、上記冷却用の流体を高温側壁部に衝突させることで高温側壁部を冷却するものである。噴流を利用することで、高温側壁部を効率よく冷却することが可能となっている。なお、十分な冷却効率を得るためには、孔部が設けられる低温側壁部と高温側壁部との間隔を適切な間隔に設定する必要がある。
【０００４】
また、インピンジメント冷却構造と共に用いられる冷却構造として、高温側壁部に一体的に接続され上記空間に突出する放熱部を設ける構造が採用されている。高温側壁部に衝突した後の冷却用流体がこの放熱部の表面に接触することで、高温側壁部から伝わる熱を積極的に放熱し、高温側壁部を冷却することができる。さらに、高温側壁部に板厚方向で貫通する複数の第２の孔部を設け高温側壁部における燃焼ガスが流動する領域側の面に冷却用流体の膜状の流れを形成する構造（いわゆるフィルム冷却構造）も用いられている。
【０００５】
ここで、特許文献１には、上述した二重壁構造を備えると共に、ガスタービンで用いられるタービン翼が開示されている。また、ガスタービンにおける燃焼器を冷却するための冷却構造としても、上記二重壁構造が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−６２５０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した従来技術には、以下のような課題が存在する。
上記放熱部は例えば略円柱状に形成され、隣り合う放熱部は隙間をあけて高温側壁部に配設されている。そのため、冷却用の流体はその隙間を介して流動してしまい、上記流体を放熱部の表面に積極的に接触させつつ流動させることが困難であった。そのため、放熱部を設けたとしても、高温側壁部の冷却効率を大きく向上させることは難しいという課題があった。
【０００８】
本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、二重壁構造を用いた冷却を行うにあたり、その冷却効率を更に向上させることのできる冷却構造、燃焼器及びタービン翼を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
第１板部と、該第１板部と空間をあけて配置される第２板部とを有し、第２板部に板厚方向で貫通して設けられた複数の孔部を介して冷却用の流体が空間に導入されて第１板部を冷却する冷却構造であって、第１板部の第２板部側に形成され且つ互いに非連通に設けられた複数の凹部を有し、複数の凹部のうちの少なくとも一部の凹部は、孔部と対向して配置されているという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、まず、孔部を介して導入された冷却用の流体が凹部における底部に衝突する。次に、底部に衝突した上記流体は凹部の内側面に沿って第２板部側に流れ、内側面の端部を乗り越えて隣り合う他の凹部に向かって流動する。すなわち、孔部を介して導入された冷却用の流体は、第１板部に形成された凹部の底部及び内側面に接触しつつ流動することから、上記流体と第１板部との間の熱交換が促進される。
【００１０】
また、本発明の冷却構造は、複数の凹部の、孔部の非対向位置に配置されているもののうちの少なくとも一部の凹部に設けられ、第１板部の板厚方向で貫通する第２孔部を有するという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、上記空間に導入された冷却用の流体が第２孔部を介して第１板部の第２板部と逆側の面に流動し、上記面に上記流体の膜状の流れが形成される。
【００１１】
また、本発明の燃焼器は、請求項１又は２に記載の冷却構造を有し、第１板部は燃料が燃焼するための燃焼領域を形成し、第２板部は第１板部を挟んで燃焼領域と逆側に配置されているという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、まず、孔部を介して導入された冷却用の流体が凹部における底部に衝突する。次に、底部に衝突した上記流体は凹部の内側面に沿って第２板部側に流れ、内側面の端部を乗り越えて隣り合う他の凹部に向かって流動する。すなわち、孔部を介して導入された冷却用の流体は、第１板部に形成された凹部の底部及び内側面に接触しつつ流動することから、上記流体と第１板部との間の熱交換が促進される。
【００１２】
また、本発明のタービン翼は、請求項１又は２に記載の冷却構造を有し、第１板部は燃焼ガス又は排気ガスに曝される翼外壁であり、第２板部は翼外壁の内側に配置される翼内壁であるという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、まず、孔部を介して導入された冷却用の流体が凹部における底部に衝突する。次に、底部に衝突した上記流体は凹部の内側面に沿って翼内壁側に流れ、内側面の端部を乗り越えて隣り合う他の凹部に向かって流動する。すなわち、孔部を介して導入された冷却用の流体は、翼外壁に形成された凹部の底部及び内側面に接触しつつ流動することから、上記流体と翼外壁との間の熱交換が促進される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
本発明によれば、孔部を介して導入された冷却用の流体は、第１板部に形成された凹部の底部及び内側面に接触しつつ流動することから、上記流体と第１板部との間の熱交換が促進される。したがって、本発明によれば、第１板部の冷却効率を更に向上できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】燃焼器１の構成を示す概略図である。
【図２】外壁４、ライナ５及び冷却構造６の構成を示す概略図である。
【図３】タービン翼７の構成を示す概略図である。
【図４】翼内壁４Ａ、翼外壁５Ａ及び第２冷却構造６Ａの構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る冷却構造、燃焼器及びタービン翼の実施の形態を、図１から図４を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００１６】
〔第１実施形態〕
本発明に係る冷却構造及び燃焼器の実施の形態を、図１及び図２を参照して説明する。
図１は、燃焼器１の構成を示す概略図である。
燃焼器１は、不図示のガスタービンに設けられ、燃焼器１に形成される燃焼領域Ｓ１において、燃料を燃焼させて燃焼ガスＨを発生させるものである。
燃焼器１は、いわゆるアニュラー型の燃焼器であって、略円環状に構成されている。また、燃焼器１は、ガスタービンの外側ケーシング１００と内側ケーシング２００との間に形成される空気流動空間Ｓ２に配置されている。空気流動空間Ｓ２には、ガスタービンの圧縮部（図示せず）によって圧縮された圧縮空気Ｇが流動しており、この圧縮空気Ｇは、燃料の燃焼及び燃焼器１の冷却等に用いられる。
【００１７】
燃焼器１は、燃料噴射部２と、空気導入部３と、外壁（第２板部）４と、ライナ（第１板部）５と、冷却構造６（図２参照）とを有している。
燃料噴射部２は、燃焼領域Ｓ１に燃料を噴射して導入させるものである。燃料噴射部２は、空気流動空間Ｓ２の外部に設けられる不図示の燃料貯留部と連結されている。
空気導入部３は、燃料噴射部２に隣接して設けられ、空気流動空間Ｓ２の圧縮空気Ｇを燃焼領域Ｓ１に導入するものである。
【００１８】
外壁４は、燃焼器１の外壁であり、ライナ５を挟んで燃焼領域Ｓ１の逆側に配置され、板状の部材から構成されている。
ライナ５は、燃焼領域Ｓ１を形成するものであって、板状の部材から構成されている。すなわち、ライナ５は高温の燃焼ガスＨと接する構成となっている。また、外壁４は、ライナ５を囲むように配置されており、外壁４とライナ５とは二重壁構造を構成している。
冷却構造６は、燃焼器１においてライナ５を冷却するための構造である。この冷却構造６は、外壁４及びライナ５を構成する要素のうちの、一部の要素を有している。
【００１９】
次に、外壁４、ライナ５及び冷却構造６の詳細を、図２を参照して説明する。
図２は、外壁４、ライナ５及び冷却構造６の構成を示す概略図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は図１における外壁４及びライナ５の拡大断面図である。
図２に示すように、外壁４とライナ５とは、壁空間（空間）Ｓ３をあけて互いに対向して設けられている。また、外壁４とライナ５とは、複数の連結部材（図示せず）を介して互いに連結されており、壁空間Ｓ３をあけた状態で保持されている。そのため、外壁４とライナ５との間における熱膨張の差を原因とする、外壁４及びライナ５の互いに対向する側における変形・破損等が防止される。
【００２０】
外壁４は、複数の孔部４１を有している。
孔部４１は、外壁４の板厚方向に貫通して設けられ、燃焼器１の外部空間である空気流動空間Ｓ２と壁空間Ｓ３とのそれぞれに開口し、空気流動空間Ｓ２を流動する圧縮空気Ｇを噴流（流体）Ｇ２として壁空間Ｓ３に導入するためのものである。また、孔部４１は、後述する複数の凹部５１のうちの少なくとも一部の凹部５１と対向して設けられている。
【００２１】
次に、ライナ５の構成を説明する。
ライナ５は、複数の凹部５１と、複数の第２孔部５２とを有している。
複数の凹部５１は、ライナ５の外壁４側に形成され、且つ互いに非連通に設けられている。複数の凹部５１のうちの一部の凹部５１は、孔部４１と対向して配置されている。
第２孔部５２は、複数の凹部５１のうち、孔部４１の非対向位置に配置されている凹部５１に設けられ、ライナ５の板厚方向で貫通して設けられている。第２孔部５２は、ライナ５を、燃焼領域Ｓ１に面する壁面５ａ側から冷却するフィルム冷却を行うためのものである。
【００２２】
冷却構造６は、ライナ５を冷却するための構造であって、外壁４及びライナ５を構成する要素のうちの一部の要素を有しており、外壁４と、孔部４１と、ライナ５と、凹部５１と、第２孔部５２とを有している。
【００２３】
続いて、本実施形態に係る燃焼器１の作用を説明する。なお、燃料の燃焼等に関する説明は省略し、冷却構造６によるライナ５の冷却作用を中心に説明する。
空気流動空間Ｓ２には圧縮空気Ｇが流動している。圧縮空気Ｇの圧力は、燃焼領域Ｓ１における燃焼ガスＨの圧力よりも高く設定されているため、これらの圧力差により圧縮空気Ｇの外壁４からライナ５へ向かう流れが生じる。すなわち、圧縮空気Ｇは孔部４１を介して壁空間Ｓ３へ導入される。また、空気流動空間Ｓ２と壁空間Ｓ３との間の圧力差により、圧縮空気Ｇは孔部４１から勢いよく吐出され、すなわち噴流Ｇ２となって壁空間Ｓ３へ導入される。
【００２４】
噴流Ｇ２は、孔部４１と対向して設けられる凹部５１の底部５１ａに衝突する。ここで、凹部５１が設けられているライナ５は、燃焼領域Ｓ１を形成するものであり燃焼ガスＨによって加熱されている。噴流Ｇ２の温度はライナ５の温度よりも十分低いものであり、噴流Ｇ２が底部５１ａに衝突することで噴流Ｇ２と底部５１ａすなわちライナ５との間で熱交換が行われ、結果としてライナ５は噴流Ｇ２によって冷却される（インピンジメント冷却）。
なお、外壁４と底部５１ａとの間隔は、インピンジメント冷却に適した間隔に設定されている。そのため、インピンジメント冷却におけるライナ５の冷却効率を最適な状態に維持することができる。
【００２５】
底部５１ａに衝突した後の噴流Ｇ２は、衝突後流れＧ３となる。ここで、複数の凹部５１が互いに非連通に設けられているために、衝突後流れＧ３は壁空間Ｓ３を介してのみ他の凹部５１側に流動することができることから、衝突後流れＧ３は凹部５１の内側面５１ｂに沿って外壁４側に流れ、内側面５１ｂの端部５１ｃを乗り越えて隣り合う他の凹部５１に向かって流動する。すなわち、衝突後流れＧ３は、凹部５１の内側面５１ｂに接触しつつ流動するので、衝突後流れＧ３と内側面５１ｂとの間の熱交換が促進され、結果としてライナ５の冷却効率を更に向上させることができる。
【００２６】
なお、孔部４１と対向して設けられている凹部５１における径は、噴流Ｇ２及び衝突後流れＧ３の流動特性に応じて設定されており、より詳しくは、孔部４１から導入される噴流Ｇ２と、内側面５１ｂに沿って外壁４側に向かう衝突後流れＧ３とが互いに干渉しないような大きさで形成されている。そのため、噴流Ｇ２に対するクロスフローの影響が減少し、インピンジメント冷却によるライナ５の冷却効率を更に向上させることができる。
【００２７】
端部５１ｃを乗り越えた衝突後流れＧ３は、第２孔部５２が設けられている凹部５１内に流入し、第２孔部５２を介してライナ５の燃焼領域Ｓ１側の壁面５ａ上に流動する。第２孔部５２はライナ５に複数形成されているため、ライナ５の壁面５ａ上に流動した衝突後流れＧ３は隣り合う他の衝突後流れＧ３と合流し、膜状流れＧ４となる。この膜状流れＧ４は、ライナ５を壁面５ａ側から冷却し、また燃焼ガスＨの熱がライナ５に伝わることを抑制することができる（いわゆるフィルム冷却）。膜状流れＧ４は、燃焼ガスＨと共に下流側に流動し、不図示のタービン翼を作動させた後、外部に放出される。
【００２８】
したがって、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
本実施形態によれば、孔部４１を介して導入される噴流Ｇ２はライナ５に形成された凹部５１の底部５１ａに衝突し、衝突後流れＧ３は凹部５１の内側面５１ｂに接触しつつ流動することから、噴流Ｇ２及び衝突後流れＧ３とライナ５との間の熱交換が促進される。したがって、本発明によれば、ライナ５の冷却効率を更に向上できるという効果がある。
【００２９】
〔第２実施形態〕
本発明に係る冷却構造及びタービン翼の実施の形態を、図３及び図４を参照して説明する。
図３は、タービン翼７の構成を示す概略図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線視断面図である。
図４は、翼内壁４Ａ、翼外壁５Ａ及び第２冷却構造６Ａの構成を示す概略図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は図３（ｂ）における翼内壁４Ａ、翼外壁５Ａの拡大断面図である。
なお、図３及び図４において、図１及び図２に示す第１の実施形態における構成要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３０】
まず、タービン翼７の全体的な構成を、図３を参照して説明する。
タービン翼７は、不図示のガスタービンにおけるタービン部に設けられ、燃焼器１（図１参照）で生じる燃焼ガスＨの流れを受けて、不図示の出力軸を回転駆動させるためのタービン動翼である。また、タービン翼７は、高温の燃焼ガスＨが流動する燃焼ガス流動領域Ｓ１Ａ内に設置されている。
【００３１】
タービン翼７は、翼形状に形成され、上記出力軸の径方向外側で周方向に複数並んで配設されている。なお、本実施形態のタービン翼７はタービン動翼であるが、ガスタービンに用いられるタービン静翼に本発明の構成を適用してもよい。また、タービン翼７は、ガスタービンで生じる排気ガスの流れをうけることで上記出力軸を回転させる構成であってもよい。
【００３２】
タービン翼７の内部には、タービン翼７を冷却するための圧縮空気Ｇが導入されている。圧縮空気Ｇは、タービン翼７の内部を先端側に向かって流動している。
タービン翼７は、翼の内部に設けられる翼内壁（第２板部）４Ａと、翼の外部に設けられる翼外壁（第１板部）５Ａと、第２冷却構造６Ａ（冷却構造、図４参照）とを有している。
【００３３】
翼内壁４Ａは、翼外壁５Ａの内部に設けられる壁部であって、その内部に圧縮空気Ｇが流動する空気流動空間Ｓ２が設けられている。
翼外壁５Ａは、タービン翼７の外壁を構成する壁部であって、翼内壁４Ａを全体的に囲んで設けられている。すなわち、翼内壁４Ａ及び翼外壁５Ａは、二重壁構造を構成している。なお、翼内壁４Ａ及び翼外壁５Ａは、複数の連結部７１を介して一体的に連結されている。連結部７１の連結によって、翼内壁４Ａと翼外壁５Ａとの間には、壁空間Ｓ３が形成されている。
第２冷却構造６Ａは、タービン翼７において翼外壁５Ａを冷却するための構造である（図４参照）。この第２冷却構造６Ａは、翼内壁４Ａ及び翼外壁５Ａを構成する要素のうちの、一部の要素を有している。
【００３４】
次に、翼内壁４Ａ、翼外壁５Ａ及び第２冷却構造６Ａの詳細を、図４を参照して説明する。
図４に示すように、翼内壁４Ａは複数の孔部４１を有している。孔部４１は、翼内壁４Ａの板厚方向で貫通して設けられ、タービン翼７の内部空間である空気流動空間Ｓ２と壁空間Ｓ３とのそれぞれに開口し、空気流動空間Ｓ２に導入される圧縮空気Ｇを噴流（流体）Ｇ２として壁空間Ｓ３に導入するためのものである。すなわち、孔部４１は、翼外壁５Ａのインピンジメント冷却に用いられるものである。
【００３５】
翼外壁５Ａは、複数の凹部５１と、複数の第２孔部５２とを有している。
複数の凹部５１は、翼外壁５Ａの翼内壁４Ａ側に形成され、且つ互いに非連通に設けられている。第２孔部５２は、複数の凹部５１のうち、孔部４１の非対向位置に配置されている凹部５１に設けられ、翼外壁５Ａの板厚方向で貫通して設けられている。
【００３６】
第２冷却構造６Ａは、翼内壁４Ａ及び翼外壁５Ａを構成する要素のうちの一部の要素を有しており、翼内壁４Ａと、孔部４１と、翼外壁５Ａと、凹部５１と、第２孔部５２とを有している。
また、第２冷却構造６Ａによる翼外壁５Ａの冷却作用は、第１の実施形態における冷却構造６によるライナ５の冷却作用と同一のものであるため、その説明を省略する。
【００３７】
したがって、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
本実施形態によれば、孔部４１を介して導入される噴流Ｇ２は翼外壁５Ａに形成された凹部５１の底部５１ａに衝突し、衝突後流れＧ３は凹部５１の内側面５１ｂに接触しつつ流動することから、噴流Ｇ２及び衝突後流れＧ３と翼外壁５Ａとの間の熱交換が促進される。したがって、本発明によれば、翼外壁５Ａの冷却効率を更に向上できるという効果がある。
【００３８】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００３９】
例えば、上記実施形態では、第２孔部５２を形成して、ライナ５又は翼外壁５Ａに対してフィルム冷却を行う構成となっているが、これに限定されるものではなく、第２孔部５２を設けずに孔部４１によるインピンジメント冷却のみを行う構成であってもよい。
【００４０】
また、第１の実施形態では、燃焼器１はアニュラー型の燃焼器であったが、これに限定されるものではなく、略筒状に形成されたいわゆるキャニュラー型の燃焼器であってもよい。
【００４１】
また、上記実施形態では、第２孔部５２は、孔部４１の非対向位置に配置された凹部５１にそれぞれ設けられているが、これに限定されるものではなく、複数の凹部５１の、孔部４１の非対向位置に配置されているもののうちの少なくとも一部の凹部５１に設けられていてもよい。
【００４２】
また、上記実施形態では、ライナ５及び翼外壁５Ａを冷却するための流体として空気が用いられているが、例えば不活性ガス等の他の流体を用いてもよい。また、ライナ５及び翼外壁５Ａを加熱する高温の流体は、燃焼ガスＨとなっているが、これに限定されるものではなく、他の高温流体であってもよい。
【符号の説明】
【００４３】
４…外壁（第２板部）、４Ａ…翼内壁（第２板部）、４１…孔部、５…ライナ（第１板部）、５Ａ…翼外壁（第１板部）、５１…凹部、５２…第２孔部、６…冷却構造、６Ａ…第２冷却構造（冷却構造）、Ｇ２…噴流（流体）、Ｓ３…壁空間（空間）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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