(57)【要約】【課題】冷却空気の流量を燃焼器ライナ内の温度変化に基づいて調節可能とする。【解決手段】内側冷却開口が設けられる内壁と、上記内壁の外側に設けられると共に上記内側冷却開口と対応する位置に外側冷却開口が設けられる外壁と、上記内壁及び上記外壁を固定するピンとを備え、上記内壁及び上記外壁の少なくともいずれかが熱膨張することにより上記内側冷却開口と上記外側冷却開口とが重なる方向に相対位置が変更され、上記内側冷却開口と上記外側冷却開口とが重なることにより形成される冷却孔の開口面積が変化する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側冷却開口が設けられる内壁と、
前記内壁の外側に設けられると共に前記内側冷却開口と対応する位置に外側冷却開口が設けられる外壁と、
前記内壁及び前記外壁を固定するピンと
を備え、
前記内壁及び前記外壁の少なくともいずれかが熱膨張することにより前記内側冷却開口と前記外側冷却開口とが重なる
ことを特徴とする燃焼器ライナ。
【請求項２】
前記内壁と前記外壁とは、熱膨張率の異なる材質により構成されることを特徴とする請求項１記載の燃焼器ライナ。
【請求項３】
前記内側冷却開口及び前記外側冷却開口は、該燃焼器ライナの周方向に長い形状とされることを特徴とする請求項１または２記載の燃焼器ライナ。
【請求項４】
前記内壁と前記外壁との間に設けられる封止部材を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃焼器ライナ。
【請求項５】
前記内壁及び前記外壁は、該燃焼器ライナの軸方向において火炎が形成される側の領域に設けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃焼器ライナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼器ライナに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、燃焼器の冷却構造が開示されている。燃焼器においては、複数のインピンジ冷却孔が形成されている。このインピンジ冷却孔から、燃焼用に供給される空気の一部を冷却空気として燃焼器内に導入することにより、燃焼器の内壁が許容温度を超える高温とならないように冷却している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−３１７３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、空燃比の変化等により、燃焼器内における火炎の位置、大きさは変化するため、これに伴って燃焼器ライナの内壁において高温となる領域が変化する。従来技術においては、燃焼器ライナの高温領域にのみ冷却空気を供給することはできず、燃焼器ライナの全領域が許容温度を超えないように冷却空気を供給する。したがって、燃焼器ライナ全体において、冷却空気が必要以上に供給されることとなる。
【０００５】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、冷却空気の流量を燃焼器ライナ内の温度変化に基づいて調節可能とすることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明では、第１の手段として、内側冷却開口が設けられる内壁と、上記内壁の外側に設けられると共に上記内側冷却開口と対応する位置に外側冷却開口が設けられる外壁と、上記内壁及び上記外壁を固定するピンとを備え、上記内壁及び上記外壁の少なくともいずれかが熱膨張することにより上記内側冷却開口と上記外側冷却開口とが重なるという手段を採用する。
【０００７】
第２の手段として、上記第１の手段において、上記内壁と上記外壁とは、熱膨張率の異なる材質により構成されるという手段を採用する。
【０００８】
第３の手段として、上記第１または第２の手段において、上記内側冷却開口及び上記外側冷却開口は、該燃焼器ライナの周方向に長い形状とされる、という手段を採用する。
【０００９】
第４の手段として、上記第１〜３のいずれかの手段において、上記内壁と上記外壁との間に設けられる封止部材を備えるという手段を採用する。
【００１０】
第５の手段として、上記第１〜４のいずれかの手段において、上記内壁及び上記外壁は、該燃焼器ライナの軸方向において火炎が形成される側の領域に設けられる、という手段を採用する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、外壁に設けられる外側冷却開口と内壁に設けられる内側冷却開口とが、熱膨張により全面的に重なり合う、または一部のみが重なり合う。これにより、燃焼器ライナの温度が上昇すると、内壁の内側と外壁の外側とを連通する冷却孔の開口面積が増加する。したがって、燃焼器ライナの内壁の温度が上昇すると冷却空気の流量が増加するため、燃焼器の温度変化に応じて冷却空気の量を調節することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態におけるガスタービンの構成図である。
【図２】本発明の一実施形態における燃焼器を表す模式断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る燃焼器ライナの低温時の冷却孔の状態を示す要部拡大図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る燃焼器ライナの高温時の冷却孔の状態を示す要部拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１に示すように、ガスタービンＧは、圧縮機１と、燃焼器２と、タービン３とを有する。圧縮機１は、圧縮機動翼１ａと、圧縮機静翼１ｂと、ハウジング１ｃとを備えている。圧縮機１は、吸気口Ｈ１から吸気した外気を、後述するタービン軸３ａに固定され回転自在な圧縮機動翼１ａとハウジング１ｃに固定された圧縮機静翼１ｂとの間で圧縮して昇圧させて、燃焼器２が配置された圧縮空気室Ｒ１に供給する構成となっている。
【００１４】
燃焼器２は、燃料供給ノズル２ａと、燃焼器ライナ２ｂと、スワラ２ｃと、固定ピン２ｄ１、２ｄ２とを備えている。燃焼器２は、燃料供給ノズル２ａを介して供給される燃料と圧縮機１から供給された圧縮空気との混合気体を、燃焼器ライナ２ｂによって形成される燃焼領域Ｒ２内において燃焼させ、その燃焼ガスをタービン３に供給する構成となっている。
【００１５】
タービン３は、タービン軸３ａと、タービン動翼３ｂと、タービン静翼３ｃとを備えている。タービン３は、タービン軸３ａに固定され回転自在なタービン動翼３ｂと、ハウジング１ｃに固定されたタービン静翼３ｃとで燃焼器２から供給される燃焼ガスから回転運動エネルギーを得て、各タービン翼を通過した燃焼ガスを、排気口Ｈ２を介して外部に排気する構成となっている。
【００１６】
燃焼器２は、圧縮空気室Ｒ１内に設置されている。圧縮空気室Ｒ１は、ハウジング１ｃ内に設けられ、タービン軸３ａ周りに環状空間を形成する。燃焼器２は、圧縮空気室Ｒ１の環状空間に沿って、略環状を呈する、いわゆるアニュラ形の燃焼器ライナ２ｂを有する。燃焼器ライナ２ｂの圧縮機１から圧縮空気が供給される側には、燃料供給ノズル２ａが接続される。燃料供給ノズル２ａは、環状となった燃焼器ライナ２ｂに対し、所定間隔毎に複数接続されている。燃料供給ノズル２ａの周りには、スワラ２ｃが設けられている。スワラ２ｃは、圧縮機１から供給された圧縮空気を、燃料供給ノズル２ａ近傍から燃焼領域Ｒ２に導き入れて、混合ガスを生成する構成となっている。
【００１７】
燃焼器ライナ２ｂは、外壁２ｅと、内壁２ｆと、ルーバ２ｇとを備える二重壁構造を有する。本実施形態では、外壁２ｅと内壁２ｆとが、僅かに間隙をあけて配置されている。
【００１８】
外壁２ｅは、略円筒状とされ、例えばハステロイ（商標）のように耐熱部材で構成されている。また、外壁２ｅには、複数の外側冷却開口２ｅ１が周方向及び軸心に沿う方向において等間隔で設けられている。外側冷却開口２ｅ１は、燃焼器ライナ２ｂの周方向に長い略長円状とされ、外壁２ｅの周面に複数設けられている。さらに、外壁２ｅには、図３、４に示すように、後述する固定ピン２ｄ２が通過可能なピン開口が固定ピン２ｄ２に対応した位置に設けられている。
【００１９】
内壁２ｆは、外壁２ｅの内側に設けられた略円筒状の部材とされ、外壁２ｅと同様にハステロイ（商標）のように耐熱部材で構成されている。また、内壁２ｆには、燃焼が行われていない状態において、外側冷却開口２ｅ１から数ｍｍ程度変位した位置に内側冷却開口２ｆ１が設けられている。なお、内側冷却開口２ｆ１は、図２〜４に示すように、燃焼器ライナ２ｂの周方向に長い略長円状とされ、外壁２ｅの周面に等間隔で複数設けられている。このような外側冷却開口２ｅ１と内側冷却開口２ｆ１とが重なり合うことにより、冷却孔Ｒ３が燃焼器ライナ２ｂに形成される。
【００２０】
また、内壁２ｆの内側冷却開口２ｆ１には、それぞれルーバ２ｇが設けられている。ルーバ２ｇは、内側冷却開口２ｆ１の周囲に立設されると共に内壁２ｆの面に沿って伸びるように設けられており、内側冷却開口２ｆ１から流入した空気を内壁２ｆに沿うように案内している。
【００２１】
固定ピン２ｄ１は、細長状の部材とされ、ハウジング１ｃから外壁２ｅに向けて設けられており、外壁２ｅの一点をハウジング１ｃに固定している。このような固定ピン２ｄ１は、外壁２ｅの周方向において複数設けられると共に、燃焼器ライナ２の軸方向において火炎の近傍の領域、火炎の先端を含む領域、火炎から離れた領域において各々設けられている。
【００２２】
固定ピン２ｄ２は、細長状の部材とされ、ハウジング１ｃから外壁２ｅのピン開口を介して内壁２ｆに向けて設けられている。これにより、固定ピン２ｄ２は、内壁２ｆの一点をハウジング１ｃに固定している。このような固定ピン２ｄ２は、内壁２ｆの周方向において複数設けられると共に、燃焼器ライナ２の軸方向において火炎の近傍の領域、火炎の先端を含む領域、火炎から離れた領域において各々設けられている。
【００２３】
続いて、このような本実施形態に係る燃焼器２の作用について説明する。
【００２４】
また、燃焼器２における燃焼空気の温度が相対的に低く、燃焼器２の外壁２ｅ及び内壁２ｆの温度が低い場合には、外壁２ｅ及び内壁２ｆの熱膨張による伸びが発生しない。この場合、図３に示すように、外側冷却開口２ｅ１と内側冷却開口２ｆ１との一部が互いに重なった状態となる。そして、外側冷却開口２ｅ１から流入した冷却空気は、内側冷却開口２ｆ１より燃焼器２の内部へと流入し、さらにルーバ２ｇにより内壁２ｆの内面に沿って流れることとなる。これにより、内壁２ｆは、冷却空気により冷却される。
【００２５】
また、燃焼器２における燃焼空気の温度が相対的に高く、燃焼器２の外壁２ｅ及び内壁２ｆの温度が高い状態では、外壁２ｅ及び内壁２ｆにおいて、熱膨張による伸びが発生する。この場合、外壁２ｅは、図４に示すように、固定ピン２ｄ１を起点として図４の右方向（燃焼器ライナ２ｂの軸心に沿う方向）に向けて伸長する。また、内壁２ｆは、固定ピン２ｄ２を起点として図４における左方向（燃焼器ライナ２ｂの軸心に沿う方向）に向けて伸長する。これにより、外側冷却開口２ｅ１と内側冷却開口２ｆ１とが、互いに重なった状態となる。すなわち、燃焼空気の温度が低い状態と比較して、外壁２ｅの外周面側から見た際の冷却孔Ｒ３の開口面積が最大となる。そして、外側冷却開口２ｅ１から流入した冷却空気は、内側冷却開口２ｆ１より燃焼器の内部へと流入し、さらにルーバ２ｇにより内壁２ｆの内面に沿って流れることとなる。これにより、燃焼器ライナ２ｂの内部は、冷却空気により冷却される。
【００２６】
図２に示すように、本実施形態に係る燃焼器２内においては、火炎からの距離により、燃焼器ライナ２ｂの軸心に沿う方向において温度分布が発生する。火炎の近傍の領域においては、外壁２ｅ及び内壁２ｆが高温となり、外壁２ｅ及び内壁２ｆの熱膨張による伸びが発生し、外側冷却開口２ｅ１と内側冷却開口２ｆ１とが完全に重なり合うことで冷却孔Ｒ３の開口面積が最大となる。
【００２７】
また、図２における火炎の先端を含む領域においては、外壁２ｅ及び内壁２ｆの温度が火炎の近傍の領域と比較して低くなる。このため、外壁２ｅ及び内壁２ｆの熱膨張による伸長量が小さくなり、冷却孔Ｒ３の開口面積は、燃焼器ライナ２の軸方向において火炎の近傍の領域よりも小さくなる。
【００２８】
さらに、火炎から離れた領域においては、火炎による熱の影響が少なく、外壁２ｅ及び内壁２ｆの温度が火炎の先端を含む領域よりも低くなる。したがって、外壁２ｅ及び内壁２ｆの熱膨張による伸長量がさらに小さくなり、冷却孔Ｒ３の開口面積は、火炎の先端を含む領域よりも小さくなる。
すなわち、冷却孔Ｒ３の開口面積は、燃焼器ライナ２の軸方向において火炎から離れるにしたがって小さくなる。
【００２９】
このような本実施形態によれば、内壁２ｆの熱膨張により、外側冷却開口２ｅ１と内側冷却開口２ｆ１との重なり方が変化することで、冷却孔Ｒ３の開口面積が増加する。これにより、燃焼空気の温度が高い場合と低い場合とで冷却空気の流入量が変化し、燃焼空気の温度が高い場合により多くの冷却空気を取り込むことが可能となる。したがって、燃焼器２の内部の温度変化に応じて、燃焼器ライナ２ｂにおける冷却空気の流入量を調節することが可能である。
【００３０】
さらに、本実施形態によれば、内壁２ｆの内側冷却開口２ｆ１にルーバ２ｇが形成されている。これにより、内側冷却開口２ｆ１から流入した冷却空気が内壁２ｆの内面に沿って流れ、外壁２ｅ及び内壁２ｆを効果的に冷却することが可能である。
【００３１】
また、本実施形態によれば、外側冷却開口２ｅ１及び内側冷却開口２ｆ１が燃焼器ライナ２ｂの周方向に長い長円状とされ、外壁２ｅ及び内壁２ｆが燃焼器ライナ２ｂの軸心に沿う方向に向けて伸長することで、外側冷却開口２ｅ１及び内側冷却開口２ｆ１の重なり量（すなわち、冷却孔Ｒ３の開口面積）が増加する。したがって、燃焼器ライナ２ｂの軸心に沿う方向における熱膨張によって、外壁２ｅ及び内壁２ｆの熱膨張量が小さい場合にも、冷却孔Ｒ３の開口面積を大きく変化させることが可能であり、冷却孔Ｒ３の開口面積を変更することが容易である。
【００３２】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態においては、外側冷却開口２ｅ１及び内側冷却開口２ｆ１は、燃焼器ライナ２ｂの周方向に長い長円状としたが、本発明はこれに限定されない。外側冷却開口２ｅ１及び内側冷却開口２ｆ１は、例えば円形の開口としてもよい。この場合、外側冷却開口２ｅ１と内側冷却開口２ｆ１とは、外壁２ｅ及び内壁２ｆが加熱されていない状態において重ならず、冷却孔Ｒ３が完全に閉鎖されるものとしてもよい。つまり、外壁２ｅ及び内壁２ｆが加熱されていない状態では冷却空気が燃焼器２内に流入しない状態とすることが可能である。
また、外側冷却開口２ｅ１及び内側冷却開口２ｆ１は、形状が限定されるものではなく、他の形状とすることも可能である。
【００３３】
（２）上記実施形態においては、外壁２ｅ及び内壁２ｆの双方が同一の素材により構成されるものとしたが、本発明はこれに限定されない。外壁２ｅ及び内壁２ｆは、それぞれ熱膨張率の異なる素材により構成されるものとしてもよい。この場合、例えば、外壁２ｅ及び内壁２ｆを固定ピンにより共にハウジング１ｃに固定する。このような構成によれば、外壁２ｅ及び内壁２ｆの熱膨張により外側冷却開口２ｅ１及び内側冷却開口２ｆ１が重なる位置に移動するように、外側冷却開口２ｅ１及び内側冷却開口２ｆ１の位置を設定することが可能である。したがって、上記実施形態のように固定ピン２ｄ２を設けるために外壁２ｅに貫通孔を形成する必要がなく、構成が単純となる。
【００３４】
（３）上記実施形態においては、燃焼器ライナ２ｂの全体が外壁２ｅ及び内壁２ｆにより構成され、燃焼器ライナ２ｂに形成される全ての冷却孔Ｒ３の開口面積が温度変化により増減するものとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、燃焼器ライナ２ｂにおいて高温となる領域（上記実施形態における火炎近傍の領域及び火炎の先端を含む領域、または燃焼ガスの流速が早い領域や、燃焼ガスの流路が曲がる領域）において設けられるものとしてもよい。これにより、温度変化の激しい火炎が形成される側の領域において、効果的に冷却空気の流量を調節することが可能である。また、火炎の形成される側の領域のみを二重壁とすることにより、固定ピン２ｄ１、２ｄ２の設置数を最小限とすることが可能である。
【００３５】
（４）また、外壁２ｅと内壁２ｆとの間にシール部材を設けることも可能である。具体的には、外側冷却開口２ｅ１及び内側冷却開口２ｆ１の周囲において、外壁２ｅと内壁２ｆとの間に封止部材を設けることで、内壁２ｆが熱膨張により外径が広がった際においても、外壁２ｅと内壁２ｆとの間の間隙を保持することができ、外壁２ｅと内壁２ｆとが固着することを防止することが可能である。また、封止部材を設けることにより、外壁２ｅと内壁２ｆとの間に冷却空気やその他固形物等が流入することを防止できる。
【００３６】
（５）また、燃焼器２は、カン型とされ、複数の筒状の燃焼器ライナ２ｂを備えるものとしてもよい。この場合、それぞれの燃焼器ライナ２ｂが外側冷却開口２ｅ１と内側冷却開口２ｆ１とを有している。
【符号の説明】
【００３７】
１  圧縮機
１ａ  圧縮機動翼
１ｂ  圧縮機静翼
１ｃ  ハウジング
２  燃焼器
２ａ  燃料供給ノズル
２ｂ  ライナ
２ｃ  スワラ
２ｄ１  固定ピン
２ｄ２  固定ピン
２ｅ  外壁
２ｅ１  外側冷却開口
２ｆ  内壁
２ｆ１  内側冷却開口
２ｇ  ルーバ
３  タービン
３ａ  タービン軸
３ｂ  タービン動翼
３ｃ  タービン静翼
４０  固定ピン
Ｇ  ガスタービン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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