(57)【要約】【課題】  二重壁構造を有するライナにおける、内側壁と外側壁との間の隙間への冷却流体の導入および排出を促進するガスタービン用燃焼器を提供する。【解決手段】  燃焼室を形成するライナ１０を二重壁構造とし、前記ライナの外周部に燃焼器に供給される空気の流路を有するガスタービン用燃焼器において、前記ライナ１０の外側壁３０の外面側に突起構造物４０を設けるとともに、空気の流れ方向から見て前記突起構造物４０の上流側と下流側に空気孔５０，６０を形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室を形成するライナを二重壁構造とし、前記ライナの外周部に燃焼器に供給される空気の流路を有するガスタービン用燃焼器において、
前記ライナの外側壁の外面側に突起構造物を設けるとともに、空気の流れ方向から見て前記突起構造物の上流側と下流側に空気孔を形成したことを特徴とするガスタービン用燃焼器。
【請求項２】
請求項１に記載のガスタービン用燃焼器において、
前記ライナの外側壁の内面側にも突起構造物を設けたことを特徴とするガスタービン用燃焼器。
【請求項３】
請求項２に記載のガスタービン用燃焼器において、
前記外側壁の外面側と内面側に設ける突起構造物は、互いが交差する位置関係となるように配置したことを特徴とするガスタービン用燃焼器。
【請求項４】
請求項２に記載のガスタービン用燃焼器において、
前記ライナの内側壁は、外側壁の内面側に設けた突起構造物を介して支持されていることを特徴とするガスタービン用燃焼器。
【請求項５】
請求項２に記載のガスタービン用燃焼器において、
前記外側壁の内面側に設けた突起構造物は複数個が形成されたものであって、該複数個の突起構造物により前記外側壁と内側壁の隙間空間に複数の流路を形成したことを特徴とするガスタービン用燃焼器。
【請求項６】
請求項５に記載のガスタービン用燃焼器において、
前記外側壁の外面側のある突起構造物の上流側空気孔とその上流側に位置する突起構造物の下流側空気孔との間の位置に対応する、前記外側壁の内面側の位置に、前記隙間空間の流路をせき止める障害物を設けたことを特徴とするガスタービン用燃焼器。
【請求項７】
請求項１に記載のガスタービン用燃焼器において、
前記ライナの内側壁の厚みを外側壁よりも薄く形成したことを特徴とするガスタービン用燃焼器。
【請求項８】
請求項１に記載のガスタービン用燃焼器において、
前記外側壁の外面側に設けられた突起構造物の高さ形状は、空気の流れ方向からみて、上流側ではライナ半径方向外側に向かって滑らかに増加し、最高高さ位置からライナ半径方向内側に滑らかに減少し、その下流側では大きく減少するように形成するとともに、
前記空気孔の中心軸方向をライナ半径に対して空気の流れ方向に傾斜するように形成したことを特徴とするガスタービン用燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン用燃焼器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン用燃焼器に関する従来技術としては、例えば特許文献１に記載の技術がある。この特許文献１では、燃焼室を境界づける内側壁と外側壁とを備え、その内側壁と外側壁との間に冷却流体が貫流する隙間が空けられ、この隙間に開口する冷却流体導入路および隙間から冷却流体を排出する冷却流体排出路が設けられているタービンにおける密閉冷却形燃焼器において、冷却流体排出路が、燃焼器の軸方向に沿って延びるダクト状排出路構造を有し、この排出路構造が、その排出路構造間に配置された冷却流体導入路の入口構造によって中断されていることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2004-197748号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述の特許文献１では、密閉冷却型燃焼器において、燃焼室を境界づける内側壁と外側壁との間に冷却流体が貫流する隙間と、冷却流体導入路およびダクト状排出路構造を設け、導入路から隙間に導入された冷却流体が、燃焼器から除去すべき熱を吸収後、排出路より排出される構造としている。これに対して、燃焼室を包囲するライナの外周部に燃焼器に供給される空気が流れる流路を有する、開放冷却型燃焼器において、ライナを二重壁構造とする場合は、密閉冷却型燃焼器と同様に隙間に導入路を直接接続し、冷却流体を隙間に導入することはできない。
【０００５】
本発明は、二重壁構造を有するライナにおける、内側壁と外側壁との間の隙間への冷却流体の導入および排出を促進するガスタービン用燃焼器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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、燃焼室を形成するライナを二重壁構造とし、前記ライナの外周部に燃焼器に供給される空気の流路を有するガスタービン用燃焼器において、前記ライナの外側壁の外面側に突起構造物を設けるとともに、空気の流れ方向から見て前記突起構造物の上流側と下流側に空気孔を形成する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、二重壁構造を有するライナにおける、内側壁と外側壁との間の隙間への冷却流体の導入および排出を促進するガスタービン用燃焼器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施例１による二重壁構造ライナの外形図の例である。
【図２】二重壁構造ライナの突起構造物周りの拡大断面図の例である。
【図３】実施例２の二重壁構造ライナの外側壁の展開図の例である。
【図４】実施例３の二重壁構造ライナの外側壁の展開図の例である。
【図５】実施例４における二重壁構造ライナの厚み比と温度の関係図である。
【図６】実施例５の外側壁外面側の突起構造物付近の拡大断面図の例である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１０】
本実施例では、その内部空間に燃焼室を形成するライナの外周部に、燃焼器に供給される空気が流れる流路を有するガスタービン用燃焼器における、二重壁構造ライナ１０の例を説明する。
【００１１】
図１は、本実施例の二重壁構造ライナの構成図の例である。二重壁の外側の外部空間２０には、冷却空気がライナの軸方向に流れており、二重壁の外側壁３０の外面に、等間隔に空気の流れを受け止める方向で突起構造物４０を設置する。
【００１２】
図２に、外側壁３０に設けられた突起構造物４０近傍の二重壁の断面を示す。外側壁３０の外側に設けられた突起構造物４０の流れに対する上流側と下流側において、外側壁３０に空気孔(上流側空気孔５０、下流側空気孔６０)が設けられており、二重壁の外側の空間２０から外側壁３０と内側壁７０の隙間空間８０まで貫通している。突起構造物４０より上流側では、流れが受け止められていることから圧力が増加し、一方で、突起構造物４０より下流側の空間では、突起構造物上端で流れのはく離が発生することから、圧力が低下する。上流側と下流側での圧力差により、上流側の空気孔５０を通過して、二重壁の隙間空間８０に流入し、下流側の空気孔６０を通過して外部空間２０に排出される冷却空気の流れが促進される。ライナの軸方向には、突起構造物４０が等間隔で設置されており、各突起構造物の上流側と下流側にはそれぞれ空気孔(５０、６０)が設けられている。なお、二重壁の内側壁７０は、外側壁３０にスペーサ(図示せず)を介して取り付けられており、構造的に外側壁と内側壁は一体となっている。
【００１３】
本実施例の効果としては、開放冷却型燃焼器の二重壁構造のライナにおいて、外側壁３０と内側壁７０の隙間空間８０への冷却空気の流入，排出を促進し、燃焼室に直接接している内壁側の冷却を促進し、内側壁の熱負荷を緩和する。例えば、上記突起構造物より上流側は冷却空気流れが受け止められるため隙間内部比べ圧力が高くなり、下流側は流れがよどむ領域となるため隙間内部に比べ圧力が低くなることから、上記突起構造物の上流側および下流側に形成された空気孔を通して、冷却空気の隙間への導入，排出が促進される。
【実施例２】
【００１４】
本実施例では、実施例１のライナにおいて、二重壁の外側壁内面側にも突起構造物を設けた二重壁構造ライナの例を説明する。
【００１５】
図３は、実施例２における二重壁構造ライナ９０の展開図の例である。実施例１と同様に、二重壁の外側壁３０の外面には突起構造物４０が等間隔に設置されている。本実施例では、突起構造物４０は周方向にほとんど切れ目のない構造とし、例えば図３に点線で示すように周方向の全周にわたり矩形状の突起構造物４０を設ける。また、外側壁内面側にも外面側と同様に、周方向の全周にわたり矩形状の突起構造物１００を設ける。これは、実施例１にて内側壁を外側壁に取り付ける際に用いたスペーサ(図示せず)の代わりとして活用される。すなわち、内側壁７０は突起構造物１００を介して外側壁３０に支持されている。このとき、外面側の突起構造物４０と内面側の突起構造物１００は交差するように配置されており、外面側突起構造物４０の上流側に取り付けられた空気孔５０を通して隙間空間８０に取り込まれた冷却空気は、内面側の突起構造物１００の間を流れる。
【００１６】
本実施例の効果としては、内面側に冷却空気用の流路１１０を設けることで、隙間空間８０内の冷却空気流れを整流化し、内側壁７０の特定部分のみが、隙間空間内に停留した冷却空気流れによって十分に冷却されなくなることを防ぐ。また、外側壁外面および内面に交差上に矩形状の突起構造物（４０、１００）を配置することで、外側壁の構造強度を強化し、内側壁も含めたライナ全体の構造強度を高める。なお、上記において突起構造物（４０、１００）の形は矩形状と記載したが、例えばLリブのように、流路を形成でき、また、取付けることにより強度が高まる形状としても良い。
【００１７】
図３の二重壁構造ライナ９０のうち、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
【実施例３】
【００１８】
本実施例では、実施例２のライナにおいて、外側壁と内側壁の隙間空間に設けられた冷却空気用の流路において、途中に流路をせき止める方向に障害物を設けた、二重壁構造ライナの例を説明する。
【００１９】
図４は、実施例３における二重壁構造ライナ１２０の展開図の例である。実施例２と同様に、二重壁の外側壁３０の外面と内面に突起構造物（４０、１００）が等間隔に設置されており、それらは交差した位置関係となっている。本実施例においては、隙間空間８０に設けられた流路１１０において、図４に示した位置関係で流路をせき止める障害物１３０を設ける。つまり、外側壁に設けられた冷却空気の流入側空気孔５０と排出側空気孔６０の中間で、かつ流入側空気孔５０の上流側に障害物１３０を設ける。これにより、外側壁外面の突起構造物４０の上流側から隙間空間８０に流れ込んだ冷却空気は、同じ突起構造物４０の下流側に設けられた排出側空気孔６０より二重壁外側空間２０に排出される。
【００２０】
本実施例の効果としては、ある流入側空気孔５０から隙間空間８０に流入した冷却空気は、必ず最初の下流側にある排出側空気孔６０で隙間空間８０より排出されるため、隙間空間内に温まった冷却空気が留まることを防ぐことができ、内側壁７０を冷却する効果を維持することができる。
【実施例４】
【００２１】
本実施例では、実施例１のライナにおいて、内側壁の厚みを外側壁に比べ顕著に薄くし、内側壁の温度上昇を抑える構造としたライナの例を説明する。以下の式は、内外面に温度差のある円筒における、伝熱量を示す。
【００２２】
Q=|Ti-To|/R  ・・・(1)
R=ln(ro/ri)/(2πLλ)            ・・・(2)
Q:伝熱量[W], Ti:内面側温度[℃], To:外面側温度[℃]，R:熱抵抗[℃/W] 
λ:熱伝導率[W/mm/K], ri:内径(半径)[mm], To:外径(半径)[mm],L:円筒長さ[mm]
図５に横軸にro/ri,縦軸にln(ro/ri)をとったグラフを示す。本実施例ではri=100 mmとしている。図５より、円筒の厚みが薄く外径が小さくなるにつれ、ln(ro/ri)がほぼ直線的に0に近づく。燃焼器ライナにおいて、同じ燃焼状態におけるライナの伝熱量Qおよび冷却空気の温度である外面側温度Toは、厚みによってほとんど変化しないと考えられる。また、ライナの材料により決定される熱伝導率λや長さLは定数である。式(1)(2)を変形すると、内面側温度Tiは(3)式にて表され、厚みが薄くなるにつれ、内面側温度は、直線的に外面側温度に近づく。
【００２３】
Ti=Q/(2πLλ)×ln(ro/ri)＋To    ・・・(3)
以上より、内側壁の厚さを外側壁に比べて顕著に薄くすることで、内側壁内面側の温度上昇を抑え、内側壁が高温となることによる負荷を低減させることができる。
【実施例５】
【００２４】
本実施例では、実施例１のライナにおいて、二重壁の外側壁外面側に設けた突起構造物の形状を、冷却空気流れに対する上流側は滑らかに立ち上がり、下流側は突起構造物の凸部最高点(Ａ点)通過後の少しの区間は滑らかに下降した後に、急激に下降し外側壁３０に到達する形状とし、それに伴い、空気孔の中心軸方向をライナ半径方向に対して冷却空気の流れ方向にやや傾けた構造とした、二重壁構造ライナの例を説明する。
【００２５】
図６は、実施例５における外側壁３０外面側に設けた突起構造物４０の断面図の例である。突起構造物４０の効果は、実施例１に記載のとおり、突起構造物４０にて流れを受け止め、突起構造物の上流側に周囲より圧力の高い領域、下流側に周囲より圧力の低い領域を形成することである。しかし、流れを受け止める効果が大きい場合、ライナにおける空気流れの圧力損失が増大し、ガスタービンの効率を低下させる原因となる。
【００２６】
本実施例の効果としては、突起構造物４０上流側の冷却空気流れを完全に受け止めることなく、滑らかに突起構造物４０の高さ方向側へ流すことで、流れの圧力損失を大きく増やすことなく、上流側空気孔５０位置の圧力を高めることである。なお本実施例では、突起構造物４０上流側の空気流れの速度成分(u1)は０ではないため、(4)式のベルヌーイ式によると、突起構造物上流側の圧力増加幅は小さくなり、隙間空間８０に冷却空気を送り込む圧力差は、速度成分(u1)を０とする場合に比べ低下するが、突起構造物上流側空気孔５０を冷却空気流れの方向に傾けることで、残留分の空気流れの速度成分のうち、上流側空気孔５０の軸方向と同じ方向の速度成分は上流側空気孔を流入する冷却空気の速度成分としてそのまま利用する。
【００２７】
1/2u02 + p0/ρ = 1/2u12 + (p0+Δp)/ρ        ・・・(4)
u0:冷却空気速度[m/s], p0:冷却空気圧力[MPa], 
u1:突起構造物上流側冷却空気速度[m/s], Δp: 突起構造物上流側圧力増加量[MPa]
また、下流側は形状が大きく変化する部分を持たせ、流れのはく離を促し、排出側空気孔付近の圧力低下を引き起こすとともに、なだらかな下降部分を設けることで、突起構造物４０の後縁(点B)にてはく離した流れが外側壁に再付着する位置(点C)の突起物後縁(点B)からの距離を縮め、突起構造物４０を乗り越え吸熱していない冷却空気流れと、排出側空気孔６０から排出された吸熱した冷却空気が混ざり合い、次の流入側空気孔から流入する空気の温度が、冷却空気の平均温度に比べ高く保たれないようにしている。
【００２８】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００２９】
１０  二重壁構造ライナ
２０  外部空間
３０  二重壁の外側壁
４０  突起構造物(外面側)
５０  上流側空気孔
６０  下流側空気孔
７０  二重壁の内側壁
８０  隙間空間
９０  二重壁構造ライナ
１００  突起構造物(内面側)
１１０  流路
１２０  二重壁構造ライナ
１３０  障害物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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