(57)【要約】【課題】高温ガス流を案内するダクト壁における位置にかかわらずダクト壁の効率的なインピンジメント冷却を提供する。【解決手段】本開示は、高温ガス流１９を案内するダクトのダクト壁７を冷却するインピンジメント冷却装置に関する。インピンジメントスリーブ１０は、圧縮空気プレナム２０に少なくとも部分的に配置され、ダクト壁７から間隔を置いて配置され、ダクト壁７とインピンジメントスリーブ１０との間の冷却流路１５を形成しており、圧縮空気プレナム２０からスリーブ１０における開口１４を通って噴射される冷却空気はダクト壁７に衝突する。クロスフロー１６を少なくとも１つの開口１４から逸らせるために、冷却流路１５に少なくとも１つのフローダイバータ２１が配置されている。インピンジメント冷却装置の他に、このような装置を備えるガスタービン１およびダクト壁を冷却する方法が開示される。【選択図】図４
2015081608.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上流端部（１２）および下流端部（１３）を有する高温ガス流路において高温ガス流（１９）を案内するダクトのダクト壁（７）を冷却するインピンジメント冷却装置であって、インピンジメントスリーブ（１０）を備え、該インピンジメントスリーブ（１０）は、圧縮空気プレナム（２０）に少なくとも部分的に配置されており、前記インピンジメントスリーブ（１０）は、前記ダクト壁（７）を包囲する複数の開口（１４）を有しておりかつ前記ダクト壁（７）から間隔を置いて配置されており、前記ダクト壁（７）と前記インピンジメントスリーブ（１０）との間に冷却流路（１５）を形成しており、これにより、作動中に前記圧縮空気プレナム（２０）から前記開口（１４）を通って噴射された冷却空気は、前記ダクト壁（７）に衝突し、クロスフロー（１６）として前記高温ガス流路の端部（１２，１３）における出口に向かって流れる、インピンジメント冷却装置において、
前記クロスフローを少なくとも１つの開口（１４）から逸らせるために、前記冷却流路（１５）に少なくとも１つのフローダイバータ（２１）が配置されていることを特徴とする、インピンジメント冷却装置。
【請求項２】
前記フローダイバータ（２１）は、前記冷却流路（１５）に冷却空気を噴射するための第１の開口（１４）の下流に配置されている、請求項１記載のインピンジメント冷却装置。
【請求項３】
前記フローダイバータ（２１）は、前記ダクト壁（７）から前記インピンジメントスリーブ（１０）まで延びている、請求項１または２記載のインピンジメント冷却装置。
【請求項４】
前記フローダイバータ（２１）は、下流端部において前記冷却空気チャネル（１５）へ開放した新たな冷却流セクションを始めるために、冷却空気チャネル（１５）の一部を上流のクロスフロー（１６）から分離している、請求項３記載のインピンジメント冷却装置。
【請求項５】
前記フローダイバータ（２１）は、前記ダクト壁（７）または前記インピンジメントスリーブ（１０）から前記冷却流路（１５）内へ延びており、前記冷却流路（１５）の高さ（Ｄ）よりも小さな高さ（ｈ）を有する、請求項１または２記載のインピンジメント冷却装置。
【請求項６】
前記フローダイバータ（２１）は、前記ダクトの軸線（１８）に対して±５°〜９０°の角度で配置された壁部分を含む、請求項１から５までのいずれか１項記載のインピンジメント冷却装置。
【請求項７】
互いに並んで配置された少なくとも一対のフローダイバータ（２１）を備え、各フローダイバータは壁部分を含み、該壁部分は、前記クロスフロー（１６）の下流方向で２つのフローダイバータ（２１）の間の流れ領域が増大するように、１０°〜１６０°の範囲の角度で互いに対して向きづけられている、請求項１から６までのいずれか１項記載のインピンジメント冷却装置。
【請求項８】
前記冷却流路（１５）の高さ（Ｄ）は、前記冷却流路（１５）の長さ（Ｘ）に沿って実質的に一定である、請求項１から７までのいずれか１項記載のインピンジメント冷却装置。
【請求項９】
逸らされた流れがダクト壁（７）を通過する冷却流路（１５）の領域におけるインピンジメント密度は、冷却流路（１５）の高さ（Ｄ）の少なくとも２倍の長さ（Ｘ）のための前記フローダイバータの下流の領域におけるインピンジメント密度よりも小さい、請求項１から８までのいずれか１項記載のインピンジメント冷却装置。
【請求項１０】
分割壁が前記フローダイバータ（２１）の上流または下流に配置されているまたは前記フローダイバータ（２１）と一体に形成されており、前記分割壁は、作動中に前記クロスフロー（１６）の流れ方向に対して平行な主延在方向に整合させられている、請求項１から９までのいずれか１項記載のインピンジメント冷却装置。
【請求項１１】
作動中、前記フローダイバータは、前記クロスフロー（１６）の下流方向で死水を生ぜしめ、少なくとも１つの開口（１４）は、前記冷却空気が前記死水において壁（７）に衝突するように前記スリーブ（１０）に配置されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載のインピンジメント冷却装置。
【請求項１２】
前記ダクト（７）は、前記燃焼室（４）を画成している、請求項１から１１までのいずれか１項記載のインピンジメント冷却装置。
【請求項１３】
請求項１から１２までのいずれか１項記載のインピンジメント冷却装置を有するガスタービン（１）。
【請求項１４】
上流端部（１２）および下流端部（１３）を有する高温ガス流路において高温ガスを案内するダクトのダクト壁（７）をインピンジメント冷却する方法であって、複数の開口（１４）を有するインピンジメントスリーブ（１０）が、前記ダクト壁（７）を包囲しておりかつ該ダクト壁（７）から間隔を置いて配置されており、前記ダクト壁（７）と前記インピンジメントスリーブ（１０）との間に冷却流路（１５）を形成しており、冷却空気が前記開口（１４）を通って噴射され、クロスフロー（１６）として高温ガス流路の一方の端部（１２，１３）における出口に向かって流れる、方法において、
前記クロスフロー（１６）の少なくとも一部を、前記冷却流路（１５）において前記開口（１４）の上流に配置された少なくとも１つのフローダイバータ（２１）によって、前記少なくとも１つの開口から逸らせることを特徴とする、ダクト壁（７）をインピンジメント冷却する方法。
【請求項１５】
前記インピンジメント冷却空気を、前記フローダイバータ（１４）の下流の開口（１４）を通じて噴射し、前記フローダイバータ（１４）から、前記冷却流路の高さ（Ｄ）の３倍の距離において、前記冷却流路（１５）における冷却空気の流速の軸方向成分を実質的に均一にする、請求項１４記載のダクト壁（７）をインピンジメント冷却する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、インピンジメント冷却装置、特に高温ガスダクトを冷却するためのインピンジメント冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電サイクルの熱力学的効率は、作動流体の最大温度に依存する。作動流体は、例えばガスタービンの場合、燃焼器から排出される高温ガスである。高温ガスの最大実現可能温度は、燃焼エミッションと、この高温ガスと接触する金属部分の作動温度限界とによって制限され、これらの部分を高温ガス温度よりも低く冷却する能力によって制限される。最新型ヘビーデューティガスタービンの高温ガス流路を形成する高温ガスダクト壁の冷却は困難であり、現在公知の冷却法は、高い性能ペナルティを有し、すなわち電力及び効率の低下につながる。
【０００３】
インピンジメント冷却は、高い高温ガス温度を有するガスに曝される構成部材のための最も有効な冷却技術の１つである。ダクトのインピンジメント冷却のために、ダクト外面から短い距離だけ離れてスリーブが配置されている。インピンジメントスリーブは穴の配列を有する。これらの穴の配列を通って、圧縮された冷却ガスが放出され、これにより、エアジェットの配列を生ぜしめ、これらのエアジェットの配列はダクトの外面に衝突し、ダクトの外面を冷却する。インピンジメント（衝突）の後、冷却ガスは、ダクトとインピンジメントスリーブとによって画成された冷却通路をダクトの一方の端部に向かって流れる。この流れはいわゆるクロスフローにつながる。通常、第１のインピンジメント列は、冷却チャネルにおいていかなるクロスフローをも生じることなくダクトのインピンジメントを提供する。後続のインピンジメント列の数はダクトの端部に向かって増大しているので、冷却チャネルにおけるクロスフローが形成される。欠点としては、冷却チャネルにおいて増大するクロスフローは、インピンジメント冷却の可能な熱伝達係数を妨げるおよび低下させる。なぜならば、インピンジメントジェットは、燃焼室壁に衝突する前にこの燃焼室壁（図３ａ参照）から逸らされ、曲げられるからである。
【０００４】
クロスフロー速度を制限するために、冷却チャネルの長さにわたって冷却チャネルの高さを増大させることが米国特許第４７１９７４８号明細書において提案されている。しかしながら、冷却チャネルの高さの増大は、ダクト壁に到達するインピンジメントジェットの速度を減じる。
【０００５】
インピンジメント冷却によって冷却されるダクトの長さにわたってインピンジメント冷却の効率が低下することに加え、ダクト壁の典型的な熱負荷は均一ではない。例えば、ガスタービンのほとんどの燃焼室は、エンジン軸線に対して傾斜しており、これは高温ガス流れ方向の変化につながる。燃焼室における高温ガス流は、主流れ方向においてこの変化に適応しなければならず、これは、燃焼室壁から離れた典型的な位置において、より高い熱負荷の領域、いわゆるホットスポットにつながる。より大きな熱負荷に曝されるダクトの領域の寿命を保証するために、これらの位置においては、より大きな冷却が必要とされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第４７１９７４８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本開示の課題は、高温ガス流を案内するダクト壁における位置にかかわらずダクト壁の効率的なインピンジメント冷却を提供するインピンジメント冷却装置を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上流端部および下流端部を有する高温ガス流路において高温ガス流を案内するダクトのダクト壁を冷却する、開示されたインピンジメント冷却装置は、インピンジメントスリーブを有する。インピンジメントスリーブは少なくとも部分的に圧縮空気プレナムに配置されており、スリーブは、ダクトを包囲する複数の開口を有しており、圧縮空気プレナムからこれらの開口を通じて噴射される冷却空気がダクト壁に衝突するようになっている。スリーブはダクト壁から間隔を置いて配置されており、ダクト壁とインピンジメントスリーブとの間に冷却流路を形成しており、噴射された空気はクロスフローとしてスリーブの端部における出口に向かって流れる。
【０００９】
このような装置は、例えば、ガスタービンのダクト壁を冷却するために、特に燃焼器または燃焼室の壁を冷却するために使用することができる。
【００１０】
冷却流と高温ガス流とは一般的に向流で流れる。すなわち、冷却流は、ダクトの下流端部からダクトの上流端部へ流れる。しかしながら、並行な冷却空気流と高温ガス流とを提供する装置も考えられる。このような並流装置は、付加的な空気が第２の燃焼段において噴射される段階的なまたは連続的な燃焼を行う燃焼室および燃焼器配列のために有利であり得る。冷却空気は例えば、いわゆる遅延希薄燃焼のための空気であってもよい。さらに、冷却空気は、第１の火炎の下流の高温ガスに冷却空気を混合することによって高温ガスを冷却するために、第２の燃焼段用の希釈空気として使用することができる。
【００１１】
第１の実施の形態によれば、クロスフローを少なくとも１つの開口から逸らせるために、冷却流路に少なくとも１つのフローダイバータが配置されている。
【００１２】
フローダイバータは、スリーブまたはダクトの壁から冷却チャネル内へ延びたリブまたは壁であってよいか、またはスリーブをダクト壁に結合していることができる。
【００１３】
一般的に、スリーブの熱負荷のほうがより低いため、フローダイバータはスリーブに結合されているかまたはスリーブの一体的な部分を形成している。なぜならば、スリーブは高温ガスに曝されず、スリーブのためにより安価な材料を用いることができるからである。択一的に、フローダイバータは、ダクト壁に結合されるかまたはダクト壁の一体的な部分を形成することができる。この場合、フローダイバータは、ダクト壁をより良好に冷却するための冷却リブとして作用することができる。
【００１４】
インピンジメント冷却装置の別の実施の形態によれば、フローダイバータは、冷却流路に冷却空気を噴射するための第１の開口の下流に配置されている。特に、ダイバータは、インピンジメント冷却のために冷却流路に冷却空気を噴射するための、第１の開口の下流でかつ第２の開口の上流に配置されている。
【００１５】
特にフローダイバータは、クロスフローに後流を生ぜしめ、冷却流路に冷却空気を噴射するための少なくとも１つの開口は、フローダイバータの後流に配置されている。
【００１６】
インピンジメント冷却装置の別の実施の形態によれば、フローダイバータは、ダクト壁からインピンジメントスリーブまで延びている。これにより、フローダイバータは、冷却流チャネルの一部分を閉鎖し、この部分におけるクロスフローを完全に停止させることができる。
【００１７】
インピンジメント冷却装置のさらに別の実施の形態によれば、フローダイバータは、フローダイバータの下流端部において冷却空気チャネルへ開放した新たな冷却流部分を発生させるように上流のフロスフローから冷却空気チャネルの一部を分離している。
【００１８】
インピンジメント冷却装置の択一的な実施の形態において、フローダイバータは、ダクト壁またはインピンジメントスリーブから冷却流路内へ延びている。フローダイバータの高さは、冷却流路の高さよりも小さい。これにより、クロスフローの一部はフローダイバータを通過することができるので、フローダイバータよりも下流のインピンジメント開口が作動中に例えば汚れによって詰まったとしても、最低限の冷却空気流を提供することができる。加えて、フローダイバータとダクト壁との間、もしくはフローダイバータとスリーブとの間の結果的に生じる間隙は、熱膨張による２つの構成部材の相対移動を可能にする。
【００１９】
インピンジメント冷却装置の別の実施の形態によれば、フローダイバータは、ダクトの軸線に対して±５°〜９０°の角度で配置された壁部分を有する。冷却流路の一部をより良好に遮断するために、フローダイバータは、±３０°〜９０°の角度または４５°よりも大きく、かつ９０°までの角度で配置することができる。
【００２０】
さらに別の実施の形態では、インピンジメント冷却装置は、互いに並んで配置された少なくとも一対のフローダイバータを有する。各フローダイバータは壁部分を有し、これらの壁部分は、１０°〜１６０°の範囲の角度で開くように互いに対して向きづけられている。壁部分の開きにより、２つのフローダイバータの間の流れ領域は、クロスフローの下流方向で増大している。流れ領域の増大により、２つの壁部分の間のクロスフローの速度は低下し、これにより、この領域において、より有効なインピンジメント冷却を提供する。もしくは、インピンジメント冷却のために２つの壁部分の間で噴射される付加的な冷却空気にもかかわらず流速を一定に保つことができるか、またはクロスフロー速度の増大は、フローダイバータを有さない装置よりも減じられる。
【００２１】
特に、インピンジメント冷却装置は、冷却流路の長さに沿って実質的に一定の冷却流路の高さを有することができる。冷却流路の長さとは、第１のインピンジメント穴における上流端部から、冷却流路の下流端部における冷却流路の出口までの、冷却流路における冷却流の流れ方向での延在範囲である。
【００２２】
インピンジメント冷却装置では、逸らされた流れがダクトを通過する冷却空気流路の領域におけるインピンジメント密度を、フローダイバータの下流の領域における密度よりも低くすることができる。特に、フローダイバータの下流の領域におけるインピンジメント密度は、冷却流路の高さの少なくとも２倍の長さにわたって、より高くすることができる。
【００２３】
インピンジメント密度は、ダクト壁面積あたりのインピンジメント流である。インピンジメント密度は、単位面積当たりの開口の数、開口の断面積、ならびにインピンジメントジェットを駆動するための利用可能な圧力降下、および開口の損失係数またはインピンジメントジェットの結果としての速度の関数である。
【００２４】
インピンジメント冷却装置の別の実施の形態によれば、分割壁が、フローダイバータの上流または下流に配置されており、分割壁は、作動中、クロスフローの流れ方向に対して平行な主延在方向と整列させられている。このような分割壁は、フローダイバータと一体に形成することもできる。
【００２５】
フローダイバータの上流におけるこのような分割壁は、壁の非対称熱負荷の場合に、フローダイバータの周囲に対称的に冷却空気流を案内するために有効であることができる。これにより、フローダイバータの両側における領域が十分に冷却されることを保証することができる。
【００２６】
インピンジメント冷却装置のさらに別の実施の形態では、フローダイバータは、作動中、クロスフローの下流方向で死水を生じるように配置されている。冷却空気が死水においてダクト壁に衝突するように少なくとも１つの開口がスリーブに配置されている。フローダイバータは、冷却流に配置された単なる壁または別の丸みを帯びたボディ（blunt body）であることができる、または例えば円筒体であることができる。
【００２７】
一般的に、ダイバータは、ダクト壁またはスリーブから壁またはスリーブ面に対して実質的に直角に延びるように配置されている。
【００２８】
特に、インピンジメント冷却装置によって冷却されるダクトは、燃焼室を画成している。
【００２９】
インピンジメント冷却装置の他に、このようなインピンジメント冷却装置を有するガスタービンは本開示の対象である。
【００３０】
さらに、上流端部および下流端部を有する高温ガス流路において高温ガスを案内するダクトのダクト壁をインピンジメント冷却する方法は本開示の対象である。複数の開口を有するインピンジメントスリーブは、冷却されなければならないダクト壁を包囲しており、このダクト壁から間隔を置いて配置されており、ダクト壁とインピンジメントスリーブとの間に冷却流路を形成している。冷却空気は開口を通じて噴射され、ダクト壁に衝突し、クロスフローとして高温ガス流路の一方の端部における出口に向かって流れる。この方法によれば、冷却流路における開口の上流に配置された少なくとも１つのフローダイバータによって、クロスフローの少なくとも一部は少なくとも１つの開口から逸らされる。
【００３１】
方法の別の実施の形態によれば、インピンジメント冷却空気は、フローダイバータの下流の開口を通じて噴射され、フローダイバータから冷却流路の高さの３倍の距離において、冷却流路における冷却空気の流速の軸方向成分は実質的に均一となる。均一な流れを達成するために、噴射流はダイバータの周りの流れに適合しなければならない。すなわち、ダイバータの下流の流路面積あたりの、ダイバータの下流の噴射インピンジメント流は、流入するクロスフローと等しく、それに加えて、ダイバータの側部における逸らされた流れにおける冷却流路面積あたりの噴射されたインピンジメント流は、実質的に等しい。実質的に等しいとは、ダイバータの下流の領域における結果としての流速と、ダイバータの側部における領域における流速との差が全体的な流速の３０％未満であることを意味することができる。好適には、その差は１０％未満である。
【００３２】
燃焼空気および冷却空気は、周囲空気、燃焼プロセスからの再循環された煙道ガス、または周囲空気と再循環された煙道ガスとの混合物であってよい。
【００３３】
開示、その性質及びその利点は、好適であるが非排他的な実施の形態の添付の概略的な図面を参照して以下でより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】圧縮機と、燃焼装置と、タービンとを備えるガスタービンを示す図である。
【図２ａ】燃焼器を備えるガスタービンの側面図であり、燃焼室のダクト壁における典型的なホットスポット位置を示している。
【図２ｂ】燃焼室の斜視図を示す図である。
【図３ａ】１つのダクト壁において示されたインピンジメント冷却装置を備える燃焼器を示す図である。
【図３ｂ】従来の冷却チャネルの長さにわたるクロスフローおよび結果としての熱伝達係数の対応する発展を示す図である。
【図４】Ｙ字形フローダイバータを備える、インピンジメント冷却される燃焼室の斜視図である。
【図５】上流に面したＴ字形フローダイバータを備える、インピンジメント冷却される燃焼室の斜視図である。
【図６】冷却流の下流方向に開いた角度を成して配置された２つのフローダイバータを備える、インピンジメント冷却される燃焼室の斜視図である。
【図７】フローダイバータとしての直線的な壁を備える、インピンジメント冷却される燃焼室の斜視図である。
【図８】下流に面したＵ字形フローダイバータを備える、インピンジメント冷却される燃焼室の斜視図である。
【図９】下流に面したＶ字形フローダイバータを備える、インピンジメント冷却される燃焼室の斜視図である。
【図１０】冷却チャネルよりも小さな高さを有するフローダイバータを備える、インピンジメント冷却されるダクト壁の側面図である
【図１１】Ｕ字形フローダイバータを備えるインピンジメント冷却されるダクト壁の斜視図であり、Ｕ字形フローダイバータは、冷却流の下流方向に向かって開いており、冷却空気チャネルの一部を上流のクロスフローから分離している。
【図１２ａ】円筒状フローダイバータと、後流におけるインピンジメント冷却とを備えるインピンジメント冷却されるダクト壁の側面図を示している。
【図１２ｂ】フローダイバータの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
図１は、インピンジメント冷却される燃焼器４を備えるガスタービン１を示している。ガスタービン１は、圧縮機３と、燃焼器４と、タービン５とを有する。
【００３６】
吸気２は圧縮機３によって圧縮ガス１１に圧縮される。燃料８は燃焼器４において圧縮ガスとともに燃焼させられ、高温ガス流１９を発生する。高温ガスはタービン５において膨張させられ、機械仕事を行う。
【００３７】
通常、ガスタービンシステムは、ガスタービン１のシャフト６に連結された発電機１７を含む。ガスタービン１はさらに、タービン５および燃焼器４用の冷却システムを有するが、この冷却システムは、本開示の主体ではないので示されていない。
【００３８】
排ガス２６はタービン５から出る。残留する熱は、一般的に、同様にここには図示されていない後続の水蒸気サイクルにおいて利用される。
【００３９】
図２ａは、圧縮機３と、バーナ９および燃焼室を含む燃焼器４と、タービン５とを備えるガスタービン１の側面図を示している。燃焼室は、ダクト壁７によって画成されており、上流端部１２から下流端部１３へ延びている。一般的に、燃料・空気混合物は、上流端部１２においてバーナ９から燃焼室へ導入され、高温ガスは下流端部１３においてタービン５へ供給される。燃焼器は、圧縮機プレナム２０内に配置されている。典型的なホットスポット２５は、燃焼室のダクト壁７に示されている。図２ｂには、ホットスポット２５を有するこのような燃焼室の斜視図が示されている。
【００４０】
図３ａは、１つのダクト壁７に示されたインピンジメント冷却装置を備える燃焼器４を示している。燃焼器は、上流端部１２におけるバーナ９と、下流端部１３まで延びた燃焼室とを有する。燃焼室は、側方ではダクト壁７によって画成されている。インピンジメント冷却のために、ダクト壁７のインピンジメント冷却のための開口１４を有するスリーブ１０が燃焼室の周囲に配置されている。冷却空気がダクト壁７に衝突した後、冷却空気は、クロスフロー１６として、ダクト壁７およびスリーブ１０によって形成された冷却流路１５において、燃焼室の上流端部１２に向かって、燃焼室内の高温ガス流１９に対して向流で流れる。
【００４１】
長さＸにわたる、冷却流路１５におけるクロスフロー１６の対応する発達と、結果としての熱伝達係数αとが、図３ａの従来の装置に関して、図３ｂに示されている。
【００４２】
本開示によるインピンジメント冷却装置の第１の例は、図４に斜視図で示されている。図４は、高温ガス流１９を案内するダクトのインピンジメント冷却されるダクト壁７を示している。高温ガス流路は、上流端部１２および下流端部１３を有しており、インピンジメントスリーブ１０を有する。スリーブは、ダクト壁７を包囲する複数の開口１４を有しており、ダクト壁７から間隔を置いて配置されており、冷却流路１５を形成している。開口１４を通じて圧縮空気プレナム（図示せず）から噴射された冷却空気はダクト壁７に衝突し、高温ガス流路の上流端部１２における出口に向かってクロスフロー１６として流れる。
【００４３】
冷却流路１５には、Ｙ字形フローダイバータ（流れを逸らせる部材）２１が配置されており、クロスフローを少なくとも１つの開口１４から逸らせる。Ｙ字形ダイバータ２１は、スリーブ１０からダクト壁７まで延びたＹ字形の壁配列である。ダイバータ壁（リブとも呼ばれる）は、スリーブ１０およびダクト壁７の表面に対して実質的に直角で延びている。Ｙ字形ダイバータ２１は、Ｙ字の一本の棒線の部分がダクトの主延在方向に対して平行になり、すなわち、高温ガス流１９の方向を指し示し、これにより、クロスフロー１６を分割するように向きづけられている。Ｙ字の２つに分岐した部分は、クロスフロー１６の流れ方向でＶ字形に開いており、これにより、クロスフロー１６を、フローダイバータ２１の下流の開口１４から逸らせる。したがって、フローダイバータ２１の下流でインピンジメント空気として噴射される冷却空気は、事実上クロスフロー１６が存在しない領域においてダクト壁７に衝突し、高い熱伝達係数につながる。新たなクロスフロー１６はフローダイバータ２１の下流で始まる。
【００４４】
図５の実施の形態は図４に基づく。図５に示された例では、フローダイバータ２１は、上流に面したＴ字の形状を有している。フローダイバータ２１の中央の棒線の部分は、クロスフロー１６の流れ方向に対して平行になっており、上流方向を指し示している。Ｔ字の横棒の部分は、ダクトの軸線１８に対して実質的に直角である。Ｔ字の横棒の部分は、ダクト壁の一部分に沿ってクロスフロー１６を遮断する。この例では、クロスフロー１６はダクトの軸線１８に対して平行である。したがって、フローダイバータ２１の下流でインピンジメント空気として噴射される冷却空気は、事実上クロスフロー１６が存在しない領域においてダクト壁７に衝突し、高い熱伝達係数につながる。新たなクロスフロー１６はフローダイバータ２１の下流で始まる。
【００４５】
図６の実施の形態も図４に基づく。図６に示された例では、フローダイバータ２１は２つの壁部分を有する。これらの壁部分は、１０°〜１６０°の範囲の角度で互いに対して開いており、これにより、２つの壁部分の間の流れ領域は、クロスフロー１６の下流方向で増大している。フローダイバータ２１の上流端部において、２つの壁部分の間には開口が残されており、クロスフローの幾分の流入を可能にしている。
【００４６】
図７の実施の形態は図５に基づく。図７は、フローダイバータ２１としての単純なリブを備える、インピンジメント冷却される燃焼室の斜視図である。リブは、クロスフロー１６に対して直角に配置されている。
【００４７】
図７の配列は、フローダイバータ２１の流れ領域における対称的な熱負荷のために冷却流路１５において冷却空気を案内するために有利であり得る。
【００４８】
図８の実施の形態は図４に基づく。図８の実施の形態は、Ｙ字形ダイバータ２１がＵ字形ダイバータに置き換えられている点で図４の実施の形態と異なる。Ｕ字形ダイバータ２１は、Ｕ字の２つの棒線の部分がクロスフロー１６と整列させられ、かつ下流方向を指し示すように配置されている。Ｕ字形フローダイバータ２１の内側でインピンジメント空気として噴射される冷却空気は、事実上クロスフロー１６が存在しない領域においてダクト壁７に衝突し、高い熱伝達係数につながる。新たなクロスフロー１６はＵ字形フローダイバータ２１の棒線部分の間で始まる。
【００４９】
図９の実施の形態は図８に基づく。図９の実施の形態は以下の点で図８の実施の形態と異なる。Ｕ字形ダイバータは、Ｖ字に似た形に変更されており、Ｖ字の端部は、クロスフロー１６に対して平行に延びており、下流方向を指し示している。Ｖ字形フローダイバータ２１の内側でインピンジメント空気として噴射される冷却空気は、事実上クロスフロー１６が存在しない領域においてダクト壁７に衝突し、高い熱伝達係数につながる。新たなクロスフロー１６はＶ字形フローダイバータ２１の両壁部の間で始まる。
【００５０】
図４から図９までの例は、ダクト壁７からスリーブ１０へ延びたフローダイバータ２１を示している。インピンジメントスリーブ１０またはダクト壁７から冷却流路１５の高さＤの一部だけ延びたフローダイバータが考えられる。図１０は、インピンジメントスリーブ１０がダクト壁７から距離Ｄだけ離れた、インピンジメント冷却されるダクト壁７の側面図を示している。インピンジメント流２４は、スリーブ１０の周囲の圧縮ガスプレナム２０から開口１４を通って冷却流路１５内へ噴射される。インピンジメント流２４は、冷却流路１５においてクロスフロー１６を形成する。冷却流路１５に配置されたフローダイバータ２１の高さｈは、冷却流路１５の高さＤよりも小さい。フローダイバータ２１の上流における開口１４の間の距離は、フローダイバータ２１の下流における距離よりも大きくなっており、これは、フローダイバータの下流の高インピンジメント密度領域２３に対して、低インピンジメント密度領域２２を形成する。
【００５１】
図１１は、図８に示されたものと同様の、インピンジメント冷却されるダクト壁７の冷却流チャネル１５におけるＵ字形フローダイバータ２１の一部の斜視図を示している。この図は、流入してくるクロスフロー１６と、インピンジメント流２４とを、より詳細に示している。インピンジメント流２４は、開口１４を通って、ダクト壁７と、スリーブ１０と、Ｕ字形フローダイバータ２１とによって画成された、クロスフロー１６の下流方向へ開放した空間内へ噴射される。Ｕ字形ダイバータの両壁部の間に新たなクロスフロー１６’が発達する前に、インピンジメント流２４は、妨げられることなくダクト壁７に衝突する。
【００５２】
図１２ａは、円筒状フローダイバータ２１を備えたインピンジメント冷却されるダクト壁７を有する別の実施の形態の詳細な側面図を示している。円筒状フローダイバータ２１は、冷却流路１５においてダクト壁７からスリーブ１０まで延びている。インピンジメント流２４を噴射するための少なくとも１つの開口１４は、円筒状フローダイバータ２１の下流に配置されており、インピンジメント冷却空気は、開口を通って、後流へ噴射される。図１２ｂは、フローダイバータの断面図を示しており、後流における開口１４の位置を示している。
【００５３】
これらの実施の形態では、缶型燃焼器を備えるガスタービンにおいて典型的なインピンジメント冷却されるダクトが示されている。缶型燃焼器は、一般的に、ガスタービンのシャフト６の周囲に周方向に分配されており、燃焼室の円形の横断面から、出口、すなわちタービン入口におけるアニュラスの一部分または事実上矩形の流過横断面の形状を有する断面への移行のために、トランジションピースまたはトランジションセクションを有している。トランジションピースは、ダクトと一体に形成することができるか、別個のダクトであることができ、開示されたインピンジメント冷却装置は、トランジションピースにおいて高温ガスを案内するダクトのためにも同様に使用することができる。
【００５４】
インピンジメント冷却装置は、２つのダクト壁の間の空間において高温ガス流を案内する、外面および内面にダクト壁を有する環状のダクトのために使用することもできる。このインピンジメント冷却装置は、環状燃焼室に適用することができる。
【００５５】
全ての図示された配列のために、缶形構成または環状構成、または両者のあらゆる組合せが可能である。
【００５６】
全ての説明した利点は、明記した組合せに限定されるのではなく、開示の範囲から逸脱することなく、その他の組合せにおいてまたは単独で使用することもできる。他の可能性が選択的に考えられる。例えば、異なるフローダイバータの形状の組合せ、例えば、Ｔ字形ダイバータと、Ｖ字形ダイバータとを有する装置が考えられる。Ｌ字形またはＷ字形ダイバータなどのその他の流れ逸らせエレメントの使用も可能である。
【００５７】
さらに、流路における流れ方向に対するフローダイバータの配置を変更することができる。例えば、図５に基づき、下流に面したＴ字形フローダイバータを使用することができる。このような配置において、Ｔ字の中央の縦棒の部分は、クロスフロー１６と整列させられており、クロスフロー１６の下流方向を指し示している。このような配列は、Ｔ字形フローダイバータ２１の横棒の部分の下流の流れ領域における非対称的な熱負荷のために冷却流路１５において冷却空気を案内するために有利であり得る。対照的に、図５の配置は、Ｔ字形フローダイバータ２１の横棒の上流のまたは逸らされたクロスフロー１６の流れ場における非対称な熱負荷のために有利であることができる。
【００５８】
後流を発生するために、円筒以外のフローダイバータの別の形状、例えばだ円形横断面またはあらゆる丸みを帯びた形状を有するダイバータが考えられる。開示されたインピンジメント冷却装置および冷却する方法は、高温ガスがダクト壁、例えば炉または反応器によって案内されなければならない、ガスタービンおよびその他の機械またはプラントにおいて使用することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１  ガスタービン
２  吸気
３  圧縮機
４  燃焼器
５  タービン
６  シャフト
７  ダクト壁
８  燃料
９  バーナ
１０  スリーブ
１１  圧縮ガス
１２  上流端部
１３  下流端部
１４  開口
１５  冷却流路
１６，１６’  クロスフロー
１７  発電機
１８  軸線
１９  高温ガス流
２０  圧縮ガスプレナム
２１  フローダイバータ
２２  低インピンジメント密度領域
２３  高インピンジメント密度領域
２４  インピンジメント流
２５  ホットスポット
２６  排ガス
ｈ  フローダイバータ高さ
Ｄ  冷却流路の高さ
Ｘ  長さ
α  熱伝達係数
δ  フローダイバータの間の角度
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【外国語明細書】
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