(57)【要約】【課題】燃焼筒における熱疲労の発生を防止して燃焼筒の耐久性を向上させる。【解決手段】圧縮機によって圧縮された空気と燃料とを反応させて燃焼させ、発生した燃焼ガスを燃焼筒を通じてタービンに導入する燃焼器において、燃焼筒を形成する側壁部１０に、その壁面に沿って所定方向に延在し一方向に空気を流通させる空気流路１１Ａを設け、同じく側壁部１０に、空気流路１１Ａに隣接して平行に延在し、空気流路１１Ａの空気の流れ方向とは逆方向に空気を流通させる空気流路１１Ｂを設けた。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機によって圧縮された空気と燃料とを反応させて燃焼させ、発生した燃焼ガスを燃焼筒を通じてタービンに導入する燃焼器において、
前記燃焼筒を形成する側壁部の内部に、該側壁部の壁面に沿って所定方向に延在し該所定方向の一方に空気を流通させる第１の空気流路を設け、
前記側壁部の内部に、前記第１の空気流路に隣接して該第１の空気流路と略平行に延在し前記所定方向の他方に空気を流通させる第２の空気流路を設けたことを特徴とする燃焼器。
【請求項２】
前記側壁部に、前記第１の空気流路と前記第２の空気流路とが交互に配設されていることを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
【請求項３】
前記第１の空気流路の入口を前記側壁部の外側に開設し、前記第１の空気流路の出口を前記側壁部の内側に開設し、
前記第２の空気流路の入口を前記第１の空気流路の出口に隣接して前記側壁部の外側に開設し、前記第２の空気流路の出口を前記第１の空気流路の入口に隣接して前記側壁部の内側に開設することを特徴とする請求項１または２記載の燃焼筒。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか記載の燃焼器を備えることを特徴とするガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービン燃焼器を構成する燃焼筒の冷却構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンは、圧縮機、燃焼器およびタービンを主要な構成要素として備えており、圧縮機において空気を圧縮し、圧縮された空気を燃焼器において燃料と反応させて燃焼させ、発生した燃焼ガスの熱や運動エネルギーを取り出して様々な用途に利用するとともに、燃焼ガスによってタービンを回転させ、得られた回転エネルギーをロータを介して圧縮機に伝達して駆動するしくみとなっている。
【０００３】
ガスタービンの燃焼器には、燃焼ガスを後方に位置するタービンに導く燃焼筒が設けられているが、燃焼筒の壁面は絶えず高温の燃焼ガスに晒される。そこで、燃焼筒を形成する側壁部の内部に空気通路を設け、側壁部の外側から内側に加圧された空気を導入して冷却する構造が採用されている（これをフィルム冷却という）。
【０００４】
図７および図８には、燃焼筒に採用されたフィルム冷却構造の一例を示す。各図において、符号１００は燃焼筒の側壁部、１０１は側壁部１００に設けられた空気流路、１０２は空気流路１０１の入口、１０３は空気流路１０１の出口である。側壁部１００は、２枚の板材１００ａ，１００ｂを貼り合わせて形成されている。
【０００５】
空気流路１０１は、燃焼筒の長手方向に向けて内外の壁面と平行に、かつ燃焼筒の幅方向に離間して複数設けられている。空気流路１０１は、一方の板材１００ａに溝１０１ａを形成しておき、溝１０１ａを形成した面に他方の板材１００ｂを貼り合わせることであたかも側壁部１００を穿ったかようにして形成されている。
【０００６】
空気流路１０１の入口１０２は側壁部１００の外側に、出口１０３は側壁部１００の内側に、いずれも燃焼ガスの流れ方向にほぼ直交する燃焼筒の幅方向に並んで形成されている。
【０００７】
ガスタービンが作動し、燃焼筒の内側を燃焼ガスが高速で流れるようになると、側壁部１００の内側と外側との間に圧力差が生じ（外側がより高圧になる）、入口１０２から空気が吸い込まれて空気流路１０１を流通し、一部の空気は燃焼ガスと同じ方向に流れて後方の出口１１３から燃焼筒の内側に排出され、残りの空気は燃焼ガスとは逆方向に流れて前方の出口１１３から排出される。このとき、空気流路１０１を流通する空気が側壁部１００と熱交換して熱を奪うことによって燃焼筒が冷却される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような構造の燃焼器においては、隣り合う空気流路１０１，１０１においてそれらを流通する空気が同じ方向に流れる。入口１０２に流入する空気は比較的温度が低く、過熱した側壁部１００と熱交換することによって側壁部１００から多くの熱量を奪うために、入口１０２とその周りの側壁部１００を効果的に冷却される。
【０００９】
しかしながら、空気流路１０１を流通する空気は側壁部１００から熱を奪うので、出口１０３に至ることには温度が高くなり、側壁部１００から奪う熱量が少なくなるため、入口１０２周辺ほどには効果的に側壁部１００を冷却することができない。そのため、側壁部１００には、入口１０２周辺と出口１０３周辺とで温度差を生じ、これを原因とする熱応力が生じる。さらに熱応力の発生が繰り返されることによって燃焼筒が熱疲労を起こしてしまい、耐久性を低下させる要因となっている。
【００１０】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、燃焼筒における熱疲労の発生を防止して燃焼筒の耐久性を向上させることを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための手段として、次のような構成の燃焼器およびガスタービンを採用する。すなわち本発明に係る請求項１記載の燃焼器は、圧縮機によって圧縮された空気と燃料とを反応させて燃焼させ、発生した燃焼ガスを燃焼筒を通じてタービンに導入する燃焼器において、
前記燃焼筒を形成する側壁部の内部に、該側壁部の壁面に沿って所定方向に延在し該所定方向の一方に空気を流通させる第１の空気流路を設け、
前記側壁部の内部に、前記第１の空気流路に隣接して該第１の空気流路と略平行に延在し前記所定方向の他方に空気を流通させる第２の空気流路を設けたことを特徴とする。
【００１２】
本発明においては、略平行に延在する第１の空気流路と第２の空気流路とで空気の流れる方向が相反することにより、第１の空気流路による冷却作用と第２の空気流路による冷却作用とが相殺し合い、側壁部各所の温度が均される。
【００１３】
請求項２記載の燃焼器は、請求項１記載の燃焼器において、前記側壁部に、前記第１の空気流路と前記第２の空気流路とが交互に配設されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明においては、側壁部に、第１の空気流路と第２の空気流路とを交互に配設したことにより、側壁部の広い範囲で温度が均される。
【００１５】
請求項３記載の燃焼器は、請求項１または２記載の燃焼筒において、前記第１の空気流路の入口を前記側壁部の外側に開設し、前記第１の空気流路の出口を前記側壁部の内側に開設し、
前記第２の空気流路の入口を前記第１の空気流路の出口に隣接して前記側壁部の外側に開設し、前記第２の空気流路の出口を前記第１の空気流路の入口に隣接して前記側壁部の内側に開設することを特徴とする。
【００１６】
空気流路の入口付近の側壁部は最も低温になり、出口付近が最も高温になる。そこで本発明においては、第１の空気流路の入口を第２の空気流路の出口に隣接させ、第２の空気流路の入口を第１の空気流路の出口に隣接させたことにより、空気流路の配設方向に沿ういずれの箇所においても側壁部の温度がより均一になる。
【００１７】
請求項４記載のガスタービンは、請求項１ないし３のいずれか記載の燃焼器を備えることを特徴とする。
【００１８】
本発明においては、燃焼筒を構成する側壁部の温度が均一化されるので、側壁部における熱疲労の発生が防止される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る実施形態を図１ないし図５に示して説明する。
図１はガスタービンを構成する燃焼器の断面図である。図において符号１は燃焼器、２は車室、３はパイロットノズル、４はメインノズル、５は燃焼筒、６はバイパス管、７はバイパス弁、８はタービンの静翼、９は同じくタービンの動翼である。
【００２０】
メインノズル４は、パイロットノズル３を取り囲むように複数（例えば８本）設けられている。燃焼筒５は、ノズル２，３から供給された燃料と空気とを反応させて燃焼させる部位であり、燃料と空気とを燃焼させる内筒５ａと、燃焼ガスの流速を速めて後段のタービンに導入する尾筒５ｂとにより構成されている。バイパス管６はガスタービンの負荷変動により燃焼筒５内の空気が不足する状態になった場合にバイパス弁７を開くことで車室２内の空気を燃焼筒５内に導入する流路となる。
【００２１】
図２ないし図５には、燃焼筒５に採用されたフィルム冷却構造を示す。各図において、符号１０は燃焼筒５の側壁部、１１Ａは側壁部１０に設けられた空気流路（第１の空気流路）、１１Ｂも同じく側壁部１０に設けられた空気流路（第２の空気流路）、１２Ａは空気流路１１Ａの入口、１２Ｂは空気流路１１Ｂの入口、１３Ａは空気流路１１Ａの出口、１３Ｂは空気流路１１Ｂの出口である。側壁部１０は、従来と同じく２枚の板材１０ａ，１０ｂを貼り合わせて形成されている。
【００２２】
空気流路１１Ａ，１１Ｂは、いずれも燃焼筒５の長手方向に向けて内外の壁面と平行に設けられ、かつ燃焼筒５の幅方向（燃焼ガスの流れ方向にほぼ直交する）に離間して交互に設けられている。空気流路１１Ａ，１１Ｂは、一方の板材１０ａに溝１１ａを形成しておき、溝１１ａを形成した面に他方の板材１０ｂを貼り合わせることであたかも側壁部１０を穿ったかようにして形成されている。
【００２３】
空気流路１１Ａの入口１２Ａ、空気流路１１Ｂの入口１２Ｂはいずれも側壁部１０の外側に、空気流路１１Ａの出口１３Ａ、空気流路１１Ｂの出口１２Ｂはいずれも側壁部１０の内側にそれぞれ開設されている。また、入口１２Ａと出口１３Ｂは、燃焼筒５の幅方向に隣り合って交互に設けられ、入口１３Ａと出口１２Ｂも、燃焼筒５の幅方向に隣り合って交互に設けられている。
【００２４】
上記のように構成された燃焼器１を備えるガスタービンが作動し、燃焼筒５の内側を燃焼ガスが高速で流れるようになると、側壁部１０の内側と外側との間に生じた圧力差によって各入口１２Ａ，１２Ｂから空気が吸い込まれて空気流路１１Ａ，１１Ｂを流通し、出口１３Ａ，１３Ｂから燃焼筒５の内部に排出される。
【００２５】
隣り合う空気流路１１Ａ，１１Ｂにおいては、空気流路１１Ａに入口１２Ａから流入して出口１３Ａから排出される空気と、空気流路１１Ｂに入口１２Ｂから流入して出口１３Ｂから排出される空気とが、相反する方向に流れる。このとき、上述したように、入口１２Ａ，１２Ｂの周辺と出口１３Ａ，１３Ｂの周辺とでは温度差が生じるが、比較的高温になる入口と比較的低温の出口とが燃焼筒５の幅方向に隣接して交互に存在するため、熱を授受し合って温度が均一化される。
【００２６】
図６は図２に示したIII-III線断面に沿う側壁部１０各所の見かけ上の温度分布（図中の(Ａ)）、およびIV-IV線断面に沿う側壁部１０各所の見かけ上の温度分布（図中の(Ｂ)）を示す。III-III線断面に沿う側壁部１０は、空気流路１１Ａによって冷却されるため、中央の入口１２Ａ周辺で最も低温であり、両側の出口１３Ａに向かって徐々に温度が上昇し、出口１３Ａ周辺で最も高温となる。一方、IV-IV線断面に沿う側壁部１０は、空気流路１１Ｂによって冷却されるため、両側の入口１２Ｂ周辺で最も低温であり、中央の出口１３Ｂに向かって徐々に温度が上昇し、出口１３Ｂ周辺で最も高温となる。
【００２７】
上記のような温度分布はあくまで見かけ上で、実際は一方の空気流路の入口と他方の空気流路の出口とが隣接し、かつ並列の空気流路１１Ａ，１１Ｂで空気の流れが相反するので、側壁部１０の温度は図６の破線のように均一化される。これにより、側壁部１０において温度差を原因とする熱応力の発生が防止され、燃焼筒５の耐久性が向上する。
【００２８】
なお、本実施形態においては一方の空気流路の入口と他方の空気流路の出口とが燃焼筒５の幅方向に隣り合って配設されているが、それらが燃焼筒５の長手方向にオフセットして配置されても十分に冷却効果が期待できる。
【００２９】
また、本実施形態においては空気流路１１Ａの入口１２Ａをひとつ、出口１３Ａをふたつとし、空気流路１１Ｂの入口１２Ｂをふたつ、出口１３Ｂをひとつとして構成したが、少なくとも燃焼筒の幅方向に隣り合う流路で冷却用空気の流れ方向が相反する状況が生まれていれば、空気流路の入口や出口の開設の仕方については問わない。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、略平行に延在する第１の空気流路と第２の空気流路とで空気の流れる方向が相反することにより、第１の空気流路による冷却作用と第２の空気流路による冷却作用とが相殺し合い、側壁部各所の温度が均されるので、側壁部において温度差を原因とする熱応力の発生が防止され、燃焼筒の耐久性が向上する。
【００３１】
本発明によれば、側壁部に、第１の空気流路と第２の空気流路とを交互に配設したことにより、これら空気流路を配設した側壁部の広い範囲で温度が均されることになるので、燃焼筒の耐久性がさらに向上する。
【００３２】
本発明によれば、第１の空気流路の入口を第２の空気流路の出口に隣接させ、第２の空気流路の入口を第１の空気流路の出口に隣接させたことにより、空気流路の配設方向に沿ういずれの箇所においても側壁部の温度がより均一になるので、燃焼筒の耐久性がさらに向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る燃焼器の実施形態を示す断面図である。
【図２】  燃焼筒を構成する側壁部の一部を示す平面図である。
【図３】  図２のIII-III線に沿う側壁部の矢視断面図である。
【図４】  同じく、図２のIV-IV線に沿う側壁部の矢視断面図である。
【図５】  同じく、図２のV-V線に沿う側壁部の矢視断面図である。
【図６】  III-III線断面に沿う側壁部各所の見かけ上の温度分布、およびIV-IV線断面に沿う側壁部各所の見かけ上の温度分布を示す図表である。
【図７】  従来の燃焼器における燃焼筒を構成する側壁部の一部を示す平面図である。
【図８】  図７のVIII-VIII線に沿う側壁部の矢視断面図である。
【符号の説明】
１      燃焼器
５      燃焼筒
１０    側壁部
１１Ａ  空気流路（第１の空気流路）
１１Ｂ  空気流路（第２の空気流路）
１２Ａ，１２Ｂ  入口
１３Ａ，１３Ｂ  出口
【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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【図７】
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【図８】
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