(57)【要約】      （修正有）【課題】高温ガス流を案内する壁における位置にかかわらず壁の効率的なインピンジメント冷却を可能にする。【解決手段】クロスフロー１６を第２の開口１４から逸らせるために第１の開口１３の下流において冷却流路にフローダイバータ２１が配置されており、フローダイバータ２１は、第１の開口１３と第２の開口１４との間の位置からクロスフロー１６の下流方向へ開口１４を超えて延びており、第２の開口の一方の側に沿ってクロスフロー１６の下流方向へ延びる第１の脚部と、第２の開口１４の他方の側に沿ってクロスフロー１６の下流方向へ延びる第２の脚部とを備えており、ダイバータ２１によって遮蔽されたセクションの外側におけるフローダイバータ２１の上流端部と下流端部との間の壁セクションである壁７の第１の対流冷却セクション２９には、インピンジメント冷却開口１３，１４は配置されていない。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インピンジメント冷却される壁配列（１２）であって、インピンジメントスリーブ（１０）と、作動中に高温ガス（１９）に曝される壁（７）とを備え、前記インピンジメントスリーブ（１０）は少なくとも部分的にプレナム（２０）に配置されており、かつ前記壁（７）から所定の距離だけ間隔を置かれ、前記壁（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、作動中に前記冷却スリーブにおける第１の開口（１３）を通じて前記プレナム（２０）から噴射された圧縮ガス（１１）は、前記壁（７）に衝突し、前記冷却流路（１５）の下流端部（２８）における出口に向かってクロスフロー（１６）として流れる、インピンジメント冷却される壁配列（１２）において、
前記クロスフロー（１６）を第２の開口（１４）から逸らせるために前記第１の開口（１３）の下流において前記冷却流路（１５）にフローダイバータ（２１）が配置されており、該フローダイバータ（２１）は、前記第１の開口（１３）と前記第２の開口（１４）との間の位置から前記クロスフロー（１６）の下流方向へ前記開口（１４）を超えて延びており、前記第２の開口の一方の側に沿って前記クロスフロー（１６）の下流方向へ延びる第１の脚部と、前記第２の開口（１４）の他方の側に沿って前記クロスフロー（１６）の下流方向へ延びる第２の脚部とを備えており、前記ダイバータ（２１）によって遮蔽されたセクションの外側における前記フローダイバータ（２１）の上流端部と下流端部との間の壁セクションである壁（７）の第１の対流冷却セクション（２９）には、インピンジメント冷却開口（１３，１４）は配置されていないことを特徴とする、インピンジメント冷却される壁配列（１２）。
【請求項２】
前記クロスフロー（１６）の横断面は、流れ方向で前記第２の開口（１４）の位置において、前記フローダイバータ（２１）の上流における前記冷却流路（１５）の横断面よりも減じられている、請求項１記載のインピンジメント冷却される壁配列（１２）。
【請求項３】
前記ダイバータの周囲の前記クロスフロー（１６）の横断面は、前記フローダイバータ（２１）の下流端部に向かって、流れ方向で前記第２の開口（１４）の位置における前記クロスフロー（１６）の横断面よりも増大している、請求項１又は２記載のインピンジメント冷却される壁配列（１２）。
【請求項４】
前記フローダイバータ（２１）の前記脚部は、前記フローダイバータ（２１）の下流端部において互いに向かって曲がっており、これにより、前記フローダイバータ（２１）の外側における前記クロスフロー（１６）の横断面を増大させている、請求項１から３までのいずれか１項記載のインピンジメント冷却される壁配列（１２）。
【請求項５】
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から４までのいずれか１項記載のインピンジメント冷却される壁配列（１２）。
【請求項６】
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）から冷却流路（１５）内へ、該冷却流路（１５）の高さ（Ｈ）よりも小さな高さ（ｈ）で延びている、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される壁配列（１２）。
【請求項７】
前記クロスフロー（１６）の流速を加速するために、前記冷却流路（１５）の高さ（ｈ）は、前記フローダイバータ（２１）の領域において、前記フローダイバータ（２１）の上流における前記冷却流路（１５）の高さ（ｈ0）よりも減じられている、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される壁配列（１２）。
【請求項８】
前記クロスフロー（１６）の流速を減速するために、前記冷却流路（１５）の高さ（ｈ）は、前記フローダイバータ（２１）の下流において、前記フローダイバータ（２１）の領域における前記冷却流路（１５）の高さ（ｈ）よりも増大されている、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される壁配列（１２）。
【請求項９】
前記クロスフロー（１６）に圧縮ガスを噴射するための付加的な噴射孔（３０）が、前記フローダイバータ（２１）の下流領域において前記スリーブ（１０）に配置されており、前記ダイバータ（２１）の前記下流領域は、前記クロスフロー（１６）の流れ方向で、最後の第２のインピンジメント孔の位置から、前記フローダイバータ（２１）の下流における前記冷却流路高さの２倍の位置まで延びている、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される壁配列（１２）。
【請求項１０】
熱伝達を高めるために、第１の対流セクション（２９）及び／又はフローダイバータ（２１）の下流の第２の対流セクション（３１）において、ダクト壁（７）にタービュレータ（２５）が配置されている、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される壁配列（１２）。
【請求項１１】
前記フローダイバータの脚部の下流端部は、該脚部の下流端部にガス流を通過させるために、多孔質セクション（２２）又は少なくとも１つのバランシング孔（２３）を有する、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される壁配列（１２）。
【請求項１２】
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される壁配列（１２）を備えることを特徴とする燃焼器（４）及び／又はガスタービン（１）。
【請求項１３】
作動中に高温ガス（１９）に曝される壁（７）をインピンジメント冷却する方法であって、インピンジメントスリーブ（１０）が少なくとも部分的にプレナム（２０）に配置されており、かつ前記壁（７）から所定の距離だけ間隔を置かれ、前記壁（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、圧縮ガス（１１）をプレナム（２０）から第１の開口（１３）を通じて冷却流路（１５）内へ噴射するステップと、前記圧縮ガス（１１）を壁（７）に衝突させるステップと、前記圧縮ガス（１１）をクロスフロー（１６）として前記冷却流路（１５）の下流端部（２８）における出口に向かって方向付けるステップとを含む、方法において、
前記クロスフロー（１６）を、前記第１の開口（１３）の下流において前記冷却流路（１５）に配置されたフローダイバータ（２１）によって、少なくとも１つの第２の開口（１４）から逸らせ、該フローダイバータ（２１）は、前記第１の開口（１３）と前記第２の開口（１４）との間の位置から前記クロスフロー（１６）の下流方向へ前記開口（１４）を超えて延びており、前記第２の開口（１４）の一方の側に沿って前記クロスフローの下流方向へ延びる第１の脚部と、前記第２の開口（１４）の他方の側に沿って前記クロスフローの下流方向へ延びる第２の脚部とを備えており、前記ダイバータ（２１）によって遮蔽されたセクションの外側における前記フローダイバータ（２１）の上流端部と下流端部との間の壁セクションである壁（７）の第１の対流冷却セクション（２９）において、インピンジメントのために圧縮ガス（１１）が噴射されないことを特徴とする、作動中に高温ガス（１９）に曝される壁（７）をインピンジメント冷却する方法。
【請求項１４】
前記クロスフロー（１６）が前記冷却流路（１５）の第１の対流冷却セクション（２９）に進入したときに、前記クロスフロー（１６）を加速させる、請求項１３記載の壁（７）をインピンジメント冷却する方法。
【請求項１５】
前記フローダイバータ（２１）の前記上流端部から前記フローダイバータ（２１）の前記下流端部まで延びる前記第１の対流冷却セクション（２９）の流路（１５）を通流するクロスフロー（１６）を、該クロスフロー（１６）が、前記フローダイバータ（２１）の前記下流端部から下流方向へ延びる前記冷却流路（１５）のセクションに進入した時に、減速させる、請求項１３又は１４記載の壁（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配列、特に高温ガスに曝される壁を冷却するためのインピンジメント冷却される壁配列に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電サイクルの熱力学的効率は、作動流体の最高温度に依存する。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。高温ガスの実現可能な最高温度は、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、高い性能不利益を有し、すなわちパワー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。壁のインピンジメント冷却のために、壁の外面（高温ガスとは反対側に面した面）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壁の外面に衝突し、外面を冷却する。インピンジメント（衝突）の後、圧縮ガスは、冷却ガスとして、壁部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冷却流路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、冷却チャネルにいかなるクロスフローをも生じることなく壁へ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冷却流路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、冷却チャネルにおける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、かつ低下させる。なぜならば、インピンジメントジェットが、壁に衝突する前に壁から逸らされ、曲げられるからである（図２ａ参照）。
【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ジェットのインピンジメント効果を減じる。
【０００５】
インピンジメント冷却によって冷却される壁の長さにわたるインピンジメント冷却のこのような低下する効率に加え、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を示しており、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、主流れ方向の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壁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、より高められた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壁における位置にかかわらず壁の効率的なインピンジメント冷却を可能にするインピンジメント冷却される壁配列を提案すること、及び壁部の延在に沿って高い冷却効率を維持することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
開示されたインピンジメント冷却される壁配列は、インピンジメントスリーブと、作動中に高温ガスに曝される壁とを有する。作動中に、冷却スリーブにおける第１の開口を通じてプレナムから噴射された圧縮ガスが壁に衝突するように、インピンジメントスリーブは、少なくとも部分的にプレナムに配置されており、かつ壁から距離を置いて配置され、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。壁に衝突した後、圧縮ガスは、冷却流路の下流端部における出口に向かってクロスフローとして流れ、これにより、壁をさらに冷却する。
【０００９】
クロスフローを第２の開口から逸らせるために、冷却流路において、少なくとも１つの第１の開口の下流にフローダイバータ（単にダイバータとも呼ばれる）が配置されている。フローダイバータは、第１の開口と第２の開口との間の位置からクロスフローの下流方向へ第２の開口を超えて延びている（第１の開口は複数の第１の開口であってよく、第２の開口は複数の開口であってよい）。フローダイバータは、クロスフローの下流方向へ第２の開口の一方の側に沿って延びる第１の脚部と、クロスフローの下流方向へ第２の開口の他方の側に沿って延びる第２の脚部とを有する。冷却壁配列において、壁の第１の対流冷却セクションにはインピンジメント冷却開口は配置されていない。第１の対流冷却セクションとは、ダイバータによって遮蔽されたセクションの外側における、フローダイバータの上流端部と下流端部との間の壁セクションである。遮蔽されたセクションとは、フローダイバータの脚部の間のセクションである。外側セクションは、冷却流路に配置された複数のダイバータを備える配列において１つのダイバータから隣接するダイバータまで、又は１つのダイバータから冷却流路を区切る側壁まで延びていてよい。
【００１０】
対流冷却される外側セクションとは対照的に、フローダイバータの内側セクション、すなわちフローダイバータの上流端部からフローダイバータの脚部の間において脚部の下流端部まで延びるセクションは、インピンジメント冷却される。内側セクションは、少なくとも部分的に第１の開口のクロスフローから遮蔽されていてよい。
【００１１】
第２の開口からダイバータの２つの脚部の間のセクション内へ噴射された圧縮ガスは、この壁セクションの有効なインピンジメント冷却のために壁に衝突する。衝突後、圧縮ガスはダイバータの下流端部に向かって流れ、新たなクロスフローを形成する。ダイバータの内部で形成されたクロスフローは、ダイバータの脚部の下流端部の間の開口部を通って下流方向へ流出し、第１の対流冷却セクションを通ってダイバータの周囲を案内された第１の開口のクロスフローと合流する。ダイバータの周囲を案内されたクロスフローは、より高い流速を有することができ、これは、第１の対流冷却セクションにおける有効な対流冷却につながる。
【００１２】
このような配列は、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。
【００１３】
冷却流と高温ガス流とは通常向流で流れ、すなわち、冷却流は冷却流路の下流端部に向かって流れ、高温ガスは反対方向へ流れる。しかしながら、並行な冷却空気流と高温ガス流とを有する配列も考えられる。このような並流配列は、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。
【００１４】
フローダイバータは、スリーブまたはダクト壁から冷却チャネル内へ延びる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と結合していることができる。
【００１５】
一般的に、スリーブの熱負荷がより低いため、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、ひいては、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、ダクト壁をよりよく冷却するための冷却リブとして作用することができる。
【００１６】
インピンジメント冷却される壁配列の別の実施の形態によれば、クロスフローの横断面は、流れ方向で第２の開口の位置において、フローダイバータの上流における冷却流路の横断面よりも減じられている。クロスフローの横断面は、クロスフローの主流れ方向に対して垂直な、冷却流路の妨げられない横断面である。横断面の減少は、外側セクションにおけるより優れた熱伝達のために、ダイバータの周囲におけるクロスフローの加速を促進する。
【００１７】
別の実施の形態によれば、ダイバータの周囲のクロスフローの横断面は、フローダイバータの下流端部に向かって、流れ方向で第２の開口の位置におけるクロスフローの横断面よりも増大している。
【００１８】
横断面を増大することにより、ダイバータの周囲のクロスフローを減速させることができる。減速により、インピンジメント冷却される壁配列の圧力損失を最小限に減じるために、動圧を回復させることができる。例えば、クロスフローは、クロスフローの混合損失を最小限に減じるために、ダイバータから出てくるクロスフローの流速と実質的に等しい流速まで減速させることができる。
【００１９】
実質的に等しい流速とは、ダイバータの下流の領域における流速と、ダイバータの側方の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。
【００２０】
インピンジメント冷却される壁配列の１つの実施の形態では、フローダイバータの脚部は、フローダイバータの下流端部において互いに向かって曲がっており、これにより、フローダイバータの外側のクロスフローの横断面を増大している。フローダイバータの中央領域では、脚部は、例えば、互いに平行に、かつクロスフロー方向に対して平行に延びていてよい。脚部は、流れ方向でフローダイバータの延在範囲の５０％以上にわたって平行であってよい。
【００２１】
このような配列は、ダイバータの周囲のクロスフローのためのディフューザとして、かつダイバータから出てくるクロスフローのためのノズルとして機能することができる。ダイバータから出てくるクロスフローは、ダイバータ脚部の下流端部の間の横断面の減少により加速させることができる。
【００２２】
インピンジメント冷却される壁配列において、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全範囲に延びていてよい。
【００２３】
インピンジメント冷却される壁配列の別の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、冷却流路の高さよりも小さな高さだけ延びていてよい。
【００２４】
インピンジメント冷却される壁配列の別の実施の形態において、冷却流路の高さは、フローダイバータの領域において、フローダイバータの上流の冷却流路の高さよりも減じられている。流路高さを減じることによって、クロスフローのために利用可能な横断面は減じられ、クロスフローの流速を加速させる。フローダイバータの領域は、フローダイバータの上流端部から、クロスフローの流れ方向に、フローダイバータの下流端部まで延びる壁配列のセクションである。
【００２５】
さらに別の実施の形態によれば、冷却流路の高さは、フローダイバータの下流において、フローダイバータの領域における冷却流路の高さよりも増大されている。高さを増大することによって、クロスフローのために利用可能な横断面は増大され、クロスフローの流速を減速させる。
【００２６】
インピンジメント冷却される壁配列のさらに別の実施の形態では、圧縮ガスをクロスフロー内へ噴射するための付加的な圧縮ガス噴射孔が、フローダイバータの下流領域においてスリーブに配置されている。付加的な圧縮ガスは、ダイバータの下流のクロスフローの流速を等しくすることを助けることができ、これにより、混合損失による不要な圧力降下を回避する。ダイバータの下流領域とは、例えば、クロスフローの流れ方向で、最後の第２のインピンジメント孔の位置から、フローダイバータの下流の冷却流路高さの２倍の位置まで延びる領域として規定することができる。
【００２７】
対流熱伝達を高めるために、ダイバータによって遮蔽されたセクションの外側におけるフローダイバータの上流端部と下流端部との間のクロスフローのダクト壁セクション、すなわち、隣接するフローダイバータの脚部の間の領域において、若しくはフローダイバータの脚部と、インピンジメント冷却される壁配列を区切る冷却フィールド壁との間の領域に、タービュレータを配置することができる。これに加えて又はこれに代えて、熱伝達向上のためにフローダイバータの下流のダクト壁セクションにタービュレータを配置することができる。タービュレータは、例えば、壁に配置された又は壁から延びるリブ又はピンであってよい。
【００２８】
インピンジメント冷却される壁配列のさらに別の実施の形態では、フローダイバータの脚部の下流端部は、多孔質セクションを有する。これに代えて又はこれと組み合わせて、脚部の下流端部にガス流を通過させるためのバランシング孔を、ダイバータの脚部の下流端部に配置することができる。このような多孔質セクション又はバランシング孔は、壁の両側における静圧の差の方向で脚部の下流端部を通る圧縮ガスの流れを可能にする。これは、下流端部において流れが合流する前に差圧を減じることができる。加えて、収束する脚部、すなわち下流端部において互いに向かって曲がった１つのダイバータの脚部の場合、脚部の外側におけるクロスフローの流れ分離を回避することができる、若しくはクロスフローの方向に関する脚部の下流端部の屈曲角度又は収束角度を増大させ、横断面の急激な変化を可能にし、これにより、ダイバータ内で発生したクロスフローを、ダイバータの周囲を案内されたクロスフローと混合させることができる前に、流れ方向のダイバータ脚部の延在を減じる。
【００２９】
インピンジメント冷却される壁配列の他に、このようなインピンジメント冷却される壁配列を有する燃焼器が本開示の対象である。加えて、このようなインピンジメント冷却される壁配列を有するガスタービンが、本開示の対象である。
【００３０】
さらに、作動中に高温ガスに曝される壁をインピンジメント冷却する方法が、本開示の対象である。この方法は、少なくとも部分的に圧縮ガスプレナムに配置された、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するように壁から所定の距離だけ間隔を置かれたインピンジメントスリーブを提供することを含む。この方法は、さらに、圧縮ガスをプレナムから第１の開口を通じて冷却流路内へ噴射するステップと、圧縮ガスを壁に衝突させるステップと、圧縮ガスをクロスフローとして冷却流路の下流端部における出口に向かって方向付けるステップとを含む。次の第２のインピンジメントの冷却効率を高めるために、クロスフローは、フローダイバータによって逸らされる。フローダイバータは、冷却流路において第１の下流に、少なくとも１つの第２の開口から離れて配置されている。フローダイバータは、第１の開口と第２の開口との間の位置からクロスフローの下流方向へ第２の開口を超えて延びており、この場合、第１の脚部はクロスフローの下流方向へ第２の開口の一方の側に沿って延びており、第２の脚部はクロスフローの下流方向へ第２の開口の他方の側に沿って延びている。この方法によれば、インピンジメント圧縮ガスは、壁の第１の対流冷却セクションにおいて噴射されない。壁の第１の対流冷却セクションは、ダイバータによって遮蔽されたセクションの外側における、フローダイバータの上流端部と下流端部との間の壁セクションである。壁は、このセクションにおいてクロスフローによって対流冷却される。
【００３１】
方法の別の実施の形態によれば、クロスフローが冷却流路の第１の対流冷却セクションに進入したとき、クロスフローは加速される。
【００３２】
壁をインピンジメント冷却する方法のさらに別の実施の形態では、第１の対流冷却セクションを通流しているクロスフローは、このクロスフローが、フローダイバータの下流端部から下流方向に延びている冷却流路のセクションに進入したとき、減速される。減速によって、動圧を回復させることができ、かつ流速を、ダイバータから出てくる流れの流速に合わせて実質的に調節することができ、これにより、混合損失を減じる。
【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用い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、燃焼配列と、タービンとを備えるガスタービンを示す図である。
【図２】図２ａ及び図２ｂは、インピンジメント冷却される壁配列を示している。
【図３】図３ａ及び図３ｂは、インピンジメント冷却のための第２の開口を遮蔽するためのダイバータを備えたインピンジメント冷却される壁配列を示している。図３ｃは、インピンジメント冷却のための第２の開口を遮蔽するためのダイバータを備えたインピンジメント冷却される壁配列を示している。
【図４】従来のインピンジメント冷却される壁と、ダイバータを備えるインピンジメント冷却される壁との長さにわたる、結果として生じる熱伝達係数の発展を示している。
【図５】図５ａ及び図５ｂは、インピンジメント冷却のための第２の開口を遮蔽するためのダイバータと、適応された冷却流路高さとを備えたインピンジメント冷却される壁配列を示している。
【図６】動圧回復を備える及び備えないダイバータを備えるインピンジメント冷却される壁の長さにわたる圧力降下の発展を示している。
【図７】図７ａ及び図７ｂは、インピンジメント冷却のための第２の開口を遮蔽するためのダイバータと、付加的な冷却空気噴射孔とを備えたインピンジメント冷却される壁配列を示している。
【図８】図８ａ及び図８ｂは、ダイバータ脚部の多孔質の下流端部を備える、インピンジメント冷却するための第２の開口を遮蔽するためのダイバータを備えたインピンジメント冷却される壁配列を示している。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
開示の実施の形態
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、プレナム２０を介して燃焼器へ供給される。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の軸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、インピンジメント冷却される壁配列１２の断面図を示しており、図２ｂは、図２ａのインピンジメント冷却される壁配列１２の平面図を示している。図示したように、インピンジメント冷却される壁配列１２は、一方の側において高温ガス流１９に曝される壁７を有する。壁７のインピンジメント冷却のための開口１４を有する冷却スリーブ１０が、壁７の上方の所定の距離に配置されている。圧縮ガス１１がプレナム２０から開口１３を通って供給され、壁７に衝突する。圧縮ガス１１が壁７に衝突した後、圧縮ガス１１は、クロスフロー１６として、壁７とスリーブ１０とによって形成された冷却流路１５内を冷却流路１５の下流端部２８に向かって流れる。図２ａの例では、高温ガス流１９とクロスフロー１６とは、互いに平行に同じ方向に冷却流路１５の下流端部２８に向かって流れる。
【００４０】
図２ｂは、図２ａの配列の平面図を示している。インピンジメント冷却される壁配列１２は、上流端部及び両側において、冷却フィールド壁２７によって区切られている。２列の開口１３が並列に配置されている。圧縮ガス１１は開口１３を流過し、クロスフロー１６を形成する。
【００４１】
図２ａ及び図２ｂに示された例において、壁７への圧縮ガス噴射のための開口は、インピンジメント冷却される壁配列１２の上流セクションに配置されている。下流セクションは、クロスフロー１６のみによって冷却される。上流端部から始まる冷却流路の長さｘは、図２ｂの下側に示されている。
【００４２】
本開示によるインピンジメント冷却される壁配列の第１の例が、図３ａ及び図３ｂに示されている。図３ａ及び図３ｂは、図２ａ及び図２ｂに基づき、同じ要素は同じ符号で示されている。クロスフローの方向で配置された第１の開口１３の数は、図２ａ及び図２ｂの配列と比較して減じられている。加えて、図３ａ及び図３ｂに示された配列は、第１の開口１３のグループの（クロスフローの方向で）下流に配置されたダイバータ２１を有する。フローダイバータ２１は、第２の開口１４のグループを、第１の開口１３を通って、第２の開口１４の周囲へ導入される圧縮ガスのクロスフロー１６から遮蔽している。これにより、第２の開口を通って導入された圧縮ガス１１は、第１の開口１３から始まるクロスフローによって逸らされることなく壁７に衝突することができる。
【００４３】
デフレクタ２１は、Ｕ字形であり、Ｕ字の２つの脚部は、第２の開口１４の周囲にクロスフロー１６の流れ方向に延びている。第２の開口１４を通って導入される圧縮ガス１１により、クロスフロー又は内側クロスフロー１６iがダイバータ２１において発生する。
【００４４】
ダイバータ２１の外側の領域である第１の対流セクション２９、すなわちダイバータ２１と冷却フィールド壁２７との間の領域、又は、より正確には、ダイバータ２１の上流及び下流の端部の間のセクションにおけるダイバータ２１の脚部と冷却フィールド壁２７との間の領域において、インピンジメント冷却は生じない。壁７のこのセクションは、逸らされたクロスフローによって対流冷却される。
【００４５】
フローダイバータ２１の下流端部において、外側クロスフロー１６oと内側クロスフロー１６iとが合流する。内側クロスフロー１６iと外側クロスフロー１６oとの流速の差は、混合損失、すなわち圧力損失につながる恐れがある。内側及び外側のクロスフロー１６i，１６oの結果として生じるクロスフロー１６は、ダイバータ２１の下流端部から、インピンジメント冷却される壁配列１２の下流端部２８まで延びる第２の対流セクション３１を冷却する。
【００４６】
第１及び第２の対流セクション２９，３１において熱伝達をさらに高めるために、リブ２５が壁７に配置されている。
【００４７】
この例では、高温ガス流１９は、クロスフロー１６に対する向流として示されている。
【００４８】
図３ｃは、図３ｂに示された例に基づく変化態様を示している。図３ｃの例では、冷却配列は、冷却フィールド壁の分離なしに複数のダイバータ２１を有する。また、インピンジメント冷却される壁の上流端部を規定する冷却フィールド壁は存在しない。上流端部に別の第１の開口１３が配置されている。しかしながら、第１の開口１３の第１の２つの列を通って導入される圧縮ガス１１は、クロスフロー１６の反対方向に、ダイバータ２１から遠ざかる方向へ流れる。上流端部から始まる冷却流路の長さｘが、図３ｃの下側に示されている。この場合、始点は、クロスフロー１６がダイバータ２１に向かって流れ始める第１の開口１３の上流の位置である。
【００４９】
ここでは対流冷却を高めるためのリブは示されていないが、必要に応じてリブ又はその他のタービュレータを付加することができる。
【００５０】
図４は、図２ａ及び図２ｂのインピンジメント冷却される壁の長さにわたる、結果として生じる熱伝達係数ＩＩと、図３ａ、図３ｂ及び図３ｃのダイバータを備えるインピンジメント冷却される壁の熱伝達係数ＩＩＩとの発展を示している。壁７における開口１３，１４を通って導入される圧縮ガスの衝突による冷却の局所的なピークは、明らかに示されている。フローダイバータを備えない図２ａ及び図２ｂの配列の場合、ピークと、全体的な熱伝達係数とは、冷却流路１５の長さｘにわたって、より低くなっている。インピンジメント冷却される壁の長さにわたる、結果として生じる熱伝達係数は、冷却される壁セクションの幅にわたる平均熱伝達係数である。ピークは、長さｘにわたるクロスフロー１６により、減じられている。ダイバータ２１を備える配列の場合、点線で示されたように第２の遮蔽された開口１４における熱伝達係数ＩＩＩは、まさに第１の開口１３の場合と同じように高い。
【００５１】
図５ａ及び図５ｂは、図２ａ及び図２ｂに基づく。図５ａ及び図５ｂは、インピンジメント冷却のための第２の開口をシールドするためのダイバータと、適応された冷却流路高さＨとを備えたインピンジメント冷却される壁配列を示している。冷却流路高さＨは、最適化された冷却のための局所的要求に適応させられている。フローダイバータ２１の上流における上流領域では、クロスフローの流速を低く維持するために、流路高さＨが最大となっている。ダイバータ２１の領域では、第１の対流冷却セクション２９（このセクションの上流及び下流の端部は、図５ｂに一点鎖線で示されている）を通ってフローダイバータ２１の周囲を案内されるクロスフローを加速するために、流路高さが減じられている。
【００５２】
動圧の一部がフローダイバータ２１の下流端部において回復され、静圧を増大させる。動圧を回復させるために、ダイバータ２１の下流セクションにおいてチャネル高さＨが増大されている。
【００５３】
さらなる圧力回復のため、及び、ダイバータ２１から出てくる内側クロスフロー１６iと第１の対流冷却セクション２９の下流端部における外側クロスフロー１６oとの流速を均一にするために、ダイバータ２１の脚部は、下流端部において互いに向かって傾斜させられている。この傾斜又は収束は、ダイバータ２１の出口における横断面の減少を備えるノズル状ジオメトリにつながり、ひいては、内側クロスフロー１６iを加速させる。同時に、傾斜は、第１の対流冷却セクション２９の下流端部のディフューザ状ジオメトリにつながり、ひいては、外側クロスフロー１６oを減速させる。脚部の下流端部の傾斜は、ダイバータ２１の下流端部における内側及び外側のクロスフロー１６i，１６oの速度の差を最小限にするように選択することができ、これにより、混合損失を軽減する。
【００５４】
図６は、インピンジメント冷却される壁７の長さｘにわたる合計圧力降下Δｐの発展を示している。一点鎖線ＩＩＩは、直線的な脚部を有するダイバータ２１と、一定のチャネル高さＨとを備えた、図３に示されたような実施の形態の場合の圧力損失を示している。点線ＶＩＩＩは、例えば、一定のチャネル高さＨと、ダイバータ２１の下流端部に向かって収束するダイバータ脚部とを有するダイバータ２１を備えた、図８に示されたような圧力回復を備える実施の形態の場合の圧力損失を示している。実線Ｖは、図５に示されたような、最適化された圧力回復と、最小限に減じられた混合損失とを有する実施の形態のための圧力損失を示している。最適化された圧力回復のために、チャネル高さＨは、ダイバータの周囲において減じられており、ダイバータの下流において再び増大している。加えて、ダイバータ脚部は、ダイバータ２１の下流端部に向かって収束している。
【００５５】
図７ａ及び図７ｂの例は、図５ａ及び図５ｂに示された例に基づく。混合損失をさらに最小限に減じるために、付加的な冷却ガスが、チャネル高さＨが増大している領域において、ダイバータ２１の下流端部において、スリーブにおける噴射孔３０を通じて導入される。加えて、ダイバータ２１の下流端部における脚部の収束したセクションにバランシング孔２３が設けられている。ダイバータの外側に対する、ダイバータの内側における脚部に沿った静圧分布に応じて、これらのバランシング孔２３は、ダイバータ２１の内側から、ダイバータ２１の周囲の流れの境界層への冷却ガスの噴射を可能にするか、若しくは境界層吸込を可能にする。両手段は、ダイバータの下流端部における流れ分離を回避することができ、ひいては、圧力損失を減じることができる。
【００５６】
図８ａ及び図８ｂの例は、図３ａ及び図３ｂに示された例に基づく。図８ａ及び図８ｂは、ダイバータ２１の下流端部において収束する脚部を備えた、インピンジメント冷却される壁配列を示している。大きな収束角度βで収束することを可能にするために、脚部の収束する端部セクションは、ダイバータ脚部の下流端部における境界層への冷却ガスの付加の境界層吸込みを許容するために、多孔質材料から形成されている。
【００５７】
複数の実施の形態に示されたインピンジメント冷却される壁配列は、例えば、缶型燃焼器を備えるガスタービンにおいて使用することができる。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実用的に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（尾筒）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、ダクトに一体化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される壁配列は、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。
【００５８】
インピンジメント冷却される壁配列は、あらゆるその他の構成部材の冷却のため、例えばブレード冷却のために使用することもできる。
【００５９】
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。その他の可能性、例えば組合せが選択的に考えられる。
【００６０】
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。フローダイバータは、例えば、増大した熱伝達のための二次的な流れを生ぜしめるために、ダイバータの上流のクロスフローの方向に提供することができる。ダイバータは、ブレードプロフィルのような、流体力学的に最適化された輪郭を有することもできる。
【００６１】
開示されたインピンジメント冷却される壁配列および冷却のための方法は、ガスタービン及び、例えば炉または反応器などの、壁が高温ガスに曝される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】
【００６２】
１  ガスタービン
２  吸気
３  圧縮機
４  燃焼器
５  タービン
６  軸
７  ダクト壁
８  燃料
９  バーナ
１０  スリーブ
１１  圧縮ガス
１２  インピンジメント冷却される壁配列
１３  第１の開口
１４  第２の開口
１５  冷却流路
１６，１６i，１６o  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  多孔質セクション
２３  バランシング孔
２４  インピンジメント流
２５  タービュレータ（リブ）
２６  排ガス
２７  冷却フィールド壁
２８  下流端部
２９  第１の対流セクション
３０  噴射孔
３１  第２の対流セクション
ｈ  フローダイバータ高さ
Ｈ  冷却流路の高さ
ｘ  長さ
α  熱伝達係数
β  収束角度
ＩＩ  図２のインピンジメント冷却される壁配列における位置に関する熱伝達係数
ＩＩＩ  図３のインピンジメント冷却される壁配列における位置に関する熱伝達係数
ΔｐIII  図３のインピンジメント冷却される壁配列における位置に関する動圧損失
ΔｐV  図５のインピンジメント冷却される壁配列における位置に関する動圧損失
ΔｐVIII  図８のインピンジメント冷却される壁配列における位置に関する動圧損失
【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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【外国語明細書】
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