JPS63309733A - ガスタ−ビン燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ガスタービン燃焼器尾筒に係り、特に、燃焼
器出口ガス温度の高い高温ガスタービン燃焼器尾筒に好
適な冷却構造に関する。

〔従来の技術〕

ガスタービン燃焼器は、作動流体としての燃焼ガスを発
生させ、これをタービン部に送る役目を　・担っている
。この燃焼器を構成する主なものは、第２図に示される
ように、燃焼ガスを生成するライナ１、これに続く流路
の役目をする尾筒２および燃料ノズル３を備え、これら
は外筒４とこれに接続されたケーシング５内に格納され
ている。

燃焼器のライナ１は円筒形をしているが、尾筒２は多少
複雑な形状をしており、ライナ１側入口断面形状は円形
であるが、タービンノズル］０１側出口断面は扇形をし
ている。

通常、ガスタービンでは、このような燃焼器がタービン
ロータを中心にして環状に、しかも等間隔に土木程度配
置されている。

そして、圧縮機１０２により加圧された空気２１は、デ
ィフューザ１０３により減速し、ケーシング５内で方向
を反転し、ライナ部に至る。ライナ部ては、ライナ１の
冷却用の冷却用空気孔６ｃ、燃焼ガスの湿度を調整する
ための希釈圧空Ｃ２） 気孔６ｂおよび燃料ノズル３からライナ１内に供給され
る燃料を燃焼させるための燃焼用空気孔６ａを通ってラ
イナ１内に流入し、ここで燃料ノズル３から供給される
燃料と空気２１との燃焼反応により燃焼ガス２２が生成
され、所定のガス温度を得る。

次に、本発明で対象とする尾筒２の冷却構造について述
べる。ライナ１内で生成された燃焼ガス２２は、タービ
ンを作動させるために、尾筒２を経て、タービンノズル
１０１に導かれる。尾筒２内の流路断面積は、第３図に
示すように、ライナ１側入口で最大であり、タービンノ
ズル１０１側出口で最小になる。燃焼ガス２２の断面平
均流速は断面積に反比例するので、尾筒２の出口に近く
なるほど大きくなる。尾筒２の壁面温度に大きな影響を
与える尾筒２の内側の熱伝導率α１と流速Ｖ、との間に
は、 ａ　１＝　Ｃｓ　・ｖ　ｉＯ・８−　（１）の関係があ
るので、尾筒２内側の熱伝導率はライナ１側入口で小さ
く、タービンノズル１０１側出口で大きな値になる第４
図のような分布になる。

このような伝熱特性を持っ尾筒２の冷却構造には、例え
ば、特開昭５５−１０００４号公報が挙げられる。尾筒
２を覆う案内壁７を尾筒２の外壁面から所定の間隔をも
って設置し、尾筒２と案内壁７との間隙に圧縮機１０２
で加圧された空気２１を流し、その強制対流により尾筒
２から熱を琢い、冷却を行っている。

〔発明が解決しようとする問題点３ 尾筒２の壁面温度は、その構造材の最高許容温度以下に
抑える必要があるため、尾筒２の外側の冷却に要求され
る熱伝達率は第４図に示した内側の熱伝達率分布と相似
になる。尾筒２の外側の熱伝達率αｅと尾筒２と案内壁
７との間隙を流れる空気流速Ｖ。どの間にも、 αｅ＝　Ｃ２・ｖｅｏ・８　　　　　　　　・−（２）
の関係があるので、尾筒２のタービンノズル１０１側で
は、他の部分に比べて流速を大きくする必要がある。尾
筒２と案内壁７との間隙に空気２１が流れ込む際に生じ
る圧力損失は、流入時の流速の二乗に比例する。このた
め、従来の冷却構造では、尾筒２と案内壁７との間隙に
流入する部分で大きな圧力損失が発生し、ガスタービン
効率が低下する問題があった。

本発明の目的は、尾筒外側の冷却に要求される熱伝達率
を確保し、かつ、圧力損失の小さな尾筒の冷却構造を提
供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、尾筒外側の冷却に大きな熱伝達率を要求さ
れるタービンノズル側には、冷却性能の高いインピンジ
メント冷却を施し、小さな熱伝達率でよいライナ側は、
尾筒の外壁面から所定の間隔をもって設置した尾筒を覆
う案内壁と尾筒との間隙に圧縮機からライナに向かう空
気を流し、強制対流冷却することにより達成される。

〔作用〕

噴流を被冷却面に衝突させるインピンジメント冷却は、
冷却性能が高いため、強制対流冷却より遅い流速で同等
の熱伝達率が得られる。この冷却方法を冷却に要求され
る熱伝達率が大きい部分に適用することにより、案内壁
にあけられた冷却孔から流入する流速が強制対流冷却の
ときよりも遅くても、冷却に必要な熱伝達率を満足する
ことができる。また、冷却に要求される熱伝達率の小さ
い部分は、強制対流冷却を行っても、小さな流速で冷却
に必要な熱伝達率を満足することができる。

圧力損失は、前述したように、流速の二乗に比例するた
め、尾筒全面を小さな流速で冷却できるインピンジメン
ト冷却と強制対流冷却を併用した冷却構造は圧力損失を
小さくすることができる。

〔実施例〕 以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。尾筒
２を覆う案内壁７は尾筒２の外壁面から所定の間隔をも
って設置されており、案内壁７には、複数個の小孔の列
を複数並べた冷却孔８と空気導入口９が設けられている
。また、ディフューザ１０３からケーシング５内に流入
した空気２１が、案内壁７の外側を通って、ライナ１内
に流入しないように、案内壁７のライナ１側は閉じた構
造になっている。このため、ディフューザ１０３からケ
ーシング５内に流入した空気２１は、冷却孔８と空気導
入口９に分かれて、尾筒２と案内壁７との間隙に流入す
る。

複数個の小孔からなる冷却孔８は、第４図で熱伝達率が
大きくなるタービンノズル１０１側の部分に設けられて
いる。冷却孔８から尾筒２と案内壁７との間隙に流れ込
んだ空気２１ａは、噴流となって尾筒２の外壁面に衝突
し、尾筒２をインピンジメント（？＃突突流流冷却する
。インピンジメント冷却に使われなかった残りの空気２
１ｂは、空気導入口９から尾筒２と案内壁７との間隙に
流入し、尾筒２をインピンジメン１〜冷却した後、尾筒
２と案内壁７との間隙をライナ１側に流れてきた空気２
　］、　ａと合流し、尾筒２と案内壁７との間隙をライ
ナ１に向かって流れる。第４図で示した尾筒２のライナ
側の熱伝達率の小さい部分は、その流れによって強制対
流冷却される。その結果、尾筒２の外側の冷却に要求さ
れる熱伝達率を満足することができ、尾筒２の壁面温度
をその構造材の最高許容温度以下に抑えることができる
。

空気導入口９からライナ１側の強制対流冷却する部分で
は、圧力損失を小さくするために、冷却に要求される熱
伝達率を満足できる範囲で、流速ができるだけ小さくな
るように尾筒２と案内壁７との間隙を大きくしたいのに
対し、空圧導入口９からタービンノズル１０１側のイン
ピンジメント冷却する部分では、尾筒２と案内壁７との
間隔が大きすぎると、冷却孔８からの噴流が被冷却面で
ある尾筒２に到達したときに流速が減衰し、冷却性能が
悪くなり、必要以上に冷却孔８からの噴流の流速を大き
くしなければならない。このため、尾筒２と案内壁７と
の間隔は、空気導入口９からライナ１側に比べて、空気
導入口９からタービンノズル１０１側では小さくする。

このような尾筒２の冷却構造では、尾筒２の外側の冷却
に要求される熱伝達率が大きい空気導入口９からタービ
ンノズル１０１側の部分には、冷却性能の高いインピン
ジメント冷却を採用するため、インピンジメンミル冷却
に使用される空気２］ａの流速は、冷却に要求される熱
伝達率が小さい空気導入口９からライナ１側を強制対流
冷却する空気の流速と同等、もしくは、それ以下になり
、従来の冷却方式で、空気流速を大きくせざるを得なか
った冷却に要求される熱伝達率が大きい部分の空気流速
を小さく抑えることができるため、圧力損失を小さくす
ることができる。

インピンジメント冷却は、冷却孔８からの噴流が被冷却
面である尾筒２に衝突することにより大きな熱伝達率を
得る冷却方式なので、噴流を減衰させる尾筒２と案内壁
７との間隙をライナ１側に流れる空気の流速はできるだ
け小さいことが望ましい。このため、案内壁７のタービ
ンノズル１０１側の端部は、第５図に示すように、リテ
ーナリング１０に溶接等により固着するか、もしくは、
第６図に示すように尾筒２に溶接等によって固着するこ
とが冷却性能上、最も好ましい。しかし、これらの構造
は、リテーナリング１０や尾筒２が燃焼ガス２２によっ
て高温になるのに対し、案内壁７は空気２１中にあるた
め、はぼ、空気温度と等しくなり、溶接等によってリテ
ーナリング１０、あるいは尾筒２に固着した部分に大き
な温度勾配が発生し、大きな熱応力を生じる可能性があ
る。

この熱応力を避ける方法として考えられるのが第７図な
いし第９図に示した構造である。第７図はリテーナリン
グ１０に溝を設け、案内壁７のタービンノズル１０１側
端部をその溝に挿し込む構造である。第８図はリテーナ
リング１０と案内壁７のタービンノズル１０１側端部に
わずかな隙間をもたせ、その隙間から尾筒２と案内壁７
との間隙に空気が流れ込むのを防ぐ目的で、リテーナリ
ング１０と案内壁７のタービンノズル１０１側端部に溝
を設け、それらの溝にシールプレー１−１２を挿し込む
構造である。これらの構造では、インビンジメント冷却
の性能を余りそこなうことなく、熱応力を低減すること
ができる。第９図は、リテーナリング１０と案内壁７の
タービンノズル１０１側端部にわずかな隙間１３をもた
せただけの構造である。この構造では、隙間］３から尾
筒２と案内壁７との間隙に空気が流れ込み、尾筒２と案
内壁７との間隙をライナ１側に向かって流れることにな
る。このためインピンジメント冷却の性能の低下は免れ
ないが、リテーナリング１ｏと案内壁７が離れているた
め、熱応力の生じる可能性はない。

第１図で示した空気導入口９は案内壁７に穴として設け
る構造になっているが、案内壁７をライナ１側とタービ
ンノズル１０１側に分割するように隙間状の構造として
もよい。

また、リテーナリング１０は冷却が行われないため、高
温になる可能性がある。このため、第５図に示したよう
に、尾筒２の冷却をそこなわない程度の少量の空気を、
尾筒２の出口部に設けた尾筒２の内側と外側とを粘ぶ排
出孔１１から尾筒２の内側に流し、リテーナリング１０
を冷却する構造としてもよい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、小さな流速で尾筒全面をその材料の最
高許容限度以下の温度に冷却し、燃焼器で発生する圧力
損失を小さく抑え、ガスタービン効率を向上させること
ができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明の尾筒冷却構造の一実施例の縦断面図
、第２図は、従来の尾筒冷却構造をもつガスタービン燃
焼器の縦断面図、第３図は、尾筒内部の流路断面積変化
図、第４図は、尾筒の内側熱伝達率分布図、第５図は、
本発明の一実施例の尾筒出口部の縦断面図、第６図ない
し第９図は本発明の変形例の尾筒出口部の縦断面図であ
る。 第３ｍ ル均ムＵ力゛うのｙ巨山匡　　　− 第４図 Ａ葡Ｘ口から１７１距離　− 不５　凶 り 詰Ｚ閃 第　７　図 グ 革　？　凹 部９凹

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、燃焼器ライナと、前記燃焼器ライナとタービン部と
   を結ぶ尾筒と、前記燃焼器ライナおよび前記尾筒の周囲
   をとり囲み、圧縮空気源に連通したタービンケーシング
   と前記燃焼器ライナ内に燃料を供給する燃料供給手段と
   前記尾筒の外周壁から所定の間隔をもつて前記尾筒をと
   り囲む案内壁と、前記案内壁のタービン部側寄りの領域
   に設けたインピンジ冷却のための小孔群と、前記領域よ
   りも前記燃焼器ライナ寄りの領域に前記尾筒の外周壁面
   冷却のための空気導入口とを設けたことを特徴とするガ
   スタービン燃焼器。