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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6267085
(24)【登録日】2018年1月5日
(45)【発行日】2018年1月24日
(54)【発明の名称】ガスタービン燃焼器
(51)【国際特許分類】
F23R 3/12 20060101AFI20180115BHJP
F23R 3/10 20060101ALI20180115BHJP
F23R 3/04 20060101ALI20180115BHJP
【ＦＩ】
F23R3/12
F23R3/10
F23R3/04
【請求項の数】9
【全頁数】18
(21)【出願番号】特願2014-180901(P2014-180901)
(22)【出願日】2014年9月5日
(65)【公開番号】特開2016-56961(P2016-56961A)
(43)【公開日】2016年4月21日
【審査請求日】2016年12月16日
(73)【特許権者】
【識別番号】514030104
【氏名又は名称】三菱日立パワーシステムズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000350
【氏名又は名称】ポレール特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】沼田 祥平
(72)【発明者】
【氏名】横田 修
(72)【発明者】
【氏名】辰巳 哲馬
【審査官】
山崎 孔徳
(56)【参考文献】
【文献】
特開２００８−２６７７９９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１４−１５９９０４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｆ２３Ｒ ３／１２
Ｆ２３Ｒ ３／０４
Ｆ２３Ｒ ３／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
内筒である燃焼器ライナと、
前記燃焼器ライナを内部に備える外筒であるフロースリーブと、
前記燃焼器ライナと前記フロースリーブとの間に形成され、圧縮空気が流れる環状流路とを備え、
前記フロースリーブは、前記フロースリーブの内壁に設けられ、前記燃焼器ライナに向かって突出する狭窄部を備え、
前記燃焼器ライナは、前記燃焼器ライナの外壁に環状に設けられ、前記フロースリーブに向かって突出する環状突起部を備え、
前記狭窄部は、内径変化部と、内径縮小部とを備え、
前記内径変化部は、前記圧縮空気の流れ方向に進むにしたがって次第に前記燃焼器ライナに近づくように前記フロースリーブに斜めに接続する面であり、
前記内径縮小部は、前記内径変化部よりも前記圧縮空気の流れ方向の下流側に設けられ、前記内径変化部に接続し、前記圧縮空気の流れ方向に沿って延在する面であり、
前記環状突起部は、前記燃焼器ライナの外壁の、前記フロースリーブと前記内径変化部との接続位置に対向する位置、又はこの位置よりも前記圧縮空気の流れ方向の上流側の位置に設けられ、
前記内径変化部と前記内径縮小部との接続位置に対向する、前記燃焼器ライナの位置を位置Ｄとし、
前記圧縮空気の流れ方向の下流側の、前記環状突起部の先端部の位置を位置Ｅとすると、
前記環状突起部の前記フロースリーブに向かう突出長さは、前記位置Ｄと前記位置Ｅとを結んだ直線の前記燃焼器ライナに対する角度が、前記内径変化部と前記フロースリーブとがなす角度以下となるような長さである、
ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
前記燃焼器ライナを内部に備える外筒であるフロースリーブと、
前記燃焼器ライナと前記フロースリーブとの間に形成され、圧縮空気が流れる環状流路とを備え、
前記フロースリーブは、前記フロースリーブの内壁に設けられ、前記燃焼器ライナに向かって突出する狭窄部を備え、
前記燃焼器ライナは、前記燃焼器ライナの外壁に環状に設けられ、前記フロースリーブに向かって突出する環状突起部を備え、
前記狭窄部は、内径変化部と、内径縮小部とを備え、
前記内径変化部は、前記圧縮空気の流れ方向に進むにしたがって次第に前記燃焼器ライナに近づくように前記フロースリーブに斜めに接続する面であり、
前記内径縮小部は、前記内径変化部よりも前記圧縮空気の流れ方向の下流側に設けられ、前記内径変化部に接続し、前記圧縮空気の流れ方向に沿って延在する面であり、
前記環状突起部は、前記燃焼器ライナの外壁の、前記フロースリーブと前記内径変化部との接続位置に対向する位置、又はこの位置よりも前記圧縮空気の流れ方向の上流側の位置に設けられ、
前記内径変化部と前記内径縮小部との接続位置に対向する、前記燃焼器ライナの位置を位置Ｄとし、
前記圧縮空気の流れ方向の下流側の、前記環状突起部の先端部の位置を位置Ｅとすると、
前記環状突起部の前記フロースリーブに向かう突出長さは、前記位置Ｄと前記位置Ｅとを結んだ直線の前記燃焼器ライナに対する角度が、前記内径変化部と前記フロースリーブとがなす角度以下となるような長さである、
ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項2】
内筒である燃焼器ライナと、
前記燃焼器ライナを内部に備える外筒であるフロースリーブと、
前記燃焼器ライナと前記フロースリーブとの間に形成され、圧縮空気が流れる環状流路とを備え、
前記フロースリーブは、前記フロースリーブの内壁に設けられ、前記燃焼器ライナに向かって突出する狭窄部を備え、
前記燃焼器ライナは、前記燃焼器ライナの外壁に環状に設けられ、前記フロースリーブに向かって突出する環状突起部を備え、
前記狭窄部は、内径変化部と、内径縮小部とを備え、
前記内径変化部は、前記圧縮空気の流れ方向に進むにしたがって次第に前記燃焼器ライナに近づくように前記フロースリーブに斜めに接続する面であり、
前記内径縮小部は、前記内径変化部よりも前記圧縮空気の流れ方向の下流側に設けられ、前記内径変化部に接続し、前記圧縮空気の流れ方向に沿って延在する面であり、
前記環状突起部は、前記燃焼器ライナの外壁の、前記フロースリーブと前記内径変化部との接続位置に対向する位置、又はこの位置よりも前記圧縮空気の流れ方向の上流側の位置に設けられ、
前記環状突起部の前記フロースリーブに向かう突出長さをｈとし、
前記圧縮空気の流れ方向の下流側の、前記環状突起部の先端部の位置を位置Ｅとし、
前記位置Ｅと下流側剥離渦２２ｂの再付着点Ｃとを結んだ直線の前記燃焼器ライナに対する角度を角度γとすると、
前記内径変化部と前記内径縮小部との接続位置は、前記下流側の前記環状突起部と前記燃焼器ライナとの接続位置からｈ／ｔａｎ（γ）以上の距離だけ前記下流側の位置である、
ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
前記燃焼器ライナを内部に備える外筒であるフロースリーブと、
前記燃焼器ライナと前記フロースリーブとの間に形成され、圧縮空気が流れる環状流路とを備え、
前記フロースリーブは、前記フロースリーブの内壁に設けられ、前記燃焼器ライナに向かって突出する狭窄部を備え、
前記燃焼器ライナは、前記燃焼器ライナの外壁に環状に設けられ、前記フロースリーブに向かって突出する環状突起部を備え、
前記狭窄部は、内径変化部と、内径縮小部とを備え、
前記内径変化部は、前記圧縮空気の流れ方向に進むにしたがって次第に前記燃焼器ライナに近づくように前記フロースリーブに斜めに接続する面であり、
前記内径縮小部は、前記内径変化部よりも前記圧縮空気の流れ方向の下流側に設けられ、前記内径変化部に接続し、前記圧縮空気の流れ方向に沿って延在する面であり、
前記環状突起部は、前記燃焼器ライナの外壁の、前記フロースリーブと前記内径変化部との接続位置に対向する位置、又はこの位置よりも前記圧縮空気の流れ方向の上流側の位置に設けられ、
前記環状突起部の前記フロースリーブに向かう突出長さをｈとし、
前記圧縮空気の流れ方向の下流側の、前記環状突起部の先端部の位置を位置Ｅとし、
前記位置Ｅと下流側剥離渦２２ｂの再付着点Ｃとを結んだ直線の前記燃焼器ライナに対する角度を角度γとすると、
前記内径変化部と前記内径縮小部との接続位置は、前記下流側の前記環状突起部と前記燃焼器ライナとの接続位置からｈ／ｔａｎ（γ）以上の距離だけ前記下流側の位置である、
ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項3】
内筒である燃焼器ライナと、
前記燃焼器ライナを内部に備える外筒であるフロースリーブと、
前記燃焼器ライナと前記フロースリーブとの間に形成され、圧縮空気が流れる環状流路とを備え、
前記フロースリーブは、前記フロースリーブの内壁に設けられ、前記燃焼器ライナに向かって突出する狭窄部を備え、
前記燃焼器ライナは、前記燃焼器ライナの外壁に環状に設けられ、前記フロースリーブに向かって突出する環状突起部を備え、
前記狭窄部は、内径変化部と、内径縮小部とを備え、
前記内径変化部は、前記圧縮空気の流れ方向に進むにしたがって次第に前記燃焼器ライナに近づくように前記フロースリーブに斜めに接続する面であり、
前記内径縮小部は、前記内径変化部よりも前記圧縮空気の流れ方向の下流側に設けられ、前記内径変化部に接続し、前記圧縮空気の流れ方向に沿って延在する面であり、
前記環状突起部は、前記燃焼器ライナの外壁の、前記フロースリーブと前記内径変化部との接続位置に対向する位置、又はこの位置よりも前記圧縮空気の流れ方向の上流側の位置に設けられ、
前記燃焼器ライナは、前記燃焼器ライナの外壁に設けられ、前記フロースリーブに向かって突出する複数の乱流促進体をさらに備え、
前記乱流促進体は、前記環状突起部の前記圧縮空気の流れ方向の下流側に設けられ、前記フロースリーブに向かう突出長さが、前記環状突起部の前記フロースリーブに向かう突出長さよりも小さい、
ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
前記燃焼器ライナを内部に備える外筒であるフロースリーブと、
前記燃焼器ライナと前記フロースリーブとの間に形成され、圧縮空気が流れる環状流路とを備え、
前記フロースリーブは、前記フロースリーブの内壁に設けられ、前記燃焼器ライナに向かって突出する狭窄部を備え、
前記燃焼器ライナは、前記燃焼器ライナの外壁に環状に設けられ、前記フロースリーブに向かって突出する環状突起部を備え、
前記狭窄部は、内径変化部と、内径縮小部とを備え、
前記内径変化部は、前記圧縮空気の流れ方向に進むにしたがって次第に前記燃焼器ライナに近づくように前記フロースリーブに斜めに接続する面であり、
前記内径縮小部は、前記内径変化部よりも前記圧縮空気の流れ方向の下流側に設けられ、前記内径変化部に接続し、前記圧縮空気の流れ方向に沿って延在する面であり、
前記環状突起部は、前記燃焼器ライナの外壁の、前記フロースリーブと前記内径変化部との接続位置に対向する位置、又はこの位置よりも前記圧縮空気の流れ方向の上流側の位置に設けられ、
前記燃焼器ライナは、前記燃焼器ライナの外壁に設けられ、前記フロースリーブに向かって突出する複数の乱流促進体をさらに備え、
前記乱流促進体は、前記環状突起部の前記圧縮空気の流れ方向の下流側に設けられ、前記フロースリーブに向かう突出長さが、前記環状突起部の前記フロースリーブに向かう突出長さよりも小さい、
ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項4】
内筒である燃焼器ライナと、
前記燃焼器ライナを内部に備える外筒であるフロースリーブと、
前記燃焼器ライナと前記フロースリーブとの間に形成され、圧縮空気が流れる環状流路とを備え、
前記フロースリーブは、前記フロースリーブの内壁に設けられ、前記燃焼器ライナに向かって突出する狭窄部を備え、
前記燃焼器ライナは、前記燃焼器ライナの外壁に環状に設けられ、前記フロースリーブに向かって突出する環状突起部を備え、
前記狭窄部は、内径変化部と、内径縮小部とを備え、
前記内径変化部は、前記圧縮空気の流れ方向に進むにしたがって次第に前記燃焼器ライナに近づくように前記フロースリーブに斜めに接続する面であり、
前記内径縮小部は、前記内径変化部よりも前記圧縮空気の流れ方向の下流側に設けられ、前記内径変化部に接続し、前記圧縮空気の流れ方向に沿って延在する面であり、
前記環状突起部は、前記燃焼器ライナの外壁の、前記フロースリーブと前記内径変化部との接続位置に対向する位置、又はこの位置よりも前記圧縮空気の流れ方向の上流側の位置に設けられ、
前記フロースリーブは、前記フロースリーブの内壁に設けられ、前記燃焼器ライナに向かって突出し、前記圧縮空気の流れ方向に回転の中心軸を持つ縦渦を発生させる複数の縦渦発生器をさらに備え
複数の前記縦渦発生器は、前記圧縮空気の流れ方向において、前記内径変化部と前記環状突起部よりも上流側に設けられる、
ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
前記燃焼器ライナを内部に備える外筒であるフロースリーブと、
前記燃焼器ライナと前記フロースリーブとの間に形成され、圧縮空気が流れる環状流路とを備え、
前記フロースリーブは、前記フロースリーブの内壁に設けられ、前記燃焼器ライナに向かって突出する狭窄部を備え、
前記燃焼器ライナは、前記燃焼器ライナの外壁に環状に設けられ、前記フロースリーブに向かって突出する環状突起部を備え、
前記狭窄部は、内径変化部と、内径縮小部とを備え、
前記内径変化部は、前記圧縮空気の流れ方向に進むにしたがって次第に前記燃焼器ライナに近づくように前記フロースリーブに斜めに接続する面であり、
前記内径縮小部は、前記内径変化部よりも前記圧縮空気の流れ方向の下流側に設けられ、前記内径変化部に接続し、前記圧縮空気の流れ方向に沿って延在する面であり、
前記環状突起部は、前記燃焼器ライナの外壁の、前記フロースリーブと前記内径変化部との接続位置に対向する位置、又はこの位置よりも前記圧縮空気の流れ方向の上流側の位置に設けられ、
前記フロースリーブは、前記フロースリーブの内壁に設けられ、前記燃焼器ライナに向かって突出し、前記圧縮空気の流れ方向に回転の中心軸を持つ縦渦を発生させる複数の縦渦発生器をさらに備え
複数の前記縦渦発生器は、前記圧縮空気の流れ方向において、前記内径変化部と前記環状突起部よりも上流側に設けられる、
ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項5】
前記内径変化部は、前記フロースリーブとの接続部と前記内径縮小部との接続部とが曲線状である、請求項１から４のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項6】
前記環状突起部は、前記圧縮空気の流れ方向の上流側の面が曲面である、請求項１から４のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項7】
前記環状突起部は、前記圧縮空気の流れ方向の下流側の面が曲面である、請求項１から４のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項8】
前記フロースリーブの内側に設置され、前記燃焼器ライナの前記圧縮空気の流れ方向の上流側で前記燃焼器ライナと接続されたトランジションピースをさらに備え、
前記環状突起部は、前記燃焼器ライナと前記トランジションピースとの接続部まで延在している、請求項１から４のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器。
前記環状突起部は、前記燃焼器ライナと前記トランジションピースとの接続部まで延在している、請求項１から４のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項9】
前記内径変化部と前記フロースリーブとがなす角度は、７度以上である、請求項１から４のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ガスタービン燃焼器に関する。
【背景技術】
【0002】
ガスタービンなどの燃焼器ライナ、タービン翼、熱交換器、フィン、ボイラ、及び加熱炉などの機器は、冷却、加熱、及び熱交換における流体と固体の間の伝熱促進に対して要求される仕様に基づいて、様々な構造が考えられている。例えば、発電用ガスタービンなどの燃焼器においては、ガスタービン効率を損なうことの無い程度の少ない圧力損失で必要な冷却性能を維持し、構造強度の信頼性を維持することが求められている。
【0003】
さらに、環境問題への配慮の観点からは、燃焼器内に生じる窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を低減することが求められている。ＮＯｘの発生要因としては、燃焼時に空気中の酸素と窒素が非常に高温に保たれることが挙げられる。これを防いでＮＯｘを低減するため、燃料と空気を燃焼前に混合して燃焼する予混合燃焼を利用し、かつ燃料と空気の混合比（燃空比）が理論混合比よりも小さい状態で燃焼させることが図られている。
【0004】
この点を鑑みたガスタービン燃焼器の例の一つが、特許文献１に記載されている。特許文献１には、燃焼器ライナの外側表面に板状の縦渦発生手段とリブ状の乱流促進手段を設けることにより、少ない圧力損失で冷却性能を向上させるガスタービン燃焼器が記載されている。特許文献１に記載のガスタービン燃焼器は、略矩形の板材を筒状に丸めて形成した円筒材を軸方向に複数連結して形成したライナを備え、ライナの各円筒材は、隣り合う円筒材と重なって互いに連結し、重なり部分は溶接で結合されている。また、各円筒材の一端部（圧縮機からの圧縮空気の流れ方向の下流側）には、プレス加工等で形成した凸部（縦渦発生器）が周方向に沿って複数配置されている。この縦渦発生器は、伝熱媒体（圧縮空気）の流れる方向に回転の中心軸を持つ縦渦を発生させ、縦渦によって伝熱媒体の流通路を攪拌する。さらに、燃焼器ライナの外周面には、縦渦発生器によって攪拌される伝熱媒体に生じる境界層を破壊するためのリブ（乱流促進体）が、機械加工、溶接または遠心鋳造法によって設けられている。
【0005】
特許文献２には、他の伝熱構造の例として、ライナ外側に冷却空気（伝熱媒体）の流通路を形成するためにフロースリーブ（外筒）が設けられ、フロースリーブの内径が伝熱媒体の流れ方向に徐々に縮小するガスタービン燃焼器が記載されている。特許文献２に記載のガスタービン燃焼器では、ライナとフロースリーブ間の伝熱媒体流通路を縮小することで伝熱媒体の流速を増大し、かつライナ面の表面粗さを大きくすることで熱伝達率を向上させる。
【0006】
特許文献３には、他の伝熱構造の例として、ライナの外周側およびフロースリーブの内周側にガイドフィンを設けることにより、圧縮空気（伝熱媒体）の流速を早めて伝熱効果向上を図るガスタービン燃焼器が記載されている。特許文献３に記載のガスタービン燃焼器では、燃焼器ライナとフロースリーブで形成される環状流路の断面積をガイドフィンの設置によって減少させることにより、流れる伝熱媒体の流速を速めて伝熱効果を向上させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開２００１−２８０１５４号公報
【特許文献2】特開平６−２２１５６２号公報
【特許文献3】特開２０００−３２０８３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
特許文献１に記載のガスタービン燃焼器は、従前のものと比較して冷却性能および低ＮＯｘ性の点で優れるが、構造強度、製造工程の簡素性及び長寿命性という点で課題を有する。例えば、燃焼器ライナは、複数の円筒材が軸方向に互いに結合して形成されているが、各円筒材は重なり部分で溶接接合されている。このため、この溶接部分はクラックの発生原因となる可能性があり、溶接を用いない場合（すなわち、単一の円筒部材でライナを形成した場合）と比較して長期間の利用が阻害されるおそれがある。また、溶接箇所が多いと製造工数が増加するため、製造コストが増加する。この点は、乱流促進体であるリブの取り付けに溶接を利用する場合には、一層顕著になる。さらに、溶接を利用すると各円筒部材が熱変形し、燃焼器ライナと組み合わされる他の円形の部材（例えば、燃料ノズルや予混合ノズルが取り付けられた円板や、トランジションピース（尾筒））への組み込み性が低下し、ライナを再度円形に整形する工程が生じて、燃焼器の製造工程が複雑化するおそれもある。また、ライナを形成する各円筒材の重なり部分は、二重構造となって他の部分よりも厚くなるため、他の部分と比較して伝熱性（冷却性）が低下することがある。
【0009】
特許文献２に記載のガスタービン燃焼器は、特許文献１に記載のガスタービン燃焼器と比較してライナの構造が簡素であるため、製造工程の簡素性及び長寿命性に優れるが、伝熱媒体の流速及びライナ面の表面粗さの増大のみによって伝熱を促進させるため、大きな伝熱促進効果（冷却効果）を得るためには圧力損失が大きくなるという課題がある。また、冷却空気の流路がバーナ側に向かって徐々に狭くなるため、バーナの近傍が最も冷却効果が高くなり、バーナから離れた位置に燃焼器ライナの高温部が位置する場合には、高温部を十分に冷却できないという課題もある。
【0010】
特許文献３に記載のガスタービン燃焼器は、フロースリーブの内周側にガイドフィンを設置しているため、簡素性及び長寿命性に優れるが、伝熱媒体の流速の増大のみによって伝熱（冷却）を促進させるため、特許文献２に記載のガスタービン燃焼器と同様に、大きな伝熱促進効果を得るためには圧力損失が大きくなるという課題がある。
【0011】
本発明の目的は、圧力損失の増大を抑制しつつ燃焼器ライナの冷却を促進することができ、構造強度、製造工程の簡素性及び長寿命性に優れたガスタービン燃焼器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明によるガスタービン燃焼器は、次のような特徴を有する。内筒である燃焼器ライナと、前記燃焼器ライナを内部に備える外筒であるフロースリーブと、前記燃焼器ライナと前記フロースリーブとの間に形成され、圧縮空気が流れる環状流路とを備える。前記フロースリーブは、前記フロースリーブの内壁に設けられ、前記燃焼器ライナに向かって突出する狭窄部を備える。前記燃焼器ライナは、前記燃焼器ライナの外壁に環状に設けられ、前記フロースリーブに向かって突出する環状突起部を備える。前記狭窄部は、内径変化部と、内径縮小部とを備え、前記内径変化部は、前記圧縮空気の流れ方向に進むにしたがって次第に前記燃焼器ライナに近づくように前記フロースリーブに斜めに接続する面であり、前記内径縮小部は、前記内径変化部よりも前記圧縮空気の流れ方向の下流側に設けられ、前記内径変化部に接続し、前記圧縮空気の流れ方向に沿って延在する面である。前記環状突起部は、前記燃焼器ライナの外壁の、前記フロースリーブと前記内径変化部との接続位置に対向する位置、又はこの位置よりも前記圧縮空気の流れ方向の上流側の位置に設けられる。
【発明の効果】
【0013】
本発明によるガスタービン燃焼器は、圧力損失の増大を抑制しつつ燃焼器ライナの冷却を促進することができ、構造強度、製造工程の簡素性及び長寿命性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明の実施例によるガスタービン燃焼器の断面図であり、ガスタービンプラントの概略構成を示す図である。
【図2】本発明の実施例１によるガスタービン燃焼器の断面図である。
【図3A】燃焼器ライナが環状突起部を備えるガスタービン燃焼器のうち、環状流路の一部を模式的に示す図である。
【図3B】燃焼器ライナが環状突起部を備えフロースリーブが内径変化部と内径縮小部とを備えるガスタービン燃焼器のうち、環状流路の一部を模式的に示す図である。
【図4】本発明の実施例２によるガスタービン燃焼器のうち、燃焼器ライナとフロースリーブで構成された環状流路の一部を模式的に示す図である。
【図5】本発明の実施例３によるガスタービン燃焼器のうち、燃焼器ライナとフロースリーブで構成された環状流路の一部を模式的に示す図である。
【図6】本発明の実施例４によるガスタービン燃焼器のうち、燃焼器ライナとフロースリーブで構成された環状流路の一部を模式的に示す図である。
【図7】本発明の実施例５によるガスタービン燃焼器のうち、燃焼器ライナとフロースリーブで構成された環状流路の一部を模式的に示す図である。
【図8】本発明の実施例６によるガスタービン燃焼器のうち、燃焼器ライナとフロースリーブで構成された環状流路の一部を模式的に示す図である。
【図9】本発明の実施例７によるガスタービン燃焼器のうち、燃焼器ライナとフロースリーブで構成された環状流路の一部を模式的に示す図である。
【図10】本発明の実施例８によるガスタービン燃焼器のうち、燃焼器ライナとフロースリーブで構成された環状流路の一部を模式的に示す図である。
【図11A】本発明の実施例９によるガスタービン燃焼器のうち、燃焼器ライナとフロースリーブで構成された環状流路の一部を模式的に示す図であり、ガスタービン燃焼器の中心軸と平行な断面図である。
【図11B】本発明の実施例９によるガスタービン燃焼器のうち、燃焼器ライナとフロースリーブで構成された環状流路の一部を模式的に示す図であり、ガスタービン燃焼器の中心軸と直交する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
本発明の実施例によるガスタービン燃焼器は、以下で説明するように、強制対流により部材（燃焼器ライナ）と流体（伝熱媒体）との間の伝熱を促進して、すなわち、部材の表面に沿って伝熱媒体を流れさせ、部材と伝熱媒体との間で熱授受を行って、部材の冷却を促進する。
【0016】
ガスタービンを利用した火力発電の効率向上における課題として、燃焼ガス温度の高温化があり、これに伴い燃焼器ライナの冷却強化が必要となる。同時に、ガスタービン燃焼器の圧力損失の増大は、ガスタービンの効率を低下させる要因となるため、避ける必要がある。このような中で、衝突噴流冷却（インピンジ冷却）において冷却強化のために噴流速度を増加することは、圧力損失の大きな増大要因となる。また、フィン冷却では、フィン数の増加とともに圧力損失が大きくなる傾向がある。一方、リブによる乱流促進は、圧力損失増加が少ないものの、リブ間隔を狭くしても大幅な冷却性能向上が望めないため、リブを増やすことによる冷却促進には限界がある。
【0017】
本発明では、これらの事情を考慮し、圧力損失の増大を抑制しつつ燃焼器ライナの冷却を促進することができ、構造強度、製造工程の簡素性及び長寿命性に優れ、製品信頼性が向上したガスタービン燃焼器を提供する。
【0018】
本発明によるガスタービン燃焼器は、燃焼器ライナと、燃焼器ライナを内部に備えるフロースリーブと、燃焼器ライナとフロースリーブとの間に形成され、圧縮空気（伝熱媒体）が流れる環状流路とを備える。フロースリーブは、フロースリーブの内径を縮小するように変化させる内径変化部を備える。燃焼器ライナは、フロースリーブに向かって突出し、内径変化部により圧縮空気の流れの向きが変化する位置、又はこの位置よりも圧縮空気の流れ方向の上流側の位置に設けられる環状の突起部を備える。
【0019】
本発明によるガスタービン燃焼器は、フロースリーブに内径変化部を備えるので伝熱媒体の流れの向きを変化させ速度を増加させることができ、燃焼器ライナに環状突起部を備えるので熱伝達効果を促進することができるので、簡素な構造と小さな圧力損失で燃焼器ライナの対流冷却（対流伝熱による冷却）を促進することができるとともに、製品信頼性を向上できる。また、内径変化部と環状突起部の設置形状や設置位置を調節することにより、燃焼器ライナの高温部を集中的に冷却し、燃焼器ライナの温度を一定値以下に抑えることができる。また、燃焼器ライナに取り付ける部品数を減少させ溶接部位の数を低減できることから、燃焼器ライナの信頼性向上と、これに伴う長寿命化とが図れる。また、溶接部位の数の低減により、燃焼器ライナの変形も抑制できる。更に、環状突起部の高さ（突出長さ）を一定値以上にすると、燃焼器ライナの座屈強度を向上することができ、製品信頼性の向上に寄与することができる。
【0020】
以下、本発明の実施例によるガスタービン燃焼器について、図面を用いて説明する。なお、本発明の実施例を説明するための図面において、同一の要素には同一の符号を付け、これらの要素については繰り返しの説明を省略する場合がある。また、以下の説明では、「ガスタービン燃焼器」と「燃焼器ライナ」と「ガスタービン」のことを、それぞれ「燃焼器」と「ライナ」と「タービン」とも称する。
【0021】
図１は、本発明の実施例によるガスタービン燃焼器の断面図であり、ガスタービン燃焼器を備えるガスタービンプラント（ガスタービン発電設備）の概略構成も示す。ガスタービンプラントは、圧縮機１と、ガスタービン燃焼器６と、ガスタービン３と、発電機７を備える。
【0022】
圧縮機１は、空気を圧縮して、高圧の燃焼用空気（圧縮空気２）を生成する。ガスタービン燃焼器６（燃焼器６）は、燃料と圧縮機１から導入された圧縮空気２とを混合して燃焼し、高温の燃焼ガス４を生成する。ガスタービン３（タービン３）は、燃焼器６が生成した燃焼ガス４のエネルギーにより、軸駆動力を得る。発電機７は、タービン３によって駆動され、発電を行う。なお、圧縮機１、タービン３及び発電機７の回転軸は、互いに機械的に連結されている。
【0023】
燃焼器６は、フロースリーブ（外筒）１０と、燃焼器ライナ（内筒）８と、燃焼室５と、トランジションピース（尾筒）９と、環状流路１１と、プレート１２と、複数のバーナ１３を備える。
【0024】
フロースリーブ１０は、燃焼器ライナ８とトランジションピース９を内部に備える円筒形状の構造体であり、燃焼器６に供給された圧縮空気２の流速や偏流を調節する。燃焼器ライナ８（ライナ８）は、円筒形状の構造体であり、フロースリーブ１０から間隔を設けてフロースリーブ１０の内側に設置される。燃焼室５は、ライナ８の内部に形成される。トランジションピース９は、筒状の構造体であり、フロースリーブ１０から間隔を設けてフロースリーブ１０の内側に設置され、ライナ８のタービン３側の開口部に連接され、燃焼室５で生成された燃焼ガス４をタービン３に導く。環状流路１１は、トランジションピース９とフロースリーブ１０との間、及びライナ８とフロースリーブ１０との間に形成され、圧縮機１から燃焼室５に供給される圧縮空気２が流れる。圧縮空気２は、ライナ８を冷却する伝熱媒体の役割も果たす。トランジションピース９は、ライナ８の圧縮空気２の流れ方向の上流側で、ライナ８と接続される。
【0025】
プレート１２は、略円板状であり、一端面が燃焼室５に臨んでおり、ライナ８の燃焼ガス４の流れ方向の上流側端部を全面的に塞ぎ、ライナ８の中心軸に略直交するようにフロースリーブ１０に設けられる。複数のバーナ１３は、プレート１２に配置される。
【0026】
以下に述べる実施例では、タービン３の全体構成や燃料ノズルを含む燃焼器６の詳細な作用についての説明は省略する。これらについては、例えば特許文献１を参照されたい。
【実施例1】
【0027】
図２は、本発明の実施例１によるガスタービン燃焼器６の断面図である。燃焼器ライナ８とフロースリーブ１０は、ほぼ同軸状の二重円筒構造を形成する。フロースリーブ１０の直径は燃焼器ライナ８の直径より大きく、フロースリーブ１０と燃焼器ライナ８との間に環状流路１１が形成される。伝熱媒体である圧縮空気２は、環状流路１１の中を流れる。
【0028】
フロースリーブ１０は、フロースリーブ１０の内壁に設けられ、燃焼器ライナ８に向かって突出してフロースリーブ１０の内径を縮小するように変化させる狭窄部１０ａを備える。狭窄部１０ａは、環状流路１１を狭める構造体であり、内径変化部１０ｃと内径縮小部１０ｂとを備える。内径変化部１０ｃは、圧縮空気２の流れ方向に進むにしたがって次第に燃焼器ライナ８に近づくようにフロースリーブ１０に斜めに接続する面である。内径縮小部１０ｂは、内径変化部１０ｃよりも圧縮空気２の流れ方向の下流側に設けられ、内径変化部１０ｃと接続し、圧縮空気２の流れ方向に沿って延在する面である。以下では、フロースリーブ１０と内径変化部１０ｃとが接続する位置を接続位置Ａと呼び、内径変化部１０ｃと内径縮小部１０ｂとが接続する位置を接続位置Ｂと呼ぶ。
【0029】
環状流路１１は、圧縮空気２の流れ方向に沿って接続位置Ａから接続位置Ｂに向かうにしたがって、次第に狭くなる。したがって、圧縮空気２は、狭窄部１０ａによって狭められた環状流路１１の中（内径変化部１０ｃと燃焼器ライナ８との間、及び内径縮小部１０ｂと燃焼器ライナ８との間）を流れる。
【0030】
なお、図２に示すように、狭窄部１０ａは、下流側内径変化部１０ｄを備えることもできる。下流側内径変化部１０ｄは、圧縮空気２の流れ方向の下流側で内径縮小部１０ｂと接続し、圧縮空気２の流れ方向に進むにしたがって次第に燃焼器ライナ８から遠ざかるようにフロースリーブ１０に斜めに接続し、フロースリーブ１０の内径を内径縮小部１０ｂから徐々に拡大するように変化させる面である。下流側内径変化部１０ｄを設けると、圧力損失の増大をさらに抑制する効果が得られる。
【0031】
燃焼器ライナ８は、フロースリーブ１０に向かって突出する環状の部材である環状突起部２０を、燃焼器ライナ８の外壁に備える。環状突起部２０は、フロースリーブ１０と内径変化部１０ｃとの接続位置Ａに対向する位置、すなわち内径変化部１０ｃにより環状流路１１が狭くなり圧縮空気２の流れの向きが変化する位置、又はこの位置よりも圧縮空気２の流れ方向の上流側の位置に設ける。環状突起部２０は、燃焼器ライナ８の外壁に環状に設けられ、燃焼器ライナ８の形状を保つための補強材としての機能を有する他に、後述するように、ガスタービン燃焼器６の圧力損失の増大を抑制する機能と、燃焼器ライナ８の冷却を促進する機能とを有する。
【0032】
環状突起部２０は、以下に述べるライナ８の高温部の付近、又はこの高温部よりも圧縮空気２の流れ方向の上流側に設ける。この高温部の位置やライナ８の壁面の温度が最大となる部分の位置は、燃焼器６の構造で決まり、燃焼試験やシミュレーションにより予め求めることができる。
【0033】
フロースリーブ１０と内径変化部１０ｃとの接続位置Ａは、環状突起部２０の位置に基づいて定めることができる。上述したように、環状突起部２０は接続位置Ａに対向する位置又はこの位置よりも圧縮空気２の流れ方向の上流側に設けるので、接続位置Ａは、環状突起部２０に対向するフロースリーブ１０の位置又はこの位置よりも圧縮空気２の流れ方向の下流側に設ける。接続位置Ａと環状突起部２０をこのような位置関係で配置すると、圧力損失の増大を抑制する効果が得られる。
【0034】
一般に、圧縮機１から供給された圧縮空気２がフロースリーブ１０とライナ８との間に形成された環状流路１１を流れる構造のガスタービン燃焼器では、圧縮空気２は、まず環状流路１１を流れることで、対流伝熱によりライナ８を冷却する。その後、圧縮空気２は、バーナ１３において燃料と混合され、高温の燃焼ガス４となって燃焼室５を流れる。この際、燃焼ガス４は、対流伝熱によりライナ８を加熱する。燃焼ガス４は、燃料と圧縮空気２の反応速度や燃焼室５内での流速分布等の影響により、燃焼室５内で温度分布を持つ。このため、ライナ８の加熱量に分布が生じて、ライナ８に温度分布が生じる。この結果、ライナ８には、壁面の温度がライナ８の他の壁面の温度より高い高温部が発生する。一方、ライナ８は、用いられる金属材料の耐熱性能に応じて運用時の最高温度に制限があるため、高温部を効率的に冷却する必要がある。
【0035】
また、一般に、圧縮空気２が環状流路１１を流れる構造のガスタービン燃焼器では、圧縮空気２が環状流路１１からバーナ１３、燃焼室５、及びトランジションピース９へと流れる際、圧縮空気２と流路の壁面との摩擦抵抗のほか、流路の拡大、縮小、及び曲折等で発生する流れの剥離渦により、圧力損失を生じる。したがって、ガスタービン３の効率向上のために圧力損失を低減するには、剥離渦の発生を極力減らす必要がある。
【0036】
本実施例によるガスタービン燃焼器６では、上述した狭窄部１０ａ（内径縮小部１０ｂと内径変化部１０ｃ）と環状突起部２０により、ライナ８の高温部を効率的に冷却することができるとともに剥離渦の発生を減らすことができるので、ライナ８の冷却を促進することができ、圧力損失の増大を抑制することができる。
【0037】
図３Ａ、図３Ｂは、本実施例によるガスタービン燃焼器６における、燃焼器ライナ８の冷却を促進する原理を説明する図であり、ガスタービン燃焼器６の中心軸と平行な断面図である。図３Ａ、図３Ｂは、ガスタービン燃焼器６のうち、燃焼器ライナ８とフロースリーブ１０で構成された環状流路１１の一部を模式的に示している。圧縮空気２は、環状流路１１の中を、燃焼器ライナ８とフロースリーブ１０の壁面に沿って流れる。図３Ａ、図３Ｂを用いて、本実施例によるガスタービン燃焼器６の、ライナ８の冷却を促進する原理を説明する。
【0038】
図３Ａは、燃焼器ライナ８が環状突起部２０を備えるガスタービン燃焼器のうち、環状流路１１の一部を模式的に示す図である。図３Ａに示すガスタービン燃焼器は、フロースリーブ１０が内径変化部１０ｃと内径縮小部１０ｂとを備えない。
【0039】
図３Ａに示すように、圧縮空気２が環状流路１１を流れると、環状突起部２０の上流側には上流側剥離渦２１が生じ、下流側には下流側剥離渦２２ａが生じる。上流側剥離渦２１は、圧縮空気２の流れに押し込まれるため小さいが、下流側剥離渦２２ａは、圧縮空気２の流れにより引き伸ばされて大きくなる。下流側剥離渦２２ａの圧縮空気２の流れ方向の長さは、代表的には、環状突起部２０の高さの約６〜８倍である。
【0040】
これに対し、対流伝熱による燃焼器ライナ８の冷却の観点では、剥離渦領域は、滞留領域であるため流速がほぼ０であり、圧縮空気２による冷却効果がほとんどない。しかし、剥離渦の終点Ｃ（再付着点Ｃ）では、圧縮空気２の流速ベクトル２ｂに示すように、燃焼器ライナ８の壁面近傍での境界層の厚さがほぼ０になるため、冷却効果が非常に大きくなる。したがって、全体としては、環状突起部２０があることで、環状突起部２０がない平滑流路に比べて熱伝達率は向上するが、剥離渦の大きさに応じて圧力損失は増大する。
【0041】
図３Ｂは、燃焼器ライナ８が環状突起部２０を備えフロースリーブ１０が内径変化部１０ｃと内径縮小部１０ｂとを備えるガスタービン燃焼器６のうち、環状流路１１の一部を模式的に示す図である。圧縮空気２が環状流路１１を流れると、図３Ｂに示すように、図３Ａを用いて説明したように、環状突起部２０の上流側には上流側剥離渦２１が生じ、下流側には下流側剥離渦２２ｂが生じる。
【0042】
ただし、下流側剥離渦２２ｂは、図３Ａに示した下流側剥離渦２２ａと比較して、圧縮空気２の流れ方向の長さが縮小する。これは、内径変化部１０ｃにより、圧縮空気２の流速ベクトル２ｃの向き（すなわち、圧縮空気２の流れの向き）がライナ８に向かう方向に曲げられるため、下流側剥離渦２２ｂの外側の流れの向きもライナ８に向かう方向に曲げられるためである。このとき、環状流路１１が狭くなるために圧縮空気２の流速が大きくなり、下流側剥離渦２２ｂの外側の流れの向きを変える効果も大きくなる。
【0043】
これにより、対流伝熱による燃焼器ライナ８の冷却の観点では、冷却効果の小さい剥離渦領域が小さくなり、剥離渦の終点Ｃ（再付着点Ｃ）での冷却効果は、圧縮空気２の流速の増加による対流冷却の促進効果も合わさり、非常に大きくなる。燃焼器ライナ８は金属材料で構成され熱伝導率も大きいので、下流側剥離渦２２ｂが生じた領域でのライナ８の温度は低下する。さらに、環状突起部２０を機械加工などで形成し燃焼器ライナ８と一体構造とすれば、フィン効果で上流側剥離渦２１が生じた領域でのライナ８の温度も低下する。
【0044】
したがって、対流伝熱による燃焼器ライナ８の冷却を効率よく行うためには、上述したライナ８の高温部（好ましくは、ライナ８の壁面の温度が最大となる部分）の位置又はこの位置の圧縮空気２の流れ方向の上流側に、下流側剥離渦２２ｂの再付着点Ｃ、又は圧縮空気２の流速が増加する位置を配置する必要がある。したがって、環状突起部２０は、ライナ８の高温部（好ましくは、ライナ８の壁面の温度が最大となる部分）の位置又はこの位置の圧縮空気２の流れ方向の上流側の位置に配置するのが好ましい。そして、フロースリーブ１０と内径変化部１０ｃとの接続位置Ａは、環状突起部２０の位置に対向するフロースリーブ１０の位置又はこの位置よりも圧縮空気２の流れ方向の下流側に設けるのが好ましい。
【0045】
一方、圧力損失は、フロースリーブ１０の内径変化部１０ｃの、圧縮空気２の流れ方向の上流側と下流側での剥離渦の発生と、内径縮小部１０ｂでの圧縮空気２の流速の増加に起因する摩擦損失の増加により、図３Ｂに示した構造では、図３Ａに示した構造よりも増大する。しかし、下流側剥離渦２２ｂの長さは縮小するため、内径変化部１０ｃを剥離渦の発生を抑制できるような構造にすることで、圧力損失の増大を抑制することができる。具体的には、他の実施例で述べるように、内径変化部１０ｃのフロースリーブ１０との接続部の形状や内径変化部１０ｃの内径縮小部１０ｂとの接続部の形状を滑らかな曲線状にしたり、内径変化部１０ｃとフロースリーブ１０の内壁とがなす角度αを適切な値に設定したりすることで、内径変化部１０ｃによる剥離渦の発生を極力抑えることができる。
【0046】
また、構造強度の観点からは、環状突起部２０の高さ（突出長さ）は、座屈強度が大きくなるので、大きいほど好ましい。下流側剥離渦２２ｂによる対流冷却の促進効果と圧力損失の増大の抑制効果とを考慮した環状突起部２０の好ましい高さは、次のように求めることができる。内径変化部１０ｃと内径縮小部１０ｂとの接続位置Ｂに対向するライナ８の位置を位置Ｄとし、圧縮空気２の流れ方向の下流側の、環状突起部２０の先端部の位置を位置Ｅとし、内径変化部１０ｃとフロースリーブ１０の内壁とがなす角度（劣角の角度）をαとすると、ライナ８の位置Ｄと環状突起部２０の位置Ｅとを結んだ直線とライナ８の外壁とのなす角度β（劣角の角度）が、角度α以下となるように、環状突起部２０の高さを定めるのが好ましい。角度βが角度αと等しいかやや小さくなるように、環状突起部２０の高さを定めると、さらに好ましい。
【0047】
フロースリーブ１０の狭窄部１０ａ（すなわち、内径変化部１０ｃと内径縮小部１０ｂ）の燃焼器ライナ８に向かう突出長さは、環状突起部２０の高さに応じて任意に定めることができ、特に限定しない。
【実施例2】
【0048】
図４は、本発明の実施例２によるガスタービン燃焼器のうち、燃焼器ライナ８とフロースリーブ１０で構成された環状流路１１の一部を模式的に示す図であり、ガスタービン燃焼器の中心軸と平行な断面図である。以下では、実施例１によるガスタービン燃焼器と異なる点を説明する。
【0049】
本実施例によるガスタービン燃焼器では、フロースリーブ１０の内径変化部１０ｃが、フロースリーブ１０と内径縮小部１０ｂとに滑らかに接続されている。すなわち、内径変化部１０ｃのフロースリーブ１０との接続部１０ｄと、内径変化部１０ｃの内径縮小部１０ｂとの接続部１０ｅは、滑らかな曲線状をしている。好ましくは、接続部１０ｄと接続部１０ｅの形状は、流線形である。接続部１０ｄと接続部１０ｅが流線形であれば、内径変化部１０ｃによる剥離渦の発生を効果的に抑制することができる。
【0050】
本実施例によるガスタービン燃焼器では、このような構成により、圧縮空気２が内径変化部１０ｃに沿って流れる際に、剥離渦が発生するのを最小限に抑えることができ、内径変化部１０ｃによる圧力損失の増大を抑制することができる。
【実施例3】
【0051】
図５は、本発明の実施例３によるガスタービン燃焼器のうち、燃焼器ライナ８とフロースリーブ１０で構成された環状流路１１の一部を模式的に示す図であり、ガスタービン燃焼器の中心軸と平行な断面図である。以下では、実施例１によるガスタービン燃焼器と異なる点を説明する。
【0052】
本実施例によるガスタービン燃焼器では、燃焼器ライナ８は、環状突起部２０ｂを外壁に備える。環状突起部２０ｂは、圧縮空気２の流れ方向の上流側の面が曲面である。好ましくは、環状突起部２０ｂのこの曲面の形状は、流線形である。また、この曲面の、燃焼器ライナ８の外壁との接続部は、滑らかな曲線状をしており、燃焼器ライナ８の外壁と滑らかに接続されているのが好ましい。さらに好ましくは、この接続部の形状は、流線形である。
【0053】
本実施例によるガスタービン燃焼器では、このような構成により、圧縮空気２が環状突起部２０ｂに沿って流れる際に、上流側剥離渦２１が発生するのを最小限に抑えることができ、環状突起部２０ｂによる圧力損失の増大を抑制することができる。
【実施例4】
【0054】
図６は、本発明の実施例４によるガスタービン燃焼器のうち、燃焼器ライナ８とフロースリーブ１０で構成された環状流路１１の一部を模式的に示す図であり、ガスタービン燃焼器の中心軸と平行な断面図である。以下では、実施例１によるガスタービン燃焼器と異なる点を説明する。
【0055】
本実施例によるガスタービン燃焼器では、燃焼器ライナ８は、環状突起部２０ｃを外壁に備える。環状突起部２０ｃは、圧縮空気２の流れ方向の下流側の面が曲面である。好ましくは、環状突起部２０ｃのこの曲面の形状は、流線形である。また、この曲面の、燃焼器ライナ８の外壁との接続部は、滑らかな曲線状をしており、燃焼器ライナ８の外壁と滑らかに接続されているのが好ましい。さらに好ましくは、この接続部の形状は、流線形である。
【0056】
本実施例によるガスタービン燃焼器では、このような構成により、圧縮空気２が環状突起部２０ｃに沿って流れる際に生じる下流側剥離渦２２ｂによる圧力損失の増大を抑制できるとともに、下流側剥離渦２２ｂの再付着によって対流伝熱による冷却を促進する効果を十分に発揮させることができる。したがって、本実施例によるガスタービン燃焼器では、燃焼器ライナの冷却の促進と圧力損失の増大の抑制とを、効果的に両立することができる。
【0057】
なお、実施例３と同様に、環状突起部２０ｃの、圧縮空気２の流れ方向の上流側の面が曲面であってもよい。すなわち、環状突起部２０ｃは、圧縮空気２の流れ方向の上流側と下流側の面がどちらも曲面であってもよい。このような構成にすると、燃焼器ライナの冷却の促進と圧力損失の増大の抑制とを、さらに効果的に両立することができる。
【実施例5】
【0058】
図７は、本発明の実施例５によるガスタービン燃焼器のうち、燃焼器ライナ８とフロースリーブ１０で構成された環状流路１１の一部を模式的に示す図であり、ガスタービン燃焼器の中心軸と平行な断面図である。以下では、実施例１によるガスタービン燃焼器と異なる点を説明する。
【0059】
本実施例によるガスタービン燃焼器では、燃焼器ライナ８は、実施例１によるガスタービン燃焼器が有する環状突起部２０を備えず、その代わりに肉厚部２３を備える。肉厚部２３の、圧縮空気２の流れ方向の下流側の位置は、上記の実施例で示した環状突起部２０の、圧縮空気２の流れ方向の下流側の位置と同じである。肉厚部２３の、圧縮空気２の流れ方向の上流側の位置は、燃焼器ライナ８とトランジションピース９との接続部である。すなわち、肉厚部２３は、環状突起部２０が、圧縮空気２の流れ方向の上流側に向かって、燃焼器ライナ８とトランジションピース９との接続部まで、延在したものである。
【0060】
本実施例によるガスタービン燃焼器では、このような構成により、圧縮空気２が肉厚部２３に沿って流れる際に生じる下流側剥離渦２２ｂの滞留領域を小さくして、下流側剥離渦２２ｂの再付着によって対流伝熱による冷却を促進する効果を十分に発揮させることができる。したがって、本実施例によるガスタービン燃焼器では、燃焼器ライナの冷却の促進と圧力損失の増大の抑制とを、効果的に両立することができる。さらに、肉厚部２３により、燃焼器ライナ８の座屈強度を向上させ、ガスタービン燃焼器の構造強度を増加させることができる。
【0061】
なお、肉厚部２３は、実施例４で示した環状突起部２０ｃと同様に、圧縮空気２の流れ方向において下流側の、燃焼器ライナ８の外壁との接続部が、滑らかな曲線状で、燃焼器ライナ８の外壁と滑らかに接続されてもよい。このような構成にすると、燃焼器ライナの冷却の促進と圧力損失の増大の抑制とを、さらに効果的に両立することができる。
【実施例6】
【0062】
図８は、本発明の実施例６によるガスタービン燃焼器のうち、燃焼器ライナ８とフロースリーブ１０で構成された環状流路１１の一部を模式的に示す図であり、ガスタービン燃焼器の中心軸と平行な断面図である。以下では、実施例１によるガスタービン燃焼器と異なる点を説明する。
【0063】
本実施例では、ガスタービン燃焼器において、内径変化部１０ｃとフロースリーブ１０の内壁とがなす角度α（劣角の角度）の好ましい角度について説明する。角度αは、以下で説明するように、７度以上が好ましい。
【0064】
環状突起部２０により生じた下流側剥離渦２２ｂは、圧縮空気２の流れ方向の代表的な長さが、環状突起部２０の高さの約６〜８倍である。下流側剥離渦２２ｂの圧縮空気２の流れ方向の長さが、環状突起部２０の高さの８倍であるとすると、環状突起部２０と下流側剥離渦２２ｂの再付着点Ｃとの距離は、環状突起部２０の高さの８倍であるので、環状突起部２０の先端部の位置Ｅと再付着点Ｃとを結んだ直線のライナ８の外壁に対する角度γ（劣角の角度）は、ａｒｃｔａｎ（１／８）、すなわち約７度である。
【0065】
したがって、角度αが角度γ以上、すなわち７度以上であると、内径変化部１０ｃにより、圧縮空気２の、下流側剥離渦２２ｂの外側の流れの向きをライナ８に向かう方向に効果的に曲げることができ、下流側剥離渦２２ｂの、圧縮空気２の流れ方向の長さを効果的に短縮することができる。この結果、下流側剥離渦２２ｂの滞留領域を小さくして、下流側剥離渦２２ｂの再付着によって対流伝熱による冷却を促進する効果を向上することができる。
【0066】
また、下流側剥離渦２２ｂの圧縮空気２の流れ方向の長さが、環状突起部２０の高さの６倍であるとすると、角度γは、ａｒｃｔａｎ（１／６）、すなわち約９度である。このため、角度αを９度以上としても、上記の効果が得られる。
【0067】
なお、内径変化部１０ｃとフロースリーブ１０の内壁とがなす角度αを大きくするほど、下流側剥離渦２２ｂの、圧縮空気２の流れ方向の長さを短縮する効果は大きくなるが、内径変化部１０ｃによる圧力損失が大きくなる。このため、角度αは、ガスタービン燃焼器に応じて、燃焼器ライナの冷却と圧力損失の増大の抑制とを両立できるような角度に調節するのが望ましい。
【実施例7】
【0068】
図９は、本発明の実施例７によるガスタービン燃焼器のうち、燃焼器ライナ８とフロースリーブ１０で構成された環状流路１１の一部を模式的に示す図であり、ガスタービン燃焼器の中心軸と平行な断面図である。以下では、実施例１によるガスタービン燃焼器と異なる点を説明する。
【0069】
本実施例では、ガスタービン燃焼器において、フロースリーブ１０の内径変化部１０ｃと内径縮小部１０ｂとの接続位置Ｂの好ましい位置について説明する。
【0070】
接続位置Ｂは、圧縮空気２の流れ方向において、下流側剥離渦２２ｂの再付着点Ｃと同じ位置か再付着点Ｃよりも下流側の位置であるのが好ましい。環状突起部２０の圧縮空気２の流れ方向の下流側において、環状突起部２０とライナ８の外壁との接続位置を接続位置Ｆとし、環状突起部２０の先端部の位置Ｅと下流側剥離渦２２ｂの再付着点Ｃとを結んだ直線のライナ８の外壁に対する角度（劣角の角度）をγとし、環状突起部２０の高さ（突出長さ）をｈとすると、位置Ｆと再付着点Ｃとの距離は、ｈ／ｔａｎ（γ）で表される。したがって、接続位置Ｂは、圧縮空気２の流れ方向において、接続位置Ｆからｈ／ｔａｎ（γ）以上の距離だけ下流側に位置するのが好ましい。すなわち、接続位置Ｂは、圧縮空気２の流れ方向において、環状突起部２０の下流側とライナ８の外壁との接続位置Ｆからｈ／ｔａｎ（γ）以上の距離だけ下流側に位置するのが好ましい。
【0071】
なお、下流側剥離渦２２ｂの再付着点Ｃの位置は、例えば、次のような方法にしたがって求めることができる。ライナ８の外壁の熱伝達率は、下流側剥離渦２２ｂが存在する部分よりも、下流側剥離渦２２ｂが存在しない部分の方が大きい。すなわち、ライナ８の外壁面の温度は、再付着点Ｃの位置で急激に変化する。そこで、熱電対等の温度計測装置を用いてライナ８の外壁面の温度を計測し、この温度が急激に下がる位置（または、この温度が極小となる位置）を求め、求めた位置を再付着点Ｃの位置とする。また、再付着点Ｃの位置は、レイノルズ数を実機に合わせて可視化試験を行い、粒子画像流速測定法（ＰＩＶ、particle image velocimetry）等で流速ベクトルを可視化することで、求めることもできる。
【0072】
接続位置Ｂを上記のような位置に配置すると、内径変化部１０ｃにより、圧縮空気２の、下流側剥離渦２２ｂの外側の流れの向きをライナ８に向かう方向に効果的に曲げることができ、下流側剥離渦２２ｂの、圧縮空気２の流れ方向の長さを効果的に短縮することができる。この結果、下流側剥離渦２２ｂの滞留領域を小さくして、下流側剥離渦２２ｂの再付着によって対流伝熱による冷却を促進する効果を向上することができる。
【0073】
なお、接続位置Ｂを、圧縮空気２の流れ方向において、環状突起部２０から離し過ぎると、内径変化部１０ｃにより下流側剥離渦２２ｂの圧縮空気２の流れ方向の長さを短縮する効果が弱められる。そこで、フロースリーブ１０と内径変化部１０ｃとの接続位置Ａと、実施例６で示した角度αの好ましい値とを考慮して、接続位置Ｂを定めるのが望ましい。
【実施例8】
【0074】
図１０は、本発明の実施例８によるガスタービン燃焼器のうち、燃焼器ライナ８とフロースリーブ１０で構成された環状流路１１の一部を模式的に示す図であり、ガスタービン燃焼器の中心軸と平行な断面図である。以下では、実施例１によるガスタービン燃焼器と異なる点を説明する。
【0075】
本実施例によるガスタービン燃焼器では、燃焼器ライナ８は、環状突起部２０の圧縮空気２の流れ方向の下流側に、複数の乱流促進体３０を備える。乱流促進体３０は、燃焼器ライナ８の外壁に設けられ、フロースリーブ１０に向かって突出するリブである。乱流促進体３０の高さ（突出長さ）は、環状突起部２０の高さよりも小さく、環状流路１１の幅（燃焼器ライナ８とフロースリーブ１０との距離）の１／２０〜１／５０である。乱流促進体３０の互いの間隔は、乱流促進体３０の高さの１０倍前後が最適である。また、乱流促進体３０を機械加工などで形成し燃焼器ライナ８と一体構造とすれば、フィン効果による伝熱が促進され、ライナ８の冷却に寄与する。
【0076】
本実施例によるガスタービン燃焼器では、圧縮空気２の流れ方向において、環状突起部２０によって生じる下流側剥離渦２２ｂの再付着点Ｃより下流側では、下流側剥離渦２２ｂの再付着により破壊された境界層が再発達する前に、乱流促進体３０により渦の剥離と再付着を繰り返すことで、対流伝熱による燃焼器ライナ８の冷却を促進することができる。また、乱流促進体３０が燃焼器ライナ８と一体構造であれば、下流側剥離渦２２ｂが存在する領域でも、乱流促進体３０によるフィン効果で伝熱面積が増大し、燃焼器ライナ８の冷却を促進できる。
【実施例9】
【0077】
図１１Ａと図１１Ｂを用いて、本発明の実施例９によるガスタービン燃焼器を説明する。図１１Ａと図１１Ｂは、本発明の実施例９によるガスタービン燃焼器のうち、燃焼器ライナ８とフロースリーブ１０で構成された環状流路１１の一部を模式的に示す図である。図１１Ａは、ガスタービン燃焼器の中心軸と平行な断面図である。図１１Ｂは、ガスタービン燃焼器の中心軸と直交する断面図であり、圧縮空気２の流れ方向の上流側から内径変化部１０ｃと環状突起部２０を見た図である。以下では、実施例１によるガスタービン燃焼器と異なる点を説明する。
【0078】
本実施例によるガスタービン燃焼器では、フロースリーブ１０は、圧縮空気２の流れ方向において、内径変化部１０ｃと環状突起部２０よりも上流側に、複数の縦渦発生器４０を備える。縦渦発生器４０は、フロースリーブ１０の内壁に設けられ、燃焼器ライナ８に向かって突出し、例えばフロースリーブ１０の内壁の表面に溶接又はスポット溶接にて固定される。縦渦発生器４０により、圧縮空気２の流れ方向に回転の中心軸を持つ縦渦４１が発生する。
【0079】
図１１Ｂに示すように、複数の縦渦発生器４０は、隣り合う縦渦発生器４０と対になっており、一対の縦渦発生器４０（４０ａ、４０ｂ）は、互いに近づくように燃焼器ライナ８に向かって突出する。すなわち、一対の縦渦発生器４０（４０ａ、４０ｂ）は、発生する縦渦４１の回転方向が互いに逆向きとなるような角度を持たせて、フロースリーブ１０に設置される。
【0080】
このように対にした縦渦発生器４０をフロースリーブ１０に設置し、発生した隣り合う縦渦４１の回転方向が互いに逆向きであると、隣り合う縦渦４１同士が互いに作用しあうため、効率よく縦渦４１を形成して保持することができる。このため、少ない圧力損失で十分な冷却を行なうことが可能であり、製品信頼性を向上させつつ圧力損失の増大を抑制することができる。
【0081】
縦渦発生器４０により生成した縦渦４１は、燃焼器ライナ８に設置された環状突起部２０による環状流路１１の縮減のために渦の半径が縮小して渦度が強化されつつ、内径変化部１０ｃによって進行方向が燃焼器ライナ８に向かうように曲げられる。これにより、燃焼器ライナ８の壁面に近い領域で環状流路１１内を撹拌し、圧力損失の上昇を抑えつつ、燃焼器ライナ８の壁面の伝熱を促進することができる。また、環状突起部２０によって生じる下流側剥離渦２２ｂの、圧縮空気２の流れ方向の長さを効果的に短縮し、下流側剥離渦２２ｂの再付着によって対流伝熱による冷却を促進する効果を増大することができる。
【0082】
なお、縦渦発生器４０の高さ（突出長さ）を、縦渦４１が燃焼器ライナ８の外壁に達する程度に大きくすることにより、環状流路１１の全体を撹拌する効果と、燃焼器ライナ８側の温度境界層を撹拌する効果とを得ることができ、燃焼器ライナ８の外壁面の伝熱をさらに促進することができるので、より効果的に燃焼器ライナ８の冷却を促進できる。
【符号の説明】
【0083】
１…圧縮機、２…圧縮空気、２ｂ、２ｃ…流速ベクトル、３…ガスタービン、４…燃焼ガス、５…燃焼室、６…ガスタービン燃焼器、７…発電機、８…燃焼器ライナ、９…トランジションピース、１０…フロースリーブ、１０ａ…狭窄部、１０ｂ…内径縮小部、１０ｃ…内径変化部、１０ｄ…下流側内径変化部、１０ｄ…内径変化部のフロースリーブとの接続部、１０ｅ…内径変化部の内径縮小部との接続部、１１…環状流路、１２…プレート、１３…バーナ、２０、２０ｂ、２０ｃ…環状突起部、２１…上流側剥離渦、２２ａ、２２ｂ…下流側剥離渦、２３…肉厚部、３０…乱流促進体、４０、４０ａ、４０ｂ…縦渦発生器、４１…縦渦。