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特開2023-31503燃焼器パネル、及びガスタービン用燃焼器
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023031503
(43)【公開日】2023-03-09
(54)【発明の名称】燃焼器パネル、及びガスタービン用燃焼器
(51)【国際特許分類】
   F23R 3/42 20060101AFI20230302BHJP
   F02C 7/18 20060101ALI20230302BHJP
【FI】
F23R3/42 A
F23R3/42 E
F02C7/18 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2021137029
(22)【出願日】2021-08-25
(71)【出願人】
【識別番号】514275772
【氏名又は名称】三菱重工航空エンジン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100149548
【弁理士】
【氏名又は名称】松沼 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100162868
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 英輔
(74)【代理人】
【識別番号】100161702
【弁理士】
【氏名又は名称】橋本 宏之
(74)【代理人】
【識別番号】100189348
【弁理士】
【氏名又は名称】古都 智
(74)【代理人】
【識別番号】100196689
【弁理士】
【氏名又は名称】鎌田 康一郎
(72)【発明者】
【氏名】脇田 祥成
(72)【発明者】
【氏名】堀江 茂斉
(57)【要約】
【課題】冷却空気による冷却効果を向上させることができる燃焼器パネル、及びガスタービン用燃焼器を提供する。
【解決手段】燃焼器パネルは、第1パネルと、該第1パネルと対向配置されて、該第1パネルとの間に冷却空気が流通する流路を区画形成するとともに、流路と反対側の面が燃焼ガスに接するガスパス面とされた第2パネルと、流路内で第1パネルと第2パネルとにわたるように、かつ、互いに間隔をあけて複数が設けられているとともに、冷却空気の流通方向の上流側を前端縁とし、流通方向の下流側を後端縁とした流線形状をなすフィンと、を備え、フィンは、流通方向及び第1パネルと第2パネルとの対向方向に交差する幅方向の寸法が、第2パネル側から第1パネル側に向かうにしたがって大きくなる。
【選択図】図5
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1パネルと、
該第1パネルと対向配置されて、該第1パネルとの間に冷却空気が流通する流路を区画形成するとともに、前記流路と反対側の面が燃焼ガスに接するガスパス面とされた第2パネルと、
前記流路内で前記第1パネルと前記第2パネルとにわたるように、かつ、互いに間隔をあけて複数が設けられているとともに、前記冷却空気の流通方向の上流側を前端縁とし、前記流通方向の下流側を後端縁とした流線形状をなすフィンと、
を備え、
前記フィンは、前記流通方向及び前記第1パネルと前記第2パネルとの対向方向に交差する幅方向の寸法が、前記第2パネル側から前記第1パネル側に向かうにしたがって大きくなる燃焼器パネル。
【請求項2】
前記フィンは、前記流通方向の寸法が、前記第2パネル側から前記第1パネル側に向かうにしたがって大きくなる請求項1に記載の燃焼器パネル。
【請求項3】
前記フィンは、前記流通方向の寸法が、前記第2パネル側から前記第1パネル側に向かうにしたがって小さくなる請求項1に記載の燃焼器パネル。
【請求項4】
前記フィンは、
同一の前記流通方向位置で前記幅方向に間隔をあけて配列されることで第1フィン群を構成する第1フィンと、
前記第1フィン群とは異なる前記流通方向位置で前記幅方向に間隔をあけて配列されることで第2フィン群を構成する第2フィンと、
を含み、
前記第1フィン群と前記第2フィン群とは、前記流通方向に交互に設けられており、
前記流通方向に隣り合う前記第1フィン群と前記第2フィン群とは、前記第1フィンと前記第2フィンとが互いに前記幅方向にずれるように、かつ、前記幅方向から見て重なるように設けられている請求項1から3のいずれか一項に記載の燃焼器パネル。
【請求項5】
前記第1フィンと前記第2フィンとが前記幅方向から見て重なるように配置されることで小流路が区画形成されており、
前記小流路の流路断面積が一定である請求項4に記載の燃焼器パネル。
【請求項6】
前記幅方向に隣り合う前記第1フィン同士の間、及び、前記幅方向に隣り合う前記第2フィン同士の間にそれぞれ大流路が区画形成されており、
それぞれの前記大流路の流路断面積が一定である請求項4又は5に記載の燃焼器パネル。
【請求項7】
請求項1から6のいずれか一項に記載の燃焼器パネルから構成された燃焼器ライナを有するガスタービン用燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、燃焼器パネル、及びガスタービン用燃焼器に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献1には、燃焼ガスと圧縮空気とを混合して燃焼させる燃焼器ライナを備えたガスタービン用燃焼器が開示されている。燃焼器ライナは、外壁部と内壁部とを有する二重構造の燃焼器パネルによって構成されている。内壁部における外壁部とは反対側の内面は、燃焼ガスに晒され高温となる。このため、外壁部と内壁部との間には冷却空気が流通する流路が形成されている。内壁部と外壁部との間には、放熱ピンが設けられている。放熱ピンは、内壁部の外面から外壁部へ向かって突出している。放熱ピンは、高温に曝される内壁部の内面の熱を流路内に伝達するとともに、流路における熱放出面積を増加させて、流路内を流通する冷却空気による冷却効果を高める。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2013-104307号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、特許文献1に記載のガスタービン用燃焼器では、冷却空気を外壁部から内壁部に向けて流路内に冷却空気を導入すると、冷却空気が内壁部から反力を受けることで、該冷却空気が内壁部から離間する2次流れが形成されてしまう。このため、冷却空気は内壁部に沿うように流通することができず、期待通りの冷却効果が得られない場合があった。
【0005】
本開示は、上記課題を解決するためになされたものであって、冷却空気による冷却効果を向上させることができる燃焼器パネル、及びガスタービン用燃焼器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記課題を解決するために、本開示に係る燃焼器パネルは、第1パネルと、該第1パネルと対向配置されて、該第1パネルとの間に冷却空気が流通する流路を区画形成するとともに、前記流路と反対側の面が燃焼ガスに接するガスパス面とされた第2パネルと、前記流路内で前記第1パネルと前記第2パネルとにわたるように、かつ、互いに間隔をあけて複数が設けられているとともに、前記冷却空気の流通方向の上流側を前端縁とし、前記流通方向の下流側を後端縁とした流線形状をなすフィンと、を備え、前記フィンは、前記流通方向及び前記第1パネルと前記第2パネルとの対向方向に交差する幅方向の寸法が、前記第2パネル側から前記第1パネル側に向かうにしたがって大きくなる。
【0007】
本開示に係るガスタービン用燃焼器は、上記燃焼器パネルから構成された燃焼器ライナを有する。
【発明の効果】
【0008】
本開示の燃焼器パネル、及びガスタービン用燃焼器によれば、冷却空気による冷却効果を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
図1】本開示の第一実施形態に係る航空機用ガスタービンの概略構成を示す、軸線に沿った断面図である。
図2】本開示の第一実施形態に係る燃焼器ライナの概略構成を示す、軸線に沿った断面図である。
図3】本開示の第一実施形態に係る燃焼器パネルの概略構成を示す、長さ方向に沿った断面図である。
図4】本開示の第一実施形態に係る第2パネルの概略構成を示す、高さ方向から見た平面図である。
図5図4のV-V線に沿う断面図である。
図6図4のVI-VI線に沿う断面図である。
図7図3におけるVII部の拡大図である。
図8】本開示の第二実施形態に係る燃焼器パネルの概略構成を示す、長さ方向に沿った断面図である。
図9】本開示の第二実施形態に係る燃焼器パネルの概略構成を示す、流通方向から見た断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
<第一実施形態>
以下、本開示の第一実施形態に係るガスタービン1について図1から図7を参照して詳細に説明する。
【0011】
(ガスタービン)
本実施形態のガスタービン1は、航空機用エンジンとして用いられる。図1に示すように、ガスタービン1は、圧縮機4と、燃焼器(ガスタービン用燃焼器)19と、タービン11と、を備えている。
【0012】
(圧縮機)
圧縮機4は、吸気ダクト5から取り込まれた空気を圧縮することで圧縮空気A1を生成する。圧縮機4は、圧縮機ケーシング6と、圧縮機ロータ軸7と、圧縮機動翼段8と、圧縮機静翼段9と、を備えている。圧縮機ケーシング6は、圧縮機ロータ軸7を外周側から覆っており、軸線Oの延びる方向(以下、軸線O方向と称する)に延びている。
【0013】
圧縮機動翼段8は、圧縮機ロータ軸7に複数設けられている。これら圧縮機動翼段8は、軸線O方向に間隔をあけて配列されている。複数の圧縮機動翼段8は、それぞれ複数の圧縮機動翼8aを備えている。圧縮機動翼8aは、軸線Oを中心とする仮想円の半径に沿う方向(以下、径方向と称する)に延びている。各圧縮機動翼段8の圧縮機動翼8aは、圧縮機ロータ軸7の外周面上で軸線Oを中心とした方向(以下、周方向と称する)に配列されている。
【0014】
圧縮機静翼段9は、圧縮機ケーシング6に複数設けられている。これら圧縮機静翼段9は、軸線O方向に間隔をあけて配列されている。圧縮機静翼段9は、軸線O方向で上記圧縮機動翼段8と交互に配置されている。複数の圧縮機静翼段9は、それぞれ複数の圧縮機静翼9aを備えている。各圧縮機静翼段9の圧縮機静翼9aは、圧縮機ケーシング6の内周面上で周方向に配列されている。
【0015】
(燃焼器)
燃焼器19は、圧縮機ケーシング6とタービン11のタービンケーシング13との間に設けられた燃焼室10内に配置されている。燃焼器19は、圧縮機4で生成された圧縮空気A1に燃料Fを混合して燃焼させることで、燃焼ガスGを生成する。この燃焼器19によって生成された燃焼ガスGは、タービン11に供給される。燃焼室10及び燃焼器19の詳細な構成については後述する。
【0016】
(タービン)
タービン11は、燃焼室10で生成された高温高圧の燃焼ガスGによって駆動する。より具体的には、タービン11は、高温高圧の燃焼ガスGを膨張させて、燃焼ガスGの熱エネルギーを、回転エネルギーに変換する。このタービン11は、タービンケーシング13と、タービンロータ軸12と、タービン動翼段14と、タービン静翼段15と、を備えている。
【0017】
タービンケーシング13は、タービンロータ軸12を径方向外側から覆っている。タービンケーシング13と、上述した圧縮機ケーシング6と、燃焼室10とは、軸線Oに沿って一体に接続されている。これら圧縮機ケーシング6と燃焼室10とタービンケーシング13とによってガスタービンケーシング2が構成されている。
【0018】
タービンロータ軸12は、軸線O方向に延びている。このタービンロータ軸12と、上述した圧縮機ロータ軸7とは、軸線O方向に並んで相対移動不能にされている。これらタービンロータ軸12と圧縮機ロータ軸7とによって、ガスタービンロータ軸3が構成されている。このガスタービンロータ軸3は、ガスタービンケーシング2の内部で軸線O回りに一体に回転可能とされている。
【0019】
タービン動翼段14は、タービンロータ軸12の外周面に、軸線O方向に間隔をあけて複数設けられている。これら複数のタービン動翼段14は、それぞれ複数のタービン動翼14aを有している。一つのタービン動翼段14が備える複数のタービン動翼14aは、周方向に等ピッチで並んで配置されている。
【0020】
タービン静翼段15は、タービンケーシング13の内周面に、軸線O方向に間隔をあけて複数設けられている。これら複数のタービン静翼段15は、軸線O方向で上記タービン動翼段14と交互に配置されている。これらタービン静翼段15は、それぞれ複数のタービン静翼15aを備えている。各タービン静翼段15に設けられたタービン静翼15aは、タービンケーシング13の内周面上で周方向に等ピッチで並んで配列されている。
【0021】
上述した構成のガスタービン1を運転するに当たっては、まず外部の駆動源によって圧縮機ロータ軸7を回転駆動する。圧縮機ロータ軸7の回転に伴って外部の空気が順次圧縮され、圧縮空気A1が生成される。この圧縮空気A1は、圧縮機ケーシング6を通じて燃焼室10内に供給される。燃焼室10内では、燃焼器19によってこの圧縮空気A1に燃料Fが混合されたのち燃焼され、高温高圧の燃焼ガスGが生成される。燃焼ガスGは、タービンケーシング13を通じてタービン11内に供給される。
【0022】
タービン11内では、タービン動翼段14、及びタービン静翼段15に燃焼ガスGが順次衝突することで、タービンロータ軸12に対して回転駆動力が与えられる。この回転エネルギーは、主に、圧縮機4の駆動に利用される。タービン11を駆動した燃焼ガスGは、排気ノズル16により流速が増加されて推力を生む噴流となり、噴射口17から外部に排出される。
【0023】
(燃焼室の詳細な構成)
燃焼室10は、タービンロータ軸12のうちタービン動翼段14及びタービン静翼段15よりも軸線O方向で圧縮機4側を径方向外側から覆っている。燃焼室10は、タービンロータ軸12周りに環状空間を形成する。
【0024】
(燃焼器の詳細な構成)
燃焼器19は、燃焼器ライナ20と、燃料供給ノズル21と、を有している。
【0025】
(燃焼器ライナ)
燃焼器ライナ20は、タービンロータ軸12周りに沿って環状(アニュラー形状)に形成された、いわゆるアニュラー型ライナである。
【0026】
軸線O方向で圧縮機4側の燃焼器ライナ20の端部には、燃料供給ノズル21が接続されている。燃料供給ノズル21は、環状となった燃焼器ライナ20に対し、所定の間隔を空けて周方向に複数接続されている。燃焼器ライナ20内の燃焼領域S1には、燃料供給ノズル21を通じて外部から燃料Fが供給される。
図2に示すように、各燃料供給ノズル21の周りには、スワラ22が設けられている。スワラ22は、圧縮機4から供給された圧縮空気A1を、燃料供給ノズル21近傍から燃焼領域S1に導き入れるとともに旋回流を与えて、燃料Fと圧縮空気A1とが混合した燃焼ガスGを生成する(図1参照)。
【0027】
燃焼器ライナ20は、内壁部23と外壁部24とを備えている。内壁部23は、タービンロータ軸12を径方向外側から覆う環状に形成されている。外壁部24は、内壁部23をさらに径方向外側から覆う環状に形成されている。内壁部23及び外壁部24によって径方向に挟まれた空間が燃焼器ライナ20の燃焼領域S1となる。内壁部23及び外壁部24は、複数の燃焼器パネル30から構成されている。
【0028】
(燃焼器パネル)
各燃焼器パネル30は、全て同様の構成を備えている。ただし、外壁部24の燃焼器パネル30は、軸線O方向(図1参照)に延びる長方形板状に形成されているのに対し、内壁部23の燃焼器パネル30は、軸線O方向及びガスタービンロータ軸3の外周面に沿って延びるように形成されている。本実施形態では、内壁部23の燃焼器パネル30は、外壁部24の燃焼器パネル30を軸線O方向の中間部で径方向外側に折り曲げた形状に形成されている。複数の燃焼器パネル30の短手方向の両端縁を接続して環状にすることにより、内壁部23及び外壁部24が形成されている。
以下では、外壁部24を構成する一の燃焼器パネル30について説明し、他の外壁部24の燃焼器パネル30及び内壁部23の燃焼器パネル30については説明を省略する。
【0029】
以下、燃焼器パネル30の長手方向を長さ方向D1と称し、燃焼器パネル30の短手方向を幅方向D2(図4参照)と称し、長さ方向D1及び幅方向D2と直交する方向を高さ方向D3と称する。長さ方向D1は、軸線O方向に沿っている。幅方向D2は、周方向に沿っている。高さ方向D3は、径方向に沿っている。
【0030】
図3図4に示すように、燃焼器パネル30は、第1パネル31と、第2パネル32と、フィン40と、を備える。燃焼器パネル30は、高さ方向D3に対向配置された第1パネル31と第2パネル32とによって形成される二重壁冷却構造を有する。すなわち、第1パネル31と第2パネル32との対向方向は、幅方向D2と直交している。
【0031】
(第1パネル)
第1パネル31は、軸線O方向に延びる長方形板状に形成されている。第1パネル31は、第2パネル32を挟んで燃焼領域S1とは反対側に配置されている。
第1パネル31における長さ方向D1の一方側の端部には、インピンジ冷却孔33が形成されている。本実施形態では、第1パネル31における長さ方向D1の一方側の端部とは、第1パネル31における軸線O方向で圧縮機4側(図1参照)の端部である。インピンジ冷却孔33は、第1パネル31を高さ方向D3に貫通している。インピンジ冷却孔33の断面形状は、真円形状である。
【0032】
圧縮機4から燃焼室10に送られる圧縮空気A1の一部が、インピンジ冷却孔33を通じて燃焼器パネル30の内部に供給される。燃焼器パネル30に供給された圧縮空気A1は、燃焼器パネル30を冷却する冷却空気A2となる。
【0033】
(第2パネル)
第2パネル32は、第1パネル31と同形状かつ同寸法に形成されている。第2パネル32は、軸線O方向に延びている。第2パネル32は、第1パネル31よりも燃焼領域S1側に配置されている。第2パネル32は、第1パネル31との間に冷却空気A2が流通する流路S2を区画形成している。第2パネル32のうち流路S2と反対側の面は、燃焼ガスGに接するガスパス面35とされている。
【0034】
第2パネル32における長さ方向D1の他方側の端部には、エフュージョン冷却孔36が形成されている。本実施形態では、第2パネル32における長さ方向D1の他方側の端部とは、第2パネル32における軸線O方向でタービン11側(図1参照)の端部である。エフュージョン冷却孔36は、インピンジ冷却孔33と幅方向D2で重なる位置に設けられている。エフュージョン冷却孔36は、第2パネル32を貫通している。エフュージョン冷却孔36は、高さ方向D3で燃焼領域S1側に向かうにしたがって長さ方向D1でインピンジ冷却孔33側に直線状に延びている。このように、エフュージョン冷却孔36は、長さ方向D1に対して傾斜している。エフュージョン冷却孔36の断面形状は、長軸方向が長さ方向D1と一致する楕円形状である。
【0035】
冷却空気A2は、流路S2内を長さ方向D1に沿って流通し、エフュージョン冷却孔36を通じて流路S2から燃焼領域S1に排出される。
【0036】
以下、冷却空気A2が流れる方向のうち、第2パネル32のガスパス面35とは反対側の表面に沿って、かつ、高さ方向D3から見てインピンジ冷却孔33の中心点とエフュージョン冷却孔36の中心点とを結ぶ直線に沿う方向を流通方向と称する。本実施形態の流通方向は、長さ方向D1と一致している。また、流通方向のうち、冷却空気A2の流れてくる側を単に上流側と称し、その反対側を下流側と称する。
【0037】
(フィン)
図3図4に示すように、フィン40は、流路S2内で第1パネル31と第2パネル32とにわたるように設けられている。フィン40は、長さ方向D1及び幅方向D2に互いに間隔をあけて複数設けられている。フィン40は、流線形状をなすように形成されている。フィン40は、フィン本体43と、突起部44と、を有している。
【0038】
フィン本体43は、高さ方向D3から見て、長軸方向が長さ方向D1と一致する楕円形状に形成されている。フィン本体43の長さ方向D1の両端縁は、幅方向D2から見て、高さ方向D3に直線状に延びている。
【0039】
突起部44は、フィン本体43の長さ方向D1の両端部に設けられている。ただし、長さ方向D1に並ぶ複数のフィン40のうち最も上流側に位置するフィン40では、突起部44は、フィン本体43の下流側の端部にのみ突起部44が設けられている。突起部44は、高さ方向D3から見て、フィン本体43から長さ方向D1に離間するにしたがって幅方向D2の寸法が漸次小さくなるテーパ形状に形成されている。高さ方向D3から見て、突起部44の外縁は、フィン本体43の外縁と滑らかに接続している。突起部44の軸線O方向でフィン本体43とは反対側の端部は、丸みを帯びた形状に形成されている。
【0040】
すなわち、フィン40は、高さ方向D3から見て、上流側から流通方向の中央部に向かうにしたがって幅方向D2の寸法が漸次大きくなり、流通方向の中央部から下流側に向かうにしたがって幅方向D2の寸法が漸次小さくなる流線形状に形成されている。
【0041】
1つのフィン40において、上流側の突起部44を前突起部44aと称し、下流側の突起部44を後突起部44bと称する。前突起部44aの上流側の端縁がフィン40の前端縁40aとなり、後突起部44bの下流側の端縁がフィン40の後端縁40bとなる。
【0042】
前端縁40aは、幅方向D2から見て、高さ方向D3で第2パネル32から第1パネル31に向かうにしたがって上流側に延びるように直線状に傾斜している。ただし、最も上流側に位置するフィン40は、前突起部44aを有していないため、フィン本体43の上流側の端縁がフィン40の前端縁40aとなる。この場合、前端縁40aは、第2パネル32の表面に対して垂直に延びている。
【0043】
後端縁40bは、幅方向D2から見て、高さ方向D3で第2パネル32から第1パネル31に向かうにしたがって下流側に延びるように直線状に傾斜している。
このように、フィン40の流通方向の寸法Lは、高さ方向D3で第2パネル32側から第1パネル31側に向かうにしたがって大きくなっている。
【0044】
また、図5図6に示すように、フィン40の幅方向D2の寸法は、高さ方向D3で第2パネル32側から第1パネル31側に向かうにしたがって大きくなる。
【0045】
また、図3図4に示すように、フィン40は、第1フィン41と、第2フィン42と、を含む。第1フィン41は、同一の流通方向位置で幅方向D2に間隔をあけて配列されることで第1フィン群41Aを構成するフィン40である。第2フィン42は、第1フィン群41Aとは異なる流通方向位置で幅方向D2に間隔をあけて配列されることで第2フィン群42Aを構成するフィン40である。
【0046】
第1フィン群41Aと第2フィン群42Aとは、流通方向に交互に設けられている。流通方向に隣り合う第1フィン群41Aと第2フィン群42Aとは、第1フィン41と第2フィン42とが互いに幅方向D2にずれるように、かつ、幅方向D2から見て重なるように設けられている。
【0047】
上述したフィン40によって、冷却空気A2の流路S2は、高さ方向D3から見て網目状に区画形成される。具体的に、流路S2は、以下のように区画形成されている。
【0048】
(小流路)
図3図4図7に示すように、第1フィン41と第2フィン42とが幅方向D2から見て重なるように配置されることで小流路S3が区画形成されている。小流路S3は、第1フィン41と第2フィン42との幅方向D2の重なり部分のうち、流通方向の両端縁40a,40bを除く部分によって区画形成された流路S2である。小流路S3は、流通方向から見て、高さ方向D3で第2パネル32から第1パネル31に向かうにしたがって幅方向D2の寸法が漸次小さくなる台形状に形成されている。
【0049】
(大流路)
幅方向D2に隣り合う第1フィン41同士の間、及び、幅方向D2に隣り合う第2フィン42同士の間にそれぞれ大流路S4が区画形成されている。大流路S4は、第1フィン41同士の幅方向D2の重なり部分のうち、第1フィン41と第2フィン42との幅方向D2の重なり部分を除く部分によって区画形成された流路S2である。大流路S4は、フィン40の流通方向の中央部と幅方向D2で重なる位置に形成されている。最も上流側及び最も下流側の大流路S4は、幅方向D2で重なるフィン40に対して、他の大流路S4と同様の領域となるように形成されている。本実施形態では、最も上流側及び最も下流側の大流路S4は、長さ方向D1の寸法が他の大流路S4と等しくなるように形成されている。
【0050】
大流路S4は、幅方向D2で隣り合う2本の小流路S3の長さ方向D1の端部同士を接続している。大流路S4は、流通方向から見て、高さ方向D3で第2パネル32から第1パネル31に向かうにしたがって幅方向D2の寸法が漸次小さくなる台形状に形成されている。
小流路S3と大流路S4とは、流通方向に交互に設けられるように区画形成されている。すなわち、流路S2は、流通方向に蛇行するように区画形成されている。
【0051】
(フィン及び流路の寸法)
図5図6を参照して、上述したフィン40及び流路S2の寸法について説明する。第1フィン41と第2フィン42とは、同形状かつ同寸法に形成されている。このため、第1フィン41と第2フィン42の寸法をまとめてフィン40の寸法として説明する。
フィン40の流通方向の中央部では、第2パネル32側の幅方向D2の寸法W1は、流路S2の高さ方向D3の寸法Hの0倍より大きく2.0倍以下である。寸法Hは、例えば1.00mmである。
【0052】
大流路S4の流通方向の中央部では、第2パネル32側の幅方向D2の寸法W2は、寸法Hの0倍より大きく2倍以下であり、第1パネル31側の幅方向D2の寸法W3は、寸法Hの0倍より大きく2倍以下である。寸法W2は、寸法W3よりも大きい。寸法W2は、例えば0.80mmである。寸法W3は、例えば0.56mmである。
【0053】
また、小流路S3の流路断面積は、流通方向の各位置で一定である。大流路S4の流路断面積は、流通方向の各位置で一定である。ここで、流路断面積が一定とは、各流路(各小流路S3、各大流路S4)において、流路断面積が流通方向の流路断面積の平均値の±30%以内に収まることを意味する。
また、大流路S4の流路断面積は、小流路S3の流路断面積の1.0倍以上3.0倍以下である。大流路S4の流路断面積は、例えば小流路S3の流路断面積の2倍である。
【0054】
フィン40の外周面のうち、第1パネル31及び第2パネル32との接続部分には、接続リブ(不図示)が設けられている。接続リブは、第1パネル31または第2パネル32の表面に、フィン本体43及び突起部44の表面を滑らかに接続させている。接続リブの外面は、断面視で内側に張り出す円弧形状に形成されている。
【0055】
(作用効果)
続いて、図1から図4を参照して燃焼器パネル30の二重壁冷却構造による冷却作用について説明する。
第1パネル31の径方向外側を流通する圧縮空気A1は、燃焼器19の内外の差圧によってインピンジ冷却孔33を通じて燃焼器パネル30の内部に供給され、冷却空気A2となる。冷却空気A2は、流路S2内に供給されると第2パネル32に衝突し、燃焼領域S1側に配置されている第2パネル32を冷却する。このように、いわゆるインピンジ冷却が行われる。
【0056】
第2パネル32に衝突した冷却空気A2は、立設するフィン40の間を長さ方向D1に沿って流通する。以下、冷却空気A2の長さ方向D1に沿う流れを1次流れと称する。
大流路S4を流通した冷却空気A2は、幅方向D2に隣り合う2本の小流路S3に分岐する。幅方向D2に隣り合う2本の小流路S3を流通した冷却空気A2は、下流側の大流路S4で合流する。冷却空気A2は、大流路S4から小流路S3、小流路S3から大流路S4と流通することにより、燃焼器パネル30内を蛇行して流通する。これにより、流路S2が長くなり、少ない冷却空気A2で冷却を行うことができるようになる。すなわち、冷却空気A2による冷却効率が向上される。
【0057】
また、フィン40は、高温に曝される内面側からの熱を流路S2内に伝達するとともに、流路S2における第2パネル32の熱放出面積を増加させて、流路S2を流通する冷却空気A2による冷却効率を向上させる。
【0058】
フィン40の間を流通した冷却空気A2の一部は、流路S2と燃焼領域S1との圧力差によって、エフュージョン冷却孔36に導入される。エフュージョン冷却孔36に導入された冷却空気A2は、傾斜した長い経路を流通する過程で第2パネル32の熱を奪って、燃焼領域S1側に流出される。
【0059】
そして、燃焼領域S1側に流出した冷却空気A2は、第2パネル32のガスパス面35に沿って流れて空気膜を形成する。この空気膜は、燃焼領域S1から第2パネル32に伝わる入熱を低減させるよう機能する。このように、いわゆるフィルム冷却が行われる。
【0060】
このように、本実施形態では、インピンジ冷却や、流路S2の蛇行による冷却効率の向上、フィン40による熱伝達促進、エフュージョン冷却孔36の傾斜による冷却効率の向上、フィルム冷却等を組み合わせた複合冷却が行われる。
【0061】
ところで、流路S2内に供給された冷却空気A2が第2パネル32に衝突すると、1次流れの他に、冷却空気A2が第2パネル32から離間する2次流れが発生する場合がある。2次流れが増加するほど、高温に曝される第2パネル32を直接的に冷却できなくなり、冷却効果が低下する。
【0062】
本実施形態によれば、フィン40の幅方向D2の寸法は、第2パネル32側から第1パネル31側に向かうにしたがって大きくなっている。これにより、流路S2は、流通方向から見て、第1パネル31と第2パネル32との対向方向で第2パネル32側に向かう程広くなる。このため、第1パネル31と第2パネル32の対向方向で第2パネル32側に向かう冷却空気A2の2次流れが抑制される。よって、冷却空気A2は第2パネル32に沿って流通し易くなり、第1パネル31側よりも第2パネル32側の流速を向上させることができる。したがって、第2パネル32を冷却空気A2により直接的に冷却できる。このため、冷却空気A2による冷却効果を向上させることができる。
【0063】
また、フィン40は流線形状に形成されている。これにより、冷却空気A2がフィン40の表面から剥離することを抑制できる。冷却空気A2は、フィン40の表面に沿って流通する。このため、フィン40から冷却空気A2に燃焼熱を効率良く伝達できる。また、冷却空気A2がフィン40の表面から剥離することを抑制できる。これにより、冷却空気A2の圧損を低減し、フィン40と冷却空気A2との熱交換量を増加できる。したがって、冷却空気A2による冷却効果を向上させることができる。
【0064】
本実施形態では、フィン40の流通方向の寸法Lは、第2パネル32側から第1パネル31側に向かうにしたがって大きくなっている。このため、第2パネル32側の流路S2は、第1パネル31側の流路S2よりも広くなる。これにより、第1パネル31側の流路S2よりも第2パネル32側の流路S2に多くの冷却空気A2を流通させることができる。したがって、第2パネル32と冷却空気A2との熱交換量を増加できる。よって、冷却空気A2による冷却効果を向上させることができる。
【0065】
本実施形態では、第1フィン群41Aと第2フィン群42Aとは、流通方向に交互に設けられている。流通方向に隣り合う第1フィン群41Aと第2フィン群42Aとは、第1フィン41と第2フィン42とが互いに幅方向D2にずれるように、かつ、幅方向D2から見て重なるように設けられている。これにより、流路S2内にフィン40を密に配置することができる。このため、フィン40の熱放出面積を増加することができる。したがって、フィン40による第2パネル32の冷却効果を増強することができる。よって、冷却空気A2による冷却効果を向上させることができる。
【0066】
本実施形態では、小流路S3の流路断面積が一定である。これにより、冷却空気A2が小流路S3内で加速または減速することを抑制できるので、小流路S3内における冷却空気A2の流速を一定に制御することができる。よって、小流路S3内で冷却空気A2の流量に偏りが生じることを抑制できる。このため、流路S2内で冷却空気A2による冷却効果に偏りが生じることを抑制できる。
【0067】
本実施形態では、第1フィン41同士の間、及び第2フィン42同士の間でそれぞれの大流路S4の流路断面積が一定である。これにより、冷却空気A2が大流路S4内で加速または減速することを抑制できるので、大流路S4内における冷却空気A2の流速を一定に制御することができる。よって、大流路S4内で冷却空気A2の流量に偏りが生じることを抑制できる。このため、流路S2内で冷却空気A2による冷却効果に偏りが生じることを抑制できる。
【0068】
本実施形態では、大流路S4の流路断面積は、小流路S3の流路断面積の1.0倍以上3.0倍以下である。これにより、冷却空気A2が大流路S4と小流路S3との間を流通する過程で加速または減速することを抑制し、流速を一定に制御することができる。このため、流路S2内で冷却空気A2による冷却効果に偏りが生じることを抑制できる。
【0069】
<第二実施形態>
以下、本開示の第二実施形態に係る燃焼器パネル130、及び燃焼器119について、図8及び図9を参照して説明する。第二実施形態では、第一実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。第二実施形態では、フィン140の形状及び寸法が第一実施形態と異なる。
【0070】
(フィン)
図9は、第一実施形態の図5または図6に対応する図である。
図8図9に示すように、フィン140の前端縁140aは、幅方向D2から見て、高さ方向D3で第2パネル32から第1パネル31に向かうにしたがって下流側に延びるように直線状に傾斜している。ただし、最も上流側に位置するフィン140の前端縁140aは、第2パネル32の表面に対して垂直に延びている。
【0071】
フィン140の後端縁140bは、幅方向D2から見て、高さ方向D3で第2パネル32から第1パネル31に向かうにしたがって上流側に延びるように直線状に傾斜している。
すなわち、フィン140の流通方向の寸法Lは、高さ方向D3で第2パネル32側から第1パネル31側に向かうにしたがって小さくなっている。
【0072】
第1フィン群141Aを構成する第1フィン141同士の幅方向D2の間隔は、第1実施形態の第1フィン41同士の幅方向D2の間隔よりも狭い。
第2フィン群142Aを構成する第2フィン142同士の幅方向D2の間隔は、第1実施形態の第2フィン42同士の幅方向D2の間隔よりも狭い。
【0073】
(大流路)
大流路S4の流通方向の中央部は、流通方向から見て、高さ方向D3で第2パネル32から第1パネル31に向かうにしたがって幅方向D2の寸法が漸次小さくなる三角形状に形成されている。
【0074】
(フィン及び流路の寸法)
フィン140の流通方向の中央部では、第2パネル32側の幅方向D2の寸法W1は、流路S2の高さ方向D3の寸法Hの0倍より大きく1.0倍以下である。寸法Hは、例えば1.00mmである。
【0075】
大流路S4の流通方向の中央部では、第2パネル32側の幅方向D2の寸法W2は、フィン140の流通方向の中央部における第2パネル32側の幅方向D2の寸法W1の1.0倍以上3.0倍以下である。
【0076】
(作用効果)
本実施形態では、フィン140は、流通方向の寸法Lが、第2パネル32側から第1パネル31側に向かうにしたがって小さくなっている。これにより、第1パネル31側よりも第2パネル32側において、フィン140の熱放出面積を増加することができる。したがって、フィン140による第2パネル32の冷却効果を増強することができる。よって、冷却空気A2による冷却効果を向上できる。
【0077】
本実施形態では、寸法W1は、流路S2の高さ方向D3の寸法Hの0倍より大きく1.0倍以下である。これにより、フィン140を密に形成することができる。このため、フィン140の熱放出面積が大きくなり、熱交換量が増加する。したがって、冷却空気A2による冷却効果を向上できる。
【0078】
(その他の実施形態)
以上、本開示の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
なお、上記実施形態では、燃焼器ライナ20は、アニュラー型ライナであるとしたが、これに限るものではなく、燃焼器ライナ20は、円筒状に形成された、いわゆるカン(缶)型ライナであってもよい。
【0079】
なお、上記実施形態では、流通方向は、長さ方向D1と一致しているとしたが、これに限るものではなく、流通方向は、長さ方向D1と交差していてもよい。
【0080】
なお、上記実施形態では、フィン40,140の前端縁40a,140a及び後端縁40b,140bは、幅方向D2から見て、直線状に傾斜しているとしたが、これに限るものではなく、フィン40,140の前端縁40a,140a及び後端縁40b,140bは、幅方向D2から見て、内側または外側に張り出す円弧状に形成されていてもよい。
【0081】
なお、上記実施形態では、第2フィン42,142は、第1フィン41,141と同形状かつ同寸法に形成されているとしたが、これに限るものではなく、第2フィン42,142は、第1フィン41,141と異なる形状に形成されていてもよい。第2フィン42,142は、第1フィン41,141よりも小さく形成されてもよい。第2フィン42,142は、第1フィン41,141よりも大きく形成されていてもよい。
【0082】
<付記>
各実施形態に記載の燃焼器パネル30,130、及び燃焼器19,119は、例えば以下のように把握される。
【0083】
(1)第1の態様に係る燃焼器パネル30,130は、第1パネル31と、該第1パネル31と対向配置されて、該第1パネル31との間に冷却空気A2が流通する流路S2を区画形成するとともに、前記流路S2と反対側の面が燃焼ガスGに接するガスパス面35とされた第2パネル32と、前記流路S2内で前記第1パネル31と前記第2パネル32とにわたるように、かつ、互いに間隔をあけて複数が設けられているとともに、前記冷却空気A2の流通方向の上流側を前端縁40a,140aとし、前記流通方向の下流側を後端縁40b,140bとした流線形状をなすフィン40,140と、を備え、前記フィン40,140は、前記流通方向及び前記第1パネル31と前記第2パネル32との対向方向に交差する幅方向D2の寸法が、前記第2パネル32側から前記第1パネル31側に向かうにしたがって大きくなる。
【0084】
これにより、流路S2は、流通方向から見て、第1パネル31と第2パネル32との対向方向で第2パネル32側に向かう程広くなる。このため、第1パネル31と第2パネル32の対向方向で第2パネル32側に向かう冷却空気A2の2次流れが抑制される。よって、冷却空気A2は第2パネル32に沿って流通し易くなる。したがって、第2パネル32を冷却空気A2により直接的に冷却できる。このため、冷却空気A2による冷却効果を向上させることができる。
【0085】
(2)第2の態様の燃焼器パネル30は、(1)の燃焼器パネル30であって、前記フィン40は、前記流通方向の寸法が、前記第2パネル32側から前記第1パネル31側に向かうにしたがって大きくなってもよい。
【0086】
これにより、第2パネル32側の流路S2は、第1パネル31側の流路S2よりも広くなる。このため、第1パネル31側の流路S2よりも第2パネル32側の流路S2に多くの冷却空気A2を流通させることができる。したがって、第2パネル32と冷却空気A2との熱交換量を増加できる。
【0087】
(3)第3の態様の燃焼器パネル130は、(1)の燃焼器パネル130であって、前記フィン140は、前記流通方向の寸法が、前記第2パネル32側から前記第1パネル31側に向かうにしたがって小さくなってもよい。
【0088】
これにより、第1パネル31側よりも第2パネル32側において、フィン140の熱放出面積を増加することができる。したがって、フィン140による第2パネル32の冷却効果を増強することができる。
【0089】
(4)第4の態様の燃焼器パネル30,130は、(1)から(3)のいずれかの燃焼器パネル30,130であって、前記フィン40,140は、同一の前記流通方向位置で前記幅方向D2に間隔をあけて配列されることで第1フィン群41A,141Aを構成する第1フィン41,141と、前記第1フィン群41A,141Aとは異なる前記流通方向位置で前記幅方向D2に間隔をあけて配列されることで第2フィン群42A,142Aを構成する第2フィン42,142と、を含み、前記第1フィン群41A,141Aと前記第2フィン群42A,142Aとは、前記流通方向に交互に設けられており、前記流通方向に隣り合う前記第1フィン群41A,141Aと前記第2フィン群42A,142Aとは、前記第1フィン41,141と前記第2フィン42,142とが互いに前記幅方向D2にずれるように、かつ、前記幅方向D2から見て重なるように設けられていてもよい。
【0090】
これにより、流路S2内にフィン40,140を密に配置することができる。このため、フィン40,140の熱放出面積を増加することができる。したがって、フィン40,140による第2パネル32の冷却効果を増強することができる。
【0091】
(5)第5の態様の燃焼器パネル30,130は、(4)の燃焼器パネル30,130であって、前記第1フィン41,141と前記第2フィン42,142とが前記幅方向D2から見て重なるように配置されることで小流路S3が区画形成されており、前記小流路S3の流路断面積が一定であってもよい。
【0092】
これにより、小流路S3内で冷却空気A2の流量に偏りが生じることを抑制できる。このため、流路S2内で冷却空気A2による冷却効果に偏りが生じることを抑制できる。
【0093】
(6)第6の態様の燃焼器パネル30,130は、(4)又は(5)の燃焼器パネル30,130であって、前記幅方向D2に隣り合う前記第1フィン41,141同士の間、及び、前記幅方向D2に隣り合う前記第2フィン42,142同士の間にそれぞれ大流路S4が区画形成されており、それぞれの前記大流路S4の流路断面積が一定であってもよい。
【0094】
これにより、大流路S4内で冷却空気A2の流量に偏りが生じることを抑制できる。このため、流路S2内で冷却空気A2による冷却効果に偏りが生じることを抑制できる。
【0095】
(7)第7の態様の燃焼器19,119は、(1)から(6)のいずれかの燃焼器パネル30,130から構成された燃焼器ライナ20,120を有する。
【符号の説明】
【0096】
1…ガスタービン 2…ガスタービンケーシング 3…ガスタービンロータ軸 4…圧縮機 5…吸気ダクト 6…圧縮機ケーシング 7…圧縮機ロータ軸 8…圧縮機動翼段 8a…圧縮機動翼 9…圧縮機静翼段 9a…圧縮機静翼 10…燃焼室 11…タービン 12…タービンロータ軸 13…タービンケーシング 14…タービン動翼段 14a…タービン動翼 15…タービン静翼段 15a…タービン静翼 16…排気ノズル 17…噴射口 19,119…燃焼器(ガスタービン用燃焼器) 20,120…燃焼器ライナ 21…燃料供給ノズル 22…スワラ 23…内壁部 24…外壁部 30,130…燃焼器パネル 31…第1パネル 32…第2パネル 33…インピンジ冷却孔 35…ガスパス面 36…エフュージョン冷却孔 40,140…フィン 40a,140a…前端縁 40b,140b…後端縁 41,141…第1フィン 41A,141A…第1フィン群 42,142…第2フィン 42A,142A…第2フィン群 43…フィン本体 44…突起部 44a…前突起部 44b…後突起部 A1…圧縮空気 A2…冷却空気 D1…長さ方向 D2…幅方向 D3…高さ方向 F…燃料 G…燃焼ガス O…軸線 S1…燃焼領域 S2…流路 S3…小流路 S4…大流路 L…(フィンの流通方向の)寸法 W1…(流路の流通方向の中央部における第2パネル側の幅方向の)寸法 W2…(大流路の流通方向の中央部における第2パネル側の幅方向の)寸法 W3…(大流路の流通方向の中央部における第1パネル側の幅方向の)寸法 H…(流路の高さ方向の)寸法
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9