JP2002242702A - ガスタービン燃焼器壁面冷却構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃焼器貫通部材下流側の燃焼器内壁の局所的
温度上昇を防止する。 【解決手段】 燃焼器内筒シェル５５とシェル内部に配
置される円筒状の熱遮蔽部材１５５とを設ける。シェル
と熱遮蔽部材とを貫通する貫通部材１５９の下流側の熱
遮蔽部材１５５Ｄには、貫通部材下流側外周部に外周か
ら直角に突出する円柱状突起からなるピンフィン列１５
５Ｐを配置する。ピンフィン列１５５Ｐは、貫通部材上
流側の熱遮蔽部材部分１５５Ｕに設けられるフィンリン
グ溝１５５ｂよりも冷却空気との間の熱伝達率が大きい
ため、貫通部材下流側部分では熱遮蔽部材の冷却能力が
増大し、貫通部材の存在により貫通部材下流側の熱遮蔽
部材壁面に燃焼ガスの渦が発生して局所的に壁面の熱負
荷が増大した場合でも熱遮蔽部材壁面温度の局所的上昇
が防止される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンに関
し、詳細にはガスタービン燃焼器の壁面冷却構造に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービン燃焼器壁は、高温の燃焼ガ
スと直接接触する部分であるため、壁面冷却のための種
々の手段が講じられている。通常、燃焼器の壁面冷却は
対流冷却とフィルム冷却とを併用した冷却空気による複
合冷却が行われる。

【０００３】図１は、冷却空気を使用した複合冷却を行
なうガスタービン燃焼器の一例を示す断面図である。図
１において、燃焼器１は、メインノズル３３から供給さ
れた燃料を燃焼させる燃焼室としての内部空間を有する
内筒５ｂと、内筒で燃焼により発生した燃焼ガスをター
ビン第１段静翼に供給する出口５１を有する、尾筒５ａ
とを接合した構成とされている。燃料は、メインノズル
３３から予め空気と混合した予混合気として内筒５ｂに
噴射され、内筒５ｂ内でパイロットノズル３１により生
成したパイロット炎により着火されて内筒内に予混合炎
を生成する。

【０００４】図１０は、内筒５ｂの従来の壁面冷却方法
を説明する、内筒５ｂ部の壁面拡大断面図である。図１
０に示すように、内筒５ｂ部の壁面は、実際には複数の
径の異なる円筒状シェル５５を軸線方向にそれぞれ段付
部を介して接合した構成とされる。それぞれの段付部シ
ェルは内筒を形成する構造材として機能しており、各段
付部シェル５５内側には燃焼室壁面を構成する熱遮蔽部
材１５５が配置されている。熱遮蔽部材１５５は、内筒
構造材であるシェル５５を内筒内部の火炎から保護し、
強度低下を防止するためのものである。

【０００５】従来、熱遮蔽部材１５５としては、外周に
軸線方向の多数の溝１５５ｂを形成した円筒形状のフィ
ンリングが使用されている。図１１は、図１０のＸＩ−
ＸＩ線に沿った断面を示す。フィンリング１５５は円筒
状の基板の外周に軸線方向に多数の溝１５５ｂを機械加
工により形成したものである。図１０に示すように、フ
ィンリング１５５は、それぞれの段付部小径側（燃料ノ
ズル側）端部でシェル５５にロウ付け等により固定され
てシェル５５内に保持されている。

【０００６】冷却空気は、ケーシング７（図１）内から
段付部シェル５５（図１０では５５ａで示す）の小径側
端部の周上に設けられた複数の入口５７からシェルとフ
ィンリング１５５との間に流入し、フィンリング１５５
外周の軸線方向溝を通過してフィンリング１５５自体を
対流冷却し、出口５９から隣接する段付部シェル５５
（図１０では５５ｂで示す）のフィンリング内面に沿っ
て軸線方向に放出する。これにより、隣接する段付部シ
ェル５５ｂの燃焼室壁面（すなわちフィンリング１５５
ｂ内面）のフィルム冷却が行なわれる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図１０に示
すような従来の燃焼器壁面冷却構造では、燃焼器壁面の
冷却は概ね良好に行われるものの、フィンリングを貫通
する部材が存在すると、その燃焼ガス流れ方向下流側で
は熱遮蔽部材（フィンリング）の温度が局所的に上昇し
てしまい極端な場合には熱遮蔽部材の焼損が発生すると
いう問題が生じることが判明している。

【０００８】図１２は、この問題を説明する図１０と同
様な断面図である。ガスタービン燃焼器には、内筒（シ
ェル）５５と熱遮蔽部材（フィンリング）１５５とを貫
通して燃焼室内に延びる部材が設けられる場合がある。
例えば、図１では予混合燃焼を行う燃焼器を示したが、
これとは異なる形式の拡散燃焼を行う燃焼器ではメイン
ノズルで形成された拡散炎に二次燃焼空気を供給するた
めに、図１２に示すように内筒５５と熱遮蔽部材１５５
とを貫通し、内筒外部と燃焼室とを連通する管状の貫通
部材（スクープ）１５９が設けられる。スクープは、内
筒外部のケーシング内の高圧の燃焼用空気を燃焼室内の
拡散炎に二次空気として供給するものである。

【０００９】また、スクープ以外にも、ガスタービン始
動時に燃焼室内の燃料に着火するためのイグナイタ（点
火栓）を燃焼室内に挿通するためのイグナイタチューブ
や、図１の燃焼器を周方向に複数個配置した構成のガス
タービンでは、隣接する燃焼器を相互に接続して一方か
ら他方へ火炎を伝播させるためのクロスファイアチュー
ブ（連結管）等が用いられるため、燃焼器内筒と熱遮蔽
部材とを貫通する貫通部材が種々存在する。このような
貫通部材１５９が熱遮蔽部材１５５の内周面に存在する
と、貫通部材１５９部分の直下流側では、図１２に示す
ように燃焼ガス流れの渦ができてしまい、局所的に燃焼
ガスと熱遮蔽部材との間の熱伝達が乱流熱伝達となるた
め、貫通部材直下流側では局所的に熱伝達率が増大して
熱遮蔽部材の熱負荷が増大する。また、熱遮蔽部材１５
５内周面を冷却空気によりフィルム冷却している場合に
は、貫通部材１５９直下流側部分では貫通部材の開口か
らの流れに阻止されて冷却空気が到達しなくなりフィル
ム冷却が行われなくなるため、熱遮蔽部材１５５壁面の
熱負荷は更に上昇することになる。

【００１０】このため、貫通部材１５９下流側ではフィ
ンリング方式の対流冷却だけでは熱遮蔽部材１５５の局
所的熱負荷の増大を吸収することができなくなり、熱遮
蔽部材の局所的温度上昇が生じ、部材の焼損などが生じ
る可能性が高くなる。

【００１１】本発明は上記問題に鑑み、ガスタービン燃
焼器のスクープなどの貫通部材下流側での熱遮蔽部材の
局所的な熱負荷増大を吸収し、熱遮蔽部材の局所的温度
上昇が生じることを防止可能なガスタービン燃焼器壁面
冷却構造を提供することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
よれば、燃焼室を構成する内部空間を有する円筒状の内
筒と、前記内筒の内面に全周にわたって取り付けられ、
内部を軸線方向に燃焼ガスが流れる円筒状の燃焼室壁を
構成する熱遮蔽部材と、前記熱遮蔽部材と内筒との間を
内筒軸線方向に流れる冷却空気と前記熱遮蔽部材との間
の熱交換を促進する熱交換手段と、前記内筒と前記熱遮
蔽部材とを貫通して内筒外部から燃焼室内に開口する管
状の貫通部材とを備えたガスタービン燃焼器壁面冷却構
造であって、前記熱交換手段は、前記貫通部材の燃焼ガ
ス流れ方向下流側部分での冷却空気と熱遮蔽部材との間
の熱伝達率が、前記貫通部材の燃焼ガス流れ方向上流側
での冷却空気と熱遮蔽部材との間の熱伝達率より大きく
なるように設定されていることを特徴とする、ガスター
ビン燃焼器壁面冷却構造が提供される。

【００１３】すなわち、請求項１のガスタービン燃焼器
壁面冷却構造では、熱交換手段の貫通部材の燃焼ガス流
れ方向下流側部分では、上流側部分よりも冷却空気と熱
遮蔽部材との間の熱伝達率が大きく設定されているた
め、貫通部下流側の熱遮蔽部材に対する冷却能力が増大
する。このため、貫通部材下流側で熱遮蔽部材の熱負荷
が局所的に増大した場合でも熱遮蔽部材の温度を低く維
持することができる。

【００１４】請求項２に記載の発明によれば、前記貫通
部材の燃焼ガス流れ方向下流側の熱交換手段は、前記熱
遮蔽部材外周部から直角方向に突出する複数の突起から
なるピンフィン列を備えた、請求項１に記載のガスター
ビン燃焼器壁面冷却構造が提供される。

【００１５】すなわち、請求項２のガスタービン燃焼器
壁面冷却構造では、熱交換手段は貫通部材の燃焼ガス流
れ方向下流側部分にピンフィン列を備えている。ピンフ
ィン冷却は、例えばフィンリング冷却に較べて熱伝達率
が大きいため、貫通部下流側の熱遮蔽部材に対する冷却
能力が増大し、貫通部材下流側ので熱遮蔽部材の熱負荷
が局所的に増大した場合でも熱遮蔽部材の温度を低く維
持することが可能となる。

【００１６】請求項３に記載の発明によれば、前記貫通
部材の燃焼ガス流れ方向下流側の熱交換手段は、記熱遮
蔽部材中に内筒軸線に沿った方向に延びる複数の管状の
内部冷却空気通路を備え、前記内部冷却空気通路は前記
貫通部材の燃焼ガス流れ方向下流側の熱遮蔽部材外周部
に開口する冷却空気入口と、前記熱遮蔽部材の下流側端
部に開口する冷却空気出口とを備え、前記内部冷却空気
通路を流れた冷却空気は前記冷却空気出口から前記内筒
内周面に沿って燃焼室内に流入する、請求項１に記載の
ガスタービン燃焼器壁面冷却構造が提供される。

【００１７】すなわち、請求項３に記載のガスタービン
燃焼器壁面冷却構造では、熱交換手段は貫通部材の燃焼
ガス流れ方向下流側部分に、熱遮蔽部材中に形成された
管状の内部冷却空気通路を備えている。内部冷却通路に
よる冷却は、例えばフィンリング冷却に較べて熱伝達率
が大きいため、貫通部下流側の熱遮蔽部材に対する冷却
能力が増大し、貫通部材下流側ので熱遮蔽部材の熱負荷
が局所的に増大した場合でも熱遮蔽部材の温度を低く維
持することができる。

【００１８】請求項４に記載の発明によれば、前記貫通
部材の燃焼ガス流れ方向下流側の熱交換手段は、熱遮蔽
部材の外周部に設けられた軸線方向に延びる複数の溝
と、該溝内に溝横断方向に対して斜めに延設された突起
からなる斜めタービュレータとを備えた、請求項１に記
載のガスタービン燃焼器壁面冷却構造が提供される。

【００１９】すなわち、請求項４のガスタービン燃焼器
壁面冷却構造では、熱交換手段は貫通部材の燃焼ガス流
れ方向下流側部分の熱遮蔽部材の外周部に軸方向溝と斜
めタービュレータとを備えている。斜めタービュレータ
を備えたことにより、溝内を流れる冷却空気流はタービ
ュレータ通過時に渦を発生し、冷却空気と熱遮蔽部材外
周との間の熱伝達は乱流熱伝達になる。このため、例え
ばフィンリングのみによる冷却を行った場合に較べて熱
伝達率が増大し、貫通部下流側の熱遮蔽部材に対する冷
却能力が増大するため、貫通部材下流側ので熱遮蔽部材
の熱負荷が局所的に増大した場合でも熱遮蔽部材の温度
を低く維持することが可能となる。

【００２０】請求項５に記載の発明によれば、前記貫通
部材の燃焼ガス流れ方向上流側の熱交換手段は、熱遮蔽
部材の外周部に全周にわたって設けられた軸線方向に延
びる複数の溝を備えた、請求項１に記載のガスタービン
燃焼器壁面冷却構造が提供される。

【００２１】すなわち、請求項５に記載のガスタービン
燃焼器壁面冷却構造では、貫通部材の燃焼ガス流れ方向
上流側の冷却手段は、フィンリングを備えている。貫通
部材上流側部分では、下流側部分のように貫通部材によ
る熱遮蔽部材の局所的熱負荷増大が生じないため、フィ
ンリングを用いた冷却を行うことにより十分に熱遮蔽部
材の壁温を低く維持することが可能となる。

【００２２】請求項６に記載の発明によれば、燃焼室を
構成する内部空間を有する円筒状の内筒と、前記内筒の
内面に全周にわたって取り付けられ、内部を軸線方向に
燃焼ガスが流れる円筒状の燃焼室壁を構成する熱遮蔽部
材と、前記熱遮蔽部材と内筒との間を内筒軸線方向に冷
却空気が流れる冷却空気通路と、を備えたガスタービン
燃焼器壁面冷却構造であって、前記内筒と前記熱遮蔽部
材とを貫通して内筒外部から燃焼室内に開口する管状の
貫通部材とを備えたガスタービン燃焼器壁面冷却構造で
あって、前記冷却空気通路は、前記冷却空気の一部を、
前記熱遮蔽部材の前記貫通部材の燃焼ガス流れ方向下流
側部分から前記熱遮蔽部材内周面に沿って流すフィルム
冷却空気供給口と、を備えたことを特徴とする、ガスタ
ービン燃焼器壁面冷却構造が提供される。

【００２３】すなわち、請求項６に記載のガスタービン
燃焼器壁面冷却構造では、貫通部材の燃焼ガス流れ方向
下流側部分から熱遮蔽部材内周面に沿って冷却空気が供
給される。このため、貫通部材下流側に形成される燃焼
ガスと熱遮蔽部材内周面との間に冷却空気フィルムが形
成され、熱遮蔽部材の局所的温度上昇が防止される。

【００２４】請求項７に記載の発明によれば、前記フィ
ルム冷却空気供給手段は、前記熱遮蔽部材の前記貫通部
材貫通部の、前記貫通部材外周の燃焼ガス流れ方向下流
側表面と前記熱遮蔽部材との間隙からなる冷却空気供給
口と、前記貫通部材の開口周囲に設けられ、前記冷却空
気通路から前記冷却空気供給口を通って燃焼室内に流入
する冷却空気を熱遮蔽部材内周面に沿って燃焼ガス流れ
方向下流側に向けて流す偏向手段と、を備えた請求項６
に記載のガスタービン燃焼器壁面冷却構造。

【００２５】すなわち、請求項７に記載のガスタービン
燃焼器壁面冷却構造では、フィルム冷却空気供給手段
は、貫通部材開口周囲の燃焼ガス流れ方向下流側から冷
却空気を導入し、偏向手段によってこの冷却空気を熱遮
蔽部材内周面に沿って流すようにしている。このため、
貫通部材直下流部分から燃焼ガスと熱遮蔽部材内周面と
の間に冷却空気フィルムが形成され、熱遮蔽部材の局所
的温度上昇が防止される。

【００２６】請求項８に記載の発明によれば、前記冷却
空気通路は、前記貫通部材の燃焼ガス流れ方向下流側の
前記熱遮蔽部材中に内筒軸線に沿った方向に延びる複数
の管状の内部冷却空気通路と、前記貫通部材の燃焼ガス
流れ方向下流側の熱遮蔽部材外周部に開口する前記内部
冷却空気通路への冷却空気入口とを備え、前記フィルム
冷却空気供給手段は、前記、前記熱遮蔽部材の前記貫通
部材下流側の内周面に開口し、前記内部冷却空気通路内
の冷却空気を燃焼室内に放出するフィルム冷却空気供給
口と、を備えた請求項６に記載のガスタービン燃焼器壁
面冷却構造が提供される。

【００２７】すなわち、請求項８に記載のガスタービン
燃焼器壁面冷却構造では、貫通部材の燃焼ガス流れ方向
下流側の熱遮蔽部材中には管状の内部冷却空気通路が形
成されており、この冷却空気通路内の冷却空気が熱遮蔽
部材に設けた開口から放出されて冷却空気フィルムを形
成する。これにより、熱遮蔽部材の内部冷却空気通路に
よる冷却能力の向上とフィルム冷却による熱遮蔽部材壁
面の局所的熱負荷増大の防止との両方が同時に可能とな
るため、熱遮蔽部材の局所的温度上昇が防止される。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を用いて本発明の
実施形態について説明する。 （１）第１の実施形態 図２、図３は、本発明のガスタービン燃焼器壁面冷却構
造の第１の実施形態を示す図１２と同様な断面図であ
る。図２において、５５は内筒シェル、１５５は熱遮蔽
部材を示す。また、１５９は、クロスファイアチュー
ブ、スクープなどの貫通部材を示すのは、図１２と同様
である。本実施形態では、図２に示すように熱遮蔽部材
１５５の貫通部材１５９上流側部分１５５Ｕは、全周に
わたって外周に軸線方向に溝１５５ｂが形成されたフィ
ンリングとされている。

【００２９】図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った
断面を示す。貫通部材１５９下流側の熱遮蔽部材部分１
５５Ｄには、熱遮蔽部材外周から垂直に突出する円柱形
状の突起１５５Ｐが多数配列された、いわゆるピンフィ
ン構造とされている。図２に示すように、本実施形態で
は冷却空気は、熱遮蔽部材の上流側部分では、シェル５
５の全周にわたって設けられた複数の冷却空気入口５７
からシェルと熱遮蔽部材との間の環状空間に流入し、フ
ィンリングの溝１５５ｂを通過して熱遮蔽部材の上流側
部分１５５Ｕを冷却する。また、貫通部材１５９の熱遮
蔽部材貫通部では、冷却空気の一部は、貫通部材１５９
と熱遮蔽部材上流側部分１５５Ｕとの間に形成された半
環状の空隙１５９ａを通って燃焼室内に流入する。

【００３０】一方、貫通部材下流側では、冷却空気はシ
ェル５５貫通部の貫通部材１５９外周の下流側半分の周
囲に形成された半環状空隙１５９ｂを通ってシェルと熱
遮蔽部材下流側部分１５５Ｄとの間の環状空間に流入
し、熱遮蔽部材下流側部分１５５外周に配置されたピン
フィン列１５５Ｐに流入し、内筒軸線方向にピンフィン
列内を流れて熱遮蔽部材端部から下流側の熱遮蔽部材内
壁面に沿って流出する。ピンフィン列は、小さい径の多
数の円柱列から構成されているため、ピンフィン列を通
過する冷却空気との伝熱面積は、フィンリングに較べて
極めて大きくなっている。このため、熱遮蔽部材の貫通
部材１５９下流側部分１５５Ｄでは上流側部分１５５Ｕ
に較べて、冷却空気と熱遮蔽部材との間の熱伝達率が大
幅に大きくなる。このため、貫通部材１５９下流側の熱
遮蔽部材１５５Ｄ内周面に燃焼ガスの渦が発生し、熱負
荷が局所的に増大するような場合にも、熱遮蔽部材の冷
却が十分に行われるようになり、局所的な温度上昇が生
じない。

【００３１】なお、ピンフィン列は熱遮蔽部材の下流側
部分１５５の外周のうち、貫通部材１５９の直下流側部
分のみに設け、外周の残りの部分はフィンリングの溝１
５５ｂを上流側部材１５５Ｕから延長させても良い。し
かし、フィンリング溝１５５ｂは機械加工で形成するの
に対し、ピンフィン列は精密鋳造により熱遮蔽部材とと
もに容易に形成することができ、フィンリング溝の加工
コストより低コストで形成可能である。このため、熱遮
蔽部材の上流側部分１５５Ｕと下流側部分１５５Ｄとを
別体に形成し、下流側部分１５５Ｄには全周にわたって
外周にピンフィン列を形成しておき、フィンリング溝１
５５ｂを形成した上流側部分１５５Ｕと下流側部分１５
５Ｄとを軸線方向にロウ付け等により一体に接合して熱
遮蔽部材１５５を形成するようにしてもよい。フィンリ
ング溝１５５ｂを熱遮蔽部材に形成した場合には、溝１
５５ｂの両側には軸線方向に熱遮蔽部材外周に厚肉部が
形成されることになる。このため、溝１５５ｂを熱遮蔽
部材の全長にわたって形成すると軸線方向の温度勾配に
より厚肉部に比較的大きな熱応力が発生する場合があ
る。これに対して、ピンフィン列は厚肉部が軸線方向に
連続していないため、軸線方向に大きな温度勾配があっ
ても熱応力が発生することはない。このため、上記のよ
うに熱遮蔽部材の下流側部分１５５Ｄ外周全体にわたっ
てピンフィン列を形成することにより、熱遮蔽部材に生
じる熱応力が低減されるという副次的な効果をも得るこ
とができる。

【００３２】（２）第２の実施形態 図４は、本発明のガスタービン燃焼器壁面冷却構造の第
２の実施形態を示す、図２と同様な内筒壁の拡大断面図
である。本実施形態では、熱遮蔽部材１５５の貫通部材
１５９下流側部分１５５Ｄの冷却方法がピンフィン列の
代りに熱遮蔽部材中に軸線方向に延設された内部冷却空
気通路である点が上述の第１の実施形態と相違してい
る。

【００３３】図５は、本実施形態の熱遮蔽部材１５５の
下流側部分１５５Ｄの構成を示す図である。本実施形態
の熱遮蔽部材下流側部分１５５Ｄは、比較的板圧の厚い
円筒状部材とされ、円筒壁内部に軸線方向に配列された
多数の断面矩形の冷却空気通路５５１を有している。本
実施形態では熱遮蔽部材１５５の下流側部分１５５Ｄ
は、例えば、２つの円筒状部材５５０ａと５５０ｂとを
ロウ付け等により接合することにより形成される。内側
の円筒状部材５５０ａは、外周に軸線方向に延びる断面
矩形の溝が形成されており、外側の円筒状部材５５０ｂ
は平坦な内周面を有している。このため、内側円筒状部
材５５０ａを外側円筒状部材５５０ａ内に挿入し、内側
円筒状部材外周面５５０ａと外側円筒状部材５５０ｂ内
周面とをロウ付け等により接合して熱遮蔽部材１５５を
構成することにより、内側の円筒状部材５５０ａの外周
の溝の上部が外側の円筒状部材５５０ｂにより覆われ
て、熱遮蔽部材内に、互いに独立した断面矩形の管状の
内部冷却空気通路５５１が多数形成される。

【００３４】図４に示すように、熱遮蔽部材１５５の下
流側部分１５５Ｄは、第１の実施形態と同様にフィンリ
ング冷却構造を有する上流側部分１５５Ｕと接合され、
熱遮蔽部材１５５を形成する。また、本実施形態では、
このようにして組立てられた熱遮蔽部材１５５をシェル
５５に接合する際に、熱遮蔽部材下流側部分１５５Ｄの
外周に耐熱材料からなるシールリング５５３を介挿す
る。シールリング５５３は、冷却空気が外側円筒状部材
５５０ｂの外周とシェル５５内周との間の間隙を通って
流れることを阻止する目的で設けられている。

【００３５】本実施形態では冷却空気は、熱遮蔽部材の
上流側部分では、シェル５５の全周にわたって設けられ
た複数の冷却空気入口５７からシェルと熱遮蔽部材との
間の環状空間に流入し、フィンリングの溝１５５ｂを通
過して熱遮蔽部材の上流側部分１５５Ｕを冷却する。ま
た、貫通部材１５９の熱遮蔽部材貫通部では、冷却空気
の一部は、貫通部材１５９と熱遮蔽部材上流側部分１５
５Ｕとの間に形成された半環状の空隙１５９ａを通って
燃焼室内に流入する。一方、貫通部材下流側では、冷却
空気はシェル５５貫通部の貫通部材１５９外周の下流側
半分の周囲に形成された半環状空隙１５９ｂを通ってシ
ェルと熱遮蔽部材下流側部分１５５Ｄとの間の環状空間
に流入し、外側円筒状部材５５０ｂ外周上の各内部冷却
空気通路部分に穿設された冷却空気入口５５０ｃから各
冷却空気通路５５１に流入する。そして、冷却空気は、
各冷却空気通路５５１内を流れ、熱遮蔽部材下流側部分
１５５Ｄを対流冷却した後、下流側部分１５５Ｄ端部か
ら、隣接するシェルの熱遮蔽部材内周面に沿って軸線方
向に放出する。

【００３６】図１１に示すように、フィンリング冷却構
造をとった場合には、フィンリング１５５外周とシェル
５５内周との間に熱膨張を考慮して間隙１５５ｃが必要
となる。この間隙１５５ｃはフィンリングの加工精度や
取付け誤差を考慮するとかなり大きく設定する必要があ
る。このため、フィンリング冷却構造では、供給された
冷却空気のかなりの部分ががフィンリング溝１５５ｂを
通らずに、フィンリングの冷却に寄与しないまま間隙１
５５ｃを通って流れることになり、冷却空気とフィンリ
ング間の熱伝達率を十分に高くできない場合がある。

【００３７】本実施形態では、熱遮蔽部材下流側部分１
５５Ｄの外側円筒状部材５５０ｂ外周にはシールリング
５５３が設けられているため、外側円筒状部材５５０ｂ
の外周面とシェル５５内周面との間から燃焼室内に冷却
空気が洩れることが防止されるため、シェル内に流入し
た冷却空気は全て内部冷却空気通路５５１内を流れるよ
うになる。このため、下流側部分１５５Ｄでは、冷却空
気と熱遮蔽部材１５５との間の熱伝達率は上流側部分１
５５Ｕにおける熱伝達率より大幅に増大するようにな
る。これにより、本実施形態では、貫通部材１５９下流
側に燃焼ガスの渦が発生して熱遮蔽部材下流側部分１５
５Ｄで局所的に熱負荷が増大した場合でも、十分に熱遮
蔽部材の壁温を低く維持することが可能となっている。

【００３８】なお、図２の実施形態では、内部冷却空気
通路５５１に流入した冷却空気は全て熱遮蔽部材１５５
端部から次のシェルの熱遮蔽部材壁面に沿って放出して
いるが、本実施形態においても後述する第５の実施形態
のように、内側円筒状部材５５０ａに設けたフィルム冷
却空気供給口から管状内部空気通路５５１内の冷却空気
を燃焼室に噴射して内側円筒状部材５５０ａの内周面を
フィルム冷却するようにすれば、更に確実に熱遮蔽部材
壁温（内側円筒状部材壁温）の局所的温度上昇を防止す
ることが可能となる。

【００３９】（３）第３の実施形態 図６は、本発明のガスタービン燃焼器壁面冷却構造の第
３の実施形態を示す、図２と同様な内筒壁の拡大断面図
である。本実施形態では、熱遮蔽部材１５５の貫通部材
１５９下流側部分１５５Ｄにも、上流側部分１５５Ｕと
同様に外周部に軸線方向に延びる溝１６５が形成されて
いる。しかし、上流側部分１５５Ｕでは溝１５５ｂは単
純なフィンリング溝とされているのに対して、本実施形
態では下流側部分１５５Ｄの溝１６５は、上流側部分１
５５Ｕの溝１５５ｂより溝幅が広く、更に溝内に斜めタ
ービュレータ１６７が形成されている点が上述した第１
と第２の実施形態と相違している。図７は、図６のＶＩ
Ｉ−ＶＩＩ線に沿った断面を示す。斜めタービュレータ
１６７は、図７に示すように、溝１６５横断方向に対し
て斜め方向に所定の角度θをなすように延設された複数
の隆起からなっている。

【００４０】このように、斜めタービュレータ１６７を
溝１６５内に配置すると、溝１６５内を流れる冷却空気
が斜タービュレータ１６７を乗越える際に乱れを生じ、
タービュレータ１６７下流側に冷却空気の渦が発生す
る。斜めタービュレータ１６７は、横断方向に対して角
度を持って形成されているため、上記により発生した冷
却空気の渦は、図７に示すように斜めタービュレータ１
６７の背面に沿って溝１６５内を移動するようになる。
このように、冷却空気の渦が発生すると渦の発生箇所で
は冷却空気と熱遮蔽部材１５５との間の熱伝達は乱流熱
伝達となり、熱伝達率は層流熱伝達の場合に較べて大幅
に増大する。しかも、斜めタービュレータ１６７では、
発生した渦が各タービュレータ１６７の背面に沿って広
い範囲を移動することになるため、全体として熱伝達率
は大きく増大するようになる。このため、貫通部材１５
９下流側の熱遮蔽部材１５５Ｄ内周面に燃焼ガスの渦が
発生し、熱負荷が局所的に増大するような場合にも、熱
遮蔽部材の冷却が十分に行われるようになり、局所的な
温度上昇が生じない。

【００４１】なお、本実施形態では、溝１６５と斜めタ
ービュレータ１６７とは精密鋳造などにより熱遮蔽部材
下流側部分１５５Ｄに一体に形成され、フィンリング構
造の熱遮蔽部材上流側部分１５５Ｕとロウ付け等により
接合される。

【００４２】（４）第４の実施形態 次に本発明の第４の実施形態について説明する。上述し
た第１から第３の実施形態では、いずれも貫通部材の燃
焼ガス流れ方向下流側で熱遮蔽部材の外周部を流れる冷
却空気と熱遮蔽部材との間の熱伝達率を増大させて熱遮
蔽部材の冷却能力を増大させることにより、貫通部材下
流側での燃焼ガスによる渦の発生により生じる熱遮蔽部
材内周面の熱負荷の局所的増大を吸収していた。これに
対して、本実施形態では貫通部材下流側での渦発生によ
る熱遮蔽部材内周面の熱負荷の局所的増大そのものを防
止する点が前述の各実施形態と相違している。

【００４３】図８は、本実施形態を示す図２と同様な内
筒壁の拡大断面図である。本実施形態では、熱遮蔽部材
１５５外周面は、図１２の従来のものと同様に、貫通部
材１５９の下流側部分１５５Ｄも含めて全長にわたって
フィン溝１５５ｂが形成されている。しかし、本実施形
態では熱遮蔽部材１５５とシェル５５との間を流れる冷
却空気の一部を貫通部材１５９の熱遮蔽部材１５５下流
側から燃焼室に放出し、熱遮蔽部材１５５の貫通部材下
流側部分１５５Ｄ内壁に沿って流すフィルム冷却空気供
給手段が設けられている点が図１２の冷却構造と相違し
ている。

【００４４】本実施形態では、フィルム冷却空気供給手
段は、熱遮蔽部材１５５の貫通部材１５９貫通部の、貫
通部材外周と熱遮蔽部材１５５との間に設けられた冷却
空気供給口としての半環状の空隙１７１と、貫通部材１
５９の燃焼室内突出部先端の外周下流側に設けられた半
円形のリップ（偏向板）１７３とから構成されている。
本実施形態では、貫通部材１５９上流側の熱遮蔽板と貫
通部材外周部との間は耐熱性のシール部材１７５により
シールされており、貫通部材１５９上流側からは冷却空
気が燃焼室に流出しないようにされている。

【００４５】図８において、シェル５５全周にわたって
設けられた冷却空気入口５７からシェル５５と熱遮蔽部
材１５５との間に流入した冷却空気の大部分は、図１２
と同様フィンリング溝１５５ｂ内を流れて熱遮蔽部材１
５５をその外周から冷却するが、この冷却空気の一部は
貫通部材１５９外周下流側と熱遮蔽部材との間の半環状
の空隙１７１から燃焼室に放出される。この冷却空気流
は、貫通部材１５９の燃焼室突出端（開口）近傍に熱遮
蔽部材１５５内周面にほぼ平行に配置された偏向板１７
３により向きを変えて、偏向板１７３と熱遮蔽部材１５
５内周面との間の空隙から内周面に沿って下流側に向け
て流れる。このため、貫通部材１５９下流側には熱遮蔽
部材内周面に沿った冷却空気のフィルムが形成される。

【００４６】前述したように、貫通部材１５９の下流側
で熱遮蔽部材壁面の熱負荷が増大するのは、燃焼ガスの
渦が発生することに加えて、貫通部材上流側から供給さ
れる冷却空気フィルムが貫通部材突出部に阻止されて下
流側に届かなくなるためである。本実施形態では、上記
のように貫通部材下流側に直接冷却空気を供給してフィ
ルム冷却を行うようにしたことにより、貫通部材下流側
には低圧部分が生じないため貫通部材下流側に燃焼ガス
が巻込まれて渦が発生することが防止されるとともに、
貫通部材下流側の熱遮蔽部材壁面には冷却空気のフィル
ムが形成されるようになる。このため、貫通部材の存在
により局部的に熱遮蔽部材内壁の熱負荷が増大すること
が防止されるようになり、熱遮蔽部材の局部的温度上昇
が生じなくなる。

【００４７】（５）第５の実施形態 次に、本発明の第５の実施形態について説明する。本実
施形態においても、第４の実施形態と同様に貫通部材下
流側の熱遮蔽部材壁面にフィルム冷却空気を供給するこ
とにより、貫通部材による燃焼ガスの渦の発生の防止
と、熱遮蔽部材壁面のフィルム冷却とを行う点は同様で
あるが、フィルム冷却用の冷却空気の供給方法が第４の
実施形態とは異なっている。

【００４８】図９は、本実施形態を示す図８と同様な内
筒壁の拡大図である。図９に示すように、本実施形態の
熱遮蔽部材１５５の貫通部材下流側部分１５５Ｄは、前
述の第２の実施形態と同様の構成とされており、熱遮蔽
部材中に管状の軸線方向内部冷却空気通路５５１が形成
された構成となっている。しかし、本実施形態では外側
円筒状部材５５０ｂ外周とシェル５５との間をシールす
るシールリング５５３は、熱遮蔽部材１５５の下流側端
部近傍に設けられており、貫通部材１５９下流側の部分
の各内部冷却空気通路５５１には、シールリング５５３
上流側の部分に外側円筒状部材５５０ｂに穿設された複
数の冷却空気入口５５０ｃが設けられており、更に内側
円筒状部材５５０ａには、各冷却空気通路５５１内の冷
却空気を燃焼室に放出する複数の冷却空気出口５５０ｄ
が、各冷却空気通路５５１に沿って穿設されている。

【００４９】本実施形態では、冷却空気入口５５０ｃか
ら貫通部材１５９下流に位置する各冷却空気通路５５１
に流入した冷却空気は、複数の冷却空気出口５５０ｄか
ら貫通部材１５９下流の燃焼室に放出される。このた
め、上記第４の実施形態と同様に、貫通部材による燃焼
ガスの渦発生防止と熱遮蔽部材壁面のフィルム冷却とが
可能となり貫通部材下流側での熱遮蔽部材壁面の局所的
な熱負荷の増大が防止される。また、本実施形態では、
前述の第２の実施形態と同様に冷却能力の大きい管状内
部冷却空気通路５５１を貫通部下流側の熱遮蔽部材部分
１５５Ｄに設けているため、上記熱負荷増大防止に加え
て熱遮蔽部材１５５の冷却能力も増大するため、熱遮蔽
部材の温度上昇を確実に防止することが可能となる。

【００５０】

【発明の効果】各請求項に記載の発明によれば、ガスタ
ービン燃焼器の熱遮蔽部材を貫通する貫通部材の存在に
より貫通部材下流側で熱遮蔽部材の温度が局所的に上昇
することを防止できるという共通の効果を奏する。すな
わち、請求項１から５の発明では、貫通部材下流側の熱
遮蔽部材と冷却空気との間の熱伝達率を貫通部材上流側
の熱遮蔽部材の熱伝達率より大きくしたことにより、貫
通部材下流側の熱遮蔽部材の冷却能力が増大するため、
貫通部材下流側での熱遮蔽部材の局所的温度上昇が防止
される。

【００５１】また、請求項６から８の発明では、貫通部
材下流側の熱遮蔽部材壁面にフィルム冷却空気を供給す
るようにしたことにより、貫通部材下流側の熱遮蔽部材
壁面で局所的に熱負荷が増大することが防止されるた
め、貫通部材下流側での熱遮蔽部材の局所的温度上昇が
防止される。

【図面の簡単な説明】

【図１】空気冷却ガスタービン燃焼器の一例を示す断面
図である。

【図２】本発明のガスタービン燃焼器壁面冷却構造の第
１の実施形態を示す断面図である。

【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図であ
る。

【図４】本発明のガスタービン燃焼器壁面冷却構造の第
２の実施形態を示す断面図である。

【図５】第２の実施形態の管状内部冷却空気通路を説明
する図である。

【図６】本発明のガスタービン燃焼器壁面冷却構造の第
３の実施形態を示す断面図である。

【図７】図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面図であ
る。

【図８】本発明のガスタービン燃焼器壁面冷却構造の第
４の実施形態を示す断面図である。

【図９】本発明のガスタービン燃焼器壁面冷却構造の第
５の実施形態を示す断面図である。

【図１０】従来のガスタービン燃焼器壁面冷却構造を示
す断面図である。

【図１１】図１０のＸＩ−ＸＩ線に沿った断面図であ
る。

【図１２】従来技術の問題点を説明する図１０と同様な
断面図である。

【符号の説明】

１…ガスタービン燃焼器 ５ｂ…内筒 ５５…シェル １５５…熱遮蔽部材 １５５Ｐ…ピンフィン列 １５９…貫通部材 ５５１…管状内部冷却空気通路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 北村 剛 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者 根来 正明 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼室を構成する内部空間を有する円筒
   状の内筒と、 前記内筒の内面に全周にわたって取り付けられ、内部を
   軸線方向に燃焼ガスが流れる円筒状の燃焼室壁を構成す
   る熱遮蔽部材と、 前記熱遮蔽部材と内筒との間を内筒軸線方向に流れる冷
   却空気と前記熱遮蔽部材との間の熱交換を促進する熱交
   換手段と、 前記内筒と前記熱遮蔽部材とを貫通して内筒外部から燃
   焼室内に開口する管状の貫通部材とを備えたガスタービ
   ン燃焼器壁面冷却構造であって、 前記熱交換手段は、前記貫通部材の燃焼ガス流れ方向下
   流側部分での冷却空気と熱遮蔽部材との間の熱伝達率
   が、前記貫通部材の燃焼ガス流れ方向上流側での冷却空
   気と熱遮蔽部材との間の熱伝達率より大きくなるように
   設定されていることを特徴とする、ガスタービン燃焼器
   壁面冷却構造。
2. 【請求項２】 前記貫通部材の燃焼ガス流れ方向下流側
   の熱交換手段は、前記熱遮蔽部材外周部から直角方向に
   突出する複数の突起からなるピンフィン列を備えた、請
   求項１に記載のガスタービン燃焼器壁面冷却構造。
3. 【請求項３】 前記貫通部材の燃焼ガス流れ方向下流側
   の熱交換手段は、 前記熱遮蔽部材中に内筒軸線に沿った方向に延びる複数
   の管状の内部冷却空気通路を備え、前記内部冷却空気通
   路は前記貫通部材の燃焼ガス流れ方向下流側の熱遮蔽部
   材外周部に開口する冷却空気入口と、前記熱遮蔽部材の
   下流側端部に開口する冷却空気出口とを備え、前記内部
   冷却空気通路を流れた冷却空気は前記冷却空気出口から
   前記内筒内周面に沿って燃焼室内に流入する、請求項１
   に記載のガスタービン燃焼器壁面冷却構造。
4. 【請求項４】 前記貫通部材の燃焼ガス流れ方向下流側
   の熱交換手段は、熱遮蔽部材の外周部に設けられた軸線
   方向に延びる複数の溝と、該溝内に溝横断方向に対して
   斜めに延設された突起からなる斜めタービュレータとを
   備えた、請求項１に記載のガスタービン燃焼器壁面冷却
   構造。
5. 【請求項５】 前記貫通部材の燃焼ガス流れ方向上流側
   の熱交換手段は、熱遮蔽部材の外周部に全周にわたって
   設けられた軸線方向に延びる複数の溝を備えた、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壁
   面冷却構造。
6. 【請求項６】 燃焼室を構成する内部空間を有する円筒
   状の内筒と、 前記内筒の内面に全周にわたって取り付けられ、内部を
   軸線方向に燃焼ガスが流れる円筒状の燃焼室壁を構成す
   る熱遮蔽部材と、 前記熱遮蔽部材と内筒との間を内筒軸線方向に冷却空気
   が流れる冷却空気通路と、 前記内筒と前記熱遮蔽部材とを貫通して内筒外部から燃
   焼室内に開口する管状の貫通部材とを備えたガスタービ
   ン燃焼器壁面冷却構造であって、 前記冷却空気通路は、前記冷却空気の一部を、前記熱遮
   蔽部材の前記貫通部材の燃焼ガス流れ方向下流側部分か
   ら前記熱遮蔽部材内周面に沿って流すフィルム冷却空気
   供給手段を備えたことを特徴とする、ガスタービン燃焼
   器壁面冷却構造。
7. 【請求項７】 前記フィルム冷却空気供給手段は、前記
   熱遮蔽部材の前記貫通部材貫通部の、前記貫通部材外周
   の燃焼ガス流れ方向下流側表面と前記熱遮蔽部材との間
   隙からなる冷却空気供給口と、前記貫通部材の開口周囲
   に設けられ、前記冷却空気通路から前記冷却空気供給口
   を通って燃焼室内に流入する冷却空気を熱遮蔽部材内周
   面に沿って燃焼ガス流れ方向下流側に向けて流す偏向手
   段と、を備えた請求項６に記載のガスタービン燃焼器壁
   面冷却構造。
8. 【請求項８】 前記冷却空気通路は、前記貫通部材の燃
   焼ガス流れ方向下流側の前記熱遮蔽部材中に内筒軸線に
   沿った方向に延びる複数の管状の内部冷却空気通路と、
   前記貫通部材の燃焼ガス流れ方向下流側の熱遮蔽部材外
   周部に開口する前記内部冷却空気通路への冷却空気入口
   とを備え、前記フィルム冷却空気供給手段は、前記、前
   記熱遮蔽部材の前記貫通部材下流側の内周面に開口し、
   前記内部冷却空気通路内の冷却空気を燃焼室内に放出す
   るフィルム冷却空気供給口と、を備えた請求項６に記載
   のガスタービン燃焼器壁面冷却構造。