JP5473918B2 - 熱交換隔壁 - Google Patents
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Description
しかしながら、基板は、耐熱性には優れているが、熱伝導率のよくない耐熱合金(例えば、ニッケル基)で製作されるのが一般的であり、基板をより効果的に冷却し、基板の冷却効率をさらに向上させることが求められていた。
本発明に係る熱交換隔壁は、基板と、この基板の表面上に立設された複数のピンフィンとを備え、前記基板の表面に沿って前記基板の長さ方向に冷却媒体が流される熱交換隔壁であって、前記ピンフィンはそれぞれ、その頂面が、その底面よりも下流側に位置するように、全体または一部が下流側に後傾しているとともに、前記基板の表面は、前記基板の長さ方向に沿って、凹部と凸部とが交互に繰り返し形成された断面視波形の凹凸面とされ、前記ピンフィンはそれぞれ、前記凸部の頂点から下流側に拡がる下流側傾斜面を底面として形成されている。
また、このような熱交換隔壁によれば、基板の表面には、当該基板の長さ方向に沿って、凹部と凸部とが交互に繰り返し形成された断面視波形の凹凸面が設けられているとともに、ピンフィンは、その底面が凸部の頂点から、または凸部の頂点よりもわずかに下流側から始まるように形成されており、これにより、幅方向に並ぶピンフィンとピンフィンとの間を通過した冷却媒体は、凸部の頂点から下流側に拡がる下流側傾斜面に沿って基板の表面近傍を流れた後、凸部の頂点から上流側に拡がる上流側傾斜面に、より大きな角度で衝突し、基板の表面からさらに効率よく熱が奪われることとなるので、基板の表面をさらに効果的に冷却することができて、基板の冷却効率をより一層向上させることができる。
したがって、冷却媒体として燃焼用空気が利用される場合には、より多くの燃焼用空気を燃焼室内に導入することができ、燃料の流量に対する燃焼用空気の流量を増大させることができて、燃焼温度を低減するとともに燃焼器内部での燃焼ガス・非燃焼ガスの攪拌一様化を促進して急速にかつ一様に冷却することにより、当該ガスタービン用燃焼器から排出される排気ガスのNOX濃度を低減させることができる。
したがって、冷却媒体として燃焼用空気が利用される場合には、より多くの燃焼用空気を燃焼室内に導入することができ、燃料の流量に対する燃焼用空気の流量を増大させることができて、当該ガスタービンから排出される排気ガスのNOX濃度を低減させることができる。
2 燃焼器(ガスタービン用燃焼器)
18 冷却空気(冷却媒体)
20 基板
20a 表面
21 ピンフィン
25 熱交換隔壁
26 基板
26a 表面
27 凹部
28 凸部
28a 下流側傾斜面
28b 上流側傾斜面
31 熱交換隔壁
32 リブ(乱流促進体)
33 基板
35 熱交換隔壁
36 ピンフィン
40 ピンフィン
図1は本発明に係る熱交換隔壁を具備した燃焼器の構成を示す図、図2は本実施形態に係る熱交換隔壁を、その長手方向に沿うとともにその表面に垂直な平面で切った断面図、図3は図2に示す熱交換隔壁に立設されたピンフィンの配列状態を説明するための図であって、ピンフィンの中心軸線と直交する平面で切った図である。
一方、内筒6の外壁はシェル12によって形成されている。内筒6には、内筒6の内部に燃料を噴射する燃料ノズル8が設置されており、内筒6の内部に空気を導入する空気入口10が設けられている。
なお、図1中の符号18は、熱交換隔壁1とシェル12との間の隙間を流れる冷却空気(冷却媒体)を示している。
各ピンフィン21は、基板20の表面20aを底面とし、その中心軸線(長手方向軸線)である直線22と直交する平面で切った断面形状が円形(または楕円形)を呈する(すなわち、基板20の表面20aに平行な平面で切った断面形状が楕円形を呈する)筒状の部材であり、シェル12の表面12aに垂直な方向の高さHが、基板20の表面20aとシェル12の表面12aとの間の距離と同一か、またはわずかに短くなるように(より詳しくは、ピンフィン21の半径の約4倍となるように)形成されている。
また、各ピンフィン21は、その頂面(シェル12の表面12aと対向する面)が、その底面よりも下流側(図3において右側)に位置して後傾するよう、後傾角(直線22と基板20の表面20aとのなす角または直線22とシェル12の表面12aとのなす角)α(本実施形態では45度)をもって基板20の表面20a上に立設されている。
シェル12の表面12aと基板20の表面20aとの間の隙間を流れてきた冷却空気18は、幅方向に並ぶピンフィン21とピンフィン21との間を通過する際、その流路面積が1/2(高さHが基板20の表面20aとシェル12の表面12aとの間の距離と同一の場合)に絞られることにより、その流速が2倍になるとともに、ピンフィン21の中心軸線である直線22に沿う方向の成分と、この成分と直交する方向の成分との合力の方向、すなわち、基板20の表面20aに対して上流側から斜めに衝突する方向に進んでいくことになる(例えば、図9参照)。
これにより、基板20の表面20aから効率よく熱が奪われることとなるので、基板20の表面20aをより効果的に冷却することができて、基板20の冷却効率をさらに向上させることができる。
そして、シェル12の表面12aに沿って下流側に流れていった冷却空気18は、基板20の表面20aに再び衝突することとなる。
図4に示すように、本実施形態に係る熱交換隔壁25は、基板20の代わりに、基板26を備えているという点で上述した第1実施形態のものと異なる。その他の構成要素については上述した第1実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
また、各ピンフィン21は、凸部28の頂点から下流側に拡がる(延びる)下流側傾斜面28aを底面としている。すなわち、各ピンフィン21は、その底面が凸部28の頂点から、または凸部28の頂点よりもわずかに下流側から始まるように形成されている。
ここで、凹凸度1とは、図9に示すように、凸部28の頂点から下流側に拡がる下流側傾斜面28aの傾斜が、ピンフィン21の中心軸線である直線22(図2参照)に沿う方向の成分を「1」、この成分と直交する方向の成分を「2」とし、これら成分の合力の方向に沿うように形成されていることをいう。
また、凹凸度2とは、図10に示すように、凸部28の頂点から下流側に拡がる下流側傾斜面28aの傾斜が、ピンフィン21の中心軸線である直線22(図2参照)に沿う方向の成分を「1」、この成分と直交する方向の成分を「4」とし、これら成分の合力の方向に沿うように形成されていることをいう。
なお、基板26の表面に凹凸がない場合、すなわち、第1実施形態のところで説明した図2に示す基板20では、シェル12の表面12aに沿ってシェル12の表面12a近傍を流れてきた冷却空気18(図4参照)の一部、およびシェル12の表面12aに沿ってシェル12の表面12aと基板20の表面20aとの略真ん中を流れてきた冷却空気18(図4参照)の一部が、基板20の表面20aに衝突するまでの距離が本実施形態のものよりも長くなり、かつ、衝突の角度が本実施形態のものよりも小さくなる。
一方、基板26の表面26aに衝突した冷却空気18(図4参照)は、基板26の表面26aに沿って基板26の表面26a近傍を暫く流れた後、図において一点鎖線で示す流れとなって、シェル12の表面12a近傍に導かれ、シェル12の表面12aに沿ってシェル12の表面12a近傍を流れていくこととなる。
図11および図12に示すように、本実施形態に係る熱交換隔壁31は、基板26の表面26aに複数のリブ32が立設された基板33を備えているという点で上述した第2実施形態のものと異なる。その他の構成要素については上述した第2実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
図13に示すように、本実施形態に係る熱交換隔壁35は、ピンフィン21の代わりに、ピンフィン36を備えているという点で上述した第2実施形態のものと異なる。その他の構成要素については上述した第2実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、図14中の傾きθ=−45とは、後傾角α=45度をもって基板20の表面20a上または基板26の下流側傾斜面28a上にピンフィンが立設されていることを意味し、傾きθ=+45とは、前傾角β=45度をもって基板20の表面20a上または基板26の上流側傾斜面28b上にピンフィンが立設されていることを意味している。
また、図16から図18中に示す「Nu」は、冷却空気(流体)18と基板(20または26)との間の熱伝達の強さを指示する無次元数(ヌセルト数)である。
また、本発明に係るピンフィンは、幅方向外側から見た中心軸線が直線22(図2参照)を呈するものに限定されるものではなく、例えば、図19に示すような形状を有するピンフィン40、すなわち、シェル12の表面12a側の一部のみが下流側に後傾するピンフィンや、ピンフィン40と逆方向に傾斜するピンフィン、すなわち、シェル12の表面12a側の一部のみが上流側に前傾するピンフィンであってもよい。
さらに、本発明に係るピンフィン21の高さHは、半径の4倍に限定されるものではなく、任意に長くても短くても良い。
さらにまた、本発明に係る隣接するピンフィン21とピンフィン21との中心間の間隔は、半径の4倍に限定されるものではなく、任意に長くても短くても良く、より下降速度を強めたり、弱めたりしたものであってもよい。
さらにまた、本発明に係るピンフィン21の配置は、図3に示したような正三角形配置に限定されるものではなく、任意に変形して流れ方向の間隔が広がったものであっても、狭まったものであっても良い。
さらにまた、底面の凸凹度は1または2に限定されるものではなく、より凸凹しても平面に近くしたものであってもよい。
Claims (4)
- 基板と、この基板の表面上に立設された複数のピンフィンとを備え、前記基板の表面に沿って前記基板の長さ方向に冷却媒体が流される熱交換隔壁であって、
前記ピンフィンはそれぞれ、その頂面が、その底面よりも下流側に位置するように、全体または一部が下流側に後傾しているとともに、
前記基板の表面は、前記基板の長さ方向に沿って、凹部と凸部とが交互に繰り返し形成された断面視波形の凹凸面とされ、
前記ピンフィンはそれぞれ、前記凸部の頂点から下流側に拡がる下流側傾斜面を底面として形成されていることを特徴とする熱交換隔壁。 - 前記基板の表面に、当該基板の表面近傍を流れてきた冷却媒体を攪乱させることにより乱流を発生させる乱流促進体が複数設けられていることを特徴とする請求項1に記載の熱交換隔壁。
- 請求項1または2に記載の熱交換隔壁を具備してなることを特徴とするガスタービン用燃焼器。
- 請求項3に記載のガスタービン用燃焼器を具備してなることを特徴とするガスタービン。
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