JP6202976B2

JP6202976B2 - ガスタービン燃焼器

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Publication number: JP6202976B2
Application number: JP2013212435A
Authority: JP
Inventors: 沼田　祥平; 祥平沼田; 修横田; 哲馬辰巳; 林　明典; 明典林
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2013-10-10
Filing date: 2013-10-10
Publication date: 2017-09-27
Anticipated expiration: 2033-10-10
Also published as: JP2015075046A; US20150101336A1; EP2860452A1; CN104566475B; EP2860452B1; US9958163B2; CN104566475A

Description

本発明はガスタービン燃焼器に関する。

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、加熱炉など、冷却、加熱、熱交換等における流体と固体の間の伝熱促進に対しては、各機器に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。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。

この点を鑑みたガスタービン燃焼器の伝熱装置（伝熱構造）として、特開２００１−２８０１５４号公報（特許文献１）には、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た構造が記載されている。当該ライナにおける各円筒材は、隣り合う他の円筒材とオーバーラップして連結されており、当該オーバーラップ部分は溶接及びロー付けで結合されている。

また、各円筒材の一方の端部（圧縮機からの圧縮空気の流通方向の下流側）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、当該縦渦によって流通路の伝熱媒体を攪拌する。さらに、当該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）が設けられている。

また他の構造のガスタービン燃焼器の伝熱構造として、特開平６−２２１５６２号公報（特許文献２）には、ライナ外側に伝熱媒体の流通路を形成するために設けられたフロースリーブ(外筒)の内径を徐々に縮小させたものが記載されている。この文献では、当該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している。

また他の構造のガスタービン燃焼器の伝熱構造として、特開２０００−３２０８３７号公報（特許文献３）がある。この公報には、「ライナの外周側およびフロースリーブ内周側にガイドフィンを設けることにより、流速を早めて伝熱効果向上を図る」と記載されている。

特開２００１−２８０１５４号公報特開平６−２２１５６２号公報特開２０００−３２０８３７号公報

特許文献１が開示する伝熱装置は、従前のものと比較して冷却性能、構造強度および低ＮＯｘ性等の点で優れたものであったが、製造工程の簡素性及び長寿命性という観点からは構造を改良する余地がある。

例えば、上記ライナは複数の円筒部材を軸方向に結合して形成されているが、各円筒部材はオーバーラップ部分で溶接接合されている。このような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、溶接箇所が多いと工数が増加するため製造コストが増加する点も指摘できる。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、溶接を利用する場合においては、各円筒部材に熱変形が発生することがある。熱変形が発生した場合、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）等）への組み込み性が低下し、更にはライナを再度円形に整形する手間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部材のオーバーラップ部分は、二重構造となり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）が低下する点も指摘できる。

また特許文献２が開示する伝熱装置は、特許文献１と比較してライナ側の構造が簡素であるため、製造工程の簡素性及び構造物の長寿命性に優れていると考えられるが、流速および表面粗さの増大によってのみ伝熱促進を図るため、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り過ぎるおそれがある。

また特許文献３が開示する伝熱装置は、フロースリーブの内周側にだけガイドフィンを設置した構造では簡素性及び長寿命性に優れているが、伝熱促進に寄与している作用は流速の増大のみであり、特許文献２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り過ぎるおそれがある。

本発明の目的は、圧力損失の増大を抑制しつつ熱伝達を促進することができる、製造工程の簡素性及び長寿命性に優れた伝熱装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、伝熱媒体を燃焼器ライナとフロースリーブ間に流通させるガスタービン燃焼器において、前記フロースリーブは内径縮小部を備え、前記内径縮小部上流の内側表面に縦渦を発生させる縦渦発生手段を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、製造工程の簡素化と長寿命化を確保しつつ、圧力損失の増大を抑制しつつライナの伝熱促進効果を向上することができる。

ガスタービンプラントの概略構成図である。本発明の第１の実施例に係るガスタービン燃焼器の断面図である。本発明の第１の実施例に係る縦渦発生手段を設けたフロースリーブ構造の例である。本発明の第２の実施例に係る縦渦発生手段を平面状に展開したときの上面図である。本発明の第３の実施例に係るガスタービン燃焼器の断面図である。本発明の第４の実施例に係るガスタービン燃焼器の断面図である。本発明の第５の実施の例に係るガスタービン燃焼器の断面図である。本発明の第６の実施例に係るガスタービン燃焼器の断面図である。縦渦発生手段と乱流促進手段によって生じる流れの概念図である。比較例に係る伝熱装置を備えたガスタービン燃焼器の断面図である。

以下で説明する本発明の各実施例は、伝熱装置を備えたガスタービン燃焼器に係わり、特に強制対流による流体と部材の間の伝熱を促進する装置、すなわち、部材の表面に沿って伝熱媒体を流通させ、部材と伝熱媒体間で熱授受を行うようにした伝熱装置を備えたガスタービン燃焼器に関するものである。

強制対流伝熱においては、効率向上のため、伝熱促進に対して圧力損失の増大を抑制することが必要である。例えば、ガスタービンの効率向上のためには、燃焼ガス温度を高くする必要があり、それに伴い、ライナ冷却強化が求められるが、更なる冷却促進法では圧力損失増大を避ける必要がある。そのような中で、衝突噴流冷却（インピンジ冷却）においては、噴流速度の増加に伴い圧力損失が大きくなることがある。また、フィン冷却では、フィンの増加とともに圧力損失が大きくなる傾向がある。リブによる乱流促進は圧力損失増加は比較的少ないものの、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。

そのため、圧力損失の増大を抑制しつつ伝熱性能の向上を図るために伝熱装置を備えた燃焼器ライナが多数提案されている。その具体例の一つが特許文献１のような燃焼器ライナ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ものである。このような技術の基本構造は伝熱装置を温度が高温側となる燃焼器ライナ表面に設置するものとなっているため、燃焼器ライナ表面に付加する部品や溶接部位の数が増加し、製造コストの増加および熱的強度の関係から製品信頼性の確保に多くのコスト・時間を要することとなる。

次に、特許文献３では、燃焼器ライナ外側表面とフロースリーブ内側表面にそれぞれガイドフィンを設ける具体例が示されている。特許文献３に記載された燃焼器の基本構造は、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狭める（減少）ことにより、通過する空気（伝熱媒体）の流速を速めて伝熱効果向上を図るものである。しかし、流速の増加は圧力損失を増大させ、ガスタービン全体の効率低下を招く一因になる。

そこでこれらの事情を考慮し、ある伝熱装置を備えることで製品信頼性を向上させつつ圧力損失の増大を抑制した機器を提供する。例えば、このような機器の一つであるガスタービン燃焼器においては、伝熱性能（冷却効果）をより向上させる機器構成とした縦渦発生手段を備えることにより、ガスタービン効率の低下を最小限に抑えた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向上させ、予混合燃焼空気を増加させて低ＮＯｘ化を図ることを可能とする。

より具体的な例としては、伝熱装置を備えたガスタービン用燃焼器として、伝熱媒体の環状流路を形成する内周側の燃焼器ライナと外周側のフロースリーブとを設け、フロースリーブの内径はテーパ部を経て縮小する構造とし、かつ外周側のフロースリーブの内径縮小部より上流側の内側表面に伝熱媒体の流れ方向に回転の中心軸を持つ渦（縦渦）を発生させる縦渦発生手段を設ける。

また他の具体的な例としては、環状流路を形成する内周側の燃焼器ライナと内径縮小部を有する外周側のフロースリーブにおいて、フロースリーブの内径縮小部より上流側の内側表面に伝熱媒体の流れ方向に回転の中心軸を持つ渦（縦渦）を発生させる縦渦発生手段を設け、かつ、燃焼器ライナ外側表面に伝熱媒体に生ずる境界層を破壊する乱流促進手段を設ける。

また更に他の具体的な例としては、環状流路を形成する内周側の燃焼器ライナと内径縮小部を有する外周側のフロースリーブにおいて、フロースリーブの内径縮小部の上流側テーパ部の内側表面に伝熱媒体の流れ方向に回転の中心軸を持つ渦（縦渦）を発生させる縦渦発生手段を設ける。

また更に他の具体的な例としては、内周側の燃焼器ライナと共に環状流路を形成する外周側のフロースリーブにおいて、フロースリーブの内径は複数個所でテーパ部を経て縮小する構造とし、各テーパ部の内側表面に伝熱媒体の流れ方向に回転の中心軸を持つ渦（縦渦）を発生させる縦渦発生手段を設ける。

このような構成によれば、フロースリーブ内側表面に伝熱装置を備えることにより、製品信頼性を向上させつつ圧力損失の増大を抑制できる。また、燃焼器ライナに取り付ける部品の減少により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、それに伴う長寿命化が図れる。また、溶接部位の数の低減は燃焼器ライナ変形も抑制できる。更に、フロースリーブ内側表面に縦渦発生手段を設けたことにより、燃焼器ライナ外側表面に設置する乱流促進手段の取付け自由度が増え、局所的な冷却効果向上を図れる。

即ち、燃焼器ライナ構造を簡素化しつつ、フロースリーブ側に設けた縦渦発生器により発生させた縦渦の影響をライナ側に効果的に及ぼすことができるので、製造工程の簡素化と長寿命化を確保しつつ、圧力損失の増大を抑制しつつライナの伝熱促進効果を向上することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、本発明に係る伝熱装置の適用範囲は広いが、ここでは、高温領域でかつ流れが乱流場であるガスタービン燃焼器を例に挙げて説明する。

図１は、ガスタービン燃焼器を断面図で示すとともに、これを備えるガスタービンプラント（ガスタービン発電設備）の概略構成図である。この図に示すガスタービンプラントは、空気を圧縮して高圧の燃焼空気（圧縮空気）を生成する圧縮機１と、圧縮機１から導入される燃焼空気２と燃料を混合して燃焼させることで、高温の燃焼ガス４を生成する燃焼器６と、燃焼器６で生成された燃焼ガス４のエネルギーにより軸駆動力を得るタービン３と、タービン３によって駆動され発電を行う発電機７とを備えている。なお、図示した圧縮機１、タービン３及び発電機７の回転軸は機械的に連結されている。

燃焼器６は、フロースリーブ(外筒)１０と、フロースリーブ１０の内側に間隔を介して設けられ、燃焼室５を内部に形成する円筒状の燃焼器ライナ（内筒）８と、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に導くトランジションピース（尾筒）９とを備えており、フロースリーブ１０とライナ８の間には圧縮機１から供給される燃焼空気（伝熱媒体）２が流通する環状流路１１が形成されている。さらに、燃焼器６は、ライナ８の燃焼ガス流通方向上流側端部を全面的に塞ぎ、片側端面が燃焼室５に臨むようにライナ８の中心軸に略直交して配置されている略円板状のプレート１２と、プレート１２上に配置された複数のバーナ１３を備えている。

図９に、各実施例に係る縦渦発生手段２０と乱流促進手段３０の流線と伝熱促進の概念を示す。縦渦発生手段２０は、伝熱媒体流通側表面から突き出した板状の突出部により構成されている。そして、この突出部は、伝熱媒体の主流方向に対して一定の仰角γを有しているため、流れ方向に回転軸を持つ縦渦が発生し、流路内の伝熱媒体（空気２）を大きく撹拌しながら縦渦を形成して下流に向かって流れる。

この伝熱媒体が大きく撹拌しながら流れる作用について、例として、ガスタービン用燃焼器に適用した場合で考える。例えば燃焼器ライナとフロースリーブで形成される環状流路内に縦渦発生手段２０を設けた場合、伝熱媒体である空気が大きく撹拌しながら流れるため、燃焼器ライナ側の温められた空気とフロースリーブ側の冷たい空気が縦渦により交換される。その結果、燃焼器ライナ表面に常に低温の伝熱媒体が供給されることから、燃焼器ライナ表面の対流冷却を効率良く行うことができることとなる。

更に、燃焼器ライナ表面に設けた乱流促進手段３０の長軸方向が、伝熱媒体の主流方向に対して交差させることにより、ライナ壁面近傍にはく離渦が発生する。このはく離渦は、壁面近傍に生ずる伝熱媒体の境界層を破壊する効果が大きいため、縦渦発生手段と併用することによってより大きな冷却促進効果が得られる。この乱流促進手段３０の高さｈは、はく離渦のライナ再付着距離を考慮して決められる。

各実施例の中で、ガスタービンの全体構成や燃料ノズルを含む燃焼器の詳細な作用についての説明は除くこととし、それらについては、特許文献１の内容を参照されたい。また、フロースリーブとは、燃焼器に供給される空気の流速や偏流を調節するために、燃焼器ライナ外周側に設ける円筒形状の構造体である。

図２は本発明の第１の実施の形態に係るガスタービン燃焼器の断面図である。先の図と同じ部分には同じ符号を付して説明は省略する（後の図も同様とする）。

この図に示すガスタービン燃焼器において、燃焼器ライナ８とフロースリーブ１０は、ほぼ同心円状の二重円筒構造となっており、フロースリーブの直径を燃焼器ライナより大きくすることで環状流路を形成し、この環状流路の中を伝熱媒体である空気２が流れる。本実施例において、フロースリーブ１０は、上流側の内周部よりも内径の縮小した内径縮小部１０ｂと、内径縮小部１０ｂとその上流側の内周部とを滑らかに接続するテーパ部１０ｃを備え、内径縮小部１０ｂよりも上流側の内側表面に縦渦２１を発生させる縦渦発生手段２０を備える。ここで縦渦発生手段の設置方法は、発生する渦の回転方向が互いに逆向きとなるような仰角を持たせた縦渦発生手段２０を対とし、対の縦渦発生手段を複数等間隔でフロースリーブ内側の周方向に並べるものである。

このような構成において、環状流路１１を流れる燃焼空気２は縦渦発生手段２０を通過する際、二次流れ(縦渦)２１を生じる。ここで生じた縦渦２１は、主流の流れに伴い下流側のテーパ部１０ｃを通過するが、その際にライナ８側に押し付けられ、また流路縮小に伴って渦の径も小さくなるため渦の強度が大きくなる。これにより冷却対象のライナ面に強い縦渦によるインピンジ効果とライナ・フロースリーブ間の撹拌効果をもたらし、圧力損失の上昇を抑えつつ、ライナ壁面の伝熱を促進することができる。

さらに、縦渦発生手段２０の径方向についての高さを燃焼器ライナ８とフロースリーブ１０で形成される環状流路１１の高さと同等まで大きくすることにより、環状流路全体を撹拌する効果とライナ側の温度境界層に影響を及ぼす効果を得ることができ、ライナ壁面の伝熱をさらに促進することができる。なお、縦渦発生手段２０のの高さは、必ずしも環状流路１１の高さと同一である必要は無く、例えばライナ８とフロースリーブ１０の熱伸び差や強度面を考慮して、環状流路１１の高さよりも多少低く設定しても良い。

図３に、フロースリーブ１０内側表面に縦渦発生手段２０を設置した本実施例の具体例を示す。ここでは、個々の縦渦発生手段２０をフロースリーブ１０内側表面に溶接もしくはスポット溶接にて固定したものを示している。また、図３中の拡大詳細図に示すように、縦渦発生手段２０は、三角形状のリブを伝熱媒体の流れ方向に対して仰角を持たせて配置したものであり、隣接する縦渦発生手段と対になって構成されており、発生する渦の回転方向が互いに逆向きとなるような仰角を持たせて設置している。

このように発生させる渦の回転方向が互いに逆向きとなる縦渦発生手段２０を対にして配置することにより、逆回転の縦渦同士が互いに作用しあうため、効率よく縦渦を形成して保持することができる。そのため、少ない圧力損失で十分な冷却を行なう事が可能となり、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。

比較例の伝熱装置を備えたガスタービン燃焼器を図１０に示す。比較例の伝熱装置では、燃焼器ライナ外側表面に縦渦発生手段と乱流促進手段の両方を備えたことを特徴としており、高温となる燃焼器ライナ側に伝熱装置を設置する構造となっている。

これに対し本実施例のようにフロースリーブ１０内側表面に縦渦発生手段２０を設置することのメリットは、低温部材側であるフロースリーブ１０に設置することにより縦渦発生手段２０溶接部の熱疲労が少ないため、伝熱装置を備えたガスタービン用燃焼器としての製品信頼性を向上させつつ圧力損失の増大を抑制できる点にある。また、燃焼器ライナに取り付ける部品の減少により溶接部位の数を低減できることから、コスト低減が図れ、かつ、燃焼器ライナ変形も抑制できる。すなわち、フロースリーブは燃焼器ライナと異なり、伝熱媒体が流れる環状流路を形成するためのものであるため常に低温状態であり、冷却を必要としない。そのため、フロースリーブを製作する材質は炭素鋼など安価な材料で良い。

更に、フロースリーブ側に縦渦発生手段を設置することで、燃焼器ライナを交換しても伝熱装置である縦渦発生手段をそのまま継続して使用することができ交換する必要もない。フロースリーブに対して燃焼器ライナの主な作用は、高温の燃焼ガス４と伝熱媒体である空気２を仕切ることであるため、常に一定温度以下に冷却する必要がある。この燃焼器ライナで溶接による変形が生じると、局所的に冷却用空気のバランスが崩れ、冷却空気量不足による燃焼器ライナの焼損が考えられる。しかし、本発明では、燃焼器ライナに取り付ける部品の減少により溶接部位の数を低減できることから燃焼器ライナ変形も抑制でき、製品信頼性が向上する。

他に、特許文献３には、「燃焼筒外筒に設置するガイドフィンだけで、環状流路の流れを燃焼筒の近くで増速させ、熱伝達率を向上させる効果」が示されている。すなわち、フロースリーブ内側表面に主流方向に対して３０°〜６０°の角度でそれぞれ断続するガイドフィンを設けることにより、環状流路の断面積を狭め（減少）、通過する空気（伝熱媒体）の流速を速めて伝熱効果（冷却効果）向上を図るものである。しかしながら、流速の増加は圧力損失を増大させることとなる。

また、発生する渦に着目した場合、特許文献３で示されている燃焼器ライナ外側表面の周方向に断続するガイドフィンを設けた構造は、伝熱媒体（空気）がガイドフィン両端の隙間を通過する際、燃焼器ライナ表面上で横渦（平面渦）を生成する構造である。この横渦（平面渦）によれば、燃焼器ライナ表面の境界層を破壊できるため、冷却効果は局所的に向上する。しかしながら、この横渦（平面渦）は下流方向に流れるに従って温度が高くなるため、徐々に伝熱特性（冷却性能）が低下する。

これに対し本実施例では、主流方向に対する縦渦発生手段２０の角度が１０°〜２０°と鋭角であるため、ほとんど環状流路内の断面積を減少させることがなく、圧力損失の増加を抑制できる。

図４は、実施例２に係る燃焼器の伝熱装置である縦渦発生手段の示す図である。本実施例は、シート状の部材２２の表面に、伝熱媒体の流れ方向に回転軸を持つ縦渦を発生させる縦渦発生手段２０を一体成型で加工し、それを円筒形状に曲げた後、フロースリーブ１０内側表面に挿入し、スポット溶接にて固定して製作するものである。

ここで、縦渦発生手段２０を持つ伝熱装置の製造方法について簡単に説明する。まず、流通方向に対して一定の仰角を持たせた縦渦発生手段２０をプレス機等によりシート状の部材２２の表面に成型加工する。そして、成型された縦渦発生手段２０を持つ部材２２を円筒形状に曲げ加工して、フロースリーブ１０の内周側に挿入して設置する。この縦渦発生手段は、隣接する縦渦発生手段によって発生する渦の回転方向が互いに逆向きとなるように仰角を持たせて成型する。

このような製造方法によって縦渦発生手段２０を形成したガスタービン燃焼器によれば、金型を作ることによって、シート状の部材２２に一体成型で簡単に縦渦発生手段を備えた伝熱装置を加工することができ、かつ、製造方法の簡素化によりコスト低減も図れる。

図５は、実施例３における伝熱装置を備えた燃焼器の構成を示す例である。具体的には、燃焼器ライナ８の外側表面に、伝熱媒体に生ずる境界層を破壊する乱流促進手段３０を燃焼器ライナ８の軸方向について複数配置したものである。このように、伝熱媒体の流れ方向と交差させるように設置した乱流促進手段３０の作用は、燃焼器ライナ８壁面近傍にはく離渦を発生させる。この渦は、縦渦発生手段２０のような流路全体を大きく撹拌するような効果は持たないが、燃焼器ライナ壁面近傍の境界層を破壊する効果が大きいため、フロースリーブ内側表面に設けた縦渦発生手段２０と併用することにより、冷却促進効果は相乗的に大きくなる。

これは、乱流促進手段３０によって形成されるはく離渦が燃焼器ライナ壁面近傍の境界層を破壊することにより、フロースリーブ１０側から縦渦によって運ばれる低温の空気を燃焼器ライナ８の冷却に有効に利用できるためである。そのため、縦渦発生手段２０と燃焼器ライナの外側表面に伝熱媒体に生ずる境界層を破壊する乱流促進手段３０を同時に備えた本実施例の構成によれば、冷却効率を更に向上させることが可能となるため、より顕著な製品信頼性の向上効果及び圧力損失増大の抑制効果を得る事ができる。

図６は、実施例４における伝熱装置を備えた燃焼器の構成を示す例である。具体的には、フロースリーブ１０は、内径縮小部１０ｂとテーパ部１０ｃを備え、内径縮小部の上流側テーパ部１０ｃ上に縦渦発生手段２０を備える。この構造により、縦渦発生手段２０により生成した縦渦２１は、テーパ部に沿って進行方向がライナ側に指向される。これにより冷却対象のライナ面により近い領域の撹拌効果をもたらし、圧力損失の上昇を抑えつつ、ライナ壁面の伝熱を促進することができる。ここで、縦渦発生手段２０の大きさを、縦渦発生手段の上端が燃焼器ライナ８の外面に達する程度に大きくすることにより、環状流路全体を撹拌する効果とライナ側の温度境界層に影響を及ぼす効果を得ることができ、ライナ壁面の伝熱をさらに促進することができる。

また、燃焼器ライナ８外側表面に乱流促進手段３０を設置することにより、冷却促進効果は相乗的に大きくなる。これは、乱流促進手段３０によって形成されるはく離渦が燃焼器ライナ壁面近傍の境界層を破壊することにより、フロースリーブ１０側から縦渦によって運ばれる低温の空気を燃焼器ライナ８の冷却に有効に利用できるためである。

したがって、フロースリーブテーパ部１０ｃ上の縦渦発生手段２０と燃焼器ライナ８の外側表面に乱流促進手段３０を同時に備えた本実施例の構成によれば、冷却効率を更に向上させることが可能となるため、より顕著な製品信頼性の向上効果及び圧力損失増大の抑制効果を得る事ができる。

図７は、実施例５における伝熱装置を備えた燃焼器の構成を示す例である。具体的には、フロースリーブ１０は、複数の内径縮小部１０ｂと、複数の内径縮小部１０ｂのそれぞれに対応した複数のテーパ部１０ｃを備え、内径縮小部の上流側テーパ部１０ｃの各々に縦渦発生手段２０を備える。この構造により、縦渦発生手段２０により生成した縦渦２１は、テーパ部に沿って進行方向がライナ側に指向される。これにより冷却対象のライナ面により近い領域の撹拌効果をもたらし、圧力損失の上昇を抑えつつ、特に冷却が必要な部位（局所的な高温部等）を狙ってライナ壁面の伝熱を促進することができる。

したがって、複数段に設置したフロースリーブテーパ部１０ｃ上の縦渦発生手段２０と燃焼器ライナ８の外側表面に乱流促進手段３０を同時に備えた本実施例の構成によれば、冷却効率を更に向上させることが可能となるため、より顕著な製品信頼性の向上効果及び圧力損失増大の抑制効果を得る事ができる。

図８は、実施例６における伝熱装置を備えた燃焼器の構成を示す例である。具体的には、フロースリーブ１０は、内径縮小部１０ｂの内面に縦渦発生手段２０ｂを備える。この構造により、縦渦発生手段２０ｂにより生じた縦渦２１ｂが環状流路１１内に流通する冷却空気２を撹拌する。また、縦渦発生手段２０ｂ及びこれにより生成した縦渦２１ｂが実質的な流路を狭める効果により、上流の縦渦発生手段２０により生成した縦渦２１はよりライナ側に押し付けられ、また渦の半径が縮小して渦度が強化される。

したがって、冷却対象のライナ面により近い領域の撹拌効果をもたらし、圧力損失の上昇を抑えつつ、ライナ壁面の伝熱を促進することができる。このとき、図８の矢視図に示すように、渦の方向がお互いに順方向となるようにすれば、渦の崩壊を回避し渦を強化することができるため、ライナ壁面の伝熱促進効果を広範囲にわたって向上することができる。

したがって、フロースリーブ内径縮小部１０ｂ上の縦渦発生手段２０ｂと燃焼器ライナ８の外側表面に乱流促進手段３０を同時に備えた本実施例の構成によれば、冷却効率を更に向上させることが可能となるため、より顕著な製品信頼性の向上効果及び圧力損失増大の抑制効果を得る事ができる。

なお、図７に示したような、フロースリーブ１０が複数の内径縮小部１０ｂを有するような構成においても、本実施例の構成は当然適用可能である。この場合、複数の内径縮小部１０ｂのそれぞれに縦渦発生手段２０ｂを設置しても良いし、複数の内径縮小部１０ｂのうちの何れかに設置しても良い。

ところで、本発明は、上記の各実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば、本発明は、上記の各実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、ある実施の形態に係る構成の一部を、他の実施の形態に係る構成に追加又は置換することが可能である。

また、上記の各実施の形態では、伝熱対象物がガスタービン燃焼器のライナの場合についてのみ説明したが、空気等の伝熱媒体が表面に沿って流れる物体であれば、本発明は燃焼器ライナと同様に適用することができる。また、上記の各実施の形態では、伝熱対象物たる燃焼器ライナを伝熱媒体で冷却する場合について説明したが、伝熱対象物を伝熱媒体で加熱する場合についても本発明は同様に適用することができる。

また、乱流促進手段３０としては、ライナ８の周方向に延びるリブの他に、例えば凹凸形状を採用しても良い。

１…圧縮機、２…燃焼空気、３…タービン、４…燃焼ガス、５…燃焼室、６…燃焼器、７…発電機、８…ライナ、９…トランジションピース、１０…フロースリーブ、１０…フロースリーブ内径縮小部、１０ｃ…フロースリーブテーパ部、１１…環状流路、１２…プレート、１３…バーナ、２０…縦渦発生手段、２１…縦渦、２２…シート部材、３０…リブ

Claims

燃焼室を内部に形成する燃焼器ライナと、該燃焼器ライナの外周に設けられたフロースリーブとを備え、前記燃焼器ライナの外側表面と前記フロースリーブの内側表面との間に伝熱媒体が流通する環状流路が形成されたガスタービン燃焼器において、
前記フロースリーブが、
上流側の内周部よりも内径の縮小した内径縮小部と、該内径縮小部とその上流側の内周部とを滑らかに接続するテーパ部とを有し、
前記内径縮小部よりも上流側の内側表面に、伝熱媒体の流れ方向に回転の中心軸を持つ縦渦を発生させる縦渦発生手段を備えていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
前記燃焼器ライナの外側表面に、伝熱媒体に生ずる境界層を破壊する乱流促進手段が、前記燃焼器ライナの軸方向について複数配置されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項１または２に記載のガスタービン燃焼器において、
前記縦渦発生手段が、前記テーパ部に配置されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項３に記載のガスタービン燃焼器において、
前記フロースリーブは、複数の前記内径縮小部と、該内径縮小部のそれぞれに対応した複数の前記テーパ部とを有し、該複数のテーパ部の各々に前記縦渦発生手段を備えていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項１乃至４に記載のガスタービン燃焼器において、
前記内径縮小部に、前記縦渦発生手段とは異なる別の縦渦発生手段をさらに備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項１乃至５に記載のガスタービン燃焼器において、
前記縦渦発生手段は、当該燃焼器の径方向について、前記環状流路の高さと同等の高さを有することを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項１乃至６に記載のガスタービン燃焼器において、
前記縦渦発生手段は、三角形状のリブを伝熱媒体の流れ方向に対して仰角を持たせて配置したものであることを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項１乃至７に記載のガスタービン燃焼器において、
前記縦渦発生手段が、板状部材の表面に成型加工されたものであって、前記板状部材が円筒形状に曲げ加工されて前記フロースリーブ内周側に挿入されて形成されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。