| 【発明の名称】 |
プレートフィン及びそれを用いた燃焼器 |
| 【発明者】 |
【氏名】北村 剛
【氏名】田中 克則
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| 【要約】 |
【課題】燃焼室の内面への冷却空気の貼り付き性を高めて、良好なフィルム冷却性を確保する。
【解決手段】冷却空気取入孔３５と冷却空気流出孔３４ａとに連通し、冷却空気取入孔３５から取り入れた冷却空気が冷却空気流出孔３４ａへ向かって流されることにより対流冷却が行われる溝部３４と連通する噴出孔３６を内面側に形成する。噴出孔３６から冷却空気の一部を内面から噴出させることにより、上流側の冷却空気流出孔３４ａから流出して内面に沿って流れて空気フィルムを形成する冷却空気に、内面に沿う渦を生じさせ、渦によって内面に貼り付くように空気フィルムを流し、フィルム冷却を向上させる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 燃焼器の燃焼室を形成し、冷却空気取入孔から外周側の冷却空気を取り入れて冷却空気流出孔から燃焼室の内面に沿って送り込んで空気フィルムを形成することによりフィルム冷却を行うプレートフィンであって、内面側には、前記冷却空気流出孔から流出されて内面に沿って流れる空気フィルムに、内面に沿う渦を生じさせる渦発生手段が設けられていることを特徴とするプレートフィン。
【請求項２】 前記冷却空気取入孔と前記冷却空気流出孔とに連通し、前記冷却空気取入孔から取り入れた冷却空気が前記冷却空気流出孔へ向かって流されることにより対流冷却が行われる冷却流路を有することを特徴とする請求項１記載のプレートフィン。
【請求項３】 前記渦発生手段は、前記冷却空気取入孔から取り入れられる冷却空気の一部を内面から噴出させる噴出孔を有し、該噴出孔から冷却空気の一部が噴出されることにより前記空気フィルムに渦が形成されることを特徴とする請求項１または請求項２記載のプレートフィン。
【請求項４】 前記渦発生手段は、内面に設けられた突起部からなり、該突起部によって内面に沿って流れる前記空気フィルムに渦が形成されることを特徴とする請求項１または請求項２記載のプレートフィン。
【請求項５】 中心に配置されたパイロットバーナの周囲に複数のメインバーナが配置されたバーナと、このバーナからの燃焼ガスが送り込まれる筒状の燃焼室とを有する燃焼器であって、前記燃焼室が請求項１〜４のいずれか１項記載のプレートフィンを筒状に形成してなることを特徴とするプレートフィンを用いた燃焼器。
【請求項６】 中心に配置されたパイロットバーナの周囲に複数のメインバーナが配置されたバーナと、このバーナからの燃焼ガスが送り込まれる筒状の燃焼室とを有する燃焼器であって、前記燃焼室の下流側が請求項３記載のプレートフィンを筒状に形成し、上流側が請求項４記載のプレートフィンを筒状に形成してなることを特徴とするプレートフィンを用いた燃焼器。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービン燃焼器等の燃焼室を構成するプレートフィン及びそれを用いた燃焼器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、ガスタービンは、圧縮機、燃焼器及びタービンを主な構成要素としており、圧縮機とタービンとは互いに主軸で直結されている。圧縮機の吐出口には燃焼器が接続されており、圧縮機から吐出された作動流体は、燃焼器によって所定のタービン入口温度まで加熱される。タービンに供給された高温高圧の作動流体は、ケーシング内において静翼及び主軸側に取り付けられた動翼の間を通過して膨張し、これにより主軸が回転して出力が得られる。ガスタービンの場合、圧縮機の消費動力を引いた軸出力が得られるので、主軸の他端に発電器などを接続することで駆動源として利用することができる。
【０００３】ここで、ガスタービン燃焼器の概略構造を説明する。図１２において、符号１０は、燃焼器である。この燃焼器１０は、内筒１１の軸中心に沿って予混合ノズル１２を設置したものである。予混合ノズル１２は、中央部にパイロットバーナ１３が配置され、このパイロットバーナ１３の周囲を取り囲むようにして、複数のメインバーナ１が等ピッチで配設されている。従って、パイロットバーナ１３の中心軸は、内筒１１の中心軸と一致してる。
【０００４】予混合ノズル１２のパイロットバーナ１３は、パイロット燃料管１４と、パイロットスワーラ１５とを具備して構成されている。パイロット燃料管１４は、一端が図示略の燃料供給源に接続され、他端が内筒１１により形成された燃焼器１０の燃焼室１０ａに開口するパイロット燃料ノズル１４ａとなっている。また、パイロットスワーラ１５は、パイロット燃料管１４の外周部に設けられて通過する空気流に旋回を与えるものである。このパイロットバーナ１３では、パイロット燃料ノズル１４ａから供給されるパイロット燃料が、旋回流となった空気流を燃焼空気として、燃焼室１０ａ内で燃焼する。こうして形成されたパイロットバーナ１３の火炎は、後述するメインバーナ１の火種として用いられる。
【０００５】このような予混合ノズル１２のメインバーナ１は、図示略の燃料供給源に接続されたメイン燃料供給管２と、該メイン燃料供給管２の外周部を通過する空気流に旋回を与えるメインスワーラ５とを具備して構成される。このメインバーナ１は、メイン燃料供給管２を通って導入された燃料を燃料噴出口から空気流中に噴出させ、燃料と空気流とを予混合して予混合気を形成する。この予混合気は、各メインバーナ１から旋回流となってパイロットバーナ１３の周囲に流出し、前述したパイロットバーナ１３の火炎を火種として燃焼する。
【０００６】上記の燃焼器１０の燃焼室１０ａを形成する内筒１１としては、図１３及び図１４に示すように、フィルム冷却を行うためのプレートフィン２１が用いられている。このプレートフィン２１は、燃焼室１０ａの内面を構成するフィンリング２２と、燃焼室１０ａの外面を構成する外面板２３とが僅かに隙間をあけて積層された構造とされている。
【０００７】フィンリング２２には、外面板２３との対向面側に、軸方向へ沿う複数の溝部２４が並列に形成されており、予混合ノズル１２が設けられた上流側と反する下流側端部が開口されている。また、外面板２３には、フィンリング２２の溝部２４の閉鎖された上流側の端部とそれぞれ連通する冷却空気取入孔２５が形成されており、燃焼室１０ａの外周側の空気が、冷却空気取入孔２５から溝部２４内に冷却空気として流れ込むようになっている。
【０００８】そして、上記プレートフィン２１によって燃焼室１０ａが構成された燃焼器１０によれば、燃焼時に、冷却空気が外面板２３の冷却空気取入孔２５からフィンリング２２の溝部２４内に流れ込み、この溝部２４内を流れた後、この溝部２４の端部からなる冷却空気流出孔２６から燃焼室１０ａ内へ流出し、下流側のプレートフィン２１の内面に沿う空気フィルムを形成する。つまり、溝部２４内を流れる際に、内筒１１を対流冷却し、その後、プレートフィン２１の内面に沿う空気フィルムが形成されてフィルム冷却され、燃焼室１０ａを構成する内筒１１の焼損が防止されるようになっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】このように、燃焼室１０ａを構成する内筒１１として、上記プレートフィン２１を用いることにより、対流冷却及びフィルム冷却によって内筒１１の焼損が防止されるようになっているが、近年では、燃焼性能向上に伴い燃焼温度も高くなりつつあり、冷却のために多くの空気が必要となり、燃焼用空気が制限されて、低ＮＯｘ化に限界が生じていた。このため、圧損を大きくすることなくさらに冷却性能が向上されたプレートフィンが要求されているのが現状であった。
【００１０】この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、燃焼室の内面への冷却空気の貼り付き性を高めて、良好なフィルム冷却性を得ることができ、燃焼用空気の制限をなくして低公害の燃焼が可能なプレートフィン及びそれを用いた燃焼器を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、請求項１記載のプレートフィンは、燃焼器の燃焼室を形成し、冷却空気取入孔から外周側の冷却空気を取り入れて冷却空気流出孔から燃焼室の内面に沿って送り込んで空気フィルムを形成することによりフィルム冷却を行うプレートフィンであって、内面側には、前記冷却空気流出孔から流出されて内面に沿って流れる空気フィルムに、内面に沿う渦を生じさせる渦発生手段が設けられていることを特徴としている。
【００１２】つまり、冷却空気流出孔から流出して内面に沿って流れる空気フィルムに、渦発生手段によって内面に沿う渦が形成され、この渦が内面に貼り付くように流れることとなり、これにより、プレートフィンの冷却効率を大幅に向上させることができる。つまり、冷却空気の使用量を増加させることなく、良好なフィルム冷却を行うことができ、近年の燃焼性能の向上に伴う燃焼温度の上昇に対応することができ、これにより、燃焼用空気の制限をなくし、良好な低ＮＯx化を実現させることができる。
【００１３】請求項２記載のプレートフィンは、請求項１記載のプレートフィンにおいて、前記冷却空気取入孔と前記冷却空気流出孔とに連通し、前記冷却空気取入孔から取り入れた冷却空気が前記冷却空気流出孔へ向かって流されることにより対流冷却が行われる冷却流路を有することを特徴としている。
【００１４】すなわち、フィルム冷却とともに、冷却流路へ冷却空気が流されて対流冷却が行われるので、さらなる冷却効率の向上を図ることができ、極めて冷却性に優れたプレートフィンとすることができる。
【００１５】請求項３記載のプレートフィンは、請求項１または請求項２記載のプレートフィンにおいて、前記渦発生手段が、前記冷却空気取入孔から取り入れられる冷却空気の一部を内面から噴出させる噴出孔を有し、該噴出孔から冷却空気の一部が噴出されることにより前記空気フィルムに渦が形成されることを特徴としている。
【００１６】このように、噴出孔から噴出する一部の冷却空気によって空気フィルムに内面に沿う渦を発生させて内面に貼り付けた状態に流すことができる。つまり、容易な手段によって空気フィルムに渦を発生させて貼り付き性を向上させて低コストにて冷却効率を向上させることができる。
【００１７】請求項４記載のプレートフィンは、請求項１または請求項２記載のプレートフィンにおいて、前記渦発生手段が、内面に設けられた突起部からなり、該突起部によって内面に沿って流れる前記空気フィルムに渦が形成されることを特徴としている。
【００１８】つまり、空気フィルムに、突起部によって内面に沿う渦を発生させて内面に貼り付けた状態に流すことができる。つまり、容易な手段によって空気フィルムに渦を発生させて貼り付き性を向上させて低コストにて冷却効率を向上させることができる。
【００１９】請求項５記載のプレートフィンを用いた燃焼器は、中心に配置されたパイロットバーナの周囲に複数のメインバーナが配置されたバーナと、このバーナからの燃焼ガスが送り込まれる筒状の燃焼室とを有する燃焼器であって、前記燃焼室が請求項１〜４のいずれか１項記載のプレートフィンを筒状に形成してなることを特徴としている。
【００２０】このように、優れた冷却効率を有するプレートフィンによって燃焼室が形成されているので、良好な冷却効果が得られた燃焼器とすることができる。
【００２１】請求項６記載のプレートフィンを用いた燃焼器は、中心に配置されたパイロットバーナの周囲に複数のメインバーナが配置されたバーナと、このバーナからの燃焼ガスが送り込まれる筒状の燃焼室とを有する燃焼器であって、前記燃焼室の下流側が請求項３記載のプレートフィンを筒状に形成し、上流側が請求項４記載のプレートフィンを筒状に形成してなることを特徴としている。
【００２２】すなわち、優れた冷却効率を有するプレートフィンによって燃焼室が形成されているので、良好な冷却効果が得られた燃焼器とすることができ、しかも、上流側が突起部による渦発生手段が設けられたプレートフィンから形成され、下流側が噴出孔から冷却空気の一部を噴出させる渦発生手段が設けられたプレートフィンから形成されているので、下流側にて、噴出孔から噴出させる冷却空気によって燃焼ガスを希釈することができ、燃焼器の下流側に設けられるタービン等を保護することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態例のプレートフィン及びそれを用いた燃焼器を図面を参照して説明する。図１〜図３において、符号３１は、本実施形態例の燃焼器１０の内筒１１に用いられるプレートフィンである。このプレートフィン３１は、内筒１１によって形成された燃焼室１０ａの内面を構成するフィンリング３２と、燃焼室１０ａの外面を構成する外面板３３とが隙間をあけて積層された構造とされている。
【００２４】フィンリング３２には、外面板３３との対向面側に、軸方向へ沿う複数の溝部（冷却流路）３４が並列に形成されており、予混合ノズル１２が設けられた上流側と反する下流側端部の開口部が冷却空気流出孔３４ａとされている。また、外面板３３には、フィンリング３２の溝部３４の閉鎖された上流側の端部とそれぞれ連通する冷却空気取入孔３５が形成されており、内筒１１の外周側の空気が、冷却空気として冷却空気取入孔３５から溝部３４内に流れ込むようになっている。
【００２５】また、フィンリング３２には、内面における溝部３４の底部位置に、軸方向へ間隔をあけて燃焼室１０ａ内と連通する噴出孔（渦発生手段）３６が形成されている。つまり、これら噴出孔３６が、上流側のプレートフィン３１の溝部３４の軸方向延長線上に形成されている。なお、隣り合う溝部３４の配設位置に形成された噴出孔３６は、それぞれ軸方向へずらされている。
【００２６】そして、上記プレートフィン３１によって燃焼室１０ａが形成された燃焼器１０によれば、燃焼時に、空気が外面板３３の冷却空気取入孔３５から冷却空気としてフィンリング３２の溝部３４内に流れ込み、この溝部３４内を流れた後、この溝部３４の端部からなる冷却空気流出孔３４ａから燃焼室１０ａ内へ流出し、下流側のプレートフィン３１の内周面に沿う空気フィルムを形成する。つまり、溝部３４内を流れる際に、内筒１１が対流冷却され、その後、プレートフィン３１の内周面に沿う空気フィルムを形成してフィルム冷却され、燃焼室１０ａを構成する内筒１１の焼損が防止される。
【００２７】ここで、上記プレートフィン３１には、その内面に渦発生手段として噴出孔３６が形成されているので、冷却空気取入孔３５から溝部２４内に流れ込んだ冷却空気の一部が噴出孔３６から燃焼室１０ａの内面から噴出する。これにより、上流側のプレートフィン３１のフィンリング３２の冷却空気流出孔３４ａから流出して下流側のフィンリング３２の内面に沿って流れて空気フィルムを形成する冷却空気に、噴出孔３６から噴出する冷却空気によって、図４及び図５に示すような、内面に沿う縦渦が形成され、これにより、この空気フィルムは、フィンリング３２の内面に貼り付くように流れることとなり、プレートフィン３１の冷却効率が向上される。
【００２８】このように、上記のプレートフィン３１によれば、冷却空気流出孔３４ａから流出して内面に沿って流れる空気フィルムに、噴出孔３６から冷却空気の一部を噴出させることにより内面に沿う渦を発生させる渦形成手段が設けられているので、空気フィルムは渦を形成して内面に貼り付くように流れることとなり、これにより、プレートフィン３１の冷却効率を大幅に向上させることができる。つまり、容易な手段によって空気フィルムに渦を発生させて内面への貼り付き性を向上させて低コストにて冷却効率を向上させることができる。
【００２９】すなわち、冷却空気の使用量を増加させることなく、良好なフィルム冷却を行うことができ、近年の燃焼性能の向上に伴う燃焼温度の上昇に対応することができ、これにより、燃焼用空気の制限をなくし、良好な低ＮＯx化を実現させることができる。
【００３０】また、フィルム冷却とともに、溝部３４からなる冷却流路へ冷却空気が流されて対流冷却が行われるので、さらなる冷却効率の向上を図ることができ、極めて冷却性に優れたプレートフィン３１とすることができる。そして、上記のプレートフィン３１を用いた燃焼器１０によれば、優れた冷却効率を有するプレートフィン３１によって燃焼室１０ａが形成されているので、良好な冷却効果が得られた燃焼器とすることができる。
【００３１】図６〜図８に示すものは、他の構造のプレートフィン３１を示すものである。このプレートフィン３１には、内面における溝部３４の底部位置に、渦発生手段として軸方向へ間隔をあけて側面視三角形状の突起部３７が形成されている。つまり、これら突起部３７が、上流側のプレートフィン３１の溝部３４の軸方向の延長線上に形成されている。なお、隣り合う溝部３４の配設位置に形成された突起部３７は、それぞれ軸方向へずらされている。
【００３２】そして、このように、フィンリング３２の内面に突起部３７が形成されたプレートフィン３１によれば、上流側のプレートフィン３１のフィンリング３２の溝部３４の端部からなる冷却空気流出孔３４ａから流出して下流側のフィンリング３２の内面に沿って流れて空気フィルムを形成する冷却空気が突起部３７に到達すると、この冷却空気には、突起部３７によって、図９及び図１０に示すような、内面に沿う縦渦が形成され、これにより、この空気フィルムは、フィンリング３２の内面に貼り付くように流れることとなり、プレートフィン３１の冷却効率が向上される。
【００３３】このように、このプレートフィン３１によれば、空気フィルムに、突起部３７からなる渦発生手段によって内面に沿う渦を発生させて内面に貼り付けた状態に流すことができる。つまり、容易な手段によって空気フィルムに渦を発生させて内面への貼り付き性を向上させて低コストにて冷却効率を向上させることができ、また、このプレートフィン３１を用いた燃焼器によれば、優れた冷却効率を有するプレートフィン３１によって燃焼室１０ａが形成されているので、良好な冷却効果が得られた燃焼器とすることができる。
【００３４】なお、図１１に示すように、噴出孔３６が形成されたフィンリング３２及び突起部３７が形成されたフィンリング３２を組み合わせても良く、特に、上流側を突起部３７が形成されたフィンリング３２とし、下流側を噴出孔３６が形成されたフィンリング３２とすることにより、下流側において、噴出孔３６から噴出させる冷却空気によって燃焼ガスを希釈することができ、燃焼器１０の下流側に設けられるタービン等を保護することができる。
【００３５】
【発明の効果】以上、説明したように、本発明のプレートフィン及びそれを用いた燃焼器によれば、下記の効果を得ることができる。請求項１記載のプレートフィンによれば、冷却空気流出孔から流出して内面に沿って流れる空気フィルムに、渦発生手段によって内面に沿う渦が形成され、この渦が内面に貼り付くように流れることとなり、これにより、プレートフィンの冷却効率を大幅に向上させることができる。つまり、冷却空気の使用量を増加させることなく、良好なフィルム冷却を行うことができ、近年の燃焼性能の向上に伴う燃焼温度の上昇に対応することができ、これにより、燃焼用空気の制限をなくし、良好な低ＮＯx化を実現させることができる。
【００３６】請求項２記載のプレートフィンによれば、フィルム冷却とともに、冷却流路へ冷却空気が流されて対流冷却が行われるので、さらなる冷却効率の向上を図ることができ、極めて冷却性に優れたプレートフィンとすることができる。
【００３７】請求項３記載のプレートフィンによれば、噴出孔から噴出する一部の冷却空気によって空気フィルムに内面に沿う渦を発生させて内面に貼り付けた状態に流すことができる。つまり、容易な手段によって空気フィルムに渦を発生させて貼り付き性を向上させて低コストにて冷却効率を向上させることができる。
【００３８】請求項４記載のプレートフィンによれば、空気フィルムに、突起部によって内面に沿う渦を発生させて内面に貼り付けた状態に流すことができる。つまり、容易な手段によって空気フィルムに渦を発生させて貼り付き性を向上させて低コストにて冷却効率を向上させることができる。
【００３９】請求項５記載のプレートフィンを用いた燃焼器によれば、優れた冷却効率を有するプレートフィンによって燃焼室が形成されているので、良好な冷却効果が得られた燃焼器とすることができる。
【００４０】請求項６記載のプレートフィンを用いた燃焼器によれば、優れた冷却効率を有するプレートフィンによって燃焼室が形成されているので、良好な冷却効果が得られた燃焼器とすることができ、しかも、上流側が突起部による渦発生手段が設けられたプレートフィンから形成され、下流側が噴出孔から冷却空気の一部を噴出させる渦発生手段が設けられたプレートフィンから形成されているので、下流側にて、噴出孔から噴出させる冷却空気によって燃焼ガスを希釈することができ、燃焼器の下流側に設けられるタービン等を保護することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６２０８
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年１２月４日（２０００．１２．４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１１２７３７
【弁理士】
【氏名又は名称】藤田 考晴 （外３名）
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| 【公開番号】 |
特開２００２−１６８１３４（Ｐ２００２−１６８１３４Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１４年６月１４日（２００２．６．１４） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−３６８８３９（Ｐ２０００−３６８８３９） |
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