JP2001289062A - ガスタービン燃焼器の壁面冷却構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスタービン燃焼器の冷却用流体消費量を低
減する。 【解決手段】 ガスタービン燃焼器１の内筒５ｂ内面に
全周にわたって熱遮蔽部材５５０を配置する。熱遮蔽部
材内部は内筒軸線に沿った方向に延びる複数の管状冷却
空気通路５５０ａが形成された、板状部材であり、冷却
空気通路５５１の一端は冷却空気が供給される冷却空気
室５５９に連通する冷却空気入口とされ、他端は内筒壁
面に沿って冷却空気を噴射する冷却空気出口とされる。
また、熱遮蔽部材は、その入口側端部５５０ｄで全周に
わたって内周内面に固定されるとともに、熱遮蔽部材外
周の冷却空気通路の入口と出口との間の位置にはシール
５５３が設けられている。このため、冷却空気室内に流
入した冷却空気は、その全量が冷却空気通路に流入し、
熱遮蔽部材を対流冷却により冷却した後、冷却空気通路
出口から内筒壁面に沿って噴射され、内筒壁面をフィル
ム冷却する。

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燃焼器
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。燃焼器壁面冷却の種類は従
来、大別して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と、蒸気を用いた対流冷却とのいず
れかをタービン入口燃焼ガス温度に応じて使用するのが
一般的である。

【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概略構造を示す断面図であ
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、内
筒５ｂとは別体の尾筒５ａとを接合した構成とされてい
る。

【０００４】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。図８
は、内筒５ｂの従来の壁面冷却方法を説明する、内筒５
ｂ部の壁面拡大断面図である。

【０００５】図８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を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。

【０００６】従来、熱遮蔽部材１５５としては、外周に
軸線方向の多数の溝を形成した円筒形状のフィンリング
が使用されている。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。冷却空気は、ケーシング７（図１）内から段付部シ
ェル５５（図８では５５ａで示す）の小径側端部の周上
に設けられた入口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８では５５ｂで
示す）のフィンリング内面に沿って軸線方向に噴出す
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１５５ｂ内面）のフィルム
冷却が行なわれる。

【０００７】一方、図１０は蒸気による対流冷却を行な
う従来の蒸気冷却ガスタービン燃焼器の概略構造を示す
図１と同様な断面図である。図１に示したような、冷却
空気を用いた冷却方式では、空気の熱伝達率が比較的低
いため対流冷却のみでは充分な冷却効果を得ることは困
難であるため、図１に示したような対流冷却とフィルム
冷却とを併用した複合冷却を行うのが一般的である。と
ころが、フィルム冷却を行なうとフィルム冷却により噴
射された冷却空気が内筒内で生成される燃焼ガスに混入
することになり、タービン入口燃焼ガス温度が低下する
問題がある。

【０００８】図１０に示した蒸気冷却燃焼器は、タービ
ン入口燃焼ガス温度の低下を防止するために、空気に較
べて熱伝達率の大きい蒸気を使用した対流冷却のみによ
って燃焼器の冷却を行なう。図１０において、図１と同
じ参照符号は同様の要素を示している。図１０では、内
筒と尾筒とは一体の部材として形成されており、内筒５
は燃焼室を構成するとともに、一端に燃焼ガスをタービ
ン１段静翼に供給する出口５２を備えたワンピース構造
とされている。

【０００９】冷却蒸気は、内筒５は外壁を構成する外側
シェルと燃焼室壁を構成する内側シェルとからなる二重
円筒形状とされ、内外シェルの間の空隙が冷却蒸気通路
を形成している。冷却蒸気は内筒５の中央部付近に設け
られた入口５０７から冷却蒸気通路に流入し、燃焼ガス
流れ上流側（メインノズル側）に向かう流れと内筒出口
５２側に向かう流れとに分岐して冷却蒸気通路を反対方
向に流れ、内側シェルを対流冷却する。内筒５の上流側
端と出口側端とには、それぞれ冷却蒸気出口管５０９
ａ、５０９ｂが設けられており、それぞれの冷却通路を
流れて対流冷却を終えた蒸気が回収される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の空気
冷却と蒸気冷却とはいずれも問題を有している。先ず、
従来のフィンリングを用いた内筒の複合冷却方式では、
冷却空気の消費量を低減できない問題がある。図９は、
図８のIX−IX線に沿った燃焼器壁５５の断面図である。
前述したように、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を形成したものであ
る。ところが、フィンリング１５５をシェル５５内に固
定する際に、運転中の熱膨張を考慮してフィンリング外
周とシェルの内周との間に環状の空隙１５５ｃが必要と
なる。この空隙は、例えば加工誤差や取り付け誤差を考
慮した場合に、最大で溝１５５ｂ深さと同等程度となる
場合がある。このため、従来のフィンリングを使用した
複合冷却では、冷却空気入口５７から供給される空気の
うち、かなりの量が溝１５５ｂを通らずに、フィンリン
グ１５５外周とシェル５５との間の間隙１５５ｃを通っ
て燃焼器の内筒内に流入することになる。このため、フ
ィンリング１５５の充分な対流冷却を得るためには、冷
却空気入口５７の開口を大きくして流入する空気量を増
大させ、溝１５５ｂを充分な量の冷却空気が通過するよ
うにする必要が生じる。しかも、この対流冷却への寄与
が少ない間隙１５５ｃを通る冷却空気も内筒５内に流入
することになるため、希釈による燃焼ガスの温度低下幅
も大きくなる問題がある。

【００１１】空隙１５５ｃは、フィンリングとシェルと
の加工精度と、取付精度を向上させればある程度は縮小
させることは可能であるものの、精度を向上させると加
工コストや加工時間の増大を生じる。また、フィンリン
グ１５５とシェル５５とは、フィンリング１５５の一端
のみで固定されるため、強度保持が困難な問題がある。

【００１２】一方、図１０のような蒸気冷却を行なう燃
焼器では、上記のような問題は生じないものの、やはり
冷却用蒸気量が増大する問題が生じる。すなわち、図１
０に示したように、蒸気冷却を行なう場合には燃焼器内
筒５の中央部付近から冷却通路に蒸気を供給し、内筒５
の中央部付近から燃焼ガス流れに沿って内筒出口５２に
向かう蒸気冷却通路（下流側冷却通路）と、中央部付近
から燃焼ガス流れ上流側に向かう蒸気冷却通路（上流側
冷却通路）との２つの冷却通路とに冷却蒸気を流してい
る。このため、これら２つの冷却通路には同一の供給条
件で冷却蒸気が供給されるようになる。

【００１３】ところが、上流側冷却通路と下流側冷却通
路とに加わる熱負荷は同一ではなく、下流側冷却通路の
熱負荷は上流側冷却通路の熱負荷より大きくなる。すな
わち、メインノズル３３から内筒内に噴射された予混合
気は、パイロット炎により着火して、内筒５内を出口５
２に向かって流動しつつ燃焼する。このため、内筒５の
上流側では予混合気が完全に燃焼しておらず、ガス温度
は低くなっているのに対して、下流側では予混合気が完
全に燃焼してガス温度は上流側より高くなっている。一
方、前述したように上流側冷却通路と下流側冷却通路と
には同一の供給条件で蒸気が供給されるため、蒸気供給
条件は熱負荷が最大になる下流側に合わせて設定する必
要がある。このため、上流側冷却通路では真に必要な以
上に内筒壁の冷却が行なわれることになり（すなわち内
筒壁面の過冷却が生じ）、この分だけ冷却蒸気の消費量
が増大する問題が生じるのである。

【００１４】本発明は上述の問題に鑑み、冷却空気、冷
却蒸気等の冷却用流体の消費量を低減可能なガスタービ
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。

【００１５】

【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、タービン駆動の圧縮機で加圧した燃焼空気を用
いて燃料を燃焼させ、前記タービンを駆動する燃焼ガス
を発生させるガスタービン燃焼器の壁面冷却構造であっ
て、供給された燃料が燃焼する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、燃焼室壁を構成する熱遮蔽部材
と、を備え、前記熱遮蔽部材は、内筒軸線に沿った方向
に延びる複数の管状の冷却空気通路を内部に備えた板状
部材から成り、前記冷却空気通路は前記熱遮蔽部材の一
方の端部に設けられた冷却空気入口と他端に設けられた
冷却空気出口とを有し、冷却空気入口から供給された冷
却空気は、前記冷却空気通路内を流れ、冷却空気出口か
ら内筒内周壁面に沿って燃焼室内に流入するようにさ
れ、前記熱遮蔽部材は、内筒軸線方向の一方の端部で前
記内筒内周面に固定されるとともに、前記冷却空気空気
入口と出口との間の位置に熱遮蔽部材と内筒内周面との
間を通って冷却空気が燃焼室に流入することを防止する
シールを備えた、ガスタービン燃焼器の壁面冷却構造が
提供される。

【００１６】すなわち、請求項１の発明では、熱遮蔽部
材は内部に複数の管状の冷却空気通路を備えている。ま
た、熱遮蔽部材は冷却空気入口と出口との間の位置に、
熱遮蔽部材と内筒内周面との間を冷却空気が通過するこ
とを防止するシールを備えている。このため、供給され
た冷却空気の全量が冷却通路を通って流れるようになる
ため、対流冷却への寄与の程度が低い冷却空気の流れを
少なくすることができる。このため、例えばフィンリン
グを用いた場合に較べて冷却空気の消費量を低減するこ
とが可能となる。

【００１７】請求項２に記載の発明によれば、前記シー
ルは、前記熱遮蔽部材の前記冷却空気入口と出口との間
の位置で、内筒と熱遮蔽部材とを接合することにより形
成される、請求項１に記載のガスタービン燃焼器の壁面
冷却構造が提供される。すなわち、請求項２の発明で
は、熱遮蔽部材と内筒内周面とのシールは冷却空気入口
と出口の間の位置で内筒と熱遮蔽部材とを、例えばロウ
付け等により接合することにより形成される。このた
め、熱遮蔽部材は、入口側の端部とシール部との２カ所
で内筒に固定されるようになり、取付強度が向上する。

【００１８】請求項３に記載の発明によれば、タービン
駆動の圧縮機で加圧した燃焼空気を用いて燃料を燃焼さ
せ、前記タービンを駆動する燃焼ガスを発生させるガス
タービン燃焼器の壁面冷却構造であって、燃焼室を構成
する内部空間を有し、一端側に設けた入口から前記内部
空間に供給された燃料を燃焼させ、他端側に設けた出口
から燃焼ガスを前記タービンに供給する円筒状の内筒
と、前記内筒の壁内部に形成された、内筒のほぼ全長に
わたって内筒軸線方向に沿って延びる複数の冷却蒸気通
路とを備え、前記複数の冷却蒸気通路は、外部から供給
された冷却蒸気を前記内筒入口から出口に向かう方向に
内筒のほぼ全長にわたって流す冷却蒸気通路と、前記内
筒出口から入口に向かう方向に内筒のほぼ全長にわたっ
て流す冷却蒸気通路との２種類の冷却蒸気通路を含む、
ガスタービン燃焼器の壁面冷却構造が提供される。

【００１９】すなわち、請求項３の発明では、内筒壁内
には互いに対向した方向に向けて冷却蒸気を流す２種類
の冷却蒸気通路が設けられている。このため、一方の冷
却蒸気通路では、冷却蒸気はまず燃焼器下流側の高温部
分の内筒壁を通過してから燃焼器上流側の低温部分の内
筒壁に到達する。このため、この冷却蒸気通路では、高
温部で冷却を行い比較的高温になった蒸気が上流側の低
温部分に到達するようになる。また、他方の冷却蒸気通
路では、冷却蒸気はまず燃焼器上流側の低温部分の内筒
壁を通過してから燃焼器下流側の高温部分の内筒壁に到
達する。このため、この冷却蒸気通路では、低温部分を
通過した比較的低温の冷却蒸気が高温部分に到達するよ
うになる。従って、上記２種類の冷却蒸気通路を配置す
ることにより、高温部では熱交換量を比較的大きく、低
温部では比較的小さく設定することが可能となり、内筒
壁面の熱負荷に応じた冷却が行なわれるとともに、２種
類の通路を流れる冷却蒸気の温度の平均値は冷却蒸気通
路に沿ってほぼ一様となるため、内筒上流側と下流側と
の壁面の温度差が低減される。

【００２０】請求項４に記載の発明によれば、前記２種
類の冷却蒸気通路は、内筒円周方向に交互に配列されて
いる、請求項３に記載のガスタービン燃焼器の壁面冷却
構造が提供される。すなわち、請求項４の発明では、上
記２種類の冷却蒸気通路は内筒円周方向に交互に配列さ
れている。このため、内筒円周方向での壁面温度分布が
均一になる。

【００２１】請求項５に記載の発明によれば、タービン
駆動の圧縮機で加圧した燃焼空気を用いて燃料を燃焼さ
せ、前記タービンを駆動する燃焼ガスを発生させるガス
タービン燃焼器の壁面冷却構造であって、燃焼室を構成
する内部空間を有し、一端側に設けた入口から前記内部
空間に供給された燃料を燃焼させ、他端側に設けた出口
から燃焼ガスを前記タービンに供給する円筒状の内筒
と、前記内筒の外壁に設けられ、前記圧縮機から供給さ
れた燃焼空気を、内筒の軸線方向中央部付近から前記内
筒入口に向かう方向に流し、燃焼器ノズルを介して内筒
内に流入させる冷却空気通路と、前記内筒の壁内に設け
られ、外部から供給された冷却蒸気を前記内筒の軸線方
向中央部付近と前記内筒出口付近とのうちの一方に設け
られた蒸気入口から、前記内筒の軸線方向中央部付近と
前記内筒出口付近とのうちの他方に設けられた蒸気出口
に向けて流し、前記蒸気出口から外部に回収する冷却蒸
気通路と、を備えたガスタービン燃焼器の壁面冷却構造
が提供される。

【００２２】すなわち、請求項５に記載の発明では、内
筒中央部近傍と内筒出口（タービン静翼入口）との間の
比較的高温になる部分では、熱伝達率の大きい冷却蒸気
による対流冷却が行なわれる。このため、高温部では冷
却蒸気により大きな熱負荷が吸収される。また、本発明
では内筒の高温部のみを蒸気冷却するようにしたことに
より、内筒全体を蒸気冷却した場合に較べて冷却蒸気の
供給量が大幅に低減されるようになる。なお、冷却蒸気
は内筒軸線方向中央部付近から内筒出口に向けて流すよ
うにしても良いし、逆に内筒出口付近から内筒軸線方向
中央部付近に向けて流すようにしても良い。

【００２３】一方、内筒中央部近傍から内筒入口（メイ
ンノズル側）までの部分では、燃焼空気を冷却空気とし
て用いた対流冷却が行なわれる。この部分では、内筒の
内部温度は比較的低いため、フィルム冷却を併用しない
対流冷却のみで充分な内筒壁面の冷却が行なわれる。ま
た、冷却空気は内筒中央部近傍から内筒入口側端までの
比較的短い冷却空気通路を流れるため、冷却空気通路内
を流れる冷却空気の圧損は比較的小さくなる。このた
め、冷却空気通路出口における冷却空気は比較的高い圧
力を維持しており、燃焼器ノズル（メインノズルとパイ
ロットノズル）を介して燃焼空気として内筒に流入させ
ることが可能となる。従って、内筒冷却後の冷却空気
は、その全量が燃焼に寄与する燃焼空気として内筒に供
給されるため、冷却空気の燃焼ガスへの混入による燃焼
ガスの温度低下と、燃焼空気量の低下とが生じることが
防止される。

【００２４】

【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 以下に、本発明の第１の実施形態について説明する。本
実施形態では、燃焼器の空気冷却を行なう。

【００２５】図１は、本実施形態の空冷燃焼器全体の概
略構成を示す断面図である。図１において、１は燃焼器
全体を示す。燃焼器１は燃焼器部５と、燃焼器部５内に
燃料を噴射するノズルが設けられたノズル部３とにより
構成されている。本実施形態の燃焼器部５は噴射された
燃料を燃焼させる燃焼室としての内筒５ｂと、燃焼によ
り生成した燃焼ガスをタービン入口に導く出口５１を有
する、内筒５ｂとは別体の尾筒５ａとを接続した組立構
造とされている。燃焼器１は図示しないサポートにより
タービンケーシング７内に保持されている。実際のガス
タービンでは、図１に示す燃焼器が円周上に複数個等間
隔に配置され、それぞれタービンに燃焼ガスを供給して
いる。

【００２６】燃焼用空気１１は、図示しないタービン駆
動のガスタービン圧縮機により大気から昇圧され、ケー
シング７内に供給される。燃焼空気１１はケーシング７
から燃焼器１のノズル部３に設けられた燃焼空気入口３
５を通ってノズル部３に入り、ノズル部３からパイロッ
トノズル３１とメインノズル３３とを通って燃焼器部５
内に噴射される。

【００２７】ノズル部３は円筒状のシェル内の中央部に
パイロットノズル３１を、パイロットノズル３１周囲に
複数の（本実施形態では８つの）メインノズル３３を等
間隔に配置した構成とされる。パイロットノズル３１
は、内筒５ｂ内に燃料を噴射するパイロット燃料ノズル
３１ａを備えており、噴射された燃料は図示しないイグ
ナイタにより点火され、燃焼空気入口３５からパイロッ
トノズル３１を通って流れる燃焼空気と内筒５ｂ内で混
合しつつ拡散燃焼を行い、パイロット炎を形成する。

【００２８】また、メインノズル３３は予混合ノズルと
され、燃焼空気入口３５からノズル部３に供給された燃
焼空気中に燃料ノズル３３ａから燃料を噴射し、予混合
気を形成して内筒５ｂに噴射する。図１に３７で示すの
はメインノズル３３内の燃料ノズル３３ａ周囲に放射状
に配置されたスワーラベーンである。スワーラベーン３
７は、メインノズル３３を流れる燃焼空気流にに旋回速
度成分を付与するように、流方向に角度を持って配置さ
れた翼形状を有するベーンである。スワーラベーン３７
を通過した燃焼空気は、メインノズル３３内で旋回流を
生じる。燃料（本実施形態では都市ガス、天然ガス等の
気体燃料や重油等の液体燃料が使用される）は、燃料ノ
ズル３３ａのスワーラベーン３７下流側に設けられた燃
料噴射孔（図示せず）から上述した燃焼空気の旋回流中
に噴射される。このため、噴射された燃料と燃焼空気と
の混合が促進され、メインノズル３３内で均一な予混合
気が形成されるようになる。

【００２９】パイロットノズル３１の出口部には、拡管
形状のパイロットコーン３６が設けられている。パイロ
ットコーン３６は、パイロットノズル３１で生成される
パイロット炎がメインノズル３３から噴射される予混合
気とメインノズル３３直近の位置で接触することを防止
することにより、メインノズル出口近傍で予混合気が着
火してメインノズル内への逆火が生じることを防止する
ものである。

【００３０】また、メインノズル３３出口には、メイン
ノズルから噴射された予混合気がパイロットコーン３６
側面に衝突して乱れを生じることを防止するために、メ
インノズルから噴射された予混合気をパイロットコーン
３６側面に沿って導くノズル延長管３４が接続されてい
る。ノズル延長管３４の内筒への開口（出口）形状は、
パイロットコーンとの干渉をさけるために楕円形状とさ
れている。

【００３１】図１に９で示すのは空気バイパス弁であ
る。空気バイパス弁９は燃焼器部５の尾筒５ａをケーシ
ング７内に直接連通させるゲート弁からなり、ノズル部
３から燃焼器部５に流入する燃焼空気量を負荷に応じて
制御する機能を有する。例えば、ガスタービン起動時や
軽負荷時等でノズル部３から燃焼器部５に供給すべき燃
焼空気量が少ない場合には、空気バイパス弁９は図示し
ないアクチュエータにより開弁され、ケーシング７内の
燃焼空気の一部をノズル部３を介さずに直接尾筒５ａ内
に導入する。これにより、ノズル部３の燃焼空気入口３
５から流入する燃焼空気量が減少しメインノズル３３で
適切な予混合気を形成することが可能となる。

【００３２】メインノズル３３から楕円延長管３４を通
ってパイロットコーン３６周囲に噴射された予混合気
は、パイロットノズル３１により生成されたパイロット
炎とパイロットコーン３６出口周縁部で接触することに
より、メインノズル３３出口から充分に離れた位置で予
混合炎を生成する。予混合炎により生成した燃焼ガスは
尾筒５ａ出口５１に接続されたタービン入口静翼（図示
せず）を通り、タービンに供給され、タービンを駆動す
る。

【００３３】上述した本実施形態の燃焼器の基本構成
は、従来の空冷燃焼器と同一である。図２は、本実施形
態の内筒の壁面冷却構造を説明する、図８と同様な内筒
壁面の拡大断面図である。本実施形態においても、内筒
５ｂには冷却空気により対流冷却とフィルム冷却とを併
用した複合冷却が行なわれる。また、本実施形態におい
ても、内筒５ｂは構造材としての複数の異径の円筒状シ
ェル５５を軸線走行にそれぞれ段付部を介して接合した
構成とされ、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５５０が配置されている。

【００３４】図３は、本実施形態の熱遮蔽部材５５０の
構成を示す図である。本実施形態の熱遮蔽部材５５０
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断面矩形の冷却空気通路５５
１を有している。本実施形態の熱遮蔽部材は、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５５０ｂ内に挿入し、内側円筒状部材外
周面５５０ａと外側円筒上部材５５０ｂ内周面とをロウ
付け等により接合して熱遮蔽部材５５０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
５５０内に、互いに独立した断面矩形の管状冷却空気通
路５５１が多数形成される。

【００３５】図２に示すように、熱遮蔽部材５５０は、
シェル５５の小径側端部５５０ｄでシェル５５内周面に
接合される。また、本実施形態では、熱遮蔽部材５５０
をシェル５５に接合する際に、熱遮蔽部材５５０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、冷却空気が熱遮蔽部材５５０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。ガスタービン運転中、
ケーシング７内の燃焼空気の一部は、シェル５５部の小
径側端部の周囲に設けられた冷却空気入口５５７からシ
ェルと熱遮蔽部材５５０の端部に設けられた冷却空気室
５５９に流入し、熱遮蔽部材５５０の各冷却空気通路５
５０ａに流入する。そして、冷却空気は、各冷却空気通
路５５０ａ内を流れ、熱遮蔽部材５５０を対流冷却した
後、熱遮蔽部材５５０端部から、隣接する段付部シェル
５５の熱遮蔽部材５５０内周面に沿って軸線方向に噴出
する。これにより、隣接する段付部シェル５５の熱遮蔽
部材内周面（燃焼室壁面）のフィルム冷却が行なわれ
る。

【００３６】本実施形態では、熱遮蔽部材５５０外周に
はシールリング５５３が設けられているため、熱遮蔽部
材５５０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、空気室５５
９に流入した冷却空気は全て冷却空気通路５５０ａ内を
流れるようになる。このため、少量の冷却空気で効率の
良い対流冷却を行なうことが可能となる。

【００３７】また、熱遮蔽部材５５０外周にシールリン
グ５５を設けたことにより、熱遮蔽部材５５０とシェル
５５内周との間の間隙は比較的大きな値になっても、間
隙を通って冷却空気が燃焼室内に洩出することがない。
このため、シェル５５との接合部以外では熱遮蔽部材５
５０の外周の加工精度を高く維持する必要がなくなり、
加工コストと時間とを低減することが可能となる。

【００３８】なお、図２の実施形態では、熱遮蔽部材５
５０外周とシェル５５内周との間をシールリング５５３
によりシールしている。しかし、図４に示すように熱遮
蔽部材５５０外周を冷却空気通路５５０ａの入口と出口
との間の位置（図４、５５０ｅ）でロウ付けなどにより
全周にわたってシェルに接合することにより、シールを
行なってもよい。この場合には、熱遮蔽部材５５０は端
部とシール部との２カ所で内筒に接合されるようになる
ため、熱遮蔽部材５５０の取付強度が向上するようにな
る。 （２）第２の実施形態 次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実
施形態では、冷却蒸気を用いた燃焼器の蒸気冷却が行な
われる。

【００３９】図５は、本実施形態の蒸気冷却燃焼器の基
本構造を示す図１と同様な断面図である。図５におい
て、図１と同じ参照符号は、図１のものと同様な要素を
示している。本実施形態では、図１では内筒とは別体に
形成されていた尾筒５ａが内筒５の一部として一体に形
成されたワンピース構造となっている点が図１の燃焼器
と大きく相違している。

【００４０】また、本実施形態では、図１０の従来例と
同様に内筒５壁面はその全長にわたって冷却蒸気により
冷却される。しかし、図１０の例では、冷却蒸気は内筒
の中央部付近から供給され、上流側に向かう流れと下流
側に向かう流れとに分岐していたのに対して、本実施形
態では、内筒５の入口側端部に冷却蒸気入口管５１１と
出口管５１５が、内筒５の出口側（タービン入口側）端
部に冷却蒸気の入口管５１３と５１７とが設けられてい
る点が図１０の例とは相違している。

【００４１】すなわち、本実施形態では内筒５壁面に
は、入口管５１１と出口管５１７とに接続され、冷却蒸
気を内筒入口側から出口側に向けて流す冷却蒸気通路
と、冷却蒸気を内筒出口側から入口側に向けて流す冷却
蒸気通路との２種類の冷却蒸気通路が内筒５壁内に形成
されている。図６ (A)、(B) は、上述した２種類の冷却
蒸気通路の内筒５壁内の配置を模式的に示す図である。
図６ (A)は内筒出口５２部分の冷却蒸気通路の内筒５周
方向の配置を示す平面断面図である。本実施形態では、
内筒出口から入口に向けて冷却蒸気を流す冷却蒸気通路
５２１と内筒入口から出口に向けて冷却蒸気を流す冷却
蒸気通路５２３とは内筒壁内円周方向に交互に配列され
ている。また、図６(B) に示すように、内筒出口５２端
には冷却蒸気通路５２１に接続される環状の冷却蒸気入
口マニホルド５１３ａと、冷却蒸気通路５２３に接続さ
れる環状冷却蒸気出口マニホルド５１７ａとが、それぞ
れ内筒の外周の全周にわたって形成されている。入口マ
ニホルド５１３ａは、冷却蒸気入口管５１３に、出口マ
ニホルド５１７ａは冷却蒸気出口管５１７に、それぞれ
接続されている。図示していないが、内筒５入口側端部
にも冷却蒸気入口管５１１と冷却蒸気通路５２３とを接
続する入口マニホルド５１１ａと、冷却蒸気通路５２１
と冷却蒸気出口管５１５とを接続する出口マニホルド５
１５ａとが内筒外周に全周にわたって形成されている。
マニホルド５１１ａ、５１５ａ及びこれらマニホルドと
冷却蒸気通路５２３、５２１との接続部の構成は図６
(A)、(B) に示したものとほぼ同様である。

【００４２】本実施形態では、入口マニホルド５１１ａ
と５１３ａの冷却蒸気入口温度、及び出口マニホルド５
１５ａと５１７ａの冷却蒸気出口温度は、それぞれ同じ
温度になるようにそれぞれの冷却蒸気通路５２１、５２
３を流れる冷却蒸気流量が調整されている。例えば、本
実施形態では冷却蒸気の入口マニホルド５１１ａ、５１
３ａにおける温度（冷却蒸気通路５２１、５２３入口温
度）は約３００℃、出口マニホルド５１５ａ、５１７ａ
における温度（冷却蒸気出口温度）は６００℃になるよ
うにされている。すなわち、内筒５出口端に供給された
温度３００℃の冷却蒸気は冷却蒸気通路５２１内を流れ
る間に温度が上昇し、内筒５入口端から６００℃の蒸気
として取り出される。また、内筒５入口端に供給された
温度３００℃の冷却蒸気は、冷却蒸気通路５２３内を流
れる間に温度が上昇し、内筒５出口端から６００℃の蒸
気として取り出される。

【００４３】このため、冷却蒸気通路５２１と５２３と
の内部を流れる冷却蒸気温度の平均は、冷却蒸気通路５
２１、５２３に沿った方向ではほぼ一様になる。前述し
たように、内筒５内に噴射された燃料は燃焼しつつ内筒
５内を流れ、燃焼完了後内筒出口５２からタービンに供
給される。このため、内筒５内の燃焼ガスの流れ方向の
温度は一様ではなく、内筒５入口端側では燃焼が開始さ
れた直後であるため、比較的温度が低く、内筒５出口端
側では燃焼が完了した状態であるため比較的高くなって
いる。一方、内筒壁面メタル温度と壁内を流れる冷却蒸
気の温度との差はほぼ一定になるため。冷却蒸気温度が
低い部分ではメタル温度は低く、高い部分ではメタル温
度は高くなる。ところが、本実施形態では互いに対向す
る方向に冷却蒸気を流す２つの冷却蒸気通路５２１、５
２３を内筒壁内に配置したため、冷却蒸気温度の平均値
は内筒５全長にわたってほぼ一様となる。このため、本
実施形態では内筒５壁温は内筒全長にわたってほぼ一様
となり、従来の蒸気冷却のような内筒壁の過冷却が生じ
ることが防止される。このため、本実施形態では従来内
筒壁を過冷却するのに要していた分だけ冷却蒸気量を低
減することが可能になり、冷却蒸気消費量を減少させる
ことが可能となっている。 （３）第３の実施形態 次に、本発明のガスタービン燃焼器の壁面冷却構造の上
記とは別の実施形態について説明する。

【００４４】本実施形態では、蒸気冷却と空気冷却とを
併用したガスタービン燃焼器の冷却が行なわれる。図７
は、本実施形態のガスタービン燃焼器の概略構成を示
す、図５と同様な断面図である。図７において、図５と
同一の参照符号は同様な要素を示している。本実施形態
では、図１０に示した従来の蒸気冷却燃焼器と同様、内
筒の後半部分（図１の尾筒５ａに相当する部分には、内
筒壁内に冷却蒸気通路が形成されており、内筒のほぼ中
央部付近に設けた冷却蒸気入口管５０７と内筒出口端に
設けた冷却蒸気出口管５０９ｂとにより内筒後半部分が
蒸気冷却されている。一方、内筒前半部分（図１の内筒
５ｂに相当する部分）では、蒸気冷却を行なわず、代わ
りに燃焼空気を用いた空気冷却が行なわれている。

【００４５】図７に示すように、本発明では、燃焼器１
の外側には、円筒状の冷却通路カバー７１が設けられて
いる。カバー７１は、燃焼器１のノズル部３に形成され
た燃焼空気入口３５から燃焼器内筒５の中央部付近まで
を覆っており、カバー７１の一端は燃焼空気入口３５よ
り上流側でノズル部３に固定され、閉鎖端を形成してい
る。一方、カバー７１の下流側端部は拡管状の入口コー
ン７３を介してケーシング７内に開口している。

【００４６】このため、ケーシング７内の燃焼空気は、
入口コーン７３から冷却通路カバー７１と内筒５外周と
の間に形成される環状の冷却空気通路７５に流入し、通
路７５を流れて内筒５壁面を対流冷却する。内筒５壁面
を冷却した空気は、その全量がノズル部３外周の燃焼空
気入口３５からノズル部３内に流入し、従来の蒸気冷却
燃焼器と同様に、パイロットノズル３１とメインノズル
３３から内筒５内に流入する。

【００４７】前述したように、内筒５前半部分では予混
合気の燃焼が開始された直後となるため、比較的燃焼ガ
ス温度が低くなっており、内筒５壁面の熱負荷は内筒５
の後半部分（尾筒に相当する部分）より小さくなってい
る。このように内筒５前半部分では壁面の熱負荷が小さ
いため、フィルム冷却を併用しないでも冷却空気による
対流冷却のみで熱負荷を吸収することが可能である。本
実施形態では、この点に着目して、熱負荷の高い内筒後
半部分では従来と同様な蒸気冷却を行い、熱負荷の低い
内筒前半部分では燃焼空気を用いた対流冷却を行なうこ
とにより燃焼器壁面の冷却を行なう。

【００４８】このように、本実施形態では、空気冷却と
蒸気冷却とを併用することにより、従来内筒前半の冷却
に使用されていた蒸気量を削減することが可能となり、
冷却蒸気の消費量を大幅に低減することが可能となって
いる。また、本実施形態では、燃焼空気は、燃焼空気入
口３５から燃焼器内に流入するまでに、冷却通路カバー
７１と内筒５外周との間の比較的大きな間隙により形成
された比較的長さの短い冷却空気通路７５内を流れるの
みであるため、燃焼空気流動に伴う圧力損失は比較的低
くなる。このため、冷却後の空気の全量を燃焼空気とし
て使用することが可能となる。従来の空気冷却燃焼器で
は、対流冷却を行なった後の冷却空気をフィルム冷却空
気として内筒内に噴射していたため、燃焼後の燃焼ガス
に冷却空気が混入してしまい、燃焼ガス温度の低下を生
じていた。これに対して、本実施形態では対流冷却によ
り内筒壁面を冷却した後の空気は、全量が燃焼空気とし
てノズル３１、３３に供給される。このため、燃焼後の
燃焼ガスに冷却空気が混入することがなく燃焼ガス温度
の低下が防止されるとともに、空気冷却を行なうために
燃焼空気量が低下することが防止される。

【００４９】なお、本実施形態では冷却蒸気入口管５０
７は内筒軸線方向中央部付近に設けられ、冷却蒸気出口
管５０９ｂは内筒出口端付近に設けられており、冷却蒸
気は内筒軸線方向中央部近傍から内筒出口端に向けて壁
内を流れるようにされている。しかし、冷却蒸気の流れ
方向はこれには限定されず、逆に冷却蒸気入口管５０７
を内筒出口端付近に設け冷却蒸気出口管５０９ｂを内筒
軸線方向中央部付近に設け、冷却蒸気を内筒出口端付近
から内筒軸線方向中央部付近に向けて流すようにするこ
とも可能である。

【００５０】

【発明の効果】各請求項に記載の発明によれば、ガスタ
ービン燃焼器の壁面冷却を行なう場合に、冷却効果を損
なうことなく冷却用流体（空気、蒸気）の消費量を大幅
に低減可能なる共通の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】冷却空気による複合冷却を行なう空冷式ガスタ
ービン燃焼器の概略構造を示す断面図である。

【図２】本発明の第１の実施形態を示す、内筒壁面の拡
大断面図である。

【図３】図２の冷却空気通路の構成を説明する図であ
る。

【図４】図２の実施形態の変形例を示す、内筒壁面の拡
大断面図である。

【図５】本発明の第２の実施形態における蒸気冷却ガス
タービン燃焼器の概略構成を示す、断面図である。

【図６】図５の実施形態における燃焼器壁面における冷
却蒸気通路の配置を示す略示図である。

【図７】本発明の第３の実施形態におけるガスタービン
燃焼器の概略構成を示す、断面図である。

【図８】従来の空気冷却式のガスタービン燃焼器壁面の
冷却構造を説明する内筒壁面の拡大断面図である。

【図９】図８のIX−IX線に沿った断面図である。

【図１０】従来の蒸気冷却ガスタービン燃焼器の概略構
成を示す、断面図である。

【符号の説明】

１…燃焼器 ５、５ｂ…内筒 ５ａ…尾筒 ３１…パイロットノズル ３３…メインノズル ７１…冷却通路カバー ７５…冷却空気通路 ５１１、５１３…冷却蒸気入口管 ５１５、５１７…冷却蒸気出口管 ５２１、５２３…冷却蒸気通路

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 タービン駆動の圧縮機で加圧した燃焼空
   気を用いて燃料を燃焼させ、前記タービンを駆動する燃
   焼ガスを発生させるガスタービン燃焼器の壁面冷却構造
   であって、 供給された燃料が燃焼する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、燃焼室
   壁を構成する熱遮蔽部材と、を備え、 前記熱遮蔽部材は、内筒軸線に沿った方向に延びる複数
   の管状の冷却空気通路を内部に備えた板状部材から成
   り、前記冷却空気通路は前記熱遮蔽部材の一方の端部に
   設けられた冷却空気入口と他端に設けられた冷却空気出
   口とを有し、冷却空気入口から供給された冷却空気は、
   前記冷却空気通路内を流れ、冷却空気出口から内筒内周
   壁面に沿って燃焼室内に流入するようにされ、 前記熱遮蔽部材は、内筒軸線方向の一方の端部で前記内
   筒内周面に固定されるとともに、前記冷却空気空気入口
   と出口との間の位置に熱遮蔽部材と内筒内周面との間を
   通って冷却空気が燃焼室に流入することを防止するシー
   ルを備えた、 ガスタービン燃焼器の壁面冷却構造。
2. 【請求項２】 前記シールは、前記熱遮蔽部材の前記冷
   却空気入口と出口との間の位置で、内筒と熱遮蔽部材と
   を接合することにより形成される、請求項１に記載のガ
   スタービン燃焼器の壁面冷却構造。
3. 【請求項３】 タービン駆動の圧縮機で加圧した燃焼空
   気を用いて燃料を燃焼させ、前記タービンを駆動する燃
   焼ガスを発生させるガスタービン燃焼器の壁面冷却構造
   であって、 燃焼室を構成する内部空間を有し、一端側に設けた入口
   から前記内部空間に供給された燃料を燃焼させ、他端側
   に設けた出口から燃焼ガスを前記タービンに供給する円
   筒状の内筒と、 前記内筒の壁内部に形成された、内筒のほぼ全長にわた
   って内筒軸線方向に沿って延びる複数の冷却蒸気通路と
   を備え、 前記複数の冷却蒸気通路は、外部から供給された冷却蒸
   気を前記内筒入口から出口に向かう方向に内筒のほぼ全
   長にわたって流す冷却蒸気通路と、前記内筒出口から入
   口に向かう方向に内筒のほぼ全長にわたって流す冷却蒸
   気通路との２種類の冷却蒸気通路を含む、ガスタービン
   燃焼器の壁面冷却構造。
4. 【請求項４】 前記２種類の冷却蒸気通路は、内筒円周
   方向に交互に配列されている、請求項３に記載のガスタ
   ービン燃焼器の壁面冷却構造。
5. 【請求項５】 タービン駆動の圧縮機で加圧した燃焼空
   気を用いて燃料を燃焼させ、前記タービンを駆動する燃
   焼ガスを発生させるガスタービン燃焼器の壁面冷却構造
   であって、 燃焼室を構成する内部空間を有し、一端側に設けた入口
   から前記内部空間に供給された燃料を燃焼させ、他端側
   に設けた出口から燃焼ガスを前記タービンに供給する円
   筒状の内筒と、 前記内筒の外壁に設けられ、前記圧縮機から供給された
   燃焼空気を、内筒の軸線方向中央部付近から前記内筒入
   口に向かう方向に流し、燃焼器ノズルを介して内筒内に
   流入させる冷却空気通路と、 前記内筒の壁内に設けられ、外部から供給された冷却蒸
   気を前記内筒の軸線方向中央部付近と前記内筒出口付近
   とのうちの一方に設けられた蒸気入口から、前記内筒の
   軸線方向中央部付近と前記内筒出口付近とのうちの他方
   に設けられた蒸気出口に向けて流し、前記蒸気出口から
   外部に回収する冷却蒸気通路と、 を備えたガスタービン燃焼器の壁面冷却構造。