WO2012043073A1 - 回収式空気冷却ガスタービン燃焼器冷却構造 - Google Patents

回収式空気冷却ガスタービン燃焼器冷却構造 Download PDF

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聡 水上
石黒　達男
正田　淳一郎
和正 高田
鳥井　俊介
祐也 福永
哲 小西
由明 西村
義昭 五十嵐
石川　真也
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Tohoku Electric Power Co Inc
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Tohoku Electric Power Co Inc
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Definitions

  • the present invention relates to a recovery type air-cooled gas turbine combustor cooling structure.
  • a gas turbine is a device having a compressor, a combustor, and a turbine as main components.
  • the compressor takes in air, compresses it, and discharges high-pressure compressed air.
  • the compressed air discharged from the compressor is taken into the combustor as combustion air, and the gas turbine fuel supplied to the combustor is combusted to generate high-temperature combustion gas.
  • the combustion gas is taken into the turbine, and the combustion gas flows between the moving blades and the stationary blades to drive the turbine to obtain output.
  • Recoverable air cooling is a cooling system that extracts compressed air supplied from the compressor as cooling air inside the high-temperature parts and uses this compressed air to cool the inside of the high-temperature parts.
  • the compressed air after cooling is recovered. And used as combustion air for the combustor.
  • the air cooling system configured not only to use the compressed air extracted from the compressor as cooling air but also to collect it after cooling and reuse it as combustion air is also called a closed air cooling cycle. Yes. In this case, since the compressed air used for cooling is reused for combustion, nitrogen oxides generated along with combustion can be reduced.
  • FIG. 14 is an air cooling system diagram of compressed air showing an example of the above-described recovery type air cooling.
  • the high-pressure compressed air compressed by the compressor 1 of the gas turbine GT is used as main purpose combustion air. Therefore, the compressed air is supplied to the combustor 3 through the compressed air supply flow path 2.
  • a branch channel 4 for extracting a part of the compressed air is provided in the middle of the compressed air supply channel 2.
  • the branch flow path 4 is provided with a pressure increasing device 5 that pressurizes the extracted compressed air to generate higher pressure. Since the outlet side of the booster 5 is connected to the inside of the stationary blade 8 of the turbine 7 via the pressurized air passage 6, the pressurized air supplied from the booster 5 passes through the internal cooling passage of the stationary blade 8. Used as cooling air.
  • the pressurized air that has cooled the inside of the stationary blade 8 is returned to the compressed air supply flow path 2 through the return flow path 9, and merges with the main flow of the compressed air supplied from the compressor 1.
  • the pressurized air used for cooling the stationary blade 8 is used as combustion air for burning fuel in the combustor 3 together with the compressed air supplied directly from the compressor 1 to the combustor 3. It becomes. Accordingly, the recovery-type air cooling forms a closed loop in which the compressed air passage extracted from the compressed air supply passage 2 can be reused without causing the cooling air to flow out to the gas path through which the high-temperature combustion gas flows. Therefore, it is said to be an effective method for improving the gas turbine performance without increasing the inlet temperature of the turbine 7.
  • the branch flow path 4 is divided into two systems, one supplying pressurized air to the stationary blade 8 and the other supplying pressurized air to the moving blade 10.
  • reference numeral 5A denotes a booster
  • 6A denotes a pressurized air flow path
  • 9A denotes a return flow path
  • 11 denotes a cooling device, both of which are arranged in a system for supplying and recovering pressurized air to the moving blade 10. ing.
  • Patent Document 1 a part that operates a booster during partial load of a gas turbine, pressurizes compressed air extracted from the outlet side of the compressor, and then flows and cools the compressed air in a cooling channel of the combustor.
  • An operation method under load is disclosed.
  • the booster is operated during the rated operation of the gas turbine, the compressed air extracted from the outlet side of the compressor is pressurized, and then the turbine cooling medium flow path and the cooling flow path in the combustor
  • a rated-time operation method is disclosed in which it is allowed to flow through and cool.
  • the cooling structure that can effectively cool the wall of the combustor by effectively using the compressed air supplied from the compressor.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a recoverable air cooling system that effectively uses the compressed air supplied from the compressor and efficiently cools the wall surface of the combustor. It is to provide a gas turbine combustor cooling structure.
  • the recovery type air-cooled gas turbine combustor cooling structure uses the extracted pressurized air obtained by extracting and increasing the pressure of the compressed air supplied from the compressor from the upstream side of the combustor to cool the wall surface of the combustor.
  • a recovery air cooling gas turbine combustor cooling structure having a recovery air cooling structure that recovers the extracted pressurized air and reuses it as combustion air for burning fuel in the combustor together with the main flow of the compressed air.
  • a wall surface cooling for supplying and cooling cooling air to a cooling air passage formed in the wall surface of the combustor is cooled by using the extracted boosted air as cooling air; And an upstream wall surface region on the burner side that is cooled by using the extracted compressed air extracted from the main flow of the compressed air flowing as the cooling air.
  • the wall surface cooling that supplies cooling air to the cooling air passage formed in the wall surface of the combustor cools the extracted pressurized air.
  • wall cooling is performed using extracted pressurized air
  • burner side upstream wall region of the combustor that is relatively cool
  • extracted compressed air is used. Since the wall surface cooling is performed, the wall surface cooling can be performed while suppressing the amount of the extracted pressurized air used.
  • the downstream wall surface region is formed by extracting the extracted pressurized air introduced from the extracted pressurized air inlet hole that opens to the turbine side from the extracted pressurized air outlet hole that opens to the burner side in the downstream wall region.
  • the extracted compressed air outlet is made to flow out into an internal space
  • the upstream wall surface region opens the extracted compressed air introduced from at least the extracted compressed air inlet hole that opens to the turbine side in the upstream wall surface region to the central portion in the upstream wall surface region. It is preferable to let it flow out of the hole, and this causes the compressed air to flow from the vicinity of the tail tube outlet where the heat load is higher in the downstream wall surface area, so that the wall surface cooling is performed, and thus the amount of extracted compressed air used is further suppressed.
  • Wall cooling is possible.
  • the positions of the bleed air pressurized air outlet holes and / or the bleed air compressed air inlet holes can be dispersed to cool the wall surfaces efficiently.
  • the extracted compressed air introduced from the extracted pressurized air cooling passage and / or the extracted compressed air inlet hole for introducing the extracted pressurized air introduced from the extracted increased pressure air inlet hole to the extracted increased pressure air outlet hole It is preferable that at least one of the extraction compressed air cooling flow paths leading to the extraction compressed air outlet hole includes a folded portion in which flow paths adjacent to each other in the circumferential direction of the combustor are connected in the vicinity of the boundary. Accordingly, the extraction boosted air and the compressed air are separated from each other so that the temperature of the compressed air that cools the upstream wall surface region is not increased by separating the opening positions of the extraction compressed air outlet hole and the extraction compressed air inlet hole adjacent in the vicinity of the boundary. Mixing can be prevented or suppressed.
  • the path of the folded portion is preferably formed so as to cover the boundary vicinity region substantially uniformly and to cool the wall surface with the extracted pressurized air and / or the extracted compressed air. If the folded portion is formed so as to pass through the regions separated from the opening positions of the extraction air pressure increase air outlet hole and the extraction compressed air inlet hole, substantially uniform wall surface cooling becomes possible.
  • the ratio (P / d) to d) is preferably set to be 2 or more (P / d ⁇ 2), whereby the flow of the extracted pressurized air flowing out from the extracted increased pressure air outlet hole
  • a sufficient space can be provided between the adjacent extracted air pressure increase air outlet hole and the extracted compressed air inlet hole so that the flow of the extracted compressed air flowing into the extracted compressed air inlet hole does not mix with each other.
  • the diameter (di) of the extraction compressed air inlet hole is set to be a value (di> d) larger than the diameter (d) of the extraction pressurized air outlet hole,
  • the flow rate of the extraction boosted air that flows out from the extraction pressurization air outlet hole with a small hole diameter increases, so that the high temperature extraction pressurization air flows into the interior space of the passenger compartment without being mixed with the extraction compressed air with a low flow rate. It becomes easy.
  • the temperature of the extracted compressed air flowing into the extracted compressed air inlet hole can be prevented or suppressed by making it difficult for the hot extracted compressed air to be mixed.
  • the boundary between the downstream wall surface region and the upstream wall surface region is preferably located in the vicinity of the turbine side end of the acoustic liner, thereby improving the cycle performance by reducing the bleed air pressurization air. Can do.
  • the compressed air supplied from the compressor is effectively used, and combustion is performed.
  • the relatively high temperature turbine side in the vessel can perform wall surface cooling using extracted compressed air
  • the relatively low temperature burner side can perform wall surface cooling using extracted compressed air.
  • both the extracted pressurized air that has cooled the downstream wall surface area of the combustor and the extracted compressed air that has cooled the upstream wall surface area of the combustor are effectively reused as combustion air. Therefore, the gas turbine is provided with a cooling structure of a recovery type air cooling system that suppresses the amount of the extracted pressurized air that is used and cools the wall of the combustor efficiently.
  • FIG. 3 is an enlarged view of a main part showing a wall surface cooling system of the combustor shown in FIG. 1, and is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 3C.
  • FIG. 3 is an enlarged view of a main part showing a wall surface cooling system of the combustor shown in FIG. 1, and is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 3C. It is the principal part enlarged view which shows the wall surface cooling system of the combustor shown in FIG. 1, and is the plane schematic diagram which looked at the wall surface cooling system of FIG. 3A and FIG. 3B from the combustor outer side. It is a figure which shows the structural example of the gas turbine which performs collection
  • a pattern is shown in which folded portions are provided in both the extracted pressurized air cooling air flow and the extracted compressed air cooling flow path.
  • a pattern is shown in which the folded portion provided on the extraction compressed air cooling flow path side is a different path.
  • a pattern in which a folded portion is provided in the extracted pressurized air cooling air is shown.
  • FIG. 11A It is a figure which shows the 6th modification which provided the partition wall, and is a plane schematic diagram which shows the example of arrangement
  • the ratio (P / d) between the pitch (P) of the adjacent bleed air pressurized air outlet hole and the bleed air compressed air inlet hole and the diameter (d) of the bleed air pressurized air outlet hole shows the relationship with the mixing temperature of the extracted air.
  • FIG. It is a figure which shows the relationship with the mixing temperature of extraction compressed air about the ratio of the diameter (di) of an extraction compressed air inlet hole, and the diameter (d) of an extraction pressurization air exit hole.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing a gas turbine according to the present embodiment
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of the structure around the combustor of the gas turbine.
  • the illustrated gas turbine GT ⁇ b> 1 includes a compressor 1, a combustor 30, and a turbine 7, and a generator Ge is connected to the turbine 7.
  • the compressor 1 compresses air taken from the atmosphere.
  • the main flow of the compressed air is supplied to the combustor 30 through the compressed air supply passage 2.
  • the combustor 30 burns fuel using the compressed air compressed by the compressor 1 to generate high-temperature and high-pressure combustion gas.
  • This combustion gas is supplied to the turbine 7.
  • a plurality of stationary blades and moving blades are alternately arranged in the turbine casing.
  • the combustion gas flows between the stationary blades and the moving blades, thereby rotating the rotor to which the moving blades are attached and generating the driving force of the generator Ge.
  • the gas turbine GT1 described above is provided with a booster 5 that extracts a part of the compressed air compressed by the compressor 1 and boosts the pressure to a pressure higher than that of the compressed air.
  • the booster 5 is provided in the branch flow path 4 that branches from the middle of the compressed air supply flow path 2 and extracts a part of the compressed air, and is driven by the electric motor M.
  • the extracted compressed air that has been boosted by the booster 5 is supplied to the combustor 30 through the boosted air flow path 6 ⁇ / b> B and used as cooling air for cooling the wall surface of the combustor 30.
  • the extracted pressurized air used for cooling the wall surface of the combustor 30 is returned to the compressed air supply flow path 2 through the return flow path 9B and joined with the main flow of the compressed air flowing through the compressed air supply flow path 2. It is reused as combustion air for burning fuel in the combustor 30.
  • the gas turbine GT1 described above uses the compressed air supplied from the compressor 1 from the upstream side of the combustor 30 to increase the pressure, and uses the extracted pressurized air as cooling air for the combustor wall surface.
  • a recovered air cooling structure is provided for recovering the pressurized air and reusing it as combustion air for burning fuel in the combustor 30 together with the main flow of compressed air.
  • the extracted pressurized air is used only for cooling the wall surface of the combustor 30, but the stationary blade 8 and the moving blade 10 of the turbine 7 are cooled as in the above-described conventional technology. It may be combined with what you do.
  • the combustor 30 has a substantially cylindrical shape.
  • the combustor 30 is housed and installed in a vehicle interior space 12 formed in a vehicle interior (casing) Ca of the gas turbine GT1 and surrounds the outer periphery of the rotor. In this way, a plurality of wires are arranged in the circumferential direction.
  • the combustor 30 includes an inner cylinder 31, a tail cylinder 32, and an acoustic liner 33, and a combustion burner 34 is disposed inside the inner cylinder 31.
  • the combustion burner 34 includes a pilot burner 35 disposed in the center and a plurality of main burners 36 disposed so as to surround the pilot burner 35.
  • the internal space 12 of the passenger compartment Ca where the combustor 30 is installed is filled with the compressed air compressed by the compressor 1.
  • the compressed air introduced into the vehicle interior space 12 flows into the inner cylinder 31 from the upstream portion (combustion burner 34 side) of the combustor 30, and is mixed with the fuel supplied from the combustion burner 34 and burned.
  • the high-temperature and high-pressure combustion gas generated by this combustion is supplied to the turbine 7 on the downstream side through the tail cylinder 32.
  • the combustor 30 of the gas turbine GT ⁇ b> 1 performs wall surface cooling by supplying cooling air to the cooling air passage 41 formed in the wall surface 40 of the combustor 30 and cooling it.
  • Combustion burner that cools using the extracted compressed air extracted from the main stream of the compressed air flowing in the inner wall 12 of the turbine 7 and the downstream wall surface area on the turbine 7 side that cools using the extracted compressed air as cooling air. And an upstream wall surface region on the 34th side.
  • the wall surface 40 forming the tail cylinder 32 of the combustor 30 has a double wall structure in which an inner wall 40a and an outer wall 40b are joined by brazing, and has a thick wall, for example.
  • a groove in the axial direction (longitudinal direction) of the combustor 30 formed on the outer wall 40b side becomes a cooling air flow path 41 by joining the inner wall 40b.
  • many cooling air channels 41 are provided adjacent to each other in parallel.
  • symbol 33a in a figure is an acoustic hole provided through the wall surface 40.
  • the boundary between the upstream region cooled by the extracted compressed air and the downstream region cooled by the extracted pressurized air is closer to the turbine 7 than the acoustic liner 33 and the end of the acoustic liner 33 on the turbine 7 side.
  • the cooling air flow path 41 includes an extraction compressed air cooling flow path (hereinafter referred to as “compression cooling flow path”) 41A through which extraction compressed air flows, and an extraction boosted air cooling flow path (hereinafter referred to as “compressed cooling flow path”). And 41B).
  • the extracted pressurized air introduced from the vicinity of the rear end portion of the tail cylinder 32 flows through the pressurizing and cooling flow passage 41B and flows out from the vicinity of the end portion on the turbine 7 side of the acoustic liner 33 into the vehicle interior space 12. More specifically, the extracted pressurized air is guided into a manifold 37 provided near the rear end of the tail cylinder 32 through the pressurized air passage 6B. Inside the manifold 37, an extraction boosted air inlet hole (hereinafter referred to as a “pressure increase inlet hole”) 42 is provided for each channel as an inlet opening of a boost cooling channel 41 ⁇ / b> B through which the extracted boosted air flows into the wall surface 40. ing.
  • An extraction pressurized air outlet hole (hereinafter referred to as “pressure increasing outlet hole”) 43 serving as an outlet opening of the pressure increasing / cooling flow path 41 ⁇ / b> B is on the turbine 7 side of the acoustic liner 33 and the turbine 7 side end of the acoustic liner 33. It is open near the part. For this reason, the extracted boosted air that has flowed from the boost inlet hole 42 in the manifold 37 flows to the acoustic liner 33 side through the boost cooling channel 41B to cool the wall surface 40, and the increased temperature of the extracted boosted air passes through the boost outlet hole 43. It flows out into the vehicle interior space 12. The high-temperature extraction air that has flowed out into the vehicle interior space 12 is reused as combustion air by joining with the compressed air that fills the vehicle interior space 12.
  • the acoustic liner 33 includes a large number of acoustic holes 33 a penetrating the wall surface 40 inside a liner main body 33 b extending in the circumferential direction of the combustor 30. For this reason, the compression cooling channel 41A is provided at a position avoiding the acoustic hole 33a.
  • a bleed compressed air inlet hole (hereinafter referred to as a “compression inlet hole”) 44 opened near both outer ends of the liner main body 33b, and a central portion of the upstream wall surface region,
  • a bleed compressed air outlet hole (hereinafter referred to as a “compression outlet hole”) 45 is provided in the liner main body 33b.
  • the compressed air filled in the vehicle interior space 12 is extracted from the compression inlet hole 44 in the vicinity of the liner main body 33 b and flows into the compression cooling flow path 41 ⁇ / b> A, and the wall surface 40 in the peripheral region of the acoustic liner 33.
  • the extracted compressed air whose temperature has risen flows into the acoustic liner 33 from the compression outlet hole 45, and then flows into the combustion chamber 38 of the combustor 30 through the acoustic hole 33a and is used for combustion.
  • the cooling air used for cooling the wall surface of the combustor 30 can reuse both the extracted pressurized air and the extracted compressed air as combustion air. It is also possible to reduce nitrogen oxides generated. That is, since the pressurized compressed air is allowed to flow as cooling air from the outlet side (downstream side) of the transition piece 32 where the thermal load becomes high, the wall surface can be cooled by effectively using the cooling air. Further, by providing the upstream wall surface area that is cooled by using the extracted compressed air, the amount of the extracted pressurized air can be reduced, so that the booster 5 can be downsized and the power consumption for driving can be reduced.
  • the above-described pressure increase outlet hole 43 and compression inlet hole 44 are adjacent to the longitudinal direction (combustion gas flow direction) of the combustor 30 in the vicinity of the boundary between the upstream wall surface region and the downstream wall surface region.
  • the pressurizing outlet holes 43 and the compression inlet holes 44 may be arranged in a line in the circumferential direction of the combustor 30, but it is desirable to have a staggered arrangement.
  • Such a staggered arrangement disperses the pressurization outlet holes 43 through which the high-temperature bleed air pressurization air flows out, so that the upstream wall region and the downstream wall region on the downstream side in the combustion gas flow direction of the acoustic liner 33 provided with the pressurization outlet holes 43
  • the wall surface can be efficiently cooled in the vicinity of the boundary.
  • the pressure increase outlet hole 43 through which the high temperature air after cooling flows out and the compression inlet hole 44 through which the low temperature air before cooling flows in. are present at positions adjacent to each other. Therefore, if the two are close to each other, it is considered that air having a temperature difference is mixed. Such mixing increases the temperature of the extracted compressed air before cooling flowing into the compression inlet hole 44, and the upstream wall surface region in the wall surface 40 in which the compressed cooling channel 41A is formed so as to cool the wall surface by flowing the extracted compressed air. There is a concern that the cooling capacity of the machine may be reduced.
  • the boosting cooling flow path 41B that supplies the extracted pressurized air to the boosting outlet hole 43 that opens near the boundary between the upstream wall surface area and the downstream wall surface area on the turbine 7 side of the acoustic liner 33 and / or
  • the compression cooling channel 41 ⁇ / b> A that guides the extracted compressed air introduced from the compression inlet hole 44 to the inside of the acoustic liner 33
  • at least one cooling channel connects the channels adjacent to each other in the circumferential direction of the combustor 30 to the acoustic liner 33.
  • a folded portion 50 connected in the vicinity of the boundary between the upstream wall surface region and the downstream wall surface region on the turbine 7 side.
  • Such a folded-back portion 50 separates the opening positions of the adjacent boosting outlet hole 43 and compression inlet hole 44 in the vicinity of the boundary, so that the temperature of the extracted compressed air that cools the upstream wall surface region does not rise, Prevents or suppresses mixing with extracted compressed air. Further, it is desirable that the path of the folded-back portion 50 is formed so as to cover a region near the boundary between the upstream wall surface region and the downstream wall surface region substantially uniformly and to cool the wall surface with the extracted pressurized air or the extracted compressed air.
  • a substantially U-shaped folded portion 50 is provided on the compression cooling channel 41A side. That is, the two adjacent compression cooling flow paths 41A are connected in a substantially U shape at the ends of the flow paths on the turbine 7 side, and are separated from the pressurization outlet hole 43 and are not easily mixed with the high-temperature bleed air pressurization air.
  • a compression inlet hole 44 is provided in the opening.
  • the extracted compressed air flowing through the folded portion 50 flows so as to cover the region near the boundary between the upstream wall surface region and the downstream wall surface region substantially uniformly, and cools the wall surface region without the pressurizing outlet hole 43. That is, the folded portion 50 is formed so as to pass through a region away from the opening positions of the pressurizing outlet hole 43 and the compression inlet hole 44 and cover a blank wall surface region without the pressurizing outlet hole 43 and the compression inlet hole 44.
  • substantially uniform wall surface cooling is possible even in the vicinity of the boundary between the upstream wall surface region and the downstream wall surface region.
  • a cooling branch channel 46 that branches from the compression cooling channel 41 ⁇ / b> A connected by the folded portion 50 is formed, and a compression inlet hole is formed at the end of the cooling branch channel 46. 44 is provided.
  • the branch position of the cooling branch channel 46 is not limited to the illustrated example.
  • FIG. 7 differs from FIG. 6A described above in the arrangement of the boost outlet hole 43 and the compression inlet hole 44.
  • the three pressurizing outlet holes 43 corresponding to the folded-back portions 50 are linearly arranged in the circumferential direction of the combustor 30, and the boosted cooling flow path 41 ⁇ / b> B is connected to the acoustic liner 33 side between two adjacent folded-back portions 50.
  • the pressurization outlet hole 43 is extended and arranged.
  • the compression inlet hole 44 is increased from one place in FIG. 6A to three places.
  • the configuration on the boosted cooling channel 41B side is different from that in FIG. 7 described above.
  • a substantially U-shaped folded portion 50 is also provided on the boosting cooling channel 41B side, and the number and arrangement of the boosting outlet holes 43 are also different.
  • the 4th modification shown in FIG. 9 about the folding
  • the fifth modification shown in FIG. 10 is different from FIG. 8 described above in that a substantially U-shaped folded portion 50 is provided only on the side of the boosting / cooling flow path 41B.
  • the substantially U-shaped folded portion 50 described above can be provided in both or only one of the compression cooling channel 41A and the boosting cooling channel 41B.
  • the shape of the folded portion 50 is not limited to a substantially U shape, and a substantially M-shaped folded portion 51, a substantially S shape, or the like can be appropriately employed. That is, for the folded portion 50, the separation distance between the pressure increasing outlet hole 43 and the compression inlet hole 44 is optimized, and the blank wall surface region is covered by the passage of the folded portion 50, near the boundary between the upstream wall surface region and the downstream wall surface region.
  • the modification examples and combinations thereof shown in FIGS. 6 to 10 may be selected as appropriate so that the wall cooling is substantially uniform.
  • the partition wall 60 protrudes toward the vehicle interior space 12 side of the wall surface 40, so that the high-temperature bleed air pressurizing air flowing out from the pressurization outlet hole 43 is mixed with the low-temperature bleed air compressed air flowing into the compression inlet hole 44. Is surely prevented.
  • the partition wall 60 is a wall member that divides the flow of the pressurized compressed air flowing out from the pressurizing outlet hole 43 and the flow of the extracted compressed air flowing into the compression inlet hole 44 so that both air flows do not mix. It can be reliably separated.
  • the illustrated configuration example includes a guide portion 61 that is bent from the front end portion of the partition wall 60 toward the rear end portion of the tail cylinder 32 (to the turbine 7 side).
  • the guide portion 61 forms a guide surface substantially parallel to the wall surface 40, and the flow of the extracted pressurized air that flows out from the pressurizing outlet hole 43 flows downstream (on the rear end side of the tail cylinder 32) opposite to the compression inlet hole 44. Therefore, it is possible to more reliably prevent the mixing of the extracted pressurized air and the extracted compressed air.
  • a partition wall 60 is applicable with respect to embodiment mentioned above and its modification, and in any case, the wall surface cooling of the combustor 30 can be implemented still more efficiently by mutual synergistic effect.
  • the combustion of the pressurizing outlet hole 43 and the compression inlet hole 44 adjacent in the vicinity of the boundary between the upstream wall surface area and the downstream wall surface area is performed. It is preferable that the ratio (P / d) of the pitch (P) in the longitudinal direction of the vessel 30 and the diameter (d) of the pressurizing outlet hole 43 is set to be 2 or more (P / d ⁇ 2).
  • the ratio (P / d) to the diameter (d) of the pressurization outlet hole 43 is 2 or more (P / d ⁇ 2)
  • the flow of the bleed pressure air flowing out from the pressurization outlet hole 43 and the compression inlet hole 44 It is considered that the flow of the extracted compressed air flowing into the gas hardly mixes. That is, the condition of (P / d ⁇ 2) is satisfied in order to prevent the flow of the extracted compressed air flowing out from the pressurizing outlet hole 43 and the flow of the extracted compressed air flowing into the compression inlet hole 44 from mixing with each other. By doing so, a sufficient space can be provided between the adjacent booster outlet hole 43 and the compression inlet hole 44.
  • FIGS. 2B and 11A the diameter (di) of the compression inlet hole 44 opened near the boundary between the upstream wall surface region and the downstream wall surface region is increased. It is desirable to set so that the value (di> d) is larger than the diameter (d) of the outlet hole 43.
  • FIG. 13 shows the relationship between the ratio of the diameter (di) of the compression inlet hole 44 and the diameter (d) of the pressure increase outlet hole 43 and the mixing temperature of the extracted compressed air representing the mixed state of the extracted pressurized air and the extracted compressed air. Is shown. According to this figure, the mixing temperature decreases as the ratio of both diameters (di / d) increases.
  • the compressed air supplied from the compressor 1 is effectively used in the gas turbine GT1 adopting the cooling method of the recovery type air cooling (closed air cooling cycle).
  • the wall surface cooling using the extracted pressurized air can be performed on the relatively high temperature turbine 7 side, and the wall surface cooling using the extracted compressed air can be performed on the combustion burner 34 side.
  • both the extracted pressurized air that has cooled the downstream wall surface region of the combustor 30 and the extracted compressed air that has cooled the upstream wall surface region of the combustor 30 are effectively reused as combustion air. It becomes a gas turbine provided with the cooling structure of the recovery type air cooling system which can cool 30 wall surfaces efficiently.

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Abstract

　圧縮機から供給される圧縮空気を燃焼器（３０）の上流側から抽気して昇圧した抽気昇圧空気を壁面（４０）の冷却に用いた後、抽気昇圧空気を回収して圧縮空気の主流と共に燃焼器（３０）で燃料を燃焼させる燃焼用空気として再利用する回収式空気冷却構造を備えた回収式空気冷却ガスタービン燃焼器冷却構造において、燃焼器（３０）の壁面（４０）内に形成された冷却空気通路（４１）に冷却空気を供給して冷却する壁面冷却が、抽気昇圧空気を冷却空気として用いて冷却されるタービン側の下流壁面領域と、車室内部空間を流れる圧縮空気の主流から抽気した抽気圧縮空気を冷却空気として用いて冷却されるバーナ側の上流壁面領域と、を備えている。

Description

回収式空気冷却ガスタービン燃焼器冷却構造
　本発明は、回収式空気冷却ガスタービン燃焼器冷却構造に関する。
　ガスタービンは、圧縮機と、燃焼器と、タービンとを主な構成要素とする装置であり、圧縮機は空気を取り込んで圧縮し、高圧の圧縮空気を吐出する。圧縮機から吐出された圧縮空気は、燃焼用空気として燃焼器に取り入れられ、燃焼器に供給されたガスタービン燃料を燃焼させて高温の燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスはタービンに取り入れられ、動翼及び静翼間を燃焼ガスが流れることによりタービンを駆動して出力を得る。
　従来のガスタービンにおいて、燃焼器やタービン静翼及びタービン動翼等のような高温部品の内部冷却通路は、開放式空気冷却、回収式蒸気冷却及び回収式空気冷却の３種類に大別される。
　開放式空気冷却は、高温部品の内部を空気にて冷却し、冷却後の空気をフィルム冷却用空気として使用するものである。
　回収式蒸気冷却は、高温部品の内部を蒸気にて冷却し、冷却後の蒸気を蒸気タービンに回収するものである。従って、この回収式蒸気冷却は、ガスタービン単体で適用することはできない。
　回収式空気冷却は、高温部品内部の冷却用空気として圧縮機から供給される圧縮空気を抽気し、この圧縮空気を用いて高温部品内部を冷却する冷却方式であり、冷却後の圧縮空気は回収されて燃焼器の燃焼用空気として使用される。このように、圧縮機から抽気した圧縮空気を冷却空気として使用するだけでなく、冷却後に回収して燃焼用空気として再利用するように構成された空気冷却系統は、クローズド空冷サイクルとも呼ばれている。この場合、冷却に用いた圧縮空気を燃焼用として使い回すため、燃焼に伴って発生する窒素酸化物を低減することができる。
　図１４は、上述した回収式空気冷却の一例を示す圧縮空気の空気冷却系統図であり、ガスタービンＧＴの圧縮機１で圧縮された高圧の圧縮空気は、主目的の燃焼用空気として使用するため、圧縮空気供給流路２を通って燃焼器３へ供給される。
　圧縮空気供給流路２の途中には、圧縮空気の一部を抽気する分岐流路４が設けられている。この分岐流路４には、抽気した圧縮空気を昇圧してより高圧の昇圧空気とする昇圧装置５が設けられている。
　昇圧装置５の出口側は、昇圧空気流路６を介してタービン７の静翼８内と接続されているので、昇圧装置５から供給される昇圧空気は、静翼８の内部冷却通路を通る冷却空気として使用される。静翼８内を冷却した昇圧空気は、戻し流路９を通って圧縮空気供給流路２に戻され、圧縮機１から供給される圧縮空気の主流と合流する。
　この結果、静翼８の冷却に使用された昇圧空気は、圧縮機１から直接燃焼器３へ供給される圧縮空気とともに、燃焼器３で燃料を燃焼させるための燃焼用空気として使用されることとなる。従って、回収式空気冷却は、圧縮空気供給流路２から抽気した圧縮空気の流路が、高温の燃焼ガスを流しているガスパスに冷却空気を流出させることなく再利用できるクローズドループを形成しているので、タービン７の入口温度を上昇させることなくガスタービン性能の向上に有効な方式といわれている。
　また、回収式空気冷却には、たとえば図１５に示すガスタービンＧＴ′のように、タービン７の静翼８及び動翼１０の両方に対して、圧縮空気を抽気して昇圧した昇圧空気を供給して冷却に使用するクローズド空冷サイクルもある。この場合の分岐流路４は２系統に分かれており、一方が静翼８に昇圧空気を供給するとともに、他方が動翼１０に昇圧空気を供給する。
　なお、図中の符号５Ａは昇圧装置、６Ａは昇圧空気流路、９Ａは戻し流路、１１は冷却装置であり、いずれも動翼１０への昇圧空気を供給及び回収する系統に配設されている。
　一方、下記の特許文献１には、ガスタービンの部分負荷時に昇圧装置を運転し、圧縮機の出口側から抽気した圧縮空気を昇圧してから燃焼器の冷却流路内に流して冷却する部分負荷時の運転方法が開示されている。
　また、下記の特許文献２には、ガスタービンの定格運転時に昇圧装置を運転し、圧縮機の出口側から抽気した圧縮空気を昇圧してからタービン冷却媒体流路及び燃焼器内の冷却流路に流して冷却する定格時運転方法が開示されている。
特開２０１０－９０８１７号公報 特開２０１０－９０８１８号公報
　ところで、上述した回収式空気冷却（クローズド空冷サイクル）の冷却方式を採用したガスタービンにおいては、圧縮機から供給される圧縮空気を有効に利用し、燃焼器の壁面についても効率よく冷却できる冷却構造が望まれる。
　本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、圧縮機から供給される圧縮空気を有効に利用し、燃焼器の壁面を効率よく冷却する回収式空気冷却ガスタービン燃焼器冷却構造を提供することにある。
　本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
　本発明に係る回収式空気冷却ガスタービン燃焼器冷却構造は、圧縮機から供給される圧縮空気を燃焼器の上流側から抽気して昇圧した抽気昇圧空気を前記燃焼器の壁面の冷却に用いた後、前記抽気昇圧空気を回収して前記圧縮空気の主流と共に前記燃焼器で燃料を燃焼させる燃焼用空気として再利用する回収式空気冷却構造を備えた回収式空気冷却ガスタービン燃焼器冷却構造において、前記燃焼器の壁面内に形成された冷却空気通路に冷却空気を供給して冷却する壁面冷却が、前記抽気昇圧空気を冷却空気として用いて冷却されるタービン側の下流壁面領域と、車室内を流れる圧縮空気の主流から抽気した抽気圧縮空気を冷却空気として用いて冷却されるバーナ側の上流壁面領域と、を備えているものである。
　このような本発明の回収式空気冷却ガスタービン燃焼器冷却構造によれば、燃焼器の壁面内に形成された冷却空気通路に冷却空気を供給して冷却する壁面冷却が、抽気昇圧空気を冷却空気として用いて冷却されるタービン側の下流壁面領域と、燃焼器車室の内部空間を流れる圧縮空気の主流から抽気した抽気圧縮空気を冷却空気として用いて冷却されるバーナ側の上流壁面領域と、を備えているので、抽気昇圧空気及び抽気圧縮空気を有効に利用して燃焼器の壁面を冷却することができる。
　すなわち、比較的高温となる燃焼器のタービン側（下流壁面領域）では、抽気昇圧空気を用いた壁面冷却を行い、比較的低温となる燃焼器のバーナ側（上流壁面領域）では、抽気圧縮空気を用いた壁面冷却を行うようにしたので、抽気昇圧空気の使用量を抑制した壁面冷却が可能になる。
　上記の発明において、前記下流壁面領域は、前記タービン側に開口する抽気昇圧空気入口穴から導入した前記抽気昇圧空気を前記下流壁面領域におけるバーナ側に開口する抽気昇圧空気出口穴から前記車室の内部空間へ流出させ、前記上流壁面領域は、少なくとも前記上流壁面領域におけるタービン側に開口する抽気圧縮空気入口穴から導入した前記抽気圧縮空気を前記上流壁面領域における中央部に開口する抽気圧縮空気出口穴から流出させることが好ましく、これにより、下流壁面領域ではより熱負荷の高い尾筒出口付近から抽気昇圧空気を流して壁面冷却を行うようになるので、抽気昇圧空気の使用量をより抑制した壁面冷却が可能になる。
　この場合、前記上流壁面領域と前記下流壁面領域との境界近傍に開口して隣接する前記抽気昇圧空気出口穴及び／または前記抽気圧縮空気入口穴を千鳥状に配置することが好ましく、これにより、上流壁面領域と下流壁面領域との境界近傍では、抽気昇圧空気出口穴及び／または抽気圧縮空気入口穴の位置を分散させて壁面を効率よく冷却することができる。
　上記の発明において、前記抽気昇圧空気入口穴から導入した前記抽気昇圧空気を前記抽気昇圧空気出口穴へ導く抽気昇圧空気冷却流路及び／または前記抽気圧縮空気入口穴から導入した前記抽気圧縮空気を前記抽気圧縮空気出口穴へ導く抽気圧縮空気冷却流路は、少なくとも一方が、前記燃焼器の周方向に隣接する流路同士が前記境界近傍で連結された折り返し部を備えていることが好ましく、これにより、境界近傍にて隣接する抽気昇圧空気出口穴及び抽気圧縮空気入口穴の開口位置を離間させ、上流壁面領域を冷却する圧縮空気が温度上昇しないように、抽気昇圧空気と圧縮空気とが混合することを防止または抑制できる。
　この場合、前記折り返し部の経路は、前記境界近傍領域を略均等にカバーして前記抽気昇圧空気及び／または前記抽気圧縮空気による壁面冷却を行うように形成されていることが好ましく、これにより、折り返し部が抽気昇圧空気出口穴及び抽気圧縮空気入口穴の開口位置から離れた領域を通過するように形成すれば、略均一な壁面冷却が可能になる。
　上記の発明において、前記抽気昇圧空気出口穴と前記抽気圧縮空気入口穴との間に前記燃焼器の壁面から突出する仕切壁を設けることが好ましく、これにより、抽気昇圧空気出口穴から流出する抽気昇圧空気の流れと、抽気圧縮空気入口穴に流入する抽気圧縮空気の流れとが混合しないように、確実に分離することができる。
　上記の発明において、前記境界近傍に開口して隣接する前記抽気昇圧空気出口穴及び前記抽気圧縮空気入口穴の前記燃焼器の長手方向におけるピッチ（Ｐ）と、前記抽気昇圧空気出口穴の直径（ｄ）との比（Ｐ／ｄ）が、２以上（Ｐ／ｄ≧２）となるように設定されていることが好ましく、これにより、抽気昇圧空気出口穴から流出する抽気昇圧空気の流れと、抽気圧縮空気入口穴に流入する抽気圧縮空気の流れとが互いに混合しないように、隣接する抽気昇圧空気出口穴と抽気圧縮空気入口穴との間に十分な間隔を設けることができる。
　上記の発明において、前記抽気圧縮空気入口穴の直径（ｄｉ）は、前記抽気昇圧空気出口穴の直径（ｄ）よりも大きな値（ｄｉ＞ｄ）となるように設定されていることが好ましく、これにより、穴径の小さい抽気昇圧空気出口穴から流出する抽気昇圧空気の流速が大きくなるので、高温の抽気昇圧空気は流速の小さい抽気圧縮空気と混合されずに車室の内部空間へ流出しやすくなる。この結果、抽気圧縮空気入口穴に流入する抽気圧縮空気は、高温の抽気昇圧空気が混合されにくくなることにより、温度上昇を防止または抑制することができる。
　上記の発明において、前記下流壁面領域と前記上流壁面領域との境界は、音響ライナのタービン側端部近傍に位置することが好ましく、これにより、抽気昇圧空気を削減してサイクル性能を向上させることができる。
　上述した本発明によれば、回収式空気冷却（クローズド空冷サイクル）の冷却方式を採用した回収式空気冷却ガスタービン燃焼器冷却構造において、圧縮機から供給される圧縮空気を有効に利用し、燃焼器において比較的高温側のタービン側は抽気昇圧空気を使用した壁面冷却を行い、比較的低温のバーナ側は抽気圧縮空気を使用した壁面冷却を行うことができる。
　この結果、燃焼器の下流壁面領域を冷却した抽気昇圧空気と、燃焼器の上流壁面領域を冷却した抽気圧縮空気とは、いずれも燃焼用空気として有効に再利用されるため、昇圧が必要となる抽気昇圧空気の使用量を抑制し、燃焼器の壁面を効率よく冷却できる回収式空気冷却方式の冷却構造を備えたガスタービンとなる。
本発明に係る回収式空気冷却ガスタービン燃焼器冷却構造の一実施形態として、燃焼器の壁面冷却系統を示す断面図である。 図１に示した燃焼器の壁面冷却系統に関する要部拡大図であり、上流から下流までの壁面冷却系統を示す断面斜視図である。 図２Ａの壁面冷却系統を燃焼器外側から見た平面模式図である。 図１に示す燃焼器の壁面冷却系統を示す要部拡大図で、図３ＣのＡ－Ａ断面図である。 図１に示す燃焼器の壁面冷却系統を示す要部拡大図で、図３ＣのＢ－Ｂ断面図である。 図１に示す燃焼器の壁面冷却系統を示す要部拡大図で、図３Ａ及び図３Ｂの壁面冷却系統を燃焼器外側から見た平面模式図である。 燃焼器壁面に対して回収式空気冷却を行うガスタービンの構成例を示す図である。 ガスタービンの燃焼器及びその周辺構造例を示す図である。 燃焼器壁面の冷却流路及び冷却空気入口／出口の配置例を示す第１変形例として、抽気圧縮空気冷却流路側に折り返し部を設けるとともに、抽気圧縮空気入口穴を異なる配置としたパターンが示されている。 燃焼器壁面の冷却流路及び冷却空気入口／出口の配置例を示す第１変形例として、抽気圧縮空気冷却流路側に折り返し部を設けるとともに、抽気圧縮空気入口穴を異なる配置としたパターンが示されている。 燃焼器壁面の冷却流路及び冷却空気入口／出口の配置例を示す第１変形例として、抽気圧縮空気冷却流路側に折り返し部を設けるとともに、抽気圧縮空気入口穴を異なる配置としたパターンが示されている。 燃焼器壁面の冷却流路及び冷却空気入口／出口の配置例を示す第２変形例として、抽気圧縮空気冷却流路側に折り返し部を設けるとともに、抽気昇圧空気出口穴を異なる配置としたパターンが示されている。 燃焼器壁面の冷却流路及び冷却空気入口／出口の配置例を示す第３変形例として、抽気昇圧空気冷却空気及び抽気圧縮空気冷却流路の両方に折り返し部を設けたパターンが示されている。 燃焼器壁面の冷却流路及び冷却空気入口／出口の配置例を示す第４変形例として、抽気圧縮空気冷却流路側に設けた折り返し部を異なる経路としたパターンが示されている。 燃焼器壁面の冷却流路及び冷却空気入口／出口の配置例を示す第５変形例として、抽気昇圧空気冷却空気に折り返し部を設けたパターンが示されている。 仕切壁を設けた第６変形例を示す図で、燃焼器壁面の冷却流路及び冷却空気入口／出口の配置例を示す平面模式図である。 図１１ＡのＣ－Ｃ断面図である。 隣接する抽気昇圧空気出口穴及び抽気圧縮空気入口穴のピッチ（Ｐ）と抽気昇圧空気出口穴の直径（ｄ）との比（Ｐ／ｄ）について、抽気圧縮空気の混合温度との関係を示す図である。 抽気圧縮空気入口穴の直径（ｄｉ）と抽気昇圧空気出口穴の直径（ｄ）との比について、抽気圧縮空気の混合温度との関係を示す図である。 従来のガスタービンに適用されている回収式空気冷却例として、タービンの静翼を冷却するために圧縮空気を使用している空気冷却系統図である。 従来のガスタービンに適用されている回収式空気冷却例として、タービンの静翼及び動翼を冷却するために圧縮空気を使用している空気冷却系統図である。
　以下、本発明に係る回収式空気冷却ガスタービン燃焼器冷却構造の一実施形態を図面に基づいて説明する。
　図４は本実施形態に係るガスタービンを示す概略構成図、図５はガスタービンの燃焼器周辺構造例を示す断面図である。なお、図示のガスタービンは発電機を駆動しているが、これに限定されるものではない。
　図示のガスタービンＧＴ１は、圧縮機１と、燃焼器３０と、タービン７とにより構成されており、このタービン７には発電機Ｇｅが連結されている。
　圧縮機１は、大気中から取り込んだ空気を圧縮する。この圧縮空気は、その主流が圧縮空気供給流路２を通って燃焼器３０に供給される。
　燃焼器３０は、圧縮機１で圧縮された圧縮空気を用いて燃料を燃焼させ、高温高圧の燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスは、タービン７に供給される。
　タービン７は、タービン車室内に複数の静翼及び動翼が交互に配設されている。このタービン７は、燃焼ガスが静翼と動翼との間を通過して流れることにより、動翼を取り付けたロータを回転させて発電機Ｇｅの駆動力が発生する。
　上述したガスタービンＧＴ１には、圧縮機１で圧縮した圧縮空気の一部を抽気し、圧縮空気より高い圧力に昇圧する昇圧装置５が設けられている。この昇圧装置５は、圧縮空気供給流路２の途中から分岐し、圧縮空気の一部を抽気する分岐流路４に設けられて電動モータＭにより駆動されている。
　昇圧装置５で昇圧された抽気昇圧空気は、昇圧空気流路６Ｂを通って燃焼器３０に供給され、燃焼器３０の壁面冷却用冷却空気として使用される。こうして燃焼器３０の壁面冷却に使用された抽気昇圧空気は、戻し流路９Ｂを通って圧縮空気供給流路２に戻され、圧縮空気供給流路２を流れる圧縮空気の主流と合流した後、燃焼器３０で燃料を燃焼させる燃焼用空気として再利用される。
　このように、上述したガスタービンＧＴ１は、圧縮機１から供給される圧縮空気を燃焼器３０の上流側から抽気して昇圧した抽気昇圧空気を燃焼器壁面の冷却空気に用いた後、この抽気昇圧空気を回収して圧縮空気の主流と共に燃焼器３０で燃料を燃焼させる燃焼用空気として再利用する回収式空気冷却構造を備えている。なお、図示の回収式空気冷却構造においては、抽気昇圧空気を燃焼器３０の壁面冷却にのみ使用しているが、上述した従来技術のように、タービン７の静翼８や動翼１０を冷却するものとの組合せでもよい。
　燃焼器３０は略円筒形状をなし、たとえば図５に示すように、ガスタービンＧＴ１の車室（ケーシング）Ｃａ内に形成された車室内部空間１２に収納設置されており、ロータの外周を取り囲むようにして円周方向に複数本が配設されている。この燃焼器３０は、内筒３１と、尾筒３２と、音響ライナ３３とを備え、内筒３１の内部には燃焼バーナ３４が配設されている。
　燃焼バーナ３４は、中央部に配置したパイロットバーナ３５と、パイロットバーナ３５の周囲を取り囲むように配置した複数のメインバーナ３６とを備えている。
　なお、燃焼器３０が設置された車室Ｃａの内部空間１２には、圧縮機１で圧縮された圧縮空気が導入されて充満している。
　車室内部空間１２に導入された圧縮空気は、燃焼器３０の上流部（燃焼バーナ３４側）から内筒３１の内部に流入し、燃焼バーナ３４から供給された燃料と混合されて燃焼する。この燃焼により生成された高温高圧の燃焼ガスは、尾筒３２を通って下流側のタービン７へ供給される。
　このようなガスタービンＧＴ１の燃焼器３０は、たとえば図１に示すように、燃焼器３０の壁面４０内に形成された冷却空気通路４１に冷却空気を供給して冷却する壁面冷却を行うため、抽気昇圧空気を冷却空気に用いて冷却するタービン７側の下流壁面領域と、車室Ｃａの内部空間１２内を流れる圧縮空気の主流から抽気した抽気圧縮空気を冷却空気に用いて冷却する燃焼バーナ３４側の上流壁面領域とを備えている。
　図１～図３Ｃに示す実施形態において、燃焼器３０の尾筒３２を形成する壁面４０は、内壁４０ａと外壁４０ｂとをろう付けして接合した二重壁構造とされ、たとえば肉厚のある外壁４０ｂ側に形成した燃焼器３０の軸方向（長手方向）の凹溝が内壁４０ｂの接合により冷却空気流路４１となる。この冷却空気流路４１は、燃焼器３０の周方向において、多数が隣接して並列に設けられている。なお、図中の符号３３ａは、壁面４０を貫通して設けた音響穴である。
　本実施形態では、抽気圧縮空気で冷却する上流側領域と、抽気昇圧空気で冷却する下流側領域との境界が、音響ライナ３３よりタービン７側で、かつ、音響ライナ３３のタービン７側端部付近となる。従って、冷却空気流路４１は、抽気圧縮空気を流す抽気圧縮空気冷却流路（以下、「圧縮冷却流路」と呼ぶ）４１Ａと、抽気昇圧空気を流す抽気昇圧空気冷却流路（以下、「昇圧冷却流路」と呼ぶ）４１Ｂと、に分割される。
　下流壁面領域では、尾筒３２の後端部付近から導入した抽気昇圧空気が昇圧冷却流路４１Ｂを流れ、音響ライナ３３のタービン７側端部付近から車室内部空間１２内へ流出する。
　具体的に説明すると、抽気昇圧空気は、昇圧空気流路６Ｂを通って尾筒３２の後端部付近に設けたマニホールド３７内に導かれる。マニホールド３７の内側には、壁面４０内に抽気昇圧空気を流す昇圧冷却流路４１Ｂの入口開口として、抽気昇圧空気入口穴（以下、「昇圧入口穴」と呼ぶ）４２が流路毎に設けられている。
　そして、昇圧冷却流路４１Ｂの出口開口となる抽気昇圧空気出口穴（以下、「昇圧出口穴」と呼ぶ）４３は、音響ライナ３３よりタービン７側で、かつ、音響ライナ３３のタービン７側端部付近に開口している。
　このため、マニホールド３７内で昇圧入口穴４２から流入した抽気昇圧空気は、昇圧冷却流路４１Ｂを音響ライナ３３側へ流れて壁面４０を冷却し、温度上昇した抽気昇圧空気が昇圧出口穴４３から車室内部空間１２内へ流出する。車室内部空間１２内へ流出した高温の抽気昇圧空気は、車室内部空間１２内に充満する圧縮空気と合流することにより、燃焼用空気として再利用される。
　上流壁面領域では、音響ライナ３３のタービン７側端部付近及びバーナ３４側端部付近から車室内部空間１２内の圧縮空気を抽気することにより、この抽気圧縮空気が圧縮冷却流路４１Ａを流れて音響ライナ３３の内部に流出する。
　具体的に説明すると、音響ライナ３３は、燃焼器３０の周方向に延在するライナ本体３３ｂの内部に、壁面４０を貫通する多数の音響穴３３ａを備えている。このため、圧縮冷却流路４１Ａは、音響穴３３ａを避けた位置に設けられている。
　このような圧縮冷却流路４１Ａには、ライナ本体３３ｂの外側両端付近に開口する抽気圧縮空気入口穴（以下、「圧縮入口穴」と呼ぶ）４４と、上流壁面領域の中央部に位置し、ライナ本体３３ｂの内部に開口する抽気圧縮空気出口穴（以下、「圧縮出口穴」と呼ぶ）４５とが設けられている。このため、車室内部空間１２内に充満している圧縮空気は、ライナ本体３３ｂの近傍で圧縮入口穴４４から抽気されて圧縮冷却流路４１Ａに流入し、音響ライナ３３の周辺領域で壁面４０を冷却した後、温度上昇した抽気圧縮空気が圧縮出口穴４５から音響ライナ３３内へ流出した後、音響穴３３ａを介して燃焼器３０の燃焼室３８内へ流出して燃焼に使用される。
　このように、下流壁面領域では抽気昇圧空気を用いた壁面冷却を行い、上流壁面領域では抽気圧縮空気を用いた壁面冷却を行うようにすれば、比較的高温となる燃焼器３０の尾筒３２におけるタービン７側（下流壁面領域）では、比較的低温の状態にある抽気昇圧空気を用いた壁面冷却を行い、比較的低温となる燃焼器３０の尾筒３２における燃焼バーナ３４側（上流壁面領域）では、抽気圧縮空気を用いた壁面冷却を行うことができる。
　このため、燃焼器３０の壁面冷却に使用した冷却空気は、抽気昇圧空気及び抽気圧縮空気を共に燃焼用空気として再利用でき、従って、燃焼器３０の壁面冷却を効率よく行うと共に、燃焼に伴って発生する窒素酸化物の低減も可能になる。すなわち、熱負荷が高くなる尾筒３２の出口側（下流側）から冷却空気として昇圧圧縮空気を流しているので、冷却空気を有効活用して壁面冷却を行うことができる。
　また、抽気圧縮空気を用いて冷却する上流壁面領域を設けたことにより、抽気昇圧空気量を低減できるので、昇圧装置５の小型化や駆動用の消費動力低減が可能になる。
　ところで、上述した昇圧出口穴４３及び圧縮入口穴４４は、上流壁面領域と下流壁面領域との境界近傍において燃焼器３０の長手方向（燃焼ガス流れ方向）に隣接している。
　この場合、昇圧出口穴４３及び圧縮入口穴４４は、各々燃焼器３０の周方向へ一列に配列されていてもよいが、千鳥配置とすることが望ましい。このような千鳥配置は、高温の抽気昇圧空気が流出する昇圧出口穴４３を分散させるので、昇圧出口穴４３が設けられる音響ライナ３３の燃焼ガス流れ方向下流側の上流壁面領域と下流壁面領域との境界近傍位置において、効率よく壁面冷却することができる。
　しかし、音響ライナ３３の下流側における上流壁面領域と下流壁面領域との境界近傍位置においては、冷却後の高温空気が流出する昇圧出口穴４３と、冷却前の低温空気が流入する圧縮入口穴４４とが隣接した位置に存在しているので、両者が互いに近い位置にあると、温度差のある空気が混合することが考えられる。このような混合は、圧縮入口穴４４に流入する冷却前の抽気圧縮空気温度を上昇させ、抽気圧縮空気を流して壁面冷却を行うように圧縮冷却流路４１Ａを形成した壁面４０における上流壁面領域の冷却能力を低下させることが懸念される。
　そこで、本実施形態の変形例では、音響ライナ３３のタービン７側における上流壁面領域と下流壁面領域との境界近傍に開口する昇圧出口穴４３へ抽気昇圧空気を供給する昇圧冷却流路４１Ｂ及び／または圧縮入口穴４４から導入した抽気圧縮空気を音響ライナ３３の内部へ導く圧縮冷却流路４１Ａにおいて、少なくとも一方の冷却流路が、燃焼器３０の周方向に隣接する流路同士を音響ライナ３３のタービン７側における上流壁面領域と下流壁面領域との境界近傍で連結させた折り返し部５０を備えている。
　このような折り返し部５０は、境界近傍において隣接する昇圧出口穴４３及び圧縮入口穴４４の開口位置を離間させ、上流壁面領域を冷却する抽気圧縮空気の温度が上昇しないように、抽気昇圧空気と抽気圧縮空気とが混合することを防止または抑制する。また、折り返し部５０の経路は、上流壁面領域と下流壁面領域との境界近傍領域を略均等にカバーし、抽気昇圧空気または抽気圧縮空気による壁面冷却を行うように形成することが望ましい。
　図６Ａ～図６Ｃに示す第１変形例では、圧縮冷却流路４１Ａ側に略Ｕ字状の折り返し部５０を設けてある。すなわち、隣接する２本の圧縮冷却流路４１Ａは、タービン７側の流路端部同士が略Ｕ字状に連結され、昇圧出口穴４３から離間して高温の抽気昇圧空気と混合しにくい位置に圧縮入口穴４４が開口して設けられている。
　図６Ａの折り返し部５０は、昇圧出口穴４３が音響ライナ３３から離間して尾筒後端部側に引っ込んだ位置にあるため、昇圧出口穴４３のない壁面領域まで突出して設けられている。このため、折り返し部５０を通過して流れる抽気圧縮空気は、上流壁面領域と下流壁面領域との境界近傍領域を略均等にカバーするように流れ、昇圧出口穴４３のない壁面領域を冷却する。すなわち、折り返し部５０が昇圧出口穴４３及び圧縮入口穴４４の開口位置から離れた領域を通過し、昇圧出口穴４３及び圧縮入口穴４４のない空白壁面領域をカバーするように形成されているので、上流壁面領域と下流壁面領域との境界近傍でも略均一な壁面冷却が可能になる。
　また、図６Ｂ及び図６Ｃに示す例においては、折り返し部５０により連結された圧縮冷却流路４１Ａから分岐する冷却分岐流路４６を形成し、この冷却分岐流路４６の端部に圧縮入口穴４４を設けている。このような冷却分岐流路４６を設けることにより、昇圧出口穴４３に対する圧縮入口穴４４の配置を容易に最適化することができる。なお、冷却分岐流路４６の分岐位置等については、図示の例に限定されることはない。
　図７に示す第２変形例では、上述した図６Ａと昇圧出口穴４３及び圧縮入口穴４４の配置が異なっている。この場合、折り返し部５０と対応する３つの昇圧出口穴４３は燃焼器３０の周方向において直線状に配置され、隣接する二つの折り返し部５０間では、昇圧冷却流路４１Ｂを音響ライナ３３側へ延長して昇圧出口穴４３を配置している。また、圧縮入口穴４４については、図６Ａの１箇所から３箇所に増加している。
　図８に示す第３変形例では、上述した図７と昇圧冷却流路４１Ｂ側の構成が異なっている。この場合、昇圧冷却流路４１Ｂ側にも略Ｕ字状の折り返し部５０が設けられ、かつ、昇圧出口穴４３の数や配置も異なっている。
　図９に示す第４変形例では、上述した図７の折り返し部５０について、略Ｕ字状から略Ｍ字状の折り返し部５１に変更されている。
　図１０に示す第５変形例では、上述した図８と昇圧冷却流路４１Ｂ側にのみ略Ｕ字状の折り返し部５０を設けた点が異なっている。
　このように、上述した略Ｕ字状の折り返し部５０については、圧縮冷却流路４１Ａ及び昇圧冷却流路４１Ｂの両方またはいずれか一方のみに設けることが可能である。また、折り返し部５０の形状についても、略Ｕ字状に限定されることはなく、略Ｍ字状の折り返し部５１や略Ｓ字状等を適宜採用することができる。
　すなわち、折り返し部５０については、昇圧出口穴４３及び圧縮入口穴４４の離間距離を最適化するとともに、折り返し部５０の通過により空白壁面領域をカバーして上流壁面領域と下流壁面領域との境界近傍で壁面冷却を略均一化するように、図６から図１０に示した各変形例及びその組合せを適宜選択すればよい。
　次に、図１１Ａ、図１１Ｂに基づいて、仕切壁を設けた第６変形例を説明する。なお、上述した実施形態及びその変形例と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
　この変形例では、上流壁面領域と下流壁面領域との境界近傍の昇圧出口穴４３と圧縮入口穴４４との間に、燃焼器３０の壁面４０から突出する仕切壁６０を設けてある。この仕切壁６０は、壁面４０の車室内部空間１２側に突出することにより、昇圧出口穴４３から流出する高温の抽気昇圧空気が圧縮入口穴４４に流入する低温の抽気圧縮空気と混合することを確実に防止する。すなわち、仕切壁６０は、昇圧出口穴４３から流出する抽気昇圧空気の流れと、圧縮入口穴４４に流入する抽気圧縮空気の流れとを分断する壁面部材であり、両方の空気流れが混合しないよう確実に分離することができる。
　図示の構成例では、仕切壁６０の先端部から尾筒３２の後端部方向（タービン７側）へ折曲されたガイド部６１を備えている。このガイド部６１は、壁面４０と略平行なガイド面を形成し、昇圧出口穴４３から流出する抽気昇圧空気の流れを圧縮入口穴４４と反対の下流側（尾筒３２の後端部側）へ導くので、抽気昇圧空気と抽気圧縮空気との混合をより一層確実に防止することができる。
　なお、このような仕切壁６０は、上述した実施形態及びその変形例に対して適用可能であり、いずれの場合も互いの相乗効果により、燃焼器３０の壁面冷却をより一層効率よく実施できる。
　ところで、上述した実施形態及びその変形例においては、図２Ｂ及び図１１Ａに示すように、上流壁面領域と下流壁面領域との境界近傍で隣接している昇圧出口穴４３及び圧縮入口穴４４の燃焼器３０の長手方向におけるピッチ（Ｐ）と、昇圧出口穴４３の直径（ｄ）との比（Ｐ／ｄ）が、２以上（Ｐ／ｄ≧２）となるように設定することが好ましい。
　図１２は、隣接する昇圧出口穴４３及び圧縮入口穴４４のピッチ（Ｐ）と昇圧出口穴４３の直径（ｄ）との比（Ｐ／ｄ）について、抽気昇圧空気と抽気圧縮空気との混合状態を表す抽気圧縮空気の混合温度との関係を示している。この図によれば、（Ｐ／ｄ）を２以上に大きくしても混合温度の変化はほとんどない。
　従って、昇圧出口穴４３の直径（ｄ）との比（Ｐ／ｄ）が２以上（Ｐ／ｄ≧２）であれば、昇圧出口穴４３から流出する抽気昇圧空気の流れ及び圧縮入口穴４４に流入する抽気圧縮空気の流れはほとんど混合することはないと考えられる。すなわち、昇圧出口穴４３から流出する抽気昇圧空気の流れと圧縮入口穴４４に流入する抽気圧縮空気の流れとが互いに混合しないようにするためには、（Ｐ／ｄ≧２）の条件を満足することにより、隣接する昇圧出口穴４３と圧縮入口穴４４との間に十分な間隔を設けることができる。
　また、上述した実施形態及びその変形例においては、図２Ｂ及び図１１Ａに示すように、上流壁面領域と下流壁面領域との境界近傍にて開口する圧縮入口穴４４の直径（ｄｉ）は、昇圧出口穴４３の直径（ｄ）よりも大きな値（ｄｉ＞ｄ）となるように設定することが望ましい。
　図１３は、圧縮入口穴４４の直径（ｄｉ）と昇圧出口穴４３の直径（ｄ）との比について、抽気昇圧空気と抽気圧縮空気との混合状態を表す抽気圧縮空気の混合温度との関係を示している。この図によれば、両直径の比（ｄｉ／ｄ）が大きくなるほど混合温度が低下している。
　従って、直径（ｄｉ）は、昇圧出口穴４３の直径（ｄ）よりも大きいほど混合しにくいことが分かる。これは、穴径の小さい昇圧出口穴４３から流出する抽気昇圧空気の流速が大きくなるので、高温の抽気昇圧空気は流速の小さい抽気圧縮空気と混合されずに車室内部空間１２側へ流出しやすくなるためと考えられる。この結果、圧縮入口穴４４に流入する抽気圧縮空気は、高温の抽気昇圧空気と混合されにくくなるため、温度上昇を防止または抑制されて良好な冷却能力を得ることができる。
　このように、上述した本実施形態及び変形例によれば、回収式空気冷却（クローズド空冷サイクル）の冷却方式を採用したガスタービンＧＴ１において、圧縮機１から供給される圧縮空気を有効に利用し、燃焼器３０において比較的高温のタービン７側では抽気昇圧空気を使用した壁面冷却を行い、燃焼バーナ３４側では抽気圧縮空気を使用した壁面冷却を行うことができる。この結果、燃焼器３０の下流壁面領域を冷却した抽気昇圧空気と、燃焼器３０の上流壁面領域を冷却した抽気圧縮空気とは、いずれも燃焼用空気として有効に再利用されるため、燃焼器３０の壁面を効率よく冷却できる回収式空気冷却方式の冷却構造を備えたガスタービンとなる。
　ところで、上述した実施形態及び変形例では、下流壁面領域と上流壁面領域との境界が音響ライナ３３のタービン７側端部近傍に位置しているが、本発明はこれに限定されることはない。
　しかし、上述した境界を音響ライナ３３のタービン７側端部とすることにより、抽気昇圧空気量（クローズド冷却空気量）を削減できるため、ガスタービンのサイクル性能を向上させることができる。すなわち、音響ライナ３３の冷却には、差圧の確保が可能なため抽気昇圧空気及び抽気圧縮空気のいずれも使用可能であり、従って、昇圧を必要としない抽気圧縮空気を使用して冷却すると、昇圧動力等が不要になる分サイクル性能の向上に有利である。
　なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
　１　　圧縮機
　３，３０　　燃焼器
　５　　昇圧装置
　７　　タービン
　１２　　車室内部空間
　３１　　内筒
　３２　　尾筒
　３３　　音響ライナ
　３３ａ　　音響穴
　３３ｂ　　ライナ本体
　３４　　燃焼バーナ
　３７　　マニホールド
　３８　　燃焼室
　４０　　壁面
　４１　　冷却空気通路
　４１Ａ　　抽気圧縮空気冷却流路（圧縮冷却流路）
　４１Ｂ　　抽気昇圧空気冷却流路（昇圧冷却流路）
　４２　　抽気昇圧空気入口穴（昇圧入口穴）
　４３　　抽気昇圧空気出口穴（昇圧出口穴）
　４４　　抽気圧縮空気入口穴（圧縮入口穴）
　４５　　抽気圧縮空気出口穴（圧縮出口穴）
　４６　　冷却分岐流路
　５０，５１　　折り返し部
　６０　　仕切壁
　６１　　ガイド部
　ＧＴ１　　ガスタービン

Claims (9)

  1. 　圧縮機から供給される圧縮空気を燃焼器の上流側から抽気して昇圧した抽気昇圧空気を前記燃焼器の壁面の冷却に用いた後、前記抽気昇圧空気を回収して前記圧縮空気の主流と共に前記燃焼器で燃料を燃焼させる燃焼用空気として再利用する回収式空気冷却構造を備えた回収式空気冷却ガスタービン燃焼器冷却構造において、
    　前記燃焼器の壁面内に形成された冷却空気通路に冷却空気を供給して冷却する壁面冷却が、前記抽気昇圧空気を冷却空気として用いて冷却されるタービン側の下流壁面領域と、車室内を流れる圧縮空気の主流から抽気した抽気圧縮空気を冷却空気として用いて冷却されるバーナ側の上流壁面領域と、を備えている回収式空気冷却ガスタービン燃焼器冷却構造。
  2. 　前記下流壁面領域は、前記タービン側に開口する抽気昇圧空気入口穴から導入した前記抽気昇圧空気を前記下流壁面領域におけるバーナ側に開口する抽気昇圧空気出口穴から前記車室の内部空間へ流出させ、
    　前記上流壁面領域は、少なくとも前記上流壁面領域におけるタービン側に開口する抽気圧縮空気入口穴から導入した前記抽気圧縮空気を前記上流壁面領域における中央部に開口する抽気圧縮空気出口穴から流出させる請求項１に記載の回収式空気冷却ガスタービン燃焼器冷却構造。
  3. 　前記上流壁面領域と前記下流壁面領域との境界近傍に開口して隣接する前記抽気昇圧空気出口穴及び／または前記抽気圧縮空気入口穴を千鳥状に配置した請求項２に記載の回収式空気冷却ガスタービン燃焼器冷却構造。
  4. 　前記抽気昇圧空気入口穴から導入した前記抽気昇圧空気を前記抽気昇圧空気出口穴へ導く抽気昇圧空気冷却流路及び／または前記抽気圧縮空気入口穴から導入した前記抽気圧縮空気を前記抽気圧縮空気出口穴へ導く抽気圧縮空気冷却流路は、少なくとも一方が、前記燃焼器の周方向に隣接する流路同士が前記境界近傍で連結された折り返し部を備えている請求項２または３に記載の回収式空気冷却ガスタービン燃焼器冷却構造。
  5. 　前記折り返し部の経路は、前記境界近傍領域を略均等にカバーして前記抽気昇圧空気及び／または前記抽気圧縮空気による壁面冷却を行うように形成されている請求項４に記載の回収式空気冷却ガスタービン燃焼器冷却構造。
  6. 　前記抽気昇圧空気出口穴と前記抽気圧縮空気入口穴との間に前記燃焼器の壁面から突出する仕切壁を設けた請求項２から５のいずれかに記載の回収式空気冷却ガスタービン燃焼器冷却構造。
  7. 　前記境界近傍に開口して隣接する前記抽気昇圧空気出口穴及び前記抽気圧縮空気入口穴の前記燃焼器の長手方向におけるピッチ（Ｐ）と、前記抽気昇圧空気出口穴の直径（ｄ）との比（Ｐ／ｄ）が、２以上（Ｐ／ｄ≧２）となるように設定されている請求項２から６のいずれかに記載の回収式空気冷却ガスタービン燃焼器冷却構造。
  8. 　前記抽気圧縮空気入口穴の直径（ｄｉ）は、前記抽気昇圧空気出口穴の直径（ｄ）よりも大きな値（ｄｉ＞ｄ）となるように設定されている請求項２から７のいずれかに記載の回収式空気冷却ガスタービン燃焼器冷却構造。
  9. 　前記下流壁面領域と前記上流壁面領域との境界が、音響ライナのタービン側端部近傍に位置する請求項１から８のいずれかに記載の回収式空気冷却ガスタービン燃焼器冷却構造。
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