JP2000257861A

JP2000257861A - ガスタービン用燃焼装置

Info

Publication number: JP2000257861A
Application number: JP11065590A
Authority: JP
Inventors: Hidemi Fuji; 秀実藤; Jun Hosoi; 潤細井; Takashi Ikezaki; 隆司池崎
Original assignee: Senshin Zairyo Riyo Gas Generator Kenkyusho KK
Current assignee: Senshin Zairyo Riyo Gas Generator Kenkyusho KK
Priority date: 1999-03-11
Filing date: 1999-03-11
Publication date: 2000-09-22

Abstract

(57)【要約】【課題】軽量化およびＮＯｘの低減を実現する。【解決手段】希釈空気を導入する開口部１３を外周に
有する筒状の燃焼用内筒２と、開口部１３を開放、閉塞
する開閉機構１４とを備え、開閉機構１４は温度変化に
より変形して開口部１３を開閉する熱変形部材１６を有
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、ガスタービン用燃
焼装置に関し、特に、窒素酸化物の生成量を低減するガ
スタービン用燃焼装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】航空機、船舶、発電用ガスタービン等に
使用される燃焼装置（燃焼器）にあって、燃焼ガス中の
窒素酸化物（ＮＯｘ）量を低減する技術として、特開平
０９−１７８１８４号が提案されている。

【０００３】図４は、上記技術に記載されているガスタ
ービン用燃焼装置の構造例を示すもので、ケーシング１
の内部に、燃焼ライナ（燃焼用内筒）２とパイロット燃
料噴射弁３と主燃料噴射弁４とを配して、空気流を空気
取り入れ口５から燃焼ライナ２の内部に導入し、パイロ
ット燃料噴射弁３と主燃料噴射弁４とから噴射させた燃
料に着火することで燃焼させるとともに、始動時にパイ
ロット燃料供給系６からパイロット燃料噴射弁３に燃料
を送り込んで、燃料濃度の高い状態で点火栓７を作動さ
せて燃料に着火して燃焼状態に導く。一方、定常燃焼時
には、主燃料供給系８から主燃料噴射弁４に燃料を送り
込むとともに、予混合管９の内部で大量の空気により希
釈して蒸気化したものを（予混合予蒸発させて）燃焼さ
せるようにしている。

【０００４】そして、上記の技術では、定常燃焼条件化
でパイロット噴射弁を経由する燃料噴射量を零または著
しく減少させた運転モードを採用し、予混合管の出口近
傍に保炎手段を付加して保炎性を向上させるとともに、
パイロット火炎に基づく窒素酸化物の生成量を低減して
低ＮＯｘ化を図り、安定燃焼性を確保するようにしてい
る。

【０００５】ところで、環境保護のために、上記のガス
タービンの燃焼排ガス中のＮＯｘを低減することが義務
づけられている。このＮＯｘの発生要因は、燃焼時の高
温火炎により空気中の窒素が酸化するものであり、これ
を低減するためには、火炎中のホットスポットを減少さ
せ、高温火炎の発生を抑制することが効果的である。こ
の種の燃焼装置としては、例えば、特開平１１−３０４
２３号公報が開示されている。

【０００６】この技術は、燃焼ライナの外周部に貫通孔
を形成するとともに、開口を有するリングを上記貫通孔
を塞ぐように燃焼ライナの外周部に周方向に移動させる
アクチュエータ設け、リングが移動して開口と貫通孔と
を連通させることで希釈空気孔が形成され、この希釈空
気孔からも開口面積に応じて空気流を流入させるもので
ある。これにより、エンジン負荷に応じてパイロット燃
料噴射弁および主燃料噴射弁へ導入する空気流が調整可
能になっている。上記の燃焼装置には、噴射弁を流れる
空気が多すぎると燃焼が不安定になり、逆に少なすぎる
とＮＯｘの発生量が多くなるという問題があるが、希釈
孔の開口面積を変えることで着火から低負荷時には噴射
弁に導入する希釈空気を減じて燃焼を安定させ、高負荷
時には噴射弁に導入する希釈空気を増してＮＯｘの発生
量を減らす工夫がなされている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような従来のガスタービン用燃焼装置には、以下のよ
うな問題が存在する。リングを移動させるためにアクチ
ュエータが必要なので、重量が増すとともに駆動系が複
雑になるという問題があった。また、燃焼ライナは高温
になるため、熱膨張により燃焼ライナとリングとの嵌合
がきつくなってしまい、リングが回転しなくなることで
希釈空気孔が所定の機能を果たさなくなるという虞があ
った。

【０００８】本発明は、以上のような点を考慮してなさ
れたもので、軽量化および確実にＮＯｘの低減を実現す
るガスタービン用燃焼装置を提供することを目的とする
ものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明は、以下の構成を採用している。請求項１記
載のガスタービン用燃焼装置は、希釈空気を導入する開
口部を外周に有する筒状の燃焼用内筒と、前記開口部を
開放、閉塞する開閉機構とを備え、前記開閉機構は、温
度変化により変形して前記開口部を開閉する熱変形部材
を有することを特徴とするものである。

【００１０】従って、本発明のガスタービン用燃焼装置
では、低温時に開口部を開放し、高温時に変形して開口
部を閉塞するように熱変形部材を配置することで、着火
から低負荷時にかけては熱変形部材に大きな温度変化が
起きないので開口部が開放され、希釈空気を燃焼用内筒
に導入することができ、結果としてパイロット燃料噴射
弁および主燃料噴射弁における空燃比を低く抑えること
ができる。一方、高負荷時には、熱変形部材が変形して
開口部を閉塞するので、希釈空気をパイロット燃料噴射
弁および主燃料噴射弁へ導入することができ、空燃比を
高めることができる。この開口部の開放は熱変形部材の
熱変形により成されるので、駆動系を別途設ける必要が
なく、軽量化を図ることができる。

【００１１】請求項２記載のガスタービン用燃焼装置
は、請求項１記載のガスタービン用燃焼装置において、
前記熱変形部材は、熱膨張率の異なる複数の金属板で構
成されるバイメタルであることを特徴とするものであ
る。

【００１２】従って、本発明のガスタービン用燃焼装置
では、金属板の熱膨張率の差によって熱変形部材が変形
し、開口部を簡単な構成で開閉することができる。

【００１３】請求項３記載のガスタービン用燃焼装置
は、請求項１または２記載のガスタービン用燃焼装置に
おいて、前記熱変形部材は、前記開口部を開放したとき
に前記希釈空気の上流側端部が前記燃焼用内筒から離間
して傾斜していることを特徴とするものである。

【００１４】従って、本発明のガスタービン用燃焼装置
では、下流方向へ流れてきた希釈空気を熱変形部材の傾
斜に沿って案内し、開口部から導入することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明のガスタービン用燃
焼装置の実施の形態を、図１から図３を参照して説明す
る。これらの図において、従来例として示した図４と同
一の構成要素には同一符号を付し、その説明を簡略化す
る。なお、これらの図においては、従来例として示した
パイロット燃料供給系、点火栓、主燃料供給系を便宜上
省略している。

【００１６】図１は、本発明によるガスタービン用燃焼
装置の概略構成図である。燃焼装置１０は、ケーシング
１の内部にフランジ１ａで支持された燃焼ライナ２とパ
イロット燃料噴射弁３と主燃料噴射弁４とを配して、図
中上方から下方へ向けて流れる空気流を空気取り入れ口
５から燃焼ライナ２の内部に導入し、パイロット噴射弁
３と主燃料噴射弁４とから噴射させた燃料に着火するこ
とで燃焼させるものである。

【００１７】パイロット噴射弁３は、燃焼ライナ２の略
中心位置に配置されており、主燃料噴射弁４は、パイロ
ット噴射弁３の周りに複数（例えば、６０°間隔で６
つ）環状配置されている。フランジ１ａには、燃焼ライ
ナ２内部の燃焼領域１１で発生した燃焼ガスを図示しな
いタービンへ向けて導く貫通孔１２が形成されている。

【００１８】燃焼ライナ２の外周には、希釈空気を内部
に導入するための希釈空気孔（開口部）１３が、燃焼領
域１１の下流側に位置して周方向に複数（例えば、６０
°間隔で６つ）形成されている。そして、燃焼装置１０
には、これらの希釈空気孔１３を開閉するための開閉機
構１４が希釈空気孔１３毎にそれぞれ設けられている。

【００１９】開閉機構１４は、希釈空気孔１３を取り囲
むように燃焼ライナ２の外周面に密接して固着されたリ
ング１５と、該リング１５に空気流の下流側が固定さ
れ、上流側が温度変化によりリング１５に密着および密
着解除するように変形する平板状の開閉板（熱変形部
材）１６とから構成されている。燃焼ライナ２は円筒形
状であり、開閉板１６は平板状であるが、これらの間に
リング１５を介在させることにより、燃焼ライナ２と開
閉板１６とがリング１５を介して密着することができ
る。開閉板１６は、熱膨張率の異なる二枚の金属板１６
ａ、１６ｂが張り合わされたバイメタルで構成されてい
る。

【００２０】内側の金属板１６ａは、低膨張材としてア
ンバー（ｉｎｖａｒ：Ｃ＜０．２％、Ｍｎ０．５％、Ｎ
ｉ３６％、Ｆｅ残部）により形成されている。外側の金
属板１６ｂは、高膨張材として７２Ｍｎ-１８Ｃｕ-１０
Ｎｉ合金により形成されている。この開閉板１６は、図
１に示すように、上流方向端部が常温においてリング１
５（すなわち、燃焼ライナ２）から離間してケーシング
１側に反り、約４００℃でリング１５に密着するように
設定されている。

【００２１】上記の構成の燃焼装置１０の開閉機構１４
における動作について説明する。始動時等の低負荷時に
おいては、燃焼ライナ２は低温であり、空気流は低温・
低圧であるので、図２に示すように、開閉板１６は上流
方向端部がリング１５に対して離間して傾斜している。
そのため、希釈空気孔１３は燃焼ライナ２の外部に対し
て開放され、ここから希釈空気が導入される。これによ
り、パイロット燃料噴射弁３および主燃料噴射弁４にお
いては、導入される希釈空気が減り、燃焼領域１１の空
燃比が低くなることで燃焼性が安定する。ここで、開閉
板１６は空気流の上流側が反るように変形しているの
で、空気流は開閉板１６の傾斜に沿って案内されて、下
流へ向かうに従って漸次希釈空気孔１３へ接近すること
になり、より効率的に希釈空気を燃焼ライナ２内に導入
することができる。

【００２２】一方、定常燃焼時等の高負荷時には、燃焼
ライナ２は高温であり、空気流も高温・高圧であるの
で、これら燃焼ライナ２、空気流から伝達される熱で開
閉板１６の温度が上昇する。これにより、開閉板１６
は、金属板１６ａ、１６ｂの熱膨張率の差によって、上
流側の先端がリング１５に向けて変形する。そして、約
４００℃になると、図３に示すように、開閉板１６とリ
ング１５が密着する。これにより、希釈空気孔１３は燃
焼ライナ２の外部に対して閉塞され、希釈空気孔１３か
らの希釈空気の導入が遮断される。そのため、パイロッ
ト燃料噴射弁３および主燃料噴射弁４においては、導入
される希釈空気が増加し、燃焼領域１１の空燃比が高ま
ることでＮＯｘの発生が抑制される。

【００２３】本実施の形態のガスタービン用燃焼装置で
は、開閉板１６がバイメタルで構成されており、開閉板
１６自体の温度変化により熱変形して希釈空気孔１３を
開閉するので、アクチュエータ等の駆動系を別途設ける
必要がなく、装置の軽量化および簡素化が実現する。ま
た、開閉板１６は、リング１５を介して燃焼ライナ２に
取り付けられており、燃焼ライナ２が高温になっても、
従来例のように熱膨張により燃焼ライナとリングとの嵌
合がきつくなる等の不具合が発生せず、希釈空気孔１３
の開閉に対してはなんら支障を来さないので、燃焼領域
１１における空燃比の調整を確実に実行することができ
る。

【００２４】また、本実施の形態のガスタービン用燃焼
装置では、開閉板１６が希釈空気孔１３を開放したとき
に、希釈空気の上流側端部が燃焼ライナ２から離間する
ように傾斜しているので、燃焼ライナ２の内部へ効率的
に希釈空気を導入することができ、燃焼領域１１におけ
る空燃比を迅速に低くすることができる。そのため、燃
焼性を迅速に安定させることができる。

【００２５】なお、バイメタルの構成は、上記実施の形
態に限らず、７５Ｆｅ-２２Ｎｉ-３Ｃｒ合金−アンバー
や、７４Ｆｅ-２０Ｎｉ-６Ｍｎ合金−アンバー等の構成
であってもよく、燃焼装置１０で設定される温度に応じ
て適宜変更、選択することができる。さらに、開閉板１
６としてバイメタルを用いずに、ＴｉＮｉ等の形状記憶
合金を用いる構成であってもよい。また、バイメタルを
希釈空気孔の開閉に用いる構成としたが、これに限られ
ず、例えばパイロット燃料噴射弁３および主燃料噴射弁
４の空気取り入れ口５に設けて、パイロット燃料噴射弁
３および主燃料噴射弁４に導入される空気の量を直接調
整するような構成であってもよい。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に係るガ
スタービン用燃焼装置は、温度変化により熱変形して燃
焼用内筒の開口部を開閉する熱変形部材を有する構成と
なっている。これにより、このガスタービン用燃焼装置
では、アクチュエータ等の駆動系を別途設ける必要がな
く、装置の軽量化および簡素化が実現するとともに、空
燃比の調整を確実に実行できるという効果が得られる。

【００２７】請求項２に係るガスタービン用燃焼装置
は、熱変形部材が熱膨張率の異なる複数の金属板で形成
されたバイメタルである構成となっている。これによ
り、このガスタービン用燃焼装置では、簡素な構成で開
口部を開閉できるとともに、金属板を適宜選択すること
で燃焼装置で設定される各種の温度にも容易に対応でき
るという効果が得られる。

【００２８】請求項３に係るガスタービン用燃焼装置
は、熱変形部材が開口部を開放するときに、希釈空気の
上流方向端部が燃焼用内筒から離間して傾斜している構
成となっている。これにより、このガスタービン用燃焼
装置では、燃焼用内筒の内部へ効率的に希釈空気を導入
することができ、空燃比を迅速に低くすることができる
ため、燃焼性を迅速に安定させることができるという効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示す図であって、ガス
タービン用燃焼装置の概略構成図である。

【図２】本発明の燃焼装置を構成する開閉板の動作を
説明する説明図である。

【図３】本発明の燃焼装置を構成する開閉板の動作を
説明する説明図である。

【図４】従来技術によるガスタービン用燃焼装置の一
例を示す一部を破断した正面図である。

【符号の説明】

２燃焼ライナ（燃焼用内筒）１０燃焼装置１３希釈空気孔（開口部）１４開閉機構１６開閉板（熱変形部材）１６ａ、１６ｂ金属板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者細井潤東京都西多摩郡瑞穂町殿ヶ谷229番地石川島播磨重工業株式会社瑞穂工場内株式会社先進材料利用ガスジェネレータ研究所瑞穂分室内 (72)発明者池崎隆司東京都西多摩郡瑞穂町殿ヶ谷229番地石川島播磨重工業株式会社瑞穂工場内株式会社先進材料利用ガスジェネレータ研究所瑞穂分室内Ｆターム(参考） 3K023 PA06 PB05 PC01 3K065 TA01 TA14 TC08 TD04 TE01 TE05 TH01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】希釈空気を導入する開口部（１３）を外
周に有する筒状の燃焼用内筒（２）と、前記開口部を開
放、閉塞する開閉機構（１４）とを備え、前記開閉機構は、温度変化により変形して前記開口部を
開閉する熱変形部材（１６）を有することを特徴とする
ガスタービン用燃焼装置。
【請求項２】請求項１記載のガスタービン用燃焼装置
において、前記熱変形部材は、熱膨張率の異なる複数の金属板（１
６ａ、１６ｂ）で構成されるバイメタルであることを特
徴とするガスタービン用燃焼装置。
【請求項３】請求項１または２記載のガスタービン用
燃焼装置において、前記熱変形部材は、前記開口部を開放するときに前記希
釈空気の上流側端部が前記燃焼用内筒から離間して傾斜
していることを特徴とするガスタービン用燃焼装置。