JP2002206744A - ガスタービン用燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧縮機から送られてくる空気流に空間的な偏
りがあっても、燃焼室内で偏りのない安定した火炎を形
成し、低NOx、高燃焼効率での動作が可能なガスタービ
ン用燃焼器を提供する。 【解決手段】 単缶逆流式のガスタービン用燃焼器１０
０の内筒１は、燃焼主室である円筒部２１とその下流側
に配置されている縮小ダクト部２２を備え、外筒１は、
この縮小ダクト部２２外側を流れる燃焼用空気をこの縮
小ダクト部２２の外表面に沿って流動させるガイド部１
１によって区画された空気通路１９を備えている。

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
焼器に関し、特にその空気流路の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は、従来のガスタービン予混合燃焼
器の構造を示す縦断面図である。図５に示されるように
この予混合燃焼器１００ｘは、円筒状の外筒１内に略円
筒状の内筒２が同軸上に配置されている。

【０００３】ここで、内筒２は、上流側から、下流に向
けて径が拡大する拡大肩部２０、径が略一定の円筒部２
１、下流に向けて径が縮小する縮小ダクト部２２を有
し、縮小ダクト部２２には内筒２の内部と外部とを繋ぐ
希釈用孔２３が複数設けられている。

【０００４】こうした予混合燃焼器では、図示していな
い圧縮機によって圧縮された燃焼用空気を図の右側から
外筒１と内筒２の隙間１９に導入し、図の左側端部で空
気流を反転させて内筒２内部へと導く。そして、軸中心
に存在するパイロットノズル４からパイロット燃料を噴
射することで、軸中心に拡散火炎であるパイロット火炎
を形成する。一方、一次燃料ノズル５、二次燃料ノズル
６からもそれぞれ燃料を噴射しており、それぞれ旋回器
５１、５２を有する一次予混合通路５１、二次予混合通
路６１でそれぞれ燃料と空気を混合させて内筒２内へと
導き、パイロット火炎の外周に同心円状に一次予混合火
炎と二次予混合火炎を形成するものである。こうして生
成された高温、高圧の燃焼ガスは希釈用孔２３から流入
した希釈用空気と混合されて図示していないタービンへ
と送られる。

【０００５】このように燃焼用空気の導入方向と、燃焼
ガスの排出方向が逆転している燃焼器を逆流型燃焼器と
呼ぶ。そして、燃料を予め空気と混合して予混合火炎を
形成することで、希薄燃焼を行うことができ、低NOx化
と高燃焼効率化が実現できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この種
の予混合燃焼器では、圧縮機から送られてくる空気流に
空間的な偏りがある場合、その偏りが通路１９を通って
そのまま燃焼室（内筒２）内へと持ち込まれるため、空
間的な当量比分布に偏りが生じ、空気が少なく燃料濃度
の高い部分では予混合火炎の火炎温度が上昇してサーマ
ルNOxの発生量が増加してしまう。また、このような火
炎温度の上昇した領域が内筒２の壁面近傍である場合に
は、内筒２自体が溶融破損してしまうおそれもある。こ
れを防ぐために、定格運転時に全体的に希薄燃焼が達成
されるよう設計すると、部分負荷運転時には、燃焼効率
が著しく悪化するおそれがあるため、広い部分負荷運転
範囲が要求されるガスタービン用の予混合燃焼器ではこ
の対策は採り得ない。

【０００７】また、燃焼器に導く通路１９内の空気流の
流動を旋回羽根等を利用して均一化する手法もあるが、
この場合は旋回羽根ガイドを必要とし、これらを空力振
動等によって破損しないよう強固に設計する必要がある
ため、構造が複雑となり、製作コストも上昇するため、
マイクロガスタービンのように低コストを重視するガス
タービン用の燃焼器には採用し得ない。

【０００８】また、拡散燃焼器であっても予混合燃焼器
と同様に空気流に偏りがあると、ライナ壁の損傷等の不
具合が発生するので、これを防止することが必要にな
る。

【０００９】そこで本発明は、圧縮機から送られてくる
空気流に空間的な偏りがあっても、燃焼室内で偏りのな
い安定した火炎を形成し、低NOx、高燃焼効率での動作
が可能なガスタービン用燃焼器を提供することを課題と
する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係るガスタービン用燃焼器は、燃焼室内筒
と、これを包囲する外筒と、外筒を通過した空気流を反
転させて内筒へと導く通路部とを有する単缶逆流式のガ
スタービン用燃焼器であって、内筒は、燃焼主室とその
下流側に配置されている縮小ダクト部からなり、外筒
は、この縮小ダクト部外側を流れる燃焼用空気を縮小ダ
クト部の外表面に沿って流動させる空気通路を備えてい
ることを特徴とする。

【００１１】このように燃焼室内に導入する空気流を縮
小ダクト部の外表面に沿って流動させるという簡単な構
成で、空気流が規制されるので、その偏りが改善され
る。したがって、安定した火炎が形成され、常に全体と
して希薄燃焼が可能となるので、低NOx、高燃焼効率が
達成される。

【００１２】この空気通路の外壁は縮小ダクト部の外壁
面と略平行に配置され、縮小ダクト部出口側が前記内筒
中心軸に対して斜めにカットされている空気通路ガイド
によって形成されていることが好ましい。

【００１３】空気通路ガイドをこのようにカットスカー
ト形状とし、これを燃焼器に導かれる空気流がもともと
持っている偏りに応じて配置することにより、空気流の
偏りをさらに改善することが可能となる。

【００１４】また、内筒は外側表面のみに円周突起が間
隔をおいて複数段配置されていることが好ましい。この
円周突起は、内筒の壁厚ｔに対して、突起の高さＨがｔ
〜２ｔ程度が良く、突起の幅ｄに対して、突起の間隔ｌ
は３ｄ〜５ｄ程度とすることが好ましい。このようにす
ると、内筒外側を流れる空気流によって内筒壁面を冷却
することができるとともに、空気流の予熱を行うことが
できる。したがって、さらに希薄燃焼が可能となり、ま
た、内筒の熱損傷を防止する効果がある。

【００１５】この空気通路は下流側に向かって流路断面
積が拡大していることが好ましい。また、外筒と通路部
との間に空気流を減速する減速空間をさらに備えていて
もよい。このようにすると、燃焼室内に流入する前に空
気流が減速されるため、その偏りを是正する効果が得ら
れる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理
解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に
対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説
明は省略する。

【００１７】図１は、本発明に係るガスタービン用予混
合燃焼器の第一の実施形態を示す縦断面図であり、図２
はそのII部分の拡大図である。この予混合燃焼器１００
は、図５に示される従来の予混合燃焼器１００ｘと同様
に、外筒１内に燃焼室ライナである内筒２が同軸上に配
置されたいわゆる逆流単缶式の予混合燃焼器である。

【００１８】燃焼室ライナである内筒２は、上流側（図
左側）から拡大肩部２０、円筒部２１、縮小ダクト部２
２が連結されて構成される。図５の従来の予混合燃焼器
の内筒と比較して、円筒部２１の内径が大きく、その軸
方向長さが短い。円筒部２１から縮小ダクト部２２の上
流部の外側表面には、複数の円周突起２４がほぼ等間隔
で形成され、縮小ダクト部２２の下流側には、希釈用孔
２３が設けられている。この円周突起２４の形状は、図
２に示されるとおりであり、その突起高さＨは、円筒部
２１の壁厚をｔとすると、ｔ〜２ｔ程度とすることが好
ましく、その突起間隔ｌは、突起の幅をｄとすると、３
ｄ〜５ｄ程度とすることが好ましい。

【００１９】外筒１は、下流側（図左側）から略円筒形
の円筒部１０と円錐台形のガイド部１１、円筒形の導入
部１２が連結されて構成されており、ガイド部１１は、
縮小ダクト部２２の外壁面と略平行な内壁面を有する。

【００２０】外筒１内の図中左端には、燃焼器内の外筒
１と内筒２の間に導入された空気流を反転させて内筒２
内へと導入するための通路部７が配置される。この通路
部には、パイロット部へ空気を導入する空気通路４２、
一次予混合気を生成する一次予混合通路５１、二次予混
合気を生成する二次予混合通路６１が設けられている。
そして、空気通路４２内にパイロットノズル４に連なる
パイロットバーナ４１が、一次予混合通路５１の入口に
一次燃料ノズル５が、二次予混合通路６１の入口に二次
燃料ノズル６がそれぞれ配置されている。各予混合通路
５１、６１の燃料ノズル５、６の下流には、空気流を旋
回させる旋回器５２、６２が配置されている。

【００２１】また、外筒１内の拡大肩部２０の下流側の
通路部７の上流側には、流路断面積が大きく拡大する環
状の減速室１８が設けられている。

【００２２】この実施形態の燃焼器１００においては、
流路１９が従来の燃焼器１００ｘのように流動方向にま
っすぐに形成されているのではなく、ガイド部１１と円
筒部１０で屈曲し、ガイド部１１ではその流路断面積が
拡大しているために、図示していないガスタービンの圧
縮機から供給される燃焼用の高圧の圧縮空気自体の空間
的な速度、圧力分布に偏りがあった場合でも、その偏り
を解消する効果がある。

【００２３】さらに、この流路１９と通路部７との間の
空間を大きく採ることで、この部分で空気流速を十分に
減速させ、なおかつ、その空間的な流速、圧力分布の偏
りを解消する減速室１８を設けているので、内筒２内に
こうした空間的な流速、圧力分布の偏りが持ち込まれる
ことがなく、安定した燃焼火炎の形成が可能となる。し
たがって、予混合気の燃料濃度が過濃となる領域の発生
を抑制することができ、内筒２の熱損傷を効果的に防止
することができる。従来の予混合燃焼器１００ｘでは、
流路１９における空気流速は３０〜４０ｍ／ｓと速かっ
たが、本実施形態では、流路１９における空気流速を５
０ｍ／ｓと早めても、減速室１８の存在により、その空
気流速を１／１０程度まで減速することができる。

【００２４】また、突起２４は、通路１９内の５０ｍ／
ｓという高速の空気流動をかき乱す効果があり、その偏
りを解消する効果があるほか、内筒２を外部から空冷す
る効果もある。さらに、空冷によって燃焼用空気が予熱
されるため、燃焼効率が改善され、希薄燃焼限界をより
希薄側に設定することも可能となり、広い運転範囲で安
定した希薄燃焼を行うことで低NOx、低CO運転が可能と
なる。

【００２５】この燃焼器では、通路部７によって流動方
向を反転させられた燃焼用空気と各ノズル４〜６から噴
射された燃料とが内筒２内に導かれ、中心にパイロット
拡散火炎、その周囲に一次予混合火炎、さらにその周囲
に二次予混合火炎が形成される。この燃焼は主に円筒部
２１までで行われるので、この円筒部２１を燃焼主室と
呼ぶ。

【００２６】図３は、本発明に係る予混合燃焼器の第二
の実施形態を示す図である。この第二の実施形態の予混
合燃焼器１００ａは、基本的な構成は図１に示される第
一の実施形態の予混合燃焼器１００と同様であり、外筒
１のガイド部１１’の構造が相違している。

【００２７】ここでガイド部１１’はその空気流入側端
部がその中心軸に対して斜めにカットされたカットスカ
ート型の形状を有している。そして、このガイド部１
１’は、供給される燃焼用空気の流量が多い側にガイド
部１１’の延長の長い側１１’ａが、流量の少ない側に
延長の短い側１１’ｂが配置される。

【００２８】このようにして空気流量が偏っている側の
流路１９の流動抵抗を大きくすることで、偏りを効果的
に解消することが可能となる。

【００２９】図４は、これらのガイド部１１、つまりス
カートの有無による流路１９内の円筒部１０における円
周方向の速度分布（相対値）を比較したグラフである。
ここで、スカートなしとは、図５に示される従来の予混
合燃焼器１００ｘの場合に相当し、フルスカートとは図
１に示される第一の実施形態の燃焼器１００の場合に相
当し、カットスカートとは図３に示される第二の実施形
態の燃焼器１００ａの場合に相当する。

【００３０】図から明らかなように、従来の燃焼器１０
０ｘでは、空気流速分布が最大と最小で６程度とその偏
りが大きいことがわかる。これに対して、フルスカート
のガイド部１１を設けた第一の実施形態では、空気流速
分布は最大と最小の差が４程度とその偏りが小さくな
る。さらに、カットスカートのガイド部１１’を設けた
第二の実施形態では、空気流速分布は最大と最小の差が
２程度であり、円周方向の偏りも抑制されることが確認
された。

【００３１】以上の説明では、予混合燃焼器を例に説明
してきたが、本発明は拡散燃焼器においても同様に適用
可能である。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、逆
流単缶型燃焼器において、燃焼室ライナの周囲に形成さ
れる燃焼用空気通路をライナの縮小ノズル部に沿って拡
大する形状に形成することで、燃焼用空気に存在する偏
りを解消することができる。

【００３３】さらに、この燃焼用空気通路の外側を形成
するガイド部の端部を斜めにカットして、燃焼用空気の
偏りに応じてガイド部を配置すれば、この空気の偏りを
抑制する効果が大きくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る予混合燃焼器の第一の実施形態を
示す縦断面図である。

【図２】図１のII部分の拡大図である。

【図３】本発明に係る予混合燃焼器の第二の実施形態を
示す縦断面図である。

【図４】ガイド部のスカートの有無による流路内の円周
方向の速度分布（相対値）を比較したグラフである。

【図５】従来の予混合燃焼器を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１…外筒、２…内筒（燃焼室ライナ）、４〜６…燃料ノ
ズル、７…通路部、１０…円筒部、１１…ガイド部、２
０…拡大肩部、２１…円筒部、２２…縮小ダクト部、２
３…希釈用孔、２４…リング状突起。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 畦上 修 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 井戸田 芳典 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 長谷川 雅一 愛知県豊田市元町１番地 トヨタ自動車株 式会社元町工場内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼室内筒と、これを包囲する外筒と、
   前記外筒を通過した空気流を反転させて前記内筒へと導
   く通路部とを有する単缶逆流式のガスタービン用燃焼器
   であって、 前記内筒は、燃焼主室とその下流側に配置されている縮
   小ダクト部からなり、前記外筒は、前記縮小ダクト部外
   側を流れる燃焼用空気を前記縮小ダクト部の外表面に沿
   って流動させる空気通路を備えているガスタービン用燃
   焼器。
2. 【請求項２】 前記空気通路の外壁は前記縮小ダクト部
   の外壁面と略平行に配置され、縮小ダクト部出口側が前
   記内筒中心軸に対して斜めにカットされている空気通路
   ガイドによって形成されている請求項１記載のガスター
   ビン用燃焼器。
3. 【請求項３】 前記内筒は外側表面のみに円周突起が間
   隔をおいて複数段配置されている請求項１あるいは２に
   記載のガスタービン用燃焼器。
4. 【請求項４】 前記空気通路は下流側に向かって流路断
   面積が拡大している請求項１〜３のいずれかに記載のガ
   スタービン用燃焼器。
5. 【請求項５】 前記外筒と通路部との間に空気流を減速
   する減速空間をさらに備えている請求項１〜４のいずれ
   かに記載のガスタービン用燃焼器。