JP2003194337A - ガスタービン燃焼器の予混合装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 混合気の旋回による保炎促進効果を損なうこ
となく、逆火を起こしにくい燃料空気予混合管を提供す
る。 【解決手段】 ガス又は液体燃料用の多孔燃料ノズル１
を中心として、内側に左旋回の第１スワーラ２、その外
側に右旋回の第２スワーラ３を設ける。予混合管４は断
面が実質的に円形（矩形でもよい）で出口に向けて断面
積が減少する略中空円錐台形状であり、ノズル１の噴射
口の位置における面積に対する出口の面積の比は４０％
である。内側と外側のスワーラ２，３の気流の旋回の強
さを表すスワール数をそれぞれＳ_IN、Ｓ_OUT とし、同じ
くスワーラの各面積をそれぞれＡ_IN、Ａ_OUT とすると
き、０．０２＜（−Ｓ_IN・Ａ_IN・Ｒ_IN）／（Ｓ_OUT ・Ａ
_OUT ・Ｒ_OUT ）＜０．２に設定されている。予混合管の
中心付近の速度の遅い領域が排除されるため、燃焼室内
からの逆火が生じにくくなり、予混合装置の焼損が発生
せず、有害な機械的振動も生じない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ジェットエンジ
ン、ガスタービンエンジン等のガス燃料を対象とした予
混合方式燃焼器あるいは液体燃料を対象とした予混合予
蒸発方式燃焼器の予混合装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンは、燃料と圧縮した空気を
燃焼器に供給して燃焼室で燃焼させ、生成した高温高圧
の燃焼ガスをタービン翼車に与えて出力を得ている。か
かるガスタービンには燃焼室に連続して予混合装置が設
けられているものがある。この予混合装置は、燃料と空
気を燃焼する前に予蒸発・予混合により均一に混合する
ための装置である。この予混合装置においては、燃料を
その燃焼に必要な理論空気量よりもかなり多い量の空気
と予め混合し、燃焼室に供給して燃焼させる希薄予混合
燃焼を行なうことにより燃焼ガス温度を制御できること
から、ＮＯ_X の低減のみならずＣＯやＨＣの低減にも非
常に有効であることがよく知られている。液体燃料の場
合には、燃料を空気流中に微粒化して混合し、蒸発させ
ることになるので、特に希薄予混合予蒸発燃焼と呼ばれ
る。現在のところ実用になっているのはガス燃焼の場合
であり、予混合装置の主要部として、図７及び図８に示
すような２個の薄肉半割円錐からなる先拡がりの円錐状
の予混合管や、図９又は図１０に示すように入口部に空
気を旋回させるためのスワーラを設けた円筒状の予混合
管が使用される。

【０００３】図７及び図８に示す略円錐台状の予混合管
１００の場合、空気は半円錐の母線に沿ったスリット状
開口部１０１から流入し、円錐内面に沿って流れ、同図
中に矢印で示すように円錐状の予混合管１００内にその
軸を中心とする旋回流れを形成する。燃料はスリット状
開口部１０１に沿って配置された燃料管１０２の多数の
噴射口からスリット状開口部１０１に流入する空気流に
噴射される。

【０００４】図９又は図１０に示すスワーラを設けた円
筒状の予混合管１０５，１０６の場合には、円筒状の予
混合管１０５，１０６の中心軸上に燃料噴射弁１０７が
配置され、燃料はスワーラ１０８，１０９による旋回空
気流中に噴射される。ここでスワーラとは、内側のリン
グ (ボス）と外側のリング (ボス）の間に所定角度の複
数枚の翼を円周上に等間隔で配置した装置であり、出口
側の空気流に旋回を与えるものである。図９の装置にお
いては、スワーラ１０８の内側のリングに同軸に燃料噴
射弁１０７が設けられ、ここから噴射された燃料はスワ
ーラ１０８で旋回を与えられた空気と混合されて燃焼に
供される。

【０００５】図８、図９、図１０の各図に示すいずれの
場合においても、混合気には旋回が与えられるが、この
旋回は予混合管１００，１０５，１０６の出口の下流に
既燃ガスが循環する高温の領域すなわち再循環域２００
を形成し、火炎の安定化に重要な役割を果たしている。

【０００６】ガスタービン燃焼器での燃焼においては、
燃料が混合した空気の流れの中に火炎が存在する場合、
この流れの流速が火炎の燃焼速度以上になると火炎が吹
き飛ばされてしまうので、燃焼器内で火炎を安定させる
には、燃焼器内に流速が低い領域を設ける必要がある。
このため、前述した予燃焼装置では、良好な保炎性を保
つために円錐状の予混合管１００やスワーラ１０８，１
０９を用いて空気に旋回を与え、筒型の燃焼器３００内
の予燃焼装置に隣接した部分に、既燃ガスが循環する高
温の領域すなわち再循環域２００が生じるようにしてい
るのである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前述した予混合方式あ
るいは予混合予蒸発方式の本質的な問題点は、予混合管
１００，１０５，１０６内の燃料噴射位置よりも下流の
空間には可燃性の混合空気が存在するために、火炎が燃
焼器３００内（燃焼室内）から予混合管１００，１０
５，１０６内に侵入する逆火と呼ばれる現象が生じる可
能性があることである。

【０００８】既に述べたように、予混合管１００，１０
５，１０６内を流れる混合気には、保炎促進のために旋
回が与えられるが、この旋回は燃料と空気の混合促進に
も非常に有効である。旋回が強いほどより大きな既燃ガ
スの再循環領域２００が形成されるので、火炎の安定度
は向上する。ＮＯ_X の発生を抑制するには可能な限り燃
料希薄な状態で燃焼させることが必要であり、それには
確実な保炎が不可欠である。

【０００９】一方、中心軸の周りの旋回を伴う流れで
は、中心軸を含む中心部領域の圧力が下がり、中心軸に
沿って速度の遅い領域ができる。旋回が強くなると、例
えば図９又は図１０に示すように、中心軸に沿って燃焼
器３００内から予混合管１０５，１０６に向けて気流が
逆流する逆流領域４００が生じる。このような状態にな
ると、予混合管１０５，１０６内の平均速度が燃焼速度
より十分大きい場合でも、火炎は容易に混合管１０５，
１０６内に侵入する。予混合管１０５，１０６内への逆
火が起きると、燃料・空気の混合が不完全な状態で燃焼
が始まるためにＮＯ_X が急増するだけでなく、焼損の危
険性があり、有害な機械的振動が発生することもある。

【００１０】図７及び図８に示したように、略円錐台形
状の筒体を軸線に沿って略２分割した２個の部材を組み
合わせて先拡がりの略円錐台状とした薄肉の予混合管１
００の場合には、軸方向の断面積の増大よりもスリット
状開口部１０１からの空気流入の増加を十分大きくとれ
ば、出口近傍を除くと中心軸付近の逆流を防ぐことがで
きる。しかし、液体燃料の場合には縦長のスリット状開
口部１０１に適した燃料噴射を行うことは困難である。

【００１１】一方、図９又は図１０に示したような円筒
状の予混合管１０５，１０６の場合には、従来からの円
筒状の燃料噴射弁１０７を中心軸上に１本配置するだけ
で済み、製作コストが安く、変形しにくいなどの利点が
あるが、逆火が発生しやすいという問題があった。

【００１２】本発明はこのジレンマを解決するための手
段として、旋回のもつ保炎促進効果を損なうことなく、
逆火を起こしにくい燃料空気予混合管を提供する。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載されたガ
スタービン燃焼器の予混合装置は、出口に向けて断面積
が減少する予混合管（４，８，１０，１６）と、前記予
混合管の入口付近に配置された燃料供給手段（１，５，
１１，１９）と、前記予混合管の入口付近において前記
燃料ノズルの周囲に配置されて空気に互いに逆方向の旋
回を与える少なくとも２つのスワーラ（スワーラ２，
３、スワーラ６，７、スワーラ１３，１４、スワーラ１
８，２０）を有している。

【００１４】請求項２に記載された予混合装置は、請求
項１記載のガスタービン燃焼器の予混合装置において、
燃料噴射位置における前記予混合管の入口水力直径をＤ
₀ 、前記予混合管の最小水力直径をＤ₁ とした場合に、
０．４≦（Ｄ₁ ／Ｄ₀ ）² ≦０．８であることを特徴と
している。ここで、水力直径Ｄ_h は、Ｄ_h ＝４×（流路
断面積／流路断面における周の長さ）で定義される。

【００１５】請求項３に記載された予混合装置は、請求
項１記載のガスタービン燃焼器の予混合装置において、
円周方向についての旋回方向が異なる隣接するスワーラ
の旋回気流を内側の旋回気流と外側の旋回気流に分ける
こととした場合、内側の旋回気流と外側の旋回気流の気
流の旋回の強さを表すスワール数をそれぞれＳ_IN、Ｓ
_OUT 、内側のスワーラと外側のスワーラの通路面積をそ
れぞれＡ_IN、Ａ_OUT 、内側のスワーラと外側のスワーラ
の通路の外直径をそれぞれＲ_IN、Ｒ_OUT とするとき、
０．０２＜（−Ｓ_IN・Ａ_IN・Ｒ_IN）／（Ｓ_OUT ・Ａ_OUT
・Ｒ_OUT ）＜０．２であることを特徴としている。ここ
で、前式では式の正負によって旋回の方向を表してお
り、図５において矢印で＋の方向を示してある。

【００１６】請求項４に記載された予混合装置は、請求
項１記載のガスタービン燃焼器の予混合装置において、
前記予混合管（８，１６）の出口に断面積が拡大する拡
径部（９，２２）が設けられたことを特徴としている。

【００１７】請求項５に記載された予混合装置は、請求
項１記載のガスタービン燃焼器の予混合装置において、
３つ以上のスワーラ（スワーラ１３，１４，１５、スワ
ーラ１８，２０，２１）が前記予混合管と同軸に配置さ
れており、その最も内側にあるスワーラ（１３，１８）
による気流の旋回方向が、最も外側にあるスワーラ（１
４，２０）による気流の旋回方向と逆であることを特徴
としている。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１はガス燃料用の多孔燃料ノズ
ル１を用いた場合の形態で、内側に左旋回の第１スワー
ラ２、その外側に右旋回の第２スワーラ３が設けられて
いる。また、予混合管４は断面が実質的に円形で出口に
向けて断面積が減少する略中空円錐台形状の通路であっ
て、燃料噴射部（多孔燃料ノズル１の噴射口の位置）に
おける面積に対する出口の面積の比は４０％である。

【００１９】図２は液体燃料の場合で、燃料ノズルには
渦巻き式圧力燃料ノズル５を用い、内側の旋回は第１ス
ワーラとしての軸流スワーラ６、外側の旋回は第２スワ
ーラとしてのラジアルスワーラ７により生成している。
燃料噴射位置より下流の予混合管８の断面形状は図１と
同じであるが、出口部には断面積が拡大する拡径部９が
設けられて流れの径方向への拡がりを助け、燃焼ガスの
再循環領域の発達を促している。この渦巻き式圧力燃焼
ノズル５では、単孔から旋回を与えられた燃料が噴出
し、円錐状の膜を形成し、微粒化が行われる。

【００２０】図３は液体燃料が予混合管１０を流れる気
流によって微粒化する方式であり、中心の燃料噴射ノズ
ル１１の噴射口を囲んで薄肉円筒状の液膜形成器１２が
設けられている。燃料噴射ノズル１１から噴射された燃
料は液膜形成器１２の内面に液膜を形成する。そして、
この液膜化された燃料は、液膜形成器１２の開放された
先端部において、液膜形成器１２の内外の気流の剪断力
によって微粒化される。微粒化を促進するため、液膜形
成器１２の内外に第１スワーラ１３及び第３スワーラ１
５を設け、これら第１及び第３スワーラ１３，１５の外
側に１個の主流用の第２スワーラ１４を設ける。液膜形
成器１２内の第１スワーラ１３による気流の旋回方向と
主流の第２スワーラ１４による気流の旋回方向は互いに
逆になっている。液膜形成器１２のすぐ外側の第３スワ
ーラ１５の旋回方向は、どちらでもかまわない。

【００２１】図４は液体燃料が予混合管１６を流れる気
流によって微粒化する方式の他の構成例であり、予混合
管１６の中心には薄肉円筒状の液膜形成器１７が設けら
れ、液膜形成器１７の内部には第１スワーラ１８が設け
られている。この第１スワーラ１８と液膜形成器１７の
間の隙間から燃料管１９を介して燃料が供給される。液
膜形成器１７の外側には第３スワーラ２１が設けられ、
その外側には主流の第２スワーラ２０が設けられてい
る。第１スワーラ１８による気流の旋回方向と主流の第
２スワーラ２０による気流の旋回方向は互いに逆になっ
ている。液膜形成器１７のすぐ外側の第３スワーラ２１
の旋回方向は、どちらでもかまわない。燃料は液膜形成
器１７の内面に液膜を形成し、図３の場合と略同様の作
用で微粒化される。燃料噴射位置より下流の予混合管１
６の断面形状は図１と同じであるが、出口部には断面積
が拡大する拡径部２２が設けられて流れの径方向への拡
がりを助け、燃焼ガスの再循環領域の発達を促してい
る。

【００２２】図１から図４に示した以上いずれの例にお
いても、内外の第１及び第２スワーラの旋回方向が異な
るので、内側の第１スワーラの旋回流の直径あるいは流
量を過度に大きくすると、保炎性が低下し、更に大きく
すると逆火が発生する。実験と数値シミュレーションの
結果、内側の第１スワーラと外側の第２スワーラ（３個
のスワーラの場合には隣接するスワーラの旋回方向が異
なる円筒において旋回気流を内側と外側に分ける）の気
流の旋回の強さを表すスワール数をそれぞれＳ _IN、Ｓ
_OUT とし、同じくスワーラの各面積をそれぞれＡ_IN、Ａ
_OUT とするとき、０．０２＜（−Ｓ_IN・Ａ_IN・Ｒ_IN）／
（Ｓ_OUT ・Ａ_OUT ・Ｒ_OUT ）＜０．２のとき良好な結果
が得られることが分かった。

【００２３】ここでスワール数について説明する。スワ
ール数Ｓ_N は円形通路を流れる空気流の中心軸周りの各
運動量Ｇ_m と軸方向運動量Ｇ_X により次式で定義され
る。ここでＲは通路の半径（環状通路の場合は外筒の内
径）である。

【００２４】

【数１】

【００２５】特別な場合として、図５に示す軸流スワー
ラと、図６に示すラジアルスワーラがある。軸流スワー
ラは、図１，２，３，４に示した各スワーラ２，３，
６，１３，１４，１５，１８，２０，２１が相当する。
ラジアルスワーラは図２の第２スワーラ７が相当する。

【００２６】(1) 軸流スワーラの場合 軸流スワーラのスワール数Ｓ_N は、図５に示すように羽
根の角度（軸方向からの角度）をθ、内径をＲ₁ 、外径
をＲ₂ とすると、次式のように表される。

【００２７】

【数２】

【００２８】羽根の角度θがｒによらず一定の場合に
は、軸流スワーラのスワール数Ｓ_N は次式のように表さ
れる。

【００２９】

【数３】

【００３０】ヘリカル羽根の場合には、半径ｒにおける
角度θと、内径での角度θ₁ との間には、ｔａｎθ＝
（ｒ／Ｒ₁ ）ｔａｎθ₁ の関係があるので、軸流スワー
ラのスワール数Ｓ_N は次式のように表される。

【００３１】

【数４】

【００３２】(2) ラジアルスワーラの場合 ラジアルスワーラのスワール数Ｓ_N は、図６に示すよう
に出口部通路の内径をＲ₁ 、外径をＲ₂ 、入口案内羽根
の面により包絡される円筒の半径をＲ₃ 、入口の高さを
ｈ、幅をＬとすると、次式のように表される。

【００３３】

【数５】

【００３４】以上説明した例では、予混合管は断面が実
質的に円形で出口に向けて断面積が減少する略中空円錐
台形状の通路であったが、実質的な断面円形のものに限
らず、出口に向けて断面積が減少する筒状であれば、例
えば隅部が曲面加工されて内面が連続的な曲面となった
断面方形又は矩形等の断面略四角形の筒型通路でもよ
い。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、予混合管の断面積を出
口に向けて細くし、旋回方向の異なるスワーラを用いて
内側・外側の旋回方向を逆にすることにより、中心付近
の速度の遅い領域が排除されるために、燃焼室内からの
逆火が生じにくくなる。また、予混合装置の焼損は発生
せず、有害な機械的振動は生じない。

【００３６】また、内側・外側の気流の旋回の強さと流
量に関係する断面積の比を適切にすることや、出口に拡
大部を設けることで、逆火及び保炎性能の低下が起きな
いようにできる。

【００３７】予混合管の燃料噴射位置における断面積Ａ
₀ に対するそれよりも下流における予混合管の最小断面
Ａ₁ における面積の比Ａ₁ ／Ａ₀ は、逆流を抑制するた
めには０．８（８０％）を越えないことが望ましい。し
かし、断面積比を小さくしすぎると以下の問題が生じ
る。予混合管の出口の流速と面積は、燃焼器の性能の面
から決まるため、断面積比を小さくしすぎると（燃料噴
射位置の断面を大きくすること）、気流の速度が極度に
小さくなり、気流微粒化ノズルでは微粒化が悪化する。
そのため、上記の断面積比は実用的には０．４（４０
％）を下回らないことが好ましい。

【００３８】内側の旋回が強く、その旋回気流の直径が
大きいと予混合管出口における旋回が弱まり、保炎性能
が低下する。更に大きくなると逆火が発生する。実験及
び流れの数値計算により、逆火が起きずに保炎のための
旋回が大きな流れを実現できるのは、内側、外側のスワ
ーラの旋回強さと面積が以下の関係にあるときである。

【００３９】内側、外側の気流の旋回の強さを表すスワ
ール数をそれぞれＳ_IN、Ｓ_OUT 、内側、外側のスワーラ
の面積をそれぞれＡ_IN、Ａ_OUT （隣接するスワーラの旋
回方向が同じものは、同一の空気流とみなす）とすると
き、０．０２＜（−Ｓ_IN・Ａ _IN・Ｒ_IN）／（Ｓ_OUT ・Ａ
_OUT ・Ｒ_OUT ）＜０．２である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の予混合装置の第１の例を示す模式的な
断面図である。

【図２】本発明の予混合装置の第２の例を示す模式的な
断面図である。

【図３】本発明の予混合装置の第３の例を示す模式的な
断面図である。

【図４】本発明の予混合装置の第４の例を示す模式的な
断面図である。

【図５】軸流スワーラの構造とその各部における寸法を
示す模式図である。

【図６】ラジアルスワーラの構造とその各部における寸
法を示す模式図である。

【図７】従来の予混合管の第１の例を示す斜視図であ
る。

【図８】従来の予混合管の第１の例が設けられた燃焼器
の模式的な断面図である。

【図９】従来の予混合管の第２の例が設けられた燃焼器
の模式的な断面図である。

【図１０】従来の予混合管の第３の例が設けられた燃焼
器の模式的な断面図である。

【符号の説明】

１…燃料供給手段としての多孔燃料ノズル ２，３，６，７，１３，１４，１５，１８，２０，２１
…スワーラ ４，８，１０，１６…予混合管 ５…燃料供給手段としての渦巻き式圧力燃料ノズル ９，２７…拡径部 １１…燃料供給手段としての燃料噴射ノズル １９…燃料供給手段としての燃料管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤原 弘 東京都大田区蒲田本町一丁目10番１号 株 式会社新潟鉄工所原動機カンパニー内 Ｆターム(参考） 3K017 AA02 AA05 AB05 AC06 AD01 AD03 AD07

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 出口に向けて断面積が減少する予混合管
   と、前記予混合管の入口付近に配置された燃料供給手段
   と、前記予混合管の入口付近において前記燃料ノズルの
   周囲に配置されて空気に互いに逆方向の旋回を与える少
   なくとも２つのスワーラを有するガスタービン燃焼器の
   予混合装置。
2. 【請求項２】 燃料噴射位置における前記予混合管の入
   口水力直径をＤ₀ 、前記予混合管の最小水力直径をＤ₁
   とした場合に、０．４≦（Ｄ₁ ／Ｄ₀ ）² ≦０．８であ
   る請求項１記載のガスタービン燃焼器の予混合装置。
3. 【請求項３】 円周方向についての旋回方向が異なる隣
   接するスワーラの旋回気流を内側の旋回気流と外側の旋
   回気流に分けることとした場合、内側の旋回気流と外側
   の旋回気流の気流の旋回の強さを表すスワール数をそれ
   ぞれＳ_IN、Ｓ _OUT 、内側のスワーラと外側のスワーラの
   通路面積をそれぞれＡ_IN、Ａ_OUT 、内側のスワーラと外
   側のスワーラの通路の外直径をそれぞれＲ_IN、Ｒ_OUT と
   するとき、０．０２＜（−Ｓ_IN・Ａ_IN・Ｒ_IN）／（Ｓ
   _OUT ・Ａ_OUT ・Ｒ_OUT ）＜０．２である請求項１記載の
   ガスタービン燃焼器の予混合装置。
4. 【請求項４】 前記予混合管の出口に断面積が拡大する
   拡径部が設けられた請求項１記載のガスタービン燃焼器
   の予混合装置。
5. 【請求項５】 ３つ以上のスワーラが前記予混合管と同
   軸に配置されており、その最も内側にあるスワーラによ
   る気流の旋回方向が、最も外側にあるスワーラによる気
   流の旋回方向と逆であることを特徴とする請求項１記載
   のガスタービン燃焼器の予混合装置。