JP2003279042A - ガスタービンのガス混合機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスタービンの燃焼室に供給される気体の混
合を促進して混合ガスの生成時間を短縮させ、燃焼効率
を向上させる。 【解決手段】 ガスタービンの燃焼室(16)へ供給される
主流ガス(18)と、他の気体との混合を促進するため、燃
焼室に連通する主流ガス流路(12)に向けて突出し、上流
端からその高さが滑らかに漸増し、かつ、下流端でその
高さを急減した形状を有する混合突起(30)を形成し、そ
の下流端において巻き込みによる縦渦（β）を発生させ
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、ガスタービンのガ
ス混合機構に係り、より詳細にはガスタービンの燃焼室
に供給される二以上の気体、例えば空気、燃料ガスなど
の混合を促進し、燃焼効率を向上させるためのガスター
ビンのガス混合機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４はガスタービンエンジンの模式的構
成図であり、空気取入口１、圧縮機２、燃焼器３、ター
ビン４、アフターバーナ５、ジェットノズル６、等を備
えている。かかるガスタービンエンジンでは、空気を空
気取入口１から導入し、圧縮機２でこの空気を圧縮し、
燃焼器３内で燃料を燃焼させて高温の燃焼ガスを発生さ
せ、発生した燃焼ガスでガスタービン４を駆動し、この
ガスタービン４で圧縮機２を駆動し、アフターバーナ５
でタービンを出た排ガスにより燃料を再度燃焼させ、高
温の燃焼排ガスをジェットノズル６で膨張させて後方に
噴出し、推進力を発生するようになっている。

【０００３】このガスタービンエンジンの燃焼器は、図
５に示したように、内部に燃焼室１６となる空間を形成
するフレームチューブ４２と、フレームチューブ４２と
の間に一定の空隙を有してフレームチューブを覆うエア
ケーシング４４とを有している。また、フレームチュー
ブ４２の上流端には、主流ガスである空気を燃焼室内に
取り入れるためのスノート部４６が形成され、下流端に
は図示しないタービンに燃焼排ガスを送るための排気口
４８が開口している。

【０００４】圧縮機から主流ガス流路１２を通って送ら
れる主流ガス（空気）の一部は、スノート４６から燃焼
室内に取り入れられ燃焼用に利用される。残りの空気は
フレームチューブ４２とエアケーシング４４との間の空
隙を通ってフレームチューブの冷却を行うとともに、フ
レームチューブ４２に設けられたセカンダリエアホール
５２を通して燃焼室内に入り、再燃焼を促進するために
用いられる。

【０００５】またこの燃焼器は、内部に燃料ガス供給管
２６を通した主流ガス管５４に連結されている。燃料ガ
ス供給管２６は、主流ガス流路のほぼ中央にその流れに
沿って配置されて燃焼室の入口にまでのび、その先端部
には燃料ガスを広範囲に拡散して噴射するための噴射ノ
ズル２２を備えている。

【０００６】燃焼器での燃焼効率を向上させるために
は、主流ガスである空気と燃料ガスとが充分に混合され
た後に、その燃焼が行われることが望ましい。しかしな
がら、圧縮された空気は高速で流れるため、軸方向長さ
の短いガスタービンでは混合ガスの生成時間が確保され
ず、単に燃焼室内に噴射した燃料ガスに主流ガスを流し
込むだけでは、その混合が不充分となることがあった。

【０００７】そのため一般的なガスタービンエンジンで
は、噴射ノズル２２近傍の主流ガス流路１２に、軸方向
に対して傾斜した状態で放射状に並べられ、翼列を構成
する複数のベーンを有するスワールベーン（swirl vane
s）５８を取り付けて、スノート４６から取り入れた主
流ガスを周方向に旋回させていた。スワールベーンによ
って旋回流（横渦）になった主流ガスは燃焼室に導入さ
れ、燃焼室内に噴射ノズルから噴出された燃料ガスを巻
き込むことで燃料ガスを攪拌して、主流ガスと燃料ガス
との混合を促進し、混合ガスの生成時間の短縮してい
た。燃料ガスと空気との混合が促進されると、燃焼室内
での燃焼が安定し、燃焼室内に噴射した燃料ガスに主流
ガスを単に流し込む場合と比して燃焼効率が向上してい
た。

【０００８】また近年では、ガスタービンによる燃焼排
ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を低減するため、主流
ガスである圧縮空気と水蒸気とを予混合した上で燃料ガ
スと混合し、または、燃料ガスと水蒸気とを予混合し
た上で圧縮空気と混合して、燃焼室でこれを燃焼させる
場合がある。これは燃焼に関与しない水蒸気を燃焼室に
供給することによって、燃焼時の火炎温度を低減し、高
温燃焼時に発生するＮＯｘを低減するとともに、気体流
量の増加による出力向上を目的としたものである。

【０００９】ＮＯｘの発生を効果的に抑制するために
は、圧縮空気又は燃料ガスと、水蒸気との予混合を充分
に行う必要がある。この場合にも、予混合促進のため
に、水蒸気を導入した主流ガス流路内に前記と同様な構
成のスワールベーンを設けることがあった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述した
従来のスワールベーンによる混合機構では、スワールベ
ーンによる旋回流（横渦）によってのみ混合を促進して
いたため未だその混合が不充分であり、安定燃焼による
燃焼効率の向上、水蒸気予混合による燃焼排ガス中のＮ
Ｏｘの低減が充分に達成されているとはいえなかった。

【００１１】本発明はかかる問題点を解決するために創
案されたものである。すなわち、本発明の第１の目的
は、燃焼室内での主流ガスと燃料との混合を促進するこ
とによって燃焼効率を向上させうるガスタービンのガス
混合機構を提供することにある。

【００１２】また本発明の他の目的は、主流ガス流路内
を流れる主流ガスと他の気体との予混合を促進すること
が可能なガスタービンのガス混合機構を提供することに
ある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、ガスタ
ービンの燃焼室（１６）へ供給される主流ガス（１８）
と、他の気体との混合を促進するためのガスタービンの
ガス混合機構であって、該ガスタービンのガス混合機構
は、燃焼室に連通する主流ガス流路（１２）内に向けて
突出した混合突起（３０）からなり、該混合突起は、上
流端からその高さが滑らかに漸増し、かつ、下流端でそ
の高さを急減した形状を有し、これにより主流ガス流路
内を流れる主流ガスは、前記突起部の下流端において巻
き込みによる縦渦（β）を発生し、この縦渦が主流ガス
と他の気体とを攪拌することによって混合を促進する、
ことを特徴とするガスタービンのガス混合機構が提供さ
れる。

【００１４】上記本発明の構成によれば、混合突起の下
流端で巻き込みによる縦渦が発生し、この縦渦がガスタ
ービンの燃焼室に供給される主流ガス（空気）と他の気
体（燃料ガス、水蒸気など）とを、主流ガス流路内また
は燃焼室内において攪拌するため、その混合を促進する
ことができる。

【００１５】ここで、前記主流ガス流路（１２）内にそ
の流れに沿って配置された燃料ガス供給管（２６）と、
該燃料ガス供給管の先端部に設けられ前記燃焼室（１
６）内に向けて燃料ガスを噴射する噴射ノズル（２２）
とを備えたガスタービンにおいては、前記混合突起（３
０）は、燃料ガス供給管の噴射ノズル近傍の外周から外
方に突出した複数の第１突起部（３０ａ）からなる、も
のとするのが好ましい。

【００１６】かかる構成のガスタービンでは、主流ガス
は、燃料供給管の外周を流れて燃焼室へ供給される。そ
こで噴射ノズル近傍の燃料供給管の外周から外方に突出
する第１突起部を設けてやることで、第１突起部は主流
ガスに縦渦を発生させる。この縦渦が、噴射ノズルから
燃焼室に噴射された燃料ガスを攪拌し、主流ガスと燃料
ガスとの混合を促進して、混合ガスの生成時間を短縮さ
せることができる。

【００１７】なお、前記主流ガス流路（１２）内には、
軸方向に対して傾斜した状態で放射状に並べられた翼形
状の複数のベーン（３４）が設けられ、該ベーンは、主
流ガス（１８）を周方向に旋回させる。主流ガスをベー
ンによって周方向の旋回流（横渦）とするとともに、前
記混合突起によって主流ガスに縦渦をも発生させ、横渦
と縦渦によって主流ガスと他の気体との混合をより一層
促進することができる。

【００１８】また本発明は、主流ガス流路（１２）を通
して燃焼器の燃焼室（１６）に供給される主流ガスと他
の気体との混合を促進するためのガスタービンのガス混
合機構であって、該ガスタービンのガス混合機構は、軸
方向に対して傾斜した状態で主流ガス流路内に放射状に
並べられた翼形状の複数のベーン（３４）と、該ベーン
の腹側翼面および背側翼面の少なくともいずれか一方か
ら外方に突出し、上流端からその高さが滑らかに漸増
し、かつ、下流端でその高さを急減した形状を有する第
２突起部（３０ｂ）からなり、前記ベーンは、主流ガス
流路内を流れるガス流を周方向に旋回させ、前記第２突
起部は、その下流端においてガス流に巻き込みによる縦
渦（β）を発生させて、主流ガス流路内の主流ガスと他
の気体とを攪拌することによって混合を促進する、こと
を特徴とするガスタービンのガス混合機構をも提供す
る。

【００１９】本発明は、主流ガス流路内での主流ガスと
他の気体とを充分に予混合した上で燃焼室に供給するた
めのガス混合機構であり、例えば、主流ガス（空気）と
水蒸気をと予混合した上で燃焼室に供給する場合や、主
流ガスと燃料ガスとを予混合した上で燃焼室に供給する
場合に用いられる。主流ガス流路を流れる主流ガスに他
の気体を合流させ、その合流ガスをスワールベーンによ
って周方向に旋回させるとともに、ベーンに形成した第
２突起部によって縦渦を発生させて攪拌することで、主
流ガス流路内での流体の予混合を促進することができ
る。

【００２０】ここで、前記混合突起、第１突起部、第２
突起部（３０，３０ａ，３０ｂ）は、上流側から下流側
に向けて漸増する高さ（ｈ）と漸減する幅（ｗ）を有す
る四面体形状を有し、かつ、その側壁を絶壁状とする、
ことが好ましい。

【００２１】突起部の形状を軸方向上流側から下流側に
向けて高さおよび幅を漸増し、かつ、その下流端を絶壁
状とすることによって、主流ガス流路を流れるガス流の
一部は突起部の傾斜に沿って進行し、突起部下流端の絶
壁状の部分で巻き込み（縦渦）を生じる。この縦渦が主
流ガスのガス流を攪拌するため、例えば空気と水蒸気と
の混合や、空気と燃料ガスとの混合を効率的に促進し、
混合ガスの生成時間を短縮させることができる。

【００２２】さらに、本発明の好ましい実施例によれば
前記ベーンに形成される前記第２突起部（３０ｂ）は、
ベーンの腹側翼面からのみ突出している。

【００２３】ベーンの腹側翼面にのみ第２突起部を設け
ることで、発生する縦渦の回転方向を統一し、スワール
ベーンの横渦による混合と、突起部の縦渦による混合と
により、混合を効率的に促進することができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において共通す
る部分には同一の符号を付して使用する。

【００２５】図１は第１の実施例にかかるガスタービン
のガス混合機構の概念図であって、燃焼器の入口付近の
構造を表している。このガスタービンは、図示しない圧
縮機によって圧縮された主流ガスである空気と、燃料ガ
スとを燃焼室内で混合した上で燃焼させてタービンの要
求する高圧圧縮ガスを発生させるものである。

【００２６】図に示したように、圧縮機で圧縮された主
流ガス１８（空気）を燃焼器へ導入する主流ガス管５４
の内部には、燃料ガス２４を燃焼室１６に供給する燃料
ガス供給管２６が通っている。燃料ガス供給管２６は、
主流ガス流路１２のほぼ中央にその流れに沿って配置さ
れて燃焼器の燃焼室１６の入口にまでのび、その先端部
には燃料ガス２４を広範囲に拡散して噴射するための噴
射ノズル２２が設けられている。

【００２７】また主流ガス流路１２内には、軸方向に対
して傾斜した状態で放射状に並べられた翼列を構成する
複数のベーン３４を有するスワールベーン３２が取り付
けられている。主流ガス１８は、このスワールベーン３
２によって周方向の旋回流（横渦）とされた後に燃焼室
１６に供給される。

【００２８】燃焼室１６手前の主流ガス流路１２には、
その流路断面積を一旦縮小した後に拡大するスロート部
３６が形成されており、圧縮機で圧縮され主流ガス流路
内で減速されて静圧上昇した空気は、このスロート部３
６で一旦その流速を増し、スロート部を通り抜けた後に
一気に燃焼室１６内に拡散する。

【００２９】ここで、燃料供給管２６の噴射ノズル２２
近傍の外周には、外方に突出して主流ガス１８のガス流
に縦渦を発生させる複数の第１突起部３０ａが全周に渡
って等間隔で形成されている。

【００３０】図２にこの第１突起部３０ａの拡大図を示
す。この突起部３０ａは、軸方向上流側から下流側に向
けて漸増する高さ（ｈ）と漸減する幅（ｗ）を有する四
面体形状を有し、かつ、その側壁を絶壁状としている。
この四面体形状の第１突起部３２ａによって燃料供給管
２６の外周を流れる主流ガス１８は、図２の矢印に示す
ように突起部の傾斜に沿って上流側から下流側に向けて
径方向外方に進行し、突起部下流端の絶壁状の部分で縦
渦（β）を生じる。

【００３１】すなわち、主流ガス１８はその流路に設け
られたスワールベーン３２により周方向の大きな旋回
（横渦）となるとともに、燃料供給管２６の先端外周に
設けられた第１突起部３０ａによって縦方向の小さな旋
回（縦渦）を与えられる。そのため燃焼室１６に供給さ
れた主流ガス１８は、主流ガス流路１２のほぼ中央の噴
射ノズル２２から噴出される燃料ガス２４を横渦および
縦渦によって充分に攪拌し、単に横渦のみによって攪拌
を行う従来の混合機構と比して、主流ガスと燃料ガスと
の混合をより効率的に促進することができる。

【００３２】次に図３に本発明の第２の実施例にかかる
ガスタービンのガス混合機構を表す。この図に示したよ
うに、燃料供給管の外周側には水蒸気供給管３８が同時
状に配置され、主流ガス１８に水蒸気２９を導入できる
ようになっている。また、燃料供給管の先端部の噴射ノ
ズルには、第一の実施例による第１突起部が設けられて
いる。

【００３３】第２の実施例のガス混合機構は、主流ガス
流路１２を流れる空気と水蒸気供給管３８から導入され
た水蒸気２９との予混合を促進させるために用いられ
る。なお、水蒸気供給管３８先端部と噴射ノズル２２と
の区間の一部は省略して表している。

【００３４】このガス混合機構は、第１の実施例で説明
したのと同様のスワールベーン３２のベーン３４と、そ
の腹側翼面からわずかに突出する複数の突起部３０ｂに
より構成される。この突起部３０ｂは図２に示したもの
と同様の形状をしている。

【００３５】主流ガス流路１２を流れる空気に水蒸気供
給管３８から水蒸気２９を導入して合流ガスとし、これ
を主流ガス流路内に設けたスワールベーン３２により周
方向の大きな旋回（横渦）させて混合する。さらにベー
ン３４の腹側翼面に設けた突起部３０ｂによって、第１
の実施例と同様に縦方向の小さな旋回（縦渦β）を発生
させてその攪拌・混合を促進する。なお、突起部３０ｂ
をベーンの腹側翼面にのみ設けることとしたのは、発生
する縦渦の回転方向を統一するためである。

【００３６】第２の実施例によるガス混合機構によれ
ば、横渦および縦渦によって主流ガスと水蒸気との混合
をより一層促進し、ＮＯｘの発生を効率的に抑制するこ
とができる。

【００３７】なお、本発明は上述した実施例に限定され
ず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できる
ことは勿論である。例えば、第２の実施例において、予
混合する気体を燃料ガスと主流ガス（空気）とすること
もできる。その場合には、燃料噴射ノズルは設けられ
ず、当然に燃料供給管の外周の突起部も不要となる。な
お本発明は混合の促進が必要とされる場合に用いること
ができるものであって、空気、燃料ガス、水蒸気等の混
合用に限定されるものでなく、また、同種の流体であっ
ても異なる特性（温度、密度等）の流体の混合促進にも
応用して用いることができる。

【００３８】

【発明の効果】上述したように、本発明のガスタービン
のガス混合機構によれば空気、燃料ガスの気体の混合を
促進し、均一混合ガスの生成時間を短縮することによっ
て、ガスタービンの燃焼室での燃焼効率を向上させるこ
とができる。また、水蒸気を燃焼室に導入するタイプの
ガスタービンにおいては、排出ガス中のＮＯｘ量も低減
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例にかかるガスタービンのガス混合
機構の概念図である。

【図２】第１突起部の拡大図である。

【図３】第２の実施例にかかるガスタービンのガス混合
機構の概念図である。

【図４】ガスタービンエンジンの模式的構成図である。

【図５】ガスタービンエンジンの燃焼器の構成図であ
る。

【符号の説明】

１ 空気取入口 ２ 圧縮機 ３ 燃焼器 ４ タービン ５ アフターバーナ ６ ジェットノズル １２ 主流ガス流路 １６ 燃焼室 １８ 主流ガス ２２ 噴射ノズル ２４ 燃料ガス ２６ 燃料ガス供給管 ２９ 水蒸気 ３０ 混合突起 ３０ａ 第１突起部 ３０ｂ 第２突起部 ３２ スワールベーン ３４ ベーン ３６ スロート部 ３８ 水蒸気供給管 α 横渦 β 縦渦

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスタービンの燃焼室（１６）へ供給さ
   れる主流ガス（１８）と、他の気体との混合を促進する
   ためのガスタービンのガス混合機構であって、 該ガスタービンのガス混合機構は、燃焼室に連通する主
   流ガス流路（１２）内に向けて突出した混合突起（３
   ０）からなり、 該混合突起は、上流端からその高さが滑らかに漸増し、
   かつ、下流端でその高さを急減した形状を有し、 これにより主流ガス流路内を流れる主流ガスは、前記突
   起部の下流端において巻き込みによる縦渦（β）を発生
   し、この縦渦が主流ガスと他の気体とを攪拌することに
   よって混合を促進する、ことを特徴とするガスタービン
   のガス混合機構。
2. 【請求項２】 前記主流ガス流路（１２）内にその流れ
   に沿って配置された燃料ガス供給管（２６）と、該燃料
   ガス供給管の先端部に設けられ前記燃焼室（１６）内に
   向けて燃料ガスを噴射する噴射ノズル（２２）とを備
   え、 前記混合突起（３０）は、燃料ガス供給管の噴射ノズル
   近傍の外周から外方に突出した複数の第１突起部（３０
   ａ）からなる、ことを特徴とする請求項１に記載のガス
   タービンのガス混合機構。
3. 【請求項３】 前記主流ガス流路（１２）内には、軸方
   向に対して傾斜した状態で放射状に並べられた翼形状の
   複数のベーン（３４）が設けられ、 該ベーンは、主流ガス（１８）を周方向に旋回させる、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタービン
   のガス混合機構。
4. 【請求項４】 主流ガス流路（１２）を通して燃焼器の
   燃焼室（１６）に供給される主流ガスと他の気体との混
   合を促進するためのガスタービンのガス混合機構であっ
   て、 該ガスタービンのガス混合機構は、軸方向に対して傾斜
   した状態で主流ガス流路内に放射状に並べられた翼形状
   の複数のベーン（３４）と、該ベーンの腹側翼面および
   背側翼面の少なくともいずれか一方から外方に突出し、
   上流端からその高さが滑らかに漸増し、かつ、下流端で
   その高さを急減した形状を有する第２突起部（３０ｂ）
   からなり、 前記ベーンは、主流ガス流路内を流れるガス流を周方向
   に旋回させ、前記第２突起部は、その下流端においてガ
   ス流に巻き込みによる縦渦（β）を発生させて、主流ガ
   ス流路内の主流ガスと他の気体とを攪拌することによっ
   て混合を促進する、ことを特徴とするガスタービンのガ
   ス混合機構。
5. 【請求項５】 前記混合突起、第１突起部、第２突起部
   （３０，３０ａ，３０ｂ）は、上流側から下流側に向け
   て漸増する高さ（ｈ）と漸減する幅（ｗ）を有する四面
   体形状を有し、かつ、その側壁を絶壁状とする、ことを
   特徴とする請求項１乃至４に記載のガスタービンのガス
   混合機構。
6. 【請求項６】 前記第２突起部（３０ｂ）は、ベーンの
   腹側翼面にのみ形成されている、ことを特徴とする請求
   項４に記載のガスタービンのガス混合機構。