JP2004316506A - 燃焼器、ガスタービン及びジェットエンジン - Google Patents
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Abstract
【課題】周方向モードの燃焼振動発生を防止または抑制することができるガスタービン及びジェットエンジン用の燃焼器を提供する。
【解決手段】パイロットノズル１４の周囲に複数のメインノズル１６が配設された燃焼器１０において、燃焼器１０内で発生する圧力変動を計測する圧力センサ２７と、この圧力センサ２７の計測値から得られる圧力変動レベルが所定値以下となるよう周方向の発熱分布を調整する周方向発熱分布制御手段として、メインノズル１６毎に設けたメイン燃料制御弁２６とを備えている。
【選択図】 図１
【解決手段】パイロットノズル１４の周囲に複数のメインノズル１６が配設された燃焼器１０において、燃焼器１０内で発生する圧力変動を計測する圧力センサ２７と、この圧力センサ２７の計測値から得られる圧力変動レベルが所定値以下となるよう周方向の発熱分布を調整する周方向発熱分布制御手段として、メインノズル１６毎に設けたメイン燃料制御弁２６とを備えている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼器、ガスタービン及びジェットエンジンに係り、特に、ガスタービン及びジェットエンジンの構成要素である燃焼器における周方向モードの燃焼振動を低減する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンは、作動流体となる気体を圧縮機で圧縮してこれを加熱し、生じた高温高圧ガスをタービン中で膨張させることによって外部へ軸出力を取り出すものである。また、ジェットエンジンは、上記高温高圧ガスをタービン中で膨張させて出力を高速ジェットの運動エネルギの形で取り出し、たとえば航空機の推進用として利用するものである。
【０００３】
このようなガスタービン及びジェットエンジンは、圧縮機、燃焼器及びタービンを主な構成要素としており、圧縮機とタービンとは互いに主軸で直結されている。なお、ガスタービン及びジェットエンジンは、出力の使用方法に違いはあるものの基本的な構成が略同じであるため、以下の説明ではガスタービンについて説明する。
圧縮機の吐出口には燃焼器が接続されており、圧縮機から吐出された作動流体は、燃焼器によって所定のタービン入口温度まで加熱される。タービンに供給された高温高圧の作動流体は、ケーシング内において静翼及び主軸側に取り付けられた動翼の間を通過して膨張し、これにより主軸が回転して出力が得られる。ガスタービンの場合、圧縮機の消費動力を引いた軸出力が得られるので、主軸の他端に発電機などを接続することで駆動源として利用することができる。
【０００４】
また、上述したガスタービンの燃焼器は、通常タービン及び主軸を取り囲むようにして周方向に複数配置されている。
以下、従来の燃焼器を図６に示して簡単に説明する。ここで、図中の符号１０は燃焼器、１０ａは燃焼室、１１は内筒、１２は外筒、１３は予混合ノズル、１４はパイロットノズル、１５はパイロットスワーラ、１６はメインノズル、１７はメインスワーラ、１８はパイロット燃料供給管、１９はパイロット燃料制御弁、２０はメイン燃料供給主管、２１はメイン燃料マニホールド、２２はメイン燃料総流量制御弁、２３はメイン燃料分岐管、２４は空気流路である。
【０００５】
この燃焼器１０は、燃料ノズルとして予混合ノズル１３が使用されている。図示した予混合ノズル１３は、中央に配置した１本のパイロットノズル１４と、このパイロットノズル１４を囲むようにして周方向に配置した複数（図示の例では８本）のメインノズル１６とを備えている。また、パイロットノズル１４及びメインノズル１６の燃料供給系には、それぞれ独立してパイロット燃料制御弁１９及びメイン燃料総流量制御弁２２が設けられている。すなわち、複数のメインノズル１６については、メイン燃料マニホールド２１の上流側に設けた一つのメイン燃料総流量制御弁２２により総流量が制御された燃料の分配を受け、パイロットノズル１４については、専用のパイロット燃料制御弁１９によりメインノズル１６から独立した流量制御を受けるようになっている。
【０００６】
このようなガスタービンの燃焼器１０においては、従来より燃焼振動が問題となっている。この燃焼振動は、燃焼器１０を構成する気体流路系、すなわち空気流路２４の音響的固有振動が燃焼によって熱的に駆動され、燃焼器１０内の圧力やガス流速が周期的に変動する現象のことであり、燃焼器内軸方向モードの燃焼振動と、周方向モードの燃焼振動とに分類される。
このうち、軸方向モードの燃焼振動対策については、複数設けられている燃焼器（燃料ノズル）を複数群に分け、各群毎に燃料を送り込む燃料配管のそれぞれに燃料流量調整弁を設けることにより、燃空比判別器の出力に基づいて燃焼振動が生じない燃空比となるように、各燃料流量調整弁を異なった開度に調整できるように構成したものが知られている。（たとえば、特許文献１参照）
【０００７】
【特許文献１】
特開昭６１−１３２７２９号公報（第３−４頁、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の燃焼器においては、周方向モードの燃焼振動について、特に有効な対策が講じられていないのが実状である。このような周方向モードの燃焼振動は、たとえば１本のパイロットノズル１４の周囲に８本のメインノズル１６が配置された構造の予混合ノズル１３では、メインバーナ１６の発熱量が理想通りに均一となれば燃焼振動は発生しない。すなわち、燃焼器１０の周方向（図６（ｂ）に示す縦断面）において生じる発熱分布がメインノズル１６に対応する８分割で同じになれば、燃焼器１０内における周方向モードの燃焼振動は発生しない。
【０００９】
しかし、実際には各メインノズル１６毎のノズル孔径の公差によるずれや、空気通路２４における流れの周方向分布の不均一、音響系の周方向不均一等があるため、〔Ｅｆ − Ｅｃ〕で表される判別式が負（Ｅｆ＜Ｅｃ）になる場合には、不安定な燃焼となって発振することが懸念される。
ここで、
Ｅｆ：場の減衰エネルギ（必ず正）、
Ｅｃ：燃焼によって生じるエネルギ（レーリーの式）
なお、理想的な燃焼器の場合、周方向の１〜４ノーダル（ＮＤ）に関してはレーリーの式で求められるＥｃが０となるので、判別式は正となり燃焼が安定して発振しない。
【００１０】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、周方向モードの燃焼振動発生を防止または抑制することができる燃焼器、そして、この燃焼器を備えたガスタービン及びジェットエンジンの提供を目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
請求項１に記載の燃焼器は、パイロットノズルの周囲に複数のメインノズルが配設された燃焼器であって、燃焼器内で発生する圧力変動を計測する圧力変動検出手段と、該圧力変動検出手段の計測値から得られる圧力変動レベルが所定値以下となるよう周方向の発熱分布を調整する周方向発熱分布制御手段と、を備えていることを特徴とするものである。
【００１２】
このような燃焼器とすれば、燃焼器内で発生する圧力変動を計測する圧力変動検出手段と、該圧力変動検出手段の計測値から得られる圧力変動レベルが所定値以下となるよう周方向の発熱分布を調整する周方向発熱分布制御手段とを備えているので、燃焼器における周方向発熱分布を均一にして周方向モードの燃焼振動が発生するのを防止または抑制することができる。この場合、周方向発熱分布を均一にするためには、メインノズル毎に燃料と空気との混合割合（燃空比）を調整すればよい。
【００１３】
請求項１記載の燃焼器においては、周方向発熱分布制御手段が、メインノズル毎に設けられた燃料の流量制御手段であることが好ましく、これにより、メインノズル毎に燃料供給量を調整することが可能になる。このため、メインノズル毎に燃空比を適宜調整して、燃焼器における周方向発熱分布を均一にすることができる。
【００１４】
また、請求項１記載の燃焼器においては、周方向発熱分布制御手段が、メインノズルに対応して燃焼空気流路に設けられた可動翼であることが好ましく、これにより、可動翼を作動させてメインノズル毎に空気供給量を調整することが可能になる。このため、メインノズル毎に燃空比を適宜調整して、燃焼器における周方向発熱分布を均一にすることができる。
【００１５】
請求項４に記載のガスタービンは、空気を圧縮して空気流として供給する圧縮機と、請求項１から３のいずれかに記載の燃焼器と、前記燃焼器から供給される高温高圧ガスを膨張させて回転することで軸出力を出力するタービンと、を具備して構成したことを特徴とするものである。
【００１６】
このようなガスタービンとすれば、燃焼器における周方向発熱分布を均一にして周方向モードの燃焼振動が発生するのを防止または抑制することができる。この場合、周方向発熱分布を均一にするためには、メインノズル毎の燃空比を調整すればよい。
【００１７】
請求項５に記載のジェットエンジンは、空気を圧縮して空気流として供給する圧縮機と、請求項１から３のいずれかに記載の燃焼器と、前記燃焼器から高温高圧ガスを供給されるタービンと、を具備して構成したことを特徴とするものである。
【００１８】
このようなジェットエンジンによれば、燃焼器における周方向発熱分布を均一にして周方向モードの燃焼振動が発生するのを防止または抑制することができる。この場合、周方向発熱分布を均一にするためには、メインノズル毎の燃空比を調整すればよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃焼器、ガスタービン及びジェットエンジンの一実施形態を、図面に基づいて説明する。
さて、ガスタービン及びジェットエンジンは、従来技術で説明したように、いずれも圧縮機、燃焼器及びタービンを主な構成要素とするものである。一方のガスタービンは、高温高圧のガスをタービン中で膨張させて主軸を回転させ、生じた軸出力を発電機等の駆動力として利用するものである。また、ジェットエンジンは、高温高圧のガスをタービン中で膨張させて主軸を回転させ、タービンから噴射される高速ジェット（排気）の運動エネルギを航空機の推進力として利用するものである。
なお、以下の各実施形態においては、ガスタービン及びその燃焼器を例示して説明する。
【００２０】
＜第１の実施形態＞
図２は、ガスタービンの燃焼器周辺構造を示す断面図であり、図中の符号１はガスタービン、２は圧縮機、１０は燃焼器、３はタービン、４は尾筒である。
このガスタービン１では、大気から燃焼用の空気を吸入して圧縮機１で圧縮する。この圧縮空気は燃焼器１０に供給され、後述する燃料ノズルから供給される燃料を燃焼器１０内で燃焼させる。こうして燃焼器１０内で生成された高温高圧ガスが尾筒４を通ってタービン３に供給されると、タービン３のケーシング側に固定された静翼と主軸の回転軸側に固定された動翼との間を膨張しながら通過するので、動翼と一体に主軸が回転して外部へ軸出力を取り出すことができる。
なお、上述した圧縮機１は主軸を介してタービン３と直結され、タービン３の出力の一部を利用して駆動される。
【００２１】
図１は、上述した燃焼器１０の概略構成を示す断面図であり、（ａ）は軸方向の断面図、（ｂ）は周方向の断面図である。なお、図６に示した従来構造と同様の部分には同じ符号を付してある。
この燃焼器１０は、内側の筒状部材である内筒１１と外側の筒状部材である外筒１２とが同軸に配設され、内筒１１の軸中心に沿って予混合ノズル１３を設置したものである。予混合ノズル１３は、その中心軸と一致する中央部にパイロットノズル１４が配設されている。そして、このパイロットノズル１４の周囲を取り囲むようにして、複数（図示の例では８本）のメインノズル１６が等ピッチに配設されている。従って、パイロットノズル１４の中心軸は、内筒１１及び外筒１２の中心軸と一致していることになる。
なお、このように構成された燃焼器１０は、主軸及びタービンの外側を取り囲むようにして、複数が等ピッチに配置されている。
【００２２】
予混合ノズル１３のパイロットノズル１４は、パイロットスワーラ１５とパイロット燃料供給管１８とを具備して構成される。
パイロットスワーラ１５は、パイロットノズル１４の外周部に設けられ、通過する空気流（図中に白抜矢印で示す）に旋回を与えてノズル先端部へ吹き出すようにしたものである。
パイロット燃料供給管１８は、図示省略の燃料供給源とパイロットノズル１４との間を接続するもので、その途中には燃料の流量を制御するパイロット燃料制御弁１９が設けられている。
このパイロットノズル１４では、旋回流となった空気流を燃焼空気として、燃焼室１０ａ内においてパイロット燃料を燃焼させる。こうして得られたパイロットノズル１４の火炎は、後述するメインノズル１６の火種として用いられる。
【００２３】
予混合ノズル１３のメインノズル１６は、それぞれがメインスワーラ１７とメイン燃料供給管２５とを具備して構成される。なお、図示した８本のメインノズル１６は、いずれも同一の構成である。
メインスワーラ１７は、メインノズル１６の外周部に設けられ、通過する空気流（図中に白抜矢印で示す）に旋回を与えてノズル先端部へ流出させるようにしたものである。
【００２４】
メイン燃料供給管２５は、図示省略の燃料供給源とメインノズル１６との間を接続するもので、その途中には燃料の流量を制御するメイン燃料制御弁２６が設けられている。この場合、メイン燃料供給管２５及びメイン燃料制御弁２６は、一本のメインノズル１６毎に設けられており、メイン燃料制御弁２６が周方向発熱分布制御手段として機能している。
なお、メイン燃料制御弁２６の上流側については、メイン燃料供給管２５がそれぞれ図示省略の燃料供給源まで接続された構成としてもよいし、あるいは、各メイン燃料制御弁２６の上流側にメイン燃料マニホールドを設けて一本のメイン燃料主配管を燃料供給源に接続するように構成してもよい。
【００２５】
このメインノズル１６では、メイン燃料供給管２５を通って供給されたメイン燃料をメインスワーラ１７の上流側で図示省略の噴出孔から空気流に噴出させ、メイン燃料と空気流とを予混合して予混合気を形成する。この予混合気は、メインスワーラ１７を通過する際に旋回流となり、燃焼器１０の燃焼室１０ａ内に流出する。この予混合気は、燃焼室１０ａ内において８組のメインノズル１６からパイロットノズル１４の周囲に流出し、前述したパイロットノズル１４の火炎を火種として燃焼する。
【００２６】
空気流路２４は、内筒１１と外筒１２との間に形成され、上述したパイロットノズル１４及び各メインノズル１６に燃焼空気を供給するものである。この空気流路２４は、圧縮機２から供給された圧縮空気を略１８０度反転させて燃焼器１０内に導入し、再度反転させてからパイロットノズル１４及びメインノズル１６に沿って流し、燃焼室１０ａに導くものである。
【００２７】
また、この燃焼器１０は、燃焼器内に発生する圧力変動を検出する圧力検出手段として、１または複数の圧力センサ２７を備えている。図示の例では、燃焼室１０ａを画成する内筒１１に１個の圧力センサ２７が取り付けられ、燃焼室１０ａ内の圧力変動を検出して制御部３０に入力している。この圧力センサ２７としては、たとえば圧電型等を採用することができる。
なお、圧力センサ２７の取付位置は、図１に示した燃焼室１０ａの他、たとえば後述する図５のように、圧縮空気が略１８０度の方向転換をする空気流路２４の圧力変動を検出する位置で、外筒１２に取り付けられたものでもよい。
【００２８】
制御部３０は、上述したパイロット燃料制御弁１９及びメイン燃料制御弁２５の開度制御を行うようになっている。このような開度制御により、各ノズル毎の燃料供給量が調整される。そして、メインノズル１６の燃料供給量を上述した圧力センサ２７の検出値と連動させて調整することにより、圧縮機２から供給される圧縮空気量が一定であれば、燃料の増減に応じて燃空比が変動する。この燃空比は、メインノズル１６の発熱量に影響するので、各メインノズル１６の発熱量が均一になるように調整すれば、燃焼器１０の燃焼室１０ａ内においては、周方向の発熱量分布も均一になる。
【００２９】
さて、燃焼器１０内における周方向モードの燃焼振動には、たとえば図３に示すように、１〜４ＮＤモードのような複数の周方向圧力モード形状が存在する。なお、図３において、円は内筒１１の断面形状を示している。
図３（ａ）に示した１ＮＤモードの圧力モード形状では、内筒１の断面形状を二等分した半円の一方と他方で位相が逆相となる。すなわち、周方向において、位相の異なる領域が二分割されている。
また、図３（ｂ）に示した２ＮＤモードの圧力モード形状では、内筒１の断面形状を四等分した四分の一円が交互に位相が逆相となる。同様にして、図３（ｃ）に示した３ＮＤモードや図３（ｄ）に示した４ＮＤモードの場合についても、位相の異なる領域が周方向へ交互に繰り返される。
【００３０】
そして、燃焼器１０において実際に発生している周方向モードの燃焼振動がどの圧力モード形状になっているかについては、圧力センサ２７により計測した圧力変動のデータ（以下、「計測データ」と呼ぶ）から推定することができる。
圧力モード形状の推定を具体的に説明すると、圧力センサ２７の計測データを周波数分析して燃焼振動の周方向モードを推定する。すなわち、１ＮＤモードの圧力モード形状はｆ１ Ｈｚの振動数、２ＮＤモードの圧力モード形状はｆ２ Ｈｚの振動数、３ＮＤモードの圧力モード形状はｆ３ Ｈｚの振動数、４ＮＤモードの圧力モード形状はｆ４ Ｈｚの振動数というように、それぞれ固有の振動数を有することが予め分かる。このため、計測データの分析から振動数が分かれば、その振動数に対応する圧力形状モードを推測することが可能になるのである。
【００３１】
圧力モード形状と振動数との対応は、公知の振動数計算式から容易に予測することが可能である。
また、より詳細な対応の予測を行うなら、有限要素法（ＦＥＭ）による音響解析などで対応付けが可能であるし、実機の実測結果に基づいて決めることも可能である。
【００３２】
ここで、たとえば計測データの振動数がｆ１ Ｈｚであった場合、図３（ａ）に示した１ＮＤモードであると想定される。なお、この場合における各メイン燃料制御弁２６の開度は全て同じであり、この開度設定状態を「初期設定位置」と呼ぶことにする。
以下、８本のメインノズル１６（図４では、矢印ａ〜ｈの８本）を備えた燃焼器１０において、１ＮＤモードの圧力モード形状を有する周方向モードの燃焼振動が発生した場合について、この燃焼振動を防止または抑制する手順を図４に基づいて説明する。
【００３３】
最初に、任意のメインノズルを１本選択するが、ここではメインノズルａを選択してそのメイン燃料制御弁２６の開度を大きくし、他の７本のメインノズルｂ〜ｈより燃料供給量を増加させる。この時、燃焼器１０の発熱量を所定値に維持するため、８本のメインノズルａ〜ｈに供給する合計量（総燃料供給量）を一定に保つ必要があり、このため、他の７本のメインノズルｂ〜ｈに燃料を供給するメイン燃料供給弁２６については、その開度を少しずつ同量小さく絞り、それぞれに対応するメインノズルの燃料供給量を減少させる。このように、メイン燃料制御弁２６について第１回目の調整を行った開度設定位置を、「第１開度設定位置」と呼ぶことにする。
【００３４】
このような第１開度設定位置で対象とする１ＮＤモードの燃焼振動が増加（悪化）した場合には、いったん初期設定位置に戻した後、次に対向位置のノズルａと逆相領域にあるメインノズルｅを選択してそのメイン燃料制御弁２６の開度を大きくし、他の７本のメインノズルａ〜ｄ，ｆ〜ｈより燃料供給量を増加させる。この場合も、メイン燃料の総燃料供給量は一定に保つ必要があるので、他のメインノズルａ〜ｄ，ｆ〜ｈでは燃料供給量を少しずつ低減させる。
このような「第２開度設定値」にすれば逆相領域の発熱量が相対的に増加し、レーリーの式に基づく発振条件により、判別式が正となって燃焼振動を低減できると判断される。
【００３５】
上述した第２開度設定値で燃焼振動が低減されれば、さらにこれを低減するべく、メインノズルｅに隣接するメインノズルｄ、ｆについても順次メイン燃料制御弁２６の開度を調整する。
この場合、メインノズルｄの燃料をノズルｄと逆相領域のメインノズルｅと共に増加すれば、メインノズルｅのみを増加した第２開度設定値の場合より燃焼振動が増加して悪くなると考えられる。これが正しいことを確認したら、元の状態である第２開度設定位置に戻し、逆相領域にあるメインノズルｆの燃料供給量をメインノズルｅと共に増加させて燃焼振動が減少することを確認する。
なお、この場合も燃料の総供給量は一定であるため、残る６本のメインノズルａ〜ｄ，ｇ，ｈについては、いずれも燃料供給量を少しずつ減少させる。
【００３６】
以下同様にして、隣接するメインノズルｇ，ｈについても、総燃料供給量を一定に維持しながら順次燃料供給量を増加させ、燃焼振動が減少することを確認する。そして、燃焼振動が増加する所まで、このような燃料調整を進めていく。
一般的には、燃焼室１０ａの軸方向と直交する断面（周方向断面）に温度分布があると、窒素酸化物（ＮＯｘ ）を発生しやすいため、各メインノズルａ〜ｈにおける燃料の流量配分は、燃焼振動の低減効果とＮＯｘ 発生量とを見て決める。すなわち、たとえばメインノズルｆのみ燃料供給量を増加すると、局所的に温度分布が高くなる領域ができてＮＯｘ の発生量が増加すると考えられるので、４本のメインノズルｅ〜ｈに増加分を均等に分散させることが好ましい。
【００３７】
この結果、逆相領域全体で略均一に発熱量が増加すると共に、同相領域では燃料供給量の減少により略均一に発熱量が減少するので、全体としての発熱量は周方向断面の全周にわたって均一化されて燃焼振動を抑制または防止し、これと同時に、発熱量の均一化により温度分布がなくなってＮＯｘ 発生量も抑制することが可能になる。
【００３８】
このように、各メインノズルａ〜ｈ毎にそれぞれのメイン燃料制御弁２６を開度調整し、メインノズル１６のノズル孔径公差を原因とするずれを補正すれば、燃空比が調整されて周方向断面の発熱分布を均一化することができる。従って、レーリーの式で求められる燃焼によって生じるエネルギＥｃが０またはＥｆ以下となり、結果的に判別式が正となって安定した燃焼が行われるようになるので、燃焼振動の発振は防止または抑制される。
なお、周方向圧力モード形状が１ＮＤモード以外（２ＮＤモード以上）となる周方向モードの燃焼振動についても、同様の手順によって最適なメイン燃料制御弁２６の開度を設定し、周方向発熱分布を調整することによって温度分布を均一化すればよい。
【００３９】
上述したように、周方向発熱分布制御手段としてメインノズル１６毎に設けたメイン燃料制御弁２６の開度制御による周方向発熱分布の調整は、制御部３０が備えている制御プログラムにより、ガスタービン１の試運転または運転中にアクチュエータを備えたメイン燃料制御弁２６の開度調整が自動的に実施されるようにしてもよいし、あるいは、試運転において手動操作のメイン燃料制御弁２６を開度調整するようにしてもよい。
【００４０】
＜第２の実施形態＞
続いて、本発明の第２の実施形態を図５に基づいて説明する。なお、上述した第１の実施形態と同様の部分については同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
さて、この実施形態の燃焼器１０は、周方向発熱分布制御手段として可動翼２８を備えている。この可動翼２８は、圧縮機２から供給される圧縮空気が燃焼器１０に導入される入口部の近傍に、各メインノズル１６と対応するようにして配設されている可変静翼である。すなわち、図示の例では、内筒１１と外筒１２との間に形成されて圧縮空気の流路となる空気流路２４の適所に、８本のメインノズル１６と対応する８枚の可動翼２８が円周方向において等ピッチに配置されている。
【００４１】
この可動翼２８はそれぞれが独自の駆動機構２８ａを有し、制御部３０から出力される制御信号に基づいて回動することにより、空気通路２４の流路断面積を各メインノズル１６毎に変化させる機能を有するものである。すなわち、等ピッチの放射線状に設けられた回転軸と一体に回動する概ね板状の可動翼２８は、圧縮空気の流れ方向（軸方向）と平行となる位置で流路断面積を最大とし、この状態から９０度回転した位置で流路断面積を最小に絞る。
なお、各可動翼２８は、流路面積を最大にする位置（最大開度位置）から最小にする位置（最小開度位置）までの可動範囲内において、それぞれ独自に定められた任意の角度設定が可能であり、従って、空気流量の制御も最大から最小の範囲内で任意に選択することができる。
【００４２】
また、この燃焼器１０は、燃焼器内に発生する圧力変動を検出する圧力検出手段として、１または複数の圧力センサ２７を備えている。図示の例では、圧縮空気が略１８０度の方向転換をして各ノズルに供給される空気流路２４の圧力変動を検出するように、外筒１２の端面部分に取り付けられている。この圧力センサ２７には圧電型等が採用され、検出した空気流路２４の圧力変動は、制御部３０に入力される。
なお、圧力センサ２７の取付位置は、燃焼室１０ａを画成する内筒１１に取り付けられて燃焼室１０ａ内の圧力変動を検出するものでもよいし、必要に応じて両方に設けてもよい。
【００４３】
このような構成とすれば、メインノズル１６に供給される圧縮空気量をノズル毎に制御することができるので、各メインノズル１６毎に燃空比を調整することが可能になる。
以下、図４に基づいて８本のメインノズル１６（矢印ａ〜ｈの８本）を備えた燃焼器１０において、１ＮＤモードの圧力モード形状を有する周方向モードの燃焼振動が発生した場合について、この燃焼振動を防止または抑制する手順を説明する。
【００４４】
ここで、たとえば圧力センサ２７で検出した計測データの振動数がｆ１ Ｈｚであった場合、図３（ａ）に示した１ＮＤモードであると想定される。なお、この場合における各可動翼２８の開度は全て同じであり、この開度設定状態を「初期設定位置」と呼ぶことにする。
最初に、任意のメインノズルを１本選択するが、ここではメインノズルａを選択し、これに対応する可動翼２８の開度を小さく絞り、他の７本のメインノズルｂ〜ｈより空気供給量を減少させる。この時、燃焼器１０の発熱量を所定値に維持するため、８本のメインノズルａ〜ｈに供給する空気の総供給量（合計量）を一定に保つ必要があり、このため、他の７本のメインノズルｂ〜ｈに空気を供給する可動翼２８については、その開度を少しずつ同量開いて大きくし、それぞれに対応する空気供給量を増加させる。このように、可動翼２８について第１回目の調整を行った開度設定位置を、「第１開度設定位置」と呼ぶことにする。
【００４５】
このような第１開度設定位置で対象とする１ＮＤモードの燃焼振動が増加（悪化）した場合には、いったん初期設定位置に戻した後、次に対向位置のノズルａと逆相領域にあるメインノズルｅを選択してその可動翼２８の開度を小さく絞り、他の７本のメインノズルａ〜ｄ，ｆ〜ｈより空気供給量を減少させる。この場合も、圧縮空気の総供給量は一定に保つ必要があるので、他のメインノズルａ〜ｄ，ｆ〜ｈでは空気供給量を少しずつ増加させる。
このような「第２開度設定値」にすれば、レーリーの式に基づく発振条件により、判別式が正となって燃焼振動を低減できると判断される。
【００４６】
上述した第２開度設定値で燃焼振動が低減されれば、さらにこれを低減するべく、メインノズルｅに隣接するメインノズルｄ、ｆについても順次対応する可動翼２８の開度を調整する。
この場合、メインノズルｄの空気量をノズルｄと逆相領域のメインノズルｅと共に減少させれば、メインノズルｅのみを減少させた第２開度設定値の場合より燃焼振動が増加して悪くなると考えられる。この推測が正しいことを確認したら、元の状態である第２開度設定位置に戻し、逆相領域にあるメインノズルｆの空気供給量をメインノズルｅと共に減少させて燃焼振動が減少することを確認する。
なお、この場合も空気の総供給量は一定であるため、残る６本のメインノズルａ〜ｄ，ｇ，ｈについては、いずれも空気供給量を少しずつ増加させる。
【００４７】
以下同様にして、隣接するメインノズルｇ，ｈについても、空気の総供給量を一定に維持しながら順次空気供給量を減少させ、燃焼振動が減少することを確認する。そして、燃焼振動が増加する所まで、このような空気量の調整を進めていく。
一般的には、燃焼室１０ａの軸方向と直交する断面（周方向断面）に温度分布があると、窒素酸化物（ＮＯｘ ）を発生しやすいため、各メインノズルａ〜ｈにおける空気量の配分は、燃焼振動の低減効果とＮＯｘ 発生量とを見て決める。すなわち、たとえばメインノズルｆのみ空気供給量を減少すると、局所的に温度分布が高くなる領域ができてＮＯｘ の発生量が増加すると考えられるので、４本のメインノズルｅ〜ｈに減少分を均等に分散させることが好ましい。
【００４８】
この結果、逆相領域全体で略均一に発熱量が増加すると共に、同相領域では空気供給量の増加により略均一に発熱量が減少するので、全体としての発熱量は周方向断面の全周にわたって均一化されて燃焼振動を抑制または防止し、これと同時に、発熱量の均一化により温度分布がなくなってＮＯｘ 発生量も抑制することが可能になる。
【００４９】
このように、各メインノズルａ〜ｈ毎にそれぞれの可動翼２８を開度調整し、燃焼器１０内における圧縮空気の周方向分布が不均一になることを補正すれば、燃空比が調整されて周方向断面の発熱分布を均一化することができる。従って、レーリーの式で求められる燃焼によって生じるエネルギＥｃが０またはＥｆ以下となり、結果的に判別式が正となって安定した燃焼が行われるようになるので、燃焼振動の発振は防止または抑制される。
なお、周方向圧力モード形状が１ＮＤモード以外（２ＮＤモード以上）となる周方向モードの燃焼振動についても、同様の手順によって最適な可動翼２８の開度を設定し、周方向発熱分布を調整することによって温度分布を均一化すればよい。
【００５０】
上述したように、周方向発熱分布制御手段としてメインノズル１６毎に設けた可動翼２８の開度制御による周方向発熱分布の調整は、制御部３０が備えている制御プログラムにより、ガスタービン１の試運転または運転中に駆動機構２８ａを備えた可動翼２８の開度調整が自動的に実施されるようにしてもよいし、あるいは、試運転時において手動操作により可動翼２８の開度調整を実施し、最適位置に固定するようにしてもよい。
【００５１】
上述した第１及び第２の実施形態から明らかなように、本発明によれば、各メインノズル１６毎の燃空比を調整して、圧力センサ２７で検出される圧力変動レベルが所定値以下となるように、周方向発熱分布を調整することが可能になる。すなわち、第１の実施形態では燃料側を調整し、第２の実施形態では空気側を調整して、それぞれ燃空比を調整しているが、必要に応じて燃料側の調整及び空気側の調整を併用して燃空比の調整を行うことも可能である。この場合、メイン燃料供給弁２６及び可動翼２８を共に設けることが必要となる。
【００５２】
そして、周方向モードの燃焼振動が解消された燃焼器１０を構成要素とするガスタービン及びジェットエンジンは、周方向モードの燃焼振動に起因する不具合が解消される。
なお、本発明の構成は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明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。
【００５３】
【発明の効果】
上述した本発明によれば、各メインノズル毎に燃料側の供給量調整または空気側の供給量調整を実施することにより、燃焼器における周方向の発熱分布を制御できるようになるので、周方向モードの燃焼振動を防止または所定値以下に低減することが可能になる。
そして、このような燃焼器を構成要素とするガスタービン及びジェットエンジンは、燃焼器における周方向モードの燃焼振動が解消されて信頼性や耐久性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃焼器を示す断面図である。
【図２】ガスタービンの燃焼器周辺構造を示す断面図である。
【図３】燃焼振動の周方向圧力モード形状を示す図で、（ａ）は１ＮＤモード、（ｂ）は２ＮＤモード、（ｃ）は３ＮＤモード、（ｄ）は４ＮＤモードである。
【図４】１ＮＤモードにおける制御手順の説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃焼器を示す断面図である。
【図６】従来の燃焼器を示す断面図である。
【符号の説明】
１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ タービン
４ 尾筒
１０ 燃焼器
１０ａ 燃焼室
１１ 内筒
１２ 外筒
１３ 予混合ノズル
１４ パイロットノズル
１５ パイロットスワーラ
１６ メインノズル
１７ メインスワーラ
１８ パイロット燃料供給管
１９ パイロット燃料制御弁
２０ メイン燃料供給主管
２１ メイン燃料マニホールド
２２ メイン燃料総流量制御弁
２３ メイン燃料分岐管
２４ 空気流路
２５ メイン燃料供給管
２６ メイン燃料制御弁（周方向発熱分布制御手段）
２７ 圧力センサ（圧力検出手段）
２８ 可動翼（周方向発熱分布制御手段）
３０ 制御部
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼器、ガスタービン及びジェットエンジンに係り、特に、ガスタービン及びジェットエンジンの構成要素である燃焼器における周方向モードの燃焼振動を低減する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンは、作動流体となる気体を圧縮機で圧縮してこれを加熱し、生じた高温高圧ガスをタービン中で膨張させることによって外部へ軸出力を取り出すものである。また、ジェットエンジンは、上記高温高圧ガスをタービン中で膨張させて出力を高速ジェットの運動エネルギの形で取り出し、たとえば航空機の推進用として利用するものである。
【０００３】
このようなガスタービン及びジェットエンジンは、圧縮機、燃焼器及びタービンを主な構成要素としており、圧縮機とタービンとは互いに主軸で直結されている。なお、ガスタービン及びジェットエンジンは、出力の使用方法に違いはあるものの基本的な構成が略同じであるため、以下の説明ではガスタービンについて説明する。
圧縮機の吐出口には燃焼器が接続されており、圧縮機から吐出された作動流体は、燃焼器によって所定のタービン入口温度まで加熱される。タービンに供給された高温高圧の作動流体は、ケーシング内において静翼及び主軸側に取り付けられた動翼の間を通過して膨張し、これにより主軸が回転して出力が得られる。ガスタービンの場合、圧縮機の消費動力を引いた軸出力が得られるので、主軸の他端に発電機などを接続することで駆動源として利用することができる。
【０００４】
また、上述したガスタービンの燃焼器は、通常タービン及び主軸を取り囲むようにして周方向に複数配置されている。
以下、従来の燃焼器を図６に示して簡単に説明する。ここで、図中の符号１０は燃焼器、１０ａは燃焼室、１１は内筒、１２は外筒、１３は予混合ノズル、１４はパイロットノズル、１５はパイロットスワーラ、１６はメインノズル、１７はメインスワーラ、１８はパイロット燃料供給管、１９はパイロット燃料制御弁、２０はメイン燃料供給主管、２１はメイン燃料マニホールド、２２はメイン燃料総流量制御弁、２３はメイン燃料分岐管、２４は空気流路である。
【０００５】
この燃焼器１０は、燃料ノズルとして予混合ノズル１３が使用されている。図示した予混合ノズル１３は、中央に配置した１本のパイロットノズル１４と、このパイロットノズル１４を囲むようにして周方向に配置した複数（図示の例では８本）のメインノズル１６とを備えている。また、パイロットノズル１４及びメインノズル１６の燃料供給系には、それぞれ独立してパイロット燃料制御弁１９及びメイン燃料総流量制御弁２２が設けられている。すなわち、複数のメインノズル１６については、メイン燃料マニホールド２１の上流側に設けた一つのメイン燃料総流量制御弁２２により総流量が制御された燃料の分配を受け、パイロットノズル１４については、専用のパイロット燃料制御弁１９によりメインノズル１６から独立した流量制御を受けるようになっている。
【０００６】
このようなガスタービンの燃焼器１０においては、従来より燃焼振動が問題となっている。この燃焼振動は、燃焼器１０を構成する気体流路系、すなわち空気流路２４の音響的固有振動が燃焼によって熱的に駆動され、燃焼器１０内の圧力やガス流速が周期的に変動する現象のことであり、燃焼器内軸方向モードの燃焼振動と、周方向モードの燃焼振動とに分類される。
このうち、軸方向モードの燃焼振動対策については、複数設けられている燃焼器（燃料ノズル）を複数群に分け、各群毎に燃料を送り込む燃料配管のそれぞれに燃料流量調整弁を設けることにより、燃空比判別器の出力に基づいて燃焼振動が生じない燃空比となるように、各燃料流量調整弁を異なった開度に調整できるように構成したものが知られている。（たとえば、特許文献１参照）
【０００７】
【特許文献１】
特開昭６１−１３２７２９号公報（第３−４頁、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の燃焼器においては、周方向モードの燃焼振動について、特に有効な対策が講じられていないのが実状である。このような周方向モードの燃焼振動は、たとえば１本のパイロットノズル１４の周囲に８本のメインノズル１６が配置された構造の予混合ノズル１３では、メインバーナ１６の発熱量が理想通りに均一となれば燃焼振動は発生しない。すなわち、燃焼器１０の周方向（図６（ｂ）に示す縦断面）において生じる発熱分布がメインノズル１６に対応する８分割で同じになれば、燃焼器１０内における周方向モードの燃焼振動は発生しない。
【０００９】
しかし、実際には各メインノズル１６毎のノズル孔径の公差によるずれや、空気通路２４における流れの周方向分布の不均一、音響系の周方向不均一等があるため、〔Ｅｆ − Ｅｃ〕で表される判別式が負（Ｅｆ＜Ｅｃ）になる場合には、不安定な燃焼となって発振することが懸念される。
ここで、
Ｅｆ：場の減衰エネルギ（必ず正）、
Ｅｃ：燃焼によって生じるエネルギ（レーリーの式）
なお、理想的な燃焼器の場合、周方向の１〜４ノーダル（ＮＤ）に関してはレーリーの式で求められるＥｃが０となるので、判別式は正となり燃焼が安定して発振しない。
【００１０】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、周方向モードの燃焼振動発生を防止または抑制することができる燃焼器、そして、この燃焼器を備えたガスタービン及びジェットエンジンの提供を目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
請求項１に記載の燃焼器は、パイロットノズルの周囲に複数のメインノズルが配設された燃焼器であって、燃焼器内で発生する圧力変動を計測する圧力変動検出手段と、該圧力変動検出手段の計測値から得られる圧力変動レベルが所定値以下となるよう周方向の発熱分布を調整する周方向発熱分布制御手段と、を備えていることを特徴とするものである。
【００１２】
このような燃焼器とすれば、燃焼器内で発生する圧力変動を計測する圧力変動検出手段と、該圧力変動検出手段の計測値から得られる圧力変動レベルが所定値以下となるよう周方向の発熱分布を調整する周方向発熱分布制御手段とを備えているので、燃焼器における周方向発熱分布を均一にして周方向モードの燃焼振動が発生するのを防止または抑制することができる。この場合、周方向発熱分布を均一にするためには、メインノズル毎に燃料と空気との混合割合（燃空比）を調整すればよい。
【００１３】
請求項１記載の燃焼器においては、周方向発熱分布制御手段が、メインノズル毎に設けられた燃料の流量制御手段であることが好ましく、これにより、メインノズル毎に燃料供給量を調整することが可能になる。このため、メインノズル毎に燃空比を適宜調整して、燃焼器における周方向発熱分布を均一にすることができる。
【００１４】
また、請求項１記載の燃焼器においては、周方向発熱分布制御手段が、メインノズルに対応して燃焼空気流路に設けられた可動翼であることが好ましく、これにより、可動翼を作動させてメインノズル毎に空気供給量を調整することが可能になる。このため、メインノズル毎に燃空比を適宜調整して、燃焼器における周方向発熱分布を均一にすることができる。
【００１５】
請求項４に記載のガスタービンは、空気を圧縮して空気流として供給する圧縮機と、請求項１から３のいずれかに記載の燃焼器と、前記燃焼器から供給される高温高圧ガスを膨張させて回転することで軸出力を出力するタービンと、を具備して構成したことを特徴とするものである。
【００１６】
このようなガスタービンとすれば、燃焼器における周方向発熱分布を均一にして周方向モードの燃焼振動が発生するのを防止または抑制することができる。この場合、周方向発熱分布を均一にするためには、メインノズル毎の燃空比を調整すればよい。
【００１７】
請求項５に記載のジェットエンジンは、空気を圧縮して空気流として供給する圧縮機と、請求項１から３のいずれかに記載の燃焼器と、前記燃焼器から高温高圧ガスを供給されるタービンと、を具備して構成したことを特徴とするものである。
【００１８】
このようなジェットエンジンによれば、燃焼器における周方向発熱分布を均一にして周方向モードの燃焼振動が発生するのを防止または抑制することができる。この場合、周方向発熱分布を均一にするためには、メインノズル毎の燃空比を調整すればよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃焼器、ガスタービン及びジェットエンジンの一実施形態を、図面に基づいて説明する。
さて、ガスタービン及びジェットエンジンは、従来技術で説明したように、いずれも圧縮機、燃焼器及びタービンを主な構成要素とするものである。一方のガスタービンは、高温高圧のガスをタービン中で膨張させて主軸を回転させ、生じた軸出力を発電機等の駆動力として利用するものである。また、ジェットエンジンは、高温高圧のガスをタービン中で膨張させて主軸を回転させ、タービンから噴射される高速ジェット（排気）の運動エネルギを航空機の推進力として利用するものである。
なお、以下の各実施形態においては、ガスタービン及びその燃焼器を例示して説明する。
【００２０】
＜第１の実施形態＞
図２は、ガスタービンの燃焼器周辺構造を示す断面図であり、図中の符号１はガスタービン、２は圧縮機、１０は燃焼器、３はタービン、４は尾筒である。
このガスタービン１では、大気から燃焼用の空気を吸入して圧縮機１で圧縮する。この圧縮空気は燃焼器１０に供給され、後述する燃料ノズルから供給される燃料を燃焼器１０内で燃焼させる。こうして燃焼器１０内で生成された高温高圧ガスが尾筒４を通ってタービン３に供給されると、タービン３のケーシング側に固定された静翼と主軸の回転軸側に固定された動翼との間を膨張しながら通過するので、動翼と一体に主軸が回転して外部へ軸出力を取り出すことができる。
なお、上述した圧縮機１は主軸を介してタービン３と直結され、タービン３の出力の一部を利用して駆動される。
【００２１】
図１は、上述した燃焼器１０の概略構成を示す断面図であり、（ａ）は軸方向の断面図、（ｂ）は周方向の断面図である。なお、図６に示した従来構造と同様の部分には同じ符号を付してある。
この燃焼器１０は、内側の筒状部材である内筒１１と外側の筒状部材である外筒１２とが同軸に配設され、内筒１１の軸中心に沿って予混合ノズル１３を設置したものである。予混合ノズル１３は、その中心軸と一致する中央部にパイロットノズル１４が配設されている。そして、このパイロットノズル１４の周囲を取り囲むようにして、複数（図示の例では８本）のメインノズル１６が等ピッチに配設されている。従って、パイロットノズル１４の中心軸は、内筒１１及び外筒１２の中心軸と一致していることになる。
なお、このように構成された燃焼器１０は、主軸及びタービンの外側を取り囲むようにして、複数が等ピッチに配置されている。
【００２２】
予混合ノズル１３のパイロットノズル１４は、パイロットスワーラ１５とパイロット燃料供給管１８とを具備して構成される。
パイロットスワーラ１５は、パイロットノズル１４の外周部に設けられ、通過する空気流（図中に白抜矢印で示す）に旋回を与えてノズル先端部へ吹き出すようにしたものである。
パイロット燃料供給管１８は、図示省略の燃料供給源とパイロットノズル１４との間を接続するもので、その途中には燃料の流量を制御するパイロット燃料制御弁１９が設けられている。
このパイロットノズル１４では、旋回流となった空気流を燃焼空気として、燃焼室１０ａ内においてパイロット燃料を燃焼させる。こうして得られたパイロットノズル１４の火炎は、後述するメインノズル１６の火種として用いられる。
【００２３】
予混合ノズル１３のメインノズル１６は、それぞれがメインスワーラ１７とメイン燃料供給管２５とを具備して構成される。なお、図示した８本のメインノズル１６は、いずれも同一の構成である。
メインスワーラ１７は、メインノズル１６の外周部に設けられ、通過する空気流（図中に白抜矢印で示す）に旋回を与えてノズル先端部へ流出させるようにしたものである。
【００２４】
メイン燃料供給管２５は、図示省略の燃料供給源とメインノズル１６との間を接続するもので、その途中には燃料の流量を制御するメイン燃料制御弁２６が設けられている。この場合、メイン燃料供給管２５及びメイン燃料制御弁２６は、一本のメインノズル１６毎に設けられており、メイン燃料制御弁２６が周方向発熱分布制御手段として機能している。
なお、メイン燃料制御弁２６の上流側については、メイン燃料供給管２５がそれぞれ図示省略の燃料供給源まで接続された構成としてもよいし、あるいは、各メイン燃料制御弁２６の上流側にメイン燃料マニホールドを設けて一本のメイン燃料主配管を燃料供給源に接続するように構成してもよい。
【００２５】
このメインノズル１６では、メイン燃料供給管２５を通って供給されたメイン燃料をメインスワーラ１７の上流側で図示省略の噴出孔から空気流に噴出させ、メイン燃料と空気流とを予混合して予混合気を形成する。この予混合気は、メインスワーラ１７を通過する際に旋回流となり、燃焼器１０の燃焼室１０ａ内に流出する。この予混合気は、燃焼室１０ａ内において８組のメインノズル１６からパイロットノズル１４の周囲に流出し、前述したパイロットノズル１４の火炎を火種として燃焼する。
【００２６】
空気流路２４は、内筒１１と外筒１２との間に形成され、上述したパイロットノズル１４及び各メインノズル１６に燃焼空気を供給するものである。この空気流路２４は、圧縮機２から供給された圧縮空気を略１８０度反転させて燃焼器１０内に導入し、再度反転させてからパイロットノズル１４及びメインノズル１６に沿って流し、燃焼室１０ａに導くものである。
【００２７】
また、この燃焼器１０は、燃焼器内に発生する圧力変動を検出する圧力検出手段として、１または複数の圧力センサ２７を備えている。図示の例では、燃焼室１０ａを画成する内筒１１に１個の圧力センサ２７が取り付けられ、燃焼室１０ａ内の圧力変動を検出して制御部３０に入力している。この圧力センサ２７としては、たとえば圧電型等を採用することができる。
なお、圧力センサ２７の取付位置は、図１に示した燃焼室１０ａの他、たとえば後述する図５のように、圧縮空気が略１８０度の方向転換をする空気流路２４の圧力変動を検出する位置で、外筒１２に取り付けられたものでもよい。
【００２８】
制御部３０は、上述したパイロット燃料制御弁１９及びメイン燃料制御弁２５の開度制御を行うようになっている。このような開度制御により、各ノズル毎の燃料供給量が調整される。そして、メインノズル１６の燃料供給量を上述した圧力センサ２７の検出値と連動させて調整することにより、圧縮機２から供給される圧縮空気量が一定であれば、燃料の増減に応じて燃空比が変動する。この燃空比は、メインノズル１６の発熱量に影響するので、各メインノズル１６の発熱量が均一になるように調整すれば、燃焼器１０の燃焼室１０ａ内においては、周方向の発熱量分布も均一になる。
【００２９】
さて、燃焼器１０内における周方向モードの燃焼振動には、たとえば図３に示すように、１〜４ＮＤモードのような複数の周方向圧力モード形状が存在する。なお、図３において、円は内筒１１の断面形状を示している。
図３（ａ）に示した１ＮＤモードの圧力モード形状では、内筒１の断面形状を二等分した半円の一方と他方で位相が逆相となる。すなわち、周方向において、位相の異なる領域が二分割されている。
また、図３（ｂ）に示した２ＮＤモードの圧力モード形状では、内筒１の断面形状を四等分した四分の一円が交互に位相が逆相となる。同様にして、図３（ｃ）に示した３ＮＤモードや図３（ｄ）に示した４ＮＤモードの場合についても、位相の異なる領域が周方向へ交互に繰り返される。
【００３０】
そして、燃焼器１０において実際に発生している周方向モードの燃焼振動がどの圧力モード形状になっているかについては、圧力センサ２７により計測した圧力変動のデータ（以下、「計測データ」と呼ぶ）から推定することができる。
圧力モード形状の推定を具体的に説明すると、圧力センサ２７の計測データを周波数分析して燃焼振動の周方向モードを推定する。すなわち、１ＮＤモードの圧力モード形状はｆ１ Ｈｚの振動数、２ＮＤモードの圧力モード形状はｆ２ Ｈｚの振動数、３ＮＤモードの圧力モード形状はｆ３ Ｈｚの振動数、４ＮＤモードの圧力モード形状はｆ４ Ｈｚの振動数というように、それぞれ固有の振動数を有することが予め分かる。このため、計測データの分析から振動数が分かれば、その振動数に対応する圧力形状モードを推測することが可能になるのである。
【００３１】
圧力モード形状と振動数との対応は、公知の振動数計算式から容易に予測することが可能である。
また、より詳細な対応の予測を行うなら、有限要素法（ＦＥＭ）による音響解析などで対応付けが可能であるし、実機の実測結果に基づいて決めることも可能である。
【００３２】
ここで、たとえば計測データの振動数がｆ１ Ｈｚであった場合、図３（ａ）に示した１ＮＤモードであると想定される。なお、この場合における各メイン燃料制御弁２６の開度は全て同じであり、この開度設定状態を「初期設定位置」と呼ぶことにする。
以下、８本のメインノズル１６（図４では、矢印ａ〜ｈの８本）を備えた燃焼器１０において、１ＮＤモードの圧力モード形状を有する周方向モードの燃焼振動が発生した場合について、この燃焼振動を防止または抑制する手順を図４に基づいて説明する。
【００３３】
最初に、任意のメインノズルを１本選択するが、ここではメインノズルａを選択してそのメイン燃料制御弁２６の開度を大きくし、他の７本のメインノズルｂ〜ｈより燃料供給量を増加させる。この時、燃焼器１０の発熱量を所定値に維持するため、８本のメインノズルａ〜ｈに供給する合計量（総燃料供給量）を一定に保つ必要があり、このため、他の７本のメインノズルｂ〜ｈに燃料を供給するメイン燃料供給弁２６については、その開度を少しずつ同量小さく絞り、それぞれに対応するメインノズルの燃料供給量を減少させる。このように、メイン燃料制御弁２６について第１回目の調整を行った開度設定位置を、「第１開度設定位置」と呼ぶことにする。
【００３４】
このような第１開度設定位置で対象とする１ＮＤモードの燃焼振動が増加（悪化）した場合には、いったん初期設定位置に戻した後、次に対向位置のノズルａと逆相領域にあるメインノズルｅを選択してそのメイン燃料制御弁２６の開度を大きくし、他の７本のメインノズルａ〜ｄ，ｆ〜ｈより燃料供給量を増加させる。この場合も、メイン燃料の総燃料供給量は一定に保つ必要があるので、他のメインノズルａ〜ｄ，ｆ〜ｈでは燃料供給量を少しずつ低減させる。
このような「第２開度設定値」にすれば逆相領域の発熱量が相対的に増加し、レーリーの式に基づく発振条件により、判別式が正となって燃焼振動を低減できると判断される。
【００３５】
上述した第２開度設定値で燃焼振動が低減されれば、さらにこれを低減するべく、メインノズルｅに隣接するメインノズルｄ、ｆについても順次メイン燃料制御弁２６の開度を調整する。
この場合、メインノズルｄの燃料をノズルｄと逆相領域のメインノズルｅと共に増加すれば、メインノズルｅのみを増加した第２開度設定値の場合より燃焼振動が増加して悪くなると考えられる。これが正しいことを確認したら、元の状態である第２開度設定位置に戻し、逆相領域にあるメインノズルｆの燃料供給量をメインノズルｅと共に増加させて燃焼振動が減少することを確認する。
なお、この場合も燃料の総供給量は一定であるため、残る６本のメインノズルａ〜ｄ，ｇ，ｈについては、いずれも燃料供給量を少しずつ減少させる。
【００３６】
以下同様にして、隣接するメインノズルｇ，ｈについても、総燃料供給量を一定に維持しながら順次燃料供給量を増加させ、燃焼振動が減少することを確認する。そして、燃焼振動が増加する所まで、このような燃料調整を進めていく。
一般的には、燃焼室１０ａの軸方向と直交する断面（周方向断面）に温度分布があると、窒素酸化物（ＮＯｘ ）を発生しやすいため、各メインノズルａ〜ｈにおける燃料の流量配分は、燃焼振動の低減効果とＮＯｘ 発生量とを見て決める。すなわち、たとえばメインノズルｆのみ燃料供給量を増加すると、局所的に温度分布が高くなる領域ができてＮＯｘ の発生量が増加すると考えられるので、４本のメインノズルｅ〜ｈに増加分を均等に分散させることが好ましい。
【００３７】
この結果、逆相領域全体で略均一に発熱量が増加すると共に、同相領域では燃料供給量の減少により略均一に発熱量が減少するので、全体としての発熱量は周方向断面の全周にわたって均一化されて燃焼振動を抑制または防止し、これと同時に、発熱量の均一化により温度分布がなくなってＮＯｘ 発生量も抑制することが可能になる。
【００３８】
このように、各メインノズルａ〜ｈ毎にそれぞれのメイン燃料制御弁２６を開度調整し、メインノズル１６のノズル孔径公差を原因とするずれを補正すれば、燃空比が調整されて周方向断面の発熱分布を均一化することができる。従って、レーリーの式で求められる燃焼によって生じるエネルギＥｃが０またはＥｆ以下となり、結果的に判別式が正となって安定した燃焼が行われるようになるので、燃焼振動の発振は防止または抑制される。
なお、周方向圧力モード形状が１ＮＤモード以外（２ＮＤモード以上）となる周方向モードの燃焼振動についても、同様の手順によって最適なメイン燃料制御弁２６の開度を設定し、周方向発熱分布を調整することによって温度分布を均一化すればよい。
【００３９】
上述したように、周方向発熱分布制御手段としてメインノズル１６毎に設けたメイン燃料制御弁２６の開度制御による周方向発熱分布の調整は、制御部３０が備えている制御プログラムにより、ガスタービン１の試運転または運転中にアクチュエータを備えたメイン燃料制御弁２６の開度調整が自動的に実施されるようにしてもよいし、あるいは、試運転において手動操作のメイン燃料制御弁２６を開度調整するようにしてもよい。
【００４０】
＜第２の実施形態＞
続いて、本発明の第２の実施形態を図５に基づいて説明する。なお、上述した第１の実施形態と同様の部分については同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
さて、この実施形態の燃焼器１０は、周方向発熱分布制御手段として可動翼２８を備えている。この可動翼２８は、圧縮機２から供給される圧縮空気が燃焼器１０に導入される入口部の近傍に、各メインノズル１６と対応するようにして配設されている可変静翼である。すなわち、図示の例では、内筒１１と外筒１２との間に形成されて圧縮空気の流路となる空気流路２４の適所に、８本のメインノズル１６と対応する８枚の可動翼２８が円周方向において等ピッチに配置されている。
【００４１】
この可動翼２８はそれぞれが独自の駆動機構２８ａを有し、制御部３０から出力される制御信号に基づいて回動することにより、空気通路２４の流路断面積を各メインノズル１６毎に変化させる機能を有するものである。すなわち、等ピッチの放射線状に設けられた回転軸と一体に回動する概ね板状の可動翼２８は、圧縮空気の流れ方向（軸方向）と平行となる位置で流路断面積を最大とし、この状態から９０度回転した位置で流路断面積を最小に絞る。
なお、各可動翼２８は、流路面積を最大にする位置（最大開度位置）から最小にする位置（最小開度位置）までの可動範囲内において、それぞれ独自に定められた任意の角度設定が可能であり、従って、空気流量の制御も最大から最小の範囲内で任意に選択することができる。
【００４２】
また、この燃焼器１０は、燃焼器内に発生する圧力変動を検出する圧力検出手段として、１または複数の圧力センサ２７を備えている。図示の例では、圧縮空気が略１８０度の方向転換をして各ノズルに供給される空気流路２４の圧力変動を検出するように、外筒１２の端面部分に取り付けられている。この圧力センサ２７には圧電型等が採用され、検出した空気流路２４の圧力変動は、制御部３０に入力される。
なお、圧力センサ２７の取付位置は、燃焼室１０ａを画成する内筒１１に取り付けられて燃焼室１０ａ内の圧力変動を検出するものでもよいし、必要に応じて両方に設けてもよい。
【００４３】
このような構成とすれば、メインノズル１６に供給される圧縮空気量をノズル毎に制御することができるので、各メインノズル１６毎に燃空比を調整することが可能になる。
以下、図４に基づいて８本のメインノズル１６（矢印ａ〜ｈの８本）を備えた燃焼器１０において、１ＮＤモードの圧力モード形状を有する周方向モードの燃焼振動が発生した場合について、この燃焼振動を防止または抑制する手順を説明する。
【００４４】
ここで、たとえば圧力センサ２７で検出した計測データの振動数がｆ１ Ｈｚであった場合、図３（ａ）に示した１ＮＤモードであると想定される。なお、この場合における各可動翼２８の開度は全て同じであり、この開度設定状態を「初期設定位置」と呼ぶことにする。
最初に、任意のメインノズルを１本選択するが、ここではメインノズルａを選択し、これに対応する可動翼２８の開度を小さく絞り、他の７本のメインノズルｂ〜ｈより空気供給量を減少させる。この時、燃焼器１０の発熱量を所定値に維持するため、８本のメインノズルａ〜ｈに供給する空気の総供給量（合計量）を一定に保つ必要があり、このため、他の７本のメインノズルｂ〜ｈに空気を供給する可動翼２８については、その開度を少しずつ同量開いて大きくし、それぞれに対応する空気供給量を増加させる。このように、可動翼２８について第１回目の調整を行った開度設定位置を、「第１開度設定位置」と呼ぶことにする。
【００４５】
このような第１開度設定位置で対象とする１ＮＤモードの燃焼振動が増加（悪化）した場合には、いったん初期設定位置に戻した後、次に対向位置のノズルａと逆相領域にあるメインノズルｅを選択してその可動翼２８の開度を小さく絞り、他の７本のメインノズルａ〜ｄ，ｆ〜ｈより空気供給量を減少させる。この場合も、圧縮空気の総供給量は一定に保つ必要があるので、他のメインノズルａ〜ｄ，ｆ〜ｈでは空気供給量を少しずつ増加させる。
このような「第２開度設定値」にすれば、レーリーの式に基づく発振条件により、判別式が正となって燃焼振動を低減できると判断される。
【００４６】
上述した第２開度設定値で燃焼振動が低減されれば、さらにこれを低減するべく、メインノズルｅに隣接するメインノズルｄ、ｆについても順次対応する可動翼２８の開度を調整する。
この場合、メインノズルｄの空気量をノズルｄと逆相領域のメインノズルｅと共に減少させれば、メインノズルｅのみを減少させた第２開度設定値の場合より燃焼振動が増加して悪くなると考えられる。この推測が正しいことを確認したら、元の状態である第２開度設定位置に戻し、逆相領域にあるメインノズルｆの空気供給量をメインノズルｅと共に減少させて燃焼振動が減少することを確認する。
なお、この場合も空気の総供給量は一定であるため、残る６本のメインノズルａ〜ｄ，ｇ，ｈについては、いずれも空気供給量を少しずつ増加させる。
【００４７】
以下同様にして、隣接するメインノズルｇ，ｈについても、空気の総供給量を一定に維持しながら順次空気供給量を減少させ、燃焼振動が減少することを確認する。そして、燃焼振動が増加する所まで、このような空気量の調整を進めていく。
一般的には、燃焼室１０ａの軸方向と直交する断面（周方向断面）に温度分布があると、窒素酸化物（ＮＯｘ ）を発生しやすいため、各メインノズルａ〜ｈにおける空気量の配分は、燃焼振動の低減効果とＮＯｘ 発生量とを見て決める。すなわち、たとえばメインノズルｆのみ空気供給量を減少すると、局所的に温度分布が高くなる領域ができてＮＯｘ の発生量が増加すると考えられるので、４本のメインノズルｅ〜ｈに減少分を均等に分散させることが好ましい。
【００４８】
この結果、逆相領域全体で略均一に発熱量が増加すると共に、同相領域では空気供給量の増加により略均一に発熱量が減少するので、全体としての発熱量は周方向断面の全周にわたって均一化されて燃焼振動を抑制または防止し、これと同時に、発熱量の均一化により温度分布がなくなってＮＯｘ 発生量も抑制することが可能になる。
【００４９】
このように、各メインノズルａ〜ｈ毎にそれぞれの可動翼２８を開度調整し、燃焼器１０内における圧縮空気の周方向分布が不均一になることを補正すれば、燃空比が調整されて周方向断面の発熱分布を均一化することができる。従って、レーリーの式で求められる燃焼によって生じるエネルギＥｃが０またはＥｆ以下となり、結果的に判別式が正となって安定した燃焼が行われるようになるので、燃焼振動の発振は防止または抑制される。
なお、周方向圧力モード形状が１ＮＤモード以外（２ＮＤモード以上）となる周方向モードの燃焼振動についても、同様の手順によって最適な可動翼２８の開度を設定し、周方向発熱分布を調整することによって温度分布を均一化すればよい。
【００５０】
上述したように、周方向発熱分布制御手段としてメインノズル１６毎に設けた可動翼２８の開度制御による周方向発熱分布の調整は、制御部３０が備えている制御プログラムにより、ガスタービン１の試運転または運転中に駆動機構２８ａを備えた可動翼２８の開度調整が自動的に実施されるようにしてもよいし、あるいは、試運転時において手動操作により可動翼２８の開度調整を実施し、最適位置に固定するようにしてもよい。
【００５１】
上述した第１及び第２の実施形態から明らかなように、本発明によれば、各メインノズル１６毎の燃空比を調整して、圧力センサ２７で検出される圧力変動レベルが所定値以下となるように、周方向発熱分布を調整することが可能になる。すなわち、第１の実施形態では燃料側を調整し、第２の実施形態では空気側を調整して、それぞれ燃空比を調整しているが、必要に応じて燃料側の調整及び空気側の調整を併用して燃空比の調整を行うことも可能である。この場合、メイン燃料供給弁２６及び可動翼２８を共に設けることが必要となる。
【００５２】
そして、周方向モードの燃焼振動が解消された燃焼器１０を構成要素とするガスタービン及びジェットエンジンは、周方向モードの燃焼振動に起因する不具合が解消される。
なお、本発明の構成は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明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。
【００５３】
【発明の効果】
上述した本発明によれば、各メインノズル毎に燃料側の供給量調整または空気側の供給量調整を実施することにより、燃焼器における周方向の発熱分布を制御できるようになるので、周方向モードの燃焼振動を防止または所定値以下に低減することが可能になる。
そして、このような燃焼器を構成要素とするガスタービン及びジェットエンジンは、燃焼器における周方向モードの燃焼振動が解消されて信頼性や耐久性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃焼器を示す断面図である。
【図２】ガスタービンの燃焼器周辺構造を示す断面図である。
【図３】燃焼振動の周方向圧力モード形状を示す図で、（ａ）は１ＮＤモード、（ｂ）は２ＮＤモード、（ｃ）は３ＮＤモード、（ｄ）は４ＮＤモードである。
【図４】１ＮＤモードにおける制御手順の説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃焼器を示す断面図である。
【図６】従来の燃焼器を示す断面図である。
【符号の説明】
１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ タービン
４ 尾筒
１０ 燃焼器
１０ａ 燃焼室
１１ 内筒
１２ 外筒
１３ 予混合ノズル
１４ パイロットノズル
１５ パイロットスワーラ
１６ メインノズル
１７ メインスワーラ
１８ パイロット燃料供給管
１９ パイロット燃料制御弁
２０ メイン燃料供給主管
２１ メイン燃料マニホールド
２２ メイン燃料総流量制御弁
２３ メイン燃料分岐管
２４ 空気流路
２５ メイン燃料供給管
２６ メイン燃料制御弁（周方向発熱分布制御手段）
２７ 圧力センサ（圧力検出手段）
２８ 可動翼（周方向発熱分布制御手段）
３０ 制御部
Claims (5)
- パイロットノズルの周囲に複数のメインノズルが配設された燃焼器であって、
燃焼器内で発生する圧力変動を計測する圧力変動検出手段と、該圧力変動検出手段の計測値から得られる圧力変動レベルが所定値以下となるよう周方向の発熱分布を調整する周方向発熱分布制御手段と、を備えていることを特徴とする燃焼器。 - 前記周方向発熱分布制御手段が、前記メインノズル毎に設けられた燃料の流量制御手段であることを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
- 前記周方向発熱分布制御手段が、前記メインノズルに対応して燃焼空気流路に設けられた可動翼であることを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
- 空気を圧縮して空気流として供給する圧縮機と、請求項１から３のいずれかに記載の燃焼器と、前記燃焼器から供給される高温高圧ガスを膨張させて回転することで軸出力を出力するタービンと、を具備して構成したことを特徴とするガスタービン。
- 空気を圧縮して空気流として供給する圧縮機と、請求項１から３のいずれかに記載の燃焼器と、前記燃焼器から高温高圧ガスを供給されるタービンと、を具備して構成したことを特徴とするジェットエンジン。
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