JP2006336996A - ガスタービンの予混合燃焼バーナー - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 外周面に複数枚の旋回翼130を備えた燃料ノズル110を、クリアランス121をとって、バーナー筒120内に備える。各旋回翼130は、空気通路111を流通する圧縮空気Aを旋回させて旋回空気流aとするため、上流側から下流側に向かうに従い次第に湾曲している(周方向に沿い傾いている)。このとき、各旋回翼130の湾曲は、内周側よりも外周側で大きくしている。このため、内周側から外周側に向かう空気流線の発生を抑えることにより、内周側流速と外周側流速が均等になり内周側でのフラッシュバックを防止できる。また内周側と外周側での周方向の単位長当たりの旋回付与力が等しくなり、内周側燃料濃度と外周側燃料濃度が均等になる。更に、翼背面側からクリアランス121を通って翼腹面側に洩れる漏れ流れにより渦空気流が発生して、燃料と空気の混合が促進される。
【選択図】 図1
Description
図11に示すように、ガスタービンの燃焼器10は、燃焼器ケーシング11に環状に複数個配置されている(図11では1個のみ示している)。燃焼器ケーシング11とガスタービンケーシング12には圧縮空気が充満し、車室13を形成する。この車室13には、圧縮機により圧縮された空気が導入される。導入された圧縮空気は、燃焼器10の上流部に設けられた空気流入口14から、燃焼器10の内部に入る。燃焼器10の内筒15の内部では、燃料ノズル16から供給された燃料と圧縮空気が混合されて燃焼する。燃焼によって生じた燃焼ガスは、尾筒17を通ってタービン室側へ供給され、タービンロータを回転させる。
このため、予混合燃料ノズル16aから噴射された燃料は、スワラー18により旋回流となった空気と予混合され、内筒15内で燃焼する。
本願発明者は、上記タイプとは異なり、予混合燃料ノズルの外周面に旋回翼(スワラーベーン)を備えた、ガスタービンの予混合燃焼バーナーの開発をしている。
(1)燃料を十分に混合して均一濃度の燃料ガスとすること、
(2)燃料ガスの流速を均一にして逆火の防止を確実に図ること、
ができる性能の良い予混合燃焼バーナーはなかった。
燃料ノズルと、
前記燃料ノズルを囲繞する状態で配置されており、前記燃料ノズルとの間に空気通路を形成するバーナー筒と、
燃料ノズルの外周面の周方向に沿う複数箇所に、前記燃料ノズルの軸方向に沿う状態で配置されており、前記空気通路を上流側から下流側に流通する空気を旋回させるため、上流側から下流側に向かうに従い次第に湾曲している旋回翼と、
を有するガスタービンの予混合燃焼バーナーであって、
前記旋回翼の平均反り線に対して前記旋回翼の後縁で接する接線と、前記燃料ノズルの軸方向に沿う軸線とでなす角度が、前記旋回翼の後縁の内周側では0〜10度になっており、前記旋回翼の後縁の外周側では、前記旋回翼の後縁の内周側の角度よりも大きい角度になっていることを特徴とする。
燃料ノズルと、
前記燃料ノズルを囲繞する状態で配置されており、前記燃料ノズルとの間に空気通路を形成するバーナー筒と、
燃料ノズルの外周面の周方向に沿う複数箇所に、前記燃料ノズルの軸方向に沿う状態で配置されており、前記空気通路を上流側から下流側に流通する空気を旋回させるため、上流側から下流側に向かうに従い次第に湾曲している旋回翼と、
を有するガスタービンの予混合燃焼バーナーであって、
前記旋回翼の平均反り線に対して前記旋回翼の後縁で接する接線と、前記燃料ノズルの軸方向に沿う軸線とでなす角度が、前記旋回翼の後縁の内周側では0〜10度になっており、前記旋回翼の後縁の外周側では25〜35度になっていることを特徴とする。
燃料ノズルと、
前記燃料ノズルを囲繞する状態で配置されており、前記燃料ノズルとの間に空気通路を形成するバーナー筒と、
燃料ノズルの外周面の周方向に沿う複数箇所に、前記燃料ノズルの軸方向に沿う状態で配置されており、前記空気通路を上流側から下流側に流通する空気を旋回させるため、上流側から下流側に向かうに従い次第に湾曲している旋回翼と、
を有するガスタービンの予混合燃焼バーナーであって、
前記旋回翼の外周側端面と、前記バーナー筒の内周面との間にクリアランスを設けたことを特徴とする。
前記旋回翼の外周側端面と、前記バーナー筒の内周面との間にクリアランスを設け、
前記旋回翼の翼高さと前記クリアランスの長さとの比(クリアランスの長さ/翼高さ)を、1〜10%にしたことを特徴とする。
前記旋回翼の外周側端面と前記バーナー筒の内周面との間のクリアランスを一定にするために、前記旋回翼の外周側端面の一部に、前記バーナー筒の内周面に緊密に接触するクリアランス設定用リブを設けたことを特徴とする。
前記旋回翼の翼弦長と前記翼高さとのアスペクト比(翼高さ/翼弦長)を、0.2〜0.75にしたことを特徴とする。
前記旋回翼の翼厚は、前記旋回翼の翼弦長の0.1〜0.3倍の長さになっていることを特徴とする。
前記旋回翼の後縁における翼の厚みは、スロート長の0.2倍よりも小さくなっていることを特徴とする。
前記旋回翼には、前記燃料ノズルから燃料通路を介して供給された燃料を噴射する燃料噴射孔が形成されており、
しかも、隣接する旋回翼の相対向する翼面に形成された燃料噴射孔は、一方の翼面に形成された燃料噴射孔の位置と、他方の翼面に形成された燃料噴射孔の位置とで、位置ズレをさせていることを特徴とする。
予混合燃焼バーナー100と、パイロット燃焼バーナー200は、ガスタービンの内筒の内部に配置されるものである。
この空気通路111には、その上流側(図1では左側)から下流側(図1では右側)に向かい、圧縮空気Aが流通する。
なお図1では、理解を容易にするため、周方向に沿う角度0度と角度180度の位置に配置した2枚の旋回翼130のみを示している(図1の状態では、実際には合計で4枚の旋回翼が見える)。
クリアランス121の長さと旋回翼130の翼高さとの関係については後述する。
このため、隣接する旋回翼131で見ると、隣接する一方の旋回翼131の翼腹面132aに形成された噴射孔133aの位置と、隣接する他方の旋回翼131の翼背面132bに形成された噴射孔133bとの位置とが、位置ズレしている。
このため、各噴射孔133a、133bから空気通路111に向かって燃料が噴射される。このとき、噴射孔133aの配置位置と噴射孔133bの配置位置が位置ズレしているため、噴射孔133aから噴射された燃料と、噴射孔133bから噴射された燃料とが干渉(衝突)することはない。
噴射された燃料は、空気A(a)と混合されて燃料ガスとなり、内筒の内部空間に送られて燃焼する。
(1)概略的に言うと、各旋回翼130は、圧縮空気Aを旋回させることができるように、上流側から下流側に向かうに従い次第に湾曲している。
(2)軸方向(燃料ノズル110の長手方向)に関しては、上流側から下流側に向かうに従い湾曲が大きくなっている。
(3)旋回翼130の後縁では、径方向(燃料ノズル110の半径方向(放射方向))に関して、内周側よりも外周側に向かうに従い湾曲が大きくなっている。
図5において、点線は旋回翼130の内周側(最内周面)での翼形状(翼断面形状)を示しており、実線は旋回翼130の外周側(最外周面)での翼形状(翼断面形状)を示している。
点線で示す内周側の翼形状において、平均反り線(骨格線)をL11、この平均反り線L11に対して旋回翼の後縁で接する接線をL12としている。
実線で示す外周側の翼形状において、平均反り線(骨格線)をL21、この平均反り線L21に対して旋回翼の後縁で接する接線をL22としている。
燃料ノズル110の軸方向に沿う軸線をL0としている。
(a)内周側の角度を0〜10度にし、
(b)外周側の角度を25〜35度にする、
ことが「最適」であることが究明された。
ここでいう「最適」とは、
(i)空気通路111の内周側であっても外周側であっても、空気A(a)の流速が均一となってフラッシュバック(逆火)の発生を防止でき、
(ii)空気通路111の内周側であっても外周側であっても、燃料濃度が均一となることを意味する。
仮に、平均反り線に接する接線と、軸線とでなす角度を、内周側と外周側で同じにしたとすると、内周側から外周側に向かう流線(空気流れ)が発生する。この結果、空気通路111の内周側で流通(軸方向に沿い流通)する空気A(a)の流速が遅くなり、空気通路111の外周側で流通(軸方向に沿い流通)する空気A(a)の流速が速くなる。このようにして、内周側での空気流速が遅くなると、内周側においてフラッシュバックが発生する恐れがある。
空気通路111の周方向長さは、内周側で短く、外周側で長い。本願発明では、平均反り線に接する接線と、軸線とでなす角度は、内周側から外周側に向かうに従い大きくなるので、圧縮空気Aに対して旋回を付与する力(効果)は、周長の短い内周側よりも、周長の長い外周側ほど強くなる。この結果、単位長さ当たりでは、内周側でも外周側でも、圧縮空気Aに対する旋回付与力が均一となり、内周側でも外周側でも燃料濃度が均一となるのである。
(a)内周側の角度を0〜10度に特定し、
(b)外周側の角度を25〜35度に特定した理由を、
実験結果を示す特性図である図6及び図7を参照して説明する。なお図6及び図7において示す「角度」は、平均反り線に対して旋回翼の後縁で接する接線と軸線とでなす角度である。
また、図6から分かるように、外周側の角度が25度以上において、流速の翼高さ方向の分布が一様となるのは、内周側の角度が0〜10度、外周側の角度が25〜35度である。
(a)内周側の角度を0〜10度にし、
(b)外周側の角度を25〜35度にすることにより、
(i)空気通路111の内周側であっても外周側であっても、空気A(a)の流速が均一となってフラッシュバック(逆火)の発生を防止でき、
(ii)空気通路111の内周側であっても外周側であっても、燃料濃度を均一にすることができることが分かる。
旋回翼130の翼背面132bは負圧で、翼腹面132aは正圧であり、翼背面132bと翼腹面132aとの間に圧力差がある。このため、クリアランス121を通って、翼腹面132aから翼背面132bに回り込む、空気の漏れ流れが生ずる。この漏れ流れと、空気通路111内を軸方向に流通する圧縮空気Aとが作用して、渦空気流が発生する。この渦空気流により、噴射孔133a、133bから噴射された燃料と、空気とがより効果的に混合され、燃料ガスの均一化が促進される。
図8(b)は、縦軸に損失をとり、横軸に比(クリアランスの長さ/翼高さ)をとった特性図である。
理想的には、比(クリアランスの長さ/翼高さ)が7〜10%であれば良い。
アスペクト比h/cを、0.2〜0.75にすると、図9(b)に示すように、渦空気流uによる混合の領域が、翼高さhの50%以上になる。これにより燃料と空気との混合が良好に行われる。
アスペクト比h/cとしては、0.5程度が最適である。
このように、旋回翼130の後縁における翼の厚みを小さくしているため、後流(wake)が細く浅いため、フラッシュバックの発生を防止することができる。
実施例2では、図10に示すように、旋回翼130の平均反り線に対して旋回翼130の後縁で接する接線と、燃料ノズル110の軸方向に沿う軸線とでなす角度を、旋回翼130の後縁の内周側と外周側とで同じにした旋回翼130を採用する。
つまり、実施例2おいても、
旋回翼130の翼高さとクリアランスの長さとの比(クリアランスの長さ/翼高さ)を、1〜10%にし、
旋回翼130の外周側端面の一部に、バーナー筒120の内周面に緊密に接触するクリアランス設定用リブ131を設け、
旋回翼130の翼弦長と前記翼高さとのアスペクト比(翼高さ/翼弦長)を、0.2〜0.75にし、
旋回翼130の翼厚は、旋回翼130の翼弦長の0.1〜0.3倍の長さにし、
旋回翼130の後縁における翼の厚みは、スロート長の0.2倍よりも小さくし、
旋回翼130に、噴射孔133aと噴射孔133bとを位置ズレして、形成することができる。
110 燃料ノズル
111 空気通路
120 バーナー筒
121 クリアランス
130 旋回筒
131 クリアランス設定用リブ
132a 翼腹面
132b 翼背面
133a,133b 噴射孔
200 パイロット燃焼バーナー
A 圧縮空気
a 旋回空気流
u 渦空気流
Claims (15)
- 燃料ノズルと、
前記燃料ノズルを囲繞する状態で配置されており、前記燃料ノズルとの間に空気通路を形成するバーナー筒と、
燃料ノズルの外周面の周方向に沿う複数箇所に、前記燃料ノズルの軸方向に沿う状態で配置されており、前記空気通路を上流側から下流側に流通する空気を旋回させるため、上流側から下流側に向かうに従い次第に湾曲している旋回翼と、
を有するガスタービンの予混合燃焼バーナーであって、
前記旋回翼の平均反り線に対して前記旋回翼の後縁で接する接線と、前記燃料ノズルの軸方向に沿う軸線とでなす角度が、前記旋回翼の後縁の内周側では0〜10度になっており、前記旋回翼の後縁の外周側では、前記旋回翼の後縁の内周側の角度よりも大きい角度になっていることを特徴とするガスタービンの予混合燃焼バーナー。 - 燃料ノズルと、
前記燃料ノズルを囲繞する状態で配置されており、前記燃料ノズルとの間に空気通路を形成するバーナー筒と、
燃料ノズルの外周面の周方向に沿う複数箇所に、前記燃料ノズルの軸方向に沿う状態で配置されており、前記空気通路を上流側から下流側に流通する空気を旋回させるため、上流側から下流側に向かうに従い次第に湾曲している旋回翼と、
を有するガスタービンの予混合燃焼バーナーであって、
前記旋回翼の平均反り線に対して前記旋回翼の後縁で接する接線と、前記燃料ノズルの軸方向に沿う軸線とでなす角度が、前記旋回翼の後縁の内周側では0〜10度になっており、前記旋回翼の後縁の外周側では25〜35度になっていることを特徴とするガスタービンの予混合燃焼バーナー。 - 請求項1または請求項2に記載のガスタービンの予混合燃焼バーナーにおいて、
前記旋回翼の外周側端面と、前記バーナー筒の内周面との間にクリアランスを設け、
前記旋回翼の翼高さと前記クリアランスの長さとの比(クリアランスの長さ/翼高さ)を、1〜10%にしたことを特徴とするガスタービンの予混合燃焼バーナー。 - 請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載のガスタービンの予混合燃焼バーナーにおいて、
前記旋回翼の外周側端面と前記バーナー筒の内周面との間のクリアランスを一定にするために、前記旋回翼の外周側端面の一部に、前記バーナー筒の内周面に緊密に接触するクリアランス設定用リブを設けたことを特徴とするガスタービンの予混合燃焼バーナー。 - 請求項1乃至請求項4の何れか一項に記載のガスタービンの予混合燃焼バーナーにおいて、
前記旋回翼の翼弦長と前記翼高さとのアスペクト比(翼高さ/翼弦長)を、0.2〜0.75にしたことを特徴とするガスタービンの予混合燃焼バーナー。 - 請求項1乃至請求項5の何れか一項に記載のガスタービンの予混合燃焼バーナーにおいて、
前記旋回翼の翼厚は、前記旋回翼の翼弦長の0.1〜0.3倍の長さになっていることを特徴とするガスタービンの予混合燃焼バーナー。 - 請求項1乃至請求項6の何れか一項に記載のガスタービンの予混合燃焼バーナーにおいて、
前記旋回翼の後縁における翼の厚みは、スロート長の0.2倍よりも小さくなっていることを特徴とするガスタービンの予混合燃焼バーナー。 - 請求項1乃至請求項7の何れか一項に記載のガスタービンの予混合燃焼バーナーにおいて、
前記旋回翼には、前記燃料ノズルから燃料通路を介して供給された燃料を噴射する燃料噴射孔が形成されており、
しかも、隣接する旋回翼の相対向する翼面に形成された燃料噴射孔は、一方の翼面に形成された燃料噴射孔の位置と、他方の翼面に形成された燃料噴射孔の位置とで、位置ズレをさせていることを特徴とするガスタービンの予混合燃焼バーナー。 - 燃料ノズルと、
前記燃料ノズルを囲繞する状態で配置されており、前記燃料ノズルとの間に空気通路を形成するバーナー筒と、
燃料ノズルの外周面の周方向に沿う複数箇所に、前記燃料ノズルの軸方向に沿う状態で配置されており、前記空気通路を上流側から下流側に流通する空気を旋回させるため、上流側から下流側に向かうに従い次第に湾曲している旋回翼と、
を有するガスタービンの予混合燃焼バーナーであって、
前記旋回翼の外周側端面と、前記バーナー筒の内周面との間にクリアランスを設けたことを特徴とするガスタービンの予混合燃焼バーナー。 - 請求項9に記載のガスタービンの予混合燃焼バーナーにおいて、
前記旋回翼の翼高さと前記クリアランスの長さとの比(クリアランスの長さ/翼高さ)を、1〜10%にしたことを特徴とするガスタービンの予混合燃焼バーナー。 - 請求項9または請求項10に記載のガスタービンの予混合燃焼バーナーにおいて、
前記旋回翼の外周側端面と前記バーナー筒の内周面との間のクリアランスを一定にするために、前記旋回翼の外周側端面の一部に、前記バーナー筒の内周面に緊密に接触するクリアランス設定用リブを設けたことを特徴とするガスタービンの予混合燃焼バーナー。 - 請求項9乃至請求項11の何れか一項に記載のガスタービンの予混合燃焼バーナーにおいて、
前記旋回翼の翼弦長と前記翼高さとのアスペクト比(翼高さ/翼弦長)を、0.2〜0.75にしたことを特徴とするガスタービンの予混合燃焼バーナー。 - 請求項9乃至請求項12の何れか一項に記載のガスタービンの予混合燃焼バーナーにおいて、
前記旋回翼の翼厚は、前記旋回翼の翼弦長の0.1〜0.3倍の長さになっていることを特徴とするガスタービンの予混合燃焼バーナー。 - 請求項9乃至請求項13の何れか一項に記載のガスタービンの予混合燃焼バーナーにおいて、
前記旋回翼の後縁における翼の厚みは、スロート長の0.2倍よりも小さくなっていることを特徴とするガスタービンの予混合燃焼バーナー。 - 請求項9乃至請求項14の何れか一項に記載のガスタービンの予混合燃焼バーナーにおいて、
前記旋回翼には、前記燃料ノズルから燃料通路を介して供給された燃料を噴射する燃料噴射孔が形成されており、
しかも、隣接する旋回翼の相対向する翼面に形成された燃料噴射孔は、一方の翼面に形成された燃料噴射孔の位置と、他方の翼面に形成された燃料噴射孔の位置とで、位置ズレをさせていることを特徴とするガスタービンの予混合燃焼バーナー。
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