JP2013145077A - Gas turbine combustor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、予混合方式のガスタービン燃焼器に関する。 The present invention relates to a premixed gas turbine combustor.
燃料と圧縮空気とを予め旋回流によって混合してから燃焼させる、予混合方式のガスタービン燃焼器が知られている(例えば特許文献1(図21)参照)。この種のガスタービン燃焼器は、NOxの低減等に効果がある反面、メインバーナの逆火(フラッシュバック)を防止することが重要な課題である。この点、特許文献1記載のガスタービン燃焼器では、予混合気の剥離に起因するフラッシュバックの発生を抑制するために、バーナ外筒とその下流の延長管との間の隙間から、延長管の内壁面に沿ってフィルム状の空気(フィルム空気)を流すようにしている。
A premixing type gas turbine combustor is known in which fuel and compressed air are mixed in advance by a swirling flow and then burned (see, for example, Patent Document 1 (FIG. 21)). While this type of gas turbine combustor is effective in reducing NOx and the like, it is important to prevent backfire (flashback) of the main burner. In this respect, in the gas turbine combustor described in
特許文献1記載のガスタービン燃焼器のように、延長管の内壁面に沿ってフィルム空気を流すようにすれば、延長管の内壁面近傍の流速を高めることが可能であり、この領域におけるフラッシュバック発生の可能性を低減できる。しかしながら、単にフィルム空気を流すだけでは、予混合気とフィルム空気との境に、フラッシュバックを生じやすい低速領域が生じるおそれがあり、フラッシュバックを防止する点で改善の余地がある。
If the film air is made to flow along the inner wall surface of the extension tube as in the gas turbine combustor described in
本発明の目的は、フラッシュバックを効果的に防止することができるガスタービン燃焼器を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a gas turbine combustor that can effectively prevent flashback.
本発明のガスタービン燃焼器の一態様は、燃料と燃焼用空気とが混合した予混合流体が流れる第1流路部を形成するとともに、第1流路部の下流側に、予混合流体が燃焼した燃焼流体が流れる第2流路部を形成する流路形成部と、第1流路部で予混合流体を旋回させる旋回部と、第1流路部における予混合流体の旋回流れに合流するように流路形成部の内壁面に沿ったフィルム状の空気を流すフィルム空気供給部と、を備え、フィルム空気供給部は、予混合流体の旋回流れの方向に対応した旋回方向にフィルム状の空気を流す方向調整部を有することを特徴とする。 One aspect of the gas turbine combustor of the present invention forms a first flow path portion through which a premixed fluid in which fuel and combustion air are mixed flows, and the premixed fluid is disposed downstream of the first flow path portion. A flow path forming section that forms a second flow path section through which the combustion fluid that burns flows, a swirling section that swirls the premixed fluid in the first flow path section, and a swirling flow of the premixed fluid in the first flow path section A film air supply section for flowing film-like air along the inner wall surface of the flow path forming section, and the film air supply section is formed in a swirl direction corresponding to the swirl flow direction of the premixed fluid. It has the direction adjustment part which flows the air of.
この構成によれば、フィルム状の空気が予混合流体の旋回流れに対応した旋回方向に流れるため、フィルム状の空気が予混合流体に合流した後に、フィルム状の空気の流れが乱されることを抑制できる。このため、燃料の濃度が増加する領域において流速は十分に速くなり、予混合領域の下流の燃焼領域からのフラッシュバックを効果的に防止することができる。 According to this configuration, since the film-like air flows in the swirling direction corresponding to the swirling flow of the premixed fluid, the flow of the film-like air is disturbed after the film-like air merges with the premixed fluid. Can be suppressed. For this reason, in the area | region where the density | concentration of a fuel increases, the flow rate becomes high enough, and the flashback from the combustion area | region downstream of a premixing area | region can be prevented effectively.
本発明の別の態様によるガスタービン燃焼器では、方向調整部が、予混合流体の旋回流れの方向にフィルム状の空気を流す。 In the gas turbine combustor according to another aspect of the present invention, the direction adjusting unit causes the film-like air to flow in the direction of the swirling flow of the premixed fluid.
この構成によれば、フィルム状の空気が予混合流体の旋回流れの方向に一致した旋回流れとなり、燃焼領域からのフラッシュバックを効果的に防止することができる。 According to this configuration, the film-like air becomes a swirl flow that matches the swirl flow direction of the premixed fluid, and flashback from the combustion region can be effectively prevented.
本発明の別の態様によるガスタービン燃焼器では、流路形成部が、第1筒部と、第1筒部の外周面から径方向外側に隙間をあけて配置された第2筒部とを有し、フィルム空気供給部が、第1筒部と第2筒部との間の径方向隙間から第2筒部の内周面に沿ってフィルム状の空気を流す。 In the gas turbine combustor according to another aspect of the present invention, the flow path forming portion includes a first tubular portion and a second tubular portion disposed with a gap radially outward from the outer peripheral surface of the first tubular portion. And a film air supply part flows film-like air along the inner peripheral surface of the second cylinder part from the radial gap between the first cylinder part and the second cylinder part.
この構成によれば、第1筒部と第2筒部との間の径方向隙間から第1流路部の全周にわたってフィルム状の空気が供給される。このフィルム状の空気の流れ方向は、予混合流体の旋回流れ方向に対応しているため、燃焼領域からのフラッシュバックを効果的に防止することができる。 According to this structure, film-like air is supplied over the perimeter of a 1st flow-path part from the radial direction gap between a 1st cylinder part and a 2nd cylinder part. Since the film-like air flow direction corresponds to the swirl flow direction of the premixed fluid, flashback from the combustion region can be effectively prevented.
本発明の別の態様によるガスタービン燃焼器では、方向調整部が、第1筒部と第2筒部との間の径方向隙間に配置された周方向複数の翼部を有する。 In the gas turbine combustor according to another aspect of the present invention, the direction adjusting portion includes a plurality of circumferential wing portions arranged in a radial gap between the first cylindrical portion and the second cylindrical portion.
この構成によれば、フィルム状の空気の流れ方向を、予混合流体の旋回流れ方向に対応した方向に、翼部により効率よく変更することができる。 According to this configuration, the flow direction of the film-like air can be efficiently changed by the wing portion in a direction corresponding to the swirl flow direction of the premixed fluid.
本発明の別の態様によるガスタービン燃焼器では、方向調整部が、第2筒部の径方向外側から第1筒部と第2筒部との間の径方向隙間に空気を導く貫通孔を有し、該貫通孔は、予混合流体の旋回方向に対応して斜めに形成されている。 In the gas turbine combustor according to another aspect of the present invention, the direction adjusting portion has a through hole that guides air from a radially outer side of the second cylindrical portion to a radial gap between the first cylindrical portion and the second cylindrical portion. The through hole is formed obliquely corresponding to the swirling direction of the premixed fluid.
この構成によれば、フィルム状の空気の流れ方向を、予混合流体の旋回流れ方向に対応した方向に、貫通孔によって容易に変更することができる。 According to this configuration, the flow direction of the film-like air can be easily changed by the through hole in a direction corresponding to the swirl flow direction of the premixed fluid.
本発明の別の態様によるガスタービン燃焼器では、流路形成部が、フィルム状の空気の出口側端部における第1筒部と第2筒部との間の径方向隙間の流路面積と、該径方向隙間よりも径方向内側における第1流路部の流路面積との和が、フィルム状の空気の出口側端部の下流側における第1流路部の流路面積以上となるように、第1流路部および第2流路部を形成する。 In the gas turbine combustor according to another aspect of the present invention, the flow path forming portion has a flow area of a radial gap between the first cylindrical portion and the second cylindrical portion at the outlet side end of the film-like air. The sum of the flow passage area of the first flow passage portion radially inward of the radial gap is equal to or larger than the flow passage area of the first flow passage portion on the downstream side of the outlet side end of the film-like air. In this way, the first flow path part and the second flow path part are formed.
この構成によれば、フィルム状の空気の出口側端部の上流側および下流側の相互の流路面積の関係を調整することによって、フラッシュバックを防止することができる。 According to this configuration, the flashback can be prevented by adjusting the relationship between the upstream and downstream flow path areas of the film-like air outlet side end.
本発明によれば、燃焼領域からのフラッシュバックを効果的に防止することができる。 According to the present invention, flashback from the combustion region can be effectively prevented.
(第1の実施形態)
以下、図1〜図10を参照して本発明の第1の実施形態に係るガスタービン燃焼器について説明する。図1は、本実施形態に係るガスタービン燃焼器を有するガスタービンの概略構成図である。
(First embodiment)
Hereinafter, a gas turbine combustor according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a gas turbine having a gas turbine combustor according to the present embodiment.
図1に示すように、ガスタービンは、流体の流れ方向の上流側から順番に、圧縮機11と、ガスタービン燃焼器(以下、燃焼器という)12と、タービン13と、排気室14とを有する。タービン13には、図示しない発電機が連結されている。ガスタービンは、回転軸Lを中心に回転可能なロータ(タービン軸)24を有する。
As shown in FIG. 1, the gas turbine includes a
圧縮機11は、空気を取り込む空気取入口15を有し、圧縮機車室16内に複数の静翼17と動翼18とが交互に配設されている。燃焼器12は、圧縮機11で圧縮された圧縮空気(燃焼用空気)に対して燃料を供給し、バーナで点火することで燃焼可能となっている。タービン13は、タービン車室20内に複数の静翼21と動翼22とが交互に配設されている。排気室14は、タービン13に連続する排気ディフューザ23を有している。ロータ24は、圧縮機11、燃焼器12、タービン13、排気室14の径方向中心部を貫通するように位置する。ロータ24の圧縮機11側の端部は、軸受部25により回転軸Lを中心にして回転自在に支持され、排気室14側の端部は、軸受部26により回転軸Lを中心にして回転自在に支持されている。ロータ24には、複数のディスクプレートが固定され、各動翼18,22が連結されている。ロータ24の排気室14側の端部には、図示しない発電機の駆動軸が連結されている。
The
このようなガスタービンにおいて、圧縮機11の空気取入口15から取り込まれた空気は、複数の静翼21と動翼22とを通過して圧縮され、高温・高圧の圧縮空気となる。この圧縮空気は、燃焼器12において、圧縮空気に対して所定の燃料が供給されることで燃焼する。燃焼器12で生成された作動流体である高温・高圧の燃焼ガスは、タービン13を構成する複数の静翼21と動翼22とを通過し、ロータ24を回転駆動する。これによりロータ24に連結された発電機を駆動する。ロータ24を通過した排気ガスは、排気室14の排気ディフューザ23で静圧に変換されてから大気に放出される。
In such a gas turbine, the air taken in from the
図2は、燃焼器12の拡大図である。燃焼器12は、燃焼器ケーシング30を有する。燃焼器ケーシング30は、外筒31の内部に配置された内筒32と、内筒32の先端部に連結された尾筒33とを有し、回転軸Lに対して傾斜した中心軸Sに沿って延在する。
FIG. 2 is an enlarged view of the
外筒31は、車室ハウジング27に締結されている。内筒32は、その基端部が外筒31に支持され、外筒31の内側に、外筒31から所定間隔をあけて配置されている。内筒32の中心部には、中心軸Sに沿ってパイロットバーナ40が配設されている。パイロットバーナ40の周囲には、パイロットバーナ40を取り囲むように等間隔にかつパイロットバーナ40と平行に複数のメインバーナ50が配設されている。尾筒33は、その基端が円筒状に形成されて内筒32の先端に連結されている。尾筒33は、先端側にかけて断面積が小さくかつ湾曲して形成され、タービン13の1段目の静翼21に向けて開口している。尾筒33は、内部に燃焼室を形成する。
The
図3は、燃焼器12(主に内筒32)の内部構成を概略的に示す図である。パイロットバーナ40は、パイロットコーン41と、パイロットコーン41の内部に、かつ、中心軸Sに沿って配置されたパイロットノズル42と、パイロットノズル42の外周部に設けられるパイロットスワラ43とを有する。メインバーナ50は、バーナ筒51と、バーナ筒51の内部に、かつ、中心軸Sと平行に配置されたメインノズル52と、メインノズル52の外周部に設けられるメインスワラ53とを有する。パイロットノズル42には、燃料ポート44(図2)を介して不図示のパイロット燃焼ラインから燃料が供給される。メインノズル52には、燃料ポート54(図2)を介して不図示のメイン燃料ラインから燃料が供給される。
FIG. 3 is a diagram schematically showing the internal configuration of the combustor 12 (mainly the inner cylinder 32). The
図2において、圧縮機11からの高温高圧の圧縮空気は、燃焼器12の周囲の車室34に流入する。この圧縮空気は、尾筒33および内筒32の外側を、尾筒33側から内筒32側へと流れ、内筒32の基端側から内筒32の内部に流入する。内筒32内に流入した圧縮空気は、パイロットバーナ40およびメインバーナ50で燃料と混合するとともに燃焼し、燃焼ガスとなる。
In FIG. 2, the high-temperature and high-pressure compressed air from the
すなわち、内筒32に流入した圧縮空気は、図3のメインスワラ53で旋回され、メインノズル52から噴射された燃料と混合し、予混合気の旋回流となって尾筒33内に流れ込む。これとは別に、内筒32に流入した圧縮空気は、パイロットスワラ43で旋回され、パイロットノズル42から噴射された燃料と混合する。この混合空気は、図示しない種火により着火されて燃焼し、燃焼ガスとなって尾筒33内に噴出する。このとき、燃焼ガスの一部が尾筒33内に火炎を伴って周囲に拡散するように噴出する。これにより、各メインバーナ50のバーナ筒51から尾筒33内に流れ込んだ予混合気が着火され、燃焼する。
That is, the compressed air that has flowed into the
このように、パイロットノズル42から噴射した燃料で拡散火炎させることにより、メインノズル52からの希薄予混合燃料の安定燃焼を行うための保炎を行うことができる。また、メインバーナ50でメインノズル52からの燃料と圧縮空気とを予混合させることにより、燃料濃度が均一化され、NOxを低減することができる。このとき、メインバーナ50の内部が予混合領域R1となり、パイロットバーナ40からの拡散火炎によって予混合気が燃焼する領域が燃焼領域R2となる。燃焼領域R2は、パイロットコーン41の下流であり、尾筒33の内部にある。したがって、予混合気が燃焼した燃焼ガスは、尾筒33の内部を流れる。なお、内筒32が尾筒33側により延在しているときは、内筒32の内部から燃焼領域R2が始まる。
In this way, flame diffusion for stable combustion of the lean premixed fuel from the
ところで、このような予混合方式の燃焼器12では、メインスワラ53の下流において、バーナ筒51内を流れる予混合気が旋回流となる。このため、燃焼領域から予混合領域への逆火(フラッシュバック)が生じやすい。図4は、フラッシュバックの発生理由を説明する図である。図中の特性f1は、バーナ筒51の内側の内部通路55における旋回流としての予混合気の速度分布を示し、特性f2は、燃料の濃度分布を示す。なお、特性f1、f2は、それぞれ内部通路55の軸線L1と平行な方向の速度成分、濃度成分を表す。軸線L1は、燃焼器12の中心軸S(図3)とほぼ平行である。
By the way, in such a
燃料は旋回流によって通路全体にわたって均一化されている。このため、特性f2に示すように、燃料の濃度分布は、内部通路55の中央部から壁面部(バーナ筒51の内周面)にかけてほぼ一定である。これに対し、特性f1に示すように、予混合気の速度は、壁面において0となり、壁面から離れるに従い速度が上昇し(速度境界層)、速度境界層の外側(内部通路55の中央部側)で速度はほぼ一定となる。すなわち、壁面の近傍(領域A)には速度が低い速度境界層が存在するのに対し、その領域Aにおいて燃料濃度は高いため、領域Aに燃焼領域からのフラッシュバックが生じやすい。その結果、バーナ筒51の内壁面が高温となり、燃焼器12が損傷するおそれがある。これを避けるため、本実施形態では、以下のようにメインバーナ50を構成する。
The fuel is made uniform throughout the passage by the swirling flow. For this reason, as indicated by the characteristic f2, the fuel concentration distribution is substantially constant from the central portion of the
図5は、第1の実施形態に係るメインバーナ50の概略構成を示す図である。バーナ筒51は、第1バーナ筒511と、第2バーナ筒512とを有する。第1バーナ筒511の先端部511aは、メインノズル52よりも予混合気の流れ方向下流側まで延在している。その先端部511aを覆うように、先端部511aの外側に、第2バーナ筒512の基端部512aが先端部511aから径方向に隙間Δdをあけて配置されている。すなわち、第2バーナ筒512の基端部512aの内周面は第1バーナ筒511の先端部511aの外周面よりも大径であり、第1バーナ筒511の外周面と第2バーナ筒512の内周面との間に、円環状の通路(環状通路56)が形成されている。
FIG. 5 is a diagram illustrating a schematic configuration of the
環状通路56の一端部は、車室34に連通し、他端部は内部通路55に連通している。したがって、車室34に流入した圧縮空気の一部は、環状通路56を通過してフィルム状の空気(フィルム空気Af)となり、第2バーナ筒512の内周面に沿って流れる。このフィルム空気Afは、環状通路56の出口56aの下流において、内部通路55内を流れる予混合気Amと合流する。
One end of the
第1バーナ筒511の先端部511aと第2バーナ筒512の基端部512aとの間の径方向隙間Δdは、周方向で一定であり、環状通路56には周方向等間隔に複数の風向調整板60が設けられている。風向調整板60は、例えば隙間Δdに相当する高さを有する所定厚さの矩形状板部材であり、その高さ方向一端部は第1バーナ筒511の外周面に固定され、高さ方向他端部は第2バーナ筒512の内周面に固定されている。風向調整板60は、環状通路56の出口56aにおけるフィルム空気Afの流れ方向が、その出口56aにおける予混合気Amの旋回方向と一致するように内部通路55の軸線L1に対して傾斜して設けられており、風向調整板60によりフィルム空気Afに旋回が与えられる。
The radial gap Δd between the
図6は、環状通路56内の風向調整板60を平面に展開して示す図である。予混合気Amの旋回方向は、軸線L1に対して角度θ1だけ傾斜し、風向調整板60は、軸線L1に対して角度θ2だけ傾斜して設けられている。角度θ1と角度θ2とは、例えば同一である。これにより、フィルム空気Afは、環状通路56から予混合気Amの旋回方向と同一方向に流出する。すなわち、フィルム空気Afは、旋回流となって第2バーナ筒512の内周面に沿って流れる。
FIG. 6 is a diagram showing the wind
このようにフィルム空気Afの流れ方向を予混合気Amの流れ方向に一致させると、予混合気Amの径方向外側への流れがフィルム空気Afによってブロックされる。したがって、予混合気Amがフィルム空気Afの層に入り込むことを抑制することができ、予混合気Amが第2バーナ筒512の内周面にまで至ることを防止できる。これに対し、例えばフィルム空気Afの旋回角度θ2が0度であると、つまりフィルム空気Afが旋回流でないときは、予混合気Amがフィルム空気Afの層に入り込みやすく、フィルム空気Afの流れが乱される。その結果、第2バーナ筒512の内壁面近傍において、フィルム空気Afと予混合気Amとが混合し、混合流れが生じる。
When the flow direction of the film air Af is matched with the flow direction of the premixed gas Am in this manner, the flow of the premixed gas Am toward the outside in the radial direction is blocked by the film air Af. Therefore, the premixed gas Am can be prevented from entering the layer of the film air Af, and the premixed gas Am can be prevented from reaching the inner peripheral surface of the
図7,図8は、環状通路56の出口56aの下流側における予混合気Amとフィルム空気Afとの合流後の軸方向流れを説明する図である。図7は、風向調整板60の傾斜角度θ2を予混合気Amの旋回角度θ1に一致させた場合の流れを示し、図8は、その比較例として角度θ2を0度とした場合の流れを示す。なお、図中の特性f1,f2は、それぞれ図4と同様、速度分布および濃度分布を示す。
7 and 8 are diagrams for explaining the axial flow after the premixed gas Am and the film air Af are merged on the downstream side of the
風向調整板60の傾斜角度θ2を予混合気Amの旋回角度θ1に一致させると、予混合気Amの径方向外側への流れはフィルム空気Afによりブロックされ、第2バーナ筒512の内壁面近傍における予混合気Amとフィルム空気Afとの混合が抑制される。このため、図7の特性f2に示すように、第2バーナ筒512の内壁面近傍、すなわちフィルム空気Afの層内における燃料の濃度は0となり、フィルム空気Afの層の外側に、燃料濃度が増加する濃度境界層が生じる。
When the inclination angle θ2 of the airflow
これに対し、速度に関しては、図7の特性f1に示すように、第2バーナ筒512の内壁面において0となり、その径方向内側に速度境界層が生じる。この速度境界層は、予混合気Amとフィルム空気Afの流れ方向が互いに等しいことから薄くなり、燃料濃度が0の範囲内に速度境界層が収まる。したがって、燃料濃度が増加する範囲において流速は十分に速く、これによりフラッシュバックを防止できる。すなわち、燃料濃度が増加する領域(濃度境界層の領域)と流速が遅い領域(速度境界層の領域)とは互いに異なるため、フラッシュバックを効果的に抑制できる。
On the other hand, the speed is 0 on the inner wall surface of the
一方、風向調整板60の傾斜角度θ2が0度であると、予混合気Amがフィルム空気Afの層に入り込み、第2バーナ筒512の内壁面近傍において、フィルム空気Afと予混合気Amとの混合流れが生じる。このため、図8の特性f2に示すように、第2バーナ筒512の内壁面の近傍に濃度境界層の領域が生じる。これに対し速度に関しては、予混合気Amとフィルム空気Afとが合流する領域でフィルム空気Afの流れが乱され、図8の特性f1に示すように、予混合気Amとフィルム空気Afとの境界部で速度が低下し、第2バーナ筒512の内壁面近傍に速度欠損部v1が生じる。したがって、環状通路56の出口56aの直後の内部通路55内において、燃料濃度が比較的高く、かつ、流速が遅い領域が生じることとなり、その結果、フラッシュバックが生じるおそれがある。
On the other hand, when the inclination angle θ2 of the wind
このように本実施形態では、第1バーナ筒511と第2バーナ筒512との間の環状通路56に周方向等間隔に風向調整板60を配設し、内部通路55における予混合気Amの旋回方向と一致する方向に環状通路56からフィルム空気Afを流すようにした。これにより第2バーナ筒512の内壁面の近傍に速度境界層が生じるとともに、その速度境界層よりも径方向内側に濃度境界層が生じることとなる。したがって、燃料濃度が増加する領域で流速は十分に速くなっているため、フラッシュバックを確実に防止することができる。フィルム空気Afと予混合気Amの流れ方向を同一としたたことで、第2バーナ筒512の内壁面に沿ったフィルム空気Afの流れは乱されないので、フィルム空気Afにより燃焼器12を効率的に冷却することもできる。
As described above, in the present embodiment, the wind
以上の第1の実施形態では、風向調整板60によりフィルム空気Afの流れ方向を設定するようにした。すなわち風向調整板60によりフィルム空気Afが所定方向に流れるように整流したが、風向調整板60を翼部61により構成してもよい。図9は、その一例を概略的に示す図である。なお、図9は、下側に、環状通路56を内部通路55の軸線L1に平行な切断面で切断した断面図を、上側に翼部61を平面に展開した展開図をそれぞれ示す。
In the first embodiment described above, the flow direction of the film air Af is set by the wind
図9では、バーナ筒51の内側に筒体57が配置され、筒体57の内側に内部通路55が形成されている。筒体57は、内部通路55の通路面積を縮径するテーパ部571と、し、テーパ部571に連なり、バーナ筒51と平行に延在するストレート部572とを有する。テーパ部571の端部は、バーナ筒51の内周面に全周にわたって接合され、バーナ筒51と筒体57との間に環状通路56が形成されている。
In FIG. 9, a
バーナ筒51には、車室34と環状通路56とが連通するように周方向等間隔に複数の空気導入孔58が開口され、空気導入孔58の下流の環状通路56に翼部61が配置されている。これにより空気導入孔58を介してバーナ筒51の外側の車室34から環状通路56に圧縮空気が導入される。導入された空気は、翼部61の間を通過し、フィルム空気となって環状通路56の出口56aから流出し、バーナ筒51の内壁面に沿って流れる。なお、図5に示したように第1バーナ筒511と第2バーナ筒512とを有する構成では、例えば第1バーナ筒511の端部にテーパ部571とストレート部572とを形成するとともに、テーパ部571の基端部に第2バーナ筒512の端部を接合することで、図9と同様な環状通路56を構成できる。
A plurality of air introduction holes 58 are opened at equal intervals in the circumferential direction so that the
図9に示すように、翼部61は、空気の流れ方向に沿って直線部611と曲面部612とを有する。直線部611は、軸線L1と平行であり、曲面部612は、予混合気の旋回方向に向けて滑らかに曲がっている。これにより環状通路56から流出したフィルム空気Afが、バーナ筒51の内壁面に沿って予混合気Amと同一方向に旋回して流れるので、燃焼領域R2(図3)からのフラッシュバックを防止することができる。風向調整板60を翼部61により構成すれば、環状通路56におけるフィルム空気Afの圧力損失も低減できる。
As shown in FIG. 9, the
図10は、図9の変形例を示す図である。図10では、翼部61を省略するとともに、空気導入孔58をバーナ筒51の板厚方向に対し斜めに形成している。すなわち、バーナ筒51の外周面における空気導入孔58の入口部581に対し、内周面における空気導入孔58の出口部582を、予混合気Amの旋回方向に合わせてずらして形成している。これにより空気導入孔58より導入されたフィルム空気Afは、環状通路56内を旋回し、内部通路55の予混合気Amと同一方向に旋回しながら環状通路56から流出するため、フラッシュバックを防止できる。図10の例では、翼部61が不要となるため、構成を簡素化できる。なお、図10では、空気導入孔58を斜めに形成することにより翼部61を省略したが、空気導入孔58を斜めに形成するとともに、環状通路56に図9と同様な翼部61を設けるようにしてもよい。
FIG. 10 is a diagram showing a modification of FIG. In FIG. 10, the
(第2の実施形態)
図11〜図13を参照して本発明の第2の実施形態について説明する。第2の実施形態が第1の実施形態と異なるのは、メインバーナ50の構成である。図11は、第2の実施形態に係るガスタービン燃焼器におけるメインバーナ50の構成を概略的に示す図である。なお、図5と同一箇所には同一符号を付し、以下では、図5との相違点を主に説明する。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The second embodiment differs from the first embodiment in the configuration of the
図11では、図5と異なり、第1バーナ筒511と第2バーナ筒512との間の環状通路56における風向調整板60が省略されている。さらに図11では、環状通路56の出口56aの上流側における内部通路55の通路面積S1および環状通路56全体の通路面積S2と、環状通路56の出口56aの下流側における内部通路55の通路面積S0との間に、S0≦S1+S2の関係が成立している。すなわち、第2の実施形態では、フィルム空気Afを旋回流とする代わりに、環状通路56の出口56aの下流側において内部通路55を絞っている。ここで、下流側とは、環状通路56のフィルム空気Afと内部通路55の予混合気Amとの境界部において速度低下が生じやすい領域、すなわち図8の速度欠損部v1が生じやすい領域であり、例えば環状通路56の出口56aの直後の領域である。
In FIG. 11, unlike FIG. 5, the wind
図12の特性f1、f2は、それぞれ第2の実施形態に係るガスタービン燃焼器による、環状通路56の出口の56a下流側における濃度分布および速度分布を示す図である。図8と比較すると、図12の濃度分布の特性f1は、図8の特性f1とほぼ等しい。一方、速度分布に関しては、第2の実施形態では、第2バーナ筒512の内壁面が内部通路55の径方向内側に縮径して形成されているため、図12の特性f2は図8の特性f2と比べ、第2バーナ筒512の内壁面近傍の速度が増加している。したがって、フィルム空気Afと予混合気Amとの境界部における速度低下が抑えられ、図12の特性f2では、図8の特性f2に示したような顕著な速度欠損部v1の発生が抑えられている。
Characteristics f1 and f2 in FIG. 12 are diagrams showing a concentration distribution and a velocity distribution on the
これにより環状通路56の出口56aの下流側において、燃料濃度が増加する壁面近傍の領域で流速が増加するため、燃焼領域R2からのフラッシュバックの発生を抑制することができる。このように環状通路56の出口56aの下流側における内部通路55の通路面積を絞るだけでも、フラッシュバックの抑制効果が得られるが、さらに図13に示すように、環状通路56に図5と同様な風向調整板60を配置すると、フラッシュバック抑制の効果がより大きい。したがって、内部通路55を絞るだけでなく、環状通路56に風向調整板60を配置することが、より好ましい。
As a result, on the downstream side of the
(変形例)
上記実施形態では、環状通路56の出口56aから予混合気Amの旋回方向に向けてフィルム空気Afを流すようにしたが、予混合気Amのフィルム空気Afへの食い込みをブロックすることができるのであれば、フィルム空気Afの旋回方向を予混合気Amの旋回方向に厳密に一致させる必要はない。例えば予混合気Amの旋回角度θ1よりもフィルム空気Afの旋回角度θ2を2〜3度程度大きくする方が、予混合気Amの食い込みをブロックさせやすい場合があり、その場合には、θ2をθ1より大きくしてもよい。
(Modification)
In the above embodiment, the film air Af is caused to flow from the
上記実施形態(図5、図9、図10、図13)では、風向調整板60、翼部61および空気導入孔(貫通孔)58によりフィルム空気Afを旋回させるようにしたが、予混合流体Amの旋回流れの方向に対応した旋回方向にフィルム状の空気Afを流してフラッシュバックを防止するのであれば、方向調整部の構成は上述したものに限らない。すなわち、本発明は、燃焼器の内壁面に沿って単なる冷却用のフィルム空気を供給するものとは異なり、フラッシュバックを防止するようにフィルム空気Afを整流した点に最大の特徴を有するのであり、この特徴を実現することができるのであれば、方向調整部はいかなる構成でもよい。
In the above embodiment (FIGS. 5, 9, 10, and 13), the film air Af is swirled by the wind
内筒32により、燃料と燃焼用空気とが混合した予混合気(予混合流体)Amが流れる内部通路55(第1流路部)を形成するとともに、尾筒33により、予混合気Amが燃焼した燃焼ガス(燃焼流体)が流れる内部通路55(第2流路部)を形成するようにしたが、流路形成部の構成はこれに限らない。メインスワラ53で予混合気Amを旋回させるようにしたが、旋回部の構成はいかなるものでもよい。
The
上記実施形態(図5)では、第1バーナ筒511(第1筒部)と、第1バーナ筒511の外周面から径方向外側に隙間Δdをあけて配置された第2バーナ筒512(第2筒部)とにより環状通路56を形成し、圧縮機11を通過した車室34内の圧縮空気を環状通路56に導いて、環状通路56から第2バーナ筒512の内壁面に沿ってフィルム空気を流すようにしたが、予混合領域R1における予混合気Amの旋回流れに合流するように流路形成部の内壁面に沿ってフィルム空気Afを流すのであれば、フィルム空気供給部の構成はいかなるものでもよい。
In the embodiment (FIG. 5), the first burner tube 511 (first tube portion) and the second burner tube 512 (first tube) arranged with a gap Δd radially outward from the outer peripheral surface of the
上記実施形態(図11)では、環状通路56の出口56aの下流側で第2バーナ筒512の流路面積S2を絞るようにしたが、フィルム空気Afの出口側端部における第1バーナ筒511と第2バーナ筒512との間の径方向隙間Δdの流路面積S2と、径方向隙間Δdよりも径方向内側における内部通路55の流路面積S1との和が、フィルム空気Afの出口側端部よりも予混合気Amの下流側における内部通路55の流路面積S0以上となるように、第1バーナ筒511および第2バーナ筒512を形成するのであれば、流路形成部の構成はいかなるものでもよい。
In the above embodiment (FIG. 11), the flow area S2 of the
以上では、燃焼器12を発電用のガスタービンに適用したが、本発明のガスタービン燃焼器は、他のガスタービンにも同様に適用することができる。
In the above, the
以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態および変形例の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。すなわち、本発明の技術的思想の範囲内で考えられる他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上記実施形態と変形例の1つまたは複数を任意に組み合わせることも可能である。 The above description is merely an example, and the present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications unless the features of the present invention are impaired. The constituent elements of the embodiment and the modified examples include those that can be replaced while maintaining the identity of the invention and that are obvious for replacement. That is, other forms conceivable within the scope of the technical idea of the present invention are also included in the scope of the present invention. Moreover, it is also possible to arbitrarily combine one or more of the above-described embodiments and modified examples.
11 圧縮機
12 燃焼器
30 燃焼器ケーシング
32 内筒
33 尾筒
34 車室
50 メインバーナ
51 バーナ筒
52 メインノズル
53 メインスワラ
55 内部通路
56 環状通路
56a 出口
57 筒体
58 空気導入孔
60 風向調整板
61 翼部
511 第1バーナ筒
512 第2バーナ筒
Af フィルム空気
Am 予混合気
R1 予混合領域
R2 燃焼領域
S0 通路面積
S1 通路面積
S2 通路面積
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記第1流路部で前記予混合流体を旋回させる旋回部と、
前記第1流路部における前記予混合流体の旋回流れに合流するように前記流路形成部の内壁面に沿ったフィルム状の空気を流すフィルム空気供給部と、を備え、
前記フィルム空気供給部は、前記第1流路部において前記予混合流体の旋回流れの方向に対応した旋回方向に前記フィルム状の空気を流す方向調整部を有することを特徴とするガスタービン燃焼器。 A first flow path portion in which a premixed fluid in which fuel and combustion air are mixed flows, and a second flow path in which a combustion fluid in which the premixed fluid combusts flows downstream of the first flow path portion. A flow path forming part for forming a part;
A swirl unit that swirls the premixed fluid in the first flow path unit;
A film air supply section for flowing film-like air along the inner wall surface of the flow path forming section so as to merge with the swirling flow of the premixed fluid in the first flow path section,
The gas air combustor includes a direction adjusting section for flowing the film-like air in a swirling direction corresponding to a swirling flow direction of the premixed fluid in the first flow path section. .
前記方向調整部は、前記予混合流体の旋回流れの方向に前記フィルム状の空気を流すことを特徴とするガスタービン燃焼器。 The gas turbine combustor according to claim 1.
The gas turbine combustor, wherein the direction adjusting unit causes the film-like air to flow in a direction of a swirling flow of the premixed fluid.
前記流路形成部は、第1筒部と、前記第1筒部の外周面から径方向外側に隙間をあけて配置された第2筒部とを有し、
前記フィルム空気供給部は、前記第1筒部と前記第2筒部との間の径方向隙間から前記第2筒部の内壁面に沿って前記フィルム状の空気を流すことを特徴とするガスタービン燃焼器。 The gas turbine combustor according to claim 1 or 2,
The flow path forming portion includes a first tube portion and a second tube portion disposed with a gap radially outward from the outer peripheral surface of the first tube portion,
The film air supply section allows the film-like air to flow along an inner wall surface of the second cylinder section from a radial gap between the first cylinder section and the second cylinder section. Turbine combustor.
前記方向調整部は、前記第1筒部と前記第2筒部との間の径方向隙間に配置された周方向複数の翼部を有することを特徴とするガスタービン燃焼器。 The gas turbine combustor according to claim 3.
The gas turbine combustor, wherein the direction adjusting portion includes a plurality of circumferentially disposed blade portions disposed in a radial clearance between the first tube portion and the second tube portion.
前記方向調整部は、前記第2筒部の径方向外側から前記第1筒部と前記第2筒部との間の径方向隙間に空気を導く貫通孔を有し、該貫通孔は、前記予混合流体の旋回方向に対応して斜めに形成されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。 The gas turbine combustor according to claim 3 or 4,
The direction adjusting portion has a through hole that guides air from a radially outer side of the second tube portion to a radial gap between the first tube portion and the second tube portion, A gas turbine combustor characterized in that the gas turbine combustor is formed obliquely corresponding to the swirling direction of the premixed fluid.
前記流路形成部は、前記フィルム状の空気の出口側端部における前記第1筒部と前記第2筒部との間の径方向隙間の流路面積と、該径方向隙間よりも径方向内側における前記第1流路部の流路面積との和が、前記フィルム状の空気の出口側端部の下流側における前記第1流路部の流路面積以上となるように、前記第1流路部および前記第2流路部を形成することを特徴とするガスタービン燃焼器。 The gas turbine combustor according to any one of claims 3 to 5,
The flow path forming portion includes a flow area of a radial gap between the first cylindrical portion and the second cylindrical portion at an outlet side end portion of the film-like air, and a radial direction with respect to the radial gap. The first flow path area of the first flow path section on the inner side is equal to or larger than the flow path area of the first flow path section on the downstream side of the outlet side end of the film-like air. A gas turbine combustor that forms a flow path portion and the second flow path portion.
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Cited By (2)
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CN104406196A (en) * | 2014-11-10 | 2015-03-11 | 中国科学院工程热物理研究所 | Two-stage prefilming delamination part premixing high-temperature-rise combustion chamber structure |
JP2015087091A (en) * | 2013-11-01 | 2015-05-07 | 新潟原動機株式会社 | Gas turbine combustor |
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2012
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