JP2014159942A - 燃焼器、及び回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】より均一な予混合気を形成することができる燃焼器。
【解決手段】燃料ノズルを外周側から囲む燃焼器内筒３と、燃焼器内筒３の後端と車室とを接続するように周方向に間隔をあけて複数が設けられ、燃焼器内筒３内に導入される圧縮空気が流通する流路Ｐを画成する接続部材１４とを備え、流路Ｐを流れる圧縮空気が、燃焼器内筒３の後端で流通方向が反転されて燃料ノズルに導入される燃焼器であって、流路Ｐの一部又は全部が周方向に向かって傾斜して空気を吹き出す燃焼器を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料ノズルを備えたガスタービン等の燃焼器、及び回転機械に関するものである。

ガスタービンの燃焼器は、タービンの燃焼ガス入口に接続され、供給された燃料を燃焼させ、生成した燃焼ガスをタービンに供給する燃焼器内筒と、この燃焼器内筒の中心に配置され、燃焼器内筒内に燃料を噴射してメインノズルの予混合火炎を安定化するための火炎を形成するパイロットノズルと、このパイロットノズルの周囲に配置され、圧縮空気と燃料との予混合気を燃焼器内筒内に噴射し、着火して予混合炎を形成する複数のメインノズルと、を備えたものが一般的である。

燃焼器内筒は、燃焼器内に流入する空気流れに平行な複数のリブにより、車室に固定されている（例えば、特許文献１参照）。このリブは、構造メンバーとして機能し、空気流れに影響を与えないような形状とされている。

特開２００７−２３２３４７号公報

ところで、燃焼器内筒を固定する複数のリブは単なる構造メンバーであり、可能な限り圧縮空気の流れに影響を与えないような数量及び形状とされているが、リブによって発生する圧縮空気の乱れによって、予混合気の均一性が低下することが問題となっている。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、より均一な予混合気を形成することができる燃焼器を提供することにある。

上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明の燃焼器は、燃料ノズルと、前記燃料ノズルを外周側から囲む燃焼器内筒と、該燃焼器内筒の後端と車室とを接続するように前記周方向に間隔をあけて複数が設けられ、前記燃焼器内筒内に導入される圧縮空気が流通する流路を画成する接続部材とを備え、前記流路を流れる前記圧縮空気が、前記燃焼器内筒の後端で流通方向が反転されて前記燃料ノズルに導入される燃焼器であって、前記流路の一部又は全部が周方向に向かって傾斜して前記圧縮空気を吹き出すことを特徴とする。

上記構成によれば、接続部材を通過した後の圧縮空気の流れが傾斜し、スワールがかけられることにより、燃料と圧縮空気との混合が促進されるため、より均一な予混合気を形成することができる。
また、圧縮空気の流れにスワールがかけられることで、接続部材によって発生するウェーク（後流渦）の消失を早めることができる。これにより、接続部材による圧縮空気流の乱れが抑制され、均一な予混合気の形成を促進させることができる。

上記燃焼器において、前記燃料ノズルは、軸線に沿って延びるパイロットノズルと、前記軸線の周方向に間隔をあけて複数配置され、その少なくとも一つから燃料を噴射するメインノズルと、を有し、前記圧縮空気はメインノズルに導入される構成としてもよい。

上記燃焼器において、前記接続部材は板状部材であり、前記接続部材の延在方向は前記径方向に対して所定の角度をなしている構成としてもよい。

上記構成によれば、従来の構成要素である接続部材を利用できるため、圧縮空気にスワールをかけるための新たな構成要素を追加する必要がない。

上記燃焼器において、前記接続部材の内部に形成された燃料通路と、前記接続部材の表面に形成され、前記燃料通路から燃料を噴射する燃料噴射孔と、を有する構成としてもよい。

上記構成によれば、燃料ノズルのさらに上流側より燃料を噴射することにより、燃料の濃度分布を改善することができる。また、接続部材によってスワールがかけられている箇所に燃料が噴射されることにより、燃料と圧縮空気とが混合しやすくなる。

上記燃焼器において、前記燃料噴射孔は、前記軸線方向に沿って複数形成されている構成としてもよい。

上記構成によれば、燃料が火炎面に到達するまでの滞留時間を変化させることが可能となり、燃焼振動を抑制する最適な燃料濃度分布を形成することができる。即ち、燃料が燃焼するまでの時間遅れを調整することが可能となり、燃焼振動の抑制に寄与する構造とすることができる。

上記燃焼器において、前記接続部材は、前記車室との接続部において湾曲して形成されている構成としてもよい。

上記構成によれば、接続部材を通過した後の圧縮空気の流れに、より確実にスワールをかけることができる。

また、本発明は上記いずれかの燃焼器を備える回転機械を提供する。

本発明によれば、接続部材を通過した後の圧縮空気の流れが傾斜し、スワールがかけられることにより、燃料と圧縮空気との混合が促進され、より均一な予混合気を形成することができる。

本発明の第一実施形態の燃焼器における内筒内部の構成を示す断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 本発明の第一実施形態の第一リブの変形例を示す断面図である。 図３のＢ−Ｂ断面図である。 本発明の第二実施形態の燃焼器における第一リブを示す側面図である。 図４のＣ−Ｃ断面図である。 本発明の第三実施形態の燃焼器における第一リブを示す、図２に対応する断面図である。 本発明の第四実施形態の燃焼器における第一リブを示す、図３に対応する断面図である。 本発明の第四実施形態の第一リブの変形例を示す断面図である。 本発明の第四実施形態の第一リブの変形例を示す断面図である。

（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の回転機械であるガスタービンのガスタービン燃焼器１（以下、単に燃焼器と呼ぶ）は、車室２の内部に収容された内筒３と、内筒３に嵌合される尾筒４と、内筒３の外周側を覆うとともに車室２の内壁に当接された外筒５とを備える。尾筒４は、中空の管状部材である。内筒３は、同じく中空の管状部材であって、その外径は尾筒４の内径よりも若干小径に形成されている。

また、燃焼器１は、パイロットノズル７とメインノズル８とからなる燃料ノズル６と、パイロットノズル７の先端側を覆うように設置されるパイロットコーン９と、メインノズル８の先端側を覆うように設置されるメインバーナ１０と、パイロットノズル７の外壁とパイロットコーン９の内壁との間に設置されるパイロットスワラ１１と、メインノズル８の外壁とメインバーナ１０の内壁との間に設置されるメインスワラ１２と、を備える。
パイロットノズル７は、燃焼器１の中心に設置されるとともに拡散燃焼を行うノズルである。メインノズル８は、パイロットノズル７の外周側の周方向に等間隔となるように複数配置されるとともに予混合燃焼を行うノズルである。

また、燃焼器１には、内筒３の軸方向（以下、単に軸方向とよぶ）他方側（図１の左側）において内筒３の更に外周に接続された複数の第一リブ１４（接続部材）が設けられている。また、燃焼器１には、軸方向一方側における外筒５と内筒３との間の空間への入り口部分に設けられた多孔板によって構成されるパンチメタル１６を支持する第二リブ１５が設けられている。この第一リブ１４と第二リブ１５とが外筒５及び内筒３に接続されることで、外筒５に内筒３が支持固定される。さらに、パイロットノズル７の下流側において、パイロットノズル７の外周面とメインノズル８とを接続する支柱１７を設けることによって、メインノズル８が固定される。

第一リブ１４は、内筒３の軸方向に長さを有する板状部材であり、軸方向一方側（図１の右側）の側面１４ａが内筒３の外周面に接続されている。また、軸方向の他端部１４ｂが外筒５に接続されている。

そして、図２に示すように、第一リブ１４は、圧縮空気の流れ方向に対して角度を付けて固定されている。具体的には、第一リブ１４は、その長手方向（図１の左右方向）が内筒３の軸線方向に沿うように配置されているとともに、短手方向（高さ方向ともいう）が、内筒３の径方向内側または外側に向かうにしたがって周方向に向かって傾斜するように固定されている。即ち、第一リブ１４は、内筒３との接続部において内筒３の外周面と第一リブ１４とは直交するように接続されておらず、第一リブ１４の延在方向は内筒３の軸線の径方向に対して所定の角度を有するように接続されている。換言すれば、第一リブ１４は、第一リブ１４によって画成される流路Ｐが周方向に向かって傾斜するように形成されている。
なお、第一リブ１４は、第一リブ１４によって画成される流路Ｐが圧縮空気の流れ方向の全長にわたって周方向に向かって傾斜するように形成されているが、流路Ｐの全部に限ることはなく、流路Ｐの一部が周方向に向かって傾斜するように形成されていればよい。

このように構成される燃焼器１において、図示しない圧縮機の出口から車室２内に排出される圧縮空気は、外筒５と内筒３との間にできる空間に、パンチメタル１６を通じて流れ込む。このパンチメタル１６は、多孔板とすることで抵抗を与えることで、燃焼器１に流れ込む圧縮空気を整流させる役割を果たす。パンチメタル１６を通じて、外筒５と内筒３との間の空間に流れ込んだ圧縮空気は、外筒５の内壁に沿って流れる。

そして、圧縮空気が外筒５の底部分（パイロットノズル７及びメインノズル８からなる燃料ノズル６の基部）で１８０°転回することで、内筒３を支持する第一リブ１４の間に流れ込み、内筒３内部に圧縮空気が供給される。そして、最終的に、燃焼器１のパイロットスワラ１１及びメインスワラ１２で旋回流が与えられて、燃料ノズル６に使用される。即ち、圧縮空気が、パイロットノズル７による拡散燃焼及びメインノズル８による予混合燃焼に使用される。

ここで、第一リブ１４が、圧縮空気の流れ方向に対して角度を付けて固定されていることによって、図２に符号Ｓで示すように、１８０°転回する圧縮空気の流れにスワール（旋回流）が与えられる。即ち、第一リブ１４を通過した後の圧縮空気の流れにスワールがかけられ、圧縮空気の流れは角度の付いた、らせん状の流れとなる。

上記実施形態によれば、第一リブ１４を通過した後の圧縮空気の流れにスワールがかけられることにより、燃料と圧縮空気との混合が促進され、より均一な予混合気を形成することができる。
また、圧縮空気の流れにスワールがかけられることで、第一リブ１４によって発生するウェーク（後流渦）の消失を早めることができる。これにより、第一リブ１４による圧縮空気流の乱れが抑制され、均一な予混合気の形成を促進させることができる。
また、従来の構成要素である第一リブ１４を利用できるため、圧縮空気にスワールをかけるための新たな構成要素を追加する必要がない。

次に、第一リブ１４の変形例について説明する。
図３及び図４に示すように、変形例の第一リブ１４は、短手方向の長さがより長くされており、内筒３の内周側（径方向中心側）に延在するような形状を有している。
このような形状とすることによって、圧縮空気により強い旋回をかけることができる。

（第二実施形態）
図５及び図６は、本発明の第二実施形態の燃焼器１の第一リブ１４Ｂを示す図である。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。

本実施形態の第一リブ１４Ｂは、長手方向の他端側（図５の左側）であって、外筒５との接続される側が湾曲形状とされている。具体的には、径方向内側または外側に向かうにしたがって周方向に向かって傾斜するとともに、軸方向他方側（図５の左側）に行くにつれ仕切り板部２１近傍で周方向に曲げて圧縮空気の軸方向のＵターン時にスワールをつけるように湾曲されている。
本実施形態の第一リブ１４Ｂは、内筒３との接続部において、内筒３の外周面と第一リブ１４Ｂとが直交するように接続されていてもよいし、角度が付けられていてもよい。また、第一リブ１４Ｂの湾曲の曲げ始め位置や、曲げ角度、曲げ方向などは、コンピュータを用いた流体解析などにより適切に決定される。

上記実施形態によれば、第一リブ１４Ｂを通過した後の圧縮空気の流れに、より確実にスワールをかけることができる。

（第三実施形態）
図７は、本発明の第二実施形態の燃焼器１の第一リブ１４Ｃを示す、図２に対応した断面図である。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。

本実施形態の第一リブ１４Ｃは中空構造とされていることによって、その内部に燃料通路１９が形成されている。また、第一リブ１４Ｃの一面であって、内筒３の外周面に向く面（内筒３の径方向内側を向く面）には、燃料噴射孔２０が形成されており、燃料通路１９に供給された燃料を燃料噴射孔２０から噴射することが可能とされている。

上記実施形態によれば、燃料ノズル６（メインノズル８）のさらに上流側より燃料を噴射することにより、燃料の濃度分布を改善することができる。さらに、第一リブ１４Ｃの内筒３に対する角度、及び燃料噴射孔２０の配置を調整することにより、燃焼器１の径方向に任意の燃料濃度分布を形成することができる。
また、第一リブ１４Ｃによってスワールがかけられている箇所に燃料が噴射されることにより、燃料と圧縮空気とが混合しやすくなる。

なお、燃料噴射孔２０は、第一リブ１４Ｃの高さ方向（短手方向）の位置を変えて複数個設置してもよい。また、第一リブ１４Ｃの片面のみならず、両面に設置してもよい。即ち、外筒５を向く他面側（内筒３の径方向外側を向く面側）に燃料噴射孔２０を設置して、流路Ｐを流通する圧縮空気の周方向両側から燃料を噴射する構成としてもよい。
また、燃料噴射孔２０は、全ての第一リブ１４Ｃに形成する必要はなく、解析の結果に応じて適宜必要な場所のみに設置すればよい。

（第四実施形態）
図８は、本発明の第四実施形態の燃焼器１の第一リブ１４Ｄを示す、図３に対応した断面図である。なお、本実施形態では、上述した第三実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。

本実施形態の第一リブ１４Ｄには、その長手方向に配列された複数（本実施形態では６つ）の燃料噴射孔２０が形成されている。燃料噴射孔２０は、軸方向他方側（上流側）から軸方向一方側（下流側）に向かうに従って、その径が小さくなるように形成されている。換言すれば、燃料噴射孔２０は、メインノズル８に近い側の径が小さくなるように形成されている。

上記実施形態によれば、燃料が火炎面に到達するまでの滞留時間を変化させることが可能となり、燃焼振動を抑制する最適な燃料濃度分布を形成することができる。即ち、燃料が燃焼するまでの時間遅れを調整することが可能となり、燃焼振動の抑制に寄与する構造とすることができる。

また、図８に示すように、上流側の径を大きくすることによって比較的上記滞留時間を長く、図９に示すように、下流側の径を大きくすることによって上記滞留時間を短くすることができる。一方で、このように径の分布を変化させることにより、メインノズル８側に供給される燃料濃度の濃淡を同時に調整することができる。

また、図示しないが、複数の燃料噴射孔２０を均一の大きさにしてもよい。複数の燃料噴射孔２０の大きさを均一に形成することによって、燃料噴射孔２０から噴射される燃料の供給を受けた直後の予混合気の均一度を高めることができる。

また、図１０に示すように、複数の燃料噴射孔２０は、第一リブ１４Ｄの高さ方向に複数列設置してもよい。また、第一リブ１４Ｄの両面に設置してもよい。

なお、本発明の技術範囲は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態で挙げた構成等は一例であり、適宜変更が可能である。
例えば、第一リブ１４は、その断面形状を翼形状としてもよい。即ち、転回する圧縮空気に適切にスワールをかけるために最適な断面形状とすることができる。

１ 燃焼器
２ 車室
３ 内筒
４ 尾筒
５ 外筒
６ 燃料ノズル
７ パイロットノズル
８ メインノズル
９ パイロットコーン
１０ メインバーナ
１１ パイロットスワラ
１２ メインスワラ
１４ 第一リブ（接続部材）
１４ａ 側面
１４ｂ 他端部
１５ 第二リブ
１６ パンチメタル
１７ 支柱
１９ 燃料通路
２０ 燃料噴射孔

Claims (7)

1. 燃料ノズルと、
   前記燃料ノズルを外周側から囲む燃焼器内筒と、
   該燃焼器内筒の後端と車室とを接続するように前記周方向に間隔をあけて複数が設けられ、前記燃焼器内筒内に導入される圧縮空気が流通する流路を画成する接続部材とを備え、
   前記流路を流れる前記圧縮空気が、前記燃焼器内筒の後端で流通方向が反転されて前記燃料ノズルに導入される燃焼器であって、
   前記流路の一部又は全部が周方向に向かって傾斜して前記圧縮空気を吹き出すことを特徴とする燃焼器。
2. 前記燃料ノズルは、
   軸線に沿って延びるパイロットノズルと、
   前記軸線の周方向に間隔をあけて複数配置され、その少なくとも一つから燃料を噴射するメインノズルと、を有し、
   前記圧縮空気はメインノズルに導入されることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器。
3. 前記接続部材は板状部材であり、前記接続部材の延在方向は前記軸線の径方向に対して所定の角度をなしていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃焼器。
4. 前記接続部材の内部に形成された燃料通路と、
   前記接続部材の面に形成され、前記燃料通路から燃料を噴射する燃料噴射孔と、を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃焼器。
5. 前記燃料噴射孔は、前記軸線方向に沿って複数形成されていることを特徴とする請求項４に記載の燃焼器。
6. 前記接続部材は、前記車室との接続部において湾曲して形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の燃焼器。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の燃焼器を備える回転機械。

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