JP2017053523A

JP2017053523A - ガスタービン用燃焼器

Info

Publication number: JP2017053523A
Application number: JP2015176598A
Authority: JP
Inventors: 正宏内田; Masahiro Uchida
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2015-09-08
Filing date: 2015-09-08
Publication date: 2017-03-16

Abstract

【課題】燃焼室出口に火炎温度の高温域が残るのを防ぎ得るガスタービン用燃焼器を提供する。【解決手段】燃焼室２１を有する中空環状のライナ２０、燃料と圧縮空気ＣＡとの混合気の旋回流Ｔを燃焼室２１内に送るバーナ１３、ライナ２０のアウタ周壁２３に配置されたアウタ希釈孔２４ａ、ライナ２０のインナ周壁２５に配置されたインナ希釈孔２６ａを備え、両希釈孔２４ａ，２６ａの各列は２列並べて配置され、ライナ分割部３０をアウタ燃焼領域３１，３２及びインナ燃焼領域３３，３４に分けた場合、旋回流Ｔがインナ側から入る一方のアウタ燃焼領域３１のアウタ希釈孔及びアウタ側から入る他方のインナ燃焼領域３４のインナ希釈孔の各総開口面積を、旋回流Ｔが他方のインナ側から入る一方のインナ燃焼領域３３のインナ希釈孔及び一方のアウタ側から入る他方のアウタ燃焼領域３２のアウタ希釈孔の各総開口面積よりも大きく設定した。【選択図】図３

Description

本発明は、例えば、航空機用ガスタービンにおいて、燃料と空気との混合気を燃焼させて燃焼ガスを生成するアニュラ型のガスタービン用燃焼器に関するものである。

上記したようなガスタービン用燃焼器としては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。
このガスタービン用燃焼器は、外側ライナ及び内側ライナを具備して内部を燃焼室とした全体で中空環状を成すライナを備えている。このライナは、圧縮機からの圧縮空気の流れの中に配置され、圧縮空気の流れの上流側に位置する隔壁には、燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射器と、この燃料噴射器から噴射される燃料に圧縮空気を混ぜて燃焼室に旋回流として送り込んで燃焼させる旋回カップとからなるバーナが周方向に沿って間隔をおいて複数配置されている。

また、ライナを構成する外側ライナ及び内側ライナには、圧縮空気を燃焼室内に導入する複数の希釈孔が周方向に沿って互いに間隔をおいてそれぞれ配置されており、外側ライナ及び内側ライナの各希釈孔は、互いに対向するようにして配置されている。外側ライナ及び内側ライナの各希釈孔の列は、いずれもライナの軸心方向に２列並べて配置されており、外側ライナ及び内側ライナにおける各２列目の希釈孔（２次希釈孔）も、互いに対向するようにして配置されている。

このようなガスタービン用燃焼器において、燃焼室出口に局所的に火炎温度の高い領域が存在すると、このガスタービン用燃焼器の後に続くタービンの破損が懸念されることから、希釈孔の大きさや配置する位置を調整することで、燃焼室内及び燃焼室出口の温度分布の均質化を図っている。

特開2001-147017号公報

しかしながら、上記した従来のガスタービン用燃焼器では、外側ライナの希釈孔及び内側ライナの希釈孔が互いに対向するようにして配置されているので、バーナの旋回カップが作り出す旋回流の向きにかかわらず、いずれか一方の希釈孔は旋回流に逆らわない部位に位置し、いずれか他方の希釈孔は旋回流に逆らう部位に位置することとなる。

つまり、旋回流に逆らわない部位に位置する一方の希釈孔では、圧縮空気をスムーズに導入することができるものの、旋回流に逆らう部位に位置する他方の希釈孔では、圧縮空気の導入量が少なく抑えられてしまい、その結果、圧縮空気流量の不均一により燃焼室内の温度分布が不均一になって、燃焼室出口に火炎温度の高い領域が残存してしまう可能性があるという問題を有しており、この問題を解決することが従来の課題となっている。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、燃焼室内の温度分布が不均一になるのを回避することができ、その結果、燃焼室出口に火炎温度の高い領域が残存するのを防ぐことが可能であるガスタービン用燃焼器を提供することを目的としている。

上記した目的を達成するべく、本発明の第１の態様は、内部を燃焼室として圧縮空気の流れの中に配置された中空環状のライナと、前記ライナにおける前記圧縮空気の流れの上流側に周方向に沿って間隔をおいて複数配置されて、燃料と前記圧縮空気との混合気を前記燃焼室内に旋回流として送り込んで燃焼させるバーナと、前記ライナの前記バーナよりも遠心側に位置するアウタ周壁に周方向に沿って互いに間隔をおいて配置されて、前記圧縮空気を前記ライナの燃焼室内に導入する複数のアウタ希釈孔と、前記ライナの前記バーナよりも求心側に位置するインナ周壁に周方向に沿って互いに間隔をおいて配置されて、前記圧縮空気を前記ライナの燃焼室内に導入する複数のインナ希釈孔を備え、前記アウタ希釈孔及び前記インナ希釈孔の周方向の各列は、いずれも前記ライナの軸心方向に２列又は３列並べて配置され、前記中空環状のライナを前記バーナの数のライナ分割部に区分けすると共に、該ライナ分割部を前記バーナよりも遠心側で且つ該バーナの周方向両側に位置する２つのアウタ燃焼領域及び前記バーナよりも求心側で且つ該バーナの周方向両側に位置する２つのインナ燃焼領域の合計４つの燃焼領域に分けた場合において、前記バーナからの旋回流が一方のインナ燃焼領域から入り込む一方のアウタ燃焼領域に位置するアウタ希釈孔及び前記バーナからの旋回流が他方のアウタ燃焼領域から入り込む他方のインナ燃焼領域に位置するインナ希釈孔の各総開口面積が、前記バーナからの旋回流が他方のインナ燃焼領域から入り込む一方のインナ燃焼領域に位置するインナ希釈孔及び前記バーナからの旋回流が一方のアウタ燃焼領域から入り込む他方のアウタ燃焼領域に位置するアウタ希釈孔の各総開口面積よりも大きく設定されている構成としている。

また、本発明の第２の態様は、前記バーナに最も近い第１の列に含まれる前記アウタ希釈孔及び第１の列に含まれる前記インナ希釈孔の各サイズに変化を持たせることで、前記一方のアウタ燃焼領域に位置するアウタ希釈孔及び前記他方のインナ燃焼領域に位置するインナ希釈孔の各総開口面積を前記他方のアウタ燃焼領域に位置するアウタ希釈孔及び前記一方のインナ燃焼領域に位置するインナ希釈孔の各総開口面積よりも大きくしている構成としている。

さらに、本発明の第３の態様において、少なくとも前記バーナから数えて２列目に位置する第２の列に含まれる前記アウタ希釈孔及び第２の列に含まれる前記インナ希釈孔は、前記バーナに最も近い第１の列に含まれる前記アウタ希釈孔及び第１の列に含まれる前記インナ希釈孔に対して互い違いに配置されている構成としている。

本発明に係るガスタービン用燃焼器では、燃焼室内の温度分布が不均一になるのを回避することができ、その結果、燃焼室出口に火炎温度の高い領域が残存するのを防ぐことが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の一実施例によるガスタービン用燃焼器を備えたターボジェットエンジンの断面説明図である。図１に示したガスタービン用燃焼器の部分断面説明図である。図２のＸ−Ｘ線位置での断面説明図である。図３に示したガスタービン用燃焼器のアウタ周壁の部分平面説明図である。図１に示したガスタービン用燃焼器の第１，第２の列におけるアウタ希釈孔の他の配置パターン説明図（ａ）及び第１の列におけるアウタ希釈孔の他の配置パターン説明図（ｂ），（ｃ）である。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１〜図４は本発明に係るガスタービン用燃焼器の一実施例を示しており、この実施例では、ガスタービン用燃焼器がターボジェットエンジン用の燃焼器である場合を例に挙げて説明する。

図１に示すように、このターボジェットエンジン（ガスタービン）１は、圧縮機２と、アニュラ型の燃焼器である環状燃焼器（ガスタービン用燃焼器）１０と、タービン３を円筒状ケース４に収容して成っている。

円筒状ケース４の前部（図示左部）に位置する圧縮機２は、円筒状ケース４側に固定された圧縮機静翼２ａ及びエンジン軸心Ｌ上に位置するタービン軸６に固定されてエンジン軸心Ｌ回りに回転する圧縮機動翼２ｂを具備している。この圧縮機２は、円筒状ケース４の吸気口４ａから入り込んだ空気Ａを圧縮機静翼２ａと圧縮機動翼２ｂとの間で圧縮して、環状燃焼器１０の燃焼器ケース１１内に供給する。

環状燃焼器１０は、燃料と燃焼器ケース１１内に供給される圧縮機２で圧縮された圧縮空気ＣＡとの混合気を燃焼させて、高温高圧の燃焼ガスＧをタービン３に供給する。

円筒状ケース４の後部（図示右部）に位置するタービン３は、円筒状ケース４側に固定されたタービン静翼３ａ及びタービン軸６に固定されてエンジン軸心Ｌ回りに回転するタービン動翼３ｂを具備している。このタービン３では、タービン静翼３ａとタービン動翼３ｂとの間で環状燃焼器１０からの高温高圧の燃焼ガスＧを膨張させて、回転エネルギを得るものとなっており、このターボジェットエンジン１は、タービン３で得られる回転エネルギによって圧縮機２の圧縮機動翼２ｂを回しつつ、燃焼ガスＧを円筒状ケース４の排気口４ｂからジェット噴流Ｊとして噴出させることで推進力を得る。

この場合、環状燃焼器１０は、図２に示すように、燃焼器ケース１１の内部にライナ２０を収めて成っている。
このライナ２０は、アウタ周壁２３及びインナ周壁２５を具備して内部を燃焼室２１とした全体で中空環状を成すもので、このライナ２０の上流側の隔壁（図示左側隔壁）２２には、バーナ１３が周方向に沿って間隔をおいて複数配置されている。

このバーナ１３は、燃料供給管１２を介して供給される燃料を燃焼室２１に噴射する燃料噴射弁１３ａと、ライナ２０の隔壁２２に装着されて、燃焼室２１に圧縮空気ＣＡを取り込む筒状のスワラ１３ｂを備えており、このバーナ１３では、上記燃料と圧縮空気ＣＡとの混合気を燃焼室２１内に旋回流として送り込んで火炎を生じさせるようになっている。

また、図３にも示すように、ライナ２０のバーナ１３よりも外径側（遠心側；図３上側）に位置するアウタ周壁２３には、圧縮空気ＣＡを燃焼室２１内に導入する複数のアウタ希釈孔２４ａが周方向に沿って互いに間隔をおいて配置されている。

さらに、このアウタ希釈孔２４ａと同様に、ライナ２０のバーナ１３よりも内径側（求心側；図３下側）に位置するインナ周壁２５にも、圧縮空気ＣＡを燃焼室２１内に導入する複数のインナ希釈孔２６ａが周方向に沿って互いに間隔をおいて配置されている。

この実施例において、アウタ希釈孔２４ａ及びインナ希釈孔２６ａが周方向に並ぶ各列は、図４に示すように、いずれもライナ２０の軸心２０Ｌ方向（図４上下方向）に２列並べて配置されており、バーナ１３から２列目の第２の列２４Ｂに含まれるアウタ希釈孔２４ａ及び第２の列２６Ｂに含まれるインナ希釈孔２６ａは、バーナ１３に最も近い１列目の第１の列２４Ａに含まれるアウタ希釈孔２４ａ及び第１の列２６Ａに含まれるインナ希釈孔２６ａに対して互い違いに配置されている。

ここで、図３に示すように、中空環状のライナ２０をバーナ１３の数のライナ分割部３０に区分けすると共に、このライナ分割部３０をバーナ１３よりも外径側（隣接するバーナ１３同士を結ぶ線Ｓよりも上側）で且つバーナ１３の周方向両側（バーナ１３を通過する径方向の線Ｕの左右側）に位置する２つのアウタ燃焼領域３１，３２及びバーナ１３よりも内径側（隣接するバーナ１３同士を結ぶ線Ｓよりも下側）で且つバーナ１３の周方向両側（バーナ１３を通過する径方向の線Ｕの左右側）に位置する２つのインナ燃焼領域３３，３４の合計４つの燃焼領域３１〜３４に分ける。便宜上、図３において、バーナ１３の右側を一方とし、バーナ１３の左側を他方とする。

このライナ分割部３０において、バーナ１３からの旋回流Ｔが反時計回りに旋回する場合、４つの燃焼領域３１〜３４のうちの旋回流Ｔに逆らって圧縮空気ＣＡが導入される（圧縮空気ＣＡを導入し難い）燃焼領域は、一方のアウタ燃焼領域３１及び他方のインナ燃焼領域３４である。一方、４つの燃焼領域３１〜３４のうちの旋回流Ｔに逆らわずに圧縮空気ＣＡが導入される（圧縮空気ＣＡを導入し易い）燃焼領域は、他方のアウタ燃焼領域３２及び一方のインナ燃焼領域３３である。

そこで、この実施例では、一方のインナ燃焼領域３３から旋回流Ｔが入り込む一方のアウタ燃焼領域３１に位置するアウタ希釈孔２４ａ及び他方のアウタ燃焼領域３２から旋回流Ｔが入り込む他方のインナ燃焼領域３４に位置するインナ希釈孔２６ａの各総開口面積を、他方のインナ燃焼領域３４から旋回流Ｔが入り込む一方のインナ燃焼領域３３に位置するインナ希釈孔２６ａ及び一方のアウタ燃焼領域３１から旋回流Ｔが入り込む他方のアウタ燃焼領域３２に位置するアウタ希釈孔２４ａの各総開口面積よりも大きく設定している。

具体的には、アウタ希釈孔２４ａよりも口径の大きな大径アウタ希釈孔２４ｂを一方のアウタ燃焼領域３１における第１の列２４Ａ中に配置すると共に、インナ希釈孔２６ａよりも口径の大きな大径インナ希釈孔２６ｂを他方のインナ燃焼領域３４における第１の列２６Ａ中に配置するようにしている。
なお、この実施例では、アウタ希釈孔２４ａ，２４ｂ、インナ希釈孔２６ａ，２６ｂがいずれも円形状を成している場合を示しているが、希釈孔の形状は円形に限定されない。

このような環状燃焼器１０では、バーナ１３の燃料噴射弁１３ａ及びスワラ１３ｂによって、燃料と圧縮空気ＣＡとの混合気を燃焼室２１内に旋回流Ｔとして送り込み、この混合気に対して図示しないイグナイタによる点火を行うと、混合気が燃焼して火炎を形成しながら燃焼ガスＧが生成されることとなる。

この際、中空環状のライナ２０をバーナ１３の数で区分けして成るライナ分割部３０において、旋回流Ｔに逆らって圧縮空気ＣＡが導入される（圧縮空気ＣＡを導入し難い）一方のアウタ燃焼領域３１には、バーナ１３に近い第１の列２４Ａ中に配置された大径アウタ希釈孔２４ｂが含まれているので、圧縮空気ＣＡの導入量の減少が抑えられることとなる。

これと同じく、旋回流Ｔに逆らって圧縮空気ＣＡが導入される他方のインナ燃焼領域３４にも、第１の列２６Ａ中に配置された大径インナ希釈孔２６ｂが含まれているので、圧縮空気ＣＡの導入量の減少が抑えられることとなる。

一方、旋回流Ｔに逆らわずに圧縮空気ＣＡが導入される（圧縮空気ＣＡを導入し易い）他方のアウタ燃焼領域３２には、第１の列２４Ａ及び第２の列２４Ｂのアウタ希釈孔２４ａのみが位置しているので、圧縮空気ＣＡが必要以上に導入されることが回避される。

これと同じく、旋回流Ｔに逆らわずに圧縮空気ＣＡが導入される一方のインナ燃焼領域３３にも、第１の列２６Ａ及び第２の列２６Ｂのインナ希釈孔２６ａのみが位置しているので、圧縮空気ＣＡが必要以上に導入されることが回避される。

したがって、圧縮空気ＣＡの流量が均一化することによって、燃焼室２１内の温度分布の均一化が図られることとなり、その結果、燃焼室２１の出口に火炎温度の高い領域が残存するのを防ぎ得ることとなる。

また、この実施例の環状燃焼器１０では、バーナ１３に最も近い第１の列２４Ａに大径アウタ希釈孔２４ｂを配置すると共に、第１の列２６Ａに大径インナ希釈孔２６ｂを配置することで、一方のアウタ燃焼領域３１及び他方のインナ燃焼領域３４の各総開口面積を他方のアウタ燃焼領域３２及び一方のインナ燃焼領域３３の各総開口面積よりも大きくしているので、燃焼室２１内における圧縮空気ＣＡの流量の均一化が容易に成されることとなる。

さらに、この実施例の環状燃焼器１０では、第２の列２４Ｂに含まれるアウタ希釈孔２４ａ及び第２の列２６Ｂに含まれるインナ希釈孔２６ａが、バーナ１３に最も近い第１の列２４Ａに含まれるアウタ希釈孔２４ａ及び第１の列２６Ａに含まれるインナ希釈孔２６ａに対して互い違いに配置されるようにしているので、第１の列２４Ａにおける互いに隣接するアウタ希釈孔２４ａ，２４ａ（２４ａ，２４ｂ）の間や、第１の列２６Ａにおける互いに隣接するインナ希釈孔２６ａ，２６ａ（２６ａ，２６ｂ）の間をすり抜ける混合気に対して、確実に圧縮空気ＣＡを混合させ得ることとなる。

上記した実施例では、中空環状のライナ２０をバーナ１３の数で区分けして成るライナ分割部３０において、第１の列２４Ａ（２６Ａ）に合計３個の希釈孔２４ａ，２４ｂ（２６ａ，２６ｂ）を配置するようにしているが、他の配置例として、図５（ａ）に示すように、第１の列２４Ａに合計２個の希釈孔２４ａ，２４ｂを配置するようにしてもよい（アウタ希釈孔２４ａ，２４ｂの配置パターンのみ示す）。

また、上記した実施例では、中空環状のライナ２０をバーナ１３の数で区分けして成るライナ分割部３０において、第１の列２４Ａに２個の希釈孔２４ａと１個の大径の希釈孔２４ｂを配置するようにしているが、他の配置例として、図５（ｂ）に示すように、１個の希釈孔２４ａと２個の大径の希釈孔２４ｂを配置したり、図５（ｃ）に示すように、１個の希釈孔２４ａと１個の大径の希釈孔２４ｂと１個の中径の希釈孔２４ｃを配置したりしてもよい。

なお、中空環状のライナ２０をバーナ１３の数で区分けして成るライナ分割部３０における１列あたりの希釈孔２４ａ，２４ｂ，２６ａ，２６ｂの数や大きさは、環状燃焼器１０に要求される希釈空気の導入量及び構造強度を考慮して決定される。
そして、ライナ分割部３０における第１の列２４Ａ，２６Ａのバーナ１３からの距離や、希釈孔２４ａ，２４ｂ，２６ａ，２６ｂのレイアウト（位置や間隔）は、バーナ１３による混合気の噴霧角度θに基づいて決定される。

さらに、上記した実施例では、第２の列２４Ｂに含まれるアウタ希釈孔２４ａ及び第２の列２６Ｂに含まれるインナ希釈孔２６ａが、バーナ１３に最も近い第１の列２４Ａに含まれるアウタ希釈孔２４ａ及び第１の列２６Ａに含まれるインナ希釈孔２６ａに対して互い違いに配置されるようにしているが、第２の列２４Ｂに含まれるアウタ希釈孔２４ａ及び第２の列２６Ｂに含まれるインナ希釈孔２６ａを、第１の列２４Ａに含まれるアウタ希釈孔２４ａ及び第１の列２６Ａに含まれるインナ希釈孔２６ａに対して、ライナ２０の軸心２０Ｌ方向に並ぶように配置してもよい。

さらにまた、上記した実施例では、アウタ希釈孔２４ａ及びインナ希釈孔２６ａが周方向に並ぶ各列が、いずれもライナ２０の軸心２０Ｌ方向に２列並べて配置するようにしているが、アウタ希釈孔２４ａ及びインナ希釈孔２６ａが周方向に並ぶ各列をライナ２０の軸心２０Ｌ方向に３列並べて配置するようにしてもよい。

さらにまた、上記した実施例では、複数のバーナ１３からの旋回流Ｔが、いずれも反時計回りに旋回する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、隣接するバーナ１３からの旋回流Ｔが互いに反対方向に旋回する場合であってもよい。

本発明に係るガスタービン用燃焼器の構成は、上記した実施例に限定されるものではない。

１ターボジェットエンジン
１０燃焼器（ガスタービン用燃焼器）
１３バーナ
２０ライナ
２１燃焼室
２３アウタ周壁
２４Ａ，２４Ｂアウタ希釈孔の列
２４ａアウタ希釈孔
２４ｂ大径アウタ希釈孔
２５インナ周壁
２６Ａ，２６Ｂインナ希釈孔の列
２６ａインナ希釈孔
２６ｂ大径インナ希釈孔
３０ライナ分割部
３１一方のアウタ燃焼領域
３２他方のアウタ燃焼領域
３３一方のインナ燃焼領域
３４他方のインナ燃焼領域
Ａ空気
ＣＡ圧縮空気
Ｇ燃焼ガス
Ｔ旋回流

Claims

内部を燃焼室として圧縮空気の流れの中に配置された中空環状のライナと、
前記ライナにおける前記圧縮空気の流れの上流側に周方向に沿って間隔をおいて複数配置されて、燃料と前記圧縮空気との混合気を前記燃焼室内に旋回流として送り込んで燃焼させるバーナと、
前記ライナの前記バーナよりも遠心側に位置するアウタ周壁に周方向に沿って互いに間隔をおいて配置されて、前記圧縮空気を前記ライナの燃焼室内に導入する複数のアウタ希釈孔と、
前記ライナの前記バーナよりも求心側に位置するインナ周壁に周方向に沿って互いに間隔をおいて配置されて、前記圧縮空気を前記ライナの燃焼室内に導入する複数のインナ希釈孔を備え、
前記アウタ希釈孔及び前記インナ希釈孔の周方向の各列は、いずれも前記ライナの軸心方向に２列又は３列並べて配置され、
前記中空環状のライナを前記バーナの数のライナ分割部に区分けすると共に、該ライナ分割部を前記バーナよりも遠心側で且つ該バーナの周方向両側に位置する２つのアウタ燃焼領域及び前記バーナよりも求心側で且つ該バーナの周方向両側に位置する２つのインナ燃焼領域の合計４つの燃焼領域に分けた場合において、前記バーナからの旋回流が一方のインナ燃焼領域から入り込む一方のアウタ燃焼領域に位置するアウタ希釈孔及び前記バーナからの旋回流が他方のアウタ燃焼領域から入り込む他方のインナ燃焼領域に位置するインナ希釈孔の各総開口面積が、前記バーナからの旋回流が隣接する他方のインナ燃焼領域から入り込む一方のインナ燃焼領域に位置するインナ希釈孔及び前記バーナからの旋回流が一方のアウタ燃焼領域から入り込む他方のアウタ燃焼領域に位置するアウタ希釈孔の各総開口面積よりも大きく設定されているガスタービン用燃焼器。
前記バーナに最も近い第１の列に含まれる前記アウタ希釈孔及び第１の列に含まれる前記インナ希釈孔の各サイズに変化を持たせることで、前記一方のアウタ燃焼領域に位置するアウタ希釈孔及び前記他方のインナ燃焼領域に位置するインナ希釈孔の各総開口面積を前記他方のアウタ燃焼領域に位置するアウタ希釈孔及び前記一方のインナ燃焼領域に位置するインナ希釈孔の各総開口面積よりも大きくしている請求項１に記載のガスタービン用燃焼器。
少なくとも前記バーナから数えて２列目に位置する第２の列に含まれる前記アウタ希釈孔及び第２の列に含まれる前記インナ希釈孔は、前記バーナに最も近い第１の列に含まれる前記アウタ希釈孔及び第１の列に含まれる前記インナ希釈孔に対して互い違いに配置されている請求項２に記載のガスタービン用燃焼器。