JP2021169913A - ガスタービンの燃焼装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】構造を簡単化すると共に、装置全体の軸心方向を短くすることができるガスタービンの燃焼装置を提供する。【解決手段】このガスタービン１の燃焼装置３は、燃焼室８ａを形成する燃焼筒８と、燃焼筒８の頂部に設けられた燃料噴射器９と、燃焼室８ａよりも上流側に位置して燃料噴射器９を収納する収納室１０とを備える。燃料噴射器９は、収納室１０を貫通して燃焼室８ａに燃料Ｆを供給する燃料供給管１１と、燃料供給管１１の下流部の外側に設けられて空気を通過させるガイド部材１２とを有する。燃料供給管１１の下流部に、ガイド部材１２を通過する空気Ａに燃料Ｆを噴射して空気Ａと混合させる燃料噴射孔が設けられており、空気Ａと燃料Ｆがガイド部材１２から燃焼室８ａに供給される。【選択図】図２
Description
本発明は、ガスタービンエンジンに適用されるガスタービンの燃焼装置に関する。
ガスタービンエンジンにおいて、ＮＯｘ発生量を効果的に低減させる予混合燃焼方式を採り入れた燃焼方式、例えば、希薄予混合燃焼方式と拡散燃焼方式とを組み合わせた複合燃焼方式が提案されている（特許文献１）。
またガスタービンエンジンに使用される燃焼装置において、局所的な高温燃焼を防止してＮＯｘの発生を抑制し、且つ逆火現象を防止する技術が提案されている（特許文献２）。
またガスタービンエンジンに使用される燃焼装置において、局所的な高温燃焼を防止してＮＯｘの発生を抑制し、且つ逆火現象を防止する技術が提案されている（特許文献２）。
特許文献２では、複数の燃料噴射用環状部と、複数の燃焼空気用環状部とを同心状に交互に配置し、燃料供給母管と各燃料噴射用環状部とを、複数の分岐燃料供給管で接続しているため、燃焼装置の構造が複雑になる。また燃料供給母管と、その下流側の各燃料噴射用環状部との間に、複数の分岐燃料供給管を配置するスペースを確保する分、燃焼装置全体の軸心方向が長くなる。
本発明の目的は、構造を簡単化すると共に、装置全体の軸心方向を短くすることができるガスタービンの燃焼装置を提供することである。
本発明のガスタービンの燃焼装置は、燃焼室を形成する燃焼筒と、
前記燃焼筒の頂部に設けられた燃料噴射器と、
前記燃焼室よりも上流側に位置して前記燃料噴射器を収納する収納室とを備え、
前記燃料噴射器は、
前記収納室を貫通して前記燃焼室に燃料を供給する燃料供給管と、
前記燃料供給管の下流部の外側に設けられて空気を通過させるガイド部材とを有し、
前記燃料供給管の下流部に、前記ガイド部材を通過する空気に燃料を噴射して空気と混合させる燃料噴射孔が設けられており、前記空気と前記燃料が前記ガイド部材から前記燃焼室に供給される。
前記燃焼筒の頂部に設けられた燃料噴射器と、
前記燃焼室よりも上流側に位置して前記燃料噴射器を収納する収納室とを備え、
前記燃料噴射器は、
前記収納室を貫通して前記燃焼室に燃料を供給する燃料供給管と、
前記燃料供給管の下流部の外側に設けられて空気を通過させるガイド部材とを有し、
前記燃料供給管の下流部に、前記ガイド部材を通過する空気に燃料を噴射して空気と混合させる燃料噴射孔が設けられており、前記空気と前記燃料が前記ガイド部材から前記燃焼室に供給される。
この構成によると、燃料供給管は、収納室を貫通して前記燃焼室に燃料を供給する。燃料供給管の下流部に、ガイド部材を通過する空気に燃料を噴射して空気と混合させる燃料噴射孔が設けられ、空気と燃料がガイド部材から燃焼室に供給される。このように燃料供給管からガイド部材に至る燃料の供給経路の構造を簡略化したうえで、空気と燃料がガイド部材から燃焼室に供給されるようにした。このため、複数の燃料噴射用環状部と複数の燃焼空気用環状部とを同心状に交互に配置し、且つ複数の分岐燃料供給管を必要とする従来構造よりも、部品点数を低減して構造を簡単化することができる。また、複数の分岐燃料供給管を配置するスペース等を確保する必要がないため、前記従来構造よりも装置全体の軸心方向の長さを短くすることができる。
本発明において、前記燃焼筒とこれを覆うハウジングとの間に形成されて空気を前記収納室に導入する空気導入通路を有していてもよい。この構成によれば、空気と燃料との流動方向が逆向きの逆流型とすることができ、これにより装置全体の軸心方向をさらにコンパクト化することができる。
前記空気導入通路を有する発明において、前記収納室と前記空気導入通路を連通させる部位に空気の整流板が設けられていることが好ましい。この構成によれば、空気導入通路から導入される空気が整流板を通過することで、整流板の下流側で空気が均一な流れに整流される。
本発明において、前記ガイド部材は前記燃料供給管の軸心方向から見て円筒形または多角形であり、前記ガイド部材に前記燃料噴射孔が臨むガイド溝が形成されていてもよい。この構成によれば、ガイド部材に導入された空気は、ガイド溝を通過するとき流速が速くなる結果、燃料が空気中に円滑に吸い出されて空気との混合が促進される。
前記ガイド部材が前記円筒形または多角形である場合、前記燃料噴射孔は、前記燃料供給管の半径方向に対して０〜３０°の方向に開口し、
前記ガイド部材のガイド溝は、前記燃料供給管の軸心方向に対して０〜３０°の方向に開口し、
前記ガイド溝からの空気流出の方向は、前記燃料噴射孔に対して６０°〜９０°の角度をなすように配置されていることが好ましい。
燃料供給管の半径方向に対し燃料噴射孔の開口角度が３０°を超えると、燃料噴射孔の加工性が低下する。また燃料供給管の軸心方向に対しガイド部材の出口開口角度が３０°を超えると、燃料と空気が好適に混合されないおそれがある。燃料噴射孔に対しガイド溝の空気通路の方向が６０°未満または９０°を超えると、燃料と空気の混合が阻害される場合がある。
前記ガイド部材のガイド溝は、前記燃料供給管の軸心方向に対して０〜３０°の方向に開口し、
前記ガイド溝からの空気流出の方向は、前記燃料噴射孔に対して６０°〜９０°の角度をなすように配置されていることが好ましい。
燃料供給管の半径方向に対し燃料噴射孔の開口角度が３０°を超えると、燃料噴射孔の加工性が低下する。また燃料供給管の軸心方向に対しガイド部材の出口開口角度が３０°を超えると、燃料と空気が好適に混合されないおそれがある。燃料噴射孔に対しガイド溝の空気通路の方向が６０°未満または９０°を超えると、燃料と空気の混合が阻害される場合がある。
この構成によれば、燃料噴射孔が燃料供給管の半径方向に対して０〜３０°の方向に開口しているため、燃料噴射孔の加工を容易化でき製造コストの低減を図れる。ガイド部材のガイド溝が燃料供給管の軸心方向に対して０〜３０°の方向に開口しているため、空気と燃料が好適に混合されて燃焼室に供給される。ガイド溝からの空気通路の方向は、前記燃料噴射孔に対して６０°〜９０°の角度をなすように配置されているため、燃料の微粒子化が進み、空気と燃料とを均一に混合することができる。
前記ガイド部材が前記円筒形または多角形である場合、前記ガイド部材の内側に、前記ガイド部材と前記燃料供給管との間を通る空気をガイド部材回りに旋回させる固定の旋回羽根が配置されていることが好ましい。この構成によれば、旋回羽根により、空気と燃料との混合が促進される。
請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。
本発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、本発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。本発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
本発明の第１実施形態に係る燃焼装置が適用されるガスタービンエンジンの概略構成を示すブロック図である。
同燃焼装置の断面図である。
図２のIII-III線断面図である。
図２のIV-IV線方向から見た正面図である。
図３の一部を拡大して示す図である。
図２の要部を拡大して示す図である。
図２のVII-VII線断面図である。
本発明の第２実施形態に係る燃焼装置の一部を拡大して示す断面図である。
本発明の第３実施形態に係る燃焼装置の一部を拡大して示す断面図である。
図９のX-X線方向から見た背面図である。
同燃焼装置の旋回羽根を部分的に示す周方向断面図である。
本発明の第４実施形態に係る燃焼装置の燃料噴射器を斜め上流側から見た斜視図である。
同燃料噴射器を下流方向から見た背面図である。
同燃料噴射器の配置を示す背面図である。
同燃料噴射器を示す斜め下流側から見た斜視図である。
同燃料噴射器の縦断面図である。
第１実施形態に係る燃焼装置のシミュレーション結果を示す概略図である。
第３実施形態に係る燃焼装置のシミュレーション結果を示す概略図である。
第４実施形態に係る燃焼装置のシミュレーション結果を示す概略図である。
以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明する。
［第１の実施形態］
本発明の第１実施形態に係る燃焼装置を図１ないし図７と共に説明する。
図１に示すように、ガスタービンエンジン１は、圧縮機２と、燃焼装置３と、圧縮機２に回転軸４を介して連結されたタービン５とを備える。ガスタービンエンジンを、以後、単にガスタービン１と称する。
［第１の実施形態］
本発明の第１実施形態に係る燃焼装置を図１ないし図７と共に説明する。
図１に示すように、ガスタービンエンジン１は、圧縮機２と、燃焼装置３と、圧縮機２に回転軸４を介して連結されたタービン５とを備える。ガスタービンエンジンを、以後、単にガスタービン１と称する。
ガスタービン１では、導入した空気を圧縮機２で圧縮して燃焼装置３に導き、燃料を燃焼装置３内に噴射して前記空気と共に燃焼させ、得られた高温高圧の燃焼ガスによりタービン５を駆動する。このタービン５の駆動により圧縮機２が駆動される。ガスタービン１の出力により、例えば、航空機のロータまたは発電機等の負荷６を駆動する。燃焼装置３内に噴射される燃料として、例えば、水素ガスが適用される。以下の説明では、ガスタービン１の軸心方向における圧縮機２側を「前側」と呼び、タービン５側を「後側」と呼ぶ。
燃焼装置３は、ガスタービン１の回転軸心の回りに複数箇配置されており、図２に示すように、ガスタービン１（図１）のメインハウジングＭＨに支持されている。燃焼装置３は、ハウジング７と、燃焼筒８と、燃料噴射器９と、この燃料噴射器９を収納する収納室１０とを備える。これら燃焼装置３の構成部品は、例えば、軽量で耐熱性を有する金属等から構成されている。
＜ハウジング７＞
ハウジング７は、この燃焼装置３の外筒となる略円筒状の部材であり、燃焼筒８を収容する。ハウジング７の長手方向中間付近に、点火プラグＰが取り付けられ、この点火プラ
グＰの先端部が燃焼筒８内の燃焼室８ａに挿入されている。ハウジング７には、このハウジング７の前端を塞ぐエンドカバー１４が複数のボルト１５により固定されている。ハウジング７内における前端部には、円筒状の収納室１０がハウジング７と同心状に設けられている。収納室１０は燃焼室８ａよりも上流側に位置する。収納室１０から燃焼筒８が円筒状に延びるように設けられ、これら燃焼筒８および収納室１０は、ハウジング７に同心状に設けられる。
ハウジング７は、この燃焼装置３の外筒となる略円筒状の部材であり、燃焼筒８を収容する。ハウジング７の長手方向中間付近に、点火プラグＰが取り付けられ、この点火プラ
グＰの先端部が燃焼筒８内の燃焼室８ａに挿入されている。ハウジング７には、このハウジング７の前端を塞ぐエンドカバー１４が複数のボルト１５により固定されている。ハウジング７内における前端部には、円筒状の収納室１０がハウジング７と同心状に設けられている。収納室１０は燃焼室８ａよりも上流側に位置する。収納室１０から燃焼筒８が円筒状に延びるように設けられ、これら燃焼筒８および収納室１０は、ハウジング７に同心状に設けられる。
＜燃焼筒８＞
図２に示すように、内側に前記燃焼室８ａを形成する燃焼筒８とこれを覆うハウジング７との間には、空気導入通路１６が形成されている。空気導入通路１６は、圧縮機２（図１）で圧縮された空気Ａを収納室１０に導入する。燃焼装置３は、空気Ａと燃料Ｆとの流動方向が逆向きの逆流型として構成される。燃焼室８ａに噴射された燃料Ｆと空気Ａに、点火プラグＰで点火することにより、燃焼室８ａ内に火炎が形成されるようになっている。
図２に示すように、内側に前記燃焼室８ａを形成する燃焼筒８とこれを覆うハウジング７との間には、空気導入通路１６が形成されている。空気導入通路１６は、圧縮機２（図１）で圧縮された空気Ａを収納室１０に導入する。燃焼装置３は、空気Ａと燃料Ｆとの流動方向が逆向きの逆流型として構成される。燃焼室８ａに噴射された燃料Ｆと空気Ａに、点火プラグＰで点火することにより、燃焼室８ａ内に火炎が形成されるようになっている。
＜燃料噴射器９＞
図２に示すように、収納室１０は、燃焼室８ａよりも上流側に位置して複数の燃料噴射器９を収納する。これら燃料噴射器９は、燃焼筒８の頂部に設けられ、燃焼室８ａに燃料Ｆを噴射する。各燃料噴射器９は、収納室１０を貫通して燃料Ｆを燃焼室８ａに供給する有底筒状の燃料供給管１１と、燃料供給管１１の下流端部の外側に設けられた筒状のガイド部材１２とを有する。ガイド部材１２は燃料供給管１１の軸心Ｃ２方向から見て円筒形である。燃料供給管１１とガイド部材１２は同心であり、連結壁１３により連結されている。収納室１０と燃焼室８ａとを隔てる隔壁１７が設けられ、隔壁１７に、これを貫通して複数のガイド部材１２が取り付けられている。燃料供給管１１およびガイド部材１２と連結壁１３とは溶接され、ガイド部材１２と隔壁１７も溶接されている。
図２に示すように、収納室１０は、燃焼室８ａよりも上流側に位置して複数の燃料噴射器９を収納する。これら燃料噴射器９は、燃焼筒８の頂部に設けられ、燃焼室８ａに燃料Ｆを噴射する。各燃料噴射器９は、収納室１０を貫通して燃料Ｆを燃焼室８ａに供給する有底筒状の燃料供給管１１と、燃料供給管１１の下流端部の外側に設けられた筒状のガイド部材１２とを有する。ガイド部材１２は燃料供給管１１の軸心Ｃ２方向から見て円筒形である。燃料供給管１１とガイド部材１２は同心であり、連結壁１３により連結されている。収納室１０と燃焼室８ａとを隔てる隔壁１７が設けられ、隔壁１７に、これを貫通して複数のガイド部材１２が取り付けられている。燃料供給管１１およびガイド部材１２と連結壁１３とは溶接され、ガイド部材１２と隔壁１７も溶接されている。
図６に示すように、燃料供給管１１の周壁における連結壁１３よりも若干下流側に燃料噴射孔１８が設けられている。燃料噴射孔１８は燃料供給管１１の周壁に複数個が等間隔で配置されている。燃料噴射孔１８から噴射された燃料Ｆに対して上流から空気Ａが供給される。図５に示すように、連結壁１３には、空気を通過させる複数のガイド溝２０が形成されている。複数のガイド溝２０は周方向に等間隔で設けられている。各ガイド溝２０の下流側に燃料噴射孔１８が臨んでいる。ガイド部材１２は円筒状のガイド管１２Ａからなり、このガイド管１２Ａの内側に燃料噴射孔１８が臨むガイド溝２０が形成されている。
図３に示すように、燃料噴射器９は収納室１０内で縦横にほぼ等間隔で配置されている。図６に示すように、燃料供給管１１の複数の燃料噴射孔１８からガイド部材１２の内側に燃料Ｆを噴射して、上流からガイド溝２０を通って供給される空気Ａに、燃料噴射孔１８から噴射された燃料Ｆを混合させる。この例の燃料噴射孔１８は、燃料供給管１１の半径方向Ｒ１に対して０°の方向、つまり半径方向Ｒ１に沿って開口している。但し、燃料噴射孔１８の開口角度は前記０°に限定されるものではない。またこの例のガイド部材１２は空気流出の方向が、燃料噴射孔１８に対して９０°の角度をなすように配置されている。
図２に示すように、各燃料供給管１１は、上流部がエンドカバー１４に支持され、下流部がガイド部材１２および連結壁１３を介して隔壁１７に支持されている。これら燃料供給管１１は、各軸心Ｃ２方向が収納室１０の軸心Ｃ１方向に平行で、互いに所定間隔を隔てて配置されている。
またこの例では、図４に示すように、隣接する定められた三本の燃料供給管１１の組毎
に、外部から燃料Ｆが供給される。各燃料供給管１１の組は、それぞれの上流部が連通路２１により連通されると共に、前記連通路２１がエンドカバー１４から突出する燃料供給口２２に連通するように構成されている。各燃料供給口２２から燃料Ｆが供給される。
に、外部から燃料Ｆが供給される。各燃料供給管１１の組は、それぞれの上流部が連通路２１により連通されると共に、前記連通路２１がエンドカバー１４から突出する燃料供給口２２に連通するように構成されている。各燃料供給口２２から燃料Ｆが供給される。
＜整流板２３＞
図２に示すように、収納室１０と空気導入通路１６を連通させる部位に、空気の整流板２３が設けられている。整流板２３は、燃焼筒８の軸心Ｃ１方向と同心の円筒状に形成されている。この整流板２３の周壁には、図７に示すように、径方向に貫通する複数の貫通孔２３ａが設けられている。これら貫通孔２３ａは、円周方向および軸方向に所定間隔おきに並ぶ。図２に示すように、空気導入通路１６から導入される空気Ａが、整流板２３の複数の貫通孔２３ａ（図７）を通過することで、整流板２３の下流側で空気Ａが均一な流れに整流される。
図２に示すように、収納室１０と空気導入通路１６を連通させる部位に、空気の整流板２３が設けられている。整流板２３は、燃焼筒８の軸心Ｃ１方向と同心の円筒状に形成されている。この整流板２３の周壁には、図７に示すように、径方向に貫通する複数の貫通孔２３ａが設けられている。これら貫通孔２３ａは、円周方向および軸方向に所定間隔おきに並ぶ。図２に示すように、空気導入通路１６から導入される空気Ａが、整流板２３の複数の貫通孔２３ａ（図７）を通過することで、整流板２３の下流側で空気Ａが均一な流れに整流される。
＜作用効果＞
以上説明したガスタービン１の燃焼装置３によれば、図２の複数の燃料供給管１１が所定間隔を隔てて配置されるうえ、各燃料供給管１１の下流部に、円周方向複数の燃料噴射孔１８が設けられている。このため、燃料噴射器９から燃焼室８ａ全域にわたって均一に燃料Ｆが噴射される。これにより燃料噴射器９の全面において微細な火炎が多点で保持される。したがって、局所的な高温燃焼の発生が防止され、ＮＯｘの発生を抑制し得る。また、燃料噴射孔１８から噴射された燃料Ｆに対して上流から空気Ａが供給されるため、火炎が燃料噴射器９の内部に入り込むことがないため、逆火現象が抑制される。
以上説明したガスタービン１の燃焼装置３によれば、図２の複数の燃料供給管１１が所定間隔を隔てて配置されるうえ、各燃料供給管１１の下流部に、円周方向複数の燃料噴射孔１８が設けられている。このため、燃料噴射器９から燃焼室８ａ全域にわたって均一に燃料Ｆが噴射される。これにより燃料噴射器９の全面において微細な火炎が多点で保持される。したがって、局所的な高温燃焼の発生が防止され、ＮＯｘの発生を抑制し得る。また、燃料噴射孔１８から噴射された燃料Ｆに対して上流から空気Ａが供給されるため、火炎が燃料噴射器９の内部に入り込むことがないため、逆火現象が抑制される。
燃料供給管１１は、収納室１０を貫通して燃焼室８ａに燃料Ｆを供給する。燃料供給管１１の下流部に、ガイド部材１２の内側に燃料Ｆを噴射して空気Ａと混合させる燃料噴射孔１８が設けられ、空気Ａと燃料Ｆがガイド部材１２から燃焼室８ａに供給される。このように燃料供給管１１からガイド部材１２に至る燃料Ｆの供給経路の構造を簡略化したうえで、空気Ａと燃料Ｆがガイド部材１２から燃焼室８ａに供給されるようにした。このため、複数の燃料噴射用環状部と複数の燃焼空気用環状部とを同心状に交互に配置し、且つ複数の分岐燃料供給管を必要とする従来構造（特許文献２）よりも、部品点数を低減して構造を簡単化することができる。また、複数の分岐燃料供給管を配置するスペース等を確保する必要がないため、前記従来構造よりも装置全体の軸心方向を短くすることができる。
燃焼筒８とハウジング７との間に、空気Ａを収納室１０に導入する空気導入通路１６が形成されているので、空気Ａと燃料Ｆとの流動方向が逆向きの逆流型とすることができ、これにより装置全体の軸心方向をさらにコンパクト化することができる。
ガイド部材１２の内側に燃料噴射孔１８が臨むガイド溝２０が形成されているため、ガイド部材１２の内側に導入された空気Ａは、ガイド溝２０を通過するとき流速が速くなる結果、燃料Ｆが空気Ａ中に円滑に吸い出されて空気Ａとの混合が促進される。
ガイド部材１２の内側に燃料噴射孔１８が臨むガイド溝２０が形成されているため、ガイド部材１２の内側に導入された空気Ａは、ガイド溝２０を通過するとき流速が速くなる結果、燃料Ｆが空気Ａ中に円滑に吸い出されて空気Ａとの混合が促進される。
燃料噴射孔１８が燃料供給管１１の半径方向Ｒ１に対して０°の方向に開口しているため、燃料噴射孔１８の加工を容易化でき製造コストの低減を図れる。ガイド部材１２が燃料供給管１１の軸心Ｃ２に対して０°の方向に開口しているため、ガイド部材１２の通路、つまり空気流出の方向が燃料噴射孔１８に対して９０°の角度をなすので、空気Ａが燃料Ｆを横から切る形となって空気Ａと燃料Ｆとの混合が促進される。
＜他の実施形態について＞
以下の説明において、構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は先行して説明している形態と同様である。
以下の説明において、構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は先行して説明している形態と同様である。
［第２の実施形態］
図８に示すように、ガイド溝２０よりも上流側に燃料噴射孔１８が設けられてもよい。この例の燃料噴射孔１８は、燃料供給管１１の半径方向Ｒ１に対して、下流側に定められた角度αだけ傾斜して開口している。前記角度αは０〜３０°（＋３０°）である。この角度αにつき、燃料噴射孔１８が半径方向外方に向かうに従って軸心方向下流側に傾斜する場合の燃料噴射孔１８の傾斜角を「正」の傾斜角とする。
図８に示すように、ガイド溝２０よりも上流側に燃料噴射孔１８が設けられてもよい。この例の燃料噴射孔１８は、燃料供給管１１の半径方向Ｒ１に対して、下流側に定められた角度αだけ傾斜して開口している。前記角度αは０〜３０°（＋３０°）である。この角度αにつき、燃料噴射孔１８が半径方向外方に向かうに従って軸心方向下流側に傾斜する場合の燃料噴射孔１８の傾斜角を「正」の傾斜角とする。
ガイド部材１２のガイド溝２０は、燃料供給管１１の軸心Ｃ２に対して定められた角度βの方向に開口している。前記角度βは０〜３０°（＋３０°）である。この角度βにつき、ガイド溝２０が上流側に向かうに従って半径方向外方に傾斜する場合の傾斜角を「正」の傾斜角とする。
ガイド部材１２のガイド溝２０の通路方向は、燃料噴射孔１８に対して定められた角度γをなす。前記角度γは６０°〜９０°である。
角度α、β、γは、それぞれ設計等によって任意に定める角度であって、例えば、試験およびシミュレーションのいずれか一方または両方等により適切な角度を求めて定められる。
ガイド部材１２のガイド溝２０の通路方向は、燃料噴射孔１８に対して定められた角度γをなす。前記角度γは６０°〜９０°である。
角度α、β、γは、それぞれ設計等によって任意に定める角度であって、例えば、試験およびシミュレーションのいずれか一方または両方等により適切な角度を求めて定められる。
燃料噴射孔１８が燃料供給管１１の半径方向Ｒ１に対して０〜３０°の方向に開口しているため、燃料噴射孔１８の加工を容易化でき製造コストの低減を図れる。ガイド部材１２のガイド溝２０が燃料供給管１１の軸心Ｃ２に対して０〜３０°の方向に開口しているため、空気Ａと燃料Ｆが好適に混合されて燃焼室８ａに供給される。ガイド部材１２の通路方向は、前記燃料噴射孔１８に対して６０°〜９０°の角度をなすように配置されているため、燃料Ｆの噴射が円滑になされて空気Ａと燃料Ｆとを均一に混合することができる。
ガイド溝２０よりも下流側に燃料噴射孔１８が設けられる構成（図６参照）においても、角度αが０〜３０°、角度βが０〜３０°および角度γが６０°〜９０°が好ましい。
［第３の実施形態］
＜旋回羽根＞
図９および図１０に示すように、ガイド部材１２の内側に、連結壁１３と燃料供給管１１との間を通る空気Ａをガイド管１２回りに旋回させる固定の旋回羽根２４が配置されている。旋回羽根２４は内外輪の間に傾斜した複数の羽根２６（図１１）を固定したもので、一般にスワーラと呼ばれる。羽根２６は、図１１（図９のXI-XI線断面図）に示すように、ガイド部材１２（図１０）の軸心Ｃ２に対し、傾斜角度δで傾斜している。前記傾斜角度δは１５°〜４５°、好ましくは２０°〜４０°である。
＜旋回羽根＞
図９および図１０に示すように、ガイド部材１２の内側に、連結壁１３と燃料供給管１１との間を通る空気Ａをガイド管１２回りに旋回させる固定の旋回羽根２４が配置されている。旋回羽根２４は内外輪の間に傾斜した複数の羽根２６（図１１）を固定したもので、一般にスワーラと呼ばれる。羽根２６は、図１１（図９のXI-XI線断面図）に示すように、ガイド部材１２（図１０）の軸心Ｃ２に対し、傾斜角度δで傾斜している。前記傾斜角度δは１５°〜４５°、好ましくは２０°〜４０°である。
この構成によれば、旋回羽根２４により、空気Ａと燃料Ｆとの混合が促進され、燃焼室８ａの内部に旋回渦が形成されて安定な火炎が得られる。但し、羽根２６の傾斜角度δが４５°を超えると旋回が強過ぎて空気Ａと燃料Ｆとの混合ガスの下流への進行速度が低下して逆化現象が起きる可能性がある。
［第４の実施形態］
＜ハニカムバーナー＞
この実施形態の燃料噴射器９を図１２〜図１５に示す。図１２において、この例のガイド部材１２Ｂは、燃料供給管１１の軸心Ｃ２方向から見て六角形のガイド壁２７と、このガイド壁２７の外周面に接合された外周突部２８とを有する。図１３のように、外周突部２８は正面視で六角枠状に形成されている。図１４に示すように、径方向に隣接する複数の外周突部２８の外側縁部同士が隙間なく互いに接合されることで、複数の燃料噴射器９がハニカム形状に配置される。図１３の最外径側に位置する外周突部２８は、隔壁１７に
接合されている。前記各接合は例えば溶接によりなされる。
＜ハニカムバーナー＞
この実施形態の燃料噴射器９を図１２〜図１５に示す。図１２において、この例のガイド部材１２Ｂは、燃料供給管１１の軸心Ｃ２方向から見て六角形のガイド壁２７と、このガイド壁２７の外周面に接合された外周突部２８とを有する。図１３のように、外周突部２８は正面視で六角枠状に形成されている。図１４に示すように、径方向に隣接する複数の外周突部２８の外側縁部同士が隙間なく互いに接合されることで、複数の燃料噴射器９がハニカム形状に配置される。図１３の最外径側に位置する外周突部２８は、隔壁１７に
接合されている。前記各接合は例えば溶接によりなされる。
図１２に示すように、燃料供給管１１は、円筒状の燃料供給管本体１１ａと、この燃料供給管本体１１ａの下流側端部に連結された有底六角筒状のボックス２９とを有する。図１６に示すように、ボックス２９は、燃料供給管本体１１ａに連通し、且つ、燃料供給管本体１１ａと同心である。このボックス２９と前記ガイド壁２７は、同心であり、連結壁１３により連結されている。
ボックス２９の周壁における連結壁１３よりも若干下流側に、燃料噴射孔１８が設けられている。図１５に示すように、ボックス２９の周壁に、複数個の燃料噴射孔１８が所定間隔おきに配置されている。燃料噴射孔１８は連結壁１３に形成された各ガイド溝２０の下流側に臨んでいる。図１６に示すように、この例の燃料噴射孔１８は、ボックス２９における六角筒の各外周壁面にそれぞれ直交する方向に開口している。ガイド壁２７は、燃料供給管本体１１ａの軸心Ｃ２と平行に延びている。
以上説明したように、複数の燃料噴射器９がハニカム形状に密に配置されているので、他の実施形態よりも多数の燃料噴射器９を配置して空気Ａと燃料Ｆの混合を均一化できる。燃料噴射孔１８は、ボックス２９における六角筒の各外周壁面にそれぞれ直交する方向に開口しているので、燃料噴射孔１８の加工を容易化でき製造コストの低減を図れる。ガイド壁２７は、燃料供給管本体１１ａの軸心Ｃ２と平行に延びているため、ガイド壁２７の通路方向、つまり空気流出方向は燃料噴射孔１８に対して９０°の角度をなす。このため、空気Ａが燃料Ｆを横から切る形となって空気Ａと燃料Ｆとの混合が促進される。その他、前述の実施形態と同様の作用効果を奏する。なお、ガイド壁２７は六角形には限定されず三角形以上の多角形でもよい。
＜計算流体力学によるシミュレーション結果について＞
図１７は、第１実施形態（図２〜７）に係る燃焼装置のシミュレーション結果を示す。ただし、図１７のシミュレーションでは、ガイド管１２Ａの下流側端部である突出部１２Ａａ（図６では二点鎖線で表示）が、燃料供給管１１の下流側端よりも下流側に若干延びている。このシミュレーション結果によれば、燃焼室８ａの内部において、燃料供給管１１の下流側に生じる低圧領域８ａａに渦Ｖ１が発生するが、ガイド溝２０を通る空気Ａによって渦Ｖ１の径方向への膨らみが抑制され、低圧領域８ａａ内での燃料Ｆと空気Ａの混合が促進される。また、突出部１２Ａａの下流側の低圧領域８ａｂに生じる逆流渦Ｖ２の大きさが確保され、低圧領域８ａｂ内での混合も促進される。これにより、燃焼ガスの均質化が促進され、火炎が安定化する。
図１８に示す第３実施形態（図９〜図１１）に係る燃焼装置のシミュレーション結果によれば、旋回羽根２４により、燃料供給管１１の下流側に旋回渦ＲＶが形成されて混合ガスが径方向に広がるので逆流領域が形成される。これにより、下流に延びる安定な火炎３１が得られる。
図１９に示す第４実施形態（図１２〜１６）に係るハニカムバーナ型の燃焼装置のシミュレーション結果によれば、燃焼室８ａの内部において、ボックス２９の下流側で逆流渦Ｖ３が発生する結果、燃焼ガスの均質化が図れ,火炎が安定化する。
図１７は、第１実施形態（図２〜７）に係る燃焼装置のシミュレーション結果を示す。ただし、図１７のシミュレーションでは、ガイド管１２Ａの下流側端部である突出部１２Ａａ（図６では二点鎖線で表示）が、燃料供給管１１の下流側端よりも下流側に若干延びている。このシミュレーション結果によれば、燃焼室８ａの内部において、燃料供給管１１の下流側に生じる低圧領域８ａａに渦Ｖ１が発生するが、ガイド溝２０を通る空気Ａによって渦Ｖ１の径方向への膨らみが抑制され、低圧領域８ａａ内での燃料Ｆと空気Ａの混合が促進される。また、突出部１２Ａａの下流側の低圧領域８ａｂに生じる逆流渦Ｖ２の大きさが確保され、低圧領域８ａｂ内での混合も促進される。これにより、燃焼ガスの均質化が促進され、火炎が安定化する。
図１８に示す第３実施形態（図９〜図１１）に係る燃焼装置のシミュレーション結果によれば、旋回羽根２４により、燃料供給管１１の下流側に旋回渦ＲＶが形成されて混合ガスが径方向に広がるので逆流領域が形成される。これにより、下流に延びる安定な火炎３１が得られる。
図１９に示す第４実施形態（図１２〜１６）に係るハニカムバーナ型の燃焼装置のシミュレーション結果によれば、燃焼室８ａの内部において、ボックス２９の下流側で逆流渦Ｖ３が発生する結果、燃焼ガスの均質化が図れ,火炎が安定化する。
本発明では、小型の燃焼装置３の場合、燃料供給管１１は１本でも可能である。
燃焼装置３に適用される燃料Ｆは、水素ガスに限定されるものではない。燃料Ｆは、例えば、水素ガスと他の燃料ガス（天然ガス、ＣＯなど）の混合燃料、または水素を含まない他の燃料ガス（天然ガス、ＣＯなど）であってもよい。
燃焼装置３に適用される燃料Ｆは、水素ガスに限定されるものではない。燃料Ｆは、例えば、水素ガスと他の燃料ガス（天然ガス、ＣＯなど）の混合燃料、または水素を含まない他の燃料ガス（天然ガス、ＣＯなど）であってもよい。
以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、その
ようなものも本発明の範囲内に含まれる。
ようなものも本発明の範囲内に含まれる。
１…ガスタービン、３…燃焼装置、７…ハウジング、８…燃焼筒、８ａ…燃焼室、９…燃料噴射器、１０…収納室、１１…燃料供給管、１２，１２Ｂ…ガイド部材、１６…空気導入通路、１８…燃料噴射孔、２０…ガイド溝、２３…整流板、２４…旋回羽根、Ａ…空気、Ｆ…燃料
Claims (6)
- 燃焼室を形成する燃焼筒と、
前記燃焼筒の頂部に設けられた燃料噴射器と、
前記燃焼室よりも上流側に位置して前記燃料噴射器を収納する収納室とを備え、
前記燃料噴射器は、
前記収納室を貫通して前記燃焼室に燃料を供給する燃料供給管と、
前記燃料供給管の下流部の外側に設けられて空気を通過させるガイド部材とを有し、
前記燃料供給管の下流部に、前記ガイド部材を通過する空気に燃料を噴射して空気と混合させる燃料噴射孔が設けられており、前記空気と前記燃料が前記ガイド部材から前記燃焼室に供給されるガスタービンの燃焼装置。 - 請求項１に記載のガスタービンの燃焼装置において、前記燃焼筒とこれを覆うハウジングとの間に形成されて空気を前記収納室に導入する空気導入通路を有するガスタービンの燃焼装置。
- 請求項２に記載のガスタービンの燃焼装置において、前記収納室と前記空気導入通路を連通させる部位に空気の整流板が設けられているガスタービンの燃焼装置。
- 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のガスタービンの燃焼装置において、前記ガイド部材は前記燃料供給管の軸心方向から見て円筒形または多角形であり、前記ガイド部材に前記燃料噴射孔が臨むガイド溝が形成されているガスタービンの燃焼装置。
- 請求項４に記載のガスタービンの燃焼装置において、前記燃料噴射孔は、前記燃料供給管の半径方向に対して０〜３０°の方向に開口し、
前記ガイド部材のガイド溝は、前記燃料供給管の軸心方向に対して０〜３０°の方向に開口し、
前記ガイド溝からの空気流出の方向は、前記燃料噴射孔に対して６０°〜９０°の角度をなすように配置されているガスタービンの燃焼装置。 - 請求項４または請求項５に記載のガスタービンの燃焼装置において、前記ガイド部材の内側に、前記ガイド部材と前記燃料供給管との間を通る空気をガイド部材回りに旋回させる固定の旋回羽根が配置されているガスタービンの燃焼装置。
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