JP4043440B2 - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン燃焼器に関するものであり、更に詳しくは、燃焼器内の空気流を整える構造に関するものである。

従来のガスタービン燃焼器の概要について説明する。図５は、従来のガスタービン燃焼器の概略構成を模式的に示す図であり、同図（ａ）は縦断面図、同図（ｂ）はＡＡ断面図である。ガスタービン燃焼器は、同図に示すように、外筒６とこれに同心状に囲まれた内筒７とを有しており、内筒７の軸心位置には、パイロットコーン８に連通したパイロットノズル５が配置されている。内筒７前端（図の左側）外周には、予混合器としての後述する各メインバーナ９間の位置より延びて外筒６底部へと達する内筒サポート１が設けられており、これにより内筒７を外筒６に固定している。

パイロットノズル５の周囲には、メインバーナ９に連通したメインノズル３が配設されており、また内筒７はその後端（図の右側）で図示しない尾筒に連絡している。また、内筒７とこれを囲んだ外筒６との間には、矢印で示すように空気が供給される空気流路１０が形成されており、その入口にはパンチングメタル等より成る整流板１１が設けられている。内筒７の前端付近には、断面が例えばＣ形状で全体がリング状のターニングベーン２が配置されており、これにより供給空気がスムーズに流れるようにしている。

メインバーナ９内において、メインノズル３の周囲にはメインスワラ４が設けられている。このメインスワラ４の空気流上流側において、メインノズル３外周面の平板ノズル３ａから燃料（メイン燃料）が噴出される。そして、この燃料はメインスワラ４の働きにより、メインバーナ９において前記空気流路１０からの空気と混合し、予混合気を形成する。

その他、パイロットノズル５の先端の噴出孔からは、燃料（パイロット燃料）が噴出される。そして、この燃料はパイロットノズル５の周囲に設けられた前記パイロットコーン８等により拡散火炎を形成し、保炎性を高めている。以上のようにして、パイロットは拡散炎として火炎を安定させ、メインは予混合炎として低ＮＯｘ化を図っている。

燃焼器内の空気の主な流れを述べると、図示しない車室から上記整流板１１を経て空気流路１０へと流入した空気がターニングベーン２で１８０°ターンする。その後、メインノズル３から噴出される燃料と混合され、更にメインスワラ４で旋回をかけられ抜けていく。この場合、低ＮＯｘ化を図るには、燃焼器出口の燃料濃度分布が均一であれば良いことが知られている。

その他、燃焼器内を流れる空気流の偏流及び乱れを減少させ、これに伴い燃焼不安定を軽減するような構造としたガスタービン燃焼器が開示されている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、円筒の上流端周囲を半円形断面形状で所定の隙間を保って覆うようにリング状に配設したフローリングと、同フローリングの下流側で円筒内のパイロットノズル及びメインノズル間で形成される空間を閉じるように配設された多孔板とを備えた構成としている。
特開２０００−３４６３６１号公報

しかしながら、上記図５で説明したような従来からの燃焼器では、車室から流入した空気がターニングベーン２で１８０°ターンするときに、流れの内側が剥離し、メインノズル３付近の流速分布が不均一となる。そのため、燃料と空気の混合が不均一になる恐れがある。また、上記特許文献１に記載されている構成では、空気流の整流のための部材を別途設けた構造としているが、空気流路中に配置される内筒サポートの影響については言及されていない。

本発明は、このような問題点に鑑み、簡単な構成で、新規の部材を設けることなく、メインノズル付近の流速分布を均一にし、燃料混合気の均一化を図ることが可能なガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、内筒と、その内筒の軸心位置に配置されたパイロットノズルと、そのパイロットノズルの周囲に配設され外周に予混合器を備えたメインノズルと、前記内筒の前端付近に断面がＣ形状で全体がリング状となるターニングベーンを有し、前記内筒を囲んだ外筒との間に形成される空気流路中に配設され前記内筒を前記外筒に固定する内筒サポートを備えたガスタービン燃焼器において、前記内筒サポートが、前記内筒の軸心と前記予混合器の中心とを結ぶ略延長線上において、前記予混合器に対して前記内筒の半径方向外側に配置され、前記ターニングベーンに通過させる空気の流れを乱すことを特徴とする。

また、前記内筒を囲んだ外筒との間に形成される空気流路中に配設され前記内筒を前記外筒に固定する補助内筒サポートを備え、前記補助内筒サポートが、前記予混合器に対して前記内筒の半径方向外側に、前記予混合器と同数或いは整数倍数で配設されていることを特徴とする。また、前記内筒サポートの周方向配置位置の許容範囲は、隣接する前記予混合器同士の前記内筒軸心に関して成す配置角度を１ピッチとして、±０．２ピッチ内であることを特徴とする。

本発明によれば、簡単な構成で、新規の部材を設けることなく、メインノズル付近の流速分布を均一にし、燃料混合気の均一化を図ることが可能なガスタービン燃焼器を提供することができる。

具体的には、内筒サポートが少なくとも内筒の軸心と予混合器の中心とを結ぶ略延長線上で、且つ予混合器に対して内筒の半径方向外側に配置されている構成とすることにより、予混合器に入る空気の流れに剥離が起こらないようにして、メインノズル付近の流速分布を均一にし、燃料混合気の均一化を図ることができる。

また、内筒サポートが予混合器と同数或いは整数倍数で配設されている構成とすることにより、メインノズル付近の流速分布の均一化の効果を更に高めることができる。また、内筒サポートの周方向配置領域の許容範囲を、隣接する前記予混合器同士の内筒軸心に関して成す配置角度を１ピッチとして、±０．２ピッチ内である構成とすることにより、メインノズル付近の流速分布の均一化の効果を更に高めることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。上述したような従来からの燃焼器において、内筒サポートの空気流下流側では、流れの剥離が起こらないことが見出されている（後述）。ところが、従来からの燃焼器では、軸方向（空気流方向）から見てメインバーナ間の内筒外周位置に内筒サポートが設置してあるので、このような内筒サポートによる効果がメインバーナで得られない状態となっている。そこで、本発明では、内筒サポートをメインバーナ側に配置し、メインバーナに入る空気の流れに剥離が起こらないようにしている。

図１は、本発明の実施例１に係るガスタービン燃焼器の概略構成を模式的に示す図であり、図５のＡＡ断面図と同じ断面を示している。同図は内筒７の内部において、中心のパイロットノズル５周りにメインバーナ９を周方向に等間隔で８個配設した例を示している。配設の個数はこれに限定されるものではない。従来は内筒７外周に、内筒サポート１を破線で示すように各メインバーナ９間に配設していた。

本実施例では、これらを矢印のように内筒７軸心周りに回転（具体的には２２．５゜）した位置、即ち各メインバーナ９側に実線で示すようにそれぞれ配設した構成としている。これは、内筒７の軸心とメインバーナ９の中心とを結ぶ略延長線上で、且つメインバーナ９に対して内筒７の半径方向外側の位置となっている。これにより、メインバーナ９に入る空気の流れに剥離が起こらないようにして、メインノズル３付近の流速分布を均一にし、燃料混合気の均一化を図っている。なお、各内筒サポート１の周方向配置領域の許容範囲は、隣接するメインバーナ９同士の内筒７軸心に関して成す配置角度を１ピッチとすると、±０．２ピッチ内としている。これにより、メインノズル付近の流速分布の均一化の効果を更に高めることができる。

図２は、本発明の実施例２に係るガスタービン燃焼器の概略構成を模式的に示す図であり、図５のＡＡ断面図と同じ断面を示している。本実施例では、従来の各メインバーナ９間に配設している内筒サポート１を残したまま、これに加えて各メインバーナ９側にもそれぞれ内筒サポート１を配設した構成としている。つまり、内筒サポート１は実施例１のように各メインバーナ９と同数で配設されるか、或いは本実施例のように整数倍数で配設された構成となる。

整数倍配設する場合は、必ず各メインバーナ９側にそれぞれ内筒サポート１を配設した上で、それらの間に別の内筒サポート１を周方向になるべく等間隔で配設する。これにより、メインノズル付近の流速分布の均一化の効果を更に高めることができる。但し、あまり多数配設すると空気流路の圧力損失が高くなるので望ましくない。なお、各内筒サポート１の周方向配置領域の許容範囲は、実施例１と同様に±０．２ピッチ内としている。

図３は、本発明の実施例３に係るガスタービン燃焼器の概略構成を模式的に示す縦断面図である。本実施例では、各メインバーナ９を９ａで示すように空気流上流側に延長し、メインノズル３外周面の平板ノズル３ａも内部に含んだ状態としている。このように、メインバーナ９を空気流上流側に延長することにより、メインバーナ９内の空気流を整流し、しかもいわゆるフラッシュバックを回避することが可能となる。

本実施例では、上記実施例１或いは実施例２に対して、実施例３を組み合わせる構成としている。これにより、より効果的にメインノズル付近の流速分布を均一にし、燃料混合気の均一化を図ることを可能としている。

以下に、内筒サポートの空気流下流側では流れの剥離が起こらない理由について説明する。図４は、メインバーナ内の空気流の速度分布を示す図であり、図１の或るメインバーナ９付近を拡大して図示している。同図において、メインバーナ９の中心に対して内筒７の半径方向外側を０゜とし、右回りに一周した角度における空気流の速度分布を、中心からの距離で表している。

さて、内筒サポート１が同図の１ａで示すように、従来位置即ちメインバーナ間に配設されている場合、メインバーナ側の空気の流れは上記ターニングベーン２通過後に内筒７の内壁付近で一部剥離する。この流れがメインバーナ９に流入すると、同図の実線ａで示すような速度分布となる。即ち０゜付近は剥離の影響で速度が遅くなり、反対側の１８０゜付近で速度が速くなる。

これに対し、内筒サポート１を同図の１ｂで示すように、実施例１の位置即ちメインバーナ側の位置にズラすと、内筒サポート１の下流側で空気の流れが乱され、この乱れのエネルギーが、ターニングベーン２通過時に発生する剥離流れにエネルギーを供給するため、内筒サポート１下流のターニングベーン２通過時の剥離が抑制されると考えられる。この時のメインバーナ９内の速度分布を同図の実線ｂで示す。これは、破線ｃで示した全周が等しい速度分布を持つ状態に近くなっている。これにより、速度分布が均一化されることが分かる。

なお、特許請求の範囲で言う予混合器は、実施例におけるメインバーナに対応している。

本発明の実施例１に係るガスタービン燃焼器の概略構成を示す図。 本発明の実施例２に係るガスタービン燃焼器の概略構成を示す図。 本発明の実施例３に係るガスタービン燃焼器の概略構成を示す縦断面図。 メインバーナ内の空気流の速度分布を示す図。 従来のガスタービン燃焼器の概略構成を示す図。

符号の説明

１ 内筒サポート
２ ターニングベーン
３ メインノズル
４ メインスワラ
５ パイロットノズル
６ 外筒
７ 内筒
８ パイロットコーン
９ メインバーナ
１０ 空気流路
１１ 整流板

Claims (3)

1. 内筒と、該内筒の軸心位置に配置されたパイロットノズルと、該パイロットノズルの周囲に配設され外周に予混合器を備えたメインノズルと、前記内筒の前端付近に断面がＣ形状で全体がリング状となるターニングベーンを有し、前記内筒を囲んだ外筒との間に形成される空気流路中に配設され前記内筒を前記外筒に固定する内筒サポートを備えたガスタービン燃焼器において、
   前記内筒サポートが、前記内筒の軸心と前記予混合器の中心とを結ぶ略延長線上において、前記予混合器に対して前記内筒の半径方向外側に配置され、前記ターニングベーンに通過させる空気の流れを乱すことを特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 前記内筒を囲んだ外筒との間に形成される空気流路中に配設され前記内筒を前記外筒に固定する補助内筒サポートを備え、
   前記補助内筒サポートが、前記予混合器に対して前記内筒の半径方向外側に、前記予混合器と同数或いは整数倍数で配設されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン燃焼器。
3. 前記内筒サポートの周方向配置位置の許容範囲は、隣接する前記予混合器同士の前記内筒軸心に関して成す配置角度を１ピッチとして、±０．２ピッチ内であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガスタービン燃焼器。

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