JP5092923B2 - 燃焼器 - Google Patents

Description

本発明は、酸化剤と燃料とを含む混合気が燃焼される燃焼室と、該燃焼室に供給される上記混合気に着火する着火装置とを備える燃焼器に関するものである。

周知のように、ガスタービンエンジン等に設置される燃焼器は、燃焼室を備えており、当該燃焼室において空気等の酸化剤と燃料とからなる混合気を燃焼させている。このような燃焼器は、燃焼室の内部に火炎核を形成する着火装置を備えており、外部から燃焼室に混合気が供給された後に、上記着火装置にて火炎核を形成することで混合気に着火する。

例えば、特許文献１及び特許文献２には、上記着火装置としてのイグナイタを備える燃焼器が開示されている。
そして、特許文献１及び特許文献２に開示された燃焼器は、イグナイタの先端を燃焼室の内部に突出させる構成を採用している。
また、特許文献３には、上記着火装置としての点火プラグを着火の際にのみ燃焼室の内部に突出させる燃焼器が開示されている。
特許第３９９０６７８号公報 特許第３１０９７８０号公報 特開平８−２１３１４８号公報

従来の燃焼器では、特許文献１〜３から分かるように、着火装置の先端（火炎核を形成する箇所）を燃焼室の内部よりに配置することが、混合気に対する着火性の向上に効果があると考えられていた。
しかしながら、近年の燃焼器は、燃焼効率の向上のために、燃焼室内において混合気を強旋回させたり、燃焼室の壁部を冷却するために燃焼室の内壁に沿って酸化剤を供給したりする。このため、燃焼室の内壁近傍にかなり流速の速い気流が形成される。
このような流速の早い気流が燃焼室の内壁近傍に形成されると、着火装置の先端が燃焼室の内部よりに配置されている場合には、形成された火炎核は、流速の速い気流に晒されることとなる。このため、火炎核が成長する前に上記気流の流れによって吹き飛ばされてしまい混合気に着火されない場合がある。
つまり、近年の燃焼器のように燃焼室の内壁近傍に流速の速い気流が形成される燃焼器において、従来の着火装置の先端を燃焼室の内部よりに配置する構成を採用した場合には、着火性が低下してしまう。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、燃焼室の内壁近傍に流速の速い気流が形成される燃焼器での着火性を向上させることを目的とする。

本発明は、課題を解決するための手段として以下のような構成を採用する。

第１の発明は、酸化剤と燃料とを含む混合気が燃焼される燃焼室と、該燃焼室に供給される上記混合気に着火する着火装置とを備える燃焼器であって、上記燃焼室の内壁に沿う気流を剥離させることによって、上記着火装置が火炎核を形成する領域を、上記気流よりも速度の遅い低流速流場とする低流速流場形成手段を備えるという構成を採用する。

このような構成を採用する第１の発明によれば、低流速流場形成手段にて、燃焼室の内壁に沿う気流が剥離されることによって、着火装置が火炎核を形成する領域が、上記気流よりも速度の遅い低流速流場とされる。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記低流速流場形成手段が上記燃焼室の内壁から燃焼室の外部に向けて凹むと共に上記気流を剥離させる凹部を備え、上記凹部の底部に上記着火装置の火炎核形成部が配置されているという構成を採用する。

第３の発明は、上記第２の発明において、上記凹部は、上記着火装置の火炎核形成部が配置される箇所に局所的に形成されているという構成を採用する。

第４の発明は、上記第２の発明または第３の発明において、上記低流速流場形成手段が、上記気流の剥離を促進する剥離促進手段をさらに備えるという構成を採用する。

第５の発明は、上記第４の発明において、上記剥離促進手段は、上記凹部の上記気流の流れ方向に対する上流側に配置されると共に上記内壁から上記燃焼室の内部に向けて突出する突出部であるという構成を採用する。

本発明によれば、低流速流場形成手段にて、燃焼室の内壁に沿う気流が剥離されることによって、着火装置が火炎核を形成する領域が、上記気流よりも速度の遅い低流速流場とされる。
このため、着火装置にて形成された火炎核が低流速流場にて成長することができ、火炎核が速度の速い気流によって吹き飛ばされることを抑制することができる。したがって、燃焼室の内壁近傍に流速の速い気流が形成される燃焼器での着火性を向上させることが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明に係る燃焼器の一実施形態について説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

（第１実施形態）
本実施形態の燃焼器１は、例えばガスタービン（ガスタービンエンジン）の圧縮機とタービンとの間に配置されており、ガスタービンのシャフトを中心とする環状に形状設定されている。なお、ガスタービンの構造については、周知のものであるため、ここでの説明は省略する。

図１は、本実施形態の燃焼器１の概略構成を示す断面図であり、上記ガスタービンを上記シャフトの延在方向に沿って半分に切断した場合における現れる燃焼器の２つの断面のうち１つを示すものである。

図１に示すように、本実施形態の燃焼器１は、ガスタービンが備える圧縮機の後段側に配置される燃焼筒２と、燃料を噴射して酸化剤である空気と混合し、その混合気を燃焼筒２が備える燃焼室２４に供給する燃料噴射ノズル部３と、燃焼室２４に供給された混合気に着火する点火栓４（着火装置）とを備えている。

燃焼筒２は、ガスタービンのシャフトを中心とした円周方向に配置されるアウタライナ２１と、該アウタライナ２１からシャフト側に変位して配置されるインナライナ２２と、アウタライナ２１とインナライナ２２との間に配置される燃焼隔壁２３とを備えている。そして、アウタライナ２１、インナライナ２２及び燃焼隔壁２３によって囲われた空間が燃焼室２４とされている。
すなわち、アウタライナ２１、インナライナ２２及び燃焼隔壁２３によって囲われることによって形成される燃焼室２４を備えている。

そして、燃焼筒２は、ガスタービンの圧縮機側から供給される圧縮空気の一部が、アウタライナ２１及びインナライナ２２を通過して燃焼室２４の内壁（アウタライナ２１及びインナライナ２２の表面）に沿って流れるように構成されている。
このように、燃焼室２４の内壁に沿って圧縮空気が流されることによって、燃焼の際に、燃焼室２４の壁部（アウタライナ２１及びインナライナ２２）の冷却が図られる。

燃料噴射ノズル部３は、燃焼器１において複数（例えば１２個あるいは１８個）設置されている。これらの燃料噴射ノズル部３は、ガスタービンのシャフトを中心として所定の間隔を空けながら環状に配列されている。
各燃料噴射ノズル部３は、図１に示すように、燃焼筒２の燃焼隔壁２３によって支持される噴射ノズル３１と、該噴射ノズル３１を囲むように燃焼筒２の燃焼隔壁２３によって支持される空気供給部３２とを備えている。
噴射ノズル３１は、外部から供給される燃料を霧状にして燃焼室２４に向けて噴射するように構成されている。また、空気供給部３２は、ガスタービンの圧縮機から供給される圧縮空気を、燃焼室２４内において旋回するように燃焼室２４に向けて噴射するように構成されている。

このような構成を有する燃料噴射ノズル部３によれば、噴射ノズル３１から燃料が燃焼室２４に向けて噴射され、噴射ノズル３１を囲んで配置される空気供給部３２から旋回された圧縮空気が燃焼室２４に向けて噴射される。
そして、噴射ノズル３１から噴射された燃料と空気供給部３２から噴射された圧縮空気とが混合されて混合気となり、この混合気が旋回しながら燃焼室２４に供給される。
すなわち、燃料噴射ノズル部３によって、燃焼室２４に旋回する混合気が供給されることとなる。

点火栓４は、燃焼器１において複数（例えば２個）設置されている。これらの点火栓４は、例えばガスタービンのシャフトを中心として対称な位置に配置されている。
各点火栓４は、先端４１（火炎核形成部）が燃焼室２４側に配置されており、先端４１にて火炎核を形成して、燃焼開始時に混合気に着火を行うように構成されている。

そして、本実施形態の燃焼器１は、図１に示すように、点火栓４が火炎核を形成する領域Ｒを、低流速流場とする凹部５（低流速流場形成手段）を備えている。
なお、本実施形態の燃焼器１において、低流速流場は、燃焼室２４の内壁に沿って流れる混合気の気流よりも速度の遅い流場を意味する。

凹部５は、燃焼室２４の内壁（アウタライナ２１の表面）から燃焼室２４の外部に向けて円筒形状に凹んで形成されている。そして、点火栓４の先端４１が凹部５の底部に配置されている。
なお、凹部５は、燃焼室２４において、各点火栓４の先端４１が配置される箇所に局所的に形成されている。

図２は、凹部５による作用を説明するための模式図である。
この図に示すように、凹部５は、燃焼室２４の内壁に沿う気流Ｘを剥離させる。このように燃焼室２４の内壁に沿う気流Ｘが剥離されることによって凹部５内に渦流Ｙが形成され、これによって凹部５内における混合気の流速が、上記気流Ｘの流速よりも遅くなる。この結果、凹部５の内部（すなわち点火栓４が火炎核を形成する領域Ｒ）が上述の低流速流場となる。

以上のように構成された本実施形態の燃焼器１において着火動作を行う際は、まず、燃料噴射ノズル部３によって燃焼室２４内に混合気が供給されると共にアウタライナ２１及びインナライナ２２を介して燃焼室２４内に圧縮空気が供給される。

燃料噴射ノズル部３によって燃焼室２４に供給される混合気は、燃焼室２４内にて旋回するように供給される。また、アウタライナ２１及びインナライナ２２を介して燃焼室２４内に供給される圧縮空気は、燃焼室２４の内壁に沿って供給される。
そして、燃焼室２４に供給される混合気及び圧縮空気の作用により、燃焼室２４の内壁に沿って速度の速い気流Ｘが形成される。

燃焼室２４に混合気及び圧縮空気が供給されると、続いて点火栓４にて混合気に着火する。
ここで、本実施形態の燃焼器１においては、凹部５によって、凹部５の内部（すなわち点火栓４が火炎核を形成する領域Ｒ）に、気流Ｘよりも流速の遅い低流速流場が形成される。このため、点火栓４の先端４１にて形成された火炎核は、吹き飛ばされることなく成長する。よって、燃焼室２４内の混合気に対して確実に着火することが可能となる。

以上のように、本実施形態の燃焼器１によれば、凹部５にて、燃焼室２４の内壁に沿う気流Ｘが剥離されることによって、点火栓４が火炎核を形成する領域Ｒが、上記気流Ｘよりも速度の遅い低流速流場とされる。
このため、点火栓４にて形成された火炎核が低流速流場にて成長することができ、火炎核が速度の速い気流Ｘによって吹き飛ばされることを抑制することができる。したがって、燃焼室２４の内壁近傍に流速の速い気流Ｘが形成される燃焼器での着火性を向上させることが可能となる。

また、本実施形態の燃焼器１は、凹部５にて低流速流場を形成し、凹部５の底部に点火栓４の先端４１が配置された構成を採用した。
このような構成を採用することによって、従来の燃焼器と同様の燃焼空間を確保しながら、別途低流速流場を形成することができる。したがって、本実施形態の燃焼器１によれば、燃焼器の燃焼性能を維持しながら、着火性を向上させることが可能となる。

図３は、本実施形態の燃焼器１における着火試験の結果を示す表である。この図に示すように、本実施形態の燃焼器１における着火試験は、従来の燃焼器における着火試験の結果（図３にて「適用前」にて示す着火試験結果）にて不着火となった条件を主として行っている。この結果、図３にて「適用後」にて示す着火試験結果に示されるように、本実施形態の燃焼器１における着火試験は、従来の燃焼器における着火試験にて不着火であって条件の全てにおいて着火することが分かった。
なお、図３に示す着火試験では、点火栓４に点火エネルギーを投入（１０秒間放電）後の着火が３回以上連続である場合に、着火試験結果が「着火」であるとし、これ以外を「不着火」とした。

また、本実施形態の燃焼器１においは、凹部５の直径が、点火栓４の先端４１の幅に対して、１．５〜２倍である場合に特に着火性が向上した。

また、本実施形態の燃焼器１は、凹部５が点火栓４の先端４１の配置される箇所に局所的に形成されている構成を採用した。つまり、本実施形態の燃焼器１においては、２つの点火栓４が設置されている場合には、円筒形状の凹部５が各点火栓４の先端４１の各々の配置箇所に対して形成され、合計２つの凹部５が形成されることとなる。
このような構成を採用することによって、凹部５が存在することによる、燃焼室２４の内部空間における燃焼状態を、従来の燃焼器１に限りなく近づけることが可能となる。したがって、本実施形態の燃焼器１によれば、従来の燃焼器と同様の燃焼性能を発揮することが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本第２実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図４は、本実施形態の燃焼器が備える凹部５近傍の模式図である。この図に示すように、本実施形態の燃焼器は、凹部５における気流Ｘの剥離を促進するための突出部６（剥離促進手段）を備えている。
突出部６は、凹部５の気流Ｘの流れ方向に対する上流側に配置されており、燃焼室２４の内壁から燃焼室２４の内部に向けて突出されている。

このような構成を有する本実施形態の燃焼器によれば、突出部６が気流Ｘに対する障害物となり、気流Ｘが突出部６に衝突することによって、気流Ｘの燃焼室２４の内壁からの剥離が促進される。
したがって、凹部５内部により確実に渦流Ｙ（図２参照）が形成され、点火栓４の先端４１が火炎核を形成する領域Ｒ（図２参照）を、より確実に低流速流場とすることが可能となる。
よって、本実施形態の燃焼器によれば、より着火性を向上させることが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る燃焼器の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記第１実施形態の燃焼器は凹部５にて気流Ｘを剥離する構成を採用し、上記第２実施形態の燃焼器は主として凹部５にて気流Ｘを剥離する構成を採用した。すなわち、上記実施形態の燃焼器は、本発明の低流速流場形成手段として、凹部５を備えている。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の低流速流場形成手段として、点火栓４の先端４１を囲うと共に気流Ｘを遮る壁部を備える構成や、エアシールドを形成して気流Ｘを遮るエアシールド形成装置を備える構成を採用しても良い。

また、上記実施形態の燃焼器は、凹部５の底部に点火栓４の先端４１が配置された構成を採用した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば凹部５の側部に点火栓４の先端４１を配置しても良い。
また、点火栓４の先端４１を凹部５の底部に配置する構成である場合も、点火栓４の先端４１は、底部の中央部に配置される必要はなく、中央部からオフセットした位置に配置されても良い。

また、上記実施形態の燃焼器は、凹部５が点火栓４の先端４１が配置される箇所に局所的に形成される構成を採用した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、複数の点火栓４の先端４１に対して１つの凹部５が形成されるようにしても良い。例えば、点火栓４がガスタービンのシャフトの延在方向において同位置に配置されている場合には、燃焼室２４の周方向全体に亘って溝状の凹部を１つのみ形成しても良い。

また、上記実施形態の燃焼器は、凹部５が円筒形状を有している構成を採用した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、点火栓４の先端４１が火炎核を形成する領域Ｒが低流速流場となるのであれば、凹部５の形状は任意である。例えば、凹部５を底面に向けて側面がなだらかに傾斜するように形状設定しても良い。

また、上記第２実施形態の燃焼器は、突出部６にて凹部５における気流Ｘの剥離を促進させる構成を採用した。すなわち、上記第２実施形態の燃焼器は、本発明の剥離促進手段として突出部６を備えている。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、凹部５の周囲に凹部５よりも小さな凹部を形成することによって気流Ｘの流れを乱し、凹部５における気流Ｘの剥離が促進させる場合には、本発明の剥離促進手段として上述の小さな凹部を備えても良い。
また、突出部６の形状は、気流Ｘの剥離を促進できるのであれば任意である。

また、上記第２実施形態の燃焼器は、突出部６が凹部５の気流Ｘの流れ方向の上流側に配置される構成を採用した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、突出部６を凹部５の上方を渡すように配置して凹部５の中間位置に配置したり、また突出部６を凹部５の気流Ｘの流れ方向の下流側に配置して効果がある場合には突出部６を凹部５の下流側に配置しても良い。

また、気流Ｘの流れ方向は、ガスタービンの圧縮機側からシャフトの延在方向に向かうとは限らず、またその流れ方向を予測することが困難である場合もある。このため、気流Ｘの流れ方向が凹部５に対していずれの方向であっても対応可能とするために、突出部６が凹部５を全周に亘って囲うように配置されても良い。

本発明の第１実施形態の燃焼器の概略構成を示す断面図である。 本発明の第１実施形態の燃焼器が備える凹部近傍の模式図である。 本発明の第１実施形態の燃焼器における着火試験を示す表である。 本発明の第２実施形態の燃焼器が備える凹部近傍の模式図である。

符号の説明

１……燃焼器、２……燃焼筒、２４……燃焼室、３……燃料噴射ノズル部、４……点火栓（着火装置）、４１……先端（火炎核形成部）、５……凹部（低流速流場形成手段）、６……突出部（剥離促進手段）、Ｘ……気流、Ｙ……渦流、Ｒ……火炎核を形成する領域

Claims (4)

1. 酸化剤と燃料とを含む混合気が燃焼される燃焼室と、該燃焼室に供給される前記混合気に着火する着火装置とを備える燃焼器であって、
   前記燃焼室の内壁に沿う気流を剥離させることによって、前記着火装置が火炎核を形成する領域を、前記気流よりも速度の遅い低流速流場とする低流速流場形成手段を備え、
   前記低流速流場形成手段が前記燃焼室の内壁から燃焼室の外部に向けて凹むと共に前記気流を剥離させる凹部を備え、
   前記凹部の底部と面一となるように前記着火装置の火炎核形成部が配置されている
   ことを特徴とする燃焼器。
2. 前記凹部は、前記着火装置の火炎核形成部が配置される箇所に局所的に形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
3. 前記低流速流場形成手段は、前記気流の剥離を促進する剥離促進手段をさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の燃焼器。
4. 前記剥離促進手段は、前記凹部の前記気流の流れ方向に対する上流側に配置されると共に前記内壁から前記燃焼室の内部に向けて突出する突出部であることを特徴とする請求項３記載の燃焼器。

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