JP5115723B2 - ガスタービン燃焼器の入口ディフューザ - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン燃焼器の入口ディフューザに関する。

ジェットエンジンやガスタービンに用いられるガスタービン燃焼器の入口ディフューザは、上流側の圧縮機で圧縮された高速空気流を減速させて圧力回復を図り、これを燃焼器に供給する装置である。
かかるガスタービン燃焼器の入口ディフューザには、（１）低圧力損失、（２）安定した流量スプリット、および、（３）特にジェットエンジン燃焼器に使用される場合には、容積が小さいことが要求され、種々の研究や提案がなされている（例えば、非特許文献１，２、特許文献１）。

非特許文献１は、図４（Ａ）に示す従来型ディフューザと図４（Ｂ）に示すダンプディフューザを比較し、特にダンプディフューザの流れ場を数値解析したものである。
非特許文献２は、図５に示す傾斜壁つきダンプディフューザの特性を数値解析したものである。

特許文献１は、ガスタービンエンジンの圧力損失を減少することを目的とし、図６に示すように、燃焼器アセンブリ５０が、中心線軸を有し、内側に燃焼室５２を規定する燃焼器ライナ５０と、環状流路が前記燃焼器ライナとの間にほぼ周囲方向に規定されるように、前記燃焼器ライナから半径方向外側に結合された環状流れスリーブ５８であって、前記燃焼器ライナを冷却するのを助長するために、前記環状流路の中へほぼ軸方向に冷却空気を噴射するように構成された複数の入口５６を具備する流れスリーブとを具備するものである。

安藤他、「ダンプディフューザの乱流流れ場の数値解析」、第４回航空機計算空気力学シンポジウム論文集、ｐｐ．９１−９８ 山崎他、「ダンプディフューザ型燃焼器内の流動機構」、日本ガスタービン学会誌、Ｖｏｌ．２７ Ｎｏ．４，ｐｐ．２５０−２５４（１９９９）

特開２００７−２９２４５１号明細書、「ガスタービンエンジンの圧力損失を減少するシステム」

図７は、ディフューザにおける広がり角（２θ）と圧力回復係数Ｃｐとの関係図である。
圧力回復係数Ｃｐは、下記の式（１）で示される。ここでΔｐは出入口間の圧力上昇量、ｖは入口流速、ρは気体密度である。また、図中のＣｐ_ｉは理想的圧力回復係数である。
圧力回復係数Ｃｐは大きいほど、ディフューザにおいて速度エネルギーが静圧に小さい損失で回復されることになる。

Ｃｐ＝Δｐ／（ρｖ^２／２）・・・（１）

上述した従来型ディフューザは、広がり角（２θ）が小さく、その途中に流量スプリット点を設けるため、圧損が小さい利点がある。しかし、その反面、流量スプリットが安定しない、燃焼器が長くなる等の欠点がある。

すなわち、従来型ディフューザは、完全付着条件で使用するため広がり角が小さく（例えば７度以下）、基本的に流れ方向に圧力が単調増加する。
また、従来型ディフューザは、出入口の状況に敏感に影響受け、入口において流速分布がついた場合には、流量の再配分機能が無く、出口では入口よりもさらに流速分布が不均一になり、ディフューザ部での流速分布は不均一になる。
さらに、入口の流速分布が大きい場合には、低速側のディフューザ壁で片側剥離し逆流が発生する。片側剥離は、動圧が小さく静圧上昇についていけないディフューザの遅い側で起こる。このため流量配分がより高速側に偏る（図７のＦＤＳ、ＴＳ）。この場合には入口流速分布が、増幅された分布として流量配分され、全体圧損も急増し、結果として、流量配分が入口よりもさらに悪化する。

一方、上述したダンプディフューザは、衝突噴流を形成して流量スプリット点で分割するため、流量スプリットが安定する利点があるが、圧損が大きい欠点がある。

すなわち、ダンプディフューザは、広がり角（２θ）が大きく、図７における両壁面完全剥離領域であり、管内ジェット（ｃｏｎｆｉｎｅｄ ｊｅｔ）を形成する（図７のＪ）。主流流管を囲む壁も無いためディフューザとしての効率は低く、急拡大による圧力回復が行われる。従って、圧力損失が大きく圧力回復も小さい。
また、入口から分岐位置までは開き流れとなるが壁がないため片側剥離が起こらず、ドーム上でのよどみ点を中心にした分岐が起こる。よどみはほぼ最大流速部に起こると考えると、流量配分は衝突直前のジェットよりも改善されることとなる。さらに高速側ではドーム肩部で流管が縮小し、高速となる。このため隣接する循環渦サイズが大きくなること、各流路へのディフューザとしての広がり角が大きくなること、摩擦も大きいことのため圧力損失が増える。これらの原因のため流量配分は均一化される方向となる。
ドーム肩部の加速域では流速は入口とほぼ等しく、圧力は入口よりも下がっている。したがってここまでディフューザとしての機能はなく単に流量分配器としての役割のみである。実質的なディフューザとしての昇圧機能はドーム肩部以降であるがここでも壁がないため急拡大による圧力上昇となり圧力回復が小さい（図７のＦＤＳ）。

また上述した傾斜壁つきダンプディフューザは、ダンプディフューザを改良したものであり、ダンプディフューザよりは圧損が低くなるが、依然として圧損が大きい。
ダンプディフューザは図に示したように渦を巻くために圧損が大きくなる宿命がある。傾斜壁つきダンプディフューザでは傾斜壁により渦の大きさを小さくできるが、渦は依然として残る。この渦はディフューザの流量スプリット性能の根元をなすために渦を無くすとダンプディフューザの性能が発揮できない。そのため渦は同時に圧損の根元でもある。

本発明は上述した従来の問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、容積が小さく、低圧力損失であり、かつ安定した流量スプリットができるガスタービン燃焼器の入口ディフューザを提供することにある。

本発明によれば、上流側から供給される空気流を分割して下流側の燃焼器に供給するガスタービン燃焼器の入口ディフューザであって、
前記空気流の入口からスロート部まで流路面積が漸減する縮流部と、
前記スロート部の空気流を複数の流路に分割するスプリッタと、
前記複数の流路から下流側の燃焼器まで流路面積がそれぞれ漸増する複数の拡流部とを備える、ことを特徴とするガスタービン燃焼器の入口ディフューザが提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記拡流部の広がり角は、渦の発生がない角度に設定されている。

前記拡流部の広がり角は、片面で７度以下である。

上記本発明の構成によれば、縮流部によりスロート部の空気流が高速化されるため、流速分布の偏りが緩和され、スロート部では均等化された流速分布となる。また、速度が均等化したスロート部の空気流をスプリッタで複数（例えば２つ）の流路に分割するので、スプリッタの位置設定のみで空気流を安定して正確に分割することができ、高い流量スプリット性能を実現できる。

また、複数の拡流部は、複数の流路から下流側の燃焼器まで流路面積がそれぞれ漸増するので、渦の発生が少なく、圧力損失が少ない。さらに、縮流部とスプリッタでは、渦はほとんど発生しないので、全体として渦をほとんど発生させない流路構造とでき、低圧力損失を実現できる。

さらに、流量スプリット後の複数の拡流部は、複数の流路の各側面（２分割の場合、２面）で広がり角をもつので、従来型ディフューザに比べて半分の距離で済み、縮流部とスプリッタは小型であるので、全体容積を小さくできる。

以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明によるガスタービン燃焼器の入口ディフューザの全体構成図である。この図において、本発明の入口ディフューザ１０は、上流側から供給される空気流１を分割して下流側の燃焼器２に供給するガスタービン燃焼器のディフューザである。
また、この例において、本発明の入口ディフューザ１０は、２次元ディフューザであり、空気流１を均等に２分割し、同一の燃焼器２の両側（図で上下）に供給するようになっている。
なお、本発明は２次元ディフューザに限定されず、アニュラー型ディフューザでもその他の３次元ディフューザであってもよい。以下、２次元ディフューザの場合について説明する。

本発明の入口ディフューザ１０は、縮流部１２、スプリッタ１４、および拡流部１６を備える。

縮流部は、空気流１の入口１１からスロート部１３まで流路面積が漸減する。スロート流速はダンプディフューザの肩部流速より速くなる。

スプリッタ１４は、スロート部１３の空気流を複数（この例では２つ）の流路１５ａ，１５ｂに分割する。
スプリッタ１４の先端（図で左端）は、とがった形とするのがよい。この先端を丸めると、片側剥離が発生しやすくなる。
また、参考例では、分岐点から発生する擾乱を成長させないために、スロート部１３を分岐点（スプリッタ１４の先端）より少し奥にしてもよい。
さらに、組み付け精度や燃焼による温度上昇のため燃焼室が移動し、ノズル内でのスプリッタ１４の先端位置がずれるおそれがある。そのため、その部分を一体の部品で製作するのがよい。また、スプリッタ１４の先端位置を調整できる機構を設けてもよい。

拡流部１６は、複数の流路１５ａ，１５ｂから下流側の燃焼器２まで流路面積がそれぞれ漸増する。
拡流部１６の広がり角は、渦の発生がない角度に設定されている。この広がり角は、片面で７度以下であるのがよい。

図２は、図１における流路を模式的に示す図である。この図において、Ａは空気流１の入口１１、Ｂはスロート部１３の上流側、Ｃはスロート部１３の下流側、Ｄは拡流部１６を示す。

図３は、図２の各断面における流速分布の模式図である。この図において、（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ図２のＡ〜Ｄに対応している。

上述した本発明の構成によれば、図３（Ａ）〜（Ｄ）からわかるように、縮流部１２の絞り流路で、入口流速分布が均一化する。
また、均一化した流れに対して、スプリッタ１４の先端（スプリット点）の幾何配置により目標流量比に流量スプリットすることができる。
さらにスプリット後は、剥離を起こさない角度の拡流部１６で静圧上昇させる。この場合、流路が２分割後のため、倍の角度で流路を開いていることになる。

（流配性能）
流量分岐前にディフューザ部を設けないため、流速分布が偏っていても（図３Ａ）、それを助長する片側剥離が起こらない。さらに縮流部１２で縮流とすることにより流速分布（質量流量分布）が一様に近づくため（図３Ｂ）、スプリッタ１４の先端で、機械的に中心線上での流路分岐を採用することができる（図３Ｃ）。

（長さ）
縮流部１２による縮流は長い距離が不要なので流量分岐点（スプリッタ１４の先端）は燃焼器の入口付近になる。スロート部１３の流速は速いがスロート位置がダンプディフューザよりもかなり前になるため、結果的に必要距離はダンプディフューザとあまり変わらない。しかしダンプディフューザとちがって実質的なディフューザ部（拡流部１６）は剥離を伴わないように設計できるため圧損が小さくできる（図７のＮ）。

（圧損）
縮流部１２における流速は、高速なので摩擦損失が大きいが、入口からスロート１３までの距離は短く、かつ逆流域を持たないためダンプディフューザより圧損が低くできる。
なお、分岐後の各流路の圧力損失は流量等配分機能をもつ。すなわち本発明のディフューザでは各流路の流速の自乗に比例する圧損を発生させて等分配させる能力がある。

上述したように、本発明の構成によれば、縮流部１２によりスロート部１３の空気流が高速化されるため、流速分布の偏りが緩和され、スロート部１３では均等化された流速分布となる。また、速度が均等化したスロート部１３の空気流をスプリッタ１４で複数（例えば２つ）の流路１５ａ，１５ｂに分割するので、スプリッタ１４の位置設定のみで空気流１を安定して正確に分割することができ、高い流量スプリット性能を実現できる。

また、複数の拡流部１６は、複数の流路１５ａ，１５ｂから下流側の燃焼器２まで流路面積がそれぞれ漸増するので、渦の発生が少なく、圧力損失が少ない。さらに、縮流部１２とスプリッタ１４では、渦はほとんど発生しないので、全体として渦をほとんど発生させない流路構造とでき、低圧力損失を実現できる。

さらに、流量スプリット後の複数の拡流部１６は、複数の流路１５ａ，１５ｂの各側面（２分割の場合、２面）で広がり角をもつので、従来型ディフューザに比べて半分の距離で済み、縮流部とスプリッタは小型であるので、全体容積を小さくできる。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

本発明によるガスタービン燃焼器の入口ディフューザの全体構成図である。 図１における流路を模式的に示す図である。 図２の各断面における流速分布の模式図である。 従来型ディフューザとダンプディフューザの模式図である。 傾斜壁つきダンプディフューザの模式図である。 特許文献１の燃焼器アセンブリの構成図である。 ディフューザにおける広がり角（２θ）と圧力回復係数Ｃｐとの関係図である。

符号の説明

１ 空気流、２ 燃焼器、
１０ 入口ディフューザ、１１ 入口、
１２ 縮流部、１３ スロート部、
１４ スプリッタ、１５ａ，１５ｂ 流路、
１６ 拡流部

Claims (5)

1. 上流側から供給される空気流を分割して下流側の燃焼器に供給するガスタービン燃焼器の入口ディフューザであって、
   前記空気流の入口からスロート部まで流路面積が漸減する縮流部と、
   前記スロート部の空気流を複数の流路に分割するスプリッタと、
   前記複数の流路から下流側の燃焼器まで流路面積がそれぞれ漸増する複数の拡流部とを備える、ことを特徴とするガスタービン燃焼器の入口ディフューザ。
2. 前記拡流部の広がり角は、渦の発生がない角度に設定されている、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の入口ディフューザ。
3. 前記拡流部の広がり角は、片面で７度以下である、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の入口ディフューザ。
4. 前記入口ディフューザは、空気流を均等に２分割し、同一の燃焼器の両側に供給する２次元ディフューザである、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の入口ディフューザ。
5. 前記スプリッタの上流側の先端は、とがった形になっている、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の入口ディフューザ。

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