JP5271753B2 - 燃焼器及びガスタービン - Google Patents
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圧縮機は空気を取り込んで圧縮し、高圧の圧縮空気を吐出する。圧縮機から吐出された圧縮空気は、燃焼用空気として燃焼器に取り入れられ、燃焼器に供給された燃料とともに燃焼して高温の燃焼ガスとなる。この燃焼ガスはタービンに取り入れられ、動翼及び静翼間を燃焼ガスが流れることによりタービンを駆動する。
このようなガスタービンにおいては、燃料が燃焼される際、燃焼器内に燃焼振動を発生することがある。ガスタービンプラントを安定して運転するためには、燃焼器の燃焼振動を効果的に抑制することが望まれる。
内側スワラー20及び外側スワラー30の内部には、多数の燃料噴出孔21,31を穿設した燃料供給部22,32が設置され、さらにその下流側には、多数のスワール用ベーン(以下、「ベーン」と省略する)23,33が周方向に配列されている。
しかし、燃料供給状態が均一化された内側スワラー20及び外側スワラー30の内部には、動的な下流の影響を受けて局所的かつ動的な高熱源Hを生じ、この高熱源Hに起因する燃焼振動の発生が懸念される。この燃焼振動は、燃焼器10の騒音や高サイクル疲労による損傷を引き起こす原因になるため、燃焼振動を低減する対策が必要となる。
特許文献1に開示されたガスタービン燃焼器は、燃料流路に狭部を設けることにより、下流側から伝播する圧力変動の影響低減に関するものであり、燃焼器の断面内周方向における燃焼振動の低減とは異なるものである。
特許文献2の燃焼器は、マルチ予混合燃焼器に多孔板を設置する燃焼振動対策を開示したものであり、二重スワラー燃焼器に関するものではない。
この燃焼振動には、内側スワラー20及び外側スワラー30の断面内を周方向に回転しながら発信する振動モード(比較的高サイクル)も確認されており、たとえば図8に示すように、断面内周方向に正圧(+)及び負圧(−)が交互に生じて移動する2次や4次の振動モードがある。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とする所は、二重スワラー燃焼器等の燃焼器において、スワラーの断面内周方向に回転しながら発信する燃焼振動を低減できる燃焼器、及びこの燃焼器を備えたガスタービンを提供することにある。
本発明に係る燃焼器は、周方向にスワール用ベーン及び燃料供給部を各々均等に配列したスワラーを内筒の内部に備え、燃料供給状態が前記スワラーの断面内周方向に略均一となるように構成されている燃焼器において、前記燃料供給状態を前記断面内周方向の一部で予め不均一な設定にするための燃料不均一化部を設け、該燃料不均一化部は、前記スワール用ベーンの一部に設置され、周方向断面内でベーン高さ及びベーン幅の少なくともいずれか一方を変化させた異形状ベーンであることを特徴とするものである。
この場合の異形状ベーンには、たとえば周方向断面内で一部のベーン高さ及びベーン幅の少なくともいずれか一方を変化させたものがある。
また、本発明に係る燃焼器は、周方向にスワール用ベーン及び燃料供給部を各々均等に配列したスワラーを内筒の内部に備え、燃料供給状態が前記スワラーの断面内周方向に略均一となるように構成されている燃焼器において、前記燃料供給状態を前記断面内周方向の一部で予め不均一な設定にするための燃料不均一化部を設け、該燃料不均一化部は、前記スワラーの前記断面内周方向の一部で、かつ、前記燃料供給部より下流となる位置の流路内壁面に設けた凹凸壁面であることを特徴とするものである。
このような燃焼器によれば、燃料供給状態を断面内周方向の一部で予め不均一な設定にするための燃料不均一化部を設け、該前記燃料不均一化部を、前記スワラーの前記断面内周方向の一部で、かつ、前記燃料供給部より下流となる位置に設置された格子状障害物や凹凸壁面のような流路抵抗変更部としたので、断面内周方向における燃料供給状態(燃料濃度や燃料混合度)の分布について、一部を不均一にした部分を意図的に形成することができる。このため、動的な下流の影響を受けて、断面内周方向の燃焼振動を引き起こす原因と考えられる局所的かつ動的な高熱源Hが生じることを防止または抑制できるようになる。
特に、燃料不均一化部として、スワラーの断面内周方向の一部で、かつ、燃料供給部より下流となる位置に設置された流路抵抗変更部を採用したことにより、断面内周方向の一部において、微小な渦を形成するなどして意図的に流れを乱すことができるので、周囲と異なる燃料供給状態(異なる燃料混合度)の領域を形成することができる。この場合の流路抵抗変更部には、格子状の障害物(ラティス)や壁面の蛇腹加工等がある。
図1及び図2に示す実施形態の二重スワラー燃焼器(以下、「燃焼器」と省略する)10は、内筒11の内部に配置された内側スワラー20及び外側スワラー30を備えている燃焼器である。この燃焼器10は、内筒12に連結されて燃焼室12を形成する尾筒13を備えている。
すなわち、ガスタービンにおいては、圧縮機が空気を取り込んで圧縮し、高圧の圧縮空気を燃焼用空気として燃焼器10に供給する。燃焼器10では、この圧縮空気を用いて燃料を燃焼させ、高温の燃焼ガスを生成してタービンに供給する。この燃焼ガスは、タービン内の動翼及び静翼間を流れることによりタービンを駆動するので、軸出力を得ることができる。
内側スワラー20及び外側スワラー30の内部には、多数の燃料噴出孔21,31を穿設した燃料供給部22,32が設置されている。通常、内側スワラー20がリッチ燃焼火炎を形成し、外側スワラー30がリーン燃焼火炎を形成するように、それぞれのスワラー毎に最適な燃料濃度が定められている。なお、内側スワラー20及び外側スワラー30の燃料濃度は、空気濃度(空気量)及び燃料濃度(燃料供給量)によって規定される。
そして、周方向にベーン23,33及び燃料供給部22,32を各々均等に配列した内側スワラー20及び外側スワラー30を備え、燃料濃度がスワラーの断面内周方向に略均一となるように設定された二重スワラーの燃焼器10に対し、本発明では、燃料供給状態を断面内周方向の一部で予め不均一な設定にするための燃料不均一化部を設けてある。
このような異形状ベーン23Aは、ベーン高さHが低くなった分だけ流路断面積を増した空気流路を確保できるので、燃焼器10の断面内周方向においては、特に内側スワラー20の断面内周方向においては、空気の流れに対して部分的に圧力損失を減少させた領域(流路)が形成される。このため、異形状ベーン23Aを通過して流れる空気の流量は、通常高さとした内側ベーン23が配列されている周辺の領域(流路)より増加するので、燃料濃度や燃料混合度のような燃料供給状態は、異形状ベーン23Aが存在する位置の周辺で空気の割合が増すなどして、断面内周方向に不均一となる。
また、上記の説明では、燃料不均一化部Faを内側ベーン20に適用しているが、外側ベーン30に適用してもよい。
あるいは、図5に示す第2参考例のように、燃料供給孔21,31の一部である特性変更燃料供給孔21A,31Aにおいて、燃料を流出させる方向(燃料噴射角度)が適宜異なるように設定したものでもよい。
すなわち、燃料供給特性変更部としては、燃料供給部22,32において、周方向断面内で燃料噴出孔21,31の数、径及び噴射方向のうち、少なくとも1つが異なる部分を設ければよい。
また、上述した燃料不均一化部Fcについても、たとえば図4に示す燃焼器10Bのように、断面内周方向に素数の奇数個を略均等に配置するとともに、二重スワラーの場合には、内側スワラー20及び外側スワラー30の燃料不均一化部Fi,Foについて、周方向へ位置をずらして配置することが望ましい。
なお、流路壁面に凹凸を設けて流路抵抗可変部とする構成は、上述したベローズ加工部50に限定されることはなく、たとえばプレス加工や他部材貼り付け等により形成した凹凸壁面など、周囲と流路抵抗が異なる壁面や渦を形成できる壁面であればよい。
また、燃料流路可変抵抗部を採用した燃料不均一化部についても、上述した実施形態や各変形例と同様に、断面内周方向に素数の奇数個を略均等に配置するとともに、二重スワラーの場合には、内側スワラー20及び外側スワラー30の燃料不均一化部を周方向へ位置をずらして配置することが望ましい。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、たとえば実施形態で説明した二重スワラーの燃焼器に限定されないなど、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
11 内筒
20 内側スワラー
21,31 燃料噴出孔
21A,31A 特性変更燃料供給孔
22,32 燃料供給部
23 内側ベーン
23A 異形状ベーン
30 外側スワラー
33 外側ベーン
40 ラティス
50 ベローズ加工部
Fa,Fb,Fc 燃料不均一化部
Claims (6)
- 周方向にスワール用ベーン及び燃料供給部を各々均等に配列したスワラーを内筒の内部に備え、燃料供給状態が前記スワラーの断面内周方向に略均一となるように構成されている燃焼器において、
前記燃料供給状態を前記断面内周方向の一部で予め不均一な設定にするための燃料不均一化部を設け、該燃料不均一化部は、前記スワール用ベーンの一部に設置され、周方向断面内でベーン高さ及びベーン幅の少なくともいずれか一方を変化させた異形状ベーンであることを特徴とする燃焼器。 - 周方向にスワール用ベーン及び燃料供給部を各々均等に配列したスワラーを内筒の内部に備え、燃料供給状態が前記スワラーの断面内周方向に略均一となるように構成されている燃焼器において、
前記燃料供給状態を前記断面内周方向の一部で予め不均一な設定にするための燃料不均一化部を設け、該燃料不均一化部として、前記スワラーの前記断面内周方向の一部で、かつ、前記燃料供給部より下流となる位置に、流路抵抗を増す格子状障害物が設置されていることを特徴とする燃焼器。 - 周方向にスワール用ベーン及び燃料供給部を各々均等に配列したスワラーを内筒の内部に備え、燃料供給状態が前記スワラーの断面内周方向に略均一となるように構成されている燃焼器において、
前記燃料供給状態を前記断面内周方向の一部で予め不均一な設定にするための燃料不均一化部を設け、該燃料不均一化部は、前記スワラーの前記断面内周方向の一部で、かつ、前記燃料供給部より下流となる位置の流路内壁面に設けた凹凸壁面であることを特徴とする燃焼器。 - 前記燃料不均一化部は、前記断面内周方向に素数の奇数個を略均等に配置されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の燃焼器。
- 前記スワラーが内側スワラー及び外側スワラーを同軸に配置した二重スワラーとされ、前記燃料不均一化部の周方向位置を前記内側スワラー及び前記外側スワラーでずらしたことを特徴とする請求項4に記載の燃焼器。
- 空気を導入して圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から供給される空気で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する請求項1から5のいずれか1項に記載の燃焼器と、前記燃焼器から燃焼ガスの供給を受けるタービンとを具備して構成したことを特徴とするガスタービン。
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