JP5488301B2 - 燃焼器 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼器に関するものである。

ガスタービンの燃焼器は、燃焼領域を形成するライナと、ライナの長さ方向一方側から燃料を燃焼領域内に供給する燃料供給ノズルと、ライナの長さ方向一方側からライナの外部を流通する燃焼用空気（圧縮空気）を燃焼領域内に導入する燃焼用空気導入部（空気孔、スワラ等）と、を有しており、燃料供給ノズルを介して供給される燃料と燃焼用空気導入部から導入された圧縮空気との混合気体を、ライナによって形成される燃焼領域内において燃焼させ、その燃焼ガスをライナの長さ方向他方側からタービンに供給する構成となっている（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２００５−６１７２５号公報

ところで、上記のような燃焼器においては、カーボン・スモーク対策が課題となっている。カーボン・スモーク対策には、高負荷時に少量の空気を燃料供給ノズル部分で混入させることが効果的であることが知られているが、一方で、低負荷時には燃料供給ノズル部分で混入される空気量が多いと燃焼安定性が低下してしまう。
空気孔やスワラ等の開口の大きさは、負荷が変動してもほとんど変化しないため、上記高負荷時に対応できない。また、空気孔やスワラ等の開口の大きさを負荷に応じて可変に制御する機構を採用することも考えられるが、燃焼ガスからの熱の影響を受けてしまう部位であるため、熱対策をしないと当該機構の導入は難しいという問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、低負荷時の燃焼安定性と高負荷時のカーボン・スモークの低減とを両立させることができる燃焼器の提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、燃焼領域を形成するライナと、上記ライナの長さ方向一方側から燃料を上記燃焼領域内に供給する燃料供給ノズルと、上記ライナの長さ方向一方側から上記ライナの外部を流通する燃焼用空気を上記燃焼領域内に導入する燃焼用空気導入部と、を有する燃焼器であって、上記ライナの長さ方向他方側の端部の位置を上記燃料供給ノズルが設けられた位置に対して固定して、上記ライナを上記長さ方向一方側に熱伸び自在とさせる固定部と、上記長さ方向一方側で上記ライナに固定され、上記燃料供給ノズルと上記長さ方向でスライド自在に嵌合すると共に、一端部が上記外部に開口して他端部が上記燃料供給ノズルと上記嵌合する面に開口する第１の流路が形成されているスリーブと、を有し、上記燃料供給ノズルには、一端部が上記スリーブと上記嵌合する面に開口して他端部が上記燃焼領域に開口する第２の流路が形成されているという構成を採用する。

この構成を採用することによって、本発明では、負荷（温度）よって変動するライナの長さ方向における熱伸び量を利用して、燃料供給ノズル部分での燃焼用空気の混入量を調整することができる。すなわち、ライナの長さ方向他方側の端部の位置を燃料供給ノズルが設けられた位置に対して固定すると、ライナは負荷に応じて長さ方向一方側に熱伸びする。ライナが長さ方向一方側に熱伸びすると、該長さ方向一方側でライナに固定されたスリーブが、燃料供給ノズルに対し相対移動する。当該相対移動により、スリーブと燃料供給ノズルとが嵌合する面において、スリーブに形成された第１の流路の他端部と燃料供給ノズルに形成された第２の流路の一端部とが連通すると、ライナの外部を流通する燃焼用空気が、第１の流路及び第２の流路を介して燃料供給ノズル部分から燃焼領域に供給される。このため、本発明では、負荷に応じて燃焼用空気を燃料供給ノズル部分で混入させることが可能となる。

また、本発明においては、上記第１の流路の他端部と上記第２の流路の一端部とは、上記ライナの長さ方向における熱伸び量が、特定の閾値未満のときに非連通とされ、上記特定の閾値以上のときに連通とされる相対位置関係を有するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、負荷（温度）が特定の閾値未満のときには、第１の流路の他端部と第２の流路の一端部との間を非連通とさせて、燃焼用空気を燃料供給ノズル部分で混入させないように制御し、低負荷時の燃焼安定性を確保する。一方で、負荷（温度）が特定の閾値以上のときには、第１の流路の他端部と第２の流路の一端部との間を連通させて、燃焼用空気を燃料供給ノズル部分で混入させるように制御し、高負荷時のカーボン・スモークを低減させる。

また、本発明においては、上記第１の流路の他端部と上記第２の流路の一端部との少なくともいずれか一方は、上記嵌合する面にリング状に開口しているという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、ライナの熱伸びによって、その長さ方向に延びる軸周りにスリーブと燃料供給ノズルとの相対位置が変動してしまった場合であっても、第１の流路の他端部と第２の流路の一端部とが連通するべき位置関係で非連通となることを防止することができる。

本発明によれば、燃焼領域を形成するライナと、上記ライナの長さ方向一方側から燃料を上記燃焼領域内に供給する燃料供給ノズルと、上記ライナの長さ方向一方側から上記ライナの外部を流通する燃焼用空気を上記燃焼領域内に導入する燃焼用空気導入部と、を有する燃焼器であって、上記ライナの長さ方向他方側の端部の位置を上記燃料供給ノズルが設けられた位置に対して固定して、上記ライナを上記長さ方向一方側に熱伸び自在とさせる固定部と、上記長さ方向一方側で上記ライナに固定され、上記燃料供給ノズルと上記長さ方向でスライド自在に嵌合すると共に、一端部が上記外部に開口して他端部が上記燃料供給ノズルと上記嵌合する面に開口する第１の流路が形成されているスリーブと、を有し、上記燃料供給ノズルには、一端部が上記スリーブと上記嵌合する面に開口して他端部が上記燃焼領域に開口する第２の流路が形成されているという構成を採用することによって、負荷（温度）よって変動するライナの長さ方向における熱伸び量を利用して、燃料供給ノズル部分での燃焼用空気の混入量を調整することができる。
したがって、本発明では、低負荷時の燃焼安定性と高負荷時のカーボン・スモークの低減とを両立させることができる。

本発明の実施形態におけるガスタービンの構成図である。 本発明の実施形態における燃焼器の構成図である。 本発明の実施形態における低負荷時の燃料供給ノズルとスリーブとの嵌合状態を示す断面図である。 本発明の実施形態における高負荷時の燃料供給ノズルとスリーブとの嵌合状態を示す断面図である。 本発明の実施形態における燃料供給ノズルとスリーブとの嵌合状態を示す部分断面斜視図である。 本発明の別実施形態における低負荷時の燃料供給ノズルとスリーブとの嵌合状態を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態におけるガスタービン１の構成図である。
図１に示すように、ガスタービン１は、圧縮機２と、燃焼器３と、タービン４とを有する。圧縮機２は、吸気口５から吸気した外気を、タービン軸６に固定され回転自在な圧縮機動翼７とハウジング８に固定された圧縮機静翼９との間で圧縮して昇圧させて、燃焼器３が配置された圧縮空気室１０に供給する構成となっている。燃焼器３は、燃料供給ノズル１１を介して供給される燃料と圧縮機２から供給された圧縮空気（燃焼用空気）との混合気体を、ライナ１２によって形成される燃焼領域１３内において燃焼させ、その燃焼ガスをタービン４に供給する構成となっている。タービン４は、タービン軸６に固定され回転自在なタービン動翼１４と、ハウジング８に固定されたタービン静翼１５とで燃焼器３から供給される燃焼ガスから回転運動エネルギーを得て、各タービン翼を通過した燃焼ガスを、排気口１６を介して外部に排気する構成となっている。

図２は、本発明の実施形態における燃焼器３の構成図である。
図２に示すように、圧縮空気室１０は、ハウジング８により外郭が構成されている。燃焼器３は、圧縮空気室１０内に設置されている。燃焼器３は、圧縮空気室１０における圧縮空気の流動方向（図２において紙面左右方向）に延在すると共に、圧縮空気室１０の環状空間に沿って、略環状を呈する、所謂アニュラー（環）型のライナ１２を有する。ライナ１２は、耐熱性を備えると共に所定の線膨張係数を有する金属材（本実施形態では、ハステロイ（商標））から形成されている。なお、本実施形態のライナ１２には、その外周部から燃焼領域１３に冷却用の圧縮空気を導き入れる不図示のフィルム冷却孔が複数形成されている。

ライナ１２の圧縮機２から圧縮空気が供給される側（ライナ１２の長さ方向（本実施形態のタービン軸６の軸方向と同一方向）における一方側）には、燃料供給ノズル１１が設けられている。燃料供給ノズル１１の周りには、スワラ（燃焼用空気導入部）１８が設けられている。スワラ１８は、圧縮機２から供給された圧縮空気を、燃料供給ノズル１１近傍から燃焼領域１３に導き入れて、混合ガスを生成する構成となっている。

ライナ１２の長さ方向他方側の端部１２ａは、ハウジング（固定部）８にリジッドに固定されている。ハウジング８は、ライナ１２の長さ方向他方側の端部１２ａの位置を燃料供給ノズル１１が設けられた位置に対して固定して、ライナ１２をその長さ方向一方側において熱伸び自在に支持する構成となっている。そして、このライナ１２の長さ方向一方側には、スリーブ２０が、ライナ１２と一体的に固定されている。スリーブ２０は、燃料供給ノズル１１と、ライナ１２の長さ方向（図２において紙面左右方向）においてスライド自在に嵌合する構成となっている。

図３は、本発明の実施形態における低負荷時の燃料供給ノズル１１とスリーブ２０との嵌合状態を示す断面図である。図４は、本発明の実施形態における高負荷時の燃料供給ノズル１１とスリーブ２０との嵌合状態を示す断面図である。図５は、本発明の実施形態における燃料供給ノズル１１とスリーブ２０との嵌合状態を示す部分断面斜視図である。

スリーブ２０は、略円筒形状を有している。スリーブ２０には、図３及び図４に示すように、一端部２１が圧縮空気室１０に開口して、他端部２２が燃料供給ノズル１１と嵌合する内周面２０ａに開口する第１の流路２３が形成されている。図５に示すように、第１の流路２３の一端部２１は、圧縮空気室１０側に露出する環状の面２０ｂからその軸心方向に直線的に形成された複数の孔部から構成されている。一方、第１の流路２３の他端部２２は、一端部２１の各孔部と連通して、内周面２０ａにその周方向に沿ってリング状に開口する溝部から構成されている。

燃料供給ノズル１１は、略円柱形状を有している。燃料供給ノズル１１の中央部には、燃料を燃焼領域１３に噴射する噴射口３０が形成されている。図３及び図４に示すように、燃料供給ノズル１１には、一端部３１がスリーブ２０と嵌合する外周面１１ａに開口して、他端部３２が燃焼領域１３に開口する第２の流路３３が形成されている。図５に示すように、第２の流路３３の一端部３１は、外周面１１ａにその周方向において間隔をあけて形成された複数の孔部から構成されている。一方、第２の流路３３の他端部３２は、一端部３１の各孔部と連通して、噴射面１１ｂにリング状に形成される溝部から構成されている。他端部３２は、噴射口３０の周りにリング状に開口している。

図３に示すように、低負荷時（低温時）においては、第１の流路２３の他端部２２と第２の流路３３とは、互いに非連通の相対位置関係を有する。より詳しくは、低負荷時において、第１の流路２３の他端部２２の開口は、第２の流路３３の一端部３１の開口に対し、ライナ１２の長さ方向他方側（図３において紙面右側）に位置する相対位置関係を有する。このとき、第１の流路２３の他端部２２の開口は、燃料供給ノズル１１の外周面１１ａにより閉塞される。また、第２の流路３３の一端部３１の開口は、スリーブ２０の内周面２０ａにより閉塞される。
一方、図４に示すように、高負荷時（高温時）においては、第１の流路２３の他端部２２と第２の流路３３とは、互いに連通する相対位置関係を有する。より詳しくは、高負荷時において、第１の流路２３の他端部２２の開口と、第２の流路３３の一端部３１の開口とが、互いに対向する相対位置関係を有する。

続いて、上記構成の燃焼器３の作用効果について説明する。
図２に示すように、ライナ１２外側を流動する圧縮空気は、燃焼器３の内外の差圧によりスワラ１８から燃焼領域１３に導入される。スワラ１８は、圧縮機２から供給された圧縮空気を、燃料供給ノズル１１近傍から燃焼領域１３に導き入れて、燃料供給ノズル１１から噴射される燃料と混合させる。そして、この混合ガスは、不図示の点火線による点火で燃焼ガスとなり、ライナ１２の長さ方向一方側から他方側に向かって流動し、タービン４に供給される。

低負荷時（低温時）においては、図３に示すように、第１の流路２３の他端部２２と第２の流路３３とは、互いに非連通の相対位置関係を有する。このとき、第１の流路２３の他端部２２の開口は、燃料供給ノズル１１の外周面１１ａにより閉塞されため、一端部２１から導入される圧縮空気の流れを塞き止めることができる。このため、低負荷時の燃焼安定性を確保することができる。

時間の経過と共に負荷（温度）が徐々に高まると、負荷に応じてライナ１２が徐々に熱伸びする。ライナ１２の長さ方向他方側の端部１２ａは、図２に示すように、ハウジング８にリジッドに固定されているため、ライナ１２は長さ方向一方側に熱伸びする。ライナ１２が長さ方向一方側に熱伸びすると、該長さ方向一方側でライナ１２に固定されたスリーブ２０が、燃料供給ノズル１１に対し該長さ方向一方側（図３において紙面左側）に相対移動する。

スリーブ２０が、燃料供給ノズル１１に対し相対移動すると、低負荷時に燃料供給ノズル１１の外周面１１ａにより閉塞されていた第１の流路２３の他端部２２の開口が、外周面１１ａに開口する第２の流路３３の一端部３１が形成された位置に向かって徐々に移動し、高負荷時には、図４に示すように、第１の流路２３の他端部２２と第２の流路３３とが、互いに連通する相対位置関係を有することとなる。

なお、ライナ１２の熱伸びによって、その長さ方向に延びる軸周りにスリーブ２０と燃料供給ノズル１１との相対位置が変動してしまった場合であっても、第１の流路２３の他端部２２は、スリーブ２０の内周面２０ａにリング状に開口しているため、第１の流路２３の他端部２２と第２の流路３３の一端部３１とが連通するべき位置関係で非連通となることを防止することができる。

当該相対移動により、スリーブ２０と燃料供給ノズル１１とが嵌合する面において、スリーブ２０に形成された第１の流路２３の他端部２２と燃料供給ノズル１１に形成された第２の流路３３の一端部３１とが連通すると、ライナ１２の外部を流通する圧縮空気が、燃焼器３の内外の差圧により第１の流路２３及び第２の流路３３を介して燃料供給ノズル１１の噴射口３０の周りから燃焼領域１３に少量供給される。この燃料供給ノズル１１部分で混入される圧縮空気は、酸化剤として機能するため、高負荷時に発生するカーボン・スモークを低減させることができる。

したがって、上述の本実施形態によれば、燃焼領域１３を形成するライナ１２と、ライナ１２の長さ方向一方側から燃料を燃焼領域１３内に供給する燃料供給ノズル１１と、ライナ１２の長さ方向一方側からライナ１２の外部を流通する圧縮空気を燃焼領域１３内に導入するスワラ１８と、を有する燃焼器３であって、ライナ１２の長さ方向他方側の端部１２ａの位置を燃料供給ノズル１１が設けられた位置に対して固定して、ライナ１２を長さ方向一方側に熱伸び自在とさせるハウジング８と、上記長さ方向一方側でライナ１２に固定され、燃料供給ノズル１１と長さ方向でスライド自在に嵌合すると共に、一端部２１が上記外部に開口して他端部２２が燃料供給ノズル１１と上記嵌合する内周面２０ａに開口する第１の流路２３が形成されているスリーブ２０と、を有し、燃料供給ノズル１１には、一端部３１がスリーブ２０と上記嵌合する外周面１１ａに開口して他端部３２が燃焼領域１３に開口する第２の流路３３が形成されているという構成を採用することによって、負荷（温度）よって変動するライナ１２の長さ方向における熱伸び量を利用して、燃料供給ノズル１１部分での圧縮空気の混入量を調整することができる。
したがって、本実施形態では、低負荷時の燃焼安定性と高負荷時のカーボン・スモークの低減とを両立させることができる。

なお、上述の実施形態では、ライナ１２が、一般的な長さ１５０〜２５０ｍｍに対して、２ｍｍ程度熱伸びするため、図３に示すように、第１の流路２３の他端部２２と第２の流路３３の一端部３１との初期位置を近接配置しているが、ライナ１２の材質を熱伸びし易い材質に変更する、あるいは、ライナ１２の長さを長くすれば、熱伸び量を大きくすることができるため、図６に示すように、第１の流路２３の他端部２２と第２の流路３３の一端部３１との初期位置を距離Ｓだけ離して配置することができる。ライナ１２の熱伸び量は負荷（温度）に比例するため、距離Ｓを調整することで、第１の流路２３の他端部２２と第２の流路３３の一端部３１とが連通するタイミングを任意に設定することができる。例えば、負荷が特定の閾値未満（例えば５００℃未満）のときには、第１の流路２３の他端部２２と第２の流路３３の一端部３１との間を非連通とさせて、圧縮空気を燃料供給ノズル１１部分で混入させないようし、一方で、負荷が特定の閾値以上（例えば５００℃以上）のときには、第１の流路２３の他端部２２と第２の流路３３の一端部３１との間を連通させて、圧縮空気を燃料供給ノズル１１部分で混入させるように制御することができる。この構成によれば、低負荷時の燃焼安定性をより確実に確保できる。
また、ライナ１２の一部を、形状記憶合金から構成することで、第１の流路２３の他端部２２と第２の流路３３の一端部３１とが連通するタイミングを任意に設定する構成であってもよい。

以上、図面を参照しながら本発明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るものではない。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、上記実施形態では、第１の流路２３の他端部２２は、内周面２０ａにその周方向に沿ってリング状に開口すると説明したが、第２の流路３３の一端部３１が、外周面１１ａにその周方向に沿ってリング状に開口する構成であってもよい。この構成によれば、上述のように第１の流路２３の他端部２２と第２の流路３３の一端部３１とが連通するべき位置関係で非連通となることを防止することができる。

また、例えば、上記実施形態では、アニュラー（環）型の燃焼器について本発明を適用して説明したが、キャン（缶）型の燃焼器について本発明を適用してもよい。

また、例えば、上記実施形態では、本発明を航空機用のガスタービンエンジンの燃焼器に適用して説明したが、本発明を発電用のガスタービンの燃焼器に適用してもよい。

３…燃焼器、８…ハウジング（固定部）、１１…燃料供給ノズル、１１ａ…外周面（スリーブと嵌合する面）、１２…ライナ、１２ａ…端部、１３…燃焼領域、１８…スワラ（燃焼用空気導入部）、２０…スリーブ、２０ａ…内周面（燃料供給ノズルと嵌合する面）、２１…一端部、２２…他端部、２３…第１の流路、３１…一端部、３２…他端部、３３…第２の流路

Claims (3)

1. 燃焼領域を形成するライナと、前記ライナの長さ方向一方側から燃料を前記燃焼領域内に供給する燃料供給ノズルと、前記ライナの長さ方向一方側から前記ライナの外部を流通する燃焼用空気を前記燃焼領域内に導入する燃焼用空気導入部と、を有する燃焼器であって、
   前記ライナの長さ方向他方側の端部の位置を前記燃料供給ノズルが設けられた位置に対して固定して、前記ライナを前記長さ方向一方側に熱伸び自在とさせる固定部と、
   前記長さ方向一方側で前記ライナに固定され、前記燃料供給ノズルと前記長さ方向でスライド自在に嵌合すると共に、一端部が前記外部に開口して他端部が前記燃料供給ノズルと前記嵌合する面に開口する第１の流路が形成されているスリーブと、を有し、
   前記燃料供給ノズルには、一端部が前記スリーブと前記嵌合する面に開口して他端部が前記燃焼領域に開口する第２の流路が形成されていることを特徴とする燃焼器。
2. 前記第１の流路の他端部と前記第２の流路の一端部とは、前記ライナの長さ方向における熱伸び量が、特定の閾値未満のときに非連通とされ、前記特定の閾値以上のときに連通とされる相対位置関係を有することを特徴とする請求項１に記載の燃焼器。
3. 前記第１の流路の他端部と前記第２の流路の一端部との少なくともいずれか一方は、前記嵌合する面にリング状に開口していることを特徴とする請求項１または２に記載の燃焼器。

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