JP5743122B2 - 燃焼器及びガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、燃焼器及びガスタービンに関する。

従来、ガスタービンの分野においては、圧縮空気に燃料を吹き込んで燃焼させる燃焼器として予混合燃焼方式の燃焼器を用いたものがある。この予混合燃焼方式の燃焼器としては、圧縮機から圧縮空気が供給される内筒と、この内筒の内周に沿って環状に配設された複数のメインノズルと、内筒の中心軸上に配設され、パイロット火炎を保炎するパイロットノズルとを備えるものがある。この種の燃焼器は、メインノズルによって燃料と圧縮空気との予混合気を内筒の内部に供給し、この予混合気をパイロット炎で着火して予混合燃焼を行う。

例えば、下記特許文献１においては、燃料ノズルと、この燃料ノズルを包囲して燃料ノズルとの間に空気通路を形成するバーナー筒と、燃料ノズルの外周面の周方向複数箇所に配置されて流通する空気を旋回させる旋回翼とで予混合燃焼バーナーを構成している。この燃焼器では、旋回翼の内周側後縁部に切欠部を形成することにより、旋回翼の下流側に渦空気流を発生させ、空気通路の半径方向において予混合気の燃料濃度を均一化させることにより、ＮＯｘ増加の抑止と火炎の逆戻り（フラッシュバック）の防止とを図っている。

特開２００７−２８５５７２号公報

ところで、上記のような燃焼器においては、内筒や尾筒の内周面に沿って冷却空気を流したり、吹き付けたりして、内筒、尾筒及びその周辺部材の冷却を図るのが通常である。また、複数のメインノズルのバーナー筒と、パイロットノズルの外側に配置されるパイロットコーンとの間に形成される空間に冷却空気が流れる構造となっている。

しかしながら、従来の燃焼器では、バーナー筒の出口端部における予混合気の燃料濃度を半径方向に均一化させたとしても、火炎面に到達するまでに上記の冷却空気が混入するために、火炎面での燃料濃度は均一とならず、局所的に燃料濃度が高くなる部分が生じる可能性がある。ここで、燃焼における火炎温度に依存するサーマルＮＯｘは、火炎温度の上昇に対して指数関数的に増加する。このため、燃料濃度が局所的に高いために火炎の温度が局所的に高くなる箇所が生じると、ＮＯｘが増加してしまうという問題があった。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、燃焼器及びガスタービンのＮＯｘの発生を抑止することを課題とする。

本発明に係る燃焼器は、外部から空気が供給される内筒と、前記内筒の軸方向に延在すると共に前記内筒の内周に沿って間隔を空けて複数設けられ、それぞれ前記空気と燃料との予混合気を前記内筒の内部に供給する第一のノズルと、前記内筒が基端に接続されると共に前記第一のノズルから供給された前記予混合気を燃焼させて火炎面を形成する尾筒とを備え、前記各第一のノズルは、軸方向において前記火炎面が均一な温度となるように、その第一のノズルの中心軸周りに燃料濃度を変化させて前記予混合気を供給する。
この構成によれば、軸方向において火炎面が均一な温度となるように、各第一のノズルがその中心軸周りに燃料濃度を変化させて予混合気を供給するので、予混合気に冷却空気が混入したとしても、軸方向に亘って予混合気の燃料濃度の偏りを緩和することが可能である。これにより、軸方向に亘って均一的な燃料濃度の予混合気によって火炎面が形成されることとなり、軸方向において火炎面が不均一な温度で燃焼するのを抑止すると共にＮＯｘの発生を抑止することができる。

また、前記第一のノズルは、前記第一のノズルの先端出口における前記予混合気において、前記内筒の径方向外方側となる第一の範囲と比較して、前記内筒の径方向内方側となる第二の範囲の燃料濃度を相対的に高くしてもよい。
すなわち、例えば、第一のノズルと第一のノズルの内側に設けられる第二のノズルとの間を流れる冷却空気により、第一のノズルから供給される予混合気の燃料濃度が影響を受ける場合、第一のノズルから供給される予混合気の燃料濃度は、第一の範囲においてが相対的に下がり難く、第二の範囲において相対的に下がり易いので、第二の範囲の燃料濃度を第一の範囲と比較して相対的に高く設定する。これにより、比較的に簡単な構成で、火炎面に到達する予混合気の燃料濃度を軸方向において均一的にすることができる。

この明細書において、予混合気において、内筒の径方向外方側となる第一の範囲とは、一つの第一のノズルにより生成される予混合気のうち、内筒の径方向外方側のすべての領域が第一の範囲であるとは限られず、径方向外方側の領域の全部又は一部により第一の範囲が構成されることを意味する。同様に、予混合気において、内筒の径方向内方側となる第二の範囲とは、内筒の径方向外方側の領域の全部又は一部により第二の範囲が構成されることを意味する。

また、前記第一のノズルは、前記第一のノズルの先端出口における前記予混合気において、前記内筒の径方向内方側となる第二の範囲と比較して、前記内筒の径方向外方側となる第一の範囲の燃料濃度を相対的に高くしてもよい。
すなわち、例えば、内筒や尾筒の内周面を流れる冷却空気により第一のノズルから供給される予混合気の燃料濃度が影響を受ける場合、第一のノズルから供給される予混合気の燃料濃度は、第一の範囲において相対的に下がり易く、第二の範囲において相対的に下がり難いので、第一の範囲の燃料濃度を第二の範囲と比較して相対的に高く設定する。これにより、比較的に簡単な構成で、火炎面に到達する予混合気の燃料濃度を軸方向において均一的にすることができる。

また、前記第一のノズルは、前記第一のノズルの中心軸上に設けられたノズル本体と、前記ノズル本体の外周に複数設けられ、前記燃料を吐出する複数の燃料吐出部とを有し、前記複数の燃料吐出部は、前記第一のノズルの中心軸回りに吐出量を変化させて前記燃料を吐出してもよい。
この構成によれば、前記複数の燃料吐出部が第一のノズルの中心軸回りに吐出量を変化させて燃料を吐出するので、その第一のノズルの中心軸周りに予混合気の燃料濃度を容易に変化させることができる。

また、前記複数の燃料吐出部は、それぞれ燃料吐出孔を備え、前記燃料吐出孔の開口面積を異ならせて前記燃料の吐出量を変化させてもよい。
この構成によれば、燃料吐出孔の数量が異なるので、比較的に簡素な構成で燃料の吐出量を変化させ、予混合気の燃料濃度を変化させることができる。

また、前記複数の燃料吐出部は、それぞれ燃料吐出孔を備え、前記燃料吐出孔の数量を異ならせて前記燃料の吐出量を変化させてもよい。
この構成によれば、燃料吐出孔の開口面積が異なるので、比較的に簡素な構成で燃料の吐出量を変化させ、予混合気の燃料濃度を変化させることができる。

また、前記複数の燃料吐出部は、それぞれ燃料吐出孔を備え、前記燃料吐出孔は複数の群に分かれており、各群はそれぞれ独立した燃料供給路に接続され、前記燃料の吐出量を変化させてもよい。
この構成によれば、燃料吐出孔が複数の群に分かれて、それぞれ独立した燃料供給路に接続されているので、例えば、各燃料供給路の燃料供給圧力を制御することにより、各群の燃料吐出量を任意に変化させ、ひいては予混合気の燃料濃度や各群間の燃料濃度比を変化させることができる。また、運転時においても、各群の燃料吐出量や各群間の燃料濃度比を任意に変化させることができる。

また、前記第一のノズルは、前記ノズル本体の外周に複数設けられ、前記予混合気の旋回流を形成するスワラー翼を有し、前記複数の燃料吐出部は、前記スワラー翼に形成されてもよい。
この構成によれば、複数の燃料吐出部がスワラー翼に形成されているので、予混合気に旋回流が形成され、その結果、予混合気の燃料濃度を径方向に効率的に調整することができる。

また、前記スワラー翼は、前記ノズル本体の径方向における複数の位置に前記燃料吐出部を有し、これら複数の燃料吐出部は、前記ノズル本体の径方向に吐出量を変化させて前記燃料を吐出してもよい。
この構成によれば、複数の燃料吐出部が、ノズル本体の径方向に吐出量を変化させて燃料を吐出するので、予混合気の燃料濃度を径方向に調整することができる。

さらに、本発明に係るガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンとを備えるガスタービンであって、前記燃焼器は、上記のうちいずれかの燃焼器を備えてもよい。
この構成によれば、上記のうちいずれかの燃焼器を備えるので、ＮＯｘの発生が抑止されたガスタービンを構成することができる。

本発明に係る燃焼器によれば、ＮＯｘの発生を抑止することができる。
本発明に係るガスタービンによれば、ＮＯｘの発生が抑止されたガスタービンを構成することができる。

本発明の第１の実施形態に係るガスタービン１の全体構成を示す概略構成断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る燃焼器１０の拡大断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る燃焼器１０の要部拡大断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る要部拡大図であって、図３におけるＩ矢視図である。 本発明の第１の実施形態に係る図３の断面における予混合気Ｍの燃料濃度を温度に換算したものと、図３の断面に対応する、予混合気Ｍの火炎面Ｆでの火炎温度を示したものであり、ノズル中心軸Ｐ３からの径方向位置を縦軸、燃料濃度から換算した温度（温度換算濃度）を横軸としている。 本発明の第１の実施形態に係る燃焼器１０の比較例であって、燃焼器１０について示した図５に相当する。 本発明の第２の実施形態に係る図３の断面における予混合気Ｍの燃料濃度を温度に換算したものと、図３の断面に対応する、予混合気Ｍの火炎面Ｆでの火炎温度を示したものであり、ノズル中心軸Ｐ３からの径方向位置を縦軸、燃料濃度から換算した温度（温度換算濃度）を横軸としている。 本発明の第２の実施形態に係る燃焼器１０の比較例であって、燃焼器１０について示した図７に相当する。 本発明の第２の実施形態の変形例に係るメインノズルを示す図であり、中心軸方向から見た図である。 本発明の第２の実施形態の変形例に係るメインノズルの概略構成を示す正面図である。 本発明の第２の実施形態の変形例に係るメインノズルを示す図であり、図１０におけるＸ−Ｘ断面図である。 本発明の第２の実施形態の変形例に係るメインノズルを示す図であり、図１０におけるＹ−Ｙ断面図である。

〔第１の実施形態〕
以下、図面を参照し、本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るガスタービン１の全体構成を示す概略構成断面図である。
図１に示すように、このガスタービン１は、圧縮機２と複数の燃焼器１０とタービン３とで概略構成されている。

圧縮機２は、空気を作動流体として取り込んで圧縮空気（空気）Ａを生成する。
複数の燃焼器１０は、図１に示すように、圧縮機２の出口に連通しており、圧縮機２から供給された圧縮空気Ａに燃料を混合すると共に燃焼させて高温且つ高圧の燃焼ガスＢを発生させる。
タービン３は、燃焼器１０から送り出された燃焼ガスＢの熱エネルギをロータ１ａの回転エネルギに変換する。そして、この回転エネルギがロータ１ａに連結された発電機（不図示）に伝達される。
なお、各燃焼器１０は、それぞれの燃焼器中心軸Ｐ２を、ガスタービン１におけるロータ１ａの回転中心軸Ｐ１に対して、燃焼器１０の入口側が出口側よりも径方向に離れる側に傾けた状態で放射状に配設されている。

図２は、燃焼器１０の拡大断面図である。
図２に示すように、各燃焼器１０は、外筒１１と、内筒１２と、メインノズル（第一のノズル）１４と、パイロットノズル（第二のノズル）１３と、尾筒１５とを備えている。

外筒１１は、その中心軸を燃焼器中心軸Ｐ２に重ねており、軸方向一端側の外周から径方向外方側に延出するフランジ１１ｆが車室ケーシング１ｂに固定されている。この外筒１１の軸方向他端側の基端部１１ａ側には、メインノズル１４に燃料を供給する燃料供給部１０ａと、メインノズル１４を支持するノズル管台２０とが配設されている。

内筒１２は、外筒１１よりも小径に形成されており、その中心軸を燃焼器中心軸Ｐ２に重ねている。この内筒１２は、基端開口部１２ｂ側から延出した支持部１２ｆ等を介して外筒１１に固定されている。
このような内筒１２は、図２に示すように、外筒１１との間隙が圧縮空気Ａの流路とされており、外筒１１の基端部１１ａ側の基端開口部１２ｂから圧縮空気Ａが内部に導入される。

パイロットノズル１３は、長尺状に形成されており、燃焼器中心軸Ｐ２上に配設されている。このパイロットノズル１３は、基端１３ｂ側をノズル管台２０等に支持されており、先端１３ａ側を内筒１２に包囲されている。このようなパイロットノズル１３は、燃料供給部１０ａから基端１３ｂ側に供給された燃料により、先端１３ａ側にパイロット炎を形成する。なお、燃料供給部１０ａは、必要に応じて、メインノズル本体２１の基端２１ｂ側の周囲に形成された燃料供給路１０ｂと、メインノズル本体２１の基端２１ｂ側の底部に形成された燃料供給路１０ｃとを備える構成としてもよい。

メインノズル１４は、内筒１２の内周に沿って等ピッチに環状に複数（例えば、八本）配設されている。これら複数のメインノズル１４は、それぞれのノズル中心軸Ｐ３（図３参照）が燃焼器１０の燃焼器中心軸Ｐ２に平行になるように配設されている。

図３は、燃焼器１０の要部拡大断面図であり、図４は、図３におけるＩ矢視図である。
図３に示すように、各メインノズル１４は、メインノズル本体２１と、複数のメインスワラー翼２２と、メインノズル筒２３と、延長管２４とを備えている。また、パイロットノズル１３は、パイロットノズル本体２５と、複数のパイロットスワラー翼２６と、パイロットノズル筒２７と、パイロットコーン２８とを備えている。

メインノズル本体２１は、図２に示すように、長尺状に形成されており、ノズル中心軸Ｐ３上に位置している。このメインノズル本体２１は、図２に示すように、基端２１ｂ側がノズル管台２０に支持されており、燃料供給部１０ａと接続された燃料流路を内部に有している。

メインスワラー翼２２は、図３及び図４に示すように、メインノズル本体２１の先端２１ａ側の外周に放射状に複数（本実施形態では、六つ）配設されており、この予混合気Ｍの旋回流を形成する。

各メインスワラー翼２２には、図４に示すように、燃料吐出部２２Ａ，２２Ｂが配設されている。
燃料吐出部２２Ａ，２２Ｂは、メインスワラー翼２２の圧力面２２ａ及び負圧面２２ｂに形成された一対の燃料吐出孔２２ｃによって構成されており、燃料吐出部２２Ａが径方向外方側に、燃料吐出部２２Ｂが径方向内方側に形成されている。

燃料吐出孔２２ｃは、それぞれメインノズル本体２１の燃料流路に連通している。この燃料吐出孔２２ｃは、燃料吐出部２２Ａ，２２Ｂのそれぞれについて、圧力面２２ａに形成された燃料吐出孔２２ｃが径方向外方側に、負圧面２２ｂに形成された燃料吐出孔２２ｃが径方向内方側に位置するように形成されている。

このような構成により、図３に示すように、燃料吐出部２２Ａ，２２Ｂは、燃料吐出孔２２ｃから燃料ｆを吐出して圧縮空気Ａと燃料ｆとの予混合気Ｍを生成する。

メインノズル筒２３は、その中心軸をノズル中心軸Ｐ３と重ねて配置され、筒先端開口２３ａ及び筒基端開口２３ｂがそれぞれ軸方向に向いている。そして、このメインノズル筒２３は、各メインノズル本体２１の先端２１ａと複数のメインスワラー翼２２とを包囲している。

延長管２４は、軸方向の管基端開口２４ｂ側がメインノズル筒２３の筒先端開口２３ａ側と接続されている。この延長管２４は、先端開口部（先端出口）２４ａ側において、管基端開口２４ｂ側から管先端開口２４ａ側に進むに従って、流路断面が漸次小さくなっている。
この延長管２４は、管先端開口２４ａの径方向外周壁側から冷却フィルムのための冷却空気ａ２を流出させる。

このようなメインノズル１４は、パイロットノズル１３と同様に、メインノズル筒２３や延長管２４等が位置する先端側を内筒１２に包囲されている。

パイロットノズル１３は、パイロットノズル本体２５の先端２５ａ側に、パイロットノズル筒２７を備え、このパイロットノズル筒２７とパイロットノズル本体２５との間に環状の空間が形成される。そして、円筒状のパイロットノズル筒２７とパイロットノズル本体２５との間にパイロットスワラー翼２６が配設されており、このパイロットスワラー翼２６が圧縮空気Ａの旋回流を形成する。
パイロットコーン２８は、パイロットノズル筒２７の筒先端開口２７ａ側に、基端開口２８ｂが接続されている。このパイロットコーン２８は、基端開口２８ｂから先端開口２８ａに進むに従って、流路面積が漸次大きくなっている。
また、延長管２４とパイロットコーン２８との間隙には冷却空気ａ１の流路が形成されており、この流路から流出した冷却空気ａ１により、延長管２４やパイロットコーン２８を冷却する。

図２及び図３に示すように、尾筒１５は、基端開口１５ｂが内筒１２の先端開口部１２ａ側に接続されると共に、先端開口（軸方向先端）１５ａがタービン３に連通している。この尾筒１５は、メインノズル１４から供給された予混合気Ｍを燃焼させ、先端開口１５ａ側に向かうに従って径方向外方側に広がる火炎面Ｆを形成する。
図３に示すように、この尾筒１５と内筒１２との間隙には、冷却空気ａ３の流路が形成されており、この流路から流入した冷却空気ａ３が尾筒１５の内周面に沿って流れて冷却フィルムを形成する。また、図３に示すように、内筒１２の先端開口部１２ａの下流側からも冷却空気ａ４が流入する。
なお、本実施形態では、この冷却空気ａ１〜ａ４のうち、延長管２４とパイロットコーン２８との間隙から流出する冷却空気ａ１の影響が支配的となる場合について説明する。

上述したように、メインノズル１４は、圧縮空気Ａと燃料ｆとの予混合気Ｍを内筒１２の内部に供給する。その際、メインノズル１４は、軸方向において火炎面Ｆが均一な温度となるように、そのメインノズル１４のノズル中心軸Ｐ３周りに燃料濃度を変化させて予混合気Ｍを供給する。
メインノズル１４は、管先端開口２４ａにおいて、内筒１２の径方向外方側（燃焼器中心軸Ｐ２から離れる側）となる第一の範囲Ｓ１と比較して、内筒１２の径方向内方側となる第二の範囲Ｓ２の燃料濃度を相対的に高くする。

この具体的な構成としては、図４に示すように、六つの燃料吐出部２２Ａのうち、吐出した燃料ｆが第一の範囲Ｓ１に到達するグループＧ１の燃料吐出量を少なくし、吐出した燃料ｆが第二の範囲Ｓ２に到達するグループＧ２の燃料吐出量を多くしている。
より詳細には、図４に示すように、内筒１２の径方向内方側に位置する二つの燃料吐出部２２Ａ及びこれら二つの燃料吐出部２２Ａに対して旋回方向に隣接する一つの燃料吐出部２２Ａと（グループＧ１）、残りの三つの燃料吐出部２２Ａ（グループＧ２）とで、燃料吐出孔２２ｃの開口面積が異なっている。
なお、六つの燃料吐出部２２Ｂにおける各燃料吐出孔２２ｃの大きさは同一である。

燃料吐出孔２２ｃの開口面積は、燃料吐出部２２Ｂに属する燃料吐出孔２２ｃの孔径を１とすると、グループＧ１に属する燃料吐出孔２２ｃの孔径が０．９に設定され、グループＧ２に属する燃料吐出孔２２ｃの孔径が１．１に設定されている。
なお、燃料吐出孔２２ｃの位置や数、及び、孔径の大きさは、管先端開口２４ａの濃度分布に応じて定められている。

このように、六つの燃料吐出部２２Ａの燃料吐出量が、メインノズル１４のノズル中心軸Ｐ３回りで二種類に分かれている。また、同一のメインスワラー翼２２において、メインノズル本体２１の径方向外方側の燃料吐出部２２Ａと、内方側の燃料吐出部２２Ｂとで燃料吐出量が異なっている。
このような構成により、メインノズル本体２１の燃料流路における燃料ｆに圧力を作用させると、各燃料吐出孔２２ｃから開口面積に応じた量の燃料ｆが圧縮空気Ａに吐出される。

次に、上述した燃焼器１０の作用について説明する。
ガスタービン１の運転を開始すると、圧縮機２が圧縮空気Ａを生成する。この圧縮空気Ａは、図２に示すように、各燃焼器１０の内筒１２の基端開口部１２ｂから内筒１２の内部に流入する。

内筒１２の内部に流入した圧縮空気Ａは、一部がパイロットノズル１３によるパイロット炎の燃焼に用いられ、一部がメインノズル１４のメインノズル筒２３に流入する。
各燃料吐出孔２２ｃは、メインスワラー翼２２に流入した圧縮空気Ａに対して、開口面積に応じた量の燃料ｆを吐出する。そして、吐出された燃料ｆと圧縮空気Ａとがメインスワラー翼２２によって混合されて予混合気Ｍが生成されると共に、予混合気Ｍの旋回流が形成される。

このような予混合気Ｍは、延長管２４の管先端開口２４ａに到達した際に、第一の範囲Ｓ１の濃度が相対的に低く、第二の範囲Ｓ２の濃度が相対的に高くなる。

管先端開口２４ａから流出した予混合気Ｍは、図３に示すように火炎面Ｆを形成する。
より詳細には、予混合気Ｍは、燃焼器１０の燃焼器中心軸Ｐ２方向の下流側に流れていくが、内筒１２の内方側（燃焼器中心軸Ｐ２側）の予混合気Ｍほど、上流域において径方向内方側で燃焼する。換言すれば、内筒１２の径方向外方側の予混合気Ｍほど、より下流域に到達すると共に、より径方向外方側で燃焼する。

つまり、筒先端開口２３ａから流出した予混合気Ｍは、内筒１２の内方側であって、第一の範囲Ｓ１と比較して燃料濃度が高くなった第二の範囲Ｓ２から先に燃焼する。
一方、予混合気Ｍが下流側に流れていくと、予混合気Ｍが下流域に流れるまでの間に第二の範囲Ｓ２に冷却空気ａ１が混入し、管先端開口２４ａで相対的に高かった燃料濃度が希薄になって第一の範囲Ｓ１と同程度の燃料濃度となる。
このようにして、予混合気Ｍの燃焼する範囲が内筒１２の内方側から径方向外方側に順次移っていき、軸方向において略同一の燃料濃度となった予混合気Ｍによって火炎面Ｆが形成される。このようにして形成された火炎面Ｆは、軸方向において火炎温度が均一的になって、ＮＯｘの発生が僅かなものとなる。

以上説明したように、燃焼器１０によれば、軸方向において火炎面Ｆが均一な温度となるように、各メインノズル１４がそのノズル中心軸Ｐ３周りに燃料濃度を変化させて予混合気Ｍを供給するので、軸方向に亘って予混合気Ｍの燃料濃度の偏りを緩和することが可能である。これにより、予混合気Ｍに冷却空気ａ１が混入したとしても、軸方向に亘って均一的な燃料濃度の予混合気Ｍによって火炎面Ｆが形成されることとなり、軸方向において火炎面Ｆが不均一な温度で燃焼するのを抑止すると共にＮＯｘの発生を抑止することができる。

図５は、メインノズル１４の管先端開口２４ａにおける予混合気Ｍの燃料濃度を温度に換算したものと、図３の断面に対応する、予混合気Ｍの火炎面Ｆでの火炎温度を示したものであり、ノズル中心軸Ｐ３からの径方向位置を縦軸、燃料濃度から換算した温度（温度換算濃度）を横軸としている。なお、図５において、実線が予混合気Ｍの火炎面Ｆでの火炎温度、破線が管先端開口２４ａにおける予混合気Ｍの燃料濃度を温度に換算した値である。
また、図６は、燃料吐出孔２２ｃの開口面積をノズル中心軸Ｐ３の周りにおいて全て同一（燃料吐出部２２Ａの燃料吐出孔２２ｃが燃料吐出部２２Ｂの燃料吐出孔２２ｃと同一の孔径）にした場合の比較例である。

比較例のように燃料吐出孔２２ｃの開口面積をノズル中心軸Ｐ３の周りにおいて全て同一のものとして、管先端開口２４ａにおける濃度分布を概ね均一的なものとすると、図６に実線で示すように、火炎面Ｆでは内筒１２の径方向外方側で温度ピークＲ（最高火炎温度）が生じ、この部分で局所的に火炎温度が高くなる。その一方で、温度ピークＲより径方向内方側になるに従って、火炎温度が急激に低下する。
これは、冷却空気ａ１によって、径方向内方側の予混合気Ｍの燃料濃度が低下しやすいためである。

一方、本発明の燃焼器１０では、比較例に対して、図５に示すように、管先端開口２４ａにおける濃度分布は均一ではなく、径方向外方側に対して径方向内方側の濃度が相対的に高くなっている。また、本発明の燃焼器１０では、比較例に対して、火炎面Ｆにおける予混合気の火炎温度は概ね均一となっている。さらに、本発明の燃焼器１０では、比較例と比較して、図５に実線で示すように、温度ピークＲが低くなっている。このように、燃焼器１０では、全体的に見て燃焼温度が均一的なものとなっており、局所的な火炎温度の上昇を低減できるので、ＮＯｘの発生が十分に抑止される。

また、メインノズル１４の管先端開口２４ａにおいて、内筒１２の径方向外方側となる第一の範囲Ｓ１と比較して、内筒１２の径方向内方側の第二の範囲Ｓ２での燃料濃度を相対的に高くする。すなわち、相対的に燃料濃度が下がり難く下流側で燃焼する第一の範囲Ｓ１の燃料濃度を低く設定し、相対的に燃料濃度が下がり易く上流側で燃焼する第二の範囲Ｓ２の燃料濃度を高く設定する。これにより、比較的に簡単な構成で、火炎面Ｆに到達する予混合気Ｍの燃料濃度を軸方向において均一的にすることができる。

また、六つのメインスワラー翼２２にそれぞれ形成された燃料吐出部２２Ａの燃料吐出量がノズル中心軸Ｐ３回りで二種類に分かれているので、管先端開口２４ａから流出した後に早い段階で燃え易い第二の範囲Ｓ２と、下流域まで流れて遅れて燃える第一の範囲Ｓ１に対応させて、ノズル中心軸Ｐ３周りに予混合気Ｍの燃料濃度を容易に変化させることができる。

また、同一のメインスワラー翼２２においてメインノズル１４の径方向の外方側の燃料吐出部２２Ａと、内方側の燃料吐出部２２Ｂとで燃料吐出量を変化させているので、予混合気Ｍの燃料濃度を容易かつ適切に径方向に調整することができる。

また、燃料吐出孔２２ｃの開口面積が異なるので、比較的に簡素な構成で燃料吐出量を変化させ、予混合気Ｍの燃料濃度を変化させることができる。

さらに、ガスタービン１によれば、燃焼器１０を備えるので、ＮＯｘの発生が抑止された構成とすることができる。

〔第２の実施形態〕
第１の実施形態では、延長管２４とパイロットコーン２８との間隙から流出する冷却空気ａ１の影響が支配的となる場合について説明したが、第２の実施形態では、延長管２４の管先端開口２４ａの径方向外周壁側からの冷却フィルムのための冷却空気ａ２、尾筒１５と内筒１２との間隙の流路から流入した冷却空気ａ３、内筒１２の先端開口部１２ａの下流側から流入した冷却空気ａ４などの、内筒の径方向外方側の冷却空気の影響が支配的となる場合について説明する。このため、第１の実施形態と同様の構成については記載を省略する。

本実施形態では、メインノズル１４は、管先端開口２４ａにおいて、内筒１２の径方向内方側（燃焼器中心軸Ｐ２に近付く側）となる第二の範囲Ｓ２と比較して、内筒１２の径方向外方側となる第一の範囲Ｓ１の燃料濃度を相対的に高くする。

この具体的な構成としては、図４において、六つの燃料吐出部２２Ａのうち、吐出した燃料ｆが第一の範囲Ｓ１に到達するグループＧ１の燃料吐出量を多くし、吐出した燃料ｆが第二の範囲Ｓ２に到達するグループＧ２の燃料吐出量を少なくしている。
なお、燃料吐出孔２２ｃの位置や数、及び、孔径の大きさは、管先端開口２４ａの濃度分布に応じて定められている。

次に、上述した燃焼器１０の作用について説明する。
予混合気Ｍは、延長管２４の管先端開口２４ａに到達した際に、第一の範囲Ｓ１の濃度が相対的に高く、第二の範囲Ｓ２の濃度が相対的に低くなる。

つまり、筒先端開口２３ａから流出した予混合気Ｍは、内筒１２の内方側であって、第一の範囲Ｓ１と比較して燃料濃度が低くなった第二の範囲Ｓ２から先に燃焼する。
一方、予混合気Ｍが下流側に流れていくと、予混合気Ｍが下流域に流れるまでの間に第一の範囲Ｓ１に冷却空気ａ２〜ａ４が混入し、管先端開口２４ａで相対的に高かった燃料濃度が希薄になって第二の範囲Ｓ２と同程度の燃料濃度となる。
このようにして、予混合気Ｍの燃焼する範囲が内筒１２の内方側から径方向外方側に順次移っていき、軸方向において略同一の燃料濃度となった予混合気Ｍによって火炎面Ｆが形成される。
このようにして形成された火炎面Ｆは、軸方向において火炎温度が均一的になって、ＮＯｘの発生が僅かなものとなる。

以上説明したように、燃焼器１０によれば、軸方向において火炎面Ｆが均一な温度となるように、各メインノズル１４がそのノズル中心軸Ｐ３周りに燃料濃度を変化させて予混合気Ｍを供給するので、軸方向に亘って予混合気Ｍの燃料濃度の偏りを緩和することが可能である。
これにより、予混合気Ｍに冷却空気ａ２〜ａ４が混入したとしても、軸方向に亘って均一的な燃料濃度の予混合気Ｍによって火炎面Ｆが形成されることとなり、軸方向において火炎面Ｆが不均一な温度で燃焼するのを抑止すると共にＮＯｘの発生を抑止することができる。

図７は、管先端開口２４ａにおける径方向の予混合気Ｍの燃料濃度を温度に換算したものと、対応する予混合気Ｍの火炎面Ｆでの火炎温度を示したものであり、実線が予混合気Ｍの火炎面Ｆでの火炎温度、破線が管先端開口２４ａにおける予混合気Ｍの燃料濃度を温度に換算した値である。
また、図８は、燃料吐出孔２２ｃの開口面積をノズル中心軸Ｐ３の周りにおいて全て同一（燃料吐出部２２Ａの燃料吐出孔２２ｃが燃料吐出部２２Ｂの燃料吐出孔２２ｃと同一の孔径）にした場合の比較例である。

比較例のように燃料吐出孔２２ｃの開口面積をノズル中心軸Ｐ３の周りにおいて全て同一のものとして、管先端開口２４ａにおける濃度分布を概ね均一的なものとすると、図８に実線で示すように、火炎面Ｆでは内筒１２の径方向外方側で温度ピークＲ（最高火炎温度）が生じ、この部分で局所的に火炎温度が高くなる。その一方で、温度ピークＲより径方向外方側になるに従って、火炎温度が急激に低下する。
これは、冷却空気ａ２〜ａ４によって、径方向外方側の予混合気Ｍの燃料濃度が低下しやすいためである。

一方、本発明の燃焼器１０では、比較例に対して、図７に示すように、管先端開口２４ａにおける濃度分布は均一ではなく、径方向内方側に対して径方向外方側の濃度が相対的に高くなっている。また、本発明の燃焼器１０では、比較例に対して、火炎面Ｆにおける予混合気の火炎温度は概ね均一となっている。さらに、本発明の燃焼器１０では、比較例と比較して、図７に実線で示すように、温度ピークＲが低くなっている。このように、燃焼器１０では、全体的に見て燃焼温度が均一的なものとなっており、局所的な火炎温度の上昇を低減できるので、ＮＯｘの発生が十分に抑止される。

また、メインノズル１４の管先端開口２４ａにおいて、内筒１２の径方向内方側となる第二の範囲Ｓ２と比較して、内筒１２の径方向外方側の第一の範囲Ｓ１での燃料濃度を相対的に高くする。すなわち、相対的に燃料濃度が下がり易く下流側で燃焼する第一の範囲Ｓ１の燃料濃度を高く設定し、相対的に燃料濃度が下がり難く上流側で燃焼する第二の範囲Ｓ２の燃料濃度を低く設定する。
これにより、比較的に簡単な構成で、火炎面Ｆに到達する予混合気Ｍの燃料濃度を軸方向において均一的にすることができる。

なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは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。
例を挙げれば、上述した実施の形態では、燃料吐出孔２２ｃの開口面積を異ならせることにより、燃料吐出量を異ならせて燃料濃度を変化させた。しかし、これに代えて例えば、各燃料吐出孔２２ｃの数量や各燃料吐出孔２２ｃに対する供給圧力を変化させて燃料吐出量を異ならせることにより、燃料濃度を変化させてもよい。あるいは、これらを適宜組み合わせて燃料濃度を変化させてもよい。

以下、図９から１２を参照して、本発明の第1の実施形態または第２の実施形態の変形例について説明する。
図９は、メインノズル１４を中心軸方向先端側から視た図である。また、図１０は、メインノズル１４の概略構成を示す正面図であり、図１１、図１２は、それぞれ図１０におけるメインノズル１４のＸ−Ｘ断面、Ｙ−Ｙ断面図を示している。

この変形例は、図９に示すように、メインノズル１４が、互いに独立した第１燃料供給系統と第２燃料供給系統を備えていて、メインノズル本体２２が、第１燃料供給系統に連通し第１圧力領域３０Ａ（網掛部）に属する燃料吐出孔２２ｃと、第２燃料供給系統に連通し第２圧力領域３０Ｂに属する燃料吐出孔２２ｃとを有している。

第１燃料供給系統及び第２燃料供給系統における燃料ｆの供給圧力を調整することにより、第１圧力領域３０Ａの燃料吐出孔２２ｃから吐出する燃料ｆの吐出量と、第２圧力領域３０Ｂの燃料吐出孔２２ｃから吐出する燃料ｆの吐出量を、それぞれ調整可能とされている。その他は上記第1の実施形態または第２の実施形態と同様であるので、同一の符号を付して説明を省略する。

具体的には、メインノズル本体２１は、図９及び図１０に示すように、メインノズル本体２１の先端２１ａ側の外周に放射状に複数（本実施形態では、六つ）配設された各メインスワラー翼２２のうち、例えば、三つが第１圧力領域３０Ａに属し、残りの三つが第２圧力領域３０Ｂに属している。
また、第１圧力領域３０Ａは第一の範囲Ｓ１と対応するグループＧ１を、第２圧力領域３０Ｂは第二の範囲Ｓ２と対応するグループＧ２を含んで構成されている。
なお、燃料吐出孔２２ｃの位置や数、及び、孔径の大きさは、管先端開口２４ａの濃度分布に応じて設定することができる。

各メインスワラー翼２２は、図９、図１０に示すように、例えば、圧力面２２ａ、負圧面２２ｂに、それぞれ二つずつ燃料吐出孔２２ｃが形成されていて、圧力面２２ａに形成された燃料吐出孔２２ｃが、負圧面２２ｂに形成された燃料吐出孔２２ｃよりも相対的に径方向外方側に配置されている。

ここで、各メインスワラー翼２２の圧力面２２ａ及び負圧面２２ｂにおいて、それぞれ径方向外方側に位置された一対の燃料吐出孔２２ｃは、燃料吐出部２２Ａを構成している。

また、各メインスワラー翼２２の圧力面２２ａ及び負圧面２２ｂにおいて、それぞれ径方向内方側に位置された一対の燃料吐出孔２２ｃは、燃料吐出部２２Ｂを構成している。

メインノズル本体２１は、図１０に示すように、第１燃料供給系統を構成する第１燃料供給路３１と、第２燃料供給系統を構成する第２燃料供給路３２とを内部に有しており、第１燃料供給系統及び第２燃料供給系統は圧力的に独立していて、燃料供給部１０ａと接続されている。

第１燃料供給路３１は、例えば、第１燃料供給口３１Ａと、第１燃料流路３１Ｂと、燃料貯留部３１Ｃと、第１分岐路３１Ｄとを備え、第１燃料供給口３１Ａはメインノズル本体２１の側部に形成され、燃料貯留部３１Ｃは第１分岐路３１Ｄを介して各燃料吐出孔２２ｃに分岐されている。

また、第２燃料供給路３２は、例えば、第２燃料供給口３２Ａと、第２燃料流路３２Ｂと、燃料貯留部３２Ｃと、第２分岐路３２Ｄとを備え、第２燃料供給口３２Ａはメインノズル本体２１の基端２１ｂ側の端面に形成され、燃料貯留部３２Ｃは第２分岐路３２Ｄを介して各燃料吐出孔２２ｃに分岐されている。

燃料貯留部３１Ｃと燃料貯留部３２Ｃは、図１０、図１２に示すように、メインノズル本体２１内に周壁部２１Ｆに囲まれて隣接して配置されて、燃料貯留部３１Ｃと燃料貯留部３２Ｃは仕切壁部２１Ｇにより仕切られて圧力的に互いに独立している。

また、燃料貯留部３１Ｃ及び燃料貯留部３２Ｃを設けることにより、第１圧力領域３０Ａに属する燃料吐出孔２２ｃに供給する燃料ｆの流量及び第２圧力領域３０Ｂに属する燃料吐出孔２２ｃに供給する燃料ｆの流量を安定するとともに、第１燃料流路３１Ｂ、及び第２燃料流路３２Ｂと対応する各燃料吐出孔２２ｃの連通を容易に行うことができる。

また、この変形例では、図２に示すように、第１燃料供給口３１Ａは、燃料供給部１０ａから連通しメインノズル本体２１の基端２１ｂ側の周囲に形成された燃料供給路１０ｂから燃料ｆが供給され、第２燃料供給口３２Ａは、燃料供給部１０ａから連通しメインノズル本体２１の基端２１ｂ側の底部に形成された燃料供給路１０ｃから燃料ｆが供給されるようになっている。

この実施形態において、燃料供給部１０ａは、例えば、第１燃料供給系統及び第２燃料供給系統における燃料ｆの供給圧力等のパラメータの設定を調整して、第１燃料供給路３１及び第２燃料供給路３２に供給する燃料ｆの流量を調整するようになっている。

すなわち、この変形例では、第１燃料供給系統、及び第１燃料供給系統と独立した第２燃料供給系統により燃料ｆを供給し、第１燃料供給系統及び第２燃料供給系統の供給圧力を個別に制御することにより、第１燃料供給系統及び第２燃料供給系統の燃料ｆの流量、ひいては、第１圧力領域３０Ａ及び第２圧力領域３０Ｂに属する燃料吐出孔２２ｃからの燃料ｆの吐出量を調整するようになっている。

例えば、第１圧力領域３０Ａに属する燃料吐出孔２２ｃの供給圧力を、第２圧力領域３０Ｂに属する燃料吐出孔２２ｃよりも高くすることにより、グループＧ１に属する燃料吐出孔２２ｃは、グループＧ２に属する燃料吐出孔２２ｃよりも相対的に多量の燃料ｆが吐出し、これにより、予混合気の燃料濃度は、内筒１２の第一の範囲Ｓ１が第二の範囲Ｓ２よりも高くなるようになっている。

なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは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、上記実施の形態においては、内筒１２の径方向内方側が第一の範囲Ｓ１とされ、内筒１２の径方向外方側が第二の範囲Ｓ２とされる場合について説明したが、例えば、第一の範囲Ｓ１が内筒１２の径方向外方側の一部とされ、又は第二の範囲Ｓ２が内筒１２の径方向内方側の一部とされてもよいし、第一の範囲Ｓ１及び第二の範囲Ｓ２が、内筒１２の径方向外方側及び径方向内方側のそれぞれ一部をなす構成としてもよい。

また、例えば、上記実施の形態においては、メインノズル１４が、第一の範囲Ｓ１と対応する第１圧力領域３０Ａに属する燃料吐出孔２２ｃと、第二の範囲Ｓ２と対応する第２圧力領域３０Ｂに属する燃料吐出孔２２ｃの２種類の燃料吐出孔２２ｃを備える場合について説明したが、これに限定されるものではない。

例えば、各メインノズル１４で生成した予混合気Ｍの内筒１２の径方向外方側の領域が第一の範囲Ｓ１を含む複数の領域に区分され、又は第一の範囲Ｓ１が複数の異なる燃料濃度の領域に区分されることにより、複数の燃料濃度からなる予混合気を内筒１２の径方向外方側に供給する場合等において、内筒１２の径方向外方側と対応している燃料吐出孔２２ｃを、第１圧力領域３０Ａに加えて、第１圧力領域３０Ａと独立した個別の燃料供給系統に連通する構成としてもよい。

また、例えば、各メインノズル１４で生成した予混合気Ｍの内筒１２の径方向内方側の領域が第二の範囲Ｓ２を含む複数の領域に区分され、又は第二の範囲Ｓ２が複数の異なる燃料濃度の領域に区分されることにより、複数の燃料濃度からなる予混合気を内筒１２の径方向内方側に供給する場合等において、内筒１２の径方向内方側と対応している燃料吐出孔２２ｃを、第２圧力領域３０Ｂに加えて、第２圧力領域３０Ｂと独立した個別の燃料供給系統に連通する構成としてもよい。
なお、内筒１２の径方向外方側及び径方向内方側の双方に、それぞれ複数の独立した燃料供給が設けられていてもよい。

また、上記実施の形態においては、メインノズル１４が、グループＧ１に属する３つのメインスワラー翼２２とグループＧ２に属するメインスワラー翼２２を備え、第１圧力領域３０Ａ及び第２圧力領域３０Ｂに属する各メインスワラー翼２２に、それぞれ四つの第１燃料吐出孔２２ｃが形成されている場合について説明したが、これに限定されるものではない。

例えば、メインノズル１４が備えるメインスワラー翼２２の数、グループＧ１及びグループＧ２と対応するメインスワラー翼２２の数や、第１圧力領域３０Ａ及び第２圧力領域３０Ｂと対応するメインスワラー翼２２の数は任意に設定することができる。
また、それぞれのメインスワラー翼２２に形成される燃料吐出孔２２ｃ数についても任意に設定することができる。

また、上記実施の形態においては、メインノズル１４が６つのメインスワラー翼２２を備える場合について説明したが、例えば、メインノズル１４がメインスワラー翼２２を備えない構成としてもよい。

また、上記実施の形態においては、第１圧力領域３０Ａに属する燃料吐出孔２２ｃと、第２圧力領域３０Ｂに属する燃料吐出孔２２ｃとは、同数で配置が互いに対応し、それぞれの開口面積が同一とされる場合について説明したが、例えば、第１圧力領域３０Ａに属する燃料吐出孔２２ｃと、第２圧力領域３０Ｂに属する燃料吐出孔２２ｃの数、配置、数、開口面積のいずれか又はすべてが異なる設定としてもよい。

また、上記実施の形態においては、第１圧力領域３０Ａが第１燃料系統に接続され、第２圧力領域３０Ｂが第２燃料系統に接続されて、第１燃料系統、第２燃料系統の圧力等のパラメータを制御することにより、第１圧力領域３０Ａと第２圧力領域３０Ｂに属する各燃料吐出孔２２ｃから吐出する燃料ｆの吐出量を調整する場合について説明したが、例えば、第１燃料供給口３１Ａ、第２燃料供給口３２Ａや第１燃料流路３１Ｂ、第２燃料流路３２Ｂ等、各燃料供給系統の流路面積や流路抵抗等の設定により、各燃料供給系統が供給する燃料ｆの流量を調整する構成としてもよい。

また、上記実施の形態においては、第１燃料供給路３１が、第１燃料供給口３１Ａと、第１燃料流路３１Ｂと、燃料貯留部３１Ｃと、第１分岐路３１Ｄとを備える場合について説明したが、上記構成に限定されないことは、いうまでもない。第２燃料供給路３２についても同様である。

また、第１圧力領域３０Ａ及び第２圧力領域３０Ｂに属する各燃料吐出孔２２ｃの数、開口面積の設定により燃料ｆの供給量を調整してもよい。
また、これらを適宜組み合わせて燃料濃度を変化させてもよい。

また、上述した実施の形態では、内筒１２の内周面に沿って間隔を空けてメインノズル１４が配設される燃焼器１０において、燃焼器中心軸Ｐ２上に配設されるパイロットノズル１３によりパイロット炎を形成し、これによってメインノズル１４からの予混合気に着火して予混合燃焼を行う構成について示したが、この構成に限定されない。例えば、内筒の内周面に沿って間隔を空けて配置される複数の第一のノズルと、燃焼器中心軸上に配置される第２のノズルとを備え、前記第一と第二のノズルが各々独立して予混合燃焼が可能である燃焼器においても本発明を適用することが可能である。

本発明に係る燃焼器によれば、ＮＯｘの発生を抑止することができる。
本発明に係るガスタービンによれば、ＮＯｘの発生が抑止されたガスタービンを構成することができる。

１…ガスタービン
１０…燃焼器
１２…内筒
１４…メインノズル（第一のノズル）
１５…尾筒
１５ａ…先端開口（軸方向先端）
１５ｂ…基端開口（基端）
２２…メインスワラー翼（スワラー翼）
２２Ａ，２２Ｂ…燃料吐出部
２２ｃ…燃料吐出孔
２４ａ…管先端開口（先端出口）
Ｐ２…燃焼器中心軸
Ｐ３…ノズル中心軸（メインノズルの中心軸）
Ｓ１…第一の範囲
Ｓ２…第二の範囲
Ａ…圧縮空気（空気）
Ｆ…火炎面
Ｍ…予混合気
ｆ…燃料

Claims (10)

1. 外部から空気が供給される内筒と、
   前記内筒の軸方向に延在すると共に前記内筒の内周に沿って間隔を空けて複数設けられ、それぞれ前記空気と燃料との予混合気を前記内筒の内部に供給する第一のノズルと、
   前記内筒が基端に接続されると共に前記第一のノズルから供給された前記予混合気を燃焼させて火炎面を形成する尾筒とを備え、
   前記各第一のノズルは、軸方向において前記火炎面が均一な温度となるように、その第一のノズルの中心軸周りに燃料濃度を変化させて前記予混合気を供給する燃焼器。
2. 前記第一のノズルは、前記第一のノズルの先端出口における前記予混合気において、前記内筒の径方向外方側となる第一の範囲と比較して、前記内筒の径方向内方側となる第二の範囲の燃料濃度を相対的に高くする請求項１に記載の燃焼器。
3. 前記第一のノズルは、前記第一のノズルの先端出口における前記予混合気において、前記内筒の径方向内方側となる第二の範囲と比較して、前記内筒の径方向外方側となる第一の範囲の燃料濃度を相対的に高くする請求項１に記載の燃焼器。
4. 前記第一のノズルは、前記第一のノズルの中心軸上に設けられたノズル本体と、
   前記ノズル本体の外周に複数設けられ、前記燃料を吐出する複数の燃料吐出部とを有し、
   前記複数の燃料吐出部は、前記第一のノズルの中心軸回りに吐出量を変化させて前記燃料を吐出する請求項１から３のうちいずれか一項に記載の燃焼器。
5. 前記複数の燃料吐出部は、それぞれ燃料吐出孔を備え、前記燃料吐出孔の開口面積を異ならせて前記燃料の吐出量を変化させている請求項４に記載の燃焼器。
6. 前記複数の燃料吐出部は、それぞれ燃料吐出孔を備え、前記燃料吐出孔の数量を異ならせて前記燃料の吐出量を変化させている請求項４または５に記載の燃焼器。
7. 前記複数の燃料吐出部は、それぞれ燃料吐出孔を備え、前記燃料吐出孔は複数の群に分かれており、各群はそれぞれ独立した燃料供給路に接続され、前記燃料の吐出量を変化させている請求項４から６のうちいずれか一項に記載の燃焼器。
8. 前記第一のノズルは、前記ノズル本体の外周に複数設けられ、前記予混合気の旋回流を形成するスワラー翼を有し、前記複数の燃料吐出部は、前記スワラー翼に形成されている請求項４から７のうちいずれか一項に記載の燃焼器。
9. 前記スワラー翼は、前記ノズル本体の径方向における複数の位置に前記燃料吐出部を有し、
   これら複数の燃料吐出部は、前記ノズル本体の径方向に吐出量を変化させて前記燃料を吐出する請求項８に記載の燃焼器。
10. 圧縮機と、
    請求項１から９のうちいずれか一項に記載の燃焼器と、
    タービンと、
    を備えるガスタービン。
    

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