JP5984445B2 - 燃焼器 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン等の燃焼器に関するものである。

近年、火力発電所等で用いられている産業用ガスタービンにおいては、高出力化・高効率化と共に低ＮＯｘ（窒素酸化物）化を図ることが要請されている。これに応じて、ガスタービンを構成する燃焼器においては、次のような低ＮＯｘ型のものが採用されている。

図７に示すように、従来の燃焼器１０１は、燃焼器外筒２と、燃焼器外筒２内部に設けられる筒状の燃焼器内筒３とを有しており、燃焼器外筒２の内周面と燃焼器内筒３の外周面との間に空気流路１０が形成されている。そして、燃焼器内筒３内部には、燃焼器１０１の中心軸Ｏに対して略平行に延びるとともに、中心軸Ｏの周囲に等中心角度間隔で設けられた、予混合燃焼用の燃料を噴射する複数のメインノズル８と、中心軸Ｏ位置に配置されたパイロットノズル５が設けられている（例えば、特許文献１も参照）。

燃焼器１０１内の空気流Ｆは、図示しない車室から空気流路１０へと流入し、ターニングベーン１２で１８０°ターンする。その後、メインノズル８から噴出される燃料と混合され、更にメインスワラ１３で旋回をかけられ抜けていく。

特開２００１−２８９４４１号公報

ところで、上記従来の燃焼器１０１においては、メインノズル８の存在により、空気流Ｆは１８０°ターンした後に、メインノズル８を避けるように流れる。この結果、図８に示すように、空気から見たメインノズル８背後（空気流Ｆ下流側）の流れは、渦Ｅを形成し、不安定な流れを形成する。このような不安定な流れは、空気流Ｆに対し、メインノズル８が略直交して存在していることに起因している。

この渦Ｅは、左右の渦が交互に、かつ周期的に現れる大きな変動（カルマン渦）となる場合がある。この不安定な流れは下流の燃焼領域まで運ばれ、燃料と空気の混合比率に関し時間的に変動を生じさせてしまう。
その結果、燃焼領域において燃焼不安定を誘発したり、また、燃料濃度変動により生じる火炎のホットスポット形成によるＮＯｘ生成が問題となる。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、１８０°ターン部を有する空気流路が設けられ、ターン部において反転された空気が、複数のメインノズルに導入される燃焼器において、メインノズル下流の空気流の乱れを抑制して燃焼振動を抑制し、ＮＯｘの増加を抑制することができる燃焼器を提供することにある。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提供している。
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明の燃焼器は、燃焼器外筒と、前記燃焼器外筒内部に設けられる筒状の燃焼器内筒と、前記燃焼器外筒の内周面と前記燃焼器内筒の外周面との間に形成された空気流路と、前記燃焼器の中心軸位置に配置されたパイロットノズルと、前記燃焼器内筒内部に設けられ、前記燃焼器の中心軸に対して略平行に延びるとともに、前記パイロットノズルの周囲に等中心角度間隔で設けられた、予混合燃焼用の燃料を噴射する複数のメインノズルと、を備え、前記空気流路を流れる空気が、前記燃焼器内筒の端部で流動方向が略反転されて前記複数のメインノズルに導入される燃焼器であって、前記パイロットノズルと前記メインノズルとの間の空間で、前記燃焼器の径方向に延びるとともに、前記中心軸方向に延在する仕切板が設けられ、前記仕切板は、前記パイロットノズルと前記メインノズルの一方から前記径方向に延びるとともに、前記パイロットノズルと前記メインノズルの他方と前記仕切板との間で前記径方向に空間が形成されていることを特徴とする。

上記構成によれば、仕切板によって、メインノズルの背後における空気の渦変動が抑制されるため、下流の燃焼領域での空気の流れの変動を低減することができ、燃焼振動を抑制することができ、燃焼振動に起因するＮＯｘの増加を抑制することができる。

上記燃焼器において、前記仕切板は、前記メインノズルから前記径方向に延びるとともに、前記中心軸方向に延在していることが好ましい。

上記燃焼器において、前記仕切板は、径方向外周側から径方向内周側に向かって漸次幅が狭くなるように形成されているとともに、前記仕切板の前記空気流路の下流側の端部は、下流側から上流側に向かって、漸次幅が広くなるように形成されていることが好ましい。

上記構成によれば、仕切板の両側に生じる小さな渦が抑制される。即ち、この小さな渦を仕切板を形成する物質で埋める形となり、空気の乱れをより低減することができる。

上記燃焼器において、前記仕切板は、前記パイロットノズル側から隣り合う前記メインノズル同士の間に向かって延びている構成としてもよい。

上記構成によれば、メインノズルの背後の空気流の変動が、両側に設けられた仕切板によって囲われるため、大きな変動として発達しにくくなり、空気流の変動成分を低減することができる。

本発明によれば、仕切板によって、メインノズルの背後における空気の渦変動が抑制されるため、下流の燃焼領域での空気の流れの変動を低減することができ、燃焼振動を抑制することができ、燃焼振動に起因するＮＯｘの増加を抑制することができる。

本発明の第一実施形態に係る燃焼器の概略構成図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 本発明の第一実施形態に係る燃焼器のスタビライザの詳細図であって、本実施形態に係る燃焼器の効果を説明する図である。 本発明の第二実施形態に係る燃焼器の概略構成図である。 図４のＢ−Ｂ断面図であって、本発明の第二実施形態に係る燃焼器の効果を説明する図である。 本発明の第三実施形態に係る燃焼器のスタビライザの詳細図であって、本実施形態に係る燃焼器の効果を説明する図である。 従来の燃焼器の概略構成図である。 図７のＣ−Ｃ断面図であって、従来の燃焼器の空気流を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、燃焼器１は、燃焼器外筒２とこれに同心状に囲まれた燃焼器内筒３とを有しており、燃焼器内筒３の中心軸Ｏ位置には、パイロットコーン４に連通したパイロットノズル５が配置されている。燃焼器内筒３中心軸方向他方側（図１の左側）外周には、予混合器としての後述する各々のメインバーナ６間の位置より延びて燃焼器外筒２の背面壁２ａへと達する内筒サポート７が設けられており、これにより燃焼器内筒３を燃焼器外筒２に固定している。

パイロットノズル５の周囲には、メインバーナ６に連通したメインノズル８が配設されており、また燃焼器内筒３は中心軸方向一方側（図１の右側）で図示しない尾筒に連絡している。また、燃焼器内筒３とこれを囲んだ燃焼器外筒２との間には、矢印Ｆで示すように空気が供給される空気流路１０が形成されており、その入口にはパンチングメタル等より成る整流板１１が設けられている。燃焼器内筒３の中心軸方向他方側の端部付近には、断面が例えばＣ形状で全体がリング状のターニングベーン１２が配置されており、これにより空気流Ｆがスムーズに流れるようにしている。

メインバーナ６内において、メインノズル８の周囲にはメインスワラ１３が設けられている。このメインスワラ１３の空気流上流側において、メインノズル８外周面の平板ノズル１４から燃料（メイン燃料）が噴出される。そして、この燃料はメインスワラ１３の働きにより、メインバーナ６において空気流路１０からの空気と混合し、予混合気を形成する。

その他、パイロットノズル５の先端の噴出孔からは、燃料（パイロット燃料）が噴出される。そして、この燃料はパイロットノズル５の周囲に設けられたパイロットコーン４等により拡散火炎を形成し、保炎性を高めている。以上のようにして、パイロットノズル５は拡散炎として火炎を安定させ、メインノズル８は予混合炎として低ＮＯｘ化を図っている。

図２に示すように、各々のメインノズル８には、スタビライザ１６（仕切板）が設けられている。スタビライザ１６は、空気の流れ方向上流側から見て、メインノズル８の背後（中心軸Ｏ側）に設けられた矩形形状の仕切板である。具体的には、スタビライザ１６は燃焼器１の中心軸Ｏとメインノズル８との間の空間において、メインノズル８から燃焼器１の径方向に延びるとともに、燃焼器１の中心軸方向に延在するように形成されている。
スタビライザ１６は、燃焼器外筒２の背面壁２ａより、中心軸方向一方側（図１の右側、ノズル先端側）に向かって、メインノズル８の所定位置まで延在している。

図１及び図３を参照して燃焼器１内の空気の主な流れを述べると、図示しない車室から整流板１１を経て空気流路１０へと流入した空気がターニングベーン１２で１８０°ターンする。ここで、空気流Ｆはスタビライザ１６によって整流される。即ち、１８０°ターンした後に、メインノズル８を避けるようにして流れた後、メインノズル８に巻き込まれるようにして流れる空気流Ｆにおいて、スタビライザ１６の一面側での流れと他面側における流れとの間に偏りがなくなり、渦変動が抑制される。

上記実施形態によれば、スタビライザ１６によって、メインノズル８の背後における空気の渦変動が抑制されるため、下流のメインスワラ１３や、メインバーナ６での空気の流れの変動を低減することができ、燃焼振動を抑制することができ、燃焼振動に起因するＮＯｘの増加を抑制することができる。

（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態に係る燃焼器１Ｂついて、図面に基づいて説明するが、上述の第一実施形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第一実施形態と異なる構成について説明する。

図４及び図５に示すように、本実施形態のスタビライザ１６Ｂは、燃焼器１Ｂの径方向外周側から径方向内周側に向かって漸次幅が狭くなるように形成されている。即ち、スタビライザ１６Ｂの中心軸Ｏに直交する断面形状は、径方向内周側に突出する頂点を有する三角形状とされている。

また、スタビライザ１６Ｂの空気流路１０の下流側（中心軸方向一方側、図４の右側）の端部は、下流側（中心軸方向一方側）から上流側（中心軸方向他方側）に向かって、漸次幅が広くなるように形成されている。即ち、スタビライザ１６Ｂは、上流側から下流側に向かって尻窄みとなる、下流側が尖った形状を有している。

上記実施形態によれば、第一実施形態に係るスタビライザ１６の両側に生じる小さな渦（図３に符号Ｅｓで示す）が抑制される。即ち、この小さな渦をスタビライザ１６Ｂを形成する例えば金属で埋める形となり、空気の乱れをより低減することができる。

（第三実施形態）
次に、本発明の第三実施形態に係る燃焼器１Ｃついて、図面に基づいて説明する。
図６に示すように、本実施形態のスタビライザ１６Ｃは、パイロットノズル５側から隣り合うメインノズル８同士の間に向かって延びている。即ち、スタビライザ１６Ｃは、径方向内周側の端部（基端側）がパイロットノズル５に固定されており、径方向外周側の端部がメインノズル８とメインノズル８との間に向かうように方向付けられている。

第一実施形態、及び第二実施形態のスタビライザと同様に、スタビライザ１６Ｃの中心軸方向他方側は、燃焼器外筒２の背面壁２ａに達しており、中心軸方向一方側（ノズル先端側）は、メインノズル８の所定位置まで延在している。

上記実施形態によれば、メインノズル８の背後の空気流Ｆの変動が、両側に設けられたスタビライザ１６Ｃによって囲われるため、大きな変動として発達しにくくなり、空気流Ｆの変動成分を低減することができる。その結果、下流の燃焼領域での空気の流れの変動を低減することができ、燃焼振動の低下させることができる。さらに、ＮＯｘの増加も抑制することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記各実施形態においては、燃焼器１の中心軸Ｏ位置にパイロットノズル５を配置する構成としたが、パイロットノズル５が設けられていない燃焼器にも本発明は適用可能である。

また、スタビライザ１６の中心軸方向の長さに関しては、上記各実施形態に示したように、燃焼器外筒２の背面壁２ａよりメインノズル８の所定位置まで延在している必要はなく、適宜変更することが可能である。例えば、燃焼器外筒２の背面壁２ａに接続されている必要はない。

また、スタビライザ１６の径方向の長さに関しても、適宜変更が可能である。即ち、第一実施形態においては、スタビライザ１６は、メインノズル８からパイロットノズル５まで延びているが、例えばメインノズル８とパイロットノズル５の中間の位置まで延びる径方向長さとしてもよい。
また、スタビライザ１６の個数も適宜変更可能であり、例えば第一実施形態のように全てのメインノズル８に対してスタビライザ１６を設ける必要はなく、解析結果などに応じて適宜調整することが可能である。

また、第一実施形態の燃焼器１に第三実施形態のスタビライザ１６Ｃを組み合わせることによって、空気流Ｆをさらに細かく制御する構成としてもよい。
また、第三実施形態のスタビライザ１６Ｃの形状を、第二実施形態のスタビライザ１６Ｂのような断面三角形状のスタビライザとしてもよい。

１ 燃焼器
２ 燃焼器外筒
３ 燃焼器内筒
５ パイロットノズル
８ メインノズル
１０ 空気流路
１６ スタビライザ（仕切板）
Ｏ 中心軸

Claims (4)

1. 燃焼器外筒と、
   前記燃焼器外筒内部に設けられる筒状の燃焼器内筒と、
   前記燃焼器外筒の内周面と前記燃焼器内筒の外周面との間に形成された空気流路と、
   前記燃焼器の中心軸位置に配置されたパイロットノズルと、
   前記燃焼器内筒内部に設けられ、前記燃焼器の中心軸に対して略平行に延びるとともに、前記パイロットノズルの周囲に等中心角度間隔で設けられた、予混合燃焼用の燃料を噴射する複数のメインノズルと、を備え、
   前記空気流路を流れる空気が、前記燃焼器内筒の端部で流動方向が略反転されて前記複数のメインノズルに導入される燃焼器であって、
   前記パイロットノズルと前記メインノズルとの間の空間で、前記燃焼器の径方向に延びるとともに、前記中心軸方向に延在する仕切板が設けられ、
   前記仕切板は、前記パイロットノズルと前記メインノズルの一方から前記径方向に延びるとともに、
   前記パイロットノズルと前記メインノズルの他方と前記仕切板との間で前記径方向に空間が形成されていることを特徴とする燃焼器。
2. 前記仕切板は、前記メインノズルから前記径方向に延びるとともに、前記中心軸方向に延在していることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器。
3. 前記仕切板は、径方向外周側から径方向内周側に向かって漸次幅が狭くなるように形成されているとともに、
   前記仕切板の前記空気流路の下流側の端部は、下流側から上流側に向かって、漸次幅が広くなるように形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃焼器。
4. 前記仕切板は、前記パイロットノズル側から隣り合う前記メインノズル同士の間に向かって延びていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃焼器。

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