JP6025587B2 - 燃焼器およびガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、予混合燃焼を行うバーナ（メインバーナ）を有する燃焼器および当該燃焼器が適用されるガスタービンに関する。

例えば、特許文献１には、予混合方式を採用する燃焼器が示されている。この燃焼器は、予混合燃焼を行うメインバーナに加え、予混合燃焼を安定に維持するために拡散燃焼を行うパイロットバーナが設けられている。パイロットバーナによって生成される拡散炎が、メインバーナが予混合炎を生成するための種火として使用され、これによって予混合燃焼が維持される。一般的な燃焼器では、メインバーナは、パイロットバーナを中心とした半径方向外側に周方向に等間隔で配置される。

メインバーナは、円筒形のバーナ外筒（メインバーナ筒）内に、メインノズルおよびメインスワラを備えている。バーナ外筒は、その先端に延長管が接続されている。そして、メインバーナは、その内部で燃料と空気とを混合して予混合気を生成し、生成された予混合気を延長管の先端から噴出する。より詳細には、メインスワラの上流において、圧縮機（図示せず）から供給される圧縮空気に対してメインノズルによって燃料を噴射し、メインスワラによって空気および燃料の流れを旋回させる。これにより、空気と燃料とが混合された予混合気が生成されるとともに、予混合気の旋回流（スワール流れ）が発生する。そして、予混合気は、延長管から噴出され、さらに、パイロットバーナにより生成された拡散炎を用いて延長管の下流側で燃焼され、これにより、予混合燃焼が実現される。

ところで、延長管の内壁面近傍は低流速となるため、メインバーナの逆火（フラッシュバック）が発生しやすい。フラッシュバックの発生は燃焼器の焼損を招くため、フラッシュバックは、可能な限り抑えられなくてはならない。特許文献１においては、このフラッシュバックを防止するために、延長管の形状を工夫したり、バーナ外筒と延長管との接続部から膜状の空気（フィルム空気）を取り入れたりすることが示されている。延長管の形状としては、入口がバーナ外筒に合わせて円形状であり、出口が、２つの半径方向エッジと、各半径方向エッジを連結する半径方向内側および半径方向外側の各周方向エッジとで台形状に形成されている。

特開２００６−７８１２７号公報

上述した特許文献１のように、延長管の出口を台形状とし、フィルム空気を取り入れることでフラッシュバックを防止することが可能である。しかし、延長管は、入口が円形状で出口を台形状に変形させたものであり、延長管の出口において流速が高い部分と低い部分とが生じる。このため、取り入れたフィルム空気に偏りが発生するおそれがある。しかも、延長管の出口において流速が低い部分にフラッシュバックが発生しやすいことから、特にこの部分にフィルム空気を取り入れることが望まれている。

本発明は上述した課題を解決するものであり、フラッシュバックの発生を抑制しつつ、フィルム空気の偏りを抑制することのできる燃焼器およびガスタービンを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、第１の発明の燃焼器は、パイロットバーナと、前記パイロットバーナを中心とした半径方向外側に周方向に沿って複数設けられて、メインバーナ筒内にメインノズルが配置されたメインバーナと、各前記メインバーナの前記メインバーナ筒から下流側に延在して設けられており、前記メインバーナ筒に繋がる入口が円形状で、下流側の出口が半径方向に平行な２つの半径方向エッジ、および各前記半径方向エッジの両端を連結するように周方向に沿う２つの周方向エッジで形成された延長管と、前記メインバーナ筒の外側に設けられた空気通路と、前記延長管の入口側であって前記半径方向の内側の周方向エッジに対応する位置に設けられ前記空気通路と前記延長管内とを連通する内側連通穴と、を備えることを特徴とする。

この燃焼器によれば、内側連通穴を設けることにより、空気通路から内側連通穴を介してメインバーナ筒に空気が導入され、フィルム状の空気となってメインバーナ筒および延長管の内壁面に沿って下流側に流れる。このフィルム状の空気は、壁面近傍の低流速領域の燃料濃度を低減する。このため、フラッシュバックの発生を抑制することができる。特に、半径方向内側の周方向エッジは、パイロットバーナからの火炎に近くフラッシュバックの影響が大きい部分であるため、この部分に対応してフィルム状の空気を供給することで、フラッシュバックの発生を抑制しつつ、フィルム状の空気の偏りを抑制することができる。

また、第２の発明の燃焼器は、第１の発明において、前記延長管の入口側であって、前記内側連通穴の位置を除き、少なくとも前記半径方向の外側の周方向エッジと前記半径方向エッジとが連通する角部に対応する位置に設けられ前記空気通路と前記延長管内とを連通する角部連通穴をさらに備えることを特徴とする。

この燃焼器によれば、周方向エッジと半径方向エッジとが連通する角部は、円形状の入口から半径方向に広がって流体を拡散させ流速が特に低くなりやすい部分であり、この角部に対応する内側連通穴を設けることにより、フラッシュバックの発生を抑制しつつ、フィルム状の空気の偏りを抑制する効果を顕著に得ることができる。

また、第３の発明の燃焼器は、第２の発明において、前記内側連通穴が周方向に連続して形成され、前記角部連通穴が前記半径方向の外側の周方向エッジと前記半径方向エッジとが連通する角部に対応する位置で周方向に連続して形成されていることを特徴とする。

この燃焼器によれば、速度が低い部分に対応してフィルム状の空気を供給するため、フラッシュバックの発生を抑制しつつ、フィルム状の空気の偏りを抑制する効果を顕著に得ることができる。

また、第４の発明の燃焼器は、第３の発明において、前記内側連通穴が前記角部連通穴よりも開口面積を大きく形成されていることを特徴とする。

この燃焼器によれば、半径方向内側の周方向エッジは、パイロットバーナからの火炎に近くフラッシュバックの影響が大きい部分であるため、フラッシュバックの発生を抑制する効果を顕著に得るため、内側連通穴が角部連通穴よりも開口面積を大きく形成されていることが好ましい。

また、第５の発明の燃焼器は、第２の発明において、前記内側連通穴が周方向に連続して形成され、前記角部連通穴が周方向で断続して形成されていることを特徴とする。

この燃焼器によれば、角部連通穴が、内側連通穴を除く範囲で断続して形成されているため、パイロットバーナからの火炎に近くフラッシュバックの影響が大きい部分である半径方向内側の周方向エッジに対応する内側連通穴側に比較的多くの空気を供給することができる。

また、第６の発明の燃焼器は、パイロットバーナと、前記パイロットバーナを中心とした半径方向外側に周方向に沿って複数設けられて、メインバーナ筒内にメインノズルが配置されたメインバーナと、各前記メインバーナの前記メインバーナ筒から下流側に延在して設けられており、前記メインバーナ筒に繋がる入口が円形状で、下流側の出口が半径方向に平行な２つの半径方向エッジ、および各前記半径方向エッジの両端を連結するように周方向に沿う２つの周方向エッジで形成された延長管と、前記メインバーナ筒の外側に設けられた空気通路と、前記延長管の入口側であって前記半径方向の外側の周方向エッジと前記半径方向エッジとが連通する角部に対応する位置に設けられ前記空気通路と前記延長管内とを連通する角部連通穴と、を備えることを特徴とする。

この燃焼器によれば、周方向エッジと半径方向エッジとが連通する角部は、円形状の入口から半径方向に広がって流体を拡散させ流速が特に低くなりやすい部分であり、この角部に対応する内側連通穴を設けることにより、フラッシュバックの発生を抑制しつつ、フィルム状の空気の偏りを抑制する効果を顕著に得ることができる。

また、第７の発明の燃焼器は、第１〜第６のいずれか１つの発明において、前記メインバーナ筒内で半径方向に延在して設けられた複数のメインスワラを有し、前記メインスワラの下流端に対応する位置に設けられて前記空気通路と前記メインバーナ筒内とを連通する翼部連通穴をさらに備えることを特徴とする。

メインスワラの上流側は、流速が低くなりやすく燃料濃度が高い傾向となる。従って、メインスワラの下流端に対応する位置に翼部連通穴を設けることで、この翼部連通穴からメインバーナ筒に導入された空気により、フラッシュバックの火炎を堰き止めることができる。

上述の目的を達成するために、本発明のガスタービンは、圧縮機と、燃焼器と、タービンとを備えるガスタービンにおいて、第１〜第６のいずれか１つの発明に記載の燃焼器が適用されることを特徴とする。

このガスタービンによれば、フラッシュバックの抑制により燃焼器の損傷を防ぐことで、タービン性能を維持することができる。

本発明によれば、フラッシュバックの発生を抑制しつつ、フィルム空気の偏りを抑制することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃焼器を有するガスタービンの概略構成図である。 図２は、図１の燃焼器の拡大図である。 図３は、図２の燃焼器の内部構成を概略的に示す側面図である。 図４は、図３の燃焼器のメインバーナを下流側から視た拡大図である。 図５は、図３の燃焼器のメインバーナの拡大図である。 図６は、貫通穴の配置を示す図である。 図７は、貫通穴の配置の他の例を示す図である。

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、本実施形態に係る燃焼器を有するガスタービンの概略構成図である。図１に示すように、ガスタービン１０は、流体の流れ方向の上流側から順番に、圧縮機１１と、燃焼器１２と、タービン１３と、排気室１４とを有する。タービン１３には、図示しない発電機が連結されている。ガスタービンは、回転軸Ｌを中心に回転可能なロータ２４を有する。

圧縮機１１は、空気を取り込む空気取入口１５を有し、圧縮機車室１６内に複数の静翼１７と動翼１８とが交互に設けられている。燃焼器１２は、圧縮機１１で圧縮された圧縮空気（燃焼用空気）に対して燃料を供給し、バーナで点火することで燃焼可能となっている。タービン１３は、タービン車室２０内に複数の静翼２１と動翼２２とが交互に設けられている。排気室１４は、タービン１３に連続する排気ディフューザ２３を有している。ロータ２４は、圧縮機１１、燃焼器１２、タービン１３、排気室１４の径方向中心部を貫通するように位置する。ロータ２４は、圧縮機１１側の端部が軸受部２５により支持され、排気室１４側の端部が軸受部２６により支持されて回転軸Ｌを中心にして回転自在に設けられている。ロータ２４は、複数のディスクプレートが固定され、各動翼１８，２２が連結されている。また、ロータ２４は、圧縮機１１側の端部に、図示しない発電機の駆動軸が連結されている。

このようなガスタービンにおいて、圧縮機１１の空気取入口１５から取り込まれた空気は、複数の静翼１７と動翼１８とを通過して圧縮され、高温・高圧の圧縮空気となる。この圧縮空気は、燃焼器１２において、圧縮空気に対して所定の燃料が供給されることで燃焼する。燃焼器１２で生成された作動流体である高温・高圧の燃焼ガスは、タービン１３を構成する複数の静翼２１と動翼２２とを通過し、ロータ２４を回転駆動する。これによりロータ２４に連結された発電機を駆動する。ロータ２４を通過した排気ガスは、排気室１４の排気ディフューザ２３で静圧に変換されてから大気に放出される。

図２は、図１の燃焼器の拡大図である。燃焼器１２は、外筒３１の内部に所定間隔をあけて空気通路３０を形成するように内筒３２が支持され、内筒３２の先端部に尾筒３３が連結されることで、回転軸Ｌに対して傾斜した中心軸Ｓに沿って延在する燃焼器ケーシングが構成されている。

外筒３１は、タービン車室２０を構成する車室ハウジング２７に対して固定されている。内筒３２は、その中心部に、中心軸Ｓに沿ってパイロットバーナ３５が設けられている。また、内筒３２は、その内部であってパイロットバーナ３５の周囲に、メインバーナ３６が複数設けられている。メインバーナ３６は、パイロットバーナ３５（中心軸Ｓ）を中心とした半径方向外側に、パイロットバーナ３５を取り囲むように中心軸Ｓを中心とする周方向に沿って等間隔で、かつパイロットバーナ３５と平行に設けられている。尾筒３３は、その基端が円筒状に形成されて内筒３２に連結されている。尾筒３３は、先端側にかけて断面積が小さくかつ湾曲して形成され、タービン１３の１段目の静翼２１に向けて開口している。

図３は、図２の燃焼器の内部構成を概略的に示す図であり、図４は、図３の燃焼器のメインバーナを下流側から視た拡大図であり、図５は、図３の燃焼器のメインバーナの拡大図である。

パイロットバーナ３５は、その先端部のパイロットノズル３５ａが、筒状で先端側が広角して形成された燃焼筒３５Ａ内に配置されている。また、パイロットバーナ３５は、その外周面と燃焼筒３５Ａの内周面との間にパイロットスワラ３５Ｂが設けられている。

メインバーナ３６は、その先端部のメインノズル３６ａが、円筒状のメインバーナ筒３６Ａ内に配置されている。メインバーナ筒３６Ａは、メインノズル３６ａにより燃料が噴射される下流側（図３および図５の右側）に、延長管３６Ｂが設けられている。延長管３６Ｂは、メインバーナ筒３６Ａから下流側に延在して設けられている。

延長管３６Ｂは、図４および図５に示すように、メインバーナ筒３６Ａに繋がる入口３６Ｂａがメインバーナ筒３６Ａと同様の円形状に形成されている。また、延長管３６Ｂは、下流側の出口３６Ｂｂが、中心軸Ｓを中心とした半径方向に対して平行な２つの半径方向エッジ３６Ｂｃと、各半径方向エッジ３６Ｂｃの両端を連結するように中心軸Ｓを中心とした周方向に沿う２つの周方向エッジ３６Ｂｄとで台形状に形成されている。周方向エッジ３６Ｂｄは、中心軸Ｓに対して半径方向で近い内側の周方向エッジ３６Ｂｄと、中心軸Ｓに対して半径方向で遠い外側の周方向エッジ３６Ｂｄとがある。また、半径方向エッジ３６Ｂｃと周方向エッジ３６Ｂｄとが連結する角部３６Ｂｅは、円弧状に形成されている。この延長管３６Ｂは、入口３６Ｂａ側の円形状から出口３６Ｂｂ側の台形状に滑らかに変化して形成されている。

また、メインバーナ３６は、メインノズル３６ａの外周面とメインバーナ筒３６Ａの内周面との間にメインスワラ３６Ｃが設けられている。

外筒３１は、その基端部にトップハット部３４が設けられている。トップハット部３４は、外筒３１の基端部の内周面に沿って配置されて、外筒３１の外側に空気通路３０の一部を形成する筒状部材３４Ａと、当該筒状部材３４Ａの基端側の開口を閉塞する蓋部材３４Ｂとで構成されている。蓋部材３４Ｂは、上述のパイロットバーナ３５の基端が支持され、当該パイロットバーナ３５の燃料ポート３５Ｃが外側に配置されている。この燃料ポート３５Ｃは、図示しないパイロットバーナ燃料ラインが接続されてパイロットバーナ３５に燃料が供給される。また、蓋部材３４Ｂは、上述のメインバーナ３６の基端が支持され、当該メインバーナ３６の燃料ポート３６Ｄが外側に配置されている。この燃料ポート３６Ｄは、図示しないメインバーナ燃料ラインが接続されてメインバーナ３６に燃料が供給される。

外筒３１は、トップハット部３４の筒状部材３４Ａ内において、基端側に隔壁３７が設けられている。この隔壁３７により空気通路３０が内筒３２に連通される。外筒３１（トップハット部３４の筒状部材３４Ａ）と内筒３２との間であって、空気通路３０の入口部分には、整流板３８が設けられている。整流板３８は、空気通路３０を塞ぐように設けられ、空気通路３０の上流側と下流側とを連通する孔が多数形成された多孔板である。

このようなガスタービン燃焼器１２では、高温・高圧の圧縮空気が空気通路３０に流れ込むと、圧縮空気は、整流板３８を通過して整流されつつ、内筒３２の基端部で隔壁３７により反転されて、パイロットバーナ３５の燃焼筒３５Ａおよびメインバーナ３６のメインバーナ筒３６Ａに誘導される。そして、圧縮空気は、メインバーナ３６において、メインバーナ筒３６Ａ内でメインスワラ３６Ｃによって旋回する気流となり、メインノズル３６ａから噴射された燃料と延長管３６Ｂ内で混合され予混合気となって尾筒３３内に流れ込む。また、圧縮空気は、パイロットバーナ３５において、燃焼筒３５Ａ内でパイロットスワラ３５Ｂによって旋回する気流となり、パイロットノズル３５ａから噴射された燃料と混合され、図示しない種火により着火されて燃焼し、燃焼ガスとなって尾筒３３内に噴出する。このとき、燃焼ガスの一部が尾筒３３内に火炎を伴って周囲に拡散するように噴出することで、各メインバーナ３６から尾筒３３内に流れ込んだ予混合気に着火されて燃焼する。

すなわち、パイロットバーナ３５から噴射したパイロット燃料による拡散火炎により、メインバーナ３６からの希薄予混合燃料の安定燃焼を行うための保炎を行うことができる。また、メインバーナ３６によって燃料を予混合することで、燃料濃度を均一化し低ＮＯｘ化を図ることができる。このとき、メインバーナ３６のメインバーナ筒３６Ａおよび延長管３６Ｂの内部が予混合領域となり、パイロットバーナ３５からの拡散火炎によって予混合気が燃焼する領域が燃焼領域となる。燃焼領域は、燃焼筒３５Ａの下流であり、尾筒３３の内部にある。従って、予混合気が燃焼した燃焼ガスは、尾筒３３の内部を流れる。

ところで、このような予混合方式の燃焼器１２では、メインスワラ３６Ｃの下流において、メインバーナ筒３６Ａ内を流れる予混合気が旋回流となる。このため、燃焼領域から予混合領域への逆火（フラッシュバック）が生じやすい。具体的に、メインノズル３６ａから噴射された燃料は、旋回流によってメインバーナ筒３６Ａの内部全体にわたって均一化される。このため、燃料の濃度分布は、メインバーナ筒３６Ａの中央部から内壁面部にかけてほぼ一定である。これに対し、予混合気の速度は、内壁面において０となり、内壁面から離れるに従い速度が上昇し（速度境界層）、速度境界層の外側（メインバーナ筒３６Ａの中央部側）で速度はほぼ一定となる。すなわち、メインバーナ筒３６Ａおよび延長管３６Ｂの内壁面の近傍には、速度が低い速度境界層が存在するのに対し、速度境界層において燃料濃度が高いため、この速度境界層に燃焼領域からのフラッシュバックが生じやすくなる。

特に、本実施形態では、延長管３６Ｂが、入口３６Ｂａを円形状に形成され、出口３６Ｂｂを台形状に形成されている。これにより、延長管３６Ｂの出口３６Ｂｂにおいて流速の低い部分が生じることが発明者等の研究により判明した。具体的には、半径方向内側の周方向エッジ３６Ｂｄの部分と、半径方向外側の両角部３６Ｂｅとが顕著である。このため、流速の低い部分において、フラッシュバックが生じやすく、延長管３６Ｂの内壁面が高温となり、燃焼器１２が損傷するおそれがある。これを避けるため、本実施形態では、以下のようにメインバーナ３６を構成する。

図５に示すように、メインバーナ筒３６Ａの外側に空気通路３６Ｅを有する。空気通路３６Ｅは、内筒３２の内側にメインバーナ筒３６Ａの外側を覆う外周筒３９が設けられ、内筒３２の内周面の一部および外周筒３９の内周面と、メインバーナ筒３６Ａの外周面との間に形成されている。この空気通路３６Ｅは、空気通路３０に通じている。また、延長管３６Ｂの入口３６Ｂａ側に、空気通路３６Ｅと延長管３６Ｂ内とを連通する連通穴Ｈ１を有する。延長管３６Ｂの入口３６Ｂａ側とは、メインノズル３６ａよりも下流側の位置であって、円形状に形成された位置である。また、連通穴Ｈ１は、延長管３６Ｂ内の開口が、延長管３６Ｂの出口３６Ｂｂ側（下流側）に向くように斜めに形成されている。連通穴Ｈ１は、延長管３６Ｂの出口３６Ｂｂにおける流速の低い部分に対応し、以下のように配置されている。

図６は、貫通穴の配置を示す図であり、図７は、貫通穴の配置の他の例を示す図である。図６および図７では、図４と同様にメインバーナ３６を下流側から視ている。連通穴Ｈ１は、延長管３６Ｂの出口３６Ｂｂにおいて、半径方向内側の周方向エッジ３６Ｂｄの部分と、半径方向外側の両角部３６Ｂｅとに対応して設けられている。

図６において、連通穴Ｈ１は、半径方向内側の周方向エッジ３６Ｂｄの部分に対応して設けられた内側連通穴Ｈ１ａと、両角部３６Ｂｅの部分にそれぞれ対応して設けられた角部連通穴Ｈ１ｂとが、各部分に分けて設けられ、かつ所定範囲でスリット状に連続して形成されている。

所定範囲について説明する。図６に示すように、メインバーナ３６を下流側から視て旋回流が反時計回りの場合において、半径方向外側の周方向エッジ３６Ｂｄの中央を０ｄｅｇとする。半径方向内側の周方向エッジ３６Ｂｄに対応する内側連通穴Ｈ１ａは、図６中の二点差線の間Ａ−Ｂの範囲に設けられる。また、角部３６Ｂｅ（旋回流の上流側（図６の右側））に対応する角部連通穴Ｈ１ｂは、図６中の二点差線の間Ｅ−Ｆの範囲に設けられる。さらに、角部３６Ｂｅ（旋回流の下流側（図６の左側）に対応する角部連通穴Ｈ１ｂは、図６中の二点差線の間Ｃ−Ｄの範囲に設けられる。このように、各連通穴Ｈ１ａ，Ｈ１ｂは、周方向に不均等な配置であり、これは旋回流の影響を加味したものである。具体的には、上述したように、メインスワラ３６Ｃの下流において、メインバーナ筒３６Ａ内を流れる予混合気が旋回流となる。図６ではメインバーナ３６を下流側から視て旋回流が反時計回りであり、各連通穴Ｈ１ａ，Ｈ１ｂからメインバーナ筒３６Ａに導入された空気通路３０の圧縮空気の一部は、旋回流に流されるように反時計回りに流動しつつ下流側に流れる。このため、旋回流の流れ方向や、各連通穴Ｈ１ａ，Ｈ１ｂから延長管３６Ｂの出口３６Ｂｂまでの距離などによる影響を加味し、各連通穴Ｈ１ａ，Ｈ１ｂの範囲を旋回流とは逆方向となる時計回りにずらした範囲とすることで、延長管３６Ｂの出口３６Ｂｂにおいて、半径方向内側の周方向エッジ３６Ｂｄの中央位置（１８０ｄｅｇ）を基準としたほぼ対称の範囲や、角部３６Ｂｅの最も窄まった位置を基準としたほぼ対称の範囲に、各連通穴Ｈ１ａ，Ｈ１ｂからメインバーナ筒３６Ａに導入された空気が至ることになる。

図６に示すように、連通穴Ｈ１を設けることにより、空気通路３０の圧縮空気の一部が空気通路３６Ｅから連通穴Ｈ１を介してメインバーナ筒３６Ａに導入され、図５に示すように、フィルム状の空気（フィルム空気）となってメインバーナ筒３６Ａおよび延長管３６Ｂの内壁面に沿って下流側に流れる。このフィルム空気は、壁面近傍の低流速領域の燃料濃度を低減する。このため、フラッシュバックの発生を抑制することができる。

特に、本実施形態の燃焼器１２は、延長管３６Ｂの出口３６Ｂｂにおける流速の低い部分に対応し、内側連通穴Ｈ１ａと角部連通穴Ｈ１ｂとを設けたことで、フラッシュバックの発生を抑制しつつ、フィルム空気の偏りをより抑制することができる。

なお、上述した実施形態の燃焼器１２において、内側連通穴Ｈ１ａおよび角部連通穴Ｈ１ｂの双方を設けることで、フラッシュバックの発生を抑制しつつ、フィルム空気の偏りを抑制する効果を顕著に得ることが可能である。内側連通穴Ｈ１ａまたは角部連通穴Ｈ１ｂの一方であっても、フラッシュバックの発生を抑制しつつ、フィルム空気の偏りを抑制する効果を得ることができる。内側連通穴Ｈ１ａまたは角部連通穴Ｈ１ｂの一方の場合、パイロットバーナ３５からの火炎に近くフラッシュバックの影響が大きい部分である半径方向内側の周方向エッジ３６Ｂｄに対応する内側連通穴Ｈ１ａを設けることが好ましい。また、内側連通穴Ｈ１ａまたは角部連通穴Ｈ１ｂの一方の場合、半径方向に広がって流体を拡散させ流速が特に低くなりやすい部分である角部３６Ｂｅに対応する角部連通穴Ｈ１ｂを設けることが好ましい。

また、半径方向内側の周方向エッジ３６Ｂｄは、パイロットバーナ３５からの火炎に近くフラッシュバックの影響が大きい部分であるため、内側連通穴Ｈ１ａおよび角部連通穴Ｈ１ｂの双方を設ける場合は、フラッシュバックの発生を抑制する効果を顕著に得るため、内側連通穴Ｈ１ａが角部連通穴Ｈ１ｂよりも開口面積が大きく形成されていることが好ましい。

図７において、連通穴Ｈ１は、半径方向内側の周方向エッジ３６Ｂｄの部分に対応して設けられた内側連通穴Ｈ１ａと、両角部３６Ｂｅの部分にそれぞれ対応して設けられた角部連通穴Ｈ１ｂとが、周方向に沿って設けられている。この場合、内側連通穴Ｈ１ａは所定範囲でスリット状に連続して形成され、角部連通穴Ｈ１ｂは、内側連通穴Ｈ１ａを除く範囲で断続して形成されている。

所定範囲について説明する。図７に示すように、メインバーナ３６を下流側から視て旋回流が反時計回りの場合において、半径方向外側の周方向エッジ３６Ｂｄの中央を０ｄｅｇとする。半径方向内側の周方向エッジ３６Ｂｄに対応する内側連通穴Ｈ１ａは、図７中の二点差線の間Ａ−Ｂの範囲に設けられる。また、角部３６Ｂｅに対応する角部連通穴Ｈ１ｂは、残りの範囲で、断続した小孔として設けられる。連通穴Ｈ１ａは、周方向に不均等な配置であり、これは上述したように旋回流の影響を加味したものである。

図７に示すように、連通穴Ｈ１を設けることにより、空気通路３０の圧縮空気の一部が空気通路３６Ｅから連通穴Ｈ１を介してメインバーナ筒３６Ａに導入され、図５に示すように、フィルム状の空気（フィルム空気）となってメインバーナ筒３６Ａおよび延長管３６Ｂの内壁面に沿って流れる。このフィルム空気は、壁面近傍の低流速領域の燃料濃度を低減する。このため、フラッシュバックの発生を抑制することができる。

特に、本実施形態の燃焼器１２は、延長管３６Ｂの出口３６Ｂｂにおける流速の低い部分に対応し、内側連通穴Ｈ１ａと角部連通穴Ｈ１ｂとを設けたことで、フィルム空気の偏りを抑制することができ、フラッシュバックの発生を抑制する効果を顕著に得ることができる。しかも、角部連通穴Ｈ１ｂが、内側連通穴Ｈ１ａを除く範囲で断続して形成されているため、パイロットバーナ３５からの火炎に近くフラッシュバックの影響が大きい部分である半径方向内側の周方向エッジ３６Ｂｄに対応する内側連通穴Ｈ１ａ側に比較的多くの空気を供給することができる。

ところで、メインスワラの上流側は、流速が低くなりやすく燃料濃度が濃い傾向となる。従って、メインスワラの下流端に対応する位置に翼部連通穴Ｈ２を設けることで、この翼部連通穴Ｈ２からメインバーナ筒３６Ａに導入された圧縮空気により、フラッシュバックの火炎を堰き止めることができる。

また、上述した燃焼器１２を備えるガスタービン１０によれば、フラッシュバックの抑制により燃焼器１２の損傷を防ぐことで、タービン性能を維持することができる。

１０ ガスタービン
１１ 圧縮機
１２ 燃焼器
１３ タービン
３５ パイロットバーナ
３６ メインバーナ
３６ａ メインノズル
３６Ａ メインバーナ筒
３６Ｂ 延長管
３６Ｂａ 入口
３６Ｂｂ 出口
３６Ｂｃ 半径方向エッジ
３６Ｂｄ 周方向エッジ
３６Ｂｅ 角部
３６Ｃ メインスワラ
３６Ｅ 空気通路
Ｈ１ａ 内側連通穴
Ｈ１ｂ 角部連通穴
Ｈ２ 翼部連通穴

Claims (12)

1. パイロットバーナと、
   前記パイロットバーナを中心とした半径方向外側に周方向に沿って複数設けられて、メインバーナ筒内にメインノズルが配置されたメインバーナと、
   各前記メインバーナの前記メインバーナ筒から下流側に延在して設けられており、前記メインバーナ筒に繋がる入口が円形状で、下流側の出口が半径方向に平行な２つの半径方向エッジ、および各前記半径方向エッジの両端を連結するように周方向に沿う２つの周方向エッジで形成された延長管と、
   前記メインバーナ筒の外側に設けられた空気通路と、
   前記延長管の入口側であって前記半径方向の内側の周方向エッジに対応する位置に設けられ前記空気通路と前記延長管内とを連通する内側連通穴と、
   を備え、
   前記内側連通穴は前記延長管に形成されることを特徴とする燃焼器。
2. 前記内側連通穴は、前記延長管の出口に向くように斜めに形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器。
3. 前記延長管の入口側であって、前記内側連通穴の位置を除き、少なくとも前記半径方向の外側の周方向エッジと前記半径方向エッジとが連通する角部に対応する位置に設けられ前記空気通路と前記延長管内とを連通する角部連通穴をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器。
4. 前記角部連通穴は、前記延長管の出口に向くように斜めに形成されていることを特徴とする請求項３に記載の燃焼器。
5. 前記内側連通穴が周方向に連続して形成され、前記角部連通穴が前記半径方向の外側の周方向エッジと前記半径方向エッジとが連通する角部に対応する位置で周方向に連続して形成されていることを特徴とする請求項３に記載の燃焼器。
6. 前記内側連通穴が前記角部連通穴よりも開口面積を大きく形成されていることを特徴とする請求項５に記載の燃焼器。
7. 前記内側連通穴が周方向に連続して形成され、前記角部連通穴が周方向で断続して形成されていることを特徴とする請求項３に記載の燃焼器。
8. パイロットバーナと、
   前記パイロットバーナを中心とした半径方向外側に周方向に沿って複数設けられて、メインバーナ筒内にメインノズルが配置されたメインバーナと、
   各前記メインバーナの前記メインバーナ筒から下流側に延在して設けられており、前記メインバーナ筒に繋がる入口が円形状で、下流側の出口が半径方向に平行な２つの半径方向エッジ、および各前記半径方向エッジの両端を連結するように周方向に沿う２つの周方向エッジで形成された延長管と、
   前記メインバーナ筒の外側に設けられた空気通路と、
   前記延長管の入口側であって前記半径方向の外側の周方向エッジと前記半径方向エッジとが連通する角部に対応する位置に設けられ前記空気通路と前記延長管内とを連通する角部連通穴と、
   を備え、
   前記角部連通穴は前記延長管に設けられることを特徴とする燃焼器。
9. 前記角部連通穴の位置以外の前記延長管の入口側であって前記半径方向の内側の周方向エッジに対応する位置に設けられ、前記空気通路と前記延長管内とを連通する内側連通穴をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の燃焼器。
10. 前記角部連通穴は、前記延長管の出口に向くように斜めに形成されていることを特徴とする請求項５または８に記載の燃焼器。
11. 前記メインバーナ筒内で半径方向に延在して設けられた複数のメインスワラを有し、前記メインスワラの下流端に対応する位置に設けられて前記空気通路と前記メインバーナ筒内とを連通する翼部連通穴をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の燃焼器。
12. 圧縮機と、燃焼器と、タービンとを備えるガスタービンにおいて、
    請求項１〜１１のいずれか１つに記載の燃焼器が適用されることを特徴とするガスタービン。

Images