JP6185369B2 - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼筒の内部で燃料を燃焼させることによりタービンに供給する燃焼ガスを生成するガスタービン燃焼器に係り、特に、燃料と空気を混合して燃焼筒に供給する予混合管が燃焼筒の上部に設けられており、空気の直進流と旋回流を併用するとともに旋回流中に該旋回流に沿ってメイン燃料を供給して微粒化することにより、火炎を燃焼筒の上部からリフトさせた状態で安定的に維持し、燃料を完全燃焼させることができるガスタービン燃焼器に関するものである。

燃焼ガスで駆動されるタービンと、空気を圧縮するコンプレッサとが共通の駆動軸に連結されており、コンプレッサからの圧縮空気と燃料を燃焼器に導いて燃焼させ、生成した燃焼ガスをタービンに供給して駆動軸を回転させるガスタービン装置が知られている。このようなガスタービン装置は、例えば定置形の発電装置の動力源等として広く用いられている。この種のガスタービン装置の燃焼器としては、例えば下記特許文献１及び特許文献２に開示されているような構造のものが知られている。

特許文献１に開示されたガスタービン用燃料・空気プレミキサーによれば、同文献の図５を示す本願の図８に示すように、筒状の予混合管１６の入口部に、気流微粒化ノズル１０が配設されている。気流微粒化ノズル１０の液膜形成体１１の内側に、断面環状の偏流筒体１７が同軸に配設されている。偏流筒体１７は、先端部を除く気流微粒化ノズル１０の略全長に渡って、内径及び外径がそれぞれ一定の内周面と外周面を持つ筒体であり、先端部において、その外周面１７ｃを定める外径は流路の先端に向かって増大し、液膜形成体１１の先端からの燃料微粒化を促進する。また、内周面１７ｄを定める内径は第２空気旋回器１４ｃの下流端よりも流路下流において一旦なだらかに縮径して極小となり、喉部１７ａを形成した後、先端に向かって増大する壁面１７ｂを呈する形状を有しており、径方向外側への広がる気流によって燃料と空気の混合を促進する。同心状の流路の上流側には、気流旋回の形成のために、偏流筒体１７の外周面１７ｃと液膜形成体１１の液膜形成面１１ａとの間の第１環状流路２８ｂの上流部に第１空気旋回器１４ｂが配設されており、偏流筒体１７の内周面１７ｄを壁面とする第２環状流路２８ｃの上流部に第２空気旋回器１４ｃが配設されている。
気流微粒化ノズル１０の液膜形成体１１の外周に同軸に外筒１８が配設され、液膜形成体１１の外周面と外筒１８の内周面とで定義される環状流路２８ｅが形成されている。外筒１８は環状流路２８ｅの上流において、周方向に配列した複数のストラット、あるいは旋回羽根１４ｅによって液膜形成体１１の外周面に繋がっている。この外筒よりも内側に配設されている気流微粒化ノズル１０、第２燃料ノズルとしての圧力スワールノズル１９で構成される燃料ノズルアセンブリは一体となって、予混合管１６の内壁面に保持された第３空気旋回器１４ａに挿入するようにし、燃料ノズルアセンブリを予混合管１６と分離できるようにしてある。
係る構造によれば、旋回する気流の作用によって液膜形成体の先端から燃料が微粒化する際に、液膜形成体の内側を流れる旋回する気流に半径方向外側へ向かうような流れを作ることで、燃料の微粒化性能と混合性能を向上することができるものとされている。
なお、この発明は、特許第４０６５９４７号として特許されている。

特許文献２に開示されたガスタービン燃焼器１は、同文献の図１を示す本願の図９に示すように、燃焼筒２と予混合管３と燃料供給手段５を有している。燃料供給手段５において、燃料は接線方向に沿って環状の燃料通路に供給され、環状のノズル部１９から均一に噴射され、ノズル部を取り巻く周状の空気通路２２からの空気によって微粒化され、燃焼器内に直進流を作る。この燃料供給手段５の下方において、予混合管３の周壁面の接線方向に沿って内部に空気が流入するように構成された横長の楕円形の孔２５から内部に流入した空気は、燃焼器内で軸方向流を取り巻く旋回流を作る。火炎は燃焼器の頂部から離れた位置にリフトして保持されるので、遮熱プレート６は過熱せず耐久性が向上するものとされている。
なお、上記燃焼筒２は、冷却孔を有している。図９中、拡大図Ｙに示すように、燃焼筒２の頂部には、予混合管３の周囲に遮熱プレート６が設けられるとともに、所定間隔をおいてその上方に冷却プレート７が設けられ、冷却プレート７に形成された多数の冷却孔８から矢印で示すように内部の空間に空気を流入させて遮熱プレート６に衝突させ、インピンジメント冷却を行うようになっている。
また、図９中、拡大図Ｚに示すように、燃焼筒２の周壁には、内部に空気を流入させるための冷却孔９が形成されるとともに、周壁の内面には冷却孔９に対面してガイド１０が設けられ、矢印で示すように冷却孔９から流入した空気を周壁の内面沿いに送り出してフィルム冷却を行うようになっている。
この上述の発明は、特許第４９３７１５８号として特許されている。

特許文献３に開示されたガスタービン燃焼器１は、同文献の図１を示す本願の図１０に示すように、外筒体９の内部に、燃焼筒２と、隙間Ｓに旋回流を生じさせる孔４を備えた上部周壁６及び下部周壁５から構成される予混合管３を備えている。予混合管の上部周壁内には貫通筒状の内壁１０がある。内壁１０の頂部中央には第１圧力噴射ノズル７があり、下部周壁には５個の第２圧力噴射ノズル８が等角度間隔で配置されている。各第２圧力噴射ノズル８から上部周壁６の中心に向けて噴射された燃料は、隙間Ｓから下部周壁内で旋回して燃焼筒に向かう空気の流れに乗り、燃焼器の上部領域Ｚ２で半径方向に広く分散し、長い滞留時間により早期に蒸発・着火して完全燃焼する。これによって火炎が安定化し、煤等の未燃焼成分が減少し、ＮＯX の発生が抑制される。

なお、図８乃至図１０は、前記各特許文献中の特定の図面の内容を示しているため、その参照符号が部分的に互いに重複し、また図１乃至図７に示す本願実施形態の参照符号とも部分的に互いに重複している。これは、重複した参照符号が指し示す各部分が同一であることを意味するものでない。図８乃至図１０の各図における参照符号は、当該各図の説明においてのみ意味を有するものであり、本願発明の実施形態を示す他の図面及び明細書の発明の詳細な説明とは関係がない。

特開２００５−５５０９１号公報 特開２００９−１９８０５４号公報 特開２０１２−２４７１３５号公報

前記特許文献１に記載されたガスタービン燃焼器用のプレミキサーによれば、複数のスワラーを予混合管の入口に同心円状に配置して旋回流を生成し、これに燃料を加えているため、燃料は微粒化されて燃焼器内で均質性の高い混合気が形成される。その結果、燃料は燃焼器内で完全燃焼することができる。しかしながら、燃焼器内では火炎が予混合管から離れた位置にリフトした状態にはならず、予混合管が接続された燃焼器の上端部に火炎が接するために燃焼器の上端部が熱で損傷しやすいという問題がある。このため、実際には、火炎の接触による熱損傷を回避するために燃焼器の上端側周面に冷却孔を設けて内部に冷却空気を導入する必要があるが、そのようにすれば、火炎温度が低下して未燃の燃料が増加し、燃焼ガスとともに排出されてしまうという問題が発生する。

また、前記特許文献２に記載されたガスタービン燃焼器によれば、燃焼器に接続された予混合管の下端部付近に孔を設けて予混合管内の下端部付近で空気の旋回流を生じさせているため、予混合管の上端部から軸線方向に供給された燃料は、この空気の旋回流に運ばれて燃焼器内で燃焼するため、その火炎は燃焼器内において予混合管から離れた位置にリフトした状態にはなる。しかしながら、燃料は予混合管の内部から燃焼器に向けて軸線方向に噴射され、空気の旋回流は予混合管の内部から燃焼器に向けて周壁に沿った環状の周辺領域に集中するため、燃料は燃焼器の内部の周辺領域には十分供給されず、そのために燃焼状態は安定しない。また、このガスタービン燃焼器によれば、同文献の図１にも明示されているように、火炎の接触による熱損傷を回避するために燃焼器の上端側周面に冷却孔を設けて内部に冷却空気を導入しているが、そのような構造であると、火炎温度の低下により未燃の燃料が増加し、これが燃焼ガスとともに排出されてしまうという問題も発生する。

また、前記特許文献３に記載されたガスタービン燃焼器によれば、上部周壁内に設けられて空気の直進流を生じさせる貫通筒状の内壁１０と、上部周壁６に設けられて内壁１０との隙間Ｓに旋回流を生じさせる孔４とを備えており、火炎は燃焼器内の適切な位置にリフトされるようにはなっている。しかしながら、メインの燃料を供給するためのメインノズル８は、このような火炎をリフトさせるための構造とは全く別の位置に、全く別の部品として設置されている。すなわち、メインノズル８は、周壁に孔４が形成され内部には内壁１０が設けられた上部周壁６ではなく、その下方に配置された下部周壁５に設けられており、しかもメインノズル８が燃料を供給する方向は空気の旋回流に対して垂直となっている。このため、燃料を空気の流れに沿わせることはできず、燃料の微粒化は必ずしも理想的な状態にはならず、燃料の完全燃焼を達成することは実際には困難であった。また、メインノズル８は、その噴射口が、下部周壁５の壁面に開口するように予混合管３に取り付けられていたため、エンジン停止時に燃料が下部周壁５の内面に液垂れし、熱によって燃料がカーボンとなって付着するという問題もあった。

本発明は、以上説明した先行技術における種々の課題を解決するためになされたものであり、燃料と空気を混合して燃焼器に供給する予混合管を備えたガスタービン燃焼器において、燃料を十分に微粒化して完全燃焼させることができるとともに、予混合管が接続された燃焼器の上端部から火炎を適正な位置に離したリフト状態を安定的に維持することができ、さらにエンジン停止時に燃料が予混合管の内面に液垂れしてカーボンとなって付着することがないガスタービン燃焼器を提供することを目的としている。

請求項１に記載されたガスタービン燃焼器は、
燃料を燃焼させてガスタービン装置を駆動するための燃焼ガスを生成する燃焼筒と、
前記燃焼筒の上端に開口して設けられ、燃料と空気を混合して前記燃焼筒に供給する予混合管と、
前記予混合管の上端に開口して設けられ、前記予混合管の内部の中央部分に空気の直進流を形成する一の直進流生成部と、
前記直進流生成部の中央に配置されて前記予混合管の内部の中央部分にパイロット燃料を供給するパイロット燃料供給手段と、
前記予混合管の上端に前記直進流生成部を囲んで設けられ、前記予混合管の内部に形成された空気の直進流の周囲に空気の旋回流を形成する一の旋回流生成部と、
前記旋回流生成部が生成した空気の旋回流中に該旋回流に沿ってメイン燃料を供給して微粒化するメイン燃料供給手段と、
を具備し、
旋回流生成部の開口面積Ａ_R と直進流生成部の開口面積Ａ_S の面積比Ａ_R ／Ａ_S が、０．２以上１．０以下であることを特徴としている。
なお、上記文言中、「空気の旋回流中に該旋回流に沿ってメイン燃料を供給して微粒化する」における「沿って」とは、旋回流を周方向の分力と燃焼筒に向かう軸方向の分力の合成と考え、これら両分力の方向範囲内において並行にメイン燃料を供給することを意味する。なお、「並行」とは、空間内において直線と直線が交わらない状態を示す「平行」との意味ではなく、より広い範囲の意味を有するものとする。

請求項２に記載されたガスタービン燃焼器は、請求項１記載のガスタービン燃焼器において、
旋回流生成部の開口面積Ａ_R と直進流生成部の開口面積Ａ_S の面積比Ａ_R ／Ａ_S が、０．４以上０．８以下であることを特徴としている。

請求項３に記載されたガスタービン燃焼器は、請求項１又は２に記載のガスタービン燃焼器において、
前記燃焼筒の周壁に形成された空気孔から希釈用の空気を内部に導入することにより、前記空気孔よりも上方の領域では相対的に高い当量比で燃焼を行い、前記空気孔よりも下方の領域では相対的に低い当量比で燃焼を行なうガスタービン燃焼器であって、
前記空気孔として相対的に径の大きい大空気孔と相対的に径の小さい小空気孔を互いに軸線が一致するように向かい合わせた組を前記燃焼筒の中心軸線に直交する平面内において複数備えており、前記大空気孔と前記小空気孔の前記軸線が前記平面の中心を通過しないように前記各組を配置したことを特徴としている。

請求項４に記載されたガスタービン燃焼器は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器において、
前記メイン燃料供給手段は、所定の間隔をおいて同心円状に配置された内側の環状部材及び外側の環状部材からなるフィルマーを有し、前記内側の環状部材と前記外側の環状部材の間にメイン燃料を供給するように構成されており、
前記旋回流生成部は、前記外側の環状部材の外側と前記予混合管の内面との間に設けられた外側のスワラーと、前記内側の環状部材の内側に設けられた内側のスワラーとによって構成されていることを特徴としている。

請求項１に記載されたガスタービン燃焼器によれば、燃焼筒の上端に設けられた予混合管の中央部分に直進流生成部で空気の直進流を形成し、その周囲に旋回流生成部で旋回流を形成し、直進流生成部と旋回流生成部の開口面積比を適当な数値範囲に限定するとともに、この旋回流中に該旋回流に沿ってメイン燃料を供給するようにしたので、燃料を効果的に微粒化して完全燃焼させて排気エミッションを低公害化することができる。また、火炎を燃焼筒の上端から適当な距離だけ離れた位置に安定的にリフトさせることができるので、燃焼筒の上部に空気を導入して冷却する必要がなくなり、その結果として火炎温度が下がることもなく、火炎温度が低下した場合に発生する未燃成分の排出による排ガス成分の悪化という不都合は回避できる。また、エンジン停止時に燃料供給手段から燃料が液垂れして予混合管の内面にカーボンが付着することもない。

請求項２に記載されたガスタービン燃焼器によれば、直進流生成部と旋回流生成部の開口面積比の数値範囲をさらに望ましい範囲に限定したので、燃焼筒内における火炎のリフトがさらに安定する。

請求項３に記載されたガスタービン燃焼器によれば、前記空気孔として相対的に径の大きい大空気孔と相対的に径の小さい小空気孔を互いに軸線が一致するように向かい合わせた組を前記燃焼筒の中心軸線に直交する平面内において複数備え、前記大空気孔と前記小空気孔の前記軸線が前記平面の中心を通過しないように前記各組を配置したので、少なくとも各組の大空気孔ＱＬから流入する空気が前記平面内の中心Ｓで衝突して上下に向きを変え、リッチ燃焼領域Ｒとリーン燃焼領域Ｌの両方に大規模に流れ込む現象が発生することは防止され、その結果、リッチ燃焼領域で当量比を十分高い状態に維持し、リーン燃焼領域で空気流速分布を均一化して希薄状態で均一に燃焼を完結することができ、確実に部分過濃形態燃焼方式(Rich burn-Quick quench-Lean burn 、略してＲＱＬ) で燃焼を行なわせることができる。

請求項４に記載されたガスタービン燃焼器によれば、フィルマーを構成する内外２つの環状部材の隙間にメイン燃料を供給し、フィルマーを挟んで内外に配置した２個のスワラーによって燃料の両側に旋回流を発生させる。この空気の旋回流は燃料を微粒化し、予混合管の中央部分から燃焼器に吹き込む空気の直進流を取り巻くように燃焼器に流入するため、燃料の微粒化による完全燃焼がさらに確実になり、燃焼筒内における火炎のリフトがさらに安定化する。

第１実施形態のガスタービン燃焼器の縦断面図である。 第１実施形態のガスタービン燃焼器の上端部の拡大縦断面図である。 第１実施形態のガスタービン燃焼器における旋回流生成部と直進流生成部の断面ずであって、各々の開口面積Ａ_R 及びＡ_S を説明するための図である。 第１実施形態のガスタービン燃焼器における旋回流生成部としてのスワラーの開口面積Ａ_R を説明するための図である。 第１実施形態のガスタービン燃焼器における火炎のリフト量Ｆと燃焼筒の上端部の開口径Ｄを説明するための図である。 第１実施形態のガスタービン燃焼器において、旋回流生成部の開口面積Ａ_R と直進流生成部の開口面積Ａ_S の面積比Ａ_R ／Ａ_S と、火炎のリフト量Ｆと燃焼筒の上端部の開口径Ｄの比Ｌ／Ｄとの関係を示すグラフである。 第２実施形態のガスタービン燃焼器の上端部における横断面図である。 特許文献１の図５の内容を示す図である。 特許文献２の図１の内容を示す図である。 特許文献３の図１の内容を示す図である。

図１〜図６を参照して本発明の第１実施形態に係るガスタービン燃焼器１（以下、単に燃焼器１とも称する。）を説明する。
図１は本実施形態のガスタービン燃焼器１の縦断面図である。図１に示すように、燃焼器１は、その基本的構造として、図示しないコンプレッサから圧縮空気が供給される外筒２と、外筒２の内部に配置された燃焼筒３を備えている。外筒２及び燃焼筒３は、いずれも図において上下方向の中心軸線を備えた筒状構造体であり、両筒の各周壁の間に一定寸法の間隔が生じるように中心軸線を一致させて縦型に配置されている。

図１及び図２に示すように、燃焼筒３の上端には、燃料と空気を混合して燃焼筒３に供給するための予混合管４が取り付けられている。予混合管４の内径及び軸線方向の長さは燃焼筒３に比べて小さく、予混合管４と燃焼筒３の軸線は一致しており、予混合管４の開口した下端（下開口部４ａと呼ぶ）は燃焼筒３の上端に連通している。

図２に示すように、予混合管４の開口した上端（上開口部４ｂと呼ぶ）の中央には、該予混合管４の中心軸線と平行に配置されたパイロット燃料供給手段５の先端部が挿入されている。このパイロット燃料供給手段５は、予混合管４の上開口部４ｂの中央において、パイロット燃料を下向きに噴射して供給することができる。パイロット燃料供給手段５としては、通常の圧力噴射弁を含む各種の燃料噴射手段を採用することができる。

図２に示すように、予混合管４の上開口部４ｂには、中央のパイロット燃料供給手段５を囲むように単一の直進流生成部６が設けられている。この直進流生成部６は、予混合管４の内部中央に空気を導き、空気の下向きの直進流Ｓを形成する手段である。この直進流生成部６は、前述した上開口部４ｂに、多数の空気通過孔７ａが形成された円形の板体７を設けた構造となっている。この実施形態では、上開口部４ｂに設けられた板体７は、予混合管４の内径よりも小さい外径の金属製円板である。板体７の中心にはパイロット燃料供給手段５が挿入固定される円形の貫通した取り付け孔７ｂが設けられ、また多数設けられた空気通過孔７a はパンチ加工等の任意の手法によって格子状等の任意のパターンで形成されている。

板体７の空気通過孔７a は空気の導入口として機能するので、その形状、寸法及び配置を任意に定めることにより、空気通過孔７a の面積の総和（以下、開口面積Ａ_S と呼ぶ）を適宜に設定することができる。図３は、パイロット燃料供給手段５及び取り付け孔７ｂの図示は省略されているが、直進流生成部６の板体７と、直進流生成部６の周囲に設けられる後述するスワラーとの配置関係等を模式的に示す図であり、直進流生成部６の開口面積Ａ_S が多数の空気通過孔７a の面積の総和であることを示している。なお、板体７の面積（中央部のパイロット燃料供給手段５に相当する部分の面積は除く）をＳとし、当該部分の開口率をαとすれば、開口面積Ａ_S ＝Ｓ×αとなる。この直進流生成部６における開口面積Ａ_S は、予混合管４に流入して直進流Ｓとなる空気の量を決定する因子として把握することができる。

図２に示すように、予混合管４の上開口部４ｂには、中央に配置された直進流生成部６の円形の板体７と、予混合管４の周壁との間にある周状の隙間に、旋回流生成部８及びメイン燃料供給手段９が設けられている。旋回流生成部８は、予混合管４の内部中央に形成された空気の下向きの直進流Ｓの周囲に空気の旋回流Ｒを形成する手段であり、メイン燃料供給手段９は、旋回流生成部８が生成した空気の旋回流Ｒ中に該旋回流に沿ってメイン燃料を供給して微粒化させるための手段である。

図２に示すように、メイン燃料供給手段９は、予混合管４の上開口部４ｂに設けられた環状の燃料路１０と、予混合管４の半径方向について燃料路１０の内面側と外面側から予混合管４の下方に向けてそれぞれ延設された内環状部材１１及び外環状部材１２からなるフィルマー１３を備えている。燃料路１０には、外筒の外側から導かれた燃料配管１４が接続連通されており、その内部にメイン燃料を供給できるようになっている。燃料路１０の底部には所定間隔で供給孔１５が形成されており、フィルマー１３を構成する外環状部材１２と内環状部材１１の間にメイン燃料を噴射できるようになっている。なお、供給孔１５は予混合管４の軸線に平行であるものとしてもよいし、所定の角度傾斜したものとしてもよい。フィルマー１３の内環状部材１１は全体として直円筒状の部材であって、先端が先鋭なエッジ状となっている。また外環状部材１２も全体としては直円筒状の部材であるが、予混合管４の軸方向についての寸法は内環状部材１１よりも長く、その先端は内環状部材１１よりも下方に突出していて、先鋭なエッジ状とされた先端はやや内方に屈曲している。

従って、燃料路１０に所定の圧力でメイン燃料を供給すれば、フィルマー１３の外環状部材１２と内環状部材１１の間に噴射されたメイン燃料は、薄いフィルム状の略円錐台形となって下方に噴射される。

図２に示すように、旋回流生成部８は、直進流生成部６の板体７の外周と燃料路１０の内周との間に配置された内側の第１スワラー１６と、燃料路１０の外周と予混合管４の内周との間に配置された外側の第２スワラー１７を備えている（第１スワラー１６と第２スワラー１７はそれぞれ単にスワラーとも称する。）。また、内側の第１スワラー１６のさらに内側にはスワラー環状部材１８が設けられている。このスワラー環状部材１８は、フィルマー１３の内環状部材１１よりも軸方向の寸法がやや短く、従ってその先端は内環状部材１１の先端よりも上方にあり、さらにその先端は先鋭なエッジ状とされている。また、予混合管４の内周面であって、外側の第２スワラー１７よりも下方の部分には凸部１９が設けられている。この凸部１９の曲面は、内方に向けて屈曲しているフィルマー１３の外環状部材１２に沿う形状となっており、従って凸部１９と外環状部材１２の隙間は、内方に傾斜した周状の空間となっている。

従って、内側の第１スワラー１６と外側の第２スワラー１７から噴射された空気は、それぞれ予混合管４の内周面に沿って移動し、予混合管４の中心にある直進流Ｓの周りを旋回流Ｒとなって旋回するが、上述したメイン燃料供給手段９はメイン燃料を両スワラー１６，１７からの旋回流Ｒの間に薄い膜状の状態で供給し、その供給方向は、空気に働く旋回力を構成する分力の方向の範囲内に対して並行であるため、旋回流Ｒによる燃料の微粒化は十分に行われる。従って、予混合管４内の内周面に沿った領域には微粒化されたメイン燃料が分散された状態の旋回流Ｒが作られ、この旋回流Ｒは下開口部４ａから燃焼筒３に入る。そして予混合管４から供給される旋回流Ｒと直進流Ｓの空気の速度と燃焼筒３内に発生する火炎の伝播速度とのバランスにより、燃焼筒３内の火炎は予混合管４の下開口部４ａから適当な距離だけ離れた位置にリフトされ、燃料は安定的に完全燃焼することができる。

このように、本実施形態によれば、メイン燃料は燃料路１０の内外に配置された第１及び第２スワラー１６，１７が生成した空気の旋回流Ｒ中に、該旋回流Ｒに沿ってメイン燃料を供給することができるので、このメイン燃料は旋回流Ｒによって速やかにかつ確実に微粒化されて燃焼筒３に送り込まれ、その結果、効率的な燃焼が実現される。なお、上述した「該旋回流Ｒに沿って」メイン燃料を供給するとの語義であるが、本願においてはこれは最も広義に解釈すべきものとする。すなわち、旋回流Ｒは周方向の分力と燃焼筒３に向かう軸方向の分力の合成と考えられるので、上記「沿って」とは、これら両分力の方向範囲内において並行にメイン燃料を供給することを意味する。なお、ここで「並行」とは、空間内において直線と直線が交わらない状態を示す「平行」との意味ではなく、より広い範囲の意味を有するものとする。
さらに、本実施形態において、外筒２及び燃焼筒３の中心軸線は、必ずしも鉛直方向でなくてもよく、斜めに傾いていても（外筒２及び燃焼筒３がタービンに対して斜めに取り付けられていても）本実施形態の効果を奏する。

また、本実施形態によれば、メイン燃料供給手段９とパイロット燃料供給手段５は、いずれも予混合管４の上開口部４ｂに下向きに燃料を供給しうるように配置されているので、エンジン停止時においても、燃料が予混合管４の内面に液垂れしてカーボンとなって付着する不都合は発生しない。

第１及び第２スワラー１６，１７は空気を旋回流Ｒにして予混合管４内に供給する機能を有しており、その構造、寸法等を任意に定めることにより、以下に説明するように、第１及び第２スワラー１６，１７によって旋回流Ｒとして供給する空気量を適宜に設定することができる。図３は、直進流生成部６の板体７の開口面積Ａ_S と、その周囲に設けられた第１及び第２スワラー１６，１７の開口面積Ａ_R を示す図である。この図では、パイロット燃料供給手段５の図示は省略し、第１及び第２スワラー１６，１７はまとめて表示している。まず旋回流Ｒを作る第１及び第２スワラー１６，１７は、図４にその一部を示すように、空気の流入方向又は予混合管４の軸線方向に対して所定の角度で傾斜した複数の翼部２０を所定間隔で並設した構造を備えている。スワラー１６，１７を経由して予混合管４に流入し、旋回流Ｒとなる空気の量を決定する因子としては、開口面積Ａ_R を想定することができる。ここでスワラー１６，１７における開口面積Ａ_R とは、図４にＲで示すスロート面積の総和である。スロート面積とは、図４に示すような隣接する翼部２０と翼部２０の入口にＦで示した前面面積ではなく、傾斜した翼部２０の内面に垂直な断面で見た空気流路の面積である。従って、スワラーにおける翼部２０の形状、寸法を適宜に設定することによってスロート面積を変え、またその総和によって定まる開口面積Ａ_R の値を任意に決めることができる。

本実施形態では、第１及び第２スワラー１６，１７の開口面積Ａ_R と、直進流生成部６の開口面積Ａ_S は、それぞれ旋回流Ｒの空気の供給量と、直進流Ｓの空気の供給量を示す指標として互いに対応するものであり、本発明者は長年の研究開発の結果、両値の比の如何に応じて燃焼筒３内の火炎の挙動に大きな差異が生じることを見いだした。

すなわち、本実施形態のガスタービン燃焼器１に特有な効果の一つとして、燃焼筒３内において、燃焼筒３の上端部から適正な下方位置において火炎を安定的な状態で維持することができる点が挙げられる。このように火炎を燃焼筒３の上端部から離して維持することを「リフト」と称し、かかる火炎を「リフト火炎」と称する。このような効果は、燃焼筒３の上端に設けられた予混合管４の中央部分に設けた一の直進流生成部６で予混合管４の中心に軸線に平行な空気の直進流Ｓを形成し、その周囲に旋回流生成部８で旋回流Ｒを形成し、旋回流生成部８の開口面積ＡR と直進流生成部６の開口面積ＡS の面積比ＡR ／ＡS を、０．２以上１．０以下の数値範囲に限定することによって得られる。すなわち、火炎を燃焼筒３の上端から適当な距離だけ離れた位置に安定的にリフトさせることができる。

安定的なリフト火炎を得る効果は、本発明者の実験によれば次の通りである。図５は、本実施形態のガスタービン燃焼器１における火炎のリフト量Ｌと燃焼筒３の上端部の開口径Ｄを説明するための図である。また、図６は、本実施形態において、旋回流生成部８の開口面積ＡR と直進流生成部６の開口面積ＡS の面積比ＡR ／ＡS （横軸）と、火炎３０のリフト量Ｌと燃焼筒３の上端部の開口径Ｄの比Ｌ／Ｄ（縦軸）との関係を示すグラフである。ここで、リフト量Ｌとは、図５に示すように、燃焼筒３内の火炎３０の最上部３０ａ（基部）と予混合管４の下開口部４ａ（又は燃焼筒３の上端部) の距離であり、燃焼筒３の上端部の開口径Ｄとは予混合管４の下開口部４ａの内径に等しい。

本発明者による実験の結果によれば、前記面積比Ａ_R ／Ａ_S と前記寸法比Ｌ／Ｄの関係は図６に示すようになるが、実際の火炎を観察すると、面積比Ａ_R ／Ａ_S が１．０を超えると（すなわち寸法比Ｌ／Ｄが０．８を超えると）、火炎は燃焼筒３の上端部から離れすぎて燃焼状態及び位置が安定せず、バタついた状態となる。また積比Ａ_R ／Ａ_S が０．２未満（すなわち寸法比Ｌ／Ｄが０．２未満）では、火炎が燃焼筒３の上端部に接触して燃焼筒３を過熱させてしまう恐れがあり、また火炎が予混合管４内に逆流してしまう恐れもある。これに対し、前記面積比Ａ_R ／Ａ_S が０．２以上１．０以下の数値範囲であれば、予混合管４の中心に形成された１本の下向きの直進流Ｓと、２個のスワラー１６，１７によってその周囲に形成された旋回流Ｒとのバランスにより、火炎は燃焼筒３の上端部すなわち予混合管４の下開口部４ａから適当な距離だけ離れた状態で安定し、燃焼筒３を冷却するために過剰な空気を導入する必要もない。従って、燃焼筒３を過熱させず、冷却が必要ない位置に安定したリフト火炎を保持するための条件としては、前記面積比Ａ_R ／Ａ_S が０．２以上１．０以下の数値範囲であることが必要である。

さらに、燃焼筒３内の火炎の安定性や燃焼筒３の過熱状態等をより厳しく検討すると、旋回流生成部８の開口面積Ａ_R と直進流生成部６の開口面積Ａ_S の面積比Ａ_R ／Ａ_S が０．４以上０．８以下であれば、さらに一層高い効果が得られる。

このように、本実施形態によれば、空気の直進流Ｓと旋回流Ｒの絶妙なバランスによって燃焼筒３内の火炎を適切なリフト位置に安定させているので、燃焼筒３の上部に冷却孔を設けて空気を導入し冷却する必要がなくなり、その結果として火炎温度が下がることもなく、火炎温度が低下した場合に発生する未燃成分の排出による排ガス成分の悪化という不都合は回避できる。また、火炎を適当にリフトさせるために必要な２つの空気流の一方である旋回流Ｒに沿ってメイン燃料を供給することによりメイン燃料を微粒化しているので、メイン燃料を完全燃焼させることができ、その点においても排気エミッションの低公害化が達成される。さらに、エンジン停止時に燃料供給手段（パイロット燃料供給手段５及びメイン燃料供給手段９）から燃料が液垂れして予混合管４の内面にカーボンが付着することもない。

以上説明した第１実施形態の説明においては言及しなかったが、第１実施形態のガスタービン燃焼器は次のような特徴も備えている。すなわち、図１に示すように、燃焼筒３には、その上部にある円錐台形の部分よりも下方の壁面に、複数個のクエンチ空気孔４０が形成されている点である。クエンチ空気孔４０とは、ガスタービン燃焼器において部分過濃形態燃焼方式(Rich burn-Quick quench-Lean burn 、略してＲＱＬ) を行うために燃焼筒に形成され、燃焼時に燃焼筒の内部にクエンチ空気を導くための空気導入孔である。

第１実施形態によれば、第１及び第２スワラー１６，１７による空気の旋回流Ｒで、燃焼筒３の上部空間には燃焼ガスが上下に再循環する一次燃焼領域が生成される。一次燃焼領域はリッチ燃焼領域であり、当量比（φ、理論空燃比／実際の混合気の空燃比）が１以上に保持され、火炎温度が相対的に低く抑えられて混合気が燃焼しにくい状態にある。また、クエンチ空気孔４０により導入されたクエンチ空気の旋回流で、燃焼筒３の下部空間には燃焼ガスが上下に再循環する二次燃焼領域が生成される。二次燃焼領域はリーン燃焼領域であり、一次燃焼領域を通過した燃焼ガスが、クエンチ空気孔４０から供給される多量のクエンチ空気で急速に希釈され、当量比が急速に１以下となり、火炎温度が低く、混合気が燃焼しにくい状態にあり、燃焼ガス中に含まれるＮＯX の量が可及的に減少する効果が継続する。

次に、図７を参照して本発明の第２実施形態に係るガスタービン燃焼器１ａを説明する。
第１実施形態のガスタービン燃焼器１では、第１実施形態の説明の最後に言及したように、その燃焼筒３にはクエンチ空気孔４０が形成されており、ＲＱＬ燃焼が行えるようになっていた。しかしながら、第１実施形態のガスタービン燃焼器１では、燃焼筒３の周壁に形成された複数のクエンチ空気孔４０は、いずれも燃焼筒３の半径方向に形成されており、すべて燃焼筒３の中心軸に向けられている。このため、クエンチ空気孔４０の数や導入されたクエンチ空気の流速等の諸条件にもよるが、クエンチ空気は燃焼筒３の中心軸の位置で衝突して向きを変え、クエンチ空気孔４０の上方にあるリッチ燃焼領域にバックフローとして流入してしまうとともに、クエンチ空気孔４０の下方にある二次燃焼領域の中心にも集中して流れ込んでしまう場合が考えられる。

仮に、このような現象が第１実施形態のガスタービン燃焼器１において発生するとすれば、バックフローとしてリッチ燃焼領域に流れ込んだクエンチ空気は、リッチ燃焼領域を希釈してしまい、本来燃料リッチで酸素不足の状態で燃焼するはずのリッチ燃焼領域において酸素量が増大して当量比が小さくなってしまい、ＮＯ_X の量が増大するという不都合が発生してしまう可能性がないとはいえない。また、リーン燃焼領域に流れ込んだクエンチ空気は、燃焼器中心付近に集中して軸線方向の強い流れを生成するため、その影響によって燃焼器の内周面に沿って相対的に低速な領域ができてしまい、これにより燃料の混合が不均一、すなわち燃料が濃いところと薄いところが存在する状態となってしまう可能性がないとはいえない。

本願発明の第２実施形態は、上に説明したＲＱＬ燃焼方式を用いたガスタービン燃焼器におけるクエンチ空気のリッチ燃焼領域へのバックフローの可能性を低減することを本願発明のさらなる課題として加えたものであって、第１実施形態で具体的に説明した本願発明の効果に加え、さらにリッチ燃焼領域の当量比を高い状態に維持するとともに、クエンチ空気の導入部よりも下流のリーン燃焼領域における空気流速分布を均一化することにより、局所的な燃料の過濃領域を作ることなく希薄状態で均一に燃焼を完結させることができるようにする効果を目指したものである。

本願発明の第２実施形態に係るガスタービン燃焼器１ａは、第１実施形態に係るガスタービン燃焼器１と基本的な構造は同一であり、燃焼筒３に設けられたクエンチ空気孔（以下、空気孔とも称する）の構造とこれに起因する作用効果のみが異なっている。以下、この空気孔の構造と作用効果を図７を参照して説明する。

図７は、燃焼器１ａを空気孔の部分で該燃焼器１ａの中心軸線Ｃに対して垂直な切断線をもって切断した場合の断面図である。この図７に示すように、燃焼筒３の周壁に形成された空気孔Ｑは、すべて前記平面内に現れており、縦配置された燃焼筒３の同一高さの位置に形成されている。これら空気孔Ｑは、相対的に径の大きい１個の大空気孔ＱＬと、相対的に径の小さい１個の小空気孔ＱＳの組によって構成されている。

大空気孔ＱＬと小空気孔ＱＳから燃焼筒３の内部に供給されるクエンチ用の空気は、コンプレッサから外筒２の内部に供給される圧縮空気である。従って、孔の内径の大小に関わらず空気を内部に導入する際の圧力は一定であるが、孔の内径の大小によって供給量には大小の差異が生じる。すなわち、大空気孔ＱＬからの空気の導入量は相対的に多く、空気流としての貫通力は相対的に大きい。これに対し、小空気孔ＱＳからの空気の導入量は相対的に少なく、空気流としての貫通力は相対的に小さい。

図７に示すように、この空気孔Ｑの各組では、両空気孔ＱＬ、ＱＳは互いに軸線Ｌが一致するように向かい合わせて燃焼筒３の周壁に形成されている。この空気孔Ｑの組は、本実施形態では複数設けられるものとなっており、本実施形態では４組の空気孔Ｑ（従って、大小同数で合計８個の空気孔ＱＬ、ＱＳ）が周壁に形成されている。このように向かい合わせで軸線Ｌを一致させて配置された大空気孔ＱＬと小空気孔ＱＳから空気を噴射すると、上述した貫通力の差異から、図７に示すように、大空気孔ＱＬと小空気孔ＱＳからの空気の噴流の衝突位置Ｐは、軸線Ｌ上の両孔ＱＬ、ＱＳの中間位置にはならず、貫通力が大きい大空気孔ＱＬから遠い位置、従って小空気孔ＱＳに近い位置となる。

図７に示すように、空気孔の各組は、大空気孔ＱＬと小空気孔ＱＳの軸線Ｌが前記平面の中心（すなわち燃焼筒３の中心軸線Ｃ）を通過しないように配置されている。この実施形態では、前記平面の中心（燃焼筒３の中心軸線Ｃ）を通過する互いに直交した２本の中心線Ｃ１、Ｃ２を想定し、これを基準とすると、空気孔の各組の軸線Ｌは各中心線Ｃ１、Ｃ２から偏芯した位置に配置されている。

さらに具体的に配置を説明すれば次の通りである。すなわち、第１の組の軸線Ｌ１は、一方の中心線Ｃ１に直交するとともに、他方の中心線Ｃ２で分割された前記平面の一方に存在する。第１の組の軸線Ｌ１に平行な第２の組の軸線Ｌ２は、一方の中心線Ｃ１に直交するとともに、他方の中心線Ｃ２で分割された前記平面の他方に存在する。第１の組の軸線Ｌ１に直交する第３の組の軸線Ｌ３は、他方の中心線Ｃ２に直交するとともに、一方の中心線ｃ１で分割された前記平面の一方に存在する。第３の組の軸線Ｌ３に平行なる第４の組の軸線Ｌ４は、他方の中心線Ｃ２に直交するとともに、一方の中心線Ｃ１で分割された前記平面の他方に存在する。

このように、燃焼筒３の上部から空気と燃料を内部に供給して燃焼させると共に、該燃焼筒３の周壁に形成された空気孔Ｑから希釈用の空気を内部に導入することにより、該空気孔Ｑよりも上方の領域では相対的に高い当量比で燃焼を行い、該空気孔Ｑよりも下方の領域では相対的に低い当量比で燃焼を行ってガスタービン装置を駆動するための燃焼ガスを生成するガスタービン燃焼器なおいて、該空気孔Ｑとして径の大きい大空気孔ＱＬと相対的に小さい小空気孔ＱＳを互いに軸線Ｌが一致するように向い合せた組を該燃焼筒の中心軸線Ｃに直交する平面内において複数備え、該大空気孔ＱＬと該小空気孔ＱＳの軸線が該平面の中心Ｃを通過しないように、大空気孔ＱＬと該小空気孔ＱＳの組を配置したので、少なくとも各組の大空気孔ＱＬから流入する空気が前記平面内の中心Ｃで衝突して上下に向きを変え、リッチ燃焼領域Ｒとリーン燃焼領域Ｌの両方に大規模に流れ込む現象が発生することは防止される。

図７に示すように、空気孔Ｑの各組は、上述したように、各軸線Ｌが前記平面の中心を通過しないように配置されているとともに、さらに、互いに軸線Ｌが平行な２つの組の間では、大空気孔ＱＬと小空気孔ＱＳの向きが互いに反対となっている。又は、燃焼筒３の周壁には、周方向に沿って大空気孔ＱＬと小空気孔ＱＳが交互に形成された構造となっている。このため、各組において、大空気孔ＱＬと小空気孔ＱＳから流入する空気が衝突する衝突位置Ｐは、前記平面内では互いに異なる４つの位置に分かれるようになっている。ここでは、４つの組が井桁状に配置されているため、４つの衝突位置Ｐは略矩形の各頂点位置を占めるような配置となっている。

このため、４つの組における空気の衝突位置Ｐは互いに重なることがなく、クエンチ用の空気が特定箇所に集中して衝突し、リッチ燃焼領域とリーン燃焼領域の両方に流れ込むことも防止される。その結果、リッチ燃焼領域で当量比を十分高い状態に維持し、リーン燃焼領域で空気流速分布を均一化する効果はさらに確実になる。

また、図７に示すように、本実施形態では、空気孔Ｑの各組の配置を上述のように、該大空気孔ＱＬと該小空気孔ＱＳから流入する空気が衝突する衝突位置が、上記平面内において各組で互いに異なる位置となるように設定したので、その結果として、各組の各衝突位置Ｐには、他の組の大空気孔ＱＬから流入した空気が通過するようになっている。

このため、各組におけるクエンチ用の空気の衝突位置Ｐに、他の組の大空気孔ＱＬによる貫通力の強い空気流が異なる向きから吹き付けられることになる。その結果、各組において衝突した空気が向きを変えてリッチ燃焼領域Ｒとリーン燃焼領域Ｌの両方に流れ込む現象はさらに一層確実に防止される。その結果、上述した効果はさらに一層確実となる。

なお、以上説明した第２実施形態においても、燃焼筒３の中心軸線が、必ずしも鉛直方向でなくてもよく、斜めに傾いていても（燃焼筒３がタービンに対して斜めに取り付けられていても）上記効果を奏する上、第１実施形態で説明した本願発明に特有の効果、すなわち燃料を効果的に微粒化して完全燃焼させることができ、また火炎を燃焼筒３の上端から適当な距離だけ離れた位置に安定的にリフトさせることができ、さらにまたエンジン停止時に燃料供給手段から燃料が液垂れして予混合管４の内面にカーボンが付着することがないという効果も同時に達成できていることは言う迄もない。

１，１ａ…ガスタービン燃焼器（燃焼器）
２…外筒
３…燃焼筒
４…予混合管
５…パイロット燃料供給手段
６…直進流生成部
７…板体
７ａ…空気通過孔
８…旋回流生成部
９…メイン燃料供給手段
１０…燃料路
１１…内環状部材
１２…外環状部材
１３…フィルマー
１６…第１スワラー
１７…第２スワラー
３０…火炎
４０…クエンチ空気孔
Ｓ…直進流
Ｒ…旋回流
Ｑ…クエンチ空気孔（空気孔）
ＱＬ…大きいクエンチ空気孔（大空気孔）
ＱＳ…小さいクエンチ空気孔（小空気孔）
Ｃ…燃焼筒３の中心軸線
Ｌ，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４…空気孔の軸線
Ｐ，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４…空気の衝突位置

Claims (4)

1. 燃料を燃焼させてガスタービン装置を駆動するための燃焼ガスを生成する燃焼筒と、
   前記燃焼筒の上端に開口して設けられ、燃料と空気を混合して前記燃焼筒に供給する予混合管と、
   前記予混合管の上端に開口して設けられ、前記予混合管の内部の中央部分に空気の直進流を形成する一の直進流生成部と、
   前記直進流生成部の中央に配置されて前記予混合管の内部の中央部分にパイロット燃料を供給するパイロット燃料供給手段と、
   前記予混合管の上端に前記直進流生成部を囲んで設けられ、前記予混合管の内部に形成された空気の直進流の周囲に空気の旋回流を形成する一の旋回流生成部と、
   前記旋回流生成部が生成した空気の旋回流中に該旋回流に沿ってメイン燃料を供給して微粒化するメイン燃料供給手段と、
   を具備し、
   旋回流生成部の開口面積Ａ_R と直進流生成部の開口面積Ａ_S の面積比Ａ_R ／Ａ_S が、０．２以上１．０以下であることを特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 旋回流生成部の開口面積Ａ_R と直進流生成部の開口面積Ａ_S の面積比Ａ_R ／Ａ_S が、０．４以上０．８以下であることを特徴とする請求項１記載のガスタービン燃焼器。
3. 前記燃焼筒の周壁に形成された空気孔から希釈用の空気を内部に導入することにより、前記空気孔よりも上方の領域では相対的に高い当量比で燃焼を行い、前記空気孔よりも下方の領域では相対的に低い当量比で燃焼を行なうガスタービン燃焼器であって、
   前記空気孔として相対的に径の大きい大空気孔と相対的に径の小さい小空気孔を互いに軸線が一致するように向かい合わせた組を前記燃焼筒の中心軸線に直交する平面内において複数備えており、前記大空気孔と前記小空気孔の前記軸線が前記平面の中心を通過しないように前記各組を配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタービン燃焼器。
4. 前記メイン燃料供給手段は、所定の間隔をおいて同心円状に配置された内側の環状部材及び外側の環状部材からなるフィルマーを有し、前記内側の環状部材と前記外側の環状部材の間にメイン燃料を供給するように構成されており、
   前記旋回流生成部は、前記外側の環状部材の外側と前記予混合管の内面との間に設けられた外側のスワラーと、前記内側の環状部材の内側に設けられた内側のスワラーとによって構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器。

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