JP6285081B2 - ガスタービンエンジンの燃焼装置 - Google Patents

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関連出願

本出願は、２０１４年５月３０日出願の特願２０１４−１１３２６８の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。

本発明は、ガスタービンエンジンに使用される燃焼装置に関する。

ガスタービンエンジンにおいては、環境保全への配慮から、燃焼により排出される排ガスの組成に関して厳しい環境基準が設けられており、窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）などの有害物質を低減することが求められている。そこで、近年では、ＮＯｘ発生量を効果的に低減させる予混合燃焼方式を採り入れた燃焼方式、例えば、希薄予混合燃焼方式と拡散燃焼方式とを組み合わせた複合燃焼方式が提案されている（特許文献１）。

予混合燃焼方式を採り入れた場合、空気と燃料とを予め混合して燃料濃度を均一化した希薄な予混合気として燃焼させるので、局所的に火炎温度が高温となる燃焼領域が存在せず、かつ燃料の希薄化により全体的にも火炎温度を低くできることから、ＮＯｘ発生量を効果的に低減できる。

特開平８−２１０６４１号公報

一方で、予混合燃焼方式では、希薄な燃料による燃焼を保持するために、燃焼室内に強い旋回流を生じさせ逆流領域を形成することで保炎を行っているため、燃焼室で発生した火炎が予混合通路に伝播する逆火現象が生じやすい。近年、燃料に水素を利用するガスタービンエンジンが提案されているが、水素を含む反応性の高い燃料を使用するガスタービンエンジンでは、逆火現象が特に生じやすい。

そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決するために、局所的な高温燃焼を防止してＮＯｘの発生を抑制し、かつ逆火現象を防止して安定的に火炎を保持できるガスタービンエンジンの燃焼装置を提供することにある。

前記した目的を達成するために、本発明に係る燃焼装置は、内側に燃焼室を形成する燃焼筒と、前記燃焼筒の頂部に設けられ、複数の燃料噴射用環状部を含む燃料噴射部材および燃焼用空気を案内する複数の燃焼空気用環状部を含む空気ガイド部材を有し、前記燃料噴射用環状部と前記燃焼空気用環状部とが同心状に交互に配置され、前記燃焼室に燃料と空気を噴射する燃料噴射器と、を備え、前記燃料噴射用環状部は、その径方向に開口する複数の燃料噴射孔を有し、前記燃焼空気用環状部は、その軸心方向に開口し、前記燃料噴射孔から噴射される燃料に対して空気を案内する複数の空気ガイド溝を有する。

この構成によれば、燃料噴射部材に形成された多数の燃料噴射孔から燃料が噴射され、微細な火炎が多点で保持される。また、燃料噴射孔から径方向に噴射された燃料が軸心方向に流れる空気によって９０°偏向されるので、燃料噴射器外での混合が促進される。これにより、局所的な高温燃焼が防止され、低ＮＯｘ燃焼が実現できる。また、燃料噴射孔から噴射された燃料に対して上流から空気が供給されるという構成によって、火炎が燃料噴射器の内部に入り込むことがないため、逆火現象が抑制される。したがって、ガスタービンエンジンの燃料として、例えば水素を含む反応性の高い燃料を使用する場合にも、ＮＯｘの発生を抑制しながら、極めて安定した燃焼が維持される。

本発明の一実施形態において、さらに、前記燃料噴射器の上流に設けられ、前記空気ガイド部材に供給される空気を整流する空気整流機構を備えていることが好ましい。この構成によれば、燃料噴射器に対して均一な空気流が供給されるので、さらに燃焼が均一化することによってＮＯｘ発生が抑制されるとともに、より確実に逆火現象を防止できる。

本発明の一実施形態において、燃焼装置の軸心上に設けられ、前記燃料噴射器を貫通して前記燃焼室に向かって突出する整流突起部材をさらに備えていることが好ましい。この構成によれば、燃料噴射器の径方向内側部分から噴射される燃料と空気によって形成される火炎が安定化されるので、燃焼が安定的に保持される。

本発明の一実施形態において、前記整流突起部材は、支持部と、この支持部から前記燃焼室内に突出する突出部とを含み、前記支持部に形成されて、空気を前記整流突起部材の内部に導入する冷却空気導入孔と、前記突出部に形成されて、前記整流突起部材の内部に導入された空気を前記燃焼室に排出する冷却空気排出孔とを有することが好ましい。上記構成によれば、燃焼用空気の一部を利用して、突出部を内方から対流冷却によって冷却することができる。

本発明の一実施形態において、前記燃料噴射用環状部は中空状に形成されており、前記燃料噴射用環状部内の中空空間が、燃料を周方向に流通させる環状の燃料流通路を形成していることが好ましい。燃料噴射用環状部の燃焼室に面した部分は、燃焼室内の火炎による高温に曝されるが、上記構成によれば、燃料噴射用環状部の内部に燃料が流れる環状の燃料流通路が形成されるため、高温に曝される当該部分は燃料流通路を流れる燃料によって効率的に冷却される。

本発明の一実施形態において、前記燃料噴射用環状部は、前記燃焼室側に位置し、前記燃料噴射孔と連通する第１燃料流通路と、前記燃焼室とは反対側に位置し、前記燃料噴射孔から噴射される燃料が供給される第２燃料流通路と、前記第２燃料流通路内の燃料を前記第１燃料流通路の前記燃焼室側の壁面へ噴射する噴射ノズルと、を有することが好ましい。上記構成によれば、燃料を利用して、燃料噴射用環状部の燃焼室に面した壁を内方からインピンジメント冷却によって冷却することができる。

本発明の一実施形態において、前記燃料噴射部材に燃料を供給する、多管式構造の燃料供給母管を有し、この燃料供給母管は、前記複数の燃料噴射用環状部の第１環状部群に燃料を供給する第１供給通路と、前記複数の燃料噴射用環状部の第２環状部群に燃料を供給する第２供給通路とを有することが好ましい。この構成によれば、燃料噴射部材のうち、燃料供給を行う燃料噴射用環状部と燃料供給を行わない燃料噴射用環状部とに分けることができるので、定格負荷から部分負荷までの出力変化に対応した運転（ステージング燃焼）が可能となる。

請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。

この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
本発明の一実施形態に係る燃焼装置が適用されるガスタービンエンジンの概略構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る燃焼装置を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る燃焼装置を示す断面図である。 図２の燃焼装置に使用される燃料噴射器を示す正面図である。 図２の燃焼装置に使用される燃料噴射器の一部を拡大して示す正面図である。 図５Ａの燃料噴射器の一変形例を示す正面図である。 図２の燃焼装置に使用される空気整流板の一例を示す斜視図である。 図２の燃焼装置に使用される空気整流板の他の例を示す斜視図である。 図２の燃焼装置に使用される空気整流板の他の例を示す斜視図である。 図２の燃焼装置に使用される空気整流板の他の例を示す斜視図である。 図２の燃焼装置の空気整流機構の一変形例を示す斜視図である。 図２の燃焼装置の空気整流機構の他の変形例を示す斜視図である。 図２の燃焼装置に使用される燃料噴射器を示す縦断面図である。 図２の燃焼装置に使用される燃料噴射器の変形例を示す縦断面図である。 図２の燃焼装置に使用される整流突起部材の内部構造を示す縦断面図である。 本発明をアニュラー式燃焼装置に適用した一実施形態に係る燃焼装置を示す断面図である。 図１１の燃焼装置の部分破断斜視図である。 本発明をアニュラー式燃焼装置に適用した他の実施形態に係る燃焼装置を示す断面図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。

図１に、本発明の一実施形態に係る燃焼装置が適用されるガスタービンエンジン（以下、単にガスタービンと称する。）ＧＴの概略構成を示す。ガスタービンＧＴでは、導入した空気を圧縮機１で圧縮して燃焼装置３に導き、燃料を燃焼装置３内に噴射して前記空気とともに燃焼させ、得られた高温高圧の燃焼ガスによりタービン５を駆動する。タービン５は圧縮機１に回転軸７を介して連結されており、タービン５によって圧縮機１が駆動される。このガスタービンＧＴの出力により、航空機のロータまたは発電機などの負荷Ｌを駆動する。本実施形態では、燃焼装置３に噴射される燃料として水素ガスを用いている。以下の説明において、ガスタービンＧＴの軸心方向における圧縮機１側を「前側」と呼び、タービン５側を「後側」と呼ぶ。

図２は燃焼装置３を示す部分破断斜視図である。この燃焼装置３は、ガスタービンＧＴの軸心の周りに環状に複数個配置されるキャン型の燃焼装置である。燃焼装置３は、内側に燃焼室１１を形成する燃焼筒１３と、燃焼筒１３の頂部１３ａに取り付けられて燃焼室１１に燃料と空気を噴射する燃料噴射器１５とを備えている。燃料噴射器１５から噴射された燃料と空気に、燃焼筒１３に設けられた点火プラグＰで点火することにより、燃焼室１１内に火炎が形成される。これら燃焼筒１３および燃料噴射器１５は、燃焼装置３の外筒となるほぼ円筒状のハウジングＨに同心状に収容されている。ハウジングＨの前端にはエンドカバー１７がボルト１９により固定されている。図３に示すように、エンドカバー１７に、燃焼筒１３から筒状に延びる支持筒２１がボルト等で連結固定されることにより、燃焼筒１３の頂部１３ａがハウジングＨに取り付けられている。

本実施形態では、燃焼装置３は空気Ａと燃焼ガスＧとの流動方向が逆向きの逆流型として構成されている。すなわち、燃焼装置３は、ハウジングＨと燃焼筒１３および支持筒２１との間に形成された空気導入通路２５を有しており、この空気導入通路２５は、圧縮機１（図１）で圧縮された空気Ａを、燃焼室１１内の燃焼ガスＧの流動方向と逆方向に導く。なお、燃焼装置３は、空気Ａと燃焼ガスＧとの流動方向が同じ向きの軸流型であってもよい。支持筒２１の周壁の前端部には、複数の空気導入孔２７が周方向に並べて設けられている。空気導入通路２５を通って送られてきた空気Ａは、空気導入孔２７を通って、支持筒２１の内方に形成された空気供給通路２９に導入される。空気供給通路２９に導入された空気Ａは、後方、すなわち燃料噴射器１５の方向へ送られる。また、空気供給通路２９の中心部には、燃焼装置３の軸心Ｃに沿って延びる燃料供給母管３１が設けられている。燃料供給母管３１から、後述する燃料噴射部材３４の燃料噴射用環状部３３へと、燃料Ｆが供給される。空気供給通路２９および燃料供給母管３１の構成については後に詳述する。

図４に示すように、燃料噴射器１５は、複数の燃料噴射用環状部３３を有する燃料噴射部材３４および複数の燃焼空気用環状部３５を有する空気ガイド部材３６を備えている。本実施形態では、径寸法が互いに異なる４つの燃料噴射用環状部３３が、互いに同心状に、かつ燃焼装置３（図２）と同心状に配置されている。また、径寸法が互いに異なる５つの燃焼空気用環状部３５が、互いに同心状に、かつ燃焼装置３（図２）と同心状に配置されている。更に、燃料噴射用環状部３３と燃焼空気用環状部３５とは、それぞれの中心軸を同一として交互に配置されている。つまり、燃料噴射用環状部３３と燃焼空気用環状部３５とは、同心状に交互に配置されている。また、本実施形態では、燃料噴射器１５は、４つの燃料噴射用環状部３３と５つの燃焼空気用環状部３５を有しているが、これらの数は適宜変更可能であり、例えば、３つの燃料噴射用環状部３３と４つの燃焼空気用環状部３５としても良い。

本実施形態では、４つの燃料噴射用環状部３３および５つの燃焼空気用環状部３５は同一の軸心方向位置に設けられている（図３）。もっとも、４つの燃料噴射用環状部３３および５つの燃焼空気用環状部３５の軸心方向位置は互いにずれていてもよい。例えば、４つの燃料噴射用環状部３３の軸心方向位置が順に前後にずれるように配置してもよく、５つの燃焼空気用環状部３５の軸心方向位置は、対応する燃料噴射用環状部３３の軸心方向位置に合わせて、順に前後にずれるように配置してもよい。

図５に示すように、燃料噴射部材３４の燃料噴射用環状部３３には、径方向Ｒに開口する燃料噴射孔３９が周方向Ｑに複数設けられている。各燃料噴射孔３９から燃料Ｆが噴射される。また、図８に示すように、燃料噴射部材３４の燃料噴射用環状部３３は、断面外形がほぼ矩形に形成されており、燃焼室１１に面する後壁３３ａが、軸心Ｃ方向に垂直となるよう配置されている。図示の例では、燃料噴射孔３９は、燃料噴射部材３４の燃料噴射用環状部３３の外径側および内径側のいずれにも設けられている。換言すれば、燃料噴射孔３９は、燃料噴射用環状部３３の外周壁および内周壁のそれぞれに、外周壁および内周壁を径方向Ｒに貫通する貫通孔として設けられている。もっとも、燃料噴射孔３９は、燃料噴射部材３４の外径側および内径側のいずれか一方のみに設けられていてもよい。また、燃料噴射孔３９は、径方向Ｒに対して軸心Ｃ方向に、−１０°から＋８０°までの範囲で傾斜していてもよい。ここで、径方向Ｒに対して軸心Ｃ方向上流側に燃料噴射孔３９が傾斜する場合の傾斜角をマイナスの傾斜角とし、径方向Ｒに対して軸心Ｃ方向下流側に燃料噴射孔３９が傾斜する場合の傾斜角をプラスの傾斜角とする。

空気ガイド部材３６は、燃料噴射部材３４の燃料噴射孔３９から噴射された燃料Ｆに対して空気Ａを案内する。より具体的には、空気ガイド部材３６は、燃料Ｆに対して、空気Ａを空気供給通路２９の上流側から軸心Ｃ方向に案内する。空気ガイド部材３６は、円環板状の複数の燃焼空気用環状部３５を有している。燃料噴射部材３４の燃料噴射用環状部３３と空気ガイド部材３６の燃焼空気用環状部３５とは、それぞれの中心軸を同一として交互に配置されている。図５に示すように、各空気ガイド部材３６の燃焼空気用環状部３５には、燃料噴射部材３４の各燃料噴射孔３９に対応する周方向位置に、径方向に凹む空気ガイド溝４１が形成されている。すなわち、図示の例では、燃料噴射部材３４の燃料噴射用環状部３３の径方向外側に位置する空気ガイド部材３６の燃焼空気用環状部３５の内径側に、径方向外方に凹む空気ガイド溝４１が形成されており、燃料噴射用環状部３３の径方向内側に位置する燃焼空気用環状部３５の外径側に、径方向内方に凹む空気ガイド溝４１が形成されている。

図４に示すように、本実施形態では、２つの燃料噴射用環状部３３の間に、１つの燃焼空気用環状部３５を配置し、この燃焼空気用環状部３５の外径側および内径側の両方に空気ガイド溝４１を設けている。したがって、燃料噴射器１５は、４つの燃料噴射用環状部３３を有する燃料噴射部材３４と、５つの燃焼空気用環状部３５を有する空気ガイド部材３６と、を備えている。具体的には、最外周側の燃料噴射用環状部３３の外周側に配置される燃焼空気用環状部３５，４つの燃料噴射用環状部３３の各間に配置される３つの燃焼空気用環状部３５および最内径側の燃料噴射用環状部３３の内周側に配置される燃焼空気用環状部３５が設けられている。空気ガイド部材３６のうち最外周に配置された燃焼空気用環状部３５の外周は、環状の支持リング部材４３によって覆われている。図２に示すように、支持リング部材４３を燃焼筒１３に連結することにより、燃料噴射器１５が燃焼筒１３に支持される。

図８、９に示すように、空気ガイド部材３６は、燃料噴射部材３４の燃料噴射孔３９よりも前側、すなわち空気Ａの流れ方向における上流側に配置されている。このように、各燃料噴射孔３９から噴射される燃料Ｆに対して上流から空気Ａを軸心Ｃ方向に案内するように空気ガイド部材３６を設けることにより、燃料Ｆと空気Ａとが互いにほぼ直交する向きで交わることとなり、燃料噴射器１５外にて燃料Ｆと空気Ａを均一に混合させることができる。

なお、図５Ｂに本実施形態の変形例として示すように、空気ガイド部材３６の各燃焼空気用環状部３５に、複数の冷却孔４５が設けられていてもよい。複数の冷却孔４５は、燃焼空気用環状部３５の周方向に等間隔に配置されている。冷却孔４５は、燃焼空気用環状部３５を前側から後側へ貫通する、断面がほぼ円形の貫通孔として形成されている。図示の例では、各冷却孔４５は、燃焼空気用環状部３５内を周方向に傾斜して延びるように形成されている。したがって、燃焼空気用環状部３５表面における冷却孔４５の開口の形状は、周方向に長い楕円形状となっている。このように、燃焼空気用環状部３５に冷却孔４５を設けた場合、空気供給通路２９（図３）を流れてきた空気Ａが、冷却孔４５を通った後に、燃焼空気用環状部３５の燃焼室側表面に吹き出して、周方向に沿って空気のフィルム層を形成し、この表面をエフュージョン冷却する。なお、冷却孔４５は、周方向に傾斜していることが好ましいが、傾斜方向はこれに限定されない。また、冷却孔４５は必ずしも傾斜していなくともよく、軸心方向に平行に延びる貫通孔であってもよい。

図２に示すように、空気供給通路２９には、空気導入孔２７から空気供給通路２９に導入された空気Ａを空気ガイド部材３６へ向かう均一な流れに整流する空気整流機構として空気整流板４７が設けられている。空気整流板４７は、円板状の部材であり、軸心方向に貫通する貫通孔４９を複数有している。空気整流板４７は、図３の支持筒２１の内径に一致する外径を有するとともに、中心部に燃料供給母管３１の外径に一致する内径の嵌合孔５１を有している。本実施形態では、空気整流板４７の嵌合孔５１から、燃料供給母管３１の外周面に嵌合する筒状の嵌合部５３が軸心Ｃ方向前方に突設されている。空気整流板４７は、嵌合部５３の前端に設けられたフランジ５５を介してエンドカバー１７に整流板ボルト５７によって連結固定されている。

図示の例では、空気整流板４７は、同一径の円形の貫通孔４９を複数有している。より詳細には、これら複数の貫通孔４９は、空気整流板４７の同一の径方向位置に周方向に沿って等間隔に配列された環状の貫通孔４９の列が、径方向に等間隔に複数列設けられた状態に配置されている。つまり、空気整流板４７は、同一円周上に等間隔に配置された環状の貫通孔４９の列を有し、その列はその中心を同一として複数設けられている。図６Ａに、前記空気整流板４７、嵌合部５３およびフランジ５５からなる空気整流機構を示す。

もっとも、空気整流板４７における複数の貫通孔４９の形状、数および配置は図６Ａの態様に限定されず、適宜設定してよい。例えば、図６Ｂに示すように、空気整流板４７の内周縁部および外周縁部には、多数の同一径の円形の貫通孔４９からなる列を設け、内周縁部および外周縁部との中間部に、より大径の円形の貫通孔４９からなる列を設けてもよい。また、図６Ｃに示すように、空気整流板４７の内周縁部に多数の同一径の円形の貫通孔４９からなる列を設け、その外周側に、その長径方向が空気整流板４７の径方向と一致する長円形の貫通孔４９の列を設けてもよい。また、図６Ｄに示すように、その長径方向が空気整流板４７の径方向と一致する長円形の貫通孔４９の列のみを設けてもよい。

空気整流板４７における貫通孔の形状、数および配置をどのように設定する場合にも、空気整流板４７全体の面積に対する全貫通孔４９の合計面積の割合（開孔率）は、整流効果と圧力損失のバランスを考慮して、２０〜５０％の範囲にあることが好ましく、３０〜４０％の範囲にあることがより好ましい。

また、空気導入孔２７から空気供給通路２９に導入された空気Ａを燃料噴射器１５へ向かう均一な流れに整流する空気整流機構として、空気整流板４７の代わりに、図７Ａ，７Ｂに示すように、整流ダクト６１を設けてもよい。図７Ａは、空気導入孔２７の上流側から燃料噴射器１５まで、下流側に向かって縮径となるように延びた整流ダクト６１ａと、空気導入孔２７の下流側から燃料噴射器１５まで、下流側に向かって拡径となるように延びた整流ダクト６１ｂと、を有する整流ダクト６１を示している。図７Ｂは、空気導入孔２７の上流側から燃料噴射器１５まで、下流側に向かって縮径となるように延びた整流ダクト６１ａと、空気導入孔２７の中心位置から燃料噴射器１５まで、下流側に向かって縮径となるように延びた整流ダクト６１ｃと、空気導入孔２７の下流側から燃料噴射器１５まで、下流側に向かって縮径となるように延びた整流ダクト６１ｄと、を有する整流ダクト６１を示している。空気整流機構として空気整流板４７や整流ダクト６１を設けることにより、燃料噴射器１５に対して均一な空気流が供給されるので、均一な燃焼によってＮＯｘ発生が抑制されるとともに、確実に逆火現象を防止できる。

また、図３に示すように、燃焼装置３には、その軸心Ｃ上に位置し、燃料噴射器１５を貫通して燃焼室１１に向かって突出する整流突起部材６３が設けられている。整流突起部材６３は、空気供給通路２９内に位置し、円筒形状を有する支持部６３ａと、燃焼室１１内に位置する突出部６３ｂとからなる。図示の例では、整流突起部材６３は燃料噴射器１５に取り付けられているが、燃料供給母管３１に取り付けられてもよい。いずれの場合も、整流突起部材６３の支持部６３ａの前端（燃料供給母管３１側の端部）は燃料噴射器１５よりも上流に位置している。突出部６３ｂは、その先端部がほぼ半球状に形成されている。整流突起部材６３は省略してもよいが、整流突起部材６３を設けることにより、燃焼室１１内の軸心Ｃ位置付近において、燃料噴射器１５の径方向内側に位置する燃料噴射用環状部３３から噴射される燃料と、燃焼空気用環状部３５から供給される空気とによって形成される火炎が安定的に保持される。

なお、燃料噴射器１５を構成する燃料噴射部材３４、空気ガイド部材３６、支持リング部材４３および整流突起部材６３は、一体的に形成してもよく、それぞれ別体に形成したうえで、例えば径方向にピンを挿通することにより互いに連結してもよい。

次に、燃焼装置３における燃料噴射部材３４への燃料供給構造について説明する。本実施形態の燃焼装置３は、燃料噴射部材３４の各燃料噴射用環状部３３に独立に燃料Ｆを供給可能な複数の燃料供給路を有している。具体的には、燃料供給母管３１と各燃料噴射用環状部３３とは、互いに独立に分岐する複数の分岐燃料供給管６６によって接続されている。燃料供給母管３１は、複数（図示の例では２つ）の円筒管、つまり内側の第１燃料供給管６４と、その外側に配置された第２燃料供給管６５とを同心状に重ねた多管式構造（二重管構造）を有している。第１燃料供給管６４の内方空間が、第１燃料供給路６７を形成し、第１燃料供給管６４と第２燃料供給管６５との間の空間が、第２燃料供給路６９を形成している。外部から、燃料供給母管３１内の各燃料供給路６７，６９に導入された燃料Ｆは、各分岐燃料供給管６６内に形成された燃料供給路を通って各燃料噴射用環状部３３へ供給される。本実施形態では、第１燃料供給路６７を通った燃料Ｆは、第１燃料供給管６４に接続された２つの分岐燃料供給管６６を介して、複数の燃料噴射用環状部３３のうちの内径側に配置された２つの燃料噴射用環状部３３（以下、「第１環状部群」という。）へ供給され、第２燃料供給路６９を通った燃料Ｆは、第２燃料供給管６５に接続された２つの分岐燃料供給管６６を介して、複数の燃料噴射用環状部３３のうちの外径側に配置された２つの燃料噴射用環状部３３（以下、「第２環状部群という。」）へ供給される。第１燃料供給路６７の、ハウジングＨの外部に延設された上流部６７ａと、第２燃料供給路６９、ハウジングＨの外部に延設された上流部６９ａには、それぞれ、燃料流量を調節できる調節弁７１が設けられている。各燃料供給路６７，６９の調節弁７１の開度を調節することにより、燃料噴射用環状部３３の各環状部群へ供給される燃料Ｆの流量を独立に制御することができる。

なお、それぞれ独立に燃料Ｆが供給される単位となる環状部群を構成する燃料噴射用環状部３３の数は、上記の例に限定されない。例えば、１つの燃料噴射用環状部３３がそれぞれ１つの環状部群を構成（計４つの環状部群を構成）してもよく、内径側の２つの燃料噴射用環状部３３で１つの環状部群を構成し、外径側の２つの燃料噴射用環状部３３が、それぞれ１つの環状部群を構成（計３つの環状部群を構成）してもよい。構成される環状部群の数に対応して、燃料供給路の数および調節弁の数が設定される。

このような燃料供給構造とすることにより、ガスタービンＧＴの負荷に応じて燃料噴射部材３４の各燃料噴射用環状部３３への燃料供給量を独立に制御できる。つまり、燃料噴射部材３４のうち、燃料供給を行う燃料噴射用環状部３３と燃料供給を行わない燃料噴射用環状部３３とに分けることができるので、定格負荷から部分負荷までの出力変化に対応した運転（ステージング燃焼）が可能となる。本実施形態のように、燃料Ｆを燃料噴射部材３４の多数の燃料噴射孔３９に分散させて噴射する場合には、すべての燃料噴射用環状部３３から平均的に燃料供給量を変化させるよりも、作動させる燃料噴射用環状部３３と作動しない燃料噴射用環状部３３を選択することによって負荷変動に対応することが、安定的かつ低ＮＯｘ燃焼のために効果的である。本実施形態では、１つの燃料供給源（図示せず）から複数の燃料供給路６７，６９を分岐させて、各燃料供給路６７，６９に設けた調節弁７１によって燃料供給量を独立に制御するが、複数の燃料供給源から独立に各燃料供給路６７，６８に燃料Ｆを供給するように構成してもよい。

なお、燃料噴射部材３４の各燃料噴射用環状部３３に接続される分岐燃料供給管６６の数は、各燃料噴射用環状部３３の燃料噴射量に応じて適宜設定してよい。例えば、内径側に配置された燃料噴射用環状部３３に接続される分岐燃料供給管６６の数を少なくし、外径側に配置された燃料噴射用環状部３３に接続される分岐燃料供給管６６の数を多くすることが好ましい。一つの燃料噴射用環状部３３に複数の分岐燃料供給管６６を接続する場合、その燃料噴射用環状部３３における接続位置は、周方向に等間隔であることが好ましい。

また、燃料供給母管３１の多管式構造は、複数の管を用いて互いに独立した複数の燃料供給路を形成できるのであれば、図３の例に限らない。例えば、１つの大径の母管の中に、これより小径の同一径の複数の燃料供給管を平行に延設した多管式構造でもよい。もっとも、本実施形態のように、燃料供給母管３１を互いに異なる径を有する複数の燃料供給管を同心状に重ねた多管式構造として、最内径側の燃料供給管の内方空間および各管の間の空間を燃料供給路とした場合は、より大量の燃料を要する外径側の燃料噴射用環状部３３に供給する外径側の燃料供給路（図３の例では第２燃料供給路６９）の流路面積を大きくし、より小量の燃料を要する内径側の燃料噴射用環状部３３に供給する内径側の燃料供給路（図３の例では第１燃料供給路６７）の流路面積を小さく設定することが容易となる。

次に、燃焼室１１に面して燃焼室１１の高温に曝される部材である燃料噴射部材３４および整流突起部材６３の内部冷却構造、または防熱構造について説明する。

燃料噴射部材３４については、上述のように、燃料噴射部材３４の燃焼室１１に面する後壁３３ａが、軸心Ｃ方向に垂直に設けられている。図８に示すように、空気ガイド部材３６は、燃料噴射部材３４の燃料噴射孔３９から噴射された燃料Ｆに対して上流側から供給される空気Ａを軸心Ｃ方向に案内する。燃料噴射用環状部３３は中空状に形成されており、この中空空間が、燃料噴射用環状部３３内に燃料Ｆを周方向に流通させる環状の燃料流通路７３を形成している。つまり、燃料噴射部材３４の後壁３３ａと環状の燃料流通路７３の内壁の一部とは同じ壁であって、燃焼室側の璧面が後壁面３３ａｂ、燃料流通路側の壁面が内壁面３３ａａとなっている。

分岐燃料供給管６６は、燃料噴射部材３４の前壁（空気供給通路２９側の壁）３３ｂ側から環状の燃料流通路７３ａに、燃料Ｆを供給するように接続されている。燃料噴射部材３４の燃料噴射用環状部３３の内部には、燃焼装置３の軸心Ｃ方向に区画された２つの環状の燃料流通路７３ａ、７３ｂが形成されている。すなわち、燃料噴射用環状部３３の内部には、後側（燃焼室１１側）に位置して燃料噴射孔３９に燃料Ｆを供給する下流側燃料流通路７３ｂ（第１燃料流通路）と、前側（空気供給通路２９側）に位置して燃料Ｆが直接供給される上流側燃料流通路７３ａ（第２燃料流通路）とが形成されている。

上流側燃料流通路７３ａと下流側燃料流通路７３ｂとを区画する環状の第１区画壁７７には、上流側燃料流通路７３ａから下流側燃料流通路７３ｂへと燃料を導く貫通孔が周方向に並んで複数設けられている。この貫通孔が、２つの燃料流通路７３ａ、７３ｂを連通させ、燃料Ｆを上流側燃料流通路７３ａから下流側燃料流通路７３ｂへ送給する送給孔７９として機能する。分岐燃料供給管６６から上流側燃料流通路７３ａへ導入された燃料Ｆは、上流側燃料流通路７３ａを周方向に流れながら、送給孔７９を通って順次下流側燃料流通路７３ｂ内へ流入する。送給孔７９から下流側燃料流通路７３ｂへ流入した燃料Ｆは、後壁３３ａの内壁面３３ａａに衝突して下流側燃料流通路７３ｂ内を周方向に流れながら、燃料噴射孔３９へ導かれる。このように、燃料噴射部材３４の燃料噴射用環状部３３内部を、燃焼装置３の軸心Ｃ方向に上流側燃料流通路７３ａと下流側燃料流通路７３ｂとに区画することにより、燃料Ｆが周方向に均一に分布した状態で燃料噴射孔３９へ供給される。

また、下流側燃料流通路７３ｂへ流入した燃料Ｆが後壁３３ａの内壁面３３ａａに衝突することにより、燃料Ｆが後壁３３ａをインピンジメント冷却する。図示の例では、第１区画壁７７に、後方へ突出するノズル壁８１を周方向に延設し、このノズル壁８１内に、送給孔７９を周方向に複数設けている。ノズル壁８１は、上流側燃料流通路部７３ａ内の燃料Ｆを下流側燃料流通路部７３ｂの燃焼室１１側の壁面である背面３３ａａへ噴射する噴射ノズルを形成する。つまり、燃料噴射用環状部３３は、燃焼室１１側に位置し、燃料噴射孔３９と連通する下流側燃料流通路７３ｂと、燃焼室１１とは反対側に位置し、燃料噴射孔３９から噴射される燃料Ｆが供給される上流側燃料流通路７３ａと、上流側燃料流通路７３ａ内の燃料Ｆを下流側燃料流通路７３ｂの燃焼室１１側の内壁面３３ａａへ噴射する噴射ノズルと、を有する。これにより、燃料Ｆが下流側燃料流通路７３ｂの燃焼室１１側の内壁面３３ａａへ噴き付けられ、内壁面３３ａａがインピンジメント冷却によって冷却される、つまり、後壁３３ａが燃料Ｆによってきわめて効果的に冷却される。なお、噴射ノズルは、ノズル壁８１を必ずしも有さなくてもよく、第１区画壁７７内に形成された絞りノズルであってもよい。さらに、燃料Ｆが送給孔７９から噴射される後壁３３ａの内壁面３３ａａから燃料噴射孔３９までの流通経路の中途に、周方向に延びる突壁８３を後壁３３ａの内壁面３３ａａに突設することにより、燃料Ｆが下流側燃料流通路７３ｂ内を流れることによる対流冷却の効果を一層高めている。

また、燃料噴射部材３４の燃料噴射用環状部３３内に設けられる燃料流通路７３の形状としては、図９に示す変形例のように、一つの燃料流通路７３のみを設けてもよい。この場合は、燃料Ｆを利用して、燃料噴射用環状部３３の燃焼室１１に面した後壁３３ａを内方（内壁面３３ａａ側）から対流冷却によって冷却することができる。
また、各分岐燃料供給管６６から供給される燃料Ｆが燃料流通路７３内をほぼ均等に流れ、対流冷却の効果を十分に発揮できるように、燃料Ｆが燃料流通路７３から燃料噴射孔３９に導かれる途中に第２区画壁８７を設けてもよい。つまり、環状の燃料流通路７３は、外周側区画壁８７ａと内周側区画壁８７ｂとによって、３つの環状の空間に分割されていてもよい。

更に、後壁３３ａの後壁面３３ａｂに遮熱板８５を設けてもよい。遮熱板８５を形成する材質としては、例えば、耐腐食性及び耐熱性を有する合金であるＨａｓｔｅｌｌｏｙ−Ｘ（Ｈａｙｎｅｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ．Ｉｎｃ．：登録商標）、ＨＡ１８８（Ｈａｙｎｅｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ．Ｉｎｃ．：登録商標）、若しくはこれらとセラミックコーティングとの組み合わせたもの等を使用することができる。また、図８に示す実施例においても、遮熱板８５を選択的に組み合わせることが可能である。

図１０に示すように、整流突起部材６３は、全体として中空状に形成されている。整流突起部材６３の支持部６３ａは、有底の円筒状部材からなり、その前端（上流端）の周壁には、径方向の貫通孔である冷却空気導入孔９１が設けられている。冷却空気導入孔９１は、支持部６３ａの前端の周壁の周方向に等間隔に複数形成されている。整流突起部材６３の突出部６３ｂは、燃焼室側（図１０の右側）に向かって縮径となるドーム形状の内側壁９３と外側壁９５からなる二重壁構造を有している。なお、突出部６３ｂは、ドーム形状でなくてもよく、円柱形状であってもよい。また、突出部６３ｂは、二重壁構造でなくてもよく、外壁だけの単壁構造であってもよい。突出部６３ｂの内側壁９３の周壁には、径方向の貫通孔である第１冷却空気噴射孔９７が設けられている。第１冷却空気噴射孔９７は、内側壁９３の周壁の周方向及び軸心方向に等間隔に複数形成されている。さらに、突出部６３ｂの外側壁９５の周壁には、径方向に対して後方に傾斜して延びる貫通孔である第２冷却空気噴射孔９８が複数設けられている。複数の第２冷却空気噴射孔９８は、外側壁９５の周壁の周方向及び軸心方向に等間隔に配置されている。

突出部６３ｂの外側壁９５の先端部中央には、軸心方向の貫通孔である冷却空気排出孔９９が設けられている。つまり、整流突起部材６３は、その支持部６３ａの前端に形成され、燃料噴射器１５よりも上流の空気Ａをその内部に導入する冷却空気導入孔９１と、その突出部６３ｂに形成され、その内部に導入された空気Ａを燃焼室１１に排出する冷却空気排出孔９９とを有している。

支持部６３ａと突出部６３ｂの内側壁９３によって形成される内方空間Ｓと、突出部６３ｂの内側壁９３と外側壁９５によって形成される隙間Ｇとが、内側壁９３の第１冷却空気噴射孔９７のみを介して連通する。図示の例では、支持部６３ａの開口縁部には、嵌合突壁６３ａａが突設されており、この嵌合突壁６３ａａの内周側に内側壁９３の開口縁部９３ａが嵌合し、嵌合突壁６３ａａの外周側に外側壁９５の開口縁部９５ａが嵌合する。これにより、支持部６３ａと突出部６３ｂとが連結されている。

突出部６３ｂが外壁だけの単壁構造の場合は、空気供給通路２９の空気Ａの一部は、冷却空気導入孔９１から整流突起部材６３の内方空間Ｓに流入し、冷却媒体として、燃焼室１１に面した突出部６３ｂを内方から対流による冷却を行いながら、冷却空気排出孔９９から燃焼室１１へ排出される。更に、突出部６３ｂが内側壁９３と外側壁９５からなる二重壁構造の場合は、冷却空気導入孔９１から整流突起部材６３の内方空間Ｓに流入した空気Ａの一部は、冷却媒体として、内側壁９３の第１冷却空気噴出孔９７から径方向に噴射される。この空気Ａは、外側壁９５の内周面に衝突し、この内周面に沿って内側壁９３と外側壁９５との間の隙間Ｇである冷却通路を通って冷却空気排出孔９９から燃焼室１１へ排出される。このように空気Ａが外側壁９５の内周面に衝突し、内周面に沿って流れることにより、外側壁９５が内部からインピンジメント冷却される。また、内側壁９３と外側壁９５との間の隙間Ｇに流入した空気Ａの一部は、外側壁９５の第２冷却空気噴射孔９８を通って燃焼室１１へ排出される。第２冷却空気噴射孔９８から吹き出された空気Ａは、外側壁９５の表面に空気のフィルム層を形成し、外側壁９５を外部からエフュージョン冷却する。このようにして、整流突起部材６３の焼損を防止できる。なお、第２冷却空気噴射孔９８は省略してもよい。

さらに、外側壁９５の外周面は、断熱材１００によってコーティングされてもよい。断熱材１００としては、セラミックスや、耐腐食性及び耐熱性を有する合金であるＨａｓｔｅｌｌｏｙ−Ｘ（Ｈａｙｎｅｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ．Ｉｎｃ．：登録商標）、ＨＡ１８８（Ｈａｙｎｅｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ．Ｉｎｃ．：登録商標）等を使用することができる。断熱材１００によるコーティングを施すことにより、さらに確実に整流突起部材６３の焼損を防止することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る図２に示すガスタービンの燃焼装置３によれば、燃料噴射器１５は複数の燃料噴射用環状部３３を有する燃料噴射部材３４を備えており、燃料噴射用環状部３３はその外周面に多数の燃料噴射孔３９を有しているので、燃料噴射器１５の全面から均一に燃料Ｆが噴射されることになる。これにより、燃料噴射器１５の全面において微細な火炎が多点で保持される。これにより、局所的な高温燃焼の発生が防止され、低ＮＯｘ燃焼が実現できる。また、燃料噴射孔３９から噴射された燃料Ｆに対して上流から空気Ａが供給されるという構成によって、火炎が燃料噴射器１５の内部に入り込むことがないため、逆火現象が抑制される。したがって、ガスタービンＧＴの燃料として、水素を含む反応性の高い燃料を使用する場合にも、ＮＯｘの発生を抑制しながら、極めて安定した燃焼が維持される。

なお、本実施形態の燃焼装置３に利用される燃料Ｆは、水素ガスに限定されず、例えば、液体の水素でもよく、水素ガスと他の燃料ガス（天然ガス、ＣＯなど）の混合燃料でもよく、さらには水素を含まない他の燃料ガス（天然ガス、ＣＯなど）であってもよい。また、本実施形態では、キャン型の燃焼装置３を例として説明したが、アニュラー型の燃焼装置にも上記構成を適用することができる。

本発明を順流式のアニュラー型燃焼装置に適用した実施形態を図１１，１２に、逆流式のアニュラー型燃焼装置に適用した実施形態を図１３に示す。これらの実施形態に係る燃焼装置３は、内側に燃焼室１１を形成する燃焼筒１３と、燃焼筒１３の頂部に設けられ、複数の燃料噴射用環状部３３を含む燃料噴射部材３４および燃焼用空気を案内する複数の燃焼空気用環状部３５を含む空気ガイド部材３６を有し、燃料噴射用環状部３３と燃焼空気用環状部３５とが同心状に交互に配置され、燃焼室１１に燃料と空気を噴射する燃料噴射器１５とを備えている点で図２の実施形態と共通する。上記実施形態について図５とともに説明したように、燃料噴射用環状部３３は、その径方向Ｒに開口する複数の燃料噴射孔３９を有し、燃焼空気用環状部３５は、その軸心方向に開口し、燃料噴射孔３９から噴射される燃料Ｆに対して空気Ａを案内する複数の空気ガイド溝４１を有している。

図１１に示す順流式アニュラー型の燃焼装置３では、燃焼筒１３が、筒状の内壁１０１と、内壁１０１の外側に内壁と同心状に配置された外壁１０３とによって構成されており、内壁１０１と外壁１０３の間の空間が環状の燃焼室１１を形成している。圧縮機１（図１）で圧縮された空気Ａは、前方からディフューザ１０５を介して環状の燃焼器ハウジングＨ内に導入され、さらに燃料噴射器１５へ供給される。燃料噴射器１５の前方は、空気整流機構である空気整流カウル１０７によって覆われている。図１２に示すように、空気整流カウル１０７は、前方に膨出する断面形状を有する環状の部材であり、空気Ａを通過させる多数の孔が形成されている。

図１３に示す逆流式アニュラー型の燃焼装置３においても、燃焼筒１３は、筒状の内壁１０１と、内壁１０１の外側に内壁と同心状に配置された外壁１０３とによって構成されており、内壁１０１と外壁１０３の間の空間が環状の燃焼室１１を形成している。圧縮機１（図１）で圧縮された空気Ａは、後方から、ハウジングＨと燃焼筒１３との間に形成された空気導入通路２５を通った後、燃料噴射器１５へ供給される。燃料噴射器１５の前方は、空気整流機構である空気整流カウル１０７によって覆われている。空気整流カウル１０７は、図１２に示す例と同様、前方に膨出する断面形状を有する環状の部材であり、空気を通過させる多数の孔が形成されている。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

３ 燃焼装置
１１ 燃焼室
１３ 燃焼筒
１５ 燃料噴射器
３３ 燃料噴射用環状部
３４ 燃料噴射部材
３５ 燃焼空気用環状部
３６ 空気ガイド部材
３９ 燃料噴射孔
４１ 空気ガイド溝
Ａ 空気
Ｃ 燃焼装置軸心
Ｆ 燃料

Claims (6)

1. 内側に燃焼室を形成する燃焼筒と、
   前記燃焼筒の頂部に設けられ、複数の燃料噴射用環状部を含む燃料噴射部材および燃焼用空気を案内する複数の燃焼空気用環状部を含む空気ガイド部材を有し、前記燃料噴射用環状部と前記燃焼空気用環状部とが同心状に交互に配置され、前記燃焼室に燃料と空気を噴射する燃料噴射器と、
   を備え、
   前記燃料噴射用環状部は、その径方向に開口する複数の燃料噴射孔を有し、
   前記燃焼空気用環状部は、その軸心方向に開口し、前記燃料噴射孔から噴射される燃料に対して空気を案内する複数の空気ガイド溝を有し、
   前記空気ガイド部材は、前記燃料噴射孔よりも、空気の流れ方向における上流側に配置されている、
   燃焼装置。
2. 内側に燃焼室を形成する燃焼筒と、
   前記燃焼筒の頂部に設けられ、複数の燃料噴射用環状部を含む燃料噴射部材および燃焼用空気を案内する複数の燃焼空気用環状部を含む空気ガイド部材を有し、前記燃料噴射用環状部と前記燃焼空気用環状部とが同心状に交互に配置され、前記燃焼室に燃料と空気を噴射する燃料噴射器と、
   を備え、
   前記燃料噴射用環状部は、その径方向に開口する複数の燃料噴射孔を有し、
   前記燃焼空気用環状部は、その軸心方向に開口し、前記燃料噴射孔から噴射される燃料に対して空気を案内する複数の空気ガイド溝を有する、
   燃焼装置であって、
   当該燃焼装置の軸心上に設けられ、前記燃料噴射器を貫通して前記燃焼室に向かって突出する整流突起部材をさらに備える燃焼装置。
3. 請求項２に記載の燃焼装置において、前記整流突起部材は、支持部と、この支持部から前記燃焼室内に突出する突出部とを含み、前記支持部に形成されて、空気を前記整流突起部材の内部に導入する冷却空気導入孔と、前記突出部に形成されて、前記整流突起部材の内部に導入された空気を前記燃焼室に排出する冷却空気排出孔とを有する燃焼装置。
4. 内側に燃焼室を形成する燃焼筒と、
   前記燃焼筒の頂部に設けられ、複数の燃料噴射用環状部を含む燃料噴射部材および燃焼用空気を案内する複数の燃焼空気用環状部を含む空気ガイド部材を有し、前記燃料噴射用環状部と前記燃焼空気用環状部とが同心状に交互に配置され、前記燃焼室に燃料と空気を噴射する燃料噴射器と、
   を備え、
   前記燃料噴射用環状部は、その径方向に開口する複数の燃料噴射孔を有し、
   前記燃焼空気用環状部は、その軸心方向に開口し、前記燃料噴射孔から噴射される燃料に対して空気を案内する複数の空気ガイド溝を有する、
   燃焼装置であって、
   前記燃料噴射用環状部は中空状に形成されており、
   前記燃料噴射用環状部内の中空空間が、燃料を周方向に流通させる環状の燃料流通路を形成しており、
   前記燃料噴射用環状部は、前記燃焼室側に位置し、前記燃料噴射孔と連通する第１燃料流通路と、前記燃焼室とは反対側に位置し、前記燃料噴射孔から噴射される燃料が供給される第２燃料流通路と、前記第２燃料流通路内の燃料を前記第１燃料流通路の前記燃焼室側の壁面へ噴射する噴射ノズルと、を有する燃焼装置。
5. 内側に燃焼室を形成する燃焼筒と、
   前記燃焼筒の頂部に設けられ、複数の燃料噴射用環状部を含む燃料噴射部材および燃焼用空気を案内する複数の燃焼空気用環状部を含む空気ガイド部材を有し、前記燃料噴射用環状部と前記燃焼空気用環状部とが同心状に交互に配置され、前記燃焼室に燃料と空気を噴射する燃料噴射器と、
   を備え、
   前記燃料噴射用環状部は、その径方向に開口する複数の燃料噴射孔を有し、
   前記燃焼空気用環状部は、その軸心方向に開口し、前記燃料噴射孔から噴射される燃料に対して空気を案内する複数の空気ガイド溝を有する、
   燃焼装置であって、
   前記燃料噴射部材に燃料を供給する、多管式構造の燃料供給母管を有し、
   この燃料供給母管は、前記複数の燃料噴射用環状部の第１環状部群に燃料を供給する第１供給通路と、前記複数の燃料噴射用環状部の第２環状部群に燃料を供給する第２供給通路とを有する燃焼装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の燃焼装置において、さらに、前記燃料噴射器の上流に設けられ、前記空気ガイド部材に供給される空気を整流する空気整流機構を備える燃焼装置。

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