JP6413196B2 - 燃焼器、及びこれを備えているガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、燃焼器、及びこれを備えているガスタービンに関する。

例えば、以下の特許文献１に開示されている燃焼器は、棒状部分を有して、燃料を噴射するノズルと、このノズルの外周を囲み、空気とノズルからの燃料とを下流側に噴出する筒と、を備えている。

特開２００５−３１５４５７号公報

燃焼器内では、燃料が燃焼すると共に、この燃焼の結果生成される燃焼ガスが流れる。このため、燃焼器は、高温環境下におかれる複数の部品が存在する。そこで、このような部品を含む燃焼器の長寿命化が望まれている。

そこで、本発明は、長寿命化を図ることができる燃焼器、及びこれを備えているガスタービンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための発明に係る一態様としての燃焼器は、
バーナ軸線を中心とする棒状部分を有して、燃料を噴射するノズルと、筒状を成して前記ノズルの外周を囲み、前記バーナ軸線が延びる軸線方向の一方側である上流側から他方側である下流側に、空気と前記ノズルからの燃料とを噴出するバーナ筒と、前記バーナ筒中の少なくとも下流端部の外周を囲み、前記バーナ筒の外周側と自身の内周側との間に下流側に向かって空気が流れるパージ空気流路を形成する外側流路筒と、を備え、前記バーナ筒の下流端部には、下流側に向かうに連れて、前記バーナ筒を形成するバーナ筒形成板の板厚が次第に薄くなるようテーパ面が形成され、板厚方向における前記テーパ面のテーパ面形成幅が、前記バーナ筒形成板で前記テーパ面が形成されていない部分における板厚の半分以上である。

当該燃焼器では、バーナ筒の下流端部にテーパ面が形成されているので、バーナ筒の下流端よりも下流側には、バーナ筒の内周側を流れる燃料を含む気体、及びバーナ筒の外周側を流れる空気の渦流が形成され難くなり、バーナ筒の下流端近傍に火炎が形成される可能性を低下させることができる。

ところで、渦流発生の抑制効果は、バーナ筒の下流端部に僅かでもテーパ面が形成されていると多少なりとも期待できる。しかしながら、テーパ面の板厚方向におけるテーパ面形成幅が、バーナ筒形成板でテーパ面が形成されていない部分における板厚の半分未満であると、バーナ筒の下流端の下流側に、燃料を含む気体の渦流及び空気の渦流が形成され易くなる。しかも、これらの渦流により、バーナ筒の下流端近傍に火炎が形成される可能性が高くなる。

これに対して、テーパ面の板厚方向におけるテーパ面形成幅が、バーナ筒形成板でテーパ面が形成されていない部分における板厚の半分以上であると、バーナ筒の下流端の下流側に、燃料を含む気体の渦流及び空気の渦流が形成されたとしてもその大きさが小さくなる、又は実質的に形成されなくなる。仮に、テーパ面の板厚方向におけるテーパ面形成幅が、バーナ筒形成板でテーパ面が形成されていない部分における板厚の６０％の場合、バーナ筒の下流端の下流側に、燃料を含む気体の小さな渦流及び空気の小さな渦流が形成される可能性がある。しかしながら、これらの小さい渦流では、バーナ筒の下流端近傍に火炎が形成される可能性が実質的にないと言える。このため、当該燃焼器では、テーパ面の板厚方向におけるテーパ面形成幅を、バーナ筒形成板でテーパ面が形成されていない部分における板厚の半分以上にしている。

ここで、前記一態様としての前記燃焼器において、前記バーナ筒には、前記テーパ面として、前記バーナ筒の外周側に外側テーパ面が形成され、板厚方向における前記外側テーパ面のテーパ面形成幅が、前記バーナ筒形成板で前記テーパ面が形成されていない部分における板厚の半分以上であってもよい。

当該燃焼器では、バーナ筒の外周側を流れる空気が外側テーパ面に沿って流れることで、この空気は下流側に流れつつもバーナ軸線に近づく。このため、バーナ筒の内周側を流れる燃料を含む気体のバーナ軸線に対する放射方向への広がりを抑えることができる。

また、前記一態様としての前記燃焼器において、前記バーナ筒には、前記テーパ面として、前記バーナ筒の外周側に外側テーパ面が形成されていると共に、前記バーナ筒の内周側に内側テーパ面が形成され、板厚方向における前記外側テーパ面のテーパ面形成幅と、板厚方向における前記内側テーパ面のテーパ形成幅とを合わせた幅が、前記バーナ筒形成板で前記テーパ面が形成されていない部分における板厚の半分以上であってもよい。

当該燃焼器でも、バーナ筒の下流端部にテーパ面が形成され、しかも、外側テーパ面と内側テーパ面とを合わせたテーパ面の板厚方向におけるテーパ面形成幅が、バーナ筒形成板でテーパ面が形成されていない部分における板厚の半分以上であるため、バーナ筒の下流端近傍に火炎が形成される可能性を低下させることができる。

ここで、前記外側テーパ面及び前記内側テーパ面が形成されている前記燃焼器において、板厚方向における前記外側テーパ面のテーパ面形成幅は、板厚方向における前記内側テーパ面のテーパ形成幅より広くてもよい。

当該燃焼器におけるバーナ筒の下流端の下流側では、内側テーパ面に沿って流れる燃料を含む気体の流れよりも、外側テーパ面に沿って流れる空気の流れの影響が強まり、バーナ筒から噴出する燃料を含む気体のバーナ軸線に対する放射方向の広がりを抑えることができる。

また、前記一態様としての前記燃焼器において、前記バーナ筒には、前記テーパ面として、前記バーナ筒の内周側に内側テーパ面が形成され、板厚方向における前記内側テーパ面のテーパ形成幅が、前記バーナ筒形成板で前記テーパ面が形成されていない部分における板厚の半分以上であってもよい。

当該燃焼器でも、バーナ筒の下流端部にテーパ面が形成され、しかも、内側テーパ面の板厚方向におけるテーパ面形成幅が、バーナ筒形成板で内側テーパ面が形成されていない部分における板厚の半分以上であるため、バーナ筒の下流端近傍に火炎が形成される可能性を低下させることができる。

外側テーパ面が形成されている、以上のいずれかの前記燃焼器において、前記ノズルと前記バーナ筒とを有するバーナを複数備え、複数の前記バーナの前記バーナ軸線は、互いに平行であり、複数の前記バーナのうち、少なくとも一のバーナである第一バーナの前記バーナ筒の外周の一部である第一外周部が前記外側流路筒の内周の一部と対向して、前記第一外周部と前記外側流路筒の内周の一部との間に前記パージ空気流路としての第一パージ空気流路が形成され、複数の前記バーナのうち、前記第一バーナに隣接する第二バーナの前記バーナ筒における外周の一部と、前記第一バーナの前記バーナ筒における外周の一部である第二外周部との間に、下流側に向かって空気が流れる第二パージ空気流路が形成され、前記第二外周部における前記外側テーパ面の前記バーナ軸線に対する角度は、前記第一外周部における前記外周側テーパ面の前記バーナ軸線に対する角度よりも大きくてもよい。

テーパ面のバーナ軸線に対する角度は、バーナ筒の内外周を流れる気体の流れの乱れを抑え、気体流れの抵抗を低減するために、小さい方が好ましい。しかしながら、当該燃焼器では、第二外周部における外側テーパ面のバーナ軸線に対する角度が、第一外周部における外周側テーパ面のバーナ軸線に対する角度よりも大きい、第一バーナにおける第二外周部側には、第二バーナが隣接している。このため、第一バーナ筒の下流端部で第二外周部が形成されている部分の下流端近傍に、第一バーナ筒の内周側を流れてきた燃料を含む気体が漂っていると、この下流端近傍で燃料が着火する可能性がある。そこで、当該燃焼器では、第一バーナ筒の内外周を流れる気体の流れの抵抗が多少増加するものの、第一バーナ筒から噴出した燃料を含む気体が隣接する第二バーナから遠ざかるようにするため、第二外周部に形成されている外側テーパ面のバーナ軸線に対する角度を、第一外周部に形成されている外側テーパ面のバーナ軸線に対する角度よりも大きくしている。

前記第一バーナ及び前記第二バーナを備える前記燃焼器において、前記第一バーナは、前記第一バーナの前記バーナ筒から噴出した燃料を予混合燃焼させる予混合燃焼バーナであり、前記第二バーナは、前記第二バーナの前記バーナ筒から噴出した燃料を拡散燃焼させる拡散燃焼バーナであり、前記第二バーナを中心として、複数の前記第一バーナが周方向に並んで配置され、前記外側流路筒は、前記第二バーナを中心として、複数の前記第一バーナを覆えるよう筒状を成してもよい。

また、以上のいずれかの前記燃焼器において、前記外側流路筒の下流側端部には、下流側に向かうに連れて、前記外側流路筒を形成する外側流路筒形成板の板厚が次第に薄くなるようテーパ面が形成され、板厚方向における前記テーパ面のテーパ面形成幅が、前記外側流路筒形成板の板厚の半分以上であってもよい。

当該燃焼器では、パージ空気流路を流れる空気の流れの抵抗を抑えることができる。

上記目的を達成するための発明に係る一態様としてのガスタービンは、
以上のいずれかの前記燃焼器と、空気を圧縮して、前記燃焼器に空気を供給する圧縮機と、前記燃焼器内での燃料の燃焼で形成された燃焼ガスにより駆動するタービンと、を備える。

本発明に係る一態様では、バーナ筒の熱損傷等が抑えられ、燃焼器の長寿命化を図ることができる。

本発明に係る一実施形態におけるガスタービンの構成を示す模式図である。 本発明に係る一実施形態におけるガスタービンの燃焼器周りの断面図である。 本発明に係る一実施形態における燃料器の断面図である。 図３におけるＩＶ矢視図である。 本発明に係る一実施形態におけるメインバーナ周りの断面図である。 本発明における一実施形態におけるメインバーナ筒の第一外周部周りの断面図である。 本発明に係る一実施形態におけるメインバーナ筒の第二外周部周りの断面図である。 比較例におけるメインバーナ筒の第一外周部周りの断面図である。 本発明に係る第一変形例におけるメインバーナ筒の第一外周部周りの断面図である。 本発明に係る第二変形例におけるメインバーナ筒の第一外周部周りの断面図である。 本発明に係る第三変形例におけるメインバーナ筒の第一外周部周りの断面図である。 本発明に係る第四変形例におけるメインバーナ筒の第一外周部周りの断面図である。 本発明に係る第五変形例におけるメインバーナ筒の第一外周部周りの断面図である。

以下、本発明に係るガスタービンの一実施形態、さらにガスタービンが備えている燃焼器の各種変形例ついて、図面を参照して詳細に説明する。

「実施形態」
本実施形態のガスタービンは、図１に示すように、外気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機１と、燃料Ｆを圧縮空気中で燃焼させ燃焼ガスを生成する複数の燃焼器４と、燃焼ガスにより駆動するタービン５と、を備えている。

圧縮機１は、回転軸線Ａｒを中心として回転する圧縮機ロータ２と、圧縮機ロータ２を回転可能に覆う圧縮機ケーシング３と、を有する。タービン５は、回転軸線Ａｒを中心として回転するタービンロータ６と、タービンロータ６を回転可能に覆うタービンケーシング７と、を有する。圧縮機ロータ２の回転軸線Ａｒとタービンロータ６の回転軸線Ａｒとは、同一直線上に位置している。この圧縮機ロータ２とこのタービンロータ６とは、互いに連結されてガスタービンロータ８を成している。また、圧縮機ケーシング３とタービンケーシング７とは、互いに連結されてガスタービンケーシング９を成している。

ガスタービンロータ８には、例えば、発電機のロータが連結されている。また、ガスタービンケーシング９には、燃焼器４が固定されている。

燃焼器４は、図２に示すように、内部で燃料Ｆが燃焼して、この燃料Ｆの燃焼の結果生成される燃焼ガスをタービン５に送る燃焼筒（又は尾筒）１０と、燃焼筒１０内に燃料Ｆ及び空気Ａを噴出する燃料噴出器２０と、を有する。

燃料噴出器２０は、図３に示すように、噴出した燃料を拡散燃焼させるパイロットバーナ（第二バーナ又は拡散燃焼バーナ）３０と、噴出した燃料を予混合燃焼させるメインバーナ（第一バーナ又は予混合燃焼バーナ）４０と、パイロットバーナ３０及びメインバーナ４０を保持するバーナ保持筒２１と、を備えている。

パイロットバーナ３０は、燃焼器軸線Ａｃを中心として軸線方向Ｄａに延びる棒状のパイロットノズル３１と、このパイロットノズル３１の外周を覆うパイロットバーナ筒３３と、燃焼器軸線Ａｃを中心として圧縮空気を旋回させる複数の旋回板３２と、を有する。ここで、燃焼器軸線Ａｃが延びている方向である軸線方向Ｄａの一方側を上流側、他方側を下流側とする。また、燃焼器軸線Ａｃは、このパイロットバーナ３０のバーナ軸線でもある。

パイロットノズル３１の下流側端部には、燃料を噴射する噴射孔が形成されている。パイロットノズル３１で噴射孔が形成されている位置よりも下流側には、複数の旋回板３２が設けられている。各旋回板３２は、パイロットノズル３１の外周から放射方向成分を含む方向に延びて、パイロットバーナ筒３３の内周面に接続されている。パイロットバーナ筒３３は、パイロットノズル３１の外周に位置する本体部３４と、本体部３４の下流側に接続され下流側向かって次第に拡径されているコーン部３５と、を有する。複数の旋回板３２は、パイロットバーナ筒３３における本体部３４の内周面に接続されている。パイロットバーナ筒３３内には、その上流側から圧縮機１で圧縮された圧縮空気が流入する。パイロットバーナ筒３３は、その下流端から、この圧縮空気と共に、パイロットノズル３１から噴射された燃料を噴出する。この燃料は、燃焼筒１０内で拡散燃焼する。

複数のメインバーナ４０は、図４に示すように、パイロットバーナ３０の外周側を囲むよう、燃焼器軸線Ａｃを中心として、周方向に並んで配置されている。

メインバーナ４０は、図３及び図５に示すように、燃焼器軸線Ａｃと平行なバーナ軸線Ａｂを中心として軸線方向Ｄａに延びる棒状のメインノズル４１と、このメインノズル４１の外周を覆うメインバーナ筒４３と、バーナ軸線Ａｂを中心として圧縮空気を旋回させる複数の旋回板４２と、を有する。なお、メインバーナ４０のバーナ軸線Ａｂは、燃焼器軸線Ａｃと平行であるため、燃焼器軸線Ａｃに関する軸線方向Ｄａと、バーナ軸線Ａｂに関する軸線方向Ｄａとは同じ方向である。また、燃焼器軸線Ａｃに関する軸線方向Ｄａの上流側は、バーナ軸線Ａｂに関する軸線方向Ｄａの上流側であり、燃焼器軸線Ａｃに関する軸線方向Ｄａの下流側は、バーナ軸線Ａｂに関する軸線方向Ｄａの下流側である。

メインノズル４１の軸線方向Ｄａにおける中間部には、燃料を噴射する噴射孔が形成されている。メインノズル４１で噴射孔が形成されている位置近傍には、複数の旋回板４２が設けられている。各旋回板４２は、メインノズル４１の外周から放射方向成分を含む方向に延びて、メインバーナ筒４３の内周面に接続されている。メインバーナ筒４３は、メインノズル４１の外周に位置する本体部４４と、本体部４４の下流側に接続され下流側向かって延びる延長部４５と、を有する。複数の旋回板４２は、メインバーナ筒４３における本体部４４の内周面に接続されている。メインバーナ筒４３内には、その上流側から圧縮機１で圧縮された圧縮空気が流入する。メインバーナ筒４３内では、この圧縮空気とメインノズル４１から噴射された燃料とが混合して、予混合気体ＰＭが形成される。メインバーナ筒４３は、その下流端から予混合気体ＰＭを噴出する。この予混合気体ＰＭ中の燃料は、燃焼筒１０内で予混合燃焼する。

なお、旋回板４２に燃料を噴射する噴射孔を形成し、ここからメインバーナ筒４３内に燃料を噴射してもよい。この場合、以上で説明した棒状のメインノズル４１に相当する部分がハブ棒を成し、メインノズルは、このハブ棒と複数の旋回板４２とを有して形成されることになる。ハブ棒内には、外部からの燃料が供給され、このハブ棒から旋回板４２に燃料が供給される。

メインバーナ筒４３の本体部４４は、図４に示すように、軸線方向Ｄａから見ると円形を成している。一方、メインバーナ筒４３の延長部４５は、軸線方向Ｄａから見ると、燃焼器軸線Ａｃを中心とする大円弧と、大円弧より焼器軸線Ａｃ側に位置して焼器軸線Ａｃを中心とする小円弧と、燃焼器軸線Ａｃを基準にして放射方向に延びて大円弧の端と小円弧の端とを直線的に接続する接続線と、で形成されるアーチ形を成している。この延長部４５の外周のうち、大円弧に相当する部分が第一外周部４６を成し、小円弧に相当する部分が第二外周部４７を成し、接続直線に相当する部分が第三外周部４８を成す。

バーナ保持筒２１は、図３及び図５に示すように、燃焼器軸線Ａｃを中心として円筒状を成し、複数のメインバーナ筒４３における本体部４４の外周側を覆う。

燃焼筒１０は、燃焼器軸線Ａｃを中心として円筒状を成し、内周側に複数のメインバーナ筒４３における延長部４５が位置する接続部１１と、燃焼器軸線Ａｃを中心として円筒状を成し、メインバーナ４０及びパイロットバーナ３０から噴出した燃料が燃焼する燃料領域を形成する燃焼部１３と、筒状を成し、燃料の燃焼で生成された燃焼ガスをタービン５に導く燃焼ガス案内部１５と、を有する。燃焼筒１０の接続部１１の上流端は、バーナ保持筒２１に接続されている。燃焼筒１０の燃焼部１３は、燃焼筒１０の接続部１１の下流側に形成されている。燃焼筒１０の燃焼ガス案内部１５は、燃焼筒１０の燃焼部１３の下流側に形成されている。

円筒状の接続部１１には、外周側から内周側に向かって貫通し、圧縮機１からの圧縮空気を第一パージ空気Ａ１として、内周側に導く接続部空気孔１２が形成されている。燃焼筒１０の接続部１１と燃焼部１３との境目近傍であって、その内周側には複数のメインバーナ４０の外周側と自身の内周側との間に第一パージ空気流路６６を形成する外側流路筒６０が配置されている。外側流路筒６０は、燃焼器軸線Ａｃを中心として円筒状の本体部６１と、本体部６１の下流側から外周側に向かって延びて燃焼筒１０に接続される接続部６２と、を有する。燃焼筒１０で、外側流路筒６０の本体部６１と対向する部分には、外周側から内周側に向かって貫通し、圧縮機１からの圧縮空気をフィルム空気Ａ４として、内周側に導くフィルム空気孔１４が形成されている。外側流路筒６０の本体部６１の内周側と複数のメインバーナ筒４３の延長部４５における第一外周部４６との間には、上流側から下流側に第一パージ空気Ａ１が流れる前述の第一パージ空気流路６６が形成されている。

また、複数のメインバーナ筒４３の延長部４５における第二外周部４７とパイロットバーナ筒３３のコーン部３５の外周との間には、上流側から下流側に第二パージ空気Ａ２が流れる第二パージ空気流路６７が形成されている。

また、図４に示すように、燃焼器軸線Ａｃを中心とした周方向で隣接するメインバーナ筒４３の延長部４５における第三外周部４８の相互間には、上流側から下流側に第三パージ空気が流れる第三パージ空気流路６８が形成されている。この第三パージ空気及び前述の第二パージ空気Ａ２は、いずれも、圧縮機１で圧縮され、バーナ保持筒２１の内周側に流入してきた圧縮空気である。

メインバーナ筒４３の下流端部には、図６及び図７に示すように、メインバーナ筒４３を形成するバーナ筒形成板４９の板厚が下流側に向かうに連れて次第に薄くするためのテーパ面５０が形成されている。このテーパ面５０は、メインバーナ筒４３の外周側に形成されており、下流側に向かうに連れて次第にメインバーナ筒４３の内周面に近づくよう傾斜している外側テーパ面５１である。この外側テーパ面５１は、メインバーナ筒４３の外周の全域にわたって形成されている。よって、この外側テーパ面５１として、図６に示すように、メインバーナ筒４３の第一外周部４６に形成されている外側テーパ面５１ａと、図７に示すように、メインバーナ筒４３の第二外周部４７に形成されている外側テーパ面５１ｂとがある。さらに、この外側テーパ面５１として、メインバーナ筒４３の第三外周面に形成されている外側テーパ面（図示されていない）もある。

第一外周部４６に形成されている外側テーパ面５１ａの板厚方向におけるテーパ面形成幅ｔ１は、図６に示すように、バーナ筒形成板４９で外側テーパ面５１ａが形成されていない部分における板厚ｔの半分以上である。より好ましくは、第一外周部４６に形成されている外側テーパ面５１ａの板厚方向におけるテーパ面形成幅ｔ１は、バーナ筒形成板４９で外側テーパ面５１ａが形成されていない部分における板厚ｔの６０％以上である。なお、以上において、基準となる板厚ｔは、バーナ筒形成板４９で外側テーパ面５１ａが形成されていない部分のうち、最も下流側の部分の板厚である。

第一外周部４６に形成されている外側テーパ面５１ａの軸線方向Ｄａにおけるテーパ面形成長さｓ１は、前述のテーパ面形成幅ｔ１よりも長い。

第一外周部４６に形成されている外側テーパ面５１ａのバーナ軸線Ａｂに対する角度θ１は、５０°以下で２０°以上（５０°≧θ１≧２０°）である。なお、ここでは、第一外周部４６が形成されている部分のバーナ筒形成板４９の内周面及び外周面は、いずれもバーナ軸線Ａｂと平行である。このため、外側テーパ面５１ａのバーナ筒形成板４９の内周面及び外周面に対する外側テーパ面５１ａの角度も、５０°以下で２０°以上である。また、ここでの外側テーパ面５１ａのバーナ軸線Ａｂに対する角度θ１は、バーナ軸線Ａｂを含み、且つ外側テーパ面５１ａを横切る仮想平面内での角度である。以下、テーパ面５０のバーナ軸線Ａｂに対する角度は、いずれも、バーナ軸線Ａｂを含み、且つこのテーパ面５０を横切る仮想平面内での角度である。

また、第二外周部４７に形成されている外側テーパ面５１ｂの板厚方向におけるテーパ面形成幅ｔ２も、図７に示すように、バーナ筒形成板４９で外側テーパ面５１ｂが形成されていない部分における板厚ｔの半分以上である。より好ましくは、第二外周部４７に形成されている外側テーパ面５１ｂの板厚方向におけるテーパ面形成幅ｔ２は、バーナ筒形成板４９で外側テーパ面５１ｂが形成されていない部分における板厚ｔの６０％以上である。

第二外周部４７に形成されている外側テーパ面５１ｂの軸線方向Ｄａにおけるテーパ面形成長さｓ２は、前述のテーパ面形成幅ｔ２以上である。ここでは、第二外周部４７に形成されている外側テーパ面５１ｂの軸線方向Ｄａにおけるテーパ面形成長さｓ２は、加工容易性の観点から、第一外周部４６に形成されている外側テーパ面５１ａの軸線方向Ｄａにおけるテーパ面形成長さｓ１と同じ長さである。

第二外周部４７に形成されている外側テーパ面５１ｂのバーナ軸線Ａｂに対する角度θ２は、第一外周部４６に形成されている外側テーパ面５１ａのバーナ軸線Ａｂに対する角度θ１よりも大きい。この角度θ２は、好ましくは、７０°以下で３０°以上（７０°≧θ２≧３０°）である。

また、図示されていないが、第三外周部４８に形成されている外側テーパ面５１の板厚方向におけるテーパ面形成幅も、バーナ筒形成板４９で外側テーパ面５１が形成されていない部分における板厚ｔの半分以上である。より好ましくは、第三外周部４８に形成されている外側テーパ面５１の板厚方向におけるテーパ面形成幅は、バーナ筒形成板４９で外側テーパ面５１が形成されていない部分における板厚ｔの６０％以上である。この第三外周部４８に形成されている外側テーパ面５１のバーナ軸線Ａｂに対する角度は、５０°以下で２０°以上である。

ここで、図８を用いて、メインバーナ筒４３ｘの下流端部にテーパ面が形成されていない比較例での下流端部周りでの気体の流れについて説明する。

メインバーナ筒４３ｘの下流端部にテーパ面が形成されていない場合、このメインバーナ筒４３ｘの下流端面４５ｘは、メインバーナ筒４３ｘの内周面及び外周面に対して垂直な平面になる。この場合、メインバーナ筒４３ｘの下流端面４５ｘの下流側には、メインバーナ筒４３ｘ内を流れてきた予混合気体ＰＭの渦流、及びメインバーナ筒４３ｘの第一外周部４６の外周側に形成されている第一パージ空気流路６６を流れてきた第一パージ空気Ａ１の渦流が形成される。

このように、メインバーナ筒４３ｘの下流端面４５ｘの下流側に、予混合気体ＰＭの渦流及び第一パージ空気Ａ１の渦流が形成されると、メインバーナ筒４３ｘの下流端面４５ｘ近傍に火炎が形成される可能性が高まり、燃焼器の運転状態によっては、メインバーナ筒４３ｘの下流端面４５ｘ近傍に火炎が形成されることもある。このため、メインバーナ筒４３ｘの下流端部が高温環境中に置かれることになり、メインバーナ筒４３ｘが熱損傷等を受け、メインバーナ筒４３ｘの寿命が短くなる。

一方、本実施形態におけるメインバーナ筒４３の下流端部には、前述したように、メインバーナ筒４３の外周の全域にわたって外側テーパ面５１が形成されている。このため、本実施形態におけるメインバーナ筒４３の下流端の下流側には、予混合気体ＰＭの渦流及び第一パージ空気Ａ１の渦流が形成され難くなり、メインバーナ筒４３の下流端近傍に火炎が形成される可能性を低下させることができる。このため、本実施形態では、比較例よりも、メインバーナ筒４３の熱損傷等が抑えられ、メインバーナ筒４３の寿命を長くすることができる。

ところで、渦流発生の抑制効果は、メインバーナ筒４３の下流端部に僅かでもテーパ面５０が形成されていると多少なりとも期待できる。しかしながら、テーパ面５０の板厚方向におけるテーパ面形成幅が、バーナ筒形成板４９でテーパ面５０が形成されていない部分における板厚ｔの半分未満であると、メインバーナ筒４３の下流端の下流側に、予混合気体ＰＭの渦流及び第一パージ空気Ａ１の渦流が形成され易くなる。しかも、これらの渦流により、メインバーナ筒４３の下流端近傍に火炎が形成される可能性が高くなる。

これに対して、テーパ面５０の板厚方向におけるテーパ面形成幅が、バーナ筒形成板４９でテーパ面５０が形成されていない部分における板厚ｔの半分以上であると、メインバーナ筒４３の下流端の下流側に、予混合気体ＰＭの渦流及び第一パージ空気Ａ１の渦流が形成されたとしてもその大きさが小さくなる、又は実質的に形成されなくなる。仮に、テーパ面５０の板厚方向におけるテーパ面形成幅が、バーナ筒形成板４９でテーパ面５０が形成されていない部分における板厚ｔの６０％の場合、メインバーナ筒４３の下流端の下流側に、予混合気体ＰＭの小さな渦流及び第一パージ空気Ａ１の小さな渦流が形成される可能性がある。しかしながら、これらの小さい渦流では、メインバーナ筒４３の下流端近傍に火炎が形成される可能性が実質的にないと言える。このため、本実施形態では、テーパ面５０の板厚方向におけるテーパ面形成幅を、バーナ筒形成板４９でテーパ面５０が形成されていない部分における板厚ｔの半分以上にしている。

また、本実施形態では、テーパ面５０として、メインバーナ筒４３の外周側に形成され、下流側に向かうに連れて次第にメインバーナ筒４３の内周面に近づくよう傾斜している外側テーパ面５１を採用している。これにより、メインバーナ筒４３から噴出する予混合気体ＰＭのバーナ軸線Ａｂに対する放射方向の広がりを抑えることができる。このため、予混合火炎が燃焼筒１０の内周面から離れ、燃焼筒１０の損傷を抑えることができる。

テーパ面５０のバーナ軸線Ａｂに対する角度は、パイロットバーナ筒３３の内外周を流れる気体の流れの乱れを抑え、気体流れの抵抗を低減するために、小さい方が好ましい。しかしながら、本実施形態では、前述したように、第二外周部４７に形成されている外側テーパ面５１ｂのバーナ軸線Ａｂに対する角度θ２を、第一外周部４６に形成されている外側テーパ面５１ａのバーナ軸線Ａｂに対する角度θ１よりも大きくしている。メインバーナ筒４３における第二外周部４７の燃焼器軸線Ａｃ側には、図３及び図７に示すように、燃料と空気とが予混合されていない気体ＡＦを噴出して拡散火炎を形成するパイロットバーナ３０が配置されている。このため、メインバーナ筒４３の下流端部で第二外周部４７が形成されている部分の下流端近傍に、予混合気体ＰＭが漂っていると、この下流端近傍で予混合気体ＰＭが着火する可能性がある。そこで、本実施形態では、パイロットバーナ筒３３の内外周を流れる気体の流れの抵抗が多少増加するものの、メインバーナ筒４３から噴出した予混合気体ＰＭがパイロットバーナ３０から遠ざかるようにするため、第二外周部４７に形成されている外側テーパ面５１ｂのバーナ軸線Ａｂに対する角度θ２を、第一外周部４６に形成されている外側テーパ面５１ａのバーナ軸線Ａｂに対する角度θ１よりも大きくしている。

また、メインバーナ筒４３の第三外周部４８の周方向側（燃焼器軸線Ａｃを中心とする周方向）には、図４に示すように、他のメインバーナ４０が配置されている。このため、第三外周部４８に形成されている外側テーパ面５１のバーナ軸線Ａｂに対する角度に関しても、メインバーナ筒４３から噴出した予混合気体ＰＭが周方向で隣接する他のメインバーナ４０から遠ざかるようにするため、第一外周部４６に形成されている外側テーパ面５１ａのバーナ軸線Ａｂに対する角度θ１よりも大きくすることが好ましい。

以上のように、本実施形態では、メインバーナ筒４３の下流端近傍で火炎が形成されるのを抑えることができるため、メインバーナ筒４３の熱損傷等が抑えられ、メインバーナ筒４３の寿命を長くすることができる。

「燃焼器の第一変形例」
上記実施形態における燃焼器の第一変形例について、図９を用いて説明する。

本変形例の燃焼器は、上記実施形態の燃焼器における外側流路筒６０の下流端部にテーパ面を形成したもので、その他の構成に関しては上記実施形態の燃焼器と同一である。外側流路筒６０のテーパ面は、外側流路筒６０の外周側に形成されており、下流側に向かうに連れて次第に外側流路筒６０の内周面に近づくよう傾斜している外側テーパ面６４である。この外側テーパ面６４の板厚方向におけるテーパ面形成幅は、外側流路筒６０の本体部６１を形成する外側流路筒形成板６３で外側テーパ面６４が形成されていない部分における板厚の半分以上である。

このため、本変形例における外側流路筒６０の下流端の下流側に、外側流路筒６０の内周側を流れる第一パージ空気Ａ１、及び外側流路筒６０の外周側を流れるフィルム空気Ａ４の渦流が形成され難くなり、これら空気の流れの抵抗を抑えることができる。

特に、本変形例では、テーパ面として、外側流路筒６０の外周側に外側テーパ面６４を形成しているので、フィルム空気Ａ４及び第一パージ空気Ａ１の流れが、下流側に流れるに連れて多少燃焼器軸線Ａｃ（図３参照）側、つまり燃焼筒１０の内周面から離れる側に寄ることなる。このため、本変形例では、メインバーナ筒４３から噴出した予混合気体ＰＭのうち、外側流路筒６０側を流れる予混合気体ＰＭも、下流側に流れるに連れて燃焼器軸線Ａｃ側に寄ることになる。よって、本変形例では、メインバーナ筒４３の下流端で第一外周部４６が形成されている部分の下流端の熱損傷等をより抑えることができると共に、燃焼筒１０の内周面の熱損傷等をより抑えることができる。

「燃焼器の第二変形例」
上記実施形態における燃焼器の第二変形例について、図１０を用いて説明する。

本変形例の燃焼器も、第一変形例の燃焼器と同様、上記実施形態の燃焼器における外側流路筒６０の下流端部にテーパ面を形成したものである。但し、本変形例における外側流路筒６０のテーパ面は、外側流路筒６０の内周側に形成されており、下流側に向かうに連れて次第に外側流路筒６０の外周面に近づくよう傾斜している内側テーパ面６５である。この内側テーパ面６５の板厚方向におけるテーパ面形成幅は、外側流路筒６０の本体部６１を形成する外側流路筒形成板６３で内側テーパ面６５が形成されていない部分における板厚の半分以上である。

このため、本変形例における外側流路筒６０の下流端の下流側に、外側流路筒６０の内周側を流れる第一パージ空気Ａ１、及び外側流路筒６０の外周側を流れるフィルム空気Ａ４の渦流が形成され難くなり、これら空気の流れの抵抗を抑えることができる。

また、本変形例では、テーパ面として、外側流路筒６０の内周側に内側テーパ面６５を形成しているので、フィルム空気Ａ４及び第一パージ空気Ａ１の一部の流れが、下流側に流れるに連れて多少燃焼器軸線Ａｃ（図３参照）から離れる側、つまり燃焼筒１０の内周面側に寄ることになる。このため、本変形例では、フィルム空気Ａ４が上記実施形態や第一変形例よりも、燃焼筒１０の内周面に沿って流れ、燃焼筒１０のフィルム冷却効果を高めることができる。

以上のように、外側流路筒６０に外側テーパ面６４（図９参照）を形成する場合と、外側流路筒６０に内側テーパ面６５を形成する場合とで、異なる効果が得られる。このため、外側流路筒６０に、外側テーパ面６４を形成するか、内側テーパ面６５を形成するかは、それぞれの効果を比較考量して定めることが好ましい。

「燃焼器の第三変形例」
上記実施形態における燃焼器の第三変形例について、図１１を用いて説明する。

本変形例の燃焼器は、メインバーナ筒４３の下流端部に、外側テーパ面５１ｃ及び内側テーパ面５２を形成したものである。外側テーパ面５１ｃは、上記実施形態と同様、メインバーナ筒４３の外周側に形成されており、下流側に向かうに連れて次第にメインバーナ筒４３の内周面に近づくよう傾斜している面である。また、内側テーパ面５２は、メインバーナ筒４３の内周側に形成されており、下流側に向かうに連れて次第にメインバーナ筒４３の外周面に近づくよう傾斜している面である。

本変形例において、外側テーパ面５１ｃの板厚方向におけるテーパ面形成幅ｔ３と、内側テーパ面５２の板厚方向におけるテーパ面形成幅ｔ４とを合わせた幅は、バーナ筒形成板４９で外側テーパ面５１ｃ及び内側テーパ面５２が形成されていない部分における板厚ｔの半分以上である。言い換えると、外側テーパ面５１ｃと内側テーパ面５２とを合わせたテーパ面５０の板厚方向の幅は、テーパ面５０が形成されていない部分における板厚ｔの半分以上である。より好ましくは、外側テーパ面５１ｃと内側テーパ面５２とを合わせたテーパ面５０の板厚方向におけるテーパ面形成幅は、バーナ筒形成板４９でテーパ面５０が形成されていない部分における板厚ｔの６０％以上である。また、板厚方向における外側テーパ面５１ｃのテーパ面形成幅ｔ３は、板厚方向における内側テーパ面５２のテーパ形成幅ｔ４より広い。

外側テーパ面５１ｃのバーナ軸線Ａｂに対する角度θ１は、上記実施形態と同様、５０°以下で２０°以上（５０°≧θ１≧２０°）である。また、内側テーパ面５２のバーナ軸線Ａｂに対する角度θ３も、５０°以下で２０°以上（５０°≧θ３≧２０°）である。なお、線に対する面の角度は、補角関係にある二つの角度のうち、一方の角度で示される。本願では、テーパ面５０の軸線に対する角度として、補角関係にある二つの角度のうち、小さい方の角度を採用している。なお、外側テーパ面５１ｃのバーナ軸線Ａｂに対する角度θ１と内側テーパ面５２のバーナ軸線Ａｂに対する角度θ３とは、同じ角度でなくてもよい。

本変形例では、以上で説明したように、外側テーパ面５１ｃと内側テーパ面５２とを合わせたテーパ面５０の板厚方向の幅は、上記実施形態及び上記変形例と同様、テーパ面５０が形成されていない部分における板厚ｔの半分以上である。このため、メインバーナ筒４３の下流端の下流側に、予混合気体ＰＭの渦流及び第一パージ空気Ａ１の渦流が形成されたとしてもその大きさが小さくなる、又は実質的に形成されなくなる。よって、本変形例でも、メインバーナ筒４３の熱損傷等が抑えられ、メインバーナ筒４３の寿命を長くすることができる。

また、本変形例では、板厚方向における外側テーパ面５１ｃのテーパ面形成幅ｔ３は、板厚方向における内側テーパ面５２のテーパ形成幅ｔ４より広い。このため、メインバーナ筒４３の下流端の下流側では、内側テーパ面５２に沿って流れる予混合気体ＰＭの流れよりも、外側テーパ面５１ｃに沿って流れる第一パージ空気Ａ１の流れの影響が強まり、メインバーナ筒４３から噴出する予混合気体ＰＭのバーナ軸線Ａｂに対する放射方向の広がりを抑えることができる。

「燃焼器の第四変形例」
上記実施形態における燃焼器の第四変形例について、図１２を用いて説明する。

本変形例の燃焼器は、メインバーナ筒４３の下流端部に、内側テーパ面５２ａを形成したものである。内側テーパ面５２ａは、メインバーナ筒４３の内周側に形成されており、下流側に向かうに連れて次第にメインバーナ筒４３の外周面に近づくよう傾斜している面である。

本変形例において、内側テーパ面５２ａの板厚方向におけるテーパ面形成幅ｔ５は、バーナ筒形成板４９で内側テーパ面５２ａが形成されていない部分における板厚ｔの半分以上である。より好ましくは、内側テーパ面５２ａの板厚方向におけるテーパ面形成幅ｔ５は、バーナ筒形成板４９で内側テーパ面５２ａが形成されていない部分における板厚ｔの６０％以上である。内側テーパ面５２ａのバーナ軸線Ａｂに対する角度θ３は、５０°以下で２０°以上（５０°≧θ３≧２０°）である。

本変形例において、内側テーパ面５２ａの板厚方向の幅ｔ５は、前述したように、内側テーパ面５２ａが形成されていない部分における板厚ｔの半分以上である。このため、メインバーナ筒４３の下流端の下流側に、予混合気体ＰＭの渦流及び第一パージ空気Ａ１の渦流が形成されたとしてもその大きさが小さくなる、又は実質的に形成されなくなる。よって、本変形例でも、メインバーナ筒４３の熱損傷等が抑えられ、メインバーナ筒４３の寿命を長くすることができる。

なお、本変形例では、テーパ面５０として内側テーパ面５２ａを形成しているため、上記実施形態及び以上の各変形例と異なり、メインバーナ筒４３から噴出する予混合気体ＰＭがバーナ軸線Ａｂに対する放射方向の広がる傾向にある。このため、燃焼筒１０の内周面に対するフィルム冷却等の冷却効果が十分に期待できる場合や、燃焼器軸線Ａｃ（図３参照）を中心とした放射方向におけるメインバーナ４０から燃焼器内筒の内周面までの距離が大きい場合で、メインバーナ筒４３から噴出する予混合気体ＰＭがバーナ軸線Ａｂに対する放射方向の多少広がっても、燃焼筒１０の内周面の熱損傷を抑えることができる場合には、本変形例を採用してもよい。

「燃焼器の第五変形例」
上記実施形態における燃焼器の第五変形例について、図１３を用いて説明する。

上記実施形態及び以上の各変形例のテーパ面は、軸線を含み且つこのテーパ面を横切る仮想平面上の形状が直線である。しかしながら、テーパ面は、下流側に向かうに連れて、筒形成板の板厚が次第に薄くなるのであれば、テーパ面は、軸線を含み且つこのテーパ面を横切る仮想平面上の形状が曲線であってもよい。

例えば、図１３に示すように、メインバーナ筒４３の下流端部に形成した外側テーパ面５１ｄは、バーナ軸線Ａｂを含み且つこの外側テーパ面５１ｄを横切る仮想平面上の形状が、バーナ軸線Ａｂから遠ざかる側に凸形の滑らかな曲面である。なお、この曲面は、バーナ軸線Ａｂへ近づく側に凹形の滑らかな曲面であってもよい。

ここで、図１３では、メインバーナ筒４３の下流端部に形成した外側テーパ面５１ｄに関する例であるが、メインバーナ筒４３の下流端部に形成した内側テーパ面や、外側流路筒６０のテーパ面も、下流側に向かうに連れて、筒形成板の板厚が次第に薄くなるのであれば、軸線を含み且つこのテーパ面を横切る仮想平面上の形状が曲線であってもよい。

また、軸線を含み且つテーパ面を横切る仮想平面上の形状が曲線であるテーパ面を採用する場合、このテーパ面の軸線に対する角度としては、このテーパ面の軸線に対する平均角度、又は、このテーパ面の上流端と下流端とを結ぶ線分の軸線に対する角度を用いる。

１：圧縮機、４：燃焼器、５:タービン、１０：燃焼筒、１１：接続部、１３：燃焼部、１５：燃焼ガス案内部、２０：燃料噴出器、３０：パイロットバーナ（第二バーナ又は拡散燃焼バーナ）、３１：パイロットノズル、３２：旋回板、３３：パイロットバーナ筒、３４：本体部、３５：コーン部、４０：メインバーナ（第一バーナ又は予混合燃焼バーナ）、４１：メインノズル、４２：旋回板、４３：メインバーナ筒、４４：本体部、４５：延長部、４６：第一外周部、４７：第二外周部、４８：第三外周部、４９：バーナ筒形成板、５０：テーパ面、５１，５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ：外側テーパ面、５２，５２ａ：内側テーパ面、６０：外側流路筒、６４：外側テーパ面、６５：内側テーパ面、６６：第一パージ空気流路、６７：第二パージ空気流路、６８：第三バージ空気流路、Ａｂ：バーナ軸線、Ａｃ：燃焼器軸線、Ａｒ：回転軸線、Ｄａ：軸線方向、Ａ：空気、Ａ１：第一パージ空気、Ａ２：第二パージ空気、Ａ４：フィルム空気、Ｆ：燃料、ＰＭ：予混合気体

Claims (9)

1. バーナ軸線を中心とする棒状部分を有して、燃料を噴射するノズルと、
   筒状を成して前記ノズルの外周を囲み、前記バーナ軸線が延びる軸線方向の一方側である上流側から他方側である下流側に、空気と前記ノズルからの燃料とを噴出するバーナ筒と、
   前記バーナ筒中の少なくとも下流端部の外周を囲み、前記バーナ筒の外周側と自身の内周側との間に下流側に向かって空気が流れるパージ空気流路を形成する外側流路筒と、
   を備え、
   前記バーナ筒の下流端部には、下流側に向かうに連れて、前記バーナ筒を形成するバーナ筒形成板の板厚が次第に薄くなるようテーパ面が形成され、板厚方向における前記テーパ面のテーパ面形成幅が、前記バーナ筒形成板で前記テーパ面が形成されていない部分における板厚の半分以上である、
   燃焼器。
2. 請求項１に記載の燃焼器において、
   前記バーナ筒には、前記テーパ面として、前記バーナ筒の外周側に外側テーパ面が形成され、板厚方向における前記外側テーパ面のテーパ面形成幅が、前記バーナ筒形成板で前記テーパ面が形成されていない部分における板厚の半分以上である、
   燃焼器。
3. 請求項１に記載の燃焼器において、
   前記バーナ筒には、前記テーパ面として、前記バーナ筒の外周側に外側テーパ面が形成されていると共に、前記バーナ筒の内周側に内側テーパ面が形成され、板厚方向における前記外側テーパ面のテーパ面形成幅と、板厚方向における前記内側テーパ面のテーパ形成幅とを合わせた幅が、前記バーナ筒形成板で前記テーパ面が形成されていない部分における板厚の半分以上である、
   燃焼器。
4. 請求項３に記載の燃焼器において、
   板厚方向における前記外側テーパ面のテーパ面形成幅は、板厚方向における前記内側テーパ面のテーパ形成幅より広い、
   燃焼器。
5. 請求項１に記載の燃焼器において、
   前記バーナ筒には、前記テーパ面として、前記バーナ筒の内周側に内側テーパ面が形成され、板厚方向における前記内側テーパ面のテーパ形成幅が、前記バーナ筒形成板で前記テーパ面が形成されていない部分における板厚の半分以上である、
   燃焼器。
6. 請求項２から４のいずれか一項に記載の燃焼器において、
   前記ノズルと前記バーナ筒とを有するバーナを複数備え、
   複数の前記バーナの前記バーナ軸線は、互いに平行であり、
   複数の前記バーナのうち、少なくとも一のバーナである第一バーナの前記バーナ筒の外周の一部である第一外周部が前記外側流路筒の内周の一部と対向して、前記第一外周部と前記外側流路筒の内周の一部との間に前記パージ空気流路としての第一パージ空気流路が形成され、
   複数の前記バーナのうち、前記第一バーナに隣接する第二バーナの前記バーナ筒における外周の一部と、前記第一バーナの前記バーナ筒における外周の一部である第二外周部との間に、下流側に向かって空気が流れる第二パージ空気流路が形成され、
   前記第二外周部における前記外側テーパ面の前記バーナ軸線に対する角度は、前記第一外周部における前記外周側テーパ面の前記バーナ軸線に対する角度よりも大きい、
   燃焼器。
7. 請求項６に記載の燃焼器において、
   前記第一バーナは、前記第一バーナの前記バーナ筒から噴出した燃料を予混合燃焼させる予混合燃焼バーナであり、
   前記第二バーナは、前記第二バーナの前記バーナ筒から噴出した燃料を拡散燃焼させる拡散燃焼バーナであり、
   前記第二バーナを中心として、複数の前記第一バーナが周方向に並んで配置され、
   前記外側流路筒は、前記第二バーナを中心として、複数の前記第一バーナを覆えるよう筒状を成す、
   燃焼器。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の燃焼器において、
   前記外側流路筒の下流側端部には、下流側に向かうに連れて、前記外側流路筒を形成する外側流路筒形成板の板厚が次第に薄くなるようテーパ面が形成され、板厚方向における前記テーパ面のテーパ面形成幅が、前記外側流路筒形成板の板厚の半分以上である、
   燃焼器。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の燃焼器と、
   空気を圧縮して、前記燃焼器に空気を供給する圧縮機と、
   前記燃焼器内での燃料の燃焼で形成された燃焼ガスにより駆動するタービンと、
   を備えているガスタービン。

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