JP6430756B2 - 燃焼バーナ及び燃焼器、並びにガスタービン - Google Patents
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Description
燃焼バーナの空気流路においては、スワラによって形成された旋回流の渦中心側にその周囲よりも軸流速度の遅い領域が形成され、また、空気流路の壁面近傍に形成される層流によって軸流速度の遅い領域が形成される。これらの領域においては、火炎の伝播速度が軸流速度を上回ってフラッシュバックが発生する可能性が高まる。一方、気体の燃料濃度が高いと着火性も上がるため、当然この場合もフラッシュバックの可能性が高まる。したがって、軸流速度の遅い領域において燃料濃度が高くなると、フラッシュバックの発生する可能性がより一層高まる。
また、特許文献2では、フラッシュバックを抑制するために半径方向内側の空気路域における軸流速度の増大を図っているが、燃料濃度の観点でのフラッシュバック抑制対策は何ら施されていない。
ノズルと、
燃料を噴射するための燃料噴射孔を有するとともに、前記ノズルの周囲において前記ノズルの軸方向に沿って延在する環状の空気流路に設けられて該空気流路を流れる空気を旋回させるように構成されたスワラベーンと、
前記ノズルの半径方向において前記空気流路のうち少なくとも前記スワラベーンの下流側の領域を仕切り、前記空気流路のうち少なくとも前記領域を、前記ノズルの外周面に面する内側流路と該内側流路に対して前記半径方向の外側に位置する外側流路とに分割する環状の仕切り板と、を備え、
前記燃料噴射孔は、前記空気流路の前記外側流路内に位置し、
前記仕切り板の上流側の端部は、前記軸方向において、前記燃料噴射孔よりも上流側に位置することを特徴とする。
上記実施形態によれば、仕切り板の後流側における内側流路の空気と外側流路の空気とが合流する領域において互いの旋回方向が同じであるため、外側流路を通過した燃料を含む空気が内側流路を通過した空気に混入し難くなる。これにより、仕切り板の内壁面近傍に形成される境界層の影響により軸流速度が小さい領域(仕切り板の後流側の領域)における燃料濃度を低下させ、該領域への火炎の遡上を抑制できる。
上記実施形態によれば、仕切り板の後流側において内側流路を通過する空気の旋回が弱められ、内側流路の後流側における空気の軸流速度を高めることができる。このため、ノズル後端面への火炎の遡上(渦芯フラッシュバック)を抑制できる。
このように、内側流路を流れる空気の一部を、ノズル内部流路を介して空気噴射孔からノズル下流側に噴射するようにしたので、ノズル下流側の端面が空気で覆われて燃料濃度の低い領域が形成される。これにより、ノズル下流側の端面に火炎が遡上し難くなり、ノズルの焼損を防止できる。
例えば、ノズル外周面が軸方向に沿って延在しておらず、ノズル外周面が先細りになっている場合、内側流路を通過する空気流は流路断面積の拡大に伴って軸流速度が低下してしまうおそれがある。
この点、上記実施形態によれば、ノズル下流側の端部において、ノズル外周面がノズルの軸方向に沿っており、且つ、軸方向に沿って延在する仕切り板によって覆われることで、空気流の軸流速度を高く維持したまま内側流路内を空気が通過することになる。よって、内側流路の後流側の領域に向かう火炎の遡上を抑制することができる。
上記実施形態では、ノズル下流側の端部は仕切り板によって覆われていないので、内側流路を通過した空気の流れが、仕切り板の後流側において巻き上がって渦を形成する。この渦によって、仕切り板の後流側における燃料濃度が低下するため、仕切り板の下流端に向かう火炎の遡上を抑制できる。
これにより、ノズルの下流側の端部において、内側流路を通過した空気流がノズルの外周面に押し付けられて、ノズルの外周面近傍の境界層が薄くなる。そのため、ノズルの外周面近傍における軸流速度分布を均一に近づけることができ、フラッシュバックを抑制可能である。
これにより、ノズルに対して仕切り板を強固に支持できる。
このように、支持部材が内側流路の空気の流れを阻害することなく旋回流を形成する構成となっているため、仕切り板の支持のみならず旋回流形成の観点からも支持部材を有効に活用できる。
これにより、ノズル外周面から半径方向外側に延在するようにスワラベーンが設けられる場合であっても、隣接するスワラベーン間において、仕切り板によって外側流路から隔離された翼間流路を形成することができる。そのため、外側流路内に位置する燃料噴射孔から噴射された燃料が翼間流路に混入することを防止できる。
上記実施形態の何れかに記載の燃焼バーナと、
前記燃焼バーナからの燃焼ガスを導くための流路を形成するための燃焼ライナと、を備えることを特徴とする。
上記燃焼器によれば、フラッシュバックの発生を効果的に抑制し得る燃焼バーナを備えているため、燃焼器の耐久性を向上できる。
圧縮空気を生成するための圧縮機と、
前記圧縮機からの前記圧縮空気により燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させるように構成された上記実施形態に記載される燃焼器と、
前記燃焼器からの前記燃焼ガスによって駆動されるように構成されたタービンと、を備える。
上記燃焼器によれば、フラッシュバックの発生を効果的に抑制し得る燃焼バーナを備えているため、ガスタービンの燃焼器の耐久性を向上できる。
圧縮機2は、圧縮機車室10と、圧縮機車室10の入口側に設けられ、空気を取り込むための空気取入口12と、圧縮機車室10及び後述するタービン車室22を共に貫通するように設けられたロータ8と、圧縮機車室10内に配置された各種の翼と、を備える。各種の翼は、空気取入口12側に設けられた入口案内翼14と、圧縮機車室10側に固定された複数の静翼16と、静翼16に対して交互に配列されるようにロータ8に植設された複数の動翼18と、を含む。なお、圧縮機2は、不図示の抽気室等の他の構成要素を備えていてもよい。このような圧縮機2において、空気取入口12から取り込まれた空気は、複数の静翼16及び複数の動翼18を通過して圧縮されることで高温高圧の圧縮空気となる。そして、高温高圧の圧縮空気は圧縮機2から後段の燃焼器4に送られる。
タービン車室22の下流側には、排気車室28を介して排気室30が連結されている。タービン6を駆動した後の燃焼ガスは、排気車室28及び排気室30を通って外部へ排出される。
パイロット燃焼バーナ50は、燃焼器ライナ46の中心軸に沿って配置されている。そして、パイロット燃焼バーナ50を囲むように、複数のメイン燃焼バーナ60が互いに離間して配列されている。
パイロット燃焼バーナ50は、燃料ポート52に連結されたパイロットノズル(ノズル)54と、パイロットノズル54を囲むように配置されたパイロットバーナ筒56と、パイロットノズル54の外周に設けられたスワラ58と、を有している。なお、パイロット燃焼バーナ50の具体的な構成については後述する。
メイン燃焼バーナ60は、燃料ポート62に連結されたメインノズル(ノズル)64と、メインノズル64を囲むように配置されたメインバーナ筒66と、メインノズル64の外周に設けられたスワラ68と、を有している。
なお、本実施形態に係る燃焼バーナは、パイロット燃焼バーナ50に限定されるものではなく、ノズルの周囲の軸方向流路にスワラ(スワラベーン)が設けられた燃焼バーナであればどのタイプの燃焼バーナに対しても適用可能である。例えば、燃焼バーナは、ガスタービン1の燃焼器4に設けられるメイン燃焼バーナ60であってもよいし、ガスタービン1以外の機器に設けられる燃焼バーナであってもよい。
一実施形態に係る燃焼バーナ50は、ノズル(燃料ノズル)54と、パイロットバーナ筒56と、スワラ58と、仕切り板100と、を備えている。
ノズル54の外周面とパイロットバーナ筒56の内周面との間には、ノズル54の周囲において該ノズル54の軸方向に沿って延在する環状の空気流路90が形成されている。この空気流路90には、その上流側(図4において左側)から下流側(図4において右側)に向かって、空気が流通する。空気は圧縮空気であってもよい。また、空気流路90に供給される空気は、燃料を含まない空気であってもよい。
また、スワラベーン70は、ノズル54側に位置する翼根部71と、翼根部71よりも外周側に位置する翼本体部72と、を有している。具体的に、翼根部71はスワラベーン70の外周面に立設しており、翼根部71によって翼本体部72がノズル54に連結される。また、翼根部71は、ノズル54の軸方向における長さが翼本体部72より短い。
さらに、図9に示すように、スワラベーン70は、圧力面である腹面73と、負圧面である背面74と、気体の流通方向(ノズル54の軸方向)における上流側の端部である前縁75と、下流側の端部である後縁76と、を有している。なお、図9については後に詳述するが、同図は一実施形態におけるスワラベーン70A及び仕切り板100Aの分解斜視図である。
一構成例において、燃料流路は、予混合燃焼用燃料流路80と、拡散燃焼用燃料流路85(図5及び図6参照)と、スワラ内燃料流路79と、を含む。
スワラ内燃料流路79は、スワラベーン70の内部(例えば翼根部71の内部)に設けられており、スワラベーン70の燃料噴射孔78に連通している。
予混合燃焼用燃料流路80に供給された燃料は、上流側流路81、キャビティ83、下流側流路82を順に通って、スワラベーン70の燃料噴射孔78から空気流路90に噴射される。そして、燃料噴射孔78から噴射された燃料は、空気流路90を流れる空気と混合されて予混合気(燃料ガス)となり、燃焼空間に送られて燃焼する。なお、燃焼空間とは、ノズル54の後流側の領域であって、パイロットバーナ筒56で囲まれた空間を含む。
拡散燃焼用燃料流路85に供給された燃料は、キャビティ87及びノズル内燃料流路86を通って、燃料噴射孔88から燃焼空間内に噴射される。そして、燃料噴射孔88から噴射された燃料は、燃焼空間において空気又は予混合気と混合されて燃焼する。
また、仕切り板100は、ノズル54の半径方向において空気流路90のうち少なくともスワラベーン70の下流側の領域を仕切り、空気流路90のうち少なくとも前記領域を、ノズル54の外周面に面する内側流路92と該内側流路92に対して半径方向の外側に位置する外側流路91とに分割するように構成されている。
一実施形態においては、図4に示すように、内側流路92内には燃料噴射孔が存在しない。すなわち、内側流路92内には、ノズル54内の外周面にもスワラベーン70にも燃料噴射孔は設けられていない。また、一実施形態においては、空気流路90に供給される空気は、燃料を含まない空気である。
あるいは、仕切り板100の上流側端部101が、スワラベーン70の前縁75(図9参照)よりも下流側に位置してもよい。この場合も、仕切り板100の上流側端部101は、ノズル54の軸方向において、燃料噴射孔78よりも上流側に位置するものとする。
上記構成によって、ノズル54の外周面から半径方向外側に延在するようにスワラベーン70が設けられる場合であっても、隣接するスワラベーン70間において、仕切り板100によって外側流路91から隔離された翼間流路92Aを形成することができる。これにより、外側流路91内に位置する燃料噴射孔78から噴射された燃料が翼間流路92Aに混入することを防止できる。
また、後述するように、内側流路92内における空気流が旋回成分を有する場合、仕切り板100の内壁面に空気流が押し付けられて、仕切り板100の内壁面近傍に形成される境界層が薄くなり、仕切り板100の内壁面近傍における軸流速度が大きくなる。よって、特に仕切り板100の後流側の領域への火炎の遡上を抑制することができる。
一実施形態では、各々の支持部材110はスワラベーン70の後流側に位置する。これにより、内側流路92における空気の流れに支持部材110が及ぼす影響を低減できる。各々の支持部材110は、スワラベーン70の後流側に隙間93を介して位置してもよい。
一実施形態に係る燃焼バーナ50Aでは、仕切り板100の下流側端部102は、ノズル54Aの軸方向において、ノズル54Aの下流側端部55Aの端面よりも上流側に位置する。すなわち、燃焼バーナ50Aは、ノズル54Aの下流側端部55Aが仕切り板100よりも下流側に突出した構成となっている。具体的に、下流側端部55Bは、軸方向において略同一の径を有する円筒状に形成されており、突出した部位も円筒状に形成されている。
この場合、ノズル54Aの下流側端部55Aは仕切り板100によって覆われないので、内側流路92を通過した空気の流れが、仕切り板100の後流側において巻き上がって渦を形成する。この渦によって、仕切り板100の後流側における燃料濃度が低下するため、仕切り板100の下流側端部102に向かう火炎の遡上を抑制できる。
他の実施形態に係る燃焼バーナ50Bでは、仕切り板100の下流側端部102は、ノズル54Bの軸方向において、ノズル54Bの下流側端部55Bの端面よりも上流側に位置する。すなわち、燃焼バーナ50Bは、ノズル54Bの下流側端部55Bが仕切り板100よりも下流側に突出した構成となっている。また、ノズル54Bの下流側端部55Bは、仕切り板100の下流側端部102よりも下流側において、ノズル54Bの下流側の端面に近づくにつれて、ノズル54Bの半径方向においてノズル54Bの中心軸から遠ざかるように軸方向に対して傾斜した外周面(傾斜面)57を有する。すなわち、仕切り板100よりも下流側に突出したノズル54Bの下流側端部55Bが、下流側に向けて拡径した形状となっている。なお、「傾斜」とは、直線状に傾斜している場合(傾斜面57が直線)の他に、軸方向に傾斜した接線をもって湾曲している場合(傾斜面57が湾曲した曲線)も含む。
上記実施形態によれば、ノズル54Bの下流側端部55Bにおいて、内側流路92を通過した空気流がノズル54Bの外周面に押し付けられて、ノズル54Bの外周面近傍の境界層が薄くなる。そのため、ノズル54Bの外周面近傍における軸流速度分布を均一に近づけることができ、フラッシュバックを抑制可能となる。
幾つかの実施形態に係る燃焼バーナ50Cにおいて、ノズル54Cは、ノズル内部流路84と、空気噴射孔89と、をさらに含む。
ノズル内部流路84は、ノズル54Cの内部に設けられ、内側流路92に連通するように構成されている。図8に示す例では、ノズル内部流路84の入口は、ノズル54Cと支持部材110との間の隙間93に開口しており、ノズル内部流路84の出口は、ノズル54Cの下流側端部55Cの端面に開口した空気噴射孔89である。内側流路92から分岐されてノズル内部流路84を流通する空気は、空気噴射孔89からノズル54Cの後流側の燃焼空間内に噴射される。一実施形態では、ノズル内部流路84の上流側はノズル54Cの軸方向に沿って形成され、ノズル内部流路84の下流側はノズル54Cの内側に向けて傾斜していてもよい。この場合、ノズル内部流路84を流通する空気は、空気噴射孔89からノズル54Cの径方向内側へ向けて噴射される。
一実施形態において、スワラベーン70Aは、翼本体部72A及び翼根部71Aを含む。仕切り板100Aは、上流側端部101と、下流側端部102と、円筒部104と、翼間部105と、凹部106Aと、を含む。
一構成例では、内側流路92を通過する空気を旋回させるための旋回部が、仕切り板100Aをノズル54(図4及び図5参照)に支持するための支持部材110Aである。この場合、支持部材110Aは、平面視において翼型形状を有する流線形であってもよいし、より簡素化された構成としてルーバーのような傾斜板としてもよく、その構成は特に限定されない。スワラベーン70Aと、支持部材110Aとは別体で構成され、互いに離間して配置されてもよい。例えば、支持部材110Aは、隙間93をあけてスワラベーン70Aの後流側に配置される。
上記実施形態によれば、仕切り板100の後流側において内側流路92を通過する空気の旋回が弱められ、内側流路92の後流側における空気の軸流速度を高めることができる。このため、ノズル54後端面への火炎の遡上(渦芯フラッシュバック)を抑制できる。
また、仕切り板100Aの上流側端部101は、例えばベルマウス形状のように、上流側へ向けて拡径した形状であってもよい。図示される例では、仕切り板100Aの上流側端部101は凹部106Aによって断続的に形成された翼間部105となっており、この翼間部105が、軸方向において上流側へ向けて拡径した構成となっている。
なお、仕切り板100Aは、スワラベーン70Aに対して一体的に形成されている。例えば、仕切り板100Aとスワラベーン70Aとが溶接等によって接合されて一体的に形成されてもよいし、仕切り板100Aとスワラベーン70Aとが嵌め込みによって一体的に形成されてもよい。あるいは、仕切り板100Aとスワラベーン70Aとが一つの部材によって形成されてもよい。
不図示の他の構成例では、仕切り板100(図4及び図5参照)がスワラベーン70の前縁75よりも上流側まで延在し、スワラベーン70の前縁75よりも上流側において仕切り板100が閉じていてもよい。すなわち、仕切り板100が、スワラベーンの全周を囲むように設けられていてもよい。
他の実施形態において、スワラベーン70Bは、翼本体部72B及び翼根部71Bを含む。仕切り板100Bは、上流側端部101と、下流側端部102と、円筒部104と、翼間部105と、凹部106Bと、を含む。
図11Aに示す実施形態において、スワラベーン70Cは、翼本体部72C及び翼根部71Cを含む。仕切り板100Cは、上流側端部101と、下流側端部102と、円筒部104と、翼間部105と、凹部106Cと、を含む。
この実施形態においては、仕切り板100Cとノズル54(図4及び図5参照)の間に位置する支持部材は存在しないが、内側流路92に位置する旋回部114が設けられている。旋回部114は、翼本体部72Cとは異なる形状であるが、外側流路91の旋回方向120と同じ方向又は逆の方向に空気を旋回するように構成される。仕切り板100Cの上流側端部101側に設けられた凹部106Cは、旋回部114及び翼根部71Cに係合するような形状となっている。
この実施形態においては、仕切り板100Dとノズル54(図4及び図5参照)の間に位置する支持部材は存在しない。また、スワラベーン70Dは、ノズル54の径方向に同一の翼型を有している。仕切り板100Dの上流側端部101側に設けられた凹部106Dは、スワラベーン70Dに係合するような形状となっている。
例えば、上記実施形態では、燃焼バーナとしてパイロット燃焼バーナ60を例示して説明したが、本発明の実施形態は、予混合燃焼バーナ50に対しても適用可能である。また、上記実施形態では、主として2次元翼を例示しているが、本発明の実施形態は、3次元翼にも適用可能である。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
2 圧縮機
4 燃焼器
6 タービン
10 圧縮機車室
22 タービン車室
28 排気車室
30 排気室
40 燃焼器車室
46 燃焼器ライナ
50,50A〜50C 燃焼バーナ(パイロット燃焼バーナ)
52 燃料ポート
54,54A〜54C ノズル(パイロットノズル)
56 パイロットバーナ筒
57 外周面(傾斜面)
58 スワラ
60 メイン燃焼バーナ
62 燃料ポート
64 ノズル(メインノズル)
66 メインバーナ筒
70,70A〜70D スワラベーン
71,71A〜71D 翼根部
72,72A〜72D 翼本体部
78 燃料噴射孔
79 スワラ内燃料流路
84 ノズル内部流路
88 燃料噴射孔
89 空気噴射孔
90 空気流路
91 外側流路
92 内側流路
92A 翼間流路
93 隙間
100,100A〜100D 仕切り板
110,110A,110B 支持部材
Claims (12)
- ノズルと、
燃料を噴射するための燃料噴射孔を有するとともに、前記ノズルの周囲において前記ノズルの軸方向に沿って延在する環状の空気流路に設けられて該空気流路を流れる空気を旋回させるように構成されたスワラベーンと、
前記ノズルの半径方向において前記空気流路のうち少なくとも前記スワラベーンの下流側の領域を仕切り、前記空気流路のうち少なくとも前記領域を、前記ノズルの外周面に面する内側流路と該内側流路に対して前記半径方向の外側に位置する外側流路とに分割する環状の仕切り板と、を備え、
前記燃料噴射孔は、前記スワラベーンのうち前記空気流路の前記外側流路内に位置する部位にのみ設けられ、
前記燃料噴射孔は、前記空気流路の前記外側流路内に位置し、
前記仕切り板の上流側の端部は、前記軸方向において、前記燃料噴射孔よりも上流側に位置し、
前記ノズルは、
前記ノズルの内部に設けられ、前記内側流路に連通するノズル内部流路と、
前記ノズルの下流側の端面に開口し、前記ノズル内部流路からの前記空気を噴射するための空気噴射孔と、
を含む
ことを特徴とする燃焼バーナ。 - 前記内側流路における前記空気の旋回方向が、前記外側流路における前記空気の旋回方向と同じであることを特徴とする請求項1に記載の燃焼バーナ。
- 前記内側流路における前記空気の流れは、前記軸方向に沿った流れ、又は、前記外側流路における前記空気の旋回方向と逆方向の旋回成分を持つ流れであることを特徴とする請求項1に記載の燃焼バーナ。
- 前記ノズルの下流側の端部において、前記ノズルの外周面は前記軸方向に沿っており、
前記仕切り板は、前記ノズルの下流端の端部における前記外周面を覆うように前記軸方向に沿って延在していることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の燃焼バーナ。 - 前記仕切り板の下流側の端部は、前記軸方向において、前記ノズルの下流側の端面よりも上流側に位置することを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の燃焼バーナ。
- 前記ノズルの下流側の端部は、前記仕切り板の下流側の端部よりも下流側において、前記ノズルの下流側の前記端面に近づくにつれて、前記半径方向において前記ノズルの中心軸から遠ざかるように前記軸方向に対して傾斜した外周面を有することを特徴とする請求項5に記載の燃焼バーナ。
- 前記内側流路の内部において前記ノズルの周方向に複数設けられ、前記仕切り板を前記ノズルに支持する支持部材をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載の燃焼バーナ。
- 前記支持部材は、前記内側流路を通過する前記空気を旋回させるように構成されたことを特徴とする請求項7に記載の燃焼バーナ。
- 前記スワラベーンは、前記ノズルの周方向に複数設けられ、
各々の前記スワラベーンは、前記ノズルの外周面から前記半径方向の外側に延在しており、
前記仕切り板は、少なくとも一部が、周方向に隣り合う一対のスワラベーンのうち一方の腹面と、前記一対のスワラベーンの他方の背面との間において前記周方向に延在しており、
前記内側流路は、前記仕切り板、前記ノズルの外周面、前記腹面及び前記背面によって囲まれた翼間流路を含むことを特徴とする請求項1乃至8の何れか一項に記載の燃焼バーナ。 - ノズルと、
燃料を噴射するための燃料噴射孔を有するとともに、前記ノズルの周囲において前記ノズルの軸方向に沿って延在する環状の空気流路に設けられて該空気流路を流れる空気を旋回させるように構成されたスワラベーンと、
前記ノズルの半径方向において前記空気流路のうち少なくとも前記スワラベーンの下流側の領域を仕切り、前記空気流路のうち少なくとも前記領域を、前記ノズルの外周面に面する内側流路と該内側流路に対して前記半径方向の外側に位置する外側流路とに分割する環状の仕切り板と、を備え、
前記燃料噴射孔は、前記空気流路の前記外側流路内に位置し、
前記仕切り板の上流側の端部は、前記軸方向において、前記燃料噴射孔よりも上流側に位置し、
前記ノズルは、
前記ノズルの内部に設けられ、且つ、前記スワラベーンの後流側において前記内側流路に連通するノズル内部流路と、
前記ノズルの下流側の端面に開口し、前記ノズル内部流路からの前記空気を噴射するための空気噴射孔と、
を含む
ことを特徴とする燃焼バーナ。 - 請求項1乃至10の何れか一項に記載の燃焼バーナと、
前記燃焼バーナからの燃焼ガスを導くための流路を形成するための燃焼ライナと、を備えることを特徴とする燃焼器。 - 圧縮空気を生成するための圧縮機と、
前記圧縮機からの前記圧縮空気により燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させるように構成された請求項11に記載の燃焼器と、
前記燃焼器からの前記燃焼ガスによって駆動されるように構成されたタービンと、を備えることを特徴とするガスタービン。
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