JP6623485B2 - 燃焼器、及びこれを備えるガスタービン - Google Patents

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Description

本発明は、燃料が内部で燃焼する燃焼筒の外周側に音響減衰器が設けられている燃焼器、及びこれを備えるガスタービンに関する。
ガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された空気で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器からの燃焼ガスで駆動するタービンと、を備えている。
ガスタービンの燃焼器は、例えば、以下の特許文献１に記載されているように、燃料が燃焼する燃焼筒（又は尾筒）と、この燃焼筒内に燃料及び空気を噴出する燃料噴出器と、燃焼筒の外周側に設けられている音響箱を含む音響減衰器と、燃焼筒内の気体の流路を絞る絞りと、を有する。絞りは、燃焼筒の軸方向で音響減衰器から離れた位置、より具体的には音響減衰器よりも下流側の位置に配置されている。
音響箱は、燃焼筒を形成する板の一部と、この一部の板と共同して燃焼筒の外周側に空間を形成する音響カバーと、を有する。音響箱を形成する燃焼筒の板の一部には、燃焼筒内から音響箱内の空間へ貫通する複数の吸音孔が形成されている。燃焼振動等、燃焼筒内での燃料の燃焼により生じる空気の振動、つまり音は、吸音孔を経て音響箱内に広がり、そこで減音される。また、音響箱内の空気は、燃焼筒に形成されている吸音孔を経て、燃焼筒内に噴出する。このため、音響箱内には、燃焼筒内の高温の気体は流入しない。
特開２００７−３０９６４４号公報
音響箱から燃焼筒内に噴出した空気は、燃焼筒の内周側を冷却すると共に、バーナから燃焼筒内に噴出した可燃性気体、例えば、燃料ガスや、燃料と空気が予混合された予混合気体も冷却する。可燃性気体が冷却されると、この可燃性気体中に含まれている燃料が完全燃焼せず、ＣＯが発生する。一般的に、燃焼器には、環境保全の観点から、燃料の不完全燃焼で発生するＣＯの排出量を少なくすることが要求されている。
そこで、本発明は、ＣＯの排出量を少なくす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第一態様としての燃焼器は、
軸線回りに筒状を成し、内周側で燃料が燃焼する燃焼筒と、前記燃焼筒を形成する板の一部を含み、一部の前記板と共同して前記燃焼筒の外周側に空間を形成する音響カバーを有する音響減衰器と、前記軸線が延びる軸方向の一方側である上流側から他方側である下流側に向かうに連れて、前記燃焼筒内を流れる気体の流路を前記軸方向の一部で小さくしてから大きくする絞りと、を備え、前記音響減衰器の前記一部の板には、前記燃焼筒内から前記空間に貫通する１以上の貫通孔が形成されている。前記絞りは、前記軸方向で前記音響減衰器が存在する領域内に配置されている。
音響減衰器の空間中の空気は、音響減衰器の貫通孔を経て、燃焼筒内に噴出する。このため、この空間中には、燃焼筒内の高温の気体は流入しない。音響減衰器の空間から燃焼筒内に噴出した空気は、燃焼筒内を流れる燃料を冷却する。このため、燃料の一部が不完全燃焼し、ＣＯが発生する場合がある。
また、燃焼筒内で最少絞り径の位置よりも下流側であって、燃焼筒内の外周寄りの領域には、渦が形成される。この渦では、燃焼筒の内周面に沿った領域で発生したＣＯと、燃焼筒の内面から径方向内側に離れた領域で生成された高温の燃焼ガスとが混じり合う。この結果、燃焼筒の内周面に沿った領域で発生したＣＯは、高温の燃焼ガスで加熱されて燃焼する。
燃焼筒内での気体は、基本的に上流側から下流側に流れるものの、実際には、その流れは複雑である。すなわち、燃焼筒内では、複雑に複数の渦が形成されている。この複数の渦の平均直径は、絞りの最少絞り半径にほぼ等しい。当該燃焼器では、軸方向で、最少絞り径の位置から上流側及び下流側へ最少絞り半径分の距離の位置までの領域内に、音響減衰器の少なくとも一部の貫通孔が存在する。このため、音響減衰器から燃焼筒内に噴出した空気により、燃焼筒内のある渦内に存在する燃料が冷却されてＣＯが発生したとしても、この渦内で発生したＣＯの多くが他の渦に移って拡散してしまう前に、音響減衰器の近くに存在する絞りの下流側に形成される渦により、このＣＯを燃焼させることができる。
従って、当該燃焼器では、音響減衰器から燃焼筒内に噴出した空気に起因したＣＯが発生しても、このＣＯを直ちに燃焼させることができる。
音響減衰器からの空気の一部は、絞りの最少絞り径よりも上流側直下に噴出し、残りの一部は、絞りの最少絞り径よりも下流側直下に噴出する。このため、当該燃焼器では、音響減衰器から燃焼筒内に噴出した空気に起因したＣＯが発生する前に、この空気を絞りよりも下流側の渦内で高温の燃焼ガスに混ぜることができる。また、当該燃焼器では、仮に音響減衰器から燃焼筒内に噴出した空気に起因したＣＯが発生したとしても、絞りの効果により、このＣＯを直ちに燃焼させることができる。
上記目的を達成するための発明に係る第二態様としての燃焼器は、
軸線回りに筒状を成し、内周側で燃料が燃焼する燃焼筒と、前記燃焼筒を形成する板の一部を含み、一部の前記板と共同して前記燃焼筒の外周側に空間を形成する音響カバーを有する音響減衰器と、前記軸線が延びる軸方向の一方側である上流側から他方側である下流側に向かうに連れて、前記燃焼筒内を流れる気体の流路を前記軸方向の一部で小さくしてから大きくする絞りと、を備え、前記音響減衰器の前記一部の板には、前記燃焼筒内から前記空間に貫通する１以上の貫通孔が形成され、前記軸方向における前記音響減衰器に対する前記絞りの相対位置は、前記軸方向で、前記絞りの最少絞り径の位置から上流側及び下流側へ前記最少絞り径の半分である最少絞り半径分の距離の位置までの領域内に、前記音響減衰器の少なくとも一部の前記貫通孔が存在する位置である。前記絞りは、前記音響減衰器よりも上流側に配置されている。
音響減衰器からの空気の全ては、絞りの最少絞り径の位置よりも下流側で、この最少絞り径の下流側に形成される渦中に噴出する。このため、当該燃焼器では、音響減衰器から燃焼筒内に噴出した空気に起因したＣＯが発生する前に、この空気を絞りよりも下流側の渦内で高温の燃焼ガスに混ぜることができる。また、当該燃焼器では、仮に音響減衰器から燃焼筒内に噴出した空気に起因したＣＯが発生したとしても、絞りの効果により、このＣＯを直ちに燃焼させることができる。
上記目的を達成するための発明に係る第三態様としての燃焼器は、
軸線回りに筒状を成し、内周側で燃料が燃焼する燃焼筒と、前記燃焼筒を形成する板の一部を含み、一部の前記板と共同して前記燃焼筒の外周側に空間を形成する音響カバーを有する音響減衰器と、前記軸線が延びる軸方向の一方側である上流側から他方側である下流側に向かうに連れて、前記燃焼筒内を流れる気体の流路を前記軸方向の一部で小さくしてから大きくする絞りと、を備え、前記音響減衰器の前記一部の板には、前記燃焼筒内から前記空間に貫通する複数の貫通孔が形成され、前記軸方向における前記音響減衰器に対する前記絞りの相対位置は、前記軸方向で、前記最少絞り径の位置から上流側及び下流側へ前記最少絞り半径分の距離の位置までの領域内に、前記音響減衰器の全ての前記貫通孔が存在する位置である。
当該燃焼器では、軸方向における音響減衰器に対する絞りの相対位置が、以上の燃焼器よりも近くなる。このため、当該燃焼器では、仮に音響減衰器から燃焼筒内に噴出した空気に起因したＣＯが発生したとしても、このＣＯをより素早く燃焼させることができる。
上記目的を達成するための発明に係る第四態様としての燃焼器は、
軸線回りに筒状を成し、内周側で燃料が燃焼する燃焼筒と、前記燃焼筒を形成する板の一部を含み、一部の前記板と共同して前記燃焼筒の外周側に空間を形成する音響カバーを有する音響減衰器と、前記軸線が延びる軸方向の一方側である上流側から他方側である下流側に向かうに連れて、前記燃焼筒内を流れる気体の流路を前記軸方向の一部で小さくしてから大きくする絞りと、を備え、前記音響減衰器の前記一部の板には、前記燃焼筒内から前記空間に貫通する１以上の貫通孔が形成され、前記軸方向における前記音響減衰器に対する前記絞りの相対位置は、前記軸方向で、前記絞りの最少絞り径の位置から上流側及び下流側へ前記最少絞り径の半分である最少絞り半径分の距離の位置までの領域内に、前記音響減衰器の少なくとも一部の前記貫通孔が存在する位置である。前記絞りには、前記最少絞り径の部分である最少絞り部と、前記最少絞り径よりも径が大きい中間絞り径の部分である中間絞り部とが、前記軸線を基準にした周方向で交互に形成されている。
前記絞りに前記最少絞り部と前記中間絞り部とが形成されている前記燃焼器において、前記音響減衰器は、前記軸線を基準とした周方向に間隔をあけて複数配置され、複数の前記音響減衰器は、いずれも、複数の前記最少絞り部のうちのいずれかの最少絞り部における前記周方向の端から前記軸方向に延びる仮想線が通る領域内に配置されていてもよい。
最小絞り部の周方向の端の下流側には、絞りの他の部分よりも激しい渦が形成されている。このため、各音響減衰器が存在する領域内、その下流側、又はその上流側に、最小絞り部の周方向の端が存在すると、音響減衰器から燃焼筒内に噴出した空気によりＣＯが発生したとしても、最小絞り部の周方向の端の下流側で効率的に、このＣＯを燃焼させることができる。
ここで、前記第三及び第四態様としての前記燃焼器において、前記絞りは、前記音響減衰器よりも下流側に配置されていてもよい。
当該燃焼器では、音響減衰器から燃焼筒内に噴出した空気により、燃焼筒の内周面に沿った領域でＣＯが発生しても、音響減衰器の下流側に配置されている絞りよりも下流側で形成される渦により、このＣＯを燃焼させることができる。
前記絞りが前記音響減衰器よりも下流側に配置されている前記燃焼器において、前記音響減衰器の貫通孔は、前記燃焼筒の外周側から内周側に向かうに連れて次第に下流側に向かうよう形成されていてもよい。
当該燃焼器では、音響減衰器から燃焼筒内に噴出した空気は、燃焼筒の内周面に沿って流れた後、絞りの表面にも沿って流れる。このため、当該燃焼器では、音響減衰器から噴出した空気により、絞りをフィルム冷却することができ、絞りの熱損傷を抑えることができる。
以上のいずれかの前記燃焼器において、前記音響減衰器の前記音響カバーには、外部から前記空間に貫通する１以上の通路が形成されていてもよい。また、以上の前記燃焼器において、前記燃焼筒には、前記燃焼筒の外周面中であって前記音響カバーで覆われていない部分で開口し、前記燃焼筒の外周面と内周面との間を通り、前記燃焼筒の外周面中であって前記音響カバーで覆われている部分で開口する１以上の通路が形成されていてもよい。
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、を備えている。
本発明の一態様では、ＣＯの排出量を少なくすることができる。
本発明に係る第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。 本発明に係る第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。 本発明に係る第一実施形態における燃焼器の断面図である。 本発明に係る第一実施形態における音響減衰器及び絞り周りの燃料器の断面図である。 本発明に係る第二実施形態における音響減衰器及び絞り周りの燃料器の断面図である。 本発明に係る第三実施形態における音響減衰器及び絞り周りの燃料器の断面図である。 本発明に係る第四実施形態における音響減衰器及び絞り周りの燃料器の断面図である。 本発明に係る第四実施形態の変形例における音響減衰器と絞りと相対位置関係を示す説明図である。 本発明に係る第一実施形態の第一変形例における音響減衰器及び絞り周りの燃料器の断面図である。 本発明に係る第一実施形態の第二変形例における音響減衰器及び絞り周りの燃焼器の断面図である。 本発明に係る第一実施形態の第三変形例における音響減衰器及び絞り周りの燃焼器の断面図である。
以下、本発明に係る燃焼器及びこれを備えるガスタービンの実施形態、さらに、燃焼器の各種実施形態及び各種変形例ついて、図面を参照して詳細に説明する。
「燃焼器及びこれを備えるガスタービンの第一実施形態」
本発明に係る燃焼器及びこれを備えるガスタービンの第一実施形態について、図１〜図４を用いて説明する。
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）２０と、燃焼筒２０内に燃料Ｆ及び空気Ａを噴出する燃料噴出器１０と、を有する。
燃料噴出器１０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１１と、噴出した燃料を予混合燃焼させる複数のメインバーナ１２と、パイロットバーナ１１及び複数のメインバーナ１２を保持するバーナ保持筒１５と、を備えている。
パイロットバーナ１１は、燃焼器軸線Ａｃ上に配置されている。複数のメインバーナ１２は、パイロットバーナ１１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。なお、以下では、燃焼器軸線Ａｃが延びる方向を軸方向Ｄａ、この軸方向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を中心とした周方向を単に周方向Ｄｃとする。
燃焼筒２０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１２の下流側部分が位置する接続部２１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１２及びパイロットバーナ１１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２２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２３と、を有する。燃焼筒２０の接続部２１の上流端は、バーナ保持筒１５に接続されている。燃焼筒２０の燃焼部２２は、燃焼筒２０の接続部２１の下流側に形成されている。燃焼筒２０の燃焼ガス案内部２３は、燃焼筒２０の燃焼部２２の下流側に形成されている。
燃焼器４は、さらに、燃焼筒２０の外周側に設けられている音響箱３１を含む音響減衰器３０と、燃焼筒２０内の気体の流路を絞る絞り４０と、を有する。
音響箱３１は、図４に示すように、燃焼筒２０を形成する板の一部である筒側箱形成板部３２と、この筒側箱形成板部３２と共同して燃焼筒２０の外周側に共鳴空間３６を形成する音響カバー３４と、を有する。音響カバー３４は、燃焼筒２０を形成する板のうち、燃焼筒２０の軸方向Ｄａの一部の領域であって周方向Ｄｃの全域にわたる領域を覆う。よって、筒側箱形成板部３２は、燃焼筒２０を形成する板のうち、燃焼筒２０の軸方向Ｄａの一部の領域であって周方向Ｄｃの全域にわたる領域を形成する部分である。燃焼筒２０の筒側箱形成板部３２には、燃焼筒２０内から共鳴空間３６に貫通する複数の貫通孔３３が形成されている。また、外部と共鳴空間３６とを連通させるため、音響カバー３４には、外部から共鳴空間３６に貫通する複数の通路３５が形成されている。
通路３５は、音響箱３１内に溜まったドレンを排出するためのドレン通路としての役目や、外部の空気を音響箱３１内に導入する空気導入通路としての役目を担う。また、貫通孔３３は、燃焼振動等、燃焼筒２０内での燃料の燃焼により生じる空気の振動、つまり音を音響箱３１内に導く吸音孔としての役目や、音響箱３１内の空気を燃焼筒２０内に噴出する空気噴出孔としての役目を担う。
絞り４０は、燃焼器軸線Ａｃを中心として円筒状を成し、燃焼筒２０の内周面に接続される接続部４１と、接続部４１と一体形成され、下流側に向かうに連れて内径が次第に縮径されている縮径部４２と、を有する。この縮径部４２の下流端の内径は、縮径部４２中で内径が最も小さい最少絞り径４３になっている。この絞り４０により、燃焼筒２０内を流れる気体の流路が次第に絞られ、最少絞り径４３よりも下流側で流路が急激に大きくなっている。音響減衰器３０は、この絞り４０よりも上流側に設けられている。
軸方向Ｄａにおける音響減衰器３０に対する絞り４０の相対位置は、軸方向Ｄａで、最少絞り径４３の位置から上流側及び下流側へ最少絞り径４３の半分である最少絞り半径Ｒ分の距離の位置までの領域内に、音響減衰器３０の少なくとも一部の貫通孔３３が存在する位置である。具体的に、本実施形態では、最少絞り径４３の位置から音響減衰器３０の複数の貫通孔３３のうちで最も絞り４０に近い貫通孔３３までの距離Ｌが、最少絞り半径Ｒよりも小さい。さらに、本実施形態では、最少絞り径４３の位置から音響減衰器３０の複数の貫通孔３３のうちで最も絞り４０から遠い貫通孔３３までの距離も、最少絞り半径Ｒよりも小さい。このため、本実施形態では、最少絞り径４３の位置から上流側へ最少絞り半径Ｒ分の距離の位置までの領域内に、音響減衰器３０の全ての貫通孔３３が存在することになる。
次に、本実施形態のガスタービンの動作及び作用について説明する。
圧縮機１は、外気を吸い込んでこれを圧縮する。圧縮機１で圧縮された空気は、燃焼器４のメインバーナ１２及びパイロットバーナ１１内に導かれる。メインバーナ１２及びパイロットバーナ１１には、燃料供給源からの燃料が供給される。メインバーナ１２は、燃料と空気と予混合した予混合気体を、燃焼筒２０の燃焼部２２内に噴出する。この予混合気体は、燃焼部２２内で予混合燃焼する。また、パイロットバーナ１１は、燃焼筒２０の燃焼部２２内に、燃料と空気とを予混合せずにそれぞれ噴出する。この燃料は、燃焼部２２内で拡散燃焼する。燃焼筒２０の燃焼部２２内での燃料の燃焼で発生した高温高圧の燃焼ガスは、燃焼筒２０の燃焼ガス案内部２３によりタービン５のガス流路内に導かれ、タービンロータを回転させる。
燃焼筒２０内で燃料が燃焼すると、この燃焼により燃焼振動が発生する場合がある。本実施形態では、燃焼振動等、燃焼筒２０内での燃料の燃焼により生じる空気の振動、つまり音は、燃焼筒２０の外周側に設けられている音響減衰器３０により抑えられる。この音響減衰器３０の音響箱３１は、ヘルムホルツの共鳴箱を構成する。よって、燃焼筒２０内での燃料の燃焼により生じた音は、貫通孔３３を経て音響箱３１内に広がり、そこで減音される。
この音響箱３１内には、圧縮機１で圧縮された空気の一部が外部から音響箱３１の通路３５を経て流入する。音響箱３１内の空気は、音響箱３１の貫通孔３３を経て、燃焼筒２０内に噴出する。このため、音響箱３１内には、燃焼筒２０内の高温の気体は流入しない。
燃焼筒２０は、燃焼筒２０を火炎や高温の燃焼ガスから保護する目的で、他の場所で生成された蒸気や圧縮機１で圧縮された空気等を冷却媒体として冷却されている。このため、メインバーナ１２から噴出した予混合気体のうち、燃焼筒２０の内周面に沿った領域を流れた予混合気体は、冷却され、冷却の程度によっては不完全燃焼し、ＣＯが発生する。すなわち、ガスタービンの運転状態によっては、燃焼筒２０の内周面に沿った領域でＣＯが発生する場合がある。
そこで、本実施形態では、燃焼器４からのＣＯの排出量を抑えるために、燃焼筒２０内に絞り４０を設けている。絞り４０は、前述したように、燃焼筒２０内を流れる気体の流路を次第に絞り、最少絞り径４３よりも下流側で流路を急激に大きくしている。このため、燃焼筒２０内で最少絞り径４３の位置よりも下流側であって、燃焼筒２０内の外周寄りの領域には、渦Ｓ１が形成される。この渦Ｓ１では、燃焼筒２０の内周面に沿った領域で発生したＣＯと、燃焼筒２０の内面から径方向内側に離れた領域で生成された高温の燃焼ガスとが混じり合う。この結果、燃焼筒２０の内周面に沿った領域で発生したＣＯは、高温の燃焼ガスで加熱されて燃焼する。
よって、本実施形態では、ガスタービンの運転状態が所定の運転状態で、燃焼筒２０の内周面に沿った領域でＣＯが発生しても、このＣＯを絞り４０の下流側で燃焼させることで、燃焼器４からのＣＯ排出量を抑えることができる。
ところで、音響箱３１からは、貫通孔３３を介して、燃焼筒２０内に空気が噴出される。この空気は、メインバーナ１２から噴出した予混合気体に混ざって、この予混合気体と共に燃焼筒２０内を下流側に流れる。予混合気体に音響箱３１からの空気が混じると、この予混合気体が冷却され、予混合気体の一部が不完全燃焼し、ＣＯが発生する場合がある。
燃焼筒２０内での気体は、基本的に上流側から下流側に流れるものの、実際には、その流れは複雑である。すなわち、燃焼筒２０内では、複雑に複数の渦Ｓ２が形成されている。この複数の渦Ｓ２の平均直径は、絞り４０の最少絞り半径Ｒとほぼ等しい。また、前述したように、音響減衰器３０の複数の貫通孔３３のうち、最も下流側の貫通孔３３から絞り４０の最少絞り４０の位置までの距離Ｌが最少絞り半径Ｒよりも小さい。このため、音響箱３１から燃焼筒２０内に噴出した空気により、燃焼筒２０内のある渦Ｓ２内に存在する予混合気体が冷却されてＣＯが発生したとしても、この渦Ｓ２内で発生したＣＯの多くが他の渦Ｓ２に移って拡散してしまう前に、音響減衰器３０の近くに存在する絞り４０の効果により、このＣＯを燃焼させることができる。
従って、本実施形態では、音響箱３１から燃焼筒２０内に噴出した空気に起因したＣＯが発生しても、このＣＯを直ちに燃焼させることができるので、燃焼器４からのＣＯ排出量を抑えることができる。
「燃焼器の第二実施形態」
燃焼器の第二実施形態について、図５を用いて説明する。
本実施形態の燃焼器は、上記第一実施形態の燃焼器における音響減衰器３０と絞り４０との相対位置を変えたもので、その他の構成に関しては上記第一実施形態の燃焼器と同一である。
上記第一実施形態では、絞り４０が音響減衰器３０よりも下流側に配置されている。一方、本実施形態では、絞り４０が軸方向Ｄａで音響減衰器３０が存在する領域内に配置されている。よって、本実施形態でも、上記第一実施形態と同様、軸方向Ｄａで、最少絞り径４３の位置から上流側及び下流側へ最少絞り半径Ｒ分の距離の位置までの領域内に、音響減衰器３０の少なくとも一部の貫通孔３３が存在する。
本実施形態では、音響箱３１の空気の一部は、絞り４０の最少絞り径４３よりも上流側直下に噴出し、残りの一部は、絞り４０の最少絞り径４３よりも下流側直下に噴出する。このため、本実施形態では、音響箱３１から燃焼筒２０内に噴出した空気に起因したＣＯが発生する前に、この空気を絞り４０よりも下流側の渦Ｓ１内で高温の燃焼ガスに混ぜることができる。また、本実施形態では、仮に音響箱３１から燃焼筒２０内に噴出した空気に起因したＣＯが発生したとしても、絞り４０の効果により、このＣＯを直ちに燃焼させることができる。
「燃焼器の第三実施形態」
燃焼器の第三実施形態について、図６を用いて説明する。
本実施形態の燃焼器も、上記第一実施形態の燃焼器における音響減衰器３０と絞り４０との相対位置を変えたもので、その他の構成に関しては上記第一実施形態の燃焼器と同一である。
上記第一実施形態では、絞り４０が音響減衰器３０よりも下流側に配置されている。一方、本実施形態では、絞り４０が音響減衰器３０よりも上流側に配置されている。但し、本実施形態では、最少絞り径４３の位置から音響減衰器３０の複数の貫通孔３３のうちで最も絞り４０に近い貫通孔３３までの距離Ｌが、最少絞り半径Ｒよりも小さい。さらに、本実施形態では、最少絞り径４３の位置から音響減衰器３０の複数の貫通孔３３のうちで最も絞り４０から遠い貫通孔３３までの距離も、最少絞り半径Ｒよりも小さい。このため、本実施形態では、最少絞り径４３の位置から下流側へ最少絞り半径Ｒ分の距離の位置までの領域内に、音響減衰器３０の全ての貫通孔３３が存在することになる。
音響箱３１の空気の全ては、絞り４０の最少絞り径４３の位置よりも下流側で、この最少絞り径４３の下流側に形成される渦Ｓ１中に噴出する。このため、本実施形態でも、第二実施形態と同様、音響箱３１から燃焼筒２０内に噴出した空気に起因したＣＯが発生する前に、この空気を絞り４０よりも下流側の渦Ｓ１内で高温の燃焼ガスに混ぜることができる。また、本実施形態でも、第二実施形態と同様、仮に音響箱３１から燃焼筒２０内に噴出した空気に起因したＣＯが発生したとしても、絞り４０の効果により、このＣＯを直ちに燃焼させることができる。
「燃焼器の第四実施形態」
燃焼器の第四実施形態について、図７及び図８を用いて説明する。
本実施形態の燃焼器は、上記第一実施形態の燃焼器における音響減衰器３０及び絞り４０をそれぞれ変更したものである。
上記第一実施形態の音響減衰器３０は、燃焼筒２０の軸方向Ｄａの一部の領域であって周方向Ｄｃの全域にわたる領域を覆う一つの音響カバー３４を有している。すなわち、上記第一実施形態の燃焼器は、燃焼筒２０の軸方向Ｄａの一部の領域には、一つの音響減衰器３０が設けられている。一方、本実施形態の燃焼器は、図７に示すように、燃焼筒２０の軸方向Ｄａの一部の領域には、周方向Ｄｃに互いの間隔をあけて並ぶ複数の音響減衰器３０ａが設けられている。
本実施形態の音響減衰器３０ａも、上記第一実施形態の音響減衰器３０と同様、燃焼筒２０を形成する板の一部である筒側箱形成板部３２ａと、この筒側箱形成板部３２ａと共同して燃焼筒２０の外周側に共鳴空間３６ａを形成する音響カバー３４ａと、を有する。音響カバー３４ａは、燃焼筒２０を形成する板のうち、燃焼筒２０の軸方向Ｄａの一部の領域であって周方向Ｄｃの一部の領域を覆う。よって、本実施形態における筒側箱形成板部３２ａは、燃焼筒２０を形成する板のうち、燃焼筒２０の軸方向Ｄａの一部の領域であって周方向Ｄｃの一部の領域を形成する部分である。
本実施形態の絞り４０ａは、上記第一実施形態の絞り４０と同様、燃焼筒２０の内周面に接続される接続部４１と、接続部４１と一体形成され、下流側に向かうに連れて内径が次第に縮径されている縮径部４２ａと、を有する。本実施形態でも、縮径部４２ａの下流端の内径は、縮径部４２ａ中で内径が最も小さい最少絞り径４３になっている。但し、本実施形態の絞り４０ａの縮径部４２ａは、最少絞り径４３の位置から上流側で且つ径方向外側に向かって切り込まれた複数の切込みが周方向Ｄｃに並んで形成されている。この複数の切込みにより、縮径部４２ａには、最少絞り径４３の部分である最少絞り部４４と、最少絞り径４３よりも径が大きい中間絞り部４５とが、周方向Ｄｃに交互に形成されている。最少絞り部４４における周方向Ｄｃの端４４ｚの位置には、最少絞り径４３を形成する辺４４ｘと、最少絞り部４４から中間絞り部４５へ遷移する辺４４ｙとの角が形成されている。
本実施形態では、周方向Ｄｃに並ぶ複数の音響減衰器３０ａの数と、絞り４０ａの最少絞り部４４の数と、絞り４０ａの中間絞り部４５の数とが、互いに同数である。また、各音響減衰器３０ａは、いずれかの最少絞り部４４における周方向Ｄｃの端４４ｚから軸方向Ｄａに延びる各仮想線Ｌｖが通る領域Ｗ内に、配置されている。言い換えると、各音響減衰器３０ａの下流側には、いずれの最少絞り部４４の周方向Ｄｃの全体が存在している。
最小絞り部４４の周方向Ｄｃの端４４ｚの下流側、言い換えると絞り４０ａの角の下流側には、絞り４０ａの他の部分よりも激しい渦Ｓ１ａが形成されている。このため、各音響減衰器３０ａの下流側に、絞り４０ａの角が存在すると、音響箱３１ａから燃焼筒２０内に噴出した空気により予混合気体が冷却されてＣＯが発生したとしても、絞り４０ａの角の下流側で効率的に、このＣＯを燃焼させることができる。
従って、各音響減衰器３０ａの下流側に、絞り４０ａの少なくとも一の角が存在していれば、音響箱３１ａから燃焼筒２０内に噴出した空気に起因したＣＯが発生しても、このＣＯを効率的に燃焼させることができる。このため、例えば、図８に示しように、各音響減衰器３０ａの下流側に、いずれかの中間絞り部４５の周方向Ｄｃの全体が存在している場合でも、各音響減衰器３０ａの下流側に、絞り４０ａの少なくとも一の角が存在させれば、ＣＯを効率的に燃焼させることができる。
なお、本実施形態は、音響減衰器３０ａの下流側に絞り４０が配置されている例であるが、第二実施形態のように、軸方向Ｄａで音響減衰器が存在する領域内に絞りが配置されている場合や、第三実施形態のように、音響減衰器の上流側に絞りが配置されている場合でも、本実施形態の絞り４０ａを採用することで、同様の効果を得ることができる。
「燃焼器の第一変形例」
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、上記第一実施形態の燃焼器における貫通孔３３の貫通方向を変更したもので、そのたの構成は上記第一実施形態の燃焼器の構成と同一である。
本変形例の貫通孔３３ａは、径方向外側から径方向内側に向うに連れて次第に、上流側から下流側に向くよう、筒側箱形成板部３２を貫通している。このため、音響箱３１内から貫通孔３３ａを経て燃焼筒２０内に噴出した空気は、燃焼筒２０の内周面に沿って流れた後、絞り４０の表面にも沿って流れる。このため、本変形例では、音響箱３１内から噴出した空気により、絞り４０をフィルム冷却することができ、絞り４０の熱損傷を抑えることができる。絞り４０の表面に沿って流れた空気は、上記第一実施形態と同様、絞り４０の下流側に形成される渦Ｓ１中で、高温の燃焼ガスとが混じり合う。
「燃焼器の第二変形例」
燃焼器の第二変形例について、図１０を用いて説明する。
本変形例の燃焼器は、上記第一実施形態の燃焼器における絞り４０の形状を変更したもので、その他の構成は上記第一実施形態の燃焼器の構成と同一である。
上記第一実施形態における絞り４０は、最少絞り径４３の下流側に渦Ｓ１を形成するため、最少絞り径４３よりも下流側に絞り４０の一切の部分が存在していない。しかしながら、最少絞り径４３の下流側に渦Ｓ１を形成することができれば、最少絞り径４３よりも下流側に絞りの一部が存在してもよい。具体的に、絞りは、最少絞り径４３よりも下流側に、下流側に向かうに連れて次第に内径が次第に拡径されている拡径部を有してもよい。この絞り４０ｂは、例えば、燃焼筒２０の内周面に接続される上流側接続部４１と、上流側接続部４１と一体形成され、下流側に向かうに連れて内径が次第に縮径されている縮径部４２と、縮径部４２の下流端に接続され、下流側に向かうに連れて次第に内径が次第に拡径されている拡径部４６と、拡径部４６の下流端に接続され燃焼筒２０の内周面に接続される下流側接続部４７と、を有する。
最少絞り径４３は、縮径部４２の下流端の位置、言い換えると、拡径部４６の上流端の位置である。縮径部４２の表面に対する拡径部４６の表面の角度αは、最少絞り径４３の下流側に渦Ｓ１流を形成するため、例えば、１４５°以下であることが好ましい。なお、ここでは、絞り４０ｂを燃焼筒２０の内周面に接続するため、本変形例の絞り４０ｂは、上流側接続部４１と下流側接続部４７とを有しているが、上流側接続部４１と下流側接続部４７とのうち、一方の接続部を省略してもよい。
「燃焼器の第三変形例」
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、上記第一実施形態の燃焼器における、外部と共鳴空間３６の内部とを連通させる通路３５の位置を変更したもので、その他の構成は上記第一実施形態の燃焼器の構成と同一である。
上記第一実施形態において、外部と共鳴空間３６の内部とを連通させる通路３５は音響カバー３４に設けられている。しかしながら、共鳴空間３６の内部に外部から空気を供給できる通路であれば、この通路３５に限定されない。例えば、この通路３５の替りに、図１１に示すように、燃焼筒２０に通路３７を設けてもよい。この通路３７は、燃焼筒２０の外周面中であって音響減衰器３０ｂの音響カバー３４ｂで覆われていない部分で開口し、燃焼筒２０の外周面と内周面との間を通り、燃焼筒２０の外周面中であって音響カバー３０ｂで覆われている部分で開口している。
１：圧縮機、４：燃焼器、５：タービン、２０:燃焼筒、３０，３０ａ，３０ｂ:音響減衰器、３１，３１ａ:音響箱、３２,３２ａ：筒側箱形成板部、３３，３３ａ：貫通孔、３４，３４ａ，３４ｂ：音響カバー、３５，３７：通路、３６，３６ａ：共鳴空間、４０，４０ａ，４０ｂ：絞り、４１：接続部（上流側接続部）、４２，４２ａ：縮径部、４３：最少絞り径、４４：最少絞り部、４４ｚ：最少絞り部の端、４５：中間絞り部、４６：縮径部、４７：下流側接続部

Claims (10)

  1. 軸線回りに筒状を成し、内周側で燃料が燃焼する燃焼筒と、
    前記燃焼筒を形成する板の一部を含み、一部の前記板と共同して前記燃焼筒の外周側に空間を形成する音響カバーを有する音響減衰器と、
    前記軸線が延びる軸方向の一方側である上流側から他方側である下流側に向かうに連れて、前記燃焼筒内を流れる気体の流路を前記軸方向の一部で小さくしてから大きくする絞りと、
    を備え、
    前記音響減衰器の前記一部の板には、前記燃焼筒内から前記空間に貫通する１以上の貫通孔が形成され、
    前記絞りは、前記軸方向で前記音響減衰器が存在する領域内に配置されている、
    燃焼器。
  2. 軸線回りに筒状を成し、内周側で燃料が燃焼する燃焼筒と、
    前記燃焼筒を形成する板の一部を含み、一部の前記板と共同して前記燃焼筒の外周側に空間を形成する音響カバーを有する音響減衰器と、
    前記軸線が延びる軸方向の一方側である上流側から他方側である下流側に向かうに連れて、前記燃焼筒内を流れる気体の流路を前記軸方向の一部で小さくしてから大きくする絞りと、
    を備え、
    前記音響減衰器の前記一部の板には、前記燃焼筒内から前記空間に貫通する１以上の貫通孔が形成され、
    前記軸方向における前記音響減衰器に対する前記絞りの相対位置は、前記軸方向で、前記絞りの最少絞り径の位置から上流側及び下流側へ前記最少絞り径の半分である最少絞り半径分の距離の位置までの領域内に、前記音響減衰器の少なくとも一部の前記貫通孔が存在する位置であり、
    前記絞りは、前記音響減衰器よりも上流側に配置されている、
    燃焼器。
  3. 軸線回りに筒状を成し、内周側で燃料が燃焼する燃焼筒と、
    前記燃焼筒を形成する板の一部を含み、一部の前記板と共同して前記燃焼筒の外周側に空間を形成する音響カバーを有する音響減衰器と、
    前記軸線が延びる軸方向の一方側である上流側から他方側である下流側に向かうに連れて、前記燃焼筒内を流れる気体の流路を前記軸方向の一部で小さくしてから大きくする絞りと、
    を備え、
    前記音響減衰器の前記一部の板には、前記燃焼筒内から前記空間に貫通する複数の貫通孔が形成され、
    前記軸方向における前記音響減衰器に対する前記絞りの相対位置は、前記軸方向で、前記最少絞り径の位置から上流側及び下流側へ前記最少絞り半径分の距離の位置までの領域内に、前記音響減衰器の全ての前記貫通孔が存在する位置である、
    燃焼器。
  4. 軸線回りに筒状を成し、内周側で燃料が燃焼する燃焼筒と、
    前記燃焼筒を形成する板の一部を含み、一部の前記板と共同して前記燃焼筒の外周側に空間を形成する音響カバーを有する音響減衰器と、
    前記軸線が延びる軸方向の一方側である上流側から他方側である下流側に向かうに連れて、前記燃焼筒内を流れる気体の流路を前記軸方向の一部で小さくしてから大きくする絞りと、
    を備え、
    前記音響減衰器の前記一部の板には、前記燃焼筒内から前記空間に貫通する１以上の貫通孔が形成され、
    前記軸方向における前記音響減衰器に対する前記絞りの相対位置は、前記軸方向で、前記絞りの最少絞り径の位置から上流側及び下流側へ前記最少絞り径の半分である最少絞り半径分の距離の位置までの領域内に、前記音響減衰器の少なくとも一部の前記貫通孔が存在する位置であり、
    前記絞りには、前記最少絞り径の部分である最少絞り部と、前記最少絞り径よりも径が大きい中間絞り径の部分である中間絞り部とが、前記軸線を基準にした周方向で交互に形成されている、
    燃焼器。
  5. 請求項４に記載の燃焼器において、
    前記音響減衰器は、前記周方向に間隔をあけて複数配置され、
    複数の前記音響減衰器は、いずれも、複数の前記最少絞り部のうちのいずれかの最少絞り部における前記周方向の端から前記軸方向に延びる仮想線が通る領域内に配置されている、
    燃焼器。
  6. 請求項３から５のいずれか一項に記載の燃焼器において、
    前記絞りは、前記音響減衰器よりも下流側に配置されている、
    燃焼器。
  7. 請求項６に記載の燃焼器において、
    前記音響減衰器の貫通孔は、前記燃焼筒の外周側から内周側に向かうに連れて次第に下流側に向かうよう形成されている、
    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、
    前記音響減衰器の前記音響カバーには、外部から前記空間に貫通する１以上の通路が形成されている、
    燃焼器。
  9. 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、
    前記燃焼筒には、前記燃焼筒の外周面中であって前記音響カバーで覆われていない部分で開口し、前記燃焼筒の外周面と内周面との間を通り、前記燃焼筒の外周面中であって前記音響カバーで覆われている部分で開口する１以上の通路が形成されている、
    燃焼器。
  10. 請求項１から９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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