JP6654487B2 - 燃焼器、及びガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、燃焼器、及びガスタービンに関する。

一般的に、ガスタービンは、外気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機と、燃料を圧縮空気中で燃焼させることで高温高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼ガスによって回転駆動されるタービンと、を備えている。
ガスタービンの効率向上のためにはタービン入口温度の上昇が必要であるが、温度上昇に伴いＮＯｘが指数関数的に増加するという課題がある。ＮＯｘの増加に対する対策として、例えば、以下の特許文献１に開示されている燃焼器は、旋回流によって均一混合気を形成して局所的な高温領域の形成を抑制するバーナを備えている。
この燃焼器のバーナは、バーナ軸線に沿って延びる軸体であるノズルと、このノズルの外周を囲み、圧縮空気と燃料とを下流側に噴出するバーナ筒と、バーナ筒内の流体をバーナ軸線周りに旋回させる旋回羽根と、を備えている。

特開２００６−３３６９９６号公報

旋回が加えられた予混合気が燃焼する際、旋回流中心を火炎が遡上する現象（渦芯フラッシュバック）がしばしば生じることが知られている。渦芯フラッシュバックなどの異常燃料が発生すると、ノズルに火炎が付着し、熱損傷する恐れがあるため、この発生を抑えることが望まれている。

この発明は、渦芯フラッシュバックのような異常燃焼が発生した場合においても渦芯フラッシュバックを回避することができる燃焼器、及びガスタービンを提供することを目的とする。

本発明の第一の態様によれば、燃焼器は、軸線に沿って延びる軸体であって、前記軸体の内部において前記軸体の先端部まで前記軸線に沿って延びて圧縮空気が導入されているパージ空気流路と、前記軸体の先端部に形成されて前記パージ空気流路と前記軸体の外面とを接続する空気噴射孔と、を有する軸体、前記軸体の外周面から前記軸線の径方向に張り出して、前記軸線方向の下流側に流れる流体を前記軸線回りに旋回させる旋回羽根、及び燃料噴射孔を有するノズル本体と、前記空気噴射孔を封止し、前記ノズル本体を形成する金属よりも融点の低い金属によって形成されている封止部材と、を備える。

このような構成によれば、渦芯フラッシュバックのような異常燃焼が発生した場合においても空気噴射孔から圧縮空気がノズル本体の下流側に噴射されることによって、渦芯フラッシュバックを回避することが可能となる。これにより、渦芯フラッシュバックによる燃焼器の熱損傷を防止することができる。

上記燃焼器において、前記封止部材は、板状をなし、前記空気噴射孔の前記軸体の外面側の開口の周囲に形成され、前記封止部材を嵌め込むことが可能な凹部に接合されてよい。

このような構成によれば、使用条件や、ガスタービンの仕様に応じて、封止部材４０Ｄの板厚を変更することができる。即ち、渦芯フラッシュバックの発生時において、確実に溶融する封止部材とすることが容易となる。

本発明の第二の態様によれば、燃焼器は、軸線に沿って延びる軸体であって、前記軸体の内部において前記軸線に沿って延びて圧縮空気が導入されているパージ空気流路と、前記軸体の先端部に形成されて前記パージ空気流路と連通する内部空間と、を有する軸体、前記軸体の外周面から前記軸線の径方向に張り出して、前記軸線方向の下流側に流れる流体を前記軸線回りに旋回させる旋回羽根、及び燃料噴射孔を有するノズル本体を備え、前記軸体の先端部は、前記軸体の外面と前記内部空間の内面との間の厚さが前記軸体の他の部位より薄い薄肉部を有している。

このような構成によれば、渦芯フラッシュバックのような異常燃焼が発生した場合においても薄肉部が溶けて圧縮空気がメイン本体の下流側に噴射されることによって、渦芯フラッシュバックを回避することが可能となる。
また、使用条件や、ガスタービンの仕様に応じて、先端部の厚さを変更することができる。即ち、渦芯フラッシュバックの発生時において、確実に溶融する先端部とすることが容易となる。

本発明の第三の態様によれば、燃焼器は、軸線に沿って延びる軸体であって、前記軸体の内部において前記軸線に沿って延びて圧縮空気が導入されているパージ空気流路と、前記軸体の先端部に形成されて前記パージ空気流路と連通する内部空間と、を有する軸体、前記軸体の外周面から前記軸線の径方向に張り出して、前記軸線方向の下流側に流れる流体を前記軸線回りに旋回させる旋回羽根、及び燃料噴射孔を有するノズル本体を備え、
前記軸体の先端部は、前記軸体の外面と前記内部空間の内面との間の厚さが前記軸体の他の部位より薄い薄肉部を有し、前記薄肉部の厚さは、渦芯フラッシュバックのような火炎に曝された際に溶融するとともに、ガスタービンの通常運転時において溶融することのない厚さである。

このような構成によれば、渦芯フラッシュバックのような異常燃焼が発生した場合においても空気噴射孔から圧縮空気がノズル本体の下流側に噴射されることによって、渦芯フラッシュバックを回避することが可能となる。これにより、渦芯フラッシュバックによる燃焼器の熱損傷を防止することができる。
また、ノズル本体が渦芯フラッシュバックに曝された後も、繰返し弁装置を使用することができる。

本発明の第四の態様によれば、ガスタービンは、上記燃焼器と、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。

本発明によれば、渦芯フラッシュバックのような異常燃焼が発生した場合においても圧縮空気がノズル本体の下流側に噴射されることによって、渦芯フラッシュバックを回避することが可能となる。

本発明の第一の実施形態のガスタービンの構成を示す模式図である。 本発明の第一の実施形態のガスタービンの燃焼器周りの断面図である。 本発明の第一の実施形態の燃焼器の断面図である。 本発明の第一の実施形態のメインバーナの断面図である。 図４のＶ矢視図であって、本発明の第一の実施形態の空気噴射孔の配置を説明する図である。 本発明の第一の実施形態の第一の変形例の空気噴射孔の形状を説明する図である。 本発明の第一の実施形態の第二の変形例の空気噴射孔の形状を説明する図である。 本発明の第二の実施形態のメインノズルの断面図である。 本発明の第三の実施形態のメインノズルの断面図である。 本発明の第四の実施形態のメインノズルの断面図である。 本発明の第四の実施形態のメインノズルの断面図であって、開状態の弁装置を示す図である。

〔第一の実施形態〕
本発明の第一の実施形態のガスタービン１について図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態のガスタービン１は、空気Ａを圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機２と、燃料Ｆを圧縮空気中で燃焼させることで高温高圧の燃焼ガスを生成する複数の燃焼器３と、燃焼ガスによって回転駆動されるタービン４と、を備えている。

圧縮機２は、回転軸線Ａｒを中心として回転する圧縮機ロータ６と、圧縮機ロータ６を回転可能に覆う圧縮機ケーシング７と、を有している。タービン４は、回転軸線Ａｒを中心として回転するタービンロータ８と、タービンロータ８を回転可能に覆うタービンケーシング９と、を有している。
圧縮機ロータ６の回転軸線とタービンロータ８の回転軸線とは、同一直線上に位置している。圧縮機ロータ６とタービンロータ８とは、互いに連結されてガスタービンロータ１０を成している。圧縮機ケーシング７とタービンケーシング９とは、互いに連結されてガスタービンケーシング１１を成している。

ガスタービンロータ１０には、例えば、発電機ＧＥＮのロータが連結されている。ガスタービンケーシング１１には、燃焼器３が固定されている。

図２に示すように、燃焼器３は、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４に送る燃焼筒１３（又は尾筒）と、燃焼筒１３内に燃料Ｆ及び圧縮空気Ａを噴出する燃料噴出器１４と、を有する。

図３に示すように、燃料噴出器１４は、噴出した燃料を拡散燃焼させるパイロットバーナ１５と、噴出した燃料を予混合燃焼させるメインバーナ１６（ノズル本体）と、パイロットバーナ１５及びメインバーナ１６を保持するバーナ保持筒１７と、を備えている。

パイロットバーナ１５は、燃焼器軸線Ａｃを中心として軸線方向Ｄａに延びる軸体であるパイロットノズル１９と、このパイロットノズル１９の外周を覆うパイロットバーナ筒１８と、燃焼器軸線Ａｃを中心として圧縮空気Ａを旋回させる複数の旋回羽根２０と、を有している。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（図３の右側）、他方側を下流側（図３の左側）とする。また、燃焼器軸線Ａｃは、このパイロットバーナ１５のバーナ軸線でもある。

パイロットノズル１９の下流側端部には、噴射孔が形成されている。複数の旋回羽根２０は、噴射孔が形成されている位置よりも上流側に設けられている。各々の旋回羽根２０は、パイロットノズル１９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１８の内周面に接続されている。
パイロットバーナ筒１８は、パイロットノズル１９の外周に位置する本体部２１と、本体部２１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２２と、を有している。複数の旋回羽根２０は、パイロットバーナ筒１８における本体部２１の内周面に接続されている。パイロットバーナ筒１８内には、その上流側から圧縮機２で圧縮された圧縮空気Ａが流入する。パイロットバーナ筒１８は、その下流端から、圧縮空気Ａと共に、パイロットノズル１９から噴射された燃料を噴出する。この燃料は、燃焼筒１３内で拡散燃焼する。

複数のメインバーナ１６は、パイロットバーナ１５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１６は、燃焼器軸線Ａｃと平行なバーナ軸線Ａｂに沿って延びる軸体であるメインノズル２４と、このメインノズル２４の外周を覆うメインバーナ筒２５と、バーナ軸線Ａｂを中心として圧縮空気Ａを旋回させる複数の旋回羽根２６と、を有している。
なお、メインバーナ１６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に関する軸線方向と、バーナ軸線Ａｂに関する軸線方向とは同じ方向である。また、燃焼器軸線Ａｃに関する軸線方向の上流側は、バーナ軸線Ａｂに関する軸線方向の上流側であり、燃焼器軸線Ａｃに関する軸線方向の下流側は、バーナ軸線Ａｂに関する軸線方向の下流側である。
メインノズル２４は、例えば、ステンレス鋼材等の金属によって形成されている。メインノズル２４を形成する金属としては、融点が１０００℃以上の金属を採用することができる。

複数の旋回羽根２６は、メインノズル２４の軸線方向Ｄａにおける中間部に設けられている。メインバーナ筒２５は、メインノズル２４の外周に位置する本体部２７と、本体部２７の下流側に接続され下流側向かって延びる延長部２８と、を有している。
複数の旋回羽根２６は、メインバーナ筒２５における本体部２７の内周面に接続されている。複数の旋回羽根２６には、燃料（ガス燃料）を噴射するための複数の燃料噴射孔３８（図４参照）が形成されている。メインノズル２４内には、燃料が供給され、メインノズル２４から旋回羽根２６に燃料が供給される。

メインバーナ筒２５内には、その上流側から圧縮機２で圧縮された圧縮空気Ａが流入する。メインバーナ筒２５内では、この圧縮空気Ａと旋回羽根２６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２５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１３内で予混合燃焼する。

バーナ保持筒１７は、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２５の外周側を覆う。

燃焼筒１３は、燃焼器軸線Ａｃを中心として円筒状を成し、メインバーナ１６及びパイロットバーナ１５から噴出した燃料が燃焼する燃焼領域３０を形成する燃焼部３１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４の燃焼ガス流路内に導く燃焼ガス案内部３２と、を有する。燃焼筒１３の燃焼ガス案内部３２は、燃焼筒１３の燃焼部３１の下流側に形成されている。

図４に示すように、メインバーナ１６の各々の旋回羽根２６は、メインノズル２４の外周面から径方向に張り出して、メインバーナ筒２５の内周面に接続されている。旋回羽根２６は、下流側に流通する流体をバーナ軸線Ａｂ回りに旋回させるように形成されている。

メインノズル２４は、円柱状をなすメインノズル本体部３４と、メインノズル本体部３４の下流側に設けられた尖形の先端部３５と、を有している。先端部３５は、下流側に向かうに従って漸次細くなっている。換言すれば、先端部３５は、下流側の先端に向かうに従って先細りとなるテーパ状に形成されている。

旋回羽根２６は、メインノズル本体部３４の外周面に接続されているノズル側接続部４５と、メインバーナ筒２５の内周面に接続されている筒側接続部４６と、上流側より流れる流体をバーナ軸線Ａｂ周りに旋回させるために滑らかで連続したプロファイル面３７が形成されているプロファイル部３６と、を有している。なお、バーナ軸線Ａｂを中心とした周方向を以下では単に周方向Ｄｃとし、バーナ軸線Ａｂを中心とした径方向Ｄｒを以下では単に径方向Ｄｒとする。
旋回羽根２６には、燃料Ｆを噴射する複数の燃料噴射孔３８が形成されている。

メインバーナ１６は、旋回羽根２６の燃料噴射孔から燃料Ｆを噴射する燃料流路４１と、メインノズル２４の内部においてメインノズル２４の先端部３５までバーナ軸線Ａｂに沿って延びて圧縮空気Ａが導入されるパージ空気流路２９と、圧縮空気Ａが噴射される空気噴射孔３９と、空気噴射孔３９を封止する封止部材４０と、を有している。
パージ空気流路２９は、メインノズル２４の内部にバーナ軸線Ａｂに沿って延在している空気流路本体部２９ａと、空気流路本体部２９ａの下流側であってメインノズル２４の先端部３５の内部に形成されている拡径部２９ｂと、を有している。

パージ空気流路２９は、圧縮機（図１参照）にて生成される圧縮空気Ａが導入されている。パージ空気流路２９は、メインノズル２４の先端部３５の外面近傍まで延在している。拡径部２９ｂの軸線方向Ｄａから見た断面形状は、空気流路本体部２９ａの軸線方向Ｄａから見た断面形状よりも大きい。拡径部２９ｂは、メインノズル２４の先端部３５の外面に沿う形状となっていることが好ましい。

空気噴射孔３９は、メインノズル２４の先端部３５に形成されている。空気噴射孔３９は、パージ空気流路２９の拡径部２９ｂとメインノズル２４の先端部３５の外面とを接続している。図５に示すように、空気噴射孔３９は、バーナ軸線Ａｂの周方向に等間隔に３つ形成されている。空気噴射孔３９の数はこれに限ることはない。
空気噴射孔３９の軸線は、バーナ軸線Ａｂ側から径方向外側に向かうに従って下流側に向かうように傾斜している。空気噴射孔３９は、パージ空気流路２９を介して空気噴射孔３９に導入された圧縮空気Ａをメインノズル２４の下流側に向けて噴射するように指向されている。本実施形態の空気噴射孔３９の断面形状は円形である。

封止部材４０は、各々の空気噴射孔３９を塞ぐ部材である。封止部材４０の径方向外側を向く面は、メインノズル２４の先端部３５の外面と同一面をなすように形成されている。本実施形態の封止部材４０は、アルミニウム（Ａｌ）によって形成されている。本実施形態の封止部材４０は、アルミニウムろう材を溶かすことによって、空気噴射孔３９に埋め込まれている。
封止部材４０を形成する材料としては、これに限らず、メインノズル２４を形成する金属より融点が低い、融点が５００℃−６００℃の融点の低い金属を使用することができる。

次に、本実施形態のガスタービン１の動作及び作用について説明する。
圧縮機２は、外気を吸い込んでこれを圧縮する。圧縮機２で圧縮された空気は、燃焼器３のメインバーナ１６及びパイロットバーナ１５内に導かれる。メインバーナ１６及びパイロットバーナ１５には、燃料供給源から燃料が供給される。メインバーナ１６は、燃料と空気と予混合した予混合気体ＰＭを、燃焼筒１３の燃焼部３１内に噴出する。この予混合気体ＰＭは、燃焼部３１内で予混合燃焼する。また、パイロットバーナ１５は、燃焼筒１３の燃焼部３１内に、燃料と空気とをそれぞれ噴出する。この燃料は、燃焼部３１内で拡散燃焼または予混合燃焼する。前記の燃焼形態は、パイロットバーナ１５の燃料噴出部位を選択することによって、任意に変更することができる。燃焼筒１３の燃焼部３１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１３の燃焼ガス案内部３２によりタービン４の燃焼ガス流路内に導かれ、タービンロータ８を回転させる。

メインバーナ筒２５には、圧縮機２で圧縮された空気がその上流端から導入される。この空気は、メインバーナ筒２５内の複数の旋回羽根２６よりバーナ軸線Ａｂを中心として旋回する。燃料は、複数の旋回羽根２６の燃料噴射孔３８からメインバーナ筒２５内に噴射される。
旋回羽根２６から噴射された燃料Ｆと、旋回しつつ下流側に流れる空気Ａとは、メインバーナ筒２５内で予混合された後、予混合気体ＰＭとしてメインバーナ筒２５の下流端から燃焼筒１３内に噴出される。

複数の旋回羽根２６の燃料噴射孔３８からメインバーナ筒２５内に噴射された燃料Ｆは、複数の旋回羽根２６により形成される旋回流により、空気Ａとの混合が促進される。また、予混合気体ＰＭは、メインバーナ筒２５から旋回しつつ燃焼筒１３内に噴出することにより、この予混合気体ＰＭの燃焼により形成される予混合火炎の保炎効果が高まる。

ここで、例えば、旋回が加えられた予混合気体ＰＭが燃焼する際、渦芯フラッシュバックにより火炎が遡上することがある。７００℃以上の火炎である渦芯フラッシュバックがメインノズル２４に達すると、メインノズル２４を形成する金属よりも融点が低い、アルミニウムによって形成されている封止部材４０が溶ける。
これにより、空気噴射孔３９からは、パージ空気として圧縮空気Ａが噴射される。圧縮空気Ａが噴射されることによって、渦芯フラッシュバックが下流側に戻される。

上記実施形態によれば、渦芯フラッシュバックのような異常燃焼が発生した場合においても空気噴射孔３９から圧縮空気Ａがメインノズル２４の下流側に噴射されることによって、渦芯燃料濃度分布を下げて、渦芯フラッシュバックを回避することが可能となる。これにより、渦芯フラッシュバックによる燃焼器の熱損傷を防止することができる。

なお、上記実施形態では空気噴射孔３９の断面形状を円形としたがこれに限ることはない。例えば、図６に示す第一の変形例の空気噴射孔３９Ｂのように、バーナ軸線Ａｂの周方向に沿うスリット形状としてもよい。また、図７に示す第二の変形例のように、１本の空気噴射孔３９Ｃをバーナ軸線Ａｂに沿うように形成してもよい。

また、上記実施形態では、旋回羽根２６に燃料Ｆを噴射する燃料噴射孔３８を形成し、ここからメインバーナ筒２５内に燃料Ｆを噴射する。しかしながら、旋回羽根２６に燃料噴射孔３８を形成せず、別途燃料噴射孔を形成した部材を設けるなどしてもよい。

〔第二の実施形態〕
以下、本発明の第二の実施形態の燃焼器について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態では、上述した第一の実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
図８示すように、本実施形態の空気噴射孔３９Ｄは、噴射孔本体部４３と、メインノズル２４の外面側に形成されている板収容部４４と、を有している。

本実施形態の封止部材４０Ｄは、板状をなす金属板である。
板収容部４４は、空気噴射孔３９Ｄのメインノズル２４の外面２４ａ側の開口の周囲に形成され、封止部材４０Ｄを嵌め込むことが可能な凹部である。
板収容部４４は、噴射孔本体部４３の断面形状よりも大きく形成されている。板収容部４４は、金属板である封止部材４０Ｄに対応した形状をなしており、封止部材４０Ｄを板収容部４４に嵌め込んだ際に、封止部材４０Ｄの表面が、メインノズル２４の外面と略同一面上に配置されるように形成されている。

金属板である封止部材４０Ｄは、所定の厚みを有している。封止部材４０Ｄの平面形状は、円形としてもよいし、矩形としてもよい。封止部材４０Ｄは、板収容部４４に嵌め込まれた後、溶接等によって板収容部４４に接合される。
封止部材４０Ｄは、アルミニウム合金によって形成されている。封止部材４０Ｄを形成する材料としては、これに限らず、メインノズル２４を形成する金属より融点が低い、融点が５００℃−６００℃の融点の低い金属を使用することができる。

封止部材４０Ｄの厚さは、実験等によって適宜設定される。封止部材４０Ｄの厚さは、渦芯フラッシュバックのような火炎に曝された際に、確実に溶融するとともに、ガスタービンの通常運転時において溶融することのない厚さに設定されている。即ち、封止部材４０Ｄの厚さは、使用条件によって調整することができる。板収容部４４の深さは、封止部材４０Ｄの厚さに応じて適宜変更される。

上記実施形態によれば、使用条件や、ガスタービンの仕様に応じて、封止部材４０Ｄの板厚を変更することができる。即ち、渦芯フラッシュバックの発生時において、確実に溶融する封止部材とすることが容易となる。

〔第三の実施形態〕
以下、本発明の第二の実施形態の燃焼器について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態では、上述した第一の実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
図９に示すように、本実施形態のメインノズル２４は、円柱形状のメインノズル本体部３４と、先端側が薄板によって形成されて内部空間４７を有する先端部３５Ｅと、を有している。先端部３５Ｅとメインノズル本体部３４とは、例えば、溶接によって接合することができる。

先端部３５Ｅの内部空間４７は、パージ空気流路２９と連通している。
先端部３５Ｅの先端側は、例えば、厚さＴが２ｍｍ以下となるように形成されている。
換言すれば、先端部３５Ｅは、メインノズル２４の外面２４ａと内部空間４７の内面４７ａとの間の厚さＴがメインノズル２４の他の部位よりも薄い薄肉部４８を有している。

先端部３５Ｅにおいて厚さＴが２ｍｍ以下となるように形成する範囲は、実験等によって適宜設定される。先端部３５Ｅにおいて厚さＴが２ｍｍ以下となるように形成する範囲は、渦芯フラッシュバックのような火炎に曝された際に、確実に溶融するとともに、ガスタービンの通常運転時において溶融することのない厚さに設定されている。先端部３５Ｅの厚さＴは、使用条件によって調整することができる。

例えば、渦芯フラッシュバックにより火炎が遡上してメインノズル２４に達すると、メインノズル２４の他の部位よりも薄く形成されている先端部３５Ｅの薄肉部４８が溶ける。
これにより、パージ空気として圧縮空気Ａが噴射される。圧縮空気Ａが噴射されることによって、渦芯フラッシュバックが下流側に戻される。

上記実施形態によれば、渦芯フラッシュバックのような異常燃焼が発生した場合においても薄肉部４８が溶けて圧縮空気Ａがメインノズル２４の下流側に噴射されることによって、渦芯燃料濃度分布を下げて、渦芯フラッシュバックを回避することが可能となる。
また、使用条件や、ガスタービンの仕様に応じて、先端部３５Ｅの厚さＴを変更することができる。即ち、渦芯フラッシュバックの発生時において、確実に溶融する先端部３５Ｅとすることが容易となる。

〔第四の実施形態〕
以下、本発明の第四の実施形態の燃焼器について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態では、上述した第一の実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
図１０に示すように、本実施形態のメインノズル２４の先端部３５Ｆは、バーナ軸線Ａｂに沿って延在するように形成された筒状の内部空間４７Ｆと、内部空間４７Ｆとメインノズル２４の外面２４ａとを接続する空気噴射孔３９Ｆと、内部空間４７Ｆ内に設けられて空気噴射孔３９Ｆを開閉する弁装置４９と、を有している。

弁装置４９は、バーナ軸線Ａｂに沿って延在する弁軸５０と、弁軸５０の先端に設けられた弁体５１と、弁体５１の上流側に設けられた第一圧縮コイルばね５３と、弁体５１の下流側に設けられた第二圧縮コイルばね５４（熱伸び部材）と、を有している。

弁軸５０は、筒状の保持部材５５によって軸線方向Ｄａに進退自在に保持されている。保持部材５５は、内部空間の４７Ｆの上流側に設けられている支持部材５６によって支持されている。支持部材５６は、保持部材５５の外面と内部空間４７Ｆの内面とを接続する複数の棒状部材によって構成されている。

弁体５１は、弁軸５０が下流側に移動することによって、空気噴射孔３９Ｆの内部空間４７Ｆ側の開口５７を閉鎖する。即ち、空気噴射孔３９Ｆの内部空間４７Ｆ側の開口５７は、弁体５１に対応する弁座として機能する。弁体５１は、図１０に示すような空気噴射孔３８Ｆに密着する第一の位置と、図１１に示すような空気噴射孔３８Ｆから離間する第二の位置とに移動可能である。

第一圧縮コイルばね５３は、弁体５１を第一の位置の方向に付勢する付勢部材である。第一圧縮コイルばね５３は、弁体５１の上流側を向く面５１ａと支持部材５６との間に配置されている。第一圧縮コイルばね５３の径方向内周側には弁軸５０が挿通されている。即ち、弁軸５０が第一圧縮コイルばね５３のガイドとして機能する。
第一圧縮コイルばね５３の一方の座は弁体５１の裏側に当接し、第一圧縮コイルばね５３の他方の座は支持部材５６に当接している。これにより、第一圧縮コイルばね５３の弾性エネルギーは、弁体５１を下流側に移動させるように作用する。

第二圧縮コイルばね５４は、弁体５１の下流側を向く面５１ｂと内部空間４７Ｆの上流側を向く面４７ｂとの間に配置されている。第二圧縮コイルばね５４の一方の座は空気噴射孔３８Ｆの内部空間４７Ｆ側の開口５７の周縁に当接し、第二圧縮コイルばね５４の他方の座は弁体５１の下流側を向く面５１ｂに当接している。これにより、第二圧縮コイルばね５４の弾性エネルギーは、弁体５１を下流側に移動させるように作用する。
弁体５１の先端には、第二圧縮コイルばね５４のガイドとして機能するシャフト５８が設けられている。

第一圧縮コイルばね５３と第二圧縮コイルばね５４とは、ガスタービンの通常の運転時における圧縮空気Ａの温度（例えば、４５０℃）の雰囲気にて、弁体５１が空気噴射孔３８Ｆを閉じるように、バネ定数が選択されている。また、弁体５１の上流側を向く面５１ａに圧縮空気Ａの圧力が作用することによって、ガスタービンの通常の運転時においては、空気噴射孔３８Ｆは閉じられる。即ち、ガスタービンの通常の運転時においては、パージ空気流路２９を介して内部空間４７Ｆに供給される圧縮空気Ａは、空気噴射孔３８Ｆから噴射されることはない。

第二圧縮コイルばね５４を形成する金属の熱膨張率は、第一圧縮コイルばね５３を形成する金属の熱膨張率より高い。即ち、第二圧縮コイルばね５４は、温度の上昇によって第一圧縮コイルばね５３よりも膨張する。
具体的には、第一圧縮コイルばね５３と第二圧縮コイルばね５４の熱膨張率は、渦芯フラッシュバックにより火炎が遡上して、圧縮コイルばね５３，５４の周囲の雰囲気が７００℃まで上昇した場合に、第二圧縮コイルばね５４が第一圧縮コイルばね５３よりも熱伸して、弁体５１が空気噴射孔３９Ｆから離間するように選択されている。即ち、第二圧縮コイルばね５４は、熱伸びによって弁体５１を第二の位置に移動させる熱伸び部材として機能する。

図１１に示すように、例えば、渦芯フラッシュバックにより火炎が遡上してメインノズル２４に達すると、第二圧縮コイルばね５４が熱伸びすることによって、弁体５１が、空気噴射孔３９Ｆの内部空間４７Ｆ側の開口５７から離間する。
これにより、空気噴射孔３９Ｆを介してパージ空気として圧縮空気Ａが噴射される。圧縮空気Ａが噴射されることによって、渦芯フラッシュバックが下流側に戻される。
渦芯フラッシュバックが下流側に戻されることによって、圧縮コイルばね５３，５４の周囲の雰囲気の温度が低下する。これにより、第二圧縮コイルばね５４が縮んで、弁装置４９の弁体５１で空気噴射孔３９Ｆが閉鎖されることによって、圧縮空気Ａの噴出が停止する。

上記実施形態によれば、渦芯フラッシュバックのような異常燃焼が発生した場合においても空気噴射孔３９Ｆから圧縮空気Ａがメインノズル２４の下流側に噴射されることによって、渦芯燃料濃度分布を下げて、渦芯フラッシュバックを回避することが可能となる。これにより、渦芯フラッシュバックによる燃焼器の熱損傷を防止することができる。
また、メインノズル２４が渦芯フラッシュバックに曝された後も、繰返し弁装置４９を使用することができる。

なお、本実施形態では、渦芯フラッシュバックによって熱伸びする部材を圧縮コイルばねとしたがこれに限ることはない。圧縮コイルばねの代替として、複数の通風孔が形成された円筒状の部材を用いてもよい。
また、本実施形態の空気噴射孔３９Ｆ及び弁軸５０はバーナ軸線Ａｂに沿って延在しているがこれに限ることはない。空気噴射孔３９Ｆと弁軸５０とがバーナ軸線Ａｂに対して傾斜する一方向に延在する構成としてもよい。

以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、種々の変更を加えることが可能である。

１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン
１３ 燃焼筒
１４ 燃料噴出器
１５ パイロットバーナ
１６ メインバーナ（ノズル本体）
２４ メインノズル（軸体）
２６ 旋回羽根
２９ パージ空気流路
２９ａ 空気流路本体部
２９ｂ 拡径部
３４ メインノズル本体部
３５ 先端部
３８ 燃料噴射孔
３９ 空気噴射孔
４０ 封止部材
４１ 燃料流路
４３ 噴射孔本体部
４４ 板収容部（凹部）
４７ 内部空間
４８ 薄肉部
４９ 弁装置
５０ 弁軸
５１ 弁体
５３ 第一圧縮コイルばね
５４ 第二圧縮コイルばね（熱伸び部材）
５６ 支持部材
５８ シャフト
Ａ 空気
Ａｂ バーナ軸線
Ｄａ 軸線方向
Ｆ 燃料
ＰＭ 予混合気体

Claims (5)

1. 軸線に沿って延びる軸体であって、前記軸体の内部において前記軸体の先端部まで前記軸線に沿って延びて圧縮空気が導入されているパージ空気流路と、前記軸体の先端部に形成されて前記パージ空気流路と前記軸体の外面とを接続する空気噴射孔と、を有する軸体、前記軸体の外周面から前記軸線の径方向に張り出して、前記軸線方向の下流側に流れる流体を前記軸線回りに旋回させる旋回羽根、及び燃料噴射孔を有するノズル本体と、
   前記空気噴射孔を封止し、前記ノズル本体を形成する金属よりも融点の低い金属によって形成されている封止部材と、を備える燃焼器。
2. 前記封止部材は、板状をなし、前記空気噴射孔の前記軸体の外面側の開口の周囲に形成され、前記封止部材を嵌め込むことが可能な凹部に接合されている請求項１に記載の燃焼器。
3. 軸線に沿って延びる軸体であって、前記軸体の内部において前記軸線に沿って延びて圧縮空気が導入されているパージ空気流路と、前記軸体の先端部に形成されて前記パージ空気流路と連通する内部空間と、を有する軸体、前記軸体の外周面から前記軸線の径方向に張り出して、前記軸線方向の下流側に流れる流体を前記軸線回りに旋回させる旋回羽根、及び燃料噴射孔を有するノズル本体を備え、
   前記軸体の先端部は、前記軸体の外面と前記内部空間の内面との間の厚さが前記軸体の他の部位より薄い薄肉部を有し、
   前記薄肉部の厚さは、渦芯フラッシュバックのような火炎に曝された際に溶融するとともに、ガスタービンの通常運転時において溶融することのない厚さである燃焼器。
4. 軸線に沿って延びる軸体であって、前記軸体の内部において前記軸線に沿って延びて圧縮空気が導入されているパージ空気流路と、前記軸体の先端部に形成されて前記パージ空気流路と連通する内部空間と、前記軸体の先端部に形成されて前記内部空間と前記軸体の外面とを接続する空気噴射孔と、を有する軸体、前記軸体の外周面から前記軸線の径方向に張り出して、前記軸線方向の下流側に流れる流体を前記軸線回りに旋回させる旋回羽根、及び燃料噴射孔を有するノズル本体と、
   前記内部空間の内部に設けられて、前記空気噴射孔を開閉する弁装置であって、一方向に進退自在に保持されている弁軸と、前記弁軸の先端に取り付けられて前記空気噴射孔に密着する第一の位置と、前記空気噴射孔から離間する第二の位置とに移動可能な弁体と、前記弁体を前記第一の位置の方向に付勢する付勢部材と、前記弁体と前記空気噴射孔との間に配置され、前記付勢部材を形成する金属よりも熱膨張率の高い金属によって形成され、熱伸びによって前記弁体を前記第二の位置に移動させる熱伸び部材と、を有する弁装置と、を備える燃焼器。
5. 請求項１から請求項３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。

Images