JPH0457927B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はガスタービン燃焼器に関し、特に、窒
素酸化物（NOx）の排出量が少ない新規の改良
燃焼器に関する。

ガスタービンエンジンの運転中、窒素酸化物
（NOx）のような望ましくない汚染物がしばしば
発生する。NOxはエンジンの燃焼器内の空燃混
合気の燃焼の結果として燃焼器内に発生する。
NOxの発生量を低レベルに減らすことは環境保
護上望ましく、また政府の規則によつてそうする
ことが必要になつている。

ある燃焼器構造はNOx排出量を許容し得る程
度に減らすことがわかつているが、複雑であると
ともに製造費が高い。例えば、水噴射を用いる燃
焼器はNOx排出量の低減に有効であるが、貯槽
と水ポンプと給水マニホルドを必要とする。二段
過薄燃焼式燃焼器もNOx排出量の低減に有効で
あるが、このような燃焼器も複雑で高価である。

NOx排出量を減らし得る他の形状の燃焼器は
「濃薄」二段燃焼器である。代表的な濃薄燃焼器
は２つの燃焼域、すなわち、過濃域と過薄域を含
み、両域は冷却域によつて分離されている。冷却
域では、燃焼器の過濃ガスが過薄域に入る時に過
濃ガスを過薄するために空気が過濃ガスと混合さ
れる。「過濃」とは、ガスが１より大きな燃料対
空気等価比を有することを意味し、「過薄」とは、
ガスが１より小さな燃料対空気等価比を有するこ
とを意味する。過濃域と過薄域とにおける燃焼器
ガスの燃焼中のNOx発生率は比較的低い。しか
し、燃焼器ガスが過濃状態から過薄状態に遷移す
る冷却域におけるNOx発生率は比較的高い。

NOx発生率は時間に依存するので、濃薄燃焼
器内の燃焼器ガスが冷却域内で遷移状態にある時
間が少なければ少ない程、NOx発生量は少なく
なる。

しかし、現在の濃薄燃焼器は、燃焼器ガスを冷
却用空気の追加によつて過濃状態から過薄状態に
変えるのに要する時間を長くする傾向をもつ冷却
構造を用いる。例えば、噴流完全進入距離、すな
わち、冷却用空気が冷却域の両壁の冷却孔から冷
却域の中央まで移動しなければならない距離は、
多くの現在の燃焼器において比較的大きい。従つ
て、冷却空気は、燃焼器ガスと完全に混合するた
めには比較的長い距離移動しなければならず、そ
の結果、燃料対空気等価比を過薄値に減らすのに
要する時間が長くなる。

これに応じ、冷却用空気の噴流に比較的長い噴
流完全進入距離を移動するのに十分なエネルギー
を与えるために、燃焼器は小径ではなく大径の冷
却孔を用いる必要がある。空間と構造に制限があ
るので、用い得る冷却孔の数は、冷却孔が小径で
はなく大径を有する場合に少なくなる。比較的少
数の大径孔は、比較的多数の小径孔より、冷却空
気を燃焼器ガスと急速に混合する効果が少なく、
従つて、燃焼器ガスの燃料対空気等価比を過薄値
に減らすのに要する時間は長くなる。

従つて、比較的長い噴流完全進入距離と比較的
少数の大径孔とにより、燃焼中発生するNOxの
量は多くなる。

ある種の過薄燃焼装置は環状冷却域を用いる。
このような装置では、冷却空気は環状域の半径方
向内側壁と半径方向外側壁との冷却孔を通つて冷
却域に流入し得る。しかし、環状冷却域の壁間高
さは比較的大きく、完全混合のためには大径冷却
孔を要する。その結果、NOxの発生量は比較的
多い。

上記の問題を考慮し、本発明は、燃焼器内の環
状冷却域の壁間高さを減らすことにより冷却に要
する時間を減らすことによつて濃薄燃焼器内の
NOx発生量を減らすことを目的とする。

本発明の他の目的は、燃焼器の冷却域における
冷却孔数を増すことによつてやはり冷却時間を減
らすことにより濃薄燃焼器内に発生するNOxの
量を減らすことである。

本発明によるガスタービンエンジン用燃焼器は
軸線の周りに同心的に構成され、環状の第１段
と、この第１段の下流に配設された概して筒形の
第２段と、第１段と第２段の間に配設されて両段
間の連通に役立つ環状導流路とを包含する。この
導流路はその少なくとも片側の壁を貫通する複数
の冷却孔を有する。これらの冷却孔は、燃焼ガス
が前記導流路を通流する際に燃焼ガスの燃料対空
気等価比を減らすためのものである。前記導流路
は前記軸線から前記導流路の半径方向内側壁まで
の半径方向距離が前記軸線から第１段の半径方向
内側壁までの半径方向距離より大きいように配設
されている。この構成は燃焼ガスの燃料対空気等
価比の急速な減少を促進するので、燃焼中に発生
する窒素酸化物（NOx）の減量に有効である。

本発明の特定実施態様では、第１段と導流路の
半径方向内側壁は実質的に中空の中心体によつて
形成され、従つて、冷却空気は前記導流路の半径
方向外側壁を通るとともにその半径方向内側壁を
通つて前記導流路内に噴射される。

次に添付図面を参照して本発明を説明する。第
１図はガスタービンエンジン用の燃焼器１０の一
実施態様を示す。燃焼器１０は一点鎖線１２で示
す縦軸線の周りに実質的に同心的に構成されてい
る。燃焼器１０は環状の第１段１４と、第１段１
４の下流に配設された概して筒形の第２段１６
と、第１段１４と第２段１６の間に配設された環
状導流路１８とを包含する。導流路１８は燃焼器
１０の冷却域をなし、第１段１４と第２段１６間
の連通に役立つ。また導流路１８は、第１段を出
るすべて高温ガスが導流路１８を通らなければ第
２段に入れないように配設されている。

燃焼器内では燃料と空気が混合して燃焼し、そ
の結果生じた高温ガスから仕事のエネルギーが抽
出される。例えば、高温ガスはタービン（図示せ
ず）の動翼を通過してタービンを回転するように
導かれる。

燃焼用の燃料と空気は燃焼器１０の上流端を通
つて燃焼器内に導入される。燃料と空気を噴射を
する手段の一例を第１図と第２図に示す。すなわ
ち、複数の旋回カツプ２０が燃焼器１０の上流端
に周方向に配設され、また燃料噴射管２２によつ
て燃料が供給され旋回カツプ２０を通る。圧縮機
（図示せず）からの高圧空気が旋回カツプ２０に
流入し、そこで燃料と混合する。次いでこの空燃
混合気は燃焼器１０に入り、そこで燃焼する。も
ちろん、燃料と空気を燃焼器内に導入する他の多
くの装置を本発明の燃焼器と共に有効に使用で
き、第１図と第２図に示す装置は一例に過ぎな
い。

第１図に示すように、第１段１４と導流路１８
はそれぞれ半径方向内側壁２４，２６と半径方向
外側壁２８，３０を有する。第２段１６は半径方
向に面する壁３２を有する。好ましくは、第１段
１４と導流路１８との半径方向外側壁２８，３０
と、第２段１６の半径方向に面する壁３２は、燃
焼器１０のほぼ全長にわたつて延在する概して筒
形のライナ３４によつて形成される。第１段１４
と導流路１８の半径方向内側壁２４，２６は、軸
線１２の周りに同心的に設けた中心体３６によつ
て形成されることが好ましい。中心体３６は任意
の形状のものでよく、第１図にはその形状の一例
を示す。この例では、中心体３６はその上流端か
ら概して軸方向に軸線１２と平行に延在し次いで
ライナ３４に向かつて末広になり、こうしてライ
ナと共に第１段１４を画成する。次いで中心体３
６は軸方向に延在し、ライナ３４と共に導流路１
８を画成し、その後軸線１２に向かつて先細とな
り第２段１６の上流壁３８を形成する。

後述の理由により、導流路１８は、軸線１２か
ら導流路１８の半径方向内側部分すなわち半径方
向内側壁２６までの半径方向距離離が軸線１２か
ら第１段１４の半径方向内側部分すなわち半径方
向内側壁２４までの半径方向距離より大きいよう
に配設されている。また、環状導流体１８の壁間
高さ（annular height）、すなわち、半径方向内
側壁２６と半径方向外側壁３０との間の半径方向
距離が、第１段１４の壁間高さ、すなわち、半径
方向内側壁２４と半径方向外側壁２８との間の半
径方向距離より小さいことが好ましい。さらに、
第１図に示すような形状では、軸線１２から導流
路１８の半径方向外側壁３０までの半径方向距離
は軸線から第１段１４の半径方向外側壁２８まで
の半径方向距離より短くない。

また、後述の理由により、導流路１８はその少
なくとも片側の壁を貫通する複数の冷却孔を有す
る。第１図に示すように、導流路１８の半径方向
外側壁３０はそれを貫通する複数の冷却孔４０を
有する。好ましくは、中心体３６は実質的に中空
で、上流開端４２を有し、従つて、中心体はその
上流端から空気流を受入れ得る。導流路１８の半
径方向内側壁２６を形成する中心体３６の部分は
それを貫通する複数の冷却孔４４を有する。ま
た、第２段１６の上流壁３８を形成する中心体３
６の下流部分はそれを貫通する少なくとも１個の
希釈孔４８を有することが好ましい。

また、ライナ３４の外周には概して筒形のライ
ナ３４とケーシング５０との間に画成されている
ような空気通路が設けられ、導流路１８の半径方
向外側壁３０の冷却孔４０に空気を供給する。

上述の燃焼装置は普通「濃薄」燃焼器と呼ばれ
ているものである。燃料は燃料噴射管２２を通つ
て第１段１４に導入され、そして旋回カツプ２０
からの比較的少量の空気と混合される。燃料対空
気等価比、すなわち、燃料対空気比を燃料対空気
の化学量論比で割つたものは１より大きく、従つ
て、第１段１４はしばしば過濃段と呼ばれる。部
分的に燃焼したガスは下流に流れて導流路１８を
通り、そこで冷却空気と呼ばれる別の空気がガス
と混合する。燃焼は希釈空気を導入し得る第２段
内で完了する。第２段内の燃料対空気等価比は１
より小さく、従つて、第２段１６はしばしば過薄
属段と称される。

第３図は様々の初期混合状態における窒素酸化
物（NOx）発生率計算値と燃料対空気等価比と
の関係を示すグラフである。グラフからわかるよ
うに、NOx発生率は燃料対空気等価比が高い場
合と低い場合に低い。例えば、点Ａは第１段１４
における燃料対空気等価比の近似値を表し、点Ｂ
は第２段１６における燃料対空気等価比の近似値
を表す。グラフに見られるように、第１段１４と
第２段１６とにおけるNOx発生率は比較的低い。

しかし、第３図のグラフはまた、燃料対空気等
価比の中間値においてNOx発生率が高いことを
示す。例えば、グラフの点Ｃは、燃料対空気等価
比を高い値から低い値に変える期間中に、冷却域
をなす導流路１８内に存在している燃焼ガスの燃
料対空気等価比の近似値を表す。グラフからわか
るように、導流路１８内のNOx発生率は高い。

本発明の燃焼器１０は、導流路１８を通流中の
燃焼器ガスを急冷するように、すなわち、そのガ
ス内に別の空気を噴射するように構成され、これ
により燃料対空気等価比を急減させる。燃焼器ガ
スの燃料対空気等価比を第３図のグラフ上の点Ａ
から点Ｂに変え得る速度が急速であればあるほ
ど、燃料対空気等価比が点Ｃ近辺にある時間は少
なくなり、NOxの発生量は減少する。

第１図からわかるように、冷却用空気は、導流
路１８の半径方向外側壁３０の冷却孔４０を通
り、また好ましくは、導流路の半径方向内側壁２
６の冷却孔４４を通つて導流路１８内に噴射され
る。

燃焼器１０の第１段１４と第２段１６の特定寸
法は、燃焼器効率を最適にするために、導流路１
８が前記寸法に対応する特定の流れ断面積を有す
ることを必要とする。本発明の燃焼器は第１段１
４より流れ断面積の少ない「絞り」導流路１８を
含む。軸線１２から導流路の半径方向内側壁２６
までの半径方向距離を増すことにより、導流路１
８の特定流れ断面積を維持しながら導流路の壁間
高さを減らし得る。すなわち、環状導流路１８の
直径が大きければ大きいほど、一定の流れ断面積
を保つに要する導流路の壁間高さは減少する。

（即ち、環状導流路は同一の有効断面積を確保
するためには、その内壁（又は外壁）の半径が大
きいと壁間距離は短くてすみ、内壁（又は外壁）
の半径が小さいと壁間距離は長いことが必要であ
る。） 前述のように、本発明の燃焼器１０は比較的大
径、従つて、比較的小さな壁間高さを有する導流
路１８を含む。壁間高さが小さいことの利点は、
冷却孔４０，４４を通つて導流路１８内に噴射さ
れる冷却空気が燃焼ガスと完全に混合するために
移動すべき距離、すなわち完全進入距離が短くな
り、従つて、冷却空気がより急速に混合すること
である。さらに、所要完全進入距離が短くなる
と、冷却孔４０，４４の直径を減らし得る。その
結果、任意寸法の導流路１８に対し、大径冷却孔
より多数の小径冷却孔を導流路の半径方向内側壁
２６と半径方向外側壁３０に周方向に隔設し得
る。（本発明の大径燃焼器は環状流路の壁間距離
が短いので、小径の冷却孔でも十分に燃焼ガスと
混合することが出来るからである。）多数の小孔
は冷却空気と燃焼ガスとの急速な混合を促進す
る。最後に、導流路１８は絞り形であるので、燃
焼ガスの速度はガスが第１段１４から導流路を通
流する際上昇する。この速度上昇は冷却空気と燃
焼ガスの混合をより急速にする。

冷却空気と燃焼ガスとの急速な混合により、燃
焼ガスは高い燃料対空気等価比すなわち過濃混合
気から低い燃料対空気等価比すなわち過薄混合気
へと急速に変移する。第３図において、点Ａから
点Ｂに移る速度が高まることは、燃焼ガスがグラ
フ上の点Ｃ近辺において費す時間が少なくなるこ
とを意味し、その結果NOxの発生量が減少する。

第４図は本発明の他の実施態様を示す。燃焼器
５４のこの実施態様も濃薄燃焼器であり、外側ラ
イナと中心体の形状以外は第１図に示す燃焼器１
０と同様である。燃焼器５４は縦軸線５６の周り
に実質的に同心的に構成されており、環状の第１
段５８と、概して筒形の第２段６０と、環状導流
路６２とを含む。環状導流路６２は冷却域をな
し、第１段と第２段間の連通に役立つ。燃焼器５
４はライナ６４と中心体６６を含み、これらは第
１段５８と第２段６０と導流路６２とを画成す
る。またライナ６４と中心体６６はそれぞれを貫
通する冷却孔６７，６９を有する。

環状導流路６２の壁間高さは環状第１段５８の
壁間高さより小さく、そして軸線５６から導流路
６２の半径方向内側壁６８までの半径方向距離は
軸線５６から第１段５８の半径方向内側壁７０ま
ぜの半径方向距離より長い。

しかし、この形状では、ライナ６４は軸線５６
から導流路６２の半径方向外側壁７２までの半径
方向距離が軸線から第１段５８の半径方向外側壁
７４までの半径方向距離より短いように形成され
ている。この構成は、第１段５８を画成するライ
ナ６４の部分が導流路６２と第２段６０とを画成
するライナ部分より半径方向外方に張出すように
外側ライナ６４を形成することによつて得られ
る。同様に、第１段５８を画成する中心体６６の
部分は半径方向内方に張出すように形成され得
る。この半径方向に拡大した第１段５８は第１図
に示した形状の第１段１４より軸方向に短くされ
得るので、これに対応して、燃焼器５４の全長は
第１図に示した燃焼器１０の全長より短くなる。
従つて、第４図の形状は比較的短い燃焼器を要す
る場合に望ましいであろう。

導流路６２の下流にある中心体６６の部分は、
燃焼ガスを第２段６０内に効率良く流すように形
成される。例えば、第４図に示すように、中心体
６６は軸方向に長くされ、軸線５６に向つて緩や
かな傾斜で先細になるように形成され得る。しか
し、中心体の形は燃焼器内に生ずる作用状態に最
適となるように所望に応じて改変し得るものであ
ることに注意されたい。

燃焼器５４は第１実施態様の燃焼器１０と同様
に作用してNOx排出量を効果的に低減する。従
つて、その作用については説明を省略する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の特徴を包含する燃焼器の一実
施態様の断面図、第２図は第１図の線２―２に沿
う燃焼器の上流端の図、第３図は様々な燃料対空
気等価比に対する窒素酸化物発生率計算値のグラ
フ、第４図は本発明の特徴を包含する燃焼器の他
の実施態様の断面図である。 １０，５４…燃焼器、１４，５８…第１段、１
６，６０…第２段、１８，６２…環状導流路、２
０…旋回カツプ、２２…燃料噴射管、２４，７０
…第１段の半径方向内側壁、２６，６８…導流路
の半径方向内側壁、２８，７４…第１段の半径方
向外側壁、３０，７２…導流路の半径方向外側
壁、３２…第２段壁、３４，６４…ライナ、３
６，６６…中心体、３８…第２段の上流壁、４
０，４４，６７，６９…冷却孔、４８…希釈孔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 軸線の周りに同心的に構成された燃焼器であ
   つて、 (a) 半径方向内側壁と半径方向外側壁とによつて
   画成された環状の第１段を具備し、この第１段
   は燃料と空気をその中に噴射する手段を含み、 (b) 半径方向に面する壁によつて画成されそして
   前記第１段の下流に配設された概して筒形の第
   ２段を具備し、 (c) 半径方向内側壁と半径方向外側壁とによつて
   画成されそして前記第１段と前記第２段間に配
   設されて両段間の連通に役立つ環状導流路を具
   備し、この導流路はその少なくとも片側の壁を
   貫通する複数の冷却孔を有し、また前記導流路
   は、前記軸線から前記導流路の前記半径方向内
   側壁までの半径方向距離が前記軸線から前記第
   １段の前記半径方向内側壁までの半径方向距離
   より大きいように配設され、前記環状導流路の
   壁間高さは前記環状第１段の壁間高さより小さ
   い燃焼器。 ２ 前記第１段と前記導流路との前記半径方向内
   側壁は中心体によつて形成されている、特許請求
   の範囲第１項記載の燃焼器。 ３ 前記中心体は空気流を通すために実質的に中
   空であり、そして前記導流路の前記半径方向内側
   壁を形成する前記中心体の部分はそれを貫通する
   複数の前記冷却孔を有する、特許請求の範囲第２
   項記載の燃焼器。 ４ 前記中心体の前記下流部分はそれを貫通する
   少なくとも１個の希釈孔を有する、特許請求の範
   囲第３項記載の燃焼器。 ５ 前記中心体の前記下流部分は前記第２段の上
   流壁を形成する、特許請求の範囲第４項記載の燃
   焼器。 ６ 前記第２段は半径方向に面する壁を含み、こ
   の第２段壁と前記第１段の前記半径方向外側壁と
   前記導流路の前記半径方向外側壁は概して筒形の
   ライナによつて形成されている、特許請求の範囲
   第５項記載の燃焼器。 ７ 前記ライナは、前記導流路に隣接して前記ラ
   イナの周方向に隔設された複数の前記冷却孔を有
   する、特許請求の範囲第６項記載の燃焼器。 ８ 前記軸線から前記導流路の前記半径方向外側
   壁までの半径方向距離は前記軸線から前記第１段
   の前記半径方向外側壁までの半径方向距離より短
   くない、特許請求の範囲第７項記載の燃焼器。 ９ 前記中心体は、その上流端から概して軸方向
   に延在し次いで前記ライナに向かつて末広になつ
   て前記第１段を画成し、さらに軸方向に延在して
   前記導流路を画成し、次いで前記軸線に向かつて
   先細になつて前記第２段の前記上流壁を形成する
   ように形成されている、特許請求の範囲第８項記
   載の燃焼器。 １０ 前記軸線から前記導流路の前記半径方向外
   側壁までの半径方向距離は前記軸線から前記第１
   段の前記半径方向外側壁までの半径方向距離より
   短い、特許請求の範囲第４項記載の燃焼器。