JPH11237046A - ガスタービンの燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃焼器に供給される圧縮空気の流れを安定化
させ、燃焼器の燃焼性能を安定化させる。 【解決手段】 コンプレッサで圧縮された空気は、熱交
換器５で排気ガスから熱を受け取り、開口部４７，４８
からエアチャンバ４３内に流入する。エアチャンバ４３
内に流入した空気が、環状流路４２内に流入すると、そ
の環状流路４２内の空気の一部がスリット５１を通過し
てインナーライナ４０内部に流入する。その際、環状流
路４２の空気にスリット５１の形成方向に沿った流れが
生じ、一方向への螺旋状の旋回流となり、その流れが安
定する。そして、圧縮空気の旋回流は、スワーラ５３か
らインナーライナ４０内部に流入する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、発電機等に使用
されるガスタービンの燃焼器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のガスタービンとしては、図７に示
すものが知られている（特開平２−２３８１３２号公報
参照）。

【０００３】この図７に示す従来のガスタービン１は、
コンプレッサ２、燃焼器３、タービン４の基本コンポー
ネントから成り立ち、高温ガスによって駆動されるター
ビンロータ１１と低温ガスを加圧する遠心式コンプレッ
サインペラ１２とがシャフト１３を介して同軸上に連結
され、シャフト１３が一対の転がり軸受けを介して被駆
動部に連繋されるようになっている。

【０００４】タービン４から排出される高温排気ガス
は、図７中矢印で示すようにタービンハウジング２６か
らディフューザ２５を介してレキュペレータ（熱交換
器）５に流入し、排気ガスの熱を吸収して燃料消費率を
減らすようになっている。

【０００５】レキュペレータ５は、タービン４から送ら
れる高温排気ガスを通過させる流路（図示せず）がシャ
フト１３の軸方向に形成され、タービン４から排出され
る排気ガスの流れ方向に沿うように配置される。この排
気ガス流路に対してコンプレッサ２から送られる低温圧
縮空気を通過させる流路とが互いに伝熱壁を介して平行
に対向して形成される。

【０００６】レキュペレータ５と燃焼器３は互いに並列
に配置され、レキュペレータ５と燃焼器３を共に覆うチ
ャンバ２１が設けられ、コンプレッサ２から吐出される
低温圧縮空気がこのチャンバ２１内を通ってレキュペレ
ータ５に導かれる。

【０００７】コンプレッサ２から圧送される低温圧縮空
気は、図７中矢印で示すようにフランジ２２に形成され
た環状流路２３を通ってチャンバ２１内に流入する。チ
ャンバ２１は、フランジ２２の外周端に複数のボルト２
４を介して締結されている。

【０００８】レキュペレータ５にはチャンバ２１内に開
口する低温圧縮空気の流入口５Ａが形成され、この流入
口５Ａから流入してレキュペレータ５を通って加熱され
た圧縮空気は、ヘッダ５Ｃで曲げられた後、接合フラン
ジ５Ｂを介して燃焼器３に流入する。

【０００９】尚、この従来例では対向式レキュペレータ
５を用いたが、排気ガスと低温圧縮空気が互いに直交し
て交差する直交流式レキュペレータを用いたものもあ
り、その場合、燃焼器３に対する開口部が比較的に大き
くなる。

【００１０】燃焼器３では燃料噴射弁６から噴射された
燃料が燃焼して高温ガスとなり、燃焼器３から流出する
燃焼ガスは、流路２８で曲げられた後、タービンハウジ
ング外周壁３４の間で渦巻き状に画成される流路２９を
通ってタービンロータ１１に導かれて膨張し、タービン
ロータ１１に回転力を付与するようになっている。

【００１１】断熱材３３は、フランジ２２側に接合して
設けられ、タービンロータ１１に導かれる燃焼ガスを断
熱する。又、燃焼器３の端部に取り付けられるキャップ
３５には、燃料噴射弁６と点火栓７が取りつけられてい
る

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来のガスタービン１にあっては、例えば図２に示
すように、熱交換器５の２つの開口部４７，４８から流
出する予熱空気が燃焼器３に流入する際、２つの開口部
４７，４８からの流れが衝突し、燃焼器３入口（スワー
ラ部）の流れが、あるものは右旋回あるものは左旋回す
る構造となっていたため、不安定な流れの空気が供給さ
れ、製品毎の燃焼性能が安定しないという問題があっ
た。

【００１３】本発明は、このような問題を解決し得る燃
焼性能に優れたガスタービンの燃焼器を提供することを
目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、筒状
のインナーライナと、このインナーライナの外周側に同
心状に配置された筒状のアウターライナとを備え、これ
らインナーライナとアウターライナとの間の環状流路の
一端側にコンプレッサで圧縮された空気を導入すると共
に、この環状流路に導入した圧縮空気を環状流路の一端
側から他端側に案内し、前記環状流路の他端側に配置し
たスワーラを介してインナーライナの内部に導入するガ
スタービンの燃焼器において、前記インナーライナに開
口形成される希釈穴を、該希釈穴を通して前記環状流路
内の圧縮空気の一部がインナーライナ内に流入する際
に、前記環状流路内の圧縮空気に一方向の回転速度成分
が生じるような形状に形成したことを特徴としている。
ここで、希釈穴は、環状流路内の圧縮空気がインナーラ
イナ内に流れ込むことにより、環状流路内の圧縮空気の
流れが螺旋状の旋回流となるものであればよく、例え
ば、希釈穴形状を長穴状に形成して、その長穴のインナ
ーライナの周方向に離れた一端部と他端部とをインナー
ライナの軸方向にずらす構成が考えられる。このように
すれば、環状流路内を軸方向に流れる圧縮空気は、その
一部が相対的に上流側で、また一部が相対的に下流側
で、インナーライナ内に流入するので、両者間で周方向
の速度成分が発生する。つまり、常に一方向に定まった
回転速度成分が安定的に生じ、環状流路内の圧縮空気は
回転方向が定まった螺旋状に流れる。

【００１５】請求項２の発明は、前記請求項１の発明に
おいて、前記希釈穴が、前記環状流路の一端側から他端
側に延びるスリットであり、そのスリットが前記インナ
ーライナの軸方向に対して傾けて形成されたことを特徴
としている。この場合、スリットの形成方向に沿って圧
縮空気が旋回しようとし、安定した螺旋状の流れが発生
する。

【００１６】請求項３の発明は、前記請求項１の発明に
おいて、前記希釈穴が、複数の長穴をインナーライナの
一端側から他端側に向かって連続して形成してなる長穴
列であり、この長穴列が前記インナーライナの軸方向に
対して傾けて形成されたことを特徴としている。

【００１７】請求項４の発明は、前記請求項２の発明に
おいて、前記スリットが、前記環状流路の一端側から他
端側に向かうにしたがってスリット幅を漸次拡大するよ
うに形成されたことを特徴としている。

【００１８】請求項５の発明は、前記請求項３の発明に
おいて、前記長穴列の長穴が、前記環状流路の一端側か
ら他端側に向かうにしたがって穴幅を漸次拡大するよう
に形成されたことを特徴とする請求項３記載のガスター
ビンの燃焼器。

【００１９】請求項６の発明は、請求項１の発明におい
て、前記希釈穴が、インナーライナの軸方向に対して傾
けて形成された複数の長穴で構成されており、この複数
の長穴のそれぞれがインナーライナの周方向にずらされ
ると共に、隣り合う長穴の他端部と一端部とがインナー
ライナの軸方向にオーバーラップするように形成された
ことを特徴としている。この場合、長穴からインナーラ
イナの内部に流入する空気の流れがインナーライナの軸
方向に連続するため、環状流路内の空気流の旋回力を大
きくすることができる。尚、長穴は、インナーライナの
軸方向に対して傾けて形成されているため、やはり、そ
の形成方向に沿って、環状流路の空気の流れに旋回力を
作用させて、空気流を安定させることができる。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、インナーライナに形成
された希釈穴が環状流路に流入した空気をインナーライ
ナの内部に導入する際に、環状流路内の空気を螺旋状の
流れにし、環状流路の空気流を一方向に旋回させるの
で、環状流路を流れる空気流が安定し、燃焼器に流入す
る空気流が安定するため、燃焼器の燃焼性能のばらつき
が小さくなる。

【００２１】また環状流路内の空気流に遠心力が作用
し、環状流路内の圧縮空気がアウターライナ側に流れ、
圧縮空気が環状流路内で良く混合し、予熱空気温度が均
一になる。従って、インナーライナ自体の温度分布が均
一になり、インナーライナの寿命が向上する。又、本発
明によれば、環状流路内の空気が一方向の旋回流となる
ことにより、空気流の流速分布も一定となるため、希釈
穴からインナーライナに流入する空気にむらがなくな
る。従って、インナーライナの内部での燃焼が安定し、
インナーライナの内部にカーボンが付着し難くなり、排
気ガスの臭いが低減する。

【００２２】また、請求項３の発明によれば、希釈穴
が、複数の長穴からなる長穴列であるため、特に、請求
項２の場合に比較してインナーライナの強度を大きくす
ることができる。

【００２３】請求項４の発明によれば、スリットの一端
側よりも他端側の方がスリット幅が広くなるように構成
されているため、スリットの一端側と他端側の圧力差を
大きくすることができる。その結果、螺旋状に流れる空
気流の旋回力が強くなり、空気流をより一層安定させる
ことができ、燃焼器の燃焼性能もより一層安定させるこ
とができる。

【００２４】請求項５の発明によれば、長穴列の長穴
は、環状流路の一端側から他端側に向かうにしたがって
穴幅が漸次拡大するように形成されているため、インナ
ーライナの強度を大きくすることができる。又、この発
明は、請求項４の発明と同様に、長穴の一端側と他端側
の圧力差を大きくし、螺旋状に流れる空気流の旋回力を
大きくすることができるため、空気流をより一層安定さ
せることができ、燃焼器の燃焼性能もより一層安定させ
ることができる。

【００２５】請求項６の発明によれば、隣り合う長穴の
他端部と一端部とがインナーライナの軸方向にオーバー
ラップするように構成されており、長穴からインナーラ
イナの内部に流入する空気の流れがインナーライナの軸
方向に連続するため、請求項３の発明よりも環状流路内
の空気流の旋回力を大きくすることができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づき詳述する。

【００２７】［第１の実施の形態］図１は、本実施の形
態を示すガスタービンの要部断面図である。又、図２
は、熱交換器と燃焼器とを接続するエアチャンバの詳細
図（図１のＡ１−Ａ１線に沿う断面図）である。尚、本
実施の形態に係るガスタービンの基本的構成は、前記従
来のガスタービンと同様であるので、前記従来技術と重
複する構成の説明を省略して説明する。

【００２８】図１に示すように、燃焼器３のインナーラ
イナ４０とアウターライナ４１との間の環状流路４２が
エアチャンバ４３を介して熱交換器５のエア流路（図示
せず）に接続されている。このうち、インナーライナ４
０は、エアチャンバ４３を貫通して延びており、タービ
ン側の流路４４に接続されている。一方、アウターライ
ナ４１は、その一端部（図中左端部）がエアチャンバ４
３で支持されている。そして、インナーライナ４０とア
ウターライナ４１との間の環状流路４２の開口端（図中
左端）がエアチャンバ４３によって閉塞されるようにな
っている。即ち、環状流路４２がエアチャンバ４３の内
部空間に開口するようになっている。

【００２９】エアチャンバ４３は、図２に示すように、
頂部（図中上部）４６がインナーライナ４０と略同心の
円弧状に形成され、全体として略三角形状を呈してお
り、空気をエアチャンバ４３内に導入する開口部４７，
４８がインナーライナ４０の中心軸の左右方向略対象位
置に形成されている。即ち、開口部４７，４８は、環状
流路４２の径方向対象位置側にそれぞれ一対形成されて
いる。

【００３０】インナーライナ４０には、環状流路４２の
一端側４９から他端側５０に延びる希釈穴としてのスリ
ット５１が形成されている。このスリット５１は、イン
ナーライナ４０の軸方向に対して傾けて形成されてお
り、換言すれば、螺旋状に形成されている。これによ
り、環状流路４２を流れる空気の一部がインナーライナ
４０内部に導入される際に、スリット形成方向５２へ沿
った空気流れを生じさせるようになっており、スリット
５１の周辺空気を巻き込んで螺旋状の旋回空気流を生じ
させることができる。尚、スリット５１よりもインナー
ライナ４０の他端側の位置には、２次空気孔５４が同一
円周上に複数形成されている。

【００３１】次ぎに、本実施の形態の作用を説明する。

【００３２】図外のコンプレッサで圧縮された空気は、
エア流路（図示せず）を通過し、熱交換器５で排気ガス
から熱を受け取り、開口部４７，４８からエアチャンバ
４３内に流入する。この際、エアチャンバ４３内におい
ては、開口部４７，４８から流入する圧縮空気の流れが
衝突し、右旋回或いは左旋回の流れとなり、圧縮空気の
流れが不安定となる。しかし、本発明では、この圧縮空
気が、環状流路４２の一端側４９から軸方向に流れて、
その一部がスリット５１からインナーライナ４０内部に
流入する際に、スリット５１が、インナーライナ４０の
軸方向に対して傾けて形成されていることから、環状流
路４２内に一方向の回転速度成分が発生する。つまり、
環状流路４２からインナーライナ４０内部に流入する空
気がスリット５１周辺の空気を巻き込んでいくため、矢
印５２で示すスリット形成方向に沿って圧縮空気が旋回
しようとする。この流れは、その回転に伴う遠心力によ
って外周側つまりアウターライナ４１寄りの空気をも巻
き込んでいき、環状流路４２全体で安定した螺旋状の流
れが発生する。その結果、環状流路４２を流れる空気の
流れが非常に安定する。そして、環状流路４２内部にお
いて旋回流となった圧縮空気が遠心力によってアウター
ライナ４１側（外側）に流れ、熱交換器５によって予熱
された環状流路４２内の空気が良く混合する。そして、
スリット５１によって一方向旋回流となった圧縮空気
は、環状流路４２を他端側（図中右側）５０へ向かって
流れ、スワーラ５３からインナーライナ４０内部に流入
する。このインナーライナ４０内部に流入する旋回成分
をもった予熱空気は、燃料噴射弁６によって微粒化され
た燃料と混合し、グロープラグ７が点火されるとインナ
ーライナ４０内部において連続燃焼する。そして、この
インナーライナ４０内部において燃焼した高温・高圧ガ
スは、図７に示すように、流路２８で曲げられた後、タ
ービンハウジング外周壁３４の間で渦巻き状に画成され
る流路２９を通ってタービンロータ１１に導かれて膨張
し、タービンロータ１１に回転力を付与するようになっ
ている。その結果、動力がタービンのシャフト１３から
出力されることになる。

【００３３】以上のように、本実施の形態によれば、エ
アチャンバ４３から環状流路４２内に流入した圧縮空気
は、傾いたスリット５１の作用によって一方向に旋回す
るため、製品個々のばらつきを回避できるともに、遠心
力を伴ってアウターライナ４１側（外側）に流れること
から、熱交換器５で予熱された圧縮空気が環状流路４２
内で良く混合し、予熱空気温度が均一になる。従って、
インナーライナ４０自体の温度分布が均一になり、イン
ナーライナ４０の寿命が向上する。

【００３４】又、本実施の形態によれば、スリットの作
用によって環状流路４２内の空気が一方向の旋回流とな
り、空気流の流速分布も一定となるため、スリット５１
からインナーライナ４０に流入する空気にむらがなくな
る。従って、インナーライナ４０内部での燃焼が安定
し、インナーライナ４０内部にカーボンが付着し難いと
いう効果が生じる。

【００３５】特に、スリット５１による空気流の旋回方
向がスワーラ５３による空気流の旋回方向と同一になる
ように形成されていれば、環状流路４２から燃焼器内部
（インナーライナ４０内部）に流入する空気流がより一
層強い旋回流となるため、燃焼器３の燃焼性能が安定
し、燃焼器３毎の燃焼性能のばらつきを低減することが
できることはもちろんのこと、排気ガスの臭いや燃焼器
内部（インナーライナ４０内部）へのカーボンの付着を
も低減することができる。

【００３６】尚、上記第１の実施の形態において、スリ
ット５１のインナーライナ４０軸方向に対する傾斜角度
は、最も効果的な一方向空気流が生じるような角度に適
宜設定される。

【００３７】［第２の実施の形態］図３は、本実施の形
態を示すガスタービンの要部断面図である。以下、本実
施の形態について、前記第１の実施の形態と重複する構
成の説明を省略して説明する。

【００３８】即ち、本実施の形態における希釈穴は、複
数の長穴５５をインナーライナ４０の一端側４９から他
端側５０に向かって連続して形成してなる長穴列５６で
あり、この長穴列５６がインナーライナ４０の軸方向に
対して傾けて形成されている。このように構成された長
穴列５６は、環状流路４２の空気が長穴列５６を介して
インナーライナ４０の内部に導入される際に、環状流路
４２の空気を巻き込んで、長穴列方向５７の空気の流れ
を生じさせる。環状流路４２内における長穴列方向５７
の空気の流れは、インナーライナ４０の外周で一方向旋
回流となり、螺旋状に流れることになる。その結果、前
記第１の実施の形態と同様に、インナーライナ４０内部
での燃焼が安定すると共に、インナーライナ４０の寿命
が向上する。

【００３９】又、本実施の形態は、複数の長穴５５で希
釈穴としての長穴列５６を形成しており、各長穴５５が
所定の間隔をあけて連続形成されているため、前記第１
の実施の形態よりもインナーライナ４０の強度を大きく
することができる。

【００４０】［第３の実施の形態］図４は、本発明の第
３の実施の形態を示すガスタービンの要部断面図であ
る。以下、本実施の形態について、前記各実施の形態と
重複する構成の説明を省略して説明する。

【００４１】即ち、本実施の形態は、前記第１の実施の
形態の応用例であり、スリット５１の他端側端部６０の
幅寸法を一端側端部６１の幅寸法よりも大きくし、スリ
ット５１の一端側端部６１と他端側端部６０の圧力差を
大きくするように構成されている。その結果、本実施の
形態によれば、スリット形成方向５２の空気流れを強く
することができ、環状流路４２内を流れる空気流の旋回
力が強くなるため、空気流を一層安定させることがで
き、燃焼器３の燃焼性能もより一層安定させることがで
きる。

【００４２】［第４の実施の形態］図５は、本発明の第
４の実施の形態を示すガスタービンの要部断面図であ
る。以下、本実施の形態について、前記各実施の形態と
重複する構成の説明を省略して説明する。

【００４３】即ち、本実施の形態は、前記第２の実施の
形態の応用例であり、長穴列５６を構成する長穴５５が
一端側４９から他端側５０に向かうにしたがって穴幅を
拡大するように形成されている。その結果、本実施の形
態によれば、一端側４９の長穴５５と他端側の長穴５５
を通過する空気流の圧力差が大きくなり、長穴列５６形
成方向の空気流れを強くすることができ、環状流路４２
を螺旋状に流れる空気の旋回力が強くなるため、空気流
をより一層安定させることができ、燃焼器の燃焼性能も
より一層安定させることができる。尚、前記第２の実施
の形態と同様に、各長穴５５が所定の間隔をあけて形成
されているため、インナーライナ４０の強度を大きくす
ることができる。

【００４４】［第５の実施の形態］図６は、本発明の第
５の実施の形態を示すガスタービンの要部断面図であ
る。以下、本実施の形態について、前記各実施の形態と
重複する構成の説明を省略して説明する。

【００４５】即ち、本実施の形態は、希釈穴を構成する
複数の長穴５５がインナーライナ４０の軸方向に対して
傾けて形成されており、この複数の長穴５５が順次イン
ナーライナ４０の周方向にずらされると共に、隣り合う
長穴５５の他端部６３と一端部６４とがインナーライナ
４０の軸方向にオーバーラップするように形成されてい
る。

【００４６】このように、本実施の形態は、隣り合う長
穴５５の他端部６３と一端部６４とがインナーライナ４
０の軸方向にオーバーラップするように構成されてお
り、長穴５５からインナーライナ４０の内部に流入する
空気の流れがインナーライナ４０の軸方向に連続するた
め、即ち、空気流れ方向６５（インナーライナ４０の軸
方向）対して隙間無く流れることになるため、環状流路
４２内を流れる空気流の旋回力が前記第２の実施の形態
よりも大きくなる。

【００４７】したがって、本実施の形態によれば、前記
第２の実施の形態よりも燃焼器３の燃焼性能を向上させ
ることができる。尚、本実施の形態は、前記第２及び第
４の実施の形態と同様に各長穴５５，５５が所定の間隔
をあけて形成されているため、インナーライナ４０の強
度を第１の実施の形態よりも大きくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示すガスタービン
の要部断面図。

【図２】第１の実施の形態を示すエアチャンバの詳細図
（図１のＡ−Ａ線に沿う断面図）。

【図３】本発明の第２の実施の形態を示すガスタービン
の要部断面図。

【図４】本発明の第３の実施の形態を示すガスタービン
の要部断面図。

【図５】本発明の第４の実施の形態を示すガスタービン
の要部断面図。

【図６】本発明の第５の実施の形態を示すガスタービン
の要部断面図。

【図７】従来のガスタービンの側面側断面図。

【符号の説明】

２…コンプレッサ ３…燃焼器 ４０…インナーライナ ４１…アウターライナ ４２…環状流路 ４９…一端側 ５０…他端側 ５１…スリット（希釈穴） ５３…スワーラ ５５…長穴 ５６…長穴列（希釈穴） ６３…他端部 ６４…一端部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒状のインナーライナと、このインナー
   ライナの外周側に同心状に配置された筒状のアウターラ
   イナとを備え、これらインナーライナとアウターライナ
   との間の環状流路の一端側にコンプレッサで圧縮された
   空気を導入すると共に、この環状流路に導入した圧縮空
   気を環状流路の一端側から他端側に案内し、前記環状流
   路の他端側に配置したスワーラを介してインナーライナ
   の内部に導入するガスタービンの燃焼器において、 前記インナーライナに開口形成される希釈穴を、該希釈
   穴を通して前記環状流路内の圧縮空気の一部がインナー
   ライナ内に流入する際に、前記環状流路内の圧縮空気に
   一方向の回転速度成分が生じるような形状に形成したこ
   とを特徴とするガスタービンの燃焼器。
2. 【請求項２】 前記希釈穴が、前記環状流路の一端側か
   ら他端側に延びるスリットであり、そのスリットが前記
   インナーライナの軸方向に対して傾けて形成されたこと
   を特徴とする請求項１記載のガスタービンの燃焼器
3. 【請求項３】 前記希釈穴が、複数の長穴をインナーラ
   イナの一端側から他端側に向かって連続して形成してな
   る長穴列であり、この長穴列が前記インナーライナの軸
   方向に対して傾けて形成されたことを特徴とする請求項
   １記載のガスタービンの燃焼器。
4. 【請求項４】 前記スリットが、前記環状流路の一端側
   から他端側に向かうにしたがって漸次スリット幅が拡大
   するように形成されたことを特徴とする請求項２記載の
   ガスタービンの燃焼器
5. 【請求項５】 前記長穴列の長穴が、前記環状流路の一
   端側から他端側に向かうにしたがって穴幅を漸次拡大す
   るように形成されたことを特徴とする請求項３記載のガ
   スタービンの燃焼器。
6. 【請求項６】 前記希釈穴が、インナーライナの軸方向
   に対して傾けて形成された複数の長穴で構成されてお
   り、この複数の長穴のそれぞれが所定寸法ずつインナー
   ライナの周方向にずらされると共に、隣り合う長穴の他
   端部と一端部とがインナーライナの軸方向にオーバーラ
   ップするように形成されたことを特徴とする請求項１記
   載のガスタービンの燃焼器。