WO2019187559A1

WO2019187559A1 - 燃焼器及びそれを備えるガスタービン

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Publication number: WO2019187559A1
Application number: PCT/JP2019/002217
Authority: WO
Inventors: 勝義多田; 斉藤　圭司郎; 谷村　聡
Original assignee: 三菱日立パワーシステムズ株式会社
Priority date: 2018-03-26
Filing date: 2019-01-24
Publication date: 2019-10-03
Also published as: US11371707B2; CN111936790A; JP6941576B2; US20210088216A1; KR102396908B1; KR20200119875A; JP2019168198A; CN111936790B; DE112019000871T5

Abstract

低ＮＯ_Ｘ化を図りつつ、フラッシュバックを十分に抑制可能な燃焼器を提供する。本発明の燃焼器は、空気が充満する空気室１２１を内部に有するケーシング２０と、入口側が空気室１２１に接続し、出口側が燃焼室１２４に接続する混合流路１３４を内部に形成する混合流路形成部材１３１であって、混合流路１３４の入口側に形成された空気室１２１に連通する流入口１４２を有する混合流路形成部材１３１と、空気室１２１の内部に配置される燃料ノズル１３２であって、混合流路形成部材１３１の流入口１４２よりも上流側に位置し、下流側に向かって燃料を噴射するための燃料噴射孔１３３を有する燃料ノズル１３２とを備える。

Description

燃焼器及びそれを備えるガスタービン

　本発明は、燃焼器及びそれを備えるガスタービンに関する。

　例えばガスタービン用の燃焼器として、燃料を噴射するための燃料噴射孔が複数形成された円板部材を備える燃焼器が知られている。この燃焼器では、円板部材の中心軸方向に開口して上記の燃料噴射孔が形成され、燃料噴射孔を介して噴射された燃料が燃焼することにより、円板部材の中心軸方向に火炎が発生するようになっている。

　このような燃焼器として、特許文献１に記載の燃焼器が知られている。特許文献１に記載の燃焼器では、燃料噴射孔には、空気室と連通する混合管が接続される（特に、図４参照）。そして、混合管の内部において、空気室から供給された空気と、混合管の管壁に形成された燃料入口から供給された燃料とが合流する（特に、段落００２１参照）。さらに、混合管内部における空気と燃料との混合気体は、燃料噴射孔から噴射され、燃焼室内で燃焼される（特に、段落００２１参照）。

特開２０１０－２０３７５８号公報（特に、段落００２１、図４参照）

　特許文献１に記載の燃焼器では、混合管内部の空気流に対し、管壁に形成された燃料入口を通じて燃料が合流される。そのため、空気流の径方向及び周方向のそれぞれにおいて、燃料を満遍なく行き渡らせることが難しい。このため、混合管内部の径方向及び周方向のそれぞれにおいて燃料濃度に偏りが生じやすい。この結果、燃料噴射孔から燃料を噴射して燃焼室で燃焼させた場合、燃料の部分的な高濃度化に起因し、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）の生成量が増大し易くなる。

　また、燃料入口から混合管内部に燃料が供給されると、上記のように例えば径方向に満遍なく燃料を行き渡らせにくいため、管壁付近で燃料濃度が高くなり易い。これにより、燃料噴射孔から燃料を噴射して燃料室で燃焼させた場合、管壁付近の燃料濃度が高い部分に起因してフラッシュバック（逆火）が生じ易くなる。

　本発明はこのような課題に鑑みて為されたものであり、本発明の少なくとも一実施形態は、低ＮＯ_Ｘ化を図りつつ、フラッシュバックを十分に抑制可能な燃焼器及びそれを備えるガスタービンを提供することを目的とする。

　（１）本発明の一実施形態に係る燃焼器は、空気が充満する空気室を内部に有するケーシングと、入口側が前記空気室に接続し、出口側が燃焼室に接続する少なくとも１つの混合流路を内部に形成する混合流路形成部材であって、前記混合流路の入口側に形成された前記空気室に連通する流入口を有する少なくとも１つの混合流路形成部材と、前記空気室の内部に配置される燃料ノズルであって、前記混合流路形成部材の前記流入口よりも上流側に位置し、下流側に向かって燃料を噴射するための燃料噴射孔を有する少なくとも１つの燃料ノズルと、を備えることを特徴とする。

　上記（１）の構成によれば、混合流路において、燃料と空気とを十分に混合することができる。即ち、比較的広い空間である空気室の空気が比較的狭い流入口を通る際に、混合流路において縮流が生じる。また、流入口の上流側に位置する燃料噴射孔からは燃料が噴射され、噴射された燃料は流入口から空気とともに流入する。そして、混合流路において生じる縮流作用により、流入した燃料と空気とが混合流路において十分に混合される。この結果、混合流路での燃料濃度の偏りを抑制し、低ＮＯ_Ｘ化を図ることができる。また、混合流路の流入口よりも上流において燃料噴射孔より下流で空気が流入することで、流路壁付近で燃料高濃度化に起因するフラッシュバック（逆火）を抑制できる。

　（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記燃料噴射孔は、前記ケーシングの軸線方向に沿って前記上流側から前記下流側に視認した場合に、前記流入口を指向するように構成されることを特徴とする。

　上記（２）の構成によれば、流入口に燃料を流し易くできる。これにより、空気室内部への燃料の飛散量を抑制でき、燃料量制御による火炎制御を行い易くすることができる。

　（３）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、前記少なくとも１つの燃料ノズルは、第１燃料ノズルと、前記第１燃料ノズルに隣接して配置される第２燃料ノズルとを含む複数の燃料ノズルを含み、前記第１燃料ノズルが有する前記燃料噴射孔、及び前記第２燃料ノズルが有する前記燃料噴射孔の各々は、前記ケーシングの軸線方向に沿って前記上流側から前記下流側に視認した場合に、共通の前記流入口を指向するように構成されることを特徴とする。

　上記（３）の構成によれば、流入口に対して複数の燃料噴射孔から燃料を噴射できる。このため、混合流路における混合気体流れにおいて、径方向及び周方向の燃料濃度ムラを抑制できる。この結果、燃焼室で混合気体を燃焼させる際、火炎ムラの発生を抑制できる。

　（４）幾つかの実施形態では、上記（３）の構成において、前記少なくとも１つの燃料ノズルは、複数の燃料ノズルを含み、前記燃料ノズルが有する前記燃料噴射孔の各々は、前記ケーシングの軸線方向に沿って前記上流側から前記下流側に視認した場合に、共通の前記流入口を指向するように構成されるとともに、前記流入口の周方向において等間隔に設けられることを特徴とする。

　上記（４）の構成によれば、周方向で等間隔に燃料が噴射されるため、周方向の燃料濃度ムラをより十分に抑制できる。

　（５）幾つかの実施形態では、上記（１）～（４）の何れか１つの構成において、前記ケーシングは、前記燃焼室と前記ケーシング内部の前記空気室との間に形成される、前記燃料を貯留するための燃料室を内部に有することを特徴とする。

　上記（５）の構成によれば、空気室を避けるように燃料流路を形成でき、空気室の内部空間を十分に確保できる。そして、空気室の内部空間が十分に確保されることで、空気室から流入口への空気の流入が、混合流路形成部材の位置によらず、満遍なく行われ易くなる。この結果、混合流路ごとの空気流入量の偏りを特に十分に抑制できる。

　（６）幾つかの実施形態では、上記（５）の構成において、前記空気室と前記燃料室とを仕切る多孔板であって、前記空気室と前記燃料室とを連通する第１開口、及び前記空気室と前記混合流路とを連通する第２開口を含む多孔板をさらに備え、前記燃料ノズルは、一端側が閉塞し、他端側が開口された有底筒状に形成され、前記燃料ノズルの前記他端側の前記開口が、前記多孔板の前記第１開口に接続されることを特徴とする。

　上記（６）の構成によれば、簡便な構成で燃料室内部の燃料を、多孔板の第１開口を通じて、混合流路の流入口に供給できる。

　（７）幾つかの実施形態では、上記（１）～（４）の何れか１つの構成において、前記燃料ノズルは、一端側が前記燃料の供給源である燃料供給源に接続され、前記流入口と対面する他端側が閉塞された有底筒状に形成されることを特徴とする。

　上記（７）の構成によれば、それぞれの燃料ノズルの長さを、燃料ノズルごとに変更できる。これにより、燃料ノズルの長さに対応させて混合流路の長さを変更できる。この結果、共振を抑制して、燃焼器の燃焼振動を抑制し易くできる。

　（８）幾つかの実施形態では、上記（７）の構成において、前記少なくとも１つの混合流路は、複数の混合流路を含み、前記混合流路形成部材は、前記複数の混合流路の各々を形成する複数の混合管であって、互いに間隔をあけて設けられた複数の混合管を備えることを特徴とする。

　上記（８）の構成によれば、混合管間の隙間を通じて、空気を混合管の流入口に導くことができる。これにより、流入口の上流側に加えて下流側からも空気を混合管に供給でき、上記の縮流作用をより大きくできる。この結果、混合流路において、燃料と空気とをより十分に混合できる。

　（９）幾つかの実施形態では、上記（７）の構成において、前記少なくとも１つの混合流路は、複数の混合流路を含み、前記混合流路形成部材は、前記複数の混合流路の各々を仕切る複数の隔壁の集合によって構成された隔壁集合体を備えることを特徴とする。

　上記（９）の構成によれば、混合流路に不具合が生じた場合に、隔壁集合体の全体を交換することでその不具合を解消できるため、メンテナンスを容易に行うことができる。また、混合流路同士が隔壁で仕切られるため、無駄なスペースがなく、燃焼器の小型化を図ることができる。さらには、混合流路が密に形成されるため、１つの燃料ノズルを通じて、より多くの混合流路に燃料を供給できる。この結果、燃料ノズルの本数を削減できる。さらには、横風を受ける噴流に近い混合を生じさせることができ、特に十分な混合が可能となる。

　（１０）本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービンは、上記（１）～（９）の何れか１つに記載の燃焼器と、前記燃焼器に供給される前記空気を圧縮するための圧縮機と、前記燃焼器の前記燃焼室から排出された燃焼ガスにより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。

　上記（１０）の構成によれば、上記のように十分に混合された混合気体を燃焼させて、安定して運転可能なガスタービンを提供できる。

　本発明の少なくとも一実施形態によれば、低ＮＯ_Ｘ化を図りつつ、フラッシュバックを十分に抑制可能な燃焼器及びそれを備えるガスタービンを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るガスタービンを示す構成図である。燃焼器近傍を示す断面図である。燃焼器の燃料噴射孔近傍を拡大して示す斜視図である。燃焼器の燃料ノズル近傍を拡大して示す斜視図である。流入口から流入する燃料及び空気の流れを示す図である。燃料ノズル及び混合流路形成部材の配置を示す図である。燃料ノズル及び混合流路形成部材の配置を示す図であり、図６とは異なる実施形態を示す図である。本発明の二実施形態に係る燃焼器近傍を示す断面図である。本発明の二実施形態に係る燃焼器において、流入口から流入する燃料及び空気の流れを示す図である。本発明の三実施形態に係る燃焼器に備えられる燃料ノズル及び隔壁集合体の配置を示す図である。流入口から流入する燃料及び空気の流れを示す図である。燃料ノズル及び隔壁集合体の配置を示す図であり、図１０とは異なる実施形態を示す図である。本発明の四実施形態に係る燃焼器近傍を示す断面図である。

　以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、以下に実施形態として記載されている内容又は図面に記載されている内容は、あくまでも例示に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、任意に変更して実施できる。また、各実施形態は、２つ以上を任意に組み合わせて実施できる。さらに、以下で説明する各実施形態において、同じ部材については同じ符号を付すものとし、重複する説明は省略する。

　また、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
　例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
　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」、「具える」、「具備する」、「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。

　図１は、本発明の一実施形態に係るガスタービン１００を示す概略構成図である。図１に示すように、一実施形態に係るガスタービン１００は、燃焼器４に供給される酸化剤としての空気を圧縮（即ち圧縮空気を生成）するための圧縮機２と、圧縮空気及び燃料を用いて燃焼ガスを発生させるための燃焼器４（ガスタービン燃焼器）と、燃焼器４の燃焼室１２４（後記する）から排出された燃焼ガスにより駆動されるように構成されたタービン６と、を備える。発電用のガスタービン１００の場合、タービン６には発電機（図示しない）が連結され、タービン６の回転エネルギーによって発電が行われる。

　ガスタービン１００に備えられる燃焼器４では、燃料との空気との混合気体を燃焼させることで、上記の燃焼ガスが発生する。そして、詳細は後記するが、この燃焼器４では燃料と空気とを十分に混合できる。そのため、このような燃焼器４を備えるガスタービン１００では、上記のように十分に混合された混合気体を燃焼させることで、低ＮＯ_Ｘ化を図りつつ、ガスタービン１００の運転を安定して行うことができる。

　燃焼器４で燃焼される燃焼される燃料としては、水素、メタン、軽油、重油、ジェット燃料、天然ガス、ガス化した石炭等が挙げられ、これらの１種又は２種以上を任意に組み合わせて燃焼できる。

　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。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。

　燃焼器４は、ケーシング２０を備えて構成される。図１においては１つのみ図示するが、燃焼器４は、図示しないガスタービンケーシング（ケーシング２０の一部又は全部として構成されてもよい）の内部に、ロータ８を中心として環状に複数配置される。燃焼器４には燃料と圧縮機２で生成された圧縮空気とが供給され、燃料を燃焼させることによって、タービン６の作動流体である燃焼ガスが発生する。そして、燃焼ガスは燃焼器４から後段のタービン６に送られる。

　タービン６は、タービン車室２２と、タービン車室２２内に配置された各種の翼と、を備える。各種の翼は、タービン車室２２側に固定された複数の静翼２４と、静翼２４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２６と、を含む。タービン６においては、燃焼ガスが複数の静翼２４及ぶ複数の動翼２６を通過することで、ロータ８が回転駆動する。これにより、ロータ８に連結された発電機（図示しない）が駆動される。

　また、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を介して外部へ排出される。

　図２は、燃焼器４の近傍を示す断面図である。図２において一点鎖線は、ケーシング２０の軸線Ｌを示す。また、図２においては、図示の便宜上、混合流路形成部材１３１（混合管）の数を図３に示す形態よりも少なく記載している。

　燃焼器４は、上記のようにケーシング２０を備えて構成される。ケーシング２０の内部には筒部材１０５が配置され、筒部材１０５は、その周方向外壁に等間隔で配置された支持部材１０６により、ケーシング２０の内部に支持固定される。なお、支持部材１０６は、周方向に間隔を有して設けられる。また、ケーシング２０の内部には、筒部材１０５の後側に、空気流路１１０を通流して車室４０から流入した空気（圧縮空気）が充満する空気室１２１が形成される。

　筒部材１０５の内部には、第１支持板１１１と、第２支持板１１２と、第３支持板１１３とが間隔を有して配置される。第１支持板１１１と第２支持板１１２との間には、混合気体噴射孔１４１から噴射される混合気体中の燃料を貯留するための燃料室１２２が形成される。即ち、ケーシング２０は、燃焼器ライナ４６の内部に形成された燃焼室１２４とケーシング２０内部の空気室１２１との間に、燃料を貯留するための燃料室１２２を備える。なお、燃料室１２２から混合気体噴射孔１４１への燃料の供給は後記する。燃料室１２２には、燃料ポート５２と連通する燃料流路（図示しない）が接続されている。このため、燃料室１２２には、燃料ポート５２及び燃料流路を通じて燃料が供給される。

　上記の位置に燃料室１２２が形成されることで、空気室１２１を避けるように燃料流路を形成でき、空気室１２１の内部空間を十分に確保できる。具体的には例えば、燃料ポート５２と連通する燃料流路は、空気室１２１の外部を通り、空気流路１１０の途中で空気流路１１０を横断させることで、燃料室１２２に接続できる。なお、上記の支持部材１０６がこの燃料流路を兼ねるようにしてもよい。そして、空気室１２１の内部空間が十分に確保されることで、空気室１２１から流入口１４２への空気の流入が、混合流路形成部材１３１の位置によらず、満遍なく行われ易くなる。この結果、混合流路１３４ごとの空気流入量の偏りを特に十分に抑制できる。

　第２支持板１１２と第３支持板１１３との間には、冷却用空気室１２３が形成される。詳細は後記するが、第３支持板１１３の前側に燃焼室１２４が形成される。そのため、燃焼室１２４での燃料燃焼により、第３支持板１１３は高温になる。そこで、第３支持板１１３を冷却するための冷却用空気が、燃焼室１２４とは反対側に形成された冷却用空気室１２３に供給される。なお、冷却用空気室１２３への冷却用空気の供給は、冷却用空気供給系統（図示しない）を通じて行われる。また、第３支持板１１３を冷却した後の使用済み冷却用空気は、排気流路（図示しない）を通じて例えば燃焼室１２４に排気される。

　第１支持板１１１、第２支持板１１２及び第３支持板１１３は、円筒状に形成された筒部材１０５に嵌るようにいずれも円板状に構成される。第１支持板１１１、第２支持板１１２及び第３支持板１１３は、ケーシング２０の軸線Ｌに対し垂直、かつ、それぞれの中心点（図示しない）を軸線Ｌが通るように配置される。

　また、第１支持板１１１、第２支持板１１２及び第３支持板１１３は、いずれも図示しない貫通孔を有している。そして、当該貫通孔に管状の混合流路形成部材１３１が挿通されることで、混合流路形成部材１３１が第１支持板１１１、第２支持板１１２及び第３支持板１１３に支持される。

　混合流路形成部材１３１は、例えば金属製であり、管状に形成された混合管として構成される。そのため、１つの混合流路形成部材１３１に１つの混合流路１３４が形成される。そして、燃焼器４は複数の混合流路形成部材１３１（１つでもよい）を備えることで、複数の混合流路１３４が形成される。従って、混合流路形成部材１３１は、複数の混合流路１３４の各々を形成する複数の混合管として構成される。そして、当該複数の混合管（混合流路形成部材１３１）は、互いに間隔をあけて設けられることで、燃焼器４に備えられる。

　混合流路形成部材１３１は、その内部に、流入した燃料及び空気を混合するための混合流路１３４（図５参照）を備える。混合流路１３４の入口側（後側）は空気室１２１に接続し、出口側（前側）は燃焼室１２４に接続される。混合流路形成部材１３１は、ケーシング２０の軸線Ｌに沿ってケーシング２０の内部に少なくとも１つ備えられる。

　混合流路１３４の入口側には、空気室１２１に連通する流入口１４２が形成されており、流入口１４２を通じて、燃料及び空気が流入する。流入した燃料と空気とは上記の混合流路１３４において十分に混合され、混合気体が生成する。混合気体は、混合流路１３４の出口側に形成された混合気体噴射孔１４１を通じて燃焼室１２４に噴射される。

　図３は、燃焼器４の混合気体噴射孔１４１近傍を拡大して示す斜視図である。筒部材１０５の内部であって前側には、上記図２を参照しながら説明したように、円板状の第３支持板１１３が配置される。そして、第３支持板１１３には、混合管により構成された混合流路形成部材１３１が支持される。また、混合流路形成部材１３１内部の混合流路１３４の出口側には、少なくとも１つの混合気体噴射孔１４１が形成され、混合気体噴射孔１４１は燃焼室１２４（図３では図示しない）と連通する。これにより、混合気体噴射孔１４１から噴射された燃料は、図示しない着火源により着火され、燃焼室１２４の内部で燃焼する。

　また、ケーシング２０の内側かつ筒部材１０５の外側には、車室４０（図２参照）と空気室１２１（図２参照）とを連通する空気流路１１０が形成される。なお、筒部材１０５の前側には、上記の図２に示すように、燃焼器ライナ４６（図２参照）が配置される。従って、車室４０及び空気流路１１０と、混合気体噴射孔１４１と連通する燃焼室１２４とは、燃焼器ライナ４６により区画される。

　図２に戻って、第１支持板１１１は、空気室１２１と燃料室１２２とを仕切る多孔板により構成される。第１支持板１１１を構成する多孔板は、空気室１２１と燃料室１２２とを連通する第１開口１１１ａ（図２では図示しない、図５参照）、及び空気室１２１と混合流路１３４とを連通する流入口１４２（第２開口）を含んでいる。なお、空気室１２１と燃料室１２２とは、上記第１開口１１１ａに加えて、以下で説明する燃料ノズル１３２が有するノズル部噴射孔１３３を介して連通する。

　第１支持板１１１の後側には、例えば金属製の燃料ノズル１３２が接続される。従って、燃料ノズル１３２は、第１支持板１１１の後側に配置された空気室１２１の内部に配置されたものである。燃料ノズル１３２は、少なくとも１つ備えられる。燃料ノズル１３２は、混合流路形成部材１３１の流入口１４２よりも上流側に位置し、下流側に向かって燃料を噴射するノズル部噴射孔１３３（燃料噴射孔）を有する。燃料ノズル１３２について、図４を参照しながら説明する。

　図４は、燃焼器４の燃料ノズル１３２近傍を拡大して示す斜視図である。なお、図４では、燃焼器４に備えられる燃料ノズル１３２のうちの一部を抜き出して図示している。図４において示す実線矢印は、ノズル部噴射孔１３３から噴射された燃料の流れを示す。

　燃料ノズル１３２は、上記のように少なくとも１つ形成され、一端側（後側）が閉塞し、他端側（前側）が開口された有底筒状に形成される。そして、燃料ノズル１３２の他端側に形成された当該開口が、第１支持板１１１を構成する多孔板の第１開口１１１ａ（図４では図示しない、図５参照）に接続される。従って、燃料ノズル１３２の内部は、上記の燃料室１２２と連通する。このようにすることで、簡便な構成で燃料室１２２内部の燃料を、多孔板の第１開口１１１ａを通じて、混合流路１３４の流入口１４２に供給できる。

　燃料ノズル１３２の側面には、空気室１２１（図２参照、図４では図示しない）と連通するノズル部噴射孔１３３が形成される。ノズル部噴射孔１３３は、燃料室１２２の燃料を、第１支持板１１１に支持された混合流路形成部材１３１の流入口１４２に噴射するものである。ノズル部噴射孔１３３から燃料が噴射されると、噴射された燃料は、図４において実線矢印で示すように流入口１４２に至る。また、流入口１４２は、図４では図示しない空気室１２１と連通する。そのため、空気室１２１に充満する空気も、流入口１４２に至る。

　これらのように、流入口１４２を通じて燃料及び空気の双方が混合流路形成部材１３１の内部に流入することで、その内部に形成された混合流路１３４においてこれらが混合され、混合気体が生成する。そして、生成した混合気体は、混合流路１３４の下流側に形成された混合気体噴射孔１４１から燃焼室１２４に噴射され、燃焼される。

　図５は、流入口１４２から流入する燃料（実線矢印）及び空気（破線矢印）の流れを示す図である。図５において、空気流を示す破線矢印のうち、燃料ノズル１３２の内部に示した流れは、燃料ノズル１３２の周囲を通る空気流であるが、図示の便宜上、燃料ノズル１３２の内部を通るように示している。

　上記のように、流入口１４２から流入する燃料は、流入口１４２の上流側（後側）に位置するノズル部噴射孔１３３から噴射されたものである。一方で、流入口１４２から流入する空気は、流入口１４２が形成される空間である空気室１２１に充満したものである。従って、空気は、流入口１４２よりもずっと大きな空間を有する空気室１２１の内部から、流入口１４２に流入する。そのため、空気は、流入口１４２の周囲において様々な方向から流入口１４２に流入する。

　具体的には例えば、図５において破線で示すように、燃料ノズル１３２のノズル部噴射孔１３３のさらに上流側（後側）から流入口１４２に直線的に向かう空気流が生じるほか、ノズル部噴射孔１３３と流入口１４２との間の領域において上下方向から流入口１４２に曲線的に向かう空気流も生じる。そのため、様々な方向から混合流路１３４に空気が流入する。そうすると、混合流路１３４の流入口１４２近傍のＡ部において縮流が生じる。そして、生じた縮流によって、図５において実線矢印で示すように流入した燃料と、図５において破線で示すように流入した空気とが十分に混合される。

　即ち、上記のように比較的広い空間である空気室１２１の空気が比較的狭い流入口１４２を通る際に、混合流路１３４において縮流が生じる。また、流入口１４２の上流側に位置するノズル部噴射孔１３３（燃料噴射孔）からは燃料が噴射され、噴射された燃料は流入口１４２から空気とともに流入する。そして、混合流路１３４において生じる縮流作用により、流入した燃料と空気とが混合流路１３４において十分に混合される。この結果、混合流路１３４での燃料濃度の偏りを抑制し、低ＮＯ_Ｘ化を図ることができる。また、混合流路１３４の流入口１４２よりも上流においてノズル部噴射孔１３３より下流で空気が流入することで、流路壁付近で燃料高濃度化に起因するフラッシュバック（逆火）を抑制できる。

　図６は、燃料ノズル１３２及び混合流路形成部材１３１の配置を示す図である。この図は、ケーシング２０の軸線Ｌ（図２参照）方向に沿って、上流側から下流側（即ち後側から前側）に視認した場合の様子を示している。ただし、図６では、図示の都合上、第１支持板１１１の図示を省略している。

　この図６に示すように、燃料ノズル１３２の側面に形成された複数のノズル部噴射孔１３３は、いずれも流入口１４２を指向するように構成される。流入口１４２は上記のように空気室１２１に形成され、空気室１２１には、車室４０からの空気が流入する。そして、空気室１２１から流入口１４２に向かう空気流が形成される。そのため、上記の視認をした場合に、流入口１４２を指向するように燃料が噴射されることで、流入口１４２に燃料を流し易くできる。これにより、空気室１２１内部への燃料の飛散量を抑制でき、燃料量制御による火炎制御を行い易くすることができる。

　また、図６に示すように、本発明の一実施形態に係る燃焼器４では、１つの混合流路形成部材１３１の周囲に複数の燃料ノズル１３２が配置される。即ち、燃料ノズル１３２は、任意の燃料ノズル１３２（第１燃料ノズル）と、当該燃料ノズル１３２（第１燃料ノズル）に隣接して配置される燃料ノズル１３２（第２燃料ノズル）とを含む複数の燃料ノズル１３２を含む。そして、上記任意の燃料ノズル１３２（第１燃料ノズル）が有するノズル部噴射孔１３３、及び上記隣接する燃料ノズル１３２（第２燃料ノズル）が有するノズル部噴射孔１３３の各々は、上記の視認をした場合に、共通の流入口１４２を指向するように構成される。

　このようにすることで、流入口１４２に対して複数のノズル部噴射孔１３３（燃料噴射孔）から燃料を噴射できる。このため、混合流路１３４における混合気体流れにおいて、径方向及び周方向の燃料濃度ムラを抑制できる。この結果、燃焼室１２４で混合気体を燃焼させる際、火炎ムラの発生を抑制できる。

　さらに、上記のように、複数の燃料ノズル１３２におけるノズル部噴射孔１３３の各々は、上記の視認をした場合に、共通の流入口１４２を指向するように構成される。そして、それぞれのノズル部噴射孔１３３は、１つの流入口１４２の周方向において等間隔に設けられる。具体的には、図６に示す例では、４つのノズル部噴射孔１３３が、１つの流入口１４２の周方向に等間隔で配置される。このようにすることで、周方向で等間隔に燃料が噴射されるため、周方向の燃料濃度ムラをより十分に抑制できる。

　また、図６に示すように燃料ノズル１３２と混合流路形成部材１３１とを正方格子状に交互に配列することで、１つの燃料ノズル１３２によって４つの混合流路形成部材１３１に燃料を噴射できる。即ち、燃料ノズル１３２の軸線、及び、混合流路形成部材１３１の軸線が、上記視認をした場合に正方格子を構成する各交点の中心に交互に位置する。これにより、混合気体噴射孔１４１が等間隔に配置されるため、燃焼室１２４で混合気体を燃焼させる際、火炎ムラの発生を抑制できる。

　図７は、燃料ノズル１３２及び混合流路形成部材１３１の配置を示す図であり、図６とは異なる実施形態を示す図である。この図７に示す様子も、上記の図６に示す場合と同様に、ケーシング２０の軸線Ｌ（図２参照）方向に沿って、上流側から下流側（即ち後側から前側）に視認した場合を示している。

　この図７に示す配置形態では、燃料ノズル１３２と混合流路形成部材１３１とは、最密格子配列状に配置される。即ち、１つの燃料ノズル１３２の周囲には、等間隔で６つの混合流路形成部材１３１が配置される。このことを換言すれば、上記視認をした場合に、１つの燃料ノズル１３２の軸線の周囲に、６つの混合流路形成部材１３１の軸線が最密格子状に位置する。これにより、１つの燃料ノズル１３２から６つの混合流路形成部材１３１に燃料を噴射できる。この結果、周方向で等間隔に燃料が噴射されるため、周方向の燃料濃度ムラをより十分に抑制できる。また、燃料ノズル１３２の数を混合流路形成部材１３１の数よりも少なくできる。

　図８は、本発明の二実施形態に係る燃焼器４Ａ近傍を示す断面図である。上記の燃焼器４（図２参照）では、第１支持板１１１と第２支持板１１２との間に燃料室１２２が形成されていた。そして、燃料室１２２を仕切る第１支持板１１１の後側に、燃料室１２２と連通するノズル部噴射孔１３３を備える燃料ノズル１３２が備えられていた。しかし、図８に示す燃焼器４Ａでは、燃料室１２２が備えられず、空気室１２１を横断するようにしてケーシング２０の後側内壁２０ａから延びる燃料ノズル１３２が備えられる。燃料ノズル１３２は、燃焼室１２４で燃焼される燃料の供給源である燃料供給源（図示しない）に対し、燃料ポート５２を介して接続される。

　燃料ノズル１３２は、その一端側が上記燃料供給源に接続される。一方で、その他端側は、混合流路形成部材１３１の流入口１４２と対向している。そして、燃料ノズル１３２の当該他端側は、閉塞された有底筒状に形成される。また、燃料ノズル１３２の当該他端側の側面には、流入口１４２から流入する燃料を噴射するためのノズル部噴射孔１３３が形成される。なお、図８に示す燃料ノズル１３２においても、上記の燃焼器４に備えられる燃料ノズル１３２と同様に、周方向に等間隔で４つのノズル部噴射孔１３３が形成される。

　このような燃料ノズル１３２を備えることで、それぞれの燃料ノズル１３２の長さを、燃料ノズル１３２ごとに変更できる。これにより、燃料ノズル１３２の長さに対応させて混合流路１３４の長さを変更できる。この結果、共振を抑制して、燃焼器４Ａの燃焼振動を抑制し易くできる。

　また、燃焼器４Ａを構成するケーシング２０の後側内壁２０ａは、平面で構成された上記燃焼器４とは異なり、ケーシング２０の軸線Ｌに沿って前側に湾曲する曲面によって構成される。具体的には、後側内壁２０ａは、中央方向に向かって前側（ケーシング２０の内部）に張り出すような曲面により構成される。

　後側内壁２０ａをこのように構成することで、上下に配置された一方の空気流路１１０から空気室１２１に流入した空気が、他方の空気流路１１０の側に抜けることを抑制できる。これにより、空気流路１１０に最も近い流入口１４２から中央に配置された流入口１４２までのそれぞれの流入口１４２に対し、同程度の空気を流し込むことができる。この結果、それぞれの混合流路１３４において、混合ムラを抑制できる。

　さらに、燃焼器４Ａでは、混合流路形成部材１３１（混合管）が空気室１２１の内部に突出している。そして、混合流路形成部材１３１同士の間には隙間が形成されている。このように構成された混合流路形成部材１３１を備えることで、混合流路形成部材１３１同士の間の隙間を通じて、空気を混合流路形成部材１３１の流入口１４２に導くことができる。これにより、流入口１４２の上流側に加えて下流側からも空気を混合流路形成部材１３１に供給でき、上記の縮流作用をより大きくできる。この結果、混合流路形成部材１３１の内部において、燃料と空気とをより十分に混合できる。

　図９は、本発明の二実施形態に係る燃焼器４Ａにおいて、流入口１４２から流入する燃料及び空気の流れを示す図である。燃焼器４Ａにおいても、流入口１４２の上流側に燃料ノズル１３２が配置される。ただし、燃料ノズル１３２は、混合流路形成部材１３１の流入口１４２の少なくとも一部（図９に示す例では全部）が空気室１２１に露出するように空気室１２１に配置される。このようにすることで、燃料ノズル１３２のノズル部噴射孔１３３から燃料が噴射されたときに、噴射された燃料が流入口１４２から流入し易くできる。

　燃料ノズル１３２のノズル部噴射孔１３３からの燃料の噴射は、上記の燃焼器４と同様に、ケーシング２０の軸線Ｌ（図２参照）方向に沿って、上流側から下流側（即ち後側から前側）に視認した場合に、流入口１４２を指向するように行われる。これにより、流入口１４２からは、上記の燃焼器４において説明した内容と同様に、燃料及び空気が流入する。この結果、Ａ部において縮流を生じさせることができ、混合流路１３４において燃料と空気とを十分に混合できる。

　特に、図９に示す例では、図示の簡略化のために図示を省略するが、上記のような第１支持板１１１（図２参照）が備えられていないため、流入口１４２の前側においても流入口１４２に向かう空気流が形成される。即ち、混合管により構成された混合流路形成部材１３１の隙間を通る空気流が形成される。これにより、流入口１４２に対し、上記の燃焼器４と比べてより様々な方向からの空気流が形成される。この結果、Ａ部における縮流作用をより大きくし、混合流路１３４において燃料と空気とをより十分に混合できる。

　なお、図９に示す例では、燃料ノズル１３２の前端面と流入口１４２との間には、隙間が形成される。しかし、燃料ノズル１３２の前端面と流入口１４２とを接触させるようにしてもよい。この場合、例えば、燃料ノズル１３２の前端面に、流入口１４２の開口端の一部を嵌めることができるような溝を設け、この溝に流入口１４２の開口端の当該一部を嵌めるようにすることができる（所謂インロー嵌合）。このようにすることで、燃料ノズル１３２に対する流入口１４２の位置決めを容易に行うことができる。

　また、上記の燃焼器４Ａにおいて、混合流路形成部材１３１の前後方向の長さは、混合流路形成部材１３１に応じて変更してもよい。即ち、混合流路形成部材１３１の前後方向の長さは、混合流路形成部材１３１の全てで同じでもよく、異なっていてもよい。混合流路形成部材１３１の長さを混合流路形成部材１３１ごとに変更することで混合流路１３４の長さを混合流路１３４ごとに変更することができ、燃焼器４の燃焼振動を抑制し易くできる。

　図１０は、本発明の三実施形態に係る燃焼器４Ｂに備えられる燃料ノズル１３２及び隔壁集合体１６０の配置を示す図である。隔壁集合体１６０は、上記混合流路形成部材１３１としての混合管に代えて使用可能なものであり、複数の混合流路１３４を含むものである。従って、１つの隔壁集合体１６０（混合流路形成部材の一例）に複数の混合流路１３４が含まれる。隔壁集合体１６０は、複数の混合流路１３４の各々を仕切る複数の隔壁１６１の集合によって構成されたものである。

　隔壁集合体１６０は、ケーシング２０の軸線Ｌ（図２参照）方向に沿って、上流側から下流側（即ち後側から前側）に視認した場合に、正六角形状に形成された混合流路１３４を複数備える。即ち、隔壁集合体１６０はハニカム状に構成される。そして、上記視認をした場合に、任意の１つの開口部１６２と重なるようにして燃料ノズル１３２が配置される。一方で、燃料ノズル１３２には、周方向に等間隔でノズル部噴射孔１３３が６つ形成される。従って、６つのノズル部噴射孔１３３のそれぞれからは、燃料ノズル１３２が重なる開口部１６２の周囲に配置された６つの流入口１４２に燃料が噴射される。

　混合流路形成部材１３１として隔壁集合体１６０を備えることで、混合流路１３４に不具合が生じた場合に、隔壁集合体１６０の全体を交換することでその不具合を解消できるため、メンテナンスを容易に行うことができる。また、混合流路１３４同士が隔壁１６１で仕切られるため、無駄なスペースがなく、燃焼器４Ｂの小型化を図ることができる。さらには、混合流路１３４が密に形成されるため、１つの燃料ノズル１３２を通じて、より多くの混合流路１３４に燃料を供給できる。この結果、燃料ノズル１３２の本数を削減できる。さらには、横風を受ける噴流に近い混合を生じさせることができ、特に十分な混合が可能となる。

　図１１は、流入口１４２から流入する燃料及び空気の流れを示す図である。燃料ノズル１３２のノズル部噴射孔１３３からの燃料の噴射は、上記の視認をした場合に、隔壁集合体１６０の流入口１４２を指向するように行われる。ただし、隔壁集合体１６０の流入口１４２のうち、燃料は、燃料ノズル１３２と重なる開口部１６２の周囲に配置された６つ（図１０を併せて参照）の流入口１４２に指向して噴射される。これにより、６つの流入口１４２からは、上記の燃焼器４において説明した内容と同様に、燃料及び空気が流入する。この結果、Ａ部において縮流を生じさせることができ、混合流路１３４において燃料と空気とを十分に混合できる。

　図１２は、燃料ノズル１３２及び隔壁集合体１６０の配置を示す図であり、図１０とは異なる実施形態を示す図である。図１２に示す隔壁集合体１６０は、上記のハニカム状に構成された隔壁集合体１６０とは異なり、千鳥格子状に構成される。そして、図示は省略するが、図１２に示すように、任意の１つの開口部１６２と重なるように１つの燃料ノズル１３２が配置される。そして、燃料ノズル１３２には、周方向等間隔に６つのノズル部噴射孔１３３が形成される。このため、燃料は、燃料ノズル１３２と重なる開口部１６２の周囲に配置された６つの流入口１４２に指向して噴射される。これにより、６つの流入口１４２からは、上記の燃焼器４，４Ａ，４Ｂにおいて説明した内容と同様に、燃料及び空気が流入する。この結果、Ａ部（図１１参照）において縮流を生じさせることができ、混合流路１３４において燃料と空気とを十分に混合できる。

　図１３は、本発明の四実施形態に係る燃焼器４Ｃ近傍を示す断面図である。燃焼器４Ｃでは、筒部材１０５の前後方向の長さが上記の燃焼器４Ａ（図８参照）に備えられる筒部材１０５の長さよりも短くなっている。即ち、燃焼器４Ｃでは、筒部材１０５の後端が、支持部材１０６の設置位置とほぼ同じになっている。従って、燃焼器４Ｃにおける空気室１２１は、筒部材１０５とケーシング２０の内壁との間に形成される空気流路１１０が短くなる分、上記の燃焼器４Ａに形成される空気室１２１よりも大きくなっている。

　さらに、燃焼器４Ｃでは、筒部材１０５の後端とケーシング２０の後側内壁２０ａとの間に、邪魔板１７０が設置される。邪魔板１７０は、空気流路１１０の空気流と衝突する位置（空気流を遮るような位置）において、ケーシング２０の内壁面に支持される。

　車室４０から空気流路１１０に流入した空気は、ケーシング２０の内壁面に沿って空気流路１１０を流れ、空気室１２１に至る。このとき、空気室１２１には、空気流路１１０の空気流に衝突する位置に邪魔板１７０が設置されているため、空気室１２１に至った空気の流れは邪魔板１７０により変化する。具体的には、図１３において実線矢印で示すように、互いに間隔を有して配置された混合流路形成部材１３１同士の間の隙間を通って、空気室１２１全体に行き渡る。即ち、空気流路１１０の空気流が邪魔板１７０に衝突することで当該空気流が乱され、空気流路１１０を流れてきた空気は、混合流路形成部材１３１の隙間を通り、空気室１２１の全体に行き渡る。

　このような構成により、空気流路１１０から流出した空気を混合流路形成部材１３１の隙間を通らせて流入口１４２に至らせるまでの圧力損失に応じて、円筒状の筒部材１０５の半径方向での混合流路形成部材１３１の長さを調整し易くできる。この結果、流入口１４２から流入する空気の量を、同程度にし易くできる。そして、それぞれの混合流路１３４において混合される空気量を、同程度にし易くできる。

２　圧縮機
４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ　燃焼器
６　タービン
８　ロータ
１０　圧縮機車室
１２　空気取入口
１４　入口案内翼
１６，２４　静翼
１８，２６　動翼
２０　ケーシング
２０ａ　後側内壁
２２　タービン車室
２８　排気車室
３０　排気室
４０　車室
５２　燃料ポート
１００　ガスタービン
１０５　筒部材
１０６　支持部材
１１０　空気流路
１１１　第１支持板
１１１ａ　第１開口
１１２　第２支持板
１１３　第３支持板
１２１　空気室
１２２　燃料室
１２３　冷却用空気室
１２４　燃焼室
１３１　混合流路形成部材
１３２　燃料ノズル
１３３　ノズル部噴射孔（燃料噴射孔）
１３４　混合流路
１４１　混合気体噴射孔
１４２　流入口
１６０　隔壁集合体
１６１　隔壁
１６２　開口部
１７０　邪魔板

Claims

　空気が充満する空気室を内部に有するケーシングと、
　入口側が前記空気室に接続し、出口側が燃焼室に接続する少なくとも１つの混合流路を内部に形成する混合流路形成部材であって、前記混合流路の入口側に形成された前記空気室に連通する流入口を有する少なくとも１つの混合流路形成部材と、
　前記空気室の内部に配置される燃料ノズルであって、前記混合流路形成部材の前記流入口よりも上流側に位置し、下流側に向かって燃料を噴射するための燃料噴射孔を有する少なくとも１つの燃料ノズルと、を備える
　ことを特徴とする、燃焼器。
　前記燃料噴射孔は、前記ケーシングの軸線方向に沿って前記上流側から前記下流側に視認した場合に、前記流入口を指向するように構成される
　ことを特徴とする、請求項１に記載の燃焼器。
　前記少なくとも１つの燃料ノズルは、第１燃料ノズルと、前記第１燃料ノズルに隣接して配置される第２燃料ノズルとを含む複数の燃料ノズルを含み、
　前記第１燃料ノズルが有する前記燃料噴射孔、及び前記第２燃料ノズルが有する前記燃料噴射孔の各々は、前記ケーシングの軸線方向に沿って前記上流側から前記下流側に視認した場合に、共通の前記流入口を指向するように構成される
　ことを特徴とする、請求項２に記載の燃焼器。
　前記少なくとも１つの燃料ノズルは、複数の燃料ノズルを含み、
　前記燃料ノズルが有する前記燃料噴射孔の各々は、前記ケーシングの軸線方向に沿って前記上流側から前記下流側に視認した場合に、共通の前記流入口を指向するように構成されるとともに、前記流入口の周方向において等間隔に設けられる
　ことを特徴とする、請求項３に記載の燃焼器。
　前記ケーシングは、前記燃焼室と前記ケーシング内部の前記空気室との間に形成される、前記燃料を貯留するための燃料室を内部に有する
　ことを特徴とする、請求項１～４の何れか１項に記載の燃焼器。
　前記空気室と前記燃料室とを仕切る多孔板であって、前記空気室と前記燃料室とを連通する第１開口、及び前記空気室と前記混合流路とを連通する第２開口を含む多孔板をさらに備え、
　前記燃料ノズルは、一端側が閉塞し、他端側が開口された有底筒状に形成され、
　前記燃料ノズルの前記他端側の前記開口が、前記多孔板の前記第１開口に接続される
　ことを特徴とする、請求項５に記載の燃焼器。
　前記燃料ノズルは、一端側が前記燃料の供給源である燃料供給源に接続され、前記流入口と対面する他端側が閉塞された有底筒状に形成される
　ことを特徴とする、請求項１～４の何れか１項に記載の燃焼器。
　前記少なくとも１つの混合流路は、複数の混合流路を含み、
　前記混合流路形成部材は、前記複数の混合流路の各々を形成する複数の混合管であって、互いに間隔をあけて設けられた複数の混合管を備える
　ことを特徴とする、請求項７に記載の燃焼器。
　前記少なくとも１つの混合流路は、複数の混合流路を含み、
　前記混合流路形成部材は、前記複数の混合流路の各々を仕切る複数の隔壁の集合によって構成された隔壁集合体を備える
　ことを特徴とする、請求項７に記載の燃焼器。
　請求項１～９の何れか１項に記載の燃焼器と、
　前記燃焼器に供給される前記空気を圧縮する圧縮機と、
　前記燃焼器の前記燃焼室から排出された燃焼ガスにより駆動されるタービンと、を備える
　ことを特徴とする、ガスタービン。