WO2020262515A1 - 燃焼器及びガスタービン - Google Patents

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WO2020262515A1
WO2020262515A1 PCT/JP2020/024959 JP2020024959W WO2020262515A1 WO 2020262515 A1 WO2020262515 A1 WO 2020262515A1 JP 2020024959 W JP2020024959 W JP 2020024959W WO 2020262515 A1 WO2020262515 A1 WO 2020262515A1
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combustion cylinder
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axial
combustion
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信一 福場
智志 瀧口
裕太 石井
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三菱重工エンジン＆ターボチャージャ株式会社
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    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
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    • F02C7/10—Heating air supply before combustion, e.g. by exhaust gases by means of regenerative heat-exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • F23R3/10—Air inlet arrangements for primary air
    • F23R3/12—Air inlet arrangements for primary air inducing a vortex
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • F23R3/58—Cyclone or vortex type combustion chambers

Definitions

  • This disclosure relates to combustors and gas turbines.
  • a small gas turbine also called a micro gas turbine
  • it is desirable to provide a premixing chamber upstream of the combustion chamber to premix air and fuel in order to improve exhaust gas performance see, for example, Patent Document 1).
  • a premixing chamber extending along the axial direction of the combustion chamber is provided on the side of the cylindrical combustion chamber, and the combustion chamber is provided from the downstream side to the upstream side in the axial direction. It is configured to inject fuel. That is, in the gas turbine described in Patent Document 1, since the combustion chamber and the premixing chamber are arranged in the radial direction of the combustor, the radial dimension of the combustor tends to be large. For example, considering the use of a gas turbine as a range extender or a portable power source in an electric vehicle, it is desirable that the size of the gas turbine be as small as possible. In order to reduce the size of the gas turbine, it is conceivable to reduce the size of the combustor.
  • At least one embodiment of the present invention aims to suppress the size of the combustor.
  • the combustor according to at least one embodiment of the present invention is Combustion cylinder and
  • the combustion includes a scroll flow path extending in the circumferential direction of the combustion cylinder and an axial flow path extending in the axial direction of the combustion cylinder to connect the scroll flow path and the inside of the combustion cylinder.
  • a premixer tube located upstream of the cylinder in the axial direction,
  • a first fuel nozzle arranged on the upstream side in the circumferential direction of the scroll flow path and having an injection hole for injecting fuel in the scroll flow path, and a first fuel nozzle.
  • the injection holes are arranged at positions that overlap with the range in which the scroll flow path exists in the axial direction.
  • the size of the combustor increases in the radial direction of the combustion cylinder. It is possible to reduce the size of the combustor.
  • the scroll flow path has an area of the flow path cross section along the radial direction of the combustion cylinder from the upstream side in the circumferential direction to the downstream side in the circumferential direction. It is formed so as to gradually decrease.
  • the flow rate of the air-fuel mixture mixed in the scroll flow path flows through the scroll flow path by flowing into the combustion cylinder through the axial flow path. Decreases gradually toward the downstream side in the circumferential direction of the scroll flow path, but the area of the cross section of the flow path of the scroll flow path also gradually decreases toward the downstream side in the circumferential direction. The decrease in flow velocity is suppressed. Therefore, it is difficult to make a difference in the flow rate of the air-fuel mixture flowing from the axial flow path into the combustion cylinder depending on the position in the circumferential direction. Therefore, it is possible to prevent the combustion state in the combustion cylinder from being different depending on the position in the circumferential direction. As a result, the combustion state in the combustion cylinder becomes good, which can contribute to the improvement of the combustion efficiency of the combustor.
  • the center position of the flow path cross section along the radial direction of the combustion cylinder is changed from the circumferential upstream side to the circumferential downstream side. It is formed so as to move toward the downstream side in the axial direction of the combustion cylinder.
  • the scroll flow path gradually decreases as the area of the flow path cross section along the radial direction of the combustion cylinder increases from the upstream side in the circumferential direction to the downstream side in the circumferential direction. It is formed to do. Therefore, if the center position of the cross section of the flow path is not formed so as to move from the upstream side in the circumferential direction to the downstream side in the circumferential direction toward the downstream side in the axial direction of the combustion cylinder, the scroll flow path and the axial flow path are formed.
  • connection portion with the combustion cylinder moves from the upstream side in the circumferential direction to the downstream side in the circumferential direction, it moves to the upstream side in the axial direction of the combustion cylinder.
  • the axial position of the connection portion differs depending on the circumferential position, the length along the axial direction of the axial flow path differs depending on the circumferential position, so that the flow velocity of the air-fuel mixture flowing through the axial flow path differs.
  • the flow rate of the air-fuel mixture flowing from the axial flow path into the combustion cylinder may differ depending on the position in the circumferential direction.
  • the flow rate of the air-fuel mixture flowing into the combustion cylinder from the axial flow path is less likely to differ depending on the position in the circumferential direction, and the combustion state in the combustion cylinder is the position in the circumferential direction. It is possible to suppress the difference caused by. As a result, the combustion state in the combustion cylinder becomes good, which can contribute to the improvement of the combustion efficiency of the combustor.
  • the premixing tube has a tangential flow path that is connected to the upstream end of the scroll flow path in the circumferential direction and extends in the tangential direction of the scroll at the end.
  • the injection hole is arranged on the upstream side of the tangential flow path.
  • the injection hole has a distance from the end on the upstream side in the circumferential direction of the scroll flow path. It is arranged along the tangential direction of the scroll at the portion so as to be within twice the diameter of the scroll flow path at the end portion.
  • the position of the fuel nozzle can be brought closer to the inside in the radial direction of the combustion cylinder, so that the combustor can be miniaturized.
  • the axial flow path is formed in an annular shape along the circumferential direction.
  • a spark plug which is arranged in a central region surrounded by an annular shape on the outer side in the radial direction by the axial flow path, and for igniting a mixture of the fuel and air supplied into the combustion cylinder from the premixing pipe. Further prepare.
  • the configuration of (6) above since the air-fuel mixture flows into the combustion cylinder from the axial passage formed in an annular shape, on the axial upstream side of the combustion cylinder, in the region radially inside the axial passage. A circulating flow is generated in which the air-fuel mixture flows upstream in the axial direction.
  • the spark plug since the spark plug is arranged in the central region surrounded by the axial outer side in an annular shape by the axial flow path, it is possible to ignite the circulating flow of the air-fuel mixture as described above. it can. In the region where the circulating flow of the air-fuel mixture is generated as described above, the flow velocity of the air-fuel mixture is relatively slow. Therefore, by igniting the circulating flow as in the configuration of (6) above, the ignition reliability can be improved. improves.
  • a cooling air passage located lateral to the spark plug in the central region and through which cooling air for cooling the spark plug flows. Further prepare.
  • a second fuel nozzle which is located in the central region and supplies the fuel inside the combustion cylinder. Further prepare.
  • An outer cylinder portion that faces the outer peripheral surface of the combustion cylinder at a distance.
  • the outer cylinder portion has a first region facing the outer peripheral surface with a first interval and a second region downstream of the first region facing the outer peripheral surface with a second interval smaller than the first interval. Includes 2 regions.
  • the combustion cylinder can be cooled by flowing cooling air through the space between the first region and the second region of the outer cylinder portion and the combustion cylinder.
  • the second interval is smaller than the first interval
  • the flow velocity of the cooling air flowing in the space between the second region and the combustion cylinder is the cooling flowing in the space between the first region and the combustion cylinder. It becomes larger than the flow velocity of air. Therefore, the region of the combustion cylinder facing the second region with a second interval can be effectively cooled.
  • the outer cylinder portion includes a third region downstream of the second region and facing the outer peripheral surface with a third interval larger than the second interval.
  • the combustion cylinder has a plurality of openings formed in a region facing the third region.
  • the air flowing into the combustion cylinder from the plurality of openings has a velocity component toward the downstream side in the axial direction of the combustion cylinder (hereinafter referred to as an axial velocity component) and a velocity component toward the inside in the radial direction of the combustion cylinder (hereinafter referred to as an axial velocity component). Hereinafter, it is referred to as a radial velocity component).
  • the flow velocity of air flowing into the combustion cylinder from the space between the third region and the combustion cylinder through the plurality of openings is determined by the opening area of each of the plurality of openings, the number of openings, and the unit time. It is determined by the amount of air flowing into the combustion cylinder.
  • the amount of air is constant, increasing the flow velocity of the cooling air flowing through the space between the third region and the combustion cylinder, that is, the axial velocity component in the space, allows the combustion cylinder to enter the combustion cylinder through the plurality of openings.
  • the axial velocity component of the inflowing air is large, but the radial velocity component is small.
  • the axial velocity component of the cooling air flowing in the space between the third region and the combustion cylinder is reduced, the axial velocity component of the air flowing into the combustion cylinder from the plurality of openings becomes smaller, but the diameter.
  • the directional velocity component becomes large.
  • the third interval is larger than the second interval, so that the flow velocity of the cooling air flowing in the space between the third region and the combustion cylinder is different between the second region and the combustion cylinder. It is smaller than the flow velocity of the cooling air flowing through the space between them. As a result, the axial velocity component of the cooling air flowing in the space between the third region and the combustion cylinder can be reduced, and the penetrating force can be increased.
  • the combustion cylinder is formed with a plurality of notches extending in the axial direction from the end on the downstream side in the axial direction at intervals along the circumferential direction. A holding portion that holds the end portion by pressing the end portion from the radial outside or inside of the combustion cylinder. Further prepare.
  • the end portion on the downstream side in the axial direction of the combustion cylinder can be held by the holding portion by a simple configuration.
  • a guide member which is arranged on the upstream side in the circumferential direction of the scroll flow path and for rectifying the air flowing into the scroll flow path is further provided.
  • any of the configurations (1) to (12) above Further provided with a casing in which the premixing tube is arranged.
  • the casing has an air inlet portion for supplying air to the inside of the casing, and a side wall portion for covering the premixing pipe from the radial outside of the combustion cylinder and forming the air inlet portion.
  • the inlet end of the premixing pipe is arranged in a region of the inner region of the casing opposite to the region where the air inlet portion is located on the side of the axis of the combustion cylinder.
  • the flow rate of the air-fuel mixture in the scroll flow path is less affected by the flow velocity of the air flowing from the air inlet portion into the casing in the vicinity of the inlet end of the premixing pipe. Deviation is less likely to occur. As a result, deviations are less likely to occur in the flow of the air-fuel mixture flowing into the combustion cylinder via the axial flow path, so that the combustion state in the combustion cylinder is improved and the combustion efficiency of the combustor can be improved.
  • the injection holes are arranged in the opposite region.
  • the axial flow path is spaced apart in the radial direction of the combustion cylinder from the tubular outer wall portion arranged on the radial outer side of the combustion cylinder and the outer wall portion arranged on the radial inner side. It has a tubular inner side wall that is arranged apart, Of the outer wall portion and the inner side wall portion, at least the outer wall portion is formed so that the radial dimension gradually increases toward the downstream side in the axial direction in the region on the downstream side in the axial flow path. There is.
  • the upstream side in the axial direction of the combustion cylinder is from the axial passage.
  • a circulating flow in which the air-fuel mixture flows upstream in the axial direction is likely to occur.
  • the flow velocity of the air-fuel mixture becomes relatively slow, so that a state suitable for flame retention can be ensured.
  • the gas turbine according to at least one embodiment of the present invention is With the combustor according to any one of the above configurations (1) to (15), With a compressor to generate compressed air, A turbine configured to be rotationally driven by combustion gas from the combustor, To be equipped.
  • the gas turbine can be miniaturized.
  • the size of the gas turbine can be suppressed.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing an IV-IV arrow cross section of FIG. It is a figure which showed typically the cross section of VV in FIG. It is a schematic diagram which enlarged the vicinity of the premixing tube in FIG. It is a figure which shows typically the cross section which cut the vicinity of the upstream end of the premixing tube which concerns on some embodiments along the axial direction of the premixing tube. It is a schematic cross-sectional view for demonstrating the cooling air passage.
  • expressions such as “same”, “equal”, and “homogeneous” that indicate that things are in the same state not only represent the state of being exactly equal, but also have tolerances or differences that give the same function. It shall also represent the state of existence.
  • the expression representing a shape such as a quadrangular shape or a cylindrical shape not only represents a shape such as a quadrangular shape or a cylindrical shape in a geometrically strict sense, but also an uneven portion or chamfering within a range where the same effect can be obtained.
  • the shape including the part and the like shall also be represented.
  • the expressions “equipped”, “equipped”, “equipped”, “included”, or “have” one component are not exclusive expressions that exclude the existence of other components.
  • FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a power generation device including a gas turbine according to some embodiments.
  • the power generation device 1 shown in FIG. 1 is used, for example, as a range extender in an electric vehicle, a portable power source, or the like.
  • the power generation device 1 shown in FIG. 1 includes a gas turbine 2, a generator 7, and a heat exchanger 9.
  • the gas turbine 2 according to some embodiments is rotationally driven by a compressor 3 for generating compressed air, a combustor 10 for generating combustion gas using compressed air and fuel, and a combustion gas. It is equipped with a turbine 5 configured in.
  • a compressor wheel (not shown) and a turbine wheel of the turbine 5 are connected by a rotating shaft 8A.
  • the compressor 3 is rotationally driven by the rotational energy of the turbine 5 to generate compressed air.
  • the compressed air generated by the compressor 3 is supplied to the combustor 10 via the heat exchanger 9, which will be described later. Although details will be described later, a part of the compressed air generated by the compressor 3 according to some embodiments is supplied to the combustor 10 without passing through the heat exchanger 9.
  • the compressor 3 may be, for example, a centrifugal compressor.
  • Compressed air generated by the compressor 3 and heated by the heat exchanger 9 and fuel are supplied to the combustor 10 according to some embodiments, and the working fluid of the turbine 5 is burned by burning the fuel. Is to generate combustion gas. Then, the combustion gas is sent from the combustor 10 to the turbine 5 in the subsequent stage.
  • a detailed configuration example of the combustor 10 according to some embodiments will be described in detail later.
  • the turbine 5 is, for example, a turbine having a radial turbine wheel or a mixed flow turbine wheel (not shown).
  • the turbine 5 according to some embodiments is driven by the combustion gas generated by the combustor 10.
  • Turbine wheels (not shown) of the turbine 5 according to some embodiments are connected to the generator 7 by a rotary shaft 8B. That is, the generator 7 according to some embodiments is configured to generate electricity by the rotational energy of the turbine 5.
  • the combustion gas discharged from the turbine 5 is supplied to the heat exchanger 9.
  • the heat exchanger 9 according to some embodiments is configured to exchange heat between the combustion gas discharged from the turbine 5 and the compressed air supplied from the compressor 3. That is, in the heat exchanger 9 according to some embodiments, the compressed air supplied from the compressor 3 is heated by the combustion gas discharged from the turbine 5.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing a side surface of the combustor 10 according to some embodiments.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing the appearance of the combustor 10 according to some embodiments as viewed from the upstream side in the axial direction of the combustion cylinder 11 described later.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing an IV-IV arrow cross section of FIG.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing a cross section taken along the line VV of FIG.
  • FIG. 6 is an enlarged schematic view of the vicinity of the premixing tube 20 in FIG.
  • the combustor 10 includes a combustion cylinder 11 having a cylindrical shape, a premixing pipe 20 arranged on the axially upstream side of the combustion cylinder 11, a first fuel nozzle 31, and a second fuel nozzle. It includes 35 and a spark plug 41.
  • the combustor 10 according to some embodiments includes a casing 70 in which the premixing pipe 20 is arranged inside, and an outer cylinder portion 80 that faces the outer peripheral surface of the combustion cylinder 11 at a distance.
  • the direction along the axis AX of the combustion cylinder 11 is also referred to as the axial direction of the combustion cylinder 11 or simply the axial direction.
  • the circumferential direction of the combustion cylinder 11 is also simply referred to as the circumferential direction.
  • the radial direction of the combustion cylinder 11 is also simply referred to as the radial direction.
  • the upstream side along the direction in which the combustion gas flows is referred to as the axial upstream side.
  • the downstream side along the direction in which the combustion gas flows is referred to as the axial downstream side.
  • the combustion cylinder 11 has a cylindrical shape, and both ends in the axial direction are open.
  • the end portion 11a on the downstream side in the axial direction is held by the holding portion 90 (see FIG. 4).
  • the combustion cylinder 11 according to some embodiments is fixed to, for example, the outer cylinder portion 80 in the vicinity of the end portion 11b on the upstream side in the axial direction.
  • the outer cylinder portion 80 is a tubular member that faces the outer peripheral surface 11c of the combustion cylinder 11 at a distance.
  • the downstream side of the combustion cylinder 11 is connected to the turbine 5. Compressed air can flow between the combustion cylinder 11 and the outer cylinder portion 80 as described later, but details will be described later.
  • the premix tube 20 is arranged axially upstream of the combustion cylinder 11 as described above.
  • the premixing pipe 20 includes a scroll flow path 23 extending in the circumferential direction of the combustion cylinder 11, and a scroll flow path 23 extending in the axial direction of the combustion cylinder 11 and the combustion cylinder 11. Includes an axial flow path 25 that connects to the inside. Further, the premixing pipe 20 according to some embodiments is connected to the end portion 23a on the upstream side in the circumferential direction of the scroll flow path 23, and the tangential direction flow path 21 extending in the tangential direction of the scroll at the end portion 23a. including.
  • the tangential direction of the scroll is the direction in which the tangent to the line AXs passing through the center Cs of the cross section of the flow path along the radial direction of the combustion cylinder 11 in the scroll flow path 23 extends.
  • the center Cs of the cross section of the flow path is the center of gravity of the cross section of the flow path.
  • the inlet end of the premixing tube 20, that is, the inlet end 21a on the upstream side of the tangential flow path 21, is located in the inner region of the casing 70, which will be described later.
  • the region 70a where the air inlet portion 71, which will be described later, is located, is arranged in the region 70b on the opposite side of the axis AX of the combustion cylinder 11.
  • the scroll flow path 23 is formed so that the area of the flow path cross section along the radial direction of the combustion cylinder 11 gradually decreases from the upstream side in the circumferential direction to the downstream side in the circumferential direction.
  • the axial flow path 25 is a flow path formed in an annular shape along the circumferential direction.
  • the axially upstream end 25a of the axial flow path 25 is connected to an annular opening 23b on the axially downstream side wall of the scroll flow path 23.
  • the axially downstream end 25b of the axial flow path 25 is an annular opening and is located in the axially upstream region of the combustion cylinder 11.
  • the axial flow path 25 has a tubular outer wall portion 26 arranged radially outward and an outer wall portion 26 arranged radially inward.
  • the outer wall portion 26 and the inner side wall portion 27 are formed so that their radial dimensions gradually increase toward the downstream side in the axial direction in the region on the downstream side in the axial flow path 25.
  • the outer wall portion 26 and the inner side wall portion 27 only the outer wall portion 26 is formed so that the radial dimension gradually increases toward the downstream side in the axial direction in the region on the downstream side of the axial flow path 25. You may be.
  • a conical wall portion 28 formed so as to further increase the diameter from the outer wall portion 26 toward the downstream side in the axial direction is provided.
  • the downstream ends of the conical wall 28 are radially spaced from the inner peripheral surface 11d of the combustion cylinder 11.
  • the premixing tube 20 has an inner cylindrical portion 24 extending axially in a region radially inner of the scroll flow path 23.
  • the inner cylindrical portion 24 includes a part of the wall surface forming the scroll flow path 23 and the inner side wall portion 27 of the axial flow path 25.
  • the inner region of the inner cylindrical portion 24 is a region that is annularly enclosed radially outward by the axial flow path 25.
  • the region is also referred to as a central region 24a.
  • the spark plug 41, the cooling air passage 43, and the second fuel nozzle 35 are arranged in the central region 24a.
  • the spark plug 41 is located in the central region 24a and is a spark plug for igniting a mixture of fuel and air supplied from the premixing pipe 20 into the combustion cylinder 11.
  • the spark plug 41 is located at the axially downstream end of the inner cylindrical portion 24, i.e., the axially downstream end of the inner wall 27 of the axial flow path 25 in the central region 24a. Is located in.
  • the cooling air passage 43 is an air passage that is arranged on the side of the spark plug 41 in the central region 24a and through which cooling air for cooling the spark plug 41 flows. Details of the cooling air passage 43 will be described later.
  • a second fuel nozzle 35 which is located in the central region 24a and supplies fuel to the inside of the combustion cylinder 11, may be provided.
  • a fuel supply pipe 37 for supplying fuel to the second fuel nozzle 35 is connected to the second fuel nozzle 35, for example, as is well shown in FIGS. 4 and 6.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing a cross section in which the vicinity of the upstream end portion of the premixing pipe 20 according to some embodiments is cut along the axial direction of the premixing pipe 20.
  • a guide member 51 is provided on the upstream side of the scroll flow path in the circumferential direction and for rectifying the air flowing into the scroll flow path.
  • the guide member 51 is arranged near the inlet end 21a on the upstream side of the tangential flow path 21.
  • the guide member 51 is, for example, a short tubular member having a bell mouth shape whose radius increases as the inner peripheral surface moves toward the upstream side.
  • the guide member 51 can prevent the flow rate of the compressed air flowing through the scroll flow path 23 from being different depending on the position of the flow path cross section along the radial direction of the combustion cylinder 11. As a result, it is possible to prevent the mixed state of fuel and air in the scroll flow path 23 from being different depending on the position of the cross section of the flow path.
  • the first fuel nozzle 31 is arranged on the upstream side in the circumferential direction of the scroll flow path 23.
  • the first fuel nozzle 31 according to some embodiments has an injection hole 31a for injecting fuel into the scroll flow path 23.
  • injection hole 31a for injecting fuel into the scroll flow path 23.
  • FIGS. 5 to 7 only one injection hole 31a is shown in the first fuel nozzle 31, but the number of injection holes 31a may be one or two or more.
  • the premixing tube 20 comprises a casing 70 that is arranged internally.
  • the air inlet portion 71 for supplying compressed air from the compressor 3 and the premixing pipe 20 are covered from the radial outside of the combustion cylinder 11 inside the casing 70, and the air inlet is provided. It has a side wall portion 73 in which the portion 71 is partially formed, and a pair of wall portions 75 that cover the premixing pipe 20 from the axially outer side of the combustion cylinder 11.
  • an opening 75a is formed in the wall portion 75 on the downstream side in the axial direction.
  • the inner region of the casing 70 and the inner region of the combustion cylinder 11 communicate with each other through the opening 75a.
  • the region inside the casing 70 and the region surrounded by the inner peripheral surface 80a of the outer cylinder portion 80 and the outer peripheral surface 11c of the combustion cylinder 11 communicate with each other through the opening 75a.
  • the conical wall 28 is arranged so as to project from the opening 75a toward the downstream side in the axial direction.
  • the compressed air supplied from the compressor 3 and heated by the heat exchanger 9 flows into the inside of the casing 70 from the air inlet portion 71 as shown by the arrow a1 in FIG.
  • the compressed air that has flowed into the casing 70 mainly flows between the premixing pipe 20 and the pair of wall portions 75, as shown by arrows a2 and a3.
  • the compressed air flowing between the premixing pipe 20 and the wall portion 75 on the downstream side in the axial direction of the pair of wall portions 75 burns with the inner peripheral surface 80a of the outer cylinder portion 80 as shown by arrows a4 and a7.
  • the flow flows in the region surrounded by the outer peripheral surface 11c of the cylinder 11 and flows in the region surrounded by the inner peripheral surface 11d of the combustion cylinder 11 and the outer peripheral surface of the conical wall portion 28 as shown by arrows a5 and a8. It is divided into a flow and a flow flowing toward the inlet side of the premixing pipe 20 as shown by arrows a6, a9, and a10.
  • the compressed air flowing between the premixing pipe 20 and the wall portion 75 on the upstream side in the axial direction of the pair of wall portions 75 is on the inlet side of the premixing pipe 20 as shown by arrows a2, a11, and a12. Flow toward.
  • the compressed air flowing toward the inlet side of the premixing pipe 20 flows from the inlet 51a on the upstream side of the guide member 51 via the guide member 51 as shown by arrows a10 and a12, through the premixing pipe 20.
  • the tangential flow path 21 flows into the tangential flow path 21 from the ring between the outer peripheral surface 51b of the guide member 51 and the inner peripheral surface 21b of the tangential flow path 21.
  • the fuel F injected from the injection hole 31a of the first fuel nozzle 31 and the compressed air flowing into the premixing pipe 20 are premixed in the premixing pipe 20, mainly in the scroll flow path 23, and the air-fuel mixture is mixed. It becomes.
  • the air-fuel mixture flowing in the scroll flow path 23 flows along the inner peripheral surface of the conical wall portion 28 via the axial flow path 25 (see FIG. 6) as shown by the arrow g1 in FIG.
  • a part of the air-fuel mixture forms a circulating flow as shown by the arrow g5, and the rest forms a circulating flow flowing into the combustion cylinder 11 as shown by the arrow g2.
  • the air-fuel mixture is ignited by the spark plug 41 at the end of the inner cylindrical portion 24 on the downstream side in the axial direction, becomes combustion gas, and flows toward the downstream side in the axial direction of the combustion cylinder 11 as shown by the arrow g3. After that, the combustion gas is exhausted from the combustion cylinder 11 and flows into the turbine 5 as shown by the arrow g4.
  • the injection holes 31a are arranged at positions overlapping in the axial direction with the range A in which the scroll flow path 23 exists.
  • the premixing pipe 20 and the first fuel nozzle 31 do not have to be arranged on the side of the combustion cylinder 11, so that the size of the gas turbine 2 is prevented from increasing in the radial direction of the combustion cylinder 11. It is possible to reduce the size of the gas turbine 2. Further, since the first fuel nozzle 31 is arranged at the above position, it becomes easy to inject fuel into the scroll flow path 23 along the tangential direction of the scroll.
  • the first fuel nozzle 31 is arranged at the above position, the number of fuel nozzles can be suppressed.
  • the number of fuel nozzles at the above positions can be one.
  • the premixing tube 20 is connected to the end portion 23a on the upstream side in the circumferential direction in the scroll flow path 23, and the scroll at the end portion 23a. It has a tangential flow path 21 extending in the tangential direction. Then, in the combustor 10 according to some embodiments, the injection hole 31a is arranged on the upstream side in the tangential direction flow path 21. As a result, the fuel and air are rectified by flowing through the tangential flow path 21, and the flow of the air-fuel mixture in the scroll flow path 23 is less likely to deviate.
  • the mixture of fuel and air of the air-fuel mixture flowing into the combustion cylinder 11 through the axial flow path 25 and the deviation of the flow rate are less likely to occur, so that the combustion state in the combustion cylinder 11 becomes good, and the gas turbine 2 Can contribute to the improvement of combustion efficiency.
  • the injection hole 31a has a distance L from the end portion 23a on the upstream side in the circumferential direction of the scroll flow path 23 of the scroll at the end portion 23a. It is arranged along the tangential direction at a position within twice (2D) the diameter D of the scroll flow path at the end 23a. As a result, the position of the first fuel nozzle 31 can be brought closer to the inside in the radial direction of the combustion cylinder 11, so that the gas turbine 2 can be miniaturized.
  • the scroll flow path 23 is formed so that the area of the flow path cross section along the radial direction of the combustion cylinder 11 gradually decreases from the circumferential upstream side to the circumferential downstream side.
  • the axial flow path 25 is an annular flow path extending all around the circumference of the combustion cylinder 11 and is connected to the combustion cylinder 11, so that the mixture flows through the scroll flow path 23. Qi gradually decreases toward the downstream side in the circumferential direction of the scroll flow path 23.
  • the scroll flow path 23 is formed so that the area of the flow path cross section along the radial direction of the combustion cylinder 11 gradually decreases from the circumferential upstream side to the circumferential downstream side. ing. Therefore, even if the air-fuel mixture flowing through the scroll flow path 23 gradually decreases toward the downstream side in the circumferential direction of the scroll flow path 23 as described above, the decrease in the flow velocity in the circumferential direction of the air-fuel mixture flowing through the scroll flow path 23 is suppressed. Scroll.
  • the flow rate of the air-fuel mixture flowing from the axial flow path 25 into the combustion cylinder 11 is less likely to be different depending on the position in the circumferential direction, and the combustion state in the combustion cylinder 11 is suppressed from being different depending on the position in the circumferential direction. it can. As a result, the combustion state in the combustion cylinder 11 becomes good, which can contribute to the improvement of the combustion efficiency of the gas turbine 2.
  • the scroll flow path 23 is axially downstream of the combustion cylinder 11 as the position of the center Cs of the flow path cross section along the radial direction of the combustion cylinder 11 goes from the circumferential upstream side to the circumferential downstream side. It is formed to move to the side.
  • the scroll flow path 23 is formed so that the area of the flow path cross section along the radial direction of the combustion cylinder 11 gradually decreases from the circumferential upstream side to the circumferential downstream side. Has been done.
  • the scroll flow path 23 and the shaft The position of the connection portion 29 with the directional flow path 25, that is, the connection position between the opening 23b of the scroll flow path 23 and the end portion 25a of the axial flow path 25 moves from the upstream side in the circumferential direction to the downstream side in the circumferential direction. It moves to the upstream side in the axial direction of 11.
  • the length of the axial flow path 25 along the axial direction differs depending on the position in the circumferential direction, so that the flow velocity of the air-fuel mixture flowing through the axial flow path 25 changes. It differs depending on the position in the circumferential direction, and the flow rate of the air-fuel mixture flowing from the axial flow path 25 into the combustion cylinder 11 may differ depending on the position in the circumferential direction.
  • the combustion cylinder 11 as the position of the center Cs of the flow path cross section along the radial direction of the combustion cylinder 11 in the scroll flow path 23 moves from the circumferential upstream side to the circumferential downstream side.
  • the flow rate of the air-fuel mixture flowing from the axial flow path 25 into the combustion cylinder 11 is less likely to differ depending on the position in the circumferential direction, and the combustion state in the combustion cylinder 11 is in the circumferential direction. It is possible to suppress the difference depending on the position of. As a result, the combustion state in the combustion cylinder 11 becomes good, which can contribute to the improvement of the combustion efficiency of the gas turbine 2.
  • the spark plug 41 is located in the central region 24a.
  • the flow path rapidly expands from the axially downstream end 25b of the annularly formed axial flow path 25, so that on the axially upstream side of the combustion cylinder 11, the arrow g5 in FIG.
  • a circulation flow in which the air-fuel mixture flows upstream in the axial direction is generated in a region radially inside the flow path 25 in the axial direction.
  • the spark plug 41 is arranged in the central region 24a surrounded by the axial outer side in an annular shape by the axial flow path 25, so that the spark plug 41 is ignited against the circulating flow of the air-fuel mixture as described above.
  • the flow velocity of the air-fuel mixture is relatively slow. Therefore, by igniting the circulating flow by the spark plug 41 arranged in the central region 24a, ignition reliability is achieved. Improves sex.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view for explaining the cooling air passage 43.
  • a cooling air passage 43 through which cooling air for cooling the spark plug 41 flows is provided.
  • the cooling air passage 43 is formed inside, for example, a housing 45 having a plurality of openings 45a formed on the wall surface.
  • the housing 45 forms a cooling air passage 43 so as to cool the vicinity of the end portion 41a of the spark plug 41 facing the inside of the combustion cylinder 11 with cooling air.
  • a downstream end of a cooling air pipe 47 for supplying cooling air is connected to the housing 45.
  • the cooling air pipe 47 is configured to be able to supply compressed air from the compressor 3 to the cooling air passage 43 without going through the heat exchanger 9, as shown in FIG.
  • the compressed air that has passed through the heat exchanger 9 and is heated may be configured to be able to be supplied to the cooling air passage 43.
  • the compressed air (cooling air) from the compressor 3 flowing through the cooling air pipe 47 flows into the cooling air passage 43 as shown by the arrow b2.
  • the cooling air flows inside the housing 45 as shown by the arrow b3, that is, through the cooling air passage 43, and enters the outside of the housing 45, that is, the inside of the combustion cylinder 11 from the plurality of openings 45a as shown by the arrow b4.
  • the spark plug 41 is cooled in the process of outflow. As a result, it is possible to suppress an adverse effect on the spark plug 41 due to the heat of the flame in the combustion cylinder 11.
  • a casing 70 is provided between the outer peripheral surface 11c of the combustion cylinder 11 and the inner peripheral surface 80a of the outer cylinder portion 80, as shown by arrows a4 and a7 in FIG.
  • the compressed air supplied through the air can flow in.
  • the combustion cylinder 11 can be cooled by the compressed air.
  • the outer cylinder portion 80 has a first interval ⁇ d1 that faces the outer peripheral surface 11c of the combustion cylinder 11 and a first interval ⁇ d1 downstream of the first region 81. Also includes a second region 82 facing the outer peripheral surface 11c of the combustion cylinder 11 with a small second interval ⁇ d2.
  • the combustion cylinder 11 can be cooled by flowing compressed air (cooling air) in the space between the first region 81 and the second region 82 of the outer cylinder portion 80 and the combustion cylinder 11.
  • the flow velocity of the cooling air flowing through the space between the second region 82 and the combustion cylinder 11 is the flow velocity between the first region 81 and the combustion cylinder 11. It becomes larger than the flow velocity of the cooling air flowing in the space between and. Therefore, the region of the combustion cylinder 11 facing the second region 82 with the second interval ⁇ d2 can be effectively cooled.
  • the outer cylinder portion 80 faces the outer peripheral surface 11c of the combustion cylinder 11 with a third interval ⁇ d3 larger than the second interval ⁇ d2 downstream of the second region 82. including.
  • the combustion cylinder 11 has a plurality of openings 13 formed in a region facing the third region 83. Therefore, in some embodiments, compressed air (cooling air) is allowed to flow in the space between the outer cylinder 80 and the combustion cylinder 11, so that air is blown from the space through the plurality of openings 13. It can be supplied within 11.
  • the temperature inside the combustion cylinder 11 can be kept higher in the region on the upstream side in the axial direction than the plurality of openings 13 than in the region on the downstream side in the axial direction from the plurality of openings 13.
  • the combustion state in the region on the upstream side in the axial direction from the plurality of openings 13 can be stabilized, and the temperature of the combustion gas can be suppressed in the region on the downstream side in the axial direction from the plurality of openings 13.
  • the air flowing into the combustion cylinder 11 from the plurality of openings 13 includes a velocity component toward the downstream side in the axial direction of the combustion cylinder 11 (hereinafter referred to as an axial velocity component Vax) and a radial inside of the combustion cylinder 11. It has a velocity component toward (hereinafter referred to as a radial velocity component Vd) (see FIG. 4).
  • the flow velocity V of the air flowing into the combustion cylinder 11 from the space between the third region 83 and the combustion cylinder 11 through the plurality of openings 13 is the opening area of each of the plurality of openings 13 and the opening 13. It is determined by the number and the amount of air flowing into the combustion cylinder 11 per unit time.
  • the third interval ⁇ d3 is larger than the second interval ⁇ d2, so that the flow velocity of the cooling air flowing in the space between the third region 83 and the combustion cylinder 11 is the second. It is smaller than the flow velocity of the cooling air flowing through the space between the region 82 and the combustion cylinder 11. As a result, the axial velocity component of the cooling air flowing in the space between the third region 83 and the combustion cylinder 11 can be reduced, and the penetrating force can be increased.
  • notches 15 extending in the axial direction from the end portion 11a on the downstream side in the axial direction are spaced along the circumferential direction. Multiple pieces are formed with a space between them.
  • the holding portion 90 is configured to press the end portion 11a from the radial outside of the combustion cylinder 11 to hold the end portion 11a.
  • the combustion cylinder 11 is divided by the notch portion 15 at intervals in the circumferential direction on the downstream side in the axial direction.
  • Each of the partial cylindrical portions 17 can move the end portion 11a in the radial direction separately from the other partial cylindrical portions 17. Therefore, when the combustion cylinder 11 is held by the holding portion 90, the end portion 11a is moved inward in the radial direction against the elastic force of the partial cylindrical portion 17, so that the elastic force causes the partial cylindrical portion 17 to have a diameter.
  • the holding portion 90 is pressed toward the outside in the direction.
  • the end portion 11a on the downstream side in the axial direction of the combustion cylinder 11 can be held by the holding portion 90 with a simple configuration. Further, since the combustion cylinder 11 can be held by the holding portion 90 by utilizing the elastic force of the combustion cylinder 11 (partial cylindrical portion 17), the combustion cylinder 11 can be suppressed from vibrating during combustion, and the durability of the combustion cylinder 11 can be improved. Can be improved. Moreover, since it has a simple configuration, it is possible to suppress an increase in cost.
  • the end portion 11a may be pressed from the inside in the radial direction of the combustion cylinder 11 to hold the end portion 11a.
  • the inlet end of the premix tube 20 that is, the inlet end 21a on the upstream side of the tangential flow path 21, is inside the casing 70.
  • the region 70a where the air inlet portion 71 is located is arranged in the region 70b on the opposite side of the axis AX of the combustion cylinder 11.
  • the injection holes 31a are arranged in the opposite region 70b.
  • the fuel and air are efficiently mixed in the scroll flow path 23 in combination with the above-mentioned effects and effects of arranging the inlet end portion 21a on the upstream side of the tangential flow path 21 in the region 70b on the opposite side. Will be done.
  • the air-fuel mixture flows into the combustion cylinder 11 from the annularly formed axial flow path 25. Therefore, on the axially upstream side of the combustion cylinder 11, the arrow g5 in FIG. 4 As shown by, a circulation flow in which the air-fuel mixture flows upstream in the axial direction is generated in a region radially inside the flow path 25 in the axial direction. Further, in some embodiments, as described above, the outer wall portion 26 and the inner side wall portion 27 gradually increase in radial dimension toward the axial downstream side in the downstream region of the axial flow path 25. It is formed like this.
  • the air-fuel mixture flows from the axial flow path 25 into the combustion cylinder 11 with a velocity component that goes outward in the radial direction. Therefore, on the axial upstream side of the combustion cylinder 11, the air-fuel mixture is more than the axial flow path 25.
  • the above-mentioned circulating flow is likely to occur in the radial inner region. In the region 11r where such a circulating flow of the air-fuel mixture is generated, the flow velocity of the air-fuel mixture becomes relatively slow as described above, so that a state suitable for flame retention can be ensured.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes a modification of the above-described embodiment and a combination of these embodiments as appropriate.

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Abstract

一実施形態に係るガスタービンは、燃焼筒と、前記燃焼筒の周方向に延在するスクロール流路、及び、前記燃焼筒の軸方向に延在して前記スクロール流路と前記燃焼筒の内部とを接続する軸方向流路を含み、前記燃焼筒の軸方向上流側に配置される予混合管と、前記スクロール流路の周方向上流側に配置され、前記スクロール流路内に燃料を噴射するための噴射孔を有する第１燃料ノズルと、を備え、前記噴射孔は、前記スクロール流路が存在する範囲と前記軸方向において重複する位置に配置されている。

Description

燃焼器及びガスタービン
　本開示は、燃焼器及びガスタービンに関する。
　マイクロガスタービンとも呼ばれる小型のガスタービンは、店舗、病院等の自家発電や、電気自動車におけるレンジエクステンダー、可搬用電源等、種々の用途に用いることができる。
　このような小型のガスタービンでは、排ガス性能向上のため、燃焼室上流に予混合室を設け、空気と燃料とを予混合させることが望ましい（例えば特許文献１参照）。
特開平１０－２６３５１号公報
　例えば特許文献１に記載のガスタービンでは、円筒状の燃焼室の側部に燃焼室の軸線方向に沿って延在する予混合室を設け、燃焼室の軸線方向下流側から上流側に向かって燃料を噴射するように構成されている。すなわち特許文献１に記載のガスタービンでは、燃焼器の径方向に燃焼室と予混合室とが配置されているので、燃焼器の径方向の寸法が大きくなりがちである。
　例えば、電気自動車におけるレンジエクステンダーや可搬用電源等にガスタービンを用いることを考えると、ガスタービンの大きさはできるだけ小さい方が望ましい。ガスタービンの小型化のためには、燃焼器の小型化を図ることが考えられる。
　上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、燃焼器の大きさを抑制することを目的とする。
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る燃焼器は、
　燃焼筒と、
　前記燃焼筒の周方向に延在するスクロール流路、及び、前記燃焼筒の軸方向に延在して前記スクロール流路と前記燃焼筒の内部とを接続する軸方向流路を含み、前記燃焼筒の軸方向上流側に配置される予混合管と、
　前記スクロール流路の周方向上流側に配置され、前記スクロール流路内に燃料を噴射するための噴射孔を有する第１燃料ノズルと、
を備え、
　前記噴射孔は、前記スクロール流路が存在する範囲と前記軸方向において重複する位置に配置されている。
　上記（１）の構成によれば、予混合管及び第１燃料ノズルを燃焼筒の側部に配置しなくてもよいので、燃焼器の大きさが燃焼筒の径方向に大きくなってしまうことを抑制でき、燃焼器の小型化を図れる。
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記スクロール流路は、前記燃焼筒の径方向に沿った流路断面の面積が周方向上流側から周方向下流側に向かうにつれて漸減するように形成されている。
　上記（２）の構成によれば、スクロール流路内で混合された燃料と空気との混合気が軸方向流路を介して燃焼筒内に流入することでスクロール流路を流れる混合気の流量がスクロール流路の周方向下流側に向かうにつれて漸減しても、スクロール流路の上記流路断面の面積も周方向下流側に向かうにつれて漸減するので、スクロール流路を流れる混合気の周方向の流速の低下が抑制される。そのため、軸方向流路から燃焼筒に流れ込む混合気の流量についての、周方向の位置による差が生じ難くなる。したがって、燃焼筒内での燃焼状態が周方向の位置によって差が生じることを抑制できる。これにより、燃焼筒内での燃焼状態が良好となり、燃焼器の燃焼効率向上に寄与できる。
（３）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、前記スクロール流路は、前記燃焼筒の径方向に沿った流路断面の中心位置が周方向上流側から周方向下流側に向かうにつれて前記燃焼筒の軸方向下流側に移動するように形成されている。
　上記（３）の構成では、上記（２）の構成を含むので、スクロール流路は、燃焼筒の径方向に沿った流路断面の面積が周方向上流側から周方向下流側に向かうにつれて漸減するように形成されている。そのため、流路断面の中心の位置が周方向上流側から周方向下流側に向かうにつれて燃焼筒の軸方向下流側に移動するように形成されていない場合には、スクロール流路と軸方向流路との接続部の位置が周方向上流側から周方向下流側に向かうにつれて燃焼筒の軸方向上流側に移動してしまう。該接続部の軸方向の位置が周方向の位置によって異なると、軸方向流路の軸方向に沿った長さが周方向の位置によって異なってしまうので、軸方向流路を流れる混合気の流速が周方向の位置によって異なってしまい、軸方向流路から燃焼筒に流れ込む混合気の流量が、周方向の位置によって差が生じてしまうおそれがある。
　上記（３）の構成では、上述したように、スクロール流路において燃焼筒の径方向に沿った流路断面の中心の位置が周方向上流側から周方向下流側に向かうにつれて燃焼筒の軸方向下流側に移動するように形成されている。そのため、スクロール流路と軸方向流路との接続部の位置が周方向上流側から周方向下流側に向かうにつれて燃焼筒の軸方向上流側に移動してしまうことを抑制できる。したがって、上記（３）の構成によれば、軸方向流路から燃焼筒に流れ込む混合気の流量が、周方向の位置によって差が生じ難くなり、燃焼筒内での燃焼状態が周方向の位置によって差が生じることを抑制できる。これにより、燃焼筒内での燃焼状態が良好となり、燃焼器の燃焼効率向上に寄与できる。
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの構成において、
　前記予混合管は、前記スクロール流路における前記周方向上流側の端部に接続され、該端部におけるスクロールの接線方向に延在する接線方向流路を有し、
　前記噴射孔は、前記接線方向流路における上流側に配置されている。
　上記（４）の構成によれば、燃料と空気とが接線方向流路を流れることで整流されることとなり、スクロール流路内での混合気の流れに乱れが生じ難くなる。これにより、軸方向流路を介して燃焼筒に流れ込む混合気の流れが乱れ難くなるので、燃焼筒内での燃焼状態が良好となり、燃焼器の燃焼効率向上に寄与できる。
（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかの構成において、前記噴射孔は、前記スクロール流路における前記周方向上流側の端部からの距離が、該端部におけるスクロールの接線方向に沿って、該端部における前記スクロール流路の直径の２倍以内となる位置に配置されている。
　上記（５）の構成によれば、燃料ノズルの位置を燃焼筒の径方向内側に近づけることができるので、燃焼器の小型化を図れる。
（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れかの構成において、
　前記軸方向流路は、前記周方向に沿って環状に形成され、
　前記軸方向流路によって径方向外側を環状に囲まれた中央領域に配置され、前記予混合管から前記燃焼筒内に供給された前記燃料と空気との混合気に着火させるための点火栓、
をさらに備える。
　上記（６）の構成によれば、環状に形成された軸方向通路から燃焼筒内に混合気が流入するので、燃焼筒の軸方向上流側では、軸方向通路よりも径方向内側の領域において混合気が軸方向上流側に流れる循環流が発生する。上記（６）の構成では、軸方向流路によって径方向外側を環状に囲まれた中央領域に点火栓を配置しているので、上述したような混合気の循環流に対して着火させることができる。上述したような混合気の循環流が発生する領域では、混合気の流速が比較的遅くなるので、上記（６）の構成のように循環流に着火させるようにすることで、着火信頼性が向上する。
（７）幾つかの実施形態では、上記（６）の構成において、
　前記中央領域において前記点火栓の側方に配置され、前記点火栓を冷却するための冷却空気が流れる冷却空気通路、
をさらに備える。
　上記（７）の構成によれば、火炎の熱による点火栓への悪影響を抑制できる。
（８）幾つかの実施形態では、上記（６）又は（７）の構成において、
　前記中央領域に配置され、前記燃焼筒の内部に前記燃料を供給する第２燃料ノズル、
をさらに備える。
　上記（８）の構成によれば、点火栓での着火時に第２燃料ノズルから燃焼筒の内部に燃料を供給することで、点火栓近傍の燃料の濃度を上昇させることができ、着火性が向上する。
（９）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（８）の何れかの構成において、
　前記燃焼筒の外周面と間隔を空けて対向する外筒部、
をさらに備え、
　前記外筒部は、第１間隔を空けて前記外周面と対向する第１領域と、前記第１領域の下流で前記第１間隔よりも小さな第２間隔を空けて前記外周面と対向する第２領域とを含む。
　上記（９）の構成によれば、外筒部の第１領域及び第２領域と燃焼筒との間の空間に冷却空気を流すことで、燃焼筒を冷却できる。その際、第２間隔の方が第１間隔よりも小さいので、第２領域と燃焼筒との間の空間を流れる冷却空気の流速は、第１領域と燃焼筒との間の空間を流れる冷却空気の流速よりも大きくなる。そのため、燃焼筒のうち第２領域と第２間隔を空けて対向する領域を効果的に冷却できる。
（１０）幾つかの実施形態では、上記（９）の構成において、
　前記外筒部は、前記第２領域の下流で前記第２間隔よりも大きな第３間隔を空けて前記外周面と対向する第３領域を含み、
　前記燃焼筒は、前記第３領域と対向する領域に形成された複数の開口部を有する。
　上記（１０）の構成によれば、外筒部と燃焼筒との間の空間に冷却空気を流すことで、該空間から上記複数の開口部を介して空気を燃焼筒内に供給できる。これにより、複数の開口部より軸方向上流側の領域において複数の開口部より軸方向下流側の領域よりも燃焼筒内の温度を高く保つことができる。これにより、複数の開口部より軸方向上流側の領域における燃焼状態を安定化できるとともに、複数の開口部より軸方向下流側の領域において燃焼ガスの温度を抑制できる。
　なお、複数の開口部から燃焼筒内に流入する空気は、燃焼筒の軸方向下流側に向かう速度成分（以下、軸方向速度成分と呼ぶ）と、燃焼筒の径方向内側に向かう速度成分（以下、径方向速度成分と呼ぶ）とを有する。
　第３領域と燃焼筒との間の空間から複数の開口部を介して燃焼筒内に流入する空気の流速は、複数の開口部のそれぞれの開口面積、開口部の数、及び単位時間あたりに燃焼筒内に流入する空気量で決まる。そのため、該空気量が一定であれば、第３領域と燃焼筒との間の空間を流れる冷却空気の流速、すなわち該空間における軸方向速度成分を大きくすると、複数の開口部から燃焼筒内に流入する空気の軸方向速度成分は大きくなるものの、径方向速度成分は小さくなる。逆に、第３領域と燃焼筒との間の空間を流れる冷却空気の軸方向速度成分を小さくすると、複数の開口部から燃焼筒内に流入する空気の軸方向速度成分は小さくなるものの、径方向速度成分は大きくなる。
　燃焼筒の下流にタービンが配置されている場合、タービンに到達する燃焼ガスの温度のムラを抑制することがタービン効率向上の観点から望ましい。そのため、複数の開口部から燃焼筒内に流入する空気の径方向速度成分を大きくすることで、燃焼筒内を流れる燃焼ガスに対する、複数の開口部から燃焼筒内に流入する空気の貫通力を大きくすることが望ましい。したがって、第３領域と燃焼筒との間の空間を流れる冷却空気の軸方向速度成分を小さくすることが望ましい。
　上記（１０）の構成によれば、第３間隔の方が第２間隔よりも大きいので、第３領域と燃焼筒との間の空間を流れる冷却空気の流速は、第２領域と燃焼筒との間の空間を流れる冷却空気の流速よりも小さくなる。これにより、第３領域と燃焼筒との間の空間を流れる冷却空気の軸方向速度成分を小さくすることができ、上記貫通力を大きくすることができる。
（１１）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１０）の何れかの構成において、
　前記燃焼筒は、軸方向下流側の端部から前記軸方向に延在する切欠き部が前記周方向に沿って間隔を空けて複数形成され、
　該端部を前記燃焼筒の径方向外側又は内側から押圧して該端部を保持する保持部、
をさらに備える。
　上記（１１）の構成によれば、簡単な構成によって燃焼筒の軸方向下流側の端部を保持部で保持できる。
（１２）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１１）の何れかの構成において、
　前記スクロール流路の前記周方向上流側に配置され、前記スクロール流路内に流入する空気を整流するための案内部材
をさらに備える。
　上記（１２）の構成によれば、案内部材によってスクロール流路を流れる空気の流量が燃焼筒の径方向に沿った流路断面の位置によって差が生じることを抑制できる。これにより、スクロール流路における燃料と空気との混合状態が該流路断面の位置によって差が生じることを抑制できる。
（１３）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１２）の何れかの構成において、
　前記予混合管が内部に配置されるケーシング
をさらに備え、
　前記ケーシングは、前記ケーシングの内部に空気を供給するための空気入口部と、前記予混合管を前記燃焼筒の径方向外側から覆い前記空気入口部が形成された側壁部とを有し、
　前記予混合管の入口端は、前記ケーシングの内部の領域のうち、前記空気入口部が位置する領域とは前記燃焼筒の軸線を挟んで反対側の領域に配置されている。
　上記（１３）の構成によれば、予混合管の入口端近傍では、空気入口部からケーシングの内部に流入する空気の流速の影響を受け難くなるので、スクロール流路内での混合気の流れに偏差が生じ難くなる。これにより、軸方向流路を介して燃焼筒に流れ込む混合気の流れに偏差が生じ難くなるので、燃焼筒内での燃焼状態が良好となり、燃焼器の燃焼効率向上に寄与できる。
（１４）幾つかの実施形態では、上記（１３）の構成において、前記噴射孔は、前記反対側の領域に配置されている。
　上記（１４）の構成によれば、上記（１３）の構成による作用効果も相まって、スクロール流路内で燃料と空気とが効率的に混合される。
（１５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１４）の何れかの構成において、
　前記軸方向流路は、前記燃焼筒の径方向外側に配置された筒状の外側壁部と、前記径方向内側に配置されていて前記外側壁部とは前記燃焼筒の径方向に間隔を空けて配置された筒状の内側壁部とを有し、
　前記外側壁部及び前記内側壁部のうち少なくとも前記外側壁部は、前記軸方向流路における下流側の領域において前記軸方向下流側に向かうにつれて前記径方向の寸法が漸増するように形成されている。
　上記（１５）の構成によれば、軸方向通路から燃焼筒内に混合気が径方向外側に向かう速度成分を有した状態で流入するので、燃焼筒の軸方向上流側では、軸方向通路よりも径方向内側の領域において混合気が軸方向上流側に流れる循環流が発生し易くなる。このような混合気の循環流が発生する領域では、混合気の流速が比較的遅くなるので、保炎に適した状態を確保できる。
（１６）本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービンは、
　上記構成（１）乃至（１５）の何れかの燃焼器と、
　圧縮空気を生成するためのコンプレッサと、
　前記燃焼器からの燃焼ガスによって回転駆動されるように構成されたタービンと、
を備える。
　上記（１６）の構成によれば、上記構成（１）乃至（１５）の何れかの燃焼器を備えるので、ガスタービンの小型化を図れる。
　本発明の少なくとも一実施形態によれば、ガスタービンの大きさを抑制できる。
幾つかの実施形態に係るガスタービンを備えた発電装置の全体構成を示す図である。 幾つかの実施形態に係る燃焼器の側面を模式的に示した図である。 幾つかの実施形態に係る燃焼器を後述する燃焼筒の軸方向上流側から見た外観を模式的に示した図である。 図３のＩＶ－ＩＶ矢視断面を模式的に示した図である。 図２のＶ－Ｖ矢視断面を模式的に示した図である。 図４における予混合管の近傍を拡大した模式的な図である。 幾つかの実施形態に係る予混合管における上流側の端部近傍を予混合管の軸方向に沿って切断した断面を模式的に示す図である。 冷却空気通路について説明するための模式的な断面図である。
　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、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。
（全体構成について）
　図１は、幾つかの実施形態に係るガスタービンを備えた発電装置の全体構成を示す図である。図１に示す発電装置１は、例えば電気自動車におけるレンジエクステンダーや、可搬用電源等に用いられるものである。図１に示す発電装置１は、ガスタービン２と、発電機７と、熱交換器９とを備えている。幾つかの実施形態に係るガスタービン２は、圧縮空気を生成するためのコンプレッサ３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１０と、燃焼ガスによって回転駆動されるように構成されたタービン５とを備えている。
　幾つかの実施形態に係るコンプレッサ３は、不図示のコンプレッサホイールとタービン５のタービンホイールとが回転軸８Ａによって接続されている。コンプレッサ３は、タービン５の回転エネルギーによって回転駆動されて、圧縮空気を生成する。コンプレッサ３で生成された圧縮空気は、後述する熱交換器９を介して燃焼器１０に供給される。なお、詳細は後で説明するが、幾つかの実施形態に係るコンプレッサ３で生成された圧縮空気の一部は、熱交換器９を介さずに燃焼器１０に供給される。幾つかの実施形態に係るコンプレッサ３は、例えば遠心圧縮機であってもよい。
　幾つかの実施形態に係る燃焼器１０には、コンプレッサ３で生成されて、熱交換器９で加熱された圧縮空気と、燃料とが供給され、燃料を燃焼させることによって、タービン５の作動流体である燃焼ガスを発生させる。そして、燃焼ガスは燃焼器１０から後段のタービン５に送られる。なお、幾つかの実施形態に係る燃焼器１０の詳細な構成例については後で詳述する。
　幾つかの実施形態に係るタービン５は、例えば、不図示のラジアルタービンホイール又は斜流タービンホイールを有するタービンである。幾つかの実施形態に係るタービン５は、燃焼器１０で生成された燃焼ガスによって駆動される。幾つかの実施形態に係るタービン５の不図示のタービンホイールは、発電機７と回転軸８Ｂによって接続されている。すなわち、幾つかの実施形態に係る発電機７は、タービン５の回転エネルギーによって発電するように構成されている。
　タービン５から排出された燃焼ガスは、熱交換器９に供給される。幾つかの実施形態に係る熱交換器９は、タービン５から排出された燃焼ガスと、コンプレッサ３から供給された圧縮空気との間で熱交換を行うように構成されている。すなわち、幾つかの実施形態に係る熱交換器９では、コンプレッサ３から供給された圧縮空気は、タービン５から排出された燃焼ガスによって加熱される。
（燃焼器１０について）
　図２は、幾つかの実施形態に係る燃焼器１０の側面を模式的に示した図である。図３は、幾つかの実施形態に係る燃焼器１０を後述する燃焼筒１１の軸方向上流側から見た外観を模式的に示した図である。図４は、図３のＩＶ－ＩＶ矢視断面を模式的に示した図である。図５は、図２のＶ－Ｖ矢視断面を模式的に示した図である。図６は、図４における予混合管２０の近傍を拡大した模式的な図である。
　幾つかの実施形態に係る燃焼器１０は、円筒形状を有する燃焼筒１１と、燃焼筒１１の軸方向上流側に配置された予混合管２０と、第１燃料ノズル３１と、第２燃料ノズル３５と、点火栓４１とを備えている。幾つかの実施形態に係る燃焼器１０は、予混合管２０が内部に配置されるケーシング７０と、燃焼筒１１の外周面と間隔を空けて対向する外筒部８０とを備えている。
　以下の説明では、燃焼筒１１の軸線ＡＸに沿った方向を燃焼筒１１の軸方向、又は単に軸方向とも呼ぶ。以下の説明では、燃焼筒１１の周方向を単に周方向とも呼ぶ。以下の説明では、燃焼筒１１の径方向を単に径方向とも呼ぶ。また、軸方向のうち、燃焼ガスの流れる方向に沿った上流側を軸方向上流側と呼ぶ。同様に、軸方向のうち、燃焼ガスの流れる方向に沿った下流側を軸方向下流側と呼ぶ。
（燃焼筒１１）
　上述したように、幾つかの実施形態に係る燃焼筒１１は、円筒形状を有しており、軸方向の両端が開口している。幾つかの実施形態に係る燃焼筒１１は、軸方向下流側の端部１１ａが保持部９０に保持されている（図４参照）。なお、図示はしていないが、幾つかの実施形態に係る燃焼筒１１は、軸方向上流側の端部１１ｂ近傍で例えば外筒部８０に固定されている。なお、外筒部８０は、燃焼筒１１の外周面１１ｃと間隔を空けて対向する筒状の部材である。燃焼筒１１の下流側は、タービン５に接続されている。
　燃焼筒１１と外筒部８０との間には、後述するように圧縮空気が流通可能であるが、詳細については後で説明する。
（予混合管２０）
　幾つかの実施形態では、予混合管２０は、上述したように燃焼筒１１の軸方向上流側に配置されている。幾つかの実施形態に係る予混合管２０は、燃焼筒１１の周方向に延在するスクロール流路２３、及び、燃焼筒１１の軸方向に延在してスクロール流路２３と燃焼筒１１の内部とを接続する軸方向流路２５を含む。また、幾つかの実施形態に係る予混合管２０は、スクロール流路２３における周方向上流側の端部２３ａに接続され、該端部２３ａにおけるスクロールの接線方向に延在する接線方向流路２１を含む。なお、スクロールの接線方向とは、スクロール流路２３における燃焼筒１１の径方向に沿った流路断面の中心Ｃｓを通る線ＡＸｓについての接線が延在する方向である。また、該流路断面の中心Ｃｓは、該流路断面の図心である。
　幾つかの実施形態では、図５によく示すように、予混合管２０の入口端、すなわち、接線方向流路２１の上流側の入口端部２１ａは、後述するケーシング７０の内部の領域のうち、後述する空気入口部７１が位置する領域７０ａとは燃焼筒１１の軸線ＡＸを挟んで反対側の領域７０ｂに配置されている。
　幾つかの実施形態では、スクロール流路２３は、燃焼筒１１の径方向に沿った流路断面の面積が周方向上流側から周方向下流側に向かうにつれて漸減するように形成されている。
　図６によく示すように、幾つかの実施形態では、軸方向流路２５は、周方向に沿って環状に形成された流路である。幾つかの実施形態では、軸方向流路２５における軸方向上流側の端部２５ａは、スクロール流路２３の軸方向下流側の壁面において円環状に開口した開口部２３ｂと接続されている。幾つかの実施形態では、軸方向流路２５における軸方向下流側の端部２５ｂは、円環状に開口した開口部であり、燃焼筒１１の軸方向上流側の領域に位置する。
　図６によく示すように、幾つかの実施形態では、軸方向流路２５は、径方向外側に配置された筒状の外側壁部２６と、径方向内側に配置されていて外側壁部２６とは燃焼筒１１の径方向に間隔を空けて配置された筒状の内側壁部２７とを有する。
　幾つかの実施形態では、外側壁部２６及び内側壁部２７は、軸方向流路２５における下流側の領域において軸方向下流側に向かうにつれて径方向の寸法が漸増するように形成されている。
　なお、外側壁部２６及び内側壁部２７のうち少なくとも外側壁部２６についてだけ、軸方向流路２５における下流側の領域において軸方向下流側に向かうにつれて径方向の寸法が漸増するように形成されていてもよい。
　図６によく示すように、幾つかの実施形態では、外側壁部２６からさらに軸方向下流側に向かって拡径するように形成された円錐壁部２８が設けられている。幾つかの実施形態では、円錐壁部２８の下流側の端部は、燃焼筒１１の内周面１１ｄから径方向に間隔を空けて配置されている。
　図６によく示すように、幾つかの実施形態に係る予混合管２０は、スクロール流路２３よりも径方向内側の領域に軸方向に延在する内側円筒部２４を有する。内側円筒部２４は、スクロール流路２３を形成する壁面の一部、及び、軸方向流路２５の内側壁部２７を含んでいる。幾つかの実施形態では、内側円筒部２４の内側の領域は、軸方向流路２５によって径方向外側を環状に囲まれた領域である。該領域を中央領域２４ａとも呼ぶ。
　幾つかの実施形態では、中央領域２４ａには、点火栓４１と、冷却空気通路４３と、第２燃料ノズル３５とが配置されている。
（点火栓４１、冷却空気通路４３及び第２燃料ノズル３５）
　幾つかの実施形態では、点火栓４１は、中央領域２４ａに配置され、予混合管２０から燃焼筒１１内に供給された燃料と空気との混合気に着火させるための点火栓である。幾つかの実施形態では、点火栓４１は、中央領域２４ａにおいて、内側円筒部２４の軸方向下流側の端部、すなわち、軸方向流路２５の内側壁部２７の軸方向下流側の端部に配置されている。
　冷却空気通路４３は、中央領域２４ａにおいて点火栓４１の側方に配置され、点火栓４１を冷却するための冷却空気が流れる空気通路である。冷却空気通路４３の詳細については、後で説明する。
　幾つかの実施形態では、中央領域２４ａに配置され、燃焼筒１１の内部に燃料を供給する第２燃料ノズル３５を備えていてもよい。
　点火栓４１での着火時に第２燃料ノズル３５から燃焼筒１１の内部に燃料を供給することで、点火栓４１近傍の燃料の濃度を上昇させることができ、着火性が向上する。
　なお、第２燃料ノズル３５には、例えば図４及び図６によく示すように、第２燃料ノズル３５に燃料を供給するための燃料供給配管３７が接続されている。
（案内部材５１）
　図７は、幾つかの実施形態に係る予混合管２０における上流側の端部近傍を予混合管２０の軸方向に沿って切断した断面を模式的に示す図である。
　幾つかの実施形態では、スクロール流路の前記周方向上流側に配置され、前記スクロール流路内に流入する空気を整流するための案内部材５１を備えている。
　なお、幾つかの実施形態では、案内部材５１は、接線方向流路２１の上流側の入口端部２１ａの近傍に配置されている。
　案内部材５１は、例えば、内周面が上流側に向かうにつれて半径が大きくなるベルマウス形状を有する短管状の部材である。
　案内部材５１によってスクロール流路２３を流れる圧縮空気の流量が燃焼筒１１の径方向に沿った流路断面の位置によって差が生じることを抑制できる。これにより、スクロール流路２３における燃料と空気との混合状態が該流路断面の位置によって差が生じることを抑制できる。
（第１燃料ノズル３１）
　幾つかの実施形態に係る第１燃料ノズル３１は、スクロール流路２３の周方向上流側に配置されている。幾つかの実施形態に係る第１燃料ノズル３１は、スクロール流路２３内に燃料を噴射するための噴射孔３１ａを有する。なお、例えば図５～７において第１燃料ノズル３１には１つの噴射孔３１ａだけが図示されているが、噴射孔３１ａの数は、１であってもよく、２以上であってもよい。
（ケーシング７０）
　幾つかの実施形態では、予混合管２０が内部に配置されるケーシング７０を備えている。幾つかの実施形態に係るケーシング７０は、ケーシング７０の内部にコンプレッサ３からの圧縮空気を供給するための空気入口部７１と、予混合管２０を燃焼筒１１の径方向外側から覆い、空気入口部７１が一部に形成された側壁部７３と、予混合管２０を燃焼筒１１の軸方向外側から覆う一対の壁部７５とを有する。
　一対の壁部７５のうち、軸方向下流側の壁部７５には、開口部７５ａが形成されている。幾つかの実施形態では、開口部７５ａを介してケーシング７０の内側の領域と、燃焼筒１１の内側の領域とが連通している。また、幾つかの実施形態では、開口部７５ａを介してケーシング７０の内側の領域と、及び外筒部８０の内周面８０ａと燃焼筒１１の外周面１１ｃとで囲まれた領域とが連通している。
　幾つかの実施形態では、開口部７５ａから軸方向下流側に向かって円錐壁部２８が突出するように配置されている。
（圧縮空気、混合気、及び燃焼ガスの流れの概要について）
　このように構成される、幾つかの実施形態に係る燃焼器１０における、圧縮空気、混合気及び燃焼ガスのおおよその流れについて、主に図４を参照して説明する。
　コンプレッサ３から供給されて熱交換器９で加熱された圧縮空気は、図４の矢印ａ１で示すように、空気入口部７１からケーシング７０の内部に流入する。ケーシング７０の内部に流入した圧縮空気は、主に、矢印ａ２、ａ３で示すように、予混合管２０と一対の壁部７５との間を流れる。
　予混合管２０と一対の壁部７５のうちの軸方向下流側の壁部７５との間を流れる圧縮空気は、矢印ａ４、ａ７で示すように、外筒部８０の内周面８０ａと燃焼筒１１の外周面１１ｃとで囲まれた領域に流れる流れと、矢印ａ５、ａ８で示すように、燃焼筒１１の内周面１１ｄと円錐壁部２８の外周面とで囲まれた領域に流れる流れと、矢印ａ６、ａ９、ａ１０で示すように、予混合管２０の入口側に向かって流れる流れとに分かれる。また、予混合管２０と一対の壁部７５のうちの軸方向上流側の壁部７５との間を流れる圧縮空気は、矢印ａ２、ａ１１、ａ１２で示すように、予混合管２０の入口側に向かって流れる。
　図７に示すように、予混合管２０の入口側に向かって流れる圧縮空気は、矢印ａ１０、ａ１２で示すように案内部材５１の上流側の入口５１ａから案内部材５１を介して予混合管２０の接線方向流路２１に流入するとともに、矢印ａ９，ａ１１で示すように案内部材５１の外周面５１ｂと接線方向流路２１の内周面２１ｂとの間の環状の隙間から接線方向流路２１に流入する。
　第１燃料ノズル３１の噴射孔３１ａから噴射された燃料Ｆと、予混合管２０に流れ込んだ圧縮空気とは、予混合管２０、主には、スクロール流路２３内で予混合されて混合気となる。
　スクロール流路２３内を流れる混合気は、図４における矢印ｇ１で示すように、軸方向流路２５（図６参照）を介し、円錐壁部２８の内周面に沿って流れる。混合気の一部は、矢印ｇ５で示すように循環流を形成し、残りは矢印ｇ２で示すように燃焼筒１１の内部に流れ込む循環流を形成する。
　混合気は、内側円筒部２４の軸方向下流側の端部にて点火栓４１によって着火し、燃焼ガスとなって矢印ｇ３で示すように燃焼筒１１の軸方向下流側に向かって流れる。その後、燃焼ガスは、矢印ｇ４で示すように、燃焼筒１１から排気されて、タービン５に流入する。
（噴射孔３１ａの位置について）
　幾つかの実施形態に係る燃焼器１０では、図７に示すように、噴射孔３１ａは、スクロール流路２３が存在する範囲Ａと軸方向において重複する位置に配置されている。
　これにより、予混合管２０及び第１燃料ノズル３１を燃焼筒１１の側部に配置しなくてもよいので、ガスタービン２の大きさが燃焼筒１１の径方向に大きくなってしまうことを抑制でき、ガスタービン２の小型化を図れる。
　また、第１燃料ノズル３１が上記の位置に配置されているので、燃料をスクロールの接線方向に沿ってスクロール流路２３内に噴射し易くなる。そのため、燃料がスクロール流路２３を構成する壁面に付着し難くなり、燃焼筒１１内の火炎が予混合管２０側に遡上するフラッシュバック（逆火）を抑制できる。
　さらに、第１燃料ノズル３１が上記の位置に配置されているので、燃料ノズルの本数を抑制できる。例えば、上述した幾つかの実施形態では、上記の位置における燃料ノズルの本数を１本とすることができる。
　幾つかの実施形態に係る燃焼器１０では、図５によく示すように、予混合管２０は、スクロール流路２３における周方向上流側の端部２３ａに接続され、該端部２３ａにおけるスクロールの接線方向に延在する接線方向流路２１を有している。そして、幾つかの実施形態に係る燃焼器１０では、噴射孔３１ａは、接線方向流路２１における上流側に配置されている。
　これにより、燃料と空気とが接線方向流路２１を流れることで整流されることとなり、スクロール流路２３内での混合気の流れに偏差が生じ難くなる。これにより、軸方向流路２５を介して燃焼筒１１に流れ込む混合気の燃料と空気の混合性や流量の偏差が生じにくくなるので、燃焼筒１１内での燃焼状態が良好となり、ガスタービン２の燃焼効率向上に寄与できる。
　幾つかの実施形態に係る燃焼器１０では、図５に示すように、噴射孔３１ａは、スクロール流路２３における周方向上流側の端部２３ａからの距離Ｌが、該端部２３ａにおけるスクロールの接線方向に沿って、該端部２３ａにおける前記スクロール流路の直径Ｄの２倍（２Ｄ）以内となる位置に配置されている。
　これにより、第１燃料ノズル３１の位置を燃焼筒１１の径方向内側に近づけることができるので、ガスタービン２の小型化を図れる。
（スクロール流路２３について）
　幾つかの実施形態では、上述したように、スクロール流路２３は、燃焼筒１１の径方向に沿った流路断面の面積が周方向上流側から周方向下流側に向かうにつれて漸減するように形成されている。
　幾つかの実施形態では、軸方向流路２５が燃焼筒１１の周方向の全周にわたって延在する環状の流路であって燃焼筒１１に接続されているので、スクロール流路２３を流れる混合気は、スクロール流路２３の周方向下流側に向かうにつれて漸減する。幾つかの実施形態では、上述したように、スクロール流路２３において燃焼筒１１の径方向に沿った流路断面の面積が周方向上流側から周方向下流側に向かうにつれて漸減するように形成されている。そのため、スクロール流路２３を流れる混合気が上述したようにスクロール流路２３の周方向下流側に向かうにつれて漸減しても、スクロール流路２３を流れる混合気の周方向の流速の低下が抑制される。そのため、軸方向流路２５から燃焼筒１１に流れ込む混合気の流量が、周方向の位置によって差が生じ難くなり、燃焼筒１１内での燃焼状態が周方向の位置によって差が生じることを抑制できる。これにより、燃焼筒１１内での燃焼状態が良好となり、ガスタービン２の燃焼効率向上に寄与できる。
　幾つかの実施形態では、スクロール流路２３は、燃焼筒１１の径方向に沿った流路断面の中心Ｃｓの位置が周方向上流側から周方向下流側に向かうにつれて燃焼筒１１の軸方向下流側に移動するように形成されている。
　幾つかの実施形態では、上述したように、スクロール流路２３は、燃焼筒１１の径方向に沿った流路断面の面積が周方向上流側から周方向下流側に向かうにつれて漸減するように形成されている。そのため、流路断面の中心Ｃｓの位置が周方向上流側から周方向下流側に向かうにつれて燃焼筒１１の軸方向下流側に移動するように形成されていない場合には、スクロール流路２３と軸方向流路２５との接続部２９の位置、すなわちスクロール流路２３の開口部２３ｂと軸方向流路２５の端部２５ａとの接続位置が周方向上流側から周方向下流側に向かうにつれて燃焼筒１１の軸方向上流側に移動してしまう。接続部２９の位置が周方向の位置によって異なると、軸方向流路２５の軸方向に沿った長さが周方向の位置によって異なってしまうので、軸方向流路２５を流れる混合気の流速が周方向の位置によって異なってしまい、軸方向流路２５から燃焼筒１１に流れ込む混合気の流量が、周方向の位置によって差が生じてしまうおそれがある。
　幾つかの実施形態では、上述したように、スクロール流路２３において燃焼筒１１の径方向に沿った流路断面の中心Ｃｓの位置が周方向上流側から周方向下流側に向かうにつれて燃焼筒１１の軸方向下流側に移動するように形成されている。そのため、接続部２９の位置が周方向上流側から周方向下流側に向かうにつれて燃焼筒１１の軸方向上流側に移動してしまうことを抑制できる。したがって、幾つかの実施形態によれば、軸方向流路２５から燃焼筒１１に流れ込む混合気の流量が、周方向の位置によって差が生じ難くなり、燃焼筒１１内での燃焼状態が周方向の位置によって差が生じることを抑制できる。これにより、燃焼筒１１内での燃焼状態が良好となり、ガスタービン２の燃焼効率向上に寄与できる。
（点火栓４１の配置位置について）
　幾つかの実施形態では、点火栓４１は、中央領域２４ａに配置されている。
　幾つかの実施形態では、環状に形成された軸方向流路２５における軸方向下流側の端部２５ｂから流路が急拡大するので、燃焼筒１１の軸方向上流側では、図４における矢印ｇ５で示すように、軸方向流路２５よりも径方向内側の領域において混合気が軸方向上流側に流れる循環流が発生する。幾つかの実施形態では、軸方向流路２５によって径方向外側を環状に囲まれた中央領域２４ａに点火栓４１を配置しているので、上述したような混合気の循環流に対して着火させることができる。上述したような混合気の循環流が発生する領域１１ｒでは、混合気の流速が比較的遅くなるので、中央領域２４ａに配置した点火栓４１によって循環流に着火させるようにすることで、着火信頼性が向上する。
（冷却空気通路４３について）
　図８は、冷却空気通路４３について説明するための模式的な断面図である。図６及び図８に示すように、幾つかの実施形態では、点火栓４１を冷却するための冷却空気が流れる冷却空気通路４３を備えている。
　冷却空気通路４３は、例えば壁面に複数の開口４５ａが形成された筐体４５の内部に形成される。筐体４５は、点火栓４１における燃焼筒１１内に面した端部４１ａの近傍を冷却空気で冷却するように、冷却空気通路４３を形成している。筐体４５には、冷却空気を供給するための冷却空気配管４７の下流端が接続されている。
　幾つかの実施形態では、冷却空気配管４７は、図１に示すように、コンプレッサ３からの圧縮空気を、熱交換器９を介さずに冷却空気通路４３に供給可能に構成されている。なお、熱交換器９を通過して加熱された後の圧縮空気が冷却空気通路４３に供給可能に構成されていてもよい。
　図８の矢印ｂ１で示すように、冷却空気配管４７を流れるコンプレッサ３からの圧縮空気（冷却空気）は、矢印ｂ２で示すように冷却空気通路４３に流入する。その後、冷却空気は、矢印ｂ３で示すように筐体４５の内部、すなわち冷却空気通路４３を流れて、矢印ｂ４で示すように複数の開口４５ａから筐体４５の外部、すなわち燃焼筒１１内に流出する過程で点火栓４１を冷却する。
　これにより、燃焼筒１１内の火炎の熱による点火栓４１への悪影響を抑制できる。
　また、点火時に冷却空気通路４３への冷却空気の供給を停止し、着火後に冷却空気通路４３への冷却空気の供給を開始することで、着火性信頼性を保ちつつ、火炎の熱による点火栓４１への悪影響を抑制できる。
（燃焼筒１１と外筒部８０との間の圧縮空気の流れについて）
　上述したように、幾つかの実施形態では、燃焼筒１１の外周面１１ｃと外筒部８０の内周面８０ａとの間には、図４における矢印ａ４、ａ７で示すように、ケーシング７０を介して供給された圧縮空気が流入可能に構成されている。
　圧縮空気が燃焼筒１１の外周面１１ｃと外筒部８０の内周面８０ａとの間を軸方向下流側に向かって流れることで、圧縮空気によって燃焼筒１１を冷却できる。
　幾つかの実施形態では、外筒部８０は、第１間隔△ｄ１を空けて燃焼筒１１の外周面１１ｃと対向する第１領域８１と、第１領域８１の下流で第１間隔△ｄ１よりも小さな第２間隔△ｄ２を空けて燃焼筒１１の外周面１１ｃと対向する第２領域８２とを含む。
　幾つかの実施形態では、外筒部８０の第１領域８１及び第２領域８２と燃焼筒１１との間の空間に圧縮空気（冷却空気）を流すことで、燃焼筒１１を冷却できる。その際、第２間隔△ｄ２の方が第１間隔△ｄ１よりも小さいので、第２領域８２と燃焼筒１１との間の空間を流れる冷却空気の流速は、第１領域８１と燃焼筒１１との間の空間を流れる冷却空気の流速よりも大きくなる。そのため、燃焼筒１１のうち第２領域８２と第２間隔△ｄ２を空けて対向する領域を効果的に冷却できる。
　幾つかの実施形態では、外筒部８０は、第２領域８２の下流で第２間隔△ｄ２よりも大きな第３間隔△ｄ３を空けて燃焼筒１１の外周面１１ｃと対向する第３領域８３を含む。
　また、幾つかの実施形態では、燃焼筒１１は、第３領域８３と対向する領域に形成された複数の開口部１３を有する。
　したがって、幾つかの実施形態では、外筒部８０と燃焼筒１１との間の空間に圧縮空気（冷却空気）を流すことで、該空間から上記複数の開口部１３を介して空気を燃焼筒１１内に供給できる。これにより、複数の開口部１３より軸方向上流側の領域において複数の開口部１３より軸方向下流側の領域よりも燃焼筒１１内の温度を高く保つことができる。これにより、複数の開口部１３より軸方向上流側の領域における燃焼状態を安定化できるとともに、複数の開口部１３より軸方向下流側の領域において燃焼ガスの温度を抑制できる。
　なお、複数の開口部１３から燃焼筒１１内に流入する空気は、燃焼筒１１の軸方向下流側に向かう速度成分（以下、軸方向速度成分Ｖａｘと呼ぶ）と、燃焼筒１１の径方向内側に向かう速度成分（以下、径方向速度成分Ｖｄと呼ぶ）とを有する（図４参照）。
　第３領域８３と燃焼筒１１との間の空間から複数の開口部１３を介して燃焼筒１１内に流入する空気の流速Ｖは、複数の開口部１３のそれぞれの開口面積、開口部１３の数、及び単位時間あたりに燃焼筒１１内に流入する空気量で決まる。そのため、該空気量が一定であれば、第３領域８３と燃焼筒１１との間の空間を流れる冷却空気の流速、すなわち該空間における軸方向速度成分を大きくすると、複数の開口部１３から燃焼筒１１内に流入する空気の軸方向速度成分Ｖａｘは大きくなるものの、径方向速度成分Ｖｄは小さくなる。
　逆に、第３領域８３と燃焼筒１１との間の空間を流れる冷却空気の軸方向速度成分を小さくすると、複数の開口部１３から燃焼筒１１内に流入する空気の軸方向速度成分Ｖａｘは小さくなるものの、径方向速度成分Ｖｄは大きくなる。
　燃焼筒１１の下流にタービン５が配置されている場合、タービン５に到達する燃焼ガスの温度のムラを抑制することがタービン効率向上、損傷防止の観点から望ましい。そのため、複数の開口部１３から燃焼筒１１内に流入する空気の径方向速度成分Ｖｄを大きくすることで、燃焼筒１１内を流れる燃焼ガスに対する、複数の開口部１３から燃焼筒１１内に流入する空気の貫通力を大きくすることが望ましい。したがって、第３領域８３と燃焼筒１１との間の空間を流れる冷却空気の軸方向速度成分を小さくすることが望ましい。
　幾つかの実施形態によれば、第３間隔△ｄ３の方が第２間隔△ｄ２よりも大きいので、第３領域８３と燃焼筒１１との間の空間を流れる冷却空気の流速は、第２領域８２と燃焼筒１１との間の空間を流れる冷却空気の流速よりも小さくなる。これにより、第３領域８３と燃焼筒１１との間の空間を流れる冷却空気の軸方向速度成分を小さくすることができ、上記貫通力を大きくすることができる。
（燃焼筒１１の軸方向下流側の切欠き部について）
　幾つかの実施形態に係る燃焼器１０では、図４に示すように、燃焼筒１１は、軸方向下流側の端部１１ａから軸方向に延在する切欠き部１５が周方向に沿って間隔を空けて複数形成されている。
　また、幾つかの実施形態に係る燃焼器１０では、保持部９０は、該端部１１ａを燃焼筒１１の径方向外側から押圧して該端部１１ａを保持するように構成されている。
　具体的には、幾つかの実施形態に係る燃焼器１０では、切欠き部１５を設けることで、切欠き部１５によって周方向に間隔を空けて分割された燃焼筒１１における軸方向下流側の部分円筒部１７のそれぞれは、他の部分円筒部１７とは別々に端部１１ａを径方向に動かすことができる。
　したがって、保持部９０によって燃焼筒１１を保持する際に、該端部１１ａを部分円筒部１７の弾性力に抗して径方向内側に移動させることで、該弾性力によって部分円筒部１７が径方向外側に向かって保持部９０を押圧する。
　これにより、簡単な構成によって燃焼筒１１の軸方向下流側の端部１１ａを保持部９０で保持できる。
　また、燃焼筒１１（部分円筒部１７）の弾性力を利用して燃焼筒１１を保持部９０で保持できるので、燃焼時に燃焼筒１１が振動することを抑制でき、燃焼筒１１の耐久性を向上できる。また、単純な構成であるので、コスト増を抑制できる。
　なお、該端部１１ａを燃焼筒１１の径方向内側から押圧して該端部１１ａを保持するようにしてもよい。
（予混合管２０の入口端とケーシング７０の空気入口部７１との位置関係について）
　上述したように、幾つかの実施形態では、図５によく示すように、予混合管２０の入口端、すなわち、接線方向流路２１の上流側の入口端部２１ａは、ケーシング７０の内部の領域のうち、空気入口部７１が位置する領域７０ａとは燃焼筒１１の軸線ＡＸを挟んで反対側の領域７０ｂに配置されている。
　これにより、予混合管２０の入口端近傍では、空気入口部７１からケーシング７０の内部に流入する圧縮空気の流速分布の偏りの影響を受け難くなるので、スクロール流路２３内での混合気の流れに乱れが生じ難くなる。これにより、軸方向流路２５を介して燃焼筒１１に流れ込む混合気の流れが乱れ難くなるので、燃焼筒１１内での燃焼状態が良好となり、ガスタービン２の燃焼効率向上に寄与できる。
　また、幾つかの実施形態では、噴射孔３１ａは、上記反対側の領域７０ｂに配置されている。
　これにより、接線方向流路２１の上流側の入口端部２１ａを上記反対側の領域７０ｂに配置したことによる上記の作用効果も相まって、スクロール流路２３内で燃料と空気とが効率的に混合される。
（混合気の循環流について）
　上述したように、幾つかの実施形態では、環状に形成された軸方向流路２５から燃焼筒１１内に混合気が流入するので、燃焼筒１１の軸方向上流側では、図４における矢印ｇ５で示すように、軸方向流路２５よりも径方向内側の領域において混合気が軸方向上流側に流れる循環流が発生する。
　さらに、幾つかの実施形態では、上述したように、外側壁部２６及び内側壁部２７は、軸方向流路２５における下流側の領域において軸方向下流側に向かうにつれて径方向の寸法が漸増するように形成されている。
　これにより、軸方向流路２５から燃焼筒１１内に混合気が径方向外側に向かう速度成分を有した状態で流入するので、燃焼筒１１の軸方向上流側では、軸方向流路２５よりも径方向内側の領域において上述した循環流が発生し易くなる。このような混合気の循環流が発生する領域１１ｒでは、上述したように混合気の流速が比較的遅くなるので、保炎に適した状態を確保できる。
　本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
１　発電装置
２　ガスタービン
３　コンプレッサ
５　タービン
１０　燃焼器
１１　燃焼筒
１３　開口部
１５　切欠き部
２０　予混合管
２１　接線方向流路
２３　スクロール流路
２４ａ　中央領域
２５　軸方向流路
２６　外側壁部
２７　内側壁部
３１　第１燃料ノズル
３１ａ　噴射孔
３２　第２燃料ノズル
４１　点火栓
５１　案内部材
７０　ケーシング
７１　空気入口部
７３　側壁部
８０　外筒部
８１　第１領域
８２　第２領域
８３　第３領域
９０　保持部

Claims (16)

  1. 　燃焼筒と、
    　前記燃焼筒の周方向に延在するスクロール流路、及び、前記燃焼筒の軸方向に延在して前記スクロール流路と前記燃焼筒の内部とを接続する軸方向流路を含み、前記燃焼筒の軸方向上流側に配置される予混合管と、
    　前記スクロール流路の周方向上流側に配置され、前記スクロール流路内に燃料を噴射するための噴射孔を有する第１燃料ノズルと、
    を備え、
    　前記噴射孔は、前記スクロール流路が存在する範囲と前記軸方向において重複する位置に配置されている
    燃焼器。
  2. 　前記スクロール流路は、前記燃焼筒の径方向に沿った流路断面の面積が周方向上流側から周方向下流側に向かうにつれて漸減するように形成されている
    請求項１に記載の燃焼器。
  3. 　前記スクロール流路は、前記燃焼筒の径方向に沿った流路断面の中心位置が周方向上流側から周方向下流側に向かうにつれて前記燃焼筒の軸方向下流側に移動するように形成されている
    請求項２に記載の燃焼器。
  4. 　前記予混合管は、前記スクロール流路における前記周方向上流側の端部に接続され、該端部におけるスクロールの接線方向に延在する接線方向流路を有し、
    　前記噴射孔は、前記接線方向流路における上流側に配置されている
    請求項１乃至３の何れか一項に記載の燃焼器。
  5. 　前記噴射孔は、前記スクロール流路における前記周方向上流側の端部からの距離が、該端部におけるスクロールの接線方向に沿って、該端部における前記スクロール流路の直径の２倍以内となる位置に配置されている
    請求項１乃至４の何れか一項に記載の燃焼器。
  6. 　前記軸方向流路は、前記周方向に沿って環状に形成され、
    　前記軸方向流路によって径方向外側を環状に囲まれた中央領域に配置され、前記予混合管から前記燃焼筒内に供給された前記燃料と空気との混合気に着火させるための点火栓、
    をさらに備える
    請求項１乃至５の何れか一項に記載の燃焼器。
  7. 　前記中央領域において前記点火栓の側方に配置され、前記点火栓を冷却するための冷却空気が流れる冷却空気通路、
    をさらに備える
    請求項６に記載の燃焼器。
  8. 　前記中央領域に配置され、前記燃焼筒の内部に前記燃料を供給する第２燃料ノズル、
    をさらに備える
    請求項６又は７に記載の燃焼器。
  9. 　前記燃焼筒の外周面と間隔を空けて対向する外筒部、
    をさらに備え、
    　前記外筒部は、第１間隔を空けて前記外周面と対向する第１領域と、前記第１領域の下流で前記第１間隔よりも小さな第２間隔を空けて前記外周面と対向する第２領域とを含む
    請求項１乃至８の何れか一項に記載の燃焼器。
  10. 　前記外筒部は、前記第２領域の下流で前記第２間隔よりも大きな第３間隔を空けて前記外周面と対向する第３領域を含み、
    　前記燃焼筒は、前記第３領域と対向する領域に形成された複数の開口部を有する
    請求項９に記載の燃焼器。
  11. 　前記燃焼筒は、軸方向下流側の端部から前記軸方向に延在する切欠き部が前記周方向に沿って間隔を空けて複数形成され、
    　該端部を前記燃焼筒の径方向外側又は内側から押圧して該端部を保持する保持部、
    をさらに備える
    請求項１乃至１０の何れか一項に記載の燃焼器。
  12. 　前記スクロール流路の前記周方向上流側に配置され、前記スクロール流路内に流入する空気を整流するための案内部材
    をさらに備える
    請求項１乃至１１の何れか一項に記載の燃焼器。
  13. 　前記予混合管が内部に配置されるケーシング
    をさらに備え、
    　前記ケーシングは、前記ケーシングの内部に空気を供給するための空気入口部と、前記予混合管を前記燃焼筒の径方向外側から覆い前記空気入口部が形成された側壁部とを有し、
    　前記予混合管の入口端は、前記ケーシングの内部の領域のうち、前記空気入口部が位置する領域とは前記燃焼筒の軸線を挟んで反対側の領域に配置されている
    請求項１乃至１２の何れか一項に記載の燃焼器。
  14. 　前記噴射孔は、前記反対側の領域に配置されている
    請求項１３に記載の燃焼器。
  15. 　前記軸方向流路は、前記燃焼筒の径方向外側に配置された筒状の外側壁部と、前記径方向内側に配置されていて前記外側壁部とは前記燃焼筒の径方向に間隔を空けて配置された筒状の内側壁部とを有し、
    　前記外側壁部及び前記内側壁部のうち少なくとも前記外側壁部は、前記軸方向流路における下流側の領域において前記軸方向下流側に向かうにつれて前記径方向の寸法が漸増するように形成されている
    請求項１乃至１４の何れか一項に記載の燃焼器。
  16. 　請求項１乃至１５の何れか一項に記載の燃焼器と、
    　圧縮空気を生成するためのコンプレッサと、
    　前記燃焼器からの燃焼ガスによって回転駆動されるように構成されたタービンと、
    を備える
    ガスタービン。
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