WO2022249938A1

WO2022249938A1 - ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: WO2022249938A1
Application number: PCT/JP2022/020623
Authority: WO
Inventors: クロニガー・ダニエル; 敦史堀川
Original assignee: 川崎重工業株式会社
Priority date: 2021-05-28
Filing date: 2022-05-18
Publication date: 2022-12-01
Also published as: US20240085022A1; DE112022002817T5; JPWO2022249938A1

Abstract

内側に燃焼室（９）を形成する燃焼筒（１１）に設けられて、燃料（Ｆ）を軸心方向（Ｃ）に直交する成分を含む方向に噴射する複数の燃料噴射孔（２９）と、複数の燃料噴射孔（２９）に燃料（Ｆ）を供給する共通の燃料供給室（３１）とを有する燃料噴射部（２３）と、各燃料噴射孔（２９）から噴射される燃料（Ｆ）に対して空気（Ａ）を案内する空気案内部（２５）とを備える燃料噴射装置（１３）を備えるガスタービン燃焼器（３）において、燃料噴射部（２３）は、燃料噴射孔（２９）よりも燃焼室の軸心方向（Ｃ）における前方に、燃焼用空気（Ａ）を案内する空気案内面（３５）を有し、燃料噴射孔（２９）の燃料噴射開口（２９ａ）が、空気案内面（３５）から段差状に凹んだ段差凹部（３７）の底壁面（３９）に設けられている。

Description

ガスタービン燃焼器

関連出願

　この出願は、２０２１年５月２８日出願の特願２０２１－０９０３７６の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。

　本発明は、ガスタービンエンジンに使用される燃焼器に関する。

　近年、いわゆる低炭素社会の実現に向けて、燃料に水素を利用するガスタービンエンジンが提案されている。もっとも、水素を含有する燃料のような燃焼速度が大きい燃料では、燃焼温度が高くなることからＮＯｘが発生しやすい。また、燃焼速度が大きい燃料を燃焼させる場合は燃焼室で発生した火炎がバーナ側に戻ってくる逆火現象が生じ易い。

　そこで、水素のような高反応性のガスを燃料として利用しながら、低ＮＯｘ燃焼および逆火防止を実現するための燃焼器として、燃料を噴射する複数の環状部材を同心状に配置し、各環状部材に設けられた多数の燃料噴射孔から径方向に、燃料を分散させて噴射し、かつ燃料噴射孔から噴射された燃料にほぼ直交する方向に、燃焼室側に向けて空気を流す構成の燃料噴射装置を用いるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような構造を有する燃焼器によれば、燃料の多点分散噴射によって局所的な高温燃焼の発生が抑制されるので低ＮＯｘ燃焼が可能になる。さらに、噴射された燃料に、燃焼室側に向けて空気が供給されることによって、逆火現象の発生が抑制される。

国際公開第２０１５／１８２１５４号

　しかし、特許文献１に開示された燃焼器では、各々の燃料噴射孔が小径であることから、純粋な水素ガスほど反応性が高くない燃料（例えば、水素ガスと天然ガスの混合燃料）を用いた場合、火炎を安定的に保持することが難しい。

　そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決するために、低ＮＯｘ燃焼および逆火防止を実現できる多点噴射型の燃焼器において、比較的反応性の低い燃料を用いた場合にも安定的な火炎保持を可能にすることにある。

　上記の課題を解決するために、本発明に係るガスタービン燃焼器は、
　内側に燃焼室を形成する燃焼筒と、
　前記燃焼筒の頂部に設けられて、前記燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射装置であって、
　　前記燃料を、前記燃焼室の軸心方向に直交する成分を含む方向に噴射する複数の燃料噴射孔と、前記複数の燃料噴射孔に燃料を供給する共通の燃料供給室とを有する燃料噴射部と、
　　各燃料噴射孔から噴射される燃料に対して燃焼用空気を案内する空気案内溝を有する空気案内部と、
　を備える燃料噴射装置と、
を備え、
　前記燃料噴射部は、前記燃料噴射孔よりも前記燃焼室の軸心方向における前方に、前記燃焼用空気を案内する空気案内面を有し、
　前記燃料噴射孔の燃料噴射開口が、前記空気案内面から段差状に凹んだ段差凹部の底壁面に設けられている。

　この構成によれば、燃料噴射部に上記段差凹部を設けて、燃料噴射孔の燃料噴射開口を段差凹部の底壁面に形成することにより、後に詳述するように、反応性の低い燃料を用いても、火炎を安定的に保持することが可能になる。

　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。

　本発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明からより明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、本発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。本発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の部品番号は、同一または相当部分を示す。
本発明の一実施形態に係る燃焼器が適用されるガスタービンエンジンの概略構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る燃焼器を、一部を破断して示す斜視図である。図２の燃焼器に使用される燃料噴射装置の一例を示す正面図である。図３の燃料噴射装置の一部を拡大して示す正面図である。図３の燃料噴射装置の一部を拡大して示す縦断面図である。図２の燃焼器に使用される燃料噴射装置の他の例を示す正面図である。図３燃料噴射装置の一部を拡大して示す斜視図である。図３燃料噴射装置の一部を拡大して示す平面図である。図２の燃焼器に使用される燃料噴射装置についてのＣＦＤ燃焼解析結果を示す図である。

　以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。

　図１に、本発明の一実施形態に係る燃焼器が適用されるガスタービンエンジン（以下、単にガスタービンと称する。）ＧＴの概略構成を示す。ガスタービンＧＴは、導入した空気を圧縮機１で圧縮して燃焼器３に導き、燃料を燃焼器３内に噴射して燃焼させ、得られた高温高圧の燃焼ガスＧによりタービン５を駆動する。タービン５は圧縮機１に回転軸７を介して連結されており、タービン５によって圧縮機１が駆動される。このガスタービンＧＴの出力により、航空機のロータまたは発電機などの負荷Ｌを駆動する。燃焼器３は、例えば、ガスタービンＧＴの軸心の周りに環状に複数個配置されるキャン型の燃焼器である。もっとも、燃焼器３のタイプはキャン型に限定されず、例えばアニュラ型であってもよい。

　図２に示すように、燃焼器３は、内側に燃焼室９を形成する燃焼筒１１と、燃焼筒１１の頂部（最上流部）１３ａに取り付けられて燃焼室９に燃料と空気を噴射する燃料噴射装置１３とを備えている。燃料噴射装置１３から噴射された燃料に、燃焼筒１１に設けられた点火装置Ｐで点火することにより、燃焼室９内に火炎が形成される。これら燃焼筒１１および燃料噴射装置１３は、燃焼器３の外筒となるほぼ円筒状のハウジングＨに同心状に収容されている。なお、本明細書において、同図に示すように、燃焼器３における、燃焼室９の軸心方向Ｃに沿った燃焼室９側を「後側」と呼び、その反対方向を「前側」と呼ぶ。また、以下の説明では、燃焼室９の軸心方向Ｃを単に「軸心方向Ｃ」と呼ぶ。

　本実施形態では、燃焼器３は空気Ａと燃焼ガスＧとの流動方向が逆向きの逆流型として構成されている。すなわち、燃焼器３は、ハウジングＨと燃焼筒１１および燃焼筒１１から前側へ筒状に延びる支持筒１５との間に形成された空気導入通路１７を有しており、この空気導入通路１７は、圧縮機１（図１）で圧縮された空気Ａを、燃焼室９内の燃焼ガスＧの流動方向と逆方向に導く。なお、燃焼器３は、空気Ａと燃焼ガスＧとの流動方向が同じ向きの軸流型であってもよい。支持筒１５の周壁の前端部には、複数の空気導入孔１９が周方向に並べて設けられている。空気導入通路１７を通って送られてきた空気Ａは、空気導入孔１９を通って、支持筒１５の内方に形成された空気供給通路２１に導入され、後方の燃料噴射装置１３に向けて送られる。

　図３に示すように、燃料噴射装置１３は、燃料噴射部２３と、空気案内部２５とを備えている。本実施形態では、燃料噴射部２３および空気案内部２５は、それぞれ環状に形成されている。この例では、径寸法が互いに異なる複数（図示の例では４つ）の環状の燃料噴射部２３が、互いに同心状に、かつ燃焼器３（図２）と同心状に配置されており、各燃料噴射部２３の外周側および内周側に、それぞれ、各燃料噴射器の形状に対応した環状の空気案内部２５が配置されている。燃料噴射装置１３の各燃料噴射部２３には、燃料供給通路２７（図２）を介して燃料が供給される。

　図４に示すように、燃料噴射部２３は、燃料を噴射する複数の燃料噴射孔２９と、これら複数の燃料噴射孔２９に燃料Ｆを供給する共通の燃料供給室３１とを有する。

　本実施形態では、各燃料噴射部２３に、複数の燃料噴射孔２９が、周方向に等間隔に多数配置されている。各燃料噴射孔２９は、軸心方向Ｃに直交する成分を含む方向に噴射するように形成されている。具体的には、この例では、図５に示すように、各燃料噴射孔２９は、軸心方向Ｃに直交する方向（この例では環状の燃料噴射部２３の径方向Ｒ）に燃料Ｆを噴射するように形成されている。より具体的には、この例では、燃料噴射部２３は、縦断面が全体として矩形状に形成されており、燃料噴射孔２９は、燃料噴射部２３の径方向Ｒ外側を向く壁面および／または径方向Ｒ内側を向く壁面に開口する孔として形成されている。

　図４に示すように、空気案内部２５は、各燃料噴射孔２９に燃焼用の空気Ａを案内する空気案内溝３３を有している。具体的には、この例では、図５に示すように、空気案内部２５は板状の部材として形成されており、軸心方向Ｃに直交する平面に平行となる向きで、燃料噴射部２３における燃料噴射孔２９の前側（すなわち、空気Ａの流れ方向における上流側）に配置されている。このように配置された空気案内部２５において、図４に示すように、燃料噴射部２３側の領域の一部が切り欠かれることにより、空気案内溝３３が形成されている。本実施形態では、１つの燃料噴射孔２９に対して１つの空気案内溝３３が設けられている。

　このように構成された燃料噴射装置１３において、燃料噴射部２３の各燃料噴射孔２９から噴射された燃料Ｆは、空気案内部２５の空気案内溝３３で案内された空気Ａと予混合され、予混合気として燃焼室９へ噴射される。このように、空気案内部２５によって、各燃料噴射孔２９から噴射された燃料Ｆに対して上流から空気Ａを軸心方向Ｃに案内することにより、燃料Ｆと空気Ａとが互いにほぼ直交する向きで交わることとなり、燃料噴射装置１３外にて燃料Ｆと空気Ａを均一に混合させることができる。

　燃料噴射部２３の燃料噴射孔２９による燃料Ｆの噴射方向は、軸心方向Ｃに直交する成分を含む方向であればよく、例えば軸心方向Ｃに直交する方向に対して軸心方向Ｃに±１０°以内の範囲で傾斜していていもよい。

　なお、燃料噴射装置１３全体の構成は、この例に限定されない。例えば、燃料噴射部２３の形状は、図３に示した環状に限定されず、図６に示す変形例のように、正面視（燃焼室９の軸心方向Ｃ視）で矩形状であってよい。燃料噴射部２３およびこれに対応する空気案内部２５を複数設けることは必須ではなく、それぞれ１つであってもよい。

　次に、燃料噴射部２３における燃料噴射孔２９の周辺の構造について、詳細に説明する。

　図５に示すように、本実施形態では、燃料噴射部２３は、燃料噴射孔２９よりも前方に、空気Ａを案内する空気案内面３５を有している。空気案内面３５は、軸心方向Ｃに平行に延びる平坦面として形成されている。この空気案内面３５の後側に、空気案内面３５から段差状に凹む段差凹部３７が形成されている。この例では、段差凹部３７は、燃料噴射部２３の後端まで延びている。段差凹部３７の底壁面３９に、燃料噴射孔２９の燃料噴射開口２９ａが形成されている。なお、以下の説明において、便宜上、段差凹部３７における底壁側方向を「下方」と呼び、空気案内面３５側方向を「上方」と呼ぶ場合がある。

　燃料噴射孔２９の燃料噴射開口２９ａを段差凹部３７の底壁面３９に形成することにより、後述するように、反応性の低い燃料Ｆを用いても、火炎を安定的に保持することが可能になることが確認された。これは以下の効果によるものと考えられる。
（１）段差凹部３７の側壁によって、燃料噴射孔２９から噴射された燃料Ｆの流れが、空気Ａが流れている上方ないし後方に確実に方向づけられる。
（２）平滑な空気案内面３５に沿って流れてきた空気Ａの流れが段差凹部３７によって乱され、渦流が形成されることにより、燃料Ｆとの混合が促進される。
（３）段差凹部３７の存在により、燃料噴射孔２９から噴射された燃料Ｆが空気Ａの強い流れから保護される。

　この例では、図７に示すように、段差凹部３７は複数段（この例では２段）に凹む形状に形成されており、最下段の底壁面３９と一段目の底壁面４０とを有している。本実施形態では、最下段の底壁面３９に燃料噴射孔２９の燃料噴射開口２９ａが形成されている。なお、段差凹部３７が１段のみの構造である場合には、燃料噴射孔２９の燃料噴射開口２９ａは、一段目の底壁面４０に形成される。なお、以下の説明では、便宜上、段差凹部３７の最下段の部分を第１段部３７ａと呼び、二段目の部分を第２段部３７ｂと呼ぶ場合がある。

　本実施形態では、段差凹部３７の両側壁４１は、当該段差凹部３７の前端から後端に向かって（つまり、燃焼室９側に向かって）、両側壁４１間の間隔が次第に広がる形状に形成されている。より具体的には、図８に示すように、段差凹部３７の両側壁４１は、平面視において、燃料噴射部の後端を底辺とする仮想二等辺三角形の長さの等しい２辺の一部を形成するように延びている。もっとも、図示の例では、段差凹部３７の前記仮想二等辺三角形の頂角に相当する前端部４３は、前方に凹む湾曲状に形成されている。

　段差凹部３７の両側壁４１を、上記のように前端から後端に向かって、両側壁４１間の間隔が次第に広がる形状に形成することにより、空気Ａおよび燃料噴射孔２９から噴射された燃料Ｆの混合気流の流速が、燃焼室９側に進むにしたがって流路が拡大することに伴い次第に低下する。同様に、段差凹部３７を複数段に凹む形状とすることにより、燃料噴射孔２９から噴射された燃料Ｆ流の流速が、上方に進むにしたがって流路が拡大することに伴い次第に低下する。これにより、燃料Ｆと空気Ａの混合が、さらに促進される。

　平面視において両側壁４１のなす角度αの好ましい範囲は、０°＜α≦８０°であり、より好ましくは２０°≦α≦６０°であり、さらに好ましくは２５°≦α≦４０°である。なお、図示の例では、複数段の段差凹部３７における各段の側壁４１間の角度α１，α２を同一のαとしているが、段差凹部３７を複数段とした場合に、各段の側壁４１間の角度は異なっていてもよい。

　また、段差凹部３７の両側壁４１を、上記のように前端から後端に向かって、両側壁４１間の間隔が次第に広がる形状に形成することは必須ではなく、αは０°でもよいし、マイナスの角度（前端から後端に向かって両側壁４１間の間隔が次第に狭くなる角度）であってもよい。両側壁４１の形状は、平面視において図示のように直線状である必要はなく、例えば湾曲していてもよい。

　さらに、段差凹部３７を複数段とすることは必須ではなく、１段のみの構成であってもよい。また、段差凹部３７を複数段に形成する場合、図示した２段に限らず、３段以上であってもよい。

　段差凹部３７の最下段の底壁面３９における燃料噴射孔２９の燃料噴射開口２９ａの位置は、特に限定されない。もっとも、後述するように、燃料噴射孔２９の燃料噴射開口２９ａの中心点Ｏと、段差凹部３７の最下段の前端点と間の距離Ｄが近い方が、より安定的に火炎を保持できることが確認された。これは、燃料噴射孔２９が段差凹部３７の後端壁に近接することにより、上述した段差凹部３７による（１）～（３）の効果がより顕著に得られることによるものと考えられる。したがって、この距離Ｄの好ましい範囲は、燃料噴射孔２９の孔径をｄとした場合、Ｄ≦２ｄであることが好ましく、Ｄ≦ｄであってもよく、Ｄ＝ｄ／２（すなわち燃料噴射孔２９の前端が段差凹部３７の最下段の前端点と一致）であってもよい。

　段差凹部３７の空気案内部２５に対する相対位置は特に限定されない。もっとも、燃焼用の空気Ａの流速は、空気案内部２５の空気案内溝３３の近傍で最も大きくなることから、空気案内溝３３の近傍で燃料Ｆが噴射されることが好ましい。また、逆火防止の観点からは、燃料Ｆの空気Ａへの進入は、空気案内部２５の下流側においてなされることが好ましい。このような観点から、段差凹部３７の前端が、空気案内部２５の前端よりも後方に位置することが好ましい。さらに、段差凹部３７の前端が、空気案内部２５の厚み（軸心方向Ｃの寸法）の範囲内に位置することが好ましく、段差凹部３７の前端が、空気案内部２５の厚みの中央位置に一致していることがより好ましい。また、段差凹部３７は、その全体が、空気案内溝３３の間の幅方向位置に収まっていることが好ましい。

　段差凹部３７の各部分の具体的な寸法は、燃焼器３に要求される出力、サイズ、使用する燃料Ｆ等の諸仕様に応じて適宜選択されるが、例えば燃料噴射孔２９の孔径ｄは、上述した多点噴射用の燃料噴射孔２９として、０．５ｍｍ～１．０ｍｍ程度とすることができる。この場合の段差凹部３７の軸心方向Ｃ寸法、幅方向寸法は数ｍｍ程度とすることができる。

　なお、図７に示す、本実施形態に係る燃料噴射装置の上記した以外の各種寸法は、適宜設定することができるが、一例として、以下の範囲に設定することができる。もっとも、これらの寸法は以下に示す範囲に限定されない。

　燃料噴射孔２９の燃料噴射開口２９ａの中心点Ｏから第１段部３７ａの底壁面３９の後端までの距離ｃは、１．５ｍｍ以上４．０ｍｍ以下とすることができる。第１段部３７ａの高さｈ１は、０．１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とすることができ、第２段部３７ｂの高さｈ２は、０．２ｍｍ以上３．０ｍｍ以下とすることができる。燃料噴射孔２９の燃料噴射開口２９ａの中心点Ｏから第１段部３７ａの前端点と間の距離Ｄ１は、０．４ｍｍ以上２．６ｍｍ以下とすることができ、第２段部３７ｂにおける同距離Ｄ２は、０．２ｍｍ以上１．９ｍｍとすることができる。第１段部３７ａの前端の湾曲部の曲率半径ｒ１は、０．６ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とすることができ、第２段部３７ｂにおける同曲率半径ｒ２は、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とすることができる。

　上述のように構成した本実施形態に係る燃焼器３の効果について、ＣＦＤ燃焼解析を行った結果を示しながら説明する。

　このＣＦＤ燃焼解析では、段差凹部３７を設けない従来の燃料噴射装置を比較例とし、実施例として図７に示す燃料噴射装置１３を対象とした。なお、実施例の段差凹部３７の側壁４１は、図８に示した後方に向けて直線状に広がる形状（α＝３０°）とした。

　燃料として、水素ガス１００％燃料（以下では単に「水素燃料」と呼ぶ。）および水素ガスと天然ガスの混合燃料（水素ガス：天然ガスの体積比６０：４０；以下では単に「混合燃料」と呼ぶ。）のそれぞれにつき、定格負荷相当、部分負荷相当、無負荷相当の各温度のものを比較した。これらの燃料を上記各装置によって燃焼させた状態をシミュレーションし、温度分布を比較した結果を図９に示す。

　同図に示すように、比較例に係る燃料噴射装置では、水素燃料では火炎保持が可能であるのに対して、混合燃料ではいずれの温度でも火炎保持ができなかった。これに対して、実施例の燃料噴射装置では無負荷相当を含むいずれの温度でも火炎保持が可能であった。このように、燃料噴射部に段差凹部を設けることにより、反応性の低い燃料に対して保炎性が顕著に改善されること、特に燃料噴射孔を段差凹部の底壁面の前端に設けることによって極めて良好な保炎性を示すことが確認された。

　なお、燃料噴射孔２９の燃料噴射開口２９ａの中心点Ｏと、段差凹部３７の最下段の前端点と間の距離Ｄを、Ｄ＝ｄ／２（すなわち燃料噴射孔２９の前端が段差凹部３７の最下段の前端点と一致）とする構成は、段差凹部３７を１段とする構成と組み合わせてもよい。

　本実施形態に係る燃焼器３に使用する燃料Ｆの種類は特に限定されないが、上述のように、燃料噴射部２３に段差凹部３７を設けることにより、水素ガスよりも反応性の低い燃料Ｆにおいて特に顕著に保炎性が向上する。したがって、例えば、上記のＣＦＤ燃焼解析で使用した水素ガスと天然ガスの混合燃料を用いることにより、燃料費を削減しながら安定した運転を確保できる。

　以上説明したように、本実施形態に係るガスタービン燃焼器３によれば、低ＮＯｘ燃焼および逆火防止を実現できる多点噴射型の燃焼器３において、比較的反応性の低い燃料Ｆを用いた場合にも安定的な火炎保持を可能になる。

　以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

３　燃焼器
９　燃焼室
１１　燃焼筒
１３　燃料噴射装置
２３　燃料噴射部
２５　空気案内部
２９　燃料噴射孔
３３　空気案内溝
３５　空気案内面
３７　段差凹部
３９　段差凹部の底壁面
４１　段差凹部の側壁
Ｇ　ガスタービンエンジン
Ｐ　点火装置

Claims

　内側に燃焼室を形成する燃焼筒と、
　前記燃焼筒の頂部に設けられて、前記燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射装置であって、
　　前記燃料を、前記燃焼室の軸心方向に直交する成分を含む方向に噴射する複数の燃料噴射孔と、前記複数の燃料噴射孔に燃料を供給する共通の燃料供給室とを有する燃料噴射部と、
　　各燃料噴射孔から噴射される燃料に対して燃焼用空気を案内する空気案内溝を有する空気案内部と、
　を備える燃料噴射装置と、
を備え、
　前記燃料噴射部は、前記燃料噴射孔よりも前記燃焼室の軸心方向における前方に、前記燃焼用空気を案内する空気案内面を有し、
　前記燃料噴射孔の燃料噴射開口が、前記空気案内面から段差状に凹んだ段差凹部の底壁面に設けられている、
ガスタービン燃焼器。
　請求項１に記載の燃焼器において、
　前記段差凹部の両側壁は、当該段差凹部の前端から後端に向かって、両側壁間の間隔が広がる形状に形成されている、
ガスタービン燃焼器。
　請求項１または２に記載の燃焼器において、
　前記段差凹部が、複数段に凹む形状に形成されている、
ガスタービン燃焼器。
　請求項１から３のいずれか一項に記載の燃焼器において、
　前記燃料噴射開口の中心点と前記段差凹部の底壁の前端と間の距離Ｄと、前記燃料噴射孔の孔径ｄとの関係が、ｄ／２≦Ｄ≦２ｄである、
ガスタービン燃焼器。
　請求項４に記載の燃焼器において、
　前記燃料噴射孔が、前記燃料噴射開口の前端が前記段差凹部の底壁の前端と一致する位置に形成されている、
ガスタービン燃焼器。
　請求項２および請求項２を引用する請求項３から５のいずれか一項に記載の燃焼器において、
　前記両側壁のなす角度αが、０°＜α≦８０°の範囲にある
ガスタービン燃焼器。