(57)【要約】【課題】未燃焼物質が生成しにくく、主混合管等の部品が熱劣化しにくいガスタービン燃焼器を提供する。【解決手段】底部がガスタービンの吸入側に接続された燃焼筒１と、前記燃焼筒１の頂部に接続された主混合管３及び予混合管２を有するガスタービン燃焼器において、前記予混合管２が、火炎を安定的に保持するための内部空間を備えた火炎保持筒８を介して前記燃焼筒１に接続されている。予混合管の位置が火炎保持筒の分、燃焼筒の軸線方向について後退しているので、予混合管からの完全燃焼したガスが主混合管から噴出する混合気と合流して着火するため、燃焼効率が良く未燃焼物質が生成しにくい。主混合管の先端は燃焼筒内に突出していないため、部品の熱劣化などの問題もない。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンに燃焼ガスを供給する燃焼筒と前記燃焼筒に接続された主混合管及び予混合管とを有するガスタービン燃焼器において、
前記予混合管が、火炎を安定的に保持するための内部空間を備えた火炎保持筒を介して前記燃焼器に接続されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項２】
前記火炎保持筒の断面が、前記予混合管によるガスの噴射方向と平行な切断面において円錐台形であることを特徴とする請求項１記載のガスタービン燃焼器。
【請求項３】
前記主混合管及び予混合管の空気取入口にはそれぞれスワーラが設けられ、かつ前記主混合管のスワーラは減速した直進流を生じさせ、予混合管のスワーラは強い旋回流を生じさせるものであることを特徴とする請求項１記載のガスタービン燃焼器。
【請求項４】
前記主混合管及び予混合管は対をなして燃焼筒に配置され、かつ前記主混合管同士の離間間隔をＬとし、主混合管の直径をｄとした場合に、Ｌ＝１．５〜２．０ｄであることを特徴とする請求項１記載のガスタービン燃焼器。
【請求項５】
前記火炎保持筒の外周には隙間をおいてカバーが配置され、前記カバーには冷却のための複数の通気口が開口されていることを特徴とする請求項１又は２記載のガスタービン燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン燃焼器に関し、特に燃焼筒に対する予混合管と主混合管の配置関係を適宜に設定して燃焼効率の向上を図るとともに、燃焼筒の熱による主混合管等の熱劣化を防止できるようにした構造に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン燃焼器において、高い燃焼効率と低ＮＯｘ排出濃度を両立しうる燃焼方式として、パイロットノズルにより濃い混合気で安定した着火用の火炎を形成しておき、このパイロットノズルによる火炎にメインノズルから希薄な混合気を吹付けて着火し、燃焼させる方式が知られている。
【０００３】
ところがこの方式において、着火用のパイロットノズルによって高温で燃焼させている状態のところに、メインノズルから燃料と空気を混合した低温のガスを直接吹付けると、温度が低下して不完全燃焼を生じ、通常は９９％程度期待できる燃焼効率が９０％程度にも低下し、ＣＯ，ＨＣなどの未燃焼物質が生成されやすい燃焼状態になってしまう。
【０００４】
そこで、このような不都合を回避するために、例えば特許文献１に示すように、図７に示す構造のガスタービン燃焼器が開発されている。このガスタービン燃焼器は、頂部が閉塞されており、下部の開口端がタービンの吸入側に連通された略円筒形の燃焼筒１００と、燃焼筒１００の頂部に配置され、燃焼筒と軸線を略一致させて燃焼筒に接続連通されたるとともに、その先端には保炎板としてのコーン１０１が設けられた着火用のパイロットノズル１０２と、前記パイロットノズル１０２の周囲に配置されるとともに、その出口面積の負荷に応じた調整機構である可変弁１０３を備えたメインノズル１０４とを備えている。
【０００５】
この構造においては、コーン１０１が設けられたパイロットノズル１０２の先端部を燃焼筒１００内に突出させたことにより、燃焼筒１００の軸線方向についての燃焼筒１００内での燃焼位置を、メインノズル１０４から噴出する混合気の燃焼位置に対してずらし（ステージング、すなわち軸方向の位置が異なるように設定すること）、両混合気を合流させる構造としている。
【０００６】
これにより、パイロットノズル１０２から噴射された混合気は図示しない点火プラグにより着火して完全燃焼し、メインノズル１０４から噴出する薄い混合気にパイロットノズル１０２からの燃焼ガスを合流させて着火し燃焼させることになるため、ＴＨＣやＣＯ等の未燃焼物質の生成を効率的に防止することができる。
【特許文献１】特許第３１９７１０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、この構造においては、コーン１０１が取り付けられたパイロットノズル１０２の先端部が燃焼筒１００内にあるが、燃焼筒１００内は発生した高温高圧のガスにより高温となる。このため、この燃焼筒１００内にあるコーン１０１等を含むパイロットノズル１０２の先端部は燃焼ガスに曝されて熱劣化を生じやすく、耐熱性の点で問題があった。
【０００８】
そこで本発明は、以上の課題を解決するものであり、その目的とするところは、燃焼筒に関する予混合管（パイロットノズル）と主混合管（メインノズル）の軸方向の配置を未燃焼物質が生成しにくい燃焼効率のよい配置関係にすると同時に、主混合管等の部品の熱劣化を防止できるようにしたガスタービン燃焼器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するため、請求項１記載のガスタービン燃焼器は、タービンに燃焼ガスを供給する燃焼筒と前記燃焼筒に接続された主混合管及び予混合管とを有するガスタービン燃焼器において、前記予混合管が、火炎を安定的に保持するための内部空間を備えた火炎保持筒を介して前記燃焼器に接続されていることを特徴としている。
【００１０】
請求項２記載のガスタービン燃焼器は、請求項１記載のガスタービン燃焼器において、前記火炎保持筒の断面が、前記予混合管によるガスの噴射方向と平行な切断面において円錐台形であることを特徴としている。
【００１１】
請求項３記載のガスタービン燃焼器は、請求項１記載のガスタービン燃焼器において、前記主混合管及び予混合管の空気取入口にはそれぞれスワーラが設けられ、かつ前記主混合管のスワーラは減速した直進流を生じさせ、予混合管のスワーラは強い旋回流を生じさせるものであることを特徴としている。
【００１２】
請求項４記載のガスタービン燃焼器は、請求項１記載のガスタービン燃焼器において、前記主混合管及び予混合管は対をなして燃焼筒に配置され、かつ前記主混合管同士の離間間隔をＬとし、主混合管の直径をｄとした場合に、Ｌ＝１．５〜２．０ｄであることを特徴としている。
【００１３】
請求項５記載のガスタービン燃焼器は、請求項１又は２記載のガスタービン燃焼器において、前記火炎保持筒の外周には隙間をおいてカバーが配置され、前記カバーには冷却のための複数の通気口が開口されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
以上により、請求項１の発明では、予混合管の位置が火炎保持筒の分、燃焼筒の軸線方向について後退し、これによって予混合管からの火炎が完全燃焼した状態で主混合管から噴出する混合気と合流して着火するため、燃焼効率が良く未燃焼物質が生成しにくく、かつ主混合管の先端は燃焼筒内に突出していないため、部品の熱劣化などの課題も同時解決できる。
【００１５】
請求項２の発明では、燃焼ガスの予混合管への逆流領域がなく、着火した混合気は円錐台形のテーパ形状に沿って燃焼筒内に拡散していく。
【００１６】
請求項３の発明では、予混合管から噴出する混合気は、スワーラにより強い旋回流を生ずるため、安定した火炎を得られる一方で、主混合管から噴出する混合気は、減速した軸方向の流れとなるため、予混合管から噴出する火炎との干渉を避けつつ、予混合管から噴出する火炎により確実に着火することができる。
【００１７】
請求項４の発明では、Ｌ＝１．５〜２．０ｄの値の範囲を下回った状態は主混合管同士が接近していることを意味しており、予混合気火炎の流れが干渉し合い、全体的に流速が速くなる。その逆に前記数値範囲以内である状態は、主混合管同士が十分に離れていることを示しており、主混合管同士の軸方向の火炎の流れは互いに干渉し合わず、また予混合管からの火炎の流れと主混合管からの火炎の流れも干渉し合わないため、適度な温度で安定した燃焼形態を得られる。
【００１８】
請求項５の発明では、カバーの通気口を通じて火炎保持筒本体外周に空気が回り込みやすく、火炎保持筒が冷却されやすい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下本発明の最良の実施の形態につき、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１〜図６は本発明の実施形態を示し、図１は本発明に係るガスタービン燃焼器の側断面図、図２（ａ）は燃焼筒の頂部を示す斜視図、同図（ｂ）は同図（ａ）中に示す火炎保持筒の部分拡大断面図、図３（ａ）は燃焼筒頂部における主混合管の配置間隔を示す側面図、同図（ｂ）は同平面図、図４は理想的な主混合管同士の配置間隔における燃焼ガスの流速分布を示す平面説明図、図５は主混合管同士の配置間隔を小さくした場合における燃焼ガスの流速分布を示す平面説明図、図６（ａ），（ｂ）は予混合管における火炎保持筒の断面形状例を示す側面図である。
【００２０】
図１において、ガスタービン燃焼器は、頂部が閉塞され開口された下部がタービンの給気側に連通された大略円筒形状の燃焼筒１と、燃焼筒１の頂部に配置され、燃焼筒１の内部に向けて開口する着火用の予混合管２及び主混合管３と、前記燃焼筒１の頂部及び外周を包囲する空気取入用の外筒４と、外筒４の頂部を貫通してそれぞれ前記予混合管２及び主混合管３の上部中心に接続した燃料噴射ノズル６、７とを備えている。なお、予混合管２及び主混合管３によるガスの噴射方向は、燃焼筒の軸線方向と略平行である。
【００２１】
前記予混合管２は、予混合管２によるガスの噴射方向乃至燃焼筒の軸線方向と平行な断面で見た場合、断面円錐台形状となる火炎保持筒８を介して燃焼筒１の頂部に結合されている。予混合管２から噴射されるガスは、この火炎保持筒８内で図示しない点火プラグなどにより着火され、燃焼しつつ燃焼筒１内部に向けて噴出する。すなわち、予混合管２によるガスの燃焼位置は、燃焼筒１の軸線方向についての火炎保持筒８の長さ分だけ、主混合管３の噴出位置に対して燃焼筒１の軸線方向に後退している。このような予混合管２と主混合管３の軸線方向の配置により、主混合管３の先端開口は燃焼筒１内に突出していない構成となり、部品の耐熱性について問題が生じることはない。
【００２２】
そして、外筒４の底部周囲から矢印のごとく外筒４内に導入された空気は、燃焼筒１の周壁に設けられた通孔から燃焼筒１内に流入し、また、予混合管２及び主混合管３に前記ノズル６，７が接続された部分にそれぞれ形成された開口部から燃焼筒１内に流入し、前記ノズル６，７から導入された燃料ガスと適宜の空燃比で混合されて着火し、燃焼筒１内で燃料ガスを燃焼させる。その燃焼ガスは、燃焼筒１の下端の開口からガスタービンの給気側に供給される。
【００２３】
なお、前記予混合管２内では比較的濃い混合比となり、安定した燃焼を得られるようにしているのに対し、主混合管３内では比較的薄い混合比となり、前記予混合管３内から噴出する燃焼ガスにより着火するようになっていることは、従来と同様である。
【００２４】
また、燃焼筒１の下部側は絞られて小径となっているとともに、周囲には空気取入れ用の複数の開口１ａを通じて更に空気を取入れつつガスタービン側に供給される。
【００２５】
図２（ａ）は前記燃焼筒１の上部側の構成を示している。同図において、燃焼筒１の頂部にはその中心から１８０°対向位置に前述する一対の主混合管３，３が立設され、またこれと９０°位相をずらした位置には前述する一対の予混合管２，２が立設されている。そして、前記火炎保持筒８の外周には金属板からなるカバー９が隙間をおいて設けられ、同図（ｂ）に拡大して示すように、複数の通気口９ａが開口され、この開口９ａを通じて火炎保持筒８の外周に空気が流通し、この部分を冷却している。
【００２６】
前記予混合管２のノズル取付基部外周おける空気取入口には、それぞれ反転形状のスワーラ１０が設けられている。このスワーラ１０は、燃料ガス又は燃料噴霧（液体燃料）に混合される空気に旋回流を生じさせて混合を均一とし、火炎を安定させるために設けられるものである。
同じく、前記各主混合管３のノズル取付基部外周における空気取入口外周には、同じく反転形状のスワーラ１１が設けられている。このスワーラ１１は、前記予混合管２の混合気の流れとの干渉を避けるため、減速した直流を生じさせるために設けられるもので、それに応じてスワーラ１１の配置間隔やピッチなどが設定されている。
【００２７】
図３（ａ），（ｂ）は燃焼筒１の頂部における主混合管３同士の配置間隔を示すもので、主混合管３の最大径をｄとし、燃焼筒１に対する取付基部の離間間隔をＬとした場合、Ｌ＝１．５〜２．０ｄが好ましい離間間隔である。
この理由は、前記数値範囲である場合には、主混合管３同士が十分に離れ、これに対し、予混合管２同士は比較的接近していても良く、図４に燃焼筒１内における燃焼ガスの軸線方向の等速度線で表示するように、予混合管２同士は閉曲線で囲まれるが、２つの主混合管３，３の等速度線は互いに独立しており、予混合管２からの火炎の流れに対し、主混合管３からの流れが干渉しておらず、このため予混合管２からの火炎が安定し、これによって着火される主混合管３からの混合気が効率よく燃焼する。また、燃焼筒１内の速度分布は比較的滑らかであり、燃焼筒１内には安定した火炎が生じる。
【００２８】
これに対し、図５は、Ｌ＜１．５〜２．０ｄとした場合、すなわち、主混合管３，３同士の間隔を理想的な値より狭くした場合の燃焼筒１内における燃焼ガスの軸線方向の等速度分布を示すもので、この場合における等速度線（５）の位置は各混合管２，３を囲った閉ループ曲線となっており、流れが全体に速く、予混合管２からの流れに対し、主混合管３からの流れが互いに干渉し合うため、燃焼筒１内に不安定な火炎が生じる。それ故、前記主混合管３，３の間隔は前記数値範囲とすることが望ましい。
【００２９】
次に図６（ａ），（ｂ）は前記予混合管２に接続する火炎保持筒８の形状例を示すもので、まず（ａ）は前述のごとく燃焼筒１の軸線に平行な切断面で見た場合に断面形状が円錐台形状となる火炎保持筒８を示し、この場合には、予混合管２からの混合気の流れが滞留することなく、連続的に流れて逆流領域が生じないため、理想的な火炎の流れが得られる。この場合における円錐角は３０〜７０°程度が望ましい。
【００３０】
これに対し、（ｂ）に示す火炎保持筒８’は予混合管２の先端径より大径の円筒形をなし、図の破線で示す部分Ａに逆流領域が発生する可能性があり、逆流領域が発生すると当該部分が高温となるため冷却が必要となり、またこの部分Ａで渦が発生するため燃焼筒１内での火炎が安定しないなど、図６（ａ）の火炎保持筒８に比べれば相対的な不具合も生じるが、このような形状でも、燃焼筒に関する予混合管と主混合管の軸方向の配置をずらして未燃焼物質が生成しにくい燃焼効率のよい配置関係にすると同時に、主混合管等の部品の熱劣化を防止できるようにするという点においては十分な効果が得られることは図６（ａ）の火炎保持筒８と同様であり、採用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係るガスタービン燃焼器の縦断面図である。
【図２】（ａ）は同燃焼筒の頂部を示す斜視図であり、（ｂ）は火炎保持筒の一部拡大断面図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は燃焼筒頂部における主混合管の配置間隔を示す側面図及び平面図である。
【図４】理想的な主混合管同士の配置間隔における燃焼ガスの流速分布を示す平面説明図である。
【図５】主混合管同士の配置間隔を小さくした場合における燃焼ガスの流速分布を示す平面説明図である。
【図６】（ａ），（ｂ）は予混合管における火炎保持筒の断面形状例を示す側面説明図である。
【図７】従来のガスタービン燃焼器の縦断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  燃焼筒
２  予混合管
３  主混合管
６，７  燃料噴射ノズル
８，８’火炎保持筒
１０，１１  スワーラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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