(57)【要約】【課題】メインバーナーの製造に係る工数が増加することを抑制しつつ、燃焼振動の発生を抑制することができる燃焼器及びガスタービンを提供する。【解決手段】燃焼器は、一次空気を旋回させて混合気を生成する第一バーナー１６Ａと、前記第一バーナー１６Ａとは逆方向に一次空気を旋回させて混合気を生成する第二バーナー１６Ｂと、をメインバーナー１６として備え、前記メインバーナー１６は、周方向に間隔をあけて複数配置され、前記周方向の全周に渡って非周期的な配置パターンで前記第一バーナー１６Ａと前記第二バーナー１６Ｂとが配置されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次空気を旋回させて混合気を生成する第一バーナーと、
前記第一バーナーとは逆方向に一次空気を旋回させて混合気を生成する第二バーナーと、をメインバーナーとして備え、
前記メインバーナーは、周方向に間隔をあけて複数配置され、
前記周方向の全周に渡って非周期的な配置パターンで前記第一バーナーと前記第二バーナーとが配置されている燃焼器。
【請求項２】
前記第一バーナーと、前記第二バーナーとは、
周方向で非対称な配置パターンで配置されている請求項１に記載の燃焼器。
【請求項３】
前記第一バーナーと、前記第二バーナーとは、
複数の前記メインバーナーの全体の発熱率の重心位置が、前記周方向の中心位置からオフセットする配置パターンで配置されている請求項１に記載の燃焼器。
【請求項４】
前記第一バーナーと、前記第二バーナーとは、
周方向における前記第一バーナーと前記第二バーナーとの境界に生じる径方向の流れの向きに応じた単位ベクトルをそれぞれ合成した合成ベクトルの大きさが前記単位ベクトルの大きさ以上となる配置パターンで配置されている請求項１に記載の燃焼器。
【請求項５】
周方向に間隔をあけて配置された複数の前記メインバーナーを、一または互いに周方向に隣接する複数のメインバーナーからなり、且つ、同数のメインバーナーからなる群に周方向に分割した場合に、
少なくとも一つの前記群における第一バーナー及び第二バーナーの配置関係が、他の前記群と異なる請求項１に記載の燃焼器。
【請求項６】
請求項１から５の何れか一項に記載の燃焼器を備えるガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃焼器及びガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンの燃焼器においては、周方向に等間隔で並べられた同一形状の複数のメインバーナーを備えている場合がある。
特許文献１には、広範囲な燃焼火炎を形成して安定性と低エミッションを実現するために、燃料供給ノズルの後流における空気との混合通路形状を異ならせることで、大外径の短い火炎と、細長い火炎を形成させる技術が記載されている。
特許文献２には、中心軸線に平行に配置された旋回軸を有するスワラーを周方向に複数備える燃焼器において、隣り合うスワラーによる旋回流の外縁が合流する際に生じるせん断を減少させて、ＮＯｘやＣＯ排出の低減を図るために、各スワラーに対して、それぞれ隣り合うスワラーの旋回方向とは互いに反対方向となるような旋回流を与える技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６９３１８５３号明細書
【特許文献２】米国特許第９５００３６８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば、周方向に並んで配置された複数のメインバーナーによって形成される火炎が全て同じ特性の場合、周方向における火炎の形状が一様になり、火炎の軸方向長さも周方向で一様となる。
特許文献２に記載のメインバーナーは、周方向で隣接するメインバーナー同士で旋回方向が反対方向となるように配置されている。しかし、特許文献２に記載されたメインバーナーによって形成される火炎も、周方向で一様になってしまう。
このように周方向で一様な火炎が形成されると、メインバーナーに圧力変動が生じると、火炎が周方向で同じ変動を起こす。互いの火炎が同相で変動することで、燃焼器における発熱率の変動の振幅が大きくなり、燃焼振動が大きくなってしまう。
その一方で、特許文献１に記載の燃焼器のように、火炎の形状を変化させるために外形が異なるメインバーナーを複数用いる場合、メインバーナーの製造に係る工数が増加してしまうという課題がある。
【０００５】
この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、メインバーナーの製造に係る工数が増加することを抑制しつつ、燃焼振動の発生を抑制することができる燃焼器及びガスタービンを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために以下の構成を採用する。
この発明の第一態様によれば、燃焼器は、一次空気を旋回させて混合気を生成する第一バーナーと、前記第一バーナーとは逆方向に一次空気を旋回させて混合気を生成する第二バーナーと、をメインバーナーとして備え、前記メインバーナーは、周方向に間隔をあけて複数配置され、前記周方向の全周に渡って非周期的な配置パターンで前記第一バーナーと前記第二バーナーとが配置されている。
このように一次空気を旋回させる方向が互いに逆方向となる第一バーナーと第二バーナーとを周方向の全周に渡って非周期的に配置することで、周方向で一様な火炎となることを抑制できる。そのため、外形が異なる複数種のメインバーナーを用いる必要が無くなる。
したがって、メインバーナーの製造に係る工数が増加することを抑制しつつ、燃焼振動の発生を抑制することができる。
【０００７】
この発明の第二態様によれば、第一態様に係る第一バーナーと、第二バーナーとは、周方向で非対称な配置パターンで配置されていていてもよい。
つまり、第一バーナーと第二バーナーとを回転対称に配置しないため、周方向で一様な火炎となることを抑制できる。
【０００８】
この発明の第三態様によれば、第一態様に係る第一バーナーと、第二バーナーとは、複数の前記メインバーナーの全体の発熱率の重心位置が、前記周方向の中心位置からオフセットする配置パターンで配置されていてもよい。
このように各メインバーナーによる火炎の発熱率を指標とした重心位置を、複数のメインバーナーの配置の中心位置からオフセットさせることで、周方向における火炎のバランスを崩して一様な火炎となることを抑制できる。
【０００９】
この発明の第四態様によれば、第一態様に係る第一バーナーと、第二バーナーとは、周方向における前記第一バーナーと前記第二バーナーとの境界に生じる径方向の流れの向きに応じた単位ベクトルをそれぞれ合成した合成ベクトルの大きさが前記単位ベクトルの大きさ以上となる配置パターンで配置されていてもよい。
このように、第一バーナーと第二バーナーとの周方向における配置パターンを、合成ベクトルの大きさが単位ベクトルの大きさ以上となる配置パターンとすることで、周方向における火炎のバランスを崩して一様な火炎となることを抑制できる。
【００１０】
この発明の第五態様によれば、第一態様に係る燃焼器において、周方向に間隔をあけて配置された複数の前記メインバーナーを、一または互いに周方向に隣接する複数のメインバーナーからなり、且つ、同数のメインバーナーからなる群に周方向に分割した場合に、少なくとも一つの前記群における第一バーナー及び第二バーナーの配置関係が、他の前記群と異なるようにしても良い。
このように構成することで、周方向において一様な火炎が形成されることを抑制できる。
【００１１】
この発明の第六態様によれば、ガスタービンは、第一から第五態様の何れか一つの態様に係る燃焼器を備えている。
このように構成することで、燃焼振動により運転状態が不安定になることを低減できる。
【発明の効果】
【００１２】
上記燃焼器及びガスタービンによれば、メインバーナーの製造に係る工数が増加することを抑制しつつ、燃焼振動の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の第一実施形態におけるガスタービンの概略構成を示す図である。
【図２】この発明の第一実施形態における燃焼器の概略構成を示す図である。
【図３】この発明の第一実施形態におけるメインバーナーの配置を示す図である。
【図４】この発明の第一実施形態におけるメインバーナーの旋回方向を示す図である。
【図５】この発明の第一実施形態における発熱率の重心位置を示す図である。
【図６】この発明の第一実施形態における合成ベクトルを示す図である。
【図７】この発明の第二実施形態における図４に相当する図である。
【図８】この発明の第三実施形態における図４に相当する図である。
【図９】この発明の第四実施形態における図４に相当する図である。
【図１０】左側の縦軸を発熱率重心と燃焼器中心との距離とし、右側の縦軸を合成ベクトルの大きさとし、横軸をケース番号としたグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（第一実施形態）
次に、この発明の第一実施形態における燃焼器及びガスタービンを図面に基づき説明する。
図１は、この発明の第一実施形態におけるガスタービンの概略構成を示す図である。
図１に示すように、ガスタービン１は、圧縮機２と、燃焼器３と、タービン４と、を備えている。
圧縮機２は、空気Ａを圧縮して圧縮空気を生成する。燃焼器３は、燃料Ｆを圧縮機２で生成した圧縮空気中で燃焼させて高温高圧の燃焼ガスを生成する。タービン４は、燃焼器３により生成された燃焼ガスにより駆動され、燃焼ガスのエネルギーを回転エネルギーに変換する。
【００１５】
圧縮機２は、圧縮機ロータ６と、圧縮機ケーシング７と、を備えている。また、タービン４は、タービンロータ８と、タービンケーシング９と、を備えている。
圧縮機ロータ６とタービンロータ８は、直列に配置されて回転軸線Ａｒを中心に回転する。タービンロータ８と圧縮機ロータ６とは一体に連結されており、これら圧縮機ロータ６とタービンロータ８とによってガスタービンロータ１０が構成されている。このガスタービンロータ１０には、例えば、発電機ＧＥＮのロータが連結されている。
【００１６】
圧縮機ケーシング７は、圧縮機ロータ６を覆うとともに回転可能に支持している。同様に、タービンケーシング９は、タービンロータ８を覆うとともに回転可能に支持している。圧縮機ケーシング７とタービンケーシング９とは連結されており、これら圧縮機ロータ６とタービンロータ８とによってガスタービンロータ１０が構成されている。このガスタービンケーシング１１には、燃焼器３が固定されている。
【００１７】
図２は、この発明の第一実施形態における燃焼器の概略構成を示す図である。図３は、この発明の第一実施形態におけるメインバーナーの配置を示す図である。
図２に示すように、燃焼器３は、燃焼筒（又は尾筒）１３と、燃料噴出器１４Ａとを備えている。燃焼筒１３は、その内部で燃料Ｆを燃焼させて、この燃料Ｆの燃焼の結果生成される燃焼ガスをタービン４に送る。燃料噴出器１４Ａは、燃焼筒１３内に燃料Ｆ及び圧縮空気Ａを噴出する。
【００１８】
図３に示すように、燃料噴出器１４Ａは、パイロットバーナー１５と、メインバーナー１６と、バーナー保持筒１７と、を備えている。
パイロットバーナー１５は、燃焼器軸線Ａｃ上に配置され、燃料を拡散燃焼させる。このパイロットバーナー１５は、パイロットノズル１８と、パイロットバーナー筒１９と、パイロットスワラ（図示せず）と、を備えている。
【００１９】
パイロットノズル１８は、燃焼器軸線Ａｃを中心として軸線方向Ｄａに延びるように形成されている。このパイロットノズル１８は、例えば、その下流側端部に燃料噴射用の噴射孔１８ａを有している。
【００２０】
パイロットバーナー筒１９は本体部２１と、コーン部２２と、を備えている。本体部２１は、パイロットノズル１８の外周を覆っている。コーン部２２は、本体部２１の下流側に配置されて、下流側向かって次第に拡径するように形成されている。
【００２１】
パイロットスワラ（図示せず）は、パイロットノズル１８の噴射孔が形成されている位置よりも軸線方向Ｄａで上流側に配置されている。このパイロットスワラ（図示せず）は、上流側から流れてきた圧縮空気（一次空気）Ａを、燃焼器軸線Ａｃを旋回中心にして旋回させる。パイロットスワラ（図示せず）は、パイロットバーナー筒１９の本体部２１の内周面から径方向内側に延びている。これらパイロットスワラ（図示せず）は、例えば、周方向に間隔をあけて複数形成されている。
【００２２】
上述した構成を備えるパイロットバーナー１５は、そのパイロットバーナー筒１９内に、圧縮機２で圧縮された圧縮空気Ａが上流側から流入する。また、パイロットノズル１８の噴射孔から燃料が噴射される。この燃料は、パイロットスワラ（図示せず）により旋回成分を付与された圧縮空気Ａと共に、パイロットバーナー筒１９から燃焼筒１３に向けて噴出され、燃焼筒１３内で拡散燃焼する。
【００２３】
メインバーナー１６は、複数設けられ、パイロットバーナー１５の外周を囲むように配置され、燃料を予混合燃焼させる。これらメインバーナー１６は、燃焼器軸線Ａｃを中心とした周方向に間隔をあけて、より具体的には等間隔に配置されている。
メインバーナー１６は、メインノズル２３と、メインバーナー筒２４と、メインスワラ２５と、を備えている。
メインノズル２３は、燃焼器軸線Ａｃと平行に延びるように形成されている。これらメインノズル２３は、例えば、その外周面に燃料噴射用の噴射孔２３ａを有している。
【００２４】
メインバーナー筒２４は、メインノズル２３の外周を覆っている。図３に例示するメインバーナー筒２４は、燃焼器軸線Ａｃを中心とした径方向における内側に配置される部分が、パイロットバーナー筒１９の一部を兼ねている。
メインスワラ２５は、上流側から流れてきた圧縮空気（一次空気）Ａを、メインノズル２３を旋回中心にして旋回させる。メインスワラ２５は、メインバーナー筒２４の内周面からメインノズル２３に向かって延びている。メインスワラ２５は、複数設けられたメインバーナー１６において、それぞれメインノズル２３を中心とした周方向に間隔をあけて複数設けられている。
【００２５】
バーナー保持筒１７は、上述したパイロットバーナー１５及びメインバーナー１６を保持している。より具体的には、複数のメインバーナー１６がパイロットバーナー１５の外周を囲むように、パイロットバーナー１５及びメインバーナー１６を保持している。
【００２６】
上述した構成を備えるメインバーナー１６は、そのメインバーナー筒２４内に、圧縮機２で圧縮された圧縮空気Ａが上流側から流入する。また、メインノズル２３の噴射孔から燃料が噴射される。この燃料は、メインスワラ２５により旋回成分を付与された圧縮空気Ａと混合され、又は、圧縮空気Ａに噴射された後にメインスワラ２５により旋回成分が付与される。これら燃料と圧縮空気Ａとが混合された予混合気体は、燃焼筒１３に向けて噴出され、燃焼筒１３内で予混合燃焼する。
【００２７】
図４は、この発明の第一実施形態におけるメインバーナーの旋回方向を示す図である。
図４に示すように、メインバーナー１６は、メインスワラ２５による旋回方向が互いに逆方向となる第一バーナー１６Ａと、第二バーナー１６Ｂと、を備えている。これら第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとは、旋回方向が互いに逆方向である点を除いて、同一の構成となっている。なお、図４において、パイロットバーナー１５の図示を省略している。
【００２８】
この第一実施形態における第一バーナー１６Ａは、燃焼筒１３側から見て旋回方向が左回りになり、第二バーナー１６Ｂは、燃焼筒１３側から見て旋回方向が右回りになっている。また、この第一実施形態における燃料噴出器１４Ａは、５つの第一バーナー１６Ａが周方向に連続して配置されるとともに、３つの第二バーナー１６Ｂが周方向に連続して配置されている。ここで、図４に示す燃料噴出器１４Ａは、８つのメインバーナー１６を備える場合を示しているが、メインバーナー１６の数は、複数であれば９つ以上や、７つ以下であっても良い。なお、図４において、周方向の８つのメインバーナー１６の位置をそれぞれ配置番号「１」から「８」で示している。
【００２９】
燃料噴出器１４Ａは、周方向の全周に渡って非周期的な配置パターンで第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとが配置されている。ここで、「周期的な配置パターン」とは、燃焼器軸線Ａｃを中心として周方向に一周する間に、第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとの配置されている順序のパターンが同一のパターンのみで繰り返されることである。周期的な場合の一例としては、第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとが周方向に交互に配置されている場合や、第一バーナー１６Ａのみが配置される場合や、第二バーナー１６Ｂのみが配置される場合などを挙げることができる。
つまり、この第一実施形態における燃料噴出器１４Ａにおけるメインバーナー１６の配置パターンは、燃焼器軸線Ａｃを中心として周方向に一周する間に、第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとの配置されている順序のパターンが同一のパターンのみで繰り返されていない。
【００３０】
また、燃料噴出器１４Ａは、第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとが、燃焼器軸線Ａｃを中心とした周方向で非対称な配置パターンで配置されている。この周方向で非対称な配置パターンとは、いわゆる回転対称となるような順序で第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂが配置されていないことを意味している。なお、以下の実施形態の説明においては、第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとの配置パターンの非周期性の指標の一例として、発熱率重心と合成ベクトルとを用いているが、何れか一方だけ用いても良い。
【００３１】
燃料噴出器１４Ａは、第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとが、複数のメインバーナー１６の全体の発熱率の重心位置ｇ（図５参照）が、周方向の中心位置である燃焼器軸線Ａｃからオフセットする配置パターンで配置されている。周方向で全てが第一バーナー１６Ａである場合、周方向ですべてが第二バーナー１６Ｂである場合、及び、第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとが周方向で交互に配置されている場合には、全周で発熱率がバランスされるため、発熱率の重心位置ｇと燃焼器軸線Ａｃとは実質的に一致する。
【００３２】
図５は、この発明の第一実施形態における発熱率の重心位置を示す図である。ここで、図５において「８−１」，「１−２」，「２−３」，「３−４」，「４−５」，「５−６」，「６−７」は、それぞれ図４に示すメインバーナー１６の配置番号に対応した位置である。一例を示すと、「８−１」は、メインバーナー１６の位置「１」と「８」の間の位置を示している。
【００３３】
図５に示すように、この第一実施形態の燃料噴出器１４Ａは、３つの第二バーナー１６Ｂが周方向に連続して配置され、５つの第一バーナー１６Ａが周方向に連続して配置されるため、周方向において発熱率に偏りが生じて位置「８−１」の外側にオフセットしている。この発熱率の偏りは、周方向で隣り合う第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとの境界におけるスワールの向きによるものと考えられる。そのため、この燃料噴出器１４Ａの発熱率の重心位置ｇは、燃焼器軸線Ａｃから位置「８−１」側にオフセットしている。ここで、図５において、全周に第一バーナー１６Ａが設けられている場合（後述するケース０の場合）、周方向の全周に渡って発熱率が「１」となる（図５中、実線で示す）。そして、この場合、発熱率の重心位置ｇは、燃焼器軸線Ａｃと重なる。また、径方向外側に向かうスワールが強い場合は、発熱率を１．５とし、径方向内側に向かうスワールが強い場合は、発熱率を０．５としている（図５中、破線で示す）。
【００３４】
さらに、燃料噴出器１４Ａは、周方向における第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとの境界に生じる径方向の流れの向きに応じた単位ベクトルをそれぞれ合成した合成ベクトルの大きさが単位ベクトルの大きさ以上となる配置パターンで配置されている。
【００３５】
例えば、隣り合うメインバーナー１６の旋回方向が同一の場合、境界において互いの旋回流同士が打ち消し合うように作用するので、径方向の流れは実質的に生じないものとする。その一方で、隣り合うメインバーナー１６の旋回方向が逆方向の場合、その境界において互いの旋回流が径方向で同一の方向に向かう。つまり、第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとの境界には、燃焼器軸線Ａｃを中心とした径方向内側又は径方向外側への流れが生じる。この境界に生じる径方向の流れを大きさが「１」の単位ベクトルで表すと、図４に示すような径方向外側に向かう単位ベクトルＵＡと、径方向内側に向かう単位ベクトルＵＢとを描くことができる。
【００３６】
図６は、この発明の第一実施形態における合成ベクトルを示す図である。
図６に示すように、この第一実施形態における燃料噴出器１４は、燃焼器軸線Ａｃの位置を原点としての（０，０）座標とすると、単位ベクトルＵＡは、（０，０）座標から（０，１）座標に至る。また、単位ベクトルＵＢは、（−０．７１，０．７１）座標から（０，０）座標に至る。そして、これら単位ベクトルＵＡ，ＵＢの和（以下、合成ベクトルＳＶと称する）の大きさは、１．８程度となる。すなわち、単位ベクトルＵＡ，ＵＢの合成ベクトルＳＶの大きさは、１以上となっている。
【００３７】
また、この発明の第一実施形態における燃料噴出器１４Ａは、周方向に間隔をあけて配置された複数のメインバーナー１６を、互いに周方向に隣接する複数のメインバーナー１６からなり、且つ、同数のメインバーナー１６からなる群に周方向に分割した場合に、少なくとも一つの群における第一バーナー１６Ａ及び第二バーナー１６Ｂの周方向の配置順（配置関係）が、他の群と異なるようになっている。
【００３８】
図４に示すように、この第一実施形態の燃料噴出器１４Ａは、周方向に隣接する２つのメインバーナー１６を一つの群とすると、周方向に４つの群が設定できる。この場合、周方向のうち一方向（例えば、右回り）で見ると、メインバーナー１６の配置番号で「８」及び「７」の２つの第二バーナー１６Ｂからなる第一群Ｇ１と、配置番号「６」及び「５」の一つの第二バーナー１６Ｂと一つの第一バーナー１６Ａとからなる第二群Ｇ２と、が設定できる。さらに、メインバーナー１６の配置番号で「４」及び「３」の２つの第一バーナー１６Ａのみからなる第三群Ｇ３と、配置番号「２」及び「１」の２つの第一バーナー１６Ａのみからなる第四群Ｇ４と、が設定できる。そして、第一群Ｇ１は、第二群Ｇ２から第四群Ｇ４の何れに対しても周方向の第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとの配置順が異なっている。なお、上述した群として組み合わせるメインバーナー１６は、上述したものに限られない。例えば、メインバーナー１６の配置番号で「７」を周方向の始点として、配置番号「７」と「６」、「５」と「４」、「３」と「２」、「１」と「８」等による各群を構成しても同様である。
【００３９】
この第一実施形態の燃料噴出器１４Ａは、８つのメインバーナー１６を有しているため、複数のメインバーナー１６を周方向に等分できる個数は、２個又は４個である。図示は省略するが、４個の場合も２個の場合と同様に、それぞれの群における第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂの配置順は異なるものとなる。
【００４０】
したがって、上述した第一実施形態によれば、燃焼器軸線Ａｃを中心とする周方向の全周に渡って非周期的な配置パターンで第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとが配置されている。
これにより、外形が異なる複数種のメインバーナーを用いずに、周方向で一様ではない火炎を形成することができる。
その結果、メインバーナー１６の製造に係る工数が増加することを抑制しつつ、燃焼振動の発生を抑制することができる。
【００４１】
また、第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとを回転対称に配置しないため、周方向で一様な火炎となることを抑制できる。
【００４２】
さらに、各メインバーナー１６による火炎の発熱率を指標とした重心位置ｇを、複数のメインバーナー１６の配置の中心位置である燃焼器軸線Ａｃからオフセットさせることで、周方向における火炎のバランスを崩して一様な火炎となることを抑制できる。
【００４３】
また、第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとの周方向における配置パターンを、合成ベクトルＳＶの大きさが単位ベクトルＵＡの大きさ以上となる配置パターンとすることで、周方向における火炎のバランスを崩して一様な火炎となることを抑制できる。
【００４４】
さらに、周方向に間隔をあけて配置された複数のメインバーナー１６を、一または互いに周方向に隣接する複数のメインバーナー１６からなり、且つ、同数のメインバーナー１６からなる群に周方向に分割した場合に、少なくとも一つの群における第一バーナー１６Ａ及び第二バーナー１６Ｂの配置関係が、他の群と異なるようにしている。そのため、周方向において一様な火炎が形成されることを抑制できる。
【００４５】
（第二実施形態）
次に、この発明の第二実施形態を図面に基づき説明する。この第二実施形態は、上述した第一実施形態に対してメインバーナーの配置パターンを変化させたものである。そのため、上述した第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複する説明を省略する。
【００４６】
図７は、この発明の第二実施形態における図４に相当する図である。
図７に示すように、この第二実施形態における燃料噴出器１４Ｂは、上述した第一実施形態の燃料噴出器１４Ａと同様に、複数のメインバーナー１６として第一バーナー１６Ａと、第二バーナー１６Ｂと、を備えている。これら第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとは、旋回方向が互いに逆方向である点を除いて、同一の構成となっている。
【００４７】
この第二実施形態における燃料噴出器１４Ｂは、６つの第一バーナー１６Ａが周方向に連続して配置されるとともに、２つの第二バーナー１６Ｂが周方向に連続して配置されている。図７に示す燃料噴出器１４Ｂは、図４と同様に、８つのメインバーナー１６を備える場合を示しているが、メインバーナー１６の数は、複数であれば９つ以上や、７つ以下であっても良い。
【００４８】
燃料噴出器１４Ｂは、燃料噴出器１４Ａと同様に、周方向の全周に渡って非周期的な配置パターンで第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとが配置されている。
さらに、燃料噴出器１４Ｂは、第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとが、燃焼器軸線Ａｃを中心とした周方向で非対称な配置パターン（回転対称ではない配置パターン）で配置されている。
【００４９】
また、燃料噴出器１４Ｂは、第一実施形態の燃料噴出器１４Ａと同様に、その発熱率の重心位置ｇが、燃焼器軸線Ａｃからオフセットしている。
さらに、燃料噴出器１４Ｂは、周方向における第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとの境界に生じる径方向の流れの向きに応じた単位ベクトルＵＡ，ＵＢをそれぞれ合成した合成ベクトルＳＶの大きさが単位ベクトルＵＡ（又はＵＢ）の大きさ以上となる配置パターンで配置されている。
【００５０】
また、燃料噴出器１４Ｂは、周方向に隣接する２つのメインバーナー１６を一つの群とすると、周方向に４つの群が設定できる。この場合、周方向のうち一方向（例えば、右回り）で見ると、２つの第二バーナー１６Ｂからなる第一群Ｇ１と、二つの第一バーナー１６Ａからなる第二群Ｇ２から第四群Ｇ４と、が設定できる。そして、第一群Ｇ１は、第二群Ｇ２から第四群Ｇ４の何れに対しても周方向の第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとの配置順が異なっている。なお、この第二実施形態の燃料噴出器１４Ｂも、第一実施形態と同様に、８つのメインバーナー１６を有している。つまり、複数のメインバーナー１６を周方向に等分できる個数は、２個又は４個である。
【００５１】
したがって、上述した第二実施形態によれば、第一実施形態と同様に、燃焼器軸線Ａｃを中心とする周方向の全周に渡って非周期的な配置パターンで第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとが配置されている。
これにより、外形が異なる複数種のメインバーナーを用いずに、周方向で一様ではない火炎を形成することができる。
その結果、メインバーナー１６の製造に係る工数が増加することを抑制しつつ、燃焼振動の発生を抑制することができる。
【００５２】
また、第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとを回転対称に配置しないため、周方向で一様な火炎となることを抑制できる。
【００５３】
さらに、各メインバーナー１６による火炎の発熱率を指標とした重心位置ｇを、複数のメインバーナー１６の配置の中心位置である燃焼器軸線Ａｃからオフセットしているため、周方向における火炎のバランスを崩して一様な火炎となることを抑制できる。
【００５４】
また、第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとの周方向における配置パターンを、合成ベクトルＳＶの大きさが単位ベクトルＵＡ（又は、ＵＢ）の大きさ以上となる配置パターンとすることで、周方向における火炎のバランスを崩して一様な火炎となることを抑制できる。
【００５５】
さらに、周方向に間隔をあけて配置された複数のメインバーナー１６を、一または互いに周方向に隣接する複数のメインバーナー１６からなり、且つ、同数のメインバーナー１６からなる群に周方向に分割した場合に、少なくとも一つの群における第一バーナー１６Ａ及び第二バーナー１６Ｂの配置関係が、他の群と異なるようにしている。そのため、周方向において一様な火炎が形成されることを抑制できる。
【００５６】
（第三実施形態）
次に、この発明の第三実施形態を図面に基づき説明する。この第三実施形態は、第二実施形態と同様に、上述した第一実施形態に対してメインバーナーの配置パターンを変化させたものである。そのため、上述した第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複する説明を省略する。
【００５７】
図８は、この発明の第三実施形態における図４に相当する図である。
図８に示すように、この第三実施形態における燃料噴出器１４Ｃは、上述した第一実施形態の燃料噴出器１４Ａと同様に、複数のメインバーナー１６として第一バーナー１６Ａと、第二バーナー１６Ｂと、を備えている。これら第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとは、旋回方向が互いに逆方向である点を除いて、同一の構成となっている。
【００５８】
この第三実施形態における燃料噴出器１４Ｃは、４つの第一バーナー１６Ａが周方向に連続して配置されるとともに、４つの第二バーナー１６Ｂが周方向に連続して配置されている。図８に示す燃料噴出器１４Ｃは、図４と同様に、８つのメインバーナー１６を備える場合を示しているが、メインバーナー１６の数は、複数であれば９つ以上や、７つ以下であっても良い。
【００５９】
燃料噴出器１４Ｃは、燃料噴出器１４Ａと同様に、周方向の全周に渡って非周期的な配置パターンで第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとが配置されている。
ここで、第三実施形態においては、一見すると周期的な配置パターンであるように見える。しかし、ここで言う周期的な配置パターンとは、周方向で第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとが隣り合う配置パターンにおいて、例えば、周方向で第一バーナー１６Ａ、第二バーナー１６Ｂの順、又は、第二バーナー１６Ｂ、第一バーナー１６Ａの順の何れかの配置パターンが周方向に一周する間に２回以上現れる配置パターンを意味する。
【００６０】
さらに、燃料噴出器１４Ｂは、第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとが、燃焼器軸線Ａｃを中心とした周方向で非対称な配置パターン（回転対称ではない配置パターン）で配置されている。
また、燃料噴出器１４Ｂは、第一実施形態の燃料噴出器１４Ａと同様に、その発熱率の重心位置ｇが、燃焼器軸線Ａｃからオフセットしている。
さらに、図示は省略するが、燃料噴出器１４Ｂは、周方向における第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとの境界に生じる径方向の流れの向きに応じた単位ベクトルＵＡ，ＵＢをそれぞれ合成した合成ベクトルＳＶの大きさが単位ベクトルＵＡ（又は、ＵＢ）の大きさ以上となる配置パターンで配置されている。なお、この第三実施形態における合成ベクトルＳＶの大きさは、単位ベクトルＵＡ（又は、ＵＢ）に対して２倍の大きさとなっている。
【００６１】
また、燃料噴出器１４Ｂは、周方向に隣接する２つのメインバーナー１６を一つの群とすると、周方向に４つの群が設定できる。この場合、周方向のうち一方向（例えば、右回り）で見ると、メインバーナー１６の配置位置が「１」と「８」の１つの第一バーナー１６Ａと一つの第二バーナー１６Ｂとからなる第一群Ｇ１と、二つの第一バーナー１６Ａからなる第二群Ｇ２と、一つの第二バーナー１６Ｂと一つの第一バーナー１６Ａとからなる第三群Ｇ３と、二つの第一バーナー１６Ａからなる第四群Ｇ４と、が設定できる。そして、第一群Ｇ１は、第二群Ｇ２から第四群Ｇ４の何れに対しても周方向の第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとの配置順が異なっている。なお、この第三実施形態の燃料噴出器１４Ｃも、第一実施形態と同様に、８つのメインバーナー１６を有している。つまり、複数のメインバーナー１６を周方向に等分できる個数は、２個又は４個である。
【００６２】
したがって、上述した第三実施形態によれば、第一実施形態と同様に、燃焼器軸線Ａｃを中心とする周方向の全周に渡って非周期的な配置パターンで第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとが配置されている。
これにより、外形が異なる複数種のメインバーナーを用いずに、周方向で一様ではない火炎を形成することができる。
その結果、メインバーナー１６の製造に係る工数が増加することを抑制しつつ、燃焼振動の発生を抑制することができる。
【００６３】
また、第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとを回転対称に配置しないため、周方向で一様な火炎となることを抑制できる。
【００６４】
さらに、各メインバーナー１６による火炎の発熱率を指標とした重心位置ｇを、複数のメインバーナー１６の配置の中心位置である燃焼器軸線Ａｃからオフセットしているため、周方向における火炎のバランスを崩して一様な火炎となることを抑制できる。
【００６５】
また、第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとの周方向における配置パターンを、合成ベクトルＳＶの大きさが単位ベクトルＵＡ（又は、ＵＢ）の大きさ以上となる配置パターンとすることで、周方向における火炎のバランスを崩して一様な火炎となることを抑制できる。
【００６６】
さらに、周方向に間隔をあけて配置された複数のメインバーナー１６を、一または互いに周方向に隣接する複数のメインバーナー１６からなり、且つ、同数のメインバーナー１６からなる群に周方向に分割した場合に、少なくとも一つの群における第一バーナー１６Ａ及び第二バーナー１６Ｂの配置関係が、他の群と異なるようにしている。そのため、周方向において一様な火炎が形成されることを抑制できる。
【００６７】
（第四実施形態）
次に、この発明の第四実施形態を図面に基づき説明する。この第四実施形態は、上述した第一実施形態に対してメインバーナーの配置パターンを変化させたものである。また、第四実施形態は、合成ベクトルの大きさが「１」未満になる点で第一実施形態と異なる。そのため、上述した第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複する説明を省略する。
【００６８】
図９は、この発明の第四実施形態における図４に相当する図である。
図９に示すように、この第四実施形態における燃料噴出器１４Ｄは、上述した第一実施形態の燃料噴出器１４Ａと同様に、複数のメインバーナー１６として第一バーナー１６Ａと、第二バーナー１６Ｂと、を備えている。これら第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとは、旋回方向が互いに逆方向である点を除いて、同一の構成となっている。
【００６９】
この第四実施形態における燃料噴出器１４Ｄは、７つの第一バーナー１６Ａが周方向に連続して配置されるとともに、１つの第二バーナー１６Ｂが配置されている。つまり、周方向に配置された複数のメインバーナー１６のうち、一つだけ第二バーナー１６Ｂとされ、他の全てが第一バーナー１６Ａとなっている。図９に示す燃料噴出器１４Ｄは、図４と同様に、８つのメインバーナー１６を備える場合を示しているが、メインバーナー１６の数は、複数であれば９つ以上や、７つ以下であっても良い。
【００７０】
燃料噴出器１４Ｄは、燃料噴出器１４Ａと同様に、周方向の全周に渡って非周期的な配置パターンで第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとが配置されている。
さらに、燃料噴出器１４Ｄは、第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとが、燃焼器軸線Ａｃを中心とした周方向で非対称な配置パターン（回転対称ではない配置パターン）で配置されている。
【００７１】
また、燃料噴出器１４Ｄは、第一実施形態の燃料噴出器１４Ａと同様に、その発熱率の重心位置ｇが、燃焼器軸線Ａｃからオフセットしている。
【００７２】
さらに、燃料噴出器１４Ｄは、周方向に隣接する２つのメインバーナー１６を一つの群とすると、周方向に４つの群が設定できる。この場合、周方向のうち一方向（例えば、右回り）で見ると、一つの第二バーナー１６Ｂと一つの第一バーナー１６Ａとからなる第一群Ｇ１（メインバーナー１６の配置番号「８」及び「７」）と、二つの第一バーナー１６Ａからなる第二群Ｇ２から第四群Ｇ４（メインバーナー１６の配置番号「６」及び「５」，「４」及び「３」，「２」及び「１」）と、が設定できる。そして、第一群Ｇ１は、第二群Ｇ２から第四群Ｇ４の何れに対しても周方向における第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとの配置順が異なっている。なお、この第四実施形態の燃料噴出器１４Ｄも、第一実施形態と同様に、８つのメインバーナー１６を有している。つまり、複数のメインバーナー１６を周方向に等分できる個数は、２個又は４個である。
【００７３】
したがって、上述した第四実施形態によれば、第一実施形態と同様に、燃焼器軸線Ａｃを中心とする周方向の全周に渡って非周期的な配置パターンで第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとが配置されている。
これにより、外形が異なる複数種のメインバーナーを用いずに、周方向で一様ではない火炎を形成することができる。
その結果、メインバーナー１６の製造に係る工数が増加することを抑制しつつ、燃焼振動の発生を抑制することができる。
【００７４】
また、第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとを回転対称に配置しないため、周方向で一様な火炎となることを抑制できる。
【００７５】
さらに、各メインバーナー１６による火炎の発熱率を指標とした重心位置ｇを、複数のメインバーナー１６の配置の中心位置である燃焼器軸線Ａｃからオフセットしているため、周方向における火炎のバランスを崩して一様な火炎となることを抑制できる。
【００７６】
さらに、周方向に間隔をあけて配置された複数のメインバーナー１６を、一または互いに周方向に隣接する複数のメインバーナー１６からなり、且つ、同数のメインバーナー１６からなる群に周方向に分割した場合に、少なくとも一つの群における第一バーナー１６Ａ及び第二バーナー１６Ｂの配置関係が、他の群と異なるようにしている。そのため、周方向において一様な火炎が形成されることを抑制できる。
【実施例】
【００７７】
次に、上述した各実施形態の燃料噴出器を有する燃焼器の実施例について説明する。
以下の表に示すケース１からケース２２まで、第一バーナー１６Ａ及び第二バーナー１６Ｂが配置される配置パターンについて、それぞれ発熱率の重心（発熱率重心）と、合成ベクトルの大きさとを求めるとともに、燃焼振動の大きさを求めた。以下の表において、各列における最も上に記載した「１」から「８」の数字は、上述した各実施形態の周方向におけるメインバーナー１６の位置に対応している。また、最も左側の逆旋回本数とは、一つの燃料噴射器における第二バーナーの本数である。また、「発熱率重心」は、燃焼器軸線Ａｃから発熱率重心までの距離を示したものある。なお、発熱率重心を計算する際には径方向外側に向かうスワールが強い場合は、発熱率を１．５とし、径方向内側に向かうスワールが強い場合は、発熱率を０．５としている。
【００７８】
【表１】
2018136056.tif 000003
【００７９】
（実施例）
ここで、上述した第一実施形態の燃料噴出器１４Ａにおけるメインバーナー１６の配置は、ケース「６」である。さらに、第二実施形態の燃料噴出器１４Ｂにおけるメインバーナー１６の配置は、ケース「２」である。また、第三実施形態の燃料噴出器１４Ｃにおけるメインバーナー１６の配置は、ケース「１３」である。さらに、第四実施形態の燃料噴出器１４Ｄにおけるメインバーナー１６の配置は、ケース「１」である。
なお、この表において、第一バーナー１６Ａが配置されている場合は「０」で、第二バーナー１６Ｂが配置されている場合は「１」で示している。
【００８０】
（比較例）
上記の表におけるケース「０」、ケース「５」、ケース「２０」、ケース「２２」は、それぞれ周方向の全周に渡って周期的な配置パターンで第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとが配置されている。
【００８１】
（発熱率重心）
比較例であるケース「０」、ケース「５」、ケース「２０」、ケース「２２」の発熱率重心の値は、何れも「０．００００」となった。
その一方で、比較例を除く全てのケースについては、発熱率重心の値が「０．００００」よりも大きくなっている。
【００８２】
（合成ベクトルの大きさ）
図１０は、左側の縦軸を発熱率重心と燃焼器中心との距離とし、右側の縦軸を合成ベクトルの大きさとし、横軸をケース番号としたグラフである。実線は、発熱率重心の値、破線は、合成ベクトルの大きさを示している。この図１０において、横軸の左端部がケース「０」であり、右端部がケース「２２」である。つまり、横軸においてケース番号は、右側に向かうほど大きくなっている。また、図１０中、水平方向に延びる太い実線は、これら発熱率重心の値と合成ベクトルの大きさとの基準値の一例である。
【００８３】
この図１０に示すように、合成ベクトルの大きさ（破線）は、発熱率重心の値（実線）と相関があることが分かる。そして、これら合成ベクトルの大きさと発熱率重心の値とは、上述した第一、第二、第三実施形態に対応するケース「２」、「６」、「１３」において、特に高い数値となっている。また、これらケース「２」、「６」、「１３」よりも低い数値ではあるものの、第四実施形態に対応するケース「１」の場合も、合成ベクトルの大きさ、及び発熱率重心の値は、「０」よりも十分に高い値となっている。
【００８４】
燃焼振動による圧力変動の値をシミュレーション計算により検証したところ、ケース「１」、「２」、「６」、「１３」において、それぞれケース「０」よりも燃焼振動が低減される傾向が確認された。
これらケース「１」、「２」、「６」、「１３」は、何れも、第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとの配置が非周期的であるとともに回転対称ではなく、さらにそれぞれの発熱率重心の値と合成ベクトルの大きさとが、ケース「０」の場合よりも大きくなり、特に、ケース「２」、「６」において、燃焼振動の低減が顕著となった。
つまり、第一バーナー１６Ａと第二バーナー１６Ｂとの配置パターンの非周期性と、燃焼振動の低減との間に相関があることが確認された。
【００８５】
この発明は上述した各実施形態の構成に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で設計変更可能である。
例えば、第一実施形態から第四実施形態の配置パターンに限られない。すなわち、ケース「１」、「２」、「６」、「１３」の配置パターンに限られない。ケース「０」、ケース「５」、ケース「２０」、ケース「２２」を除く他のケース（配置パターン）であれば、ケース「１」、「２」、「６」、「１３」以外の配置パターンであっても良い。
【符号の説明】
【００８６】
１  ガスタービン
２  圧縮機
３  燃焼器
４  燃焼ガスをタービン
４  タービン
６  圧縮機ロータ
７  圧縮機ケーシング
８  タービンロータ
９  タービンケーシング
１０  ガスタービンロータ
１１  ガスタービンケーシング
１３  燃焼筒
１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ  燃料噴出器
１５  パイロットバーナー
１６  メインバーナー
１６Ａ  第一バーナー
１６Ｂ  第二バーナー
１７  バーナー保持筒
１８  パイロットノズル
１８ａ  燃料噴射用の噴射孔
１９  パイロットバーナー筒
２１  本体部
２２  コーン部
２３  メインノズル
２３ａ  燃料噴射用の噴射孔
２４  メインバーナー筒
２５  メインスワラ
Ａ  圧縮空気（一次空気）
Ａｃ  燃焼器軸線
Ａｒ  回転軸線
Ｄａ  軸線方向
Ｆ  燃料
ｇ  重心位置
Ｇ１  第一群
Ｇ２  第二群
Ｇ３  第三群
Ｇ４  第四群
ＧＥＮ  発電機
ＳＶ  合成ベクトル
ＵＡ  単位ベクトル
ＵＢ  単位ベクトル
【図１】
2018136056.tif 000004
【図２】
2018136056.tif 000005
【図３】
2018136056.tif 000006
【図４】
2018136056.tif 000007
【図５】
2018136056.tif 000008
【図６】
2018136056.tif 000009
【図７】
2018136056.tif 000010
【図８】
2018136056.tif 000011
【図９】
2018136056.tif 000012
【図１０】
2018136056.tif 000013