(57)【要約】【課題】フラッシュバックの発生を抑制することが可能な燃焼器ノズル、燃焼器及びガスタービンを提供する。【解決手段】燃焼器ノズルは、軸線Ａ１に沿って延びる主外周面Ｐｍと、主外周面Ｐｍから軸線Ａ１方向の前方側に向かうにしたがって漸次縮径する縮径外周面Ｐｓとを有する軸体５１Ｍと、主外周面Ｐｍから径方向外側に向かって延出するとともに軸線Ａ１の周方向に間隔をあけて複数が設けられ、表面に燃料を噴出する燃料噴出孔Ｈ１が形成された旋回羽根６０と、主外周面Ｐｍを外周側から囲う第一筒部Ｔ１、及び、第一筒部Ｔ１に連続して縮径外周面Ｐｓを外周側から囲うとともに軸線Ａ１方向の前方側に向かうにしたがって漸次縮径する第二筒部Ｔ２を有する流路形成筒５１Ｔと、を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線に沿って延びる主外周面と、該主外周面から前記軸線方向の前方側に向かうにしたがって漸次縮径する縮径外周面とを有する軸体と、
前記軸体の主外周面から径方向外側に向かって延出するとともに前記軸線の周方向に間隔をあけて複数が設けられ、表面に燃料を噴出する燃料噴出孔が形成された旋回羽根と、
前記主外周面を外周側から囲う第一筒部、及び、該第一筒部に連続して前記縮径外周面を外周側から囲うとともに前記軸線方向の前方側に向かうにしたがって漸次縮径する第二筒部を有する流路形成筒と、
を備える燃焼器ノズル。
【請求項２】
前記旋回羽根は、前記流路形成筒よりも内周側に位置する支持部と、該流路形成筒よりも外周側に位置する旋回羽根本体と、を有し、
前記燃料噴出孔は、該旋回羽根本体のみに形成されている請求項１に記載の燃焼器ノズル。
【請求項３】
前記支持部は、前記軸線方向の後方側から前方側に向かって延びるとともに、該軸線を対称軸とする翼断面形状を有している請求項２に記載の燃焼器ノズル。
【請求項４】
前記支持部の後方側の端縁、及び旋回羽根本体の後方側の端縁は互いに面一である請求項２又は３に記載の燃焼器ノズル。
【請求項５】
前記旋回羽根本体は、径方向外側に位置する湾曲形状の先端部と、径方向内側に位置し、前方側に切り欠き部を有する根本部と、を有する請求項２から４のいずれか一項に記載の燃焼器ノズル。
【請求項６】
前記旋回羽根本体の平均反り線に対して前記旋回羽根本体の前縁で接する接線と、前記軸線とでなす角度が、前記旋回羽根本体の前縁の径方向内側では０度から１０度になっており、前記旋回羽根本体の前縁の径方向外側では、前記旋回羽根本体の前縁の径方向内側の角度よりも大きい角度になっている請求項２から５のいずれか一項に記載の燃焼器ノズル。
【請求項７】
前記第一筒部における前記軸線方向の後方側の端縁を含む部分は、前方側から後方側に向かうに従って径方向の寸法が漸次縮小している請求項１から６のいずれか一項に記載の燃焼器ノズル。
【請求項８】
前記流路形成筒は、前記第一筒部の前記軸線方向後方側の端部に接続され、該第一筒部よりも大きな内径寸法を有する導入部を有する請求項１から７のいずれか一項に記載の燃焼器ノズル。
【請求項９】
前記第二筒部における前記軸線方向の前方側の端縁は、該軸線を含む断面視で、後方側から前方側に向かうに従って径方向の寸法が漸次縮小している請求項１から８のいずれか一項に記載の燃焼器ノズル。
【請求項１０】
前記軸体の直径をＤ、前記第一筒部の内径をＢとすると、直径Ｄと内径Ｂの比Ｄ／Ｂは、０．５≦Ｄ／Ｂ≦０．８である請求項１から９のいずれか一項に記載の燃焼器ノズル。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか一項に記載の燃焼器ノズルと、
前記燃焼器ノズルを外周側から覆う筒体と、
を備える燃焼器。
【請求項１２】
高圧空気を生成する圧縮機と、
前記高圧空気と燃料とを混合し、燃焼させて燃焼ガスを生成する請求項１１に記載の燃焼器と、
前記燃焼ガスによって駆動されるタービンと、
を備えるガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼器ノズル、燃焼器及びガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的なガスタービンは、外部の空気を圧縮して高圧空気を生成する圧縮機と、高圧空気と燃料とを混合して燃焼させ、高温高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼ガスによって回転駆動されるタービンと、を備えている。
このようなガスタービンに用いられる燃焼器の一例として、下記特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に係る燃焼器は、燃焼ガスが流通する燃焼筒と、燃焼筒内で火炎を形成する複数のノズルと、を主に備えている。ノズルによって形成された火炎によって燃焼筒内で高温高圧の燃焼ガスが生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２０３１４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記のような燃焼器の内部では、燃料と空気とが流通する過程で、フラッシュバックと呼ばれる現象が生じる場合がある。フラッシュバックとは、燃焼器内における予期しない領域に滞留している燃料に、火炎が伝播することで異常な燃焼を生じる現象である。特に、上記のノズルの前方側では、旋回羽根による旋回流が形成されることから、その渦芯に燃料が滞留することで上記フラッシュバックが生じる虞がある。
【０００５】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、フラッシュバックの発生を抑制することが可能な燃焼器ノズル、燃焼器及びガスタービンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第一の態様によれば、燃焼器ノズルは、軸線に沿って延びる主外周面と、該主外周面から前記軸線方向の前方側に向かうにしたがって漸次縮径する縮径外周面とを有する軸体と、前記軸体の主外周面から径方向外側に向かって延出するとともに前記軸線の周方向に間隔をあけて複数が設けられ、表面に燃料を噴出する燃料噴出孔が形成された旋回羽根と、前記主外周面を外周側から囲う第一筒部、及び、該第一筒部に連続して前記縮径外周面を外周側から囲うとともに前記軸線方向の前方側に向かうにしたがって漸次縮径する第二筒部を有する流路形成筒と、を備える。
【０００７】
この構成では、軸体の主外周面の外周側に流路形成筒が設けられている。さらに、この流路形成筒の第二筒部は、軸線方向の前方側に向かうにしたがって漸次縮径している。これにより、流路形成筒の内周側を流れる流体の軸線方向における流速を高めることができる。すなわち、軸体の前方側に形成される旋回流の渦芯に対して、空気を積極的に供給することができる。したがって、当該渦芯における燃料濃度を下げることができるとともに、フラッシュバックが発生する虞を低減することができる。
【０００８】
本発明の第二の態様によれば、上記の燃焼器ノズルでは、前記旋回羽根は、前記流路形成筒よりも内周側に位置する支持部と、該流路形成筒よりも外周側に位置する旋回羽根本体と、を有し、前記燃料噴出孔は、該旋回羽根本体のみに形成されていてもよい。
【０００９】
この構成によれば、燃料噴出孔が外周側に位置する旋回羽根本体のみに形成されている。したがって、旋回羽根本体よりも内周側に位置する支持部の前方側で、燃料濃度をさらに下げることができる。すなわち、渦芯における燃料濃度を下げることができるとともに、フラッシュバックが発生する虞をさらに低減することができる。
【００１０】
本発明の第三の態様によれば、上記の燃焼器ノズルでは、前記支持部は、前記軸線方向の後方側から前方側に向かって延びるとともに、該軸線を対称軸とする翼断面形状を有していてもよい。
【００１１】
この構成によれば、軸線方向の後方側から流れてきた流体が支持部の周囲を通過する際の圧力損失の発生を抑制することができる。これにより、流路形成筒の内周側を流れる流体の軸線方向における流速を高めることができる。すなわち、軸体の前方側に形成される旋回流の渦芯に対して、空気を積極的に供給することができる。したがって、当該渦芯における燃料濃度を下げることができるとともに、フラッシュバックが発生する虞を低減することができる。
【００１２】
本発明の第四の態様によれば、上記の燃焼器ノズルでは、前記支持部の後方側の端縁、及び旋回羽根本体の後方側の端縁は互いに面一であってもよい。
【００１３】
この構成によれば、支持部の前方側の端縁、及び旋回羽根本体の前方側の端縁が互いに面一であることから、これら端縁の周辺で流体の流れに乱れを生じたり、圧力損失を生じたりする虞を低減することができる。
【００１４】
本発明の第五の態様によれば、上記の燃焼器ノズルでは、前記旋回羽根本体は、径方向外側に位置する湾曲形状の先端部と、径方向内側に位置し、前方側に切り欠き部を有する根本部と、を有してよい。
【００１５】
この構成によれば、旋回羽根本体に切り欠き部が形成されていることによって、旋回羽根本体の径方向内側を流れる空気の軸線方向における流速を更に高めることができる。すなわち、軸体の前方側に形成される旋回流の渦芯に対して、更なる空気を供給することができる。
【００１６】
本発明の第六の態様によれば、上記の燃焼器ノズルでは、前記旋回羽根本体の平均反り線に対して前記旋回羽根本体の前縁で接する接線と、前記軸線とでなす角度が、前記旋回羽根本体の前縁の径方向内側では０度から１０度になっており、前記旋回羽根本体の前縁の径方向外側では、前記旋回羽根本体の前縁の径方向内側の角度よりも大きい角度になっていてよい。
【００１７】
この構成によれば、旋回羽根本体の径方向内側の旋回角度を小さくすることによって、旋回羽根本体の径方向内側を流れる空気の軸線方向における流速を更に高めることができる。すなわち、軸体の前方側に形成される旋回流の渦芯に対して、更なる空気を供給することができる。
【００１８】
本発明の第七の態様によれば、上記の燃焼器ノズルでは、前記第一筒部における前記軸線方向の後方側の端縁を含む部分は、前方側から後方側に向かうに従って径方向の寸法が漸次縮小していてもよい。
【００１９】
この構成によれば、第一筒部の内周側に流体が流入する際に、該流体の流れに乱れを生じたり、圧力損失を生じたりする虞を低減することができる。
【００２０】
本発明の第八の態様によれば、上記の燃焼器ノズルでは、前記流路形成筒は、前記第一筒部の前記軸線方向後方側の端部に接続され、該第一筒部よりも大きな内径寸法を有する導入部を有してもよい。
【００２１】
ここで、流路形成筒と軸体とによって囲まれる空間の断面積は、当該空間内を流通する流体に圧力損失が生じないように、軸線方向の全域にわたって一定であることが望ましい。上記のような構成では、導入部の内径が第一筒部の内径よりも大きいことから、支持部が設けられていることによる上記断面積の減少分を、導入部によって補うことができる。
【００２２】
本発明の第九の態様によれば、上記の燃焼器ノズルでは、前記第二筒部における前記軸線方向の前方側の端縁は、該軸線を含む断面視で、後方側から前方側に向かうに従って径方向の寸法が漸次縮小していてもよい。
【００２３】
この構成によれば、第二筒部の内周側から流体が流れ出る際に、該流体の流れに乱れを生じたり、圧力損失を生じたりする虞を低減することができる。
【００２４】
本発明の第九の態様によれば、上記の燃焼器ノズルでは、前記軸体の直径をＤ、前記第一筒部の内径をＢとすると、直径Ｄと内径Ｂの比Ｄ／Ｂは、０．５≦Ｄ／Ｂ≦０．８であってよい。
【００２５】
この構成によれば、第一筒部の内側の空気流路を確保することによって、空気流路中を流通する空気の流量を増やして、渦芯に向かう空気を増やすことができる。すなわち、軸体の前方側に形成される旋回流の渦芯に対して、更なる空気を供給することができる。
【００２６】
本発明の第十の態様によれば、燃焼器は、上記いずれか一の態様に係る燃焼器ノズルと、前記燃焼器ノズルを外周側から覆う筒体と、を備える。
【００２７】
この構成によれば、フラッシュバックの発生が抑制された燃焼器を得ることができる。
【００２８】
本発明の第十一の態様によれば、ガスタービンは、高圧空気を生成する圧縮機と、前記高圧空気と燃料とを混合し、燃焼させて燃焼ガスを生成する上記第十の態様に係る燃焼器と、前記燃焼ガスによって駆動されるタービンと、を備える。
【００２９】
この構成によれば、安定的に運転可能なガスタービンを得ることができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、フラッシュバックの発生を抑制することができる燃焼器ノズル、燃焼器及びガスタービンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第一実施形態に係るガスタービンの構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係る燃焼器の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第一実施形態に係る燃焼器の要部拡大断面図である。
【図４】本発明の第一実施形態に係る燃焼器ノズルの構成を示す側面図である。
【図５】本発明の第一実施形態に係る燃焼器ノズルの構成を示す断面図である。
【図６】本発明の第二実施形態に係る燃焼器ノズルの旋回羽根の支持部の断面形状を示す説明図である。
【図７】本発明の第三実施形態に係る燃焼器ノズルの構成を示す断面図である。
【図８】本発明の第四実施形態に係る燃焼器ノズルの構成を示す断面図である。
【図９】本発明の第五実施形態に係る燃焼器ノズルの構成を示す側面図である。
【図１０】本発明の第五実施形態に係る燃焼器ノズルの旋回羽根の形状を示す説明図である。
【図１１】本発明の第六実施形態に係る燃焼器ノズルの構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
［第一実施形態］
本発明の第一実施形態について図面を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態に係るガスタービン１００は、高圧空気を生成する圧縮機１と、高圧空気に燃料を混合して燃焼させ、燃焼ガスを生成する燃焼器３と、燃焼ガスによって駆動されるタービン２と、を備えている。
【００３３】
圧縮機１は、主軸線Ａｍに沿って延びるとともに、該主軸線Ａｍ回りに回転可能な圧縮機ロータ１１と、圧縮機ロータ１１を外周側から覆う圧縮機ケーシング１２と、を有している。圧縮機ロータ１１は、主軸線Ａｍを中心とする円柱状をなしている。圧縮機ロータ１１の外周面には、主軸線Ａｍ方向に間隔をあけて配列された複数の圧縮機動翼段１３が設けられている。各圧縮機動翼段１３は、圧縮機ロータ１１の外周面上で、主軸線Ａｍの周方向に間隔をあけて配列された複数の圧縮機動翼１４を有している。
【００３４】
圧縮機ケーシング１２は、主軸線Ａｍを中心とする円筒状をなしている。圧縮機ケーシング１２の内周面には、主軸線Ａｍ方向に間隔をあけて配列された複数の圧縮機静翼段１５が設けられている。各圧縮機静翼段１５は、圧縮機ケーシング１２の内周面上で、主軸線Ａｍの周方向に間隔をあけて配列された複数の圧縮機静翼１６を有している。上記の圧縮機動翼段１３、及び圧縮機静翼段１５は、主軸線Ａｍ方向に互い違いになるように交互に配列されている。
【００３５】
燃焼器３は、上記の圧縮機ケーシング１２と、後述するタービンケーシング２２との間の領域に、主軸線Ａｍの周方向に間隔をあけて複数設けられている。各燃焼器３は、上記の主軸線Ａｍに対して交差する方向に延びる燃焼器軸線Ａｃを中心とする筒状をなしている。これら燃焼器３は、いずれも上記圧縮機ケーシング１２の内側の空間と連通されている。すなわち、当該圧縮機ケーシング１２内を流通する高圧空気は、圧縮機ケーシング１２を経て複数の燃焼器３ごとに分配される。
【００３６】
タービン２は、主軸線Ａｍに沿って延びるとともに、該主軸線Ａｍ回りに回転可能なタービンロータ２１と、タービンロータ２１を外周側から覆うタービンケーシング２２と、を有している。タービンロータ２１は、主軸線Ａｍを中心とする円柱状をなしている。タービンロータ２１の外周面には、主軸線Ａｍ方向に間隔をあけて配列された複数のタービン動翼段２３が設けられている。各タービン動翼段２３は、タービンロータ２１の外周面上で、主軸線Ａｍの周方向に間隔をあけて配列された複数のタービン動翼２４を有している。
【００３７】
タービンケーシング２２は、主軸線Ａｍを中心とする円筒状をなしている。タービンケーシング２２の内周面には、主軸線Ａｍ方向に間隔をあけて配列された複数のタービン静翼段２５が設けられている。各タービン静翼段２５は、タービンケーシング２２の内周面上で、主軸線Ａｍの周方向に間隔をあけて配列された複数のタービン静翼２６を有している。上記のタービン動翼段２３、及びタービン静翼段２５は、主軸線Ａｍ方向に互い違いになるように交互に配列されている。
【００３８】
圧縮機ロータ１１とタービンロータ２１とは、主軸線Ａｍ方向に同軸上で連結されることで、ガスタービンロータ９１を形成する。また、圧縮機ケーシング１２とタービンケーシング２２とは、主軸線Ａｍ方向に連結されることで、ガスタービンケーシング９２を形成する。すなわち、圧縮機ロータ１１とタービンロータ２１は、ガスタービンロータ９１として、主軸線Ａｍ回りに一体に回転可能とされている。
【００３９】
続いて、燃焼器３の詳細な構成について、図２と図３を参照して説明する。燃焼器３は、燃焼器軸線Ａｃを中心とする筒状の燃焼器本体３Ｍと、燃焼器本体３Ｍに燃料を供給する燃料ノズル３Ｎと、を有している。燃焼器本体３Ｍは、燃料ノズル３Ｎを収容する第一筒体４１と、燃焼器軸線Ａｃに沿って第一筒体４１に接続される第二筒体４２と、を有している。なお、以降の説明では、燃焼器軸線Ａｃの延びる方向において、第二筒体４２から見て第一筒体４１が位置する側を後方側と呼び、第一筒体４１から見て第二筒体４２が位置する側を前方側と呼ぶ。すなわち、燃焼器３中で生成された燃焼ガスは後方側から前方側に向かって流通する。
【００４０】
第一筒体４１の径寸法は、第二筒体４２の径寸法よりも小さく設定されている。これにより、第一筒体４１の前方側の端部は、第二筒体４２の後方側の端部内に挿通された状態となっている。第一筒体４１は、燃焼器軸線Ａｃを中心とする円筒状をなしている。第二筒体４２は、後方側から前方側に向かうにしたがって次第に縮径している。燃料ノズル３Ｎは、主として第二筒体４２内に向けて後方側から燃料を供給する。より具体的には、燃料ノズル３Ｎは、第一燃料ノズル５１（燃焼器ノズル）と、第二燃料ノズル５２とを有している。
【００４１】
図４又は図５に拡大して示すように、第一燃料ノズル５１は、燃焼器軸線Ａｃの周方向に間隔をあけて複数設けられている。各第一燃料ノズル５１は、外周側から筒状のノズル筒７０によって覆われている。ノズル筒７０は、第一軸線を中心とする円筒状をなしている。ノズル筒７０のさらに前方側には延長管８０が設けられている。第一燃料ノズル５１は、燃焼器軸線Ａｃに平行な第一軸線Ａ１（軸線）に沿って延びる軸体５１Ｍと、軸体５１Ｍの外周側で周方向に間隔をあけて配列された複数の旋回羽根６０と、軸体５１Ｍを外周側から覆う筒状の流路形成筒５１Ｔと、を有している。
【００４２】
軸体５１Ｍは、第一軸線Ａ１方向から見て円形の断面を有している。軸体５１Ｍは、第一軸線Ａ１方向の後方側の部分をなす軸体主部５１Ｂと、軸体主部５１Ｂと一体に形成された縮径部５１Ｓと、を有している。軸体主部５１Ｂは、第一軸線Ａ１方向の全域にわたって一様な外径を有している。一方で、縮径部５１Ｓは第一軸線Ａ１方向の後方側から前方側に向かうにしたがって漸次縮径することで、尖頭状をなしている。ここで、軸体主部５１Ｂの外周面は主外周面Ｐｍとされている。本実施形態における主外周面Ｐｍは、第一軸線Ａ１方向の全域にわたって同一の外径寸法を有している。縮径部５１Ｓの外周面は縮径外周面Ｐｓとされている。
【００４３】
各旋回羽根６０は、軸体５１Ｍの外周面に接続される支持部６１と、支持部６１の径方向外側に設けられた旋回羽根本体６２と、を有している。なお、詳しくは後述するが、支持部６１とは、旋回羽根６０のうちの流路形成筒５１Ｔよりも内周側に位置する部分を指し、旋回羽根本体６２とは、当該流路形成筒５１Ｔよりも外周側に位置する部分を指している。すなわち、旋回羽根６０は流路形成筒５１Ｔを径方向に貫通するように設けられている。
【００４４】
支持部６１は、軸体主部５１Ｂの主外周面Ｐｍ上から径方向外側に向かって延出する板状をなしている。旋回羽根本体６２は、第一軸線Ａ１方向において、上記の支持部６１よりも大きな寸法を有している。具体的には、旋回羽根本体６２の前方側の端部を含む部分は、第一軸線Ａ１方向において、支持部６１の前方側の端部よりもさらに前方側に位置している。一方で、旋回羽根本体６２の後方側の端縁は、支持部６１の前方側の端縁と面一とされている。すなわち、これら後方側の端縁同士は、第一軸線Ａ１の径方向に連続する一つの面をなしている。
【００４５】
各旋回羽根本体６２は、第一軸線Ａ１方向の後方側から前方側に向かうにしたがって周方向によじれる翼面を有している。より具体的には、旋回羽根本体６２は、径方向から見て周方向の一方側に湾曲した翼断面形状を有している。すなわち、旋回羽根本体６２の周方向一方側の面は、当該一方側に向かって曲面上に突出している。一方で、旋回羽根本体６２の周方向他方側の面は、当該他方側に向かって曲面上に凹没している。
【００４６】
さらに、旋回羽根本体６２の表面（すなわち、周方向両側を向く各面）上には、燃料供給源から導かれた燃料を外部に噴出する複数の第一噴出孔Ｈ１（燃料噴出孔）が形成されている。これら複数の第一噴出孔Ｈ１同士は、旋回羽根本体６２の表面上で、第一軸線Ａ１方向及び径方向に互いに間隔をあけて配置されている。なお、上記支持部６１には、このような第一噴出孔Ｈ１は形成されていない。すなわち、本実施形態では、旋回羽根本体６２のみに第一噴出孔Ｈ１が形成されている。
【００４７】
流路形成筒５１Ｔは、第一軸線Ａ１を中心とする筒状をなしている。より詳細には、流路形成筒５１Ｔは、上記の主外周面Ｐｍを外周側から囲う第一筒部Ｔ１と、第一筒部Ｔ１に連続して上記の縮径外周面Ｐｓを外周側から囲う第二筒部Ｔ２と、を有している。すなわち、外径寸法が一定である軸体主部５１Ｂの外周側には第一筒部Ｔ１が設けられ、外径寸法が漸次縮小する縮径部５１Ｓの外周側には第二筒部Ｔ２が設けられている。軸体５１Ｍの外周面と流路形成筒５１Ｔの内周面との間に形成された空間は、後方側から導かれた空気を流通させるための空気流路Ｆとされている。
【００４８】
第一筒部Ｔ１は、第一軸線Ａ１方向に延びる直管状をなしている。すなわち、第一軸線Ａ１方向の全域にわたって同一の内径寸法、及び外径寸法を有している。第一筒部Ｔ１は、径方向における支持部６１の寸法の分だけ、主外周面Ｐｍから径方向外側に離間した位置に設けられている。言い換えれば、第一筒部Ｔ１の内周面は、支持部６１の外周側の端部と接続されている。流路形成筒５１Ｔの外周面上からは、支持部６１と一体に接続された旋回羽根本体６２が径方向外側に向かって延びている。
【００４９】
第二筒部Ｔ２は、上記第一筒部Ｔ１の前方側の端部に連続するように一体に接続されている。言い換えれば、第一筒部Ｔ１と第二筒部Ｔ２との間には段差等が形成されていない。第二筒部Ｔ２は、第一軸線Ａ１方向の前方側に向かうにしたがって漸次縮径している。さらに、第二筒部Ｔ２の内周面と軸体５１Ｍ（縮径部５１Ｓ）の縮径外周面Ｐｓとによって囲まれる空間（空気流路Ｆ）の断面積は、第一軸線Ａ１方向の全域にわたって一定とされている。言い換えれば、第二筒体４２の内径寸法の値は、縮径外周面Ｐｓの外径寸法の値と、上記の断面積の値とに基づいて適宜決定される。
【００５０】
第二燃料ノズル５２は、燃焼器軸線Ａｃ上に配置されている。すなわち、第二燃料ノズル５２は、複数の第一燃料ノズル５１によって外周側を囲まれている。より詳しくは、第二燃料ノズル５２は、第一軸線Ａ１に沿って延びる第二燃料ノズル本体５２Ｍと、この第二燃料ノズル本体５２Ｍの前方側に延びる保炎器５２Ｃと、を有している。
【００５１】
第二燃料ノズル本体５２Ｍの内部には、燃料を流通させるための流路（図示省略）が形成されている。第二燃料ノズル本体５２Ｍの前方側端部には、この燃料を前方側に向かって吹き出すための第二噴出孔Ｈ２が形成されている。すなわち、上記の流路を経て供給された燃料が、第二噴出孔Ｈ２を通じて前方側に向かって吹き出される。また、この第二噴出孔Ｈ２の近傍には、第二噴出孔Ｈ２から吹き出された燃料に着火するための着火器（図示省略）が設けられている。保炎器５２Ｃは、第二燃料ノズル本体５２Ｍの前方側端部を外周側から覆うコーン状の部材である。
【００５２】
上記のように構成されたガスタービン１００の動作について説明する。ガスタービン１００を運転するに当たっては、まず外部の駆動源によって圧縮機ロータ１１（ガスタービンロータ９１）を回転駆動する。圧縮機ロータ１１の回転に伴って外部の空気が順次圧縮され、高圧空気が生成される。この高圧空気は、圧縮機ケーシング１２を通じて燃焼器３内に供給される。燃焼器３内では、燃料ノズル３Ｎから供給された燃料がこの高圧空気に混合されて燃焼し、高温高圧の燃焼ガスが生成される。燃焼ガスはタービンケーシング２２を通じてタービン２内に供給される。タービン２内では、タービン動翼段２３、及びタービン静翼段２５に燃焼ガスが順次衝突することで、タービンロータ２１（ガスタービンロータ９１）に対して回転駆動力が与えられる。この回転エネルギーは、軸端に連結された発電機Ｇ等の駆動に利用される。
【００５３】
次に、燃焼器３の詳細な動作について、図３を再び参照して説明する。同図に示すように、圧縮機１で生成された高圧空気は、燃焼器軸線Ａｃの一方側（後方側）から第一筒体４１内に供給される。第一筒体４１内に導入された高圧空気は、上記のノズル筒７０の内周側の空間を経て、前方側の第二筒体４２内に到達する。ここで、ノズル筒７０内では、上記の旋回羽根６０の翼面上に形成された第一噴射孔６３から噴射された燃料が、高圧空気に混合される。これにより、ノズル筒７０内では、燃料と高圧空気とを含む予混合ガスが生成される。このとき、予混合ガスの流れには、旋回羽根６０によって与えられた旋回流成分が含まれている。
【００５４】
一方で、第二燃料ノズル５２の第二噴出孔Ｈ２から噴射された燃料は、着火器（図示省略）によって着火されることで、第二燃料ノズル５２から前方側に向かって延びる拡散燃焼火炎を形成する。この拡散燃焼火炎が上記ノズル筒７０内に存在する予混合ガスに伝播することで、第一燃料ノズル５１の前方側には、予混合燃焼火炎が形成される。この予混合燃焼火炎は、上記の旋回流成分を伴って、第二筒体４２内で後方側から前方側に向かって延びるとともに、高温高圧の燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、第二筒内を後方側から前方側に向かって流れた後、上記のタービンケーシング２２内に導入されてタービン２を駆動する。
【００５５】
ところで、上記のような燃焼器３の内部では、燃料と空気とが流通する過程で、フラッシュバックと呼ばれる現象が生じる場合がある。フラッシュバックとは、燃焼器３内における予期しない領域に滞留している燃料に、火炎が伝播することで異常な燃焼を生じる現象である。特に、上記の第一燃料ノズル５１の前方側では、旋回羽根６０による旋回流が形成されることから、その渦芯に燃料が滞留することで上記フラッシュバックが生じる虞がある。
【００５６】
しかしながら、本実施形態では、軸体５１Ｍの主外周面Ｐｍの外周側に流路形成筒５１Ｔが設けられている。さらに、この流路形成筒５１Ｔの第二筒部Ｔ２は、軸線方向の前方側に向かうにしたがって漸次縮径している。これにより、流路形成筒５１Ｔの内周側を流れる流体（空気）の第一軸線Ａ１方向における流速を高めることができる。すなわち、軸体５１Ｍの前方側に形成される旋回流の渦芯に対して、空気を積極的に供給することができる。したがって、当該渦芯における燃料濃度を下げることができるとともに、フラッシュバックが発生する虞を低減することができる。
【００５７】
さらに、本実施形態では、第一噴出孔Ｈ１が旋回羽根本体６２のみに形成されている。したがって、旋回羽根本体６２よりも内周側に位置する支持部６１の前方側で、燃料濃度をさらに下げることができる。すなわち、渦芯における燃料濃度を下げることができるとともに、フラッシュバックが発生する虞をさらに低減することができる。
【００５８】
加えて、本実施形態では、支持部６１の前方側の端縁、及び旋回羽根本体６２の前方側の端縁が互いに面一であることから、これら端縁の周辺で流体の流れに乱れを生じたり、圧力損失を生じたりする虞を低減することができる。
【００５９】
［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について図６を参照して説明する。なお、上記第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。本実施形態では、旋回羽根６０における支持部６１の構成が上記第一実施形態とは異なっている。すなわち、第一実施形態では、径方向から見て支持部６１が矩形の断面を有している例について説明した。
図６に示すように、本実施形態では、径方向から見て、支持部６１の断面形状は、翼型をなしている。より具体的には、支持部６１は第一軸線Ａ１方向の後方側から前方側に向かって延びるとともに、当該第一軸線Ａ１を対称軸とする翼断面形状を有している。さらに言い換えれば、支持部６１の周方向両側の面は、当該周方向両側に向かって曲面上に膨らむ紡錘形をなしている。さらに、支持部６１の前縁（第一軸線Ａ１方向の後方側の端縁）は、後縁（第一軸線Ａ１方向の前方側の端縁）よりも周方向における寸法が大きい。
【００６０】
このような構成によれば、第一軸線Ａ１方向の後方側から流れてきた流体が支持部６１の周囲を通過する際の圧力損失の発生を抑制することができる。これにより、流路形成筒５１Ｔの内周側を流れる流体の軸線方向における流速を高めることができる。すなわち、軸体５１Ｍの前方側に形成される旋回流の渦芯に対して、空気を積極的に供給することができる。したがって、当該渦芯における燃料濃度を下げることができるとともに、フラッシュバックが発生する虞を低減することができる。
【００６１】
［第三実施形態］
続いて、本発明の第三実施形態について図７を参照して説明する。なお、上記各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。本実施形態では、流路形成筒５１Ｔの構成が上記各実施形態とは異なっている。本実施形態では、流路形成筒５１Ｔは、上述の第一筒部Ｔ１及び第二筒部Ｔ２に加えて、第一筒部Ｔ１の後方側の端部に接続された導入部Ｔ３を有している。
【００６２】
より具体的には、この導入部Ｔ３は第一軸線Ａ１方向において、上記支持部６１が設けられる位置と対応する位置に設けられている。言い換えれば、支持部６１は、導入部Ｔ３の後方側の端部から前方側の端部までの間の領域内に配置されている。
【００６３】
さらに、導入部Ｔ３は、第一筒部Ｔ１よりも大きな内径寸法を有している。より具体的には、導入部Ｔ３は、第一軸線Ａ１方向の後方側から前方側に向かうにしたがって漸次縮径している。すなわち、導入部Ｔ３の後方側の端部における開口径は、前方側の端部における開口径よりも大きい。
【００６４】
加えて、本実施形態では、流路形成筒５１Ｔの前方側の端部及び後方側の端部が、上記各実施形態とは異なる形状とされている。より具体的には、流路形成筒５１Ｔの後方側の端部は、第一軸線Ａ１を含む断面視で、前方側から後方側に向かうにしたがって次第に薄肉となるように形成されている。より詳細には、流路形成筒５１Ｔ（第一筒部Ｔ１）の後方側の端部は、前方側から後方側に向かうにしたがって、径方向の寸法が漸次小さくなっている。同様に、流路形成筒５１Ｔ（第二筒部Ｔ２）の前方側の端部は、後方側から前方側に向かうにしたがって、径方向の寸法が漸次縮小している。
【００６５】
この構成によれば、上記のように第一筒部Ｔ１の後方側の端部が薄肉となるように形成されていることから、当該第一筒部Ｔ１の内周側に流体が流入する際に、該流体の流れに乱れを生じたり、圧力損失を生じたりする虞を低減することができる。また、第二筒部Ｔ２の前方側の端部が薄肉となるように形成されていることから、当該第二筒部Ｔ２の内周側から流体が流れ出る際に、該流体の流れに乱れを生じたり、圧力損失を生じたりする虞を低減することができる。
【００６６】
さらに、上記の構成では、流路形成筒５１Ｔは導入部Ｔ３を有している。ここで、流路形成筒５１Ｔと軸体５１Ｍとによって囲まれる空間（空気流路Ｆ）の断面積は、当該空間内を流通する流体に圧力損失が生じないように、第一軸線Ａ１方向の全域にわたって一定であることが望ましい。上記のような構成では、導入部Ｔ３の内径が第一筒部Ｔ１の内径よりも大きいことから、支持部６１が設けられていることによる上記断面積の減少分を、導入部Ｔ３によって補うことができる。これにより、空気流路Ｆ中を流通する空気の流れに圧力損失を生じる虞が低減され、渦芯に向かって効率的に空気を供給することができる。つまり、より効果的にフラッシュバックの抑制を図ることができる。
【００６７】
［第四実施形態］
続いて、本発明の第四実施形態について図８を参照して説明する。なお、上記各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。本実施形態では、旋回羽根本体６２の構成が上記各実施形態とは異なっている。本実施形態の旋回羽根本体６２Ｅは、切り欠き部６６を有している。
【００６８】
図８に示すように、本実施形態の旋回羽根６０は、軸体５１Ｍの外周面に接続される支持部６１と、支持部６１の径方向外側に設けられて、切り欠き部６６を有する旋回羽根本体６２Ｅと、を有している。本実施形態の旋回羽根本体６２Ｅは、旋回羽根本体６２Ｅの前方側の端部から旋回羽根本体６２Ｅの後方側の端部に亘って流路形成筒５１Ｔと接続されていない。
旋回羽根本体６２Ｅは、径方向外側に位置し、予混合ガスを旋回方向に旋回させるための湾曲形状の先端部６４と、先端部６４の径方向内側に位置する根本部６５と、を有している。根本部６５の前方側の縁は、切り欠き部６６によって形成されている。
【００６９】
切り欠き部６６は、切り欠き部６６は、支持部６１よりも前方側に形成されている。切り欠き部６６の径方向の幅Ｗ１は、軸線方向に亘って略均一に形成されている。
切り欠き部６６の径方向外側における旋回羽根本体６２Ｅの径方向の幅Ｗ２と、切り欠き部６６の径方向の幅Ｗ１との比Ｗ２／Ｗ１は、３≦Ｗ２／Ｗ１≦４とすることが好ましい。
【００７０】
この構成によれば、旋回羽根本体６２Ｅに切り欠き部６６が形成されていることによって、旋回羽根本体６２Ｅの径方向内側を流れる空気の第一軸線Ａ１方向における流速を更に高めることができる。すなわち、軸体５１Ｍの前方側に形成される旋回流の渦芯に対して、更なる空気を供給することができる。
【００７１】
［第五実施形態］
続いて、本発明の第五実施形態について図９及び図１０を参照して説明する。なお、上記各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。本実施形態では、旋回羽根本体６２の構成が上記各実施形態とは異なっている。
【００７２】
図９に示すように、本実施形態の旋回羽根本体６２Ｆの前方側は、径方向において、径方向内側から径方向外側に向かうに従って湾曲が大きくなっている。
図１０において、点線は、旋回羽根本体６２Ｆの径方向内側の端部における翼形状を示している。図１０において、実線は、旋回羽根本体６２Ｆの径方向外側の端部における翼形状を示している。
【００７３】
点線で示す径方向内側の翼形状において、平均反り線（骨格線）をＬ１１、この平均反り線Ｌ１１に対して旋回羽根本体６２Ｆの前縁で接する接線をＬ１２としている。実線で示す外周側の翼形状において、平均反り線（骨格線）をＬ２１、この平均反り線Ｌ２１に対して旋回翼の前縁で接する接線をＬ２２としている。
【００７４】
図１０に示すように、旋回羽根本体６２Ｆの前縁において、内周側での接線Ｌ１２と第一軸線Ａ１とでなす角度を０度としており、外周側での接線Ｌ２２と第一軸線Ａ１とでなす角度を、内周側での角度よりも大きくしている。
本願発明者の研究によれば、内周側から外周側に向かうに従い、平均反り線に対して旋回翼の前縁で接する接線と軸線とでなす角度を大きくしていく場合、（ａ）内周側の角度を０〜１０度にし、（ｂ）外周側の角度を２５〜３５度にすることが最適であることがわかった。
【００７５】
この構成によれば、旋回羽根本体６２Ｆの径方向内側の旋回角度を小さくすることによって、旋回羽根本体６２Ｆの径方向内側を流れる空気の第一軸線Ａ１方向における流速を更に高めることができる。すなわち、軸体５１Ｍの前方側に形成される旋回流の渦芯に対して、更なる空気を供給することができる。
【００７６】
［第六実施形態］
続いて、本発明の第六実施形態について図１１を参照して説明する。なお、上記各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。本実施形態では、軸体５１Ｍの構成が上記各実施形態とは異なっている。
図１１に示すように、本実施形態の第一燃料ノズル５１の軸体５１ＭＧの直径Ｄは、第一実施形態から第五実施形態の軸体５１Ｍ（一点鎖線で示す。）の直径Ｄ０よりも小さい。具体的には、流路形成筒５１Ｔの第一筒部Ｔ１の内径をＢとすると、軸体５１ＭＧの直径Ｄと第一筒部Ｔ１の内径Ｂの比Ｄ／Ｂは、０．５≦Ｄ／Ｂ≦０．８とすることが好ましい。
【００７７】
この構成によれば、第一筒部Ｔ１の内側の空気流路Ｆを確保することによって、空気流路Ｆ中を流通する空気の流量を増やして、渦芯に向かう空気を増やすことができる。すなわち、軸体の前方側に形成される旋回流の渦芯に対して、更なる空気を供給することができる。
【００７８】
以上、本発明の各実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の各構成に種々の変更を施すことが可能である。例えば、旋回羽根本体６２の断面形状については、上記各実施形態で説明した形状の他、設計や仕様に応じて種々の形状を採ることが可能である。
【符号の説明】
【００７９】
１…圧縮機
２…タービン
３…燃焼器
１１…圧縮機ロータ
１２…圧縮機ケーシング
１３…圧縮機動翼段
１４…圧縮機動翼
１５…圧縮機静翼段
１６…圧縮機静翼
２１…タービンロータ
２２…タービンケーシング
２３…タービン動翼段
２４…タービン動翼
２５…タービン静翼段
２６…タービン静翼
４１…第一筒体
４２…第二筒体
５１…第一燃料ノズル
５２…第二燃料ノズル
６０…旋回羽根
６１…支持部
６２，６２Ｅ，６２Ｆ…旋回羽根本体
６３…第一噴射孔
６４…先端部
６５…根本部
６６…切り欠き部
７０…ノズル筒
８０…延長管
９１…ガスタービンロータ
９２…ガスタービンケーシング
１００…ガスタービン
３Ｍ…燃焼器本体
３Ｎ…燃料ノズル
５１Ｂ…軸体主部
５１Ｍ，５１ＭＧ…軸体
５１Ｓ…縮径部
５１Ｔ…流路形成筒
５２Ｃ…保炎器
５２Ｍ…第二燃料ノズル本体
Ａ１…第一軸線
Ａｃ…燃焼器軸線
Ａｍ…主軸線
Ｆ…空気流路
Ｈ１…第一噴出孔
Ｈ２…第二噴出孔
Ｐｍ…主外周面
Ｐｓ…縮径外周面
Ｔ１…第一筒部
Ｔ２…第二筒部
Ｔ３…導入部
【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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【図８】
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【図９】
2018189288.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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