(57)【要約】【課題】燃焼筒内で、スワラから噴射された予混合気をより安定して燃焼させることが可能な燃焼器及びガスタービンを提供する。【解決手段】燃焼器１０は、空気Ａと燃料Ｆとが混合された予混合気Ｃが燃焼する燃焼領域を内部に有する燃焼筒と、燃焼筒と連通した流路３１、及び、流路３１に放射状に配列されたスワラーベーン３０を有し、該スワラーベーン３０の案内により予混合気Ｃを旋回流として燃焼筒内に噴射させるスワラー３２と、該スワラー３２の流路３１を流れる予混合気Ｃの速度が径方向に不均一となるように、流路３１内の径方向の一部で流れを制限する制限手段５０とを備える。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気と燃料とが混合された予混合気が燃焼する燃焼領域を内部に有する燃焼筒と、
該燃焼筒と連通した流路、及び、該流路に放射状に配列されたスワラーベーンを有し、該スワラーベーンの案内により前記予混合気を旋回流として前記燃焼筒内に噴射させるスワラーと、
該スワラーの前記流路を流れる前記予混合気の速度が径方向に不均一となるように、前記流路内の径方向の一部で流れを制限する制限手段とを備えることを特徴とする燃焼器。
【請求項２】
請求項１に記載の燃焼器において、
前記制限手段は、前記スワラーベーンが径方向に異なる形状となることで構成されていることを特徴とする燃焼器。
【請求項３】
請求項２に記載の燃焼器において、
前記スワラーベーンの後縁側での該スワラーンベーンの中心線と前記燃焼筒の中心軸とのなす角が、径方向に異なるように設定されていることを特徴とする燃焼器。
【請求項４】
請求項２に記載の燃焼器において、
前記スワラーベーンが、後縁の一部で切り欠かれた切欠き部を有することを特徴とする燃焼器。
【請求項５】
請求項４に記載の燃焼器において、
前記切欠き部には前記旋回流下流側に向かって空気を噴射させる後方噴射部が設けられていることを特徴とする燃焼器。
【請求項６】
請求項１に記載の燃焼器において、
前記制限手段は、前記スワラーベーンの後方側で径方向一方側から他方側に向かって空気を噴射させる径方向噴射部を有することを特徴とする燃焼器。
【請求項７】
請求項６に記載の燃焼器において、
前記径方向噴射部は、前記スワラーベーンの中心線に沿って後縁から前記旋回流下流側に向かって形成されていることを特徴とする燃焼器。
【請求項８】
請求項１に記載の燃焼器において、
前記制限手段は、前記スワラーベーン間から噴射される前記旋回流を径方向一方側から他方側に向かって案内する案内部を有することを特徴とする燃焼器。
【請求項９】
請求項８に記載の燃焼器において、
前記案内部には前記旋回流下流側に向かって空気を噴射させる後方噴射部が設けられていることを特徴とする燃焼器。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の燃焼器と、
該燃焼器に圧縮空気を供給する圧縮機と、
前記燃焼器で前記予混合気が燃焼することで生成される燃焼ガスが供給されるタービンとを備えることを特徴とするガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼ガスを生成する燃焼器及び燃焼器を備えたガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、圧縮機と、圧縮機で生成された圧縮空気に燃料を混合して燃焼させることで燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器で生成された燃焼ガスが供給されるタービンとで構成されている。タービンは、筒状でロータとの間に燃焼ガスが流通する燃焼ガス流路を形成するケーシングと、燃焼ガス流路に設けられてケーシングに固定された静翼と、燃焼ガス流路に設けられてロータとともに回転可能な動翼とを備え、燃料ガス流路を流通する燃焼ガスにより動翼を介してロータを回転させることで、ロータに連結された発電機を駆動させることができる。ここで、このような従来のガスタービン用の燃焼器では、燃焼の際、ある条件によっては、燃焼器の燃焼筒の断面方向について、非常に高い周波数の燃焼振動が発生することがある。そして、この燃焼筒内の振動モードは、非常に複雑なものであり燃焼条件によって異なる。
【０００３】
このような燃焼振動の低減に関する技術として、燃料と空気とが混合された予混合気を旋回流として噴射させる環状に形成されたスワラーの出口端部に固定され、先端が外周側に向かって突出する円環状の保炎ツバを備える燃焼器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような燃焼器では、スワラーから噴射された予混合気の旋回流は、保炎ツバによって径方向外周側に案内されることで、火炎形状が径方向にアンバランスとなり、燃焼筒内気柱の固有振動数が変化し、周方向に対して固有振動数が異なる流路の存在が減衰作用として働き、高周波数の断面振動モードの発生が抑制されるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−９６０６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ガスタービンにおいては、近年さらなる高効率化が要求されることで、燃焼器においてもより高温での燃焼が要求されている。このため、燃焼振動レベルの低減のために、燃焼器の燃焼筒内において、より安定的に燃焼させる技術が望まれていた。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、燃焼筒内で、スワラから噴射された予混合気をより安定して燃焼させることが可能な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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明の燃焼器は、空気と燃料とが混合された予混合気が燃焼する燃焼領域を内部に有する燃焼筒と、該燃焼筒と連通した流路、及び、該流路に放射状に配列されたスワラーベーンを有し、該スワラーベーンの案内により前記予混合気を旋回流として前記燃焼筒内に噴射させるスワラーと、該スワラーの前記流路を流れる前記予混合気の速度が径方向に不均一となるように、前記流路内の径方向の一部で流れを制限する制限手段とを備えることを特徴としている。
【０００８】
この構成によれば、スワラーの流路内を流れる予混合気は、制限手段によって径方向の一部で流れが制限されることで、速度が径方向に不均一となりせん断が生じ、渦流が形成されることとなる。これにより、渦流が形成された状態で予混合気の旋回流が、スワラーから燃焼筒内へ噴射される。このため、燃焼筒内の燃焼領域では、渦流により噴射される予混合気の表面積が増大することとなり、スワラーから旋回流が噴射される環状の範囲で、径方向の他の範囲に対して燃焼反応が活発化され、火炎形状を径方向にさらにアンバランスにして、全体としてより安定的に燃焼させることができる。
【０００９】
また、上記の燃焼器において、前記制限手段は、前記スワラーベーンが径方向に異なる形状となることで構成されていることが好ましい。
【００１０】
この構成によれば、スワラーベーンが径方向に異なる形状であることで、径方向の一部で流れを制限し、スワラーベーンによって案内される予混合気の旋回流を径方向に異なる速度とすることができる。
【００１１】
また、上記の燃焼器において、前記スワラーベーンの後縁側での該スワラーンベーンの中心線と前記燃焼筒の中心軸とのなす角が、径方向に異なるように設定されていることが好ましい。
【００１２】
この構成によれば、後縁側でのスワラーンベーンの中心線と燃焼筒の中心軸とのなす角が、径方向に異なるように設定されていることで、径方向の一部でより周方向へと流れるように予混合気の流れを制限することで、後縁から下流側へと噴射される旋回流の向きを径方向に異なるものとして、旋回流の周方向速度成分を径方向に不均一にすることができる。
【００１３】
また、上記の燃焼器において、前記スワラーベーンが、後縁の一部で切り欠かれた切欠き部を有するものとしても良い。
【００１４】
この構成によれば、径方向の一部のみで切欠き部によりスワラーベーンの後縁から下流側に積極的に渦流を形成することができ、該渦流によって下流側へと流れる予混合気の流れが制限されることで切欠き部が形成されていない範囲と比較して旋回流の速度を制限することができる。
【００１５】
また、上記の燃焼器において、前記切欠き部には前記旋回流下流側に向かって空気を噴射させる後方噴射部が設けられていることが好ましい。
【００１６】
この構成によれば、切欠き部が設けられた径方向の範囲では旋回流の速度が遅くなることで、燃焼筒内における予混合気の燃焼位置がより上流側、すなわちスワラーベーンに近くなるが、切欠き部に設けられた後方噴射部から旋回流下流側に向かって空気を噴射させることで、火炎がスワラーベーンにまで到達してしまうことを確実に防止することができる。
【００１７】
また、上記の燃焼器において、前記制限手段は、前記スワラーベーンの後方側で径方向一方側から他方側に向かって空気を噴射させる径方向噴射部を有するものとしても良い。
【００１８】
この構成によれば、径方向噴射部によりスワラーベーンの後方側で径方向一方側で空気を噴射させることで、径方向一方側では噴射された空気により予混合気の流れが制限され、これより径方向他方側に比べて一方側での旋回流の速度を制限することができる。
【００１９】
また、上記の燃焼器において、前記径方向噴射部は、前記スワラーベーンの中心線に沿って後縁から前記旋回流下流側に向かって形成されていることが好ましい。
【００２０】
この構成によれば、径方向噴射部が空気を噴射させる径方向一方側の範囲では旋回流の速度が遅くなることで、燃焼筒内における予混合気の燃焼位置がより上流側、すなわちスワラーベーンに近くなるが、径方向噴射部がスワラーベーンの中心線に沿って後縁から旋回流下流側に向かって形成されていることで、火炎がスワラーベーンにまで到達してしまうことを確実に防止することができる。
【００２１】
また、上記の燃焼器において、前記制限手段は、前記スワラーベーン間から噴射される前記旋回流を径方向一方側から他方側に向かって案内する案内部を有することが好ましい。
【００２２】
この構成によれば、案内部で旋回流を径方向一方側から他方側に向かって案内することで、径方向他方側では予混合気の流れが集合して速度が高まるとともに、一方側では予混合気の流れが制限されて速度が低くなる。
【００２３】
また、上記の燃焼器において、前記案内部には前記旋回流下流側に向かって空気を噴射させる後方噴射部が設けられていることが好ましい。
【００２４】
この構成によれば、案内部による旋回流の案内で径方向一方側の範囲では旋回流の速度が遅くなることで、燃焼筒内における予混合気の燃焼位置がより上流側、すなわちスワラーベーンに近くなるが、案内部に設けられた後方噴射部から旋回流下流側に向かって空気を噴射させることで、火炎がスワラーベーンにまで到達してしまうことを確実に防止することができる。
【００２５】
また、本発明のガスタービンは、上記の燃焼器と、該燃焼器に圧縮空気を供給する圧縮機と、前記燃焼器で前記予混合気が燃焼することで生成される燃焼ガスが供給されるタービンとを備えることを特徴としている。
【００２６】
この構成によれば、上記燃焼器により高温燃焼を安定的に行うことができるので、高効率なガスタービンを実現することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の燃焼器によれば、燃焼筒内で、スワラから噴射された予混合気をより安定して燃焼させることができる。
また、本発明のガスタービンによれば、高温燃焼の実現により高効率化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施形態のガスタービンの全体図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の燃焼器の詳細を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の燃焼器の燃焼領域近傍の詳細を示す断面図である。
【図４】図２の切断線Ｉ−Ｉにおける断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態の燃焼器において内側スワラーの詳細を示す断面図である。
【図６】図５の切断線ＩＩ−ＩＩにおける断面図である。
【図７】図５の切断線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図である。
【図８】本発明の第１の実施形態の燃焼器において、内側スワラー出口における予混合気の流れの詳細を説明する説明図である。
【図９】本発明の第１の実施形態の変形例の燃焼器の燃焼領域近傍の詳細を示す断面図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態の変形例の燃焼器において内側ツバ及び外側ツバの形状を模式的に示した正面図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態の燃焼器において内側スワラーの詳細を示す断面図である。
【図１２】図１１の切断線ＩＶ−ＩＶにおける断面図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態の燃焼器において、内側スワラー出口における予混合気の流れの詳細を説明する説明図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態の燃焼器において内側スワラーの詳細を示す断面図である。
【図１５】図１４の切断線Ｖ−Ｖにおける断面図である。
【図１６】本発明の第３の実施形態の燃焼器において、内側スワラー出口における予混合気の流れの詳細を説明する説明図である。
【図１７】本発明の第３の実施形態の変形例の燃焼器において内側スワラーの詳細を示す断面図である。
【図１８】図１７の切断線ＶＩ−ＶＩにおける断面図である。
【図１９】本発明の第４の実施形態の燃焼器において内側スワラーの詳細を示す断面図である。
【図２０】図１９の切断線ＶＩＩ−ＶＩＩにおける断面図である。
【図２１】本発明の第４の実施形態の燃焼器において、内側スワラー出口における予混合気の流れの詳細を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
（第１の実施形態）
以下、本発明に係る第１の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の燃焼器を備えたガスタービンを示している。図１に示すように、本実施形態のガスタービン１は、ロータ２と、圧縮空気を生成する圧縮機３と、圧縮機３から供給される圧縮空気に燃料を混合させて作動流体である燃焼ガスを生成する複数の燃焼器１０と、燃焼器１０から供給される燃焼ガスにより回転動力を発生させるタービン４とを備えている。
【００３０】
タービン４は、ロータ２の外周に配設され、ロータ２との間に燃焼ガス流路Ａを形成するケーシング４ａと、燃焼ガス流路Ａ内に設けられケーシング４ａに支持されたタービン静翼４ｂと、燃焼ガス流路Ａ内に設けられロータ２とともに回転可能なタービン動翼４ｃとを備える。また、燃焼器１０は、ロータ２の外周に環状に複数個配列されている。そして、各燃焼器１０において、圧縮機３から圧縮空気が燃料用空気として供給されるとともに、燃料が供給され、互いに混合された予混合気を燃焼させることで燃焼ガスが生成され、タービン４の燃焼ガス流路Ａに供給される。
【００３１】
次に、本実施形態の燃焼器１０の詳細について説明する。図２及び図３は、燃焼器１０の断面図を示している。図２から図４に示すように、本実施形態の燃焼器１０は、燃料及び燃料用空気を供給する供給部１１と、供給部１１から供給された燃料及び燃料用空気が燃焼する燃焼領域Ｂを有する燃焼筒１２とを備える。本実施形態では、供給部１１は、燃料Ｆを供給する略筒状の内側筒１３と、内側筒１３の外周側に配されて燃料Ｆを供給する略筒状の外側筒１４と、外側筒１４の外周側に配された略筒状のスワラー支持筒１５と、スワラー支持筒１５の外周側に配されてタービン４のケーシング４ａに支持される略筒状のトップハット１６と、内側筒１３の内周側に配されて燃料Ｆを供給する略筒状のパイロット燃料ノズル１７とを有する。
【００３２】
トップハット１６の基端側には、内周側に内側フランジ１６ａが突出してスワラー支持筒１５が固定されており、スワラー支持筒１５を支持するとともに、スワラー支持筒１５との隙間の基端側を閉塞している。また、トップハット１６の先端側は開口しており、圧縮機３で生成された圧縮空気が燃焼用空気Ａとして供給される。供給された燃焼用空気Ａは、トップハット１６の先端側開口に配された整流板１６ｂで整流されて、トップハット１６とスワラー支持筒１５の間に供給され、トップハット１６の内周面に設けられたトップハット燃料ノズル１６ｃから供給される燃料Ｆと予混合される。
【００３３】
パイロット燃料ノズル１７は、略筒状で、燃焼筒１２と同軸上に配されて内部をパイロット燃料供給路１７ａとして構成されている。そして、パイロット燃料ノズル１７は、基端側から供給された燃料Ｆを、先端面１７ｂに環状に複数配列されたパイロット燃料供給孔１７ｃから燃焼筒１２内へ、中心から外周側へと拡がるようにして噴射させることが可能となっている。
【００３４】
また、内側筒１３は、パイロット燃料ノズル１７の外周側に隙間を有して同軸上に配されている。そして、パイロット燃料ノズル１７と内側筒１３とは、基端側では、パイロット燃料ノズル１７の基端フランジ１７ｄと内側筒１３の第一のフランジ１３ａが固定され、また、先端側では略筒状の内側基盤２０が互いの間に嵌合されていることで、一体となっている。内側筒１３の先端側外周面には、断面翼形状を呈する内側スワラーベーン３０が、放射状に複数設けられている。そして、内側筒１３は、間に隙間が形成された二重筒構造に構成されており、該隙間を内側燃料供給路１３ｂとして、基端側の供給口から燃料Ｆを供給することが可能となっている。内側燃料供給路１３ｂは、先端側において、内側スワラーベーン３０の内部に形成された空洞部３０ａに連通している。そして、内側スワラーベーン３０の翼面には、空洞部３０ａと連通する内側燃料噴射口３０ｂが形成され、内側燃料供給路１３ｂから空洞部３０ａへと供給された燃料Ｆを噴射させることが可能となっている。
【００３５】
また、外側筒１４は、内側筒１３の外周側に隙間を有して同軸上に配されている。そして、内側筒１３と外側筒１４とは、基端側では、内側筒１３の第二のフランジ１３ｃと外側筒１４の基端フランジ１４ａとが固定され、また、先端側では環状の中間基盤２１が内側スワラーベーン３０と外側筒１４の内周面との間に嵌合されていることで、一体となっている。そして、内側筒１３と外側筒１４との隙間は、図示しないがスワラー支持筒１５の外周側と連通されていて、内側流路３１として、スワラー支持筒１５と外側筒１４との間に供給された燃焼用空気Ａを先端側へと流通させることが可能となっている。そして、内側流路３１を流通する燃焼用空気Ａは、内側スワラーベーン３０の間を流通する際に、内側燃料噴射口３０ｂから噴射された燃料Ｆと混合して予混合気Ｃが生成され、内側スワラーベーン３０によって案内されることで旋回流Ｄとして燃焼筒１２内に噴射されることになり、すなわち内側流路３１と内側スワラーベーン３０とによって内側スワラー３２が構成されている。なお、内側スワラー３２から噴射される旋回流Ｄは、内側スワラー３２内に構成される制限手段５０により、速度が径方向に不均一となるように流路内の一部で予混合気Ｃの流れが制限されている。詳細は後述する。
【００３６】
また、外側筒１４の先端側外周面には、断面翼形状を呈する外側スワラーベーン４０が、放射状に複数設けられている。そして、外側筒１４は、間に隙間が形成された二重筒構造に構成されており、該隙間を外側燃料供給路１４ｂとして、基端側の供給口から燃料Ｆを供給することが可能となっている。外側燃料供給路１４ｂは、先端側において、外側スワラーベーン４０の内部に形成された空洞部４０ａに連通している。そして、外側スワラーベーン４０の翼面には、空洞部４０ａと連通する外側燃料噴射口４０ｂが形成され、外側燃料供給路１４ｂから空洞部４０ａへと供給された燃料Ｆを噴射させることが可能となっている。
【００３７】
また、スワラー支持筒１５は、外側筒１４の外周側に隙間を有して同軸上に配されている。そして、外側筒１４とスワラー支持筒１５とは、基端側では、外側筒１４の基端フランジ１４ａと、スワラー支持筒１５が固定されているトップハット１６の内側フランジ１６ａとが固定され、また、先端側では略筒状の外側基盤２２が外側スワラーベーン４０とスワラー支持筒１５の内周面との間に嵌合されていることで、一体となっている。そして、外側筒１４とスワラー支持筒１５との隙間は、図示しないがスワラー支持筒１５の外周側と連通されていて、外側流路４１として、スワラー支持筒１５と外側筒１４との間に供給された燃焼用空気Ａを先端側へと流通させることが可能となっている。そして、外側流路４１を流通する燃焼用空気Ａは、外側スワラーベーン４０の間を流通する際に、外側燃料噴射口４０ｂから噴射された燃料Ｆと混合して予混合気Ｃが生成され、外側スワラーベーン４０によって案内されることで旋回流Ｄとして燃焼筒１２内に噴射されることになり、すなわち外側流路４１と、外側スワラーベーン４０とによって外側スワラー４２が構成されている。なお、内側スワラー３２同様に外側スワラー４２から噴射される旋回流Ｄは、外側スワラー４２内に構成される制限手段５０により、速度が径方向に不均一となるように流路内の一部で予混合気Ｃの流れが制限されている。詳細は後述する。
【００３８】
次に、内側基盤２０及び中間基盤２１の構造の詳細について説明する。
図３及び図４に示すように、内側基盤２０は、パイロット燃料ノズル１７に嵌合する筒部２０ａと、筒部２０ａの先端外周側にフランジ状に張出して外側筒１４に嵌合された基盤本体２０ｂと、基盤本体２０ｂよりも基端側で外周側にフランジ状に張出した内側インピンジメント冷却板２０ｃとを有する。基盤本体２０ｂには、多数の内側フィルム冷却孔２０ｄが形成されているとともに、内側インピンジメント冷却板２０ｃにも多数の内側インピンジメント冷却孔２０ｅが形成されている。また、内側筒１３とパイロット燃料ノズル１７との隙間は、内側冷却流路２３として、図示しないが圧縮機から供給される圧縮空気が冷却空気Ｇとして供給可能となっている。このため、内側冷却流路２３に冷却空気Ｇを供給して内側インピンジメント冷却孔２０ｅから基盤本体２０ｂに冷却空気Ｇを噴射させてインピンジメント冷却を行うことが可能となっているとともに、噴射された冷却空気Ｇを内側フィルム冷却孔２０ｄから燃焼筒１２側へと噴射させることで、内側基盤２０をフィルム冷却することが可能となっている。また、基盤本体２０ｂの外周縁には、燃焼筒１２内に向かって外周側へと張出す内側ツバ２４が設けられている。
【００３９】
また、中間基盤２１は、内側筒１３に嵌合する筒部２１ａと、筒部２１ａの先端外周側にフランジ状に張出してスワラー支持筒１５に嵌合された基盤本体２１ｂと、基盤本体２１ｂよりも基端側で外周側にフランジ状に張出した外側インピンジメント冷却板２１ｃとを有する。基盤本体２１ｂには、多数の外側フィルム冷却孔２１ｄが形成されているとともに、外側インピンジメント冷却板２１ｃにも多数の外側インピンジメント冷却孔２１ｅが形成されている。また、中間基盤２１の筒部２１ａの基端側の一部には開口が形成されて、内側流路３１と連通しており、外側冷却流路２５として、燃焼用空気Ａの一部を冷却空気Ｇとして供給可能となっている。このため、外側冷却流路２５に冷却空気Ｇを供給して外側インピンジメント冷却孔２１ｅから基盤本体２１ｂに冷却空気Ｇを噴射させてインピンジメント冷却を行うことが可能となっているとともに、噴射された冷却空気Ｇを外側フィルム冷却孔２１ｄから燃焼筒１２側へと噴射させることで、中間基盤２１をフィルム冷却することが可能となっている。また、基盤本体２１ｂの外周縁には、燃焼筒１２内に向かって外周側へと張出す外側ツバ２６が設けられている。
【００４０】
次に、内側スワラー３２及び外側スワラー４２のそれぞれにおいて構成される制限手段５０について説明する。なお、いずれの制限手段５０も同様の構成であることから、内側スワラー３２で構成される制限手段５０のみ、図５から図７に基づいて説明する。この実施形態における制限手段５０は、内側スワラーベーン３０の形状を径方向に異なるようにすることで構成されている。具体的には、内側スワラーベーン３０は、径方向内周側の第一の翼部５１と、径方向外周側の第二の翼部５２とを有する。第一の翼部５１と第二の翼部５２とは、燃焼用空気Ａが流入する前縁３０ｃが連続的な直線または曲線で形成されている。その一方、第二の翼部５２の方が、第一の翼部５１に比較して、前縁３０ｃから後縁３０ｄにかけてのそり量が大きく、後縁３０ｄ側での該内側スワラーンベーン３０の中心線Ｌ３０と燃焼筒１２の中心軸Ｌ１２とのなす角θが大きくなるように形成されている。
【００４１】
このため、内側スワラー３２の内側流路３１において、燃焼用空気Ａが内側燃料噴射口３０ｂから燃料Ｆが噴射されて生成された予混合気Ｃは、内側スワラーベーン３０によって案内されることで旋回流Ｄとして噴射されるが、第二の翼部５２で案内される径方向外周側での予混合気Ｃの旋回流Ｄと第一の翼部５１で案内される径方向内周側での予混合気Ｃの旋回流Ｄの向きを異なるものとし、径方向外周側の方が旋回流Ｄの速度Ｖｄの周方向速度成分Ｖｄｒを高くすることができる。
【００４２】
次に、この実施形態の燃焼器１０の作用について説明する。図２及び図３に示すように、トップハット１６とスワラー支持筒１５との間に供給された燃焼用空気Ａは、それぞれ内側流路３１及び外側流路４１に導入され、先端側に向かって流通する。そして、それぞれ内側スワラーベーン３０の内側燃料噴射口３０ｂまたは外側スワラーベーン４０の外側燃料噴射口４０ｂから噴射される燃料Ｆと混合されて予混合気Ｃが生成される。生成された予混合気Ｃは、それぞれ内側スワラーベーン３０または外側スワラーベーン４０によって案内されて旋回流Ｄが形成され、燃焼筒１２内の燃焼領域Ｂへと噴射される。内側スワラー３２及び外側スワラー４２で形成された旋回流Ｄは、それぞれ対応する内側ツバ２４または外側ツバ２６に案内されて外周側へと噴射され、下流側で径方向内周側へと向かい上流側へと戻る再循環流れＤ２を形成する。
このため、予混合気Ｃによる旋回流Ｄが燃焼することにより形成される火炎面Ｅは、内側スワラー３２及び外側スワラー４２による旋回流Ｄの噴射方向に沿って下流側へと突出するとともに、外側スワラー４２と内側スワラー３２との間、並びに内側スワラー３２よりも径方向内周側で上流側へと窪んだ形状を呈する。また、火炎面Ｅは、内側スワラー３２の内周側では、パイロット燃料ノズル１７から燃料Ｆが噴射されるパイロット燃料ノズル１７により、燃料Ｆの噴射方向に一部突出した形状を呈する。このようにして、径方向に不均一な火炎面Ｅが形成されることになる。
【００４３】
この際、内側スワラーベーン３０は、制限手段５０として径方向に第一の翼部５１と第二の翼部５２が構成されていることから、図８に示すように、内側スワラーベーン３０から噴射される旋回流Ｄには、速度が径方向に不均一となることでせん断が生じ、渦流Ｄ１が形成されることとなる。これにより、燃焼筒１２内の燃焼領域Ｂでは、渦流Ｄ１により噴射される予混合気Ｃの表面積が増大することとなり、内側スワラー３２から旋回流Ｄが噴射される環状の範囲で、径方向に位置の異なる他の範囲に対して燃焼反応が活発化される。これは、同じ制限手段５０が設けられた外側スワラーベーン４０でも同様である。このため、図２に示すように、制限手段５０がない場合の火炎面Ｅ´に比べて、火炎面Ｅの位置を、内側スワラー３２及び外側スワラー４２のそれぞれと対応する位置で局所的に上流側へと後退させることができ、火炎形状を径方向にさらにアンバランスにして、全体としてより安定的に燃焼させることができる。
【００４４】
なお、上記においては、内側スワラーベーン３０及び外側スワラーベーン４０は、互いの翼形状の異なる第一の翼部５１と第二の翼部５２とを有し、両者の境界には段差が形成されているものとしたが、これに限るものではなく、漸次変形するものとしても良い。しかしながら、その変形する範囲が限定的かつ急激な変化を有することにより効果的に旋回流Ｄにせん断を生じてさせて効果的に渦流Ｄ１を形成させて、安定燃焼に寄与させることができる。また、上記においては第一の翼部５１に対して第二の翼部５２の方が後縁３０ｄ側での該スワラーンベーンの中心線と燃焼筒１２の中心軸とのなす角が大きくなるように形成されるものとしたが、第一の翼部５１と第二の翼部５２の各翼形状が逆となるようにしても良い。また、本実施形態では、第一の翼部５１と第二の翼部５２と二つの翼形状を有するものとしたが、これに限るものでは無く、径方向に複数の異なる翼形状を有することで、それぞれが案内する旋回流Ｄ同士の間でせん断が生じ渦流Ｄ１を形成させることができる。
【００４５】
図９及び図１０は、この実施形態の変形例を示している。ここで、図１０は、内側ツバ２４及び外側ツバ２６を模式的に示したものである。図９及び図１０に示すように、この変形例では、内側ツバ２４及び外側ツバ２６は、第一のツバ部２４ａ、２６ａと、第一のツバ部２４ａ、２６ａよりも張出量の大きい第二のツバ部２４ｂ、２６ｂとが交互に形成されることで構成されている。
【００４６】
このような変形例では、内側スワラー３２及び外側スワラー４２から噴射される予混合気Ｃの旋回流Ｄは、張出量の大きい第二のツバ部２４ｂ、２６ｂで案内される旋回流Ｄの方がより外周側へと案内されることとなる。このため、第一のツバ部２４ａ、２６ａと第二のツバ部２４ｂ、２６ｂとの境界において、互いの案内する旋回流Ｄの間でせん断が生じ渦流Ｄ２が形成されることとなり、燃焼前の予混合気Ｃの旋回流Ｄの表面積がさらに増大し、燃焼反応が活発化される。
【００４７】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図１１から図１３は、本発明の第２の実施形態を示したものである。なお、この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００４８】
図１１及び図１２に示すように、本実施形態の燃焼器６０は、制限手段６１として、内側スワラーベーン３０が、それぞれ、互いに翼形状の異なる径方向内周側の第一の翼部６２と、径方向外周側の第二の翼部６３とを有することで構成されている。なお、外側スワラー４２の外側スワラーベーン４０も同様の構造を有しているので、以下内側スワラー３２を代表して説明する。
【００４９】
第一の翼部６２と第二の翼部６３とは、前縁３０ｃの位置が周方向及び軸方向に略一致し、前縁３０ｃから後縁３０ｄにかけてのそり量が略等しい一方、第一の翼部６２にのみ後縁３０ｄに切欠き部６２ａが形成されている。すなわち、第一の翼部６２では、後縁３０ｄが切欠き部６２ａにより切り欠かれて、正圧面から負圧面にかけて連続した曲面となる滑らかな翼面形状を呈していない。また、第一の翼部６２の切欠き部６２ａには、空気を下流側に向かって噴射させる後方噴射部６４が設けられている。後方噴射部６４は、切欠き部６２ａに開口するとともに、内側筒１３を内周側まで連通する孔であり、内側基盤２０におけるインピンジメント冷却及びフィルム冷却に利用される冷却空気Ｇの一部を噴射させるものである。
【００５０】
この実施形態の燃焼器６０の内側スワラー３２において、内側スワラーベーン３０で案内される旋回流Ｄの内、第一の翼部６２が設けられた径方向の内周側では、切欠き部６２ａにより後縁３０ｄから下流側に、切欠き部６２ａへと巻き込まれるような渦流Ｄ３を形成することができ、切欠き部６２ａが形成されていない第二の翼部６３が設けられた径方向外周側と比較して旋回流Ｄの速度を制限することができる。このため、切欠き部６２ａによって形成される渦流Ｄ３とともに、旋回流Ｄには径方向速度が径方向に不均一となることでせん断が生じ、さらに渦流Ｄ１が形成されることとなる。このため、燃焼筒１２内の燃焼領域Ｂでは、渦流Ｄ１、Ｄ３により噴射される予混合気Ｃの表面積が増大することとなり、内側スワラー３２から旋回流Ｄが噴射される環状の範囲で、径方向に位置の異なる他の範囲に対して燃焼反応が活発化される。また、本実施形態では、切欠き部６２ａが形成されている第一の翼部６２が設けられた径方向内周側の範囲では旋回流Ｄの速度が遅くなることで、燃焼筒１２内における予混合気Ｃの燃焼位置がより上流側、すなわち内側スワラーベーン３０に近くなる。しかしながら、切欠き部６２ａには後方噴射部６４が形成されて空気を下流側に向かって噴射させていることで、火炎が内側スワラーベーン３０にまで到達してしまうことを確実に防止することができる。
【００５１】
なお、上記においては、切欠き部６２ａは、内側スワラーベーン３０の後縁３０ｄの径方向内周側の範囲で形成されるものとしたが、これに限るものではない。切欠き部６２ａとしては、径方向外周側の範囲、あるいは径方向中央の範囲に形成されるものとしても良く、少なくとも径方向の一部の範囲で形成されていることで同様の効果を奏する。
【００５２】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図１４から図１６は、本発明の第３の実施形態を示したものである。なお、この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００５３】
図１４及び図１５に示すように、本実施形態の燃焼器７０において、内側スワラー３２では、制限手段７１として、内側スワラーベーン３０よりも下流側の位置で、冷却空気Ｇを径方向外周側に向かって噴射させる径方向噴射部７２が設けられている。径方向噴射部７２は、内側スワラーベーン３０の中心線Ｌ３０に沿って後縁３０ｄから旋回流Ｄ下流側に向かって複数配列している。なお、外側スワラー４２も同様の構造を有しているので、以下内側スワラー３２を代表して説明する。
【００５４】
径方向噴射部７２は、内側筒１３を内周側から外周側へと連通する孔であり、内側基盤２０におけるインピンジメント冷却及びフィルム冷却に利用される冷却空気Ｇの一部を噴射させるものである。そして、本実施形態の燃焼器７０の内側スワラー３２では、径方向噴射部７２により内側スワラーベーン３０の後方側で径方向噴射部７２から冷却空気Ｇを噴射させることで、径方向内周側では噴射された冷却空気Ｇにより予混合気Ｃの流れが制限され、これより径方向外周側に比べて内周側での旋回流Ｄの速度を制限することができる。
【００５５】
このため、図１６に示すように、内側スワラー３２から噴射される旋回流Ｄには、速度が径方向に不均一となることでせん断が生じ、渦流Ｄ１が形成されることとなる。このため、燃焼筒１２内の燃焼領域Ｂでは、渦流Ｄ１により噴射される予混合気Ｃの表面積が増大することとなり、内側スワラー３２から旋回流Ｄが噴射される環状の範囲で、径方向に位置の異なる他の範囲に対して燃焼反応が活発化される。このため、第１の実施形態同様に、制限手段７１がない場合の火炎面Ｅに比べて、火炎面Ｅの位置を、内側スワラー３２及び外側スワラー４２のそれぞれと対応する位置で局所的に基端側へとすることができ、火炎形状を径方向にさらにアンバランスにして、全体としてより安定的に燃焼させることができる。
【００５６】
また、本実施形態では、径方向噴射部７２が冷却空気Ｇを噴射させる径方向内周側の範囲では旋回流Ｄの速度が遅くなることで、燃焼筒１２内における予混合気Ｃの燃焼位置がより上流側、すなわち内側スワラーベーン３０及び外側スワラーベーン４０に近くなる。しかしながら、径方向噴射部７２が内側スワラーベーン３０の中心線Ｌ３０に沿って後縁３０ｄから旋回流Ｄ下流側に向かって形成されていることで、火炎が内側スワラーベーン３０の後縁３０ｄにまで到達してしまうことを確実に防止することができる。
【００５７】
なお、径方向噴射部７２は、内側筒１３に形成されて径方向内周側から外周側へ冷却空気Ｇを噴射させるものとしたが、これに限るものではなく、径方向外周側から内周側へと冷却空気Ｇを噴射させる構造としても良い。また、径方向噴射部７２は、複数配列するものとしたが、一つだけ設けるものとしても良く、また、図１７及び図１８に示す変形例のように、制限手段７１を構成する径方向噴射部７５を旋回流Ｄの流れに沿ってスリットにするものとしても同様の効果を奏する。また、上記実施形態では、径方向噴射部７２は、内側スワラーベーン３０及び外側スワラーベーン４０の中心線に沿って後縁３０ｄから旋回流Ｄ下流側に向かって配列するものとしたが、隣り合う内側スワラーベーン３０または外側スワラーベーン４０間に設けるものとしても良い。少なくとも径方向内周側または外周側の一方から他方に向かって空気を噴射させることで、噴射させた側で旋回流Ｄの速度を制限することができる。
【００５８】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図１９から図２１は、本発明の第４の実施形態を示したものである。なお、この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００５９】
図１９及び図２０に示すように、本実施形態の燃焼器８０において、内側スワラー３２では、制限手段８１として、内側スワラーベーン３０同士の間から噴射される旋回流Ｄを径方向内周側から外周側に向かって案内する案内部８２を有する。なお、外側スワラー４２も同様の構造を有しているので、以下内側スワラー３２を代表して説明する。
【００６０】
案内部８２は、内側筒１３の外周面において内側スワラーベーン３０の下流側に設けられ、旋回流Ｄの流れに沿って周方向一方から他方に向かって次第に外周側へと向かうように形成された傾斜面である。また、案内部８２において周方向他方側には、旋回流Ｄ下流側となる周方向一方から他方に向かって空気を噴射させる後方噴射部８３が設けられている。後方噴射部８３は、周方向に他方側に向けて開口しているとともに、内側筒１３を内周側へと連通する孔であり、内側基盤２０におけるインピンジメント冷却及びフィルム冷却に利用される冷却空気Ｇの一部を噴射させるものである。
【００６１】
本実施形態の燃焼器８０の内側スワラー３２では、内側スワラーベーン３０で案内された旋回流Ｄは、案内部８２よって径方向内周側から外周側へと案内されることとなる。すなわち、案内部８２による旋回流Ｄの案内で、径方向外周側では旋回流Ｄが集合して速度が高まるとともに、内周側では予混合気Ｃの流れが制限されて速度が低くなる。このため、図２１に示すように、内側スワラー３２から噴射される旋回流Ｄには、速度が径方向に不均一となることでせん断が生じ、渦流Ｄ１が形成されることとなる。このため、燃焼筒１２内の燃焼領域Ｂでは、渦流Ｄ１により噴射される予混合気Ｃの表面積が増大することとなり、内側スワラー３２から旋回流Ｄが噴射される環状の範囲で、径方向に異なる位置の他の範囲に対して燃焼反応が活発化される。このため、第１の実施形態同様に、制限手段８１がない場合の火炎面に比べて、火炎面Ｅの位置を、内側スワラー３２及び外側スワラー４２のそれぞれと対応する位置で局所的に基端側へとすることができ、火炎形状を径方向にさらにアンバランスにして、全体としてより安定的に燃焼させることができる。また、径方向内周側の範囲では旋回流Ｄの速度が遅くなることで、燃焼筒１２内における予混合気Ｃの燃焼位置がより上流側、すなわち内側スワラーベーン３０に近くなるが、案内部８２に設けられた後方噴射部８３から旋回流Ｄ下流側に向かって冷却空気を噴射させることで、火炎が内側スワラーベーン３０の後縁３０ｄにまで到達してしまうことを確実に防止することができる。
【００６２】
なお、上記において、案内部８２は内側筒１３に設けられて旋回流Ｄの流れに沿って周方向一方から他方に向かって次第に外周側へと向かうように形成された傾斜面であるものとしたが、これに限るものではない。中間基盤２１の筒部２１ａの内周面に、周方向一方から他方に向かって次第に内周側へと向かうように形成された傾斜面としても良い。この場合には、旋回流Ｄは、案内部によって径方向内周側から外周側へと案内されて、径方向外周側で予混合気Ｃの流れが制限されて速度が低くなることになる。
【００６３】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【符号の説明】
【００６４】
１  ガスタービン
１０、６０、７０、８０  燃焼器
１２  燃焼筒
３０、４０  内側スワラーベーン（スワラーベーン）
３０ｄ、４０ｄ  後縁
３１、４１  内側流路（流路）
３２、４２  内側スワラー（スワラー）
５０、６１、７１、８１  制限手段
６２ａ  切欠き部
６４、８３  後方噴射部
７２、７５  径方向噴射部
８２  案内部
Ｂ  燃焼領域
Ｃ  予混合気
Ｄ  旋回流
Ｆ  燃料
【図１】
2011080669.tif 000003
【図２】
2011080669.tif 000004
【図３】
2011080669.tif 000005
【図４】
2011080669.tif 000006
【図５】
2011080669.tif 000007
【図６】
2011080669.tif 000008
【図７】
2011080669.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
2011080669.tif 000022
【図２１】
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