(57)【要約】【課題】低ＮＯｘ化を安定的に実現すべく、周波数域を問わず燃焼振動の低減が可能なガスタービン燃焼器を提供する。【解決手段】燃焼器３は、内部に燃焼領域Ｆを有する外筒６に、空洞２１を有する共鳴器２０が外周に環装されるとともに、空洞２１に開口する吸音孔２２が形成されており、共鳴器２０に隣接配置されて第１の内部空間３１を形成する第１の箱体３０と、一端３２ａが空洞２１に開口するとともに、他端３２ｂが第１の内部空間３１に開口する第１のスロート３２と、を備えている。燃焼領域Ｆで生じた燃焼振動のうち高周波数域の振動要素である流体粒子は、共鳴器２０内の空洞２１の空気と共鳴して、吸音孔２２を通じて振動し、他方低周波数域の振動要素である流体粒子は、空洞２１及び第１のスロート３２を経て第１の内部空間３１の空気と共鳴して、吸音孔を通じて振動し、それらの振幅は減衰される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に燃焼領域を有する筒体よりなるガスタービン燃焼器において、
前記筒体には、空洞を有する共鳴器が外周に環装されるとともに、前記空洞に開口する吸音孔が形成されており、
前記共鳴器に隣接配置されて所定容積の第１の内部空間を形成する第１の箱体と、一端が前記空洞に開口するとともに、他端が前記第１の内部空間に開口する所定長さの第１のスロートと、を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項２】
前記第１のスロートにおける前記一端に多数の貫通孔を有する第１の抵抗体が挿嵌されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項３】
前記第１のスロートにおける前記一端の開口面積が前記他端に対して広いことを特徴とする請求項２に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項４】
前記第１のスロートにおける前記他端側に多数の貫通孔を有する抵抗体が挿嵌されていることを特徴とする請求項３に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項５】
前記第１の箱体が、前記共鳴器に対して複数並設されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のガスタービン燃焼器。
【請求項６】
前記共鳴器の前記空洞における前記各第１のスロートの前記各一端相互の間にそれぞれ隔壁を設けたことを特徴とする請求項５に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項７】
前記隔壁が多数の貫通孔を有する抵抗体であることを特徴とする請求項６に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項８】
並設されて相互に隣接する前記各第１の箱体は、互いの前記第１の内部空間を形成する共有の第１の壁面を有しており、前記第１の壁面が多数の貫通孔を有する抵抗体であることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載のガスタービン燃焼器。
【請求項９】
前記共鳴器及び前記第１の箱体に、それぞれの外部から内部に冷却用流体を導入する流体導入孔が複数形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のガスタービン燃焼器。
【請求項１０】
前記共鳴器及び前記第１の箱体に、それぞれの内部から外部に滞留液体を排出するドレイン孔が形成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のガスタービン燃焼器。
【請求項１１】
前記第１の箱体の外側に少なくとも１つ連設されて各々所定容積の第２の内部空間を形成する第２の箱体と、相互に隣接する前記第１、第２の内部空間にそれぞれ開口する所定長さの第２スロートと、を備え、前記各第２スロートにおいて前記第１の箱体側に位置する一端に多数の貫通孔を有する第２の抵抗体が挿嵌されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載のガスタービン燃焼器。
【請求項１２】
前記第２のスロートにおける前記一端の開口面積が他端に対して広いことを特徴とする請求項１１に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項１３】
前記第２のスロートにおける前記他端側に多数の貫通孔を有する抵抗体が挿嵌されていることを特徴とする請求項１２に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項１４】
前記第２の箱体が、前記第１の箱体に対して複数並設されていることを特徴とする請求項１１から１３のいずれかに記載のガスタービン燃焼器。
【請求項１５】
並設されて相互に隣接する前記各第２の箱体は、互いの前記第２の内部空間を形成する共有の第２の壁面を有しており、前記第２の壁面が多数の貫通孔を有する抵抗体であることを特徴とする請求項１４に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項１６】
前記第２の箱体に、外部から内部に冷却用流体を導入する流体導入孔が複数形成されていることを特徴とする請求項１１から１５のいずれかに記載のガスタービン燃焼器。
【請求項１７】
前記第２の箱体に、内部から外部に滞留液体を排出するドレイン孔が形成されていることを特徴とする請求項１１から１６のいずれかに記載のガスタービン燃焼器。
【請求項１８】
空気圧縮機と、請求項１から１７のいずれかに記載のガスタービン燃焼器と、タービンと、を備えたガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン燃焼器（以下「燃焼器」と記すことがある）、及びこれを備えたガスタービンに関し、特に、低ＮＯｘ（窒素酸化物）化を実現すべく燃焼振動を低減するガスタービン燃焼器、及びガスタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりガスタービンは、空気圧縮機（以下「圧縮機」と記すことがある）、燃焼器、及びタービンを主な構成要素とし、互いに主軸で直結された圧縮機とタービンの間に燃焼器が配設されてなり、作動流体となる空気が主軸の回転により圧縮機に吸入されて圧縮され、その圧縮空気が燃焼器に導入されて燃料とともに燃焼し、その高温高圧の燃焼ガスがタービンに吐出されてタービンとともに主軸を回転駆動させる。このようなガスタービンは、主軸の前端に発電機等を接続することでその駆動源として活用され、また、タービンの前方に燃焼ガス噴射用の排気口を配設することでジェットエンジンとして活用される。
【０００３】
ところで、近年、法規制の根幹の１つをなす環境問題に対し、ガスタービンから排出される排気ガス中の特にＮＯｘの低減化が強く望まれてきている。そのため、ＮＯｘを実際に生成する燃焼器には、特にＮＯｘの生成を抑える技術が要求され、これを達成すべく燃焼器に採用される燃焼方式として、燃料と圧縮空気を予め混合させた後に燃焼させるという予混合燃焼方式が主流となっている。この予混合燃焼方式では、燃料が圧縮空気中に均一かつ希薄の状態で分散することから、燃焼火炎温度の局部的な上昇を防止でき、これにより、燃焼火炎温度の上昇に伴って増加するＮＯｘの生成量を低減することが可能となるわけである。
【０００４】
ここで、予混合燃焼方式の燃焼器を適用した従来より一般的なガスタービンについて、図１６を参照しながら説明する。このガスタービン１は、大きくは、圧縮機２、ガスタービン燃焼器３、及びタービン４から構成されている。燃焼器３は、圧縮機２とタービン４の間に形成された空洞を有する車室５に取り付けられており、燃焼領域を有する内筒６、この内筒６の前端に連結された尾筒７、内筒６と同心状に配設された外筒８、内筒６の軸線上に後端から配設されたパイロットノズル９、このパイロットノズル９の周囲に円周方向で等間隔に配設された複数のメインノズル１０、尾筒７の側壁に連結され車室５に開口するバイパスダクト１１、このバイパスダクト１１に配設されたバイパス弁１２、このバイパス弁１２の開閉度合いを調整するバイパス弁可変機構１３より構成される。
【０００５】
このような構成のもと、圧縮機２で圧縮された圧縮空気は、車室５内に流入し（図中の白抜き矢印）、内筒６の外周面と外筒８の内周面とで形成される管状空間を経た後ほぼ１８０度反転して（図中の実線矢印）、内筒６内に後端側から導入される。次いで、パイロットノズル９の前端のパイロットバーナ（不図示）に燃料が噴射されて拡散燃焼するとともに、各メインノズル１０の前端のメインバーナ（不図示）に噴射された燃料と混合して予混合燃焼し、高温高圧の燃焼ガスとなる。この燃焼ガスは、尾筒７内を経由してその前端から吐出され、タービン４を駆動させる。なお、バイパスダクト１１から尾筒７内へ、車室５内の圧縮空気の一部（以下「バイパス空気」と記すことがある）が供給されるが、これは、燃焼ガス濃度を調整する役割を果たす。
【０００６】
ところが、上記の予混合燃焼方式は一見低ＮＯｘ化に対して優れるが、火炎が薄く狭い範囲で短時間に燃焼するため、単位空間当たりの燃焼エネルギが過大となり、燃焼振動が生じ易いという問題がある。この燃焼振動は、燃焼エネルギの一部が振動エネルギに変換されて発生するものであって、圧力波として伝播して燃焼器及びガスタービン等のケーシングからなる音響系と共鳴する場合、著しい振動や騒音を引き起こすだけでなく、燃焼器内に圧力変動や発熱変動を誘発させて燃焼状態が不安定になり、結果として低ＮＯｘ化を阻害してしまう。
【０００７】
このような燃焼振動の問題に対して、従来は、実際にガスタービンを運転させながら、正常な状態で稼動するよう適宜調整しつつ正規の運転条件を随時設定していた。そのため、煩雑な調整作業が不可欠であった。
【０００８】
また、燃焼振動の低減を図った従来の燃焼器として、内部に燃焼領域を有する筒体である内筒や尾筒に、空洞を有する共鳴器が外周に環装されるとともに、この空洞に開口する吸音孔が形成されたものがある（例えば、特許文献２参照）。
この燃焼器によれば、燃焼領域で生じた燃焼振動の振動要素である流体粒子は、
共鳴器内の空洞の空気と共鳴して、吸音孔を通じて振動し、その振幅が減衰される。こうして燃焼振動を低減することが可能となり、一応は低ＮＯｘ化を実現できる。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−２５４６３４号公報
【特許文献２】
特開２００２−１７４４２７号公報（第３−５頁、第１−３図）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記したような燃焼振動の低減を図った従来の燃焼器は、そもそも燃焼振動が高周波数域のものであると想定しているため、高周波数域の燃焼振動に対しては有効である反面、低周波数域の燃焼振動に対しては十分に対応可能とはいえない。
【００１１】
そこで、本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、低ＮＯｘ化を安定的に実現すべく、周波数域を問わず燃焼振動の低減が可能なガスタービン燃焼器、及びガスタービンを提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明によるガスタービン燃焼器は、内部に燃焼領域を有する筒体よりなるガスタービン燃焼器において、前記筒体には、空洞を有する共鳴器が外周に環装されるとともに、前記空洞に開口する吸音孔が形成されており、前記共鳴器に隣接配置されて所定容積の第１の内部空間を形成する第１の箱体と、一端が前記空洞に開口するとともに、他端が前記第１の内部空間に開口する所定長さの第１のスロートと、を備えている。これにより、燃焼領域で生じた燃焼振動のうち高周波数域の振動要素である流体粒子は、共鳴器内の空洞の空気と共鳴して、吸音孔を通じて振動し、その振幅が減衰される。他方、低周波数域の振動要素である流体粒子は、共鳴器内の空洞を経て第１のスロートで連結された第１の内部空間の空気と共鳴して、吸音孔を通じて振動し、その振幅が減衰される。こうして周波数域を問わず燃焼振動が低減される。
【００１３】
ここで、高周波数域の流体粒子は、共鳴器内の空洞の空気との共鳴以外に、第１のスロートで連結された第１の内部空間の空気と共鳴する場合があり、この場合、吸音孔での流体粒子の振動が不十分となり、結果として高周波数域の燃焼振動に対しての低減効果が薄れてしまう。そこで、このような高周波数域の燃焼振動に対する弊害を回避するために、前記第１のスロートにおける前記一端に多数の貫通孔を有する第１の抵抗体が挿嵌されていることが好ましい。このようにすると、高周波数域の燃焼振動に対しては、第１の抵抗体が障壁となって第１の内部空間の空気との共鳴が抑止されつつ、共鳴器内の空洞の空気との共鳴が確保されることになり、流体粒子は吸音孔を通じて有効に振動し、その振幅が減衰される。なお、低周波数域の燃焼振動に対しては、第１の内部空間の空気との共鳴が確保されることになるが、流体粒子は第１の抵抗体が抵抗となってこれに有効に捕捉されてこの付近で振動し、その振幅が減衰される。
【００１４】
特に低周波数域の燃焼振動への対応については、第１のスロート内の断面積を小さくする必要があるが、そうすると、第１の抵抗体の存在領域が小さくなるため、捕捉できる流体粒子の割合が減り、全体として燃焼振動低減への寄与度が不十分となる。そこで、低周波数域の燃焼振動を全体として十分に低減させる目的で、第１のスロート内の断面積を小さくしつつ、第１の抵抗体の存在領域を拡大させるべく、前記第１のスロートにおける前記一端の開口面積が前記他端に対して広いことが好ましい。例えば、この第１のスロートとしては、内周が徐々に拡大するようなラッパ状のものや、内周が中央付近で急拡大するような段付管状のものが適用される。
【００１５】
ここで、第１のスロートにおける一端の開口面積が他端に対して広くなる、すなわち第１のスロート内の容積が大きくなると、第１の抵抗体で隔てられた第１のスロート内の空間と共鳴器内の空洞とにおける各々の圧力変動に、位相差が生じなくなる場合があり、この場合、第１の抵抗体付近で流体粒子が振動しないため、このままでは低周波数域の燃焼振動を十分に低減させることができなくなる。そこで、この場合でも、第１の内部空間と第１のスロート内の空間とにおける各々の圧力変動には位相差が生じていることから、これを活用して流体粒子を有効に振動させる観点で、前記第１のスロートにおける前記他端側に多数の貫通孔を有する抵抗体が挿嵌されているとよい。
【００１６】
また、上記した低周波数域の燃焼振動を全体として、より十分に低減させる目的で、前記第１の箱体が、前記共鳴器に対して複数並設されていることが好ましい。
【００１７】
更に、共鳴器内の空洞そのもので圧力変動の位相差が生じることがあり、その際、高周波数域の燃焼振動においては、吸音孔を通じての流体粒子の振動が不十分となり、低周波数域の燃焼振動においては、吸音孔を通じての流体粒子の振動や、第１の抵抗体、又は第１のスロートにおける他端側に挿嵌された抵抗体付近での流体粒子の振動が不十分となるため、このままでは燃焼振動を十分に低減させることができなくなる。そこで、共鳴器内の空洞での圧力変動の位相差の発生を抑止する観点から、前記共鳴器の前記空洞における前記各第１のスロートの前記各一端相互の間にそれぞれ隔壁を設けることが好ましい。これら隔壁により、共鳴器内の空洞は第１のスロート毎に分割され、これら個々の分割空間においては圧力変動の位相差の発生が抑えられる。
【００１８】
ここで、隔壁で隔てられて隣接する共鳴器内の分割空間同士においては、互いの圧力変動を比較すると実質的に位相差が生じていることから、これを活用して流体粒子を有効に振動させる観点で、前記隔壁が多数の貫通孔を有する抵抗体であるとよい。
【００１９】
更に、並設されて相互に隣接する第１の箱体同士においても、互いの圧力変動を比較すると実質的に位相差が生じていることから、これを活用して低周波数域の流体粒子を有効に振動させる観点で、並設されて相互に隣接する前記各第１の箱体は、互いの前記第１の内部空間を形成する共有の第１の壁面を有しており、前記第１の壁面が多数の貫通孔を有する抵抗体であるとよい。
【００２０】
また、共鳴器が外周に環装された筒体である内筒や尾筒は、内部に燃焼領域を有するため、連続的に加熱される環境下にあり、ひいては共鳴器や第１の箱体にも加熱状況が及ぶ。そこで、これら筒体や共鳴器等の過剰な温度上昇を防止するために、前記共鳴器及び前記第１の箱体に、それぞれの外部から内部に冷却用流体を導入する流体導入孔が複数形成されていることが好ましい。
【００２１】
更に、共鳴器内や第１の箱体内には、筒体内の燃焼領域で生成した燃焼ガスの一部が、吸音孔を経て、更には第１のスロートを経て流入する場合があり、この場合、その一部の燃焼ガスに含まれる燃料や水蒸気が液化して不用意に溜まってしまう。そこで、この不用意な滞留液体を共鳴器や第１の箱体の外部に排出できるように、前記共鳴器及び前記第１の箱体に、それぞれの内部から外部に滞留液体を排出するドレイン孔が形成されていることが好ましい。
【００２２】
また、特に低周波数域の燃焼振動を効率よく低減させるには、流体粒子を多くの個所で振動させることが望ましく、これを達成するために、前記第１の箱体の外側に少なくとも１つ連設されて各々所定容積の第２の内部空間を形成する第２の箱体と、相互に隣接する前記第１、第２の内部空間にそれぞれ開口する所定長さの第２スロートと、を備え、前記各第２スロートにおいて前記第１の箱体側に位置する一端に多数の貫通孔を有する第２の抵抗体が挿嵌されている。これにより低周波数域の流体粒子は、吸音孔を通じての振動や、第１の抵抗体等付近での振動に加えて、各第２のスロートで連結された各第２の内部空間の空気と共鳴して、各第２の抵抗体付近で振動し、その振幅が減衰される。
【００２３】
ここで、上記と同様に、低周波数域の燃焼振動への十分な対応を考慮して、前記第２のスロートにおける前記一端の開口面積が他端に対して広いことが好ましく、その際、前記第２のスロートにおける前記他端側に多数の貫通孔を有する抵抗体が挿嵌されているとよい。また、前記第２の箱体が、前記第１の箱体に対して複数並設されていることが好ましい。
【００２４】
更に、上記と同様に、並設されて相互に隣接する第２の箱体同士においても、互いの圧力変動を比較すると実質的に位相差が生じていることから、これを活用して低周波数域の流体粒子を有効に振動させる観点で、並設されて相互に隣接する前記各第２の箱体は、互いの前記第２の内部空間を形成する共有の第２の壁面を有しており、前記第２の壁面が多数の貫通孔を有する抵抗体であるとよい。
【００２５】
また、上記と同様に、第２の箱体の過剰な温度上昇を防止するために、前記第２の箱体に、外部から内部に冷却用流体を導入する流体導入孔が複数形成されていたり、更に、不用意な滞留液体を第２の箱体の外部に排出できるように、前記第２の箱体に、内部から外部に滞留液体を排出するドレイン孔が形成されていたりすることが好ましい。
【００２６】
そして、上記目的を達成するため、本発明によるガスタービンは、空気圧縮機と、上記したいずれかのガスタービン燃焼器と、タービンと、を備えている。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳述する。先ず、本発明の第１実施形態について説明する。図１は本発明の第１実施形態である燃焼器の要部縦断面図、図２はその燃焼器の共鳴器及び第１の箱体を円周方向に切断して展開した断面展開図である。なお、図中で図１６と同じ名称で同じ機能を果たす部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。後述する第２〜１０実施形態においても同様とする。
【００２８】
本実施形態の燃焼器３は、図１６に示すようなガスタービン１に適用されるものであって、図１に示すように、内筒６の前端に尾筒７が連結されて筒体が構成され、この筒体の内部に燃焼ガスとともに燃焼振動が生成される燃焼領域Ｆを有する。尾筒７の側壁には、バイパスダクト１１が連結されており、その一端は尾筒７内に開口し、他端は筒体の周囲を形成する車室５（不図示）内に開口している。
【００２９】
尾筒７における燃焼領域Ｆ近傍の側壁外周には、共鳴器２０（以下「音響ライナ」と記すことがある）が環装されており、この音響ライナ２０の側壁及び前後端壁と尾筒７の側壁とによって空洞２１が形成される。更に、尾筒７のその側壁には、内部から空洞２１に貫通した複数の吸音孔２２が規則的に配列されて形成されている。
【００３０】
また、図１、２に示すように、音響ライナ２０の前端壁の外側には、尾筒７の側壁に沿って第１の箱体３０が隣接配置されており、この第１の箱体３０の側壁及び前端壁と、音響ライナ２０の前端壁と、尾筒７の側壁と、によって所定容積の第１の内部空間３１が形成される。更に、音響ライナ２０の前端壁には、第１の内部空間３１に向けて突出する所定長さの第１のスロート３２が設けられており、この第１のスロート３２は、一端３２ａが音響ライナ２０の空洞２１に開口するとともに、他端３２ｂが第１の内部空間３１に開口している。
【００３１】
このような構成のもと、燃焼領域Ｆで生じた燃焼振動に関しては、その燃焼振動のうち高周波数域の振動要素である流体粒子は、音響ライナ２０内の空洞２１の空気と共鳴して、吸音孔２２を通じて振動し、その振幅が減衰されていく。他方、低周波数域の振動要素である流体粒子は、空洞２１及び第１のスロート３２を経て第１の内部空間３１の空気と共鳴して、吸音孔２２を通じて振動し、その振幅が減衰されていく。こうして周波数域を問わず燃焼振動が低減され、その結果、安定的な低ＮＯｘ化が実現される。
【００３２】
なお、図１、２では、第１の箱体３０に対して第１のスロート３２が１つ配設されているが、２つ以上配設されても勿論構わない。
【００３３】
次に、本発明の第２実施形態について、図３、４を参照しながら説明する。本第２実施形態の特徴は、第１実施形態において、特に高周波数域の燃焼振動に対する弊害を回避するよう図った点にある。これは、高周波数域の流体粒子が、所望する音響ライナ２０内の空洞２１の空気との共鳴以外に、更に第１のスロート３２を経て第１の内部空間３１の空気と共鳴する場合があり、この場合、吸音孔２２での流体粒子の振動が不十分となり、結果として高周波数域の燃焼振動に対しての低減効果が薄れてしまうからである。
【００３４】
そこで、本実施形態では、図２、３に示すように、第１のスロート３２の一端３２ａには、多数の貫通孔を有する第１の抵抗体３３が挿嵌されている。この第１の抵抗体３３は、例えば、パンチングメタル、セラミック焼結金属、焼結金網である。
【００３５】
このようにすると、高周波数域の燃焼振動に対しては、第１の抵抗体３３が障壁となって第１の内部空間３１の空気との共鳴が抑止される。これにより、音響ライナ２０内の空洞２１の空気との共鳴が確保されることになるため、流体粒子は吸音孔２２を通じて有効に振動し、その振幅が減衰されるわけである。なお、低周波数域の燃焼振動に対しては、第１の内部空間３１の空気との共鳴が確保されることになるが、流体粒子は、第１の抵抗体３３が抵抗となってこれに有効に捕捉されてこの付近で振動し、その振幅が減衰される。
【００３６】
次に、本発明の第３実施形態について、図５、６を参照しながら説明する。本第３実施形態の特徴は、第２実施形態において、特に低周波数域の燃焼振動へ配慮した点にある。これは、燃焼振動が低周波領域である場合、第１実施形態における第１のスロート３２内の断面積を小さくする必要があるが、そうすると、必然的に第１の抵抗体３３の存在領域が小さくなるため、捕捉できる流体粒子の割合が減り、全体として燃焼振動低減への寄与度が不十分となるからである。
【００３７】
そこで、本実施形態では、図５、６に示すように、第１のスロート３２として、内周が他端３２ｂから一端３２ａに向けて中央付近で急拡大するような段付管状のものが適用されており、一端３２ａの開口面積が他端３２ｂに対して広くなっている。この一端３２ａに、第１の抵抗体３３が挿嵌されている。
【００３８】
このようにして、第１のスロート３２内すなわち他端３２ｂの断面積を小さくしつつ、第１の抵抗体３３の存在領域を拡大させることができるため、低周波数域の流体粒子に対しての捕捉割合が増し、これにより全体として燃焼振動低減への寄与度が十分となる。従って、低周波数域の燃焼振動を全体として十分に低減させることが可能となる。
【００３９】
なお、第１のスロート３２として、内周が徐々に拡大するようなラッパ状のものが適用されても、同様の効果が得られる。
【００４０】
次に、本発明の第４実施形態について、図７、８を参照しながら説明する。本第４実施形態の特徴は、第３実施形態において生じる弊害に配慮した点にある。
これは、第３実施形態のように第１のスロート３２における一端３２ａの開口面積が他端３２ｂに対して広くなる、すなわち第１のスロート３２内の容積が大きくなると、第１の抵抗体３３で隔てられた第１のスロート３２内の空間と音響ライナ２０内の空洞２１とにおける各々の圧力変動に、位相差が生じなくなる場合があり、この場合、第１の抵抗体３３付近で流体粒子が振動しないため、このままでは低周波数域の燃焼振動を十分に低減させることができなくなるという弊害を引き起こすからである。
【００４１】
そこで、本実施形態では、図７、８に示すように、第１のスロート３２における他端３２ｂに、多数の貫通孔を有する抵抗体３４が挿嵌されている。この抵抗体３４は、第１の抵抗体３３と同様に、例えば、パンチングメタル、セラミック焼結金属、焼結金網である。
【００４２】
このようにすると、第１の内部空間３１と第１のスロート３２内の空間とにおける各々の圧力変動には位相差が生じていることから、これを活用して流体粒子が抵抗体３４付近で有効に振動するため、第１の抵抗体３３付近での流体粒子の振動が不十分であっても、低周波数域の燃焼振動を十分に低減できる。
【００４３】
なお、抵抗体３４の設置位置は、第１のスロート３２における一端３２ａに対して断面積の小さい他端３２ｂ側のいずれの位置であっても、同様の効果が得られる。
【００４４】
次に、本発明の第５実施形態について、図９を参照しながら説明する。本第５実施形態の特徴は、低周波数域の燃焼振動を全体として、より十分に低減させるように図った点にあり、第１〜４実施形態の主要構成である第１の箱体３０等が音響ライナ２０に対して複数並設されている。
【００４５】
つまり、図９に示すように、音響ライナ２０の前端壁の外側には、尾筒７の側壁に沿いながら円周方向に並設された２つの第１の箱体３０が隣接配置されており、各第１の箱体３０が形成する各第１の内部空間３１は、それぞれに設けられた第１のスロート３２を介して音響ライナ２０の空洞２１に開口している。
【００４６】
これにより、第１の内部空間３１の容積を全体として実質的に拡大させることができるため、低周波数域の燃焼振動に対して、第１の内部空間３１の空気との共鳴効率が向上する。従って、この共鳴により引き起こされる流体粒子の振動効率が向上し、低周波数域の燃焼振動を全体としてより十分に低減させることが可能となるわけである。
【００４７】
ここで、図９では、第１実施形態の第１の箱体３０等が音響ライナ２０に対して２組並設されているが、勿論それ以上並設されてもよいし、また第２〜４実施形態の第１の箱体３０等が複数並設されてもよい。また、各第１の箱体３０は、互いの第１の内部空間３１を形成するために用いられる共有の第１の壁面３０ａを有していて、この第１の壁面３０ａを隔てて直接的に隣接しているが、別個独立に隣接配置されても構わない。
【００４８】
なお、並設された第１のスロート３２における各他端３２ｂ側の開口面積、又は長さ、若しくは各第１の箱体３０で形成される各第１の内部空間３１における容積を予め相互に異なるよう適宜定めておけば、各第１の箱体３０等毎に対応する振動特性が異なるため、更に周波数域の異なる種々の燃焼振動に対して漏れなく対応できるようになる。
【００４９】
次に、本発明の第６実施形態について、図１０を参照しながら説明する。本第６実施形態の特徴は、第５実施形態において、音響ライナ２０内の空洞２１での圧力変動の位相差の発生を抑止するよう図った点にある。これは、第５実施形態では、空洞２１そのもので圧力変動の位相差が生じることがあり、その際、高周波数域の燃焼振動においては、吸音孔２２を通じての流体粒子の振動が不十分となり、低周波数域の燃焼振動においては、吸音孔２２を通じての流体粒子の振動や、第１の抵抗体３３又は抵抗体３４付近での流体粒子の振動が不十分となるため、このままでは燃焼振動を十分に低減させることができなくなるからである。
【００５０】
そこで、本実施形態では、図１０に示すように、音響ライナ２０の空洞２１における各第１のスロート３２の各一端３２ａ相互の間に、それぞれ隔壁２３が設けられている。
【００５１】
このようにすると、空洞２１は第１のスロート３２毎に隔壁２３により分割され、これら個々の分割空間においては圧力変動の位相差の発生が抑えられる。従って、高周波数域の燃焼振動においては、吸音孔２２を通じての流体粒子の振動が有効に十分なされ、低周波数域の燃焼振動においては、吸音孔２２を通じての流体粒子の振動や、第１の抵抗体等付近での流体粒子の振動が有効に十分なされるため、燃焼振動を十分に低減できる。
【００５２】
次に、本発明の第７実施形態について、図１１を参照しながら説明する。本第７実施形態の特徴は、第５実施形態において発生し得る音響ライナ２０内の空洞２１での圧力変動の位相差に関して、上記した第６実施形態では抑止するのに対し、有効に活用する点にある。
【００５３】
つまり、本実施形態では、図１１に示すように、第５実施形態における音響ライナ２０内の空洞２１に設けた隔壁２３に多数の貫通孔が形成されていて、この隔壁２３が抵抗体としての役割を果たす。これにより、隔壁２３で隔てられて隣接する音響ライナ２０内の分割空間同士においては、互いの圧力変動を比較すると実質的に位相差が生じていることから、その隔壁２３の貫通孔を通じて流体粒子が有効に振動するようになり、燃焼振動をより十分に低減できるわけである。
【００５４】
次に、本発明の第８実施形態について、図１２を参照しながら説明する。本第８実施形態の特徴は、第５〜７実施形態において、相互に隣接する第１の箱体３０同士間に発生し得る圧力変動の位相差を有効に活用し、低周波数域の燃焼振動のより十分な低減を図った点にある。
【００５５】
つまり、本実施形態では、図１２に示すように、各第１の箱体３０の壁面のうち、互いの第１の内部空間３１を形成するために用いられる共有の第１の壁面３０ａに多数の貫通孔が形成されていて、この第１の壁面３０ａが抵抗体としての役割を果たす。これにより、第１の壁面３０ａで隔てられて隣接する第１の内部空間３１同士においては、互いの圧力変動を比較すると実質的に位相差が生じていることから、その第１の壁面３０ａの貫通孔を通じて流体粒子が有効に振動するようになり、低周波数域の燃焼振動をより十分に低減できるわけである。
【００５６】
次に、本発明の第９実施形態について、図１３を参照しながら説明する。本第９実施形態の特徴は、燃焼振動の問題の他に、燃焼器３に特有の以下の問題を解消し得るよう図った点にある。
【００５７】
第１の問題は、共鳴器３が外周に環装された筒体である内筒６や尾筒７は、内部に燃焼領域Ｆを有するため、連続的に加熱される環境下にあり、ひいては音響ライナ２０や第１の箱体３０にも加熱状況が及ぶ。従って、これら筒体や音響ライナ２０等の過剰な温度上昇を防止することが要求される。
【００５８】
第２の問題は、音響ライナ２０内や第１の箱体３０内には、筒体内の燃焼領域Ｆで生成した燃焼ガスの一部が、吸音孔２２を経て、更には第１のスロート３２を経て流入する場合があり、この場合、その一部の燃焼ガスに含まれる燃料や水蒸気が液化して不用意に溜まってしまう。従って、この不用意な滞留液体を音響ライナ２０や第１の箱体３０の外部に排出することが要求される。
【００５９】
そこで、本実施形態では、図１３に示すように、音響ライナ２０及び第１の箱体３０には、冷却用流体、すなわち圧縮機２から車室５内に流入した圧縮空気をそれぞれの外部から内部に導入する音響ライナ冷却用の流体導入孔２４、及び第１の箱体冷却用の流体導入孔３５が複数ずつ形成されている。これにより、音響ライナ２０及び第１の箱体３０は直接冷却され、これとともに、筒体である内筒６や尾筒７は間接的に冷却されるため、燃焼により生じるこれらの過剰な温度上昇を防止することが可能となり、上記の第１の問題は解消する。
【００６０】
また、音響ライナ２０及び第１の箱体３０における鉛直方向の最下部には、滞留液体をそれぞれの内部から外部に排出する音響ライナ用のドレイン孔２５、及び第１の箱体用のドレイン孔３６が形成されている。これにより、音響ライナ２０及び第１の箱体３０の内部に溜まった不用意な滞留液体を外部に排出することが可能となり、上記の第２の問題は解消する。
【００６１】
最後に、本発明の第１０実施形態について、図１４、１５を参照しながら説明する。本第１０実施形態の特徴は、燃焼振動を効率よく低減させるように図った点にあり、上記の第１〜９実施形態の主要構成である第１の箱体３０等があたかも複数連設されたような態様となっている。
【００６２】
つまり、本実施形態では、図１４、１５に示すように、第１の箱体３０の前端壁の外側に、これと同様の第２の箱体４０が尾筒７の側壁に沿って連設されており、この第２の箱体４０の側壁及び前端壁と、第１の箱体３０の前端壁と、尾筒７の側壁と、によって所定容積の第２の内部空間４１が形成される。更に、第１の箱体３０の前端壁には、第２の内部空間４１に向けて突出する所定長さの第２のスロート４２が設けられており、この第２のスロート４２は、第１の箱体３０側に位置する一端４２ａが第１の内部空間３１に開口するとともに、第２の箱体４０側に位置する他端４２ｂが第２の内部空間４１に開口している。
【００６３】
更に、第２のスロート４２の一端４２ａには、多数の貫通孔を有する第２の抵抗体４３が挿嵌されている。この第２の抵抗体４３は、第１の抵抗体３３と同様に、例えば、パンチングメタル、セラミック焼結金属、焼結金網である。なお、図１４、１５では、第１実施形態の構成（図１、２参照）に第２の箱体４０等を付加させているが、勿論第２〜９実施形態の構成（図３〜１３参照）に付加させてもよい。
【００６４】
これにより、低周波数域の流体粒子は、吸音孔２２を通じての振動や、第１の抵抗体３３等付近での振動に加えて、第２の内部空間４１の空気と共鳴して、第２の抵抗体４３付近で振動し、その振幅が減衰される。従って、流体粒子を多くの個所で振動させることが可能となり、低周波数域の燃焼振動を効率よく低減できることになる。
【００６５】
なお、図１４、１５では、第１の箱体３０に対して第２の箱体４０が１つ連設されているが、２つ以上連設されても勿論構わない。その場合、隣接する第２の箱体４０における第２の内部空間４１同士をそれぞれ上記の第２のスロート４２で連通することで足りる。
【００６６】
また、第３〜５実施形態の趣旨と同様に、低周波数域の燃焼振動への十分な対応を考慮して、以下のように変形することも可能である。第３実施形態における第１のスロート３２に準じ、第２のスロート４２における一端４２ａの開口面積が他端４２ｂに対して広くなっている。第４実施形態における第１のスロート３２の抵抗体３４に準じ、第２のスロート４２における他端４２ｂ側に多数の貫通孔を有する抵抗体が挿嵌されている。第５実施形態における第１の箱体３０等に準じ、第２の箱体４０等が複数並設されている。
【００６７】
更に、第８実施形態の趣旨と同様に、並設されて相互に隣接する第２の箱体４０同士間での圧力変動の位相差を活用すべく、並設されて相互に隣接する各第２の箱体４０は、互いの第２の内部空間４１を形成する共有の第２の壁面４０ａを有しており、この第２の壁面４０ａが抵抗体として多数の貫通孔を有するようにすることも可能である。
【００６８】
そして、第９実施形態の趣旨と同様に、燃焼器３に特有の問題を解消し得るよう、第２の箱体４０には、外部から内部に冷却用流体を導入する第２の箱体冷却用の流体導入孔が複数形成されていたり、更に、内部から外部に滞留液体を排出する第２の箱体用のドレイン孔が形成されていたりすることも可能である。
【００６９】
その他本発明は上記の各実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、第１のスロート３１や第２のスロート４１の横断面形状は、円形に限らず多角形であっても構わない。また、第１の箱体３０や第２の箱体４０が、それぞれの内部の空洞によって第１の内部空間３１や第２の内部空間４１を形成するようなものであってもよく、その場合には、それぞれ第１のスロート３２や第２のスロート４２により、音響ライナ２０や第１の箱体３０と連結することで足りる。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明のガスタービン燃焼器によれば、内部に燃焼領域を有する筒体よりなるガスタービン燃焼器において、前記筒体には、空洞を有する共鳴器が外周に環装されるとともに、前記空洞に開口する吸音孔が形成されており、前記共鳴器に隣接配置されて所定容積の第１の内部空間を形成する第１の箱体と、一端が前記空洞に開口するとともに、他端が前記第１の内部空間に開口する所定長さの第１のスロートと、を備えているので、燃焼領域で生じた燃焼振動のうち高周波数域の振動要素である流体粒子は、共鳴器内の空洞の空気と共鳴して、吸音孔を通じて振動し、その振幅が減衰され、他方、低周波数域の振動要素である流体粒子は、共鳴器内の空洞を経て第１のスロートで連結された第１の内部空間の空気と共鳴して、吸音孔を通じて振動し、その振幅が減衰される。こうして周波数域を問わず燃焼振動を低減することが可能となり、安定的な低ＮＯｘ化を実現できる。
【００７１】
ここで、前記第１のスロートにおける前記一端に多数の貫通孔を有する第１の抵抗体が挿嵌されていると、高周波数域の燃焼振動に対しては、第１の抵抗体が障壁となって第１の内部空間の空気との共鳴が抑止されつつ、共鳴器内の空洞の空気との共鳴が確保されることになるため、流体粒子は吸音孔を通じて有効に振動し、その振幅が減衰される。なお、低周波数域の燃焼振動に対しては、第１の内部空間の空気との共鳴が確保されることになるが、流体粒子は、第１の抵抗体が抵抗となってこれに有効に捕捉されてこの付近で振動し、その振幅が減衰される。
【００７２】
特に、前記第１のスロートにおける前記一端の開口面積が前記他端に対して広いと、第１のスロート内の断面積を小さくしつつ、第１の抵抗体の存在領域を拡大させることができるため、低周波数域の流体粒子に対しての捕捉割合が増し、これにより全体として燃焼振動低減への寄与度が十分となる。従って、低周波数域の燃焼振動を全体として十分に低減させることが可能となる。
【００７３】
ここで、前記第１のスロートにおける前記他端側に多数の貫通孔を有する抵抗体が挿嵌されていると、この抵抗体付近で流体粒子が振動するため、第１の抵抗体付近での流体粒子の振動が不十分であっても、低周波数域の燃焼振動を十分に低減できる。
【００７４】
また、前記第１の箱体が、前記共鳴器に対して複数並設されていると、低周波数域の燃焼振動を全体として、より十分に低減させることができる。
【００７５】
更に、前記共鳴器の前記空洞における前記各第１のスロートの前記各一端相互の間にそれぞれ隔壁を設けると、共鳴器内の空洞は第１のスロート毎に隔壁により分割され、これら個々の分割空間においては圧力変動の位相差の発生が抑えられる。従って、高周波数域の燃焼振動においては、吸音孔を通じての流体粒子の振動が有効に十分なされ、低周波数域の燃焼振動においては、吸音孔を通じての流体粒子の振動や、第１の抵抗体等付近での流体粒子の振動が有効に十分なされるため、燃焼振動を十分に低減できる。
【００７６】
ここで、前記隔壁が多数の貫通孔を有する抵抗体であると、隣接する共鳴器内の分割空間同士において実質的に生じている圧力変動の位相差によって、その隔壁を通じて流体粒子が有効に振動するため、燃焼振動をより十分に低減できる。
【００７７】
更に、並設されて相互に隣接する前記各第１の箱体は、互いの前記第１の内部空間を形成する共有の第１の壁面を有しており、前記第１の壁面が多数の貫通孔を有する抵抗体であると、相互に隣接する第１の箱体同士においても実質的に生じている圧力変動の位相差によって、その第１の壁面を通じて流体粒子が有効に振動するため、低周波数域の燃焼振動をより十分に低減できる。
【００７８】
また、前記共鳴器及び前記第１の箱体に、それぞれの外部から内部に冷却用流体を導入する流体導入孔が複数形成されていると、共鳴器及び第１の箱体は直接冷却され、これとともに、共鳴器が外周に環装された筒体である内筒や尾筒は間接的に冷却されるため、燃焼により生じるこれら筒体や共鳴器等の過剰な温度上昇を防止することが可能となる。
【００７９】
更に、前記共鳴器及び前記第１の箱体に、それぞれの内部から外部に滞留液体を排出するドレイン孔が形成されていると、共鳴器や第１の箱体の内部に溜まった不用意な滞留液体、すなわち吸音孔を経て、更には第１のスロートを経て筒体内から流入した一部の燃焼ガスに含まれた液化の燃料や水蒸気を、外部に排出することが可能となる。
【００８０】
また、前記第１の箱体の外側に少なくとも１つ連設されて各々所定容積の第２の内部空間を形成する第２の箱体と、相互に隣接する前記第１、第２の内部空間にそれぞれ開口する所定長さの第２スロートと、を備え、前記各第２スロートにおいて前記第１の箱体側に位置する一端に多数の貫通孔を有する第２の抵抗体が挿嵌されていると、低周波数域の流体粒子は、吸音孔を通じての振動や、第１の抵抗体等付近での振動に加えて、各第２のスロートで連結された各第２の内部空間の空気と共鳴して、各第２の抵抗体付近で振動し、その振幅が減衰される。従って、流体粒子を多くの個所で振動させることが可能となり、低周波数域の燃焼振動を効率よく低減できる。
【００８１】
ここで、前記第２のスロートにおける前記一端の開口面積が他端に対して広くなっていて、その際、前記第２のスロートにおける前記他端側に多数の貫通孔を有する抵抗体が挿嵌されていると、また、前記第２の箱体が、前記第１の箱体に対して複数並設されていると、上記と同様に、低周波数域の燃焼振動への十分な対応がより可能となる。
【００８２】
更に、並設されて相互に隣接する前記各第２の箱体は、互いの前記第２の内部空間を形成する共有の第２の壁面を有しており、前記第２の壁面が多数の貫通孔を有する抵抗体であると、上記と同様に、相互に隣接する第２の箱体同士においても実質的に生じている圧力変動の位相差によって、その第２の壁面を通じて流体粒子が有効に振動するため、低周波数域の燃焼振動をより十分に低減できる。
【００８３】
また、前記第２の箱体に、外部から内部に冷却用流体を導入する流体導入孔が複数形成されていると、第２の箱体は直接冷却されるため、上記と同様に、第２の箱体の過剰な温度上昇を防止することが可能となる。更に、前記第２の箱体に、内部から外部に滞留液体を排出するドレイン孔が形成されていると、上記と同様に、第２の箱体の内部に溜まった不用意な滞留液体を外部に排出することが可能となる。
【００８４】
そして、本発明によるガスタービンは、空気圧縮機と、上記したいずれかのガスタービン燃焼器と、タービンと、を備えているので、ガスタービン燃焼器において周波数域を問わず燃焼振動を低減して安定的な低ＮＯｘ化を実現でき、これにより、排気ガス中のＮＯｘの低減化を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態である燃焼器の要部縦断面図である。
【図２】第１実施形態の燃焼器における共鳴器及び第１の箱体を円周方向に切断して展開した断面展開図である。
【図３】本発明の第２実施形態である燃焼器の要部縦断面図である。
【図４】第２実施形態の燃焼器における共鳴器及び第１の箱体を円周方向に切断して展開した断面展開図である。
【図５】本発明の第３実施形態である燃焼器の要部縦断面図である。
【図６】第３実施形態の燃焼器における共鳴器及び第１の箱体を円周方向に切断して展開した断面展開図である。
【図７】本発明の第４実施形態である燃焼器の要部縦断面図である。
【図８】第４実施形態の燃焼器における共鳴器及び第１の箱体を円周方向に切断して展開した断面展開図である。
【図９】本発明の第５実施形態である燃焼器における共鳴器及び第１の箱体を円周方向に切断して展開した断面展開図である。
【図１０】本発明の第６実施形態である燃焼器における共鳴器及び第１の箱体を円周方向に切断して展開した断面展開図である。
【図１１】本発明の第７実施形態である燃焼器における共鳴器及び第１の箱体を円周方向に切断して展開した断面展開図である。
【図１２】本発明の第８実施形態である燃焼器における共鳴器及び第１の箱体を円周方向に切断して展開した断面展開図である。
【図１３】本発明の第９実施形態である燃焼器の要部縦断面図である。
【図１４】本発明の第１０実施形態である燃焼器の要部縦断面図である。
【図１５】第１０実施形態の燃焼器における共鳴器及び第１の箱体を円周方向に切断して展開した断面展開図である。
【図１６】一般的なガスタービンにおける燃焼器付近の要部縦断面図である。
【符号の説明】
１    ガスタービン
２    圧縮機
３    ガスタービン燃焼器
４    タービン
５    車室
６    内筒
７    尾筒
８    外筒
９    パイロットノズル
１０    メインノズル
１１    バイパスダクト
１２    バイパス弁
１３    バイパス弁可変機構
２０    共鳴器（音響ライナ）
２１    共鳴器の空洞
２２    吸音孔
２３    隔壁
２４    流体導入孔
２５    ドレイン孔
３０    第１の箱体
３１    第１の内部空間
３２    第１のスロート
３２ａ    第１のスロートの一端
３２ｂ    第１のスロートの他端
３３    第１の抵抗体
３４    抵抗体
３５    流体導入孔
３６    ドレイン孔
４０    第２の箱体
４１    第２の内部空間
４２    第２のスロート
４２ａ    第２のスロートの一端
４２ｂ    第２のスロートの他端
４３    第２の抵抗体
【図１】
2004183946.tif 000003
【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】
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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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