(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を内部に供給するための空気用流路と、燃料を噴出させる噴出口を備えていて前記空気用流路に配置される噴出口を備えた燃料ノズルとを含む燃焼器において、
前記空気用流路にディフューザ部を具備し、該ディフューザ部によって、前記噴出口付近に位置する前記空気用流路の一部分の断面積は、前記噴出口よりも空気の流れに対して下流に位置する前記空気用流路の下流部分の断面積よりも小さくなっており、
さらに、パイロット燃料を供給するパイロットノズルを具備し、前記ディフューザ部が前記空気用流路の内壁と前記パイロットノズルの外壁とから形成される環状のディフューザ部である燃焼器。
【請求項２】
さらに、前記燃料ノズルの前記噴出口に隣接する乱流発生体を前記空気用流路内に具備する請求項１に記載の燃焼器。
【請求項３】
前記乱流発生体が複数の孔を備えた多孔板である請求項２に記載の燃焼器。
【請求項４】
空気を内部に供給するための空気用流路と、燃料を噴出させる噴出口を備えていて前記空気用流路に配置される噴出口を備えた燃料ノズルとを含む燃焼器において、
前記空気用流路にディフューザ部を具備し、該ディフューザ部によって、前記噴出口付近に位置する前記空気用流路の一部分の断面積は、前記噴出口よりも空気の流れに対して下流に位置する前記空気用流路の下流部分の断面積よりも小さくなっており、
さらに、前記燃料ノズルの前記噴出口に隣接すると共に複数の孔を備える乱流発生体を前記空気用流路内に具備する燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼器、特にガスタービンに使用されるガスタービン燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１１は従来技術、例えば特開平６−２８４８号公報に開示された燃料ノズルを含む燃焼器の長手方向断面図である。図１１に示すような燃焼器１００の内筒１８０の中心軸線上にはパイロットノズル３００が配置されており、このパイロットノズル３００周りには、パイロットノズル３００に対してほぼ平行に延びる複数の燃料ノズル２００が周方向にほぼ等間隔に配置されている。これらパイロットノズル３００および燃料ノズル２００には燃料が供給されるようになっている。燃料ノズル２００の棒状本体周りには、旋回羽根またはスワーラ２９０が配置されている。燃料ノズル２００には、燃料ノズルの側壁から放射状に半径方向外側に延びる複数の中空支柱２５０が設けられており、中空支柱２５０と燃料ノズル２００とは連通している。中空支柱２５０には複数の噴出口２６０が設けられており、燃料を燃料ノズル２００の先端方向に噴出するようになっている。さらに、燃料ノズル２００の先端には混合室１５０が形成されており、パイロットノズル３００の先端付近には予混合ノズル１７０によりパイロット燃焼室１６０が形成されている。
【０００３】
燃焼器の空気流入口部１１０から燃焼器１００に進入した燃焼用空気は内筒端部１２０において約１８０°反転して空気通路１４０に流入する。この燃焼用空気の一部分は、中空支柱２５０の噴出口２６０から噴出された燃料と混合されつつ燃料ノズル２００のスワーラ２９０に流入する。これにより、燃焼用空気の流れに主に周方向に旋回が与えられて燃焼用空気は燃料とさらに混合され、予混合空気が混合室１５０に形成される。
【０００４】
さらに、燃焼用空気の残りの部分はパイロットノズル３００と予混合ノズル１７０との間に配置されたスワーラ３９０に流入する。次いで、この燃焼用空気はパイロットノズル３００から噴出された燃料と共にパイロット燃焼室１６０において燃焼され、パイロット火炎が形成される。中空支柱２５０の噴出口２６０から噴出された燃料と混合された予混合空気は、このパイロット火炎に接触して主火炎を形成して燃焼する。
【０００５】
このような特開平６−２８４８号公報に開示される燃焼器の場合に、燃料噴出口を有した中空支柱から燃料を噴出することで、燃料と空気とを均等に混合させている。混合作用をより一層高めるためには、一つの中空支柱２５０あたりの噴出口の数を増やすと共に中空支柱２５０の数を増やすことが想定されるが、中空支柱の数および噴出口の数には物理的な制約があり、より一層の混合作用を持たせるには限界がある。一般的に、燃焼用空気に対する燃料の比率が高いほど、つまりホットスポットが発生するとＮＯｘが生じやすい傾向にあるので、燃料と空気とを均等に混合させるのが望ましい。
【０００６】
また、特開平６−２８４８号公報に開示されるような予混合タイプの燃焼器では、比較的狭い空間で燃焼がおこなわれる場合に、燃焼により解放されるエネルギーの空間的な密度が高くなり、結果として燃焼振動が生ずる。燃焼振動は燃焼器の気柱共鳴と関連しており、燃焼器の長さ、容積および流動抵抗に応じて定まる。この場合には、予混合ノズル１７０における速度変動により燃料濃度が変化し、自励的な振動現象である燃焼振動が生ずる。燃焼振動によって燃焼が不安定となり燃焼器を安定して運転することができなくなるので、燃焼振動の発生を抑える必要がある。
【０００７】
特願２０００−２２０８３２号明細書は、空気を取り入れる入口部に速度変動吸収部材を設けることにより燃焼振動の発生を抑えるようにした燃焼器ノズルを開示している。この従来技術においては、速度変動吸収部材が流動抵抗を発生させて燃焼振動による速度変動を吸収することにより、燃焼振動の発生を抑えている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特願２０００−２２０８３２号明細書に開示される燃焼器の場合には、空気は入口部に位置する速度変動吸収部材を通過して内筒端部において約１８０°反転した後に、スワーラおよび混合室に向かうようになっている。すなわち前述した特願２０００−２２０８３２号明細書においては速度変動吸収部材から混合室までの距離は比較的長い。従って、入口部の速度変動吸収部材により与えられた空気の乱れは混合室付近では少なくなるか、または混合室付近において完全に消失する場合がある。特願２０００―２２０８３２号明細書に開示される燃焼器の速度変動吸収部材はあくまで燃焼振動対策のために設置されているものであり、乱れによる混合作用は考慮に入れていない。従って、燃料と空気との混合を乱れにより促進するときには、空気の流れの乱れが維持されている必要がある。
【０００９】
また、前述した特開平６−２８４８号公報に開示される燃焼器の場合には、中空支柱の噴出口の直径は製作加工精度や穴の目詰まりなどの問題に応じて定まるので、噴出口の数を増やすのには限界がある。さらに、中空支柱の数を増やす場合には、中空支柱２５０自体が空気の流れを遮断するので、空気を混合室に供給するのが困難となる。従って、中空支柱および中空支柱の噴出口の数を増やすことなしに、燃料と空気との混合作用を高める方式が望まれる。
【００１０】
特願２０００―２２０８３２号明細書に開示される空気入口部に位置する速度変動吸収部材では、空気入口部と予混合器との間に存在する空気容積の影響を受け、燃焼振動を効果的に低減できないことが考えられ、予混合器上流側容積の影響を受けにくくさらに効果的な燃焼振動低減化構造が必要である。
【００１１】
それゆえ、本発明は燃料と空気との混合作用を高めつつ燃焼振動の発生を抑え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する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、空気を内部に供給するための空気用流路と、燃料を噴出させる噴出口を備えていて前記空気用流路に配置される燃料ノズルとを含む燃焼器において、前記燃料ノズルの前記噴出口に隣接する乱流発生体を前記空気用流路内に具備する燃焼器が提供される。
【００１３】
本発明によって、乱流発生体が燃料の噴出口付近において空気の流れに乱れを与えるので、空気の流れの乱れが維持されつつ空気と燃料とを混合させることができて、従って、燃料と空気との混合作用をさらに高めることができる。空気と燃料とを均等に混合することによって、ホットスポットの発生を防止し、ＮＯｘの発生を抑えることができる。さらに、乱流発生体が圧損体としての役目も果たすので、流動抵抗を生じさせることにより、燃焼振動の速度変動を吸収することができる。これにより、乱流発生体よりも上流に位置する空気体積および気柱長さの影響が少なくなり、予混合ノズル内における速度変動の振幅も小さくなる。従って、予混合ノズルにおける燃料の濃度変動も少なくなり、燃焼振動の発生が抑えられることとなる。
【００１４】
本発明によれば、前記乱流発生体が複数の孔を備えた多孔板である。すなわち本発明によって、多孔板の孔を通過する空気の流路面積が急縮小して急拡大する。流路面積が急拡大するときに空気の流れに乱れが生じるので、空気と燃料との混合作用をさらに高めることができる。多孔板に形成される複数の孔は円形または矩形であってもよく、もしくは周方向または半径方向に形成されるスリットであってもよい。さらに、乱流発生体として金網を配置した場合にも同様の効果を得ることができる。
【００１５】
本発明によれば、空気を内部に供給するための空気用流路と、燃料を噴出させる噴出口を備えていて前記空気用流路に配置される燃料ノズルとを含む燃焼器において、前記空気用流路にディフューザ部を具備し、該ディフューザ部によって、前記噴出口付近に位置する前記空気用流路の一部分の断面積は、前記噴出口よりも空気の流れに対して下流に位置する前記空気用流路の下流部分の断面積よりも小さくなっている燃焼器が提供される。
【００１６】
すなわち本発明によって、ディフューザ部に流入した空気の流れに主に半径方向の乱れが与えられるので、燃料と空気との混合作用を高めることができ、結果的に、ホットスポットの発生を防止し、ＮＯｘの発生を抑えることができる。また、前記噴出口付近に位置するディフューザ部の一部分では、ディフューザ部に流入する空気の流速および動圧が大きい。従って、ディフューザ部に流入する空気が周方向速度分布を有する場合に、これを吸収し、結果的に燃焼振動を抑えることができる。
【００１７】
本発明によれば、さらに、パイロット燃料を供給するパイロットノズルを具備し、前記ディフューザ部が前記空気用流路の内壁と前記パイロットノズルの外壁とから形成される環状のディフューザ部である。すなわち本発明によって、ディフューザ部の入口部をさらに幅狭にすることができるので、ディフューザ部に流入する空気の流束および動圧をさらに大きくして、混合作用をさらに高めることができると共に、燃焼室内で発生した圧力変動を吸収して、燃焼振動を抑えることができる。
【００１８】
本発明によれば、さらに、前記燃料ノズルの前記噴出口に隣接する乱流発生体を前記空気用流路内に具備する。すなわち本発明によって、乱流発生体およびディフューザ部によって空気の流れに乱れがさらに与えられるので燃料と空気との混合作用をさらに高め、結果的にホットスポットの発生を防止し、ＮＯｘの発生を抑えることができる。さらに、乱流発生体およびディフューザ部によって、燃焼振動を抑えることができる。
【００１９】
本発明によれば、前記乱流発生体が複数の孔を備えた多孔板である。すなわち本発明によって、多孔板の孔を通過する空気の流路面積が急縮小して急拡大するときに空気の流れに乱れが生じるので、空気と燃料との混合作用をさらに高めることができる。孔は円形または矩形であってもよく、もしくは周方向または半径方向に形成されるスリットであってもよい。さらに、乱流発生体として金網を配置した場合にも同様の効果を得ることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図面において同様の部材には同様の参照符号が付けられている。これら図面は理解を容易にするために縮尺を変更している。
図１は本発明の第一の実施形態に基づく燃焼器の長手方向部分断面図である。さらに図２は図１の線ａ−ａに沿ってみた断面図である。前述した実施形態と同様に、燃焼器１０の内筒１８の中心軸線上にはパイロットノズル３０が配置されており、図２から分かるように、このパイロットノズル３０周りには、複数の燃料ノズル２０が周方向にほぼ等間隔に配置されている。燃料ノズル２０の棒状本体周りには、旋回羽根またはスワーラ２９が配置されている。燃料ノズル２０には、複数の中空支柱２５が設けられている。これら中空支柱２５は燃料ノズルの側壁から放射状に半径方向外側に延びていて、燃料ノズル２０に連通している。中空支柱２５には複数の噴出口２６が設けられており、燃料ノズル２０内を流れる燃料を中空支柱２５に通してこれら噴出口２６から燃料ノズルの先端方向に噴出できるようになっている。さらに、燃料ノズル２０の先端には混合室１５が形成されており、パイロットノズル３０の先端付近には予混合ノズル１７によりパイロット燃焼室１６が形成されている。
【００２１】
燃焼器の空気流入口部１１から燃焼器１０に進入した燃焼用空気は内筒端部１２において約１８０°反転して空気通路１４を通る。この燃焼用空気の一部分は、中空支柱２５から噴出された燃料と混合されつつ燃料ノズル２０のスワーラ２９に流入する。これにより、燃焼用空気の流れに周方向の旋回が与えられて燃焼用空気は燃料とさらに混合されて混合室１５において予混合空気が形成される。
【００２２】
さらに、燃焼用空気の残りの部分はパイロットノズル３０と予混合ノズル１７との間に配置されたスワーラ３９に流入する。次いで、この燃焼用空気はパイロットノズル３０から噴出された燃料と共にパイロット燃焼室１６において燃焼され、パイロット火炎が形成される。中空支柱２５から噴出された燃料と混合された予混合空気は、このパイロット火炎に接触して主火炎を形成して燃焼する。
【００２３】
図３は本発明の第一の実施形態に基づく燃焼器の燃料ノズル付近の拡大図である。図１および図３に示されるように、本実施形態においては、中空支柱２５の空気の流れに対して上流において乱流発生体６０が中空支柱２５に隣接するように配置されている。乱流発生体６０は、例えば複数の孔が設けられた金属製多孔板、すなわちパンチメタルである。図４（ａ）および図４（ｂ）はこの多孔板６０の概念斜視図である。これら図面に示すように、多孔板６０には複数の孔６１が設けられており、空気がこれら孔を通過するようになっている。図４（ａ）には円形の孔６１が示されており、図４（ｂ）には矩形の孔６１が示されている。
【００２４】
前述したように空気流入口部１１から燃焼器１０内に進入した空気は、内筒端部１２において約１８０°反転して空気通路１４を通って、多孔板６０を通過する。空気が多孔板６０の孔６１を通過するときに、空気の流路面積は急縮小し、次いで急拡大する。このように流路面積が急拡大するときに空気の流れに乱れが生じる、すなわち乱流が発生する。このような空気の乱れは多孔板６０の下流に位置する中空支柱２５を通過した後も維持されるので、中空支柱２５の噴出口２６から噴出した燃料とこの空気との混合作用を多孔板６０によって高めることができる。さらに、多孔板６０は圧損体としての役目も果たすので、流動抵抗を生じさせることにより、燃焼振動の速度変動を吸収することができる。これにより、乱流発生体よりも上流に位置する空気体積および気柱長さの影響が少なくなり、予混合ノズル内における速度変動の振幅も小さくなる。従って、予混合ノズルにおける燃料の濃度変動も少なくなり、燃焼振動の発生を抑えることができる。
【００２５】
図４（ａ）の変更例としてポーラス状の金属製プレート（図示しない）、図４（ｂ）の変更例として金網（図示しない）を使用することもできる。さらに図５（ａ）および図５（ｂ）には別の多孔板が示されている。多孔板６０に形成される孔は、図５（ａ）に示されるような周方向スリット６２でもよく、図５（ｂ）に示されるような半径方向スリット６３でもよい。これら変更例としての多孔板を使用する場合にも、孔またはスリットを通過する空気の流れに乱れを生じさせて、空気と燃料との主に半径方向の混合作用を高めることができると共に、流動抵抗を生じさせて燃焼振動の速度変動を吸収することができる。
【００２６】
本実施形態においては、多孔板６０を中空支柱２５の上流において中空支柱２５に隣接するように配置しているが、多孔板６０を中空支柱２５の下流に配置してもよい。この場合にも、多孔板６０の下流において空気の流れに乱れが生じるので、燃料と空気との混合作用を高めると共に燃焼振動の速度変動を吸収することができる。
【００２７】
図６は本発明の第二の実施形態に基づく燃焼器の長手方向部分断面図である。図７は図６に示す燃焼器の燃料ノズルの拡大図である。さらに図８は図６の線ｂ−ｂに沿ってみた断面図である。図６に示すように、燃焼器１０の内筒１８には、ディフューザ部７０が設けられている。このディフューザ部７０は内筒１８の半径方向に狭くなっている狭窄部分７５と、この狭窄部分７５の下流に半径方向に広くなっている広範部分７６とを含んでおり、傾斜部分７７が狭窄部分７５と広範部分７６とを平滑に結んでいる。さらに、燃料ノズル２０およびパイロットノズル３０は隆起部２２、３２をそれぞれ有している。これら隆起部２２、３２は空気の流れに対して下流方向に先細になっている略錐体状であって、傾斜部分２３、３３をそれぞれ有している。図６から分かるように、ディフューザ部７０の内壁とパイロットノズル３０の外壁とによって、環状室１３が形成されている。さらに、環状室１３には隆起部２２を含む燃料ノズル２０が周方向にほぼ等間隔に配置されている。
【００２８】
図８に示すように、中空支柱２５が狭窄部分７５と隆起部３２との間に配置されている。従って、空気は狭窄部分７５と隆起部３２との間の最も幅狭であるディフューザ部７０の入口部分を通過することとなる。空気と、噴出口２６から噴出される燃料とが傾斜部分７７および傾斜部分２３、３３に沿うようにディフューザ部７０内を通るときに、乱れがディフューザ部７０内に生じる。これにより、環状室１３における燃料および空気の混合作用を高めることができる。当然のことながら、ディフューザ部７０は、空気の主流の速度成分がディフューザ部７０内で逆火しない程度に十分に大きいように、形成されている。さらにディフューザの広がり角度を適切にし、ここで生じる圧損もガスタービン効率を低下させない程度の低圧損にする必要がある。
【００２９】
ディフューザ部７０における空気の乱れは、燃料および空気の混合作用を主に半径方向に高めるのに役立つ。前述したように、スワーラ２９は空気と燃料とを周方向に混合する役目を果たす。従って、ディフューザ部７０の内壁およびパイロットノズル３０の外壁により形成される環状室１３において主に半径方向の混合作用が生じ、スワーラ２９によって混合室１５において主に周方向の混合作用が生ずる。それにより、空気と燃料とを極めて均等に混合することができる。
【００３０】
さらに、本実施形態の場合には、ディフューザ部７０の入口においては空気の流速および動圧が極めて大きい。従って、ディフューザ部７０内に流入する空気の流れに周方向の分布が存在する場合に、ディフューザ部７０の入口部による動圧によってこの分布が緩和される。それゆえ、燃料と空気との混合比をディフューザ部の入口において周方向に均等にすることができる。
【００３１】
図９は本発明の他の実施形態の燃焼器の長手方向部分断面図である。さらに図１０は図９の線ｃ−ｃに沿ってみた断面図である。本実施形態においては、複数の燃料ノズル２０が排除されており、パイロットノズル３０周りに複数の中空支柱３５が設けられている。これら複数の中空支柱３５はパイロットノズル３０の側壁から放射状に半径方向外側に延びている。本実施形態に示される中空支柱３５はディフューザ部７０の狭窄部分７５付近まで延びている。各中空支柱３５には複数の噴出口３６が設けられており、それにより、パイロットノズル３０内を通る燃料が各中空支柱３５を通って複数の噴出口３６から下流に噴出されるようになる。さらに、パイロットノズル３０は隆起部３２を有している。隆起部３２は空気の流れに対して下流方向に先細になっている略錐体状であり、傾斜部分３３を有している。図６に示す実施形態と同様に、ディフューザ部７０の内壁とパイロットノズル３０の外壁とによって、環状室１３が形成されている。なお、スワーラ２９によって生じる旋回流の渦芯領域を極小化するために、心棒３８が配置されている。
【００３２】
本実施形態の場合にも、ディフューザ部７０の内壁およびパイロットノズル３０の外壁により形成される環状室１３において主に半径方向の混合作用が生じ、スワーラ２９によって混合室１５において主に周方向の混合作用が生ずる。さらに、本実施形態の場合には燃料ノズル２０が存在していないので、燃料ノズル２０が障害物となることなしに、空気を空気通路１４から環状室１３内に平滑に流すことができる。さらに、燃料ノズル２０が存在しないことにより、燃焼器１０の構造を単純化することができると共に燃焼器１０全体の重量を少なくすることができる。
【００３３】
当然のことながら、図６および図９に示される実施形態の場合に、乱流発生体、例えば多孔板を空気通路に配置することは本発明の範囲に含まれる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、乱流発生体が空気の流れに乱れを与えるので、空気の流れの乱れが維持されつつ空気と燃料とを混合させることができ、従って燃料と空気との半径方向の混合作用を高めることができるという共通の効果を奏しうる。さらに、乱流発生体が圧損体としての役目も果たすので、流動抵抗を生じさせることにより、燃焼振動の速度変動を吸収することができるという共通の効果を奏しうる。
【００３５】
本発明によれば、空気が多孔板の孔を通過するときに、流路面積が急拡大して空気の流れに乱れが生じるので、空気と燃料との混合作用をさらに高めることができるという効果を奏しうる。本発明によれば、ディフューザ部に流入した空気の流れに乱れが与えられるので、燃料と空気との混合作用を高めることができる。さらにディフューザ狭隘部での動圧が大きくなるために、流入する空気が周方向速度分布を有する場合に、この周方向速度分布を吸収すると共に、燃焼振動を抑えることができるという効果を奏しうる。
【００３６】
本発明によれば、ディフューザ部の入口部をさらに幅狭にすることができるので、混合作用をさらに高めることができると共に、ディフューザ部に流入する空気の周方向速度分布をさらに吸収して、燃焼振動を抑えることができるという効果を奏しうる。
【００３７】
本発明によれば、乱流発生体およびディフューザ部によって空気の流れに乱れがさらに与えられるので燃料と空気との混合作用をさらに高めると共に、乱流発生体およびディフューザ部によって、燃焼振動を抑えることができるという効果を奏しうる。本発明によれば、多孔板を通過する空気の流路面積が急縮小して急拡大するときに空気の流れに乱れが生じるので、空気と燃料との混合作用をさらに高めることができるという効果を奏しうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態に基づく燃焼器の長手方向部分断面図である。
【図２】図１の線ａ−ａに沿ってみた断面図である。
【図３】本発明の第一の実施形態に基づく燃焼器の燃料ノズル付近の拡大図である。
【図４】（ａ）多孔板の概念斜視図である。
（ｂ）多孔板の概念斜視図である。
【図５】（ａ）多孔板の概念斜視図である。
（ｂ）多孔板の概念斜視図である。
【図６】本発明の第二の実施形態に基づく燃焼器の長手方向部分断面図である。
【図７】図６に示す燃焼器の燃料ノズルの拡大図である。
【図８】図６の線ｂ−ｂに沿ってみた断面図である。
【図９】本発明の他の実施形態の燃焼器の長手方向部分断面図である。
【図１０】図９の線ｃ−ｃに沿ってみた断面図である。
【図１１】従来技術の燃料ノズルを含む燃焼器の長手方向断面図である。
【符号の説明】
１０…燃焼器
１１…空気流入口部
１２…内筒端部
１３…環状室
１４…空気通路
１５…混合室
１６…パイロット燃焼室
１７…予混合ノズル
１８…内筒
２０…燃料ノズル
２２…隆起部
２３…傾斜部分
２５…中空支柱
２６…噴出口
２９…スワーラ
３０…パイロットノズル
３２…隆起部
３３…傾斜部分
３５…中空支柱
３６…噴出口
６０…多孔板
６１…孔
７０…ディフューザ部
７５…狭窄部分
７６…広範部分
７７…傾斜部分
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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