(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単缶型の気相燃焼室（２０）の上流側に配置された予混合・予蒸発室（４３）に燃料および空気を供給する燃料ノズル（４２）を備えたガスタービンエンジン用燃焼器において、
前記燃料ノズル（４２）は、半径方向内側に配置されて予混合・予蒸発室（４３）に燃料および空気を供給する環状の燃料液膜化通路（５６）と、燃料液膜化通路（４６）の外周を取り囲むように配置されて予混合・予蒸発室（４３）に空気を供給する環状の空気通路（５７）と、燃料液膜化通路（５６）から供給される燃料および空気を空気通路（５７）から供給される空気と合流させて燃料を微粒化するエアーブラスト方式のノズルチップ（６１）とを備えており、
前記燃料液膜化通路（５６）は、該燃料液膜化通路（５６）を流れる空気を予旋回させるスワーラ（５８）と、該燃料液膜化通路（５６）の接線方向に燃料を噴射して該燃料を予旋回させる燃料噴出口（６０）とを備えており、
前記燃料液膜化通路（５６）からノズルチップ（６１）を経て予混合・予蒸発室（４３）に供給された燃料および空気の旋回流の半径方向外側を、前記空気通路（５７）からノズルチップ（６１）を経て予混合・予蒸発室（４３）に供給された空気のストレート流で覆うことにより、前記旋回流の中心部分における自己着火を抑制することを特徴とするガスタービンエンジン用燃焼器。
【請求項２】
気相燃焼室（２０）に連なる予混合・予蒸発室（４３）の下流端にスワーラ（６２）を設けたことを特徴とする、請求項１に記載のガスタービンエンジン用燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単缶型の気相燃焼室の上流側に配置された予混合・予蒸発室に燃料および空気を供給する燃料ノズルを備えたガスタービンエンジン用燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
かかるガスタービンエンジン用燃焼器は、特開平７−３３２６７１号公報により既に知られている。このガスタービンエンジン用燃焼器は、軸線を囲むように配置された環状の予混合・予蒸発室と、その下流側に接続された気相燃焼室とを備えており、予混合・予蒸発室に供給した空気および燃料に旋回流を発生させて微粒化した状態で気相燃焼室に供給するようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、気相燃焼室の上流側に予混合・予蒸発室を備えたガスタービンエンジン用燃焼器では、気相燃焼室からの逆火により予混合・予蒸発室の混合気が自己着火する場合があり、特に予混合・予蒸発室の中心部では、前記旋回流が淀んで流速が低下するために自己着火現象が起こり易くなる問題がある。
【０００４】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、予混合・予蒸発室を備えたガスタービンエンジン用燃焼器において、予混合・予蒸発室内の旋回流の淀みに起因する自己着火現象を未然に防止することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明は、単缶型の気相燃焼室の上流側に配置された予混合・予蒸発室に燃料および空気を供給する燃料ノズルを備えたガスタービンエンジン用燃焼器において、前記燃料ノズルは、半径方向内側に配置されて予混合・予蒸発室に燃料および空気を供給する環状の燃料液膜化通路と、燃料液膜化通路の外周を取り囲むように配置されて予混合・予蒸発室に空気を供給する環状の空気通路と、燃料液膜化通路から供給される燃料および空気を空気通路から供給される空気と合流させて燃料を微粒化するエアーブラスト方式のノズルチップとを備えており、前記燃料液膜化通路は、該燃料液膜化通路を流れる空気を予旋回させるスワーラと、該燃料液膜化通路の接線方向に燃料を噴射して該燃料を予旋回させる燃料噴出口とを備えており、前記燃料液膜化通路からノズルチップを経て予混合・予蒸発室に供給された燃料および空気の旋回流の半径方向外側を、前記空気通路からノズルチップを経て予混合・予蒸発室に供給された空気のストレート流で覆うことにより、前記旋回流の中心部分における自己着火を抑制することを特徴とする。
【０００６】
上記構成によれば、燃料ノズルの燃料液膜化通路が、そこを流れる空気を予旋回させるスワーラを備えるとともに、前記予旋回する空気の流れと同方向に燃料を噴射する燃料噴出口とを備えているので、燃料液膜化通路に供給された空気および燃料に強い予旋回流を発生させて燃料の微粒化を促進することができる。また燃料ノズルの燃料液膜化通路からノズルチップを経て予混合・予蒸発室に供給された燃料および空気の旋回流の半径方向外側を、燃料ノズルの空気通路からノズルチップを経て予混合・予蒸発室に供給された空気のストレート流で覆うので、前記旋回流の中心の淀み部分が気相燃焼室からの逆火で自己着火するのを確実に回避することができる。
【０００７】
また請求項２に記載された発明は、請求項１の構成に加えて、気相燃焼室に連なる予混合・予蒸発室の下流端にスワーラを設けたことを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、予混合・予蒸発室の下流端に設けたスワーラで混合気の淀みを抑制することにより、気相燃焼室から予混合・予蒸発室への逆火を防止して予混合・予蒸発室における混合気の自己着火を一層確実に防止することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【００１０】
図１〜図８は本発明の一実施例を示すもので、図１はガスタービンエンジンの縦断面図、図２は図１の２−２線拡大断面図、図３はガスタービンエンジンの燃焼器の拡大縦断面図、図４は図３の要部拡大図、図５は図３の５−５線断面図、図６は図３の６−６線断面図、図７は第２燃料液膜化通路のスワール数と燃料粒径との関係を示すグラフ、図８は第２燃料液膜化通路の流れ方向に沿う流速分布を示すグラフである。
【００１１】
先ず、図１および図２に基づいてガスタービンエンジンＥの構造の概略を説明する。
【００１２】
図１に示すように、ガスタービンエンジンＥは概略円筒状に形成されたエンジンケーシング１を備える。エンジンケーシング１の外周には圧縮空気通路４が形成されており、この圧縮空気通路４の上流側には図示せぬエアクリーナおよびサイレンサに連なる吸気通路５が接続される。
【００１３】
吸気通路５の中央を貫通して一対のベアリング６，７で支持された回転軸８には、遠心式のコンプレッサホイール９と遠心式のタービンホイール１０とが隣接して同軸に固定される。後方側のベアリング７をコンプレッサホイール９とタービンホイール１０との間に配置したので、このベアリング７をコンプレッサホイール９の前方に配置する場合に比べて、ベアリング７からのタービンホイール１０の後方張出量を減少させて振動を軽減することができる。コンプレッサホイール９の外周に放射状に形成された複数のコンプレッサブレード９1 …は前記吸気通路５に臨んでおり、これらコンプレッサブレード９1 …の直下流に位置する圧縮空気通路４に複数のコンプレッサディフューザ１１1 …が設けられる。回転軸８の前端にはタービンホイール１０により駆動される発電機２が設けられる。
【００１４】
エンジンケーシング１の後端には円環状の伝熱型熱交換器１２が配置される。伝熱型熱交換器１２は後端外周寄りの位置に圧縮空気入口１３を備えるとともに前端内周寄りの位置に圧縮空気出口１４を備え、前端外周寄りの位置に燃焼ガス入口１５を備えるとともに後端内周寄りの位置に燃焼ガス出口１６を備える。
【００１５】
図２から明らかなように、伝熱型熱交換器１２は大径円筒状のアウタハウジング２８と小径円筒状のインナハウジング２９とを、金属板をつづら折り状に折り曲げてなる伝熱板３０で結合したもので、その伝熱板３０を挟んで圧縮空気流路３１…と燃焼ガス流路３２…とが交互に形成される。
【００１６】
図１に示すように、実線で示す比較的に低温の圧縮空気と、破線で示す比較的に高温の燃焼ガスとを相互に逆方向に流すことにより、その流路の前長に亘って圧縮空気および燃焼ガス間の温度差を大きく保ち、熱交換効率を向上させることができる。
【００１７】
単缶型燃焼器１８は、上流側に配置された予混合部１９と、下流側に配置された気相燃焼室２０とを備えている。伝熱型熱交換器１２の圧縮空気出口１４と予混合部１９とは圧縮空気通路２１で接続される。気相燃焼室２０と伝熱型熱交換器１２の燃焼ガス入口１５とを接続する燃焼ガス通路２４の上流部分には、タービンホイール１０の外周に放射状に形成された複数のタービンブレード１０1 …が臨んでおり、その更に上流には気相燃焼室２０からの燃焼ガスを導く遮熱板２５およびタービンノズル２６1 …が設けられる。
【００１８】
次に、図３〜図６を併せて参照しながら予混合部１９の構造を更に詳細に説明する。
【００１９】
予混合部１９はエンジンケーシング１（図１参照）の軸線Ｌを中心として実質的に軸対称な構造を有しており、軸線Ｌ上に位置する第１燃料ノズル４１と、その第１燃料ノズル４１の上流側（図中右側）の外周を囲むように配置された第２燃料ノズル４２と、前記第１燃料ノズル４１の外周を囲むように環状に形成された予混合・予蒸発室４３とを備える。予混合部１９の上流側外周には環状の前室４４が形成されており、この前室４４は複数の空気導入口４５…を介して前記圧縮空気通路２１に連通する。
【００２０】
第１燃料ノズル４１は２重管構造になっており、その中心を第１燃料液膜化通路４６が貫通する。第１燃料液膜化通路４６の外周を囲むように形成された第１空気通路４７は、その上流端が半径方向外側に向けて湾曲して前室４４に連通し、その中間部がスワーラ４８を介して第１燃料液膜化通路４６の上流端に連通し、その下流端にスワーラ５０が設けられる。第１燃料ノズル４１には第１燃料通路５１が形成されており、その下流端に連なる環状溝５４の内周に形成された複数の燃料噴出口５２…は、前記第１燃料液膜化通路４６の上流部であって前記スワーラ４８の直下流部に開口する。前記燃料噴出口５２…は第１燃料液膜化通路４６に接線方向に開口する（図５参照）。而して、気相燃焼室２０に臨む第１燃料ノズル４１の下流端には第１燃料液膜化通路４６および第１空気通路４７が開口しており、かつ軸線Ｌ上に位置する第１燃料液膜化通路４６の開口部の外周を、第１空気通路４７の環状の開口部が取り囲むことにより、エアーブラスト型のノズルチップ５３を構成する。
【００２１】
予混合・予蒸発室４３の上流端と前室４４とが第２燃料液膜化通路５６および第２空気通路５７で接続される。第２燃料液膜化通路５６の上流端にはスワーラ５８が設けられるとともに、中間部には第２燃料通路５９に連なる環状溝５５の内周に形成された複数の燃料噴出口６０…が開口する。前記燃料噴出口６０…は第２燃料液膜化通路５６に接線方向に開口する（図６参照）。予混合・予蒸発室４３の上流端に臨む第２燃料液膜化通路５６の下流端が環状に開口しており、その外周を囲むように第２空気通路５７の下流端が環状に開口することにより、エアーブラスト型のノズルチップ６１が構成される。気相燃焼室２０に臨む予混合・予蒸発室４３の下流端には、前記第１燃料ノズル４１のノズルチップ５３の外周を囲むようにスワーラ６２が設けられる。
【００２２】
ガスタービンエンジンＥの始動時に混合気に着火すべく、セラミックヒータよりなる点火栓６３が第２燃料ノズル４２を貫通して第１燃料ノズルノズル４１と平行に延びており、その先端が第１燃料ノズル４１のノズルチップ５３の近傍に臨んでいる。
【００２３】
次に、本発明の実施例の作用について説明する。
【００２４】
図１において、吸気通路５から吸い込まれてコンプレッサホイール９により圧縮された空気は圧縮空気通路４を経て伝熱型熱交換器１２に送られ、そこで高温の燃焼ガスとの間で熱交換することにより加熱される。伝熱型熱交換器１２を通過した圧縮空気は圧縮空気通路２１を経て単缶型燃料器１８の予混合部１９に達し、そこで燃料と混合する。予混合部１９から単缶型燃焼器１８の気相燃焼室２０に流入した混合気は気相燃焼し、発生した燃焼ガスは燃焼ガス通路２４を通過する間にタービンホイール１０を駆動する。燃焼ガスは更に伝熱型熱交換器１２を通過して空気との間で熱交換した後にエンジンケーシング１から排出される。このようにしてタービンホイール１０が回転すると、その回転トルクは回転軸８を介してコンプレッサホイール９および発電機２に伝達される。
【００２５】
次に、図３および図４を参照して予混合部１９における作用を説明する。
【００２６】
圧縮空気通路２１から前室４４を経て第１燃料ノズル４１の第１空気通路４７に供給された空気は第１燃料液膜化通路４６の上流端に供給され、その際にスワーラ４８を通過して旋回流となる。第１燃料通路５１から燃料噴出口５２…（図５参照）を経て第１燃料ノズル４１の第１燃料液膜化通路４６の上流端に供給された燃料は、接線方向に開口する前記燃料噴出口５２…により旋回流となる。そして同方向の旋回流である空気と混合して微粒化され、旋回流の遠心力により半径方向外側に付勢されて第１燃料液膜化通路４６の外周面に沿う燃料液膜が形成される。一方、第１空気通路４７の空気は、第１燃料液膜化通路４６の外周に沿って流れ、その下流端に設けられたスワーラ５０を通過して旋回流となる。而して、ノズルチップ５３において、内側に位置する第１燃料液膜化通路４６の下流端から噴出する燃料および空気の混合気と、第１燃料液膜化通路４６の外周を囲む第１空気通路４７の下流端から噴出する空気とが出会い、第１空気通路４７から高圧で噴射される空気の圧力で第１燃料液膜化通路４６から噴出する燃料液膜が更に微粒化されて気相燃焼室２０に供給される。
【００２７】
拡散燃焼用の第１燃料ノズル４１は着火性や保炎性が優れているという特徴を持ち、混合気に速やかに着火する必要があるガスタービンエンジンＥの始動時や、炎が消え易い減速時に気相燃焼室２０に燃料を供給する。また拡散燃焼方式は予混合・予蒸発燃焼方式に比べてエミッション特性の点では若干不利である。しかしながら、第１燃料液膜化通路４６に供給される空気および燃料が、それぞれスワーラ４８および接線方向に開口する燃料噴出口５２…により予旋回が与えられて微粒化されるだけでなく、ノズルチップ５３において第１燃料液膜化通路４６から供給される燃料が第１空気通路４７から供給される高圧の空気と混合し、そのエアーブラスト作用により微粒化が促進されるため、拡散燃焼方式でありながらエミッション特性を充分に向上させることができる。
【００２８】
一方、予混合・予蒸発燃焼用の第２燃料ノズル４２はエミッション特性が優れているという特徴を持ち、ガスタービンエンジンＥの始動時や減速時を除く通常運転時に気相燃焼室２０に燃料を供給する。即ち、前室４４の空気は第２燃料ノズル４２のスワーラ５８を通過して旋回流となり、第２燃料液膜化通路５６に供給される。第２燃料通路５９から燃料噴出口６０…（図６参照）を経て第２燃料液膜化通路５６の中間部に供給された燃料は、接線方向に開口する前記燃料噴出口６０…により旋回流となり、同方向の旋回流である空気と混合して効果的に微粒化され、旋回流の遠心力により半径方向外側に付勢されて第２燃料液膜化通路５６の外周面に沿う燃料液膜が形成される。第２燃料液膜化通路５６の燃料液膜は、ノズルチップ６１から予混合・予蒸発室４３の上流端に噴出し、更に前室４４から第２空気通路５７に供給された高圧の空気はノズルチップ６１から前記燃料液膜の外周を囲むように噴出する。而して、エアーブラストノズルを構成するノズルチップ６１において、内側に位置する第２燃料液膜化通路５６の下流端から噴出する燃料および空気の混合気と、第２燃料液膜化通路５６の外周を囲む第２空気通路５７の下流端から噴出する空気とが出会い、第２空気通路５７の空気の圧力で第２燃料液膜化通路５６から噴出する燃料が更に微粒化されて予混合・予蒸発室４３に供給される。予混合・予蒸発室４３内の混合気はスワーラ６２を通過して旋回流となり、気相燃焼室２０に供給される。
【００２９】
第１燃料ノズル４１を囲むように設けられた第２燃料ノズル４２は必然的に大径になるため、燃料を微粒化する上で不利になるが、スワーラ５８により第２燃料液膜化通路５６を流れる空気に与えられるスワールを強めるとともに、該第２燃料液膜化通路５６を流れる空気の流速を高めることにより燃料の微粒化を促進している。図７は第２燃料液膜化通路５６のスワール数と燃料粒径との関係を示すグラフであって、本実施例ではスワーラ５８により発生するスワール数を充分に高めることにより、目標とする燃料粒径の最小値を大幅に下回る燃料粒径を確保している。図８は第２燃料液膜化通路５６の流れ方向に沿う流速分布を示すグラフであって、第２燃料液膜化通路５６の流路断面積を燃料噴出口６０…の位置からノズルチップ６１の位置に向けて漸減させることにより、ノズルチップ６１の位置において最大の流速が得られるようにしている。
【００３０】
而して、第２燃料液膜化通路５６の構造と、その下流端のエアーブラスト方式のノズルチップ６１との相乗効果により、第２燃料ノズル４２は大径でありながら優れた燃料の微粒化性能を発揮することができる。
【００３１】
また第２燃料液膜化通路５６からノズルチップ６１を経て噴出した混合気は予混合・予蒸発室４３の内部に旋回流を生成するが、一般に旋回流の中心部近傍では流れに淀みが発生するため逆火による自己着火現象が起こり易くなる。しかしながら、本実施例では、ノズルチップ６１において第２燃料液膜化通路５６の外周を覆うように第２空気通路５７が開口しており、しかも第２空気通路５７から予混合・予蒸発室４３の内部に供給される空気流はスワールを伴わないストレート流であるため、内側の混合気の旋回流を、外側の流速の大きい空気のストレート流で覆って該旋回流の中心部近傍での自己着火現象を回避することができる。更に予混合・予蒸発室４３の出口にスワーラ６２を配置したことにより、そのスワーラ６２で混合気の淀みを抑制して逆火による自己着火現象を回避することができる。
【００３２】
以上のように、着火性能および保炎性能に優れた拡散燃焼用の第１燃料ノズル４１と、エミッション特性に優れた予混合・予蒸発燃焼用の第２燃料ノズル４２とを併用しているので、着火性能および保炎性能、並びにエミッション特性を両立させることができる。
【００３３】
図１から明らかなように、回転軸８の中心を通るエンジンケーシング１の軸線Ｌに対して、コンプレッサホイール９、タービンホイール１０、伝熱型熱交換器１２、単缶型燃焼器１８を含む各部材が軸対称に配置されている。その結果、ガスタービンエンジンＥ内部の圧縮空気や燃焼ガスの流れが軸対称になって円周方向に均一化されるため、圧損が減少して出力の増加および燃費の低減が可能となる。また、ガスタービンエンジンＥ内部の温度分布も軸対称になって各部材の熱的な歪みが最小限に抑えられ、コンプレッサホイール９やタービンホイール１０のスムーズな回転が確保されるとともに、熱応力によるセラミック製部品の損傷等が効果的に防止される。更に、エンジンケーシング１や各ダクト類も軸対称化することができるので、それらを板金等の薄肉材料で製作することが可能となって軽量化が達成されるばかりか、ヒートマスの減少によって冷間始動時の熱損失を減少させて更なる燃費の低減が可能となる。
【００３４】
また、単缶型燃焼器１８の入口における空気密度の均一化や流速の均一化は燃焼ガス中の有害成分の低減に対して重要であるが、前記軸対称配置により単缶型燃焼器１８に流入する空気の流れを軸対称化することができる。更に、伝熱型熱交換器１２の圧縮空気入口１３および燃焼ガス入口１５における流速の均一化は熱交換効率の向上や圧損の低減を図る上で重要であるが、前記軸対称配置により伝熱型熱交換器１２に流入する圧縮空気や燃焼ガスの流れを軸対称化することができる。
【００３５】
更に、図３から明らかなように、単缶型燃焼器１８を構成する気相燃焼室２０、予混合・予蒸発室４３、第１燃料ノズル４１および第２燃料ノズル４２も軸線Ｌに対して軸対称に配置されているので、空気、燃料、混合気および燃焼ガスの流れが軸対称になって円周方向に均一化される。その結果、気相燃焼室２０に供給される混合気の空燃比が円周方向に均一になってエミッション特性が更に向上するだけでなく、単缶型燃焼器１８の各部の温度分布も軸対称になって熱的な歪みを最小限に抑えることができる。
【００３６】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、請求項１に記載された発明によれば、燃料ノズルの燃料液膜化通路が、そこを流れる空気を予旋回させるスワーラを備えるとともに、前記予旋回する空気の流れと同方向に燃料を噴射する燃料噴出口とを備えているので、燃料液膜化通路に供給された空気および燃料に強い予旋回流を発生させて燃料の微粒化を促進することができる。また燃料ノズルの燃料液膜化通路からノズルチップを経て予混合・予蒸発室に供給された燃料および空気の旋回流の半径方向外側を、燃料ノズルの空気通路からノズルチップを経て予混合・予蒸発室に供給された空気のストレート流で覆うので、前記旋回流の中心の淀み部分が気相燃焼室からの逆火で自己着火するのを確実に回避することができる。
【００３８】
また請求項２に記載された発明によれば、予混合・予蒸発室の下流端に設けたスワーラで混合気の淀みを抑制することにより、気相燃焼室から予混合・予蒸発室への逆火を防止して予混合・予蒸発室における混合気の自己着火を一層確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービンエンジンの縦断面図
【図２】図１の２−２線拡大断面図
【図３】ガスタービンエンジンの燃焼器の拡大縦断面図
【図４】図３の要部拡大図
【図５】図３の５−５線断面図
【図６】図３の６−６線断面図
【図７】第２燃料液膜化通路のスワール数と燃料粒径との関係を示すグラフ
【図８】第２燃料液膜化通路の流れ方向に沿う流速分布を示すグラフ
【符号の説明】
２０        気相燃焼室
４２        第２燃料ノズル（燃料ノズル）
４３        予混合・予蒸発室
５６        第２燃料液膜化通路（燃料液膜化通路）
５７        第２空気通路（空気通路）
５８        スワーラ
６０        燃料噴出口
６１        ノズルチップ
６２        スワーラ
【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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