JP2004183945A - ガスタービン燃焼器、及びこれを備えたガスタービン - Google Patents
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Abstract
【課題】低ＮＯｘ化を安定的に実現すべく、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、燃焼領域を有する内筒６の前端に連結された尾筒７と、この尾筒７の側壁に連結されて、一端１１ａが尾筒７内に開口するとともに、他端１１ｂが内筒６及び尾筒７の周囲を形成する車室５内に開口するバイパスダクト１１と、よりなり、多数の貫通孔５２を有しバイパスダクト１１を横断した板状部材５０が配設される。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、バイパスダクト１１の一端１１ａから導入されて板状部材５０の各貫通孔５１に有効に捕捉されるとともに、バイパスダクト１１で連結された車室５内の空気と共鳴して、各貫通孔５１を通じて振動し、その振幅が減衰される。
【選択図】 図１
【解決手段】燃焼器３は、燃焼領域を有する内筒６の前端に連結された尾筒７と、この尾筒７の側壁に連結されて、一端１１ａが尾筒７内に開口するとともに、他端１１ｂが内筒６及び尾筒７の周囲を形成する車室５内に開口するバイパスダクト１１と、よりなり、多数の貫通孔５２を有しバイパスダクト１１を横断した板状部材５０が配設される。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、バイパスダクト１１の一端１１ａから導入されて板状部材５０の各貫通孔５１に有効に捕捉されるとともに、バイパスダクト１１で連結された車室５内の空気と共鳴して、各貫通孔５１を通じて振動し、その振幅が減衰される。
【選択図】 図１
Description
【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１４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】
【特許文献１】
特開２００１−２５４６３４号公報
【特許文献２】
特開２００２−１７４４２７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、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。
【０００８】
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。
【０００９】
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、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。
【００１０】
【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と、一端が前記筒体における前記燃焼領域又はその下流域に開口するとともに、他端が前記筒体の周囲を形成する車室内に開口するバイパスダクトと、よりなるガスタービン燃焼器において、多数の貫通孔を有し前記バイパスダクトを横断した板状部材が配設されている。これにより、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、バイパスダクトの一端から導入されて板状部材の各貫通孔に有効に捕捉されるとともに、バイパスダクトで連結された車室内の空気と共鳴して、各貫通孔を通じて振動し、その振幅が減衰される。こうして燃焼振動が低減される。
【００１１】
特に燃焼振動における種々の周波数域に対する減衰の応答性は、１つに、バイパスダクトの横断面に相当する板状部材の領域において、貫通孔の開口面積の占める割合で定まる。そこで、周波数域の異なる種々の燃焼振動に対し、容易に対応可能にするために、前記板状部材は、前記バイパスダクトに対する横断方向にスライド移動可能であって、前記バイパスダクトの横断面と略同一の大きさで、前記貫通孔の開口面積の占める割合が相互に異なる貫通孔存在領域を複数有することが好ましい。
【００１２】
ここで、バイパスダクトには、本来、車室から筒体内にバイパス空気を導入して燃焼ガス濃度を調整する機能、すなわちバイパス空気の流量を調整する機能が要求されるが、上記の構成のままでは、板状部材が障害となってバイパス空気の流量が不十分となり、バイパスダクトの本来の機能を果たせない場合がある。そこで、バイパスダクトの本来の機能を損なうことなく、燃焼振動を低減できるようにする観点から、前記車室から前記バイパスダクトを経由して前記筒体内に導入されるバイパス空気の流量を開閉度合いで調整するバイパス弁が、前記バイパスダクトに配設されており、前記板状部材が、前記バイパスダクトの横断面と略同一の大きさで貫通する貫通領域を有するとよい。
【００１３】
これと同様にバイパスダクトの本来の機能を損なうことなく、燃焼振動を低減できるようにし、更に構成を簡単にする観点から、前記板状部材は、前記バイパスダクトの横断面と略同一の大きさで貫通する貫通領域、及び、前記バイパスダクトの横断面と略同一の大きさで、前記貫通孔が存しない貫通孔不存在領域を有してもよい。
【００１４】
また、燃焼振動の低減される度合いは、バイパスダクトにおける車室への開口端（他端）から板状部材までの距離で変動するため、これを踏まえて、燃焼振動を十分低減できるように、前記バイパスダクトにおける前記他端部に、その軸方向に突出入可能で所定長さを有した筒状部材が嵌挿されていることが好ましい。
【００１５】
また、上記目的を達成する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と、一端が前記筒体における前記燃焼領域又はその下流域に開口するとともに、他端が前記筒体の周囲を形成する車室内に開口するバイパスダクトと、よりなるガスタービン燃焼器において、前記バイパスダクトにおける前記一端の近傍で横断した隔壁と、この隔壁を嵌通し前記隔壁の少なくとも一方の面から突出する突出管と、この突出管に挿嵌され多数の貫通孔を有する抵抗体と、を備えている。これにより流体粒子は、抵抗体に有効に捕捉されるとともに、突出管で連結されたバイパスダクト内における隔壁から他端まで空間の空気と共鳴して、抵抗体付近で振動し、その振幅が減衰される。こうして燃焼振動が低減される。
【００１６】
更に、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、前記隔壁を複数連設し、これら各隔壁に前記突出管及び前記抵抗体を備えるとよい。
【００１７】
また、燃焼振動をより十分に低減させる観点から、前記筒体の外側に配設されて所定容積の内部空間を形成する箱体と、前記燃焼領域又はその下流域に開口するとともに、前記内部空間に開口する所定長さのスロートと、を備え、前記スロートに多数の貫通孔を有する抵抗体が挿嵌されていることが好ましい。これにより流体粒子は、板状部材における貫通孔や隔壁の突出管における抵抗体付近での振動に加えて、スロートで連結された内部空間の空気と共鳴して、スロートにおける抵抗体付近で振動し、その振幅が減衰される。
【００１８】
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。
【００１９】
【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縦断面図、図２はその燃焼器の要部横断面図である。なお、図中で図１４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２〜７実施形態においても同様とする。
【００２０】
本実施形態の燃焼器３は、図１４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、２に示すように、燃焼領域を有する内筒６（不図示）の前端に尾筒７が連結されており、内筒６及びその下流域の尾筒７により筒体が構成される。その尾筒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１１ａは尾筒７内に開口し、他端１１ｂは筒体の周囲を形成する車室５内に開口している。
【００２１】
更に、バイパスダクト１１には、これを横断するように板状部材５０が配設されており、この板状部材５０には、多数の貫通孔５１が形成されている。このような板状部材５０は、貫通孔５１が穿設されたような金属板に限らず、例えば、パンチングメタル、セラミック焼結金属、焼結金網も適用できる。
【００２２】
このような構成のもと、内筒６内の燃焼領域で生じた燃焼振動に関しては、その振動要素である流体粒子が、尾筒７を経由して伝播し、次いでバイパスダクト１１の一端１１ａから導入されて板状部材５０の各貫通孔５１に有効に捕捉される。そして、バイパスダクト１１で連結された車室５内の空気と共鳴して、各貫通孔５１を通じて振動する。この振動により、流体粒子の振幅が減衰され、その燃焼振動が低減されていく。その結果、安定的な低ＮＯｘ化を実現できる。
【００２３】
なお、図１では、バイパスダクト１１に対して板状部材５０が１つ配設されているが、２つ以上連設されても勿論構わない。
【００２４】
次に、本発明の第２実施形態について、図３〜７を参照しながら説明する。本第２実施形態の特徴は、第１に、バイパスダクト１１の本来の機能を損なうことなく、燃焼振動を低減できるように図り、第２に、周波数域の異なる種々の燃焼振動に対し、容易に対応可能にするよう図った点にある。
【００２５】
第１の特徴点に関しては、バイパスダクト１１には、本来、車室５から筒体（尾筒７）内にバイパス空気を導入して燃焼ガス濃度を調整する機能、すなわちバイパス空気の流量を調整する機能が要求されるが、第１実施形態の構成のままでは、板状部材５０が障害となってバイパス空気の流量が不十分となり、バイパスダクト１１の本来の機能を果たせない場合があるからである。
【００２６】
第２の特徴点に関しては、燃焼振動における種々の周波数域に対する減衰の応答性は、１つに、バイパスダクト１１の横断面に相当する板状部材５０の領域において、貫通孔５１の開口面積の占める割合（以下、「開口率」と記すことがある）で定まるため、振動燃焼の周波数域によっては減衰の応答性が著しく低下する場合があるからである。
【００２７】
そこで、本実施形態では、図３に示すように、板状部材５０が、バイパスダクト１１に対する横断方向（図中の矢印Ｘ）にスライド移動可能となっている。この板状部材５０には、図４に示すように、バイパスダクト１１の横断面１１ｃと略同一の大きさで、貫通孔５１の開口面積の占める割合が相互に異なる貫通孔存在領域Ａ１、Ａ２・・・が形成され、更に、横断面１１ｃと略同一の大きさで貫通する貫通領域Ｂが形成されている。なお、図４では、貫通孔存在領域Ａ２の開口率の方が、貫通孔存在領域Ａ１よりも大きい。
【００２８】
また、バイパスダクト１１には、板状部材５０に隣接して、バイパス弁１２が配設されており、このバイパス弁１２も板状部材５０と同様に、バイパスダクト１１に対する横断方向（図３中の矢印Ｙ）にスライド移動可能となっている。具体的には、複数の燃焼器３がガスタービン１の主軸に対して同一円周上に等角度間隔で配設されていることから、バイパス弁１２は、図５に示すように、ガスタービン１の主軸と同軸状のリング状プレートを基板部１２ａとし、この基板部１２ａは、各燃焼器３のバイパスダクト１１を横断するように配設されている。この基板部１２ａには、各バイパスダクト１１の各々に対応した貫通口１２ｂが形成され、基板部１２ａの外周には、径方向に突出しバイパス弁可変機構１３（図１４参照）に接続されたレバー１２ｃが固定されている。
【００２９】
そして、バイパス弁可変機構１３を駆動することにより、レバー１２ｃが円周方向に移動し、これに伴い基板部１２ａが円周方向にスライド回転、すなわち各バイパスダクト１１に対する横断方向（図３中の矢印Ｙ）にスライド移動するようになる。
【００３０】
このような構成の燃焼器３の動作について、図６、７を参照しながら以下に説明する。先ず、バイパスダクト１１の本来の機能であるバイパス空気の流量を調整する際は、図６に示すように、板状部材５０をスライド移動させて、貫通領域Ｂがバイパスダクト１１の横断面に相当する領域に一致するよう選定する。この状態で、バイパス弁１２をスライド移動させることにより、バイパス弁１２の開閉度合いが調整され、これにより、バイパスダクト１１の本来の機能であるバイパス空気の流量調整がなされる。
【００３１】
例えば、バイパスダクト１１を閉じてバイパス空気の流入を停止する場合は、バイパスダクト１１の横断面に相当する領域に、貫通領域Ｂが一致するよう板状部材５０をスライド移動させて選定するとともに、貫通口１２ｂが掛からないようバイパス弁１２をスライド移動させ（図６（ａ）参照）、また、バイパスダクト１１を完全に開いてバイパス空気の流入を全開する場合は、バイパスダクト１１の横断面に相当する領域に、貫通口１２ｂが一致するようバイパス弁１２をスライド移動させる（図６（ｂ）参照）。なお、バイパス空気の流入を中間的に調整する場合は、バイパスダクト１１の横断面に相当する領域に貫通口１２ｂが一部掛かるようにして、開口割合を調整することで足りる。
【００３２】
これに対して、燃焼振動を低減させる際は、図７に示すように、バイパス弁１２をスライド移動させて、貫通口１２ｂがバイパスダクト１１の横断面に相当する領域に一致するよう選定する。つまり、バイパスダクト１１が完全に開かれた状態にする。この状態で、板状部材５０をスライド移動させて、バイパスダクト１１の横断面に相当する領域に、燃焼振動における種々の周波数域に見合った貫通孔存在領域Ａ１、Ａ２・・・が一致するように選定する。例えば、図７（ａ）は、貫通孔存在領域Ａ１を選定した状態で、図７（ｂ）は、貫通孔存在領域Ａ２を選定した状態である。これにより、その周波数域の燃焼振動に対しての減衰の応答性が確保され、燃焼振動が低減される。
【００３３】
従って、バイパスダクトの本来の機能を損なうことなく、種々の周波数域に対する燃焼振動を確実に低減できる。
【００３４】
次に、本発明の第３実施形態について、図８、９を参照しながら説明する。本第３実施形態の特徴は、第２実施形態と同様に、バイパスダクト１１の本来の機能を損なうことなく、燃焼振動を低減できるように図るとともに、周波数域の異なる種々の燃焼振動に対し、容易に対応可能にするよう図り、更に構成を簡単にするよう図った点にある。
【００３５】
つまり、本実施形態では、図８、９に示すように、第２実施形態におけるバイパス弁１２を排除し、その代替として板状部材５０には、貫通孔存在領域Ａ１、Ａ２・・・、及び貫通領域Ｂに加えて、バイパスダクト１１の横断面１１ｃと略同一の大きさで、貫通孔５１が存しない貫通孔不存在領域Ｃが形成されている。
【００３６】
このような構成のもと、バイパス空気の流量を調整する際は、板状部材５０を適宜スライド移動させて、貫通孔存在領域Ａ１、Ａ２・・・、貫通領域Ｂ、又は貫通孔不存在領域Ｃが、バイパスダクト１１の横断面に相当する領域に一致するよう選定する。これにより、バイパス弁１２の開閉度合いが調整され、バイパスダクト１１の本来の機能であるバイパス空気の流量調整がなされる。
【００３７】
他方、燃焼振動を低減させる際は、板状部材５０をスライド移動させて、バイパスダクト１１の横断面に相当する領域に、燃焼振動における種々の周波数域に見合った貫通孔存在領域Ａ１、Ａ２・・・が一致するように選定する。これにより、その周波数域の燃焼振動に対しての減衰の応答性が確保され、燃焼振動が低減される。
【００３８】
従って、第２実施形態と同様に、バイパスダクトの本来の機能を損なうことなく、種々の周波数域に対する燃焼振動を確実に低減できるし、更に、第２実施形態のようなバイパス弁１２を別個に設ける必要がない、すなわち、バイパス弁１２の機能を板状部材５０が兼用することから、構成を簡単にできるという利点がある。
【００３９】
次に、本発明の第４実施形態について、図１０を参照しながら説明する。本第４実施形態の特徴は、第１〜３実施形態の燃焼器３において、燃焼振動の低減度合いを調整可能にした点にある。これは、燃焼振動の低減される度合いが、バイパスダクト１１における車室５への開口端（図１、３、８では他端１１ｂ）から板状部材５０までの距離Ｌで変動するからである。
【００４０】
そこで、本実施形態では、バイパスダクト１１における他端部１１ｂに、その軸方向に突出入可能で所定長さを有した筒状部材５５が嵌挿されている。これにより、筒状部材５５を突出させることで、距離Ｌが実質的に板状部材５０から筒状部材５５の先端までに延長される。従って、筒状部材５５の突出量を調整することで、距離Ｌの調整が自在となることから、その距離Ｌによって変動する燃焼振動の低減度合いの調整が可能となる。その結果、燃焼振動を十分低減できるように設定できる。
【００４１】
次に、本発明の第５実施形態について、図１１を参照しながら説明する。本第５実施形態の特徴は、流体粒子の振動を誘発する共鳴用の空気が、第１〜４実施形態における燃焼器３では車室５内の空気であるのに対し、本実施形態ではバイパスダクト１１内の空気とする点にある。
【００４２】
つまり、本実施形態では、図１１に示すように、バイパスダクト１１における一端１１ａの近傍で、これを横断するように隔壁６０が配設されており、この隔壁６０には、隔壁６０を嵌通し少なくとも一方の面に突出する突出管６１が設けられている。更に、この突出管６１内には、多数の貫通孔を有する抵抗体６２が挿嵌されている。この抵抗体６２は、例えば、パンチングメタル、セラミック焼結金属、焼結金網が適用される。
【００４３】
このような構成のもと、内筒６内の燃焼領域で生じた燃焼振動に関しては、流体粒子は、尾筒７を経由して伝播し、次いでバイパスダクト１１の一端１１ａから導入されて突出管６１内の抵抗体６２に有効に捕捉される。そして、突出管６１で連結されたバイパスダクト１１内における隔壁６０から他端１１ｂまで空間の空気と共鳴して、抵抗体６２付近で振動する。この振動により、流体粒子の振幅が減衰され、その燃焼振動が低減されていく。その結果、安定的な低ＮＯｘ化を実現できる。
【００４４】
なお、図１１では、隔壁６０に対して突出管６１及び抵抗体６２が１つずつ配設されているが、２つ以上ずつ連設されても勿論構わない。
【００４５】
次に、本発明の第６実施形態について、図１２を参照しながら説明する。本第６実施形態の特徴は、第５実施形態の燃焼器３において燃焼振動を効率よく低減させるように図った点にある。
【００４６】
つまり、本実施形態では、図１２に示すように、隔壁６０を複数連設し、これら各隔壁６０に突出管６１及び抵抗体６１を備えている。これにより、流体粒子は、各突出管６１で連結された隔壁間６０の各空間の空気と共鳴して、各抵抗体６２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、燃焼振動を効率よく低減できる。
【００４７】
最後に、本発明の第７実施形態について説明する。本第７実施形態の特徴は、第１〜６実施形態の燃焼器３において燃焼振動をより十分に低減させるように図った点にあり、その構成の一例を図１３に示す。
【００４８】
図１３に示すように、第１〜４実施形態に準じた板状部材５０に加え、バイパスダクト１１の側壁の外側に箱体３０が配設されており、この箱体３０内の空洞によって所定容積の内部空間３１が形成されている。また、箱体３０は、所定長さを有する管状のスロート３２を介してバイパスダクト１１の側壁に連結されていて、このスロート３２は、バイパスダクト１１内に開口するとともに、内部空間３１に開口している。
【００４９】
更に、スロート３２内には、多数の貫通孔を有する抵抗体３３が挿嵌されている。この抵抗体３３は、第５、６実施形態における抵抗体６２と同様、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。
【００５０】
このような構成のもと、内筒６内の燃焼領域で生じた燃焼振動に関しては、流体粒子は、板状部材５０における貫通孔５１での振動に加えて、スロート３２で連結された内部空間３１の空気と共鳴して、スロート３２における抵抗体３３付近で振動し、その振幅が減衰される。従って、燃焼振動をより十分に低減させることが可能となる。
【００５１】
なお、図１３では、第１〜４実施形態に準じた構成を基本として、本実施形態の特徴的な構成である箱体３０等を付加させているが、勿論第５、６実施形態に準じた構成に付加させても構わない。また、スロート３２で連結する対象は、バイパスダクト１１の壁面に限らず、内筒６や尾筒７の壁面であってもよい。
【００５２】
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。
【００５３】
【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と、一端が前記筒体における前記燃焼領域又はその下流域に開口するとともに、他端が前記筒体の周囲を形成する車室内に開口するバイパスダクトと、よりなるガスタービン燃焼器において、多数の貫通孔を有し前記バイパスダクトを横断した板状部材が配設されているので、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、バイパスダクトの一端から導入されて板状部材の各貫通孔に有効に捕捉されるとともに、バイパスダクトで連結された車室内の空気と共鳴して、各貫通孔を通じて振動し、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、安定的な低ＮＯｘ化を実現できる。
【００５４】
特に、前記板状部材は、前記バイパスダクトに対する横断方向にスライド移動可能であって、前記バイパスダクトの横断面と略同一の大きさで、前記貫通孔の開口面積の占める割合が相互に異なる貫通孔存在領域を複数有すると、板状部材を適宜スライド移動させて、燃焼振動における種々の周波数域に見合った貫通孔存在領域を選定することができる。従って、周波数域の異なる種々の燃焼振動に対して減衰の応答性への対応が容易に可能となる。
【００５５】
ここで、前記車室から前記バイパスダクトを経由して前記筒体内に導入されるバイパス空気の流量を開閉度合いで調整するバイパス弁が、前記バイパスダクトに配設されており、前記板状部材が、前記バイパスダクトの横断面と略同一の大きさで貫通する貫通領域を有すると、板状部材をスライド移動させて貫通領域を選定した上で、バイパス弁の開閉度合いを調整することにより、バイパスダクトの本来の機能であるバイパス空気の流量調整が十分になされ、他方、バイパス弁を開いた上で、板状部材を適宜スライド移動させて、燃焼振動における種々の周波数域に見合った貫通孔存在領域を選定することにより、その周波数域の燃焼振動に対しての減衰の応答性を確保できる。つまり、バイパスダクトの本来の機能を損なうことなく、燃焼振動を低減できる。
【００５６】
これに対し、前記板状部材は、前記バイパスダクトの横断面と略同一の大きさで貫通する貫通領域、及び、前記バイパスダクトの横断面と略同一の大きさで、前記貫通孔が存しない貫通孔不存在領域を有していると、板状部材を適宜スライド移動させて、貫通領域、貫通孔存在領域、又は各貫通孔不存在領域を選定することにより、バイパス空気の流量調整が十分になされ、他方、燃焼振動における種々の周波数域に見合った貫通孔存在領域を選定することにより、その周波数域の燃焼振動に対しての減衰の応答性を確保できる。つまり、上記と同様に、バイパスダクトの本来の機能を損なうことなく、燃焼振動を低減できるし、更に、上記のようなバイパス弁を別個に設ける必要がないことから、構成を簡単にできるという利点がある。
【００５７】
また、前記バイパスダクトにおける前記他端部に、その軸方向に突出入可能で所定長さを有した筒状部材が嵌挿されていると、筒状部材を突出入させることでバイパスダクトにおける車室への開口端から板状部材までの距離を自在に調整できることから、その距離によって変動する燃焼振動の低減度合いの調整が可能となり、これにより燃焼振動を十分低減できるように設定できる。
【００５８】
また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と、一端が前記筒体における前記燃焼領域又はその下流域に開口するとともに、他端が前記筒体の周囲を形成する車室内に開口するバイパスダクトと、よりなるガスタービン燃焼器において、前記バイパスダクトにおける前記一端の近傍で横断した隔壁と、この隔壁を嵌通し前記隔壁の少なくとも一方の面から突出する突出管と、この突出管に挿嵌され多数の貫通孔を有する抵抗体と、を備えているので、流体粒子は、抵抗体に有効に捕捉されるとともに、突出管で連結されたバイパスダクト内における隔壁から他端まで空間の空気と共鳴して、抵抗体付近で振動し、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、安定的な低ＮＯｘ化を実現できる。
【００５９】
更に、前記隔壁を複数連設し、これら各隔壁に前記突出管及び前記抵抗体を備えると、流体粒子は、更に各突出管で連結された隔壁間の各空間の空気と共鳴して、各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、燃焼振動を効率よく低減できる。
【００６０】
また、前記筒体の外側に配設されて所定容積の内部空間を形成する箱体と、前記燃焼領域又はその下流域に開口するとともに、前記内部空間に開口する所定長さのスロートと、を備え、前記スロートに多数の貫通孔を有する抵抗体が挿嵌されていると、流体粒子は、板状部材における貫通孔や隔壁の突出管における抵抗体付近での振動に加えて、スロートで連結された内部空間の空気と共鳴して、スロートにおける抵抗体付近で振動し、その振幅が減衰される。従って、燃焼振動をより十分に低減させることが可能となる。
【００６１】
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実施形態の燃焼器の要部横断面図である。
【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板状部材の平面図である。
【図５】第２実施形態の燃焼器におけるバイパス弁の平面図である。
【図６】第２実施形態の燃焼器におけるバイパス空気量調整動作を示す要部縦断面図である。
【図７】第２実施形態の燃焼器における減衰振動低減動作を示す要部縦断面図である。
【図８】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９】第３実施形態の燃焼器における板状部材の平面図である。
【図１０】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１１】本発明の第５実施形態である燃焼器の要部縦断面図である。
【図１２】本発明の第６実施形態である燃焼器の要部縦断面図である。
【図１３】本発明の第７実施形態である燃焼器の一例を示す要部縦断面図である。
【図１４】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
１２ａ 基板部
１２ｂ 貫通口
１２ｃ レバー
１３ バイパス弁可変機構
３０ 箱体
３１ 内部空間
３２ スロート
３３ 抵抗体
５０ 板状部材
５１ 貫通孔
５５ 筒状部材
６０ 隔壁
６１ 突出管
６２ 抵抗体
Ａ１、Ａ２ 貫通孔存在領域
Ｂ 貫通領域
Ｃ 貫通孔不存在領域
【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１４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】
【特許文献１】
特開２００１−２５４６３４号公報
【特許文献２】
特開２００２−１７４４２７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、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。
【０００８】
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。
【０００９】
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、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。
【００１０】
【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と、一端が前記筒体における前記燃焼領域又はその下流域に開口するとともに、他端が前記筒体の周囲を形成する車室内に開口するバイパスダクトと、よりなるガスタービン燃焼器において、多数の貫通孔を有し前記バイパスダクトを横断した板状部材が配設されている。これにより、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、バイパスダクトの一端から導入されて板状部材の各貫通孔に有効に捕捉されるとともに、バイパスダクトで連結された車室内の空気と共鳴して、各貫通孔を通じて振動し、その振幅が減衰される。こうして燃焼振動が低減される。
【００１１】
特に燃焼振動における種々の周波数域に対する減衰の応答性は、１つに、バイパスダクトの横断面に相当する板状部材の領域において、貫通孔の開口面積の占める割合で定まる。そこで、周波数域の異なる種々の燃焼振動に対し、容易に対応可能にするために、前記板状部材は、前記バイパスダクトに対する横断方向にスライド移動可能であって、前記バイパスダクトの横断面と略同一の大きさで、前記貫通孔の開口面積の占める割合が相互に異なる貫通孔存在領域を複数有することが好ましい。
【００１２】
ここで、バイパスダクトには、本来、車室から筒体内にバイパス空気を導入して燃焼ガス濃度を調整する機能、すなわちバイパス空気の流量を調整する機能が要求されるが、上記の構成のままでは、板状部材が障害となってバイパス空気の流量が不十分となり、バイパスダクトの本来の機能を果たせない場合がある。そこで、バイパスダクトの本来の機能を損なうことなく、燃焼振動を低減できるようにする観点から、前記車室から前記バイパスダクトを経由して前記筒体内に導入されるバイパス空気の流量を開閉度合いで調整するバイパス弁が、前記バイパスダクトに配設されており、前記板状部材が、前記バイパスダクトの横断面と略同一の大きさで貫通する貫通領域を有するとよい。
【００１３】
これと同様にバイパスダクトの本来の機能を損なうことなく、燃焼振動を低減できるようにし、更に構成を簡単にする観点から、前記板状部材は、前記バイパスダクトの横断面と略同一の大きさで貫通する貫通領域、及び、前記バイパスダクトの横断面と略同一の大きさで、前記貫通孔が存しない貫通孔不存在領域を有してもよい。
【００１４】
また、燃焼振動の低減される度合いは、バイパスダクトにおける車室への開口端（他端）から板状部材までの距離で変動するため、これを踏まえて、燃焼振動を十分低減できるように、前記バイパスダクトにおける前記他端部に、その軸方向に突出入可能で所定長さを有した筒状部材が嵌挿されていることが好ましい。
【００１５】
また、上記目的を達成する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と、一端が前記筒体における前記燃焼領域又はその下流域に開口するとともに、他端が前記筒体の周囲を形成する車室内に開口するバイパスダクトと、よりなるガスタービン燃焼器において、前記バイパスダクトにおける前記一端の近傍で横断した隔壁と、この隔壁を嵌通し前記隔壁の少なくとも一方の面から突出する突出管と、この突出管に挿嵌され多数の貫通孔を有する抵抗体と、を備えている。これにより流体粒子は、抵抗体に有効に捕捉されるとともに、突出管で連結されたバイパスダクト内における隔壁から他端まで空間の空気と共鳴して、抵抗体付近で振動し、その振幅が減衰される。こうして燃焼振動が低減される。
【００１６】
更に、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、前記隔壁を複数連設し、これら各隔壁に前記突出管及び前記抵抗体を備えるとよい。
【００１７】
また、燃焼振動をより十分に低減させる観点から、前記筒体の外側に配設されて所定容積の内部空間を形成する箱体と、前記燃焼領域又はその下流域に開口するとともに、前記内部空間に開口する所定長さのスロートと、を備え、前記スロートに多数の貫通孔を有する抵抗体が挿嵌されていることが好ましい。これにより流体粒子は、板状部材における貫通孔や隔壁の突出管における抵抗体付近での振動に加えて、スロートで連結された内部空間の空気と共鳴して、スロートにおける抵抗体付近で振動し、その振幅が減衰される。
【００１８】
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。
【００１９】
【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縦断面図、図２はその燃焼器の要部横断面図である。なお、図中で図１４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２〜７実施形態においても同様とする。
【００２０】
本実施形態の燃焼器３は、図１４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、２に示すように、燃焼領域を有する内筒６（不図示）の前端に尾筒７が連結されており、内筒６及びその下流域の尾筒７により筒体が構成される。その尾筒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１１ａは尾筒７内に開口し、他端１１ｂは筒体の周囲を形成する車室５内に開口している。
【００２１】
更に、バイパスダクト１１には、これを横断するように板状部材５０が配設されており、この板状部材５０には、多数の貫通孔５１が形成されている。このような板状部材５０は、貫通孔５１が穿設されたような金属板に限らず、例えば、パンチングメタル、セラミック焼結金属、焼結金網も適用できる。
【００２２】
このような構成のもと、内筒６内の燃焼領域で生じた燃焼振動に関しては、その振動要素である流体粒子が、尾筒７を経由して伝播し、次いでバイパスダクト１１の一端１１ａから導入されて板状部材５０の各貫通孔５１に有効に捕捉される。そして、バイパスダクト１１で連結された車室５内の空気と共鳴して、各貫通孔５１を通じて振動する。この振動により、流体粒子の振幅が減衰され、その燃焼振動が低減されていく。その結果、安定的な低ＮＯｘ化を実現できる。
【００２３】
なお、図１では、バイパスダクト１１に対して板状部材５０が１つ配設されているが、２つ以上連設されても勿論構わない。
【００２４】
次に、本発明の第２実施形態について、図３〜７を参照しながら説明する。本第２実施形態の特徴は、第１に、バイパスダクト１１の本来の機能を損なうことなく、燃焼振動を低減できるように図り、第２に、周波数域の異なる種々の燃焼振動に対し、容易に対応可能にするよう図った点にある。
【００２５】
第１の特徴点に関しては、バイパスダクト１１には、本来、車室５から筒体（尾筒７）内にバイパス空気を導入して燃焼ガス濃度を調整する機能、すなわちバイパス空気の流量を調整する機能が要求されるが、第１実施形態の構成のままでは、板状部材５０が障害となってバイパス空気の流量が不十分となり、バイパスダクト１１の本来の機能を果たせない場合があるからである。
【００２６】
第２の特徴点に関しては、燃焼振動における種々の周波数域に対する減衰の応答性は、１つに、バイパスダクト１１の横断面に相当する板状部材５０の領域において、貫通孔５１の開口面積の占める割合（以下、「開口率」と記すことがある）で定まるため、振動燃焼の周波数域によっては減衰の応答性が著しく低下する場合があるからである。
【００２７】
そこで、本実施形態では、図３に示すように、板状部材５０が、バイパスダクト１１に対する横断方向（図中の矢印Ｘ）にスライド移動可能となっている。この板状部材５０には、図４に示すように、バイパスダクト１１の横断面１１ｃと略同一の大きさで、貫通孔５１の開口面積の占める割合が相互に異なる貫通孔存在領域Ａ１、Ａ２・・・が形成され、更に、横断面１１ｃと略同一の大きさで貫通する貫通領域Ｂが形成されている。なお、図４では、貫通孔存在領域Ａ２の開口率の方が、貫通孔存在領域Ａ１よりも大きい。
【００２８】
また、バイパスダクト１１には、板状部材５０に隣接して、バイパス弁１２が配設されており、このバイパス弁１２も板状部材５０と同様に、バイパスダクト１１に対する横断方向（図３中の矢印Ｙ）にスライド移動可能となっている。具体的には、複数の燃焼器３がガスタービン１の主軸に対して同一円周上に等角度間隔で配設されていることから、バイパス弁１２は、図５に示すように、ガスタービン１の主軸と同軸状のリング状プレートを基板部１２ａとし、この基板部１２ａは、各燃焼器３のバイパスダクト１１を横断するように配設されている。この基板部１２ａには、各バイパスダクト１１の各々に対応した貫通口１２ｂが形成され、基板部１２ａの外周には、径方向に突出しバイパス弁可変機構１３（図１４参照）に接続されたレバー１２ｃが固定されている。
【００２９】
そして、バイパス弁可変機構１３を駆動することにより、レバー１２ｃが円周方向に移動し、これに伴い基板部１２ａが円周方向にスライド回転、すなわち各バイパスダクト１１に対する横断方向（図３中の矢印Ｙ）にスライド移動するようになる。
【００３０】
このような構成の燃焼器３の動作について、図６、７を参照しながら以下に説明する。先ず、バイパスダクト１１の本来の機能であるバイパス空気の流量を調整する際は、図６に示すように、板状部材５０をスライド移動させて、貫通領域Ｂがバイパスダクト１１の横断面に相当する領域に一致するよう選定する。この状態で、バイパス弁１２をスライド移動させることにより、バイパス弁１２の開閉度合いが調整され、これにより、バイパスダクト１１の本来の機能であるバイパス空気の流量調整がなされる。
【００３１】
例えば、バイパスダクト１１を閉じてバイパス空気の流入を停止する場合は、バイパスダクト１１の横断面に相当する領域に、貫通領域Ｂが一致するよう板状部材５０をスライド移動させて選定するとともに、貫通口１２ｂが掛からないようバイパス弁１２をスライド移動させ（図６（ａ）参照）、また、バイパスダクト１１を完全に開いてバイパス空気の流入を全開する場合は、バイパスダクト１１の横断面に相当する領域に、貫通口１２ｂが一致するようバイパス弁１２をスライド移動させる（図６（ｂ）参照）。なお、バイパス空気の流入を中間的に調整する場合は、バイパスダクト１１の横断面に相当する領域に貫通口１２ｂが一部掛かるようにして、開口割合を調整することで足りる。
【００３２】
これに対して、燃焼振動を低減させる際は、図７に示すように、バイパス弁１２をスライド移動させて、貫通口１２ｂがバイパスダクト１１の横断面に相当する領域に一致するよう選定する。つまり、バイパスダクト１１が完全に開かれた状態にする。この状態で、板状部材５０をスライド移動させて、バイパスダクト１１の横断面に相当する領域に、燃焼振動における種々の周波数域に見合った貫通孔存在領域Ａ１、Ａ２・・・が一致するように選定する。例えば、図７（ａ）は、貫通孔存在領域Ａ１を選定した状態で、図７（ｂ）は、貫通孔存在領域Ａ２を選定した状態である。これにより、その周波数域の燃焼振動に対しての減衰の応答性が確保され、燃焼振動が低減される。
【００３３】
従って、バイパスダクトの本来の機能を損なうことなく、種々の周波数域に対する燃焼振動を確実に低減できる。
【００３４】
次に、本発明の第３実施形態について、図８、９を参照しながら説明する。本第３実施形態の特徴は、第２実施形態と同様に、バイパスダクト１１の本来の機能を損なうことなく、燃焼振動を低減できるように図るとともに、周波数域の異なる種々の燃焼振動に対し、容易に対応可能にするよう図り、更に構成を簡単にするよう図った点にある。
【００３５】
つまり、本実施形態では、図８、９に示すように、第２実施形態におけるバイパス弁１２を排除し、その代替として板状部材５０には、貫通孔存在領域Ａ１、Ａ２・・・、及び貫通領域Ｂに加えて、バイパスダクト１１の横断面１１ｃと略同一の大きさで、貫通孔５１が存しない貫通孔不存在領域Ｃが形成されている。
【００３６】
このような構成のもと、バイパス空気の流量を調整する際は、板状部材５０を適宜スライド移動させて、貫通孔存在領域Ａ１、Ａ２・・・、貫通領域Ｂ、又は貫通孔不存在領域Ｃが、バイパスダクト１１の横断面に相当する領域に一致するよう選定する。これにより、バイパス弁１２の開閉度合いが調整され、バイパスダクト１１の本来の機能であるバイパス空気の流量調整がなされる。
【００３７】
他方、燃焼振動を低減させる際は、板状部材５０をスライド移動させて、バイパスダクト１１の横断面に相当する領域に、燃焼振動における種々の周波数域に見合った貫通孔存在領域Ａ１、Ａ２・・・が一致するように選定する。これにより、その周波数域の燃焼振動に対しての減衰の応答性が確保され、燃焼振動が低減される。
【００３８】
従って、第２実施形態と同様に、バイパスダクトの本来の機能を損なうことなく、種々の周波数域に対する燃焼振動を確実に低減できるし、更に、第２実施形態のようなバイパス弁１２を別個に設ける必要がない、すなわち、バイパス弁１２の機能を板状部材５０が兼用することから、構成を簡単にできるという利点がある。
【００３９】
次に、本発明の第４実施形態について、図１０を参照しながら説明する。本第４実施形態の特徴は、第１〜３実施形態の燃焼器３において、燃焼振動の低減度合いを調整可能にした点にある。これは、燃焼振動の低減される度合いが、バイパスダクト１１における車室５への開口端（図１、３、８では他端１１ｂ）から板状部材５０までの距離Ｌで変動するからである。
【００４０】
そこで、本実施形態では、バイパスダクト１１における他端部１１ｂに、その軸方向に突出入可能で所定長さを有した筒状部材５５が嵌挿されている。これにより、筒状部材５５を突出させることで、距離Ｌが実質的に板状部材５０から筒状部材５５の先端までに延長される。従って、筒状部材５５の突出量を調整することで、距離Ｌの調整が自在となることから、その距離Ｌによって変動する燃焼振動の低減度合いの調整が可能となる。その結果、燃焼振動を十分低減できるように設定できる。
【００４１】
次に、本発明の第５実施形態について、図１１を参照しながら説明する。本第５実施形態の特徴は、流体粒子の振動を誘発する共鳴用の空気が、第１〜４実施形態における燃焼器３では車室５内の空気であるのに対し、本実施形態ではバイパスダクト１１内の空気とする点にある。
【００４２】
つまり、本実施形態では、図１１に示すように、バイパスダクト１１における一端１１ａの近傍で、これを横断するように隔壁６０が配設されており、この隔壁６０には、隔壁６０を嵌通し少なくとも一方の面に突出する突出管６１が設けられている。更に、この突出管６１内には、多数の貫通孔を有する抵抗体６２が挿嵌されている。この抵抗体６２は、例えば、パンチングメタル、セラミック焼結金属、焼結金網が適用される。
【００４３】
このような構成のもと、内筒６内の燃焼領域で生じた燃焼振動に関しては、流体粒子は、尾筒７を経由して伝播し、次いでバイパスダクト１１の一端１１ａから導入されて突出管６１内の抵抗体６２に有効に捕捉される。そして、突出管６１で連結されたバイパスダクト１１内における隔壁６０から他端１１ｂまで空間の空気と共鳴して、抵抗体６２付近で振動する。この振動により、流体粒子の振幅が減衰され、その燃焼振動が低減されていく。その結果、安定的な低ＮＯｘ化を実現できる。
【００４４】
なお、図１１では、隔壁６０に対して突出管６１及び抵抗体６２が１つずつ配設されているが、２つ以上ずつ連設されても勿論構わない。
【００４５】
次に、本発明の第６実施形態について、図１２を参照しながら説明する。本第６実施形態の特徴は、第５実施形態の燃焼器３において燃焼振動を効率よく低減させるように図った点にある。
【００４６】
つまり、本実施形態では、図１２に示すように、隔壁６０を複数連設し、これら各隔壁６０に突出管６１及び抵抗体６１を備えている。これにより、流体粒子は、各突出管６１で連結された隔壁間６０の各空間の空気と共鳴して、各抵抗体６２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、燃焼振動を効率よく低減できる。
【００４７】
最後に、本発明の第７実施形態について説明する。本第７実施形態の特徴は、第１〜６実施形態の燃焼器３において燃焼振動をより十分に低減させるように図った点にあり、その構成の一例を図１３に示す。
【００４８】
図１３に示すように、第１〜４実施形態に準じた板状部材５０に加え、バイパスダクト１１の側壁の外側に箱体３０が配設されており、この箱体３０内の空洞によって所定容積の内部空間３１が形成されている。また、箱体３０は、所定長さを有する管状のスロート３２を介してバイパスダクト１１の側壁に連結されていて、このスロート３２は、バイパスダクト１１内に開口するとともに、内部空間３１に開口している。
【００４９】
更に、スロート３２内には、多数の貫通孔を有する抵抗体３３が挿嵌されている。この抵抗体３３は、第５、６実施形態における抵抗体６２と同様、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。
【００５０】
このような構成のもと、内筒６内の燃焼領域で生じた燃焼振動に関しては、流体粒子は、板状部材５０における貫通孔５１での振動に加えて、スロート３２で連結された内部空間３１の空気と共鳴して、スロート３２における抵抗体３３付近で振動し、その振幅が減衰される。従って、燃焼振動をより十分に低減させることが可能となる。
【００５１】
なお、図１３では、第１〜４実施形態に準じた構成を基本として、本実施形態の特徴的な構成である箱体３０等を付加させているが、勿論第５、６実施形態に準じた構成に付加させても構わない。また、スロート３２で連結する対象は、バイパスダクト１１の壁面に限らず、内筒６や尾筒７の壁面であってもよい。
【００５２】
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。
【００５３】
【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と、一端が前記筒体における前記燃焼領域又はその下流域に開口するとともに、他端が前記筒体の周囲を形成する車室内に開口するバイパスダクトと、よりなるガスタービン燃焼器において、多数の貫通孔を有し前記バイパスダクトを横断した板状部材が配設されているので、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、バイパスダクトの一端から導入されて板状部材の各貫通孔に有効に捕捉されるとともに、バイパスダクトで連結された車室内の空気と共鳴して、各貫通孔を通じて振動し、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、安定的な低ＮＯｘ化を実現できる。
【００５４】
特に、前記板状部材は、前記バイパスダクトに対する横断方向にスライド移動可能であって、前記バイパスダクトの横断面と略同一の大きさで、前記貫通孔の開口面積の占める割合が相互に異なる貫通孔存在領域を複数有すると、板状部材を適宜スライド移動させて、燃焼振動における種々の周波数域に見合った貫通孔存在領域を選定することができる。従って、周波数域の異なる種々の燃焼振動に対して減衰の応答性への対応が容易に可能となる。
【００５５】
ここで、前記車室から前記バイパスダクトを経由して前記筒体内に導入されるバイパス空気の流量を開閉度合いで調整するバイパス弁が、前記バイパスダクトに配設されており、前記板状部材が、前記バイパスダクトの横断面と略同一の大きさで貫通する貫通領域を有すると、板状部材をスライド移動させて貫通領域を選定した上で、バイパス弁の開閉度合いを調整することにより、バイパスダクトの本来の機能であるバイパス空気の流量調整が十分になされ、他方、バイパス弁を開いた上で、板状部材を適宜スライド移動させて、燃焼振動における種々の周波数域に見合った貫通孔存在領域を選定することにより、その周波数域の燃焼振動に対しての減衰の応答性を確保できる。つまり、バイパスダクトの本来の機能を損なうことなく、燃焼振動を低減できる。
【００５６】
これに対し、前記板状部材は、前記バイパスダクトの横断面と略同一の大きさで貫通する貫通領域、及び、前記バイパスダクトの横断面と略同一の大きさで、前記貫通孔が存しない貫通孔不存在領域を有していると、板状部材を適宜スライド移動させて、貫通領域、貫通孔存在領域、又は各貫通孔不存在領域を選定することにより、バイパス空気の流量調整が十分になされ、他方、燃焼振動における種々の周波数域に見合った貫通孔存在領域を選定することにより、その周波数域の燃焼振動に対しての減衰の応答性を確保できる。つまり、上記と同様に、バイパスダクトの本来の機能を損なうことなく、燃焼振動を低減できるし、更に、上記のようなバイパス弁を別個に設ける必要がないことから、構成を簡単にできるという利点がある。
【００５７】
また、前記バイパスダクトにおける前記他端部に、その軸方向に突出入可能で所定長さを有した筒状部材が嵌挿されていると、筒状部材を突出入させることでバイパスダクトにおける車室への開口端から板状部材までの距離を自在に調整できることから、その距離によって変動する燃焼振動の低減度合いの調整が可能となり、これにより燃焼振動を十分低減できるように設定できる。
【００５８】
また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と、一端が前記筒体における前記燃焼領域又はその下流域に開口するとともに、他端が前記筒体の周囲を形成する車室内に開口するバイパスダクトと、よりなるガスタービン燃焼器において、前記バイパスダクトにおける前記一端の近傍で横断した隔壁と、この隔壁を嵌通し前記隔壁の少なくとも一方の面から突出する突出管と、この突出管に挿嵌され多数の貫通孔を有する抵抗体と、を備えているので、流体粒子は、抵抗体に有効に捕捉されるとともに、突出管で連結されたバイパスダクト内における隔壁から他端まで空間の空気と共鳴して、抵抗体付近で振動し、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、安定的な低ＮＯｘ化を実現できる。
【００５９】
更に、前記隔壁を複数連設し、これら各隔壁に前記突出管及び前記抵抗体を備えると、流体粒子は、更に各突出管で連結された隔壁間の各空間の空気と共鳴して、各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、燃焼振動を効率よく低減できる。
【００６０】
また、前記筒体の外側に配設されて所定容積の内部空間を形成する箱体と、前記燃焼領域又はその下流域に開口するとともに、前記内部空間に開口する所定長さのスロートと、を備え、前記スロートに多数の貫通孔を有する抵抗体が挿嵌されていると、流体粒子は、板状部材における貫通孔や隔壁の突出管における抵抗体付近での振動に加えて、スロートで連結された内部空間の空気と共鳴して、スロートにおける抵抗体付近で振動し、その振幅が減衰される。従って、燃焼振動をより十分に低減させることが可能となる。
【００６１】
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実施形態の燃焼器の要部横断面図である。
【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板状部材の平面図である。
【図５】第２実施形態の燃焼器におけるバイパス弁の平面図である。
【図６】第２実施形態の燃焼器におけるバイパス空気量調整動作を示す要部縦断面図である。
【図７】第２実施形態の燃焼器における減衰振動低減動作を示す要部縦断面図である。
【図８】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９】第３実施形態の燃焼器における板状部材の平面図である。
【図１０】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１１】本発明の第５実施形態である燃焼器の要部縦断面図である。
【図１２】本発明の第６実施形態である燃焼器の要部縦断面図である。
【図１３】本発明の第７実施形態である燃焼器の一例を示す要部縦断面図である。
【図１４】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
１２ａ 基板部
１２ｂ 貫通口
１２ｃ レバー
１３ バイパス弁可変機構
３０ 箱体
３１ 内部空間
３２ スロート
３３ 抵抗体
５０ 板状部材
５１ 貫通孔
５５ 筒状部材
６０ 隔壁
６１ 突出管
６２ 抵抗体
Ａ１、Ａ２ 貫通孔存在領域
Ｂ 貫通領域
Ｃ 貫通孔不存在領域
Claims (9)
- 内部に燃焼領域を有する筒体と、一端が前記筒体における前記燃焼領域又はその下流域に開口するとともに、他端が前記筒体の周囲を形成する車室内に開口するバイパスダクトと、よりなるガスタービン燃焼器において、
多数の貫通孔を有し前記バイパスダクトを横断した板状部材が配設されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。 - 前記板状部材は、前記バイパスダクトに対する横断方向にスライド移動可能であって、前記バイパスダクトの横断面と略同一の大きさで、前記貫通孔の開口面積の占める割合が相互に異なる貫通孔存在領域を複数有す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。
- 前記車室から前記バイパスダクトを経由して前記筒体内に導入されるバイパス空気の流量を開閉度合いで調整するバイパス弁が、前記バイパスダクトに配設されており、前記板状部材が、前記バイパスダクトの横断面と略同一の大きさで貫通する貫通領域を有する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。
- 前記板状部材は、前記バイパスダクトの横断面と略同一の大きさで貫通する貫通領域、及び、前記バイパスダクトの横断面と略同一の大きさで、前記貫通孔が存しない貫通孔不存在領域を有する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。
- 前記バイパスダクトにおける前記他端部に、その軸方向に突出入可能で所定長さを有した筒状部材が嵌挿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。
- 内部に燃焼領域を有する筒体と、一端が前記筒体における前記燃焼領域又はその下流域に開口するとともに、他端が前記筒体の周囲を形成する車室内に開口するバイパスダクトと、よりなるガスタービン燃焼器において、
前記バイパスダクトにおける前記一端の近傍で横断した隔壁と、この隔壁を嵌通し前記隔壁の少なくとも一方の面から突出する突出管と、この突出管に挿嵌され多数の貫通孔を有する抵抗体と、を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。 - 前記隔壁を複数連設し、これら各隔壁に前記突出管及び前記抵抗体を備えた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。
- 前記筒体の外側に配設されて所定容積の内部空間を形成する箱体と、前記燃焼領域又はその下流域に開口するとともに、前記内部空間に開口する所定長さのスロートと、を備え、前記スロート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１から７のいずれかに記載のガスタービン燃焼器。
- 空気圧縮機と、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と、タービンと、を備えたガスタービン。
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-
2002
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| JP4494889B2 (ja) * | 2004-07-05 | 2010-06-30 | 三菱重工業株式会社 | 減衰付加装置 |
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