JP2004271016A - 燃料・空気予混合装置における逆火防止装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の燃料・空気予混合装置における逆火防止装置では、作動範囲の広い航空用ガスタービン燃焼器等のスワーラを有する燃料・空気予混合装置の場合、圧損が大きいという問題があった点を解決する。
【解決手段】燃料・空気予混合装置における逆火防止装置を、スワーラを有する筒状の燃料・空気予混合装置の出口に、その内周に沿って内方へ突出して設けられた絞り部に、燃料・空気予混合気が通過する消炎距離以下の幅の複数のスリットを全周に亘って設けた燃料・空気予混合装置における逆火防止装置において、前記スリットの取り付け角度を燃料・空気予混合気の流れの方向に平行な位置から−１０°ないし＋１０°の範囲に設定してなるように構成した。
【選択図】 図２

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等の燃焼器に用いられる燃料・空気予混合装置における逆火防止装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５、図６に基づき従来のガスタービン燃焼器等の燃焼器に用いられる燃料・空気予混合装置における逆火防止装置を説明する。図５（ａ）は燃料・空気予混合装置の従来例の縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）中Ｄ−Ｄ矢視図である。図６（ａ）は燃料・空気予混合装置の他の従来例の縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）中Ｅ−Ｅ矢視図、（ｃ）は（ｂ）中Ｆ−Ｆ矢視拡大図である。
【０００３】
燃料・空気予混合装置内での逆火を防止するためには、従来、図５に示すように、上流側に燃料供給装置２１とスワーラ２２をもつ燃料・空気予混合装置２０の出口に、下流側に向かうにつれ小径化する絞り部２３を設けるものがあった（例えば、非特許文献１ないし３、および特許文献２）。これは、出口開口の予混合気流速が絞り部２３によって増大するとともに、境界層が薄くなるため逆火が防止されるものである。
【０００４】
また、図６に示すように、上流側に燃料供給装置３１をもつ燃料・空気予混合装置３０の出口に、その内周に沿って内方へ突出して設けられた絞り部３３を設け、燃料・空気予混合気ａが通過する消炎距離以下の幅ｂの複数のスリット３４を、燃料・空気予混合装置３０の中心軸方向Ｘｍに平行に配向して絞り部３３の内周面に全周に亘って設ける方式も提案されていた（例えば、特許文献１）。
【０００５】
これは、低温の固体表面近傍では熱損失が大きく活性基が失活しやすいために、消炎距離以下の幅の狭いスリット３４を燃料・空気予混合気ａが流れる時には予混合気ａが可燃範囲にあっても燃焼を持続することができず、この「消炎距離」以下の幅の狭い間隙ｂを通って火炎が伝播することはできないことを利用したもので、速度の低い境界層部分を消炎距離以下の幅ｂのスリット３４を通過させることにより、逆火を防止するものである。なお、この場合、スリット３４の内方端より内側の部分ｃは予混合気流速を乱流燃焼速度（乱流予混合火炎が伝播する速度）より高く設定して、内側の部分ｃからも火炎が上流側に伝播することが防止される。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−２８５２８３号公報（第１頁、図２）
【特許文献２】
特開平１０−１９６９５２号公報（図１、図３）
【非特許文献１】
平成１４年５月２１日超音速輸送機用推進システム技術研究組合発行第１回環境適合型次世代超音速推進システム国際シンポジウム予稿集添付ＣＤ−ＲＯＭ中、「Ｎ―１」（４頁、Ｆｉｇ．６）
【非特許文献２】
平成１４年５月２１日超音速輸送機用推進システム技術研究組合発行第１回環境適合型次世代超音速推進システム国際シンポジウム予稿集添付ＣＤ−ＲＯＭ中、「Ｎ―３」（３頁、Ｆｉｇ．Ｉ―６）
【非特許文献３】
平成１４年５月２１日超音速輸送機用推進システム技術研究組合発行第１回環境適合型次世代超音速推進システム国際シンポジウム予稿集添付ＣＤ−ＲＯＭ中、「Ｎ―５」（４頁、図６）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の逆火防止装置を備えた燃焼器における燃料・空気予混合装置では、作動範囲の広い航空用ガスタービン燃焼器等のスワーラを有する燃料・空気予混合装置の場合、燃料・空気予混合装置内での圧損が大きいという問題点があった。すなわち、図５の絞り部２３の場合、出口予混合気流速を乱流燃焼速度以上とし境界層厚さを消炎距離以下に下げることのできる絞り部２３とする必要があるので、特にスワーラによる旋回流に対して圧損が高くなり、図６の絞り部３３の場合は、スワーラによる旋回流がスリット３４に当たることとなって抵抗が増し、圧損が増大することが判明した。
【０００８】
本発明は、上記知見に基づき、その問題点を解決することができる燃料・空気予混合装置における逆火防止装置を提供することを課題とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、その第１の手段として、スワーラを有する筒状の燃料・空気予混合装置の出口に、その内周に沿って内方へ突出して設けられた絞り部に、燃料・空気予混合気が通過する消炎距離以下の幅の複数のスリットを全周に亘って設けた燃料・空気予混合装置における逆火防止装置において、前記スリットの取り付け角度を燃料・空気予混合気の流れの方向に平行な位置から−１０°ないし＋１０°の範囲に設定してなることを特徴とする燃料・空気予混合装置における逆火防止装置を提供する。
【００１０】
上記の構成により、第１の手段によれば、燃料・空気予混合装置内で発達した境界層の混合気はスリットを通って燃焼室内へ流入するが、スリットの幅が消炎距離以下に設定されているために、燃焼室内の火炎はスリットを通って上流側の燃料・空気予混合装置内へ伝播することがない他、スリットを通って燃料・空気予混合気の境界層部分及び主流の一部が旋回流となって流れるが、スリットの取り付け角度をその流れの方向に平行な位置から−１０°ないし＋１０°の範囲に設定しているので、燃料・空気予混合装置内で発達した境界層は、滑らかにスリットを通り燃焼室に流入し、また、境界層の外側の主流部分のうち、スリットを通過するものも滑らかにスリットを通過する。
【００１１】
（２）第２の手段としては、第１の手段の燃料・空気予混合装置における逆火防止装置において、前記スリットの取り付け角度を、燃料・空気予混合気の流れの方向に平行に設定してなることを特徴とする燃料・空気予混合装置における逆火防止装置を提供する。
【００１２】
第２の手段によれば、第１の手段の作用に加え、スリットの取り付け角度を、燃料・空気予混合気の流れ方向に平行に一致して設定したので、燃料・空気予混合気がスリットに衝突することなく、スリット通過状態がより好ましくなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１から図４に基づき本発明の実施の一形態に係る燃料・空気予混合装置における逆火防止装置を説明する。図１は本実施の形態の逆火防止装置を備えた燃料・空気予混合装置を有するガスタービン燃焼器の概要縦断面図、図２（ａ）は図１中Ａ部拡大図、（ｂ）は（ａ）中Ｂ−Ｂ矢視図、（ｃ）は（ｂ）中Ｃ−Ｃ矢視拡大図である。図３は、燃料・空気予混合装置内の予混合気の速度分布図、図４はスリット取り付け角度αが予混合気の流れ方向βとなす角度Δα（＝α−β）と動圧損失率との関係図である。
【００１４】
ガスタービン燃焼器１は、タービン動翼２の回転中心軸Ｘｔを中心線とする外側ケーシング３ａと内側ケーシング３ｂからなる円環状のケーシング３と、ケーシング３と同芯状にしてケーシング３内に配置された外側ライナ４ａと内側ライナ４ｂからなる円環状のライナ４とを備えて、ライナ４の内側、すなわち外側ライナ４ａと内側ライナ４ｂとの間の環状空間には、ケーシング３の外側からライナ４の内側へ貫通して設けたイグナイタ５を具える燃焼室６が形成され、その上流側には、燃料供給装置１１とスワーラ１２を備えた燃料・空気予混合装置１０が設置されている。なお、７は、圧縮機出口の案内翼である。
【００１５】
燃料・空気予混合装置１０は、円環状のライナ４の上流側に周方向に等ピッチで複数個設けられている。図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、円筒状の燃料・空気予混合装置１０の出口１０ａには、その内周に沿って内方へ突出し、出口１０ａを通過する燃料・空気予混合気ａの流れを絞る絞り部１３が設けられている。この絞り部１３には、燃料・空気予混合気ａの消炎距離よりも小さい幅ｂのスリット１４が全周に亘って設けられている。また、スリット１４は絞り部１３における燃料・空気予混合気ａの流れ方向βに平行に、すなわち燃料・空気予混合気ａの旋回流れ方向βに一致させて、配置されている。
【００１６】
なお、予混合気ａの旋回流はスワーラ１２によって生起され、旋回角度βは燃料噴射量等によりスワーラの旋回角度と多少のずれが生じるが微小であり、また、初期の設計時に５孔ピトー管等による計測で確認し、スリット１４の取り付け角度αを燃料・空気予混合気ａの旋回流れ方向βに平行に設定することができる。
【００１７】
絞り部１３のスリット１４の高さｈは、燃焼器の全作動範囲に亘ってスリット１４の内方端において通過する燃料・空気予混合気ａの速度が乱流燃焼速度以上となるように設定されている。ここで「乱流燃焼速度」とは、乱流予混合火炎が伝播する速度である。
【００１８】
本実施例では、図３に示すように、燃料・空気予混合装置１０内で発達した速度分布の境界層Ｌ部分は、複数のスリット１４を通過して燃焼室６内へ流入する。スリット１４の幅ａは燃料・空気予混合気ａの消炎距離よりも小さく設定されているので、燃焼室６から速度の遅い境界層Ｌ内を伝わって上流側へ伝播してきた火炎がスリット１４で遮られる。
【００１９】
また、速度分布Ｖが示されるように、絞り部１３のスリット１４の内方端より内側の部分ｃから燃焼室６内へ流入する燃料・空気予混合気ａの速度は、上記のように乱流燃焼速度以上となるように設定されているから、燃焼室６内の火炎が絞り部１３の内側の部分ｃを通って上流側へ伝播することがない。
【００２０】
従って、燃焼室６内の火炎が燃料・空気予混合装置１０内へ伝播することを完全に防止することができる。
【００２１】
また、本実施の形態では、スリット１４を通って燃料・空気予混合気の境界層Ｌ部分及び主流の一部が旋回流となって流れるが、その流れの方向βに平行にスリット１４が配置されているため、燃料・空気予混合装置１０内で発達した境界層Ｌは、滑らかにこのスリット１４を通り燃焼室６に流入する。また、境界層Ｌの外側の主流部分のうち、スリット１４を通過するものも、スリット１４に衝突することなく滑らかにスリット１４を通過する。したがって、確実に逆火を防止することができる上、燃焼器の広い作動範囲の全域に亘ってスリット１４通過による圧損を小さく抑えることができる。
【００２２】
スリット１４を通過する燃料・空気予混合気ａの有する動圧のうち、損失となる割合（動圧損失率）と、スリット１４の取り付け角αが燃料・空気予混合気ａの方向βとのなす角度Δα＝（α−β）との関係は、図４に示す通りである。
【００２３】
すなわち、Δαが±１０°以内では動圧損失率は少なく実質的な問題がないと言えるが、それを超えると急激に増大し、圧損の問題が避けがたいものとなる。これから、スリット１４の取り付け角αは、燃料・空気予混合気ａの流れ方向βに平行な位置から±１０°以内に設定すれば、燃料・空気予混合気ａはスリット１４に実質的に衝突することなく滑らかにスリット１４を通過し、スリット１４通過による圧損を十分小さくすることができることがわかる。また、設計上の小変更、燃料・空気予混合気ａの流れ方向βの通常の変動においても、±１０°以内の範囲なら圧損を抑制しその問題を実質的に解決できるものとなる。
【００２４】
もっとも、スリット１４の取り付け角度αを、燃料・空気予混合気ａの流れ方向βに平行に一致させて設定した場合は、燃料・空気予混合気ａのスリット通過状態がより好ましくなり、圧損を最小とすることができ、圧損の問題をより確実に解決することができる。
【００２５】
以上、本発明を図示の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されず、本発明の範囲内でその具体的構造に種々の変更を加えてよいことはいうまでもない。
【００２６】
【発明の効果】
（１）以上説明したように請求項１の発明によれば、燃料・空気予混合装置における逆火防止装置を、スワーラを有する筒状の燃料・空気予混合装置の出口に、その内周に沿って内方へ突出して設けられた絞り部に、燃料・空気予混合気が通過する消炎距離以下の幅の複数のスリットを全周に亘って設けた燃料・空気予混合装置における逆火防止装置において、前記スリットの取り付け角度を燃料・空気予混合気の流れの方向に平行な位置から−１０°ないし＋１０°の範囲に設定してなるように構成したので、燃料・空気予混合装置内で発達した境界層の混合気はスリットを通って燃焼室内へ流入するが、スリットの幅が消炎距離以下に設定されているために、燃焼室内の火炎はスリットを通って上流側の燃料・空気予混合装置内へ伝播することがなく逆火が防止される他、スリットを通って燃料・空気予混合気の境界層部分及び主流の一部が旋回流となって流れるが、スリットの取り付け角度をその流れの方向に平行な位置から−１０°ないし＋１０°の範囲に設定しているため、燃料・空気予混合装置内で発達した境界層は、滑らかにスリットを通り燃焼室に流入し、また、境界層の外側の主流部分のうち、スリットを通過するものも滑らかにスリットを通過するので、確実に逆火を防止しつつ、燃焼器の広い作動範囲の全域に亘ってスリット通過による圧損を小さく抑えることができる。
【００２７】
（２）請求項２の発明によれば、請求項１に記載の燃料・空気予混合装置における逆火防止装置において、前記スリットの取り付け角度を、燃料・空気予混合気の流れの方向に平行に設定してなるように構成したので、請求項１の発明の効果に加え、スリットの取り付け角度が、燃料・空気予混合気の流れ方向に平行に一致して設定されているため、燃料・空気予混合気がスリットに衝突することなく、スリット通過状態がより好ましくなり、圧損を最小とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係る逆火防止装置を備えた燃料・空気予混合装置を有するガスタービン燃焼器の概要縦断面図である。
【図２】（ａ）は図１中Ａ部拡大図、（ｂ）は（ａ）中Ｂ−Ｂ矢視図、（ｃ）は（ｂ）中Ｃ−Ｃ矢視拡大図である。
【図３】燃料・空気予混合装置内の燃料・空気予混合気の速度分布図である。
【図４】スリット取り付け角度αが燃料・空気予混合気の流れ方向βとなす角度Δαと動圧損失率との関係図である。
【図５】従来のガスタービン燃焼器等の燃焼器に用いられる燃料・空気予混合装置における逆火防止装置説明図であり、（ａ）は燃料・空気予混合装置の従来例の縦断面図、（ｂ）は（ａ）中Ｄ−Ｄ矢視図である。
【図６】従来のガスタービン燃焼器等の燃焼器に用いられる燃料・空気予混合装置における逆火防止装置を説明図であり、（ａ）は燃料・空気予混合装置の他の従来例の縦断面図、（ｂ）は（ａ）中Ｅ−Ｅ矢視図、（ｃ）は（ｂ）中Ｆ−Ｆ矢視拡大図である。
【符号の説明】
１ ガスタービン燃焼器
２ タービン動翼
３ ケーシング
３ａ 外側ケーシング
３ｂ 内側ケーシング
４ ライナ
４ａ 外側ライナ
４ｂ 内側ライナ
５ イグナイタ
６ 燃焼室
７ 案内翼
１０ 燃料・空気予混合装置
１１ 燃料供給装置
１２ スワーラ
１３ 絞り部
１４ スリット
２０ 燃料・空気予混合装置
２１ 燃料供給装置
２２ スワーラ
２３ 絞り部
３０ 燃料・空気予混合装置
３１ 燃料供給装置
３３ 絞り部
３４ スリット

Claims (2)

1. スワーラを有する筒状の燃料・空気予混合装置の出口に、その内周に沿って内方へ突出して設けられた絞り部に、燃料・空気予混合気が通過する消炎距離以下の幅の複数のスリットを全周に亘って設けた燃料・空気予混合装置における逆火防止装置において、前記スリットの取り付け角度を燃料・空気予混合気の流れの方向に平行な位置から−１０°ないし＋１０°の範囲に設定してなることを特徴とする燃料・空気予混合装置における逆火防止装置。
2. 請求項１に記載の燃料・空気予混合装置における逆火防止装置において、前記スリットの取り付け角度を、燃料・空気予混合気の流れの方向に平行に設定してなることを特徴とする燃料・空気予混合装置における逆火防止装置。

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