JP2013178003A - バーナ及びこのバーナを備えたガスタービン燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室出口温度の温度分布の平均化が容易であり、火炎の高い安定性が得られるバーナ及びこのバーナを備えたガスタービン燃焼器を提供する。
【解決手段】燃料噴射弁１１と、燃焼室３に空気を取り込む筒状のスワラ２０を備えたバーナ１０において、スワラ２０には、接線方向に貫通する接線方向空気取り入れ口２５が軸心Ｌ周りに複数形成され、接線方向空気取り入れ口２５は、これを通して筒状のスワラ２０の内側に取り込まれて形成される接線空気流Ｆが燃料噴射弁１１から噴射される燃料と直接干渉しない開口寸法に設定され、複数の接線方向空気取り入れ口２５の相互間隔は、隣接する接線方向空気取り入れ口２５を通して取り込まれてそれぞれ形成される接線空気流Ｆ同士が互いに干渉しない間隔に設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、航空機用ガスタービンにおいて、燃料と空気との混合気を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器に用いられるバーナ及びこのバーナを備えたガスタービン燃焼器に関するものである。

上記したような燃焼器用のバーナとしては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。
このバーナは、燃焼器における燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射部と、燃焼室に空気を取り込む筒状のスワラを備えており、このバーナでは、筒状のスワラの燃焼室側端部に、多数の接線方向の溝を互いに隣接させて設置して、これらの溝を通して取り込まれて形成される接線空気流を連続させることで、バーナ近傍位置の一次燃焼領域に保炎用の強い循環流を発生させるようにしていた。

特開2007-255795号公報

しかしながら、上記した従来のバーナでは、このバーナの近傍に保炎用の強い循環流を生じさせている都合上、スワラからの接線空気流が燃焼室において大きく広角に広がり難く、燃焼室内に混合気や燃焼の不均質領域が生じていた。このため、燃焼室下流側に二次燃焼領域を形成するために導入する二次空気や希釈用空気を用いて、燃焼室出口温度（後に続くタービンノズルやブレードに流れるガス温度）を調節する場合には、温度分布を平均化することが困難であるという問題があり、この問題を解決することが従来の課題となっている。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、燃焼室内に混合気や燃焼の不均質領域が生じるのを回避することができ、その結果、燃焼室出口温度の温度分布の平均化が容易であり、加えて、火炎の高い安定性を得ることが可能であるバーナ及びこのバーナを備えたガスタービン燃焼器を提供することを目的としている。

上記した目的を達成するべく、本発明の請求項１に係る発明は、燃焼器における燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射部と、前記燃焼室に空気を取り込む筒状のスワラを備えたバーナにおいて、前記スワラには、その筒状壁を接線方向に貫通する接線方向空気取り入れ口が該スワラの軸心周りに複数形成され、前記接線方向空気取り入れ口は、該接線方向空気取り入れ口を通して前記筒状のスワラの内側に取り込まれて形成される接線空気流が前記燃料噴射部から噴射される燃料と直接干渉しない開口寸法に設定され、前記複数の接線方向空気取り入れ口の相互間隔は、隣接する接線方向空気取り入れ口を通して取り込まれてそれぞれ形成される接線空気流同士が互いに干渉しない間隔に設定されている構成としたことを特徴としており、この構成のバーナを前述した従来の課題を解決するための手段としている。

一方、本発明の請求項２に係るガスタービン燃焼器は、 請求項１に記載のバーナを備えている構成としている。

本発明に係るバーナを備えたガスタービン燃焼器は、カン型の燃焼器及びアニュラ型の燃焼器のいずれであってもよい。

また、本発明に係るバーナ及びこのバーナを備えたガスタービン燃焼器において、スワラに形成される接線方向空気取り入れ口の開口寸法及び個数は互いに相関関係にある。そして、接線方向空気取り入れ口の個数は、接線方向空気取り入れ口を通して形成される接線空気流を互いに間隔をおいて流す都合上、４つ以下とすることが望ましいが、これに限定されない。

本発明に係るバーナを備えたガスタービン燃焼器では、燃料噴射部から燃焼室に向けて燃料を噴射すると共に、スワラの接線方向空気取り入れ口を通して燃焼室に一次空気を取り込むと、この接線方向空気取り入れ口を通して取り込まれて形成される接線空気流（スワール噴流）が拡大して、燃焼室周壁から導入される二次空気等の噴流と衝突することにより、燃料と空気との混合が促進され、これで生じる混合気に対して点火を行うと、混合気が燃焼して火炎を形成しながら燃焼ガスが生成されることとなる。

このガスタービン燃焼器の運転中において、接線方向空気取り入れ口は、この接線方向空気取り入れ口を通して筒状のスワラの内側に取り込まれて形成される接線空気流が燃料噴射部から噴射される燃料と直接干渉しない開口寸法に設定されているうえ、複数の接線方向空気取り入れ口の相互間隔は、隣接する接線方向空気取り入れ口を通して取り込まれてそれぞれ形成される接線空気流同士が互いに干渉しない間隔に設定されている。

つまり、スワラの接線方向空気取り入れ口を通して筒状のスワラの内側に取り込まれて形成される接線空気流が互いに間隔をおいて流れることで、接線空気流間において静圧差による流れが発生することから、上記したように接線空気流（スワール噴流）が燃焼室において大きく広角に広がり、且つ、分布の少ない戻り流れが生じることで、燃焼室内に混合気や燃焼の不均質領域が生じるのを回避し得ることとなり、したがって、燃焼室の出口温度の温度分布の平均化が容易になる。

そして、燃料又は燃料と空気との混合気が過度に希釈されないのに加えて、燃焼室において大きく広角に広がった接線空気流の中央部分での流速が遅いことから、高い保炎性が得られることとなる。

本発明に係るバーナでは、上記した構成としているので、燃焼室出口温度の温度分布の平均化が容易であり、火炎の高い安定性を得ることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の一実施例によるバーナを備えたガスタービン燃焼器を示す部分断面説明図である。 図１のＡ−Ａ線位置での断面説明図（ａ）及びガスタービン燃焼器内での気流の流れを示す燃焼室下流側からの矢視説明図（ｂ）である。 図１におけるバーナのスワラを示す全体斜視説明図（ａ），スワラを径方向にカットした状態の斜視説明図（ｂ）及びスワラを軸心方向にカットした状態の斜視説明図（ｃ）である。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１〜図３は本発明に係るバーナ及びこのバーナを備えたガスタービン燃焼器の一実施例を示しており、この実施例では、ガスタービン燃焼器がカン型の燃焼器である場合を例に挙げて説明する。

図１に示すように、このガスタービン燃焼器１は、航空機用ガスタービンエンジンや発電用ガスタービン等のガスタービンに用いられるものであり、円筒状のケース（図示省略）の内部に、同じく円筒状の燃焼器ライナ２を収めて成っている。

この燃焼器ライナ２の内側は、燃料及び空気（一次空気）の混合気を燃焼させるための燃焼室３として形成されており、その周壁２ａには燃焼室３内に空気（二次空気）を導入するための複数の二次空気孔（図示省略）が配置されている。

燃焼器ライナ２の上流側隔壁（図示左側隔壁）２ｂには、上記混合気を燃焼させて火炎を生じさせるバーナ１０が配置されている。

このバーナ１０は、ガスタービン燃焼器１における燃焼室３に燃料を噴射する燃料噴射弁（燃料噴射部）１１と、燃焼器ライナ２の上流側隔壁２ｂに装着されて、燃焼室３に一次空気を取り込む筒状のスワラ２０を備えている。

燃料噴射弁１１は、液体燃料を噴霧可能な噴射孔１１ａを有しており、この燃料噴射弁１１には、燃料供給管１２が接続されている。

一方、スワラ２０は、図２及び図３にも示すように、スワラ本体（筒状壁）２１と、筒状フランジ２２と、内向きフランジ２３と、噴射弁装着孔２４と、接線方向空気取り入れ口２５と、軸方向空気噴出口２６を具備しており、このスワラ２０は、筒状フランジ２２を介して燃焼器ライナ２の上流側隔壁２ｂに同軸に装着されている。

内向きフランジ２３は、スワラ本体２１の筒状フランジ２２とは反対側に形成されており、その中心に位置する噴射弁装着孔２４に燃料噴射弁１１が同軸配置されている。

接線方向空気取り入れ口２５は、筒状のスワラ本体２１を接線方向に貫通するようにして形成されており、スワラ２０の軸心Ｌ周りに複数（この実施例では４つ）形成されている。

この場合、接線方向空気取り入れ口２５は、この接線方向空気取り入れ口２５を通して筒状のスワラ本体２１の内側に取り込まれて形成される接線空気流Ｆが燃料噴射弁１１から噴射される燃料と直接干渉しない寸法（具体的には、接線方向空気取り入れ口２５の軸方向開口長さ（図３（ａ）左右方向長さ）及び径方向開口幅（図３（ａ）上下方向幅））に設定されている。

加えて、これらの４つの接線方向空気取り入れ口２５の相互間隔は、隣接する接線方向空気取り入れ口２５，２５を通して取り込まれてそれぞれ形成される接線空気流Ｆ，Ｆ同士が互いに干渉しない間隔（具体的には９０°の間隔）に設定されている。

一方、軸方向空気噴出口２６は、一端が筒状のスワラ本体２１において径方向に向けて円孔２６ａとして開口し且つ他端が内向きフランジ２３において燃焼室３に向けて円孔２６ｂとして開口するように形成されており、この軸方向空気噴出口２６は、スワラ２０の軸心Ｌ周りに複数（この実施例では４つ）形成されている。

このようなバーナ１０及びこのバーナ１０を備えたガスタービン燃焼器１では、燃料噴射弁１１から燃焼室３に向けて燃料を噴射すると共に、スワラ２０の軸方向空気噴出口２６を通して燃焼室３に一次空気を取り込むことで混合気を生成し、この混合気に対して図示しない点火栓による点火を行うと、混合気が燃焼して火炎を形成しながら燃焼ガスが生成されることとなる。

このガスタービン燃焼器１の運転中において、接線方向空気取り入れ口２５は、この接線方向空気取り入れ口２５を通して筒状のスワラ本体２１の内側に取り込まれて形成される接線空気流Ｆが燃料噴射弁１１から噴射される燃料と直接干渉しない開口寸法に設定されているうえ、４つの接線方向空気取り入れ口２５の相互間隔は、隣接する接線方向空気取り入れ口２５，２５を通して取り込まれてそれぞれ形成される接線空気流Ｆ，Ｆ同士が互いに干渉しない間隔に設定されている。

つまり、スワラ２０の接線方向空気取り入れ口２５を通して筒状のスワラ本体２１の内側に取り込まれて形成される接線空気流Ｆが互いに間隔をおいて流れることで、図２（ｂ）に示すように、接線空気流Ｆ間において静圧差による白抜き矢印で示す流れが発生する。

その結果、接線空気流Ｆが燃焼室３において大きく周壁２ａに沿うように広がると共に、図１に白抜き矢印で示すように、分布の少ない戻り流れが生じることで、燃焼室３内に混合気や燃焼の不均質領域が生じるのを回避し得ることとなり、したがって、燃焼室３の出口温度の温度分布の平均化が容易になる。

そして、燃料又は燃料と空気との混合気が過度に希釈されないのに加えて、ワイドに広がった接線空気流Ｆの中央部分での流速が遅いことから、高い保炎性が得られることとなる。

上記した実施例では、スワラ２０に、接線方向空気取り入れ口２５及び軸方向空気噴出口２６をそれぞれ９０°の間隔をもって４つずつ設けた構成としているが、接線方向空気取り入れ口２５及び軸方向空気噴出口２６の間隔及び個数は、この実施例の間隔及び個数に限定されない。

なお、スワラ２０の軸方向空気噴出口２６は必ずしも必要でない。何故なら、スワラ２０の接線方向空気取り入れ口２５を通して燃焼室３に一次空気を取り込むと、この接線方向空気取り入れ口２５を通して取り込まれて形成される接線空気流Ｆ（スワール噴流）が拡大して、燃焼室３の周壁２ａから導入される二次空気等の噴流と衝突することとなり、これによって燃料噴射弁１１から噴射された燃料と空気との混合が促進されて混合気が生じるからである。

上記した実施例では、本発明に係るバーナを備えたガスタービン燃焼器がカン型の燃焼器である場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、アニュラ型の燃焼器であってもよい。

本発明に係るバーナ及びバーナを備えたガスタービン燃焼器の構成は、上記した実施例に限定されるものではない。

１ ガスタービン燃焼器
３ 燃焼室
１０ バーナ
１１ 燃料噴射弁（燃料噴射部）
２０ スワラ
２１ スワラ本体（筒状壁）
２５ 接線方向空気取り入れ口
Ｆ 接線空気流

Claims (2)

1. 燃焼器における燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射部と、
   前記燃焼室に空気を取り込む筒状のスワラを備えたバーナにおいて、
   前記スワラには、その筒状壁を接線方向に貫通する接線方向空気取り入れ口が該スワラの軸心周りに複数形成され、
   前記接線方向空気取り入れ口は、該接線方向空気取り入れ口を通して前記筒状のスワラの内側に取り込まれて形成される接線空気流が前記燃料噴射部から噴射される燃料と直接干渉しない開口寸法に設定され、
   前記複数の接線方向空気取り入れ口の相互間隔は、隣接する接線方向空気取り入れ口を通して取り込まれてそれぞれ形成される接線空気流同士が互いに干渉しない間隔に設定されている
   ことを特徴とするバーナ。
2. 請求項１に記載のバーナを備えている
   ことを特徴とするガスタービン燃焼器。