JP2014231977A - ガスタービンエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】１次燃焼場への空気の逆流を防止し、１次燃焼場における燃焼温度の上昇を防止して、ＮＯｘの低減を図ることが可能なガスタービンエンジンを提供する。【解決手段】上流側の１次燃焼場３で燃料過濃状態の燃焼を行うと共に、下流側の２次燃焼場４で燃料希薄状態の燃焼を行う燃焼室５を備え、２次燃焼場４の流路より狭い流路を有する絞り部１０を、２次燃焼場４の上流側に隣接して配置する。１次燃焼場３を流れる内部流体をより高い流速で２次燃焼場４に流入させることで、１次燃焼場３と２次燃焼場４との間に供給された追加の燃焼用空気の逆流を抑制する。これにより、１次燃焼場３に追加の燃焼用空気が混入することが抑制され、１次燃焼場３でのリッチ燃焼が可能となり、１次燃焼場での温度の上昇を防止して、ＮＯｘの発生を抑える。【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼室の１次燃焼場の下流に追加の燃焼用空気を供給して、１次燃焼場の下流の２次燃焼場で燃料希薄状態の燃焼を行うガスタービンエンジンに関する。

従来、大気を圧縮機で圧縮し、この圧縮空気を燃焼室内に導入して燃焼室内の燃料を燃焼し、この燃焼室から排出された燃焼ガスを用いてタービンを回転させて機械的動力を得るガスタービンエンジンの燃焼器がある。この燃焼器は、燃焼器ケーシング内の上流側に設けられた１次燃焼室と、燃焼器ケーシング内の下流側に設けられた２次燃焼室とを備えている（例えば特許文献１参照）。

特許文献２に記載のガスタービン燃焼器は、予混合ダクトの下流に連接されて燃焼室を区画するライナーを備えている。このライナー内には、予混合ダクト内で生成された予混合気を燃焼する一次燃焼域が形成され、ライナーの壁体には、燃焼ガスを必要に応じて希釈するための希釈空気を流入させるための希釈孔が設けられている。

特許文献３に記載のガスタービンは、複数の空気ノズルを備え、この空気ノズルは、空気と共に燃料を噴射する燃料噴射ノズルを囲む同心上に間隔を隔てて順次配置されている。このガスタービンでは、空気ノズル内を通過した空気を燃料噴射ノズルから噴射された燃料に衝突させて、燃料分布が均一である混合気を形成することによりＮＯｘの発生量の低減を図っている。

特許文献４に記載のガスタービンでは、燃焼器の上流側で１次空気を供給し、燃焼器のほぼ中央で２次空気を供給して燃焼器の下流側で希釈空気を供給している。特許文献５に記載の燃焼室は、上流側の１次燃焼室の壁面に、燃焼室内に空気を流入させる吸入口及び流入した空気流に渦を発生させる渦流発生器を備え、壁面側に渦流を生じさせて空気膜を形成することで燃料室の壁体の熱的負荷を低減させている。

特開平８−２２６６４８号公報 特開２００２−２９５８３１号公報 特開２００５−９０８８４号公報 特開平６−２４１４５５号公報 特開平９−１４６０３号公報

ところで、ガスタービンエンジンの燃焼器として、燃料過濃状態の燃焼を行うと共に、その下流で燃料希薄状態の燃焼を行って火炎温度の上昇を抑制することにより、ＮＯｘ排出量を低減させる部分過濃形態燃焼（Rich Burn Quick Quench Lean Burn）方式が採用された燃焼器がある。このＲＱＬ燃焼器では、燃料及び空気を均一に混合して燃料過濃状態を作ると共に、燃焼ガス及び空気を急速に混合して燃料希薄状態を作ることが重要である。

本発明は、１次燃焼場への空気の逆流を防止し、１次燃焼場における燃焼温度の上昇を防止してＮＯｘの低減を図ることが可能なガスタービンエンジンを提供することを目的とする。

本発明のガスタービンエンジンは、圧縮空気及び燃料を燃焼室内に導入し、燃焼室の１次燃焼場で燃料過濃状態の燃焼を行うと共に、１次燃焼場の下流の２次燃焼場で燃料希薄状態の燃焼を行い、２次燃焼場から排出された燃焼ガスを吹き付けてタービンを回転させるガスタービンエンジンにおいて、２次燃焼場の上流には、１次燃焼場と２次燃焼場との間に追加の燃焼用空気を供給する吸入口が設けられ、２次燃焼場の流路よりも狭い流路を有する絞り部は、２次燃焼場の上流側に隣接し、１次燃焼場の内部流体をより高い流速で２次燃焼場に流入させることを特徴としている。

このガスタービンエンジンは、上流側の１次燃焼場で燃料過濃状態の燃焼を行うと共に、下流側の２次燃焼場で燃料希薄状態の燃焼を行う燃焼室を備え、２次燃焼場の上流には、１次燃焼場と２次燃焼場との間に追加の燃焼用空気を供給する吸入口が設けられている。２次燃焼場の流路より狭い流路を有する絞り部は、２次燃焼場の上流側に隣接して配置され、１次燃焼場を流れる内部流体（１次燃焼場で発生した燃焼ガス、未燃の燃料及び残存する圧縮空気）を２次燃焼場の内部流体の流速より高い流速で通過させて２次燃焼場に流入させるので、１次燃焼場と２次燃焼場との間に供給された追加の燃焼用空気の逆流が抑制される。これにより、１次燃焼場に追加の燃焼用空気が混入することが抑制され、１次燃焼場をリッチに保ち燃焼温度の上昇を防止して、ＮＯｘの発生を抑えることができる。

燃焼室の壁面から燃焼室の内方へ張り出す案内部は、吸入口よりも上流で吸入口に隣接する壁面の部分から下流側に伸びていることが好ましい。この構成のガスタービンエンジンによれば、吸入口から流入した追加の燃焼用空気が案内部によって下流側に向けて案内されるので、１次燃焼場へ逆流する空気を一層抑制することができ、１次燃焼場における燃焼温度の上昇を防止してＮＯｘの発生を抑制することができる。

本発明によれば、１次燃焼場への空気の逆流を防止し、１次燃焼場における燃焼温度の上昇を防止してＮＯｘの低減を図ることが可能なガスタービンエンジンを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るガスタービンエンジンの燃焼室を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係るガスタービンエンジンの燃焼室を示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係るガスタービンエンジンの燃焼室を示す断面図である。 本発明の第４実施形態に係るガスタービンエンジンの燃焼室を示す断面図である。 本発明の第５実施形態に係るガスタービンエンジンの燃焼室を示す断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係るガスタービンエンジンの実施形態について詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１に示されるようにガスタービンエンジン１は、部分過濃形態燃焼方式が採用された燃焼器２を備え、この燃焼器２は、上流側の１次燃焼場３で燃料過濃状態（リッチ状態）の燃焼を行うと共に、下流側の２次燃焼場４で燃料希薄状態（リーン状態）の燃焼を行う燃焼室５を有する。

ガスタービンエンジン１は、例えば、航空機のジェットエンジンとして利用可能なものであり、燃焼器２の上流に設けられた圧縮機によって大気を圧縮して、圧縮空気を燃焼器２の燃焼室５に導入して燃焼室５内に供給された燃料を燃焼し、燃焼室５から排出された燃焼ガスを用いて、燃焼器２の下流に設けられたタービンを回転させて機械的動力を得ると共に、燃焼室５から排出された高速の燃焼ガスから推力を得るものである。

燃焼室５の上流側の端部には、燃料噴射ノズル６が設けられ、燃料噴射ノズル６の周囲には、燃焼室５内に圧縮空気を導入させるための吸気口５ａが設けられている。燃料噴射ノズル６から噴射された燃料は、燃焼室５内で圧縮空気と混合されて混合気を生成する。１次燃焼場３で燃料過濃状態の燃焼が行われ、１次燃焼場を流れる内部流体である燃焼ガス及び未燃の混合ガスは下流の２次燃焼場４へ導入される。

燃焼室５は、環状の燃焼室（アニュラー型燃焼室）であり、環の中心が存在する方を内側とし、筒状の内側ケース７と、この内側ケース７の外側に配置された筒状の外側ケース８とを備えている。これらの内側ケース７と外側ケース８との間に、内部流体が流れる流路が形成される。なお、燃焼室５は、アニュラー型に限定されず、カン型又はカニュラー型などその他の構造の燃焼室でもよい。

燃焼室５は、燃焼室５の上流側に配置された上流部９と、上流部９の下流に連続する繋ぎ部１０と、繋ぎ部の下流に連続する下流部１１と備えている。内側ケース７の上流部分７ａと外側ケース８の上流部分８ａとは、燃焼室５の内部流体の流れ方向に沿って互いに平行に配置されている。この内側ケース７の上流部分７ａと外側ケース８の上流部分８ａとの間の流路に、１次燃焼場３が形成される。

上流部９の下流側の端部から屈曲された繋ぎ部１０は、下流側に向けられた一対の壁面１０ａを有する。内側ケース７の繋ぎ部分７ｂと外側ケース８の繋ぎ部分８ｂとは、下流側に向かうにつれて互いに離れるように傾斜し、内側ケース７と外側ケース８との間の流路が広げられている。

内側ケース７の繋ぎ部分７ｂ及び外側ケース８の繋ぎ部分８ｂには、追加の燃焼用空気を１次燃焼場３と２次燃焼場４との間に供給するための燃焼用空気吸入口１２が設けられている。燃焼用空気吸入口１２の形状は、円形でもよく、スリット状でもよい。燃焼用空気吸入口１２は、内部流体の流れ方向に対して傾斜する方向に複数配置されていてもよい。また、燃焼用空気吸入口１２の軸線方向は、燃焼室５の軸線方向に平行に配置されていてもよく、燃焼室５の軸線方向に対して傾斜して配置されていてもよい。

繋ぎ部１０の下流側の端部から流れ方向の後方へ屈曲された下流部１１は、内側ケース７の下流部分７ｃと外側ケース８の下流部分８ｃとを有し、これらの下流部分７ｃ，８ｃは、内部流体の流れ方向に沿って互いに平行に配置されている。この内側ケース７の下流部分７ｃと外側ケース８の下流部分８ｃとの間の流路に２次燃焼場４が形成される。

燃焼室５は、２次燃焼場４の上流側に隣接し２次燃焼場４の流路より狭い流路を有する絞り部として上記の繋ぎ部１０を備え、内側ケース７の繋ぎ部分７ｂと外側ケース８の繋ぎ部分８ｂとの間の隙間は、下流側から上流側に向かうにつれて狭くなっている。繋ぎ部１０の上流側の端部１０ｂは、絞り部において内側ケース７と外側ケース８とが最も接近して流路が狭められている。

燃焼室５の下流側の端部には、燃焼室５内の燃焼による燃焼ガスを排出する排気口５ｂが形成されている。燃焼ガスは、燃焼室５の下流に設けられたタービンに向けられて噴出されてタービンを回転させる。燃焼器２の前段に配置された圧縮機の回転羽根車は、燃焼器２の後段のタービンと共通の回転軸を備え、タービンが回転することで回転羽根車が回転して空気を圧縮し圧縮された空気が燃焼器２に導入される。

次にこのように構成されたガスタービンエンジン１の動作について説明する。
ガスタービンエンジン１では、吸入された大気が圧縮機によって圧縮されて燃焼器２に供給される。圧縮空気は、吸気口５ａを通じて燃焼室５内に導入される。燃焼室内５内に導入された圧縮空気と燃料噴射ノズル６から噴射された燃料とが混合されて、混合気が生成される。

混合気は１次燃焼場３において燃料過濃状態で燃焼し、燃焼ガス及び未燃の混合ガスは繋ぎ部１０を通過して下流部１１に流入する。燃焼用空気吸入口１２を通じて燃焼室５に流入した追加の燃焼用空気は、燃焼ガス及び未燃の混合ガスと共に下流部１１へ流れ込む。追加の燃焼用空気が供給されて未燃の混合ガスが希釈され、２次燃焼場４での燃料希薄状態の燃焼が行われて、燃焼温度の上昇を抑制することによりＮＯｘ排出量が低減する。燃焼室５内で発生した燃焼ガスは、燃焼室５の下流側の排気口５ｂから排出されて燃焼室５の下流のタービンに吹き付けられ、タービンを回転させると共に推進力を発生させる。

このようなガスタービンエンジン１によれば、２次燃焼場４の流路より狭い流路を有する絞り部として繋ぎ部１０を備え、この繋ぎ部１０は、１次燃焼場３を流れる内部流体（１次燃焼場で発生した燃焼ガス、未燃の混合ガス及び残存する圧縮空気）をより高い流速で２次燃焼場４へ流入させることができる。これにより、繋ぎ部１０の燃焼用空気吸入口１２から供給された追加の燃焼用空気の逆流が抑制され、１次燃焼場３に追加の燃焼用空気が混入することが抑制され、１次燃焼場３においてリッチ燃焼が可能となり、燃焼温度の上昇が抑制されるので、１次燃焼場においてＮＯｘの発生を低減することができる。

このガスタービンエンジン１では、２次燃焼場４の上流の１次燃焼場３で燃料過濃状態での燃焼を行うので、燃焼安定性を実現しつつ、ＮＯｘの発生を抑制することができる。

（第２実施形態）
図２を参照してガスタービンエンジン２１について説明する。上記の実施形態と同一の構成については説明を省略する。ガスタービンエンジン２１の燃焼器２２は、第１実施形態の燃焼室５と形状が異なる燃焼室２５を備えている。具体的には、燃焼室２５の上流部２９の形状が第１実施形態と異なっている。

燃焼室２５は、筒状の内側ケース２７と、この内側ケース２７の外側に配置された筒状の外側ケース２８とを備えている。

内側ケース２７は、上流側で流れ方向に沿って配置された上流部分２７ａと、上流部分２７ａの下流側の端部から内方へ屈曲された傾斜部分２７ｂと、この傾斜部分２７ｂの下流側の端部から流れ方向の後方へ屈曲され、流れ方向に沿って配置された連結部分２７ｃとを有する。

外側ケース２８は、上流側で流れ方向に沿って配置された上流部分２８ａと、上流部分２８ａの下流側の端部から内方へ屈曲された傾斜部分２８ｂと、この傾斜部分２８ｂの下流側の端部から流れ方向の後方へ屈曲され、流れ方向に沿って配置された連結される連結部分２８ｃとを有する。

燃焼室２５内の流路は、上流部２９の下流側の傾斜部分２７ｂ，２８ｂで絞られ、連結部分２７ｃ，２８ｃで維持され、繋ぎ部１０で広げられて下流部１１に繋がっている。

このような第２実施形態のガスタービンエンジン２１では、燃焼室２５の上流部２９の下流側で流路が絞られ、１次燃焼場３を流れる内部流体を後続の繋ぎ部１０の下流に高い流速で流出させることができる。これにより、第１実施形態のガスタービンエンジン１と同様に、追加の燃焼用空気の逆流が抑制され、１次燃焼場３においてリッチ燃焼が可能となり、１次燃焼場３における燃焼温度の上昇が抑制され、１次燃焼場３においてＮＯｘの発生を低減することができる。

（第３実施形態）
図３を参照してガスタービンエンジン３１について説明する。上記の実施形態と同一の構成については説明を省略する。ガスタービンエンジン３１の燃焼器３２は、上記実施形態の燃焼室５，２５と形状が異なる燃焼室３５を備えている。具体的には、燃焼室３５の上流部３９の形状が上記実施形態と異なっている。

燃焼室３５は、筒状の内側ケース３７と、この内側ケース３７の外側に配置された筒状の外側ケース３８とを備えている。内側ケース３７の上流部分３７ａと外側ケース３８の上流部分３８ａとは、下流に向かうにつれて、互いに接近するように傾斜している。

このような第３実施形態のガスタービンエンジン３１では、燃焼室３５の上流部３９で流路が絞られ、１次燃焼場３を流れる内部流体は、繋ぎ部１０の下流に高い流速で流出される。これにより、上記実施形態のガスタービンエンジン１，２１と同様に、追加の燃焼用空気の逆流が抑制され、１次燃焼場３においてリッチ燃焼が可能となり、１次燃焼場３における燃焼温度の上昇が抑制され、１次燃焼場３においてＮＯｘの発生を低減することができる。

（第４実施形態）
図４を参照してガスタービンエンジン４１について説明する。上記の実施形態と同一の構成については説明を省略する。ガスタービンエンジン４１は、燃焼室５の壁面１０ａから燃焼室５の内方へ張り出す案内部１３を備える点で、第１実施形態のガスタービンエンジン１と異なっている。

案内部１３は、板状を成し、繋ぎ部１０の上流側の端部１０ｂから燃焼室５の内方へ張り出している。案内部１３は、内側ケース７及び外側ケース８の両方から張り出し、流路の両側の案内部１３は、下流側に向かうにつれて互いに接近するように、傾斜して配置されている。

第４実施形態のガスタービンエンジン４１では、燃焼用空気吸入口１２から流入した追加の燃焼用空気は、案内部１３によって下流側に向けて案内されるので、１次燃焼場へ逆流する空気を一層抑制することができ、１次燃焼場３における燃焼温度の上昇を防止して、ＮＯｘの発生を抑制することができる。

なお、案内部１３は、第２及び第３実施形態のガスタービンエンジン２１，３１の燃焼室２５，３５に設けられていてもよい。また、案内部１３は、繋ぎ部１０の上流側の端部１０ｂから張り出すものに限定されず、繋ぎ部１０の上流側の端部１０ｂよりも下流側へずれた位置から張り出すものでもよく、上流部９の下流側の端部よりも上流側へずれた位置から張り出すものでもよい。

（第５実施形態）
図５を参照してガスタービンエンジン５１について説明する。上記の実施形態と同一の構成については説明を省略する。ガスタービンエンジン５１は、燃焼室５の内側ケース５７が流れ方向に沿って、形状変化がなく直線的に配置されている点で、第４実施形態のガスタービンエンジン５１と異なっている。このように、内側ケース５７が直線的に配置され、流路を挟んで対向して配置された外側ケース８を変形させて、内側ケース５７と外側ケース８との隙間を変えることで流路を狭めてもよい。同様に、外側ケースを直線的に配置して内側ケースを変形させることで、流路を狭めてもよい。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、航空機のジェットエンジンとして利用可能なガスタービンエンジン１として説明しているが、本発明のガスタービンエンジン１，２１，３１，４１，５１は、航空機のジェットエンジンに限定されず、火力発電用の発電機や、コージェネレーション用の発電機などその他の用途に利用可能である。

また、上記の実施形態では、燃焼室５，２５，３５の外形を変えることで流路を狭めているが、流路内に他の壁面を形成することで、流路を狭めてもよい。

１，２１，３１，４１，５１…ガスタービンエンジン、３…１次燃焼場、４…２次燃焼場、５，２５，３５…燃焼室、１２…燃焼用空気吸入口、１３…案内部。

Claims (2)

1. 圧縮空気及び燃料を燃焼室内に導入し、前記燃焼室の１次燃焼場で燃料過濃状態の燃焼を行うと共に、前記１次燃焼場の下流の２次燃焼場で燃料希薄状態の燃焼を行い、前記２次燃焼場から排出された燃焼ガスを吹き付けてタービンを回転させるガスタービンエンジンにおいて、
   前記２次燃焼場の上流には、前記１次燃焼場と前記２次燃焼場との間に追加の燃焼用空気を供給する吸入口が設けられ、
   前記２次燃焼場の流路よりも狭い流路を有する絞り部は、前記２次燃焼場の上流側に隣接し、前記１次燃焼場の内部流体をより高い流速で前記２次燃焼場に流入させることを特徴とするガスタービンエンジン。
2. 前記燃焼室の壁面から前記燃焼室の内方へ張り出す案内部は、前記吸入口よりも上流で前記吸入口に隣接する前記壁面の部分から下流側に伸びている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。

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