JP2015135212A

JP2015135212A - ガスタービンエンジン

Info

Publication number: JP2015135212A
Application number: JP2014007107A
Authority: JP
Inventors: 康之濱地; Yasuyuki Hamachi; 俊樹山口; Toshiki Yamaguchi
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2014-01-17
Publication date: 2015-07-27

Abstract

【課題】燃焼器の頂部での空気の滞留を防止するガスタービンエンジンを提供する。【解決手段】略円筒形状に形成され側面周囲に複数の空気孔２３Ｈが設けられるライナー２３と、ライナー２３の頂部側の軸芯に設けられる燃料噴射ノズル２２と、略円筒形状に形成されライナー２３の外部に同軸上に配置される燃焼器外筒２１と、を具備し、燃焼器外筒２１とライナー２３との間に供給された圧縮空気を空気孔２３Ｈによってライナー２３内部に案内し、燃料噴射ノズルから燃料をライナー２３内部に供給し、燃料を燃焼させる燃焼器２０を備えるガスタービンエンジン１００であって、燃焼器外筒２１の頂部側の内部には、複数枚の仕切り板２５が設けられ、仕切り板２５は、燃焼器外筒２１の内壁と燃料噴射ノズル２２とライナー２３の外壁とで形成される空間を略隙間なく複数に区画する。【選択図】図４

Description

本発明は、ガスタービンエンジンの燃焼器の技術に関する。

ガスタービンエンジンは、回転することによって空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機から送り出された圧縮空気に燃料を供給して燃焼させる燃焼器と、燃焼器から送り出された燃焼ガスを受けて回転するタービンと、を具備する内燃機関として良く知られている。

燃焼器は、略円筒形状に形成され側面周囲に複数の空気孔が設けられるライナーと、ライナーの一側に設けられる燃料噴射ノズルと、略円筒形状に形成されライナーの外部に同軸上に配置される燃焼器外筒と、を具備し、燃焼器外筒とライナーとの間に供給された圧縮空気を空気孔又はスワラーによってライナー内部に案内し、燃料噴射ノズルから燃料をライナー内部に供給し、燃料を燃焼させるものである。

燃焼器では、ライナー内部にて燃料を燃焼させるため、ライナー内部が非常に高温となる。そのため、燃焼器では、燃焼器外筒とライナーとの間に供給される圧縮空気がライナーの冷却効果を担っている。例えば、特許文献１に開示される燃焼器では、燃焼器外筒とライナーとの間に複数枚のガイドベーンを設けることによって、供給される空気流量の偏りを低減し、冷却効果を向上する構成を開示している。

しかし、燃焼器の頂部側（燃料噴射ノズルが設けられる側）では、一部の空気がスワロールを通過してライナー内部に導かれず、例えば径方向の対向する上流側に戻ってしまう逆流現象が発生する。このような逆流現象が発生すると、燃焼器の頂部側において空気が滞留する部分（渦）が発生し、ライナーの冷却効果が低減し、ライナーの焼損につながるおそれがある。

特開２０００−１４６１８６号公報

本発明の解決しようとする課題は、燃焼器の頂部での空気の滞留を防止するガスタービンエンジンを提供することである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、略円筒形状に形成され側面周囲に複数の空気孔が設けられるライナーと、前記ライナーの一側の軸心に設けられる燃料噴射ノズルと、略円筒形状に形成され前記ライナーの外部に同軸上に配置される燃焼器外筒と、を具備し、前記燃焼器外筒と前記ライナーとの間に供給された圧縮空気を空気孔によって前記ライナー内部に案内し、燃料噴射ノズルから燃料を前記ライナー内部に供給し、該燃料を燃焼させる燃焼器を備えるガスタービンエンジンであって、前記燃焼器外筒の一側の内部には、複数枚の仕切り板が設けられ、前記仕切り板は、前記燃焼器外筒の内壁と前記燃料噴射ノズルと前記ライナーの外壁とで形成される空間を略隙間なく複数に区画するものである。

請求項２においては、請求項１記載のガスタービンエンジンであって、前記複数枚の仕切り板は、前記燃料噴射ノズルから放射状に設けられるものである。

請求項３においては、請求項２記載のガスタービンエンジンであって、前記燃焼器外筒の内側の側面周囲には、環状の凸部が形成されるものである。

本発明のガスタービンエンジンによれば、燃焼器の頂部での空気の滞留を防止することができる。

ガスタービンエンジンの構成を示した模式図。燃焼器の構成を示した模式図。燃焼器外筒の構成を示した模式図。燃焼器の作用を示した模式図。

図１を用いて、ガスタービンエンジン１００の構成について説明する。
なお、図１は、ガスタービンエンジン１００の構成を側面視にて模式的に表している。

ガスタービンエンジン１００は、本発明のガスタービンエンジンに係る実施形態である。ガスタービンエンジン１００は、圧縮機１０と、燃焼器２０と、タービン３０と、を具備している。また、ガスタービンエンジン１００は、排気ノズル４０と、減速装置（図示略）と、発電装置（図示略）と、を具備している。

圧縮機１０は、回転することによって空気を圧縮するものである。圧縮機１０は、回転軸Ｌの周方向に螺旋状に形成された複数のインペラ１１を備えている。圧縮機１０は、回転軸Ｌを中心として回転し、各インペラ１１が空気をかくことによって空気を圧縮する。

なお、本ガスタービンエンジン１００における圧縮機１０は、回転軸Ｌに対して平行に供給された空気を圧縮し、回転軸Ｌに対して垂直に圧縮空気を送り出すものである。

燃焼器２０は、圧縮機１０から送り出された圧縮空気に燃料を供給して燃焼させるものである。燃焼器２０は、燃焼器外筒２１の内部に燃料噴射ノズル２２が取り付けられたライナー２３を備えている。燃焼器２０は、燃焼器外筒２１によってライナー２３の空気孔２３Ｈ及びスワラー２６からライナー２３の内部に圧縮空気を案内している。そして、燃焼器２は、燃料噴射ノズル２２が燃料を供給することによって燃料を燃焼させる。

なお、本ガスタービンエンジン１００における燃焼器２０は、ライナー２３の下流側に燃焼ガスを案内する尾筒（図示略）を備えており、回転軸Ｌに対して平行に燃焼ガスを送り出している。

タービン３０は、燃焼器２０から送り出された燃焼ガスを受けて回転するものである。ガスタービンエンジン１００において、タービン３０は、高圧タービン３１と低圧タービン３２とで構成されている。

高圧タービン３１は、回転軸Ｌの周方向に回転軸Ｌに対して所定の角度をなす複数のブレード３４を備えている。また、低圧タービン３２も、回転軸Ｌの周方向に回転軸Ｌに対して所定の角度をなす複数のブレード３５を備えている。高圧タービン３１と低圧タービン３２は、各ブレード３４・３５に燃焼ガスを受け、回転軸Ｌを中心として回転する。

なお、ガスタービンエンジン１００におけるタービン３０は、圧縮機１０を回転させるとともに圧縮機１０に接続されたクイルシャフト１２を回転させる。クイルシャフト１２は、図示しない減速装置を介して発電装置を駆動する。

このように、ガスタービンエンジン１００は、連続的に空気を圧縮し、燃料を燃焼させ、回転動力を得ることができる。そして、ガスタービンエンジン１００は、連続的に得られる回転動力を利用して発電装置を駆動する。

なお、本実施形態のガスタービンエンジン１００は、軽油等の液体燃料を用いる仕様であるが、天然ガス等の気体燃料を用いる仕様であっても良い。また、本実施形態のガスタービンエンジン１００は、いわゆる一軸式ガスタービンエンジンであるが、二軸式ガスタービンエンジンであっても良い。

図２を用いて、燃焼器２０の構成について説明する。
なお、図２では、燃焼器２０を一部断面視とした側面視にて模式的に表している。また、以下では、図に記載される軸方向の頂部側又は基端側に従って説明するものとする。

燃焼器は、燃焼器外筒２１とライナー２３との間に供給された圧縮空気を空気孔２３Ｈ及びスワラー２６によってライナー２３内部に案内し、燃料噴射ノズル２２から燃料をライナー２３内部に供給し、燃料を燃焼させるものである。

ライナー２３は、軸方向の頂部側が斜面２３Ｓからなる先細りとなる略円筒形状に形成されている。ライナー２３は、鋳造によって製作されるものとする。ライナー２３の軸方向の頂部側であって軸心部には、燃料噴射ノズル２２が貫通している。ライナー２３の燃料噴射ノズル２２が貫通している周囲には、スワラー２６が設けられている。

スワラー２６は、旋回案内羽根であって、ライナー２３の頂部側からライナー２３の内部に進入する空気を旋回させる機能を有している。スワラー２６からライナー２３の内部（燃焼領域）に取り込まれた空気は、一次空気と呼ばれ、燃料と混合され燃料を燃焼させる。

ライナー２３の側面周囲には、複数の空気孔２３Ｈが設けられている。空気孔２３Ｈからライナー２３の内部（燃焼領域）に取り込まれた空気は、二次空気と呼ばれ、燃焼室の内部冷却と燃焼ガスの希釈、一次空気で完全燃焼しなかった燃料の二次燃焼に利用される。

燃焼器外筒２１は、略円筒形状に形成されている。燃焼器外筒２１は、精密鋳造によって製作されるものとする。燃焼器外筒２１は、ライナー２３の外部に同軸上に配置されている。燃焼器外筒２１の内部であって頂部側には、仕切り板２５が形成されている。また、燃焼器外筒２１の内部であって基端側には、凸部２７が形成されている。なお、仕切り板２５及び凸部２７について詳細は後述する。

図３を用いて、燃焼器外筒２１の構成について説明する。
なお、図３（Ａ）では、燃焼器外筒２１の構成を側面断面視にて模式的に表している。また、図３（Ｂ）では、図３（Ａ）の断面視ＡＡについて模式的に表している。

上述したように、燃焼器外筒２１は、略円筒形状に形成され、燃焼器外筒２１の内部であって頂部側には、仕切り板２５が形成されている。燃焼器外筒２１には、４枚の仕切り板２５が設けられている。それぞれの仕切り板２５は、燃料噴射ノズル２２から円周方向に向かって放射状に設けられている。

仕切り板２５は、燃焼器外筒２１と一体的になるように鋳造によって製作されている。そのため、仕切り板２５の頂部側は、燃焼器外筒２１と隙間なく一体的に形成されている。仕切り板２５の基端側は、ライナー２３の斜面２３Ｓに沿って形成されている。仕切り板２５の基端側とライナー２３の斜面２３Ｓとは、略隙間なく密着している。

言い換えれば、燃焼器外筒２１の内壁と燃料噴射ノズル２２とライナー２３の外壁とで形成されの頂部側の空間は、仕切り板２５によって４つの空間に略隙間なく区画されている。なお、本実施形態の燃焼器２０では、仕切り板２５を４枚とする構成としたがこれに限定されない。例えば、仕切り板２５を８枚、１２枚とする構成であっても良い。

燃焼器外筒２１の内部の側面周囲であって軸方向の基端側には、凸部２７が形成されている。凸部２７は、燃焼器外筒２１の全周に亘って燃焼器外筒２１と一体的に形成されている。言い換えれば、凸部２７は、燃焼器外筒２１の内径が絞り込まれるように形成されている。

図４を用いて、燃焼器２０の作用について説明する。
なお、図４では、燃焼器２０を一部断面視とした側面視にて模式的に表している。また、図４に記載される矢印は空気の流れを表している。

上述したように、燃焼器外筒２１とライナー２３との間に供給された圧縮空気は、空気孔２３Ｈ又はスワラー２６によってライナー２３内部に案内され、燃料噴射ノズル２２から燃料がライナー２３内部に供給され、燃料を燃焼する。

燃焼器外筒２１とライナー２３との間に供給された圧縮空気は、軸方向の基端側から頂部側に向かうものの、凸部２７を通過する際に、速度が均一化され、空気の流れが整流される。

凸部２７を通過して速度が均一化された空気のうち二次空気は、空気孔２３Ｈからライナー２３の内部（燃焼領域）に取り込まれ、燃焼室の内部冷却と燃焼ガスの希釈、一次空気で完全燃焼しなかった燃料の二次燃焼に利用される。

凸部２７を通過して速度が均一化された空気のうち一次空気は、燃焼器外筒２１とライナー２３との間の頂部側に向かう。このとき、燃焼器外筒２１とライナー２３との間の頂部側の空間は、仕切り板２５によって４つの空間に区画されているので、一次空気は、それぞれの区画された空間において、スワラー２６からライナー２３の内部（燃焼領域）に取り込まれ、燃料と混合され燃料を燃焼する。

ガスタービンエンジン１００の効果について説明する。
ガスタービンエンジン１００によれば、燃焼器２０の頂部側での空気の滞留を防止することができる。

従来、燃焼器の頂部側では、燃焼器外筒の頂部側に向かう一次空気がスワロールを通過してライナー内部に導かれず、例えば径方向の対向する上流側に戻ってしまう逆流現象が発生していた。このような逆流現象が発生すると、空気が滞留する部分（渦）が発生し、ライナーの冷却効果が低減し、ライナーの焼損につながるおそれがあった。

ガスタービンエンジン１００によれば、燃焼器外筒２１の内部であって頂部側には仕切り板２５が形成されているため、一次空気は、仕切り板２５によって区画された空間において、スワラー２６からライナー２３の内部（燃焼領域）に取り込まれる。言い換えれば、一次空気がスワロールを通過してライナー内部に導かれず、例えば径方向の対向する上流側に戻ってしまう逆流現象を防止できる。

また、ガスタービンエンジン１００によれば、燃焼器２０の仕切り板２５が燃焼器外筒２１においてリブの役割をするため、燃焼器外筒２１の強度を向上することができる。

また、ガスタービンエンジン１００によれば、燃焼器２０の仕切り板２５を精密鋳造によって燃焼器外筒２１に形成するため、例えば、ライナー２３に仕切り板２５を溶接する構成と比較して廉価で製作することができる。

また、ガスタービンエンジン１００によれば、燃焼器２０の燃焼器外筒２１の基端側に凸部２７を鋳造によって形成し、空気の流れを整流するため、例えば、整流板を設ける構成と比較して、圧力損失を小さくすることができ、鋳造によって廉価で製作することができる。

本実施形態のガスタービンエンジン１００では、燃焼器２０に仕切り板２５及び凸部２７を設ける構成としたが、これに限定されない。例えば、仕切り板２５のみを設ける構成、或いは、凸部２７のみを設ける構成としても良い。

１０圧縮機
２０燃焼器
２１燃焼器外筒
２２燃料噴射ノズル
２３ライナー
２５仕切り板
２６スワラー
２７凸部
３０タービン
１００ガスタービンエンジン

Claims

略円筒形状に形成され側面周囲に複数の空気孔が設けられるライナーと、前記ライナーの一側の軸心に設けられる燃料噴射ノズルと、略円筒形状に形成され前記ライナーの外部に同軸上に配置される燃焼器外筒と、を具備し、前記燃焼器外筒と前記ライナーとの間に供給された圧縮空気を空気孔によって前記ライナー内部に案内し、燃料噴射ノズルから燃料を前記ライナー内部に供給し、該燃料を燃焼させる燃焼器を備えるガスタービンエンジンであって、
前記燃焼器外筒の一側の内部には、複数枚の仕切り板が設けられ、
前記仕切り板は、前記燃焼器外筒の内壁と前記燃料噴射ノズルと前記ライナーの外壁とで形成される空間を略隙間なく複数に区画する、
ガスタービンエンジン。
請求項１に記載のガスタービンエンジンであって、
前記複数枚の仕切り板は、前記燃料噴射ノズルから放射状に設けられる、
ガスタービンエンジン。
請求項２に記載のガスタービンエンジンであって、
前記燃焼器外筒の内側の側面周囲には、環状の凸部が形成される、
ガスタービンエンジン。