JP2017161087A - バーナアセンブリ、燃焼器、及びガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼安定性を高く維持し得るバーナアセンブリ、燃焼器、及びガスタービンを提供する。
【解決手段】燃焼器のバーナアセンブリは、前記燃焼器の周方向に配列された複数の第１ノズルと、前記複数の第１ノズルをそれぞれ収容する複数の第１バーナ筒と、前記複数の第１バーナ筒の下流端に接続され、前記複数の第１バーナ筒の内部空間と前記燃焼器の燃焼室とを連通させる中間流路を形成する中間流路形成部と、を備える。前記中間流路形成部は、前記燃焼器の半径方向内側に位置し、前記燃焼器の中心軸からの距離が前記周方向に関して不均一である内周壁を有する。
【選択図】 図１

Description

本開示は、複数のノズル及びバーナ筒を備えたバーナアセンブリ、燃焼器、及びガスタービンに関する。

従来、燃焼器のバーナアセンブリとして、複数のノズル及びバーナ筒が燃焼器の周方向に配列された構成が知られている。
例えば、特許文献１及び２には、拡散燃焼を行うパイロットバーナと、このパイロットバーナの周囲に設けられ、予混合燃焼を行う複数のメインバーナと、を備えたバーナアセンブリが記載されている。また、特許文献２には、メインバーナに設けられたスワラにより形成される旋回流と、燃焼室内においてメインバーナへ戻ってくる再循環流とを混合させることによって保炎性を向上させることも記載されている。

特開２００５−１１４１９３号公報 特開２０１３−１９０１９６号公報

燃焼器のバーナアセンブリにおいては、燃焼安定性を高く維持することが求められる。すなわち、燃焼室内の適正な位置に適正な大きさの火炎を持続的に形成することが必要とされる。しかしながら、特許文献１及び２に記載されるように従来のバーナアセンブリでは、火炎の集中による局所的な異常発熱や火炎位置の変動による燃焼振動が発生することがあり、燃焼が不安定になることがあった。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも幾つかの実施形態は、燃焼安定性を高く維持し得るバーナアセンブリ、燃焼器、及びガスタービンを提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る燃焼器のバーナアセンブリは、
前記燃焼器の周方向に配列された複数の第１ノズルと、
前記複数の第１ノズルをそれぞれ収容する複数の第１バーナ筒と、
前記複数の第１バーナ筒の下流端に接続され、前記複数の第１バーナ筒の内部空間と前記燃焼器の燃焼室とを連通させる中間流路を形成する中間流路形成部と、を備え、
前記中間流路形成部は、前記燃焼器の半径方向内側に位置し、前記燃焼器の中心軸からの距離が前記周方向に関して不均一である内周壁を有する。

上記（１）の構成によれば、中間流路形成部の内周壁のうち燃焼器の中心軸からの距離が変化する領域では、この領域の内周壁に沿う流れの半径方向流速は周方向に関して不均一となる。このため、該領域において、燃焼器の軸方向に直交する面内に縦渦が発生する。よって、中間流路形成部の下流側において、第１バーナ筒からの縦渦成分を伴った流れと、燃焼室内におけるガス流れ（例えば再循環ガス）との混合が促進され、バーナアセンブリの火炎の安定性を向上させることができる。
このように、バーナアセンブリによる燃焼の安定化が可能となるため、燃焼振動の抑制や異常発熱の防止も実現できる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記複数の第１ノズルに囲まれるように配置される第２ノズルと、
前記第２ノズルを収容する第２バーナ筒と、
前記第２バーナ筒の下流端に接続され、前記第２バーナ筒の前記下流端の直径から下流側に向かって拡径するコーン部と、をさらに備え、
前記コーン部は、該コーン部の下流端に位置し、前記燃焼器の半径方向外側に向かって延在するフランジを有し、
前記燃焼器の半径方向における前記フランジの高さは、前記周方向に関して不均一である。

上記（２）の構成において、第２バーナ筒の下流端に接続されるコーン部は、燃焼器の半径方向外側に向かって延在するフランジを有している。このフランジは保炎領域を形成する。すなわち、フランジの下流側に、第２バーナ筒又は第１バーナ筒からの流体の流れの一部が逆流する逆流領域、又は、流速が低い低速領域が形成され、これにより保炎性を向上させるようになっている。
また、上記（２）の構成では、フランジは、燃焼器の半径方向における高さが周方向に関して不均一となるように形成されている。そのため、フランジの下流側に形成される保炎領域（逆流領域又は低速領域）における流れが周方向に不均一となり、燃焼室内における火炎位置が周方向において固定化されるので、保炎性をより効果的に向上させることができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、
前記中間流路形成部は、
前記複数の第１バーナ筒の下流側に位置し、前記周方向に延在する内側リング２２と、
前記複数の第１バーナ筒の下流側において前記内側リング２２の外周側に位置し、前記内側リング２２との間に環状の前記中間流路を形成するように前記周方向に延在する外側リング２３と、
を含み、
前記燃焼器の中心軸から前記内側リング２２までの距離が前記周方向に関して不均一である。

上記（３）の構成において、中間流路形成部は内側リング２２及び外側リング２３を含み、内側リング２２と外側リング２３との間には環状の中間流路が形成される。環状の中間流路は流体の混合性に優れており、この構成においてさらに、燃焼器の中心軸から内側リング２２までの距離を周方向に関して不均一とする構成を備えることによって縦渦を形成し、より一層燃焼の安定化を図ることができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、
前記中間流路形成部は、
前記複数の第１バーナ筒のそれぞれに対して下流側に位置し、前記複数の第１バーナ筒の内部空間にそれぞれ連通する複数の中間ダクト２５
を含み、
前記中間ダクト２５のうち前記燃焼器の内周側の部位は、前記燃焼器の中心軸から前記中間ダクト２５の前記部位までの距離が前記周方向に関して不均一である。

上記（４）の構成によれば、第１バーナ筒の下流側に位置する中間ダクト２５のうち燃焼器の内周側の部位を、燃焼器の中心軸から中間ダクト２５の前記部位までの距離が周方向に関して不均一となるように形成している。これにより、第１バーナ筒と燃焼器の燃焼室とを連通するように中間ダクト２５を設けた構成において縦渦を形成し、燃焼の安定化を図ることができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかの構成において、
前記中間流路形成部の前記内周壁は、前記周方向に関して凹凸を有する。

上記（５）の構成によれば、中間流路形成部の内周壁の凹凸によって、上述した縦渦を効果的に形成することができる。すなわち、内周壁の凹凸に沿う流れによって、第１バーナ筒の軸方向に直交する面内に縦渦が発生する。例えば、縦渦は、第１バーナ筒の軸方向に直交する面内において、凸部の傾斜面に沿って半径方向外方へ向かった後、中間流路形成部の外周壁で半径方向内方へ戻る流れである。
この凹凸により形成される縦渦によって、中間流路形成部の下流側において、第１バーナ筒からの流れと、燃焼室内におけるガス流れ（例えば再循環ガス）との混合が促進され、バーナアセンブリの火炎の安定性を向上させることができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（５）の構成において、
前記複数の第１バーナ筒にそれぞれ設けられ、各々の前記第１バーナ筒内を流れる空気流に旋回を与えるための複数の第１スワラをさらに備え、
前記内周壁は、前記燃焼器の中心軸からの前記距離が最大となる前記凹凸の頂点の前記周方向における位置が、当該位置の上流側（燃焼器の軸方向における上流側）に位置する第１スワラの旋回中心に対して、前記第１スワラにより形成される前記内周壁に沿った旋回流れの下流側にずれている。

上記（６）の構成では、内周壁に設けられた凹凸の頂点の周方向位置が、第１スワラの旋回中心に対して、内周壁に沿った旋回流れの下流側にずれている。これにより、第１スワラによる旋回成分と、内周壁の凹凸に起因した縦渦成分との相互作用によって、上述した縦渦を効果的に形成することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（４）の構成において、
前記中間ダクト２５の前記内周側の部位は、前記周方向における一端側から他端側に向かって、前記燃焼器の中心軸から前記中間ダクト２５の前記部位までの距離が徐々に増加するような形状を有する。

上記（７）の構成によれば、中間ダクト２５の内周側の部位において、周方向における一端側から他端側に向かって、燃焼器の中心軸から中間ダクト２５の前記部位までの距離が徐々に増加するような形状を有しているので、中間ダクト２５の形状を複雑化することなく、中間ダクト２５の内周側の部位によって上述した縦渦を形成することができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（７）の構成において、
前記複数の第１バーナ筒にそれぞれ設けられ、各々の前記第１バーナ筒内を流れる空気流に旋回を与えるための複数の第１スワラをさらに備え、
前記中間ダクト２５の前記内周側の部位は、前記第１スワラにより形成される前記中間ダクト２５の前記部位に沿った旋回流れの下流側に向かって、前記中心軸からの距離が徐々に増加する形状を有する。

上記（８）の構成では、中間ダクト２５の内周側の部位は、第１スワラによる前記部位に沿った旋回流れの下流側に向かって、燃焼器の中心軸からの距離が徐々に増加する形状を有する。これにより、第１スワラによる旋回成分と、中間ダクト２５の内周側の部位に起因した縦渦成分との相互作用によって、上述した縦渦を効果的に形成することができる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（８）の何れかの構成において、
各々の前記第１ノズルは、前記第１バーナ筒に供給される空気流と、前記第１ノズルから供給される燃料とを予め混合して燃焼する予混合ノズルである。

上記（９）の構成のように第１ノズルとして予混合ノズルを用いた予混合燃焼では、一般的に、低ＮＯｘ化が図れるものの燃焼が不安定になることが知られている。そのため、上記（１）乃至（８）の何れかの構成を備えることによって、燃焼の安定化が可能となり、低ＮＯｘ且つ安定燃焼を両立し得るバーナアセンブリとすることができる。

（１０）本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る燃焼器は、
上記（１）乃至（９）の何れかに記載のバーナアセンブリと、
前記バーナアセンブリを収容する燃焼器ライナと、を備える。

上記（１０）の燃焼器によれば、安定燃焼が可能なバーナアセンブリを備えているため、信頼性の高い燃焼器を提供することができる。

（１１）本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係るガスタービンは、
圧縮機と、
前記圧縮機で生成された圧縮空気を用いて燃料を燃焼させるように構成された上記（１０）の燃焼器と、
前記燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動されるタービンと、
を備える。

上記（１１）のガスタービンによれば、安定燃焼が可能なバーナアセンブリを備えているため、信頼性の高いガスタービンを提供することができる。
なお、このガスタービンは、上記（１０）に記載のバーナアセンブリを複数備える構成であってもよい。

本発明の少なくとも幾つかの実施形態によれば、燃焼室内の火炎位置が周方向において固定化されて、燃焼を安定化させることができる。また、燃焼の安定化により、燃焼振動の抑制や異常発熱の防止を図ることもできる。

一実施形態に係るバーナアセンブリの側面図である。 一実施形態に係るバーナアセンブリの正面図（図１のＡ−Ａ矢視図）である。 図２の変形例を示す図である。 図２の他の変形例を示す図である。 他の実施形態に係るバーナアセンブリの側面図である。 他の実施形態に係るバーナアセンブリの正面図（図１のＢ−Ｂ矢視図）である。 図６の変形例を示す図である。 一実施形態に係るガスタービンを示す概略構成図である。 一実施形態に係る燃焼器を示す断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

最初に、図１〜図７を参照して、幾つかの実施形態に係るバーナアセンブリ１に共通の構成について説明する。
図１は、一実施形態に係るバーナアセンブリ１の側面図である。図２は、一実施形態に係るバーナアセンブリ１の正面図（図１のＡ−Ａ矢視図）である。図５は、他の実施形態に係るバーナアセンブリ１の側面図である。図６は、他の実施形態に係るバーナアセンブリ１の正面図（図１のＢ−Ｂ矢視図）である。

なお、図１〜図７にはバーナアセンブリ１の２つの実施形態を例示的に示している。図１〜図４に示す一実施形態に係るバーナアセンブリ１と、図５〜図７に示す他の実施形態に係るバーナアセンブリ１とは、主に、第１バーナ筒３と燃焼器ライナ５１との間に設けられる中間流路形成部２０の構成が相違している。

以下の説明において、単に「周方向」と記載される場合は燃焼器５０の周方向のことを言い、単に「軸方向」と記載される場合は燃焼器５０の軸方向（通常は第１バーナ筒３の軸方向と同一）のことを言い、単に「半径方向」と記載される場合は燃焼器５０の半径方向のことを言う。また、「上流側」又は「下流側」とは、流体（例えば燃料、空気、又はこれらの混合流体）の流れ方向における上流側又は下流側のことである。

図１及び図２、図５及び図６に示すように、幾つかの実施形態において燃焼器５０のバーナアセンブリ１は、燃焼器５０の周方向に配列された複数の第１ノズル４と、複数の第１ノズル４をそれぞれ収容する複数の第１バーナ筒３と、複数の第１バーナ筒３の下流端に接続される中間流路形成部２０と、を備える。
中間流路形成部２０は、複数の第１バーナ筒３の内部空間７と燃焼器５０の燃焼室５５とを連通させる中間流路８を形成するように構成される。また、中間流路形成部２０は、燃焼器５０の半径方向内側に位置する内周壁２１と、半径方向外側に位置する外周壁２６と、を含む。
この中間流路形成部２０の内周壁２１は、燃焼器５０の中心軸Ｏからの距離が周方向に関して不均一である。

一実施形態では、バーナアセンブリ１は、第１ノズル４及び第１バーナ筒３を備える第１バーナ２を複数備える。例えば第１バーナ２は、予混合燃焼バーナである。この場合、各々の第１ノズル４（予混合燃焼ノズル）は、第１バーナ筒３に供給される空気流ａと、第１ノズル４から供給される燃料ｆとを予め混合して燃焼するように構成される。
但し、第１バーナ２は、予混合燃焼バーナのみに限定されるものではない。

複数の第１バーナ筒３は円筒形状であり、中間流路形成部２０の少なくとも下流側の端部は、非円筒形状であってもよい。すなわち、中間流路形成部２０は、燃料を含む流体が燃焼室５５に向かって流れる流路のうち、軸方向に直交する断面が流れ方向において変形する流路を形成する部分である。
中間流路形成部２０は、図１及び図５に例示するように第１バーナ筒３とは別体で形成されてもよいし、図示は省略するが第１バーナ筒３と一体に形成されてもよい。

上記構成において、燃料を含む流体は、第１バーナ筒３の内部空間７を下流側へ向けて流れて、中間流路形成部２０により形成される中間流路８に流入する。中間流路形成部２０の内周壁２１のうち燃焼器５０の中心軸Ｏからの距離が変化する領域では、この領域の内周壁２１に沿う流体流れの半径方向流速は周方向に関して不均一となる。このため、該領域において、燃焼器５０の軸方向に直交する面内に縦渦Ｖ（図６および図７参照）が発生する。よって、中間流路形成部２０の下流側において、第１バーナ筒３からの縦渦成分を伴った流れと、燃焼室５５内におけるガス流れとの混合が促進され、バーナアセンブリ１の火炎の安定性を向上させることができる。
このように、バーナアセンブリ１による燃焼の安定化が可能となるため、燃焼振動の抑制や異常発熱の防止も実現できる。
また、各々の第１ノズル４が予混合ノズルである場合、低ＮＯｘ且つ安定燃焼を両立し得るバーナアセンブリ１とすることができる。

なお、中間流路形成部２０の内周壁２１は、図１又は図５に例示するように、上流側端部よりも下流側端部の方が半径方向外方に位置するように、軸方向に対して傾斜していてもよい。この場合、内周壁２１は、直線状に傾斜していてもよいし、曲率中心が半径方向外方に位置するように湾曲しながら傾斜していてもよい。
これにより、中間流路８を流れる流体が内周壁２１に押し付けられるように流れるので、中間流路８の流れが内周壁２１の形状の影響を受けやすくなり、バーナアセンブリ１の火炎の安定性をより一層高めることができる。

また、幾つかの実施形態に係るバーナアセンブリ１は、複数の第１ノズル４に囲まれるように配置される第２ノズル１１と、第２ノズル１１を収容する第２バーナ筒１２と、第２バーナ筒１２の下流端に接続されるコーン部１５と、をさらに備えている。

バーナアセンブリ１は、第２ノズル１１及び第２バーナ筒１２を含む第２バーナ１０を備える。第２バーナ１０は、例えば拡散燃焼バーナである。この場合、第２ノズル１１（拡散燃焼ノズル）は、下流側端部から燃焼室５５に向けて燃料を噴出し、拡散燃焼を行うように構成される。
但し、第２ノズル１１は、拡散燃焼ノズルに限定されるものではなく、予混合燃焼ノズル等の他のタイプのノズルであってもよい。

コーン部１５は、第２バーナ筒１２の下流端の直径から下流側に向かって拡径するように形成され、下流端にフランジ１６を有する。このフランジ１６は、コーン部１５の下流端から燃焼器５０の半径方向外側に向かって延在する。
燃焼器５０の半径方向におけるフランジ１６の高さは、周方向に関して不均一である。

上記構成において、第２バーナ筒１２の下流端に接続されるコーン部１５は、燃焼器５０の半径方向外側に向かって延在するフランジ１６を有している。このフランジ１６は保炎領域を形成する。すなわち、フランジ１６の下流側に、第２バーナ筒１２又は第１バーナ筒３からの流体の流れの一部が逆流する逆流領域、又は、流速が低い低速領域が形成され、これにより保炎性を向上させるようになっている。
また、上記構成では、フランジ１６は、燃焼器５０の半径方向における高さが周方向に関して不均一となるように形成されている。そのため、フランジ１６の下流側に形成される保炎領域（逆流領域又は低速領域）における流れが周方向に不均一となり、燃焼室５５内における火炎位置が周方向において固定化されるので、保炎性をより効果的に向上させることができる。

また、バーナアセンブリ１は、複数の第１バーナ筒３にそれぞれ設けられ、各々の第１バーナ筒３内を流れる空気流に旋回を与えるための複数の第１スワラ５をさらに備えていてもよい。
複数の第１スワラ５は、第１バーナ筒３内において互いに同一の方向に旋回流を形成するように構成される。この第１スワラ５によって、燃焼室５５内に逆流領域を効果的に形成することができる。

より具体的に、図１及び図２、図５及び図６に例示する実施形態に係る燃焼器５０及びバーナアセンブリ１についての詳細な構成について説明する。

燃焼器５０は、バーナアセンブリ１と、バーナアセンブリ１を収容する燃焼器ライナ５１と、を備える。
燃焼器ライナ５１の内部には燃焼室５５が形成される。例えば、燃焼器ライナ５１は、第１バーナ２の周囲に配置される円筒状の内筒５２と、内筒５２の下流側端部に接続された尾筒５３と、を有している。この場合、尾筒５３の内部に燃焼室５５が形成される。
なお、燃焼器５０についての全体構成は、後述する図９においても具体的に説明する。

燃焼器ライナ５１の内部には、周方向に配列された複数の第１バーナ２（図２又は図６の例では８本）と、これら複数の第１バーナ２に囲まれるように配設された１本の第２バーナ１０と、が設けられている。さらに燃焼器ライナ５１の内部には、第１バーナ２及び第２バーナ１０を支持する基板５４と、第１バーナ２と燃焼室５５との間に配設される中間流路形成部２０と、が設けられている。

第１バーナ２は、燃焼器５０の周方向に等間隔で複数設けられている。
第１バーナ２は、第１バーナ筒３及び第１ノズル４を含む。第１バーナ筒３は円筒状に形成されている。第１バーナ筒３の内部には、第１ノズル４が収容されており、第１ノズル４と第１バーナ筒３との間には第１スワラ５が配設されている。第１ノズル４又は第１スワラ５には、燃料噴射孔６が設けられている。

中間流路形成部２０は、複数の第１バーナ筒３の下流端に接続され、複数の第１バーナ筒３の内部空間７と燃焼器５０の燃焼室５５とを連通させる中間流路８を形成する。図１及び図２に示す一実施形態では、中間流路形成部２０は内側リング２２及び外側リング２３を含む構成となっている。図５及び図６に示す他の実施形態では、中間流路形成部２０は中間ダクト２５を含む構成となっている。何れの実施形態においても、中間流路形成部２０は、燃料を含む流体が燃焼室５５に向かって流れる流路のうち、軸方向に直交する断面が流れ方向において変形する流路を形成する。

第２バーナ１０は、燃焼器ライナ５１の中央部に配設されており、第２バーナ筒１２及び第２ノズル１１を含む。第２バーナ筒１２は円筒状に形成されている。第２バーナ筒１２の内部には、第２ノズル１１が収容されており、第２ノズル１１と第２バーナ筒１２との間には第２スワラ１３が配設されている。第２バーナ筒１２の下流端には、第２バーナ筒１２の下流端からさらに下流側に向かってテーパ状に拡径するコーン部１５が接続されている。コーン部１５は、第２バーナ筒１２の全周に亘って延在している。第２ノズル１１の下流側端部には、燃料噴射孔１４が設けられている。

コーン部１５は、上流側端部から下流側端部に向かって半径方向外方へ広がる円錐台状の筒であり、上流側端部が第２バーナ筒１２の下流側端部に接続されている。このコーン部１５の下流端には、半径方向外側に向かって延在するフランジ１６が接続されている。例えば、フランジ１６は、軸方向に直交する面に沿って設けられている。フランジ１６は、その下流側に逆流領域又は低速領域を形成させることによって保炎性を高める保炎機能を有する。例えば第１バーナ２が予混合燃焼バーナである場合、フランジ１６の保炎機能によって、拡散炎を火種とする予混合燃焼を維持できる。
また、燃焼器５０の半径方向におけるフランジ１６の高さは、周方向に関して不均一である。

上述した構成を備えるバーナアセンブリ１において、第２バーナ１０（一例として拡散燃焼バーナ）では、第２バーナ筒１２内に供給された空気ａが、この第２バーナ筒１２内を流れる間に第２スワラ１３によって旋回流となり、コーン部１５内へ噴射される。一方、第２ノズル１１内に供給された燃料ｆは第２ノズル１１先端の燃料噴射孔１４からコーン部１５内へ噴射される。したがって、これらの空気ａと燃料ｆがコーン部１５内で混合され、この混合気が着火装置（図示省略）によって着火されることにより、コーン部１５内及び燃焼室５５において拡散燃焼が行われる。

第１バーナ２（一例として予混合燃焼バーナ）では、第１バーナ筒３内に供給された空気ａが、この第１バーナ筒３内を流れる間に第１スワラ５によって旋回流となる。一方、第１ノズル４内に供給された燃料ｆが、第１ノズル４内及び第１スワラ５内を通過し、第１ノズル４又は第１スワラ５の燃料噴射孔６から第１バーナ筒３内に噴射される。これらの空気ａと燃料ｆが第１バーナ筒３及び中間流路形成部２０内において予混合され、この予混合気が燃焼室５５へ噴射される。燃焼室５５では、第２バーナ１０で生成された拡散炎が火種として利用されることにより、燃焼室５５内に噴射された予混合気が着火されて予混合燃焼が行われる。
このとき、中間流路形成部２０の内周壁２１のうち燃焼器５０の中心軸Ｏからの距離が変化する領域では、この領域の内周壁２１に沿う流れの半径方向流速は周方向に関して不均一となり、燃焼器５０の軸方向に直交する面内に縦渦Ｖが発生する。そして、中間流路形成部２０の下流側において、第１バーナ筒３からの縦渦成分を伴った流れと、燃焼室５５内におけるガス流れＦとの混合が促進され、バーナアセンブリ１の火炎の安定性を向上させることができる。

またこのとき、コーン部１５では、フランジ１６において中間流路形成部２０から流出した予混合気の一部やコーン部１５から流出した混合気の一部に対して逆流や減速を生じさせることにより、確実に拡散炎を火種とする予混合燃焼を維持することができる。
さらに、このフランジ１６は、燃焼器５０の半径方向における高さが周方向に関して不均一となるように形成されているので、フランジ１６の下流側に形成される保炎領域における流れが周方向に不均一となり、燃焼室５５内における火炎位置が周方向において固定化され、保炎性をより効果的に向上させることができる。

次に、各実施形態における中間流路形成部２０の具体的な構成について説明する。

図１及び図２に示す一実施形態において、中間流路形成部２０は、複数の第１バーナ筒３の下流側に位置し、周方向に延在する内側リング２２と、複数の第１バーナ筒３の下流側において内側リング２２の外周側に位置し、内側リング２２との間に環状の中間流路８を形成するように周方向に延在する外側リング２３と、を含む。また、中間流路形成部２０は、その上流端側において、隣り合う第１バーナ筒３の内部通路との間に位置するように設けられた淀み抑制部２４を有していてもよい。淀み抑制部２４は、下流側に向けて幅が狭くなっていてもよい。これにより、第１バーナ筒３の内部空間７から中間流路８へ流れ込む流れが、第１バーナ筒３の下流端で淀むことを抑制できる。

図１に示すように、内側リング２２は、上流側端から下流側端に向けて拡径するように形成されてもよい。すなわち、内側リング２２は、コーン部１５の外周面に対応した円錐台形状に形成されてもよい。また、外側リング２３も内側リング２２と同様に、上流側端から下流側端に向けて拡径するように形成されてもよい。この場合、内側リング２２の軸方向に対する傾斜角度と、外側リング２３の軸方向に対する傾斜角度とが概ね一致していてもよい。
また、この構成において、燃焼器５０の中心軸Ｏから内側リング２２までの距離が周方向に関して不均一である。

上記構成において、中間流路形成部２０は内側リング２２及び外側リング２３を含み、内側リング２２と外側リング２３との間には環状の中間流路８が形成される。環状の中間流路８は流体の混合性に優れており、この構成においてさらに、燃焼器５０の中心軸Ｏから内側リング２２までの距離を周方向に関して不均一とする構成を備えることによって縦渦を形成し、より一層燃焼の安定化を図ることができる。

図５及び図６に示すように、他の実施形態において中間流路形成部２０は、複数の第１バーナ筒３のそれぞれに対して下流側に位置し、複数の第１バーナ筒３の内部空間７にそれぞれ連通する複数の中間ダクト２５を含む。例えば、中間ダクト２５は、第１バーナ筒３に接続される上流側端部が円筒形状であり、燃焼室５５側に位置する下流側端部が略矩形状であってもよい。
また、この構成において中間ダクト２５のうち燃焼器５０の内周側の部位は、燃焼器５０の中心軸Ｏから中間ダクト２５の部位までの距離が周方向に関して不均一である。

上記構成によれば、第１バーナ筒３の下流側に位置する中間ダクト２５のうち燃焼器５０の内周側の部位を、燃焼器５０の中心軸Ｏから中間ダクト２５の部位までの距離が周方向に関して不均一となるように形成している。これにより、第１バーナ筒３と燃焼器５０の燃焼室５５とを連通するように中間ダクト２５を設けた構成において縦渦を形成し、燃焼の安定化を図ることができる。

ここで、図２〜図４、図６及び図７を参照して、中間流路形成部２０の具体的な実施形態について説明する。
なお、図３及び図４は、図２に示す実施形態（内側リング２２及び外側リング２３を備えた構成）の変形例を示す図である。図７は、図６に示す実施形態（中間ダクト２５を備えた構成）の変形例を示す図である。図４及び図７は、中間流路形成部２０を部分的に示している。

図２〜図４、図６及び図７に示すように、中間流路形成部２０の内周壁２１は、周方向に関して凹凸２１ａを有する。なお、以下では、中間流路形成部２０の内周壁２１に設けられた凹凸２１ａ及び頂点２１ａ_１について説明するが、内周壁２１の凹凸２１ａ及び頂点２１ａ_１に替えて、又は、内周壁２１の凹凸２１ａ及び頂点２１ａ_１に加えて、フランジ１６の凹凸１６ａ及び頂点１６ａ_１についても同一の構成を採用することができる。

図２及び図６に示す一構成例では、中間流路形成部２０の内周壁２１は、周方向において複数の凹凸２１ａを有しており、凹凸２１ａの頂点２１ａ_１が第１バーナ筒３に対応して設けられている。すなわち、凹凸２１ａは、第１バーナ筒３と同数だけ設けられている。また、凹凸２１ａは、周方向において等間隔で設けられていてもよい。この場合、燃焼室５５における火炎の安定性向上とともに、複数の第１バーナ筒３を同形にできるため、製作性を向上できる。

図３に示す他の構成例では、周方向において複数の凹凸２１ａを有しており、凹凸２１ａの頂点２１ａ_１の数は第１バーナ筒３の数よりも少ない。また、凹凸２１ａは、周方向において不均一に設けられていてもよい。例えば、凹凸２１ａは、周方向の半分にのみ設けられていてもよい。これにより、内周壁２１に沿う流れの半径方向流速を、周方向に関してより不均一とすることができ、燃焼室５５における火炎の安定性をより効果的に向上することができる。

上述したようにバーナアセンブリ１が第１スワラ５（図１及び図５参照）を備える場合、図４に示すように中間流路形成部２０の内周壁２１は、燃焼器５０の中心軸Ｏからの距離が最大となる凹凸２１ａの頂点２１ａ_１の周方向における位置が、当該位置の上流側（燃焼器５０の軸方向における上流側）に位置する第１スワラ５の旋回中心Ｃに対して、第１スワラ５により形成される内周壁２１に沿った旋回流れＴの下流側にずれていてもよい。

上記構成では、内周壁２１に設けられた凹凸２１ａの頂点２１ａ_１の周方向位置が、第１スワラ５の旋回中心Ｃに対して、内周壁２１に沿った旋回流れＴの下流側にずれている。これにより、第１スワラ５による旋回成分と、内周壁２１の凹凸に起因した縦渦成分との相互作用によって、上述した縦渦Ｖを効果的に形成することができる。

図７に示す一構成例では、中間ダクト２５の内周側の部位において、周方向における一端２１Ａ側から他端２１Ｂ側に向かって、燃焼器５０の中心軸Ｏから中間ダクト２５の部位までの距離が徐々に増加するような形状を有している。これにより、中間ダクト２５の形状を複雑化することなく、中間ダクト２５の内周側の部位によって上述した縦渦Ｖを形成することができる。

上記構成によれば、中間流路形成部２０の内周壁２１の凹凸２１ａによって、上述した縦渦を効果的に形成することができる。すなわち、内周壁２１の凹凸２１ａに沿う流れによって、第１バーナ筒３の軸方向に直交する面内に縦渦Ｖが発生する。例えば、縦渦Ｖは、第１バーナ筒３の軸方向に直交する面内において、凸部の傾斜面に沿って半径方向外方へ向かった後、中間流路形成部２０の外周壁２６で半径方向内方へ戻る流れである。
この凹凸２１ａにより形成される縦渦Ｖによって、中間流路形成部２０の下流側において、第１バーナ筒３からの流れと、燃焼室５５内におけるガス流れとの混合が促進され、バーナアセンブリ１の火炎の安定性を向上させることができる。

また図７に例示するように、中間ダクト２５の内周側の部位は、周方向における一端２１Ａ側から他端２１Ｂ側に向かって、燃焼器５０の中心軸Ｏから中間ダクト２５の部位までの距離が徐々に増加するような形状を有してもよい。
この構成によれば、中間ダクト２５の内周側の部位において、周方向における一端２１Ａ側から他端２１Ｂ側に向かって、燃焼器５０の中心軸Ｏから中間ダクト２５の部位までの距離が徐々に増加するような形状を有しているので、中間ダクト２５の形状を複雑化することなく、中間ダクト２５の内周側の部位によって上述した縦渦Ｖを形成することができる。

上述したようにバーナアセンブリ１が第１スワラ５を備える場合、中間ダクト２５の内周側の部位は、第１スワラ５により形成される中間ダクト２５の部位に沿った旋回流れＴの下流側に向かって、中心軸Ｏからの距離が徐々に増加する形状を有してもよい。
この構成では、中間ダクト２５の内周側の部位は、第１スワラ５による部位に沿った旋回流れＴの下流側に向かって、燃焼器５０の中心軸Ｏからの距離が徐々に増加する形状を有する。これにより、第１スワラ５による旋回成分と、中間ダクト２５の内周側の部位に起因した縦渦成分との相互作用によって、上述した縦渦Ｖを効果的に形成することができる。

次に、図８を参照して、上述したバーナアセンブリ１の適用先の一例であるガスタービン１００の構成について説明する。但し、上述したバーナアセンブリ１の適用先は、ガスタービン１００に限定されるものではない。
なお、図８は、一実施形態に係るガスタービン１００を示す概略構成図である。

図８に示すように、一実施形態に係るガスタービン１００は、酸化剤としての圧縮空気を生成するための圧縮機１０２と、圧縮空気及び燃料を用いて燃焼ガスを発生させるための燃焼器５０と、燃焼ガスによって回転駆動されるように構成されたタービン１０６と、を備える。発電用のガスタービン１００の場合、タービン１０６には不図示の発電機が連結され、タービン１０６の回転エネルギーによって発電が行われるようになっている。

ガスタービン１００における各部位の具体的な構成例について説明する。
圧縮機１０２は、圧縮機車室１１０と、圧縮機車室１１０の入口側に設けられ、空気を取り込むための空気取入口１１２と、圧縮機車室１１０及び後述するタービン車室１２２を共に貫通するように設けられたロータ１０８と、圧縮機車室１１０内に配置された各種の翼と、を備える。各種の翼は、空気取入口１１２側に設けられた入口案内翼１１４と、圧縮機車室１１０側に固定された複数の静翼１１６と、静翼１１６に対して交互に配列されるようにロータ１０８に植設された複数の動翼１１８と、を含む。なお、圧縮機１０２は、不図示の抽気室等の他の構成要素を備えていてもよい。このような圧縮機１０２において、空気取入口１１２から取り込まれた空気は、複数の静翼１１６及び複数の動翼１１８を通過して圧縮されることで高温高圧の圧縮空気となる。そして、高温高圧の圧縮空気は圧縮機１０２から後段の燃焼器５０に送られる。

燃焼器５０は、ケーシング１２０内に配置される。図１に示すように、燃焼器５０は、ケーシング１２０内にロータ１０８を中心として環状に複数配置されていてもよい。燃焼器５０には燃料と圧縮機１０２で生成された圧縮空気とが供給され、燃料を燃焼させることによって、タービン１０６の作動流体である燃焼ガスを発生させる。そして、燃焼ガスは燃焼器５０から後段のタービン１０６に送られる。なお、燃焼器５０の詳細な構成例については後述する。

タービン１０６は、タービン車室１２２と、タービン車室１２２内に配置された各種の翼と、を備える。各種の翼は、タービン車室１２２側に固定された複数の静翼１２４と、静翼１２４に対して交互に配列されるようにロータ１０８に植設された複数の動翼１２６と、を含む。なお、タービン１０６は、出口案内翼等の他の構成要素を備えていてもよい。タービン１０６においては、燃焼ガスが複数の静翼１２４及び複数の動翼１２６を通過することでロータ１０８が回転駆動する。これにより、ロータ１０８に連結された発電機が駆動されるようになっている。
タービン車室１２２の下流側には、排気車室１２８を介して排気室１３０が連結されている。タービン１０６を駆動した後の燃焼ガスは、排気車室１２８及び排気室１３０を通って外部へ排出される。

続いて、図９を参照して、一実施形態に係る燃焼器５０の詳細な構成について説明する。なお、図９は、一実施形態に係る燃焼器５０を示す断面図である。
図９に示すように、一実施形態に係る燃焼器５０は、ロータ１０８を中心として環状に複数配置されている（図８参照）。各燃焼器５０は、ケーシング１２０により画定される燃焼器車室６５に設けられた燃焼器ライナ５１と、燃焼器ライナ５１内にそれぞれ配置された第２バーナ１０及び複数の第１バーナ（予混合燃焼バーナ）２と、を含む。なお、燃焼器５０は、燃焼ガスをバイパスさせるためのバイパス管（不図示）等の他の構成要素を備えていてもよい。

例えば、図９に示すように燃焼器ライナ５１は、第２バーナ１０及び複数の第１バーナ２の周囲に配置される内筒５２と、内筒５２の先端部に連結された尾筒５３と、を有している。
第２バーナ１０は、燃焼器ライナ５１の中心軸に沿って配置されている。そして、第２バーナ１０を囲むように、複数の第１バーナ２が互いに離間して配列されている。
第２バーナ１０は、燃料ポート６１に連結された第２ノズル１１（図１又は図５参照）と、第２ノズル１１を囲むように配置された第２バーナ筒１２（図１又は図５参照）と、第２ノズル１１の外周に設けられたスワラ１３（図１又は図５参照）と、を有している。
第１バーナ２は、燃料ポート６２に連結された第１ノズル４（図１又は図５参照）と、第１ノズル４を囲むように配置された第１バーナ筒３（図１又は図５参照）と、第１ノズル４の外周に設けられたスワラ５（図１又は図５参照）と、を有している。

上記構成を有する燃焼器５０において、圧縮機１０２で生成された高温高圧の圧縮空気は車室入口６４から燃焼器車室６５内に供給され、さらに燃焼器車室６５から第１バーナ２内に流入する。そして、この圧縮空気と、燃料ポート６２から供給された燃料とが第１バーナ２内で予混合される。また、圧縮空気と、燃料ポート６１を介して第２バーナ１０から噴射された燃料とが燃焼器ライナ５１で混合され、図示しない種火により着火されて燃焼し、燃焼ガスが発生する。このとき、燃焼ガスの一部が火炎を伴って周囲に拡散することで、各第１バーナ２から燃焼器ライナ５１内に流れ込んだ予混合気に着火されて燃焼する。

上述したように、本発明の少なくとも幾つかの実施形態によれば、燃焼室５５内の火炎位置が周方向において固定化されて、燃焼を安定化させることができる。また、燃焼の安定化により、燃焼振動の抑制や異常発熱の防止を図ることもできる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

１ バーナアセンブリ
２ 第１バーナ
３ 第１バーナ筒
４ 第１ノズル
５ 第１スワラ
６ 燃料噴射孔
７ 内部空間
８ 中間流路
１０ 第２バーナ
１１ 第２ノズル
１２ 第２バーナ筒
１３ 第２スワラ
１４ 燃料噴射孔
１５ コーン部
１６ フランジ
２０ 中間流路形成部
２１ 内周壁
２１ａ 凹凸
２２ 内側リング
２３ 外側リング
２４ 淀み抑制部
２５ 中間ダクト
２６ 外周壁
５０ 燃焼器
５１ 燃焼器ライナ
５４ 基板
５５ 燃焼室
６５ 燃焼器車室
１００ ガスタービン
１０２ 圧縮機
１０６ タービン
１０８ ロータ
１２４ 静翼
１２６ 動翼

Claims (11)

1. 燃焼器のバーナアセンブリであって、
   前記燃焼器の周方向に配列された複数の第１ノズルと、
   前記複数の第１ノズルをそれぞれ収容する複数の第１バーナ筒と、
   前記複数の第１バーナ筒の下流端に接続され、前記複数の第１バーナ筒の内部空間と前記燃焼器の燃焼室とを連通させる中間流路を形成する中間流路形成部と、を備え、
   前記中間流路形成部は、前記燃焼器の半径方向内側に位置し、前記燃焼器の中心軸からの距離が前記周方向に関して不均一である内周壁を有することを特徴とする燃焼器のバーナアセンブリ。
2. 前記複数の第１ノズルに囲まれるように配置される第２ノズルと、
   前記第２ノズルを収容する第２バーナ筒と、
   前記第２バーナ筒の下流端に接続され、前記第２バーナ筒の前記下流端の直径から下流側に向かって拡径するコーン部と、をさらに備え、
   前記コーン部は、該コーン部の下流端に位置し、前記燃焼器の半径方向外側に向かって延在するフランジを有し、
   前記燃焼器の半径方向における前記フランジの高さは、前記周方向に関して不均一であることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器のバーナアセンブリ。
3. 前記中間流路形成部は、
   前記複数の第１バーナ筒の下流側に位置し、前記周方向に延在する内側リング２２と、
   前記複数の第１バーナ筒の下流側において前記内側リング２２の外周側に位置し、前記内側リング２２との間に環状の前記中間流路を形成するように前記周方向に延在する外側リング２３と、
   を含み、
   前記燃焼器の中心軸から前記内側リング２２までの距離が前記周方向に関して不均一であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃焼器のバーナアセンブリ。
4. 前記中間流路形成部は、
   前記複数の第１バーナ筒のそれぞれに対して下流側に位置し、前記複数の第１バーナ筒の内部空間にそれぞれ連通する複数の中間ダクト２５
   を含み、
   前記中間ダクト２５のうち前記燃焼器の内周側の部位は、前記燃焼器の中心軸から前記中間ダクト２５の前記部位までの距離が前記周方向に関して不均一であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃焼器のバーナアセンブリ。
5. 前記中間流路形成部の前記内周壁は、前記周方向に関して凹凸を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の燃焼器のバーナアセンブリ。
6. 前記複数の第１バーナ筒にそれぞれ設けられ、各々の前記第１バーナ筒内を流れる空気流に旋回を与えるための複数の第１スワラをさらに備え、
   前記内周壁は、前記燃焼器の中心軸からの前記距離が最大となる前記凹凸の頂点の前記周方向における位置が、当該位置の上流側に位置する第１スワラの旋回中心に対して、前記第１スワラにより形成される前記内周壁に沿った旋回流れの下流側にずれていることを特徴とする請求項５に記載の燃焼器のバーナアセンブリ。
7. 前記中間ダクト２５の前記内周側の部位は、前記周方向における一端側から他端側に向かって、前記燃焼器の中心軸から前記中間ダクト２５の前記部位までの距離が徐々に増加するような形状を有することを特徴とする請求項４に記載の燃焼器のバーナアセンブリ。
8. 前記複数の第１バーナ筒にそれぞれ設けられ、各々の前記第１バーナ筒内を流れる空気流に旋回を与えるための複数の第１スワラをさらに備え、
   前記中間ダクト２５の前記内周側の部位は、前記第１スワラにより形成される前記中間ダクト２５の前記部位に沿った旋回流れの下流側に向かって、前記中心軸からの距離が徐々に増加する形状を有することを特徴とする請求項７に記載の燃焼器のバーナアセンブリ。
9. 各々の前記第１ノズルは、前記第１バーナ筒に供給される空気流と、前記第１ノズルから供給される燃料とを予め混合して燃焼する予混合ノズルであることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の燃焼器のバーナアセンブリ。
10. 請求項１乃至９の何れか一項に記載のバーナアセンブリと、
    前記バーナアセンブリを収容する燃焼器ライナと、を備える燃焼器。
11. 圧縮機と、
    前記圧縮機で生成された圧縮空気を用いて燃料を燃焼させるように構成された請求項１０に記載の燃焼器と、
    前記燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動されるタービンと、
    を備えることを特徴とするガスタービン。

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