JP5991025B2 - バーナ及びガスタービン燃焼器 - Google Patents

Description

本発明は、燃料と空気との混合気を燃焼部で燃焼させて、火炎を形成するためのバーナ等に関する。

ガスタービン燃焼器等の燃焼器のシンプル低ＮＯｘ化の要請に伴い、本発明の出願人は、旋回羽根を廃したバーナを開発して既に出願している（特許文献１参照）。そして、先行技術に係るバーナについて簡単に説明すると、次のようになる。

先行技術に係るバーナは、筒状のバーナ本体を備えており、このバーナ本体は、内側に、燃焼部に連通したバーナ室を有している。また、バーナ本体の外周部には、接線方向からバーナ室に空気を導入する第１空気導入孔が形成されており、バーナ本体における第１空気導入孔の上流側（バーナ本体の底部）には、バーナ室に空気を導入する第２空気導入孔が形成されている。そして、バーナ本体の中央部には、燃焼部側へ向かって燃料を噴射（噴霧）する燃料噴射弁が設けられている。

従って、第１空気導入孔から空気をバーナ室に導入して強い旋回流を形成しかつ第２空気導入孔から空気をバーナ室に導入して前記強い旋回流に衝突させることにより、燃料噴射弁の近傍において、前記強い旋回流を部分的に破壊して強い乱流（強い乱流場）を形成する。また、燃料噴射弁の近傍に強い乱流場を形成した状態で、燃料噴射弁から燃焼部側に向かって燃料を噴射する。これにより、燃料と空気の混合を促進しつつ、燃焼部において着火によって混合気を燃焼させて、火炎を形成することができる。

特開２００７−２５５７９５号公報

ところで、バーナ室から燃焼部に流出する流れは強い旋回成分を有してあって、径方向（放射方向）に拡大する傾向にあり、旋回羽根を備えたバーナのように燃料噴射弁の下流側近傍に逆流領域を形成することができない。そのため、燃料噴射弁の下流側近傍の流速（局所流速）が速くなって、火炎基部位置での火炎吹き消え限界領域が狭くなり、バーナの保炎性、ガスタービン燃焼器等の燃焼器の燃焼安定性を高いレベルまで確保することが困難であるという問題がある。なお、火炎吹き消え限界領域とは、ガスが反応帯を通過する時間（流体力学特性時間）に比べて、燃焼の化学反応にかかる時間（化学反応特性時間）が短く、燃料と空気の混合及び燃焼反応が維持される領域のことをいう。

特に、航空用ガスタービン燃焼器に用いられるバーナの場合には、エンジン作動状態によってバーナの入口状態（入口条件）が大きく変化し、エンジン作動状態が低温低圧状態（低温低圧条件）でかつ高マッハ状態（高マッハ条件）のときに、前述の問題が顕著になる。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成のバーナ等を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、燃料と空気との混合気をガスタービン燃焼器の燃焼室で燃焼させて、火炎を形成するためのバーナにおいて、内側に前記燃焼室に連通したバーナ室を有し、接線方向から前記バーナ室に空気を導入する第１空気導入孔が形成され、前記第１空気導入孔の上流側に前記バーナ室に空気を導入する第２空気導入孔が形成された筒状のバーナ本体と、前記バーナ本体の中央部に設けられ、前記燃焼室側へ向かって燃料を噴射（噴霧）する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁の先端部を囲むように設けられ、前記燃焼室側（下流側）に向かって拡径したテーパ部を有し、前記テーパ部の先端側が前記バーナ本体に対して下流側へ突出しかつ前記燃焼室内に位置し、前記バーナ室に導入された空気を前記燃焼室側へ案内するコーン型の空気ガイドと、を備え、前記バーナ本体における前記バーナ室の出口側の周縁部と前記空気ガイドの前記テーパ部との間に空気の流れを絞る環状の絞り部が形成されていることである。

なお、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「上流側」とは、空気、混合気、又は燃焼ガスの主流の流れ方向から見て上流側のことであって、「下流側」とは、空気、混合気、又は燃焼ガスの主流の流れ方向から見て下流側のことである。また、「設けられ」とは、直接的に設けられたことの他に、別部材を介して間接的に設けられたことを含む意である。

第１の態様によると、前記第１空気導入孔から空気を前記バーナ室に導入して強い旋回流を形成しかつ前記第２空気導入孔から空気を前記バーナ室に導入して前記強い旋回流に衝突させることにより、前記燃料噴射弁の近傍において、前記強い旋回流を部分的に破壊して強い乱流（強い乱流場）を形成する。また、前記燃料噴射弁の近傍に強い乱流場を形成した状態で、前記燃料噴射弁から前記燃焼室側に向かって燃料を噴射する。これにより、燃料と空気の混合を促進しつつ、前記燃焼室において着火によって混合気を燃焼させて、火炎を形成することができる。

ここで、前記バーナ室に導入された空気を前記燃焼室側へ案内するコーン型の前記空気ガイドが前記燃料噴射弁の先端部を囲むように設けられているため、前記バーナの運転中に、前記バーナ本体における前記バーナ室の出口側の周縁部と前記空気ガイドの前記テーパ部との間を通過する空気の流れに対して、径方向外側から径方向内側に向かって流速が漸次遅くなるような流速分布を与えることができる。これにより、前記空気ガイドの前記テーパ部の先端付近に径方向外側から径方向内側（前記空気ガイドの外側から内側）に巻くような渦を発生させて、換言すれば、旋回羽根を廃したシンプルな構成の前記バーナであっても、前記燃料噴射弁の下流側近傍に逆流領域を形成することができる。

本発明の第２の態様は、燃料と空気の混合気を燃焼させて、燃焼ガスを生成するガスタービン燃焼器において、第１の特徴からなるバーナを備えたことである。

第２の態様によると、第１の態様による作用と同様の作用を奏する。

本発明によれば、旋回羽根を廃したシンプルな構成の前記バーナであっても、前記燃料噴射弁の下流側近傍に逆流領域を形成できるため、前記燃料噴射弁の下流側近傍の流速（局所流速）が低下して、燃料と空気の混合及び燃焼反応が維持され、火炎が安定することで、火炎基部位置での火炎吹き消え限界領域が拡大して、前記バーナの保炎性、ガスタービン燃焼器の燃焼安定性を高いレベルまで確保することができる。

図１は、本発明の実施形態に係るバーナの周辺を示す断面図である。 図２は、本発明の実施形態に係るガスタービン燃焼器の一部を示す断面図である。なお、図２において、空気ガイドのハッチングを省略してある。 図３は、図１における矢視部IIIを示す図である。 図４は、図１におけるIV-IV線に沿った断面図である。

本発明の実施形態について図１から図４を参照して説明する。なお、図面中、「ＦＦ」は、前方向（上流方向）、「ＦＲ」は、後方向（下流方向）をそれぞれ指してある。

図２に示すように、本発明の実施形態に係るガスタービン燃焼器１は、航空用ガスタービン又は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って、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アニュラ型又はカン型の燃焼器である。また、ガスタービン燃焼器１は、中空環状又は円筒状の燃焼器ケース（図示省略）をベースとして備えている。

燃焼器ケース内には、中空環状又は円筒状の燃焼器ライナ３が設けられており、この燃焼器ライナ３は、内側に、燃料と空気との混合気を燃焼させるための燃焼部としての燃焼室５を有しあって、前側に、隔壁７を有している。また、燃焼器ライナ３には、燃焼室５内に希釈空気（空気）を導入する複数の希釈空気導入孔（図示省略）が形成されている。なお、燃焼器ケースの適宜位置には、混合気中の燃料に着火する１つ又は複数の点火栓（図示省略）が設けられており、各点火栓の先端部は、燃焼室５内に位置している。

燃焼器ライナ３の隔壁７には、燃料と空気との混合気を燃焼室５で燃焼させて、火炎Ｆを形成するためのバーナ９が設けられている。そして、バーナ９の具体的な構成は、次のようになる。

図１、図２、及び図４に示すように、燃焼器ライナ３の隔壁７には、筒状（円筒状）のバーナ本体１１が設けられており、このバーナ本体１１は、内側に、燃焼室５に連通したバーナ室１３を有している。また、バーナ本体１１の先端側（後端側）は、燃焼器ライナ３の隔壁７の内壁面に対して後方向（下流側）に突出してあって、バーナ本体１１におけるバーナ室１３の出口側（後端側）の周縁部は、湾曲形状を呈している。

バーナ本体１１の外周部には、接線方向（バーナ室１３の接線方向）からバーナ室１３に空気を導入する第１空気導入孔１５が周方向に間隔を置いて形成されている。また、バーナ本体１１における第１空気導入孔１５の上流側には、軸方向（バーナ９の軸方向）からバーナ室１３に空気を導入する複数の第２空気導入孔１７が円周方向に間隔を置いて形成されている。

図１及び図２に示すように、バーナ本体１１の中央部には、燃焼室５側へ向かって燃料（液体燃料）を微粒化して円錐状の噴霧流Ｓとして噴射（噴霧）する燃料噴射弁としての圧力噴射弁１９が設けられている。また、圧力噴射弁１９は、中心部に、燃料を噴霧可能な噴射孔（ノズル孔）２１を有しており、圧力噴射弁１９の基部（前端部）には、噴射孔２１に燃料を供給するための燃料配管２３が接続されている。

図１及び図３に示すように、バーナ本体１１の中央部には、バーナ室１３に導入された空気を燃焼室５側へ案内するコーン型の空気ガイド２５が設けられており、この空気ガイド２５は、燃焼室５側（下流側）に向かって拡径したテーパ部２７を有している。また、空気ガイド２５のテーパ部２７の先端側（後端側）は、バーナ本体１１に対して後方向に突出してあって、空気ガイド２５のテーパ部２７の先端の径方向位置は、バーナ室１３の内周面の径方向位置と同じ位置に設定されている。なお、空気ガイド２５がバーナ本体１１の中央部に設けられる代わりに、圧力噴射弁１９の外周部に設けられるようにしても構わない。

空気ガイド２５のテーパ部２７には、円形の複数の通孔２９が形成されており、各通孔２９の孔中心（孔軸心）は、空気ガイド２５のテーパ部２７の厚み方向に平行になっている。なお、各通孔２９の形状を円形にする代わりに、楕円形又はスリット形状にしたり、各通孔２９の孔中心を空気ガイド２５のテーパ部２７の厚み方向に平行にする代わりに、軸方向に平行にしたりしても構わない。

バーナ本体１１におけるバーナ室１３の出口側の周縁部と空気ガイド２５のテーパ部２７との間には、空気の流れを絞る環状の絞り部３１が形成されている。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

複数の第１空気導入孔１５から空気をバーナ室１３に導入して強い旋回流を形成しかつ複数の第２空気導入孔１７から空気をバーナ室１３に導入して前記強い旋回流に衝突させることにより、圧力噴射弁１９の近傍において、前記強い旋回流を部分的に破壊して強い乱流（強い乱流場）を形成する。また、圧力噴射弁１９の近傍に強い乱流場を形成した状態で、圧力噴射弁１９から燃焼室５側に向かって燃料を噴霧流Ｓとして噴射する。これにより、燃料と空気の混合を促進しつつ、燃焼室５において着火によって混合気を燃焼させて、火炎Ｆを形成することができる。なお、混合気を燃焼させる直前に、点火栓によって混合気中の燃料を着火する。

ここで、バーナ室１３に導入された空気を燃焼室５側へ案内するコーン型の空気ガイド２５が圧力噴射弁１９の先端部を囲むように設けられ、バーナ本体１１におけるバーナ室１３の出口側の周縁部と空気ガイド２５のテーパ部２７との間に空気の流れを絞る環状の絞り部３１が形成されているため、ガスタービン燃焼器１（バーナ９）の運転中に、図１に示すように、バーナ本体１１におけるバーナ室１３の出口側の周縁部と空気ガイド２５のテーパ部２７との間を通過する空気の流れに対して、径方向外側から径方向内側に向かって流速が遅くなるような流速分布を安定的に与えることができる。これにより、空気ガイド２５のテーパ部２７の先端部付近に径方向外側から径方向内側（空気ガイド２５のテーパ部２７の外側から内側）に巻くような渦Ｇを発生させて、換言すれば、旋回羽根を廃したシンプルな構成のバーナ９であっても、圧力噴射弁１９の下流側近傍に逆流領域を形成することができる。

なお、図１中において、Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄ、Ｖｅは、空気の流れの流速を表しており、Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄ、Ｖｅの間には、Ｖａ＞Ｖｂ＞Ｖｃ＞Ｖｄ＞Ｖｅの関係が成立するようになっている。また、バーナ本体１１におけるバーナ室１３の出口側の周縁部と空気ガイド２５のテーパ部２７との間を通過する空気の流れが前述の流速分布を持つこと、及び空気ガイド２５のテーパ部２７の先端部付近に径方向外側から径方向内側に巻くような渦Ｇが発生することは、本願の発明者が非燃焼場におけるバーナ９のフロー試験によって確認してある。

従って、本発明の実施形態によれば、旋回羽根を廃したシンプルな構成のバーナ９であっても、圧力噴射弁１９の下流側近傍に逆流領域を形成できるため、圧力噴射弁１９の下流側近傍の流速（局所流速）が低下して、燃料と空気の混合及び燃焼反応が維持され、火炎Ｆが安定することで、火炎基部Ｆａ位置での火炎吹き消え限界領域が拡大して、バーナ９の保炎性、ガスタービン燃焼器１の燃焼安定性を高いレベルまで確保することができる。特に、空気ガイド２５のテーパ部２７に円形の複数の通孔２９が形成されているため、空気ガイド２５の複数の通孔２９の出口側に渦（図示省略）を発生させることができ、前述の効果をより高めることができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限るものでなく、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。

Ｆ 火炎
Ｆａ 火炎基部
Ｇ 渦
Ｓ 噴霧流
１ ガスタービン燃焼器
３ 燃焼器ライナ
５ 燃焼室
７ 隔壁
９ バーナ
１１ バーナ本体
１３ バーナ室
１５ 第１空気導入孔
１７ 第２空気導入孔
１９ 圧力噴射弁
２１ 噴射孔
２３ 燃料配管
２５ 空気ガイド
２７ テーパ部
２９ 通孔
３１ 絞り部

Claims (3)

1. 燃料と空気との混合気をガスタービン燃焼器の燃焼室で燃焼させて、火炎を形成するためのバーナにおいて、
   内側に前記燃焼室に連通したバーナ室を有し、接線方向から前記バーナ室に空気を導入する第１空気導入孔が形成され、前記第１空気導入孔の上流側に前記バーナ室に空気を導入する第２空気導入孔が形成された筒状のバーナ本体と、
   前記バーナ本体の中央部に設けられ、前記燃焼室側へ向かって燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記燃料噴射弁の先端部を囲むように設けられ、前記燃焼室側に向かって拡径したテーパ部を有し、前記テーパ部の先端側が前記バーナ本体に対して下流側へ突出しかつ前記燃焼室内に位置し、前記バーナ室に導入された空気を前記燃焼室側へ案内するコーン型の空気ガイドと、を備え、
   前記バーナ本体における前記バーナ室の出口側の周縁部と前記空気ガイドの前記テーパ部との間に空気の流れを絞る環状の絞り部が形成されているバーナ。
2. 前記空気ガイドの前記テーパ部に通孔が形成されている請求項１に記載のバーナ。
3. 燃料と空気の混合気を燃焼させて、燃焼ガスを生成するガスタービン燃焼器において、
   請求項１又は請求項２に記載のバーナを備えたガスタービン燃焼器。

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