WO2011018853A1

WO2011018853A1 - 燃焼器

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Publication number: WO2011018853A1
Application number: PCT/JP2009/064298
Authority: WO
Inventors: 智志瀧口; 厚志湯浅; 谷村　聡
Original assignee: 三菱重工業株式会社
Priority date: 2009-08-13
Filing date: 2009-08-13
Publication date: 2011-02-17
Also published as: EP2466205A4; KR20120019441A; EP2466205B1; CN102422083B; EP2466205A1; US9863637B2; CN102422083A; KR101318553B1; US20120045725A1

Abstract

　コンパクトであると共に、ＮＯｘ低減を実現する燃焼器を提供すること。燃焼器（１）の軸心に設置されて拡散燃焼を行うパイロットノズル（２１）と、パイロットノズル（２１）の外周側で周方向に間隔を隔てて複数設置され予混合燃焼を行うメインノズル（２２）と、パイロットノズル（２１）と各メインノズル（２２）とを取り囲む一つの内筒（２ａ）と、さらに内筒（２ａ）を外側から略同軸に取り囲み、その内周面と内筒の外周面との間に圧縮空気流路（６）が形成される外筒とを備え、圧縮空気流路（６）を流れる圧縮空気が、内筒（２ａ）の端部で流動方向が略反転されてパイロットノズル（２１）に導入される燃焼器において、圧縮空気流路（６）には、同流路の燃焼器（１）内周側の流量を、同外周側の流量よりも大きくする流量調整部が設けられている。流量調整部としては、孔（５５，５６）が形成された整流板（５１）を挙げることができる。

Description

燃焼器

　本発明は、ガスタービンの燃焼器に関するもので、特に、その内部を流れる空気流の偏流及び乱れを減少させる構造とされる燃焼器に関する。

　ガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ化課題に対しては、燃料分布をコントロールすることで局所的な高燃料濃度を生じさせないことが重要であり、燃料濃度の均一化が必要である。そのためには燃料の大部分が通過するメイン空気量の増加とその均一化が重要である。

　従来、車室からの主流空気を１８０度ターンさせてメイン予混合ノズルに主流空気を導く燃焼器が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。このような燃焼器では、流れの剥離等に伴う流れの偏在を解消するために、入口に整流板を設け、ターニング箇所のターニングベーンを２枚にしたり、燃焼混合箇所から１８０度ターニング箇所への整流距離を十分に長く取ることで燃焼領域における流れ、および濃度の均一化を達成している。

特開２００７－２３２３４８号公報

　しかしながら、従来のような構造は、燃焼器の長さの増加に伴って重量およびコストの増加を招き、また、ターニング部が複雑化するために燃焼器のコンパクト化に有効ではない。一方、ターニング部から燃料混合箇所までの距離を短くすると、排反事象として空気分布の偏り悪化に伴うＮＯｘ発生量が増加するという課題があった。

　本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、コンパクトであると共に、ＮＯｘ低減を実現する燃焼器を提供することを目的とする。

　本発明の一態様は、燃焼器の軸心に設置されて拡散燃焼を行うパイロットノズルと、前記パイロットノズルの外周側で周方向に間隔を隔てて複数設置され予混合燃焼を行うメインノズルと、前記パイロットノズルと前記各メインノズルとを取り囲む一つの内筒と、さらに前記内筒を外側から略同軸に取り囲み、その内周面と前記内筒の外周面との間に圧縮空気流路が形成される外筒とを備え、前記圧縮空気流路を流れる圧縮空気が、前記内筒の端部で流動方向が略反転されて前記パイロットノズルに導入される焼器において、前記圧縮空気流路には、同流路の燃焼器内周側の流量を、同外周側の流量よりも大きくする流量調整部が設けられている燃焼器である。

　整流板に設けられた孔が均一であると、燃焼器の半径方向へ分布を持たない流れとなる。このような状態では流動方向が略反転される際に、流路反転箇所下流側の内側で剥離等により低速域が形成される。したがって、燃焼器長さが短い構成である場合、整流距離が短くなり、内周側の流量が低下傾向を示す。
　本態様の構成によれば、流量調整部によって、径方向における流量を均一化することが可能となる。これにより、半径方向へ流速分布が与えられ、下流における半径方向への主流空気の速度の均一化が実現される。

　上記態様において、前記圧縮空気流路には、該流路を遮って前記流量調整部としての整流板が設けられ、該整流板には該整流板を挟んで流路の上流側と下流側とを連通する孔が複数設けられ、内周側の孔の直径が、外周側の孔の直径よりも大きくされていることとしてもよい。

　このように、整流板に大孔と小孔とが混成した配置とすることで、局所的な速度の不均一が発生し、大孔の下流側で乱れが増加する。その結果、運動量交換が活発化し、流路反転時の剥離傾向も抑えられる。特に、燃焼器内周側に位置する前記孔の直径を、同外周側に位置する孔の直径よりも大きく構成することで、径方向における流量を均一化することが可能となる。

　上記態様において、前記整流板は、前記流路が略反転される位置中心よりも上流側に、前記内周側の孔の直径の１５倍以下の距離をあけた位置に設けられていることとしてもよい。

　内周側の孔の直径をＢとした場合に、整流板を通過した噴流のコア部分、すなわち、噴流が外気の影響で流速が低下しない領域が残存する距離は、２次元噴流では整流板から下流側に６Ｂ、２次元噴流では整流板から下流側に１０Ｂ程度である。したがって、整流板を、流路が略反転される位置中心よりも上流側に、内周側の孔の直径の１５倍以下の距離をあけた位置に設けることで、噴流のコアンダ効果が期待でき、流路反転箇所下流側における剥離傾向を抑制することができる。

　上記態様において、前記内筒の端部には、前記流路の下流側にしたがって半径方向外側に次第に膨出する膨出部が設けられ、前記内周側の孔が、前記膨出部の半径方向外側の端面よりも半径方向内側に設けられていることとしてもよい。

　内周側の孔を、膨出部の半径方向外側の端面よりも半径方向内側に設けることで、内周側の孔からの噴流を膨出部に押し付けて、内筒との接触面を増加させることができる。これにより、噴流のコアンダ効果を向上させ、流路反転箇所下流側における剥離傾向を抑制することができる。

　上記態様において、前記内周側の孔の直径が、前記膨出部の膨出高さ以上の大きさに形成されていることとしてもよい。

　内周側の孔の直径を、膨出部の膨出高さ以上の大きさに形成することで、内周側の孔からの噴流を膨出部に押し付けて、内筒との接触面を増加させることができる。これにより、噴流のコアンダ効果を向上させ、流路反転箇所下流側における剥離傾向を抑制することができる。

　上記態様において、隣接する前記内周側の孔の中心間の距離が、前記内周側の孔の直径の１．５倍以上とされていることとしてもよい。

　内周側の孔の直径をＢとした場合に、隣接する内周側の孔の中心間の距離を１．５Ｂ以上とすることで、隣接する孔からの噴流同士の干渉を低減して、噴流のコアンダ効果を維持することができ、流路反転箇所下流側における剥離傾向を抑制することができる。また、噴流の強いせん断力を発生させ、径方向における流量を均一化することが可能となる。

　上記態様において、前記圧縮空気流路には、該流路を遮って前記流量調整部としての整流板が設けられ、該整流板の内周側には、該整流板の上流側と下流側とを連通するスリットが設けられていることとしてもよい。

　速度欠損が生じる整流板にスリットが設けられていることにより、流量が増加し、径方向における流量を均一化することが可能となる。また、このようなスリットにより局所的な速度の不均一を発生させ、下流側で乱れが増加する。この結果、運動量交換が活発化し、流路反転箇所下流側における剥離傾向も抑えられる。
　前記内筒を前記外筒に支持するサポートリブが設けられ、前記整流板には、該サポートリブの近傍に該整流板の上流側と下流側とを連通するスリットが設けられていることとしてもよい。特に整流板の内周側だけではなく、外周側やサポートリブの左右にスリットを設けても良い。これら具体的にどの箇所にスリットを設けるかは、圧縮空気の流れに応じて適宜設定して良い。

　上記態様において、前記圧縮空気流路には、該流路が略反転する位置にトップハットノズルが設けられたこととしてもよい。

　より具体的には、トップハットノズルの取り付け角度すなわちターン角度は、主流空気の流路方向に対して垂直な方向を基準として、主流空気の下流側に０度以上９０度未満である。従来技術においては、流路が反転された箇所の下流側で、剥離等により低速域を形成する。したがって、燃焼器長さが短い構成である場合、整流距離が短くなり、内周側の流量が低下傾向を示す。本構成においては、流路が略反転する位置に設けられたトップハットノズルによって圧縮空気が混合され、流れの剥離が抑制される。すなわち、トップハットノズル下流に発生する渦により運動量交換を活発化させることで、流路が反転される際に内周側に発生する剥離領域を抑える効果がある。

　上記態様において、前記圧縮空気流路には、反転する流路内の流体をガイドするターニングベーンが前記内筒端縁に対向して設けられ、前記ターニングベーンの背側に流体の流れを撹拌する攪拌器が設けられていることとしてもよい。

　ターニングベーンは、その役目として、剥離無く流れを曲げることにより圧力損失を低減している。このようにきれいな流れは理想的ではあるものの、乱れの発生が小さいために燃料を混合する力は小さい。このため、従来の燃焼器においては、燃料混合箇所下流で局所的に燃料濃度が高くなる傾向があり、ＮＯｘ濃度が高くなる場合があった。特に、ターニングベーンの背側は流れが緩やかに剥離無く曲がると考えられるため、ターニングベーンの腹側に比べて乱れが小さく、その下流側では燃料混合する力が弱い。本構成によれば、ターニングベーンの背側に攪拌器が設けられていることにより、その下流側での燃料混合が促進され、燃料濃度が均一化される。

　上記態様において、前記ターニングベーンの下流側先端部に、該ターニングベーンの背側と腹側とを連通するスリットが設けられていることとしてもよい。

　ターニングベーン腹側は遠心力により外周側へ向かって流れる傾向があるため、スリットを設けることにより、ターニングベーン内周側から外周側へ向かう流れが生じる。その結果、ターニングベーン背側での混合が促進され、燃料濃度が均一化される。

　本発明によれば、圧縮空気の剥離抑制と燃料濃度の均一化により、燃焼器の軸方向長さをコンパクトにしつつ、ＮＯｘの低減を実現することができる。

本発明の第１実施形態に係る燃焼器の軸に沿った平面における断面図である。図１の１８０度ターニング部近傍を示した部分拡大図である。同燃焼器の整流板を示しており、軸方向から見た図である。同燃焼器の整流板を示しており、図１の部分拡大図である。同整流板を使用した場合の主流空気の流れを示した断面図である。本発明の第２実施形態に係る燃焼器に使用される整流板の部分平面図である。同整流板を使用した場合の主流空気の流れを示した断面図である。本発明の第３実施形態に係る燃焼器に使用されるトップハットノズル近傍を示した断面図である。本発明の第４実施形態に係る燃焼器に使用される攪拌器近傍を示した断面図である。本発明の第５実施形態に係る燃焼器に使用されるターニングベーンを示した縦断面図である。本発明の第５実施形態に係る燃焼器に使用されるターニングベーンを示した横断面図である。

〔第１の実施形態〕
　次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
　まず、第１の実施形態に係る燃焼器を図１を用いて説明する。本実施形態における燃焼器１は、図１に示すように、その軸心に沿って設置されるとともに拡散燃焼を行うパイロットノズル２１と、パイロットノズル２１の外周側の周方向に等間隔となるように複数配置されるとともに予混合燃焼を行うメインノズル２２と、パイロットノズル２１の先端側を覆うように設置されるパイロットコーン２３と、メインノズル２２の先端側を覆うように設置されるメインバーナ２４と、パイロットノズル２１の外壁とパイロットコーン２３の内壁との間に設置されるパイロットスワラ２５と、メインノズル２２の外壁とメインバーナ２４の内壁との間に設置されるメインスワラ２６と、を備える。

　そして、この図１に示す燃焼器は、パイロットノズル２１と略同軸であるとともに該パイロットノズル２１及びメインノズル２２を全体的に覆うように形成される内筒２ａと、内筒２ａに嵌合されるとともにパイロットノズル２１及びメインノズル２２による燃焼ガスを不図示のタービン側に誘導する尾筒２ｂと、内筒２ａと略同軸であって同内筒２ａを外側から略同軸に取り囲む外筒２ｃと、外筒２ｃの下流を閉じる背面壁２ｄと、を備える。

　内筒２ａと外筒２ｃとにより、これらの間に圧縮空気流路６が形成される。内筒２ａは、内筒２ａの端部で内筒２ａの内側に回り込むように圧縮空気流路６の流路方向を略反転させる、１８０度ターニング部（膨出部）８を備えている。１８０度ターニング部８の径方向外側壁部は径方向外側に膨出していると共に、内筒２ａの端縁に相当する部位が、図１に示すように軸心を含む平面における断面において内筒２ａの外周面と内周面とをつなぐ滑らかな曲線となっている。より詳細には、図２に示したように、上流側先端から下流側に向かって外筒２ｃの内壁との距離が近くなるテーパ形状部５３ａと、テーパ形状部の下流側において外筒２ｃの内壁との距離が一定となる平坦部分５３ｂと、下流側先端において略半円状の断面となる半円形状部分５３ｃと、を備える。そして、テーパ形状部５３ａの上流側の傾きの始まる部分と、テーパ形状部５３ａと平坦部分５３ｂとの接続部分とを、滑らかな丸みを帯びた形状とする。
　このように、１８０度ターニング部８が構成されることにより、１８０度ターニング部８の外壁が下流側に向かって外筒２ｃの内周面に近づくように構成されるため、外筒２ｃの内周面と１８０度ターニング部８の外周面の間に構成される圧縮空気の流路断面積が下流に向かって、緩やかに狭められる。これにより、圧縮空気の流れを絞り、１８０度ターニング部８の下流側での流れに対して燃焼器の周方向の均一性を与えることとなる。

　また、背面壁２ｄは、図１の断面図に示すように、１８０度ターニング部８よりも外周側が曲面で構成される円弧形状部分とされるとともに、１８０度ターニング部８より内周側が平坦となる平坦部分とされることで、その内壁面がすり鉢形状の凹曲面とされる。このとき、円弧形状部分の曲率は、１８０度ターニング部８の半円形状部分５３ｃの外周面側に応じた曲率となり、背面壁２ｄの円弧形状部分の内壁面と１８０度ターニング部８の半円形状部分５３ｃの外壁面との距離が一定とされる。又、背面壁２ｄにおける円弧形状部分と平坦部分との接続部分が、１８０度ターニング部８における半円形状部分５３ｃの下流側先端からの軸方向の延長線上に形成される。

　このように、背面壁２ｄを構成することによって、背面壁２ｄの円弧形状部分の内壁面と１８０度ターニング部８の半円形状部分５３ｃの外壁面とにおける断面積を、外筒２ｃの内壁と１８０度ターニング部８の平坦部分５３ｂとにおける断面積に等しい面積で、一定とすることができる。これにより、１８０度ターニング部８の外壁と外筒２ｃの内壁との間を流れる圧縮空気を、１８０度ターニング部８の内側になめらかに誘導させることができる。

　圧縮空気流路６の入口近傍内部には、整流板（流量調整部）５１が設けられている。整流板５１は圧縮空気流路６内において外筒２ｃの上流側を覆うリング状の部材であって、該整流板５１を挟んで圧縮空気流路６の上流側と下流側とを連通する孔が多数形成された多孔板である。整流板５１の下流側に隣接して、整流板５１を固定する複数のリブ５２が周方向に等間隔に設置されている。このリブ５２が、内筒２ａの外壁面と外筒２ｃの内壁面とに接続されることで、外筒２ｃの内側に内筒２ａが固定される。図３Ａの正面図に示すように、リブ５２は、内筒２ａの外壁と外筒２ｃの内壁とに両端が接するように、燃焼器の軸に対して放射状に設けられる。又、リブ５２は複数設けられ、この複数のリブ５２が燃焼器の周方向に対して等間隔となるように配置されるとともに外筒２ｃに接続されることで、内筒２ａを支持する。

　リブ５２は、図３Ｂの断面図に示すように、整流板５１の外周側に接続される固定用部材５２ａと、固定用部材５２ａから内筒２ａに突起するように形成されて内筒２ａと接する板状部材５２ｂと、を備える。そして、固定用部材５２ａは、整流板５１の上流側及び下流側それぞれに突起した、断面が半円形状の柱状の構造となり、ボルト５２ｃが挿入される貫通したねじ穴を内部に備える。この固定用部材５２ａの上流側は、ボルト５２ｃのヘッド部分が埋まるような凹部５２ｄが設けられ、ボルト５２ｃが挿入された後、この凹部５２ｄを金属部品で埋め込むことにより平坦な端面を形成する。

　また、外筒２ｃは、図３Ｂの断面図に示すように、その内壁に、リブ５２の固定用部材５２ａと接続する、軸方向に略柱状となるリブ接続用部材５２ｅを備える。このリブ接続用部材５２ｅは、ボルト５２ｃが挿入されるねじ穴を備える。これにより、固定用部材５２ａのねじ穴を貫通するボルト５２ｃがリブ接続用部材５２ｅのねじ穴に挿入されて、固定用部材５２ａがリブ接続用部材５２ｅに固定されることで、整流板５１及びリブ５２が外筒２ｃに固定される。又、下流側端面が略１／４球状の曲面とすることにより、圧縮空気の流れに乱れをできるだけ与えないようにすることができる。

　このように、外筒２ｃに固定されたリブ５２を放射状に設けることによって、内筒２ａをリブ５２によって、周方向に抑えて固定することができる。これにより、メインノズル２２の下流側先端を、内筒２ａに接続されたメインバーナ２４におけるメインスワラ２６によって支持することができる。よって、上述の背面壁２ｄ、１８０度ターニング部８、及び、後述のターニングベーン５４の構成により内筒２ａを流れる圧縮空気を均一化させることで、パイロットノズル２１及びメインノズル２２の軸方向の長さを短くすることができることから、メインノズル２２の下流側を支持するパイロットノズル２１に接続された支柱が不要となる。更に、圧縮空気が均一な流れとされるため、従来と比べて、整流板５１による抵抗を小さくすることができ、整流板５１における圧損を抑制することができる。

　メインノズル２２の間を覆うように内筒２ａの上流側端部近傍にリング状のターニングベーン５４が設けられている。ターニングベーン５４は、内筒２ａの内部であって１８０度ターニング部８近傍に位置して配置され、上流側から下流側に向かって、メインノズル２２よりも径方向外側からメインノズル２２の軸位置まで屈曲した一枚の板で形成される。そして、ターニングベーン５４の曲率が、１８０度ターニング部８の半円形状部分５３ｃの内壁面と同等となるように形成される。更に、このターニングベーン５４は、メインノズル２２側面を接続する円弧状の板とされる。このように構成されるターニングベーン５４により、１８０度ターニング部８及び背面壁２ｄに沿って１８０度転回された圧縮空気が、パイロットコーン２３及びメインバーナ２４に誘導される。

　この背面壁２ｄ、１８０度ターニング部８、及びターニングベーン５４それぞれが、上述のように構成されることによって、外筒２ｃと１８０度ターニング部８との間に流れ込む圧縮空気が、１８０度ターニング部８のテーパ形状部５３ａで整流された後、１８０度ターニング部８で１８０度転回される。そして、ターニングベーン５４によって整流されて、パイロットコーン２３及びメインバーナ２４に誘導される。

　次に、本実施形態における特徴的な構成である、整流板５１について説明する。図３Ａの外筒２ｃの下流側から見た正面図に示すように、整流板５１は、内筒２ａの外壁と外筒２ｃの内壁との間の圧縮空気流路６入口を覆うリング状の構成とされるとともに、軸方向に貫通して多数の孔が形成されている。図３Ａに示したように、内周側の孔５５の直径は、外周側に形成された孔５６の直径よりも大きい。すなわち、内周側の主流空気流量が外周側よりも大きくなるように構成されている。

　図４に、本実施形態に係る整流板５１を使用した場合の主流空気の流れを示した。従来のように整流板に設けられた孔が均一であると、燃焼器１の半径方向へ分布を持たない流れとなる。このような状態で１８０度ターニング部８を曲がった流れは、図４の符号１００で示したように、剥離等により低速域を形成する。したがって、燃焼器長さが短い構成である場合、整流距離が短くなり、内周側の流量が低下傾向を示す。

　本実施形態に係る整流板５１では、内周側に径の大きい孔５５が設けられていることで、内周側の流量が増加し、径方向における流量が均一化する。すなわち、本実施形態の整流板５１は、流量調整部として作用する。
　また、大孔と小孔とが混成した配置とすることで、局所的な速度の不均一が発生し、大孔の下流側で乱れが増加する。その結果、運動量交換が活発化し、１８０度ターニング部８における剥離傾向も抑えられる。

　このように、本実施形態の燃焼器によれば、半径方向へ流速分布が与えられ、また、乱れの促進による剥離抑制が行なわれる。その結果、１８０度ターニング部８の下流（メイン予混合ノズルの上流）における半径方向への主流空気の速度の均一化と混合性を向上させることができる。これによりＮＯｘ低減を行なうことができる。

　また、図２に示すように、整流板５１を、圧縮空気流路６が略反転される位置中心、すなわち半円形状部分５３の中心よりも、上流側に距離Ｌをあけた位置に設けることとしてもよい。ここで、この距離Ｌは、内周側の孔５５（大孔）の直径をＢとした場合に、例えば５Ｂ以上、且つ１５Ｂ以下の距離である。
　整流板５１を通過した噴流のコア部分、すなわち、噴流が外気の影響で流速が低下しない領域が残存する距離は、２次元噴流では整流板５１から下流側に６Ｂ、２次元噴流では整流板５１から下流側に１０Ｂ程度である。したがって、整流板５１を、圧縮空気流路６が略反転される位置中心よりも上流側に、前述の距離Ｌをあけた位置に設けることで、噴流のコアンダ効果が期待でき、流路反転箇所下流側における剥離傾向を抑制することができる。

　また、図３Ｂに示すように、内周側の孔５５（大孔）の少なくとも一部を、１８０度ターニング部８の半径方向外側の端面（平坦部分５３ｂの端面）よりも半径方向内側に設けることとしてもよい。
　内周側の孔５５を、平坦部分５３ｂの端面よりも半径方向内側に設けることで、内周側の孔５５からの噴流を１８０度ターニング部８に押し付けて、内筒２ａとの接触面を増加させることができる。これにより、噴流のコアンダ効果を向上させ、流路反転箇所下流側における剥離傾向を抑制することができる。

　また、図３Ｂに示すように、内周側の孔５５（大孔）の直径Ｂを、１８０度ターニング部８の膨出高さＨ以上の大きさに形成することとしてもよい。
　内周側の孔５５の直径Ｂを、１８０度ターニング部８の膨出高さＨ以上の大きさに形成することで、内周側の孔５５からの噴流を１８０度ターニング部８に押し付けて、内筒２ａとの接触面を増加させることができる。これにより、噴流のコアンダ効果を向上させ、流路反転箇所下流側における剥離傾向を抑制することができる。

　また、図３Ａに示すように、隣接する内周側の孔５５（大孔）の中心間の距離Ｃを、内周側の孔５５の直径Ｂの１．５倍以上としてもよい。
　隣接する内周側の孔５５の中心間の距離Ｃを１．５Ｂ以上、すなわち、隣接する内周側の孔５５の隙間を０．５Ｂ以上とすることで、隣接する孔５５からの噴流同士の干渉を低減して、噴流のコアンダ効果を維持することができ、流路反転箇所下流側における剥離傾向を抑制することができる。また、噴流の強いせん断力を発生させ、径方向における流量を均一化することが可能となる。

　なお、上記実施形態では、整流板５１の内周側の孔径を外周側の孔径よりも大きく構成したが、内周側にかえて、または内周側と共に外周側を大径としても良い。また、整流板５１の板厚を変更することにより圧損調節を行なっても良い。

〔第２の実施形態〕
　次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、全体構成は上記第１の実施形態と同様であり、同様の構成については同一の符号を用い、その説明を省略する。
　図５に本実施形態に係る整流板１５２の部分正面図を示した。本実施形態の整流板１５２は環状であり、外周縁に沿って外筒２ｃとの間のギャップとして外側スリット１５３が形成され、また、内周縁に沿って内筒２ａとの間のギャップとしての内側スリット１５４が形成されている。外側スリット１５３及び内側スリット１５４は、整流板１５２を流路の軸方向に貫通する流路である。また、リブ５２の左右に位置して、リブ近傍スリット１５５がそれぞれ設けられている。リブ近傍スリット１５５は、整流板１５２を流路の軸方向に貫通する流路であり、径方向全長に渡って設けられている。

　図６に、本実施形態に係る整流板１５２を使用した場合の主流空気の流れを示した。従来のように整流板１５２に設けられた孔が均一であると、壁面近傍の低速領域やリブ５２のような構造体下流に形成される速度欠損域に対する運動量供給は十分ではない。このため、このように壁面近傍やリブ５２の近傍に速度欠損を持った状態で１８０度ターニング部８を曲がった流れは、流れが不均一となり燃料の濃淡を誘発し燃焼安定性、排ガス特性を悪化させる。

　本実施形態においては、速度欠損が生じる整流板１５２の内周側、外周側、及びリブ５２の近傍にスリットが設けられていることにより、流量が増加し、上記の問題点が解消される。また、このようなスリットにより局所的な速度の不均一を発生させ、下流側で乱れが増加する。この結果、運動量交換が活発化し、１８０度ターニング部８における剥離傾向も抑えられる。

　このように、本実施形態の燃焼器によれば、本実施形態に係る整流板１５２では、スリットが設けられていることで、整流板１５２における壁面近傍、サポート近傍に生じる速度欠損の解消が実現し、その結果１８０度ターニング部の下流（メイン予混合ノズルの上流）における主流空気の速度の均一化と混合性の向上を実現することができる。

　なお、特に整流板の内周側のみに内側スリット１５４を設けても良い。これら具体的にどの箇所にスリットを設けるかは、圧縮空気の流れに応じて適宜設定して良い。

〔第３の実施形態〕
　次に、本発明の第３の実施形態について説明する。なお、全体構成は上記第１実施形態と同様であり、同様の構成については同一の符号を用い、その説明を省略する。
　図７に示したように、トップハットノズル１６０が１８０度ターニング部の途中に設けられている。トップハットノズル１６０はＮＯｘ低減を図ることなどを目的としてトップハット燃料ガスと圧縮空気とを、メインノズル２２の場合よりも更に上流側で混合した後に燃焼させる予混合燃焼用の燃料ノズルであり、メインノズル２２よりも更に外周側に複数本設けられている。

　１８０度ターニング部８の内周部は、図のように燃焼器の軸に沿った断面形状において部分的に円形形状を有し、流路を滑らかに１８０度方向転換させている。トップハットノズル１６０は、本実施形態においては直径１０ｍｍの円筒であり、半円形状部分５３ｃの円形形状の径方向に沿って設けられ、トップハットノズル１６０の内側（吐出側）端部とターン内周部との間には隙間１６１が形成されている。

　ノズル設置位置は、後述する剥離ポイントよりも上流側である必要があり、１８０度ターニング部８に対する取り付け角度すなわちターン角度は、主流空気の流路方向に対して垂直な方向を基準として、主流空気の下流側にθ（０度以上９０度未満）である。隙間１６１の寸法は、トップハットノズルの太さＤｐの０．５～２．０倍程度である。

　従来技術において、トップハットノズルは整流板と１８０度ターニング部８の中間領域に設けられていた。従来技術において、１８０度ターニング部８を曲がった流れは、図７の符号１００で示したように、剥離等により低速域を形成する。したがって、燃焼器長さが短い構成である場合、整流距離が短くなり、内周側の流量が低下傾向を示す。

　本実施形態においては、トップハットノズル１６０による混合効果により、流れの剥離が抑制される。すなわち、トップハットノズル１６０下流に発生する渦により運動量交換を活発化させることで、大きく向きを変える１８０度ターニング部８のターン内周部に発生する剥離領域を抑える効果がある。また、トップハットノズル１６０とターン内周部との隙間１６１を上述の範囲にて適切に確保することで、隙間からの乱れがターン内周部下流に発生する剥離領域がより効果的に抑えられる。また、トップハットノズル１６０を１８０度ターニング部８の途中に設けることにより、整流板と１８０度ターニング部８との距離を短くすることができ、トップハットノズル１６０と１８０度ターニング部８の機能一体化による燃焼器の小型化が可能となる。

〔第４の実施形態〕
　次に、本発明の第４の実施形態について説明する。なお、全体構成は上記第１実施形態と同様であり、同様の構成については同一の符号を用い、その説明を省略する。
　図８に示したように、ターニングベーン５４には、その背側（すなわち、１８０度方向転換する圧縮空気流路６の径方向外側）に、径方向内側に突出するピン状の攪拌器１７０が設けられている。攪拌器１７０は周方向に沿って複数個略均等に分散して設けられている。

　ターニングベーン５４は、その役目として、剥離無く流れを曲げることにより圧力損失を低減している。このようにきれいな流れは理想的ではあるものの、乱れの発生が小さいために燃料を混合する力は小さい。このため、従来の燃焼器においては、燃料混合箇所下流で局所的に燃料濃度が高くなる傾向があり、ＮＯｘ濃度が高くなる場合があった。特に、ターニングベーン５４の背側は流れが緩やかに剥離無く曲がると考えられるため、ターニングベーン５４の腹側に比べて乱れが小さく、その下流側では燃料混合する力が弱い。
　本実施形態では、ターニングベーン５４の背側にピン状の攪拌器１７０が設けられていることにより、その下流側での燃料混合が促進され、燃料濃度が均一化される。その結果、ＮＯｘの低減を実現することができる。

〔第５の実施形態〕
　次に、本発明の第５の実施形態について説明する。なお、全体構成は上記第１実施形態と同様であり、同様の構成については同一の符号を用い、その説明を省略する。
　本実施形態は、上記第４実施形態と同様に、ターニングベーン背側における乱れを増加させることにより、ターニングベーン背側の流れについて燃料混合を促進させるものである。
　すなわち、図９Ａ，図９Ｂに示したように、本実施形態のターニングベーン１７１の下流側端部には、流路方向に沿って切り欠き（スリット）１７２が設けられている。切り欠き１７２は、ターニングベーン１７１の腹側と背側とを連通させるものであり、ターニングベーン１７１の周方向に沿って間隔を隔てて複数設けられている。ターニングベーン１７１の他の構成は上記第１実施形態のターニングベーン５４と同様であり、説明を省略する。

　ターニングベーン１７１腹側は遠心力により外周側へ向かって流れる傾向があるため、切り欠き１７２を設けることにより、ターニングベーン内周側から外周側へ向かう流れが生じる。その結果、図９Ａ，図９Ｂに矢印で示した流れのように、ターニングベーン背側での混合が促進され、燃料濃度が均一化される。その結果、ＮＯｘの低減を実現することができる。

１…燃焼器、２ａ…内筒、２ｃ…外筒、６…圧縮空気流路、８…１８０度ターニング部（膨出部）、５１…整流板（流量調整部）、５２…リブ、５４…ターニングベーン、５５…孔、５６…孔、１５２…整流板、１５３…外側スリット、１５４…内側スリット、１５５…リブ近傍スリット、１６０…トップハットノズル、１７０…攪拌器、１７１…ターニングベーン、１７２…切り欠き（スリット）

Claims

　燃焼器の軸心に設置されて拡散燃焼を行うパイロットノズルと、前記パイロットノズルの外周側で周方向に間隔を隔てて複数設置され予混合燃焼を行うメインノズルと、前記パイロットノズルと各前記メインノズルとを取り囲む一つの内筒と、さらに前記内筒を外側から略同軸に取り囲み、その内周面と前記内筒の外周面との間に圧縮空気流路が形成される外筒とを備え、前記圧縮空気流路を流れる圧縮空気が、前記内筒の端部で流動方向が略反転されて前記パイロットノズルに導入される燃焼器において、
　前記圧縮空気流路には、内周側の流量を外周側の流量よりも大きくする流量調整部が設けられている、燃焼器。
　前記圧縮空気流路には、該流路を遮って前記流量調整部としての整流板が設けられ、
　該整流板には該整流板を挟んで通路の上流側と下流側とを連通する孔が複数設けられ、内周側の孔の直径が、外周側の孔の直径よりも大きくされている、請求項１に記載の燃焼器。
　前記整流板は、前記流路が略反転される位置中心よりも上流側に、前記内周側の孔の直径の１５倍以下の距離をあけた位置に設けられている、請求項２に記載の燃焼器。
　前記内筒の端部には、前記流路の下流側にしたがって半径方向外側に次第に膨出する膨出部が設けられ、
　前記内周側の孔が、前記膨出部の半径方向外側の端面よりも半径方向内側に設けられている、請求項２または請求項３に記載の燃焼器。
　前記内周側の孔の直径が、前記膨出部の膨出高さ以上の大きさに形成されている、請求項４に記載の燃焼器。
　隣接する前記内周側の孔の中心間の距離が、前記内周側の孔の直径の１．５倍以上とされている、請求項２から請求項５のいずれかに記載の燃焼器。
　前記圧縮空気流路には、該流路を遮って前記流量調整部としての整流板が設けられ、
　該整流板の内周側には、該整流板の上流側と下流側とを連通するスリットが設けられている、請求項１に記載の燃焼器。
　前記圧縮空気流路には、該流路が略反転する位置にトップハットノズルが設けられた、請求項１から請求項７のいずれかに記載の燃焼器。
　前記圧縮空気流路には、反転する流路内の流体をガイドするターニングベーンが前記内筒端縁に対向して設けられ、
　前記ターニングベーンの背側に流体の流れを撹拌する攪拌器が設けられている、請求項１から請求項８のいずれかに記載の燃焼器。
　前記ターニングベーンの下流側先端部に、該ターニングベーンの背側と腹側とを連通するスリットが設けられている、請求項９に記載の燃焼器。