JP2000356345A - ガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の燃焼方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】燃焼器周方向での酸化剤の偏流を抑制し、安定
した燃焼を行う。 【解決手段】燃焼室筒状部材と、該燃焼室筒状部材の外
周で所望の間隔を有して配置された外筒と、該外筒と前
記燃焼室筒状部材により形成される環状流体流路とを備
え、該環状流体流路と燃焼室とを流体が流れるように連
結し、該燃焼室筒状部材の外周側で連結された流体流路
中にその内部を流れる流体の整流を行う環状部材を配置
する。 【効果】ガスタービン燃焼器周方向での酸化剤の偏流を
抑制し、安定した燃焼を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービン燃焼
器及びガスタービン燃焼器の燃焼方法に係わる。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービン燃焼器では、燃焼室内で燃
料と酸化剤を混合して燃焼させる拡散燃焼や、燃料と酸
化剤を予め混合したのち燃焼室内で燃焼させる予混合燃
焼が用いられる。特に、低ＮＯｘ燃焼では、希薄燃料を
用いて予混合火炎の温度を低くしてＮＯｘの発生量を抑
制することが多い。このため、火炎が不安定になりやす
く、予混合器内部への火炎戻りや、火炎の吹飛び、ある
いは燃焼振動などの燃焼不安定が発生する可能性があ
る。火炎戻りが発生して長時間火炎が予混合器内に滞在
すると、予混合器を焼損させ燃焼器の健全性を損なう可
能性がある。火炎の吹飛びが発生した場合には、燃焼を
持続できず、出力低下あるいは運転継続が不可能とな
る。また、燃焼振動が発生した場合には、構造材の健全
性を損なう可能性がある。

【０００３】燃焼不安定を発生させる原因の一つに、燃
焼器内の酸化剤の偏流がある。酸化剤の偏流があると、
保炎部に低流速領域あるいは高流速領域が発生する。予
混合火炎は、高温の既燃気体から低温の未燃予混合気
へ、燃料組成，燃空比，圧力，温度，流れの乱れなどで
決まる燃焼速度で伝播する性質を持つ。従って、予混合
器内の未燃予混合気の流速が燃焼速度よりも遅い低流速
領域が保炎部に発生した場合には、火炎戻りが発生す
る。また、保炎部に高流速領域が発生した場合には火炎
を保持できず、火炎が吹飛ぶ可能性がある。さらに、酸
化剤の流量偏差は燃空比の偏差を引き起こし、希薄側の
安定限界より低燃空比領域では火炎の吹飛びが、高燃空
比領域では、燃焼速度が増大して火炎戻りが発生する可
能性がある。また、保炎部の流速変動により、火炎部で
の発熱量が変動し、燃焼振動を引き起こす可能性もあ
る。また、予混合器内の流速分布の不均一は、燃料濃度
分布の不均一となり、ＮＯｘ増大の原因ともなる。

【０００４】保炎部で流速の偏差や変動を生じる原因の
一つに、燃焼器周方向の酸化剤の偏流がある。圧縮機か
ら吐出された空気は一旦車室と呼ばれる空間で均圧さ
れ、圧縮機の外側に設置された各燃焼器に流入するが、
燃焼器に流入する空気の流れは完全に均一とはならず、
各燃焼器の周方向に分布を持つ。また、燃焼器に流入し
た空気は燃焼室と燃焼室外筒に挟まれた環状空間内を流
れるが、この環状空間内には、燃焼室の固定部材や点火
栓，隣接燃焼器を繋ぐ火炎伝播管などの構造物が存在す
る。このため、これらの構造物の下流には低流速領域が
発生し、燃焼器の周方向に流速の不均一を発生させる。
酸化剤は環状空間を通った後、予混合器に流入するが、
環状空間内の偏流の影響は予混合器内の燃料ノズル部、
あるいは出口の保炎部に迄達し、燃料混合や保炎性能に
影響を与える。

【０００５】酸化剤の偏流を防止する手段としては、従
来、燃焼室と燃焼室外筒に挟まれた環状空間内に抵抗体
を設置する方法（特開平10−185195号），予混合器内の
曲がり部に格子状薄板構造物を配置する方法（実開昭63
−154959号），予混合器内の曲がり部下流に多孔板もし
くは格子板を配置する方法(特開平9−184629号）などが
ある。これら流路内に設けられた抵抗要素では、圧力損
失の大きい領域を減衰させて流速分布を均一化させてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】燃焼室と燃焼室外筒に
挟まれた環状空間内に抵抗体を設置する方法（特開平10
−185195号）では、抵抗体をむしろ燃焼器の圧力損失調
整手段として利用しており、流路内構造物による偏流の
抑制のために使われていない。例えば、点火栓を抵抗体
下流に設置しているため、点火栓で発生した偏流の影響
は、そのまま燃焼器に流入する酸化剤流量の偏差とな
る。また、燃焼室と燃焼室外筒に挟まれた環状空間内の
酸化剤は燃焼室壁面を冷却しながら流れるため、冷却に
必要な伝熱量を確保するためには燃焼室外周で高流速を
維持する必要がある。したがって、燃焼室と燃焼室外筒
に挟まれた環状空間内に抵抗体をおいた場合には、抵抗
体により大きな圧力損失が発生し、ガスタービンシステ
ムとしての効率を低下させる。予混合器内の曲がり部に
格子状薄板構造物を配置する方法（実開昭63−154959
号）では、曲がり部で発生する剥離を抑制することを目
的としており、燃焼器周方向の偏流については、効果的
な手段を提供していない。そのため、この方法により燃
焼器周方向の偏流を防止するためには、大きな圧力損失
を生ずる格子状薄板構造物を必要とする。

【０００７】予混合器内の曲がり部下流に多孔板もしく
は格子板を設置する方法（特開平9−184629号）は、曲
がりによって発生する偏流を抑制する方法であり、燃焼
器周方向の偏流の抑制については効果がない。

【０００８】これら従来の方法では、燃焼器周方向の流
速分布の均一化が目的とされておらず、空気流量の周方
向偏差による燃焼不安定を低圧損構造で効果的に抑制す
ることは困難である。

【０００９】本発明の目的は、ガスタービン燃焼器周方
向での酸化剤の偏流を抑制し、安定した燃焼を行うガス
タービン燃焼器及びガスタービン燃焼方法を提供するこ
とにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のガスタービン燃
焼器は、燃焼室を形成する燃焼室筒状部材と、該燃焼室
筒状部材の外周で所望の間隔を有して配置された外筒
と、該外筒と前記燃焼室筒状部材により形成される環状
流体流路とを備えたガスタービン燃焼器において、該環
状流体流路と該燃焼室とを流体が流れるように連結し、
該燃焼室筒状部材の外周側で、連結された流体流路中に
その内部を流れる流体の整流を行う環状部材を配置する
ことを特徴とする。

【００１１】或いは、本発明のガスタービン燃焼器は、
燃焼室を形成する燃焼室筒状部材と、該燃焼室筒状部材
の外周で所望の間隔を有して配置された外筒と、該外筒
と前記燃焼室筒状部材により形成される環状流体流路と
を備えたガスタービン燃焼器において、該環状流体流路
と該燃焼室とを流体が流れるように連結し、該燃焼室筒
状部材の外周側で、連結された流体流路中に、複数の開
口部を有し、該開口部の開口率を３０〜６５％とする環
状部材を配置することを特徴とする。

【００１２】或いは、本発明のガスタービン燃焼器は、
燃焼室を形成する燃焼室筒状部材と、該燃焼室筒状部材
の外周で所望の間隔を有して配置された外筒と、該外筒
と前記燃焼室筒状部材により形成される環状流体流路と
を備えたガスタービン燃焼器において、該環状流体流路
と該燃焼室とを流体が流れるように連結し、該燃焼室筒
状部材の外周側で、連結された流体流路中に、流路面積
の拡大部を設け、前記拡大部又は該拡大部の反連結側に
複数の開口部を有する環状部材を設けることを特徴とす
る。

【００１３】或いは、本発明のガスタービン燃焼器は、
酸化剤と燃料が燃焼する燃焼室と、該燃焼室の外周に設
けられ、該燃焼室内の主流と対向する向きに該酸化剤を
流下させる該酸化剤の環状流路と、該環状流路の出口と
該燃焼室を連結する曲がり流路と、該曲がり流路内に位
置して該酸化剤の方向を転回させる転回部とを有するガ
スタービン燃焼器において、該転回部より上流の該曲が
り流路内に該酸化剤の整流機構を設けた。

【００１４】或いは、本発明のガスタービン燃焼器は、
酸化剤と燃料が燃焼する燃焼室と、該燃焼室の外周に設
けられ、該燃焼室内の主流と対向する向きに該酸化剤を
流下させる該酸化剤の環状流路と、該環状流路の出口と
該燃焼室を連結する曲がり流路と、該曲がり流路内に位
置して該酸化剤の方向を転回させる転回部とを有するガ
スタービン燃焼器において、該転回部より上流の該曲が
り流路内に、流路面積が該酸化剤の上流から下流に向け
て拡大する流路拡大部を設け、該拡大部又はその下流に
該酸化剤の整流機構を設けたものである。

【００１５】或いは、本発明のガスタービン燃焼器は、
酸化剤と燃料が燃焼する燃焼室と、該燃焼室の外周に設
けられ、該燃焼室内の主流と対向する向きに該酸化剤を
流下させる該酸化剤の環状流路と、該環状流路の出口と
該燃焼室を連結する曲がり流路と、該曲がり流路内に位
置して該酸化剤の方向を転回させる転回部とを有するガ
スタービン燃焼器において、該転回部より上流の該曲が
り流路内に、流路面積が該酸化剤の上流から下流に向け
て縮小する流路縮流部を設け、該縮流部の上流に該酸化
剤の整流機構を設けたものである。

【００１６】或いは、本発明のガスタービン燃焼器は、
酸化剤と燃料が燃焼する燃焼室と、該燃焼室の外周に設
けられ、該燃焼室内の主流と対向する向きに該酸化剤を
流下させる該酸化剤の環状流路と、該環状流路の出口と
該燃焼室を連結する曲がり流路と、該曲がり流路内に位
置して該酸化剤の方向を転回させる転回部とを有するガ
スタービン燃焼器において、該転回部より上流の該曲が
り流路内に、流路面積が該酸化剤の上流から下流に向け
て拡大する流路拡大部と、該流路拡大部より該酸化剤の
下流に位置し、流路面積が該酸化剤の上流から下流に向
けて縮小する流路縮流部を設け、該拡大部と該縮流部の
間又は該拡大部に該酸化剤の整流機構を設けたものであ
る。

【００１７】或いは、本発明のガスタービン燃焼器の燃
焼方法は、酸化剤と燃料が燃焼する燃焼室と、該燃焼室
の外周に設けられ、該燃焼室内の主流と対向する向きに
該酸化剤を流下させる該酸化剤の環状流路と、該環状流
路の出口と該燃焼室を連結する曲がり流路と、該曲がり
流路内に位置して該酸化剤の方向を転回させる転回部と
を有するガスタービン燃焼器の燃焼方法において、前記
酸化剤を前記環状流路内で燃焼室内の主流と対向する向
きに流して前記曲がり流路に導き、その酸化剤を該曲が
り流路内で該整流機構に通過させ、その後、前記転回部
を通過させることを特徴とする。

【００１８】或いは、本発明のガスタービン燃焼器の燃
焼方法は、酸化剤と燃料が燃焼する燃焼室と、該燃焼室
の外周に設けられ、該燃焼室内の主流と対向する向きに
該酸化剤を流下させる該酸化剤の環状流路と、該環状流
路の出口と該燃焼室を連結する曲がり流路と、該曲がり
流路内に位置して該酸化剤の方向を転回させる転回部と
を有するガスタービン燃焼器の燃焼方法において、前記
酸化剤を前記環状流路内で燃焼室内の主流と対向する向
きに流して前記曲がり流路に導き、その酸化剤を該曲が
り流路内で流路面積が拡大した拡大流路に導き、その
後、該酸化剤を該曲がり流路内で流路面積が縮小した縮
小流路に導き、その酸化剤を前記転回部に通過させるガ
スタービン燃焼器の燃焼方法であって、前記曲がり流路
内で前記縮小流路を通過する前に、前記整流機構で整流
することを特徴とする。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態では、燃焼室
と燃焼室外筒の間の環状空間出口付近に、整流機構を設
ける。この整流機構によって、燃焼器周方向の酸化剤の
偏流を均一化することができる。これにより、圧縮機や
車室，燃焼器入口，燃焼室外周環状流路で発生する燃焼
器周方向の流速偏差を低減することができる。

【００２０】特に、流路に拡大部を設けて低流速領域を
発生させ、低流速領域に多孔板や整流格子等の整流機構
を設置することにより、圧力損失を著しく増加させるこ
となく、流速分布を均一化することができる。

【００２１】なお、整流機構の開口率を低減させるほど
整流効果が得られるが、圧力損失が増加するため、開口
率の適切な設定が必要である。まず、整流効果を得るた
めには、近づき速度を代表流速にとった場合の圧力損失
係数を、１.５ から１５程度にとることが望ましい。そ
のため、開口率３０％以上，６５％以下に設定すること
が好ましい。

【００２２】また、このような開口部をもつ多孔板もし
くは整流格子を用いた場合の圧力損失の増加を抑制する
ためには、開口部の最大流速を、多孔板もしくは整流格
子を用いない場合の流速以下にすることが好ましい。そ
のためには、整流機構の上流側の流路に拡大部を設け、
開口部の流速を低減すればよい。開口率３０％以上，６
５％以下の多孔板もしくは整流格子を用いる場合には、
流路の拡大率を１５０％以上にすればよい。

【００２３】また、整流された流れを維持して下流に導
くには、整流機構の下流側の流路に縮流部を設けること
が望ましい。縮流部の流速が開口部の最大流速を超えな
いようにするためには、開口率３０％以上，６５％以下
の多孔板もしくは整流格子を用いる場合には、流路の縮
小率を３０％以上にすればよい。

【００２４】ここで、圧力損失の増加の制限がない場合
には拡大部や縮流部を省略することができ、フロースリ
ーブ出口に多孔板もしくは整流格子のみを設置して偏流
を抑制する効果を得ることができる。

【００２５】但し、この場合でも拡大部および縮流部を
設けることにより、より均一な流速分布を得ることがで
きる。

【００２６】（実施例１）次に、より具体的に本発明の
実施例を説明する。

【００２７】図２に、本発明を適用するガスタービン燃
焼器の断面図を示す。このガスタービン燃焼器には、燃
焼用の空気を昇圧してガスタービン燃焼器に送り込む圧
縮機１と、ガスタービン燃焼器で発生した燃焼気体によ
り駆動するタービン１２とが接続されている。

【００２８】また、このガスタービン燃焼器は、主に、
圧縮機１からの空気が送り込まれる車室２と、酸化剤と
燃料が燃焼する燃焼室５と、燃焼室５の下流側で燃焼気
体をタービン１２側に導くトランジションピース１１と
を備えている。

【００２９】そして、トランジションピース１１の外周
にトランジションピースフロースリーブ４と、燃焼室５
の外周にフロースリーブ３とが設けられ、燃焼用の空気
を流す環状空間が形成される。この環状空間は、燃焼室
５の外周で燃焼室５の主流と対向する向きに酸化剤を流
す環状の流路であり、この環状空間を通って燃焼用空気
が外筒３ａ及び外筒３ｂの内側を流れる。なお、このガ
スタービン燃焼器は、拡散火炎を形成する拡散燃料ノズ
ル１０と、予混合燃料ノズル８を備えた予混合器６とを
備えている。

【００３０】図２に示すように、圧縮機１で昇圧された
燃焼用の空気Ａ０は、車室２に送り込まれる。この空気
Ａ０は、車室２を通った後、フロースリーブ３とトラン
ジションピースフロースリーブ４に設けられた複数の孔
から燃焼器内に入る。

【００３１】また、図１及び図３に示すように、燃焼室
筒状部材により形成された円筒形の燃焼室５と燃焼室筒
状部材の外周で所望の間隔を有して配置された外筒３ａ
との間の環状空間である流体流路を通った圧縮機吐出空
気Ａ０は、予混合器６と外筒３ｂとの間の流路を通った
後、予混合器６およびパイロットバーナ用の空気流路７
に流入する。つまり、前述した環状空間である流体流路
から燃焼室５とは流体が流れるように連結されている。

【００３２】ここで、環状空間を通った圧縮機吐出空気
Ａ０は、外筒３ｂで形成される流路であって突起１５付
近から保炎器９付近までを示す曲がり流路を通過して、
その曲がり流路内の転回部で向きを反転し、予混合器６
に送り込まれる。転回部とはおおよそ流れ向きを変化す
る部位である。

【００３３】予混合器６では、予混合燃料ノズル８から
の予混合燃料Ｆ２と空気Ａ２が混合して予混合気Ｐ２が
生成される。予混合気Ｐ２は、予混合器出口に設けられ
た保炎器９の背面（下流側）に予混合火炎Ｃ２を形成し
て燃焼する。

【００３４】パイロットバーナ用の空気流路７に流入し
た燃焼用空気Ａ１は、拡散燃料ノズル１０からの拡散燃
料Ｆ１とともに、燃焼室５の内部に拡散火炎Ｃ１を形成
して燃焼する。燃焼後の高温の既燃ガスＢ０は、トラン
ジションピース１１を通った後、タービン１２に供給さ
れる。ここで、燃焼室５内の既燃ガスＢ０の進行方向を
主流方向と称する。

【００３５】図３には、本発明を適用するガスタービン
燃焼器の拡大断面図を示す。円筒形の燃焼室５と外筒３
ａとの間の環状空間を反主流方向に流れる圧縮機吐出空
気Ａ０は、予混合器６と外筒３ｂとの間の流路を通った
後、予混合器６およびパイロットバーナ用の空気流路７
に流入する。環状空間から予混合器６等への流れは、お
おむね燃焼器中心方向に流れる。そして、予混合器６か
らは、主流方向に流れる。つまり、圧縮機吐出空気Ａ０
である酸化剤は、反主流方向の流れから主流方向の流れ
に反転する。即ち、圧縮機吐出空気Ａ０である酸化剤
は、環状空間を反主流方向に流れ、曲がり流路の転回部
でその方向を反転する。

【００３６】ここで、燃焼室５の端部には、円環状の補
強部材である円環状の突起１５が設けられており、ま
た、予混合器６の入口には、流路の急激な転回を防止す
るための円環状の突起１６が設置されている。

【００３７】予混合器６では、予混合燃料ノズル８から
の予混合燃料Ｆ２と空気Ａ２が混合して、主流方向に進
行しながら、予混合気Ｐ２が生成される。予混合気Ｐ２
は、予混合器出口に設けられた保炎器９の背面に予混合
火炎Ｃ２を形成して燃焼する。パイロットバーナ用の空
気流路７に流入した燃焼用空気Ａ１は、拡散燃料ノズル
１０からの拡散燃料Ｆ１とともに、燃焼室５の内部に拡
散火炎Ｃ１を形成して燃焼する。

【００３８】この燃焼器には、燃焼室５と外筒３ａとの
間の環状空間に、円筒状の点火栓外筒１４が取り付けら
れており、点火栓１３を燃焼器外部から燃焼室５の内部
に挿入して点火することができる。点火栓外筒１４は、
燃焼室５と外筒３ａとの間の環状空間周方向の一部に設
置されており、酸化剤Ａ０の流れに対しては障害物とな
る。このため、点火栓背後には低流速領域が形成され、
偏流が形成される。この比較例では、燃焼室５と外筒３
ａとの間の環状空間内の構造物として、点火栓１３およ
び点火栓外筒１４が設置されているが、他の構造物とし
て、燃焼室５と、図示していない隣接した燃焼器の燃焼
室とを結ぶ図示していない火炎伝播管や、燃焼室５を固
定するための図示していないストッパーなどがある。

【００３９】ここで、火炎伝播管は、燃焼室５で点火し
た火炎を隣接燃焼器の燃焼室に伝播させて隣接燃焼器を
点火させる働きを持つ。これらの構造物は、いずれも酸
化剤Ａ０の燃焼器周方向の偏流の原因となる。

【００４０】図１に第１の実施例の拡大断面図を示す。
本実施例では、酸化剤が流れる燃焼室５外周の環状空間
（曲がり流路部）に、環状部材である整流機構を設けて
いる。この環状空間部に整流機構が設けられているの
で、円周方向での酸化剤の偏流を抑制することができ
る。

【００４１】この整流機構は、予混合器６の上流側であ
って、向きが反転する前の部位に設けられているので、
圧力損失を増加させずに、円周方向での酸化剤の偏流を
良好に抑制することができる。なお、点火栓外筒１４の
下流側に整流機構を設けているので、点火栓外筒１４で
発生する偏流を抑制することが出来る。

【００４２】また、本実施例では、燃焼室出口付近に設
けられた突起１５と予混合器入口に設けられた突起１６
との間に整流機構として多孔板１７を取り付けたもので
ある。燃焼室５と外筒３との間の環状空間の流れは、一
旦、突起１５と外筒３ｂの間の環状流路で加速されたの
ち、予混合器６と外筒３ｂの間の流路拡大部に設置され
た多孔板１７に流入する。多孔板１７の設置位置は流路
の拡大部になっているため、断面平均流速が低く、点火
栓外筒１４などにより発生した燃焼器周方向の偏流の高
流速領域を減衰させることができる。多孔板１７の設置
位置は流路拡大部の下流側（流路方向を反転する転回部
側，環状空間と燃焼室との流路連結側）であっても良
い。つまり、流路拡大部は、多孔板１７の設置位置でも
良いし、その多孔板１７の上流側（反転回部側，反連結
側）であっても良い。

【００４３】このように、転回部より上流の曲がり流路
内に、流路面積が酸化剤の上流から下流に向けて拡大す
る流路拡大部を設け、その流路拡大部又はその下流側に
整流機構を設けることで、燃焼器周方向の偏流を抑制す
ることができる。特に、燃焼器周方向の偏流の高流速領
域を減衰させることができる。

【００４４】なお、均一になった流れは、突起１６で再
び加速される。このとき、流路が増速領域となっている
ため剥離などを防止して、予混合器６の入口で均一な流
れを得ることができる。つまり、転回部より上流の曲が
り流路内に、流路面積が酸化剤の上流から下流に向けて
縮小する流路縮小部を設け、その流路縮小部の上流側に
整流機構を設けることで、燃焼器周方向の偏流を抑制す
ることができる。特に、流路が増速領域となっているた
め剥離などを防止することができる。

【００４５】ここで、更に圧力損失を増加させずに整流
効果を得るためには、多孔板１７の開口部の最大流速
を、多孔板を用いない場合の流速以下にすることが好ま
しい。つまり、前述の流路拡大部の拡大率に基づいて多
孔板１７の開口率を設定したり、多孔板１７の開口率に
基づいて前述の流路拡大部の拡大率を設定したり、前述
の流路縮小部の縮小率に基づいて多孔板１７の開口率を
設定したり、多孔板１７の開口率に基づいて前述の流路
縮小部の縮小率を設定したりすることが望ましい。

【００４６】例えば、整流効果の大きい開口率３０％以
上，６５％以下の多孔板を用いる場合には、流路の拡大
部で多孔板１７を用いない場合の流速以下にするため
に、突起１５と外筒３ｂの間の流路面積に対する流路の
拡大率を１５０％以上にすればよい。

【００４７】また、例えば、縮流部の流速が開口部の最
大流速を超えないようにするためには、開口率３０％以
上，６５％以下の多孔板１７を用いる場合には、流路の
縮小率を３０％以上にすることが望ましい。しかし、圧
力損失に余裕のある場合はこの限りではない。

【００４８】以上のように、整流機構の上流側又は下流
側の流路面積の変化によって開口率を所望の値に設定す
ることで、圧力損失を低下させることができる。

【００４９】図４に本実施例を用いた場合の圧力損失と
流速偏差の変化を数値解析で解析した結果を比較例と比
較して示す。ここで、比較例１は図３に示した構造であ
り、比較例２は図３の構造の突起１５の位置に４０％の
開口率を持つ多孔板を設置した構造である。また、実施
例１は、本実施例の構造であり、多孔板１７の開口率と
して５５％を用いた場合である。

【００５０】図４の圧力損失は、比較例１を基準にした
倍率で示してある。図４に示すように、整流装置を用い
ない比較例１の場合には、点火栓で発生した偏流が下流
まで残り、予混合器内での流速偏差が約１６％生ずる。

【００５１】比較例２では、流速の大きい燃焼室５と外
筒３ｂの間に多孔板を設置しているため、圧力損失が比
較例１の約２倍高くなっているが、流速偏差は約１０％
程度残り、整流効果は少ない。つまり、圧力損失が増加
しつつ、少なからず整流効果が得られる。

【００５２】これに対して、本実施例１の場合には、圧
力損失の増加は３割程度と少なく、流速偏差を１％以下
に押さえることができており、極めて良好な整流効果を
得ることができることがわかる。

【００５３】整流機構は、流体の整流作用を備えている
ものである。たとえば、複数の開口部を有する部材を用
いる。本実施例では、整流装置として多孔板１７を用い
た場合を示したが、多孔板１７の代わりに整流格子を用
いても同様の効果を得ることができる。また、多孔板１
７や整流格子等を単一で用いても良いし、複数用いても
良い。

【００５４】ここで、多孔板１７や整流格子は、予混合
器６あるいは外筒３ｂのどちらかあるいは両方に固定し
て支持する。また、突起１５は、燃焼室５あるいは外筒
３ａあるいは外筒３ｂあるいは予混合器６に固定し、形
状については長方形断面に限らない。

【００５５】本実施例によると、圧縮機や車室，燃焼器
入口，燃焼室外周環状流路などで発生する燃焼器周方向
の流速偏差を予混合器入口で低減し、予混合器内部に均
一な流速分布の酸化剤を供給することができる。特に、
流路に拡大部を設けて低流速領域を発生させ、この低流
速領域に多孔板や整流格子を整流機構として設置するこ
とにより、圧力損失を著しく増加させることなく、流速
分布を均一化することができる。これにより、流速分布
の不均一に伴う燃焼不安定やＮＯｘの発生を防止するこ
とができる。

【００５６】（実施例２）図５に第２の実施例の拡大図
を示す。本実施例では、突起１６の形状が滑らかな斜面
形状となっており、突起１６の上流側の予混合器６と外
筒３ｂの間の流路に多孔板１７が取り付けられている。
点火栓外筒１４で生じた偏流は、下流の多孔板１７で均
一化された後、均一な流速分布を滑らかな斜面形状を有
する突起１６で加速維持して予混合器６の入口に流入さ
せることができる。本実施例は、流路拡大部を設置しな
くても燃焼室外周出口の酸化剤の平均流速が既に低い場
合に用いるのに適しており、特に、多孔板１７の位置を
点火栓外筒１４から最も離して予混合器入口近傍に設置
することにより、点火栓外筒１４で生じた偏流をより一
様化することができる。

【００５７】以上述べたように、本実施例によれば、圧
縮機や車室，燃焼器入口，燃焼室外周環状流路などで発
生する燃焼器周方向の流速偏差を予混合器入口で低減
し、予混合器内部に均一な流速分布の酸化剤を供給する
ことができる。特に、流路に拡大部を設けて低流速領域
を発生させ、この低流速領域に多孔板や整流格子を整流
機構として設置することにより、圧力損失を著しく増加
させることなく、流速分布を均一化することができる。
これにより、流速分布の不均一に伴う燃焼不安定やＮＯ
ｘの発生を防止することができる。

【００５８】（実施例３）図６に第３の実施例の拡大断
面図を示す。本実施例では、外筒３ｂに段差が設けら
れ、これが酸化剤Ａ０の流路拡大部となっている。多孔
板１７は、この流路拡大部に設置されている。燃焼室５
と外筒３ａとの間の環状空間の流れは、予混合器６と外
筒３ｂの間の流路拡大部に設置された多孔板１７に流入
する。多孔板１７の設置位置は流路の拡大部になってい
るため、断面平均流速が低く、点火栓外筒１４などによ
り発生した燃焼器周方向の偏流の高流速領域を減衰させ
ることができる。ここで、圧力損失を増加させずに整流
効果を得るためには、多孔板１７の開口部の最大流速
を、多孔板を用いない場合の流速以下にすることが好ま
しい。整流効果の大きい開口率３０％以上，６５％以下
の多孔板を用いる場合には、流路の拡大部で多孔板１７
を用いない場合の流速以下にするために、突起１５と外
筒３ｂの間の流路面積に対する流路の拡大率を１５０％
以上にすればよい。しかし、圧力損失に余裕のある場合
はこの限りではない。

【００５９】この実施例では、外筒３ｂに段差を設けて
流路の拡大部としたが、予混合器側に段差を設けて流路
の拡大部とすることもでき、同様の効果を得ることがで
きる。また、この実施例では、予混合器６の入口に縮流
部が設けられていないが、予混合器入口の流路断面積が
広く、予混合器の転回部で偏流が発生しにくい場合に
は、本実施例のように予混合器６の入口の縮流部を省く
ことができる。

【００６０】以上述べたように、本実施例によれば、圧
縮機や車室，燃焼器入口，燃焼室外周環状流路などで発
生する燃焼器周方向の流速偏差を予混合器入口で低減
し、予混合器内部に均一な流速分布の酸化剤を供給する
ことができる。特に、流路に拡大部を設けて低流速領域
を発生させ、この低流速領域に多孔板や整流格子を整流
機構として設置することにより、圧力損失を著しく増加
させることなく、流速分布を均一化することができる。
これにより、流速分布の不均一に伴う燃焼不安定やＮＯ
ｘの発生を防止することができる。

【００６１】

【発明の効果】本発明によると、ガスタービン燃焼器周
方向での酸化剤の偏流を抑制し、安定した燃焼を行うガ
スタービン燃焼器及びガスタービン燃焼方法を提供する
ことができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例（実施例１）であるガスター
ビン燃焼器の部分断面図を示す。

【図２】ガスタービン燃焼器構成の断面図を示す。

【図３】ガスタービン燃焼器の部分断面図を示す。

【図４】圧損及び流速偏差の比較図を示す。

【図５】本発明の一実施例（実施例２）であるガスター
ビン燃焼器の部分断面図を示す。

【図６】本発明の一実施例（実施例３）であるガスター
ビン燃焼器の部分断面図を示す。

【符号の説明】

１…圧縮機、２…車室、３…フロースリーブ、３ａ，３
ｂ…外筒、４…トランジションピースフロースリーブ、
５…燃焼室、６…予混合器、７…拡散パイロットバーナ
用空気流路、８…予混合燃料ノズル、９…保炎器、１０
…拡散燃料ノズル、１１…トランジションピース、１２
…タービン、１３…点火栓、１４…点火栓外筒、１５，
１６…突起、１７，１８…多孔板、Ａ０…圧縮機吐出空
気、Ａ１…燃焼用空気、Ａ２…予混合用空気、Ｂ０…既
燃ガス、Ｆ１…拡散燃料、Ｆ２…予混合燃料、Ｃ１…拡
散火炎、Ｃ２…予混合火炎。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉田 正平 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者 平田 義隆 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者 小林 成嘉 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃焼室を形成する燃焼室筒状部材と、該燃
   焼室筒状部材の外周で所望の間隔を有して配置された外
   筒と、該外筒と前記燃焼室筒状部材により形成される環
   状流体流路とを備えたガスタービン燃焼器において、 該環状流体流路と該燃焼室とを流体が流れるように連結
   し、 該燃焼室筒状部材の外周側で、連結された流体流路中に
   その内部を流れる流体の整流を行う環状部材を配置する
   ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 【請求項２】燃焼室を形成する燃焼室筒状部材と、該燃
   焼室筒状部材の外周で所望の間隔を有して配置された外
   筒と、該外筒と前記燃焼室筒状部材により形成される環
   状流体流路とを備えたガスタービン燃焼器において、 該環状流体流路と該燃焼室とを流体が流れるように連結
   し、 該燃焼室筒状部材の外周側で、連結された流体流路中
   に、複数の開口部を有し、該開口部の開口率を３０〜６
   ５％とする環状部材を配置することを特徴とするガスタ
   ービン燃焼器。
3. 【請求項３】燃焼室を形成する燃焼室筒状部材と、該燃
   焼室筒状部材の外周で所望の間隔を有して配置された外
   筒と、該外筒と前記燃焼室筒状部材により形成される環
   状流体流路とを備えたガスタービン燃焼器において、 該環状流体流路と該燃焼室とを流体が流れるように連結
   し、 該燃焼室筒状部材の外周側で、連結された流体流路中
   に、流路面積の拡大部を設け、 前記拡大部又は該拡大部の反連結側に複数の開口部を有
   する環状部材を設けることを特徴とするガスタービン燃
   焼器。
4. 【請求項４】酸化剤と燃料が燃焼する燃焼室と、該燃焼
   室の外周に設けられ、該燃焼室内の主流と対向する向き
   に該酸化剤を流下させる該酸化剤の環状流路と、該環状
   流路の出口と該燃焼室を連結する曲がり流路と、該曲が
   り流路内に位置して該酸化剤の方向を転回させる転回部
   とを有するガスタービン燃焼器において、該転回部より
   上流の該曲がり流路内に該酸化剤の整流機構を設けたガ
   スタービン燃焼器。
5. 【請求項５】酸化剤と燃料が燃焼する燃焼室と、該燃焼
   室の外周に設けられ、該燃焼室内の主流と対向する向き
   に該酸化剤を流下させる該酸化剤の環状流路と、該環状
   流路の出口と該燃焼室を連結する曲がり流路と、該曲が
   り流路内に位置して該酸化剤の方向を転回させる転回部
   とを有するガスタービン燃焼器において、該転回部より
   上流の該曲がり流路内に、流路面積が該酸化剤の上流か
   ら下流に向けて拡大する流路拡大部を設け、該拡大部又
   はその下流に該酸化剤の整流機構を設けたガスタービン
   燃焼器。
6. 【請求項６】酸化剤と燃料が燃焼する燃焼室と、該燃焼
   室の外周に設けられ、該燃焼室内の主流と対向する向き
   に該酸化剤を流下させる該酸化剤の環状流路と、該環状
   流路の出口と該燃焼室を連結する曲がり流路と、該曲が
   り流路内に位置して該酸化剤の方向を転回させる転回部
   とを有するガスタービン燃焼器において、該転回部より
   上流の該曲がり流路内に、流路面積が該酸化剤の上流か
   ら下流に向けて縮小する流路縮流部を設け、該縮流部の
   上流に該酸化剤の整流機構を設けたガスタービン燃焼
   器。
7. 【請求項７】酸化剤と燃料が燃焼する燃焼室と、該燃焼
   室の外周に設けられ、該燃焼室内の主流と対向する向き
   に該酸化剤を流下させる該酸化剤の環状流路と、該環状
   流路の出口と該燃焼室を連結する曲がり流路と、該曲が
   り流路内に位置して該酸化剤の方向を転回させる転回部
   とを有するガスタービン燃焼器において、該転回部より
   上流の該曲がり流路内に、流路面積が該酸化剤の上流か
   ら下流に向けて拡大する流路拡大部と、該流路拡大部よ
   り該酸化剤の下流に位置し、流路面積が該酸化剤の上流
   から下流に向けて縮小する流路縮流部を設け、該拡大部
   と該縮流部の間又は該拡大部に該酸化剤の整流機構を設
   けたガスタービン燃焼器。
8. 【請求項８】請求項３〜請求項７の何れかに記載のガス
   タービン燃焼器において、前記整流機構は複数の開口部
   を有し、且つ、多孔板及び整流格子のうち少なくとも一
   つであることを特徴とするガスタービン燃焼器。
9. 【請求項９】請求項３〜請求項７の何れかに記載のガス
   タービン燃焼器において、前記整流機構は複数の開口部
   を有し、該開口部の開口率を３０％〜６５％とすること
   を特徴とするガスタービン燃焼器。
10. 【請求項１０】請求項５又は請求項７に記載のガスター
    ビン燃焼器において、前記拡大部の流路面積拡大率を１
    ５０％以上とすることを特徴とするガスタービン燃焼
    器。
11. 【請求項１１】請求項６又は請求項７に記載のガスター
    ビン燃焼器において、前記縮流部の流路面積縮小率を３
    ０％以上とすることを特徴とするガスタービン燃焼器。
12. 【請求項１２】酸化剤と燃料が燃焼する燃焼室と、該燃
    焼室の外周に設けられ、該燃焼室内の主流と対向する向
    きに該酸化剤を流下させる該酸化剤の環状流路と、該環
    状流路の出口と該燃焼室を連結する曲がり流路と、該曲
    がり流路内に位置して該酸化剤の方向を転回させる転回
    部とを有するガスタービン燃焼器の燃焼方法において、 前記酸化剤を前記環状流路内で燃焼室内の主流と対向す
    る向きに流して前記曲がり流路に導き、その酸化剤を該
    曲がり流路内で該整流機構に通過させ、その後、前記転
    回部を通過させることを特徴とするガスタービン燃焼器
    の燃焼方法。
13. 【請求項１３】酸化剤と燃料が燃焼する燃焼室と、該燃
    焼室の外周に設けられ、該燃焼室内の主流と対向する向
    きに該酸化剤を流下させる該酸化剤の環状流路と、該環
    状流路の出口と該燃焼室を連結する曲がり流路と、該曲
    がり流路内に位置して該酸化剤の方向を転回させる転回
    部とを有するガスタービン燃焼器の燃焼方法において、 前記酸化剤を前記環状流路内で燃焼室内の主流と対向す
    る向きに流して前記曲がり流路に導き、その酸化剤を該
    曲がり流路内で流路面積が拡大した拡大流路に導き、そ
    の後、該酸化剤を該曲がり流路内で流路面積が縮小した
    縮小流路に導き、その酸化剤を前記転回部に通過させる
    ガスタービン燃焼器の燃焼方法であって、 前記曲がり流路内で前記縮小流路を通過する前に、前記
    整流機構で整流することを特徴とするガスタービン燃焼
    器の燃焼方法。