JP7336848B2 - 燃焼装置 - Google Patents

Description

本発明は、主としてガスタービンエンジンに使用される燃焼装置に関する。

近年、いわゆる低炭素社会の実現に向けて、燃料に水素を利用するガスタービンエンジンが提案されている。もっとも、水素を含有する燃料のような燃焼速度が大きい燃料では、燃焼温度が高くなることからＮＯｘが発生しやすい。また、燃焼速度が大きい燃料を燃焼させる場合は燃焼室で発生した火炎がバーナ側に戻ってくる逆火現象が生じ易い。

水素のような高反応性のガスを燃料として利用しながら、低ＮＯｘ燃焼および逆火防止を実現するための燃焼装置として、燃料を噴射する複数の環状部材を同心状に配置し、各環状部材に設けられた多数の燃料噴射孔から径方向に、燃料を分散させて噴射し、かつ燃料噴射孔から噴射された燃料にほぼ直交する方向に、燃焼室側に向けて空気を流す構成の燃料噴射器を用いるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような構造を有する燃焼装置によれば、燃料の多点噴射によって局所的な高温燃焼の発生が抑制されるので低ＮＯｘ燃焼が可能になる。さらに、径方向に噴射された燃料に、燃焼室側に向けて空気が供給されることによって、逆火現象の発生が抑制される。

国際公開第２０１５／１８２１５４号

しかし、特許文献１に開示された燃焼装置では、燃料噴射器が全体として平板状に近い形状を有していることから、燃焼振動が発生しやすい。

そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決するために、燃焼速度の大きい燃料を利用する燃焼装置において、低ＮＯｘ燃焼および逆火防止を実現し、かつ燃焼振動を抑制することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係る燃焼装置は、
内側に燃焼室を形成する燃焼筒と、
同心状に配置された複数の環状燃料噴射ユニットを有する、前記燃焼室に燃料ガスと空気を噴射する燃料噴射器とを備えており、
各燃料噴射ユニットは、
外周面および／または内周面に開口する、周方向に並べて配置された複数の燃料噴射孔を有する環状燃料噴射部材と、
前記環状燃料噴射部材の各燃料噴射孔から噴射される燃料ガスに対して空気を案内する複数の空気ガイド溝を有する環状空気ガイド部材と、
を有し、
少なくとも１つの前記環状燃料噴射ユニットのガス通路を周方向に等間隔に隔離する、径方向に延びる複数の周方向隔離壁、および少なくとも２つの隣り合う前記環状燃料噴射ユニット間を径方向に隔離する、周方向に延びる径方向隔離壁の少なくとも一方の隔離壁を備えている。

この構成によれば、複数の環状燃料噴射部材と環状空気ガイド部材を備えることによって、低ＮＯｘ燃焼と逆火防止が実現できる。さらに、環状燃料噴射ユニットを周方向または径方向に隔離する隔離壁を設けることによって火炎の移動が制限されるので、燃焼振動の発生が抑制される。

本発明の一実施形態において、少なくとも最外周に配置された前記環状燃料噴射ユニットに、複数の前記周方向隔離壁が設けられていてもよい。この構成によれば、最も燃焼振動が発生し易い最外周の環状燃料噴射ユニットにおいて火炎の周方向の移動を制限することにより、効果的に燃焼振動を抑制することができる。

本発明の一実施形態において、前記周方向隔離壁および前記径方向隔離壁は、少なくとも前記燃料噴射孔よりも下流側に設けられていてもよい。この構成によれば、火炎が存在する部分に隔離壁を設けることによって、効果的に燃焼振動を抑制することができる。

以上のように、本発明に係る燃焼装置によれば、低ＮＯｘ燃焼および逆火防止を実現し、かつ燃焼振動を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料噴射器が適用されるガスタービンエンジンの概略構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る燃焼装置を示す断面図である。 図２の燃焼装置に使用される燃料噴射器の例を示す斜視図である。 図３の燃料噴射器の一部を拡大して示す正面図である。 図２の燃焼装置に使用される燃料噴射器の環状燃料噴射ブロックを示す断面図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。

図１に、本発明の一実施形態に係る燃焼装置が適用されるガスタービンエンジン（以下、単に「ガスタービン」と称する。）ＧＴの概略構成を示す。ガスタービンＧＴは、導入した空気を圧縮機１で圧縮して燃焼装置３に導き、燃料を燃焼装置３内に噴射して燃焼させ、得られた高温高圧の燃焼ガスＧによりタービン５を駆動する。燃焼装置３は、例えば、ガスタービンＧＴの軸心の周りに環状に複数個配置されるキャン型の燃焼装置である。タービン５は圧縮機１に回転軸７を介して連結されており、タービン５によって圧縮機１が駆動される。このガスタービンＧＴの出力により、航空機のロータまたは発電機などの負荷Ｌを駆動する。以下の説明において、ガスタービンＧＴの軸心方向における圧縮機１側を「前側」と呼び、タービン５側を「後側」と呼ぶ。

図２に示すように、燃焼装置３は、内側に燃焼室１１を形成する燃焼筒１３と、燃焼室１１に燃料ガス（以下、単に「燃料」という。）Ｆと空気Ａを噴射する燃料噴射器１５とを備えている。燃料噴射器１５は、燃焼筒１３の頂部（最上流部）１３ａに取り付けられている。燃料噴射器１５から噴射された燃料Ｆと空気Ａに、燃焼筒１３に設けられた点火装置Ｐで点火することにより、燃焼室１１内に火炎が形成される。これら燃焼筒１３および燃料噴射器１５は、燃焼装置３の外筒となるほぼ円筒状のハウジングＨに同心状に収容されている。

本実施形態では、燃焼装置３は空気Ａと燃焼ガスＧとの流動方向が逆向きの逆流型として構成されている。すなわち、燃焼装置３は、ハウジングＨと燃焼筒１３および燃焼筒１３から前方へ筒状に延びる支持筒１７との間に形成された空気導入通路１９を有しており、この空気導入通路１９は、圧縮機１（図１）で圧縮された空気Ａを、燃焼室１１内の燃焼ガスＧの流動方向と逆方向に導く。なお、燃焼装置３は、空気Ａと燃焼ガスＧとの流動方向が同じ向きの軸流型であってもよい。支持筒１７の周壁の前端部には、複数の空気導入孔２１が周方向に並べて設けられている。空気導入通路１９を通って送られてきた空気Ａは、空気導入孔２１を通って、支持筒１７の内方に形成された空気供給通路２３に導入され、後方、すなわち燃焼室１１の方向へ送られる。

図３に示すように、燃料噴射器１５は、複数の環状燃料噴射ユニット２５を備えている。図４に示すように、各環状燃料噴射ユニット２５は、環状燃料噴射部材２７および環状空気ガイド部材２９を有している。環状燃料噴射部材２７は、外周面および／または内周面に開口する、周方向に並べて配置された複数の燃料噴射孔３１を有している。図示の例では、環状燃料噴射部材２７は、外周面に開口する複数の外側燃料噴射孔３１Ａおよび内周面に開口する複数の内側燃料噴射孔３１Ｂを有している。各燃料噴射孔３１から燃料Ｆが噴射される。

環状空気ガイド部材２９は、環状燃料噴射部材２７の各燃料噴射孔３１から噴射される燃料Ｆに対して空気Ａを案内する複数の空気ガイド溝３３を有する環状部材である。図示の例では、環状燃料噴射部材２７の径方向外側に配置されて、各外側燃料噴射孔３１Ａから噴射される燃料に対して空気を案内する外側環状空気ガイド部材２９Ａと、環状燃料噴射部材２７の径方向内側に配置されて、各内側燃料噴射孔３１Ｂから噴射される燃料に対して空気を案内する内側環状空気ガイド部材２９Ｂとが設けられている。この例では、径方向に隣り合う環状燃料噴射ユニット２５，２５間で、外周側の環状燃料噴射ユニット２５の内側環状空気ガイド部材２９Ｂと内周側の環状燃料噴射ユニット２５の外側環状空気ガイド部材２９Ａとが一体的に形成されている。

本実施形態では、図３に示すように、径寸法が互いに異なる３つの環状燃料噴射ユニット２５が、互いに同心状に、かつ燃焼装置３（図２）と同心状に配置されている。これら複数の環状燃料噴射ユニット２５は、その最外周を覆う円筒状の支持カバー３５に支持されている。以下の説明では、必要に応じて、３つの環状ユニット２５を外周側から順に第１環状燃料噴射ユニット２５Ａ～第３環状燃料噴射ユニット２５Ｃと区別して呼ぶ場合がある。なお、環状燃料噴射ユニット２５の数は、２つ以上であれば、特に限定されない。

図２に示すように、燃焼装置３は、燃料噴射器１５の各環状燃料噴射ユニット２５の環状燃料噴射部材２７に燃料Ｆを供給可能な複数の燃料供給路を有している。燃料噴射器１５には、空気供給通路２３の中心部からハウジングＨの後方へかけて延びる燃料供給母管３９が設けられている。燃料供給母管３９と各環状燃料噴射ユニット２５とは、互いに独立に分岐する分岐燃料供給管４１によって接続されている。燃料供給母管３９は、２つの円筒管を同心状に重ねた多管式構造（二重管構造）を有している。内側の燃料供給管の内方空間およびこれに連通する分岐燃料供給管４１の内方空間が、第１燃料供給路４３を形成し、内外の燃料供給管の間の空間およびこれに連通する分岐燃料供給管４１の内方空間が、第２燃料供給路４５を形成している。燃料供給母管３９内の各燃料供給路４３，４５には、燃料導入系統ＩＳから燃料が導入される。

本実施形態では、第１燃料供給路４３を通った燃料は、複数の環状燃料噴射ユニット２５のうちの内径側に配置された２つの環状燃料噴射ユニット２５Ｂ，２５Ｃへ供給され、第２燃料供給路４５を通った燃料Ｆは、第２燃料供給路４５に接続された１つの分岐燃料供給管４１を介して、複数の環状燃料噴射ユニット２５のうち最外径側に配置された１つの環状燃料噴射ユニット２５Ａへ供給される。

なお、燃料供給母管３９の多管式構造は、複数の管を用いて互いに独立した複数の燃料供給路を形成できるのであれば、図２の例に限らない。例えば、１つの大径の母管の中に、これより小径の同一径の複数の燃料供給管を平行に延設した多管式構造でもよい。

このような燃料供給構造とすることにより、ガスタービンＧＴの低負荷（部分負荷）から高負荷（定格負荷）までの出力変化に対して、燃料供給を行う環状燃料噴射ユニット２５と燃料供給を行わない環状燃料噴射ユニット２５とに分けることにより対応するステージング燃焼が可能となる。本実施形態のように、燃料を燃料噴射器１５の複数の環状燃料噴射ユニット２５の多数の燃料噴射孔３１に分散させて噴射する場合には、すべての環状燃料噴射ユニット２５において均一的に燃料供給量を変化させるよりも、作動させる環状燃料噴射ユニット２５と作動させない環状燃料噴射ユニット２５を選択することによって負荷変動に対応することが、安定的かつ低ＮＯｘ燃焼のために効果的である。もっとも、燃料噴射器１５へ燃料を供給する構造はこの例に限定されない。

図５に示すように、環状燃料噴射部材２７は、断面外形がほぼ矩形に形成されており、燃焼室１１に面する後壁２７ａが、軸心Ｃ方向に垂直となるよう配置されている。環状燃料噴射部材２７の内部には環状空間である燃料導入室４７が形成されている。図示の例では、燃料噴射孔３１は、環状燃料噴射部材２７の外周壁２７ｂおよび内周壁２７ｃのそれぞれに、外周壁２７ｂおよび内周壁２７ｃを径方向Ｒに貫通して、燃料導入室４７と環状燃料噴射部材２７の外部とを連通させる貫通孔として設けられている。燃料は、環状燃料噴射部材２７の前壁２７ｄに接続された燃料供給路（この例では分岐燃料供給管４１）から燃料導入室４７に供給された後、燃料噴射孔３１から噴射される。もっとも、環状燃料噴射部材２７の内部構造はこの例に限定されない。なお、燃料噴射孔３１は、径方向Ｒに対して軸心Ｃ方向に、－１０°から＋８０°までの範囲で傾斜していてもよい。ここで、径方向Ｒに対して軸心Ｃ方向上流側に燃料噴射孔３１が傾斜する場合の傾斜角をマイナスの傾斜角とし、径方向Ｒに対して軸心Ｃ方向下流側に燃料噴射孔３１が傾斜する場合の傾斜角をプラスの傾斜角とする。

環状燃料噴射部材２７から噴射された燃料は、環状空気ガイド部材２９によってガイドされた空気と予混合されて燃焼室１１へ噴射される。環状空気ガイド部材２９は、環状燃料噴射部材２７の燃料噴射孔３１よりも前側、すなわち空気Ａの流れ方向における上流側に配置されている。このように、各燃料噴射孔３１から噴射される燃料Ｆに対して上流から空気Ａを軸心Ｃ方向に案内するように環状空気ガイド部材２９を設けることにより、燃料Ｆと空気Ａとが互いにほぼ直交する向きに交わることとなり、燃料Ｆと空気Ａを均一に混合させることができる。

なお、各環状燃料噴射部材２７は、外側燃料噴射孔３１Ａおよび内側燃料噴射孔３１Ｂのいずれか一方の燃料噴射孔のみを有していてもよい。その場合には、環状燃料噴射ユニット２５は、環状燃料噴射部材２７と、環状燃料噴射部材２７に形成された外側燃料噴射孔３１Ａまたは内側燃料噴射孔３１Ｂに対応する外側環状空気ガイド部材２９Ａまたは内側環状空気ガイド部材２９Ｂとによって構成される。

本実施形態では、図２に示すように、燃料噴射器１５に、周方向隔離壁５１および径方向隔離壁５３が設けられている。周方向隔離壁５１は、環状燃料噴射ユニット２５のガス通路５５を周方向に等間隔に隔離する、径方向に延びる平板状部材である。周方向隔離壁５１は、複数（この例では６つ）設けられている。この例では、最外周の第１環状燃料噴射ユニット２５Ａにのみ周方向隔離壁５１が設けられている。なお、本明細書における環状燃料噴射ユニット２５のガス通路５５とは、環状燃料噴射ユニット２５において空気Ａ，燃料ガスＦまたはこれらの混合気が通る空間、具体的には環状空気ガイド部材２９から燃焼室１１までの間のこれらのガスが通過する領域を指す。

径方向隔離壁５３は、２つの隣り合う前記環状燃料噴射ユニット２５間を径方向に隔離する、周方向に延びる板状部材、換言すれば円筒状部材である。この例では、第１環状燃料噴射ユニット２５Ａと第２環状燃料噴射ユニット２５Ｂとの間、および第２環状燃料噴射ユニット２５Ｂと第３環状燃料噴射ユニット２５Ｃとの間にそれぞれ１つの径方向隔離壁５３が設けられている。

周方向隔離壁５１は、環状燃料噴射ユニット２５における火炎の周方向の移動を制限することによって燃焼振動を抑制する。周方向隔離壁５１は、第１環状燃料噴射ユニット２５Ａに限らず、複数の環状燃料噴射ユニット２５のうち少なくとも１つの環状燃料噴射ユニット２５に設けられていればよい。もっとも、火炎の周方向移動は最外周の環状燃料噴射ユニット２５において最も生じやすいから、少なくとも第１環状燃料噴射ユニット２５Ａに複数の周方向隔離壁５１を設けることによって、効率的に燃焼振動の発生を抑制することができる。

径方向隔離壁５３は、隣り合う環状燃料噴射ユニット２５間での火炎の移動を制限することによって燃焼振動を抑制する。径方向隔離壁５３は、必ずしも本実施形態のようにすべての環状燃料噴射ユニット２５間に設けられていなくともよく、少なくとも２つの隣り合う環状燃料噴射ユニット２５間に設けられていればよい。

また、燃料噴射器１５に周方向隔離壁５１および径方向隔離壁５３の両方の隔離壁を設けることによって、極めて効果的に燃焼振動を抑制することができるが、周方向隔離壁５１および径方向隔離壁５３の少なくとも一方の隔離壁が設けられていれば、燃焼振動抑制の効果を得ることができる。

図５に示すように、周方向隔離壁５１および径方向隔離壁５３は、少なくとも燃料噴射孔３１よりも下流側に設けられている。図示の例では、周方向隔離壁５１および径方向隔離壁５３は、環状空気ガイド部材２９の後面から下流側に突設されている。周方向隔離壁５１は、具体的には、環状燃料噴射部材２７の外周壁に接する外周部５１ａと、環状燃料噴射部材２７の内周壁に接する内周部５１ｂと、外周部５１ａおよび内周部５１ｂの後方（下流側）で外周部５１ａと内周部５１ｂとを繋ぐように径方向に延び、かつ環状燃料噴射部材２７の後壁２７ａに接する連接部５１ｃとを有している。換言すれば、周方向隔離壁５１は、側面視で、外周部５１ａ、内周部５１ｂおよび連接部５１ｃからなる略Ｕ字形状に形成されている。

このように、周方向隔離壁５１および径方向隔離壁５３を、少なくとも燃料噴射孔３１よりも下流側、すなわち、火炎が存在する部分に設けることによって、効果的に燃焼振動を抑制することができる。

以上説明した、本実施形態に係る燃焼装置３によれば、複数の環状燃料噴射部材２７と環状空気ガイド部材２５を備えることによって、低ＮＯｘ燃焼と逆火防止が実現できる。さらに、環状燃料噴射ユニット２５を周方向または径方向に隔離する隔離壁５１，５３を設けることによって火炎の移動が制限されるので、燃焼振動の発生が抑制される。

なお、本実施形態では、キャン型の燃焼装置を例として説明したが、他のタイプ、例えばアニュラ型の燃焼装置にも上記構成を適用することができる。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

３ 燃焼装置
１１ 燃焼室
１３ 燃焼筒
１５ 燃料噴射器
２５ 環状燃料噴射ユニット
２７ 環状燃料噴射部材
２９ 環状空気ガイド部材
２９Ａ 外側環状空気ガイド部材
２９Ｂ 内側環状空気ガイド部材
３１ 燃料噴射孔
３１Ａ 外側燃料噴射孔
３１Ｂ 内側燃料噴射孔
３３ 空気ガイド溝
５１ 周方向隔離壁
５３ 径方向隔離壁
５５ 環状燃料噴射ユニットのガス通路

Claims (4)

1. 内側に燃焼室を形成する燃焼筒と、
   同心状に配置された複数の環状燃料噴射ユニットを有する、前記燃焼室に燃料ガスと空気を噴射する燃料噴射器と、
   を備え、
   各環状燃料噴射ユニットは、
   外周面および／または内周面に開口する、周方向に並べて配置された複数の燃料噴射孔を有する環状燃料噴射部材と、
   前記環状燃料噴射部材の各燃料噴射孔から噴射される燃料ガスに対して空気を案内する複数の空気ガイド溝を有する環状空気ガイド部材と、
   を有し、
   前記燃料噴射器は、少なくとも１つの前記環状燃料噴射ユニットのガス通路を周方向に等間隔に隔離する、径方向に延びる複数の周方向隔離壁、および少なくとも２つの隣り合う前記環状燃料噴射ユニット間を径方向に隔離する、周方向に延びる径方向隔離壁の少なくとも一方の隔離壁を有する、
   燃焼装置。
2. 内側に燃焼室を形成する燃焼筒と、
   同心状に配置された複数の環状燃料噴射ユニットを有する、前記燃焼室に燃料ガスと空気を噴射する燃料噴射器と、
   を備え、
   各環状燃料噴射ユニットは、
   外周面および／または内周面に開口する、周方向に並べて配置された複数の燃料噴射孔を有する環状燃料噴射部材と、
   前記燃料噴射孔よりも空気の流れ方向における上流側に配置され、前記環状燃料噴射部材の各燃料噴射孔から噴射される燃料ガスに対して空気を案内する複数の空気ガイド溝を有する環状空気ガイド部材と、
   を有し、
   前記環状空気ガイド部材から空気の流れ方向における下流側に突設されて、少なくとも１つの前記環状燃料噴射ユニットのガス通路を周方向に等間隔に隔離する、径方向に延びる複数の周方向隔離壁、および、前記環状空気ガイド部材から前記下流側に突設されて、少なくとも２つの隣り合う前記環状燃料噴射ユニット間を径方向に隔離する、周方向に延びる径方向隔離壁の少なくとも一方の隔離壁を備える、
   燃焼装置。
3. 請求項１または２に記載の燃焼装置において、少なくとも最外周に配置された前記環状燃料噴射ユニットに、複数の前記周方向隔離壁が設けられている燃焼装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の燃焼装置において、
   前記周方向隔離壁が設けられる場合、当該周方向隔離壁は、少なくとも前記燃料噴射孔よりも空気の流れ方向における下流側に設けられており、
   前記径方向隔離壁が設けられる場合、当該径方向隔離壁は、少なくとも前記燃料噴射孔よりも前記下流側に設けられている燃焼装置。

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