JPH0117059B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はガスタービン用燃焼器に係り、特に燃
焼器が内筒と外筒とを有し、圧縮機より供給され
る燃焼用の空気が内筒と外筒の間を内筒内の燃焼
ガスの流れの方向とは逆の方向に流れ内筒の頭部
付近より内筒内の燃焼室に供給されるようにした
燃焼器に関する。

〔発明の背景〕

ガスタービンの効率向上の一方法として、ガス
タービンに供給される燃焼ガスを高温化すること
が提案されている。燃焼ガスが高温化するという
ことは、燃焼器の温度もそれだけ高くなることに
なり、燃焼器の信頼性が低下するという新たな問
題が生じた。

第１図ないし第４図は、公知のガスタービン用
燃焼器を示すものである。ガスタービンはタービ
ン１とこのタービンと同軸に設けられた圧縮機２
と圧縮機２から供給される圧縮空気に燃料を添加
して、高温の燃焼ガスを生成する燃焼器３より構
成される。燃焼器３は、内筒４とこれを覆う外筒
５と、外筒５の頭部側端板６に固着され、内筒４
内に燃料を供給するノズル７と点火栓及び内筒内
の高温ガスをタービン１に導く尾筒１４などより
構成される。圧縮機２により圧縮された空気１１
は環状の空気吐出口１２を通つて、環状の室１３
へ導入され、尾筒１４の周囲を迂回し、外筒５と
内筒４間の間に設けられた環状通路１５に流れ込
み、さらに内筒壁面に設けた孔から内筒内に供給
される。そしてこの空気と燃料ノズル７から噴霧
された燃料８とは拡散混合燃焼し、その燃焼ガス
１６は、太い矢印で示すように内筒４内を左から
右方向に流れ尾筒１４内を通過し、タービン静翼
１７を介してタービン１へと導かれる。内筒４の
壁面に開口する空気孔１８からは燃焼部１０への
一次空気が、その後流側に開口する孔１８ａ，１
８ｂからは、未燃焼成分助燃部１９への二次空気
が、更に希釈冷却部２０へは孔１８ｃより希釈空
気が導入され、また、内筒の壁面全体にわたり設
けられた小さなルーバ孔１８ｄからは壁面冷却用
の空気が供給される。

このような形式のガスタービン用燃焼器は、第
２図に示す如く圧縮機２の外側に、複数の内筒４
を環状に配置できるので、装置全体としてタービ
ン軸方向の寸法が小さくなること、及び圧縮空気
は、内外筒間の環状通路を尾筒側から燃焼器頭部
側に向つて内筒壁面を冷却しながら流れ、高温に
なつた空気が内筒内で燃焼用の空気として用いら
れるため、熱効率が良いという特長を持つてお
り、広く賞用されている。

しかし、その反面、圧縮機２からの圧縮空気が
環状室１３内でほぼ180度方向転換するために環
状通路１５内での流速分布が不均一となり、内筒
壁面が局部的に過熱されるという問題が生じた。

すなわち、第３図に示すように空気吐出口１２
から尾筒１４の周囲を迂回し、環状通路１５に流
れ込む圧縮空気流は、流れ方向がほぼ180度変る
ことに加えて尾筒を迂回することにより、吐出口
１２一番遠くはなれた尾筒背側２１で速く、吐出
口１２に近い尾筒腹側２２で遅くなる偏流が生
じ、内外筒間の環状通路１５においても、偏流の
影響で、内筒の長手方向に見て、内筒４の尾筒１
４寄りの部分では尾頭背面２１に近い部分の空気
流速が速くなり、内筒の頭部２３側では、迂回の
影響による偏流のため、下側部２４に空気流速の
速い部分が発生する。

このため、第４図に示すように特に頭部燃焼室
１０の上側部２５の空気流速１６ｂは下側部２４
の空気流速１６ａの影響で、Ａ部において環状通
路の流入方向に逆行する流れとなる。

この逆流のため内筒４の頭部の上側部２５の近
くに、空気流速が非常に小さいよどみ部分が生じ
る。このため第４図に示すように燃焼器頭部にで
きる火炎Ｆは、下側部２４では空気流入速度が速
く空気量も多く正常な燃焼火炎となるが上側部２
５のＣ部では、空気流入速度が遅くなるため火炎
は内筒壁面近傍で形成されるようになる。特に内
筒キヤツプ２６の上側部Ｂにおいては空気流が小
さいために壁面に接して火炎が形成される。

このため、内筒キヤツプ２６のＢ部及び内筒上
側部Ｃ部が局部的に加熱され、内筒の部分的な焼
損に発展し、燃焼器の寿命を低下させていた。

それ故、このような局部的な過熱が生じても燃
焼器が焼損しないよう燃焼器の温度を下げて使用
していた。この過熱現象が除去できれば燃焼器を
大型化することなく更に高い温度まで使用可能と
なる。

また、内筒４内に導入される空気流速が上側部
と下側部とでは差があるために、ノズル７から供
給される燃料噴霧が内筒内に均一に噴射されても
部分的に、燃料の濃い領域が生じ、不均一燃焼と
なり燃焼振動が大きくなつたり、局部的な高温燃
焼部分いわゆるホツトスポツトが生じて、窒素酸
化物の排出濃度が高くなるなどの問題があつた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、局部過熱の原因となる環状通
路内における空気偏流を抑制したガスタービン用
燃焼器を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、内筒を覆う筒状の整流部材を内筒と
外筒の環状部分に設け、尾筒を迂回する空気偏流
を整流部材により整流し、環状通路の流速分布を
均一化したものである。前記整流部材は、空気吐
出口より遠くはなれた尾筒背側で空気の流動抵抗
が大きく、空気吐出口に近い尾筒腹側で小さくな
るように形状をしており、これによつて、背側の
流速が抑制され、腹側の流速低下は小さいため
に、全体として流速分布が均一化されるものであ
る。

〔発明の実施例〕

第５図は、本発明を実施した燃焼器を示すもの
であつて、燃焼器３は内筒４、外筒５、燃料ノズ
ル７及び尾筒１４などの主要構成部材で構成され
ていることは、従来装置と同様であるが、尾筒１
４を迂回して内筒４と外筒５との環状通路１５に
流入する空気流の片寄りを防止するために環状通
路１５から尾筒１４にかけて、内筒４の外壁との
間に空間を保つて、頭部より、尾筒１４近くまで
延びた整流筒２９が設けられる。整流筒２９は、
その前端に一体的に形成したフランジ２８を端板
６に固着することにより取付け、右側端近くは、
板ばね２７を介して、外筒５の内壁に保持されて
いる。この整流筒２９は内筒４と同心になるよう
配置され、端板６との固定端より頭部燃焼部１０
を覆う部分３１にかけての部分の直径は、頭部燃
焼部１０へ流入する空気が流通するに足るだけの
環状空間３３を確保する大きさになつており、未
燃焼助燃部１９及び希釈部２０を覆う部分の整流
筒直径は、頭部燃焼部１０を含めた全体の空気流
３４が流通するに十分な空間となるように環状空
間３３よりも大きくなつている。整流筒２９の後
流側は環状室１３内に突出しており、端部３５の
上側は尾筒１４の背側２１の一部を覆う位置まで
突出し、下側は突き出し量が小さくなるよう、斜
めに切り落した形状となつている。

空気吐出口１２から環状室１３に流入した燃焼
用空気主流３６は、尾筒１４を迂回し、尾筒１４
の背側２１に集中するが、整流筒２９の上側３５
が尾筒背側２１まで突出しているため、一部の空
気は、整流筒２９と内筒４の間の環状通路３０に
流れるが、残部は整流筒と室１３との空間部３７
に流れ込み、そこで矢印３８，４１で示す如く反
転して、下方に流れ、矢印３７，３９に示す如
く、下方から環状通路３０に流入する。したがつ
て、整流筒２９によつて、尾筒背側の環状通路の
流動抵抗が、腹側の流動抵抗よりも見かけ上、大
きくなるために、環状通路を流れる空気流速が、
背側と腹側でほぼ等しくすることができる。整流
筒２９の上側と下側の突き出し量は、空気吐出口
１２から導入される空気流速、環状室の大きさに
よつて、偏流の強さが異なるので、環状通路の流
速分布を測定して、流速偏差が許容値になるよう
に、突出量を設定する。

尚、整流筒２９と外筒５間に形成される環状空
間４０は断熱空間の機能を持ち、外筒５の温度上
昇を低減する効果がある。

第５図に示す燃焼器の頭部燃焼部１０の燃焼状
態を第６図に示している。環状通路３０を流れる
空気流速は、頭部においても上側と下側では４３
ａ，４３ｂに示す如くほぼ等しくなり、頭部燃焼
部１０に内筒３の外周壁面から流入する空気流量
も、内筒の円周方向に亘りほぼ一様となるため、
火炎Ｆは、中心線Ｘ−Ｘに関して、対称となり、
内筒３の壁面に局部的に近接することがないので
過熱部分が生じない。また、内筒３の壁面からは
ほぼ均等に空気が供給されるので、燃焼が安定し
ており、振動の発生を抑制できる。

第７図に第１図に示す従来装置と本発明を実施
した第５図の燃焼器の環状通路内の流速分布を内
筒の上側と下側について測定したデータを示す。
実線は本発明を実施したものであり、上側と下側
の流速差はどの点みても小さくなつている。しか
し、従来装置は破線で示す如く、環状通路１５へ
の流入口近辺では上側の流速が、下側に比べて著
しく高くなり、頭部では、逆に下側の流速の方が
高くなつている。従来装置では、上側と下側の流
速が等しくなるのは未燃焼分助燃部の一部分のみ
であり、他の位置では流速の差が大きく内筒に設
けられた孔１８ａ…１８ｄから流入する空気量に
差が生じていることを示している。この差が、第
４図に示した、局部過熱の原因となつている。一
方、実線で示した、本発明の実施例では、上側と
下側の速度差は小さいために、内筒には全周から
均一に空気が流入することになり、火炎の偏り、
及び燃焼振動が小さくなることを示している。

第５図に示す実施例は、内筒と外筒の間に先端
を斜めに切り落した整流筒を挿入固定するもので
あるから、従来の燃焼器の構成部品を変更するこ
となく実施でき、既存の燃焼器を改造することが
極めて容易である。

第８図は、他の実施例を示し、第５図に示した
実施例の断熱空間を無くして、整流筒５２を外筒
５の内壁に接するように嵌合したものであり、右
側端５２ａは、第５図と同様に尾筒１４の背側２
１が腹側２２よりも尾筒側へ突出している。この
実施例では、環状通路５０を流れる空気の流速分
布の改善効果は、第５図のものとほぼ同じである
が、断熱空間の部分だけ環状通路５０の容積を大
きくとることができ、抵抗を小さくすることがで
きるとともに、整流筒５２の支持構造が簡単にな
るメリツトがある。

第９図は、第８図の外筒と整流筒とを一体化し
て、構成部品を減らしたものであり、外筒５４は
環状室１３との連結フランジ５４ａの部分より更
に右方に延びて、整流筒部５４ｂを一体に備えて
いる。整流筒部５４ｂの端部５４ｃは、第８図の
実施例と同様に斜めに切り落されている。

これらの実施例において、整流筒あるいは整流
筒部の端部は、円筒を平面でもつて斜めに切断し
た形状として示しているが、平面に限定するもの
ではなく、第１０図及び第１１図に示す如く、曲
面で切断したもの、あるいは、比較的ピツチの小
さいきざみで斜めに階段状にしたものであつても
良い。しかしながら、いずれの実施例において
も、尾筒の背側に近い部分、すなわち環状通路に
流入する空気流速が速い側がより後方まで突出し
ている必要がある。そして、燃焼器は第２図に示
すように圧縮機２の周囲に環状に配置されている
から尾筒の背側となる部分は、圧縮機の中心、す
なわちタービン軸から一番遠い側になり、この部
分に整流筒の一番突出した部分が一致するように
配置される。

第１２図は、整流筒６０を部分的に突出させる
代りに環状通路に流入する入口面積を内筒の上側
と下側で変える三日月状の抵抗板６４を設けたも
のである。この抵抗板６４のために、尾筒１４の
背側に近い部分の空気入口６７は、腹側に近い入
口６８の面積よりも小さく設定されており、環状
室１３内での流速の不均一を、空気入口６７，６
８の部分でほぼ修正することができる。つまり、
空気入口６７，６８を通つた空気は、環状通路７
０内を左方に流動するが、この部分の環状空間は
内筒４の上側も下側も同一になつているために、
一度入口６７で絞られ流速が上つても、通路の拡
大により流速が落ちて、入口以降の流速は内筒の
上側と下側とで差が小さくなる。

この抵抗板は、外筒５と環状室１３の接合面に
挾み込んで設けることもでき、その場合には整流
筒を省略することができる。しかし、抵抗板は局
部的に絞り部分を設けることになるので絞り部分
では流速が更に高まるため、全体に亘つて流速分
布を均一化するにはむずかしい面があるが、内筒
の希釈部分では、流動に偏りがあつても全体とし
て性能に影響の少ない燃焼器には十分実用に供し
得る。

尚、第５図の整流筒の先端に、その端面形状に
合うようにした三日月形の抵抗板を設けた場合に
は、より一層空気流の偏りを少なくすることがで
きる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、内外筒
間に形成された環状通路を流れる空気流動が内筒
の円周方向でほぼ均等となり、偏流による火炎の
偏りがないため、内筒の局部的な過熱現象が防止
でき、従来、燃焼ガスの高温化に障害となつてい
た局部過熱が発生しなくなつたので、燃焼器を更
に高温で運転することが可能となつた。

また、空気流動に偏りがなくなつたため、火炎
の安定性が向上し、燃焼振動が小さくなるという
副次的な効果をも達成することができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、公知のガスタービンプラントの概念
図、第２図は、第１図の−線に沿う断面図、
第３図は、燃焼器内での空気流動状態を示す図、
第４図は、燃焼器の頭部燃焼状態を示す断面図、
第５図は、本発明を実施した燃焼器の断面図、第
６図は、頭部燃焼状態を示す断面図、第７図は、
環状通路内の流速分布を示す特性図、第８図及び
第９図は、それぞれ他の実施例を示す断面図、第
１０図及び第１１図は、それぞれ整流筒の異なつ
た例を示す断面図、第１２図は、更に他の実施例
を示す燃焼器の断面図、第１３図は、第１２図の
−線に沿う断面図である。 １……ガスタービン、２……圧縮機、３……燃
焼器、４……内筒、５……外筒、７……燃料ノズ
ル、１４……尾筒、２９，５２，６０……整流
筒、５４ｂ……整流筒部、６４……抵抗板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 周壁に空気孔を備えた燃焼器内筒と、内筒を
   覆う外筒と、内筒の頭部近傍に設けられ内筒内に
   燃料を供給する設料ノズルと、内筒内で生成した
   燃焼ガスをガスタービン静翼へ導く尾筒と、前記
   内筒と外筒内に形成された環状通路と、この通路
   に連通しかつ前記尾筒の周りに形成された環状室
   と、前記環状室を圧縮機吐出口に連通する空気吐
   出口とを有するものにおいて、前記環状通路が前
   記環状室に連通する部分の近傍に前記空気吐出口
   から遠い側で空気の流動抵抗が大きく、近い側で
   流動抵抗が小さい整流手段を設けたことを特徴と
   するガスタービン用燃焼器。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記整流手
   段は、前記内筒の外周壁面との間に環状の通路を
   構成する筒状体より構成され、尾筒側に延びた端
   部は前記環状室内まで延びておりその突出長さ
   は、前記空気吐出口に遠い側で長く、近い側で短
   くなつていることを特徴とするガスタービン用燃
   焼器。