特許 6028578 燃焼器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6028578

(24)【登録日】2016年10月28日

(45)【発行日】2016年11月16日

(54)【発明の名称】燃焼器

(51)【国際特許分類】

   F23R 3/12 20060101AFI20161107BHJP

   F23R 3/06 20060101ALI20161107BHJP

   F23R 3/28 20060101ALI20161107BHJP

   F23R 3/50 20060101ALI20161107BHJP

   F23R 3/04 20060101ALI20161107BHJP

【ＦＩ】

   F23R3/12

   F23R3/06

   F23R3/28 D

   F23R3/50

   F23R3/04

【請求項の数】3

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2013-4374(P2013-4374)

(22)【出願日】2013年1月15日

(65)【公開番号】特開2014-137151(P2014-137151A)

(43)【公開日】2014年7月28日

【審査請求日】2015年11月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(74)【代理人】

【識別番号】100083563

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 祥二

(72)【発明者】

【氏名】長尾 隆央

【審査官】 佐藤 健一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−２８６１４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−２５４３１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第４９７９３６１（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１２２０６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−０９６５１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表平０７−５０７８６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第６３３４２９７（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 米国特許第４７９６４２９（ＵＳ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０２８８９６１７（ＣＮ，Ａ）

【文献】 特表２０１２−５１５３１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第４１７７６３７（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２３Ｒ ３／００− ７／００

Ｆ０２Ｃ １／００− ９／５８

ＤＷＰＩ（Ｔｈｏｍｓｏｎ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

上流側から供給される空気流をダンプ室内で分流させ、分流させた空気分流を外周側流路と内周側流路から燃焼室に供給する燃焼器であって、内周ノズル板と外周ノズル板から構成され前記空気流を前記ダンプ室内に供給するプレディフューザと、該プレディフューザの前記ダンプ室内に突出する減速部の前記内周ノズル板と前記外周ノズル板にそれぞれ形成された吸込み孔と、前記ダンプ室内に前記プレディフューザに対向して設けられ凸曲面を有するカウルと、等角度ピッチで複数設けられ前記燃焼室内に燃料を噴出するバーナノズルとを具備し、前記カウルに衝突した前記空気流の一部が剥離して前記ダンプ室内に定在渦が形成され、前記吸込み孔が前記定在渦の一部を前記減速部内に吸込む様構成されたことを特徴とする燃焼器。

【請求項2】

前記吸込み孔は、１つの前記バーナノズルに対して前記定在渦の中心よりも上流側に少なくとも１つ形成される請求項１の燃焼器。

【請求項3】

前記吸込み孔は、１つの前記バーナノズルに対して周方向に少なくとも１つ形成される請求項２の燃焼器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガスタービンやジェットエンジンに用いられるガスタービンの燃焼器に関するものである。

【背景技術】

【0002】

ガスタービンやジェットエンジンに用いられるガスタービンの燃焼器では、上流側の圧縮機にて圧縮された高速の空気流を、プレディフューザにより減速させて圧力を上昇させ、圧力を上昇させた空気流をディフューザにより分流し、燃焼器に供給する様になっている。

【0003】

ディフューザの１つに、例えば非特許文献１に示されるダンプディフューザがあり、該ダンプディフューザは空気を広い空間であるダンプ室内のダンプ部に向って噴出することで循環渦を生じさせるものであり、該循環渦により周囲への分流を均一且つ安定して行うことができる。又、ダンプディフューザは末広型ディフューザよりも圧力損失が大きくなる一方で、長さと重量を節約できると共に、出口の流れが入口の流速分布の影響を受けにくいという利点がある。

【0004】

然し乍ら、従来のダンプディフューザでは、プレディフューザの単純な広がり流路と、ダンプディフューザによって圧力上昇と流量バランスの調整を行っていた。従って、流量バランスを改善しようとした場合には、ダンプディフューザの形状を調整して循環渦の調整を行う必要がある為、調整作業が大掛りとなり、又コストも掛った。

【0005】

尚、特許文献１には、コンプレッサからの冷却された空気がプレディフューザ、ダンプディフューザを経由して通路に通されると共に、ドーム内に形成された開口に通される様になっており、該開口から燃焼器に入る軸方向及び円周方向の空気流分布のうち、一部に空気の流れが減らされた低空気流区画を形成し、該低空気流区画に於ける点火点が安定動作圏内に入る様にした燃焼器が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平９−４８４５号公報

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】Ａｒｔｈｕｒ Ｈｅｎｒｙ Ｌｅｆｅｂｖｒｅ、「ガスタービンの燃焼工学」日刊工業新聞社、１９９４年１１月３０日、Ｐ．１１８−Ｐ．１２６

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は斯かる実情に鑑み、分流される空気流の流量バランスを向上させる燃焼器を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明は、上流側から供給される空気流をダンプ室内で分流させ、分流させた空気分流を外周側流路と内周側流路から燃焼室に供給する燃焼器であって、内周ノズル板と外周ノズル板から構成され前記空気流を前記ダンプ室内に供給するプレディフューザと、該プレディフューザの前記ダンプ室内に突出する減速部の前記内周ノズル板と前記外周ノズル板にそれぞれ形成された吸込み孔と、前記ダンプ室内に前記プレディフューザに対向して設けられ凸曲面を有するカウルと、等角度ピッチで複数設けられ前記燃焼室内に燃料を噴出するバーナノズルとを具備し、前記カウルに衝突した前記空気流の一部が剥離して前記ダンプ室内に定在渦が形成され、前記吸込み孔が前記定在渦の一部を前記減速部内に吸込む様構成された燃焼器に係るものである。

【0010】

又本発明は、前記吸込み孔は、１つの前記バーナノズルに対して前記定在渦の中心よりも上流側に少なくとも１つ形成される燃焼器に係るものである。

【0011】

更に又本発明は、前記吸込み孔は、１つの前記バーナノズルに対して周方向に少なくとも１つ形成される燃焼器に係るものである。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、上流側から供給される空気流をダンプ室内で分流させ、分流させた空気分流を外周側流路と内周側流路から燃焼室に供給する燃焼器であって、内周ノズル板と外周ノズル板から構成され前記空気流を前記ダンプ室内に供給するプレディフューザと、該プレディフューザの前記ダンプ室内に突出する減速部の前記内周ノズル板と前記外周ノズル板にそれぞれ形成された吸込み孔と、前記ダンプ室内に前記プレディフューザに対向して設けられ凸曲面を有するカウルと、等角度ピッチで複数設けられ前記燃焼室内に燃料を噴出するバーナノズルとを具備し、前記カウルに衝突した前記空気流の一部が剥離して前記ダンプ室内に定在渦が形成され、前記吸込み孔が前記定在渦の一部を前記減速部内に吸込む様構成されたので、前記ダンプ室内に形成される前記定在渦を強化させることができ、前記外周側流路を流れる空気分流と前記内周側流路を流れる空気分流の流量バランスを向上させることができるという優れた効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施例に係る１つのバーナノズルに対応する燃焼器の一部を示す斜視図である。

【図2】本発明の実施例に係る燃焼器の概略断面図である。

【図3】本発明の実施例に係る燃焼器内を流動する空気流の流れを示す斜視図である。

【図4】本発明の実施例に係るプレディフューザの吸込み孔の位置を説明する要部拡大図である。

【図5】本発明の実施例に係る解析結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

【0015】

図１、図２に於いて、本発明の実施例に係る燃焼器１について説明する。尚、図１は円筒状に形成された該燃焼器１から、バーナノズル２（後述）１つ分に該当する部分を切取ったものであり、図２は前記燃焼器１の概略断面図を示している。又、図１、図２中、紙面に対して上側を外周側、下側を内周側とする。

【0016】

前記燃焼器１は、下流端部（図中右端）が縮径する円筒状で外周側に位置する外ケース部３と、下流端部が拡径する円筒状で内周側に位置する内ケース部４と、前記外ケース部３の上流端と内ケース部４の上流端を閉塞するリング板状の基ケース部５を有し、該基ケース部５には該基ケース部５を貫通する円筒状のプレディフューザ６が設けられている。

【0017】

該プレディフューザ６は、内周側に配置された内周ノズル板６ａ、該内周ノズル板６ａに対向配置された外周ノズル板６ｂを有する。前記プレディフューザ６の上流端がコンプレッサ（図示せず）に接続され、中途部には下流側に向って流路断面積を縮小させる縮流部７が形成され、前記基ケース部５を貫通し、下流に延出する部分には、下流側に向って漸次流路断面積を拡大させる減速部８が形成されている。前記縮流部７は、コンプレッサ（図示せず）で圧縮された空気流１０を縮流し加速させる様になっており、前記減速部８は、前記縮流部７で加速された前記空気流１０を減速させ、圧力を上昇させる様になっている。又、前記減速部８の所定の位置には、後述する定在渦９を吸込む為の吸込み孔１１が前記内周ノズル板６ａと前記外周ノズル板６ｂに少なくとも１つずつ形成されている。

【0018】

又、前記外ケース部３、前記内ケース部４間には、下流端部が縮径する円筒状で外周側に位置する外ライナ部１２が設けられ、該外ライナ部１２に対向し内周側に位置し、下流端部が拡径する円筒状の内ライナ部１３が設けられる。前記外ライナ部１２と前記内ライナ部１３との上流端間にはリング板状の基ライナ部１４が設けられている。又、該基ライナ部１４の上流側には、上流に向って凸曲面となっているカウル１５が設けられている。

【0019】

前記外ケース部３と前記外ライナ部１２との間には外周側流路１６が形成され、前記内ケース部４と前記内ライナ部１３との間には内周側流路１７が形成され、前記外ライナ部１２と前記内ライナ部１３と前記基ライナ部１４により燃焼室１８が画成される。

【0020】

前記基ライナ部１４には、所定の角度ピッチで前記基ライナ部１４を貫通して設けられ、前記燃焼室１８に燃料を噴出する前記バーナノズル２が設けられ、前記カウル１５の前記減速部８と対向する部分には前記バーナノズル２が挿入される孔１９が形成されている。

【0021】

更に、前記外ケース部３、前記基ケース部５、前記カウル１５により囲まれる空間によりダンプ室２１が形成され、該ダンプ室２１は前記減速部８の外周側が外周側ダンプ室２２、前記減速部８の内周側が内周側ダンプ室２３となっている。

【0022】

前記外ライナ部１２には燃焼空気孔２４と希釈空気孔２５が設けられ、前記内ライナ部１３にも同様に燃焼空気孔２６と希釈空気孔２７が設けられている。前記燃焼空気孔２４，２６は前記希釈空気孔２５，２７の下流側に位置し、前記燃焼空気孔２４，２６を介して前記外周側流路１６と前記内周側流路１７を流れる前記空気流１０が燃焼用空気として前記燃焼室１８に導入される様になっている。又、前記希釈空気孔２５，２７を介して前記空気流１０の一部が燃焼ガスを希釈する冷却用空気として導入され、前記外ライナ部１２、前記内ライナ部１３を前記燃焼室１８からの熱より保護する様になっている。

【0023】

次に、図１〜図３を用いて前記燃焼器１の作用について説明する。尚、図３は、本実施例に於ける前記空気流１０の流れを示す解析結果を示している。

【0024】

先ず、コンプレッサ（図示せず）により圧縮された前記空気流１０が、前記プレディフューザ６へと導入される。該プレディフューザ６へと導入された前記空気流１０は、前記縮流部７にて縮流され、加速された後、前記減速部８にて減速され、昇圧されて前記カウル１５に向って噴出される。

【0025】

該カウル１５に向って噴出された前記空気流１０は、前記カウル１５と衝突し、衝突した前記空気流１０の一部が該空気流１０から剥離し、前記外周側ダンプ室２２、前記内周側ダンプ室２３とにそれぞれ前記定在渦９を形成する。尚、該定在渦９の径は、前記基ケース部５から前記カウル１５迄の距離（図２中Ｌ1 ）と略同等となっている。

【0026】

この時、前記減速部８には、前記内周ノズル板６ａと前記外周ノズル板６ｂの所定の位置に、所定の径の前記吸込み孔１１が少なくとも１つずつ形成されており、前記定在渦９の一部が前記吸込み孔１１を介して前記減速部８内に吸込まれることで、前記定在渦９が強化されている。

【0027】

前記カウル１５に衝突した前記空気流１０の大部分は前記カウル１５の曲面に沿って偏流し、前記外周側流路１６を流れる外周側空気流１０ａと前記内周側流路１７を流れる内周側空気流１０ｂへと分流される。

【0028】

又この時、前記外周側ダンプ室２２、前記内周側ダンプ室２３には、強化された前記定在渦９が形成されており、分流される前記外周側空気流１０ａと前記内周側空気流１０ｂは、前記定在渦９により流量バランスが均等になる様調整される。

【0029】

前記外周側流路１６、前記内周側流路１７を流れる前記外周側空気流１０ａ、前記内周側空気流１０ｂは、それぞれ前記燃焼空気孔２４，２６を介して前記燃焼室１８内へと流入し、該燃焼室１８内で前記バーナノズル２より噴出される油等の燃料と混合され、燃焼される。

【0030】

又、前記外周側空気流１０ａ、前記内周側空気流１０ｂの一部は、それぞれ前記希釈空気孔２５，２７より前記燃焼室１８内へと流入し、前記外ライナ部１２及び前記内ライナ部１３を冷却することで、前記燃焼室１８からの熱により前記外ライナ部１２及び前記内ライナ部１３が焼損するのを防止している。

【0031】

以下、１つの前記バーナノズル２当りの、前記定在渦９を強化するのに適した前記吸込み孔１１の位置、孔の径、孔の数等について、図４、図５を参照して説明する。

【0032】

尚、図４中、吸込み孔１１ａ〜１１ｃは周方向に等間隔に形成され、軸方向の位置は前記基ケース部５からの距離（図２中Ｌ2 ）が該基ケース部５から前記カウル１５迄の距離（図２中Ｌ1 ）の半分よりも小さい、即ち前記定在渦９の中心よりも上流側となっている。又、前記吸込み孔１１ｄ〜１１ｆは周方向に等間隔に形成され、軸方向の位置は前記定在渦９の中心よりも下流側となっている。又、前記吸込み孔１１ａ〜１１ｆの径Ｄ0 は１０ｍｍであり、前記減速部８の１つの前記バーナノズル２に対する周方向の長さ（図４中Ｌ3 ）は約１００ｍｍとなっている。

【0033】

本実施例では、前記減速部８に前記吸込み孔１１を形成しない場合（ｃａｓｅ１）、前記減速部８に計６個の前記吸込み孔１１ａ〜１１ｆを形成した場合（ｃａｓｅ２）、前記減速部８の下流側に計３個の前記吸込み孔１１ｄ〜１１ｆを形成した場合（ｃａｓｅ３）、前記減速部８の上流側に計３個の前記吸込み孔１１ａ〜１１ｃを形成した場合（ｃａｓｅ４）、前記減速部８の上流側に周方向の中心の１箇所にのみ前記吸込み孔１１ｂを形成した場合（ｃａｓｅ５）の計５つのｃａｓｅについて解析を行い、ｃａｓｅ１〜ｃａｓｅ５について、前記外周側空気流１０ａと前記内周側空気流１０ｂの流量差（流量バランス）、圧力損失の割合を求めた。

【0034】

図５は、ｃａｓｅ１〜ｃａｓｅ５の解析結果を纏めたグラフである。図５中、ｃａｓｅ２とｃａｓｅ４の流量バランスが略同等であり、ｃａｓｅ１とｃａｓｅ３の流量バランスも略同等であることから、前記減速部８の下流側に形成された前記吸込み孔１１ｄ〜１１ｆは、流量バランスには影響を与えていないと判断できる。又、ｃａｓｅ４と比較してｃａｓｅ５の流量バランスが大幅に良いことから、周方向に於ける前記吸込み孔１１間の間隔は大きい方が効果が高いと推測できる。

【0035】

以上の結果より、前記吸込み孔１１は、上流側の前記吸込み孔１１ａ〜１１ｃのみ流量バランスの向上に効果があったことから、前記吸込み孔１１を形成する位置は、前記定在渦９の中心よりも上流側とするのが好ましい。従って、軸方向に於ける前記定在渦９を強化するのに適した前記吸込み孔１１の位置は、Ｌ2 ＜Ｌ1 ／２（図２参照）となる。

【0036】

又、周方向に於ける前記吸込み孔１１間の間隔は大きい方が効果が高いことが分ったが、前記燃焼器１としては各バーナノズル２が同形状であることが望ましい為、前記吸込み孔１１の数は１つの前記バーナノズル２に対して１つとするのが好ましい。

【0037】

又、上記解析では、前記吸込み孔１１の径Ｄ0 は１０ｍｍであり、１つの前記バーナノズル２に対する前記減速部８の周方向の長さＬ3 は約１００ｍｍである。従って、Ｄ0 ≒Ｌ3 ／１０のときは有効であると確認された。尚、この時の前記吸込み孔１１の開口面積Ａ0 は、前記減速部８の面積Ａ1 の約１．５％である。

【0038】

一方、前記吸込み孔１１の開口面積Ａ0 が大きい場合には、圧力損失が若干増加することが解析結果に示されており、該吸込み孔１１の径Ｄ0 が大きすぎる場合には前記プレディフューザ６の前記減速部８そのものの機能を損う虞れがある。従って、前記吸込み孔１１の開口面積Ａ0 は、前記減速部８の面積Ａ1 の１０％程度以下とするのが望ましいと考えられ、この時の前記吸込み孔１１の開口面積Ａ0 は、Ａ0 ≦Ａ1 ／１０となる。

【0039】

尚、本実施例では、前記吸込み孔１１の形状を円形としているが、該吸込み孔１１を介して前記定在渦９の一部を前記減速部８の内部に吸込めればよいので、前記吸込み孔１１はスリット状等他の形状であっても良いのは言う迄もない。

【0040】

上述の様に、本実施例では、前記減速部８に前記定在渦９の一部を吸込む前記吸込み孔１１を形成しているので、該吸込み孔１１を介して前記減速部８に前記定在渦９の一部が吸込まれることで該定在渦９の強度を強化することができ、該定在渦９により前記外周側空気流１０ａと前記内周側空気流１０ｂの流量バランスの向上を図ることができる。

【0041】

又、好適な前記吸込み孔１１の位置、数、面積を求めたので、前記定在渦９の強度をより増大させることができ、前記外周側空気流１０ａと前記内周側空気流１０ｂとの流量バランスを大幅に向上させ、前記燃焼器１の性能向上を図ることができる。

【符号の説明】

【0042】

１ 燃焼器
２ バーナノズル
６ プレディフューザ
８ 減速部
９ 定在渦
１１ 吸込み孔
１５ カウル
１６ 外周側流路
１７ 内周側流路
１８ 燃焼室
２１ ダンプ室
２２ 外周側ダンプ室
２３ 内周側ダンプ室

【図1】

【図2】

【図4】

【図5】

【図3】