JP4838888B2

JP4838888B2 - ガスタービン燃焼器

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Publication number: JP4838888B2
Application number: JP2010016521A
Authority: JP
Inventors: 敦史堀川; 秀樹緒方; 健太山口; 竜佐松山
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2010-01-28
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2030-01-28
Also published as: US20130036739A1; US8783038B2; JP2011007477A

Description

本発明は、ガスタービンや航空機用ジェットエンジンの燃焼器（以下、ガスタービン燃焼器という）に関するものである。

この種のガスタービン燃焼器には、アニュラー型のものが広く採用されており、このアニュラー型燃焼器として、図７に示すような構造を有するものが知られている（非特許文献１参照）。このアニュラー型燃焼器は、環状のアウタライナ９およびインナライナ１０とこれらの頭部のカウリング２０とにより、内部に燃焼室１１を形成する燃焼筒８が構成され、前記カウリング２０の後部に形成された支持体２１に、この支持体２１を燃焼室１１内の燃焼ガスから遮熱するためのヒートシールド２３が取り付けられている。ヒートシールド２３の平板状のシールド本体２３ａの中央部に、前方（上流側）へ向かって突出する円筒部２３ｂが形成されており、この円筒部２３ｂの中間部がドーム２１に固定され、この円筒部２３ｂの前端の開口縁部に、燃焼用の圧縮空気ＣＡに旋回を与えて安定燃焼を図るためのスワーラ１４が支持され、燃料を噴射する燃料噴射弁１３が、カウリング２０の開口２０ａを挿通した状態で前記スワーラ１４の内側に嵌合して取り付けられている。スワーラ１４の下流側には、このスワーラ１４からの圧縮空気ＣＡの旋回流を燃焼室１１内に導く筒状のガイド体３４が突設されている。このガイド体３４は、燃料噴射弁１３と同心であり、かつヒートシールド２３の円筒部２３ｂに対し内周側で同心状に配置されている。

「ターボファンエンジンの高性能化技術」、八島聰著、防衛技術’９２．８，Ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．８(ISSN 0285-0893)，P31-40, 図８

前記ガスタービン燃焼器では、スワーラ１４の燃焼筒下流側端壁２５とヒートシールド２３の円筒部２３ｂとガイド体３４とで形成される環状空間３９が下流側の燃焼室１１に向けて開口しており、この環状空間３９に、燃料噴射弁１３から噴射された燃料と圧縮空気ＣＡとの混合気Ｍまたは圧縮空気ＣＡが淀むために、この環状空間３９に煤６０が堆積し易く、この堆積した煤６０が燃焼ガスで加熱されてスワーラ１４のガイド体３４やヒートシールド２３の円筒部２３ｂの一部に焼損が生じることがある。

また、一般に、ガスタービン燃焼器では燃焼領域Ｓにスワーラにより安定した空気の再循環領域を形成し、その領域に混合気Ｍを供給することが、着火性および安定燃焼性の面から望ましいとされる。一方、図７のガスタービン燃焼器では、スワーラ１４で旋回流を与えられて燃焼室１１内に供給された圧縮空気ＣＡが、燃焼筒１１内で径方向に大きく広がるために、スワーラ１４の軸中心部に生じる負圧によって、燃料噴射弁１３に戻ってくる逆流が強くなり過ぎる。その結果、燃料噴射弁１３から供給された混合気Ｍが、強い逆流により押し戻されて燃焼室１１内の燃焼領域Ｓに到達しにくくなり、着火性および安定燃焼性を低下させる。さらに、このガスタービン燃焼器では、燃料噴射弁１３から燃焼室１１内に噴射された混合気Ｍが、ヒートシールド２３の内面２３ｅに沿って流れる圧縮空気ＣＡに導かれる際に、混合気Ｍ中の燃料が前記内面２３ｅに付着して大きな液滴となり、そのまま炭化してヒートシールド内面２３ｅに付着したり、運良く圧縮空気ＣＡに乗って燃焼室１１内に供給されても、微粒化されにくいので、着火性や安定燃焼性の低下を招く。

本発明は、煤の堆積や焼損の発生を防止することができ、かつ優れた着火性および安定燃焼性を有するガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のガスタービン燃焼器は、圧縮機からの圧縮空気を燃焼させてタービンへ供給するガスタービン燃焼器であって、燃焼室を形成する燃焼筒と、前記燃焼筒に燃料を供給する燃料噴射装置と、前記燃料噴射装置を前記燃焼筒に支持する支持体とを備え、前記燃料噴射装置は、燃料を噴射する燃料噴射弁と、この燃料噴射弁から噴射された燃料に圧縮空気を旋回させながら供給する半径流型のスワーラと、前記スワーラからの旋回空気を前記燃焼室に導く筒状のガイド体とを備え、さらに、前記ガイド体よりも外周側に位置し前記燃料噴射装置を前記燃焼筒に支持する支持体を前記燃焼室内の燃焼ガスから遮熱するヒートシールドと、前記スワーラの後側端壁と前記ガイド体と前記ヒートシールドとの間に形成されて下流にのみ開口する環状空間に空気を導入するパージ孔と、前記ガイド体の下流端に設けられ、下流側に向かって前記燃料噴射装置の径方向外方へ傾斜した末広がり状のフレアとを備え、前記燃焼筒はアニュラー形であり、環状のアウターライナおよびインナーライナと、これらの頭部のカウリングとを有し、前記カウリングの頂部に、前記燃料噴射弁を挿入させ、かつ圧縮空気を前記燃焼筒内に導入する開口が形成され、前記ヒートシールドの内周縁部に、前記燃料噴射装置の上流側へ突出する円筒部が設けられ、前記円筒部が前記支持体に支持されており、前記円筒部に、この円筒部を径方向に貫通する前記パージ孔が形成されている。

このガスタービン燃焼器によれば、ガイド体とヒートシールドとの間の環状空間にパージ孔から導入された圧縮空気が、環状空間に入り込もうとする燃料や混合気或いは火炎を燃焼室内に押し戻すように作用するので、ガイド体への煤の堆積および付着した煤が加熱されることによるガイド体の焼損の発生を効果的に防止することができる。また、環状空間内に流入した圧縮空気は、ガイド体の下流端から燃料燃焼装置の径方向外方へ傾斜した末広がり状に延びるフレアに沿って燃焼室内の径方向斜め外方へ向けて適度な広がりで流れるように導かれるので、この圧縮空気がスワーラからの圧縮空気が過度に広がり過ぎるのを防止しながら、混合気を包み込むように作用するから、混合気の径方向への広がりが抑制される結果、軸心部分に適度な大きさの混合気の逆流領域が形成されて、良好な保炎性を確保することができる。しかも、フレアに沿って径方向斜め外方に流れる圧縮空気により、ヒートシールドの内面に混合気中の燃料が再付着して燃料の液滴サイズが大きくなるのを阻止できるので、燃焼性能の低下を抑制することができる。さらに、アニュラー型に好適に適用できるものとなるうえに、パージ孔をヒートシールドの円筒部に機械加工によって容易に形成することができる。

本発明において、前記パージ孔は前記ガイド体と同心上に１０〜３０個設けられていることが好ましい。パージ孔が１０個未満の場合には、ガイド体とヒートシールドとの間の環状空間に圧縮空気が周方向に均一に導入されにくくなるので、この環状空間に入り込もうとする燃料や混合気或いは火炎を燃焼室内に押し戻す効果が低い。パージ孔が３０個を超えても、煤の堆積を防止する効果が殆ど増大しない一方で、加工工数が多くなってコストアップを招く。

本発明において、前記ガイド体の軸心に対する前記フレアの傾斜角度が４０〜６０゜に設定されていることが好ましい。傾斜角度が４０°未満の場合には、スワーラからの圧縮空気の旋回流を径方向に十分に広げて燃焼室内に送給できないので、十分な広がりを持った逆流領域を形成しにくくなる。一方、傾斜角度を６０°よりも大きくすると、スワーラからの圧縮空気の流れがフレアの内面から剥離してしまい、やはり所要の広がりを持った逆流領域を形成できない。したがって、傾斜角度を４０°〜６０°の範囲に設定すれば、スワーラからの圧縮空気の旋回流を高い燃焼効率が得られる適正な角度に広げながら燃焼室内に流入させて、良好な保炎性が得られる混合気の逆流領域を形成することができる。

本発明のガスタービン燃焼器によれば、ガイド体とヒートシールドとの間の環状空間に入り込もうとする燃料や混合気或いは火炎を、パージ孔から導入した圧縮空気によって燃焼室に押し戻させて、ガイド体への煤の堆積および煤が加熱されることによるガイド体の焼損の発生を効果的に防止できる。また、前記環状空間内に流入した圧縮空気を、フレアに沿って燃焼室内の径方向斜め外方へ導くことにより、適度な大きさの混合気の逆流領域を形成して、良好な保炎性を確保することができ、しかも、フレアに沿って径方向斜め外方に流れる圧縮空気により、ヒートシールドの内面に混合気中の燃料が付着するのを防止して、燃料の液滴サイズが大きくなるのを防止して燃焼性能の低下を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るガスタービン燃焼器を示す概略横断面図である。図１のII−II線に沿った拡大断面図である。図２の要部の拡大縦断面図である。図２の要部を拡大した分解斜視図である。（ａ），（ｂ）は同上のガスタービン燃焼器の燃焼室内での圧縮空気の流動パターンおよび混合気の分散分布を示す縦断面図、（ｃ），（ｄ）は比較のために示した従来の燃焼器の圧縮空気の流動パターンおよび混合気の分散分布を示す縦断面図、（ｅ），（ｆ）は比較のために示した、フレアを設けずにパージ孔のみを設けた燃焼器の圧縮空気の流動パターンおよび混合気の分散分布を示す縦断面図である。空気流量と全体空燃比に対する吹き消え、着火および不着火の発生を実測した結果を示す特性図である。従来のガスタービン燃焼器の要部を示す縦断面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るガスタービン燃焼器１を示す概略横断面図である。この燃焼器１は、例えばガスタービンエンジンの図示しない圧縮機から供給される圧縮空気に燃料を混合して生成した混合気を燃焼させて、その燃焼により発生する高温・高圧の燃焼ガスをタービンに送ってこれを駆動させるものである。

この燃焼器１は、ガスタービンエンジンの軸心Ｃ１と同心のアニュラー型であり、環状のアウタケーシング３の内側に環状のインナケーシング４が同心状に配置されて、環状の内部空間を有するハウジング２を構成している。このハウジング２の環状の内部空間には、環状のアウタライナ９の内側に環状のインナライナ１０が同心状に配置されてなる燃焼筒８が、ハウジング２と同心状に配置されている。燃焼筒８は内部に環状の燃焼室１１を形成しており、この燃焼筒８に、燃焼室１１内に燃料を噴射する複数（例えば、１４〜２０個）の燃料噴射装置１２が、燃焼筒８と同心の単一の円上で、周方向に等間隔に並んで配設されている。各燃料噴射装置１２は、燃料を噴射する燃料噴射弁１３と、この燃料噴射弁１３の外周を囲むように燃料噴射弁１３に同心状に設けられて、圧縮空気を旋回流として燃焼室１１内に導入する半径流型のメインスワーラ１４とを備えている。燃焼器１の下部には２本の点火栓１８が配置されている。

図２に示すように、ハウジング２の環状の内部空間には、図示しない圧縮機から送給される圧縮空気ＣＡが、環状のディフューザ１９を介して燃料噴射装置１２の上流側から導入される。燃焼筒８のアウタライナ９およびインナライナ１０の頭部にはそれぞれ、環状のカウリングアウタ２０Ａおよびカウリングインナ２０Ｂが溶接により固定されており、このカウリングアウタ２０Ａとカウリングインナ２０Ｂとでカウリング２０が構成される。環状の燃焼筒８は、カウリングアウタ２０Ａに一体形成された保持筒体２９に、アウタケーシング３に外側から挿通された固定ピン３０が嵌入されることにより、アウタライナ９に固定されている。

カウリングアウタ２０Ａおよびカウリングインナ２０Ｂは、各々の下流側の端部間を互いに連結するように一体形成された環状の支持体（以下、ドームという）２１により一体化されている。このドーム２１に、ドーム２１をを燃焼室１１内の燃焼ガスＧから遮熱するためのヒートシールド２３が取り付けられている。

燃料噴射装置１２は、内部に燃料配管が通ったステム１５を有し、このステム１５の先端に前記燃料噴射弁１３が設けられている。メインスワーラ１４は、圧縮空気ＣＡを径方向の外側から内側に導入する半径流型であり、保持プレート２４を介してヒートシールド２３に支持されている。この支持構造については後述する。燃料噴射装置１２は、燃料噴射弁１３を、カウリング２０の頂部におけるカウリングアウタ２０Ａとカウリングインナ２０Ｂとの隙間によって形成された開口２０ａから挿通して、メインスワーラ１４の内側に嵌合した状態で、ステム１５が取付板２８を介してアウタケーシング３に固定されている。燃焼筒８内には、カウリング２０の開口２０ａの周縁と燃料噴射弁１３との間の環状の間隙から圧縮空気ＣＡが導入される。燃焼筒８の下流端部には、燃焼ガスＧが供給されるタービンの第１段ノズルＴＮが接続される。

図２の要部を拡大した図３において、燃料噴射装置１２の燃料噴射弁１３は、中央部の軸流型のインナスワーラ３１と外周側の軸流型のアウタスワーラ３２とを有する。これらスワーラ３１，３２は、燃料噴射装置１２の軸心Ｃ２に対して同心状に配置されており、両スワーラ３１，３２の空気流路の間に、ステム１５内の燃料配管から送給される燃料Ｆを燃焼室１１内に導く環状の燃料流路３３が設けられている。この燃料流路３３の先端近傍に形成されて軸心Ｃ２と同心状に並ぶ複数の噴射孔３３ａから、燃料Ｆが噴射されて燃料流路３３の先端から燃焼室１１内へフィルム状に供給される。この噴射孔３３ａから噴射された燃料Ｆは、内外のスワーラ３１，３２からの圧縮空気ＣＡの旋回流によって小さな粒径に微粒化され、混合気Ｍとなって燃焼室１１内に供給される。したがって、この燃料噴射装置１２はエアブラスト式である。

図４に示すように、ヒートシールド２３は、メインスワーラ１４に対向して、その後方に配置され、燃料噴射装置１２の軸心Ｃ２（図３）方向から見て台形状のシールド本体２３ａに、燃料噴射装置１２の上流側へ突出する円筒部２３ｂが一体形成により設けられている。この円筒部２３ｂが、その中空部により、ヒートシールド２３の中央貫通孔２７を形成している。ヒートシールド２３は、各シールド本体２３ａが所定の間隙（例えば１ｍｍ）を存して環状に配置されている。ヒートシールド２３の円筒部２３ｂがドーム２１の保持孔２１ａに対し燃料噴射装置１２の下流側から挿通されて、円筒部２３ｂの外周面に形成された大径段部２３ｃがドーム２１の保持孔２１ａの孔縁部に当接された状態で、その当接箇所を互いに溶接することにより、ドーム２１に固定されている。ヒートシールド２３の円筒部２３ｂの開口縁部に形成された小径段部２３ｄに、リング状の保持プレート２４の内周縁部が当接されて、その当接箇所を互いに溶接することにより、保持プレート２４がヒートシールド２３に固定されている。

また、燃料噴射装置１２のメインスワーラ１４の後側（燃焼筒下流側）端壁２５には、このメインスワーラ１４からの圧縮空気ＣＡの旋回流を燃焼室１１内へ導く筒状のガイド体３４が一体的に突設されている。このガイド体３４は、燃料噴射弁１３と同心、つまり軸心Ｃ２を共有しており、かつヒートシールド２３の円筒部２３ｂに対しその内周側に同心状に配置されている。ガイド体３４の下流端に、下流側に向かって燃料噴射弁１３の径方向外方へ傾斜した末広がり状のフレア３８が接続されている。ガイド体３４とフレア３８は一体形成してもよい。メインスワーラ１４からの圧縮空気ＣＡの旋回流は、混合気Ｍの逆流領域のサイズや位置を調整して燃焼領域Ｓ（図２）を設定するものである。

一方、メインスワーラ１４の後側端壁２５は径方向外方へ延出されて取付プレート２６を形成しており、この取付プレート２６における１８０°対向した２箇所の位置にピン孔２６ａがそれぞれ形成されている。保持プレート２４には、外周縁に開口した一対の凹所２４ａが形成され、各凹所２４ａに挿通された取付ピン４１が、ピン孔２６ａに嵌合されて溶接により固定されている。保持プレート２４の凹所２４ａは取付ピン４１の外径よりも大きな周方向幅を有しており、したがって、メインスワーラ１４は、保持プレート２４に対し周方向および径方向に変位可能に支持されている。これにより、高温の燃焼ガスによる熱膨張率の差および組立時のメインスワーラ１４とヒートシールド２３との寸法差が吸収される。

メインスワーラ１４の後側端壁２５と、ヒートシールド２３の円筒部２３ｂと、その径方向内側のガイド体３４とにより、下流側に開口した、燃料噴射装置１２の軸心Ｃ２と同心の環状空間３９が形成されている。円筒部２３ｂにおけるドーム２１の固定箇所に対し圧縮空気ＣＡの流れ方向の上流側近傍箇所に、径方向外側から前記環状空間３９内に圧縮空気ＣＡを導入するパージ孔４０が、円筒部２３ｂの周方向に等間隔で複数個形成されている。パージ孔４０は円筒部２３ｂを径方向に貫通して延びている。パージ孔４０から環状空間３９内に導入された圧縮空気ＣＡは、環状空間３９の下流端の出口３９ａから燃焼室１１内へ流出するので、これによって環状空間３９に入り込もうとする燃料Ｆや混合気Ｍまたは火炎を燃焼室１１内に押し戻す。

パージ孔４０は、円筒部２３ｂの周方向に等間隔で１０〜３０個設けられる。パージ孔４０が１０個未満の場合には、ガイド体３４とヒートシールド２３との間の環状空間３９に圧縮空気ＣＡが周方向に均一に導入されにくくなるので、この環状空間３９に入り込もうとする燃料Ｆや混合気Ｍ或いは火炎を燃焼室１１内に押し戻す効果が低い。パージ孔４０が３０個を越えても、煤の堆積を防止する効果が殆ど増大しない一方で、加工工数が多くなってコストアップを招く。また、パージ孔４０は直径１±０．３ｍｍ程度の大きさに形成するのが好ましく、さらに、パージ孔４０から導入する圧縮空気ＣＡの流量は、メインスワーラ１４からの圧縮空気ＣＡの流量の１０±５％程度に少なくして、その流量分だけメインスワーラ１４からの流量を減少しておけば、燃焼室１１内に導入される圧縮空気ＣＡの総量がパージ孔４０無しの場合と同一になるので、予め設定された燃焼性能をそのまま維持できる。

上記構成において、従来の燃焼器において煤が堆積し易い空間、つまりメインスワーラ１４の下流側に設けた筒状のガイド体３４とその外周側のヒートシールド２３の円筒部２３ｂとの間の環状空間３９にパージ孔４０から圧縮空気ＣＡを導入しているので、この環状空間３９に流入した圧縮空気ＣＡが、環状空間３９に入り込もうとする燃料Ｆや混合気Ｍ或いは火炎を燃焼室１１内に押し戻すように作用する。したがって、メインスワーラ１４のガイド体３４の外周面への煤の堆積、および堆積した煤が加熱されることによるメインスワーラ１４の焼損の発生が効果的に防止される。

つぎに、燃焼室１１内での圧縮空気ＣＡの流動パターンと混合気Ｍの分散分布について、図５を参照しながら説明する。まず、図７の従来のガスタービン燃焼器では、スワーラ１４から供給された圧縮空気ＣＡが、図５（ｃ）に示すように、ヒートシールド２３の内面２３ｅに沿って燃焼筒１１内を燃料噴射装置１２の径方向に向かって流れるとともに、燃焼室１１の軸心方向に流れるので、全体として、径方向に大きく広がりながら流れたのちに燃焼筒１１の軸心部分に向けて強く逆流する循環流Ｐ１を形成する。この循環流Ｐ１により、燃料噴射弁１３から供給された混合気Ｍが押し戻されて、図５（ｄ）に示すように、燃焼室１１内における燃料噴射弁１３の近傍箇所に多量に分布し、燃焼領域Ｓに十分到達しにくくなるので、着火性および安定燃焼性が十分ではない。また、図５（ｃ）の圧縮空気ＣＡに導かれてヒートシールド２３の内面２３ｅに沿って流れる混合気Ｍ中の燃料は、ヒートシールド２３の内面２３ｅに付着して液滴となり、大きな液滴のまま燃焼室１１の燃焼領域に供給され、微粒化が不十分となるので、着火性および安定燃焼性がさらに低下する。

一方、図５（ｅ）に示すガスタービン燃焼器のように、前記ガスタービン燃焼器１と同様のパージ孔４０を有するが、フレア３８を設けない場合には、パージ孔４０から環状空間３９に流入した圧縮空気ＣＡの大部分がそのまま燃料噴射装置１２の軸心Ｃ２方向に沿って直進するので、スワーラ１４から供給された圧縮空気ＣＡが燃焼室１１内で径方向へ十分に広がることなく逆流する循環流Ｐ２を形成する。その結果、循環流Ｐ２による燃焼室１１の軸心部分での逆流が弱くなり、図５（ｆ）に示すように、混合気Ｍが燃焼領域Ｓに高速で供給されるので、着火性および安定燃焼性が低い。

本発明のガスタービン燃焼器１では、図５（ａ）に示すように、ガイド体３４の下流端に、下流側へ向かって径方向外方へ傾斜した末広がり状のフレア３８を延設することにより、環状空間３９内に流入した圧縮空気ＣＡを、フレア３８に沿って燃焼室１１内の径方向斜め外方へ向け適度な広がりで流れるように導いている。この径方向斜め外方へ流れる圧縮空気ＣＡがメインスワーラ１４からの圧縮空気ＣＡを径方向の外側から包む形となって、圧縮空気ＣＡが過度に広がるのを防止する。これにより、燃焼室１１の軸心部分に適度な強さの逆流を持つ循環流Ｐ３が形成されるので、図５（ｂ）に示すように、燃焼領域Ｓに適切な速度で混合気Ｍが供給されて、良好な保炎性を確保することができる。しかも、図５（ａ）に示すフレア３８に沿って径方向斜め外方に流れる圧縮空気ＣＡにより、ヒートシールド２３の内面２３ｅに混合気Ｍ中の燃料が付着するのが防止される。これにより、図５（ｂ）の混合気Ｍ中の燃料Ｆの液滴サイズが大きくなるのを防止して燃焼性能の低下を抑制する。

メインスワーラ１４からの圧縮空気ＣＡの旋回流は、混合気Ｍの逆流領域のサイズや位置を調整して燃焼領域Ｓを設定するものであるから、末広がり状のフレア３８のガイド体３４の軸心、つまり燃料噴射装置１２の軸心Ｃ２に対する傾斜角度の設定により、メインスワーラ１４からの圧縮空気ＣＡの旋回流を高い燃焼効率が得られる適正な角度に広げながら燃焼室内１２に流入させて、良好な逆流領域を形成することが可能である。

フレア３８のガイド体３４の軸心に対する傾斜角度は、４０°〜６０°の範囲に設定するのが好ましい。傾斜角度が４０°未満の場合には、メインスワーラ１４からの圧縮空気ＣＡの旋回流を径方向に十分に広げて燃焼室１１内に送給できないので、十分な広がりを持った逆流領域を形成しにくくなる。一方、傾斜角度を６０°よりも大きくすると、メインスワーラ１４からの圧縮空気ＣＡの流れがフレア３８の内面から剥離してしまい、やはり所要の広がりを持った逆流領域を形成できない。フレア３８の傾斜角度を４５°に設定すると、最も高い燃焼効率を得ることができる圧縮空気ＣＡの旋回流を形成することができる。

以上のように、このガスタービン燃焼器１は、パージ孔４０から環状空間３９へ圧縮空気ＣＡを導入することにより、煤の堆積や焼損の発生を防止できるだけでなく、燃料Ｆの液滴サイズが小さくなって燃焼性能が向上する。さらに、ガイド体３４の下流端に設けたフレア３８により、メインスワーラ１４を通った圧縮空気ＣＡの流れおよび燃料噴射弁１３から噴射された燃料Ｆの分散分布を最適にコントロールすることができるので、着火性および安定燃焼性が著しく向上する。このことを、図６に示す実測結果により確認することができた。

図６において、横軸は燃焼器１の空気流量、縦軸は燃焼器１全体の空燃比である。白丸印は火炎の吹き消えを、黒丸印は着火をそれぞれ示す。また、実線の特性曲線Ａ，Ｂは本発明のガスタービン燃焼器１の実測結果であり、破線の特性曲線Ｃ，Ｄは図７の従来のガスタービン燃焼器の実測結果であり、二点鎖線の特性曲線Ｅ，Ｆはフレア３８を設けずにパージ孔４０のみを設けた、図５（ｅ），（ｆ）に示すガスタービン燃焼器の実測結果である。×印は本発明のガスタービン燃焼器１の不着火を、△印は従来のガスタービン燃焼器の不着火をそれぞれ示す。

本発明のガスタービン燃焼器１では、特性曲線ＡとＣとの比較から明らかなように、火炎の吹き消えが発生する空燃比が従来の燃焼器に比べて相当に高く、特性曲線ＢとＤとの比較から明らかなように、着火できる空燃比が従来の燃焼器に比べて相当に高く、×印と△印との比較から明らかなように、不着火が発生する空燃比が従来の燃焼器に比べて相当に高い。したがって、本発明のガスタービン燃焼器１は、高い空燃比、つまり少ない燃料Ｆでも確実に着火するとともに、空燃比が高くなっても火炎の吹き消えおよび不着火が発生しにくい。

このように、本発明のガスタービン燃焼器１は、高い空燃比で安定燃焼させることができ、燃焼効率も向上することから、ＣＯ₂の発生が減少する。図２のフレア３８を設けずにパージ孔４０のみを設けた場合には、特性曲線ＥとＣ（従来）との比較から明らかなように、吹き消えが従来の燃焼器に比べて高い空燃比で発生する利点はあるが、特性曲線ＦとＤ（従来）との比較から明らかなように、着火性が従来の燃焼器よりも悪くなる。

さらに、本発明のガスタービン燃焼器１は、実験により、燃焼器１内における圧力損失、燃焼筒８の出口温度分布、燃焼効率、スモーク量およびＮＯｘ排出量のいずれにおいても、図７の従来の燃焼器と同等であることが確認された。

また、本発明のガスタービン燃焼器１は、同一または相当するものに同一の符号を付した図２と図７との比較から明らかなように、従来の燃焼器に対し、パージ孔４０を形成し、かつガイド体３４の下流端にフレア３８を設けるだけの簡単な改良を行うだけで済む利点がある。

なお、前記実施形態では、アニュラー型の燃焼器を例示して説明したが、本発明は逆流缶型の燃焼器にも適用することができる。また、本発明は、以上の実施形態で示した内容に限定されるものでなく、本発明の要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り、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１ガスタービン燃焼器
８燃焼筒
９アウタライナ
１０インナライナ
１１燃焼室
１２燃料噴射装置
１３燃料噴射弁
１４メインスワーラ（スワーラ）
２０カウリング
２０ａ開口
２１ドーム（支持体）
２３ヒートシールド
２３ｂ円筒部
３４ガイド体
３８フレア
３９環状空間
４０パージ孔
ＣＡ圧縮空気
Ｃ２燃料噴射装置の軸心
Ｆ燃料
Ｇ燃焼ガス
Ｍ混合気
ＴＮタービン

Claims

圧縮機からの圧縮空気を燃焼させてタービンへ供給するガスタービン燃焼器であって、
燃焼室を形成する燃焼筒と、前記燃焼筒に燃料を供給する燃料噴射装置と、前記燃料噴射装置を前記燃焼筒に支持する支持体とを備え、
前記燃料噴射装置は、燃料を噴射する燃料噴射弁と、この燃料噴射弁から噴射された燃料に圧縮空気を旋回させながら供給する半径流型のスワーラと、前記スワーラからの旋回空気を前記燃焼室に導く筒状のガイド体とを備え、
さらに、前記ガイド体よりも外周側に位置し前記燃料噴射装置を前記燃焼筒に支持する支持体を前記燃焼室内の燃焼ガスから遮熱するヒートシールドと、
前記スワーラの後側端壁と前記ガイド体と前記ヒートシールドとの間に形成されて下流にのみ開口する環状空間に空気を導入するパージ孔と、
前記ガイド体の下流端に設けられ、下流側に向かって前記燃料噴射装置の径方向外方へ傾斜した末広がり状のフレアと、
を備え、
前記燃焼筒はアニュラー形であり、環状のアウターライナおよびインナーライナと、これらの頭部のカウリングとを有し、前記カウリングの頂部に、前記燃料噴射弁を挿入させ、かつ圧縮空気を前記燃焼筒内に導入する開口が形成され、
前記ヒートシールドの内周縁部に、前記燃料噴射装置の上流側へ突出する円筒部が設けられ、前記円筒部が前記支持体に支持されており、
前記円筒部に、この円筒部を径方向に貫通する前記パージ孔が形成されているガスタービン燃焼器。
請求項１において、前記パージ孔は前記ガイド体と同心上に１０〜３０個設けられているガスタービン燃焼器。
請求項１または２において、前記ガイド体の軸心に対する前記フレアの傾斜角度が４０〜６０゜に設定されているガスタービン燃焼器。
請求項１，２または３において、前記パージ孔は、前記円筒部における前記支持体の前記上流側に形成されているガスタービン燃焼器。
請求項１から４のいずれか一項において、前記ヒートシールドは、前記燃料噴射装置の径方向に延びる平板状のシールド本体に、前記円筒部が、前記上流側に突出して設けられているガスタービン燃焼器。