JP4070758B2

JP4070758B2 - ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JP4070758B2
Application number: JP2004264725A
Authority: JP
Inventors: 敦森脇; 将豊太田; 圭司郎斉藤; 聡谷村; 真児赤松; 宣彦永井
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-09-10
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2024-09-10
Also published as: WO2006027989A1; DE112005002065B4; DE112005002065T5; US20080184708A1; US8408002B2; CN100535527C; JP2006078127A; CN101023302A

Description

本発明は，ガスタービン燃焼器に関し，特に，予混合燃焼を行うバーナ（メインバーナ）を備えるガスタービン燃焼器に関する。

予混合方式を採用するガスタービン燃焼器では，予混合燃焼を行うメインバーナに加えて，拡散燃焼を行うパイロットバーナが設けられる。これは，予混合燃焼を安定に維持するためである。パイロットバーナによって生成される拡散炎が，メインバーナが予混合炎を生成するための種火として使用され，これによって予混合燃焼が維持される。一般的なガスタービン燃焼器では，メインバーナは，パイロットバーナの周辺に等間隔に配置される。

図１は，予混合方式を採用するガスタービン燃焼器の典型的な構造を示している（特開２００１−３２４１４４号公報，及び特開２００２−６１８４１号公報を参照）。典型的なガスタービン燃焼器は，パイロットバーナ１と，パイロットバーナ１の周囲に等間隔で配置された複数のメインバーナ２と，燃焼器内筒３とを備えている。パイロットバーナ１とメインバーナ２は，燃焼器内筒３の内部に収容されている。

パイロットバーナ１は，円筒形のバーナ外筒１１と，パイロットスワラ１２と，パイロットノズル１３とを備えている。バーナ外筒１１は，パイロットスワラ１２とパイロットノズル１３とをその内部に収容している。バーナ外筒１１の先端には，パイロットコーン１４が接続されている。パイロットコーン１４には，パイロットノズル１３から燃料が，更にパイロットスワラ１２から旋回する空気流が噴射され，パイロットコーン１４の内部及び下流で拡散燃焼が行われる。

メインバーナ２は，円筒形のバーナ外筒２１と，メインスワラ２２と，メインノズル２３とを備えている。図３は，メインバーナ２の詳細な構造を示す断面図である。バーナ外筒２１は，メインスワラ２２とメインノズル２３とをその内部に収容している。メインノズル２３は，ノズル竿２３ａと，ノズル翼２３ｂとを備えており，ノズル翼２３ｂには，燃料２３ｃを噴出するノズル孔が設けられている。バーナ外筒２１の先端には，延長管２４が接続されている。図２に示されているように，延長管２４の断面形状は，延長管２４の先端部とバーナ外筒２１との接続部とでは異なっている。延長管２４の断面形状は，バーナ外筒２１との接続部では円形であるが，延長管２４の断面形状は先端に向けて連続的に変形され，延長管２４の出口では楕円形である。

このような構造のメインバーナ２は，その内部で燃料と空気とを混合して予混合気を生成し，生成された予混合気を延長管２４の先端から噴出する。より詳細には，図３に示されているように，メインスワラ２２の上流において，圧縮機（図示されない）から供給される空気２ａに燃料２３ｃをメインノズル２３によって噴射し，メインスワラ２２によって空気２ａと燃料２３ｃの流れを旋回させる。これにより，空気２ａと燃料２３ｃとが混合され，旋回する予混合気の流れ２４ａ（スワール流れ）が発生する。生成された予混合気は延長管２４から噴出され，更に，パイロットバーナ１により生成された拡散炎を用いて延長管２４の下流側で燃焼され，これにより，予混合燃焼が実現される。

延長管２４の内壁面近傍は低流速となるため、フラッシュバックが発生しやすい。このフラッシュバックを防止するために，バーナ外筒２１と延長管２４との接続部から，膜状の空気（フィルム空気）が取り入れられる。より具体的には，図３に示されているように，延長管２４は，バーナ外筒２１から離れて位置するようにバーナ外筒２１の外側に挿入されている。バーナ外筒２１と延長管２４との離間は，スペーサ２５によって行われる。スペーサ２５は，図４に示されているように，バーナ外筒２１の外周に等間隔に配置され，スペーサ２５によってバーナ外筒２１と延長管２４との間に隙間が形成される。この隙間を介して，フィルム空気が取り入れられる。このフィルム空気によって延長管２４の内壁面近傍の低流速域を無くし，フラッシュバックの発生が抑制される。この膜状の空気は，延長管２４の内壁面を冷却する効果も奏する。延長管２４の下流で予混合燃焼が行われるため，延長管２４の冷却，特に，その内側面の冷却は重要である。

図１に戻り，パイロットバーナ１及びメインバーナ２は，そのバーナ外筒１１，２１が基板４に設けられている穴に挿入されることによって基板４に支持されている。より具体的には，図５に示されているように，基板４には，バーナ外筒１１，２１を支持するために，パイロットバーナ支持穴５，及びメインバーナ支持穴６が形成されている。パイロットバーナ支持穴５には，パイロットバーナ１のバーナ外筒１１が挿入され，メインバーナ支持穴６には，メインバーナ２のバーナ外筒２１が挿入される。パイロットバーナ１のパイロットコーン１４，及びメインバーナ２の延長管２４は，基板４に対して下流側に位置している。

基板４には，更に多数のスイープ空気孔７が形成されている；ただし，スイープ空気孔７は，その一部しか図示されていない。スイープ空気孔７は，パイロットバーナ１及びメインバーナ２の間に圧縮機（図示されない）からの空気を下流側に向かって流す。

このような構造のガスタービン燃焼器では，メインバーナの逆火（フラッシュバック）を防止することは極めて重要である。フラッシュバックの発生は燃焼器の焼損を招くため，フラッシュバックは，可能な限り抑えられなくてはならない。

発明者らの検討によれば，従来のガスタービン燃焼器におけるフラッシュバックの発生には，下記の３つの要因が存在する。第１の要因は，図６に示されているように，延長管２４の出口の形状が楕円形である従来のガスタービン燃焼器では，予混合気の流れが低速である低速領域２６が発生し易いことである。従来のガスタービン燃焼器では，延長管２４の下流側であって，且つ，隣接する２つの延長管２４とパイロットコーン１４との間の位置，及び，当該２つの延長管２４と燃焼器内筒３との間の位置における予混合気の流れが遅くなりがちであり，これらの位置に低速領域２６が発生し易い。低速領域２６の発生は，火炎の延長管２４への逆流を招き，フラッシュバックの発生につながる。

第２の要因は，図７に示されているように，バーナ外筒２１と延長管２４との間に設けられているスペーサ２５の下流側でのウェイク２５ａ（後流渦）の発生である。バーナ外筒２１と延長管２４との間を流れる空気流は，スペーサ２５の下流側でウェイク２５ａを発生させ得る。ウェイク２５ａの発生は，フラッシュバックの発生を助長する。

第３の要因は，図３に示されているように，メインノズル２３の先端の下流側にスワール流れの渦心２４ｂが出来やすいことである。渦心２４ｂでは予混合気の流れは低速であり，従って，渦心２４ｂの発生はフラッシュバックの発生につながる。フラッシュバックの発生は，メインノズル２３の先端に火炎を発生させ，メインノズル２３の焼損の原因になる。

このような背景から，フラッシュバックの発生を効果的に抑制するための技術が求められている。
特開２００１−３２４１４４号公報特開２００２−６１８４１号公報

本発明の目的は，概略的には，フラッシュバックの発生を効果的に抑制するための技術を提供することにある。
より具体的には，本発明の一の目的は，予混合気の流れの速度が遅い低速領域が発生することを防止し，これによってフラッシュバックの発生を防止することにある。
本発明の他の目的は，バーナ外筒と延長管との間に設けられるスペーサの下流側でのウェイクの発生を防止し，これによってフラッシュバックの発生を防止することにある。
本発明の更に他の目的は，メインノズルの先端の下流側におけるスワール流れの渦心に起因するフラッシュバックの発生を防止することにある。

上記の目的を達成するために，本発明は，以下に述べられる手段を採用する。その手段を構成する技術的事項の記述には，［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］の記載との対応関係を明らかにするために，［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号が付加されている。但し，付加された番号・符号は，［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

一の観点において，本発明によるガスタービン燃焼器は，パイロットバーナ（１）と，パイロットバーナ（１）の周囲に，半径方向外側に設けられている複数のメインバーナ（２）とを備えている。メインバーナ（２）のそれぞれは，その下流側の端に設けられた延長管（２４Ａ）を含む。延長管（２４Ａ）の出口は，前記半径方向に平行な半径方向エッジ（３１，３２）を有するような形状に形成されている（図８，図９参照）。

より具体的には，延長管（２４Ａ）の出口は，半径方向エッジ（３１，３２）を２つ有し，且つ，半径方向エッジ（３１，３２）を連結する周方向エッジ（３３，３４）を有するような形状を有している。半径方向エッジ（３１，３２）と周方向エッジ（３３，３４）とを接続する角部（３５）は，丸められることが好ましい。

当該ガスタービン燃焼器が，更に，前記パイロットバーナ（１）と前記メインバーナ（２）とを支持する基板（４）を備え，且つ，延長管（２４Ａ）が，基板（４）に対して下流側に位置し，且つ，基板（４）が，下流側にスイープ空気を流通させる開口（７，３６）を有している場合，基板（４）の延長管（２４Ａ）の間の位置に対応する領域における開口（３６）の開口率は，他の領域における開口（７）の開口率よりも大きいことが好ましい（図１０参照）。この場合，基板（４）の，隣接する延長管（２４Ａ）の間であり，且つ，延長管（２４Ａ）よりも半径方向内側の位置に対応する領域（３９）における開口（３６）の開口率は，他の領域における開口の開口率よりも大きいことが好適である。

他の観点において，本発明によるガスタービン燃焼器は，パイロットバーナ（１）と，パイロットバーナ（１）の周囲に，半径方向外側に設けられている複数のメインバーナ（２）と，パイロットバーナ（１）とメインバーナ（２）とを支持する基板（４）とを備えている。メインバーナ（２）は，下流側の端に設けられた延長管（２４Ａ）と，予混合気を旋回させて延長管（２４Ａ）に供給するメインスワラ（２２）とを含む。延長管（２４Ａ）は，基板（４）に対して下流側に位置している。基板（４）は，下流側にスイープ空気を流通させる開口（７，３６）を有しており，この開口（７，３６）は，スイープ空気が予混合気の旋回の方向と同一の方向に旋回するように形成されている（図１１参照）。

更に他の観点において，本発明によるガスタービン燃焼器は，パイロットバーナ（１）と，パイロットバーナ（１）の周囲に，半径方向外側に設けられている複数のメインバーナ（２）とを備えている。メインバーナ（２）のそれぞれは，その下流側の端に設けられた延長管（２４Ｂ）を含み，延長管（２４Ｂ）の出口は，長手方向に長い形状を有し，延長管（２４Ｂ）の出口の長手方向は，前記半径方向に対して斜めに向けられている（図１２参照）。好適には，延長管（２４Ｂ）の出口が長手方向に平行な長軸（２４ｃ）を有する楕円形であり，長軸（２４ｃ）は，半径方向と９０°でない角をなしている。

更に他の観点において，本発明によるガスタービン燃焼器は，予混合燃焼を行うバーナ（２）を備えている。バーナ（２）は，燃料を空気に噴射するノズル（２３），並びに燃料及び空気を含む予混合気を旋回させるスワラ（２２）を収容するバーナ外筒（２１）と，バーナ外筒（２１）の下流側の端に，バーナ外筒（２１）の外側に位置するように挿入された延長管（２４）と，バーナ外筒（２１）の外側に，バーナ外筒（２１）と延長管（２４）との間に設けられ，且つ，互いに離間された複数のスペーサ（２５Ａ）を備えている。スペーサ（２５Ａ）は，下流側に向かって先細な形状を有している（図１３Ｂ参照）。

更に他の観点において，本発明によるガスタービン燃焼器は，予混合燃焼を行うバーナ（２）を備えている。バーナ（２）は，燃料を空気に噴射するノズル（２３），並びに燃料及び空気を含む予混合気を旋回させるスワラ（２２）を収容するバーナ外筒（２１）と，バーナ外筒（２１）の下流側の端に，バーナ外筒（２１）の外側に位置するように挿入された延長管（２４）と，バーナ外筒（２１）の外側に，バーナ外筒（２１）と延長管（２４）との間に設けられたスペーサ（２５Ｂ）とを含む。スペーサ（２５Ｂ）は，下流側に向かって先広である開口（４１）を有している（図１４Ａ，１４Ｂ参照）。

下流側に向かって先広である開口（４１）を有するスペーサ（２５Ｂ）の代わりに，多孔質体で形成されているスペーサ（２５Ｃ）が使用されることも可能である（図１５Ａ，１５Ｂ参照）。

いずれの場合でも，スペーサ（２５Ｂ，２５Ｃ）は，リング状であり，バーナ外筒（２１）を取り囲むようにバーナ外筒（２１）の外側に接続されていることが好ましい。

更に他の観点において，本発明によるガスタービン燃焼器は，予混合燃焼を行うバーナ（２）を備えている。バーナ（２）は，燃料を空気に噴射するノズル（２３），並びに燃料及び空気を含む予混合気を旋回させるスワラ（２２）を収容するバーナ外筒（２１）と，バーナ外筒（２１）の下流側の端に，バーナ外筒（２１）の外側に位置するように挿入された延長管（２４）とを含む。バーナ外筒（２１）は，外筒本体（２１ａ）と，外筒本体の下流側の端に設けられた，外筒本体（２１ａ）よりも径が細い先端部（２１ｂ）とを具備する。延長管（２４）は，外筒本体（２１ａ）に接触し，且つ，外筒本体（２１ａ）の下流側において先端部（２１ｂ）に対向するようにバーナ外筒（２１）に挿入され，且つ，先端部（２１ｂ）に対向する位置に開口（２４ｄ）を有している（図１６Ａ参照）。

開口（２４ｄ）は，先端部（２１ｂ）と延長管（２４）との隙間の半径方向の幅ｇと，開口（２４ｄ）の下流側の端から先端部（２１ｂ）の下流側の端までの，前記延長管に沿った方向の距離Ｌとを用いて記述される下記式：
Ｌ／ｇ＞２，
を満足させるように位置していることが好ましい。

また，バーナ（２）は，更に，延長管（２４）の外側に設けられ，空気を開口（２４ｄ）に導入するガイド（２４ｅ）を含むことが好ましい（図１６Ｂ参照）。典型的には，ガイド（２４ｅ）は，開口（２４ｄ）の下流側において延長管（２４）に接続される接続部分（２４ｇ）と，接続部分（２４ｇ）から上流側に延伸し，且つ，開口（２４ｄ）に対向するように位置する対向部分（２４ｆ）とを具備している。

更に他の観点において，本発明によるガスタービン燃焼器は，予混合燃焼を行うバーナ（２）を備えている。バーナ（２）は，燃料を空気に噴射するノズル（２３）と，燃料と空気とを含む予混合気を旋回させるスワラ（２２）と，ノズル（２３）とスワラ（２２）とを収容するバーナ外筒（２１）と，バーナ外筒（２１）の下流側の先端に接続された延長管（２４）と，延長管（２４）の出口からスワラ（２２）に到達し，且つ，バーナ外筒（２１）及び延長管（２４）の内表面から離れて位置している構造体（５１）とを含む（図１７Ａ参照）。ノズル（２３）は，ノズル竿（２３ａ）と，ノズル竿（２３ａ）の側面に接続され，燃料を噴射するノズル孔が設けられたノズル翼（２３ｂ）とを具備することがある。この場合，ノズル竿（２３ａ）の下流側の先端は，構造体（５１）に近接して位置していることが好ましい。

また，バーナ（２）は，更に，構造体（５１）と延長管（２４）との間に介設され，構造体（５１）を支持する支持部材（５２）を含むことが好ましい（図１８参照）。支持部材（５２）は，サポート板であり得る。この場合，サポート板（５２）は，その表面が旋回する予混合気の流れに平行になるように設けられることが好ましい。

更に他の観点において，本発明によるガスタービン燃焼器は，予混合燃焼を行うバーナ（２）を備えている。バーナ（２）は，燃料を空気に噴射するノズル（２３）と，燃料と空気とを含む予混合気を旋回させるスワラ（２２）と，ノズル（２３）とスワラ（２２）とを収容するバーナ外筒（２１）と，バーナ外筒（２１）の下流側の先端に接続された延長管（２４）と，延長管（２４）の出口から上流側に向かって延伸し，且つ，上流側に向かって先細である先細構造体（５３）とを含む（図１９参照）。

更に他の観点において，本発明によるガスタービン燃焼器は，予混合燃焼を行うバーナ（２）を備えている。バーナ（２）は，燃料を空気に噴射するノズル（２３）と，燃料と空気とを含む予混合気を旋回させるスワラ（２２）と，ノズル（２３）とスワラ（２２）とを収容するバーナ外筒（２１）と，バーナ外筒（２１）の下流側の先端に接続された延長管（２４Ｃ）とを備えている。延長管（２４）には，バーナ外筒（２１）と延長管（４２）の出口との間に位置する中間絞り（５５ａ）が設けられている（図２０参照）。この場合，バーナ（２）は，延長管（２４Ｃ）の，中間絞り（５５ａ）の下流側に位置する拡大部（５５ｂ）の内表面に沿ってフィルム空気を流すフィルム空気供給手段（２１ｃ）を備えていることが好適である（図２１参照）。

更に他の観点において，本発明によるガスタービン燃焼器は，予混合燃焼を行うバーナ（２）を備えている。バーナ（２）は，燃料を空気に噴射するノズル（５６）と，燃料と空気とを含む予混合気を旋回させるスワラ（２２）とを含む。ノズル（５６）は，ノズル竿（５６ａ）と，ノズル竿（５６ａ）の側面に接続され，燃料を噴出するノズル孔を有するノズル翼（５６ｂ）とを具備する。ノズル翼（５６ｂ）は，ノズル竿（５６ａ）に接続され，且つ，ノズル竿（５６ａ）が延伸する方向に垂直な方向に延伸する垂直部分（５６ｃ）と，垂直部分（５６ｃ）から，ノズル竿（５６ａ）に平行な方向に延伸する平行部分（５６ｄ）とを備えている。ノズル孔は，平行部分（５６ｄ）に形成されている。ノズル竿（５６ａ）の下流側の端は，平行部分（５６ｄ）の下流側の端よりも，上流側に位置している。

更に他の観点において，本発明によるガスタービン燃焼器は，予混合燃焼を行うバーナ（２）を備え，バーナ（２）は，バーナ外筒（２１）と，バーナ外筒（２１）の内面に接続され，燃料を空気に噴出するノズル孔（５７ａ）を有するノズル翼（５７）と，バーナ外筒（２１）の内部にノズル翼（５７）の下流側に設けられ，燃料と空気とを含む予混合気を旋回させるスワラ（２２）とを含む。

本発明によれば，フラッシュバックの発生を抑制することができる。

以下，添付図面を参照しながら，本発明の実施の形態が説明される。各図面において，同一，類似，又は対応する構成要素は，同一，又は，対応する符号によって参照されていることに留意されたい。

（実施の第１形態）
本発明によるガスタービン燃焼器の実施の第１形態では，図８に示されているように，出口の形状が，楕円形ではなく，概略的に矩形である延長管２４Ａが使用されることによって，図６に示されている低速領域２６の発生が防止される。詳細には，延長管２４Ａの出口は，燃焼器の半径方向に延伸する半径方向エッジ３１，３２と，半径方向エッジ３１，３２を連結する周方向エッジ３３，３４とを有している。周方向エッジ３３，３４は，曲がっている，より具体的には，同心円の一部であることが可能であり，また，両方が真っ直ぐであることも可能である。

延長管２４Ａの出口が，燃焼器の半径方向に延伸する半径方向エッジ３１，３２を有するような形状を有していることは，図６に示されている低速領域２６の発生の抑制に有効である。このような延長管２４Ａの形状は，燃焼器内筒３とパイロットコーン１４との間の空間のうち，延長管２４Ａから予混合気が流れ込まない領域，即ち，低速領域２６が発生し易い領域を減少させるからである。低速領域２６の発生の抑制は，フラッシュバックの発生の抑制に有効である。

ただし，延長管２４Ａの出口の四隅が角張っていることは，四隅において予混合気の渦を発生させ，それがフラッシュバックの原因となりうる。延長管２４Ａの出口の四隅における予混合気の渦の発生を抑制するためには，図９に示されているように，半径方向エッジ３１，３２と周方向エッジ３３，３４とを接続する角部３５は，丸められることが好適である。延長管２４Ａをこのような形状にすることにより，四隅における予混合気の渦の発生を抑制し，フラッシュバックの発生の抑制を抑制することができる。

より一層に低速領域２６の発生を抑制するためには，隣接する延長管２４Ａの間に，多くの流量のスイープ空気を流すことが有効である。このためには，図１０に示されているように，基板４の延長管２４Ａの間に対応する位置にスイープ空気孔３６を設けることが好適である；図１０において，延長管２４Ａの出口に対応する位置は破線３７で，パイロットコーン１４の出口に対応する位置は，破線３８で示されていることに留意されたい。基板４の延長管２４Ａの間に対応する位置に多くのスイープ空気孔３６を設けることによって延長管２４Ａの間に多くのスイープ空気が流れ，このスイープ空気によって低速領域２６の発生を抑制することができる。

延長管２４Ａの間に対応する位置にスイープ空気孔３６を設けることは，基板４の他の位置に，スイープ空気孔７を設けることを排除するものではない；基板４の他の位置に，スイープ空気孔７を設けることは，逆流を防止するために有効である。ただし，延長管２４Ａの間に対応する位置のスイープ空気孔３６の開口率は，他の位置のスイープ空気孔７の開口率よりも大きくされる。ここで開口率とは，単位面積あたり，スイープ空気孔３６，又はスイープ空気孔７が開口されている面積をいう。本実施の形態では，延長管２４Ａの間に対応する位置の開口率は，スイープ空気孔３６の径をスイープ空気孔７の径よりも大きくすることによって，他の位置の開口率よりも大きくされている。また，延長管２４Ａの間に対応する位置にスイープ空気孔３６が形成される密度が，他の位置にスイープ空気孔７が設けられる密度よりも大きくされることも好適である。ここで，スイープ空気孔３６又はスイープ空気孔７が形成される密度とは，単位面積あたり，スイープ空気孔３６，又はスイープ空気孔７が開口される数をいうことに留意されたい。

フラッシュバックを一層に抑制するためには，延長管２４Ａの間で，且つ，延長管２４Ａよりも半径方向内側（即ち，パイロットコーン１４の側）に対応する領域３９におけるスイープ空気孔３６の開口率が，他の位置の開口率よりも大きいことが好適である。領域３９の開口率を大きくすることは，延長管２４Ａの間で，且つ，パイロットコーン１４の近傍の位置におけるスイープ空気の流量を増大させる。これは，パイロットバーナ１によって生成される拡散炎からメインバーナ２によって生成される予混合炎への火炎伝搬に起因して発生するフラッシュバックを有効に抑制する。

スイープ空気孔３６及びスイープ空気孔７によって導入されるスイープ空気の流れは，図１１Ａに示されているように，延長管２４から噴出される予混合気の旋回と同一の方向に旋回されることが好ましい；図１１Ａにおいて，矢印４０は予混合気の旋回の方向を示し，スイープ空気孔３６及びスイープ空気孔７に付されている矢印は，スイープ空気が噴出される方向を示していることに留意されたい。これは，延長管２４から噴出される予混合気の流れと，スイープ空気との混合を抑制するためである。延長管２４から噴出される予混合気と，スイープ空気孔３６及びスイープ空気孔７によって導入されるスイープ空気とが混合されると，予混合気とスイープ空気とが混合される領域で予混合気の流れが低速になる。これは，フラッシュバックの原因となり得るため，予混合気とスイープ空気とが混合されることは好ましくない。スイープ空気と予混合気の旋回の方向を同一にすることにより，スイープ空気と予混合気との混合を抑制することができる。

スイープ空気と予混合気とを同一の方向に旋回させるためには，図１１Ｂに示されているように，スイープ空気孔３６及びスイープ空気孔７は，基板４の表面に対して斜めに形成されることが好適である。これにより，簡便な構造で，スイープ空気を旋回させることが出来る。

図１２は，図６の低速領域２６の発生を抑制するために好適な，更に他のガスタービン燃焼器の構造を示している。図１２のガスタービン燃焼器では，延長管２４Ｂの出口が，ある方向（長手方向）に長いような形状を有しており，且つ，延長管２４Ｂの出口の長手方向が，ガスタービン燃焼器の半径方向に対して斜めに向けられている。本実施の形態では，延長管２４Ｂの出口は楕円であり，且つ，延長管２４Ｂは半径方向に対して斜めに配置されている。より厳密には，延長管２４Ｂは，その出口の長軸２４ｃが燃焼器の半径方向に対して斜めである，即ち，長軸２４ｃが燃焼器の半径方向になす角θが９０°でないように配置されている。このような配置は，燃焼器内筒３とパイロットコーン１４との間の空間のうち，延長管２４Ｂから予混合気が流れ込まない領域，即ち，低速領域２６が発生し易い領域を減少させ，フラッシュバックを抑制する。

（実施の第２形態）
実施の第２形態では，メインバーナ２のバーナ外筒２１と延長管２４とを離間するスペーサ２５の下流で発生するウェイク（図７参照）に起因するフラッシュバックを抑制するための技術が提供される。

図１３Ａ，１３Ｂを参照して，実施の第２形態では，バーナ外筒２１と延長管２４とが，スペーサ２５Ａによって離間される。スペーサ２５Ａは，図１３Ｂに示されているように，その断面形状が翼型に形成されている，言い換えれば，スペーサ２５Ａは，その断面形状が空気流の下流側に向かって先細になるように形成されている。これにより，スペーサ２５Ａの下流側でウェイクが発生することが防止され，フラッシュバックの発生が抑制される。

スペーサの下流で発生するウェイクに起因するフラッシュバックを抑制するためには，図１４Ａ，図１４Ｂに示されているように，孔４１が多数設けられたリング状のスペーサ２５Ｂが使用されることも好適である。孔４１は，出口の径が入口の径よりも大きいような形状，即ち，下流側に向かって先広である形状を有している。このような形状の孔４１を介してフィルム空気が取り入れられることにより，スペーサ２５Ｂの下流側でウェイクが発生することが防止され，フラッシュバックの発生が抑制される。

また，図１５Ａ，図１５Ｂに示されているように，多孔質体で形成されたスペーサ２５Ｃが，バーナ外筒２１と延長管２４とを離間するために使用されることも好適である。多孔質スペーサ２５Ｃを通過する空気が延長管２４の内面に沿って流れるフィルム空気として使用される。スペーサ２５Ｃは，典型的には，発泡金属，焼結金属で形成され得る。

更に，図１６Ａに示されているような嵌め合い構造が，バーナ外筒２１と延長管２４とを接続されることも好適である。具体的には，バーナ外筒２１の外筒本体２１ａの下流側の端に，外筒本体２１ａよりもその外径が小さい先端部２１ｂが設けられている。延長管２４は，（バーナ外筒２１の先端部２１ｂではなく）外筒本体２１ａの外表面に接するようにバーナ外筒２１に挿入されている。バーナ外筒２１の先端部２１ｂは，延長管２４の内面に対向するような形状を有している。延長管２４のうち，先端部２１ｂに対向する部分には開口２４ｄが形成され，延長管２４の内面の膜冷却のための空気は，開口２４ｄを介して取り入れられる。開口２４ｄは，延長管２４の周方向に等間隔に配置されている。また，開口２４ｄは，燃焼器の軸方向に複数列並んで設けられることも可能であり，図１６Ａの嵌め合い構造では，２列の開口２４ｄが設けられている。開口２４ｄから取り込まれた空気は，バーナ外筒２１の先端部２１ｂによって下流側に整流され，更に，延長管２４の内表面に沿って流れる。

図１６Ａに示されているような嵌め合い構造を採用することにより，バーナ外筒２１と延長管２４とを離間するスペーサを設けることが不必要になり，スペーサの下流におけるウェイクの問題を解消することができる。

開口２４ｄのうち最も下流に位置する開口は，下記式：
Ｌ／ｇ＞２，・・・（１）
を満足するように位置することが好適である。ここでｇは，先端部２１ｂと延長管２４との隙間の半径方向の幅であり，Ｌは，開口２４ｄのうち最も下流に位置する開口の下流側の端から，先端部２１ｂの先端までの，延長管２４に沿った方向の距離である。開口２４ｄを式（１）を満足させる位置に設けることは，膜冷却のための空気を充分に開口２４ｄを介して取り入れるために有効である。

また，膜冷却のための空気を充分に開口２４ｄを介して取り入れるためには，図１６Ｂに示されているように，延長管２４にガイド２４ｅが設けられることが好適である。ガイド２４ｅは，延長管２４の開口２４ｄが設けられている部分に対向する対向部分２４ｆと，延長管２４の外表面と接合される接合部分２４ｇとを有している。接合部分２４ｇは，開口２４ｄが設けられている位置よりも下流側で延長管２４に接合されている。対向部分２４ｆの上流側の端は，その径が広げられている。かかる形状のガイド２４ｅは，空気を開口２４ｄに誘導し，フィルム空気を生成するための空気を開口２４ｄを介して充分に取り込むことを可能にする。

（実施の第３形態）
実施の第３形態では，メインノズルの先端の下流側にスワール流れ（即ち，予混合気の流れ）の渦心が発生することに起因するフラッシュバックを抑制するための技術が提供される。

図１７Ａは，実施の第３形態におけるメインバーナ２の構造を図示している。図１７Ａに図示されているメインバーナ２では，メインスワラ２２のハブ部分２２ａに接合され，ハブ部分２２ａから延長管２４の出口に到達する渦心阻害構造体５１が設けられる。渦心阻害構造体５１は，バーナ外筒２１，延長管２４の中心部分に位置しており，バーナ外筒２１，延長管２４のいずれからも離れて設けられている。渦心阻害構造体５１の上流側の端は，メインノズル２３のノズル竿２３ａの先端の近傍に位置しており，下流側の端は，図１７Ｂに示されているように，下流側からみて延長管２４の中心部分に位置している。かかる構造を有する渦心阻害構造体５１は，スワール流れの渦心になるべき位置を占有し，これによってスワール流れの渦心の発生を抑制する。既述のとおり，渦心の発生の抑制は，フラッシュバックの抑制のために重要である。

渦心阻害構造体５１の位置決めの精度を向上するためには，図１８に示されているように，渦心阻害構造体５１の下流側の端を延長管２４の出口に接合するサポート板５２が設けられることが好適である。圧損の増加を抑制するためには，このサポート板５２は，スワール流れに沿った方向に平行に設けられることが好適である。

図１９に示されているように，延長管２４の出口に，上流側に向かって先細である構造体５３が設けられることも好適である。構造体５３の形状は，典型的には，上流側に頂点が位置する円錐体である。先細構造体５３は，サポート５４によって延長管２４の出口に接合される。

先細構造体５３は，メインノズル２３の先端の下流側における渦心の発生を抑制するためのものではなく，したがって，図１９の構造では，メインノズル２３の先端の下流側において渦心が発生し得る。しかし，先細構造体５３は，スワール流れを延長管２４の出口において加速し，これによって渦心を消滅させる。かかる作用を有する先細構造体５３は，渦心の発生に起因するフラッシュバックを抑制するために有効である。

渦心が発生することに起因するフラッシュバックを抑制するためには，図２０に示されているように，中間絞り５５ａが設けられている延長管２４Ｃが使用されることも好適である。より厳密には，延長管２４Ｃの，燃焼器の軸方向に垂直な断面の面積は，中間絞り５５ａの位置で最も小さい。他の表現を用いれば，延長管２４Ｃの中間絞り５５ａにおける断面の面積Ｓ_１は，延長管２４Ｃの出口の面積Ｓ_２よりも小さい。

かかる構造の延長管２４Ｃは，メインノズル２３の先端の下流側における渦心の発生を抑制するためのものではない。しかし，メインノズル２３の下流側に発生した渦心は，中間絞り５５ａによって消滅されるから，中間絞り５５ａの下流側では渦心は存在しない。中間絞り５５ａの下流側に位置する拡大部５５ｂでは延長管２４Ｃは拡大され，これによって拡大された予混合気の流れが，延長管２４Ｃの出口から噴出される。かかる作用を有する延長管２４Ｃは，渦心の発生に起因するフラッシュバックを抑制するために有効である。

延長管２４Ｃに中間絞り５５ａが設けられている場合，中間絞り５５ａの下流側に位置する拡大部５５ｂでは，予混合気の流れが延長管２４Ｃの内面から剥離しやすい。予混合気の流れが剥離すると，剥離した位置においてフラッシュバックが発生する可能性がある。

予混合気の剥離に起因するフラッシュバックを抑制するためには，図２１に示されているように，延長管２４Ｃの拡大部５５ｂの内面に沿ってフィルム状の空気が流されることが好適である。これを実現するためには，バーナ外筒２１の下流側の先端部２１ｃが延長管２４Ｃに沿って延長されることが好適である。先端部２１ｃを中間絞り５５ａの近傍まで延長することにより，拡大部５５ｂの内面に沿って空気を流すことが可能になる。

メインノズルの先端の下流側における渦心に起因するフラッシュバックを抑制するためには，図２２Ａに示されているように，特別な形状を有するメインノズル５６が使用されることも好適である。メインノズル５６は，その下流側における渦心の発生を防止するような形状を有している。具体的には，メインノズル５６は，ノズル竿５６ａと，ノズル翼５６ｂとを備えている。図２２Ｂに示されているように，ノズル翼５６ｂは，ノズル竿５６ａから放射状に接続されている。図２２Ａに示されているように，ノズル竿５６ａは，その先端がメインスワラ２２から上流側に充分に離されている。これは，メインノズル５６の下流側における渦心の発生を防止するために重要である。一方で，燃料をメインスワラ２２の近くに噴射するために，ノズル翼５６ｂは，ノズル竿５６ａに垂直に延伸する垂直部分５６ｃと，垂直部分５６ｃの先端からノズル竿５６ａに平行に延伸する平行部分５６ｄとを有している。燃料を噴射するノズル孔５６ｅは，平行部分５６ｄの先端の近傍に設けられる。ノズル竿５６ａの下流側の端は，平行部分５６ｄの下流側の端よりも，上流側に位置している。

このような構造のメインノズル５６は，ノズル竿５６ａの下流側においてスワール流れの渦心が発生しにくく，フラッシュバックを抑制するために効果的である。

一層に渦心の発生を抑制するためには，図２３に示されているように，ノズル竿を用いずに燃料が噴射されることも好適である。図２３のメインバーナ２では，燃料を噴射するノズル孔５７ａが設けられたノズル翼５７が，バーナ外筒２１の内表面に接合される。ノズル翼５７への燃料の供給は，バーナ外筒２１の外側に接合された燃料マニホールド５８が使用される。

図２３のメインバーナ２では，ノズル翼５７を支持するためにノズル竿は用いられない。ノズル竿は，渦心の発生の重要な要因の一つであり，従って，ノズル竿の排除は，渦心の発生を防止してフラッシュバックを抑制するために効果的である。

図１は，従来の典型的な燃焼器の断面の構造を示す概略図である。図２は，従来の典型的な燃焼器の，下流側からみた構造を示す概略図である。図３は，従来の典型的な燃焼器のメインバーナの構造を示す概略図である。図４は，従来の典型的な燃焼器における，メインバーナのバーナ外筒と延長管との接続部の構造を示す断面図である。図５は，従来の典型的な燃焼器の，パイロットバーナとメインバーナとを支持する基板の構造を示す概略図である。図６は，従来の典型的な燃焼器において発生し易い低速領域を説明する図である。図７は，バーナ外筒と延長管との接続部に設けられるスペーサの下流に発生するウェイクを説明する図である。図８は，本発明の実施の第１形態における，燃焼器の延長管の構造を示す図である。図９は，実施の第１形態における，燃焼器の延長管の好適な構造を示す図である。図１０は，実施の第１形態における，燃焼器の基板に設けられるスイープ空気孔の配置を示す図である。図１１Ａは，実施の第１形態における，燃焼器の基板が生成するスイープ空気の好適な旋回方向を示す図である。図１１Ｂは，好適なスイープ空気孔の形状を示す図である。図１２は，実施の第１形態における，燃焼器の延長管の他の構造を示す図である。図１３Ａは，本発明の実施の第２形態における，バーナ外筒と延長管との接続部の構造を示す断面図である。図１３Ｂは，実施の第２形態における，バーナ外筒と延長管との接続部に設けられるスペーサの断面構造を示す図である。図１４Ａは，実施の第２形態における，バーナ外筒と延長管との接続部に設けられるスペーサの，他の構造を示す図である。図１４Ｂは，図１４Ａに図示されているスペーサの断面構造を示す図である。図１５Ａは，実施の第２形態における，バーナ外筒と延長管との接続部に設けられるスペーサの，更に他の構造を示す図である。図１５Ｂは，図１５Ａに図示されているスペーサの断面構造を示す図である。図１６Ａは，本発明の実施の第２形態における，バーナ外筒と延長管との接続部の他の構造を示す断面図である。図１６Ｂは，本発明の実施の第２形態における，バーナ外筒と延長管との接続部のより好適な構造を示す断面図である。図１７Ａは，本発明の実施の第３形態におけるメインバーナの構造を示す断面図である。図１７Ｂは，図１７Ａに図示されているメインバーナの，下流側からみた構造を示す概略図である。図１８は，実施の第３形態におけるメインバーナの，好適な構造を示す断面図である。図１９は，本発明の実施の第３形態におけるメインバーナの他の構造を示す断面図である。図２０は，本発明の実施の第３形態におけるメインバーナの更に他の構造を示す断面図である。図２１は，本発明の実施の第３形態におけるメインバーナの好適な構造を示す断面図である。図２２Ａは，本発明の実施の第３形態におけるメインバーナの更に他の構造を示す断面図である。図２２Ｂは，図２２Ａに図示されているメインバーナのメインノズルの構造を示す図である。図２３は，本発明の実施の第３形態におけるメインバーナの更に他の構造を示す断面図である。

符号の説明

１：パイロットバーナ
２：メインバーナ
２ａ：空気
３：燃焼器内筒
４：基板
５：パイロットバーナ支持穴
６：メインバーナ支持穴
７：スイープ空気孔
１１：バーナ外筒
１２：パイロットスワラ
１３：パイロットノズル
１４：パイロットコーン
２１：バーナ外筒
２１ａ：外筒本体
２１ｂ，２１ｃ：先端部
２２：メインスワラ
２３：メインノズル
２３ａ：ノズル竿
２３ｂ：ノズル翼
２３ｃ：燃料
２４，２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ：延長管
２４ａ：流れ
２４ｂ：渦心
２４ｃ：長軸
２４ｄ：開口
２４ｅ：ガイド
２４ｆ：対向部分
２４ｇ：接合部分
２５，２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ：スペーサ
２５ａ：ウェイク
２６：低速領域
３１，３２：半径方向エッジ
３３，３４：周方向エッジ
３５：角部
３６：スイープ空気孔
３７，３８：破線
３９：領域
４０：矢印
４１：孔
５１：渦心阻害構造体
５２：サポート板
５３：先細構造体
５４：サポート
５５ａ：中間絞り
５５ｂ：拡大部
５６：メインノズル
５６ａ：ノズル竿
５６ｂ：ノズル翼
５６ｃ：垂直部分
５６ｄ：平行部分
５６ｅ：ノズル孔
５７：ノズル翼
５７ａ：ノズル孔

Claims

パイロットバーナと，
前記パイロットバーナの周囲に，半径方向外側に設けられている複数のメインバーナと，
前記パイロットバーナと前記メインバーナとを支持する基板
とを備え，
前記メインバーナのそれぞれは，その下流側の端に設けられた延長管を含み，
前記延長管の出口は，前記半径方向に平行な２つの半径方向エッジを有し、且つ、前記半径方向エッジを連結する周方向エッジを有するような形状に形成されており、
前記延長管は，前記基板に対して下流側に位置し，
前記基板は，下流側にスイープ空気を流通させる開口を有しており，
前記基板の前記延長管の間の位置に対応する領域における前記開口の開口率は，他の領域における前記開口の開口率よりも大きい
ガスタービン燃焼器。
請求項１に記載のガスタービン燃焼器であって，
前記延長管の前記出口は，前記半径方向エッジと前記周方向エッジとを接続する角部が丸められた形状を有している
ガスタービン燃焼器。
請求項１に記載のガスタービン燃焼器であって，
前記基板の，隣接する前記延長管の間であり，且つ，前記延長管よりも半径方向内側の位置に対応する領域における前記開口の開口率は，他の領域における前記開口の開口率よりも大きい
ガスタービン燃焼器。
請求項１に記載のガスタービン燃焼器であって，
前記メインバーナは，
下流側の端に設けられた延長管と，
予混合気を旋回させて前記延長管に供給するメインスワラ
とを含み，
前記延長管は，前記基板に対して下流側に位置し，
前記基板は，下流側にスイープ空気を流通させる開口を有しており，
前記開口は，前記スイープ空気が前記予混合気の旋回の方向と同一の方向に旋回するように形成されている
ガスタービン燃焼器。
請求項１に記載のガスタービン燃焼器であって，
前記メインバーナは，予混合燃焼を行うように構成され，且つ，
前記メインバーナは，
燃料を空気に噴射するノズルと，前記燃料と前記空気とを含む予混合気を旋回させるスワラとを収容するバーナ外筒と，
前記バーナ外筒の下流側の端に，前記バーナ外筒の外側に位置するように挿入された延長管と，
前記バーナ外筒の外側に，前記バーナ外筒と前記延長管との間に設けられ，且つ，互いに離間された複数のスペーサを備え，
前記スペーサは，下流側に先細な形状を有している
ガスタービン燃焼器。
請求項１に記載のガスタービン燃焼器であって，
前記メインバーナは，予混合燃焼を行うように構成され，且つ，
前記メインバーナは，
燃料を空気に噴射するノズルと，前記燃料と前記空気とを含む予混合気を旋回させるスワラとを収容するバーナ外筒と，
前記バーナ外筒の下流側の端に，前記バーナ外筒の外側に位置するように挿入された延長管と，
前記バーナ外筒の外側に，且つ，前記バーナ外筒と前記延長管との間に設けられたスペーサを備え，
前記スペーサは，下流側に向かって先広である開口を有している
ガスタービン燃焼器。
請求項１に記載のガスタービン燃焼器であって，
前記メインバーナは，予混合燃焼を行うように構成され，且つ，
前記メインバーナは，
燃料を空気に噴射するノズルと，前記燃料と前記空気とを含む予混合気を旋回させるスワラとを収容するバーナ外筒と，
前記バーナ外筒の下流側の端に，前記バーナ外筒の外側に位置するように挿入された延長管と，
前記バーナ外筒の外側に，且つ，前記バーナ外筒と前記延長管との間に設けられたスペーサを備え，
前記スペーサは，多孔質体で形成されている
ガスタービン燃焼器。
請求項６又は請求項７に記載のガスタービン燃焼器であって，
前記スペーサは，リング状であり，前記バーナ外筒を取り囲むように前記バーナ外筒の外側に接続されている
ガスタービン燃焼器。
請求項１に記載のガスタービン燃焼器であって，
前記メインバーナは，予混合燃焼を行うように構成され，且つ，
前記メインバーナは，
燃料を空気に噴射するノズルと，前記燃料と前記空気とを含む気流を旋回させて予混合気を生成するスワラとを収容するバーナ外筒と，
前記バーナ外筒の下流側に，前記バーナ外筒の外側に位置するように挿入された延長管
とを含み，
前記バーナ外筒は，
外筒本体と，
前記外筒本体の下流側の端に設けられた，前記外筒本体よりも径が細い先端部とを具備し，
前記延長管は，前記外筒本体に接触し，且つ，前記外筒本体の下流側において前記先端部に対向するように前記バーナ外筒に挿入され，且つ，前記先端部に対向する位置に開口を有している
ガスタービン燃焼器。
請求項９に記載のガスタービン燃焼器であって，
前記開口は，前記先端部と前記延長管との隙間の半径方向の幅ｇと，前記開口の下流側の端から前記先端部の下流側の端までの，前記延長管に沿った方向の距離Ｌとを用いて記述される下記式：
Ｌ／ｇ＞２，
を満足させるように位置している
ガスタービン燃焼器。
請求項９に記載のガスタービン燃焼器であって，
前記バーナは，更に，前記延長管の外側に設けられ，空気を前記開口に導入するガイドを含む
ガスタービン燃焼器。
請求項１１に記載のガスタービン燃焼器であって，
前記ガイドは，
前記開口の下流側において前記延長管に接続される接続部分と，
前記接続部分から上流側に延伸し，且つ，前記開口に対向するように位置する対向部分
とを具備する
ガスタービン燃焼器。
請求項１に記載のガスタービン燃焼器であって，
前記メインバーナは，予混合燃焼を行うように構成され，且つ，
前記メインバーナは，
燃料を空気に噴射するノズルと，
前記燃料と前記空気とを含む予混合気を旋回させるスワラと，
前記ノズルと前記スワラとを収容するバーナ外筒と，
前記バーナ外筒の下流側の先端に接続された延長管と，
前記延長管の出口から前記スワラに到達し，且つ，前記バーナ外筒及び前記延長管の内表面から離れて位置している構造体
とを含む
ガスタービン燃焼器。
請求項１３に記載のガスタービン燃焼器であって，
前記ノズルは，
ノズル竿と，
前記ノズル竿の側面に接続され，前記燃料を噴射するノズル孔が設けられたノズル翼とを具備し，
前記ノズル竿の下流側の先端は，前記構造体に近接して位置している
ガスタービン燃焼器。
請求項１３に記載のガスタービン燃焼器であって，
前記バーナは，更に，前記構造体と前記延長管との間に介設され，前記構造体を支持する支持部材を含む
ガスタービン燃焼器。
請求項１５に記載のガスタービン燃焼器であって，
前記支持部材は，サポート板を具備し，
前記サポート板は，旋回する前記予混合気の流れに平行に設けられた
ガスタービン燃焼器。
請求項１に記載のガスタービン燃焼器であって，
前記メインバーナは，予混合燃焼を行うように構成され，且つ，
前記メインバーナは，
燃料を空気に噴射するノズルと，
前記燃料と前記空気とを含む予混合気を旋回させるスワラと，
前記ノズルと前記スワラとを収容するバーナ外筒と，
前記バーナ外筒の下流側の先端に接続された延長管と，
前記延長管の出口から上流側に向かって延伸し，且つ，上流側に向かって先細である先細構造体
とを含む
ガスタービン燃焼器。
請求項１に記載のガスタービン燃焼器であって，
前記メインバーナは，予混合燃焼を行うように構成され，且つ，
前記メインバーナは，
燃料を空気に噴射するノズルと，
前記燃料と前記空気とを含む予混合気を旋回させるスワラと，
前記ノズルと前記スワラとを収容するバーナ外筒と，
前記バーナ外筒の下流側の先端に接続された延長管と，
とを含み，
前記延長管には，前記バーナ外筒と前記延長管の出口との間に位置する中間絞りが設けられている
ガスタービン燃焼器。
請求項１８に記載のガスタービン燃焼器であって，
前記延長管は，前記中間絞りの下流側に位置する拡大部を有し，
前記バーナは，前記拡大部の内表面に沿ってフィルム空気を流すフィルム空気供給手段
を備えている
ガスタービン燃焼器。
請求項１に記載のガスタービン燃焼器であって，
前記メインバーナは，予混合燃焼を行うように構成され，且つ，
前記メインバーナは，
燃料を空気に噴射するノズルと，
前記燃料と前記空気とを含む予混合気を旋回させるスワラ
とを含み，
前記ノズルは，
ノズル竿と，
前記ノズル竿の側面に接続され，前記燃料を噴出するノズル孔を有するノズル翼
とを具備し，
前記ノズル翼は，
前記ノズル竿に接続され，且つ，前記ノズル竿が延伸する方向に垂直な方向に延伸する垂直部分と，
前記垂直部分から，前記ノズル竿に平行な方向に延伸する平行部分
とを備え，
前記ノズル孔は，前記平行部分に形成され，
前記ノズル竿の下流側の端は，前記平行部分の下流側の端よりも，上流側に位置している
ガスタービン燃焼器。
請求項１に記載のガスタービン燃焼器であって，
前記メインバーナは，予混合燃焼を行うように構成され，且つ，
前記メインバーナは，
バーナ外筒と，
前記バーナ外筒の内面に接続され，燃料を空気に噴出するノズル孔を有するノズル翼と，
前記バーナ外筒の内部に，前記ノズル翼の下流側に設けられ，前記燃料と前記空気とを含む予混合気を旋回させるスワラ
とを含む
ガスタービン燃焼器。