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1. (WO2017170834) COMBUSTOR AND GAS TURBINE
Document

明 細 書

発明の名称 燃焼器、及びガスタービン

技術分野

0001  

背景技術

0002  

先行技術文献

特許文献

0003  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0004   0005  

課題を解決するための手段

0006   0007   0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014  

発明の効果

0015  

図面の簡単な説明

0016  

発明を実施するための形態

0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065  

産業上の利用可能性

0066  

符号の説明

0067  

請求の範囲

1   2   3   4   5  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11  

明 細 書

発明の名称 : 燃焼器、及びガスタービン

技術分野

[0001]
 本発明は、燃焼器、及びガスタービンに関する。
 本願は、2016年3月30日に出願された特願2016-067125号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。

背景技術

[0002]
 一般的に、ガスタービンは、外気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機と、燃料を圧縮空気中で燃焼させることで高温高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼ガスによって回転駆動されるタービンと、を備えている。
 ガスタービンの効率向上のためにはタービン入口温度の上昇が必要であるが、温度上昇に伴いNOxが指数関数的に増加するという課題がある。NOxの増加に対する対策として、例えば、以下の特許文献1に開示されている燃焼器は、旋回流によって均一混合気を形成して局所的な高温領域の形成を抑制するバーナを備えている。
 この燃焼器のバーナは、バーナ軸線に沿って延びる軸体であるノズルと、このノズルの外周を囲み、圧縮空気と燃料とを下流側に噴出するバーナ筒と、バーナ筒内の流体をバーナ軸線周りに旋回させる旋回羽根と、を備えている。

先行技術文献

特許文献

[0003]
特許文献1 : 特開2006-336996号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0004]
 旋回が加えられた予混合気が燃焼する際、旋回流中心を火炎が遡上する現象(渦芯フラッシュバック)がしばしば生じることが知られている。渦芯フラッシュバックなどの異常燃料が発生すると、ノズルに火炎が付着し、熱損傷する恐れがあるため、この発生を抑えることが望まれている。
[0005]
 この発明は、渦芯フラッシュバックのような異常燃焼が発生した場合においても渦芯フラッシュバックを回避することができる燃焼器、及びガスタービンを提供する。

課題を解決するための手段

[0006]
 本発明の第一の態様によれば、燃焼器は、軸線に沿って延びる軸体であって、前記軸体の内部において前記軸体の先端部まで前記軸線に沿って延びて圧縮空気が導入されているパージ空気流路と、前記軸体の先端部に形成されて前記パージ空気流路と前記軸体の外面とを接続する空気噴射孔と、を有する軸体、前記軸体の外周面から前記軸線の径方向に張り出して、前記軸線方向の下流側に流れる流体を前記軸線回りに旋回させる旋回羽根、及び燃料噴射孔を有するノズル本体と、前記空気噴射孔を封止し、前記ノズル本体を形成する金属よりも融点の低い金属によって形成されている封止部材と、を備える。
[0007]
 このような構成によれば、渦芯フラッシュバックのような異常燃焼が発生した場合においても空気噴射孔から圧縮空気がノズル本体の下流側に噴射されることによって、渦芯フラッシュバックを回避することが可能となる。これにより、渦芯フラッシュバックによる燃焼器の熱損傷を防止することができる。
[0008]
 上記燃焼器において、前記封止部材は、板状をなし、前記空気噴射孔の前記軸体の外面側の開口の周囲に形成され、前記封止部材を嵌め込むことが可能な凹部に接合されてよい。
[0009]
 このような構成によれば、使用条件や、ガスタービンの仕様に応じて、封止部材40Dの板厚を変更することができる。即ち、渦芯フラッシュバックの発生時において、確実に溶融する封止部材とすることが容易となる。
[0010]
 本発明の第二の態様によれば、燃焼器は、軸線に沿って延びる軸体であって、前記軸体の内部において前記軸線に沿って延びて圧縮空気が導入されているパージ空気流路と、前記軸体の先端部に形成されて前記パージ空気流路と連通する内部空間と、を有する軸体、前記軸体の外周面から前記軸線の径方向に張り出して、前記軸線方向の下流側に流れる流体を前記軸線回りに旋回させる旋回羽根、及び燃料噴射孔を有するノズル本体を備え、前記軸体の先端部は、前記軸体の外面と前記内部空間の内面との間の厚さが前記軸体の他の部位より薄い薄肉部を有している。
[0011]
 このような構成によれば、渦芯フラッシュバックのような異常燃焼が発生した場合においても薄肉部が溶けて圧縮空気がメイン本体の下流側に噴射されることによって、渦芯フラッシュバックを回避することが可能となる。
 また、使用条件や、ガスタービンの仕様に応じて、先端部の厚さを変更することができる。即ち、渦芯フラッシュバックの発生時において、確実に溶融する先端部とすることが容易となる。
[0012]
 本発明の第三の態様によれば、燃焼器は、軸線に沿って延びる軸体であって、前記軸体の内部において前記軸線に沿って延びて圧縮空気が導入されているパージ空気流路と、前記軸体の先端部に形成されて前記パージ空気流路と連通する内部空間と、前記軸体の先端部に形成されて前記内部空間と前記軸体の外面とを接続する空気噴射孔と、を有する軸体、前記軸体の外周面から前記軸線の径方向に張り出して、前記軸線方向の下流側に流れる流体を前記軸線回りに旋回させる旋回羽根、及び燃料噴射孔を有するノズル本体と、前記内部空間の内部に設けられて、前記空気噴射孔を開閉する弁装置であって、一方向に進退自在に保持されている弁軸と、前記弁軸の先端に取り付けられて前記空気噴射孔に密着する第一の位置と、前記空気噴射孔から離間する第二の位置とに移動可能な弁体と、前記弁体を前記第一の位置の方向に付勢する付勢部材と、前記弁体と前記空気噴射孔との間に配置され、前記付勢部材を形成する金属よりも熱膨張率の高い金属によって形成され、熱伸びによって前記弁体を前記第二の位置に移動させる熱伸び部材と、を有する弁装置と、を備える。
[0013]
 このような構成によれば、渦芯フラッシュバックのような異常燃焼が発生した場合においても空気噴射孔から圧縮空気がノズル本体の下流側に噴射されることによって、渦芯フラッシュバックを回避することが可能となる。これにより、渦芯フラッシュバックによる燃焼器の熱損傷を防止することができる。
 また、ノズル本体が渦芯フラッシュバックに曝された後も、繰返し弁装置を使用することができる。
[0014]
 本発明の第四の態様によれば、ガスタービンは、上記燃焼器と、空気を圧縮して前記燃焼器に空気を供給する圧縮機と、前記燃焼器内での燃料の燃焼で形成された燃焼ガスにより駆動するタービンと、を備えている。

発明の効果

[0015]
 本発明によれば、渦芯フラッシュバックのような異常燃焼が発生した場合においても圧縮空気がノズル本体の下流側に噴射されることによって、渦芯フラッシュバックを回避することが可能となる。

図面の簡単な説明

[0016]
[図1] 本発明の第一の実施形態のガスタービンの構成を示す模式図である。
[図2] 本発明の第一の実施形態のガスタービンの燃焼器周りの断面図である。
[図3] 本発明の第一の実施形態の燃焼器の断面図である。
[図4] 本発明の第一の実施形態のメインバーナの断面図である。
[図5] 図4のV矢視図であって、本発明の第一の実施形態の空気噴射孔の配置を説明する図である。
[図6] 本発明の第一の実施形態の第一の変形例の空気噴射孔の形状を説明する図である。
[図7] 本発明の第一の実施形態の第二の変形例の空気噴射孔の形状を説明する図である。
[図8] 本発明の第二の実施形態のメインノズルの断面図である。
[図9] 本発明の第三の実施形態のメインノズルの断面図である。
[図10] 本発明の第四の実施形態のメインノズルの断面図である。
[図11] 本発明の第四の実施形態のメインノズルの断面図であって、開状態の弁装置を示す図である。

発明を実施するための形態

[0017]
〔第一の実施形態〕
 本発明の第一の実施形態のガスタービン1について図面を参照して詳細に説明する。
 図1に示すように、本実施形態のガスタービン1は、空気Aを圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機2と、燃料Fを圧縮空気中で燃焼させることで高温高圧の燃焼ガスを生成する複数の燃焼器3と、燃焼ガスによって回転駆動されるタービン4と、を備えている。
[0018]
 圧縮機2は、回転軸線Arを中心として回転する圧縮機ロータ6と、圧縮機ロータ6を回転可能に覆う圧縮機ケーシング7と、を有している。タービン4は、回転軸線Arを中心として回転するタービンロータ8と、タービンロータ8を回転可能に覆うタービンケーシング9と、を有している。
 圧縮機ロータ6の回転軸線とタービンロータ8の回転軸線とは、同一直線上に位置している。圧縮機ロータ6とタービンロータ8とは、互いに連結されてガスタービンロータ10を成している。圧縮機ケーシング7とタービンケーシング9とは、互いに連結されてガスタービンケーシング11を成している。
[0019]
 ガスタービンロータ10には、例えば、発電機GENのロータが連結されている。ガスタービンケーシング11には、燃焼器3が固定されている。
[0020]
 図2に示すように、燃焼器3は、燃焼筒13(又は尾筒)と、燃料噴出器14と、を有する。燃焼筒13は、内部で燃料Fが燃焼する。燃焼筒13は、この燃料Fの燃焼の結果生成される燃焼ガスをタービン4に送る。燃料噴出器14は、燃焼筒13内に燃料F及び圧縮空気Aを噴出する。
[0021]
 図3に示すように、燃料噴出器14は、パイロットバーナ15と、メインバーナ16(ノズル本体)と、バーナ保持筒17と、を備えている。パイロットバーナ15は、噴出した燃料を拡散燃焼させる。メインバーナ16は、噴出した燃料を予混合燃焼させる。バーナ保持筒17は、パイロットバーナ15及びメインバーナ16を保持している。
[0022]
 パイロットバーナ15は、パイロットノズル19と、パイロットバーナ筒18と、複数の旋回羽根20と、を有している。パイロットノズル19は、燃焼器軸線Acを中心として軸線方向Daに延びる軸体である。パイロットバーナ筒18は、このパイロットノズル19の外周を覆っている。旋回羽根20は、燃焼器軸線Acを中心として圧縮空気Aを旋回させる。ここで、燃焼器軸線Acが延びている方向である軸線方向Daの一方側を上流側(図3の右側)、他方側を下流側(図3の左側)とする。また、燃焼器軸線Acは、このパイロットバーナ15のバーナ軸線でもある。
[0023]
 パイロットノズル19の下流側端部には、噴射孔が形成されている。複数の旋回羽根20は、噴射孔が形成されている位置よりも上流側に設けられている。各々の旋回羽根20は、パイロットノズル19の外周から放射方向成分を含む方向に延びて、パイロットバーナ筒18の内周面に接続されている。
 パイロットバーナ筒18は、パイロットノズル19の外周に位置する本体部21と、本体部21の下流側に接続され下流側向かって次第に拡径されているコーン部22と、を有している。複数の旋回羽根20は、パイロットバーナ筒18における本体部21の内周面に接続されている。パイロットバーナ筒18内には、その上流側から圧縮機2で圧縮された圧縮空気Aが流入する。パイロットバーナ筒18は、その下流端から、圧縮空気Aと共に、パイロットノズル19から噴射された燃料を噴出する。この燃料は、燃焼筒13内で拡散燃焼する。
[0024]
 複数のメインバーナ16は、パイロットバーナ15の外周側を囲むよう、燃焼器軸線Acを中心として、周方向に並んで配置されている。
[0025]
 メインバーナ16は、メインノズル24と、メインバーナ筒25と、複数の旋回羽根26と、を有している。メインノズル24は、燃焼器軸線Acと平行なバーナ軸線Abに沿って延びる軸体である。メインバーナ筒25は、このメインノズル24の外周を覆っている。旋回羽根26は、バーナ軸線Abを中心として圧縮空気Aを旋回させる。
 なお、メインバーナ16のバーナ軸線Abは、燃焼器軸線Acと平行であるため、燃焼器軸線Acに関する軸線方向と、バーナ軸線Abに関する軸線方向とは同じ方向である。
 また、燃焼器軸線Acに関する軸線方向の上流側は、バーナ軸線Abに関する軸線方向の上流側である。燃焼器軸線Acに関する軸線方向の下流側は、バーナ軸線Abに関する軸線方向の下流側である。
 メインノズル24は、例えば、ステンレス鋼材等の金属によって形成されている。メインノズル24を形成する金属としては、融点が1000℃以上の金属を採用することができる。
[0026]
 複数の旋回羽根26は、メインノズル24の軸線方向Daにおける中間部に設けられている。メインバーナ筒25は、メインノズル24の外周に位置する本体部27と、本体部27の下流側に接続され下流側向かって延びる延長部28と、を有している。
 複数の旋回羽根26は、メインバーナ筒25における本体部27の内周面に接続されている。複数の旋回羽根26には、燃料(ガス燃料)を噴射するための複数の燃料噴射孔38(図4参照)が形成されている。メインノズル24内には、燃料が供給され、メインノズル24から旋回羽根26に燃料が供給される。
[0027]
 メインバーナ筒25内には、その上流側から圧縮機2で圧縮された圧縮空気Aが流入する。メインバーナ筒25内では、この圧縮空気Aと旋回羽根26から噴射された燃料とが混合して、予混合気体PMが形成される。メインバーナ筒25は、その下流端から予混合気体PMを噴出する。この予混合気体PM中の燃料は、燃焼筒13内で予混合燃焼する。
[0028]
 バーナ保持筒17は、燃焼器軸線Acを中心として円筒状を成し、複数のメインバーナ筒25の外周側を覆う。
[0029]
 燃焼筒13は、燃焼部31と、燃焼ガス案内部32と、を有する。燃焼部31は、燃焼器軸線Acを中心として円筒状を成している。燃焼部31は、メインバーナ16及びパイロットバーナ15から噴出した燃料が燃焼する燃焼領域30を形成する。燃焼ガス案内部32は、筒状を成している。燃焼ガス案内部32は、燃料の燃焼で生成された燃焼ガスをタービン4の燃焼ガス流路内に導く。燃焼筒13の燃焼ガス案内部32は、燃焼筒13の燃焼部31の下流側に形成されている。
[0030]
 図4に示すように、メインバーナ16の各々の旋回羽根26は、メインノズル24の外周面から径方向に張り出して、メインバーナ筒25の内周面に接続されている。旋回羽根26は、下流側に流通する流体をバーナ軸線Ab回りに旋回させるように形成されている。
[0031]
 メインノズル24は、円柱状をなすメインノズル本体部34と、メインノズル本体部34の下流側に設けられた尖形の先端部35と、を有している。先端部35は、下流側に向かうに従って漸次細くなっている。換言すれば、先端部35は、下流側の先端に向かうに従って先細りとなるテーパ状に形成されている。
[0032]
 旋回羽根26は、ノズル側接続部45と、筒側接続部46と、プロファイル部36と、を有している。ノズル側接続部45は、メインノズル本体部34の外周面に接続されている。筒側接続部46は、メインバーナ筒25の内周面に接続されている。プロファイル部36は、上流側より流れる流体をバーナ軸線Ab周りに旋回させるために滑らかで連続したプロファイル面37が形成されている。なお、バーナ軸線Abを中心とした周方向を以下では単に周方向Dcとし、バーナ軸線Abを中心とした径方向Drを以下では単に径方向Drとする。
 旋回羽根26には、燃料Fを噴射する複数の燃料噴射孔38が形成されている。
[0033]
 メインバーナ16は、燃料流路41と、パージ空気流路29と、空気噴射孔39と、封止部材40と、を有している。燃料流路41は、旋回羽根26の燃料噴射孔から燃料Fを噴射する。パージ空気流路29は、メインノズル24の内部においてメインノズル24の先端部35までバーナ軸線Abに沿って延びて圧縮空気Aが導入される。空気噴射孔39は、圧縮空気Aが噴射される。封止部材40は、空気噴射孔39を封止する。
 パージ空気流路29は、空気流路本体部29aと、拡径部29bと、を有している。空気流路本体部29aは、メインノズル24の内部にバーナ軸線Abに沿って延在している。拡径部29bは、空気流路本体部29aの下流側であってメインノズル24の先端部35の内部に形成されている。
[0034]
 パージ空気流路29は、圧縮機(図1参照)にて生成される圧縮空気Aが導入されている。パージ空気流路29は、メインノズル24の先端部35の外面近傍まで延在している。拡径部29bの軸線方向Daから見た断面形状は、空気流路本体部29aの軸線方向Daから見た断面形状よりも大きい。拡径部29bは、メインノズル24の先端部35の外面に沿う形状となっていることが好ましい。
[0035]
 空気噴射孔39は、メインノズル24の先端部35に形成されている。空気噴射孔39は、パージ空気流路29の拡径部29bとメインノズル24の先端部35の外面とを接続している。図5に示すように、空気噴射孔39は、バーナ軸線Abの周方向に等間隔に3つ形成されている。空気噴射孔39の数はこれに限ることはない。
 空気噴射孔39の軸線は、バーナ軸線Ab側から径方向外側に向かうに従って下流側に向かうように傾斜している。空気噴射孔39は、パージ空気流路29を介して空気噴射孔39に導入された圧縮空気Aをメインノズル24の下流側に向けて噴射するように指向されている。本実施形態の空気噴射孔39の断面形状は円形である。
[0036]
 封止部材40は、各々の空気噴射孔39を塞ぐ部材である。封止部材40の径方向外側を向く面は、メインノズル24の先端部35の外面と同一面をなすように形成されている。本実施形態の封止部材40は、アルミニウム(Al)によって形成されている。本実施形態の封止部材40は、アルミニウムろう材を溶かすことによって、空気噴射孔39に埋め込まれている。
 封止部材40を形成する材料としては、これに限らず、メインノズル24を形成する金属より融点が低い、融点が500℃-600℃の融点の低い金属を使用することができる。
[0037]
 次に、本実施形態のガスタービン1の動作及び作用について説明する。
 圧縮機2は、外気を吸い込んでこれを圧縮する。圧縮機2で圧縮された空気は、燃焼器3のメインバーナ16及びパイロットバーナ15内に導かれる。メインバーナ16及びパイロットバーナ15には、燃料供給源から燃料が供給される。メインバーナ16は、燃料と空気と予混合した予混合気体PMを、燃焼筒13の燃焼部31内に噴出する。この予混合気体PMは、燃焼部31内で予混合燃焼する。また、パイロットバーナ15は、燃焼筒13の燃焼部31内に、燃料と空気とをそれぞれ噴出する。この燃料は、燃焼部31内で拡散燃焼または予混合燃焼する。前記の燃焼形態は、パイロットバーナ15の燃料噴出部位を選択することによって、任意に変更することができる。燃焼筒13の燃焼部31内での燃料の燃焼で発生した高温高圧の燃焼ガスは、燃焼筒13の燃焼ガス案内部32によりタービン4の燃焼ガス流路内に導かれ、タービンロータ8を回転させる。
[0038]
 メインバーナ筒25には、圧縮機2で圧縮された空気がその上流端から導入される。この空気は、メインバーナ筒25内の複数の旋回羽根26よりバーナ軸線Abを中心として旋回する。燃料は、複数の旋回羽根26の燃料噴射孔38からメインバーナ筒25内に噴射される。
 旋回羽根26から噴射された燃料Fと、旋回しつつ下流側に流れる空気Aとは、メインバーナ筒25内で予混合された後、予混合気体PMとしてメインバーナ筒25の下流端から燃焼筒13内に噴出される。
[0039]
 複数の旋回羽根26の燃料噴射孔38からメインバーナ筒25内に噴射された燃料Fは、複数の旋回羽根26により形成される旋回流により、空気Aとの混合が促進される。また、予混合気体PMは、メインバーナ筒25から旋回しつつ燃焼筒13内に噴出することにより、この予混合気体PMの燃焼により形成される予混合火炎の保炎効果が高まる。
[0040]
 ここで、例えば、旋回が加えられた予混合気体PMが燃焼する際、渦芯フラッシュバックにより火炎が遡上することがある。700℃以上の火炎である渦芯フラッシュバックがメインノズル24に達すると、メインノズル24を形成する金属よりも融点が低い、アルミニウムによって形成されている封止部材40が溶ける。
 これにより、空気噴射孔39からは、パージ空気として圧縮空気Aが噴射される。圧縮空気Aが噴射されることによって、渦芯フラッシュバックが下流側に戻される。
[0041]
 上記実施形態によれば、渦芯フラッシュバックのような異常燃焼が発生した場合においても空気噴射孔39から圧縮空気Aがメインノズル24の下流側に噴射される。そのため、渦芯燃料濃度分布を下げて、渦芯フラッシュバックを回避することが可能となる。これにより、渦芯フラッシュバックによる燃焼器の熱損傷を防止することができる。
[0042]
 なお、上記実施形態では空気噴射孔39の断面形状を円形としたがこれに限ることはない。例えば、図6に示す第一の変形例の空気噴射孔39Bのように、バーナ軸線Abの周方向に沿うスリット形状としてもよい。また、図7に示す第二の変形例のように、1本の空気噴射孔39Cをバーナ軸線Abに沿うように形成してもよい。
[0043]
 また、上記実施形態では、旋回羽根26に燃料Fを噴射する燃料噴射孔38を形成し、ここからメインバーナ筒25内に燃料Fを噴射する。しかしながら、旋回羽根26に燃料噴射孔38を形成せず、別途燃料噴射孔を形成した部材を設けるなどしてもよい。
[0044]
〔第二の実施形態〕
 以下、本発明の第二の実施形態の燃焼器について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態では、上述した第一の実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
 図8示すように、本実施形態の空気噴射孔39Dは、噴射孔本体部43と、メインノズル24の外面側に形成されている板収容部44と、を有している。
[0045]
 本実施形態の封止部材40Dは、板状をなす金属板である。
 板収容部44は、空気噴射孔39Dのメインノズル24の外面24a側の開口の周囲に形成され、封止部材40Dを嵌め込むことが可能な凹部である。
 板収容部44は、噴射孔本体部43の断面形状よりも大きく形成されている。板収容部44は、金属板である封止部材40Dに対応した形状をなしている。板収容部44は、封止部材40Dを板収容部44に嵌め込んだ際に、封止部材40Dの表面が、メインノズル24の外面と略同一面上に配置されるように形成されている。
[0046]
 金属板である封止部材40Dは、所定の厚みを有している。封止部材40Dの平面形状は、円形としてもよいし、矩形としてもよい。封止部材40Dは、板収容部44に嵌め込まれた後、溶接等によって板収容部44に接合される。
 封止部材40Dは、アルミニウム合金によって形成されている。封止部材40Dを形成する材料としては、これに限らず、メインノズル24を形成する金属より融点が低い、融点が500℃-600℃の融点の低い金属を使用することができる。
[0047]
 封止部材40Dの厚さは、実験等によって適宜設定される。封止部材40Dの厚さは、渦芯フラッシュバックのような火炎に曝された際に、確実に溶融するとともに、ガスタービンの通常運転時において溶融することのない厚さに設定されている。即ち、封止部材40Dの厚さは、使用条件によって調整することができる。板収容部44の深さは、封止部材40Dの厚さに応じて適宜変更される。
[0048]
 上記実施形態によれば、使用条件や、ガスタービンの仕様に応じて、封止部材40Dの板厚を変更することができる。即ち、渦芯フラッシュバックの発生時において、確実に溶融する封止部材とすることが容易となる。
[0049]
〔第三の実施形態〕
 以下、本発明の第二の実施形態の燃焼器について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態では、上述した第一の実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
 図9に示すように、本実施形態のメインノズル24は、円柱形状のメインノズル本体部34と、先端側が薄板によって形成されて内部空間47を有する先端部35Eと、を有している。先端部35Eとメインノズル本体部34とは、例えば、溶接によって接合することができる。
[0050]
 先端部35Eの内部空間47は、パージ空気流路29と連通している。
 先端部35Eの先端側は、例えば、厚さTが2mm以下となるように形成されている。換言すれば、先端部35Eは、メインノズル24の外面24aと内部空間47の内面47aとの間の厚さTがメインノズル24の他の部位よりも薄い薄肉部48を有している。
[0051]
 先端部35Eにおいて厚さTが2mm以下となるように形成する範囲は、実験等によって適宜設定される。先端部35Eにおいて厚さTが2mm以下となるように形成する範囲は、渦芯フラッシュバックのような火炎に曝された際に、確実に溶融するとともに、ガスタービンの通常運転時において溶融することのない厚さに設定されている。先端部35Eの厚さTは、使用条件によって調整することができる。
[0052]
 例えば、渦芯フラッシュバックにより火炎が遡上してメインノズル24に達すると、メインノズル24の他の部位よりも薄く形成されている先端部35Eの薄肉部48が溶ける。
 これにより、パージ空気として圧縮空気Aが噴射される。圧縮空気Aが噴射されることによって、渦芯フラッシュバックが下流側に戻される。
[0053]
 上記実施形態によれば、渦芯フラッシュバックのような異常燃焼が発生した場合においても薄肉部48が溶けて圧縮空気Aがメインノズル24の下流側に噴射される。これにより、渦芯燃料濃度分布を下げて、渦芯フラッシュバックを回避することが可能となる。
 また、使用条件や、ガスタービンの仕様に応じて、先端部35Eの厚さTを変更することができる。即ち、渦芯フラッシュバックの発生時において、確実に溶融する先端部35Eとすることが容易となる。
[0054]
〔第四の実施形態〕
 以下、本発明の第四の実施形態の燃焼器について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態では、上述した第一の実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
 図10に示すように、本実施形態のメインノズル24の先端部35Fは、筒状の内部空間47Fと、空気噴射孔39Fと、弁装置49と、を有している。内部空間47Fは、バーナ軸線Abに沿って延在するように形成されている。空気噴射孔39Fは、内部空間47Fとメインノズル24の外面24aとを接続している。弁装置49は、内部空間47F内に設けられて空気噴射孔39Fを開閉する。
[0055]
 弁装置49は、弁軸50と、弁体51と、第一圧縮コイルばね53と、第二圧縮コイルばね54(熱伸び部材)と、を有している。弁軸50は、バーナ軸線Abに沿って延在している。弁体51は、弁軸50の先端に設けられている。第一圧縮コイルばね53は、弁体51の上流側に設けられている。第二圧縮コイルばね54は、弁体51の下流側に設けられている。
[0056]
 弁軸50は、筒状の保持部材55によって軸線方向Daに進退自在に保持されている。保持部材55は、内部空間の47Fの上流側に設けられている支持部材56によって支持されている。支持部材56は、保持部材55の外面と内部空間47Fの内面とを接続する複数の棒状部材によって構成されている。
[0057]
 弁体51は、弁軸50が下流側に移動することによって、空気噴射孔39Fの内部空間47F側の開口57を閉鎖する。即ち、空気噴射孔39Fの内部空間47F側の開口57は、弁体51に対応する弁座として機能する。弁体51は、図10に示すような空気噴射孔38Fに密着する第一の位置と、図11に示すような空気噴射孔38Fから離間する第二の位置とに移動可能である。
[0058]
 第一圧縮コイルばね53は、弁体51を第一の位置の方向に付勢する付勢部材である。第一圧縮コイルばね53は、弁体51の上流側を向く面51aと支持部材56との間に配置されている。第一圧縮コイルばね53の径方向内周側には弁軸50が挿通されている。即ち、弁軸50が第一圧縮コイルばね53のガイドとして機能する。
 第一圧縮コイルばね53の一方の座は弁体51の裏側に当接し、第一圧縮コイルばね53の他方の座は支持部材56に当接している。これにより、第一圧縮コイルばね53の弾性エネルギーは、弁体51を下流側に移動させるように作用する。
[0059]
 第二圧縮コイルばね54は、弁体51の下流側を向く面51bと内部空間47Fの上流側を向く面47bとの間に配置されている。第二圧縮コイルばね54の一方の座は空気噴射孔38Fの内部空間47F側の開口57の周縁に当接し、第二圧縮コイルばね54の他方の座は弁体51の下流側を向く面51bに当接している。これにより、第二圧縮コイルばね54の弾性エネルギーは、弁体51を下流側に移動させるように作用する。
 弁体51の先端には、第二圧縮コイルばね54のガイドとして機能するシャフト58が設けられている。
[0060]
 第一圧縮コイルばね53と第二圧縮コイルばね54とは、ガスタービンの通常の運転時における圧縮空気Aの温度(例えば、450℃)の雰囲気にて、弁体51が空気噴射孔38Fを閉じるように、バネ定数が選択されている。また、弁体51の上流側を向く面51aに圧縮空気Aの圧力が作用することによって、ガスタービンの通常の運転時においては、空気噴射孔38Fは閉じられる。即ち、ガスタービンの通常の運転時においては、パージ空気流路29を介して内部空間47Fに供給される圧縮空気Aは、空気噴射孔38Fから噴射されることはない。
[0061]
 第二圧縮コイルばね54を形成する金属の熱膨張率は、第一圧縮コイルばね53を形成する金属の熱膨張率より高い。即ち、第二圧縮コイルばね54は、温度の上昇によって第一圧縮コイルばね53よりも膨張する。
 具体的には、第一圧縮コイルばね53と第二圧縮コイルばね54の熱膨張率は、渦芯フラッシュバックにより火炎が遡上して、圧縮コイルばね53,54の周囲の雰囲気が700℃まで上昇した場合に、第二圧縮コイルばね54が第一圧縮コイルばね53よりも熱伸して、弁体51が空気噴射孔39Fから離間するように選択されている。即ち、第二圧縮コイルばね54は、熱伸びによって弁体51を第二の位置に移動させる熱伸び部材として機能する。
[0062]
 図11に示すように、例えば、渦芯フラッシュバックにより火炎が遡上してメインノズル24に達すると、第二圧縮コイルばね54が熱伸びすることによって、弁体51が、空気噴射孔39Fの内部空間47F側の開口57から離間する。
 これにより、空気噴射孔39Fを介してパージ空気として圧縮空気Aが噴射される。圧縮空気Aが噴射されることによって、渦芯フラッシュバックが下流側に戻される。
 渦芯フラッシュバックが下流側に戻されることによって、圧縮コイルばね53,54の周囲の雰囲気の温度が低下する。これにより、第二圧縮コイルばね54が縮んで、弁装置49の弁体51で空気噴射孔39Fが閉鎖されることによって、圧縮空気Aの噴出が停止する。
[0063]
 上記実施形態によれば、渦芯フラッシュバックのような異常燃焼が発生した場合においても空気噴射孔39Fから圧縮空気Aがメインノズル24の下流側に噴射される。そのため、渦芯燃料濃度分布を下げて、渦芯フラッシュバックを回避することが可能となる。これにより、渦芯フラッシュバックによる燃焼器の熱損傷を防止することができる。
 また、メインノズル24が渦芯フラッシュバックに曝された後も、繰返し弁装置49を使用することができる。
[0064]
 なお、本実施形態では、渦芯フラッシュバックによって熱伸びする部材を圧縮コイルばねとしたがこれに限ることはない。圧縮コイルばねの代替として、複数の通風孔が形成された円筒状の部材を用いてもよい。
 また、本実施形態の空気噴射孔39F及び弁軸50はバーナ軸線Abに沿って延在しているがこれに限ることはない。空気噴射孔39Fと弁軸50とがバーナ軸線Abに対して傾斜する一方向に延在する構成としてもよい。
[0065]
 以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、種々の変更を加えることが可能である。

産業上の利用可能性

[0066]
 上記燃焼器、及びガスタービンによれば、渦芯フラッシュバックのような異常燃焼が発生した場合においても圧縮空気がノズル本体の下流側に噴射されることによって、渦芯フラッシュバックを回避することが可能となる。

符号の説明

[0067]
 1 ガスタービン
 2 圧縮機
 3 燃焼器
 4 タービン
 13 燃焼筒
 14 燃料噴出器
 15 パイロットバーナ
 16 メインバーナ(ノズル本体)
 24 メインノズル(軸体)
 26 旋回羽根
 29 パージ空気流路
 29a 空気流路本体部
 29b 拡径部
 34 メインノズル本体部
 35 先端部
 38 燃料噴射孔
 39 空気噴射孔
 40 封止部材
 41 燃料流路
 43 噴射孔本体部
 44 板収容部(凹部)
 47 内部空間
 48 薄肉部
 49 弁装置
 50 弁軸
 51 弁体
 53 第一圧縮コイルばね
 54 第二圧縮コイルばね(熱伸び部材)
 56 支持部材
 58 シャフト
 A 空気
 Ab バーナ軸線
 Da 軸線方向
 F 燃料
 PM 予混合気体

請求の範囲

[請求項1]
 軸線に沿って延びる軸体であって、前記軸体の内部において前記軸体の先端部まで前記軸線に沿って延びて圧縮空気が導入されているパージ空気流路と、前記軸体の先端部に形成されて前記パージ空気流路と前記軸体の外面とを接続する空気噴射孔と、を有する軸体、前記軸体の外周面から前記軸線の径方向に張り出して、前記軸線方向の下流側に流れる流体を前記軸線回りに旋回させる旋回羽根、及び燃料噴射孔を有するノズル本体と、
 前記空気噴射孔を封止し、前記ノズル本体を形成する金属よりも融点の低い金属によって形成されている封止部材と、を備える燃焼器。
[請求項2]
 前記封止部材は、板状をなし、前記空気噴射孔の前記軸体の外面側の開口の周囲に形成され、前記封止部材を嵌め込むことが可能な凹部に接合されている請求項1に記載の燃焼器。
[請求項3]
 軸線に沿って延びる軸体であって、前記軸体の内部において前記軸線に沿って延びて圧縮空気が導入されているパージ空気流路と、前記軸体の先端部に形成されて前記パージ空気流路と連通する内部空間と、を有する軸体、前記軸体の外周面から前記軸線の径方向に張り出して、前記軸線方向の下流側に流れる流体を前記軸線回りに旋回させる旋回羽根、及び燃料噴射孔を有するノズル本体を備え、
 前記軸体の先端部は、前記軸体の外面と前記内部空間の内面との間の厚さが前記軸体の他の部位より薄い薄肉部を有している燃焼器。
[請求項4]
 軸線に沿って延びる軸体であって、前記軸体の内部において前記軸線に沿って延びて圧縮空気が導入されているパージ空気流路と、前記軸体の先端部に形成されて前記パージ空気流路と連通する内部空間と、前記軸体の先端部に形成されて前記内部空間と前記軸体の外面とを接続する空気噴射孔と、を有する軸体、前記軸体の外周面から前記軸線の径方向に張り出して、前記軸線方向の下流側に流れる流体を前記軸線回りに旋回させる旋回羽根、及び燃料噴射孔を有するノズル本体と、
 前記内部空間の内部に設けられて、前記空気噴射孔を開閉する弁装置であって、一方向に進退自在に保持されている弁軸と、前記弁軸の先端に取り付けられて前記空気噴射孔に密着する第一の位置と、前記空気噴射孔から離間する第二の位置とに移動可能な弁体と、前記弁体を前記第一の位置の方向に付勢する付勢部材と、前記弁体と前記空気噴射孔との間に配置され、前記付勢部材を形成する金属よりも熱膨張率の高い金属によって形成され、熱伸びによって前記弁体を前記第二の位置に移動させる熱伸び部材と、を有する弁装置と、を備える燃焼器。
[請求項5]
 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の燃焼器と、
 空気を圧縮して前記燃焼器に空気を供給する圧縮機と、
 前記燃焼器内での燃料の燃焼で形成された燃焼ガスにより駆動するタービンと、を備えているガスタービン。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]

[ 図 9]

[ 図 10]

[ 図 11]