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JPH04260720A - ガスタービン燃焼器とその保炎構造 - Google Patents

ガスタービン燃焼器とその保炎構造

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Publication number
JPH04260720A
JPH04260720A JP2183791A JP2183791A JPH04260720A JP H04260720 A JPH04260720 A JP H04260720A JP 2183791 A JP2183791 A JP 2183791A JP 2183791 A JP2183791 A JP 2183791A JP H04260720 A JPH04260720 A JP H04260720A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
combustor
flame
air
gas turbine
annular
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2183791A
Other languages
English (en)
Inventor
Yorihide Segawa
瀬川 頼英
Takashi Omori
隆司 大森
Shigeyoshi Kobayashi
成嘉 小林
Yoji Ishibashi
石橋 洋二
Michio Kuroda
黒田 倫夫
Shigeru Azuhata
茂 小豆畑
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP2183791A priority Critical patent/JPH04260720A/ja
Publication of JPH04260720A publication Critical patent/JPH04260720A/ja
Pending legal-status Critical Current

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  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はガスタービン燃焼器に係
り、特に、保炎性を高めるのに好適な保炎構造を備える
ガスタービン燃焼器に関する。
【0002】
【従来の技術】図3は、従来のガスタービン燃焼器の断
面図である。図3において、燃料と空気とを予混合する
環状旋回器2の未燃混合気流出口から、第2燃焼室1側
に小距離を隔てた第2燃焼室1内壁に、リセス3が設け
てある。環状旋回器2から第2燃焼室1に流入した未燃
混合気が、第1燃焼室5での拡散燃焼により形成された
第1火炎6にて着火したとき、リセス3の下流直後にで
きる固定渦によって第2火炎4が形成される。このとき
、第2火炎4がリセス3へ付着すると、リセス3は過熱
状態になる。そこで、リセス3に外部の空気を取り込む
冷却空気導入孔3a,3bを設け、リセス3を空冷して
いる。尚、従来技術に関連するものとして、特開昭63
−150518号、特開平2−40418号等がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、第
2火炎4を保炎するために第2燃焼室1の内壁にリセス
3を設け、このリセス3に未燃混合気の流束が当たるこ
とで生じる固定渦にて保炎を図っている。しかし、この
リセス3では固定渦の形成が難しく、従って保炎が困難
である。すなわち、固定渦の形成条件となるリセス3の
下流域に延びる強いせん断層の形成が、冷却空気導入孔
3bから第2燃焼室1内部に流入する空気の影響、及び
リセス3の表面に生じる境界層の影響によって困難であ
る。また、リセス3の冷却空気導入孔3a,3bは、第
2燃焼室1の内周壁全周に渡って連続的に形成すること
は構造上不可能なため、つまり、空気導入孔3bは不連
続に配列されることになる。従って、空気導入孔3a,
3bが設けられない箇所のリセス3に超高温部が生じて
しまい、リセス3の耐熱性が十分に確保できない。さら
に、環状旋回器2の流出口直後から下流方向に小距離間
隔Z0を隔てて第2火炎4が形成されるが、その距離Z
0の間での流れの不安定により第2火炎4の形成が不安
定とり、第2火炎4の保炎が低下する。
【0004】この距離Z0の間での流れの不安定は、次
の理論に基づく。図4の(a),(b)は、図3に示す
第2燃焼器1内の旋回流によって生じる不安定波を解析
するための流速分布モデル説明図である。図4(a)は
、未燃混合気の周方向の速度uθの分布を半径方向rに
対して示した図であり、燃焼器の中心から第1燃焼室5
の内壁5a(半径r0)までは周速度uθはゼロであり
、半径r0直後で最大周速度V0となり、それから第2
燃焼室1の内壁1a(半径rm)にかけて徐々に小さく
なる。つまり、環状旋回器2から流出する旋回流の最大
周速度V0の流れと、第1燃焼室5からの周速度0の流
れとの間に、強いせん断層が形成される。このせん断層
には、下流方向に一定形状の波となる2次元不安定波が
発生し、その不安定波の振動数f、及び増幅減衰率(い
わゆる成長率)Vrは、夫々数式1,数式2で与えられ
る。
【0005】
【数1】
【0006】
【数2】
【0007】但し、mは周方向の波数であり、ρ1は、
図4(b)の下流方向速度uZ分布に示す様に、中心か
ら半径r0までの速度W1の流体の密度,ρ2は半径r
0からrmまでの速度W2の流体の密度である。
【0008】リセス3がないために第2火炎4が環状旋
回器2の直後に付着する場合と、リセス3を設けたため
に第2火炎4がリセス3の下流に付着する場合を比較す
ると、未燃混合気の燃焼による体積膨張の影響で数式1
での最大周速度V0は、後者の場合の方が小さくなり、
不安定波の振動数fは低くなる。この低周波振動によっ
て第2火炎4の形成が不安定となり、その保炎性が低下
する。
【0009】上記従来技術のリセス3は、上述した様に
、燃焼火炎を安定的に形成させる働きをもつ固定渦の形
成が難しく、また燃焼火炎が付着するリセスの局所的な
過熱が避け難く、さらに燃焼火炎全体も流れ(旋回流)
の不安定性によって安定になり難いなど、保炎性,耐熱
性が悪いという問題がある。
【0010】本発明の目的は、保炎性および耐熱性の高
いガスタービン燃焼器とその保炎構造を提供することに
ある。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的は、拡散燃焼を
行う円筒状の第1燃焼器と、該第1燃焼器の出口側外周
囲に設置された環状旋回器にて空気と燃料とを混合しこ
の混合燃料を該第1燃焼器にて得られた火炎にて着火す
る第2燃焼器とを備える2段燃焼式のガスタービン燃焼
器において、前記環状旋回器の流出口直後に固定渦を生
じさせる保炎環を設けと共に、該保炎環に外部からの空
気を該保炎環内部に導入する冷却空気導入部と導入され
た冷却空気を第2燃焼器内に流出する空気流出部とを設
けることで、達成される。
【0012】上記目的はまた、拡散燃焼を行う円筒状の
第1燃焼器の出口側外周囲に、空気と燃料の予混合を行
う第2燃焼器用の環状旋回器を備えたガスタービン燃焼
器において、前記環状旋回器の環状の流出口に対面する
環状の部材であって、断面形状のうち前記流出口側が鈍
頭体となっている環状部材を設けることでも、達成され
る。
【0013】
【作用】ガスタービン燃焼器の環状旋回器流出口からの
流れの中に保炎環を設けることにより、この保炎環後流
での固定渦の形成が容易となる。環状旋回器流出口直後
に保炎環を設けると、低周波数の不安定波の発生が回避
される。このとき、保炎環の全周を均一に空冷すること
により、保炎環の耐熱性も飛躍的に高めることができる
【0014】尚、空冷用の空気はガスタービン圧縮機か
ら抽気した圧縮空気を用いてもよく、この場合には、空
気量を広い範囲で確保可能なため、全負荷域にわたって
的確な保炎を図ることが可能となる。
【0015】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。図1及び図2は、本発明の一実施例に係るガス
タービン燃焼器の縦断面図及び横面図である。両図に示
す様に、本実施例におけるガスタービン燃焼器は、1段
目が旋回器のない拡散燃焼を行い、2段目が旋回器にて
空気と燃料とを予混合して燃焼する2段燃焼式のガスタ
ービン燃焼器である。第1燃焼室5の外周囲で且つ第2
燃焼室1の流入口に設けられた環状旋回器2は、空気と
燃料とを混合するものであり、この環状旋回器2の流出
口直後に、本実施例の特徴とする保炎環8が設置されて
いる。
【0016】本実施例における保炎環8は、管をリング
状に成形したものであり、図2に正面図(第2燃焼室1
内から第1燃焼室5側を見た図)を示す様に、周上に9
0度づつ離して4つの孔が穿設されている。中心を挟ん
で対向する2つの孔10a,10aには空気導入管7a
,7bが連設され、残りの2つの孔11a,11bから
は、空気導入管7a,7bから保炎環8内に流入された
空気が反旋回器2方向に流出するようになっている。
【0017】各空気導入管7a,7bの入口側には、夫
々流量調節弁12a,12bが設けられており、第2燃
焼器1の内外の圧力差によって空気導入管7a,7b内
に夫々流入する空気量を外部から制御できる構造となっ
ている。
【0018】上述した構成のガスタービン燃焼器におい
て、環状旋回器2を通り第2燃焼室1内に流入した燃料
と空気の未燃混合気は、環状旋回器2の流出口直後にて
、第1燃焼室5で形成された第1火炎6により着火する
。このとき、保炎環8の後流で生じた固定渦により、第
2火炎9が形成される。この保炎環8がない場合、環状
旋回器2の固定翼2aで生じる固定渦によって、第2火
炎9が固定翼2aに付着して形成されることがある。 第2火炎9が固定翼2aに付着すると、固定翼2aが加
熱して、環状旋回器2の寿命を著しく低下させる。しか
し、本実施例では保炎環8を設けているので、第2火炎
9が固定翼2aに付着することはなく、環状旋回器2が
過熱して寿命を低下させることはない。
【0019】保炎環8の後流で生じる固定渦としては、
いわゆる鈍頭体後流にできる固定渦が一般的に極めて安
定したものであり、これによって形成された第2火炎9
も極めて安定したものとなる。従って、保炎環の断面形
状は、環状旋回器2側は鈍頭体となるのが好ましい。
【0020】また、本実施例では、流量調節弁12a,
12bを用いて保炎環8に流入する空気量つまり保炎環
8から第2燃焼室1内に流出する空気量を調節している
ので、ガスタービン燃焼器の負荷に応じて変わる保炎環
8付近の流速に見合った保炎も確保できる。このため、
ガスタービン燃焼器の全負荷帯、すなわち部分負荷から
定格負荷にわたる全域で、確実な保炎を図ることが可能
となる。
【0021】更に、本実施例では、第2火炎9が環状旋
回器2の流出口直後の保炎環8の位置から形成されるの
で、従来技術として説明したような環状旋回器2の流出
口から小距離Z0を隔てて設けたリセス3(図3参照)
の位置から第2火炎が形成される場合に比べ、未然混合
気の燃焼による体積膨張の影響で式1での最大周速度V
0が大きくなり、不安定波の振動数fが高い方に移る。 これにより、本実施例では、低周波の不安定波による燃
焼火炎の不安定が回避され、第2火炎9全体の保炎も確
保される。
【0022】更にまた、保炎環8に第2火炎9が付着し
た場合を仮定したとき、本実施例では保炎環8は均一に
空冷されているため、保炎環8の一部が局所的に超高温
になるということはない。このため、耐熱性の極めて高
い保炎構造が得られる。またこの冷却法は構造が簡単な
ため、実用性も極めて高い。
【0023】上述した様に、保炎環8の横断面形状とし
ては鈍頭体が好ましく、例えば、横断面形状を3角形型
にし、底辺が環状旋回器2に対向するように配置する。 このようにすることで、保炎環8の後流に生じる固定渦
は、従来例に見るような冷却空気の影響や境界層の影響
を受けない強いせん断層によって形成されることになり
、広い流速範囲すなわち広い負荷範囲での燃焼火炎の安
定性が確保されることが期待できる。
【0024】尚、保炎環8の横断面形状を円形つまり円
管で保炎環を形成しても良いことはいうまでもない。こ
のようにすると、保炎環8の製法が上記の様に3角形型
にするときに比べ容易となり、保炎環8後流に生じる固
定渦も3角形型のものに比べ広い流速範囲にわたっては
安定して形成されないまでも、冷却空気の影響や境界層
の影響をあまり受けない比較的強いせん断層によって形
成され、実用性の高い保炎構造が実現できる。
【0025】また、保炎環8の空冷をガスタービン圧縮
機からの抽気空気で行うことでもよい。この様にするこ
とで、実施例で説明した構成に比べ、冷却用の空気を通
す配管を長くする必要があるが、空気導入管7a,7b
に流入する空気流量の調整が更に容易となる。このため
、ガスタービン燃焼器の全負荷帯にわたって保炎が容易
となる。特に、上記実施例に比べて、保炎環8に流す空
気量が広い範囲で可変となるので、より的確な保炎を確
保することが可能となる。
【0026】
【発明の効果】本発明によれば、横断面が鈍頭体様の保
炎環を旋回器後流中に設けこの保炎環にて形成される固
定渦にて燃焼火炎の局所的な保炎性を確保する構成とし
、また保炎環中に冷却空気を流す構成としたので、ガス
タービン燃焼器の全負荷帯にわたって保炎を確保するこ
とが可能となる。また、旋回器流出口直後から燃焼火炎
が形成され、流れの不安定による燃焼火炎全体の保炎性
の低下が回避される。更に、管状の保炎環内部に冷却空
気を流す構成のため、均一に内部が空冷され、耐熱性の
極めて高い保炎構造が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係るガスタービン燃焼器の
縦断面図である。
【図2】図1に示すガスタービン燃焼器の横断面図であ
る。
【図3】従来のガスタービン燃焼器の縦断面図である。
【図4】ガスタービン燃焼器の旋回流の周速度分布モデ
ルの説明図(a)と流速分布モデルの説明図(b)であ
る。
【符号の説明】
1…第2燃焼室、2…環状旋回器、5…第1燃焼室、7
a,7b…空気導入管、8…保炎環、9…第2火炎、1
0a,10b…空気流入口、11a,11b…空気流出
口、12a,12b…流量調節弁。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  拡散燃焼を行う円筒状の第1燃焼器と
    、該第1燃焼器の出口側外周囲に設置された環状旋回器
    にて空気と燃料とを混合しこの混合燃料を該第1燃焼器
    にて得られた火炎にて着火する第2燃焼器とを備える2
    段燃焼式のガスタービン燃焼器において、前記環状旋回
    器の流出口直後に固定渦を生じさせる保炎環を設けると
    共に、該保炎環に外部からの空気を該保炎環内部に導入
    する冷却空気導入部と導入された冷却空気を第2燃焼器
    内に流出する空気流出部とを設けたことを特徴とするガ
    スタービン燃焼器。
  2. 【請求項2】  1段目を旋回器のない拡散燃焼として
    2段目を旋回器のある予混合燃焼とする2段燃焼式ガス
    タービン燃焼器において、燃料と空気との未燃混合気が
    燃焼室に入る所の環状旋回器流出口直後に流量調節可能
    な冷却空気を用いて燃焼室外側から空冷ができる空気導
    入管付き保炎環を流れに直交して設置したことを特徴と
    するガスタービン燃焼器。
  3. 【請求項3】  拡散燃焼を行う円筒状の第1燃焼器と
    、該第1燃焼器の出口側外周囲に設置された環状旋回器
    にて空気と燃料とを混合しこの混合燃料を該第1燃焼器
    にて得られた火炎にて着火する第2燃焼器とを備える2
    段燃焼式ガスタービン燃焼器の保炎構造において、前記
    環状旋回器の流出口直後に設ける保炎環であって、該保
    炎環に外部からの空気を該保炎環内部に導入する冷却空
    気導入部と導入された冷却空気を第2燃焼器内に流出す
    る空気流出部とを有する保炎環を設けたことを特徴とす
    るガスタービン燃焼器の保炎構造。
  4. 【請求項4】  拡散燃焼を行う円筒状の第1燃焼器と
    、該第1燃焼器の出口側外周囲に設置された環状旋回器
    にて空気と燃料とを混合しこの混合燃料を該第1燃焼器
    にて得られた火炎にて着火する第2燃焼器とを備える2
    段燃焼式ガスタービン燃焼器の前記環状旋回器の流出口
    直後に設ける保炎環であって、該保炎環に外部からの空
    気を該保炎環内部に導入する冷却空気導入部と導入され
    た冷却空気を第2燃焼器内に流出する空気流出部とを有
    することを特徴とするガスタービン燃焼器の保炎環。
  5. 【請求項5】  拡散燃焼を行う円筒状の第1燃焼器の
    出口側外周囲に、空気と燃料の予混合を行う第2燃焼器
    用の環状旋回器を備えたガスタービン燃焼器において、
    前記環状旋回器の環状の流出口に対面する環状の部材で
    あって、断面形状のうち前記流出口側が鈍頭体となって
    いる環状部材を設けたことを特徴とするガスタービン燃
    焼器。
JP2183791A 1991-02-15 1991-02-15 ガスタービン燃焼器とその保炎構造 Pending JPH04260720A (ja)

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