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ガスタービン燃焼器 新技術説明会

国内特許コード P04A006854
整理番号 KN000408
掲載日 2005年3月18日
出願番号 特願平08-307512
公開番号 特開平10-141662
登録番号 特許第2890033号
出願日 平成8年11月5日(1996.11.5)
公開日 平成10年5月29日(1998.5.29)
登録日 平成11年2月26日(1999.2.26)
発明者
  • 田丸 卓
  • 下平 一雄
出願人
  • 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
発明の名称 ガスタービン燃焼器 新技術説明会
発明の概要 【課題】 燃焼室壁面の高温化が可能となり、未燃焼排出物の低減と燃焼効率の向上を図ることができ、さらにガスタービン燃焼器の小型化と軽量化を図ることができる。
【解決手段】 燃焼器外筒1、1’内面に燃焼室壁面を構成する1000℃以上の耐熱性を有する非金属耐熱材からなる耐熱材壁2を取り付け、該耐熱材壁中に直接又は空気通路11を介して通過させて燃焼室3に燃焼制御又は僅かな冷却に必要な空気を分配させる。
【効果】 燃焼反応が壁面近傍まで行なわれ、炭化水素や一酸化炭素等の未燃焼排出物を飛躍的に低減することができ、且つ冷却空気量を削減できるので、燃焼室内で希薄燃焼制御が可能となり窒素酸化物NOxの発生も低減することができる。
従来技術、競合技術の概要


従来の航空用又は産業用ガスタービン燃焼器は、一般に外筒の内側に金属ライナを設け、外筒と金属ライナとの間が環状の空気通路となっている。このようなガスタービン燃焼器において、ディフューザー入口部を経て流入する空気は、燃焼器入口部で環状通路と燃焼器頭部内に分流され、頭部内に流入する空気は空気旋回器等により再循環保炎流を形成して安定燃焼に寄与し、環状通路を流れる空気はライナ空気孔及びライナ冷却構造を経て燃焼室に流入する。一般に、ライナ前半部の空気孔から流入する空気は燃焼制御とライナ自身の冷却に寄与し、ライナ中・後半部の空気孔から流入する空気は燃焼の完結と燃焼器出口部でのタービン入口ガス温度分布調整に用いられている。そのほか、環状通路を流れる空気は、ライナを燃焼熱から保護するための冷却用に用いられる。ライナ冷却空気はライナ冷却構造によって流量が制限され、作動条件の変化の必要性に応じた流量の制御はできない。
従来の金属ライナの耐熱温度は1000K~1200K程度であるため、ライナがその温度以上に加熱されるのを防止するのに、燃焼器に供給される空気量の通常20~40%を冷却用に用いている。しかしながら、近時のガスタービン燃焼器は燃料消費率向上を目指して設計圧力比の上昇、再生サイクルの採用等により流入空気温度の高温化が著しく、それに伴い燃焼ガス温度が上昇しているため、金属ライナを上記耐熱温度以下に保つにはより多くの冷却空気量が必要となってきている。反面、最近排出ガスの清浄化の要求から燃焼器上流部分の燃料/空気混合気の希薄化を図る等、燃焼制御に利用する空気の割合が増大し、その結果タービン入口ガス温度分布調整用空気(希釈空気)量が減少し、したがって環状通路を流れる冷却空気流速が低減し、ライナ及び外筒内面を対流冷却する能力が低下している。
従来のガスタービン燃焼器においては、圧力噴射弁を採用していたため、燃料粒径が大きく長い火炎となっており、希釈空気孔からの多量の空気により燃焼器出口でガス温度分布調整を行なっていた。しかしながら、近時は気流微粒化噴射弁の採用により火炎を短くすることが可能となり、燃焼器出口ガス温度分布は主として燃焼器上流側の燃焼制御によりほぼ決定される状況となっている。そのため、最近のガスタービン燃焼器においては下流側での希釈空気量が極端に少なくなってきている状況にある。
また、排出ガス清浄化のため燃料分配供給法(フューエルステージング)を採用すると、燃料供給箇所が増すことにより燃焼室断面や長さが増大し、被冷却ライナー面積が大きくなる。それに伴い必然的に冷却空気量も多くしなければならない。この壁面近傍の冷却空気に燃料が混入すると燃焼反応が不完全となり未燃焼成分排出の原因となる。特に、APU(補助動力装置)など小型のガスタービンエンジンでは燃焼器ライナの比表面積(燃焼室容積あたりのライナ面積)が大きいため、燃焼ガス量の割に多くの冷却空気を必要とし、未燃焼成分が排出し易いという問題がある。このAPUは最近の空港混雑に伴い地上での使用時間が長くなっているため、未燃焼の炭化水素や一酸化炭素の排出が各空港で大きな問題となっている。

産業上の利用分野


本発明は、ガスタービン燃焼器、特に航空用又は産業用ガスタービン燃焼器における従来の金属ライナに代わる新規の燃焼室形成構造を有するガスタービン燃焼器に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
燃焼器外筒内面に燃焼室を包む壁面が非金属系耐熱材により形成されている耐熱材壁を備え、該耐熱材壁の内部に、燃焼室に向けて開口している空気流入口に連通している空気通路を複数有し、該空気通路から前記燃焼室内に所要空気を通過・分配する構造になっており、且つ前記耐熱材壁と燃焼器外筒との間に、前記耐熱材壁を冷却するための小隙間通路を形成してなるこを特徴とするガスタービン燃焼器。

【請求項2】
燃焼器外筒内面に、冷却空気が流通可能な繊維強化複合材により形成されている燃焼室を包む耐熱材壁を備え、該耐熱材壁は、燃焼室側に露出する壁面が該耐熱材壁の他の部分よりも緻密化された緻密構造層に形成され、該耐熱材壁を通過する冷却空気により該耐熱材壁を冷却すると共に、冷却空気が前記緻密構造層の間隙もしくは細孔から燃焼室内に滲み出し、前記緻密構造層の緻密度を選択することによって前記燃焼室内に所要空気を通過・分配する構造になっていることを特徴とするガスタービン燃焼器。

【請求項3】
燃焼室外筒内面に燃焼室を包む壁面が非金属系耐熱材により形成されている耐熱材壁を備え、該耐熱材壁が、燃焼器外筒内面の流れに沿って板状の支持体を適宜間隔で平行に設け、該支持体の先端部に耐熱材からなる長尺状の耐熱壁部材を燃焼器主軸と平行に燃焼室入口側からノズル部に延び且つ互いに近接させて取り付けて多板保持耐熱構造に形成され、前記板状支持体が前記燃焼器外筒と前記耐熱壁部材との間で、ガスタービンの回転軸又は燃焼器主軸と平行な空気通路を形成していることを特徴とするガスタービン燃焼器

【請求項4】
前記耐熱材壁が部分的に代替品と交換できるように着脱可能に形成された同一形状の多数の耐熱材壁部材で構成されている請求項記載のガスタービン燃焼器。
国際特許分類(IPC)
画像

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JP1996307512thum.jpg
出願権利状態 登録
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