JP2005283001A - ガスタービンエンジン用燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、一端側に形成された空気口２から圧縮空気Ａが供給され、他端側に形成された噴出口３から燃焼ガスＣＧを噴出してタービン５を駆動する筒状の燃焼器ケーシング１内に、燃焼器ケーシング１内に架設された燃料供給管５０を介して供給された燃料Ｇを燃焼器ケーシング１内の空気Ａを利用して燃焼させる燃焼器１０を配置し、燃焼器１０が、燃料Ｇと空気Ａとを混合して予混合気Ｍを形成する予混合器２０と、予混合器２０で形成された予混合気Ｍを受け入れて燃焼させる燃焼筒３０とを、上流側より順に配置して構成されているガスタービンエンジン用燃焼装置１００に関し、その目的は、簡単な構成で、燃焼筒３０等の熱膨張による軸方向の伸びを良好に吸収しながら、空気汚染物質の排出を効率良く低減できる技術を提供する点にある。
【解決手段】 燃料供給管５０の少なくとも一部が可撓管５１により構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一端側に形成された空気口から圧縮空気が供給され、他端側に形成された噴出口から燃焼ガスを噴出してタービンを駆動する筒状の燃焼器ケーシング内に、前記燃焼器ケーシング内に架設された燃料供給管を介して供給された燃料を前記燃焼器ケーシング内の空気を利用して燃焼させる燃焼器を配置し、前記燃焼器が、燃料と空気とを混合して予混合気を形成する予混合器と、前記予混合器で形成された予混合気を受け入れて燃焼させる燃焼筒とを、上流側より順に配置して構成されているガスタービンエンジン用燃焼装置に関する。

化石燃料を燃焼させるガスタービンエンジンから排出される空気汚染物質としては、窒素酸化物、一酸化炭素、未燃炭化水素等が挙げられる。近年、世界的に、これら空気汚染物質の排出に関する規制が厳しくなる傾向があり、ガスタービンエンジンから排出される空気汚染物質の低減が強く望まれている。

ガスタービンエンジンからの窒素酸化物等の空気汚染物質の排出量を低減させる技術として、ガスタービンエンジン用燃焼装置内の燃焼部に直接大量の水或いは蒸気を噴射する方法やガスタービンエンジンから排出された燃焼ガスを選択的還元触媒システムに導入して低減する方法があるが、燃焼部に直接大量の水或いは蒸気を噴射する方法では運転費用の増加や燃費の低減等の問題があり、また、選択的還元触媒システムを利用する方法では、設備費用が高くなるなどの問題があった。

現在、最も有効な方法としてガスタービンエンジンに広く採用されている技術は希薄予混合燃焼技術と呼ばれるもので、これは、燃料と空気を予め混合して燃料が均一に希薄な予混合気を形成し、この予混合気を燃焼させることによって、火炎温度を低下させ、窒素酸化物生成の主要因である燃焼部の高温域をなくすものである。

以上のように、希薄予混合気を燃焼させるガスタービンエンジン用燃焼装置を用いることは、ガスタービンエンジンの空気汚染物質の排出量の低減に大きく寄与する。しかしながら、このようなガスタービンエンジン用燃焼装置において、効果的に空気汚染物質の排出量を低減させるためには、燃料が均一に希薄な予混合気を形成する必要があり、従来のガスタービンエンジン用燃焼装置は、以下のように構成されていた。

図４に示すように、従来のガスタービンエンジン用燃焼装置２００は、一端側に形成された空気口２から空気圧縮機４からの圧縮空気Ａが供給され、他端側に形成された噴出口３から燃焼ガスＣＧを噴出してタービン５を駆動する筒状の燃焼器ケーシング１内に、燃焼器ケーシング１内に架設された燃料供給管６０を介して供給された燃料Ｇを燃焼器ケーシング１内の空気Ａを利用して燃焼させる燃焼器１０を配置し、燃焼器１０が、燃料Ｇと空気Ａとを混合して予混合気Ｍを形成する予混合器２０と、予混合器２０で形成された予混合気Ｍを受け入れて燃焼させる燃焼筒３０とを、上流側より順に配置して構成されており、その燃焼筒３０が燃焼器ケーシング１に固定され、予混合器２０が燃焼筒３０に内挿されている（例えば、特許文献１を参照。）。

また、このようなガスタービンエンジン用燃焼室２００では、燃料供給管６０は硬質な金属材料製であり、燃料供給管６０の一旦側は固定機構６１により燃焼器ケーシング１に固定され、他端側は予混合器２０の燃料分配部材２１に連結されている。また、燃焼筒３０の熱膨張による軸方向（燃焼器ケーシング内における空気及び燃焼ガスの流れ方向）の伸びを吸収して予混合器２０に軸方向に負荷が加わることを防止するために、予混合器２０と燃焼器３０とは、予混合器２０の外筒２３を燃焼器３０の挿入部３１に内挿されて別体とされている。

特開２００１−３２４１３７号公報

図４に示すような従来のガスタービンエンジン用燃焼装置２００では、燃焼筒３０の熱膨張による軸方向の伸びを吸収するために、予混合器２０の外筒２３と燃焼筒３０の挿入部３１に若干の隙間７が必要となるため、予混合器２０の外側を流通する比較的低温の空気Ａがその隙間７を介して燃焼筒３０内に流入する。そして、燃焼筒３０内において、その隙間７から低温の空気Ａが流入することによって、その隙間７付近の予混合気Ｍの当量比の低下或いは温度の低下が生じ、効果的に空気汚染物質の排出を低減できないという問題があった。

更に、従来のガスタービンエンジン用燃焼装置２００では、燃料供給管６０が予混合器２０の燃料分配部材２１に連結されているので、燃料供給管６０及び予混合器２０の組み付けに煩雑な作業が必要であった。

また、上記のような予混合器と燃焼筒との間の隙間を無くすべく、予混合器と燃焼筒とを隙間を無くした状態で固定接続すると共に、燃料供給管を予混合器と一体とはせずに、予混合器に内挿するように構成することも考えられるが、この場合においても、燃料供給管と予混合器との間に隙間が生じ、その隙間から燃料が漏れて、効果的に空気汚染物質の排出を低減できないという問題がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ガスタービンエンジン用燃焼装置において、簡単な構成で、燃焼筒等の熱膨張による軸方向の伸びを良好に吸収しながら、空気汚染物質の排出を効率良く低減できる技術を提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係るガスタービンエンジン用燃焼装置は、一端側に形成された空気口から圧縮空気が供給され、他端側に形成された噴出口から燃焼ガスを噴出してタービンを駆動する筒状の燃焼器ケーシング内に、前記燃焼器ケーシング内に架設された燃料供給管を介して供給された燃料を前記燃焼器ケーシング内の空気を利用して燃焼させる燃焼器を配置し、前記燃焼器が、燃料と空気とを混合して予混合気を形成する予混合器と、前記予混合器で形成された予混合気を受け入れて燃焼させる燃焼筒とを、上流側より順に配置して構成されているガスタービンエンジン用燃焼装置であって、その第１特徴構成は、前記燃料供給管の少なくとも一部が可撓管により構成されている点にある。

上記第１特徴構成によれば、上記燃料供給管の少なくとも一部を可撓管により構成することで、その燃料供給管が接続される予混合器及びその予混合器に接続される燃焼筒との熱膨張による軸方向の伸びをその可撓管が撓むことにより吸収することができるので、燃料供給管と予混合器及び予混合器と燃焼筒との間を隙間が無い状態で固定接続することができ、燃料供給管と予混合器との隙間における燃料の漏れ、及び、予混合器と燃焼筒との隙間における空気の流入を防止して、効果的に空気汚染物質の排出を抑制することができる。

本発明に係るガスタービンエンジン用燃焼装置の第２特徴構成は、前記燃焼器ケーシングに固定され前記可撓管の少なくとも上流側を囲うガイド部材を備えた点にある。

上記第２特徴構成によれば、可撓管の上流側を囲うように上記ガイド部材を設けることにより、燃焼器ケーシング内を流通する空気流が直接可撓管へ衝突することを防止することができ、可撓管がその空気流により変形或いは振動することを防止することができ、少なくとも一部が可撓管として構成されている燃料供給管により、燃料を安定して供給することができる。

本発明に係るガスタービンエンジン用燃焼装置の第３特徴構成は、前記ガイド部材が、前記燃料供給管の全周を囲う管状に形成され、
前記予混合器に、前記ガイド部材に軸方向に嵌合される支持部が形成されている点にある。

上記第３特徴構成によれば、予混合器の支持部をその管状のガイド部材に嵌合させることで、予混合器とガイド部材との熱膨張による軸方向の伸びを吸収して予混合器とガイド部材とに軸方向に負荷が加わることを防止しながら、予混合器とガイド部材との横断方向（燃焼器ケーシング内における空気及び燃焼ガスの流れと直交する方向）における相対位置を良好に固定することができ、例えば、水平方向を軸方向とする場合において、燃焼器ケーシングに固定されるガイド部材により、ガイド部材に支持部を嵌合させた予混合器を横断方向において支持させることができる。

本発明に係るガスタービン用燃焼装置の第４特徴構成は、前記ガイド部材の外表面に突起を形成してある点にある。

上記第４特徴構成によれば、上記ガイド部材の外表面にトリッピングワイヤを巻きつけるなどにより突起を形成して空気の剥離を安定させることで、ガイド部材の外表面を通過して予混合器へ供給される空気のばたつきを防止することができる。

本発明に係るガスタービン用燃焼装置（以下、燃焼装置と略称する。）の実施の形態について、図１〜図３に基づいて説明する。
燃焼装置１００は、図１に示すように、一端側に形成された空気口２から空気圧縮機４からの圧縮空気Ａが供給され、他端側に形成された噴出口３から燃焼ガスＣＧを噴出してタービン５を駆動する筒状の燃焼器ケーシング１内に、燃焼器ケーシング１内に架設された燃料供給管５０を介して供給された燃料Ｇを燃焼器ケーシング１内の空気Ａを利用して燃焼させる燃焼器１０を配置し、燃焼器１０が、燃料Ｇと空気Ａとを混合して予混合気Ｍを形成する予混合器２０と、予混合器２０で形成された予混合気Ｍを受け入れて燃焼させる燃焼筒３０とを、上流側より順に配置して構成されている。

更に、燃焼筒３０は、燃焼器ケーシング１に固定されており、予混合器２０が燃焼筒３０に隙間を無くした状態で固定接続されている。よって、予混合器２０の外側を流通する比較的低温の空気Ａが予混合器２０と燃焼筒３０との隙間を介して燃焼筒３０内に流入することが防止され、空気汚染物質の排出が効果的に低減されている。

そして、上記燃料供給管５０は、燃焼器ケーシング１に取り付けられ燃料Ｇが供給される接続機構６２に接続される接続部５２と、予混合器２０の燃料分配部材２１に接続される接続部５３とを両端に設けた金属製の可撓管５１で構成されている。
そして、燃料供給管５０の一部を可撓管５１により構成することで、例えば燃焼装置１００の運転及び停止等による燃焼器ケーシング１内の温度変化に伴って、予混合器２０及びその予混合器２０が固定される燃焼筒３０の熱膨張による軸方向の伸び量が変化しても、その可撓管５１が撓むことにより、燃料供給管５０や予混合器２０等に軸方向に応力が加わることが防止され、その負荷により損傷することが防止される。

燃焼器ケーシング１内には、可撓管５１の少なくとも上流側を囲うガイド部材として、燃料供給管５０の全周を囲う管状のガイド管５７が設けられている。
即ち、燃焼器ケーシング１内では、例えば５００℃程度の空気Ａが流速２００ｍ／ｓ程度で流れるのであるが、ガイド管５７を設けることにより、その空気Ａの流れが直接可撓管５１へ衝突することが防止されて可撓管５１の変形及び振動が抑制され、予混合器２０への燃料Ｇの供給量の変動が抑制される。

このガイド管５７の一旦側は、燃焼器ケーシング１の接続機構６２側に固定されているが、他端側は、図２に示すように、予混合器２０の燃料分配部材２１の下流側端部に突出形成された支持部２４が軸方向に緩み嵌め状態で嵌合されているので、予混合器２０とガイド管５７との熱膨張による軸方向の伸びが吸収されながら、予混合器２０とガイド管５７との横断方向における相対位置が良好に固定される。尚、上記支持部２４の外径はガイド管５７の内径よりも２ｍｍ以上小さいことが好ましい。

また、燃焼装置１００の軸方向を水平方向とする場合において、上記のように予混合器２０の支持部２４を燃焼器ケーシング１に固定されたガイド管５７に嵌合させることで、予混合器２０の自重の一部をガイド管５７による支持することができ、予混合器２０の自重により燃焼筒３０に対してかかる応力を低減させることができる。

ガイド管５７の外表面には、図２に示すように、トリッピングワイヤを巻きつけることによって突起５６が形成されており、この突起５６により、ガイド管５７の外表面に沿って流通する空気Ａの剥離を安定したものとすることができ、予混合器２０への空気Ａの流れを安定させることができる。また、このような突起５６の高さは１ｍｍ以上１５ｍｍ以下であることが好ましい。

尚、ガイド管５７の代わりに、例えば、燃料供給管５０の可撓管５１の上流側のみを囲うガイド部材を備えても構わない。また、空気Ａの流れによる可撓管５１の変形や振動が問題とならない場合には、上記ガイド部材を省略しても構わない。

ガスタービンエンジンにおいて、上記のような燃焼装置１００の複数を、タービン５軸を中心に配置して所謂カニュラ型に構成した場合には、一の燃料供給源から複数の燃焼装置１００の燃料供給路５０へ燃料Ｇを供給するときに、夫々の燃料供給路５０までの流路における流動抵抗が互いに異なるものとなり、夫々の燃焼装置１００における燃料Ｇの供給量が異なるものとなって燃焼状態にばらつきが生じる恐れがある。
そこで、図３に示すように、夫々の燃料供給管５０には流路断面積を縮小させて燃料Ｇの流量を設定可能なオリフィス５４が設け、夫々のオリフィス５４の開口面積を、夫々の燃焼装置１００における燃料Ｇの供給量が等しくなるように設定することが好ましい。

予混合器２０について説明を加えると、予混合器２０には、燃焼筒３０に固定される外筒２３と、その外筒２３に外囲される内筒２２と、その内筒２２に外囲される燃料分配部材２１とで構成されている。
そして、上記燃料分配部材２１は、詳細については説明を省略するが、内筒２２内部に形成されたパイロット燃焼用流路２６を流通する空気Ａに燃料Ｇを供給して比較的高当量比のパイロット燃焼用の予混合気Ｍｐを形成すると共に、内筒２２と外筒２３との間に形成されたメイン燃焼用流路２５を流通する空気Ａに燃料Ｇを供給して比較的低当量比のメイン燃焼用の予混合気Ｍｍを形成する。
そして、このように形成されたパイロット燃焼用の予混合気Ｍｐが燃焼筒３０内に流出して比較的安定したパイロット燃焼が行われ、一方、メイン燃焼用の予混合気が燃焼筒３０内に流出して上記パイロット燃焼により保炎される形態で比較的低当量比の希薄予混合気Ｍｍによるメイン燃焼が行われる。

また、予混合気Ｍの点火は、燃焼器ケーシング１から外筒２３及び内筒２２を穿設する状態で配置された点火栓３２により行われる。

ガスタービンエンジン用燃焼装置の概略構成図 燃料供給管の部分拡大図 ガイド管の部分拡大図 従来のガスタービンエンジン用燃焼装置の概略構成図

符号の説明

１：燃焼器ケーシング
３：噴出口
５：タービン
１０：燃焼器
２０：予混合器
２２：内筒
２３：外筒
２４：支持部
３０：燃焼筒
５０：燃料供給管
５１：可撓管
５４：オリフィス
５７：ガイド管
１００：ガスタービン用燃焼装置
Ａ：空気
ＣＧ：燃焼ガス
Ｇ：燃料
Ｍ，Ｍｍ，Ｍｐ：予混合気

Claims (4)

1. 一端側に形成された空気口から圧縮空気が供給され、他端側に形成された噴出口から燃焼ガスを噴出してタービンを駆動する筒状の燃焼器ケーシング内に、前記燃焼器ケーシング内に架設された燃料供給管を介して供給された燃料を前記燃焼器ケーシング内の空気を利用して燃焼させる燃焼器を配置し、前記燃焼器が、燃料と空気とを混合して予混合気を形成する予混合器と、前記予混合器で形成された予混合気を受け入れて燃焼させる燃焼筒とを、上流側より順に配置して構成されているガスタービンエンジン用燃焼装置であって、
   前記燃料供給管の少なくとも一部が可撓管により構成されているガスタービンエンジン用燃焼装置。
2. 前記燃焼器ケーシングに固定され前記可撓管の少なくとも上流側を囲うガイド部材を備えた請求項１に記載のガスタービンエンジン用燃焼装置。
3. 前記ガイド部材が、前記燃料供給管の全周を囲う管状に形成され、
   前記予混合器に、前記ガイド部材に軸方向に嵌合される支持部が形成されている請求項２に記載のガスタービンエンジン用燃焼装置。
4. 前記ガイド部材の外表面に突起を形成してある請求項３に記載のガスタービンエンジン用燃焼装置。

Images