JP2012037104A - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、燃焼室に形成される火炎位置の変動による圧力変動を抑制し、ＮＯｘ排出量を低減すると共にガスタービン燃焼器の信頼性を向上するガスタービン燃焼器の提供にある。
【解決手段】本発明のガスタービン燃焼器は、ガスタービン燃焼器の頭部に設置され下流側の燃焼室に燃料を噴出する複数の燃料ノズルと、複数の燃料ノズルと略同軸となるように該燃料ノズルの下流側にそれぞれ配設されて燃焼室に空気を導く複数の空気孔と、空気孔が形成されており燃料ノズルと燃焼室との間に設置された空気孔プレートとを備えており、複数の燃料ノズルと複数の空気孔から構成され該ガスタービン燃焼器の軸心に位置する中央バーナ及び該中央バーナの外周側に位置する複数の外周バーナをそれぞれ設け、燃焼室側の空気孔プレートの表面に中央バーナ及び該中央バーナと隣接する複数の外周バーナとを囲む突起物を設けて構成した。
【選択図】図３

Description

本発明はガスタービン燃焼器の構造に関するものである。

化石資源を燃料とするガスタービン発電プラントでは、地球温暖化の原因となる二酸化炭素（ＣＯ_２）の排出量を低減する手段として、発電効率の向上が挙げられる。発電効率の向上にはガスタービン燃焼器で生成される燃焼ガスの高温化が有効である。

しかし、燃焼ガスの高温化に伴い環境汚染物質である窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量が増加するため、発電効率の向上とともにＮＯｘ排出量の低減が重要な技術課題となっている。

近年、地球温暖化防止の観点から水素含有燃料の利用も考えられている。水素含有燃料は燃焼の際にＣＯ_２排出量が少ないため、製鉄所で副生するコークス炉ガスや製油所で副生するオフガスなどを燃料として有効利用することが検討されている。また、豊富な資源である石炭を酸素でガス化して発電する石炭ガス化複合発電プラント（Integrated coal Gasification Combined Cycle：ＩＧＣＣ）では、地球温暖化防止の観点より、ガスタービンに供給される燃料中の炭素分を分離・回収・貯留するシステムが国内外で検討されている。

上記のような副生ガスは水素を３０％〜６０％含み、ＩＧＣＣプラントの燃料である石炭ガス化ガスは水素を２５％〜９０％含む。このようにガスタービン燃焼器においては水素含有燃料を使用する需要が高まっている。

上記のような燃料中に含有される水素は可燃範囲が広く燃焼速度が速いため、燃焼室内の壁面近傍で高温の火炎が形成され、燃焼器の信頼性を損なうことが懸念される。そこで、高温の火炎が局所的に形成されることを防止する手段として、燃料を分散させて燃焼室内で均一に燃焼させる方法が有効となる。

空気に対する燃料の分散性を高めてＮＯｘ排出量を低減する方法として、特開２００３−１４８７３４号公報には複数の燃料ノズルと複数の空気孔を備え、燃料流、および燃料流の外周側に形成した空気流を燃焼室に噴射するバーナを複数個配置したガスタービン燃焼器の技術が開示されている。

また特開２０１０−０６５９６３号公報には、前記特開２００３−１４８７３４号公報に開示されたガスタービン燃焼器の空気プレートに設けた空気孔の配置を改良した構造を備えたバーナを複数個配置したガスタービン燃焼器を開示しており、空気孔を設けた空気孔プレートに火炎が付着することを抑制する技術が開示されている。

特開２００３−１４８７３４号公報 特開２０１０−０６５９６３号公報

前記した特開２００３−１４８７３４号公報及び特開２０１０−０６５９６３号公報に記載されたガスタービン燃焼器に関する技術においては、ある種の外乱によって燃焼器の燃焼室に形成される火炎位置が変動して圧力変動が生じる可能性がある。この圧力変動が生じた場合にはガスタービン燃焼器の信頼性を低下させる原因となる。

本発明の目的は、燃焼室に形成される火炎位置の変動による圧力変動を抑制して、ＮＯｘ排出量を低減すると共にガスタービン燃焼器の信頼性を向上させるガスタービン燃焼器を提供することにある。

本発明のガスタービン燃焼器は、ガスタービン燃焼器の頭部に設置され下流側の燃焼室に燃料を噴出する複数の燃料ノズルと、前記複数の燃料ノズルと略同軸となるように該燃料ノズルの下流側にそれぞれ配設されて前記燃焼室に空気を導く複数の空気孔と、前記空気孔が形成されており前記燃料ノズルと前記燃焼室との間に設置された空気孔プレートとを備えており、前記複数の燃料ノズルと複数の前記空気孔から構成され該ガスタービン燃焼器の軸心に位置する中央バーナ及び該中央バーナの外周側に位置する複数の外周バーナをそれぞれ設け、前記燃焼室側の空気孔プレートの表面に前記中央バーナ、及び該中央バーナと隣接する複数の外周バーナとを囲む、或いは区分する突起物を設けたことを特徴とする。

また本発明のガスタービン燃焼器は、ガスタービン燃焼器の頭部に設置され下流側の燃焼室に燃料を噴出する複数の燃料ノズルと、前記複数の燃料ノズルと略同軸となるように該燃料ノズルの下流側にそれぞれ配設されて前記燃焼室に空気を導く複数の空気孔と、前記空気孔が形成されており前記燃料ノズルと前記燃焼室との間に設置された空気孔プレートとを備えており、前記複数の燃料ノズルと複数の前記空気孔から構成され該ガスタービン燃焼器の軸心に位置する中央バーナ及び該中央バーナの外周側に位置する複数の外周バーナをそれぞれ設け、前記燃焼室側の空気孔プレートの表面に前記中央バーナの外周、及び該中央バーナと隣接する複数の外周バーナの外周を囲む突起物をそれぞれ設けたことを特徴とする。

また本発明のガスタービン燃焼器は、ガスタービン燃焼器の頭部に設置され下流側の燃焼室に燃料を噴出する複数の燃料ノズルと、前記複数の燃料ノズルと略同軸となるように該燃料ノズルの下流側にそれぞれ配設されて前記燃焼室に空気を導く複数の空気孔と、前記空気孔が形成されており前記燃料ノズルと前記燃焼室との間に設置された空気孔プレートとを備えており、前記複数の燃料ノズルと複数の前記空気孔から構成され該ガスタービン燃焼器の軸心に位置する中央バーナ及び該中央バーナの外周側に位置する複数の外周バーナをそれぞれ設け、前記パイロットバーナは前記燃焼室側の空気孔プレートの表面が前記燃焼器の軸中心に向けて凹状に傾斜した傾斜面を備え、前記パイロットバーナの中央部には油ノズルを備え、前記燃焼室側の空気孔プレートの表面に前記中央バーナ、及び該中央バーナと隣接する複数の外周バーナとを囲む、或いは区分する突起物を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、燃焼室に形成される火炎位置の変動による圧力変動を抑制して、ガスタービン燃焼器の信頼性を向上させるガスタービン燃焼器が実現できる。

本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器に設置された空気孔プレートの構造を示す縦断面図。 本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器に設置された空気孔プレートをガスタービン燃焼器の燃焼室側から見た正面図。 本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントの概略構成図。 本発明の第１実施例１であるガスタービン燃焼器に設置された空気孔プレート下流の燃焼室内に形成される流動と火炎の概略図。 各バーナの流れ方向燃料濃度分布概略図（流れ方向に垂直な断面の空間平均値） 本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器に設置された空気孔プレートの構造を示す縦断面図。 本発明の第３実施例であるガスタービン燃焼器に設置された空気孔プレートの構造を示す縦断面図。 本発明の第３実施例であるガスタービン燃焼器に設置された空気孔プレートをガスタービン燃焼器の燃焼室側から見た正面図。 本発明の第３実施例であるガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントの概略構成図。

本発明の実施例であるガスタービン燃焼器について図面を参照して以下に説明する。

本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器について図１乃至図５を用いて説明する。

図１及び図２は本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器に設置された空気孔プレートの構造を示す縦断面図及び正面図であり、図３は前記空気孔プレートを有するガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントを示す概略構成図である。

まず、本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器３を備えたガスタービンプラント１について図３を用いて説明すると、ガスタービンプラント１は、大気より吸入空気１０１を吸入して圧縮する空気圧縮機２と、空気圧縮機２により圧縮した圧縮空気１０２とガス燃料２００とを燃焼室５で燃焼させて高温の燃焼ガス１１０を生成するガスタービン燃焼器３と、ガスタービン燃焼器３の燃焼室５で発生した高温の燃焼ガス１１０を導いて駆動するタービン４と、タービン４の駆動により回転し発電する発電機６と、ガスタービン起動時に空気圧縮機２を起動するガスタービン起動用モータ７を備えている。

そして、タービン４を駆動後の燃焼ガス１１０は、排気ガス１１１となってタービン４から排出される。

ガスタービン燃焼器３の頭部には燃焼器３の軸中心に位置する１個の中央バーナ３２と中央バーナ３２の外周側に位置する複数個（図２に示す実施例では６個）の外周バーナ３３を備えており、これらの中央バーナ３２と外周バーナ３３には燃焼室５に圧縮空気１０２ａを導くための空気孔２１を複数個設けた空気孔プレート２０と、この空気孔プレート２０の上流側に配置されてガス燃料２００を前記空気孔プレート２０の複数の空気孔２１内に向けて噴射する複数個の燃料ノズル２２とから構成されている。

空気孔プレート２０に複数個設けられた各空気孔２１と複数個設けられた各燃料ノズル２２とは１個ずつ対応させて略同軸上にそれぞれ配置されており、前記複数の空気孔２１は空気孔プレート２０を貫通して設けられている。

また、この中央バーナ３２と６個の外周バーナ３３には、前記空気孔２１を円環状に４個配置した１列目空気孔群４１と、１列目空気孔群４１の外周側に８個配置した２列目空気孔群４２と、２列目空気孔群４２の外周側に１２個配置した３列目空気孔群４３から構成される３列の空気孔群４１、４２、４３がそれぞれ配設されている。

そして前記中央バーナ３２及び外周バーナ３３に設けた列の空気孔群４１、４２、４３の上流側には、これらの空気孔群４１、４２、４３の各空気孔２１に対応させて該空気孔２１と略同軸となるように各燃料ノズル２２がそれぞれ配設されており、前記各燃料ノズル２２から各空気孔２１を流下する空気流中に燃料を噴霧して燃料と空気との混合気を形成するように構成されている。

前記空気孔プレート２０に配設した各空気孔群４１、４２、４３を構成する空気孔の中心軸は、それぞれ空気孔群４１、４２、４３のピッチ円の周方向に傾斜して形成されているため、各空気孔群４１、４２、４３の空気孔２１を通過して燃焼室５に流下する空気の流れは空気孔２１の下流位置で螺旋状に旋回する旋回流を形成する。

燃焼室５に供給する燃料の分散性を高めるため、外周バーナ３３の設置数は２個以上、中央バーナ３２及び外周バーナ３３に配設する空気孔群の列数は２列以上、また安定な旋回流をつくるため各空気孔群の空気孔２１の数は４個以上であることが望ましい。

以上のようにガスタービン燃焼器３を、中央バーナ３２と該中央バーナ３２の外周側に設置した外周バーナ３３との複数のバーナによって構成することにより、広い範囲のガスタービン負荷に対応するスタービン燃焼器３が得られる。
次に、ガスタービン燃焼器３の中央バーナ３２と中央バーナ３２の外側に位置する複数個の外周バーナ３３にガス燃料２００を供給する燃料系統について説明する。
ガスタービン燃焼器３に設けた複数の燃料ノズル２２は、ガス燃料２００をガスタービン燃焼器３に供給する燃料系統がガスタービン燃焼器３の頭部に設けた燃料ヘッダー２３と連結しており、この燃料ヘッダー２３によって燃料系統を通じて燃料ノズル２２に供給されたガス燃料２００をガスタービン燃焼器３に設けた複数の燃料ノズル２２に分配するように構成されている。

本実施例のガスタービンプラント１で使用するガスタービン燃焼器３は、ガス燃料２００として、コークス炉ガス、製油所オフガス、石炭ガス化ガスなどの水素含有燃料や、または天然ガスを使用する。

次に、図３を用いて本実施例のガスタービンプラント１に設けたガスタービン燃焼器３の複数の燃料ノズル２２にガス燃料２００を供給する３つに分配した場合の燃料系統について説明する。

図３に示した本実施例のガスタービン燃焼器３において、ガス燃料２００をガスタービン燃焼器３に供給する燃料系統２００ａは、燃料遮断弁６０の下流で３つの燃料系統に分岐し、３つに分岐したその内の１つの燃料系統２０３ａはガスタービン燃焼器３の軸中心に１個設置された中央バーナ３２に、３つに分岐した残りの２つの燃料系統２０１ａ、２０５ａは中央バーナ３２の外周側に６個設置した外周バーナ３３にそれぞれ接続して燃料２００を供給する。

３つに分岐した前記燃料系統のうち、１つの燃料系統２０３ａは、それぞれその途中から更に燃料系統２０４ａが分岐しており、前記燃料系統２０３ａは中央バーナ３２に設けられた１列目空気孔群４１の空気孔２１に対応した燃料ノズル２２に接続されてガス燃料２０３を該燃料ノズル２２に供給する。

そして前記燃料系統２０３ａから分岐した燃料系統２０４ａは、中央バーナ３２に設けられた２列目・３列目の空気孔群４２、４３の空気孔２１に対応した燃料ノズル２２に接続されてガス燃料２０４を該燃料ノズル２２に供給する。

同様に、３つに分岐した前記燃料系統のうち、残り２つの燃料系統２０１ａ、２０５ａについても、それぞれその途中から更に燃料系統２０２ａ、２０６ａが分岐しており、前記燃料系統２０１ａ、２０５ａは外周バーナ３３に設けられた１列目空気孔群４１の空気孔２１に対応した燃料ノズル２２に接続されてガス燃料２０１及び２０５を該燃料ノズル２２にそれぞれ供給する。

そして前記燃料系統２０１ａ、２０５ａからそれぞれ分岐した燃料系統２０２ａ、２０６ａは、外周バーナ３３に設けられた２列目・３列目の空気孔群４２、４３の空気孔２１に対応した燃料ノズル２２に接続されてガス燃料２０２及び２０６を該燃料ノズル２２にそれぞれ供給する。

前記各燃料系統２０１ａ、２０２ａ、２０３ａ、２０４ａ、２０５ａ、２０６ａには燃料２００の圧力を調節する燃料圧力調整弁６１ａ、６２ａ、６３ａ、６４ａ、６５ａ、６６ａ、および燃料２００の流量を調節する燃料流量調整弁６１ｂ、６２ｂ、６３ｂ、６４ｂ、６５ｂ、６６ｂがそれぞれ備えられており、制御装置１００から出力されたガスタービン装置の負荷に応じた操作信号によって前記燃料圧力調整弁及び燃料流量調整弁の弁開度を制御し、各燃料ノズル２２に供給する前記ガス燃料２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６の圧力及び流量をそれぞれ調節するように構成されている。

上記したように本実施例のガスタービン燃焼器３においては、燃料ノズル２２にガス燃料を供給する燃料系統を分岐した複数の燃料系統で構成することによってガスタービン燃焼器３の運転の自由度を拡大させることができる。
次に、図１乃至図３を用いて本実施例のガスタービン燃焼器３の空気孔プレート２０の構造について、更に詳細に説明する。
本実施例のガスタービン燃焼器３においては、ガスタービン燃焼器３に設置した空気孔プレート２０の燃焼室側表面３０１に、図１乃至図３に示したように、空気孔プレート２０の燃焼室側表面３０１上である中央バーナ３２と外周バーナ３３の間に中央バーナ３２の外周を囲むように環状の中央突起３１０を設けており、さらに隣り合う外周バーナ３３の間に隣接した外周バーナ３３を区分して前記央突起３１０と接続した外周突起３１１を設けた構成となっている。

中央バーナ３２の外周を囲むように配設した環状の中央突起３１０は、中央バーナ３２で形成する火炎と、中央バーナ３２の外周に配置された複数の外周バーナ３３でそれぞれ形成する火炎との火炎干渉を防ぐように機能するものである。

また、中央バーナ３２の外周に配置された隣り合う外周バーナ３３の間に設置されて隣接する外周バーナ３３を区分する外周突起３１１は、隣り合う外周バーナ３３でそれぞれ形成する火炎が相互に干渉する火炎干渉を防ぐように機能するものである。

空気孔プレート２０の燃焼室側表面３０１上に設けた前記中央突起３１０と外周突起３１１の断面形状は、図１に中央突起３１０の断面を示したようにそれぞれ矩形に形成されている。

前記中央突起３１０及び外周突起３１１の断面形状の大きさは、空気孔プレート２０に垂直な方向の長さをＨ、平行な方向の長さをＬ、空気孔２１の空気孔径をｄａとすると、中央突起３１０及び外周突起３１１の空気孔プレート２０に垂直な方向の長さＨの範囲は、Ｈ ≦ ５ｄａと規定できる。

なお、空気孔プレート２０の中央バーナ３２と外周バーナ３３に設けた空気孔２１のそれぞれの空気孔群各空気孔群４１、４２、４３において、空気孔プレート２０の燃焼室側表面３０１での空気孔間距離Ｄｃ２、Ｄｏ２（各空気孔群のピッチ円直径）は、図１に示したように、空気孔プレートエンドカバー１３側の表面３００での空気孔間距離Ｄｃ１、Ｄｏ１よりもそれぞれ小さくなっている。すなわち、Ｄｃ１ ＜ Ｄｃ２、Ｄｏ１ ＜ Ｄｏ２である。

次に、本実施例のガスタービン燃焼器３に設けた空気孔プレート２０の作用・効果について図４を用いて説明する。

図４は本実施例であるガスタービン燃焼器３に設けた空気孔プレート２０の燃焼室側表面に燃焼室５に突出する突起を備えたガスタービン燃焼器３における空気孔プレート２０の下流の燃焼室５内に形成される流れの流動と形成される火炎の概略図を示す。

本実施例のガスタービン燃焼器３では、中央バーナ３２と、その周囲に配置した外周バーナ３３のそれぞれのバーナの下流には、各列配設した空気孔２１によって形成される旋回流がいずれもバーナ中心に旋回軸をもつため、それらの旋回流が互いに合流してバーナ中心に回転軸をもつ１つの旋回流が形成されている。

本実施例のガスタービン燃焼器３では、１個設置した中央バーナ３２と、その周囲に設置した６個の外周バーナ３３のそれぞれの下流に旋回流が形成されるため、燃焼室５内には合計７個の旋回流が形成される。それぞれの旋回流は、各空気孔群の燃焼室側３０１の空気孔間距離の方がエンドカバー側３００の空気孔間距離よりも小さいため、図中に示す点Ｐまで徐々に旋回半径を小さくしながら噴出する。

旋回流は燃焼室５内をさらに下流に進み、点Ｐからは旋回半径は拡大する。このように流動する旋回流の包絡線を流線８０として示されているが、前記流線８０は燃焼器横断面における旋回流の主流成分の包絡線をバーナ中心を含む断面で示したものである。
前記旋回流により、空気孔プレート２０から離れた位置の点Ｐを保炎点８１として火炎が保持され、空気孔プレート２０から浮上した火炎が形成される。中央バーナ３２により形成される火炎を中央バーナ火炎８２、外周バーナ３３により形成される火炎を外周バーナ火炎８３とする。

浮上火炎の形成により、特に燃焼速度が速い水素含有燃料に対して、空気孔プレート２０への火炎の付着を軽減できる。さらに、空気孔プレート２０の出口から火炎面８４までの燃料と空気が混合する距離が延長されるため、混合が促進しＮＯｘ排出量が低減される。

本実施例のガスタービン燃焼器３では空気孔プレート２０の燃焼室側表面３０１上である中央バーナ３２と外周バーナ３３の間に中央バーナ３２の外周を囲むように環状の中央突起３１０を設けており、さらに隣り合う外周バーナ３３の間に隣接した外周バーナ３３を区分して前記中央突起３１０と接続した外周突起３１１を設けた構成を採用したことから、外周側後流８５に燃焼ガス９０が流入することが防止できる。

即ち、広い範囲のガスタービン負荷に対応するため、ガスタービン燃焼器３に設けたバーナを中央バーナ３２と、その外周側の複数個の外周バーナ３３とで構成したガスタービン燃焼器３においては、外周バーナ３３の２列目・３列目空気孔の後流（外周側後流８５）に、中央バーナ３２の後流に形成された中央バーナ火炎８２から燃焼ガス９０が流入する可能性がある。

この外周側後流８５には可燃範囲の混合気が存在するので、仮に外周側後流８５に着火源になる高温の流体（燃焼ガス９０）が流入すれば前記混合気が着火して圧力波を発することになる。

つまり、火炎位置の変動によって圧力変動が起こり、この圧力変動はガスタービン燃焼器の信頼性を低下させる原因となる。このようなバーナ間の火炎干渉は、隣り合う外周バーナ３３間においても起こる可能性がある。

これに対して本実施例のガスタービン燃焼器３では、前記中央突起３１０を空気孔プレート２０の燃焼室側表面３０１上に設けているので、着火源となる燃焼ガス９０が外周側後流８５に流入することが防止され、その結果、外周側後流８５の混合気は着火することなく混合を促進して下流側に流下して火炎面８４に到達し希薄燃焼することができる。火炎は保炎点Ｐから伝播して火炎面８４に沿って伸びていくことになる。

次に、図４を用いて本実施例のガスタービン燃焼器３に設けた空気孔プレート２０の下流の燃焼室５内に形成される燃料と空気との混合気の流動と形成される火炎の状況について説明する。

本実施例のガスタービン燃焼器３は図１乃至図３に示したように、ガスタービン燃焼器３のバーナ間の火炎干渉を防ぐため、空気孔プレート２０の燃焼室側表面３０１上に、中央バーナ３２と、該中央バーナ３２の外周側に配設された外周バーナ３３との間に位置する環状の中央突起３１０を設け、更に隣り合う外周バーナ３３の間に位置する外周突起３１１を設けた構成となっている。

空気孔プレート２０の燃焼室側表面３０１上に中央突起３１０を設けることによって、中央バーナ３２の下流側となる燃焼室５内に形成される中央バーナ火炎８２の燃焼ガス９０が、外周バーナ３３の下流側となる燃焼室５内に形成される該外周バーナ３３の２列目・３列目空気孔の後流（外周側後流８５）に流入することを防ぐことができる。

その結果、ガスタービン燃焼器から排出されるＮＯｘ排出量を低減すると共に、ガスタービン燃焼器に設けた外周バーナ３３の下流側の空気プレート２０の近傍に形成される外周側後流８５での燃料と空気との混合気の着火が防止され、この混合気の着火が原因で発生するガスタービン燃焼器の圧力変動を未然に防止されることによるガスタービン燃焼器の信頼性が向上したガスタービン燃焼器が実現できる。

また、本実施例のガスタービン燃焼器３に設けた空気孔プレート２０の燃焼室側表面３０１上に設けた隣り合う外周バーナ３３の間に位置する外周突起３１１は、中央バーナ３２の下流側となる燃焼室５内に形成される中央バーナ火炎８２の燃焼ガス９０が、隣り合う外周バーナ３３の間に流入するのを防いでいるため、外周バーナ３３で発生する圧力変動を防止できる。

さらに、中央バーナ３２の下流側となる燃焼室５内に形成される中央バーナ火炎８２と、外周バーナ３３の下流側となる燃焼室５内に形成される外周バーナ火炎８３は、燃焼室５内の点Ｐより下流側で形成されるため、空気孔プレート２０から噴出した燃料と空気の混合気が点Ｐに至るまでに燃料と空気の混合が促進して、ガスタービン燃焼器３から排出するＮＯｘ排出量を低減できる。

次に、本実施例のガスタービン燃焼器３に設けた空気孔プレート２０の燃焼室側表面３０１上に設ける中央突起３１０及び外周突起３１１の各矩形断面において、空気孔プレート２０の面に垂直な方向の長さをＨ、平行な方向の長さをＬ、空気孔２１の空気孔径をｄａとすると、中央突起３１０及び外周突起３１１の各矩形断面を定める空気孔プレート２０に垂直な方向の長さＨの範囲は、Ｈ ≦ ５ｄａと規定できる。
即ち、中央突起３１０及び外周突起３１１の各矩形断面を定める空気孔プレート２０に垂直な方向の突起部の長さＨが、Ｈ ≦ ５ｄａと定められた根拠は次の通りである。

図５は本実施例のガスタービン燃焼器３に設けた中央バーナ３２及び外周バーナ３３の各バーナにおける混合気の流れ方向の燃料濃度分布（流れ方向に垂直な断面における空間平均値）の概略図を示す。

図５に示したように、空気プレート２０の空気孔２１内（空気孔入口から空気孔出口まで）で燃料と空気は徐々に混合し、燃料濃度は減少していく。空気孔出口で燃料と空気の噴流は急拡大し、燃料と空気が急速に混合するため、燃料濃度は急激に減少していく。

空気孔プレート２０の燃焼室側表面３０１から燃焼室５内に５ｄａ離れた位置の下流では燃料濃度はほぼ一定値となる。このように燃料濃度がほぼ一定値となる領域では局所的に燃料濃度が高い箇所は存在せず、燃焼速度が急激に速くなることはないため、火炎が上流に戻ることはない。

したがって、中央突起３１０及び外周突起３１１の突起部の矩形断面の一辺の長さＨは、５ｄａ以下の値を採用することが好適である。

本実施例のガスタービン燃焼器によれば、燃焼室に形成される火炎位置の変動による圧力変動を抑制して、ガスタービン燃焼器の信頼性を向上させるガスタービン燃焼器が実現できる。

次に本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器について図６を用いて説明する。

本実施例のガスタービン燃焼器３は図１乃至図５に記載された第１実施例のガスタービン燃焼器と基本的な構成は同じであるので、両者に共通した構成の説明は省略し、相違する部分のみ説明する。
図６は本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器３に設けられた空気孔プレート２０の縦断面図を示している。
本実施例のガスタービン燃焼器３においては、空気プレート２０の燃焼室側表面３０１上に設けた中央突起３１０及び外周突起３１１の各突起部先端の角をそれぞれ曲線状に形成したものである。
本実施例の空気プレート２０の燃焼室側表面３０１上に設けた中央突起３１０及び外周突起３１１の各矩形断面の形状を規定する空気孔プレート２０に垂直な方向の突起部の長さＨの範囲は、第１実施例のガスタービン燃焼器３における空気プレート２０の燃焼室側表面３０１上に設けた中央突起３１０及び外周突起３１１の場合と同じ、Ｈ ≦ ５ｄａに規定されている。

第１実施例のガスタービン燃焼器３の空気プレート２０では中央突起３１０及び外周突起３１１の先端部の角がエッジ状に形成されているため、前記各突起の近傍に火炎が接近して突起が高温の燃焼ガスに曝されて加熱された場合には、突起の角の構造信頼性が低下する可能性がある。

そこで本実施例のガスタービン燃焼器３の空気プレート２０においては、中央突起３１０及び外周突起３１１の突起の先端の角を曲線状に形成したため、前記のような構造信頼性の低下を抑制する効果がある。
ガスタービン燃焼器３の圧力変動の防止効果に関しては、前記空気プレート２０の中央突起３１０及び外周突起３１１の突起部の長さＨの範囲が、Ｈ ≦ ５ｄａであれば、前記第１実施例のガスタービン燃焼器３の場合で説明した理由により、ガスタービン燃焼器３のバーナ間の火炎干渉によって起こる圧力変動を防止し、ＮＯｘ排出量を低減すると共に、ガスタービン燃焼器の信頼性を向上できる。

本実施例のガスタービン燃焼器３では、ガスタービン燃焼器３に設けた空気プレート２０の中央突起３１０及び外周突起３１１の矩形断面の突起部の先端部の角を曲線状に形成して前記突起部に熱伝達を受け易い角部を無くしたので、前記突起部に熱変形や熔損が生じることが回避されるので、ガスタービン燃焼器３の信頼性を向上させることが可能となる。

本実施例のガスタービン燃焼器によれば、燃焼室に形成される火炎位置の変動による圧力変動を抑制して、ガスタービン燃焼器の信頼性を向上させるガスタービン燃焼器が実現できる。

次に本発明の第３実施例であるガスタービン燃焼器について図７及び図８を用いて説明する。

本実施例のガスタービン燃焼器３は図１乃至図５に記載された第１実施例のガスタービン燃焼器と基本的な構成は同じであるので、両者に共通した構成の説明は省略し、相違する部分のみ説明する。
図７及び図８は本発明の第３実施例のガスタービン燃焼器３に設けられた空気孔プレート２０の構造図を示すものであり、図７はガスタービン燃焼器３の空気孔プレート２０の縦断面図を、図８はガスタービン燃焼器３の空気孔プレート２０の正面図を夫々示している。
本実施例のガスタービン燃焼器３では、空気孔プレート２０の燃焼室側表面３０１上に中央バーナ３２を囲むリング状の形状の中央突起３１０、および外周バーナ３３を囲むリング状の形状の外周突起３１１を設置した構造となっている。

空気孔プレート２０の燃焼室側表面３０１上に設けた中央突起３１０及び外周突起３１１の断面形状は第１実施例のガスタービン燃焼器３に設けた空気孔プレート２０の燃焼室側表面３０１上の突起部の中央突起３１０及び外周突起３１１と同じ矩形であり、前記中央突起３１０及び外周突起３１１が空気孔プレート２０の表面から垂直な方向に伸びた突起部の長さＨの範囲も、第１実施例のガスタービン燃焼器３の場合と同様に、Ｈ ≦ ５ｄａに設定されている。

本実施例のガスタービン燃焼器３に設けた空気孔プレート２０の中央突起３１０と外周突起３１１には、図７に示したように空気孔プレート２０を貫通して空気を流通する冷却孔３２０をそれぞれ備えている。

このリング状の中央突起３１０及び外周突起３１１に設けられた冷却孔３２０には、空気孔プレートエンドカバー側表面３００から空気孔プレート燃焼室側表面３０１に向けて空気が流通するように形成されている。

本実施例のガスタービン燃焼器３においても、空気孔プレート２０の燃焼室側表面３０１上に設けた中央突起３１０は、中央バーナ３２で形成する火炎と、中央バーナ３２の外周に配置された複数の外周バーナ３３でそれぞれ形成する火炎との火炎干渉を防ぐように機能するものである。

また、空気孔プレート２０の燃焼室側表面３０１上に設けた外周突起３１１は、中央バーナ３２の外周側に設けた複数個の隣り合う外周バーナ３３でそれぞれ形成する火炎が相互に干渉する火炎干渉を防ぐように機能するものである。

したがって、第１実施例のガスタービン燃焼器３で説明したものと同じ理由により、本実施例のガスタービン燃焼器３では、ガスタービン燃焼器３のバーナ間の火炎干渉によって起こる圧力変動を防止できるため、ＮＯｘ排出量を低減しつつ、燃焼器の信頼性を向上できる。
また、中央突起３１０及び外周突起３１１はリング状の形状をしているため、接近した火炎による加熱によって応力が集中する度合いは低減される。

本実施例のガスタービン燃焼器３に設けた空気プレート２０の中央突起３１０及び外周突起３１１は、前記突起部３１０、３１１を貫通して空気を流通させる冷却孔３２０が配設されているので、中央突起３１０及び外周突起３１１に設けた冷却孔３２０を流通する空気により中央突起３１０及び外周突起３１１を冷却することが可能となる。

その結果、本実施例のガスタービン燃焼器３においては、中央突起３１０及び外周突起３１１の突起物の構造信頼性を確保できる。

本実施例のガスタービン燃焼器によれば、燃焼室に形成される火炎位置の変動による圧力変動を抑制して、ガスタービン燃焼器の信頼性を向上させるガスタービン燃焼器が実現できる。

次に本発明の第４実施例であるガスタービン燃焼器について図９を用いて説明する。

本実施例のガスタービン燃焼器３は図１乃至図５に記載された第１実施例のガスタービン燃焼器と基本的な構成は同じであるので、両者に共通した構成の説明は省略し、相違する部分のみ説明する。
図９は本発明の第４実施例のガスタービン燃焼器３を備えたガスタービンプラント１の概略構成を示すものである。本実施例のガスタービン燃焼器３では、ガスタービン燃焼器３の軸中心に、空気孔プレート２０の燃焼室側表面３０１がその中心軸に向けて凹状に傾斜した傾斜面を有するパイロットバーナ３４が設置されており、このパイロットバーナ３４の中央部に、主に着火・昇速時に使用する油ノズル４０が配置されている。また、パイロットバーナ３４の外周囲には複数の外周バーナ３３が配置されている。

ガスタービン燃焼器３の燃料ノズル２２の下流側に設けた空気孔プレート２０の燃焼室側表面３０１上には、パイロットバーナ３４と外周バーナ３３の間にパイロットバーナ３４を囲むように配設した環状の中央突起３１０を設置し、さらに隣り合う外周バーナ３３の間には隣接する外周バーナ３３を区分する外周突起３１１を設置している。

前記ガスタービン燃焼器３に設けた空気孔プレート２０の燃焼室側表面３０１上に設置した中央突起３１０、外周突起３１１、及び外周バーナ３３の構造や配置は第１実施例のガスタービン燃焼器３の場合と同じである。

本実施例のガスタービン燃焼器３に設けたパイロットバーナ３４の燃焼室側の表面が、その中心軸に向けて凹状に傾斜した傾斜面を有しているのは、ガスタービン燃焼器３の運転時に外周バーナ３３の着火を容易にするためである。

本実施例のガスタービン燃焼器３では、第１実施例のガスタービン燃焼器３と同様に、各燃料系統２０１ａ、２０２ａ、２０３ａ、２０４ａ、２０５ａ、２０６ａには燃料２００の圧力を調節する燃料圧力調整弁６１ａ、６２ａ、６３ａ、６４ａ、６５ａ、６６ａ、および燃料２００の流量を調節する燃料流量調整弁６１ｂ、６２ｂ、６３ｂ、６４ｂ、６５ｂ、６６ｂがそれぞれ備えられており、制御装置１００から出力されたガスタービン装置の負荷に応じた操作信号によって前記燃料圧力調整弁及び燃料流量調整弁の弁開度を制御し、各燃料ノズル２２に供給する前記ガス燃料２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６の圧力及び流量をそれぞれ調節するように構成されている。

そして本実施例のガスタービン燃焼器３では、更に、パイロットバーナ３４に備えた油ノズル４０に起動用燃料２１０を供給する燃料系統２１０ａと、前記燃料系統２１０ａに燃料遮断弁５９、燃料圧力調整弁６７ａ、燃料流量調整弁６７ｂをそれぞれ備えており、前記燃料遮断弁５９、燃料圧力調整弁６７ａ、燃料流量調整弁６７ｂも制御装置１００から出力される操作信号によって弁開度が制御されるように構成されている。

尚、前記燃料系統２１０ａを通じてパイロットバーナ３４の油ノズル４０に供給される起動用燃料２１０としては、灯油、Ａ重油などの油燃料が使用される。

本実施例のガスタービン燃焼器３は、起動から定格負荷まで以下の方法で運転する。まずパイロットバーナ３４により起動用燃料２１０を燃焼させて着火・昇速し、低負荷条件まで起動用燃料による油焚きで運転する。

ガスタービン装置の運転が低負荷条件で、ガスタービン燃焼器３のパイロットバーナ３４を油焚きからガス焚きへと燃焼形態を切り替える。そして、ガス専焼に切り替えた後は、さらに外周バーナ３３の３個にガス燃料を供給することでガスタービン装置の負荷を上昇させる。その後、外周メインバーナ３３の残り３個にもガス燃料を供給することでガスタービン装置の定格負荷条件まで６個の外周メインバーナ３３の全バーナを燃焼させる。

外周バーナ３３の着火を容易にするため、パイロットバーナ３４の燃焼室側表面がバーナ中心軸に向けて傾斜させ火炎伝播を容易にしているが、そのために外周バーナ３３の２列目・３列目空気孔の後流に、パイロットバーナ３４の火炎から燃焼ガスが流入しやすくなり、後流に存在する可燃範囲の混合気が着火して圧力変動が発生することが懸念される。

そこで、本実施例のガスタービン燃焼器３においては、空気孔プレート２０の燃焼室側表面３０１上に、中央突起３１０と外周突起３１１を設けることによって後流への燃焼ガスの流入を防ぎ、ガスタービン燃焼器３に圧力変動が発生することを防止している。

また、空気孔プレート２０の燃焼室側表面３０１上に設けた中央突起３１０及び外周突起３１１の断面形状は第１実施例のガスタービン燃焼器３に設けた空気孔プレート２０の燃焼室側表面３０１上の突起部の中央突起３１０及び外周突起３１１と同じ矩形であり、前記中央突起３１０及び外周突起３１１が空気孔プレート２０の表面から垂直な方向に伸びた突起部の長さＨの範囲も、第１実施例のガスタービン燃焼器３の場合と同様に、Ｈ ≦ ５ｄａに設定されている。

この空気孔プレート２０の上に設けた中央突起３１０及び外周突起３１１の突起長さＨは、Ｈ ≦ ５ｄａの範囲の値を設定することにより、外周バーナ３３の着火を妨げることはない。

本実施例のガスタービン燃焼器３では、火炎の形成が容易で外乱の影響を受け難くしたことから、低ＮＯｘ燃焼を安定して維持することが可能となる。

本実施例のガスタービン燃焼器によれば、燃焼室に形成される火炎位置の変動による圧力変動を抑制して、ガスタービン燃焼器の信頼性を向上させるガスタービン燃焼器が実現できる。

本発明はガスタービン燃焼器に適用することが可能である。

１：ガスタービンプラント、２：空気圧縮機、３：燃焼器、４：タービン、５：燃焼室、６：発電機、７：ガスタービン起動用モータ、１０：外筒、１２：主室ライナ、１３：燃焼器エンドカバー、２０：空気孔プレート、２１：空気孔、２２：燃料ノズル、２３：燃料ヘッダー、３０：バーナ中央部、３１：バーナ外周部、３２：中央バーナ、３３：外周バーナ、３４：パイロットバーナ、４０：油ノズル、４１：１列目空気孔群、４２：２列目空気孔群、４３：３列目空気孔群、５９、６０：燃料遮断弁、６１ａ、６２ａ、６３ａ、６４ａ、６５ａ、６６ａ、６７ａ：燃料圧力調整弁、６１ｂ、６２ｂ、６３ｂ、６４ｂ、６５ｂ、６６ｂ、６７ｂ：燃料流量調整弁、８０：燃焼器横断面における旋回流の軸方向速度の流線、８１：保炎点、８２：中央バーナ火炎、８３：外周バーナ火炎、８４：火炎面、８５：外周側後流、９０：燃焼ガス、１００：制御装置、１０１：空気、１０２、１０２ａ：圧縮空気、１０３：冷却空気、１１０：燃焼ガス、１１１：排気ガス、２００、２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６ａ：ガス燃料、２００ａ、２０１ａ、２０２ａ、２０３ａ、２０４ａ、２０５ａ、２０６ａ、２１０ａ：燃料系統、２１０：起動用燃料、３００：空気孔プレートエンドカバー側表面、３０１：空気孔プレート燃焼室側表面、３１０：中央突起、３１１：外周突起、３２０：冷却孔。

Claims (10)

1. ガスタービン燃焼器の頭部に設置され下流側の燃焼室に燃料を噴出する複数の燃料ノズルと、前記複数の燃料ノズルと略同軸となるように該燃料ノズルの下流側にそれぞれ配設されて前記燃焼室に空気を導く複数の空気孔と、前記空気孔が形成されており前記燃料ノズルと前記燃焼室との間に設置された空気孔プレートとを備えており、前記複数の燃料ノズルと複数の前記空気孔から構成され該ガスタービン燃焼器の軸心に位置する中央バーナ及び該中央バーナの外周側に位置する複数の外周バーナをそれぞれ設け、
   前記燃焼室側の空気孔プレートの表面に前記中央バーナ、及び該中央バーナと隣接する複数の外周バーナとを囲む、或いは区分する突起物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１に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記突起物は前記中央バーナの外周に設置されて該中央バーナを囲む第１の突起部と、隣接する複数の外周バーナの間にそれぞれ設置されて該外周バーナを区分する第２の突起物とから構成されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
3. 請求項２に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記第１の突起物及び第２の突起物の断面はそれぞれ矩形状に形成されており、前記両突起物の前記空気孔プレートの表面に垂直な方向の長さＨは前記空気孔の直径ｄａの５倍以下の長さに設定されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
4. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記第１の突起物及び第２の突起物の先端部の角が曲線状に形成されており、前記両突起物の前記空気孔プレートの表面に垂直な方向の長さＨは前記空気孔の直径ｄａの５倍以下の長さに設定されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
5. ガスタービン燃焼器の頭部に設置され下流側の燃焼室に燃料を噴出する複数の燃料ノズルと、前記複数の燃料ノズルと略同軸となるように該燃料ノズルの下流側にそれぞれ配設されて前記燃焼室に空気を導く複数の空気孔と、前記空気孔が形成されており前記燃料ノズルと前記燃焼室との間に設置された空気孔プレートとを備えており、前記複数の燃料ノズルと複数の前記空気孔から構成され該ガスタービン燃焼器の軸心に位置する中央バーナ及び該中央バーナの外周側に位置する複数の外周バーナをそれぞれ設け、
   前記燃焼室側の空気孔プレートの表面に前記中央バーナの外周、及び該中央バーナと隣接する複数の外周バーナの外周を囲む突起物をそれぞれ設けたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
6. 請求項５に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記突起物の断面はそれぞれ矩形状に形成されており、前記突起物の前記空気孔プレートの表面に垂直な方向の長さＨは前記空気孔の直径ｄａの５倍以下の長さに設定されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
7. 請求項６に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記突起物は空気孔プレートを貫通して空気を流通する冷却孔を備えていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
8. ガスタービン燃焼器の頭部に設置され下流側の燃焼室に燃料を噴出する複数の燃料ノズルと、前記複数の燃料ノズルと略同軸となるように該燃料ノズルの下流側にそれぞれ配設されて前記燃焼室に空気を導く複数の空気孔と、前記空気孔が形成されており前記燃料ノズルと前記燃焼室との間に設置された空気孔プレートとを備えており、前記複数の燃料ノズルと複数の前記空気孔から構成され該ガスタービン燃焼器の軸心に位置する中央バーナ及び該中央バーナの外周側に位置する複数の外周バーナをそれぞれ設け、
   前記パイロットバーナは前記燃焼室側の空気孔プレートの表面が前記燃焼器の軸中心に向けて凹状に傾斜した傾斜面を備え、前記パイロットバーナの中央部には油ノズルを備え、
   前記燃焼室側の空気孔プレートの表面に前記中央バーナ、及び該中央バーナと隣接する複数の外周バーナとを囲む、或いは区分する突起物を設けたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
9. 請求項８に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記突起物は前記中央バーナの外周に設置されて該中央バーナを囲む第１の突起部と、隣接する複数の外周バーナの間にそれぞれ設置されて該外周バーナを区分する第２の突起物とから構成されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
10. 請求項９に記載のガスタービン燃焼器において、
    前記第１の突起物及び第２の突起物の断面はそれぞれ矩形状に形成されており、前記両突起物の前記空気孔プレートの表面に垂直な方向の長さＨは前記空気孔の直径ｄａの５倍以下の長さに設定されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。

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