JP2012154570A - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】空気孔の出口位置および出口方向を規定し、空気孔出口への火炎付着を抑制する燃焼器では、燃料と空気が混合する距離を増加させることでＮＯｘ排出量を低減することができる。しかしこのような燃焼器について、火炎面の変動による燃焼振動の発生に対する抑制策が十分に検討されていなかった。
【解決手段】燃料と空気とが供給される燃焼室５と、燃焼室５に空気を供給する空気孔３２と、空気孔３２に気体燃料を供給する燃料ノズル２５を備え、空気孔３２に供給する気体燃料に圧力損失を生じさせるオリフィス２４を有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明はガスタービン燃焼器及びその運転方法に関する。

環境保護の観点からガスタービンにはさらなる低ＮＯｘ化が求められている。

ガスタービン燃焼器を低ＮＯｘ化するための一方策として、予混合燃焼器があげられるが、この場合、火炎が予混合器内部に入り込む逆火現象が懸念される。

特許文献１には、燃焼室に燃料を供給する燃料ノズルと、この燃料ノズルの下流側に位置し、空気を供給する空気孔とを備え、燃料ノズルの噴出孔と空気孔とを同軸上に配置した燃料燃焼用ノズルから構成される燃焼器が示されており、耐逆火性と低ＮＯｘ燃焼を兼ね備えた燃焼器を開示している。

特許文献２には、空気孔の出口位置および出口方向を規定し、空気孔出口への火炎付着を抑制する手段が開示されており、特許文献１に対し燃料と空気が混合する距離を増加させることでさらにＮＯｘ排出量を低減することができる。

特開２００３−１４８７３４号公報 特開２０１０−１３３６２１号公報

特許文献２では、火炎面の変動による燃焼振動の発生に対する抑制策が十分に検討されていなかった。

そこで本発明の目的は、火炎面の変動による燃焼振動を抑制できる燃焼器を提供することにある。

本発明は、燃料と空気とが供給される燃焼室と、前記燃焼室に空気を供給する空気孔と、前記空気孔に気体燃料を供給する燃料ノズルを備え、前記空気孔に供給する気体燃料に圧力損失を生じさせるオリフィスを有することを特徴とする。

本発明によれば、火炎面の変動による燃焼振動を抑制できる燃焼器を提供できる。

実施例１におけるガスタービン燃焼器の燃料供給部を構成する燃料ノズルヘッダと燃料ノズルおよび空気孔プレートとの配置状況の詳細を示す部分構造図である。 図１に示した実施例１の空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図である。 実施例１のガスタービン燃焼器が適用されるガスタービンプラントの概略構成を示すプラントの系統図である。 空気孔と燃料ノズル一対の関係を示した詳細断面図である。 空気孔と燃料ノズルと火炎の関係を現した模式図である。 実施例１における着火から負荷１００％条件までの燃焼器の運転の一例を示した図である。 実施例１におけるオリフィスの設置方法の一例を示した図である。 実施例１におけるオリフィスの設置方法の一例を示した図である。 実施例１におけるオリフィスの設置方法の一例を示した図である。 実施例１のバリエーションにおけるガスタービン燃焼器の燃料供給部を構成する燃料ノズルヘッダと燃料ノズルおよび空気孔プレートとの配置状況の詳細を示す部分構造図である。 図１０に示した実施例１のバリエーションの空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図である。 実施例２におけるガスタービン燃焼器の燃料供給部を構成する燃料ノズルヘッダと燃料ノズルおよび空気孔プレートとの配置状況の詳細を示す部分構造図である。 図１２に示した実施例２の空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図である。 実施例３におけるガスタービン燃焼器の燃料供給部を構成する燃料ノズルヘッダと燃料ノズルおよび空気孔プレートとの配置状況の詳細を示す部分構造図である。 図１４に示した実施例３の空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図である。 実施例３の空気孔出口および空気孔中心軸、バーナ中心軸の位置関係を示した図である。 実施例３の１列目空気孔から噴出された混合気の流線を２次元平面上に投影した図である。 実施例３のＡ−Ａ断面における混合気噴流の位置関係を示した図である。 実施例４におけるガスタービン燃焼器の燃料供給部を構成する燃料ノズルヘッダと燃料ノズル及び空気孔プレートとの配置状況の詳細を示す部分構造図である。 図１９に示した実施例４の空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図である。 実施例４のバリエーションにおけるガスタービン燃焼器の燃料供給部を構成する燃料ノズルヘッダと燃料ノズルおよび空気孔プレートとの配置状況の詳細を示す部分構造図である。

以下、各実施例について説明する。

（第１の実施例）
図３は発電用ガスタービンプラント９の全体構成を表すシステム図である。

図３において、発電用ガスタービンは、吸い込み空気１５を加圧して高圧空気１６を生成する圧縮機１と、圧縮機１で生成した高圧空気１６と燃料系統６０からのガス燃料とを燃焼させて高温燃焼ガス１８を生成する燃焼器２と、燃焼器２で生成した高温燃焼ガス１８によって駆動されるタービン３と、タービン３の駆動によって回転され電力を発生させる発電機８と、圧縮機１，タービン３及び発電機８を一体に連結するシャフト７を備える。

そして、燃焼器２は、ケーシング４の内部に格納されている。

また、燃焼器２は、その頭部にバーナ６を備え、このバーナ６の下流側となる燃焼器２の内部に、高圧空気と燃焼ガスとを隔てる概略円筒状の燃焼器ライナ１０を備える。

この燃焼器ライナ１０の外周に、高圧空気を流下させる空気流路を形成する外周壁となるフロースリーブ１１が配設されている。フロースリーブ１１は燃焼器ライナ１０よりも直径が大きく、燃焼器ライナ１０とほぼ同心円の円筒状に配設されている。

燃焼器ライナ１０の下流側は、燃焼器２の燃焼室５で発生した高温燃焼ガス１８をタービン３に導くための尾筒内筒１２が配設されている。また、尾筒内筒１２の外周側に、尾筒外筒１３が配設されている。

吸い込み空気１５は、圧縮機１によって圧縮された後に高圧空気１６となる。高圧空気１６は、ケーシング４内に充満した後、尾筒内筒１２と尾筒外筒１３の間の空間に流入し、尾筒内筒１２を外壁面から対流冷却する。

さらに高圧空気１６は、フロースリーブ１１と燃焼器ライナ１０との間に形成された環状の流路を通って燃焼器の頭部に向かって流れる。高圧空気１６は流れる途中で、燃焼器ライナ１０の対流冷却に使用される。

また、高圧空気１６の一部は、燃焼器ライナ１０に設けられた多数の冷却孔から燃焼器ライナ内へ流入し、燃焼器ライナ１０のフィルム冷却に使用される。

高圧空気１６のうち燃焼器ライナ１０のフィルム冷却に使用されなかった残りの燃焼用空気１７は、燃焼室５の上流側壁面に位置する空気孔プレート３１に設けられた多数の空気孔３２から燃焼室５に流入する。

多数の空気孔３２から燃焼器ライナ１０に流入した燃焼用空気１７は、燃料ノズル２５から噴出される燃料とともに、燃焼室５で燃焼して高温燃焼ガス１８を生成する。この高温燃焼ガス１８は尾筒内筒１２を通じてタービン３に供給される。

高温燃焼ガス１８は、タービン３を駆動した後に排出されて、排気ガス１９となる。

タービン３で得られた駆動力は、シャフト７を通じて圧縮機１及び発電機８に伝えられる。

タービン３で得られた駆動力の一部は、圧縮機１を駆動して空気を加圧し高圧空気を生成する。また、タービン３で得られた駆動力の他の一部は、発電機８を回転させて電力を発生させる。

バーナ６は燃料系統６１と燃料系統６２の二つの燃料系統を備える。それぞれの燃料系統は燃料流量調整弁２１を備えている。そして、燃料系統６１からの燃料の流量は燃料流量調整弁２１ａで、燃料系統６２からの燃料の流量は燃料流量調整弁２１ｂでそれぞれ調節され、ガスタービンプラント９の発電量が制御される。また２つの燃料系統に分岐する上流側には、燃料を遮断するための燃料遮断弁２０が備えられている。

バーナ６の詳細を図１の断面図に示し、空気孔プレート３１を燃焼室５側から見た正面図を図２に示す。以下、詳細を図１，図２により説明する。

本実施例のバーナ６には、燃料を噴出する多数の燃料ノズル２５が燃料ヘッダ２３に取り付けられている。また、空気孔プレート３１に多数備えられた空気孔３２は、燃料ノズル２５に対して１対１に配置されている。すなわち、燃料ノズル２５からの気体燃料が空気孔３２に供給されるように構成されている。図２の正面図に示すように、空気孔３２は３列の同心円上に配置されている。

空気孔３２と燃料ノズル２５の詳細図を図４（ａ）に示す。本実施例の空気孔３２は流路の途中で折れ曲がっており、２つの中心軸をもつ。上流側の中心軸５１は図１に示すバーナ中心軸５０に対し平行であるのに対し、下流側の中心軸５２はバーナ中心軸５０に対し角度を有しており、これにより燃焼室５内に図１に示す旋回流４０を形成することができる。空気孔３２の内部では、燃料噴流２６の周囲を空気流３０が包み込むように流れる。２つの噴流の境界面では速度差や密度差によって渦４５が生じ，流れに乱れが発生する。この乱れが燃料と空気を半径方向に輸送，攪拌し、燃料と空気を混合する。また、本実施例の構成では、空気孔上流側において燃料噴流２６は空気流３０の中心を流れ、流れ方向も同一方向であるため空気孔内部で燃料噴流２６が偏って流れることがなく、燃料が効率よく半径方向外側に向かって拡散し、空気との混合が進む。

以上のように、燃料噴流２６と空気流３０の小さな同軸流を多数形成することにより、燃料と空気の界面が増加し、それぞれの同軸流で燃料と空気の混合がおこなわれるため、空気孔３２の出口側では燃料と空気が十分に混合された混合気が燃焼室５に向かって噴出される。そのため、図１に示したように形成される予混合火炎４２の火炎温度分布が均一化し、ＮＯｘの発生量を低減することができる。

本実施例では、燃料ノズル２５は先端まで円筒の形状をしているが、燃料と空気の混合をさらに促進するには図４（ｂ）のように燃料ノズル２５の先端に突起物２７を設けることは有効である。また、図示するように燃料ノズル先端を空気孔３２の内部に挿入すると混合がより促進する。内部に挿入することにより燃料ノズル先端周囲を流れる空気流３０の流速が速くなり、かつ突起物によって強い乱れが生じ、渦４６が発生する。この渦４６により燃料噴流２６と空気流３０を半径方向に輸送し、強く攪拌することによって積極的に混合することができる。そして、予混合火炎４２に到達する前に燃料と空気が均一化することで火炎の局所的な温度上昇を抑え、ＮＯｘ排出量をさらに低減することができる。以下の実施例についても、ＮＯｘ低減のため燃料ノズル２５の先端に突起物２７を設けることは有効である。

図１に示すように本実施例の空気孔プレート３１は、バーナの中心が外周部に比べて燃焼室５側に突き出しており、１列目空気孔３２ａの出口はバーナ中心軸５０に対し垂直なバーナ先端の平面３３に配置されている一方、２列目空気孔３２ｂと３列目空気孔３２ｂの出口は空気孔プレート３１の傾斜面３４に配置されている。また、前述したように本実施例の空気孔３２の下流側中心軸５２はすべてバーナ中心軸５０方向に対し傾斜して配設されており、燃焼室５に強い旋回流４０を形成し、大きな循環流４１が生じる。循環流４１が空気孔プレート３１の燃焼室５に突き出た位置で形成されるため、循環流４１によるエントレインにより空気プレート３１の傾斜面３４近傍では循環流４１に向かう流れ４３が生じる。この流れ４３が中央部の高温燃焼ガスが２列目の空気孔３２ｂに向かって流れ出ることを防いでいる。

バーナ先端の平面３３近傍には循環流によって高温燃焼ガスが安定的に供給され、１列目空気孔出口に火炎が保炎する。一方で、２列目空気孔周囲には熱が供給されず、エントレインによる流れによってよどみ領域もないため火炎が保炎しない。そのため、図に示されるような円錐火炎４２が形成される。２列目，３列目の同軸噴流ノズルについては空気孔３２ｂの出口における急拡大と空気孔３２ｂの出口から火炎４２に到達するまでの距離が長いことによって燃料と空気の混合が成され、バーナから排出されるＮＯｘ排出量を大幅に低減することができる。

しかし、本実施例のように燃料と空気の混合ガスが２列目，３列目の空気孔３２ｂの出口から火炎に到達する距離を長くすると、外周部の火炎がバーナ軸方向に変動しやすくなり、この変動が燃焼振動に発達する恐れがある。

図５により燃焼振動の発生メカニズムについて説明する。火炎４２は未燃混合気の流速と火炎が伝播する速度がつり合う位置に形成される。しかし、燃焼室内では、多数の噴流により旋回流が形成されているため、非常に乱れた乱流場となっており、火炎面は変動している。本実施例ではＮＯｘ排出量を低減するために円錐状の火炎を形成しているため、火炎４２が微小時間後には４２′の位置に移動するなど、バーナの軸方向への変動が大きくなりやすい。火炎４２が軸方向に変動すると圧力変動が生じ、この圧力変動が上流側に伝播する。その様子を矢印４８で示す。燃料流量は燃料ノズル前後の差圧によって変化するため、火炎面の変動による圧力変動によって燃料流量が変動する。燃料流量が変動することによって空気孔３２を通過する混合気の燃空比が変動する。その様子を矢印４９で示す。混合気の燃空比が変動すると火炎４２の燃焼速度が変化するため、未燃混合気の流速と火炎が伝播する速度がつり合う位置が変化し、火炎の位置はさらに変動する。これによりフィードバックループが形成され、燃焼振動が発生する。

そこで本実施例の燃料ノズル２５は、燃料の通過する流路を急縮小後、急拡大させる部分を有している。本実施例では、これをオリフィス２４と呼ぶ。本実施例ではオリフィス２４は燃料ノズル内部で、空気孔３２に供給する気体燃料に圧力損失を生じさせている。そして火炎面変動の影響を大きく受ける２，３列目燃料ノズル２５ｂについてはオリフィス２４ｂの径を小さくし、火炎面の変動による圧力変動に対しオリフィス２４ｂで差圧を十分に大きく取っている。こうすることにより、燃料ノズル前後の差圧の平均値に対する変動値が相対的に小さくなり、結果として燃料の流量変動を小さくすることができる。そして、燃焼振動の発生を抑制することができる。

ところで、ガスタービンの燃焼器は起動から負荷１００％の条件まで幅広い条件を安定に火炎を保持しなければならない。特に部分負荷条件では供給する燃料流量が少なく全体の燃空比が低いため、すべての燃料ノズルに燃料を供給すると燃料が希薄になり、火炎が不安定になって未燃分が多量に発生しやすくなる。そのため、燃焼器中心には拡散バーナを配置して拡散火炎を形成することで部分負荷条件を安定に燃焼させる方法が広く採用されている。しかし、この方式では負荷１００％の条件でＮＯｘを多く排出してしまう。

これに対する本実施例の態様について図６を用いて説明する。図６は本実施例における着火から負荷１００％条件までの燃焼器の運転の一例を示した図である。着火からある部分負荷条件５８までは燃料系統６１からの燃料のみで運転する。部分負荷条件５８に達した際には、燃料系統６１からの燃料を絞り、その分燃料系統６２からの燃料を追加する。

本実施例では図６に示すように部分負荷条件において燃料系統６１から１列目の燃料ノズル２５ａのみに燃料を供給する。このように１本あたりに供給する燃料流量を多くすることで燃料噴流２６が空気流３０を貫通し、混合しないまま燃焼室５に噴出することができる。そして、燃焼室５で２，３列目の空気孔３２ｂから噴出される空気と混合しながら拡散火炎を形成することができる。

このとき、最も燃料が多く流れる部分負荷条件５８において、燃料ノズル２５ａに燃料を所定流量流せるように差圧を抑える必要があるため、本実施例では１列目に配置したオリフィス２４ａの径（開口面積）を２，３列目に配置したオリフィス２４ｂの径（開口面積）よりも大きくし、オリフィス２４ａ前後の差圧を小さくしている。

オリフィス２４ａの径を大きくすると、火炎の変動によって燃焼振動が発生することが懸念されるが、オリフィス２４ａを配置した１列目については、空気孔３２ａの出口に火炎が固定されているため、火炎面は変動しない。そのため、オリフィス径を大きくしたことによりオリフィス前後の差圧が小さくなっても燃焼振動が発生する恐れはない。

また、本実施例のように火炎を保炎させる空気孔３２ａの出口が狭い領域に限られる場合は燃料ノズル２５ａ出口における圧力差がさらに小さく限定されるため、燃料流量の変動や偏差が生じにくい。そのため、火炎を出口に保炎させる空気孔３２ａに対応した燃料ノズル２５ａには、コスト低減のためにオリフィスを設置しなくてもよい。この場合でも燃焼振動発生の恐れはない。

本実施例のように、火炎が空気孔出口に保炎している空気孔３２ａと対をなす燃料ノズル２５ａに燃料を供給する系統と火炎が空気孔出口に保炎していない空気孔３２ｂと対をなす燃料ノズル２５ｂに燃料を供給する系統を分け、燃料ノズル２５ａに設けたオリフィス２４ａの径に対し燃料ノズル２５ｂに設けたオリフィス２４ｂの径を小さくすることで、燃焼振動の発生を抑制し、かつ部分負荷条件でも未燃分の発生を抑制する運転を行うことができる。

ここでオリフィスの据付方法について説明する。本実施例は、燃料ヘッダ２３に複数本の燃料ノズル２５を取り付けているが、オリフィス２４は図７のように燃料ノズル２５と一体物として製作し、燃料ヘッダ２３に取り付ける方法がある。また、オリフィスの位置も図７（ａ）のように燃料ノズルの根元に位置させる他に、図７（ｂ）のように燃料ノズル先端にオリフィス２４を配置してもよい。本方式では、燃料の噴出流速が速くなるため、燃料と空気をあえて混合させない場合には有効である。据付方法としては、この他に図８のように燃料ヘッダ２３に径の細い流路を燃料ノズル取り付け位置上流に設け、それをオリフィス２４としてもよい。また、この他に図９に示すようにオリフィス２４を燃料ノズル２５と燃料ヘッダ２３とは別部材として製作し、溶接や圧着するなどして接合してもよい。

本実施例において火炎の安定性を強化したバリエーションの断面図を図１０に、正面図を図１１に示す。これまでに説明した実施例では、１列目空気孔３２ａの出口は、バーナ中心軸５０に対し垂直なバーナ先端の平面３３に配置されていた。本バリエーションでは、同様にバーナ全体が燃焼室５に向かって突き出している一方で、バーナ中心部は燃焼室５に対し凹んでおり、１列目空気孔３２ａの出口は傾斜面３５に配置されている。

このような構成にした場合、バーナ中心から外周方向に向かう流れ４４が生じる。そして、循環流４１によって１列目空気孔３２ａ出口に燃焼ガスが供給され、火炎が１列目空気孔３２ａ出口に保炎する。また、１列目空気３２ａ出口近傍の領域４７は周囲を空気孔プレート３１に囲まれているため、この領域では周囲からの外乱を受けず流れが安定する。そのため、保炎点が外乱を受けないことによって非常に安定した火炎を形成することができる。

２，３列目空気孔３２ｂの出口が配置されている傾斜面３４の近傍では、第１の実施例と同様に外周から中心に向かう流れ４３が生じるため、２，３列目空気孔３２ｂ出口には燃焼ガスが供給されず、火炎は出口近傍には保炎しない。そのため、円錐状の火炎４２を形成することができ、ＮＯｘ排出量を同様に低減することができる。

以上説明した本実施例の燃焼器は、燃焼室５の上流側に位置し、第一の空気孔３２ａと、この外周側に設けられた第二の空気孔３２ｂとを有する空気孔プレート３１と、空気孔３２ａに気体燃料を供給する第一の燃料ノズル２５ａと、空気孔３２ｂに気体燃料を供給する第二の燃料ノズル２５ｂを備えている。このような燃焼器にて空気孔３２から燃焼室５に燃料と空気との混合ガスを噴出させる運転をすると、前述のように火炎面の変動による燃焼振動が発生するおそれがある。しかし本実施例の燃焼器はさらに、空気孔３２ｂに供給する気体燃料に圧力損失を生じさせるオリフィス２４ｂを有している。オリフィス２４ｂにより燃料ノズル２５ｂで圧力損失を生じさせ、燃料ノズル２５ｂ前後の差圧を確保することで、火炎面の変動による燃焼振動を抑制できる。

本実施例では空気孔３２ａに供給する気体燃料に圧力損失を生じさせる第一のオリフィス２４ａと、空気孔３２ｂに供給する気体燃料に圧力損失を生じさせる第二のオリフィス２４ｂとを両方備えている。第二のオリフィス２４ｂの開口面積が第一のオリフィス２４ａの開口面積よりも小さいため、燃焼振動が発生しやすい空気孔３２ｂ側の燃焼振動抑制効果を高めた好適な構造となっている。

本実施例では、第一の燃料ノズル２５ａに燃料を供給する燃料系統６１と、第二の燃料ノズル２５ｂに燃料を供給する燃料系統６２とが別系統になっている。そのため各燃料ノズルに適切に燃料を供給でき、それぞれの燃料ノズル前後の差圧を適切に管理することができる。

本実施例は、空気孔プレート３１の第一の空気孔３２ａが設置された領域での保炎を促進する保炎手段を有している。具体的には、空気孔プレート３１が径方向内側に向かうほど下流側にせり出す傾斜面を備え、第二の空気孔３２ｂの燃焼室側出口がこの傾斜面上に設けられている。そうすると、バーナ中心に向かう流れ４３を生じさせることができ、安定かつＮＯｘ排出量の少ない高性能な燃焼器を提供することができる。バーナ中心に向かう流れ４３は、空気孔プレート３１の第二の空気孔３２ｂが設置された領域での火炎の付着を抑制する手段として作用している。本実施例は保炎手段としてさらに、空気孔３２から噴出される燃料と空気の混合流体が、空気孔プレート３１の中心軸上に向かうように、空気孔３２の軸が構成されている。そうすると、循環流４１を生じさせることができ、火炎の安定性をより高めることができる。

（第２の実施例）
第２の実施例の断面図を図１２に示す。また燃焼室側から見たバーナ正面図を図１３に示す。本実施例は、第１の実施例に対し燃料系統６１から供給する燃料ノズル２５ａが同心円の２列の円周上に配置されている。燃料ノズル２５ａに対応した２列の空気孔３２ａの出口は、円錐形状の空気孔プレート３１の燃焼室５に向かった先端の平面３３に配置されている。１列目から４列目までの空気孔３２の中心軸は、バーナ中心軸５０に対し傾斜しており、バーナ下流に旋回流４０を形成し、大きな循環流４１が形成される。この循環流４１によって火炎４２からの高温燃焼ガスが上流側に戻り、１列目空気孔出口に熱を供給することによって、１列目空気孔出口に火炎が安定に保炎する。また、１列目空気孔から噴出される予混合気噴流の隙間を燃焼ガスが通過し、２列目空気孔出口近傍に熱を供給することで、２列目空気孔出口にも安定に火炎４２が保炎する。循環流４１は燃焼室５０に突き出た位置で形成されているため、循環流４１によるエントレインにより空気孔プレート３１の傾斜面３４の近傍では循環流４１に向かう流れ４３が生じる。この流れ４３が、中央部の高温燃焼ガスが３列目の空気孔３２ｂに向かって流れ出ることを防いでいる。これによって３列目，４列目空気孔出口近傍には熱が供給されないため、空気孔３２ｂ出口には火炎が保炎しない。また、４列目空気孔出口は火炎４２と距離があり、循環流に向かう流れ４３の働きによって高温の燃焼ガスが供給されないため、本実施例のように空気孔出口を空気孔プレート３１の外周部の平面部３６に配置してもよい。

本実施例では、第１の実施例と同様に１，２列目空気孔３２ａ出口に火炎が保炎する一方で３，４列目空気孔３２ｂ出口には火炎が保炎せず、円錐状の火炎４２が形成されるためＮＯｘ排出量を低く抑制することができる。また、空気孔３２ｂに対応した燃料ノズル２５ｂには、燃料の通過する流路を急縮小・急拡大させて圧力損失を生じさせるオリフィス２４ｂによって燃料ノズル前後に差圧を十分大きくとることができるため、円錐状の火炎４２の火炎面が変動しても燃料流量の変動は小さく抑えることができ、燃焼振動の発生を抑制できる。

火炎面の変動による影響のない燃料ノズル２５ａに設けたオリフィス２４ａについては、直径をオリフィス２４ｂよりも大きくし、燃料ノズル前後の差圧を低く抑制することによって、大量の燃料を流すことができる。そうすると、部分負荷条件で１，２列目燃料ノズル２５ａのみに大量の燃料を供給することによって燃料過濃領域を形成し、拡散火炎を形成することできる。部分負荷条件ではバーナに供給する燃料の全体量が少なく、燃焼室５内の平均温度が低いため火炎が不安定になり未燃分が発生しやすいが、本実施例では拡散火炎を形成することによって安定な火炎を形成し、未燃分の発生を抑制することができる。以上のように、ＮＯｘ排出量の低減と、燃焼振動の抑制，部分負荷条件における未燃分の発生の抑制を両立することができる。

本実施例は、第１の実施例よりも列数が多くバーナ全体を大きくすることができ、より発電量の多いガスタービンに適している。また、火炎が保炎する領域が広いため、火炎の安定性を強化することができる。

（第３の実施例）
第３の実施例の断面図を図１４に、正面図を図１５に示す。本実施例は第１の実施例とほぼ同じ構成であるが、空気孔プレート３１は、第１の実施例と異なり燃焼室５に面している面は平坦な形状をしている。第１の実施例では２列目，３列目の空気孔３２ｂの出口を傾斜面に配置することによって空気孔出口への火炎４２の付着を防いでいる。一方、本実施例では、図４に示した下流側中心軸５２が空気孔出口から下流に向かうに従いバーナ中心軸５０に垂直な面上においてバーナ中心軸５０との距離が縮まるように傾斜させることによって２，３列目の空気孔３２ｂへの付着を防いでいる。

詳細を図１６〜図１８で説明する。図１６に本実施例の１列目空気孔３２ａの一つを燃焼室５側から見た正面図を示す。本実施例では、バーナ中心軸５０に対し垂直な面に投影した空気孔中心軸５２ａは、１列目空気孔出口中心５４から下流側に向かうとバーナ中心軸５０との距離５５が縮まるように構成されている。

図１７に１列目空気孔３２ａから噴出される混合気が描く流線を２次元平面上に投影した線５６を示す。図に示すように、本実施例の構成とすることで空気孔から噴出された混合気は、一度、バーナ中心軸５０に近づいて外周側に広がっていく。

図１７のＡ−Ａ断面を図１８に示す。Ａ−Ａ断面では１列目の各空気孔から噴出された混合気噴流５７が隣り合う混合気噴流と接しており、循環流によって戻ってきた燃焼高温ガスが１列目混合気噴流５７の内側に閉じ込められるため、２，３列目空気孔３２ｂの出口近傍に十分な熱が伝わらず、空気孔出口に火炎が付着することを抑制することができる。

以上のことから、本実施例は第１の実施例と同様に２，３列目空気孔３２ｂの出口へ火炎が付着することを防ぎ、図１４に示すような円錐状の火炎４２を形成することができる。これにより、より燃料と空気が混ざった状態で燃焼させることができ、ＮＯｘ排出量を低減することができる。さらに火炎が空気孔出口に保炎しない１列目空気孔３２ｂに対応する燃料ノズル２５ｂに径の小さいオリフィス２４ｂを設け、火炎変動による燃料流量の変動を抑え燃料振動の発生を抑制しており、ＮＯｘ排出量の低減と燃焼振動抑制の両立を図ることができる。空気孔出口に火炎が保炎する空気孔３２ａに対応する燃料ノズル２５ａに設けたオリフィス２４ａについては、下流の火炎面が変動しないため燃料流量が変動する恐れがない。そのため、２，３列目のオリフィス２４ｂよりもオリフィス径を大きくしており、これにより多くの流量を流すことができる。第１の実施例と同様に部分負荷条件において燃料ノズル２５ａのみに燃料を供給し、燃料が過濃な状態で燃焼室５に供給することで拡散火炎を形成することができる。そのため、燃焼器に供給する燃料流量が少なくても安定な火炎が形成され、未燃分の発生を抑制することができる。

（第４の実施例）
第４の実施例の断面図を図１９に、燃焼室から空気孔プレートを見た正面図を図２０に示す。本実施例は、第１の実施例と同じ構成のバーナ６ａを７つ組合せて一つのバーナを構成しており、発電量の大きいガスタービンに有効である。バーナ６ａはバーナ中心が燃焼室５に向かって突き出しており、１列目の空気孔３２ａの出口はバーナ先端の平面３３に配置され、２，３列目の空気孔３２ｂの出口についてはバーナ中心軸に対し傾斜した傾斜面３４に配置されている。また、空気孔３２ａと対をなす燃料ノズル２５ａに設けたオリフィス２４ａの径は、空気孔３２ｂと対をなす燃料ノズル２５ｂに設けたオリフィス２４ｂの径よりも小さい構成としている。

本実施例では、第１の実施例と同様に各バーナ６ａの１列目空気孔３２ａ出口に火炎が保炎する一方で２，３列目空気孔３２ｂ出口には火炎が保炎せず、円錐状の火炎４２がそれぞれに形成されるためＮＯｘ排出量を低く抑制することができる。また、空気孔３２ｂに対応した燃料ノズル２５ｂに設けたオリフィス２４ｂによって燃料ノズル前後に差圧を十分大きくとることができるため、円錐状の火炎４２の火炎面が変動しても燃料流量の変動は小さく抑えることができ、燃焼振動の発生を抑制できる。火炎面の変動による影響のない燃料ノズル２５ａに設けたオリフィス２４ａについては、直径をオリフィス２４ｂよりも大きくし、燃料ノズル前後の差圧を低く抑制することによって、大量の燃料を流すことができる。１列目燃料ノズル２５ａのみに大量の燃料を供給することによって燃料過濃領域を形成し、拡散火炎を形成することできる。部分負荷条件ではバーナに供給する燃料の全体量が少なく、燃焼室５内の平均温度が低いため火炎が不安定になり未燃分が発生しやすいが、本実施例では拡散火炎を形成することによって安定な火炎を形成し、未燃分の発生を抑制することができる。以上のように、ＮＯｘ排出量の低減と、燃焼振動の抑制，部分負荷条件における未燃分の発生の抑制を両立することができる。

第１の実施例では、１列目燃料ノズル２５ａと２，３列目燃料ノズル２５ｂを別々の燃料系統により燃料を供給していたが、本実施例でも同様にそれぞれのバーナ６ａの１列目と２，３列目の燃料ノズル２５に供給する燃料供給系統は別々にわけられている。そして、１列目燃料ノズル２５ａに供給する燃料系統、２，３列目燃料ノズル２５ｂに供給する燃料系統をそれぞれのバーナ６ａごとで分割することによって、運転条件にあわせてフレキシブルに運用することができる。ただし、燃料系統が増えるとプラント全体のコストが増加するため、一つの燃料系統で複数個のバーナ６ａの１列目燃料ノズル２５ａに燃料を供給するようにしてもよい。同様に一つの燃料系統で複数個のバーナ６ａの２，３列目燃料ノズル２５ｂに燃料を供給してもよい。

第４の実施例のバリエーションを図２１に示す。本バリエーションでは、７つあるバーナのうち中央のバーナ６ｃについては、３列の空気孔３２ｃの出口はすべて平面３３に配置されており、すべての空気孔出口に火炎３９が保炎する。そして、中央バーナ６ｃの燃料ノズル２５ｃに取り付けたオリフィス２４ｃは、外側のバーナ６ｂの２，３列目の燃料ノズル２５ｂに設けたオリフィス２４ｂよりも径が大きい。

中央バーナ６ｃについては、すべての空気孔の出口に火炎３９が保炎しているため非常に安定性が高く、外側バーナ６ｂに形成されている円錐火炎４２の保炎を補助するができる。また、火炎３９は火炎面が変動しにくいためオリフィス径を大きくしても燃焼振動の恐れはない。また、部分負荷条件において中央バーナのみに燃料を供給し、空気孔出口において燃料過濃な状態とすることができ、拡散火炎を形成することによって燃焼安定性を高め、未燃分の発生を抑制することができる。

以上説明した第４の実施例は、第一の空気孔３２ａ，第一の燃料ノズル２５ａ，第二の空気孔３２ｂ、及び第二の燃料ノズル２５ｂを有する複数の第一のバーナ６ｂと、第三の空気孔３２ｃと、第三の空気孔３２ｃに気体燃料を供給する第三の燃料ノズル２５ｃとを備え、複数の第一のバーナ６ｂに囲まれるように配置された第二のバーナ６ｃとを備え、第一の空気孔３２ａに供給する気体燃料に圧力損失を生じさせる第一のオリフィス２４ａと、第二の空気孔３２ｂに供給する気体燃料に圧力損失を生じさせる第二のオリフィス２４ｂと、第三の空気孔３２ｃに供給する気体燃料に圧力損失を生じさせる第三のオリフィス２４ｃを備え、第二のオリフィス２４ｂの開口面積が、第一のオリフィス２４ａ及び第三のオリフィス２４ｃの開口面積よりも小さい。このような構成により、複数のバーナを組合せたマルチバーナでも、ＮＯｘ排出量の低減，燃焼安定性の確保と燃焼振動発生の抑制を両立できる。

１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ タービン
４ ケーシング
５ 燃焼室
６ バーナ
７ シャフト
８ 発電機
９ ガスタービンプラント
１０ 燃焼器ライナ
１１ フロースリーブ
１２ 尾筒内筒
１３ 尾筒外筒
１５ 吸い込み空気
１６ 高圧空気
１７ 燃焼用空気
１８ 高温燃焼ガス
１９ 排気ガス
２０ 燃料遮断弁
２１ 燃料流量調整弁
２３ 燃料ヘッダ
２４ オリフィス
２５ 燃料ノズル
２６ 燃料噴流
２７ 突起物
３０ 空気流
３１ 空気孔プレート
３２ 空気孔
３３ 平面
３４，３５ 傾斜面
３６ 平面部
３９，４２ 火炎
４０ 旋回流
４１ 循環流
４３ 流れ
４４ バーナ外周に向かう流れ
４５，４６ 渦
４７ １列目空気孔出口近傍の領域
４８，４９ 矢印
５０ バーナ中心軸
５１ 上流側中心軸
５２ 下流側中心軸
５３ 空気孔出口
５４ 空気孔出口中心
５５ バーナ中心軸垂直面におけるバーナ中心軸と下流側空気孔中心軸の距離
５６ 線
５７ 混合気噴流
５８ 部分負荷条件
６０〜６２ 燃料系統

Claims (11)

1. 燃料と空気とが供給される燃焼室と、
   前記燃焼室に空気を供給する空気孔と、
   前記空気孔に気体燃料を供給する燃料ノズルを備え、
   前記空気孔に供給する気体燃料に圧力損失を生じさせるオリフィスを有することを特徴とする燃焼器。
2. 請求項１の燃焼器であって、
   前記燃焼室の上流側に位置し、第一の空気孔と、前記第一の空気孔の外周側に設けられた第二の空気孔とを有する空気孔プレートと、
   前記第一の空気孔に気体燃料を供給する第一の燃料ノズルと、
   前記第二の空気孔に気体燃料を供給する第二の燃料ノズルを備え、
   前記第二の空気孔に供給する気体燃料に圧力損失を生じさせるオリフィスを有することを特徴とする燃焼器。
3. 請求項２の燃焼器であって、
   前記第一の空気孔に供給する気体燃料に圧力損失を生じさせる第一のオリフィスと、
   前記第二の空気孔に供給する気体燃料に圧力損失を生じさせる第二のオリフィスを備え、
   前記第二のオリフィスの開口面積が、前記第一のオリフィスの開口面積よりも小さいことを特徴とする燃焼器。
4. 請求項２または３の燃焼器であって、
   前記第一の燃料ノズルに燃料を供給する燃料系統と、前記第二の燃料ノズルに燃料を供給する燃料系統とが別系統になっていることを特徴とする燃焼器。
5. 請求項２から４の何れかの燃焼器であって、
   前記空気孔プレートの前記第一の空気孔が設置された領域での保炎を促進する保炎手段を有することを特徴とする燃焼器。
6. 請求項５の燃焼器であって、
   前記保炎手段として、前記空気孔プレートが径方向内側に向かうほど下流側にせり出す傾斜面を備え、前記第二の空気孔の前記燃焼室側出口が前記傾斜面上に設けられていることを特徴とする燃焼器。
7. 請求項５の燃焼器であって、
   前記保炎手段として、前記空気孔から噴出される流体が、前記空気孔プレートの中心軸上に向かうように構成されていることを特徴とする燃焼器。
8. 請求項２から７の何れかの燃焼器であって、
   前記空気孔プレートの前記第二の空気孔が設置された領域での火炎の付着を抑制する手段を有することを特徴とする燃焼器。系統力レートレートの空気孔に気体である
9. 請求項２から８の何れかの燃焼器であって、
   前記第一の空気孔，第一の燃料ノズル，第二の空気孔、及び第二の燃料ノズルを有する複数の第一のバーナと、
   第三の空気孔と、前記第三の空気孔に気体燃料を供給する第三の燃料ノズルとを備え、前記複数の第一のバーナに囲まれるように配置された第二のバーナとを備え、
   前記第一の空気孔に供給する気体燃料に圧力損失を生じさせる第一のオリフィスと、
   前記第二の空気孔に供給する気体燃料に圧力損失を生じさせる第二のオリフィスと、
   前記第三の空気孔に供給する気体燃料に圧力損失を生じさせる第三のオリフィスを備え、
   前記第二のオリフィスの開口面積が、前記第一のオリフィス及び前記第三のオリフィスの開口面積よりも小さいことを特徴とする燃焼器。
10. 請求項１から９の何れかの燃焼器であって、
    前記オリフィスは、前記燃料ノズルに急縮小部及び急拡大部を与えるものであることを特徴とする燃焼器。
11. 気体燃料を燃料ノズルから空気孔に噴出させることで、空気孔から燃焼室に燃料と空気との混合ガスを噴出させる燃焼器の運転方法であって、
    燃料ノズル内で圧力損失を生じさせることで、前記燃料ノズル前後の差圧を確保することを特徴とする燃焼器の運転方法。

Images