JP2018004138A

JP2018004138A - ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JP2018004138A
Application number: JP2016129907A
Authority: JP
Inventors: 正裕緒方; Masahiro Ogata; 剛生小田; Takeo Oda
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2018-01-11
Also published as: CN109312927A; US20190162414A1; WO2018003488A1; EP3480523A4; EP3480523A1

Abstract

【課題】追焚きバーナから噴出する水素含有ガスと圧縮空気との予混合を促進する。【解決手段】ガスタービン燃焼器２が、メインハウジングＨと結合されたケーシング８、内部に軸方向Ｘに延びる燃焼室１０が形成され、頭部を含む上流側部分９０１がケーシング８内に収容され、上流側部分９０１より下流側部分９０２がメインハウジングＨに収容されたライナ９、ライナ９の頭部に設けられたメインバーナ５、ライナ９とケーシング８の間の空気通路２２に位置する噴出口７０を有し、水素を含有する追焚き用燃料にライナ９とケーシング８の間から取り込んだ圧縮空気が混合された混合気を噴出する追焚きバーナ７、及び、追焚きバーナ７の噴出口７０と接続された入口９２inと燃焼室１０内に開口した出口９２outとを有し、入口９２inから出口９２outまでの少なくとも一部分が軸方向Ｘに延びるダクト９２を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービンエンジンに搭載される燃焼器（ガスタービン燃焼器）の構造に関する。

ガスタービンエンジンの燃焼器として、燃焼室の上流側の一次燃焼領域へ燃料（又は予混合気）を供給するメインバーナ、同じく一次燃焼領域へ燃料を供給するパイロットバーナ、及び、燃焼室の一次燃焼領域よりも下流側の二次燃焼領域へ燃料（又は予混合気）を供給する追焚きバーナの、多段バーナ構成を備えたものが知られている。特許文献１には、この種のガスタービン燃焼器が開示されている。

国際公開ＷＯ２０１５／０３７２９５号公報

ところで、近年では、化学プラントなどから発生する水素ガスをガスタービン燃焼器の燃料として有効利用することが求められている。特許文献１でも、水素を含有するガスが燃料として利用されている。しかしながら、水素は燃料ガスの中でも著しく軽く速いことから、水素を含有するガスは圧縮空気と混合されにくい。水素を含有する燃料ガスと空気とが十分に混合されないままでバーナから噴出すると、エンジン負荷が低い条件では燃焼効率が低下するおそれがあり、高い条件ではＮＯｘ排出量が増大するおそれがある。

ガスタービン燃焼器は、一般に、長筒状のライナとこれを覆う長筒状のケーシングとの二重構造となっており、ケーシングの基端部は、ガスタービン本体のメインハウジングから突き出すようにして当該メインハウジングに固定されている。上記特許文献１のガスタービン燃焼器では、ケーシング及びライナの周壁を貫くように追焚きバーナが設けられ、ケーシングの外周において追焚きバーナへ燃料を供給するための配管と追焚きバーナとが接続されている。このガスタービン燃焼器には、追焚きバーナから噴出する水素を含有する燃料ガスと圧縮空気との予混合を促進することについて、改良の余地が残されている。

そこで、本発明では、追焚きバーナから噴出する水素を含有する燃料ガスと圧縮空気との予混合が促進される構造を備えることによって、水素を含有する燃料ガスを追焚きバーナの燃料として用いるために好適なガスタービン燃焼器の構造を提案する。

本発明の一態様に係るガスタービン燃焼器は、圧縮機から供給される圧縮空気で燃料を燃焼させてタービンに供給するガスタービン燃焼器であって、
圧縮機から供給される圧縮空気で燃料を燃焼させてタービンに供給するガスタービン燃焼器であって、
前記タービンのメインハウジングと結合されたケーシングと、
内部に前記ガスタービン燃焼器の軸方向に延びる燃焼室が形成され、頭部を含む上流側部分が前記ケーシング内に収容され、前記上流側部分より下流側部分が前記メインハウジングに収容されたライナと、
前記ライナの前記頭部に設けられたメインバーナと、
前記ライナと前記ケーシングの間に位置する噴出口を有し、水素を含有する追焚き用燃料に前記ライナと前記ケーシングの間の空間から取り込んだ前記圧縮空気が混合された混合気を噴出する追焚きバーナと、
前記追焚きバーナの前記噴出口と接続された入口と前記燃焼室内に開口した出口とを有し、前記入口から前記出口までのうちの少なくとも一部分が前記軸方向と平行に延びるダクトとを、備えることを特徴とするものである。

上記構成のガスタービン燃焼器では、追焚きバーナの噴出口から噴出した追焚き用燃料は、ダクトを通じてダクトの出口から燃焼室へ噴出する。追焚き用燃料と圧縮空気との混合を促進する方法として、最も容易な方法は予混合通路を延長することであり、このダクトによって追焚き用燃料と圧縮空気の混合気の予混合通路を十分に確保できる。これらが十分に混合された混合器が燃焼室へ噴出することとなり、追焚きバーナの燃焼効率の向上及びＮＯｘ排出量の低減に寄与することができる。

ところで、上記特許文献１のガスタービン燃焼器では、一次燃焼領域へ供給された燃料が十分に燃焼してからその燃焼ガスが二次燃焼領域へ導入されるように、一次燃焼領域の下流側に二次燃焼領域が規定されている。そのため、パイロットバーナ及びメインバーナと追焚きバーナとは、燃焼室の上流側と下流側へ十分に離れて配置されている。そのうえ、追焚きバーナがガスタービン本体のメインハウジングの外部に配置されねばならないことから、燃焼器のケーシングのメインハウジングからの突出量が大きくなる傾向がある。燃焼器のケーシングのガスタービン本体のメインハウジングからの突出量が大きくなるに従って、ケーシングの重量が大きくなり、ケーシングとメインハウジングとの結合部に高い堅牢性が要求されることとなり、費用が嵩むばかりでなく取扱いも難しくなる。

このような課題を解決するために、上記ガスタービン燃焼器において、前記ダクトの前記出口が、前記ライナの前記下流側部分において前記燃焼室内に開口していてよい。

上記ガスタービン燃焼器では、従来と同様にライナの頭部から追焚きバーナの噴出口までに亘る軸方向の領域がケーシングで覆われるが、ダクトによって、燃焼室における追焚き用燃料の噴出位置が追焚きバーナの噴出口から軸方向へ離されているので、予混合通路の長さを確保しつつ、燃焼器のケーシングのガスタービン本体のメインハウジングからの突出量を抑えることができる。

上記ガスタービン燃焼器において、前記ダクトが、前記出口の近傍において、前記ライナと前記ケーシングの間の空間と内部とを連通する空気導入口を有していてよい。

上記構成のガスタービン燃焼器では、空気導入口を通じて空気通路からダクト内へ圧縮空気が導入される。ダクト内へ導入された圧縮空気は、ダクトの内壁に沿ってダクト内の気体の流れと実質的に平行に流れるので、ダクトの内壁表面の流体の流速が増大する。これにより、ダクトの出口での逆火を防止することができる。

上記ガスタービン燃焼器において、前記追焚きバーナは前記ケーシングの周壁に支持されて、前記噴出口が前記軸方向と直交する半径方向と平行に開口しており、前記ダクトの前記出口は、前記半径方向と平行に開口していてよい。

このような追焚きバーナのアレンジによれば、メインバーナなどの他の要素を回避して、追焚きバーナに配管を行うことが容易である。

或いは、上記ガスタービン燃焼器において、前記追焚きバーナは前記ケーシングの周壁に支持されて、前記噴出口が前記軸方向と平行に開口しており、前記ダクトの前記出口は、前記軸方向と直交する半径方向と平行に開口していてよい。

このような追焚きバーナのアレンジによれば、メインバーナなどの他の要素を回避して、追焚きバーナに配管を行うことが容易である。加えて、ベンドの少ないＪ字形状のダクトを用いることができるので、圧損を抑えることができる。

或いは、上記ガスタービン燃焼器において、前記追焚きバーナは前記メインバーナの周囲に配置されて、前記噴出口が前記軸方向と平行に開口しており、前記ダクトの前記出口は、前記軸方向と直交する半径方向と平行に開口していてよい。

このような追焚きバーナのアレンジによれば、ダクトの配管長を長くとることができ、追焚き用燃料の予混合通路を確保できる。

上記ガスタービン燃焼器において、前記ダクトの入口側端部は前記追焚きバーナに固定され、前記ダクトの出口側端部は前記ライナに設けられた貫通孔に遊挿されていてよい。

上記ガスタービン燃焼器では、ダクトとライナの接続部が固定されないので、ダクトとライナの熱変形量の差によって、ダクトに熱応力が集中することを防止できる。

或いは、上記ガスタービン燃焼器において、前記ダクトの前記入口が前記追焚きバーナの前記噴出口と対峙するように配置され、前記ライナに設けられた貫通孔に前記ダクトの出口側端部が遊挿され、前記ライナに設けられた保持片に前記ダクトの前記入口と前記出口の間の少なくとも一部分が保持されていてよい。

上記ガスタービン燃焼器では、追焚きバーナとダクト、及び、ダクトとライナがそれぞれ固定されないので、ダクトとライナの熱変形量の差によって、ダクトに熱応力が集中することを防止できる。

本発明によれば、水素を含有する燃料ガスを追焚きバーナの燃料として用いるために好適なガスタービン燃焼器の構造を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るガスタービン燃焼器が使用されるガスタービン発電システムの概略構成を示す図である。本発明の一実施形態に係るガスタービン燃焼器の概略構成を示す縦断面図である。追焚きバーナの拡大断面図である。追焚きバーナの図３のIV−IV線断面図である。ダクトの出口側端部の拡大縦断面図である。燃焼器の組立の流れを説明する図であって、図６（ａ）はケーシングにダクトを挿入している様子を示す図、図６（ｂ）はケーシングにライナを挿入している様子を示す図、図６（ｃ）はバーナユニットをライナと結合している様子を示す図である。追焚きバーナの配置の変形例１を示す図である。追焚きバーナの配置の変形例２を示す図である。ダクトの支持構成の変形例を示す図である。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るガスタービン燃焼器（以下、単に「燃焼器２」と表す）が使用されるガスタービン発電システムの概略構成を示す。同図において、ガスタービンエンジンＧＴは、圧縮機１１と、燃焼器２と、タービン１３（「タービン本体」ということもある）とを主な構成要素として備えている。圧縮機１１から供給される圧縮空気Ａと、燃料Ｆ１，Ｆ２とを燃焼器２で燃焼させ、これにより発生する高温高圧の燃焼ガスＧをタービン１３に供給して、このタービン１３を駆動する。圧縮機１１は回転軸１７を介してタービン１３により駆動され、このタービン１３はまた、減速機１８を介して発電機１９のような負荷を駆動する。

図２は本発明の一実施形態に係る燃焼器２の概略構成を示す縦断面図である。同図では、燃焼器２に加えて、燃焼器２への燃料供給系統も示されている。図２に示すように、本実施形態に係る燃焼器２は、燃焼器２の軸方向Ｘに延伸する円筒状のケーシング８と、同じく軸方向Ｘに延伸するほぼ円筒状のライナ９（燃焼筒）と、メインバーナ５と、パイロットバーナ６と、追焚きバーナ７とを備えている。ケーシング８の軸方向Ｘの一方の端部は、タービン１３のメインハウジングＨと締結されている。

ライナ９は、ケーシング８に同心状に挿通されている。ケーシング８の内壁とライナ９の外壁との間には、軸方向Ｘに延伸する環状の空気通路２２が形成されている。空気通路２２には、圧縮機１１からの圧縮空気Ａが導入される。

ライナ９の内部には軸方向Ｘに延伸する燃焼室１０が形成されている。本実施形態に係る燃焼器２は、空気通路２２内に導入される圧縮空気Ａと燃焼ガスＧとが燃焼器２内を互いに逆方向に流れる逆流缶型に構成される。ここでは、燃焼室１０における燃焼ガスＧの流れに基づいて「上流」及び「下流」を規定することとする。

燃焼室１０内には、上流側から順に、メインバーナ５から噴出した燃料の燃焼領域である一次燃焼領域Ｓ１、追焚きバーナ７から噴出した燃料の燃焼領域である二次燃焼領域Ｓ２及びその下流領域がおおよそ規定されている。一次燃焼領域Ｓ１の流路断面積は、二次燃焼領域Ｓ２の流路断面積よりも大きく、ライナ９は一次燃焼領域Ｓ１と二次燃焼領域Ｓ２のおおよその境界に縮径部９ａを有している。

ライナ９の軸方向Ｘの一方の端部である頭部を含む上流側部分９０１はケーシング８内に収容され、上流側部分９０１より下流側の下流側部分９０２はタービン１３のメインハウジングＨに収容されている。本実施形態では、ライナ９の頭部からおおよそ縮径部９ａまでが上流側部分９０１に含まれ、ライナ９のおおよそ縮径部９ａより下流側が下流側部分９０２に含まれている。そして、ライナ９の下流側部分９０２に、後述するダクト９２の出口側端部９２２が挿入される貫通孔９０が形成されている。

ライナ９の頭部には、メインバーナ５とパイロットバーナ６とがユニット化されたバーナユニット２０が設けられている。メインバーナ５は、第１予混合気Ｍ１を燃焼室１０内の一次燃焼領域Ｓ１に噴射して燃焼させる。第１予混合気Ｍ１は、主燃料と圧縮空気Ａの混合気である。パイロットバーナ６は、パイロット燃料を一次燃焼領域Ｓ１に直接噴射して拡散燃焼させる。

本実施形態においては、主燃料とパイロット燃料はともに第１燃料源２４から供給される第１燃料Ｆ１である。第１燃料Ｆ１は、例えば、６０体積％以上の炭化水素を含む炭化水素系の燃料であってよい。このような炭化水素系燃料には、天然ガス、通気メタン（ＶＡＭ）、５％未満の水素が混合された天然ガス、５％未満の水素が混合された通気メタン、或いは、灯油又は軽油のような液体燃料などがあり、これらを選択的に使用することができる。

パイロットバーナ６は、パイロット燃料ノズル６１を備えており、パイロット燃料ノズル６１の出口がパイロット燃料噴射口６ａである。パイロット燃料噴射口６ａは、円筒状のライナ９のほぼ軸心を通る位置に設けられている。パイロット燃料ノズル６１は燃料供給管６２を介して第１燃料源２４（又は図示されないパイロット燃料源）と接続されている。燃料供給管６２には、パイロットバーナ６から噴出するパイロット燃料の流量を調整する流量制御弁６３が設けられている。パイロット燃料ノズル６１の周囲には空気通路２２の燃焼用空気を燃焼室１０へ噴出するための空気ノズル６４が形成されている。

上記構成のパイロットバーナ６は、流量制御弁６３が開放されると第１燃料源２４からパイロット燃料ノズル６１へ燃料供給管６２を通じてパイロット燃料（第１燃料Ｆ１）が供給され、パイロット燃料ノズル６１のパイロット燃料噴射口６ａからパイロット燃料が燃焼室１０に噴出する。

メインバーナ５は、予混合通路５１を形成する流路部材５２と、予混合通路５１の上流側に開口した空気取入口５３に設けられたスワーラ５４と、空気取入口５３に向けて第１燃料Ｆ１を噴射する噴射孔を有する主燃料ノズル５５とを備えている。予混合通路５１の出口が燃料噴射口５ａである。メインバーナ５の複数の燃料噴射口５ａは、パイロット燃料噴射口６ａの周囲において環状の噴射口列を形成している。主燃料ノズル５５は、燃料供給管５７を介して第１燃料源２４と接続されている。燃料供給管５７には、第１燃料Ｆ１の流量を調整する流量制御弁５８が設けられている。

上記構成のメインバーナ５において、流量制御弁５８が開放されると、第１燃料源２４から主燃料ノズル５５へ燃料供給管５７を通じて第１燃料Ｆ１が供給される。主燃料ノズル５５の噴射孔から空気取入口５３へ向けて噴射された第１燃料Ｆ１と、空気通路２２の圧縮空気Ａとが、スワーラ５４により旋回されながら空気取入口５３を通じて予混合通路５１へ導入される。予混合通路５１で予混合した第１燃料Ｆ１と圧縮空気Ａは、第１予混合気Ｍ１として燃焼室１０に噴出する。

追焚きバーナ７は、ケーシング８の周壁に半径方向に差し込まれた態様で、ケーシング８の周方向に等間隔で複数（例えば、２〜１２個）設けられている。追焚きバーナ７は、ライナ９とケーシング８の間の空気通路２２に位置する噴出口７０を有し、この噴出口７０から追焚き用燃料を噴出する。本実施形態に係る追焚き用燃料は、第２燃料源２５からの第２燃料Ｆ２及び第１燃料源２４からの第１燃料Ｆ１の一方又は両方である。

第２燃料Ｆ２としては、第１燃料Ｆ１とは異なる組成であって、安定燃焼限界濃度を超える濃度、例えば、１０体積％を超える濃度で水素を含有するガスが使用されてよい。この第２燃料Ｆ２の水素濃度としては、好ましくは２０体積％以上、更に好ましくは３０体積％以上である。この水素含有ガスは、例えば、水素ガス単独（１００体積％）、又は、水素ガスにメタンガス、プロパンガス、窒素のような不活性ガスを混合させたガスである。

図３は追焚きバーナ７の拡大断面図であり、図４は追焚きバーナ７の図３のIV−IV線断面図である。図３及び４に示すように、追焚きバーナ７は、燃料導入ブロック７１と、噴出筒７２と、燃料導入ブロック７１と噴出筒７２の間に介在してこれらを互いに結合している複数のガイド柱７３とから成る。

燃料導入ブロック７１は、ケーシング８の周壁に固定され、支持されている。燃料導入ブロック７１には、第１燃料源２４からの第１燃料Ｆ１と、第２燃料源２５からの第２燃料Ｆ２との各々を独立して噴出筒７２へ導入できるように各々独立した流路が形成されている。詳細には、燃料導入ブロック７１は、第１燃料Ｆ１が導入される第１燃料導入通路７５を有し、この第１燃料導入通路７５は第１燃料供給管２６を介して第１燃料源２４と接続されている。第１燃料供給管２６には、追焚きバーナ７への第１燃料Ｆ１の流量を調整する流量制御弁２７が設けられている。また、燃料導入ブロック７１は、第２燃料Ｆ２が導入される第２燃料導入通路７６を有し、この第２燃料導入通路７６は第２燃料供給管２８を介して第２燃料源２５と接続されている。第２燃料供給管２８には、追焚きバーナ７への第２燃料Ｆ２の流量を調整する流量制御弁２９が設けられている。

燃料導入ブロック７１の噴出筒７２に臨む壁には、第１燃料導入通路７５と連通された複数の第１ノズル７７と、第２燃料導入通路７６と連通された複数の第２ノズル７８とが設けられている。本実施形態においては、複数の第１ノズル７７が環状に配列され、その内側に複数の第２ノズル７８が環状に配列されている。第１燃料導入通路７５の第１燃料Ｆ１は、第１ノズル７７を通じて噴出筒７２内に噴出する。第２燃料導入通路７６の第２燃料Ｆ２は、第２ノズル７８を通じて噴出筒７２内に噴出する。

複数のガイド柱７３は、第１ノズル７７及び第２ノズル７８よりも外周側で環状に配列されて、空気通路２２内に位置している。隣接するガイド柱７３同士の間は空気流入口７４となっており、この空気流入口７４を通じて空気通路２２から噴出筒７２内へ圧縮空気Ａが流入する。

噴出筒７２は、空気通路２２内に位置する筒状体であって、噴出筒７２の端部開口が追焚きバーナ７の噴出口７０となっている。噴出筒７２内において、第１ノズル７７から噴出した第１燃料Ｆ１と、第２ノズル７８から噴出した第２燃料Ｆ２とが、空気流入口７４から流入する圧縮空気Ａと混合して、噴出口７０から噴出する。

噴出筒７２の先端には、ダクト９２の入口側端部９２１が接続されている。換言すれば、追焚きバーナ７の噴出口７０にダクト９２の入口９２inが接続されている。このダクト９２の出口９２outは、ライナ９のメインハウジングＨに収容された下流側部分９０２において燃焼室１０内の二次燃焼領域Ｓ２に開口している。つまり、ケーシング８内に位置する追焚きバーナ７の噴出口７０と、メインハウジングＨ内に位置する燃焼室１０の二次燃焼領域Ｓ２とがダクト９２を介して接続されている。この構成により、追焚きバーナ７の噴出口７０から噴出した第１燃料Ｆ１と第２燃料Ｆ２と圧縮空気Ａの混合気は、ダクト９２を通過するうちに十分に混合されて第２予混合気とＭ２なり、ダクト９２の出口９２outから燃焼室１０の二次燃焼領域Ｓ２に噴出する。

ダクト９２は、空気通路２２に配置されている。本実施形態に係るダクト９２は、入口側端部９２１（入口９２in）と出口側端部９２２（出口９２out）は軸方向Ｘと直交する方向（半径方向）に向けて開口し、入口側端部９２１と出口側端部９２２の間に軸方向Ｘと平行方向に延びる軸方向延伸部９２３が形成されており、全体としてＳ字形状を呈している。

図５は、ダクト９２の出口側端部９２２の拡大縦断面図である。図５に示すように、ダクト９２の出口側端部９２２には、ダクト９２の周壁から半径方向に突出する鍔９４が設けられている。一方、ライナ９のタービン１３のメインハウジングＨ内に位置する下流側部分９０２には、貫通孔９０が設けられている。この貫通孔９０の縁には、鍔９４がライナ９の内側から当接する環状の座９ｈが形成されている。座９ｈの内径は、ダクト９２の出口側端部９２２の外径より大きく、且つ、鍔９４の外径より小さい。これにより、座９ｈと鍔９４とが当接して、貫通孔９０からダクト９２の出口側端部９２２が抜け出すことはできない。一方で、ダクト９２の出口側端部９２２は、貫通孔９０に遊挿されているので、貫通孔９０の範囲内でライナ９に対し移動できる。

また、ダクト９２の出口側端部９２２の近傍には、空気導入口９２４が開口しており、空気導入口９２４の外周側には空気導入口９２４へ空気通路２２からの圧縮空気Ａを案内するガイド９３が設けられている。なお、上記において「出口側端部９２２の近傍」とは、ダクト９２の出口側端部９２２から僅かに後退したところであって、ダクト９２の中心軸の接線方向が出口９２outからの第２予混合気Ｍ２の噴出方向と略平行であり、且つ、ダクト９２の外壁が空気通路２２に露出しているところである。

ライナ９とケーシング８との間の空気通路２２では、図５の紙面下から上に向かって圧縮空気Ａが流れている。一方、ガイド９３の入口に形成される圧縮空気Ａの流れは、ダクト９２の出口側端部９２２の外壁に沿っており、空気通路２２の圧縮空気Ａの流れと略直交している。従って、空気通路２２の圧縮空気Ａは、ダクト９２の出口側端部９２２の外壁に当たってガイド９３の入口へ導かれ、ガイド９３を通過するうちにダクト９２の出口側端部９２２の外壁に沿った流れに整流される。

空気導入口９２４は断続的な環状のスリットであって、外壁側よりも内壁側が下流側に位置するように、ダクト９２の壁の厚み方向に対して傾いている。このような空気導入口９２４の形状により、空気導入口９２４を通過した圧縮空気Ａは、ダクト９２の出口９２outにおける第２予混合気Ｍ２の流れと平行な速度成分と、ダクト９２の管の中心（半径方向内側）へ向かう速度成分とを有して、ダクト９２へ導入される。このように、ガイド９３及び空気導入口９２４によって整流された圧縮空気Ａは、ダクト９２の出口９２out近傍において、ダクト９２の半径方向内側への流れを形成する。これにより、ダクト９２の内壁付近の流体がダクト９２の半径方向内側へ流れることが促され、ダクト９２の出口側端部９２２において内壁に沿った流体の滞留が抑制される。このようにして、ダクト９２の出口側端部９２２の内壁近傍における気体の流速を高めることによって、ダクト９２内への逆火を防いでいる。

続いて、上記構成の燃焼器２の組立方法について説明する。図６の各図は、燃焼器２の組立の流れを説明する図であって、図６（ａ）はケーシング８にダクト９２を挿入している様子を示す図、図６（ｂ）はケーシング８にライナ９を挿入している様子を示す図、図６（ｃ）はバーナユニット２０をライナ９と結合している様子を示す図である。

まず、図６（ａ）に示すように、ダクト９２の入口側端部９２１と追焚きバーナ７の噴出筒７２とを溶接などで結合する。そして、この追焚きバーナ７付きのダクト９２を、ケーシング８に形成された追焚きバーナ取付孔８３に挿入する。この段階では、ケーシング８と追焚きバーナ７は結合されておらず、追焚きバーナ取付孔８３に対し追焚きバーナ７が可動である。次に、図６（ｂ）に示すように、ケーシング８の先端からライナ９を挿入する。この過程で、ライナ９に設けられた貫通孔９０に、ダクト９２の出口側端部９２２を嵌入させる。そして、図６（ｃ）に示すように、ライナ９の頭部にバーナユニット２０を取り付け、ケーシング８とバーナユニット２０とを結合し、更に、ケーシング８と追焚きバーナ７とを結合する。以上により、ケーシング８に、ライナ９、バーナユニット２０、追焚きバーナ７、及びダクト９２を組み付けて、燃焼器２を組み立てることができる。

ここで、燃焼器２の動作を図２を参照しながら説明する。ガスタービンエンジンＧＴの起動時には、パイロットバーナ６が第１燃料Ｆ１を燃焼室１０の上流部へ噴射する。この第１燃料Ｆ１は、図示されない点火プラグにより点火して、一次燃焼領域Ｓ１で拡散燃焼する。

ガスタービンエンジンＧＴの通常運転時には、パイロットバーナ６からの第１燃料Ｆ１の供給を継続しながら、メインバーナ５が燃焼室１０の一次燃焼領域Ｓ１へ第１予混合気Ｍ１を噴射する。これにより第１予混合気Ｍ１中の第１燃料Ｆ１が、パイロットバーナ６の火炎を種火として、希薄予混合燃焼する。メインバーナ５とパイロットバーナ６の空燃比（空気流量／燃料流量）が適切な値となるように、流量制御弁５８，６３の開度が調節される。

二次燃焼領域Ｓ２は、ガスタービンエンジンＧＴの運転負荷の変動に応じて運転範囲を高出力側へ広げるために形成される。そこで、ガスタービンエンジンＧＴの運転負荷が所定値よりも増大したときに、追焚きバーナ７が燃焼室１０の二次燃焼領域Ｓ２へ第２予混合気Ｍ２を噴射する。これにより、二次燃焼領域Ｓ２では、第２予混合気Ｍ２中の第１燃料Ｆ１と第２燃料Ｆ２とが希薄予混合燃焼する。一次燃焼領域Ｓ１の保炎性能はメインバーナ５及びパイロットバーナ６によって確保される。

第２予混合気Ｍ２における第１燃料Ｆ１と第２燃料Ｆ２の割合、及び、空燃比（空気流量／燃料流量）が適切な値となるように、流量制御弁２７，２９の開度が調節される。この燃焼器２では、第２燃料Ｆ２の不足分を第１燃料Ｆ１で補填している。例えば、第２燃料Ｆ２として化学プラントで発生する副生水素ガスを使用する場合、化学プラントの稼働停止などにより第２燃料Ｆ２が不足したときに、流量制御弁２７を開いて第１燃料源２４の第１燃料Ｆ１を追焚きバーナ７から二次燃焼領域Ｓ２に供給すれば、所要の高出力運転を維持することができる。

以上に説明したように、本実施形態に係るガスタービン燃焼器２は、圧縮機１１から供給される圧縮空気Ａで燃料Ｆ１，Ｆ２を燃焼させてタービン１３に供給するガスタービン燃焼器２であって、タービン１３のメインハウジングＨと結合されたケーシング８と、内部に軸方向Ｘに延びる燃焼室１０が形成されたライナ９と、ライナ９の頭部に設けられたメインバーナ５と、ライナ９とケーシング８の間（即ち、空気通路２２）に位置する噴出口７０を有し、水素を含有する追焚き用燃料にライナ９とケーシング８の間（即ち、空気通路２２）から取り込んだ圧縮空気Ａが混合された混合気を噴出する追焚きバーナ７と、ダクト９２とを備えている。ライナ９は、頭部を含む上流側部分９０１がケーシング８内に収容され、上流側部分９０１より下流側部分９０２がメインハウジングＨに収容されている。そして、ダクト９２は、追焚きバーナ７の噴出口７０と接続された入口９２inと燃焼室１０内に開口した出口９２outとを有し、入口９２inから出口９２outまでのうちの少なくとも一部分が軸方向Ｘと平行に延びている。

上記構成の燃焼器２では、追焚きバーナ７の噴出口７０から噴出した第２予混合気Ｍ２（追焚き用燃料）は、ダクト９２を通じてダクト９２の出口から燃焼室１０へ噴出する。従って、ダクト９２の出口９２outが燃焼室１０における第２予混合気Ｍ２の噴出位置となる。燃焼室１０における第２予混合気Ｍ２の噴出位置は、ダクト９２を介在させることによって追焚きバーナ７の噴出口７０から軸方向Ｘへ離すことが可能である。追焚き用燃料と圧縮空気との混合を促進する方法として、最も容易な方法は予混合通路を延長することであり、このダクト９２によって、水素を含有するガスは圧縮空気Ａとのより長い予混合通路を確保することができる。そして、この長い予混合通路によって、追焚き用燃料と圧縮空気Ａの混合が促進され、これらが十分に混合された混合器（第２予混合気Ｍ２）が燃焼室１０へ噴出することとなり、追焚きバーナ７の燃焼効率の向上及びＮＯｘ排出量の低減に寄与することができる。

また、本実施形態に係るガスタービン燃焼器２では、ダクト９２の出口９２outが、ライナ９の下流側部分９０２において燃焼室１０内に開口している。換言すれば、追焚きバーナ７の噴出口７０をケーシング８内に設け、且つ、燃焼室１０における第２予混合気Ｍ２の噴出位置をタービン１３のメインハウジングＨ内に設けている。

このように、ライナ９の頭部から追焚きバーナ７の噴出口７０までに亘る軸方向Ｘの領域がケーシング８で覆われるが、予混合通路の長さを確保しつつ、ケーシング８の軸方向Ｘの寸法を短くすることができる。即ち、燃焼器２のケーシング８のタービン１３のメインハウジングＨからの突出量を抑えることができる。

また、本実施形態の燃焼器２は、ダクト９２が、出口９２outの近傍において、ライナ９とケーシング８の間の空間（即ち、空気通路２２）とダクト９２の内部とを連通する空気導入口９２４を有する。

これにより、空気導入口９２４を通じて空気通路２２の圧縮空気Ａをダクト９２内へ導入することができる。ダクト９２内に導入された圧縮空気Ａは、ダクト９２の内壁に沿って第２予混合気Ｍ２と実質的に平行に流れ、ダクト９２の内壁表面の流体流速を増大させる。これにより、ダクト９２の出口９２outにおいて逆火の発生を抑えることができる。

また、本実施形態の燃焼器２では、追焚きバーナ７はケーシング８に支持され、ダクト９２の入口側端部９２１は追焚きバーナ７に固定され、ダクト９２の出口側端部９２２はライナ９に設けられた貫通孔９０に遊挿されている。

これにより、ダクト９２の熱変形量と、ライナ９の貫通孔９０近傍の熱変形量とに差が生じても、ダクト９２の出口側端部９２２及びその近傍に熱応力が集中することを回避できる。

［変形例］
次に、上記実施形態の変形例を説明する。図７は追焚きバーナ７の配置の変形例１を示す図であり、図８は追焚きバーナ７の配置の変形例２を示す図である。なお、これら本変形例１，２の説明においては、前述の実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。

上記実施形態に係る燃焼器２において、追焚きバーナ７はケーシング８の周壁に支持され、追焚きバーナ７の噴出口７０は軸方向Ｘと直交する半径方向と平行に開口しており、ダクト９２の出口９２outは、半径方向と平行に開口している。このような追焚きバーナ７のアレンジによれば、バーナユニット２０の配管を回避して、追焚きバーナ７に配管を行うことが容易である。但し、本実施形態に係る燃焼器２では、追焚きバーナ７の噴出口７０にダクト９２を接続することによって、追焚きバーナ７のアレンジの自由度が高められており、噴出口７０の開口方向を含む、追焚きバーナ７のアレンジは上記実施形態に限定されない。

例えば、図７に示す変形例１に係る燃焼器２では、追焚きバーナ７はケーシング８の周壁に支持され、追焚きバーナ７の噴出口７０が空気通路２２内において軸方向Ｘと平行に開口しており、ダクト９２の出口９２outは、半径方向と平行に開口している。

より詳細には、追焚きバーナ７への各燃料導入通路７５，７６の入口の開口方向と、追焚きバーナ７の噴出口７０の開口方向とが略直交するように、追焚きバーナ７が形成されている。そして、この追焚きバーナ７の各燃料導入通路７５，７６の入口がケーシング８の側壁から突出し、且つ、噴出口７０が空気通路２２内において軸方向Ｘと平行に開口するように、追焚きバーナ７がケーシング８に固定されている。

上記の変形例１に係る燃焼器２では、追焚きバーナ７の噴出口７０が軸方向Ｘと平行に開口しているので、ダクト９２はＪ字形状を呈している。Ｓ字形状のダクト９２と比較して、Ｊ字形状のダクト９２ではベンドの数が少ないため、第２予混合気Ｍ２の圧損を抑えることができる。

また、例えば、図８に示す変形例２に係る燃焼器２では、追焚きバーナ７はメインバーナ５の周囲に配置され、バーナユニット２０のフランジ２０１に支持されている。追焚きバーナ７は、各燃料導入通路７５，７６の入口がフランジ２０１から軸方向Ｘへ突出し、且つ、噴出口７０が空気通路２２内において軸方向Ｘと平行に開口するように、フランジ２０１に固定されている。この場合、フランジ２０１はライナ９の頭部に設けられていることから、ダクト９２の配管長がより長くなり、第２予混合気Ｍ２の混合のためにより長い予混合通路を形成することができる。

以上に本発明の好適な実施の形態（及び変形例）を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

上記実施形態に係る追焚きバーナ７は、第１燃料Ｆ１と第２燃料Ｆ２の２種の燃料を１つの燃料導入ブロック７１に導入して噴出筒７２で圧縮空気Ａと混合してから噴出するように構成されているが、追焚きバーナ７はこの構成に限定されない。例えば、追焚きバーナ７は、１種の燃料を１つの燃料導入ブロック７１に導入して噴出筒７２で圧縮空気Ａと混合してから噴出するように構成されたものであってもよい。

また、上記実施形態に係るメインバーナ５の燃焼方式は予混合燃焼方式であるが、メインバーナ５の燃焼方式は拡散燃焼方式であってもよい。

また、上記実施形態に係るダクト９２は、追焚きバーナ７を介してケーシング８に支持されているが、ダクト９２の支持構造はこれに限定されない。例えば、図９に示すダクト９２の支持構造の変形例では、ダクト９２の入口９２inが追焚きバーナ７の噴出口７０と対峙するように配置され、ライナ９に設けられた貫通孔９０にダクト９２の出口側端部９２２が遊挿され、ライナ９に設けられた保持片９８にダクト９２の軸方向延伸部９２３が保持されたものであってよい。保持片９８は、例えば、一端がライナ９に接合されたＵ字状の金属製帯であってよい。この場合、ダクト９２をライナ９に保持させた状態で、ダクト９２をケーシング８に挿入し、ケーシング８に追焚きバーナ７やバーナユニット２０を組み付けることにより、燃焼器２を組立てることができる。

上記のダクト９２の支持構造の変形例では、追焚きバーナ７とダクト９２、及び、ライナ９の貫通孔９０とダクト９２がそれぞれ固定されていない。これにより、ダクト９２の熱変形量とライナ９の熱変形量に差が生じても、ダクト９２に生じる熱応力が局所的に集中することが回避される。また、燃焼器２の組み立てが簡易である。

以上の説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

２：ガスタービン燃焼器
５：メインバーナ
６：パイロットバーナ
７：追焚きバーナ
８：ケーシング
９：ライナ
１０：燃焼室
１１：圧縮機
１３：タービン
２０：バーナユニット
２２：空気通路
９２：ダクト
９２in ：入口
９２out ：出口
９８：保持片
９０１：上流側部分
９０２：下流側部分
９２１：入口側端部
９２２：出口側端部
９２４：空気導入口
Ａ：圧縮空気
ＧＴ：ガスタービンエンジン
Ｈ：メインハウジング
Ｓ１：一次燃焼領域
Ｓ２：二次燃焼領域

Claims

圧縮機から供給される圧縮空気で燃料を燃焼させてタービンに供給するガスタービン燃焼器であって、
前記タービンのメインハウジングと結合されたケーシングと、
内部に前記ガスタービン燃焼器の軸方向に延びる燃焼室が形成され、頭部を含む上流側部分が前記ケーシング内に収容され、前記上流側部分より下流側部分が前記メインハウジングに収容されたライナと、
前記ライナの前記頭部に設けられたメインバーナと、
前記ライナと前記ケーシングの間に位置する噴出口を有し、水素を含有する追焚き用燃料に前記ライナと前記ケーシングの間から取り込んだ前記圧縮空気が混合された混合気を噴出する追焚きバーナと、
前記追焚きバーナの前記噴出口と接続された入口と前記燃焼室内に開口した出口とを有し、前記入口から前記出口までのうちの少なくとも一部分が前記軸方向と平行に延びるダクトとを
備える、ガスタービン燃焼器。
前記ダクトの前記出口が、前記ライナの前記下流側部分において前記燃焼室内に開口している、
請求項１に記載のガスタービン燃焼器。
前記ダクトが、前記出口の近傍において、前記ライナと前記ケーシングの間の空間と内部とを連通する空気導入口を有する、
請求項１又は２に記載のガスタービン燃焼器。
前記追焚きバーナは前記ケーシングの周壁に支持されて、前記噴出口が前記軸方向と直交する半径方向と平行に開口しており、
前記ダクトの前記出口は、前記半径方向と平行に開口している、
請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスタービン燃焼器。
前記追焚きバーナは前記ケーシングの周壁に支持されて、前記噴出口が前記軸方向と平行に開口しており、
前記ダクトの前記出口は、前記軸方向と直交する半径方向と平行に開口している、
請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスタービン燃焼器。
前記追焚きバーナは前記メインバーナの周囲に配置されて、前記噴出口が前記軸方向と平行に開口しており、
前記ダクトの前記出口は、前記軸方向と直交する半径方向と平行に開口している、
請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスタービン燃焼器。
前記ダクトの入口側端部は前記追焚きバーナに固定され、前記ダクトの出口側端部は前記ライナに設けられた貫通孔に遊挿されている、
請求項１〜６のいずれか一項に記載のガスタービン燃焼器。
前記ダクトの前記入口が前記追焚きバーナの前記噴出口と対峙するように配置され、前記ライナに設けられた貫通孔に前記ダクトの出口側端部が遊挿され、前記ライナに設けられた保持片に前記ダクトの前記入口と前記出口の間の少なくとも一部分が保持されている、
請求項１〜６のいずれか一項に記載のガスタービン燃焼器。