JP2019168144A - ガスタービン燃焼器及びそれを備えるガスタービン、並びに、ガスタービン燃焼器の燃焼振動抑制方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも燃焼振動を十分に抑制可能なガスタービン燃焼器を提供する。【解決手段】第１ノズル５４と、第１ノズル５４を取り囲むように周方向に配置された複数の第２ノズル６３と、を備える燃焼器４であって、第１ノズル５４は、前記周方向に配列された８個の燃料噴射孔５９を有し、複数の燃料噴射孔５９は、前記周方向に隣接する任意の一対の燃料噴射孔５９間の角度差θ［°］が４５°となるように配置され、第１ノズル５４は、１以上の燃料噴射孔５９からの燃料噴射量が他の１以上の燃料噴射孔５９からの燃料噴射量とは異なるように、全ての燃料噴射孔５９から燃料を噴射するように構成されている。【選択図】図８

Description

本発明は、ガスタービン燃焼器及びそれを備えるガスタービン、並びに、ガスタービン燃焼器の燃焼振動抑制方法に関する。

ガスタービン燃焼器（以下単に「燃焼器」ということがある）での燃焼時、燃焼器内部で圧力変動が生じ得る。そして、圧力変動により、燃焼器で燃焼振動が生じ得る。過大な燃焼振動は、燃焼器及びガスタービンの損傷に繋がる。そこで、燃焼器の燃焼振動を抑制する技術が望まれている。

ガスタービンの燃焼振動抑制技術として、特許文献１に記載の技術が知られている。特許文献１には、周方向に配置されたパイロット燃料ノズルを備える燃焼器が記載されている。より具体的には、特許文献１に記載の図１（ｂ）において、隣接する一対のパイロット燃料ノズルの間隔が９０°になった部分が記載されている。

特開平１１−２９４７７０号公報（特に図１（ｂ）参照）

ところで、本発明者らが検討したところ、パイロット燃料ノズルの間隔が広すぎる部分が存在すると、依然として燃焼振動が大きいことがあることがわかった。

本発明の少なくとも一実施形態は、従来よりも燃焼振動を十分に抑制可能なガスタービン燃焼器及びそれを備えるガスタービン、並びに、ガスタービン燃焼器の燃焼振動抑制方法を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービン燃焼器は、第１ノズルと、前記第１ノズルを取り囲むように周方向に配置された複数の第２ノズルと、を備えるガスタービン燃焼器であって、前記第１ノズルは、前記周方向に配列されたｎ個（ｎは２以上の整数）の燃料噴射孔を有し、前記複数の燃料噴射孔は、前記周方向に隣接する任意の一対の前記燃料噴射孔間の角度差θ［°］が０＜ｎ×θ／３６０＜２となるように配置され、前記第１ノズルは、１以上の前記燃料噴射孔からの燃料噴射量が他の１以上の前記燃料噴射孔からの燃料噴射量とは異なるように、全ての前記燃料噴射孔から燃料を噴射するように構成されたことを特徴とする。

上記（１）の構成によれば、燃焼室における火炎の軸方向発熱率分布に偏差を設けることができる。これにより、発熱集中を回避して、燃焼器の燃焼振動の抑制を図ることができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記複数の燃料噴射孔は、１以上の前記燃料噴射孔を含む第１噴射孔群と、前記第１噴射孔群を構成する燃料噴射孔以外の前記燃料噴射孔を１以上含む第２噴射孔群とを含み、前記第１ノズルは、前記第１噴射孔群に接続され、前記第１噴射孔群に燃料を供給するための第１燃料流路と、前記第１燃料流路から独立して設けられて前記第２噴射孔群に接続され、前記第２噴射孔群に燃料を供給するための第２燃料流路とを備えることを特徴とする。

上記（２）の構成によれば、第１噴射孔群及び第２噴射孔群のそれぞれに対し、独立した燃料量制御が可能となる。これにより、燃焼状況に応じた柔軟な燃焼振動回避操作を行うことができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、前記複数の燃料噴射孔は、１以上の前記燃料噴射孔を含む第１噴射孔群と、前記第１噴射孔群を構成する燃料噴射孔以外の前記燃料噴射孔を１以上含む第２噴射孔群とを含み、前記第１噴射孔群に含まれる燃料噴射孔の大きさと、前記第２噴射孔群に含まれる燃料噴射孔の大きさとは、異なっていることを特徴とする。

上記（３）の構成によれば、燃料流路を増やさずに燃料噴射量を周方向で変化させ、発熱集中を回避することができる。このため、燃料噴射孔の径調整のみで、燃焼振動の抑制を図ることができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（３）の何れか１の構成において、前記複数の燃料噴射孔は、１以上の前記燃料噴射孔を含む第１噴射孔群と、前記第１噴射孔群を構成する燃料噴射孔以外の前記燃料噴射孔を１以上含む第２噴射孔群とを含み、前記第１噴射孔群を構成する前記燃焼噴射孔それぞれからの燃料噴射量と、前記第２噴射孔群を構成する前記燃焼噴射孔それぞれからの燃料噴射量とは異なっており、前記第１噴射孔群に含まれる前記燃料噴射孔は前記周方向に連続的に配置されており、前記第２噴射孔群に含まれる前記燃料噴射孔は前記周方向に連続的に配置されていることを特徴とする。

上記（４）の構成によれば、燃料噴射孔を周方向に連続的に配置することで、火炎の大きさを確保することができる。これにより、周方向位置において火炎が存在しない位置の発生を抑制し、圧力変動の変動を抑制できる。この結果、圧力変動に起因する燃焼振動の発生を抑制することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（４）の何れか１の構成において、前記複数の燃料噴射孔は、１以上の前記燃料噴射孔を含む第１噴射孔群と、前記第１噴射孔群を構成する燃料噴射孔以外の前記燃料噴射孔を１以上含む第２噴射孔群とを含み、前記第１噴射孔群を構成する前記燃焼噴射孔それぞれからの燃料噴射量と、前記第２噴射孔群を構成する前記燃焼噴射孔それぞれからの燃料噴射量とは異なっており、前記第１噴射孔群の占める部分は、前記第１噴射孔群の前記周方向両端に配置された一対の燃料噴射孔間の角度差θ２［°］として８０°以上の領域であることを特徴とする。

上記（５）の構成によれば、第１噴射孔群の周方向長さを確保して、第１噴射孔群から噴射された燃料の燃焼に起因する火炎の大きさを確保することができる。これにより、周方向位置において火炎が存在しない位置の発生を抑制し、圧力変動の変動を抑制できる。この結果、圧力変動に起因する燃焼振動の発生を抑制することができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（５）の何れか１の構成において、前記複数の燃料噴射孔は、前記周方向に隣接する任意の一対の前記燃料噴射孔間の角度差θ［°］が０．８≦ｎ×θ／３６０≦１．２となるように配置されることを特徴とする。

上記（６）の構成によれば、複数の燃料噴射孔を形成し易くでき、燃焼器の設計を容易に行うことができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（６）の何れか１の構成において、前記燃料噴射孔は、前記ガスタービン燃焼器の周方向において等間隔で複数形成されたことを特徴とする。

上記（７）の構成によれば、周方向において燃料噴射量を変えることで、燃焼振動を抑制することができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（７）の何れか１の構成において、前記ガスタービン燃焼器は、空気と燃料との混合燃料を燃焼するように構成されたことを特徴とする。

上記（８）の構成によれば、燃焼振動が生じ易い混合燃料を使用した場合であっても、燃焼器の燃焼振動を抑制することができる。

（９）本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービンは、上記（１）〜（８）の何れか１に記載のガスタービン燃焼器と、前記燃焼器に供給される圧縮空気を生成するための圧縮機と、前記ガスタービン燃焼器において生成した燃焼ガスによって駆動されるタービンと、を備えることを特徴とする。

上記（９）の構成によれば、燃焼室における火炎の軸方向発熱率分布に偏差を設けることができる。これにより、発熱集中を回避して、燃焼器の燃焼振動の抑制を図ることができる。この結果、燃焼器の燃焼振動に起因するガスタービンの損傷を抑制することができる。

（１０）本発明の少なくとも一実施形態に係るガスタービン燃焼器の燃焼振動抑制方法は、第１ノズルと、前記第１ノズルを取り囲むように周方向に配置された複数の第２ノズルと、を備えるガスタービン燃焼器の燃焼振動を抑制する方法であって、前記第１ノズルは、前記周方向に配列されたｎ個（ｎは２以上の整数）の燃料噴射孔を有し、前記複数の燃料噴射孔は、前記周方向に隣接する任意の一対の前記燃料噴射孔間の角度差θ［°］が０＜ｎ×θ／３６０＜２となるように配置され、前記第１ノズルは、１以上の前記燃料噴射孔からの燃料噴射量が他の１以上の前記燃料噴射孔からの燃料噴射量とは異なるように、全ての前記燃料噴射孔から燃料を噴射することを特徴とする。

上記（１０）の構成によれば、燃焼室における火炎の軸方向発熱率分布に偏差を設けることができる。これにより、発熱集中を回避して、燃焼器の燃焼振動の抑制を図ることができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、従来よりも燃焼振動を十分に抑制可能なガスタービン燃焼器及びそれを備えるガスタービン、並びに、ガスタービン燃焼器の燃焼振動抑制方法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を示す概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る燃焼器を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係る燃焼器を示す概略図であって、燃焼器近傍を拡大して示す図である。 本発明の一実施形態に係る燃焼器における第１燃焼バーナ近傍の断面図である。 本発明の一実施形態に係る燃焼器におけるスワラの平面図である。 図４のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の一実施形態に係る燃焼器における第１燃焼バーナに形成された燃料噴射孔の位置を説明する図である。 本発明の一実施形態に係る燃焼器における第１燃焼バーナに接続される燃料流路を示す図である。 燃料噴射比率と、燃焼振動の大きさとの関係を示すグラフである。 本発明の二実施形態に係る燃焼器における第１燃焼バーナに接続される燃料流路を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、以下に実施形態として記載されている内容又は図面に記載されている内容は、あくまでも例示に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、任意に変更して実施することができる。また、各実施形態は、２つ以上を任意に組み合わせて実施することができる。さらに、各実施形態において、共通する部材については同じ符号を付すものとし、説明の簡略化のために重複する説明は省略する。

また、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、本発明の一実施形態に係るガスタービン１００を示す概略構成図である。図１に示すように、一実施形態に係るガスタービン１００は、燃焼器４に供給される酸化剤としての圧縮空気を生成するための圧縮機２と、圧縮空気及び燃料を用いて燃焼ガスを発生させるための燃焼器４（ガスタービン燃焼器）と、燃焼器４において生成した燃焼ガスによって駆動されるように構成されたタービン６と、を備える。発電用のガスタービン１００の場合、タービン６には発電機（図示しない）が連結され、タービン６の回転エネルギによって発電が行われる。

圧縮機２は、圧縮機車室１０と、圧縮機車室１０の入口側に設けられ、空気を取り込むための空気取入口１２と、圧縮機車室１０及びタービン車室２２（後記する）を共に貫通するように設けられたロータ８と、圧縮機車室１０内に配置された各種の翼と、を備える。各種の翼は、空気取入口１２側に設けられた入口案内翼１４と、圧縮機車室１０側に固定された複数の静翼１６と、静翼１６に対して交互に配列されるようにロータ８に植設された複数の動翼１８と、を含む。なお、圧縮機２は、図示しない抽気室等の他の構成要素を備えていてもよい。このような圧縮機２において、空気取入口１２から取り込まれた空気は、複数の静翼１６及び複数の動翼１８を通過して圧縮されることで高温高圧の圧縮空気となる。そして、高温高圧の圧縮空気は圧縮機２から後段の燃焼器４に送られる。

燃焼器４は、ケーシング２０内に配置される。図１においては１つのみ図示するが、燃焼器４は、ケーシング２０内にロータ８を中心として環状に複数配置される。燃焼器４には燃料と圧縮機２で生成された圧縮空気とが供給され、燃料を燃焼させることによって、タービン６の作動流体である燃焼ガスが発生する。そして、燃焼ガスは燃焼器４から後段のタービン６に送られる。

タービン６は、タービン車室２２と、タービン車室２２内に配置された各種の翼と、を備える。各種の翼は、タービン車室２２側に固定された複数の静翼２４と、静翼２４に対して交互に配列されるようにロータ８に植設された複数の動翼２６と、を含む。なお、タービン６は、図示しない出口案内翼等の他の構成要素を備えていてもよい。タービン６においては、燃焼ガスが複数の静翼２４及ぶ複数の動翼２６を通過することで、ロータ８が回転駆動する。これにより、ロータ８に連結された発電機（図示しない）が駆動される。

また、タービン車室２２の下流側には、排気車室２８を介して排気室３０が連結される。タービン６を駆動した後の燃焼ガスは、排気車室２８及び排気室３０を介して外部へ排出される。

図２は、本発明の一実施形態に係る燃焼器４を示す概略図である。なお、図２は概略図であるため、図２に示す構造と後記する図３に示す構造とが一部異なっている。燃焼器４は、ケーシング２０により画定される燃焼器車室４０に設けられた燃焼器ライナ４６と、燃焼器ライナ４６内にそれぞれ配置された第１燃焼バーナ５０及び複数の第２燃焼バーナ６０と、を含む。また、燃焼器車室４０の下方には、圧縮機２（図１参照）で生成した高温高圧の圧縮空気を燃焼器車室４０に取り入れるための車室入口４２が形成される。なお、燃焼器４は、燃焼ガスをバイパスさせるためのバイパス管（図示しない）等の他の構成要素を備えていてもよい。

燃焼器ライナ４６は、第１燃焼バーナ５０及び複数の第２燃焼バーナ６０の周囲に配置される内筒４６ａと、内筒４６ａの先端部に連結された尾筒４６ｂと、を有している。第１燃焼バーナ５０は、燃焼器ライナ４６の中心軸に沿って配置される。

図３は、本発明の一実施形態に係る燃焼器４を示す概略図であって、燃焼器４の近傍を拡大して示す図である。第１燃焼バーナ５０は、例えば、図示しない拡散燃料流路を通じて供給された拡散燃料を燃焼させて拡散燃焼火炎を発生させるためのバーナである。また、詳細は後記するが、第１燃焼バーナ５０は、スワラ（旋回翼）５８からの予混合燃料（予混合気）を燃焼させて燃焼火炎を発生させるようにもなっている。第１燃焼バーナ５０は、燃料ポート５２ａ，５２ｂに連結された第１ノズル５４と、第１ノズル５４を囲むように配置されたコーン５６と、第１ノズル５４の外周に設けられたスワラ５８と、を備える。第１ノズル５４は、例えば、拡散燃料及び予混合燃料を噴射するためのノズルである。

燃料ポート５２ａは、図４を参照しながら説明する第１燃料流路８３に接続される。また、燃料ポート５２ｂは、同じく図４を参照しながら説明する第２燃料流路８５に接続される。第１燃料流路８３及び第２燃料流路８５は、いずれも第１ノズル５４に備えられ、第１燃焼バーナ５０に形成されたスワラ５８に接続される。

第２燃焼バーナ６０は、例えば予混合気を燃焼させるためのバーナである。第２燃焼バーナ６０は、燃料ポート６２に連結された第２ノズル６３と、第２ノズル６３を囲むように配置されたバーナ筒６６と、第２ノズル６３の外周に設けられたスワラ７０と、を備える。第２ノズル６３は、例えば予混合燃料を噴射するためのノズルである。第１ノズル５４の周方向には、第１ノズル５４を取り囲むように８つ（複数であればよい）の第２ノズル６３が互いに離間して配置される。なお、図３では、第２ノズル６３は２つのみ示している。

燃焼器４において、圧縮機２で生成された高温高圧の圧縮空気は、車室入口４２（図２参照）から燃焼器車室４０内に供給される。そして、燃焼器車室４０に流入した圧縮空気と、燃料ポート５２ａ，５２ｂを介して第１燃焼バーナ５０のスワラ５８から噴射された燃料とは、コーン５６内で混合される。そして、混合燃料は、図示しない種火により着火されて燃焼し、燃焼ガスが発生する。次いで、燃焼ガスは、スワラ５８により旋回流を形成し、燃焼器ライナ４６内に流れ込む。そして、燃焼ガスの一部が火炎を伴って周囲に拡散する。これにより、第２燃焼バーナ６０から燃焼器ライナ４６内に流れ込んだ上記の混合燃料が着火されて、燃焼する。

図４は、本発明の一実施形態に係る燃焼器４における第１燃焼バーナ５０近傍の断面図である。なお、図示の簡略化のために、第１ノズル５４から拡散燃料を噴射するための拡散燃料噴射孔は図示していない。第１ノズル５４の周囲には、第１ノズル５４の外周面から外側に張り出すように８つのスワラ５８（図４では２つのみ図示）が形成される。スワラ５８の内部には、それぞれ、第１燃料流路８３又は第２燃料流路８５に接続される内空間８４が形成される。また、スワラ５８には、それぞれ、内空間８４と連通する燃料噴射孔５９（図７参照、図４では図示しない）が形成される。

ここで、上記のように、第１燃料流路８３は燃料ポート５２ａに接続する。そのため、燃料ポート５２ａ及び第１燃料流路８３を通じ、スワラ５８の内空間８４に供給された燃料は、スワラ５８に形成された燃料噴射孔５９を通じて噴射される。また、第２燃料流路８５は燃料ポート５２ｂに接続する。そのため、燃料ポート５２ｂ及び第２燃料流路８５を通じ、スワラ５８の内空間８４に供給された燃料も、スワラ５８に形成された燃料噴射孔５９を通じて噴射される。そして、噴射された燃料は、空気流路３４において圧縮空気と混合され、燃焼される。

燃焼器４において燃焼される燃料は、圧縮空気（空気の一形態）と燃料との混合燃料である。即ち、燃焼器４は、空気と燃料との混合燃料を燃焼するように構成されている。そして、詳細は後記するが、ガスタービン１００では、燃焼器４の燃焼振動が十分に抑制されている。従って、燃焼振動が生じ易い混合燃料を使用した場合であっても、燃焼器４の燃焼振動を抑制することができる。

図５は、本発明の一実施形態に係る燃焼器４におけるスワラ５８の正面図である。スワラ５８は、平面視で流線形の形状を有する。このような形状のスワラ５８が第１ノズル５４の外周に配置されることで、第１ノズル５４とコーン５６との間に形成された空気通路３４（図４参照）を流通する圧縮空気に旋回力が付与される。これにより、圧縮空気が旋回空気流となってコーン５６に流れる。

スワラ５８は、燃料ポート５２（図３参照）の側に位置する背面５８１と、燃焼器ライナ４６（図３参照）の側に位置する翼腹面５８２とを有する。これらのうち、背面５８１及び翼腹面５８２のそれぞれに、肉厚方向に貫通する燃料噴射孔５９（ただし、背面５８１に形成された燃料噴射孔５９は図示しない）が形成される。

図６は、図４のＡ−Ａ線断面図である。８つのスワラ５８は、第１ノズル５４の外周に等間隔で配置される。また、それぞれのスワラ５８の内部には、第１燃料流路８３又は第２燃料流路８５のいずれか接続される内空間８４が形成される。具体的には、８つのスワラ５８のうち、上半分（水平方向を含む）に位置する５つのスワラ５８の内空間８４には、第１燃料流路８３が接続される。一方で、下半分に位置する３つのスワラ５８の内空間８４には、上記第１燃料流路８３から独立して設けられた第２燃料流路８５が接続される。これらのように、スワラ５８の内空間８４に接続される燃料流路が内空間８４毎に異なることで、内空間８４と連通する燃料噴射孔５９（図７参照。図６では図示しない）からの燃料噴射量が燃料噴射孔５９毎に変更可能になっている。

図７は、本発明の一実施形態に係る燃焼器４における第１燃焼バーナ５０に形成された燃料噴射孔５９の位置を説明する図である。図７において、８つのスワラ５８については、それぞれ上記の翼腹面５８２を図示している。図７に示すように、８つのスワラ５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄ，５８ｅ，５８ｆ，５８ｇ，５８ｈには、それぞれの縁部に、燃料噴射孔５９ａ，５９ｂ，５９ｃ，５９ｄ，５９ｅ，５９ｆ，５９ｇ，５９ｈが形成される。従って、第１ノズル５４は、スワラ５８を介して、周方向に配列された８個の燃料噴射孔５９を有している。そして、燃焼器４では、あくまでも一例として、８つの燃料噴射孔５９は、円筒状の第１ノズル５４の軸中心である点Ｐを中心とした同一円周上に、等間隔で配置される。

なお、燃料噴射孔５９の数ｎは任意であり、上記のようにｎ＝８に限定されるものではない。従って、燃料噴射孔５９の数ｎは、２つ以上のスワラ５８の数に応じて、２以上の範囲の整数で任意に決定すればよい。また、燃料噴射孔５９は、上記のようにスワラ５８を介することで第１ノズル５４が有するようにしたが、スワラ５８以外の部材に形成されてもよく、第１ノズル５４の外周に直接燃料噴射孔５９が形成されてもよい。

燃焼器４では、８つの燃料噴射孔５９は、第１ノズル５４の周方向に、隣接する任意の一対の燃料噴射孔５９間の角度差θ（＝３６０／ｎ。図７に示す例ではｎ＝８）［°］が０＜ｎ×θ／３６０＜２となるように配置される。具体的には、一例として、隣接する任意の一対の燃料噴射孔５９間の角度差θが４５°になっている。なお、一対の燃料噴射孔５９ａと燃料噴射孔５９ｂとのなす角度差θは、燃料噴射孔５９ａの重心と、点Ｐと、燃料噴射孔５９ｂの重心とを結んで得られる角度差θである。

上記θとしては、上記のような４５°（ｎ＝８の場合）に限定されるものではないが、燃焼器４の設計の容易さの観点からは、隣接する任意の一対の燃料噴射孔５９が等間隔、又は、等間隔に近くなるように形成されていることが好ましい。具体的には、上記θの範囲の下限値として、上記のように０＜ｎ×θ／３６０、好ましくは０．２≦ｎ×θ／３６０、より好ましくは０．４≦ｎ×θ／３６０、よりさらに好ましくは０．６≦ｎ×θ／３６０、特に好ましくは０．８≦ｎ×θ／３６０である。また、その上限として、上記のようにｎ×θ／３６０＜２、好ましくはｎ×θ／３６０≦１．８、より好ましくはｎ×θ／３６０≦１．６、よりさらに好ましくはｎ×θ／３６０≦１．４、特に好ましくはｎ×θ／３６０≦１．２である。そして、燃焼器４の燃料噴射孔５９のうち、全ての隣接する燃料噴射孔５９間の角度差θが上記範囲を満たすことが好ましい。

ただし、上記範囲を満たすθのうち、中でも、隣接する任意の一対の燃料噴射孔５９が等間隔になるようなθが好ましい。そこで、図７に示す例（ｎ＝８）では、点Ｐを中心とした、一対の燃料噴射孔５９ａと燃料噴射孔５９ｂとのなす角度差θが上記のように４５°になっている。隣接する他の一対の燃料噴射孔５９間の角度差θについても、同じように４５°になっている。このように、燃料噴射孔５９が燃焼器４の周方向において等間隔で複数形成されたことで、周方向において燃料噴射量を変えることができ、燃焼振動を抑制することができる。ただし、角度差θは、隣接する燃料噴射孔５９ごとに異なっていてもよい。

図８は、本発明の一実施形態に係る燃焼器４における第１燃焼バーナ５０に接続される第１燃料流路８３及び第２燃料流路８５を示す図である。図８において、第１燃料流路８３及び第２燃料流路８５は太い実線で示している。

燃焼器４では、８つの燃料噴射孔５９のうち、周方向に連続的に配置された上半分（水平方向を含む）の燃料噴射孔５９ａ，５９ｂ，５９ｃ，５９ｄ，５９ｅには第１燃料流路８３が接続される。従って、第１燃料流路８３（図３を併せて参照）は、途中で分岐して、燃料噴射孔５９ａ，５９ｂ，５９ｃ，５９ｄ，５９ｅのそれぞれに接続される。また、同じく周方向に連続的に配置された下半分の燃料噴射孔５９ｆ，５９ｇ，５９ｈには、第１燃料流路８３とは独立して設けられた第２燃料流路８５が接続される。従って、第２燃料流路８５（図３を併せて参照）は、途中で分岐して、燃料噴射孔５９ｆ，５９ｇ，５９ｈのそれぞれに接続される。
以下、燃料噴射孔５９ａ，５９ｂ，５９ｃ，５９ｄ，５９ｅを纏めて「第１噴射孔群５９Ａ」という。また、燃料噴射孔５９ｆ，５９ｇ，５９ｈを纏めて「第２噴射孔群５９Ｂ」という。

従って、燃焼器４では、第１ノズル５４は、第１噴射孔群５９Ａに接続され、第１噴射孔群５９Ａに燃料を供給するための第１燃料流路８３と、第１燃料流路８３から独立して設けられて第２噴射孔群５９Ｂに接続され、第２噴射孔群５９Ｂに燃料を供給するための第２燃料流路８５とを備える。このように、２つの第１燃料流路８３及び第２燃料流路８５を備えることで、第１噴射孔群５９Ａ及び第２噴射孔群５９Ｂのそれぞれに対し、独立した燃料量制御が可能となる。これにより、燃焼状況に応じた柔軟な燃焼振動回避操作を行うことができる。

そして、燃焼器４では、第１燃料流路８３には５つの燃料噴射孔５９が接続され、第２燃料流路８５には３つの燃料噴射孔５９が接続される。そのため、第１燃料流路８３を流れる燃料量と第２燃料流路８５を流れる燃料量とを仮に同じにすれば、第１燃料流路８３に接続される燃料噴射孔５９（第１噴射孔群５９Ａ）のそれぞれから噴射される燃料量は、第２燃料流路８５に接続される燃料噴射孔５９（第２噴射孔群５９Ｂ）のそれぞれから噴射される燃料量よりも少なくなる。即ち、燃料器４の第１ノズル５４では、１以上の燃料噴射孔５９からの燃料噴射量が、他の１以上の燃料噴射孔５９からの燃料噴射量とは異なっている。そして、全ての燃料噴射孔５９から燃料が噴射されている。

このように、燃焼器４では、第１ノズル５４に備えられた全ての燃料噴射孔５９から燃料が噴射されつつ、第１噴射孔群５９Ａからの燃料噴射量と、第２噴射孔群５９Ｂからの燃料噴射量とが異なっている。このようにすることで、燃焼器ライナ４６（燃焼室）における火炎の軸方向発熱率分布に偏差を設けることができる。即ち、燃料噴射量が多ければ燃焼速度が速まることから、火炎位置が第１ノズル５４に近づく。一方で、燃料噴射量が少なくなれば燃焼速度が遅くなることから、火炎位置が第１ノズル５４から遠ざかる。これにより、発熱集中を回避して、燃焼器４の燃焼振動の抑制を図ることができる。

また、第１噴射孔群５９Ａ及び第２噴射孔群５９Ｂのそれぞれにおいて、燃料噴射孔５９が周方向に連続的に配置されることで、燃料噴射が周方向に連続的に行われるため、火炎の大きさを確保することができる。これにより、周方向位置において火炎が存在しない位置の発生を抑制し、圧力変動の変動を抑制できる。この結果、圧力変動に起因する燃焼振動の発生を抑制することができる。

なお、第１噴射孔群５９Ａに含まれる燃料噴射孔５９の数は、１以上であれば特に制限はされない。また、第２噴射孔群５９Ｂに含まれる燃料噴射孔５９の数も、１以上であれば特に制限はされない。ただし、燃料噴射孔５９から噴射される燃料の燃焼による火炎の大きさを十分に確保する観点から、第１噴射孔群５９Ａの占める部分は、第１噴射孔群５９Ａの周方向両端に配置された一対の燃料噴射孔５９間の角度差θ２［°］として８０°以上の領域であることが好ましい。角度差θ２は、より好ましくは９０°以上、特に好ましくは１２０°以上である。なお、図８に示す例では、第１噴射孔群５９Ａの占める部分は、第１噴射孔群５９Ａの周方向両端に配置された一対の燃料噴射孔５９ｃ，５９ｇ間の角度差θ２として１８０°となる領域になっている。

このように、上記角度差θ２を８０°以上にすることで、第１噴射孔群５９Ａの周方向長さを確保して、第１噴射孔群５９Ａから噴射された燃料の燃焼に起因する火炎の大きさを確保することができる。これにより、周方向位置において火炎が存在しない位置の発生を抑制し、圧力変動の変動を抑制できる。この結果、圧力変動に起因する燃焼振動の発生を抑制することができる。

さらに、図８に示す例では、燃料噴射量の少ない燃料噴射孔５９を含む第１噴射孔群５９Ａと、燃料噴射量の多い燃料噴射孔５９を含む第２噴射孔群５９Ｂの２つの噴射孔群を示したが、噴射孔群は３つ以上であってもよい。即ち、それぞれで同じ燃料噴射量となる燃料噴射孔５９を１以上含む噴射孔群を３つ以上設け、それぞれの噴射孔群で、燃料噴射量を異なるようにしてもよい。そして、必要に応じて、３つ以上の噴射孔群に燃料を供給するための燃料流路を３つ以上設けることができる。なお、噴射孔群を構成する燃料噴射孔５９の数は１つのみの場合であっても、便宜のために「噴射孔群」というものとする。

図９は、燃料噴射比率Ｒと、燃焼振動の大きさとの関係を示すグラフである。このグラフは、本発明者らの検討により、上記の燃焼器４を用いて得られたグラフである。ただし、このグラフの形状はあくまでも一例であり、他の形状を排除するものではない。グラフにおいて、横軸の「燃料噴射比率Ｒ」は、燃焼器４の各燃料噴射孔５９から噴射される燃料噴射量に対する、第１噴射孔群５９Ａに含まれる各燃料噴射孔５９から噴射される燃料噴射量の比率を表す。

燃料噴射比率Ｒは、第１噴射孔群５９Ａを構成する燃料噴射孔５９の数をｍ_Ａ（図７に示す例ではｍ_Ａ＝５）、第１噴射孔群５９Ａの燃料噴射孔５９の全体に供給する燃料量をＧ_Ａ、第２噴射孔群５９Ｂを構成する燃料噴射孔の数をｍ_Ｂ（図７に示す例ではｍ_Ｂ＝３）、第２噴射孔群５９Ｂの燃料噴射孔５９の全体に供給する燃料量をＧ_Ｂと規定すると、以下の式（１）で表される。なお、Ｇ_Ａは、上記の第１燃料流路８３（図８参照）における燃料流量である。また、Ｇ_Ｂは、上記の第２燃料流路８５（図８参照）における燃料流量である。

図９に示すグラフにおいて、点Ａ（Ｒ＝０）は、第１噴射孔群５９Ａの各燃料噴射孔５９からは燃料を噴射していない状態を表す。この場合、Ｇ_Ａ／ｍ_Ａ＝０であることから、Ｒ＝０である。以下、この状態を「第１噴射孔群５９Ａ閉塞状態」という。また、点Ｂ（Ｒ＝Ｒ_１）は、第１噴射孔群５９Ａの各燃料噴射孔５９からの燃料噴射量と、第２噴射孔群５９Ｂの各燃料噴射孔５９からの燃料噴射量とが等しい状態を表す。この場合、Ｇ_Ａ／ｍ_Ａ＝Ｇ_Ｂ／ｍ_Ｂであることから、Ｒ＝Ｒ_１＝１である。以下、この状態を「均等状態」という。さらに、点Ｃ（Ｒ＝Ｒ_２）は、第２噴射孔群５９Ｂの各燃料噴射孔５９からは燃料を噴射していない状態を表す。この場合、Ｇ_Ｂ／ｍ_Ｂ＝０であることから、Ｒ＝Ｒ_２＝（ｍ_Ａ＋ｍ_Ｂ）／ｍ_Ａである。以下、この状態を「第２噴射孔群５９Ｂ閉塞状態」という。

このグラフにおいて、第１噴射孔群５９Ａ閉塞状態（点Ａ）において、第２噴射孔群５９Ｂの各燃料噴射孔５９からの燃料噴射量を一定にしつつ、第１噴射孔群５９Ａの各燃料噴射孔５９から燃料を少しずつ噴射し始めると（Ｒを大きくし始めると）、燃焼振動の大きさは小さくなる。このとき、第１噴射孔群５９Ａの各燃料噴射孔５９からの燃料噴射量と、第２噴射孔群５９Ｂの各燃料噴射孔５９からの燃料噴射量との燃料噴射量の偏差は徐々に小さくなる。そして、燃焼振動の大きさは点Ｄを境にして再び大きくなり、均等状態（点Ｂ）に至る。

次に、均等状態（点Ｂ）から、第１噴射孔群５９Ａの各燃料噴射孔５９からの燃料噴射量を一定にしつつ、今度は第２噴射孔群５９Ｂの各燃料噴射孔５９からの燃料噴射量を少しずつ減少させると（Ｒを大きくすると）、燃焼振動の大きさは小さくなる。このとき、第１噴射孔群５９Ａの各燃料噴射孔５９からの燃料噴射量と、第２噴射孔群５９Ｂの各燃料噴射孔５９からの燃料噴射量との燃料噴射量の偏差は徐々に大きくなる。そして、燃焼振動の大きさは点Ｅを境にして再び大きくなり、第２噴射孔群５９Ｂ閉塞状態（点Ｃ）に至る。

例えば図９に示すように燃焼振動が抑制される理由として、本発明者らが検討したところ、以下のように考えられる。第１噴射孔群５９Ａ及び第２噴射孔群５９Ｂの双方から燃料を噴射することで、火炎が形成されない部分の発生を抑制することができる。そして、これに加えて、燃料量を変えることで、燃焼器ライナ４６における火炎の軸方向発熱率分布に意図的な偏差を設けることができる。そして、本発明者らが検討したところ、これらの相互作用により発熱集中を回避して、例えば図９に示すように、燃焼器４の燃焼振動を十分に抑制できると考えられる。

なお、上記の図８に示す例において、上記燃料噴射比率Ｒの大きさは、燃料の性状、燃焼器４の構造、運転継続時間等の運転状況に応じて、適宜変更すればよい。即ち、実際の運転状況に応じて、図示しない燃料量調整弁等を制御し、第１噴射孔群５９Ａ又は第２噴射孔群５９Ｂに供給される燃料量の少なくとも一方を調整することで、燃料噴射量を調整することができる。これにより、燃料噴射比率Ｒを変更でき、実際の運転状況に応じて柔軟に燃焼振動抑制を図ることができる。

以上のような燃焼器４を備えるガスタービン１００においては、上記のように燃焼器４の燃焼振動が抑制されている。そのため、燃焼器４の燃焼振動に起因するガスタービン１００の損傷を抑制することができる。また、上記の燃焼器４を用いて、１以上の燃料噴射孔５９からの燃料噴射量が他の１以上の燃料噴射孔５９からの燃料噴射量とは異なるように、全ての燃料噴射孔９５から燃料を噴射することにより、燃焼器４の燃焼振動を抑制可能な燃焼器の燃焼振動抑制方法を提供することができる。

なお、上記の例では、第１燃焼バーナ５０における燃料噴射孔５９に着目したが、例えば、第２燃焼バーナ６０における２つ以上の燃料噴射孔（図示しない）に着目して、燃料噴射量に偏差を設けることができる。また、第１燃焼バーナ５０では、圧縮空気と燃料との混合燃料が噴射されるほか、拡散燃料噴射孔（図示しない）を通じて拡散燃料が噴射される。そこで、拡散燃料噴射孔を２つ以上設け、拡散燃料の噴射量に偏差を設けるようにしてもよい。

また、上記の例では、燃焼器４の燃料噴射孔５９を２つの噴射孔群（第１噴射孔群５９Ａ及び第２噴射孔群５９Ｂ）に分けて、これら２つの噴射孔群からの燃料噴射量を変更するようにした。しかし、例えば、燃焼器４の燃料噴射孔５９を３つの噴射孔群（第１噴射孔群、第２噴射孔群、及び第３噴射孔群）に分けて、これら３つの噴射孔群からの燃料噴射量を変更してもよい。この場合、例えば第１噴射孔群及び第２噴射孔群を一つの別の群と考え、この別の群と上記の第３噴射孔群との２つの群について、上記の方法によって燃料噴射量を決定すればよい。そして、別の群において噴射する燃料量を基準として、当該別の群を構成する第１噴射孔群と第２噴射孔群との各燃料噴射量を決定すればよい。そして、これらの方法により、３つの噴射孔群（第１噴射孔群、第２噴射孔群、及び第３噴射孔群）における燃料噴射量を決定できる。噴射孔群が４つ以上の場合においても同様である。

図１０は、本発明の二実施形態に係る燃焼器（図示しない）における第１燃焼バーナ５０Ａに接続される燃料流路を示す図である。上記の図８等に示す例では、燃料噴射孔５９への燃料の供給のために、独立した２つの燃料流路（第１燃料流路８３及び第２燃料流路８５）が備えられていた。しかし、本発明の二実施形態に係る燃焼器では、第１燃料流路８３のみが備えられ、第２燃料流路８５は備えられていない。そして、図１０に示すように、第１燃料流路８３が途中で分岐して、８つの燃料噴射孔５９に燃料が供給される。

この図１０に示すように、第１噴射孔群５９Ａに含まれる燃料噴射孔５９の大きさと、第２噴射孔群５９Ｂに含まれる燃料噴射孔５９の大きさとは、異なっている。具体的には、第１噴射孔群５９Ａに含まれる燃料噴射孔５９の大きさは、第２噴射孔群５９Ｂに含まれる燃料噴射孔５９の大きさよりも小さくなっている。これにより、第２噴射孔群Ｂを構成する３つの燃焼噴射孔５９のそれぞれから噴射される燃料噴射量は、第１噴射孔群Ａを構成する５つの燃焼噴射孔５９のそれぞれから噴射される燃料噴射量よりも多くなっている。

このようにすることで、上記の図８を参照しながら説明した燃焼器４と同様に、燃料流路を増やさずに燃料噴射量を周方向で変化させ、発熱集中を回避することができる。このため、燃料噴射孔の径調整のみで、燃焼振動の抑制を図ることができる。

２ 圧縮機
４ 燃焼器
６ タービン
８ ロータ
１０ 圧縮機車室
１２ 入口
１４ 入口案内翼
１６，２４ 静翼
１８，２６ 動翼
２０ ケーシング
２２ タービン車室
２８ 排気車室
３０ 排気室
３４ 空気通路
４０ 燃焼器車室
４２ 車室入口
４６ａ 内筒
４６ｂ 尾筒
５０，５０Ａ 第１燃焼バーナ
５２，６２，６２ａ，６２ｂ 燃料ポート
５４ 第１ノズル
５６ コーン
５８，５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄ，５８ｅ，５８ｆ，５８ｇ，５８ｈ，７０ スワラ
５９ 燃料噴射孔
５９，５９ａ，５９ｂ，５９ｃ，５９ｄ，５９ｅ，５９ｆ，５９ｇ，５９ｈ 燃料噴射孔
５９Ａ 第１噴射孔群
５９Ｂ 第２噴射孔群
６０ 第２燃焼バーナ
６３ 第２ノズル
６６ バーナ筒
８３ 第１燃料流路
８４ 内空間
８５ 第２燃料流路
１００ ガスタービン
５８１ 背面
５８２ 翼腹面

Claims (10)

1. 第１ノズルと、前記第１ノズルを取り囲むように周方向に配置された複数の第２ノズルと、を備えるガスタービン燃焼器であって、
   前記第１ノズルは、前記周方向に配列されたｎ個（ｎは２以上の整数）の燃料噴射孔を有し、
   前記複数の燃料噴射孔は、前記周方向に隣接する任意の一対の前記燃料噴射孔間の角度差θ［°］が０＜ｎ×θ／３６０＜２となるように配置され、
   前記第１ノズルは、１以上の前記燃料噴射孔からの燃料噴射量が他の１以上の前記燃料噴射孔からの燃料噴射量とは異なるように、全ての前記燃料噴射孔から燃料を噴射するように構成された
   ことを特徴とする、ガスタービン燃焼器。
2. 前記複数の燃料噴射孔は、１以上の前記燃料噴射孔を含む第１噴射孔群と、前記第１噴射孔群を構成する燃料噴射孔以外の前記燃料噴射孔を１以上含む第２噴射孔群とを含み、
   前記第１ノズルは、
   前記第１噴射孔群に接続され、前記第１噴射孔群に燃料を供給するための第１燃料流路と、
   前記第１燃料流路から独立して設けられて前記第２噴射孔群に接続され、前記第２噴射孔群に燃料を供給するための第２燃料流路とを備える
   ことを特徴とする、請求項１に記載のガスタービン燃焼器。
3. 前記複数の燃料噴射孔は、１以上の前記燃料噴射孔を含む第１噴射孔群と、前記第１噴射孔群を構成する燃料噴射孔以外の前記燃料噴射孔を１以上含む第２噴射孔群とを含み、
   前記第１噴射孔群に含まれる燃料噴射孔の大きさと、前記第２噴射孔群に含まれる燃料噴射孔の大きさとは、異なっている
   ことを特徴とする、請求項１又は２に記載のガスタービン燃焼器。
4. 前記複数の燃料噴射孔は、１以上の前記燃料噴射孔を含む第１噴射孔群と、前記第１噴射孔群を構成する燃料噴射孔以外の前記燃料噴射孔を１以上含む第２噴射孔群とを含み、
   前記第１噴射孔群を構成する前記燃焼噴射孔それぞれからの燃料噴射量と、前記第２噴射孔群を構成する前記燃焼噴射孔それぞれからの燃料噴射量とは異なっており、
   前記第１噴射孔群に含まれる前記燃料噴射孔は前記周方向に連続的に配置されており、
   前記第２噴射孔群に含まれる前記燃料噴射孔は前記周方向に連続的に配置されている
   ことを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載のガスタービン燃焼器。
5. 前記複数の燃料噴射孔は、１以上の前記燃料噴射孔を含む第１噴射孔群と、前記第１噴射孔群を構成する燃料噴射孔以外の前記燃料噴射孔を１以上含む第２噴射孔群とを含み、
   前記第１噴射孔群を構成する前記燃焼噴射孔それぞれからの燃料噴射量と、前記第２噴射孔群を構成する前記燃焼噴射孔それぞれからの燃料噴射量とは異なっており、
   前記第１噴射孔群の占める部分は、前記第１噴射孔群の前記周方向両端に配置された一対の燃料噴射孔間の角度差θ２［°］として８０°以上の領域である
   ことを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載のガスタービン燃焼器。
6. 前記複数の燃料噴射孔は、前記周方向に隣接する任意の一対の前記燃料噴射孔間の角度差θ［°］が０．８≦ｎ×θ／３６０≦１．２となるように配置される
   ことを特徴とする、請求項１〜５の何れか１項に記載のガスタービン燃焼器。
7. 前記燃料噴射孔は、前記ガスタービン燃焼器の周方向において等間隔で複数形成された
   ことを特徴とする、請求項１〜６の何れか１項に記載のガスタービン燃焼器。
8. 前記ガスタービン燃焼器は、空気と燃料との混合燃料を燃焼するように構成された
   ことを特徴とする、請求項１〜７の何れか１項に記載のガスタービン燃焼器。
9. 請求項１〜８の何れか１項に記載のガスタービン燃焼器と、
   前記ガスタービン燃焼器に供給される圧縮空気を生成するための圧縮機と、
   前記ガスタービン燃焼器において生成した燃焼ガスによって駆動されるタービンと、
   を備える
   ことを特徴とする、ガスタービン。
10. 第１ノズルと、前記第１ノズルを取り囲むように周方向に配置された複数の第２ノズルと、を備えるガスタービン燃焼器の燃焼振動を抑制する方法であって、
    前記第１ノズルは、前記周方向に配列されたｎ個（ｎは２以上の整数）の燃料噴射孔を有し、
    前記複数の燃料噴射孔は、前記周方向に隣接する任意の一対の前記燃料噴射孔間の角度差θ［°］が０＜ｎ×θ／３６０＜２となるように配置され、
    前記第１ノズルは、１以上の前記燃料噴射孔からの燃料噴射量が他の１以上の前記燃料噴射孔からの燃料噴射量とは異なるように、全ての前記燃料噴射孔から燃料を噴射する
    ことを特徴とする、ガスタービン燃焼器の燃焼振動抑制方法。
    

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