JPWO2018025294A1

JPWO2018025294A1 - ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JPWO2018025294A1
Application number: JP2018530989A
Authority: JP
Inventors: 岩井　保憲; 保憲岩井; 恭明中村; 伊東　正雄; 正雄伊東; 優一森澤
Original assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2016-08-05
Filing date: 2016-08-05
Publication date: 2019-03-14
Anticipated expiration: 2036-08-05
Also published as: WO2018025294A1; JP6637179B2; US11047310B2; US20190145319A1

Abstract

実施形態の燃焼器２０は、燃焼器ケーシング７０内に設けられた燃焼器ライナ６１と、燃焼器ケーシング７０と燃焼器ライナ６１との間の空間を区分する筒体８０と、燃焼器ライナ６１から排出されタービン２５を駆動した燃焼ガスを燃焼器ライナ６１と筒体８０との間に導く配管４２と、タービン２５を駆動した燃焼ガスであり、配管４２に導かれる燃焼ガスよりも低温の燃焼ガスを燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に導く配管４４と、燃焼器ケーシング７０、筒体８０および燃焼器ライナ６１に貫通する管状部材１０１と、管状部材１０１内の燃焼器ケーシング側に設けられた耐熱ガラス１０２と、耐熱ガラス１０２に対向して燃焼器ケーシング７０の外側に設けられた集光レンズ１０４と、集光レンズ１０４、耐熱ガラス１０２および管状部材１０１の内部を介して燃焼器ライナ６１内にレーザ光１０５を照射するレーザ発振器１０３とを備える。

Description

本発明の実施形態は、ガスタービン燃焼器に関する。

発電プラントの高効率化は、二酸化炭素の削減や省資源などの要求から進められている。具体的には、ガスタービンの作動流体の高温化、コンバインドサイクル化などが積極的に進められている。また、二酸化炭素の回収技術についても、研究開発が進められている。

そのような中、超臨界ＣＯ_２雰囲気中で燃料と酸素を燃焼させる燃焼器を備えたガスタービン設備が検討されている。このガスタービン設備では、燃焼器で生成した燃焼ガスの一部は、作動流体として系統に循環される。

この超臨界ＣＯ_２を用いたガスタービン設備（以下、ＣＯ_２ガスタービン設備という。）の燃焼器では、燃焼器内で混合された燃料と酸化剤の混合気に点火装置を用いて着火する。着火時においては、機器に対する急激な熱負荷を押さえるために、酸化剤流量や燃料流量が減らされる。そして、着火後、循環する作動流体、酸化剤流量を増加して燃焼器内の圧力を上昇させるとともに、燃料流量を増加して燃焼器内の燃焼ガス温度を上昇させる。このように、例えば、燃焼器内の圧力や燃焼ガス温度は、タービンの定格負荷条件まで上昇される。

従来、ガスタービンの燃焼器における点火装置として、火花点火装置やレーザ点火装置が使用されている。火花点火装置では、スパークプラグによって火花放電を生じさせて、混合気に着火する。火花点火装置は、例えば、火花放電部であるプラグ部が燃焼器内部に突出するように燃焼器に配置されている。この場合、プラグ部は、火炎に曝される。また、火花点火装置の耐久性などの観点から、着火後、プラグ部を燃焼器の内部から引き出す構成の火花点火装置も検討されている。

レーザ点火装置は、レーザを燃焼器内部の混合気に照射して着火する。例えば、レーザ発振器から照射されたレーザ光を、レンズ、ケーシング部の耐圧ガラス窓、ケーシングと燃焼器ライナを結ぶレーザ通路管を介して、燃焼器ライナ内に照射する。そして、レーザ光は、燃焼器ライナ内で焦点を結ぶ。レーザ光が焦点を結ぶことでエネルギ密度が上昇し、この部分の気体がプラズマ化（ブレークダウン）して混合気を着火する。

特開２０１２−１１７５３５号公報

前述したＣＯ_２ガスタービン設備の場合、タービン定格負荷時における燃焼器内の圧力は、従来のガスタービンにおける燃焼器内の圧力の１０倍以上となる。また、ＣＯ_２ガスタービン設備の場合、タービン定格負荷時に燃焼器に循環される超臨界圧のＣＯ_２の温度は、従来のガスタービンにおける燃焼器に導入される空気の温度（４００℃程度）を超える６００℃以上の温度となる。

この高温高圧の条件は、従来のガスタービンの燃焼器における点火装置の耐圧仕様および耐熱仕様を大きく超える。そのため、ＣＯ_２ガスタービン設備の燃焼器に、従来の点火装置の仕様をそのまま適用することはできない。

本発明が解決しようとする課題は、超臨界圧の作動流体が導入される高温高圧の環境下においても使用することができる点火装置を備えたガスタービン燃焼器を提供するものである。

実施形態のガスタービン燃焼器は、ケーシングと、前記ケーシング内に設けられ、燃料と酸化剤を燃焼させる燃焼筒と、前記ケーシングと前記燃焼筒との間の空間を区分する筒体と、前記燃焼筒から排出されタービンを駆動した燃焼ガスを前記燃焼筒と前記筒体との間に導く第１の燃焼ガス供給管と、前記燃焼筒から排出されタービンを駆動した燃焼ガスであり、前記第１の燃焼ガス供給管に導かれる燃焼ガスよりも低温の燃焼ガスを前記ケーシングと前記筒体との間に導く第２の燃焼ガス供給管とを備える。

さらに、ガスタービン燃焼器は、前記ケーシング、前記筒体および前記燃焼筒に貫通して設けられた管状部材と、前記管状部材内の前記ケーシング側に設けられ、前記管状部材を閉鎖する耐熱ガラスと、前記耐熱ガラスに対向して前記ケーシングの外側に設けられた集光レンズと、前記集光レンズ、前記耐熱ガラスおよび前記管状部材の内部を介して前記燃焼筒内にレーザ光を照射するレーザ発振器とを備える。

第１の実施の形態の燃焼器を備えるガスタービン設備の系統図である。第１の実施の形態の燃焼器の縦断面を模式的に示した図である。第１の実施の形態の燃焼器の点火装置の縦断面を模式的に示した拡大図である。第１の実施の形態の他の構成を備える燃焼器の一部の縦断面を模式的に示した図である。第２の実施の形態の燃焼器の点火装置の縦断面を模式的に示した拡大図である。第３の実施の形態の燃焼器の点火装置の縦断面を模式的に示した拡大図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の燃焼器２０を備えるガスタービン設備１０の系統図である。図１に示すように、ガスタービン設備１０は、燃料と酸化剤を燃焼させる燃焼器２０と、この燃焼器２０に燃料を供給する配管４０と、燃焼器２０に酸化剤を供給する配管４１を備えている。また、燃焼器２０は、燃焼器２０内の燃料と酸化剤の混合気に着火する点火装置１００Ａを備えている。なお、燃焼器２０は、ガスタービン燃焼器として機能する。

配管４０には、燃焼器２０の燃焼器ライナ６１内に供給される燃料の流量を調整する流量調整弁２１が備えられている。ここで、燃料として、例えば、メタン、天然ガスなどの炭化水素が使用される。また、燃料として、例えば、一酸化炭素および水素などを含む石炭ガス化ガス燃料を使用することもできる。なお、燃焼器ライナ６１は、燃焼筒として機能する。

配管４１には、酸化剤を昇圧する圧縮機２３が設けられている。酸化剤としては、空気分離装置（図示しない）によって大気から分離された酸素が使用される。配管４１を流れる酸化剤は、熱交換器２４を通過して加熱され、燃焼器２０に供給される。

燃焼器ライナ６１に導かれた燃料および酸化剤は、燃焼器ライナ６１内の燃焼領域において反応（燃焼）を生じ、燃焼ガスとなる。ここで、ガスタービン設備１０においては、燃焼器ライナ６１から排出される燃焼ガスに、余剰の酸化剤（酸素）や燃料が残存しないことが好ましい。そこで、燃料および酸化剤の流量は、例えば、量論混合比（当量比１）になるように調整されている。なお、ここでいう当量比は、燃料と酸素が均一に混合したと想定したときの当量比（オーバーオールでの当量比）である。

ガスタービン設備１０は、燃焼器ライナ６１から排出された燃焼ガスによって回動するタービン２５を備えている。このタービン２５には、例えば、発電機２６が連結されている。ここでいう、燃焼器ライナ６１から排出される燃焼ガスは、燃料と酸化剤とによって生成された燃焼生成物と、燃焼器ライナ６１内に供給される後述する二酸化炭素（水蒸気が除去された燃焼ガス）とを含んだものである。

タービン２５から排出された燃焼ガスは、配管４２に導かれ、熱交換器２４を通過することによって冷却される。この際、燃焼ガスからの放熱によって、配管４１を流れる酸化剤や配管４２を流れる二酸化炭素を加熱する。

熱交換器２４を通過した燃焼ガスは、冷却器２７を通過する。燃焼ガスは、冷却器２７を通過することで、燃焼ガス中に含まれる水蒸気が除去される。この際、燃焼ガス中の水蒸気は、凝縮して水となる。この水は、例えば配管４３を通り外部に排出される。

ここで、前述したように、燃料および酸化剤の流量を量論混合比（当量比１）になるように調整した場合、水蒸気が除去された燃焼ガス（ドライ燃焼ガス）の成分は、ほぼ二酸化炭素である。なお、水蒸気が除去された燃焼ガスには、例えば、微量の一酸化炭素などが混在する場合もあるが、以下、水蒸気が除去された燃焼ガスを単に二酸化炭素と称する。

二酸化炭素は、配管４２に介在する圧縮機２８によって昇圧され、超臨界流体となる。昇圧された二酸化炭素の一部は、配管４２を流れ、熱交換器２４において加熱される。そして、二酸化炭素は、燃焼器ライナ６１と筒体８０との間に導かれる。熱交換器２４を通過した二酸化炭素の温度は、７００℃程度になる。なお、配管４２は、第１の燃焼ガス供給管として機能する。

昇圧された二酸化炭素の他の一部は、配管４２から分岐した配管４４に導入される。配管４４に導入された二酸化炭素は、流量調整弁２９によって流量が調節され、冷却媒体として、燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に導かれる。配管４４によって燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に導かれる二酸化炭素の温度は、４００℃程度である。この燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に導かれる二酸化炭素の温度は、前述した燃焼器ライナ６１と筒体８０との間に導かれる二酸化炭素の温度よりも低温である。

なお、配管４４は、第２の燃焼ガス供給管として機能し、燃焼器ケーシング７０は、ケーシングとして機能する。

一方、昇圧された二酸化炭素の残部は、配管４２から分岐した配管４５に導入される。配管４５に導入された二酸化炭素は、流量調整弁３０によって流量が調節され、外部に排出される。なお、配管４５は、排出管として機能する。外部に排出された二酸化炭素は、例えば、石油採掘現場で採用されているＥＯＲ（Enhanced Oil Recovery）などに利用することができる。

次に、第１の実施の形態の燃焼器２０の構成について詳しく説明する。

図２は、第１の実施の形態の燃焼器２０の縦断面を模式的に示した図である。図３は、第１の実施の形態の燃焼器２０の点火装置１００Ａの縦断面を模式的に示した拡大図である。

図２に示すように、燃焼器２０は、燃料ノズル部６０、燃焼器ライナ６１、トランジションピース６２（尾筒）、燃焼器ケーシング７０、筒体８０および点火装置１００Ａを備える。

燃料ノズル部６０は、配管４０から供給された燃料および配管４１から供給された酸化剤を燃焼器ライナ６１内に噴出する。例えば、中央から燃料を噴出し、その周囲から酸化剤を噴出する。

燃焼器ケーシング７０は、例えば、燃料ノズル部６０の一部、燃焼器ライナ６１およびトランジションピース６２を囲むように、燃焼器２０の長手方向に沿って設けられている。燃焼器ケーシング７０は、例えば、燃焼器２０の長手方向に２分割されている。燃焼器ケーシング７０は、例えば、上流側の上流側ケーシング７１および下流側の下流側ケーシング７２で構成される。

上流側ケーシング７１は、例えば、一端（上流端）が閉塞され、他端（下流端）が開口された筒体で構成されている。一端の中央には、燃料ノズル部６０を挿入する開口７１ａが形成されている。また、上流側ケーシング７１の側部には、配管４４が連結されている。配管４４は、例えば、上流側ケーシング７１の側部に形成された開口７１ｂに嵌め込まれ、接合されている。

下流側ケーシング７２は、両端が開口した筒体で構成されている。下流側ケーシング７２の一端は、上流側ケーシング７１に接続され、下流側ケーシング７２の他端は、例えば、タービン２５を囲むケーシングに接続されている。

図２に示すように、燃焼器ケーシング７０内には、燃料ノズル部６０の一部、燃焼器ライナ６１およびトランジションピース６２の周囲を包囲し、燃焼器ケーシング７０と燃焼器ライナ６１との間の空間を区画する筒体８０が設けられている。燃焼器ライナ６１と筒体８０との間には、所定の空間を有している。

筒体８０の一端（上流端）は、閉鎖され、燃料ノズル部６０を挿入する開口８１が形成されている。筒体８０の他端（下流端）は、閉鎖され、トランジションピース６２の下流端を貫通させる開口８２が形成されている。筒体８０は、例えば、開口８１を有する板状の蓋部材８０ａを筒状の本体部材８０ｂに接合して形成される。

筒体８０は、図２に示すように、燃料ノズル部６０の一部、燃焼器ライナ６１およびトランジションピース６２の周囲を包囲する構造であれば、筒体８０の構成は、限定されない。

筒体８０の下流側の開口８２の内周面は、トランジションピース６２の下流端部の外周面に接している。

また、筒体８０の上流側の側部には、配管４２が連結されている。この配管４２は、図２に示すように、上流側ケーシング７１の側部に連結された配管４４内を貫通して、筒体８０の側部に連結されている。配管４２が配管４４の内部を貫通する部分は、二重管構造となっている。

なお、配管４２は、例えば、配管４４に形成された開口４４ａを介して配管４４の内部に挿入されている。そして、例えば、開口４４ａを有する開口部において、配管４２は、配管４４と接合されている。また、配管４２と配管４４との二重管構造は、１箇所に限らず、周方向に複数個所有してもよい。

点火装置１００Ａは、図２および図３に示すように、管状部材１０１、耐熱ガラス１０２、レーザ発振器１０３、集光レンズ１０４を備えている。

管状部材１０１は、両端が開口した円筒管などで構成される。管状部材１０１は、燃焼器ケーシング７０、筒体８０および燃焼器ライナ６１に貫通して設けられている。換言すると、管状部材１０１は、燃焼器２０の長手方向に垂直な方向から、燃焼器ケーシング７０、筒体８０および燃焼器ライナ６１に形成された同軸の円形の連通孔に貫通するように配置されている。

なお、管状部材１０１の内側の端部１０１ａは、燃焼器ライナ６１の内部に突出しないように構成されている。また、管状部材１０１の内径は、その内部をレーザ光が通過する際に妨げにならない程度に設定される。

耐熱ガラス１０２は、管状部材１０１内の外側（燃焼器ケーシング７０側）に設けられる。具体的には、耐熱ガラス１０２は、管状部材１０１内の、二酸化炭素が流れる燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間の流路よりも外側となる位置に設けられることが好ましい。

耐熱ガラス１０２は、管状部材１０１の内部を閉鎖するように設けられる。これによって、燃焼器２０の内部と外部との連通が遮断される。

集光レンズ１０４は、耐熱ガラス１０２に対向して燃焼器ケーシング７０（下流側ケーシング７２）の外側に設けられる。すなわち、集光レンズ１０４は、レーザ発振器１０３と耐熱ガラス１０２との間に設けられる。集光レンズ１０４の焦点距離や設置位置は、燃料と空気の混合気を着火するのに最適な位置で焦点１０６となるように設定される。

レーザ発振器１０３は、燃焼器ケーシング７０の外側に配置される。レーザ発振器１０３は、集光レンズ１０４、耐熱ガラス１０２および管状部材１０１の内部を介して燃焼器ライナ６１内にレーザ光１０５を照射する。すなわち、レーザ発振器１０３は、集光レンズ１０４、耐熱ガラス１０２、管状部材１０１の内部の順にレーザ光１０５を通過させて、燃焼器ライナ６１内にレーザ光１０５を照射できように配置される。

なお、レーザ発振器１０３から発振されたレーザ光１０５を光ファイバを介して集光レンズ１０４に向けて照射してもよい。

次に、燃焼器２０の作用について説明する。

着火時においては、レーザ発振器１０３を駆動し、レーザ光１０５を発振する。レーザ発振器１０３から発振されたレーザ光１０５は、集光レンズ１０４、耐熱ガラス１０２を通過して、管状部材１０１内に入る。管状部材１０１内を通過したレーザ光１０５は、燃焼器ライナ６１内の所定の領域で焦点１０６を結ぶ。なお、レーザ光１０５は、焦点１０６から進行方向にビーム径を拡大しながら進行する。

レーザ光１０５が燃焼器ライナ６１内に照射された後、燃料ノズル部６０から燃料および酸素が燃焼器ライナ６１内に噴出される。この際、燃焼器２０の急激な熱負荷を押さえるために、酸化剤流量および燃料流量は減らされた状態で燃料ノズル部６０から噴出される。

燃料ノズル部６０から噴出された酸化剤および燃料は、混合して混合気を形成しながら流れる。そして、レーザ光が焦点１０６を結ぶエネルギ密度が高い位置に混合気が流れると、混合気に着火する。これによって、燃焼が開始する。なお、点火装置１００Ａは、例えば、燃焼器ライナ６１内における燃焼が安定したところで、駆動が停止される。

そして、着火後、循環する二酸化炭素の流量、酸化剤流量を増加して燃焼器内の圧力を上昇させるとともに、燃料流量を増加して燃焼器内の燃焼ガス温度を上昇させる。そして、タービンの定格負荷条件まで、燃料流量および循環する二酸化炭素の流量、酸化剤流量を増加する。

燃焼器ライナ６１から排出された燃焼ガスの作用は、図１を参照してすでに説明したので、ここでは、配管４２および配管４４から導入された二酸化炭素の流れについて説明する。

配管４２から筒体８０内に導入された二酸化炭素は、燃焼器ライナ６１と筒体８０との間の環状の空間を下流側へ流れる。この際、二酸化炭素は、燃焼器ライナ６１およびトランジションピース６２を冷却する。

そして、二酸化炭素は、燃焼器ライナ６１およびトランジションピース６２の、例えば、多孔式膜冷却部の孔６３、６４や希釈孔６５などから燃焼器ライナ６１内やトランジションピース６２内に導入される。

このように、例えば、配管４２から導入された二酸化炭素の全量が燃焼器ライナ６１内やトランジションピース６２内に導入される。なお、燃焼器ライナ６１内やトランジションピース６２内に導入された二酸化炭素は、燃焼によって生成された燃焼ガスとともにタービン２５に導入される。

ここで、配管４２から導入される二酸化炭素の温度は７００℃程度である。この二酸化炭素の温度は、燃焼器ライナ６１およびトランジションピース６２が曝される燃焼ガスの温度に比べると低い。そのため、この二酸化炭素によって、燃焼器ライナ６１およびトランジションピース６２は、十分に冷却される。さらに、二酸化炭素の温度が７００℃程度であるため、燃焼器ライナ６１内に導入された二酸化炭素によって、燃焼状態が悪化することはない。

このように、配管４２から導入された二酸化炭素は、筒体８０から燃焼器ケーシング７０側に流出することなく、タービン２５に導入される。

一方、配管４４を流れる低温の二酸化炭素は、配管４２および配管４４で構成される二重管に導かれる。二重管に導かれた二酸化炭素は、配管４４を通り、燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に導かれる。具体的には、二重管に導かれた二酸化炭素は、配管４２と配管４４との間の環状の通路を通り、燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に導かれる。

配管４２と配管４４との間を流れる二酸化炭素は、配管４２と配管４４との接合部や、配管４４内を貫通する配管４２を冷却する。また、配管４２の周囲には低温の二酸化炭素が流れているため、高温の二酸化炭素が流れる配管４２からの燃焼器ケーシング７０への熱伝達が抑制される。

燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に導かれた二酸化炭素は、燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間の環状の空間を下流側へ流れる。この際、二酸化炭素は、燃焼器ケーシング７０、筒体８０および点火装置１００Ａの管状部材１０１を冷却する。この二酸化炭素は、例えば、タービン２５の静翼８５や動翼８６の冷却にも使用される。このような冷却によって、燃焼器ケーシング７０の温度は、例えば、４００℃程度となる。

そのため、ＣＯ_２ガスタービン設備のタービン定格負荷時においても、点火装置１００Ａの耐熱ガラス１０２が設置された燃焼器ケーシング７０の温度を４００℃程度に維持することができる。すなわち、点火装置１００Ａの耐熱ガラス１０２の温度は、４００℃程度に維持される。

このように、第１の実施の形態の燃焼器２０によれば、タービン定格負荷時における燃焼器２０内の圧力は高い状態であるが、燃焼器２０に設置される点火装置１００Ａの耐熱ガラス１０２の温度を４００℃程度に維持することができる。これにより耐熱ガラス１０２の材質の選択自由度が増す。

ここで、ＣＯ_２ガスタービン設備のタービン定格負荷時における高温かつ高圧の条件は、従来の点火装置の耐圧仕様および耐熱仕様を大きく超えていた。しかしながら、第１の実施の形態では、燃焼器２０に設置される点火装置１００Ａの耐熱ガラス１０２が、ＣＯ_２ガスタービン設備のタービン定格負荷時における高温の条件に曝されることを回避できる。

そのため、第１の実施の形態の燃焼器２０の構造とすることで、ＣＯ_２ガスタービン設備のタービン定格負荷時においても、点火装置１００Ａを安全に作動でき、安定した着火を行うことができる。

また、筒体８０およびこの筒体８０に連結された配管４２を備えることで、燃焼器ケーシング７０が高温の二酸化炭素に曝されることがない。また、燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に低温の二酸化炭素を流すことで、燃焼器ケーシング７０の温度の上昇を抑えることができる。そのため、燃焼器ケーシング７０は、例えば、ＣｒＭｏＶ鋼、ＣｒＭｏ鋼などの安価なＦｅ（鉄）ベースの耐熱鋼で構成される。

ここで、第１の実施の形態の燃焼器２０の構成は、上記した構成に限られない。図４は、第１の実施の形態の他の構成を備える燃焼器２０の一部の縦断面を模式的に示した図である。

図４に示すように、焦点１０６を通過したレーザ光１０５は、ビーム径を拡大しながら進行する。このレーザ光の進行方向に位置し、このレーザ光１０５が当たる燃焼器ライナ６１の内壁の厚さを、他の部分の内壁の厚さよりも厚くしてもよい。

この厚さが厚い肉厚部１１０は、燃焼器ライナ６１の内壁の肉厚を厚くして構成されてもよい。また、肉厚部１１０は、燃焼器ライナ６１の内壁面に金属やセラミックスの板状部材を張り付けて構成されてもよい。なお、板状部材は、燃焼器ライナ６１の内壁面の形状に対応させて湾曲している。

この肉厚部１１０を備えることで、レーザ光１０５による燃焼器ライナ６１の内壁面の損傷を防止することができる。

（第２の実施の形態）
図５は、第２の実施の形態の燃焼器２０の点火装置１００Ｂの縦断面を模式的に示した拡大図である。なお、第１の実施の形態の燃焼器２０と同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。

第２の実施の形態における点火装置１００Ｂは、光アイソレータ１２０を備えた以外は、第１の実施の形態における点火装置１００Ａと同じ構成である。そのため、ここでは、この異なる構成について主に説明する。

図５に示すように、点火装置１００Ｂは、管状部材１０１、耐熱ガラス１０２、レーザ発振器１０３、集光レンズ１０４、光アイソレータ１２０を備えている。

光アイソレータ１２０は、レーザ発振器１０３から発振された進行方向（順方向）に進むレーザ光１０５のみを透過し、逆方向に進む光（レーザ光１０５）を遮断する。この光アイソレータ１２０は、レーザ発振器１０３と集光レンズ１０４との間に設けられる。

レーザ発振器１０３から発振された進行方向に進むレーザ光１０５は、光アイソレータ１２０を透過して集光レンズ１０４に向かって進む。集光レンズ１０４に入射したレーザ光１０５は、管状部材１０１の内部を通り、燃焼器ライナ６１内の所定の領域で焦点１０６を結ぶ。

この際、耐熱ガラス１０２などに反射して逆方向に進むレーザ光がある場合、光アイソレータ１２０によって逆方向に進むレーザ光は遮断される。

このように、レーザ発振器１０３と集光レンズ１０４との間に光アイソレータ１２０を備えることで、例えば、耐熱ガラス１０２などに反射して逆方向に進むレーザ光がレーザ発振器１０３に戻ることを防止する。そのため、逆方向に進むレーザ光によるレーザ発振器１０３の損傷を防止できる。

ここで、図５に示すように、光アイソレータ１２０の集光レンズ１０４側の端部１２０ａと、集光レンズ１０４の中心１０４ａとの間の距離Ｌ２は、集光レンズ１０４の焦点距離Ｌ１よりも長い。距離Ｌ２を焦点距離Ｌ１よりも長くすることで、耐熱ガラス１０２などに反射して逆方向に進むレーザ光が集光レンズ１０４を通過しても、光アイソレータ１２０の内部で焦点を結ぶことがない。これによって、逆方向に進むレーザ光による光アイソレータ１２０の損傷を防止できる。

なお、第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、ＣＯ_２ガスタービン設備のタービン定格負荷時においても、点火装置１００Ｂの耐熱ガラス１０２の温度を４００℃程度に維持することができる。そのため、点火装置１００Ｂを安全に作動でき、安定した着火を行うことができる。また、第２の実施の形態においても、図４に示した肉厚部１１０を備えてもよい。

（第３の実施の形態）
図６は、第３の実施の形態の燃焼器２０の点火装置１００Ｃの縦断面を模式的に示した拡大図である。なお、第１の実施の形態の燃焼器２０と同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。

第３の実施の形態における点火装置１００Ｃは、ビームエキスパンダ１３０を備えた以外は、第１の実施の形態における点火装置１００Ａと同じ構成である。そのため、ここでは、この異なる構成について主に説明する。

図６に示すように、点火装置１００Ｃは、管状部材１０１、耐熱ガラス１０２、レーザ発振器１０３、集光レンズ１０４、ビームエキスパンダ１３０を備えている。

ビームエキスパンダ１３０は、レーザ光１０５のビーム径を拡大させる。すなわち、ビームエキスパンダ１３０を通過したレーザ光１０５は、ビーム径が拡大する。そして、ビーム径が拡大した状態で、集光レンズ１０４に入射する。

集光レンズ１０４に入射したレーザ光１０５は、管状部材１０１の内部を通り、燃焼器ライナ６１内の所定の領域で焦点１０６を結ぶ。なお、レーザ光１０５は、焦点１０６から進行方向にビーム径を拡大しながら進行する。

このように、ビーム径を拡大させた後に集光することで、スポット径が小さくなり、高いエネルギ密度を得ることができる。これによって、混合気への着火をより確実に行うことができる。

また、ビームエキスパンダ１３０によってビーム径を拡大することで、ビームエキスパンダ１３０によってビーム径を拡大しないときよりも、焦点１０６を通過したレーザ光１０５のビーム径は拡大する。そのため、ビームエキスパンダ１３０を備えた場合には、ビームエキスパンダ１３０を備えない場合に比べて、焦点１０６を通過したレーザ光１０５の、燃焼器ライナ６１の内壁面に当たる面積は広くなる。

すなわち、ビームエキスパンダ１３０を備えた場合には、ビームエキスパンダ１３０を備えない場合に比べて、燃焼器ライナ６１の内壁面におけるレーザ光１０５のエネルギ密度は小さい。そのため、ビームエキスパンダ１３０を備えることで、レーザ光１０５による燃焼器ライナ６１の内壁面の損傷を抑制できる。

なお、第３の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、ＣＯ_２ガスタービン設備のタービン定格負荷時においても、点火装置１００Ｃの耐熱ガラス１０２の温度を４００℃程度に維持することができる。そのため、点火装置１００Ｃを安全に作動でき、安定した着火を行うことができる。また、第３の実施の形態においても、図４に示した肉厚部１１０を備えてもよい。

以上説明した実施形態によれば、超臨界圧の作動流体が導入される高温高圧の環境下においても使用することができる点火装置を備えたガスタービン燃焼器を提供することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…ガスタービン設備、２０…燃焼器、２１、２９、３０…流量調整弁、２３…圧縮機、２４…熱交換器、２５…タービン、２６…発電機、２７…冷却器、２８…圧縮機、４０、４１、４２、４３、４４、４５…配管、４４ａ、７１ａ、７１ｂ、８１、８２…開口、６０…燃料ノズル部、６１…燃焼器ライナ、６２…トランジションピース、６３、６４…孔、６５…希釈孔、７０…燃焼器ケーシング、７１…上流側ケーシング、７２…下流側ケーシング、８０…筒体、８０ａ…蓋部材、８０ｂ…本体部材、８５…静翼、８６…動翼、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ…点火装置、１０１…管状部材、１０１ａ、１２０ａ…端部、１０２…耐熱ガラス、１０３…レーザ発振器、１０４…集光レンズ、１０４ａ…中心、１０５…レーザ光、１０６…焦点、１１０…肉厚部、１２０…光アイソレータ、１３０…ビームエキスパンダ。

Claims

ケーシングと、
前記ケーシング内に設けられ、燃料と酸化剤を燃焼させる燃焼筒と、
前記ケーシングと前記燃焼筒との間の空間を区分する筒体と、
前記燃焼筒から排出されタービンを駆動した燃焼ガスを前記燃焼筒と前記筒体との間に導く第１の燃焼ガス供給管と、
前記燃焼筒から排出されタービンを駆動した燃焼ガスであり、前記第１の燃焼ガス供給管に導かれる燃焼ガスよりも低温の燃焼ガスを前記ケーシングと前記筒体との間に導く第２の燃焼ガス供給管と、
前記ケーシング、前記筒体および前記燃焼筒に貫通して設けられた管状部材と、
前記管状部材内の前記ケーシング側に設けられ、前記管状部材を閉鎖する耐熱ガラスと、
前記耐熱ガラスに対向して前記ケーシングの外側に設けられた集光レンズと、
前記集光レンズ、前記耐熱ガラスおよび前記管状部材の内部を介して前記燃焼筒内にレーザ光を照射するレーザ発振器と
を具備することを特徴とするガスタービン燃焼器。
前記レーザ光の進行方向に位置し、前記レーザ光が当たる前記燃焼筒の内壁の厚さが、他の部分の内壁の厚さよりも厚いことを特徴とする請求項１記載のガスタービン燃焼器。
前記レーザ発振器と前記集光レンズとの間に設けられた光アイソレータをさらに具備することを特徴とする請求項１または２記載のガスタービン燃焼器。
前記光アイソレータの前記集光レンズ側の端部と、前記集光レンズの中心との間の距離が、前記集光レンズの焦点距離よりも長いことを特徴とする請求項３記載のガスタービン燃焼器。
前記レーザ発振器と前記集光レンズとの間に設けられたビームエキスパンダをさらに具備することを特徴とする請求項１または２記載のガスタービン燃焼器。