JP2005241178A - ガスタービンの燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室内における混合気の逆流域を強弱なくバランス良く形成して、火炎を安定して保持することができる保炎性に優れたガスタービンの燃焼器を提供する。
【解決手段】燃焼器の内筒１０の頂部に、燃焼室Ｃへ燃料Ｆを噴射する複数の第１燃料噴射孔２６を内筒１０と同心状に配置する。第１燃料噴射孔２６に対して内筒１０の径方向の内側と外側には、空気ＣＡを燃焼室Ｃに供給する内側および外側空気通路２８，２９を設ける。この内側空気通路２８には第２燃料噴射孔３２から燃料Ｆの一部を噴射する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、ガスタービンに用いられる逆流缶型の燃焼器に関するものである。

逆流缶型の燃焼器は、ガス燃料と空気を内筒内の燃焼室に噴射し、この燃焼室の一次燃焼領域で混合気の逆流域を形成して燃焼させる( 例えば、特許文献1)。
特開２００２−２０６７４１号公報

しかし、従来の燃焼器では、前記内筒の頂部の形状や空気通路に設けられるアキシャルスワラーの位置の制約などから、燃焼室内の一次燃焼領域で形成される逆流域にアンバランスを生じ易い。つまり、一次燃焼領域の内筒中心部分には弱い混合気の逆流域が、その外周囲には強い混合気の逆流域が形成される。このため、一次燃焼領域での火炎が不安定になり易い。

そこで、本発明は、一次燃焼領域における混合気の逆流域を強弱なくバランス良く形成して、火炎を安定して保持することができる保炎性に優れたガスタービンの燃焼器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、内部に燃焼室を形成する内筒と、前記内筒の外方を覆う外筒とを備え、 前記内筒と外筒との間で、圧縮機からの空気を前記内筒からタービンに向かう燃焼ガスの流出方向と逆方向に導入する空気導入通路が形成された燃焼器であって、前記内筒の頂部に内筒と同心状に配置されて前記燃焼室へ燃料を噴射する複数の第１燃料噴射孔と、前記第１燃料噴射孔に対して内筒の径方向の内側と外側に配置されて前記空気を燃焼室に供給する内側および外側空気通路と、前記内側空気通路に燃料を噴射する第２燃料噴射孔とを備えている。

この構成によれば、前記外側空気通路を通る空気と前記第１燃料噴射孔から噴射される燃料が、前記内筒内の燃焼室の外周部分に混合気となって供給される。また同時に、前記内側空気通路を通る空気と前記第２燃料噴射孔から噴射される燃料が円筒内の中心部分に混合気となって供給される。このため、燃焼室の中心部分とその外周部分における混合気の逆流域がバランス良く形成され、火炎の安定した保持が行える。

本発明の一実施形態では、前記第２燃料噴射孔が、前記第１燃料噴射孔に燃料を供給する燃料通路に接続されている。この構成によれば、燃料の通路構成が簡単となる。

また、本発明の他の実施形態では、前記第２燃料噴射孔が、前記燃料通路における第１燃料噴射孔の上流側近傍に配置されている。この構成によれば、火炎が燃料供給装置の奥内方に逆流するのが防止される。

本発明の燃焼器によれば、燃焼室内における混合気の逆流域をバランス良く形成し、火炎を安定して保持することができて保炎性に優れたものとなる。

以下、本発明にかかるガスタービンの燃焼器の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の燃焼器を適用するガスタービンを示す概略図である。このガスタービンは、圧縮機１、燃焼器２およびタービン３を主要構成としている。燃焼器２は、圧縮機１から供給される圧縮空気に燃料を供給して燃焼させ、これにより発生する高温高圧の燃焼ガスをタービン３に供給する。圧縮機１は、 回転軸５を介してタービン３に連結され、このタービン３によって駆動される。圧縮機１は、減速機４を介して発電機のような負荷７を回転駆動する。タービン３の排気側には、排ガスボイラ８が接続され、ポンプ９ａを有する配管９から供給された水を熱交換して蒸気を前記燃焼器２に供給する。また、配管９におけるポンプ９ａの下流側から水の一部を前記燃焼器２に供給する。

図２は、本発明の一実施形態にかかる燃焼器２の要部の縦断面図である。この燃焼器２は、内部に燃焼室Ｃを形成する内筒１０と、この内筒１０の外方を覆う外筒１１と、前記内筒１０の頂部に取り付けられた燃料噴射装置２０とを備えている。燃焼室Ｃで生成された燃焼ガスＧは矢印方向に流出してタービン３（図１）へ向かう。前記内筒１０と外筒１１の間には、圧縮機１（図１）から供給された燃焼用の圧縮空気ＣＡを内筒１０内の燃焼ガスＧの流出方向と逆方向に導入する空気導入通路１２が形成されている。前記燃焼器２は、図１のタービン３のほぼ径方向外方に向かって突出しており、前記圧縮機１からの圧縮空気ＣＡは、図２の空気導入通路１２を燃焼器２の先端側に向かって流れた後に、燃焼室Ｃにおける内筒１０の頂部付近の燃焼領域Ｓに送られ、ここで燃料噴射装置２０から噴射される燃料Ｆと混合され、その混合気が燃焼されて燃焼ガスＧとなり、燃焼器２の基端側から流出する。燃料Ｆは、ガスまたは液体である。

図３は前記燃料噴射装置２０を拡大した底面図、図４は同装置２０の縦断面図を示している。図４に示すように、燃料噴射装置２０は、第１ノズル体２１とこれの外周囲に配置された筒状の第２ノズル体２２と、を備えている。第１ノズル体２１は、ノズルボディ２１ａと、その先端のノズルチップ２１ｂとを有している。第２ノズル体２２は、ノズルボディ２２ａと、その先端の連結部材２２ｂと、その先端のエンドプレート２２ｃと、ノズルボディ２２ａの内周壁を形成する仕切り部材２２ｄとを有している。前記第２ノズル体２２の内部には燃料Ｆの燃料通路２４が形成されるとともに、エンドプレート２２ｃには、図３に示すように、内筒１０と同心状に第１燃料噴射孔２６の複数個（図３では６個) が形成されている。図４に示す燃料Ｆは、前記第２ノズル体２２のノズルボディ２２ａの側部に設けたニップル２７から前記燃料通路２４に導入され、前記第１燃料噴射孔２６から燃焼室Ｃ内に一定の拡散角θ１で噴射される。前記燃料通路２４は、ノズルボディ２２ａと仕切り部材２２ｄとの間の環状空間２４ａと、連結部材２２ｂに第２ノズル体２２の周方向に等間隔で設けられて軸方向に延びる複数の連通孔２４ｂと、エンドプレート２２ｃに設けた環状の導出空間２４ｃとを有している。

前記第１燃料噴射孔２６に対して内筒１０の径方向の内側と外側位置には、前記圧縮機１からの圧縮空気ＣＡを燃焼室Ｃ内に供給する内側空気通路２８と外側空気通路２９とが形成されている。図の実施形態では、前記第１燃料噴射孔２６の径方向内方で第１ノズル体２１と第２ノズル体２２との間に環状の内側空気通路２８を形成し、これを、第２ノズルの連結部材３０に径方向に貫通して設けた複数の導入路３０を介して、空気導入通路１２に連通させ、この空気導入通路１２からの圧縮空気ＣＡを、図４の導入路３０から内側空気通路２８に導入させる構成としている。導入路３０は、この例では図３に示すように３つ設けられ、それぞれの導入路３０が第２ノズル体２２の放射面に沿い、かつ、図４に示すように、径方向内側に向かって第２ノズル体２２の先端へ近づくように傾斜している。

内筒１０のエンドプレート２２ｃの外周囲には、空気導入通路１２からの圧縮空気ＣＡを旋回流として燃焼室Ｃ内に供給する固定羽根からなるアキシャルスワラー３９が配置されており、このアキシャルスワラー３９により前記外側空気通路２９が形成されている。図２の内筒１０の頂部に、複数の空気導入孔３１ａを有する筒カバー３１を設け、前記空気導入通路１２からの圧縮空気ＣＡを空気導入孔２７ａから筒カバー３１内に導入し、この筒カバー３１内の圧縮空気ＣＡの一部を、図４の導入路３０から内側空気通路２８を経て燃焼室Ｃ内に、また残りの圧縮空気ＣＡを、アキシャルスワラー３９から旋回流として燃焼室Ｃ内に、それぞれ供給している。

さらに、第２ノズル体２２の連結部材２２ｂの下端部で、前記燃料通路２４における第１燃料噴射孔２６の上流側近傍には、燃料通路２４と内側空気通路２８とを連通する複数の第２燃料噴射孔３２が内筒１０と同心状に形成されている。第２燃料噴射孔３２は、この例では、図３に示すように、６つが周方向に等間隔に設けられており、１つ置きの第２燃料噴射孔３２の周方向位置が、前記導入路３０と同一になっている。これら第２燃料噴射孔３２は、導出空間２４ｃに連通しており、この導出空間２４ｃから燃料Ｆの一部を前記内側空気通路２８に供給して、燃料Ｆを内側空気通路２８内の圧縮空気ＣＡとともに燃焼室Ｃ内の中心部分に向かって一定の拡散角度θ２で噴射させる。

図２に示す燃料噴射装置２０の第１ノズル体２１の中心内部に水供給通路３３を形成し、図１の配管９を通る水Ｗの一部を、図４の水供給通路３３を経てノズルチップ２１ｂから燃焼室Ｃ内の中心部分に向かって供給するようにしている。また、図２の燃料噴射装置２０の頂部に設けられた上部エンドプレート３４に蒸気供給通路３５を形成し、図１の排ガスボイラ８で生成された蒸気ＳＴを蒸気供給通路３５から筒カバー３１内に導入し、これから図４の導入路３０およびアキシャルスワラー３９を経て前記燃焼室Ｃ内に供給するようにしている。燃焼器２は、前記水Ｗおよび蒸気ＳＴの供給を行なわないタイプ、または水Ｗと蒸気ＳＴのいずれか一方のみを供給するタイプであってもよい。

なお、図２において、内筒１０の周壁には、空気導入通路１２から内筒１０内の燃焼領域Ｓに燃焼用空気を導入する燃焼用空気孔３６と、燃焼領域Ｓよりも下流側に空気を導入する希釈用空気孔３７とが設けられている。燃料噴射装置２０は、これに固定した取付け板３８を介して、上部エンドプレート３４に、ボルト止めで取り付けられている。

次に、以上の燃焼器２の動作について説明する。図１の圧縮機１から供給される圧縮空気ＣＡは、図２の空気導入通路１２を経てアキシャルスワラー３９から内筒１０内に供給され、一部の圧縮空気ＣＡが図４の導入路３０から内側空気通路２８を経て内筒１０内に供給される。他方、燃料Ｆは、燃料通路２４を通って第１および第２燃料噴射孔２６，３２から燃焼室Ｃに噴射され、前記圧縮空気ＣＡに混じって混合気となり、燃焼室Ｃの頂部、つまり、内筒１０の頂部内方の燃焼領域Ｓで燃焼される。

このとき、前記燃料通路２４を通る燃料Ｆの一部は、前記第２燃料噴射孔３２から内側空気通路２８に噴射され、これを通る圧縮空気ＣＡとともに燃焼領域Ｓの中心部分に噴射されるので、この燃焼領域Ｓで形成される混合気の逆流域がバランス良く形成される。つまり、第１と第２燃料噴射孔２６，３２の両方からの燃料Ｆにより、燃焼室Ｃの頂部の中心部分に従来よりも強い混合気の逆流域Ｓ１が形成されるので、この逆流域Ｓ１と、その外周囲で燃焼室Ｃの外周部分に形成される混合気の逆流域Ｓ２とが、強度上バランス良く形成される。このため、火炎の安定した保持がなされて保炎性に優れたものとなる。ここで、前記第２燃料噴射孔３２は、前記燃料通路２４に連通させて形成しているので、通路構成が簡単となる。また、前記第２燃料噴射孔３２は、前記燃料通路２４における第１燃料噴射孔２６の上流側近傍に配置されているので、火炎が燃料供給装置２０の奥内方に逆流するのが防止される。

本発明の燃焼器を適用す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かかる燃焼器の要部の縦断面図である。 燃焼器の燃料噴射装置を拡大して示す底面図である。 同燃料噴射装置の縦断面図である。

符号の説明

１０ 内筒
１１ 外筒
１２ 空気導入通路
２４ 燃料通路
２６ 第１燃料噴射孔
２８ 内側空気通路
２９ 外側空気通路
３２ 第２燃料噴射孔
Ｃ 燃焼室
ＣＡ 空気
Ｇ 燃焼ガス
Ｆ 燃料

Claims (3)

1. 内部に燃焼室を形成する内筒と、前記内筒の外方を覆う外筒とを備え、 前記内筒と外筒との間で、圧縮機からの空気を前記内筒からタービンに向かう燃焼ガスの流出方向と逆方向に導入する空気導入通路が形成された燃焼器であって、
   前記内筒の頂部に内筒と同心状に配置されて前記燃焼室へ燃料を噴射する複数の第１燃料噴射孔と、
   前記第１燃料噴射孔に対して内筒の径方向の内側と外側に配置されて前記空気を燃焼室に供給する内側および外側空気通路と、
   前記内側空気通路に燃料を噴射する第２燃料噴射孔とを備えたガスタービンの燃焼器。
2. 請求項１において、前記第２燃料噴射孔は、前記第１燃料噴射孔に燃料を供給する燃料通路に接続されているガスタービンの燃焼器。
3. 請求項２において、前記第２燃料噴射孔は、前記燃料通路における第１燃料噴射孔の上流側近傍に配置されているガスタービンの燃焼器。
   

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