JP2013178047A - ガスタービン燃焼器及びガスタービン - Google Patents

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啓太 柚木
Teruyuki Okazaki
輝幸 岡崎
Kenji Yamamoto
研二 山本
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武雄 齋藤
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Abstract

【課題】本発明の目的は、空気孔出口において空気孔壁面側の燃料濃度が可燃燃料濃度以下となる構造によって空気孔プレートの焼損を防ぐことにある。
【解決手段】本発明は、燃料と燃焼用空気が燃焼して火炎を形成する燃焼室と、この燃焼室に前記燃料を噴出させる複数の燃料ノズルと、これら複数の燃料ノズルと対応する前記燃焼室に前記空気を噴出させる複数の空気孔が開いた空気孔プレートとを備え、複数の前記燃料ノズルと前記空気孔によって前記燃料と前記空気とが複数の同軸噴流として前記燃焼室内に噴出する燃料噴出装置で構成したガスタービン燃焼器において、前記空気孔出口における燃料濃度分布を空気孔壁面側は可燃燃料濃度以下、空気孔中心軸付近を最大濃度ピークとする前記燃料ノズルと前記空気孔プレートによる燃料噴出装置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に関する。
近年、環境問題の重大さが注目されており、天然ガスや石油などの化石燃料を用いるガスタービン発電プラントの高効率化、低環境負荷が求められている。高効率化のため、ガスタービン燃焼器から排出される燃焼ガスの高温化を図っている。しかし、燃焼ガスが高温化するにつれ、燃焼ガス中の環境汚染物質である窒素酸化物(NOx)が急激に増加してしまう。そのため、高効率化を目指すにあたって、低NOx化技術の開発が待たれている。
そこで、特許文献1には、燃料ノズルと燃焼室との間に設置した空気孔プレートを多段とし、直管部と旋回部を接続する技術を開示する。この特許文献1のガスタービン燃焼器によれば、燃料ノズルと空気孔の同軸性を保ち、空気孔壁面の燃料濃度低減により空気孔出口の燃料濃度不均一を改善し、低NOx化が可能である。
特許文献2には、燃料ノズルと燃焼室の間に設置した空気孔プレートに開けられた複数の空気孔の内部において、障害物を設けることで空気孔内部に渦を発生させる技術を開示する。この特許文献2のガスタービン燃焼器によれば、空気孔内部において燃料と燃焼用空気の混合を促進させ、完全な予混合気に近づけることで低NOx化が可能である。
特開2008−111651号公報 特開2011−058775号公報
特許文献1の課題は、多段となっている空気孔プレートの直管部と旋回部の接続部では予混合気の剥離が生じやすく、予混合気の空気孔内部における滞留時間が大きくなることで燃焼室に存在する火炎が空気孔内部に戻り保炎する可能性が上がる。また、空気孔内部に剥離渦が生じると、剥離渦の下流部では流量変動が起こりやすく、火炎の安定性を損なう可能性がある。さらに、直管部を通過した予混合気が旋回部の管壁に衝突し、空気孔出口において燃料の濃度むらを生じやすいことで、NOxの低減に制限がかかる。
特許文献2の課題は、空気孔の上流部において障害物により燃料と燃焼用空気の混合が促進されることで、空気孔下流部では空気孔壁面の燃料濃度が高くなる。障害物による渦の影響は非定常に変化し、直管部と旋回部の接続部における剥離により燃料の滞留時間が延び、空気孔壁面の濃度がより上がる可能性がある。空気孔壁面の燃料濃度が必要以上に高ければ、火炎が戻り火炎付着による焼損の可能性が上がる。
従って、本発明の目的は、空気孔出口において空気孔壁面側の燃料濃度が可燃燃料濃度以下、空気孔中心軸付近を最大濃度ピークとする構造によって燃焼安定性の向上、低NOx化を図ることである。
本発明は、燃料と燃焼用空気が燃焼して火炎を形成する燃焼室と、この燃焼室に前記燃料を噴出させる複数の燃料ノズルと、これら複数の燃料ノズルと対応する前記燃焼室に前記空気を噴出させる複数の空気孔が開いた空気孔プレートとを備え、複数の前記燃料ノズルと前記空気孔によって前記燃料と前記空気とが複数の同軸噴流として前記燃焼室内に噴出する燃料噴出装置で構成したガスタービン燃焼器において、前記空気孔出口における燃料濃度分布を空気孔壁面側は可燃燃料濃度以下、空気孔中心部を最大濃度ピークとする燃料ノズルと空気孔プレートによる燃料噴出装置を有することを特徴とする。
本発明によれば、空気孔出口壁面側における燃料濃度が低くなることで、空気孔出口間の循環流領域への燃料流入が減り、焼損を防ぎ燃焼器の信頼性向上に寄与することが可能である。
ガスタービン燃焼器の燃料ノズルと空気孔プレートの拡大断面図である。(実施例1) ガスタービン燃焼器の燃料ノズルと空気孔プレートの拡大正面図である。(実施例1) 燃料と燃焼用空気の混合気の燃焼器内流れの概略説明図である。 ガスタービン燃焼器の燃料ノズルと空気孔プレートの拡大正面図である。(実施例1) ガスタービンシステムの概略構成図である。 ガスタービン燃焼器の燃料ノズルと空気孔プレートの拡大断面図である。(実施例2) ガスタービン燃焼器の燃料ノズルと空気孔プレートの拡大正面図である。(実施例2) ガスタービン燃焼器の燃料ノズルと空気孔プレートの拡大正面図である。(実施例3) ガスタービン燃焼器の燃料ノズルと空気孔プレートの拡大正面図である。(実施例3) ガスタービン燃焼器の燃料ノズルと空気孔プレートの拡大正面図である。(実施例4) ガスタービン燃焼器の燃料ノズルと空気孔プレートの拡大正面図である。(実施例5) ガスタービン燃焼器の燃料ノズルと空気孔プレートの拡大正面図である。(実施例6) ガスタービン燃焼器の燃料ノズルと空気孔プレートの拡大正面図である。(実施例6)
本発明の実施例について以下に説明する。以下の説明で同じ符号のものは同じ機能であるので説明を省略する。
図5は本実施例の燃焼器を持つガスタービンシステムの概略構成図である。燃焼器3は、燃料ノズル16から噴出される燃料46と燃焼用空気43を燃焼させる燃焼室8と燃焼室8の外壁である燃焼器ライナ9と燃焼器ライナ9の外周に位置するライナフロースリーブ11と上流部に複数の空気孔14が開いた空気孔プレート13と燃料を供給する燃料ノズルヘッダ15と燃料ノズル16からなるバーナを備えており、ケーシング17によって囲われている。
大気空気41から圧縮機1によって圧縮された高圧空気42は、ディフューザ6を介して車室7へ導入する。トランジションピース10とトランジションピースフロースリーブ12及び燃焼器ライナ9とライナフロースリーブ11の間を通過し、対流伝熱により燃焼室8内で燃焼した高温・高圧ガス44にさらされて高温となる燃焼器ライナ9を冷却する。
このとき一部の高圧空気42は燃焼器ライナ9に開けられた無数の小孔から滲み出し燃焼器ライナ9の燃焼室8側を膜状冷却している。
残りの高圧空気42は燃焼用空気43として燃料ノズル16と空気孔プレート13の間を通る。
一方で燃料供給系2から供給される燃料46は、燃料ノズルヘッダ15から燃料ノズル16に流入し、噴出する。
燃料46と燃焼用空気43は、空気孔プレート13に備わる複数の空気孔14から燃焼室8へ同時に流入し、噴出する。
噴出された燃料46と燃焼用空気43の予混合気48は燃焼室で火炎を形成する。燃焼によって生成した高温・高圧ガス44はトランジションピース10を流れ、タービン4を回す原動力となり発電機5を駆動させ、排ガス45となり排出される。
図1は燃焼器バーナ空気孔付近の拡大断面図、図2は燃焼器バーナ付近の拡大正面図である。複数の空気孔14によって構成された空気孔プレート13は燃料ノズル16と燃焼室8の間に設置されている。空気孔プレート13の上流側から流入してくる燃焼用空気43と、空気孔プレート13の上流側に設置された燃料ノズル16から噴出した燃料46とが空気孔14から燃焼室8へ流出する。流出する際、狭い空気孔14から広い燃焼室8へ急拡大するため、燃料46、燃焼用空気43それぞれの拡散効果が増大し、燃料46と燃焼用空気43の混合が空気孔14出口において急速に促進される。
図1のように空気孔14から流出する燃料46と燃焼用空気43の混合気48は、空気孔14が燃焼器中心軸から傾きをもつため、燃焼室8内で旋回流を形成する。また、空気孔14出口から流出した混合気48は、主流とは逆向きの流れを生じ、循環領域を空気孔プレート13下流部に形成する。旋回流と循環流領域25によって火炎の保炎性を向上させている。こうして燃料46と燃焼用空気43の混合気48は燃焼室8に安定な火炎を形成する。燃料ノズル16は空気孔14流路と並行に設置する。
燃料ノズル16と同軸性を保つため、空気孔延長部32によって空気孔14は延長する。空気孔延長部32によって空気孔14から流入する燃焼用空気43の空気孔14傾き内側(図1の下側)と外側(図1の上側)の流量偏差が減少する。流量偏差が減少することで、空気孔14出口における燃料濃度分布が図1のようにピークを中心軸付近に持ち、空気孔14壁面の燃料濃度が可燃燃料濃度以下となる分布となる。
図3には既存の空気孔プレート31の拡大断面図を示す。既存の空気孔プレート31は直管部31Aと旋回部31Bで構成されている。直管部31Aを通過した予混合気48は直行性が強く、直管部31Aと旋回部31Bの接続部において剥離による渦24から主流と逆向きの流れが発生する。渦24に可燃燃料46が滞留した場合、空気孔14内に火炎が戻り、既存の空気孔プレート31が焼損する可能性がある。また、剥離による渦24は主流方向速度の変動を引き起こす。予混合気48が主流方向にばたつくことで燃焼器8内に形成された火炎への燃料46供給バランスが崩れ、火炎の安定性が低下する。予混合気48は旋回部31Bと衝突し、31B壁面を沿うような流れが強くなる。そのため、空気孔14出口において空気孔14壁面側の燃料濃度が高い分布となる。空気孔14壁面側の燃料濃度が高ければ循環流領域25への燃料46流入が増加し、焼損の要因となる可能性が想定される。時間平均的に空気孔14出口壁面側の燃料濃度が可燃燃料濃度以下であっても、空気孔14中心軸から外れた位置に燃料濃度ピークが存在すれば渦24や循環流領域25は非定常な流速変動を引き起こすため、循環流領域25への燃料の流入が増加する可能性がある。本実施例は、燃料ノズル16と空気孔14が同軸性を保ったまま、旋回角をもつ空気孔プレート13を構成しているため空気孔14中心軸で燃料濃度ピークとなりやすい。
図4に示すように燃料ノズル16を曲げるのではなく、燃料ノズルヘッダ15に傾斜をつけて構成してもよく、燃料ノズルに曲率をもたせてもよい。
空気孔プレート13の厚みは逆火の可能性を下げるため、より短い方が望ましい。
空気孔14の径は燃料46と燃焼用空気43の混合促進のため、より小さい方が望ましい。
空気孔14の径は入口と出口で異なっていてもよく、縮小管や拡大管のようになっていてもよい。
空気孔延長部32の長さは、燃料ノズル16と空気孔14の同軸性を保つ最低限の長さであればよい。
空気孔延長部32の取り付けは、溶接や、ネジ止めなど加工のしやすい方法でよい。
空気孔延長部32は、燃料ノズル16と空気孔14の同軸性を保ち、燃焼用空気43の流量偏差を引き起こさなければどのような形状でもよく、図1、図4に限定されない。上述したように、燃料と燃焼用空気が燃焼して火炎を形成する燃焼室と、この燃焼室に前記燃料を噴出させる複数の燃料ノズルと、これら複数の燃料ノズルと対応する前記燃焼室に前記空気を噴出させる複数の空気孔が開いた空気孔プレートとを備え、複数の前記燃料ノズルと前記空気孔によって前記燃料と前記空気とが複数の同軸噴流として前記燃焼室内に噴出する燃料噴出装置で構成したガスタービン燃焼器において、前記空気孔出口における燃料濃度分布を空気孔壁面側は可燃燃料濃度以下、空気孔中心軸付近を最大濃度ピークとする前記燃料ノズルと前記空気孔プレートによる燃料噴出装置を有するガスタービン燃焼器により、空気孔出口壁面側における燃料濃度が低くなることで、空気孔出口間の循環流領域への燃料流入が減り、焼損を防ぎ燃焼器の信頼性向上に寄与することが可能である。
図6は燃焼器バーナ付近の拡大断面図である。複数の空気孔14によって構成された空気孔プレート33は燃料ノズル16と燃焼室8の間に設置されている。空気孔14入口から空気孔14出口にかけて空気孔14の壁面は角のない滑らかな曲線をとる。
図6に示すように空気孔プレート33の上流側から流入してくる燃焼用空気43と、空気孔プレート33の上流側に設置された燃料ノズル16から噴出した燃料46とが空気孔14から燃焼室8へ流出する。
流出する際、狭い空気孔14から広い燃焼室8へ急拡大するため、燃料46、燃焼用空気43それぞれの拡散効果が増大し、燃料46と燃焼用空気43の混合が空気孔14出口において急速に促進される。
また、図7のように空気孔14から流出する燃料46と燃焼用空気43の混合気48が、空気孔14下流部において曲率をとるため燃焼室8内で旋回流と成ることで保炎性を高めている。
こうして燃料46と燃焼用空気43の混合気48は燃焼室8に安定な火炎を形成する。
図7のように直管部31Aと旋回部31Bの接続部が存在せず角のない滑らかな曲線を空気孔14壁面がとれば空気孔14内部で剥離が生じにくく、可燃燃料46の空気孔14内部での滞留を抑制し、焼損を防ぐ。また、可燃燃料46の燃焼室8への供給量のばらつきが減少することで火炎の安定性を維持できる。
曲率に特に指定はなく、特許文献1、特許文献2など従来の空気孔プレートと同様に空気孔14内部に剥離による渦24が生じず、火炎安定性を図ることができる旋回流の形成が可能な曲率であればよい。
曲管の長さは指定しないが、逆火の可能性を下げるため、より短い方が望ましい。
曲管の径は入口と出口で異なっていてもよく、縮小管や拡大管のようになっていてもよい。
また、特許文献2など従来の空気孔プレート13を置き換えることで適用可能である。
図8は燃焼器バーナ付近の拡大断面図である。図9は燃焼器バーナ付近の拡大正面図である。実施例2との違いは、空気孔プレート33の組み立て方である。空気孔プレート33は中心を除き同心円のリング状で形成される。この空気孔プレート33は、複数の空気孔14によって構成され、燃料ノズル16と燃焼室8の間に設置されている。
ドリルなどで穴をあける際には、直線的な動きしかできず、曲管の作成は困難であるが、リング状の空気孔プレート33の内周部と外周部を削り、組み合わせることで空気孔14が曲管となるので曲管の作成が容易である。
実施例2と同様に空気孔14内部は直管部と旋回部の接続部がなく角のない滑らかな曲線を空気孔14壁面がとることで剥離が生じにくく、可燃燃料46の空気孔14内部への滞留を抑制し、燃焼室8への可燃燃料46の供給量のばらつきが減少することで火炎の安定性を維持できる。本実施例は実施例2の効果に加え、空気孔14内部に、燃料の混合促進のための障害物などを設置しやすいことがいえる。曲率に特に指定はなく、特許文献1、特許文献2など従来の空気孔プレートと同様に空気孔内部に剥離による渦24が生じず、火炎安定性を図ることができる旋回流の形成が可能な曲率であればよい。
曲管の長さは指定しないが、逆火の可能性を下げるため、より短い方が望ましい。
曲管の径は入口と出口で異なっていてもよく、縮小管や拡大管のようになっていてもよい。
また、特許文献2など従来の空気孔プレート13を置き換えることで適用可能である。
図10は燃焼器バーナ付近の拡大断面図である。実施例3との違いは、空気孔プレート38を薄板34と曲管パイプ35で構成した点である。
複数の曲管パイプ35と薄板34によって構成された空気孔36をもつ空気孔プレート38は燃料ノズル16と燃焼室8の間に設置されている。
空気孔プレート38の上流側から流入してくる燃焼用空気43と、空気孔プレート38の上流側に設置された燃料ノズル16から噴出した燃料46とが空気孔36内部に流入し、燃焼室8へ流出する。
流出する際、空気孔36から広い燃焼室8へ急拡大するため、燃料46、燃焼用空気43それぞれの拡散効果が増大し、燃料46と燃焼用空気43の混合が空気孔36出口において急速に促進される。
また、実施例3と同様に空気孔36内部は直管部と旋回部の接続部がなく角のない滑らかな曲線を空気孔36壁面がとることで剥離が生じにくく、可燃燃料46の空気孔36内部への滞留を抑制し、燃焼室8への可燃燃料46の供給量のばらつきが減少することで火炎の安定性を維持できる。本実施例は、実施例3と比較して次の効果がある。燃料ノズルヘッダ15と空気孔プレート38の間隔が曲管パイプ35同士の隙間分だけ拡大するため、静圧回復しやすくなることで、空気孔プレート38の中央部と外周部の流量が一定配分に近づく。一定配分となることで、各空気孔36の混合性能を予測しやすい。曲管パイプ35に間隙が生まれたことで、間隙を燃焼用空気43が通過することで対流伝熱により曲管パイプ35の温度維持に寄与するため、空気孔36内部に火炎が戻った場合も温度が上昇しにくく、焼損を防止できる。
曲管パイプ35の曲率に特に指定はなく、特許文献1、特許文献2など従来の空気孔プレートと同様に空気孔36内部に剥離による渦24が生じず、火炎安定性を図ることができる旋回流の形成が可能な曲率であればよい。
曲管パイプ35の長さは指定しないが、逆火の可能性を下げるため、より短い方が望ましい。
曲管パイプ35の径は入口と出口で異なっていてもよく、縮小管や拡大管のようになっていてもよい。
また、特許文献2など従来の空気孔プレート13を置き換えることで適用可能である。
図11は燃焼器バーナ付近の拡大断面図である。実施例1との違いは、空気孔プレート13を薄板34と直管パイプ37で構成した点である。
複数の直管パイプ37と薄板34によって構成された空気孔40をもつ空気孔プレート13は空気孔40と並行になるように傾けた燃料ノズル16と燃焼室8の間に設置されている。
空気孔プレート13の上流側から流入してくる燃焼用空気43と、空気孔プレート13の上流側に設置された燃料ノズル16から噴出した燃料46とが空気孔40内部に流入し、燃焼室8へ流出する。
流出する際、空気孔40から広い燃焼室8へ急拡大するため、燃料46、燃焼用空気43それぞれの拡散効果が増大し、燃料46と燃焼用空気43の混合が空気孔40出口において急速に促進される。本実施例は、実施例1と比較して次の効果がある。燃料ノズルヘッダ15と空気孔プレート13の間隔が直管パイプ37同士の隙間分だけ拡大するため、静圧回復しやすくなることで、空気孔プレート13の中央部と外周部の流量が一定配分に近づく。一定配分となることで、各空気孔36の混合性能を予測しやすい。直管パイプ37に間隙が生まれたことで、間隙を燃焼用空気43が通過することで対流伝熱により直管パイプ37の温度維持に寄与するため、空気孔36内部に火炎が戻った場合も温度が上昇しにくく、焼損を防止できる。直管パイプ37の長さに特に指定はなく、特許文献1、特許文献2など従来の空気孔プレート33と同様に、火炎安定性を図ることができる旋回流の形成が可能な長さであればよい。
直管パイプ37の長さは指定しないが、逆火の可能性を下げるため、より短い方が望ましい。
直管パイプ37の径は入口と出口で異なっていてもよく、縮小管や拡大管のようになっていてもよい。
また、特許文献2など従来の空気孔プレート13を置き換えることで適用可能である。
図12は燃焼器バーナ付近の拡大断面図、図13は燃焼器バーナ付近の拡大正面図である。尚、図1〜図11と同一符号は同一部品を示す。本実施例は、例えば実施例1による燃料ノズルヘッダ15、燃料ノズル16と空気孔プレート13の空気孔14との関係を1つの集合体とし、これらを複数個組み合わせて1つの燃焼器3を構成したものである。そして、各燃料ノズルヘッダ15へ燃料を供給する燃料供給系2を複数の燃料供給系2A、2B、2Cに分岐して燃料46を選択的に供給できるように、各燃料供給系2に燃料停止弁26A、26B、26C(燃料調整弁でもよい)を設けている。上記構成とすることで、各実施例と同等の効果をもつ上、燃料供給系2A、2B、2Cを選択して燃料46を供給できるので、ガスタービンの負荷の変化に対応して最適な燃焼を行わせることができる。また、燃料ノズル16の数が増減することで燃焼器1缶当たりの容量を容易に変更させることができる。本実施例によれば、実施例1を適用したものであるが、2から5による実施例においても適用可能である。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
1 圧縮機
2 燃料供給系
3 燃焼器
4 タービン
5 発電機
6 ディフューザ
7 車室
8 燃焼室
9 燃焼器ライナ
10 トランジションピース
11 ライナフロースリーブ
12 フロースリーブ
13、33、38 空気孔プレート
14、36、40 空気孔
15 燃料ノズルヘッダ
16 燃料ノズル
17 ケーシング
24 渦
25 循環流領域
26 燃料停止弁
31 既存の空気孔プレート
31A 直管部
31B 旋回部
32 空気孔延長部
34 薄板
35 曲管パイプ
37 直管パイプ
41 大気空気
42 高圧空気
43 燃焼用空気
44 高温・高圧ガス
45 排ガス
46 燃料
48 予混合気

Claims (8)

  1. 燃料と燃焼用空気が燃焼して火炎を形成する燃焼室と、この燃焼室に前記燃料を噴出させる複数の燃料ノズルと、これら複数の燃料ノズルと対応する前記燃焼室に前記空気を噴出させる複数の空気孔が開いた空気孔プレートとを備え、複数の前記燃料ノズルと前記空気孔によって前記燃料と前記空気とが複数の同軸噴流として前記燃焼室内に噴出する燃料噴出装置で構成したガスタービン燃焼器において、前記空気孔出口における燃料濃度分布を空気孔壁面側は可燃燃料濃度以下、空気孔中心軸付近を最大濃度ピークとする前記燃料ノズルと前記空気孔プレートによる燃料噴出装置を有することを特徴とするガスタービン燃焼器。
  2. 請求項1において、前記燃料噴出装置は、空気孔出口の壁面付近の燃料濃度が可燃燃料濃度以下で空気孔中心軸に燃料濃度ピーク位置を存在させるよう旋回角度をもつ空気孔と同軸となるため、燃料ノズルを傾け、前記空気孔内部への傾き内側と外側の燃焼用空気の流量偏差を減少させる物体を前記空気孔プレートに構成したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
  3. 請求項1において、曲率をもった空気孔を前記空気孔プレートに備えていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
  4. 請求項3において、前記曲率をもった空気孔プレートは、同心円のリング状のプレートを組み合わせた空気孔プレートであることを特徴とするガスタービン燃焼器。
  5. 請求項1において、前記空気孔を曲管パイプとして、空気孔出口の位置に穴を開けた薄板と接続し、燃料ノズルの傾きは燃焼器中心軸と並行であることを特徴とするガスタービン燃焼器。
  6. 請求項1において、前記空気孔を直管パイプとして、空気孔出口の位置に穴を開けた薄板と接続し、燃料ノズルが空気孔の中心軸と並行となることを特徴とするガスタービン燃焼器。
  7. 請求項1において、前記燃焼器は、前記燃料ノズルヘッダ、前記燃料ノズルと前記空気孔プレートの空気孔との関係を1つの集合体とし、これらを複数個組み合わせた燃焼器であり、各燃料ノズルヘッダへ複数の燃料供給系に分岐して燃料を調整して供給する複数の燃料調整弁を有するガスタービン燃焼器。
  8. 請求項1に記載のガスタービン燃焼器を有するガスタービン。
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