JP6022389B2 - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン燃焼器に係り、さらに詳しくは、複数の多孔同軸噴流バーナを備えたガスタービン燃焼器に関する。

産業用電力を支える発電プラントのひとつに、天然ガスや石油などの化石資源を燃料とするガスタービン発電プラントがある。このガスタービン発電プラントは化石資源を燃料とし、地球温暖化物質のひとつである二酸化炭素（ＣＯ_２）を排出することから、これまで以上に発電効率の向上が求められている。発電効率を高める手段として、ガスタービン燃焼器における燃焼ガスの高温化が挙げられる。しかし、燃焼ガスの高温化は、燃焼排ガス中の環境阻害物質である窒素酸化物（ＮＯｘ）を指数関数的に増加させると共に、燃焼器を構成する部品を過度に高温にして機器寿命を短くさせる恐れを生じさせる。このため、発電効率を高めながら燃焼器部品の過熱を避け、ＮＯｘを低減する対策が求められている。

また、温暖化ガス削減の手段として、石油精製所で発生するオフガスや、製鉄プロセスで発生するコークス炉ガス（ＣＯＧ：Coke Oven Gas、以下ＣＯＧという）などの水素（Ｈ_２）を含む副生ガスを発電用ガスタービン用燃料として有効利用する事例がある。これらは、資源の有効利用と発電コストの低減を実現し、二酸化炭素の排出を抑制する。特に、豊富な資源である石炭を酸素でガス化して発電する石炭ガス化複合発電プラント（ＩＧＣＣ：Integrated coal Gasification Combined Cycle、以下ＩＧＣＣという）は、ガスタービン燃焼器に供給されるガス化燃料中の炭素分が、分離／回収システムにより、水素に転換されるので二酸化炭素の排出を抑制できる。このため、ＩＧＣＣは、温暖化ガス削減の有効な手段として国内外で検討されている。

上述した水素を含む燃料を用いるガスタービン燃焼器の場合、水素の燃焼速度が大きいため、局所的に高温の火炎が燃焼器の構造物に近接して発生しやすくなる。したがって、燃焼器の部品の過熱を避ける方策が特に重要となる。

そこで、燃料ノズルと空気ノズルとを同軸に配置するとともに、多数の小口径同軸ノズルを集合化し、構造的に予め燃料と空気の分散性を高めてＮＯｘを低減し、かつバーナ構造物に火炎を付着させないガスタービン燃焼器がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−０６５９６３号公報

上述した特許文献１に記載されたガスタービン燃焼器に関する技術は、バーナ構造物である空気孔プレートに配置された空気孔出口の周辺に火炎が付着しないようにして、低ＮＯｘ燃焼を実現するものである。
しかし、ガスタービンの燃焼ガスが高温化したり、水素を燃料組成に含むガス燃料を使用したりする場合には、燃焼器の燃焼室において、局所的な高温部が発生することがある。このため、燃焼室において局所的な高温部の発生を回避することが望まれる。

本発明は、上述の事柄に基づいてなされたものであって、その目的は、ガスタービンの燃焼ガスを高温化したり、燃料中に水素が含まれる燃料をガスタービン燃焼器に使用したりする場合に、低ＮＯｘ燃焼性能を維持しながら、燃焼室を含む燃焼器構造物に局所高温部を生じさせず、信頼性の高い運転を可能とするガスタービン燃焼器を提供するものである。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、燃料と空気が供給される円筒状の燃焼室と、前記燃焼室の上流側に位置し複数の空気孔を有する空気孔プレートと、前記空気孔プレートの前記複数の空気孔に対して同軸に配置された複数の燃料ノズルとからなる複数の同軸噴流バーナを同一円周上に配置した多孔同軸噴流バーナを複数個備えて、気体燃料を燃焼するガスタービン燃焼器において、複数個配置された前記多孔同軸噴流バーナの各々は、前記多孔同軸噴流バーナの中央部となる内周側に配設され、複数の前記同軸噴流バーナから構成される第１の同軸噴流バーナ群と、前記多孔同軸噴流バーナの外周部となる前記第１の同軸噴流バーナ群の外周側に複数個配設され、それぞれ複数の前記同軸噴流バーナから構成される第２の同軸噴流バーナ群とを備え、前記同軸噴流バーナを配置するピッチ円の中心が、前記ピッチ円の半径の小さい内周側の第１の同軸噴流バーナ群と、前記第１の同軸噴流バーナ群の前記ピッチ円の半径よりも大きい前記ピッチ円の半径を有する外周側の第２の同軸噴流バーナ群とで異なるよう構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、ガスタービンの燃焼ガスを高温化したり、燃料中に水素が含まれる燃料をガスタービン燃焼器に使用したりする場合に、燃焼室を含む燃焼器構造物の過熱を避け、信頼性の高い燃焼を維持すると共に、低ＮＯｘ燃焼性能を発揮し得る、ガスタービン燃焼器を実現できる。

本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態の要部の側断面図をガスタービンプラント全体の模式図と併せて表した概略構成図である。 本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態の要部の側断面図を燃焼室内の燃焼ガスの流れを示す状況図と併せて表した概略構成図である。 本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態を構成する１つのメイン同軸噴流バーナの要部の側断面図を燃焼室内の燃焼ガスの流れを示す状況図と併せて表した概略構成図である。 本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態を構成する空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図である。 図４Ａに示す空気孔プレートのうち１つのメイン多孔同軸噴流バーナに注目して抜き出した拡大正面図である。 比較例のガスタービン燃焼器を構成する空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図である。 比較例のガスタービン燃焼器を構成する１つのメイン同軸噴流バーナの要部の側断面図を燃焼室内の燃焼ガスの流れを示す状況図と併せて表した概略構成図である。 本発明のガスタービン燃焼器の第２の実施の形態を構成する空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図である。 図７Ａに示す空気孔プレートのうち１つのメイン多孔同軸噴流バーナに注目して抜き出した拡大正面図である。 本発明のガスタービン燃焼器の第３の実施の形態を構成する空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図である。 図８Ａに示す空気孔プレートのうち局所高温部抑制用メイン多孔同軸噴流バーナに注目して抜き出した拡大正面図である。

以下、本発明のガスタービン燃焼器の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態の要部の側断面図をガスタービンプラント全体の模式図と併せて表した概略構成図である。
図１に示したガスタービンプラントは、主として、空気を圧縮して高圧の圧縮空気１０を生成する圧縮機１と、この圧縮機１から車室７を経由して導入される燃焼用空気１２と気体燃料２２とを混合し燃焼して燃焼ガス１３を生成するガスタービン燃焼器２と、このガスタービン燃焼器２から導入された燃焼ガス１３で駆動するタービン３とを備えている。なお、圧縮機１はタービン３及び発電機５０１と同軸上に連結されていて、タービン３の回転動力によって圧縮機１が駆動され、圧縮機１に連結された発電機５０１が駆動して発電する。

ガスタービン燃焼器２は、気体燃料２２及び燃焼用空気１２の混合気を燃焼させる燃焼室４を形成する円筒状の燃焼器ライナ５と、燃焼器ライナ５の内周部で燃焼ガス１３の流れ方向における上流側（以下、端に「上流側」とし、その反対側を「下流側」とする）の端部に配置されたメイン多孔同軸噴流バーナ５３と、燃焼器ライナ５の外周部を包囲する円筒状の燃焼器外筒６と、円筒形状の燃焼器ライナ５の出口と扇形形状のタービン３の静翼入口との間を滑らかに連絡するために燃焼器ライナ５の下流側に配置された燃焼器尾筒９とを備えている。

メイン多孔同軸噴流バーナ５３は、気体燃料２２を分配する燃料分配器５７と、気体燃料を噴射する複数の燃料ノズル５６と、燃焼器ライナ５の上流側端部に配置された円盤状の空気孔プレート５４と、燃焼器外筒６の上流側端部に配置された円盤状の燃焼器エンドカバー８とを備えている。空気孔プレート５４には、各燃料ノズル５６の下流側に対向するとともに燃焼用空気１２が通過する複数の空気孔５５が設けられている。

ガスタービン燃焼器２の燃焼室４内で気体燃料２２の燃焼に用いられる燃焼用空気１２は、ガスタービン燃焼器２の燃焼器外筒６と燃焼器ライナ５との間の空間を通じて供給されるが、ガスタービン燃焼器２に設けた燃焼器エンドカバー８によってせき止められ、この燃焼用空気１２の一部が、空気孔プレート５４に形成した複数の空気孔５５に供給される。

圧縮空気１０の他の一部は、燃焼器ライナ５の壁面に開口した多数の空気孔から冷却空気１１として燃焼室４内に流入する。これは、燃焼器ライナ５などの構造物が、ガスタービン燃焼器２の燃焼室４で発生した高温高圧の燃焼ガス１３により過熱されないように冷却するためである。

ガスタービン燃焼器９に供給される気体燃料２２の供給系統には、燃料遮断弁１０３と燃料圧力調整弁１０７と燃料流量調整弁１０８とが設けてあり、図示しない制御装置によりこれらの開度を制御することにより、ガスタービン運転に必要な燃料流量が制御して供給される。

図２は本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態の要部の側断面図を燃焼室内の燃焼ガスの流れを示す状況図と併せて表した概略構成図、図３は本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態を構成する１つのメイン同軸噴流バーナの要部の側断面図を燃焼室内の燃焼ガスの流れを示す状況図と併せて表した概略構成図、図４Ａは本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態を構成する空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図、図４Ｂは図４Ａに示す空気孔プレートのうち１つのメイン多孔同軸噴流バーナに注目して抜き出した拡大正面図である。図２乃至図４Ｂにおいて、図１に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

本実施の形態におけるガスタービン燃焼器２は、図２及び図４Ａに示すように、ガスタービン燃焼器軸心の中央に、パイロット多孔同軸噴流バーナ５０を１個、その周囲にメイン多孔同軸噴流バーナ５３を６個配置した７個からなるバーナ構造を採用している。バーナの配置本数は負荷に応じて他の本数で構成しても同様の効果が得られる。

本実施の形態におけるメイン多孔同軸噴流バーナ５３は、図３に示すように空気孔プレート５４に設けたピッチ円直径の異なる３列の空気孔５５−１，５５−２，５５−３と、これらの空気孔の中心とほぼ同軸となる（軸心線がほぼ一致する）ように、上流側に対向して設けた３列の燃料ノズル群５６−１，５６−２，５６−３とを備えている。バーナ中心に近い１列目の空気孔５５−１と１列目の燃料ノズル群５６−１とで、１列目の同軸噴流バーナ群を構成している。同様に、バーナ中心から２列目の空気孔５５−２と２列目の燃料ノズル群５６−２とで、２列目の同軸噴流バーナ群を、３列目の空気孔５５−３と３列目の燃料ノズル群５６−３とで、３列目の同軸噴流バーナ群をそれぞれ構成している。

図４Ａ及び図４Ｂにおいて、１列目空気孔５５−１のピッチ円の中心を５８−１、２列目空気孔５５−２のピッチ円の中心を５８−２、３列目空気孔５５−３のピッチ円の中心を５８−３とする。本実施の形態は、ピッチ円の半径が小さい内周側の１列目の同軸噴流バーナ群から、ピッチ円の半径が大きい外周側の３列目の同軸噴流バーナ群に向かって、配置するピッチ円の中心５８−１〜５８−３が、燃焼器中心方向に順次移動するように各同軸噴流バーナ群を配列したことを特徴とする。

図３において、各空気孔５５−１〜５５−３は、それぞれピッチ円直径ごとに、円筒状の燃焼室４の中心軸に対して等しい角度ずつ傾斜させ、各空気孔から噴出する同軸噴流が合流して、螺旋状に旋回しながら拡大する旋回流４６を形成するように調整している。螺旋状に旋回しながら拡大する旋回流４６は、下流側に進むほど旋回半径が大きくなって旋回成分速度が低下するので、旋回の中心軸上に誘導する静圧が大きくなり、旋回の中心軸上に逆圧力勾配を誘起して、循環流４３を形成する。この循環流４３により燃焼ガスの一部が、旋回の中心軸近傍を逆流することで安定な着火源が上流側に伝播し、図２に示すように定常火炎４５を形成する。

１列目空気孔５５−１、２列目空気孔５５−２、３列目空気孔５５−３は、配置されたピッチ円直径ごとに異なる旋回角を持っている。本実施の形態においては、２列目および３列目空気孔にも旋回を与えているが、水素濃度が特に高い燃料を使用する場合などで、保炎能力が十分である場合には２列目、３列目の空気孔には旋回を与えなくてもよい。また本実施の形態においては、３列の空気孔で多孔同軸噴流バーナを構成しているが、空気孔列の数は３列以外の構成も可能である。

次に、メイン多孔同軸噴流バーナ５３から噴出する気体燃料２２と燃焼用空気１２の混合気４２の流れの様態と燃焼ガスの流れを図３を用いて説明する。
図３に示したメイン多孔同軸噴流バーナ５３では空気孔プレート５４が、燃料ノズル５６と燃焼室４との間に配置されている。空気孔プレート５４の上流側には、燃焼用空気１２が引き込まれている。燃焼用空気１２は、空気孔プレート５４に開口した１列目空気孔５５−１、２列目空気孔５５−２、３列目空気孔５５−３から燃焼室４に噴出する。

１〜３列目空気孔５５−１〜３の上流側の入口の中央付近には、それぞれの空気孔と同軸上に１〜３列目燃料ノズル群５６−１〜３が配置されている。これらの燃料ノズル群５６−１〜３からは気体燃料２２が、１列目燃料流４１−１、２列目燃料流４１−２、３列目燃料流４１−３として、１列目空気孔５５−１、２列目空気孔５５−２、３列目空気孔５５−３の中心部にそれぞれ流入する。

このような構成を採用しているので、空気孔プレート５４の上流側から供給される燃焼用空気１２は、空気孔プレート５４の上流側に形成された広い空間から、燃料ノズル５６の周囲の狭い領域を通って、空気孔プレート５４に形成した狭い空間の空気孔５５に流入する。このため、空気孔５５の内部には、燃料流及び燃料流の外周側に形成された環状の空気流が、燃料ノズル５６の下流に生じる後流渦や空気孔入口での燃焼用空気１２の急収縮による剥離渦などの細かい乱れ構造を含んで流下する同軸噴流として形成されることになる。

空気孔プレート５４の空気孔５５を通過した燃料流及び空気流は、空気孔５５より広い空間の燃焼室４に一気に噴出し、空気孔５５の狭い空間で限定されていた渦が大きく拡大して崩壊するにつれて、燃焼室４において燃料流と空気流が急速に混合する。

このように、空気孔プレート５４の上流側に複数の燃料ノズル５６を配置して、空気孔プレート５４に複数の燃料ノズル５６と同軸の複数の空気孔５５を設ける構成にすると、燃焼室４に流入した燃料は急速に分散するため、燃料と空気の混合度が増加し、短距離で急速に混合できる。

ガスタービン燃焼器９のメイン多孔同軸噴流バーナ５３においては、同軸噴流バーナを構成する空気孔５５の内部において燃料流が中心部を流れ、燃料流の周囲を空気流が流れているため、燃料ノズル５６のごく近傍では可燃範囲の混合気が形成されない。また、空気孔５５の内部と燃焼室４に流入した直後の非常に狭い領域で混合が進行するため、空気孔プレート５４の近傍に火炎が接近しにくくなり、信頼性の高いガスタービン燃焼器２が実現できる。

次に、本実施の形態のガスタービン燃焼器２に６個設置したメイン多孔同軸噴流バーナ５３の１つを抽出して、気体燃料２２と燃焼用空気１２の混合気４２の流れの様態について図３を用いて説明する。

図３に示すメイン多孔同軸噴流バーナ５３の同軸噴流バーナ群を構成する空気孔５５と燃料ノズル５６との位置関係において、内周側に設置した１列目の同軸噴流バーナ群を構成する１列目空気孔５５−１の中心軸は、バーナ中心軸に対して空気孔５５−１を配置したピッチ円の円周方向に傾斜している。したがって、１列目の同軸噴流バーナ群を構成する最内周の１列目空気孔５５−１から噴出する内周燃料の燃料流４１−１及び空気流は、最内周の１列目空気孔５５−１の中心軸に沿って空気孔を配置したピッチ円の接線方向の旋回成分を持って燃焼室４に噴射され、上述した機構により急速に混合されて混合気４２−１となる。

また、最内周の１列目空気孔５５−１は、円周方向に傾斜した旋回角を持っているため、この１列目空気孔５５−１から噴射された混合気４２−１は、燃焼室４の内部で螺旋状に旋回しながら下流側へ流れる旋回流４６となり、燃焼室４内部で旋回直径を拡大しながら下流側に流出する。

このように拡大しながら流下する旋回流４６は、旋回の中心軸上に逆方向の圧力勾配を誘導するので、図３に示すように旋回流４６の中で火炎内の反応により生じた燃焼ガス４４の一部は循環ガス４３として循環し、最内周の１列目空気孔５５−１から流入する混合気４２−１に対して活性化エネルギを与えることで燃焼反応を維持する着火源として機能する。この結果、図２に示すように、燃焼室４内部に安定な円錐状の定常火炎４５が形成される。

上述した最内周の１列目空気孔５５−１から流入する混合気４２−１が着火することにより発生する燃焼ガス４４は、順次その外周側の第２列空気孔５５−２から流入する混合気４２−２および第３列空気孔５５−３から流入する混合気４２−３と合流し、混合気４２−２および４２−３に火炎を伝播しながら、燃焼室４内に拡大していく。燃焼ガス４４すなわち火炎の伸展する方向は図３に示すように、最も遅れて合流する最外周空気孔列（本実施の形態では第３列）からの混合気４２−３の流線に概略支配される。

このため、最外周空気孔列の噴出方向によって定まる混合気４２−３の流線が、燃焼室４の内壁に到達する位置には、火炎が近接しやすくなる傾向がある。特にガスタービンの燃焼ガスを高温化したり、燃料中に水素が含まれる燃料をガスタービン燃焼器２に使用したりする場合には、混合気４２−３の流線が燃焼室４の内壁に到達する位置に近接した火炎により、局所的な高温部を発生させることがある。

このような、燃焼室４における局所的な高温部の発生現象を避けつつ、燃料と空気の混合を促進してＮＯｘ排出量を削減するため、本発明の実施の形態においては、図４に示すように、同軸噴流バーナ群を配置するピッチ円の半径が小さい内周側同軸噴流バーナ群のピッチ円中心５８−１から、ピッチ円の半径が大きい外周側同軸噴流バーナ群のピッチ円中心５８−３に向かって、配置するピッチ円の中心が、燃焼器中心方向に順次移動するように同軸噴流バーナ群を配列している。すなわち、第１列ピッチ円中心５８−１から第２列ピッチ円中心５８−２、第３列ピッチ円中心５８−３と徐々に燃焼器２の中心軸方向に移動するように、各列の同軸噴流バーナ群を偏向配置している。

ここで、本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態の作用効果を理解するために、各同軸噴流バーナ群を配置するピッチ円中心が一致するように配置している空気孔プレート５４を備えた比較例のガスタービン燃焼器について説明する。図５は比較例のガスタービン燃焼器を構成する空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図、図６は比較例のガスタービン燃焼器を構成する１つのメイン同軸噴流バーナの要部の側断面図を燃焼室内の燃焼ガスの流れを示す状況図と併せて表した概略構成図である。図５及び図６において、図１乃至図４Ｂに示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図５及び図６に示す比較例のガスタービン燃焼器では、各同軸噴流バーナ群について円筒形状をなす燃焼室４の中心軸に対して上述した第１の実施の形態と同様の傾斜した空気孔５５を設け、同一の旋回角を付与している。比較例のガスタービン燃焼器のメイン多孔同軸噴流バーナ５３で、第１の実施の形態と異なるのは、各同軸噴流バーナ群を配置するピッチ円の中心５８が全て一致するように配置していることである。

上述した第１の実施の形態におけるメイン多孔同軸噴流バーナ５３、及び比較例のメイン多孔同軸噴流バーナ５３のいずれにおいても、最内周の１列目空気孔５５−１から流入する混合気４２−１が着火したことにより発生する燃焼ガス４４は、順次その外周側の第２列空気孔５５−２から流入する混合気４２−２および第３列空気孔５５−３から流入する混合気４２−３と合流し、混合気４２−２および４２−３に火炎を伝播しながら、燃焼室４内に拡大していく。燃焼ガス４４すなわち火炎の伸展する方向は図６に示すように、最も遅れて合流する最外周空気孔列からの混合気４２−３の流線に概略支配される。

比較例のメイン多孔同軸噴流バーナ５３においては、図５に示すように各同軸噴流バーナ群を配置するピッチ円中心５８が一致しているので、第２列空気孔５５−２および第３列空気孔５５−３から噴出する混合気４２−２および混合気４２−３は、第１列空気孔５５−１に発生した燃焼ガス４４に対して、各同軸噴流バーナ群を配置するピッチ円中心から燃焼器中心軸に平行に伸びる軸回りに対称の位置で合流する。このため比較例のメイン多孔同軸噴流バーナ５３の形成する火炎は、上記の軸回りに軸対称に成長し、最も遅れて合流する第３列空気孔５５−３からの混合気４２−３の流線によって定まる燃焼室４の特定の領域に接近する。

特に、ガスタービンの燃焼ガスを高温化したり、燃料中に水素が含まれる燃料をガスタービン燃焼器２に使用したりする場合には、上述した混合気４２−３の流線が燃焼室４の内壁に到達する位置に近接した火炎により、局所的な高温部が発生し、燃焼室４の寿命の低下や変形の発生等、信頼性上の問題を起こす場合がある。この対策のため、局所的にこの領域を冷却するため冷却空気１１を増加させると、燃焼用空気１２が減少して、混合気４２−１、４２−２および４２−３の当量比が増加して、ＮＯｘが発生しやすくなる可能性がある。

本発明の第１の実施の形態においては、同軸噴流バーナ群を配置するピッチ円の半径が小さい内周側の１列目の同軸噴流バーナ群から、ピッチ円の半径が大きい外周側の３列目の同軸噴流バーナ群に向かって、配置するピッチ円の中心５８−１〜３が、燃焼器中心方向に順次移動するように同軸噴流バーナ群を偏向配置している。このため、最内周の第１列空気孔５５−１に発生した燃焼ガス４４に対して、まず燃焼室４側の第２列空気孔５５−２からの混合気４２−２が合流し、燃焼ガス４４が燃焼室４側に伸展することを抑制する。このとき、燃焼器中心側では第２列空気孔５５−２からの混合気４２−２は合流しておらず、最内周の第１列空気孔５５−１からの混合気４２−１流線と第２列空気孔５５−２からの混合気４２−２流線の間には、自由な空間が広がっているので、火炎は全体として燃焼器中心側に偏向して伸展する。

さらにその後、燃焼室４側の最外周の第３列空気孔５５−３からの混合気４２−３が合流し、燃焼ガス４４が燃焼室４側に伸展することを抑制する。この時も、燃焼器中心側では最外周空気孔５５−３からの混合気４２−３は合流しておらず、第２列空気孔５５−２からの混合気４２−２流線と最外周空気孔５５−３からの混合気４２−３流線の間には、自由な空間が広がっているので、火炎は全体として図４に示す火炎の伸展方向５９のように燃焼器中心側に偏向して伸展する。

このことにより、本実施の形態におけるメイン多孔同軸噴流バーナ５３では、火炎が全体として燃焼室４側への伸展を抑制され、燃焼器中心軸側に偏向して成長することになるので、燃焼室４に対して火炎が過度に接近することがなく、燃焼室４に局所的な高温部が発生しない。この結果、ガスタービンの燃焼ガスを高温化したり、燃料中に水素が含まれる燃料をガスタービン燃焼器２に使用したりする場合であっても、低ＮＯｘ燃焼性能を維持しながら、燃焼室を含む燃焼器構造物に局所高温部を生じさせず、信頼性の高い運転を可能とする。

上述した本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態によれば、ガスタービンの燃焼ガスを高温化したり、燃料中に水素が含まれる燃料をガスタービン燃焼器２に使用したりする場合に、燃焼室４を含む燃焼器構造物の過熱を避け、信頼性の高い燃焼を維持すると共に、低ＮＯｘ燃焼性能を発揮し得る、ガスタービン燃焼器２を実現できる。

以下、本発明のガスタービン燃焼器の第２の実施の形態を図面を用いて説明する。図７Ａは本発明のガスタービン燃焼器の第２の実施の形態を構成する空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図、図７Ｂは図７Ａに示す空気孔プレートのうち１つのメイン多孔同軸噴流バーナに注目して抜き出した拡大正面図である。図７Ａ及び図７Ｂにおいて、図１乃至図６に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

本実施の形態におけるガスタービン燃焼器２を有するガスタービンプラントは、第１の実施の形態と同様の気体燃料焚きガスタービン発電プラントであり、プラントの構成及び運用方法は第１の実施の形態と同様である。第２の実施の形態においては、メイン多孔同軸噴流バーナ５３において同軸噴流バーナ群を配置するピッチ円の半径が小さい内周側の１列目の同軸噴流バーナ群から、ピッチ円の半径が大きい外周側の３列目の同軸噴流バーナ群に向かって、配置するピッチ円の中心５８−１〜３が、燃焼器中心軸を中心とする仮想円の接線方向に順次移動するように同軸噴流バーナ群を偏向配置した点が第１の実施の形態と異なる。

具体的には、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、第１列ピッチ円中心５８−１から第２列ピッチ円中心５８−２、最外周の第３列ピッチ円中心５８−３と徐々に燃焼器の中心軸を中心とする仮想円の接線方向に、各列ピッチ円中心を移動させている。
このことにより、本実施の形態におけるガスタービン燃焼器２のメイン多孔同軸噴流バーナ５３は、ピッチ円中心５８−１〜３の変化する方向、すなわち図７Ａに火炎の伸展方向５９で示す燃焼器中心軸を中心とする仮想円の接線方向に火炎が伸展する性質を持つ。同軸噴流バーナ群を配置するピッチ円の中心を特定の方向に移動させることで、火炎の伸展する方向を誘導する効果については第１の実施の形態と同様であり、詳細な説明は省略する。

本実施の形態の多孔同軸噴流バーナ５３において、火炎の伸展する主たる方向は、燃焼室４に向かう方向ではなく、隣接するメイン多孔同軸噴流バーナの存在する燃焼器中心軸を中心とする仮想円の接線方向である。このため、燃焼室４に対して過度に火炎が接近せず、燃焼室４において局所的な高温部が発生しにくいという特徴を有する。

本発明のガスタービン燃焼器の第２の実施の形態においては、燃焼器中心軸を中心とする仮想円の接線方向に火炎が伸展する性質を持つため、パイロット多孔同軸噴流バーナ５０回りに、大きく旋回する大規模旋回流が生じる。この大規模旋回流は、ガスタービン燃焼器２の内部の燃焼ガスを大きく旋回させるので、燃焼室４内部の複数のメイン多孔同軸噴流バーナ５３およびパイロット多孔同軸噴流バーナ５０の燃焼ガスを攪拌して混合する作用を持つ。この結果、ガスタービン燃焼器２の内部の流体の温度分布を均一化することができる。

上述した本発明のガスタービン燃焼器の第２の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態と同様に効果を得ることができる。

また、上述した本発明のガスタービン燃焼器の第２の実施の形態によれば、ガスタービン燃焼器２の内部の燃焼ガスを大きく旋回させる大規模旋回流を生じさせることができる。この結果、ガスタービン燃焼器２の内部の流体の温度分布を均一化することができる。

なお、本実施の形態においては、ピッチ円の半径が小さい内周側の１列目の同軸噴流バーナ群から、ピッチ円の半径が大きい外周側の３列目の同軸噴流バーナ群に向かって、配置するピッチ円の中心が、燃焼器中心軸を中心とする仮想円の接線方向に順次移動するように配置した例を説明したが、第１の実施の形態と本実施の形態の効果を併せ持つことを目的として、本実施の形態に加えて、ピッチ円の中心を燃焼器中心方向に変化するよう配置することも可能である。

以下、本発明のガスタービン燃焼器の第３の実施の形態を図面を用いて説明する。図８Ａは本発明のガスタービン燃焼器の第３の実施の形態を構成する空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図、図８Ｂは図８Ａに示す空気孔プレートのうち局所高温部抑制用メイン多孔同軸噴流バーナに注目して抜き出した拡大正面図である。図８Ａ及び図８Ｂにおいて、図１乃至図７Ｂに示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

本実施の形態におけるガスタービン燃焼器２を有するガスタービンプラントは、第１及び第２の実施の形態と同様の気体燃料焚きガスタービン発電プラントであり、プラントの構成及び運用方法は第１の実施の形態と同様である。本実施の形態におけるガスタービン燃焼器２は、パイロット多孔同軸噴流バーナ５０の周りに配置したメイン多孔同軸噴流バーナ５３を、モジュール化して個別に交換可能な構造とした点が第１及び第２の実施の形態と異なる。

また、本実施の形態におけるガスタービン燃焼器２では、第１の実施の形態の比較例で説明した各同軸噴流バーナ群を配置するピッチ円中心が一致するように配置しているメイン多孔同軸噴流バーナ５３と、第１の実施の形態で説明したピッチ円の半径が小さい内周側の１列目の同軸噴流バーナ群から、ピッチ円の半径が大きい外周側の３列目の同軸噴流バーナ群に向かって、配置するピッチ円の中心５８−１〜３が、燃焼器中心方向に順次移動するように同軸噴流バーナ群を偏向配置した局所高温部抑制用メイン多孔同軸噴流バーナ５３−１とを併用している点が第１及び第２の実施の形態と異なる。

具体的には、本実施の形態におけるガスタービン燃焼器２において、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、図面の下側にある燃焼室４の位置に燃焼ガスを接近させないように、図面の下側の部分の燃焼室４に局所的な高温部を生じやすい位相に開口する多孔同軸噴流バーナ５３を、ピッチ円の半径が小さい内周側の１列目の同軸噴流バーナ群から、ピッチ円の半径が大きい外周側の３列目の同軸噴流バーナ群に向かって、配置するピッチ円の中心５８−１〜３が、燃焼器中心方向に順次移動するように同軸噴流バーナ群を偏向配置した局所高温部抑制用メイン多孔同軸噴流バーナ５３−１に換装している。

このようにパイロット多孔同軸噴流バーナ５０の周りに配置したメイン多孔同軸噴流バーナ５３を、モジュール化して個別に交換可能な構造とすれば、同軸噴流バーナ群を配置するピッチ円５８の中心について、一致させるあるいは特定の方向に変化させることが、個別のメイン多孔同軸噴流バーナ５３について任意に設定可能となる。

本発明の第３の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態と同様に効果を得ることができる。

また、上述した本発明のガスタービン燃焼器の第３の実施の形態によれば、メイン多孔同軸噴流バーナ５３を、モジュール化して個別に交換可能な構造としたので、同軸噴流バーナ群を同心円状にまたは特定方向に偏向配置することができる。この結果、信頼性の高い燃焼を維持すると共に低ＮＯｘ燃焼性能を発揮し得るガスタービン燃焼器２が、より容易に実現できる。

１ 圧縮機
２ ガスタービン燃焼器
３ タービン
４ 燃焼室
５ 燃焼器ライナ
６ 燃焼器外筒
７ 車室
８ 燃焼器エンドカバー
９ 燃焼器尾筒
１０ 圧縮空気
１１ 冷却空気
１２ 燃焼用空気
１３ 燃焼ガス
２２ 気体燃料
４１ 燃料流
４１−１ １列目燃料流
４２ 混合気
４３ 循環流
４４ 燃焼ガス
４５ 定常火炎
４６ 旋回流
５０ パイロット多孔同軸噴流バーナ
５３ メイン多孔同軸噴流バーナ
５４ 空気孔プレート
５５ 空気孔
５５−１ １列目空気孔
５６ 燃料ノズル
５６−１ １列目燃料ノズル
５７ 燃料分配器
５８−１ 第１列ピッチ円中心
５８−２ 第２列ピッチ円中心
５８−３ 第３列ピッチ円中心
１０３ 燃料遮断弁
１０７ 燃料圧力調整弁
１０８ 燃料流量調整弁
５０１ 発電機

Claims (4)

1. 燃料と空気が供給される円筒状の燃焼室と、前記燃焼室の上流側に位置し複数の空気孔を有する空気孔プレートと、前記空気孔プレートの前記複数の空気孔に対して同軸に配置された複数の燃料ノズルとからなる複数の同軸噴流バーナを同一円周上に配置した多孔同軸噴流バーナを複数個備えて、気体燃料を燃焼するガスタービン燃焼器において、
   複数個配置された前記多孔同軸噴流バーナの各々は、前記多孔同軸噴流バーナの中央部となる内周側に配設され、複数の前記同軸噴流バーナから構成される第１の同軸噴流バーナ群と、
   前記多孔同軸噴流バーナの外周部となる前記第１の同軸噴流バーナ群の外周側に複数個配設され、それぞれ複数の前記同軸噴流バーナから構成される第２の同軸噴流バーナ群とを備え、
   前記同軸噴流バーナを配置するピッチ円の中心が、前記ピッチ円の半径の小さい内周側の第１の同軸噴流バーナ群と、前記第１の同軸噴流バーナ群の前記ピッチ円の半径よりも大きい前記ピッチ円の半径を有する外周側の第２の同軸噴流バーナ群とで異なるよう構成されている
   ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記同軸噴流バーナを配置するピッチ円の半径が小さい内周側の第１の同軸噴流バーナ群から、前記ピッチ円の半径が大きい外周側の第２の同軸噴流バーナ群に向かって、配置する前記ピッチ円の中心が、前記ガスタービン燃焼器の中心方向に順次移動するように前記同軸噴流バーナを配列した
   ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
3. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記同軸噴流バーナを配置するピッチ円の半径が小さい内周側の第１の同軸噴流バーナ群から、前記ピッチ円の半径が大きい外周側の第２の同軸噴流バーナ群に向かって、配置する前記ピッチ円の中心が、前記ガスタービン燃焼器の中心軸を中心とする仮想円の接線方向に順次移動するように前記同軸噴流バーナを配列した
   ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
4. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記複数の多孔同軸噴流バーナにおいて、前記燃焼室に局所的な高温部を生じやすい位相に開口する多孔同軸噴流バーナを、前記同軸噴流バーナを配置するピッチ円の半径が小さい内周側の第１の同軸噴流バーナ群から、前記ピッチ円の半径が大きい外周側の第２の同軸噴流バーナ群に向かって、配置する前記ピッチ円の中心が、前記ガスタービン燃焼器の中心方向に順次移動するように前記同軸噴流バーナを配列した多孔同軸噴流バーナに換装した
   ことを特徴とするガスタービン燃焼器。

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