JP6228434B2 - 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わり、特に、複数本配置した燃料ノズルから燃料を予混合プレートに形成した複数の予混合通路に噴射し、燃料ノズルの燃料噴孔部に導かれる空気と燃料を予混合通路内で混合して燃焼室に供給し燃焼させるクラスタ型バーナを備えたガスタービン燃焼器に関する。

ガスタービン燃焼器において、燃料と空気を予め混合した後に燃焼室で火炎を形成する予混合燃焼方式は、大気汚染物質である窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出を低く抑えることが可能である。この予混合燃焼方式として、燃料と空気とを同軸噴流として燃焼室に供給して燃焼させる同軸噴流燃焼方式のバーナ（以下、クラスタ型バーナと表記）が知られており、その一例が特許文献１に記載されている。

特開２００３−１４８７３４号公報

クラスタ型バーナを採用する場合、燃料ノズルを同心円状に周方向に数列並べた構造となるため、燃焼用空気が外周側から内周側へと流入するとき、外周側に位置する燃料ノズルが抵抗となり、燃焼用空気は抵抗の少ない外周側の燃料ノズル部へ流れる量が多く、内周側に位置する燃料ノズルへ流れる空気量は少なくなる。この結果、内周側の燃料ノズルでは空気量が少ないために燃料と空気の混合比（以下、燃空比と表記）が高くなり、燃焼温度が上昇することでＮＯｘ値も高くなる。また、空気流量が位置によって不安定となるため燃焼安定性も低下するという問題が発生する。

このため一般的には燃料供給系統を分割することで、内周側、外周側ノズルへの燃料供給量をそれぞれ設定することで燃空比を制御しているが、燃料系統を増やすことによる部品点数の増加、製造コストの増加、メンテナンスの煩雑さなどが問題となる。

本発明は上述の課題を鑑みて創出されたものであり、その目的は、燃料ノズルを複数配置したクラスタ型バーナを備えたガスタービン燃焼器において、内外周の燃料ノズル部分へ任意の流量の燃焼用空気を供給できるようにすることで、燃焼状態を安定させることにある。

上記目的を達成するために、本発明は、同心円状に複数列に配列され、先端に燃料噴孔部を有する複数の燃料ノズルと、この複数の燃料ノズルのそれぞれの下流側に位置し、前記複数の燃料ノズルに対応して同心円状に複数列に配列された複数の予混合通路を形成した予混合プレートとを備え、前記複数の燃料ノズルから噴出される燃料を前記予混合通路内で空気と混合して燃焼室に供給し、燃焼させるガスタービン燃焼器であって、前記複数の燃料ノズルの上流側から前記複数の燃料ノズルの前記燃料噴孔部へと至る空気流路を、前記同心円状に配列された複数の燃料ノズルの各列毎に複数の流路に分割する複数のガイドベーンを設け、前記複数のガイドベーンによって分割された前記複数の流路は、前記複数の燃料ノズルの燃料噴孔部が前記複数の流路の終端部分に位置し、各流路において、空気を整流して前記燃料噴孔部へと導くように構成されていることを特徴とするものとする。

これにより燃焼器内での圧力変動や燃料ノズル自体の流路抵抗による内周側、外周側の燃料ノズル噴孔部での空気量差を抑制し、燃料ノズル噴孔部への空気量を任意の値とすることができ、空気の流れをバーナ部の軸方向へ整流する効果もあるため、結果として燃焼の安定性を向上させることが可能となる。また、燃料供給系統を分割しなくても、燃焼状態を安定させることができるため、燃料供給系統を１つに統一して燃料供給系統を簡素化することができる。

本発明によれば、任意の燃焼用空気量を各燃料ノズルの燃料噴孔部に導くことができ、燃料ノズルの周方向配列ごとに燃空比を安定的に任意の値とすることができる。この結果、燃焼状態の安定性を向上させ、かつＮＯｘ排出量の低減が可能となる。また、燃料供給系統を１つに統一し、燃料供給系統を簡素化することができる。

本発明の第１の実施形態のガスタービン燃焼器のバーナ部の構造を示す断面図である。 図１ＡのＡ−Ａ線矢視図である。 第１の実施の形態のクラスタ型バーナをガスタービン燃焼器に適用した実施の形態を示す図である。 第１の実施の形態のクラスタ型バーナをガスタービン燃焼器に適用した他の実施の形態を示す図である 本発明の第２の実施形態のガスタービン燃焼器のバーナ部の構造を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態のガスタービン燃焼器のバーナ部の構造を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態のガスタービン燃焼器のバーナ部の構造を示す断面図である。 図６ＡのＢ−Ｂ線断面図である。 本発明と従来構造の空気流量比較トレンドを示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の第１の実施形態のガスタービン燃焼器のバーナ部の構造を示す図であり、図１Ａは断面図、図１Ｂは図１ＡのＡ−Ａ線矢視図である。

図１Ａ及び図１Ｂにおいて、ガスタービン燃焼器のバーナ部は、複数の燃料ノズル２と、この複数の燃料ノズル２のそれぞれの下流側に位置する複数の予混合通路３を形成した予混合プレート４とからなるクラスター型バーナであり、複数の燃料ノズル２は燃料ノズルヘッダ１の端面に接続され、予混合プレート４は中央サポートロッド５と複数の外周サポートロッド６とを介して燃料ノズルヘッダ１の端面に接続されている。複数の燃料ノズル２は、同心円状に配列されかつそれぞれ周方向に等間隔に離間して配列された内周側燃料ノズル２ａ、中央燃料ノズル２ｂ、外周側燃料ノズル２ｃの３列の燃料ノズルを有し、複数の予混合通路３は、内周側燃料ノズル２ａ、中央燃料ノズル２ｂ、外周側燃料ノズル２ｃに対応して、周方向に等間隔に離間して配列された内周側予混合通路３ａ、中央予混合通路３ｂ、外周側予混合通路３ｃを有している。複数の予混合通路３は、好ましくは、予混合通路３の少なくとも一部が通路の中心軸線が軸方向に対して傾斜するよう形成され、予混合通路３内の燃料と空気の混合気流に燃焼室軸回りの旋回力を与え、混合を促進する構造となっている。

また、ガスタービン燃焼器のバーナ部は、その特徴的構成として、複数の燃料ノズル２の周囲の上流側から複数の燃料ノズル２の燃料噴孔部へ至る空気流路を複数の流路７に分割し、各流路７において、空気を整流して導く内周側ガイドベーン３４、中央ガイドベーン３５、外周側ガイドベーン３６を備えている。

内周側ガイドベーン３４は、中央サポートロッド５と燃料ノズル２に挿通する構造を有し、中央サポートロッド５に支持されている。また、内周側ガイドベーン３４は燃料ノズルヘッダ１の端面に当接し、溶接等で固定される。中央ガイドベーン３５及び外周側ガイドベーン３６は複数の外周サポートロッド６に挿通する構造を有し、溶接等で外周サポートロッド６に固定保持される。

ガイドベーン３４，３５，３６によって分割される複数の空気流路７は、内周側ガイドベーン３４と中央ガイドベーン３５によって分割し形成される内周側空気流路７ａと、中央ガイドベーン３５と外周側ガイドベーン３６によって分割し形成される中央空気流路７ｂと、外周側ガイドベーン３６によって分割し形成される外周側空気流路７ｃとを有している。内周側燃料ノズル２ａの燃料噴孔部は内周側空気流路７ａの終端部分に位置し、中央燃料ノズル２ｂの燃料噴孔部は中央空気流路７ｂの終端部分に位置し、外周側燃料ノズル２ｃの燃料噴孔部は外周側空気流路７ｃの終端部分に位置している。

このようにバーナ部の空気流路は、内周側ガイドベーン３４、内周側ガイドベーン３５、外周側ガイドベーン３６によって、同心円状に配列された燃料ノズル２ａ，２ｂ，２ｃの各列毎に複数の空気流路７ａ，７ｂ，７ｃに分割され、燃料ノズル２のそれぞれの燃料噴孔部に燃焼用空気を導くようになっている。

ガイドベーン３４，３５，３６は、ガイドベーン３４，３５，３６によって形成された空気流路７ａ，７ｂ、７ｃのそれぞれにおいて、任意の量の空気を対応する燃料ノズル２ａ，２ｂ，２ｃの噴孔部に供給し、燃料と空気の混合比、すなわち燃空比が所定の値になるように、それらのサイズと形状が決定されている。

一般的に、燃焼室に燃料を直接噴射して形成する拡散火炎は、燃料と空気を予め混合した後に形成する予混合火炎よりも、火炎温度が高いために火炎安定性が高い。これに対し、特許文献１に記載されるようなクラスタ型バーナは、火炎安定性が低い反面、同心円状に多数設けた燃料ノズルから噴出した燃料を空気と予混合してから燃焼させるため、ＮＯｘ排出量の低減を実現している。

クラスタ型バーナで火炎安定性が低い理由として燃焼器内の圧力変動による空気量の変動により各燃料ノズルからの燃料と空気の混合が不安定になることが挙げられる。また、クラスタ型バーナは、限られたスペースの中に多数の燃料ノズルを配置するため、周方向に複数列のノズルを設けた構造とする必要があり、図７に示すように外周側の燃料ノズルが流路抵抗となることで外周側と内周側で空気流量に差が生まれ、内周側の燃料ノズル位置に流入する燃焼用空気流量が少なくなり、かつ空気の流速も遅くなる。その結果、構造によっては空気量自体も変動することと相俟って、設計どおりの燃空比とならず、空気量が少ない場合は燃空比増加によるＮＯｘ排出量増、空気量が多い場合は着火性が悪化し不安定燃焼となる。

図１Ａ及び図１Ｂに示す本実施の形態では、内周側燃料ノズル２ａ或いは中央燃料ノズル２ｂへ積極的に空気を導くことを目的としてガイドベーン３４，３５，３６が設置されている。これにより図１Ａ及び図１Ｂに示すような３列の燃料ノズル２ａ，２ｂ，２ｃを配置する燃焼器のバーナ部では、内周側ガイドベーン３４と中央ガイドベーン３５によって形成される内周側空気流路７ａで流量が規定され、この内周側空気流路７ａを内周側燃焼用空気４１が整流されて通過し、内周側予混合通路３ａに導かれる。内周側予混合通路３ａでは、内周側燃料ノズル２ａから噴出される燃料と内周側燃焼用空気４１が混合され、内周側予混合通路３ａを通過して燃焼室内で着火・燃焼する。

同様に中央ガイドベーン３５と外周側ガイドベーン３６によって形成される中央空気流路７ｂを規定流量の中央燃焼用空気４２が整流されて通過し、中央予混合通路３ｂに導かれ、外周側ガイドベーン３６の外周側に形成される外周側空気流路７ｃを規定流量の外周側燃焼用空気４３が整流されて通過し、外周側予混合通路３ｃに導かれ、それぞれ、中央及び外周側予混合通路３ｂ，３ｃで燃料と空気が混合され、燃焼室内で着火・燃焼する。

これにより本実施の形態では、燃焼器内での圧力変動や燃料ノズル自体の流路抵抗による内周側、外周側の燃料ノズル噴孔部での空気量差を抑制し、燃料ノズル噴孔部への空気量を任意の値とすることができ、空気の流れをバーナ部の軸方向へ整流する効果もあるため、結果として燃焼の安定性を向上させることが可能となる。

図２は、本実施の形態のクラスタ型バーナをガスタービン燃焼器に適用した実施の形態を示す図である。図２では、燃焼器を含む発電プラント向けガスタービン設備全体を示している。

空気圧縮機１１０から導入された高圧空気１２０は、燃焼器２５０のディフューザ１３０からケーシング１３１内の車室１４０に導入され、尾筒１５０と尾筒フロースリーブ１５２との間隙に流入する。その後、ライナ１６０とライナ外周の同心円上に配置されたライナフロースリーブ１６１との間隙を流れた後に流れを反転させ、バーナ部３００から噴射される燃料と混合して、ライナ内部の燃焼室１７０で火炎を形成し高温高圧の燃焼ガス１８０となる。

バーナ部３００は、図１Ａ及び図１Ｂに示したクラスタ型バーナを７台備えたマルチクラスタ型バーナであり、中央部のクラスタ型バーナ３００ａと、その周囲に同心円状に等間隔に配置された６台のクラスタ型バーナ３００ｂ〜３００ｇ（図２では上下のクラスタ型バーナ３００ｂ，３００ｅのみ図示）とから構成されている。クラスタ型バーナ３００ａ〜３００ｇはそれぞれの燃料供給系統２６０ａ〜２６０ｇ（図２では燃料供給系統２６０ａ，２６０ｂ，２６０ｅのみ図示）から燃料が供給される。図２では、図示の都合上、燃料ノズル及び予混合通路を同心円状の２列配置の断面で示し、ガイドベーンについても中央と外周側のガイドベーンを１つのガイドベーンで示し、内周側ガイドベーンを省略している。燃料供給系統２６０ａ〜２６０ｇからバーナ部３００に流入した空気はクラスタ型バーナ３００ａ〜３００ｇの燃料ノズル２（図１Ａ及び図１Ｂ参照）から噴射される燃料と予混合プレート４の予混合通路３（図１Ａ参照）内で混合して燃焼室１７０に供給される。

このように燃焼器で生成された燃焼ガス１８０は尾筒１５０からタービン１９０に導入される。タービン１９０では、高温高圧の燃焼ガス１８０が断熱膨張する際に発生する仕事量を軸回転力に転換し、発電機２００から出力を得る。またこの軸回転力を利用して、発電機２００の代わりに別の圧縮機を回転させることで、ガスタービンを流体圧縮の動力源として使用することもできる。

図３は、本実施の形態のクラスタ型バーナをガスタービン燃焼器に適用した他の実施の形態を示す図である。この適用例において，燃焼器２５１は、中央部のパイロットバーナを本実施の形態のクラスタ型バーナ３０１とし、外周部のメインバーナを、燃料ノズル２１を備え予混合火炎２３を形成する一般的な予混合バーナ３０２としている。クラスタ型バーナ３０１には燃料供給系統２６１から燃料が供給される。図３でも、図示の都合上、燃料ノズル及び予混合通路を同心円状の２列配置の断面で示し、ガイドベーンについても中央と外周側のガイドベーンを１つのガイドベーンで示し、内周側ガイドベーンを省略している。

図２及び図３の適用例の燃焼器２５０，２５１においては、クラスタ型バーナ３００ａ〜３００ｇ、或いは３０１に対し、燃料供給系統を複数に分割しなくても、ガイドベーンを設けることで、任意の燃焼用空気量を各燃料ノズル噴出口に導くことができ、燃料ノズルの周方向配列ごとに燃空比を安定的に任意の値とすることができる。この結果、燃料供給系統２６０ａ〜２６０ｇ（図２）又は２６１（図３）をクラスタ型バーナ毎で１つに統一し、燃料供給系統を簡素化することができるとともに、燃焼状態の安定性を向上させ、かつ予混合であるためＮＯｘ排出量の低減が可能となる。

本発明の第２の実施の形態を図４を用いて説明する。図４は、第２の実施形態のガスタービン燃焼器のバーナ部の構造を示す、図１Ａと同様な断面図である。

図４において、本実施の形態の燃焼器のバーナ部は、図１Ａの外周側ガイドベーン３６に代えて小型の外周側ガイドベーン３７を備えている。外周側ガイドベーン３７（第２ガイドベーン）は、上流側への延長部を中央ガイドベーン３５（第１ガイドベーン）よりも短くすることで、図１Ａの外周側ガイドベーン３６に対し上流側へのベーン延長部を短くし、外周側ガイドベーン３７の外径を縮小したものである。これによりバーナの径方向寸法を抑えることができ、省スペースでの設置が可能となる。中央燃料ノズル２ｂの燃料噴孔部に流れる空気の流路抵抗となるのは外周側燃料ノズル２ｃのみであるため、内周側燃料ノズル２ａに比べて流路抵抗は少なく、中央ガイドベーン３５と小型外周側ガイドベーン３７の間隙を図１Ａの実施の形態よりも広げ、外周側と中央部の空気流量を調整することで、図１Ａの実施の形態と同様の効果を得ることが可能となる。

本発明の第３の実施の形態を図５を用いて説明する。図５は、第３の実施形態のガスタービン燃焼器のバーナ部の構造を示す、図１Ａと同様な断面図である。

本実施の形態は、軸方向断面で見た内周側ガイドベーン５１、中央ガイドベーン５２、外周側ガイドベーン５３を図１のような曲線ではなく、シンプルな直線形状としたものである。これによりガイドベーン５１，５２，５３を流れる空気の摩擦抵抗が減り、燃空比の変動を抑え、より安定的な燃焼を可能とするとともに、ガイドベーンの製造コスト低減が可能となる。

本発明の第４の実施の形態を図６Ａ及び図６Ｂを用いて説明する。図６Ａは、図１Ｂのバーナ部の中央サポートロッド５と中央ガイドベーン３５の上半分に相当する図である。図６Ｂは図６ＡのＢ−Ｂ線断面図である。

本実施の形態では、ガイドベーン３５に加えて、ガイドベーン３５の下流端付近の内周表面に、軸方向へ燃焼用空気を整流する突起ベーン６３を設けたことを特徴とする。突起ベーン６３は、図示の如く、横断面で見て頂点がベーン中心軸を向いた三角ベーンである。この三角ベーン６３を円周方向に離間して、軸方向と平行に複数取りつけることで、燃焼用空気を軸方向に整流してそれぞれの流路７が位置する燃料ノズル２の燃料噴孔部に導くことができる。図６Ａ及び図６Ｂでは中央ガイドベーン３５の内周表面に突起ベーン６３を設けた場合を示したが、外周側ガイドベーン３６の下流端付近の内周表面にも同様の突起ベーンを設けることでで，同様な効果を得ることができる。また、ガイドベーン３４，３５，３６の下流端付近の外周表面にも突起ベーンを設けてもよい。

また、予混合通路３を軸方向に対して傾斜させ燃料と空気の混合気流に旋回力を与える構成とした場合は、予混合通路３の傾斜に合わせて突起ベーン６３を軸方向に対して角度をつけて取り付けることにより、予混合流路３に入る前の燃焼用空気に旋回角を与えることができ、これにより燃料ノズル２から軸方向に噴射される燃料との混合を更に促進することが可能となる。

なお、上記実施の形態では、燃料ノズルを同心円状に３列に配置し、内周側ガイドベーン３４、内周側ガイドベーン３５、外周側ガイドベーン３６を設けて各列毎に空気流路が形成されるよう分割したが、空気流路の分割数は燃料ノズルの列数に必ずしも対応していなくてもよい。また、燃料ノズルの同心円状の列数は３列でなく、それ以外の列数（例えば２列又は４列）であってもよく、この場合は、燃料ノズルの同心円状の列数に応じた数のガイドベーンを配置し、各列毎に空気流路が形成されるよう分割すればよい。

１ ノズルヘッダ
２ 燃料ノズル
２ａ 内周側燃料ノズル
２ｂ 中央燃料ノズル
２ｃ 外周側燃料ノズル
３ 予混合通路
３ａ 内周側予混合通路
３ｂ 中央予混合通路
３ｃ 外周側予混合通路
４ 予混合プレート
５ 中央サポートロッド
６ 外周サポートロッド
７ 流路
７ａ 内周側空気流路
７ｂ 中央空気流路
７ｃ 外周側空気流路
３４ 内周側ガイドベーン
３５ 中央ガイドベーン
３６ 外周側ガイドベーン
３７ 外周側ガイドベーン
４１ 内周側燃焼用空気
４２ 中央燃焼用空気
４３ 外周側燃焼用空気
５１ 内周側ガイドベーン
５２ 中央ガイドベーン
５３ 外周側ガイドベーン
６３ 突起ベーン
１１０ 空気圧縮機
１２０ 高圧空気
１３０ ディフューザ
１３１ ケーシング
１４０ 車室
１５０ 尾筒
１５２ 尾筒フロースリーブ
１６０ ライナ
１６１ ライナフロースリーブ
１７０ 燃焼室
１８０ 燃焼ガス
２００ 発電機
２５０ 燃焼器
２５１ 燃焼器
２６０ａ〜２６０ｇ 燃料供給系統
２６１ 燃料供給系統
３００ バーナ部
３００ａ，３００ｂ，３００ｅ クラスタ型バーナ
３０１ クラスタ型バーナ
３０２ 予混合バーナ

Claims (6)

1. 同心円状に複数列に配列され、先端に燃料噴孔部を有する複数の燃料ノズルと、この複数の燃料ノズルのそれぞれの下流側に位置し、前記複数の燃料ノズルに対応して同心円状に複数列に配列された複数の予混合通路を形成した予混合プレートとを備え、前記複数の燃料ノズルから噴出される燃料を前記予混合通路内で空気と混合して燃焼室に供給し、燃焼させるガスタービン燃焼器であって、
   前記複数の燃料ノズルの上流側から前記複数の燃料ノズルの前記燃料噴孔部へと至る空気流路を、前記同心円状に配列された複数の燃料ノズルの各列毎に複数の流路に分割する複数のガイドベーンを設け、
   前記複数のガイドベーンによって分割された前記複数の流路は、前記複数の燃料ノズルの燃料噴孔部が前記複数の流路の終端部分に位置し、各流路において、空気を整流して前記燃料噴孔部へと導くように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. 前記複数のガイドベーンは、前記ガイドベーンによって形成される複数の空気流路のそれぞれで、燃料ノズルから噴射される燃料と空気の混合比が所定の値となるようにサイズと形状を決定したことを特徴とする請求項１記載のガスタービン燃焼器。
3. 前記複数のガイドベーンとして、前記複数の燃料ノズルのうち内周側に位置する燃料ノズルの燃料噴孔部に空気を導く第１ガイドベーンと、外周側に位置する燃料ノズルの燃料噴孔部に空気を導く第２ガイドベーンを設け、前記第２ガイドベーンの上流側への延長部を前記第１ガイドベーンよりも短くし、前記第２ガイドベーンの外径を縮小したことを特徴とする請求項１又は２記載のガスタービン燃焼器。
4. 前記複数のガイドベーンを軸方向断面で見て直線形状として、前記ガイドベーンを流れる空気の摩擦抵抗を減らしたことを特徴とする請求項１又は２記載のガスタービン燃焼器。
5. 前記複数のガイドベーンの少なくとも１つの下流端付近の内周面に円周方向に離間した複数の突起ベーンを設け、前記ガイドベーンを流れる空気を整流してそれぞれの流路に位置する燃料ノズルの燃料噴孔部に導くことを特徴とする請求項１又は２記載のガスタービン燃焼器。
6. 前記複数の予混合通路のうちの少なくとも一部の予混合通路を軸方向に対して傾斜させ、前記予混合通路の傾斜に合わせて前記突起ベーンを軸方向に対して傾斜して取り付け、予混合通路に入る前の空気に旋回角を与えることを特徴とする請求項５記載のガスタービン燃焼器。

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