JP6779098B2 - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

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Description

本発明は、ガスタービン燃焼器の構造に係り、特に、マルチクラスタバーナー構造のガスタービン燃焼器に適用して有効な技術に関する。
ガスタービンの高効率化には燃焼温度を高める必要があり、燃焼温度の高温化に対応して、ガスタービンを構成する高温部材のための様々な耐熱材料や冷却技術の開発が進められている。
また、燃焼温度が高まることにより、窒素酸化物、いわゆるサーマルNOxの発生量が指数関数的に増加するため、その対策が求められる。低NOx化を実現する技術としては、分散希薄燃焼が可能な多孔同軸噴流バーナー（マルチクラスタバーナー）構造の燃焼器が開発されている。マルチクラスタバーナーは、多数の空気孔を設けた空気孔プレートと、各空気孔と同軸に配置した燃料ノズルで構成され、孔内の数十ｍｍ程度の短距離で燃料と酸化剤である空気を急速に混合し、希薄予混合燃焼場を形成することでNOx排出量を低減している。
本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には、「燃料ノズルと空気孔を備えた空気孔プレートを設けたガスタービン燃焼器において、燃焼器ライナと空気孔プレートとが嵌め合う部分にシール部材を配設し、空気孔プレートに備えた空気孔のうち、燃料ノズルの近傍に位置した空気孔の部分に燃料ノズルと同軸となる直管状に形成した直管部を備え、燃焼室の近傍に位置した空気孔の部分に燃焼室の軸に対して傾斜角を付与した傾斜状に形成した傾斜部を備え、空気孔プレートは、直管部を形成した直管空気孔プレートと傾斜部を形成した傾斜空気孔プレートとの複数の部材によって構成し、直管空気孔プレートの部材の材質は、傾斜空気孔プレートの部材の材質と異なる材質によって形成して構成するシールプレートを備えたガスタービン燃焼器」が開示されている。
特開２０１３−１０８４２３号公報
上述したように、低NOx化にはマルチクラスタバーナー構造が有効であるが、燃焼器内部に空気孔プレートを設けるため、空気孔プレート周辺を効果的に冷却する冷却構造が必要となる。
図７Ａおよび図７Ｂを参照して、マルチクラスタバーナー構造のガスタービン燃焼器での課題について説明する。図７Ａ，図７Ｂはいずれも空気孔プレート外周部の構成を示す部分断面図である。図７Ａに示すように、燃焼空気４５の一部を空気孔プレート６と燃焼器ライナ９，内筒短管１８の間隙に導入することで、空気孔プレート６の外周部を冷却する構造となっている。
しかしながら、燃焼空気４５がメインバーナ３９の上流端でリターンフロー４６となるため、リターンフロー部に剥離渦が発生し、シール部材であるスプリングシール１２に設けた空気流入孔１５に空気が流れにくくなり、空気孔プレート６の外周部に設けられたスワラリップ１３の冷却孔１４に冷却空気を供給することができないため、スワラリップ１３を十分に冷却できなくなる。その結果、スワラリップ１３のメタル温度が上昇し、図７Ｂに示すように、スワラリップ１３の変形や破断などの損傷に繋がる恐れがある。
また、燃焼空気のリターンフロー４６の剥離渦の影響で、空気孔プレート６の外周側の空気孔７ａにも空気が流入し難くなるため、空気流量に対する燃料流量の割合が大きくなることで火炎温度が上昇し、窒素酸化物（NOx）の排出量の増加が懸念される。特に、マルチクラスタバーナー構造のように、小さな空気孔と燃料ノズルが一対で構成されている燃焼器ではその傾向が著しくなる特徴がある。
上記特許文献１は、空気孔を多数形成した空気孔プレートの加工を容易にすると共にシールプレートの寿命を損なわずに適切なシール性を確保するシールプレート（シール部材）に関するものであるが、上記のような空気孔プレート外周部でのメタル温度上昇の問題や冷却空気の導入については記載されていない。
そこで、本発明の目的は、マルチクラスタバーナー構造のガスタービン燃焼器において、空気孔プレート外周部を効果的に冷却することで、空気孔プレート外周部のスワラリップの変形や損傷を防止可能な信頼性の高いガスタービン燃焼器を提供することにある。
また、本発明の別の目的は、マルチクラスタバーナー構造のガスタービン燃焼器において、空気孔プレート外周側の空気孔にも十分に燃焼空気を供給することで燃焼特性を向上させ、窒素酸化物（NOx）の排出量低減が可能なガスタービン燃焼器を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明は、ガスタービン燃焼器の燃焼室を構成する燃焼器ライナと、前記燃焼室に燃料を噴出する複数の燃料ノズルと、前記複数の燃料ノズルの燃料の流れ方向の下流側に設けられ、前記複数の燃料ノズルに対応する複数の空気孔を有する空気孔プレートを備えた同軸噴流型のガスタービン燃焼器であって、前記空気孔プレートの外周部に前記燃焼室側に突出して設けられたスワラリップと、前記燃焼器ライナと前記空気孔プレートおよび前記スワラリップとが嵌合する部分に設けられたスプリングシールと、を備え、前記スプリングシールは、前記空気孔プレートの外周部と前記燃焼器ライナとの間隙に導入した燃焼用空気の一部を通過させる空気孔を有し、前記スワラリップは、前記スプリングシールの空気孔を通過した燃焼用空気の一部を前記燃焼室内に導入する空気孔を有し、前記燃焼器ライナは、前記スプリングシールの空気孔に対向する位置に前記燃焼器ライナの外部から前記空気孔プレートの外周部と前記燃焼器ライナとの間隙に燃焼用空気の一部を導入する空気孔を有し、前記燃焼器ライナの前記空気孔プレートと嵌合する側の端部に、燃焼用空気の流れを整流するターンガイドが設けられていることを特徴とする。
本発明によれば、マルチクラスタバーナー構造のガスタービン燃焼器において、空気孔プレート外周部のスワラリップの変形や損傷を防止可能な信頼性の高いガスタービン燃焼器を実現できる。
また、本発明によれば、マルチクラスタバーナー構造のガスタービン燃焼器において、窒素酸化物（NOx）の排出量をさらに低減することが可能なガスタービン燃焼器を実現できる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明によって明らかにされる。
本発明の一実施形態に係るガスタービン燃焼器およびガスタービンプラントの全体構成を示す概略構成図である。 本発明の一実施形態に係るガスタービン燃焼器の概略構成を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態に係るガスタービン燃焼器のスプリングシールの概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係るガスタービン燃焼器の概略構成を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態に係るガスタービン燃焼器の概略構成を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態に係るガスタービン燃焼器の概略構成を示す部分断面図である。 ガスタービン燃焼器における課題を示す図である。 ガスタービン燃焼器における課題を示す図である。
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において、同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。
図１から図３を参照して、実施例１のガスタービン燃焼器について説明する。図１は本実施例のガスタービン燃焼器およびこのガスタービン燃焼器を備えるガスタービンプラントの全体構成を概念的に示している。図２は図１のガスタービン燃焼器の空気孔プレート外周部の構成を示す部分断面図である。また、図３は図２のスプリングシール１２の構成を示す平面図である。
図１に示すように、ガスタービンプラントは、空気１０１を圧縮して高圧の圧縮空気（燃焼用空気）１０２を生成する圧縮機１と、この圧縮機１から導入される圧縮空気１０２と燃料（２０１、２０２）とを混合して燃焼ガス１０５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で生成された燃焼ガス１０５が導入されて駆動されるガスタービン３と、このガスタービン３の回転によって駆動されて発電する発電機４から構成されている。
なお、圧縮機１とガスタービン３および発電機４とはロータ２０によって相互に連結されており、ガスタービン３の回転によって圧縮機１を駆動するとともに、圧縮機１に連
結された発電機４を駆動するように構成されている。
図１では、圧縮機１とガスタービン３および発電機４とはロータ２０によって相互に連結された1軸型のガスタービンを示したが、圧縮機とガスタービンの１部がロータによって連結され、ガスタービンの別の１部と発電機が別のロータで連結された、いわゆる２軸型のガスタービンでも本発明は適用可能である。
ガスタービン燃焼器２は、燃料（２０１、２０２）を噴射する多数の燃料ノズル５、各燃料ノズルに対向し燃焼用空気１０４が通過する空気孔７を多数備えた概略円盤状の空気孔プレート６、空気孔プレート６の下流かつ外周に配置され、空気孔７を出た燃料と空気の混合気を燃焼させる燃焼室８を形成する概略円筒状の燃焼器ライナ９、これらの構成部品を内部に収納する概略円筒状の燃焼器外筒１０、燃焼器外筒の端部に配置され燃料ノズル５が取り付けられるとともに燃料の供給流路となっている概略円盤状の燃焼器カバー１１から構成されている。空気孔プレート６は複数の燃料ノズル５の燃料の流れ方向の下流側に設けられ、複数の燃料ノズル５に対応して形成された複数の空気孔７を有する。
圧縮機１で圧縮された圧縮空気１０２は、ガスタービン燃焼器２に流入し、燃焼器外筒１０と燃焼器ライナ９の間を流れる。その圧縮空気１０２の一部は、燃焼器ライナ９の冷却空気１０３として燃焼室８に流入する。また、その空気の残りは燃焼用空気１０４として空気孔プレート６に設けられた空気孔７を通り、ガスタービン燃焼器２の燃焼室８内に流入する。
本実施例のガスタービン燃焼器２では、燃料供給系統２０１および燃料供給系統２０２が配設され、これらの燃料供給系統２０１および燃料供給系統２０２には、それぞれ遮断弁２１１，２１２、流量制御弁２２１，２２２が設けられており、複数設置された燃料ノズル５に供給する燃料流量を個別に制御することができるように構成されている。また、これらの燃料ノズル５は、それぞれの燃料ノズル５に燃料を分配する燃料ヘッダー２３１、２３２に接続されている。
本実施例のガスタービン燃焼器２では、燃料ヘッダー２３１は燃焼器軸中心に位置しており、概略円盤状の空間を構成している。また、燃料ヘッダー２３２は燃料ヘッダー２３１の周囲に位置しており、概略環状の空間を構成している。
これらの燃料ヘッダー２３１，２３２には、それぞれ燃料供給系統２０１、２０２から燃料を個別に供給している。このような構成により複数設置された燃料ノズル５は、２系統の燃料系統（燃料ヘッダー２３１に接続するＦ１群および燃料ヘッダー２３２に接続するＦ２群）に群分けすることができ、群分けされた燃料系統をまとめて燃料の供給量を制御することができる。
空気孔プレート６の外周部には、燃焼室８側に突出するようにスワラリップ（Swirler lip）１３が設けられている。空気孔プレート６の外周部およびスワラリップ１３と、燃焼器ライナ９との間隙には、スプリングシール１２が設けられている。スプリングシール１２は、燃料ノズル５および空気孔プレート６から構成されるバーナーと、燃焼器ライナ９との間隙から多量の空気が燃焼室８内に漏れるのを抑制するために設けられるシール部材である。
空気孔プレート６の外周部および燃焼器ライナ９の端部における、より詳細な構成を図２に示す。本実施例のガスタービン燃焼器は、図２に示すように、燃焼空気４５のリターンフロー４６の一部をメインバーナ３９の上流端側から導入するのに加えて、燃焼器ライナ９の端部に設けられた空気流入孔１７を介して、空気孔プレート６の外周部およびスワラリップ１３と、燃焼器ライナ９との間隙に冷却空気４７を導入することが可能な構成となっている。なお、図２では燃焼器ライナ９の端部に補強のための内筒短管１８が設けられており、空気流入孔１７をこの内筒短管１８に設けた例を示している。
図３はスプリングシール１２の平面図である。スプリングシール１２には燃焼器ライナ９端部の空気流入口１７に対応する位置に空気流入口１５が設けられており、燃焼器ライナ９端部の空気流入口１７から導入された冷却空気は、スプリングシール１２の空気流入口１５を介してスワラリップ１３側へ導入され、スワラリップ１３に設けられた冷却孔１４を介して燃焼器８内に導入されることで、スワラリップ１３を冷却する。
なお、スワラリップ１３の冷却孔１４は、図２に示すように、冷却空気４７を燃焼室８の下流側に向かって導入するよう傾斜して設けるのが望ましい。
また、スプリングシール１２にはスリット１６も設けられており、冷却空気はスリット１６からもスワラリップ１３側へ導入される。なお、スプリングシール１２の空気流入孔１５はこのスリット１６の端部に設けられており、「スリット終端部に設けられた孔」という意味で、ストップホールとも呼ぶ。
以上説明したように、本実施例のガスタービン燃焼器によれば、空気孔プレート６の外周部およびスワラリップ１３と、燃焼器ライナ９との間隙にメインバーナ３９の上流端側から燃焼空気４５のリターンフロー４６の一部を導入するのに加えて、燃焼器ライナ９の端部に設けた空気流入孔１７からも燃焼空気４５の一部を取り込むことができるため、スワラリップ１３を十分に冷却することができると共に、スワラリップ１３の下流に位置するライナ９も冷却することができる。これにより、メタル温度上昇によるスワラリップ、ライナの変形や損傷を防止することが可能となり、ガスタービン燃焼器の信頼性を向上することができる。
また、スワラリップ１３に設けられた冷却孔１４から燃焼室８内へ導入される空気量も増加するため、空気孔プレート６の外周側の空気孔７ａから導入される空気量の不足分を補完することができ、燃料流量に対する空気流量を安定させて火炎温度の上昇を抑制し、窒素酸化物（NOx）の排出量を低減することが可能となる。
なお、燃焼器ライナ９端部に設けられる空気流入口１７の大きさ（開口面積）、燃焼器ライナ９の軸方向および周方向における空気流入口１７の数量や配置間隔は、ガスタービン燃焼器の燃焼特性評価に基づいて、最適な大きさ（開口面積）や数量、配置間隔を決定するのが望ましい。
同様に、スワラリップ１３の冷却孔１４の大きさ（開口面積）やスワラリップ１３の軸方向および周方向における数量、配置間隔もガスタービン燃焼器の燃焼特性評価に基づいて決定するのが望ましい。
同様に、スプリングシール１２の空気流入孔１５の大きさ（開口面積）やスプリングシール１２の軸方向および周方向における数量、配置間隔もガスタービン燃焼器の燃焼特性評価に基づいて決定するのが望ましい。
図４を参照して、実施例２のガスタービン燃焼器について説明する。図４は本実施例のガスタービン燃焼器の空気孔プレート外周部の構成を示す部分断面図であり、実施例１の図２に対応する図である。
本実施例のガスタービン燃焼器は、燃焼器ライナ９端部の空気流入孔１７を燃焼空気４５の流れ方向（つまり、ガスタービン燃焼器の軸方向）において複数、ここでは２つの空気流入孔１７ａ，１７ｂを設けている点において、実施例１のガスタービン燃焼器とは異なっている。その他の構成は、実施例１のガスタービン燃焼器と同様である。
図２および図４に示すように、燃焼空気４５は燃焼器ライナ９の側面に沿って流れるため、燃焼空気４５の流れ方向（ガスタービン燃焼器の軸方向）に対して空気流入孔を複数設けることで、空気孔プレート６の外周部およびスワラリップ１３と、燃焼器ライナ９との間隙に、より効率良く冷却空気を導入することができる。
図５を参照して、実施例３のガスタービン燃焼器について説明する。図５は本実施例のガスタービン燃焼器の空気孔プレート外周部の構成を示す部分断面図であり、実施例１の図２に対応する図である。
本実施例のガスタービン燃焼器は、燃焼器ライナ９端部に燃焼空気４５の流れを整流するターンガイド１９を設けている点において、実施例１のガスタービン燃焼器とは異なっている。その他の構成は、実施例１のガスタービン燃焼器と同様である。
図５に示すように、ターンガイド１９はその表面が燃焼器ライナ９の側面に沿う方向（つまり、燃焼空気４５の流れ方向）に対して角度θの傾斜を有するように設けられている。このように、角度θの傾斜を有するターンガイド１９を設けることで、ターンガイド１９の傾斜部において、燃焼空気４５は空気孔プレート６から離れる方向（空気孔プレート６の径方向外側方向）に誘導されるが、メインバーナ３９の上流端側、すなわち、空気孔プレート６の外周部およびスワラリップ１３と燃焼器ライナ９との間隙部分の入り口近傍や、空気孔７ａの入り口近傍においては、ターンガイド１９の整流作用により剥離渦の形成が抑制されるため、より多くの冷却空気が導入されるようになる。
また、ターンガイド１９の表面の傾斜により、空気流入孔１７から導入される燃焼空気４５の流量も増加する。
その結果、スワラリップ１３側へ導入される冷却空気４７の流量が増加し、スワラリップ１３とその下流に位置するライナ９をより効果的に冷却することが可能になる。また、スワラリップ１３の冷却孔１４および空気孔７ａから燃焼室８内へ導入される燃焼空気の流量も増加するため、窒素酸化物（NOx）の排出量を低減することが可能となる。
なお、ターンガイド１９の大きさ（設置範囲）や傾斜角θの値は、ガスタービン燃焼器の燃焼特性評価に基づいて決定するのが望ましい。
図６を参照して、実施例４のガスタービン燃焼器について説明する。図６は本実施例のガスタービン燃焼器の空気孔プレート外周部の構成を示す部分断面図であり、実施例３の図５に対応する図である。
本実施例のガスタービン燃焼器は、燃焼器ライナ９端部に燃焼空気４５の流れを整流するターンガイド１９を設けている点において、実施例３のガスタービン燃焼器と同様であるが、燃焼器ライナ９端部の空気流入孔１７を燃焼空気４５の流れ方向（つまり、ガスタービン燃焼器の軸方向）において複数、ここでは２つの空気流入孔１７ａ，１７ｂを設けている点において、実施例３のガスタービン燃焼器とは異なっている。その他の構成は、実施例３のガスタービン燃焼器と同様である。
空気流入孔を複数設けることで、実施例３と同様にターンガイド１９の効果に加え、さらに実施例２と同様に空気孔プレート６の外周部およびスワラリップ１３と、燃焼器ライナ９との間隙に、より効率良く冷却空気を導入することができる。
以上説明した各実施例のガスタービン燃焼器によれば、空気孔プレート外周部と下流に位置するライナ９を効果的に冷却することができ、空気孔プレート外周部のスワラリップやライナ９の変形や損傷を防止することが可能になり、ガスタービン燃焼器の信頼性が向上する。また、空気孔プレート外周側の空気孔にも十分に燃焼空気を供給することができるため、燃焼特性が向上し、窒素酸化物（NOx）の排出量を低減することができる。
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…ガスタービン燃焼器、３…ガスタービン、４…発電機、５…燃料ノズル、６…空気孔プレート、７，７ａ…空気孔、８…燃焼室、９…燃焼器ライナ、１０…燃焼器外筒、１１…燃焼器カバー、１２…スプリングシール、１３…スワラリップ、１４…冷却孔、１５…空気流入孔，１６…スリット、１７，１７ａ，１７ｂ…空気流入孔、１８…内筒短管、１９…ターンガイド、２０…ロータ、３９…メインバーナ、４５…燃焼器空気の流れ、４６…燃焼空気のリターンフロー、４７…スワラリップ冷却空気、１０１…ガスタービン吸い込み空気（大気圧）、１０２…圧縮空気、１０３…冷却空気、１０４…燃焼用空気、１０５…燃焼ガス、１０６…タービン排ガス、２０１…Ｆ１燃料供給系統、２０２…Ｆ２燃料供給系統、２１１…Ｆ１燃料遮断弁、２１２…Ｆ２燃料遮断弁、２２１…Ｆ１燃料流量制御弁、２２２…Ｆ２燃料流量制御弁、２３１…Ｆ１燃料ヘッダー、２３２…Ｆ２燃料ヘッダー。

Claims (9)

  1. ガスタービン燃焼器の燃焼室を構成する燃焼器ライナと、
    前記燃焼室に燃料を噴出する複数の燃料ノズルと、
    前記複数の燃料ノズルの燃料の流れ方向の下流側に設けられ、前記複数の燃料ノズルに対応する複数の空気孔を有する空気孔プレートを備えたガスタービン燃焼器であって、
    前記空気孔プレートの外周部に前記燃焼室側に突出して設けられたスワラリップと、
    前記燃焼器ライナと前記空気孔プレートおよび前記スワラリップとが嵌合する部分に設けられたスプリングシールと、を備え、
    前記スプリングシールは、前記空気孔プレートの外周部と前記燃焼器ライナとの間隙に導入した燃焼用空気の一部を通過させる空気孔を有し、
    前記スワラリップは、前記スプリングシールの空気孔を通過した燃焼用空気の一部を前記燃焼室内に導入する空気孔を有し、
    前記燃焼器ライナは、前記スプリングシールの空気孔に対向する位置に前記燃焼器ライナの外部から前記空気孔プレートの外周部と前記燃焼器ライナとの間隙に燃焼用空気の一部を導入する空気孔を有し、
    前記燃焼器ライナの前記空気孔プレートと嵌合する側の端部に、燃焼用空気の流れを整流するターンガイドが設けら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であって、
    前記ターンガイドは、前記燃焼器ライナの側面に沿って流れる燃焼用空気が前記空気孔プレートの径方向外側に向かって誘導されるよう傾斜を有して設けられることを特徴とするガスタービン燃焼器。
  3. 請求項１または２に記載のガスタービン燃焼器であって、
    前記燃焼器ライナの空気孔は、前記燃焼器ライナの軸方向において複数設けられることを特徴とするガスタービン燃焼器。
  4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器であって、
    前記燃焼器ライナの空気孔は、前記燃焼器ライナの周方向において複数設けられることを特徴とするガスタービン燃焼器。
  5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器であって、
    前記スプリングシールの空気孔は、前記スプリングシールの軸方向において複数設けられることを特徴とするガスタービン燃焼器。
  6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器であって、
    前記スプリングシールの空気孔は、前記スプリングシールの周方向において複数設けられることを特徴とするガスタービン燃焼器。
  7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器であって、
    前記スワラリップの空気孔は、前記スワラリップの軸方向において複数設けられることを特徴とするガスタービン燃焼器。
  8. 請求項１から７のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器であって、
    前記スワラリップの空気孔は、前記スワラリップの周方向において複数設けられることを特徴とするガスタービン燃焼器。
  9. 請求項１から８のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器であって、
    前記スワラリップの空気孔は、燃焼用空気の一部を前記燃焼室の下流側に向かって導入するよう傾斜して設けられることを特徴とするガスタービン燃焼器。
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