JP2007263538A - ガスタービンの燃焼器及び燃焼制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】昇速時や低負荷時においても、未燃分の発生を抑制しつつ安定した燃焼を確保する。
【解決手段】燃焼器１００には、内周側に、第１グループの区画流体通路Ｒ１−１〜Ｒ１−８と、第２グループの区画流体通路Ｒ１−９〜Ｒ１−１６があり、外周側に区画流体通路Ｒ２−１〜Ｒ２−２４があり、各区画流体通路から旋回空気流が噴出される。昇速時や低負荷時のように、この燃焼器１００に供給する総燃料量が少ないときには、第１グループの区画流体通路Ｒ１−１〜Ｒ１−８に対してのみ燃料噴射する。このように、燃料噴射領域を、内周側の位置の中で更に特定の位置に限定するため、総燃料量が少なくても、燃料と空気とが混合してなる燃料ガスの濃度は、リーンではあるが、可燃限界濃度よりも濃くなる。この結果、昇速時や低負荷時であっても、未燃分の発生を抑制することができると共に、安定した燃焼を確保することができる。
【選択図】図２

Description

本発明はガスタービンの燃焼器及び燃焼制御方法に関し、安定した燃焼を確保できると共に、未燃分の発生を抑制することができるようにしたものである。
特に、昇速時や低負荷時のように、燃焼器に供給する燃料の量が少ない運転時における、保炎性の向上と未燃分の発生の抑制を図るようにしたものである。

発電等に用いられるガスタービンは、圧縮機、燃焼器、タービンを主要部材として構成されている。ガスタービンは複数の燃焼器を有しているものが多く、圧縮機により圧縮された空気と、燃焼器に供給された燃料を混合させ、各々の燃焼器内で燃焼させて高温の燃焼ガスを発生させる。この高温の燃焼ガスをタービンへ供給してタービンの回転駆動をしている。

ここで従来のガスタービンの燃焼器の一例を、図１０を参照しつつ説明する。
図１０に示すように、ガスタービンの燃焼器１０は、燃焼器ケーシング１１に環状に複数個配置されている（図１０では１個のみ示している）。燃焼器ケーシング１１とガスタービンケーシング１２には圧縮空気が充満し、車室１３を形成する。
この車室１３には、圧縮機により圧縮された空気が導入される。導入された圧縮空気は、燃焼器１０の上流部に設けられた空気流入口１４から、燃焼器１０の内部に入る。燃焼器１０の内筒１５の内部では、燃料ノズル１６から供給された燃料と圧縮空気が混合されて燃焼する。燃焼によって生じた燃焼ガスは、尾筒１７を通ってタービン室側へ供給され、タービンロータを回転させる。

近年では環境規制が強化されており、ガスタービンの排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）の濃度を低減させるために種々の改良を施している。ＮＯｘ発生の低減を図ったガスタービン燃焼技術としては、いわゆるリッチ・リーン（Rich-lean）燃焼法が知られている。

このリッチ・リーン燃焼法では、第１の燃焼領域（例えば、図１０の例では、内筒１５の内部空間のうち中央部分の領域）においては、燃料過濃状態（リッチ状態）の燃焼を行わせ、第２の燃焼領域（例えば、図１０の例では、内筒１５の内部空間のうち周縁部分の領域）で燃料希薄状態（リーン状態）の燃焼を行わせる。この場合、燃焼器全体としての燃空比（リッチ状態とリーン状態を平均化した全体としての燃空比）は、ガスタービンの運転状態（負荷）に応じた値となるように制御している。このようなリッチ・リーン燃焼をした場合には、リッチ燃焼領域では完全拡散燃焼（空気との予混合が全く無い状態での燃焼）となっており、リーン燃焼領域では完全予混合燃焼となっている。

またリッチ・リーン燃焼法の他の例としては、特許文献１に示すものがある。特許文献１に示す技術では、複数の燃料ノズルを持つガスタービンの燃焼器を基礎としており、燃料ノズルを複数のグループに分け、各グループに供給する燃料流量を独自に制御している。そして、低負荷運転状態では一部のグループの燃料ノズルのみに燃料を供給している。これにより、全体として低い負荷範囲まで、低ＮＯｘ予混合燃焼を可能としていると共に、低負荷時の未燃分の発生を防止し、保炎性の向上も図っている。

一般的に知られているように、燃空比（当量比）とＮＯｘの発生量との関係は、図１１に示すようになっており、当量比φが１のあたりで多量のＮＯｘが発生し、リーン領域（φ＜１）やリッチ領域（φ＞１）ではＮＯｘの発生量は少なくなる。リッチ・リーン燃焼法では、ＮＯｘの発生量の少ないリーン領域（φ＜１）と、同じくＮＯｘの発生量の少ないリッチ領域（φ＞１）において燃焼を行うため、全体としてＮＯｘ発生量を抑制することができるのである。

特開平５−１９５８２２号公報 特開平８−２６１４６５号公報 特開平１１−１４０５５号公報 特開平７−１２３４０号公報

本願発明者は、１７００°Ｃ級の高圧力比（圧力比が２５以上）のガスタービンの開発を行っている。このような高圧力比のガスタービンでは、燃焼器に流入する空気温度が非常に高く（５００〜６００°Ｃ）、燃焼器からタービンに供給する燃焼ガスの温度は１７００°Ｃとなる。
なお従来のガスタービンでは、圧力比は２０〜２１程度であり、燃焼器に流入する空気温度は４５０°Ｃ程度であり、燃焼器からタービンに供給する燃焼ガスの温度は１５００°Ｃ程度である。

ガスタービンでは、燃焼器に供給する燃料の量は、負荷に応じて変化させている。つまり、図４（ｅ）に示すように、負荷が増加すると、燃焼器に供給する燃料量を増加させている。逆に言うと、昇速時（ガスタービンを停止しているときから、定格速度まで上昇させるとき）や、低負荷時には、燃焼器に供給する燃料量は少なくなる。

１７００°Ｃ級の高圧力比（圧力比が２５以上）のガスタービンでは、燃焼器の容量が大きいため、昇速時や軽負荷時において供給する燃料量を絞ると、燃料ガス（燃料と空気とが混合したもの）の濃度が、リーンになりすぎることがある。燃料ガスがリーンになりすぎると、保炎性が悪化するとともに、未燃分が大量に発生して燃焼効率が低下するおそれがあった。

本発明は、上記従来技術に鑑み、現在開発しつつある高圧力比のガスタービンであっても、安定した燃焼と未燃分の発生を抑制することができる、ガスタービンの燃焼器及び燃焼制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明のガスタービンの燃焼器の構成は、
内筒と尾筒とを接続してなるガスタービンの燃焼器において、
前記内筒の内部に、
前記内筒の中心軸に対して同心状に配置された円筒状の内側スワラーリングと、この内側スワラーリングの外周面に備えられた複数枚の内側スワラーベーンとでなる内側スワラーと、
前記内側スワラーベーンの外周側で、且つ、前記内側スワラーリングに対して同心状に配置された円筒状の外側スワラーリングと、この外側スワラーリングの外周面に備えられた複数枚の外側スワラーベーンとでなる外側スワラーとが配置されることにより、
前記内側スワラーリングと前記外側スワラーリングと複数枚の前記内側スワラーベーンとで区画されてなる内側の区画流体通路と、
前記外側スワラーリングと前記内筒と複数枚の前記外側スワラーベーンとで区画されてなる外側の区画流体通路とが形成され、
しかも、前記内側の区画流体通路を、周方向に順に並んだ複数の区画流体通路からなる第１グループと、周方向に順に並んだ複数の区画流体通路からなる第２グループに分けており、
前記内側スワラーベーンの翼面には、前記内側の区画流体通路に燃料を噴射する燃料噴射孔が形成され、
前記外側スワラーベーンの翼面には、前記外側の区画流体通路に燃料を噴射する燃料噴射孔が形成され、
前記内側のスワラーベーンに形成した前記燃料噴射孔のうち、前記内側の区画流体通路の中の第１グループのものに臨む燃料噴射孔に燃料を供給する第１の燃料供給手段と、
前記内側のスワラーベーンに形成した前記燃料噴射孔のうち、前記内側の区画流体通路の中の第２グループのものに臨む燃料噴射孔に燃料を供給する第２の燃料供給手段と、
前記外側のスワラーベーンに形成した前記燃料噴射孔に燃料を供給する第３の燃料供給手段とを有することを特徴とする。

また本発明のガスタービンの燃焼器の構成は、
前記内筒の後縁において、第１グループの区画流体通路と、第２グループの区画流体通路との境界部分に、流体の流出を阻止する閉塞部材を配置したり、
前記内側のスワラーベーンに形成した前記燃料噴射孔において、
前記内側の区画流体通路のうち第１グループの中で、且つ、第２グループの区画流体通路に隣接するものに臨む燃料噴射孔の孔径を、他の燃料噴射孔の孔径よりも大きくしていたり、
前記内側のスワラーベーンの後縁を平坦にし、この内側のスワラーベーンの後縁に燃料を噴射する燃料噴射孔を形成したことを特徴とする。

また本発明のガスタービンの燃焼制御方法は、上述したガスタービンの燃焼器において、
昇速時、並びに、負荷の増加に応じて順次、低負荷時、中負荷時、高負荷時、超高負荷時を予め設定しておき、
昇速時及び低負荷時には、第１の燃料供給手段により、前記内側の区画流体通路のうち第１グループのものに臨む燃料噴射孔からリーン状態となる燃料を噴射させ、
中負荷時には、第１の燃料供給手段により、前記内側の区画流体通路のうち第１グループのものに臨む燃料噴射孔からリーン状態となる燃料を噴射させると共に、第２の燃料供給手段により、前記内側の区画流体通路のうち第２グループのものに臨む燃料噴射孔からリーン状態となる燃料を噴射させ、
高負荷時には、第１の燃料供給手段により、前記内側の区画流体通路のうち第１グループのものに臨む燃料噴射孔からリーン状態となる燃料を噴射させると共に、第２の燃料供給手段により、前記内側の区画流体通路のうち第２グループのものに臨む燃料噴射孔からリーン状態となる燃料を噴射させ、更に、第３の燃料供給手段により、前記外側の区画流体通路に臨む燃料噴射孔からリーン状態となる燃料を噴射させ、
超高負荷時には、第１の燃料供給手段により、前記内側の区画流体通路のうち第１グループのものに臨む燃料噴射孔からリッチ状態となる燃料を噴射させると共に、第２の燃料供給手段により、前記内側の区画流体通路のうち第２グループのものに臨む燃料噴射孔からリッチ状態となる燃料を噴射させ、更に、第３の燃料供給手段により、前記外側の区画流体通路に臨む燃料噴射孔からリーン状態となる燃料を噴射させることを特徴とする。

本発明では、昇速時や低負荷時のように、燃焼器に供給する総燃料量が少ない状態においては、内側スワラーベーンの翼面に形成した燃料噴射孔のうち、第１グループの区画流体通路に臨むものからのみ、燃料を噴射するようにしたため、この限定した区域での燃料濃度は過剰に薄くなることはなく可燃限界濃度よりも濃くなる。したがって、このような昇速時や低負荷時であっても、未燃分の発生を抑制することができると共に、保炎性能が向上する。

また、第１グループの区画流体通路と、第２グループの区画流体通路との境界部分に、流体の流出を阻止する閉塞部材を配置することにより、保炎性能の更なる向上と、低負荷時における第１，第２グループ間の未燃分発生を低減することができる。

更に、内側のスワラーベーンに形成した前記燃料噴射孔において、内側の区画流体通路のうち第１グループの中で、且つ、第２グループの区画流体通路に隣接するものに臨む燃料噴射孔の孔径を、他の燃料噴射孔の孔径よりも大きくすることにより、低負荷時における未燃分の発生を更に抑制することができる。

以下に本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づき詳細に説明する。

本発明の実施例１に係るガスタービンの燃焼器１００を、縦断面図である図１及び正面図である図２を参照しつつ説明する。この実施例１に係る燃焼器１００は、新規に開発している１７００°Ｃ級の高圧力比（圧力比が２５以上）のガスタービンに適用するものである。

図１及び図２に示すように、内筒１１０の後縁は、接続リング１２０を介して、尾筒１３０の前縁に接続されている。

内筒１１０の内部には、内側スワラー１４０と、外側スワラー１５０が配置されている。即ち、内筒１１０の中心軸を中心として、内周側の内側スワラー１４０と、外周側の外側スワラー１５０とが、同心状に配置されている。この内側スワラー１４０と外側スワラー１５０により、二重スワラー２００が形成されている。

内側スワラー１４０のスワラーリング１４１は、円筒状をなし、内筒１１０の中心軸に対して同心状に配置されている。この円筒状のスワラーリング１４１の外周面には、多数枚（本例では１６枚）のスワラーベーン１４２が備えられている。スワラーベーン１４２は、スワラーリング１４１の外周面の周方向に沿う等間隔位置に配置されて、スワラーリング１４１の軸方向に伸びつつ湾曲した状態で設置されている。このスワラーベーン１４２は、内筒１１０の内部を流通する（図１では左側から右側に流通する）圧縮空気を旋回させて旋回空気流Ａ１１とする。

外側スワラー１５０のスワラーリング１５１は、円筒状をなし、スワラーベーン１４２の外周側で、且つ、スワラーリング１４１に対して同心状に配置されている。この円筒状のスワラーリング１５１の外周面には、多数枚（本例では２４枚）のスワラーベーン１５２が備えられている。スワラーベーン１５２は、スワラーリング１５１の外周面の周方向に沿う等間隔位置に配置されて、スワラーリング１５１の軸方向に伸びつつ湾曲した状態で設置されている。このスワラーベーン１５２は、内筒１１０の内部を流通する（図１では左側から右側に流通する）圧縮空気を旋回させて旋回空気流Ａ１２とする。

外側スワラー１５０のスワラーリング１５１は、周方向に離間して配置した複数の連結部材１６０を介して、内筒１１０の内周面に接続・固定されている。また、内側スワラー１４０のスワラーリング１４１は、周方向に離間して配置した複数の連結部材１６１を介して、スワラーリング１５１の内周面に接続・固定されている。

このような構成になっているため、内側のスワラーリング１４１の外周面と、外側のスワラーリング１５１の内周面との間に、流体通路Ｒ１が形成される。また外側のスワラーリング１５１の外周面と内筒１１０の内周面との間に、流体通路Ｒ２が形成される。

内筒１１０の内部空間には空気流入管１６２を介して圧縮空気Ａが供給される。この圧縮空気Ａは、図１において左側から右側に向かって流れ（空気流入管１６２の配置位置から尾筒１３０側に向かって流れ）、内筒１１０の中において、流体通路Ｒ１を流通する圧縮空気Ａ１と、流体通路Ｒ２を流通する圧縮空気Ａ２とに分かれて流通する。

流体通路Ｒ１を流通する圧縮空気Ａ１は、スワラーベーン１４２により旋回されて旋回空気流Ａ１１となって、内側スワラー１４０の後縁から吹き出される。
流体通路Ｒ２を流通する圧縮空気Ａ２は、スワラーベーン１５２により旋回されて旋回空気流Ａ１２となって、外側スワラー１５０の後縁から吹き出される。

なお、内側のスワラーリング１４１の外周面と外側のスワラーリング１５１の内周面との間に形成された流体通路Ｒ１は、周方向に沿う複数箇所で、スワラーベーン１４２により区画されている。この区画された個々の流体通路を、区画流体通路Ｒ１−１〜Ｒ１−８、Ｒ１−９〜Ｒ１−１６とする。
本実施例では、周方向に順に並んだ区画流体通路Ｒ１−１〜Ｒ１−８を、第１グループの区画流体通路と称し、周方向に順に並んだ区画流体通路Ｒ１−９〜Ｒ１−１６を、第２グループの区画流体通路と称する。
なお、周方向に順に並んだ区画流体通路からなる３以上のグループに区画分けすることもできる。

外側のスワラーリング１５１の外周面と、内筒１１０の内周面との間に形成された流体通路Ｒ２は、周方向に沿う複数箇所で、スワラーベーン１５２により区画されている。この区画された個々の流体通路を、区画流体通路Ｒ２−１〜Ｒ２−２４とする。

内側スワラー１４０のスワラーリング１４１の各翼面（翼腹面及び翼背面）のうち、第１グループの区画流体通路Ｒ１−１〜Ｒ１−８に臨むものには、燃料を噴射する第１グループの燃料噴射孔１７１が形成されている（図１参照）。この燃料噴射孔１７１は、第１グループの区画流体通路Ｒ１−１〜Ｒ１−８を流通してきた旋回空気流Ａ１１に向けて燃料を吹き出す。

また内側スワラー１４０のスワラーリング１４１の各翼面（翼腹面及び翼背面）のうち、第２のグループの区画流体通路Ｒ１−９〜Ｒ１−１６に臨むものには、燃料を噴射する第２グループの燃料噴射孔１７２が形成されている（図１参照）。この燃料噴射孔１７２は、第２グループの区画流体通路Ｒ１−９〜Ｒ１−１６を流通してきた旋回空気流Ａ１１に向けて燃料を吹き出す。

更に、外側スワラー１５０のスワラーリング１５１の各翼面（翼腹面及び翼背面）には、区画流体通路Ｒ２−１〜Ｒ２−２４に臨んだ状態で、燃料を噴射する第３グループの燃料噴射孔１７３が形成されている（図１参照）。この燃料噴射孔１７３は、区画流体通路Ｒ２−１〜Ｒ２−２４を流通してきた旋回空気流Ａ１２に向けて燃料を吹き出す。

第１グループの各燃料噴射孔１７１には、燃料供給配管Ｌ１を介して燃料が供給される。また第２グループの各燃料噴射孔１７２には、燃料供給配管Ｌ２を介して燃料が供給される。第３グループの燃料噴射孔１７３には燃料供給配管Ｌ３を介して燃料が供給される。

燃料供給配管Ｌ１には、遮断弁及び流量調整弁を備えた流量調整部１８１が介装されており、燃料供給配管Ｌ２には、遮断弁及び流量調整弁を備えた流量調整部１８２が介装されており、燃料供給配管Ｌ３には、遮断弁及び流量調整弁を備えた流量調整部１８３が介装されている。
各流量調整部１８１，１８２，１８３の開閉及び開度調整は、図示しない制御装置により行なわれる。

図３は、燃料供給系統を模式的に示すものである。図３において、１８４は燃料源であり、この燃料源１８４から燃料が圧送される。

次に、上記構成となっている燃焼器１００における、燃焼制御方法について説明する。
先に、この燃焼制御方法に関する特性図を説明する。
なお各特性において、本例では、低負荷とは負荷が０％から約２０％、中負荷とは負荷が約２０％から約５０％、高負荷とは負荷が約５０％から約８０％、超高負荷とは負荷が約８０％から１００％となっている状態のことを意味する。

図４（ａ）は、この燃焼器１００を備えたガスタービンにおける、回転速度と負荷との関係を示す特性である。ガスタービンの定格回転速度は、本例では、３６００ｒｐｍである。
図４（ｂ）は、燃焼器１００の燃料供給配管Ｌ１を介して供給されて、第１グループの燃料噴射孔１７１から噴射される燃料量と、負荷との関係を示す特性である。
図４（ｃ）は、燃焼器１００の燃料供給配管Ｌ２を介して供給されて、第２グループの燃料噴射孔１７２から噴射される燃料量と、負荷との関係を示す特性である。
図４（ｄ）は、燃焼器１００の燃料供給配管Ｌ３を介して供給されて、第３グループの燃料噴射孔１７３から噴射される燃料量と、負荷との関係を示す特性である。
図４（ｅ）は、燃料供給配管Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を介して、この燃焼器１００に供給される総燃料量と、負荷との関係を示す特性である。図４（ｅ）に示すように、負荷の増加に応じて、総燃料量が直線的に増加する。図４（ｅ）に示す総燃料量は、図４（ｂ）〜図４（ｄ）に示す第１グループ〜第４グループの燃料量を合計した量である。

図５（ａ）は、燃焼器１００を備えたガスタービンの車室内の圧力と負荷との関係を示す特性である。タービンの車室内の圧力は、負荷の増加に応じてほぼ直線的に増加する。
図５（ｂ）は、燃焼器の出口温度と負荷との関係を示す特性である。負荷が約８０％のときには、燃焼器１００から出て行く燃焼ガスの温度は１５００°Ｃであり、負荷が１００％のときには、燃焼器１００から出て行く燃焼ガスの温度は１７００°Ｃである。

次に昇速状態から超高負荷状態に至る各状態での燃焼制御方法を説明する。

図４に示すように、昇速時から低負荷時では、流量調整部１８１の流量調整をすることにより、負荷に応じた量の燃料を、燃料供給配管Ｌ１を介して第１グループの燃料噴射孔１７１に供給し、この第１グループの燃料噴射孔１７１から噴射させる。
このとき、燃料調整部１８２，１８３を閉じ、第２，第３グループの燃料噴射孔１７２，１７３からの燃料噴射はしない。

このため第１グループの区画流体通路Ｒ１−１〜Ｒ１−８を流通してきた旋回空気流Ａ１１にのみ燃料が噴射され、区画流体通路Ｒ１−１〜Ｒ１−８を流通してきた旋回空気流Ａ１１と噴射された燃料が混合して燃料ガスとなり、この燃料ガスが燃焼する。

区画流体通路Ｒ１−１〜Ｒ１−８を流通してきた旋回空気流Ａ１１と噴射された燃料が混合してなる燃料ガスは、リーンではあるが、可燃限界濃度（または「着火限界濃度」）よりも濃い。ちなみに、可燃限界濃度（または「着火限界濃度」）とは、これよりも濃度が薄いと燃焼（または着火）できない限度の燃料ガスの濃度（薄さ）を示すものである。

このように、昇速時及び低負荷時には、噴射する総燃料量は少ないが、第１グループの区画流体通路Ｒ１−１〜Ｒ１−８を流通してきた旋回空気流Ａ１１のみに、この燃料を噴射するため、生成される燃料ガスは、リーンではあるが、可燃限界濃度よりも濃くなる結果、保炎性が確保できると共に、未燃分の発生が極めて少なくなる。

このように、燃焼器１００に供給する総燃料量が少ない、昇速時や低負荷時であっても、噴射する領域を、内側の流体通路Ｒ１のうちの一部（つまり区画流体通路Ｒ１−１〜Ｒ１−８）に限定することにより、保炎性能の確保と未燃分発生の抑制ができることが、本例の技術的ポイントの１つである。

なお、仮に、昇速時及び低負荷時において、内側の流体通路Ｒ１のすべて（即ち、第１グループの区画流体通路Ｒ１−１〜Ｒ１−８のみならず、第２グループの区画流体通路Ｒ１−９〜Ｒ１−１８にも）、燃料を噴射したとすると、生成される燃料ガスの濃度が可燃限界濃度よりも薄くなってしまい、燃焼振動が発生したり未燃分が発生したりするおそれがある。

中負荷時では、流量調整部１８１及び流量調整部１８２の流量調整をすることにより、負荷に応じた量の燃料を、燃料供給配管Ｌ１及燃料供給配管Ｌ２を介して第１グループの燃料噴射孔１７１及び第２グループの燃料噴射孔１７２に供給し、この第１グループの燃料噴射孔１７１及び第２グループの燃料噴射孔１７２から噴射させる。
このとき、燃料調整部１８３を閉じ、第３グループの燃料噴射孔１７３からの燃料噴射はしない。

このため第１，第２グループの区画流体通路Ｒ１−１〜Ｒ１−８，Ｒ１−９〜Ｒ１−１６を流通してきた旋回空気流Ａ１１に燃料が噴射され、区画流体通路Ｒ１−１〜Ｒ１−８，Ｒ１−９〜Ｒ１−１６を流通してきた旋回空気流Ａ１１と噴射された燃料が混合して燃料ガスとなり、この燃料ガスが燃焼する。

区画流体通路Ｒ１−１〜Ｒ１−８，Ｒ１−９〜Ｒ１−１６を流通してきた旋回空気流Ａ１１と噴射された燃料が混合してなる燃料ガスは、リーンではあるが、可燃限界濃度（または「着火限界濃度」）よりも濃い。よって良好な燃焼ができる。

高負荷時では、流量調整部１８１及び流量調整部１８２、更には流量調整部１８３の流量調整をすることにより、負荷に応じた量の燃料を、３本の燃料供給配管Ｌ１〜Ｌ３を介して、第１グループの燃料噴射孔１７１及び第２グループの燃料噴射孔１７２、更には第３グループの燃料噴射孔１７３に供給し、この第１〜第３グループの燃料噴射孔１７１，１７２，１７３から噴射させる。

このため第１，第２グループの区画流体通路Ｒ１−１〜Ｒ１−８，Ｒ１−９〜Ｒ１−１６を流通してきた旋回空気流Ａ１１のみならず、第３グループの区画流体通路Ｒ２−１〜Ｒ２−２４を流通してきた旋回空気流Ａ１２にも燃料が噴射され、区画流体通路Ｒ１−１〜Ｒ１−８，Ｒ１−９〜Ｒ１−１６，Ｒ２−１〜Ｒ２−２４を流通してきた旋回空気流Ａ１１，Ａ１２と噴射された燃料が混合して燃料ガスとなり、この燃料ガスが燃焼する。

区画流体通路Ｒ１−１〜Ｒ１−８，Ｒ１−９〜Ｒ１−１６，Ｒ２−１〜Ｒ２−２４を流通してきた旋回空気流Ａ１１、Ａ１２と噴射された燃料が混合してなる燃料ガスは、リーンではあるが、可燃限界濃度（または「着火限界濃度」）よりも濃い。よって良好な燃焼ができる。

超高負荷時では、図５に示すように、車室内の圧力が高くなり、また、燃焼器出口温度が１５００°Ｃを越える。この超高負荷時には、流量調整部１８１及び流量調整部１８２、更には流量調整部１８３の流量調整をすることにより、負荷に応じた量の燃料を、３本の燃料供給配管Ｌ１〜Ｌ３を介して、第１グループの燃料噴射孔１７１及び第２グループの燃料噴射孔１７２、更には第３グループの燃料噴射孔１７３に供給し、この第１〜第３グループの燃料噴射孔１７１，１７２，１７３から噴射させる。

このため第１，第２グループの区画流体通路Ｒ１−１〜Ｒ１−８，Ｒ１−９〜Ｒ１−１６を流通してきた旋回空気流Ａ１１のみならず、第３グループの区画流体通路Ｒ２−１〜Ｒ２−２４を流通してきた旋回空気流Ａ１２にも燃料が噴射され、区画流体通路Ｒ１−１〜Ｒ１−８，Ｒ１−９〜Ｒ１−１６，Ｒ２−１〜Ｒ２−２４を流通してきた旋回空気流Ａ１１，Ａ１２と噴射された燃料が混合して燃料ガスとなり、この燃料ガスが燃焼する。

しかも、流量調整部１８１〜１８３による流量調整をすることにより、内周側の区画流体通路Ｒ１−１〜Ｒ１−８，Ｒ１−９〜Ｒ１−１６から出てくる燃料ガスをリッチとし、外周側の区画流体通路Ｒ２−１〜Ｒ２−２４から出てくる燃料ガスをリーンとするように、噴射燃料量を調整している。
したがって、内周側（中央側）でリッチ燃焼となり、外周側でリーン燃焼となり、いわば、リッチ・リーン燃焼ができる。従ってＮＯｘの逓減を図りつつ、保炎性を確保することができる。

次に本発明の実施例２に係るガスタービンの燃焼器１００Ａについて、正面図である図６を参照しつつ説明する。

実施例２の燃焼器１００Ａでは、区画流体通路Ｒ１−８と区画流体通路Ｒ１−１６の後端縁に、この区画流体通路Ｒ１−８，Ｒ１−１６の流通面積を狭める閉塞部材Ｈを備えている。
換言すると、内筒１１０の後縁において、第１グループの区画流体通路Ｒ１−１〜Ｒ１−８と、第２グループの区画流体通路Ｒ１−９〜Ｒ１−１６との境界部分に、流体の流出を阻止する閉塞部材Ｈを配置した。

したがって、第１グループの区画流体通路Ｒ１−１〜Ｒ１−７から出てきた旋回空気流Ａ１１と、第２グループの区画流体通路Ｒ１−９〜Ｒ１−１５から出てきた旋回空気流Ａ１２は、閉塞部材Ｈがあるため、内筒１１０の後端（空気の流れ方向に沿う下流側の端部）の近傍では、混合することはなく、内筒１１０の後端から一定距離離れてから混合する。

他の部分の構成や、燃焼制御方法は、実施例１と同様である。

この実施例２では、昇速時や低負荷時において、第１グループの区画流体通路Ｒ１−１〜Ｒ１−７から出てきた燃料ガスと、第２グループの区画流体通路Ｒ１−９〜Ｒ１−１５から出てきた旋回空気流は、閉塞部材Ｈがあるため内筒１１０の後端の近傍では混合することはなく、第１グループの区画流体通路Ｒ１−１〜Ｒ１−７から出てきた燃料ガスは、第２グループの区画流体通路Ｒ１−９〜Ｒ１−１５から出てきた旋回空気流により薄められることなく、可燃限界濃度以上の濃度で燃焼することができる。
このため、未燃分の発生をより効果的に抑制することができる。

また閉塞部材Ｈの後端の近傍では、空気の流れ速度が遅くて渦が巻くため、この部分で火炎が保持されて保炎性が向上するという効果も奏する。

なお、区画流体通路Ｒ１と区画流体通路Ｒ１６との間に位置するスワラーベーン１４２の翼厚と、区画流体通路Ｒ８と区画流体通路Ｒ９との間に位置するスワラーベーン１４２の翼厚を、厚くすることにより、この厚くしたスワラーベーン１４２を閉塞部材として機能させることもできる。

次に本発明の実施例３に係るガスタービンの燃焼器１００Ｂについて、縦断面図である図７を参照しつつ説明する。この実施例３は、基本構成と、燃焼制御方法は、実施例１と同様である。

実施例３では、第１の燃料噴射孔１７１のうち、区画流体通路Ｒ１−１と区画流体通路Ｒ１−８に臨む燃料噴射孔１７１の孔径を大きくしている。つまり、第１グループの区画流体通路Ｒ１−１〜Ｒ１−８のうち、第２グループの区画流体通路Ｒ１−９〜Ｒ１−１６に隣接する区画流体通路Ｒ１−１，Ｒ１−８に臨む燃料噴射孔１７１の孔径を大きくしている。

従って、第１グループにおいては、区画流体通路Ｒ１−１，Ｒ１−８から出てくる燃料ガスの濃度は、区画流体通路Ｒ１−２〜Ｒ１−７から出てくる燃料ガスの濃度よりも濃くなる。

従って、昇速時や低負荷時において、区画流体通路Ｒ１−１と区画流体通路Ｒ１−８から出てきた比較的濃度が高くなっている燃料ガスと、第２グループの区画流体通路Ｒ１−９〜Ｒ１−１６から出てきた旋回空気流とが混合したとしても、このようにして混合した燃料ガスは、可燃限界濃度以上の濃度に維持でき、未燃分の発生なく良好な燃焼をすることができる。

なお、図８（ａ）の実線の特性は、周方向に関して第１の区画流体通路Ｒ１−１〜Ｒ１−８と第２の区画流体通路Ｒ１−９〜Ｒ１−１６との境界位置で、且つ、空気の流れ方向に関して内筒１１０の直下位置（上流側位置α）における、実施例３における燃料ガスの濃度を示している。ハッチングの面積は未燃分の発生量を示している。
図８（ａ）の点線の特性は、周方向に関して第１の区画流体通路Ｒ１−１〜Ｒ１−８と第２の区画流体通路Ｒ１−９〜Ｒ１−１６との境界位置で、且つ、空気の流れ方向に関して内筒１１０から離れた位置（下流側位置β）における、実施例３における燃料ガスの濃度を示している。ハッチングの面積は未燃分の発生量を示している。

ちなみに、図８（ｂ）は全ての燃料噴射孔１７１の孔径を等しくしたときの、同様な特性を示している。

図８（ａ）と図８（ｂ）を比べれば、実施例３において、未燃分の発生量がより効果的に抑制できていることが分かる。

上述した実施例１〜実施例３では、明記はしなかったが、図９（ａ）に示すように、内側スワラー１４０のスワラーベーン１４２は、翼厚が、後縁部になるにつれて細く絞った形状になっているが、実施例４では、図９（ｂ）に示すように、内側スワラー１４０のスワラーベーン１４２の翼後縁を平坦にした。
しかも、スワラーベーン１４２の平坦面にした翼後縁には、昇速時及び低負荷時にのみ燃料を噴射する燃料噴射孔１７１ａを設けた。この燃料噴射孔１７１ａには、燃料供給配管Ｌ１を介して燃料が供給される。

実施例３では、昇速時及び低負荷時に燃料噴射孔１７１ａから燃料が噴射され、この噴射された高濃度の燃料が燃焼して形成された噴流火炎が、燃焼器１００の後縁に近づく。このため、昇速時や低負荷時における燃料希薄による保炎不良や、未燃分の増加を、より効果的に抑制することができる。

またスワラーベーン１４２ａの後縁部が平坦になっているため、この後縁部の直下の下流領域が低流速領域となり、噴流火炎の保炎性を向上させる効果がある。

本発明の実施例１に係る燃焼器を示す縦断面図である。 本発明の実施例１に係る燃焼器を示す正面図である。 実施例１における燃料供給系統を示す模式図である。 実施例１における、燃料制御特性を示す特性図である。 実施例１における圧力，温度特性を示す特性図である。 本発明の実施例２に係る燃焼器を示す正面図である。 本発明の実施例３に係る燃焼器を示す縦断面図である。 本発明の実施例３に係る燃焼器の燃料噴射特性を示す特性図である。 本発明の実施例４に係る燃焼器の要部を示す斜視図である。 従来の燃焼器を示す構成図である。 当量比とＮＯｘ発生量との関係を示す特性図である。

符号の説明

１０ 燃焼器
１１ 燃焼器ケーシング
１２ ガスタービンケーシング
１３ 車室
１４ 空気流入口
１５ 内筒
１６ 燃料ノズル
１７ 尾筒
１００ 燃焼器
１１０ 内筒
１２０ 接続リング
１３０ 尾筒
１４０ 内側スワラー
１５０ 外側スワラー
１４１，１５１ スワラーリング
１４２，１５２ スワラーベーン
１６０，１６１ 連結部材
１６２ 空気流入管
１７１，１７１ａ，１７２，１７３ 噴射孔
２００ 二重スワラー
Ａ，Ａ１，Ａ２ 圧縮空気
Ａ１１，Ａ１２ 旋回空気流
Ｒ１，Ｒ２ 流体通路
Ｒ１−１〜Ｒ１−１６，Ｒ２−１〜Ｒ２−２４ 区画流体通路

Claims (5)

1. 内筒と尾筒とを接続してなるガスタービンの燃焼器において、
   前記内筒の内部に、
   前記内筒の中心軸に対して同心状に配置された円筒状の内側スワラーリングと、この内側スワラーリングの外周面に備えられた複数枚の内側スワラーベーンとでなる内側スワラーと、
   前記内側スワラーベーンの外周側で、且つ、前記内側スワラーリングに対して同心状に配置された円筒状の外側スワラーリングと、この外側スワラーリングの外周面に備えられた複数枚の外側スワラーベーンとでなる外側スワラーとが配置されることにより、
   前記内側スワラーリングと前記外側スワラーリングと複数枚の前記内側スワラーベーンとで区画されてなる内側の区画流体通路と、
   前記外側スワラーリングと前記内筒と複数枚の前記外側スワラーベーンとで区画されてなる外側の区画流体通路とが形成され、
   しかも、前記内側の区画流体通路を、周方向に順に並んだ複数の区画流体通路からなる第１グループと、周方向に順に並んだ複数の区画流体通路からなる第２グループに分けており、
   前記内側スワラーベーンの翼面には、前記内側の区画流体通路に燃料を噴射する燃料噴射孔が形成され、
   前記外側スワラーベーンの翼面には、前記外側の区画流体通路に燃料を噴射する燃料噴射孔が形成され、
   前記内側のスワラーベーンに形成した前記燃料噴射孔のうち、前記内側の区画流体通路の中の第１グループのものに臨む燃料噴射孔に燃料を供給する第１の燃料供給手段と、
   前記内側のスワラーベーンに形成した前記燃料噴射孔のうち、前記内側の区画流体通路の中の第２グループのものに臨む燃料噴射孔に燃料を供給する第２の燃料供給手段と、
   前記外側のスワラーベーンに形成した前記燃料噴射孔に燃料を供給する第３の燃料供給手段とを有することを特徴とするガスタービンの燃焼器。
2. 前記内筒の後縁において、第１グループの区画流体通路と、第２グループの区画流体通路との境界部分に、流体の流出を阻止する閉塞部材を配置したことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンの燃焼器。
3. 前記内側のスワラーベーンに形成した前記燃料噴射孔において、
   前記内側の区画流体通路のうち第１グループの中で、且つ、第２グループの区画流体通路に隣接するものに臨む燃料噴射孔の孔径を、他の燃料噴射孔の孔径よりも大きくしていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンの燃焼器。
4. 前記内側のスワラーベーンの後縁を平坦にし、この内側のスワラーベーンの後縁に燃料を噴射する燃料噴射孔を形成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のガスタービンの燃焼器。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載のガスタービンの燃焼器において、
   昇速時、並びに、負荷の増加に応じて順次、低負荷時、中負荷時、高負荷時、超高負荷時を予め設定しておき、
   昇速時及び低負荷時には、第１の燃料供給手段により、前記内側の区画流体通路のうち第１グループのものに臨む燃料噴射孔からリーン状態となる燃料を噴射させ、
   中負荷時には、第１の燃料供給手段により、前記内側の区画流体通路のうち第１グループのものに臨む燃料噴射孔からリーン状態となる燃料を噴射させると共に、第２の燃料供給手段により、前記内側の区画流体通路のうち第２グループのものに臨む燃料噴射孔からリーン状態となる燃料を噴射させ、
   高負荷時には、第１の燃料供給手段により、前記内側の区画流体通路のうち第１グループのものに臨む燃料噴射孔からリーン状態となる燃料を噴射させると共に、第２の燃料供給手段により、前記内側の区画流体通路のうち第２グループのものに臨む燃料噴射孔からリーン状態となる燃料を噴射させ、更に、第３の燃料供給手段により、前記外側の区画流体通路に臨む燃料噴射孔からリーン状態となる燃料を噴射させ、
   超高負荷時には、第１の燃料供給手段により、前記内側の区画流体通路のうち第１グループのものに臨む燃料噴射孔からリッチ状態となる燃料を噴射させると共に、第２の燃料供給手段により、前記内側の区画流体通路のうち第２グループのものに臨む燃料噴射孔からリッチ状態となる燃料を噴射させ、更に、第３の燃料供給手段により、前記外側の区画流体通路に臨む燃料噴射孔からリーン状態となる燃料を噴射させることを特徴とするガスタービンの燃焼制御方法。
   
   
   

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