JP2009014324A

JP2009014324A - 燃焼装置及びガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JP2009014324A
Application number: JP2007179832A
Authority: JP
Inventors: Takeo Saito; 武雄齋藤; Keisuke Miura; 圭祐三浦; Kazuhito Koyama; 一仁小山; Hiroshi Inoue; 洋井上
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-07-09
Filing date: 2007-07-09
Publication date: 2009-01-22
Anticipated expiration: 2027-07-09
Also published as: JP4854613B2

Abstract

【課題】本発明の目的は、燃料と空気とを同軸に噴流させる燃料と空気との混合度を大幅に高めてＮＯｘ排出量を低減させた燃焼装置を提供する。
【解決手段】本発明の燃焼装置は、燃料噴射ノズルと、燃料と一次空気が混合した第一の混合気を噴出する混合気噴射ノズルと、第一の混合気と二次空気が混合した第二の混合気を噴出する空気孔を設けた空気孔プレートと、燃料と空気の混合気を燃焼させる燃焼室とを備え、前記混合気噴射ノズルはその中心軸が前記燃料噴射ノズルの中心軸と同軸上に配置して該燃料噴射ノズルからの燃料の噴流の周囲を一次空気で包み込んで混合気噴射ノズルに導入させ、前記空気孔プレートに設けた空気孔はその中心軸が前記混合気噴射ノズルの中心軸と同軸上に配置して混合気噴射ノズルからの第一の混合気の周囲を二次空気で包み込んでこの空気孔に導入させ、前記空気孔から燃焼室に前記第二の混合気を噴出させて燃焼させるように構成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料と空気を複数の同軸噴流として燃焼室に供給して燃焼させる燃焼装置及びガスタービン燃焼器に係り、燃料と空気の混合を促進して窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を低減する燃焼装置及びガスタービン燃焼器に関する。

近年、大気汚染物質の排出に関する規制は厳しくなってきており、燃焼装置、特に発電設備として使用されるガスタービン燃焼器においては、ガスタービン燃焼器から排出される排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を低減させる様々な燃焼方式が研究されている。

特開２００３−１４８７３４号公報には燃料と空気とを同軸の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に関するガスタービン燃焼器に関する技術が開示されており、従来の予混合燃焼方式と比較して非常に短い距離で効果的に燃料と空気の混合を促進させて、ＮＯｘの排出量を低く抑えることが可能である。

特開２００３−１４８７３４号公報

前記の特開２００３−１４８７３４号公報に記載された同軸噴流方式のガスタービン燃焼器の技術では、燃料と空気との急速混合が可能であるためＮＯｘ排出量を低く抑える事が出来る。

しかしながら、地球環境的な観点からガスタービン燃焼器から排出されるＮＯｘ排出量の環境規制値は年々厳しくなってきており、将来的には現在よりも更なるＮＯｘ排出量の低減が望まれている。

ここでＮＯｘ生成量はガスタービン燃焼器の燃焼室内に形勢される火炎の温度に大きく依存しており、火炎温度の上昇に伴なってＮＯｘ排出量は指数関数的に増大する。

このため、燃料と空気とを同軸の噴流として燃焼室に供給して燃焼させる同軸噴流方式を使用したとしても、燃料と空気とが良く混合されていない場合には、燃料と空気の予混合気内で局所的に燃料濃度が濃い領域が形成されることになる。

その結果、局所的に燃料濃度が濃い領域を形成した予混合気を燃焼させた場合に局所的に火炎温度が高くなってＮＯｘの排出量が増加するので、上記したガスタービン燃焼器の技術ではＮＯｘ排出量を更に低減させることは困難であった。

本発明の目的は、燃料と空気とを同軸の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ものにおいて、同軸に噴出させる燃料と空気とを均一に混合させて両者の混合度を高め、ＮＯｘ排出量の大幅な低減を可能にした燃焼装置及びガスタービン燃焼器を提供することにある。

本発明の燃焼装置は、燃料を噴出する複数の燃料噴射ノズルと、前記燃料噴射ノズルの

下流部に配置されて該燃料と一次空気が混合した第一の混合気を噴出する複数の混合気噴射ノズルと、前記混合気噴射ノズルの下流側に配置されて該第一の混合気と二次空気が混合した第二の混合気を噴出する複数の空気孔を設けた空気孔プレートと、前記空気孔プレートに設けた空気孔の下流側に配置されて燃料と空気の混合気を燃焼させる燃焼室とを備え、前記混合気噴射ノズルはその中心軸が前記燃料噴射ノズルの中心軸と同軸上に配置して該燃料噴射ノズルから噴出される燃料の噴流の周囲を一次空気で包み込むようにしてこの混合気噴射ノズルに導入させ、前記空気孔プレートに設けた空気孔はその中心軸が前記混合気噴射ノズルの中心軸と同軸上に配置して該混合気噴射ノズルから噴出される前記第一の混合気の周囲を二次空気で包み込むようにしてこの空気孔に導入させ、前記空気孔から燃焼室に前記第二の混合気を噴出させて燃焼させるように構成したことを特徴とする。

本発明によれば、燃料と空気とを同軸の噴流として燃焼室に供給して燃焼させる同軸噴

流燃焼方式のものにおいて、同軸に噴出させる燃料と空気とを均一に混合させて両者の混合度を高め、ＮＯｘ排出量の大幅な低減を可能にした燃焼装置及びガスタービン燃焼器が実現できる。

本発明の実施例である燃焼装置として、ガスタービン燃焼器に適用した場合について図面を参照して以下に説明する。

本発明の一実施例である燃焼装置として、ガスタービン燃焼器に適用した実施例について図１を用いて説明する。

図１は燃料と空気との同軸噴流燃焼方式を適用した本発明の一実施例であるガスタービン燃焼器を備えたガスタービン発電装置の全体概略図である。

図１においてガスタービン発電装置を構成する主要機器として、空気を圧縮する圧縮機１１０と、この圧縮機１１０で圧縮された高圧空気と燃料とを同軸噴流にして燃焼室に供給し燃焼させるガスタービン燃焼器１と、このガスタービン燃焼器１で燃焼して発生した高温の燃焼ガスによって駆動されるタービン２００と、このタービン２００の駆動によって回転して発電する発電機２１０が備えられている。

空気圧縮機１１０は大気を圧縮して高圧空気１２０を生成し、この高圧空気１２０はディフューザ１３０を経由して車室１４０に導入される。

この高圧空気１２０は、更に尾筒１５０と尾筒１５０の外周に設置された尾筒フロースリーブ１５１との間に形成された流路を経由して、ガスタービン燃焼器１を構成するライナ１６０とライナ１６０の外周に同心円状に配置された外筒１６１との間に形成された流路に流入する。

そして前記高圧空気１２０は前記流路の下流側で流れの方向を反転させ、空気孔プレート３１に設けられた空気孔３０から燃焼室１９０の内部に導入される。

一方、ガスタービン燃焼器１に燃料４０を供給する燃料系統１８０には燃料ポンプ１８１と流量調節弁１８２が設置されており、この燃料ポンプ１８１で昇圧されて流量調節弁１８２によって流量を調節された燃料４０が、ガスタービン燃焼器１の内部に設置された燃料噴射ノズル１０から噴出される。

燃料噴射ノズル１０と空気孔３０付近の構造は、図２で説明する。

空気孔３０から噴出した混合気は、ライナ１６０の内部に形成するガスタービン燃焼器１の燃焼室１９０内に空気孔１７２３０から供給されて燃焼し、燃焼室１９０内で火炎を形成して高温高圧の燃焼ガス１９１を生成する。

このようにガスタービン燃焼器１の燃焼室１９０で生成された高温高圧の燃焼ガス１９１は尾筒１５０の内部を流下してタービン２００に駆動流体として導入される。

タービン２００では、高温高圧の燃焼ガス１９１が断熱膨張する際に発生する仕事量を軸回転力に転換することにより、発電機２１０を駆動して電気出力を得ている。

圧縮機１１０と発電機２１０は、タービン２００と共通の１本のロータ軸で互いに連結された１軸の構造となっている。

但し、圧縮機１１０とタービン２００とを連結するロータ軸と、タービン２００と発電機２１０とを連結するロータ軸とが別軸となる２軸の構造であってもよい。

また、図１に示した燃料系統１８０では１つの系統として示されているが、燃料系統１８０が複数の系統に分かれてガスタービン燃焼器に備えられた複数の燃料ヘッダに供給する構成のマルチバーナ構造のガスタービン燃焼器であっても良い。

また一般に火力発電所等で広く使用されているガスタービン発電装置では、ロータ軸の周りにガスタービン燃焼器が放射状に複数缶配列された構造となっている。

次に図２を用いて図１に示したガスタービン発電装置に適用されている本発明の実施例であるガスタービン燃焼器１の部分構造について説明する。

図２（ａ）は、ガスタービン燃焼器１に設置された燃料噴射ノズル１０と混合気噴射ノズル２０及び空気孔３０の周辺部分を拡大した部分断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ方向の矢視図である。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示されたガスタービン燃焼器１の内部には、ノズル外筒２の内側に、燃料４０を噴射する複数の燃料噴射ノズル１０を備えた燃料ヘッダ１１と、この燃料ヘッダ１１の下流側に設置されて、前記燃料噴射ノズル１０から噴射された燃料４０と一次空気４１とを同軸状にして噴射する複数の混合気噴射ノズル２０を備えた混合気ヘッダ２１とを備える。

また、この混合気ヘッダ２１の下流側に設置されて複数の空気孔３０を備えると共に燃焼室１９０に面して配置された空気孔プレート３１と、この空気孔プレート３１の空気孔３０から噴射された燃料と空気との混合気を燃焼させる燃焼室１９０をその内側に形成する円筒形状のライナ１６０とを備える。

そして、前記燃料噴射ノズル１０、混合気噴射ノズル２０、及び空気孔３０の各中心軸は同軸線上に位置するようにそれぞれ配列されている。

燃料４０は燃料ヘッダ１１に複数個設置された燃料噴射ノズル１０から、同じく複数個設置された混合気噴射ノズル２０の孔の中心に向かって同軸方向に燃料の噴流としてそれぞれ噴射される。

これらの複数の燃料噴射ノズル１０からそれぞれ噴射された燃料４０の噴流は、燃料４０の周囲を包み込むようにして混合気噴射ノズル２０の孔に供給される一次空気４１と共に混合気噴射ノズル２０の孔の内部に供給されて燃料と空気との同軸噴流を形成するので、前記混合気噴射ノズル２０の孔の内部にて燃料と空気とが混合した同軸噴流の混合気が形成される。

前記混合気噴射ノズル２０の孔の内部にて形成された燃料と空気とが混合した同軸噴流の混合気は、混合気噴射ノズル２０の孔から下流側に噴出される。

混合気は、混合気噴射ノズル２０の出口から下流側に噴出された際に同軸噴流の混合気の流れが急拡大するので、混合気の流れに乱れが発生し、燃料４０と一次空気４１との混合が促進される。

更に空気孔プレート３１に設けた空気孔３０の中心に向かって噴出された前記燃料４０と一次空気４１との混合気は、その混合気を周囲から包み込むようにして供給される二次空気４２と共に空気孔３０に導入されて前記混合気と二次空気４２との同軸噴流を形成する。

この空気孔３０の孔内で、前記燃料４０と一次空気４１との混合気は二次空気４２によって更に混合されて希薄な混合気となる。

そして、この更に混合された希薄な混合気は空気孔３０の孔の出口から下流側の燃焼室内１９０に噴出される。

希薄な混合気は、燃焼室１９０内に噴出された際に流れが急拡大するので、前記希薄な混合気の流れに乱れが発生する。

この結果、希薄な混合気と二次空気４２との混合が更に促進されて希薄で均一な混合気が形成されることになる。

そして、前記燃焼室１９０に導入された同軸噴流の希薄で均一な予混合気はこの燃焼室１９０内で燃焼する。

この希薄で均一な予混合気では局所的に燃料濃度が濃い領域の生成が抑制されていることから、燃焼させた場合にも局所的な高温場を発生させることなく燃焼室１９０内に良好な火炎を形成して均一な高温高圧の燃焼ガス１９１を生成させることが出来る。

本実施例の燃焼装置における同軸噴流混合気の混合度を可視化試験により計測した結果を図８に示す。

図８に示す燃焼装置における同軸噴流混合度の可視化試験では、燃料４０を噴射する燃料噴射ノズル１０の軸心と、空気を流入させる空気孔３０の中心軸とが同軸となる同軸状に配置して、燃料噴射ノズル１０から燃料４０の噴流を空気孔３０に供給して前記空気孔３０の孔の内部にて燃料と空気とが混合した同軸噴流の混合気を形成する場合の組み合せによる同軸噴流混合気の燃料濃度の試験結果である。

図８において、グラフ横軸の数値は空気孔３０の空気孔入口から空気孔出口の下流方向に向かう距離（以降、Ｘと表記）を空気孔３０の内径（以降、φＤと表記）で割った値であり、縦軸は前記空気孔入口から空気孔出口に至る空気孔３０の各断面に於ける燃料と空気とが混合した混合気の混合度を示す最大燃料濃度値を標準化して示したものである。

ここで、図８に示した最大燃料濃度値では縦軸の値が低いほど燃料と空気とが良く混合されていることを示している。

図８に示した同軸噴流混合度の可視化試験の結果からは、燃料と空気は空気孔に導入された直後のＸ／φＤ＝０．５付近から燃料と空気との混合が始まり、空気孔出口に向かって燃料と空気との混合が促進されることをしている。

即ち、図８に示されたものでは、燃料噴射ノズル１０から噴射された燃料４０の噴流は、燃料４０の周囲を包み込むようにして供給される空気と共に空気孔３０の孔に供給されて燃料と空気との同軸噴流を形成するので、前記空気孔３０の内部にて燃料と空気とが混合した同軸噴流の混合気が形成される。

またこの同軸噴流の混合気は、空気孔３０の空気孔出口から下流側に噴出され、噴出された際にこの同軸噴流の混合気の流れが空気孔出口の下流側で急拡大するので混合気の流れに乱れが発生し、燃料と空気の混合が更に促進される。

つまり、燃料噴射ノズル１０と空気孔３０の軸心とを同軸状に配置して同軸噴流を形成することによって、燃料噴流は空気孔の内部での燃料と空気との同軸噴流の混合促進効果と、空気孔出口から混合気が噴出した際の該混合気の流れの急拡大による混合促進効果の２つの効果を得るものである。

この図８に示した同軸噴流混合気の混合度の可視化試験の結果を外挿して、図２に示した本発明の実施例である燃焼装置であるガスタービン燃焼器の構造に基づいた燃料と空気の混合度を予測した結果を図９に示す。

図９の燃料と空気の混合度を予測したグラフは図８の同軸噴流混合気の混合度の可視化試験のグラフに基づいて予測した同軸噴流混合気の混合度を示すグラフである。

グラフ横軸の数値は混合気噴射ノズル２０の空気孔入口から空気孔出口の下流方向に向かう距離Ｘであって、このうちグラフ左側の横軸はＸを混合気噴射ノズル２０の内径（φＤｎ）で割った値で、グラフ右側の横軸はＸを空気孔プレート３１の空気孔３０の内径（φＤ）で割った値である。

この図９に示した燃料と空気の混合度の予測結果に示されたように、図２に記載された本発明の実施例であるガスタービン燃焼器の構造では、まず、燃料噴射ノズル１０から噴射された燃料４０の噴流は、この燃料４０の周囲を包み込むようにして供給される一次空気４１と共に混合気噴射ノズル２０の孔に供給されて燃料４０の噴流と一次空気４１との同軸噴流を形成するので、前記混合気噴射ノズル２０の孔の内部にて燃料４０と一次空気４１とが混合した同軸噴流の混合気が形成される。

更に前記混合気噴射ノズル２０から噴出された混合気の噴流は、この混合気の周囲を包み込むようにして供給される二次空気４２と共に前記混合気噴射ノズル２０の下流側に設置された空気孔プレート３１の空気孔３０の孔に供給されて混合気と二次空気４２との同軸噴流を形成するので、前記空気孔３０の孔の内部にて混合気と二次空気４２とが混合した同軸噴流の混合気が形成される。

そして前記空気孔３０の空気孔出口から下流側の燃焼室１９０に噴出される際にこの二次空気４２と混合した同軸噴流の混合気の流れは急拡大するので混合気の流れに乱れが発生し、燃料と空気の混合が更に促進される。

つまり、燃料噴射ノズル１０と、混合気噴射ノズル２０と、空気孔３０の各軸心をそれぞれ同軸状に配置して、燃料と一次空気及び二次空気との同軸噴流を形成することによって、燃料噴流は混合気噴射ノズル２０の内部及び空気孔３０の内部で燃料と空気との同軸噴流の混合促進効果と、混合気噴射ノズル２０の出口及び空気孔３０の出口から燃料と空気との混合気がそれぞれ下流側に噴出した際の混合気の流れの急拡大による混合促進効果の２つの効果を得るものとなる。

そして燃料噴射ノズル１０から噴射された燃料４０は、一次空気４１と混合気噴射ノズル２０の内部での混合及び混合気噴射ノズル２０の出口から混合気として噴出する際の混合促進効果と、この混合気が混合気噴射ノズル２０の下流側に設置された空気孔３０の内部での混合及び空気孔３０の出口から混合気として噴出する際の混合促進効果により、空気孔３０の下流側となる燃焼室１９０の内部に、燃料と空気とが非常に良く混合されて均一な濃度の混合気を形成することができるものと考えられる。

上記した２つの混合促進効果が得られる結果、図２に示した本発明の実施例のガスタービン燃焼器においては、燃焼室１９０の内部に均一な濃度の混合気を噴射して燃焼させることが可能となる。

そして、この均一な濃度の混合気が燃焼して生成される燃焼ガス中に局所的に火炎温度が上昇する高温場が発生することを抑制でき、ガスタービン燃焼器から排出されるＮＯｘ排出量の大幅な低減を図ることが可能となる。

前記した図２に示した本発明の実施例のガスタービン燃焼器においては、図２（ｂ）に示したように空気孔プレート３１には環状に３列に配列した複数個の空気孔３０が形成されている。

前記空気孔３０から噴出される混合気は前述したように均一な濃度に良く混合されているため、この空気孔３０から燃焼室１９０に噴出された混合気を燃焼させた場合にも燃焼室１９０内に局所的な火炎温度上昇が生じることが抑制できる。

よって空気孔プレート３１に形成する空気孔３０の数は、保炎形態に応じた最適な空気孔配列と数量にすることが可能となる。

また、ガスタービン燃焼器に設置される燃料噴射ノズル１０、混合気噴射ノズル２０、及び空気孔３０は、ガスタービンの負荷上昇に応じて内部を流れる燃料及び空気の流体量が徐々に増加していくが、管内流速増加による圧力損失の増大を防ぐために前記ノズル及び空気孔の各孔の内径はその入口側から出口側にかけて徐々に増加するように前記孔を形成することが望ましい。

また図８に示す同軸噴流混合度の可視化試験の結果から、燃料と空気の混合度はＸ／φＤ＝４、つまり、空気孔出口からの距離が空気孔径の２倍の距離付近で混合度の値が一定値に漸近される。

そのため、図９に示した本発明の実施例のガスタービン燃焼器における混合気噴射ノズル２０の出口と空気孔３０の入口との間の軸方向間隙は、混合気噴射ノズル２０の内径Ｄｎに対して２倍以上の長さの間隔に設定することが望ましい。

上記した本発明の実施例によれば、燃料と空気とを同軸の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ものにおいて、同軸に噴流させる燃料と空気とを均一に混合させて両者の混合度を高め、ＮＯｘ排出量の大幅な低減を可能にした燃焼装置及びガスタービン燃焼器が実現できる。

次に図３を用いて本発明の他の実施例であるガスタービン燃焼器の部分構造について説明する。

図３（ａ）は、図２と同様にガスタービン燃焼器１に設置された燃料噴射ノズル１０と第一空気孔２２及び空気孔３０の周辺部分を拡大した部分断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ方向の矢視図である。

図３に示した本実施例のガスタービン燃焼器１の構成は、図１乃至図２に示した先の実施例のガスタービン燃焼器１の構成と基本構成が共通しているので、本実施例では両者に共通した構成の説明は省略して相違した構成についてのみ以下に説明する。

図３に示した本実施例のガスタービン燃焼器１においては、混合気ヘッダ２１に混合気噴射ノズルに替えて第一空気孔２２が設けられている点が、図２に示した先の実施例のガスタービン燃焼器１の構造と相違している。

図３に示した本実施例のガスタービン燃焼器１では、燃料４０は燃料ヘッダ１１に複数個設置された燃料噴射ノズル１０から、混合気ヘッダ２１に複数個設置された第一空気孔２２の孔の中心に向かって同軸方向の燃料噴流として噴射される。

これらの燃料噴射ノズル１０から噴射された燃料４０の噴流は、燃料４０の周囲を包み込むようにして第一空気孔２２の孔に供給される一次空気４１と共に第一空気孔２２の孔の内部に供給されて燃料と空気との同軸噴流を形成するので、前記第一空気孔２２の孔の内部にて燃料と空気とが混合した同軸噴流の混合気が形成される。

前記第一空気孔２２の孔の内部にて形成された燃料と空気とが混合した同軸噴流の混合気は、第一空気孔２２の孔から下流側に噴出されるが、この第一空気孔２２の出口から下流側に噴出された際にこの同軸噴流の混合気の流れが急拡大するので混合気の流れに乱れが発生し、燃料４０と一次空気４１との混合が促進される。

更に空気孔プレート３１に設けた第二空気孔となる空気孔３０の中心に向かって噴出された前記燃料４０と一次空気４１との混合気は、その混合気を周囲から包み込むようにして供給される二次空気４２と共に第二空気孔となる空気孔３０に導入されて前記混合気と二次空気４２との同軸噴流を形成するので、この空気孔３０の孔内で前記燃料４０と一次空気４１との混合気は二次空気４２によって更に混合されて希薄な混合気となる。

そして、更に混合された希薄な混合気は前記空気孔３０の孔の出口から下流側の燃焼室内１９０に噴出される。

混合気が、燃焼室１９０内に噴出された際に流れが急拡大するので前記希薄な混合気の流れに乱れが発生し、希薄な混合気と二次空気４２との混合が更に促進されて希薄で均一な混合気が形成されることになる。

この希薄で均一な予混合気では、局所的に燃料濃度が濃い領域の生成が抑制されていることから、前記予混合気を燃焼させた場合にも局所的な高温場を発生させることなく燃焼室１９０内に良好な火炎を形成して均一な高温高圧の燃焼ガス１９１を生成させることが出来る。

図３に示した本実施例のガスタービン燃焼器１における燃料４０と一次空気４１及び二次空気４２の混合形態は、図２に示した先の実施例のガスタービン燃焼器１とほぼ同様である。

図３の実施例のガスタービン燃焼器１では、混合気噴射ノズル２０に替わって第一空気孔２２を設けることで、ガスタービン燃焼器の構造が簡素化されるので製作コストを低減させることが可能となる。

具体的には、図３に示した本実施例のガスタービン燃焼器１の場合では、混合気ヘッダ２１にドリル等で孔加工を施すだけで、前記燃料噴射ノズル１０と同軸の複数の第一空気孔２２を簡単に設けることができる。

図３に示した本実施例のガスタービン燃焼器１の場合でも、前記空気孔３０から噴出される混合気は前述したように均一な濃度に良く混合されているため、この空気孔３０から燃焼室１９０に噴出された混合気を燃焼させた場合にも燃焼室１９０内に局所的な火炎温度上昇が生じることが抑制できる。

よって空気孔プレート３１に形成する空気孔３０の数は多数個設置する必要がなく、保炎形態に応じた最適な空気孔配列と数量にすることが可能となる。

また、本実施例のガスタービン燃焼器に設置される燃料噴射ノズル１０、第一空気孔２２、及び第二空気孔となる空気孔３０は、ガスタービンの負荷上昇に応じて内部を流れる燃料及び空気の流体量が徐々に増加していく。

管内流速増加による圧力損失の増大を防ぐために前記ノズル及び空気孔の各孔の内径はその入口側から出口側にかけて徐々に増加するように前記孔を形成することが望ましい。

そのため、図３に示した本実施例のガスタービン燃焼器における第一空気孔２２の出口と第二空気孔の空気孔３０の入口との間の軸方向間隙は、第一空気孔２２の内径Ｄｎに対して２倍以上の長さの間隔に設定することが望ましい。

次に図４を用いて本発明の更に他の実施例であるガスタービン燃焼器の部分構造について説明する。

図４（ａ）は、図２と同様にガスタービン燃焼器１に設置された燃料噴射ノズル１０と第一空気孔２２及び空気孔３０の周辺部分を拡大した部分断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＣ−Ｃ方向の矢視図である。

図４に示した本実施例のガスタービン燃焼器１の構成は、図１乃至図２に示した先の実施例のガスタービン燃焼器１の構成と基本構成が共通しているので、本実施例では両者に共通した構成の説明は省略して相違した構成についてのみ以下に説明する。

図４に示した本実施例のガスタービン燃焼器１においては、混合気ヘッダ２１に混合気噴射ノズルに替えて第一空気孔２２を設け、更にこの第一空気孔２２の下流側に予混合ヘッダ２３を配設してこの予混合ヘッダ２３内の混合気を混合気噴射ノズル２０を通じて噴射するようにした点が、図２に示した先の実施例のガスタービン燃焼器１の構造と相違している。

そして本実施例のガスタービン燃焼器１では、燃料噴射ノズル１０と、第一空気孔２２の孔と、混合気噴射ノズル２０と、空気孔プレート３１に設けた第二空気孔となる空気孔３０の孔とが同軸上に位置するように配置されている。

図４に示した本実施例のガスタービン燃焼器１では、燃料４０は燃料ヘッダ１１に複数個設置された燃料噴射ノズル１０から、混合気ヘッダ２１に複数個設置された第一空気孔２２の孔の中心に向かって同軸方向の燃料噴流として噴射される。

前記第一空気孔２２の孔の内部にて形成された燃料と空気とが混合した同軸噴流の混合気は、第一空気孔２２の孔から下流側に噴出される。

第一空気孔２２の下流側に予混合ヘッダ２３が設けられているので、第一空気孔２２の出口から前記予混合ヘッダ２３内に噴出されたこの同軸噴流の混合気はその流れが急拡大して混合気の流れに乱れが発生し、燃料４０と一次空気４１との混合が促進される。

しかも、第一空気孔２２の下流側に予混合ヘッダ２３を設けたことで、第一空気孔２２から噴出された直後の混合気はその周囲を二次空気４２によって包み込まれること無く、予混合ヘッダ２３内で混合気の流れが大きく拡大されるために、この混合気を形成する燃料４０と一次空気４１との混合がより促進される。

また予混合ヘッダ２３内で燃料４０と一次空気４１を滞留させることになるので混合時間が長くなり、この混合気を形成する燃料４０と一次空気４１との更なる混合促進を図ることも可能となる。

更に前記予混合ヘッダ２３から混合気噴射ノズル２０を通じて空気孔プレート３１に設けた第二空気孔となる空気孔３０の中心に向かって噴出された前記燃料４０と一次空気４１との混合気は、その混合気を周囲から包み込むようにして供給される二次空気４２と共に第二空気孔となる空気孔３０に導入されて前記混合気と二次空気４２との同軸噴流を形成する。

この空気孔３０の孔内において、前記燃料４０と一次空気４１との混合気は二次空気４２によって更に混合されて希薄な混合気となる。

そして、この更に混合された希薄な混合気は前記空気孔３０の孔の出口から下流側の燃焼室内１９０に噴出される。

混合気は、燃焼室１９０内に噴出された際に流れが急拡大するので前記希薄な混合気の流れに乱れが発生し、希薄な混合気と二次空気４２との混合が更に促進されて希薄で均一な混合気が形成されることになる。

この希薄で均一な予混合気では、局所的に燃料濃度が濃い領域の生成が抑制されていることから、予混合気を燃焼させた場合にも局所的な高温場を発生させることなく燃焼室１９０内に良好な火炎を形成して均一な高温高圧の燃焼ガス１９１を生成させることが出来る。

図４に示した本実施例のガスタービン燃焼器１の場合でも、前記空気孔３０から噴出される混合気は前述したように均一な濃度に良く混合されているため、この空気孔３０から燃焼室１９０に噴出された混合気を燃焼させた場合にも燃焼室１９０内に局所的な火炎温度上昇が生じることが抑制できる。

また、本実施例のガスタービン燃焼器に設置される燃料噴射ノズル１０、第一空気孔２２、混合気噴射ノズル２０、及び第二空気孔となる空気孔３０は、ガスタービンの負荷上昇に応じて内部を流れる燃料及び空気の流体量が徐々に増加していく。

そのため、図４に示した本実施例のガスタービン燃焼器における混合気噴射ノズル２０の出口と第二空気孔となる空気孔３０の入口との間の軸方向間隙は、混合気噴射ノズル２０の内径Ｄｎに対して２倍以上の長さの間隔に設定することが望ましい。

次に図５を用いて本発明の別の実施例であるガスタービン燃焼器の部分構造について説明する。

図５（ａ）は、図４と同様にガスタービン燃焼器１に設置された燃料ノズル１０と第一空気孔２２及び空気孔３０の周辺部分を拡大した部分断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＤ−Ｄ方向の矢視図である。

図５に示した本実施例のガスタービン燃焼器１の構成は、図４に示した先の実施例のガスタービン燃焼器１の構成と基本構成が共通しているので、本実施例では両者に共通した構成の説明は省略して相違した構成についてのみ以下に説明する。

図５に示した本実施例のガスタービン燃焼器１においては、混合気ヘッダ２１に設けた第一空気孔２２の下流側に予混合ヘッダ２３が配置されている。

そして、予混合ヘッダ２３から混合気を噴射する混合気噴射ノズル２０が該予混合ヘッダ２３に対して複数個設置させて、燃料噴射ノズル１０の本数よりも混合気噴射ノズル２０の本数を多く配設する構造となっている点が、図４に示した先の実施例のガスタービン燃焼器１の構造と相違している。

そして本実施例のガスタービン燃焼器１では、燃料噴射ノズル１０と、第一空気孔２２の孔との中心軸は同軸上に位置するように配置され、また、混合気噴射ノズル２０と、空気孔プレート３１に設けた第二空気孔となる空気孔３０の孔との中心軸は同軸上に位置するように配置されている。

但し、前記第一空気孔２２の孔と混合気噴射ノズル２０との中心軸は異なる軸線上に位置するように配置されている。

尚、図５に示した本実施例のガスタービン燃焼器１における燃料４０、一次空気４１、二次空気４２、混合気の噴射状況は図４に示した本実施例のガスタービン燃焼器１の場合と同様なので、ここではそれらの噴射状況の説明を省略する。

ところで、図４に示した先の実施例のガスタービン燃焼器１では、燃料噴射ノズル１０、予混合ヘッダ２３、第二空気孔３０はそれぞれ対になっているので各々の数は等しい構成となっている。

予混合ヘッダ２３内に於ける燃料４０と一次空気４１との混合気の拡大流による混合促進の観点からみると、予混合ヘッダ２３のサイズは混合気が充分拡大できるよう大きくする必要があり、必然的に図４（ｂ）に示したように第二空気孔となる空気孔３０の数は少なくなる。

このため、第二空気孔３０から燃焼室１９０に噴射される混合気の混合度を燃焼室１９０内の全域に亘って均一にする場合、第二空気孔となる空気孔３０の数の減少がある程度制約となり得る。

そのため、空気孔３０から噴射されたこの混合気が燃焼室１９０内で燃焼して生成される火炎に空間的な偏りが生じる可能性もある。

そこで、図５に示した本実施例のガスタービン燃焼器１では、前記したように一つの予混合ヘッダ２３に複数の混合気噴射ノズル２０を配置した構成にした。

そして、予混合ヘッダ２３内に於ける燃料４０と一次空気４１の混合気の拡大流による混合促進効果を維持させたまま、数を増加させて配設した第二空気孔となる空気孔３０にてこの混合気と二次空気４２とを混合させ、この混合した混合気を前記空気孔３０から燃焼室１９０に噴射させるようにしている。

そのため、この混合気が燃焼室１９０内で燃焼して生成される火炎に空間的な偏りが生じることが抑制できる。

また、第二空気孔となる空気孔３０に比較して燃料噴射ノズル１０と第一空気孔２２の数を減少させて配置することが可能となるので、燃焼装置の製作コストを低減させることも可能である。

次に図６を用いて本発明の更に別の実施例であるガスタービン燃焼器の部分構造について説明する。

図６（ａ）は、図４と同様にガスタービン燃焼器１に設置された燃料ノズル１０と第一空気孔２２及び空気孔３０の周辺部分を拡大した部分断面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＥ−Ｅ方向の矢視図である。

図６に示した本実施例のガスタービン燃焼器１の構成は、図４に示した先の実施例のガスタービン燃焼器１の構成と基本構成が共通しているので、本実施例では両者に共通した構成の説明は省略して相違した構成についてのみ以下に説明する。

図６に示した本実施例のガスタービン燃焼器１においては、燃料ヘッダ１１に設置した燃料噴射ノズル１０の数に対応させて、該燃料噴射ノズル１０の下流側の混合気ヘッダ２１に第一空気孔２２をそれぞれ配置している。

また、第一空気孔２２の下流側となる混合気ヘッダ２１には予混合ヘッダ２３が配置されている。

この予混合ヘッダ２３の個数は前記第一空気孔２２が複数本当たり、例えば２本当たりにつき一個の予混合ヘッダ２３が配置できるように設置させて、燃料噴射ノズル１０の本数よりも混合気噴射ノズル２０の本数を少なく配設する構造となっている点が、図４に示した先の実施例のガスタービン燃焼器１の構造と相違している。

尚、図６に示した本実施例のガスタービン燃焼器１における燃料４０、一次空気４１、二次空気４２、混合気の噴射状況は図４に示した本実施例のガスタービン燃焼器１の場合と同様なので、ここではそれらの噴射状況の説明を省略する。

図６に示した本実施例のガスタービン燃焼器１では、前記したように一つの予混合ヘッダ２３に複数の第一空気孔２２を配置した構成にして、この予混合ヘッダ２３に燃料４０と一次空気４１の混合気を導入させ、前記予混合ヘッダ２３から混合気を噴射する混合気噴射ノズル２０の本数を燃料噴射ノズル１０の本数よりも少なく配置した構造としている。

そこで、図６に示した本実施例のガスタービン燃焼器１では、前記したように一つの予混合ヘッダ２３に１個の混合気噴射ノズル２０を配置した構成にする。

予混合ヘッダ２３内に於ける燃料４０と一次空気４１の混合気の拡大流による混合促進効果を維持させたまま、第二空気孔となる空気孔３０にこの混合気と二次空気４２とを混合させ、この混合した混合気を前記空気孔３０から燃焼室１９０に噴射させるようにしたので、この混合気が燃焼室１９０内で燃焼して生成される火炎に空間的な偏りが生じることが抑制できる。

このように、図６に示した本実施例のガスタービン燃焼器１では予混合ヘッダ２３の容量を大きく形成することができ、予混合ヘッダ２３の下流部に設ける混合気噴射ノズル２０の配置の自由度を大きく取ることができる。

そして、保炎の観点から第二空気孔となる空気孔３０の数と位置を最適に配置して燃料安定性を向上させることが可能である。

また混合気噴射ノズル２０と第二空気孔となる空気孔３０の数を減少させることができるので、ガスタービン燃焼器の製作コストを低減させることも可能である。

次に図７を用いて本発明の他の別の実施例であるガスタービン燃焼器の部分構造について説明する。

図７（ａ）は、ガスタービン燃焼器１に設置された燃料ノズル１０と混合気噴射ノズル２０及び空気孔３０の周辺部分を示す部分断面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のＥ−Ｅ方向の矢視図である。

図７に示した本実施例のガスタービン燃焼器１の構成は、図２に示した実施例のガスタービン燃焼器１における燃料噴射ノズル１０を有する燃料ヘッダ１１と、混合気噴射ノズル２０を有する混合気ヘッダ２１とを備えた構造のバーナを１つのモジュールとして、これらのバーナを図７（ｂ）に示したように複数個組み合わせて、中心に１個、その外周側に離間させて６個を環状に配設させて、空気孔３０を有する空気孔プレート３１の上流側に配置し、これらのモジュールの下流側に空気孔３０又は第二空気孔を有する共通の空気孔プレート３１を備えさせて１基のガスタービン燃焼器１を構成している。

前記複数個のバーナに燃料を供給する燃料流量調整弁１８２を有する燃料系統１８０も前記バーナの個数に合わせて分岐して配設されており、ガスタービンの負荷に応じて燃料を燃焼させるバーナ本数を制御することで、燃料流量が大きく変わるガスタービンの起動条件から１００％負荷条件まで、ガスタービン燃焼器を安定に燃焼を継続させることが可能である。

また、前記バーナに設置する燃料ノズルの本数を増減させたバーナを採用することで、ガスタービン燃焼器の１缶当たりの容量が異なるガスタービン燃焼器を比較的容易に提供することが可能である。

また、本実施例のガスタービン燃焼器１には図２に示したモジュールのバーナ構造を採用した構造を示したが、これ以外にも図３乃至図６に示された各バーナ構造のモジュールを採用することができる。

本発明は、ガスタービン燃焼器に適用できるだけでなく、燃料電池に搭載される燃料改質用燃焼器、ボイラ用燃焼器、温風暖房機や焼却炉など、メタン等の気体燃料を燃焼させる燃焼装置にも適用できる。

本発明の一実施例の燃焼装置であるガスタービン燃焼器が適用されたガスタービン発電装置の構成を示す概略図。本発明の一実施例の燃焼装置であるガスタービン燃焼器の詳細構造を示す部分断面図。本発明の他の実施例の燃焼装置であるガスタービン燃焼器の詳細構造を示す部分断面図。本発明の更に他の実施例の燃焼装置であるガスタービン燃焼器の詳細構造を示す部分断面図。本発明の別の実施例の燃焼装置であるガスタービン燃焼器の詳細構造を示す部分断面図。本発明の更に別の実施例の燃焼装置であるガスタービン燃焼器の詳細構造を示す部分断面図。本発明の一実施例の燃焼装置であるガスタービン燃焼器の詳細構造を示す部分断面図。本発明の実施例である燃焼装置における燃料と空気の混合度の可視化試験の結果を示す燃料濃度の計測図。図２に示した本発明の実施例の燃焼装置における燃料と空気の混合度を推定した結果示す図。

符号の説明

１０：燃料噴射ノズル、１１：燃料ヘッダ、２０：混合気噴射ノズル、２２：第一空気孔、２３：予混合ヘッダ、３０：（第二）空気孔、３１：空気孔プレート、５０：隔壁、１１０：空気圧縮機、１２０：高圧空気流、１３０：ディフューザ、１４０：車室、１５０：尾筒、１５１：尾筒フロースリーブ、１６０：ライナ、１６１：外筒、１８０：燃料系統、１８１：燃料ポンプ、１８２：燃料流量調節弁、１９０：燃焼室、１９１：燃焼ガス流れ、２００：タービン、２１０：発電機。

Claims

燃料を噴出する複数の燃料噴射ノズルと、前記燃料噴射ノズルの下流部に配置されて該燃料と一次空気が混合した第一の混合気を噴出する複数の混合気噴射ノズルと、前記混合気噴射ノズルの下流側に配置されて該第一の混合気と二次空気が混合した第二の混合気を噴出する複数の空気孔を設けた空気孔プレートと、前記空気孔プレートに設けた空気孔の下流側に配置されて燃料と空気の混合気を燃焼させる燃焼室とを備え、前記混合気噴射ノズルはその中心軸が前記燃料噴射ノズルの中心軸と同軸上に配置して該燃料噴射ノズルから噴出される燃料の噴流の周囲を一次空気で包み込むようにしてこの混合気噴射ノズルに導入させ、前記空気孔プレートに設けた空気孔はその中心軸が前記混合気噴射ノズルの中心軸と同軸上に配置して該混合気噴射ノズルから噴出される前記第一の混合気の周囲を二次空気で包み込むようにしてこの空気孔に導入させ、前記空気孔から燃焼室に前記第二の混合気を噴出させて燃焼させるように構成したことを特徴とする燃焼装置。
燃料を噴出する複数の燃料噴射ノズルと、前記燃料噴射ノズルの下流部に配置されて該燃料と一次空気が混合した第一の混合気を噴出する複数の第一空気孔を設けた混合気ヘッダと、前記混合気ヘッダに設けた第一空気孔の下流側に配置されて該第一の混合気と二次空気が混合した第二の混合気を噴出する複数の第二空気孔を設けた空気孔プレートと、前記空気孔プレートに設けた第二空気孔の下流側に配置されて燃料と空気の混合気を燃焼させる燃焼室とを備え、前記第一空気孔はその中心軸が前記燃料噴射ノズルの中心軸と同軸上に配置して該燃料噴射ノズルから噴出される燃料の噴流の周囲を一次空気で包み込むようにしてこの第一空気孔に導入させ、前記空気孔プレートに設けた第二空気孔はその中心軸が前記第一空気孔の中心軸と同軸上に配置して該第一空気孔から噴出される前記第一の混合気の周囲を二次空気で包み込むようにしてこの第二空気孔に導入させ、前記第二空気孔から燃焼室に前記第二の混合気を噴出させて燃焼させるように構成したことを特徴とする燃焼装置。
燃料を噴出する複数の燃料噴射ノズルと、前記燃料噴射ノズルの下流部に配置されて該燃料と一次空気とが流入する複数の第一空気孔及びこの第一空気孔の下流側に該燃料と一次空気とが混合して第一の混合気を形成する部屋を形成した予混合ヘッダをそれぞれ備えた混合気へッダと、この混合気へッダに形成した該予混合ヘッダから該第一の混合気を噴出する混合気噴射ノズルと、
前記混合気噴射ノズルの下流側に配置されて該第一の混合気と二次空気が混合した第二の混合気を噴出する複数の第二空気孔を設けた空気孔プレートと、前記空気孔プレートに設けた空気孔の下流側に配置されて燃料と空気の混合気を燃焼させる燃焼室とを備え、前記第一空気孔はその中心軸が前記燃料噴射ノズルの中心軸と同軸上に配置して該燃料噴射ノズルから噴出される燃料の噴流の周囲を一次空気で包み込むようにしてこの第一空気孔に導入させ、更にこの第一空気孔を経由して予混合ヘッダ内に流下した該燃料と一次空気とを混合して第一の混合気を形成させて前記混合気噴射ノズルから噴出させ、前記空気孔プレートに設けた第二空気孔はその中心軸が前記混合気噴射ノズルの中心軸と同軸上に配置して前記混合気噴射ノズルから噴出される前記第一の混合気の周囲を二次空気で包み込むようにしてこの第二空気孔に導入させ、前記第二空気孔から燃焼室に前記第二の混合気を噴出させて燃焼させるように構成したことを特徴とする燃焼装置。
請求項３に記載の燃焼装置において、前記予混合ヘッダから第一の混合気を噴出する混合気噴射ノズルは該予混合ヘッダに対して複数個配設して前記燃料噴射ノズルの本数よりも前記混合気噴射ノズルの本数を多く配設するようにしたことを特徴とする燃焼装置。
請求項３に記載の燃焼装置において、前記予混合ヘッダに燃料と一次空気を流入させる前記第一空気孔は該予混合ヘッダに対して複数個配設して前記燃料噴射ノズルの本数よりも前記混合気噴射ノズルの本数を少なく配設するようにしたことを特徴とする燃焼装置。
請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載の燃焼装置において、前記燃料装置をガスタービン燃焼器に用いたことを特徴とする燃焼装置。
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の燃焼装置において、前記燃料噴射ノズルから前記混合気噴射ノズル又は第一空気孔までの構造の集合体を１つのモジュールとして、これらのモジュールを複数個備えさせ、これらのモジュールの下流側に空気孔又は第二空気孔を有する共通の空気孔プレートを備えさせてガスタービン燃焼器を構成したことを特徴とする燃焼装置。
燃料を噴出する複数の燃料噴射ノズルと、前記燃料噴射ノズルの下流部に配置されて該燃料と圧縮機で圧縮された高圧空気の一部である一次空気が混合した第一の混合気を噴出する複数の混合気噴射ノズルと、前記混合気噴射ノズルの下流側に配置されて該第一の混合気と該圧縮機で圧縮された高圧空気の一部である二次空気が混合した第二の混合気を噴出する複数の空気孔を設けた空気孔プレートと、前記空気孔プレートに設けた空気孔の下流側に配置されて燃料と空気の混合気を燃焼させる燃焼室とを備え、前記混合気噴射ノズルはその中心軸が前記燃料噴射ノズルの中心軸と同軸上に配置して該燃料噴射ノズルから噴出される燃料の噴流の周囲を一次空気で包み込むようにしてこの混合気噴射ノズルに導入させ、前記空気孔プレートに設けた空気孔はその中心軸が前記混合気噴射ノズルの中心軸と同軸上に配置して該混合気噴射ノズルから噴出される前記第一の混合気の周囲を二次空気で包み込むようにしてこの空気孔に導入させ、前記空気孔から燃焼室に前記第二の混合気を噴出させて燃焼させるように構成したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
燃料を噴出する複数の燃料噴射ノズルと、前記燃料噴射ノズルの下流部に配置されて該燃料と圧縮機で圧縮された高圧空気の一部である一次空気が混合した第一の混合気を噴出する複数の第一空気孔を設けた混合気ヘッダと、前記混合気ヘッダに設けた第一空気孔の下流側に配置されて該第一の混合気と該圧縮機で圧縮された高圧空気の一部である二次空気が混合した第二の混合気を噴出する複数の第二空気孔を設けた空気孔プレートと、前記空気孔プレートに設けた第二空気孔の下流側に配置されて燃料と空気の混合気を燃焼させる燃焼室とを備え、前記第一空気孔はその中心軸が前記燃料噴射ノズルの中心軸と同軸上に配置して該燃料噴射ノズルから噴出される燃料の噴流の周囲を一次空気で包み込むようにしてこの第一空気孔に導入させ、前記空気孔プレートに設けた第二空気孔はその中心軸が前記第一空気孔の中心軸と同軸上に配置して該第一空気孔から噴出される前記第一の混合気の周囲を二次空気で包み込むようにしてこの第二空気孔に導入させ、前記第二空気孔から燃焼室に前記第二の混合気を噴出させて燃焼させるように構成したことを特徴とするガスタービン燃焼器。