JP2010216668A - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器の大型化およびコスト高を伴うことなく、低ＮＯｘ化を図ることができるガスタービン燃焼器を提供する。
【解決手段】圧縮機１から供給される圧縮空気Ａと燃料Ｆを燃焼させてタービン３に供給する燃焼器であって、燃焼室１１を形成する燃焼筒１０の頭部に設けられたメインバーナ２１と、メインバーナ２１よりも燃焼筒１０の下流側で燃焼筒１０の周壁１０ｂを貫通して配置された追焚きバーナ４０とを備え、追焚きバーナ４０は、燃焼筒１０の周壁１０ｂとこれを覆うハウジングＨとの間に形成された空気通路１５から、燃焼筒１０の頭部に向かって流れる圧縮空気Ａの一部を燃焼筒１０の径方向内方へ向かって偏向させて導入する導入通路５０と、導入通路５０に導入される圧縮空気Ａに複数の燃料供給孔４４から燃料Ｆを供給して導入通路５０内で予混合気Ｍを生成させる燃料ノズル４６とを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、一定以上の負荷で運転しても排出される窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）の排出量を抑制できるガスタービン燃焼器に関する。

ガスタービン装置については、運転時にタービンから排出される排ガス組成に関して厳しい環境基準が設けられており、特に、排ガス中に含まれるＮＯｘの排出量の低減が望まれている。従来、このようなガスタービン装置における低ＮＯｘ化の手法として、燃焼室内に水や蒸気を噴射して燃焼火炎温度を低下させる方法が採用されていたが、この方法によると、装置の熱交換率が低下したり、使用する水質が悪い場合にはタービンの腐食により装置の寿命を短くするなどの課題があった。これらの課題を克服するガスタービン装置として、近年、水や蒸気を用いることなく、低ＮＯｘ化を図るＤＬＥ(Dry Low Emission)燃焼器を用いたガスタービン装置がある。このガスタービン装置は、ＤＬＥ燃焼器の燃焼筒の下流側に予混合型の追焚きバーナを付加し、上流側で未燃分が排出されなくなった状態で、追焚きバーナから燃料を投入することにより、運転時にタービンから排出されるＮＯｘ排出量の低減を図るものである（特許文献１、２）。

特開平８−２６１４６８ 特開平１０−１９６９０９

しかしながら、前記特許文献１および２に開示された追焚きバーナは、ＤＬＥ燃焼器の燃焼筒の上流側から燃焼筒の追焚きバーナ用の空気孔まで予混合ダクトを長く延出しているから、大掛かりな構造となって燃焼器自体の大型化を招くうえに、部品点数や組付工数の増加によりコスト高となる課題があった。

本発明の目的は、コンパクトな予混合型の追焚きバーナを設けることにより、燃焼器の大型化およびコスト高を伴うことなく、低ＮＯｘ化をコンパクトな構造で実現できるガスタービン燃焼器を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明に係るガスタービン燃焼器は、圧縮機から供給される圧縮空気と燃料を燃焼させてタービンに供給する燃焼器であって、燃焼室を形成する燃焼筒の頭部に設けられたメインバーナと、前記メインバーナよりも前記燃焼筒の下流側で前記燃焼筒の周壁を貫通して配置された追焚きバーナとを備え、前記追焚きバーナは、前記燃焼筒の周壁とこれを覆うハウジングとの間に形成された空気通路から、燃焼筒の頭部に向かって流れる前記圧縮空気の一部を燃焼筒の径方向内方へ向かって偏向させて導入する導入通路と、前記導入通路に導入される圧縮空気に複数の燃料供給孔から燃料を供給して前記導入通路内で予混合気を生成させる燃料ノズルとを有する。ここで、燃焼筒の下流側とは、燃焼筒内の燃焼ガスの流れ方向に沿った下流側をいう。

この構成によれば、追焚きバーナが燃焼筒の頭部のメインバーナよりも燃焼筒の下流側に配置されており、燃焼筒の周壁とハウジングとの間に形成された空気通路から圧縮空気の一部を導入通路に導入する構造であり、従来技術のような、燃焼筒の頭部から燃焼筒の周壁の追焚きバーナ用空気孔まで予混合ダクトを形成する構造ではないから、燃焼器のコンパクト化が図れる。また、圧縮空気は、導入通路により、燃焼筒の径方向内方へ向かって偏向されるので、偏向による大きな乱れが生じて、燃料との混合が促進される結果、燃料の濃度むらの少ない均一な予混合気が得られる。この濃度むらの少ない均一な予混合気がメインバーナの下流側の高温燃焼ガス中で燃焼されるので、ＮＯｘの排出量を低減できる。さらに、予混合気は導入通路によって燃焼筒の径方向内方へ向かう貫通力が付与されるので、導入通路内に逆火して追焚きバーナを損傷させるのが防止されるとともに、予混合気が燃焼室の中心部の前記高温燃焼ガス中に十分貫通するから、均一な燃焼器出口温度分布が形成される。

本発明において、前記追焚きバーナは、前記導入通路の入口を形成する環状の流入口と、この流入口に配置されて、前記圧縮空気を流入口の中心側へ向けて案内する複数のガイド片とを有することが好ましい。この構成によれば、圧縮空気は、流入口の中心側へ向けて導入されるので、導入通路内での旋回成分が小さくなり、燃焼室内への貫通力が増大する。さらに、圧縮空気がガイド片を通過したのち燃焼筒の径方向内方へ向かう際に９０°偏向されるから、空気流に大きな乱れが生じるので、燃料との攪拌が一層促進される。

本発明において、前記燃料ノズルは、隣接する前記ガイド片の間から前記導入通路に燃料を供給する燃料供給孔が設けられ前記導入通路の頂壁を形成するノズルプレートを有することが好ましい。この構成によれば、複数の燃料供給孔がノズルプレートの円周方向に並んでガイド片間に配置されているから、燃料が多点噴射となり、しかもガイド片によって周方向に区画された燃料が導入通路に供給されるので、燃料の濃度むらの一層少ない均一な予混合気が得られる。さらに、ノズルプレートに垂直な燃料供給孔を設けるだけで、この燃料供給孔から燃料が導入通路内の圧縮空気に対して直交方向に噴射されるから、圧縮空気の剪断力により燃料が細かく分断されて、圧縮空気との混合が一層促進される。

本発明において、前記追焚きバーナは、前記流入口からガイド片よりも下流側にまで延びる導入通路上流部の外壁を形成するガイド筒を有することが好ましい。この構成によれば、ガイド筒がガイド片の下流側にまで延びているので、このガイド筒とその下流の前記導入筒とにより、ガイド片の下流、つまり、燃料供給孔の下流に、圧縮空気と燃料とを予混合する予混合距離が長く形成されるので、両者の混合が促進され、より一層濃度むらの少ない均一な予混合気が得られる。

本発明において、前記追焚きバーナは、前記燃焼筒に取り付けられて前記導入通路の下流部を形成する導入筒を有することが好ましい。この構成によれば、導入筒を備えた既存の燃焼筒をそのまま使えるので、製造コストを抑制できる。

また、前記導入筒を有する場合、前記ガイド筒とその下流側の前記導入筒との間に隙間が存在することが好ましい。この構成によれば、ガイド筒と導入筒との間に積極的に隙間を存在させることにより、ガイド筒と導入筒の形状寸法および取付位置の精度が低くて済むので、これらの製造性および組付性が向上する。前記隙間は内側の予混合気を大きく乱すことがないように適宜の大きさに調節することにより、隙間の存在がＮＯｘ特性に影響を与えるのを防止できる。

本発明において、さらに、前記導入通路は、入口の通路面積が出口の通路面積よりも大きいことが好ましい。この構成によれば、導入通路が、その入口から出口にかけて実質的に先細り状となるので、入口から導入された圧縮空気は出口でその流速が増加する。これにより、予混合気の燃焼筒の径方向内側への貫通力が増大する。

本発明において、前記追焚きバーナが前記導入通路の入口を形成する環状の流入口を有し、さらに、前記流入口との間に隙間を存して流入口の外周を覆う流入調整部材を設けるのが好ましい。この構成によれば、前記流入調整部材によって、流入口から流入する圧縮空気の動圧が周方向においてばらつくのが抑制されるので、流入口から導入通路内に流入する圧縮空気量が周方向に均一化される結果、燃料濃度むらの少ない予混合気が得られる。

本発明によれば、追焚きバーナが燃焼筒の頭部のメインバーナよりも燃焼筒の下流側に配置されており、燃焼筒の周壁とハウジングとの間に形成された空気通路から圧縮空気の一部を追焚きバーナの導入通路に導入する構造であり、燃焼筒の頭部から燃焼筒の周壁の追焚きバーナ用空気孔まで予混合ダクトを形成する構造ではないから、燃焼器のコンパクト化が図れる。また、圧縮空気には、導入通路内での偏向による大きな乱れが生じるので、燃料との混合が促進される結果、燃料の濃度むらの少ない均一な予混合気が得られる。この濃度むらの少ない均一な予混合気がメインバーナの下流側の高温燃焼ガス中で燃焼されるので、ＮＯｘの排出量を低減できる。さらに、予混合気は導入通路によって燃焼筒の径方向内方へ向かう貫通力が付与されるので、導入通路内に逆火して追焚きバーナを損傷させるのが防止されるとともに、予混合気が燃焼室の中心部の前記高温燃焼ガス中に十分貫通するために、均一な燃焼器出口温度分布が形成される。

本発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明からより明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる例示および説明のためのものであり、この発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。

本発明の第１実施形態にかかるガスタービン燃焼器が適用されるガスタービン発電装置の概略構成図である。 第１実施形態にかかるガスタービン燃焼器の縦断面図である。 第１実施形態にかかるガスタービン燃焼器で使用する追焚きバーナを示し、（Ａ）は、その拡大縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のIII Ｂ− IIIＢ線断面図である。 同追焚きバーナの斜視図である。 （Ａ）は比較例の追焚きバーナの拡大縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＶＢ−ＶＢ線断面図である。 追焚きバーナ出口での予混合気の濃度分布を示す分布図であり、（Ａ）は第１実施形態による場合を示し、（Ｂ）は比較例による場合を示す。 本発明の第２実施形態にかかるガスタービン燃焼器の追焚きバーナを示し、（Ａ）はその縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＶIIＢ−ＶIIＢ線断面図である。 本発明の第３実施形態にかかるガスタービン燃焼器の追焚きバーナを示し、同図（Ａ）はその縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＶIII Ｂ−ＶIII Ｂ線断面図、（Ｃ）は（Ａ）の要部を拡大した側面図、（Ｄ）は（Ｃ）のＶIII Ｄ−ＶIII Ｄ線断面図である。 第３実施形態にかかる追焚きバーナの斜視図である。 （Ａ）は、第２実施形態における追焚きバーナ出口での予混合気の濃度分布を示す分布図、（Ｂ）は第３実施形態における追焚きバーナ出口での予混合気の濃度分布を示す分布図である。 本発明にかかる第１実施形態にかかる追焚きバーナを使用した燃焼器と、比較例の追焚きバーナを使用した燃焼器とのエンジン試験の結果を示す特性図で、負荷率とＮＯｘ濃度の関係を示す。 本発明にかかる第１〜３実施形態にかかる追焚きバーナを使用した燃焼器と、比較例の追焚きバーナを使用した燃焼器との燃焼実験の結果を示す特性図で、燃焼器出口温度とＮＯｘ濃度の関係を示す。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら詳述する。図１は本発明の第１実施形態にかかるガスタービン燃焼器が使用されるガスタービン発電装置の概略構成を示す。同図において、ガスタービンＧＴは、圧縮機１と、燃焼器２と、タービン３とを主な構成要素とし、燃焼器２は、燃料供給装置５と燃料制御装置６とを備えている。圧縮機１から供給される圧縮空気Ａと、燃料制御装置６を介して燃料供給装置５から供給される燃料Ｆとを燃焼器２で燃焼させ、これにより発生する高温高圧の燃焼ガスＧをタービン３に供給して、このタービン３を駆動する。圧縮機１は回転軸７を介してタービン３により駆動され、このタービン３はまた、減速機８を介して発電機９を駆動する。

図２の縦断面図に示すように、燃焼器２は、これに導入される圧縮空気Ａと燃焼ガスＧとが互いに燃焼器２内の逆方向に流れる逆流缶型であり、円筒状のハウジングＨ内に、ほぼ円筒状の燃焼筒１０が収納されており、その内部に燃焼室１１が形成されている。前記ハウジングＨの先端側となる頭部にはエンドカバー１２がボルト１２ａにより固定されている。

ハウジングＨの頭部側には、ハウジングＨ内に位置する支持筒１３の基端部が連結され、この支持筒１３の先端部（図２の右端部）に燃焼筒１０の頭部１０ａが固定されて、燃焼筒１０が支持筒１３を介してハウジングＨに支持されている。燃焼筒１０の周壁１０ｂとこれを覆うハウジングＨとの間には、圧縮機１からの圧縮空気Ａを燃焼筒１０の頭部１０ａ、つまり、上流側へ導く環状の空気通路１５が形成されている。支持筒１３の内側には空気導入室１６が形成されており、支持筒１３に、圧縮空気Ａを空気導入室１６内に導く複数の空気導入孔１８が設けられている。

燃焼筒１０の頭部１０ａの中央部には、燃料Ｆを燃焼室１１内に直接噴出する拡散燃焼式の単一のパイロットバーナ２０が設けられている。このパイロットバーナ２０の外周を囲むようにして、燃料Ｆと圧縮空気Ａを混合して生成した予混合気Ｍを、予混合通路２９から燃焼室１１内に噴出する単一の予混合型のメインバーナ２１が設けられている。

メインバーナ２１は、縦断面Ｌ字状の予混合通路２９が径方向外向きに開口しており、その開口した環状の空気取入口２９ａの径方向外側に複数のメイン燃料ノズル２３がメインバーナ２１の周方向に等間隔で配置されている。メイン燃料ノズル２３における空気取入口２９ａに対向する部分に、複数のメイン燃料噴射孔２３ａが形成されている。メイン燃料ノズル２３の基端はエンドカバー１２に設けたメイン燃料導入口２５に接続されている。空気取入口２９ａにはスワーラ２６が配置されており、メイン燃料導入口２５から供給された燃料Ｆは、空気取入口２９ａから流入する圧縮空気Ａとともに、スワーラ２６によって旋回が付与され、予混合通路２９内で予混合されたのち、環状の予混合噴出口２９ｂから予混合気Ｍとして燃焼室１１内に噴出される。

前記パイロット燃料導入口２８およびメイン燃料導入口２５には、図１の燃料供給装置９から燃料制御装置８を介して燃料Ｆが供給される。

燃焼筒１０の周壁１０ｂの上流部には、点火プラグ３０が、その先端を燃焼室１１内に臨ませて配置されている。点火プラグ３０は、ハウジングＨを貫通してハウジングＨに固定されており、起動時には、パイロットバーナ２０から燃焼室１１内に燃料Ｆを噴射して点火プラグ３０による点火により拡散燃焼が行われる。続いて、通常運転時には、メインバーナ２１から燃焼室１１内に噴射された予混合気Ｍを燃焼して、燃焼筒１０の上流部において、メインバーナ２１の下流側に第１の燃焼領域Ｓ１を形成させる。また、燃焼筒１０における第１の燃焼領域Ｓ１よりも下流側には、複数、例えば４つの空気孔３１が周方向に等間隔に設けられている。ハウジングＨにおける各空気孔３１に対向する部分には、予混合型の追焚きバーナ４０が取り付けられて、その先端部を、空気孔３１を通して燃焼室１１内に臨ませている。こうして、追焚きバーナ４０は、メインバーナ２１よりも燃焼筒１０の下流側で燃焼筒１０の周壁１０ｂを貫通して配置され、追焚きバーナ用の予混合気Ｍ１を燃焼筒１０内に噴射して、燃焼室１１内で第１の燃焼領域Ｓ１の下流側に第２の燃焼領域Ｓ２を形成させる。

図３は、追焚きバーナ４０の詳細を示す。図３（Ａ）に示すように、この追焚きバーナ４０は、燃焼筒１０の軸心Ｃ（図２）と直交する真直なバーナ軸心Ｃ１を有し、環状の空気通路１５から燃焼筒１０の頭部１０ａに向かって流れる圧縮空気Ａの一部を燃焼筒１０の径方向内方へ向かって偏向させて導入する導入通路５０と、この導入通路５０に燃料Ｆを供給し、導入通路５０内で前記圧縮空気Ａとの混合により予混合気Ｍ１を生成させる燃料ノズル４１とを備えている。

燃料ノズル４１は、ハウジングＨに設けたマウント６０にボルトのような締結部材６２により取り付けられるつば付き円柱状のノズルボデイ４２と、これに固定された円板状のノズルプレート４３とを有しており、燃料ノズル４１とノズルプレート４３との間に燃料溜め空間４５が形成されている。ノズルボデイ４２とノズルプレート４３は前記バーナ軸心Ｃ１上に同心に配置されている。追焚きバーナ４０はさらに、ノズルプレート４３とともに導入通路５０の上流部を形成するガイド筒４９と、燃焼筒１０に取り付けられて前記導入通路５０の下流部を形成する導入筒５１と、ガイド筒４９の流入口５２との間に隙間Ｂ１を存して流入口５２の外周を覆うように配置された流入調整部材７６とを備えている。

前記ガイド筒４９の流入口５２はバーナ軸心Ｃ１と同心の環状であり、流入調整部材７６もバーナ軸心Ｃ１と同心の円筒状である。この流入調整部材７６は、マウント６０の下面に固定されており、上端の軸方向位置が流入口５２と同一に設定され、下端の軸方向位置が流入口５２よりも下方、つまり燃焼筒１０の径方向内方に設定されている。これにより、流入調整部材７６は、隙間Ｂ１を介して、流入口５２をその径方向外方から完全に覆う形となっている。前記隙間Ｂ１により、導入通路５０の上流側に配置された入口通路５５が形成されており、この入口通路５５により、圧縮空気Ａの一部が、燃焼筒１０の径方向外方に導入されたのち導入通路５０に流入するように導かれる。流入調整部材７６とガイド筒４９と導入筒５１とは、前記バーナ軸心Ｃ１上に同心に配置されている。さらに、ガイド筒４９と導入筒５１との間に軸方向の隙間Ｂ２が形成されている。導入筒５１の入口５１ａはベルマウス状に外径方向に湾曲している。

導入通路５０の入口を形成する前記流入口５２は、バーナ軸心Ｃ１と直交するバーナ４０の径方向外方に向かって開口している。ガイド筒４９はバーナ軸心Ｃ１と同心の円筒状の胴部４９ａとその上流側（上方）へ向かって径方向外方へ拡がった口部４９ｂとを有しており、口部４９ｂの先端である流入口５２の直径Ｄ１はその下流のガイド筒４９の円筒状胴部の内径Ｄ２よりも大きくなっている。流入口５２には、圧縮空気Ａを流入口５２の中心側へ向けて案内する複数のガイド片５３が設けられている。ガイド筒４９は流入口５２からガイド片５３を経てガイド片５３の下流側へ長く延びている。ノズルボディ４２とノズルプレート４３、ノズルプレート４３とガイド片５３、ガイド片５３とガイド筒４９はそれぞれ、例えば溶接により固定されている。前記導入筒５１は、従来の燃焼筒１０に既存のものをそのまま使える。

ノズルプレート４３の外周部には、燃料溜め空間４５に連通し、燃焼筒１０の径方向内方に向かって開孔した複数の燃料供給孔４４が、ノズルプレート４３と同心状の配置で設けられている。ノズルボディ４２には、燃料溜め空間４５に燃料Ｆを導入するための燃料導入路４６が形成され、さらに、燃料導入路４６への燃料導入口４７を形成するニップル４８が取り付けられている。燃料Ｆは燃料導入口４７および燃料ノズル４６を通って燃料溜め空間４５に入り、燃料供給孔４４から導入通路５０内に供給される。また、このノズルプレート４３の中央部には先端が逆円錐状となった中央突起４３ａが形成されており、この中央突起４３ａは、少なくともガイド片５３の高さ（垂直方向長さ）を若干上回る長さを有している。

図３（Ｂ）に示すように、ガイド片５３は、ノズルプレート４３と同心の配置で円周方向に等間隔で複数（例えば１２個）設けられており、このガイド片５３の上部を覆う前記ノズルプレート４３の燃料供給孔４４は、隣接するガイド片５３の間に、一つまたは複数個ずつ（この実施形態では一つずつ）配置されている。空気通路１５からの圧縮空気Ａが、導入通路５０の入口となる流入口５２に流入するとき、隣接するガイド片５３で区画された複数の分割口５３ａから流れ込んで流入口５２の中心方向へ向けて導入される。各分割口５３ａから流入する空気流ａ１は、中央突起４３ａによって互いに直接衝突して流速が低下するのが避けられた状態で、中央突起４３ａにより下向きに９０度偏向される。このとき、空気流ａ１は前記分割口５３ａのどの個所から流入しても中央突起４３ａに当り、この中央突起４３ａ先端の逆円錐状部分に沿って燃焼筒１０の径方向内方へ向かって強制的に偏向させられて、下方側のガイド筒４９から導入筒５１へと流入し、導入通路５０の出口となる導入筒５１の流出口５１ｂから燃焼筒１０内へ導入される。

追焚きバーナ４０の斜視図である図４に明示するように、分割口５３ａは追焚きバーナ４０の外周に開口しており、これら分割口５３ａのみから圧縮空気Ａが導入通路５０内に流入する。図３（Ａ）に示すように、燃料Ｆはノズルプレート４３の燃料供給孔４４から下方の各ガイド片５３間の分割口５３ａ（図３（Ｂ））に向けて噴射されるが、このとき、燃料供給孔４４からの燃料Ｆは、前記圧縮空気Ａに対して直交方向に噴射されるので、圧縮空気Ａのせん断力により燃料Ｆが細かく分断されて、圧縮空気Ａと燃料Ｆの混合が促進される。

図４に示す流入口５２の通路面積Ｅ、すなわち、分割口５３ａの総開口面積は、導入筒５１の流出口５１ｂの通路面積ｅよりも大きくなるように設定されている。このように設定することで、圧縮空気Ａが導入される導入通路５０が、入口である流入口５２から、出口である導入筒５１の流出口５１ｂにわたって、先細り状になるので、空気通路１５から流入口５２に導入された圧縮空気Ａは、導入筒５１の流出口５１ｂでその流速が増加する。つまり、図３（Ａ）の燃焼筒１０の径方向内側への圧縮空気Ａの貫通力が増大する。

また、前記流入口５２から導入筒５１の出口までの間には、ガイド片５３と、ガイド筒４９と、導入筒５１が存在してこれらが導入通路５０を形成し、この導入通路５０で圧縮空気Ａと燃料Ｆとが混合される。つまり、圧縮空気Ａと燃料Ｆとの予混合される予混合距離Ｗは、後述する図５の比較例における追焚きバーナの予混合距離Ｗ１に比べ、長めに設定されている。このように、予混合距離Ｗを長めに設定することで、圧縮空気Ａと燃料Ｆとが予混合される時間が長くなって、圧縮空気Ａと燃料Ｆとがよく混ざり合い、燃料Ｆの濃度むらが少ない均一な予混合気Ｍ１を生成できる。

つぎに、上記構成にかかるガスタービン燃焼器の動作について図２を参照しながら説明する。この燃焼器２の起動時および起動後に拡散運転（非低ＮＯｘ運転）する場合には、パイロットバーナ２０を作動させ、燃料導入口２８から導入した燃料Ｆを燃焼室１１内に噴射して、拡散燃焼させる。通常運転時（低ＮＯｘ運転時）には、メインバーナ２１を作動させ、メインバーナ２１内で生成した予混合気Ｍを燃焼室１１内に噴射して第１の燃焼領域Ｓ１において希薄燃焼させる。これにより、燃焼室１１内の燃焼温度が低下して、ＮＯｘの発生が抑制される。この状態で、下流側の追焚きバーナ４０から噴出された予混合気Ｍ１が、前記第１の燃焼領域Ｓ１によりかなりの高温になっている第２の燃焼領域Ｓ２に導入されて燃焼する。これにより、第２の燃焼領域Ｓ２でのＮＯｘの発生も抑制され、その排出量を低減できる。

追焚きバーナ４０では、燃焼筒１０の頭部に向かって流れる空気通路１５内の圧縮空気Ａの一部が、図３（Ａ）に矢印ａ１で示すように、流入調整部材７６と流入口５２との間の入口通路５５に流入し、さらに、導入通路５０の入口である流入口５２に配置された複数のガイド片５３の間を進み、中央突起４３ａに当って、矢印ａ２に示すように９０°偏向され、燃焼筒１０の径方向内方へ向かって導入される。このように、流入調整部材７６とガイド筒４９との間の入口通路５５に流入した圧縮空気ａ１は、入口通路５５内を燃焼筒１０の径方向外方へ向かって流れ、９０°偏向して流入口５２から導入通路５０に流入する。

ここで、流入口５２における、空気通路１５内の圧縮空気Ａの上流側に向いた部分（図３（Ａ）の右側の部分）からは、圧縮空気Ａの大きな動圧によって、多量の圧縮空気Ａが流入しようとする一方で、流入口５２における圧縮空気Ａの下流側に向いた部分（図３（Ａ）の左側の部分）は、圧縮空気Ａの動圧が低いので、流入量が低下する傾向がある。これに対し、前記流入調整部材７６が圧縮空気Ａの動圧を受けるので、特に、流入調整部材７６における圧縮空気Ａの上流側に向いた部分（右側部分）とガイド筒４９との間の入口通路５５に流入した圧縮空気ａ１の動圧が低くなる。その結果、流入口５２から流入する圧縮空気ａ１の動圧が周方向においてばらつくのが抑制されるので、流入口５２から導入通路５０内に流入する圧縮空気量が周方向に均一となるように調整されて、燃料濃度むらの少ない予混合気Ｍ１が得られる。

さらに、圧縮空気ａ１は、導入通路５０の上流部を形成するガイド筒４９内で、ガイド片５３を経て燃焼筒１０の径方向内方へ向かうように９０°偏向されるので、この偏向によって強い乱れが発生する。他方、燃料Ｆは、図３（Ｂ）に示すように、燃料供給孔４４から複数のガイド片５３間の周方向に区画された領域に噴射されるので、周方向の燃料の濃度むらが抑制される。さらに、燃料Ｆは、図３（Ａ）に示す燃焼筒１０の径方向内方に向かって開孔した燃料供給孔４４から、圧縮空気Ａに対して直交方向に噴射されるので、圧縮空気Ａの剪断力により燃料Ｆが細かく分断されて、圧縮空気Ａとの混合が一層促進される。さらにその後、この混合気は、前述のとおり、９０°偏向する。その際に、圧縮空気ａ１の強い乱れにより撹拌されて混合が促進される。

つづいて、圧縮空気Ａおよび燃料Ｆは、図３（Ａ）のガイド片５３の下流側にまで延びたガイド筒４９とその下流の導入筒５１とを通って十分混合されたのち、予混合気Ｍ１となって燃焼筒１０の内側の燃焼室１１に流入する。したがって、導入筒５１の流出口５１ｂにおいて、流出口５１ｂを横断する面内で燃料Ｆの濃度むらの少ない均一な予混合気Ｍ１が得られる。この濃度むらの少ない均一な予混合気Ｍ１が第２の燃焼領域Ｓ２で、つまり第１の燃焼領域Ｓ１の下流の高温燃焼ガス中で、燃焼されるので、ＮＯｘの排出量を低減できる。ここで、予混合気Ｍ１は導入通路５０によって燃焼筒１０の径方向内方へ向かう貫通力が付与されるので、導入通路５０内に逆火して追焚きバーナ４０を損傷させるのが防止されるとともに、予混合気Ｍ１が燃焼室１０の中心部の前記高温燃焼ガス中に十分進入して燃焼される。

導入通路５０における予混合距離Ｗは、燃料供給孔４４からガイド筒４９を経て導入筒５１の流出口５１ｂに至るまでの長さとなる。これに対して、比較例として図５に示す追焚きバーナ１００の場合、同図（Ａ）に示すように、真直な燃料導管８０の先端に燃料供給孔８１を設けて燃料ノズルを構成したうえで、燃料供給孔８１を導入筒５１の内側に位置させており、第１実施形態のようなガイド筒４９を設けていない。この比較例における予混合距離Ｗ１は、燃料導管８０の燃料供給孔８１から導入筒５１の流出口５１ｂまでと、大幅に短くなっている。この予混合距離Ｗ１は導入筒５１の内径Ｄ３よりも小さい。このように、第１実施形態の場合、図３（Ａ）の予混合距離Ｗを長くとれる分だけ、燃料Ｆと圧縮空気Ａとが予混合される時間が長くとれ、燃料Ｆの濃度むらの少ない均一な予混合気Ｍ１を生成させることができる。

また、図５（Ｂ）の比較例では、燃料ノズル機能を兼備させた燃料導管８０の先端断面は小径となっており、設けられる燃料供給孔８１の数も少なく（例えば８個）、十分な多点噴射とはならない。これに対して、第１実施形態の場合、図３（Ａ）に示すように、燃料供給孔４４は導入筒５１よりも大径のガイド筒４９の流入口５２近傍、つまり、ノズルプレート４３の外周部に、複数（例えば１２個）設けられているので、十分な多点噴射が可能となり、この点からも予混合気Ｍの燃料Ｆの濃度むらが少なくなる。

また、導入筒５１は従来の燃焼筒１０に既設のものをそのまま使えるので、製造コストを抑制できる。さらに、追焚きバーナ４０は、導入通路５０の入口を形成する環状の流入口５２と、この流入口５２に配置されて、圧縮空気Ａを流入口５２の中心側へ向けて案内する複数のガイド片４１とを有するものであるから、圧縮空気Ａは、流入口５２の中心側へ向けて導入されて、導入通路５０内での旋回成分が小さくなり、それだけ燃焼室１０内への貫通力が大きくなるので、圧縮空気Ａと燃料Ｆの予混合が一層促進され、逆火も防止される。これにより、逆火に起因して起こり得る燃焼バーナ４０の損傷を回避できる。

また、ガイド筒４９とその下流側の前記導入筒５１との間には、隙間Ｂ２を存在させてあるから、ガイド筒４９と導入筒５１の形状寸法および取付位置の精度が低くても、両者４９，５１が接触して位置や姿勢を歪ませることがないので、これらの製造性および組付性が向上する。前記隙間Ｂ２は内側の予混合気Ｍを大きく乱すことがないように適宜の大きさに調節することにより、隙間Ｂ２の存在がＮＯｘ特性に影響を与えるのを防止できる。

さらに、前記流入口５２の通路面積Ｅが、前記導入筒５１の流出口５１ｂの通路面積ｅよりも大きくしてあるので、圧縮空気Ａの導入通路５０が入り口（流入口５２）から出口（流出口５１ｂ）にかけて実質的に先細り状となって、圧縮空気Ａが導入通路５０内でその流速を増加させる。これにより、予混合気Ｍの燃焼筒１０の径方向内方へ向かう貫通力が増大する。

図６は追焚きバーナ出口、つまり導入筒５１の流出口５１ｂでの予混合気Ｍ１の濃度分布を示しており、（Ａ）は第１実施形態による場合を、（Ｂ）は比較例による場合をそれぞれ示す。図６（Ｂ）の比較例では、完全予混合よりもはるかに濃度が高い第１エリアＰ１（最大濃度0.095 ）が中央部のかなり大きな部分を占め、その周りに濃度が低い順に第２エリアＰ２、第３エリアＰ３が形成され、最も濃度が低い第３エリアＰ３が最外周にかなり広めに形成されている。これに対し、第１実施形態による場合、図６（Ａ）に示すように、最も濃度が高い第１エリアＰ１（最大濃度0.043 ）が中央部の狭い部分のみであり、最も濃度が低い第３エリアＰ３が最外周に僅かに形成されているにすぎず、中間濃度の第２エリアＰ２が大きく広がっており、全体として燃料濃度のばらつきが少ない。このように、第１実施形態では、比較例に比べ、燃料Ｆの最大ピーク濃度がほぼ半減しており、濃度分布も平滑化されていて、燃料Ｆの濃度むらの少ない予混合気Ｍが生成されていることがわかる。

以上のように、本発明の第１実施形態によれば、追焚きバーナ用の予混合気Ｍ１を、既存の空気通路１５から導入通路５０に導入した圧縮空気Ａの一部に燃料Ｆを供給して導入通路５０内で生成できるから、燃焼器のコンパクト化が図れる。また、圧縮空気Ａは、導入通路５０内で燃焼筒１０の径方向内方へ向かって偏向されるので、燃焼筒１０の径方向内方へ向かう貫通力が与えられる。この圧縮空気Ａに、複数の燃料供給孔４４からの多点噴射によって燃料Ｆが供給されるので、圧縮空気Ａと燃料Ｆが導入通路５０内で急速に混合されて、燃料Ｆの濃度むらの少ない均一な予混合気Ｍ１が得られる。この濃度むらの少ない均一な予混合気Ｍ１が第２の燃焼領域Ｓ２の高温燃焼ガス中で燃焼されるので、ＮＯｘの排出量を低減できる。

図７は本発明の第２実施形態にかかるガスタービン燃焼器で使用する追焚きバーナ４０Ａを示す。この第２実施形態において、前記第１実施形態と同一部分または相当部分には同一の符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる構成についてのみ説明する。この第２実施形態は、図７（Ａ）に示すように、第１実施形態のガイド筒４９に代えて、複数の燃料小通路を束ねた燃料供給通路ユニットを形成する集束パイプ６０を用いた。導入通路５０Ａは導入筒５１により形成されている。集束パイプ６０は多数の小径パイプ６０ａを束ねたもので、小径パイプ６０ａが上下方向、つまり燃焼器１０の軸心Ｃ（図２）と直交する径方向に延びて、その下端の燃料供給孔６０ａａが前記径方向の内方を向いている。

集束パイプ６０は、図７（Ｂ）に示すように、例えば３２本の小径パイプ６０ａが一定密度で束ねられている。各燃料小通路を形成する小径パイプ６０ａの本数は、図５の比較例よりも多い１０本以上であり、１６本以上が好ましく、１６本以上、２４本以上または３２本以上がさらに好ましい。集束パイプ６０の外径Ｄ４は、導入筒５１の内径Ｄ３とほぼ同一である。これにより、燃料Ｆが集束パイプ６０から広い面状に導入通路５０Ａ内に噴射されるので、圧縮空気Ａと燃料Ｆとが均一に混合される。前記集束パイプ６０を構成する各小径パイプ６０ａの上端をノズルプレート６１に貫通させて固定し、前記上端を、燃料溜め空間４５に連通させて燃料ノズル４１Ａを構成している。ノズルプレート６１と導入筒５１の入口５１ａの間が、空気通路１５から圧縮空気Ａを取り入れる空気流入口６５、つまり導入通路５０A の入口となっている。小径パイプ６０ａの下端は導入筒５１の入口５１ａに臨んで、この入口５１a よりも若干上方、すなわち燃焼筒１０の径方向外方に離間している。これにより、集束パイプ６０が空気流入口６５を塞いで圧縮空気Ａの流入を妨げるのを回避している。また、集束パイプ６０の下端から導入筒５１の流出口５１ｂまでの予混合距離Ｗ２が確保されている。

この第２実施形態では、燃料Ｆが燃料溜め空間４５から集束パイプ６０の小径パイプ６０ａ内に導入され、各小径パイプ６０ａの下端の燃料供給孔６０ａａから導入通路５０Ａ内に、導入筒５１の軸方向内方、すなわち燃焼筒１０の径方向内方に向けて噴出される。導入筒５１内で前記燃料Ｆと圧縮空気Ａとが混合されて、予混合気Ｍ２が生成される。圧縮空気Ａは、導入通路５０Ａの入口である流入口６５から流入して、燃料Ｆが集束パイプ６０から広い面状に導入通路５０Ａ内に噴出されるので、燃料Ｆと圧縮空気Ａとが均一に混合されて、燃料Ｆの濃淡の小さい予混合気Ｍ２が得られる。さらに、予混合距離Ｗ２が確保されていることにより、一層の予混合の促進が期待できる。なお、この第２実施形態においても図１０（Ａ）に示すように、追焚きバーナ４０Ｂの出口である導入筒５１の流出口５１b での予混合気Ｍ２の濃度分布は、図６（Ｂ）に示す比較例の濃度分布に比べ、燃料Ｆの最大濃度（0.061 ）を示す第１エリアＰ１が小さく、燃料Ｆの濃度分布も平滑化されて、全体として燃料濃度のばらつきが少なくなっている。

図８は本発明の第３実施形態にかかるガスタービン燃焼器で使用する追焚きバーナ４０Ｂを示す。この第３実施形態は、図８（Ａ）に示すように、第１実施形態のガイド筒４９に代えて、ノズルプレート６７に支持されて燃料溜め空間４５に連通する単一の燃料導管７０と、この燃料導管７０に連結されて燃料導管７０の径方向外方に延びる燃料供給バー７１と、この燃料供給バー７１の下方で燃料供給バー７１と平行に配置されて燃料導管７０に連結された偏向用バー７２とを備えた噴射ユニット７３を設けている。燃料導管７０および燃料供給バー７１は複数本、例えば４本ずつ、それぞれ周方向に等間隔で配置されている。

前記燃料供給バー７１は、燃料導管７０の径方向に並んだ複数の燃料供給孔７１ａを有しており、導入筒５１内の上流部内側に配置されている。燃料供給孔７１ａは、燃料供給バー７１の周方向に１８０°離れた部分に２列で、各列３個ずつ設けられており、燃料供給孔７１ａから、導入筒５１内の導入通路５０Ａを通る圧縮空気Ａにほぼ直交する方向に燃料Ｆを噴出する。また、図８（Ｂ）および斜視図である図９に示すように、前記燃料供給バー７１と偏向用バー７２はいずれも、燃料導管７０の軸方向、つまり追焚きバーナ４０Ｂの軸心Ｃ１の方向から見て十字状の形状を有しており、前記軸方向から見て両者が重なり合うように、燃料導管７０の同一周方向位置に設けられている。燃料供給孔７１ａは合計２４個設けられている。燃料供給孔７１ａの好ましい数は、１２個以上、１６個以上または２４個以上である。また、燃料供給孔７１ａから導入筒５１の流出口５１ｂまでの予混合距離Ｗ３が確保されている。

この第３実施形態では、図８（Ｃ）に示すように、燃料Ｆが燃料供給バー７１の両側の６つの燃料供給孔７１ａから導入筒５１内の導入通路５０Ａに噴出されると、図８（Ｄ）に示すように、燃料Ｆは圧縮空気Ａによって導入筒５１の下流へ押し流されるように曲がって流れるが、その反動で、偏向用バー７１の下流側では互いに近づく方向へ流れて合流しようとするために、燃料Ｆの拡散が妨げられるおそれがある。ところが、偏向用バー７１があるため、燃料Ｆの合流が阻止される。つまり、燃料Ｆが偏在せず、導入筒５１内に満遍なく拡散されて上方からの圧縮空気Ａと混合される。したがって、燃料Ｆと圧縮空気Ａとが均一に混合された、燃料Ｆの濃淡の小さい予混合気Ｍ３が得られる。この第３実施形態においても、図１０（Ｂ）に示すように、追焚きバーナ４０Ｂの出口、つまり、導入筒５１の流出口５１ｂでの予混合気Ｍ３の濃度分布は、図６（Ｂ）に示す比較例の濃度分布に比べて、燃料の最大濃度（0.065 ）を示す第１エリアＰ１の部分が小さく、濃度分布も平滑化されて、全体として燃料濃度のばらつきが少なくなっている。

図１１に、本発明の第１実施形態にかかる燃焼器と、比較例として示した図５の燃焼器とをエンジンに搭載して行ったエンジン試験の結果を示す。図１１の横軸は負荷率であり、縦軸は燃焼筒１０の出口１０ｅ（図２）でのNOｘ濃度（燃焼用空気の酸素濃度１５％）である。同図に示すように、比較例の場合、追焚きバーナの作動時点ＢＳから負荷率が１００％に近づくにつれて、ＮＯｘの排出量、つまり、ＮＯｘ濃度は上昇していき、１００％の手前で急速に増加して、ＮＯｘ目標値を越えてしまう。これに対し、第１実施形態の場合では、すべての負荷率領域でＮＯｘ目標値を下回り、負荷率が１００％に達してもＮＯｘ濃度の上昇は認められなかった。

図１２に、前記第１〜３実施形態にかかる追焚きバーナを使用した燃焼器と図５に示した比較例の追焚きバーナを使用した燃焼器との燃焼実験の結果を示す。図１２の横軸は、図２に示した燃焼筒１０の出口１０ｅでの燃焼ガスＧの温度（燃焼器出口温度）を示す。図１２に示すように、比較例の場合、燃焼器内での温度上昇が増大して、負荷率１００％に対応する評価基準温度Ｔｒに近づくと、ＮＯｘ濃度が大幅に増加している。これに対し、第１〜３実施形態のいずれの場合でも、すべての温度領域でＮＯｘ目標値を下回り、基準温度Ｔｒに達した時点でも、ＮＯｘ濃度が低いことがわかる。

なお、導入通路５０の上流側の流入調整部材７６は省略することもできる。また、メインバーナ２１としては、上記実施形態で用いた予混合型のバーナに限られず、拡散型のバーナを用いてもよい。

以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、添付の特許請求の範囲から定まるこの発明の範囲内のものと解釈される。

１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ タービン
５ 燃料供給装置
６ 燃料制御装置
１０ 燃焼筒
１０ａ 周壁
１１ 燃焼室
１５ 空気通路
２０ パイロットバーナ
２１ メインバーナ
４０、４０Ａ、４０Ｂ 追焚きバーナ
４１ 燃料ノズル
４２ ノズルボディ
４３ ノズルプレート
４３ａ 中央突起
４４，６０ａａ，７１ａ 燃料供給孔
４９ ガイド筒
５０，５０Ａ 導入通路
５１ 導入筒
５１ｂ 流出口（出口）
５２ 流入口（入口）
５３ ガイド片
６０ 集束パイプ
６０ａ 小径パイプ
７１ 燃料供給バー
７２ 偏向用バー
７６ 流入調整部材
Ａ 圧縮空気
Ｆ 燃料
Ｈ ハウジング
Ｓ１ 第１の燃焼領域
Ｓ２ 第２の燃焼領域
Ｅ 入口の通路面積
ｅ 出口の通路面積
Ｂ２ 隙間
Ｗ 予混合距離

Claims (8)

1. 圧縮機から供給される圧縮空気と燃料を燃焼させてタービンに供給する燃焼器であって、
   燃焼室を形成する燃焼筒の頭部に設けられたメインバーナと、前記メインバーナよりも前記燃焼筒の下流側で前記燃焼筒の周壁を貫通して配置された予混合型の追焚きバーナとを備え、
   前記追焚きバーナは、
   前記燃焼筒の周壁とこれを覆うハウジングとの間に形成された空気通路から、燃焼筒の頭部に向かって流れる前記圧縮空気の一部を燃焼筒の径方向内方へ向かって偏向させて導入する導入通路と、
   前記導入通路に導入される圧縮空気に複数の燃料供給孔から燃料を供給して前記導入通路内で予混合気を生成させる燃料ノズルと、
   を有するガスタービン燃焼器。
2. 請求項１において、前記追焚きバーナは、前記導入通路の入口を形成する環状の流入口と、この流入口に配置されて、前記圧縮空気を流入口の中心側へ向けて案内する複数のガイド片とを有するガスタービン燃焼器。
3. 請求項２において、前記燃料ノズルは、隣接する前記ガイド片の間から前記導入通路に燃料を供給する燃料供給孔が設けられ前記導入通路の頭部を形成するノズルプレートを有するガスタービン燃焼器。
4. 請求項３において、前記追焚きバーナは、前記流入口からガイド片よりも下流側にまで延びる導入通路上流部の外壁を形成するガイド筒を有するガスタービン燃焼器。
5. 請求項１から４のいずれか一項において、前記追焚きバーナは、前記燃焼筒に取り付けられて前記導入通路の下流部を形成する導入筒を有するガスタービン燃焼器。
6. 請求項５において、前記ガイド筒とその下流側の前記導入筒との間に隙間が存在するガスタービン燃焼器。
7. 請求項１から６のいずれか一項において、前記導入通路は、入口の通路面積が出口の通路面積よりも大きいガスタービン燃焼器。
8. 請求項１から７のいずれか一項において、前記追焚きバーナは、前記導入通路の入口を形成する環状の流入口を有し、
   さらに、前記流入口との間に隙間を存して流入口の外周を覆う流入調整部材を備えたガスタービン燃焼器。

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