JP2011112286A - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】火炎位置が変動することによって生じる圧力変動を抑制して、ガスタービン燃焼器の信頼性を向上させるガスタービン燃焼器を提供する。
【解決手段】複数の燃料ノズルと、燃料ノズルと燃焼室との間に設置された複数の空気孔を有する空気孔プレートとでバーナを構成するガスタービン燃焼器において、空気孔プレートに形成された複数の空気孔から構成される空気孔群は、ピッチ円上に１列に配置されるように複数個備えられていると共に、それぞれの空気孔群の前記ピッチ円の中心位置が相互に異なるように配設されており、空気孔群を構成する複数の空気孔は、各空気孔の中心軸が前記ピッチ円の周方向に傾斜して形成されており、空気孔プレートに形成された前記空気孔群の空気孔間の距離は、燃焼室側の空気孔プレート表面における空気孔間の距離が燃料ノズル側の空気孔プレート表面における空気孔間の距離よりも小さくなるように構成した。
【選択図】図２

Description

本発明はガスタービン燃焼器に関するものである。

化石資源を燃料とするガスタービン発電プラントでは、地球温暖化物質である二酸化炭素（ＣＯ_２）の排出を低減するため、発電効率の向上が求められている。発電効率の向上にはガスタービン燃焼器から排出される燃焼ガスを高温化することが有効である。

しかし、燃焼ガスの高温化により環境阻害物質である窒素酸化物（ＮＯｘ）が増加するため、発電効率を向上させるとともにＮＯｘを低減することが重要な技術課題となっている。

近年、地球温暖化防止の観点から製鉄所で副生するコークス炉ガスや製油所で副生するオフガスなどを燃料として有効利用することが求められている。また、豊富な資源である石炭を酸素でガス化して発電する石炭ガス化発電プラント（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｏａｌ Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｃｙｃｌｅ：ＩＧＣＣ）では地球温暖化防止の観点より、ガスタービンに供給される燃料中の炭素分を分離・回収するシステムが国内外で検討されている。

上記のような副生ガスの成分の３０％〜６０％が水素であり、またＩＧＣＣプラントの燃料である石炭ガス化ガスの成分も、ＣＯ_２を回収する前では２５％程度、ＣＯ_２回収後はほとんどが水素である。このようにガスタービン燃焼器において水素含有燃料の需要が高まっている。

燃料中の水素は可燃範囲が広く燃焼速度が速いため、燃焼室内の壁面近傍で高温の火炎が形成され、燃焼器の信頼性を損なう場合がある。局所的に高温の火炎の形成を防止する手段として、燃料を分散させて燃焼室内で均一に燃焼させる方法が有効である。

空気に対する燃料の分散性を高めてＮＯｘを低減する方法として、特開２００３−１４８７３４号公報には複数の燃料ノズルと複数の空気孔を備え、燃料流、および燃料流の外周側に形成した空気流を燃焼室に噴射するバーナをもつ燃焼器の技術が開示されている。

特開２００３−１４８７３４号公報

前記した特許文献１に記載されたガスタービン燃焼器に関する技術においては、ある種の外乱によって燃焼器の燃焼室に形成される火炎位置が変動して圧力変動が生じる可能性がある。この圧力変動が生じた場合にはガスタービン燃焼器の信頼性を低下させる原因となる。

本発明の目的は、燃焼室に形成される火炎位置が変動することによって生じる圧力変動を抑制して、ガスタービン燃焼器の信頼性を向上させるガスタービン燃焼器を提供することにある。

本発明のガスタービン燃焼器は、下流側の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と対応させて前記燃焼室に空気を導く複数の空気孔がそれぞれ形成されており、前記燃料ノズルと前記燃焼室との間に設置された空気孔プレートとでバーナを構成するガスタービン燃焼器において、前記空気孔プレートに形成された複数の空気孔から構成される空気孔群は、ピッチ円上に１列に配置されるように複数個備えられていると共に、それぞれの空気孔群の前記ピッチ円の中心位置が相互に異なるように配設されており、前記空気孔群を構成する複数の空気孔は、各空気孔の中心軸が前記ピッチ円の周方向に傾斜して形成されており、前記空気孔プレートに形成された前記空気孔群の空気孔間の距離は、燃焼室側の前記空気孔プレート表面における空気孔間の距離が、燃料ノズル側の前記空気孔プレート表面における空気孔間の距離よりも小さくなるように形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、燃焼室に形成される火炎位置が変動することによって生じる圧力変動を抑制して、ガスタービン燃焼器の信頼性を向上させるガスタービン燃焼器を実現することができる。

本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器に設置された空気孔プレートの構造を示す縦断面図。 図１に示した本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器に設置された空気孔プレートの正面図。 本発明の第１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プラントの概略構成図。 比較例のガスタービン燃焼器に設置された空気孔プレートの正面図。 図４に記載した比較例のガスタービン燃焼器に設置された空気孔プレート下流の燃焼室内に形成される流体の流動と火炎の状況を示す模式図。 ガスタービン燃焼器の燃焼室内に形成される火炎面における燃空比に対する燃焼速度の変化を示す特性図。 本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器に設置された空気孔プレートをガスタービン燃焼器の燃焼室側から見た正面図。 図７に記載した本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器に設置された空気孔プレートの下流の燃焼室に形成される流体の流動と火炎の状況を示す模式図。 本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器に設置された空気孔プレート表面からの各ピッチ円中心軸上の圧力分布 本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器に設置された空気孔プレートの構造とを示す縦断面図。 図９に示した本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器に設置された空気孔プレートの正面図。 本発明の第３実施例であるガスタービン燃焼器に設置された空気孔プレートの構造とを示す縦断面図。 図１２に示した本発明の第３実施例であるガスタービン燃焼器に設置された空気孔プレートの正面図。 図１２及び図１３に示した本発明の第３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プラントの概略構成図。 本発明の第４実施例であるガスタービン燃焼器に設置された空気孔プレートの構造とを示す縦断面図。 図１５に示した本発明の第４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プラントの概略構成図。

本発明の実施例であるガスタービン燃焼器について図面を引用して以下に説明する。

本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器について図１乃至図３を引用して説明する。

図１及び図２は本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器に設置された空気孔プレートの構造を示す縦断面図及び正面図であり、図３は前記空気孔プレートを有するガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントを示す概略構成図である。

まず、本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器３を備えたガスタービンプラント１について図３を用いて説明すると、ガスタービンプラント１は、大気より吸入空気１０１を吸入して圧縮する空気圧縮機２と、空気圧縮機２により圧縮した圧縮空気１０２とガス燃料２００とを燃焼室５で燃焼させて高温の燃焼ガス１１０を生成するガスタービン燃焼器３と、ガスタービン燃焼器３の燃焼室５で発生した高温の燃焼ガス１１０を導いて駆動するタービン４と、タービン４の駆動により回転し発電する発電機６と、ガスタービン起動時に空気圧縮機２を起動するガスタービン起動用モータ７とを備えている。

そして、タービン４を駆動後の燃焼ガス１１０は、排気ガス１１１となってタービン４から排出される。

ガスタービン燃焼器３の頭部にはバーナ８が設けられており、このバーナ８は燃焼室５に圧縮空気１０２ａを導くための空気孔２１を複数個設けた空気孔プレート２０と、この空気孔プレート２０の上流側に配置されてガス燃料２００を前記空気孔プレート２０の空気孔２１内に向けて噴射する複数個の燃料ノズル２２とから構成されている。

複数個設けられた各空気孔２１と複数個設けられた各燃料ノズル２２とは１個ずつ対応させて同軸上にそれぞれ配置されている。

本実施例のガスタービン燃焼器３に設置されたバーナ８を構成する空気孔プレート２０と燃料ノズル２２について詳細に説明すると、図１及び図２に示すように、ガスタービン燃焼器３のバーナ８を構成する空気孔プレート２０は、ピッチ円上に５個の空気孔２１を１列に環状に配置した空気孔群５０、５１を複数個設けており、の空気孔群５０、５１のそれぞれのピッチ円の中心位置が異なっている。

図１及び図２は空気孔プレート２０に設ける空気孔群として、中央空気孔群５０を空気孔プレート２０のバーナ中央部３０に１個、外周空気孔群５１をバーナ中央部３０の外周側となる空気孔プレート２０のバーナ外周部３１に６個設けた構造を示している。

空気孔プレート２０に設けた中央空気孔群５０及び外周空気孔群５１では、各空気孔群５０、５１を構成するそれぞれの空気孔２１は、図１に示したように前記空気孔群の軸線方向に傾斜するように形成されていると共に、各空気孔２１の中心軸が破線の円として示した空気孔群のピッチ円の周方向に傾斜して形成されていることによって、前記空気孔群のこれらの空気孔２１を通過した流体（燃料と空気との混合気）の流れは図２に示したように空気孔２１の下流位置で螺旋状に旋回する流体の流れを形成する。

更に、前記中央空気孔群５０及び外周空気孔群５１の各空気孔群において、図１に示した空気孔プレート２０の燃焼室側３０１における隣接した空気孔２１の距離である空気孔間距離Ｄｃ２、Ｄｏ２は、空気孔プレート２１のエンドカバー側３００における隣接した空気孔２１の距離である空気孔間距離Ｄｃ１、Ｄｏ１よりもそれぞれ小さくなるように形成されている。

すなわち、中央空気孔群５０では空気孔間距離はＤｃ２＜Ｄｃ１であり、外周空気孔群５１では空気孔間距離はＤｏ２＜Ｄｏ１である。

空気孔プレート２１に形成される前記中央空気孔群５０及び外周空気孔群５１は、燃料の分散性を高めるために外周空気孔群５１の数は３個以上、また安定な旋回流をつくるために中央空気孔群５０と外周空気孔群５１に形成されるそれぞれの空気孔の数は４孔以上であるのが望ましい。

本実施例のガスタービン燃焼器３においては、空気孔プレート２１に形成される前記中央空気孔群５０及び外周空気孔群５１は、図２に示したようにそれぞれのピッチ円の中心に旋回軸をもつ旋回流が合計７個形成され、それらの旋回流の回転方向がすべて同じ方向（本図では反時計回り）である場合を示す。

また、図２に示した前記外周空気孔群５１が配設されている間隔である隣り合うピッチ円の中心間距離Ｌｇは、空気孔２１の口径ｄａに対して、２ｄａ＜Ｌｇ＜５ｄａの関係を満たすように設定されているので、空気孔２１の下流位置で螺旋状に旋回する流体の流れを確実に形成することができる。

前記空気孔プレート２０の上流側に位置して該空気孔プレート２０とガスタービン燃焼器３のバーナ８を構成する燃料ノズル２２は燃料分配器２３と連結されており、この燃料分配器２３によって燃料ノズル２２に供給する燃料の系統を分配できるようになっている。

図３のガスタービン燃焼器３を備えたガスタービンプラント１では、バーナ８のバーナ中央部３０と、このバーナ中央部３０の外周側となるバーナ外周部３１の２つに燃料を分配した燃料系統を示している。

バーナ８の燃料ノズル２２に供給するガス燃料２００は、燃料系統に設置された燃料遮断弁６０を通って２つに分岐し、それぞれの燃料系統に設置された燃料圧力調整弁６１ａ、６２ａ、および燃料流量調整弁６１ｂ、６２ｂを通過し、ガス燃料２０１、２０２としてガスタービン燃焼器３のバーナ８を形成するバーナ中央部３０の中央空気孔群５０とバーナ外周部３１の外周空気孔群５１に対応してそれぞれ設置された各燃料ノズル２２に供給される。

本実施例のガスタービン燃焼器３では燃料を前記燃料ノズル２２に供給する燃料燃料を２系統に分配したが、それ以上の数の燃料系統に分配してもよい。例えば、バーナ８のバーナ中央部３０に１個設置した中央空気孔群５０に対応する燃料ノズル２２に燃料を供給する燃料系統を１系統設置し、バーナ外周部３１に６個設置した外周空気孔群５１に対応する燃料ノズル２２に燃料を供給する燃料系統のうち、３個の外周空気孔群５１に対応する燃料ノズル２２と他の３個の外周空気孔群５１に対応する燃料ノズル２２に燃料を供給する燃料系統をそれぞれ１系統ずつ設置して、合計３系統の燃料系統に分配してもよい。

燃料として供給するガス燃料２００としては天然ガスや、コークス炉ガス、製油所オフガス、石炭ガス化ガスなどの水素含有燃料を使用できる。

ここで本願発明による作用効果を理解するために、例えば特開２００３−１４８７３４号公報（特許文献１）に記載されたガスタービン燃焼器と同じ構成のガスタービン燃焼器について、燃焼室内に圧力変動が発生する原理を説明する。

図４及び図５は、前記特許文献１に記載された比較例である多数の空気孔を形成した空気プレートを有するバーナを備えたガスタービン燃焼器において、空気孔プレート２０の正面図と、空気孔プレート下流の燃焼室内に形成される流体の流動及び火炎の状況の模式図とを示したものである。

図４に示した比較例のガスタービン燃焼器の空気孔プレート２０では、環状に配列されたそれぞれの空気孔列５２、５３、５４のピッチ円の中心がすべてバーナ中心に位置しており、空気孔プレート２０のバーナ中央部３０に１列目空気孔５２、バーナ外周部３１に２列目空気孔５３及び３列目空気孔５４をそれぞれ配設した構成となっている。

各列の空気孔５２、５３、５４はその中心軸が空気孔プレート２０の周方向に傾斜しており、空気孔プレート２０の燃焼室側表面３０１での空気孔間距離は、空気孔プレートエンドカバー側表面３００での空気孔間距離と等しい寸法に形成されている。

各列の空気孔５２、５３、５４が形成する旋回流はいずれもバーナ中心に旋回軸をもつため、図４に矢印で示したように、それらの旋回流は互いに合流してバーナ中心に回転軸をもつ１つの旋回流が形成される。

図５は比較例のガスタービン燃焼器における空気孔プレート２０の下流の燃焼室内に形成される流体の流動と火炎の状況を示した模式図であり、流線８２は、燃焼器の横断面における旋回流の主流成分の包絡線をバーナ中心を含む断面で示している。

空気孔出口で旋回流が急拡大するため、点Ｐに向けて燃焼ガスの一部が燃焼室５の下流側から空気孔プレート２０に向かって逆流する循環流８１が形成される。

この循環流８１の形成によって燃焼室５内に点Ｐを保炎点８０として定常な火炎８３が形成され、火炎８３の火炎面８４ａは保炎点８０を基点として燃焼室５内の下流側に広がった状況となる。

ところで、ガスタービン燃焼器３の燃焼室５内に形成される火炎面においては、空気流量に対する燃料流量の比（燃空比）と火炎が伝播する速度（燃焼速度）との間には図６に示した関係の特性がある。つまり、図６の特性図において、燃焼速度はある燃空比で極大の最大燃焼速度の点Ｓに到達する（図６中の点Ｓ）。

したがって、例えば流量変動等の何らかの外乱が生じてガスタービン燃焼器３のバーナ８を構成する空気孔プレート２０の下流となる燃焼室内に形成される火炎面における燃空比が増加すると、燃焼速度が増加する（図６の点Ａから点Ｂに移動して燃焼速度が増加する）。

その結果、比較例のガスタービン燃焼器３では、図５に示すように空気孔プレート２０の下流の燃焼室内に形成される火炎８３の火炎面８４ａは上流に伝播して空気孔プレート２０近傍まで接近し、火炎面８４ｂに変化することになる。

このように空気孔プレート２０の近傍まで火炎が接近すると、空気孔プレート２０の外周部３１の下流の外周側後流８６に可燃範囲の混合気が存在した場合、高温の燃焼ガスが着火源となり混合気に着火してしまうことになる。

混合気への着火は圧力波を発生させ、外周側後流８６や空気孔プレート２０の空気孔５３、５４内、および燃料ノズル２２の出口における圧力を瞬間的に上昇させる。

燃料ノズル２２出口の圧力が上昇すると、燃料供給差圧が低下し、燃料流量、すなわち燃空比が減少し、燃焼速度が減少する（図６の点Ｂから点Ｃに移動する）。

その結果、燃焼室内に形成される火炎８３の火炎面８４ｂは下流側に後退して火炎面８４ｃに変化する。火炎面８４ｂが火炎面８４ｃに変化したときには、燃料供給差圧の低下は解消されて、燃空比が再び増加し、燃焼速度も増加する（図６の点Ｃから点Ｂに戻る）。

この火炎面８４ｃは空気孔プレート２０近傍まで接近し、再び火炎面８４ｂに変化する。このような現象が繰り返されて燃焼室５内に形成される火炎位置が変動することにより燃焼室内に圧力変動が起こる。

そしてこの圧力変動が大きい場合には、結果としてガスタービン燃焼器の信頼性を低下させることになる。

このようにして生じるガスタービン燃焼器の燃焼室内に形成される火炎位置の変動は、比較例の空気孔プレート２０のバーナ外周部３１の２列目、３列目空気孔５３、５４から可燃範囲の混合気が連続的に供給されること、および外周側後流８６に混合気が連続的に流入してガス交換し、着火源となる高温燃焼ガスが流入することが要因である。

そして、空気孔プレート２０のバーナ外周部３１の２、３列目空気孔５３、５４から混合気が連続的に供給され、外周側後流８６が混合気の着火が起こる状態となっていれば、上述の現象が繰り返されて燃焼室内に形成される火炎位置が変動し、燃焼室内で生じる圧力変動が大きな場合にはガスタービン燃焼器の信頼性を低下させる可能性がある。

そこで、図４及び図５、並びに図６を用いて説明したような、比較例におけるガスタービン燃焼器の燃焼室内に形成される火炎位置の変動で生じる燃焼室内の圧力変動を抑制してガスタービン燃焼器の信頼性を向上させるため、本実施例のガスタービン燃焼器３においては、バーナ８を構成する空気プレート２０におけるバーナ中央部３０の外周側となるバーナ外周部３１での空気流量に対する燃料流量の比（燃空比）が、図６に示した最大燃焼速度の点Ｓよりも燃料希薄な条件となるように供給される燃料を配分する構成にしている。

そして、本実施例のガスタービン燃焼器３においては、図１乃至図３に示したように、空気プレート２０に形成したピッチ円上に１列に配置した空気孔群５０、５１をそのピッチ円中心が異なる位置となるように複数個設け、各空気孔群５０、５１における燃焼室側３０１の空気孔間距離をエンドカバー側３００の空気孔間距離よりも小さくなるように構成している。その効果を図７乃至図９を用いて説明する。

図７乃至図９は図１乃至図３に示した本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器３において、燃焼室５に形成される流体の流動と火炎の状況を示す図であり、図７は燃焼室５側から見た空気孔プレート２０の正面図、図８は燃焼室５に形成される流体の流動と火炎の状況の模式図を表わしたバーナ中心軸を含む縦断面図、図９は複数の空気孔を形成した空気孔プレート２０における各ピッチ円中心軸上の圧力分布を示す。

図８の模式図に示すように、第１実施例のガスタービン燃焼器３の空気孔プレート２０では、空気孔プレート２０に形成された中央空気孔群５０及び外周空気孔群５１の各空気孔群はエンドカバー側３００での空気孔間距離Ｄｏ１、Ｄｃ１よりも燃焼室側３０１での空気孔間距離Ｄｏ２、Ｄｃ２の方が小さいため、空気孔２１を通過する流体が形成する旋回流は図８中に点Ｑとして示す保炎点８０までは徐々に旋回半径を小さくしながら燃焼室５内に噴出する。

旋回流が燃焼室５内をさらに下流側に進むと点Ｑからは旋回半径は拡大する。このように流動する旋回流の包絡線を流線８２として図８に示す。

旋回半径が小さくなる空気孔プレート２０から点Ｑまでの領域では、角運動量保存則より旋回方向速度成分が増加するため、旋回軸付近には流れ方向に圧力が低下する順方向圧力勾配が生じる。

一方、旋回半径が大きくなる点Ｑより下流の領域では、旋回方向速度成分が減少するため、旋回軸付近には流れ方向に圧力が上昇する逆方向圧力勾配が生じる。その結果、それぞれの旋回軸付近には図９に示す圧力分布が形成される。

図９に示したような圧力分布が形成されることにより空気孔プレート２０の下流側にある燃焼室５内の燃焼ガスの一部は循環流８１として上流側へ逆流するが、上記の順圧力勾配が存在するため燃焼ガスは点Ｑを越えて空気孔プレート２０には接近できない。そのため、空気孔プレート２０から下流側に離れた位置に点Ｑとして示す保炎点８０が形成され、この保炎点８０を基点にして燃焼室内に火炎８３が保持される。

本実施例のガスタービン燃焼器３では、空気孔プレート２０に設けた１個の中央空気孔群５０及び６個の外周空気孔群５１の各空気孔群のそれぞれによって燃焼室５内に上記のような流体の流動が形成されるため、バーナ中央部３０だけでなくバーナ外周部３１においても流体の流動により形状を規定された火炎がそれぞれ保持される。したがって、本実施例のガスタービン燃焼器３では空気プレート２０の下流に７つの火炎が形成されることになる。

このように本実施例のガスタービン燃焼器３では、１つの空気プレート２０の下流の燃焼室５内に７つの火炎が形成されるので、仮に燃焼室内に形成される火炎位置が変動しても、比較例のような２、３列目空気孔５３、５４からの連続的な混合気の供給がないため、燃焼室内に形成される火炎位置の変動が大きくならず、燃焼室内の圧力変動が抑制されるのでガスタービン燃焼器の安定燃焼が可能となる。

また、たとえ仮に、各旋回流において、空気孔プレート２０から点Ｑまでの領域で混合気が流入しても、空気孔プレート２０の空気孔２１から噴出した混合気流と、点Ｑより下流の逆方向圧力勾配に阻害されて、混合気はこの領域から流出できず燃焼ガスとして滞留し、この領域は淀み領域となる。したがって、この淀み領域では混合気の連続的な流入とガス交換はない。

一方、着火源となる高温の燃焼ガスに関しては、空気孔プレート２０から点Ｑまでの順方向圧力勾配のため、燃焼ガスの一部が点Ｑを越えて空気孔プレート２０近傍の中央部後流８７や外周側後流８６に到達することはない。

なお、図８に示した旋回流の外側に位置する空気孔プレート２０近傍の領域８８や領域８９では、燃料の方が空気よりも密度が低いために、空気孔２１から空気流に包まれて噴出した燃料流が旋回流中であっても空気流を超えて旋回流の外側に流出することはなく、領域８８、８９への混合気の流入はない。

以上の説明から明らかなように、本実施例のガスタービン燃焼器３によれば、比較例のような２、３列目空気孔からの連続的な混合気の供給、および外周側後流８６における混合気の連続的な流入とガス交換、そして着火源となる高温燃焼ガスの流入を防止できるため、燃焼室５内に形成される火炎位置の変動は大きくならず、火炎位置の変動によって生じる燃焼室内の圧力変動が抑制されるので、この結果、ガスタービン燃焼器の安定燃焼が維持できるのでガスタービン燃焼器の信頼性を向上することができる。

さらに、本実施例のガスタービン燃焼器３では、燃焼室５の火炎８５は点Ｑより下流で形成されるため、空気孔プレート２０の空気孔から噴出した混合気が点Ｑに至るまでに燃料と空気の混合が促進され、ＮＯｘを低減できる。

以上説明したことから明らかなように、本実施例によれば、燃焼室に形成される火炎位置が変動することによって生じる圧力変動を抑制して、ガスタービン燃焼器の信頼性を向上させるガスタービン燃焼器を実現することができる。

次に本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器について図１０及び図１１を引用して説明する。

本実施例のガスタービン燃焼器は図１乃至図３に示した第１実施例のガスタービン燃焼器と基本的な構成、並びに作用効果は同じなので、両者に共通した説明は省略し、相違する部分について以下に説明する。

本実施例のガスタービン燃焼器３のバーナ８を構成する空気孔プレート２０の構造を図１０の縦断面図、及び図１１の正面図にそれぞれ示す。

本実施例のガスタービン燃焼器３では、空気孔プレート２０のバーナ中央部３０に設けた中央空気孔群５０による旋回流だけが時計回りの旋回流を形成し、バーナ中央部３０の外周側となるバーナ外周部３１に設けた外周空気孔群５１による旋回流が反時計回りの旋回流を形成して相互に逆方向に回転する点である。その他の構成は第１実施例のガスタービン燃焼器３と同じである。

本実施例のガスタービン燃焼器３では、バーナ外周側の火炎の安定性を更に向上する効果がある。即ち、図１１に示すように、空気孔プレート２０のバーナ中央部３０の旋回流とバーナ外周部３１の旋回流との境界では、それぞれの旋回流は同じ方向に進む。そのため、保炎点８０の下流側において、バーナ中央部３０の燃焼ガス９０がバーナ外周部３１の旋回流に容易に流入する。

バーナ外周部３１の旋回流に流入した高温の燃焼ガス９０は、バーナ外周部３１の火炎の安定性を向上させる。したがって、本実施例のガスタービン燃焼器によれば、第１実施例のガスタービン燃焼器に比べてバーナ外周側の火炎の安定性をさらに向上できることになる。

以上説明したことから明らかなように、本実施例によれば、燃焼室に形成される火炎位置が変動することによって生じる圧力変動を抑制して、ガスタービン燃焼器の信頼性を向上させるガスタービン燃焼器を実現することができる。

次に本発明の第３実施例であるガスタービン燃焼器について図１２及び図１３を引用して説明する。

本実施例のガスタービン燃焼器は図１乃至図３に示した第１実施例のガスタービン燃焼器と基本的な構成、並びに作用効果は同じなので、両者に共通した説明は省略し、相違する部分について以下に説明する。

本実施例のガスタービン燃焼器３のバーナ８を構成する空気孔プレート２０の構造を図１２の空気孔プレートの断面図、図１３の正面図にそれぞれ示す。また、図１４は図１２及び図１３に示した前記空気孔プレートを有するガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントを示す概略構成図である。

本実施例のガスタービン燃焼器３は、第１実施例のガスタービン燃焼器３の空気孔プレート２０に設けた１個の中央空気孔群５０及び６個の外周空気孔群５１から構成される空気孔群バーナを中央バーナ３２として空気孔プレート２０の中央部に１台設置し、さらに前記中央空気孔群５０及び６個の外周空気孔群５１から構成される空気孔群バーナを外周バーナ３３として前記中央バーナ３２の外周側となる空気孔プレート２０の外周部に６台設置した構成である。

即ち、図１２及び図１３に示したように本発明の第３実施例であるガスタービン燃焼器に設置された空気孔プレートでは、空気孔プレート２０の中央部に１個の中央空気孔群５０及び６個の外周空気孔群５１から構成される空気孔群バーナを中央バーナ３２として１台配置し、空気孔プレート２０の外周部に１個の中央空気孔群５０及び６個の外周空気孔群５１から構成される空気孔群バーナを外周バーナ３３として６台配置した場合を示す。

前記外周バーナ３３は３台以上配置するのが望ましい。また、前記中央バーナ３２及び外周バーナ３３を構成する各バーナの空気孔２１と空気孔群５０、５１の構造や配置は第１実施例のガスタービン燃焼器３と同様である。

図１４は図１２及び図１３に示した１個の中央空気孔群５０及び６個の外周空気孔群５１から構成される空気孔群バーナを、空気孔プレート２０の中央部に中央バーナ３２として１台、及び空気孔プレート２０の外周部に外周バーナ３３として６台有する構造のガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントを示す概略構成図である。

バーナ８の燃料ノズル２２に供給するガス燃料２００は、燃料系統に設置された燃料遮断弁６３を通って２つに分岐し、それぞれの燃料系統に設置された燃料圧力調整弁６６ａ、６７ａ、および燃料流量調整弁６６ｂ、６７ｂを通過し、ガス燃料２０６、２０７としてガスタービン燃焼器３における１台の中央バーナ３２を構成する中央空気孔群５０と外周空気孔群５１とに区分されてそれぞれ供給される。

同様に、ガス燃料２００は燃料系統に設置された燃料遮断弁６３を通って別の４つの燃料系統に分岐し、それぞれの燃料系統に設置された燃料圧力調整弁６４ａ、６５ａ、６８ａ、６９ａ、および燃料流量調整弁６４ｂ、６５ｂ、６８ｂ、６９ｂを通過し、ガス燃料２０４、２０５、２０８、２０９としてガスタービン燃焼器３における６台の外周バーナ３３を構成する中央空気孔群５０と外周空気孔群５１に対応してそれぞれ設置された各燃料ノズル２２とに区分されてそれぞれ供給される。

ここで、前記６台設置した外周バーナ３３に燃料を供給する前記４つの燃料系統は、空気プレート２０に６台設置された外周バーナ３３を奇数番の外周バーナ３３と偶数番の外周バーナ３３とに区分し、更に前記各外周バーナ３３を構成する中央空気孔群５０と外周空気孔群５１とに区分することによって４つの燃料系統に分けられたものであり、これらの４つに分けられた燃料系統にそれぞれ燃料を供給するように構成されている。

即ち、本実施例のガスタービン燃焼器３を備えたガスタービンプラントでは、前記ガスタービン燃焼器３に備えられた１台の中央バーナ３２に燃料を供給する燃料配管を２系統、６台の外周バーナ３３に燃料を供給する燃料配管を４系統に分配した燃料系統を示している。

尚、本実施例のガスタービン燃焼器３では燃料供給する燃料系統を合計６系統に分配した例を示したが、それ以上の数の系統に分配してもよい。

本実施例のガスタービン燃焼器３は、比較的大きな負荷に対応するガスタービンプラントに有効である。配置する外周バーナ３３の個数を調整することにより、燃焼室５内に形成される火炎位置の変動による燃焼室内の圧力変動を抑制することができる。それとともに、ガスタービン負荷に対応して燃料を供給する燃料系統を制御することにより、ガスタービン負荷の広い範囲において低ＮＯｘ燃焼と安定燃焼を両立させることが可能となる。

また、ガスタービン燃焼器に燃料を供給する燃料系統を増加させることでガスタービン燃焼器の運転の自由度を増すことができる。本実施例のガスタービン燃焼器では中央バーナ３２と外周バーナ３３を同一構造として説明したが、比較例の構造の空気孔プレート２０も燃焼条件によっては安定燃焼が可能であるため、中央バーナ３２に比較例の空気孔プレート２０を配置しても同等の効果を得ることができる。

以上説明したことから明らかなように、本実施例によれば、燃焼室に形成される火炎位置が変動することによって生じる圧力変動を抑制して、ガスタービン燃焼器の信頼性を向上させるガスタービン燃焼器を実現することができる。

次に本発明の第４実施例であるガスタービン燃焼器について図１２及び図１３を引用して説明する。

本実施例のガスタービン燃焼器は図１乃至図３に示した第１実施例のガスタービン燃焼器と基本的な構成、並びに作用効果は同じなので、両者に共通した説明は省略し、相違する部分について以下に説明する。

本実施例のガスタービン燃焼器３のバーナ８を構成する空気孔プレート２０の構造を図１５の空気孔プレートの正面図に示す。また、図１６は図１５に示した前記空気孔プレートを有するガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントを示す概略構成図である。

本実施例のガスタービン燃焼器３は、中央バーナとして、主に着火、および低負荷のときに使用する燃料噴射口４０を有するパイロットバーナ３４を１台配置し、第１実施例のガスタービン燃焼器３の空気孔プレート２０に設けた１個の中央空気孔群５０及び６個の外周空気孔群５１から構成される空気孔群バーナを外周バーナ３３として、前記パイロットバーナ３４の外周側となる空気孔プレート２０の外周部に６台設置した構成である。

図１６は図１５に示した１台のパイロットバーナ３４及び６台の外周バーナ３３を有するガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントを示す概略構成図であるが、パイロットバーナ３４に供給する起動用燃料２１０は燃料系統に設置された燃料遮断弁５９を通って燃料圧力調整弁７０ａ、および燃料流量調整弁７０ｂを通過し、パイロット燃料２１０としてガスタービン燃焼器３のパイロットバーナ３４に供給される。

起動用燃料２１０として、灯油、Ａ重油などの油燃料が使用される。

また、ガス燃料２００は燃料系統に設置された燃料遮断弁６３を通って図１４に示した前記実施例３のガスタービンプラントの場合と同様に、４つの燃料系統に分岐し、それぞれの燃料系統に設置された燃料圧力調整弁６４ａ、６５ａ、６８ａ、６９ａ、および燃料流量調整弁６４ｂ、６５ｂ、６８ｂ、６９ｂを通過し、ガス燃料２０４、２０５、２０８、２０９としてガスタービン燃焼器３の６台の外周バーナ３３にそれぞれ供給される。

本実施例のガスタービン燃焼器３は、着火時や、低負荷時にガスタービン燃焼器３の安定燃焼を得るために有効である。水素含有燃料を使用する場合、着火に失敗すると水素含有燃料がガスタービン燃焼器で燃焼せずに排出され、下流側のガスタービン内で着火して燃焼する可能性がある。

そこで、本実施例のガスタービン燃焼器３を採用することにより、ガスタービン燃焼器３のパイロットバーナ３４によって水素を含まない燃料で着火、および低負荷まで運転し、その後、外周バーナ３３に順次水素含有燃料を投入して燃焼させることにより、前記したような着火及び燃焼を未然に防止できる。

尚、上記の説明では起動用燃料として油燃料を例に挙げて説明したが、着火や低負荷時に安定燃焼が可能であれば天然ガスなどの気体燃料を利用できることは言うまでもない。

以上説明したことから明らかなように、本実施例によれば、燃焼室に形成される火炎位置が変動することによって生じる圧力変動を抑制して、ガスタービン燃焼器の信頼性を向上させるガスタービン燃焼器を実現することができる。

本発明は、安定燃焼を得るガスタービン燃焼器に適用可能である。

１：ガスタービンプラント、２：空気圧縮機、３：ガスタービン燃焼器、４：タービン、５：燃焼室、６：発電機、７：ガスタービン起動用モータ、８：バーナ、１０：外筒、１２：主室ライナ、１３：燃焼器エンドカバー、２０：空気孔プレート、２１：空気孔、２２：燃料ノズル、２３：燃料分配器、３０：バーナ中央部、３１：バーナ外周部、３２：中央バーナ、３３：外周バーナ、３４：パイロットバーナ、４０：燃料噴射孔、５０：中央空気孔群、５１：外周空気孔群、５２：１列目空気孔、５３：２列目空気孔、５４：３列目空気孔、６０、６３、５９：燃料遮断弁、６１ａ、６２ａ、６４ａ、６５ａ、６６ａ、６７ａ、６８ａ、６９ａ、７０ａ：燃料圧力調整弁、６１ｂ、６２ｂ、６４ｂ、６５ｂ、６６ｂ、６７ｂ、６８ｂ、６９ｂ、７０ｂ：燃料流量調整弁、８０：保炎点、８１：循環流、８２：燃焼器横断面における旋回流の軸方向速度の流線、８３：火炎、８４ａ、８４ｂ、８４ｃ、８５：火炎面、８６：外周側後流、８７：中央部後流、８８、８９：各旋回流の外側の領域、９０：燃焼ガス、１０１：吸入空気、１０２、１０２ａ：圧縮空気、１０３：冷却空気、１１０：燃焼ガス、１１１：排気ガス、２００、２０１、２０２、２０４、２０５、２０６、２０７、２０８、２０９：ガス燃料、２１０：起動用燃料、３００：空気孔プレートのエンドカバー側、３０１：空気孔プレートの燃焼室側。

Claims (6)

1. 下流側の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と対応させて前記燃焼室に空気を導く複数の空気孔がそれぞれ形成されており、前記燃料ノズルと前記燃焼室との間に設置された空気孔プレートとでバーナを構成するガスタービン燃焼器において、
   前記空気孔プレートに形成された複数の空気孔から構成される空気孔群は、ピッチ円上に１列に配置されるように複数個備えられていると共に、それぞれの空気孔群の前記ピッチ円の中心位置が相互に異なるように配設されており、
   前記空気孔群を構成する複数の空気孔は、各空気孔の中心軸が前記ピッチ円の周方向に傾斜して形成されており、
   前記空気孔プレートに形成された前記空気孔群の空気孔間の距離は、燃焼室側の前記空気孔プレート表面における空気孔間の距離が、燃料ノズル側の前記空気孔プレート表面における空気孔間の距離よりも小さくなるように形成さ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において、
   前記複数の空気孔から構成される空気孔群は前記空気孔プレートのバーナ中央部に１個、前記バーナ中央部の外周側となるバーナ外周部に３個以上それぞれ設置されており、
   前記バーナ外周部に設置された空気孔群は隣り合う前記ピッチ円の中心間距離が空気孔径の２倍より大きく、空気孔径の５倍より小さな範囲に設定されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
3. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記空気孔プレートのバーナ中央部に設置された前記複数の空気孔から構成される空気孔群の空気孔から供給される流体が形成する旋回流の回転方向が、前記空気孔プレートのバーナ外周部に設置された前記複数の空気孔から構成される空気孔群の空気孔から供給される流体が形成する旋回流の回転方向と同じ方向であることを特徴とするガスタービン燃焼器。
4. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記空気孔プレートのバーナ中央部に設置された前記複数の空気孔から構成される空気孔群の空気孔から供給される流体が形成する旋回流の回転方向が、前記空気孔プレートのバーナ外周部に設置された前記複数の空気孔から構成される空気孔群の空気孔から供給される流体が形成する旋回流の回転方向と反対方向であることを特徴とするガスタービン燃焼器。
5. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記複数の空気孔から構成される空気孔群は、中央に１個設置された空気孔群とその外周側に３個以上設置された空気孔群とから１台の空気孔群バーナを構成し、
   前記空気孔プレートのバーナ中央部に前記空気孔群バーナを中央バーナとして１台設置し、前記中央バーナの外周側となるバーナ外周部に前記空気孔群バーナを外周バーナとして３台以上設置したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
6. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記空気孔プレートのバーナ中央部に、着火および低負荷の時に使用するパイロットバーナを設置し、
   前記複数の空気孔から構成される空気孔群は、中央に１個設置された空気孔群とその外周側に３個以上設置された空気孔群とから１台の空気孔群のバーナを構成し、
   前記パイロットバーナの外周側となる前記空気孔プレートのバーナ外周部に前記空気孔群のバーナを外周バーナとして３台以上設置したことを特徴とするガスタービン燃焼器。

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