JP2012154588A

JP2012154588A - ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JP2012154588A
Application number: JP2011015586A
Authority: JP
Inventors: Shinji Akamatsu; 真児赤松; Toshihiko Saito; 敏彦齋藤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2012-08-16
Anticipated expiration: 2031-01-27
Also published as: JP5653774B2

Abstract

【課題】ＮＯｘを増加させることなく、小型・軽量化、および製造コストの低廉化を図ることができるガスタービン燃焼器を提供すること。
【解決手段】内筒の入口部に、複数の燃料ノズルの間に形成される空間を遮るようにして整流板６１が設けられ、前記整流板６１には、当該整流板６１を挟んで圧縮空気流路の上流側と下流側とを連通する多数の孔６６が設けられており、前記多数の孔６６の開口率は、前記整流板６１の半径方向内側から半径方向外側に向かって、漸次増加するようにして配置されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、ガスタービン燃焼器に関するものである。

ガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ化課題に対しては、燃料分布をコントロールすることで局所的な高燃料濃度を生じさせないことが重要であり、燃料濃度の均一化が必要である。そのためには燃料の大部分が通過するメイン空気量の増加とその均一化が重要である。

従来、車室からの主流空気を１８０度ターンさせてメイン予混合ノズルに主流空気を導く燃焼器が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。このような燃焼器では、流れの剥離等に伴う流れの偏在を解消するために、外筒と内筒との間に形成される圧縮空気流路の出口部にパンチメタル（整流板）を設け、燃焼混合箇所から１８０度ターニング箇所までの整流距離を十分に長く取ることで燃焼領域における流れ、および燃料濃度の均一化が図られている。

特開２０００−３４６３６１号公報

しかしながら、近年、ガスタービン燃焼器の小型・軽量化、および製造コストの低廉化が求められている。そのため、従来の構成（すなわち、同一の孔径を有する孔が、周方向および径方向に沿って均一に設けられているパンチメタル）では、燃焼混合箇所から１８０度ターニング箇所までの整流距離を十分に長く取ることができない。また、燃焼空気は１８０度ターニング箇所で反転されてガスタービン燃焼器の軸心側に集中しやすいため、燃焼領域における流れ、および燃料濃度が不均一になり、ＮＯｘが増加してしまうおそがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ＮＯｘを増加させることなく、小型・軽量化、および製造コストの低廉化を図ることができるガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係るガスタービン燃焼器は、内筒と、前記内筒の内周面に沿って周方向に配置される複数の燃料ノズルと、その内周面と前記内筒の外周面との間に圧縮空気流路が形成される外筒とを備え、前記圧縮空気流路を流れる圧縮空気が、前記内筒の端部で流動方向が略反転されて前記燃料ノズルに導入されるガスタービン燃焼器であって、前記内筒の入口部に、前記複数の燃料ノズルの間に形成される空間を遮るようにして整流板が設けられ、前記整流板には、当該整流板を挟んで前記圧縮空気流路の上流側と下流側とを連通する多数の孔が設けられており、前記多数の孔の開口率は、前記整流板の半径方向内側から半径方向外側に向かって、漸次増加するようにして配置されている。

本発明に係るガスタービン燃焼器によれば、１８０度ターニング箇所で反転されてガスタービン燃焼器の軸心側に集中しやすい圧縮空気に対し、内筒の半径方向内側を半径方向外側の開口率を減少させるように、整流板に多数の孔が設けられている。
これにより、燃焼混合箇所から１８０度ターニング箇所までの整流距離が、従来のように十分に取れないような場合でも、燃焼領域における流れ、および燃料濃度の均一化を図ることができ、ＮＯｘを増加させることなく、小型・軽量化、および製造コストの低廉化を図ることができる。

上記ガスタービン燃焼器において、前記整流板に設けられている多数の孔は、同一の内径を有し、前記多数の孔は、その数が、前記整流板の半径方向内側から半径方向外側に向かって、漸次増加するようにして配置されているとさらに好適である。

このようなガスタービン燃焼器によれば、１８０度ターニング箇所で反転されてガスタービン燃焼器の軸心側に集中しやすい圧縮空気に対し、内筒の半径方向内側に位置する孔の数が少なくなるように、整流板に多数の孔が設けられている。
これにより、燃焼混合箇所から１８０度ターニング箇所までの整流距離が、従来のように十分に取れないような場合でも、燃焼領域における流れ、および燃料濃度の均一化を図ることができ、ＮＯｘを増加させることなく、小型・軽量化、および製造コストの低廉化を図ることができる。

上記ガスタービン燃焼器において、前記整流板に設けられている多数の孔は、その孔径が、前記整流板の半径方向内側から半径方向外側に向かって、漸次大きくなるようにして配置されているとさらに好適である。

このようなガスタービン燃焼器によれば、１８０度ターニング箇所で反転されてガスタービン燃焼器の軸心側に集中しやすい圧縮空気に対し、内筒の半径方向内側に位置する孔の孔径が小さくなるように、整流板に多数の孔が設けられている。
これにより、燃焼混合箇所から１８０度ターニング箇所までの整流距離が、従来のように十分に取れないような場合でも、燃焼領域における流れ、および燃料濃度の均一化を図ることができ、ＮＯｘを増加させることなく、小型・軽量化、および製造コストの低廉化を図ることができる。

上記ガスタービン燃焼器において、前記複数の燃料ノズルは、ガスタービン燃焼器の軸心に設置されて拡散燃焼を行うパイロットノズルと、前記パイロットノズルの外周側で周方向に間隔を隔てて複数設置され、予混合燃焼を行うメインノズルであるとさらに好適である。

このようなガスタービン燃焼器によれば、１８０度ターニング箇所で反転されてガスタービン燃焼器の軸心側のパイロットノズルに集中しないように、整流板に多数の孔が設けられている。
これにより、燃焼混合箇所から１８０度ターニング箇所までの整流距離が、従来のように十分に取れないような場合でも、燃焼領域における流れ、および燃料濃度の均一化を図ることができ、ＮＯｘを増加させることなく、小型・軽量化、および製造コストの低廉化を図ることができる。

上記ガスタービン燃焼器において、前記整流板は、前記複数の燃料ノズルに対して個別に設けられており、前記燃料ノズルが挿通される貫通穴の中心は、挿通される燃料ノズルの軸心と略同心とされているとさらに好適である。

このようなガスタービン燃焼器によれば、燃焼領域における流れ、および燃料濃度の均一化を図ることができ、ＮＯｘを増加させることなく、小型・軽量化、および製造コストの低廉化を図ることができる。

本発明に係るガスタービンは、上記いずれかのガスタービン燃焼器を具備している。

本発明に係るガスタービンによれば、ＮＯｘを増加させることなく、小型・軽量化、および製造コストの低廉化を図ることができるガスタービン燃焼器を具備しているので、当該ガスタービンの小型・軽量化、および製造コストの低廉化を図ることができる。

本発明に係るガスタービン燃焼器によれば、ＮＯｘを増加させることなく、小型・軽量化、および製造コストの低廉化を図ることができるという効果を奏する。

本発明に係るガスタービン燃焼器を具備したガスタービンの概略構成図である。本発明に係るガスタービン燃焼器の概略構成図である。本発明の第１実施形態に係るガスタービン燃焼器の要部断面図である。図３に示す整流板を図３において右下から見た正面図である。本発明の第２実施形態に係るガスタービン燃焼器に適用される整流板の正面図である。他のガスタービン燃焼器に適用される整流板の正面図である。他のガスタービン燃焼器に適用される整流板の正面図である。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係るガスタービン燃焼器について、図１から図４を参照しながら説明する。
図１は本発明に係るガスタービン燃焼器を具備したガスタービンの概略構成図、図２は本発明に係るガスタービン燃焼器の概略構成図、図３は本実施形態に係るガスタービン燃焼器の要部断面図、図４は図３に示す整流板を図３において右下から見た正面図である。

図１に示すように、本実施形態に係るガスタービン１０は、圧縮機１１と、ガスタービン燃焼器１２と、タービン１３と、排気室１４とを備えており、ロータ２４には、図示しない発電機が連結されている。
圧縮機１１は、空気を取り込む空気取入口１５を有し、圧縮機車室１６内に複数の静翼１７と動翼１８とが交互に配設されており、その外側に抽気マニホールド１９が設けられている。

ガスタービン燃焼器１２は、圧縮機１１で圧縮された圧縮空気に対して燃料を供給し、バーナで点火することで燃焼可能となっている。
タービン１３は、タービン車室２０内に複数の静翼２１と動翼２２とが交互に配設されている。
排気室１４は、タービン１３に連続する排気ディフューザ２３を有している。また、圧縮機１１、ガスタービン燃焼器１２、タービン１３、排気室１４の中心部を貫通するようにロータ（タービン軸）２４が位置しており、圧縮機１１側の端部が軸受部２５により回転自在に支持されるとともに、排気室１４側の端部が軸受部２６により回転自在に支持されている。そして、ロータ２４には、複数のディスクプレートが固定され、ディスクプレートには、動翼１８，２２が連結されるとともに、ロータ２４の空気取入口１５側の端部には、図示しない発電機の駆動軸が連結されている。

このように構成されたガスタービン１０では、圧縮機１１の空気取入口１５から取り込まれた空気が、複数の静翼１７と動翼１８とを通過して圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となり、ガスタービン燃焼器１２にて、この圧縮空気に対して所定の燃料が供給されることで燃焼する。そして、このガスタービン燃焼器１２で生成された作動流体である高温・高圧の燃焼ガスが、タービン１３を構成する複数の静翼２１と動翼２２を通過することでロータ２４を駆動回転し、このロータ２４に連結された発電機を駆動する一方、排気ガスは排気室１４の排気ディフューザ２３で静圧に変換されてから大気に放出される。

図２に示すように、ガスタービン燃焼器１２においては、燃焼器外筒３１の内部に所定間隔をあけて燃焼器内筒３２が支持され、この燃焼器内筒３２の先端部に燃焼器尾筒３３が連結されて燃焼器ケーシングが構成されている。燃焼器内筒３２内には、その中心部にパイロットノズル（燃料ノズル）３４が配設されるとともに、燃焼器内筒３２の内周面に周方向に沿ってパイロットノズル３４を取り囲むように複数のメインノズル（予混合ノズル：燃料ノズル）３５が配設されており、パイロットノズル３４の先端部にはパイロットコーン３６が装着されている。また、燃焼器外筒３１の内周面に周方向に沿って複数のトップハットノズル３７が配設されている。

図３を用いて詳細に説明すると、燃焼器外筒３１は、外筒本体４１の基端部に外筒蓋部４２が密着し、複数の締結ボルト４３により締結されて構成されており、この外筒蓋部４２に燃焼器内筒３２の基端部が嵌着され、外筒蓋部４２と燃焼器内筒３２との間に圧縮空気流路４４が形成されている。そして、燃焼器内筒３２内にて、その中心部にパイロットノズル３４が配設されるとともに、このパイロットノズル３４を取り囲むように複数のメインノズル３５が配設され、各メインノズル３５の先端部がメインバーナ４５に連通している。

また、外筒蓋部４２には、トップハット部４７が嵌合し、複数の締結ボルト４８により締結されており、上述したトップハットノズル３７は、このトップハット部４７に設けられている。すなわち、トップハット部４７の基端部に周方向に沿って燃料キャビティ４９が形成され、この燃料キャビティ４９から先端側に向けて複数の燃料通路５０が形成されており、この各燃料通路５０の先端部にペグ５２が連結されている。

そして、図示しないパイロット燃料ラインがパイロットノズル３４の燃料ポート５３に連結され、メイン燃料ラインがメインノズル３５の燃料ポート５４連結され、トップハット燃料ラインがトップハットノズル３７の燃料ポート５５に連結されている。

そして、このように構成されたガスタービン燃焼器１２では、図２および図３に示すように、高温・高圧の圧縮空気の空気流が圧縮空気流路４４に流れこむと、この圧縮空気がトップハットノズル３７から噴射された燃料と混合され、この燃料混合気が燃焼器内筒３２内に流れ込む。燃焼器内筒３２内では、この燃料混合気がメインノズル３５から噴射された燃料とメインバーナ４５により混合され、予混合気の旋回流となって燃焼器尾筒３３内に流れ込む。また、燃料混合気は、パイロットノズル３４から噴射された燃料と混合され、図示しない種火により着火されて燃焼し、燃焼ガスとなって燃焼器尾筒３３内に噴出する。このとき、燃焼ガスの一部が燃焼器尾筒３３内に火炎を伴って周囲に拡散するように噴出することで、各メインノズル３５から燃焼器尾筒３３内に流れ込んだ予混合気に着火されて燃焼する。すなわち、パイロットノズル３４から噴射したパイロット燃料による拡散火炎により、メインノズル３５からの希薄予混合燃料の安定燃焼を行うための保炎を行うことができる。

さて、図３に示すように、燃焼器内筒３２の入口部には、整流板（多孔板）６１が設けられている。
整流板６１は、図４に示すように、正面視（背面視）円形状を呈する板状の部材である。
整流板６１の中央部には、正面視（背面視）円形状を呈するとともに、板厚方向に貫通してパイロットノズル３４が挿通される第１の貫通穴６２が一つ設けられている。貫通穴６２の内周面６３は、パイロットノズル３４の外周面と合致する（接する）ようにして、すなわち、内周面６３の内径と、パイロットノズル３４の外周面の外径とが同じになるようにして形成されている。

また、貫通穴６２の周囲には、正面視（背面視）円形状を呈するとともに、板厚方向に貫通してメインノズル３５が挿通される第２の貫通穴６４が周方向に沿って、所定（一定）の間隔をあけて（本実施形態では４５度毎に）、複数個（本実施形態では八つ）設けられている。貫通穴６４の内周面６５は、メインノズル３５の外周面と合致する（接する）ようにして、すなわち、内周面６５の内径と、メインノズル３５の外周面の外径とが同じになるようにして形成されている。

そして、整流板６１には、周方向および径方向に沿って、板厚方向に貫通する多数の孔６６が設けられている。これら孔６６は、その内径（孔径）がすべて同一とされ、その数（密度）が、整流板６１の半径方向内側から半径方向外側に向かって、すなわち、貫通穴６２の内周面６３から整流板６１の外周面６７に向かって漸次増加する（疎から密になる）ようにして設けられている。つまり、貫通穴６２の開口率（整流板の面積に対する貫通孔の面積の占める割合）が内周面６３から外周面６７に向って漸次増加するようになっている。

本実施形態に係るガスタービン燃焼器１２によれば、１８０度ターニング箇所で反転されてガスタービン燃焼器１２の軸心側、すなわち内筒の中心に位置するパイロットノズル側に集中しやすい圧縮空気に対し、の内筒の半径方向内側に位置する孔６６の数が少なくなるように、整流板６１に多数の孔６６が設けられている。
これにより、燃焼混合箇所から１８０度ターニング箇所までの整流距離が、従来のように十分に取れないような場合でも、燃焼領域における流れ、および燃料濃度の均一化を図ることができ、ＮＯｘを増加させることなく、小型・軽量化、および製造コストの低廉化を図ることができる。

本実施形態に係るガスタービン燃焼器１２を具備したガスタービン１０によれば、ＮＯｘを増加させることなく、小型・軽量化、および製造コストの低廉化を図ることができるガスタービン燃焼器を具備しているので、当該ガスタービンの小型・軽量化、および製造コストの低廉化を図ることができる。

〔第２実施形態〕
本発明の第２実施形態に係るガスタービン燃焼器について、図５を参照しながら説明する。図５は本実施形態に係るガスタービン燃焼器に適用される整流板の正面図である。
本実施形態に係るガスタービン燃焼器は、整流板６１の代わりに整流板７１が設けられているという点で上述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については上述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、上述した第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。

図５に示すように、整流板７１には、周方向および径方向に沿って、板厚方向に貫通する多数の孔７６が設けられている。これら孔７６は、その内径（孔径）が、整流板６１の半径方向内側から半径方向外側に向かって、すなわち、貫通穴６２の内周面６３から整流板７１の外周面６７に向かって漸次大きくなるとともに、その数（密度）が、整流板７１の半径方向内側から半径方向外側に向かって、すなわち、貫通穴６２の内周面６３から整流板６１の外周面６７に向かって漸次増加する（疎から密になる）ようにして設けられている。つまり、貫通穴６２の開口率が内周面６３から外周面６７に向って漸次増加するようになっている。

本実施形態に係るガスタービン燃焼器によれば、１８０度ターニング箇所で反転されてガスタービン燃焼器の軸心側、すなわち内筒の中心に位置するパイロットノズル側に集中しやすい圧縮空気に対し、内筒の半径方向内側に位置する孔７６の孔径が小さくなるように、整流板７１に多数の孔７６が設けられている。
これにより、燃焼混合箇所から１８０度ターニング箇所までの整流距離が、従来のように十分に取れないような場合でも、燃焼領域における流れ、および燃料濃度の均一化を図ることができ、ＮＯｘを増加させることなく、小型・軽量化、および製造コストの低廉化を図ることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜必要に応じて変形・変更実施可能である。
例えば、上述した第１実施形態に係る技術的思想を、特開２０１０−１８１１４２号公報や特開２００９−１３９０８４号公報に開示されているガスタービン燃焼器に適用する場合には、図６に示す整流板８１が用いられ、上述した第２実施形態に係る技術的思想を、特開２０１０−１８１１４２号公報や特開２００９−１３９０８４号公報に開示されているガスタービン燃焼器に適用する場合には、図７に示す整流板９１が用いられることになる。
図６中の符号８２および図７中の符号９２はそれぞれ、図示しない燃料ノズルが挿通される貫通穴である。
なお、整流板８１，９１は、複数（図６および図７に示すものでは五つ）の燃料ノズルに対して個別に設けられており、各貫通穴８２，９２の中心は、挿通される燃料ノズルの軸心と略同心とされている。

１０ガスタービン
１２ガスタービン燃焼器
３２燃焼器内筒（内筒）
３４パイロットノズル（燃料ノズル）
３５メインノズル（燃料ノズル）
４２外筒蓋部（外筒）
４４圧縮空気流路
６１整流板
６６孔
７１整流板
７６孔
８１整流板
９１整流板

Claims

内筒と、
前記内筒の内周面に沿って周方向に配置される複数の燃料ノズルと、
その内周面と前記内筒の外周面との間に圧縮空気流路が形成される外筒とを備え、
前記圧縮空気流路を流れる圧縮空気が、前記内筒の端部で流動方向が略反転されて前記燃料ノズルに導入されるガスタービン燃焼器であって、
前記内筒の入口部に、前記複数の燃料ノズルの間に形成される空間を遮るようにして整流板が設けられ、
前記整流板には、当該整流板を挟んで前記圧縮空気流路の上流側と下流側とを連通する多数の孔が設けられており、
前記多数の孔の開口率は、前記整流板の半径方向内側から半径方向外側に向かって、漸次増加するようにして配置されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
前記整流板に設けられている多数の孔は、同一の内径を有し、
前記多数の孔は、その数が、前記整流板の半径方向内側から半径方向外側に向かって、漸次増加するようにして配置され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燃焼器。
前記整流板に設けられている多数の孔は、その孔径が、前記整流板の半径方向内側から半径方向外側に向かって、漸次大きくなるようにして配置されていることを特徴とするガスタービン燃焼器を特徴とする請求項１に記載のガスタービン燃焼器。
前記複数の燃料ノズルは、
ガスタービン燃焼器の軸心に設置されて拡散燃焼を行うパイロットノズルと、
前記パイロットノズルの外周側で周方向に間隔を隔てて複数設置され、予混合燃焼を行うメインノズルであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のガスタービン燃焼器。
前記整流板は、前記複数の燃料ノズルに対して個別に設けられており、前記燃料ノズルが挿通される貫通穴の中心は、挿通される燃料ノズルの軸心と略同心とされていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のガスタービン燃焼器。
請求項１から５のいずれか一項に記載のガスタービン燃焼器を備えていることを特徴とするガスタービン。