JP2013029231A - 燃焼器、バーナ及びガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】パイロット燃料で運転する場合の燃焼ガスの逆流防止用設備を要さず低カロリーガスでも燃焼安定性を確保する。
【解決手段】燃焼室１２の上流側の部分に配置されノズル孔３３１，３３２及び空気孔を複数有する旋回プレート３１６と、旋回プレート３１６の上流側に設けたベースプレート３１５と、ノズル孔３３１，３３２にそれぞれ差し込まれた複数のガスノズル３２０とを備え、ガスノズル３２０の先端がノズル孔３３１，３３２内に位置していて、ノズル孔３３１，３３２が、ガスノズル３２０のガス噴孔よりも小径で燃焼室１２側に対向した噴孔部３５７及びガスノズル３２０の先端部外周に空気通路を形成する通路部３５８を有しており、ベースプレート３１５が、空気通路３５８及び空気孔と繋がった空気チャンバ４００を旋回プレート３１６との間に形成している。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼器、バーナ及びガスタービンに関する。

ガスタービンの主要燃料である液化天然ガス（ＬＮＧ：Liquefied Natural Gas）に比べて発熱量の低い燃料は、一般に火炎温度が低く燃焼速度が遅いため燃え難いが、燃焼の際のＮＯｘ排出量が少ないという特徴がある。こうした低カロリーガスとして代表的には高炉ガスが例示できる。高炉ガスは製鉄プロセスにおいて高炉から発生する副生ガスであり、近年、ガスタービン燃料としての高炉ガスのニーズが高まっている。しかし、高炉ガスは主要成分である一酸化炭素（ＣＯ）や水素（Ｈ_２）の他にＮ_２やＣＯ_２を多量に含む難燃性であるため、ガスタービンの着火から定格負荷範囲を高炉ガス専焼で運転することは難しく、着火から部分負荷範囲を安定に運転（燃焼）するためには起動用のパイロット燃料が別途必要となる。

また、高炉ガス以外の低カロリーガスとしては石炭やバイオマス（木屑等）のガス化ガスも例示できる。これら石炭等を原料とした燃料も資源有効利用の観点からガスタービン燃料としてのニーズが高まっているが、Ｎ_２を多量に含む難燃性のガスであることから、やはりパイロット燃料を別途要する。

そのため、燃焼器において難燃性ガスを安定に燃焼させるには、燃料と空気を別々の流路から供給する拡散燃焼方式を採用し、液体燃料等のパイロット燃料と低カロリーガスのデュアル燃料の燃焼が可能なバーナ構成とするのが一般的である。一例として、半径方向中心部にガスタービンの起動から部分負荷範囲を運用する油ノズルを配置し、油ノズルの外周にガス噴孔を配置したバーナがある（特許文献１等参照）。

一方、ＬＮＧ等の高カロリー燃料は火炎温度が高くなるため、ＮＯｘ排出量の抑制に関して工夫が必要である。ＮＯｘ排出量を抑えた燃焼方式として分散・希薄燃焼が例示できる。この分散・希薄燃焼は、燃料と空気とをプレートに設けた空気孔に向けて同軸に噴射し、空気孔入口における縮流と空気孔出口の急拡大における乱れを利用して短い距離で燃料と空気を急速に混合して燃焼室に供給する燃焼方式である（特許文献２等参照）。分散・希薄燃焼方式では燃料と空気の混合距離が短いため、ＬＮＧに限らず、水素を含有する燃焼速度の速い燃料を用いる場合でも低ＮＯｘ化の効果が見込める。

特開平５−８６９０２号公報 ２００３−１４８７３４号公報号公報

一般に低カロリーガスは火炎温度が低いため、高カロリーガスに代えて使用するにはガス噴孔の開口面積を大きくして燃料流量を確保しなければならない。しかしガス噴孔の開口面積をあまり大きくすると、多缶型燃焼器を備えたガスタービンを対象とする場合、ガスタービンの着火から部分負荷範囲を液体燃料等のパイロット燃料を使って運転するとき、燃焼器間で燃焼器内圧力のアンバランスが生じた際に高圧側の燃焼器から低圧側の燃焼器に高温の燃焼ガスがガス噴孔を介して逆流し得る。

それに対し、特許文献１では、油微粒化用の噴霧空気の一部を燃料ノズル内のガス流路から燃焼室内に噴射し、燃料ノズルのガス噴孔出口部に空気圧をかけて燃焼ガスの逆流を防止している。しかしそのためには、燃焼用空気よりも高圧のパージ空気用の系統を別途設置する、或いは油微粒化用空気を供給する圧縮機の容量を大きくする必要があり、コスト面や運用面で不利である。また、燃料ノズルの燃焼器径方向内側表面を冷却する場合には、燃料ノズルの燃焼器径方向外側からガス通路を横切って冷却空気を供給する必要があり燃料ノズルの構造が複雑化してしまう。加えて、冷却空気の供給によって燃料ノズル表面の冷却が可能になる反面、燃焼安定性が損なわれる恐れがあった。

一方、特許文献２に記載された燃焼器においては、低カロリーガスを供給した場合には、燃え難い低カロリーガスが空気と混合されるため拡散燃焼に比べて安定燃焼範囲はさらに狭くなり、そのままでは燃焼安定性に課題がある。

本発明の目的は、液体燃料等のパイロット燃料で運転する場合にも高温の燃焼ガスの逆流を防止するパージ空気系統を必要とせず、かつ低カロリーガスの専焼運転でも燃焼安定性を確保することができる燃焼器、バーナ及びガスタービンを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、パイロット燃料を燃焼する際にはガスノズルの噴孔が空気流で覆われてガスノズルへの燃焼ガスの逆流が抑制され、また、低カロリーガスを燃焼する際にはガスノズルからのガスが空気と混合されずに燃焼室に供給されるようにして、拡散燃焼によって低カロリーガスでも安定して燃焼できる構造とする。

本発明によれば、液体燃料等のパイロット燃料で運転する場合にも高温の燃焼ガスの逆流を防止するパージ空気系統を必要とせず、かつ低カロリーガスの専焼運転でも燃焼安定性を確保することができる。

本発明の第１の特徴を示す燃焼器構造、およびシステム系統図である。 本発明の第１の特徴を示すバーナ断面図、および油焚きにおけるバーナ内の空気の流れを示した図である。 本発明の第１の特徴を示すバーナ正面図である。 本発明の第１の特徴を示すバーナ断面図、およびガス焚きにおけるバーナ内の空気の流れを示した図である。 本発明の第２の特徴を示すバーナ断面図である。 本発明の第３の特徴を示すバーナ断面図である。

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

＜第１の実施の形態＞
（ガスタービンの構成）
図１は本発明の第１の実施の形態に係るガスタービンの要部の拡大断面図である。

図１に示したガスタービン５は、大気より吸込んだ空気１０１を圧縮する圧縮機２、この圧縮機２で圧縮された燃焼空気１０２を燃料とともに燃焼する燃焼器３、この燃焼器３で発生した燃焼ガス１４０により回転動力を得るタービン４、タービン４の回転動力を電気エネルギーに変換する発電機６、及び圧縮機２及びタービン４を起動させる起動用モータ８を備えている。圧縮機２、タービン４、発電機６及び起動用モータ８は、同軸上に連結されている。

（燃焼器の構成）
燃焼器３は、パイロット燃料５１（ここではＡ重油等の液体燃料とする）及び低カロリーガス６１ａ，６１ｂの少なくとも一方と圧縮機２からの燃焼空気１０２との混合・燃焼によって燃焼ガス１４０を発生させる。この燃焼器３は、圧力容器である外筒１０を備えている。外筒１０は、燃焼室１２と、この燃焼室１２の外周を覆う燃焼室冷却用のフロースリーブ１１を内包している。燃焼室１２の上流（燃焼ガス１４０の流れ方向における上流側、以下同じ）には、当該燃焼室１２に燃料と空気を噴出し火炎を保持するためのバーナ３００が配置してある。圧縮機２から供給される空気１０２は、フロースリーブ１１と燃焼室１２との間の環状の空間を流れて燃焼室１２を冷却しながら、燃焼室１２の側面に設けた空気孔１３やバーナ３００を介して燃焼室１２内に分配・供給される。

（バーナの構成）
図２はバーナ３００の拡大断面図、図３は燃焼室１２内から見たバーナ３００の正面図、図４は図３中のIV−IV線による断面図である。

図２及び図３に示したように、バーナ３００は、外筒１０の上流側端部に固定したバーナボディーのフランジ３５１と、このフランジ３５１の径方向（燃焼器径方向、以下同じ）中心部から燃焼室１２向かってに延びるパイロットノズル５３と、フランジ３５１の下流側（燃焼ガス１４０の流れ方向における下流側、以下同じ）に形成したパイロットノズル５３を中心とする同心の環状のガス室３５２，３５３と、ガス室３５２，３５３から燃焼室１２に向かって延びる複数のガスノズル３２０と、燃焼室１２の上流側端部に配置された旋回プレート３１６とを備えている。

パイロットノズル５３は、起動から部分負荷範囲の運転時に使用されるものであり、パイロット燃料系統（図示せず）から供給されたパイロット燃料５１を噴霧空気５２（例えば圧縮機２からの昇圧空気の一部）によってせん断して微粒化し、これを燃焼室１２内に噴霧して燃焼させる。このパイロットノズル５３は旋回プレート３１６の径方向中心部に挿し込まれ、ベースプレート３１５を貫通して旋回プレート３１６の燃焼室１２側の端面に先端部が面一となっている。

ガスノズル３２０は、ガス室３５２，３５３からそれぞれ供給される低カロリーガス６１ａ又は６１ｂを燃焼室１２内に噴射して燃焼させる。低カロリーガス６１ａ，６１ｂの燃料系統は、ガス源１３３から延びる主系統１３０がガス室３５２，３５３にそれぞれ接続する系統１３１，１３２に分岐した構成であり、主系統１３０に設けた圧力調整弁１５０により燃料系統の圧力調整が可能となる。系統１３１，１３２には流量調節弁１５１，１５２が設けられており、これら流量調整弁１５１，１５２を制御することでそれぞれ系統１３１，１３２の流量調整が可能である。圧力調整弁１５０及び流量調節弁１５１，１５２は、いずれも操作者の指示又は予め格納したプログラムに従って制御装置２００によって制御される。

バーナは、互いに平行に配置された旋回プレート３１６及びベースプレート３１５と、これら旋回プレート３１６及びベースプレート３１５を連結する外周リング３５５とを備えていて、パイロットノズル５３に固定され支持されている。

旋回プレート３１６は、最も広い端面を燃焼室１２内の空間に向けた姿勢（すなわち燃焼器中心軸に直交する姿勢）で燃焼室１２の上流側の部分に配置された円盤状の部材であって、燃焼室１２の内部空間に臨むノズル孔３３１，３３２及び空気孔３４０を複数有している。ノズル孔３３１，３３２はそれぞれ複数設けられていて、これらノズル孔３３１，３３２には各１本のガスノズル３２０が臨んでいる。また、内側のノズル孔３３１はパイロットノズル５３の周囲に環状に配置され、外側のノズル孔３３２はノズル孔３３１の列の外周側に環状に配置されている。本実施の形態においては、ノズル孔３３１，３３２を各１列設けてノズル孔を同心円状に２列配置した場合を例示しているが、ノズル孔を同心円状に３列以上配置する場合もある。

なお、内側のノズル孔３３１及びノズル孔３３１に臨むガスノズル３２０からなる複数のバーナを備え、ガス室３５２からのガスを燃焼室１２に噴射する部分を第１のバーナ部３０１、外側のノズル孔３３２及びノズル孔３３２に臨むガスノズル３２０からなる複数のバーナを備え、ガス室３５３からのガスを燃焼室１２に噴射する部分を第２のバーナ部３０２と称する。両バーナ部３０１，３０２のうち第１のバーナ部３０１には、ノズルプレート３１６に上記空気孔３４０が複数設けられている。これら空気孔３４０は、ノズル孔３３１と周方向に交互に配置されている。本実施の形態では、第２のバーナ部３０２に空気孔３４０に相当する空気孔は設けられていない。

ベースプレート３１５は、旋回プレート３１６を挟んで燃焼室１２と反対側に設けられていて、このベースプレート３１５と旋回プレート３１６及び外周リング３５５と空気チャンバ４００を形成している。空気チャンバ４００は燃焼室１２の内部空間よりも高圧となるようになっている。このベースプレート３１５には、旋回プレート３１６のノズル孔３３１，３３２と軸方向に対向する位置に複数の貫通孔３５６が設けられていて、各ガスノズル３２０は、それぞれ貫通孔３５６を通って先端をノズル孔３３１，３３２に臨ませている。貫通孔３５６の口径はガスノズル３２０の外径よりもやや大きくなっていて、ガスノズル３２０の外周に環状の空気通路を形成している。また、ベースプレート３１５にはさらに、ノズル孔３３１，３３２や空気孔３４０を避けて旋回プレート３１６に対向するように冷却孔３３０が設けられている。冷却孔３３０は、図３に示したようにガスノズル３２０と同心状に複数配置されていて、内周側のガスノズル３２０よりもさらに径方向内側に位置しパイロットノズル５３の周囲を囲うように配置されている。図２等に示したように、ベースプレート３１５の空気通路（貫通孔３５６）及び冷却孔３３０、並びに旋回プレート３１６のノズル孔３３１，３３２及び空気孔３４０は、空気チャンバ４００に繋がっている。

ここで、ガスノズル３２０は旋回プレート３１６を完全に貫通している訳ではなく、そのノズル先端部はこれとほぼ同軸に配置されたノズル孔３３１又は３３２内に位置している。このとき、ノズル孔３３１，３３２は、ガスノズル３２０に対して燃焼室１２側に対向し燃焼室１２の内部空間に臨む噴孔部３５７と、この噴孔部３５７の空気チャンバ４００側に位置し空気チャンバ４００に臨む通路部３５８とを有している。噴孔部３５７は、ガスノズル３２０のガス噴孔よりも小径であり、ガスノズル３２０の先端部を包囲する通路部３５８は、口径がガスノズル３２０の外径よりも大きく、ガスノズル３２０の先端部外周に空気通路を形成する。また、旋回プレート３１６のノズル孔３３１，３３２及び空気孔３４０は、図３に示したように周方向に傾斜して設けられており、噴射するガスや空気の流れに旋回成分を付与するようになっている。

なお、本実施の形態では、ガスノズル３２０がベースプレート３１５を貫通して旋回プレート３１６に挿入された構成を例示したが、例えば、ガスノズル３２０が外周リング３５５を貫通して空気チャンバ４００に進入した後、屈曲して旋回プレート３１６に挿入される構成であっても良い。また、ベースプレート３１５の貫通孔３５６とガスノズル３２０との間に空気通路が形成されるように構成した場合を例示したが、この空気通路は必ずしも必要ではなく、ガスノズル３２０の外径と貫通孔３５６の内径が等しい構成とすることもできる。

（動作）
上記構成のガスタービンの動作を説明する。

まず始動時には、起動用モータ８等の外部動力によって圧縮機２及びタービン４を駆動する。圧縮機２の回転数が燃焼器３の着火条件に見合った回転数まで上昇し保持されたら、燃焼器３に着火に必要な燃焼空気１０２が供給されて着火条件が成立する。その後、図２に示したように、パイロット燃料５１と噴霧空気５２をパイロットノズル５３に供給することによってパイロット燃料５１が燃焼室１２内に噴霧される。また、ベースプレート３１５の貫通孔３５６とガスノズル３２０との間隙、及びベースプレート３１５に設けた冷却孔３３０を介し、圧縮機２からバーナ３００に供給された燃焼空気１０２が空気チャンバ４００に流入する。旋回プレート３１６の上流側の圧力は空気チャンバ４００よりも高く、また空気チャンバ４００は燃焼室１２よりも高圧であるため、空気チャンバ４００に流入した空気１０２はノズル孔３３１，３３２及び空気孔３４０を介して燃焼室１２に流れ込む。そして、燃焼室１２では、ノズル孔３３１，３３２及び空気孔３４０を介して供給された燃焼空気１０２とパイロットノズル５３から噴霧されたパイロット燃料５１との混合・燃焼によって火炎５５が形成される。このようにして燃焼器３が着火すると、燃焼ガス１４０がタービン４に供給され、パイロット燃料５１の流量増加とともにタービン４が昇速し、さらに起動用モータ８をタービン軸から離脱させてガスタービンを自立運転に移行すると、無負荷定格回転数に到達する。ガスタービンが無負荷定格回転数に到達した後は発電機６が併入され、さらにパイロット燃料５１の流量増加に伴ってタービン４の入口ガス温度が上昇し負荷が上昇する。

その後、パイロット燃料５１の流量を増加させて負荷が上昇するのに伴い、燃焼器３においては低カロリーガス６１ａ，６１ｂの供給によってパイロット燃料５１との混焼運転に移行する。さらに、低カロリーガス６１ａ，６１ｂの流量を増加させていき、パイロット燃料５１の供給を停止することにより、低カロリー燃料６１ａ，６１ｂによるガス専焼運転に移行する。

パイロット燃料５１による運転中は旋回プレート３１６のノズル孔３３１，３３２から燃焼空気１０２が供給されたが、ガスノズル３２０から低カロリーガス６１ａ，６１ｂを噴射し始めると、旋回プレート３１６のノズル孔３３１，３３２から燃焼室１２に低カロリーガス６１ａ，６１ｂが噴出する。パイロット燃料５１と低カロリーガス６１ａ，６１ｂによる混焼運転時においては、低カロリーガス６１ａ，６１ｂの供給流量が少ないためにノズル孔３３１，３３２からは低カロリーガス６１ａ，６１ｂが燃焼空気１０２との混合気（予混合気）として供給される。さらに低カロリーガス６１ａ，６１ｂの流量が増加するとノズル孔３３１，３３２から噴出する低カロリーガス６１ａ，６１ｂの割合が増加する。低カロリーガス６１ａ，６１ｂの供給圧力は空気１０２の供給圧力よりも高く、また、ガスノズル３２０の噴孔径よりもノズル孔３３１，３３２の直径が小さくしてあるため、低カロリーガス６１ａ，６１ｂの供給流量が増したガス専焼運転においては、図４に示したように、ノズル孔３３１，３３２の噴孔部３５７を通過しきらない一部の低カロリーガス６１ｃが通路部３５８を通って空気チャンバ４００に流れ込む。空気チャンバ４００に流れ込んだ一部の低カロリーガス６１ｃは、旋回プレート３１６に設けた空気孔３４０を介して燃焼空気１０２に同伴して燃焼室１２に噴出する。空気チャンバ４００は、このようにノズル孔３３１，３３２の噴孔部３５７を通過できなかった一部の低カロリーガス６１ｃを隣接する空気孔３４０に供給するためのガスヘッダーの役割も果たす。

上記のように、低カロリーガス６１ａ，６１ｂによる専焼運転時には、空気通路３５８を通って一部の低カロリーガス６１ｃが空気チャンバ４００に流れ込み、空気チャンバ４００の燃焼空気１０２が空気通路３５８に入り込まないため、ノズル孔３３１，３３２からは燃焼空気１０２を伴わずに基本的に低カロリーガス６１ａ，６１ｂのみが噴出し、低カロリーガス６１ａ，６１ｂによってそれぞれ火炎５７，５６が形成される。

（作用効果）
１．燃焼ガスの逆流抑制及び低カロリー燃料専焼時の安定燃焼の両立
パイロット燃料及び低カロリー燃料のデュアル燃焼の実現
まず、パイロット燃料５１による専焼運転時には、図２に示したようにガスノズル３２０から低カロリーガス６１ａ，６１ｂが噴射されないが、ノズル孔３３１，３３２を通過する燃焼空気１０２の流れがガスノズル３２０の先端付近を包囲するため、燃焼室１２からの燃焼ガスがガスノズル３２０の噴孔に流入することを抑制することができる。したがって、燃焼ガス逆流防止用のパージ空気供給システムを別途用意しなくても、パイロット燃料５１による専焼運転中に燃焼ガス１４０がガスノズル３２０に逆流しガスノズル３２０を介して他缶に流入することを抑制することができる。

低カロリーガス６１ａ，６１ｂとパイロット燃料５１による混焼運転時には、低カロリーガス６１ａ，６１ｂの噴射量がまだ十分ではなく、ガスノズル３２０から噴射される低カロリーガス６１ａ，６１ｂがノズル孔３３１，３３２を流れる燃焼空気１０２と同軸噴流を形成し、燃焼空気１０２と混合されて予混合気として燃焼室１２に供給されるが、この時点ではパイロットノズル５３により形成される火炎５５が火種となって保炎されるため、燃焼安定性を維持することができる。

そして、低カロリーガス６１ａ，６１ｂによるガス専焼運転時には、ノズル孔３３１，３３２から噴出する低カロリーガス６１ａ，６１ｂへの燃焼空気１０２の混入量が上記のように抑えられる。その結果、第１のバーナ部３０１では、ノズル孔３３１から噴出する低カロリーガス６１ａと隣接する空気孔３４０から噴出する燃焼空気１０２との拡散燃焼によって火炎５７を安定して形成することができる。また、この火炎５７を火種にして、第２のバーナ部３０２による火炎５６も保炎することができるので、低カロリーガス６１ａ，６１ｂによる専焼運転時においても燃焼安定性を確保することができる。

以上のように、低カロリーガス６１ａ，６１ｂが供給されない起動時においてはノズル孔３３１，３３２から燃焼空気１０２が噴射されることでガスノズル３２０への燃焼ガス１４０の流入が抑制される。一方、低カロリーガス６１ａ，６１ｂの供給量が増大すると、一部の低カロリーガス６１ｃをシールガスとして空気チャンバ４００からノズル孔３３１，３３２への燃焼空気１０２の流入が抑制されてノズル孔３３１，３３２からはほぼ低カロリーガス６１ａ，６１ｂのみが噴出するようになる。したがって、液体燃料等のパイロット燃料５１で運転する場合にも高温の燃焼ガス１４０の逆流を防止するパージ空気系統を別途必要とせず、かつ低カロリーガス６１ａ，６１ｂの専焼でも燃焼安定性を確保することができる。

仮に、ベースプレート３１５を省略し空気チャンバ４００を持たない構成とした場合、ガス専焼運転時にノズル孔３３１，３３２の噴孔部３５７を通過しきらなかった一部の低カロリーガス６１ｃが、旋回プレート３１６の上流側で燃焼空気１０２との予混合気を形成する。形成される予混合気の濃度は、低カロリーガス６１ｃの噴出位置や噴出量、燃焼空気１０２との混合過程によって異なり、また、予混合気の濃度によって燃焼速度が異なるため、このように旋回プレート３１６の上流側で予混合気が形成されてしまうと、火炎５６，５７とは別に意図しない火炎が保持される恐れがある。したがって、本実施の形態のように空気チャンバ４００を設けることで、意図しない火炎保持を抑制することができ、ひいては燃焼器の信頼性を高めることができる。

また、旋回プレート３１６のノズル孔３３１，３３２及び空気孔３４０にいずれも傾斜を付けて燃料噴流や空気噴流に旋回成分を与えることで、低速となる保炎領域がバーナの径方向中心部近傍に形成されるため、燃焼安定性をより高めることができる。

２．バーナのメタル温度の抑制
低カロリーガス６１ａ，６１ｂの専焼運転を実現するためには、低カロリーガス６１ａ，６１ｂを大量に噴出し燃焼するためにバーナの面積が大きくなる傾向があり、低カロリーガス６１ａ，６１ｂの専焼運転を想定した燃焼器にあっては、燃焼室内に形成される火炎からの受熱面積の増大によってバーナ端面のメタル温度が上昇するという課題がある。パイロット燃料５１による専焼運転中においても、パイロットノズル５３の周囲のバーナ端面のメタル温度が上昇し易い。

それに対し、本実施の形態においては、ベースプレート３１５に設けた冷却孔３３０から空気チャンバ４００に流入する空気を旋回プレート３１６のパイロットノズル５３の周囲の部分に衝突させることができ、衝突噴流により旋回プレート３１６におけるパイロットノズル５３の周囲の部分を冷却することができる。

このとき、バーナ端面のメタル温度を低減する場合、一般にはバーナ端面の表面に冷却孔を開口しバーナ端面の近傍に冷却空気を供給することで対策していた。しかしながら、特に低カロリーガスの専焼運転においては、燃焼室に冷却空気を供給することによって保炎領域の温度が低下してしまい、失火の要因となる。

これに対しても、本実施の形態では旋回プレート３１６に冷却空気噴出用の冷却孔を設置する必要がないため、低カロリーガスの燃焼時における冷却空気の供給による保炎領域の火炎温度低下、ひいてはそれによる不安定燃焼を抑制することにも繋がる。

一方、パイロット燃料５１を用いた運転中にはパイロットノズル５３の周囲の酸素不足が懸念されるが、本実施の形態ではパイロット燃料５１を用いた運転中にノズル孔３３１，３３２から燃焼空気１０２が噴き出すため、パイロットノズル５３の周囲の酸素不足が解消され、煤の発生を抑制することができる。加えてパイロットノズル５３の周囲のノズル孔３３１からの燃焼空気１０２の供給によってパイロット燃料５１による火炎５５の長炎化を抑制することができ、燃焼効率の向上を図ることができる。

なお、本実施の形態では、図３に示したように第１のバーナ部３０１のノズル孔３３１や空気孔３４０よりも径方向内側（パイロットノズル５３寄り）の位置に冷却孔３３０を設けた構成を例示したが、旋回プレート３１６のメタル温度が高くなる領域が別に想定される場合には、その部分に対応させてベースプレート３１５に冷却孔３３０を設置すれば良い。

＜第２の実施の形態＞
図５は本発明の第２の実施の形態に係るガスタービンに備えられたバーナの拡大断面図であって先の図４に対応する図である。この図において既述の部材と同様の部材には既出図面と同符号を付して説明を省略する。

本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、旋回プレート３１６における複数列のノズル孔３３１，３３２のうちの外周側の列のノズル孔３３２を設置した部分（第２のバーナ部３０２）が、内周側の列のノズル孔３３１を設置した部分（第１のバーナ部３０１）よりも燃焼ガス１４０の流れ方向の下流側に突出している点である。本実施の形態においては、旋回プレート３１６のノズル孔３３２を設置した部分がノズル孔３３１を設置した部分に対して下流側に突出しているので、それだけノズル孔３３２に挿し込むガスノズル３２０が第１の実施の形態に比べて下流側に延設されている。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

本実施の形態においては第１の実施の形態と同様の効果に加え、次の効果が期待できる。

低カロリーガス６１ａ，６１ｂの燃焼時においては、旋回プレート３１６から低カロリーガス６１ａ，６１ｂと燃焼空気１０２が旋回方向に噴出するため、第１のバーナ部３０１の下流には循環ガス領域１６５が形成される。循環ガス領域１６５によって旋回プレート３１６の径方向中心部近傍を保炎点として火炎５７が形成され、この火炎５７は下流に向かうにつれて半径方向に拡大する。本実施の形態では第２のバーナ部３０２を燃焼室１２側に突出させたため、ノズル孔３３２が半径方向に拡大する火炎５７に近付けることができ、第１のバーナ部３０１で形成される火炎５７の熱を積極的に利用して火炎５６を保炎することができ、第２のバーナ部３０２の保炎強化により低カロリーガス６１ａ，６１ｂの更なる安定燃焼が期待できる。

また、ガスタービン負荷に応じて第１のバーナ部３０１と第２のバーナ部３０２に供給する低カロリーガス６１ａ，６１ｂの流量を制御し、燃焼空気１０２に対する第１のバーナ部３０１からの低カロリーガス６１ａの質量流量比（Ｆ／Ａ）を負荷に対してほぼ一定とすれば火炎５７の更なる燃焼安定性が期待できる。このとき、ガスのカロリー低下によって第２のバーナ部３０２から噴出する低カロリーガス６１ｂが、第１のバーナ部３０１で形成される火炎５７の温度を低下させる恐れがあるが、本実施の形態のように第２のバーナ部３０２を第１のバーナ部３０１よりも下流に突出させることで、火炎５７の温度低下を抑制することができ、広範囲な負荷条件において安定燃焼が期待できる。

＜第３の実施の形態＞
図６は本発明の第３の実施の形態に係るガスタービンに備えられたバーナの拡大断面図であって先の図４に対応する図である。この図において既述の部材と同様の部材には既出図面と同符号を付して説明を省略する。

本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、旋回プレート３１６における複数列のノズル孔３３１，３３２のうちの内周側の列のノズル孔３３１を設置した部分（第１のバーナ部３０１）が、外周側の列のノズル孔３３２を設置した部分（第２のバーナ部３０２）よりも燃焼ガス１４０の流れ方向の下流側に突出している点である。本実施の形態においては、旋回プレート３１６のノズル孔３３１を設置した部分がノズル孔３３２を設置した部分に対して下流側に突出しているので、それだけノズル孔３３１に挿し込むガスノズル３２０及びパイロットノズル５３が第１の実施の形態に比べて下流側に延設されている。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

本実施の形態においては第１の実施の形態と同様の効果に加え、次の効果が期待できる。

第２の実施の形態で説明したように第１のバーナ部３０１の下流には循環ガス領域１６５が形成される。循環ガス領域１６５によって旋回プレート３１６の径方向中心部近傍を保炎点として火炎５７が形成され、この火炎５７は下流に向かうにつれて半径方向に拡大する。そして、第２のバーナ部３０２から噴出したガス燃料６１ｂは、周囲空気と混合しながら第１のバーナ部３０１で形成される火炎５７からの熱を受けて火炎５６を形成する。すなわち、本実施の形態においては、火炎５６が第１の実施の形態と比べて下流寄りに形成されるので、第２のバーナ部３０２の外周側で旋回プレート３１６の近傍に燃焼ガス１６６が循環するため、第２のバーナ部３０２から噴出する低カロリーガス６１ｂを火炎５６によって予熱することができる。その結果、第２のバーナ部３０２から噴出する低カロリーガス６１ｂは、第１のバーナ部３０１で形成される火炎５７の熱と燃焼室１２の外周側で発生する燃焼ガス１６６の循環とで予熱されるので、低カロリーガスの更なる燃焼安定性が期待できる。

２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン
１２ 燃焼室
５１ パイロット燃料
５３ パイロットノズル
６１ａ，６１ｂ 低カロリーガス
１０２ 燃焼空気
１４０ 燃焼ガス
３００ バーナ
３０１ 第１のバーナ部
３０２ 第２のバーナ部
３１５ ベースプレート
３１６ 旋回プレート
３２０ ガスノズル
３３０ 冷却孔
３３１，３３２ ノズル孔
３４０ 空気孔
３５６ 貫通孔
３５７ 噴孔部
３５８ 通路部
４００ 空気チャンバ

Claims (11)

1. 燃焼室と、
   この燃焼室の燃焼ガスの流れ方向の上流側の部分に配置され、前記燃焼室の内部空間に臨むノズル孔及び空気孔を複数有する旋回プレートと、
   この旋回プレートを挟んで前記燃焼室と反対側に設けたベースプレートと、
   前記旋回プレートのノズル孔に前記ベースプレート側からそれぞれ差し込まれた複数のガスノズルとを備え、
   このガスノズルの先端が前記ノズル孔内に位置していて、
   前記ノズル孔が、前記ガスノズルのガス噴孔よりも小径で当該ガスノズルに対して前記燃焼室側に対向した噴孔部、及び前記ガスノズルを包囲して当該ガスノズルの先端部外周に空気通路を形成する通路部を有しており、
   前記ベースプレートが、前記空気通路及び前記空気孔と繋がった空気チャンバを前記旋回プレートとの間に形成している
   ことを特徴とする燃焼器。
2. 請求項１の燃焼器において、前記旋回プレートのノズル孔及び空気孔が周方向に交互に配置されていることを特徴とする燃焼器。
3. 請求項１の燃焼器において、前記旋回プレートには、前記ノズル孔が同心円状に複数列配置されていることを特徴とする燃焼器。
4. 請求項３の燃焼器において、
   前記旋回プレートは、前記複数列のノズル孔のうちの外周側の列のノズル孔を設置した部分が、内周側の列のノズル孔を設置した部分よりも燃焼ガスの流れ方向の下流側に突出していることを特徴とする燃焼器。
5. 請求項３の燃焼器において、
   前記旋回プレートは、前記複数列のノズル孔のうちの内周側の列のノズル孔を設置した部分が、外周側の列のノズル孔を設置した部分よりも燃焼ガスの流れ方向の下流側に突出していることを特徴とする燃焼器。
6. 請求項１の燃焼器において、前記旋回プレートに対向するように前記ベースプレートに設けた冷却孔を有していることを特徴とする燃焼器。
7. 請求項６の燃焼器において、前記冷却孔が、前記ガスノズルよりも径方向内側に位置していることを特徴とする燃焼器。
8. 請求項１の燃焼器において、前記ベースプレートに設けられ、前記ガスノズルを通し当該ガスノズルの外周に空気通路を形成する複数の貫通孔を備えていることを特徴とする燃焼器。
9. 請求項１の燃焼器において、前記旋回プレートの中心部に設けたパイロットノズルを備えていることを特徴とする燃焼器。
10. 燃焼室の内部空間に臨むノズル孔及び空気孔を複数有する旋回プレートと、
    この旋回プレートを挟んで前記燃焼室と反対側に設けたベースプレートと、
    前記旋回プレートのノズル孔に前記ベースプレート側からそれぞれ差し込まれた複数のガスノズルとを備え、
    このガスノズルの先端が前記ノズル孔内に位置していて、
    前記ノズル孔が、前記ガスノズルのガス噴孔よりも小径で当該ガスノズルに対して前記燃焼室側に対向した噴孔部、及び前記ガスノズルを包囲して当該ガスノズルの先端部外周に空気通路を形成する通路部を有しており、
    前記ベースプレートが、前記空気通路及び前記空気孔と繋がった空気チャンバを前記旋回プレートとの間に形成している
    ことを特徴とするバーナ。
11. 空気を圧縮する圧縮機と、
    この圧縮機で圧縮された燃焼空気を燃料とともに燃焼する燃焼器と、
    この燃焼器で発生した燃焼ガスにより回転動力を得るタービンとを備え、
    前記燃焼器が、
    燃焼室と、
    この燃焼室の燃焼ガスの流れ方向の上流側の部分に配置され、前記燃焼室の内部空間に臨むノズル孔及び空気孔を複数有する旋回プレートと、
    この旋回プレートを挟んで前記燃焼室と反対側に設けたベースプレートと、
    前記旋回プレートのノズル孔に前記ベースプレート側からそれぞれ差し込まれた複数のガスノズルとを備え、
    このガスノズルの先端が前記ノズル孔内に位置していて、
    前記ノズル孔が、前記ガスノズルのガス噴孔よりも小径で当該ガスノズルに対して前記燃焼室側に対向した噴孔部、及び前記ガスノズルを包囲して当該ガスノズルの先端部外周に空気通路を形成する通路部を有しており、
    前記ベースプレートが、前記空気通路及び前記空気孔と繋がった空気チャンバを前記旋回プレートとの間に形成している
    ことを特徴とするガスタービン。

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