JP2013139967A - 燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼振動の発生を抑制することによって、ガスタービンの運転裕度を拡大する。
【解決手段】燃焼器外筒２と、燃焼器外筒２内部に設けられる筒状の燃焼器内筒３と、燃焼器外筒と燃焼器内筒との間に画定された圧縮空気流路７と、燃焼器内筒３内部に設けられた複数の燃料ノズル５，６とを備え、圧縮空気流路７を流れる圧縮空気が、燃焼器内筒の端部で流動方向が略反転されて複数の燃料ノズルに導入される燃焼器１であって、圧縮空気流路７には、上流側燃料を噴射する上流側燃料噴射ペグ１９と、下流側燃料を噴射する下流側燃料噴射ペグ２０とからなる燃料噴射ペグが設けられており、燃焼器内の圧力変動に起因する上流側燃料の濃度変動が、燃焼器の燃焼開始位置において、下流側燃料の濃度変動のピークを低減させるように構成されている燃焼器１。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービン等の燃焼器に関するものである。

近年、火力発電所等で用いられている産業用ガスタービンにおいては、高出力化・高効率化と共に低ＮＯｘ（窒素酸化物）化を図ることが要請されている。これに応じて、ガスタービンを構成する燃焼器においては、次のような低ＮＯｘ型のものが採用されている。

例えば、下記特許文献１には、タービンの燃焼ガス入口に接続され、供給された燃料を燃焼させ、生成した燃焼ガスをタービンに供給する燃焼器内筒と、この燃焼器内筒の中心に配置され、燃焼器内筒内に燃料を噴射して拡散火炎を形成するパイロットノズルと、このパイロットノズルの周囲に配置され、圧縮空気と燃料との予混合気を燃焼器内筒内に噴射し、拡散火炎により着火して予混合炎を形成する複数のメイン予混合ノズルとを備えた燃焼器が開示されている。

すなわち、パイロットノズルによる拡散燃焼は、燃焼における局所的な燃空比が比較的に高くなるために、燃焼安定性が良好であるが、高温燃焼となってＮＯｘ生成量が大きくなる。一方、メイン予混合ノズルによる予混合燃焼は、均一な燃空比が達成されることで、低温燃焼にしてＮＯｘ生成量を低減させることができる。つまり、下記特許文献１の燃焼器では、安定した拡散火炎を形成すると共に、この拡散火炎により予混合気を着火して、低ＮＯｘ化と比較的に高い燃焼安定性とを両立させている。

しかし、上記の予混合燃焼方式は一見低ＮＯｘ化に対して優れるが、燃焼振動が生じ易いという問題がある。燃焼振動は、燃焼により燃焼器内で発生する圧力変動と、ノズル部で発生する燃料濃度の時間変動により発生する発熱変動とが燃焼位置で同期することにより発振するものである。燃焼振動は燃焼を不安定とし、これにより燃焼器を安定して運転することができなくなるため、燃焼振動の発生は極力抑える必要がある。

この燃焼振動を抑制する燃焼器としては、特許文献２に記載されているようなものがある。この燃焼器は、予混合気を噴射するメイン予混合ノズルを例えば複数組設けた上で、これら複数組のメイン予混合ノズルを軸方向に交互配置している。一方、メイン予混合ノズルから噴射される予混合気は発熱変動を伴う。複数組のメイン予混合ノズルは、それぞれのメイン予混合ノズルから噴射される燃料の発熱変動が、互いの発熱変動を相殺するような位置関係に配置されている。これにより、発熱変動が相殺され、燃焼振動を低減させている。

特開２００１−２８９４４１号公報 特開２００９−２８１７２０号公報

しかしながら、メイン予混合ノズルによって混合される燃料と空気の比率は、可燃限界よりも高く設定されているため、上記特許文献２の燃焼器の場合、フラッシュバック（逆火）が発生してしまう可能性が高くなる。即ち、上記特許文献２に記載の燃焼器において、互いの発熱変動を相殺するようにメイン予混合ノズルを配置しようとすると、圧縮空気の流速及び発熱変動の周期に基づいて算出される２つのメイン予混合ノズル同士の距離は、少なくとも１００ｍｍ以上となる。上述したように、メイン予混合ノズルが設置される内筒内は、可燃性が高い状態にあるため、フラッシュバックを回避することが難しい。また、メイン予混合ノズルによって混合される燃料と空気との予混合気は流速が高く保たれており、対象とする燃焼振動の周波数によっては、メイン予混合ノズル同士の間隔を相当大きく取る必要がある。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、燃焼振動の発生を抑制することによって、ガスタービンの運転裕度（安全運転可能範囲）を拡大することができる燃焼器を提供することにある。

上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
即ち、本発明の燃焼器は、燃焼器外筒と、前記燃焼器外筒内部に設けられる筒状の燃焼器内筒と、前記燃焼器外筒の内周面と前記燃焼器内筒の外周面との間に画定された圧縮空気流路と、前記燃焼器内筒内部に設けられ、前記燃焼器内筒の中心軸に対して略平行に延び、その少なくとも一つから予混合燃焼用の燃料を噴射する複数の燃料ノズルとを備え、前記圧縮空気流路を流れる圧縮空気が、前記燃焼器内筒の端部で流動方向が略反転されて前記複数の燃料ノズルに導入される燃焼器であって、前記圧縮空気流路には、上流側燃料を噴射する上流側燃料噴射ペグと、下流側燃料を噴射する下流側燃料噴射ペグとからなる燃料噴射ペグが設けられており、燃焼器内の圧力変動に起因する上流側燃料の濃度変動が、燃焼器の燃焼開始位置において、前記下流側燃料の濃度変動のピークを低減させるように構成されていることを特徴とする。

上記構成によれば、下流側燃料の濃度変動に起因する火炎位置における発熱変動が、上流側燃料の濃度変動に起因する火炎位置における発熱変動によって相殺されるため、燃焼振動の発生を抑制することができる。これにより、この燃焼器を備えるガスタービンの運転裕度を拡大することができる。

また、上記燃焼器において、前記上流側燃料噴射ペグと前記下流側燃料噴射ペグとの距離は、前記下流側燃料噴射ペグに到達した位置における前記上流側燃料の濃度変動の位相が、前記下流側燃料の濃度変動の位相に対して逆位相となるように設定されていることが好ましい。

上記構成によれば、濃度変動の位相に基づいて上流側燃料噴射ペグの位置を決定することができるため、燃焼振動の発生の抑制をより厳密に実施することができる。

また、上記燃焼器において、前記燃料噴射ペグによって混合される燃料と空気の比率は、可燃限界より低く設定されていることが好ましい。

上記構成によれば、より確実にフラッシュバック（逆火）の発生を防止した上で、燃焼振動を抑制することができる。

また、上記燃焼器において、前記複数の燃料ノズルは、前記内筒内部の中心軸上に設けられるパイロットノズルと、前記パイロットノズルに対して略平行に延び、前記燃焼器内筒内部に等中心各度間隔で設けられる予混合ノズルとからなることが好ましい。

また、上記燃焼器において、前記複数の燃料ノズルの少なくとも一つは、予混合燃焼用の燃料噴射孔と拡散燃焼用の燃料噴射孔との両方を備えてもよい。

本発明によれば、下流側燃料の濃度変動に起因する火炎位置における発熱変動が、上流側燃料の濃度変動に起因する火炎位置における発熱変動によって相殺されるため、燃焼振動の発生を抑制することができる。これにより、この燃焼器を備えるガスタービンの運転裕度を拡大することができる。

本発明の実施形態に係るガスタービンの概略全体構成を示す図であって、ガスタービンの半断面図である。 本発明の実施形態に係る燃焼器の断面図である。 図２の部分拡大図である。 第一燃料噴射ペグ及び第二燃料噴射ペグの発熱変動と、燃焼器の圧力変動を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
本実施形態のガスタービンは、図１に示すように、外気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機５１と、燃料供給源からの燃料を圧縮空気に混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する複数の燃焼器１と、燃焼ガスにより駆動するタービン５２と、を備えている。

タービン５２は、ケーシング５３と、このケーシング５３内で回転するタービンロータ５４とを備えている。このタービンロータ５４は、例えば、このタービンロータ５４の回転で発電する発電機（図示せず）と接続されている。複数の燃焼器１は、タービンロータ５４の回転軸線Ｓを中心として、周方向に互いに等間隔でケーシング５３に固定されている。

図２及び図３に示すように、本実施形態の燃焼器１は、燃焼器外筒２と、燃焼器外筒２の内部に設けられている筒状の燃焼器内筒３と、燃焼器内筒３と連接されている燃焼筒４と、燃焼器内筒３の中心軸上に設けられるパイロットノズル５と、パイロットノズル５の周囲に配置された複数のメイン予混合ノズル６とを有している。本実施形態の燃料ノズルは、パイロットノズル５とメイン予混合ノズル６により構成されている。

燃焼器外筒２は、燃焼器外筒２と同軸となるように燃焼器内筒３を収容しているとともに、燃焼器内筒３との間に圧縮空気（燃焼用空気）の流路である圧縮空気流路７を画定している。即ち、圧縮空気流路７は、燃焼器外筒２の内周面と燃焼器内筒３の外周面との間に画定されている。また、燃焼器内筒３は一端側がステー９に固定されるとともに、他端が燃焼筒４に連結されている。

パイロットノズル５の周りには、パイロットスワールベーン１０が配置されている。パイロットノズル５の先端部には燃料を噴出するための燃料噴射孔１１が形成されている。パイロットノズル５の先端部はパイロット拡散火炎を形成しており、メイン予混合ノズル６から噴出される混合気が燃焼筒４に送られて、パイロット拡散火炎に接触して主火炎Ｂｎを形成して燃焼する。燃焼後の燃焼ガスはタービンに導入される。

燃焼器外筒２には、圧縮機で圧縮された空気を供給するための空気吸入部１２が設けられている。圧縮空気流路７は空気吸入部１２の下流に連接されている。さらに、燃焼器内筒３の燃焼筒４が連接されている側と反対側の端部近傍には圧縮空気流路７より流入してきた空気の流れる方向を略１８０°曲げるための気流導入部１３が設けられており、気流導入部１３には断面半円状の方向転換部材１４が備えられている。

メイン予混合ノズル６には燃料を供給するメイン燃料棒１６が設けられている。メイン予混合ノズル６の内部にはメイン予混合ノズル６に流れる気流をメイン燃料棒１６の回りに旋回する旋回流を発生するための予混合スワールベーン１７が備えられている。また、予混合スワールベーン１７の下流側には、メイン燃料棒１６より径方向外側に延びる主燃料噴射孔１８が設けられている。
なお、メイン予混合ノズル６において、燃料の噴射はメイン燃料棒１６に設けられた主燃料噴射孔１８に代えて、予混合スワールベーン１７の内部に燃料通路を形成し、予混合スワールベーン１７の表面から燃料を噴射する構成としても良い。

パイロットノズル５とメイン予混合ノズル６のメイン燃料棒１６は、燃焼器１の燃焼器外筒２の端部を貫通しており、燃料は燃焼器１の外部より供給される。

圧縮空気流路７には、燃焼器外筒２より半径方向内側に延伸し、等中心角度間隔で複数個（例えば１６個）配置される第一燃料噴射ペグ１９と、第一燃料噴射ペグ１９の気流流れ方向の下流側に燃焼器外筒２より半径方向内側に延伸し、等中心角度間隔で複数個（例えば１６個）配置される第二燃料噴射ペグ２０とを有している。第一燃料噴射ペグ１９及び第二噴射ペグ２０は燃料を噴射するための複数の燃料噴射孔２１を備えている。

第一燃料噴射ペグ１９と第二燃料噴射ペグ２０は、トップハットノズルとも呼ばれるもので、燃料ノズルのさらに上流側に配置されている。また、第一燃料噴射ペグ１９及び第二燃料噴射ペグ２０による混合気は、可燃限界濃度（または着火限界濃度）よりも薄くなるように設定されている。可燃限界濃度とは、これよりも濃度が薄いと燃焼（または着火）できない限度の燃料ガスの濃度を示すものである。
以下、第一燃料噴射ペグ１９から供給される燃料を第一燃料Ｆ１、第二燃料噴射ペグ２０から供給される燃料を第二燃料Ｆ２と称す。

第一燃料噴射ペグ１９及び第二燃料噴射ペグ２０からは、一定量の燃料が噴射されている。一方、燃焼器１内は、その内部全体が圧力変動を持っているため、第一燃料Ｆ１及び第二燃料Ｆ２は一定の周期で濃度が変動する燃料濃度波として、圧縮空気流路７を流れる。燃料の濃度変動の周波数は、圧力変動の周波数によって決定される。
以上のように、第一燃料Ｆ１及び第二燃料Ｆ２の濃度が周期的に変動することにより、火炎位置Ｐにおいて発熱変動が発生する。

第一燃料噴射ペグ１９と第二燃料噴射ペグ２０との間の距離Ｌは、以下のように決定される。即ち、距離Ｌは、第一燃料噴射ペグ１９から噴射された第一燃料Ｆ１が第二燃料噴射ペグ２０に到達した位置における第一燃料Ｆ１の燃料濃度波の位相が、第二燃料Ｆ２の燃料濃度波の位相に対して逆位相、即ち、１８０°位相がずれるように設定される。以下、この位相のずれ、即ち、ノズルから噴射された燃料が時間的に送れて到達する場合の位相の遅れを、位相遅れと称す。

以下、距離Ｌの算出方法を説明する。
濃度変動（燃料濃度波）の周波数をｆ（角周波数ω）、第一燃料噴射ペグ１９から噴射された第一燃料Ｆ１が第二燃料噴射ペグ２０に到達するまでの時間をΔτとすると、位相遅れｄは、以下の数式（１）で算出することができる。
ｄ ＝ ωΔτ ・・・（１）
角周波数ω＝２πｆであるから、圧縮空気の速度をｖとすると、上記数式（１）は以下の数式（２）のように変形することができる。
ｄ ＝ ωΔτ ＝ ２πｆ × Ｌ／ｖ ・・・（２）
即ち、距離Ｌは、以下の数式（３）で算出することができる。
Ｌ ＝ ｄ×ｖ／２πｆ ・・・（３）

ここで、例えば、圧縮空気の速度ｖ＝５０（ｍ／ｓ）、周波数ｆ＝１００Ｈｚとすると、位相遅れを１８０°とする距離Ｌは、２５０ｍｍと算出することができる。この距離Ｌが圧縮空気流路７の長さよりも短い、即ち、設置可能である場合は、この距離Ｌを採用することができる。

なお、第一燃料噴射ペグ１９及び第二燃料噴射ペグ２０には、複数の燃料噴射孔２１を形成することができる（例えば、６箇所）。

次に、このように構成された本実施形態の燃焼器１の作用について説明する。
圧縮機５１で圧縮された高温・高圧の圧縮空気の空気流は、燃焼器１の空気吸入部１２に供給される。次いで、この圧縮空気は、圧縮空気流路７に導入され圧縮空気流路７に流入してきた圧縮空気に対して、第一燃料噴射ペグ１９より第一燃料Ｆ１を噴射することで非常に希薄な圧縮空気と燃料との第１の混合気を形成する。その後、第１の混合気は圧縮空気流路７のさらに下流側に流入するとともに、第二燃料噴射ペグ２０にて、さらに燃料を噴射されて第２の混合気となる。

第２の混合気は気流導入部１３に備えられた方向転換部材１４に沿って流動方向を曲げられて、燃焼器内筒３に流入する。燃焼器内筒３に流入した第２の混合気の多くはメイン予混合ノズル６に流入し、残りの第２の混合気の一部はパイロットノズル５の周囲に流入する。
パイロットノズル５の周囲に流入した第２の混合気はパイロットスワールベーン１０を通過する。第２の混合気は、その後、燃料噴射孔１１より噴射された燃料とともに燃焼筒４で燃焼され、パイロット火炎が形成される。

第２の混合気は、メイン燃料棒１６に沿って流動するとともに、メイン予混合ノズル６において、メイン燃料と混合され第３の混合気（予混合気）を形成する。予混合気は、予混合スワールベーン１７を通過することで、らせん状の気流とすることができ、燃料と空気が均一になるように撹拌される。メイン予混合ノズル６より燃焼筒４に流入した予混合気はパイロット拡散火炎に接触することで主火炎Ｂｎを形成する。

ここで、火炎位置Ｐにおける燃焼器１の圧力変動と、第一燃料Ｆ１及び第二燃料Ｆ２の発熱変動について説明する。
図４に示すように、火炎位置Ｐにおける第一燃料Ｆ１の発熱変動と第二燃料Ｆ２の発熱変動は、共に圧力変動に起因する一定の周期で振動している。ここでは、例えば第一燃料Ｆ１の振動は圧力変動と重なっている。
一方、第一燃料噴射ペグ１９と第二燃料噴射ペグ２０との距離Ｌによって、第二燃料Ｆ２が第一燃料Ｆ１に対して逆位相とされていることによって、火炎位置Ｐにおける各々の発熱振動は逆位相、即ち、約１８０°位相がずれている。

上記実施形態によれば、燃焼器外筒２と燃焼器内筒３との間に画定された圧縮空気流路７に設けられた第一燃料噴射ペグ１９と第二燃料噴射ペグ２０とで燃料を噴射して第２の混合気を生成した後、メイン予混合ノズル６で燃料混合を行って予混合気を生成した。これにより、パイロットノズル５からのパイロット燃料の噴射量を抑制し、拡散火炎の局所的な高温火炎を回避しながら保炎性を維持することができる。

また、火炎位置Ｐにおいて、第二燃料Ｆ２が第一燃料Ｆ１に対して逆位相とされていることによって、第一燃料Ｆ１による発熱振動と第二燃料Ｆ２による発熱振動とが相殺されるため、燃焼振動を抑制することができる。

また、圧縮空気流路７においては、各燃料噴射ペグ１９，２０によって混合される燃料と空気の比率は、可燃限界より低く設定されているため、より確実にフラッシュバック（逆火）の発生を防止した上で、燃焼振動を抑制することができる。

なお、パイロットノズル５において、予混合燃焼用の燃料系統を設け、予混合燃焼によりパイロット火炎を形成する構成としてもよい。この場合、ガスタービンの出力に応じて、拡散燃焼のみでパイロット火炎を形成する運転、予混合燃焼のみでパイロット火炎を形成する運転および拡散燃焼と予混合燃焼を併用する運転が可能となる。このため、ガスタービンの高負荷域ではパイロット火炎のうち、拡散燃焼の割合を低減し、予混合燃焼の割合を増加させることにより、更にＮＯｘをより低減することが可能となる。また、パイロット火炎を予混合燃焼のみで形成すれば最もＮＯｘを低減することができる。

また、本発明の実施形態では、燃焼器内筒３の中心軸上にパイロットノズル５を備え、パイロットノズル５に対して略平行に延び、燃焼器内筒３の内部に等中心角度間隔で設けられるメイン予混合ノズル６とを備える構成について説明してきたが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更が可能である。
例えば、燃焼器内筒の内部に予混合燃料を噴射する燃料ノズルを備える燃焼器であれば本発明を適用することが可能である。例えば、燃焼器が複数の燃料棒を備え、各々の燃料棒が予混合燃焼と拡散燃焼とが併用できる燃料噴射孔の両方を備え、予混合燃焼と拡散燃焼を切り換え可能な構成としてもよい。あるいは、予混合燃焼用の燃料棒と拡散燃焼用の燃料棒とが独立して設けられ、複数のノズル棒からなるノズル群を形成する構成してもよい。

１…燃焼器
２…燃焼器外筒
３…燃焼器内筒
５…パイロットノズル
６…メイン予混合ノズル
７…圧縮空気流路
１９…第一燃料噴射ペグ（上流側燃料噴射ペグ）
２０…第二燃料噴射ペグ（下流側燃料噴射ペグ）
Ｆ１…第一燃料（上流側燃料）
Ｆ２…第二燃料（下流側燃料）
Ｐ…火炎位置（燃焼開始位置）
Ｌ…距離

Claims (5)

1. 燃焼器外筒と、
   前記燃焼器外筒内部に設けられる筒状の燃焼器内筒と、
   前記燃焼器外筒の内周面と前記燃焼器内筒の外周面との間に画定された圧縮空気流路と、
   前記燃焼器内筒内部に設けられ、前記燃焼器内筒の中心軸に対して略平行に延び、その少なくとも一つから予混合燃焼用の燃料を噴射する複数の燃料ノズルとを備え、
   前記圧縮空気流路を流れる圧縮空気が、前記燃焼器内筒の端部で流動方向が略反転されて前記複数の燃料ノズルに導入される燃焼器であって、
   前記圧縮空気流路には、上流側燃料を噴射する上流側燃料噴射ペグと、下流側燃料を噴射する下流側燃料噴射ペグとからなる燃料噴射ペグが設けられており、
   燃焼器内の圧力変動に起因する上流側燃料の濃度変動が、燃焼器の燃焼開始位置において、前記下流側燃料の濃度変動のピークを低減させるように構成されていることを特徴とする燃焼器。
2. 前記上流側燃料噴射ペグと前記下流側燃料噴射ペグとの距離は、
   前記下流側燃料噴射ペグに到達した位置における前記上流側燃料の濃度変動の位相が、前記下流側燃料の濃度変動の位相に対して逆位相となるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器。
3. 前記燃料噴射ペグによって混合される燃料ガスの濃度は、可燃限界濃度より低く設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃焼器。
4. 前記複数の燃料ノズルは、前記内筒内部の中心軸上に設けられるパイロットノズルと、前記パイロットノズルに対して略平行に延び、前記燃焼器内筒内部に等中心各度間隔で設けられる予混合ノズルとからなることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃焼器。
5. 前記複数の燃料ノズルの少なくとも一つは、予混合燃焼用の燃料噴射孔と拡散燃焼用の燃料噴射孔との両方を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃焼器。

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