JP2015072077A

JP2015072077A - ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JP2015072077A
Application number: JP2013207314A
Authority: JP
Inventors: 隆央長尾; Takao Nagao
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2013-10-02
Filing date: 2013-10-02
Publication date: 2015-04-16

Abstract

【課題】タービン部品の焼損を十分に防止すると共に、ＮＯｘの発生量を十分に低減すること。【解決手段】燃焼器ライナ９の外周部の表面における各アウタ希釈孔２５の入口側に矩形のアウタ整流板２９が各アウタ希釈孔２５を横断するように配設され、燃焼器ライナ９の内周部の表面における各インナ希釈孔２７の入口側に矩形のインナ整流板３１が各インナ希釈孔２７を横断するように配設され、アウタ希釈孔２５（インナ希釈孔２７）の直径Ｄに対するアウタ整流板２９（インナ整流板３１）の高さＨの比（Ｈ／Ｄ）は、０．１〜１．０、好ましくは、０．２〜０．８に設定されていること。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料と空気（一次空気と希釈空気）との混合気を燃焼させて、燃焼ガスを生成するガスタービン燃焼器に関する。

航空用ガスタービン又は発電用ガスタービン等のガスタービンに用いられる一般的なガスタービン燃焼器は、中空環状又は筒状の燃焼器ライナを具備しており、この燃焼器ライナは、内側に、混合気を燃焼させるための燃焼室を有している。また、燃焼器ライナの上流側の隔壁には、燃焼室内に燃料を噴射する燃焼噴射弁が設けられており、燃焼器ライナの上流側の隔壁における燃料噴射弁の周りには、一次空気を燃焼室内に導入するためのスワラ等の一次空気導入部が設けられている。更に、燃焼器ライナの周部には、二次空気として希釈空気を燃焼室内に導入するための複数の希釈孔が周方向に沿って間隔を置いて設けられている。

従って、燃料噴射弁によって燃焼室内に燃料が噴射されると共に、一次空気導入部から一次空気が燃焼室内に導入されることにより、燃焼室内において燃料と一次空気との混合気を燃焼させて、燃焼ガスを生成する。続いて、複数の希釈孔から希釈空気（二次空気）が燃焼室内に導入されることにより、燃焼室内において燃焼ガスと希釈空気の混合気を酸素過剰状態で希薄燃焼させる。これにより、火炎温度を下げてＮＯｘ（窒化酸化物）の発生量の低減を図りつつ、燃焼ガスを生成して燃焼器ライナの出口側から排出することができる。

なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１から特許文献３に示すものがある。

特開２００５−１０６３５１号公報特開２００１−１４７０１９号公報特開平１０−９６５１６号公報

ところで、希釈孔に流入する流れ（希釈孔の上流側の流れ）が不均一な流速分布を有する場合には、希釈孔の入口側に吸込み渦が発生して、旋回成分を持った流れが燃焼室内に導入されることになる。そして、希釈孔の入口側における吸込み渦の強度が大きくなって、その吸込み渦の旋回速度が高くなると、燃焼室内において燃焼ガスと希釈空気の混合を十分に促進することができなくなる。そのため、ガスタービン燃焼器の出口側（換言すれば、タービンの入口側）における温度分布の不均一の度合いが大きくなって、タービン翼等のタービン部品の焼損を招くと共に、燃焼室内に局所的に火炎温度が高い箇所が生じて、ＮＯｘの発生量を十分に低減できないという問題がある。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成のガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。

本願の発明者は、前述の問題を解決するために試行錯誤を繰り返して、新規な知見を見出し、その知見に基づいて本発明を完成するに至った。本発明の特徴を説明する前に、新規な知見を見出すまでの経緯について説明する。

図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、希釈孔に流入する流れが不均一な流速分布を有してあって（換言すれば、希釈孔に流入する流量が不均一であって）、希釈孔の入口側に吸込み渦が発生する流れ場を解析対象とした。そして、図５（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示すように、第１の配設パターンから第４の配設パターンに基づいて希釈孔の入口側に整流板をそれぞれ配設した場合において、希釈孔の直径（等価直径）に対する整流板の高さの比をパラメータとして、吸込み渦の旋回速度低減率について３次元定常粘性ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）解析を行い、その結果をまとめると、後記の表１に示すようになる。

ここで、第１の配設パターンとは、図５（ａ）に示すように、１枚の整流板が希釈孔の中央を横断するようなパターンのことをいい、第２の配設パターンとは、図５（ｂ）に示すように、２枚の整流板が希釈孔の両側を通るようなパターンのことをいい、第３の配設パターンは、図５（ｃ）に示すように、４枚の整流板が希釈孔を横断するようなパターンのことをいい、図５（ｄ）に示すように、第４の配設パターンとは、２枚の整流板が希釈孔の両側を通りかつ３枚の整流板が希釈孔を横断するようなパターンのことをいい、各配設パターンにおいて、整流板は流れ方向に対して平行になっている。また、吸込み渦の旋回速度低減率とは、整流板を配設しない場合における吸込み渦の旋回速度に対する、整流板を配設することによる吸込み渦の旋回速度の低下量の割合のことをいう。

なお、図４（ａ）は、解析対象の流れ場を示す斜視図、図４（ｂ）は、解析対象の流れ場の平面図、図４（ｃ）は、解析対象の流れ場の断面図、図５（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、整流板の配設パターンを示す図である。

表１に示すように、第２の配設パターンに基づいて整流板を配設した場合においては、吸込み渦の旋回速度低減率が小さいか（１０％未満）又は吸込み渦の旋回速度が上昇しているのに対して、第１の配設パターン、第３の配設パターン、及び第４の配設パターンに基づいて整流板を配設した場合には、吸込み渦の旋回速度低減率が大きく（１０％以上）なっており、特に、希釈孔の直径に対する整流板の高さのを０．２〜０．８に設定した場合には、吸込み渦の旋回速度低減率が２０％以上になっていることが判明した。つまり、本願の発明者は、整流板が希釈孔を横断するように配設された場合には、希釈孔の入口側における吸込み渦の希釈孔の強度を弱めて、その吸込み渦の旋回速度を十分に小さくすることができ、特に、希釈孔の直径（等価直径）に対する整流板の高さの比が０．２〜０．８に設定された場合には、希釈孔の入口側における吸込み渦の旋回速度をより十分に小さくすることができるという、新規な知見を得ることができた。

本発明の第１の特徴は、ガスタービンに用いられ、燃料と空気（一次空気と希釈空気）との混合気を燃焼させて、燃焼ガスを生成するガスタービン燃焼器であって、内側に混合気を燃焼させるための燃焼室を有した中空環状又は筒状の燃焼器ライナと、前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、一次空気を前記燃焼室内に導入するための一次空気導入部と、を具備し、前記燃焼器ライナの周部に二次空気として希釈空気を前記燃焼室内に導入するための複数の希釈孔（二次空気導入孔）が周方向に沿って間隔を置いて設けられ、前記燃焼器ライナの周部の表面における各希釈孔の入口側に整流板が各希釈孔を横断するように配設されていることを要旨とする。

なお、「燃焼器ライナの周部」とは、アニュラ型の低ＮＯｘ燃焼器の場合には燃焼器ライナの外周部又は内周部のことをいい、カン型の低ＮＯｘ燃焼器の場合には燃焼器ライナの外周部のことをいう。また、前記燃焼器ライナの周部に複数の前記希釈孔が形成される他に、希釈空気を燃焼室内に導入するための別の希釈孔が形成されても構わない。

第１の特徴によると、前記燃料噴射弁によって前記燃焼室内に燃料が噴射されると共に、前記一次空気導入部から一次空気が前記燃焼室内に導入されることにより、前記燃焼室内において燃料と一次空気との混合気を燃焼させて、燃焼ガスを生成する。続いて、複数の前記希釈孔から希釈空気（二次空気）が前記燃焼室内に導入されることにより、前記燃焼室内において燃焼ガスと希釈空気の混合気を酸素過剰状態で希薄燃焼させる。これにより、火炎温度を下げてＮＯｘ（窒化酸化物）の発生量の低減を図りつつ、燃焼ガスを生成して前記燃焼器ライナの出口側から排出することができる。

ここで、前記燃焼器ライナの周部の表面における各希釈孔の入口側に前記整流板が各希釈孔を横断するように配設されているため、前述の新規な知見を適用すると、前記希釈孔の入口側に吸込み渦が発生しても、前記希釈孔の入口側における吸込み渦の強度を弱めて、その吸込み渦の旋回速度を十分に低下させることができる。これにより、前記ガスタービン燃焼器の運転中、前記燃焼室内において燃焼ガスと希釈空気の混合を十分に促進することができる。

本発明の第２の特徴は、第１の特徴に加えて、前記希釈孔の等価直径に対する前記整流板の高さの比が０．１〜１．０に設定されていることを要旨とする。

ここで、前記希釈孔の等価直径とは、前記希釈孔が円形の場合には、前記希釈の直径のことをいい、前記希釈孔が円形でない場合には、水力直径（４×前記希釈孔の面積／周長）のことをいう。

本発明の第３の特徴は、第１の特徴に加えて、本発明の前記希釈孔の等価直径に対する前記整流板の高さの比が０．２〜０．８に設定されていることを要旨とする。

第３の特徴によると、本発明の前記希釈孔の等価直径に対する前記整流板の高さの比が０．２〜０．８に設定されているため、前述の新規な知見を適用すると、前記希釈孔の入口側における吸込み渦の旋回速度をより十分に低下させることができる。これにより、前記ガスタービン燃焼器の運転中、前記燃焼室内において燃焼ガスと希釈空気の混合をより十分に促進することができる。

本発明によれば、前記ガスタービン燃焼器の運転中、前記燃焼室内において燃焼ガスと希釈空気の混合を十分に促進できるため、前記ガスタービン燃焼器の出口側（換言すれば、タービンの入口側）における温度分布を均一な状態に近づけることができ、タービン翼等のタービン部品の焼損を十分に防止すると共に、前記燃焼室内に局所的に火炎温度が高い箇所が生じることを抑えて、ＮＯｘの発生量を十分に低減することができる。

図１は、本発明の実施形態に係るガスタービン燃焼器の部分側断面図である。図２（ａ）は、図２（ｂ）を上から見た図、図２（ｂ）は、アウタ希釈孔又はインナ希釈孔の周辺の断面図である。図３は、図１における矢視部III-III線に沿った断面図である。図４（ａ）は、解析対象の流れ場を示す斜視図、図４（ｂ）は、解析対象の流れ場の平面図、図４（ｃ）は、解析対象の流れ場の断面図である。図５（ａ）は、整流板の第１の配設パターンを示す図、図５（ｂ）は、整流板の第２の配設パターンを示す図、図５（ｃ）は、整流板の第３の配設パターンを示す図、図５（ｄ）は、整流板の第４の配設パターンを示す図である。

本発明の実施形態について図１から図３を参照して説明する。なお、図面中、「Ｆ」は、前方向（上流側）、「Ｒ」は、後方向（下流側）をそれぞれ指してある。

図１及び図３に示すように、本発明の実施形態に係るガスタービン燃焼器１は、航空用ガスタービン（図示省略）に用いられることの多い所謂アニュラ型の燃焼器であって、燃料と空気（一次空気、希釈空気）との混合気を燃焼させて、燃焼ガスを生成するものである。そして、本発明の実施形態に係るガスタービン燃焼器１の具体的な構成は、以下のようになる。

ガスタービン燃焼器１は、中空環状の燃焼器ケース３を具備しており、この燃焼器ケース３は、環状のアウタケース５と、このアウタケース５の内側に航空用ガスタービンのガスタービン軸心Ｃを中心とした同心円状に設けられた環状のインナケース７とを備えている。また、燃焼器ケース３の入口側は、航空用ガスタービンにおける圧縮機（図示省略）からの空気（圧縮空気）を導入可能である。

燃焼器ケース３内には、中空環状の燃焼器ライナ９が同心状に設けられており、この燃焼器ライナ９は、環状のアウタライナ１１と、このアウタライナ１１の内側に同心状に設けられた環状のインナライナ１３と、上流側（前側）にアウタライナ１１とインナライナ１３を連結するように設けられた環状の隔壁１５とを備えている。また、アウタライナ１１とインナライナ１３との間には、環状の燃焼室１７が区画形成されており、換言すれば、燃焼器ケース３は、内側に、燃料と空気（一次空気、希釈空気）との混合気を燃焼させるための環状の燃焼室１７を有している。更に、アウタライナ１１、インナライナ１３、及び隔壁１５には、フィルム冷却等を行うための複数の冷却孔（図示省略）が形成されている。

隔壁１５には、燃焼室１７内に燃料を円錐状の噴霧流Ｓとして噴霧する複数の燃料噴射弁（燃料噴射ノズル）１９が周方向に沿って間隔を置いて設けられており、各燃料噴射弁１９は、中央（中心部）に、燃料を噴霧可能な噴射孔（ノズル孔）１９ｈを有している。また、アウタケース５には、燃料を供給可能な複数の燃料供給管２１が周方向に沿って間隔を置いて設けられており、各燃料供給管２１の先端部は、対応する燃料噴射弁１９の基部に接続されている。そして、隔壁１５における各燃料噴射弁１９の周りには、燃焼室１７内に一次空気を旋回流として導入する一次空気導入部としてのスワラ２３が設けられている。更に、アウタケース５の適宜位置には、燃焼室１７内で燃料に着火（点火）する複数の点火栓（図示省略）が燃焼室１７側へ突出して設けられている。

アウタライナ１１（燃焼器ライナ９の外周部）には、二次空気としての希釈空気を燃焼室１７内に導入するための円形の複数のアウタ希釈孔２５が周方向に沿って間隔を置いて設けられている。同様に、インナライナ１３（燃焼器ライナ９の内周部）には、希釈空気を燃焼室１７内に導入するための円形（アウタ希釈孔２５と同径）の複数のインナ希釈孔２７が周方向に沿って間隔を置いて設けられている。

なお、アウタ希釈孔２５及びインナ希釈孔２７が円形を呈する代わりに、楕円形等、円形以外の形状を呈しても構わなく、アウタ希釈孔２５とインナ希釈孔２７は、同径でなくても構わない。

図２（ａ）（ｂ）に示すように、アウタライナ１１の外周面（燃焼器ライナ９の外周部の表面）における各アウタ希釈孔２５の入口側には、矩形の３枚のアウタ整流板２９が各アウタ希釈孔２５を横断するように配設されており、各アウタ整流板２９は、流れ方向（空気の流れ方向）に対して平行になっている。同様に、インナライナ１３の外周面（燃焼器ライナ９の内周部の表面）における各インナ希釈孔２７の入口側には、矩形（アウタ整流板２９と同じ高さ）の３枚のインナ整流板３１が各インナ希釈孔２７を横断するように配設されており、各インナ整流板３１は、アウタ整流板流れ方向に対して平行になっている。ここで、アウタ希釈孔２５（インナ希釈孔２７）の直径Ｄに対するアウタ整流板２９（インナ整流板３１）の高さＨの比（Ｈ／Ｄ）は、０．１〜１．０、好ましくは、０．２〜０．８に設定されている。

なお、アウタ整流板２９及びインナ整流板３１の枚数の変更は適宜に可能であって、アウタ整流板２９及びインナ整流板３１を前述の第１の配設パターン（図５（ａ）参照）、第３の配設パターン（図５（ｃ）参照）、及び第４の配設パターン（図５（ｄ）参照）に基づいて配設されるようにしても構わない。また、アウタ整流板２９とインナ整流板３１は、同じ高さでなくても構わない。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

複数の燃料噴射弁１９によって燃焼室１７内に燃料が円錐状の噴霧流Ｓとして噴射されると共に、複数のスワラ２３から一次空気が旋回流として燃焼室１７内に導入されることにより、燃焼室１７内において燃料と一次空気との混合気を燃焼させて、燃焼ガスを生成する。続いて、複数のアウタ希釈孔２５及び複数のインナ希釈孔２７から希釈空気（二次空気）が燃焼室１７内に導入されることにより、燃焼室１７内において燃焼ガスと希釈空気の混合気を酸素過剰状態で希薄燃焼させる。これにより、火炎温度を下げてＮＯｘ（窒化酸化物）の発生量の低減を図りつつ、燃焼ガスを生成して燃焼器ライナ９の出口側から排出することができる。なお、燃焼器ライナ９から排出された燃焼ガスは、ガスタービン燃焼器１の下流側に配設されたタービン（図示省略）を駆動するようになっている。

ここで、アウタライナ１１の外周面における各アウタ希釈孔２５の入口側に３枚のアウタ整流板２９が各アウタ希釈孔２５を横断するように配設され、インナライナ１３の外周面における各インナ希釈孔２７の入口側に３枚のインナ整流板３１が各インナ希釈孔２７を横断するように配設されているため、前述の新規な知見を適用すると、アウタ希釈孔２５の入口側及びインナ希釈孔２７の入口側に吸込み渦が発生しても、アウタ希釈孔２５の入口側及びインナ希釈孔２７の入口側における吸込み渦の強度を弱めて、それらの吸込み渦の旋回速度を十分に低下させることができる。特に、アウタ希釈孔２５（インナ希釈孔２７）の直径Ｄに対するアウタ整流板２９（インナ整流板３１）の高さＨの比（Ｈ／Ｄ）が０．２〜０．８に設定されている場合には、アウタ希釈孔２５の入口側及びインナ希釈孔２７の入口側における吸込み渦の旋回速度をより十分に低下させることができる。これにより、ガスタービン燃焼器１の運転中、燃焼室１７内において燃焼ガスと希釈空気の混合をより十分に促進することができる。

従って、本発明の実施形態によれば、ガスタービン燃焼器１の出口側（換言すれば、タービンの入口側）における温度分布を均一な状態に近づけることができ、タービン翼等のタービン部品（図示省略）の焼損を十分に防止すると共に、燃焼室１７内に局所的に火炎温度が高い箇所が生じることを抑えて、ＮＯｘの発生量を十分に低減することができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限るものでなく、例えばアニュラ型のガスタービン燃焼器１に適用した技術的思想を、筒状の燃焼器ケース（図示省略）及び筒状の燃焼器ライナ（図示省略）を具備したカン型のガスタービン燃焼器（図示省略）に適用する等、その他、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。

１：ガスタービン燃焼器、３：燃焼器ケース、５：アウタケース、７：インナケース、９：燃焼器ライナ、１１：アウタライナ、１３：インナライナ、１５：隔壁、１７：燃焼室、１９：燃料噴射弁、２１：燃料供給管、２３：スワラ（一次空気導入部）、２５：アウタ希釈孔、２７：インナ希釈孔、２９：アウタ整流板、３１：インナ整流板

Claims

ガスタービンに用いられ、燃料と空気との混合気を燃焼させて、燃焼ガスを生成するガスタービン燃焼器であって、
内側に混合気を燃焼させるための燃焼室を有した中空環状又は筒状の燃焼器ライナと、
前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
一次空気を前記燃焼室内に導入するための一次空気導入部と、を具備し、
前記燃焼器ライナの周部に二次空気として希釈空気を前記燃焼室内に導入するための複数の希釈孔が周方向に沿って間隔を置いて設けられ、前記燃焼器ライナの周部の表面における各希釈孔の入口側に整流板が各希釈孔を横断するように配設されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
前記希釈孔の等価直径に対する前記整流板の高さの比が０．１〜１．０に設定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。
前記希釈孔の等価直径に対する前記整流板の高さの比が０．２〜０．８に設定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。