JP2017048978A - ガスタービン燃焼器、ガスタービン、及びガスタービン燃焼器のバーナ - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器内部の圧力変動に対して燃焼安定性の向上を図ることができるガスタービン燃焼器、ガスタービン、及びガスタービン燃焼器のバーナを提供する。
【解決手段】ガスタービン燃焼器は、燃焼室３１が内部に形成された筒状のライナ２１と、ライナ２１の軸方向一端に配置され、燃焼室３１に燃料と空気とを別々に供給するバーナ２４とを備え、バーナ２４は、燃料流路としての第１の内部空間４８を有するバーナボディ４１と、バーナボディ４１から燃料が流入する燃料流路としての第２の内部空間４９，第２の内部空間４９から流入する燃料を燃焼室３１に噴出する複数の内周燃料噴孔５３，内周燃料噴孔５３の外周側に設けられ、第２の内部空間４９から流入する燃料を燃焼室３１に噴出する複数の外周燃料噴孔５４を有するスワラ４３と、複数の外周燃料噴孔５４の各々の入口側に各外周燃料噴孔５４の出口端より開口面積の小さい第１の絞り部とを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ガスタービン燃焼器、それを備えたガスタービン、及びガスタービン燃焼器のバーナに係り、更に詳しくは、燃料として、高炉ガス等の発熱量の低い燃料を用いるのに好適なガスタービン燃焼器、ガスタービン、及びガスタービン燃焼器のバーナに関する。

発熱量の低い燃料は、一般に、ＬＮＧ（Liquefied Natural Gas）等と比べて火炎温度が低く燃焼速度が遅いため、燃えにくい燃料である。このような発熱量の低い燃料の代表例として、高炉ガスが挙げられる。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、一酸化炭素や水素を主要可燃成分とし、その他に窒素や二酸化炭素を多量に含む難燃性のガスである。近年、このガスをガスタービンの燃料として利用したいというニーズがある。

ガスタービンの燃料として高炉ガスを用いる場合、この難燃性のガスを安定に燃焼させる必要がある。このため、高炉ガス焚きのガスタービン燃焼器では、燃料と空気を別々に燃焼室に供給する拡散燃焼方式を採用するのが一般的である。また、高炉ガス等の低発熱量のガスを安定に燃焼させるためのガスタービン燃焼器として、燃料を旋回させて噴射するガス噴孔を有する内周スワラと、内周スワラの外周に設けられ、燃料を旋回させて噴射するガス噴孔を有する外周スワラとの２つのスワラで構成された二重旋回バーナを備えたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−１７７９８９号公報

ところで、ガスタービン燃焼器においては、燃焼器内部の圧力変動の影響により燃料流量が変動し、不安定な燃焼が生じる場合がある。特に、高炉ガス焚きのガスタービン燃焼器は、ＬＮＧ焚きのガスタービン燃焼器と比べて、燃焼器内部の圧力変動による燃料流量の変動が生じやすい。高炉ガス焚きのガスタービン燃焼器では、高炉ガスの発熱量が低いので、ＬＮＧ焚きと同じ燃焼温度を得るためには、より多くの燃料流量が必要となる。そのため、バーナのガス噴孔をＬＮＧ焚き用のガス噴孔と同じ開口面積とする場合、燃料流量が多い分、燃料の供給圧力を高くする必要がある。しかし、燃料の供給圧力を高く設定する利点がほとんどないので、高炉ガス焚き用のガス噴孔は、一般的に、ＬＮＧ焚き用のものよりも大きな開口面積を有している。高炉ガス焚きのガスタービン燃焼器は、ガス噴孔が大きい分、燃焼器内部の圧力変動の影響により燃料流量が変動しやすい傾向にある。

上記した特許文献１に記載のガスタービン燃焼器においては、燃焼器内部で圧力変動が発生すると、その圧力変動により生じた圧力波が、内周スワラ及び外周スワラにそれぞれ設けられた開口面積の比較的大きなガス噴孔を介して、内周スワラ及び外周スワラの上流側に略同じように伝播する。このため、内周スワラ及び外周スワラのガス噴孔からそれぞれ噴射される燃料の流量が略同じ位相で変動して、燃料の流量変動が重なり合う可能性がある。この場合、ガスタービン燃焼器全体の燃料流量の変動幅が増大するので、燃焼状態が変動し、その結果、燃焼器内部で更なる大きな圧力変動を引き起こす。このような過程を繰り返すことで燃焼振動が発生し、不安定な燃焼が生じる結果となる。

本発明は、上記の問題点を解消するためになされたものであり、その目的は、燃焼器内部の圧力変動に対して燃焼安定性の向上を図ることができるガスタービン燃焼器、ガスタービン、及びガスタービン燃焼器のバーナを提供することにある。

上記課題を解決するため、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、燃料と空気とを混合して燃焼させるための燃焼室が内部に形成された筒状のライナと、前記ライナの軸方向一端に配置され、前記燃焼室に燃料と空気とを別々に供給するバーナとを備え、前記バーナは、燃料が導入される燃料流路としての第１の内部空間を有するバーナボディと、前記バーナボディから燃料が流入する燃料流路としての第２の内部空間，周方向に間隔をあけて設けられ、前記第２の内部空間から流入する燃料を前記燃焼室に噴出する複数の内周燃料噴孔，前記内周燃料噴孔の外周側において周方向に間隔をあけて設けられ、前記第２の内部空間から流入する燃料を前記燃焼室に噴出する複数の外周燃料噴孔を有するスワラと、前記複数の外周燃料噴孔の各々の入口側に前記各外周燃料噴孔の出口端の開口面積より開口面積の小さい第１の絞り部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、外周燃料噴孔に第１の絞り部を設けることで、燃焼室内の圧力変動に対して内周燃料噴孔と外周燃料噴孔とから噴出する燃料の流量変動の位相がずれて燃焼器全体の燃料流量の変動幅が抑制されるので、燃焼室内の燃焼振動を抑制することができる。また、外周燃料噴孔の入口側に第１の絞り部を設けることで、内周燃料噴孔と外周燃料噴孔の適切な流量比率の設定及び外周燃料噴孔から噴出する燃料流速の低減が可能となるので、燃焼振動を抑制することができる。つまり、燃焼室内の圧力変動に対して燃焼安定性の向上を図ることができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明のガスタービン燃焼器を備えたガスタービンの第１の実施の形態を示す概略構成図及び本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態を示す縦断面図である。 図１に示す本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態の一部を構成するバーナを示す縦断面図である。 図２に示す本発明のガスタービン燃焼器のバーナの第１の実施の形態の一部を構成するスワラを示す側面図である。 図２に示す本発明のガスタービン燃焼器のバーナの第１の実施の形態をIV−IV矢視から見た横断面図である。 図２に示す本発明のガスタービン燃焼器のバーナの第１の実施の形態をV−V矢視から見た横断面図である。 図２に示す本発明のガスタービン燃焼器のバーナの第１の実施の形態を構成する構成要素の寸法や配置関係を示す説明図である。 従来のガスタービン燃焼器における燃焼室の圧力変動時の状態を示す説明図である。 従来のガスタービン燃焼器における燃焼室の圧力変動時の燃料流量の時間的変化を示す説明図である。 本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態における燃焼室の圧力変動時の作用を示す説明図である。 本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態における燃焼室の圧力変動時の燃料流量の時間的変化を示す説明図である。 本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態と同様な第１の絞り部を有するガスタービン燃焼器における全燃料流量に対する内周燃料の流量の比率と燃焼振動の大きさとの関係の試験結果を示す特性図である。 本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態と同様な第１の絞り部を有するガスタービン燃焼器における外周燃料の流速と燃焼振動の大きさとの関係の試験結果を示す特性図である。 本発明のガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器のバーナの第２の実施の形態の一部分を拡大して示す縦断面図である。

以下、本発明のガスタービン燃焼器、ガスタービン、及びガスタービン燃焼器のバーナの実施の形態を図面を用いて説明する。
［第１の実施の形態］
まず、本発明のガスタービン燃焼器及びそれを備えたガスタービンの第１の実施の形態の構成を図１を用いて説明する。図１は本発明のガスタービン燃焼器を備えたガスタービンの第１の実施の形態を示す概略構成図及び本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態を示す縦断面図である。なお、図１において、燃焼器は、その左側が燃焼ガスの上流側、その右側が下流側になるように図示されている。

図１において、ガスタービンは、空気を圧縮して高圧の圧縮空気Ａを生成する圧縮機１と、圧縮機１から導入される圧縮空気Ａと燃料ｆｓ、ｆｂとを混合して燃焼させることで高温の燃焼ガスＧを生成する多数（図１では１つのみ図示）のガスタービン燃焼器２と、ガスタービン燃焼器２で生成された燃焼ガスＧのエネルギーにより軸駆動力を得るタービン３とを備えている。ガスタービンには、発電機４が機械的に接続されている。

ガスタービン燃焼器２は、燃料ｆｓ、ｆｂと圧縮機１から導入される圧縮空気Ａとを混合して燃焼させるための燃焼室３１が内部に形成された略円筒状のライナ２１と、ライナ２１を内包し、ライナ２１と共に圧縮空気Ａの流通する環状流路３２を形成する圧力容器としての外筒２２と、外筒２２の軸方向一端（図１では左端）に取り付けられたエンドカバー２３と、ライナ２１の軸方向一端（図１では左端）に配置され、燃料ｆｓ、ｆｂと燃焼空気としての圧縮空気Ａとを別々に燃焼室３１に供給するバーナ２４と、ライナ２１の軸方向他端（図１では右端）に接続され、燃焼室３１で生成された燃焼ガスＧをタービン３に導くトランジションピース２５とを備えている。外筒２２の他端（図１では右端）は、ケーシング１１に接続されている。ケーシング１１の内部には、圧縮機１からの圧縮空気Ａが流入する空間３３が形成されている。ガスタービン燃焼器２は、圧縮機１からケーシング１１の内部の空間３３を介して圧縮空気Ａが流入するように構成されている。

ガスタービン燃焼器２のバーナ２４には、起動用燃料ｆｓを供給するパイロット燃料系統２７と、発熱量の低い低発熱量燃料ｆｂを供給するメイン燃料系統２８とが接続されている。起動用燃料ｆｓとして、例えば、天然ガスや液体燃料が挙げられる。低発熱量燃料ｆｂとして、例えば、石炭やバイオマス等のガス化ガスや高炉ガス等が挙げられる。

次に、本発明のガスタービン燃焼器のバーナの第１の実施の形態の詳細な構成を図２乃至図５を用いて説明する。
図２は図１に示す本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態の一部を構成するバーナを示す縦断面図、図３は図２に示す本発明のガスタービン燃焼器のバーナの第１の実施の形態の一部を構成するスワラを示す側面図、図４は図２に示す本発明のガスタービン燃焼器のバーナの第１の実施の形態をIV−IV矢視から見た横断面図、図５は図２に示す本発明のガスタービン燃焼器のバーナの第１の実施の形態をV−V矢視から見た横断面図である。なお、図２乃至図５において、図１に示す符号と同符号のものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図２において、バーナ２４は、メイン燃料系統２８（図１参照）からの低発熱量燃料ｆｂが導入される燃料流路としての第１の内部空間４８を有する有底の略円筒状のバーナボディ４１と、バーナボディ４１の外周面に設けられ、メイン燃料系統２８からの低発熱量燃料ｆｂの取り入れ部としての入口配管４２と、バーナボディ４１の開口部側に配置された有底の略円筒状のスワラ４３と、バーナボディ４１とスワラ４３との間においてバーナボディ４１の開口部及びスワラ４３の開口部を閉塞するように配置された略円板状のフランジ４４と、バーナボディ４１、スワラ４３、及びフランジ４４の軸中心部に挿通した状態で配置されたパイロットバーナ４５とを備えている。バーナ２４は、フランジ４４を介してエンドカバー２３に接続されている。

スワラ４３は、図２乃至図４に示すように、円板状のベース部４３ａと、ベース部４３ａの外縁から軸方向に延在する円筒部４３ｂとで構成されている。スワラ４３の円筒部４３ｂの内部には、バーナボディ４１の第１の内部空間４８から低発熱量燃料ｆｂが流入する燃料流路としての第２の内部空間４９が形成されている。スワラ４３のベース部４３ａの径方向中心部分には、パイロットバーナ４５の燃料流れ下流側の先端部を配置するための配置孔５１が設けられている。ベース部４３ａにおける配置孔５１の径方向外側には、燃焼空気としての圧縮空気Ａを旋回させて燃焼室３１に噴射する複数（例えば、図３では８つ）の空気噴孔５２及び第２の内部空間４９から流入する低発熱量燃料ｆｂを旋回させて燃焼室３１に噴射する複数（例えば、図３では８つ）の内周燃料噴孔５３が周方向に交互に設けられている。ベース部４３ａにおける空気噴孔５２及び内周燃料噴孔５３の径方向外側には、第２の内部空間４９から流入する低発熱量燃料ｆｂを旋回させて燃焼室３１に噴射する外周燃料噴孔５４が周方向に間隔をあけて複数（例えば、図３では８つ）設けられている。

内周燃料噴孔５３及び外周燃料噴孔５４はそれぞれ、スワラ４３のベース部４３ａにおける第２の内部空間４９側の内面と燃焼室３１側の外面とを貫通し、周方向に傾斜するように形成されている。つまり、内周燃料噴孔５３と外周燃料噴孔５４は、燃料流路としての第２の内部空間４９から２つに分岐した燃料流路である。内周燃料噴孔５３及び外周燃料噴孔５４の流路断面積は、低発熱量燃料ｆｂを用いているため、ＬＮＧ焚き用の燃料噴孔よりも大きくなるように設定されている。空気噴孔５２は、スワラ４３のベース部４３ａにおける環状流路３２側の外周面と燃焼室３１側の外面とを貫通するように形成されている。また、空気噴孔５２における燃焼室３１側の部分は、内周燃料噴孔５３と同様に、周方向に傾斜するように形成されている。

スワラ４３のベース部４３ａにおける複数の外周燃料噴孔５４の入口端の位置する周部分には、図２及び図４に示すように、円環状の外周燃料絞り板４６が配置されている。外周燃料絞り板４６は、外周燃料噴孔５４の出口端の開口面積よりも開口面積の小さい複数の第１の流路孔５６を有している。第１の流路孔５６の数は、外周燃料噴孔５４の数と同数（図４では８つ）である。各第１の流路孔５６は、複数の外周燃料噴孔５４の各々に対応するように配置されている。すなわち、複数の第１の流路孔５６を有する外周燃料絞り板４６は、外周燃料噴孔５４の入口側を絞る第１の絞り部として機能するものである。

バーナ２４のフランジ４４の軸中心部には、図２及び図５に示すように、パイロットバーナ４５を挿通させるための挿通孔５８が設けられている。フランジ４４における挿通孔５８の径方向外側には、多数の第２の流路孔５９が略均等に分散するように設けられている。各第２の流路孔５９は、フランジ４４における低発熱量燃料ｆｂの流れ方向上流側の表面に対して垂直に延在するように形成されている。これら多数の第２の流路孔５９の総開口面積は、バーナボディ４１の第１の内部空間４８やスワラ４３の第２の内部空間４９の流路断面積よりも小さくなるように設定されている。つまり、多数の第２の流路孔５９を有するフランジ４４は、バーナボディ４１の第１の内部空間４８からスワラ４３の第２の内部空間４９に流入する低発熱量燃料ｆｂの流路を絞る第２の絞り部として機能するものである。

バーナ２４のパイロットバーナ４５には、パイロット燃料系統２７（図１参照）が接続されており、起動用燃料ｆｓが流通する。パイロットバーナ４５の燃料流れ下流側の先端部には、図２乃至図４に示すように、パイロット燃料噴孔６１が周方向に複数設けられている。

次に、本発明のガスタービン燃焼器のバーナの第１の実施の形態を構成する構成要素の寸法及び位置関係を図６を用いて説明する。
図６は図２に示す本発明のガスタービン燃焼器のバーナの第１の実施の形態を構成する構成部材の寸法や配置関係を示す説明図である。なお、図６において、図１乃至図５に示す符号と同符号のものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図６に示すように、外周燃料絞り板４６の板厚をｔ、外周燃料絞り板４６の第１の流路孔５６の開口径をＤ_１、フランジ４４の第２の流路孔５９の開口径をＤ_２、スワラ４３の第２の内部空間４９の容積、つまり、フランジ４４の燃料流れ下流側の端面とスワラ４３の円筒部４３ｂの内周面とスワラ４３のベース部４３ａの内面とで画成される空間の容積をＶとする。また、フランジ４４の第２の流路孔５９の入口端からスワラ４３のベース部４３ａの外側端面までの距離をＬ_１、外周燃料絞り板４６の第１の流路孔５６の入口端から外周燃料噴孔５４の出口端までの距離をＬ_２とする。

このとき、第２の流路孔５９と第１の流路孔５６の間隔は、以下の式（１）を満たすように設定されている。
Ｌ_１−Ｌ_２≧６Ｄ_２ … 式（１）

また、外周燃料噴孔５４と第１の流路孔５６は、以下の式（２）を満たすように構成されている。
Ｌ_２≧６Ｄ_１ … 式（２）

式（１）及び式（２）はそれぞれ、燃料流路の絞りとして機能する第２の流路孔５９及び第１の流路孔５６の下流側に形成される燃料流れの剥離渦による影響を低減するために設定されるものである。絞り機構の下流側の空間を一定以上確保して流れの剥離渦による影響を低減することについては、ＪＩＳ−Ｚ−８７６２に開示されている。

さらに、外周燃料絞り板４６、第１の流路孔５６、及びスワラ４３は、その形状が相互に以下の式（３）を満たすように構成されている。

ここで、ｆは高炉ガスの発熱量が低下した時に発生する燃焼振動の周波数を、ｃは高炉ガスの音速を示している。式（３）は、ある周波数の振動に対して内部空間を有する部材が共鳴器として働くための条件である。

次に、本発明のガスタービン燃焼器を備えたガスタービンの第１の実施の形態における作動流体及び燃料の流れを図１及び図２を用いて説明する。
図１に示すガスタービンの圧縮機１は、大気より吸込んだ空気を圧縮し、その圧縮空気Ａをケーシング１１内の空間３３へと供給する。空間３３に流入した圧縮空気Ａは、ライナ２１と外筒２２の間に形成された環状流路３２に流入し、バーナ２４に向かって流れる。この圧縮空気Ａは、環状流路３２の下流端に位置するエンドカバー２３に衝突して流れの向きを変え、図２に示すバーナ２４の空気噴孔５２に燃焼空気として流入する。この燃焼空気は、旋回成分を付与されて燃焼室３１に噴射される。

一方、起動用燃料ｆｓは、図１に示すパイロット燃料系統２７からバーナ２４のパイロットバーナ４５に供給され、図２に示すパイロットバーナ４５のパイロット燃料噴孔６１を通じて燃焼室３１に噴射される。また、低発熱量燃料ｆｂは、図１に示すメイン燃料系統２８からバーナ２４の入口配管４２を介してバーナボディ４１に供給される。この低発熱量燃料ｆｂは、図２に示すバーナボディ４１の第１の内部空間４８からフランジ４４の第２の流路孔５９を通過してスワラ４３の第２の内部空間４９に流入する。第２の内部空間４９に流入した低発熱量燃料ｆｂは、一部が内周燃料噴孔５３に流入すると共に、残りが外周燃料絞り板４６の第１の流路孔５６を通過して外周燃料噴孔５４に流入する。内周燃料噴孔５３に流入した低発熱量燃料ｆｂは内周燃料ｆｂ１として、外周燃料噴孔５４に流入した低発熱量燃料ｆｂは外周燃料ｆｂ２として、旋回成分を付与されて燃焼室３１に噴射される。

空気噴孔５２から噴射された燃焼空気、パイロット燃料噴孔６１から噴射された起動用燃料ｆｓ、内周燃料噴孔５３及び外周燃料噴孔５４からそれぞれ噴射された内周燃料ｆｂ１及び外周燃料ｆｂ２は、燃焼室３１内で混合され、図１に示す拡散火炎Ｄｆを形成する。これにより、燃焼ガスＧが生成される。

このように、空気噴孔５２及び内周燃料噴孔５３という別々の流路からそれぞれ燃焼空気及び低発熱量燃料ｆｂを燃焼室３１に供給するので、拡散燃焼が生じ、低発熱量燃料ｆｂを安定に燃焼させることができる。

また、内周燃料噴孔５３及び外周燃料噴孔５４から噴射する低発熱量燃料ｆｂに旋回成分を付与することで、螺旋状に旋回しながら拡大する旋回流が生じるので、旋回の中心軸上に逆圧力勾配が誘起され、バーナ２４の径方向中心部近傍に循環ガス領域が形成される。この循環ガスが燃焼反応を維持する着火源として機能するので、燃焼安定性を強化することができる。

さらに、内周燃料噴孔５３からの内周燃料ｆｂ１で形成される火炎の周囲に、外周燃料噴孔５４からの外周燃料ｆｂ２で形成される火炎が形成されるので、内周側の火炎は、温度が高く維持されて安定化する。

燃焼室３１で生成された燃焼ガスＧは、図１に示すように、トランジションピース２５を通過してタービン３に流入する。燃焼ガスＧの供給によりタービン３には回転動力が与えられ、タービン３の回転動力は圧縮機１及び発電機４に伝達される。圧縮機１に伝達された回転動力は圧縮動力として用いられ、発電機４に伝達された回転動力は電気エネルギーに変換される。

なお、パイロットバーナ４５には、例えば、着火から定格負荷運転時において、パイロット燃料系統２７から起動用燃料ｆｓが供給される。これにより、着火から燃焼温度の低い部分負荷運転範囲において、ガスタービン燃焼器２は安定的に燃焼することができる。一方、バーナボディ４１には、部分負荷から定格負荷運転時において、メイン燃料系統２８から低発熱量燃料ｆｂが供給される。このとき、低発熱量燃料ｆｂの供給量の増加に応じて、起動用燃料ｆｓの供給量を低減する。これにより、ガスタービン燃焼器２は、難燃性の低発熱量燃料ｆｂを安定的に燃焼することができる。

次に、本発明のガスタービン燃焼器、ガスタービン、及びガスタービン燃焼器のバーナの第１の実施の形態の作用及び効果を従来のガスタービン燃焼器と比較して説明する。
先ず、比較対象としての従来のガスタービン燃焼器の構成及び問題点を図７及び図８を用いて説明する。
図７は従来のガスタービン燃焼器における燃焼室の圧力変動時の状態を示す説明図、図８は従来のガスタービン燃焼器における燃焼室の圧力変動時の燃料流量の時間的変化を示す説明図である。図８中、縦軸Ｆは燃料流量を、横軸Ｔは時間を示している。Ｆ０は、燃焼室３１内の圧力変動が生じる前の基準となる燃料流量である。なお、図７及び図８において、図１乃至図６に示す符号と同符号のものは、同様な部分であるので、その詳細な説明は省略する。

従来のガスタービン燃焼器１０２の本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態に対する相違点は、図７に示すように、第１の実施の形態の一部を構成する第１の絞り部としての外周絞り板４６をバーナ１２４の外周燃料噴孔５４に設けていないこと及びフランジ１４４の第２の流路孔１５９の開口面積が本実施の形態のフランジ４４の第２の流路孔５９よりも大きく、第２の流路孔１５９の総開口面積がスワラ４３の第２の内部空間４９の流路断面積とさほど変わらないことである。

このような構成の従来のガスタービン燃焼器１０２においては、製鉄所の運転状態により発熱量が変動する高炉ガスを燃料として用いると、燃焼安定性が損なわれることがある。

例えば、バーナ１２４に供給された高炉ガス（低発熱量燃料ｆｂ）の発熱量が変動すると、その変動に伴い拡散火炎Ｄｆの燃焼状態が変化して燃焼室３１に圧力変動Ｐが生じる。圧力変動Ｐにより生じた圧力波Ｗは、内周燃料噴孔５３及び外周燃料噴孔５４を略同じように通過して上流側に伝播する。このため、スワラ４３の上流側の燃料供給圧と内周燃料噴孔５３の出口圧の圧力差の変動、及び、スワラ４３の上流側の燃料供給圧と外周燃料噴孔５４の出口圧の圧力差の変動は、略同じ位相となる。

燃料流量は、燃料噴孔の開口面積が定められている場合、燃料供給圧と燃料噴孔の出口圧の圧力差で決定される。つまり、内周燃料噴孔５３及び外周燃料噴孔５４を流れる内周燃料ｆｂ１及び外周燃料ｆｂ２の流量は、圧力波Ｗが内周燃料噴孔５３及び外周燃料噴孔５４を略同じように伝播するため、圧力変動Ｐの影響により略同じ位相で変動する。このため、これらの燃料流量の変動が重なり合うことで、燃焼器全体の燃料流量が大きく変動する虞がある。この場合、拡散火炎Ｄｆの状態が更に変化するので、その変動に伴い更なる圧力変動Ｐが生じる。更なる圧力変動Ｐにより生じた圧力波Ｗは、上述したように、内周燃料ｆｂ１及び外周燃料ｆｂ２の更なる流量変動を引き起こすという悪循環に陥る。すなわち、図８に示すように、スワラ４３から燃焼室３１に噴出する燃料流量Ｆの変動幅が時間Ｔの経過と共に増大し、燃焼不安定性が増大する。

また、フランジ１４４の第２の流路孔１５９は、その開口面積が大きく、第２の絞り部としてほとんど機能しない。このため、圧力変動Ｐの影響がバーナ１２４の上流側の燃料系統に及ぶ虞がある。

次に、本発明のガスタービン燃焼器、ガスタービン及びガスタービン燃焼器のバーナの第１の実施の形態の作用及び効果を図９乃至図１２を用いて説明する。
図９は本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態における燃焼室の圧力変動時の作用を示す説明図、図１０は本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態における燃焼室の圧力変動時の燃料流量の時間的変化を示す説明図、図１１は本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態と同様な第１の絞り部を有するガスタービン燃焼器における全燃料流量に対する内周燃料の流量の比率と燃焼振動の大きさとの関係の試験結果を示す特性図、図１２は本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態と同様な第１の絞り部を有するガスタービン燃焼器における外周燃料の流速と燃焼振動の大きさとの関係の試験結果を示す特性図である。図１０中、縦軸Ｆは燃料流量を、横軸Ｔは時間を示している。Ｆ０は、燃焼室３１内の圧力変動が生じる前の基準となる燃料流量を示している。実線αは内周燃料の流量を、破線βは外周燃料の流量を示している。図１１中、縦軸は燃焼振動の大きさを、横軸は全燃料流量に対する内周燃料の流量の比率（％）を示している。図１２中、縦軸は燃焼振動の大きさを、横軸は外周燃料の流速を示している。なお、図９乃至図１２において、図１乃至図８に示す符号と同符号のものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図９に示す本実施の形態のガスタービン燃焼器２において、バーナ２４に供給される高炉ガス（低発熱量燃料ｆｂ）の発熱量が変動すると、従来のガスタービン燃焼器１０２と同様に、その変動に伴い拡散火炎Ｄｆの燃焼状態が変化して燃焼室３１に圧力変動Ｐが生じる。圧力変動Ｐにより生じた圧力波Ｗは、内周燃料噴孔５３及び外周燃料噴孔５４を通じてスワラ４３の上流側に伝播する。

本実施の形態の場合、圧力波Ｗ１は内周燃料噴孔５３をそのまま通過してスワラ４３の上流側に伝播する。一方、外周燃料噴孔５４を通過する圧力波Ｗ２は、第１の絞り部としての第１の流路孔５６を通過する際に、その一部が反射するため、内周燃料噴孔５３を通過した圧力波Ｗ１に対して位相のずれた状態でスワラ４３の上流側に伝播する。このため、図１０に示すように、実線αで示す内周燃料噴孔５３を流れる内周燃料ｆｂ１の流量変動と破線βで示す外周燃料噴孔５４を流れる外周燃料ｆｂ２の流量変動の位相がずれて、内周燃料ｆｂ１と外周燃料ｆｂ２を合算した燃料流量の変動幅が従来のガスタービン燃焼器１０２の場合（図８参照）よりも縮小する。燃焼器全体の燃料流量の変動幅の縮小により、燃焼室３１の圧力変動Ｐは従来のガスタービン燃焼器１０２の場合よりも抑制される。

また、本実施の形態においては、燃料流路としてのスワラ４３の第２の内部空間４９の入口に第２の絞り部としてのフランジ４４の第２の流路孔５９を設けている。これにより、スワラ４３内を伝播した圧力波Ｗ３は、第２の流路孔５９を通過する際に、その一部が反射して減衰するので、第２の流路孔５９よりも上流に圧力変動Ｐが伝わりにくくなる。このため、複数のガスタービン燃焼器２を有し、メイン燃料系統を分岐させて各ガスタービン燃焼器２に低発熱量燃料ｆｂを供給するガスタービンの場合には、ある１つのガスタービン燃焼器２に生じた圧力変動Ｐがメイン燃料系統を通じて別のガスタービン燃焼器２に影響を及ぼす可能性を低減することができる。

ところで、外周燃料噴孔の入口側に第１の絞り部を配置した２重旋回構造のバーナを有する、本実施の形態と同様なガスタービン燃焼器を用いた試験結果から、次のことが明らかになっている。なお、試験に用いたガスタービン燃焼器が本実施の形態のガスタービン燃焼器２と相違している主な点は、従来の燃焼器１０２のような開口面積の大きな第２の流路孔を有するフランジを備えていることである。

第１に、図１１に示すように、全燃料流量（内周燃料ｆｂ１と外周燃料ｆｂ２と起動用燃料ｆｓの合計流量）に対する内周燃料ｆｂ１の流量の比率が８５〜９５％の範囲において、燃焼振動が低い状態となる。特に、内周燃料ｆｂ１の流量の比率が９０％のときに、燃焼振動が最も低くなる。つまり、内周燃料ｆｂ１と外周燃料ｆｂ２の間には、安定燃焼の指標である燃焼振動を抑制する最適な流量比率が存在することがわかる。なお、定格負荷運転時においては、起動用燃料ｆｓの流量は、内周燃料ｆｂ１及び外周燃料ｆｂ２の流量と比較すると、十分小さく、無視しうる量である。

第２に、図１２に示すように、外周燃料ｆｂ２の流速が増加するのに伴い、燃焼振動が大きくなる傾向にある。

以上の試験結果から明らかなように、低発熱量燃料ｆｂの安定燃焼のためには、内周燃料ｆｂ１と外周燃料ｆｂ２の流量配分を適切な比率に設定すると共に、外周燃料ｆｂ２の流速を低下させる必要がある。

しかし、図７に示す従来のガスタービン燃焼器１０２においては、上記２つの要求を満足させることは難しい。従来のガスタービン燃焼器１０２における内周燃料ｆｂ１と外周燃料ｆｂ２の流量比率は、内周燃料噴孔５３と外周燃料噴孔５４の流路断面積の比により決定される。外周燃料ｆｂ２の流速を低下させるためには、外周燃料噴孔５４の流路断面積を大きくする必要がある。この場合、内周燃料ｆｂ１と外周燃料ｆｂ２の流量比率を適切に設定するためには、外周燃料噴孔５４の流路断面積の拡大に応じて、内周燃料噴孔５３の流路断面積も拡大させなければならない。内周燃料噴孔５３や外周燃料噴孔５４の流路断面積を拡大させるためには、スワラ４３やライナ２１を大型化させる必要があり、製造コストが増加する。

それに対して、本実施の形態においては、図９に示す第１の流路孔５６を有する外周絞り板４６を、第１の絞り部として、外周燃料噴孔５４に配置している。このため、内周燃料ｆｂ１と外周燃料ｆｂ２の流量比率は、内周燃料噴孔５３の流路断面積と第１の流路孔５６の開口面積の比で決定される。第１の流路孔５６により外周燃料噴孔５４の一部の流路断面積を絞ることで、全燃料流量（内周燃料ｆｂ１と外周燃料ｆｂ２の合計流量）に対する内周燃料ｆｂ１の流量の比率を８５〜９５％の範囲、好ましくは９０％に設定することができる。具体的には、内周燃料噴孔５３の流路断面積に対する第１の流路孔５６の開口面積の比を１／１９から３／１７までの範囲となるように設定する。これにより、燃焼振動が抑制され、燃焼安定性が向上する。

さらに、本実施の形態においては、第１の絞り部としての第１の流路孔５６を外周燃料噴孔５４の出口側でなく入口側に配置している。このため、外周燃料ｆｂ２の燃焼室３１に噴出する流速は、第１の流路孔５６を通過した燃料流量と外周燃料噴孔５４の出口端の開口面積から定まる。第１の流路孔５６の開口面積は外周燃料噴孔５４の出口端の開口面積よりも小さいので、第１の流路孔５６を通過した外周燃料ｆｂ２は、外周燃料噴孔５４の出口に向かって減速する。このため、燃焼室３１に噴出する外周燃料ｆｂ２の流速は最終的に外周燃料噴孔５４の出口端の開口面積に応じて低下するので、燃焼振動が抑制されて、燃焼安定性が向上する。

このように、第１の流路孔５６を有する外周絞り板４６を外周燃料噴孔５４の上流側に配置することで、内周燃料噴孔５３の流路断面積を拡大することなく、内周燃料ｆｂ１と外周燃料ｆｂ２の流量比率を適切に設定しつつ、外周燃料ｆｂ２の流速を低下させることができる。したがって、スワラ４３やライナ２１の大型化を抑制でき、製造コストの抑制が可能となる。

また、本実施の形態においては、低発熱量燃料ｆｂを第２の絞り部としてのフランジ４４の第２の流路孔５９や第１の絞り部としての外周絞り板４６の第１の流路孔５６を介して燃焼室３１に供給している。このため、第２の流路孔５９や第１の流路孔５６を通過した低発熱量燃料ｆｂの流れは第１及び第２の流路孔５６、５９に対して径方向外側に広がり、その下流に剥離渦が形成される。この剥離渦は、ガスタービン燃焼器２の安定燃焼性に影響を及ぼす虞がある。

例えば、第２の流路孔５９と第１の流路孔５６の間隔が短い場合、剥離渦の影響により各第１の流路孔５６に流入する外周燃料ｆｂ２の流量分配が不均一となる虞がある。そこで、本実施の形態においては、第２の流路孔５９と第１の流路孔５６の間隔を上述の式（１）を満たすように設定することで、この問題を回避している。

また、例えば、外周燃料噴孔５４の長さが短い場合、第１の流路孔５６の下流に形成される剥離渦が燃焼室３１に到達する場合がある。この場合、燃料流量の不安定に起因して燃焼不安定が生じる虞がある。そこで、本実施の形態においては、外周燃料噴孔５４と第１の流路孔５６を上述の式（２）を満たすように構成することで、この問題を回避している。

このように、第２の流路孔５９及び第１の流路孔５６の下流の空間を一定以上確保することで、低発熱量燃料ｆｂの静圧を回復させている。この結果、ガスタービン燃焼器２に対する剥離渦の影響が低減され、ガスタービン燃焼器２の安定燃焼性が損なわれることがない。

また、ガスタービン燃焼器２に供給される高炉ガスの発熱量が低下した場合には、燃焼室３１内の火炎の燃焼速度が低下し、燃焼不安定が生じて燃焼振動が増大する虞もある。高炉ガスの発熱量の低下に起因する燃焼振動は、２００Ｈｚ以下の周波数となることが多い。

そこで、本実施の形態においては、外周燃料絞り板４６、第１の流路孔５６、及びスワラ４３の形状を、周波数ｆを２００Ｈｚ以下として、上述の式（３）を相互に満たすように設定している。このように設定することで、たとえ燃焼振動が発生したとしも、外周燃料絞り板４６、第１の流路孔５６、及びスワラ４３が燃焼振動に対する共鳴器として働き、燃焼振動を低減できる。なお、スワラ４３等を燃焼振動に対する共鳴器として機能させるためには、本実施の形態のように、絞り部として機能する第２の流路孔５９を有するフランジ４４をスワラ４３の開口部に配置する必要がある。それに対して、図７に示す従来のガスタービン燃焼器１０２の場合、圧力波がフランジ１４４の第２の流路孔１５９をほとんど減衰せずに上流側に伝播してしまうので、スワラ４３の第２の内部空間４９が燃焼振動に対する共鳴器として機能しない。

上述したように、本発明のガスタービン燃焼器、ガスタービン、及びガスタービン燃焼器のバーナの第１の実施の形態によれば、外周燃料噴孔５４に第１の流路孔５６を有する外周燃料絞り板（第１の絞り部）４６を設けることで、燃焼室３１内の圧力変動Ｐに対して内周燃料噴孔５３と外周燃料噴孔５４とから噴出する燃料ｆｂ１、ｆｂ２の流量変動の位相がずれて燃焼器全体の燃料流量の変動幅が抑制されるので、燃焼室３１内の燃焼振動を抑制することができる。また、外周燃料噴孔５４の入口側に第１の流路孔（第１の絞り部）５６を設けることで、内周燃料噴孔５３と外周燃料噴孔５４の適切な流量比率の設定及び外周燃料噴孔５４から噴出する燃料流速の低減が可能となるので、燃焼振動を抑制することができる。つまり、燃焼室３１内の圧力変動Ｐに対して燃焼安定性の向上を図ることができる。

また、本実施の形態によれば、１つのメイン燃料系統２８を介して低発熱量燃料ｆｂを内周燃料噴孔５３及び外周燃料噴孔５４に供給するバーナ構造なので、異なる燃料系統を介して低発熱量燃料ｆｂを内周燃料噴孔５３及び外周燃料噴孔５４に供給するバーナ構造の場合より、燃料系統を簡素化することができる。

さらに、本実施の形態によれば、第１の絞り部として、複数の第１の流路孔５６を有する１つの円環状の外周燃料絞り板４６を用いるので、製作及び組付けが容易である。

また、本実施の形態によれば、フランジ４４の第２の流路孔５９をフランジ４４における燃料流れ上流側の表面に対して垂直に延在するように形成したので、第２の流路孔を斜めに形成する構成のバーナよりも、低発熱量燃料ｆｂが第２の流路孔を通過する際に生じる圧力損失を抑制することができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明のガスタービン燃焼器、ガスタービン、及びガスタービン燃焼器のバーナの第２の実施の形態を図１３を用いて説明する。
図１３は本発明のガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器のバーナの第２の実施の形態の一部分を拡大して示す縦断面図である。なお、図１３において、図１乃至図１２に示す符号と同符号のものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図１３に示す本発明のガスタービン燃焼器のバーナの第２の実施の形態は、第１の実施の形態の構成に加えて、複数の外周燃料噴孔５４の各々の内部における外周燃料絞り板４６の下流に、流路断面積が入口端から出口端に向かって徐々に増加する流路拡大部６４をそれぞれ配置するものである。

本実施の形態においては、外周燃料ｆｂ２が外周燃料絞り板４６から流路拡大部６４に流出する際に、外周燃料ｆｂ２が流路拡大部６４の燃料流路に沿って流れて、滑らかに減速する。このため、第１の流路孔５６の下流での剥離渦の発生が抑制されて圧力損失が低減される。剥離渦の燃焼室３１への到達は外周燃料ｆｂ２の流量の不安定の要因であり、剥離渦の抑制は燃焼室３１内の燃焼振動を抑制する結果となる。

本発明のガスタービン燃焼器、ガスタービン、及びガスタービン燃焼器のバーナの第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。

また、本実施の形態によれば、複数の外周燃料噴孔５４の各々の内部における第１の絞り部としての外周燃料絞り板４６の第１の流路孔５６の下流に、流路断面積が入口端から出口端に向かって徐々に増加する流路拡大部６４を配置したので、低発熱量燃料ｆｂが第１の流路孔５６を流通する際に生じる剥離渦を抑制することができる。剥離渦の抑制により、圧力損失を低減できると共に、燃焼室内の燃焼振動を抑制できる。

［その他の実施形態］
なお、上述した第１の実施の形態においては、多数のガスタービン燃焼器２を備えるガスタービンに本発明を適用した例を説明したが、単缶のガスタービン燃焼器２を備えるガスタービンに本発明を適用することも可能である。

また、上述した第１の実施の形態においては、第１の絞り部として、複数の第１の流路孔５６を有する１つの円環状の外周燃料絞り板４６を用いた例を示したが、第１の絞り部として、各外周燃料噴孔５４の入口側に外周燃料噴孔５４の出口端の開口面積より開口面積の小さいオリフィスをそれぞれ配置することも可能である。

さらに、上述した第２の実施の形態においては、各外周燃料噴孔５４内における第１の絞り部としての外周燃料絞り板４６の下流に、流路断面積が入口端から出口端に向かって滑らかに増加する流路拡大部６４を設けた例を示したが、外周燃料噴孔を入口端部から出口端部に向かって滑らかに流路断面積が増加するように形成することも可能である。この場合、外周燃料噴孔の入口端部が第１の絞り部として機能する。

なお、本発明は上述した第１及び第２の実施の形態に限られるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施形態は本発明をわかり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。

２…ガスタービン燃焼器、 ２１…ライナ、 ２４…バーナ、 ３１…燃焼室、 ４１…バーナボディ、 ４３…スワラ、 ４４…フランジ（第２の絞り部）、 ４６…外周燃料絞り板（第１の絞り部）、 ４８…第１の内部空間、 ４９…第２の内部空間、 ５３…内周燃料噴孔、 ５４…外周燃料噴孔、 ５６…第１の流路孔（第１の絞り部）、 ５９…第２の流路孔（第２の絞り部）、 ６４…流路拡大部

Claims (11)

1. 燃料と空気とを混合して燃焼させるための燃焼室が内部に形成された筒状のライナと、
   前記ライナの軸方向一端に配置され、前記燃焼室に燃料と空気とを別々に供給するバーナとを備え、
   前記バーナは、
   燃料が導入される燃料流路としての第１の内部空間を有するバーナボディと、
   前記バーナボディから燃料が流入する燃料流路としての第２の内部空間，周方向に間隔をあけて設けられ、前記第２の内部空間から流入する燃料を前記燃焼室に噴出する複数の内周燃料噴孔，前記内周燃料噴孔の外周側において周方向に間隔をあけて設けられ、前記第２の内部空間から流入する燃料を前記燃焼室に噴出する複数の外周燃料噴孔を有するスワラと、
   前記複数の外周燃料噴孔の各々の入口側に前記各外周燃料噴孔の出口端の開口面積より開口面積の小さい第１の絞り部とを備える
   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、
   前記第１の絞り部は、前記スワラ内における前記複数の外周燃料噴孔の入口端の位置する周部分に配置され、前記複数の外周燃料噴孔の各々に対応する複数の第１の流路孔を有する１つの環状の外周燃料絞り板である
   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、
   前記複数の外周燃料噴孔の各々の内部における前記第１の絞り部の下流にそれぞれ配置され、流路断面積が入口端から出口端に向かって徐々に増加するように形成された流路拡大部をさらに備える
   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、
   前記バーナは、前記バーナボディと前記スワラとの間に配置され、前記バーナボディの前記第１の内部空間から前記スワラの前記第２の内部空間に流入する燃料の流路を絞る第２の絞り部をさらに備える
   ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
5. 請求項４に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記第２の絞り部は、複数の第２の流路孔を有する板状のフランジであり、
   前記複数の第２の流路孔の各々は、前記フランジにおける燃料流れ上流側の表面に対して垂直に延在するように形成された
   ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
6. 請求項４に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記スワラ及び前記第１の絞り部は、それらの形状が前記燃焼室で発生する燃焼振動に対する共鳴器となるように設定された
   ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
7. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記内周燃料噴孔の流路断面積に対する前記第１の絞り部の開口面積の比が１／１９から３／１７までの範囲となるように設定された
   ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
8. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記第１の絞り部の入口端から前記外周燃料噴孔の出口端までの距離は、前記第１の絞り部の開口径の６倍以上となるように設定された
   ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
9. 請求項４に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記第２の絞り部の入口端から前記第１の絞り部の入口端までの距離は、前記第２の絞り部の開口径の６倍以上となるように設定された
   ことを特徴とするガスタービン燃焼器。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器を備える
    ことを特徴とするガスタービン。
11. 燃料と空気とを別々に燃焼室に供給するガスタービン燃焼器のバーナであって、
    燃料が導入される燃料流路としての第１の内部空間を有するバーナボディと、
    前記バーナボディから燃料が流入する燃料流路としての第２の内部空間，周方向に間隔をあけて設けられ、前記第２の内部空間から流入する燃料を前記燃焼室に噴出する複数の内周燃料噴孔，前記内周燃料噴孔の外周側において周方向に間隔をあけて設けられ、前記第２の内部空間から流入する燃料を前記燃焼室に噴出する複数の外周燃料噴孔を有するスワラと、
    前記複数の外周燃料噴孔の各々の入口側に前記各外周燃料噴孔の出口端の開口面積より開口面積の小さい第１の絞り部とを備える
    ことを特徴とするガスタービン燃焼器のバーナ。

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