JP2017180267A - ガスタービン - Google Patents

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Abstract

【課題】高温下でも安定して運転することができるガスタービンを提供する。
【解決手段】ガスタービン１は、外部空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機２と、圧縮空気が導入される車室５と、車室５内から導入された圧縮空気を燃料とともに混合して燃焼させて、燃焼ガスを生成する燃焼器３と、燃焼ガスによって駆動されるタービン４と、圧縮機２に対して独立に運転可能なサブ圧縮機６２と、車室５内の空気を抽気して、サブ圧縮機６２で昇圧した後に熱交換する熱交換器６１とを有し、熱交換された空気を燃焼器３の筒体３０の冷却通路３１に導入する燃焼器冷却系統６と、燃焼器冷却系統６を流通する空気を抽気して燃焼器３内に導入する燃焼器空気導入系統と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービンに関する。
一般的なガスタービンは、外部の空気を圧縮して高圧空気を生成する圧縮機と、高圧空気と燃料とを混合して燃焼させ、高温高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼ガスによって回転駆動されるタービンと、を備えている。
このようなガスタービンに用いられる燃焼器の一例として、下記特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に係る燃焼器は、燃焼ガスが流通する燃焼筒と、燃焼筒内で火炎を形成する複数のノズルと、を主に備えている。ノズルによって形成された火炎によって燃焼筒内で高温高圧の燃焼ガスが生じる。
特開平５−２０３１４６号公報
ところで、上記のような燃焼器の内部では、燃料と空気とが流通する過程で、フラッシュバックと呼ばれる現象が生じる場合がある。フラッシュバックとは、燃焼器内における予期しない領域に滞留している燃料に、火炎が伝播することで異常な燃焼を生じる現象である。
近年では、ガスタービンの性能向上に伴って運転温度が従前に比べて上昇する傾向にあることから、上記のフラッシュバックがさらに生じやすくなっている。また、ガスタービンの運転温度の上昇に伴って、ＮＯｘの発生量が増大してしまう虞がある。
このため、高温の運転条件化でも、フラッシュバックの発生を十分に抑制することができるとともに、ＮＯｘ発生量が低減されたガスタービンに対する要請が高まっている。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、高温下でも安定して運転することができるガスタービンを提供することを目的とする。
本発明の第一の態様によれば、ガスタービンは、外部空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮空気が導入される車室と、前記車室内から導入された前記圧縮空気を燃料とともに混合して燃焼させて、燃焼ガスを生成するとともに、該燃焼ガスが内側を通過する筒体を有する燃焼器と、前記燃焼ガスによって駆動されるタービンと、前記圧縮機に対して独立に運転可能なサブ圧縮機と、前記車室内の空気を抽気して、前記サブ圧縮機で昇圧した後に熱交換する熱交換器とを有し、熱交換された空気を前記筒体の冷却通路に導入する燃焼器冷却系統と、前記燃焼器冷却系統を流通する空気を抽気して、前記燃焼器内に導入する燃焼器空気導入系統と、を備える。
この構成によれば、燃焼器空気導入系統によって、燃焼器冷却系統を流通する空気の一部が抽気される。この抽気された空気を燃焼器内に導入することにより、当該燃焼器内における各部で、空気や燃料ガスの滞留やよどみ等が発生する可能性を低減することができる。これにより、フラッシュバックを抑制することができる。
本発明の第二の態様によれば、上記ガスタービンでは、前記燃焼器空気導入系統は、前記燃焼器冷却系統における前記熱交換器よりも前記車室側の抽気位置から抽気した空気を前記燃焼器内に導入してもよい。
この構成によれば、抽気位置が熱交換器よりも車室側にあることから、燃焼器空気導入系統を流れる空気の圧力は、車室内の圧縮空気と同等となる。すなわち、他の圧縮機等を設けることなく、燃焼器内における比較的に圧力の低い箇所に空気を導入することができる。
本発明の第三の態様によれば、上記ガスタービンでは、前記燃焼器空気導入系統は、前記燃焼器冷却系統における前記熱交換器よりも前記冷却通路側の抽気位置から抽気した空気を前記燃焼器内に導入してもよい。
この構成によれば、抽気位置が熱交換器よりも冷却通路側にある。つまり、サブ圧縮機で圧縮された空気を燃焼器空気導入系統に導くことができる。これにより、燃焼器における比較的に圧力の高い箇所に対しても安定的に空気を導入することができる。
本発明の第四の態様によれば、上記ガスタービンでは、前記燃焼器は、前記筒体の外周側に設けられて、該筒体の外周面との間に前記圧縮空気が流通する空気流路を形成する外筒と、前記空気流路中で、前記圧縮空気の流通方向と交差する方向に前記燃料を噴射する噴射孔が形成されたペグと、を有し、前記ペグには、前記燃焼器空気導入系統から供給された空気を前記圧縮空気の流通方向下流側に向かって噴射するペグ空気孔が形成されていてもよい。
この構成によれば、ペグにペグ空気孔が設けられていることから、当該ペグの周囲に空気を供給することができる。特に、ペグの下流側（圧縮空気の流通方向における下流側）では、淀み点が形成されやすいことから、燃料を多量に含む空気が滞留してしまう虞がある。しかしながら、上記の構成によれば、ペグ空気孔から供給された空気によって、このような滞留や淀みを下流側に押し流すことができる。これにより、ペグの下流側でフラッシュバックが生じる可能性を低減することができる。
本発明の第五の態様によれば、上記ガスタービンでは、前記燃焼器は、前記筒体内に前記燃料を供給し、前記圧縮空気と混合して燃焼させる第一ノズルと、前記第一ノズルの外周側に設けられ、前記燃焼ガスにスワールを生じさせる第一スワラと、を有し、前記第一ノズルの先端には、前記スワールの渦中心に向かって前記燃焼器空気導入系統から供給された空気を噴射する第一ノズル空気孔が形成されていてもよい。
第一ノズル先端の下流側では、上記の第一スワラによってスワール（旋回流）が発生している。このような旋回流や渦の中心を含む領域では、燃料を多量に含む空気が滞留してしまう場合がある。しかしながら、上記の構成によれば、第一ノズルの先端に、第一ノズル空気孔が形成されていることから、渦中心に向かって空気を供給することができる。この空気の流れによって、渦中心で滞留していた空気（燃料を多量に含む空気）を下流側に押し流すことができる。したがって、第一ノズルの下流側でフラッシュバックが生じたり、予期せぬ燃焼領域が生じたりする可能性を低減することができる。
本発明の第六の態様によれば、上記ガスタービンでは、前記燃焼器は、前記第一ノズルと平行に設けられて、該第一ノズルに着火するための燃料を噴射する第二ノズル噴射孔が形成された第二ノズルを有し、前記第二ノズルには、前記第二ノズル噴射孔を外周側から囲むように形成され、前記燃焼器空気導入系統から供給された空気を噴射する第二ノズル空気孔が形成されていてもよい。
この構成によれば、第二ノズルには、第二ノズル噴射孔を外周側から囲む第二ノズル空気孔が形成されている。これにより、第二ノズル噴射孔の周囲で燃料を多量に含む空気が滞留する可能性を低減することができる。さらに、第二ノズル噴射孔の周囲に空気を供給することで、実質的に予混合燃焼と同等の燃焼条件を実現することができる。これにより、例えばガスタービンの負荷が高い場合等に、ＮＯｘ発生量を低減することができる。
本発明によれば、高温下でも安定して運転することができるガスタービンを提供することができる。
本発明の第一実施形態に係るガスタービンの構成を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る燃焼器の構成を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る燃焼器の要部拡大図である。 本発明の第一実施形態に係るペグの構成を示す断面図である。 図４におけるＶ−Ｖ線矢視図である。 本発明の第一実施形態に係るペグの変形例を示す断面図である。 図６におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線矢視図である。 本発明の第二実施形態に係る燃焼器（第一ノズル）の要部拡大図である。 図１０のＩＸ−ＩＸ線矢視図である。 本発明の第三実施形態に係る燃焼器（第二ノズル）の要部拡大図である。
［第一実施形態］
本発明の第一実施形態について、図１から図７を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態に係るガスタービン１は、圧縮機２と、燃焼器３と、タービン４と、車室５と、燃焼器冷却系統６と、燃焼器空気導入系統７と、を備えている。
圧縮機２は、外部空気を圧縮して、高圧の圧縮空気を生成する。より詳細には、圧縮機２は、主軸線Ａｍ回りに回転する圧縮機ロータ８と、圧縮機ロータ８を外周側から覆う圧縮機車室９と、を有している。タービン４は、主軸線Ａｍ回りに回転するタービンロータ１０と、タービンロータ１０を外周側から覆うタービン車室１１と、を有している。圧縮機ロータ８とタービンロータ１０とは、主軸線Ａｍ上で一体に接続されることで、ガスタービンロータ１２を形成している。また、圧縮機車室９とタービン車室１１とは、互いに連結されることでガスタービン車室５（以下、単に車室５と呼ぶことがある。）を形成している。ガスタービンロータ１２の一端には、一例としてジェネレータ１３が接続されている。ガスタービンロータ１２の回転によってジェネレータ１３を駆動することで電力が外部に取り出される。燃焼器３は、上記の圧縮機２によって生成された圧縮空気中で、燃料を燃焼させることで、高温高圧の燃焼ガスを生成する。
図２に示すように、燃焼器３は、燃焼ガスが内部を通過する燃焼筒３０（筒体）を有している。本実施形態の燃焼筒３０は二重管構造を有しており、内周側の管と、外周側の管との間の空間は、冷却通路３１とされている。この冷却通路３１内には、後述する燃焼器冷却系統６を通じて供給された空気が流通する。これにより、燃焼ガスの高温に曝される燃焼筒３０を熱から保護することができる。
燃焼器冷却系統６は、上記の車室５内の空間と、燃焼筒３０の冷却通路３１とを接続する第一ライン６０と、この第一ライン６０上に設けられた熱交換器６１、及びサブ圧縮機６２と、を有している。第一ライン６０の一端側は、車室５内に連通することで、当該車室５内を流通する圧縮空気の一部を抽気する。熱交換器６１は、抽気された圧縮空気と外部の空気との間で熱交換させる。熱交換器６１で熱交換された空気はサブ圧縮機６２によって昇圧されて冷却空気となる。なお、このサブ圧縮機６２は、上記の圧縮機２とは別に設けられるとともに、当該圧縮機２に対して独立に運転可能とされている。
燃焼器空気導入系統７は、上記の第一ライン６０上における熱交換器６１の上流側の抽気位置Ｐと、燃焼器３内とを接続する第二ライン７０と、この第二ライン７０上に設けられた流量調整弁７１と、を有している。第二ライン７０を流通する空気は、燃焼器３内において、いずれも後述するペグ３８、第一ノズル３４、第二ノズル３５のそれぞれに対して、燃料とは別に供給される。
続いて、燃焼器３の詳細な構成について、図３を参照して説明する。燃焼器３は、中心軸線Ａｃに沿って延びる筒状の燃焼筒３０と、燃焼筒３０の一端側に取り付けられたスワラ支持筒３２と、スワラ支持筒３２の一端側に取り付けられた外筒３３と、外筒３３によって燃焼筒３０内で支持される第一ノズル３４、及び第二ノズル３５と、を有している。なお、以下の説明では、スワラ支持筒３２に対して外筒３３が位置する側を上流側と呼び、スワラ支持筒３２に対して燃焼筒３０が位置する側を下流側と呼ぶ。
スワラ支持筒３２は、燃焼筒３０よりも小さな外径寸法を有し、その他端部を含む部分は、燃焼筒３０の内周側に挿通されている。燃焼筒３０は、スワラ支持筒３２に対して接続部材３６を介して脱落不能に固定されている。
外筒３３は、車室５に形成された燃焼器挿通孔５０を塞ぐように設けられた有底筒状の部材である。外筒３３は、上記の第二ノズル３５及び第一ノズル３４を支持するノズル台３３Ａと、ノズル台３３Ａを車室５に対して固定支持する外筒本体３３Ｂと、を有している。
ノズル台３３Ａは中心軸線Ａｃを中心として略円盤状に形成された部材であって、その中心点を含む領域には、１つの第二ノズル３５が挿通されている。さらに、第二ノズル３５の外周側には、複数の第一ノズル３４が中心軸線Ａｃの周方向に互いに間隔をあけて配列されている。第一ノズル３４、及び第二ノズル３５は、ともに略管状をなしており、その内部には燃料供給源から供給された燃料が流通する。
外筒本体３３Ｂの下流側の面には、車室５の内壁と嵌合する嵌合凸部３３Ｃが設けられている。嵌合凸部３３Ｃは、外筒本体３３Ｂの底部から下流側に向かって突出している。嵌合凸部３３Ｃの内周側の面は、上記のスワラ支持筒３２の外周面に隙間をあけて対向している。この隙間は、車室５内の圧縮空気を燃焼器３内に導くための空気流路ＦＣとされる。さらに、嵌合凸部３３Ｃの内周面と底部とを接続する部分は湾曲形状をなしている。また、スワラ支持筒３２の上流側端部と外筒本体３３Ｂの底部との間には、隙間が形成されている。これにより、空気流路ＦＣに沿って下流側から上流側に導かれた圧縮空気が、スワラ支持筒３２の内側に導入される。
さらに、外筒本体３３Ｂの内周面には、空気流路ＦＣ中に燃料を供給するためのペグ３７が取り付けられている。ペグ３７は、外筒本体３３Ｂの内周面から突出するように設けられた棒状のノズルである。より詳細には図４、図５に示すように、ペグ３７は二重管構造をなしており、内部に燃料Ｆが流通するペグ内管３８Ａと、ペグ内管３８Ａの外周側に設けられたペグ外管３８Ｂと、を有している。
ペグ内管３８Ａとペグ外管３８Ｂとの間には、これら管の径方向に広がる隙間（ペグ空気流路３８Ｃ）が形成されている。このペグ空気流路３８Ｃは、上述の燃焼器空気導入系統７における第二ライン７０と連通されており、第二ライン７０中を流通する圧縮空気がこのペグ空気流路３８Ｃ内を流通する。ペグ外管３８Ｂの延在中途には、このペグ空気流路３８Ｃ内の空気を外部に向かって噴射するペグ空気孔３８Ｄが形成されている。
さらに、ペグ外管３８Ｂの外周面には、ペグ内管３８Ａ内と外部とを連通されて、燃料を噴射する複数（２つ）の噴射孔３８Ｅが形成されている。本実施形態では、これら２つの噴射孔３８Ｅは、ペグ内管３８Ａの延びる方向に直交する方向に向かって開口している。また、２つの噴射孔３８Ｅは、ペグ外管３８Ｂの直径方向において互いに離間する方向に向かって開孔している。
このように構成されたペグ３７は、以下のような姿勢で外筒本体３３Ｂに固定されている。すなわち、図５に示すように、２つの噴射孔３８Ｅは、空気流路ＦＣ中における圧縮空気の流通方向に対して交差（直交）する方向に向かって開孔している。ペグ空気孔３８Ｄは、この圧縮空気の流れ去る方向に向かって開孔している。
次に、本実施形態に係るガスタービン１の動作について説明する。ガスタービン１を起動するに当たっては、まず不図示の動力源によって圧縮機２を駆動する。圧縮機２が駆動することで高圧の圧縮空気が生成される。圧縮空気は車室５内の空間を通じて燃焼器３内に導入される。燃焼器３内では、圧縮空気中に燃料が混合された後、着火器（不図示）による着火を経て、燃焼火炎が形成される。これにより、高温高圧の燃焼ガスが生成される。燃焼ガスはさらに車室５内の空間を通じて後続のタービン４内に導入されて、タービン４を回転駆動する。これにより、タービンロータ１０の軸端に連結されたジェネレータ１３等の外部機器が駆動される。
ところで、上記のようなガスタービン１の運転中には、燃焼ガスの温度は１５００℃前後に達することが一般的である。このような高温環境下における継続的かつ安定的な運転を行うためには、燃焼器３の各部材を輻射熱等から保護するための措置が必要となる。そこで、本実施形態に係るガスタービン１では、上述した燃焼器冷却系統６によって、燃焼器３の一部を冷却している。より具体的には、第一ライン６０を通じて車室５内の圧縮空気の一部が抽気された後、熱交換器６１による熱交換とサブ圧縮機６２による圧縮とを経て、燃焼筒３０の冷却通路３１内にこの抽気された圧縮空気が供給される。これにより、燃焼筒３０を上記の輻射熱等から十分に保護することができる。
一方で、近年におけるガスタービン運転温度の上昇に伴って、燃焼器３の各部ではフラッシュバック等の現象が生じることも懸念されている。特に、ペグ３７は、圧縮空気の流通方向に交差する方向に延びている。このため、ペグ外管３８Ｂの外周面における下流側の領域で淀み点が形成されてしまう場合がある。このような淀み点に、ペグ３７から噴射された燃料を含む圧縮空気が滞留した場合、燃焼筒３０内の燃焼火炎が伝播した後、保炎されてしまうこともある。
しかしながら、本実施形態に係るペグ３７では、ペグ外管３８Ｂの下流側に向かって開孔するペグ空気孔３８Ｄが形成されている。ペグ空気孔３８Ｄからは、燃焼器空気導入系統７を通じて車室５内の圧縮空気が噴射される。この圧縮空気によって、ペグ外管３８Ｂの下流側で滞留している空気や燃料を下流側に向かって押し流すことができる。つまり、ペグ３７の周辺でフラッシュバックが生じる可能性が十分に低減されることで、高温環境下であってもガスタービン１を安定的に運転することが可能となる。
以上、本発明の第一実施形態について説明したが、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記構成に種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、ペグ３７を二重管構造とすることで、燃料と空気とを独立して噴射する構成とした。しかしながら、ペグ３７の態様はこれに限定されず、図６と図７とに示す構成を採ることも可能である。
図７に示すように、本変形例におけるペグ３７（ペグ外管３８Ｂ）は、その内側に、燃料が流通する燃料流路３４Ｃと、燃料流路３４Ｃに対してペグ３７の直径方向に離間するように設けられた空気流路ＦＣと、を有している。燃料流路３４Ｃから供給された燃料は噴射孔３８Ｅを通じて外部に噴射される。空気流路ＦＣからは、ペグ空気孔３８Ｄを通じて空気が外部に噴射される。
このような構成によれば、上述の第一実施形態と同様の作用効果を得られることに加えて、ペグ３７を一の部材によって一体に形成することができるため、部品点数の削減とこれに伴うメンテナンス性の向上とを図ることができる。
［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について図８を参照して説明する。本実施形態は、以下の点で上記第一実施形態と異なっている。すなわち、本実施形態に係る燃焼器２０３では、第一ノズル３４に対して燃焼器空気導入系統７から空気が供給される。
より詳細には図８に示すように、第一ノズル３４は、燃料及び圧縮空気が流通する筒状の第一ノズル本体３４Ａと、この第一ノズル本体３４Ａよりも上流側に設けられる第一スワラＭＳと、を備えている。第一ノズル本体３４Ａは、上流側から下流側に向かって延びるとともに、その下流側の端部は、上流側から下流側に向かうにしたがって次第に縮径する尖頭状に形成されている。
第一ノズル本体３４Ａの下流側端部よりもわずかに上流側の部分には、燃料を噴射するための複数の第一ノズル噴射孔３４Ｂが形成されている。第一ノズル噴射孔３４Ｂは、第一ノズル本体３４Ａの周方向に等間隔をあけて配列されている。また、第一ノズル本体３４Ａの内部には、燃料を流通させるための燃料流路３４Ｃが形成されている。燃料流路３４Ｃは中心軸線Ａｃに平行な直線状をなして延びている。第一ノズル噴射孔３４Ｂは、この燃料流路３４Ｃに対して一定の角度をなしている。
さらに、第一ノズル本体３４Ａの下流側端部（先端）には、圧縮空気を噴射するための第一ノズル空気孔３４Ｄが形成されている。第一ノズル空気孔３４Ｄは、第一ノズル本体３４Ａの内部に形成された第一ノズル空気流路３４Ｅに連通されている。この第一ノズル空気流路３４Ｅの上流側は、上述の燃焼器空気導入系統７が接続されている。すなわち、この第一ノズル空気孔３４Ｄからは、燃焼器空気導入系統７から流通した空気が噴射される。
第一スワラＭＳは、第一ノズル本体３４Ａの外周面上であって、上記の第一ノズル噴射孔３４Ｂよりも上流側の位置に設けられている。第一スワラＭＳは、第一ノズル本体３４Ａの周方向に等間隔をあけて配列された複数のスワラベーンを有している。それぞれのスワラベーンは、第一ノズル本体３４Ａの径方向から見て、第一ノズル本体３４Ａの延びる方向に対して一定の角度をなしている。これにより、第一ノズル３４の上流側から流れてきた圧縮空気に対してスワール成分（旋回流成分）が付加される。より具体的には、第一スワラＭＳによってスワールを生じた流れは、第一ノズル３４の周方向に旋回しながら、上流側から下流側に向かって流れる。
以上のように構成された燃焼器２０３の動作について説明する。まず、燃焼器２０３の通常運転中には、第一ノズル３４の上流側から供給された車室５内の圧縮空気が、第一ノズル３４の外周側の空間を通じて流れる。このとき、第一ノズル３４には第一スワラＭＳが設けられていることから、この圧縮空気の流れには、上記のスワール成分が含まれている。
スワール成分を含む圧縮空気の流れに対して、さらに下流側の領域で、第一ノズル噴射孔３４Ｂから噴射された燃料が混合されて、予混合ガスが生成される。この予混合ガスに対して、上述の第二ノズル３５によって形成された火炎が伝播する。これにより、予混合ガスは着火されて、燃焼筒３０内で上流側から下流側に向かって延びる予混合燃焼火炎を形成するとともに、高温高圧の燃焼ガスが生成される。
ここで、予混合ガスには上記の第一スワラＭＳによるスワール成分が付加されているため、予混合燃焼火炎、及び燃焼ガスも、第一ノズル３４の周方向に旋回する流れを形成する。このため、第一ノズル３４先端の延長線上にはスワールの渦中心が形成される。このような渦中心に上記の予混合ガスが捕捉され、滞留した場合、下流側の火炎が伝播してフラッシュバックを生じてしまう可能性がある。
しかしながら、本実施形態に係る燃焼器２０３では、上記のように第一ノズル本体３４Ａの先端に第一ノズル空気孔３４Ｄが形成され、この第一ノズル空気孔３４Ｄから渦中心に向かって圧縮空気を噴射することができる。これにより、渦中心における上流側から下流側への流速成分を増加させることができるため、渦中心で予混合ガスが滞留する可能性を低減することができる。同時に、供給された圧縮空気によって、渦中心における燃料濃度を下げることもできる。したがって、本実施形態に係る燃焼器２０３によれば、第一ノズル３４の周辺でフラッシュバックが生じる可能性を十分に低減することができる。
［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について図９、図１０を参照して説明する。本実施形態に係る燃焼器３０３では、第二ノズル３５に対して、燃焼器空気導入系統７から圧縮空気が供給される。
より詳細には図９に示すように、第二ノズル３５は、二重管構造を有している。第二ノズル３５は、中心軸線Ａｃに沿って延びるとともに、内部に燃料が流通する燃料流路３３４Ｃが形成された第二ノズル内側管３５Ａと、第二ノズル内側管３５Ａと同軸に設けられ、かつ第二ノズル内側管３５Ａを外側から覆う第二ノズル外側管３５Ｂと、を有している。
第二ノズル内側管３５Ａは円筒状をなしており、その下流側の端面には、下流側に向かって開口する複数の第二ノズル噴射孔３５Ｃが形成されている。より詳細には図１０に示すように、これら第二ノズル噴射孔３５Ｃは、中心軸線Ａｃの周方向に等間隔をあけて複数配列されている。本実施形態では８個の第二ノズル噴射孔３５Ｃが形成されている。
第二ノズル内側管３５Ａの内部であって、上記の第二ノズル噴射孔３５Ｃよりも内周側には、中心軸線Ａｃを中心として円筒状をなす隔壁３５Ｄが設けられている。この隔壁３５Ｄと第二ノズル内側管３５Ａの内周面との間には中心軸線Ａｃの径方向に広がる空間が形成されている。この空間は、燃料が流通するための燃料流路３３４Ｃとされている。
第二ノズル外側管３５Ｂは、第二ノズル内側管３５Ａを中心軸線Ａｃの外周側、及び下流側から覆うように設けられている。第二ノズル外側管３５Ｂと第二ノズル内側管３５Ａとの間には複数のスペーサ３５Ｅが設けられている。このスペーサ３５Ｅによって、第二ノズル内側管３５Ａと第二ノズル外側管３５Ｂとの間には空間が形成されている。この空間は、上述の燃焼器空気導入系統７に連通されることで、圧縮空気が流通する第二ノズル空気流路３５Ｆとされている。第二ノズル空気流路３５Ｆ上には、当該流路中の空気流量を調整するための流量調整弁７１が設けられている。
第二ノズル外側管３５Ｂの下流側の端面には、上記の第二ノズル噴射孔３５Ｃと同一の周方向位置に開孔された複数（８個）の第二ノズル空気孔３５Ｇが形成されている。それぞれの第二ノズル空気孔３５Ｇは、第二ノズル噴射孔３５Ｃよりも大きな開孔径を有している。すなわち、図１０に示すように、中心軸線Ａｃ方向から見た場合、第二ノズル噴射孔３５Ｃの外周側は、第二ノズル空気孔３５Ｇの開孔端縁によって囲まれている。
なお、これら第二ノズル噴射孔３５Ｃ、及び第二ノズル空気孔３５Ｇは、いずれも中心軸線Ａｃに対してわずかに傾斜する方向に開孔されている。具体的には、上流側から下流側に向かうにしたがって、第二ノズル噴射孔３５Ｃ、及び第二ノズル空気孔３５Ｇは径方向外側に向かうように開孔されている。さらに、本実施形態では、第二ノズル噴射孔３５Ｃの下流側端部は、第二ノズル内側管３５Ａの下流側端面から下流側に向かってわずかに突出している。
また、第二ノズル外側管３５Ｂの外周面には、上記の第二実施形態における第一スワラＭＳと同様に、第二スワラＰＳが設けられている。第二スワラＰＳは、中心軸線Ａｃの周方向に間隔をあけて配列された複数のスワラベーンを有している。この第二スワラＰＳによって、第二ノズル３５の外周面に沿って上流側から流れてきた圧縮空気にはスワール成分が付加される。
続いて、本実施形態に係る燃焼器３０３の動作について説明する。燃焼器３０３の運転中には、第二ノズル３５の外周面に沿って上流側から下流側に向かって車室５内から供給された圧縮空気が流通している。さらに、燃料流路３３４Ｃを通じて供給された燃料は、第二ノズル噴射孔３５Ｃを通じて下流側に噴射される。この燃料は、不図示の着火装置によって着火されて、拡散燃焼火炎（パイロット火炎）を生じる。このパイロット火炎が第一ノズル３４から供給された予混合ガスに伝播することで、上記の予混合燃焼火炎が形成され、高温高圧の燃焼ガスが生じる。
さらに、本実施形態では、第二ノズル噴射孔３５Ｃから噴射される燃料の流れの中に、上記の第二ノズル空気孔３５Ｇを通じて圧縮空気が供給される。すなわち、第二ノズル３５から、圧縮空気と燃料とが予混合された状態のガスを噴射することができる。また、第二ノズル空気流路３５Ｆの延長上に流量調整弁７１が設けられることで、圧縮空気の流量が調整される。
このような構成によれば、例えばガスタービン１が低負荷帯で運転されている場合等、安定的な燃焼が必要とされる場合には、上記圧縮空気の流量をゼロとすることで、パイロット火炎を拡散燃焼火炎とすることができる。
一方で、ガスタービン１が高負荷帯で運転されている場合等、ＮＯｘ生成量を低減したい場合には、第二ノズル空気孔３５Ｇから圧縮空気を供給することで、第二ノズル３５から予混合ガスを吹き出させることができる。すなわち、第一ノズル３４に加えて、第二ノズル３５でも予混合燃焼と同等の燃焼条件を実現することができる。このように、ガスタービン１の運転状態に応じて、第二ノズル３５で形成される火炎の特性を調整することができるため、ガスタービン１をさらに安定的、かつ効率的に運転することができる。
さらに、上記のように第二ノズル空気孔３５Ｇから噴射される圧縮空気によって、第二ノズル３５近傍における流体の流速が増加することから、当該領域に高濃度の燃料が滞留したり、この滞留した燃料成分に着火してフラッシュバックが生じたりする可能性を十分に低減することができる。
以上、本発明の各実施形態について図面を参照して説明した。なお、上記の構成は一例に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更を加えることが可能である。
例えば、第二ノズル３５と第一ノズル３４との相対的な位置関係は上記実施形態によっては限定されず、設計や仕様に応じて他の態様を採ることも可能である。また、燃焼器３、燃焼器２０３、燃焼器３０３は必ずしもガスタービン１に設けられるものに限定されず、一般的に燃焼を必要とする機械装置であれば、いかなるものにも適用することが可能である。
また、上記実施形態では、燃焼器空気導入系統７に対する圧縮空気の供給源として燃焼器冷却系統６からの抽気する構成を例に説明した。しかしながら、燃焼器空気導入系統７に対して車室５内の圧縮空気を直接導く構成を採ることも可能である。
さらに、上記実施形態では、燃焼器冷却系統６における熱交換器６１よりも車室５側の抽気位置Ｐから圧縮空気を抽気した例について説明した。しかしながら、燃焼器冷却系統６における熱交換器６１よりも冷却通路３１側の他の抽気位置Ｐから圧縮空気を抽気する構成を採ることも可能である。この構成では、抽気位置Ｐが熱交換器６１よりも冷却通路３１側にある。つまり、サブ圧縮機６２で圧縮された空気を燃焼器空気導入系統７に導くことができる。これにより、燃焼器３における比較的に圧力の高い箇所に対しても安定的に空気を導入することができる。
１…ガスタービン
２…圧縮機
３…燃焼器
４…タービン
５…車室
６…燃焼器冷却系統
７…燃焼器空気導入系統
８…圧縮機ロータ
９…圧縮機車室
１０…タービンロータ
１１…タービン車室
１２…ガスタービンロータ
１３…ジェネレータ
３０…燃焼筒
３１…冷却通路
３２…スワラ支持筒
３３…外筒
３４…第一ノズル
３５…第二ノズル
３６…接続部材
３７…ペグ
５０…燃焼器挿通孔
６０…第一ライン
６１…熱交換器
６２…サブ圧縮機
７０…第二ライン
７１…流量調整弁
２０３…燃焼器
３０３…燃焼器
３３４Ｃ…燃料流路
３３Ａ…ノズル台
３３Ｂ…外筒本体
３３Ｃ…嵌合凸部
３４Ａ…第一ノズル本体
３４Ｂ…第一ノズル噴射孔
３４Ｃ…燃料流路
３４Ｄ…第一ノズル空気孔
３４Ｅ…第一ノズル空気流路
３５Ａ…第二ノズル内側管
３５Ｂ…第二ノズル外側管
３５Ｃ…第二ノズル噴射孔
３５Ｄ…隔壁
３５Ｅ…スペーサ
３５Ｆ…第二ノズル空気流路
３５Ｇ…第二ノズル空気孔
ＰＳ…第二スワラ
３８Ａ…ペグ内管
３８Ｂ…ペグ外管
３８Ｃ…ペグ空気流路
３８Ｄ…ペグ空気孔
３８Ｅ…噴射孔
Ａｃ…中心軸線
Ａｍ…主軸線
ＦＣ…空気流路
ＭＳ…第一スワラ
Ｐ…抽気位置

Claims (6)

  1. 外部空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機と、
    前記圧縮空気が導入される車室と、
    前記車室内から導入された前記圧縮空気を燃料とともに混合して燃焼させて、燃焼ガスを生成するとともに、該燃焼ガスが内側を通過する筒体を有する燃焼器と、
    前記燃焼ガスによって駆動されるタービンと、
    前記圧縮機に対して独立に運転可能なサブ圧縮機と、前記車室内の空気を抽気して、前記サブ圧縮機で昇圧した後に熱交換する熱交換器とを有し、熱交換された空気を前記筒体の冷却通路に導入する燃焼器冷却系統と、
    前記燃焼器冷却系統を流通する空気を抽気して、前記燃焼器内に導入する燃焼器空気導入系統と、
    を備えるガスタービン。
  2. 前記燃焼器空気導入系統は、前記燃焼器冷却系統における前記熱交換器よりも前記車室側の抽気位置から抽気した空気を前記燃焼器内に導入する請求項１に記載のガスタービン。
  3. 前記燃焼器空気導入系統は、前記燃焼器冷却系統における前記熱交換器よりも前記冷却通路側の抽気位置から抽気した空気を前記燃焼器内に導入する請求項１に記載のガスタービン。
  4. 前記燃焼器は、
    前記筒体の外周側に設けられて、該筒体の外周面との間に前記圧縮空気が流通する空気流路を形成する外筒と、
    前記空気流路中で、前記圧縮空気の流通方向と交差する方向に前記燃料を噴射する噴射孔が形成されたペグと、
    を有し、
    前記ペグには、前記燃焼器空気導入系統から供給された空気を前記圧縮空気の流通方向下流側に向かって噴射するペグ空気孔が形成されている請求項１から３のいずれか一項に記載のガスタービン。
  5. 前記燃焼器は、
    前記筒体内に前記燃料を供給し、前記圧縮空気と混合して燃焼させる第一ノズルと、
    前記第一ノズルの外周側に設けられ、前記燃焼ガスにスワールを生じさせる第一スワラと、
    を有し、
    前記第一ノズルの先端には、前記スワールの渦中心に向かって前記燃焼器空気導入系統から供給された空気を噴射する第一ノズル空気孔が形成されている請求項１から４のいずれか一項に記載のガスタービン。
  6. 前記燃焼器は、
    前記第一ノズルと平行に設けられて、該第一ノズルに着火するための燃料を噴射する第二ノズル噴射孔が形成された第二ノズルを有し、
    前記第二ノズルには、前記第二ノズル噴射孔を外周側から囲むように形成され、前記燃焼器空気導入系統から供給された空気を噴射する第二ノズル空気孔が形成されている請求項５に記載のガスタービン。
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