JP2020159591A - 燃焼器及びガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】逆火を生じる可能性がより一層低減された燃焼器及びガスタービンを提供する。【解決手段】燃焼器は、ノズル軸Ａｎ方向に延びるとともに、ノズル軸Ａｎ方向一方側に向かって燃料を噴射する複数の燃料ノズル６と、ノズル軸Ａｎ方向に延びるとともに、各燃料ノズル６の先端部６Ｂが挿入され、先端部６Ｂよりも大きな内径寸法を有する複数の空気孔３１が形成された管板３と、先端部６Ｂにおけるノズル軸Ａｎ方向一方側を向く先端面Ｓ１よりも他方側の位置で、先端部６Ｂの外周面である先端外周面Ｓ２からノズル軸Ａｎに対する径方向に広がるステップ面Ｓ３と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、燃焼器及びガスタービンに関する。

発電プラントや化学プラントでは、排出される炭素化合物を削減するため、石炭をガス化して燃料として用いたり、水素を多く含む燃料によってガスタービンを運転したりする例が増えている。一方で、この種の燃料は、従来のものに比べて燃焼速度が高いため、逆火（フラッシュバック）を生じる可能性が高いことも知られている。そこで、より短い距離で、燃料と空気とを混合して燃焼させる燃焼器が提唱されている。このような燃焼器の具体例として、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に記載された燃焼器は、いわゆるクラスタ燃焼器と呼ばれる形式である。クラスタ燃焼器は、燃料を噴射する複数の燃料ノズルと、この燃料ノズルの下流側にこれらノズルと同軸に設けられた複数の空気孔と、を有している。燃料の噴射に伴って、周囲の空気と燃料との混合ガスが空気孔を通じて下流側に供給される。この混合ガスに着火することで、各空気孔の下流側に複数の小規模な火炎が形成される。また、燃料ノズル先端部の外周面には、流れを乱すための突起が設けられている。流れが乱されることによって、燃料と空気との混合が促進できるとされている。

特許第４８９４２９５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された装置では、乱れを生じさせるための突起が、燃料ノズル先端部に設けられているため、当該先端部の近傍で混合気の滞留が生じてしまう可能性がある。混合気が滞留すると、何らかの要因で下流側の火炎が上流に伝播、または着火源が上流から飛来し、当該混合気に触れ、予期しない領域で火炎が形成されてしまう（保炎されてしまう）。つまり、上記特許文献１に記載の装置では、逆火が生じてしまう可能性がある。

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、燃料と空気との混合を促進し、かつ逆火を生じる可能性がより一層低減された燃焼器及びガスタービンを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る燃焼器は、ノズル軸方向に延びるとともに、前記ノズル軸方向一方側に向かって燃料を噴射する複数の燃料ノズルと、前記ノズル軸方向に延びるとともに、各前記燃料ノズルの先端部が挿入され、該先端部よりも大きな内径寸法を有する複数の空気孔が形成された管板と、前記先端部における前記ノズル軸方向一方側を向く先端面よりも他方側の位置で、前記先端部の外周面である先端外周面から前記ノズル軸に対する径方向に広がるステップ面と、を備える。

上記構成によれば、燃料ノズルの先端部が空気孔内に挿入されているとともに、当該先端部の先端面よりも他方側の位置で、先端部の外周面（先端外周面）から径方向に広がるステップ面が形成されている。これにより、空気の流れがステップ面の下流側で循環流領域と乱流領域とを形成する。乱流が燃料ノズルの先端に到達することによって、燃料と空気との混合を促進することができる。特に、ステップ面が空気の流速が速くなる空気孔内部に挿入された先端部に形成されていることから、ステップ面の下流で強い空気の乱れが発生する。これにより、燃料と空気との混合をさらに促進することができる。加えて、ステップ面は、燃料ノズルの先端面よりも他方側の位置に設けられていることから、当該ステップ面によって引き起こされる循環流は燃料ノズルの先端に達することがない。したがって、この循環流に対して燃料を含む混合ガスが捕捉される可能性が低減され、逆火を抑止することができる。

上記燃焼器では、前記先端外周面における前記ステップ面よりも前記ノズル軸方向一方側の領域は、他方側から一方側に向かうに従って、前記ノズル軸に対する径方向外側から内側に向かって延びていてもよい。

上記構成によれば、先端外周面におけるステップ面よりも一方側の領域が、他方側から一方側に向かうに従って、径方向外側から内側に延びることで、テーパ状をなしている。これにより、当該領域に沿って、燃料ノズルの中心（即ち、ノズル軸）に向かう流れが形成される。その結果、先端外周面に沿って形成される循環流の大きさが小さくなり、先端面の近傍での保炎を抑制することができる。さらに、ステップ面によって生じた乱流成分も同様に、燃料ノズルの中心（即ち、ノズル軸）に向かうため、燃料と空気との境界面にこの乱流成分が供給される。これにより、燃料と空気との混合をさらに促進することもできる。

上記燃焼器では、前記先端外周面における前記ステップ面よりも前記ノズル軸方向一方側の領域の前記ノズル軸方向における寸法をｘとし、径方向における前記ステップ面の寸法をｓとしたとき、５＜ｘ／ｓ＜２０を満たしていてもよい。

上記構成によれば、ステップ面の下流側で形成される循環流を、先端外周面に再び付着させることができる。言い換えると、上記の構成によれば、ステップ面の下流側で循環流を安定的に形成させることができる。

上記燃焼器は、前記ノズル軸に対する周方向に間隔をあけて配列されるとともに、前記先端外周面から径方向に突出し、前記ステップ面が形成された複数の乱れチップを有してもよい。

上記構成によれば、先端外周面から径方向に突出する乱れチップが、周方向に間隔をあけて複数配列されている。これにより、乱れチップ同士の間の間隔を通じて空気の漏れ流れが生じる。その結果、ステップ面の下流側で形成される循環流に、この漏れ流れが干渉し、循環流の大きさを小さくすることができる。したがって、循環流が過大となることで生じる逆火の可能性をさらに低減することができる。

上記燃焼器では、前記先端外周面における前記ステップ面よりも前記ノズル軸方向一方側の領域の前記ノズル軸方向における寸法をｘとし、径方向における前記ステップ面の寸法をｓとしたとき、２＜ｘ／ｓ＜８を満たしていてもよい。

上記構成によれば、ステップ面の下流側で形成される循環流を、先端外周面に再び付着させることができる。言い換えると、上記の構成によれば、ステップ面の下流側で循環流を安定的に形成させることができる。

本発明の一態様に係るガスタービンは、圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮空気に燃料を混合して燃焼させることで燃焼ガスを生成する上記いずれか一態様に係る燃焼器と、前記燃焼ガスによって駆動されるタービンと、を備える。

上記構成によれば、より安定的に運転することが可能なガスタービンを提供することができる。

本発明によれば、燃料と空気との混合を促進し、かつ逆火を生じる可能性がより一層低減された燃焼器及び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燃焼器の構成を示す全体図である。 本発明の第一実施形態に係る燃焼器の要部拡大断面図である。 本発明の第一実施形態に係る燃料ノズル周囲の流体の流れを説明する説明図である。 本発明の第一実施形態に係る燃料ノズルの変形例を示す図である。 本発明の第二実施形態に係る燃焼器の要部拡大断面図である。 図５の燃焼器をノズル軸線方向から見た図である。 本発明の各実施形態に係るガスタービンの構成を示す模式図である。 本発明の変形例に係る燃焼器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４、及び図７を参照して説明する。図７に示すように、本実施形態に係る燃焼器１００は、例えばガスタービンの一要素として用いられる装置である。ガスタービン９０は、圧縮空気を生成する圧縮機７０と、燃焼ガスを生成する燃焼器１００と、燃焼ガスによって駆動されるタービン８０と、を備えている。燃焼器１００は、外部から取り込んだ空気（圧縮空気）に燃料を混合して燃焼させ、高温高圧の燃焼ガスを生成する。

図１に示すように、燃焼器１００は、筒体１と、閉止板２と、管板３と、燃料供給管４と、プレナム５と、燃料ノズル６と、を備えている。筒体１は、主軸線Ａｍを中心とした円筒状をなしている。主軸線Ａｍ方向における筒体１の一方側には、円盤状の管板３が取り付けられている。具体的には、この管板３は、後述する複数の空気孔３１が形成された管板本体３Ｈと、この管板本体３Ｈの外周側の端縁から主軸線Ａｍ方向に延びる筒状の嵌合部３Ａと、を有している。嵌合部３Ａが筒体１の内周面に嵌合することで、管板３は筒体１に固定されている。主軸線Ａｍ方向における筒体１の他方側の端部は、閉止板２によって閉止されている。

筒体１の内部には、燃料供給管４と、プレナム５と、燃料ノズル６と、が収容されている。燃料供給管４は、閉止板２を主軸線Ａｍ方向に貫通している。この燃料供給管４を通じて、外部から燃料が供給される。燃料供給管４の一方側の端部には、プレナム５が取り付けられている。プレナム５の一方側の端面には。複数の燃料ノズル６が設けられている。各燃料ノズル６は、主軸線Ａｍに平行なノズル軸線Ａｎに沿って延びている。管板３における各燃料ノズル６と対応する位置には、それぞれ空気孔３１が形成されている。空気孔３１は、管板３をノズル軸線Ａｎ方向に貫通している。つまり、燃料ノズル６と空気孔３１とは、ノズル軸線Ａｎ上で同軸状となるように配置されている。各空気孔３１の内径寸法は、燃料ノズル６の外径寸法よりも大きい。

続いて、図２を参照して、燃料ノズル６の構成について説明する。同図に示すように、燃料ノズル６は、空気孔３１の外側に位置する本体部６Ａと、空気孔３１内に挿入されている先端部６Ｂと、を有している。先端部６Ｂにおけるノズル軸線Ａｎ方向一方側を向く面は、先端面Ｓ１とされている。この先端面Ｓ１には、燃料を噴射するための噴射孔Ｈが形成されている。先端部６Ｂにおける外周面は、先端外周面Ｓ２とされている。先端外周面Ｓ２のうち、ノズル軸線Ａｎ方向の最も一方側の領域は、テーパ面Ｓｔとされている。テーパ面Ｓｔは、ノズル軸線Ａｎ方向の他方側から一方側に向かうに従って、径方向外側から内側に向かって延びている。

テーパＳｔの他方側の端縁は、ステップ面Ｓ３と接続されている。このステップ面Ｓ３は、先端外周面Ｓ２（テーパ面Ｓｔ）から径方向に広がる円環状をなしている。より具体的には、本実施形態では、ステップ面Ｓ３は、ノズル軸線Ａｎに直交する面内に広がっている。つまり、ステップ面Ｓ３によって、先端部６Ｂには段差が形成されている。ステップ面Ｓ３の径方向外側の端縁は、上流側外周面Ｓｕに接続されている。上流側外周面Ｓｕは、本体部６Ａの外周面と接続されることで、自身の延在方向全域にわたって一定の径寸法を有している。

さらに、図３に示すように、上述の先端外周面Ｓ２におけるステップ面Ｓ３よりも一方側の領域（即ち、テーパ面Ｓｔ）のノズル軸Ａｎ方向における寸法をｘとし、径方向におけるステップ面Ｓ３の寸法（即ち、テーパ面Ｓｔにおける最も径方向内側の端縁を基準としたステップ面Ｓ３の径方向における寸法）をｓとしたとき、ｘ／ｓの値は以下の（１）式の関係を満たすことが望ましい。
５＜ｘ／ｓ＜２０ ・・・（１）
さらに望ましくは、ｘ／ｓの値は以下の（２）式の関係を満たす。
８＜ｘ／ｓ＜１６ ・・・（２）
最も望ましくは、ｘ／ｓの値は以下の（３）式の関係を満たす。
８＜ｘ／ｓ＜１０ ・・・（３）

続いて、本実施形態に係る燃焼器１００の動作、及び燃料ノズル６周囲の流体の挙動について説明する。燃焼器１００を運転するに当たっては、図１に示すように、まず燃料供給管４を通じて外部からプレナム５内に燃料が供給される。この時、筒体１の内部には高圧の空気が供給されている。プレナム５を経て燃料は燃料ノズル６に供給される。上述のように、燃料ノズル６の先端部６Ｂは空気孔３１内に挿入されており、先端部６Ｂの外周面と空気孔３１の内周面との間には隙間が形成されている。したがって、燃料ノズル６の噴射孔Ｈから燃料が噴射されるのに伴って、当該隙間を通じて筒体１内から空気孔３１内に高圧空気が流れ込む。したがって、空気孔３１内で燃料と空気とが混合されて混合ガスが生成される。この混合ガスに着火することで、各空気孔３１の下流側（ノズル軸線Ａｎ方向一方側）に火炎が形成される。

ここで、図３に示すように、燃料ノズル６の先端部６Ｂ周囲では、空気流Ａが、ステップ面Ｓ３を通過した後で、乱流Ｖｏと、循環流Ｖｒとを形成する。具体的には、上流側外周面Ｓｕに沿って流れてきた空気流Ａは、ステップ面Ｓ３に到達した際に先端外周面Ｓ２から剥離し、ステップ面Ｓ３の下流側で渦を含む乱流Ｖｏを形成する。一方で、ステップＳ３とテーパ面Ｓｔとに沿う領域では、空気流Ａの残余の成分が滞留することで、循環流Ｖｒを形成する。

乱流Ｖｏが燃料ノズル６の先端（先端面Ｓ１）に到達することによって、燃料と空気との混合を促進することができる。特に、ステップ面Ｓ３が空気孔３１内部に挿入された先端部６Ｂに形成されていることから、より高い流速の空気がステップ面Ｓ３の周囲を通過する。これにより、乱流Ｖｏの強度が増し、燃料と空気との混合をさらに促進することができる。加えて、ステップ面Ｓ３は、燃料ノズル６の先端面Ｓ１よりも他方側（上流側）の位置に設けられていることから、当該ステップ面Ｓ３によって引き起こされる循環流Ｖｒは燃料ノズル６の先端（先端面Ｓ１）に達することがない。したがって、この循環流Ｖｒに対して燃料を含む混合ガスが捕捉される可能性が低減され、逆火を抑止することができる。このように、本実施形態に係る燃焼器１００によれば、燃料と空気の混合を促進しつつ、逆火の可能性をより一層低減することができる。

さらに、上記構成によれば、先端外周面Ｓ２におけるステップ面Ｓ３よりも一方側の領域が、他方側から一方側に向かうに従って、径方向外側から内側に延びることで、テーパ面Ｓｔを形成している。これにより、当該テーパ面Ｓｔに沿って、燃料ノズル６の中心（即ち、ノズル軸Ａｎ）に向かう流れが形成される。その結果、先端外周面Ｓ２に沿って形成される循環流Ｖｒの大きさが小さくなり、先端面Ｓ１の近傍での保炎を抑制することができる。さらに、ステップ面Ｓ３によって生じた乱流Ｖｏも同様に、燃料ノズル６の中心（即ち、ノズル軸Ａｎ）に向かうため、燃料と空気との境界面Ｐにこの乱流Ｖｏを含む成分が供給される。これにより、燃料と空気との混合をさらに促進することもできる。

加えて、上記燃焼器では、先端外周面Ｓ２におけるステップ面Ｓ３よりもノズル軸Ａｎ方向一方側の領域のノズル軸Ａｎ方向における寸法をｘとし、径方向におけるステップ面Ｓ３の寸法をｓとしたとき、５＜ｘ／ｓ＜２０を満たしている。この構成によれば、ステップ面Ｓ３の下流側で形成される循環流Ｖｒを、先端外周面Ｓ２に再び付着させることができる。言い換えると、上記の構成によれば、ステップ面Ｓ３の下流側で循環流Ｖｒをより安定的に形成させることができる。

以上、本発明の第一実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、図４に示すように、先端外周面Ｓ２上に、ノズル軸線Ａｎを中心とする円環状のリブ８を設けて、当該リブ８におけるノズル軸線Ａｎ方向一方側を向く面をステップ面Ｓ３とすることも可能である。つまり、この構成では、リブ８よりも他方側の上流側外周面Ｓｕ´と、テーパ面Ｓｔの他方側の端縁とが、ノズル軸線Ａｎに対する径方向において同一の位置に設けられている。このような構成によっても、上述したものと同様の作用効果を得ることができる。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、図５と図６を参照して説明する。なお、上記第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図５及び図６に示すように、本実施形態では、先端外周面Ｓ２から径方向に突出する乱れチップ９が、周方向に間隔をあけて複数（一例として８個）配列されている。各乱れチップ９におけるノズル軸線Ａｎ方向一方側を向く面はステップ面Ｓ３とされている。ステップ面Ｓ３は、ノズル軸線Ａｎに対する径方向に広がっている。また、各乱れチップ９は、ノズル軸線Ａｎを含む断面視において、矩形の断面形状を有している。

さらに、上記第一実施形態で説明したｘ／ｓの値は、本実施形態では以下の（４）式の関係を満たしている。
２＜ｘ／ｓ＜８ ・・・（４）
より望ましくは、ｘ／ｓの値は以下の（５）式の関係を満たす。
３＜ｘ／ｓ＜７ ・・・（５）
最も望ましくは、ｘ／ｓの値は以下の（６）式の関係を満たす。
４＜ｘ／ｓ＜６ ・・・（６）

上記構成によれば、先端外周面Ｓ２から径方向に突出する乱れチップ９が、周方向に間隔をあけて複数配列されている。これにより、乱れチップ９同士の間の間隔を通じて空気の漏れ流れが生じる。その結果、ステップ面Ｓ３の下流側で形成される循環流Ｖｒに、この漏れ流れが干渉し、循環流Ｖｒの大きさを小さくすることができる。したがって、循環流Ｖｒが過大となることで生じる逆火の可能性をさらに低減することができる。

さらに、上記構成では、先端外周面Ｓ２におけるステップ面Ｓ３よりもノズル軸Ａｎ方向一方側の領域のノズル軸Ａｎ方向における寸法をｘとし、径方向におけるステップ面の寸法をｓとしたとき、２＜ｘ／ｓ＜８を満たしている。これにより、ステップ面Ｓ３の下流側で形成される循環流Ｖｒを、先端外周面Ｓ２に再び付着させることができる。言い換えると、上記の構成によれば、ステップ面Ｓ３の下流側で循環流Ｖｒをより安定的に形成させることができる。

以上、本発明の第二実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記の各実施形態に共通する変形例として、図８に示す構成を採ることも可能である。上記の各実施形態では、ステップ面Ｓ３がノズル軸線Ａｎに直交する面内に広がっている例について説明したが、図８の例では、ステップ面Ｓ３´は、ノズル軸線Ａｎに対して、９０°よりも小さな角度であるθ２をなす円錐面とされている。また、この角度θ２は、テーパ面Ｓｔが軸線Ａｎに対してなす角度であるθ１よりも大きい。このような構成によっても上記の各実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

１００ 燃焼器
１ 筒体
２ 閉止板
３ 管板
３Ａ 嵌合部
３Ｈ 管板本体
３１ 空気孔
４ 燃料供給管
５ プレナム
６ 燃料ノズル
６Ａ 本体部
６Ｂ 先端部
８ リブ
９ 乱れチップ
７０ 圧縮機
８０ タービン
９０ ガスタービン
Ａｍ 主軸線
Ａｎ ノズル軸線
Ｈ 噴射孔
Ｐ 境界面
Ｓ１ 先端面
Ｓ２ 先端外周面
Ｓ３ ステップ面
Ｓｔ テーパ面
Ｓｕ，Ｓｕ´ 上流側外周面
Ｖｏ 乱流
Ｖｒ 循環流

Claims (6)

1. ノズル軸方向に延びるとともに、前記ノズル軸方向一方側に向かって燃料を噴射する複数の燃料ノズルと、
   前記ノズル軸方向に延びるとともに、各前記燃料ノズルの先端部が挿入され、該先端部よりも大きな内径寸法を有する複数の空気孔が形成された管板と、
   前記先端部における前記ノズル軸方向一方側を向く先端面よりも他方側の位置で、前記先端部の外周面である先端外周面から前記ノズル軸に対する径方向に広がるステップ面と、
   を備える燃焼器。
2. 前記先端外周面における前記ステップ面よりも前記ノズル軸方向一方側の領域は、他方側から一方側に向かうに従って、前記ノズル軸に対する径方向外側から内側に向かって延びている請求項１に記載の燃焼器。
3. 前記先端外周面における前記ステップ面よりも前記ノズル軸方向一方側の領域の前記ノズル軸方向における寸法をｘとし、径方向における前記ステップ面の寸法をｓとしたとき、５＜ｘ／ｓ＜２０を満たしている請求項１又は２に記載の燃焼器。
4. 前記ノズル軸に対する周方向に間隔をあけて配列されるとともに、前記先端外周面から径方向に突出し、前記ステップ面が形成された複数の乱れチップを有する請求項１又は２に記載の燃焼器。
5. 前記先端外周面における前記ステップ面よりも前記ノズル軸方向一方側の領域の前記ノズル軸方向における寸法をｘとし、径方向における前記ステップ面の寸法をｓとしたとき、２＜ｘ／ｓ＜８を満たしている請求項４に記載の燃焼器。
6. 圧縮空気を生成する圧縮機と、
   前記圧縮空気に燃料を混合して燃焼させることで燃焼ガスを生成する請求項１から５のいずれか一項に記載の燃焼器と、
   前記燃焼ガスによって駆動されるタービンと、
   を備えるガスタービン。

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