JP2021175925A - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料の濃度分布を均一化して、ＮＯｘ排出量の低減を図ることができるガスタービン燃焼器を提供する。【解決手段】ガスタービン燃焼器３は、予混合燃焼方式のメインバーナ６と、メインバーナ６から供給された燃料及び空気を燃焼する燃焼室１１とを備える。メインバーナ６は、メイン燃料系統１９から供給された燃料を噴射する燃料ノズル２０と、燃料ノズル２０から噴射された燃料と空気流路１０から供給された空気を混合して燃焼室１１に供給する予混合流路１８とを備える。燃料ノズル２０は、テーパ部２３と、テーパ部２３より先端側に位置する平坦部２４と、燃料ノズル２０の内部に形成された燃料流路２５と、燃料流路２５と燃料ノズル２０の外側を連通するように形成された第１列の燃料噴射孔２６ａ及び第２列の燃料噴射孔２６ｂを有する。第１列の燃料噴射孔２６ａは、テーパ部２３に配置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービン燃焼器に関する。

特許文献１のガスタービン燃焼器は、パイロットバーナと、パイロットバーナの外周側に配置されたメインバーナと、パイロットバーナ及びメインバーナから供給された燃料及び空気を燃焼する燃焼室とを備える。パイロットバーナは、拡散燃焼方式であって、燃料を燃焼室に直接噴射する。

メインバーナは、予混合燃焼方式であって、燃料系統から供給された燃料を噴射する燃料ノズルと、燃料ノズルから噴射された燃料と空気流路から供給された空気を混合して燃焼室に供給する予混合流路とを備える。すなわち、メインバーナは、予混合流路にて燃料と空気を混合し、その混合気を燃焼室に供給する。予混合燃焼は、拡散燃焼と比べて、ＮＯｘ排出量を低減する。

メインバーナの燃料ノズルは、その内部に形成され、燃料ノズルの軸方向に延在する燃料流路と、この燃料流路と燃料ノズルの外側を連通するように形成された第１列及び第２列の燃料噴射孔とを有する。

第１列の燃料噴射孔と第２列の燃料噴射孔は、燃料ノズルの軸方向に互いに離間されている。第１列の燃料噴射孔は、例えば、燃料ノズルの周方向に等間隔で配置された、４つの燃料噴射孔で構成されている。第２列の燃料噴射孔は、例えば、燃料ノズルの周方向に等間隔で配置された、４つの燃料噴射孔で構成されている。第１列の燃料噴射孔と第２列の燃料噴射孔は、噴射方向（言い換えれば、燃料ノズルの断面における配置角度）が４５度ずらされている。前述した燃料噴射孔の配置により、燃料ノズルの軸方向及び周方向における燃料の噴射位置を分散している。

特開２０１３−２４５９００号公報

しかしながら、上記従来技術には次のような改善の余地があった。特許文献１の第１列及び第２列の燃料噴射孔は、燃料ノズルの平坦部（詳細には、根本側から先端側にかけて外径寸法が同じである部分）に配置されている。燃料ノズルの平坦部に沿って流れる空気流は、燃料ノズルの軸方向の流れであって、燃料ノズルの半径方向の流れ成分をほとんど有しない。この空気流は、燃料ノズルの半径方向にて、燃料噴射孔から噴射された燃料と空気の混合を促進しない。したがって、燃料の濃度分布を均一化して、ＮＯｘ排出量の低減を図る点で改善の余地があった。

本発明の目的は、燃料の濃度分布を均一化して、ＮＯｘ排出量の低減を図ることができるガスタービン燃焼器を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、予混合燃焼方式のバーナと、前記バーナから供給された燃料及び空気を燃焼する燃焼室とを備え、前記バーナは、燃料系統から供給された燃料を噴射する燃料ノズルと、前記燃料ノズルから噴射された燃料と空気流路から供給された空気を混合して前記燃焼室に供給する予混合流路とを備えた、ガスタービン燃焼器において、前記燃料ノズルは、根元側から先端側に向かって外径寸法が徐々に縮小するテーパ部と、前記テーパ部より先端側に位置し、根元側から先端側にかけて外径寸法が同じである平坦部と、前記燃料ノズルの内部に形成され、前記燃料ノズルの軸方向に延在する燃料流路と、前記燃料流路と前記燃料ノズルの外側を連通するように形成され、各列が少なくとも１つの燃料噴射孔を含み、複数列が前記燃料ノズルの軸方向に互いに離間された複数列の燃料噴射孔とを有し、前記複数列の燃料噴射孔は、前記テーパ部に配置された少なくとも１列の燃料噴射孔を含む。

本発明によれば、ＮＯｘ排出量の低減を図ることができる。

本発明の第１の実施形態におけるガスタービン燃焼器の構造と共に、この燃焼器を備えたガスタービンの構成を表す概略図である。 図１のII部の部分拡大図であって、メインバーナの燃料ノズルの構造を表す。 図２の矢視Ａ，Ｂによる断面図であって、燃料噴射孔の配置を示す。 比較例におけるメインバーナの燃料ノズルの構造を表すと共に、予混合流路内の空気流及び燃料流を示す図である。 本発明の第１の実施形態におけるメインバーナの燃料ノズルの構造を表すと共に、予混合流路内の空気流及び燃料流を示す図である。 本発明の第１の変形例における燃料噴射孔の配置を示す断面図である。 本発明の第２の変形例における燃料噴射孔の配置を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態におけるメインバーナの燃料ノズルの構造を表す図である。 図８の矢視Ａ，Ｂ，Ｃによる断面図であって、燃料噴射孔の配置を示す。 本発明の第２の実施形態におけるメインバーナの燃料ノズルの構造を表すと共に、予混合流路内の空気流及び燃料流を示す図である。 本発明の第３の変形例における燃料噴射孔の配置を示す断面図である。 本発明の第４の変形例におけるメインバーナの燃料ノズルの構造を表す図である。 図１２の矢視Ａ，Ｂによる断面図であって、燃料噴射孔の配置を示す。

本発明の第１の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施形態におけるガスタービン燃焼器の構造と共に、この燃焼器を備えたガスタービンの構成を表す概略図である。図２は、図１のII部の部分拡大図であって、メインバーナの燃料ノズルの構造を表す。図３は、図２の矢視Ａ，Ｂによる断面図であって、燃料噴射孔の配置を示す。

本実施形態のガスタービンプラントは、発電機１と、発電機１を駆動するガスタービンとを備える。ガスタービンは、高圧空気を生成する圧縮機２と、圧縮機２からの高圧空気と燃料を燃焼する燃焼器３と、燃焼器３からの燃焼ガスによって駆動されるタービン４とを備える。発電機１及び圧縮機２は、タービン４と同軸に接続され、タービン４によって駆動される。

燃焼器３（ガスタービン燃焼器）は、パイロットバーナ５と、パイロットバーナの外周側に配置されたメインバーナ６と、パイロットバーナ５及びメインバーナ６の下流側（図１の右側）に配置された円筒状のライナ７と、ライナ７の下流側に接続されたトランジションピース８とを備える。ライナ７及びトランジションピース８の外側（すなわち、ライナ７とケーシング９の間、及びトランジションピース８とケーシング９の間）には、圧縮機２からの高圧空気をパイロットバーナ５及びメインバーナ６に供給する空気流路１０が形成されている。

ライナ７の内側には燃焼室１１が形成されている。燃焼室１１では、パイロットバーナ５及びメインバーナ６から供給された燃料及び空気が燃焼し、燃焼ガスを発生させる。燃焼室１１で発生した燃焼ガスは、トランジションピース８を経由してタービン４に供給される。

パイロットバーナ５は、拡散燃焼方式であって、パイロット燃料系統１２から供給された燃料を噴射する燃料ノズル１３と、燃料ノズル１３の外周側に形成された空気流路１４と、空気流路１４に配置され、旋回流を生じさせる複数の旋回羽根１５とを有する。空気流路１４は、上述した空気流路１０に連通されている。パイロットバーナ５は、燃料ノズル１３から燃焼室１１へ燃料を噴射すると共に、空気流路１４から燃焼室１１へ空気を供給する。

メインバーナ６は、予混合燃焼方式であって、パイロットバーナ５の外周側に配置された内周側隔壁部材（円筒状の部材）１６と、内周側隔壁部材１６の外周側に配置された外周側隔壁部材（円筒状の部材）１７と、内周側隔壁部材１６と外周側隔壁部材１７の間に形成された予混合流路１８と、メイン燃料系統１９から供給された燃料を予混合流路１８に噴射する複数の燃料ノズル２０と、予混合流路１８の下流側に配置された環状の保炎器２１とを有する。予混合流路１８は、燃料ノズル２０から噴射された燃料と外周側隔壁部材１７の開口２２を介し空気流路１０から供給された空気とを混合し、その混合気を燃焼室１１に供給する。

燃料ノズル２０は、根元側（図２の左側）から先端側（図２の右側）に向かって外径寸法が徐々に縮小するテーパ部２３と、テーパ部２３より先端側に位置し、根元側から先端側にかけて外径寸法が同じである平坦部２４と、燃料ノズル２０の内部に形成され、燃料ノズル２０の軸方向Ｚに延在する燃料流路２５と、燃料流路２５と燃料ノズル２０の外側を連通するように形成された第１列の燃料噴射孔２６ａ及び第２列の燃料噴射孔２６ｂを有する。

第１列の燃料噴射孔２６ａと第２列の燃料噴射孔２６ｂは、燃料ノズル２０の軸方向Ｚに互いに離間されている。第１列の燃料噴射孔２６ａが上流側に位置し、第２列の燃料噴射孔２６ｂが下流側に位置する。

第１列の燃料噴射孔２６ａは、燃料ノズル２０の周方向に等間隔で配置された、４つの燃料噴射孔２６ａで構成されている。燃料ノズル２０の断面における４つの燃料噴射孔２６ａの配置角度（詳細には、予混合流路１８の半径方向Ｘを基準として、時計回りに増加する角度）は、４５度、１３５度、２２５度、３１５度である。第２列の燃料噴射孔２６ｂは、燃料ノズル２０の周方向に等間隔で配置された、２つの燃料噴射孔２６ｂで構成されている。燃料ノズル２０の断面における２つの燃料噴射孔２６ｂの配置角度は、０度、１８０度である。すなわち、第１列の燃料噴射孔２６ａと第２列の燃料噴射孔２６ｂは、配置角度がずらされている。

第２列の燃料噴射孔２６ｂは、燃料ノズル２０の平坦部２４に配置されている。本実施形態の最も大きな特徴として、第１列の燃料噴射孔２６ａは、燃料ノズル２０のテーパ部２３に配置されると共に、予混合流路１８の軸方向Ｚにて外周側隔壁部材１７の開口２２と同じ位置である。その作用効果を、図４及び図５を用いて説明する。

図４は、比較例におけるメインバーナの燃料ノズルの構造を表すと共に、予混合流路内の空気流及び燃料流を示す図である。図５は、本実施形態におけるメインバーナの燃料ノズルの構造を表すと共に、予混合流路内の空気流及び燃料流を示す図である。

比較例の燃料ノズル１２０は、平坦部１２４を有するものの、平坦部１２４より根本側に位置するテーパ部を有しない。燃料ノズル１２０は、燃料ノズル１２０の内部に形成され、燃料ノズル１２０の軸方向Ｚに延在する燃料流路１２５と、燃料流路１２５と燃料ノズル１２０の外側を連通するように形成された第１列の燃料噴射孔１２６ａ及び第２列の燃料噴射孔１２６ｂを有する。第１列及び第２列の燃料噴射孔１２６ａ，１２６ｂは、燃料ノズル１２０の平坦部１２４に配置されている。

図４で示すように、燃料ノズル１２０の平坦部１２４に沿って流れる空気流は、燃料ノズル１２０の軸方向Ｚの流れであって、燃料ノズル１２０の半径方向Ｘの流れ成分をほとんど有しない。この空気流は、燃料ノズル１２０の半径方向Ｘにて、燃料噴射孔１２６ａ，１２６ｂから噴射された燃料と空気の混合を促進しない。

これに対し、図５で示すように、本実施形態の燃料ノズル２０のテーパ部２３に沿って流れる空気流は、燃料ノズル２０の半径方向Ｘの流れ成分を有する。この空気流は、燃料ノズル２０の半径方向Ｘにて、第１列の燃料噴射孔２６ａから噴射された燃料と空気の混合を促進する。これにより、燃料の濃度分布を均一化して、ＮＯｘ排出量の低減を図ることができる。

また、燃料ノズル２０の半径方向Ｘにて、第１列の燃料噴射孔２６ａの噴射位置と第２列の燃料噴射孔２６ｂの噴射位置が異なる。これにより、燃料ノズル２０の軸方向及び周方向だけでなく、燃料ノズル２０の半径方向においても燃料の噴射位置を分散している。この観点からも、燃料と空気の混合を促進する。これにより、燃料の濃度分布を均一化して、ＮＯｘ排出量の低減を図ることができる。また、予混合流路１８にて燃料濃度が高い領域が存在した場合に生じやすい内部保炎や火炎逆流を防止することができる。言い換えれば、燃焼室までの間における局所燃空費を低減させることで、フラッシュバック耐性を向上させることができる。

なお、第１の実施形態において、第１列の燃料噴射孔２６ａが４つの燃料噴射孔２６ａで構成され、第２列の燃料噴射孔２６ｂが２つの燃料噴射孔２６ｂで構成された場合を例にとって説明したが、これに限られない。例えば、上述の図３に対応する図６で示す第１の変形例のように、第２列の燃料噴射孔２６ｂは、燃料ノズル２０の周方向に等間隔で配置された、３つの燃料噴射孔２６ｂで構成されてもよい。燃料ノズル２０の断面における３つの燃料噴射孔２６ｂの配置角度は、０度、１２０度、２４０度である。あるいは、例えば、上述の図３に対応する図７で示す第２の変形例のように、第１列の燃料噴射孔２６ａは、燃料ノズル２０の周方向に等間隔で配置された、２つの燃料噴射孔２６ａで構成されてもよい。燃料ノズル２０の断面における２つの燃料噴射孔２６ａの配置角度は、０度、１８０度である。第２列の燃料噴射孔２６ｂは、燃料ノズル２０の周方向に等間隔で配置された、４つの燃料噴射孔２６ｂで構成されてもよい。燃料ノズル２０の断面における４つの燃料噴射孔２６ｂの配置角度は、４５度、１３５度、２２５度、３１５度である。

上述した第１の変形例では、最終列の燃料噴射孔を構成する３つの燃料噴射孔２６ｂは、燃料ノズル２０の径方向中心を通り且つ予混合流路１８の半径方向Ｘに直交する基準線Ｙを境にして非対称となるように配置されている。これにより、空気流の影響によって、第１列の燃料噴射孔２６ａから噴射された燃料の濃度分布が不均一となる場合に、対応することができる。詳細には、予混合流路１８の半径方向の外側と内側における燃料噴射孔２６ｂの数を異ならせることにより、燃料の濃度分布を均一化することができる。

本発明の第２の実施形態を、図８〜図１０を用いて説明する。なお、本実施形態において、第１の実施形態と同等の部分は同一の符号を付し、適宜、説明を省略する。

図８は、本実施形態におけるメインバーナの燃料ノズルの構造を表す図である。図９は、図８の矢視Ａ，Ｂ，Ｃによる断面図であって、燃料噴射孔の配置を示す。図１０は、本実施形態におけるメインバーナの燃料ノズルの構造を表すと共に、予混合流路内の空気流及び燃料流を示す図である。

本実施形態の燃料ノズル２０は、第１の実施形態の燃料ノズル２０と同様、テーパ部２３、平坦部２４、及び燃料流路２５を有する。本実施形態の燃料ノズル２０は、燃料流路２５と燃料ノズル２０の外側を連通するように形成された第１列の燃料噴射孔２６ａ、第２列の燃料噴射孔２６ｂ、及び第３列の燃料噴射孔２６ｃを有する。

第１列の燃料噴射孔２６ａと第２列の燃料噴射孔２６ｂと第３列の燃料噴射孔２６ｃは、燃料ノズル２０の軸方向Ｚに互いに離間されている。第１列の燃料噴射孔２６ａが最上流側に位置し、第３列の燃料噴射孔２６ｃが最下流側に位置する。

第１列の燃料噴射孔２６ａは、燃料ノズル２０の周方向に等間隔で配置された、４つの燃料噴射孔２６ａで構成されている。燃料ノズル２０の断面における４つの燃料噴射孔２６ａの配置角度は、４５度、１３５度、２２５度、３１５度である。第２列の燃料噴射孔２６ｂは、燃料ノズル２０の周方向に等間隔で配置された、２つの燃料噴射孔２６ｂで構成されている。燃料ノズル２０の断面における２つの燃料噴射孔２６ｂの配置角度は、０度、１８０度である。すなわち、第１列の燃料噴射孔２６ａと第２列の燃料噴射孔２６ｂは、配置角度がずらされている。第３列の燃料噴射孔２６ｃは、１つの燃料噴射孔２６ｂで構成されており、その配置角度は、０度である。

第３列の燃料噴射孔２６ｃは、燃料ノズル２０の平坦部２４に配置されている。本実施形態の最も大きな特徴として、第１列及び第２列の燃料噴射孔２６ａ，２６ｂは、燃料ノズル２０のテーパ部２３に配置されると共に、予混合流路１８の軸方向Ｚにて外周側隔壁部材１７の開口２２より下流側に位置する。

以上のように構成された本実施形態においても、第１の実施形態と同様、燃料の濃度分布を均一化して、ＮＯｘ排出量の低減を図ることができる。また、予混合流路１８にて燃料濃度が高い領域が存在した場合に生じやすい内部保炎や火炎逆流を防止することができる。

また、本実施形態では、最終列の燃料噴射孔を構成する１つの燃料噴射孔２６ｃは、燃料ノズル２０の径方向中心を通り且つ予混合流路１８の半径方向Ｘに直交する基準線Ｙを境にして非対称となるように配置されている。これにより、空気流の影響によって、第１列及び第２列の燃料噴射孔２６ａ，２６ｂから噴射された燃料の濃度分布が不均一となる場合に、対応することができる。詳細には、予混合流路１８の半径方向の外側と内側における燃料噴射孔２６ｃの数を異ならせることにより、燃料の濃度分布を均一化することができる。

なお、第２の実施形態において、第１列の燃料噴射孔２６ａが４つの燃料噴射孔２６ａで構成され、第２列の燃料噴射孔２６ｂが２つの燃料噴射孔２６ｂで構成され、第３列の燃料噴射孔２６ｃが１つの燃料噴射孔２６ｃで構成された場合を例にとって説明したが、これに限られない。例えば、上述の図９に対応する図１１で示す第３の変形例のように、４つの燃料噴射孔２６ａの配置角度は、０度、９０度、１８０度、２７０度としてもよい。第２列の燃料噴射孔２６ｂは、燃料ノズル２０の周方向に等間隔で配置された、４つの燃料噴射孔２６ｂで構成されてもよい。燃料ノズル２０の断面における４つの燃料噴射孔２６ｂの配置角度は、４５度、１３５度、２２５度、３１５度である。第３列の燃料噴射孔２６ｃは、燃料ノズル２０の周方向に等間隔で配置された、４つの燃料噴射孔２６ｃで構成されてもよい。燃料ノズル２０の断面における４つの燃料噴射孔２６ｃの配置角度は、０度、９０度、１８０度、２７０度である。

また、第１の実施形態では、燃料ノズル２０は、テーパ部２３に配置された１列の燃料噴射孔２６ａと、平坦部２４に配置された１列の燃料噴射孔２６ｂとを有する場合を例にとって説明し、第２の実施形態では、燃料ノズル２０は、テーパ部２３に配置された２列の燃料噴射孔２６ａ，２６ｂと、平坦部２４に配置された１列の燃料噴射孔２６ｃとを有する場合を例にとって説明したが、これに限られない。例えば、図１２及び図１３で示す第４の変形例のように、燃料ノズル２０は、テーパ部２３に配置された２列の燃料噴射孔２６ａ，２６ｂを有し、平坦部２４に配置された燃料噴射孔を有しなくてもよい。

３ 燃焼器
６ メインバーナ
１０ 空気流路
１１ 燃焼室
１６ 内周側隔壁部材
１７ 外周側隔壁部材
１８ 予混合流路
１９ メイン燃料系統
２０ 燃料ノズル
２２ 開口
２３ テーパ部
２４ 平坦部
２５ 燃料流路
２６ａ，２６ｂ，２６ｃ 燃料噴射孔

Claims (5)

1. 予混合燃焼方式のバーナと、
   前記バーナから供給された燃料及び空気を燃焼する燃焼室とを備え、
   前記バーナは、燃料系統から供給された燃料を噴射する燃料ノズルと、前記燃料ノズルから噴射された燃料と空気流路から供給された空気を混合して前記燃焼室に供給する予混合流路とを備えた、ガスタービン燃焼器において、
   前記燃料ノズルは、
   根元側から先端側に向かって外径寸法が徐々に縮小するテーパ部と、
   前記テーパ部より先端側に位置し、根元側から先端側にかけて外径寸法が同じである平坦部と、
   前記燃料ノズルの内部に形成され、前記燃料ノズルの軸方向に延在する燃料流路と、
   前記燃料流路と前記燃料ノズルの外側を連通するように形成され、各列が少なくとも１つの燃料噴射孔を含み、複数列が前記燃料ノズルの軸方向に互いに離間された複数列の燃料噴射孔とを有し、
   前記複数列の燃料噴射孔は、前記テーパ部に配置された少なくとも１列の燃料噴射孔を含む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、
   前記複数列の燃料噴射孔は、前記平坦部に配置された少なくとも１列の燃料噴射孔を含む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、
   前記複数列の燃料噴射孔は、前記テーパ部に配置された２列の燃料噴射孔と、前記平坦部に配置された１列の燃料噴射孔とで構成された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、
   前記予混合流路は、内周側隔壁部材と外周側隔壁部材の間に形成され、前記外周側隔壁部材の開口を介し前記空気流路からの空気が供給されており、
   前記複数列の燃料噴射孔のうち最上流側に位置する最初列の燃料噴射孔は、前記テーパ部に配置されると共に、前記予混合流路の軸方向にて、前記外周側隔壁部材の前記開口と同じ位置であるか、若しくは、前記外周側隔壁部材の前記開口より下流側に位置することを特徴とするガスタービン燃焼器。
5. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記複数列の燃料噴射孔のうち最下流側に位置する最終列の燃料噴射孔を構成する燃料噴射孔は、１つ若しくは複数であって、前記燃料ノズルの径方向中心を通り且つ前記予混合流路の半径方向に直交する基準線を境にして非対称となるように配置されたことを特徴とするガスタービン燃焼器。

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