JP2023151988A - ガスタービン燃焼器構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンの燃焼器において最小限の点火装置を備えて各燃焼器ライナ間の火炎伝播を確実に生じさて着火するガスタービン燃焼器構造体を提供する。【解決手段】実施形態の燃焼器構造体１は、ガスタービンのタービンロータ９７の軸方向に垂直な方向からガスタービンのケーシングを貫通して配置される。燃焼器構造体１は、燃料と酸化剤を燃焼させる燃焼器ライナ５１を備える複数の燃焼器５０と、隣接する燃焼器ライナ５１との間を連結する火炎伝播管１４０と、各燃焼器ライナ５１の下流に備えられ各燃焼器ライナ５１から排出された燃焼ガスを集合させる後部ライナ６０とを備える。複数の燃焼器５０が、点火装置１２０を備える燃焼器５０と、点火装置１２０を備えない燃焼器５０とで構成され、各燃焼器ライナ５１は、出口側に流路断面積を減少させる流路絞り部１３０を備える。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、ガスタービン燃焼器構造体に関する。

近年、ガスタービン燃焼器を備える発電プラントにおいて、二酸化炭素の削減や省資源などの要求から、高効率化が進められている。そのような中、タービンから排出された作動流体の一部を超臨界圧まで加圧して燃焼器に循環させる超臨界ＣＯ_２ガスタービンが検討されている。

この超臨界ＣＯ_２ガスタービンにおいては、超高圧の環境下での運転条件となるため、内部ケーシングおよび外部ケーシングを備える二重ケーシング構造が採用されている。超臨界ＣＯ_２ガスタービンにおける燃焼器構造体として、二重ケーシング構造においてもシール性能を維持しやすい垂直サイロ型燃焼器構造体が検討されている。この垂直サイロ型燃焼器構造体は、タービンロータの軸方向に対して９０度の角度で外部ケーシングおよび内部ケーシングを貫通して配置される。

このような超臨界ＣＯ_２ガスタービンにおける燃焼器構造体において、燃焼器ライナおよび燃料‐酸化剤供給機構を備えた複数の燃焼器が同一円周上に配置されている。そして、各燃焼器のそれぞれに対応して点火装置が設けられている。各燃焼器において、燃料‐酸化剤供給機構から燃焼器ライナ内に供給された燃料と酸化剤が混合した可燃混合気は、点火装置によって着火される。

また、燃焼器構造体は、各燃焼器の燃焼器ライナから排出された燃焼ガスを集合させてタービン側へ導く後部ライナを備えている。後部ライナの上流側の口径は、同一円周上に配置された複数の燃焼器を囲う外周円の直径以上である。そのため、各燃焼器ライナの下流端は、広い空間を有する後部ライナに連結されている。

特開平６－１８０３７号公報

上記したように、超臨界ＣＯ_２ガスタービンの各燃焼器のそれぞれに対応して点火装置が備えられている。換言すると、燃焼器の数と同数の点火装置が備えられている。例えば、一つの燃焼器における点火装置が故障した場合、その燃焼器では着火することができない。

そして、各点火装置における故障率が同じであるとすると、燃焼器の数が多いほど、燃焼器構造体としての故障の確率が増加する。これは、発電プラントの信頼性や稼働効率を低下させる。

従来のガスタービン燃焼器において、タービンロータの周方向に複数の燃焼器を備えるキャニュラ型構造が採用されている。このキャニュラ型の燃焼器構造体として、例えば、周方向に隣接する燃焼器ライナどうしを連結する火炎伝播管と、所定の燃焼器にのみに備えられた点火装置とを備える燃焼器構造体が採用されている。

この従来のキャニュラ型の燃焼器構造体では、各燃焼器ライナは、トランジションピースに連結されている。そして、トランジションピースの下流には静翼が配置されているため、トランジションピースの出口における流路が絞られる。そのため、点火装置によって着火が生じると、火炎を形成して膨張し、燃焼器ライナ内の圧力が上昇する。そして、着火が生じた燃焼器ライナ内の圧力と、隣接する未着火の燃焼器ライナ内の圧力との差（圧力差）によって、火炎伝播管を介して燃焼ガスや火炎である着火媒体が隣接する未着火の燃焼器ライナ内に導入される。この導入された着火媒体によって、隣接する燃焼器ライナ内の可燃混合気は、着火される。これ以降同様の作用で点火装置を備えない燃焼器ライナに火炎伝播管を介して着火媒体が導かれ、最終的に全ての燃焼器ライナ内で燃焼を生じる。

一方、前述したように、超臨界ＣＯ_２ガスタービンにおける燃焼器構造体において、各燃焼器ライナの下流端は、広い空間を有する後部ライナに連結されている。そのため、この燃焼器構造体に、上記した従来のガスタービン燃焼器における火炎伝播管構造を採用しても、着火された燃焼器ライナ内における圧力上昇は小さい。これによって、着火された燃焼器ライナとその燃焼器ライナに隣接する未着火の燃焼器ライナとの間において、火炎伝播管を介して火炎を伝播させるだけの圧力差が生じない。そのため、火炎伝播管を介しての火炎伝播は生じず、未着火の燃焼器ライナの可燃混合気は着火することができない。

本発明が解決しようとする課題は、ガスタービンの燃焼器において最小限の点火装置を備えて各燃焼器ライナ間の火炎伝播を確実に生じさせて着火することができるガスタービン燃焼器構造体を提供することである。

実施形態のガスタービン燃焼器構造体は、ガスタービンのタービンロータの軸方向に垂直な方向から、前記ガスタービンのケーシングを貫通して配置される。ガスタービン燃焼器構造体は、燃料と酸化剤を燃焼させる筒状の燃焼器ライナを備える複数の燃焼器と、隣接する前記燃焼器ライナとの間を連結する火炎伝播管と、各前記燃焼器ライナの下流に備えられ、各前記燃焼器ライナから排出された燃焼ガスを集合させて下流側へ導く後部ライナとを備える。

そして、複数の前記燃焼器が、点火装置を備える前記燃焼器と、点火装置を備えない前記燃焼器とで構成され、各前記燃焼器ライナは、前記燃焼器ライナの出口側に流路断面積を減少させる流路絞り部を備える。

実施の形態の燃焼器構造体を備えるガスタービン設備の系統図である。 実施の形態の燃焼器構造体の縦断面を示す図である。 図２のＡ－Ａ断面を示す図である。 図２のＢ－Ｂ断面を示す図である。 実施の形態の燃焼器構造体における燃焼器の縦断面を示す図である。 図５のＣ－Ｃ断面を示す図である。 実施の形態の燃焼器構造体において、他の形状の流路絞り部を備えた燃焼器の縦断面を示す図である。 実施の形態の燃焼器構造体において、他の形状の流路絞り部を備えた燃焼器の縦断面を示す図である。 実施の形態の燃焼器構造体において火炎伝播管を介して着火可能な範囲を説明するための図である。 実施の形態の燃焼器構造体において流路絞り部を備えることで生じる圧力損失の許容範囲を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、実施の形態の燃焼器構造体１を備えるガスタービン設備５の系統図である。図１に示すように、ガスタービン設備５は、燃焼器構造体１、燃料供給系統１０、酸素供給系統２０、二酸化炭素循環系統３０、タービン４０、発電機４１、熱交換器４２を備える。なお、燃焼器構造体１は、ガスタービン燃焼器構造体として機能する。

燃料供給系統１０は、燃焼器構造体１に燃料を供給する。燃料供給系統１０は、燃料配管１１を備える。この燃料配管１１は、燃料供給源（図示しない）と燃焼器構造体１との間に設けられる。また、燃料配管１１は、燃料の流量を調整する流量調整弁１２を備える。

ここで、燃料として、例えば、メタン、天然ガスなどの炭化水素が使用される。また、燃料として、例えば、一酸化炭素および水素などを含む石炭ガス化ガス燃料を使用することもできる。

酸素供給系統２０は、燃焼器構造体１に酸素を供給する。酸素供給系統２０は、酸素配管２１を備える。この酸素配管２１は、大気から酸素を分離する空気分離装置（図示しない）と燃焼器構造体１との間に設けられる。

酸素配管２１は、酸素の流量を調整する流量調整弁２２を備える。また、酸素配管２１は、酸素を昇圧する圧縮機２３を備える。流量調整弁２２は、圧縮機２３と熱交換器４２との間に設けられている。そして、酸素配管２１は、熱交換器４２を通り燃焼器構造体１まで延設されている。なお、流量調整弁２２は、熱交換器４２よりも上流側に設けられているため、流量調整弁２２には高温の酸素が流れない。

酸素配管２１には、空気分離装置（図示しない）によって大気から分離された酸素が流れる。酸素配管２１を流れる酸素は、熱交換器４２を通過することで加熱され、燃焼器構造体１に供給される。

二酸化炭素循環系統３０は、タービン４０から排出された作動流体の一部を燃焼器構造体１に循環する。二酸化炭素循環系統３０は、循環配管３１を備える。この循環配管３１は、タービン４０の出口と燃焼器構造体１との間に設けられる。

循環配管３１は、作動流体に含まれる水蒸気を除去する凝縮器３２を備える。なお、作動流体中の水蒸気は、凝縮器３２を通過することで、凝縮して水となる。水は、例えば、排水管３６を通り外部に排出される。

また、循環配管３１は、凝縮器３２において水蒸気が除去された作動流体（ＣＯ_２ガス）を臨界圧力以上に昇圧する圧縮機３３を備える。凝縮器３２および圧縮機３３は、熱交換器４２で冷却された作動流体が流れる領域の循環配管３１に備えられる。

ここで、ガスタービン設備５においては、燃焼器構造体１（燃焼器５０）から排出される燃焼ガスに、余剰の酸素や燃料が残存しないことが好ましい。そこで、燃料および酸素の流量は、量論混合比（当量比１）になるように調整されている。

なお、ここでいう当量比は、燃料流量および酸素流量に基づいて算出した当量比である。換言すれば、燃料と酸素が均一に混合したと想定したときの当量比（オーバーオールでの当量比）である。

このようなことから、凝縮器３２において水蒸気が除去された作動流体（燃焼ガス）の成分は、ほぼ二酸化炭素である。そこで、水蒸気が除去された燃焼ガスを単にＣＯ_２ガスと称する。

なお、水蒸気が除去されたＣＯ_２ガスには、例えば、０．２％以下の微量の一酸化炭素が混在する場合もあるが、この場合においても、水蒸気が除去された作動流体（燃焼ガス）を単にＣＯ_２ガスと称する。また、圧縮機３３によって臨界圧力以上に昇圧されたＣＯ_２ガスは、超臨界流体となる。

循環配管３１は、熱交換器４２を２回通るように配管されている。すなわち、循環配管３１は、タービン４０と凝縮器３２との間で一度熱交換器４２を通る。そして、循環配管３１は、圧縮機３３と燃焼器構造体１との間で再度熱交換器４２を通る。

ここで、タービン４０から排出された作動流体は、熱交換器４２を通過することによって冷却される。この際、作動流体からの放熱によって、前述した酸素配管２１を流れる酸素や、循環配管３１を通り燃焼器構造体１に循環されるＣＯ_２ガスを加熱する。

また、圧縮機３３と熱交換器４２との間における循環配管３１には、排出管３４が接続されている。排出管３４は、外部に排出するＣＯ_２ガスの流量を調整する流量調整弁３５を備える。なお、外部に排出されたＣＯ_２ガスは、例えば、石油採掘現場で採用されているＥＯＲ（Enhanced Oil Recovery）に利用することができる。

図１に示すように、燃料配管１１の一端側（燃焼器構造体１側）は、複数に分岐されている。そして、分岐された各燃料配管１１は、燃焼器構造体１の各燃焼器５０に接続されている。

また、ＣＯ_２ガスを燃焼器構造体１に循環する循環配管３１の一端側（燃焼器構造体１側）は、例えば、複数に分岐されている。分岐された一部の循環配管３１は、各燃焼器５０の酸化剤供給部５３に接続される。分岐された残りの循環配管３１は、燃焼器構造体１の周囲に冷却媒体として超臨界のＣＯ_２ガスを導入するために利用される。

酸素配管２１の一端側（燃焼器構造体１側）は、複数に分岐されている。分岐された一つの酸素配管２１は、各燃焼器５０の酸化剤供給部５３に接続される。

そして、各燃焼器５０には、分岐された一つの循環配管３１および分岐された一つの酸素配管２１から、超臨界のＣＯ_２ガスと酸素が供給される。酸化剤供給部５３に導入された酸素とＣＯ_２ガスは、混合して混合気を形成する。この混合気は、酸化剤として燃焼器ライナ５１内に噴出される。

なお、混合気の形成方法は、この方法に限られない。例えば、燃焼器５０に導入される、超臨界のＣＯ_２ガスと酸素とを予め混合して各燃焼器５０に供給してもよい。

タービン４０は、燃焼器構造体１から排出された燃焼ガスによって回動される。このタービン４０には、例えば、発電機４１が連結されている。

次に、燃焼器構造体１の構成について説明する。

図２は、実施の形態の燃焼器構造体１の縦断面を示す図である。図３は、図２のＡ－Ａ断面を示す図である。図４は、図２のＢ－Ｂ断面を示す図である。図５は、実施の形態の燃焼器構造体１における燃焼器５０の縦断面を示す図である。図６は、図５のＣ－Ｃ断面を示す図である。

なお、図２および図３に示された燃焼器構造体１は、ガスタービンに設置された状態における断面図である。そのため、図２および図３には、例えば、ガスタービンのケーシングなどの構成も示されている。また、図２および図３には、上半側の構成が示されている。ここでは、燃焼器構造体１を上半側に備えた一例を示している。

なお、図５に示された燃焼器５０は、点火装置１２０から出射されたレーザ光１２４を内部に導入する構成を備える燃焼器である。

ここで、燃焼器構造体１は、超臨界のＣＯ_２ガスを作動流体に用いる超臨界ＣＯ_２ガスタービンに設置される。燃焼器構造体１やタービン４０は、超高圧の条件下で作動されるため、図２および図３に示すように、ケーシング８０は、内部ケーシング９０および外部ケーシング８５を備える二重ケーシング構造で構成される。外部ケーシング８５は、内部ケーシング９０の外周側に所定の間隙をおいて設けられている。

図２に示すように、内部ケーシング９０内には、静翼９５、動翼９６がタービンロータ９７の軸方向に交互に配置されている。静翼９５は、内側シュラウド９５ａと外側シュラウド９５ｂとの間に配置されている。動翼９６は、タービンロータ９７のロータホイール９８に設けられている。なお、動翼９６の外周は、動翼の先端と隙間を有してシュラウドセグメント９５ｃが設けられている。

燃焼器構造体１は、燃焼器５０と、後部ライナ６０と、スクロール７０とを備える。また、燃焼器構造体１は、複数の燃焼器５０を備える。

燃焼器構造体１は、図２および図３に示すように、タービンロータ９７の軸方向に垂直な方向から、外部ケーシング８５および内部ケーシング９０を貫通して配置される。燃焼器構造体１は、いわゆる垂直サイロ型の燃焼器構造体である。ここでは、鉛直上方から燃焼器構造体１を貫通させる一例を示している。

外部ケーシング８５の外側には、燃焼器構造体１の周囲を囲む燃焼器ケーシング１１０が設けられている。燃焼器ケーシング１１０は、両端が開口する筒状のケーシングで構成される。

燃焼器ケーシング１１０の一端は、外部ケーシング８５に固定されている。燃焼器ケーシング１１０の他端は、ヘッドプレート１１１で閉鎖されている。なお、例えば、ヘッドプレート１１１には、酸素配管２１、循環配管３１、燃料配管１１を燃焼器ケーシング１１０内に引き込むための貫通孔（図示しない）が設けられている。

外部ケーシング８５および内部ケーシング９０には、燃焼器構造体１を貫通させるための貫通口８６、９１が形成されている。燃焼器構造体１を貫通させる外部ケーシング８５と内部ケーシング９０との間には、スリーブ１００が設けられている。

スリーブ１００は、燃焼器構造体１の周囲を流れる冷却媒体としての超臨界ＣＯ_２が外部ケーシング８５と内部ケーシング９０との間の空間に流出することを防止する。スリーブ１００は、例えば、円筒状部材で構成される。

例えば、スリーブ１００の上流端は、外周側に突出する環状のフランジ部１０１を備える。このフランジ部１０１は、外部ケーシング８５の外周面８５ａに形成された環状の溝部８７に支持される。また、スリーブ１００の下流端は、内部ケーシング９０の外周面９０ａに当接される。

また、スリーブ１００と当接する内部ケーシング９０の外周面９０ａには、スリーブ１００と間隙をあけてスリーブ１００の周囲に亘って円環状の突条部９２が形成されている。突条部９２は、外部ケーシング８５側に突出している。

スリーブ１００と突条部９２との間には、円環状のシールリング９３が勘合している。シールリング９３を備えることで、燃焼器構造体１の周囲を流れる超臨界ＣＯ_２がスリーブ１００と内部ケーシング９０の外周面９０ａとの間から外部ケーシング８５と内部ケーシング９０との間に流出することを防止する。

なお、スリーブ１００の構成は、上記した構成に限られない。スリーブ１００は、燃焼器構造体１の周囲を流れる超臨界ＣＯ_２が外部ケーシング８５と内部ケーシング９０との間の空間に流出することを防止できる構成であればよい。

燃焼器５０は、燃焼器ライナ５１と、燃料供給部５２と、酸化剤供給部５３とを備える。ここで、複数の燃焼器５０は、点火装置１２０を備える燃焼器５０と、点火装置１２０を備えない燃焼器５０とで構成される。

なお、点火装置１２０を備えるとは、点火装置１２０が燃焼器５０に一体的に備えられている場合に限らず、点火装置１２０が燃焼器５０と離隔して備えられる場合も含む。点火装置１２０が燃焼器５０に一体的に備えられている場合として、例えば、点火源である火花を発生させるスパークプラグ（イグナイタ）が燃焼器５０に設置されている場合が例示される。点火装置１２０が燃焼器５０と離隔して備えられる場合として、例えば、図４に示すように、点火源であるレーザ光を照射するレーザ光供給機構１２３が燃焼器５０と離隔して備えられる場合が例示される。

燃焼器ライナ５１は、燃料と酸化剤を燃焼させる筒状部材で構成される。燃焼器ライナ５１の一端（上流端）は、上流端壁５１ａで封鎖され、他端（下流端）は、開口されている。燃焼器ライナ５１は、例えば、真っすぐに伸びる筒体などで構成される。なお、燃焼器ライナ５１は、例えば、一部が湾曲した筒体などで構成されてもよい。

燃焼器ライナ５１の他端側、すなわち燃焼器ライナ５１の出口側には、流路絞り部１３０が形成されている。流路絞り部１３０では、燃焼器ライナ５１の中心軸に対して垂直な断面における流路面積が減少している。なお、流路絞り部１３０の構成については、後述する。

燃焼器ライナ５１の上流端壁５１ａには、燃料供給部５２および酸化剤供給部５３を備えるための開口５１ｂを有する。

なお、上流とは、燃焼ガスが流れる方向における上流を意味し、下流とは、燃焼ガスが流れる方向における下流を意味する。

図２および図３に示すように、燃焼器ライナ５１は、燃焼器ライナ５１の中心軸が、例えば、タービンロータ９７の軸方向に垂直となるように配置される。

また、燃焼器ライナ５１の側壁には、燃焼器ライナ５１の外側を流れる超臨界ＣＯ_２を内部に導くための複数の導入孔５１ｃが設けられている。この燃焼器ライナ５１の外側を流れる超臨界ＣＯ_２は、燃焼器ライナ５１を冷却する機能を有する。

なお、導入孔５１ｃは、例えば、スリットや孔などで構成される。燃焼器ライナ５１は、例えば、フィルム冷却などによって冷却される。フィルム冷却を適用した場合、導入孔５１ｃから導入された冷却媒体である超臨界ＣＯ_２が燃焼器ライナ５１の内壁面と燃焼ガスとの間に気体の断熱膜を形成する。これによって、燃焼器ライナ５１の内壁面が直接燃焼ガスに接触することを抑制する。

燃料供給部５２は、燃料を燃焼器ライナ５１内に供給する。燃料供給部５２は、燃焼器ライナ５１の上流端壁５１ａに設けられている。燃料供給部５２は、例えば、図２に示すように、上流端壁５１ａの中央に設けられる。

燃料供給部５２は、例えば、円管などで構成される。燃料供給部５２は、燃料を供給する燃料配管１１に連結されている。燃料供給部５２の出口５２ａは、例えば、燃料ノズルとしての機能を備える。燃料供給部５２の出口５２ａは、例えば、単孔の燃料噴射孔または多孔の燃料噴出孔などで構成される。燃料は、燃料供給部５２の出口５２ａから燃焼器ライナ５１内に噴出される。

酸化剤供給部５３は、酸化剤を燃焼器ライナ５１内に供給する。酸化剤供給部５３は、燃焼器ライナ５１の上流端壁５１ａに設けられている。酸化剤供給部５３は、例えば、図２に示すように、燃料供給部５２の周囲に、燃料供給部５２と同心円状で、かつ環状に設けられる。

このように、例えば、燃料供給部５２と酸化剤供給部５３は、二重管構造で構成される。燃料は、中央の燃料噴出孔から噴出され、酸化剤は、中央の燃料噴出孔の周囲に形成される環状の流路から噴出される。すなわち、燃焼器５０では、拡散燃焼方式を採用している。

酸化剤供給部５３の環状の出口５３ａには、例えば、酸化剤の流れに旋回成分を付与するスワーラ５５などが設けられる。このスワーラ５５を酸化剤が通過することで、旋回成分を有する流れが燃焼器ライナ５１内に噴出される。このように、酸化剤の流れに旋回成分を与えることで、燃焼器ライナ５１内において、燃料と酸化剤の混合が促進され、安定した火炎が形成される。

上記した燃料供給部５２および酸化剤供給部５３は、一つの燃料‐酸化剤供給機構５４を構成する。そして、図２に示すように、この一つの燃料‐酸化剤供給機構５４の下流側に、一つの火炎Ｆが形成される。すなわち、燃焼器５０は、一つの燃焼器ライナ５１と、この一つの燃焼器ライナ５１の上流端に設けられた一つの燃料‐酸化剤供給機構５４とを備える。

なお、ここでは、一つの燃料供給部５２および一つの酸化剤供給部５３で構成される燃料‐酸化剤供給機構５４の一例を示しているが、この構成に限られない。

燃料‐酸化剤供給機構５４の構成は、一つの燃料‐酸化剤供給機構５４の下流に、この燃料‐酸化剤供給機構５４から噴出された燃料および酸化剤によって形成される一つの火炎Ｆ、換言すれば、一つの燃焼領域を形成するものであればよい。例えば、一つの燃料‐酸化剤供給機構５４は、複数の燃料供給部５２、複数の酸化剤供給部５３を備えてもよい。

燃焼器構造体１は、上記した構成を備える燃焼器５０を複数備えている。図４に示すように、複数の燃焼器５０は、燃焼器ケーシング１１０内に設けられている。複数の燃焼器５０は、図４に示すように、例えば、燃焼器ケーシング１１０の中心軸を中心とする同一円周上に等間隔に配置される。配置される燃焼器５０の個数は、例えば、一つの燃焼器５０から供給可能な熱量と、超臨界ＣＯ_２ガスタービンに要求される熱量とに基づいて決められる。

複数の燃焼器５０のうち、点火装置１２０を備える燃焼器５０の数は最小限に設定されている。具体的には、複数の燃焼器５０のうち、一つまたは二つの燃焼器５０は、点火装置１２０を備える。なお、図４には、一つの燃焼器５０に点火装置１２０を備えた一例が示されている。

燃焼器構造体１において、点火装置１２０を備えない一つ以上の燃焼器５０が備えられている。例えば、図４に示す燃焼器構造体１では、点火装置１２０を備えない５つの燃焼器５０が備えられている。

各燃焼器５０の燃焼器ライナ５１の下流端は、後述する後部ライナ６０の上流端に設けられた上流端壁６１の貫通口６３に嵌合されている。そして、各燃焼器ライナ５１は、貫通口６３を介して後部ライナ６０内に連通している。

ここで、図１に示すように、各燃焼器５０の燃料供給部５２は、分岐された燃料配管１１にそれぞれ連結されている。各燃焼器５０の酸化剤供給部５３は、例えば、分岐された酸素配管２１、循環配管３１にそれぞれ連結されている。例えば、酸化剤供給部５３の上流部において導入された酸素および超臨界ＣＯ_２は、酸化剤供給部５３内を流れながら混合し、酸化剤供給部５３の出口５３ａにおいては酸素および超臨界ＣＯ_２からなる混合気となる。

また、周方向に等間隔に配置された複数の燃焼器５０において、図４に示すように、各燃焼器ライナ５１は、火炎伝播管１４０によって連結されている。火炎伝播管１４０は、可燃混合気が着火した燃焼器ライナ５１から着火媒体を隣接する未着火の燃焼器ライナ５１に導入する。これによって、未着火の燃焼器ライナ５１内の可燃混合気は着火される。ここで、着火媒体は、火炎、燃焼ガス、または火炎および燃焼ガスである。

火炎伝播管１４０は、例えば、円管などの管状部材で構成される。各燃焼器ライナ５１には、火炎伝播管１４０を接続するための連結孔５６が形成されている。周方向に隣接する燃焼器ライナ５１は、火炎伝播管１４０によって連結される。そして、周方向に配置された複数の燃焼器ライナ５１は、火炎伝播管１４０を介して連通した状態となる。

図５に示すように、各燃焼器ライナ５１において、連結孔５６は、燃焼器ライナ５１の上流端壁５１ａの下流側における所定の位置に形成されている。ここで、上流端壁５１ａの内面５１ｄから連結孔５６の中心までの燃焼器ライナ５１の中心軸方向の距離をＬ１とする。

距離Ｌ１は、燃料供給部５２の出口５２ａから噴出された燃料と酸化剤供給部５３の出口５３ａから噴出された酸化剤とが混合されて可燃混合気が形成される中心軸方向位置に対応させて設定される。換言すると、距離Ｌ１は、可燃混合気が形成されて着火しやすい条件となる中心軸方向位置に対応させて設定される。これによって、火炎伝播管１４０を介して導入された着火媒体によって、確実に着火することができる。

また、複数の燃焼器５０のうち、一つの燃焼器５０の燃焼器ライナ５１には、図４および図５に示すように、点火装置１２０から出射されたレーザ光１２４を燃焼器ライナ５１内に導入するための導入孔５７が形成されている。

ここでは、点火装置１２０によって着火される一つの燃焼器５０を備えた構成を例示している。点火装置１２０によって着火される燃焼器５０以外の燃焼器５０では、火炎伝播管１４０を介して導入された着火媒体によって着火される。

点火装置１２０は、図４に示すように、管状部材１２１、耐熱ガラス１２２、レーザ光供給機構１２３を備える。

管状部材１２１は、両端が開口した円筒管などで構成される。管状部材１２１の一端は、燃焼器ケーシング１１０に形成された貫通孔１１２に接続されている。管状部材１２１の他端は、燃焼器ライナ５１の導入孔５７に接続されている。

なお、管状部材１２１の他端は、燃焼器ライナ５１の内部に突出しないように接続されている。また、管状部材１２１の内径は、その内部をレーザ光１２４が通過する際に妨げにならない程度に設定される。

耐熱ガラス１２２は、燃焼器ケーシング１１０の貫通孔１１２に設けられる。耐熱ガラス１２２は、貫通孔１１２を閉鎖するように設けられる。すなわち、耐熱ガラス１２２によって、燃焼器ケーシング１１０の内部と外部との連通が遮断される。

レーザ光供給機構１２３は、耐熱ガラス１２２および管状部材１２１の内部を介して燃焼器ライナ５１内にレーザ光１２４を照射する。レーザ光供給機構１２３は、レーザ発振器１２３ａ、集光レンズ１２３ｂを備える。

集光レンズ１２３ｂは、耐熱ガラス１２２に対向して燃焼器ケーシング１１０の外側に設けられる。すなわち、集光レンズ１２３ｂは、レーザ発振器１２３ａと耐熱ガラス１２２との間に設けられる。集光レンズ１２３ｂの焦点距離や設置位置は、燃料と空気の混合気を着火するのに最適な位置で焦点１２４ａとなるように設定される。

レーザ発振器１２３ａは、燃焼器ケーシング１１０の外側に配置される。レーザ発振器１２３ａは、集光レンズ１２３ｂ、耐熱ガラス１２２および管状部材１２１の内部を介して燃焼器ライナ５１内にレーザ光１２４を照射する。すなわち、レーザ発振器１２３ａは、集光レンズ１２３ｂ、耐熱ガラス１２２、管状部材１２１の内部の順にレーザ光１２４を通過させて、燃焼器ライナ５１内にレーザ光１２４を照射できように配置される。

ここで、図５に示すように、上流端壁５１ａの内面５１ｄから導入孔５７の中心までの燃焼器ケーシング１１０の中心軸方向の距離をＬ２とする。距離Ｌ２は、前述した距離Ｌ１と同様に、可燃混合気が形成されて着火しやすい条件となる中心軸方向位置に対応させて設定される。例えば、導入孔５７の中心および連結孔５６の中心は、上流端壁５１ａの内面５１ｄから同じ中心軸方向位置に設定される。

なお、ここでは、点火装置１２０としてレーザ光１２４を使用した点火機構を示したが、この構成に限られない。点火装置１２０は、例えば、スパークプラグなどの火花点火機構を使用して構成されてもよい。

また、他の燃焼器５０において点火装置１２０によって着火させる構成を備える場合、上記した点火装置１２０が他の燃焼器５０に対応してさらに備えられる。

後部ライナ６０は、複数の燃焼器５０の下流側に設けられる。後部ライナ６０は、複数の燃焼器５０から排出された燃焼ガスを集合させて整流しながらスクロール７０に導く流路である。

後部ライナ６０は、例えば、図２および図３に示すように、タービンロータ９７の軸方向に垂直な方向に延設される筒状部材で構成される。また、後部ライナ６０が円筒で構成される場合、燃焼ガスは、円筒内において流路断面が円形の流路を流れる。なお、後部ライナ６０における流路断面は、後部ライナ６０内における、後部ライナ６０の中心軸に対して垂直な断面における流路の面積である。

後部ライナ６０は、例えば、下流側へ行くに伴って流路断面積が徐々に減少する流路部を有して構成される。この場合においても、後部ライナ６０の下流端の内径は、燃焼器ライナ５１における流路絞り部１３０でない位置での内径よりも十分に大きい。そのため、後部ライナ６０内の流路は、着火の際、燃焼器ライナ５１内の圧力上昇には寄与しない。

なお、後部ライナ６０の形状は、図２および図３に示す形状に限られるものではない。また、複数の燃焼器５０の下流側に設けられる筒状の後部ライナ６０は、その形状によらず、燃焼器ライナ５１内の圧力上昇には寄与しない。

後部ライナ６０の一端（上流端）は、上流端壁６１で封鎖され、他端（下流端）は、開口されている。上流端壁６１は、各燃焼器ライナ５１の下流端と嵌合する複数の貫通口６３を有する。この貫通口６３は、各燃焼器ライナ５１の下流端の位置に合わせて形成される。後部ライナ６０の他端（下流端）は、スクロール７０の上流端に接続されている。

後部ライナ６０の側壁には、後部ライナ６０の外側を流れる超臨界のＣＯ_２ガスを内部に導くための複数の導入孔６２が設けられている。この後部ライナ６０の外側を流れるＣＯ_２ガスは、後部ライナ６０を冷却する機能を有する。

なお、導入孔６２の構成は、前述した導入孔５１ｃの構成と同じである。また、導入孔６２を備えることによる効果は、前述した導入孔５１ｃを備えることによる効果と同じである。

スクロール７０は、後部ライナ６０から排出された燃焼ガスをタービンロータ９７の軸方向に導くとともに、タービンロータ９７の周方向に導く流路である。

スクロール７０は、図２および図３に示すように、後部ライナ６０から排出された燃焼ガスをタービンロータ９７の軸方向に導く屈曲流路部７１と、タービンロータ９７の軸方向に導かれた燃焼ガスをタービンロータ９７の周方向に導く環状流路部７２とを備える。

屈曲流路部７１の上流端は、後部ライナ６０の下流端に接続されている。屈曲流路部７１は、タービンロータ９７の軸方向にほぼ９０度屈曲する曲がり管で構成される。なお、屈曲流路部７１の出口側は、屈曲しながらタービンロータ９７の周方向に広がる構成を有する。そして、屈曲流路部７１は、後部ライナ６０から排出された燃焼ガスの流れをほぼ９０度偏流する。偏流された燃焼ガスの流れは、タービンロータ９７の軸方向に流れる。

環状流路部７２は、タービンロータ９７の周囲を覆うように設けられた環状管で構成される。なお、環状流路部７２は、例えば、半環状の上半部および下半部からなる分割構造体を組み合わせることで構成される。

環状流路部７２は、屈曲流路部７１から排出された燃焼ガスの流れをタービンロータ９７の周方向に広げる。環状流路部７２において、タービンロータ９７の軸方向の速度成分を有する燃焼ガスは、タービンロータ９７の周方向に均一に広がる。

環状流路部７２（スクロール７０）の出口７３は、初段の静翼９５に対向する。そして、環状流路部７２内を流れる燃焼ガスは、出口７３から初段の静翼９５に向けて噴出される。なお、環状流路部７２の出口端は、内側シュラウド９５ａおよび外側シュラウド９５ｂの上流端に接している。これによって、出口７３から噴出された燃焼ガスは、初段の静翼９５に導かれる。

ここで、燃焼器ライナ５１の流路絞り部１３０について説明する。

流路絞り部１３０は、燃焼器ライナ５１の出口側に備えられ、燃焼器ライナ５１の流路断面積を減少させる。ここで、流路断面積は、燃焼器ライナ５１内における、燃焼器ライナ５１の中心軸に対して垂直な断面における流路の面積である。

図５および図６には、流路絞り部１３０の一例が示されている。流路絞り部１３０は、例えば、図５に示すように、周方向に亘って燃焼器ライナ５１の中心軸側に向かって突出する環状の突出部１３１で構成される。突出部１３１は、燃焼器ライナ５１の出口５１ｅの上流側近傍に備えられている。

なお、突出部１３１は、火炎伝播管１４０よりも下流側に備えられる。また、突出部１３１は、燃焼器ライナ５１内で生じる燃焼反応の妨げにならない位置に備えられることが好ましい。

突出部１３１の突出高さは、上流側から燃焼器ライナ５１の出口５１ｅに向かって徐々に増加する。そして、突出部１３１は、最も突出高さが大きくなる最大突出部１３１ａを有する。最大突出部１３１ａよりも出口５１ｅ側では、突出部１３１の突出高さは、燃焼器ライナ５１の出口５１ｅに向かって徐々に減少する。

なお、最大突出部１３１ａは、スロート部として機能する。また、突出部１３１の突出高さとは、突出部１３１が形成されていない燃焼器ライナ５１の内壁面５１ｆから燃焼器ライナ５１の中心軸側への突出部１３１の高さである。

すなわち、突出部１３１を備えることで流路断面積は、燃焼器ライナ５１の出口５１ｅに向かって徐々に減少する。そして、最大突出部１３１ａにおいて、流路断面積は、最も小さくなる。最大突出部１３１ａよりも出口側では、流路断面積は、燃焼器ライナ５１の出口５１ｅに向かって徐々に増加する。

図５に示す流路絞り部１３０の構造において、最大突出部１３１ａよりも下流側の突出部１３１の形状は、流れを減速させて流体の持つ速度エネルギを静圧に変換するディフューザ形状とすることが好ましい。これによって、燃焼器ライナ５１から排出される燃焼ガスの圧力損失を抑制することができる。

なお、上記した突出部１３１の形状は一例であり、この形状に限られない。突出部１３１は、燃焼器ライナ５１の内壁面５１ｆから中心軸側へ突出して流路断面積を減少させる形状であればよい。

ここで、図７は、実施の形態の燃焼器構造体１において、他の形状の流路絞り部１３０を備えた燃焼器５０の縦断面を示す図である。なお、図７においても、点火装置１２０から出射されたレーザ光１２４を内部に導入する構成を備える燃焼器５０が示されている。

流路絞り部１３０は、例えば、図７に示すように、燃焼器ライナ５１の出口５１ｅに向かって、周方向に亘って燃焼器ライナ５１の側壁が中心軸側に傾斜するテーパ部１３２で構成される。

この流路絞り部１３０を備えることで、流路断面積は、燃焼器ライナ５１の出口５１ｅに向かって徐々に減少する。そして、燃焼器ライナ５１の出口５１ｅにおいて、流路断面積は、最も小さくなる。すなわち、燃焼器ライナ５１の出口５１ｅは、スロート部として機能する。

なお、流路絞り部１３０の形状は、図５および図７に示された形状に限られない。流路絞り部１３０が突出部またはテーパ部で構成される場合、流路絞り部１３０は、燃焼器ライナ５１の出口側において燃焼器ライナ５１の流路断面積を減少させる構成であればよい。

図８は、実施の形態の燃焼器構造体１において、他の形状の流路絞り部１３０を備えた燃焼器５０の縦断面を示す図である。図８に示すように、流路絞り部１３０は、例えば、多数の貫通孔を有する部材、多数の細孔を有する部材などで構成されてもよい。多数の貫通孔を有する部材として、例えば、ハニカム部材、パンチングメタル部材などが挙げられる。多数の細孔を有する部材として、例えば、ポーラス部材（多孔質部材）などが挙げられる。

そして、流路絞り部１３０は、これらの部材からなる板状部材を燃焼器ライナ５１の出口５１ｅの上流側近傍に流路断面に亘って備えることで構成される。これらの部材からなる板状部材は、燃焼器ライナ５１の出口５１ｅの上流側近傍に流路断面を塞ぐように配置されている。

次に、流路絞り部１３０における流路面積比について説明する。

ここでは、図５を参照して流路面積比について説明する。図５に示すように、燃焼器ライナ５１における、流路絞り部１３０より上流の流路断面積をＡ１とし、流路絞り部１３０の最大突出部１３１ａ（スロート部）の流路断面積をＡ２とする。

なお、流路絞り部１３０が、多数の貫通孔を有する部材、多数の細孔を有する部材で構成される場合には、流路断面積Ａ２は、これらの部材が配置された位置での、燃焼器ライナ５１の中心軸に対して垂直な断面における貫通孔や細孔の総面積である。

ここで、流路断面積Ａ１に対する流路断面積Ａ２の割合（Ａ２／Ａ１）を０．５６以上０．８７以下にすることが好適である。なお、以下において、流路断面積Ａ１に対する流路断面積Ａ２の割合（Ａ２／Ａ１）を流路面積比と称する。また、流路面積比を０．７以上０．８７以下にすることがより好ましい。

ここで、上記した流路面積比が好適あることについて説明する。

図９は、実施の形態の燃焼器構造体１において火炎伝播管１４０を介して着火可能な範囲を説明するための図である。図９において、横軸は、流路面積比であり、縦軸は、火炎伝播圧力比である。

火炎伝播圧力比は、実際の火炎伝播管１４０の入口と出口の実差圧（Ｐｒ）と、火炎伝播管１４０を介して着火するために必要な火炎伝播管１４０の入口と出口の最小差圧（Ｐｍ）との比（Ｐｒ／Ｐｍ）である。

図１０は、実施の形態の燃焼器構造体１において流路絞り部１３０を備えることで生じる圧力損失の許容範囲を説明するための図である。図１０において、横軸は、流路面積比であり、縦軸は、圧力損失増加率である。

圧力損失増加率は、流路絞り部１３０を備えないときの圧力損失（Ｐ０）に対する流路絞り部１３０を備えたときに増加した圧力損失（ΔＰ）の割合（ΔＰ／Ｐ０）を百分率で示したものである。ここで、流路絞り部１３０を備えたときに増加した圧力損失（ΔＰ）は、流路絞り部１３０を備えたときの圧力損失（Ｐ１）と流路絞り部１３０を備えないときの圧力損失（Ｐ０）の差圧（Ｐ１－Ｐ０）である。

また、図１０には、圧力損失増加率の許容上限ラインを示している。ここで、燃焼器５０の性能上の観点から、燃焼器ライナ５１内における圧力損失の許容上限値は設定される。その圧力損失の許容上限値に基づいて、図１０に示す圧力損失増加率の許容上限ラインは定められる。

ここで、図９および図１０に示した図は、数値流体解析によって得られた結果を示している。

図９に示すように、火炎伝播圧力比は、流路面積比の増加に伴って減少する。火炎伝播管１４０を介して隣接する燃焼器ライナ５１内に着火媒体を導入するためには、火炎伝播管１４０の入口と出口との差圧が最小差圧（Ｐｍ）以上である必要がある。そのため、火炎伝播圧力比は、１以上である必要がある。図９に示すように、流路面積比が０．８７以下において、火炎伝播圧力比は、１以上となる。

また、図１０に示すように、圧力損失増加率は、流路面積比の増加に伴って減少する。圧力損失増加率は、流路面積比が０．５６以上で圧力損失増加率の許容上限値以下となる。

すなわち、火炎伝播圧力比に関しては、流路面積比が０．８７以下の範囲が好適であり、圧力損失増加率に関しては、流路面積比が０．５６以上が好適である。そのため、火炎伝播圧力比および圧力損失増加率の双方の好適な範囲を満たす流路面積比は、０．５６以上０．８７以下である。

以上の理由から、燃焼器構造体１において、流路面積比を０．５６以上０．８７以下にすることが好適であることがわかる。

また、燃焼器５０の性能上の観点から、圧力損失は小さい方が好ましい。また、火炎伝播管１４０を介して確実に着火媒体を伝播するためには、火炎伝播圧力比は１以上の範囲でより大きい方が好ましい。そこで、流路面積比のより好ましい流路面積比の範囲を０．７以上０．８７以下とした。

次に、ガスタービン設備５の作用および燃焼器構造体１の作用について説明する。

まず、ガスタービン設備５の作用について、図１を参照して説明する。

図１に示すように、燃料は、燃料配管１１を通り燃焼器構造体１の燃焼器５０に供給される。大気から分離された酸素は、酸素配管２１を通り燃焼器５０に供給される。この際、酸素は、圧縮機２３で所定の圧力まで昇圧される。さらに昇圧された酸素は、熱交換器４２を通ることで加熱される。

また、循環する超臨界のＣＯ_２ガスは、循環配管３１を通り、燃焼器構造体１および燃焼器５０に供給される。この際、ＣＯ_２ガスは、熱交換器４２を通ることで加熱される。

なお、前述したように、燃焼器５０に供給された酸素とＣＯ_２ガスは、混合され、酸化剤として燃焼器ライナ５１内の燃焼領域に噴出される。

燃焼器構造体１の燃焼器５０に導かれた燃料および酸化剤は、燃焼器ライナ５１内で燃焼して燃焼ガスとなる。

なお、燃焼器構造体１における作用は、後述するのでここでは詳しい説明を省略する。

燃焼器構造体１から排出された燃焼ガスは、作動流体としてタービン４０に導入される。タービン４０は、作動流体によって回動する。そして、発電機４１は、タービン４０の回動によって駆動され、発電する。

ここでいう、燃焼器構造体１から排出される燃焼ガスは、燃料と酸素とによって生成された燃焼生成物と、燃焼器構造体１に循環する二酸化炭素とを含んだものである。

タービン４０から排出された作動流体は、循環配管３１に導かれ、熱交換器４２を通過することによって冷却される。この際、燃焼ガスからの放熱によって、前述した酸素配管２１を流れる酸素や、循環配管３１を流れて燃焼器構造体１に循環する二酸化炭素は、加熱される。

熱交換器４２を通過した作動流体は、凝縮器３２を通過する。この際、作動流体に含まれる水蒸気は、除去される。なお、作動流体中の水蒸気は、凝縮器３２を通過することによって凝縮して水となる。水は、例えば、排水管３６を介して外部に排出される。

ここで、前述したように、燃料および酸素の流量を量論混合比（当量比１）になるように調整しているため、水蒸気が除去された作動流体は、ほぼＣＯ_２ガスである。

ＣＯ_２ガスは、循環配管３１に介在する圧縮機３３によって昇圧され、超臨界のＣＯ_２ガスとなる。圧縮機３３によって昇圧されたＣＯ_２ガスの一部は、循環配管３１を流れ、燃焼器構造体１に循環される。この際、ＣＯ_２ガスは、熱交換器４２を通過することで、例えば、７００℃程度に加熱される。

一方、圧縮機３３によって昇圧されたＣＯ_２ガスの残部は、循環配管３１に接続された排出管３４に導入される。排出管３４に導入されたＣＯ_２ガスは、流量調整弁３５によって流量が調節され、外部に排出される。外部に排出されたＣＯ_２ガスは、例えば、石油採掘現場で採用されているＥＯＲ（Enhanced Oil Recovery）に利用される。

次に、燃焼器構造体１の作用について、図２および図３を参照して説明する。

着火の際、点火装置１２０から出射されたレーザ光１２４を内部に導入する構成を備える燃焼器５０において、レーザ発振器１２３ａから出射されたレーザ光１２４は、集光レンズ１２３ｂ、耐熱ガラス１２２、管状部材１２１の内部を通り、燃焼器ライナ５１内に照射される。

レーザ光１２４が燃焼器ライナ５１内に照射された後、燃料配管１１から燃料供給部５２に供給された燃料は、出口５２ａから燃焼器ライナ５１内に噴出される。酸素配管２１から酸化剤供給部５３に供給された酸素および循環配管３１から酸化剤供給部５３に供給された超臨界のＣＯ_２ガスは、酸化剤供給部５３内で混合し、出口５３ａから燃焼器ライナ５１内に噴出される。この際、出口５３ａに設けられたスワーラ５５によって酸化剤の流れに旋回成分が与えられる。

燃料‐酸化剤供給機構５４から噴出された酸化剤および燃料は、混合して可燃混合気を形成しながら流れる。そして、レーザ光１２４が焦点１２４ａを結ぶエネルギ密度が高い位置に可燃混合気が流れると、可燃混合気が着火する。これによって、燃焼が開始する。

着火の際、燃焼器ライナ５１の出口側に流路絞り部１３０が形成されているため、燃焼器ライナ５１内の圧力は上昇する。また、燃焼器ライナ５１の出口５１ｅが広い空間を有する後部ライナ６０に連結されている場合であっても、流路絞り部１３０が形成されているため、燃焼器ライナ５１内の圧力は上昇する。この圧力の上昇は、流路絞り部１３０を備えない燃焼器ライナ５１における着火時の圧力上昇に比べて大きい。

そして、着火された燃焼器ライナ５１内の圧力と隣接する未着火の燃焼器ライナ５１内の圧力との間に差圧が生じる。この差圧によって、着火された燃焼器ライナ５１内から隣接する未着火の燃焼器ライナ５１内に火炎伝播管１４０を介して着火媒体が導かれる。未着火の燃焼器ライナ５１内の可燃混合気は、導入された着火媒体によって着火される。

そして、未着火の燃焼器ライナ５１にも流路絞り部１３０が形成されているため、着火媒体によって着火される際、燃焼器ライナ５１内の圧力は上昇する。そのため、着火媒体によって着火された燃焼器ライナ５１内の圧力と隣接する未着火の燃焼器ライナ５１内の圧力との間に差圧が生じる。この差圧によって、隣接する未着火の燃焼器ライナ５１内に火炎伝播管１４０を介して着火媒体が導かれる。未着火の燃焼器ライナ５１内の可燃混合気は、導入された着火媒体によって着火される。

このようにして、火炎伝播管１４０を介して着火媒体が伝播し、点火装置１２０によって着火されない燃焼器５０においても可燃混合気が着火される。

なお、点火装置１２０は、例えば、レーザ光１２４によって着火される燃焼器５０における燃焼が安定したところで、駆動が停止される。

図２に示すように、各燃焼器ライナ５１内において、火炎Ｆは、燃料‐酸化剤供給機構５４の下流に形成される。燃焼反応は、各燃焼器ライナ５１内において完了する。そのため、各燃焼器ライナ５１の出口５１ｅから排出される燃焼ガスは、酸素および燃料を含まず、ほぼ二酸化炭素と水蒸気で構成される。

各燃焼器５０は、一つの燃焼器ライナ５１と一つの燃料‐酸化剤供給機構５４とを備えるため、他の火炎（他の流れ場）との干渉はない。そのため、酸素および燃料を安定して燃焼させることができる。

循環配管３１から燃焼器構造体１の周囲に供給された超臨界のＣＯ_２ガスは、冷却媒体として、各燃焼器ライナ５１の導入孔５１ｃを通り、各燃焼器ライナ５１内に導入される。各燃焼器ライナ５１内に導入されたＣＯ_２ガスは、燃焼ガスとともに燃焼器ライナ５１の出口から排出され、後部ライナ６０内に流入する。

各燃焼器５０の燃焼器ライナ５１から排出された燃焼ガス（ＣＯ_２ガスを含む）は、後部ライナ６０内において一つの流れになって、整流されながら後部ライナ６０内を流れる。

また、循環配管３１から燃焼器構造体１の周囲に供給された超臨界のＣＯ_２ガスは、冷却媒体として、後部ライナ６０の導入孔６２を通り、後部ライナ６０内に導入される。後部ライナ６０内に導入されたＣＯ_２ガスは、燃焼ガスとともにスクロール７０に流入する。

スクロール７０の屈曲流路部７１に流入した燃焼ガス（ＣＯ_２ガスを含む）は、タービンロータ９７の軸方向にほぼ９０度偏流される。そして偏流された燃焼ガスは、環状流路部７２に流入する。環状流路部７２に流入した燃焼ガスは、タービンロータ９７の周方向に広がる。燃焼ガスの流れは、タービンロータ９７の周囲を囲む環状流路部７２の環状の流路内においてほぼ均一な速度分布となる。

そして、燃焼ガスは、スクロール７０の出口７３から初段の静翼９５に向けて噴出される。この際、燃焼ガスは、環状の出口から周方向に亘ってほぼ均一な速度で噴出される。なお、前述したように、燃焼器構造体１内を流れた燃焼ガスは、タービン４０に導かれ、タービン４０を稼働する。

ここで、上記した本実施の形態では、上半側に燃焼器構造体１を備えた一例を示したが、この構成に限られない。燃焼器構造体１は、上半側と下半側の双方に備えられてもよい。この場合、上半側では、燃焼器構造体１は、外部ケーシング８５および内部ケーシング９０を、例えば、鉛直上方から貫通して配置されている。下半側では、燃焼器構造体１は、外部ケーシング８５および内部ケーシング９０を、例えば、鉛直下方から貫通して配置されている。また、燃焼器構造体１を下半側のみ備える構成あってもよい。

上記したように、実施の形態の燃焼器構造体１によれば、各燃焼器ライナ５１の下流が広い空間を有する後部ライナ６０に連結されている場合においても、燃焼器ライナ５１の出口側に流路絞り部１３０を備えることで、着火の際、燃焼器ライナ５１の圧力を上昇させることができる。

これによって、着火された燃焼器ライナ５１内の圧力と隣接する未着火の燃焼器ライナ５１内の圧力との間に差圧を生じさせることができる。そのため、火炎伝播管１４０を介して、着火された燃焼器ライナ５１から未着火の燃焼器ライナ５１に確実に着火媒体を伝播させることができる。また、点火装置１２０を備えない燃焼器５０においても、流路絞り部１３０を備えることで、確実に可燃混合気に着火することができる。

このように、燃焼器構造体１では、火炎伝播管１４０によって連結された複数の燃焼器５０を備える構成であっても、最小限の燃焼器５０、すなわち一つまたは二つの燃焼器５０に点火装置を備えることで、すべての燃焼器５０の可燃混合気に確実に着火することができる。

これによって、すべての燃焼器５０に点火装置を備える燃焼器構造体に比べて、本実施の形態の燃焼器構造体１では、点火装置の故障に基づく故障確率を減少させることができる。そのため、燃焼器構造体１を備える発電プラントの信頼性や稼働効率を向上させることができる。

以上説明した実施形態によれば、ガスタービンの燃焼器において最小限の点火装置を備えて各燃焼器ライナ間の火炎伝播を確実に生じさせて着火することが可能となる。

ここで、上記した実施の形態では、作動流体として超臨界ＣＯ_２を使用したガスタービンの燃焼器構造体一例を示しているが、これに限られない。本実施の形態は、超臨界ＣＯ_２以外を作動流体とするガスタービンの燃焼器構造体にも適用することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…燃焼器構造体、５…ガスタービン設備、１０…燃料供給系統、１１…燃料配管、１２、３５…流量調整弁、２０…酸素供給系統、２１…酸素配管、２２…流量調整弁、２３…圧縮機、３０…二酸化炭素循環系統、３１…循環配管、３２…凝縮器、３３…圧縮機、３４…排出管、３６…排水管、４０…タービン、４１…発電機、４２…熱交換器、５０…燃焼器、５１…燃焼器ライナ、５１ａ、６１…上流端壁、５１ｂ…開口、５１ｃ、５７、６２…導入孔、５１ｄ…内面、５１ｅ、５２ａ、５３ａ、７３…出口、５１ｆ…内壁面、５２…燃料供給部、５３…酸化剤供給部、５４…酸化剤供給機構、５５…スワーラ、５６…連結孔、６０…後部ライナ、６３、８６、９１…貫通口、７０…スクロール、７１…屈曲流路部、７２…環状流路部、８０…ケーシング、８５…外部ケーシング、８５ａ、９０ａ…外周面、８７…溝部、９０…内部ケーシング、９２…突条部、９３…シールリング、９５…静翼、９５ａ…内側シュラウド、９５ｂ…外側シュラウド、９５ｃ…シュラウドセグメント、９６…動翼、９７…タービンロータ、９８…ロータホイール、１００…スリーブ、１０１…フランジ部、１１０…燃焼器ケーシング、１１１…ヘッドプレート、１１２…貫通孔、１２０…点火装置、１２１…管状部材、１２２…耐熱ガラス、１２３…レーザ光供給機構、１２３ａ…レーザ発振器、１２３ｂ…集光レンズ、１２４…レーザ光、１２４ａ…焦点、１３０…路絞り部、１３１…突出部、１３１ａ…最大突出部、１３２…テーパ部、１４０…火炎伝播管、Ｆ…火炎。

Claims (6)

1. ガスタービンのタービンロータの軸方向に垂直な方向から、前記ガスタービンのケーシングを貫通して配置されるガスタービン燃焼器構造体であって、
   燃料と酸化剤を燃焼させる筒状の燃焼器ライナを備える複数の燃焼器と、
   隣接する前記燃焼器ライナとの間を連結する火炎伝播管と、
   各前記燃焼器ライナの下流に備えられ、各前記燃焼器ライナから排出された燃焼ガスを集合させて下流側へ導く後部ライナと
   を備え、
   複数の前記燃焼器が、点火装置を備える前記燃焼器と、点火装置を備えない前記燃焼器とで構成され、
   各前記燃焼器ライナは、前記燃焼器ライナの出口側に流路断面積を減少させる流路絞り部を備えることを特徴とするガスタービン燃焼器構造体。
2. 前記流路絞り部は、周方向に亘って前記燃焼器ライナの中心軸側に向かって突出する環状の突出部を備えることを特徴とする請求項１記載のガスタービン燃焼器構造体。
3. 前記突出部は、前記燃焼器ライナにおける流路断面積を最小とする最大突出部を有することを特徴とする請求項２記載のガスタービン燃焼器構造体。
4. 前記突出部の突出高さは、上流側から前記最大突出部に向かって徐々に増加し、前記最大突出部から前記燃焼器ライナの出口に向かって徐々に減少することを特徴とする請求項２または３記載のガスタービン燃焼器構造体。
5. 前記流路絞り部よりも上流側の流路断面積をＡ１、前記流路絞り部の流路断面積をＡ２としたとき、流路断面積Ａ１に対する流路断面積Ａ２の割合（Ａ２／Ａ１）が０．５６以上０．８７以下であることを特徴とする請求項１記載のガスタービン燃焼器構造体。
6. 前記火炎伝播管は、前記流路絞り部よりも上流側、かつ前記燃焼器ライナ内において燃料と酸化剤の可燃混合気が形成される前記燃焼器ライナの軸方向位置に設けられることを特徴とする請求項１記載のガスタービン燃焼器構造体。

Images