JP3940705B2 - ガスタービン燃焼器及びその燃料供給方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮機から導入される燃焼用空気に燃料を混合して燃焼し、生成した燃焼ガスをガスタービンに供給するガスタービン燃焼器に係わり、特に、液体燃料及び気体燃料の何れについても燃焼することが可能なガスタービン燃焼器及びその燃料供給方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガスタービンプラントに対する更なる高出力化・高効率化が要求される機運の中、燃焼ガス温度は年々上昇する傾向にある。燃焼ガスが高温化するとガスタービン排ガス中の窒素酸化物（以下、ＮＯｘと記載する）濃度も高くなるため、ガスタービン燃焼器では、地球環境保全の観点からＮＯｘの発生を低減することが大きな課題となっている。
【０００３】
このような背景から、従来より、ノズルから高温の燃焼用空気中に燃料を噴出し、予め燃料と燃焼用空気とを均一に混合させた上で燃焼させることにより、局所的な高温燃焼ガスの発生を防止してＮＯｘ発生量を低減できる予混合燃焼方式がガスタービン燃焼器に採用されている。
【０００４】
このような予混合燃焼方式を用いたガスタービン燃焼器としては、拡散燃焼により燃焼ガスを生成するパイロット用燃料ノズルと、このパイロット用燃料ノズルの周囲に複数配置されたメイン用燃料ノズルと、流れ方向下流側に向かうにしたがって縮径するように形成され、上記メイン用燃料ノズルから噴出された燃料と導入された燃焼用空気とを混合する予混合ダクトと、この予混合ダクトから導入される予混合ガスが拡散燃焼ガスを火種にして燃焼される燃焼室とを備えたものがある（例えば、特許文献１参照。）。このガスタービン燃焼器によれば、予混合ダクトが燃焼用空気と燃料とを混合するのに充分な長さを有しているため均質な予混合ガスを生成することができ、その結果、ＮＯｘの発生量を低減できるようになっている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−２６４５３６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では以下のような課題が存在する。
すなわち、上記従来技術のガスタービン燃焼器によれば、予混合ダクトが燃焼用空気と燃料とを混合するのに充分な長さを有していることから、予混合ダクト内は混合ガスが充満した状態となるため、ダクト内での混合ガスの自発発火、又は燃焼室から予混合ダクト内への火炎の逆火が生じる恐れがある。また、燃焼器に導入される燃焼用空気は圧縮機で圧縮して生成され各流路の流下する過程において塵埃等が含まれることも少なくなく、そのため予混合ダクトに導入される燃焼用空気に塵埃等が含まれる場合も考えられ、この塵埃が可燃性物質の場合、高温の燃焼用空気によって加熱され着火することも考えられる。その場合には、上記従来構造においては予混合ダクトが下流側に向かって縮径した形状となっていることから、火炎が比較的流速の遅い予混合ダクトの上流側に保持されてしまう恐れがある。このような事態が生じた場合、予混合ダクトの過熱による変形・破損を招き、ひいてはガスタービン全体の損傷につながる恐れがある。
【０００７】
本発明は、上記従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＮＯｘ発生量を低減しつつ、逆化を防止することができるガスタービン燃焼器及びその燃料供給方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、圧縮機から導入される燃焼用空気に燃料を混合して燃焼し、生成した燃焼ガスをガスタービンに供給するガスタービン燃焼器において、燃料を噴出する第１の燃料ノズルと、この第１の燃料ノズルを中心に備え、その噴出方向に向かって拡開した中空円錐状の形状を有し、内部に混合室を形成する混合室壁と、前記燃焼用空気を前記混合室に導入しつつその導入角度を前記混合室壁の少なくとも周方向に向かって偏向させるように、前記混合室壁に穿設された複数の空気導入孔と、前記混合室壁の外周側に前記複数の空気導入孔と対向するようにそれぞれ設けられ、前記空気導入孔の軸心線とほぼ同軸方向に燃料を噴出する第２の燃料ノズルとを備えるものとする。
【０００９】
本発明のガスタービン燃焼器においては、第１の燃料ノズルから混合室内に燃料を噴出すると共に、混合室壁の外周側に複数設けた第２の燃料ノズルから空気導入孔に向かって燃料を噴出し、この燃料と圧縮機から導入される燃焼用空気とを空気導入孔から混合室内に導入する。その後、第１の燃料ノズルから噴出された燃料、第２の燃料ノズルから噴出された燃料、及び燃焼用空気を混合室内で混合し、混合室の下流側の燃焼室において燃焼させることによって、ガスタービンに供給する燃焼ガスを生成する。
【００１０】
ここで、例えば空気導入孔が第２の燃料ノズルから噴出された燃料と燃焼用空気とを予混合するのに充分な長さを有する前述の従来技術のような構造である場合には、空気導入孔内が燃料と燃焼用空気との混合ガスで充満した状態となるため、空気導入孔内での混合ガスの自発発火、又は混合室から空気導入孔内への火炎の逆火が生じる恐れがある。また、空気導入孔に導入される燃焼用空気に可燃性塵埃等が含まれる場合には、その塵埃等が燃焼用空気によって加熱されて着火する可能性があり、その結果、その塵埃等が火種になって空気導入孔内に火炎が保持されてしまう恐れがある。このような事態が生じた場合、空気導入孔の過熱による変形・破損を招き、ひいてはガスタービン全体の損傷につながる恐れがあった。
【００１１】
これに対し、本発明においては、燃焼用空気と第２の燃料ノズルから噴出された燃料とを混合室に導入する空気導入孔を中空円錐状形状の混合室壁に穿設する構造とするので、空気導入孔における混合長さは混合室壁の肉厚分しかない。したがって、空気導入孔内では燃焼用空気と燃料とが充分には混合されないので、上述した従来構造で生じうる空気導入孔内での混合気の自発発火や火炎の逆火を防止することができる。また、導入される燃焼用空気に可燃性の塵埃等が含まれる場合であっても、空気導入孔が上記従来構造のように充分な混合長さや下流側へ縮径した形状を有さないことから、塵埃等は空気導入孔内に留まらずに直ちに混合室に噴出されるので、逆火した火炎が保持されるといった事態も防止できる。このようにして、本発明によれば火炎の逆化を防止することができる。
【００１２】
次に、本発明のガスタービン燃焼器におけるＮＯｘ発生量の低減作用について説明する。
本発明においては、第２の燃料ノズルを空気導入孔と対向するように混合室壁の外周側に配置し、燃料を空気導入孔の軸心線とほぼ同軸方向に噴出するように構成する。これにより、空気導入孔内に導入された燃焼用空気及び燃料はその空気導入孔内で粗く混合され（以下、この状態の燃焼用空気及び燃料を粗混合ガスと記載する）、その後空気導入孔から混合室に噴出し、その噴出の際に発生する渦流によって混合が促進される（以下、この状態の燃焼用空気及び燃料を１次混合ガスと記載する）。
【００１３】
このとき、本発明においては、上記空気導入孔を、燃焼用空気の導入角度が混合室壁の少なくとも周方向に向かって偏向するように、混合室壁に穿設する。この結果、空気導入孔から導入された１次混合ガスは混合室の周方向に旋回する旋回作用を受け、混合室内に旋回流が発生する。この旋回流により、各空気導入孔から噴出した１次混合ガス同士が衝突されるため、燃焼用空気と第２の燃料ノズルから噴出された燃料との混合はさらに促進される。また、この旋回作用によって、混合室内では空気導入孔から導入された１次混合ガスと第１の燃料ノズルから噴出された燃料とについても充分に混合される（以下、この状態を予混合ガスと記載する）。
【００１４】
このようにして、混合室内において、第１の燃料ノズルから噴出された燃料、第２の燃料ノズルから噴出された燃料、及び燃焼用空気が充分に混合して均質な予混合ガスを生成することができるので、ＮＯｘの発生量を低減することができる。
【００１５】
以上説明したように、本発明によれば、ＮＯｘ発生量を低減しつつ、火炎の逆化を防止することができる。
【００１６】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記燃焼用空気の混合室への導入角度が前記混合室壁の軸方向位置に応じて変化するように、前記空気導入孔を前記混合室壁に設けるものとする。
本発明においては、例えば、混合室上流側では、第１の燃料ノズルの噴出位置近傍に向かって第２の燃料と燃焼用空気との同軸噴流を噴出する空気導入孔を配置し、混合室の下流側に向かうにしたがって、第２の燃料と燃焼用空気との同軸噴流が混合室の壁面に沿うように空気導入孔を配置する。具体的には、空気導入孔の軸心線と混合室壁の中心軸線とのオフセット距離をＸ、空気導入孔を設けた軸方向位置における混合室壁の内径をＤとした場合に、Ｘ／Ｄが混合室壁の軸方向下流側に行くにつれ大きくなるように、空気導入孔を混合室壁に設ける。これにより、第１の燃料ノズルで燃料を噴出する混合室上流位置ではＸ／Ｄが小さくなり、空気導入孔から噴出される１次混合ガスが混合室壁の軸心線近傍（すなわち第１の燃料ノズルの噴出位置近傍）に向かって流入するため、第１の燃料ノズルから噴出された燃料に対し１次混合ガスを略垂直方向から衝突させて、この１次混合ガスのせん断力を利用して燃料と１次混合ガスとの混合をさらに促進することができる。したがって、ＮＯｘの発生量をさらに低減することができる。
【００１７】
一方、混合室の下流位置ではＸ／Ｄが大きくなり、空気導入孔から噴出される１次混合ガスが混合室壁の内周面に沿うように流入するため、第１の燃料ノズルから噴出された燃料と空気導入孔から噴出された１次混合ガスとが混合した予混合ガスは混合室の周方向に強い旋回作用を受け、混合室の出口近傍では強い旋回流となって燃焼域に流入する。これにより、混合室の出口領域において軸心位置近傍に予混合ガスの再循環領域が形成され、安定した燃焼を行うことができる。
【００１８】
また本発明においては、このような構成とすることにより、第２の燃料ノズルから燃料を噴出せずに第１の燃料ノズルのみから燃料を噴出する場合に対応することが可能である。すなわち、例えば第１の燃料ノズルのみから液体燃料を噴出して液体燃料用ガスタービン燃焼器として用いる場合であっても、上述したように、液体燃料は混合室上流位置において略垂直方向から衝突する燃焼用空気のせん断力によって微粒化されつつその一部は蒸発して気体化され、下流に行くにしたがって微粒化及び気体化した燃料と燃焼用空気との混合は旋回流によってさらに促進されるため、混合濃度の均一な予混合燃焼を行うことが可能である。
【００１９】
（３）上記（２）において、さらに好ましくは、前記混合室上流側では、第１の燃料ノズルの噴出位置近傍に向かって第２の燃料と燃焼用空気との同軸噴流を噴出する前記空気導入孔を配置し、前記混合室の下流側に向かうにしたがって、前記混合室壁の内径に対する前記空気導入孔の軸心線と前記混合室壁の軸心線のオフセット距離が大きくなるように前記空気導入孔を配置するものとする。
【００２０】
（４）上記（１）乃至（３）いずれかにおいて、また好ましくは、前記混合室壁の拡がり角度を前記混合室壁の所定の軸方向位置からさらに大きくするものとする。
本発明によれば、例えば混合室の出口近傍位置から混合室壁の拡がり角度をさらに大きくすることにより、この出口領域において予混合ガスの軸方向速度を減速させると共に、火炎の外周側に再循環流領域を形成することができ、その結果、火炎の保炎力を増大することができる。したがって、燃焼安定性をさらに向上することができる。
【００２１】
また、先に述べたように混合室の出口領域で予混合ガスの旋回作用を強くすると軸心位置近傍に再循環領域が形成されて燃焼安定性を向上することができるが、逆にその再循環領域の形成により火炎が混合室内に逆火する可能性も考えられる。本発明によれば、上述したように燃焼安定性をさらに向上することができるので、出口領域における予混合ガスの旋回作用を弱めても燃焼安定性を維持することが可能である。したがって、旋回作用を弱めることで、燃焼安定性を維持しつつ燃焼領域から混合室内部への火炎の逆火を抑制することができる。
【００２２】
（５）上記（１）乃至（４）いずれかにおいて、また好ましくは、前記第１の燃料ノズルは気体燃料若しくは液体燃料を噴出し、前記第２の燃料ノズルは気体燃料を噴出するものとする。
【００２３】
このように構成することで、本発明のガスタービン燃焼器を、例えば第１の燃料ノズル及び第２の燃料ノズルのうち少なくとも一方から気体燃料を噴出するように運用することで気体燃料に対応したガスタービン燃焼器として用いることができ、第１の燃料ノズルのみから液体燃料を噴出するように運用することで液体燃料に対応したガスタービン燃焼器として用いることができる。また、第１の燃料ノズルから液体燃料、第２の燃料ノズルから気体燃料を噴出するように運用することで、液体燃料及び気体燃料の両方を併用することのできるガスタービン燃焼器として用いることが可能である。このようにニーズに応じて燃料の運用形態を変更することで、ガスタービンプラントに対する多様化した燃料形態のニーズに対応することが可能である。
【００２４】
（６）上記目的を達成するために、本発明は、圧縮機から導入された燃焼用空気と燃料とを混合室壁で形成される混合室で混合するガスタービン燃焼器の燃料供給方法であって、前記混合室の中心軸方向における上流側から第１の燃料を前記混合室に噴出し、前記混合室壁の外側であって前記混合室壁に設けた空気導入孔に対向する位置から第２の燃料を噴出し、前記空気導入孔から前記第２の燃料と燃焼用空気を少なくとも前記混合室壁の周方向に偏向させて前記混合室に導入する方法とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のガスタービン燃焼器及びその燃料供給方法の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
まず、本発明の第１の実施の形態を図１乃至図４を参照しつつ以下に説明する。
【００２６】
図１は、本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態の構成を側断面図で示すと共に、これを備えるガスタービンプラントの全体構成を概略的に示す概略構成図である。
この図１に示すように、ガスタービンプラントは、主として、空気を圧縮して高圧の燃焼用空気を生成する圧縮機１と、この圧縮機１から導入される圧縮空気と燃料とを混合して燃焼ガスを生成する燃焼器２と、この燃焼器２で生成された燃焼ガスが導入されるガスタービン３とから構成されている。なお、圧縮機１とガスタービン３とは連結されている。
【００２７】
上記燃焼器２は、燃焼用空気に燃料を混合する混合室４及びこの混合室４を内部に形成する混合室壁５を備えたバーナ１１と、混合室４で混合された混合ガスを燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼室６と、この燃焼室６を内部に形成する内筒７と、この内筒７からの燃焼ガスをガスタービン３に導くトランジションピース８と、これらバーナ１１、内筒７、及びトランジションピース８を内部に収納した外筒９と、この外筒９に支持され、燃焼室６内で混合ガスを点火させる点火栓１０とを備えている。このような構成により、圧縮機１からの圧縮空気は図１中矢印アに示すように混合室４内に導入されて燃料と混合され、この混合ガスが燃焼室６内で点火栓１０により点火されて燃焼し、燃焼によって生成した燃焼ガスが図１中矢印イに示すようにトランジションピース８を介してガスタービン３に噴射されてガスタービン３を駆動する。これにより、図示しないガスタービン３に連結された発電機が駆動して発電するようになっている。
【００２８】
図２はバーナ１１の詳細構造を表す側断面図である。
この図２に示すように、混合室４を形成する混合室壁５は燃焼室６方向（図２中右方向、言い換えれば後述する液体燃料ノズル１３の噴出方向）に向かって拡開した中空円錐状の形状をしており、この混合室壁５の円錐の頂点部分には混合室壁５の軸心線Ｌ１とほぼ同軸方向となるように燃焼室６の上流位置に液体燃料を噴出する液体燃料ノズル１３が設けられている。また、混合室壁５には、その周方向複数箇所及び軸心線Ｌ１方向（以下、軸方向と記載する）に複数段（本実施の形態では３段）となるように、圧縮機１からの燃焼用空気を混合室４内に導入する空気導入孔１４，１５，１６が穿設されており、軸方向上流側（図２中左側）から空気導入孔１４，１５，１６の順で配置されている。
【００２９】
混合室壁５の外周側には、上記の空気導入孔１４，１５，１６のそれぞれの上流側に気体燃料を噴出する複数の気体燃料ノズル１７が空気導入孔１４，１５，１６のそれぞれと対向するように設けられている。この気体燃料ノズル１７は、空気導入孔１４，１５，１６の軸心線Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４とほぼ同軸方向に気体燃料を噴出できるようになっている。
【００３０】
なお、上記液体燃料ノズル１３には液体燃料供給系統１８から液体燃料が供給されるようになっており、気体燃料ノズル１７には気体燃料供給系統１９から気体燃料が供給されるようになっている（図１参照）。
【００３１】
上記の空気導入孔１４，１５，１６は、燃焼用空気の混合室４への導入角度が混合室壁５の少なくとも周方向に向かって偏向するように設けられており、さらに詳しくは、混合室４の上流側では、液体燃料ノズル１３の噴出位置近傍に向かって気体燃料と燃焼用空気との同軸噴流を噴出するように配置され、混合室４の下流側に向かうにしたがって、気体燃料と燃焼用空気との同軸噴流が混合室壁５の内周面５ａに沿うように配置される。この詳細について、図３、図４、及び先の図２を用いて説明する。
【００３２】
図３は空気導入孔１４が穿設された軸方向位置における混合室壁５の横断面図（図２中III−III断面）であり、図４は空気導入孔１６が穿設された軸方向位置における混合室壁５の横断面図（図２中IV−IV断面）である。
【００３３】
これら図３及び図４において、Ｘは空気導入孔１４，１６の軸心線Ｌ２，Ｌ４と混合室壁５の軸心線Ｌ１とのオフセット距離（すなわち、軸心線Ｌ１と軸心線Ｌ２，Ｌ４のそれぞれとを双方に垂直に直交する線分で結んだ際のその線分の長さ）、Ｄは空気導入孔１４，１６が穿設された軸方向位置における混合室壁５の内径である。本実施の形態では、混合室壁５の軸方向下流側（図２中右側）に向かうにしたがってＸ／Ｄが大きくなるように、空気導入孔１４，１５，１６の周方向角度を変化させて設けている。これにより、混合室４の上流位置ではＸ／Ｄが小さくなり、図３中矢印ウに示すように空気導入孔１４から噴出される燃焼用空気は混合室壁５の軸心線Ｌ１近傍（すなわち液体燃料ノズル１３の噴出位置近傍）に向かって流入するようになっている。一方、混合室４の下流位置ではＸ／Ｄが大きくなり、図４中矢印エに示すように空気導入孔１６から噴出される燃焼用空気は混合室壁５の内周面５ａに沿うように流入するようになっている。
【００３４】
また、本実施の形態においては、空気導入孔１４，１５，１６の軸方向角度についても軸心線Ｌ１方向位置に応じて変化をつけて設けている。すなわち、図２に示すように、混合室壁５の最も上流側である空気導入孔１４についてはその軸心線Ｌ２と混合室壁５の内周面５ａとの角度α１を比較的大きくし（例えば、空気導入孔１４の軸心線Ｌ２を含む平面が軸心線Ｌ１と略垂直に交わるような角度とする）、混合室壁５の中・下流側である空気導入孔１５，１６についてはその軸心線Ｌ３，Ｌ４と混合室壁内周面５ａとの角度α２を比較的小さくしている（例えば９０°程度）。これにより、空気導入孔１４からの燃焼用空気が上述したＸ／Ｄを小さくした効果と合わせて軸心線Ｌ１に対して（すなわち液体燃料ノズル１３から噴出される液体燃料に対して）略直角に流入するようになっている。
【００３５】
また、空気導入孔１５，１６については上述したようにＸ／Ｄが比較的大きくなることから周方向の偏向量が大きく、そのため空気導入孔１５，１６の出口（混合室４側）の口径が大きくなり、上記空気導入孔１４と同様の角度α１とした場合には隣同士の導入孔出口が干渉してしまって空気導入孔１５，１６の周方向の設置数を少なくしなければならないが、本実施の形態によれば、角度をα２として空気導入孔１５，１６の軸心線Ｌ３，Ｌ４と内周面５ａとの角度を略直角として出口の径を小さくでき、これにより空気導入孔１５，１６の周方向の設置数を確保することができるようになっている。このような構成とすることで、混合室４及び混合室壁５をコンパクト化することができるようになっている。
【００３６】
以上において、液体燃料ノズル１３は特許請求の範囲各項記載の燃料を噴出する第１の燃料ノズルを構成し、気体燃料ノズル１７は空気導入孔の軸心線とほぼ同軸方向に燃料を噴出する第２の燃料ノズルを構成する。なお、気体燃料ノズル１７から噴出される気体燃料は請求項３記載の第２の燃料に相当する。
【００３７】
次に、上記構成の本発明のガスタービン燃焼器及びその燃料供給方法の第１の実施の形態により得られる作用を以下に項目ごとに順に説明する。
（１）火炎の逆火防止作用
本実施の形態においては、液体燃料ノズル１３から混合室４内に液体燃料を噴出すると共に、気体燃料ノズル１７から空気導入孔１４，１５，１６に向かって気体燃料を噴出し、この気体燃料と圧縮機１から導入される燃焼用空気とを空気導入孔１４，１５，１６から混合室４内に導入する。その後、液体燃料ノズル１３から噴出された液体燃料、気体燃料ノズル１７から噴出された気体燃料、及び燃焼用空気を混合室４内で充分に混合して均質な予混合ガスとし、混合室４の下流側の燃焼室６において燃焼させることによって、ガスタービン３に燃焼ガスを供給する。
【００３８】
ここで、例えば空気導入孔１４，１５，１６が気体燃料ノズル１７から噴出された気体燃料と燃焼用空気とを予混合するのに充分な長さを有する前述の従来技術のような構造である場合には、空気導入孔１４，１５，１６内が気体燃料と燃焼用空気との混合ガスで充満した状態となるため、空気導入孔１４，１５，１６内での混合ガスの自発発火、又は燃焼室６から混合室４を経て空気導入孔１４，１５，１６内への火炎の逆火が生じる恐れがある。また、燃焼器２に導入される燃焼用空気は圧縮機１で圧縮して生成され、各流路を流下する過程において塵埃等が含まれることも少なくない。このため、空気導入孔１４，１５，１６に導入される燃焼用空気に可燃性の塵埃等が含まれる場合には、その塵埃等が火種になって空気導入孔１４，１５，１６内に火炎が保持されてしまう恐れがある。このような事態が生じた場合、混合室壁５の過熱による変形・破損を招き、ひいてはガスタービンプラント全体の損傷につながる恐れがあった。
【００３９】
これに対し、本実施の形態においては、燃焼用空気と気体燃料ノズル１７から噴出された気体燃料とを混合して混合室４に導入する空気導入孔１４，１５，１６を混合室壁５に穿設する構造とするので、空気導入孔１４，１５，１６における混合長さは混合室壁５の肉厚分しかない。したがって、空気導入孔１４，１５，１６内では燃焼用空気と気体燃料とが充分には混合されないので、上述した従来構造で生じうる空気導入孔１４，１５，１６内での混合ガスの自発発火や火炎の逆火を防止することができる。また、導入される燃焼用空気に可燃性の塵埃等が含まれる場合であっても、空気導入孔１４，１５，１６が上記従来構造のように充分な混合長さや下流側へ縮径した形状を有さないことから、塵埃等は空気導入孔１４，１５，１６内に留まらずに直ちに混合室４内に噴出されるので、逆火した火炎が保持されるといった事態も防止できる。このようにして、本発明によれば火炎の逆化を防止することができる。
【００４０】
（２）ＮＯｘ発生量の低減作用
本実施の形態においては、気体燃料ノズル１７を空気導入孔１４，１５，１６と対向するように混合室壁５の外周側に配置し、気体燃料を空気導入孔１４，１５，１６の上流側からその軸心線Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４とほぼ同軸方向に噴出するように構成する。これにより、空気導入孔１４，１５，１６内に導入された燃焼用空気及び気体燃料は空気導入孔１４，１５，１６内で粗く混合され（以下、この状態の燃焼用空気及び気体燃料を粗混合ガスと記載する）、その後空気導入孔１４，１５，１６から混合室４内に噴出し、その噴出の際に発生する渦流によって混合が促進される（以下、この状態の燃焼用空気及び気体燃料を１次混合ガスと記載する）。なお、この渦流は、流路がステップ状に拡大する際に通常発生するものである。
【００４１】
このとき、本実施の形態においては、前述したように混合室壁５の軸方向下流側に向かうにしたがってＸ／Ｄが大きくなるように空気導入孔１４，１５，１６の周方向角度を変化させて設ける。これにより、混合室４の上流位置においては空気導入孔１４から噴出される１次混合ガスが液体燃料ノズル１３の燃料噴出位置近傍に向かって流入する。これにより、空気導入孔１４から噴出される１次燃焼ガス同士が速い速度で互いに衝突し合うため、混合がより一層促進される。一方、混合室４の中・下流位置では空気導入孔１５，１６から導入された１次混合ガスが混合室壁５の内周面５ａに沿うように流入する。これにより、混合室４内に強い旋回流が発生し、この旋回流により各空気導入孔１５，１６から噴出した１次混合ガス同士が衝突されて、混合が大幅に促進される。このようにして、空気導入孔１４，１５，１６から噴出された１次混合ガスは混合室４内において、充分に混合される。
【００４２】
一方、液体燃料用ノズル１３から噴出される液体燃料は、空気導入孔１４から噴出され略直角に衝突してくる１次混合ガスのせん断力によって微粒化され、且つその一部は蒸発して気体化するので、旋回流によって混合室４の下流に向かって流されつつ１次混合ガスとの混合が促進される（以下、この液体燃料、気体燃料、及び燃焼用空気が混合された状態を予混合ガスと記載する）。
【００４３】
このようにして、混合室４内において、液体燃料、気体燃料、及び燃焼用空気が充分に混合して均質な予混合ガスを生成することができるので、ＮＯｘの発生量を低減することができる。
【００４４】
（３）コーキング防止作用
本実施の形態によれば、混合室４上流位置ではＸ／Ｄが小さいことから、図３に示すように空気導入孔１４から噴出される１次混合ガスが混合室壁５の軸心線Ｌ１付近に向かって流入するため、この中心領域にのみ強い旋回力が作用し、混合室壁５の内周面５ａ近傍では旋回流が減衰して旋回力が比較的小さくなる。このため、液体燃料ノズル１３から噴出された液体燃料の液滴が旋回流の旋回作用によって混合室内周面５ａに衝突するのを防止できる。したがって、コーキングの発生を防止することができる。
【００４５】
また、液体燃料ノズル１３の噴出位置近傍には噴出した小さな液滴が停滞する淀み域が発生する場合がある。この淀み域が発生すると、混合室内周面５ａに液滴が付着する可能性が大きくなり、コーキングの発生の要因となる。本実施の形態によれば、上述したように１次混合ガスが周方向全域から液体燃料ノズル１３の燃料噴出位置近傍に向かって流入するため、液体燃料の液滴が混合室内周面５ａに付着しやすい上記淀み域の発生を抑制することができる。これにより、コーキングの発生を確実に防止することができる。
【００４６】
またさらに、粒径の比較的大きな液滴はその慣性力により旋回流の旋回力に逆らって混合室壁内周面５ａに衝突することが考えられるが、本実施の形態によれば、混合室内周面５ａの周方向全域にわたり空気導入孔１４，１５，１６を設けているため、内周面５ａに衝突しようとした液滴を空気導入孔１４，１５，１６から噴出される１次混合ガスにより吹き飛ばすことができる。これにより、さらに確実にコーキングの発生を防止できる。
【００４７】
なお、例えば液体燃料ノズル１３に圧力噴霧式渦巻型液体燃料ノズルを用いる場合、液体燃料ノズル１３から噴出した液滴は遠心力により軸心線Ｌ１の外周側に向かって噴出することになる。このような場合でも、本実施の形態によれば、上述したように１次混合ガスが周方向全域から液体燃料ノズル１３の燃料噴出位置近傍に向かって流入するため、噴出された液滴が外周側に拡がるのを抑制し、液滴が混合室内周面５ａに衝突するのを防止できる。さらにこの場合には、１次混合ガスによる液体燃料へのせん断力を最大限に作用させることができるため、液滴を微粒化し混合を大幅に促進させることが可能である。
【００４８】
（４）燃焼安定性の向上作用
本実施の形態によれば、混合室壁５の軸方向下流側に向かうにしたがってＸ／Ｄが大きくなるように空気導入孔１４，１５，１６の周方向角度を変化させて設ける。これにより、混合室壁５の軸方向下流位置ほどＸ／Ｄが大きくなり、混合室４の出口領域では予混合ガスが強い旋回流を生じながら燃焼領域に流入する。これにより、混合室４の出口領域ではその軸心位置近傍に再循環領域が形成されて、燃焼安定性を向上することができる。
【００４９】
次に、本発明のガスタービン燃焼器及びその燃料供給方法の第２の実施の形態を図５を参照しつつ説明する。本実施の形態は、混合室壁の軸方向長さを延長し、空気導入孔の軸方向配置を上流側に集中させたものである。
図５は本実施の形態におけるバーナの詳細構造を表す側断面図である。なお、この図５において、前述の第１の実施の形態の図２と同様の部分には同符号を付し、説明を省略する。
【００５０】
この図５に示すように、本実施の形態のバーナ１１１では、混合室壁１０５の拡がり角度を前述の第１の実施の形態における混合室壁５よりも小さくしつつ軸方向長さを長く形成し、空気導入孔１１４，１１５，１１６を混合室壁１０５の上流側に集中して設けている。これら空気導入孔１１４，１１５，１１６は、第１の実施の形態と同様に混合室壁１０５の軸方向下流側に向かうにしたがってＸ／Ｄが大きくなるように、すなわち空気導入孔１１４ではＸ／Ｄが小さく、空気導入孔１１６ではＸ／Ｄが大きくなるように周方向角度を変化させて設けている。なお、本実施の形態では、空気導入孔１１４，１１５，１１６の軸方向角度については軸心線Ｌ５方向位置に応じて変化をつけず、空気導入孔１１４，１１５，１１６の軸心線（図示せず）を含む平面が軸心線Ｌ５とそれぞれ略垂直に交わるような角度としている。
【００５１】
また、これら空気導入孔１１４，１１５，１１６のそれぞれの上流側には気体燃料を噴出する複数の気体燃料ノズル１１７が空気導入孔１１４，１１５，１１６のそれぞれと対向するように設けられており、第１の実施の形態と同様にこれら空気導入孔１１４，１１５，１１６の軸心線（図示せず）とほぼ同軸方向に気体燃料を噴出できるようになっている。
【００５２】
また、混合室壁１０５の内周面１０５ａの軸心線Ｌ５に対する拡がり角度を混合室４の上・中流側では比較的小さいα３、下流側では比較的大きいα４となるようにし、出口領域で拡がり角度が大きくなるように形成している。
【００５３】
以上のように構成した本実施の形態によれば、前述した第１の実施の形態と同様に、火炎の逆化防止、ＮＯｘ発生量の低減、コーキング防止、燃焼安定性の向上作用をそれぞれ得ることができると共に、さらに以下のような作用を得ることができる。
【００５４】
（５）燃焼安定性のさらなる向上作用
本実施の形態においては、混合室壁１０５をその内周面１０５ａの軸心線Ｌ５に対する拡がり角度が出口領域で大きくなるように形成しているので、この出口領域において予混合ガスの軸方向速度を減速させると共に、火炎の外周側に再循環流領域（図５中Ｔに示す部分）を形成することができ、その結果、火炎の保炎力を増大して例えば火炎の軸方向の不安定振動等を防止することができる。したがって、燃焼安定性をさらに向上することができる。
【００５５】
（６）火炎の逆火のさらなる防止作用
本実施の形態によれば、前述の第１の実施の形態と同様に空気導入孔１１４，１１５，１１６内への火炎の逆火を防止することが可能であるが、第１の実施の形態及び本実施の形態のように混合室４，１０４内に旋回流を形成すると、混合室出口領域において旋回流の中心部（軸心線Ｌ１，Ｌ５部）に再循環領域が発生することにより燃焼安定性を向上することはできるが、場合によっては燃焼領域から混合室４，１０４内へ火炎が戻る可能性がある。
【００５６】
ここで、上記（５）で述べたように、本実施の形態によれば燃焼安定性をさらに向上することができるので、出口領域における予混合ガスの旋回力を弱めても燃焼安定性を第１の実施の形態と同程度に保持することが可能である。すなわち、各空気流入孔１１４，１１５，１１６のＸ／Ｄを小さく設定して出口領域での旋回流を弱め、再循環領域の形成を弱めて火炎の戻りを抑制した上で、出口領域での拡がり角度α４を大きくして火炎の保炎力を増大して燃焼安定性を維持すると言った具合に、Ｘ／Ｄ及び出口拡がり角度α４を調整することにより予混合ガスの旋回力と軸方向速度とのバランスを調整して、燃焼安定性を維持しつつ燃焼領域から混合室１０４内部への火炎の逆火を抑制することができる。したがって、火炎の逆火をさらに防止することができる。
【００５７】
（７）ＮＯｘ発生量のさらなる低減作用
本実施の形態によれば、混合室壁１０５の軸方向長さを比較的長く形成して空気導入孔１１４，１１５，１１６を上流側に集中して配置することで、混合室１０４での混合距離が長くすることができる。これにより、各空気流入孔１１４，１１５，１１６から噴出した１次混合ガス（気体燃料と燃焼用空気）同士の混合を一層促進することができると共に、混合距離が長くなる分液体燃料ノズル１１３から噴出した液体燃料が蒸発する割合も多くなり、液体燃料と１次混合ガスとの混合についてもさらに促進してより均質な予混合ガスを生成することができる。したがって、ＮＯｘの発生量をさらに低減することができる。
【００５８】
（８）燃焼振動の発生の抑制作用
本実施の形態は、予混合ガスを生成するための混合距離を長くしているので、前述した第１の実施の形態よりも比較的予混合燃焼に近い燃焼特性を実現できる。このような予混合燃焼を行う場合、燃焼器２内部の圧力（すなわち混合室１０４及び燃焼室６内の圧力）が周期的に変化する燃焼振動が発生する場合がある。この燃焼振動にはいくつかの振動モードが存在し、燃焼状態によって特定の振動モードが励起されると燃焼振動の圧力振幅が増大する。燃焼振動の圧力振幅が大きくなると、燃焼器２を構成する部品の摺動面が磨耗するため、燃焼振動の発生を防止することは重要である。
【００５９】
本実施の形態のようなガスタービンプラントの場合、一般に燃焼器２内の圧力とガスタービン３内の圧力とが一定の圧力比になると、燃焼ガスの流速が第１段静翼スロート部３０（図１参照）において音速に達する。このように流体の流れが音速に達すると音響学的には音波が伝播しない固体壁とみなされるため、本実施の形態においては、燃焼器２の両端（すなわち上記第１段静翼スロート部３０と燃焼器２入口部）を境界条件とする振動モードが発生する可能性があり、この場合、圧力波は第１段静翼スロート部３０ともう一方の反射端となる燃焼器２入口部との間で反射が繰り返されて、定常波が形成されて圧力振幅が大きくなる恐れがある。
【００６０】
本実施の形態においては、一方の反射端となる燃焼器２入口部に反射率の小さい中空円錐形状の混合壁１０５を設置しているため、圧力波が混合壁１０５に進行しても圧力波にダンピング作用を及ぼして燃焼振動の発生を抑制することができる。なお、この燃焼振動の発生の抑制作用は前述した第１の実施の形態においても得られるものである。
【００６１】
次に、本発明のガスタービン燃焼器及びその燃料供給方法の第３の実施の形態を図６を参照しつつ説明する。本実施の形態は、液体燃料ノズルの周りに燃焼用空気を導入するようにしたものである。
図６は本実施の形態のバーナの詳細構造を表す側断面図である。なお、この図６において、前述の第２の実施の形態の図５と同様の部分には同符号を付し、説明を省略する。
【００６２】
この図６に示すように、本実施の形態のバーナ１１１′では、液体燃料用ノズル１１３の径方向外周側に燃焼用空気の一部を流すことが可能な流路２２０を設け、この流路２２０の出口部分に旋回器２２１を設ける。これにより、流路２２０を流れて混合室１０４内に流入する燃焼用空気に旋回力を与え、旋回流を生じさせるようになっている。
【００６３】
以上のような構成の本実施の形態によれば、前述した第２の実施の形態と同様の作用を得ることができると共に、さらに以下の作用をも得ることができる。
すなわち、第１の実施の形態における作用（３）で述べたように、前述の第１及び第２の実施の形態では１次混合ガスが周方向全域から液体燃料ノズル１３，１１３の燃料噴出位置近傍に向かって流入するため、液体燃料の液滴が付着しやすい淀み域の発生を抑制することができるが、淀み域の発生を完全に防止できる訳ではなく、燃料噴出位置近傍における噴出した１次混合ガスが当たらない部分に淀み域が発生する可能性がある。
【００６４】
本実施の形態においては、上述したように液体燃料ノズル１１３の周囲から液体燃料の噴出方向と同方向（すなわち軸方向）に燃焼用空気を旋回させて噴出する。これにより、液体燃料ノズル１１３の燃料噴出位置近傍には軸方向及び径方向の両方から燃焼用空気を衝突することが可能となり、淀み域の発生を防止することができる。これにより、コーキングの発生を一層確実に防止することができる。
【００６５】
なお、以上説明してきた本発明の第１乃至第３の実施の形態においては、液体燃料ノズル１３，１１３及び気体燃料ノズル１７，１１７について特に記載しなかったが、例えば液体燃料ノズル１３，１１３としては圧力噴霧式の渦巻型ノズル（シングルオリフィス型、又はダブルオリフィス型のどちらでもよい）、圧力噴霧式の衝突型ノズル、又は噴霧空気式ノズル等、いかなる噴霧方式の液体燃料ノズルを用いてもよい。また、いずれの実施の形態においても液体燃料ノズル１３，１１３を１個しか設置しなかったが、これに限らず、１つの混合室に対して複数の液体燃料ノズルを設けるようにしてもよい。
【００６６】
一方、気体燃料ノズル１７，１１７については、各空気流入孔に略同軸方向に気体燃料を供給できるものであれば、どのような方式のノズルでもよい。また、複数の空気流入孔のうち特定の空気流入孔に供給する気体燃料流量を制御又は遮断等しても構わない。
【００６７】
また、以上説明してきた本発明の第１乃至第３の実施の形態においては、液体燃料ノズル１３，１１３及び気体燃料ノズル１７，１１７の両方から燃料を噴出して液体燃料及び気体燃料の両方を併用することのできるガスタービン燃焼器として使用するようにしたが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、例えば液体燃料ノズル１３，１１３のみから液体燃料を噴出するように運用することで液体燃料のみを用いたガスタービン燃焼器として用いることができ、また、液体燃料ノズル１３，１１３を例えば気体・液体燃料の双方を噴出可能なデュアル燃料ノズルとし、このデュアル燃料ノズル及び気体燃料ノズル１７，１１７のうち少なくとも一方から気体燃料を噴出するように運用することで気体燃料のみを用いたガスタービン燃焼器として用いることができる。このようにニーズに応じて燃料の運用形態を変更することで、ガスタービンプラントに対する多様化した燃料形態のニーズに対応することが可能である。
【００６８】
次に、本発明のガスタービン燃焼器及びその燃料供給方法の第４の実施の形態を図７を参照しつつ説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態のバーナをパイロットバーナとして中心部に設け、第２の実施の形態のバーナをメインバーナとしてパイロットバーナの周囲に複数配置し、これらを組み合わせて燃焼器に設けたものである。
【００６９】
図７は本実施の形態における燃焼器の入口部分を拡大して示す側断面図である。なお、この図７において、前述の第１及び第２の実施の形態の図２及び図５と同様の部分には同符号を付し、説明を省略する。
【００７０】
この図７に示すように、本実施の形態では、燃焼室６の入口において、第１の実施の形態で示したバーナ１１をパイロットバーナとして中心部に設け、第２の実施の形態で示したバーナ１１１をメインバーナとしてパイロットバーナの周囲に複数配置している。また、これらパイロットバーナ１１の出口部と各メインバーナ１１１の出口部との間にはプレート３１をそれぞれ設け、火炎の保炎を補助するようになっている。なお、パイロットバーナ１１の液体燃料ノズル１３には液体燃料供給系３８、気体燃料ノズル１７には気体燃料系３９が、メインバーナ１１１の液体燃料ノズル１１３には液体燃料供給系４０、気体燃料ノズル１１７には気体燃料系４１が接続されている。
【００７１】
すなわち、第１の実施形態で示したバーナ１１は、第２の実施形態のバーナ１１１に比べて混合室壁５の拡がり角度が比較的大きく軸方向の混合距離が短く形成されており、空気導入孔１４，１５，１６が混合室壁５の上・中・下流側全体に渡って設けられているので、火炎が混合室４内に接近しても混合室壁５の温度上昇を抑制することができる。したがって、燃焼空気流量に対する燃料（液体燃料又は気体燃料、あるいは液体燃料及び気体燃料）流量の質量流量比（いわゆる燃空比）を高く設定することができ、バーナ１１１と比べて拡散燃焼に近い燃焼状態で安定燃焼を行うことが可能である。このため、本実施の形態では上記したようにバーナ１１をパイロットバーナとし、燃空比や燃焼ガスの流量変化の激しいガスタービンプラントの起動・昇速時から点火して用いるようにする。
【００７２】
一方、第２の実施形態のバーナ１１１はバーナ１１に比べて軸方向の混合距離が長く予混合燃焼に近い燃焼特性を有するため、燃焼安定範囲が狭くなる。したがって、本実施の形態では上記したようにバーナ１１１をメインバーナとし、燃焼用空気の流量変化が小さくなるガスタービンプラントの低負荷時（上記起動・昇速時を終えた状態）から点火して、定負荷状態となったらバーナ１１１の燃焼割合を増加させるように運用することで、ＮＯｘ発生量の低減を図ることができる。
【００７３】
以上のように構成した本実施の形態によれば、異なった燃焼特性を有するバーナ１１とバーナ１１１とを組み合わせて用いることにより、ガスタービンの起動・昇速時から定負荷領域までの広い負荷変動の範囲に渡って安定燃焼を行うことが可能となる。
【００７４】
なお、上記本発明の第４の実施の形態においては、パイロットバーナとメインバーナとに別構造のバーナを用いるようにしたが、これに限らず、同じ構造のバーナを用いるようにしてもよい。すなわち、第１の実施の形態のバーナ１１は燃料流量を制御するだけで拡散燃焼状態から予混合燃焼状態まで変化させることが可能であるので、例えばバーナ１１をパイロットバーナとメインバーナの両方に用いるようにしてもよい。これによっても上記第４の実施の形態と同様の効果を得ることが可能である。
【００７５】
【発明の効果】
本発明によれば、燃焼用空気と第２の燃料ノズルから噴出された燃料とを混合室に導入する空気導入孔を中空円錐状形状の混合室壁に穿設して混合距離を短くする構造とするので、空気導入孔内では燃焼用空気と燃料とが充分には混合されず、空気導入孔内での混合気の自発発火や火炎の逆火を防止することができる。また、導入される燃焼用空気に塵埃等が含まれる場合であっても空気導入孔から混合室に直ちに噴出することができるので、逆火した火炎が保持されることも防止できる。したがって、ＮＯｘ発生量を低減しつつ、火炎の逆化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態の構成を側断面図で示すと共に、これを備えるガスタービンプラントの全体構成を概略的に示す概略構成図である。
【図２】本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態を構成するバーナの詳細構造を表す側断面図である。
【図３】本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態を構成するバーナにおける、図２中III−III断面による混合室壁の横断面図である。
【図４】本発明のガスタービン燃焼器の第１の実施の形態を構成するバーナにおける、図２中IV−IV断面による混合室壁の横断面図である。
【図５】本発明のガスタービン燃焼器の第２の実施の形態を構成するバーナの詳細構造を表す側断面図である。
【図６】本発明のガスタービン燃焼器の第３の実施の形態を構成するバーナの詳細構造を表す側断面図である。
【図７】本発明のガスタービン燃焼器の第４の実施の形態の入口部分を拡大して示す側断面図である。
【符号の説明】
１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ ガスタービン
４ 混合室
５ 混合室壁
１３ 液体燃料ノズル（第１の燃料ノズル）
１４ 空気導入孔
１５ 空気導入孔
１６ 空気導入孔
１７ 気体燃料ノズル（第２の燃料ノズル）
１０４ 混合室
１０５ 混合室壁
１１３ 液体燃料ノズル（第１の燃料ノズル）
１１４ 空気導入孔
１１５ 空気導入孔
１１６ 空気導入孔
１１７ 気体燃料ノズル（第２の燃料ノズル）
Ｌ１ 軸心線
Ｌ２ 軸心線
Ｌ３ 軸心線
Ｌ４ 軸心線
Ｌ５ 軸心線

Claims (6)

1. 圧縮機から導入される燃焼用空気に燃料を混合して燃焼し、生成した燃焼ガスをガスタービンに供給するガスタービン燃焼器において、
   燃料を噴出する第１の燃料ノズルと、
   この第１の燃料ノズルを中心に備え、その噴出方向に向かって拡開した中空円錐状の形状を有し、内部に混合室を形成する混合室壁と、
   前記燃焼用空気を前記混合室に導入しつつその導入角度を前記混合室壁の少なくとも周方向に向かって偏向させるように、前記混合室壁に穿設された複数の空気導入孔と、
   前記混合室壁の外周側に前記複数の空気導入孔と対向するようにそれぞれ設けられ、前記空気導入孔の軸心線とほぼ同軸方向に燃料を噴出する第２の燃料ノズルとを備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 請求項１記載のガスタービン燃焼器において、前記燃焼用空気の混合室への導入角度が前記混合室壁の軸方向位置に応じて変化するように、前記空気導入孔を前記混合室壁に設けたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
3. 請求項２記載のガスタービン燃焼器において、前記混合室上流側では、第１の燃料ノズルの噴出位置近傍に向かって第２の燃料と燃焼用空気との同軸噴流を噴出する前記空気導入孔を配置し、前記混合室の下流側に向かうにしたがって、前記混合室壁の内径に対する前記空気導入孔の軸心線と前記混合室壁の軸心線のオフセット距離が大きくなるように前記空気導入孔を配置することを特徴とするガスタービン燃焼器。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項記載のガスタービン燃焼器において、前記混合室壁の拡がり角度を前記混合室壁の所定の軸方向位置からさらに大きくしたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項記載のガスタービン燃焼器において、前記第１の燃料ノズルは気体燃料若しくは液体燃料を噴出し、前記第２の燃料ノズルは気体燃料を噴出することを特徴とするガスタービン燃焼器。
6. 圧縮機から導入された燃焼用空気と燃料とを混合室壁で形成される混合室で混合するガスタービン燃焼器の燃料供給方法であって、
   前記混合室の中心軸方向における上流側から第１の燃料を前記混合室に噴出し、前記混合室壁の外側であって前記混合室壁に設けた空気導入孔に対向する位置から第２の燃料を噴出し、前記空気導入孔から前記第２の燃料と燃焼用空気を少なくとも前記混合室壁の周方向に偏向させて前記混合室に導入することを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料供給方法。

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