JP4486549B2 - ガスタービンの燃焼器 - Google Patents
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Description
図12に示すように、このガスタービンの燃焼器10は、燃焼器ケーシング11に環状に複数個配置されている(図12では1個のみ示している)。燃焼器ケーシング11とガスタービンケーシング12には圧縮空気が充満し、車室13を形成する。この車室13には、圧縮機により圧縮された空気が導入される。導入された圧縮空気は、燃焼器10の上流部に設けられた空気流入口14から、燃焼器10の内部に入る。燃焼器10の内筒15の内部では、燃料ノズル16から供給された燃料と圧縮空気が混合されて燃焼する。燃焼によって生じた燃焼ガスは、尾筒17を通ってタービン室側へ供給され、タービンロータを回転させる。
このため、予混合燃料ノズル16aから噴射された燃料は、スワラー18により旋回流となった空気と予混合され、内筒15内で燃焼する。
このように部分負荷時において、従来技術では、燃空比F/Aが低くなり過ぎてしまうことがあり、この場合には、COやUHCの発生量が増えてしまう。また、このように燃空比F/Aが低い、即ち燃料濃度が低いため、燃焼効率が悪化してしまう。
燃料ノズルと、
前記燃料ノズルの外周面の周方向に沿う複数箇所に、前記燃料ノズルの軸方向に沿う状態で配置されており、燃料ノズルの周囲で燃料ノズルの軸方向に沿い流通する空気を旋回させるため、この空気の流れの上流側から下流側に向かうに従い次第に湾曲している旋回翼とを備えた燃焼バーナーを有するガスタービンの燃焼器において、
前記各旋回翼にそれぞれ形成されて燃料を噴射する噴射孔と、
各旋回翼に個別に燃料を供給する燃料通路と、
各燃料通路に備えられた弁と、
前記弁の開閉制御をする制御部とを有し、
前記制御部は、
ガスタービンが全負荷状態の時には、前記弁を全て開状態とし、
ガスタービンが部分負荷状態になった時には、前記弁のうちの特定のものの開度を負荷に応じて制御し、残りの弁を閉とすることを特徴とする。
燃料ノズルと、
前記燃料ノズルの外周面の周方向に沿う複数箇所に、前記燃料ノズルの軸方向に沿う状態で配置されており、燃料ノズルの周囲で燃料ノズルの軸方向に沿い流通する空気を旋回させるため、この空気の流れの上流側から下流側に向かうに従い次第に湾曲している旋回翼とを備えた燃焼バーナーを有するガスタービンの燃焼器において、
前記各旋回翼にそれぞれ形成されて燃料を噴射する噴射孔と、
各旋回翼に個別に燃料を供給する燃料通路と、
各燃料通路に備えられた弁と、
前記弁の開閉制御をする制御部とを有し、
前記制御部は、
ガスタービンが全負荷状態の時には、前記弁を全て開状態とし、
ガスタービンが部分負荷状態になった時には、周方向に並んで隣接した特定枚数の旋回翼に形成された噴射孔に燃料を供給する燃料通路に備えられている弁の開度を負荷に応じて制御し、残りの弁を閉とすることを特徴とする。
燃料ノズルと、
前記燃料ノズルの外周面の周方向に沿う複数箇所に、前記燃料ノズルの軸方向に沿う状態で配置されており、燃料ノズルの周囲で燃料ノズルの軸方向に沿い流通する空気を旋回させるため、この空気の流れの上流側から下流側に向かうに従い次第に湾曲している旋回翼とを備えた燃焼バーナーを複数本有するガスタービンの燃焼器において、
前記各旋回翼の内周側と外周側に形成されて燃料を噴射する内周側の噴射孔及び外周側の噴射孔と、
各旋回翼に形成された内周側の噴射孔及び外周側の噴射孔に個別に燃料を供給する燃料通路と、
各燃料通路に備えられた弁と、
前記弁の開閉制御をする制御部とを有し、
前記制御部は、複数の各燃焼バーナーに対して、
ガスタービンが全負荷状態の時には、前記弁を全て開状態とし、
ガスタービンが部分負荷状態になった時には、内周側の噴射孔に燃料を供給する燃料通路に備えられている弁の開度を負荷に応じて制御し、外周側の噴射孔に燃料を供給する燃料通路に備えられている弁を閉とすることを特徴とする。
燃料ノズルと、
前記燃料ノズルの外周面の周方向に沿う複数箇所に、前記燃料ノズルの軸方向に沿う状態で配置されており、燃料ノズルの周囲で燃料ノズルの軸方向に沿い流通する空気を旋回させるため、この空気の流れの上流側から下流側に向かうに従い次第に湾曲している旋回翼とを備えた燃焼バーナーを複数本有するガスタービンの燃焼器において、
前記各旋回翼に形成されて燃料を噴射する噴射孔及び前記燃料ノズルに形成されて燃料を噴射する噴射孔と、
各旋回翼に形成された噴射孔及び前記燃料ノズルに形成された噴射孔に個別に燃料を供給する燃料通路と、
各燃料通路に備えられた弁と、
前記弁の開閉制御をする制御部とを有し、
前記制御部は、複数の各燃焼バーナーに対して、
ガスタービンが全負荷状態の時には、前記弁を全て開状態とし、
ガスタービンが部分負荷状態になった時には、前記燃料ノズルに形成された噴射孔に燃料を供給する燃料通路に備えられている弁の開度を負荷に応じて制御し、前記旋回翼に形成された噴射孔に燃料を供給する燃料通路に備えられている弁を閉とすることを特徴とする。
上述のガスタービンの燃焼器において、
前記旋回翼の平均反り線に対して前記旋回翼の後縁で接する接線と、前記燃料ノズルの軸方向に沿う軸線とでなす角度が、前記旋回翼の後縁の内周側では0〜10度になっており、前記旋回翼の後縁の外周側では、前記旋回翼の後縁の内周側の角度よりも大きい角度になっていることを特徴とする。
上述のガスタービンの燃焼器において、
前記旋回翼の平均反り線に対して前記旋回翼の後縁で接する接線と、前記燃料ノズルの軸方向に沿う軸線とでなす角度が、前記旋回翼の後縁の内周側では0〜10度になっており、前記旋回翼の後縁の外周側では25〜35度になっていることを特徴とする。
なお本願発明者は、燃料ノズルの外周面に旋回翼(スワラーベーン)を備えた、新規な構成となっているガスタービンの予混合燃焼バーナーの開発をした。開発した新規な予混合燃焼バーナーは、燃料を十分に混合して均一濃度の燃料ガスとすることができると共に、燃料ガスの流速を均一にして逆火の防止を確実に図ることができる。
以下の実施例では、この新規な予混合燃焼バーナーを採用した燃焼器に、本願発明を適用した実施例について説明する。
図1に示すように、本発明の実施例1に係るガスタービンの燃焼器500では、パイロット燃焼バーナー200の周囲を囲む状態で、予混合燃焼バーナー100が複数個(例えば8個)配置されている。パイロット燃焼バーナー200には、図示は省略するが、パイロット燃焼ノズルが組み込まれている。
周方向に並んで複数配置された(例えば8個)の予混合燃焼バーナー100と、1本のパイロット燃焼バーナー200により、1つの燃焼器500が構成され、ガスタービンにはこのように構成された燃焼器500が複数設置される。
この空気通路111には、その上流側(図1では左側)から下流側(図1では右側)に向かい、圧縮空気Aが流通する。
なお図1では、理解を容易にするため、周方向に沿う角度0度と角度180度の位置に配置した2枚の旋回翼130のみを示している(図1の状態では、実際には合計で4枚の旋回翼が見える)。
このため、隣接する旋回翼131で見ると、隣接する一方の旋回翼131の翼腹面132aに形成された噴射孔133aの位置と、隣接する他方の旋回翼131の翼背面132bに形成された噴射孔133bとの位置とが、位置ズレしている。
このため、各噴射孔133a、133bから空気通路111に向かって燃料が噴射される。このとき、噴射孔133aの配置位置と噴射孔133bの配置位置が位置ズレしているため、噴射孔133aから噴射された燃料と、噴射孔133bから噴射された燃料とが干渉(衝突)することはない。
噴射された燃料は、空気A(a)と混合されて燃料ガスとなり、内筒の内部空間に送られて燃焼する。
(1)概略的に言うと、各旋回翼130は、圧縮空気Aを旋回させることができるように、上流側から下流側に向かうに従い次第に湾曲している。
(2)軸方向(燃料ノズル110の長手方向)に関しては、上流側から下流側に向かうに従い湾曲が大きくなっている。
(3)旋回翼130の後縁では、径方向(燃料ノズル110の半径方向(放射方向))に関して、内周側よりも外周側に向かうに従い湾曲が大きくなっている。
図5において、点線は旋回翼130の内周側(最内周面)での翼形状(翼断面形状)を示しており、実線は旋回翼130の外周側(最外周面)での翼形状(翼断面形状)を示している。
点線で示す内周側の翼形状において、平均反り線(骨格線)をL11、この平均反り線L11に対して旋回翼の後縁で接する接線をL12としている。
実線で示す外周側の翼形状において、平均反り線(骨格線)をL21、この平均反り線L21に対して旋回翼の後縁で接する接線をL22としている。
燃料ノズル110の軸方向に沿う軸線をL0としている。
(a)内周側の角度を0〜10度にし、
(b)外周側の角度を25〜35度にする、
ことが「最適」であることが究明された。
ここでいう「最適」とは、
(i)空気通路111の内周側であっても外周側であっても、空気A(a)の流速が均一となってフラッシュバック(逆火)の発生を防止でき、
(ii)空気通路111の内周側であっても外周側であっても、燃料濃度が均一となることを意味する。
仮に、平均反り線に接する接線と、軸線とでなす角度を、内周側と外周側で同じにしたとすると、内周側から外周側に向かう流線(空気流れ)が発生する。この結果、空気通路111の内周側で流通(軸方向に沿い流通)する空気A(a)の流速が遅くなり、空気通路111の外周側で流通(軸方向に沿い流通)する空気A(a)の流速が速くなる。このようにして、内周側での空気流速が遅くなると、内周側においてフラッシュバックが発生する恐れがある。
空気通路111の周方向長さは、内周側で短く、外周側で長い。本願発明では、平均反り線に接する接線と、軸線とでなす角度は、内周側から外周側に向かうに従い大きくなるので、圧縮空気Aに対して旋回を付与する力(効果)は、周長の短い内周側よりも、周長の長い外周側ほど強くなる。この結果、単位長さ当たりでは、内周側でも外周側でも、圧縮空気Aに対する旋回付与力が均一となり、内周側でも外周側でも燃料濃度が均一となるのである。
(a)内周側の角度を0〜10度に特定し、
(b)外周側の角度を25〜35度に特定した理由を、
実験結果を示す特性図である図6及び図7を参照して説明する。なお図6及び図7において示す「角度」は、平均反り線に対して旋回翼の後縁で接する接線と軸線とでなす角度である。
また、図6から分かるように、外周側の角度が25度以上において、流速の翼高さ方向の分布が一様となるのは、内周側の角度が0〜10度、外周側の角度が25〜35度である。
(a)内周側の角度を0〜10度にし、
(b)外周側の角度を25〜35度にすることにより、
(i)空気通路111の内周側であっても外周側であっても、空気A(a)の流速が均一となってフラッシュバック(逆火)の発生を防止でき、
(ii)空気通路111の内周側であっても外周側であっても、燃料濃度を均一にすることができることが分かる。
旋回翼130の翼背面132bは負圧で、翼腹面132aは正圧であり、翼背面132bと翼腹面132aとの間に圧力差がある。このため、クリアランス121を通って、翼腹面132aから翼背面132bに回り込む、空気の漏れ流れが生ずる。この漏れ流れと、空気通路111内を軸方向に流通する圧縮空気Aとが作用して、渦空気流が発生する。この渦空気流により、噴射孔133a、133bから噴射された燃料と、空気とがより効果的に混合され、燃料ガスの均一化が促進される。
次に本実施例1における、燃料通路の配置状態及びステージング制御手法について説明する。
なお以降の説明では、個々の予混合燃焼バーナーを区別する場合には、符号として100A,100B,100C,100D,100E,100F,100G,100Hを用い、各予混合燃焼バーナーを区別することなく示す場合には符号として100を用いる。
ここでは、
(a)予混合燃焼バーナー100Aに備えられた6枚の旋回翼を、符号130A1,130A2,130A3,130A4,130A5,130A6とし、
(b)予混合燃焼バーナー100Bに備えられた6枚の旋回翼を、符号130B1,130B2,130B3,130B4,130B5,130B6とし、
(c)予混合燃焼バーナー100Cに備えられた6枚の旋回翼を、符号130C1,130C2,130C3,130C4,130C5,130C6とし、
(d)予混合燃焼バーナー100Dに備えられた6枚の旋回翼を、符号130D1,130D2,130D3,130D4,130D5,130D6とし、
(e)予混合燃焼バーナー100Eに備えられた6枚の旋回翼を、符号130E1,130E2,130E3,130E4,130E5,130E6とし、
(f)予混合燃焼バーナー100Fに備えられた6枚の旋回翼を、符号130F1,130F2,130F3,130F4,130F5,130F6とし、
(g)予混合燃焼バーナー100Gに備えられた6枚の旋回翼を、符号130G1,130G2,130G3,130G4,130G5,130G6とし、
(h)予混合燃焼バーナー100Hに備えられた6枚の旋回翼を、符号130H1,130H2,130H3,130H4,130H5,130H6として、各旋回翼を区別して示す。
なお、各旋回翼を区別することなく示す場合には符号130を用いる。
なお、パイロット燃焼バーナー200にも燃料供給がされるが、パイロット燃焼バーナー200に燃料を供給する燃料通路は図示省略している。
なお、各弁を区別することなく示す場合には符号300を用いる。
なお上述した制御部310によるステージング制御は一例であり、部分負荷のときに、隣接して並んだグループとする旋回翼(つまり燃料を噴射する旋回翼)の枚数を変更することもできる。
また部分負荷のときに燃料を噴射する複数の旋回翼130を、上述した実施例では周方向に隣接したグループのものとしているが、周方向に1つ飛びとなった旋回翼130から燃料を噴射するようにすることも可能である。
この実施例2においても、部分負荷となったときに、複数の予混合燃焼バーナー100は、バーナー全体として見ると休止することなく燃焼運転しているが、個々の予混合燃焼バーナー100に着目すると、複数の旋回翼130の一部からのみ燃料を噴射するようにしている。
110 燃料ノズル
111 空気通路
120 バーナー筒
121 クリアランス
130 旋回筒
131 クリアランス設定用リブ
132a 翼腹面
132b 翼背面
133a,133b,133c,133d 噴射孔
200 パイロット燃焼バーナー
300A1〜300A6,300B1〜300B6,300C1〜300C6,300D1〜300D6,300E1〜300E6,300F1〜300F6,300G1〜300G6,300H1〜300H6,300c,300d 弁
310、320 制御部
500,520 燃焼器
L,LA1〜LA6,LB1〜LB6,LC1〜LC6,LD1〜LD6,LE1〜LE6,LF1〜LF6,LG1〜LG6,LH1〜LH6 燃料通路
A 圧縮空気
a 旋回空気流
u 渦空気流
Claims (6)
- 燃料ノズルと、
前記燃料ノズルの外周面の周方向に沿う複数箇所に、前記燃料ノズルの軸方向に沿う状態で配置されており、燃料ノズルの周囲で燃料ノズルの軸方向に沿い流通する空気を旋回させるため、この空気の流れの上流側から下流側に向かうに従い次第に湾曲している旋回翼とを備えた燃焼バーナーを有するガスタービンの燃焼器において、
前記各旋回翼にそれぞれ形成されて燃料を噴射する噴射孔と、
各旋回翼に個別に燃料を供給する燃料通路と、
各燃料通路に備えられた弁と、
前記弁の開閉制御をする制御部とを有し、
前記制御部は、
ガスタービンが全負荷状態の時には、前記弁を全て開状態とし、
ガスタービンが部分負荷状態になった時には、前記弁のうちの特定のものの開度を負荷に応じて制御し、残りの弁を閉とすることを特徴とするガスタービンの燃焼器。 - 燃料ノズルと、
前記燃料ノズルの外周面の周方向に沿う複数箇所に、前記燃料ノズルの軸方向に沿う状態で配置されており、燃料ノズルの周囲で燃料ノズルの軸方向に沿い流通する空気を旋回させるため、この空気の流れの上流側から下流側に向かうに従い次第に湾曲している旋回翼とを備えた燃焼バーナーを有するガスタービンの燃焼器において、
前記各旋回翼にそれぞれ形成されて燃料を噴射する噴射孔と、
各旋回翼に個別に燃料を供給する燃料通路と、
各燃料通路に備えられた弁と、
前記弁の開閉制御をする制御部とを有し、
前記制御部は、
ガスタービンが全負荷状態の時には、前記弁を全て開状態とし、
ガスタービンが部分負荷状態になった時には、周方向に並んで隣接した特定枚数の旋回翼に形成された噴射孔に燃料を供給する燃料通路に備えられている弁の開度を負荷に応じて制御し、残りの弁を閉とすることを特徴とするガスタービンの燃焼器。 - 燃料ノズルと、
前記燃料ノズルの外周面の周方向に沿う複数箇所に、前記燃料ノズルの軸方向に沿う状態で配置されており、燃料ノズルの周囲で燃料ノズルの軸方向に沿い流通する空気を旋回させるため、この空気の流れの上流側から下流側に向かうに従い次第に湾曲している旋回翼とを備えた燃焼バーナーを複数本有するガスタービンの燃焼器において、
前記各旋回翼の内周側と外周側に形成されて燃料を噴射する内周側の噴射孔及び外周側の噴射孔と、
各旋回翼に形成された内周側の噴射孔及び外周側の噴射孔に個別に燃料を供給する燃料通路と、
各燃料通路に備えられた弁と、
前記弁の開閉制御をする制御部とを有し、
前記制御部は、複数の各燃焼バーナーに対して、
ガスタービンが全負荷状態の時には、前記弁を全て開状態とし、
ガスタービンが部分負荷状態になった時には、内周側の噴射孔に燃料を供給する燃料通路に備えられている弁の開度を負荷に応じて制御し、外周側の噴射孔に燃料を供給する燃料通路に備えられている弁を閉とすることを特徴とするガスタービンの燃焼器。 - 燃料ノズルと、
前記燃料ノズルの外周面の周方向に沿う複数箇所に、前記燃料ノズルの軸方向に沿う状態で配置されており、燃料ノズルの周囲で燃料ノズルの軸方向に沿い流通する空気を旋回させるため、この空気の流れの上流側から下流側に向かうに従い次第に湾曲している旋回翼とを備えた燃焼バーナーを複数本有するガスタービンの燃焼器において、
前記各旋回翼に形成されて燃料を噴射する噴射孔及び前記燃料ノズルに形成されて燃料を噴射する噴射孔と、
各旋回翼に形成された噴射孔及び前記燃料ノズルに形成された噴射孔に個別に燃料を供給する燃料通路と、
各燃料通路に備えられた弁と、
前記弁の開閉制御をする制御部とを有し、
前記制御部は、複数の各燃焼バーナーに対して、
ガスタービンが全負荷状態の時には、前記弁を全て開状態とし、
ガスタービンが部分負荷状態になった時には、前記燃料ノズルに形成された噴射孔に燃料を供給する燃料通路に備えられている弁の開度を負荷に応じて制御し、前記旋回翼に形成された噴射孔に燃料を供給する燃料通路に備えられている弁を閉とすることを特徴とするガスタービンの燃焼器。 - 請求項1乃至請求項4の何れか一項において、
前記旋回翼の平均反り線に対して前記旋回翼の後縁で接する接線と、前記燃料ノズルの軸方向に沿う軸線とでなす角度が、前記旋回翼の後縁の内周側では0〜10度になっており、前記旋回翼の後縁の外周側では、前記旋回翼の後縁の内周側の角度よりも大きい角度になっていることを特徴とするガスタービンの燃焼器。 - 請求項1乃至請求項4の何れか一項において、
前記旋回翼の平均反り線に対して前記旋回翼の後縁で接する接線と、前記燃料ノズルの軸方向に沿う軸線とでなす角度が、前記旋回翼の後縁の内周側では0〜10度になっており、前記旋回翼の後縁の外周側では25〜35度になっていることを特徴とするガスタービンの燃焼器。
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