JP4756078B2

JP4756078B2 - ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JP4756078B2
Application number: JP2009060525A
Authority: JP
Inventors: 宏行柏原; 泰吉野; 剛生小田; 匡史松本
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2029-03-13
Also published as: JP2010216669A

Description

本発明は、一定以上の負荷で運転しても排出される窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）の排出量を抑制できるガスタービン燃焼器に関する。

ガスタービン装置については、運転時にタービンから排出される排ガス組成に関して厳しい環境基準が設けられており、特に、排ガス中に含まれるＮＯｘの排出量の低減が望まれている。従来、このようなガスタービン装置における低ＮＯｘ化の手法として、燃焼室内に水や蒸気を噴射して燃焼火炎温度を低下させる方法が採用されていたが、この方法によると、装置の熱交換率が低下したり、使用する水質が悪い場合にはタービンの腐食により装置の寿命を短くするなどの課題があった。これらの課題を克服するガスタービン装置として、近年、水や蒸気を用いることなく、低ＮＯｘ化を図るＤＬＥ(Dry Low Emission)燃焼器を用いたガスタービン装置がある。このＤＬＥ燃焼器の一つの形態として、メインバーナが設置された燃焼筒の下流側に、予混合型の追焚きバーナを付加し、上流側のメインバーナでの運転点をＮＯｘおよび未燃成分が極小となる条件で運転し、さらに、下流側の追焚きバーナから空気と燃料を予混合した状態で、メインバーナで発生した高温ガスが存在する燃焼筒内に投入することにより燃焼させて、ＮＯｘおよび未燃成分を増大させることなく負荷範囲を拡大させるものがある（特許文献１、２）。

特開平８−２６１４６８特開平１０−１９６９０９

しかしながら、前記特許文献１および２に開示されたガスタービン装置は、ＤＬＥ燃焼器の燃焼筒の上流側から燃焼筒の追焚きバーナ用の空気孔まで予混合ダクトを長く延出しているから、大掛かりな構造となって燃焼器自体の大型化を招くうえに、部品点数や組付工数の増加によりコスト高となる課題があった。

本発明の目的は、燃焼器の大型化およびコスト高を伴うことなく、低ＮＯｘ化をコンパクトな構造で実現できるガスタービン燃焼器を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明に係るガスタービン燃焼器は、圧縮機から供給される圧縮空気と燃料を燃焼させてタービンに供給する燃焼器であって、燃焼室を形成する燃焼筒の頭部に設けられたメインバーナと、前記メインバーナよりも前記燃焼筒の下流側で前記燃焼筒の周壁を貫通して配置された追焚きバーナとを備え、前記追焚きバーナは、前記燃焼筒とこれを覆うハウジングとの間に形成された空気通路から前記圧縮空気の一部を前記燃焼筒内へ導入する導入通路と、前記導入通路に導入される圧縮空気に燃料供給孔から燃料を供給して前記導入通路内で予混合気を生成させる燃料ノズルとを有し、前記導入通路は、前記空気通路内の圧縮空気を燃焼筒の径方向外方に導入したのち径方向内方へ向けて折り返して燃焼筒の内方へ供給する折り返し通路であり、前記導入通路における折り返し部分または当該折り返し部分の上流側に前記燃料供給孔が設けられている。ここで、燃焼筒の下流側とは、燃焼筒内の燃焼ガスの流れ方向に沿った下流側をいう。

この構成によれば、追焚きバーナが燃焼筒の頭部のメインバーナよりも燃焼筒の下流側に配置されて、燃焼筒の周壁とハウジングとの間に形成された空気通路から圧縮空気の一部を導入通路に導入する構造であり、従来技術のような、燃焼筒の頭部から燃焼筒の周壁の追焚きバーナ用空気孔まで予混合ダクトを形成する構造ではないから、追焚きバーナがコンパクトになるのに伴い燃焼器のコンパクト化が図れる。また、圧縮空気が導入される導入通路は、導入される圧縮空気の流れを１８０°偏向させる折り返し通路であるから、圧縮空気は折り返し時に大きな乱れを生じる。これにより、圧縮空気は燃料供給孔から供給された燃料とよく撹拌されて予混合が促進され、燃料の濃度むらの少ない均一な予混合気が得られる。この濃度むらの少ない均一な予混合気がメインバーナの下流側の高温燃焼ガス中で燃焼されるので、ＮＯｘの排出量を低減できる。さらに、予混合気には導入通路によって燃焼筒の径方向内方へ向かう貫通力が付与されるので、導入通路内に逆火して追焚きバーナを損傷させるのが防止されるとともに、予混合気が燃焼室の中心部の前記高温燃焼ガス中に十分貫通するから、燃焼器出口温度分布が均一化される。

本発明において、好ましくは、前記導入通路は、前記ハウジングから径方向外方へ突出する第１通路部分と、この第１通路部分から折り返して前記燃焼筒内へ進入する第２通路部分とを有する。この構成によれば、圧縮空気と燃料とが予混合される通路長さ、つまり、圧縮空気と燃料との予混合距離が長くなり、圧縮空気と燃料との予混合が一層促進される。

本発明において、前記追焚きバーナは、前記ハウジングに取り付けられたボデイと、このボデイの内側に支持された案内筒とを有し、前記ボデイと案内筒との間に前記第１通路部分が形成され、案内筒の内側に前記第２通路部分の一部が形成されていることが好ましい。この構成によれば、ボデイと案内筒との組合せという簡素な構造で、折り返しを持つ導入通路を形成できるので、部品点数および組付工数が少なくて済み、製造コストを低減できる。

本発明において、前記導入通路に、通路面積がその上流側よりも小さい絞り部と、これに続いて通路面積が前記絞り部よりも大きい拡大部とが形成されていることが好ましい。この構成によれば、絞り部で導入通路に導入された圧縮空気の流速が増し、続いて拡大部で流速が低下する。このとき、圧縮空気は動圧低下（静圧上昇）するので、圧縮空気には一層の乱れを生じる。これにより、圧縮空気と燃料との撹拌が促進され、予混合気の濃度むらが少なくなる。

本発明において、好ましくは、前記第１通路部分に、通路面積がその上流側よりも小さい絞り部と、これに続いて通路面積が前記絞り部よりも大きい拡大部とが形成され、燃料を第１通路部分に噴出する燃料供給孔が前記絞り部に臨んで配置されている。この構成によれば、第１通路部分の絞り部で圧縮空気の静圧が低下するため、この絞り部に臨んで配置した燃料供給孔からの燃料を第１通路部分にスムーズに供給できる。

本発明において、好ましくは、前記案内筒の下流端部と、この下流端部が貫通する燃焼筒の貫通孔との間に、燃焼筒の外周と貫通孔の内周との間隙を塞ぐシール部材が設けられている。この構成によれば、シール部材を設けたことで、圧縮空気が燃焼筒の外周と貫通孔の内周との間隙から燃焼筒内に侵入するのを防止できる。

さらに、本発明において、前記追焚きバーナは、前記ハウジングに取り付けられたボデイと、前記燃焼筒の径方向内方へ向かって延びるガイド筒と、前記ガイド筒とボデイとの間に形成された環状の流入口に、ガイド筒と同心状に配置されて前記ガイド筒内へ圧縮空気を流入させる複数のガイド片と、前記流入口との間に隙間を存して流入口の外周を覆うように配置された偏向筒とを有し、前記偏向筒とガイド片との間、流入口、およびガイド筒の内方空間によって前記導入通路が形成されていることが好ましい。

この構成によれば、偏向筒と流入口との間の隙間から導入された圧縮空気が、１８０°折り返してガイド筒の内方空間に導かれる。この圧縮空気の折り返し時に、大きな乱れを生じるので、燃料とよく撹拌されて予混合が促進され、燃料の濃度むらの少ない均一な予混合気が得られる。しかも、導入通路はハウジングの径方向外方に突出しない構造であるから、燃料器の一層のコンパクト化が図れる。

本発明によれば、追焚きバーナがコンパクトになるのに伴い燃焼器のコンパクト化が図れる。また、圧縮空気が導入される導入通路は、導入される圧縮空気の流れを１８０°偏向させる折り返し通路であるので、圧縮空気は折り返し時に大きな乱れを生じる。これにより、圧縮空気は燃料ノズルの燃料供給孔から供給された燃料とよく撹拌されて予混合が促進され、燃料の濃度むらの少ない均一な予混合気が得られる。この濃度むらの少ない均一な予混合気がメインバーナの下流側の高温燃焼ガス中で不完全燃焼の燃料とともに燃焼されるので、ＮＯｘの排出量を低減できる。さらに、予混合気は導入通路によって燃焼筒の径方向内方へ向かう貫通力も付与されるので、導入通路内に逆火して追焚きバーナを損傷させるのが防止されるとともに、予混合気が燃焼室の中心部の前記高温燃焼ガス中に十分貫通するから、燃焼器出口温度分布が均一化される。

本発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明からより明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる例示および説明のためのものであり、この発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。

本発明の第１実施形態にかかるガスタービン燃焼器が適用されるガスタービン発電装置の概略構成図である。第１実施形態にかかるガスタービン燃焼器の縦断面図である。第１実施形態にかかるガスタービン燃焼器で使用する追焚きバーナを示し、（Ａ）は、その拡大縦断面図、（Ｂ）はその平面図である。同追焚きバーナの構成部材であるキャップと案内筒の組付状態を示し、（Ａ）はその拡大縦断面図、（Ｂ）は下方向から見た斜視図である。第２実施形態にかかるガスタービン燃焼器で使用する追焚きバーナを示す拡大縦断面図である。同追焚きバーナ出口での予混合気の濃度分布を示す濃度分布図である。第３実施形態にかかるガスタービン燃焼器で使用する追焚きバーナを示す拡大縦断面図である。同追焚きバーナ出口での予混合気の濃度分布を示す濃度分布図である。第４実施形態にかかるガスタービン燃焼器で使用する追焚きバーナを示し、（Ａ）はその拡大縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のIXB −IXB 線断面図である。比較例の追焚きバーナを示し、（Ａ）はその拡大縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のX ｂ−X ｂ線断面図である。同比較例の追焚きバーナ出口における予混合気の濃度分布を示す濃度分布図である。本発明の第３実施形態にかかる追焚きバーナを使用した燃焼器と、比較例にかかる追焚きバーナを使用した燃焼器との燃焼実験の結果を示す特性図で、燃焼器内での温度上昇とＮＯｘ濃度の関係を示す。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら詳述する。図１は本発明の第１実施形態にかかるガスタービン燃焼器が使用されるガスタービン発電装置の概略構成を示す。同図において、ガスタービンＧＴは、圧縮機１と、燃焼器２と、タービン３とを主な構成要素とし、燃焼器２は、燃料供給装置５と燃料制御装置６とを備えている。圧縮機１から供給される圧縮空気Ａと、燃料制御装置６を介して燃料供給装置５から供給される燃料Ｆとを燃焼器２で燃焼させ、これにより発生する高温高圧の燃焼ガスＧをタービン３に供給して、このタービン３を駆動する。圧縮機１は回転軸７を介してタービン３により駆動され、このタービン３はまた、減速機８を介して発電機９のような負荷を駆動する。燃焼器２には、キャン型、アニュラー型があるが、以下の実施形態では、キャン型を使用している。なお、本発明はアニュラー型にも適用可能である。

図２の縦断面図に示すように、燃焼器２は、これに導入される圧縮空気Ａと燃焼ガスＧとが互いに燃焼器２内の逆方向に流れる逆流缶型であり、円筒状のハウジングＨ内に、ほぼ円筒状の燃焼筒１０が収納されており、その内部に燃焼室１１が形成されている。この燃焼器２が回転軸７の軸心と同心状の円筒上に複数個（例えば６つ）配置されている。ハウジングＨは、ハウジング本体Ｈ１の頭部にハウジングトップＨ２をボルト１９Ａで連結したものであり、ハウジングトップＨ２の先端側となる頭部にはエンドカバー１２がボルト１２ａにより固定されている。

燃焼筒１０は、頭部１０ａと周壁１０ｂとを、図示しないピンにより連結したものである。周壁１０ｂの先端部に、ハウジングＨ内に位置する環状の板材からなる支持部材１３の内端部が溶接により接合されており、ハウジング本体Ｈ１の頭部に、支持部材１３の外端部がボルト１９Ｂにより連結されている。これにより、燃焼筒１０が支持部材１３を介してハウジングＨに支持されている。支持部材１３には円周方向に並んだ複数の空気通過孔１３ａが設けられている。燃焼筒１０の周壁１０ｂとこれを覆うハウジング本体Ｈ１との間には、圧縮機１からの圧縮空気Ａを燃焼筒１０の頭部１０ａ、つまり、上流側へ導く環状の空気通路１５が形成されている。ハウジングＨ内におけるエンドカバー１２よりも頭部側には空気導入室１７が形成されている。

燃焼筒１０の頭部１０ａには、バーナユニット１８が配置されている。このバーナユニット１８は、燃料Ｆを燃焼室１１内に直接噴出する分散噴射式のパイロットバーナ２０と、このパイロットバーナ２０の外周を囲むようにして、燃料Ｆと圧縮空気Ａを旋回混合して生成した予混合気Ｍを燃焼室１１内に噴出する予混合型のメインバーナ２１とを備えている。

メインバーナ２１は、縦断面Ｌ字状の予混合通路２６が径方向外向きに開口しており、その開口した環状の空気取入口２６ａの径方向外側に複数のメイン燃料ノズル２８がメインバーナ２１の周方向に等間隔で配置されている。メイン燃料ノズル２８における空気取入口２７に対向する部分に、複数のメイン燃料噴射孔２８ａが形成されている。メイン燃料ノズル２８の基端はエンドカバー１２に設けたメイン燃料導入口２９に接続されている。前記空気取入口２７には複数のスワーラ２７が配置されており、メイン燃料導入口２９から供給された燃料Ｆは、空気通路１５から空気導入室１７内に導入された圧縮空気Ａとともに、スワーラ２７によって旋回力が付与され、予混合通路２６内で予混合されたのち、環状の予混合噴出口２６ｂから予混合気Ｍとして燃焼室１１内に噴出される。

前記パイロット燃料導入口２２およびメイン燃料導入口２９には、図１の燃料供給装置５から燃料制御装置６を介して燃料Ｆが供給される。

燃焼筒１０の周壁１０ｂの上流部には、１つまたは複数の点火プラグ３０が、その先端を燃焼室１１内に臨ませて配置されている。点火プラグ３０は、ハウジングＨを貫通してハウジングＨに固定されており、起動時には、パイロットバーナ２０から燃焼室１１内に燃料Ｆを噴射して点火プラグ３０による点火により拡散燃焼が行われる。続いて、通常運転時には、メインバーナ２１から燃焼室１１内に噴射された予混合気Ｍを燃焼して、燃焼筒１０の上流部において、メインバーナ２１の下流側に第１の燃焼領域Ｓ１を形成させる。また、燃焼筒１０における第１の燃焼領域Ｓ１よりも下流側には、燃焼筒１０の周壁１０ｂを貫通した複数（例えば４つ）の貫通孔３１が周方向に等間隔に設けられている。ハウジングＨにおける各貫通孔３１に対向する部分には、予混合型の追焚きバーナ４０が取り付けられて、その先端部を、貫通孔３１を通して燃焼室１１内に臨ませている。こうして、追焚きバーナ４０は、メインバーナ２１よりも燃焼筒１０の下流側に設けた前記貫通孔３１に貫通して配置され、追焚きバーナ用の予混合気Ｍ１を燃焼室１１内に噴射して、第１の燃焼領域Ｓ１の下流側に第２の燃焼領域Ｓ２を形成させる。

図３は、追焚きバーナ４０の詳細を示す。図３（Ａ）に示すように、この追焚きバーナ４０は、燃焼筒１０の軸心Ｃと直交する真直なバーナ軸心Ｃ１を有しており、ハウジングＨに取付けられたボディ４１と、このボディ４１の内側に支持された中空の案内筒４２とを備え、前記ボディ４１と案内筒４２との間および案内筒４２の内部空間にわたって連通する導入通路５０が形成されている。前記案内筒４２の下流端部（流出口）４２ｂは、燃焼筒１０の貫通孔３１を貫通して燃焼室１１内に臨んでいる。

導入通路５０は、空気通路１５内を燃焼筒１０の頭部１０ａ（図１）に向かって導かれる圧縮空気Ａの一部を燃焼筒１０の径方向外方に向けて導入したのち、径方向内方へ向けて折り返して、燃焼筒１０の内方の燃焼室１１に供給する１８０°折り返し通路として形成されている。ボディ４１は、燃料ノズル４３とその上部を覆うキャップ４４とを有している。燃料ノズル４３はノズル本体４３ａとその外周に嵌め込まれたノズルカバー４３ｂとを有し、ノズル本体４３ａとノズルカバー４３ｂの間に燃料溜まり４５が形成されている。ノズルカバー４３ｂの少なくとも１個所には、ノズルカバー４３ｂに燃料Ｆを導入する燃料導入路４７を形成するニップル４８が取り付けられている。ノズル本体４３ａには、図３（Ｂ）に示すように、複数（例えば１６個）の燃料供給孔４９がバーナ軸心Ｃ１の周りに等間隔で設けられて、その燃料噴射方向がバーナ軸心Ｃ１に向けられている。燃料ノズル４３は、導入通路５０に燃料供給孔４９から燃料Ｆを供給し、導入通路５０内で前記圧縮空気Ａとの混合により予混合気Ｍ１を生成させる。ハウジングＨにはマウント４６が溶接などにより固定されており、このマウント４６に、ボディ４１を形成する燃料ノズル４３とキャップ４４がボルトのような締結部材５２により取り付けられている。

前記折り返し通路としての導入通路５０は、ハウジングＨから径方向外方へ突出する第１通路部分５０ａと、この第１通路部分５０ａから折り返して燃焼筒１０内へ進入する第２通路部分５０ｂとを有し、折り返し部分５０ｃが前記第１通路部分５０ａの終端と第２通路部分５０ｂの始端との間に位置している。したがって、第１通路部分５０ａから流入した圧縮空気Ａは、折り返し部分５０ｃで１８０°偏向したのち第２通路部分５０ｂに流入し、第２通路部分５０ｂから燃焼筒１０内の燃焼室１１に導入される。圧縮空気Ａは、前記折り返し部分５０ｃでの折り返し時に大きな乱れを生じる。これにより、複数の燃料供給孔４９から燃料Ｆが分散して導入通路５０内に供給されることと相俟って、燃料Ｆと圧縮空気Ａとの撹拌が促進される。加えて、導入通路５０が折り返し通路となっていることで、圧縮空気Ａと燃料Ｆとの予混合距離も長くなるため、これら圧縮空気Ａと燃料Ｆの撹拌が一層促進される。その結果、燃料Ｆの濃度むらが少ない予混合気Ｍ１が得られる。

図４（Ａ）に示すように、導入通路５０の構成部材となる案内筒４２とキャップ４４とは、その軸心がバーナ軸心Ｃ１と合致するように配置され、図４（Ｂ）に示す複数本のステー５３を介して案内筒４２がキャップ４４に支持されている。すなわち、図４（Ａ）に示すキャップ４４に設けた挿通孔５４にステー５３を挿通して溶接で固定し、ステー５３の下部を案内筒４２の上部の溝４２ａに嵌め込んで溶接により固定する。このようにして組み付けられた案内筒４２とキャップ４４が、図３（Ａ）に示す燃料ノズル４３とともにマウント４６上に載置され、ボルトのような締結部材５２を、キャップ４４のボルト挿通孔５６および燃料ノズル４３のボルト挿通孔５７に挿通し、マウント４６のねじ孔５８にねじ込むことにより、ハウジングＨに固定している。このように、案内筒４２とキャップ４４とを予めアセンブリングとすることで、ボディ４１の組立てを容易化している。

案内筒４２の流出口４２ｂと燃焼筒１０の貫通孔３１との間に、燃焼筒１０の外周と貫通孔３１の内周との間隙を塞ぐリング状のシール部材６０が設けられている。このシール部材６０を設けたことで、圧縮空気Ａが燃焼筒１０の外周と貫通孔３１の内周との間隙から燃焼筒１０内に侵入するのを防止している。このシール部材６０は、燃焼筒１０に固定されたシール受け部６１と、案内筒４２に固定されたドーナツ板状のシール片６２とを有し、シール受け部６１に形成されたシール空間６３内にシール片６２を嵌め込むことにより、案内筒４２と燃焼筒１０の貫通孔３１との間をシールしている。シール片６２はシール空間６３内でバーナ軸心Ｃ１と直交する径方向に移動自在に設定されており、これによって、ハウジングＨと燃焼筒１０との組立誤差や熱膨張差を吸収している。

つぎに、上記構成にかかるガスタービン燃焼器の動作について図２を参照しながら説明する。この燃焼器２の起動時および起動後に拡散運転（非低ＮＯｘ運転）する場合には、パイロットバーナ２０を作動させ、燃料導入口２２から導入した燃料Ｆを燃焼室１１内に噴射して拡散燃焼させる。通常運転時（低ＮＯｘ運転時）には、メインバーナ２１を作動させ、メインバーナ２１内で生成され、予混合気Ｍを燃焼室１１内に噴射して第１の燃焼領域Ｓ１において希薄燃焼させる。これにより、燃焼室１１内の燃焼温度が低下して、ＮＯｘの発生が抑制される。

さらに、下流側の追焚きバーナ４０から燃焼室１１内に噴出された、燃料Ｆの濃度むらが少ない予混合気Ｍ１が前記第１の燃焼領域Ｓ１によりかなりの高温になっている第２の燃焼領域Ｓ２に導入され、第２の燃焼領域Ｓ２で燃焼される。これにより、燃焼器出口でＮＯｘの発生を低減でき、ＮＯｘ排出量を抑制できる。

ここで、追焚きバーナ４０は燃焼筒１０の頭部１０ａのメインバーナ２１よりも下流側に配置されて、既存の空気通路１５から追焚きバーナ４０の導入通路５０に導入した圧縮空気Ａの一部に燃料Ｆを供給することで予混合気Ｍ１を生成しているから、従来の大掛かりな予混合ダクトが不要になるので、追焚きバーナ４０がコンパクトになり、これに伴って燃焼器２のコンパクト化が図れる。また、圧縮空気Ａは、導入通路５０により、燃焼筒１０の内方へ向かって径方向内方へ導かれるので、燃焼筒１０の径方向内方へ向かう貫通力が付与される。これにより、導入通路５０内に逆火して追焚きバーナ４０を損傷させるのが防止される。

図５は本発明の第２実施形態にかかる追焚きバーナ４０Ａを示す。この第２実施形態において、前記第１実施形態と同一部分または相当部分には同一の符号を付してその詳しい説明を省略し、主に異なる構成についてのみ説明する。この第２実施形態では、折り返し通路である導入通路５０Ａを形成する第１通路部分５０Ａａと、この第１通路部分５０Ａａから折り返した第２通路部分５０Ａｂのうち、第１通路部分５０Ａａの中間部に、通路面積がその上流側である上流部５１ａよりも小さい絞り部５１ｂを設け、これに続く、第１通路部分５０Ａａの下流部に、通路面積が前記絞り部５１ｂよりも大きい拡大部５１ｃを設けている。前記第１通路部分５０Ａａの終端、つまり、拡大部５１ｃの終端と、第２通路部分５０Ａｂの始端との間が、折り返し部分５０Ａｃとなっている。燃料供給孔４９は、圧縮空気Ａの静圧が低下する絞り部５１ｂに臨んで配置されている。これにより、燃料供給孔４９から燃料Ｆを第１通路部分５０Ａａに円滑に供給できる。

このように、前記第１通路部分５０Ａａはその上流部５１ａと下流部の拡大部５１ｃとで通路面積が大きく、その中間部の絞り部５１ｂで最も狭小な通路面積となる。この場合、第１通路部分５０Ａａを形成するマウント４６、ボディ４１、および案内筒４２のうち、マウント４６およびボディ４１における第１通路部分５０Ａａに面する部分は平坦面であるが、案内筒４２の外周面に膨出部６５が形成されて、外径Ｄo が、第１通路部分５０Ａａの上流部５１ａに面する部分で小さく、第１通路部分５０Ａａの絞り部５１ｂに面する部分で上流側から下流側にかけて徐々に大きくなったのち一定を保ち、さらに第１通路部分５０Ａａの拡大部５１ｃに面する部分では徐々に小さくなるように設定されている。

この第２実施形態では、空気通路１５の圧縮空気Ａの一部が第１通路部分５０Ａａの上流部５１ａから燃焼筒１０の径方向外方に向けて流入すると、中間部の絞り部５１ｂを通過する際に流速が増し、続いて拡大部５１ｃに至ると流速が低下し、静圧が上昇する。この圧力変化により圧縮空気Ａに大きな乱れを生じる。圧縮空気Ａにはさらに、折り返し部分５０Ａｃでの折り返しによって乱れが生じる。このような乱れにより、圧縮空気Ａと燃料Ｆとがよく撹拌されて、予混合が促進される。その他の動作および作用は第１実施形態と同様である。

前記追焚きバーナ４０Ａの出口、つまり、案内筒４２の流出口４２ｂでの予混合気Ｍ２の濃度分布を図６に示す。最も濃度が高い第１エリアP １（最大濃度0.024 ）が中央部の狭い部分のみであり、最も濃度が低い第３エリアＰ３（濃度0.015 ）が４割程度を占め、中間濃度の第２エリアP ２が残部を占める程度で、全体として燃料濃度のばらつきが少ない。このように、第２実施形態では、後述する比較例（図１０および図１１）による追焚きバーナ１００に比べて、燃料Ｆの最大ピーク濃度がほぼ半減しており、濃度分布も平滑化されていて、燃料Ｆの濃度むらの少ない均一な予混合気Ｍ２が生成されていることがわかる。

図７は本発明の第３実施形態にかかる追焚きバーナ４０Ｂを示す。この第３実施形態は、第２実施形態と同様に、折り返し通路としての導入通路５０Ｂを形成する第１通路部分５０Ｂａと、この第１通路部分５０Ｂａから折り返した第２通路部分５０Ｂｂのうち、第１通路部分５０Ｂａの中間部に通路面積が小さい絞り部５２ｂと、その下流の拡大部５２ｃとを設けている。燃料Ｆを第１通路部分５０Ｂａに噴出する燃料供給孔４９は、絞り部５２ｂに臨むように、燃料ノズル４３に配置されている。前記第１通路部分５０Ｂａの終端と第２通路部分５０Ｂｂの始端との間が折り返し部分５０Ｂｃとなっている。

この第３実施形態の場合、第２実施形態と異なり、案内筒４２の外周面は平坦面であるが、ボディ４１の内周面における第１通路部分５０Ｂａに面する部分に、内側（内径側）へ膨出する膨出部６６が形成されて、内径Ｄｉが、第１通路部分５０Ｂａの上流部５２ａに面する部分から、その下流の絞り部５２ｂに面する部分にかけて徐々に小さくなったのち、一定を保ち、さらに、第１通路部分５０Ｂａの下流部の拡大部５２ｃに面する部分で徐々に大きくなるように設定されている。前記膨出部６６はボディ４１の燃料ノズル４３に形成されており、その上流端部（図７の下端部）が上流側へ延出されて、ボディ４１の内周面の一部分を覆っている。

この第３実施形態でも、第２実施形態の場合と同様に、絞り部５２ｂで圧縮空気Ａが圧力低下するため、この絞り部５２ｂに臨んで配置した燃料供給孔４９からの燃料Ｆを第１通路部分５０Ｂａに円滑に供給できる。また、圧縮空気Ａは絞り部５１ｂで流速が増したのち拡大部５１ｃで流速が低下し、静圧が上昇するので、拡大部５１ｃで大きな乱れが生じ、さらに折り返し部分５０Ｂｃで乱れが生じるので、圧縮空気Ａと燃料Ｆがよく撹拌されて予混合が促進され、濃度むらの少ない均一な予混合気Ｍ３が得られる。その他の作用および効果は前記各実施形態とほぼ同様である。

追焚きバーナ４０Ｂの出口、つまり、案内筒４２の流出口４２ｂでの予混合気Ｍ３の濃度分布は、図８に示すように、最も濃度が高い第１エリアP １（最大濃度0.023 ）が中央部の狭い部分のみであり、これよりも僅かに濃度の低い第２エリアP ２（濃度0.020 ）が残部を占める程度で、全体として燃料濃度のばらつきがきわめて少ない。このように、第３実施形態でも、後述する比較例の追焚きバーナ１００（図１０および図１１）に比べ、燃料Ｆの最大ピーク濃度が１／３以下と激減しており、濃度分布も平滑化されていて、燃料Ｆの濃度むらのきわめて少ない予混合気Ｍ３が生成されていることがわかる。

図９（Ａ）は、本発明の第４実施形態にかかる追焚きバーナ４０Ｃを示す。同図に示すように、この追焚きバーナ４０Ｃは、燃焼筒１０の軸心Ｃと直交する真直なバーナ軸心Ｃ１を有し、ハウジングＨに取り付けられた燃料ノズル７０と、燃焼筒１０の径方向内方へ向かって延びるガイド筒７３と、このガイド筒７３と燃料ノズル７０との間に形成された環状の流入口７４にガイド筒７３と同心状に配置されて、前記ガイド筒７３内へ圧縮空気Ａを流入させる複数のガイド片７５と、前記流入口７４との間に隙間Ｂ１を存して流入口７４の外周を覆うように配置された円筒形の偏向筒７６とを備えている。前記偏向筒７６とガイド片７５との間、流入口７４、およびガイド筒７３の内方空間によって、導入通路５０Ｃの上流部分が形成されている。

燃料ノズル７０は、ハウジングＨに設けたマウント４６にボルトのような締結部材５２により取り付けられるつば付き円柱状のノズルボデイ７１と、これに固定された円板状のノズルプレート７２とを有しており、燃料ノズル７０とノズルプレート７２との間に燃料溜め空間７８が形成されている。ノズルボデイ７１とノズルプレート７２は、前記バーナ軸心Ｃ１上に同心に配置されている。

さらに、ノズルボデイ７１には、燃料溜め空間７８に燃料Ｆを導入するための燃料導入路８１が形成され、この燃料導入路８１の燃料導入口８２を形成するニップル８３が取り付けられている。ノズルプレート７２の外周部には、燃料溜め空間７８に連通する燃料供給孔８５が形成されている。追焚きバーナ４０Ｃはさらに、燃焼筒１０の貫通孔３１に取り付けられて前記導入通路５０Ｃの下流部分を形成する導入筒７９を備えている。この導入筒７９の入口７９ａはベルマウス状に外径方向に湾曲している。前記導入筒７９は、従来の燃焼筒１０に既存のものをそのまま使える。ガイド筒７３と導入筒７９の間には軸方向の隙間Ｂ２が設けられており、これによって、ガイド筒７３と導入筒７９の形状寸法、組立および取付位置の精度が低くても、両者７３，７９の接触を防止して、製造性および組付性を向上させる。

図９（Ｂ）に示すように、ガイド片７５は、ノズルプレート７２と同心の配置で円周方向に等間隔で複数（例えば１２個）設けられており、このガイド片７５の上部を覆う前記ノズルプレート７２の燃料供給孔８５は、隣接するガイド片７５の間に、一つずつ設けられている。

図９（Ａ）に示す空気通路１５からの圧縮空気Ａは、偏向筒７６とガイド片７５との間の隙間Ｂ１から流入するが、流入口７４に進入するとき、隣接するガイド片７５で区画された複数の分割口７５ａから流れ込んで流入口７４の中心方向へ向けて導入される。各分割口７５ａから流入する空気流ａ１は、中央突起７２ａによって互いに直接衝突して流速が低下するのが避けられた状態で、中央突起７２ａにより下向きに９０°偏向されてガイド筒７３の内方空間を通過し、燃焼筒１０の径方向内方へ流れて導入筒７９の流出口７９ｂから燃焼筒１０の内方の燃焼室１１に導入される。

この第４実施形態において、偏向筒７６とガイド片７５との間の隙間Ｂ１により第１通路部分５０Ｃａが形成され、ガイド筒７３および導入筒７９の内方空間により第２通路部分５０Ｃｂが形成され、ガイド片７５が設けられた部分により折り返し部分５０Ｃｃが形成されている。したがって、空気通路１５から偏向筒７６とガイド片７５との間の第１通路部分５０Ｃａに流入した圧縮空気Ａは、第１通路部分５０Ｃａ内を燃焼筒１０の径方向外方へ向かって流れ、ガイド片７５を経て、ガイド筒７３の内方空間に流入する際に１８０°折り返すように偏向されるので、その折り返し時、つまりガイド筒７３へ導入されるときに大きな乱れを生じる。この圧縮空気Ａにノズルプレート７２の燃料供給孔８５から噴出された燃料Ｆが供給されるので、導入通路５０Ｃ内で両者はよく撹拌されて予混合が促進され、濃度むらの少ない均一な予混合気Ｍ４が得られる。

さらに、この第４実施形態の場合、導入通路５０ＣがハウジングＨの径方向外方に突出しない構造であるから、前記第１〜第３実施形態に比べて燃焼器２の一層のコンパクト化が図れる。その他の動作および作用は前記各実施形態とほぼ同様であるので、その詳しい説明は省略する。

図１０により、比較例の追焚きバーナ１００について説明する。図１０（Ａ）に示す追焚きバーナ１００は、燃焼筒１０の軸心Ｃと直交する真直なバーナ軸心Ｃ１を有し、上端に燃料導入口１０２を有し、下端に燃料供給孔１０１ａが形成された真直な燃料ノズル１０１を、ボルトのような締結部材１０５でハウジングＨに取付固定し、前記燃料供給孔１０１ａが燃焼筒１０の貫通孔３１に取り付けた導入筒１０３内に臨むように配置したものである。導入筒１０３はベルマウス状の入口１０３ａを有している。燃料供給孔１０１ａは、図１０（Ｂ）に示すように、燃料ノズル１０１の周方向に等間隔で８つ設けられている。この追焚きバーナ１００の場合、空気通路１５からの圧縮空気Ａは、９０°偏向されて導入筒１０３内に導入され、この導入筒１０３内で、燃料供給孔１０１ａから噴出される燃料Ｆと予混合される。このように、比較例の場合は、導入筒１０３に流入する際に、１８０°ではなく、９０°偏向するだけであるから、圧縮空気Ａには十分な乱れが生じておらず、しかも，燃料Ｆが供給される位置が、圧縮空気Ａが偏向された後であるため、燃料Ｆと圧縮空気Ａとの攪拌が十分なされない。さらに、予混合距離は導入筒１０３の高さ寸法程度であって、前記各実施形態に比べて大幅に短い。したがって、燃料Ｆと圧縮空気Ａとが十分撹拌されず、予混合が不十分で燃料Ｆの濃度むらの多い予混合気Ｍ５しか得られない。

比較例による追焚きバーナ１００の出口、つまり導入筒１０３の流出口１０３ｂでの燃料の濃度分布は、図１１に示すように、最も濃度が高い第１エリアP １（最大濃度0.074 ）が中央部の広い部分を占め、最も濃度が低い第３エリアＰ３（濃度0.000 ）が外周部全体に広がり、中間濃度を示す第２エリアＰ２が第１エリアＰ１と第３エリアＰ３の間に僅かに存在している。このことから明らかなように、比較例の場合、予混合が不十分で、その予混合気Ｍ５の燃料濃度のむらがきわめて大きい。

図１２に、前記第３実施形態（図７）の追焚きバーナ４０Ａを使用した燃焼器２と、図１０に示した比較例の追焚きバーナ１００を使用した燃焼器との燃焼実験の結果を示す。図１２の横軸は、図２に示す燃焼筒１０の出口１０ｅでの燃焼ガスＧの温度を示し、縦軸は、ＮＯｘ濃度を示す。図１２に示すように、この比較例の場合、燃焼器内での温度上昇が増大して、負荷率１００％に対応する評価基準温度Ｔｒに近づくと、ＮＯｘ濃度が大幅に増加している。これに対して、第３実施形態の場合では、すべての温度領域でＮＯｘ目標値を下回り、基準温度Ｔｒに達した時点でも、ＮＯｘ濃度が低く、ＮＯｘの排出量が抑制されていることがわかる。第１、第２および第４実施形態においても図１２とほぼ同じような傾向が見られた。

なお、メイバーナ２１としては、上記実施形態で用いた予混合型のバーナに限られず、拡散型のバーナを用いてもよい。

以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、添付の特許請求の範囲から定まるこの発明の範囲内のものと解釈される。

１圧縮機
２燃焼器
３タービン
５燃料供給装置
６燃料制御装置
１０燃焼筒
１０ａ周壁
１０ｂ頭部
１１燃焼室
１５空気通路
２１メインバーナ
４０、４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ追焚きバーナ
４１ボディ
４２案内筒
４３燃料ノズル
４９燃料供給孔
５０，５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ導入通路
５０ａ、５０Ａａ、５０Ｂａ第１通路部分
５０ｂ、５０Ａｂ、５０Ｂｂ第２通路部分
５０ｃ、５０Ａｃ、５０Ｂｃ折り返し部分
５１ａ、５２ａ第１通路部分の上流部
５１ｂ、５２ｂ第１通路部分の絞り部
５１ｃ、５２ｃ第１通路部分の拡大部
６０シール部材
６５膨出部
７３ガイド筒
７５ガイド片
７６偏向筒
７９導入筒
Ａ圧縮空気
Ｆ燃料
Ｈハウジング
Ｓ１第１の燃焼領域
Ｓ２第２の燃焼領域

Claims

圧縮機から供給される圧縮空気と燃料を燃焼させてタービンに供給する燃焼器であって、
燃焼室を形成する燃焼筒の頭部に設けられたメインバーナと、前記メインバーナよりも前記燃焼筒の下流側で前記燃焼筒の周壁を貫通して配置された追焚きバーナとを備え、
前記追焚きバーナは、
前記燃焼筒とこれを覆うハウジングとの間に形成された空気通路から前記圧縮空気の一部を前記燃焼筒内へ導入する導入通路と、
前記導入通路に導入される圧縮空気に燃料供給孔から燃料を供給して前記導入通路内で予混合気を生成させる燃料ノズルとを有し、
前記導入通路は、前記空気通路内の圧縮空気を燃焼筒の径方向外方に導入したのち径方向内方へ向けて折り返して燃焼筒の内方へ供給する折り返し通路であり、
前記導入通路における折り返し部分または当該折り返し部分の上流側に前記燃料供給孔が設けられているガスタービン燃焼器。
請求項１において、前記導入通路に、通路面積がその上流側よりも小さい絞り部と、これに続いて通路面積が前記絞り部よりも大きい拡大部とが形成されているガスタービン燃焼器。
請求項１または２において、前記導入通路は、前記ハウジングから径方向外方へ突出する第１通路部分と、この第１通路部分から折り返して前記燃焼筒内へ進入する第２通路部分とを有するガスタービン燃焼器。
請求項３において、前記追焚きバーナは、前記ハウジングに取り付けられたボデイと、このボデイの内側に支持された案内筒とを有し、前記ボデイと案内筒との間に前記第１通路部分が形成され、案内筒の内側に前記第２通路部分の一部が形成されているガスタービン燃焼器。
請求項３または４において、前記第１通路部分に、通路面積がその上流側よりも小さい絞り部と、これに続いて通路面積が前記絞り部よりも大きい拡大部とが形成され、燃料を第１通路部分に噴出する燃料供給孔が前記絞り部に臨んで配置されているガスタービン燃焼器。
請求項４おいて、前記案内筒の下流端部と、この下流部が貫通する燃焼筒の貫通孔との間に、燃焼筒の外周と貫通孔の内周との間隙を塞ぐシール部材が設けられているガスタービン燃焼器。
請求項１において、前記追焚きバーナは、前記ハウジングに取り付けられたボデイと、前記燃焼筒の径方向内方へ向かって延びるガイド筒と、前記ガイド筒とボデイとの間に形成された環状の流入口に、ガイド筒と同心状に配置されて前記ガイド筒内へ圧縮空気を流入させる複数のガイド片と、前記流入口との間に隙間を存して流入口の外周を覆うように配置された偏向筒とを有し、前記偏向筒とガイド片との間、流入口、およびガイド筒の内方空間によって前記導入通路が形成されているガスタービン燃焼器。