JP4812701B2

JP4812701B2 - ガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の燃料供給方法

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Publication number: JP4812701B2
Application number: JP2007170663A
Authority: JP
Inventors: 達也関口; 正平吉田; 洋井上; 義隆平田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-06-28
Filing date: 2007-06-28
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2027-06-28
Also published as: JP2009008335A

Description

本発明はガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の燃料供給方法に関する。

液体燃料を用いるガスタービン燃焼器では、燃料の燃焼時に生じる燃焼ガス中に含まれるＮＯｘ濃度の低減を目的として、気化させた燃料と燃焼用空気とを予め均一に混合した希薄予混合気体を形成する予混合器をガスタービン燃焼器に設け、この予混合器で形成した予混合気体をガスタービン燃焼器で燃焼させている。

しかしながら、上記した予混合燃焼方式のガスタービン燃焼器では、ガスタービン燃焼器に設けた予混合器の内壁に付着した液体燃料が蒸発せずに残留して炭化し、この炭化したカーボンが予混合器の流路に堆積してコーキングが発生するという課題がある。

そしてコーキングが発生すると予混合器の流路面積が設計値よりも狭くなるので、燃焼安定性やＮＯｘ排出特性が悪化してガスタービン燃焼器の性能が低下するという課題がある。

そこでコーキングが発生する問題を解決するために、特許３０３４８５９号公報には気化燃料と燃焼用空気とを予蒸発予混合させる予蒸発予混合器をガスタービン燃焼器に設置すると共に加熱コイルを絶縁部材で覆った加熱体をこの予蒸発予混合器に設け、この加熱体によって予蒸発予混合器の壁面をコーキングが堆積する上限温度以上となるように加熱して予蒸発予混合器の壁面に燃料の液滴に含まれるカーボン等の不揮発分が残留、固化して堆積することを防止するようにした予蒸発予混合燃焼方式のガスタービン燃焼器の技術が開示されている。

また、特開２００６−４６７３４号公報には、ガスタービン燃焼器に設置した予蒸発予混合器の内壁面に、液体燃料に含まれるカーボン等の不揮発分が付着して堆積したコーキング層を剥離させる剥離用の突起部を設けた技術が開示されている。

この剥離用の突起部は、ガスタービンの停止時にガスタービン燃焼器全体の温度が低下して、予蒸発予混合器の内壁面に設けたコーキング層剥離用の突起部と該突起部上に堆積したコーキング層に熱変形が生じることを利用している。

そして、コーキング層とコーキング層剥離用の突起部との熱変形量の相違によって予蒸発予混合器の内壁面に付着したコーキング層は蒸発予混合器の内壁面から自動的に剥離するので、ガスタービンの停止時に剥離した前記コーキング層を予蒸発予混合器から外部に排出することが可能となる。

また特開２００４−１３８３７６号公報には、ガスタービン燃焼器に設置され、気化燃料と燃焼用空気とを予め均一に混合した希薄予混合気体を形成する予混合器の出口にラッパ状に傾斜角度を持たせた環状の保炎器を設け、この保炎器の内周面にスリットと冷却孔を形成した構成として、フィルム状の空気を保炎器の面に噴出させて冷却させると共に、冷却孔から予混合気を吐出させて噴流保炎にして予混合火炎の安定性を向上するガスタービン燃焼器の技術が開示されている。

特許３０３４８５９号公報特開２００６−４６７３４号公報特開２００４−１３８３７６号公報

しかしながら、特許３０３４８５９号公報及び特開２００４−１３８３７６号公報に記載されたガスタービン燃焼器の技術では、予蒸発予混合器の壁面の温度管理が困難であるという課題がある。

即ち、ガスタービン燃焼器では、運転状態の変化にともなってガスタービン燃焼器に供給される燃料流量や燃焼空気流量、ガスタービン燃焼器に備えられた予蒸発予混合器に付着する液体燃料の量が変化する。

そのため、運転状態の変化にともなう予蒸発予混合器に付着する液体燃料量の変化にあわせて予蒸発予混合器に与える熱量を調整して、コーキングが生成しない温度に維持しなければならないからである。

また、特開２００６−４６７３４号公報に記載されたガスタービン燃焼器の技術では、ガスタービンの停止時に予蒸発予混合器の内壁面から剥離したコーキング層が、ガスタービン燃焼器やトランジションピースに堆積する。

そのため、次回のガスタービン起動時に、堆積したこれらのコーキング層が燃焼してガスタービン燃焼器やトランジションピースの温度が高温になり過ぎて、ガスタービン燃焼器の信頼性が低下するという可能性が残る。

このように、ガスタービンの広い負荷範囲や運転条件においてガスタービン燃焼器の予蒸発予混合器にコーキングが堆積することを抑制することは困難である。

本発明の目的はガスタービン燃焼器に設置された予蒸発予混合器にコーキングが堆積することを抑制して、かつ予蒸発予混合器内で液体燃料の蒸発と燃焼空気との混合を促進し、燃焼器内で安定な火炎が得られるガスタービン燃焼器を提供することにある。

本発明のガスタービン燃焼器は、液体燃料を噴出する燃料ノズルと、この燃料ノズルから噴出された液体燃料を予蒸発し燃焼用空気と混合させて生成した予混合気を下流側の燃焼室に噴出させて燃焼させる予蒸発予混合器と、前記予蒸発予混合器で形成された予混合気を燃焼させる燃焼室を備えたガスタービン燃焼器において、前記予蒸発予混合器の出口側に該燃焼室に向かって傾斜した保炎器を配設し、この保炎器に複数の溝部を形成し、燃焼室に向かって傾斜させて配設した前記保炎器は、燃焼室に向かって半径方向外方に傾斜、または燃焼室に向かってその軸心方向に傾斜するように配設し、前記保炎器に配設した溝部は、保炎器の端部に配設した溝部の幅が保炎器の中央部に配設した溝部の幅よりも広くなるように形成したことを特徴とする。

また、本発明のガスタービン燃焼器は、燃焼器内筒と該燃焼器内筒の上流側に設置した内筒端板とによって区画される燃焼室と、この燃焼室の内部で液体燃料と燃焼用空気とを混合した混合気を燃焼させて燃焼ガスを生成するガスタービン燃焼器において、前記燃焼室に面した前記内筒端板の中央部に配置されて燃料を前記燃焼室に噴射して拡散燃焼させる第１の燃料ノズルと、前記燃焼室に面した前記内筒端板に該第１の燃料ノズルの外周側に位置するように配置された液体燃料を噴射する第２の燃料ノズル及びこの第２の燃料ノズルから噴射された液体燃料を予蒸発し燃焼用空気と予混合させた予混合気を生成してこの予混合気を前記燃焼室に噴出させて燃焼させる予蒸発予混合器と、前記燃焼室に面した前記予蒸発予混合器の出口側に該燃焼室に向かって傾斜させた保炎器を配設し、この保炎器に複数の溝部を形成し、燃焼室に向かって傾斜させて配設した前記保炎器は、燃焼室に向かって半径方向外方に傾斜、または燃焼室に向かってその軸心方向に傾斜するように配設し、前記保炎器に配設した溝部は、保炎器の端部に配設した溝部の幅が保炎器の中央部に配設した溝部の幅よりも広くなるように形成したことを特徴とする。

本発明によれば、ガスタービン燃焼器に設置された予蒸発予混合器にコーキングが堆積することを抑制して、かつ予蒸発予混合器内で液体燃料の蒸発と燃焼空気との混合を促進し、燃焼器内で安定な火炎が得られるガスタービン燃焼器が実現できる。

次に、本発明の実施例であるガスタービン燃焼器について図面を参照して以下に説明する。

次に本発明の一実施例であるガスタービン燃焼器、並びにガスタービン燃焼器の燃料供給方法について、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例である予蒸発予混合器を備えたガスタービン燃焼器を設置したガスタービン発電プラントの要部を表す概念図である。

図１に示したガスタービン発電プラントは、燃焼用の空気を圧縮して燃焼用空気９を得る圧縮機１と、複数個の予蒸発予混合器１５を備えたガスタービン燃焼器３を有している。

圧縮機１で圧縮されて該圧縮機１から供給された燃焼用空気９は、ガスタービン燃焼器３に導かれ、このガスタービン燃焼器３に設置された内筒５の内部に燃焼用空気として供給されて、燃料供給系１２、１３を通じて導かれ第１の燃料ノズル１０、及び第２の燃料ノズル１１から前記内筒５の内部の燃焼室２５の内部に噴射される燃料と混合して燃焼する。

そして、ガスタービン燃焼器３の燃焼室２５で燃焼して生成された高温の燃焼ガスは、圧縮機１に連結されたタービン２に流入してタービン２を駆動し、このタービン２に連結した発電機６０を回転して発電を行う。

ガスタービン燃焼器３は、図１に示したように、内部に燃焼室２５を形成する円筒状の燃焼器内筒５と、この燃焼器内筒５の外周側に設けられた円筒状の燃焼器外筒４と、燃焼器外筒４のノズル側の端部に設けられた燃焼器外筒端板６と、燃焼器内筒５の燃焼室２５側の端部に設けられた燃焼器内筒端板７とが設けられた構造である。

更にガスタービン燃焼器３には、円筒状の燃焼器外筒４及び燃焼器内筒５を貫通して燃焼室２５の内部に噴射された燃料を点火させる点火栓８が設置されている。

前記燃焼器内筒５のノズル側の端部に設けられた燃焼器内筒端板７には、その軸心近傍に第１の燃料供給系１２から供給された燃料を噴射する第１の燃料ノズル１０が設置されている。

また、前記燃焼器内筒端板７のノズル側には内部で燃料を予蒸発予混合する部屋を形成した複数個（本実施例の場合は６個）の予蒸発予混合器１５が相互に離間して環状に配設されており、これらの予蒸発予混合器１５には第２の燃料供給系１３から供給された燃料を噴射する第２の燃料ノズル１１がそれぞれ設置されている。

また、前記燃焼器内筒端板７に設けた第１の燃料ノズル１０の外周側には燃焼用空気を噴霧するスワラ１４が設置されており、また、前記各予蒸発予混合器１５の出口の燃焼室２５に面した内周側には外周側に向かって傾斜した板状の保炎器２０が燃焼器内筒端板７にそれぞれ設置されている。

そして、ガスタービン燃焼器３の燃焼器外筒４と燃焼器内筒５との間には、圧縮機１で加圧された燃焼用空気９をガスタービン燃焼器３の燃焼室２５に導く環状の燃焼空気流路が構成される。

ガスタービン燃焼器３の燃焼器内筒５の内側に形成される燃焼室２５は燃焼器内筒５の内壁と燃焼器内筒端板７とで区画される。

また、本実施例のガスタービン燃焼器３では燃焼室２５の内部を燃焼ガスが流れる方向を燃焼室２５の下流方向とし、燃焼器内筒端板７を燃焼室２５の上流側としている。

図２は、図１に示した実施例のガスタービン燃焼器３をＡ−Ａ方向から見た矢視図である。

図１および図２に示されるように、前記燃焼器内筒５のノズル側の端部に設けられた燃焼器内筒端板７に設置され、燃料供給系１２から供給された燃料を噴射する拡散燃焼バーナを構成する第１の燃料ノズル１０は、その燃料ノズル１０の先端部が燃焼器内筒端板７の中心部に位置するように取り付けられている。

スワラ１４は燃焼器内筒端板７の中心で拡散燃焼バーナを構成する前記第１の燃料ノズル１０の外周側に設けられていて、圧縮機１からガスタービン燃焼器３に供給された燃焼用空気９にこのスワラ１４によって旋回を与えて燃焼室２５へ流入させる。

前記燃焼器内筒端板７のノズル側に設置され、その内部で噴霧された主燃料噴霧１７を燃焼用空気９と混合させて予蒸発予混合した予混合気２４を生成する部屋を形成する予蒸発予混合バーナを構成する予蒸発予混合器１５は、燃焼器内筒端板７上で第１の燃料ノズル１０及びスワラ１４の外周側を囲むように環状に相互に離間して複数個配置されている。

これらの予蒸発予混合器１５に設置され、第２の燃料供給系１３から供給された主燃料噴霧１７を前記予蒸発予混合器１５の内部に噴射する第２の燃料ノズル１１は、その先端部が予蒸発予混合器１５の上流部に位置するように取り付けられている。

前記予蒸発予混合バーナを構成する予蒸発予混合器１５には、圧縮機１からガスタービン燃焼器３に供給された燃焼用空気９を予蒸発予混合器１５の内部に流入させ、噴射された主燃料噴霧１７と混合させて予蒸発予混合した予混合気２４を生成させるための空気導入口１６が設けられている。

第１の燃料ノズル１０は第１の燃料供給系１２と、第２の燃料ノズル１１は第２の燃料供給系１３とにそれぞれ接続されており、第１の燃料ノズル１０と第２の燃料ノズル１１には独立して燃料が供給されるように構成されている。

各予蒸発予混合器１５の出口側の燃焼器内筒端版７には、燃焼室２５に向かって半径方向外方に傾斜して配置された板状の保炎器２０が取り付けられている。

具体的には、予蒸発予混合器１５の内部で予蒸発予混合して燃焼室２５へと流出する主燃料噴霧１７と燃焼用空気９とが予混合した予混合気２４、および予蒸発予混合器１５内で蒸発しなかった主燃料噴霧１７が、予蒸発予混合器１５から燃焼室２５に直接噴出する流れとなるのを妨げるように、予蒸発予混合器１５の出口側に燃焼室２５に向かって半径方向外方に傾斜した保炎器２０が取り付けられている。

この保炎器２０の表面には、予蒸発予混合器１５内において蒸発しきらなかった主燃料噴霧１７の粒子を捕捉し、加熱させて蒸発させるための溝３０が複数設けられている。

保炎器２０の温度はガスタービン燃焼器３の燃焼室２５の内部に流入した予混合気２４が燃焼して生成する主燃焼部２３に形成される火炎との熱伝達や、この火炎からのふく射熱により加熱され、保炎器２０の溝３０で捕捉した主燃料噴霧１７を蒸発させるのに十分なほど高温になっている。

図３に保炎器２０の表面構造の例を示す。図３（ａ）は保炎器２０の外観図を示しており、図３（ｂ）、図３（ｃ）は図３（ａ）に示した保炎器２０のＡ−Ａ断面拡大図であり、図３（ｂ）は保炎器２０の断面の中心部の拡大図を、図３（ｃ）は保炎器２０の断面の端部の拡大図をそれぞれ示している。

図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）に示すように、保炎器２０に衝突した主燃料噴霧１７の粒子は、保炎器２０の表面に形成した多数の溝３０の奥行き方向に流入し、この溝３０によって主燃料噴霧１７の粒子が捕捉される。

これによって、保炎器２０の表面に多数の溝３０を設けることにより、主燃料噴霧１７の粒子が保炎器２０の表面に衝突した際に、保炎器２０の表面に付着せずに飛散して、蒸発が不完全なままで主燃料噴霧１７が予蒸発予混合器１５から保炎器２０の下流の燃焼室２５の主燃焼部２３に直接流出することを避けることができる。

また、保炎器２０の表面に溝３０を設けることにより保炎器２０の表面積が増大し、保炎器２０の表面に付着した主燃料噴霧１７の粒子と保炎器２０との熱交換が促進されて、保炎器２０の表面における主燃料噴霧１７の粒子の蒸発が促進される。

保炎器２０に設けた溝３０の深さＨは、飛散した主燃料噴霧１７の粒子を捕集することができるよう、主燃料噴霧１７が保炎器２０の表面に衝突して飛散する高さよりも十分深く形成されている。

また、図３（ｂ）、図３（ｃ）に示すように、保炎器２０の溝３０の幅Ｗは、溝３０に主燃料噴霧１７が衝突する角度βに応じて変化している。

主燃料噴霧１７は予蒸発予混合器１５に設置された第２の燃料ノズル１１から広がるように噴射される。

そのため、噴射された主燃料噴霧１７の外側に位置する燃料の粒子は軸中心に対して角度を持って保炎器２０の表面に衝突することになる。

このため、主燃料噴霧１７が保炎器２０に衝突する衝突角度βは、保炎器２０の横側面に近いほど大きくなる。この衝突する角度が大きくなると主燃料噴霧１７が溝３０の奥まで流入しにくくなり、溝３０の側面に衝突するようになる。

この結果、溝３０の側面に燃料噴霧１７が衝突して飛散すると、主燃料噴霧１７の一部が溝３０の外に出て下流側に流下してしまうので、燃料噴霧１７を溝３０の内部に十分捕集することができなくなる。

このため、保炎器２０の側面に近い端部付近の溝３０の幅Ｗは、主燃料噴霧１７が溝３０の奥に衝突するように、保炎器２０の中央部の溝３０の幅Ｗに比較して広くなるように形成することが望ましい。

また、主燃料噴霧１７が保炎器２０に衝突する衝突角度βは主燃料噴霧１７の噴射角度と保炎器２０での衝突位置の他に、燃焼用空気９や燃料噴霧にかかる旋回の強さなどによって変化する。よって溝３０の幅Ｗは主燃料噴霧１７が保炎器３０に衝突する衝突角度βにあわせて最適な幅に設定することが望ましい。

保炎器２０の表面に形成する溝３０の幅Ｗについては、例えば主燃料噴霧１７の粒子の衝突角度βに対して溝３０の深さＨと溝の幅Ｗがｔａｎβ≦Ｗ／Ｈとする方法がある。

保炎器２０の表面に形成する溝３０の構造は、図３に示したもの以外にも、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、溝３０ａを燃焼用空気９の流れ方向に対してある角度γを持つように斜めに切った溝３０ａを配設する構造が考えられる。

そして保炎器２０で蒸発した主燃料噴霧１７の蒸気は、溝３０ａの内部および保炎器２０の表面において燃焼用空気９および予混合気２４と混合される。

保炎器２０の溝３０ａに角度γの配設方向をつけることにより、保炎器２０の長さに対して溝３０ａの長さを長くすることができる。これにより、燃料蒸気が燃焼用空気９および予混合気２４と混合される時間が長くなり、混合が促進される。

また、保炎器２０の表面に形成する溝３０は、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、溝３０の凸部の頂部形状３０ｂを平面ではなく鋭角に形成することで、保炎板２０に衝突した主燃料噴霧１７の粒子が飛散することを防ぎ、この溝３０の凸部の鋭角な頂部形状３０ｂによって衝突した主燃料噴霧１７の粒子を更に効率よく捕集することができる。

このように保炎器２０の表面に設ける溝３０の形状は保炎器２０の加工費や保炎器２０上での主燃料噴霧１７の粒子の蒸発促進の効果を考えて自由に選択してよい。

次に、ガスタービン燃焼器３における燃焼負荷の変動に対して各予蒸発予混合器１５の出口側に設置した保炎器２０が燃焼室２５内に形成される燃焼領域に与える影響について説明する。

図１に示したように、ガスタービン燃焼器３の点火時は、燃料供給系１２を通じて供給され、第１の燃料ノズル１０から燃焼室２５に噴射された燃料噴霧を点火栓８による火花により着火させて燃焼させ、燃焼室２５の内部に副燃焼部２１を形成させる。

この副燃焼部２１では、スワラ１４および空気導入口１６から流入する燃焼用空気９と第１の燃料ノズル１０から噴射される燃料噴霧によって、燃焼安定性に優れた拡散燃焼が行われる。

ガスタービン燃焼器３の点火時およびガスタービンの低負荷運転領域においては第１の燃料ノズル１０からのみガスタービン燃焼器３に燃料が供給される。これは、ガスタービンの起動時や低負荷時では燃焼用空気９の流量や温度など、燃焼条件が激しく変化するためである。

ガスタービンの負荷が上昇し、副燃焼部２１が安定な燃焼をして周囲に十分な熱を供給できるようになったとき、ガスタービン燃焼器３に設けた予蒸発予混合器１５に設置した第２の燃料ノズル１１に燃料供給系１３を通じて燃料の供給が開始される。

第２の燃料ノズル１１へ供給された燃料は、第２の燃料ノズル１１から予蒸発予混合器１５内へ噴射され主燃料噴霧１７を形成する。

そして前記予蒸発予混合器１５の内部ではこの噴射された主燃料噴霧１７と空気導入口１６から流入した燃焼用空気９とが混合して蒸発して予蒸発予混合した予混合気２４を生成し、前記予蒸発予混合器１５から燃焼室２５に流下する。

このとき、図６に示すように、主燃料噴霧１７は液体燃料が予蒸発予混合器１５の内壁に付着することがないように、第２の燃料ノズル１１から下記の関係式を満たすように主燃料噴霧１７が噴射角αで予蒸発予混合器１５の内部に噴射される。

ｔａｎ（α／２）≦Ｄ／２Ｌ
予蒸発予混合器１５の内部では、噴射された主燃料噴霧１７は空気導入口１６から予蒸発予混合器１５に流入する燃焼用空気９と混合され、予蒸発予混合器１５内部で蒸発して予混合気２４を形成する。

この形成された予混合気２４は、予蒸発予混合器１５の出口側に保炎器２０を設置したことから、燃焼室２５の内部にて保炎器２０の下流側に循環流領域２２を形成し、燃焼室２５の内部にて前記第１の燃料ノズル１０から噴霧された燃料が燃焼して形成された副燃焼部２１から熱を受けることにより燃焼し、主燃焼部２３を形成する。

この主燃焼部２３は予混合気２４が燃焼した火炎で形成されるため、局所的な高温領域がなく、ＮＯｘの排出量を低くすることができる。

また、予蒸発予混合器１５の出口側に前記溝３０を形成した構造の保炎器２０を傾斜させて設置したことによって、燃焼室２５の内部に保炎器２０の下流で循環流領域２２を形成させたことにより、この循環流領域２２の循環流によって燃焼室２５の内部に形成された主燃焼部２３で発生した高温の燃焼ガスや活性化学種が該主燃焼部２３の上流側に供給されて予混合気２４の反応を促進するので、予蒸発予混合火炎を安定燃焼させることが出来る。

ガスタービンが高負荷の運転条件においては、第２の燃料ノズル１１に供給される燃料流量が増加する。予蒸発予混合器１５の軸方向長さを長くすると、内部に火炎が逆火する可能性が高まるため、燃料流量の増加に対して予蒸発予混合器１５のサイズを主燃料噴霧１７が十分蒸発させるだけの長さに形成することは難しい。

このため、第２の燃料ノズル１１から噴霧される主燃料噴霧１７は予蒸発予混合器１５内部ですべて蒸発することができなくなる。

そこでこの対策として、未蒸発の主燃料噴霧１７を予蒸発予混合器１５の噴出部の出口側に設けられた保炎器２０の表面に衝突させて、未蒸発の主燃料噴霧１７の粒子を保炎器２０の表面や保炎器２０の表面に生成した溝３０で捕集させるように構成した。

前記の保炎器２０は燃焼室２５の内部に形成された副燃焼部２１および主燃焼部２３との熱交換や火炎からのふく射熱により高温になっているため、保炎器２０表面に付着または保炎器２０の表面に生成した溝３０で捕集された主燃料噴霧１７の粒子は加熱されて直ちに蒸発する。

そして、保炎器２０で加熱されて蒸発した主燃料噴霧１７の粒子は、予混合気２４と混合されながら燃焼室２５の内部の主燃焼部２３へと運ばれて、予混合火炎を形成する。

このように、予蒸発予混合器１５の噴出部に、未蒸発の液体燃料の主燃料噴霧１７を蒸発させる構造の保炎器２０を設けた構成にした本件実施例に係わるガスタービン燃焼器による第１の効果として、予蒸発予混合器１４におけるコーキングの堆積を抑制して予蒸発予混合器内で液体燃料の蒸発と燃焼空気との混合を促進し、燃焼器内で安定な火炎が得られるガスタービン燃焼器が実現できる。

しかも、本実施例のガスタービン燃焼器では、予蒸発予混合器１５へ主燃料噴霧１７の付着を避けながらも、予蒸発予混合器１５の噴出部に設けた保炎器２０で燃料噴霧を付着および捕集し、蒸発させることができるので、ガスタービン燃焼器３の燃焼室２５に形成する主燃焼部２３には予蒸発予混合の予混合気２４を効果的に供給でき、主燃焼部２３においてＮＯｘ排出量の少ない予混合火炎を形成できる。

そして、ガスタービンの運転時においては、本実施例のガスタービン燃焼器３の保炎器２０はコーキング堆積温度よりも十分に高温であるため、保炎器２０表面において燃料噴霧が付着し、蒸発しても、保炎器２０へのコーキングの堆積は十分に抑制可能となる。

また、本実施例に係わるガスタービン燃焼器による第２の効果は、ガスタービン燃焼器３の燃焼室２５の内部に、保炎器２０の下流で循環流領域２２を形成させることにより、この循環流領域２２の循環流により、主燃焼部で発生した高温の燃焼ガスや活性化学種が上流側に供給されて予混合気２４の反応を促進するので、予蒸発予混合火炎を安定燃焼させることが出来るというものである。

以上説明したように、本発明の実施例によればガスタービン燃焼器に設置された予蒸発予混合器にコーキングが堆積することを抑制して、かつ予蒸発予混合器内で液体燃料の蒸発と燃焼空気との混合を促進し、燃焼器内で安定な火炎が得られるガスタービン燃焼器が実現できる。

次に本発明の他の実施例であるガスタービン燃焼器について、図７及び図８を用いて説明する。

図７及び図８に示した本実施例の予蒸発予混合器を備えたガスタービン燃焼器３の構成は、図１乃至図６に示した先の実施例のガスタービン燃焼器３の構成と基本構成が共通しているので、本実施例では両者に共通した構成の説明は省略して相違した構成についてのみ以下に説明する。

図７及び図８に示した本発明の実施例は、ガスタービン燃焼器３の予蒸発予混合器１５の出口側に燃焼室２５に面して設置された傾斜配置された多数の穴３１を形成した板状の保炎器２０を設けている。

本実施例では、図７に示すように保炎器２０として多数の穴３１を配設した構造を採用している。

図８には図７に示した構造の保炎器２０を予蒸発予混合器１５の出口側に設置したガスタービン燃焼器３を示している。

図８に示した蒸発予混合器１５を備えたガスタービン燃焼器３において、ガスタービン燃焼器３の燃焼室２５の内部である保炎器２０の近傍に形成された循環流領域２２、および予混合気２４の流れの様子を説明すると、次の通りとなる。

即ち、ガスタービン燃焼器３の蒸発予混合器１５の内部で予蒸発予混合して燃焼室２５へと流出する主燃料噴霧１７と燃焼用空気９とが混合した予混合気２４、および予蒸発予混合器１５内で蒸発しなかった主燃料噴霧１７が、予蒸発予混合器１５から燃焼室２５に流入する。

このうち、予蒸発予混合器１５内において蒸発しきらなかった主燃料噴霧１７は予蒸発予混合器１５の出口側に設けられた保炎器２０の表面に衝突し、主燃料噴霧１７の一部が保炎器２０の表面に付着する。そして表面に付着しなかった残りの未蒸発の主燃料噴霧１７は保炎器２０に設けられた穴３１を通過して下流側の燃焼室２５の主燃焼部２３へと流れるか、または穴３１の壁面に衝突する。

蒸発予混合器１５の内部で主燃料噴霧１７と燃焼用空気９とが混合した予混合気２４は、その一部が保炎器２０の表面に沿って下流へ流れて燃焼室２５の内部における保炎器２０の下流側に循環流領域２２を形成し、残りの予混合気２４は保炎器２０に設けられた穴３１を通過して保炎器２０下流の燃焼室２５の主燃焼部２３に流れていく。

保炎器２０の穴３１内の温度は保炎器２０からの熱伝達により高温になっているため、穴３１に衝突した主燃料噴霧１７は保炎器２０の表面に衝突するよりも短時間で蒸発する。

また、保炎器２０に設けられた穴３１の内部で蒸発した燃料蒸気は、穴３１から噴出する際に流路が急拡大することにより発生する乱れにより、予混合気３３となって急速混合される。

そして、この予混合気３３も保炎器２０下流の燃焼室２５の内部に形成される循環流領域２２へと運ばれ、燃焼室２５の内部の主燃焼部２３において予混合火炎を形成する。

このように保炎器２０に多数の穴３１を設けることにより、予混合気２４および予混合気３３の濃度が均一にできることから、燃焼室２５の主燃焼部２３に形成される予混合火炎の温度分布を均一にすることが可能となり、ＮＯｘ排出量を低減することができる。

次に本発明の更に他の実施例であるガスタービン燃焼器について、図９を用いて説明する。

図９に示した本実施例の予蒸発予混合器を備えたガスタービン燃焼器３の構成は、図１乃至図６に示した先の実施例のガスタービン燃焼器３の構成と基本構成が共通しているので、本実施例では両者に共通した構成の説明は省略して相違した構成についてのみ以下に説明する。

図９に示した本発明の実施例は、ガスタービン燃焼器３の予蒸発予混合器１５の出口側に燃焼室２５に面して設置された保炎器のうち、保炎器４５はガスタービン燃焼器３の燃焼室２５の軸中心側に向かって傾斜するように配設され、残りの保炎器４４はガスタービン燃焼器３の燃焼室２５の半径方向外方に向かって傾斜するように配設されている。

本実施例のガスタービン燃焼器３の予蒸発予混合器に設置された保炎器４４、４５のうち、
保炎器４５がガスタービン燃焼器３の燃焼室２５の軸中心側に向かって傾斜して配設された中負荷用予蒸発予混合器５１には中負荷用燃料ノズル４１が取り付けられている。

また、保炎器４４がガスタービン燃焼器３の燃焼室２５の半径方向に向かって傾斜して配設された高負荷用予蒸発予混合器５０には高負荷用燃料ノズル４０が取り付けられている。

そして中負荷用燃料ノズル４１には燃料を供給する中負荷用燃料供給系４３が、高負荷用燃料ノズル４０には燃料を供給する高負荷用燃料供給系４２が取り付けられ、それぞれ別々に燃料を供給することができる。

ガスタービン燃焼器３の負荷を上げていき、予混合燃焼を開始する時に、はじめにガスタービン燃焼器３に設けた予蒸発予混合器５１に設置した中負荷用燃焼ノズル４１に中負荷用燃料供給系４３を通じて燃料を供給し、この中負荷用燃焼ノズル４１から燃料を噴射させる。

この中負荷用燃料ノズル４１から噴射された主燃料噴霧５３は中負荷用予蒸発予混合器５１の内部で空気導入口１６から流入した燃焼用空気９と混合し、蒸発して予混合気４９を形成する。

中負荷用予蒸発予混合器５１の内部で形成された予混合気４９は中負荷用予蒸発予混合器５１の出口側に燃焼室２５の軸中心側に向かって傾斜して配設された保炎器４５によってその流れの方向をガスタービン燃焼器３の燃焼室２５の軸中心へと変化させ、中負荷主燃焼部４７を形成させる。

ガスタービン燃焼器３の燃焼室２５の内部の軸中心においては、第１の燃料ノズル１０から噴霧された燃料を燃焼安定性に優れた拡散燃焼によって形成した副燃焼部２１が存在する。

前記予混合気４９はこの副燃焼部２１と接触し、副燃焼部２１から熱および活性化学種を受けて着火してガスタービン燃焼器３の燃焼室２５の内部に中負荷主燃焼部４７を形成する。

上記したように燃焼室２５の軸中心側に向かって傾斜した保炎器４５を中負荷用予蒸発予混合器５１の出口側に設置することにより、予混合燃焼を開始する際に副燃焼部２１から中負荷主燃焼部４７への火炎伝播を安定して行うことができる。

また、予混合火炎である中負荷主燃焼部４７の燃焼を拡散火炎である副燃焼部２１でサポートすることにより、燃焼室２５の内部に形成される中負荷主燃焼部４７の燃焼安定性が増し、ＣＯなどの未燃分が発生しにくくなる。

また、燃焼現象の不安定性に起因する燃焼振動の発生を防ぐことができるため、ガスタービン燃焼器の信頼性が向上する。

さらに負荷を上げていき、ガスタービン燃焼器３の燃焼室２５の内部に形成される中負荷主燃焼部４７の安定性が確保された時に、ガスタービン燃焼器３に設けた予蒸発予混合器５０に設置した高負荷用燃料ノズル４０に高負荷用燃料供給系４２を通じて燃料を供給し、この高負荷用燃料ノズル４０から燃料を噴射させる。

この高負荷用燃料ノズル４０から噴射された主燃料噴霧５２は高負荷用予蒸発予混合器５０の内部で空気導入口１６から流入した燃焼用空気９と混合し、蒸発して予混合気４８を形成する。

高負荷用予蒸発予混合器５０の内部で形成された予混合気４８は高負荷用予蒸発予混合器５０の出口側に燃焼室２５の半径方向外方に向かって傾斜して配設された保炎器４４によってその流れの方向をガスタービン燃焼器３の燃焼室２５の軸中心へと変化させ、高負荷主燃焼部４６を形成させる。

前記予混合気４８は前記副燃焼部２１と接触し、副燃焼部２１から熱および活性化学種を受けて着火してガスタービン燃焼器３の燃焼室２５の内部に高負荷主燃焼部４６を形成する。

上記したように燃焼室２５の半径方向外方に向かって傾斜した保炎器４４を高負荷用予蒸発予混合器５０の出口側に設置することにより、予混合燃焼を開始する際に副燃焼部２１から高負荷主燃焼部４６への火炎伝播を安定して行うことができる。

また、予混合火炎である高負荷主燃焼部４６の燃焼を拡散火炎である副燃焼部２１でサポートすることにより、燃焼室２５の内部に形成される高負荷主燃焼部４６の燃焼安定性が増し、ＣＯなどの未燃分が発生しにくくなる。

高負荷主燃焼部４６は先の実施例１で述べたように燃料と燃焼空気との混合性に優れているため、高負荷用燃料ノズル４０への燃料流量を増加させることでＮＯｘの排出量を低減することができる。

このようにガスタービン燃焼器を構成することで幅広い負荷運転範囲において火炎の安定性と低ＮＯｘ燃焼を実現することが可能となる。

また、複数の保炎器のうち、どの保炎器を軸中心側に向かって傾斜、又は半径方向外方に向かって傾斜して配置させるのか、燃料流量の切り替え条件等は、燃焼安定性とＮＯｘ排出量のバランスから当業者が自由に選択してよい。

本発明は液体燃料を用いた予蒸発予混合器を備えたガスタービン燃焼器、及び予蒸発予混合器を備えたガスタービン燃焼器の燃料供給方法に適用可能である。

本発明の一実施例であるガスタービン燃焼器の構造を示す全体構成図。図１に示した本発明の一実施例であるガスタービン燃焼器をＡ−Ａ方向から見た断面図。図１に示した本発明の一実施例のガスタービン燃焼器に設置された保炎器の構造を表す部分図。図１に示した本発明の一実施例のガスタービン燃焼器に設置された保炎器の他の構造を表す部分図。図１に示した本発明の一実施例のガスタービン燃焼器に設置された保炎器の別の構造を表す部分図。図１に示した本発明の一実施例のガスタービン燃焼器に設置された予蒸発予混合器保炎器の部分拡大図。本発明の他の実施例であるガスタービン燃焼器に設置された保炎器の構造を示す部分図。図７に示した保炎器を備えた本発明の他の実施例であるガスタービン燃焼器の構造を示す部分断面図。本発明の更に他の実施例であるガスタービン燃焼器の構造を示す全体構成図。

符号の説明

１：圧縮機、２：タービン、３：ガスタービン燃焼器、４：燃焼器外筒、５：燃焼器内筒、６：燃焼器外筒端版、７：燃焼器内筒端版、８：点火栓、９：燃焼空気、１０：第１の燃料ノズル、１１：第２の燃料ノズル、１２：第１の燃料供給系、１３：第２の燃料供給系、１４：スワラ、１５：予蒸発予混合器、１６：空気導入口、１７：主燃料噴霧、２０：保炎器、２１：副燃焼部、２２：循環流領域、２３：主燃焼部、２４：予混合気、３０：溝、３１：穴、３２：予混合気、３３：予混合気、４０：高負荷用燃料ノズル、４１：中負荷用燃料ノズル、４２：高負荷用燃料供給系、４３：中負荷用燃料供給系、４４、４５：保炎器、４６：高負荷主燃焼部、４７：中負荷主燃焼部、４８、４９：予混合気、５０：高負荷用予蒸発予混合器、５１：中負荷用予蒸発予混合器、５２、５３：主燃料噴霧。

Claims

液体燃料を噴出する燃料ノズルと、この燃料ノズルから噴出された液体燃料を予蒸発し燃焼用空気と混合させて生成した予混合気を下流側の燃焼室に噴出させて燃焼させる予蒸発予混合器と、前記予蒸発予混合器で形成された予混合気を燃焼させる燃焼室を備えたガスタービン燃焼器において、前記予蒸発予混合器の出口側に該燃焼室に向かって傾斜した保炎器を配設し、この保炎器に複数の溝部を形成し、
燃焼室に向かって傾斜させて配設した前記保炎器は、燃焼室に向かって半径方向外方に傾斜、または燃焼室に向かってその軸心方向に傾斜するように配設し、
前記保炎器に配設した溝部は、保炎器の端部に配設した溝部の幅が保炎器の中央部に配設した溝部の幅よりも広くなるように形成したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
燃焼器内筒と該燃焼器内筒の上流側に設置した内筒端板とによって区画される燃焼室と、この燃焼室の内部で液体燃料と燃焼用空気とを混合した混合気を燃焼させて燃焼ガスを生成するガスタービン燃焼器において、前記燃焼室に面した前記内筒端板の中央部に配置されて燃料を前記燃焼室に噴射して拡散燃焼させる第１の燃料ノズルと、前記燃焼室に面した前記内筒端板に該第１の燃料ノズルの外周側に位置するように配置された液体燃料を噴射する第２の燃料ノズル及びこの第２の燃料ノズルから噴射された液体燃料を予蒸発し燃焼用空気と予混合させた予混合気を生成してこの予混合気を前記燃焼室に噴出させて燃焼させる予蒸発予混合器と、前記燃焼室に面した前記予蒸発予混合器の出口側に該燃焼室に向かって傾斜させた保炎器を配設し、この保炎器に複数の溝部を形成し、
燃焼室に向かって傾斜させて配設した前記保炎器は、燃焼室に向かって半径方向外方に傾斜、または燃焼室に向かってその軸心方向に傾斜するように配設し、
前記保炎器に配設した溝部は、保炎器の端部に配設した溝部の幅が保炎器の中央部に配設した溝部の幅よりも広くなるように形成したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項２に記載のガスタービン燃焼器において、前記予蒸発予混合器の長さＬおよび内径Ｄは、前記第２の燃料ノズルから該予蒸発予混合器の内部に液体燃料を噴出する噴射角度αに対して、ｔａｎ（α／２）≦Ｄ／２Ｌとなるように構成したことを特徴とするガスタービン燃焼器。