JP5331909B2

JP5331909B2 - 燃焼器

Info

Publication number: JP5331909B2
Application number: JP2012032283A
Authority: JP
Inventors: 圭祐三浦; 聡百々; 一幾阿部; 知己小金沢
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-02-17
Filing date: 2012-02-17
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2029-09-30
Also published as: JP2012098027A

Description

本発明は燃焼器及びその運転方法に関する。

環境に対する規制や社会的要求が日増しに強くなっており、ガスタービンにおいてもさらなる高効率化，低ＮＯｘ化が求められている。

ガスタービンを高効率化させるための一方策として、タービン入口ガス温度を上昇させることが考えられるが、この場合ガスタービン燃焼器での火炎温度の上昇に伴ってＮＯｘの排出量増加が懸念される。

特許文献１には、燃焼室に燃料を供給する燃料ノズルと、この燃料ノズルの下流側に位置し、酸化剤を供給する酸化剤ノズルとを備え、燃料ノズルの噴出孔と酸化剤ノズルの噴出孔とを同軸上に配置した燃料燃焼用ノズルを開示されている。また、特許文献１では、燃料と空気による同軸噴流で生成した火炎が吹き消えても再着火可能とするために、酸化剤ノズルを備えたプレートの外周側部材が中心側部材に比べ厚く形成されている（図１）。

特開２００５−１０６３０５号公報

しかし、引用文献１ではＮＯｘ低減について考慮されていなかった。

そこで本発明の目的は、燃焼器において、低ＮＯｘと燃焼安定性を両立する構造を提供することにある。

本発明は、燃料と空気とを混合燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室の上流側壁を形成する空気孔プレートと、前記空気孔プレートに、その中心軸に対して傾斜して穿設された複数の空気孔と、前記複数の空気孔それぞれに燃料を供給する燃料ノズルとを備えた燃焼器であって、前記空気孔プレートは燃焼室側に、それぞれ前記空気孔プレートの中心軸方向と垂直な平面である内周側平面と、外周側平面とを有し、前記内周側平面は前記外周側平面よりも下流側に位置し、前記内周側平面と前記外周側平面とは、平面または滑らかな面で接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、燃焼器において、低ＮＯｘと燃焼安定性を両立する構造を提供できる。

実施例１におけるガスタービン燃焼器の燃料供給部を構成する燃料ノズルヘッダと燃料ノズル及び空気孔プレートとの配置状況の詳細を示す部分構造図である。図１に示した実施例１の空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図である。実施例１のガスタービン燃焼器が適用されるガスタービンプラントの概略構成を示すプラントの系統図である。実施例１におけるガスタービン燃焼器の燃料供給部を構成する燃料ノズルヘッダと燃料ノズル及び空気孔プレートとの配置における燃焼室内の燃料流と空気流の流動状態を示した図である。実施例１におけるガスタービン燃焼器の燃料供給部を構成する燃料ノズルヘッダと燃料ノズル及び空気孔プレートとの配置状況の詳細を示す部分構造図（変形例）である。実施例１におけるガスタービン燃焼器の燃料供給部を構成する燃料ノズルヘッダと燃料ノズル及び空気孔プレートとの配置状況の詳細を示す部分構造図（変形例）である。図６に示した実施例１の空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図（変形例）である。実施例１であるガスタービン燃焼器の燃料供給部を構成する燃料ノズルヘッダと燃料ノズル及び空気孔プレートとの配置における燃焼室内の燃料流と空気流の流動状態を示した図（変形例）である。実施例２であるガスタービン燃焼器の燃料供給部を構成する燃料ノズルヘッダと燃料ノズル及び空気孔プレートとの配置状況の詳細を示す部分構造図である。図９に示した実施例２の空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図である。実施例３であるガスタービン燃焼器の燃料供給部を構成する燃料ノズルヘッダと燃料ノズル及び空気孔プレートとの配置状況の詳細を示す部分構造図である。図１１に示した実施例３の空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図である。実施例４であるガスタービン燃焼器の燃料供給部を構成する燃料ノズルヘッダと燃料ノズル及び空気孔プレートとの配置状況の詳細を示す部分構造図である。図１３に示した実施例４の空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図である。図３のＡ部・Ｂ部を拡大した図である。実施例５におけるガスタービン燃焼器の燃料供給部を構成する燃料ノズルヘッダと燃料ノズル及び空気孔プレートとの配置状況の詳細を示す部分構造図である。図１６に示した実施例１の空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図である。実施例５におけるガスタービン燃焼器の燃料供給部を構成する燃料ノズルヘッダと燃料ノズル及び空気孔プレートとの配置状況の詳細を示す部分構造図（変形例）である。実施例５におけるガスタービン燃焼器の燃料供給部を構成する燃料ノズルヘッダと燃料ノズル及び空気孔プレートとの配置状況の詳細を示す部分構造図（変形例）である。実施例６におけるガスタービン燃焼器の燃料供給部を構成する燃料ノズルヘッダと燃料ノズル及び空気孔プレートとの配置状況の詳細を示す部分構造図である。図２０に示した実施例６の空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図である。図２０に示した実施例６のバーナを７つ配置したガスタービン燃焼器の空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図である。ガスタービン燃焼器のガスタービン負荷に対する燃料を供給しているバーナにおける燃空比条件の一例である。図２２に示すガスタービン燃焼器のガスタービン負荷に対する燃料を供給しているバーナにおける燃空比条件の一例である。実施例７におけるガスタービン燃焼器の燃料供給部を構成する燃料ノズルヘッダと燃料ノズル及び空気孔プレートとの配置状況の詳細を示す部分構造図である。図２５に示した実施例７の空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図である。実施例８におけるガスタービン燃焼器の燃料供給部を構成する燃料ノズルヘッダと燃料ノズル及び空気孔プレートとの配置状況の詳細を示す部分構造図である。図２７に示した実施例８の空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図である。

以下、各実施例について説明する。

図３は発電用ガスタービンプラント１０００の全体構成を表すシステム図である。

図３において、発電用ガスタービンは、吸い込み空気１００を加圧して高圧空気１０１を生成する圧縮機１と、圧縮機１で生成した高圧空気１０１と燃料２００とを燃焼させて高温燃焼ガス１０２を生成する燃焼器２と、燃焼器２で生成した高温燃焼ガス１０２によって駆動されるタービン３と、タービン３の駆動によって回転され電力を発生させる発電機２０と、圧縮機１，タービン３及び発電機２０を一体に連結するシャフト２１を備える。

そして、燃焼器２は、ケーシング４の内部に格納されている。

また、燃焼器２は、その頭部にバーナ６を備え、このバーナ６の下流側となる燃焼器２の内部に、高圧空気と燃焼ガスとを隔てる概略円筒状の燃焼器ライナ１０を備える。

この燃焼器ライナ１０の外周に、高圧空気を流下させる空気流路を形成する外周壁となるフロースリーブ１１が配設されている。フロースリーブ１１は燃焼器ライナ１０よりも直径が大きく、燃焼器ライナ１０とほぼ同心円の円筒状に配設されている。

燃焼器ライナ１０の下流側は、燃焼器２の燃焼室５０で発生した高温燃焼ガス１０２をタービン３に導くための尾筒内筒１２が配設されている。また、尾筒内筒１２の外周側に、尾筒外筒１３が配設されている。

吸い込み空気１００は、圧縮機１によって圧縮された後に高圧空気１０１となる。高圧空気１０１は、ケーシング４内に充満した後、尾筒内筒１２と尾筒外筒１３の間の空間に流入し、尾筒内筒１２を外壁面から対流冷却する。

さらに高圧空気１０１は、フロースリーブ１１と燃焼器ライナ１０との間に形成された環状の流路を通って燃焼器の頭部に向かって流れる。高圧空気１０１は流れる途中で、燃焼器ライナ１０の対流冷却に使用される。

また、高圧空気１０１の一部は、燃焼器ライナ１０に設けられた多数の冷却孔から燃焼器ライナ内へ流入し、燃焼器ライナ１０のフィルム冷却に使用される。

燃焼器ライナ１０のフィルム冷却に使用されなかった高圧空気１０１は、燃焼室５０の上流側壁面に位置する空気孔プレート３３に設けられた多数の空気孔３２から燃焼器ライナ１０内に流入する。

多数の空気孔３２から燃焼器ライナ１０に流入した高圧空気１０１は、燃料ノズル３１から噴出される燃料２００とともに、燃焼室５０で燃焼して高温燃焼ガス１０２を生成する。この高温燃焼ガス１０２は尾筒内筒１２を通じてタービン３に供給される。

高温燃焼ガス１０２は、タービン３を駆動した後に排出されて、排ガス１０３となる。

タービン３で得られた駆動力は、シャフト２１を通じて圧縮機１及び発電機２０に伝えられる。

タービン３で得られた駆動力の一部は、圧縮機１を駆動して空気を加圧し高圧空気を生成する。また、タービン３で得られた駆動力の他の一部は、発電機２０を回転させて電力を発生させる。

次に、燃焼器２の構成について説明する。

本実施例の燃焼器２のバーナ６には、燃料を噴出する多数の燃料ノズル３１が燃料ノズルヘッダ３０に取り付けられている。また、空気孔プレート３３に多数備えられた空気孔３２は、燃料ノズル３１の１本１本に対応し、それぞれ対応する燃料ノズル３１の下流側に位置する。

図１５のＡ部詳細図・Ｂ部詳細図は、図３に記載した燃焼器２において、Ａ部及びＢ部における一対の燃料ノズル３１と空気孔３２との配置関係を表している。

Ａ部では、燃料ノズル３１と空気孔プレート３３に設けた空気孔３２は、両者の軸線が同一線上に位置するように配置されている。一方、Ｂ部では、燃料ノズル３１の中心軸に対して、空気孔３２の中心軸が傾斜している（詳細は後述する）。そのため、空気孔プレートの中心軸を含む平面による空気孔プレートの切断面形状は、Ｂ部詳細図のように表される。なお、図１〜図１４における全ての空気孔形状は、便宜的に直管形状で表す。Ａ部・Ｂ部のように、空気孔の内部では、燃料噴流３５の周囲を空気噴流３６が包み込むように流れる。このような燃料噴流３５及び空気噴流３６の同軸噴流は、燃料ノズル３１と空気孔３２との対の数だけ多数形成される。本発明では、一対の燃料ノズルと空気孔の組を同軸噴流ノズルと呼ぶ。

燃料噴流３５と空気噴流３６との小さな同軸噴流を多数形成することにより、燃料と空気の界面が増加する。そのため、空気孔３２の出口側では燃料噴流３５と空気噴流３６との混合が促進した混合気が形成される。この混合気を燃焼器２の燃焼室５０で燃焼させることによって、火炎温度を均一化させることができ、ＮＯｘの発生量を抑制することができる。

さらに、バーナ６はＦ１燃料２０１とＦ２燃料２０２の二つの燃料系統を備える。それぞれの燃料系統は燃料流量調整弁２１１，２１２を備えている。そして、Ｆ１燃料２０１の流量は燃料流量調整弁２１１で、Ｆ２燃料２０２の流量は燃料流量調整弁２１２でそれぞれ調節される。そして、ガスタービンプラント１０００の発電量が制御される。

図１は、図３のガスタービンプラントにおける、燃料ノズル３１と空気孔３２の周辺部位を拡大した概略断面図である。図２（ａ）は空気孔プレート３３を燃焼室５０側から見た正面図である。

本実施例において、空気孔３２は同心円状に３列配置されており、バーナ内周側から６個，１２個，１８個の空気孔３２が設けられている。なお、それぞれの空気孔列は、内周側から第１列の空気孔３２ａ，第２列の空気孔３２ｂ，第３列の空気孔３２ｃとする。

また、燃焼室５０に旋回流を形成するため、第１列の空気孔３２ａはバーナ軸方向（燃料ノズルの中心軸）に対してθだけ傾斜して配設されている。図２（ｂ）は、第１列の空気孔３２ａをバーナの円周方向に切断した図を示す。

さらに、本実施例の燃料系統は、Ｆ１燃料２０１を供給する系統とＦ２燃料２０２を供給する系統の２つに分かれている。ここで、Ｆ１燃料２０１は第１列の空気孔３２ａに対応する燃料ノズル３１ａ（第１の燃料ノズル群）に供給され、Ｆ２燃料２０２は第２列の空気孔３２ｂ及び第３列の空気孔３２ｃに対応する燃料ノズル３１ｂ及び３１ｃ（第２の燃料ノズル群）に供給される。

本実施例では、Ｆ１燃料２０１が供給される第１列の燃料ノズル３１ａと、これと対を成す空気孔３２ａを内周同軸噴流ノズル群５１と呼ぶ。Ｆ２燃料２０２が供給される第２列の燃料ノズル３１ｂ及び第３列の燃料ノズル３１ｃと、これと対を成す第２列の空気孔３２ｂ及び第３列の空気孔３２ｃを外周同軸噴流ノズル群５２と呼ぶ。そして、図１の一点鎖線で囲まれた部分が一つのバーナ６を構成する。すなわちバーナ６は、空気孔プレートと、空気孔プレートに設けられた複数の空気孔３２ａ，３２ｂ，３２ｃのそれぞれに対応した燃料ノズル３１ａ，３１ｂ，３１ｃとを有する。

空気孔プレート３３の燃焼室側壁面は、空気孔出口が位置する面である。そして、燃焼室側壁面については内周側壁面が外周側壁面より燃焼室下流側に位置する。そのため、内周側壁面に位置する第１列の空気孔３２ａの噴出口は、外周側壁面に位置する第３列の空気孔３２ｃの噴出口と比べ、燃焼室下流側に位置する。また、空気孔プレート中心軸からの半径距離が燃焼室上流側に比べ下流側を減少させるように、燃焼室側の内周側壁面と外周側壁面とを接続する接続部壁面を中心軸に対して傾斜させている。従って、空気孔プレートの接続部壁面は、円錐台形状となる。

このような空気孔プレート形状により、内周同軸噴流ノズル群５１に対して外周同軸噴流ノズル群５２をバーナ軸方向の上流側に配設させている。

図４は、本実施例のバーナを用いて得られる火炎の概略形状と流体の流れを示す。

内周同軸噴流ノズル群５１を構成する、空気孔プレート３３の燃焼室側壁面は、バーナ軸（即ち、空気孔プレートの中心軸）に対して垂直である。そのため、第１列の空気孔３２ａの出口に近い領域に、淀み領域４２ａ及び４２ｂが形成される。

淀み領域４２ａ，４２ｂの近傍は流れが淀むために流速が遅くなり、局所的に燃焼速度と流速が釣り合う部分が生じる。その燃焼速度と流速が釣り合う部分を基点として、火炎４１が形成される。さらに、第１列の空気孔３２ａは、バーナ軸（空気孔プレートの中心軸）に対して傾斜して配設されているため、循環流４０が生じる。この循環流４０によって、火炎４１の下流から上流に高温の燃焼ガスが輸送され、熱エネルギーも下流から上流に輸送される。よって、空気孔３２から燃焼室に供給される未燃混合気が加熱されて反応性が高まり、燃焼安定性を高めることができる。以上より、内周同軸噴流ノズル群５１を燃焼安定性の高いバーナとすることができる。

一方、外周同軸噴流ノズル群５２は、内周側壁面と外周側壁面とを接続する接続部４３を備える。この接続部壁面の空気孔プレート中心軸からの半径距離を、燃焼室上流側に比べ下流側が近くなるように、接続部壁面を傾斜させている。第２列の空気孔３２ｂの出口と第３列の空気孔３２ｃの出口の間の接続部壁面は、バーナ軸に対して傾斜しているために流れが淀みにくい。したがって、外周同軸噴流ノズル群５２を構成する空気孔プレート３３の近傍に火炎は形成されない。そのため、図４に示すように、内周同軸噴流ノズル群５１を火種とした火炎４１が形成される。また、接続部壁面の空気孔プレート中心軸からの半径距離は、燃焼室上流側に比べ下流側を近くするように接続部壁面を傾斜させているため、接続部壁面における予混合気流の剥離を抑制でき、流れが淀みにくくなる。

本実施例では、空気孔３２の内部流路を流れる同軸噴流の燃料と空気が内部流路内で混合する。また、内部流路から燃焼室空間に流路を急拡大させている。そのため燃料と空気が燃焼室に流入した後も、燃料と空気の混合はさらに進行する。

燃料と空気の混合が十分に進行すると、局所燃焼温度が均一化される。そのため、本実施例の構造は低ＮＯｘ化に有効である。すなわち、本実施例のような、燃料と空気の多数の同軸噴流から構成されるバーナにおいては、燃料と空気の混合が十分に進行した位置で燃料を燃焼させることが望ましい。つまり、空気孔３２の出口から離れた位置で火炎４１を形成することが好ましい。

本実施例は、図４に示すように、燃焼安定性の高いバーナである内周同軸噴流ノズル群５１を基点に、火炎４１が安定に形成される。したがって、空気孔プレートの燃焼室側壁面において、内周側壁面が外周側壁面より燃焼室下流側に形成されることによって、外周同軸噴流ノズル群５２が備える第２列の空気孔３２ｂの出口及び第３列の空気孔３２ｃの出口から離間して火炎４１が形成される。すなわち、燃料と空気の混合は空気孔３２の出口における急拡大の効果だけでなく、空気孔３２の出口から火炎４１に到達するまでの間にも進行する。そのため、外周同軸噴流ノズル群５２では火炎温度が均一化して低ＮＯｘ燃焼が実現される。

このように、本実施例の内周同軸噴流ノズル群と外周同軸噴流ノズル群を備えることにより、低ＮＯｘと燃焼安定性を両立した構造を提供できる。

また、本実施例においては内周側壁面及び外周側壁面とを接続する接続部壁面はテーパ加工されている。但し同様の燃焼器は、図５に示すように内周同軸噴流ノズル群５１と外周同軸噴流ノズル群５２を曲線で接続しても実現できる。

すなわち、内周側壁面と外周側壁面とが、平面または滑らかな面で接続されていれば、低ＮＯｘ効果が得られる。内周側壁面の下流側に形成される火炎と、接続面や外周側壁面に設けられた空気孔３２ｂ，３２ｃとの距離を確保することができ、これらの空気孔３２ｂ，３２ｃを通過する燃料と空気の混合を促進することができるからである。

ここで滑らかな面とは、その傾き具合の変化が、流れの淀みや剥離を必要以上に引き起こさない程度に滑らかな面であればよい。空気孔プレート３３中心付近の下流側に形成される火炎の保炎に大きな悪影響を及ぼさなければ、上記効果が得られるからである。この限りであれば、軸方向に対する角度の違う平面の組み合わせや、これらと曲面の組み合わせでもよい。

本実施例で内周側壁面とは、内周同軸噴流ノズル群５１を構成する、空気孔プレート３３の燃焼室側壁面を意味する。内周側壁面は、空気孔プレート３３の中心軸方向に対して垂直な平面である。外周側壁面も、空気孔プレート３３の中心軸方向に対して垂直な平面である。本実施例で外周側壁面は、図５に示した、空気孔３２ｃをつなぐ線の外側の面を意味する。

また、本実施例では内周同軸噴流ノズル群５１に供給されるＦ１燃料２０１と外周同軸噴流ノズル群５２に供給されるＦ２燃料２０２という二つの燃料系統を備えている。

ここで、空気流量に対する燃料流量の比率を上げることは、燃焼安定性を高める有効な方法である。すなわち、燃料ノズル３１ｂ，３１ｃに供給する１本あたりの燃料流量に比べ、燃料ノズル３１ａに供給する１本あたりの燃料流量を増加させることによって、内周同軸噴流ノズル群５１における空気流量に対する燃料流量の比率が増加し、火炎４１の保炎点の温度が上昇する。そのため、バーナ６が形成する火炎４１の燃焼安定性を高めることができる。

しかし、内周同軸噴流ノズル群５１から噴出するＦ１燃料２０１の流量を増加させただけでは、バーナ６全体に供給される燃料２００の流量が変化するため、得られる出力も変化してしまう。そこで本実施例では、Ｆ１燃料２０１の流量比率を上げると同時にＦ２燃料２０２の流量比率を下げている。そうすると、バーナ６全体に供給される燃料２００の燃料流量を増加させることなく、内周同軸噴流ノズル群５１において空気流量に対する燃料流量の比率を高められる。

すなわち本実施例では、第一の空気孔３２ａ群に対応する第一の燃料ノズル３１ａ群に供給する、一本の燃料ノズルあたりの燃料の流量を、前記第二の空気孔３２ｂ，３２ｃ群に対応する第二の燃料ノズル３１ｂ，３１ｃ群よりも多くしている。

このようにして、バーナ６全体に供給される燃料２００の流量を変化させないため、得られる出力も変わらない。そのため、バーナ６が形成する火炎４１の燃焼安定性を高めるとともに、バーナ６全体から排出されるＮＯｘ排出量の増加も抑制することができる。

図６は、空気孔プレートの内周側壁面及び外周側壁面とを接続する接続部壁面の幅を広くした変形例を示す。具体的には、内周同軸噴流ノズル群５１の空気孔３２ａの最外周位置（図中Ａの位置）から外周方向にテーパ加工とする構造である。

ここで、図７は図６を燃焼室５０側から見た正面図である。

図８は、図６のバーナを用いて得られる火炎の概略形状と流体の流れを示す。図８では、流速と燃焼速度が釣り合う位置は、淀み４２の領域すなわち第１列の空気孔３２ａの内側領域に形成される。したがって、火炎４１は図８に示すように形成される。

次に、実施例２のガスタービン燃焼器について図９を用いて説明する。

本実施例のガスタービン燃焼器の構成は、実施例１のガスタービン燃焼器の構成と基本的な部分が共通しているので、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は燃料ノズル３１と空気孔３２の周辺部位を拡大した概略断面図であり、図１０は空気孔プレート３３を燃焼室５０から見た正面図である。

本実施例は、空気孔プレート３３の厚みが半径方向でほぼ同一である。即ち、空気孔プレートの燃焼室側壁面と燃料ノズル側壁面が平行である。

本実施例では、空気孔プレート３３の厚みが半径方向でほぼ同一であるため、全ての空気孔の内部流路長さも同一である。従って、空気噴流３６が空気孔３２を通過する際に生じる圧力損失を空気孔３２の位置に拠らず一定にできる。

さらに、燃料ノズル３１の噴出孔から空気孔３２の入口までの距離を全て同一とするために、第３列の燃料ノズル３１の長さに比べて、第１列と第２列の燃料ノズル３１の長さを長くしている。これにより空気孔入口部の流動分布を等しく保つことができ，空気孔３２に空気噴流３６が流入する際に生じる入口圧力損失を，空気孔３２の位置に拠らず一定とすることができる。

このようにして、空気噴流３６が空気孔３２の内部を通過する際、及び空気噴流３６が空気孔３２に流入する際に生じる圧力損失を空気孔３２の位置に拠らず一定とする。そして、空気孔プレート３３の上流側と下流側の圧力差を、空気孔３２の配設位置に関わらず一定とする。

そうすることで、空気孔プレート３３における空気孔３２の配設位置によって空気噴流３６の流量に偏差が生じることを防ぐことができる。

したがって、空気孔プレート３３における空気孔３２の配設位置に拠らず、燃料流量に対する空気流量の比率を一定とすることができるため、意図しない局所的な火炎温度の上昇を防ぎ低ＮＯｘ燃焼とすることができる。

かくして、内周同軸噴流ノズル群５１では十分な燃焼安定性が確保され、外周同軸噴流ノズル群５２では低ＮＯｘ燃焼が実現されるため、燃焼安定性と低ＮＯｘ燃焼を両立させることができる。

次に、実施例３のガスタービン燃焼器について図１１を用いて説明する。

図１１は燃料ノズル３１と空気孔３２の周辺部位を拡大した概略断面図であり、図１２は空気孔プレート３３を燃焼室５０から見た正面図である。

本実施例では、内周同軸噴流ノズル群５１の構成は実施例１と同じである。ただし、外周同軸噴流ノズル群５２に配設された空気孔３２ｂ及び３２ｃの空気孔径が、空気孔プレート３３上での配設位置によって異なる。すなわち、外周同軸噴流ノズル群５２に配設された第３列の空気孔３２ｃのうち、第２列の空気孔３２ｂとの孔間距離が大きいものは孔径を拡大し、小さいものについては孔径を縮小する。

具体的に図１２を用いて説明する。

まず、外周同軸噴流ノズル群５２に配設された空気孔３２のうち第３列の空気孔３２ｃの一部である空気孔３２ｃ−１に注目する。円周方向における空気孔３２ｃ−１の位置は、空気孔３２ｃ−１と隣接し、円周方向に並ぶ第２列の空気孔３２ｂの間に設けられている。即ち、第３列の空気孔３２ｃ−１と第２列の空気孔３２ｂとの孔間が最も離間しているため、図示するように孔径を拡大する。

一方で、第３列の空気孔３２ｃの空気孔３２ｃ−１とは異なる部分の空気孔３２ｃ−２に注目する。ここで、この空気孔３２ｃ−２は第２列の空気孔３２ｂとの孔間が近接しているために、図示するように孔径を縮小する。

このように、隣接する第２列の空気孔３２ｂとの孔間距離に応じて、空気孔３２ｃの孔径を拡大又は縮小させる。すなわち、第３列の空気孔３２ｃと第２列の空気孔３２ｂとの間の空気孔プレート３３の残肉量を空気孔プレート３３上でほぼ等しくする。

空気孔プレート３３の燃焼室側壁面において、空気孔３２が配設されていない部分の領域４３ａ及び４３ｂを小さくして、流れが淀むことを抑制する。こうして流れが淀む箇所をなくすことで、領域４３ａ，４３ｂの近傍において燃焼速度と流速が釣り合う点が生成せず、火炎４１は領域４３ａ，４３ｂの近傍に形成しにくくなる。

一方で、内周同軸噴流ノズル群５１には実施例１と同じく、淀み４２の近傍で流速が燃焼速度と釣り合う位置を基点とした、安定な火炎４１が形成される。

したがって、外周同軸噴流ノズル群５２では空気孔３２ｂ及び３２ｃの出口から離間させた位置に火炎４１が形成される。よって、燃料と空気が十分に混合した位置に火炎４１が形成されるために、火炎温度は均一化され、外周同軸噴流ノズル群５２では低ＮＯｘ燃焼が実現される。

次に、実施例４のガスタービン燃焼器について図１３を用いて説明する。

本実施例は、実施例１に示すバーナ６を７個組み合わせて１つの燃焼装置を構成している。

図１３は燃料ノズル３１と空気孔３２の周辺部位を拡大した概略断面図であり、図１４は空気孔プレート３３を燃焼室５０から見た正面図である。

図１３に示すように、中心に一つのバーナを配設して、そのバーナの外周側に６個のバーナを配設している。これらのバーナ６には、それぞれ燃料系統が２系統ずつ接続されている。また、全てのバーナ６において図１のバーナ構造を採用している。

図１３に示すように、燃料系統を各バーナ６の内周同軸噴流ノズル群５１と外周同軸噴流ノズル群５２に分けることで、ガスタービン負荷に応じて燃焼させるバーナ本数を制御することができる。したがって、ガスタービンの起動条件から１００％負荷条件まで各バーナのＦ１燃料２０１及びＦ２燃料２０２の流量を変化させて安定に燃焼させることができる。また、バーナごとに燃料系統を分けてもよい。この場合、燃料系統の総数は増えるが、部分負荷条件の運用性が向上し、全負荷範囲で安定にガスタービンを運転することができる。

また、実施例１〜３に示すバーナ６の構造を組み合わせて１つの燃焼装置とすることもできる。

かくして、本実施例の構成によって燃焼安定性と低ＮＯｘ燃焼を両立させることができる。

以上説明した各実施例の燃焼器２は、燃料と空気とが供給され、これらを混合燃焼させる燃焼室５０と、燃焼室５０の主流方向で上流側に位置し、複数の空気孔３２を有する空気孔プレート３３と、空気孔プレート３３の上流側に位置し空気孔３２に燃料を供給する燃料ノズル３１を備えている。この空気孔プレート３３は、燃焼室５０の上流側壁を形成し、同心円状に複数の空気孔３２を有している。この空気孔３２は、空気孔プレート３３の中心軸に対して傾斜して穿設されており、火炎の下流側から上流側に流れる循環流４０の発生を促す構造になっている。

各実施例の燃焼器２は、空気孔プレート３３の燃焼室側（下流側）の面の中心が、最も外周側の空気孔３２ｃの出口よりも、燃焼室側（下流側）に位置している。さらに言えば、空気孔プレート３３の燃焼室側の面における、任意の点（例えば図８の４３ａ）の空気孔プレート中心軸からの距離が、この任意の点よりも燃焼室上流側の点（例えば図８の４３ｂ）の空気孔プレート中心軸からの距離以下である。このような構造を採用したことにより、空気孔プレート３３の外周側に設けられた空気孔と、空気孔プレート３３の中心部下流側に形成される火炎との距離を離すことができる。その結果、外周側の空気孔を通過する燃料と空気の混合を促進することができ、ＮＯｘの発生量を低く抑えることができる。

さらに各実施例の燃焼器２は、空気孔プレート３３の内周側、すなわち燃焼室５０側壁面の中心付近が、空気孔プレート中心軸方向と垂直な平面になっている。そのため、この内周側壁面上には、淀み領域４２ａ，４２ｂが形成される。

この淀み領域には、空気孔３２ａから噴出した燃料と空気の混合気の一部が流入する。そうすると、十分に流速の遅い領域に混合気が供給されるため、循環流４０によって淀み領域に燃焼ガスから熱が供給されることにより安定な火炎を形成することができる。この内周側壁面の下流側には火炎４１が保炎されるが、淀み領域に安定な火炎が形成されるため、火炎４１全体のこの保炎能力を高めることができる。

本実施例ではこのように、空気孔プレート３３の燃焼室５０側側面の中心が、火炎４１の保炎を強化するよう構成されているため、失火を抑制し、高い信頼性を達成できる。

第５の実施例を図１６，図１７に示す。図１６は燃料ノズル３１と空気孔３２の周辺部位を拡大した概略断面図であり、図１７は空気孔プレート３３を燃焼室５０から見た正面図である。

本実施例では、空気孔３２の出口位置は空気孔プレート３３の内周側壁面及び外周側壁面を接続する接続部壁面に位置している。バーナ中心軸から接続部壁面までの半径距離は、燃焼室上流側に比べ下流側を近くさせるように接続部壁面を、空気プレートの上流面よりも傾斜させている。そのため、接続部壁面における予混合気流の剥離を抑制し、予混合気流が淀みにくい。

一方で、本実施例の空気孔３２はすべてバーナ中心軸に対し傾斜して配設されている。そのため燃焼室５０に強い旋回流が形成され、大きな循環流４０が生じている。循環流４０が燃焼室５０に突き出た位置で形成されるため、図１６に示すように循環流４０によるエントレインにより空気プレート壁面近傍では循環流４０に向かう流れ４４が生じる。この流れ４４により、中央部の高温燃焼ガスが１列目の空気孔３２ａに向かって流れ出ることを防いでいる。

以上のことから、１列目空気孔３２ａ周囲には熱が供給されず、よどみ領域も発生しにくいため火炎の付着が抑制され、空気孔プレート頭頂部の内周側燃焼室壁面から火炎４１が形成されることになる。

本実施例では、空気孔プレート３３の下流側の面に空気孔３２を設けていない。すなわち、最も内周側にある空気孔が、内周側平面と前記外周側平面とを接続する接続面に設けられている。そのため、１列目同軸噴流ノズルについても空気孔３２の出口における急拡大と空気孔３２の出口から火炎４１に到達するまでの距離をとることにより燃料と空気の混合が促進され、バーナから排出されるＮＯｘを大幅に低減することができる。

本実施例は、燃焼安定性についても優れている。空気孔の傾斜角を大きくすることで旋回流を強化し、空気孔プレート頭頂部の領域を広くすることにより、大きな循環流４０を形成することができ、安定な火炎４１を形成することができるからである。また、さらなる燃焼安定性改善策として、図１８に示すように空気孔プレートの頭頂部を窪ませる等、さらなる淀み促進構造を採用しても良い。この部分での淀み促進は、保炎強化につながるからである。淀み４２の領域を広くすれば、火炎４１の安定性を改善することができる。

なお、本実施例の燃焼器２は、全ての空気孔３２が、内周側平面と外周側平面とを接続する接続面に設けられている。循環流４０のエントレインにより生じる流れ４４の効果とあいまって、このような構成により、各空気孔３２の出口周囲での淀み領域の発生を抑制することができる。そのため、不要な部分での火炎の保炎の可能性を低く抑えることができる。

また本実施例の空気孔プレート３３は内周側平面に空気孔が設けられていない。これは淀みを促進する構成といえ、この部分が保炎を強化するように構成されているともいえる。

本実施例では、燃料系統を簡略化してコストを低減するため、３列の燃料ノズル群は同一燃料系統より燃料を供給している。ただし本実施例においても第１の実施例と同様に燃料系統を複数化しても良い。

第５の実施例において、図１９に示すように内周側壁面及び外周側壁面を接続する接続部壁面の傾斜角度を途中で変え、傾斜角θ₂をθ₁よりも大きくしても良い。このような形状とすることで、空気孔プレート３３の厚みを最小限に抑えつつ、空気孔プレート３３の頭頂部近傍において循環流４０によるエントレインによって生じる流れ４４の速度ベクトルのバーナ軸方向成分を大きくすることができる。そうすると、循環流４０内の燃焼ガスが１列目空気孔に向かって流れ出ることを押しとどめる効果がさらに強くなる。この他にも、接続部壁面を円弧状にしても同様の効果を得ることができる。

第６の実施例を図２０，図２１に示す。図２０は燃料ノズル３１と空気孔３２の周辺部位を拡大した概略断面図であり、図２１は空気孔プレート３３を燃焼室５０から見た正面図である。本実施例では、空気孔プレート３３は第５の実施例と同様の形状であるが、バーナ中心部（空気孔プレート３３の中心部）には、燃料供給手段であるパイロットノズル６０が配設されている。このパイロットノズル６０から空気孔プレート頭頂部の淀み４２に直接少量の燃料を噴出することにより、火炎４１の保炎点で燃料が拡散燃焼し、火炎４１の平均の燃焼ガス温度が低くても安定に燃焼させることができる。また、パイロットから供給する燃料の割合は少量でも十分な効果を得られるため、ＮＯｘ排出量の増加を抑制しつつ燃焼安定性を向上させることができる。

第６の実施例のバーナを７つ配置したガスタービン燃焼器の燃焼室からの正面図を図２２に示す。また、パイロットノズルを用いない場合のガスタービン燃焼器の運転例を図２３に示す。ガスタービンは起動から定格負荷条件まで幅広い燃空比条件を安定に運転する必要がある。そのため、燃料を供給するバーナの個数を燃料流量条件にあわせて制御している。

図２３に、運転例７０のバーナ局所燃空比の推移を示す。図２３（及び後述する図２４）では、●は燃料を供給するバーナ、○は燃料を供給しないバーナを示す。運転例７０では、全燃料流量の少ない条件では中央のバーナのみに燃料を供給するｍｏｄｅ１で運転する。次に、負荷の上昇による燃料流量の増加にあわせて３つのバーナに燃料を供給するｍｏｄｅ２に切り替える。そして、さらなる燃料流量の増加とともに順次５つのバーナに燃料を供給するｍｏｄｅ３、７つ全てのバーナに燃料を供給するｍｏｄｅ４に順次切り替える。このように、燃料を供給するバーナの数を増やす。

燃料系統の切替直後はバーナ局所の燃空比は下がる。しかし、燃空比が下限条件７１を下回ると火炎が不安定になり場合によっては失火する。そのため、バーナ局所の燃空比を下限条件７１以上で運転する必要がある。ガスタービンでは、発電で運用される負荷範囲をバーナの局所燃空比が急激に変動する燃料切替を含まない範囲にする必要があるため、ｍｏｄｅ３からｍｏｄｅ４への切替負荷条件を下げ、運用負荷範囲を拡大し、ガスタービンの運用性を向上させることが求められている。

そこで本実施例では、バーナ中央部に燃料供給手段であるパイロットノズル６０を備え、燃料を供給するバーナの数を増やす際に、そのパイロットノズル６０から燃料を噴出するようにしている（ｍｏｄｅ４′）。図４の二重丸の●は、パイロットノズル６０からも燃料を供給していることを示す。

このように、ｍｏｄｅ３からｍｏｄｅ４への切り替えの際にｍｏｄｅ４′を挟んだ運転とすることで、図２４に示すように火炎の失火や多量の未燃分が発生し運用できなくなる燃空比の下限値を下限条件７１から下限条件７２に下げることができる。そのため、図２３で示したｍｏｄｅ３からｍｏｄｅ４の燃料系統切替条件に比べて、図２４ではより低い負荷条件でｍｏｄｅ３から次のｍｏｄｅ、すなわち、バーナすべてに燃料を供給しかつパイロットノズルから燃料を供給するｍｏｄｅ４′に切り替えることができている。

ｍｏｄｅ４′からｍｏｄｅ４への燃料系統の切り替えは各系統の燃料流量が急激に変動することなくすべてのバーナに火がついた状態で連続的に運転することができる。そのため、ｍｏｄｅ４′からｍｏｄｅ４までを運用負荷範囲とすることができ、運用負荷範囲を拡大することができる。また、ｍｏｄｅ４ではすべて予混合燃焼となるためＮＯｘ排出量を大幅に低減することができ、ＮＯｘ排出量の低減と燃焼安定性の向上を両立することができる。

第７の実施例を図２５，図２６に示す。図２５は燃料ノズル３１と空気孔３２の周辺部位を拡大した概略断面図であり、図２６は空気孔プレート３３を燃焼室５０から見た正面図である。

本実施例は、空気孔プレート３３に同心円状に４列の空気孔列が配設されている。それぞれの空気孔列は、内周側から第１列の空気孔３２ａ，第２列の空気孔３２ｂ，第３列の空気孔３２ｃ、第４列の空気孔３２ｄとする。本実施例は第５の実施例と同様に、第１列の空気孔３２ａから第３列の空気孔３２ｃの出口位置は空気孔プレート３３の内周側壁面及び外周側壁面とを接続する接続部壁面に位置している。つまり、第４列の空気孔３２ｄは、接続部に設けられた空気孔３２ａ，３２ｂ，３２ｃとは別の空気孔である。また、バーナ中心軸から接続部壁面までの半径距離は、燃焼室上流側に比べ下流側を近くするように接続部壁面を傾斜させている。

一方、第４列の空気孔３２ｄの出口位置は、バーナ中心軸に対し垂直な外周側壁面上である。そのため、空気孔３２ｄ出口周囲には淀み領域４２ｄが生じ、火炎の燃焼速度と予混合気流の流速がつり合う条件が存在する。しかし、この淀み領域４２ｄと火炎形成位置が離れているため燃焼速度と予混合気流の流速がつり合う領域に熱が供給されず、淀み領域４２ｄには火炎が保炎しないため、第４列の空気孔３２ｄから噴出された燃料と空気は火炎４１に到達するまでに距離があるため、十分に混合してから燃焼させることができる。

サイズの大きいバーナの場合、空気孔出口をすべて傾斜面に配置しようとすると、バーナ中心部が厚くなってしまい加工コストが増加してしまう。そのため、サイズの大きいバーナに対し本実施例を採用することでバーナ中心部の厚みを抑えることができ、加工コストを抑制できる。

本実施例では、第４列の燃料ノズル３１ｄのみ燃料系統が別系統になっている。バーナの燃焼負荷にあわせて燃料供給量を調整することで燃焼安定性とＮＯｘ排出量の低減を両立することができる。また、コスト低減のため、燃料系統を１系統に統一しても良い。

第８の実施例を図２７，図２８に示す。図２７は燃料ノズル３１と空気孔３２の周辺部位を拡大した概略断面図である。図２８は空気孔プレート３３を燃焼室５０から見た正面図である。本実施例では、第５の実施例と同様な部分は説明を省略する。本実施例では空気孔プレート３３の傾斜面がバーナ中心軸近傍まで延びており、空気孔プレートは円錐の形をしている。そのためバーナ頭頂部の淀み４２の領域が非常に小さく、循環流４０も小さくなる。

本実施例は、石炭をガス化して得られる改質ガスなどの水素を含むような燃料に対し有効である。水素を含む燃料は、燃焼速度が速く火炎の安定性が良い。一方で、燃焼速度が速いため空気孔プレートに火炎が接近しやすい。そのため、図２７に示すように循環流領域を狭くし、第１列の空気孔３２ａから距離を離すことにより、空気孔出口周囲での火炎の保炎を防ぎ、燃料と空気の噴流が火炎に到達するまでの距離を長く取ることができる。そうすると混合が進むため、ＮＯｘの排出量を抑制することができる。また、循環流領域が狭くても燃焼速度が速いため安定に燃焼させることができる。

水素を含む燃料以外にも、高効率化のためタービン入口温度を高くしたガスタービンなどでは、火炎の温度が上昇し燃焼速度が速くなるため、本実施例のような構造は有効である。

本発明は発電用のガスタービン燃焼器だけでなく、熱と電力を併給可能なコジェネレーションシステム、あるいはポンプ・圧縮機などの機械駆動用エンジンとしてのガスタービン燃焼器やその他様々な燃焼器に適用可能である。

１圧縮機
２燃焼器
３タービン
４ケーシング
６バーナ
１０燃焼器ライナ
１１フロースリーブ
１２尾筒内筒
１３尾筒外筒
２０発電機
２１シャフト
３０燃料ノズルヘッダ
３１燃料ノズル
３２空気孔
３３空気孔プレート
３５燃料噴流
３６空気噴流
４０循環流
４１火炎
４２淀み
４３接続部
４３ａ，４３ｂ領域
４４流れ
５０燃焼室
５１内周同軸噴流ノズル群
５２外周同軸噴流ノズル群
６０パイロットノズル
７０運転例（バーナ局所燃空比）
７１，７２下限条件
１００吸い込み空気
１０１高圧空気
１０２高温燃焼ガス
２００燃料
２０１Ｆ１燃料
２０２Ｆ２燃料
２１１，２１２燃料流量調整弁
１０００ガスタービンプラント

Claims

燃料と空気とを混合燃焼させる燃焼室と、
前記燃焼室の上流側壁を形成する空気孔プレートと、
前記空気孔プレートに、その中心軸に対して傾斜して穿設された複数の空気孔と、
前記複数の空気孔それぞれに燃料を供給する燃料ノズルとを備えた燃焼器であって、
前記空気孔プレートは燃焼室側に、それぞれ前記空気孔プレートの中心軸方向と垂直な平面である内周側平面と外周側平面とを有し、
前記内周側平面は前記外周側平面よりも下流側に位置し、
前記内周側平面と前記外周側平面とは、平面または滑らかな面で接続されていることを特徴とする燃焼器。
請求項１に記載の燃焼器において、
最も内周側にある空気孔が、前記内周側平面と前記外周側平面とを接続する平面または滑らかな面に設けられていることを特徴とする燃焼器。
請求項１に記載の燃焼器において、
全ての空気孔が、前記内周側平面と前記外周側平面とを接続する平面または滑らかな面に設けられていることを特徴とする燃焼器。
請求項１に記載の燃焼器において、
前記空気孔プレートは燃焼室側に、前記空気孔プレートの中心軸方向と垂直な平面である外周側平面とを有し、
前記外周側平面には、前記内周側平面と前記外周側平面とを接続する平面または滑らかな面に設けられた空気孔とは別の空気孔が設けられていることを特徴とする燃焼器。
請求項１に記載の燃焼器において、
前記空気孔プレートの燃焼室側面の中心が、保炎を強化する構造を有していることを特徴とする燃焼器。
請求項１に記載の燃焼器において、
前記空気孔プレートの燃焼室側面の中心が、淀みを促進するよう構成されていることを特徴とする燃焼器。
請求項１−６に記載の燃焼器において、
前記空気孔プレートの燃焼室側の面の中心に、燃料供給手段を備えていることを特徴とする燃焼器。