JP5677335B2 - ガスタービン燃焼器およびガスタービン - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、ガスタービン燃焼器およびガスタービンに関する。

ガスタービンプラントやコンバインドサイクルプラントなどで使用されるガスタービンでは、高効率化のため、作動条件が高温高圧となり、ＮＯｘの排出量が増大する傾向にある。ＮＯｘの生成の要因としては、火炎温度が支配的である。そのため、ＮＯｘの生成を抑制するためには、火炎温度を低下させることが効果的である。

火炎温度の局所的な高温化を抑制し、ＮＯｘの排出量を抑制する燃焼方法として、予混合希薄燃焼が利用されている。この予混合希薄燃焼では、燃料と空気とを燃料希薄条件で予め混合した予混合気を燃焼させる。

予混合希薄燃焼では、燃焼範囲が狭いという欠点を有しており、この欠点を補うために種々の工夫がなされている。ガスタービン燃焼器において、上記した予混合希薄燃焼に、例えば、広い燃焼範囲を有し、安定した燃焼が可能な拡散燃焼を併用することも行われている。また、予混合希薄燃焼における火炎の安定化を図るために、燃焼領域の温度を常に所定温度以上としたり、保炎機構を設けたりしている。

図１０は、従来のガスタービン燃焼器２００の断面を示した図である。図１１および図１２は、従来のガスタービン燃焼器２００の予混合ダクト２１４の断面の一部を示した図である。なお、図１１および図１２において、メイン燃料ノズル２１７に燃料を供給する燃料供給系統の図示を省略している。

図１０に示すように、ガスタービン燃焼器２００は、頭部側の中央にパイロットノズル２１０を備えた燃焼器ライナ２１１を備えている。

燃焼器ライナ２１１の周囲は、ガスタービン外筒２１３で覆われ、燃焼器ライナ２１１とガスタービン外筒２１３との間には、燃料と空気からなる予混合気を形成する予混合ダクト２１４が備えられている。この予混合ダクト２１４は、燃焼器ライナ２１１の周囲に周方向に複数備えられている。

予混合ダクト２１４の出口２１４ａは、複数形成され、各出口２１４ａが燃焼器ライナ２１１内の燃焼室２１５に連通している。そして、各出口２１４ａを介して燃焼室２１５に予混合気が供給される。また、燃焼器ライナ２１１とガスタービン外筒２１３との間は、圧縮機（図示しない）からの高温高圧の燃焼用の空気２１６が、予混合ダクト２１４の頭部側に向かって流れる流路として機能している。

図１１および図１２に示すように、予混合ダクト２１４の入口開口部（上流側端部）に対向するように、メイン燃料ノズル２１７の燃料噴射孔２１７ａが備えられている。予混合ダクト２１４には、この燃料噴射孔２１７ａから噴射された燃料２１８と、燃焼用の空気２１６の一部とが流れ込む。そして、予混合ダクト２１４内において予混合気が形成される。

メイン燃料ノズル２１７は、図１１および図１２に示すように、単孔からなる燃料噴射孔２１７ａまたは多孔からなる燃料噴射孔２１７ａを有する円筒体で構成されている。一つの予混合ダクト２１４には、例えば、２本のメイン燃料ノズル２１７が所定の間隔をあけて配置されている。

特開２００７−２３２２３４号公報

上記した従来の、単孔からなる燃料噴射孔２１７ａを有するメイン燃料ノズル２１７を備えた予混合ダクト２１４においては、燃料２１８と空気２１６の混合が促進されず、燃料濃度が不均一な予混合気が形成されることがある。そのため、予混合気において、例えば、化学量論比付近の燃料濃度となる部分含む場合には、ＮＯｘの排出量が増大する。

また、上記した従来の、多孔からなる燃料噴射孔２１７ａを有するメイン燃料ノズル２１７を備えた予混合ダクト２１４においては、燃料２１８と空気２１６の混合は促進される。しかしながら、予混合気形成の際に、燃焼室２１５の火炎が予混合ダクト２１４内に進入した場合、図１２に示すような、メイン燃料ノズル２１７の下流側に形成される渦流２１９によって、メイン燃料ノズル２１７の下流側に保炎することがある。予混合ダクト２１４内でこのような燃焼が継続すると、予混合ダクト２１４が焼損する。

本発明が解決しようとする課題は、ＮＯｘの排出量を低減することができるとともに、予混合気を形成する予混合ダクトの焼損を防止することができるガスタービン燃焼器およびガスタービンを提供するものである。

実施形態のガスタービン燃焼器は、筒状の燃焼室を形成する燃焼器ライナと、前記燃焼器ライナの頭部の中央に設けられたパイロット燃料噴射部と、前記燃焼器ライナの外周に前記燃焼器ライナの軸方向に沿って延設され、前記燃焼室に、燃料と空気からなる予混合気を供給する予混合ダクトと、燃料噴射口が前記予混合ダクトの入口開口に対向するように設けられたメイン燃料噴射部とを備える。

そして、前記燃料噴射口を有する前記メイン燃料噴射部の端面は、幅Ｔ１を有して一方の方向に延設され、前記幅Ｔ１が、前記幅Ｔ１方向の前記燃料噴射口の幅Ｔ２の２倍以下、かつ前記幅Ｔ２以上である。

第１の実施の形態のガスタービン燃焼器を備えるガスタービンの子午断面を示す図である。 第１の実施の形態のガスタービン燃焼器の断面を示す図である。 第１の実施の形態のガスタービン燃焼器におけるメイン燃料噴射部の断面を模式的に示した図である。 第１の実施の形態のガスタービン燃焼器におけるメイン燃料噴射部を、予混合ダクトの入口開口側から見たときの平面図である。 第１の実施の形態のガスタービン燃焼器において、幅Ｔ１が幅Ｔ２と等しくなるときのメイン燃料噴射部の断面を模式的に示した図である。 第１の実施の形態のガスタービン燃焼器における、他の形状のメイン燃料噴射部を、予混合ダクトの入口開口側から見たときの平面図である。 第２の実施の形態のガスタービン燃焼器におけるメイン燃料噴射部を、予混合ダクトの入口開口側から見たときの平面図である。 幅Ｔ１が保炎に及ぼす影響を調べた試験結果を示す図である。 距離ＬがＮＯｘ排出量に及ぼす影響を調べた試験結果を示す図である。 従来のガスタービン燃焼器の断面を示した図である。 従来のガスタービン燃焼器の予混合ダクトの断面の一部を示した図である。 従来のガスタービン燃焼器の予混合ダクトの断面の一部を示した図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態のガスタービン燃焼器１０を備えるガスタービン１５０の子午断面を示す図である。図２は、第１の実施の形態のガスタービン燃焼器１０の断面を示す図である。なお、図１では、ガスタービン燃焼器１０は断面で示していない。

図１に示すように、ガスタービン１５０は、圧縮機１５１と、ガスタービン燃焼器１０と、タービン１５２とを主に備える。圧縮機１５１では、大気から空気を吸い込み、高温高圧の燃焼用の空気とする。ガスタービン燃焼器１０では、圧縮機１５１からの燃焼用の空気に燃料を混合し、燃焼させ、高温高圧の燃焼ガスを発生させる。タービン１５２では、ガスタービン燃焼器１０によって生成された燃焼ガスを通過させることで仕事がなされ、回転力を得る。なお、ガスタービン燃焼器１０から排出された燃焼ガスは、トランジションピース１５３を通りタービン１５２内に流入する。

タービン１５２で得られた回転力は、圧縮機１５１に伝えられ、圧縮機１５１を駆動する。また、この回転力は、図示しない発電機にも伝えられ、軸出力として取り出される。タービン１５２で仕事をした燃焼ガスは、ガスタービン１５０から外部に排気される。

次に、第１の実施の形態のガスタービン燃焼器１０の構成について説明する。

図２に示すように、ガスタービン燃焼器１０は、ガスタービンケーシング２０に収容され、外筒２１内に同心的に二重筒として形成された内筒である燃焼器ライナ２２を備えている。また、燃焼器ライナ２２の頭部の中央には、パイロット燃料噴射部３０が設けられている。パイロット燃料噴射部３０は、例えば、燃焼器ライナ２２の頭部における、燃焼器ライナ２２の中心軸と同軸上に設けられる。また、燃焼器ライナ２２の下流側には、燃焼ガスをタービン１５２に導く、トランジションピース１５３が設けられている。

燃焼器ライナ２２は、ガスタービン１５０を駆動する燃焼ガスを生成する筒状の燃焼室２３を形成するとともに、外筒２１との間に空気通路２４を形成している。この空気通路２４には、トランジションピース１５３の噴出孔（図示せず）から導入された、圧縮機１５１からの高圧の空気ＡＲが、パイロット燃料噴射部３０側へ向かって流れる。なお、この際、高圧の空気ＡＲは、トランジションピース１５３や燃焼器ライナ２２を冷却しながら流れる。

空気通路２４には、燃焼器ライナ２２の軸方向に沿って延設された予混合ダクト４０が備えられている。また、予混合ダクト４０は、燃焼器ライナ２２の外周の周方向に複数備えられている。各予混合ダクト４０は、燃焼室２３に、燃料Ｆと空気ＡＲからなる予混合気を供給する複数の出口４２を有している。

パイロット燃料噴射部３０の外周には、予混合ダクト４０内に燃料Ｆを供給するメイン燃料噴射部５０が備えられている。メイン燃料噴射部５０の予混合ダクト４０側の端面に形成された燃料噴射口５１は、予混合ダクト４０の入口開口４１に対向するように設けられている。

メイン燃料噴射部５０およびパイロット燃料噴射部３０は、外筒２１内に収容されている。メイン燃料噴射部５０は、ヘッドプレート２５から予混合ダクト４０側に、パイロット燃料噴射部３０は、ヘッドプレート２５から燃焼器ライナ２２の頭部側まで延びている。

パイロット燃料噴射部３０は、例えば、図２に示すように、中央に、燃焼室２３内における保炎を確保するための拡散燃焼用燃料噴射部３１を備えている。そして、拡散燃焼用燃料噴射部３１の外周に、燃料Ｆと空気ＡＲを予め混合した予混合気を燃焼室２３内に噴射する予混燃焼用燃料噴射部３２を備えている。空気通路２４を介してパイロット燃料噴射部３０側に導かれた燃焼用の空気ＡＲの一部を予混燃焼用燃料噴射部３２内に導入し、燃料Ｆと混合して予混合気を形成している。

一方、空気通路２４を介してパイロット燃料噴射部３０側に導かれた燃焼用の空気ＡＲの残りは、メイン燃料噴射部５０の燃料噴射口５１から噴射された燃料Ｆとともに、予混合ダクト４０の入口開口４１から予混合ダクト４０内に導かれる。そして、予混合気は、予混合ダクト４０の複数の出口４２から燃焼室２３内に導かれ、燃焼する。

なお、パイロット燃料噴射部３０およびメイン燃料噴射部５０には、図示しない燃料供給機構から所定の流量の燃料Ｆが供給される。

ここで、メイン燃料噴射部５０の構成についてさらに詳しく説明する。

図３は、第１の実施の形態のガスタービン燃焼器１０におけるメイン燃料噴射部５０の断面を模式的に示した図である。図４は、第１の実施の形態のガスタービン燃焼器１０におけるメイン燃料噴射部５０を、予混合ダクト４０の入口開口４１側から見たときの平面図である。なお、図４では、メイン燃料噴射部５０と予混合ダクト４０の入口開口４１との位置関係を説明するために、予混合ダクト４０の入口開口４１の形状を破線で示している。

図３および図４に示すように、メイン燃料噴射部５０は、一方の方向に延設されたブロック体で構成され、端面５２に複数の燃料噴射口５１を備えている。また、少なくとも、メイン燃料噴射部５０における端面５２は、幅Ｔ１を有して一方の方向に延設されている。

予混合ダクト４０は、上記したように、燃焼器ライナ２２の周方向に、燃焼器ライナ２２と同心円的に配置される。そのため、予混合ダクト４０は、燃焼器ライナ２２の周方向に沿う方向に曲率を有して形成されている。予混合ダクト４０の入口開口４１に対向配置される、メイン燃料噴射部５０も、予混合ダクト４０と同様に、燃焼器ライナ２２と同心円的に配置される。そのため、メイン燃料噴射部５０の端面５２は、燃焼器ライナ２２の周方向に沿う方向に曲率を有して延設される。

ここで、幅Ｔ１は、幅Ｔ１方向の燃料噴射口５１の幅Ｔ２の２倍以下、かつ幅Ｔ２以上であることが好ましい。幅Ｔ１が幅Ｔ２の２倍を超える場合には、燃料噴射口５１の下流に渦流が形成される。なお、幅Ｔ２は、燃料噴射口５１の孔径に相当するものである。また、メイン燃料噴射部５０の端面５２は、上記したように曲率を有して延設されているため、幅Ｔ１方向は、曲率半径方向となる。

図５は、第１の実施の形態のガスタービン燃焼器１０において、幅Ｔ１が幅Ｔ２と等しくなるときのメイン燃料噴射部５０の断面を模式的に示した図である。図５に示すように、幅Ｔ１が幅Ｔ２と等しくなるときには、燃料噴射口５１の上流側（図５では左側）から燃料噴射口５１側に流路断面積が徐々に広がり、端面５２において幅Ｔ１と幅Ｔ２とが等しくなっている。

燃料噴射口５１の孔径、すなわち幅Ｔ２は、１ｍｍ〜５ｍｍ程度に設定することが好ましい。また、１つのメイン燃料噴射部５０に形成される燃料噴射口５１の個数は、５個以上備えられているが好ましい。なお、燃料噴射口５１の個数の上限は特に限定されるものではなく、例えば、製造上の観点から、制限を受ける場合がある。

ここで、燃料噴射口５１を上記した範囲に設定することが好ましい理由を次に述べる。燃料噴射口５１の面積は、燃料噴射口５１の上流側と下流側における差圧に基づいて設定される。例えば、燃料噴射口５１の面積が大きい場合、燃料流量が少ない条件（ガスタービン１５０の負荷が小さい条件）では、上記した差圧が小さくなる。そのため、不安定燃焼の原因となる。

一方、上記した燃料噴射口５１の面積が大きいときと同じ個数の燃料噴射口５１を備え、各燃料噴射口５１の面積を小さくした場合、ガスタービン１５０の最大負荷運転時に、燃料噴射口５１の上流側における圧力が増加し、燃料Ｆの供給圧力を大きくすることが必要となる。そのため、燃料Ｆを供給する燃料供給機構の能力を増大しなければならず、装置のコストが増加する。なお、燃料Ｆの供給圧力が、燃料噴射口５１の上流側における圧力よりも小さい場合には、必要な燃料流量が得られない。

このように、最適な燃料噴射口５１を得るためには、燃料噴射口５１の孔径と個数を適正な範囲で構成することが必要となる。そこで、ガスタービンの作動条件に基づいて、上記した範囲内で、燃料噴射口５１の孔径および個数を設定することとした。

ここで、図４に示す、両端側に位置する燃料噴射口５１と、端面５２の端縁５４との間の距離Ｕは、０以上幅Ｔ２以下であることが好ましい。距離Ｕが幅Ｔ２を超える場合には、端縁５４側の端面５２の下流に、大きな逆流域が形成される。ここで、距離Ｕが０の場合とは、燃料噴射口５１の上流側から燃料噴射口５１側に流路断面積が徐々に広がり、端面５２において燃料噴射口５１の一部が端縁５４に接する場合である。

メイン燃料噴射部５０は、図３および図４に示すように、燃料噴射口５１を有する端面５２の中心５３（断面中心）と、予混合ダクト４０の入口開口４１の中心４３（断面中心）とが対向するように配置されている。さらに、メイン燃料噴射部５０の延設方向と入口開口４１の長手方向とを対応させて、メイン燃料噴射部５０が配置されている。

ここで、メイン燃料噴射部５０の端面５２は、予混合ダクト４０の入口開口４１よりも予混合ダクト４０の外側（図３では左側）に０〜５ｍｍに位置することが好ましい。メイン燃料噴射部５０の端面５２を上記した位置となるように構成することで、予混合ダクト４０の入口開口４１における流れを乱さず、かつ燃料Ｆが予混合ダクト４０の外に漏れ出ることもない。

なお、メイン燃料噴射部５０の端面５２が、予混合ダクト４０の入口開口４１よりも予混合ダクト４０の外側に０ｍｍに位置する場合とは、端面５２と入口開口４１が同一平面上にある場合である。この場合、端面５２の中心５３と入口開口４１の中心４３とが一致する。一方、メイン燃料噴射部５０の端面５２は、予混合ダクト４０の入口開口４１よりも予混合ダクト４０の外側にある場合（上記０ｍｍの位置の場合を含まない）には、端面５２の中心５３は、入口開口４１の中心４３と距離をあけた対向する位置となる。

メイン燃料噴射部５０の端面５２における、幅Ｔ１方向の中心を通る中心線Ｍが、端面５２の両端縁５４とそれぞれ交わる２点（Ｐ、Ｑ）間の距離Ｌは、中心線Ｍの延長線が予混合ダクト４０の入口開口４１の両端縁４４とそれぞれ交わる２点（Ｒ、Ｓ）間の距離Ｗの１／２倍以上に設定されることが好ましい。

距離Ｌをこの範囲とすることが好ましいのは、距離Ｌが距離Ｗの１／２倍未満の場合には、予混合ダクト４０内における燃料Ｆと空気ＡＲの混合が促進されず、ＮＯｘの排出量が増加するからである。なお、距離Ｌの上限は、距離Ｗとなる。

ここでは、図４に示すように、メイン燃料噴射部５０の端面５２が、燃焼器ライナ２２の周方向に沿う方向に曲率を有して延設されている一例を示したが、この形状に限られるものではない。図６は、第１の実施の形態のガスタービン燃焼器１０における、他の形状のメイン燃料噴射部５０を、予混合ダクト４０の入口開口４１側から見たときの平面図である。なお、図６では、メイン燃料噴射部５０と予混合ダクト４０の入口開口４１との位置関係を説明するために、予混合ダクト４０の入口開口４１の形状を破線で示している。

図６に示すように、メイン燃料噴射部５０の端面５２が一方の方向に直線的に延設されるようにメイン燃料噴射部５０を構成してもよい。この場合、幅Ｔ１方向の中心を通る中心線Ｍは直線となる。

なお、この場合においても、燃料噴射口５１を有する端面５２の中心５３と、予混合ダクト４０の入口開口４１の中心４３とが対向または一致するように配置されている。また、メイン燃料噴射部５０の延設方向と入口開口４１の長手方向とを対応させて、メイン燃料噴射部５０が配置されている。メイン燃料噴射部５０の端面５２が直線的に延設されているため、この場合における幅Ｔ１方向は、端面５２の延設方向に対して垂直な方向となる。

上記した第１の実施の形態のガスタービン燃焼器１０によれば、メイン燃料噴射部５０の下流側には、渦流は形成されない。そのため、燃焼室２３の火炎が予混合ダクト４０内に進入した場合においても、メイン燃料噴射部５０の下流側に保炎せず、予混合ダクト４０の焼損を防止することができる。また、予混合ダクト４０内における燃料Ｆと空気ＡＲの混合が促進され、ＮＯｘの排出量を低減することができる。

（第２の実施の形態）
図７は、第２の実施の形態のガスタービン燃焼器１０におけるメイン燃料噴射部５０を、予混合ダクト４０の入口開口４１側から見たときの平面図である。なお、図７では、メイン燃料噴射部５０と予混合ダクト４０の入口開口４１との位置関係を説明するために、予混合ダクト４０の入口開口４１の形状を破線で示している。また、第１の実施の形態のガスタービン燃焼器１０の構成と同一の構成部分には、同一の符号を付して重複する説明を省略または簡略する。

第２の実施の形態のガスタービン燃焼器１０におけるメイン燃料噴射部５０においては、燃料噴射口５１の構成が、第１の施の形態のメイン燃料噴射部５０の燃料噴射口５１の構成と異なるため、この異なる構成について主に説明する。

図７に示すように、メイン燃料噴射部５０の燃料噴射口５１は、幅Ｔ２を有して端面５２の延設方向に連続して形成されたスリットで構成されている。メイン燃料噴射部５０の端面５２は、第１の実施の形態と同様に、燃焼器ライナ２２の周方向に沿う方向に曲率を有して延設される。また、前述した理由と同様の理由から、幅Ｔ１は、幅Ｔ１方向の燃料噴射口５１の幅Ｔ２の２倍以下、かつ幅Ｔ２以上であることが好ましい。

ここで、燃料噴射口５１をスリットとした場合においても、幅Ｔ１が幅Ｔ２と等しくなるときのメイン燃料噴射部５０の断面は、図５に示したように、燃料噴射口５１の上流側（図５では左側）から流路断面積が徐々に広がり、端面５２において幅Ｔ１と幅Ｔ２とが等しくなっている。

第１の実施の形態において燃料噴射口５１の孔径を所定の範囲（１ｍｍ〜５ｍｍ）に設定したのと同様の理由から、燃料噴射口５１のスリットの幅Ｔ２は、１ｍｍ〜１．５ｍｍ程度に設定することが好ましい。また、距離Ｌと距離Ｗの関係、および距離Ｕの範囲は、第１の実施の形態におけるそれらと同じである。

最適な燃料噴射口５１を得るためには、スリットの幅Ｔ２と距離Ｌを適正な範囲で構成することが必要となる。そこで、ガスタービンの作動条件に基づいて、上記した範囲内で、スリットの幅Ｔ２と距離Ｌを設定することとした。

ここでは、図７に示すように、メイン燃料噴射部５０の端面５２が、燃焼器ライナ２２の周方向に沿う方向に曲率を有して延設されている一例を示したが、この形状に限られるものではない。第１の実施の形態において図６を参照して説明したように、メイン燃料噴射部５０の端面５２が一方の方向に直線的に延設されるようにメイン燃料噴射部５０を構成してもよい。

上記した第２の実施の形態のガスタービン燃焼器１０によれば、メイン燃料噴射部５０の下流側には、渦流は形成されない。そのため、燃焼室２３の火炎が予混合ダクト４０内に進入した場合においても、メイン燃料噴射部５０の下流側に保炎せず、予混合ダクト４０の焼損を防止することができる。また、予混合ダクト４０内における燃料Ｆと空気ＡＲの混合が促進され、ＮＯｘの排出量を低減することができる。

（メイン燃料噴射部５０の幅Ｔ１が保炎に及ぼす影響）
ここでは、図４に示されたメイン燃料噴射部５０を使用して、幅Ｔ１が保炎に及ぼす影響を調べた。

ここでは、７個の燃料噴射口５１を端面５２の延設方向に均等に形成した。また、距離Ｌを距離Ｗの０．７倍、距離Ｕを幅Ｔ２の０．９５倍とした。メイン燃料噴射部５０の端面５２が、予混合ダクト４０の入口開口４１から予混合ダクト４０の外側に０ｍｍの位置となるように設定した。すなわち、端面５２と入口開口４１とが同一平面上に位置するように設定した。そして、幅Ｔ１を変化させて、メイン燃料噴射部５０の下流側に保炎するか否かを調べた。

なお、メイン燃料噴射部５０から予混合ダクト４０内に噴射される燃料（天然ガス）の流量、予混合ダクト４０に流入する空気の流量を全負荷運転時の条件の流量とした。また、保炎の有無は、目視により観察した。

図８は、幅Ｔ１が保炎に及ぼす影響を調べた試験結果を示す図である。ここで、横軸は、幅Ｔ１を幅Ｔ２で示したものであり、例えば、２×Ｔ２とは、幅Ｔ１が幅Ｔ２の２倍であることを示す。縦軸は、保炎範囲の割合を示している。

この保炎範囲の割合は、数値流体力学（ＣＦＤ）によって数値解析された結果に基づいて、メイン燃料噴射部５０の下流側に保炎する火炎の軸方向に垂直な断面において火炎の断面積が最大となる断面における火炎の最大断面積を算出し、その最大断面積を、その最大断面積が得られる断面と同じ断面における予混合ダクト４０内の通路断面積で除すことで得られる。

試験において、保炎範囲の割合が、図８に破線で示した保炎限界線以下である場合には、メイン燃料噴射部５０の下流側に保炎しないことが確認された。図８に示すように、幅Ｔ１が幅Ｔ２の２倍の設定（２×Ｔ２）では、保炎限界線を下回っていることがわかる。すなわち、幅Ｔ１が幅Ｔ２の２倍以下、かつ幅Ｔ２以上の範囲では、メイン燃料噴射部５０の下流側に保炎しないことがわかる。

なお、ここでは図示していないが、第２の実施の形態のように、燃料噴射口５１をスリットで構成した場合においても、図８に示した結果と同様の結果が得られた。

（メイン燃料噴射部５０の距離ＬがＮＯｘ排出量に及ぼす影響）
ここでは、距離ＬがＮＯｘ排出量に及ぼす影響を調べた。

メイン燃料噴射部５０として、図４に示されたメイン燃料噴射部５０を使用し、燃料噴射口５１が２個、３個、７個の仕様を構成した。メイン燃料噴射部５０の幅Ｔ１を幅Ｔ２の２倍とした。メイン燃料噴射部５０において、距離Ｕを幅Ｔ２の０．９５倍とし、燃料噴射口５１を端面５２の延設方向に均等に形成した。

また、メイン燃料噴射部５０として、図７に示されたメイン燃料噴射部５０を使用し、燃料噴射口５１がスリットの仕様を構成した。この仕様においても、メイン燃料噴射部５０の幅Ｔ１を幅Ｔ２の２倍とし、距離Ｕを幅Ｔ２の０．９５倍とした。

上記した４種類のメイン燃料噴射部５０において、距離Ｌを変化させて、ＮＯｘ排出量に及ぼす影響を調べた。図９は、距離ＬがＮＯｘ排出量に及ぼす影響を調べた試験結果を示す図である。

ここで、横軸は、距離Ｌを距離Ｗで示したものであり、例えば、０．５Ｗとは、距離Ｌが距離Ｗの１／２倍であることを示す。縦軸は、予混合ダクト４０の３箇所の出口における燃料濃度の標準偏差を示す。この標準偏差が小さいほど、燃料と空気の混合が促進され、予混合気における燃料濃度が均一となり、ＮＯｘ排出量は減少する。また、図９に示された結果は、流体混合解析によって得られたものである。

図９には、燃焼器出口温度が、１１００℃（低）、１３００℃（中）、１５００℃（高）における、ＮＯｘ排出量に影響を与えない標準偏差を破線で示している。例えば、燃焼器出口温度が１１００℃（低）の場合、この破線以下の標準偏差では、ＮＯｘ排出量に影響を及ぼさない。

なお、燃焼器出口温度が１１００℃（低）の場合において破線以下の標準偏差となっていても、燃焼器出口温度が１３００℃（中）の場合において破線を超える標準偏差となるときには、燃焼器出口温度が１３００℃（中）の運転条件では、ＮＯｘ排出量に影響を及ぼすこととなる。すなわち、すべての温度条件における破線以下の標準偏差となる場合に、燃焼器出口温度によらず、ＮＯｘ排出量に影響を及ぼさないこととなる。

図９に示すように、燃料噴射口５１が７個の場合、および燃料噴射口５１がスリットの場合、距離Ｌが、０．５Ｗ以上、すなわち、距離Ｗの１／２倍以上では、すべての燃焼器出口温度条件の破線以下の標準偏差が得られることがわかる。すなわち、これらの燃料噴射口５１を備えるメイン燃料噴射部５０において、距離Ｌを距離Ｗの１／２倍以上とすることで、燃料と空気の混合が促進され、ＮＯｘ排出量を減少できることがわかる。

以上説明した実施形態によれば、ＮＯｘの排出量を低減することができるとともに、予混合気を形成する予混合ダクトの焼損を防止することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…ガスタービン燃焼器、２０…ガスタービンケーシング、２１…外筒、２２…燃焼器ライナ、２３…燃焼室、２４…空気通路、２５…ヘッドプレート、３０…パイロット燃料噴射部、３１…拡散燃焼用燃料噴射部、３２…予混燃焼用燃料噴射部、４０…予混合ダクト、４１…入口開口、４２…出口、４３，５３…中心、４４，５４…端縁、５０…メイン燃料噴射部、５１…燃料噴射口、５２…端面、１５０…ガスタービン、１５１…圧縮機、１５２…タービン、１５３…トランジションピース、Ｆ…燃料、ＡＲ…空気。

Claims (7)

1. 筒状の燃焼室を形成する燃焼器ライナと、
   前記燃焼器ライナの頭部の中央に設けられたパイロット燃料噴射部と、
   前記燃焼器ライナの外周に前記燃焼器ライナの軸方向に沿って延設され、前記燃焼室に、燃料と空気からなる予混合気を供給する予混合ダクトと、
   燃料噴射口が前記予混合ダクトの入口開口に対向するように設けられたメイン燃料噴射部と
   を備えるガスタービン燃焼器であって、
   前記燃料噴射口を有する前記メイン燃料噴射部の端面が、幅Ｔ１を有して一方の方向に延設され、前記幅Ｔ１が、前記幅Ｔ１方向の前記燃料噴射口の幅Ｔ２の２倍以下、かつ前記幅Ｔ２以上であることを特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 前記予混合ダクトの入口開口の中心と、前記燃料噴射口を有する端面の中心とが対向または一致し、かつ前記メイン燃料噴射部の延設方向と前記入口開口の長手方向とを対応させて、前記メイン燃料噴射部が配置され、
   前記予混合ダクト内から前記入口開口を介して前記メイン燃料噴射部を見たときに、前記メイン燃料噴射部の端面における、前記幅Ｔ１方向の中心を通る中心線が端面の両端縁と交わる２点間の距離Ｌが、前記中心線の延長線が前記入口開口の両端縁と交わる２点間の距離Ｗの１／２倍以上であることを特徴とする請求項１記載のガスタービン燃焼器。
3. 前記メイン燃料噴射部の燃料噴射口が、前記延設方向に均等に形成され、前記幅Ｔ２に相当する孔径を有する５個以上の孔で構成されていることを特徴とする請求項１または２記載のガスタービン燃焼器。
4. 前記メイン燃料噴射部の燃料噴射口が、前記幅Ｔ２を有して前記延設方向に形成されたスリットで構成されていることを特徴とする請求項１または２記載のガスタービン燃焼器。
5. 前記メイン燃料噴射部の端面が、前記燃焼器ライナの周方向に沿う方向に延設されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のガスタービン燃焼器。
6. 前記メイン燃料噴射部の端面が、一方の方向に直線的に延設されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のガスタービン燃焼器。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項記載のガスタービン燃焼器を備えることを特徴とするガスタービン。

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