JP5926635B2 - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Description

本発明は、複数の同軸噴流ノズルを備えたガスタービン燃焼器に関するものである。

近年、発電コスト低減や資源有効利用のほか地球温暖化防止の観点からも、石油精製所で発生するオフガスや、製鉄プロセスで発生するコークス炉ガス（ＣＯＧ：Coke Oven Gas、以下ＣＯＧと略記する）などの水素（Ｈ_２）を含む副生ガスを発電用ガスタービン用燃料として有効利用することが求められている。

さらに、豊富な資源である石炭を酸素でガス化して発電する石炭ガス化発電プラント（ＩＧＣＣ：Integrated coal Gasification Combined Cycle、以下ＩＧＣＣと略記する）では地球温暖化防止の観点より、石炭ガス化発電プラントのガスタービン燃焼器に供給されるガス化燃料中の炭素分を分離・回収するシステムにより、石炭の炭素分を水素に転換して二酸化炭素(ＣＯ_２)排出を抑制する方策が国内外で検討されている。

これらの燃料は、製油所オフガスやＣＯＧで燃料成分の３０％〜６０％、二酸化炭素分離回収付のＩＧＣＣプラントでは燃料のほとんどの成分が水素となる。水素は燃焼速度が速いため、ガスタービン燃焼器でこれらの燃料を燃焼させた場合に、ガスタービン燃焼器内で形成される火炎がガスタービン燃焼器の構造物に接近して加熱し、ガスタービン燃焼器の信頼性に問題を引き起こす可能性がある。

そこで水素が含まれる燃料に対して、ガスタービン燃焼器の信頼性を確保する燃焼方式としては、ガスタービン燃焼器の燃焼室に直接燃料のみを投入し、燃焼室内で燃料と空気の混合を行なう拡散燃焼方式が有力であるが、この拡散燃焼方式では最も燃焼しやすい状態で火炎が形成されるため、火炎温度が高くなって窒素酸化物（ＮＯｘ）排出量が増大しやすい。

一方、ＮＯｘ排出量の小さい燃焼を行なうには、燃料と空気を予め量論混合比よりも希薄となるよう混合してガスタービン燃焼器に供給し燃焼させる予混合燃焼方式が有力であるが、この予混合燃焼方式ではガスタービン燃焼器の燃焼室に流入する前から可燃範囲の混合気が形成されているため、火炎の位置がガスタービン燃焼器の構造物に接近して加熱し、ガスタービン燃焼器に構造物としての信頼性に問題を引き起こす可能性が高くなる。

そこで水素が含まれる燃料をガスタービン燃焼器に適用する場合に、ガスタービン燃焼器の構造物としての信頼性と燃焼安定性を確保すると共に、低ＮＯｘ燃焼を実現するガスタービン燃焼器が求められている。

燃焼安定性を確保しながら低ＮＯｘ燃焼を実現するガスタービン燃焼器の構造の一例として、特開２００６−０１７３８１号公報には、燃料ノズルと空気ノズルとを同軸に配置した多数の同軸ノズルを集合化し、予め燃料と空気の分散性を高めてＮＯｘを低減するガスタービン燃焼器の同軸ノズルバーナ（以下、多孔同軸噴流バーナと称す）によって、燃焼安定性の確保と低ＮＯｘ燃焼を実現する技術が開示されている。

特開２００６−０１７３８１号公報

しかしながら、特開２００６−０１７３８１号公報に開示されているガスタービン燃焼器の技術は、天然ガスなどの一般的な組成の燃料に関して燃焼安定性を維持して低ＮＯｘ燃焼を実現するものに過ぎない。

水素を燃料組成に含むガス燃料をガスタービン燃焼器に使用する場合には、水素の燃焼速度が速いこと、水素の必要とする着火エネルギが低いため、ガスタービン燃焼器内で形成される火炎が燃焼器構造物に接近して加熱し、ガスタービン燃焼器に構造的な信頼性上の問題を引き起こす可能性が高い。

また、水素の必要とする着火エネルギが低く可燃範囲が広いため、何らかの外乱によりガスタービン燃焼器の燃焼室内で火炎が構造物に近接して形成されると、ガスタービン燃焼器の構造物に近接した火炎が位置を次々に変えることにより連鎖的に圧力波が発生し、この圧力波によって局所的に燃料流量が変動してガスタービン燃焼器に燃焼振動と呼ばれる不安定現象が発生する可能性が高くなる。

本発明の目的は、水素を含んだ燃料をガスタービン燃焼器で燃焼させる場合に、ガスタービンの広範な負荷範囲にわたってガスタービン燃焼器に火炎による構造的な信頼性の問題を回避すると共に燃焼振動による不安定現象の発生を抑制し、且つ、低ＮＯｘ燃焼を可能にした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、燃料と空気が供給される円筒状の燃焼室と、前記燃焼室の上流側に位置して複数の空気孔を有する空気孔プレートと、前記空気孔プレートの各空気孔の入口に対して同軸に配置されて前記空気孔に燃料をそれぞれ供給する燃料ノズルを複数備えて多孔同軸噴流バーナを構成し、この多孔同軸噴流バーナを備えて燃料組成に水素を含む燃料を燃焼するガスタービン燃焼器において、この多孔同軸噴流バーナを構成する前記複数の燃料ノズルの燃料流路に開口断面積の変更要素を複数個所設け、前記多孔同軸噴流バーナに配設された前記燃料ノズルを構成する第１の燃料ノズルに複数個所設けられた開口断面積の変更要素での開口断面積比と、前記多孔同軸噴流バーナに配設された前記燃料ノズルを構成する第２の燃料ノズルに複数個所設けられた開口断面積の変更要素での開口断面積比とが異なるように前記開口断面積の開口断面積比をそれぞれ設定し、前記開口断面積比が異なっている前記第１の燃料ノズル及び第２の燃料ノズルに燃料を供給する共通の燃料供給系統を配設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、燃料と空気が供給される円筒状の燃焼室と、前記燃焼室の上流側に位置して複数の空気孔を有する空気孔プレートと、前記空気孔プレートの各空気孔の入口に対して同軸に配置されて前記空気孔に燃料をそれぞれ供給する燃料ノズルを複数備えて多孔同軸噴流バーナを構成し、この多孔同軸噴流バーナを備えて燃料組成に水素を含む燃料を燃焼するガスタービン燃焼器において、前記多孔同軸噴流バーナは、燃焼器の中央にパイロット多孔同軸噴流バーナとして配設されると共に、前記パイロット多孔同軸噴流バーナの外周側にメイン多孔同軸噴流バーナとして複数個配設され、
前記メイン多孔同軸噴流バーナを構成する前記複数の燃料ノズルの燃料流路に開口断面積の変更要素を複数個所設け、前記多孔同軸噴流バーナに配設された前記燃料ノズルを構成する第１の燃料ノズルに複数個所設けられた開口断面積の変更要素での開口断面積比と、前記多孔同軸噴流バーナに配設された前記燃料ノズルを構成する第２の燃料ノズルに複数個所設けられた開口断面積の変更要素での開口断面積比とが異なるように前記開口断面積の開口断面積比をそれぞれ設定し、前記開口断面積比が異なっている前記第１の燃料ノズル及び第２の燃料ノズルに燃料を供給する共通の燃料供給系統を配設したことを特徴とする。

本発明によれば、水素を含んだ燃料をガスタービン燃焼器で燃焼させる場合に、ガスタービンの広範な負荷範囲にわたってガスタービン燃焼器に火炎による構造的な信頼性の問題を回避すると共に燃焼振動による不安定現象の発生を抑制し、且つ、低ＮＯｘ燃焼を可能にしたガスタービン燃焼器が実現できる。

本発明の実施例であるガスタービン燃焼器を備えた水素含有燃料焚きガスタービン発電システムの構成を示す概略図である。 本発明の第１実施例のガスタービン燃焼器の概略構造に、燃料ノズルと空気孔から燃焼室に噴出する流体と、燃焼室内の燃焼ガスの流れの状況を示した概略断面図である。 本発明の第１実施例のガスタービン燃焼器の燃焼室の上流側に位置して、複数の空気孔を有する空気孔プレートを燃焼室側から見たＡ−Ａ方向矢視図である。 図２に示した本発明の第１実施例のガスタービン燃焼器の燃焼室の上流側に位置して、複数の空気孔を有する空気孔プレートに配置された多孔同軸噴流バーナのうち、最もバーナ中心軸に近い１列目同心円上に配置された燃料ノズルと、燃料ノズルから噴出する流体の流れを示す状況図である。 図２に示した本発明の第１実施例のガスタービン燃焼器の燃焼室の上流側に位置して、複数の空気孔を有する空気孔プレートに配置された多孔同軸噴流バーナのうち、バーナ中心軸から２列目および３列目の外周側同心円上に配置された燃料ノズルと、燃料ノズルから噴出する流体の流れを示す状況図である。 図４および図５に示した本発明の第１実施例のガスタービン燃焼器の２つの絞り部を設けた燃料ノズルにおいて、２つの絞り部の中間の圧力が、第１および第２の絞り部での開口面積の比に対して変化する特性を説明した図である。 図４および図５に示した本発明の第１実施例のガスタービン燃焼器の２つの絞り部を設けた燃料ノズルにおいて、燃料ノズルから噴出する燃料噴出速度が、第１および第２の絞り部での開口面積の比に対して変化する特性を説明した図である。 本発明の第２実施例のガスタービン燃焼器の構造を示す概略断面図である。 本発明の第２実施例のガスタービン燃焼器の燃焼室の上流側に位置して複数の空気孔を有する空気孔プレートを燃焼室側から見たＢ−Ｂ方向矢視図である。 図８に示した本発明の第２実施例のガスタービン燃焼器の燃焼室の上流側に位置して、複数の空気孔を有する空気孔プレートに、複数個配置された多孔同軸噴流バーナのうち、図９において一点鎖線で囲んだ一つのメインバーナを構成する、燃料ノズルと空気孔から燃焼室に噴出する流体と、燃焼室内の燃焼ガスの流れを示す状況図である。 図８に示した本発明の第２実施例ガスタービン燃焼器の燃焼室の上流側に位置して、複数の空気孔を有する空気孔プレートに配置された多孔同軸噴流バーナのうち、バーナ中心軸から３列目の最外周同心円上に配置された燃料ノズルと、燃料ノズルから噴出する流体の流れを示す状況図である。

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用いて以下に説明する。

本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器について、図１及び図２を用いて説明する。

図１は本発明の第１実施例である水素含有燃料焚きのガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントの概略構成図であり、図２は本発明の第１実施例である水素含有燃料焚きのガスタービン燃焼器の概略構成図である。

図２に示した本実施例の水素含有燃料焚きのガスタービン燃焼器は、石炭をガス化して得られる水素含有燃料を用いる石炭ガス化複合発電プラントの他、製鉄プラントから得られる副生ガスであるコークス炉ガス（ＣＯＧ：Coke Oven Gas）、高炉ガス（ＢＦＧ：Blast Furnace Gas）、転炉ガス（ＬＤＧ：Linzer Donawitz Gas）あるいはこれらの混合ガスを燃料として使用するガスタービンや、ナフサ分解プラントなどから得られる副生ガスなどの、水素を組成成分として含むガス燃料を用いるガスタービンに好適なガスタービン燃焼器である。

図１は図２に記載した本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器を有する水素含有燃料焚きガスタービンプラントの概略構成を示す図であり、図３は図１及び図２に記載した本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器の上流側に設置された多孔同軸噴流バーナを構成する空気孔を形成した壁状部材の空気孔プレートを燃焼室側から見たＡ−Ａ方向矢視図の正面図である。

図１に示した本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器９を有するガスタービンプラントは、燃料組成に水素を含む水素含有燃料２２をガスタービン燃焼器９に燃料として供給する。

この水素含有燃料２２によって駆動されるガスタービンプラントは、圧縮機５によって外気を吸入して圧縮した圧縮空気１０を、車室７を経由してガスタービン燃焼器９に燃焼用空気１２として供給し、このガスタービン燃焼器９に設置した多孔同軸噴流バーナ５３から、前記水素含有燃料２２と共に燃焼室に噴射して燃焼させる。

本ガスタービンプラントはガスタービン燃焼器９の燃焼室で水素含有燃料２２を燃焼させて高温高圧の燃焼ガス１３を発生させ、この発生させた高温高圧の燃焼ガス１３をガスタービン燃焼器９からタービン６に流入させて前記タービン６を駆動し、タービン６に連結され、このタービン６の回転動力を電力として取り出す発電機５０１を備えている。

本実施例である前記ガスタービン燃焼器９の構成は、図１及び図２に示したように、外周側に設置された燃焼器外筒２と、燃焼器外筒２の内部に設置された燃焼器ライナー３と、この燃焼器ライナー３の下流側に接続した燃焼器尾筒４とを備えた円筒構造であり、前記燃焼器ライナー３の内部には、燃料供給系統２２ａを通じてガスタービン燃焼器９に供給された水素含有燃料２２と、圧縮機５で圧縮された圧縮空気１０の一部をガスタービン燃焼器９に供給した燃焼用空気１２を混合して燃焼させる円筒状の燃焼室１が形成されている。

燃焼器尾筒４は、円筒形状の燃焼器ライナー３の出口と扇形形状のタービン６の静翼入口との間を滑らかに連絡する部品である。

ガスタービン燃焼器９の燃焼室１内で水素含有燃料２２の燃焼に用いられる燃焼用空気１２は、ガスタービン燃焼器９の燃焼器外筒２と燃焼器ライナー３との間の空間を通じて供給されるが、ガスタービン燃焼器９の頭部に設けた燃焼器エンドカバー８によってせき止められ、この燃焼用空気１２の一部が、多孔同軸噴流バーナ５３を構成する空気孔プレート５４に形成した複数の空気孔５５に供給される。

また、圧縮機５で圧縮された前記圧縮空気１０の他の一部は、燃焼器ライナー３の壁面に開口した多数の空気孔から冷却空気１１として燃焼室１内に流入し、前記ガスタービン燃焼器９の燃焼室１で発生した高温高圧の燃焼ガス１３により、燃焼器ライナー３などの構造物が過熱されないよう冷却する。

燃料供給系統２２Ａを通じてガスタービン燃焼器９に供給される水素含有燃料２２は、前記燃料供給系統２２Ａに設置された燃料遮断弁１０３、燃料圧力調整弁１０７、および燃料流量調整弁１０８により、ガスタービン運転に必要な流量を制御してガスタービン燃焼器９に供給される。

前記水素含有燃料２２は、燃焼器エンドカバー８の外部からエンドカバー８内部に設けた燃料分配器５７の分配流路を通って、多孔同軸噴流バーナ５３に複数個配置された各燃料ノズル５６ａおよび燃料ノズル５６ｂにそれぞれ配分される。

本実施例のガスタービン燃焼器９は、図１、図２および図３に示すように、燃焼器軸心の中央に、多孔同軸噴流バーナ５３を１個配置した構造を採用している。

本実施例のガスタービン燃焼器９を構成する多孔同軸噴流バーナ５３は、多数の燃料・空気の同軸噴流を形成するバーナであり、かつ燃料と空気の混合の度合いを、同軸噴流バーナを構成する空気ノズルの形状および燃料ノズルの形状で調整することができる。

また、空気孔プレート５４に形成する空気孔５５を円筒状の燃焼室１の中心軸に対して、ある法則性を持たせて傾斜させることにより、個々の同軸噴流を合流させて一つの流れを形成させることが可能である。

本実施例のガスタービン燃焼器９における多孔同軸噴流バーナ５３においては、図２及び図３に示すようにそれぞれの空気孔５５を配置したピッチ円直径ごとに、円筒状の燃焼室１の中心軸に対して等しい角度ずつ傾斜させ、各空気孔から噴出する同軸噴流が合流して、らせん状に旋回しながら拡大する旋回流４６を形成するように調整している。

螺旋状に旋回しながら拡大する旋回流４６は、下流側に進むほど旋回半径が大きくなって旋回成分速度が低下するので、旋回の中心軸上に誘導する静圧が大きくなり、旋回の中心軸上に逆圧力勾配を誘起して、循環流４３を形成する。この循環流４３により燃焼ガスの一部が、旋回の中心軸近傍を逆流することで安定な着火源が上流側に伝播し、定常火炎４５を形成する。

このため、本実施例のガスタービン燃焼器９における燃焼室１の上流側に位置し、複数の空気孔を有する空気孔プレート５４を燃焼室１側から見ると、図２のＡ−Ａ方向矢視図である図３に示すように、空気孔プレート５４の表面に対して傾斜した噴出方向を持つ空気孔５５が楕円形に開口していることが観察される。

空気孔プレート５４に設けた各空気孔５５は、多孔同軸噴流バーナ５３の中心に近いピッチ円直径に配置されたものから順に、１列目空気孔５５−１、２列目空気孔５５−２、３列目空気孔５５−３に分類され、配置されたピッチ円直径ごとに異なる旋回角を持っている。

このうち、最も多孔同軸噴流バーナ５３の中心軸に近いピッチ円直径を持つ１列目空気孔５５−１は、前記循環流４３によってもたらされる着火源となる燃焼ガスに最初に触れる同軸噴流を形成するので、特に保炎に関係が深い。

本実施例のガスタービン燃焼器９では、２列目空気孔５５−２および３列目空気孔５５−３にも旋回を与えているが、水素濃度が特に高い燃料を使用する場合などで、保炎能力が十分である場合には２列目、３列目空気孔には旋回を与えなくてもよい。

また本実施例のガスタービン燃焼器９では、前記した１列目〜３列目の空気孔５５−１、５５−２、５５−３で多孔同軸噴流バーナ５３を構成しているが、空気孔列の数は３列以外の構成も可能である。

前述したように本実施例のガスタービン燃焼器９では、全ての空気孔５５−１、５５−２、５５−３に旋回が与えられているため、空気孔５５−１、５５−２、５５−３の入口において空気孔と同軸に配置されている燃料ノズル５６ａおよび燃料ノズル５６ｂは、燃焼室１側から見た図３の矢視図には表れていない。

次に図２を用いて、本実施例のガスタービン燃焼器９の多孔同軸噴流バーナ５３から噴出する水素含有燃料２２と燃焼用空気１２の混合気４２の流れの様態と、燃焼ガスの流れを説明する。

図２は、本実施例のガスタービン燃焼器９に設置した多孔同軸噴流バーナ５３について、燃料ノズルと空気孔から燃焼室に噴出する流体と、燃焼室内の燃焼ガスの流れを示す状況図である。

図２に示した本実施例のガスタービン燃焼器９に設置した多孔同軸噴流バーナ５３では、空気孔プレート５４が、多孔同軸噴流バーナ５３を構成する燃料ノズル５６ａおよび燃料ノズル５６ｂと燃焼室１との間に配置されている。

また、空気孔プレート５４の上流側には、燃焼用空気１２が引き込まれ、空気孔プレート５４に開口した１列目空気孔５５−１、２列目空気孔５５−２、３列目空気孔５５−３から燃焼室１に噴出する。

この１〜３列目空気孔の上流側入口の中央付近には、それぞれの空気孔と同軸上に燃料ノズル５６ａおよび燃料ノズル５６ｂが配置されている。

これらの燃料ノズル５６ａおよび燃料ノズル５６ｂからは水素含有燃料２２が、１列目燃料４１−１、２列目燃料４１−２、３列目燃料４１−３として、１列目空気孔５５−１、２列目空気孔５５−２、３列目空気孔５５−３の中心部に流入する。

本実施例のガスタービン燃焼器９に設置した多孔同軸噴流バーナ５３においては、上記した構成を採用しているので、空気孔プレート５４の上流側から供給される燃焼用空気１２は、空気孔プレート５４の上流側に形成された広い空間から、燃料ノズル５６の周囲の狭い領域を通って、空気孔プレート５４に配設した狭い空間の複数の空気孔５５にそれぞれ流入する。

そのため、空気孔プレート５４に配設した空気孔５５の内部には、燃料流及び燃料流の外周側に形成された環状の空気流が、燃料ノズル５６の下流に生じる後流渦や空気孔入口での燃焼用空気１２の急収縮による剥離渦などの細かい乱れ構造を含んで流下する同軸噴流が形成されることになる。

空気孔プレート５４に配設した空気孔５５を通過した燃料流及び空気流は、前記空気孔５５から前記空気孔プレート５４の下流側に形成された広い空間の燃焼室１に一気に噴出し、空気孔５５の狭い空間で限定されていた渦が大きく拡大して崩壊するにつれて、燃焼室１において燃料流と空気流が急速に混合する。

このように、空気孔プレート５４に複数の燃料ノズル５６とそれぞれ同軸の複数の空気孔５５を形成し、これらの空気孔５５の上流側に前記した各燃料ノズル５６を配置する構成にすると、燃焼室１に流入した燃料は急速に分散するため、燃料と空気の混合度が増加し、短距離で急速に混合できる。

本実施例のガスタービン燃焼器９の多孔同軸噴流バーナ５３においては、同軸噴流バーナを構成する空気孔プレート５４の空気孔５５の内部において燃料流が中心部を流れ、燃料流の周囲を空気流が流れているため、燃料ノズル５６のごく近傍では可燃範囲の混合気が形成されない。

また、空気孔プレート５４の空気孔５５の内部と燃焼室１に流入した直後の非常に狭い領域で混合が進行するため、空気孔プレート５４の近傍に火炎が接近しにくく、ガスタービン燃焼器９は信頼性が高い特徴を持つ。

図２に示す本実施例のガスタービン燃焼器９に設置した多孔同軸噴流バーナ５３の同軸噴流バーナを構成する前記燃料ノズル５６ａおよび燃料ノズル５６ｂと、空気孔プレート５４の空気孔５５との位置関係において、多孔同軸噴流バーナ５３の内周側に設置した第１の同軸噴流バーナ部となるバーナ最内周の１列目空気孔５５−１の中心軸は、バーナ中心軸に対して空気孔を配置したピッチ円の円周方向に傾斜している。

図２及び図３に示すように、第１の同軸噴流バーナ部となるバーナ最内周空気孔５５−１の中心軸は、バーナ中心軸に対して空気孔を配置したピッチ円の円周方向に傾斜しているので、第１の同軸噴流バーナ部となる最内周空気孔５５−１から噴出する内周燃料の燃料流４１−１及び空気流は、最内周空気孔５５−１の中心軸に沿って空気孔を配置したピッチ円の接線方向の旋回成分を持って燃焼室１に噴射され、前記の機構により急速に混合されて混合気４２−１となる。

また、空気孔プレート５４の最内周空気孔５５−１は、図２及び図３に示すように円周方向に傾斜した旋回角を持っているため、最内周空気孔５５−１から噴射された混合気４２−１は、燃焼室１の内部で螺旋状に旋回しながら下流側へ流れる旋回流４６となり、燃焼室１内部で旋回直径を拡大しながら下流側に流出する。

このように拡大しながら流下する旋回流は、旋回の中心軸上に逆方向の圧力勾配を誘導するので、図２に示すように、旋回流の中で火炎４５内の反応により生じた燃焼ガス４４の一部は循環ガス４３として循環し、最内周空気孔５５−１から流入する混合気４２−１に対して活性化エネルギを与えることで燃焼反応を維持する着火源として機能する。これにより燃焼室１内部に安定な円錐状の定常火炎４５が形成される。

一方、空気孔プレート５４の空気孔５５の出口近傍では、高速で空気孔５５を流下した燃料及び空気が急に広い空間に噴出して空気孔壁面の拘束を受けなくなるため、後流と呼ばれる流速の低い渦を伴う低流速領域４８が、空気孔プレート５４の燃焼室側表面の空気孔と空気孔の間隙部分に生じる。

後流と呼ばれる流速の低い渦は、空気孔５５から噴出する高速の同軸噴流によって、空気孔の周囲の流体が引きずられるように運動することで生み出される。

このため、空気孔プレート５４の空気孔５５から噴出する高速の同軸噴流の混合気４２−１、４２−２、および４２−３から可燃性の混合気を、空気孔の間隙部分に引き込む働きをする。

したがって、後流を伴う低流速領域４８は、可燃範囲の燃料と空気の混合気を持つ流速の低い領域となるので、水素含有燃料２２のように水素を含む燃料の場合には、この後流を伴う低流速領域に空気孔プレート５４に近接した火炎が付着する場合が生じる。

後流を伴う低流速領域４８に火炎が付着すると、空気孔プレート５４のごく近傍で燃焼が行われるため、空気孔プレート５４が過熱される恐れが生じるのみならず、低流速領域４８に火炎が付着したり、離脱したりを繰り返すことで圧力変動が発生する恐れがある。

このような圧力変動によって各空気孔における燃料流量４１−１、４１−２および４１−３が圧力変動に同期して変動すると、燃料流量変動によってさらに圧力変動振幅が増大し、自励振動的に圧力変動が成長する燃焼振動と呼ばれる不安定燃焼状態に陥る恐れがある。

燃焼振動が発生すると、燃焼器構造物には繰り返し圧力波による応力が作用するため、繰り返し疲労の寿命を消費するなどの信頼性上の問題が発生する。

以上に述べたような燃焼振動状態に陥ることを避けるため、本実施例のガスタービン燃焼器９においては、ガスタービン燃焼器９に設置した同軸噴流バーナ５３を構成する燃料ノズル５６ａおよび燃料ノズル５６ｂに複数の開口断面積の変更要素（絞り部）を設けている。

本実施例のガスタービン燃焼器９に設置した同軸噴流バーナ５３では、この開口断面積の変更要素として図４及び図５にオリフィス状の絞り部を例示しているが、その他にもベンチュリー構造など、流体の通過する部分の開口断面積が変化し、その前後の圧力差と断面積によって通過流量が規定される性質を持つ、開口断面積の変更要素であれば本実施例と同様の効果を発揮する。

本実施例のガスタービン燃焼器９に設置した同軸噴流バーナ５３を構成する燃料ノズル５６ａおよび燃料ノズル５６ｂに設けた複数の開口断面積の変更要素（絞り部）の効果について、図４、図５、図６および図７を用いて説明する。

図４は図１に示した第１実施例のガスタービン燃焼器９の燃焼室１の上流側に位置し、複数の空気孔を有する空気孔プレート５４に配置された多孔同軸噴流バーナ５３を構成する燃料ノズルのうち、最もバーナ中心軸に近い１列目に同心円上に複数個配置された燃料ノズル５６ａと、この燃料ノズル５６ａから噴出する燃料である流体の流れを示す状況図である。

本実施例のガスタービン燃焼器９に設置した同軸噴流バーナ５３に係る燃料ノズルのうち、１列目に配置された燃料ノズル５６ａ、及び２列目と３列目に同心円上に配置された燃料ノズル５６ｂの第１の特徴は、燃料ノズル５６ａおよび５６ｂの内部に形成した燃料流路に燃料を流下させる開口断面積の変更要素（絞り部）を設けていることにある。

前記燃料ノズル５６ａのうち、燃料分配器５７側となる燃焼器頭部側に位置する第１の絞り部５８ａはオリフィス構造の絞り部であり、この燃焼器頭部側に位置する第１の絞り部５８ａの開口面積Ａ１ａと、燃料供給圧力Ｐｆ、および燃料ノズル５６ａの２つの絞り部（５８ａと後述する５９ａ）に挟まれた中間部分６０ａの圧力Ｐｍによって、第１の絞り部５８ａを通過する燃料の流量Ｇ１ａが規定される。

一方、前記燃料ノズル５６ａのうち、燃焼器頭部側に位置する第１の絞り部５８ａの下流側となる燃焼室１側に位置する第２の絞り部５９ａも同様にオリフィス構造の絞り部であり、第２の絞り部５９ａの開口面積Ａ２ａと、燃料ノズル５６ａの２つの絞り部５８ａ、５９ａに挟まれた中間部分６０ａの圧力Ｐｍ、および燃焼室１の圧力Ｐｃによって、第２の絞り部５９ａを通過する燃料の流量Ｇ２ａが規定される。

燃料ノズル５６ａの燃焼器頭部側に位置する第１の絞り部５８ａを通過する流量Ｇ１ａと第２の絞り部５９ａを通過する流量Ｇ２ａは等しいので、燃料ノズル５６ａの２つの絞り部５８ａ、５９ａに挟まれた中間部分６０ａの圧力Ｐｍは、２つの絞り部５８ａおよび５９ａの開口断面積の比によって定まる、通過流量のバランスする圧力になる。

このように２つの絞り部５８ａ、５９ａを有する燃料ノズル５６ａにおいて、燃焼室１の圧力が何らかの原因で変動した場合の燃料流量の挙動について、説明する。

仮に何らかの原因により、燃焼室１内の圧力がΔＰｃ低下すると、まず、燃料ノズル５６ａの第２の絞り部５９ａにおいて絞りの前後の圧力比が増加し、第２の絞り部５９ａを通過する燃料流量Ｇ２ａが過渡的に増加する。

また絞り部下流側の圧力の低下に伴って、燃料ノズル５６ａの２つの絞り部５８ａ、５９ａに挟まれた中間部分６０ａの圧力Ｐｍも低下しようとするが、第２の絞り部５９ａを通過する燃料流量Ｇ２ａが過渡的に増加したことにより、第２の絞り部５９ａ前後の圧力比は増加するので、燃料ノズル５６ａの２つの絞り部５８ａ、５９ａに挟まれた中間部分６０ａの圧力低下量ΔＰｍは、燃焼室１内圧力の低下幅ΔＰｃより小さくなる。

次に、前記燃料ノズル５６ａの燃料供給側の燃焼器頭部側に位置する第１の絞り部５８ａにとって、後ろ側の圧力である中間部分６０ａの圧力がΔＰｍ低下したことに伴って、第１の絞り部５８ａにおいて絞りの前後の圧力比が増加し、第１の絞り部５８ａを通過する燃料流量Ｇ１ａも過渡的に増加する。

しかしながら、前述のように中間部分６０ａの圧力低下幅ΔＰｍは、燃焼室１内の圧力低下幅ΔＰｃより小さくなるため、燃料流量Ｇ１ａの増加量は、第２の絞り部５９ａを通過する燃料流量Ｇ２ａの増加量より少なくなる。

さらに燃焼器頭部側に位置する第１の絞り部５８ａ上流側の燃料供給圧力Ｐｆも、後ろ側の圧力である中間部分６０ａの圧力がΔＰｍ低下したことに伴って低下しようとするが、先に第２の絞り部５９ａについて述べたと同様に、流量の増加に伴う絞り部圧力比の増加により、圧力の低下幅ΔＰｆは中間部分６０ａの圧力低下幅ΔＰｍよりさらに小さくなる。

このような機構によって、１つの燃料ノズル５６ａに２つの絞り部５８ａおよび５９ａを設けることにより、燃焼室１の圧力変動を緩和し圧力変動に同期した燃料流量変動が発生することを緩和することができる。

さらに本発明の第１実施例のガスタービン燃焼器９に係る燃料ノズルのうち、１列目に配置された燃料ノズル５６ａ、及び２列目と３列目に同心円上に配置された燃料ノズル５６ｂの第２の特徴は、このように１つの燃料ノズル５６ａおよび５６ｂにそれぞれ２つの絞り部５８ａ、５９ａ及び５８ｂ、５９ｂを設けた燃料ノズルにおいて、燃料ノズル５６ａの燃焼器頭部側に位置する第１の絞り部５８ａの開口面積Ａ１と第２の絞り部５９ａの開口面積Ａ２の比率、並びに、燃料ノズル５６ｂの第１の絞り部５８ｂの開口面積Ａ１と第２の絞り部５９ｂの開口面積Ａ２の比率をそれぞれ変化させた燃料ノズルを用意し、両者を同一の燃料供給系統２２Ａに接続することにある。

図５は図２に示した第１実施例のガスタービン燃焼器の燃焼室９の上流側に位置し、複数の空気孔を有する空気孔プレート５４に配置された多孔同軸噴流バーナ５３のうち、バーナ中心軸から２列目および３列目の外周側同心円上に複数個配置された燃料ノズル５６ｂと、この燃料ノズル５６ｂから噴出する流体の流れを示す状況図である。

図５に示す燃料ノズル５６ｂと、先に述べた図４に示す燃料ノズル５６ａは同じ燃料供給圧Ｐｆと燃焼室１内圧力Ｐｃの比に対して、同一の燃料流量が得られるような特性を持っている。

両者の違いは、燃料ノズル５６ａの燃焼器頭部側に位置する第１の絞り部５８ａの開口面積Ａ１に対する第２の絞り部５９ａの開口面積Ａ２の比率の値が、燃料ノズル５６ｂの燃焼器頭部側に位置する第１の絞り部５８ｂの開口面積Ａ１に対する第２の絞り部５９ｂの開口面積Ａ２の比率の値と異なることである。

即ち、図４に示したバーナ中心軸に近い１列目の同心円上に配置された燃料ノズル５６ａでは、燃料供給側となる燃焼器頭部側に位置する第１の絞り部５８ａの開口面積Ａ１ａを大きく、燃焼室1側に位置する第２の絞り部５９ａの開口面積Ａ２ａを小さくしている。

一方、図５に示したバーナ中心から２列目および３列目の外周同心円上に配置された燃料ノズル５６ｂでは、燃料供給側となる燃焼器頭部側に位置する第１の絞り部５８ｂの開口面積Ａ１ａを小さく、燃焼室1側に位置する第２の絞り部５９ｂの開口面積Ａ２ａを大きくしている。

このように、バーナの１列目に配置された燃料ノズル５６ａと、バーナの２列目および３列目に配置された燃料ノズル５６ｂとで、燃焼器頭部側に位置する第１の絞り部５８ａ、５８ｂの開口面積Ａ１と第２のノズル部５９ａ、５９ｂの開口面積Ａ２の比率を互いに変更する効果について、図６および図７を用いて説明する。

図６は、燃料ノズル５６ａ及び５６ｂに設けた燃焼器頭部側に位置する第１の絞り部５８ａ、５８ｂの開口面積Ａ１によって、燃料ノズル５６ａ及び５６ｂに設けた第２の絞り部５９ａ、５９ｂの開口面積Ａ２を除算して得られる２つの絞り部５８ａ、５９ａと、５８ｂ、５９ｂの開口面積の比Ｒ（Ｒ＝Ａ２／Ａ１）を変化させた場合の、２つの絞り部５８ａ、５９ａと、５８ｂ、５９ｂに挟まれた燃料ノズル５６ａの中間部分６０ａおよび燃料ノズル５６ｂの中間部分６０ｂの圧力の変化を示したものである。

検討に当たっては、同じ燃料供給圧Ｐｆと燃焼室１内圧力Ｐｃの比を用いている。また、２つの絞り部５８ａ、５９ａと、５８ｂ、５９ｂの開口面積の比を変化させても、燃料ノズル５６ａ、５６ｂを通過する流量は一定になるよう、開口面積Ａ１ａ，Ａ２ａ、Ａ１ｂ，Ａ２ｂなどを調整している。

図６に示すように、バーナ中心軸に近い１列目の同心円上に配置された燃料ノズル５６ａのように、燃焼器頭部側に位置する第１の絞り部５８ａの開口面積Ａ１ａを大きく、燃焼室1側に位置する第２の絞り部５９ａの開口面積Ａ２ａを小さくした、２つの絞り部５８ａ、５９ａの開口面積比Ｒ１（Ｒ１＝Ａ２ａ／Ａ１ａ）の値が１よりも小さい場合、第１の絞り部５８ａを通過するために必要な圧力比が小さく、第２の絞り部５９ａを通過するために必要な圧力比が大きくなるので、２つの絞り部５８ａ、５９ａに挟まれた中間部分６０ａの圧力は燃料供給圧力Ｐｆに近い値となる。

一方、バーナ中心から２列目および３列目の外周同心円上に配置された燃料ノズル５６ｂのように、燃焼器頭部側に位置する第１の絞り部５８ｂの開口面積Ａ１ｂを小さく、燃焼室1側に位置する第２の絞り部５９ｂの開口面積Ａ２ｂを大きくした、２つの絞り部５８ｂ、５９ｂの開口面積比Ｒ２（Ｒ２＝Ａ２ｂ／Ａ１ｂ）の値が１よりも大きい場合、第１の絞り部５８ｂを通過するために必要な圧力比が大きく、第２の絞り部５９ｂを通過するために必要な圧力比が小さくなるので、２つの絞り部５８ｂ、５９ｂに挟まれた中間部分６０ｂの圧力は燃焼室内圧力Ｐｃに近い値となる。

このように同じ流量を通過させる燃料ノズルであっても、２つの絞り部５８ａ、５９ａと、５８ｂ、５９ｂの開口面積比Ｒ１、Ｒ２が異なる燃料ノズル５６ａと燃料ノズル５６ｂが同一の燃料供給系統に接続されている場合、燃焼室１内の圧力が変動した場合の燃料流量の応答が、２つの絞り部５８ａ、５９ａの開口面積比Ｒ１が小さい燃料ノズル５６ａと、２つの絞り部５８ｂ、５９ｂの開口面積比Ｒ２が大きい燃料ノズル５６ｂでは、燃料ノズル５６ａの中間部分６０ａと燃料ノズル５６ｂの中間部分６０ｂの圧力が異なるため、異なる過渡特性を持つ。

図７は図６と同様に、第１の絞り部５８ａ、５８ｂの開口面積Ａ１によって、第２の絞り部５９ａ、５９ｂの開口面積Ａ２を除算して得られる、２つの絞り部５８ａ、５９ａと、５８ｂ、５９ｂの開口面積の比Ｒ（Ｒ＝Ａ２／Ａ１）を変化させた場合の、燃料ノズル５６ａおよび燃料ノズル５６ｂから燃焼室１に向けて噴出する、燃料噴出流速Ｕｆの変化を示した図である。

図７でも検討に当たっては、同じ燃料供給圧Ｐｆと燃焼室１内圧力Ｐｃの比を用いている。また、２つの絞り部５８ａ、５９ａと、５８ｂ、５９ｂの開口面積の比を変化させても、燃料ノズル５６ａ、５６ｂを通過する流量は一定になるよう、開口面積Ａ１ａ，Ａ２ａ、Ａ１ｂ，Ａ２ｂなどを調整している。

燃料噴出流速Ｕｆの程度が分かりやすくなるよう、第１の絞り部５８ａ、５８ｂの開口面積Ａ１と第２の絞り部５９ａ、５９ｂの開口面積Ａ２を等しくした場合の、燃料噴出流速Ｕｆを１として規格化して示している。

図７に示すように、バーナ中心軸に近い１列目の同心円上に配置された燃料ノズル５６ａのように、第１の絞り部５８ａの開口面積Ａ１ａを大きく、燃焼室1側に位置する第２の絞り部５９ａの開口面積Ａ２ａを小さくした、２つの絞り部５８ａ、５９ａの開口面積比Ｒ１（Ｒ１＝Ａ２ａ／Ａ１ａ）の値が１よりもが小さい場合、より小さい開口面積Ａ２ａから燃料が噴出するため、燃料噴出流速Ｕｆは大きな値となる。

逆に、バーナ中心から２列目および３列目の外周同心円上に配置された燃料ノズル５６ｂのように、第１の絞り部５８ｂの開口面積Ａ１ｂを小さく、燃焼室1側に位置する第２の絞り部５９ｂの開口面積Ａ２ｂを大きくした、２つの絞り部５８ｂ、５９ｂの開口面積比Ｒ２（Ｒ２＝Ａ２ｂ／Ａ２ａ）の値が１よりも大きい場合、より大きい開口面積Ａ２ｂから同一流量の燃料が噴出するため、燃料噴出流速Ｕｆは小さな値となる。

このように同じ流量を通過させる燃料ノズル５６ａ、５６ｂであっても、２つの絞り部５８ａ、５９ａと、５８ｂ、５９ｂの開口面積比Ｒ１、Ｒ２が異なる燃料ノズル５６ａと燃料ノズル５６ｂでは燃料噴出流速Ｕｆが異なる。

ある燃料供給系統について燃焼室１内の圧力変動に対する応答の特性周波数は、燃料供給系統出口から圧力変動の発生点までの距離Ｌと燃料噴出流速Ｕｆにより定義されるＵｆ/Ｌとなる。

本実施例のガスタービン燃焼器９に係る燃料供給系統では、共通する同一の燃料供給系統に複数の燃料噴出流速を呈する燃料ノズル５６ａおよび５６ｂが配置されているため、バーナ全体で圧力変動と共振する周波数がなくなるので、圧力変動と燃料流量変動が共振しなくなり、燃焼振動が発生しない。

さらに本実施例のガスタービン燃焼器９に前記した燃料ノズル５６ａおよび５６ｂを配置することにより、バーナ内の混合を、燃料ノズルを配置する同心円毎に変化させることにより、燃焼安定性を向上することができる。

一般に、燃料が空気中に噴出して拡散する場合には、燃料ノズルからある程度の距離までは、噴流の持つ運動量によって空気が押し退けられ、ポテンシャルコア６１と呼ばれる燃料の気柱状の塊が形成され、ポテンシャルコアから燃料塊が拡散していくような混合形態となる。

このポテンシャルコアの到達長さ６２は、燃料噴流の持つ運動量に概略比例する。この流れの状況を燃料ノズル５６ａについて図４に、燃料ノズル５６ｂについて図５にそれぞれ示す。

燃料ノズル５６ａでは、２つの絞り部５８ａ、５９ａの開口面積Ａ１ａとＡ２ａの比である開口面積比Ｒ１（Ｒ１＝Ａ２ａ／Ａ１ａ）の値が１よりも小さく、燃料噴出流速Ｕｆａが大きいのでＵｆａの二乗に比例する燃料噴流の運動量も大きく、ポテンシャルコア６１ａの到達長さ６２ａは大きい。

また燃料が噴出する開口面積Ａ２ａが小さいため、燃料のポテンシャルコア６１ａは空気孔の中心部付近に集中している。

一方、燃料ノズル５６ｂでは、２つの絞り部５８ｂ、５９ｂの開口面積Ａ１ｂとＡ２ｂの比である開口面積比Ｒ２（Ｒ２＝Ａ２ｂ／Ａ１ｂ）の値が１よりも大きく、燃料噴出流速Ｕｆｂが小さいのでＵｆｂの二乗に比例する燃料噴流の運動量も小さく、ポテンシャルコア６１ｂの到達長さ６２ｂは小さい。

また燃料が噴出する開口面積Ａ２ｂが大きいため、燃料のポテンシャルコア６１ｂはより空気孔の外側まで到達している。

したがって、燃料ノズル５６ａから噴出する燃料は、より空気孔出口に近い位置まで燃料の塊として噴出し、より空気孔中心軸付近から拡散を開始するため、混合が遅れて局所的に濃い燃料空気混合気が形成されやすい。

一方、燃料ノズル５６ｂから噴出する燃料は、より燃料ノズル出口に近い位置で燃料のポテンシャルコア６１ｂが解け、より空気孔外側に近い位置からから拡散を開始するため、混合が進みやすく均一な燃料空気混合気が形成されやすい。

前述のように、多孔同軸噴流バーナ５３を構成する、最もバーナ中心軸に近い１列目の同心円上に配置された燃料ノズル５６ａの同軸噴流群は、図２に示した循環流４３によってもたらされる着火源となる燃焼ガスに、最初に触れて火炎の基点を形成するので、特に燃焼安定性に関係が深い。

そこで、多孔同軸噴流バーナ５３を構成する、最もバーナ中心軸に近い１列目の同心円上に配置する燃料ノズルとして、２つの絞り部５８ａ、５９ａの開口面積比Ｒ１が小さい燃料ノズル５６ａを配置することにより、局所的に濃い燃料空気混合気を形成して、燃焼ガスによる混合気の着火を助け、燃焼安定性を向上することが可能となる。

一方、多孔同軸噴流バーナ５３を構成する、２列目および３列目の同心円上に配置された燃料ノズル５６ｂの同軸噴流群は、図２に示したように１列目同軸噴流群が形成する火炎の基点から、円錐状にのびる火炎に到達するまで空気孔プレート５４から長い距離を噴出する。

このため、多孔同軸噴流バーナ５３を構成する、２列目および３列目の同心円上に配置された燃料ノズル５６ｂの同軸噴流群は、均一な混合気による希薄燃焼を行いやすい性質がある。

この性質を生かして更に混合度を向上させるには、多孔同軸噴流バーナ５３を構成する、２列目および３列目の同心円上に配置された燃料ノズルとして、２つの絞り部５８ｂ、５９ｂの開口面積比Ｒ２が大きく、燃料噴出流速Ｕｆｂが小さい燃料ノズル５６ｂを配置することが有利である。

以上説明した本実施例のガスタービン燃焼器９においては、最低限２つの開口面積変更要素(絞り部)を設けた燃料ノズル５６ａ、５６ｂを備えた多孔同軸噴流バーナ５３を例示したが、開口面積変更要素(絞り部)が３つ以上の燃料ノズルを備えた多孔同軸噴流バーナであっても同様の機能を呈する。

さらに、開口面積変更要素(絞り部)が多いほど圧力変動の緩和効果は大きくなるが、同一の燃料流量を得るために必要な断面積が増加する。また、その際の燃料噴出流速を調整する効果は、最も燃焼室１側に位置する開口面積変更要素(絞り部)により決定される。

本実施例によれば、水素を含んだ燃料をガスタービン燃焼器で燃焼させる場合に、ガスタービンの広範な負荷範囲にわたってガスタービン燃焼器に火炎による構造的な信頼性の問題を回避すると共に燃焼振動による不安定現象の発生を抑制し、且つ、低ＮＯｘ燃焼を可能にしたガスタービン燃焼器が実現できる。

本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器について、図８〜図１１を用いて説明する。

本実施例のガスタービン燃焼器９は図１〜図７に示した第１実施例のガスタービン燃焼器９と基本的な構成は同じであるので、両者に共通した説明は省略し、相違した部分についてのみ以下に説明する。

図８〜図１１に示した本実施例のガスタービン燃焼器９を有するガスタービンプラントも、第１実施例のガスタービンプラントと同様の水素含有燃料焚きガスタービン発電プラントであり、プラントの構成及び運用方法は第１実施例のガスタービンプラントと同様であるが、より多様な発電形態に対応するため、第１実施例に示す多孔同軸噴流バーナを、燃焼器の軸心中央にパイロット多孔同軸噴流バーナ５０として１個配置し、このパイロット多孔同軸噴流バーナ５０の周囲に複数個（本実施例では６個）のメイン多孔同軸噴流バーナ５３として配置した構造にして多様な負荷に対応させている。

更に本実施例に示すガスタービン燃焼器９では、燃料供給系統を分割して、よりきめ細かく燃料配分を制御できるようにしている。

この結果、本実施例のガスタービン燃焼器９では、第１実施例のガスタービン燃焼器９よりもさらに水素濃度の高い水素含有燃料を燃料とするガスタービン発電プラントや、第１実施例のガスタービンプラントよりも大出力、高圧力比、高負荷のガスタービン発電プラントに好適である。

本実施例のガスタービン燃焼器９は、バーナの中央に設置された１個のパイロット多孔同軸噴流バーナ５０と、このパイロット多孔同軸噴流バーナ５０の外周側に設置された６個のメイン多孔同軸噴流バーナ５３から成る７つのバーナで構成しているが、バーナの配置本数は負荷に応じて他の本数で構成しても同様の効果が得られる。

また、パイロット多孔同軸噴流バーナ５０及びメイン多孔同軸噴流バーナ５３となる多孔同軸噴流バーナ５３を構成する同軸噴流バーナの列数は本実施例に示すような３列の構成のほか、２列ないし４列以上で構成しても良い。

図８は本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器９の概略構造を示す断面図である。

図８に示したように本実施例のガスタービン燃焼器９では、３列の同軸噴流バーナ群からなる１個のパイロット多孔同軸噴流バーナ５０を燃焼器の軸心側の中央に設置し、このパイロット多孔同軸噴流バーナ５０の外周側となる燃焼器の外周側に３列の同軸噴流バーナ群からなる６個のメイン多孔同軸噴流バーナ５３を設置して構成している。

また、本実施例のガスタービン燃焼器９の中央に配置された１個のパイロット多孔同軸噴流バーナ５０には、燃料を供給するパイロットバーナ燃料供給系統２２ａが配設されており、ガスタービン燃焼器９の外周側に配置された６個のメイン多孔同軸噴流バーナ５３には、燃料を供給するメインバーナ内周燃料供給系統２２ｂとメインバーナ外周燃料供給系統２２ｃがそれぞれ配設されており、これらの３つの燃料供給系統２２ａ、２２ｂ、２２ｃを通じてガスタービン燃焼器９に燃料を供給している。

そして前記パイロットバーナ燃料供給系統２２ａからパイロット多孔同軸噴流バーナ５０に供給する燃料流量、及び、メインバーナ内周燃料供給系統２２ｂとメインバーナ外周燃料供給系統２２ｃから６個のメイン多孔同軸噴流バーナ５３に供給する燃料流量は、それぞれ独立に燃料流量を制御できるように構成されている。

本実施例のガスタービン燃焼器９に配置された多孔同軸噴流バーナである燃焼器の中央に１個配置したパイロット多孔同軸噴流バーナ５０には、パイロットバーナ燃料供給系統２２ａを接続させて燃料を供給し、主にガスタービンの起動運転に使用すると共に、負荷運転の際には燃焼器全体の燃焼安定性を確保するための火種を担う運用を行う。

一方、本実施例のガスタービン燃焼器９に配置された多孔同軸噴流バーナである、パイロット多孔同軸噴流バーナ５０の周囲に６個配置されたメイン多孔同軸噴流バーナ５３には、メインバーナ内周燃料供給系統２２ｂとメインバーナ外周燃料供給系統２２ｃを接続させて燃料を供給している。

そして前記メインバーナ内周燃料供給系統２２ｂとメインバーナ外周燃料供給系統２２ｃは、メイン多孔同軸噴流バーナ５３の一列目の燃料ノズル５６ａと、２列目の燃料ノズル５６ｂ及び３列目の燃料ノズル５６ｃに燃料を供給するように区分されている。

前記多孔同軸噴流バーナ５０、５３は前述したように、それぞれのバーナにおいて最もバーナ中心軸に近い１列目の同心円上に配置された同軸噴流群が、循環流４３によってもたらされる着火源となる燃焼ガスに、最初に触れて火炎の基点を形成するので、特に燃焼安定性に関係が深い。

そこで本実施例のガスタービン燃焼器９に複数個配置された多孔同軸噴流バーナ５０、５３では、多孔同軸噴流バーナの１列目(内周)に供給する燃料を独立に制御することで、確実に火炎の基点を形成させ、より広い負荷範囲に対して安定な燃焼状態を維持する。

そして本実施例のガスタービン燃焼器９に配置された多孔同軸噴流バーナにおいては、本実施例の特徴の１つとして、燃焼器全体の安定性を担うパイロット多孔同軸噴流バーナ５０、およびメイン多孔同軸噴流バーナ５３の火炎の基点を形成させるメイン同軸噴流バーナ５３の内周(１列目)に配置する同軸噴流バーナの燃料ノズル５６に、図４に示した第１実施例の燃料ノズル５６ａと同じ構成である２つの絞り部５８ａ、５９ａの開口面積Ａ１ａとＡ２ａの比である開口面積比Ｒ１（Ｒ１＝Ａ２ａ／Ａ１ａ）が小さい燃料ノズル５６ａを適用することにより、局所的に濃い燃料空気混合気を形成して、燃焼ガスによる混合気の着火を助け、燃焼安定性を向上することを可能にしている。

また、本実施例のガスタービン燃焼器９に配置された多孔同軸噴流バーナにおいては、本実施例の特徴の他の１つとして、メイン多孔同軸噴流バーナ５３の外周側(２列目および３列目)の同軸噴流バーナ群において、より内周側の２列目の燃料ノズル５６に、図５に示した第１実施例の燃料ノズル５６ｂと同じ構成である２つの絞り部５８ｂ、５９ｂの開口面積Ａ１ｂとＡ２ｂの比である開口面積比Ｒ２（Ｒ２＝Ａ２ｂ／Ａ１ｂ）が大きく、燃料噴出流速Ｕｆｂが小さい燃料ノズル５６ｂを配置し、混合が進みやすく均一な燃料空気混合気が形成されやすい構成としている。

これは、３列目同心円上の同軸噴流バーナ群には、後述する図１１に示した構成である、２つの絞り部の開口面積比が小さく、燃料噴出流速Ｕｆｃが大きい燃料ノズル５６ｃを配置し、空気孔出口において後流を伴う低流速領域に引き込まれる燃料を抑制する構成とするものである。

このような燃料ノズル５６ａ、５６ｂおよび５６ｃを配置した本実施例のガスタービン燃焼器９に配置された多孔同軸噴流バーナ５３によって得られる作用と効果について、図９、図１０および図１１を用いて説明する。

図９は本発明の第２実施例のガスタービン燃焼器９である燃焼室１の上流側に位置し、複数の空気孔を有する空気孔プレート５４を燃焼室１側から見たＢ−Ｂ方向矢視図である。

また図１０は、図８に示した第２実施例のガスタービン燃焼器９の燃焼室の上流側に位置し、複数の空気孔を有する空気孔プレートに複数個配置された多孔同軸噴流バーナ５３のうち、図９において一点鎖線で囲んだ一つのメイン多孔同軸噴流バーナ５３を構成する、燃料ノズル５６ａ、５６ｂ、５６ｃと、空気孔５５−１、５５−２、５５−３から燃焼室１に噴出する流体と、燃焼室１内の燃焼ガスの流れを示す状況図である。

図９に示す本実施例のガスタービン燃焼器９に設けた多孔同軸噴流バーナにおいては、空気孔プレート５４の中央の破線で囲った領域には、１個のパイロット多孔同軸噴流バーナ５０が配置されており、その周囲に６個のメイン多孔同軸噴流バーナ５３が配置されている。

図９に示す本実施例のガスタービン燃焼器９に設けた多孔同軸噴流バーナにおいて、一点鎖線で囲って示した一つのメイン多孔同軸噴流バーナ５３に注目すると、１列目空気孔５５−１、２列目空気孔５５−２および３列目空気孔５５−３の間には、流体の噴出孔のない領域が広がっており、特に各バーナの最外周である３列目空気孔の外側に大きな空間があることが分かる。

空気孔と空気孔の間にこのように広い空間がある場合、後流と呼ばれる流速の低い渦を伴う低流速領域４８が大きく成長する。後流と呼ばれる流速の低い渦を伴う低流速領域４８が成長しうる領域を図９に網掛けを施して示す。

また、図１０に示す本実施例のガスタービン燃焼器９に設けた６個の各メイン多孔同軸噴流バーナ５３は、図２に示した第１実施例のガスタービン燃焼器９に設けたメイン多孔同軸噴流バーナ５３と同様に、空気孔プレート５４が、メイン多孔同軸噴流バーナ５３を構成する燃料ノズル５６ａ、５６ｂおよび５６ｃと燃焼室１との間に配置されている。

空気孔プレート５４の上流側に燃焼用空気１２が引き込まれ、空気孔プレート５４に開口した１列目空気孔５５−１、２列目空気孔５５−２、３列目空気孔５５−３から燃焼室１に噴出する状況は、図２に示した第１実施例のガスタービン燃焼器９と同様である。

同様に、１〜３列目空気孔の上流側入口の中央付近に空気孔と同軸上に配置された燃料ノズル５６ａ、５６ｂおよび５６ｃからは水素含有燃料２２が、１列目燃料４１−１、２列目燃料４１−２、３列目燃料４１−３として、１列目空気孔５５−１、２列目空気孔５５−２、３列目空気孔５５−３の中心部に流入し、燃焼室１において燃料流と空気流が急速に混合する状況も、図２に示した第１実施例のガスタービン燃焼器９と同様である。

ここで、空気孔５５の出口近傍に生じる後流と呼ばれる流速の低い渦を伴う低流速領域４８に注目すると、図１０に示すように１列目空気孔と２列目空気孔の間、２列目空気孔と３列目空気孔の間、および３列目空気孔の外側に、それぞれ後流と呼ばれる流速の低い渦を伴う低流速領域４８が成長する。

図１０に示すように本実施例のガスタービン燃焼器９では、第１実施例のガスタービン燃焼器９についての説明で述べたように、後流と呼ばれる流速の低い渦は、空気孔５５から噴出する高速の同軸噴流によって、空気孔の周囲の流体が引きずられるように運動することで生み出され、空気孔５５から噴出する高速の同軸噴流の混合気４２−１、４２−２、および４２−３から可燃性の混合気を、空気孔の間隙部分に引き込む働きをする。

水素濃度のより高い水素含有燃料をガスタービンに使用する場合には、燃料を着火するために必要な最小着火エネルギがさらに低下し着火しやすくなる上に、可燃範囲が広がるため、燃焼室上流側に位置する空気孔プレート５４に設けた多孔同軸噴流バーナの、空気孔と空気孔の間隙部分に分布する、後流を伴う低流速領域４８に近接火炎が発生しやすくなる。

また、高圧力比のガスタービンで水素含有燃料を使用する場合も、圧縮空気１０の吐出温度が高くなるため、水素濃度が増加した場合と同様に、着火しやすくなる上に可燃範囲が広がって、近接火炎が発生しやすくなる。

上記のように近接火炎が発生しやすい条件では、後流を伴う低流速領域４８には近接火炎が発生しやすく、また燃焼振動も起こりやすくなる恐れがある。

したがって水素濃度のより高い水素含有燃料をガスタービンに使用したり、高圧力比のガスタービンで水素含有燃料を使用したりする場合には、図９に網掛けで示す後流と呼ばれる流速の低い渦を伴う低流速領域４８に燃料を漏れこませない工夫が特に重要である。

図９および図１０に示すように、後流を伴う低流速領域４８は、メイン多孔同軸噴流バーナ５３の外側に、特に大きく広がっている。例えば、１列目と２列目、あるいは２列目と３列目の空気孔間に存在する後流を伴う低流速領域４８は、空気孔によって小さな領域ごとに区切られており、かつ周囲を高速の同軸噴流に取り囲まれているので、容易には火炎が付着できない。

一方、メイン多孔同軸噴流バーナ５３の外側の低流速領域は、さえぎるものがなく広がっている上、領域の大きさに比較して高速の同軸噴流に接している部分が小さく、火炎が付着しやすくなる。

そこで本実施例のガスタービン燃焼器９に設けたメイン多孔同軸噴流バーナ５３においては、上記したように、火炎が付着しやすいメイン多孔同軸噴流バーナ５３の外側に広がる後流を伴う低流速領域４８に対して、燃料の漏れ込みが少なくなるよう、３列目の同心円上の同軸噴流バーナ群には、２つの絞り部の開口面積比が小さく、燃料噴出流速Ｕｆｃが大きい燃料ノズル５６ｃを配置している。

図１１は図８に示した本実施例のガスタービン燃焼器９の燃焼室１の上流側に位置し、複数の空気孔５５を有する空気孔プレート５４に配置された多孔同軸噴流バーナ５３のうち、バーナ中心軸から３列目の外周側同心円上に配置された燃料ノズル５６ｃと、この燃料ノズル５６ｃから噴出する流体の流れを示す状況図である。

図１１に示す本実施例のガスタービン燃焼器９に設置した多孔同軸噴流バーナ５３のバーナ中心軸から３列目の外周側同心円上に配置された燃料ノズル５６ｃと、先に述べた第１実施例のガスタービン燃焼器９に設置した多孔同軸噴流バーナ５３のバーナ中心軸から１列目の同心円上に配置された燃料ノズル５６ａ、及び２列目の外周側同心円上に配置された燃料ノズル５６ｂは同じ燃料供給圧Ｐｆと燃焼室１内圧力Ｐｃの比に対して、同一の流量が得られるような特性を持っている。

これらの燃料ノズル５６ａ、５６ｂ、５６ｃの違いは、それぞれの燃焼器頭部側に位置する第１の絞り部５８ａ、５８ｂ、５８ｃの開口面積Ａ１と、それぞれの第２の絞り部５９ａ、５９ｂ、５９ｃの開口面積Ａ２の比率である。

図１１に示した本実施例のガスタービン燃焼器９に設置した多孔同軸噴流バーナ５３のバーナ中心軸から３列目の外周側同心円上に配置された燃料ノズル５６ｃでは、燃料ノズル５６ａと同様に燃料供給側に位置する第１の絞り部５８ｃの開口面積Ａ１ｃを大きく、燃焼室1側に位置する第２の絞り部の開口面積Ａ２ｃを小さくしている。

本実施例のガスタービン燃焼器９では、図６を用いて第１実施例のガスタービン燃焼器９について説明したように、同じ流量を通過させる燃料ノズル５６ｂと５６ｃであっても、２つの絞り部５８ｂ、５９ｂの開口面積Ａ１ｂとＡ２ｂの比である開口面積比Ｒ２（Ｒ２＝Ａ２ｂ／Ａ１ｂ）と、２つの絞り部５８ｃ、５９ｃの開口面積Ａ１ｃとＡ２ｃの比である開口面積比Ｒ３（Ｒ３＝Ａ２ｃ／Ａ１ｃ）とが異なる燃料ノズル５６ｂと燃料ノズル５６ｃが共通する同一の燃料供給系統２２ｂに接続されている場合、燃焼室１内の圧力が変動した場合の燃料流量の応答が、２つの絞り部５８ｂ、５９ｂの開口面積比Ｒ２（Ｒ２＝Ａ２ｂ／Ａ１ｂ）の値が１よりも大きい燃料ノズル５６ｂと、２つの絞り部５８ｃ、５９ｃの開口面積比Ｒ３（Ｒ３＝Ａ２ｃ／Ａ１ｃ）の値が１よりも小さい燃料ノズル５６ｃとでは、燃料ノズル５６ｂの中間部分６０ｂと燃料ノズル５６ｃの中間部分６０ｃの圧力が異なるため、異なる過渡特性を持つ。

また同様に、第１実施例のガスタービン燃焼器９について、図７で説明したように、同一のメインバーナ外周燃料系統２２ｃの中に複数の燃料噴出流速を呈する燃料ノズル５６ｂおよび燃料ノズル５６ｃが配置されているため、メイン多孔同軸噴流バーナ５３外周全体で圧力変動と共振する周波数がなくなるので、圧力変動と燃料流量変動が共振しなくなり、燃焼振動が発生しない。

さらに、図１１に示すように、本実施例のガスタービン燃焼器９に設置した多孔同軸噴流バーナ５３の３列目の同心円上に配置された燃料ノズル５６ｃは、２つの絞り部５８ｃ及び５９ｃの開口面積比Ｒ３（Ｒ３＝Ａ２ｃ／Ａ１ｃ）の値が１よりも小さく、燃料噴出流速Ｕｆｃが大きいのでＵｆｃの二乗に比例する燃料噴流の運動量も大きく、ポテンシャルコア６１ｃの到達長さ６２ｃは大きい。

また、前記燃料ノズル５６ｃでは、燃料が噴出する開口面積Ａ２ｃが小さいため、燃料のポテンシャルコア６１ｃは空気孔の中心部付近に集中している。

このため、空気孔プレート５４に設けた３列目空気孔５５−３から噴出する３列目混合気４２−３は、燃料と空気の混合の開始が遅れる上に、燃料４１−３が空気孔５５−３の中心付近に集中した状態から混合を始めるので、空気孔５５−３出口において、後流を伴う低流速領域４８に燃料が巻き込まれにくくなる。

一方、空気孔出口５５−３近傍では上記のように、燃料の分布が空気孔の中心付近に偏るような状況であっても、図１０に示すように、空気孔プレート５４に設けた３列目空気孔５５−３から噴出する３列目混合気４２−３は、火炎４５に到達するまでの距離が大きいため、その間に十分に混合が進み、均一な希薄混合気となることができ、低ＮＯｘ燃焼性能を損なわない。

以上述べたように本実施例のガスタービン燃焼器９では、バーナ内の混合を燃料ノズルを配置する同心円毎に変化させることにより、燃焼安定性を向上するのみならず、火炎が付着しやすい水素含有燃料に対して、付着火炎の発生を防止することができる。

また、上記した実施例のガスタービン燃焼器では、水素含有燃料を用いるガスタービン発電プラントについて例示したが、天然ガスなど他の気体燃料を用いるガスタービン発電プラントのガスタービン燃焼器にも適用できる。

本実施例によれば、水素を含んだ燃料をガスタービン燃焼器で燃焼させる場合に、ガスタービンの広範な負荷範囲にわたってガスタービン燃焼器に火炎による構造的な信頼性の問題を回避すると共に燃焼振動による不安定現象の発生を抑制し、且つ、低ＮＯｘ燃焼を可能にしたガスタービン燃焼器が実現できる。

１：燃焼室、２：燃焼器外筒、３：燃焼器ライナー、４：燃焼器尾筒、５：圧縮機、６：タービン、７：車室、８：燃焼器エンドカバー、９：ガスタービン燃焼器、１０：圧縮空気、１１：冷却空気、１２：燃焼用空気、１３：燃焼ガス、２２：水素含有燃料、２２Ａ：燃料供給系統、２２ａ：パイロットバーナ燃料供給系統、２２ｂメインバーナ内周燃料供給系統、２２ｃ：メインバーナ外周燃料供給系統、４１−１：１列目メインバーナ燃料、４１−２：２列目メインバーナ燃料、４１−３：３列目メインバーナ燃料、４２−１：１列目メインバーナ混合気、４２−２：２列目メインバーナ混合気、４２−３：３列目メインバーナ混合気、４３：循環流(循環ガス)、４４：燃焼ガス、４５：火炎、４６：旋回流、４８：後流を伴う低流速領域、５０：パイロット多孔同軸噴流バーナ、５３：（メイン）多孔同軸噴流バーナ、５４：空気孔プレート、５５、５５−１、５５−２、５５−３：空気孔、５６、５６ａ、５６ｂ、５６ｃ：燃料ノズル、５７：燃料分配器、５８、５８ａ、５８ｂ、５８ｃ：燃料ノズル第１の絞り部、５９、５９ａ、５９ｂ、５９ｃ：燃料ノズル第２の絞り部、６０、６０ａ、６０ｂ、６０ｃ：燃料ノズル中間部分、６１、６１ａ、６１ｂ、６１ｃ：燃料噴流のポテンシャルコア、６２、６２ａ、６２ｂ、６２ｃ：燃料噴流のポテンシャルコアの到達長さ、１０３：燃料遮断弁、１０７：燃料圧力調整弁、１０８：燃料流量調整弁、５０１：発電機。

Claims (10)

1. 燃料と空気が供給される円筒状の燃焼室と、前記燃焼室の上流側に位置して複数の空気孔を有する空気孔プレートと、前記空気孔プレートの各空気孔の入口に対して同軸に配置されて前記空気孔に燃料をそれぞれ供給する燃料ノズルを複数備えて多孔同軸噴流バーナを構成し、この多孔同軸噴流バーナを備えて燃料組成に水素を含む燃料を燃焼するガスタービン燃焼器において、
   この多孔同軸噴流バーナを構成する前記複数の燃料ノズルの燃料流路に開口断面積の変更要素を複数個所設け、
   前記多孔同軸噴流バーナに配設された前記燃料ノズルを構成する第１の燃料ノズルに複数個所設けられた開口断面積の変更要素での開口断面積比と、前記多孔同軸噴流バーナに配設された前記燃料ノズルを構成する第２の燃料ノズルに複数個所設けられた開口断面積の変更要素での開口断面積比とが異なるように前記開口断面積の開口断面積比をそれぞれ設定し、
   前記開口断面積比が異なっている前記第１の燃料ノズル及び第２の燃料ノズルに燃料を供給する共通の燃料供給系統を配設したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記第１の燃料ノズルは前記多孔同軸噴流バーナのバーナ中心軸の近くの１列目に配設されており、
   前記第２の燃料ノズルは第１の燃料ノズルの外周側となる前記多孔同軸噴流バーナのバーナ中心から２列目以降に配設されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
3. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記第１の燃料ノズルは前記多孔同軸噴流バーナのバーナ中心軸の近くの１列目に配設されており、
   前記第２の燃料ノズルは第１の燃料ノズルの外周側となる前記多孔同軸噴流バーナのバーナ中心から２列目及び３列目にそれぞれ配設されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記第１の燃料ノズルに複数個所設けられた開口断面積の変更要素での開口断面積比の値は１よりも小さな値に設定され、
   前記第２の燃料ノズル開口断面積の変更要素での開口断面積比の値は１よりも大きな値に設定されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
5. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記第１の燃料ノズルに複数個所設けられた開口断面積の変更要素は、第１の燃料ノズルの燃料流路の燃焼器頭部側に設けられた開口断面積と、この第１の燃料ノズルの燃料流路の燃焼室側に設けられた開口断面積とが互いに異なるように設定されており、
   前記第２の燃料ノズルに複数個所設けられた開口断面積の変更要素は、第２の燃料ノズルの燃料流路の燃焼器頭部側に設けられた開口断面積と、この第２の燃料ノズルの燃料流路の燃焼室側に設けられた開口断面積とが互いに異なるように設定されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
6. 燃料と空気が供給される円筒状の燃焼室と、前記燃焼室の上流側に位置して複数の空気孔を有する空気孔プレートと、前記空気孔プレートの各空気孔の入口に対して同軸に配置されて前記空気孔に燃料をそれぞれ供給する燃料ノズルを複数備えて多孔同軸噴流バーナを構成し、この多孔同軸噴流バーナを備えて燃料組成に水素を含む燃料を燃焼するガスタービン燃焼器において、
   前記多孔同軸噴流バーナは、燃焼器の中央にパイロット多孔同軸噴流バーナとして配設されると共に、前記パイロット多孔同軸噴流バーナの外周側にメイン多孔同軸噴流バーナとして複数個配設され、
   前記メイン多孔同軸噴流バーナを構成する前記複数の燃料ノズルの燃料流路に開口断面積の変更要素を複数個所設け、
   前記多孔同軸噴流バーナに配設された前記燃料ノズルを構成する第１の燃料ノズルに複数個所設けられた開口断面積の変更要素での開口断面積比と、前記多孔同軸噴流バーナに配設された前記燃料ノズルを構成する第２の燃料ノズルに複数個所設けられた開口断面積の変更要素での開口断面積比とが異なるように前記開口断面積の開口断面積比をそれぞれ設定し、
   前記開口断面積比が異なっている前記第１の燃料ノズル及び第２の燃料ノズルに燃料を供給する燃料供給系統をそれぞれ別々に配設したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
7. 請求項６に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記第１の燃料ノズルは前記多孔同軸噴流バーナのバーナ中心軸の近くの１列目に配設されており、
   前記第２の燃料ノズルは第１の燃料ノズルの外周側となる前記多孔同軸噴流バーナのバーナ中心から２列目以降に配設されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
8. 請求項６に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記第１の燃料ノズルは前記多孔同軸噴流バーナのバーナ中心軸の近くの１列目に配設されており、
   前記第２の燃料ノズルは第１の燃料ノズルの外周側となる前記多孔同軸噴流バーナのバーナ中心から２列目及び３列目にそれぞれ配設されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
9. 請求項６乃至８の何れか１項に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記第１の燃料ノズルに複数個所設けられた開口断面積の変更要素での開口断面積比の値は１よりも小さな値に設定され、
   前記第２の燃料ノズル開口断面積の変更要素での開口断面積比の値は１よりも大きな値に設定されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
10. 請求項６乃至８の何れか１項に記載のガスタービン燃焼器において、
    前記第１の燃料ノズルに複数個所設けられた開口断面積の変更要素は、第１の燃料ノズルの燃料流路の燃焼器頭部側に設けられた開口断面積と、この第１の燃料ノズルの燃料流路の燃焼室側に設けられた開口断面積とが互いに異なるように設定されており、
    前記第２の燃料ノズルに複数個所設けられた開口断面積の変更要素は、第２の燃料ノズルの燃料流路の燃焼器頭部側に設けられた開口断面積と、この第２の燃料ノズルの燃料流路の燃焼室側に設けられた開口断面積とが互いに異なるように設定されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。

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