JP5931468B2 - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Description

本発明は、燃料と空気とを混合して燃焼させる予混合パイロットノズルおよび予混合メインノズルを備えたガスタービン燃焼器に関する。

従来、ガスタービン燃焼器は、筒状に形成された本体内筒の中心部に設けられたパイロットノズルと、このパイロットノズルの外側に本体内筒の周方向に沿って複数個設けられたメインノズルと、メインノズルの下流側先端部を覆い空気との混合を行うメインバーナと、パイロットノズルの外周とメインバーナ間に本体内筒の周方向に沿って形成されたパイロットコーンとを備えて構成されている（例えば、特許文献１参照）。
このようなガスタービン燃焼器においては、上記特許文献１に示されるように、燃焼室のパイロットコーンの先端部下流側に高温低速のガス領域を保持した高温保炎域を形成して、メインバーナ下流の予混合燃焼域における着火燃焼性を保持している。

ところで、大気汚染を低減させるために、ガスタービンを利用した発電施設において、その排気ガス中に含まれるＮＯｘの低減が求められている。ガスタービンにおけるＮＯｘは、ガスタービンを回転させるために燃焼動作を行う燃焼器において発生する。そのため、燃焼器で発生するＮＯｘの低減化を図るために、燃料と空気とを混合して燃焼（予混燃焼）させるメインノズルを備えた燃焼器が用いられている。

特開２００４−８５１２０号公報

しかしながら、パイロットノズル及びメインノズルを備えた従来のガスタービン燃焼器において、その燃焼状態を安定に保つには、パイロットノズルの拡散燃焼による保炎効果が必要である。ところが、パイロットノズルで燃焼させると、ＮＯｘの発生率が大きいため、ＮＯｘを低減させるにはパイロットノズルでの燃焼を抑える必要がある。そこで、パイロットを予混合化するとともに、燃焼器に供給される全燃料に対するパイロットノズルに供給される燃料の比（パイロット比率）を低くして、燃焼器によるＮＯｘの排出量を低減させているが、パイロット比を低くした場合、パイロットノズルによるパイロット予混合火炎の温度が低くなり、メイン予混合パイロットの火炎の位置が変わり、燃焼不安定が起こり易くなる。そのため、パイロット火炎の保炎効果が得られなくなり、燃焼振動が発生して燃焼状態が不安定なものとなるため、パイロット比を大きくせざるを得ず、ＮＯｘ低減に限界があった。

つまり、従来の予混合パイロット火炎は、パイロット比率の低下とともに火炎長が長くなり、それまでメイン保炎基部へは高温の既燃ガスが到達していたものが、未燃予混合気が到達するようになり、メイン保炎基部に対して既燃ガスと未燃ガスが不規則に影響を与えるようになり、不安定な燃焼となる問題があり、その点で改良の余地があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、保炎性を向上させることで、パイロット混合気の燃焼性の変化にかかわらず、メイン保炎基部における着火性を安定させることが可能となり、燃焼の安定化を図ることができるガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るガスタービン燃焼器では、燃料と空気とを混合して燃焼させる予混合パイロットノズルおよび予混合メインノズルを備えたガスタービン燃焼器であって、燃焼器本体の内筒部に設けられたパイロットノズルと、該パイロットノズルの周囲に周方向に一定の間隔をもって配置されたメインノズルと、前記パイロットノズルの先端外周側に設けられ、前記パイロットノズルの軸線に対して周面が所定角度で一様に延在してパイロットエア通路を形成するパイロットガイドと、該パイロットガイドの先端縁に接続され、メインノズルにおけるメイン燃料の噴射口側に向けて延在する保炎器と、を備え、前記保炎器における火炎側となる保炎面は、前記軸線に対して前記パイロットガイドの先端縁から前記メインノズルの噴射口側に向かう角度が６０度以上であることを特徴としている。

本発明では、メインノズルの噴射口とパイロットガイドの先端縁までの間で軸線方向に対して略半径方向となる全面に保炎器を設けることができるので、保炎性を向上させることができる。具体的には、パイロットノズルの軸線に対して略直交する方向に保炎器が延在しているので、予混合パイロット火炎がメイン保炎基部に流入せず、低流速域にパイロット空気による大きな循環流が形成されることにより、保炎性が向上する。つまり、パイロット予混合気がより早く燃焼し、しかも保炎基部を大きく設置することによって、未燃予混合ガスをメイン保炎基部に十分燃焼させて到達させることができ、これによりメイン保炎基部と予混合パイロット火炎が離れることになる。
そのため、予混合パイロットの火炎の位置がパイロット比に応じて変化してしまうことにより、メイン予混合気の保炎基部での着火性に影響を与えるといった不具合がなくなり、燃焼振動が発生するのを抑制することができる。したがって、パイロット混合気の燃焼性の変化にかかわらず、メイン保炎基部における着火性を安定させることが可能となり、燃焼の安定化を図ることができる。

また、この場合、保炎器における軸線に対する角度が燃焼振動の発生領域である６０度未満の範囲ではないので、燃焼振動の発生を抑えることができ、燃焼の安定化を図ることができる。

また、本発明に係るガスタービン燃焼器では、メインノズルの下流端には、延長管が設けられ、保炎器は、メインノズルの噴射口側の外周部が延長管の開口縁よりも軸方向の後側に位置し、外周部には延長管の内周面に沿うコーン部材が接続されていることが好ましい。
また、本発明に係るガスタービン燃焼器では、燃料と空気とを混合して燃焼させる予混合パイロットノズルおよび予混合メインノズルを備えたガスタービン燃焼器であって、燃焼器本体の内筒部に設けられたパイロットノズルと、該パイロットノズルの周囲に周方向に一定の間隔をもって配置されたメインノズルと、前記パイロットノズルの先端外周側に設けられ、前記パイロットノズルの軸線に対して周面が所定角度で一様に延在してパイロットエア通路を形成するパイロットガイドと、該パイロットガイドの先端縁に連設され、メインノズルにおけるメイン燃料の噴射口側に向けて延在する保炎器と、を備え、前記メインノズルの下流端には、延長管が設けられ、前記保炎器は、前記メインノズルの噴射口側の外周部が前記延長管の開口縁よりも軸方向の後側に位置し、前記外周部には前記延長管の内周面に沿うコーン部材が接続されていることを特徴としている。

本発明では、保炎器が大きくなるため、上記と同様にメイン保炎基部と予混合パイロット火炎が離れるという効果が得られ、燃焼の安定性を確保することができる。
さらに、延長管の開口縁に延長管の傾斜角度に沿って略平行となるコーン部材が設けられているので、循環流とメイン予混合気の合流角度が浅くなり、メイン火炎の燃焼性が緩やかになり、メイン火炎長が長くなる。その結果、メイン予混合気が燃焼する前に混合する時間が長くなり、ＮＯｘの発生量を低減させた燃焼が可能となる。

本発明のガスタービン燃焼器によれば、保炎性を向上させることで、パイロット混合気の燃焼性の変化にかかわらず、メイン保炎基部における着火性を安定させることが可能となり、燃焼の安定化を図ることができる。

本発明の第１の実施の形態によるガスタービン燃焼器を示す断面図である。 図１に示すガスタービン燃焼器の燃焼器本体の構成を示す断面図である。 図２において、燃焼状態を示した図である。 第２の実施の形態による燃焼器本体の構成を示す断面図である。 第３の実施の形態による燃焼器本体の構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態によるガスタービン燃焼器について、図面に基づいて説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。

（第１の実施の形態）
図１に示すように、本第１の実施の形態のガスタービン燃焼器（以下、単に燃焼器１という）は、車室１１の内部に収容されて基端部（図１で左側）が外筒１２に固定されるとともに、先端部１３ａ（図１で右側）が図示しない支持部材によって支持された内筒１３と、内筒１３の基端部１３ａ側から内部に突出して設けられる燃料ノズル２０（２１、２２）と、車室１１の内部に収容されて基端部１４ａがタービン側のガス流路に接続されるとともに先端部が内筒１３に接続された尾筒１４と、を備えて概略構成されている。ここで、外筒１２、内筒１３、および尾筒１４は燃焼器本体である。

このように構成される燃焼器１では、圧縮機（図示省略）から車室１１の内部に流入した圧縮空気Ａが、内筒１３の基端部１３ａからその内部へ導入される。そうすると、燃料ノズル２０からこの圧縮空気Ａに燃料が噴射され着火することにより、燃焼ガスが生成される。そしてこの燃焼ガスが、内筒１３から尾筒１４を通ってタービン側ガス流路に流入し、タービン（図示省略）に供給される。

尾筒１４は、中空の管状部材であって、基端側から先端側に向かって次第に径が大きくなる拡径部１４ｂを有している。
内筒１３は、同じく中空の管状部材であって、その外径は尾筒１４の内径よりも若干小径に形成されている。これにより、尾筒１４の先端部に内筒１３の先端部を挿入した状態において、尾筒１４と内筒１３との間には半径方向に所定幅の隙間が形成されており、内筒１３の先端外周面に設けられた半径方向に弾性変形可能な板ばね部材１３１によって脱落不能に接続されている。

内筒１３は、筒状に形成され、その内部の中心部にパイロットノズル２１が設けられ、そのパイロットノズル２１の外側に内筒１３の周方向に沿って等間隔に複数のメインノズル２２が設けられている。

また、パイロットノズル２１の外周部には、パイロット空気を流通させるためのパイロットエア通路Ｓ１がパイロットノズル２１の外周に接して形成されている。そして、パイロットノズル２１の先端外周側には、パイロットノズル２１の軸線Ｏに対して周面が所定角度で一様に延在して前記パイロットエア通路Ｓ１を形成する筒状のパイロットガイド２３がパイロットノズル２１と同軸に設けられている。

パイロットノズル２１には、パイロットエア通路Ｓ１に円周方向等間隔に複数個のパイロットスワラ２４が設置されている。このパイロットスワラ２４は、パイロットエア通路Ｓ１を通流するパイロット空気にスワール（渦流）を生起させ、パイロットノズル２１から噴出されるパイロット燃料との混合を促進させるものである。

メインノズル２２には、この下流側先端部を覆いメインノズル２２からの燃料（メイン燃料）とメイン空気との混合を行うメインバーナ２５が設けられている。メインバーナ２５には、先端側（軸線Ｏ方向で尾筒１４側）に向けて延びる延長管２６が取り付けられている。各メインノズル２２は、先端部がメインバーナ２５によって覆われている。

メインノズル２２の外周部には、メイン空気を流通させるためのメインエア通路Ｓ２がメインノズル２２の外周に接して形成されている。
メインノズル２２には、メインエア通路Ｓ２に円周方向等間隔に複数個のメインスワラ２７が設置されている。このメインスワラ２７は、メインエア通路Ｓ２を通流するメイン空気にスワール（渦流）を生起させ、メインノズル２２から噴出されるメイン燃料との混合を促進させるものである。

図２に示すように、パイロットガイド２３の先端縁２３ａには、メインノズル２２におけるメイン燃料の燃料噴射口側（延長管２６の開口縁２６ａ側）に向けて延在する保炎器３が連設されている。保炎器３は、パイロットガイド２３の先端縁２３ａから延長管２６の開口縁２６ａまでの間を塞ぐように配置され、その面方向が半径方向（軸線Ｏ方向に対して直交する方向）に沿って配置されている。保炎器３は、図３に示すように、保炎面３ａ付近にパイロット火炎Ｐとメイン火炎Ｍとの低流速域（メイン保炎基部Ｋに相当）が形成され、メイン火炎Ｍのみを留まらせて保炎することを可能としている。そして、軸線Ｏ方向で保炎面３ａとパイロットノズル２１の先端とは同位置となっている。

次に、ガスタービン燃焼器の作用について、図面に基づいてさらに具体的に説明する。
図３に示すように、メインノズル２２の噴射口（延長管２６の開口縁２６ａ）とパイロットガイド２３の先端縁２３ａまでの間で軸線Ｏ方向に対して略半径方向となる全面に保炎器３を設けることができるので、保炎性を向上させることができる。

具体的には、パイロットノズル２１の軸線Ｏに対して略直交する方向に保炎器３が延在しているので、予混合パイロット火炎Ｐがメイン保炎基部Ｋに流入せず、低流速域にメイン燃焼ガスによる大きな循環流が形成されることにより、保炎性が向上する。つまり、パイロット予混合気がより早く燃焼し、しかもメイン保炎基部Ｋを大きく設置することによって、未燃予混合ガスがメイン保炎基部Ｋに未燃化のまま到達することがなく、これによりメイン保炎基部Ｋと予混合パイロット火炎Ｐが離れることになる。
そのため、予混合パイロット火炎の位置がパイロット比に応じて変化してしまうことにより、メイン予混合気の保炎基部Ｋでの着火性に影響を与えるといった不具合がなくなり、燃焼振動が発生するのを抑制することができる。したがって、パイロット混合気の燃焼性の変化にかかわらず、メイン保炎基部Ｋにおける着火性を安定させることが可能となり、燃焼の安定化を図ることができる。

上述した本第１の実施の形態によるガスタービン燃焼器では、保炎性を向上させることで、パイロット混合気の燃焼性の変化にかかわらず、メイン保炎基部Ｋにおける着火性を安定させることが可能となり、燃焼の安定化を図ることができる。

次に、本発明のガスタービン燃焼器による他の実施の形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第１の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、実施の形態と異なる構成について説明する。

（第２の実施の形態）
図４に示すように、第２の実施の形態によるガスタービン燃焼器１Ａでは、保炎器３の角度を変更したものである。具体的には、保炎器３における火炎側となる保炎面３ａは、軸線Ｏに対してパイロットガイド２３の先端縁２３ａからメインノズル２２の噴射口側（正確には延長管２６の開口縁２６ａ）に向かう角度θを６０度以上とした構成となっている。
この場合、保炎器３における軸線Ｏに対する角度θが燃焼振動の発生領域である６０度未満の範囲ではないので、燃焼振動の発生を抑えることができ、燃焼の安定化を図ることができる。

（第３の実施の形態）
図５に示すように、第３の実施の形態によるガスタービン燃焼器１Ｂは、保炎器３の保炎面３ａが延長管２６の開口縁２６ａよりも軸線Ｏ方向の上流側（図５の左側）に位置し、延長管２６の内周面２６ｂに沿うコーン部材４が保炎器３の外周部３ｂに接続された構成となっている。

この場合、保炎器３が大きくなるため、上述した実施の形態と同様にメイン保炎基部Ｋと予混合パイロット火炎Ｐ（図３参照）が離れるという効果が得られ、燃焼の安定性を確保することができる。
さらに、延長管２６の開口縁２６ａに延長管２６の内周面２６ｂの傾斜角度に沿って略平行となるコーン部材４が設けられているので、循環流とメイン予混合気の合流角度が浅くなり、メイン火炎Ｍ（図３参照）の燃焼性が緩やかになり、メイン火炎長が長くなる。その結果、メイン予混合気が燃焼する前に混合する時間が長くなり、ＮＯｘの発生量を低減させた燃焼が可能となる。

以上、本発明によるガスタービン燃焼器の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本第２の実施の形態では保炎器３における火炎側となる保炎面３ａの角度θを６０度としているが、これに限定されることはなく、軸線Ｏに対してパイロットガイド２３の先端縁２３ａからメインノズル２２の噴射口側に向かう角度が６０度以上であればよい。
また、パイロットノズル２１の先端位置、延長管２６の長さなどの構成は適宜変更可能である。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施の形態を適宜組み合わせてもよい。

１、１Ａ、１Ｂ 燃焼器（ガスタービン燃焼器）
２ 燃焼ノズル
３ 保炎器
３ａ 保炎面
１１ 車室
１２ 外筒
１３ 内筒
１４ 尾筒
２１ パイロットノズル
２２ メインノズル
２３ パイロットガイド
２３ａ 先端縁
２４ パイロットスワラ
２５ メインバーナ
２６ 延長管
２６ａ 開口縁
２７ メインスワラ
Ｋ メイン保炎基部
Ｍ メイン火炎
Ｐ パイロット火炎

Claims (3)

1. 燃料と空気とを混合して燃焼させる予混合パイロットノズルおよび予混合メインノズルを備えたガスタービン燃焼器であって、
   燃焼器本体の内筒部に設けられたパイロットノズルと、
   該パイロットノズルの周囲に周方向に一定の間隔をもって配置されたメインノズルと、
   前記パイロットノズルの先端外周側に設けられ、前記パイロットノズルの軸線に対して周面が所定角度で一様に延在してパイロットエア通路を形成するパイロットガイドと、
   該パイロットガイドの先端縁に連設され、メインノズルにおけるメイン燃料の噴射口側に向けて延在する保炎器と、
   を備え、
   前記保炎器における火炎側となる保炎面は、前記軸線に対して前記パイロットガイドの先端縁から前記メインノズルの噴射口側に向かう角度が６０度以上であることを特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 前記メインノズルの下流端には、延長管が設けられ、
   前記保炎器は、前記メインノズルの噴射口側の外周部が前記延長管の開口縁よりも軸方向の後側に位置し、前記外周部には前記延長管の内周面に沿うコーン部材が接続されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン燃焼器。
3. 燃料と空気とを混合して燃焼させる予混合パイロットノズルおよび予混合メインノズルを備えたガスタービン燃焼器であって、
   燃焼器本体の内筒部に設けられたパイロットノズルと、
   該パイロットノズルの周囲に周方向に一定の間隔をもって配置されたメインノズルと、
   前記パイロットノズルの先端外周側に設けられ、前記パイロットノズルの軸線に対して周面が所定角度で一様に延在してパイロットエア通路を形成するパイロットガイドと、
   該パイロットガイドの先端縁に連設され、メインノズルにおけるメイン燃料の噴射口側に向けて延在する保炎器と、
   を備え、
   前記メインノズルの下流端には、延長管が設けられ、
   前記保炎器は、前記メインノズルの噴射口側の外周部が前記延長管の開口縁よりも軸方向の後側に位置し、前記外周部には前記延長管の内周面に沿うコーン部材が接続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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