JP6021705B2 - 燃焼器、および、ガスタービン - Google Patents
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Description
上記ガスタービンの燃焼器は、圧縮機で圧縮された圧縮空気と燃料とを混合して燃焼させるが、その際に、大きな燃焼振動が発生する場合がある。この燃焼振動は、燃焼室の圧力変動が燃料を噴射するメインノズル内の燃料流量を変動させてしまうことが一因となっている。メインノズル内の燃料流量が変動すると、流量変動に伴って燃料を燃焼させる際の発熱変動となり、これが更なる燃焼器の圧力変動を引き起こしてしまう。
そこで特許文献1には、メインノズル内の燃料流量が燃焼室内の圧力変動に応答し難い音響特性を実現するために、メインノズルが分岐接続されるマニホールドの上流側の燃料配管に、その流路断面積を減少させるオリフィスを設ける技術が提案されている。
ここで、メインノズルに生じる流量変動の位相をずらすためには、例えば、各メインノズルの内径を変化させて音響特性を変化させることが考えられる。しかしながら、この場合、燃料変動の位相はずれるものの、各メインノズルの圧力損失が不均一となるため、各メインノズルから供給される燃料流量に偏りが生じてしまう。そのため、燃焼領域における燃焼の不安定化が誘発されたり、火炎にホットスポットが形成されたりして、NOx(窒素酸化物)が増加してしまう。
この発明に係る燃焼器は、燃焼器本体の軸線方向に延びて、燃焼室側に配される噴射孔から燃料を噴射可能な複数の燃料ノズルを備えた燃焼器であって、前記複数の燃料ノズルのうち、少なくとも二つの燃料ノズル間で前記燃料の流量変動の位相が一致しないように、少なくとも一つの燃料ノズルの流路断面積を前記軸線方向で部分的に変化させる位相調整部を備え、前記位相調整部を備える前記燃料ノズルは、前記位相調整部により生じる圧力損失の大きさに応じた大きさの噴射孔を有することを特徴としている。
このように位相調整部によって燃料ノズルの流路断面積を部分的に変化させることで、燃料ノズルの音響特性を変化させることができるため、燃料ノズルにおける燃料の流量変動の位相を変化させることができる。そして、少なくとも二つの燃料ノズル間で燃料の流量変動の位相が一致しないようにすることができるため、これら流量変動が合算される燃焼室の燃料/空気比の変動の振幅の大きさを低減することができる。また、燃料ノズルの流路断面積を軸線方向で部分的に変化させているだけであるので、複数の燃料ノズル間で圧力損失がばらつくことを抑制できる。
さらに、位相調整部によって生じる圧力損失の変化分を、噴射孔の大きさによって調整することができる。また、位相調整部を備えていない燃料ノズルと位相調整部を備える燃料ノズルとから供給される燃料の流量を揃えることができる。
さらに、この発明に係る燃焼器は、燃焼器本体の軸線方向に延びて、燃焼室側に配される噴射孔から燃料を噴射可能な複数の燃料ノズルを備えた燃焼器であって、前記複数の燃料ノズルのうち、少なくとも二つの燃料ノズル間で前記燃料の流量変動の位相が一致しないように、少なくとも一つの燃料ノズルの流路断面積を前記軸線方向で部分的に変化させる位相調整部を備え、前記位相調整部は、流路内に配される多孔質材料である。
このように構成することで、軸線方向で部分的に流路断面積を減少させた場合と同様に、燃料ノズル内で生じる燃料の流量変動の位相をずらすことができる。また、燃料ノズル内における圧力変動すなわち流量変動の振幅を低減することができる。
このように構成することで、軸線方向における位相調整部の配置に応じて各燃料ノズルの音響特性を変化させることができるため、位相調整部の配置に応じて燃料ノズルに生じる燃料の流量変動の位相を変化させることができる。そして、隣り合う燃料ノズル同士で、燃料の流量変動の位相をずらすことができる。また、各燃料ノズルに位相調整部を備えていることで、各燃料ノズルの圧力損失を揃えることができる。
このように構成することで、位相調整部を備える燃料ノズルと、位相調整部を備えていない燃料ノズルとが交互に配され、隣り合う燃料ノズル同士で、燃料の流量変動の位相をずらすことができる。
このように構成することで、各燃料ノズルにおける燃料の流量変動が、隣り合う燃料同士で互いに打ち消しあうようにすることができる。
このように構成することで、軸線方向で部分的に流路断面積を増加させることができるため、燃料ノズル内の圧力損失が変動することを抑制しつつ燃料の流量変動の位相をずらすことができる。
このように構成することで、軸線方向で部分的に流路断面積を減少させることができるため、各燃料ノズルに生じる圧力損失の増加を最小限にしつつ燃料ノズル内で生じる燃料の流量変動の位相をずらすことができる。また、位相調整部を燃料ノズルの外側に突出させずに燃料ノズル内で生じる燃料の流量変動の位相をずらすことができる。
このように構成することで、とりわけマニホールドよりも燃焼室側に複数の燃料ノズルが設けられている場合に、燃焼室の圧力変動に応じて発生する燃料の流量変動の影響が、燃焼室で行われる燃焼に及ぶことを防止できる。
このように構成することで、燃焼器の燃焼室に供給される燃料の流量変動を低減することができるため、燃焼器の燃焼振動を抑制することができる。
さらに、この発明に係るガスタービンによれば、燃焼器における燃焼振動を低減できるため、この燃焼振動に起因する部品の損傷を防止することができる。
図1は、この実施形態のガスタービンを示す部分断面図である。
図1に示すように、この実施形態におけるガスタービン1は、その軸線P方向の一端から他端に向かって、空気取入口2と、圧縮機3と、燃焼器4と、タービン5とを備えている。ガスタービン1は、まず、空気取入口2から取り入れた空気を、圧縮機3によって圧縮し、次いで、圧縮機3により圧縮された圧縮空気を、燃焼器4によって燃料と混合燃焼して高温高圧の燃焼ガスとする。そして、高温高圧の燃焼ガスをタービン5に供給することで、タービン5を回転させる。このタービン5の回転力は、例えば、発電機などで電力に変換される。
図3に示すように、燃焼器4は、メインノズル20が分岐接続されるマニホールド31を備えている。このマニホールド31には、燃料配管32を介してメイン燃料が供給される。マニホールド31は、燃料配管32から供給されたメイン燃料を、複数のメインノズル20に対して均等に分配する。ここで、メインノズル20の内部を流れるメイン燃料は、燃焼器4の燃焼室(図示せず)の内部の圧力変動を受けて、その流量が周期的に変動する。そのため、各メインノズル20からの燃料噴射量も周期的に変動してしまう。
さらに、隣り合うメインノズル20に生じる互いの流量変動の位相を逆相とすることで、隣り合うメインノズル20同士の流量変動が互いの流量変動を打ち消すように作用するため、燃焼室における燃料/空気比の変動の振幅を抑制して、燃焼振動の更なる低減を図ることができる。
また、位相調整部133をメインノズル20の周壁23よりも外側に突出させずにメインノズル20内で生じる燃料の流量変動の位相をずらすことができるため、例えば、メインノズル20の周囲における部品等の配置自由度を向上できる。
さらに、位相調整部133により増加する圧力損失分を噴射孔24の大きさを調整することで補っているので、メイン燃料を供給する圧力を増加させる必要がなく、容易に燃焼振動の低減を図ることができる。
また、上記メインノズル20は、第二実施形態の噴射孔24と同様に、位相調整部233により増加する圧力損失に応じた大きさの噴射孔24を備えている。これにより、位相調整部233を設けることでメインノズル20全体の圧力損失が増加しないようになっている。
例えば、上述した第一実施形態の圧縮機4おいて、位相調整部33を設けることによる圧力損失の変化分だけ噴射孔24の大きさを調整するようにしてもよい。
2 空気取入口
3 圧縮機
4 燃焼器
5 タービン
10 燃焼器内筒
11 燃焼器外筒
12 内筒本体部
13 内筒サポート
14 背面壁
15 パイロットノズル(燃料ノズル)
16 噴射口
17 パイロットコーン
20 メインノズル(燃料ノズル)
21 先端部
22 ノズル本体部
23 周壁
24 メイン噴射孔
25 位相調整部
26 メインバーナ
27 メインスワラ
28 空気流路
29 整流板
31 マニホールド
32 燃料配管
33 位相調整部
133 位相調整部
233 位相調整部
O 軸線
P 軸線
Claims (9)
- 燃焼器本体の軸線方向に延びて、燃焼室側に配される噴射孔から燃料を噴射可能な複数の燃料ノズルを備えた燃焼器であって、
前記複数の燃料ノズルのうち、少なくとも二つの燃料ノズル間で前記燃料の流量変動の位相が一致しないように、少なくとも一つの燃料ノズルの流路断面積を前記軸線方向で部分的に変化させる位相調整部を備え、
前記位相調整部を備える前記燃料ノズルは、前記位相調整部により生じる圧力損失の大きさに応じた大きさの噴射孔を有することを特徴とする燃焼器。 - 燃焼器本体の軸線方向に延びて、燃焼室側に配される噴射孔から燃料を噴射可能な複数の燃料ノズルを備えた燃焼器であって、
前記複数の燃料ノズルのうち、少なくとも二つの燃料ノズル間で前記燃料の流量変動の位相が一致しないように、少なくとも一つの燃料ノズルの流路断面積を前記軸線方向で部分的に変化させる位相調整部を備え、
前記位相調整部は、前記流路内に多孔質材料を備える燃焼器。 - 前記複数の燃料ノズルは、それぞれ前記位相調整部を備え、
隣り合う前記燃料ノズルの前記位相調整部は、互いに前記軸線方向にずらして配される請求項1又は2に記載の燃焼器。 - 前記複数の燃料ノズルは、列をなして配され、一つ置きに前記位相調整部を備える請求項1又は2に記載の燃焼器。
- 前記位相調整部は、隣り合う前記燃料ノズル同士の前記燃料の流量変動の位相を、互いに逆相とする請求項1から4の何れか一項に記載の燃焼器。
- 前記位相調整部は、前記流路断面積を増加させるキャビティ部を備える請求項1,3から5の何れか一項に記載の燃焼器。
- 前記位相調整部は、前記流路断面積を減少させるオリフィス部を備える請求項1,3から5の何れか一項に記載の燃焼器。
- 前記複数の燃料ノズルは、マニホールドから分岐接続される請求項1から7の何れか一項に記載の燃焼器。
- 請求項1から8の何れか一項に記載の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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