JP6612165B2 - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Description

本発明はガスタービン燃焼器に係り、特に、燃料を空気と混合して燃焼させる燃焼器を複数有し、その燃焼器間が火炎伝播管にて結合されるものに好適なガスタービン燃焼器に関する。

ガスタービン１台に対し複数の缶型のガスタービン燃焼器（以下、燃焼器と記す）を備えた、多缶型ガスタービンという形式がある。通常、この多缶型ガスタービンでは、燃焼器をガスタービンの周囲に円環状に配置し、１つまたは数台の燃焼器に点火装置が設置され、残りの燃焼器は個別の点火装置を有していない。点火装置を持たない燃焼器の点火は、火炎伝播管という隣接する燃焼器間を接続する配管を通して実施される。ガスタービンの起動時には、点火装置を設置した燃焼器にて最初に点火し、隣接する燃焼器に火炎伝播管を介して点火し、すべての燃焼器に点火する方式がとられる。

上述した火炎伝播管は、内筒と外筒の２重管で構成されるのが一般的であり、内筒は隣接する燃焼器の燃焼室間を接続して高温の燃焼排ガスを流通させ、火炎伝播を担い、外筒は内筒の外周側に設けられ、隣接する燃焼器の燃料用空気の流路間を接続し、内筒を保護する役割を担う。

火炎伝播管は、上記の点火操作に必要な構成部品であり、点火を確実に実施する必要がある。また、火炎伝播管は、高温の燃焼排ガスに曝されることから熱変形や焼損の防止を検討する必要がある。更に、燃焼器間を結合する際の組立方法や変形への対処方法なども検討する必要がある。これらに関する先行技術文献としては、例えば、特許文献１や特許文献２を挙げることができる。

特許文献１には、火炎伝播管を冷却して焼損を防止する技術が開示されている。また、特許文献２には、火炎伝播管が燃焼用空気の流れに対して障害となり、燃焼用空気の流れが偏ることを抑制する技術が開示されている。

特開平１０−３３９４４０号公報 特開２００４−３１７００８号公報

ところで、火炎伝播管は、点火完了後の燃焼器と、それに隣接する点火前の燃焼器間に発生する圧力差を利用し、燃焼排ガスを点火前の燃焼器に流して点火させるものである。全ての燃焼器で点火が終了し、それぞれの燃焼器毎の空気量や燃料量、圧力が同一であれば、燃焼器間の圧力差が無くなり、火炎伝播管を流通する燃焼排ガスの流れは無くなる。この場合、火炎伝播管を高温の燃焼排ガスが流通する時間は、点火時の短時間に留まる。しかし、実際には、燃焼器毎に空気量や燃料量、圧力や燃焼状態にばらつきが生じる。

このため、隣接する燃焼器間に圧力差が生じ、火炎伝播管を通して高温の燃焼排ガスが流通し続ける場合がある。このとき、火炎伝播管の内壁は、高温の燃焼排ガスに曝されつづけて高温となるため、火炎伝播管の熱変形や焼損の防止のために、冷却が必要となる。

火炎伝播管を冷却する方法の１つとして、燃焼用空気の一部を、火炎伝播管に設けた空気孔を通して火炎伝播管内に導いて冷却する方法がある。これは火炎伝播管を２重管で構成する場合、内筒の壁面に設けた空気孔から外筒内の燃焼用空気を内筒内に流入させることで、内筒の壁面を冷却するものである。

このように、内筒の壁面に空気孔を設けて冷却する場合、空気の流入により火炎伝播管の内筒を流れる燃焼排ガスの温度は低下する。内筒の壁面を冷却するために、多数の空気孔を設けて空気の流入を増やすと、火炎伝播管の内筒内の燃焼ガスが冷却されて、点火時の火炎伝播が適切に実施できなくなる恐れが生じる。このため、空気孔の数や流入する空気量には制約があり、空気孔を設ける方法では、熱変形や焼損の防止が難しくなる場合がある。

また、多缶型ガスタービンの燃焼器は、燃焼用の空間である燃焼室を中心とし、燃焼室の外周側に環状の燃焼用空気流路を有するが、火炎伝播管は、隣接する燃焼室間を接続するので、燃焼用空気流路を横切ることになる。また、火炎伝播管を２重管で構成する場合、火炎伝播管の内筒が燃焼用空気流路を横切ることになる。このとき、内筒は燃焼用空気の流れに対し障害物となる。

また、燃焼用空気の流れに対し内筒の下流側では空気流速が低下し、空気流量が減るので、燃焼室に流入する燃焼用空気には周方向に偏りが生じる。このため、燃焼室内では、燃料と燃焼用空気との混合に偏りが生じる。ガスタービンの燃焼では、一般に燃料が空気量に比べて少ない希薄燃焼が用いられる。このとき、燃料の割合が局所的に増えると、この部分の燃焼温度が高まり、窒素酸化物の排出量が増える。逆に空気の割合が局所的に増えると、燃焼温度が低いために燃焼反応が進まず、一酸化炭素などの未燃分が生成しやすくなる。このため、燃焼性能を高めるには、燃料と燃焼用空気を均一に混合し、燃焼用空気の偏りを抑制することが望ましい。

燃焼用空気の周方向の偏りを抑制するには、内筒の断面積を低減し、燃焼用空気の流れに対する抵抗を減らす必要がある。しかし、内筒の断面積が低減すると、点火時の燃焼ガスの流通量が低下し、火炎伝播が適切に実施できない恐れがある。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、ガスタービン燃焼器の点火時に、火炎伝播管を通る燃焼排ガスの温度を下げることなく火炎伝播管を冷却し、その熱変形や焼損を防止すると共に、火炎伝播管の内筒の下流側で生じる燃焼用空気の偏りを抑制し、ガスタービンから排出される窒素酸化物や一酸化炭素などの未燃分を低減することができる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、上記目的を達成するために、外周に環状の燃焼用空気流路を有する燃焼室を備えた複数の燃焼器の隣接する前記燃焼器間を火炎伝播管で接続し、前記火炎伝播管により前記燃焼器が点火されるガスタービン燃焼器であって、環状の前記燃焼用空気流路において燃焼用空気を前記燃焼器の尾部から頭部に向けて流し、前記燃焼器の頭部にて前記燃焼用空気の流れが反転し、外部から供給される燃料と混合し前記燃焼室で燃焼し、前記火炎伝播管は、隣接する前記燃焼器の燃焼室間を接続する内筒、及び該内筒を覆い、隣接する前記燃焼器間の前記燃焼用空気流路間を接続する外筒の２重管で構成され、かつ、前記火炎伝播管の前記外筒と接続する前記燃焼用空気流路の外周隔壁の前記内筒と外筒間に、前記内筒を中心として前記燃焼用空気流路を流れる燃焼用空気の流れに対する上流側と下流側に各々前記燃焼用空気が流通する開口部を設けて前記燃焼用空気の流れを制限すると共に、前記内筒の上流側に、前記開口部を介して前記燃焼用空気を前記外筒内の空間に導く案内板を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、ガスタービン燃焼器の点火時に、火炎伝播管を通る燃焼排ガスの温度を下げることなく火炎伝播管を冷却し、その熱変形や焼損を防止すると共に、火炎伝播管の内筒の下流側で生じる燃焼用空気の偏りを抑制し、ガスタービンから排出される窒素酸化物や一酸化炭素などの未燃分を低減することができる。

本発明のガスタービン燃焼器の実施例１を採用しているガスタービンにおけるガスタービン燃焼器を断面して示す模式図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 従来のガスタービン燃焼器を採用しているガスタービンにおけるガスタービン燃焼器を断面して示す模式図である。 図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本発明のガスタービン燃焼器の実施例２を採用しているガスタービンにおけるガスタービン燃焼器を断面して示す模式図である。 本発明のガスタービン燃焼器の実施例３を採用しているガスタービンにおけるガスタービン燃焼器を断面して示す模式図である。

以下、図示した実施例に基づいて本発明のガスタービン燃焼器について説明する。なお、各図において、同一構成部品には同符号を使用する。

図１に、本発明のガスタービン燃焼器の実施例１を採用しているガスタービンを、図２に、図１のＡ−Ａ線に沿った断面を示す。また、図３に、図１の本発明と対比して示す従来のガスタービン燃焼器を採用しているガスタービンを、図４に、図３のＡ−Ａ線に沿った断面を示す。

まず、図１及び図２に基づき、本発明の実施例１のガスタービン燃焼器に用いられる火炎伝播管の役割と課題を説明し、その上で図３及び図４に示す従来のガスタービン燃焼器と対比させて、本発明のガスタービン燃焼器の実施例１を説明する。

図１に示すように、ガスタービン１は圧縮機２、燃焼器３Ａ、３Ｂ、タービン４及び発電機５で構成され、駆動軸６は圧縮機２、タービン４と発電機５を接続している。圧縮機２で圧縮した空気（燃焼用空気）７は、燃焼器３Ａ、３Ｂで燃料１５と混合して燃焼し、高温、高圧の燃焼排ガス８となり、タービン４でエネルギーを回収し発電機５で電力を生成するものである。

燃焼器３Ａ、３Ｂは、その頭部（図１の左側）９Ａ、９Ｂが圧縮機２側に、尾部（図１の右側）１０Ａ、１０Ｂがタービン４側に配置される。また、燃焼器３Ａ、３Ｂは、中心側から外周側に燃焼室１１Ａ、１１Ｂ、燃焼室１１Ａ、１１Ｂを構成する隔壁（ライナ）１２Ａ、１２Ｂ、燃焼用空気流路１３Ａ、１３Ｂ、外周隔壁１４Ａ、１４Ｂの順に構成されている。

そして、圧縮機２から排出された燃焼用空気７は、燃焼器３Ａ、３Ｂの尾部１０Ａ、１０Ｂから燃焼用空気流路１３Ａ、１３Ｂを通り燃焼器３Ａ、３Ｂの頭部９Ａ、９Ｂに流れる。燃焼用空気７は、燃焼器３Ａ、３Ｂの頭部９Ａ、９Ｂで燃焼用空気７の流れ方向が反転し、燃焼室１１Ａ、１１Ｂで、燃焼器３Ａ、３Ｂの頭部９Ａ、９Ｂにて外部から供給される燃料１５と混合して燃焼し、燃焼排ガス８は、燃焼器３Ａ、３Ｂの尾部１０Ａ、１０Ｂよりタービン４に流入、排出される。

なお、説明を簡略化するため図１や図３では、燃焼器が２つの場合を示すが、３つ以上の燃焼器を備える場合も同じである。また、図１や図３では、１つの駆動軸６に圧縮機２、タービン４と発電機５を接続した場合を示すが、駆動軸６を複数に分割して設けることも可能である。また、発電機５に変えて他の回転体の駆動に用いることも可能である。

図１や図３のガスタービン１では、燃焼器３Ａに点火装置１７を設け、燃焼器３Ａ、３Ｂの間を火炎伝播管２０で接続している。火炎伝播管２０は、内筒２１と外筒２２の２重管で構成され、火炎伝播管２０の内筒２１は燃焼室１１Ａ、１１Ｂのライナ（隔壁）１２Ａ、１２Ｂと接続し、燃焼室１１Ａ、１１Ｂ内の燃焼排ガス１６が流通できるようになっている。また、火炎伝播管２０の外筒２２は燃焼用空気流路１３Ａ、１３Ｂの外周隔壁１４Ａ、１４Ｂと接続し、燃焼用空気７が流通できるようになっている。

ガスタービン１の点火時は、燃焼器３Ａに設置した点火装置１７により燃焼室１１Ａ内の燃料１５と空気の混合物に点火する。燃焼室１１Ａ内は燃焼排ガス８の生成により圧力が高まるが、燃焼室１１Ｂは未だ点火していないので圧力が低い。このため、燃焼室１１Ａ、１１Ｂ間を接続する火炎伝播管２０の内筒２１を通して、燃焼排ガス１６が燃焼室１１Ａから燃焼室１１Ｂに送り込まれる。燃焼室１１Ｂでは、火炎伝播管２０の内筒２１を通して流入した高温の燃焼排ガス１６により、燃料１５と空気の混合物に点火される。

このように、火炎伝播管２０を介して隣接する燃焼器３Ａ、３Ｂに順次点火することで、全ての燃焼器に点火できる。

それぞれの燃焼器の空気量や燃料流量、圧力が同一であれば、全ての燃焼器で点火が終了した際には、燃焼器間の圧力差が無くなる。この場合、火炎伝播管２０の内筒２１を流通する高温の燃焼排ガス１６の流れは無くなり、火炎伝播管２０の内筒２１を高温の燃焼排ガス１６が流通する時間は点火時の短時間に留まる。

しかし、実際には、燃焼器毎に空気量や燃料流量、圧力や燃焼状態にばらつきが生じることがある。この場合、隣接する燃焼器３Ａ、３Ｂの圧力差により、火炎伝播管２０の内筒２１を高温の燃焼排ガス１６が流通し続ける場合がある。火炎伝播管２０の内筒２１は、高温の燃焼排ガス１６が流通することで高温となり、長時間の運転の際には変形や損傷が生じ易くなる。これらの防止のため、火炎伝播管２０の内筒２１を冷却する必要がある。

また、燃焼器３Ａ、３Ｂは、燃焼室１１Ａ、１１Ｂの外周側に環状の燃焼用空気流路１３Ａ、１３Ｂを有しているが、火炎伝播管２０は、隣接する燃焼室１１Ａ、１１Ｂ間を接続するので、この燃焼用空気流路１３Ａ、１３Ｂを横切ることになる。また、火炎伝播管２０を２重管で構成する場合は、火炎伝播管２０の内筒２１が燃焼用空気流路１３Ａ、１３Ｂを横切ることになる。このとき、火炎伝播管２０の内筒２１は、燃焼用空気７の流れに対し障害物となり、火炎伝播管２０の内筒２１の下流側では、空気流速が低下し空気流量が減るので、燃焼室１１Ａ、１１Ｂに流入する燃焼用空気７には周方向に偏りが生じる。このため、燃焼室１１Ａ、１１Ｂ内では、燃料１５と燃焼用空気７との混合に偏りが生じる。

ガスタービン１の燃焼では、一般に燃料１５が空気量に比べて少ない希薄燃焼が用いられる。このとき、燃料１５の割合が局所的に増えると、この部分の燃焼温度が高まり、窒素酸化物の排出量が増える。逆に空気の割合が局所的に増えると燃焼温度が低いために燃焼反応が進まず、一酸化炭素などの未燃分が生成し易くなる。このため、燃焼性能を高めるには燃料１５と燃焼用空気７を均一に混合し、燃焼用空気７の偏りを抑制することが望ましい。

図３及び図４に示す従来例では、火炎伝播管２０の内筒２１を構成する隔壁２３に空気孔２４を設けて、火炎伝播管２０の内筒２１の冷却を図っている。即ち、図３及び図４に示すように、内筒２１を構成する隔壁２３の外周側（内筒２１と外筒２２の間）の空間２６は、燃焼用空気流路１３Ａ、１３Ｂと接続し、また、内筒２１を構成する隔壁２３の内周側の空間２５は、燃焼室１１Ａ、１１Ｂと接続している。

このため、内筒２１を構成する隔壁２３の外周側の空間２６より内周側の空間２５の圧力が低くなるので、隔壁２３（内筒２１）に設けられた空気孔２４を通して外周側の空間２６に滞留する燃焼用空気７が、矢印２８で示されるように内周側に流入し、この際に、内筒２１を構成する隔壁２３を冷却している。

しかし、隔壁２３に空気孔２４を設けることで内筒２１の隔壁２３が冷却されるものの、空気の流入により火炎伝播管２０の内筒２１を流れる燃焼排ガス１６の温度は低下する。特に、空気孔２４を多数設けると内筒２１を流れる燃焼排ガス１６の冷却が進み、点火時に燃焼器３Ａから燃焼器３Ｂへの火炎伝播が適切に実施できなくなる恐れがある。このため、隔壁２３に設けられる空気孔２４の数や断面積、流入する空気量には制約があり、隔壁２３に空気孔２４を設ける方法では、熱変形や焼損の防止は困難となる場合がある。

火炎伝播管２０の内筒２１の隔壁２３を冷却する別の方法として、内筒２１の外周側に燃焼用空気７を流通させ、対流伝熱により冷却する方法がある。

しかし、多缶型のガスタービン１では、燃焼器３Ａ、３Ｂの頭部９Ａ、９Ｂ側が互いに離れる配置となることから、燃焼用空気流路１３Ａ、１３Ｂと火炎伝播管２０の中心軸２７が交差する交差角が９０度より若干小さくなる。このため、燃焼用空気７は火炎伝播管２０の内筒２１が障害物となり、流れ方向が変わる際に火炎伝播管２０から離れる方向に流れを形成し、外筒２２内の空間２６に流入しにくい。更に、図３及び図４に示す従来のガスタービンのように、燃焼器３Ａ、３Ｂの隔壁２３（内筒２１）と外筒２２の開口部を環状に形成する場合、燃焼用空気７が外筒２２の空間２６に分散して流れ易い。この場合、火炎伝播管２０の内筒２１の隔壁２３近傍の流速が低くなるため、対流伝熱での放熱量が小さくなる。

また、図３及び図４に示す従来例では、火炎伝播管２０の内筒２１が燃焼用空気流路１３Ａ、１３Ｂを横切るので、火炎伝播管２０の内筒２１の下流側では、空気流速が低下し空気流量が減る。また、燃焼用空気７が火炎伝播管２０の外筒２２の空間２６に流入しにくいため、燃焼室１１Ａ、１１Ｂに流入する燃焼用空気７には周方向に偏りが生じる。

そこで、図１及び図２に示す本発明の実施例１のガスタービン燃焼器では、火炎伝播管２０の外筒２２と燃焼用空気流路１３Ａ、１３Ｂの外周隔壁１４Ａ、１４Ｂの接続部、具体的には、火炎伝播管２０の外筒２２と接続する燃焼用空気流路１３Ａ、１３Ｂの外周隔壁１４Ａ、１４Ｂの内筒２１と外筒２２間に、内筒２１を中心として燃焼用空気７の流れに対し上流側と下流側に燃焼用空気７が流通する開口部３１、３２を設けると共に、火炎伝播管２０の内筒２１の上流側の開口部３１近傍には、内筒２１の隔壁２３と接続し、燃焼用空気７の流れ方向の上流側に向って傾斜して燃焼用空気７を外筒２２内に導く案内板３３を設けたことを特徴とする。

このような本実施例の構成とすれば、火炎伝播管２０の外筒２２と燃焼用空気流路１３Ａ、１３Ｂの外周隔壁１４Ａ、１４Ｂの接続部において、開口部３１、３２を上述したように設けることで、燃焼用空気７が外筒２２内の空間２６に流入し易くなる。また、火炎伝播管２０の外筒２２内に流入した燃焼用空気７が、火炎伝播管２０の内筒２１の外面に沿って流れ易くもなる。

以下、本実施例のガスタービン燃焼器における燃焼用空気７の流れについて説明する。

上述したように、燃焼用空気流路１３Ａ、１３Ｂを流れる燃焼用空気７に対し、火炎伝播管２０の内筒２１は障害物となる。このため、燃焼用空気流路１３Ａ、１３Ｂにおいて、内筒２１の上流側では圧力が高く、内筒２１の下流側では圧力が低くなる。開口部３１を内筒２１の上流側に設けると、この部分は圧力が高いので、燃焼用空気流路１３Ａから外筒２２内の空間２６に燃焼用空気７が流れる。また、開口部３２を内筒２１の下流側に設けると、この部分は圧力が低いので、外筒２２内の燃焼用空気７が開口部３２を通して燃焼用空気流路１３Ｂに流出し易くなる。更に、内筒２１の上流側に、燃焼用空気７の流れ方向の上流側に向って傾斜して案内板３３を設けたことで、燃焼用空気流路１３Ａから外筒２２内に燃焼用空気７が流入し易くなる。

本実施例の火炎伝播管２０の構成では、火炎伝播管２０の内筒２１の上流側の開口部３１から燃焼用空気７が外筒２２内の空間に流入し、下流側の開口部３２から排出される。このとき、開口部３１、３２は内筒２１の近くに設置されるので、外筒２２内の空間２６に流入した燃焼用空気７は、内筒２１の外面に沿って流れる。

このように、従来に比べ、開口部３１、３２を制限することで、火炎伝播管２０の内筒２１の外面での流速は高まるため、火炎伝播管２０の内筒２１を構成する隔壁２３では、燃焼用空気７により対流伝熱が進み冷却される。このため、内筒２１の熱変形や焼損を抑制できる。

また、外筒２２内の空間２６に流入した燃焼用空気７は、開口部３２を通り燃焼用空気流路１３Ｂの内筒２１の下流側に流入する。このため、火炎伝播管２０の内筒２１の下流側である開口部３２の近傍での燃焼用空気７の流速が高まるので、内筒２１の下流側での燃焼用空気７の偏流は抑制される。この偏流の抑制により、燃焼室１１Ａ、１１Ｂ内での燃料１５と空気との混合を均一とし燃焼させ、燃焼時に不均一な燃焼時に生成する窒素酸化物や一酸化炭素などの未燃分を抑制できる。

また、本実施例では、図１の火炎伝播管２０を軸方向（図１の下方から上方）から見たときに、図２に示すように、案内板３３の高さ方向の幅（Ｈ１）は内筒２１の高さ方向の幅（Ｈ２）と同じか、若しくは小さいことが望ましい。なぜなら、案内板３３の高さ方向の幅（Ｈ１）を広げると、燃焼用空気７の外筒２２内の空間２６への流入量は増えるものの、燃焼用空気７の流れに対し障害となり、燃焼用空気7の圧力損失を増加させが、本実施例のように、案内板３３の高さ方向の幅（Ｈ１）が内筒２１の高さ方向の幅（Ｈ２）よりも小さい場合は、内筒２１による圧力損失と同等レベルに抑制できるので、案内板３３を設けたことによる圧力損失を低減できるからである。更に、燃焼用空気７の一部を、外筒２２内の空間２６を流すことで圧力損失が低減する場合もある。

このような本実施例によれば、燃焼用空気７を火炎伝播管２０の外筒２２内に積極的に流入させて内筒２１の周囲に流すことで、内筒２１を対流伝熱により冷却することができると共に、燃焼用空気流路１３Ａ、１３Ｂにおいて、偏流を抑制することができる。

また、本実施例は、上述した如く、外筒２２と燃焼用空気流路１３Ａ、１３Ｂの接続部において、内筒２１を基準として燃焼用空気７の流れの上流側と下流側に、燃焼用空気７が流入する開口部３１、３２を設けている。

これは、燃焼用空気流路１３Ａ、１３Ｂを流れる燃焼用空気７に対し、内筒２１が障害物となるため、燃焼用空気流路１３Ａ、１３Ｂにおいて、内筒２１の上流側では圧力が高く、内筒２１の下流側では圧力が低くなる。燃焼用空気７の流通する開口部３１、３２を内筒２１の上流側と下流側に設けると、内筒２１が障害物となることで、外筒２２内に燃焼用空気７が流れ易くなる。即ち、内筒２１の上流側では、圧力が高いので外筒２２内に燃焼用空気７が流れ易い。また、内筒２１の下流側では、圧力が低いので外筒２２内の燃焼用空気７が吐出され易くなる。更に、内筒２１の上流側に、燃焼用空気７の流れ方向の上流側に向って傾斜する案内板３３を設けたことで、燃焼用空気流路１３Ａ、１３Ｂから外筒２２内に燃焼用空気７が流入し易くなる。

このため、本実施例のガスタービン燃焼器に採用される火炎伝播管２０では、内筒２１の上流側の開口部３１から燃焼用空気７が外筒２２内に流入し、下流側の開口部３２から排出される。このとき、開口部３１、３２が内筒２１の近くに制限されるので、外筒２２内に流入した燃焼用空気７は、内筒２１の外面に沿って流れる。このため、内筒２１から燃焼用空気７に向かい対流伝熱により放熱が進んで冷却される。

従来は、外筒２２と燃焼用空気流路１３Ａ、１３Ｂの接続部において、開口部が本実施例のように制限されていない。そのため、開口部が広い場合、外筒２２内に広がって流れ、内筒２１の外面に沿って流れる燃焼用空気７の流速が低くなる。このとき、内筒２１の外面では流速が低いことから対流伝熱による放熱は少なく、内筒２１の温度は高くなる。

一方、本実施例の場合、入口部分の開口部３１近傍に、燃焼用空気７の流れ方向の上流側に向って傾斜する案内板３３を設けることで、燃焼用空気７が外筒２２内に流入し易くなる。また、入口と出口の開口部３１、３２を内筒２１の近傍に制限することで、内筒２１の外面に沿って流れる燃焼用空気７の流速が従来より高まり、強制通風の状態での対流伝熱となることで冷却が進む。このため、内筒２１の熱変形や焼損を抑制できる。

また、外筒２２内に流入した燃焼用空気７を、内筒２１の下流側から燃焼用空気流路１３Ｂに戻すことで、内筒２１の下流側での燃焼用空気７の流速が高まるため、内筒２１が燃焼用空気７の流れに対し抵抗となり流速が低下するが、外筒２２を経由して燃焼用空気７を内筒２１の下流側に供給するので、流速の低下を抑制できる。このため、燃焼室１１Ａ、１１Ｂ内での燃料１５と空気との混合を均一とし燃焼させ、燃焼時に不均一な燃焼時に生成する窒素酸化物や一酸化炭素などの未燃分を抑制できる。

よって、本実施例の構成とすることにより、ガスタービン燃焼器の点火時に、火炎伝播管を通る燃焼排ガスの温度を下げることなく火炎伝播管を冷却し、その熱変形や焼損を防止すると共に、火炎伝播管の内筒の下流側で生じる燃焼用空気の偏りを抑制し、ガスタービンから排出される窒素酸化物や一酸化炭素などの未燃分を低減することができる。

図５に、本発明のガスタービン燃焼器の実施例２を採用しているガスタービンを示す。

図１及び図２に示す実施例１は、案内板３３を開口部３１の近傍に、燃焼用空気７の流れ方向の上流側に向って傾斜して設けたが、本実施例では、図５に示すように、開口部３１の近傍で、かつ、燃焼用空気流路１３Ａ、１３Ｂと燃焼室１１Ａ、１１Ｂを隔てる隔壁（ライナ）１２Ａ、１２Ｂに接続し、燃焼用空気流路１３Ａ、１３Ｂ内の燃焼用空気７の流れ方向の下流側に向って傾斜している案内板３４を設けたものである。他の構成は、実施例１と同様である。

このような本実施例の構成とすることにより、実施例１と同様な効果を得ることができる。なお、本実施例の場合、案内板３４により外周側に向かう流れが誘起され、この流れが開口部３１に流入し易くするため、案内板３４は、内筒２１から離れた位置に設けることが望ましい。

図６に、本発明のガスタービン燃焼器の実施例３を採用しているガスタービンにおけるガスタービン燃焼器を示す。

該図に示す本実施例は、実施例１の構成に加え、外筒２２の軸方向中央部に、外筒２２と内筒２１の間の空間２６を狭める円筒状のブロックから成る絞り部４０を設けたことを特徴とする。なお、本実施例の絞り部４０は、実施例２の構成に設けてもよい。

このような本実施例の構成とすることにより、実施例１と同様な効果が得られることは勿論、絞り部４０は、内筒２１と外筒２２の間の空間を狭めて、燃焼用空気７が流れる際に抵抗として働くことで、燃焼用空気流路１３Ａと１３Ｂ間で燃焼用空気７を流れにくくしている。

上述した実施例１及び２では、燃焼用空気７が外筒２２内の空間２６に流入し易くしたため、従来に比べて燃焼用空気７が外筒２２を介して他の燃焼器に流れ易くなった。他の燃焼器に燃焼用空気７が流れると、流出元の燃焼器では燃料１５に対し空気が不足する。また、流出先の燃焼器では燃料１５に対し空気が増加し、それぞれの燃焼器毎の燃料１５と空気との割合に偏りが生じる。上述のように、ガスタービン１の燃焼器３Ａ、３Ｂでは、燃料１５と空気とは均一に混合して燃焼することが望ましい。一方、燃料１５の割合が増えると燃焼器３Ａ、３Ｂの燃焼温度は高まり、窒素酸化物の排出量が増える。逆に空気の割合が増えると燃焼器３Ａ、３Ｂの燃焼温度が低いために燃焼反応が進まず、一酸化炭素などの未燃分が生成し易くなる。

そこで、本実施例では、絞り部４０を設けることで、燃焼用空気流路１３Ａと１３Ｂ間で燃焼用空気７が流れにくくしている。そのため、外筒２２内の空間２６には、上流側の開口部３１を介して燃焼用空気７が流入し、外筒２２内に流入した燃焼用空気７は、下流側の開口部３２から燃焼用空気流路１３Ａ、１３Ｂに流出する。即ち、燃焼用空気７は、矢印４１Ａ、４１Ｂに示される流れを形成する。この燃焼空気７の流れは、内筒２１の表面に沿った流れが絞り部４０にて流れ方向を反転し、開口部３１、３２のそれぞれの側に循環流を形成する。外筒２２内の空間２６で空気が循環することで対流伝熱が促進され、内筒２１の冷却が進む。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成を置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…ガスタービン、２…圧縮機、３Ａ、３Ｂ…燃焼器、４…タービン、５…発電機、６…駆動軸、７…燃焼用空気、８、１６…燃焼排ガス、９Ａ、９Ｂ…燃焼器の頭部、１０Ａ、１０Ｂ…燃焼器の尾部、１１Ａ、１１Ｂ…燃焼室、１２Ａ、１２Ｂ…隔壁（ライナ）、１３Ａ、１３Ｂ…燃焼用空気流路、１４Ａ、１４Ｂ…燃焼用空気流路の外周隔壁、１５…燃料、１７…点火装置、２０…火炎伝播管、２１…火炎伝播管の内筒、２２…火炎伝播管の外筒、２３…内筒の隔壁、２４…空気孔、２５…内筒内の空間、２６…内筒と外筒の間の空間、２７…火炎伝播管の中心軸、３１、３２…開口部、３３、３４…案内板、４０…絞り部、４１Ａ、４１Ｂ…燃焼用空気の流れを示す矢印。

Claims (9)

1. 外周に環状の燃焼用空気流路を有する燃焼室を備えた複数の燃焼器の隣接する前記燃焼器間を火炎伝播管で接続し、前記火炎伝播管により前記燃焼器が点火されるガスタービン燃焼器であって、
   環状の前記燃焼用空気流路において燃焼用空気を前記燃焼器の尾部から頭部に向けて流し、前記燃焼器の頭部にて前記燃焼用空気の流れが反転し、外部から供給される燃料と混合し前記燃焼室で燃焼し、
   前記火炎伝播管は、隣接する前記燃焼器の燃焼室間を接続する内筒、及び該内筒を覆い、隣接する前記燃焼器間の前記燃焼用空気流路間を接続する外筒の２重管で構成され、かつ、前記火炎伝播管の前記外筒と接続する前記燃焼用空気流路の外周隔壁の前記内筒と外筒間に、前記内筒を中心として前記燃焼用空気流路を流れる燃焼用空気の流れに対する上流側と下流側に各々前記燃焼用空気が流通する開口部を設けて前記燃焼用空気の流れを制限すると共に、前記内筒の上流側に、前記開口部を介して前記燃焼用空気を前記外筒内の空間に導く案内板を設け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、
   前記開口部は、前記燃焼用空気流路と前記火炎伝播管が交差して前記火炎伝播管の内筒が前記燃焼用空気流路内を流れる前記燃焼用空気の障害物となることで、前記燃焼用空気流路における圧力が高い前記内筒の上流側と圧力が低い前記内筒の下流側に形成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２に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記燃焼用空気流路を流れる前記燃焼用空気が前記内筒の上流側に形成された前記開口部から前記外筒内の空間に流れ、この前記外筒内の空間に流れた前記燃焼用空気が前記内筒の下流側に形成された前記開口部を通して前記燃焼用空気流路の下流側に流出す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のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記案内板は、前記内筒を構成する隔壁と接続し、上流側の前記開口部近傍に設けら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４に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記案内板は、前記燃焼用空気流路内に前記燃焼用空気の流れの上流側に向って傾斜して設置されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
6. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記案内板は、上流側の前記開口部近傍で、かつ、前記燃焼用空気流路と前記燃焼室を隔てる隔壁に設けられている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、
   前記案内板は、前記燃焼用空気流路内に前記燃焼用空気の流れの下流側に向って傾斜して設置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１乃至７のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記案内板は、前記燃焼用空気の流れ方向に対して横切る方向の長さが、前記内筒の当該長さと同じか若しくは小さいことを特徴とするガスタービン燃焼器。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記外筒の軸方向中央部に、前記外筒と内筒の間の空間を狭める絞り部を設けたことを特徴とするガスタービン燃焼器。

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