JP7112342B2 - ガスタービン燃焼器及びガスタービン - Google Patents
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Description
-ガスタービンプラント-
図1Aは本発明の第1実施形態に係るガスタービン燃焼器を適用するガスタービンプラントの一例の模式図である。同図に示したガスタービンプラントは、圧縮機1、ガスタービン燃焼器(以下、燃焼器と略称する)2、タービン3及び負荷機器4を備えている。圧縮機1、燃焼器2及びタービン3は、負荷機器4を駆動するガスタービンを構成する。本実施形態の負荷機器4は発電機であるが、ポンプが適用される場合もある。なお、一般的にガスタービンを「ガスタービンエンジン」と称する場合があり、この場合にはタービンを「ガスタービン」と称する場合がある。
図1Bは図1Aの燃焼器の構造を表す模式的な断面図である。同図に示した燃焼器2は、ガスタービンのケーシング(不図示)に対して周方向に複数取り付けられている。各燃焼器2は、内筒(燃焼器ライナ)11、外筒(フロースリーブ)12、エンドカバー13、バーナ14、尾筒(トランジションピース)15等を含んで構成されている。
図2は図1B中のII部の拡大図、図3はエンドカバー側から見た空気孔プレート及びターンガイドの構成図、図4は図3中のIV-IV線による断面図である。図1Bと共に図2-図4を用いてバーナ14の構成について説明する。これらの図に示したように、本実施形態におけるバーナ14は、空気孔プレート16及び複数の燃料ノズル17を備えている。
本実施形態においては、圧縮空気A2の流路の反転部(外周流路P1のエンドカバー側の端部)に位置するように内筒11におけるバーナ14の近傍位置にターンガイド21及び複数の冷却空気孔22が設けられている。ターンガイド21は、外周流路P1を通過した圧縮空気A2の転向をガイドし、各空気孔18を通過する圧縮空気A2の流量偏差を抑える円環状の部材である。本実施形態におけるターンガイド21は、後述する補助ガイド31とは別部材である。このターンガイド21は内筒11のエンドカバー側(図2中左側)の端部に設けられており、内筒11の外周面から外筒側に突出して内筒11の内周面に滑らかに接続するように干渉面21aと案内面21bを含んで構成されている。内筒11の外周面から外筒側へのターンガイド21の突出量は、本実施形態では内筒11から外筒12までの距離(外周流路P1の厚み)の5,6割程度とした場合を本実施形態では例示的に図示している。但し、この点は特に限定されるものではなく、突出量はより小さく又は大きくしても良い。
本実施形態においては、ターンガイド21の内周側に位置するように複数の補助ガイド31が設けられている。これら補助ガイド31は、空気孔プレート16の燃料ノズル17との対向面(つまりエンドカバー13の方を向いた面)の外周部に間隔を空けて設けられており、上記対向面からエンドカバー13側に突出している。補助ガイド31と空気孔プレート16は一体をなしており、両者を別々に製作した後で接合しても良いし、一体削り出し等の方法で当初から両者を一体に成形しても良い。本実施形態における補助ガイド31は、前述した通りターンガイド21とは別部材である。なお、変形例として、補助ガイド31は、空気孔プレート16の周方向に隣り合ったもの同士が接続されていても良く、全て接続された単一部材としても良い。
ガスタービンの運転中、空気A1が圧縮機1に取り込まれて圧縮され、高圧の圧縮空気A2として圧縮機1から吐出される。圧縮機1から吐出された圧縮空気A2は燃焼器2に供給され、燃料系統(不図示)から供給された燃料FUと共に燃焼される。これにより発生した高温の燃焼ガスG1によりタービン3が駆動され、タービン3の回転出力により負荷機器4が駆動される。
図11は一比較例に係るガスタービン燃焼器の部分断面図である。同図に示したガスタービン燃焼器においては、内筒の端部にターンガイドが存在しない。この場合、外周流路を通過した圧縮空気の流れにより流路の反転部で剥離渦Vが発生し、空気孔プレートにおける外周側の空気孔に空気が流入し難い。そのため、空気孔プレートの内周側と外周側の空気孔間の空気流量の偏差が大きくなる。特に空気孔プレートにおける外周側の空気孔から燃焼室に噴出する混合気の燃料濃度が高くなり、これがNOx排出量の増加要因となる。また、空気孔プレートにおける内周側の空気孔を通過する圧縮空気の流速が速くなるため圧力損失が増加し得る。
(1)本実施形態においては、外周流路P1を流れる圧縮空気A2の一部をターンガイド21の干渉面21aに干渉させ、減速した圧縮空気A2を案内面21bによりバーナ14の外周側にガイドする。これにより、図11の例に示した剥離渦Vの発生を抑制でき、バーナ14の内周側と外周側との間の空気流量の偏差を抑制しNOxの発生も抑制できる。
図6は本発明の第2実施形態に係るガスタービン燃焼器の要部構造を表す部分断面図、図7はエンドカバー側から見た本実施形態における空気孔プレート及びターンガイドの構成図、図8は図7中のVIII-VIII線による断面図である。図6は第1実施形態の図2に、図7は図3に、図8は図4に対応する図である。本実施形態において既に説明した実施形態と同一又は対応する要素には図6-図8において既出図面と同一の符号を付して適宜説明を省略する。
図9は本発明の第3実施形態に係るガスタービン燃焼器の要部構造を表す部分断面図であり、第1実施形態の図4に対応する図である。本実施形態において既に説明した実施形態と同一又は対応する要素には図9において既出図面と同一の符号を付して適宜説明を省略する。
図10は本発明の第4実施形態に係るガスタービン燃焼器の要部構造を表す部分断面図であり、第1実施形態の図4に対応する図である。本実施形態において既に説明した実施形態と同一又は対応する要素には図10において既出図面と同一の符号を付して適宜説明を省略する。
前述した通り、本発明はマルチバーナに限らず単一の部分バーナ14aをバーナ14とするガスタービン燃焼器にも適用可能である。例えば最外周列の空気孔のピッチが広い場合、隣接する空気孔間に補助ガイド31を設置する構成とすることができる。また、例えば特開2010-256003号公報に開示されているように空気孔列の一部の空気孔を省略する構成を単一のバーナの最外周列の空気孔に適用した場合、空気孔を省略した領域に補助ガイド31を適用することができる。
Claims (11)
- 圧縮機から導入される圧縮空気に燃料を混合して燃焼し、生成した燃焼ガスをタービンに供給するガスタービン燃焼器において、
内側に燃焼室を形成する内筒と、
前記内筒を覆って前記内筒との間に前記圧縮空気が流れる円筒状の外周流路を形成する外筒と、
前記外筒の前記タービンと反対側の端部を塞ぐエンドカバーと、
エンドカバー側から前記内筒に挿入され、前記外周流路を通過して前記エンドカバーで堰き止められた圧縮空気を前記燃焼室に導入する複数の空気孔を有する空気孔プレートと、
前記複数の空気孔のうち対応付けられた空気孔を介して前記燃焼室に燃料を噴射するように前記空気孔プレートに対してエンドカバー側に配置された複数の燃料ノズルと、
前記内筒又は前記空気孔プレートに設けられ、前記外周流路を通過した圧縮空気の転向をガイドするターンガイドとを備え、
前記空気孔プレートには、前記複数の空気孔からなる空気孔群が複数備わっており、
前記ターンガイドの内周側に位置するように前記空気孔プレートの前記燃料ノズルとの対向面の外周部に補助ガイドが設けられており、
前記補助ガイドは、前記エンドカバーから見て、径方向内側に突出し、周方向に隣接する2つの前記空気孔群と前記空気孔プレートの外周とで囲まれた三角形状の領域に対応した形状をしているガスタービン燃焼器。 - 請求項1のガスタービン燃焼器において、前記空気孔プレートの中心線を含む平面で切断した断面で見て、前記補助ガイドは、前記空気孔プレートの中心に向かう方向からタービン側に滑らかに転向する曲面で形成された案内面を有しているガスタービン燃焼器。
- 請求項2のガスタービン燃焼器において、前記空気孔プレートの径方向の最外周列の空気孔は、前記ターンガイド又は前記補助ガイドに沿って配置されているガスタービン燃焼器。
- 請求項2のガスタービン燃焼器において、前記ターンガイドは、前記補助ガイドとは別部材であり、前記内筒のエンドカバー側の端部に設けられているガスタービン燃焼器。
- 請求項4のガスタービン燃焼器において、前記補助ガイドと前記エンドカバーとを接続するサポートを備えているガスタービン燃焼器。
- 請求項2のガスタービン燃焼器において、前記ターンガイドは、前記補助ガイドと一体に前記空気孔プレートに設けられているガスタービン燃焼器。
- 請求項6のガスタービン燃焼器において、前記ターンガイドと前記エンドカバーとを接続するサポートを備えているガスタービン燃焼器。
- 請求項2のガスタービン燃焼器において、前記ターンガイドは、前記外周流路に臨む干渉面、及び前記外周流路を通過した圧縮空気の転向をガイドする曲面で形成された案内面を含んで構成されているガスタービン燃焼器。
- 請求項8のガスタービン燃焼器において、前記干渉面は、前記内筒の径方向に延びているガスタービン燃焼器。
- 請求項8のガスタービン燃焼器において、前記干渉面は、前記内筒の径方向の外側に向かってエンドカバー側に傾斜しているガスタービン燃焼器。
- 空気を圧縮して圧縮空気を吐出する圧縮機と、
前記圧縮機から導入される圧縮空気に燃料を混合して燃焼する請求項1のガスタービン燃焼器と、
前記ガスタービン燃焼器で生成した燃焼ガスで駆動されるタービンと
を備えたガスタービン。
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