JP7386325B2 - ガスタービンの燃焼器、及び、ガスタービン - Google Patents

Description

本開示は、ガスタービンの燃焼器、及び、ガスタービンに関する。

ガスタービンに用いられる燃焼器は、例えば、燃料を供給可能な燃料ノズルと、燃料の燃焼によって生成された燃焼ガスが流通可能な燃焼領域が内側に形成される筒体と、を備える。燃料ノズルから供給された燃料は、燃焼によって燃料ガスとなり、筒体の燃焼領域を介して下流側に設けられるタービンを駆動する。

この種のガスタービンの燃焼器では、筒体の内壁面の近傍における燃焼ガスの温度が中心部に比べて低くなることで、燃焼ガスに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）が二酸化炭素（ＣＯ_２）に化学反応するタイミングが遅れ、一酸化炭素の発生が増加することがある。このような課題に対して、特許文献１では、燃焼器が有する筒体の内壁面に絞り部材を設けることにより、内壁面の近傍における燃焼ガスを中心部に向けて流すことで、高温の燃焼ガスと混合して燃焼を促進し、一酸化炭素の発生を抑制することが開示されている。

国際公開第２０１１／０５８９３１号

ところでガスタービンの燃焼器では、定格運転時より運転負荷が小さな部分負荷運転時に、燃料の燃焼による発熱と圧力変動とが相互作用することで燃焼振動が発生することがある。このような燃焼振動を防ぐために、例えば、ガスタービンの燃焼器が有する複数の燃料ノズルを、燃料噴射量が大きなグループと、燃料噴射量が小さなグループとに分類し、両者を非対称に配置することが考えられる。しかしながら、燃料噴射量が小さなグループに属する燃料ノズルでは、燃焼ガスの温度が比較的低くなるため、噴射された燃料によって形成される火炎の形成領域が下流側まで拡大し、一酸化炭素の排出量が増加してしまう。

本開示の少なくとも一態様は上述の事情に鑑みなされたものであり、部分負荷運転時に燃焼振動を防ぎながら、一酸化炭素の発生を好適に抑制可能なガスタービンの燃焼器、及び、ガスタービンを提供することを目的とする。

本開示の一態様に係るガスタービンの燃焼器は、上記課題を解決するために、
燃料を供給可能な燃料ノズルをそれぞれ含み、互いに独立的に制御可能な燃料供給系統を有する第１燃料ノズルグループ及び第２燃料ノズルグループと、
前記燃料の燃焼によって生成された燃焼ガスが流通可能な燃焼領域が内側に形成される筒体と、
前記第１燃料ノズルグループ及び前記第２燃料ノズルグループの一方に対応するように周方向に沿って部分的に延在し、前記筒体の内周面から径方向内側に向けて突出する第１絞り部と、
を備える。

本開示の少なくとも一態様によれば、部分負荷運転時に燃焼振動を防ぎながら、一酸化炭素の発生を好適に抑制可能なガスタービンの燃焼器、及び、ガスタービンを提供できる。

本開示の少なくとも一実施形態に係るガスタービンの全体構成図である。 図１の燃焼器を周辺構成とともに示す断面図である。 図２の領域Ｌの拡大図である。 図３の複数の燃料ノズルを燃焼器軸線に沿って下流側から示す模式図である。 比較例に係る燃焼器において、部分負荷運転時に筒体内に形成される火炎を模式的に示す断面図である。 図５の破線上の温度及び一酸化炭素の濃度の分布を示す図である。 本開示の幾つかの実施形態に係る燃焼器において、部分負荷運転時に筒体内に形成される火炎を模式的に示す断面図である。 図７の第１絞り部を側方から示す拡大図である。 図７の第１絞り部を単体で抽出して示す斜視図である。 図７に対応する温度及び一酸化炭素の濃度の分布を示す図である。 溝付絞りピースを含む第１絞り部の一例を示す図である。 図１１の溝付絞りピースを径方向内側から燃焼ガスの流れとともに示す図である。 図７の変形例である。 図１３の第１絞り部及び第２絞り部を透過的に示す筒体の側面図である。 図１３の複数の燃料ノズルを燃焼器軸線に沿って下流側から示す模式図である。 図１３に対応する温度及び一酸化炭素の濃度の分布を示す図である。 溝付絞りピースを含む第２絞り部の一例を示す図である。 図１７の溝付絞りピースを径方向内側から燃焼ガスの流れとともに示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は本開示の少なくとも一実施形態に係るガスタービン１の全体構成図である。ガスタービン１は、圧縮機２と、燃焼器３と、タービン５と、を備える。

圧縮機２は、軸線Ａｓに沿って延びる圧縮機ロータ６と、圧縮機ロータ６を外周側から覆う圧縮機ケーシング７と、を有する。圧縮機ロータ６は軸線Ａｓを中心とする柱状をなしており、その外周面には圧縮機動翼８が取り付けられている。圧縮機動翼８は、軸線Ａｓに対する周方向に間隔をあけて複数配列されることで圧縮機動翼段９を構成する。圧縮機ロータ６上には、このような圧縮機動翼段９が、軸線Ａｓ方向に間隔をあけて複数列にわたって設けられている。

圧縮機ケーシング７の内周側には、圧縮機動翼８に対して軸線Ａｓ方向に互い違いになるように複数列にわたって配列された圧縮機静翼段１１が設けられている。圧縮機静翼段１１は、圧縮機動翼段９に対応するように、軸線Ａｓの周方向に間隔をあけて配列された複数の圧縮機静翼１０を含んで構成される。

燃焼器３は、本開示の少なくとも一実施形態に係るガスタービン燃焼器であり、圧縮機２によって生成された高圧空気に対して、燃料を混合して燃焼させることで高温高圧の燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、後述するタービン５に供給されることで、タービン５を駆動する。尚、燃焼器３の構成については詳しく後述する。

タービン５は、燃焼器３によって生成された燃焼ガスによって駆動されるガスタービンであり、軸線Ａｓに沿って延びるタービンロータ１２と、タービンロータ１２を外周側から覆うタービンケーシング１３と、を有する。タービンロータ１２は、軸線Ａｓを中心とする柱状をなしており、その外周面にはタービン動翼１４が取り付けられている。タービン動翼１４は、軸線Ａｓに対する周方向に間隔をあけて複数配列されることでタービン動翼段１５を形成する。タービンロータ１２上には、このようなタービン動翼段１５が、軸線Ａｓ方向に間隔をあけて複数列にわたって設けられている。

タービンケーシング１３の内周側には、タービン動翼１４に対して軸線Ａｓ方向に互い違いになるように複数列にわたって配列されたタービン静翼段１７が設けられている。タービン静翼段１７は、軸線Ａｓの周方向に間隔をあけて配列された複数のタービン静翼１６を含んで構成される。

圧縮機ロータ６及びタービンロータ１２は、同軸（軸線Ａｓ）上に位置して互いに連結されてガスタービンロータ１８を形成する。ガスタービンロータ１８の軸端には、例えば発電機２０が接続される。また、圧縮機ケーシング７及びタービンケーシング１３は、互いに連結されてガスタービンケーシング１９を構成する。

上記構成を有するガスタービン１では、圧縮機ロータ６が回転することで、圧縮機２が高圧空気を生成する。高圧空気は燃焼器３に導かれて燃料とともに燃焼されることにより、高温高圧の燃焼ガスが生成される。続いて、燃焼ガスがタービン５に導かれると、燃焼ガスがタービン動翼１４及びタービン静翼１６に順次衝突することにより、タービンロータ１２（ガスタービンロータ１８）に対して、運動エネルギーが与えられる。ガスタービンロータ１８は、このように与えられた運動エネルギーによって、軸線Ａｓ回りに回転される。ガスタービンロータ１８の回転は、ガスタービンロータ１８の軸端に連結された発電機２０に伝達され、発電等に用いられる。

図２は図１の燃焼器３を周辺構成とともに示す断面図である。燃焼器３は、ガスタービンケーシング１９に支持される外筒２１と、外筒２１に支持され、燃料を供給可能な燃料ノズル２２と、燃料ノズル２２を外側から覆うスワラ支持筒２３と、スワラ支持筒２３の下流側に接続される筒体２４（燃焼筒）と、を有する。

燃料ノズル２２から噴射された燃料は、スワラ支持筒内部で圧縮空気と混合され、筒体２４内に供給される。スワラ支持筒２３は、燃焼器軸線Ａｃを中心とする円筒状を有する。燃焼器軸線Ａｃは、軸線Ａｓ（図１を参照）に対して交差する方向に延びている。軸線Ａｓと燃焼器軸線Ａｃとの交差角度は、鋭角（９０度未満）に設定されている。スワラ支持筒２３の下流側の端部には筒体２４が接続されている。燃料ノズル２２から供給された燃料は、筒体２４内の燃焼領域で、圧縮機２から供給される圧縮空気と混合された後、燃焼されることで、燃焼ガスが生成される。燃焼ガスは筒体２４を介してタービン５に供給される。

尚、以降の説明で用いられる上流、下流、上流側、下流側等の表現は、筒体２４の内側を流れる燃焼ガスの流れ方向に基づく。つまり、上記の筒体２４を基準として燃料ノズル２２が設けられる側を上流側と称し、燃料ノズル２２を基準として筒体２４が設けられる側を下流側と称する。また、燃焼ガスの流通方向とは、燃焼器軸線Ａｃ方向に沿う方向を意味する。更に、スワラ支持筒２３内と筒体２４内とを流れる燃焼ガスの流れを適宜「主流」と称する。

図３は図２の領域Ｌの拡大図であり、図４は図３の複数の燃料ノズル２２を燃焼器軸線Ａｃに沿って下流側から示す模式図である。燃焼器３が備える複数の燃料ノズル２２は、互いに独立的に制御可能な複数の燃料ノズルグループを含む。具体的には、複数の燃料ノズル２２は、第１燃料供給系統３０Ａを有する第１燃料ノズルグループ３２Ａと、第２燃料供給系統３０Ｂを有する第２燃料ノズルグループ３２Ｂを含む。図３及び図４では、第１燃料ノズルグループ３２Ａに属する燃料ノズル２２を符号２２Ａで示し、第２燃料ノズルグループ３２Ｂに属する燃料ノズル２２を符号２２Ｂで示している。

また図３では、図示をわかりやすくするために、第１燃料ノズルグループ３２Ａに属する１つの燃料ノズル２２に接続された第１燃料供給系統３０Ａと、第２燃料ノズルグループ３２Ｂに属する１つの燃料ノズル２２に接続された第２燃料供給系統３０Ｂとが、代表的に示されている（図３で図示されていない他の燃料ノズル２２は、特段の記載がない限りにおいて、図３で図示しあれた燃料ノズル２２と同構成を有する）。

第１燃料供給系統３０Ａは、第１燃料ノズルグループ３２Ａに属する燃料ノズル２２Ａに接続される第１燃料供給路３４Ａと、第１燃料供給路３４Ａに設けられた第１燃料流量調整弁３６Ａと、を有する。第１燃料流量調整弁３６Ａは開度を調整することで、第１燃料供給路３４Ａを介して第１燃料ノズルグループ３２Ａに属する燃料ノズル２２Ａに供給される燃料の流量を調整可能な弁装置である。第２燃料供給系統３０Ｂは、第２燃料ノズルグループ３２Ｂに属する燃料ノズル２２Ｂに接続される第２燃料供給路３４Ｂと、第２燃料供給路３４Ｂに設けられた第２燃料流量調整弁３６Ｂと、を有する。第２燃料流量調整弁３６Ｂは開度を調整することで、第２燃料供給路３４Ｂを介して第２燃料ノズルグループ３２Ｂに属する燃料ノズル２２Ｂに供給される燃料の流量を調整可能な弁装置である。

第１燃料流量調整弁３６Ａ及び第２燃料流量調整弁３６Ｂの開度は、不図示のコントロールユニットからの制御信号に応じて、互いに独立的に制御可能である。これにより、第１燃料ノズルグループ３２Ａに属する燃料ノズル２２Ａ、及び、第２燃料ノズルグループ３２Ｂに属する燃料ノズル２２Ｂは、燃料供給量が独立的に制御可能に構成される。これにより、例えば、ガスタービン１の出力が定格出力より小さくなる部分負荷運転時には、第１燃料ノズルグループ３２Ａに属する燃料ノズル２２Ａの燃料供給量を、第２燃料ノズルグループ３２Ｂに属する燃料ノズル２２Ｂの燃料供給量を互いに異ならせることで、部分負荷運転時に生じやすい燃焼振動を防ぐことができる。本実施形態では、部分負荷運転時には、第１燃料ノズルグループ３２Ａに属する燃料ノズル２２Ａの燃料供給量は、第２燃料ノズルグループ３２Ｂに属する燃料ノズル２２Ｂの燃料供給量より多くなるように制御される。

第１燃料ノズルグループ３２Ａに属する燃料ノズル２２Ａの数と、第２燃料ノズルグループ３２Ｂに属する燃料ノズル２２Ｂの数は、互いに異なるように設定されてもよい。図４に示すように、本実施形態の燃焼器３は全部で８つの燃料ノズル２２を備えており、８つの燃料ノズル２２のうち５つが第１燃料ノズルグループ３２Ａに属し、残りの３つが第２燃料ノズルグループ３２Ｂに属する。部分負荷運転時には、前述したように、第１燃料ノズルグループ３２Ａに属する燃料ノズル２２Ａの燃料供給量、及び、第２燃料ノズルグループ３２Ｂに属する燃料ノズル２２Ｂの燃料供給量が互いに異なるように制御されるが、このように第１燃料ノズルグループ３２Ａに属する燃料ノズル２２Ａの数と、第２燃料ノズルグループ３２Ｂに属する燃料ノズル２２Ｂの数を互いに異ならせることで、より効果的に燃焼振動を防止することができる。

ここで本実施形態に係る燃焼器３は、燃料ノズル２２の下流側に位置する筒体２４の内周面に後述の第１絞り部４０が設けられるが、まず比較例として、第１絞り部４０を有さない比較例について説明する。図５は比較例に係る燃焼器３´において、部分負荷運転時に筒体２４内に形成される火炎を模式的に示す断面図であり、図６は図５の破線上の温度及び一酸化炭素の濃度の分布を示す図である（図６の上方は図５の破線Ａに沿った温度及び一酸化炭素の濃度の分布を示し、図６の下方は図５の破線Ｂに沿った温度及び一酸化炭素の濃度の分布を示す）。

筒体２４の内部には、燃焼領域より上流側に配置された燃料ノズル２２から供給される燃料の燃焼によって火炎が形成される。図５では、第１燃料ノズルグループ３２Ａに属する燃料ノズル２２Ａによって形成される第１火炎３８Ａ´と、第２燃料ノズルグループ３２Ｂに属する燃料ノズル２２Ｂによって形成される第２火炎３８Ｂ´とが、それぞれ示されている。部分負荷運転時には、前述したように、燃焼振動の発生を防止するために、第１燃料ノズルグループ３２Ａに属する燃料ノズル２２Ａの燃料供給量が、第２燃料ノズルグループ３２Ｂに属する燃料ノズル２２Ｂの燃料供給量より多くなるように制御される。そのため第１火炎３８Ａ´は、燃焼ガスの温度が比較的高く、筒体２４の上流側端部から距離Ｌ１´にわたって形成される。また燃焼ガスに含まれる一酸化炭素の濃度は、距離Ｌ１´に対応する筒体２４の比較的上流側でピークを示し、下流側に向かうに従って減少することで、筒体２４の下流側端部Ｌ_ｅｎｄでは基準値を満足している。これは、第１燃料ノズルグループ３２Ａに対応する第１火炎３８Ａ´では燃焼ガスの温度が十分に高いため、燃焼で生じた一酸化炭素が筒体２４の燃焼領域を通過する際に、十分に酸化されることで二酸化炭素に化学反応し、消費されていることを示している。

一方で第２火炎３８Ｂ´は、燃焼ガスの温度が比較的低く、第１火炎３８Ａ´より下流側に至るまで距離Ｌ２´の広い範囲にわたって形成されている（Ｌ２´＞Ｌ１´）。また燃焼ガスに含まれる一酸化炭素の濃度は、距離Ｌ２´に対応する筒体２４の比較的下流側でピークを示し、筒体２４の下流側端部Ｌ_ｅｎｄにおいても基準値を超える高い値を示している。そのため、下流側端部Ｌ_ｅｎｄにおける一酸化炭素の濃度を基準値以下に抑えるためには、部分負荷運転時の負荷を比較的大きくせざるを得ず、良好なターンダウン性能（低負荷運転性能）を得ることが難しい。

このような課題は以下に説明するように、燃料ノズル２２の下流側に位置する筒体２４の内周面に第１絞り部４０が設けられることによって解消可能である。図７は本開示の幾つかの実施形態に係る燃焼器３において、部分負荷運転時に筒体２４内に形成される火炎を模式的に示す断面図であり、図８は図７の第１絞り部４０を側方から示す拡大図であり、図９は図７の第１絞り部４０を単体で抽出して示す斜視図であり、図１０は図７に対応する温度及び一酸化炭素の濃度の分布を示す図である。

燃焼器３は、第１燃料ノズルグループ３２Ａ及び第２燃料ノズルグループ３２Ｂの一方に対応するように、周方向に沿って延在する第１絞り部４０を有する。本実施形態では、第１絞り部４０は、部分負荷運転時に燃料供給量が少なく制御される第２燃料ノズルグループ３２Ｂに対応するように設けられる。図４に示す例では、燃焼器軸線Ａｃに沿って下流側から見た場合に、第２燃料ノズルグループ３２Ｂに属する各燃料ノズル２２Ｂの配置領域に重なる範囲に、第１絞り部４０が設けられている。これにより、第２燃料ノズルグループ３２Ｂに属する各燃料ノズル２２Ｂから供給される燃料の燃焼によって生じる燃焼ガスの少なくとも一部が、第１絞り部４０に当たるように構成されている。

尚、筒体２４の内部を流れる燃焼ガスが燃焼器軸線Ａｃ周りに旋回成分を有する場合には、第２燃料ノズルグループ３２Ｂに属する各燃料ノズル２２Ｂの配置領域に対して、第１絞り部４０の範囲が所定の位相差を有して設けられてもよい。

第１絞り部４０は、筒体２４の内周面から径方向内側に向けて突出するように形成される。具体的に説明すると、図８に示すように、第１絞り部４０は、筒体２４の内部を上流側から下流側に向けて流れる燃焼ガスを受けるように、燃焼器軸線Ａｃに対して斜めに形成された受け面４２を有する。このような燃焼器３は第１絞り部４０を有することにより、第２燃料ノズルグループ３２Ｂに属する燃料ノズル２２Ｂからの燃料による燃焼ガスが、第１絞り部４０の受け面４２によって、温度が比較的高い筒体２４の径方向内側に向けて偏向される。

これにより、図１０に示すように、第２燃料ノズルグループ３２Ｂに属する燃料ノズル２２Ｂからの燃料による燃焼ガスの温度は、第１絞り部４０に対応する位置Ｌ２において上昇する。これにより、図５及び図６を参照して前述した比較例の場合に比べて第２火炎３８Ｂの形成範囲が減少し（上流側に移動し）、燃焼ガスに含まれる一酸化炭素の消費が促進される。これにより、筒体２４の下流側端部Ｌ_ｅｎｄにおける一酸化炭素の濃度が減少する。その結果、下流側端部Ｌ_ｅｎｄにおける一酸化炭素の濃度を基準値以下に抑えながら運転可能な負荷領域が拡大するため、比較例に比べてターンダウン性能（低負荷運転性能）を向上することができる。

また第１絞り部４０は、図４及び図９に示すように、周方向に沿って部分的に延在する。すなわち、第１絞り部４０は非対称的な構成を有するため、部分負荷運転時に生じやすい燃焼振動を好適に抑制できる。

また第１絞り部４０は、周方向に沿って間隔をあけて配置された複数の絞りピース４０ａを含んでもよい。第１絞り部４０は筒体２４の内部を流れる燃焼ガスを受けることによって温度が上昇するため、冷却用媒体として冷却空気４４として供給される（図７を参照）。ここで冷却空気４４は、圧縮機２から供給される圧縮空気の一部が利用されているため、冷却空気４４が増加すると、燃料ノズル２２からの燃料と混合することによって燃焼ガスの生成に用いられる圧縮空気が減少し、ＮＯｘ排出量が増加するおそれがある。そこで本実施形態では、第１絞り部４０を複数の絞りピース４０ａに分割して構成することで、第１絞り部４０が有する熱容量を低下させ、少ない冷却空気４４で第１絞り部４０の温度上昇を抑制することができる。これにより、燃料ノズル２２からの燃料と混合することによって燃焼ガスの生成に用いられる圧縮空気を十分に確保し、ＮＯｘ排出量を抑えることができる。

これらの複数の絞りピース４０ａは、図４のように軸方向から見て、周方向に沿って隣り合う燃料ノズル２２Ｂの間に配置される。このような位置は、燃料ノズル２２Ｂに重なる位置に比べて燃焼ガスの温度が低くなりやすいことから、第１絞り部４０によって径方向内側の高温ガスおよび燃料ノズル中央部の高温ガスを絞り下流に流すことで、燃焼ガスの温度上昇を効果的に促進できる。

また、これらの複数の絞りピース４０ａは、図９に示すように、周方向に沿って延在する連結部材４０ｂによって互いに連結されることで一体的に構成されていてもよい。これにより、筒体２４の内周面に対する第１絞り部４０の取り付け作業が容易になる。

ここで第１絞り部４０を構成する複数の絞りピース４０ａは、溝部４１を有する溝付絞りピース４５を含んでいてもよい。図１１は溝付絞りピース４５を含む第１絞り部４０の一例を示す図であり、図１２は図１１の溝付絞りピース４５を径方向内側から燃焼ガスの流れとともに示す図である。

尚、図１１及び図１２では、第１絞り部４０が互いに独立した部材（別部材）である複数の絞りピース４０ａから構成されている場合を例示しているが、図９のように複数の絞りピース４０ａは連結部材４０ｂによって連結されていてもよい。また図１１では、第１絞り部４０が備える複数の絞りピース４０ａのうち一部が溝付絞りピース４５として構成された場合を示しているが、複数の絞りピース４０ａにおける溝付絞りピース４５の割合は任意でよい。また全ての絞りピース４０ａを溝付絞りピース４５としてもよいし、全ての絞りピース４５を前述の実施形態のように溝なし絞りピースとしてもよい。

溝付絞りピース４５は、径方向内側縁部４３から径方向外側に向けて延在するように形成された溝部４１を有する。本実施形態では、溝部４１は径方向内側縁部４３から径方向外側縁部４７に至るまで延在することで、溝付絞りピース４５が第１ピース部材４５ａ及び第２ピース部材４５ｂに分割されている。このように溝付絞りピース４５を小さな部材の組み合わせとして構成することで、筒体への取付を容易に行うことができる。

尚、溝部４１は、径方向内側縁部４３から径方向外側に向けて部分的に切りかかれた（すなわち、径方向外側縁部４７まで到達しない）凹部として構成されていてもよい。この場合、溝付絞りピース４５は、第１ピース部材４５ａ及び第２ピース部材４５ｂは部分的に連結された構成となる。

第１絞り部４０が上流側から受ける燃焼ガスは、溝付絞りピース４５の溝部４１を通過すると、図１２に示すように、溝付絞りピース４５の下流側に渦４６を形成する。この渦４６は、筒体２４の軸方向に垂直な断面において、面内方向で旋回するように形成される。このような渦４６によって筒体２４の内部において燃焼ガスが攪拌され、燃焼を促進することができる。

尚、溝部４１の形状やサイズは任意に設定可能であるが、溝部４１が大きすぎると前述した第１絞り部４０による燃焼ガスの径方向への偏向による燃焼促進効果が減少してしまい、逆に溝部４１が小さすぎると溝部４１によって形成される渦４６による燃焼促進効果が減少してしまうため、これらのバランスを考慮して決定するとよい。また溝部４１の大きさは、複数の燃料ノズル２２の周方向における配置間隔（ピッチ）に対して十分に小さいことが好ましく、例えば絞り高さ以下に設定されるとよい。

尚、溝部４１は、溝付絞りピース４５の周方向に沿った略中心位置に設けられる。このよう溝部４１の位置を設定することで燃焼を促進するための渦４６を効果的に生じさせることができる。

図１３は図７の変形例であり、図１４は図１３の第１絞り部４０及び第２絞り部５０を透過的に示す筒体２４の側面図であり、図１５は図１３の複数の燃料ノズル２２を燃焼器軸線Ａｃに沿って下流側から示す模式図であり、図１６は図１３に対応する温度及び一酸化炭素の濃度の分布を示す図である。

本変形例に係る燃焼器３は、前述の第１絞り部４０に加えて、第２絞り部５０を更に備える。第２絞り部５０は、第１燃料ノズルグループ３２Ａ及び第２燃料ノズルグループ３２Ｂの他方に対応するように、周方向に沿って延在するように設けられる。本変形例では、第１絞り部４０が第２燃料ノズルグループ３２Ｂに対応して設けられているため、第２絞り部５０は第１燃料ノズルグループ３２Ａに対応して設けられている。つまり、燃焼器３の部分負荷運転時に、燃料噴射量が少なく制御される第２燃料ノズルグループ３２Ｂに対応する第１絞り部４０は、燃料噴射量が多く制御される第１燃料ノズルグループ３２Ａに対応する第２絞り部５０より上流側に設けられる。

第２燃料ノズルグループ３２Ｂに属する燃料ノズル２２Ｂは、第１燃料ノズルグループ３２Ａに属する燃料ノズル２２Ａに比べて燃料噴射量が少ないため、図１３に示すように、第２火炎の形成範囲が広範囲に及び、燃焼温度も比較的低くなるため、第１燃料ノズルグループ３２Ａ側に比べて一酸化炭素が発生しやすい。そのため、第２燃料ノズルグループ３２Ｂに対応する第１絞り部４０を、第１燃料ノズルグループ３２Ａに対応する第２絞り部５０より上流側に配置することで、燃料ノズルに近い位置で内周面近傍の燃焼ガスを中央部に向けて流すことができる。これにより、第２燃料ノズルグループ３２Ｂにおける燃焼ガスの燃焼をより促進し、燃焼ガスから排出される一酸化炭素を効果的に低減できる。

第２絞り部５０は、図８を参照して前述した第１絞り部４０と略同様の形状を有しており、筒体２４の内周面から径方向内側に向けて突出するように設けられる。これにより、第２絞り部５０が設けられた内周面の近傍における燃焼ガスが、温度が比較的高くなる筒体２４の径方向内側に向けて流される。その結果、他方側の第１燃料ノズルグループ３２Ａに対応する燃焼ガスについても燃焼を促進し、燃焼ガスに含まれる一酸化炭素をより効果的に低減できる。図１６では、第２絞り部５０が設けられた距離Ｌ３の近傍において第１燃料ノズルグループ３２Ａにおける燃焼ガス温度が更に上昇するとともに、燃焼ガスに含まれる一酸化濃度がより低減されていることが示されている（尚、図１６では図示をわかりやすく示すために、距離Ｌ１，Ｌ１´、Ｌ２、Ｌ２´、Ｌ３の相対的位置関係を他の図面から適宜変更している）。

このような第２絞り部５０は、第１絞り部４０と同様に筒体２４の内周面に周方向に沿って部分的に延在するが、図１３及び図１４に示すように、第１絞り部４０とは互いに異なる軸方向位置に設けられることにより、非対称的な構成を有する。そのため、第１絞り部４０に加えて第２絞り部５０を追加的に設けた場合においても、部分負荷運転時の燃焼振動を効果的に抑制できる。

第１絞り部４０及び第２絞り部５０は、筒体２４の下流側端部Ｌ_ｅｎｄまでの距離と燃焼ガスに含まれるＣＯの酸化速度との比が等しくなるように設けられる。具体的に説明すると、筒体２４の上流側端部から第１絞り部４０までの距離Ｌ２、第１絞り部４０に対応する第２燃料ノズルグループ３２Ｂに属する燃料ノズル２２ＢにおけるＣＯの酸化速度Ｖ２、筒体２４の上流側端部から第２絞り部５０までの距離Ｌ３、及び、第２絞り部５０に対応する第１燃料ノズルグループ３２Ａに属する燃料ノズル２２ＡにおけるＣＯの酸化速度Ｖ１は、次式を満たすように設計される（ここで筒体２４の全長をＬとすると、Ｌ２´´＝Ｌ－Ｌ２、Ｌ３´＝Ｌ－Ｌ３である）。
Ｌ２´´／Ｖ１＝Ｌ３´／Ｖ２
第１絞り部４０及び第２絞り部５０をこのような位置関係に配置することで、第１燃料ノズルグループ３２Ａ及び第２燃料ノズルグループ３２Ｂに属する各燃料ノズル２２からの燃焼ガスに含まれる一酸化炭素を効果的に低減できる。

また第２絞り部５０は、第１絞り部４０と同様に、周方向に沿って間隔をあけて配置された複数の絞りピース５０ａを含んでもよい。このように第２絞り部５０を複数の絞りピース５０ａに分割して構成することで、第２絞り部５０が有する熱容量を低下させ、少ない冷却空気４４で第２絞り部５０の温度上昇を抑制することができる。これにより、第１燃料ノズルグループ３２Ａ側においても、燃料ノズル２２からの燃料と混合することによって燃焼ガスの生成に用いられる圧縮空気を十分に確保し、ＮＯｘ排出量を抑えることができる。

これらの複数の絞りピース５０ａは、図１５のように軸方向から見て、周方向に沿って隣り合う燃料ノズル２２Ａの間に配置される。このような位置は、燃料ノズル２２Ａに重なる位置に比べて燃焼ガスの温度が低くなりやすいことから、第２絞り部５０によって燃焼ガスを径方向内側に流すことで、燃焼ガスの温度上昇を効果的に促進できる。

また、これらの複数の絞りピース５０ａもまた、図１５に示すように、周方向に沿って延在する連結部材５０ｂによって互いに連結されることで一体的に構成されてもよい。これにより、筒体２４の内周面に対する第２絞り部５０の取り付け作業が容易になる。

ここで第２絞り部５０を構成する複数の絞りピース５０ａは、溝部５１を有する溝付絞りピース５５を含んでいてもよい。図１７は溝付絞りピース５５を含む第２絞り部５０の一例を示す図であり、図１８は図１７の溝付絞りピース５５を径方向内側から燃焼ガスの流れとともに示す図である。

尚、図１７及び図１８では、第２絞り部５０が互いに独立した部材（別部材）である複数の絞りピース５０ａから構成されている場合を例示しているが、図１５のように複数の絞りピース５０ａは連結部材５０ｂによって連結されていてもよい。また図１７では、第２絞り部５０が備える複数の絞りピース５０ａのうち一部が溝付絞りピース５５として構成された場合を示しているが、複数の絞りピース５０ａにおける溝付絞りピース５５の割合は任意でよい。また全ての絞りピース５０ａを溝付絞りピース５５としてもよいし、全ての絞りピース５５を前述の実施形態のように溝なし絞りピースとしてもよい。

溝付絞りピース５５は、径方向内側縁部５３から径方向外側に向けて延在するように形成された溝部５１を有する。本実施形態では、溝部５１は径方向内側縁部５３から径方向外側縁部５７に至るまで延在することで、溝付絞りピース５５が第１ピース部材５５ａ及び第２ピース部材５５ｂに分割されている。このように溝付絞りピース５５を小さな部材の組み合わせとして構成することで、筒体への取付を容易に行うことができる。

尚、溝部５１は、径方向内側縁部５３から径方向外側に向けて部分的に切りかかれた（すなわち、径方向外側縁部５７まで到達しない）凹部として構成されていてもよい。この場合、溝付絞りピース５５は、第１ピース部材５５ａ及び第２ピース部材５５ｂは部分的に連結された構成となる。

第２絞り部５０が上流側から受ける燃焼ガスは、溝付絞りピース５５の溝部５１を通過すると、図１８に示すように、溝付絞りピース５５の下流側に渦５６を形成する。この渦５６は、筒体２４の軸方向に垂直な断面において、面内方向で旋回するように形成される。このような渦５６によって筒体２４の内部において燃焼ガスが攪拌され、燃焼を促進することができる。

尚、溝部５１の形状やサイズは任意に設定可能であるが、溝部５１が大きすぎると前述した第２絞り部５０による燃焼ガスの径方向への偏向による燃焼促進効果が減少してしまい、逆に溝部５１が小さすぎると溝部５１によって形成される渦５６による燃焼促進効果が減少してしまうため、これらのバランスを考慮して決定するとよい。また溝部５１の大きさは、複数の燃料ノズル２２の周方向における配置間隔（ピッチ）に対して十分に小さいことが好ましく、例えば絞り高さ以下に設定されるとよい。

尚、溝部５１は、溝付絞りピース５５の周方向に沿った略中心位置に設けられる。このよう溝部５１の位置を設定することで燃焼を促進するための渦５６を効果的に生じさせることができる。

以上説明したように上述の各実施形態によれば、部分負荷運転時に燃焼振動を防ぎながら、一酸化炭素の発生を好適に抑制可能なガスタービン１の燃焼器３を提供できる。

その他、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施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、上記した実施形態を適宜組み合わせてもよい。

上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。

（１）一態様に係るガスタービンの燃焼器は、
燃料を供給可能な燃料ノズルをそれぞれ含み、互いに独立的に制御可能な燃料供給系統を有する第１燃料ノズルグループ及び第２燃料ノズルグループと、
前記燃料の燃焼によって生成された燃焼ガスが流通可能な燃焼領域が内側に形成される筒体と、
前記第１燃料ノズルグループ及び前記第２燃料ノズルグループの一方に対応するように周方向に沿って部分的に延在し、前記筒体の内周面から径方向内側に向けて突出する第１絞り部と、
を備える。

上記（１）の態様によれば、筒体の内周面上には、第１燃料ノズルグループ及び第２燃料ノズルグループの一方に対応するように、径方向内側に向けて突出する第１絞り部が設けられる。これにより、第１絞り部が設けられた内周面の近傍における燃焼ガスは、温度が比較的高い筒体の径方向内側に向けて偏向されることで燃焼が促進され、一酸化炭素が効果的に低減される。また第１絞り部は周方向に沿って部分的に延在する非対称な構成を有するため、部分負荷運転時においても燃焼振動が生じにくい。このようにして、部分負荷運転時に燃焼振動を防ぎながら、一酸化炭素の発生を好適に抑制可能なガスタービンの燃焼器を実現できる。

（２）他の態様では、上記（１）の態様において、
前記第１絞り部は、周方向に沿って間隔をあけて配置された複数の絞りピースを含む。

上記（２）の態様によれば、第１絞り部は複数の絞りピースを含んで構成される。第１絞り部は燃焼ガスを偏向する際に、燃焼ガスから受ける熱量による温度上昇を抑制するために、冷却空気が供給されることがある。本態様では、第１絞り部を複数の絞りピースに分割して構成することで、第１絞り部が有する熱容量を低下させ、少ない冷却空気で温度上昇を効果的に抑制することができる。

（３）他の態様では、上記（２）の態様において、
前記複数の絞りピースは、軸方向から見て、周方向に沿って隣り合う前記燃料ノズルの間に配置される。

上記（３）の態様によれば、第１絞り部を構成する複数の絞りピースは、軸方向から見て、周方向に沿って隣り合う燃料ノズルの間に配置される。このような位置は、燃料ノズルに重なる位置に比べて比較的温度が低いことから、第１絞り部における温度上昇を抑制することに効果的である。

（４）他の態様では、上記（２）又は（３）の態様において、
前記複数の絞りピースは、周方向に沿って延在する連結部材によって互いに連結されている。

上記（４）の態様によれば、第１絞り部を構成する複数の絞りピースは周方向に沿って延在する連結部材によって互いに連結されることで一体的に構成される。これにより、筒体の内周面に対する第１絞り部の取り付け作業が容易になる。

（５）他の態様では、上記（１）から（４）のいずれか一態様において、
前記複数の絞りピースは、前記絞りピースの径方向内側縁部から径方向外側に向けて形成された溝部を有する溝付絞りピースを含む。

上記（５）の態様によれば、第１絞り部材が備える複数の絞りピースの少なくとも一部は溝付絞りピースとして構成される。溝付絞りピースは、径方向内側縁部から径方向外側に向けて形成された溝部を有する。溝部は、絞りピースが受ける燃焼ガスが通過する際に、絞りピースの下流側に渦を形成することにより、燃焼を効果的に促進できる。

（６）他の態様では、上記（５）の態様において、
前記溝付絞りピースは、前記溝部によって互いに分割された第１ピース部材及び第２ピース部材を備える。

上記（６）の態様によれば、溝付絞りピースは、第１ピース部材と第２ピース部材とが溝部によって互いに分割された構成を有する。このように溝付絞りピースを小さな部材の組み合わせとして構成することで、筒体への取付を容易に行うことができる。また第１ピース部材と第２ピース部材との間に十分な溝部を形成することができるため、溝部によって形成される渦を大きくすることができ、より燃焼を促進できる。

（７）他の態様では、上記（５）又は（６）の態様において、
前記溝部は、前記溝付絞りピースの周方向に沿った略中心位置に設けられる。

上記（７）の態様によれば、溝付絞りピースでは、溝付絞りピースの周方向に沿った略中心位置に溝部を設けることにより、燃焼を促進するための渦を効果的に生じさせることができる。

（８）他の態様では、上記（１）から（７）のいずれか一態様において、
前記第１燃料ノズルグループ及び前記第２燃料ノズルグループの他方に対応するように周方向に沿って部分的に延在し、前記筒体の内周面から径方向内側に向けて突出する第２絞り部を更に備え、
前記第１絞り部及び前記第２絞り部は、互いに異なる軸方向位置に設けられる。

上記（８）の態様によれば、前述の第１絞り部に加えて、第１燃料ノズルグループ及び第２燃料ノズルグループの他方に対応する第２絞り部が設けられる。第２絞り部は、第１絞り部と同様に、径方向内側に向けて突出するように構成されることで、第２絞り部が設けられた筒体の内周面の近傍において、燃焼ガスを径方向内側に偏向する。これにより、他方側においても燃焼ガスの燃焼が促進され、一酸化炭素を効果的に低減できる。また第２絞り部は、第１絞り部と互いに異なる軸方向位置において、周方向に沿って部分的に延在する非対称な構成を有する。そのため、第１絞り部に加えて第２絞り部を追加的に設けた場合においても、部分負荷運転時の燃焼振動を効果的に抑制できる。

（９）他の態様では、上記（８）の態様において、
前記第２絞り部は、周方向に沿って間隔をあけて配置された複数の絞りピースを含む。

上記（９）の態様によれば、第２絞り部は複数の絞りピースを含んで構成される。第２絞り部は、前述の第１絞り部と同様に、筒体の内部を流れる燃焼ガスを受けることによる温度上昇を抑制するために、冷却空気が供給されることがある。本態様では、第２絞り部を複数の絞りピースに分割して構成することで、第２絞り部が有する熱容量を低下させ、少ない冷却空気で温度上昇を効果的に抑制することができる。

（１０）他の態様では、上記（９）の態様において、
前記複数の絞りピースは、軸方向から見て、周方向に沿って隣り合う燃料ノズルの間に配置される。

上記（１０）の態様によれば、第２絞り部を構成する複数の絞りピースもまた、前述の第１絞り部と同様に、軸方向から見て、周方向に沿って隣り合う燃料ノズルの間に配置される。このような位置は、燃料ノズルに重なる位置に比べて比較的温度が低いことから、第２絞り部における温度上昇を抑制することに効果的である。

（１１）他の態様では、上記（９）又は（１０）の態様において、
前記複数の絞りピースは、周方向に沿って延在する連結部材によって互いに連結されている。

上記（１１）の態様によれば、第２絞り部を構成する複数の絞りピースもまた、前述の第１絞り部と同様に、周方向に沿って延在する連結部材によって互いに連結されることで一体的に構成される。これにより、筒体の内周面に対する第２絞り部の取り付け作業が容易になる。

（１２）他の態様では、上記（９）から（１１）のいずれか一態様において、
前記複数の絞りピースは、前記絞りピースの径方向内側縁部から径方向外側に向けて形成された溝部を有する溝付絞りピースを含む。

上記（１２）の態様によれば、第２絞り部材が備える複数の絞りピースの少なくとも一部は溝付絞りピースとして構成される。溝付絞りピースは、径方向内側縁部から径方向外側に向けて形成された溝部を有する。溝部は、絞りピースが受ける燃焼ガスが通過する際に、絞りピースの下流側に渦を形成することにより、燃焼を効果的に促進できる。

（１３）他の態様では、上記（１２）の態様において、
前記溝付絞りピースは、前記溝部によって互いに分割された第１ピース部材及び第２ピース部材を備える。

上記（１３）の態様によれば、溝付絞りピースは、第１ピース部材と第２ピース部材とが溝部によって互いに分割された構成を有する。このように溝付絞りピースを小さな部材の組み合わせとして構成することで、筒体への取付を容易に行うことができる。また第１ピース部材と第２ピース部材との間に十分な溝部を形成することができるため、溝部によって形成される渦を大きくすることができ、より燃焼を促進できる。

（１４）他の態様では、上記（１２）又は（１３）の態様において、
前記溝部は、前記溝付絞りピースの周方向に沿った略中心位置に設けられる。

上記（１４）の態様によれば、溝付絞りピースでは、溝付絞りピースの周方向に沿った略中心位置に溝部を設けることにより、燃焼を促進するための渦を効果的に生じさせることができる。

（１５）他の態様では、上記（８）から（１４）のいずれか一態様において、
前記第１燃料ノズルグループに含まれる前記燃料ノズルは、部分負荷運転時に、前記第２燃料ノズルグループに含まれる前記燃料ノズルより燃料噴射量が多く制御され、
前記第１絞り部は前記第２燃料ノズルグループに対応するように設けられ、
前記第２絞り部は前記第１燃料ノズルグループに対応するように設けられ、
前記第１絞り部は、前記第２絞り部より上流側に設けられる。

上記（１５）の態様によれば、第２燃料ノズルグループに対応する第１絞り部は、第１燃料ノズルグループに対応する第２絞り部より上流側に設けられる。第２燃料ノズルグループに属する燃料ノズルは、第１燃料ノズルグループに属する燃料ノズルに比べて燃料噴射量が少ないため、火炎の形成範囲が広範囲にわたり、燃焼温度も比較的低くなるため、第１燃料ノズルグループに属する燃焼ノズルに比べて一酸化炭素が発生しやすい。そのため、第２燃料ノズルグループに対応する第１絞り部を、第１燃料ノズルグループに対応する第２絞り部より上流側に配置することで、燃料ノズルに近い位置で内周面近傍の燃焼ガスを中央部に偏向して燃焼を促進し、一酸化炭素を低減できる。

（１６）他の態様では、上記（８）から（１５）のいずれか一態様において、
前記第１絞り部及び前記第２絞り部は、前記筒体の上流側端部からの距離と前記燃焼ガスに含まれるＣＯの酸化速度との比が等しくなるように設けられる。

上記（１６）の態様によれば、第１絞り部及び第２絞り部をこのような位置関係に配置することで、第１燃料ノズルグループ及び第２燃料ノズルグループに属する各燃料ノズルからの燃焼ガスに含まれる一酸化炭素を効果的に低減できる。

（１７）一態様に係るガスタービンは上記（１）から（１６）のいずれか一態様の燃焼器を備える。

上記（１７）の態様によれば、上記構成の燃焼器を備えることで、部分負荷運転時に燃焼振動を防ぎながら、一酸化炭素の発生を好適に抑制可能なガスタービンを実現できる。

１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ 燃焼器
５ タービン
６ 圧縮機ロータ
７ 圧縮機ケーシング
８ 圧縮機動翼
９ 圧縮機動翼段
１０ 圧縮機静翼
１１ 圧縮機静翼段
１２ タービンロータ
１３ タービンケーシング
１４ タービン動翼
１５ タービン動翼段
１６ タービン静翼
１７ タービン静翼段
１８ ガスタービンロータ
１９ ガスタービンケーシング
２０ 発電機
２１ 外筒
２２ 燃料ノズル
２３ スワラ支持筒
２４ 筒体
３０Ａ 第１燃料供給系統
３０Ｂ 第２燃料供給系統
３２Ａ 第１燃料ノズルグループ
３２Ｂ 第２燃料ノズルグループ
３４Ａ 第１燃料供給路
３４Ｂ 第２燃料供給路
３６Ａ 第１燃料流量調整弁
３６Ｂ 第２燃料流量調整弁
３８Ａ 第１火炎
３８Ｂ 第２火炎
４０ 第１絞り部
４０ａ 絞りピース
４０ｂ 連結部材
４１ 溝部
４３ 径方向内側縁部
４５ 溝付絞りピース
４５ａ 第１ピース部材
４５ｂ 第２ピース部材
４６ 渦
４７ 径方向外側縁部
５０ 第２絞り部
５０ａ 絞りピース
５０ｂ 連結部材
５１ 溝部
５３ 径方向内側縁部
５５ 溝付絞りピース
５５ａ 第１ピース部材
５５ｂ 第２ピース部材
５６ 渦
５７ 径方向外側縁部

Claims (16)

1. 燃料を供給可能な燃料ノズルをそれぞれ含み、互いに独立的に制御可能な燃料供給系統を有する第１燃料ノズルグループ及び第２燃料ノズルグループと、
   前記燃料の燃焼によって生成された燃焼ガスが流通可能な燃焼領域が内側に形成される筒体と、
   前記第１燃料ノズルグループ及び前記第２燃料ノズルグループの一方に対応するように周方向に沿って部分的に延在し、前記筒体の内周面から径方向内側に向けて突出する第１絞り部と、
   を備え、
   前記第１絞り部は、軸方向から見て、周方向に沿って隣り合う前記燃料ノズルの間に配置される複数の第１絞りピースを含む、ガスタービンの燃焼器。
2. 前記複数の第１絞りピースは、周方向に沿って間隔をあけて配置される、請求項１に記載のガスタービンの燃焼器。
3. 前記複数の第１絞りピースは、周方向に沿って延在する連結部材によって互いに連結されている、請求項２に記載のガスタービンの燃焼器。
4. 前記複数の第１絞りピースは、前記絞りピースの径方向内側縁部から径方向外側に向けて形成された溝部を有する溝付絞りピースを含む、請求項２に記載のガスタービンの燃焼器。
5. 前記溝付絞りピースは、前記溝部によって互いに分割された第１ピース部材及び第２ピース部材を備える、請求項４に記載のガスタービンの燃焼器。
6. 前記溝部は、前記溝付絞りピースの周方向に沿った略中心位置に設けられる、請求項４に記載のガスタービンの燃焼器。
7. 前記第１燃料ノズルグループ及び前記第２燃料ノズルグループの他方に対応するように周方向に沿って部分的に延在し、前記筒体の内周面から径方向内側に向けて突出する第２絞り部を更に備え、
   前記第１絞り部及び前記第２絞り部は、互いに異なる軸方向位置に設けられる、請求項１又は２に記載のガスタービンの燃焼器。
8. 前記第２絞り部は、周方向に沿って間隔をあけて配置された複数の第２絞りピースを含む、請求項７に記載のガスタービンの燃焼器。
9. 前記複数の第２絞りピースは、軸方向から見て、周方向に沿って隣り合う燃料ノズルの間に配置される、請求項８に記載のガスタービンの燃焼器。
10. 前記複数の第２絞りピースは、周方向に沿って延在する連結部材によって互いに連結されている、請求項８に記載のガスタービンの燃焼器。
11. 前記複数の第２絞りピースは、前記第２絞りピースの径方向内側縁部から径方向外側に向けて形成された溝部を有する溝付絞りピースを含む、請求項８に記載のガスタービンの燃焼器。
12. 前記溝付絞りピースは、前記溝部によって互いに分割された第１ピース部材及び第２ピース部材を備える、請求項１１に記載のガスタービンの燃焼器。
13. 前記溝部は、前記溝付絞りピースの周方向に沿った略中心位置に設けられる、請求項１１に記載のガスタービンの燃焼器。
14. 前記第１燃料ノズルグループに含まれる前記燃料ノズルは、部分負荷運転時に、前記第２燃料ノズルグループに含まれる前記燃料ノズルより燃料噴射量が多く制御され、
    前記第１絞り部は前記第２燃料ノズルグループに対応するように設けられ、
    前記第２絞り部は前記第１燃料ノズルグループに対応するように設けられ、
    前記第１絞り部は、前記第２絞り部より上流側に設けられる、請求項７に記載のガスタービンの燃焼器。
15. 前記第１絞り部及び前記第２絞り部は、前記筒体の上流側端部からの距離と前記燃焼ガスに含まれるＣＯの酸化速度との比が等しくなるように設けられる、請求項７に記載のガスタービンの燃焼器。
16. 請求項１又は２に記載の燃焼器を備える、ガスタービン。

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