JPWO2018173122A1 - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

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Abstract

実施形態の燃焼器２０は、筒状の燃焼器ライナ７０と、燃焼器ライナ７０の一端に設けられ、燃焼器ライナ内に燃料および酸化剤を噴出する燃料ノズル２１Ａとを備える。燃料ノズル２１Ａが、燃料を供給する複数の燃料供給通路８０、８２と、酸化剤を供給する複数の酸化剤供給通路８１、８３とを備える。各燃料供給通路８０、８２に供給される燃料の流量および各酸化剤供給通路８１、８３に供給される酸化剤の流量は、それぞれ個別に調整される。

Description

本発明の実施形態は、ガスタービン燃焼器に関する。
従来のガスタービンでは、圧縮機からの高圧空気が燃焼器に供給される。燃焼器に供給された高圧空気は、燃焼器ライナの周囲を流れ、燃焼器ライナを冷却する。燃焼器ライナを冷却した高圧空気の一部は、例えば、燃焼用空気として燃料ノズルに供給される。そして、燃料ノズルから燃焼器ライナ内に燃料および高圧空気が導入される。燃焼器ライナ内に導入された燃料および高圧空気は、反応して、火炎を形成する。
また、燃焼器ライナを冷却した高圧空気の他の一部は、例えば、燃焼器ライナに形成された導入孔より燃焼器ライナ内に燃焼用空気として導入される。
図１７は、従来のガスタービンにおける、着火から定格負荷までの燃焼器に供給される燃料流量と空気流量の変化を示す図である。図１８は、従来のガスタービンにおける、着火から定格負荷までの当量比の変化を示す図である。なお、ここでいう当量比は、燃焼器に供給された、燃料と燃焼用空気から計算される当量比（オーバーオールでの当量比）である。
図１７に示すように、空気流量は、圧縮機の運転特性によって決まるため、負荷に対する変化は小さい。これに対して、負荷を調整する燃料流量は、空気流量と比べて負荷に対する変化は大きい。そのため、図１８に示すように、着火から定格負荷まで当量比は、増加する。
このように、従来のガスタービンでは、負荷を調整するため、燃料流量を大きく変化させる必要がある。そこで、従来のガスタービンには、例えば、低負荷燃料供給系統および高負荷燃料供給系統を備えるガスタービンがある。この従来のガスタービンでは、着火から中間負荷まで、低負荷燃料供給系統を使用し、中間負荷から定格負荷まで、低負荷燃料供給系統および高負荷燃料供給系統の双方を使用している。
一方、空気流量については、従来のガスタービンでは、圧縮機から供給される空気は、タービンの冷却や燃焼用として各部に供給される。そのため、各部に供給される空気は、各部の開口面積比によって配分が調整されており、負荷によって配分が変化することはない。また、従来のガスタービンにおいて、燃焼器の周囲に可動弁を設けることで燃焼器に供給する空気量配分を調整する機能をガスタービン内部に有するものもある。しかしながら、複数の空気供給系統を備えて各空気供給系統から供給される空気流量を流量調整弁などによって個別に調整する機能を備えるものはない。
近年、上記したようなガスタービンを備える発電プラントにおいて、二酸化炭素の削減や省資源などの要求から、高効率化が進められている。そのような中、超臨界ＣＯ２ガスタービン設備が検討されている。この超臨界ＣＯ２ガスタービン設備では、超臨界圧まで加圧された二酸化炭素を燃焼器に供給し、超臨界二酸化炭素雰囲気で燃料と酸素を燃焼させる。そして、高温化した二酸化炭素を作動流体としてタービンで仕事させ、この二酸化炭素を再び超臨界圧まで加圧して燃焼器に循環させる。
この超臨界ＣＯ２ガスタービン設備では、循環させる作動流体中の未燃分や残留酸素量を少なくするため、燃料および酸化剤の流量は、燃焼器に供給される全燃料と全酸化剤から計算された燃料と酸素の比が量論混合比（当量比１）になるように調整されている。
特許第２９５０７２０号公報
上記したように、超臨界ＣＯ２ガスタービン設備では、量論混合比となるように燃料流量および酸化剤流量を調整する必要がある。そのため、燃料流量の増減に対応して酸化剤流量も増減させる必要がある。
しかしながら、従来のガスタービンにおいては、負荷に対する空気流量の変化は、負荷に対する燃料流量の変化に比べて小さい。すなわち、従来のガスタービンにおいては、燃料流量に対応して任意に空気流量を調整することができない。そのため、図１８に示すように、当量比は、着火時から定格負荷時まで増加する。また、定格負荷においても当量比は１未満の希薄状態であるため、燃焼ガスは余った酸素を含んだ状態で大気に放出されている。
また、従来のガスタービンにおける技術を超臨界ＣＯ２ガスタービン設備に適用しても、着火から定格負荷まで、量論混合比となるように酸化剤流量を調整することはできない。
本発明が解決しようとする課題は、酸化剤の供給圧力の過大な上昇を抑制しつつ、燃料流量に対応して空気流量を任意に調整することができるガスタービン燃焼器を提供するものである。
実施形態のガスタービン燃焼器は、筒状の燃焼器ライナと、前記燃焼器ライナの一端に設けられ、前記燃焼器ライナ内に燃料および酸化剤を噴出する燃料ノズルとを備える。前記燃料ノズルは、燃料を供給する複数の燃料供給通路と酸化剤を供給する複数の酸化剤供給通路とを備える。そして、各前記燃料供給通路に供給される燃料の流量および各前記酸化剤供給通路に供給される酸化剤の流量は、それぞれ個別に調整される。
第１の実施の形態の燃焼器を備えるガスタービン設備の系統図である。 第１の実施の形態の燃焼器の燃料ノズルの縦断面を模式的に示した図である。 第１の実施の形態の燃焼器の燃料ノズルにおける平板を燃焼器ライナ側から見たときの平面図である。 第１の実施の形態の燃焼器の負荷に応じた燃料ノズルにおける燃料供給圧力を示した図である。 第１の実施の形態の燃焼器の負荷に応じた燃料ノズルにおける酸化剤供給圧力を示した図である。 第１の実施の形態の燃焼器の負荷に応じた燃料ノズルにおける燃料噴出流速を示した図である。 第１の実施の形態の燃焼器の負荷に応じた燃料ノズルにおける酸化剤噴出流速を示した図である。 第１の実施の形態の燃焼器の負荷に応じた当量比の変化を示した図である。 第２の実施の形態の燃焼器の燃料ノズルの縦断面を模式的に示した図である。 第２の実施の形態の燃焼器の他の構造の燃料ノズルの縦断面を模式的に示した図である。 第３の実施の形態の燃焼器の燃料ノズルの縦断面を模式的に示した図である。 第３の実施の形態の燃焼器の燃料ノズルを燃焼器ライナ側から見たときの平面図である。 第４の実施の形態の燃焼器を備えるガスタービン設備の系統図である。 第４の実施の形態の燃焼器の燃料ノズルの縦断面を模式的に示した図である。 第５の実施の形態の燃焼器の燃料ノズルの縦断面を模式的に示した図である。 第５の実施の形態の燃焼器の燃料ノズルを燃焼器ライナ側から見たときの平面図である。 従来のガスタービンにおける、着火から定格負荷までの燃焼器に供給される燃料流量と空気流量の変化を示す図である。 従来のガスタービンにおける、着火から定格負荷までの当量比の変化を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の燃焼器２０を備えるガスタービン設備１０の系統図である。図１に示すように、ガスタービン設備１０は、燃料と酸化剤を燃焼させる燃焼器２０と、燃焼器２０に取り付けられた燃料ノズル２１Ａと、燃焼器２０から排出された燃焼ガスによって回動するタービン２２とを備えている。タービン２２には、例えば、発電機２３が連結されている。なお、燃焼器２０は、タービン燃焼器として機能する。
また、ガスタービン設備１０は、タービン２２から排出された燃焼ガスを冷却する熱交換器２４を備えている。燃焼ガスから得られた熱量は、燃焼器２０や燃料ノズル２１Ａに供給される、後述する酸化剤や二酸化炭素に与えられる。
なお、ここでいう、燃焼器２０から排出される燃焼ガスは、燃料と酸化剤とによって生成された燃焼生成物と、燃焼器２０に供給されて燃焼生成物とともに燃焼器２０から排出される、後述する二酸化炭素（燃焼ガスの一部）とを含んだものである。
図１に示すように、燃焼器２０から排出された燃焼ガスは、タービン２２に導かれ、タービン２２を回動させる。そして、タービン２２の回動によって発電機２３を駆動する。
タービン２２から排出された燃焼ガスは、熱交換器２４を通過することによって冷却される。熱交換器２４を通過した燃焼ガスは、配管４０を通り、冷却器２５を通過する。燃焼ガスは、冷却器２５を通過することで、さらに冷却され、燃焼ガス中に含まれる水蒸気が除去され、ドライの燃焼ガスとなる。
ここで、燃料ノズル２１Ａに供給される燃料としては、例えば、天然ガス、メタンなどの炭化水素ガス、灯油などの液体燃料、石炭ガス化ガスなどが使用される。ガスタービン設備１０の燃焼器２０においては、例えば、燃料および酸素の流量は、量論混合比（当量比１）になるように調整されている。なお、ここでいう当量比は、燃焼器２０に供給された、燃料と酸化剤から計算された当量比（オーバーオールでの当量比）である。なお、以下においても、当量比の定義は、これと同じである。
当量比１における燃焼の場合、水蒸気が除去された燃焼ガスの成分は、ほぼ二酸化炭素である。そこで、以下、冷却器２５を通過して水蒸気が除去された燃焼ガスを二酸化炭素と呼ぶ。この二酸化炭素には、例えば、微量の一酸化炭素や酸素などが混在する場合も含まれる。
なお、燃焼ガス中の水蒸気は、冷却器２５を通過することで、凝縮して水となる。水は、例えば配管４１を通り外部に排出される。このように、冷却器２５は、燃焼ガス中の水蒸気を除去する機能を有する。
配管４０には、冷却器２５の下流側に圧縮機２６が介在している。配管４０を流れる二酸化炭素は、圧縮機２６によって昇圧され、超臨界流体となる。
圧縮機２６の下流において、配管４０から分岐した、配管４２および配管４６が設けられている。配管４２は、酸化剤を流す配管４３に連結されている。配管４２には、流量調整弁５０が介在している。超臨界流体となった二酸化炭素の一部は、配管４２に流入し、流量調整弁５０によって流量が調整されて配管４３内に導かれる。
一方、配管４６は、ガスタービン設備１０の系統の外部に向かって設けられている。配管４６に導かれた二酸化炭素は、外部に排出される。ここで、配管４６から排出される二酸化炭素量は、燃焼器２０において燃料と酸素が反応することで生成された二酸化炭素量に相当する。外部に排出された二酸化炭素は、例えば、石油採掘現場で採用されているＥＯＲ（Enhanced Oil Recovery）に利用することができる。
酸化剤を流す配管４３には、空気分離装置（図示しない）によって大気から分離された酸素が流れる。配管４３には、圧縮機２７および流量調整弁５１が介在している。配管４３を流れる酸化剤は、圧縮機２７によって超臨界流体まで昇圧され、流量調整弁５１によって流量が調整される。また、配管４３は、圧縮機２７および流量調整弁５１を備える位置よりも下流側において、配管４２と連結している。
配管４２と配管４３との連結部Ｃ１よりも下流の配管４４には、酸化剤が流れる。配管４４は、熱交換器２４を介して燃料ノズル２１Ａに連結されている。
ここで、配管４４に流される酸化剤としては、酸素の他、酸素と二酸化炭素とを混合した混合ガスが含まれる。例えば、配管４２の流量調整弁５０が閉じられているときには、配管４４に酸素のみが流れる。また、配管４２の流量調整弁５０が開かれているときには、配管４４に混合ガスが流れる。
なお、以下において、酸素、および酸素と二酸化炭素とを混合させた混合ガスを、酸化剤と呼ぶ。
また、連結部Ｃ１と熱交換器２４との間に、配管４４から分岐した配管４４ａを備える。この配管４４ａは、熱交換器２４を介して燃料ノズル２１Ａに連結されている。
配管４４ａの分岐部Ｂ１と熱交換器２４との間の配管４４には、流量調整弁５３が介在している。また、分岐部Ｂ１と熱交換器２４との間の配管４４ａには、流量調整弁５４が介在している。
酸化剤は、配管４４、４４ａを通り、熱交換器２４を通り燃料ノズル２１Ａに導かれる。酸化剤は、熱交換器２４において、タービン２２から排出された燃焼ガスからの熱量を得て加熱される。
例えば、配管４４には、燃焼器２０の着火から定格負荷まで、酸化剤を供給する。一方、例えば、配管４４ａには、燃焼器２０の中間負荷から定格負荷まで、酸化剤を供給する。
なお、配管４４から分岐して熱交換器２４を介して燃料ノズル２１Ａに連結される配管は、燃料ノズル２１Ａの形態によって、複数備えることもできる。この場合においても、分岐部Ｂ１と熱交換器２４との間の各配管には、流量調整弁が介在している。
一方、配管４０を流れる超臨界流体の二酸化炭素は、配管４０に介在する流量調整弁５２によって流量が調整され、熱交換器２４を通過する。この際、二酸化炭素は、熱交換器２４においてタービン２２から排出された燃焼ガスからの熱量を得て加熱される。そして、配管４０を流れる二酸化炭素は、燃焼器２０に導かれる。
ここで、燃焼器２０に導かれた二酸化炭素は、例えば、燃焼器ライナの冷却や、希釈孔などから燃焼器ライナ内の燃焼領域の下流側に導入される。この二酸化炭素は、燃焼によって生成された燃焼ガスとともにタービン２２を回動する。
また、燃料ノズル２１Ａには、燃料供給源（図示しない）から燃料を燃料ノズル２１Ａ内に導く配管４７、配管４８が連結されている。配管４７、配管４８には、燃料の流量を調整する流量調整弁５５、５６がそれぞれ介在している。
例えば、配管４７には、燃焼器２０の着火から定格負荷まで、燃料を供給する。一方、例えば、配管４８には、燃焼器２０の中間負荷から定格負荷まで、燃料を供給する。
ここでは、配管４７、配管４８を例示しているが、燃料を燃料ノズル２１Ａ内に導く配管は、燃料ノズル２１Ａの形態によって、３つ以上備えることもできる。この場合においても、各配管には、流量調整弁が介在している。
ここで、熱交換器２４の下流において、図１に示すように、例えば、配管４０を分岐してもよい。例えば、配管４０から分岐した配管４０ａを、熱交換器２４と燃料ノズル２１Ａとの間の配管４４ａに連結してもよい。配管４０ａには、流量調整弁５７が介在している。また、例えば、配管４０から分岐した配管４０ｂを、配管４８に連結してもよい。配管４０ｂには、流量調整弁５８が介在している。なお、配管４０ａと配管４０ｂにおける分岐部は、いずれが上流側に位置してもよい。
このように配管４０ａを備えることで、熱交換器２４を通過後の二酸化炭素を配管４４ａに導くことができる。また、配管４０ｂを備えることで、熱交換器２４を通過後の二酸化炭素を配管４８に導くことができる。
例えば、燃焼器２０の中間負荷から定格負荷の高負荷条件時に、配管４４ａに酸化剤を供給し、配管４８に燃料を供給する場合、燃焼器２０の着火から中間負荷の直前まで、配管４４ａおよび配管４８は、何も流れていない。すなわち、着火から中間負荷の直前まで、流量調整弁５４および流量調整弁５６は閉じられている。
そこで、配管４０ａおよび配管４０ｂを備えることで、流量調整弁５４および流量調整弁５６が閉じられている間、配管４４ａおよび配管４８に二酸化炭素を流すことができる。
なお、ここでは、配管４０から分岐した配管４０ａおよび配管４８を例示しているが、配管４０から分岐する配管は、燃料ノズル２１Ａの形態によって、さらに増加することもできる。この場合においても、各配管には、流量調整弁が介在している。
また、配管４４から分岐した４４ａ、配管４０から分岐した４０ａはそれぞれ分岐位置を変えたり、熱交換器２４内の通過距離を変えたりすることで、それぞれ分岐前の配管４４、配管４０を流れる流体の温度と異なった温度に調整することも可能である。
上記したように、ガスタービン設備１０では、燃焼器２０で生成した二酸化炭素の一部は、系統内を循環する。
次に、燃料ノズル２１Ａの構成について、図２を参照して説明する。
図２は、第１の実施の形態の燃焼器２０の燃料ノズル２１Ａの縦断面を模式的に示した図である。なお、図２には、燃料ノズル２１Ａの各通路に酸化剤や燃料を供給するための配管が模式的に示されている。
図２に示すように、燃料ノズル２１Ａは、筒状の燃焼器ライナ７０の上流側の端部に取り付けられている。なお、燃焼器ライナ７０内において、燃料ノズル２１Ａから噴出された燃料と酸化剤とが反応し、燃焼する。
燃料ノズル２１Ａは、燃料を供給する複数の燃料供給通路と、酸化剤を供給する複数の酸化剤供給通路とを備えている。具体的には、燃料ノズル２１Ａは、第１の燃料供給通路８０と、第１の酸化剤供給通路８１と、第２の燃料供給通路８２と、第２の酸化剤供給通路８３とを備える。これらの各通路は、円筒状の壁部９０、９１、９２、９３によって区画されている。
第１の燃料供給通路８０は、中央に設けられた円柱状の通路である。第１の燃料供給通路８０は、壁部９０の内側に形成されている。第１の燃料供給通路８０は、配管４７と連通している。そして、第１の燃料供給通路８０には、配管４７から燃料が供給される。
第１の燃料供給通路８０の先端（燃焼器ライナ７０側の端部）は、例えば、平板１００によって閉鎖されている。そして、平板１００には、例えば、複数の噴出孔１０１が形成されている。
ここで、図３は、第１の実施の形態の燃焼器２０の燃料ノズル２１Ａにおける平板１００を燃焼器ライナ７０側から見たときの平面図である。
図３に示すように、噴出孔１０１は、例えば、噴出孔１０１から燃焼器ライナ７０内に噴出された燃料の流れに旋回成分を与えるように形成される。具体的には、噴出孔１０１は、平板１００の厚さ方向の傾斜し、かつ周方向に傾斜するように平板１００を貫通している。なお、各噴出孔１０１ともに、同じ方向の旋回成分を与えるように、上記したように傾斜している。そして、各噴出孔１０１から噴出された燃料の流れによって、旋回流を発生させる。
第１の酸化剤供給通路８１は、図２に示すように、壁部９０と壁部９１との間に形成された環状の通路である。また、第１の酸化剤供給通路８１は、第１の燃料供給通路８０の外周に環状に形成されている。第１の酸化剤供給通路８１は、配管４４と連通している。そして、第１の酸化剤供給通路８１には、配管４４から酸化剤が供給される。
第１の酸化剤供給通路８１には、第１の酸化剤供給通路８１から燃焼器ライナ７０内に噴出される酸化剤の流れに旋回成分を与えるように、環状の旋回流発生器１０２が設けられている。酸化剤が旋回流発生器１０２を通過することで、酸化剤の流れに旋回成分が発生する。旋回流発生器１０２としては、例えば、スワーラなどで構成される。
また、旋回流発生器１０２は、例えば、第１の燃料供給通路８０の先端の平板１００に形成された噴出孔１０１と同様の構成としてもよい。すなわち、第１の酸化剤供給通路８１を閉鎖する環状の平板を設置し、その平板に、前述した噴出孔１０１と同様の複数の噴出孔を形成してもよい。
第２の燃料供給通路８２は、壁部９１と壁部９２との間に形成された環状の通路である。また、第２の燃料供給通路８２は、第１の酸化剤供給通路８１の外周に環状に形成されている。第２の燃料供給通路８２は、配管４８と連通している。そして、第２の燃料供給通路８２には、配管４８から燃料が供給される。
第２の燃料供給通路８２には、第２の燃料供給通路８２から燃焼器ライナ７０内に噴出される燃料の流れに旋回成分を与えるように、環状の旋回流発生器１０３が設けられている。燃料が旋回流発生器１０３を通過することで、燃料の流れに旋回成分が発生する。旋回流発生器１０３は、前述した旋回流発生器１０２と同じ構成である。
第２の酸化剤供給通路８３は、壁部９２と壁部９３との間に形成された環状の通路である。また、第２の酸化剤供給通路８３は、第２の燃料供給通路８２の外周に環状に形成されている。第２の酸化剤供給通路８３は、配管４４ａと連通している。そして、第２の酸化剤供給通路８３には、配管４４ａから酸化剤が供給される。
第２の酸化剤供給通路８３には、第２の酸化剤供給通路８３から燃焼器ライナ７０内に噴出される酸化剤の流れに旋回成分を与えるように、環状の旋回流発生器１０４が設けられている。酸化剤が旋回流発生器１０４を通過することで、酸化剤の流れに旋回成分が発生する。旋回流発生器１０４は、前述した旋回流発生器１０２と同じ構成である。
ここで、第１の燃料供給通路８０の先端の平板１００に形成された噴出孔１０１を通過することによって発生する旋回流、旋回流発生器１０２、１０３、１０４を通過することによって発生する旋回流の旋回方向は、例えば、同方向に設定される。
このように旋回方向を同方向にすることで、燃焼器ライナ７０内の燃焼場において、燃料と酸化剤の混同を促進することができる。また、旋回方向を同方向にすることで、燃焼器ライナ７０内に安定した火炎を形成することができる。
このように、燃料ノズル２１Ａは、２つの燃料供給系統および２つの酸化剤供給系統を備える。具体的には、燃料ノズル２１Ａは、第１の燃料供給通路８０および第１の酸化剤供給通路８１からなる一対の供給系統と、第２の燃料供給通路８２および第２の酸化剤供給通路８３からなる一対の供給系統を備える。これらの燃料供給系統および酸化剤供給系統のそれぞれにおいて、流量調整が可能である。
ここで、例えば、燃焼器２０の着火から定格負荷までの間、第１の燃料供給通路８０から燃料、第１の酸化剤供給通路８１から酸化剤が燃焼器ライナ７０内に噴出される。また、燃焼器２０の中間負荷から定格負荷までの間、第２の燃料供給通路８２から燃料、第２の酸化剤供給通路８３から酸化剤が燃焼器ライナ７０内に噴出される。なお、噴出された燃料および酸化剤は、燃焼器ライナ７０内で火炎を形成して燃焼する。
燃料ノズル２１Ａにおいて、第１の燃料供給通路８０と第１の酸化剤供給通路８１とが隣接し、第２の燃料供給通路８２と第２の酸化剤供給通路８３とが隣接している。そのため、第１の燃料供給通路８０から噴出された燃料と第１の酸化剤供給通路８１から噴出された酸化剤との混合、第２の燃料供給通路８２から噴出された燃料と第２の酸化剤供給通路８３からから噴出された酸化剤との混合が促進される。これによって、燃焼器ライナ７０内に安定した火炎を形成できる。
ここで、図４は、第１の実施の形態の燃焼器２０の負荷に応じた燃料ノズル２１Ａにおける燃料供給圧力を示した図である。図５は、第１の実施の形態の燃焼器２０の負荷に応じた燃料ノズル２１Ａにおける酸化剤供給圧力を示した図である。図６は、第１の実施の形態の燃焼器２０の負荷に応じた燃料ノズル２１Ａにおける燃料噴出流速を示した図である。図７は、第１の実施の形態の燃焼器２０の負荷に応じた燃料ノズル２１Ａにおける酸化剤噴出流速を示した図である。
なお、燃料供給圧力は、第１の燃料供給通路８０、第２の燃料供給通路８２に供給される燃料の圧力である。酸化剤供給圧力は、第１の酸化剤供給通路８１、第２の酸化剤供給通路８３に供給される酸化剤の圧力である。燃料噴出流速とは、第１の燃料供給通路８０の出口、第２の燃料供給通路８２の出口における燃料の噴出流速である。酸化剤噴出流速とは、第１の酸化剤供給通路８１の出口、第２の酸化剤供給通路８３の出口における酸化剤の噴出流速である。
また、図４および図５における圧力の最大値は、系統上の供給可能圧力の上限、および燃焼器２０内において安定した燃焼を維持するための燃焼器２０内に噴出する流速の上限から求まる圧力のいずれか小さい方に基づいて設定される。図４および図５における圧力の最小値は、安定した燃焼を維持するための燃焼器２０内に噴出する最低の流速から求まる圧力に基づいて設定される。
図６および図７における流速の最大値は、燃焼器２０内において安定した燃焼を維持するための燃焼器２０内に噴出する流速の上限に基づいて設定される。図６および図７における流速の最小値は、燃焼器２０内において安定した燃焼を維持するための燃焼器２０内に噴出する下限流速に基づいて設定される。
燃料ノズル２１Ａの中央側に備えられる、第１の燃料供給通路８０および第１の酸化剤供給通路８１の通路断面積は、第２の燃料供給通路８２および第２の酸化剤供給通路８３の通路断面積よりも小さい。そこで、燃焼器２０では、着火から中間負荷の直前までの低負荷条件における運転において、第１の燃料供給通路８０および第１の酸化剤供給通路８１を使用する。
図４および図５に示すように、着火から中間負荷の直前までの低負荷条件において、負荷の増加に伴って、当量比を１に維持して、第１の燃料供給通路８０に供給される燃料流量、および第１の酸化剤供給通路８１に供給される酸化剤流量を増加させる。この際、図６および図７に示すように、燃料の噴出流速および酸化剤の噴出流速は、負荷の増加に伴って増加する。
なお、着火から中間負荷の直前までは、図１に示した流量調整弁５４および流量調整弁５６が閉じられている。そのため、第２の燃料供給通路８２および第２の酸化剤供給通路８３には、燃料や酸化剤は流れない。
そして、中間負荷に達したときに、当量比を１に維持して、第１の燃料供給通路８０に供給される燃料流量および第１の酸化剤供給通路８１に供給される酸化剤流量を減少させるとともに、第２の燃料供給通路８２に燃料および第２の酸化剤供給通路８３に酸化剤を供給する。
これによって、第１の燃料供給通路８０に供給される燃料の供給圧力および第１の酸化剤供給通路８１に供給される酸化剤の供給圧力は、減少する。また、第１の燃料供給通路８０からの燃料噴出流速および第１の酸化剤供給通路８１からの酸化剤噴出流速は、減少する。
図４〜図７に示すように、中間負荷に達したときには、燃料供給圧力、酸化剤供給圧力、燃料噴出流速、酸化剤噴出流速は、いずれも最大値に達していない。
中間負荷から定格負荷に行くに伴って、一旦流量が減少された第１の燃料供給通路８０に供給される燃料流量および一旦流量が減少された第１の酸化剤供給通路８１に供給される酸化剤流量を増加させるとともに、第２の燃料供給通路８２に供給される燃料流量および第２の酸化剤供給通路８３に供給される酸化剤流量を増加させる。そして、定格負荷まで出力を上昇させる。
このように、中間負荷から定格負荷の間は、第１の燃料供給通路８０、第２の燃料供給通路８２、第１の酸化剤供給通路８１、第２の酸化剤供給通路８３のすべての通路を使用する。
図４〜図７に示すように、定格負荷に達したときでも、燃料供給圧力、酸化剤供給圧力、燃料噴出流速、酸化剤噴出流速は、いずれも最大値に達していない。このように、最大値と最小値の間で、燃料供給および酸化剤供給は、調整されている。
ここで、図８は、第１の実施の形態の燃焼器２０の負荷に応じた当量比の変化を示した図である。図８に示すように、負荷の変化によらず、当量比は、一定値の１に維持されている。
このように、着火から中間負荷の直前までの低負荷条件時に、通路断面積の小さな第１の燃料供給通路８０および第１の酸化剤供給通路８１を使用し、中間負荷から定格負荷までの高負荷条件時に、すべての通路を使用することで、燃料供給圧力および酸化剤供給圧力の過大な上昇を抑制できる。このように負荷に応じて供給通路を選択的に使用することで、燃料圧縮機や酸化剤圧縮機の大型化、高圧配管の設置等を行う必要がなくなる。
ここで、着火から中間負荷の直前までは、図１に示した流量調整弁５４および流量調整弁５６が閉じられている。そのため、第２の燃料供給通路８２および第２の酸化剤供給通路８３には、燃料や酸化剤は流れない。そこで、流量調整弁５７および流量調整弁５８を開き、第２の燃料供給通路８２および第２の酸化剤供給通路８３に、熱交換器２４を通過後の二酸化炭素を配管４８に導いてもよい。なお、中間負荷に達した時には、流量調整弁５７および流量調整弁５８は閉じられる。
これによって、燃焼器ライナ７０内の燃焼ガスが、第２の燃料供給通路８２および第２の酸化剤供給通路８３に逆流することを抑制できる。
上記したように、第１の実施の形態の燃焼器２０によれば、各燃料供給系統および各酸化剤供給系統のそれぞれにおいて、流量調整が可能である。そのため、負荷に伴う燃料流量の増加に対応して酸化剤流量を増加させることができる。これによって、負荷の変化によらず、当量比を１に維持することができる。
また、複数の燃料供給通路および複数の酸化剤供給通路を備えることで、負荷に応じて供給通路を選択的に使用することができる。これによって、燃料や酸化剤の供給圧力の過大な上昇を抑制できるとともに、安定した燃焼を維持することができる。
（第２の実施の形態）
図９は、第２の実施の形態の燃焼器２０の燃料ノズル２１Ｂの縦断面を模式的に示した図である。なお、図９には、燃料ノズル２１Ｂの各通路に酸化剤や燃料を供給するための配管が模式的に示されている。また、以下の実施の形態において、第１の実施の形態の構成と同一の構成部分には、同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。
ここで、第２の実施の形態の燃焼器２０の燃料ノズル２１Ｂは、燃料供給通路と酸化剤供給通路の配置構成に関して、第１の実施の形態の燃焼器２０の燃料ノズル２１Ａと異なる。ここでは、この異なる構成について主に説明する。
なお、第２の実施の形態におけるガスタービン設備の系統は、図１に示した第１の実施の形態におけるガスタービン設備の系統と同じである。
図９に示すように、燃料ノズル２１Ｂは、筒状の燃焼器ライナ７０の上流側の端部に取り付けられている。なお、燃焼器ライナ７０内において、燃料ノズル２１Ｂから噴出された燃料と酸化剤とが反応し、燃焼する。
燃料ノズル２１Ｂは、燃料を供給する複数の燃料供給通路と、酸化剤を供給する複数の酸化剤供給通路とを備えている。具体的には、燃料ノズル２１Ｂは、第１の燃料供給通路８０と、第２の燃料供給通路８２と、第１の酸化剤供給通路８１と、第２の酸化剤供給通路８３とを備える。これらの各通路は、円筒状の壁部９０、９１、９２、９３によって区画されている。
第１の燃料供給通路８０は、図９に示すように、中央に設けられた円柱状の通路である。第１の燃料供給通路８０は、壁部９０の内側に形成されている。
第２の燃料供給通路８２は、壁部９０と壁部９１との間に形成された環状の通路である。また、第２の燃料供給通路８２は、第１の燃料供給通路８０の外周に環状に形成されている。
第１の酸化剤供給通路８１は、壁部９１と壁部９２との間に形成された環状の通路である。また、第１の酸化剤供給通路８１は、第２の燃料供給通路８２の外周に環状に形成されている。
第２の酸化剤供給通路８３は、壁部９２と壁部９３との間に形成された環状の通路である。また、第２の酸化剤供給通路８３は、第１の酸化剤供給通路８１の外周に環状に形成されている。
ここで、第１の実施の形態と同様に、燃焼器２０の着火から定格負荷までの間、第１の燃料供給通路８０から燃料、第１の酸化剤供給通路８１から酸化剤が燃焼器ライナ７０内に噴出される。また、燃焼器２０の中間負荷から定格負荷までの間、第２の燃料供給通路８２から燃料、第２の酸化剤供給通路８３から酸化剤が燃焼器ライナ７０内に噴出される。
また、着火から中間負荷の直前までは、第１の実施の形態と同様に、第２の燃料供給通路８２および第２の酸化剤供給通路８３に、熱交換器２４を通過後の二酸化炭素を導いてもよい。
ここで、第１の酸化剤供給通路８１に設けられる旋回流発生器１０２を通過することで与えられる旋回成分は、第２の燃料供給通路８２に設けられる旋回流発生器１０３を通過することで与えられる旋回成分よりも小さい方が好ましい。すなわち、第１の酸化剤供給通路８１から燃焼器ライナ７０内に噴出される酸化剤の流れの旋回成分が、第２の燃料供給通路８２から燃焼器ライナ７０内に噴出される燃料の流れの旋回成分よりも小さいことが好ましい。
また、第１の酸化剤供給通路８１に、旋回流発生器１０２を備えなくてもよい。なお、旋回流発生器１０２を備えない場合、酸化剤は、第１の酸化剤供給通路８１の出口から燃焼器ライナ７０の軸方向に噴出される。
このように、第１の酸化剤供給通路８１から噴出される酸化剤の流れの旋回成分を小さくする、または無くすことで、第１の酸化剤供給通路８１から噴出された流れの周方向外側への広がりが抑制される。これによって、第１の酸化剤供給通路８１から噴出された酸化剤と、第１の燃料供給通路８０から噴出された旋回成分を有する燃料との混合が促進される。
上記したように、第２の実施の形態の燃焼器２０によれば、例えば、中間負荷から定格負荷までの間、隣接する、第１の燃料供給通路８０および第２の燃料供給通路８２には、ほぼ同じ温度の燃料が流れる。また、隣接する、第１の酸化剤供給通路８１および第２の酸化剤供給通路８３には、熱交換器２４によって加熱された酸化剤が流れる。
一方、着火から中間負荷の直前までの間、第２の燃料供給通路８２および第２の酸化剤供給通路８３に、熱交換器２４を通過後の二酸化炭素を流すことで、隣接する、第１の酸化剤供給通路８１、第２の燃料供給通路８２および第２の酸化剤供給通路８３には、熱交換器２４によって加熱された酸化剤や二酸化炭素が流れる。
このように、隣接する通路を流れる流体の温度差を小さくすることができる。これによって、通路を形成する壁部の熱伸び差や、壁部に生じる熱応力を低減することができる。
また、第２の実施の形態の燃焼器２０においては、第１の実施の形態と同様に、負荷に伴う燃料流量の増加に対応して酸化剤流量を増加させることができるため、負荷の変化によらず、当量比を１に維持することができる。また、複数の燃料供給通路および複数の酸化剤供給通路を備えることで、燃料や酸化剤の供給圧力の過大な上昇を抑制できるとともに、安定した燃焼を維持することができる。
ここで、図１０は、第２の実施の形態の燃焼器２０の他の構造の燃料ノズル２１Ｂの縦断面を模式的に示した図である。
第１の酸化剤供給通路８１から噴出される酸化剤の流れの旋回成分を小さくする、または無くす場合、図１０に示すように、第１の酸化剤供給通路８１の環状の出口端部を、第２の燃料供給通路８２側に傾斜させてもよい。これによって、第１の酸化剤供給通路８１から噴出された酸化剤は、第１の燃料供給通路８０から噴出された旋回成分を有する燃料とより混合しやすくなる。
（第３の実施の形態）
図１１は、第３の実施の形態の燃焼器２０の燃料ノズル２１Ｃの縦断面を模式的に示した図である。図１２は、第３の実施の形態の燃焼器２０の燃料ノズル２１Ｃを燃焼器ライナ７０側から見たときの平面図である。なお、図１１には、燃料ノズル２１Ｃの各通路に酸化剤や燃料を供給するための配管が模式的に示されている。
なお、第３の実施の形態におけるガスタービン設備の系統は、図１に示した第１の実施の形態におけるガスタービン設備の系統と同じである。
図１１および図１２に示すように、燃料ノズル２１Ｃは、第１の燃料ノズル部１１０と、第２の燃料ノズル部１２０とを備える。図１２に示すように、例えば、中央に第１の燃料ノズル部１１０を備え、その周囲に複数の第２の燃料ノズル部１２０が備えられる。
第１の燃料ノズル部１１０は、図１１に示すように、第１の燃料供給通路８０と、第１の酸化剤供給通路８１とを備える。これらの各通路は、円筒状の壁部１１１、１１２によって区画されている。
第１の燃料供給通路８０は、中央に設けられた円柱状の通路である。第１の燃料供給通路８０は、壁部１１１の内側に形成されている。第１の燃料供給通路８０は、配管４７と連通している。第１の燃料供給通路８０の先端（燃焼器ライナ７０側の端部）は、第１の実施の形態と同様に、複数の噴出孔１０１が形成された平板１００によって閉鎖されている。
第１の酸化剤供給通路８１は、壁部１１１と壁部１１２との間に形成された環状の通路である。第１の酸化剤供給通路８１は、第１の燃料供給通路８０の外周に環状に形成されている。第１の酸化剤供給通路８１は、配管４４と連通している。また、第１の酸化剤供給通路８１には、環状の旋回流発生器１０２が設けられている。
第２の燃料ノズル部１２０は、第２の燃料供給通路８２と、第２の酸化剤供給通路８３とを備える。これらの各通路は、円筒状の壁部１２１、１２２によって区画されている。
第２の燃料供給通路８２は、中央に設けられた円柱状の通路である。第２の燃料供給通路８２は、壁部１２１の内側に形成されている。第２の燃料供給通路８２は、配管４８と連通している。第２の燃料供給通路８２の先端（燃焼器ライナ７０側の端部）は、第１の燃料供給通路８０の平板１００と同じ構成を有する、複数の噴出孔１２４が形成された平板１２３によって閉鎖されている。
第２の酸化剤供給通路８３は、壁部１２１と壁部１２２との間に形成された環状の通路である。第２の酸化剤供給通路８３は、第２の燃料供給通路８２の外周に環状に形成されている。第２の酸化剤供給通路８３は、配管４４ａと連通している。また、第２の酸化剤供給通路８３には、環状の旋回流発生器１０４が設けられている。
ここで、第１の燃料供給通路８０の先端の平板１００に形成された噴出孔１０１を通過することによって発生する旋回流、第２の燃料供給通路８２の先端の平板１２３に形成された噴出孔１２４を通過することによって発生する旋回流、旋回流発生器１０２、１０４を通過することによって発生する旋回流の旋回方向は、例えば、同方向に設定される。このように旋回方向を同方向にすることで、例えば、第１の燃料ノズル部１１０および第２の燃料ノズル部１２０から燃料および酸化剤を噴出して燃焼させる際、燃焼器ライナ７０内の燃焼場において、燃料と酸化剤の混同を促進することができる。
ここで、例えば、燃焼器２０の着火から定格負荷までの間、第１の燃料ノズル部１１０を使用する。また、燃焼器２０の中間負荷から定格負荷までの間、第２の燃料ノズル部１２０を使用する。
すなわち、燃焼器２０の着火から定格負荷までの間、第１の燃料供給通路８０から燃料、第１の酸化剤供給通路８１から酸化剤が燃焼器ライナ７０内に噴出される。また、燃焼器２０の中間負荷から定格負荷までの間、第２の燃料供給通路８２から燃料、第２の酸化剤供給通路８３から酸化剤が燃焼器ライナ７０内に噴出される。
着火から定格負荷までの間においては、第１の燃料ノズル部１１０の下流に火炎が形成される。また、中間負荷から定格負荷までの間においては、第１の燃料ノズル部１１０および第２の燃料ノズル部１２０の下流に火炎が形成される。
ここで、複数設けられた第２の燃料ノズル部１２０においては、例えば、負荷の増加に伴って、使用する燃料ノズル部の数を増加させてもよい。また、複数設けられた第２の燃料ノズル部１２０においては、例えば、中間負荷時からすべての第２の燃料ノズル部１２０を使用してもよい。この場合、負荷の増加に伴って、各第２の燃料ノズル部１２０における負荷を増加させる。
また、着火から中間負荷の直前までは、第１の実施の形態と同様に、第２の燃料供給通路８２および第２の酸化剤供給通路８３、すなわち、第２の燃料ノズル部１２０に、熱交換器２４を通過後の二酸化炭素を導いてもよい。
上記したように、第３の実施の形態の燃焼器２０は、燃料と酸化剤を噴出する燃料ノズル部を複数備える。そして、各燃料ノズル部における燃料流量および酸化剤流量は、それぞれ個別に調整できる。
中間負荷から定格負荷までの高負荷条件時において、複数の第２の燃料ノズル部１２０を使用して負荷を増加することで、燃焼場の温度の均一化を図ることができる。
また、第３の実施の形態の燃焼器２０においては、第１の実施の形態と同様に、負荷に伴う燃料流量の増加に対応して酸化剤流量を増加させることができるため、負荷の変化によらず、当量比を１に維持することができる。また、複数の燃料供給通路および複数の酸化剤供給通路を備えることで、燃料や酸化剤の供給圧力の過大な上昇を抑制できるとともに、安定した燃焼を維持することができる。
なお、第１の燃料ノズル部１１０および第２の燃料ノズル部１２０の配置構成は、上記した配置構成に限られるものではない。例えば、第１の燃料ノズル部１１０を複数備えてもよい。
（第４の実施の形態）
図１３は、第４の実施の形態の燃焼器２０を備えるガスタービン設備１１の系統図である。図１３に示されたガスタービン設備１１は、配管４０から分岐する配管４０ｃを備えることが、図１に示されたガスタービン設備１０と異なる。また、第４の実施の形態の燃焼器２０の燃料ノズル２１Ｄは、冷却ガス通路を備えることが、第１の実施の形態の燃焼器２０の燃料ノズル２１Ａと異なる。ここでは、これらの異なる構成について主に説明する。
図１３に示すように、前述したように、熱交換器２４の下流において、配管４０は、配管４０から分岐する配管４０ａ、４０ｂを有している。さらに、配管４０は、熱交換器２４内における配管４０から分岐する配管４０ｃを有する。
配管４０ｃは、燃料ノズル２１Ｄに連結されている。配管４０ｃには、流量調整弁５９が介在している。配管４０ｃは、熱交換器２４内における配管４０から分岐しているため、配管４０ｃを流れる二酸化炭素の温度は、配管４０ａ、４０ｂを流れる二酸化炭素の温度よりも低温となる。なお、配管４０ｃの分岐位置は、抽気する二酸化炭素の温度によって設定される。
このように配管４０ｃを備えることで、熱交換器２４内の配管４０ｃから抽気した二酸化炭素を燃料ノズル２１Ｄに導くことができる。この場合、例えば、二酸化炭素は、燃料ノズル２１Ｄの冷却ガスとして機能する。
なお、熱交換器２４内における配管４０から分岐して燃料ノズル２１Ｄに連結される配管は、燃料ノズル２１Ｄの形態によって、複数備えることもできる。この場合においても、各配管には、流量調整弁が介在している。
次に、燃料ノズル２１Ｄの構成について、図１４を参照して説明する。
図１４は、第４の実施の形態の燃焼器２０の燃料ノズル２１Ｄの縦断面を模式的に示した図である。なお、図１４には、燃料ノズル２１Ｄの各通路に、酸化剤、燃料、二酸化炭素を供給するための配管が模式的に示されている。
燃料ノズル２１Ｄは、燃料を供給する複数の燃料供給通路と、酸化剤を供給する複数の酸化剤供給通路とを備えている。さらに、燃料ノズル２１Ｄは、冷却ガスである二酸化炭素が流れる冷却ガス通路を備えている。
具体的には、燃料ノズル２１Ｄは、冷却ガス通路１３０と、第１の燃料供給通路８０と、第１の酸化剤供給通路８１と、第２の燃料供給通路８２と、第２の酸化剤供給通路８３とを備える。これらの各通路は、円筒状の壁部９０、９１、９２、９３、９４によって区画されている。
冷却ガス通路１３０は、図１４に示すように、中央に設けられた円柱状の通路である。冷却ガス通路１３０は、壁部９０の内側に形成されている。冷却ガス通路１３０は、配管４０ｃと連通している。そして、冷却ガス通路１３０には、配管４０ｃから冷却ガスである二酸化炭素が供給される。
冷却ガス通路１３０の先端（燃焼器ライナ７０側の端部）は、例えば、平板１３１によって閉鎖されている。そして、平板１３１には、例えば、複数の噴出孔１３２が形成されている。この噴出孔１３２から燃焼器ライナ７０内に冷却ガスが噴出される。
噴出孔１３２は、例えば、第１の実施の形態における平板１００に形成された噴出孔１０１と同様の構成でもよい。すなわち、噴出孔１３２は、噴出孔１３２を通過した冷却ガスの流れに旋回成分を与える構成であってもよい。この場合、噴出孔１３２を通過することで与えられる旋回方向は、旋回流発生器１０２などを通過することで与えられる旋回方向と同じである。
また、噴出孔１３２は、燃料ノズル２１Ｄの軸方向に形成された孔であってもよい。この場合、冷却ガスは、噴出孔１３２から燃焼器ライナ７０の軸方向に噴出される。
第１の燃料供給通路８０は、壁部９０と壁部９１との間に形成された環状の通路である。また、第１の燃料供給通路８０は、冷却ガス通路１３０の外周に環状に形成されている。第１の燃料供給通路８０は、配管４７と連通している。そして、第１の燃料供給通路８０には、配管４７から燃料が供給される。
第１の燃料供給通路８０には、第１の燃料供給通路８０から燃焼器ライナ７０内に噴出される燃料の流れに旋回成分を与えるように、環状の旋回流発生器１０５が設けられている。なお、旋回流発生器１０５の構成は、前述した旋回流発生器１０２などの構成と同様である。
第１の酸化剤供給通路８１は、壁部９１と壁部９２との間に形成された環状の通路である。また、第１の酸化剤供給通路８１は、第１の燃料供給通路８０の外周に環状に形成されている。第１の酸化剤供給通路８１は、配管４４と連通している。そして、第１の酸化剤供給通路８１には、配管４４から酸化剤が供給される。
第２の燃料供給通路８２は、壁部９２と壁部９３との間に形成された環状の通路である。また、第２の燃料供給通路８２は、第１の酸化剤供給通路８１の外周に環状に形成されている。第２の燃料供給通路８２は、配管４８と連通している。そして、第２の燃料供給通路８２には、配管４８から燃料が供給される。
第２の酸化剤供給通路８３は、壁部９３と壁部９４との間に形成された環状の通路である。また、第２の酸化剤供給通路８３は、第２の燃料供給通路８２の外周に環状に形成されている。第２の酸化剤供給通路８３は、配管４４ａと連通している。そして、第２の酸化剤供給通路８３には、配管４４ａから燃料が供給される。
ここで、各旋回流発生器１０２、１０３、１０４、１０５を通過することによって発生する旋回流の旋回方向は、同方向に設定される。このように旋回方向を同方向にすることで、燃焼器ライナ７０内の燃焼場において、燃料と酸化剤の混同を促進することができる。
燃料ノズル２１Ｄにおいて、例えば、燃焼器２０の着火から定格負荷までの間、冷却ガス通路１３０から冷却ガス、第１の燃料供給通路８０から燃料、第１の酸化剤供給通路８１から酸化剤が燃焼器ライナ７０内に噴出される。また、燃焼器２０の中間負荷から定格負荷までの間、第２の燃料供給通路８２から燃料、第２の酸化剤供給通路８３から酸化剤が燃焼器ライナ７０内に噴出される。
また、着火から中間負荷の直前までは、第１の実施の形態と同様に、第２の燃料供給通路８２および第２の酸化剤供給通路８３に、熱交換器２４を通過後の二酸化炭素を導いてもよい。
上記したように、第４の実施の形態の燃焼器２０によれば、冷却ガスが流れる冷却ガス通路１３０を備えることで、燃料ノズル２１Ｄの温度上昇を抑制することができる。
また、第４の実施の形態の燃焼器２０においては、第１の実施の形態と同様に、負荷に伴う燃料流量の増加に対応して酸化剤流量を増加させることができるため、負荷の変化によらず、当量比を１に維持することができる。また、複数の燃料供給通路および複数の酸化剤供給通路を備えることで、燃料や酸化剤の供給圧力の過大な上昇を抑制できるとともに、安定した燃焼を維持することができる。
（第５の実施の形態）
図１５は、第５の実施の形態の燃焼器２０の燃料ノズル２１Ｅの縦断面を模式的に示した図である。図１６は、第５の実施の形態の燃焼器２０の燃料ノズル２１Ｅを燃焼器ライナ７０側から見たときの平面図である。なお、図１５には、燃料ノズル２１Ｅの各通路に酸化剤や燃料を供給するための配管が模式的に示されている。
なお、第５の実施の形態におけるガスタービン設備の系統は、図１３に示した第４の実施の形態におけるガスタービン設備の系統と同じである。
図１５および図１６に示すように、燃料ノズル２１Ｅは、第１の燃料ノズル部１４０と、第２の燃料ノズル部１５０とを備える。図１６に示すように、例えば、中央に第１の燃料ノズル部１４０を備え、その周囲に複数の第２の燃料ノズル部１５０が備えられる。
第１の燃料ノズル部１４０は、第１の冷却ガス通路１４１と、第１の燃料供給通路８０と、第１の酸化剤供給通路８１とを備える。これらの各通路は、円筒状の壁部１４２、１４３、１４４によって区画されている。
第１の冷却ガス通路１４１は、図１５に示すように、中央に設けられた円柱状の通路である。第１の冷却ガス通路１４１は、壁部１４２の内側に形成されている。第１の冷却ガス通路１４１は、配管４０ｃと連通している。第１の冷却ガス通路１４１の先端（燃焼器ライナ７０側の端部）は、第４の実施の形態と同様に、複数の噴出孔１４６が形成された平板１４５によって閉鎖されている。
第１の燃料供給通路８０は、壁部１４２と壁部１４３との間に形成された環状の通路である。第１の燃料供給通路８０は、第１の冷却ガス通路１４１の外周に環状に形成されている。第１の燃料供給通路８０は、配管４７と連通している。また、第１の燃料供給通路８０には、環状の旋回流発生器１０５が設けられている。
第１の酸化剤供給通路８１は、壁部１４３と壁部１４４との間に形成された環状の通路である。第１の酸化剤供給通路８１は、第１の燃料供給通路８０の外周に環状に形成されている。第１の酸化剤供給通路８１は、配管４４と連通している。また、第１の酸化剤供給通路８１には、環状の旋回流発生器１０２が設けられている。
第２の燃料ノズル部１５０は、第２の冷却ガス通路１５１と、第２の燃料供給通路８２と、第２の酸化剤供給通路８３とを備える。これらの各通路は、円筒状の壁部１５２、１５３、１５４によって区画されている。
第２の冷却ガス通路１５１は、図１５に示すように、中央に設けられた円柱状の通路である。第２の冷却ガス通路１５１は、壁部１５２の内側に形成されている。第２の冷却ガス通路１５１は、配管４０ｃと連通している。第２の冷却ガス通路１５１の先端（燃焼器ライナ７０側の端部）は、上記した第１の冷却ガス通路１４１と同様に、複数の噴出孔１５６が形成された平板１５５によって閉鎖されている。
第２の燃料供給通路８２は、壁部１５２と壁部１５３との間に形成された環状の通路である。第２の燃料供給通路８２は、第２の冷却ガス通路１５１の外周に環状に形成されている。第２の燃料供給通路８２は、配管４８と連通している。また、第２の燃料供給通路８２には、環状の旋回流発生器１０３が設けられている。
第２の酸化剤供給通路８３は、壁部１５３と壁部１５４との間に形成された環状の通路である。第２の酸化剤供給通路８３は、第２の燃料供給通路８２の外周に環状に形成されている。第２の酸化剤供給通路８３は、配管４４ａと連通している。また、第２の酸化剤供給通路８３には、環状の旋回流発生器１０４が設けられている。
各旋回流発生器１０２、１０３、１０４、１０５を通過することによって発生する旋回流の旋回方向は、例えば、同方向に設定される。このように旋回方向を同方向にすることで、例えば、第１の燃料ノズル部１４０および第２の燃料ノズル部１５０から燃料および酸化剤を噴出して燃焼させる際、燃焼器ライナ７０内の燃焼場において、燃料と酸化剤の混同を促進することができる。
ここで、例えば、燃焼器２０の着火から定格負荷までの間、第１の燃料供給通路８０から燃料、第１の酸化剤供給通路８１から酸化剤が燃焼器ライナ７０内に噴出される。また、燃焼器２０の中間負荷から定格負荷までの間、第２の燃料供給通路８２から燃料、第２の酸化剤供給通路８３から酸化剤が燃焼器ライナ７０内に噴出される。
これによって、着火から定格負荷までの間においては、第１の燃料ノズル部１４０の下流に火炎が形成される。また、中間負荷から定格負荷までの間においては、第１の燃料ノズル部１４０および第２の燃料ノズル部１５０の下流に火炎が形成される。
なお、第１の冷却ガス通路１４１および第２の冷却ガス通路１５１には、燃焼器２０の着火から定格負荷までの間、冷却ガスが供給される。
ここで、複数設けられた第２の燃料ノズル部１５０においては、例えば、負荷の増加に伴って、使用する燃料ノズル部の数を増加させてもよい。また、複数設けられた第２の燃料ノズル部１５０においては、例えば、中間負荷時からすべての第２の燃料ノズル部１５０を使用してもよい。この場合、負荷の増加に伴って、各第２の燃料ノズル部１５０における負荷を増加させる。
また、着火から中間負荷の直前までは、第１の実施の形態と同様に、第２の燃料供給通路８２および第２の酸化剤供給通路８３、すなわち、第２の燃料ノズル部１５０に、熱交換器２４を通過後の二酸化炭素を導いてもよい。
上記したように、第５の実施の形態の燃焼器２０によれば、第１の冷却ガス通路１４１および第２の冷却ガス通路１５１を備えることで、第１の燃料ノズル部１４０および第２の燃料ノズル部１５０の温度上昇を抑制できる。
また、第５の実施の形態の燃焼器２０は、燃料と酸化剤を噴出する燃料ノズル部を複数備える。そして、各燃料ノズル部における燃料流量および酸化剤流量は、それぞれ個別に調整できる。中間負荷から定格負荷までの高負荷条件時において、複数の第２の燃料ノズル部１５０を使用して負荷を増加することで、燃焼場の温度の均一化を図ることができる。
また、第５の実施の形態の燃焼器２０においては、第１の実施の形態と同様に、負荷に伴う燃料流量の増加に対応して酸化剤流量を増加させることができるため、負荷の変化によらず、当量比を１に維持することができる。また、複数の燃料供給通路および複数の酸化剤供給通路を備えることで、燃料や酸化剤の供給圧力の過大な上昇を抑制できるとともに、安定した燃焼を維持することができる。
なお、第１の燃料ノズル部１４０および第２の燃料ノズル部１５０の配置構成は、上記した配置構成に限られるものではない。例えば、第１の燃料ノズル部１４０を複数備えてもよい。
以上説明した実施形態によれば、酸化剤の供給圧力の過大な上昇を抑制しつつ、燃料流量に対応して空気流量を任意に調整することが可能となる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０、１１…ガスタービン設備、２０…燃焼器、２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄ、２１Ｅ…燃料ノズル、２２…タービン、２３…発電機、２４…熱交換器、２５…冷却器、２６、２７…圧縮機、４０、４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４１、４２、４３、４４、４４ａ、４６、４７、４８…配管、５０、５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７、５８、５９…流量調整弁、７０…燃焼器ライナ、８０…第１の燃料供給通路、８１…第１の酸化剤供給通路、８２…第２の燃料供給通路、８３…第２の酸化剤供給通路、９０、９１、９２、９３、９４、１１１、１１２、１２１、１２２、１４２、１４３、１４４、１５２、１５３、１５４…壁部、１００、１２３、１３１、１４５、１５５…平板、１０１、１２４、１３２、１４６、１５６…噴出孔、１０２、１０３、１０４、１０５…旋回流発生器、１１０、１４０…第１の燃料ノズル部、１２０、１５０…第２の燃料ノズル部、１３０…冷却ガス通路、１４１…第１の冷却ガス通路、１５１…第２の冷却ガス通路、Ｂ１…分岐部、Ｃ１…連結部。

Claims (15)

  1. 筒状の燃焼器ライナと、
    前記燃焼器ライナの一端に設けられ、前記燃焼器ライナ内に燃料および酸化剤を噴出する燃料ノズルと
    を備え、
    前記燃料ノズルが、
    燃料を供給する複数の燃料供給通路と
    酸化剤を供給する複数の酸化剤供給通路と
    を備え、
    各前記燃料供給通路に供給される燃料の流量および各前記酸化剤供給通路に供給される酸化剤の流量がそれぞれ個別に調整されることを特徴とするガスタービン燃焼器。
  2. 前記燃料ノズルが、
    中央に設けられた第１の燃料供給通路と、
    前記第１の燃料供給通路の外周に環状に形成された第１の酸化剤供給通路と、
    前記第１の酸化剤供給通路の外周に環状に形成された第２の燃料供給通路と、
    前記第２の燃料供給通路の外周に環状に形成された第２の酸化剤供給通路と
    を備えることを特徴とする請求項１記載のガスタービン燃焼器。
  3. 前記燃料ノズルが、
    中央に設けられ、冷却ガスが流れる冷却ガス通路と、
    前記冷却ガス通路の外周に環状に形成された第１の燃料供給通路と、
    前記第１の燃料供給通路の外周に環状に形成された第１の酸化剤供給通路と、
    前記第１の酸化剤供給通路の外周に環状に形成された第２の燃料供給通路と、
    前記第２の燃料供給通路の外周に環状に形成された第２の酸化剤供給通路と
    を備えることを特徴とする請求項１記載のガスタービン燃焼器。
  4. 前記燃料ノズルが、
    中央に設けられた第１の燃料供給通路と、
    前記第１の燃料供給通路の外周に環状に形成された第１の酸化剤供給通路と
    を備える第１の燃料ノズル部と、
    中央に設けられた第２の燃料供給通路と、
    前記第２の燃料供給通路の外周に環状に形成された第２の酸化剤供給通路と
    を備える第２の燃料ノズル部と
    を備えることを特徴とする請求項１記載のガスタービン燃焼器。
  5. 前記燃料ノズルが、
    中央に設けられ、冷却ガスが流れる第１の冷却ガス通路と、
    前記第１の冷却ガス通路の外周に環状に形成された第１の燃料供給通路と、
    前記第１の燃料供給通路の外周に環状に形成された第１の酸化剤供給通路と
    を備える第１の燃料ノズル部と、
    中央に設けられ、冷却ガスが流れる第２の冷却ガス通路と、
    前記第２の冷却ガス通路の外周に環状に形成された第２の燃料供給通路と、
    前記第２の燃料供給通路の外周に環状に形成された第２の酸化剤供給通路と
    を備える第２の燃料ノズル部と
    を備えることを特徴とする請求項１記載のガスタービン燃焼器。
  6. 前記第１の燃料供給通路、前記第１の酸化剤供給通路、前記第２の燃料供給通路および前記第２の酸化剤供給通路から前記燃焼器ライナ内に噴出される燃料および酸化剤の流れが、旋回成分を有していることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項記載のガスタービン燃焼器。
  7. 前記冷却ガス通路から前記燃焼器ライナ内に噴出される冷却ガスの流れが、旋回成分を有するか、または旋回成分を有しないことを特徴とする請求項３記載のガスタービン燃焼器。
  8. 前記第１の冷却ガス通路および前記第２の冷却ガス通路から前記燃焼器ライナ内に噴出される冷却ガスの流れが、旋回成分を有するか、または旋回成分を有しないことを特徴とする請求項５記載のガスタービン燃焼器。
  9. 前記燃料ノズルが、
    中央に設けられた第１の燃料供給通路と、
    前記第１の燃料供給通路の外周に環状に形成された第２の燃料供給通路と、
    前記第２の燃料供給通路の外周に環状に形成された第１の酸化剤供給通路と、
    前記第１の酸化剤供給通路の外周に環状に形成された第２の酸化剤供給通路と
    を備えることを特徴とする請求項１記載のガスタービン燃焼器。
  10. 前記第１の燃料供給通路、前記第２の燃料供給通路および前記第２の酸化剤供給通路から前記燃焼器ライナ内に噴出される燃料および酸化剤の流れが、旋回成分を有し、
    前記第１の酸化剤供給通路から前記燃焼器ライナ内に噴出される酸化剤の流れが、前記第２の燃料供給通路から前記燃焼器ライナ内に噴出される燃料の流れの旋回成分よりも小さい旋回成分を有するか、または旋回成分を有しないことを特徴とする請求項９記載のガスタービン燃焼器。
  11. 前記第１の酸化剤供給通路の出口端部が、前記第２の燃料供給通路側に傾斜していることを特徴とする請求項９または１０記載のガスタービン燃焼器。
  12. 前記ガスタービン燃焼器の着火から定格負荷まで、前記第１の燃料供給通路から燃料および前記第１の酸化剤供給通路から酸化剤が燃焼器ライナ内に噴出され、
    前記ガスタービン燃焼器の中間負荷から定格負荷まで、前記第２の燃料供給通路から燃料および前記第２の酸化剤供給通路から酸化剤が燃焼器ライナ内に噴出されることを特徴とする請求項２乃至１１のいずれか１項記載のガスタービン燃焼器。
  13. 前記ガスタービン燃焼器の着火から中間負荷の直前まで、前記第２の燃料供給通路および前記第２の酸化剤供給通路に、二酸化炭素が供給されることを特徴とする請求項１２記載のガスタービン燃焼器。
  14. 前記酸化剤が、酸素、または酸素と二酸化炭素からなる混合ガスであることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項記載のガスタービン燃焼器。
  15. 前記冷却ガスが、二酸化炭素であることを特徴とする請求項３、５、７、８のいずれか１項記載のガスタービン燃焼器。
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