WO2014102920A1

WO2014102920A1 - 燃焼器

Info

Publication number: WO2014102920A1
Application number: PCT/JP2012/083550
Authority: WO
Inventors: 一幾阿部; 小金沢　知己; 齋藤　武雄; 圭祐三浦
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2014-07-03

Abstract

　ガスタービン燃焼器において、ガスタービン点火時には適した燃空比で複数の燃焼器に遅れなく点火し、点火後は燃焼安定性と低ＮＯｘを両立するバーナを備えたガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。　外周バーナ（Ｆ２～Ｆ４）に対して、中央バーナ（Ｆ１）を燃焼器の軸方向上流に配置し、外周バーナの点火栓（１６）および火炎伝播管（１５）が設置された位相部分を、中央バーナの下流でかつ外周バーナの他の部分の上流に配置し、中央バーナから火炎伝播管に、点火栓で点火後に生成した燃焼ガスが滞りなく流れるようにする。また負荷運転時には、外周バーナの内周側を中央バーナの軸方向下流に一部が迫り出した構造によって、燃焼安定性と低ＮＯｘを両立する。

Description

燃焼器

　本発明は、燃焼器に係り、特にガスタービン燃焼器に関する。

　環境保全に対する規制や社会的要求が日増しに強くなっており、例えばガスタービンにおいてもさらなる高効率化、低ＮＯｘ化が求められている。ガスタービンを高効率化させるための一方策として、タービン入口のガス温度を上昇させることが考えられるが、この場合、ガスタービン燃焼器での火炎温度の上昇に伴ってＮＯｘの排出量増加が懸念される。

　ＮＯｘ排出量低減のために、燃料と空気を予め混合した混合気をガスタービン燃焼器に供給して燃焼させる燃焼方式である予混合燃焼を採用したガスタービン燃焼器がある。前記の予混合燃焼を採用したガスタービン燃焼器は、バーナを構成する燃料と空気との混合を予め行う予混合器と、この予混合器の下流に位置して空気と混合させた燃料を燃焼させる燃焼室とを備えている。

　予混合燃焼は火炎温度が均一化するため低ＮＯｘ化に有効であるが、空気温度が上昇したり、燃料中に含まれる水素含有量が増加すると、予混合器にまで火炎が想定外に逆流する逆火が起こる可能性が増加する。そのため、ＮＯｘ排出量の抑制と耐逆火性を兼ね備えたガスタービン燃焼器への要求が高まっている。

　ＮＯｘ排出量の抑制と耐逆火性を兼ね備えたガスタービン燃焼器に関して、複数の燃料ノズルと複数の空気孔とを同軸上に配置して、燃料と空気の複数の同軸噴流を燃焼室に供給して燃焼させるガスタービン燃焼器に関する技術が特許文献１に開示されている。

　さらに、特許文献１に開示された燃焼器と同様の方式の燃焼器において、外周バーナに対して中央バーナを軸方向上流に配置し、さらに外周バーナの内周側に突起部を設けて、突起部の下流に循環流を形成し、燃焼安定性を高める構造が特許文献２に開示されている。

　一方、複数の燃焼器を有するガスタービンでは、例えば対角に位置する２缶に点火栓を設置し、ガスタービン燃焼器の点火時に、点火栓をスパークさせて燃焼器に火花点火する。隣接する燃焼器は、火炎伝播管と呼ばれるチューブで互いに接続されており、点火した燃焼器から燃焼ガスが火炎伝播管を通過して隣接燃焼器へと流れて、全ての燃焼器が点火する。このようにして、複数の燃焼器を効率的に点火することができる。パイロットバーナの周囲に環状のメインバーナを備えるガスタービン燃焼器構造において、副燃焼室凸部の出口部ライナに火炎伝播管を設けた構造が、特許文献３に開示されている。

特許第３９６０１６６号公報特開２００８－２９２１３８号公報特開平９－４２６７２号公報

　複数のバーナを備えた燃焼器を点火栓によって火花点火する場合、全てのバーナに燃料を供給して点火するのではなく、燃焼安定性の良いバーナと火炎伝播管に近い部分に配設されたバーナに燃料を供給して燃焼器を点火する方法が考えられる。この方法を部分点火と呼ぶ。全てのバーナに燃料を供給して点火する方法に対するこの部分点火の長所は、低い燃空比で点火できるため、ガスタービン点火時のライナメタル温度やタービンメタル温度の急激な上昇を抑え、構造物への熱衝撃を緩和出来ることである。

　特許文献１に開示された燃料と空気の複数の同軸噴流を同心円状に配置し、燃焼室に供給して燃焼させるガスタービン燃焼器において、ガスタービン点火時に火炎伝播管によって複数の燃焼器に点火するには、火炎伝播管に確実に燃焼ガスを流すために、全てのバーナに燃料を供給する方法が考えられる。しかし、全てのバーナに燃料を供給して点火すると、前述のとおりガスタービン点火時の燃空比が高くなるため、ライナメタル温度やタービンメタル温度が急激に上昇し、点火時の構造物への熱衝撃が大きくなる可能性がある。

　一方、特許文献２に開示された、外周バーナに対して中央バーナを軸方向上流に配置し、さらに外周バーナの内周側に突起部を設けて、突起部の下流に循環流を形成し燃焼安定性を高める構造においては、ガスタービン点火時には中央バーナの端面に火炎を付着させて安定燃焼させる方法が考えられる。しかし、バーナの形成する循環流が十分に発達した軸方向位置に火花が到達するように点火栓は設置するため、点火栓はバーナから軸方向下流に離れた位置となる。そのため、特許文献２に開示された構造では、ガスタービン点火時に点火栓で発生させる火花が、外周バーナの内周側に設けた突起部に阻まれて中央バーナに到達しにくくなる。また、突起部の内側は縮流によって流速が高くなるため、点火が難しい可能性がある。

　また、特許文献３では、パイロットバーナには拡散燃焼を行うバーナが適用されており、パイロットバーナへの点火については特に言及されていない。そのため、例えばパイロットバーナが予混合燃焼方式のバーナを採用した場合等において、点火が難しくなる可能性がある。

　本発明の目的は、点火に適した燃空比で、複数の燃焼器に点火可能な構成のバーナを備えた燃焼器を提供することにある。

　空気孔プレートの燃焼室側の端面は中央部端面が外周部端面よりも該燃焼器の軸方向について上流側に位置し、該燃焼器の周方向について、前記外周部端面の前記点火栓または前記火炎伝播管の少なくともいずれか一方が設けられた位相と同位相の領域が、その他の位相の領域よりも前記軸方向上流側かつ前記中央部よりも下流側に位置していることを特徴とする。

　本発明によれば、点火に適した燃空比で、複数の燃焼器に点火可能な構成のバーナを備えた燃焼器を提供することができる。

本発明の第１実施例である燃焼器を備えたガスタービンプラントの概略構成図。図１に示した第１実施例の燃焼器に備えたバーナを構成する燃料ノズルの燃料噴孔とベースプレート及び旋回プレートとの配置状況の詳細を示す断面図（図３のＡ－Ａ´方向断面図）。図１に示した第１実施例の燃焼器に備えたバーナを構成する旋回プレートを下流側から見た図。図１に示した第１実施例の燃焼器に備えたバーナの点火方法。図１に示した第１実施例の燃焼器に備えたバーナの負荷運転時に形成する循環流を示す図。図１に示した第１実施例の燃焼器に備えたバーナの運用方法。本発明の第２実施例である燃焼器に備えたバーナを構成する旋回プレートを下流側から見た図。本発明の第２実施例である点火栓を有しない燃焼器に備えたバーナを構成する旋回プレートを下流側から見た図。本発明の第３実施例である燃焼器に備えたバーナを構成する旋回プレートの断面図（図３のＢ－Ｂ´方向断面図）。

　燃料と空気の複数の同軸噴流を燃焼室に供給して燃焼させるガスタービン燃焼器は、従来の予混合燃焼を採用したガスタービン燃焼器と比較して、非常に短い距離で燃料と空気とを急速混合することができるため、ＮＯｘ排出量の抑制と耐逆火性を両立することが可能なガスタービン燃焼器である。また、対逆火性が優れているため、従来の拡散燃焼方式によって対応してきた石炭ガス化ガスやコークス炉ガス等の水素含有量が高く燃焼速度が速い燃料に対しても適用可能なガスタービン燃焼器である。

　なお、隣接する燃焼器に火炎を伝播させるための火炎伝播管を備えた燃焼器においては、火炎伝播を促進するための火炎伝播用のバーナを火炎伝播管の付近に設置して火炎伝播させる方法が考えられる。火炎伝播用のバーナを設置すれば、バーナ中心で生じた燃焼ガスを効果的に火炎伝播管に流すことが可能となり、複数の燃焼器を点火することが出来る。しかしこの場合、火炎伝播用のバーナの追設によって燃焼器１缶当たりのバーナ数が増加するため、燃料の流量制御および燃料供給系統の切替制御が複雑化する。

　以下に示す本発明の第１の実施の形態は、燃料と空気とを混合して燃焼室に噴出し燃焼させる複数のバーナと、燃料を噴出する複数の燃料ノズルを配設した燃料ヘッダと、燃料と空気とを混合して燃焼室に噴出する複数の空気孔を形成した空気孔プレートと、燃料ノズルと空気孔を同軸に配設して形成した複数の燃料と空気の同軸噴流と、ガスタービン点火時に燃料をスパークで火花点火する点火栓と、ガスタービン点火時に隣接する燃焼器に燃焼ガスを輸送して隣接燃焼器を点火する火炎伝播管と、ガスタービン点火時に隣接する燃焼器に燃焼ガスを輸送して隣接燃焼器を点火する火炎伝播管を備えた複数の燃焼器から成るガスタービン燃焼器において、点火栓と火炎伝播管に近接する空気孔プレートの下流側端面が、他の部分に比べて燃焼器の軸方向上流に配置されることを特徴とする。

　上記の構成を備える本発明の第１の実施の形態によれば、ガスタービン点火に適した燃空比で複数の燃焼器に点火可能で、かつ点火後は安定燃焼と低ＮＯｘ燃焼を両立する構成のバーナを備えたガスタービン燃焼器を実現することができる。

　（１）第１の実施の形態
まず、本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントについて図１を用いて説明する。図１は本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器２を備えた発電用のガスタービンプラント１０００の全体構成を表している。

　図１に示した発電用のガスタービンプラント１０００は、吸い込み空気１００を加圧して高圧空気１０１を生成する圧縮機１と、前記圧縮機１で生成した高圧空気１０１と燃料系統２００を通じて供給される燃料とを混合して燃焼させ、高温の燃焼ガス１０２を生成するガスタービン燃焼器２と、前記ガスタービン燃焼器２で生成した高温の燃焼ガス１０２によって駆動されるタービン３と、前記タービン３の駆動によって回転され電力を発生させる発電機２０とを備えている。前記圧縮機１、タービン３及び発電機２０は、一体のシャフト２１によって相互に連結されており、タービン３を駆動して得られた駆動力はシャフト２１を通じて圧縮機１及び発電機２０に伝えられる構成となっている。

　前記ガスタービン燃焼器２は、ガスタービン装置のケーシング４の内部に格納されている。また、前記ガスタービン燃焼器２にはバーナ６が設置されており、このバーナ６の下流側となるガスタービン燃焼器２の内部には、前記圧縮機１から供給される高圧空気１０１と、このガスタービン燃焼器２で生成される高温の燃焼ガス１０２とを隔てる概略円筒状の燃焼器ライナ１０が配設されている。

　燃焼器ライナ１０の外周には圧縮機１からガスタービン燃焼器２に高圧空気１０１を流下させる空気流路を形成する外周壁となるフロースリーブ１１が配設されており、前記フロースリーブ１１は燃焼器ライナ１０よりも直径が大きく、該燃焼器ライナ１０とほぼ同心円の円筒状に配設されている。ガスタービン燃焼器２の該燃焼器ライナ１０の内側に形成した燃焼室５０にてバーナ６から噴出させた高圧空気１０１と燃料系統２００を通じて供給された燃料との混合気を燃焼させる。そして、発生した高温燃焼ガス１０２をタービン３に導くための尾筒内筒１２が配設されている。この尾筒内筒１２の外周には尾筒外筒１３が配設されている。

　吸い込み空気１００は圧縮機１によって圧縮された後に高圧空気１０１となるが、この高圧空気１０１はケーシング４内に供給されて充満した後、尾筒内筒１２と尾筒外筒１３の間に形成された空間に流入し、尾筒内筒１２を外壁面から対流冷却する。尾筒内筒１２と尾筒外筒１３の間の空間を流下した高圧空気１０１は、更にフロースリーブ１１と燃焼器ライナ１０との間に形成された環状の流路を通って前記ガスタービン燃焼器２に向かって流下するが、この流下する途中でガスタービン燃焼器２の内部に設置された燃焼器ライナ１０の対流冷却に使用される。

　また、フロースリーブ１１と燃焼器ライナ１０との間に形成された環状の流路を流下する高圧空気１０１の一部は、燃焼器ライナ１０の壁面に設けられた多数の冷却孔から燃焼器ライナ１０の内部へ流入して該燃焼器ライナ１０のフィルム冷却に使用される。そして前記環状の流路を流下して燃焼器ライナ１０のフィルム冷却に使用されなかった残りの高圧空気１０１は、ガスタービン燃焼器２に設けたバーナ６に備えた多数の空気孔３２から燃焼器ライナ１０内に供給される。

　前記ガスタービン燃焼器２に設置したバーナ６には、燃料遮断弁２１０を備えた燃料系統２００を通じて供給する燃料を、燃料系統２００から分岐したＦ１燃料流量調節弁２１１を備えたＦ１燃料系統２０１と、燃料系統２００から分岐したＦ２燃料流量調節弁２１２を備えたＦ２燃料系統２０２と、燃料系統２００から分岐したＦ３燃料流量調節弁２１３を備えたＦ３燃料系統２０３と、燃料系統２００から分岐したＦ４燃料流量調節弁２１４を備えたＦ４燃料系統２０４の４つの燃料系統が配設されている。

　そしてＦ１燃料系統２０１を通じてバーナ６に供給されるＦ１燃料の流量はＦ１燃料流量調節弁２１１によって調節され、Ｆ２燃料系統２０２を通じてバーナ６に供給されるＦ２燃料の流量はＦ２燃料流量調節弁２１２によって調節され、Ｆ３燃料系統２０３を通じてバーナ６に供給されるＦ３燃料の流量は燃料流量調節弁２１３によって調節され、Ｆ４燃料系統２０４を通じてバーナ６に供給されるＦ４燃料の流量は燃料流量調節弁２１４によって調節される。この燃料流量調節弁２１１～２１４によって前記Ｆ１燃料～Ｆ４燃料の燃料流量をそれぞれ調節して、ガスタービンプラント１０００の発電量が制御される。

　次に、ガスタービン燃焼器２の詳細な構成について説明する。図２は、図１に示した第１実施例のガスタービン燃焼器２に備えたバーナ６を構成する燃料ノズルの燃料噴孔と空気孔プレートであるベースプレート及び旋回プレートとの配置状況の詳細を示す部分構造図であり、後述する図３のＡ－Ａ´断面図である。

　本実施例のガスタービン燃焼器２に設置したバーナ６には、ガスタービン燃焼器２の燃料ヘッダ４０に多数の燃料ノズル３１が取り付けられており、多数の燃料ノズル３１の１本１本に対応した多数の空気孔３２を備えたベースプレート３３と旋回プレート３８が、サポート１５を介して燃料ヘッダ４０に取り付けられた構造となっている。サポート１５は、図に示すように平板を曲げ加工した形状とする。曲げ構造によって周方向の熱伸びを吸収することができるため、構造信頼性を高めることができる。

　また、前記バーナ６には、複数の空気孔３２を形成したベースプレート３３と、該ベースプレート３３に固定され、旋回角を持たせた旋回空気孔となる複数の空気孔３２を形成した旋回プレート３８とが配設されており、このうち旋回プレート３８は燃焼器ライナ１０の内側に形成される燃焼室５０に面して配設されている。そして前記ベースプレート３３の各空気孔３２と旋回プレート３８の各空気孔３２とは相互に連通するように配設されており、前記燃料ノズル３１と前記ベースプレート３３の各空気孔３２は同軸に配設される。

　同軸に配設された一対の燃料ノズル３１及び空気孔３２は、ほぼ同心円状に配設されており、図２の詳細図に示すように、中央に燃料噴流３５、その周囲に空気噴流３６の同軸噴流を多数形成する。同軸噴流構造によって、ベースプレート３３に形成された空気孔３２内では燃料と空気は未混合であるため、燃料の自発火は発生せず、ベースプレート３３および旋回プレート３８が溶損するようなことはないので、信頼性の高いガスタービン燃焼器２とすることができる。また、このような小さな同軸噴流を多数形成することにより、燃料と空気の界面が増加し混合が促進するため、ガスタービン燃焼器２の燃焼時にＮＯｘの発生量を抑制することができる。

　また、ガスタービン燃焼器２のフロースリーブ１１と燃焼器ライナ１０との間に形成された環状の流路を通ってこのガスタービン燃焼器２に供給された高圧空気１０１の一部は、前記バーナ６の燃料ノズルを構成するベースプレート３３に形成した空気孔３２に、図２に示したような空気噴流３６となって供給され、このベースプレート３３の空気孔３２を流下して該ベースプレート３３に固定された旋回プレート３８に形成された空気孔３２によって旋回をかけられて燃焼室５０に供給される。

　図３は本実施例のガスタービン燃焼器２に設置したベースプレート３３と旋回プレート３８とから成る空気孔プレートを燃焼器下流側から見た図である。本実施例のガスタービン燃焼器２において、多数の空気孔３２（および、図示しないが空気孔３２と対を成す燃料ノズル３１）は空気孔プレートの半径方向内周側から半径方向外周側にかけて環状の空気孔列が同心状に８列配置されている。これらの空気孔の出口は、空気孔プレートの燃焼室側の端面に形成される。

　前記ガスタービン燃焼器２の燃焼部を形成するバーナは、中心側の４列（第１列～第４列）の空気孔列に含まれる空気孔及び各空気孔に対向する燃料ノズルが第１群（Ｆ１）の燃焼部を形成するＦ１バーナを構成する。同様に、各空気孔列を構成する空気孔及び各空気孔に対向する燃料ノズルは、第５列が第２群（Ｆ２）の燃焼部を形成するＦ２バーナ、その外側の２列（第６、７列）が第３群（Ｆ３）の燃焼部を形成するＦ３バーナ、最外周（第８列）が第４群（Ｆ４）の燃焼部を形成するＦ４バーナとそれぞれ群分けされている。そして、図１に示した様に、Ｆ１バーナ～Ｆ４バーナのそれぞれの群ごとに、流量制御弁２１１～２１４をそれぞれ備えた燃料系統２０１～２０４から供給される燃料を燃料ノズル３１に供給する。

　このような燃料系統２０１～２０４の群分け構造によって、ガスタービンの燃料流量変化に対し燃料供給する燃料ノズルの本数を段階的に変化させる燃料ステージングが可能となり、ガスタービン部分負荷運転時の燃焼安定性の確保と低ＮＯｘ化が可能となる。

　さらにベースプレート３３の空気孔３２は直管とし、旋回プレート３８の空気孔３２は角度（図３中のα度）を持った斜め穴に形成することで、この空気孔３２を流下する空気流全体に旋回をかけ、生じる循環流によって火炎を安定化させている。この角度α度は各列において最適となる値に設定する。

　Ｆ２～Ｆ４バーナに比べて、Ｆ１バーナは空気孔３２と空気孔３２の間の距離（孔間距離）を消炎距離以上に広くすることで、この間隙に火炎を付着させて火炎の安定性を強化している。一方で、Ｆ１バーナに比べて、Ｆ２バーナ～Ｆ４バーナは孔間距離を消炎距離程度に小さくすることで、孔間への火炎付着を防止し、火炎面までの混合距離を延長させることで低ＮＯｘ燃焼する。Ｆ１バーナの外周側に配設したＦ２バーナ～Ｆ４バーナは、中央のＦ１バーナの燃焼熱によって火炎が安定化され、かつ低ＮＯｘ燃焼することができる。このように、Ｆ１バーナとＦ２～Ｆ４バーナとではバーナの性質が異なっており、Ｆ１バーナを中央バーナ、Ｆ２～Ｆ４バーナを外周バーナとしてそれぞれを区別することができる。

　本実施例では、左上の立体図に示すように、空気孔プレートの中央部に配置されたＦ１バーナは、外周部に配置されたＦ２バーナ～Ｆ４バーナに対して、燃焼器の軸方向上流に配置される。即ち、空気孔プレートの燃焼室側の端面は、中央部端面が外周部端面よりも該燃焼器の軸方向について上流側に位置している。そして、Ｆ２バーナ～Ｆ４バーナは、旋回プレート３８の周方向に凹凸を有しており、燃焼器の周方向の位相について、点火栓１６の位相と旋回プレート３８の凹部が形成される領域の位相と同位相にしている。即ち、空気孔プレートの外周部端面は、燃焼器の周方向について、点火栓１６が設けられた位相と同位相の領域（凹部）が、その他の位相の領域（凸部）よりも燃焼器の軸方向上流側かつ中央部よりも下流側に位置している。

　燃焼器の点火時には点火栓１６をスパークさせて燃料を火花点火するが、点火栓１６の位相と旋回プレート３８の凹部の位相とを合わせることで、点火栓から発生する火花がＦ１バーナに到達しやすくなるため、信頼性の高い点火を実現できる。また、点火後にはＦ１バーナにおいて空気孔間に火炎が付着するため、点火直後であっても安定燃焼を実現できる。したがって、点火に適した燃空比で、複数の燃焼器に点火可能な構成のバーナを備えた燃焼器を提供することができる。

　また、複数の燃焼器からなるガスタービン燃焼器においては、ガスタービン点火時に、点火栓で点火した燃焼器から燃焼ガスを隣接する燃焼器に輸送することで複数の燃焼器を点火せしめるために、燃焼器の左右に１つずつ火炎伝播管１５を設置することが一般的である。そして、本実施例では、火炎伝播管１５の設置される位相を、旋回プレート３８の凹部と一致させている。即ち、空気孔プレートの外周部端面は、燃焼器の周方向について、火炎伝播管１５が設けられた位相と同位相の領域（凹部）が、その他の位相の領域（凸部）よりも燃焼器の軸方向上流側かつ中央部よりも下流側に位置している。旋回プレート３８の凹部の位相と火炎伝播管１５の位相とを合わせることで、点火時にＦ１バーナで生じた火炎がＦ２バーナおよびＦ３バーナの凹部に供給される燃料と空気の混合気を伝播するため、燃焼ガスは旋回プレート３８の凹部から火炎伝播管１５へと流下する。

　そして、点火栓１６を設置した燃焼器に隣接した、火炎伝播管１５からの燃焼ガスの供給によって点火する燃焼器は、旋回プレート３８の凹部の位相を火炎伝播管１５の位相と合わせることで、火炎伝播管１５から流下する燃焼ガスが旋回プレート３８の凹部を流れるため、Ｆ２バーナおよびＦ３バーナの凹部に供給される燃料と空気の混合気を燃焼しながらＦ１バーナを点火させる。そして、点火後のＦ１バーナには、空気孔間に火炎が付着して安定燃焼を実現する。したがって、点火に適した燃空比で、複数の燃焼器に点火可能な構成のバーナを備えた燃焼器を提供することができる。

　図４で、本実施例の旋回プレート３８におけるガスタービン点火時を説明する。点火時には図に示すバーナのＦ１、Ｆ２、Ｆ３の部分に燃料を供給して点火する。最初に、点火栓１６をスパークさせて点火のための火花Ａを生成する。点火栓１６の位相は旋回プレート３８の凹部の位相と同じであるため、火花Ａは実線の矢印のように旋回プレート３８の凹部を通ってＦ１バーナの中心Ｂに到達し、Ｆ１バーナを点火する。

　その後、燃焼ガスは白抜きの矢印のようにＦ１バーナの中心Ｂからバーナ外周側へ流れる。しかし、旋回プレート３８の中央部と凸部との間には径方向に段差が形成されているため、旋回プレート３８の凸部には燃焼ガスが流れにくい。言い換えると、凸部への燃焼ガスの流入を抑制することで、凹部への燃焼ガスの流入を相対的に増加させる事ができる。一方で、旋回プレート３８の凹部Ｃは中央部端面と直に隣接して接続されており、図３の立体図で示すようにＦ１バーナ～Ｆ４バーナの径方向の接続も滑らかであるため、燃焼ガスが流れやすい。したがって、本実施例の燃焼器では、燃焼ガスは旋回プレート３８の凹部Ｃを流れて火炎伝播管１５に到達し、隣接する燃焼器へ速やかに輸送され、遅れなく複数缶の燃焼器を点火できる。隣接する燃焼器を確実に点火可能な火炎伝播管１５に流れる燃焼ガス量を確保するために、旋回プレート３８の凹部の流路幅は、図のように火炎伝播管１５の内径以上であることが好ましい。

　図５は、ガスタービン点火以降の負荷運転時において、本実施例の旋回プレート３８が有する機能を示す図である。信頼性の高い燃焼器とするには、強い循環流によって燃焼ガスを保炎部分に循環させて安定燃焼させることが重要である。本実施例の旋回プレート３８の構造は、次の二つの循環流を形成することができる。

　第一には、空気孔プレートの外周部端面に形成されるＦ２～Ｆ４バーナに対して中央部端面に形成されるＦ１バーナを燃焼器の軸方向上流に配置し、かつＦ１バーナの下流にＦ２バーナの内周側の一部（外周部端面の凸部を構成する段差部）を空気孔プレートの内周側に迫り出した構造とすることで、図のＡ部に示す循環流を形成する。また、Ｆ２バーナの内周側には広いデッドスペースＤ（旋回プレート３８の空気孔３２を有しない部分）が確保されるため、デッドスペースＤの下流には安定な循環流が形成できる。このように、空気孔プレートの径方向の循環流を形成することによって、火炎安定性を向上する事ができる。

　第二には、旋回プレート３８が周方向に凹凸を備え、凹部と凸部とを接続する境界面が燃焼器の軸方向に平行な面を含むように段差を形成している。このような凹凸の境目に生じる段差では図のＢ部に示す縦渦によって、空気孔プレートの周方向の循環流が形成される。本実施例では、凹凸の段差は燃焼器の軸方向に平行であるが、凹凸の段差を燃焼器の軸方向に角度をつけた形状とすれば、さらに強い縦渦が形成できる。

　かくして、ガスタービン点火以降の負荷運転時には、これら二つの循環流によって火炎を安定させるため、燃焼安定性が高い。そして、デッドスペースＤの下流は常に十分な熱量を保持するため、燃料の反応を促進し、部分負荷から定格負荷まで未燃分の排出が抑制できる。一方で、点火栓や火炎伝播管から導入される火種は、凹部を経由する形で側面からＦ１バーナに流入するため、循環流に阻まれることが無い。そのため、点火時に適した燃料流量で、信頼性の高い点火を実現することができる。

　図６は本実施例のガスタービンプラント１０００の燃焼器２の運用方法を示す図である。横軸が時間軸、縦軸が燃料流量である。ガスタービンの点火時は、点火用バーナとしてＦ１～Ｆ３（１列目から７列目）バーナに燃料を供給して燃焼させ、非点火バーナとしてＦ４（８列目）には燃料を供給しない。Ｆ１～Ｆ３で生じた燃焼ガスが、Ｆ４の燃料ノズルおよび空気孔３２を配設しない部分を通過して火炎伝播管へと流入し、点火栓を設置しない燃焼器へと燃焼ガスを輸送することでガスタービン燃焼器の全缶が点火する。

　なお、本実施例の構造では、Ｆ２～Ｆ４バーナに対して、燃焼器の軸方向上流に配置される空気孔プレートの中央部端面に点火用バーナであるＦ１バーナが含まれるため、Ｆ１バーナ火炎への周囲からの空気の拡散が抑制できる。そのため、Ｆ１バーナの単独燃焼時には、燃焼温度の低下による反応のクエンチによる未燃分の排出が抑制できる。

　点火後は、Ｆ１単独燃焼へと切り替わり、タービン３の定格回転数無負荷状態（ＦＳＮＬ；Ｆｕｌｌ　Ｓｐｅｅｄ　Ｎｏ　Ｌｏａｄ）まで昇速する。定格回転数に昇速後発電を開始し、負荷を増加させていく。負荷の増加に応じて、ガスタービン燃焼器２のバーナ６の燃空比が安定燃焼範囲となるように、Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４と順々に燃料を供給する燃料系統を増加させる燃料を供給する。本実施例のガスタービン燃焼器２は、Ｆ１～Ｆ４に燃料が供給された燃焼状態で定格回転数定格負荷（ＦＳＦＬ；Ｆｕｌｌ　Ｓｐｅｅｄ　Ｆｕｌｌ　Ｌｏａｄ）となる。

　以上の通り、本実施例の燃焼器によれば、複数の燃焼器を有するガスタービンにおいて、点火に適した燃空比で、複数の燃焼器に点火可能な構成のバーナを備えた燃焼器を実現することができる。点火時に適した燃料流量で燃焼器の全缶に点火し、定格時には低ＮＯｘ燃焼と安定燃焼を両立することができる。

　（２）第２の実施の形態
次に本発明の第２実施例のガスタービンに設置されるガスタービン燃焼器及びその運用方法について図７を用いて説明する。本実施例のガスタービンに設置されるガスタービン燃焼器は図１～図６に示した本発明の第１実施例のガスタービンに設置されるガスタービン燃焼器と基本的な構成は共通しているので、両者に共通した構成及び作用の説明は省略し、相違する部分について以下に説明する。

　図７は本実施例のガスタービン燃焼器２に設置したベースプレート３３と旋回プレート３８とから成る空気孔プレートを燃焼器下流側から見た図である。旋回プレート３８の凹部が、点火栓１６と火炎伝播管１５の位相に限定される点で本発明の第１実施例と異なる。本実施例によれば、点火栓１６でスパークして火花点火された燃料が燃焼して生成する燃焼ガスは、バーナ中心から火炎伝播管１５を備えた位相にのみ流下し、本発明の第１実施例のように点火栓１６や火炎伝播管１５の存在しない位相には燃焼ガスが流下しない。

　このように、燃焼ガスの流れが限定されることで、より確実かつ迅速に燃焼ガスを隣接する缶に輸送でき、複数缶で遅れのない点火が実現できる。即ち、点火性能をより高める事ができるため、点火が可能な燃料流量の幅を広げることができる。そのため、点火時に適した燃料流量で、信頼性の高い点火を実現することができる。なお、本発明の第１実施例に比べて凹凸箇所を限定しているため、旋回プレート３８の強度が高く、更には機械加工する際の製作工数をも少なくできる。

　図８は点火栓１６を有しないガスタービン燃焼器２に設置したベースプレート３３と旋回プレート３８とから成る空気孔プレートを燃焼器下流側から見た図である。右側に隣接する缶において、点火栓１６によってガスタービン燃焼器２を点火すると、図の右側の火炎伝播管１５Ａから燃焼ガスが流下し、矢印で示すようにＡ、Ｂ、Ｃの順に燃焼ガスが伝播する。そして、図の左側の火炎伝播管１５Ｂを通って燃焼ガスは左側に隣接する缶に流下する。点火栓１６を有しない缶では、このように空気孔プレート３８の凹部を火炎伝播管１５の位相の２ヶ所とすることができる。

　本実施例のガスタービンプラント１０００の燃焼器２の運用方法は、本発明の第１実施例にほぼ同じであり、割愛する。

　したがって、本実施例によれば、複数の燃焼器を有するガスタービンにおいて、点火時に適した燃料流量で燃焼器の全缶に点火し、定格時には低ＮＯｘ燃焼と安定燃焼を両立することができる。

　（３）第３の実施の形態
次に本発明の第３実施例のガスタービンに設置されるガスタービン燃焼器及びその運用方法について図９を用いて説明する。本実施例のガスタービンに設置されるガスタービン燃焼器は図１～図６に示した本発明の第１実施例のガスタービンに設置されるガスタービン燃焼器と基本的な構成は共通しているので、両者に共通した構成及び作用の説明は省略し、相違する部分について以下に説明する。

　図９は、本発明の第１実施例の図３のＢ－Ｂ´断面図である。ここで、本実施例は図のＲ１、Ｒ２の部分に曲率を設けて、バーナ周方向の凹凸を連続する曲線で滑らかに接続する。曲率を設けたために、点火栓１６でスパークして燃料に点火して生成した燃焼ガスは、火炎伝播管１５へと輸送されつつ、Ｆ２～Ｆ４バーナにおいて一部が周方向に伝播してバーナ全体に熱が行き渡る。そのため、点火時に生成する燃料の未燃分を抑制し、かつ供給した燃料から十分な熱量を回収できる。そのため、着火性能を向上することができる。さらには、負荷運転時において、本発明の第１および第２の実施例に対して、周方向のバーナの燃焼状態が均質となるため、低ＮＯｘ燃焼が期待できる。

　なお、図９は角部Ｒ１、Ｒ２に曲率を設けた例であるが、Ｆ２～Ｆ４バーナの周方向の凹凸を滑らかな曲面のみで構成することもできる。

　したがって、本実施例によれば、複数の燃焼器を有するガスタービンにおいて、点火時は適した燃料流量で燃焼器の全缶に点火し、定格時には低ＮＯｘ燃焼と安定燃焼を両立することができる。

　１：圧縮機、２：ガスタービン燃焼器、３：タービン、４：ケーシング、６：バーナ、１０：燃焼器ライナ、１１：フロースリーブ、１２：燃焼器尾筒内筒、１３：尾筒外筒、１４：スプリングシール、１５：火炎伝播管、１６：点火栓、２０：発電機、２１：シャフト、３１：燃料ノズル、３２：空気孔、３３：ベースプレート、３５：燃料噴流、３６：空気噴流、３８：旋回プレート、４０：燃料ヘッダ、５０：燃焼室、１００：吸い込み空気、１０１：高圧空気、１０２：高温燃焼ガス、１０３：排ガス、２００：燃料系統、２０１：Ｆ１燃料系統、２０２：Ｆ２燃料系統、２０３：Ｆ３燃料系統、２０４：Ｆ４燃料系統、２１０：燃料遮断弁、２１１：Ｆ１燃料流量調節弁、２１２：Ｆ２燃料流量調節弁、２１３：Ｆ３燃料流量調節弁、２１４：Ｆ４燃料流量調節弁、１０００：ガスタービンプラント。

Claims

　燃料と空気とを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼室と、燃料を噴出する複数の燃料ノズルが配設された燃料ヘッダと、前記燃料ノズルから噴射された燃料と空気とを前記燃焼室に噴出する複数の空気孔が形成された空気孔プレートと、燃料に点火するための点火栓または点火時に隣接する燃焼器に燃焼ガスを輸送して隣接燃焼器を点火する火炎伝播管のうち少なくともいずれか一方と、を備えた燃焼器であって、
　前記空気孔プレートの前記燃焼室側の端面は、中央部端面が外周部端面よりも該燃焼器の軸方向について上流側に位置し、
　該燃焼器の周方向について、前記外周部端面の前記点火栓または前記火炎伝播管の少なくともいずれか一方が設けられた位相と同位相の領域が、その他の位相の領域よりも前記軸方向上流側かつ前記中央部よりも下流側に位置していることを特徴とする燃焼器。
　請求項１に記載の燃焼器において、
　前記中央部端面と前記外周部端面の前記その他の位相の領域との間に、段差部が形成されていることを特徴とする燃焼器。
　請求項１又は２に記載の燃焼器において、
　前記中央部端面と、前記外周部端面のうち前記点火栓または前記火炎伝播管の少なくともいずれか一方が設けられた位相と同位相の領域とが、隣接して接続されていることを特徴とする燃焼器。
　請求項１乃至３に記載の燃焼器において、
　点火時に燃料を供給して燃焼させる点火用バーナと、点火時には燃料を供給しない非点火バーナとを備え、該非点火バーナは該点火用バーナの外周を囲むように環状に配置され、
　該点火用バーナと該非点火用バーナが、同心円状に複数列配設した前記空気孔の群分けによって構成されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
　請求項４に記載の燃焼器において、
　前記中央部端面に開口を有する前記空気孔の群が前記点火用バーナに含まれていることを特徴とする燃焼器。
　請求項４又は５に記載の燃焼器において、
前記空気孔プレートは、前記中央部端面の前記軸方向下流側に、前記外周部端面の前記その他の位相の領域が、前記空気孔プレートの内周側に迫り出していることを特徴とする燃焼器。
　請求項１乃至６に記載の燃焼器において、
　前記点火栓または前記火炎伝播管の少なくともいずれか一方が設けられた位相と同位相の領域のみが、その他の位相の領域よりも前記軸方向上流側かつ前記中央部よりも下流側に位置していることを特徴とする燃焼器。
　請求項１乃至７に記載の燃焼器において、
　前記点火栓または前記火炎伝播管の少なくともいずれか一方が設けられた位相と同位相の領域とその他の位相の領域とを接続する境界面に、前記軸方向に平行な面が含まれることを特徴とする燃焼器。
　請求項８に記載の燃焼器において、
　前記点火栓または前記火炎伝播管の少なくともいずれか一方が設けられた位相と同位相の領域とその他の位相の領域とが、前記空気孔プレートの周方向について、曲面で滑らかに接続されていることを特徴とする燃焼器。