WO2015141561A1 - ノズル、バーナ、燃焼器、ガスタービン、ガスタービンシステム - Google Patents

Abstract

　燃焼器（１０）は、先端部（２５ｓ）から空気を噴射させる空気噴射部（５１）が形成されたノズル（２５）と、ノズル（２５）を外周側から覆うと共に、ノズル（２５）との間に空気流路を形成する筒状部材（２６）と、空気流路に設けられ、空気流路を流れる空気に圧力損失を生じさせる圧力損失部（２７）と、を備え、ノズル（２５）は、圧力損失部（２７）よりも上流側の外周面から空気を取り入れる空気取入部（５２）と、空気取入部（５２）から取り入れた空気を空気噴射部（５１）まで導く噴出空気流路（Ｒ２）を形成する流路形成部（５０）と、を備える。

Description

ノズル、バーナ、燃焼器、ガスタービン、ガスタービンシステム

　この発明は、燃焼器に用いられるノズル、バーナ、燃焼器、ガスタービン、ガスタービンシステムに関する。
　本願は、２０１４年３月２０日に、日本に出願された特願２０１４－０５９１２７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　ガスタービンの燃焼器においては、圧縮機から送られた圧縮空気（燃焼用空気）に予め燃料を混合して混合気を生成して、この混合気を燃焼させる予混合燃焼方式が広く用いられている（例えば、特許文献１～３参照）。
　この種の燃焼器としては、燃焼器の中心軸線上に設けられたパイロットノズルと、このパイロットノズルと平行に配置された複数のメインノズルとを有するものが知られている。

　このような予混合燃焼方式を採用したガスタービン燃焼器では、混合気の流速が低い領域において、火炎が混合気の流れ方向に逆行する逆火が発生することがある。

　特許文献４には、メインノズルの外周側に備えられて圧縮機から送り込まれた圧縮空気を旋回させる旋回翼の下流端部近傍に、空気等の流体を噴射する流体噴射穴を備えた構成が開示されている。この構成では、流体噴射穴から流体を高速で噴射することによって、混合気の流速が低い領域を減らすとともに、下流端部の燃料濃度を減少させることによって、逆火の発生を抑制する。

特開２０００－４６３３３号公報 日本国特許第３１３９９７８号公報 特開平８－２６１４６６号公報 特開２０１１－１７３３４号公報

　しかしながら、特許文献４のように、旋回翼の下流端部近傍に流体噴射穴を備えた構成では、流体の噴射によって逆火の発生を抑制できる部位が限られる。例えば、メインノズルの先端に対しては、流体の噴射による逆火の発生を抑制する効果を発揮することができない。

　メインノズルの先端部近傍は、旋回翼によって発生した旋回流の渦芯となるため流速が遅い。このため、逆火が発生した場合、火炎がメインノズルの先端部に向けて遡上する。
　遡上した火炎がノズル先端近傍で停滞すると、ノズル先端が焼損してしまう可能性がある。
　この発明は、ノズル先端部への逆火を確実に抑制することのできるノズル、バーナ、燃焼器、ガスタービン、ガスタービンシステムを提供する。

　この発明の第一態様において、ノズルは、燃料を噴射する燃焼器のノズルであって、先端部から空気を噴射させる空気噴射部を備える。

　この発明の第二態様において、バーナは、上記のノズルを備え、燃料を噴射する。

　この発明の第三態様において、燃焼器は、第二態様におけるバーナを備える燃焼器であって、前記ノズルを外周側から覆うと共に、前記ノズルとの間に空気流路を形成する筒状部材と、前記空気流路に設けられ、前記空気流路を流れる空気に圧力損失を生じさせる圧力損失部と、を備え、前記ノズルは、前記圧力損失部よりも上流側の外周面から空気を取り入れる空気取入部と、前記空気取入部から取り入れた空気を前記空気噴射部まで導く流路を形成する流路形成部と、を備える。

　この発明の第四態様において、燃焼器は、第三態様における空気取入部が、前記ノズルの外周面に複数設けられ、前記流路形成部は、複数の前記空気取入部から取り入れた空気を、前記空気噴射部の上流側で合流させる合流部を備えるようにしてもよい。

　この発明の第五態様において、燃焼器は、第三態様における流路形成部が、断面円環状の流路を形成するようにしてもよい。

　この発明の第六態様において、燃焼器は、第三態様における流路形成部が、同心円上に配される複数の流路を形成するようにしてもよい。

　この発明の第七態様において、ガスタービンは、第三態様から第五態様の何れか一つの態様における燃焼器と、前記燃焼器から送り出された燃焼ガスにより回転するロータを備えたタービン本体と、を備える。

　この発明の第八態様において、ガスタービンシステムは、第一態様におけるノズルを備える燃焼器と、前記燃焼器から送り出された燃焼ガスにより回転するロータを備えたタービン本体と、前記タービン本体の車室内の空気を前記空気噴射部に供給する車室空気供給部と、前記車室空気供給部における前記車室から前記空気噴射部への前記空気の供給を制御する制御弁と、前記燃焼器における逆火の発生を検出する検出部と、前記検出部の検出結果に基づいて前記制御弁を開閉制御する制御装置と、を備える。

　上述したノズル、バーナ、燃焼器、ガスタービン、ガスタービンシステムによれば、ノズル先端部への逆火を確実に抑制することが可能となる。

この実施形態のガスタービンの概略構成を示す半断面図である。 上記ガスタービンの第一実施形態における燃焼器を示す断面図である。 上記燃焼器の構成を示す断面図である。 上記燃焼器のメインノズルの構成を示す断面図である。 上記メインノズルの軸線に直交する断面図である。 上記メインノズルの変形例を示す図である。 第二実施形態におけるガスタービンシステムの概略構成を示す図である。

　以下、この発明の実施形態のノズル、バーナ、燃焼器、ガスタービン、ガスタービンシステムを図面に基づき説明する。
（第一実施形態）
　図１は、この実施形態のガスタービンの概略構成を示す半断面図である。図２は、上記ガスタービンに備えられた燃焼器を示す断面図である。図３は、上記燃焼器の構成を示す断面図である。
　図１に示すように、この実施形態のガスタービン１は、圧縮機２と、複数の燃焼器１０と、タービン（タービン本体）３と、を備える。

　圧縮機２は、空気を空気取込口から作動流体として取り込んで圧縮空気を生成する。
　燃焼器１０は、圧縮機２の吐出口に接続されている。燃焼器１０は、圧縮機２から吐出された圧縮空気に燃料を噴射して高温・高圧の燃焼ガスを発生させる。
　タービン３は、燃焼器１０から送り出された燃焼ガスの熱エネルギをロータ３ａの回転エネルギに変換して駆動力を発生させる。このタービン３は、発生させた駆動力をロータ３ａに連結された発電機（図示無し）に伝達する。

　図２に示すように、各燃焼器１０は、燃焼器本体１１と、尾筒３０とを備えている。燃焼器本体１１は、供給された燃料と圧縮空気Ａとを反応させる燃焼室として機能する。尾筒３０は、燃焼器本体１１から流入した燃焼ガスＢの流速を速めて後流のタービン３に導入する。

　図２、図３に示すように、燃焼器本体１１は、内筒１２と、外筒１３とを備えている。内筒１２は、円筒状に形成されている。外筒１３は、内筒１２の中心軸方向一端側の外周側に同心円状に設けられている。
　外筒１３と内筒１２との間から燃焼器本体１１内に流入した圧縮空気Ａは、外筒１３の一端側１３ａで１８０°転回し、内筒１２の内部に供給される。

　図３に示すように、燃焼器本体１１は、内筒１２内にパイロットバーナ２１と、メインバーナ（バーナ）２２と、を備えている。

　パイロットバーナ２１は、内筒１２の中心軸Ｏに沿って設けられている。パイロットバーナ２１は、外部から供給される燃料を先端部２１ａから噴射する。パイロットバーナ２１は、この噴射した燃料に着火することで火炎を生成する。パイロットバーナ２１は、パイロットコーン２４を備えている。パイロットコーン２４は、パイロットバーナ２１の先端部２１ａの外周側を囲む筒状に形成されている。パイロットコーン２４は、パイロットバーナ２１の先端部２１ａ近傍から、火炎の生成方向に向けて、その内径が漸次拡大するテーパコーン部２４ｃを有している。テーパコーン部２４ｃは、火炎の拡散範囲、方向を規制し、保炎性を高めている。

　メインバーナ２２は、内筒１２内に複数本設けられている。これらメインバーナ２２は、パイロットバーナ２１の外周側に周方向に間隔を空けて配されている。各メインバーナ２２は、内筒１２の中心軸Ｏに平行に延びている。

　メインバーナ２２の先端部には、メインノズル（ノズル）２５が設けられている。メインノズル２５は、先端部２５ｓに向かってその外径が漸次縮小する円錐状をなしている。

　メインバーナ２２は、メインノズル２５の外周側に、コーン部材（筒状部材）２６を備えている。コーン部材２６は、筒状で、メインノズル２５を外周側から囲うように設けられている。コーン部材２６は、内筒１２の中心側のパイロットコーン２４に近接する側２６ａが、火炎の生成方向に向けて漸次外周側に傾斜して形成されている。コーン部材２６は、メインバーナ２２との間に圧縮空気Ａが流れる主流路Ｒ１を形成する。

　メインバーナ２２は、コーン部材２６内にメインスワラ（圧力損失部）２７を備えている。メインスワラ２７は主流路Ｒ１における流れに旋回力を付与する。
　メインバーナ２２は、メインバーナ２２の外周面側に、例えばメインスワラ２７に設けられた燃料ノズル（図示無し）から燃料（メイン燃料）が噴射される。燃料ノズル（図示無し）は、メインスワラ２７以外の部位、例えばメインバーナ２２の外周面側において後述する空気取入口５２よりも下流側の部位等に設けても良い。この燃料は、内筒１２内の圧縮空気Ａと混合され、予混合気Ｆとなる。メインスワラ２７により生成された旋回流によって、予混合気Ｆはメインバーナ２２周りに旋回しながら主流路Ｒ１を下流に向けて流れていく。

　図４は、上記燃焼器のメインノズルの構成を示す断面図である。図５は、上記メインノズルの軸線に直交する断面図である。
　図４に示すように、メインノズル２５は、流路孔（流路形成部）５０と、空気噴射口（空気噴射部）５１と、空気取入口（空気取入部）５２と、を備えている。

　流路孔５０は、メインノズル２５の軸方向に向かって延びている。図４、図５に示すように、この実施形態において、複数本の流路孔５０が形成されている。これら流路孔５０は、メインノズル２５の周方向に間隔を空けて配されている。これら流路孔５０は、メインノズル２５と同心円上にそれぞれ配されている。図５においては、流路孔５０が３つ形成される場合を例示しているが、２つ以上であってもよい。これら複数の流路孔５０によってこの発明の流路形成部が構成されている。

　図４に示すように、空気噴射口５１は、メインノズル２５の先端部２５ｓに開口して形成されている。
　空気取入口５２は、メインノズル２５の外周面に複数形成されている。各空気取入口５２は、それぞれ流路孔５０の一端が、メインノズル２５の外周面に開口することで形成されている。各空気取入口５２は、メインノズル２５の外周面において、メインスワラ２７よりも上流側に開口している。

　複数本の流路孔５０は、メインノズル２５内の合流部５４で一本に合流し、一つの空気噴射口５１に連通している。このようにして、流路孔５０は、メインスワラ２７よりも上流側の空気取入口５２から取り入れた圧縮空気Ａを、メインノズル２５の先端部２５ｓの空気噴射口５１まで導く噴出空気流路Ｒ２を形成する。

　このようなメインノズル２５を備えたメインバーナ２２は、主流路Ｒ１を流れる圧縮空気Ａの一部が空気取入口５２から流路孔５０内に流れ込み、メインノズル２５の先端部２５ｓの空気噴射口５１から噴出される。空気噴射口５１から圧縮空気Ａを噴射させると、メインノズル２５の先端部２５ｓ近傍における、予混合気Ｆの燃料濃度が下がる。また、空気噴射口５１から噴射される圧縮空気Ａにより、メインノズル２５の先端部２５ｓにおける予混合気Ｆの流速が高まる。

　メインノズル２５とコーン部材２６との間に形成された主流路Ｒ１では、メインスワラ２７で予混合気Ｆを旋回させることにより、主流路Ｒ１を流れる予混合気Ｆに圧力損失が生じる。メインノズル２５は、メインスワラ２７よりも上流側に空気取入口５２を有し、メインスワラ２７よりも下流側にメインノズル２５の先端部２５ｓの空気噴射口５１を有している。これにより、空気取入口５２と空気噴射口５１との間には、メインスワラ２７での圧力損失によって圧力差が生じる。具体的には、空気取入口５２側の方が、空気噴射口５１側よりも圧力が高い。この圧力差により、流路孔５０によって形成された噴出空気流路Ｒ２において、空気取入口５２から空気噴射口５１に向かう流れが発生する。このようにして、メインノズル２５の外周面に形成された空気取入口５２から噴出空気流路Ｒ２内に空気を良好に取り入れることができる。

　したがって、上述した第一実施形態によれば、メインノズル２５の先端部２５ｓに空気噴射口５１を設けていることで、この空気噴射口５１から圧縮空気Ａを噴射させると、メインノズル２５の先端部２５ｓ近傍における予混合気Ｆの燃料濃度が下がる。そのため、インノズル２５の先端部２５ｓで火炎が発生し難くなる。さらに、空気噴射口５１から噴射される圧縮空気Ａにより、メインノズル２５の先端部２５ｓにおける予混合気Ｆの流速が高まる。そのため、逆火が発生した場合、火炎がメインノズル２５の先端部２５ｓに向けて遡上し難くなる。
　このようにして、メインノズル２５の先端部２５ｓへの逆火の遡上および発生を確実に抑制することが可能となる。その結果、メインノズル２５の焼損も避けることができる。

　しかも、空気噴射口５１に連通する流路孔５０は、メインスワラ２７よりも上流側に空気取入口５２を有し、メインスワラ２７よりも下流側にメインノズル２５の先端部２５ｓの空気噴射口５１を有している。そのため、メインスワラ２７での圧力損失によって空気取入口５２と空気噴射口５１との間に生じる圧力差によって、空気取入口５２から噴出空気流路Ｒ２内に空気を良好に取り入れることができる。これにより、逆火の抑制を、確実かつ効率的に行うことができる。

　また、メインノズル２５は、複数組の空気取入口５２および流路孔５０を有し、これらが、合流部５４にて合流するようにした。これにより、複数の空気取入口５２から取り入れた空気が、流路孔５０に形成された噴出空気流路Ｒ２を通り、合流部５４で合流する。その後、この合流した空気が、空気噴射口５１から噴射される。そのため、空気噴射口５１からの空気噴射量を増大させることができる。

　さらに、流路形成部が同心円上の複数の流路孔５０を形成するため、流路断面積を容易に大きくできるとともに、流路形成部の施工性も向上することができる。

（第一実施形態の変形例）
　上記第一実施形態では、メインノズル２５は、流路孔５０を複数備えているが、これに限らない。
　図６は、上記メインノズルの変形例を示す図である。
　図６に示すように、流路孔５０Ｂは、断面形状が円環状をなすようにしても良い。これは、メインノズル２５を二重管構造とすることで実現できる。
　このように構成することで、複数本の流路孔５０を並設する場合と比較して、容易に流路断面積を大きくして十分な流路断面積を確保することができる。これにより、空気噴射口５１からの空気噴射量を増大させることができる。

（第二実施形態）
　次に、この発明にかかるガスタービンシステムについて説明する。以下に説明する第二実施形態においては、第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複説明を省略する。
　図７は、第二実施形態におけるガスタービンシステムの概略構成を示す図である。
　図７に示すように、この実施形態におけるガスタービンシステム１００は、燃焼器１０と、タービン３（図１参照）と、車室空気供給管（車室空気供給部）６０と、制御弁６１と、検出センサ（検出部）６２と、制御装置６３と、を備える。

　燃焼器１０に設けられたメインバーナ２２のメインノズル２５Ｂは、先端部２５ｓに空気噴射口５１を備える。メインノズル２５Ｂには、空気噴射口５１に一端が連通する流路孔５０が形成されている。

　車室空気供給管６０は、メインノズル２５Ｂの流路孔５０の他端に接続されている。車室空気供給管６０は、タービン３の車室内の圧縮空気Ａを空気噴射口５１に供給する。これにより、メインノズル２５Ｂの空気噴射口５１から、空気が噴射される。

　制御弁６１は、車室空気供給管６０に設けられている。制御弁６１は、開閉操作を行うことで、車室空気供給管６０における車室から空気噴射口５１への圧縮空気Ａの供給を制御する。

　検出センサ６２は、燃焼器１０における逆火の発生を検出する。このような検出センサ６２としては、メインバーナ２２のメインノズル２５Ｂの近傍に設けられた温度センサ、圧力センサ、光度センサ等を用いることができる。検出センサ６２は、メインノズル２５Ｂの近傍における温度、圧力、光度等を検出し、その検出データを制御装置６３に出力する。

　制御装置６３は、検出センサ６２の検出結果に基づいて制御弁６１を開閉制御する。制御装置６３は、検出センサ６２で検出したメインノズル２５Ｂの近傍における温度、圧力、光度等のパラメータの変化を監視し、メインノズル２５Ｂの近傍で逆火が発生したか否かを判定する。そして、逆火が発生したと判定された場合に、制御装置６３は、制御弁６１を開くようになっている。
　制御弁６１が開放されると、車室空気供給管６０を通して、タービン３の車室内の圧縮空気Ａが空気噴射口５１に供給される。これにより、メインノズル２５Ｂの空気噴射口５１から空気が噴射され、メインノズル２５の先端部２５ｓへの逆火の遡上および逆火の発生を抑制することが可能となる。その結果、メインノズル２５の焼損を避けることができる。

　制御装置６３は、ガスタービン１の運転状態が、予め定めた状態となったときに、制御弁６１を開き、メインノズル２５Ｂの空気噴射口５１から、空気を噴射するようにしてもよい。

　このようなガスタービンシステム１００によれば、制御装置６３における制御により、逆火が発生した場合や、逆火が発生しやすい状態である場合等に、空気噴射口５１から圧縮空気Ａを噴射することができる。これにより、メインノズル２５の先端部２５ｓへの逆火の遡上、および逆火の発生を抑えることができる。
　このような制御を行うことで、不要時においては、空気噴射口５１からの空気の噴射を停止させることができる。

（その他の変形例）
　上記実施形態で、メインスワラ２７を圧力損失部としたが、これに限らない。空気流路を流れる空気に圧力損失を生じさせることができるのであれば、いかなる構成としても良い。

　本発明は、ノズル、バーナ、燃焼器、ガスタービン、ガスタービンシステムに適用でき、ノズル先端部への逆火を確実に抑制することが可能となる。

１　　ガスタービン
２　　圧縮機
３　　タービン（タービン本体）
３ａ　　ロータ
１０　　燃焼器
１１　　燃焼器本体
１２　　内筒
１３　　外筒
１３ａ　　一端側
２１　　パイロットバーナ
２１ａ　　先端部
２２　　メインバーナ（バーナ）
２４　　パイロットコーン
２４ｃ　　テーパコーン部
２５，２５Ｂ　　メインノズル（ノズル）
２５ｓ　　先端部
２６　　コーン部材（筒状部材）
２７　　メインスワラ（圧力損失部）
３０　　尾筒
５０，５０Ｂ　　流路孔（流路形成部）
５１　　空気噴射口（空気噴射部）
５２　　空気取入口（空気取入部）
５４　　合流部
６０　　車室空気供給管（車室空気供給部）
６１　　制御弁
６２　　検出センサ（検出部）
６３　　制御装置
１００　　ガスタービンシステム
Ａ　　圧縮空気
Ｂ　　燃焼ガス
Ｆ　　予混合気
Ｏ　　中心軸
Ｒ１　　主流路
Ｒ２　　噴出空気流路

Claims (8)

1. 　燃料を噴射する燃焼器のノズルであって、
   　先端部から空気を噴射させる空気噴射部を備えるノズル。
2. 　請求項１に記載のノズルを備え、燃料を噴射するバーナ。
3. 　請求項２に記載のバーナを備える燃焼器であって、
   　前記ノズルを外周側から覆うと共に、前記ノズルとの間に空気流路を形成する筒状部材と、
   　前記空気流路に設けられ、前記空気流路を流れる空気に圧力損失を生じさせる圧力損失部と、を備え、
   　前記ノズルは、
   　前記圧力損失部よりも上流側の外周面から空気を取り入れる空気取入部と、
   　前記空気取入部から取り入れた空気を前記空気噴射部まで導く流路を形成する流路形成部と、を備える燃焼器。
4. 　前記空気取入部は、前記ノズルの外周面に複数設けられ、
   　前記流路形成部は、複数の前記空気取入部から取り入れた空気を、前記空気噴射部の上流側で合流させる合流部を備える請求項３に記載の燃焼器。
5. 　前記流路形成部は、断面円環状の流路を形成する請求項３に記載の燃焼器。
6. 　前記流路形成部は、同心円上に配される複数の流路を形成する請求項３に記載の燃焼器。
7. 　請求項３から５の何れか一項に記載の燃焼器と、
   　前記燃焼器から送り出された燃焼ガスにより回転するロータを備えたタービン本体と、を備えるガスタービン。
8. 　請求項１に記載のノズルを備える燃焼器と、
   　前記燃焼器から送り出された燃焼ガスにより回転するロータを備えたタービン本体と、
   　前記タービン本体の車室内の空気を前記空気噴射部に供給する車室空気供給部と、
   　前記車室空気供給部における前記車室から前記空気噴射部への前記空気の供給を制御する制御弁と、
   　前記燃焼器における逆火の発生を検出する検出部と、
   　前記検出部の検出結果に基づいて前記制御弁を開閉制御する制御装置と、
   を備えるガスタービンシステム。

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