WO2018025294A1 - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

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WO2018025294A1
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combustor
casing
combustion
cylinder
pipe
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岩井　保憲
恭明 中村
伊東　正雄
優一 森澤
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株式会社 東芝
東芝エネルギーシステムズ株式会社
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Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a gas turbine combustor.
  • Acceleration of power plants is being promoted from demands for carbon dioxide reduction and resource saving. Specifically, the working temperature of the gas turbine and the combined cycle are being actively promoted. Research and development is also underway for carbon dioxide recovery technology.
  • gas turbine equipment equipped with a combustor that burns fuel and oxygen in a supercritical CO 2 atmosphere has been studied.
  • this gas turbine equipment a part of the combustion gas generated by the combustor is circulated in the system as a working fluid.
  • a CO 2 gas turbine facility In a combustor of a gas turbine facility using supercritical CO 2 (hereinafter referred to as a CO 2 gas turbine facility), an air-fuel mixture mixed in the combustor is ignited using an ignition device. At the time of ignition, the oxidant flow rate and the fuel flow rate are reduced in order to suppress a rapid heat load on the equipment. Then, after ignition, the circulating working fluid and the oxidant flow rate are increased to increase the pressure in the combustor, and the fuel flow rate is increased to increase the combustion gas temperature in the combustor. Thus, for example, the pressure in the combustor and the combustion gas temperature are increased to the rated load condition of the turbine.
  • spark ignition devices and laser ignition devices have been used as ignition devices in gas turbine combustors.
  • a spark plug generates spark discharge to ignite the air-fuel mixture.
  • the spark ignition device is disposed in the combustor such that a plug portion that is a spark discharge portion protrudes into the combustor. In this case, the plug part is exposed to a flame.
  • a spark ignition device having a configuration in which the plug portion is pulled out from the inside of the combustor after ignition has been studied.
  • the laser ignition device ignites by irradiating the air-fuel mixture inside the combustor.
  • the laser light irradiated from the laser oscillator is irradiated into the combustor liner through a lens, a pressure-resistant glass window of the casing part, and a laser passage tube connecting the casing and the combustor liner.
  • the laser light is then focused in the combustor liner.
  • the energy density is increased, and the gas in this portion is turned into plasma (breakdown) to ignite the air-fuel mixture.
  • the pressure in the combustor at the turbine rated load is 10 times or more the pressure in the combustor in the conventional gas turbine.
  • the temperature of supercritical pressure CO 2 circulated to the combustor at the turbine rated load is the temperature of air introduced into the combustor in a conventional gas turbine (about 400 ° C.). The temperature exceeds 600 ° C.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a gas turbine combustor equipped with an ignition device that can be used even in a high-temperature and high-pressure environment where a supercritical working fluid is introduced.
  • the gas turbine combustor of the embodiment includes a casing, a combustion cylinder that is provided in the casing and burns fuel and an oxidant, a cylinder that partitions a space between the casing and the combustion cylinder, and the combustion
  • a first combustion gas supply pipe for guiding the combustion gas discharged from the cylinder and driving the turbine between the combustion cylinder and the cylinder, and the combustion gas discharged from the combustion cylinder and driven the turbine;
  • a second combustion gas supply pipe that guides a combustion gas having a temperature lower than that of the combustion gas guided to the combustion gas supply pipe between the casing and the cylindrical body.
  • the gas turbine combustor includes a tubular member provided through the casing, the cylindrical body, and the combustion cylinder, and a heat-resistant glass provided on the casing side in the tubular member and closing the tubular member.
  • a condensing lens provided outside the casing facing the heat-resistant glass, and a laser oscillator for irradiating the combustion cylinder with laser light through the condensing lens, the heat-resistant glass, and the tubular member With.
  • FIG. 1 is a system diagram of a gas turbine facility 10 including a combustor 20 according to the first embodiment.
  • the gas turbine facility 10 includes a combustor 20 that burns fuel and oxidant, a pipe 40 that supplies fuel to the combustor 20, and a pipe 41 that supplies oxidant to the combustor 20.
  • the combustor 20 includes an ignition device 100 ⁇ / b> A that ignites a fuel / oxidizer mixture in the combustor 20.
  • the combustor 20 functions as a gas turbine combustor.
  • the pipe 40 is provided with a flow rate adjusting valve 21 that adjusts the flow rate of fuel supplied into the combustor liner 61 of the combustor 20.
  • a flow rate adjusting valve 21 that adjusts the flow rate of fuel supplied into the combustor liner 61 of the combustor 20.
  • hydrocarbons such as methane and natural gas are used as the fuel.
  • a coal gasification gas fuel containing carbon monoxide and hydrogen can be used as the fuel.
  • the combustor liner 61 functions as a combustion cylinder.
  • the pipe 41 is provided with a compressor 23 that pressurizes the oxidant.
  • a compressor 23 that pressurizes the oxidant.
  • oxygen separated from the atmosphere by an air separation device (not shown) is used.
  • the oxidant flowing through the pipe 41 passes through the heat exchanger 24 and is heated and supplied to the combustor 20.
  • the fuel and the oxidant guided to the combustor liner 61 undergo a reaction (combustion) in the combustion region in the combustor liner 61 and become combustion gas.
  • a reaction combustion
  • the flow rates of the fuel and the oxidant are adjusted to be, for example, a stoichiometric mixture ratio (equivalent ratio 1).
  • the equivalent ratio here is an equivalent ratio (equivalent ratio in overall) when it is assumed that the fuel and oxygen are uniformly mixed.
  • the gas turbine facility 10 includes a turbine 25 that is rotated by the combustion gas discharged from the combustor liner 61.
  • a generator 26 is connected to the turbine 25.
  • the combustion gas discharged from the combustor liner 61 includes combustion products generated by the fuel and the oxidant, and carbon dioxide (combustion from which water vapor has been removed) supplied into the combustor liner 61, which will be described later. Gas).
  • the combustion gas discharged from the turbine 25 is guided to the pipe 42 and is cooled by passing through the heat exchanger 24. At this time, the oxidant flowing through the pipe 41 and the carbon dioxide flowing through the pipe 42 are heated by heat radiation from the combustion gas.
  • the combustion gas that has passed through the heat exchanger 24 passes through the cooler 27.
  • water vapor contained in the combustion gas is removed.
  • the water vapor in the combustion gas is condensed into water. This water is discharged to the outside through the pipe 43, for example.
  • the component of the combustion gas from which water vapor has been removed (dry combustion gas) is almost equal to dioxide.
  • the combustion gas from which water vapor has been removed may contain, for example, a small amount of carbon monoxide, but hereinafter, the combustion gas from which water vapor has been removed is simply referred to as carbon dioxide.
  • Carbon dioxide is pressurized by the compressor 28 interposed in the pipe 42 and becomes a supercritical fluid. A part of the pressurized carbon dioxide flows through the pipe 42 and is heated in the heat exchanger 24. Carbon dioxide is introduced between the combustor liner 61 and the cylinder 80. The temperature of the carbon dioxide that has passed through the heat exchanger 24 is about 700 ° C.
  • the pipe 42 functions as a first combustion gas supply pipe.
  • the other part of the pressurized carbon dioxide is introduced into the pipe 44 branched from the pipe 42.
  • the flow rate of the carbon dioxide introduced into the pipe 44 is adjusted by the flow rate adjusting valve 29 and is introduced between the combustor casing 70 and the cylinder 80 as a cooling medium.
  • the temperature of carbon dioxide led between the combustor casing 70 and the cylinder 80 by the pipe 44 is about 400 ° C.
  • the temperature of carbon dioxide introduced between the combustor casing 70 and the cylinder 80 is lower than the temperature of carbon dioxide introduced between the combustor liner 61 and the cylinder 80 described above.
  • the pipe 44 functions as a second combustion gas supply pipe, and the combustor casing 70 functions as a casing.
  • the remainder of the pressurized carbon dioxide is introduced into the pipe 45 branched from the pipe 42.
  • the flow rate of the carbon dioxide introduced into the pipe 45 is adjusted by the flow rate adjusting valve 30 and is discharged to the outside.
  • the pipe 45 functions as a discharge pipe.
  • the carbon dioxide discharged to the outside can be used, for example, for EOR (Enhanced Oil Recovery) used at oil mining sites.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing a longitudinal section of the combustor 20 of the first embodiment.
  • FIG. 3 is an enlarged view schematically showing a longitudinal section of the ignition device 100A of the combustor 20 according to the first embodiment.
  • the combustor 20 includes a fuel nozzle unit 60, a combustor liner 61, a transition piece 62 (tail tube), a combustor casing 70, a cylinder body 80, and an ignition device 100A.
  • the fuel nozzle unit 60 injects the fuel supplied from the pipe 40 and the oxidant supplied from the pipe 41 into the combustor liner 61. For example, fuel is ejected from the center, and oxidant is ejected from the surroundings.
  • the combustor casing 70 is provided along the longitudinal direction of the combustor 20 so as to surround a part of the fuel nozzle portion 60, the combustor liner 61, and the transition piece 62, for example.
  • the combustor casing 70 is divided into two in the longitudinal direction of the combustor 20, for example.
  • the combustor casing 70 includes, for example, an upstream casing 71 on the upstream side and a downstream casing 72 on the downstream side.
  • the upstream casing 71 is composed of, for example, a cylinder whose one end (upstream end) is closed and whose other end (downstream end) is opened. At the center of one end, an opening 71a for inserting the fuel nozzle portion 60 is formed.
  • a pipe 44 is connected to the side of the upstream casing 71. For example, the pipe 44 is fitted into and joined to an opening 71 b formed in the side portion of the upstream casing 71.
  • the downstream casing 72 is composed of a cylinder that is open at both ends. One end of the downstream casing 72 is connected to the upstream casing 71, and the other end of the downstream casing 72 is connected to a casing surrounding the turbine 25, for example.
  • the combustor casing 70 surrounds a part of the fuel nozzle portion 60, the combustor liner 61, and the transition piece 62, and is disposed between the combustor casing 70 and the combustor liner 61.
  • a cylindrical body 80 that partitions the space is provided.
  • a predetermined space is provided between the combustor liner 61 and the cylinder 80.
  • the cylindrical body 80 is formed, for example, by joining a plate-shaped lid member 80a having an opening 81 to a cylindrical main body member 80b.
  • the configuration of the cylinder 80 is not limited as long as the cylinder 80 surrounds a part of the fuel nozzle portion 60, the combustor liner 61, and the transition piece 62.
  • the inner peripheral surface of the opening 82 on the downstream side of the cylindrical body 80 is in contact with the outer peripheral surface of the downstream end portion of the transition piece 62.
  • a pipe 42 is connected to the upstream side portion of the cylindrical body 80. As shown in FIG. 2, the pipe 42 passes through the pipe 44 connected to the side portion of the upstream casing 71 and is connected to the side portion of the cylindrical body 80. A portion where the pipe 42 penetrates the inside of the pipe 44 has a double pipe structure.
  • the pipe 42 is inserted into the pipe 44 through an opening 44 a formed in the pipe 44, for example.
  • the pipe 42 is joined to the pipe 44 in the opening having the opening 44 a.
  • the double pipe structure of the pipe 42 and the pipe 44 is not limited to one place, and a plurality of pipe structures may be owned in the circumferential direction.
  • the ignition device 100A includes a tubular member 101, a heat-resistant glass 102, a laser oscillator 103, and a condenser lens 104, as shown in FIGS.
  • the tubular member 101 is constituted by a cylindrical tube having both ends opened.
  • the tubular member 101 is provided through the combustor casing 70, the cylinder 80, and the combustor liner 61.
  • the tubular member 101 is disposed so as to penetrate from a direction perpendicular to the longitudinal direction of the combustor 20 to a coaxial circular communication hole formed in the combustor casing 70, the cylindrical body 80, and the combustor liner 61. ing.
  • the inner end 101 a of the tubular member 101 is configured not to protrude into the combustor liner 61. Further, the inner diameter of the tubular member 101 is set to such an extent that it does not hinder the passage of laser light through the inside.
  • the heat-resistant glass 102 is provided on the outer side (combustor casing 70 side) in the tubular member 101. Specifically, the heat-resistant glass 102 is preferably provided at a position inside the tubular member 101 that is outside the flow path between the combustor casing 70 and the cylinder 80 through which carbon dioxide flows.
  • the heat-resistant glass 102 is provided so as to close the inside of the tubular member 101. Thereby, the communication between the inside and the outside of the combustor 20 is blocked.
  • the condensing lens 104 is provided outside the combustor casing 70 (downstream casing 72) so as to face the heat resistant glass 102. That is, the condenser lens 104 is provided between the laser oscillator 103 and the heat resistant glass 102.
  • the focal length and installation position of the condenser lens 104 are set so as to be the focal point 106 at an optimum position for igniting the fuel-air mixture.
  • the laser oscillator 103 is disposed outside the combustor casing 70.
  • the laser oscillator 103 irradiates the combustor liner 61 with the laser beam 105 through the condensing lens 104, the heat resistant glass 102 and the inside of the tubular member 101. That is, the laser oscillator 103 is arranged so that the laser beam 105 can pass through the condenser lens 104, the heat-resistant glass 102, and the tubular member 101 in order, and can be irradiated into the combustor liner 61.
  • the laser oscillator 103 is driven and the laser beam 105 is oscillated.
  • the laser beam 105 oscillated from the laser oscillator 103 passes through the condenser lens 104 and the heat-resistant glass 102 and enters the tubular member 101.
  • the laser beam 105 that has passed through the tubular member 101 forms a focal point 106 in a predetermined region in the combustor liner 61.
  • the laser beam 105 travels from the focal point 106 while expanding the beam diameter in the traveling direction.
  • the oxidant and fuel ejected from the fuel nozzle part 60 flow while mixing to form an air-fuel mixture.
  • the air-fuel mixture flows at a position where the energy density at which the laser beam connects the focal point 106 is high, the air-fuel mixture is ignited. This starts combustion.
  • the ignition device 100A is stopped when the combustion in the combustor liner 61 is stabilized, for example.
  • the flow rate of the circulating carbon dioxide and the oxidant flow rate are increased to increase the pressure in the combustor, and the fuel flow rate is increased to increase the combustion gas temperature in the combustor. Then, the fuel flow rate, the flow rate of circulating carbon dioxide, and the oxidant flow rate are increased to the rated load condition of the turbine.
  • carbon dioxide is introduced into the combustor liner 61 and the transition piece 62 from the combustor liner 61 and the transition piece 62, for example, through the holes 63 and 64 of the porous film cooling unit and the dilution hole 65.
  • the entire amount of carbon dioxide introduced from the pipe 42 is introduced into the combustor liner 61 and the transition piece 62.
  • the carbon dioxide introduced into the combustor liner 61 and the transition piece 62 is introduced into the turbine 25 together with the combustion gas generated by the combustion.
  • the temperature of carbon dioxide introduced from the pipe 42 is about 700 ° C.
  • the temperature of the carbon dioxide is lower than the temperature of the combustion gas to which the combustor liner 61 and the transition piece 62 are exposed. Therefore, the combustor liner 61 and the transition piece 62 are sufficiently cooled by the carbon dioxide. Furthermore, since the temperature of carbon dioxide is about 700 ° C., the combustion state is not deteriorated by the carbon dioxide introduced into the combustor liner 61.
  • the carbon dioxide introduced from the pipe 42 is introduced into the turbine 25 without flowing out from the cylinder 80 to the combustor casing 70 side.
  • low-temperature carbon dioxide flowing through the pipe 44 is guided to a double pipe composed of the pipe 42 and the pipe 44.
  • the carbon dioxide led to the double pipe passes through the pipe 44 and is led between the combustor casing 70 and the cylinder 80.
  • carbon dioxide led to the double pipe passes through the annular passage between the pipe 42 and the pipe 44 and is led between the combustor casing 70 and the cylinder 80.
  • the carbon dioxide flowing between the pipe 42 and the pipe 44 cools the joint between the pipe 42 and the pipe 44 and the pipe 42 penetrating the pipe 44. Further, since low temperature carbon dioxide flows around the pipe 42, heat transfer from the pipe 42 through which high temperature carbon dioxide flows to the combustor casing 70 is suppressed.
  • the temperature of the combustor casing 70 in which the heat resistant glass 102 of the ignition device 100A is installed can be maintained at about 400 ° C. even at the turbine rated load of the CO 2 gas turbine facility. That is, the temperature of the heat-resistant glass 102 of the ignition device 100A is maintained at about 400 ° C.
  • the pressure in the combustor 20 at the turbine rated load is high, but the heat resistant glass 102 of the ignition device 100A installed in the combustor 20. Can be maintained at about 400 ° C. Thereby, the freedom degree of selection of the material of the heat-resistant glass 102 increases.
  • the high temperature and high pressure conditions at the turbine rated load of the CO 2 gas turbine facility greatly exceeded the pressure resistance specification and heat resistance specification of the conventional ignition device.
  • the ignition device 100A can be operated safely and stable ignition can be performed even at the turbine rated load of the CO 2 gas turbine facility.
  • the combustor casing 70 is not exposed to high-temperature carbon dioxide. Further, by flowing low-temperature carbon dioxide between the combustor casing 70 and the cylinder 80, an increase in the temperature of the combustor casing 70 can be suppressed. For this reason, the combustor casing 70 is made of an inexpensive Fe (iron) -based heat-resistant steel such as CrMoV steel or CrMo steel.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing a longitudinal section of a part of the combustor 20 having another configuration of the first embodiment.
  • the laser beam 105 that has passed through the focal point 106 travels while expanding the beam diameter.
  • the thickness of the inner wall of the combustor liner 61 that is positioned in the traveling direction of the laser beam and that the laser beam 105 hits may be made thicker than the thickness of the inner wall of other portions.
  • the thick portion 110 having a large thickness may be configured by increasing the thickness of the inner wall of the combustor liner 61.
  • the thick portion 110 may be configured by attaching a metal or ceramic plate member to the inner wall surface of the combustor liner 61.
  • the plate-like member is curved corresponding to the shape of the inner wall surface of the combustor liner 61.
  • FIG. 5 is an enlarged view schematically showing a longitudinal section of the ignition device 100B of the combustor 20 according to the second embodiment.
  • symbol is attached
  • the ignition device 100B in the second embodiment has the same configuration as the ignition device 100A in the first embodiment, except that the optical isolator 120 is provided. Therefore, here, this different configuration will be mainly described.
  • the ignition device 100B includes a tubular member 101, a heat-resistant glass 102, a laser oscillator 103, a condenser lens 104, and an optical isolator 120.
  • the optical isolator 120 transmits only the laser beam 105 traveling in the traveling direction (forward direction) oscillated from the laser oscillator 103 and blocks the light traveling in the reverse direction (laser beam 105). This optical isolator 120 is provided between the laser oscillator 103 and the condenser lens 104.
  • the laser beam 105 traveling in the traveling direction oscillated from the laser oscillator 103 passes through the optical isolator 120 and travels toward the condenser lens 104.
  • the laser beam 105 incident on the condenser lens 104 passes through the inside of the tubular member 101 and forms a focal point 106 in a predetermined area in the combustor liner 61.
  • the optical isolator 120 between the laser oscillator 103 and the condenser lens 104, for example, laser light that is reflected by the heat-resistant glass 102 or the like and travels in the reverse direction is prevented from returning to the laser oscillator 103. . Therefore, it is possible to prevent damage to the laser oscillator 103 due to laser light traveling in the reverse direction.
  • the distance L2 between the end 120a of the optical isolator 120 on the condenser lens 104 side and the center 104a of the condenser lens 104 is larger than the focal length L1 of the condenser lens 104. long.
  • the distance L2 longer than the focal length L1 even if laser light that is reflected by the heat-resistant glass 102 or the like and travels in the reverse direction passes through the condenser lens 104, it does not focus inside the optical isolator 120. . This can prevent damage to the optical isolator 120 due to laser light traveling in the reverse direction.
  • the temperature of the heat-resistant glass 102 of the ignition device 100B is maintained at about 400 ° C. even at the turbine rated load of the CO 2 gas turbine equipment. be able to. Therefore, the ignition device 100B can be operated safely and stable ignition can be performed. Also in the second embodiment, the thick portion 110 shown in FIG. 4 may be provided.
  • FIG. 6 is an enlarged view schematically showing a longitudinal section of the ignition device 100C of the combustor 20 of the third embodiment.
  • symbol is attached
  • the ignition device 100C in the third embodiment has the same configuration as the ignition device 100A in the first embodiment, except that the beam expander 130 is provided. Therefore, here, this different configuration will be mainly described.
  • the ignition device 100C includes a tubular member 101, a heat resistant glass 102, a laser oscillator 103, a condenser lens 104, and a beam expander 130.
  • the beam expander 130 expands the beam diameter of the laser beam 105. That is, the beam diameter of the laser beam 105 that has passed through the beam expander 130 is expanded. Then, the light enters the condenser lens 104 with the beam diameter enlarged.
  • the laser beam 105 incident on the condenser lens 104 passes through the inside of the tubular member 101 and forms a focal point 106 in a predetermined area in the combustor liner 61.
  • the laser beam 105 travels from the focal point 106 while expanding the beam diameter in the traveling direction.
  • the spot diameter is reduced, and a high energy density can be obtained.
  • the air-fuel mixture can be ignited more reliably.
  • the beam diameter of the laser beam 105 that has passed through the focal point 106 is expanded as compared with the case where the beam expander 130 does not increase the beam diameter. Therefore, when the beam expander 130 is provided, the area of the laser beam 105 that has passed through the focal point 106 hits the inner wall surface of the combustor liner 61 is wider than when the beam expander 130 is not provided.
  • the energy density of the laser beam 105 on the inner wall surface of the combustor liner 61 is smaller than when the beam expander 130 is not provided. Therefore, by providing the beam expander 130, damage to the inner wall surface of the combustor liner 61 due to the laser beam 105 can be suppressed.
  • the temperature of the heat-resistant glass 102 of the ignition device 100C is maintained at about 400 ° C. even at the turbine rated load of the CO 2 gas turbine equipment. be able to. Therefore, the ignition device 100C can be operated safely and stable ignition can be performed. Also in the third embodiment, the thick portion 110 shown in FIG. 4 may be provided.
  • lid member, 80b ... main body member, 85 ... stationary blade, 86 ... moving blade, 100A, DESCRIPTION OF SYMBOLS 100B, 100C ... Ignition device, 101 ... Tubular member, 101a, 120a ... End, 102 ... Heat-resistant glass, 103 ... Laser oscillator, 104 ... Condensing lens, 104a ... Center, 105 ... Laser light, 10 ... focus, 110 ... thick portion, 120 ... optical isolator, 130 ... beam expander.

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Abstract

実施形態の燃焼器２０は、燃焼器ケーシング７０内に設けられた燃焼器ライナ６１と、燃焼器ケーシング７０と燃焼器ライナ６１との間の空間を区分する筒体８０と、燃焼器ライナ６１から排出されタービン２５を駆動した燃焼ガスを燃焼器ライナ６１と筒体８０との間に導く配管４２と、タービン２５を駆動した燃焼ガスであり、配管４２に導かれる燃焼ガスよりも低温の燃焼ガスを燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に導く配管４４と、燃焼器ケーシング７０、筒体８０および燃焼器ライナ６１に貫通する管状部材１０１と、管状部材１０１内の燃焼器ケーシング側に設けられた耐熱ガラス１０２と、耐熱ガラス１０２に対向して燃焼器ケーシング７０の外側に設けられた集光レンズ１０４と、集光レンズ１０４、耐熱ガラス１０２および管状部材１０１の内部を介して燃焼器ライナ６１内にレーザ光１０５を照射するレーザ発振器１０３とを備える。

Description

ガスタービン燃焼器
　本発明の実施形態は、ガスタービン燃焼器に関する。
　発電プラントの高効率化は、二酸化炭素の削減や省資源などの要求から進められている。具体的には、ガスタービンの作動流体の高温化、コンバインドサイクル化などが積極的に進められている。また、二酸化炭素の回収技術についても、研究開発が進められている。
　そのような中、超臨界ＣＯ２雰囲気中で燃料と酸素を燃焼させる燃焼器を備えたガスタービン設備が検討されている。このガスタービン設備では、燃焼器で生成した燃焼ガスの一部は、作動流体として系統に循環される。
　この超臨界ＣＯ２を用いたガスタービン設備（以下、ＣＯ２ガスタービン設備という。）の燃焼器では、燃焼器内で混合された燃料と酸化剤の混合気に点火装置を用いて着火する。着火時においては、機器に対する急激な熱負荷を押さえるために、酸化剤流量や燃料流量が減らされる。そして、着火後、循環する作動流体、酸化剤流量を増加して燃焼器内の圧力を上昇させるとともに、燃料流量を増加して燃焼器内の燃焼ガス温度を上昇させる。このように、例えば、燃焼器内の圧力や燃焼ガス温度は、タービンの定格負荷条件まで上昇される。
　従来、ガスタービンの燃焼器における点火装置として、火花点火装置やレーザ点火装置が使用されている。火花点火装置では、スパークプラグによって火花放電を生じさせて、混合気に着火する。火花点火装置は、例えば、火花放電部であるプラグ部が燃焼器内部に突出するように燃焼器に配置されている。この場合、プラグ部は、火炎に曝される。また、火花点火装置の耐久性などの観点から、着火後、プラグ部を燃焼器の内部から引き出す構成の火花点火装置も検討されている。
　レーザ点火装置は、レーザを燃焼器内部の混合気に照射して着火する。例えば、レーザ発振器から照射されたレーザ光を、レンズ、ケーシング部の耐圧ガラス窓、ケーシングと燃焼器ライナを結ぶレーザ通路管を介して、燃焼器ライナ内に照射する。そして、レーザ光は、燃焼器ライナ内で焦点を結ぶ。レーザ光が焦点を結ぶことでエネルギ密度が上昇し、この部分の気体がプラズマ化（ブレークダウン）して混合気を着火する。
特開２０１２－１１７５３５号公報
　前述したＣＯ２ガスタービン設備の場合、タービン定格負荷時における燃焼器内の圧力は、従来のガスタービンにおける燃焼器内の圧力の１０倍以上となる。また、ＣＯ２ガスタービン設備の場合、タービン定格負荷時に燃焼器に循環される超臨界圧のＣＯ２の温度は、従来のガスタービンにおける燃焼器に導入される空気の温度（４００℃程度）を超える６００℃以上の温度となる。
　この高温高圧の条件は、従来のガスタービンの燃焼器における点火装置の耐圧仕様および耐熱仕様を大きく超える。そのため、ＣＯ２ガスタービン設備の燃焼器に、従来の点火装置の仕様をそのまま適用することはできない。
　本発明が解決しようとする課題は、超臨界圧の作動流体が導入される高温高圧の環境下においても使用することができる点火装置を備えた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、ケーシングと、前記ケーシング内に設けられ、燃料と酸化剤を燃焼させる燃焼筒と、前記ケーシングと前記燃焼筒との間の空間を区分する筒体と、前記燃焼筒から排出されタービンを駆動した燃焼ガスを前記燃焼筒と前記筒体との間に導く第１の燃焼ガス供給管と、前記燃焼筒から排出されタービンを駆動した燃焼ガスであり、前記第１の燃焼ガス供給管に導かれる燃焼ガスよりも低温の燃焼ガスを前記ケーシングと前記筒体との間に導く第２の燃焼ガス供給管とを備える。
　さらに、ガスタービン燃焼器は、前記ケーシング、前記筒体および前記燃焼筒に貫通して設けられた管状部材と、前記管状部材内の前記ケーシング側に設けられ、前記管状部材を閉鎖する耐熱ガラスと、前記耐熱ガラスに対向して前記ケーシングの外側に設けられた集光レンズと、前記集光レンズ、前記耐熱ガラスおよび前記管状部材の内部を介して前記燃焼筒内にレーザ光を照射するレーザ発振器とを備える。
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点火装置の縦断面を模式的に示した拡大図である。 第１の実施の形態の他の構成を備える燃焼器の一部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点火装置の縦断面を模式的に示した拡大図である。 第３の実施の形態の燃焼器の点火装置の縦断面を模式的に示した拡大図である。
　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、この燃焼器２０に燃料を供給する配管４０と、燃焼器２０に酸化剤を供給する配管４１を備えている。また、燃焼器２０は、燃焼器２０内の燃料と酸化剤の混合気に着火する点火装置１００Ａを備えている。なお、燃焼器２０は、ガスタービン燃焼器として機能する。
　配管４０には、燃焼器２０の燃焼器ライナ６１内に供給される燃料の流量を調整する流量調整弁２１が備えられている。ここで、燃料として、例えば、メタン、天然ガスなどの炭化水素が使用される。また、燃料として、例えば、一酸化炭素および水素などを含む石炭ガス化ガス燃料を使用することもできる。なお、燃焼器ライナ６１は、燃焼筒として機能する。
　配管４１には、酸化剤を昇圧する圧縮機２３が設けられている。酸化剤としては、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使用される。配管４１を流れる酸化剤は、熱交換器２４を通過して加熱され、燃焼器２０に供給される。
　燃焼器ライナ６１に導かれた燃料および酸化剤は、燃焼器ライナ６１内の燃焼領域において反応（燃焼）を生じ、燃焼ガスとなる。ここで、ガスタービン設備１０においては、燃焼器ライナ６１から排出される燃焼ガスに、余剰の酸化剤（酸素）や燃料が残存しないことが好ましい。そこで、燃料および酸化剤の流量は、例えば、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、燃料と酸素が均一に混合したと想定したときの当量比（オーバーオールでの当量比）である。
　ガスタービン設備１０は、燃焼器ライナ６１から排出された燃焼ガスによって回動するタービン２５を備えている。このタービン２５には、例えば、発電機２６が連結されている。ここでいう、燃焼器ライナ６１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、燃焼器ライナ６１内に供給される後述する二酸化炭素（水蒸気が除去された燃焼ガス）とを含んだものである。
　タービン２５から排出された燃焼ガスは、配管４２に導かれ、熱交換器２４を通過することによって冷却される。この際、燃焼ガスからの放熱によって、配管４１を流れる酸化剤や配管４２を流れる二酸化炭素を加熱する。
　熱交換器２４を通過した燃焼ガスは、冷却器２７を通過する。燃焼ガスは、冷却器２７を通過することで、燃焼ガス中に含まれる水蒸気が除去される。この際、燃焼ガス中の水蒸気は、凝縮して水となる。この水は、例えば配管４３を通り外部に排出される。
　ここで、前述したように、燃料および酸化剤の流量を量論混合比（当量比１）になるように調整した場合、水蒸気が除去された燃焼ガス（ドライ燃焼ガス）の成分は、ほぼ二酸化炭素である。なお、水蒸気が除去された燃焼ガスには、例えば、微量の一酸化炭素などが混在する場合もあるが、以下、水蒸気が除去された燃焼ガスを単に二酸化炭素と称する。
　二酸化炭素は、配管４２に介在する圧縮機２８によって昇圧され、超臨界流体となる。昇圧された二酸化炭素の一部は、配管４２を流れ、熱交換器２４において加熱される。そして、二酸化炭素は、燃焼器ライナ６１と筒体８０との間に導かれる。熱交換器２４を通過した二酸化炭素の温度は、７００℃程度になる。なお、配管４２は、第１の燃焼ガス供給管として機能する。
　昇圧された二酸化炭素の他の一部は、配管４２から分岐した配管４４に導入される。配管４４に導入された二酸化炭素は、流量調整弁２９によって流量が調節され、冷却媒体として、燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に導かれる。配管４４によって燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に導かれる二酸化炭素の温度は、４００℃程度である。この燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に導かれる二酸化炭素の温度は、前述した燃焼器ライナ６１と筒体８０との間に導かれる二酸化炭素の温度よりも低温である。
　なお、配管４４は、第２の燃焼ガス供給管として機能し、燃焼器ケーシング７０は、ケーシングとして機能する。
　一方、昇圧された二酸化炭素の残部は、配管４２から分岐した配管４５に導入される。配管４５に導入された二酸化炭素は、流量調整弁３０によって流量が調節され、外部に排出される。なお、配管４５は、排出管として機能する。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）などに利用することができる。
　次に、第１の実施の形態の燃焼器２０の構成について詳しく説明する。
　図２は、第１の実施の形態の燃焼器２０の縦断面を模式的に示した図である。図３は、第１の実施の形態の燃焼器２０の点火装置１００Ａの縦断面を模式的に示した拡大図である。
　図２に示すように、燃焼器２０は、燃料ノズル部６０、燃焼器ライナ６１、トランジションピース６２（尾筒）、燃焼器ケーシング７０、筒体８０および点火装置１００Ａを備える。
　燃料ノズル部６０は、配管４０から供給された燃料および配管４１から供給された酸化剤を燃焼器ライナ６１内に噴出する。例えば、中央から燃料を噴出し、その周囲から酸化剤を噴出する。
　燃焼器ケーシング７０は、例えば、燃料ノズル部６０の一部、燃焼器ライナ６１およびトランジションピース６２を囲むように、燃焼器２０の長手方向に沿って設けられている。燃焼器ケーシング７０は、例えば、燃焼器２０の長手方向に２分割されている。燃焼器ケーシング７０は、例えば、上流側の上流側ケーシング７１および下流側の下流側ケーシング７２で構成される。
　上流側ケーシング７１は、例えば、一端（上流端）が閉塞され、他端（下流端）が開口された筒体で構成されている。一端の中央には、燃料ノズル部６０を挿入する開口７１ａが形成されている。また、上流側ケーシング７１の側部には、配管４４が連結されている。配管４４は、例えば、上流側ケーシング７１の側部に形成された開口７１ｂに嵌め込まれ、接合されている。
　下流側ケーシング７２は、両端が開口した筒体で構成されている。下流側ケーシング７２の一端は、上流側ケーシング７１に接続され、下流側ケーシング７２の他端は、例えば、タービン２５を囲むケーシングに接続されている。
　図２に示すように、燃焼器ケーシング７０内には、燃料ノズル部６０の一部、燃焼器ライナ６１およびトランジションピース６２の周囲を包囲し、燃焼器ケーシング７０と燃焼器ライナ６１との間の空間を区画する筒体８０が設けられている。燃焼器ライナ６１と筒体８０との間には、所定の空間を有している。
　筒体８０の一端（上流端）は、閉鎖され、燃料ノズル部６０を挿入する開口８１が形成されている。筒体８０の他端（下流端）は、閉鎖され、トランジションピース６２の下流端を貫通させる開口８２が形成されている。筒体８０は、例えば、開口８１を有する板状の蓋部材８０ａを筒状の本体部材８０ｂに接合して形成される。
　筒体８０は、図２に示すように、燃料ノズル部６０の一部、燃焼器ライナ６１およびトランジションピース６２の周囲を包囲する構造であれば、筒体８０の構成は、限定されない。
　筒体８０の下流側の開口８２の内周面は、トランジションピース６２の下流端部の外周面に接している。
　また、筒体８０の上流側の側部には、配管４２が連結されている。この配管４２は、図２に示すように、上流側ケーシング７１の側部に連結された配管４４内を貫通して、筒体８０の側部に連結されている。配管４２が配管４４の内部を貫通する部分は、二重管構造となっている。
　なお、配管４２は、例えば、配管４４に形成された開口４４ａを介して配管４４の内部に挿入されている。そして、例えば、開口４４ａを有する開口部において、配管４２は、配管４４と接合されている。また、配管４２と配管４４との二重管構造は、１箇所に限らず、周方向に複数個所有してもよい。
　点火装置１００Ａは、図２および図３に示すように、管状部材１０１、耐熱ガラス１０２、レーザ発振器１０３、集光レンズ１０４を備えている。
　管状部材１０１は、両端が開口した円筒管などで構成される。管状部材１０１は、燃焼器ケーシング７０、筒体８０および燃焼器ライナ６１に貫通して設けられている。換言すると、管状部材１０１は、燃焼器２０の長手方向に垂直な方向から、燃焼器ケーシング７０、筒体８０および燃焼器ライナ６１に形成された同軸の円形の連通孔に貫通するように配置されている。
　なお、管状部材１０１の内側の端部１０１ａは、燃焼器ライナ６１の内部に突出しないように構成されている。また、管状部材１０１の内径は、その内部をレーザ光が通過する際に妨げにならない程度に設定される。
　耐熱ガラス１０２は、管状部材１０１内の外側（燃焼器ケーシング７０側）に設けられる。具体的には、耐熱ガラス１０２は、管状部材１０１内の、二酸化炭素が流れる燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間の流路よりも外側となる位置に設けられることが好ましい。
　耐熱ガラス１０２は、管状部材１０１の内部を閉鎖するように設けられる。これによって、燃焼器２０の内部と外部との連通が遮断される。
　集光レンズ１０４は、耐熱ガラス１０２に対向して燃焼器ケーシング７０（下流側ケーシング７２）の外側に設けられる。すなわち、集光レンズ１０４は、レーザ発振器１０３と耐熱ガラス１０２との間に設けられる。集光レンズ１０４の焦点距離や設置位置は、燃料と空気の混合気を着火するのに最適な位置で焦点１０６となるように設定される。
　レーザ発振器１０３は、燃焼器ケーシング７０の外側に配置される。レーザ発振器１０３は、集光レンズ１０４、耐熱ガラス１０２および管状部材１０１の内部を介して燃焼器ライナ６１内にレーザ光１０５を照射する。すなわち、レーザ発振器１０３は、集光レンズ１０４、耐熱ガラス１０２、管状部材１０１の内部の順にレーザ光１０５を通過させて、燃焼器ライナ６１内にレーザ光１０５を照射できように配置される。
　なお、レーザ発振器１０３から発振されたレーザ光１０５を光ファイバを介して集光レンズ１０４に向けて照射してもよい。
　次に、燃焼器２０の作用について説明する。
　着火時においては、レーザ発振器１０３を駆動し、レーザ光１０５を発振する。レーザ発振器１０３から発振されたレーザ光１０５は、集光レンズ１０４、耐熱ガラス１０２を通過して、管状部材１０１内に入る。管状部材１０１内を通過したレーザ光１０５は、燃焼器ライナ６１内の所定の領域で焦点１０６を結ぶ。なお、レーザ光１０５は、焦点１０６から進行方向にビーム径を拡大しながら進行する。
　レーザ光１０５が燃焼器ライナ６１内に照射された後、燃料ノズル部６０から燃料および酸素が燃焼器ライナ６１内に噴出される。この際、燃焼器２０の急激な熱負荷を押さえるために、酸化剤流量および燃料流量は減らされた状態で燃料ノズル部６０から噴出される。
　燃料ノズル部６０から噴出された酸化剤および燃料は、混合して混合気を形成しながら流れる。そして、レーザ光が焦点１０６を結ぶエネルギ密度が高い位置に混合気が流れると、混合気に着火する。これによって、燃焼が開始する。なお、点火装置１００Ａは、例えば、燃焼器ライナ６１内における燃焼が安定したところで、駆動が停止される。
　そして、着火後、循環する二酸化炭素の流量、酸化剤流量を増加して燃焼器内の圧力を上昇させるとともに、燃料流量を増加して燃焼器内の燃焼ガス温度を上昇させる。そして、タービンの定格負荷条件まで、燃料流量および循環する二酸化炭素の流量、酸化剤流量を増加する。
　燃焼器ライナ６１から排出された燃焼ガスの作用は、図１を参照してすでに説明したので、ここでは、配管４２および配管４４から導入された二酸化炭素の流れについて説明する。
　配管４２から筒体８０内に導入された二酸化炭素は、燃焼器ライナ６１と筒体８０との間の環状の空間を下流側へ流れる。この際、二酸化炭素は、燃焼器ライナ６１およびトランジションピース６２を冷却する。
　そして、二酸化炭素は、燃焼器ライナ６１およびトランジションピース６２の、例えば、多孔式膜冷却部の孔６３、６４や希釈孔６５などから燃焼器ライナ６１内やトランジションピース６２内に導入される。
　このように、例えば、配管４２から導入された二酸化炭素の全量が燃焼器ライナ６１内やトランジションピース６２内に導入される。なお、燃焼器ライナ６１内やトランジションピース６２内に導入された二酸化炭素は、燃焼によって生成された燃焼ガスとともにタービン２５に導入される。
　ここで、配管４２から導入される二酸化炭素の温度は７００℃程度である。この二酸化炭素の温度は、燃焼器ライナ６１およびトランジションピース６２が曝される燃焼ガスの温度に比べると低い。そのため、この二酸化炭素によって、燃焼器ライナ６１およびトランジションピース６２は、十分に冷却される。さらに、二酸化炭素の温度が７００℃程度であるため、燃焼器ライナ６１内に導入された二酸化炭素によって、燃焼状態が悪化することはない。
　このように、配管４２から導入された二酸化炭素は、筒体８０から燃焼器ケーシング７０側に流出することなく、タービン２５に導入される。
　一方、配管４４を流れる低温の二酸化炭素は、配管４２および配管４４で構成される二重管に導かれる。二重管に導かれた二酸化炭素は、配管４４を通り、燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に導かれる。具体的には、二重管に導かれた二酸化炭素は、配管４２と配管４４との間の環状の通路を通り、燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に導かれる。
　配管４２と配管４４との間を流れる二酸化炭素は、配管４２と配管４４との接合部や、配管４４内を貫通する配管４２を冷却する。また、配管４２の周囲には低温の二酸化炭素が流れているため、高温の二酸化炭素が流れる配管４２からの燃焼器ケーシング７０への熱伝達が抑制される。
　燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に導かれた二酸化炭素は、燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間の環状の空間を下流側へ流れる。この際、二酸化炭素は、燃焼器ケーシング７０、筒体８０および点火装置１００Ａの管状部材１０１を冷却する。この二酸化炭素は、例えば、タービン２５の静翼８５や動翼８６の冷却にも使用される。このような冷却によって、燃焼器ケーシング７０の温度は、例えば、４００℃程度となる。
　そのため、ＣＯ２ガスタービン設備のタービン定格負荷時においても、点火装置１００Ａの耐熱ガラス１０２が設置された燃焼器ケーシング７０の温度を４００℃程度に維持することができる。すなわち、点火装置１００Ａの耐熱ガラス１０２の温度は、４００℃程度に維持される。
　このように、第１の実施の形態の燃焼器２０によれば、タービン定格負荷時における燃焼器２０内の圧力は高い状態であるが、燃焼器２０に設置される点火装置１００Ａの耐熱ガラス１０２の温度を４００℃程度に維持することができる。これにより耐熱ガラス１０２の材質の選択自由度が増す。
　ここで、ＣＯ２ガスタービン設備のタービン定格負荷時における高温かつ高圧の条件は、従来の点火装置の耐圧仕様および耐熱仕様を大きく超えていた。しかしながら、第１の実施の形態では、燃焼器２０に設置される点火装置１００Ａの耐熱ガラス１０２が、ＣＯ２ガスタービン設備のタービン定格負荷時における高温の条件に曝されることを回避できる。
　そのため、第１の実施の形態の燃焼器２０の構造とすることで、ＣＯ２ガスタービン設備のタービン定格負荷時においても、点火装置１００Ａを安全に作動でき、安定した着火を行うことができる。
　また、筒体８０およびこの筒体８０に連結された配管４２を備えることで、燃焼器ケーシング７０が高温の二酸化炭素に曝されることがない。また、燃焼器ケーシング７０と筒体８０との間に低温の二酸化炭素を流すことで、燃焼器ケーシング７０の温度の上昇を抑えることができる。そのため、燃焼器ケーシング７０は、例えば、ＣｒＭｏＶ鋼、ＣｒＭｏ鋼などの安価なＦｅ（鉄）ベースの耐熱鋼で構成される。
　ここで、第１の実施の形態の燃焼器２０の構成は、上記した構成に限られない。図４は、第１の実施の形態の他の構成を備える燃焼器２０の一部の縦断面を模式的に示した図である。
　図４に示すように、焦点１０６を通過したレーザ光１０５は、ビーム径を拡大しながら進行する。このレーザ光の進行方向に位置し、このレーザ光１０５が当たる燃焼器ライナ６１の内壁の厚さを、他の部分の内壁の厚さよりも厚くしてもよい。
　この厚さが厚い肉厚部１１０は、燃焼器ライナ６１の内壁の肉厚を厚くして構成されてもよい。また、肉厚部１１０は、燃焼器ライナ６１の内壁面に金属やセラミックスの板状部材を張り付けて構成されてもよい。なお、板状部材は、燃焼器ライナ６１の内壁面の形状に対応させて湾曲している。
　この肉厚部１１０を備えることで、レーザ光１０５による燃焼器ライナ６１の内壁面の損傷を防止することができる。
（第２の実施の形態）
　図５は、第２の実施の形態の燃焼器２０の点火装置１００Ｂの縦断面を模式的に示した拡大図である。なお、第１の実施の形態の燃焼器２０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。
　第２の実施の形態における点火装置１００Ｂは、光アイソレータ１２０を備えた以外は、第１の実施の形態における点火装置１００Ａと同じ構成である。そのため、ここでは、この異なる構成について主に説明する。
　図５に示すように、点火装置１００Ｂは、管状部材１０１、耐熱ガラス１０２、レーザ発振器１０３、集光レンズ１０４、光アイソレータ１２０を備えている。
　光アイソレータ１２０は、レーザ発振器１０３から発振された進行方向（順方向）に進むレーザ光１０５のみを透過し、逆方向に進む光（レーザ光１０５）を遮断する。この光アイソレータ１２０は、レーザ発振器１０３と集光レンズ１０４との間に設けられる。
　レーザ発振器１０３から発振された進行方向に進むレーザ光１０５は、光アイソレータ１２０を透過して集光レンズ１０４に向かって進む。集光レンズ１０４に入射したレーザ光１０５は、管状部材１０１の内部を通り、燃焼器ライナ６１内の所定の領域で焦点１０６を結ぶ。
　この際、耐熱ガラス１０２などに反射して逆方向に進むレーザ光がある場合、光アイソレータ１２０によって逆方向に進むレーザ光は遮断される。
　このように、レーザ発振器１０３と集光レンズ１０４との間に光アイソレータ１２０を備えることで、例えば、耐熱ガラス１０２などに反射して逆方向に進むレーザ光がレーザ発振器１０３に戻ることを防止する。そのため、逆方向に進むレーザ光によるレーザ発振器１０３の損傷を防止できる。
　ここで、図５に示すように、光アイソレータ１２０の集光レンズ１０４側の端部１２０ａと、集光レンズ１０４の中心１０４ａとの間の距離Ｌ２は、集光レンズ１０４の焦点距離Ｌ１よりも長い。距離Ｌ２を焦点距離Ｌ１よりも長くすることで、耐熱ガラス１０２などに反射して逆方向に進むレーザ光が集光レンズ１０４を通過しても、光アイソレータ１２０の内部で焦点を結ぶことがない。これによって、逆方向に進むレーザ光による光アイソレータ１２０の損傷を防止できる。
　なお、第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、ＣＯ２ガスタービン設備のタービン定格負荷時においても、点火装置１００Ｂの耐熱ガラス１０２の温度を４００℃程度に維持することができる。そのため、点火装置１００Ｂを安全に作動でき、安定した着火を行うことができる。また、第２の実施の形態においても、図４に示した肉厚部１１０を備えてもよい。
（第３の実施の形態）
　図６は、第３の実施の形態の燃焼器２０の点火装置１００Ｃの縦断面を模式的に示した拡大図である。なお、第１の実施の形態の燃焼器２０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。
　第３の実施の形態における点火装置１００Ｃは、ビームエキスパンダ１３０を備えた以外は、第１の実施の形態における点火装置１００Ａと同じ構成である。そのため、ここでは、この異なる構成について主に説明する。
　図６に示すように、点火装置１００Ｃは、管状部材１０１、耐熱ガラス１０２、レーザ発振器１０３、集光レンズ１０４、ビームエキスパンダ１３０を備えている。
　ビームエキスパンダ１３０は、レーザ光１０５のビーム径を拡大させる。すなわち、ビームエキスパンダ１３０を通過したレーザ光１０５は、ビーム径が拡大する。そして、ビーム径が拡大した状態で、集光レンズ１０４に入射する。
　集光レンズ１０４に入射したレーザ光１０５は、管状部材１０１の内部を通り、燃焼器ライナ６１内の所定の領域で焦点１０６を結ぶ。なお、レーザ光１０５は、焦点１０６から進行方向にビーム径を拡大しながら進行する。
　このように、ビーム径を拡大させた後に集光することで、スポット径が小さくなり、高いエネルギ密度を得ることができる。これによって、混合気への着火をより確実に行うことができる。
　また、ビームエキスパンダ１３０によってビーム径を拡大することで、ビームエキスパンダ１３０によってビーム径を拡大しないときよりも、焦点１０６を通過したレーザ光１０５のビーム径は拡大する。そのため、ビームエキスパンダ１３０を備えた場合には、ビームエキスパンダ１３０を備えない場合に比べて、焦点１０６を通過したレーザ光１０５の、燃焼器ライナ６１の内壁面に当たる面積は広くなる。
　すなわち、ビームエキスパンダ１３０を備えた場合には、ビームエキスパンダ１３０を備えない場合に比べて、燃焼器ライナ６１の内壁面におけるレーザ光１０５のエネルギ密度は小さい。そのため、ビームエキスパンダ１３０を備えることで、レーザ光１０５による燃焼器ライナ６１の内壁面の損傷を抑制できる。
　なお、第３の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、ＣＯ２ガスタービン設備のタービン定格負荷時においても、点火装置１００Ｃの耐熱ガラス１０２の温度を４００℃程度に維持することができる。そのため、点火装置１００Ｃを安全に作動でき、安定した着火を行うことができる。また、第３の実施の形態においても、図４に示した肉厚部１１０を備えてもよい。
　以上説明した実施形態によれば、超臨界圧の作動流体が導入される高温高圧の環境下においても使用することができる点火装置を備えたガスタービン燃焼器を提供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…ガスタービン設備、２０…燃焼器、２１、２９、３０…流量調整弁、２３…圧縮機、２４…熱交換器、２５…タービン、２６…発電機、２７…冷却器、２８…圧縮機、４０、４１、４２、４３、４４、４５…配管、４４ａ、７１ａ、７１ｂ、８１、８２…開口、６０…燃料ノズル部、６１…燃焼器ライナ、６２…トランジションピース、６３、６４…孔、６５…希釈孔、７０…燃焼器ケーシング、７１…上流側ケーシング、７２…下流側ケーシング、８０…筒体、８０ａ…蓋部材、８０ｂ…本体部材、８５…静翼、８６…動翼、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ…点火装置、１０１…管状部材、１０１ａ、１２０ａ…端部、１０２…耐熱ガラス、１０３…レーザ発振器、１０４…集光レンズ、１０４ａ…中心、１０５…レーザ光、１０６…焦点、１１０…肉厚部、１２０…光アイソレータ、１３０…ビームエキスパンダ。

Claims (5)

  1. 　ケーシングと、
    　前記ケーシング内に設けられ、燃料と酸化剤を燃焼させる燃焼筒と、
    　前記ケーシングと前記燃焼筒との間の空間を区分する筒体と、
    　前記燃焼筒から排出されタービンを駆動した燃焼ガスを前記燃焼筒と前記筒体との間に導く第１の燃焼ガス供給管と、
    　前記燃焼筒から排出されタービンを駆動した燃焼ガスであり、前記第１の燃焼ガス供給管に導かれる燃焼ガスよりも低温の燃焼ガスを前記ケーシングと前記筒体との間に導く第２の燃焼ガス供給管と、
    　前記ケーシング、前記筒体および前記燃焼筒に貫通して設けられた管状部材と、
    　前記管状部材内の前記ケーシング側に設けられ、前記管状部材を閉鎖する耐熱ガラスと、
    　前記耐熱ガラスに対向して前記ケーシングの外側に設けられた集光レンズと、
    　前記集光レンズ、前記耐熱ガラスおよび前記管状部材の内部を介して前記燃焼筒内にレーザ光を照射するレーザ発振器と
    　を具備することを特徴とするガスタービン燃焼器。
  2. 　前記レーザ光の進行方向に位置し、前記レーザ光が当たる前記燃焼筒の内壁の厚さが、他の部分の内壁の厚さよりも厚い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. 　前記レーザ発振器と前記集光レンズとの間に設けられた光アイソレータをさらに具備することを特徴とする請求項１または２記載のガスタービン燃焼器。
  4. 　前記光アイソレータの前記集光レンズ側の端部と、前記集光レンズの中心との間の距離が、前記集光レンズの焦点距離よりも長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。
  5. 　前記レーザ発振器と前記集光レンズとの間に設けられたビームエキスパンダをさらに具備することを特徴とする請求項１または２記載のガスタービン燃焼器。
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