WO2021251325A1 - ガスタービンの予混合管構造 - Google Patents

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ル ウ ワン
俊介 西江
健斗 黛
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株式会社三井Ｅ＆Ｓマシナリー
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    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/30—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply comprising fuel prevapourising devices
    • F23R3/32—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply comprising fuel prevapourising devices being tubular
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/22—Fuel supply systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/04—Air inlet arrangements
    • F23R3/10—Air inlet arrangements for primary air

Definitions

  • the present invention relates to the structure of a premix tube arranged in a premix combustor of a gas turbine.
  • diluted premix combustion that enables low NOx to be discharged without injecting steam or water is adopted.
  • the combustion gas is mixed with air, and the mixed gas diluted to a low concentration is supplied to the combustion region to perform combustion. Since the combustion temperature of this premixture becomes low, the generation of NOx is suppressed and NOx having a low concentration is discharged.
  • Patent Document 1 describes, for example, as a gas turbine combustor capable of stable combustion with a dilute air-fuel mixture and reducing nitrogen oxide emissions.
  • a structure has been proposed in which a plurality of combustion gas supply holes are formed in the circumferential direction around a predetermined position from the tip of a pre-evaporation premix tube inserted and arranged in a liner in a predetermined amount.
  • Patent Document 2 the air flowing into the combustor from the hole in the peripheral wall surface of the premixing pipe creates a swirling flow surrounding the axial flow in the combustor, and the flame is located at a position away from the top of the combustor.
  • Patent Document 3 describes an upper peripheral wall provided with a hole in the outer cylinder body for creating a swirling flow in a gap between the combustion cylinder and the through-cylindrical inner wall in the upper peripheral wall of the premixing pipe. It has a premixing tube composed of a lower peripheral wall, a first pressure injection nozzle is arranged in the center of the top of the inner wall, and five second pressure injection nozzles are arranged at equal intervals on the lower peripheral wall. The fuel injected toward the center from each second pressure injection nozzle rides on the swirling flow of air from the gap toward the combustion cylinder, spreads widely in the radial direction in the upper region of the combustor, and evaporates early due to the long residence time.
  • -A gas turbine combustor that ignites and burns completely is disclosed.
  • the gas turbine combustors disclosed in the above-mentioned Patent Documents 1 to 3 provide a swirling flow to the air to promote mixing with the fuel and prevent flashback.
  • these gas turbine combustors are mainly intended to generate a swirling flow and are intended to promote mixing.
  • the state of the mixed concentration distribution is unclear, and it is unclear whether the concentration of the combustion gas is made uniform. Therefore, it may be burned in a state of high concentration, and the emission concentration of NOx may be partially increased.
  • a pilot fuel nozzle is arranged in the center of the combustor inner cylinder, and a plurality of main fuels are arranged around the pilot fuel nozzle.
  • It is a premixed pipe having a shape, and is characterized in that a plurality of air holes for taking in air are arranged in the circumferential direction by communicating the inside and the outside through the peripheral wall, and a plurality of rows are arranged in the axial direction.
  • the air for premixing is taken in from around the peripheral wall, and the combustion gas injected from the nozzle for main fuel mixes with the air and is injected into the inner cylinder of the combustor.
  • the premixing pipe structure of the gas turbine described above has the air holes arranged in a staggered pattern.
  • the air holes adjacent in the axial direction are displaced in the circumferential direction. Therefore, the position where the air is taken in is different, and when the combustion gas passes through the position where the air hole does not exist on the proximal end side, that is, the upstream side, the combustion gas cannot be sufficiently mixed with the air.
  • this poorly mixed combustion gas flows axially and passes through a position facing the air hole on the downstream side, mixing with air is promoted. Therefore, the undiluted combustion gas that has passed through the upstream side is diluted on the downstream side, and is surely diluted as it flows in the axial direction.
  • the number of the air holes arranged in the circumferential direction on the proximal end side is larger than the number arranged in the circumferential direction on the distal end side. It is preferable to have.
  • the number of air holes arranged in the circumferential direction is increased on the proximal end side (upstream side) than on the distal end side (downstream side). Since combustion gas is supplied on the proximal end side, it is desirable to supply and mix a large amount of air. Therefore, a large number of air holes are formed on the proximal end side so that air can be sucked. Further, since air is supplied to the mixed gas in which the combustion gas is diluted on the tip side, a large amount of air is not required as on the base side. Therefore, the number of air holes on the prior application side is smaller than that on the base end side.
  • the opening area of the air holes is large on the proximal end side and small on the distal end side.
  • the opening area on the plane orthogonal to the cylindrical axis makes the opening area on the tip end side smaller than the opening area from the proximal end side to the body. Is preferable.
  • the opening area with respect to the cross section of the tubular premixer is made smaller on the tip side, and the flow velocity of the mixed gas injected from the tip into the combustor inner cylinder is increased. Therefore, it is possible to prevent the occurrence of flashback of combustion in the inner cylinder of the combustor.
  • the concentration of the mixed gas can be efficiently lowered and made uniform, and the generation of NOx due to combustion can be suppressed.
  • the distance between the premix pipe and the canopy can be reduced compared to the structure in which air is taken in from the opening on the proximal end side in the axial direction, and the gas can be used.
  • the size of the turbine can be reduced.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a premixed pipe of the gas turbine shown in FIG. 1 cut along a plane orthogonal to the axis, (A) is a sectional view taken along line 5A-5A in FIG. , (C) is a 5C-5C line sectional view, and (D) is a 5D-5D line sectional view.
  • FIG. 7 It is a development view of the body of the premixing pipe of the gas turbine shown in FIG. It is a perspective view of the premixing pipe of a gas turbine provided with the structure which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. It is a front view of the premixing pipe of the gas turbine shown in FIG. 7. It is sectional drawing which shows along the line 9-9 in FIG. It is a figure explaining the intake state of the air in the premixing pipe of the gas turbine provided with the structure which concerns on this invention, and is the sectional view which shows by cutting in the plane along the axis. It is schematic cross-sectional view explaining the gas turbine equipped with the premixing pipe provided with the structure which concerns on this invention. It is a figure which shows the premixing tube of the structure which takes in air in an axial direction, and is the sectional view corresponding to FIG.
  • the premixing pipe structure of the gas turbine according to the present invention will be specifically described based on the preferred embodiment shown. First, an outline of an embodiment of a gas turbine equipped with a premixing tube having the structure according to the present invention will be described with reference to FIG.
  • the air sucked from the air suction port 101 is supplied to the compressor 102 through the inlet guide vanes 101a and compressed, and the compressed air is guided to the combustor 103.
  • the combustor 103 has a double structure of a combustor outer cylinder 103a and a combustor inner cylinder 103b, and compressed air is guided to the outside of the combustor inner cylinder 103b.
  • premixing tubes 1 are mounted on the upper portion of the combustor inner cylinder 103b of the combustor 103 so as to be arranged on the circumference centered on the axis of the combustor inner cylinder 103b.
  • the lower part of the premixing pipe 1 is communicated with the inside of the combustor inner cylinder 103b, the main fuel nozzle 110 to which the main fuel is supplied is arranged in the upper part, and the main fuel is inside the combustor inner cylinder 103b. Be jetted.
  • a pilot fuel nozzle 111 is arranged in the upper center of the combustor inner cylinder 103b, and the pilot fuel is injected into the combustor inner cylinder 103b.
  • the injected pilot fuel is ignited by an ignition device (not shown).
  • the compressed air guided to the outside of the combustor inner cylinder 103b is guided to the premixing pipe 1 and mixed with the combustion gas of the main fuel to generate a mixed gas, and this mixed gas is burned from the lower part of the premixing pipe 1. It is injected into the inner cylinder 103b to promote combustion, and high-temperature, high-pressure working gas is generated.
  • the working gas generated by the combustor 103 is guided to the turbine 104 to rotate the turbine blades and rotate the spindle 105. By rotating the spindle 105, the compressor 102 is rotated and a desired output rotation is obtained.
  • the working gas used for the rotation of the turbine 104 becomes exhaust gas and is discharged from the exhaust duct 106.
  • the premixer tube 1 having the structure according to the first embodiment of the present invention.
  • the upper portion of the cylindrical body portion 1a is closed by the bottom plate 1b except for the central portion, and the nozzle support pipe 11 in which the main fuel nozzle 110 is held is held in the central portion of the bottom plate 1b. Is attached via the seal 11a.
  • the side of the nozzle support pipe 11 of the premix pipe 1 is the upstream side of the main fuel flow.
  • the lower portion of the body portion 1a that is, the downstream side of the main fuel flow, is continuous with a cylindrical conical body portion 1c whose diameter is gradually reduced to a smaller diameter on the lower side.
  • the inclined pipe portion 1e is continuous from the conical body portion 1c so that the opening 1d is directed in a direction deviated from the direction of the axis C of the body portion 1a. Further, as shown in FIG. 2, the opening 1d has a circular shape.
  • air holes 1a1, 1a2, 1a3, and 1a4 are formed in the body portion 1a of the premixing tube 1.
  • the air holes 1a1, 1a2, 1a3, and 1a4 have the number of air holes 1a1 formed in the circumferential direction on the upstream side of the premixing pipe 1 in the circumferential direction on the downstream side thereof. The number is larger than the number of air holes 1a2 to 1a4 formed.
  • four rows of air holes 1a1, 1a2, 1a3, and 1a4 are arranged side by side in the axis C direction, but the most upstream air holes 1a1 are 16 and the other air holes 1a1 are arranged.
  • FIGS. 5 and 6 There are eight air holes 1a2, 1a3, and 1a4 arranged at the positions. The positional relationship between these air holes 1a1, 1a2, 1a3, and 1a4 is shown in FIGS. 5 and 6.
  • FIG. 5A is a cross-sectional view cut along the line 5A-5A in FIG. 2 along a plane orthogonal to the axis C, and 16 air holes 1a1 are arranged in this portion.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view cut along the line 5B-5B in FIG. 2, which is cut at the portion of the air hole 1a2 arranged on the immediately downstream side of the air hole 1a1, and the portion is 8
  • the individual air holes 1a2 are arranged.
  • the eight air holes 1a2 are arranged at positions where every other 16 air holes 1a1 overlap in the axis C direction. Further, the number of air holes 1a3 arranged on the immediate downstream side of the air holes 1a2 is eight, and as shown in FIGS. 5 (B) and 5 (C), the positions of the air holes 1a2 and It is arranged at a position offset by an angle of 22.5 ° in the circumferential direction. Eight air holes 1a4 arranged at the most downstream are arranged in the circumferential direction, and as shown in FIGS. 5 (B) and 5 (D), these air holes 1a4 are air. It is arranged at the same position as the hole 1a2 in the axis C direction.
  • the air holes 1a2, 1a3, and 1a4 By arranging the air holes 1a2, 1a3, and 1a4 at positions displaced by an angle of 15 °, all of the air holes 1a2, 1a3, and 1a4 are displaced in the direction along the axis C. It doesn't matter what you arrange. Further, the diameters of the air holes 1a1, 1a2, 1a3, and 1a4 may be different from each other. In this case, it is preferable to increase the diameter of the air holes 1a1 arranged on the upstream side. Further, the diameter may be gradually reduced toward the downstream side, or the diameters of the air holes 1a2, 1a3, and 1a4 may be made equal.
  • the premixer tube 1 is arranged with the opening 1d directed toward the central portion of the combustor inner cylinder 103b. Therefore, the mixed gas is injected toward the flame ignited by the pilot fuel.
  • the fuel gas of the main fuel injected from the main fuel nozzle 110 is compressed from the air holes 1a1, 1a2, 1a3, 1a4 formed in the body portion 1a. Air is introduced to dilute the combustion gas and mix it inside the premix tube 1 to produce a mixed gas. The highest concentration of combustion gas is immediately after injection by the main fuel nozzle 110.
  • the number of air holes 1a1 on the upstream side is larger than the number of air holes 1a2, 1a3, 1a4 on the downstream side, so that a large amount is large from the air holes 1a1 on the upstream side. Air is introduced.
  • the air holes 1a2, 1a3, and 1a4 are arranged at different positions in the circumferential direction, the positions where the air holes 1a2 do not face, that is, the positions where the intermediate positions between the adjacent air holes 1a2 in the circumferential direction face. It is difficult for air to be introduced into the combustion gas that passes through. However, since the air holes 1a3 arranged downstream of the air holes 1a2 are arranged at positions displaced from the air holes 1a2, the combustion gas that has passed through the portion where the air holes 1a2 are not formed is allowed. It is diluted with the air introduced from the air holes 1a3.
  • the supplied combustion gas as a whole is evenly mixed with air, diluted to a desired state and used for combustion to generate a high-temperature, high-pressure working gas. Since the opening 1d having a diameter smaller than that of the body portion 1a is formed in the downstream portion of the premixing pipe 1, the flow velocity of the mixed gas injected from the opening 1d becomes large. Therefore, since the fuel is injected at a high speed with respect to the flame of the pilot fuel, the flame of the ignited combustion gas does not flash back.
  • the discharged gas has a low combustion gas concentration of the mixed gas mixed and diluted in the premixing pipe 1, so that the amount of NOx discharged is small.
  • a lid 2b which is separate from the body 2a and has a nozzle support tube 11 attached via a seal 11a, is provided on the upper portion of the body 2a of the premixing tube 2.
  • the upper end portion on the upstream side is a circular shape continuous with the body portion 2a and the diameter is gradually reduced toward the downstream side, and the lower end portion on the downstream side is formed in a square shape. Is continuous.
  • the upper end of the rectangular inclined pipe portion 2e continuous with the connecting body 2c is connected to the lower end of the connecting body 2c, and the lower end of the inclined pipe 2e is connected to the lower end of the inclined pipe 2e with respect to the direction of the axis C.
  • the opening 2d is oriented in the biased direction. That is, the opening 2d is square as shown in FIG.
  • the body portion 2a of the premixing tube 2 is provided with an appropriate number of air holes 2a1, 2a2, 2a3, 2a4.
  • the same number of air holes 2a1, 2a2, 2a3, and 2a4 as the air holes 1a1, 1a2, 1a3, and 1a4 formed in the body portion 1a of the premixing tube 1 are arranged at the same positions. Therefore, with respect to the air holes 2a1, 2a2, 2a3, and 2a4 formed in the body portion 2a, FIGS. ) Has the same cross-sectional shape.
  • the premixed pipe 2 is also arranged with the opening 2d directed toward the center of the combustor inner cylinder 103b as shown in FIG. 11 and ignites the pilot fuel.
  • the mixed gas is injected toward the flame.
  • the opening area of the opening 2d is smaller than the cross-sectional area of the body portion 2a, the flow velocity of the mixed gas becomes large and flashback is prevented.
  • FIG. 10 shows a structure in which air is taken in from the upper opening 4a of the premixing tube 4. Since the premixing pipe 4 has a structure in which air is taken in from above, it is necessary to increase the distance between the canopy 112 of the gas turbine 100 and the upper opening 4a of the premixing pipe 4. On the other hand, since air is taken in from the side in the premixing tubes 1 and 2 having the structure according to the present invention, as shown in FIG. 10, between the upper part of the premixing tubes 1 and 2 and the canopy 112. The distance can be reduced. Therefore, the height of the gas turbine 100 can be reduced to reduce the size of the gas turbine 100.
  • the combustion gas can be easily and evenly diluted to a desired concentration, which contributes to lowering the NOx concentration in the exhaust gas.

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Abstract

燃焼ガスと空気との混合ガスを生成する際に均一で、十分に希釈された混合ガスを生成するガスタービンの予混合管構造を提供する。　予混合管１の円筒状の胴部１ａに空気孔１ａ１、１ａ２、１ａ３、１ａ４を形成する。最上流側に形成した空気孔１ａ１の数を他の空気孔１ａ２、１ａ３、１ａ４の数よりも多くする。空気孔１ａ２、１ａ３、１ａ４は互い違いの千鳥状の位置に形成する。胴部１ａの下流側は、徐々に小径となるよう絞られた円錐形胴部１ｃに連続した傾斜管部１ｅで、開口１ｄを燃焼器内筒１０３ｂの中央部を指向させて設けて、混合ガスをパイロット燃料による火炎に向けて噴射させる。

Description

ガスタービンの予混合管構造
　この発明は、ガスタービンの予混合式燃焼器に配される予混合管の構造に関する。
　空気雰囲気中に燃焼ガスを噴射する拡散燃焼では、燃焼ガスと空気とが十分に混合せずに高い濃度の状態で燃焼が行われるため燃焼温度が高くなって、ＮＯｘ（窒素酸化物）の排出濃度が高くなる。そこで、水蒸気あるいは水を燃焼領域に噴射して燃焼温度を下げることでＮＯｘ濃度の低減が図られる。
　しかし、燃料の供給量に対して多くの水量が必要とされ、ガスタービンプラントの効率を低下させてしまう虞がある。
　このため、水蒸気や水を噴射することなく低ＮＯｘを排出できるようにする希釈予混合燃焼が採用される。希釈予混合燃焼は、燃焼ガスを空気と混合させて、低い濃度に希釈された混合ガスを燃焼領域に供給して、燃焼を行わせている。この予混合気の燃焼温度は低くなるため、ＮＯｘの生成が抑制されて濃度の低いＮＯｘを排出する。
　この種の希釈予混合燃焼の混合効率を高めるために、例えば、特許文献１には、希薄な混合気で安定した燃焼を可能とし、窒素酸化物の排出を低減し得るガスタービン燃焼器として、ライナに所定量挿入されて配された予蒸発予混合管の先端から所定位置の周囲に燃焼ガス供給孔が周方向に複数開口形成された構造が提案されている。
　また、特許文献２には、予混合管の周壁面の孔から燃焼器内に流入した空気は燃焼器内で軸方向流を取り巻く旋回流を作り、火炎は燃焼器の頂部から離れた位置に保持されるようになされた構造が提案されている。
　また、特許文献３には、外筒体の内部に、燃焼筒と、予混合管の上部周壁内の貫通筒状の内壁との間の隙間に旋回流を生じさせる孔を備えた上部周壁と下部周壁とから構成される予混合管を有し、内壁の頂部中央には第１圧力噴射ノズルが、下部周壁には５個の第２圧力噴射ノズルが等角度間隔で配置される。各第２圧力噴射ノズルから中心に向けて噴射された燃料は、隙間から燃焼筒に向かう空気の旋回流に乗り、燃焼器の上部領域で半径方向に広く分散し、長い滞留時間により早期に蒸発・着火して完全燃焼する、とされたガスタービン燃焼器が開示されている。
特開平１０－１６０１６３号公報 特開２００９－１９８０５４号公報 特開２０１２－２４７１３５号公報
　上述の特許文献１～特許文献３に開示されたガスタービン燃焼器は、空気に旋回流を与えて燃料との混合を促進させると共に、逆火が生じないようにするものである。
　しかしながら、これらのガスタービン燃焼器は、旋回流を生じさせることを主としているものであり、混合の促進ためのものとされている。しかし、混合濃度分布の状況が不明であり、燃焼ガスの濃度の均一化が図られているかが不明である。このため、高い濃度の状態で燃焼される虞があり、ＮＯｘの排出濃度が部分的に高くなる虞がある。
　そこで、この発明は、燃焼ガスと空気との混合の促進を図り、燃焼ガスの濃度の均一化を図って、効率よく希釈予混合燃焼を行えるガスタービンの予混合管構造を提供することを目的としている。
　上記目的を達成するために、この発明に係るガスタービンの予混合管構造は、燃焼器内筒の中央部にパイロット燃料用ノズルが配され、このパイロット燃料用ノズルの周囲に複数本のメイン燃料用ノズルが配され、このメイン燃料用ノズルを基端部に保持し、該メイン燃料用ノズルから噴射されるメイン燃料を空気と混合させた混合ガスを先端部から燃焼器内筒に噴射させる筒状の予混合管であって、周壁に内外を連通させて、空気を取り入れる複数個の空気孔が周方向に配列されると共に、軸方向に複数列が配されていることを特徴としている。
　周壁の周囲から予混合用空気を取り入れるもので、メイン燃料用ノズルから噴射された燃焼ガスは空気と混合して、燃焼器内筒に噴射される。
　また、上述のガスタービンの予混合管構造であって、前記空気孔は千鳥状に配列してあることが好ましい。
　千鳥状に配することによって、軸方向で隣接する空気孔は、周方向の位置がずれている。このため、空気を取り入れる位置が異なり、基端部側、すなわち上流側で、燃焼ガスが空気孔の存しない位置を通過する際、燃焼ガスは空気と十分に混合できない。この混合が不十分な燃焼ガスが軸方向に流れて下流側の空気孔が臨む位置を通過する際には、空気と混合が促進される。したがって、上流側を通過して希釈されていない燃焼ガスが下流側で希釈されることになり、軸方向に流れるに応じて確実に希釈される。
　また、上述のガスタービンの予混合管構造であって、前記空気孔は、基端部側で周方向に配された数が、先端部側で周方向に配された数よりも多くしてあることが好ましい。
　周方向に配された空気孔の数を、基端部側（上流側）を先端部側（下流側）よりも多くするものである。
　基端部側では燃焼ガスが供給されるため多量の空気を供給して混合させることが望ましいので、基端部側に多数の空気孔を形成して空気を吸引できるようにしたものである。
　また、先端部側では燃焼ガスが希釈された混合ガスに対して空気を供給するから、基端部側ほど多量の空気を要しない。したがって、先願部側の空気孔を基端部側よりも少なくしたものである。
　また、上述のガスタービンの予混合管構造であって、前記空気孔の開口面積を、基端部側を大きく、先端部側を小さくしてあることが好ましい。
　空気孔の開口面積を、基端部側を大きくすることで、多量の空気を吸引できるようにして、燃焼ガスの希釈を促進させるようにしたものである。
　また、上述のガスタービンの予混合管構造であって、筒状の軸に直交する面における開口面積が、先端部側の開口面積を基端部側から胴部にかけての開口面積よりも小さくしてあることが好ましい。
　筒状の予混合管の横断面に対する開口面積を、先端部側を小さくして、先端部から燃焼器内筒に噴射される混合ガスの流速を大きくするものである。このため、燃焼器内筒内における燃焼の逆火の発生を防止できる。
　この発明に係るガスタービンの予混合管構造によれば、効率よく混合ガスの濃度を低く均一化できて、燃焼によるＮＯｘの発生を抑制することができる。また、予混合管の側壁を通して空気が供給されるため、空気を軸方向の基端部側の開口から取り入れる構造と比べて、予混合管と天蓋との間隔を小さくすることができて、ガスタービンの小型化を図ることができる。
この発明の第一の実施形態に係る構造を備えているガスタービンの予混合管の概略を示す斜視図である。 図１に示すガスタービンの予混合管の正面図である。 図２における３－３線に沿って切断して示す断面図である。 図１に示すガスタービンの予混合管の平面図である。 図１に示すガスタービンの予混合管を軸に直交する面で切断して示す断面図であり、（Ａ）は図２における５Ａ－５Ａ線断面図、（Ｂ）は５Ｂ－５Ｂ線断面図、（Ｃ）は５Ｃ－５Ｃ線断面図、（Ｄ）は５Ｄ－５Ｄ線断面図である。 図１に示すガスタービンの予混合管の胴部の展開図である。 この発明の第二の実施形態に係る構造を備えているガスタービンの予混合管の斜視図である。 図７に示すガスタービンの予混合管の正面図である。 図７における９－９線に沿って示す断面図である。 この発明に係る構造を備えているガスタービンの予混合管における空気の取り入れ状態を説明する図で、軸に沿った面で切断して示す断面図である。 この発明に係る構造を備えた予混合管を装着したガスタービンを説明する概略の断面図である。 軸方向に空気を取り入れる構造の予混合管示す図であり、図１０に相当する断面図である。
　この発明に係るガスタービンの予混合管構造を、図示した好ましい実施形態に基づいて具体的に説明する。
　まず、図１１を参照してこの発明に係る構造を備えた予混合管を装着するガスタービンの一実施例の概略を説明する。
　ガスタービン１００では、空気吸込口１０１から吸引された空気は、インレットガイドベーン１０１ａを通って圧縮機１０２に供給されて圧縮され、この圧縮空気は燃焼器１０３に導かれる。この燃焼器１０３は燃焼器外筒１０３ａと燃焼器内筒１０３ｂとの二重構造とされており、圧縮空気は燃焼器内筒１０３ｂの外側に導かれる。
　燃焼器１０３の燃焼器内筒１０３ｂの上部には、燃焼器内筒１０３ｂの軸を中心とした円周上に配されて、適宜個数の予混合管１が装着されている。予混合管１の下部は燃焼器内筒１０３ｂの内部と連通させてあり、上部にはメイン燃料が供給されるメイン燃料用ノズル１１０が配されて、燃焼器内筒１０３ｂの内部にメイン燃料が噴射される。
　また、燃焼器内筒１０３ｂの中央上部にはパイロット燃料用ノズル１１１が配され、パイロット燃料が燃焼器内筒１０３ｂ内に噴射される。噴射されたパイロット燃料には、図示しない点火装置によって点火される。
　燃焼器内筒１０３ｂの外側に導かれた圧縮空気は予混合管１に導かれて、メイン燃料の燃焼ガスと混合して混合ガスが生成され、この混合ガスが予混合管１の下部から燃焼器内筒１０３ｂの内部に噴射されて燃焼が促進され、高温・高圧の作動ガスが発生する。
　燃焼器１０３で発生した作動ガスがタービン１０４に導かれて、タービン翼を回転させて主軸１０５を回転させる。主軸１０５の回転によって、圧縮機１０２を回転させると共に、所望の出力回転が得られる。タービン１０４の回転に供された作動ガスは、排気ガスとなって排気ダクト１０６から排出される。
　図１～図６に、この発明の第一の実施形態に係る構造を備えた予混合管１が示されている。この予混合管１は円筒形の胴部１ａの上部が、中央部を除いて底板１ｂによって閉鎖されており、この底板１ｂの中央部にはメイン燃料用ノズル１１０が保持されるノズル支持管１１が、シール１１ａを介して装着されている。なお、予混合管１のノズル支持管１１の側が、メイン燃料の流れの上流側となる。
　また、胴部１ａの下部、すなわちメイン燃料の流れの下流側は、徐々に縮径されて下部側が小径とされた筒状の円錐形胴部１ｃが連続している。また、この円錐形胴部１ｃからは胴部１ａの軸Ｃの方向に対して偏倚させた方向に開口１ｄが指向するように、傾斜管部１ｅが連続している。また、この開口１ｄは、図２に示すように、円形とされている。
　予混合管１の胴部１ａには、適宜数の空気孔１ａ１、１ａ２、１ａ３、１ａ４が形成されている。この空気孔１ａ１、１ａ２、１ａ３、１ａ４は、図６の展開図に示すように、予混合管１の上流側で周方向に形成された空気孔１ａ１の数が、その下流側に周方向に形成された空気孔１ａ２～１ａ４の数よりも多くしてある。この実施形態では、軸Ｃ方向に４列の空気孔１ａ１、１ａ２、１ａ３、１ａ４が並設されたものを示してあるが、これらの最も上流側の空気孔１ａ１が１６個とされ、他の位置に配された空気孔１ａ２、１ａ３、１ａ４が８個とされている。
　これらの空気孔１ａ１、１ａ２、１ａ３、１ａ４の位置関係が、図５と図６に示されている。図５（Ａ）は、図２における５Ａ－５Ａ線に沿って、軸Ｃと直交する面で切断した断面図で、この部分には１６個の空気孔１ａ１が配されている。また、図５（Ｂ）は空気孔１ａ１の直近の下流側に配された空気孔１ａ２の部分で切断した、図２における５Ｂ－５Ｂ線に沿って切断した断面図で、この部分には８個の空気孔１ａ２が配されている。この８個の空気孔１ａ２は、１６個の空気孔１ａ１に対して一つおきに軸Ｃ方向で重なる位置に配されている。また、空気孔１ａ２の直近の下流側に配された空気孔１ａ３は８個とされており、図５（Ｂ）と図５（Ｃ）に示されているように、空気孔１ａ２の位置と周方向に２２．５°の角度でずれた位置に配されている。そして、最下流に配された空気孔１ａ４は、８個が周方向に配されており、図５（Ｂ）と図５（Ｄ）とに示されているように、これら空気孔１ａ４は空気孔１ａ２と軸Ｃ方向で等しい位置に配されている。
　なお、空気孔１ａ２、１ａ３、１ａ４については、それぞれ１５°ずつの角度でずれた位置に配することで、これら空気孔１ａ２、１ａ３、１ａ４の全てが軸Ｃに沿った方向でずれた位置に配するものでも構わない。
　さらに、空気孔１ａ１、１ａ２、１ａ３、１ａ４のそれぞれの径を異ならせたものとすることができる。この場合、上流側に配された空気孔１ａ１の径を大きくすることが好ましい。また、下流側に向かって徐々に小径とすることでも、空気孔１ａ２、１ａ３、１ａ４の径を等しくすることでも構わない。
　そして、この予混合管１は、図１１に示されているように、開口１ｄを燃焼器内筒１０３ｂの中央部に指向させて配される。このため、パイロット燃料に点火された火炎に向かって混合ガスが噴射される。
　次に、この第一の実施形態に係る構造を備えた予混合管１の作用を、以下に説明する。
　この第一の実施形態に係る予混合管１では、メイン燃料用ノズル１１０から噴射されたメイン燃料の燃料ガスに対して、胴部１ａに形成された空気孔１ａ１、１ａ２、１ａ３、１ａ４から圧縮空気が導入されて燃焼ガスが希釈され、予混合管１の内部で混合されて混合ガスが生成される。燃焼ガスがメイン燃料用ノズル１１０による噴射直後が最も高い濃度にある。この予混合管１では、最上流側にある空気孔１ａ１の数が下流側の空気孔１ａ２、１ａ３、１ａ４の数と比べて多くしてあるから、最上流側の空気孔１ａ１からは多量の空気が導入される。このため、濃度の高い燃焼ガスの希釈が促進される。
　また、空気孔１ａ２、１ａ３、１ａ４では周方向の位置をずらして配してあるため、空気孔１ａ２が臨んでいない位置、すなわち、周方向で隣接する空気孔１ａ２同士の中間の位置が臨む位置を通過する燃焼ガスには空気が導入されにくい。しかし、この空気孔１ａ２の下流に配された空気孔１ａ３は、空気孔１ａ２に対してずれた位置に配されているから、空気孔１ａ２が形成されていない部分を通過した燃焼ガスに対して空気孔１ａ３から導入された空気により希釈される。したがって、供給された燃焼ガスは全体として空気と均等に混合されて、所望の状態まで希釈されて燃焼に供されて、高温・高圧の作動ガスが生成される。
　なお、予混合管１の下流部は胴部１ａよりも小径の開口１ｄが形成されているから、開口１ｄから噴射される混合ガスの流速が大きくなる。このため、パイロット燃料の火炎に対して、高速で噴射されるので、着火した燃焼ガスの火炎が逆火することがない。
　そして、タービン１０４を駆動した作動ガスは、排気ダクト１０６から排出される。この排出される排出ガスは、予混合管１で混合されて希釈された混合ガスの燃焼ガス濃度が低いため、ＮＯｘの排出量が小さくなる。
　図７～図９には、第二の実施形態に係る構造を備えたガスタービンの予混合管２が示されている。この実施形態に係る予混合管２の部位であって、図１～図６に示す第一の実施形態に係る予混合管１と同一の部位については、同一の符号を付してある。
　この予混合管２の胴部２ａの上部には、胴部２ａと別体で中央部にノズル支持管１１がシール１１ａを介して装着された蓋体２ｂが設けられている。
　胴部２ａの下部には、上流側の上端部が胴部２ａに連続する円形で下流側に向かって徐々に縮径されると共に、下流側の下端部が方形に形成された接続胴部２ｃが連続している。
　そして、この接続胴部２ｃの下端部に、接続胴部２ｃと連続する方形の傾斜管部２ｅの上端部が接続されており、この傾斜管部２ｅの下端部が軸Ｃの方向に対して偏倚させた方向に開口２ｄが指向するようにしてある。すなわち、開口２ｄは、図８に示すように、方形とされている。
　予混合管２の胴部２ａには、第一の実施形態に係る予混合管１の胴部１ａと同様に、適宜数の空気孔２ａ１、２ａ２、２ａ３、２ａ４が設けられている。これら空気孔２ａ１、２ａ２、２ａ３、２ａ４は、予混合管１の胴部１ａに形成された空気孔１ａ１、１ａ２、１ａ３、１ａ４と同一の数が同位置に配置されている。したがって、胴部２ａに形成された空気孔２ａ１、２ａ２、２ａ３、２ａ４に関しては、第一の実施形態に係る予混合管１の胴部１ａの断面を示している図５（Ａ）～（Ｄ）と同様の断面形状となる。
　この予混合管２についても、予混合管１の場合と同様に、図１１に示されているように、開口２ｄを燃焼器内筒１０３ｂの中央部に指向させて配され、パイロット燃料に点火された火炎に向かって混合ガスが噴射される。しかも、開口２ｄの開口面積が胴部２ａの断面積よりも小さいため、混合ガスの流速が大きくなって逆火が防止される。
　以上に説明した予混合管１、２では、図１０に示すように、胴部１ａ、２ａの側方から希釈させる空気が供給されることになる。
　他方、図１２は予混合管４の上部開口４ａから空気を取り入れる構造を示している。この予混合管４では、空気が上方から取り入れられる構造であるため、ガスタービン１００の天蓋１１２と予混合管４の上部開口４ａとの間の距離を大きくすることを要する。
　これに対して、本願発明に係る構造を備えた予混合管１、２では側方から空気が取り入れられるため、図１０に示すように、予混合管１、２の上部と天蓋１１２との間の距離は、小さくすることができる。
　このため、ガスタービン１００の高さを小さくして、ガスタービン１００の小型化を図ることができる。
　この発明に係るガスタービンの予混合管構造によれば、燃焼ガスを所望の濃度に容易に均等に希釈できるので、排ガス中のＮＯｘ濃度を低くすることに寄与する。
　１　予混合管
　１ａ　胴部
　１ｂ　底板
　１ｃ　円錐形胴部
　１ｄ　開口
　１ｅ　傾斜管部
　１ａ１、１ａ２、１ａ３、１ａ４　空気孔
　１１　ノズル支持管
　１１ａ　シール
　２　予混合管
　２ａ　胴部
　２ｂ　蓋体
　２ｃ　接続胴部
　２ｄ　開口
　２ｅ　傾斜管部
　２ａ１、２ａ２、２ａ３、２ａ４　空気孔
　１００　ガスタービン
　１０１　空気吸込口
　１０１ａ　インレットガイドベーン
　１０２　圧縮機
　１０３　燃焼器
　１０３ａ　燃焼器外筒
　１０３ｂ　燃焼器内筒
　１０４　タービン
　１０５　主軸
　１０６　排気ダクト
　１１０　メイン燃料用ノズル
　１１１　パイロット燃料用ノズル
　Ｃ　軸

Claims (5)

  1. 　燃焼器内筒の中央部にパイロット燃料用ノズルが配され、このパイロット燃料用ノズルの周囲に複数本のメイン燃料用ノズルが配され、このメイン燃料用ノズルを基端部に保持し、該メイン燃料用ノズルから噴射されるメイン燃料を空気と混合させた混合ガスを先端部から燃焼器内筒に噴射させる筒状の予混合管であって、
    　周壁に内外を連通させて、空気を取り入れる複数個の空気孔が周方向に配列されると共に、軸方向に複数列が配されていることを特徴とするガスタービンの予混合管構造。
  2. 　請求項１に記載のガスタービンの予混合管構造であって、
    　前記空気孔は千鳥状に配列してあることを特徴とするガスタービンの予混合管構造。
  3. 　請求項１または請求項２に記載のガスタービンの予混合管構造であって、
    　前記空気孔は、基端部側で周方向に配された数が、先端部側で周方向に配された数よりも多くしてあることを特徴とするガスタービンの予混合管構造。
  4. 　請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のガスタービンの予混合管構造であって、
    　前記空気孔の開口面積を、基端部側を大きく、先端部側を小さくしてあることを特徴とするガスタービンの予混合管構造。
  5. 　請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のガスタービンの予混合管構造であって、
    　筒状の軸に直交する面における開口面積が、先端部側の開口面積を基端部側から胴部にかけての開口面積よりも小さくしてあることを特徴とするガスタービンの予混合管構造。
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