JP2014062702A

JP2014062702A - ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JP2014062702A
Application number: JP2012209073A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Miura; 圭祐三浦; Satoshi Momo; 聡百々; Tomoki Koganezawa; 知己小金沢; Yoshitaka Hirata; 義隆平田; Kazuchika Abe; 一幾阿部
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2014-04-10
Anticipated expiration: 2032-09-24
Also published as: JP5908379B2; CN103672965A; EP2711628A1; EP2711628B1; US10041678B2; US20140083102A1; CN103672965B

Abstract

【課題】本発明の目的は、予混合バーナを備えた燃焼器において、円錐状の火炎を形成し、ライナやバーナ端面のメタル温度を低減できる燃焼器を提供することにある。
【解決手段】本発明は、燃料と空気を予め混合して燃焼室に混合気を噴出し燃焼させる予混合バーナを一つ以上備えた燃焼器であって、前記バーナの端面外周部に取り付けた円筒ガイドに空気供給孔を配設し、隣り合う空気供給孔の間隔Ｄ１と空気供給孔とバーナ出口端面の間隔Ｄ２を予混合バーナから噴出される予混合気の消炎距離よりも狭くする。
【選択図】図７

Description

本発明はガスタービン燃焼器に関する。

環境保護の観点からガスタービンにはさらなる低ＮＯｘ化が求められている。ガスタービン燃焼器を低ＮＯｘ化するための一方策として、予混合燃焼器があげられる。また、特許文献１には、燃焼室に燃料を供給する燃料ノズルと、この燃料ノズルの下流側に位置し、空気を供給する空気孔とを多数備え、燃料ノズルの噴出孔と空気孔とを同軸上に配置した燃料燃焼用ノズルから構成される燃焼器が示されており、耐逆火性と低ＮＯｘ燃焼を兼ね備えた燃焼器を開示している。

特開２００３‐１４８７３４号公報

特許文献１では空気孔内部で燃料と空気の混合を促進した場合に生じる火炎の保炎位置の変化やメタル温度の上昇といった課題に対して、検討がなされていなかった。

そこで本発明の目的は、火炎を安定に形成し、ライナやバーナ出口端面のメタル温度を低減できる燃焼器を提供することにある。

本発明は、気体燃料と空気を予め混合して燃焼室に混合ガスを噴出する予混合バーナを一つ以上備えたガスタービン燃焼器であって、前記予混合バーナの前記燃焼室側の端面であるバーナ出口端面に接続され、かつ、前記予混合バーナの外周に配置されて前記予混合バーナを囲う円筒を備え、前記円筒に複数の空気供給孔を有し、隣り合う前記空気供給孔同士の間隔及び前記空気供給孔と前記バーナ出口端面との間隔が、前記予混合バーナから噴出される予混合気の消炎距離よりも小さいことを特徴とする。

本発明によれば、安定した火炎を形成でき、ライナやバーナ端面のメタル温度を低減できる燃焼器を提供できる。

実施例１におけるガスタービン燃焼器のバーナ部の詳細断面図と燃料系統および制御装置を示す図である。図１に示した実施例１のバーナを燃焼室側から見た正面図である。実施例１のガスタービン燃焼器が適用されるガスタービンプラントの概略構成を示すプラントの系統図である。燃焼器の外側バーナ拡大断面図である。燃焼器の外側バーナ拡大断面図である。燃焼器の外側バーナ拡大断面図である。実施例１の外側バーナ拡大断面図である。実施例１の外側バーナ端面と円筒ガイドの斜視図である。実施例１の外側バーナ拡大断面図である。予混合気中の天然ガス濃度と消炎距離の関係を示した図である。燃焼器の外側バーナ拡大断面図である。実施例１のバリエーションの一つを示した外側バーナ拡大断面図である。実施例１のガスタービン燃焼器のバリエーションの一つについて、バーナ部の詳細断面図と燃料系統および制御装置を示す図である。実施例２の外側バーナ拡大断面図である。実施例３のバーナを燃焼室側から見た正面図である。実施例３の外側バーナ端面と円筒ガイドの斜視図である。実施例４の外側バーナ端面と円筒ガイドの斜視図である。実施例５におけるガスタービン燃焼器のバーナ部の詳細断面図である。図１８に示した実施例５のバーナを燃焼室側から見た正面図である。

以下、各実施例について説明する。

（実施例１）
図３は発電用ガスタービンプラントの全体構成を表すシステム図である。

図３において、発電用ガスタービンは、吸い込み空気１５を加圧して高圧空気１６を生成する圧縮機１と、圧縮機１で生成した高圧空気１６と気体燃料５０とを燃焼させて高温燃焼ガス１８を生成する燃焼器２と、燃焼器２で生成した高温燃焼ガス１８によって駆動されるタービン３と、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８と、圧縮機１、タービン３及び発電機８を一体に連結するシャフト７を備える。

燃焼器２は、ケーシング４の内部に格納されている。また、燃焼器２は、その頭部に複数のバーナで構成されるマルチバーナ６を備え、このマルチバーナ６の下流側となる燃焼器２の内部に、高圧空気と燃焼ガスとを隔てる概略円筒状の燃焼器ライナ１０を備える。

この燃焼器ライナ１０の外周に、高圧空気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が配設されている。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、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。

燃焼器ライナ１０の下流側は、燃焼器２の燃焼室５で発生した高温燃焼ガス１８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。また、尾筒内筒１２の外周側に、尾筒外筒１３が配設されている。

吸い込み空気１５は、圧縮機１によって圧縮された後に高圧空気１６となる。高圧空気１６は、ケーシング４内に充満した後、尾筒内筒１２と尾筒外筒１３の間の空間に流入し、尾筒内筒１２を外壁面から対流冷却する。

さらに高圧空気１６は、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燃焼器の頭部に向かって流れる。マルチバーナ６に流入した高圧空気１６は、燃焼室５の上流側壁面に位置する空気孔プレート３１に設けられた多数の空気孔３２に流入する。

空気孔３２に流入した高圧空気１６は、燃料ノズル２０から噴出される気体燃料と混合し、予混合気１７として燃焼室５に流入する。予混合気１７は燃焼室５で燃焼して高温燃焼ガス１８を生成する。この高温燃焼ガス１８は尾筒内筒１２を通じてタービン３に供給される。タービン３に供給された高温燃焼ガス１８は、タービン３を駆動した後に排出されて、排気ガス１９となる。

タービン３で得られた駆動力は、シャフト７を通じて圧縮機１及び発電機８に伝えられる。タービン３で得られた駆動力の一部は、圧縮機１を駆動して空気を加圧し高圧空気を生成する。また、タービン３で得られた駆動力の他の一部は、発電機８を回転させて電力を発生させる。

マルチバーナ６は気体燃料系統５１〜５３の３つの燃料系統を備える。それぞれの燃料系統は燃料流量調整弁６１〜６３を備えており、各気体燃料系統の流量は制御装置６４の信号で弁開度を調節することにより制御し、ガスタービンプラント９の発電量が制御される。また、３つの燃料系統に分岐する上流側には、燃料を遮断するための燃料遮断弁６０が備えられている。

マルチバーナ６の詳細を図１の断面図に示し、空気孔プレート３１を燃焼室５側から見た正面図を図２に示す。本実施例のマルチバーナ６は、中央バーナ７６と６つの外側バーナ７７から構成される。各バーナは多数の燃料ノズル２０と、気体燃料を多数の燃料ノズル２０に分配する燃料ヘッダ２３と、空気および燃料が通過する空気孔３２が燃料ノズルに１対１に対応して配置された空気孔プレート３１から構成される。また、図２の正面図に示すように、各バーナの空気孔３２は３列の同心円上に配置されている。中央バーナには気体燃料系統５１が接続しており、外側バーナは内周部と外周部の２つの群に分けられ、それぞれ気体燃料系統５２、５３が接続している。

図７の外側バーナ７７の拡大断面図に示すように、燃料ノズル２０の先端にはリブ２８が取り付けられ、さらに空気孔３２の内部に燃料ノズル２０の先端が挿入されている。そのため、空気１６が燃料ノズル先端のリブ２８を通過する際に渦が発生し、燃料噴流と空気１６の混合を促進することができる。そして、短い空気孔長さで燃料と空気を予混合化することができる。

図１に示すように空気孔プレート３１に設けられた空気孔３２は、円錐状の火炎を形成するため、燃焼室５に面した出口においてバーナ中心軸に対し傾斜させており、バーナ下流に旋回流４０を形成する。旋回流４０の中心部は負圧になるため循環流４１が形成され、循環流４１は燃焼室下流から高温の燃焼ガスを上流側に輸送し、予混合気に熱を供給する。この作用により火炎４３を安定に保炎し、バーナの中心から1列目の空気孔を起点に円錐状の火炎４３を形成することができる。円錐状の火炎４３を形成することにより、空気孔３２の出口から火炎４３に到達するまでの距離を長くすることができるため、空気孔３２から噴出された後も燃料と空気がさらに混合し、低ＮＯｘ燃焼させることができる。

燃焼器内部は非常に高温となり、また、場所によって温度が異なるため、ライナ１０とフロースリーブ１１の間に熱伸び差が生じる。そのため、バーナとライナ１０を完全に固定してしまうと熱伸び差によって固定部に応力が発生し、破損する恐れがある。そのため、バーナの外周部にバネ状のシール部材を取付け、バーナをライナ１０内部に挿入して固定する方法があげられる。この場合、バネ状シール部材によってライナ１０を燃焼器半径方向に対し固定できるとともに、軸方向に対しては拘束しないためライナ１０とフロースリーブ１１の熱伸び差を吸収することができる。

本実施例では、空気孔プレート３１を厚くすると空気孔内に火炎が逆流し焼損するリスクが発生するため、空気孔プレート３１を燃料と空気を混合するために必要な最小限の厚みにしている。燃料と空気の混合の観点から、空気孔プレート３１の厚みを必要最小限としたことにより、空気孔プレート３１だけではバネ状シール部材を固定できない。そのため、本実施例では、空気供給孔３８を有する円筒状のガイド３６を空気孔プレート３１の外周部に取り付けている。そして、円筒ガイド３６の外周にバネ状シール部材３７を取り付けてライナ１０の内部にバーナを挿入している。なお、円筒ガイド３６はバーナ出口端面３０と接続され、マルチバーナ６を囲うように構成されている。

ここで、本実施例と異なり、空気供給孔３８が円筒ガイド３６に配設されていない場合の外側バーナ７７の詳細断面図を図４に示す。外側バーナの空気孔から噴出される予混合気１７の流れにともない、外側バーナ７７の最外周の空気孔と円筒ガイド３６の間の領域において循環流４２が生じる。さらに特許文献１に対しさらなるＮＯｘ低減のため、燃料ノズル先端にリブ２８を設け空気孔３２の内部に挿入することによって空気孔内部で燃料と空気を予混合化すると共に、空気孔をバーナ中心軸に対し傾斜させバーナ下流に旋回流を形成することで円錐状の火炎４３を形成して燃焼室５内での混合距離を長くしている。

バーナの外周部空気孔から噴出された予混合気１７は、火炎４３に到達するまでに周囲に拡散するため、予混合気１７の一部はバーナ外周部の循環流４２に取り込まれ滞留する。また、マルチバーナの場合、図２に示すようにバーナとバーナの間に大きなデッドスペース３５があり、より大きな循環流が形成される。燃焼室５内の流れ場は、旋回流により大きく変動している。そのため、この変動によって図４に示すように火炎４３によって発生した高温の燃焼ガス１８が外側バーナ７７と円筒ガイド３６の間の空間で一時的に上流側に逆流することがある。

このとき、循環流４２は予混合気１７で満たされているため、高温の燃焼ガスによって予混合気が着火し、循環流全体が高温になる。一度、循環流内が高温化すると図５に示すように火炎４３が変形し、外側バーナ最外周の空気孔出口周囲４７を起点に保炎される。外側バーナ最外周の空気孔出口周囲４７を起点に保炎された火炎４３は、バーナ外側の循環流４２によって高温の燃焼ガスが供給されるため、定常的に保炎されることとなる。その結果、火炎４３が円筒ガイド３６やライナ１０に近接することによりメタル温度が上昇する。また、火炎位置が上流側に移動するため、燃料と空気の正味の混合距離が短くなり、ＮＯｘ排出量が増加する恐れがある。

また、図６に示すように空気孔プレートが厚く円筒ガイドがない場合においても、空気孔３２から噴出される予混合気１７の流れに伴ってバーナ外周部に循環流４２が形成される。バネ状シール部材３７を通過した漏れ空気４５が燃焼室５内部に流入するが、ライナ１０に沿って流れ、循環流４２とはほとんど混合しないため、循環流４２内に予混合気が滞留し、高温の燃焼ガス１８が上流に一時的に逆流することによって、循環流４２中の予混合気が着火し、図５と同様に火炎が外側バーナ最外周の空気孔出口周囲４７を起点に保炎される。

そこで本実施例では、図７、図８に示すように燃焼室５側のバーナ外周に取り付けた円筒ガイド３６に空気供給孔３８を設けている。空気供給孔３８はバーナ出口端面３０近傍かつバーナ出口端面３０に対し水平方向に開口している。バネ状シール部材３７は弾性機能を有するためにスリットが設けてあり、ライナ１０と空気孔プレート３１の隙間を通過した空気４４はバネ状シール部材３７を通過し、一部はそのままバーナ状シール部材を通過して漏れ空気４５として燃焼室５に供給され、残りの空気は空気供給孔３８を通過して空気噴流４６として燃焼室５に噴出される。

空気噴流４６はバーナ出口端面３０に沿ってバーナ中心方向に向かって流れ、外側バーナ７７のバーナ最外周部の空気孔出口周囲４７に流入する。また、本実施例では、隣り合う空気供給孔３８の間隔Ｄ１を火炎の消炎距離より短くしており、空気供給孔３８とバーナ出口端面３０との間隔Ｄ２についても火炎の消炎距離より短くしている。

保炎の起点となり得る外側バーナ最外周の空気孔出口周囲４７において、空気噴流４６が直接到達する領域では燃料が存在せず火炎が保炎することができない。また、隣り合う空気噴流４６の間隔、空気噴流４６とバーナ出口端面３０の間隔が消炎距離以下であるため、たとえその空間における燃空比が高くても火炎が保炎することができない。そのため、火炎形状の変化を抑制し、円錐状の火炎４３を維持することができる。

図９に示すようにバーナ外周部に到達した空気噴流４６は、予混合気流１７によって流れ方向を変えられ、予混合気１７の一部が循環流４２に取り込まれる代わりに空気流４６が取り込まれる。そのため、循環流４２の燃空比が大幅に低下し、循環流内で火炎が伝播することを防ぐことができる。

ただし、空気噴流４６の噴出流速が空気孔３２から噴出される予混合気噴流１７に比べて十分に速く、さらに空気供給孔３８と空気孔３２の出口が非常に近接している場合、予混合気流１７の流れを阻害して燃焼不安定を引き起こす可能性がある。また、さらに空気孔３２に近接している空気供給孔３８から噴出された空気噴流４６は循環流４２に取り込まれなくなる恐れがある。

このような問題に対しては、例えば、バネ状シール部材上流側３７ａの通過断面積を空気供給孔３８とバネ状シール部材下流側３７ｂの通過断面積よりも小さくし、空気噴流４６の噴出流速を低減することが考えられる。これにより、空気噴流４６の慣性力を弱め、空気孔３２が噴出される予混合気流の流れへの影響を最小限にし、確実に循環流４２に取り込まれるようにすることができる。

以上のように、バーナを囲う円筒ガイドに空気供給孔３８を設け、隣り合う空気供給孔３８同士の間隔Ｄ１及び空気供給孔３８とバーナ出口端面３０との間隔Ｄ２を予混合気の消炎距離よりも小さく構成することによって、火炎の形状変化や近接によるメタル温度上昇を抑制することができ、さらに空気噴流４６がバーナ出口端面３０を沿って流れることによりバーナ表面に空気の層を形成し、バーナ出口端面３０の温度を低減することができる。即ち、安定した火炎を形成でき、ライナやバーナ端面のメタル温度を低減できる。

さらに、空気孔プレート３１に設けられた複数の空気孔を介して燃料と空気の予混合気を燃焼室に供給する予混合バーナにおいては、燃料に空気孔プレート３１を厚くすると、空気孔内に火炎が逆流し焼損するリスクがある。また、単純にプレートの厚みを薄くした場合、シール部材の取り付けが困難となる場合がある。しかしながら本実施例の構成であれば、円筒ガイドによってシール部材の取り付けスペースを確保でき、空気孔プレート３１を燃料と空気を混合するために必要な最小限の厚みにすることができる。これにより、空気孔内に火炎が逆流するリスクをも低減することが可能となるため、安定した火炎の形成とライナやバーナ端面のメタル温度の低減をより顕著に得る事ができる。

ガスタービンの効率向上のため、タービン入口のガス温度が上昇する傾向にある。しかし、火炎の温度が1600℃を超えると予混合燃焼でも多量のＮＯｘを排出し、拡散燃焼と同等、または条件によっては多く排出されることから、ガスタービン燃焼器では予混合燃焼方式は1600℃以下で適用されることがほとんどである。ここで、ガスタービン定格負荷条件の圧縮機出口の平均的な温度である空気温度400℃において、火炎温度が1600℃となる予混合気中の天然ガス濃度は約5%である。この場合、図１０の予混合気中の天然ガス濃度と消炎距離のグラフに示すように天然ガス濃度5%における消炎距離は約1cmである。したがって、上記の条件で運用される予混合燃焼を採用したガスタービン燃焼器において、Ｄ１およびＤ２を1cm以下とすることは、予混合バーナの外周部に火炎を付着することを防止することに有効である。

図１０の消炎距離は、大気圧、室温のデータであり、圧力、空気温度の上昇によって消炎距離は小さくなる傾向にあるが、図８に示すように空気噴流４６は周囲に広がりながら噴出され、さらに空気供給孔３８は燃焼器の中心に向かって噴出される。そのため、空気噴流４６の間隔は中心に近づくほど狭まり、バーナ外周部到達時における隣り合う空気噴流４６の間隔Ｄ１'および空気噴流４６とバーナ出口端面３０との間隔Ｄ２'はＤ１やＤ２に比べて小さくなる。

また、空気噴流４６が空気供給孔３８から噴出される際に後流４８が発生し、空気噴流４６の一部は、空気噴流４６と空気噴流４６の間にも流れ出る。そして、バーナ最外周空気孔出口近傍において空気噴流４６と空気噴流４６の間に一定量の空気が流入し、局所燃空比を低減することによって消炎距離を長くする効果が得られる。そのため、Ｄ１およびＤ２を1cm以下とすることによりＤ１'およびＤ２'を消炎距離よりも十分に短くすることができ、火炎付着防止に有効な効果を得ることができる。Ｄ１およびＤ２を1cm以下とすることは他の実施例においても同様に有効な効果を得ることができる。

バネ状シール部材３７は、円筒ガイド３６とライナ１０との間の空気の流れを阻害する部材である。そのため、図１１に示すように、バネ状シール部材下流側３７ｂよりも下流に空気供給孔３８を配置した場合は、空気供給孔の前後で差圧がほとんど生じないため、空気４４のほとんどがバネ状シール部材３７を通過した後はそのまま下流方向に沿って流れて漏れ空気４５となる。そのため、十分な空気が空気供給孔に流入しなくなることによって、バーナ外周部に火炎が付着することを防止できなくなる恐れがある。

これに対し本実施例では、図９に示したように、ライナ１０と円筒ガイド３６との間を流下する空気４４，４５の流れ方向について、バネ状シール部材の上流側３７aから下流側３７ｂまでの範囲に空気供給孔３８を配置している。そのため、バネ状シール部材下流側３７ｂが抵抗となるため、十分な空気を空気供給孔３８に流入させることができ、外側バーナ外周への火炎付着を抑制することができる。

空気供給孔３８は、図１２に示すようにバーナ出口端面３０に向かって開口しても良い。空気供給孔３８から噴出された空気噴流４６は、バーナ出口端面３０に衝突し、その後、バーナ出口端面３０に沿ってバーナ中心方向に流れ、バーナ外周に流入する。バーナ出口端面３０に衝突した空気噴流４６は噴出方向に対し垂直方向にも広がるため、空気噴流間の間隔が狭まり、図８に示したＤ１'およびＤ２'がさらに小さくなり、火炎の付着をさらに抑制することができる。

また、本実施例は図１に示したように複数の燃料系統を備えており、外側バーナの中心から1列目の燃料ノズルには燃料系統５２が接続され、外周２、３列目の燃料ノズルに対しては燃料系統５３が接続され、別々に気体燃料を供給することができる。そのため、外周２、３列目燃料ノズル１本あたりに供給する燃料割合を1列目に比べて少なくし、バーナ最外周空気孔から噴出される予混合気中の燃料濃度を低下させることができる。

バーナ外側の循環流４２に取り込まれる予混合気はバーナ最外周空気孔から噴出される予混合気であるため、バーナ外周に火炎が保炎した場合、火炎の特性はバーナ最外周空気孔から噴出される予混合気の燃空比に支配される。そのため、外周２、３列目燃料ノズル１本あたりに供給する燃料割合を1列目に比べて少なくすることによって火炎の消炎距離を長くすることができ、外側バーナ外周への火炎付着をさらに抑制することができる。

本実施例はバーナを複数備えたマルチバーナの構成として示したが、図１３に示すように予混合バーナを一つだけ備えた燃焼器においても有効である。マルチバーナのような大きなデッドスペース３５が無い場合でも、バーナ外周部にはマルチバーナと同様に空気孔３２から噴出される予混合気の流れに伴って循環流４２が形成される。そのため、空気供給孔３８がない場合は循環流４２内に予混合気が滞留し、火炎がバーナ出口の外周部に保炎してしまう可能性がある。しかし、本実施例で示したように円筒ガイド３６に空気供給孔３８を設け、Ｄ１およびＤ２をバーナから噴出する予混合気の消炎距離よりも小さく（例えば1cm以下）することにより、バーナ出口の外周部に火炎が保炎することを防止し、ライナやバーナ端面のメタル温度が上昇することを防止することができる。

本実施例に示すような構成は水素などを多く含む石炭ガス化ガスやコークス炉ガスなどをガスタービンの燃料として使用する場合についても効果的である。水素は非常に燃焼速度が速いため、バーナ外周部の循環流を伝播して、空気孔出口周囲に保炎しやすい。しかし、本発明を適用することにより外側バーナ外周に形成される循環流の燃空比を低減し、火炎が外側循環流を伝わって上流側に伝播することを防止できる。また、水素は天然ガスに比べて非常に消炎距離が短いため、円筒ガイド３６に空気供給孔３８を設けるとともに、図１に示す燃料系統５３に供給する燃料流量を少なくし、外側バーナ外周部における局所燃空比をバーナ中心部に比べて小さくすることにより、最外周の空気孔から噴出される予混合気の消炎距離を長くすることが有効である。

(第２の実施例)
第２の実施例を図１４に示す。図１４に示すようにバネ状シール部材を通過した空気４４は、空気供給孔３８を通過して燃焼室５に流入するとともに、一部はそのままバネ状シール部材を再度通過し、漏れ空気４５として燃焼室５に流入する。本実施例では、第1の実施例に対し、ライナ１０と円筒ガイド３６との間であって空気導入孔３８の下流にリブ３９を配置しており、バーナ軸方向への流れを阻害している。これにより空気供給孔３８の入口で静圧が回復し、より多くの空気が空気供給孔３８から燃焼室５に流入する。

漏れ空気４５は、火炎のバーナ外周端面付着防止に寄与せず、漏れ空気量が多くなると燃焼用空気が減少し、火炎温度が上昇してＮＯｘ排出量が増加してしまう。そのため、漏れ空気量を最小限に抑制し、火炎付着防止に必要な空気量を空気供給孔３８から供給することで、ＮＯｘ排出量の増加を抑制しつつ火炎のバーナ付着を防止することができる。

なお、本実施例ではより効果的に空気を空気導入孔３８に導く構成として、リブ３９を円筒ガイド３６に設けた場合を例に説明している。しかしながら、リブ３９は必ずしも円筒ガイド３６に設ける必要は無く、ライナ１０と円筒ガイド３６との間であって空気導入孔３８の下流側に設けることで、空気供給孔３８に流入する空気量を増加させることが可能である。

(第３の実施例)
第３の実施例を図１５、図１６に示す。図１５に示すように外側バーナ近傍領域４９の空気供給孔３８と外側バーナ７７の距離が近いことから、空気噴流４６の予混合気噴流１７への流れ影響が他の空気供給孔からの空気噴流に対して相対的に大きい。そこで本実施例では、予混合気噴流１７の流れに対する空気噴流４６の影響を最小限にするため、図１６に示すように第１の実施例と同様に隣り合う空気供給孔３８の間隔Ｄ１および空気供給孔とバーナ出口端面３０との間隔Ｄ２をバーナ最外周空気孔から噴出される予混合気の消炎距離よりも狭くするとともに、外側バーナ近傍領域４９の空気供給孔３８の直径をそれ以外の領域の空気供給孔の直径に比べて小さくしている。

噴流のポテンシャルコアの長さは直径に比例するため、直径が小さいほど噴流の減衰は早く、予混合気流１７の流れの阻害を防止することができる。また、外側バーナ近傍領域４９から供給される空気量が減少するが、外側バーナ近傍領域４９の円筒ガイド３６と外側バーナ７７の間のデッドスペースは図１５に示すようにその他の領域に比べて狭くなっており、このデッドスペース下流に形成される循環流のサイズも小さくなる。したがって、より少ない空気供給孔３８からの空気量でバーナ外周側循環流の燃空比を低減できる。

そのため、必要最小限の空気供給孔３８からの空気量でバーナ外周部の全周にわたり火炎の付着を抑制し円錐状の火炎を形成することができる。さらに、空気供給孔３８から供給する空気量を最小限とすることで空気孔３２に流入する空気量を多くすることができ、火炎帯における局所燃空比の低下によってＮＯｘ排出量を低減することができる。

（第４の実施例）
第４の実施例を図１７に示す。本実施例は、第１の実施例に対し、空気供給孔３８がバーナ周方向に長穴になっており、空気供給孔３８の全開口面積を広くすることができる。また、第1の実施例と同様に隣り合う空気供給孔３８の間隔Ｄ１および空気供給孔３８とバーナ出口端面３０の間隔Ｄ２はバーナ最外周空気孔から噴出される予混合気の消炎距離より狭くなっている。

本実施例は、第１の実施例に比べて周方向により均等に空気を供給することができ、かつ空気供給孔３８の開口面積をバネ状シール部材の空気通過断面積より十分に広くすることで空気噴流４６の噴出流速を遅くすることができる。そのため、空気孔３２から噴出される予混合気流の流れの阻害を最小限にして空気孔出口周囲に空気を供給することができる。

これにより、第１の実施例と同様に外側バーナの最外周空気孔の出口周囲に火炎が保炎できる領域が排除され、火炎がバーナ外周部に保炎することを防ぎ安定な円錐火炎を形成し、メタル温度が上昇することを防止することができる。

（第５の実施例）
第５の実施例の燃焼器を図１８、図１９に示す。本実施例の燃焼器は、液体燃料と気体燃料のどちらも焚くことのできる燃焼器であり、ライナ１０の上流の軸中心位置には拡散バーナ７２が設けられ、その周囲には低ＮＯｘ化に有効な予混合バーナ７３を複数配置している。拡散バーナ７２と予混合バーナ７３の外周には、各バーナを堅持するためのバーナ本体７５を配置している。また、各バーナの軸中心上流位置には液体燃料５６、５７を噴射するための液体燃料ノズル７０、７１を配置している。

本実施例の予混合バーナ７３は、燃料と空気の混合を促進し、かつ液体燃料ノズル７１から噴射された液体燃料５７の蒸発を促進する混合室７４を備えている。混合室７４の壁面には、その内部に空気１６を導入するための空気孔３４を軸方向に３列（１列でも複数列でも可）、周方向に複数個形成している。予混合バーナ７３に形成した空気孔３４は混合室７４内部で旋回流れを形成させるため、周方向に偏向して配置している。

予混合バーナ７３の空気孔３４の内部壁面には、気体燃料噴出孔２４が開口しており、気体燃料５２、５３を空気孔３４内部に噴出する。気体燃料と空気は混合室７４で旋回流を形成しながら混合が進み、予混合気となって燃焼室５に噴出される。予混合気が燃焼室５に噴出される際、流路の急拡大によってバーナ下流に強い循環流４１が形成され、安定な火炎４３を形成することができる。そして、同時にバーナ外周部にも循環流４２が形成される。

バーナ本体７５の先端にはバネ状シール部材３７を支えるために円筒ガイド３６が取り付けられている。また、本実施例は第２の実施例と同様にガイド３６のバーナ出口端面３０近傍に空気供給孔３８をバーナ出口端面３０に水平に開口させている。隣り合う空気供給孔３８の間隔および空気供給孔３８とバーナ出口端面３０の間隔は、火炎４３の消炎距離よりも狭くなっている。

このような空気供給孔３８を円筒ガイド３６に設けることによってバーナ出口周囲に空気噴流４６を供給することができ、保炎の起点となり得る領域を排除し、かつバーナ外側循環流４２内の燃空比を低減することにより、バーナ出口周囲に火炎が付着することを防止することができる。そして、ライナ１０やバーナ出口端面３０のメタル温度が上昇することを抑制できる。

以上のように、各実施例に記載の燃焼器は、予混合バーナを備え、バーナ先端に円筒ガイドを備える燃焼器において、円筒ガイドに空気供給孔を設けることで予混合バーナ出口周囲に火炎が保炎することを防止し、ライナやバーナ端面のメタル温度が上昇することを抑制することを可能としている。

１圧縮機
２燃焼器
３タービン
４ケーシング
５燃焼室
６マルチバーナ
７シャフト
８発電機
９ガスタービンプラント
１０燃焼器ライナ
１１フロースリーブ
１２尾筒内筒
１３尾筒外筒
１５吸い込み空気
１６高圧空気
１７予混合気
１８高温燃焼ガス
１９排気ガス
２０、２１燃料ノズル
２３燃料ヘッダ
２４気体燃料噴出孔
２８、２９リブ
３０バーナ出口端面
３１空気孔プレート
３２、３３、３４空気孔
３５バーナ外周デッドスペース
３６円筒ガイド
３７バネ状シール部材
３８空気供給孔
４０旋回流
４１、４２循環流
４３火炎
４４、４５、４６空気
４７バーナ出口周囲
４９外側バーナ近傍領域
５０〜５３気体燃料系統
５６、５７液体燃料
６０燃料遮断弁
６１〜６３燃料流量調節弁
６４制御装置
７０、７１液体燃料ノズル
７２拡散バーナ
７３予混合バーナ
７４混合室
７５バーナ本体
７６中央バーナ
７７外側バーナ

Claims

気体燃料と空気を予め混合して燃焼室に混合ガスを噴出する予混合バーナを一つ以上備えたガスタービン燃焼器であって、
前記予混合バーナの前記燃焼室側の端面であるバーナ出口端面に接続され、かつ、前記予混合バーナの外周に配置されて前記予混合バーナを囲う円筒を備え、
前記円筒に複数の空気供給孔を有し、隣り合う前記空気供給孔同士の間隔及び前記空気供給孔と前記バーナ出口端面との間隔が、前記予混合バーナから噴出される予混合気の消炎距離よりも小さいことを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項１に記載のガスタービン燃焼器であって、
前記予混合バーナとして、複数の空気孔を有する空気孔プレートと、前記空気孔プレートの空気孔に気体燃料を噴射する燃料ノズルとを備え、前記空気孔の一つと前記燃料ノズルの一つとが対となり、対となった複数の前記燃料ノズル及び前記空気孔をひとまとめにして配置して構成されるバーナを一つ以上備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項１又は２に記載のガスタービン燃焼器であって、
隣り合う前記空気供給孔同士の間隔及び前記空気供給孔と前記バーナの出口端面との間隔が、1cmよりも狭いことを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項１〜３の何れか一項に記載のガスタービン燃焼器であって、
複数の前記予混合バーナで構成されるマルチバーナを備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項１〜４の何れか一項に記載のガスタービン燃焼器であって、
燃焼室を囲うライナと、
前記ライナと前記ライナに挿入された前記円筒との間に設置されて前記円筒と前記ライナを固定し、前記ライナと前記円筒との間の空気の流れを阻害するシール部材とを備え、
前記円筒に設けられた前記空気供給孔が、前記ライナと前記円筒との間を流下する空気の流れ方向について、前記シール部材の上流端から下流端までの範囲に配置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１〜５の何れか一項に記載のガスタービン燃焼器であって、
前記空気供給孔は前記バーナ出口端面に平行、または前記バーナ出口端面に向かって開口していることを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項５に記載のガスタービン燃焼器であって、
前記空気供給孔が前記円筒の周方向に長い長穴形状であることを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項５に記載のガスタービン燃焼器であって、
前記ライナと前記円筒ガイドとの間の前記空気供給孔よりも下流に、空気の流れを阻害するリブを備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項５に記載のガスタービン燃焼器であって、前記空気供給孔のうち、バーナに近接する前記空気供給孔の径がバーナから距離が離れている空気供給孔の径よりも小さいことを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項２に記載のガスタービン燃焼器であって、前記燃焼器は複数の燃料系統を備え、各バーナは空気孔および燃料ノズルが複数列の円周上に配置され、前記燃料ノズルのうち内周側燃料ノズルと外周側燃料ノズルで別々の燃料系統に接続され、前記内周燃料ノズルよりも前記外周燃料ノズルに供給する１本当たりの燃料流量が少ないことを特徴とするガスタービン燃焼器。