特開2021-55973(P2021-55973A)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2021-55973(P2021-55973A)
(43)【公開日】2021年4月8日
(54)【発明の名称】ガスタービン燃焼器
(51)【国際特許分類】
   F23R 3/10 20060101AFI20210312BHJP
   F23R 3/30 20060101ALI20210312BHJP
   F23R 3/28 20060101ALI20210312BHJP
【FI】
   F23R3/10
   F23R3/30
   F23R3/28 D
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】OL
【全頁数】14
(21)【出願番号】特願2019-181142(P2019-181142)
(22)【出願日】2019年10月1日
(71)【出願人】
【識別番号】514030104
【氏名又は名称】三菱パワー株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001829
【氏名又は名称】特許業務法人開知国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】浅井 智広
(72)【発明者】
【氏名】吉田 正平
(72)【発明者】
【氏名】平田 義隆
(72)【発明者】
【氏名】林 明典
(72)【発明者】
【氏名】穐山 恭大
(57)【要約】
【課題】希薄燃焼方式のガスタービン燃焼器において燃焼に伴う煤塵のバーナへの付着を抑制して構造信頼性を向上させる。
【解決手段】燃焼室を形成する筒状のライナと、前記ライナの入口に配置され、前記燃焼室に圧縮空気を導く複数の空気孔を備えた空気孔プレート、及び前記空気孔プレートを挟んで前記燃焼室と反対側に配置され、それぞれ対応する空気孔に向かって燃料を噴射する複数の燃料ノズルを備えたバーナとを備え、前記空気孔と前記燃料ノズルが同心円状の複数の環状列を構成しているガスタービン燃焼器において、最内周の空気孔の環状列の内側領域に位置するように、前記空気孔よりも開口径の小さな複数の小孔を前記空気孔プレートに設ける。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃焼室を形成する筒状のライナと、
前記ライナの入口に配置され、前記燃焼室に圧縮空気を導く複数の空気孔を備えた空気孔プレート、及び前記空気孔プレートを挟んで前記燃焼室と反対側に配置され、それぞれ対応する空気孔に向かって燃料を噴射する複数の燃料ノズルを備えたバーナとを備え、
前記空気孔と前記燃料ノズルが同心円状の複数の環状列を構成しているガスタービン燃焼器において、
最内周の空気孔の環状列の内側領域に位置するように、前記空気孔よりも開口径の小さな複数の小孔を前記空気孔プレートに設けたガスタービン燃焼器。
【請求項2】
請求項1のガスタービン燃焼器において、前記複数の小孔に接続する空気流路を備えているガスタービン燃焼器。
【請求項3】
請求項1のガスタービン燃焼器において、前記複数の小孔に接続する燃料流路を備えているガスタービン燃焼器。
【請求項4】
請求項3のガスタービン燃焼器において、前記複数の小孔に接続する空気流路を更に備えているガスタービン燃焼器。
【請求項5】
請求項4のガスタービン燃焼器において、前記複数の小孔に前記空気孔から分岐したバイパス孔が接続しているガスタービン燃焼器。
【請求項6】
請求項1のガスタービン燃焼器において、前記バーナをパイロットバーナとして備え、前記パイロットバーナの周囲を囲うようにして配置されたメインバーナを更に備えているガスタービン燃焼器。
【請求項7】
請求項6のガスタービン燃焼器において、パイロットバーナ及びその周囲を囲うようにして配置された複数のメインバーナとして前記バーナを複数備えているガスタービン燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はガスタービン燃焼器に関する。
【背景技術】
【0002】
火力発電プラントでは、地球温暖化の原因となる二酸化炭素(CO)の排出量を削減するために発電効率の向上が求められている。ガスタービン発電プラントの発電効率の向上には、ガスタービン燃焼器で生成される燃焼ガスの高温化が有効である。しかし、燃焼ガスの高温化には、環境汚染物質である窒素酸化物(NOx)の排出量抑制の技術課題が伴う。
【0003】
ガスタービン燃焼器の燃焼方式は、一般に拡散燃焼方式と予混合燃焼方式に大別される。
【0004】
拡散燃焼方式は、燃料を燃焼室に直接噴射して燃焼室内で燃料と空気を混合する方式であり、燃焼室の上流への火炎の逆流や燃料供給流路内での自着火が発生し難く燃焼安定性に優れている。反面、燃料の完全燃焼に必要な空気の割合(量論混合比)に混合された領域で火炎が形成され、火炎が局所的に高温になる。局所高温領域ではNOxが多く発生するため、水や蒸気、窒素等の不活性媒体を噴射してNOx排出量を削減する必要がある。その結果、不活性媒体を供給する補機の動力が必要となり発電効率が低下する。
【0005】
他方の予混合燃焼方式は、燃料と空気を予め混合して燃焼室に供給する方式であり、燃料を希薄に燃焼させることができるためNOx排出量が少ない。反面、燃焼ガスを高温化するに当たり、燃焼用空気温度を上げかつ予混合器内における燃料濃度を高めると、燃焼室の上流に火炎が逆流するリスクが増加する。そのため燃焼器の構造物の焼損が懸念される。
【0006】
そこで、燃料の分散性を高めて局所的な高温火炎の形成を防止することで、NOx排出量の低減と火炎の逆流の防止を図った希薄燃焼方式の燃焼器が知られている(特許文献1等)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2003−148734号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
特許文献1に開示されたバーナでは、燃料ノズルと空気孔の対が多数備わっている。空気孔は空気孔プレートに同心円状に配置されている。燃焼室に面する空気孔プレートの表面において空気孔が形成する同心円の中心部は空気孔のない壁面になっており、この壁面に燃焼に伴う煤塵が付着する場合がある。空気孔プレートに付着した煤塵に着火するとバーナが過熱する可能性があり、また煤塵が離脱すると下流の構造物を損傷させる可能性がある。
【0009】
本発明の目的は、燃焼に伴う煤塵のバーナへの付着を抑制して構造信頼性を向上させることができる希薄燃焼方式のガスタービン燃焼器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記目的を達成するために、本発明は、燃焼室を形成する筒状のライナと、前記ライナの入口に配置され、前記燃焼室に圧縮空気を導く複数の空気孔を備えた空気孔プレート、及び前記空気孔プレートを挟んで前記燃焼室と反対側に配置され、それぞれ対応する空気孔に向かって燃料を噴射する複数の燃料ノズルを備えたバーナとを備え、前記空気孔と前記燃料ノズルが同心円状の複数の環状列を構成しているガスタービン燃焼器において、最内周の空気孔の環状列の内側領域に位置するように、前記空気孔よりも開口径の小さな複数の小孔を前記空気孔プレートに設ける。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、希薄燃焼方式のガスタービン燃焼器において燃焼に伴う煤塵のバーナへの付着を抑制して構造信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
図1】本発明の第1実施形態に係るガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントの概略構成図
図2】本発明の第1実施形態に係るガスタービン燃焼器に備えられたバーナの要部構成を表す図であってバーナの中心軸を含む断面図
図3】本発明の第1実施形態に係るガスタービン燃焼器に備えられたバーナを燃焼室から見た図
図4】従来のバーナの中心軸を含む断面図
図5】従来のバーナを燃焼室から見た図
図6】従来のバーナで燃焼に伴って発生した煤塵が内側領域Zに付着するメカニズムの説明図
図7】本発明においてバーナへの煤塵の付着が抑制されるメカニズムの説明図
図8】本発明の第2実施形態に係るガスタービン燃焼器に備えられたバーナの要部構成を表す図であってバーナの中心軸を含む断面図
図9】本発明の第3実施形態に係るガスタービン燃焼器に備えられたバーナの要部構成を表す図であってバーナの中心軸を含む断面図
図10】本発明の第4実施形態に係るガスタービン燃焼器に備えられたバーナの要部構成を表す図であってバーナの中心軸を含む断面図
図11】本発明の第5実施形態に係るガスタービン燃焼器に備えられたバーナの要部構成を表す図であってバーナの中心軸を含む断面図
図12】本発明の第6実施形態に係るガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントの概略構成図
図13】本発明の第7実施形態に係るガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントの概略構成図
図14】本発明の第7実施形態に係るガスタービン燃焼器に備えられたバーナを燃焼室から見た図
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下に図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
【0014】
(第1実施形態)
−ガスタービンプラント−
図1は本発明の第1実施形態に係るガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントの概略構成図である。図2は本発明の第1実施形態に係るガスタービン燃焼器に備えられたバーナの要部構成を表す図であってバーナの中心軸を含む断面図である。図3は本発明の第1実施形態に係るガスタービン燃焼器に備えられたバーナを燃焼室から見た図である。
【0015】
ガスタービンプラント1は、空気圧縮機2、ガスタービン燃焼器(以下、燃焼器と略称する)3、タービン4、発電機6を含んで構成されている。空気圧縮機2は空気A1を吸入して圧縮し、圧縮空気A2を燃焼器3に供給する。燃焼器3は圧縮空気A2とガス燃料Fを混合し燃焼させて燃焼ガスG1を生成する。タービン4は燃焼器3で発生した燃焼ガスG1により駆動され、タービン4を駆動した燃焼ガスG1は排気ガスG2として放出される。発電機6はタービン4の回転動力により駆動されて発電する。なお、ガスタービンは起動開始時のみ起動用モータ7により駆動される。
【0016】
−ガスタービン燃焼器−
燃焼器3は、ガスタービンのケーシング(不図示)に取り付けられており、ライナ(内筒)12、フロースリーブ(外筒)10、バーナ8及び燃料系統200を含んで構成されている。ライナ12は円筒状の部材であり、内部に燃焼室5を形成する。フロースリーブ10はライナ12よりも内径が大きくライナ12の外周を包囲する円筒状の部材であり、ライナ12との間に円筒状の空気流路9を形成する。フロースリーブ10におけるタービン4と反対側(図1中の左側)の端部はエンドカバー13で塞がれている。フロースリーブ10によってライナ12の外周に形成された空気流路9をタービン4から離れる方向に空気圧縮機2からの圧縮空気A2が流通し、空気流路9を流れる圧縮空気A2によってライナ12の外周面が対流冷却される。加えて、ライナ12の壁面には多数の孔が形成されており、空気流路9を流れる圧縮空気A2の一部A3がそれら孔を通って燃焼室5に流入し、ライナ12の内周面をフィルム冷却する。そして、空気流路9を通過してバーナ8に到達した圧縮空気A2が、燃料系統200からバーナ8に供給されるガス燃料Fと共に燃焼室5に噴出して燃焼する。燃焼室5では圧縮空気A2とガス燃料Fとの混合気が燃焼して燃焼ガスG1が生成され、燃焼器尾筒(不図示)を介してタービン4に供給される。
【0017】
図1に示すように、バーナ8はライナ12の入口(タービン4と反対側の端部開口)に1つだけ配置されており、空気孔プレート20、燃料ノズル21,22及び燃料分配器(燃料ヘッダ)23を備えている。
【0018】
空気孔プレート20はライナ12と同軸の円形のプレートであり、ライナ12の入口(タービン4と反対側の端部開口)に配置されており、本実施形態では図1に示したようにプレートサポート70を介して燃料分配器23に支持されている。空気孔プレート20には燃焼室5に圧縮空気A2を導く複数の空気孔51,52が備っている。複数の空気孔51,52はライナ12の中心軸Oを中心とする同心円状の複数(本例では2列)の環状列を構成している。1列目(最内周)の環状列に属するのが空気孔51、2列目(最外周)の環状列に属するのが空気孔52である。本実施形態では空気孔51,52に旋回角が付けられており、各孔の出口が入口に対して周方向の一方側にずれている。
【0019】
燃料ノズル21,22は燃料分配器23に支持されて、空気孔プレート20を挟んで燃焼室5と反対側に配置されている。燃料ノズル21,22は空気孔51,52に数や位置が対応しており(1つの空気孔に1つの燃料ノズルが対応しており)、空気孔51,52と共にライナ12の中心軸Oを中心とする同心円状の複数(本例では2列)の環状列を構成している。1列目(最内周)の環状列に属するのが燃料ノズル21、2列目(最外周)の環状列に属するのが燃料ノズル22である。燃料ノズル21,22は対応する空気孔の入口に噴射口を向けており、それぞれ対応する空気孔に向かってガス燃料Fを噴射する。このように多数の燃料ノズルから対応する空気孔に向けて燃料を噴射することで、燃料流の周囲が空気流で覆われた燃料と空気の同軸噴流が各空気孔から燃焼室5に分散して噴射される。
【0020】
なお、環状列の円周の違いから、外側の環状列ほど燃料ノズル及び空気孔の数が多い。つまり、1列目(最内周)の燃料ノズル21及び空気孔51の数(図3の例では各6個)は、2列目(最外周)の燃料ノズル22及び空気孔52の数(図3の例では各12個)よりも少ない。
【0021】
燃料分配器23は燃料ノズル21,22に燃料を分配して供給する部材であり、複数の燃料キャビティ25,26を内部に含んで構成されている。燃料キャビティ25,26は、対応する環状列に属する複数の燃料ノズルにガス燃料Fを分配して供給する役割を果たす空間である。燃料キャビティ25はライナ12の中心軸O上に円柱状に形成され、燃料キャビティ26は燃料キャビティ25の外周を囲うようにして円筒状に形成されている。本実施形態では各燃料ノズル21が燃料キャビティ25に接続し、各燃料ノズル22が燃料キャビティ26に接続している。燃料キャビティ25にガス燃料Fが供給されると、内周の環状列に配置された各燃料ノズル21にガス燃料Fが分配されて噴出し、各空気孔51から燃焼室5に圧縮空気A2と共にガス燃料Fが噴出する。燃料キャビティ26にガス燃料Fが供給されると、外周の環状列に配置された各燃料ノズル22にガス燃料Fが分配されて噴出し、空気孔52から燃焼室5に圧縮空気A2と共にガス燃料Fが噴出する。
【0022】
ここで、本実施形態のバーナ8には、キャビティ74、複数の小孔75、空気流路72,73が備わっている。キャビティ74は複数(多数)の小孔75に圧縮空気A2を分配して供給するために空気孔プレート20の内部に形成した空間であり、空気孔51,52の環状列の中心部(本実施形態では空気孔プレート20の中心軸O上)に円柱状に形成されている。
【0023】
複数の小孔75は、キャビティ74と燃焼室5とを繋ぐガス噴射孔であり、空気孔プレート20の表面(燃焼室5に臨む面)に開口している。小孔75の数は本実施形態では空気孔51,52の総数よりも多く、各小孔75の開口径は空気孔51,52の開口径よりも十分に小さい。これら小孔75は最内周の空気孔(つまり空気孔51)の環状列の内側領域71に密集して設けられている。本実施形態においては、図1図3に示したように空気孔プレート20の表面における上記内側領域71がキャビティ74を塞ぐ蓋状の円板で形成されており、小孔75は全てこの円板に穿たれている。これら小孔75には空気孔51,52と同様に旋回角を付けることができるが、旋回角は付けない方が好ましく、本実施形態では全ての小孔75をライナ12の中心軸Oと平行に形成してある。
【0024】
空気流路72,73は複数の小孔75にガス(本実施形態では圧縮空気A2)を導く通路であり、キャビティ74を介して複数の小孔75に接続している。具体的には、空気流路72はプレートサポート70をライナ12の中心軸Oと交差する方向に貫通しており、空気孔プレート20と燃料分配器23の間の圧縮空気A2で満たされた空間に開口している。空気流路73はプレートサポート70と空気孔プレート20の内部を中心軸Oに沿って延び、空気流路72とキャビティ74と接続している。これにより空気流路72,73を介してキャビティ74に圧縮空気A2が導かれ、キャビティ74に導入された圧縮空気A2が分配されて各小孔75から燃焼室5に噴出する。なお、本実施形態においては、キャビティ74には小孔75の他は空気流路73のみが接続しており、小孔75から燃焼室5に噴出するのは圧縮空気A2のみである。
【0025】
燃料系統200は、燃料供給源56、主流配管57、分岐配管58,59、燃料遮断弁60、燃料流量調整弁61,62を含んで構成されている。燃料供給源56からは主流配管57が延び、この主流配管57は2つの分岐配管58,59に分岐している。分岐配管58は燃料キャビティ25に、分岐配管59は燃料キャビティ26に接続している。燃料遮断弁60は主流配管57に、燃料流量調整弁61は分岐配管58に、燃料流量調整弁62は分岐配管59にそれぞれ設けられている。燃料遮断弁60を開けることで分岐配管58,59にガス燃料Fが供給され、燃料遮断弁60を閉じることで分岐配管58,59へのガス燃料Fの供給が遮断される。燃料流量調整弁61,62は分岐配管58,59を流れる燃料の流量を開度に応じて調整する役割を果たし、全閉状態とすることで分岐配管58,59の燃料の流れを遮断することもできる。例えば燃料遮断弁60を開放し、燃料流量調整弁61の開度を全閉から上げていくことで燃料キャビティ25への燃料の供給流量が増加し、燃料ノズル21からの燃料噴射量、ひいては空気孔51から噴出する同軸噴流の燃空比が増加していく。同様に燃料流量調整弁62の開度を全閉から上げていくことで燃料キャビティ26への燃料の供給流量が増加し、燃料ノズル22からの燃料噴射量、ひいては空気孔52から噴出する同軸噴流の燃空比が増加していく。
【0026】
なお、燃料供給源56から供給されるガス燃料Fは、標準的なガスタービン燃料である天然ガスの他、石油ガス、或いはコークス炉ガスや製油所オフガス、石炭ガス等といった水素や一酸化炭素を含んだガスを使用することができる。
【0027】
−比較例−
比較のために従来のバーナの中心軸を含む断面図を図4に、燃焼室から見た図を図5に示す。これらの図には本実施形態と同様に2列の同心円状の環状列に空気孔及び燃料ノズルを複数配置したバーナを例示しており、従来のバーナには本実施形態の小孔75や空気流路72,73、キャビティ74に相当する要素は存在しない。空気孔プレートにおける最内周の空気孔の環状列の内側領域Zは燃焼室に対面する壁面を構成している。
【0028】
従来のバーナで燃焼に伴って発生した煤塵が内側領域Zに付着するメカニズムを図6で説明する。同図ではバーナにより形成される火炎Xと再循環流Yを模式的に示している。バーナ下流の中央部に再循環流Yが形成されることにより燃焼ガスが上流に戻り、その燃焼ガスの熱でガス燃料と空気の混合気が着火して安定な火炎Xが形成される。煤塵は、燃料に含まれるメタンやプロパン等の炭化水素の炭素成分を起源として、燃料過濃条件や高温条件の下で燃料の熱分解により発生する。この煤塵が再循環流Yに同伴してバーナ中央まで戻され、空気孔プレートの最内周の空気孔の環状列の内側領域Zに付着する。付着した煤塵が燃焼するとバーナを過熱する恐れがあり、また煤塵が離脱すると下流の構造物を損傷させる懸念がある。
【0029】
−効果−
(1)本実施形態においてバーナへの煤塵の付着が抑制されるメカニズムを図7で説明する。本実施形態においては、同図に示すようにプレートサポート70に設けた空気流路72から圧縮空気A2が流入し、空気流路73及びキャビティ74を介して多数の小孔75から燃焼室5に圧縮空気A2が噴き出す。この圧縮空気A2からなる噴流82が、再循環流80に同伴して飛来する煤塵を吹き飛ばし、内側領域71への煤塵の付着を抑制する。バーナ8への煤塵の付着を抑制することで煤塵の燃焼によるバーナ8の過熱や煤塵の離脱による下流の構造物の損傷の懸念を軽減できる。このように、本実施形態によれば希薄燃焼方式のガスタービン燃焼器において燃焼に伴う煤塵のバーナ8への付着を抑制して構造信頼性を向上させることができる。
【0030】
(2)本実施形態においては一部の圧縮空気A2をバイパスさせて小孔75から噴出させるシンプルな構成であり、噴流82の形成に燃料を使用しないためエネルギー効率が良い。
【0031】
(3)仮に小孔75に旋回角を付けると噴流82が旋回成分を持って循環流を形成し得るところ、本実施形態では小孔75をライナ12の中心軸Oと平行に延ばし噴流82が積極的に下流に流れる構成としたので、煤塵を効率的に下流に移動させることができる。
【0032】
(第2実施形態)
−構成−
図8は本発明の第2実施形態に係るガスタービン燃焼器に備えられたバーナの要部構成を表す図であってバーナの中心軸を含む断面図である。図8は第1実施形態の図2に対応している。図8において第1実施形態と同様の要素については図2と同符号を付して説明を省略する。
【0033】
本実施形態が第1実施形態と相違する点は、複数の小孔75に接続する燃料流路76を備えている点である。本実施形態において第1実施形態の空気流路72,73は存在せず、キャビティ74が燃料流路76を介して燃料キャビティ25に接続している。燃料流路76はプレートサポート70と空気孔プレート20の内部を中心軸Oに沿って延びている。これにより燃料流路76を介してキャビティ74にガス燃料Fが導かれ、キャビティ74に導入されたガス燃料Fが分配されて各小孔75から燃焼室5に噴出する。なお、本実施形態において、キャビティ74には小孔75の他は燃料流路76のみが接続しており、小孔75から燃焼室5に噴出するのはガス燃料Fのみである。
【0034】
小孔75から噴出するのは燃料ノズル21に供給するガス燃料Fの一部であり、燃料ノズル21と小孔75からそれぞれ噴出するガス燃料Fの流量分配は燃料ノズル21と小孔75(又は燃料流路76)の流路面積(例えばオリフィス径)の比で調整できる。但し、小孔75から噴出するガス燃料Fに着火しないように、内側領域71の付近において小孔75から噴出するガス燃料Fによる燃空比が可燃範囲(可燃限界)に入らないように、小孔75の開口径の設定はキャビティ74の圧力変動範囲(設計値)で制限される。小孔75の開口径はキャビティ74が最大圧力になっても燃空比が可燃限界の下限界に到達しない(常時下限界未満となる)ように燃料噴出流量を制限する設定が望ましいが、場合によっては可燃範囲の上限界を常時超える構成とすることも考えられる。また、燃料流路76にガス燃料Fを供給する専用の分岐配管(燃料配管)と、専用の分岐配管に設けた燃料流量調整弁とを追加し、小孔75から噴出するガス燃料Fの流量を燃料ノズル21,22への燃料供給量とは別個に調整できる構成も考えられる。
【0035】
以上説明した点を除き、本実施形態は第1実施形態と同様である。
【0036】
−効果−
本実施形態では、小孔75から燃焼室5に噴出するガス燃料Fで煤塵を吹き飛ばし、バーナ8への煤塵の付着を抑制する。これにより、本実施形態においても第1実施形態と同様の効果(1)が得られる。また、小孔75の構成が第1実施形態と同じであるため効果(3)も第1実施形態と同様に得られる。
【0037】
(第3実施形態)
−構成−
図9は本発明の第3実施形態に係るガスタービン燃焼器に備えられたバーナの要部構成を表す図であってバーナの中心軸を含む断面図である。図9は第1実施形態の図2に対応している。図9において第1実施形態と同様の要素については図2と同符号を付して説明を省略する。
【0038】
本実施形態が第1実施形態と相違する点は、複数の小孔75に接続する空気流路72,73に加え、小孔75に接続する燃料流路77を備えている点である。燃料流路77はプレートサポート70の内部を中心軸Oに沿って延びて空気流路73の途中で開口しており、燃料キャビティ25と空気流路73とを接続している。これにより燃料流路77を介して燃料キャビティ25から一部のガス燃料Fが空気流路73に導かれ、空気流路73を介してキャビティ74にガス燃料Fと圧縮空気A2との混合気が導かれる。キャビティ74に導入された混合気は、ガス燃料Fと圧縮空気A2との混合が更に進んだ状態で各小孔75に分配されて燃焼室5に噴出する。第2実施形態と同様、燃料ノズル21と小孔75からそれぞれ噴出するガス燃料Fの流量分配は、燃料ノズル21と小孔75(又は燃料流路77)の流路面積の比で調整できる。内側領域71の付近において小孔75から噴出する混合気による燃空比が可燃範囲に入らないように構成する点も第2実施形態と同様である。
【0039】
以上説明した点を除き、本実施形態は第1実施形態と同様である。
【0040】
−効果−
本実施形態では、小孔75から燃焼室5に噴出する混合気で煤塵を吹き飛ばし、バーナ8への煤塵の付着を抑制する。これにより、本実施形態においても第1実施形態と同様の効果(1)が得られる。また、小孔75の構成が第1実施形態と同じであるため効果(3)も第1実施形態と同様に得られる。
【0041】
(第4実施形態)
−構成−
図10は本発明の第4実施形態に係るガスタービン燃焼器に備えられたバーナの要部構成を表す図であってバーナの中心軸を含む断面図である。図10は第1実施形態の図2に対応している。図10において第1実施形態と同様の要素については図2と同符号を付して説明を省略する。
【0042】
本実施形態が第1実施形態と相違する点は、複数の小孔に最内周の空気孔51から分岐したバイパス孔79が接続している点である。バイパス孔79は空気孔51の内壁面に入口を開口させており、空気孔プレート20の内部を通ってキャビティ74に接続している。バイパス孔79は少なくとも1つ存在し、少なくとも1つの空気孔51とキャビティ74とを接続している。本実施形態において第1実施形態の空気流路72,73は存在せず、キャビティ74には小孔75の他は少なくとも1つのバイパス孔79のみが接続している。これによりバイパス孔79を介して空気孔51からキャビティ74に混合気が導かれる。キャビティ74に導入された混合気は、ガス燃料Fと圧縮空気A2との混合が更に進んだ状態で各小孔75に分配されて燃焼室5に噴出する。なお、小孔75から噴出する混合気は空気孔51から噴出する混合気の一部であるため、小孔75と空気孔51から噴出する混合気の流量分配は空気孔51とバイパス孔79の流路面積の比で調整できる。この流路面積の比は、内側領域71の付近において小孔75から噴出する混合気による燃空比は可燃範囲に入らないように制限される。
【0043】
以上説明した点を除き、本実施形態は第1実施形態と同様である。
【0044】
−効果−
本実施形態では、小孔75から燃焼室5に噴出する混合気で煤塵を吹き飛ばし、バーナ8への煤塵の付着を抑制する。これにより、本実施形態においても第1実施形態と同様の効果(1)が得られる。また、小孔75の構成が第1実施形態と同じであるため効果(3)も第1実施形態と同様に得られる。
【0045】
(第5実施形態)
−構成−
図11は本発明の第5実施形態に係るガスタービン燃焼器に備えられたバーナの要部構成を表す図であってバーナの中心軸を含む断面図である。図11は第1実施形態の図2に対応している。図11において第1実施形態と同様の要素については図2と同符号を付して説明を省略する。
【0046】
本実施形態が第1実施形態と相違する点は、第3実施形態の燃料流路77と、第4実施形態のバイパス孔79が付加されている点である。従って、本実施形態においては、燃料流路77を介して燃料キャビティ25から一部のガス燃料Fが空気流路73に導かれ、空気流路73を介してキャビティ74にガス燃料Fと圧縮空気A2との混合気が導かれる。これに加え、バイパス孔79を介して空気孔51からキャビティ74に混合気が導かれる。キャビティ74に導入されたこれらの混合気は、ガス燃料Fと圧縮空気A2との混合が更に進んだ状態で各小孔75に分配されて燃焼室5に噴出する。混合気の流量等は第3実施形態及び第4実施形態と同様の観点で調整できる。
【0047】
以上説明した点を除き、本実施形態は第1実施形態と同様である。なお、本実施形態では第1実施形態の構成に燃料流路77とバイパス孔79を付加した場合(第3実施形態と第4実施形態の組み合わせ)を例に挙げて説明した。しかし、実施形態の組み合わせはこれに限らず、例えば本実施形態において燃料流路77を省略した構成(第1実施形態と第4実施形態の組み合わせ)も成立する。また、本実施形態において空気流路72,73を省略した構成(第2実施形態と第4実施形態の組み合わせ)も成立する。
【0048】
−効果−
本実施形態においても上記効果(1)及び(3)が得られる。
【0049】
(第6実施形態)
−構成−
図12は本発明の第6実施形態に係るガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントの概略構成図である。図12は第1実施形態の図1に対応している。図12において第1実施形態と同様の要素については図1と同符号を付して説明を省略する。
【0050】
図12に実施例6の燃焼器の構造を示す。本実施形態が第1実施形態と相違する点は、燃焼器3がバーナを複数含んで構成されたマルチバーナを備えている点である。本実施形態の燃焼器3は、単一のパイロットバーナ31と、パイロットバーナ31の周囲を囲うようにして配置されたメインバーナ32とを備えている。本実施形態はパイロットバーナ31に発明を適用した例であり、図12では第5実施形態(図11)と同型のバーナをパイロットバーナ31に適用した場合を例示しているが、パイロットバーナ31には第1−第5実施形態のバーナのいずれも適用できる。パイロットバーナ31の空気孔51,52や小孔75には、メインバーナ32のノズル台に設けたパイロットバーナ空気導入孔30と、燃料分配器23の周囲に設けたパイロットバーナ空気流路33とを介して圧縮空気A2が供給されるようになっている。
【0051】
メインバーナ32には種々のバーナが採用できる。本実施形態のメインバーナ32は予混合バーナであり、メインバーナ燃料ノズル34、メインバーナ予混合流路35及び円環状保炎器36を含んで構成されている。メインバーナ燃料ノズル34には、燃料遮断弁60の下流で主流配管57から分岐した分岐配管59aを介してガス燃料Fが供給される。分岐配管59aには燃料流量調節弁63が設けられており、メインバーナ燃料ノズル34への供給燃料は燃料流量調整弁63により流量調整可能であり遮断することもできる。メインバーナ燃料ノズル34から噴射したガス燃料Fは、メインバーナ予混合流路35内で圧縮空気A2と混ざり合って予混合気となり、メインバーナ予混合流路35から燃焼室5に噴出して火炎を形成する。円環状保炎器36はメインバーナ予混合流路35から噴き出す予混合気による火炎を安定化する。
【0052】
以上のようにパイロットバーナ31の周囲に他の燃焼方式のメインバーナ32配置した点を除き、本実施形態は第1実施形態と同様である。
【0053】
−効果−
上記のように本発明のバーナは種々のバーナと組み合わせることができる。本実施形態のように燃焼器3の中心に位置するパロットバーナ31に燃焼安定性に優れた希薄燃焼方式を適用し、メインバーナ32に予混合バーナを採用することで、燃焼安定性と低NOx性に優れた大容量のガスタービンを構築できる。その際、このパイロットバーナ31に前のいずれかの実施形態のバーナを適用することで、バーナへの煤塵の付着を抑制し構造信頼性を向上させることができる。
【0054】
(第7実施形態)
−構成−
図13は本発明の第7実施形態に係るガスタービン燃焼器を備えたガスタービンプラントの概略構成図、図14は本実施形態に係るガスタービン燃焼器に備えられたバーナを燃焼室から見た図である。図13及び図14は第1実施形態の図1及び図3に対応している。図13及び図14において第1実施形態と同様の要素については図1及び図3と同符号を付して説明を省略する。
【0055】
本実施形態が第1実施形態と相違する点は、第6実施形態と同じく燃焼器3がバーナを複数含んで構成されたマルチバーナを備えている点である。但し、本実施形態では、パイロットバーナ31のみでなく、パイロットバーナ31の周囲に配置した複数(本例では6つ)のメインバーナ32にも本発明が適用してある。パイロットバーナ31及び個々のメインバーナ32には、第1−第5実施形態のいずれのバーナを適用することもできる。例えばパイロットバーナ31及びメインバーナ32の全てを第1−第5実施形態から選択したいずれかのバーナで統一することもできるし、第1−第5実施形態から複数種選択したバーナが混在する構成とすることもできる。空気孔プレート20についてはパイロットバーナ31と複数のメインバーナ32とで共用する(1枚の空気孔プレート20に各バーナの空気孔51,52を形成する)ことができる。
【0056】
燃料系統200については、パイロットバーナ31及びメインバーナ32の総数(本例では7)と同数組の分岐配管58,59が主流配管57から分岐し、対応するバーナの燃料キャビティ25,26に接続している。メインバーナ32については、少なくとも2つのバーナで燃料系統(分岐配管59及び燃料流量調整弁62)を共用する構成としても良い。第1−第6実施形態と同様、主流配管57及び分岐配管58,59には、それぞれ燃料遮断弁60、燃料流量調整弁61,62が設けられている。
【0057】
以上説明した点を除き、本実施形態は第1実施形態と同様である。
【0058】
−効果−
第1−第5実施形態から任意に選択したバーナ構成をパイロットバーナ31及びメインバーナ32に適用してマルチバーナを構成することにより、選択した実施形態と同様の効果を得つつガスタービンの大容量化に対応することができる。
【符号の説明】
【0059】
3…ガスタービン燃焼器、5…燃焼室、8…バーナ、12…ライナ、20…空気孔プレート、21,22…燃料ノズル、31…パイロットバーナ(バーナ)、32…メインバーナ(バーナ)、51,52…空気孔、72,73…空気流路、75…小孔、76,77…燃料流路、79…バイパス孔、A2…圧縮空気
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12
図13
図14