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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5911387
(24)【登録日】2016年4月8日
(45)【発行日】2016年4月27日
(54)【発明の名称】ガスタービン燃焼器およびガスタービン燃焼器の運用方法
(51)【国際特許分類】
F23R 3/00 20060101AFI20160414BHJP
F23R 3/10 20060101ALI20160414BHJP
F23R 3/18 20060101ALI20160414BHJP
F23R 3/28 20060101ALI20160414BHJP
F02C 7/22 20060101ALI20160414BHJP
F23R 3/48 20060101ALI20160414BHJP
【ＦＩ】
F23R3/00 D
F23R3/10
F23R3/18
F23R3/28 D
F02C7/22 C
F23R3/48
【請求項の数】6
【全頁数】15
(21)【出願番号】特願2012-152001(P2012-152001)
(22)【出願日】2012年7月6日
(65)【公開番号】特開2014-16059(P2014-16059A)
(43)【公開日】2014年1月30日
【審査請求日】2015年2月18日
(73)【特許権者】
【識別番号】514030104
【氏名又は名称】三菱日立パワーシステムズ株式会社
(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
(74)【代理人】
【識別番号】110000350
【氏名又は名称】ポレール特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】阿部 一幾
(72)【発明者】
【氏名】小金沢 知己
(72)【発明者】
【氏名】齋藤 武雄
(72)【発明者】
【氏名】三浦 圭祐
【審査官】
米澤 篤
(56)【参考文献】
【文献】
特開２０１２−５２７９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００２−２５７３４２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特許第３９６０１６６（ＪＰ，Ｂ２）
【文献】
特開２００９−５２７９５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００５−３０６６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００８−１７５０９８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１２−４７４０８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平７−５５１４９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許第８１９７２４９（ＵＳ，Ｂ１）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｆ２３Ｒ ３／００
Ｆ０２Ｃ ７／２２
Ｆ２３Ｒ ３／１０
Ｆ２３Ｒ ３／１８
Ｆ２３Ｒ ３／２８
Ｆ２３Ｒ ３／４８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料と空気とを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼室と、燃料を噴出する複数の燃料ノズルが配設された燃料ヘッダと、前記燃料ノズルから噴射された燃料と空気とを前記燃焼室に噴出する複数の空気孔が前記複数の燃料ノズルに対応して形成された空気孔プレートと、ガスタービン点火時に隣接する燃焼器に燃焼ガスを輸送して隣接燃焼器を点火する火炎伝播管とを備えたガスタービン燃焼器において、
前記燃料ヘッダに前記空気孔プレートを固定するためのサポートを備え、前記空気孔プレートにおける前記サポートの取り付け部分が前記火炎伝播管の位相と同位相に設けられていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
前記燃料ヘッダに前記空気孔プレートを固定するためのサポートを備え、前記空気孔プレートにおける前記サポートの取り付け部分が前記火炎伝播管の位相と同位相に設けられていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項2】
請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
ガスタービン点火時に燃料を供給して燃焼する点火用バーナと、ガスタービン点火時には使用しない非点火バーナとを備え、前記非点火バーナは前記点火用バーナの外周側を囲むように環状に配置された前記空気孔の列によって構成され、前記火炎伝播管の配設された位相と同位相の位置に、前記非点火バーナを構成する前記空気孔列の隣接する前記空気孔の孔間距離が特に広い部分を有することを特徴とするガスタービン燃焼器。
ガスタービン点火時に燃料を供給して燃焼する点火用バーナと、ガスタービン点火時には使用しない非点火バーナとを備え、前記非点火バーナは前記点火用バーナの外周側を囲むように環状に配置された前記空気孔の列によって構成され、前記火炎伝播管の配設された位相と同位相の位置に、前記非点火バーナを構成する前記空気孔列の隣接する前記空気孔の孔間距離が特に広い部分を有することを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項3】
請求項１又は請求項２に記載のガスタービン燃焼器において、前記サポートの下流側に、前記空気孔プレートの外周側から内周側に向かう空気の流れと並行するように設置された多孔板を有することを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項4】
請求項１又は請求項２に記載のガスタービン燃焼器において、前記火炎伝播管と同位相の位置に配置された複数の空気孔の直径を、その他の前記空気孔の直径よりも小さくすることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項5】
請求項１又は請求項２に記載のガスタービン燃焼器において、前記サポートが多孔板であることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項6】
請求項１に記載のガスタービン燃焼器の運転方法において、前記燃焼室で生成した燃焼ガスを、前記サポートと同位相に設けられた前記火炎伝播管を用いて、隣接する燃焼器に供給することを特徴とするガスタービン燃焼器の運転方法。
【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およびその運用方法に関する。
【背景技術】
【0002】
環境保全に対する規制や社会的要求が日増しに強くなっており、ガスタービンにおいてもさらなる高効率化、低ＮＯｘ化が求められている。
【0003】
ガスタービンを高効率化させるための一方策として、タービン入口のガス温度を上昇させることが考えられるが、この場合、ガスタービン燃焼器での火炎温度の上昇に伴ってＮＯｘの排出量増加が懸念される。
【0004】
ＮＯｘ排出量低減のために、燃料と空気を予め混合した混合気をガスタービン燃焼器に供給して燃焼させる燃焼方式である予混合燃焼を採用したガスタービン燃焼器がある。
【0005】
前記の予混合燃焼を採用したガスタービン燃焼器は、バーナを構成する燃料と空気との混合を予め行う予混合器と、この予混合器の下流に位置して空気と混合させた燃料を燃焼させる燃焼室とを備えている。
【0006】
予混合燃焼は火炎温度が均一化するため低ＮＯｘ化に有効であるが、火炎温度が上昇するとガスタービン燃焼器の燃焼室から上流に位置するバーナを構成する予混合器にまで火炎が想定外に逆流する逆火が起こる可能性が増加するため、ＮＯｘ排出量の抑制と耐逆火性を兼ね備えたガスタービン燃焼器への要求が高まっている。
【0007】
ＮＯｘ排出量の抑制と耐逆火性を兼ね備えたガスタービン燃焼器に関して、複数の燃料ノズルと複数の空気孔とを同軸上に配置して、燃料と空気の複数の同軸噴流を燃焼室に供給して燃焼させるガスタービン燃焼器に関する技術が特許文献１に開示されている。
【0008】
特許文献１に開示された燃料と空気の複数の同軸噴流を燃焼室に供給して燃焼させるガスタービン燃焼器は、従来の予混合燃焼を採用したガスタービン燃焼器と比較して非常に短い距離で燃料と空気とを急速混合することができるため、ＮＯｘ排出量の抑制と耐逆火性を両立することが可能なガスタービン燃焼器である。また、対逆火性が優れているため、従来の拡散燃焼方式によって対応してきた石炭ガス化ガスやコークス炉ガス等の水素含有量が高く燃焼速度が速い燃料に対しても適用可能なガスタービン燃焼器である。
【0009】
また、特許文献１には、バーナ中心から同心円状に複数列、燃料と空気の複数の同軸噴流を配置する構造が開示されている。
【0010】
一方、複数の燃焼器を有するガスタービンでは、例えば対角に位置する２缶に点火栓を設置し、ガスタービン燃焼器の点火時に、点火栓をスパークさせて燃焼器に火花点火する。隣接する燃焼器は、火炎伝播管と呼ばれるチューブで互いに接続されており、点火した燃焼器から燃焼ガスが火炎伝播管を通過して隣接燃焼器へと流れて、全ての燃焼器が点火する。このようにして、複数の燃焼器を効率的に点火することができる。複数のバーナから１つの燃焼器が構成されるマルチバーナ構造において、点火時に火炎伝播管に効率的に燃焼ガスを流す構造として、特許文献２にバーナとバーナとの間隙の位相と火炎伝播管の位相を合わせる構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0011】
【特許文献1】特許第３９６０１６６号公報
【特許文献2】特開２００９−５２７９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
複数のバーナを備えた燃焼器を点火栓によって火花点火する場合、全てのバーナに燃料を供給して点火するのではなく、燃焼安定性の良いバーナと火炎伝播管に近い部分に配設されたバーナに燃料を供給して燃焼器を点火する方法が一般的である。ここでは、この方法を部分点火と呼ぶ。全てのバーナに燃料を点火する方法に対して、この部分点火の長所は、低い燃空比で点火できるため、ガスタービン点火時の構造物への熱衝撃を緩和し、ライナメタル温度やタービンメタル温度の急激な上昇を抑えることができる点である。
【0013】
しかし、特許文献１に開示された燃料と空気の複数の同軸噴流を同心円状に配置し、燃焼室に供給して燃焼させるガスタービン燃焼器において、ガスタービン点火時に火炎伝播管によって複数の燃焼器に点火するには、火炎伝播管に確実に燃焼ガスを流すために、全てのバーナに燃料を供給する場合が考えられる。しかし、全てのバーナに燃料を供給して燃焼すると、前述のとおりガスタービン点火時の燃空比が高くなるため、点火時の構造物への熱衝撃が大きくなり、ライナメタル温度やタービンメタル温度が急激に上昇する可能性がある。
【0014】
そこで、この燃焼器に火炎伝播を促進するための火炎伝播用のバーナを火炎伝播管の付近に設置して火炎伝播させる方法が考えられる。火炎伝播用のバーナを設置すれば、バーナ中心で生じた燃焼ガスを効果的に火炎伝播管に流すことが可能となり、複数の燃焼器を点火することができる。しかし、火炎伝播用のバーナの追設によって燃焼器１缶当たりのバーナ数が増加するため、燃料の流量制御および燃料供給系統の切替制御が複雑化する課題がある。
【0015】
本発明の目的は、ガスタービン点火に適した燃空比で複数の燃焼器に点火可能な構成のバーナを備えた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】
【0016】
燃料と空気とを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼室と、燃料を噴出する複数の燃料ノズルが配設された燃料ヘッダと、前記燃料ノズルから噴射された燃料と空気とを前記燃焼室に噴出する複数の空気孔が前記複数の燃料ノズルに対応して形成された空気孔プレートと、ガスタービン点火時に隣接する燃焼器に燃焼ガスを輸送して隣接燃焼器を点火する火炎伝播管とを備えたガスタービン燃焼器において、前記燃料ヘッダに前記空気孔プレートを固定するためのサポートを備え、前記空気孔プレートにおける前記サポートの取り付け部分が前記火炎伝播管の位相と同位相に設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、ガスタービン点火に適した燃空比で複数の燃焼器に点火可能な構成のバーナを備えたガスタービン燃焼器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】本発明の第１実施例であ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7(a)】本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器に備えたバーナを構成する燃料ノズルのＡ−Ａ′方向断面図。
【図7(b)】本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器に備えたバーナを構成するサポート部分の拡大図。
【図8】本発明の第３実施例であるガスタービン燃焼器に備えたバーナを構成する旋回プレートの概略図。
【図9(a)】本発明の第４実施例であるガスタービン燃焼器に備えたバーナを構成する燃料ノズルのＡ−Ａ′方向断面図。
【図9(b)】本発明の第４実施例であるガスタービン燃焼器に備えたバーナを構成するサポート部分の拡大図。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下に示す本発明の第１の実施の形態は、燃料と空気とを混合して燃焼室に噴出し燃焼させる複数のバーナと、燃料を噴出する複数の燃料ノズルを配設した燃料ヘッダと、燃料と空気とを混合して燃焼室に噴出する複数の空気孔を形成した空気孔プレートと、燃料ノズルと空気孔を同軸に配設して形成した複数の燃料と空気の同軸噴流と、ガスタービン点火時に隣接する燃焼器に燃焼ガスを輸送して隣接燃焼器を点火する火炎伝播管を備えたガスタービン燃焼器において、前記燃料ヘッダに前記空気孔プレートを固定するためのサポートを備え、前記サポートを配設する位相が前記火炎伝播管の位相と略同位相とすることを特徴とする。
【0020】
また、ガスタービン点火時に燃料を供給して燃焼する点火用バーナの外周側に、ガスタービン点火時には使用しない非点火バーナを配設し、前記非点火バーナの前記空気孔の孔間距離が特に大きい部分の位相が、前記火炎伝播管の位相と略同位相とすることを特徴とする。
【0021】
また、以下に示す本発明の第２の実施の形態は、前記のようなガスタービン燃焼器において、前記サポートの下流に燃焼空気の流れと並行するように多孔板を設置することを特徴とする。
【0022】
また、以下に示す本発明の第３の実施の形態は、前記火炎伝播管に近接する複数の空気孔の直径を特に小さくすることを特徴とする。
【0023】
また、以下に示す本発明の第４の実施の形態は、前記サポートが多孔板であることを特徴とする。
【0025】
図１は本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器２を備えた発電用のガスタービンプラント１０００の全体構成を表している。
【0026】
図１に示した発電用のガスタービンプラント１０００は、吸い込み空気１００を加圧して高圧空気１０１を生成する圧縮機１と、前記圧縮機１で生成した高圧空気１０１と燃料系統２００を通じて供給される燃料とを混合して燃焼させ、高温の燃焼ガス１０２を生成するガスタービン燃焼器２と、前記ガスタービン燃焼器２で生成した高温の燃焼ガス１０２によって駆動されるタービン３と、前記タービン３の駆動によって回転され電力を発生させる発電機２０とを備えている。
【0027】
ガスタービン燃焼器の運転方法そして前記圧縮機１、タービン３及び発電機２０は、一体のシャフト２１によって相互に連結されており、タービン３を駆動して得られた駆動力はシャフト２１を通じて圧縮機１及び発電機２０に伝えられる構成となっている。
【0028】
前記ガスタービン燃焼器２は、ガスタービン装置のケーシング４の内部に格納されている。
【0029】
また、前記ガスタービン燃焼器２にはバーナ６が設置されており、このバーナ６の下流側となるガスタービン燃焼器２の内部には、前記圧縮機１から供給される高圧空気１０１と、このガスタービン燃焼器２で生成される高温の燃焼ガス１０２とを隔てる概略円筒状の燃焼器ライナ１０が配設されている。
【0030】
燃焼器ライナ１０の外周には圧縮機１からガスタービン燃焼器２に高圧空気１０１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が配設されており、前記フロースリーブ１１は燃焼器ライナ１０よりも直径が大きく、該燃焼器ライナ１０とほぼ同心円の円筒状に配設されている。
【0031】
ガスタービン燃焼器２の該燃焼器ライナ１０の内側に形成した燃焼室５０にてバーナ６から噴出させた高圧空気１０１と燃料系統２００を通じて供給された燃料との混合気を燃焼させる。そして、発生した高温燃焼ガス１０２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。この尾筒内筒１２の外周には尾筒外筒１３が配設されている。
【0032】
吸い込み空気１００は圧縮機１によって圧縮された後に高圧空気１０１となるが、この高圧空気１０１はケーシング４内に供給されて充満した後、尾筒内筒１２と尾筒外筒１３の間に形成された空間に流入し、尾筒内筒１２を外壁面から対流冷却する。
【0033】
尾筒内筒１２と尾筒外筒１３の間の空間を流下した高圧空気１０１は、更にフロースリーブ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前記ガスタービン燃焼器２に向かって流下するが、この流下する途中でガスタービン燃焼器２の内部に設置された燃焼器ライナ１０の対流冷却に使用される。
【0034】
また、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流下する高圧空気１０１の一部は、燃焼器ライナ１０の壁面に設けられた多数の冷却孔から燃焼器ライナ１０の内部へ流入して該燃焼器ライナ１０のフィルム冷却に使用される。
【0035】
そして前記環状の流路を流下して燃焼器ライナ１０のフィルム冷却に使用されなかった残りの高圧空気１０１は、ガスタービン燃焼器２に設けたバーナ６に備えた多数の空気孔３２から燃焼器ライナ１０内に供給される。
【0036】
前記ガスタービン燃焼器２に設置したバーナ６には、燃料遮断弁２１０を備えた燃料系統２００を通じて供給する燃料を、燃料系統２００から分岐したＦ１燃料流量調節弁２１１を備えたＦ１燃料系統２０１と、燃料系統２００から分岐したＦ２燃料流量調節弁２１２を備えたＦ２燃料系統２０２と、燃料系統２００から分岐したＦ３燃料流量調節弁２１３を備えたＦ３燃料系統２０３と、燃料系統２００から分岐したＦ４燃料流量調節弁２１４を備えたＦ４燃料系統２０４の４つの燃料系統が配設されている。
【0037】
そしてＦ１燃料系統２０１を通じてバーナ６に供給されるＦ１燃料の流量はＦ１燃料流量調節弁２１１によって調節され、Ｆ２燃料系統２０２を通じてバーナ６に供給されるＦ２燃料の流量はＦ２燃料流量調節弁２１２によって調節され、Ｆ３燃料系統２０３を通じてバーナ６に供給されるＦ３燃料の流量は燃料流量調節弁２１３によって調節され、Ｆ４燃料系統２０４を通じてバーナ６に供給されるＦ４燃料の流量は燃料流量調節弁２１４によって調節される。
【0038】
この燃料流量調節弁２１１〜２１４によって前記Ｆ１燃料〜Ｆ４燃料の燃料流量をそれぞれ調節して、ガスタービンプラント１０００の発電量が制御される。
【0039】
次に、ガスタービン燃焼器２の詳細な構成について説明する。
【0041】
本実施例のガスタービン燃焼器２に設置したバーナ６には、ガスタービン燃焼器２の燃料ヘッダ４０に多数の燃料ノズル３１が取り付けられており、多数の燃料ノズル３１の１本１本に対応した多数の空気孔３２を備えたベースプレート３３と旋回プレート３８が、サポート１５を介して燃料ヘッダ４０に取り付けられた構造となっている。
【0042】
また、前記バーナ６には、複数の空気孔３２を形成したベースプレート３３と、該ベースプレート３３に固定され、旋回角を持たせた旋回空気孔となる複数の空気孔３２を形成した旋回プレート３８とが配設されており、このうち旋回プレート３８は燃焼器ライナ１０の内側に形成される燃焼室５０に面して配設されている。
【0043】
そして前記ベースプレート３３の各空気孔３２と旋回プレート３８の各空気孔３２とは相互に連通するように配設されており、前記燃料ノズル３１と前記ベースプレート３３の各空気孔３２は同軸に配設される。
【0044】
同軸に配設された一対の燃料ノズル３１及び空気孔３２は、ほぼ同心円状に配設されており、図２の詳細図に示すように、中央に燃料噴流３５、その周囲に空気噴流３６の同軸噴流を多数形成する。
【0045】
同軸噴流構造によって、ベースプレート３３に形成された空気孔３２内では燃料と空気は未混合であるため、燃料の自発火は発生せず、ベースプレート３３および旋回プレート３８が溶損するようなことはないので、信頼性の高いガスタービン燃焼器２とすることができる。
【0046】
また、このような小さな同軸噴流を多数形成することにより、燃料と空気の界面が増加し混合が促進するため、ガスタービン燃焼器２の燃焼時にＮＯｘの発生量を抑制することができる。
【0047】
また、ガスタービン燃焼器２のフロースリーブ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このガスタービン燃焼器２に供給された高圧空気１０１の一部は、前記バーナ６の燃料ノズルを構成するベースプレート３３に形成した空気孔３２に、図２に示したような空気噴流３６となって供給され、このベースプレート３３の空気孔３２を流下して該ベースプレート３３に固定された旋回プレート３８に形成された空気孔３２によって旋回をかけられて燃焼室５０に供給される。
【0048】
図３は本実施例のガスタービン燃焼器２に設置したベースプレート３３と旋回プレート３８とから成る空気孔プレートを燃焼器下流側から見た図である。本実施例のガスタービン燃焼器２において、多数の空気孔３２（および、図示しないが空気孔と対を成す燃料ノズル３１）は空気孔プレートの半径方向内周側から半径方向外周側にかけて環状の空気孔列が同心状に８列配置されている。
【0049】
前記ガスタービン燃焼器２の燃焼部を形成するバーナは、中心側の４列（第１列〜第４列）が第１群（Ｆ１）の燃焼部を形成するＦ１バーナ、第５列が第２群（Ｆ２）の燃焼部を形成するＦ２バーナ、その外側の２列（第６、７列）が第３群（Ｆ３）の燃焼部を形成するＦ３バーナ、最外周（第８列）が第４群（Ｆ４）の燃焼部を形成するＦ４バーナとそれぞれ群分けされており、図１に示した様に、Ｆ１バーナ〜Ｆ４バーナのそれぞれの群ごとに、燃料流量調節弁２１１〜２１４をそれぞれ備えた燃料系統２０１〜２０４から供給される燃料を燃料ノズル３１に供給する。
【0050】
このような燃料系統２０１〜２０４の群分け構造によって、ガスタービンの燃料流量変化に対し燃料供給する燃料ノズルの本数を段階的に変化させる燃料ステージングが可能となり、ガスタービン部分負荷運転時の燃焼安定性の確保と低ＮＯｘ化が可能となる。
【0051】
さらにベースプレート３３の空気孔３２は直管とし、旋回プレート３８の空気孔３２は角度（図３中のα°）を持った斜め穴に形成することで、この空気孔３２を流下する空気流全体に旋回をかけ、生じる循環流によって火炎を安定化させている。この角度α°は各列において最適となる値に設定する。
【0052】
Ｆ２〜Ｆ４バーナに比べて、Ｆ１バーナは空気孔３２と空気孔３２の間の距離（孔間距離）を広くすることで、この間隙に火炎を付着させて火炎の安定性を強化している。一方で、Ｆ１バーナに比べて、Ｆ２バーナ〜Ｆ４バーナは孔間距離を小さくすることで、孔間への火炎付着を防止し、火炎面までの混合距離を延長させることで低ＮＯｘ燃焼する。Ｆ１バーナの外周側に配設したＦ２バーナ〜Ｆ４バーナは、中央のＦ１バーナの燃焼熱によって火炎が安定化され、かつ低ＮＯｘ燃焼することができる。
【0053】
本実施例では、図３に示すように第４群（８列目）の一部に空気孔３２の孔間距離が特に広い部分を設ける。この空気孔３２を設置しない部分の上流側（図面の裏側）は、ベースプレート３３を燃料ヘッダ４０に固定するためのサポート１５の取り付け部分とする。サポート１５は、図２に示すように平板を曲げ加工した形状とする。曲げ構造によって周方向の熱伸びを吸収することができるため、構造信頼性を高めることができる。複数の燃焼器からなるガスタービンにおいては、ガスタービン点火時に、点火栓で点火した燃焼器から燃焼ガスを隣接する燃焼器に輸送することで複数のガスタービン燃焼器を点火せしめるために、燃焼器の左右１つずつ火炎伝播管を設置することが一般的である。サポート１５は、火炎伝播管の設置される位相と同位相とする。ただし、空気孔３２が旋回を有する場合には、サポート１５の位相を火炎伝播管の位相と合わせると、孔間距離の広い部分の位相と火炎伝播管の位相にはずれが生じる。すなわち、火炎伝播管と孔間距離が広い部分の軸方向位置が異なるため、孔間距離が広い部分に相応する空気の流れは、火炎伝播管位置より周方向に変化することが考えられる。そのため、空気孔３２から噴出する空気の旋回流れを考慮し、孔間距離の広い部分と火炎伝播管の位相が合うように、サポート１５の位相を調整する。以下では、便宜上火炎伝播管と同位相の位置にサポート１５を示す。
【0054】
このサポート１５によって、空気孔プレートを燃料ヘッダ４０に固定するときの空気の流れを図４に示す。図４（ａ）は図２のＡ−Ａ′断面であり、サポート１５の拡大図を図４（ｂ）に示す。バーナ６に供給する燃焼空気を全体に均一にし、燃焼器の圧力損失を低減するためには、サポート１５のように流れの中に配設する構造物によって空気の流れを阻害しないことが一般的である。しかし、本実施例のサポート１５は、バーナ外周側からバーナ中心に向かう燃焼空気の流れを図のように敢えて阻害する。このときの圧力を、図のようにサポート１５の外周側でＰ０、サポート１５が無い部分でＰ１、サポート１５のバーナ中心側でＰ２１とすると、Ｐ０＞Ｐ１＞Ｐ２１となる。Ｐ１＞Ｐ２１の圧力差から、Ｐ１に比べてＰ２１の位置では空気孔３２に燃焼空気を供給しにくくなる。したがって、Ｐ２１の位置で燃焼空気流量が減少するので、燃料流量は一定、もしくはＰ２１が低い分差圧が大きくなって燃料流量が増加し、サポート１５の下流に位置しないバーナと比較して相対的に燃空比は高くなる。
【0055】
サポート１５によって燃焼空気量を低減して火炎伝播性能を良くするためには、サポート１５の幅が火炎伝播管の内径以上であることが望ましい。
【0056】
ここで、再び図３を用いて点火時を説明する。点火時には図に示すバーナのＡ、Ｂ、Ｃの部分に燃料を供給して点火する。このとき、それぞれの領域の燃料と空気の質量流量比（燃空比）を比較すると、Ｂ＞Ｃである。すなわち、点火時にＡの部分で相対的に高い温度の燃焼ガスを生じると、Ｃに比べて燃空比の高いＢの部分を伝って燃焼ガスが外周方向に伝播する。外周方向に伝播した燃焼ガスは、空気孔を配しないＤの部分を通過して燃焼ガスは火炎伝播管に流入する。空気孔を配しないことで、燃焼空気によって燃焼ガスが希釈されて燃焼ガス温度が低下して火炎伝播性能が低下することを防ぐことができる。
【0057】
前述のように、サポート１５と火炎伝播管の位相は同位相とする必要がある。本実施例では、例えば燃焼器がガスタービン軸の周方向に１０缶配されるガスタービンであるため、サポート１５は周方向に５本とした。サポート１５を等間隔の位相に複数配置するとき、サポート１５の本数をＮｓ、燃焼器缶数をＮｃとすると、以下となる。Ｎｓ＝ｎ＊（Ｎｃ／２） …（１）
ｎは１以上の整数である。
【0058】
また、本実施例ではサポート１５を図の形状としたが、他に図５（ａ）〜（ｃ）の構造が考えられる。
【0059】
図５（ａ）は、図４のサポート１５の両端につばをつけた形状となっており、図４の構造に比べてサポート１５の強度が増加する。また、サポート１５のバーナ中心側は周囲がつばで囲まれているため、サポート１５の下流には図４に比べて燃焼空気が供給されにくくなる。図５（ｂ）はサポート１５をＶ字型とした形状となっており、図４の構造に比べて流体損失を低減し、Ｖ字型の角度を調整することで空気孔３２の孔間にサポート１５を配置できる。図５（ｃ）は、サポート１５の上流側に曲線部を設けているため、図４のサポート１５の構造に比べて流体損失が低減し、サポート１５の強度が増加する。
【0060】
図６は本実施例のガスタービンプラント１０００の燃焼器２の運用方法を示す図である。横軸が時間軸、縦軸が燃料流量である。ガスタービンの点火時は、Ｆ１〜Ｆ３（１列目から７列目）に燃料を供給して燃焼する。Ｆ４（８列目）には燃料を供給しない。Ｆ１〜Ｆ３で生じた燃焼ガスが、Ｆ４の燃料ノズルおよび空気孔３２を配設しない部分を通過して火炎伝播管へと流入し、点火栓を設置しない燃焼器へと燃焼ガスを輸送することでガスタービン燃焼器の全缶が点火する。
【0061】
点火後は、Ｆ１単独燃焼へと切り替わり、タービン３の定格回転数無負荷状態（ＦＳＮＬ；Full Speed No Load）まで昇速する。定格回転数に昇速後発電を開始し、負荷を増加させていく。負荷の増加に応じて、ガスタービン燃焼器２のバーナ６の燃空比が安定燃焼範囲となるように、Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４と順々に燃料を供給する燃料系統を増加させる燃料を供給する。本実施例のガスタービン燃焼器２は、Ｆ１〜Ｆ４に燃料が供給された燃焼状態で定格回転数定格負荷（ＦＳＦＬ；Full Speed Full Load）となる。
【0062】
本実施例のガスタービン燃焼器２は、Ｆ１〜Ｆ４の全てに燃料が供給され燃焼している状態では、バーナ６の全体で燃焼するため火炎の上流側に加速損失が生じる。この加速損失によって、点火時に意図した本実施例のバーナ中心から火炎伝播管の間の部分のサポート１５による燃焼空気量の低減効果は打ち消される。すなわち、Ｐ０＞Ｐ２１の圧力差に比して火炎の加速損失は大きいため、Ｆ１〜Ｆ４の全てに燃料が供給される状態では、Ｐ０＞Ｐ２１の圧力差による燃焼空気量の低減効果はほとんど無くなる。そのため、ＦＳＦＬでは燃焼空気量の配分をバーナ６全体に均一化させることができて、前記特許文献１に開示された燃料と空気の複数の同軸噴流を同心円状に配置し、燃焼室に供給して燃焼させるガスタービン燃焼器と同等の低ＮＯｘ燃焼とすることができる。
【0063】
したがって、本実施例によれば、複数の燃焼器を有するガスタービンにおいて、点火時は適した燃料流量で燃焼器の全缶に点火し、定格時には低ＮＯｘ燃焼と安定燃焼を両立することができる。
【0065】
本実施例のガスタービンに設置されるガスタービン燃焼器は図１〜図６に示した本発明の第１実施例のガスタービンに設置されるガスタービン燃焼器と基本的な構成は共通しているので、両者に共通した構成及び作用の説明は省略し、相違する部分について以下に説明する。
【0067】
図７（ｂ）に火炎伝播管と同じ位相に配設されたサポート１５の周りの燃焼空気の流れの模式図を示す。燃焼空気の基本的な流れは本発明の第１実施例に同じであるが、多孔板１６によって燃焼空気の流れが阻害されるので、サポート１５の下流には、第１実施例に比べて燃焼空気が供給されにくくなる。すなわち、圧力は第１実施例のＰ２１と同じ位置のＰ２２について、Ｐ２１＞Ｐ２２となるため、バーナ中心から火炎伝播管の間のバーナに供給する燃焼空気量は第１実施例に比べて低減し、燃空比をさらに高めることができる。本実施例は、第１実施例の燃焼空気低減効果に対して、さらに燃焼空気量を低減したい場合に有効である。
【0068】
したがって、本実施例によれば、複数の燃焼器を有するガスタービンにおいて、点火時は適した燃料流量で燃焼器の全缶に点火できる。また、定格時には本発明の第１実施例と同じく火炎の上流側に生じる加速損失によって、サポート１５及び多孔板１６による局所的な燃焼空気の低減効果がほとんど無くなる。そのため、定格時は低ＮＯｘ燃焼と安定燃焼を両立することができる。
【0070】
本実施例のガスタービンに設置されるガスタービン燃焼器は図１〜図６に示した本発明の第１実施例のガスタービンに設置されるガスタービン燃焼器と基本的な構成は共通しているので、両者に共通した構成及び作用の説明は省略し、相違する部分について以下に説明する。
【0071】
図８は本実施例のガスタービン燃焼器２に設置した空気孔プレートを燃焼器下流側から見た図である。本実施例のガスタービン燃焼器２において、多数の空気孔３２（および、図示しないが空気孔３２と対を成す燃料ノズル３１）は空気孔プレートの半径方向内周側から半径方向外周側にかけて環状の空気孔列が同心状に８列配置されている。本実施例は、５〜７列目の火炎伝播管に近い部分の空気孔径が、他に比べて小さい点が第１実施例と異なる。空気孔径を小さくすることで、この部分に供給する燃焼空気量を低減できるため、本実施例は第１実施例に対して、さらに燃焼空気量を低減して火炎伝播性能を向上させたい場合に有効である。
【0072】
したがって、本実施例によれば、複数の燃焼器を有するガスタービンにおいて、点火時は適した燃料流量で燃焼器の全缶に点火し、定格時には低ＮＯｘ燃焼と安定燃焼を両立することができる。
【0074】
本実施例のガスタービンに設置されるガスタービン燃焼器は図１〜図６に示した本発明の第１実施例のガスタービンに設置されるガスタービン燃焼器と基本的な構成は共通しているので、両者に共通した構成及び作用の説明は省略し、相違する部分について以下に説明する。
【0076】
図９の下に火炎伝播管と同じ位相に配設された多孔板サポート１７の周りの燃焼空気の流れの模式図を示す。燃焼空気の基本的な流れは本発明の第１実施例に同じであるが、第１実施例に比べて燃焼空気が供給されやすくなる。すなわち、圧力は第１実施例のＰ２１と同じ位置のＰ２３について、Ｐ２１＜Ｐ２３となるため、バーナ中心から火炎伝播管の間のバーナに供給する燃焼空気量は第１実施例に比べて増加し、サポートによる燃空比の高まりを抑えることができる。本実施例は、第１実施例の燃焼空気低減効果を抑えたい場合に有効である。また、サポートによる圧力損失を第１実施例に比べて低減できるため、ガスタービンの効率向上にも有効である。
【0077】
したがって、本実施例によれば、複数の燃焼器を有するガスタービンにおいて、点火時は適した燃料流量で燃焼器の全缶に点火し、定格時には低ＮＯｘ燃焼と安定燃焼を両立することができる。
【0078】
なお、以上に説明した各実施例では、サポート等が配設される位相を火炎伝播管の位相と同位相とした場合を例に挙げているが、これらの位相は火炎伝播管の位相と必ずしも完全な同位相としなければならないわけではなく、サポートの幅や空気孔に設けられた旋回角等に応じて、適宜調整しても良い。即ち、サポートと火炎伝播管の位相は、上記の各実施例で説明した効果が得られる範囲で、大よそ同位相となっていれば良い。
【符号の説明】
【0079】
１ 圧縮機２ ガスタービン燃焼器
３ タービン
４ ケーシング
６ バーナ
１０ 燃焼器ライナ
１１ フロースリーブ
１２ 燃焼器尾筒内筒
１３ 尾筒外筒
１４ スプリングシール
１５ サポート
１６ 多孔板
１７ 多孔板サポート
２０ 発電機
２１ シャフト
３１ 燃料ノズル
３２ 空気孔
３３ ベースプレート
３５ 燃料噴流
３６ 空気噴流
３８ 旋回プレート
４０ 燃料ヘッダ
５０ 燃焼室
１００ 吸い込み空気
１０１ 高圧空気
１０２ 高温燃焼ガス
１０３ 排ガス
２００ 燃料系統
２０１ Ｆ１燃料系統
２０２ Ｆ２燃料系統
２１０ 燃料遮断弁
２１１ Ｆ１燃料流調弁
２１２ Ｆ２燃料流調弁
１０００ ガスタービンプラント