特許 6262616 ガスタービン燃焼器

(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】6262616

(24)【登録日】2017年12月22日

(45)【発行日】2018年1月17日

(54)【発明の名称】ガスタービン燃焼器

(51)【国際特許分類】

   F23R 3/18 20060101AFI20180104BHJP

   F23R 3/42 20060101ALI20180104BHJP

   F23R 3/28 20060101ALI20180104BHJP

【ＦＩ】

   F23R3/18

   F23R3/42 A

   F23R3/28 D

【請求項の数】3

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2014-159330(P2014-159330)

(22)【出願日】2014年8月5日

(65)【公開番号】特開2016-38108(P2016-38108A)

(43)【公開日】2016年3月22日

【審査請求日】2016年12月16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】110000350

【氏名又は名称】ポレール特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】浅井 智広

(72)【発明者】

【氏名】林 明典

(72)【発明者】

【氏名】穐山 恭大

【審査官】 西中村 健一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−０６２７０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０２９２３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０９６０６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２５４９４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１９０１９６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２３Ｒ ３／００−７／００

Ｆ０２Ｃ １／００−９／５８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

円筒状の燃焼器ライナと、
前記燃焼器ライナの内部に形成された円筒状の燃焼室と、
ガス燃料を前記燃焼室に噴射する複数の燃料ノズルと圧縮空気を前記燃焼室に導く複数の空気孔を備える空気孔プレートとを備えるバーナと、を備え、
前記空気孔プレートは、前記燃焼器ライナと接合されて、前記燃料ノズルと前記燃焼室との間に設置され、
前記空気孔プレートと前記燃焼器ライナとの接合部には、前記接合部を覆い、前記空気孔プレートと前記燃焼器ライナとを接続する接続面を有する傾斜部材を備え、
前記傾斜部材は、前記燃焼室の周方向の一部に設けられ、
前記バーナは、前記燃焼室の中心軸の位置に１つのパイロットバーナを備え、前記パイロットバーナの外周部に複数のメインバーナを備え、
複数の前記メインバーナのそれぞれは、複数の前記空気孔を備え、
前記傾斜部材は、前記空気孔プレートと前記燃焼器ライナとの接合部のうち、前記空気孔プレート上の前記燃焼室の中心軸から見て、前記メインバーナの複数の前記空気孔が位置する領域に設けられる、
ことを特徴とするガスタービン燃焼器。

【請求項2】

前記傾斜部材は、前記接続面の形状が前記燃焼室の中心軸を含む断面において直線状である、請求項１に記載のガスタービン燃焼器。

【請求項3】

前記傾斜部材は、前記接続面の形状が前記燃焼室の中心軸を含む断面において曲線状である、請求項１に記載の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】

近年、発電コストの低減、資源の有効利用、及び地球温暖化の防止の観点から、製鉄所で副生するコークス炉ガスや製油所で副生するオフガスなどの副生ガスを燃料として有効利用することが検討されている。また、豊富な資源である石炭をガス化して発電する石炭ガス化複合発電プラント（Integrated coal Gasification Combined Cycle：ＩＧＣＣ）では、ガスタービンに供給されるガス燃料中の炭素分を回収・貯留するシステム（Carbon Capture and Storage：ＣＣＳ）により、ＣＯ_２の排出量を削減する方策も検討されている。

【0003】

これらの副生ガスやＩＧＣＣの石炭ガス化ガスからなるガス燃料は、水素（Ｈ_２）や一酸化炭素（ＣＯ）を主成分として含有し、ガスタービンで一般に使用される天然ガス（主成分はメタン）に比べて、燃焼速度が速い。このため、燃焼室内の壁面近傍で高温の火炎が形成され、燃焼器の信頼性が損なわれることが懸念される。そこで、高温の火炎が局所的に形成されることを防止する手段として、燃料を分散させ燃焼室内で均一に燃焼させる方法が有効である。

【0004】

特許文献１には、燃料の分散性を高めて高温の火炎の形成を防止し、ＮＯｘの排出量を低減するガスタービン燃焼器の例が記載されている。このガスタービン燃焼器は、複数の燃料ノズルと複数の空気孔を備え、燃料流及び燃料流の周囲に形成された空気流を燃焼室に噴射するバーナを複数備える。

【0005】

ガスタービン燃焼器で、燃料として上記の副生ガスやＩＧＣＣの石炭ガス化ガスを使用する場合、着火の際の安全確保のため、次のようなガスタービンの運転方法を採用する。まず、水素を含まない起動用燃料（例えば、油燃料）で着火し、部分負荷条件で運転して起動用燃料からガス燃料に切り替え、その後、ガス燃料を燃焼させるバーナの数を制御しながら定格負荷に達するように運転し、定格負荷に達すると定格負荷条件で運転する。また、ＩＧＣＣプラントでは、ガスタービンからの排熱で発生した蒸気を利用してガス化炉が石炭ガス化ガスを生成するため、石炭ガス化ガス以外の起動用燃料でガスタービンを起動する必要があり、上記の運転方法を採用する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００３−１４８７３４号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上記の運転方法を採用するガスタービンでは、起動用燃料からガス燃料に切り替えた後の、部分負荷条件での運転から定格負荷条件での運転へと負荷を上昇させる過程で、ガスタービン燃焼器の内部で圧力変動が発生することが懸念される。圧力変動が発生すると、ガスタービン燃焼器の構造信頼性が低下することや、定格負荷条件まで負荷を上昇できず、ガスタービンの運転可能な負荷の範囲が限定されることが懸念される。

【0008】

本発明の目的は、水素と一酸化炭素を含むガス燃料に対して、部分負荷条件での運転から定格負荷条件での運転へ負荷を上昇させる過程で、圧力変動の発生を防止することができ、構造信頼性とガスタービンの運転可能な負荷の範囲とを十分に確保できるガスタービン燃焼器を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明によるガスタービン燃焼器は、次のような特徴を備える。円筒状の燃焼器ライナと、前記燃焼器ライナの内部に形成された円筒状の燃焼室と、ガス燃料を前記燃焼室に噴射する複数の燃料ノズルと圧縮空気を前記燃焼室に導く複数の空気孔を備える空気孔プレートとを備えるバーナとを備える。前記空気孔プレートは、前記燃焼器ライナと接合されて、前記燃料ノズルと前記燃焼室との間に設置される。前記空気孔プレートと前記燃焼器ライナとの接合部には、前記接合部を覆い、前記空気孔プレートと前記燃焼器ライナとを接続する接続面を有する傾斜部材を備える。

【発明の効果】

【0010】

本発明によるガスタービン燃焼器は、水素と一酸化炭素を含むガス燃料に対して、部分負荷条件での運転から定格負荷条件での運転へ負荷を上昇させる過程で、圧力変動の発生を防止することができ、構造信頼性とガスタービンの運転可能な負荷の範囲とを十分に確保できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施例１によるガスタービン燃焼器を含むガスタービンプラントの概略構成図。

【図2】実施例１によるガスタービン燃焼器において、燃焼室から見たバーナの正面図。

【図3】実施例１によるガスタービン燃焼器の運転方法を説明する図。

【図4A】メインバーナ外周の燃料の比率Ｒに対する、メインバーナ内周の局所火炎温度Ｔｉｎとメインバーナ外周の局所火炎温度Ｔｏｕｔの変化を示すグラフ。

【図4B】メインバーナの拡大図。

【図5】空気孔プレートと主室ライナとの接合部に傾斜部材を設置した構成におけるメインバーナの拡大図。

【図6】実施例２によるガスタービン燃焼器において、燃焼室から見たバーナの正面図。

【発明を実施するための形態】

【実施例1】

【0012】

図１を用いて、ガスタービンプラントの構成を説明する。図１は、本発明の実施例１によるガスタービン燃焼器（以下、単に「燃焼器」とも呼ぶ）を含むガスタービンプラントの概略構成図である。ガスタービンプラント１は、主な構成要素として、空気圧縮機２、燃焼器３、ガスタービン４、及び発電機６を備える。図１では、燃焼器３の一部を示しており、燃焼器３の中心軸を含む面における断面図によって燃焼器３を示している。

【0013】

ガスタービンプラント１は、次のようにして発電する。空気圧縮機２は、大気より空気１０１を吸入して圧縮して圧縮空気１０２を生成し、圧縮空気１０２を燃焼器３に供給する。燃焼器３は、圧縮空気１０２とガス燃料２００（２０１、２０２、２０３）を燃焼させ、燃焼ガス１１０を生成する。ガスタービン４は、燃焼器３で生成した燃焼ガス１１０により駆動され、排気ガス１１１を排出する。発電機６は、ガスタービン４の回転動力により発電する。ガスタービン４と空気圧縮機２には、ガスタービン起動用モータ７が接続される。

【0014】

燃焼器３は、外筒１０、燃焼器ライナ１２（主室ライナ１２）、燃焼室５、及びバーナ８を備える。外筒１０は、円筒状であり、円筒状の主室ライナ１２を内部に備える。外筒１０と主室ライナ１２との間に形成された流路を、圧縮空気１０２が流れる。燃焼室５は、円筒状であり、主室ライナ１２の内部に形成される。燃焼室５には、圧縮空気１０２の一部が冷却空気１０３として流入する。バーナ８は、空気孔プレート２０と、複数の燃料ノズル２２を備える。空気孔プレート２０は、主室ライナ１２と接合されて、燃料ノズル２２と燃焼室５との間に設置され、燃焼室５に圧縮空気１０２を導くための空気孔２１を、複数個備える。複数の燃料ノズル２２は、ガス燃料２００（２０１、２０２、２０３）を空気孔２１内に向けて噴射することで、ガス燃料２００（２０１、２０２、２０３）を燃焼室５に噴射する。複数の空気孔２１と複数の燃料ノズル２２は、１つの空気孔に１つの燃料ノズルを対応させて配置される。

【0015】

燃焼室５の内部において、空気孔プレート２０と主室ライナ１２との接合部には、燃焼室５の全周にわたって傾斜部材７０が設けられる。傾斜部材７０については、後述する。

【0016】

図２は、燃焼室５から見たバーナ８の正面図である。バーナ８は、複数の要素バーナから構成される。すなわち、バーナ８は、燃焼室５の中心軸の位置に１つのパイロットバーナ３２を備え、パイロットバーナ３２の外周部に複数（図２では６つ）のメインバーナ３３を備える。

【0017】

パイロットバーナ３２は、中央（燃焼室５の中心軸の位置）にバーナ軸を有し、バーナ軸を中心とする２つの同心円上に空気孔群５４、５５を備え、バーナ軸の位置には油ノズル４０を備える。すなわち、パイロットバーナ３２は、油ノズル４０を中心とする同心円上に２列の空気孔群５４、５５を備える。油ノズル４０は、起動用燃料である油燃料を燃焼室５内に噴射する。

【0018】

メインバーナ３３のそれぞれは、それぞれの中央にバーナ軸を有し、バーナ軸を中心とする３つの同心円上に空気孔群５１、５２、５３を備える。すなわち、メインバーナ３３は、それぞれのバーナ軸を中心とする同心円上に３列の空気孔群５１、５２、５３を備える。メインバーナ３３の空気孔群５１、５２、５３のうち、最もバーナ軸に近い空気孔群を１列目空気孔群５１、１列目空気孔群５１の次にバーナ軸に近い空気孔群を２列目空気孔群５２、最もバーナ軸から遠い空気孔群を３列目空気孔群５３と称する。

【0019】

なお、メインバーナ３３の１列目空気孔群５１が存在する領域を「メインバーナ内周」と呼び、２列目空気孔群５２と３列目空気孔群５３が存在する領域を「メインバーナ外周」と呼ぶ。また、１列目空気孔群５１に対応する燃料ノズル２２のことを「メインバーナ内周」と呼び、２列目空気孔群５２と３列目空気孔群５３に対応する燃料ノズル２２のことを「メインバーナ外周」と呼ぶこともある。

【0020】

図１に戻って、ガスタービンプラント１の構成の説明を続ける。

【0021】

複数の燃料ノズル２２は、燃料分配器２３と連結している。燃料分配器２３は、燃料ノズル２２に供給するガス燃料２００を分配する。ガス燃料２００は、ガス燃料タンク２２０に格納されており、ガス燃料供給系統により燃料分配器２３に供給される。ガス燃料供給系統は、燃料遮断弁６０と燃料制御弁６１、６２、６３を備える。ガス燃料２００は、ガス燃料タンク２２０から流出し、燃料遮断弁６０の下流で３つの流れに分岐し、それぞれの流れが燃料制御弁６１、６２、６３を通過して、ガス燃料２０１、２０２、２０３として燃料分配器２３により燃料ノズル２２に供給される。ガス燃料２０１は、パイロットバーナ３２の燃料ノズル２２に供給され、ガス燃料２０２は、メインバーナ３３の１列目空気孔群５１の燃料ノズル２２に供給され、ガス燃料２０３は、２列目空気孔群５２と３列目空気孔群５３の燃料ノズル２２に供給される。

【0022】

起動用油燃料２１０は、油燃料タンク２３０に格納されており、起動用油燃料供給系統により油ノズル４０に供給される。起動用油燃料供給系統は、燃料遮断弁６５と燃料制御弁６６を備える。起動用油燃料２１０は、油燃料タンク２３０から流出し、燃料遮断弁６５と燃料制御弁６６を通過して、油ノズル４０に供給される。

【0023】

本実施例のガスタービン燃焼器は、ガス燃料２００として、コークス炉ガス、製油所オフガス、及び石炭ガス化ガスなどの、水素と一酸化炭素を含む燃料を使用する。また、天然ガスをはじめとする他のガス燃料を使用することもできる。本実施例のガスタービン燃焼器は、起動用油燃料２１０として、軽油、灯油、及びＡ重油などの油燃料を使用する。油燃料の代わりに、天然ガスやプロパンガスなどのガス燃料をガスタービン４の起動用燃料に使用することもできる。

【0024】

図３は、本実施例によるガスタービン燃焼器の運転方法を説明する図である。図３には、ガスタービン４が起動してから定格負荷に達するまでの、空気流量、燃料流量、燃空比、及び局所火炎温度の変化を示しており、燃焼器３は、これらの量が図３に示すように変化して運転される。空気流量は、燃焼器３に供給される空気の流量である。燃料流量は、燃焼器３に供給される燃料（起動用油燃料２１０、及びガス燃料２００）の流量である。燃空比は、空気に対する燃料の質量流量の比である。局所火炎温度は、ガス燃料２００の燃焼時の、バーナ８（具体的には、パイロットバーナ３２とメインバーナ３３の空気孔群５１〜５５）から出た火炎の温度である。

【0025】

また、図３の最上部には、燃焼モードとして、燃焼器３の運転中に燃焼させる領域（油ノズル４０と空気孔群５１〜５５の位置に対応する領域）を黒色に着色したバーナ８の図を示す。この図は、燃焼室５から見たバーナ８の正面図（図２）に対応する図である。

【0026】

燃焼器３は、大きく分けて下記の（ａ）から（ｆ）の６つのステップを経るように運転され、ガスタービン４を起動から定格負荷条件での運転へと導く。
（ａ）ガスタービンの起動
（ｂ）無負荷定格回転数（Ｆｕｌｌ Ｓｐｅｅｄ Ｎｏ Ｌｏａｄ：ＦＳＮＬ）での運転
（ｃ）燃料の切り替え
（ｄ）燃焼モードの切り替え
（ｅ）燃焼器の入口での空気流量の増加
（ｆ）定格負荷条件での運転
以下、燃焼器３の運転方法を説明する。なお、図３において、パイロットバーナ３２、メインバーナ内周、及びメインバーナ外周のことを、それぞれ「パイロット」、「メイン内周」、及び「メイン外周」と略記している。また、図３の燃料流量を示す図では、パイロットバーナ３２、メインバーナ内周、及びメインバーナ外周に供給される燃料の割合を、矢印で示している。

【0027】

［ステップ（ａ）〜（ｂ）：ガスタービンの起動〜無負荷定格回転数（ＦＳＮＬ）での運転］
まず、ステップ（ａ）では、ガスタービン起動用モータ７により、ガスタービン４を起動する。ガスタービン４の回転数が着火可能条件を満たせば、起動用油燃料２１０をパイロットバーナ３２の油ノズル４０に供給し、油ノズル４０で起動用油燃料２１０を燃焼させ、燃焼器３を着火させる。図３の最上部には、パイロットバーナ３２の中央にある油ノズル４０の位置に対応する領域を黒色に着色したバーナ８を示している。着火後、起動用油燃料２１０の流量（燃料流量）を増加させていくと、ガスタービン４の回転数は、無負荷定格回転数（ＦＳＮＬ）に達する。ガスタービン４の起動から負荷を取り始めるまでの領域が、昇速域である。昇速域での空気流量は、起動後は一定であり、途中から増加させていく。

【0028】

［ステップ（ｂ）〜（ｃ）：ＦＳＮＬでの運転〜燃料の切り替え］
ステップ（ｂ）では、ガスタービン４の回転数が無負荷定格回転数（ＦＳＮＬ）に達した後、発電機６から負荷を取り始める。このステップでは、空気流量は一定であり、燃料流量は負荷とともに増加し、燃空比は増加する。負荷を上昇させていくと、負荷は、燃料を起動用油燃料２１０からガス燃料２００に切り替える規定の部分負荷条件（図３の（ｃ））に到達する。規定の部分負荷条件として、部分負荷の値をガスタービン４に応じて予め定めることができる。発電機６から負荷を取り始め、負荷を定格まで上昇させていく領域が、負荷上昇域である。

【0029】

［ステップ（ｃ）〜（ｄ）：燃料の切り替え〜燃焼モードの切り替え］
ステップ（ｃ）では、燃料を起動用油燃料２１０からガス燃料２００に切り替えて運転する。負荷が、燃料を切り替える規定の部分負荷条件に到達すると、起動用油燃料２１０の流量を減少させながら、ガス燃料２００の流量を増加させていき、燃料を切り替える。ガス燃料２００は、ガス燃料２０１、２０２に分配される。

【0030】

ガス燃料２０１は、パイロットバーナ３２に供給され、ガス燃料２０２は、メインバーナ３３の１列目空気孔群５１の燃料ノズル２２に供給される。すなわち、バーナ８は、パイロットバーナ３２の空気孔群５４、５５が存在する領域とメインバーナ３３のメインバーナ内周とで燃焼する。図３の最上部には、パイロットバーナ３２の空気孔群５４、５５が存在する領域とメインバーナ３３のメインバーナ内周とを黒色に着色したバーナ８を示している。バーナ８で、パイロットバーナ３２の空気孔群５４、５５が存在する領域とメインバーナ３３のメインバーナ内周とが燃焼している燃焼モードを、「部分燃焼モード」と呼ぶ。

【0031】

燃料の切り替え後、負荷とともにガス燃料２００の流量は増加し、燃空比も増加する。また、パイロットバーナ３２とメインバーナ３３のメインバーナ内周の局所火炎温度は、ともに上昇する。

【0032】

［ステップ（ｄ）〜（ｅ）：燃焼モードの切り替え〜燃焼器の入口での空気流量の増加］
ステップ（ｄ）では、ガス燃料２００の燃焼モードを部分燃焼モードから全燃焼モードに切り替えて運転する。負荷が、燃焼モードを切り替える規定の部分負荷条件に到達すると、ガス燃料２００をガス燃料２０１、２０２、及び２０３に分配する。

【0033】

ガス燃料２０１は、パイロットバーナ３２に供給され、ガス燃料２０２は、メインバーナ３３の１列目空気孔群５１の燃料ノズル２２に供給され、ガス燃料２０３は、２列目空気孔群５２と３列目空気孔群５３の燃料ノズル２２に供給される。すなわち、バーナ８は、パイロットバーナ３２の空気孔群５４、５５が存在する領域とメインバーナ３３のメインバーナ内周とメインバーナ外周とで燃焼する。図３の最上部には、パイロットバーナ３２の空気孔群５４、５５が存在する領域とメインバーナ３３のメインバーナ内周とメインバーナ外周とを黒色に着色したバーナ８を示している。バーナ８で、パイロットバーナ３２の空気孔群５４、５５が存在する領域とメインバーナ３３のメインバーナ内周とメインバーナ外周とが燃焼している燃焼モードを、「全燃焼モード」と呼ぶ。

【0034】

燃焼モードの切り替え後は、メインバーナ外周にも燃料を分散させて希薄燃焼の状態にするため、メインバーナ外周の燃料流量が増加する。この結果、パイロットバーナ３２、及びメインバーナ内周の局所火炎温度は低下し、メインバーナ外周の局所火炎温度は上昇する。また、燃焼モードの切り替え後、負荷は、さらに上昇し、排気温度の制御設定により空気流量が増加する条件に到達する。

【0035】

［ステップ（ｅ）〜（ｆ）：燃焼器の入口での空気流量の増加〜定格負荷条件での運転］
ステップ（ｅ）では、燃焼器３の入口での空気流量を増加させる。負荷を上昇させ、燃焼器３の出口での燃焼ガス１１０の温度が増加すると、ガスタービン４の排気ガス１１１の温度が、予め定めた制限値を超える。そこで、負荷が、排気ガス１１１の温度がこの制限値を超えるような条件に到達すると、燃焼器３の入口での空気流量を増加させて、排気ガス１１１の温度（排気温度）を制限値以下に抑制する。

【0036】

その後、負荷をさらに上昇させ、負荷が定格負荷に達すると、ガスタービン４を定格負荷条件で運転する。定格負荷条件での運転では、パイロットバーナ３２、メインバーナ内周、及びメインバーナ外周の局所火炎温度が等しくなり、バーナ８の全領域で均一希薄燃焼を実現するように、燃料流量を変化させる。例えば、メインバーナ外周への燃料流量を増加させ、パイロットバーナ３２とメインバーナ内周への燃料流量を減少させる。

【0037】

なお、負荷上昇域のうち、定格負荷条件（負荷１００％）を除いた領域を、部分負荷領域と呼ぶ。

【0038】

上記の方法に従って燃焼器３を運転する際、部分負荷条件から定格負荷条件に負荷を上昇させる過程で、燃焼器３の内部で圧力変動が発生することが懸念される。圧力変動の発生は、燃焼器３の構造信頼性の低下や、ガスタービン４の運転可能な負荷の範囲の限定につながる。このため、燃焼器３の内部での圧力変動の発生を防止する必要がある。

【0039】

図４Ａと図４Ｂを用いて、この圧力変動の発生機構を説明する。図４Ａは、メインバーナ外周に供給される燃料の比率Ｒに対する、メインバーナ内周の局所火炎温度Ｔｉｎとメインバーナ外周の局所火炎温度Ｔｏｕｔの変化を示すグラフである。図４Ｂは、１つのメインバーナ３３の拡大図であり、燃焼室５の中心軸を含む面におけるメインバーナ３３の断面図である。以下では、メインバーナ外周に供給される燃料の比率Ｒを「外周燃料比率Ｒ」と、メインバーナ内周の局所火炎温度Ｔｉｎを「内周局所火炎温度Ｔｉｎ」と、メインバーナ外周の局所火炎温度Ｔｏｕｔを「外周局所火炎温度Ｔｏｕｔ」と、それぞれ記す。

【0040】

外周燃料比率Ｒ（％）は、メインバーナ外周に供給される燃料の流量（メインバーナ外周の燃料流量）とメインバーナ内周に供給される燃料の流量（メインバーナ内周の燃料流量）とを用いて、式（１）で定義される。

【0041】

【数1】

【0042】

上述の通り、負荷を部分負荷条件から定格負荷条件に上昇させる過程（ステップ（ｃ）〜（ｆ））では、メインバーナ外周への燃料流量が増加し、外周燃料比率Ｒが増加するため、図４Ａのように、比率Ｒの増加とともに、外周局所火炎温度Ｔｏｕｔが増加し、内周局所火炎温度Ｔｉｎが減少する。

【0043】

図４Ａに示すように、外周燃料比率ＲがＲｍのときに、定格負荷条件で均一希薄燃焼となる、すなわちＴｏｕｔ＝Ｔｉｎ（＝Ｔｍとする）となるものとする。また、外周燃料比率Ｒを増加していくときに、燃焼器３の内部で圧力変動が発生し始めるときの外周局所火炎温度ＴｏｕｔをＴｉｃ、圧力変動がなくなるときの外周局所火炎温度ＴｏｕｔをＴｃとする。さらに、外周局所火炎温度ＴｏｕｔがＴｉｃのときの外周燃料比率ＲをＲｉｃ、外周局所火炎温度ＴｏｕｔがＴｃのときの外周燃料比率ＲをＲｃとする。すなわち、外周燃料比率ＲがＲｉｃとＲｃの間の範囲が、圧力変動が発生する範囲（圧力変動発生域）である。

【0044】

Ｒ＝Ｒｍになるように外周燃料比率Ｒを増加させ、外周局所火炎温度Ｔｏｕｔが増加すると、メインバーナ３３での燃料の不完全燃焼の状態（Ｒ≦Ｒｉｃ、Ｔｏｕｔ≦Ｔｉｃ）から完全燃焼の状態（Ｒ≧Ｒｃ、Ｔｏｕｔ≧Ｔｃ）に移行していく。

【0045】

図４Ｂには、不完全燃焼の状態と完全燃焼の状態でのメインバーナ３３の火炎（不安定火炎９１と安定火炎９２）も示している。不完全燃焼の状態では、メインバーナ外周の燃料で形成される火炎は量が少なくて温度が低いので不安定であり、圧縮空気１０２に流されて火炎面が下流に向かって長くなる不安定火炎９１が形成される。一方、完全燃焼の状態では、メインバーナ外周の燃料で形成される火炎は量が多くて温度が高いので安定化し、圧縮空気１０２に流されずに周囲に広がって火炎面が上流に位置する安定火炎９２が形成される。

【0046】

負荷の上昇とともに外周燃料比率Ｒが増加すると、メインバーナ３３の火炎が不安定火炎９１から安定火炎９２に遷移するが、その遷移領域（図４ＡのＲｉｃ≦Ｒ≦Ｒｃの領域）では、不安定火炎９１と安定火炎９２の２つの状態が混在し、火炎が不安定な状態となる。

【0047】

さらに、空気孔プレート２０と主室ライナ１２の接合部には、空気孔２１から噴出した空気流（圧縮空気１０２の流れ）により、再循環流８０が形成される。再循環流８０が形成された領域では、空気の流れが低速のため、火炎の伝播速度が空気流速を上回る。このため、再循環流８０には、火炎が侵入して付着火炎９０が形成される。

【0048】

付着火炎９０の基点である再循環流８０は、乱流状態の空気流により形成されたものであるため脈動しており、付着火炎９０も脈動する。この結果、外周燃料比率ＲをＲｍまで増加させていくと、付着火炎９０の脈動と上述の遷移領域でのメインバーナ３３の火炎の挙動とが連動し、燃焼器３の内部で圧力変動が発生する。外周燃料比率ＲをＲｍまで増加させる過程で圧力変動が発生すると、圧力変動が発生したときの比率Ｒ以上に比率Ｒを増加させることができない。この結果、定格負荷条件での運転まで負荷を上昇させることができず、ガスタービン４の運転可能な負荷の範囲が限定される。

【0049】

このように、燃焼器３の圧力変動は、再循環流８０を基に発生する付着火炎９０が原因の１つである。したがって、この圧力変動を抑制するためには、再循環流８０の発生を防止する必要がある。

【0050】

そこで、本実施例では、空気孔プレート２０と主室ライナ１２との接合部に傾斜部材７０を設置することで、再循環流８０の発生を防止する。傾斜部材７０は、本実施例では燃焼室５の周方向の全てにわたって設置する。

【0051】

図５は、空気孔プレート２０と主室ライナ１２との接合部に傾斜部材７０を設置した構成における、１つのメインバーナ３３の拡大図であり、図４Ｂと同様に、燃焼室５の中心軸を含む面におけるメインバーナ３３の断面図である。傾斜部材７０は、空気孔プレート２０と主室ライナ１２との接合部を覆う部材であり、空気孔プレート２０と主室ライナ１２とを接続する接続面７２を有する。空気孔プレート２０と主室ライナ１２との接続面７２の形状は、平面状または曲面状（燃焼室５の中心軸を含む断面において直線状または曲線状）である。すなわち、傾斜部材７０は、空気孔プレート２０と主室ライナ１２とを直線状または曲線状に接続して、空気孔プレート２０と主室ライナ１２との接合部を覆うための部材である。図５には、一例として、接続面７２の形状が平面（燃焼室５の中心軸を含む断面において直線状）の構成を示している。

【0052】

傾斜部材７０が空気孔プレート２０と主室ライナ１２とを曲線状に接続する構成の場合には、接続面７２の形状を、空気孔プレート２０と主室ライナ１２とを滑らかに接続する曲面形状にすることもでき、空気孔２１から噴出した空気流に沿うような形状（例えば、流線形の面）にすることもできる。

【0053】

傾斜部材７０が空気孔プレート２０と主室ライナ１２とを直線状に接続する構成の場合における、接続面７２の空気孔プレート２０に対する角度や、傾斜部材７０が空気孔プレート２０と主室ライナ１２とを曲線状に接続する構成の場合における、接続面７２の形状は、事前のシミュレーションや試験により適切に定めることができる。

【0054】

図５を用いて、傾斜部材７０の効果を説明する。傾斜部材７０は、空気孔プレート２０と主室ライナ１２との接合部、すなわち、図４Ｂを用いて説明した再循環流８０が形成された領域に設置されている。空気孔２１から噴出した空気流は、傾斜部材７０の接続面７２に沿って流れる。このため、傾斜部材７０を設けると、図４Ｂで再循環流８０が形成された領域に再循環流８０が形成されることはない。接続面７２に沿って流れる空気流の速度は十分に速いため、付着火炎９０の形成を防止でき、この結果、燃焼器３の圧力変動の発生を抑制できる。

【0055】

以上説明したように、本実施例によるガスタービン燃焼器では、部分負荷条件での運転から定格負荷条件での運転へ負荷を上昇させる過程で、圧力変動の発生を防止することができる。この結果、ガスタービン燃焼器の構造信頼性と、ガスタービンの運転可能な負荷の範囲とを十分に確保することができる。

【実施例2】

【0056】

本発明の実施例２によるガスタービン燃焼器について説明する。実施例１による燃焼器３では、空気孔プレート２０と主室ライナ１２との接合部に、燃焼室５の全周にわたって傾斜部材７０が設けられる。本実施例による燃焼器３では、空気孔プレート２０と主室ライナ１２との接合部に、燃焼室５の周方向の一部に傾斜部材が設けられ、この点のみが実施例１による燃焼器３と異なる。以下では、この相違点のみについて説明する。

【0057】

図６は、図２と同様に、燃焼室５から見たバーナ８の正面図である。本実施例による燃焼器３は、空気孔プレート２０と主室ライナ１２との接合部のうち、空気孔プレート２０上の燃焼室５の中心軸（油ノズル４０の位置）から見て、メインバーナ３３の空気孔群５１、５２、５３が位置する領域に傾斜部材７１を備える。図６では、バーナ８に６つのメインバーナ３３が設けられているので、傾斜部材７１も６箇所に設けられている。

【0058】

実施例１で述べたように、燃焼器３の内部での圧力変動は、付着火炎９０とメインバーナ３３の火炎との連動により発生する。したがって、空気孔プレート２０と主室ライナ１２との接合部のうち、メインバーナ３３の火炎が存在する領域にのみ、傾斜部材７１を設けても、実施例１と同様に、燃焼器３の圧力変動の発生を抑制できる。このため、本実施例では、空気孔プレート２０と主室ライナ１２との接合部のうち、空気孔プレート２０上の燃焼室５の中心軸から見て、メインバーナ３３の空気孔群５１、５２、５３が位置する領域（すなわち、メインバーナ３３の火炎が存在する領域）にのみ、傾斜部材７１を設ける。

【0059】

本実施例のように傾斜部材７１の設置位置を限定することで、材料費の削減、及び構造重量の低減という効果も得られる。

【符号の説明】

【0060】

１…ガスタービンプラント、２…空気圧縮機、３…燃焼器、４…ガスタービン、５…燃焼室、６…発電機、７…ガスタービン起動用モータ、８…バーナ、１０…外筒、１２…燃焼器ライナ（主室ライナ）、２０…空気孔プレート、２１…空気孔、２２…燃料ノズル、２３…燃料分配器、３２…パイロットバーナ、３３…メインバーナ、４０…油ノズル、５１…１列目空気孔群、５２…２列目空気孔群、５３…３列目空気孔群、５４、５５…空気孔群、６０…燃料遮断弁、６１、６２、６３…燃料制御弁、６５…燃料遮断弁、６６…燃料制御弁、７０、７１…傾斜部材、７２…接続面、８０…再循環流、９０…付着火炎、９１…不安定火炎、９２…安定火炎、１０１…空気、１０２…圧縮空気、１０３…冷却空気、１１０…燃焼ガス、１１１…排気ガス、２００、２０１、２０２、２０３…ガス燃料、２１０…起動用油燃料、２２０…ガス燃料タンク、２３０…油燃料タンク。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】