特許 6484546 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】6484546

(24)【登録日】2019年2月22日

(45)【発行日】2019年3月13日

(54)【発明の名称】ガスタービン燃焼器

(51)【国際特許分類】

   F23R 3/06 20060101AFI20190304BHJP

   F23R 3/10 20060101ALI20190304BHJP

   F23R 3/28 20060101ALI20190304BHJP

   F23R 3/32 20060101ALI20190304BHJP

【ＦＩ】

   F23R3/06

   F23R3/10

   F23R3/28 D

   F23R3/32

【請求項の数】8

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2015-222999(P2015-222999)

(22)【出願日】2015年11月13日

(65)【公開番号】特開2017-90000(P2017-90000A)

(43)【公開日】2017年5月25日

【審査請求日】2018年5月8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

(72)【発明者】

【氏名】穐山 恭大

(72)【発明者】

【氏名】林 明典

(72)【発明者】

【氏名】浅井 智広

【審査官】 高吉 統久

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−０６２７０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０７４７０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１０８４２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０００５２３３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０２４５７３８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２３Ｒ ３／０６

Ｆ２３Ｒ ３／１０

Ｆ２３Ｒ ３／２８

Ｆ２３Ｒ ３／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内部に燃焼室を形成する内筒と、
前記内筒の外周側を覆う外筒と、
前記内筒と前記外筒の間に形成され、圧縮空気が流れる環状流路と、
前記外筒の前記圧縮空気の流れ方向の下流側に設けられたエンドカバーと、
前記エンドカバーに支持され、燃料を噴射する複数の燃料ノズルと、
前記複数の燃料ノズルに対応して形成された複数の空気孔を有し、前記複数の燃料ノズルの前記燃料の流れ方向の下流側に設けられた空気孔プレートと、
前記空気孔プレートの外周側を覆うプレートリップと、
前記プレートリップの外周面と前記内筒の間に形成され、前記燃焼室の前記プレートリップ側の部分の外周部に前記圧縮空気を供給する外周流路とを備え、
前記空気孔プレートの外周面は、前記プレートリップに接合する第１面と、前記第１面の前記燃料の流れ方向の下流側に設けられ、前記プレートリップの内周面との間に空間を形成するように前記第１面よりも前記空気孔プレートの径方向内側に位置する第２面とを備え、
前記外周流路と前記空間とを連通する連通孔が前記プレートリップ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、
前記連通孔は、前記プレートリップの周方向に等間隔に複数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3】

請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
前記空気孔プレートは、複数の前記空気孔からなる中央空気孔群と、複数の前記空気孔からなり、前記中央空気孔群を囲うように形成された複数の外周空気孔群と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３に記載のガスタービン燃焼器において、
前記連通孔は、前記プレートリップの周方向において、前記外周空気孔群と対応する位置にそれぞれ複数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5】

請求項３に記載のガスタービン燃焼器において、
前記空気孔プレートと同軸に配置され、前記燃焼室に他の燃料を噴射する中央燃料ノズルを更に備え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５に記載のガスタービン燃焼器において、
前記連通孔は、隣り合う２つの前記外周空気孔群の間に対応する位置にそれぞれ複数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7】

請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
前記燃料は水素を含有することを特徴とするガスタービン燃焼器。

【請求項8】

空気を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機から供給される圧縮空気を燃料と混合して燃焼する請求項１に記載のガスタービン燃焼器と、
前記ガスタービン燃焼器から供給される燃焼ガスで駆動されるタービンとを備えたことを特徴とするガスタービンプラント。

【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】

ガスタービン発電プラントでは、地球温暖化の原因となる二酸化炭素（ＣＯ_２）の排出量を削減すべく、発電効率を向上させたり、化石燃料の代わりに水素を含んだ燃料（以下、水素含有燃料）をガスタービン燃焼器の燃料として利用することが検討されている。

【0003】

一般的に、発電効率を向上させるためには、タービンの入口温度（以下、タービン入口温度）を高くすることが有効である。しかしながら、タービン入口温度を高くすると環境汚染物質である窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量が増加する。そのため、タービン入口温度を高くしつつ、ＮＯｘ排出量を低減させる必要がある。

【0004】

ＮＯｘ排出量を低減させる方法として、燃料噴流と燃焼用空気流路を同軸上に配置し、燃料流を空気流が包み込むような同軸の噴流として燃焼室に供給する方法がある（特許文献１等を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【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】

【0006】

特許文献１では、燃焼室側に臨むバーナ壁面に分散させて配置した多数の空気流路から燃焼室に燃料を噴出させるため、上記バーナ壁面の広い範囲で温度が上昇し、バーナ壁面は径方向外側に膨張（熱伸び）する。

【0007】

しかしながら、一般的に、バーナ壁面の外周部は固定部材で拘束されているため、昇温に伴ってバーナ壁面が膨張するとバーナ壁面と固定部材との接合部で熱応力が発生する。この熱応力はガスタービンの起動毎に発生し得るため、前出の接合部に繰り返し荷重がかかりガスタービン燃焼器の信頼性を低下させ得る。

【0008】

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、バーナに発生する熱応力を低減し、ガスタービン燃焼器の信頼性を確保することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するために、本発明に係るガスタービン燃焼器は、内部に燃焼室を形成する内筒と、前記内筒の外周側を覆う外筒と、前記内筒と前記外筒の間に形成され、圧縮空気が流れる環状流路と、前記外筒の前記圧縮空気の流れ方向の下流側に設けられたエンドカバーと、前記エンドカバーに支持され、燃料を噴射する複数の燃料ノズルと、前記複数の燃料ノズルに対応して形成された複数の空気孔を有し、前記複数の燃料ノズルの前記燃料の流れ方向の下流側に設けられた空気孔プレートと、前記空気孔プレートの外周側を覆うプレートリップと、前記プレートリップの外周面と前記内筒の間に形成され、前記燃焼室の前記プレートリップ側の部分の外周部に前記圧縮空気を供給する外周流路とを備え、前記空気孔プレートの外周面は、前記プレートリップに接合する第１面と、前記第１面の前記燃料の流れ方向の下流側に設けられ、前記プレートリップの内周面との間に空間を形成するように前記第１面よりも前記空気孔プレートの径方向内側に位置する第２面とを備え、前記外周流路と前記空間とを連通する連通孔が前記プレートリップに設けられていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、バーナに発生する熱応力を低減し、ガスタービン燃焼器の信頼性を確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の第１実施形態に係る燃焼器を適用したガスタービンプラントの一構成例を表す図である。

【図2】本発明の第１実施形態に係る燃焼器のバーナ付近の構造を示す部分断面図である。

【図3】本発明の第１実施形態に係る空気孔プレートを燃焼ガス下流側から見た図である。

【図4】図２の点線で囲んだ領域Ａの拡大図である。

【図5】図４のＶ−Ｖ線の矢視断面図である。

【図6】比較例に係る燃焼器のバーナ付近の構造を示す部分断面図である。

【図7】本発明の第２実施形態に係る燃焼器のバーナ付近の構造を示す部分断面図である。

【図8】本発明の第２実施形態に係る空気孔プレートを燃焼ガス下流側から見た図である。

【図9】本発明の第３実施形態に係る空気孔プレートを燃焼ガス下流側から見た図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

＜第１実施形態＞
（構成）
１．ガスタービンプラント
図１は、本実施形態に係るガスタービン燃焼器（以下、燃焼器）を適用したガスタービンプラントの一構成例を表す図である。図１に示すように、本実施形態に係るガスタービンプラント１は、圧縮機２、燃焼器３、タービン４及び発電機１１を備えている。

【0013】

圧縮機２は、吸気部（不図示）を介して吸い込まれた空気１０１を圧縮して高圧の圧縮空気（燃焼空気）１０２を生成し、燃焼器３に供給する。燃焼器３は、圧縮機２から供給された圧縮空気１０２と燃料系統２００（後述する）から供給された燃料とを混合して燃焼し、高温の燃焼ガス１１０を生成してタービン４に供給する。タービン４は、燃焼器３から供給された燃焼ガス１１０が膨張することにより回転駆動される。タービン４を駆動した燃焼ガス１１０は、排出ガス１１３としてタービン４から排出される。発電機１１は、タービン４と同軸に連結され、タービン４の回転動力を電力に変換する。なお、本実施形態では、圧縮機２、タービン４及び発電機１１はシャフト１５により相互に連結されている。

【0014】

２．燃焼器
燃焼器３は、ガスタービンのケーシング１６に取り付けられている。燃焼器３は、尾筒（トランジションピース）６、エンドカバー７、バーナ８、ディフューザ９、外筒１０、内筒（燃焼器ライナ）１２、車室１３、ライナフロースリーブ１４、トランジションピースフロースリーブ１９及び燃料系統２００を備えている。

【0015】

内筒１２は、バーナ８の燃焼ガス１１０の流れ方向の下流側に設けられている。以下、燃焼ガス１１０の流れ方向の「上流」「下流」を「燃焼ガス上流」「燃焼ガス下流」と言う。内筒１２は円筒状に形成され、圧縮機２から供給される圧縮空気１０２と燃焼器３で生成される燃焼ガス１１０とを隔てている。内筒１２の外周側に外筒１０及びライナフロースリーブ１４が設けられている。外筒１０は、内筒１２の外周側の燃焼ガス上流側を覆うように円筒状に形成されている。ライナフロースリーブ１４は、外筒１０の燃焼ガス下流側に設けられている。ライナフロースリーブ１４は、内筒１２の外周側の燃焼ガス下流側を覆うように円筒状に形成されている。内筒１２と外筒１０及びライナフロースリーブ１４との間に形成される環状の空間は、圧縮機２から燃焼器３に供給される圧縮空気１０２が流れる環状流路（第１環状流路）１７を構成している。本実施形態では、圧縮機２から燃焼器３に供給された圧縮空気１０２は、ディフューザ９を通って車室１３に導かれる。ディフューザ９は、圧縮機２から燃焼器３に供給された圧縮空気１０２を減速させて、圧力を回復する機能を有している。車室１３に導かれた圧縮空気１０２の一部は、車室１３から第１環状流路１７に流入する。第１環状流路１７を流れる圧縮空気１０２は、内筒１２の外周面側から内筒１２を対流冷却する。内筒１２の壁面には多数の孔（不図示）が形成されている。第１環状流路１７を流れる圧縮空気１０２の一部は、内筒１２の壁面に形成された多数の孔から内筒１２の内部へ冷却空気１０３として流入し、内筒１２の内周面のフィルム冷却に使用される。第１環状流路１７を流れる圧縮空気１０２のうち内筒１２のフィルム冷却に使用されなかった分は、燃焼用空気１０４として第１環状流路１７を流れてバーナ８に到達する。バーナ８に到達した燃焼用空気１０４は、燃料系統２００からバーナ８に供給された燃料と共に燃焼室５（後述する）内に噴射され、燃焼される。エンドカバー７は、外筒１０の第１環状流路１７を流れる圧縮空気１０２の流れ方向の下流側（以下、圧縮空気下流側）に設けられている。エンドカバー７は、外筒１０の圧縮空気下流側の端部を閉止している。

【0016】

内筒１２の内部には燃焼室５が形成されている。燃焼室５では、圧縮機２から供給された圧縮空気１０２と燃料系統２００から供給された燃料との混合気が燃焼され、燃焼ガス１１０が生成される。内筒１２のバーナ８から遠い側（燃焼ガス下流側）には、尾筒６の一端が挿し込まれている。尾筒６の他端は、燃焼器３とタービン４とを接続する管路（不図示）に接続している。尾筒６は、燃焼室５で発生した燃焼ガス１１０をタービン４に導く機能を有する。ライナフロースリーブ１４の下流側にトランジションピースフロースリーブ１９が設けられている。トランジションピースフロースリーブ１９は、尾筒６の外周側を覆うように円筒状に形成されている。尾筒６とトランジションピースフロースリーブ１９との間に形成される環状の空間は、車室１３から流入した圧縮空気１０２を第１環状流路１７に導く環状流路（第２環状流路）１８を構成している。つまり、車室１３に導かれた圧縮空気１０２のうち第２環状流路１８に流入した分は、第２環状流路１８を経由して第１環状流路１７に導かれる。第２環状流路１８を流れる圧縮空気１０２は、尾筒６の外周面側から尾筒６を対流冷却する。

【0017】

燃料系統２００は、燃料供給源２１０、共通燃料系統２１１及び第１，２燃料系統２０１，２０２を備えている。燃料供給源２１０は、第１，２燃料系統２０１，２０２に供給される燃料の供給源である。共通燃料系統２１１は、燃料供給源２１０に接続している。共通燃料系統２１１には、燃料遮断弁（開閉弁）６０が設けられている。第１，２燃料系統２０１，２０２は、共通燃料系統２１１から並列に分岐し、エンドカバー７の内部に設けられた燃料ヘッダ２３（第１，２燃料ヘッダ２３Ａ，２３Ｂ）に接続している。このように、燃料系統を複数（本実施形態では２つ）とすることにより、ガスタービンプラント１の運転の自由度を高めることができる。なお、共通燃料系統２１１から分岐する燃料系統の数は２つに限定されない。第１燃料系統２０１には、第１燃料圧力調整弁６１ａ及び第１燃料流量調整弁６１ｂが設けられている。第２燃料系統２０２には、第２燃料圧力調整弁６２ａ及び第２燃料流量調整弁６２ｂが設けられている。第１，２燃料圧力調整弁６１a、６２a及び第１，２燃料流量調整弁６１ｂ、６２ｂは、個別に制御可能に構成されている。

【0018】

燃料供給源２１０から第１，２燃料系統２０１，２０２を通じて第１，２燃料ヘッダ２３Ａ，２３Ｂに供給された燃料は、燃料ノズル２２（後述する）の先端から噴射されて燃焼室５に供給される。第１燃料系統２０１を通じて第１燃料ヘッダ２３Ａに供給される燃料（以下、Ｆ１燃料）の流量は、第１燃料流量調整弁６１ｂによって調整される。同様に、第２燃料系統２０２を通じて第２燃料ヘッダ２３Ｂに供給される燃料（以下、Ｆ２燃料）の流量は、第２燃料流量調整弁６２ｂによって調整される。本実施形態では、第１，２燃料流量調整弁６１ｂ、６２ｂによりＦ１，Ｆ２燃料の流量を個別に調節することで、ガスタービンプラント１の発電量が制御される。なお、Ｆ１，Ｆ２燃料には、例えば、コークス炉ガス、製油所オフガス、石炭ガス化ガス等の水素含有燃料や液化天然ガス（ＬＮＧ）などのガス燃料を採用することができる。

【0019】

３．バーナ
図２は本実施形態に係る燃焼器のバーナ付近の構造を示す部分断面図である。

【0020】

図２に示すように、バーナ８は、内筒１２の中心軸（不図示）を中心とした同心円状の複数（本実施形態では３つ）の環状列に区分されており、これら複数の環状列を内周側から外周側に向かって第１列、第２列、第３列と適宜称する。

【0021】

本実施形態では、複数の環状列のうち最も内側の領域を構成する第１列が第１バーナ８Ａを構成し、第２列が第２バーナ８Ｂを構成し、第３列が第３バーナ８Ｃを構成している。第１バーナ８Ａに上述した第１燃料ヘッダ２３Ａを介してＦ１燃料が供給され、第２，３バーナ８Ｂ，８Ｃに上述した第２燃料ヘッダ２３Ｂを介してＦ２燃料が供給される。第１〜３バーナ８Ａ〜８Ｃに供給されたＦ１，２燃料は、燃料ノズル２２に流入して燃焼室５に噴射される。バーナ８は、複数の燃料ノズル２２、空気孔プレート２０及びプレートリップ２５を備えている。

【0022】

３−１．燃料ノズル
複数の燃料ノズル２２は、エンドカバー７に支持されている。複数の燃料ノズル２２は円筒状に形成されており、燃料系統２００（図１を参照）から供給された燃料を空気孔プレート２０に向かって噴射する。複数の燃料ノズル２２は、同心円状に第１〜３列に配置されており、各列において周方向に間隔をあけて複数設けられている（環状に配置されている）。

【0023】

３−２．空気孔プレート
空気孔プレート２０は、内筒１２と同軸の円盤状のプレートであって、複数の燃料ノズル２２に対して燃料の流れ方向の下流側に配置されている。以下、燃料の流れ方向の「上流」「下流」を「燃料上流」「燃料下流」と言う。空気孔プレート２０の外周側にプレートリップ２５が設けられている。

【0024】

図４は、図２の点線で囲んだ領域Ａの拡大図である。図４に示すように、空気孔プレート２０の外周面は、プレートリップ２５に接合する第１外周面（第１面）２８と、第１面２８の燃料下流側に設けられ、プレートリップ２５の内周面との間に空間４０を形成するように第１面２８よりも空気孔プレート２０の径方向内側に位置する第２外周面（第２面）２９とを備えている。つまり、空気孔プレート２０の第２面２９は空間４０を挟んでプレートリップ２５の内周面と対向するように形成されており、空気孔プレート２０は第１面２８を介してプレートリップ２５に支持されている。

【0025】

図３は、本実施形態に係る空気孔プレートを燃焼ガス下流側から見た図である。

【0026】

図３に示すように、空気孔プレート２０には、複数の燃料ノズル２２に対応する複数の空気孔２１が形成されている。つまり、複数の空気孔２１は、第１〜３列に同心円状に配置され、各空気孔列の全周に渡って設けられている（環状に配置されている）。複数の空気孔２１は、１つの空気孔が１つの燃料ノズル２２の燃料下流側にその燃料ノズル２２に対応して配置されている。本実施形態では、複数の燃料ノズル２２の先端が複数の空気孔２１に挿し込まれている。なお、空気孔プレート２０を複数の燃料ノズル２２の先端から離間して配置し、複数の燃料ノズル２２の先端が複数の空気孔２１に挿し込まれないように構成しても良い。

【0027】

複数の空気孔２１は、燃料上流側及び下流側の開口部を構成する２つの楕円と母線とが直交しない斜円柱状に形成されている。以下、空気孔３３Ｂの燃料上流側の開口部を「入口」、燃料下流側の開口部を「出口」と言う。複数の空気孔２１は、旋回角を有する旋回空気孔であり、出口が入口に対して空気孔プレート２０の周方向にずれている。つまり、複数の空気孔２１は、入口及び出口の中心を結んで得られる中心軸が空気孔プレート２０に対して周方向に傾斜するように形成されている。そのため、複数の空気孔２１に流入した燃焼用空気１０４には旋回成分が付与される。上述したように、空気孔プレート２０は内筒１２と同軸に配置されているので、複数の空気孔２１から燃焼室５に噴出した燃焼用空気１０４は内筒１２の中心軸周りに旋回する。これにより、燃焼室５内に循環渦８０が形成され、火炎８３が安定化される。

【0028】

３−３．プレートリップ
図２に示すように、プレートリップ２５は、空気孔プレート２０の外周側を覆うように円筒状に形成されている。プレートリップ２５は、スプリングシール２６を介して内筒１２の内側に保持されている。スプリングシール２６は、プレートリップ２５の外周面と内筒１２の内周面との間に設けられている。プレートリップ２５の外周面と内筒１２の内周面との間に形成される環状の空間は、燃焼用空気１０４の一部をリップ冷却空気１０５として燃焼室５のプレートリップ２５側の外周部に供給する外周流路２７を構成している。スプリングシール２６には、外周流路２７を流れるリップ冷却空気１０５が流通可能な孔部（不図示）が形成されている。プレートリップ２５の燃料上流側の端部は、燃料の流れ方向において、空気孔プレート２０の燃料上流側の端部と一致している。一方、プレートリップ２５の燃料下流側の端部は、燃料の流れ方向において、空気孔プレート２０の燃料下流側の端部よりも燃焼ガス下流側に延在して（突出して）設けられている。空気孔プレート２０に対してプレートリップ２５の燃料の流れ方向における厚みを大きく確保することで、プレートリップ２５を介して空気孔プレート２０がスプリングシール２６によって内筒１２に対して確実に保持される。なお、本実施形態では、プレートリップ２５は空気孔プレート２０と同じ材質で形成されている。

【0029】

図４に示すように、プレートリップ２５には、連通孔４１が形成されている。連通孔４１は、空気孔プレート２０の第２面２９に対向する位置に、プレートリップ２５を空気孔プレート２０の径方向に貫通するように設けられており、外周流路２７と空間４０とを連通している。そのため、外周流路２７を流れるリップ冷却空気１０５の一部は、連通孔４１を介して循環流用空気１０６として空間４０に導かれる。空間４０に導かれた循環流用空気１０６は、空間４０をプレートリップ２５の軸方向に流れて空間４０から燃焼室５に流入し、プレートリップ２５の内周面に沿って燃焼室５を流れる。

【0030】

図５は、図４のＶ−Ｖ線の矢視断面図である。図５に示すように、本実施形態では、連通孔４１はプレートリップ２５の周方向に等間隔に複数設けられている。

【0031】

（動作）
本実施形態に係るバーナ８の周辺における燃料と空気の流れについて図２を参照して説明する。

【0032】

図２に示すように、内筒１２のフィルム冷却に利用されなかった圧縮空気１０２は、第１環状流路１７をバーナ８に向かって流れる。その後、この圧縮空気１０２は、エンドカバー７で堰き止められて転向し、燃焼用空気１０４として空気孔プレート２０の空気孔２１に流入する。この燃焼用空気１０４の一部は、リップ冷却空気１０５として外周流路２７に流入し、第１環状流路１７を流れる圧縮空気１０２の流れ方向と逆向きに流れる。リップ冷却空気１０５は、スプリングシール２６の孔部を通り抜けて、燃焼室５の外周部に噴射される。また、外周流路２７を流れるリップ冷却空気１０５の一部は、循環流用空気１０６としてプレートリップ２５に形成された連通孔４１を介して空間４０に導かれ、プレートリップ２５の内周面に沿って燃焼室５に流入する。

【0033】

一方、燃料系統２００（図１を参照）から燃料ヘッダ２３を介して燃料ノズル２２に供給された燃料は、燃料ノズル２２の先端の噴射口から空気孔プレート２０の空気孔２１内に噴射される。上述したように、空気孔２１は入口及び出口を構成する２つの楕円と母線とが直交しない斜円柱状に形成されているため、空気孔２１内に噴射された燃料は、燃焼用空気１０４と混合しながら旋回方向の力成分が付与される。そして、空気孔２１の出口から噴出した燃料と燃焼用空気１０４の混合気は燃焼室５内に循環渦８０を形成しながら燃焼され、燃焼室５内に火炎８３が形成される。

【0034】

（効果）
（１）図６は、比較例に係る燃焼器のバーナ付近の構造を示す部分断面図である。

【0035】

図６に示した燃焼器のバーナは、空気孔プレートＰの外周面の全面がプレートリップＬに接合しており、空気孔プレートＰとプレートリップＬとの間に空間は存在せず、本実施形態における連通孔４１に相当する要素もない。

【0036】

比較例に係る燃焼器のバーナでは、空気孔プレートＰの空気孔Ｈの出口付近で形成される火炎Ｆからの熱により空気孔プレートＰの燃焼室Ｃ側に臨む壁面（燃焼室側壁面）の温度が上昇し、空気孔プレートＰに径方向外側への熱伸びＥが生じる（つまり、空気孔プレートＰが径方向外側に膨張する）。しかしながら、上述したように、空気孔プレートＰの外周部はプレートリップＬで拘束されているため、空気孔プレートＰの燃焼室側壁面とプレートリップＬとの接合箇所に熱応力Ｓが発生する。特に、水素含有燃料を燃焼器に供給する燃料として使用する場合、水素は最小着火エネルギー（着火に必要な最小エネルギー）が低く着火し易い上、可燃範囲が広く燃焼速度が速いため、空気孔プレートＰの燃焼室側壁面に火炎Ｆがより接近する可能性がある。この場合、火炎Ｆからの熱量が増加するため、空気孔プレートＰの温度がより上昇し、前出の接合箇所に発生する熱応力Ｓが増加する。上述したように、空気孔プレートＰとプレートリップＬとの接合部に熱応力Ｓが発生すると燃焼器の信頼性が低下し得る。

【0037】

また、比較例に係る燃焼器のバーナでは、プレートリップＬに近い空気孔プレートＰの燃焼室側壁面付近の領域は淀み域となるため、この領域に外側循環流Ｘが生じ得る。この場合、空気孔プレートＰの最外周に配置された空気孔の出口付近で生成された高温の燃焼ガスの一部が、外側循環流Ｘによって、前出の領域に戻される。これにより、空気孔プレートＰの径方向外側の燃焼室側壁面の温度がより上昇し、熱応力Ｓが増加する。

【0038】

これに対し、図４に示すように、本実施形態では、空気孔プレート２０とプレートリップ２５との間に空間４０が形成されている。そのため、空気孔プレート２０に発生した熱伸び９０を空間４０で吸収し、熱応力９１が発生する位置を前出の接合箇所から空間４０の底部（第１面２８と第２面２９を繋ぐ壁面３０と、第２面２９との接続部）に移すことができる。空間４０の底部は空気孔プレート２０の燃焼室側壁面よりも燃焼室５から遠く、燃焼ガスからの伝熱量が小さくなるとともに、エンドカバー７側からの燃焼用空気１０４による冷却作用も増すため、空気孔プレート２０の燃焼室側壁面よりもメタル温度が低くなる。

【0039】

加えて、本実施形態では、プレートリップ２５に外周流路２７と空間４０とを連通する連通孔４１を設けている。そのため、外周流路２７を流れるリップ冷却空気１０５の一部を循環流用空気１０６として空間４０に導き、プレートリップ２５の内周面に沿って燃焼室５に噴射して、比較例で説明した外側循環流Ｘを燃焼ガス下流側に押し流すことができる。これにより、一部の燃焼ガスの逆流による空気孔プレート２０の温度上昇を抑制することができる。また、循環流用空気１０６をプレートリップ２５の内周面に沿って燃焼室５に噴射することにより、プレートリップ２５の内周面を冷却できると同時にプレートリップ２５への火炎８３の接近を抑制することができる。更に、循環流用空気１０６を空間４０に導くことにより、空間４０の底部及び空気孔プレート２０を冷却することができる。

【0040】

以上のことから、空気孔プレート２０の空間４０の底部に発生する熱応力９１を低減し、燃焼器３の信頼性を確保することができる。

【0041】

（２）本実施形態では、連通孔４１をプレートリップ２５の周方向に等間隔に複数設けている。そのため、燃焼室５に対する循環流用空気１０６の噴射位置の偏りを抑え、空気孔プレート２０の温度上昇を均一に抑制することができる。

【0042】

＜第２実施形態＞
（構成）
図７は本実施形態に係る燃焼器のバーナ付近の構造を示す部分断面図、図８は本実施形態に係る空気孔プレートを燃焼ガス下流側から見た図である。図７，８において、上記第１実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

【0043】

本実施形態に係る燃焼器は、複数の燃料ノズルと空気孔とを配置して構成されたバーナを複数備えたいわゆるマルチ噴射式ガスタービン燃焼器であって、燃料系統２００の代わりに燃料系統２５０及び起動燃料系統２６０を備え、起動ノズル２４を更に備える点で第１実施形態に係る燃焼器３と異なる。その他の構成は、第１実施形態に係る燃焼器３と同様である。また、本実施形態に係る燃焼器を備えたガスタービンプラントの構成も第１実施形態に係るガスタービンプラント１と同様である。

【0044】

図７，８に示すように、本実施形態に係る燃焼器は、燃焼室５の上流側に内筒１２と同軸に配置された１つのバーナ（中央バーナ）３２と、中央バーナ３２の周囲に配置された６つのバーナ（外周バーナ）３３とを備えている。

【0045】

中央バーナ３２は、例えば、ガスタービンの起動時に用いられたり、負荷運転時に燃焼器全体の燃焼安定性を確保するために用いられる。中央バーナ３２は、本実施形態では同心円状の２つの環状列に区分されており、各環状列を内周側から外周側に向かって第１列、第２列と適宜称する。中央バーナ３２は、起動ノズル２４と、第１，２列に配置された複数の燃料ノズル２２と、第１，２列に配置された複数の空気孔２１からなる中央空気孔群４２とを備えている。

【0046】

起動ノズル（中央燃料ノズル）２４は、燃焼室５に起動燃料を供給するものである。起動ノズル２４は、エンドカバー７により内筒１２と同軸に支持されている。つまり、起動ノズル２４は、その先端部が空気孔プレート２０の中心に位置するように設けられている。中央空気孔群４２は、空気孔プレート２０の中央に形成されている。

【0047】

外周バーナ３３は、本実施形態では同心円状の３つの環状列に区分されており、各環状列を内周側から外周側に向かって第１列、第２列、第３列と適宜称する。外周バーナ３３は、第１〜３列に配置された複数の燃料ノズル２２と、第１〜３列に配置された複数の空気孔２１からなる外周空気孔群４４とを備えている。

【0048】

外周空気孔群４４は、空気孔プレート２０の中央空気孔群４２の外周側に中央空気孔群４２を囲うように形成されている。本実施形態では、中央バーナ３２及び外周バーナ３３は空気孔プレート２０を共用している。

【0049】

図７に示すように、燃料系統２５０は、燃料供給源２１０、共通燃料系統２１１及び第３〜５燃料系統２０３〜２０５を備えている。第３〜５燃料系統２０３〜２０５は、共通燃料系統２１１から並列に分岐している。第３〜５燃料系統２０３〜２０５は、エンドカバー７の内部に設けられた燃料ヘッダ４３（第３〜５燃料ヘッダ４３Ａ〜４３Ｃ）に接続している。第３燃料系統２０３には第３燃料圧力調整弁７３ａ及び第３燃料流量調整弁７３ｂ、第４燃料系統２０４には第４燃料圧力調整弁７４ａ及び第４燃料流量調整弁７４ｂ、第５燃料系統２０５には第５燃料圧力調整弁７５ａ及び第５燃料流量調整弁７５ｂがそれぞれ設けられている。第３〜５燃料圧力調整弁７３a〜７５a及び第３〜５燃料流量調整弁７３ｂ〜７５ｂは、個別に制御可能に構成されている。

【0050】

燃料供給源２１０から第３〜５燃料系統２０３〜２０５を通じて第３〜５燃料ヘッダ４３Ａ〜４３Ｃに供給された燃料は、燃料ノズル２２の先端から噴射されて燃焼室５に供給される。第３燃料系統２０３を通じて第３燃料ヘッダ４３Ａに供給される燃料（以下、Ｆ３燃料）の流量は、第３燃料流量調整弁７３ｂによって調整される。同様に、第４，５燃料系統２０４，２０５を通じて第４，５燃料ヘッダ４３Ｂ，４３Ｃに供給される燃料（以下、Ｆ４，Ｆ５燃料）の流量は、第４，５燃料流量調整弁７４ｂ，７５ｂによって調整される。第３〜５燃料流量調整弁７３ｂ〜７５ｂによりＦ３〜Ｆ５燃料の流量を個別に調節することで、ガスタービンの運転状態に応じて、各バーナの環状列に供給する燃料流量を制御することができる。例えば、外周バーナ３３の１列目から噴射される燃料は火炎の起点を形成し得るため、外周バーナ３３の１列目に供給する燃料流量を個別に制御することができると、火炎の起点を強固にして、より広い負荷範囲に対して安定燃焼を維持することができる。

【0051】

起動燃料系統２６０は、起動燃料供給源２７０及び起動系統２０６を備えている。起動燃料供給源２７０は、起動系統２０６に供給される起動燃料の供給源である。起動系統２０６は、起動燃料供給源２７０と起動ノズル２４を接続している。起動系統２０６には、起動燃料圧力調整弁７６ａ及び起動燃料流量調整弁７６ｂが設けられている。

【0052】

起動燃料供給源２７０から起動系統２０６を通じて起動ノズル２４に供給された起動燃料は、起動ノズル２４の先端から噴射されて燃焼室５に供給される。起動系統２０６を通じて起動ノズル２４に供給される起動燃料の流量は、起動燃料流量調整弁７６ｂによって調整される。なお、起動燃料には、例えば、軽油、重油等の液体燃料を採用することができる。

【0053】

図８に示すように、本実施形態では、連通孔４１は、プレートリップ２５の周方向において、外周空気孔群４４と対応する位置にそれぞれ複数（図８では各５つ）設けられている。すなわち、連通孔４１は、プレートリップ２５の周方向において、外周空気孔群４４と同位相に設けられていて、隣り合う２つの外周バーナ３３の間に対応する位置には設けられていない。

【0054】

（効果）
本実施形態のように、マルチ噴射式ガスタービン燃焼器の場合でも第１実施形態と同様の効果が得られる。加えて、本実施形態では、以下の効果が得られる。

【0055】

第１実施形態で説明したように、空気孔２１は入口及び出口の中心を結んで得られる中心軸が空気孔プレート２０に対して周方向に傾斜して形成されている。そのため、外周空気孔群４４の最外周に配置された空気孔２１の一部（プレートリップ２５の内周面に対向する位置に配置されているもの）から噴射された燃料により形成される燃焼ガス（外周バーナ燃焼ガス）１１２が、プレートリップ２５の内周面に接触してプレートリップ２５の内周面を加熱する可能性がある（図８を参照）。

【0056】

これに対し、本実施形態では、連通孔４１を外周空気孔群４４と対応する位置にそれぞれ複数設けているので、連通孔４１から空間４０に流入してプレートリップ２５の内周面に沿って燃焼室５を流れる循環流用空気１０６により、外周バーナ燃焼ガス１１２を燃焼ガス下流側に押し流すことができる。そのため、外周バーナ燃焼ガス１１２によるプレートリップ２５の内周面の加熱を抑制することができる。加えて、循環流用空気１０６が外周バーナ燃焼ガス１１２と混合することにより、外周バーナ燃焼ガス１１２の温度を低減させることができるので、燃焼ガス１１０の温度を局所的に低減してＮＯｘ排出量を抑制することができる。

【0057】

＜第３実施形態＞
（構成）
図９は、本実施形態に係る空気孔プレートを燃焼ガス下流側から見た図である。図９において、上記第２実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

【0058】

本実施形態に係る燃焼器は、連通孔４１を設ける位置が第２実施形態に係る燃焼器と異なる。その他の構成は、第２実施形態に係る燃焼器と同様である。

【0059】

図９に示すように、本実施形態では、連通孔４１は、プレートリップ２５の周方向において、隣り合う２つの外周空気孔群４４の間に対応する位置にそれぞれ複数（図９では５つ）設けられている。

【0060】

（効果）
本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。加えて、本実施形態では以下の効果が得られる。

【0061】

図９に示すように、起動ノズル２４から噴射される起動燃料と、中央バーナ３２の空気孔２１から噴射される燃料とで形成された燃焼ガス（中央バーナ燃焼ガス）１１１が、隣り合う２つの外周バーナ３３の間の領域を通過して燃焼室５の外周部へ広がると、プレートリップ２５の内周面のうち隣り合う２つの外周バーナ３３の間の領域に対応する部分が中央バーナ燃焼ガス１１１により加熱される可能性がある。

【0062】

また、起動ノズル２４から燃焼室５に噴射された起動燃料のうち蒸発し切れなかった燃料（未蒸発燃料）があると、中央バーナ燃焼ガス１１１によって燃焼室５の外周部へ運ばれ、プレートリップ２５の内周面に付着してコーキングする可能性がある。

【0063】

これに対し、本実施形態では、連通孔４１を隣り合う２つの外周空気孔群４４の間に対応する位置にそれぞれ複数設けているので、連通孔４１から空間４０に流入してプレートリップ２５の内周面に沿って燃焼室５を流れる循環流用空気１０６により、中央バーナ燃焼ガス１１１を燃焼ガス下流側に押し流すことができる。そのため、中央バーナ燃焼ガス１１１によるプレートリップ２５の内周面の加熱を抑制することができる。また、循環流用空気１０６で中央バーナ燃焼ガス１１１が燃焼ガス下流側に押し流されることにより、未蒸発燃料のプレートリップ２５の内周面への付着を抑制することができる。なお、本実施形態では、中央バーナ３２の空気孔２１から噴出する混合気と、外周バーナ３３の空気孔２１から噴出する混合気との旋回方向が逆向きの場合を例示しているが、同じ向きの場合でも同様の作用効果が得られる。

【0064】

＜その他＞
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した各実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を追加することも可能である。

【0065】

上述した各実施形態では、空気孔プレート２０の外周面の一部を空気孔プレート２０とプレートリップ２５の接合面より空気孔プレート２０の径方向内側の位置に形成し、空気孔プレート２０とプレートリップ２５の間に空間４０を形成する構成を例示した。しかしながら、本発明の本質的効果は、バーナに発生する熱応力を低減し、ガスタービン燃焼器の信頼性を確保することであり、この本質的効果を得る限りにおいては、必ずしもこの構成に限定されない。例えば、プレートリップ２５の内周面の一部を空気孔プレート２０とプレートリップ２５の接合面よりプレートリップ２５の径方向外側の位置に形成し、空気孔プレート２０とプレートリップ２５の間に空間４０を形成しても良い。

【0066】

また、上述した第１実施形態では、連通孔４１をプレートリップ２５の周方向に等間隔に複数設けた構成を例示した。しかしながら、上述した本発明の本質的効果を得る限りにおいては、必ずしもこの構成に限定されない。例えば、連通孔４１をプレートリップ２５の周方向に間隔を変えて設けても良い。

【0067】

また、上述した第１実施形態では、空気孔プレート２０の空気孔２１を各環状列の全周に渡って形成した構成を例示した。しかしながら、上述した本発明の本質的効果を得る限りにおいては、必ずしもこの構成に限定されない。例えば、空気孔プレート２０の各環状列において、環状列の一部分に空気孔２１を形成しても良い。

【符号の説明】

【0068】

１ ガスタービンプラント
２ 圧縮機
３ ガスタービン燃焼器（燃焼器）
４ タービン
５ 燃焼室
７ エンドカバー
１０ 外筒
１２ 内筒
１７ 第１環状流路（環状流路）
１８ 第２環状流路（環状流路）
２０ 空気孔プレート
２１ 空気孔
２２ 燃料ノズル
２４ 起動ノズル（中央燃料ノズル）
２５ プレートリップ
２７ 外周流路
２８ 第１外周面（第１面）
２９ 第２外周面（第２面）
４０ 空間
４１ 連通孔
４２ 中央空気孔群
４４ 外周空気孔群
１０１ 空気
１０２ 圧縮空気
１１０ 燃焼ガス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】