(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、
前記複数の燃料ノズルから噴射される燃料と空気とを前記燃焼室に噴出する複数の空気孔が形成された空気孔プレートと、
前記空気孔プレートにおける前記燃焼室側の面上に前記空気孔と連結して設けられた溝とを備え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、
前記空気孔は、その中心軸が燃焼器ライナの軸方向と所定の角度をなすように前記空気プレートに斜めに形成されており、
前記溝は、前記空気孔からの空気の噴出方向の下流側に位置するよう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３】
請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
前記溝は、前記空気孔プレート上に複数設けられており、
当該複数の溝のうち隣接する２つの溝が形成する間隙の寸法は、消炎距離以下に設定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４】
請求項３に記載のガスタービン燃焼器において、
前記複数の溝は、中心が同じで半径の異なる円周形状の複数の溝であり、
前記複数の溝のうち半径方向において隣接する２つの溝の間隙寸法は、消炎距離以下に設定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５】
請求項４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の中心からの径方向距離が所定値未満の第１領域では、前記溝は設けられておらず、当該第１領域に含まれる前記複数の空気孔の前記燃焼室側の開口端は前記空気孔プレート上に位置しており、
前記空気孔プレートの中心からの径方向距離が所定値以上の第２領域では、前記溝が設けられており、当該第２領域に含まれる前記複数の空気孔の前記燃焼室側の開口端は前記溝の底部に位置しており、
前記第２領域に含まれる前記複数の空気孔の孔径は、前記第１領域に含まれる前記複数の空気孔の孔径よりも大きいことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項６】
請求項２に記載のガスタービン燃焼器において、
前記溝は、前記複数の空気孔に含まれる１つの空気孔に対して１つずつ設けられている複数の溝であ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から６のいずれかに記載のガスタービン燃焼器において、
前記複数の燃料ノズルのそれぞれの軸方向の下流側には、前記空気孔が１つずつ配置されており、
前記燃料ノズルから噴出される燃料と前記空気孔を通過する空気は同軸噴流を形成することを特徴とす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】
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。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。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。【０００３】
ガスタービン燃焼器には、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ものがある。予混合燃焼を採用したガスタービン燃焼器は、燃料と空気との混合を予め行う予混合器を備えたバーナと、バーナ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を備えている。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、空気温度が上昇したり、燃料中に含まれる水素含有量が増加すると、燃焼速度が増加するため、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す。そのため、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。【０００４】
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に配置した多孔同軸バーナを備え、当該バーナにより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第３９６０１６６号公報に開示されている。当該文献に開示された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を急速に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である。また、従来、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は、拡散燃焼方式によって対応してきたが、この種の燃料に対しても適用可能である。【０００５】
また、特許第４８３８１０７号公報には、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。この構造では、燃料と空気の複数の同軸噴流が同心円状に群分けされている。ガスタービンの負荷の増減に対応して、燃料を供給する同軸噴流を径方向に増減させるこの方法は、燃料ステージングと呼ばれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３９６０１６６号公報
【特許文献２】特許第４８３８１０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許第４８３８１０７号公報に開示されたバーナでは、バーナの中央は旋回流を形成して燃焼安定性を確保し、バーナの外周は希薄燃焼によって低ＮＯｘ燃焼するため、燃焼安定性と低ＮＯｘ燃焼が両立可能である。【０００８】
しかし、ガスタービンの運転状態の急変などの外乱によって、空気や燃料の流量が変動して燃料の流量が増加すると、バーナの外周において、燃料濃度が上昇して燃焼速度が増加することが想定される。このとき、火炎がバーナに接近したり離れたりを周期的に繰り返して、不安定燃焼となることがある。不安定燃焼は、ガスタービンの性能を低下させるだけでなく、構造物に影響を及ぼす可能性がある。【０００９】
本発明の目的は、バーナの中央における安定燃焼と、バーナの外周における低ＮＯｘ燃焼の両立が可能な予混合燃焼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】
本発明は、上記目的を達成するために、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、前記複数の燃料ノズルから噴射される燃料と空気とを前記燃焼室に噴出する複数の空気孔が形成された空気孔プレートと、前記空気孔プレートにおける前記燃焼室側の面上に前記空気孔と連結して設けられた溝とを備えるものとする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、バーナの中央における安定燃焼と、バーナの外周における低ＮＯｘ燃焼の両立が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施の形態に係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の全体構成図。
【図２】図１に示したガスタービン燃焼器２に備えられたバーナ５を構成する複数の燃料ノズル３０、ベースプレート３２及び旋回プレート３３の配置状況の詳細を示す部分構造図。
【図３】図２中のベースプレート３２及び旋回プレート３３周辺の拡大図。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る空気孔プレートを下流側から見た図。
【図５】図４中の点線の矩形で囲んだ領域の拡大図。
【図６】図５中のＡ−Ａ’断面の斜視図。
【図７】図５中のＢ−Ｂ’断面について、燃料と空気の流れを模式的に示した断面図。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係るガスタービンプラント１０００の燃焼器２の運用方法。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る空気孔プレートを下流側から見た図。
【図１０】図９中の点線の矩形で囲んだ領域の拡大図。
【図１１】図１０中のＡ−Ａ’断面の斜視図。
【図１２】図１０中のＢ−Ｂ’断面について、燃料と空気の流れを模式的に示した断面図。
【図１３】本発明の第２の実施の形態の変形例に係るガスタービン燃焼器の断面図。
【図１４】本発明の第３の実施の形態に係る空気孔プレートを下流側から見た図。
【図１５】図１４中の点線の矩形で囲んだ領域の拡大図。
【図１６】図１５中のＡ−Ａ’断面の斜視図。
【図１７】図１５中のＢ−Ｂ’断面について、燃料と空気の流れを模式的に示した断面図。
【図１８】本発明の第３の実施の形態に係る溝３６の拡大図。
【図１９】本発明の第３の実施の形態に係る溝３６の変形例の拡大図。
【図２０】本発明の第４の実施の形態に係るガスタービン燃焼器の断面図。
【図２１】本発明の第４の実施の形態に係る空気孔プレートを下流側から見た図。
【図２２】、図２０において一点鎖線の矩形で囲んだ旋回プレート３３の一部（Ａ部）の拡大図。
【図２３】図２１において一点鎖線の円で囲んだメインバーナ４２の１組（Ｂ部）の拡大図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。  
（１）第１の実施の形態
まず、本発明の第１の実施の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について図１を用いて説明する。本発明の第１の実施の形態に係るガスタービン燃焼器は、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を備えたガスタービン燃焼器において、空気孔の下流に空気孔から燃焼室に供給する未燃予混合気の一部が流れる溝を設け、かつ溝間の残肉量が数ミリ程度であることを特徴とする。
【００１４】
図１は本発明の第１実施の形態に係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。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、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、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、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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。また、ガスタービン燃焼器２にはバーナ５が設置されており、このバーナ５の下流側となるガスタービン燃焼器２の内部には、圧縮機１から供給される高圧空気１０１と、ガスタービン燃焼器２で生成される高温の燃焼ガス１０２とを隔てる略円筒状の燃焼器ライナ１０が配設されている。
【００１７】
燃焼器ライナ１０の外周側には、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、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形成されている。
【００１８】
燃焼器ライナ１０の内側に形成される燃焼室５０では、バーナ５から噴出される高圧空気１０１と、燃料系統２００を通じて供給される燃料との混合気が燃焼される。燃焼器ライナ１０においてバーナ５から遠い方（高温燃焼ガス１０２の流通方向における下流側）の端部には、燃焼室５０で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が取り付けられている。尾筒内筒１２の外周側には、所定の間隔を介して尾筒外筒１３が配設されている。
【００１９】
燃焼器ライナ１０におけるバーナ５側（高温燃焼ガス１０２の流通方向における上流側）の端部には、燃焼器ライナ１０の中心軸と同軸上に配置され、燃焼室５０のバーナ５側の壁面を構成する略円盤状のプレートである空気孔プレート３２，３３が取り付けられている。当該空気孔プレートは、ベースプレート３２と、旋回プレート３３によって構成されており、これらには複数の空気孔３１が設けられている。旋回プレート３３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。
【００２０】
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。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。
【００２１】
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。そして、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５に備えた多数の空気孔３１から、燃焼空気として燃焼器ライナ１０内に供給される。
【００２２】
バーナ５は、Ｆ１燃料流量調節弁２１１を備えたＦ１燃料系統２０１と、Ｆ２燃料流量調節弁２１２を備えたＦ２燃料系統２０２と、Ｆ３燃料流量調節弁２１３を備えたＦ３燃料系統２０３と、Ｆ４燃料流量調節弁２１４を備えたＦ４燃料系統２０４の４つの燃料系統から燃料の供給を受けている。図１に示した例では、当該４つの燃料系統２０１，２０２，２０３，２０４は、燃料遮断弁（開閉弁）２１０を備えた燃料系統２００からそれぞれ分岐している。
【００２３】
４つの燃料系統２０１，２０２，２０３，２０４からの燃料は、燃焼器ライナ１０の中心軸からの径方向距離に応じて４つに区画されたヘッダ４０に導入され、当該ヘッダ４０から燃料ノズル３０を介して噴射される。
【００２４】
Ｆ１燃料系統２０１を通じてバーナ５に供給されるＦ１燃料の流量は、Ｆ１燃料流量調節弁２１１によって調節される。Ｆ２燃料系統２０２を通じてバーナ５に供給されるＦ２燃料の流量は、Ｆ２燃料流量調節弁２１２によって調節される。Ｆ３燃料系統２０３を通じてバーナ５に供給されるＦ３燃料の流量は、燃料流量調節弁２１３によって調節される。Ｆ４燃料系統２０４を通じてバーナ５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。燃料流量調節弁２１１〜２１４によって、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。
【００２５】
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。図２は、図１に示したガスタービン燃焼器２に備えられたバーナ５を構成する複数の燃料ノズル３０、ベースプレート３２及び旋回プレート３３の配置状況の詳細を示す部分構造図であり、後述する図４のＡ−Ａ’断面図である。図３は図２中のベースプレート３２及び旋回プレート３３周辺の拡大図である。
【００２６】
図２に示すバーナ５には、燃料ヘッダ４０に対して複数の燃料ノズル３０が取り付けられている。複数の燃料ノズル３０は、中心が同じで半径の異なる複数の円周上に沿って配置されている。ここでは半径の異なる８つの円周に沿って配置されており、半径方向で見ると８列の環状の燃料ノズル群が配列されている（後の図４参照）。各燃料ノズル３０の軸方向における燃料噴出側（燃料噴出方向の下流側）には、空気孔３１が１つずつ配置されている。すなわち、１つの空気孔３１は１本の燃料ノズル３０に対応して配置されている。このように１本の燃料ノズル３０と１つの空気孔３１を配置すると、図２中の拡大図が示すように、燃料ノズル３０から噴出される燃料（燃料噴流）３４と空気孔３１を通過する空気（空気噴流）３５を同軸噴流として燃焼室５０内に噴出できる。
【００２７】
各空気孔３１は、空気孔プレートを形成する２枚の略円盤状のプレート（ベースプレート３２と旋回プレート３３）に対して、各燃料ノズル３０の位置に応じて設けられている。図に示した例では、ベースプレート３２における空気孔３１は、端面となる２つの円と母線が直交する直円柱状に形成されており、旋回プレート３３における空気孔３１は、端面となる２つの円と母線が直交しない斜円柱状に形成されている。
【００２８】
ベースプレート３２と旋回プレート３３はサポート１５を介して燃料ヘッダ４０に取り付けられている。図２に示したサポート１５は、平板を曲げ加工した形状となっている。このようにサポート１５を形成すると、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。
【００２９】
ベースプレート３２に係る直円柱状の空気孔３１は、対応する燃料ノズル３０と同軸上に配置されている。旋回プレート３３に係る斜円柱状の空気孔３１は旋回角を有する旋回空気孔であり、その一方の端部（端面）は、ベースプレート３２に係る空気孔３１の燃焼室５０側の端部（端面）と連結されている。旋回プレート３３に係る空気孔３１の他方の端部（燃焼室５０側の端面）は、旋回プレート３３に係る空気孔３１の一方の端部に対して、複数の空気孔３１を配置した円周の接線方向にずれている。
【００３０】
図３に示すように、旋回プレート３３に係る空気孔３１の両端に形成される円の中心を結んで得られる当該空気孔３１の中心軸は、燃料ノズル３０の中心軸、ベースプレート３２に係る空気孔３１の中心軸、または燃焼器ライナ１０の中心軸の方向と、所定の角度α°をなすように旋回プレート３３に斜めに形成されている（なお、ここにおける「所定の角度をなす」とは、空気孔３１の中心軸と他の中心軸（燃料ノズル３０の中心軸、ベースプレート３２に係る空気孔３１の中心軸、または燃焼器ライナ１０の中心軸）が平行でないということである。）。角度αは空気孔３１からの空気の噴出方向を規定する。このように旋回プレート３３に係る空気孔３１を、角度{α°}を持った斜め管（斜円柱）に形成することで、旋回プレート３３に係る空気孔３１を通過する流体に旋回成分が付与され、これにより生じる循環流によって火炎が安定化される。各空気孔３１の角度α°は各列において最適な値に設定されている。
【００３１】
なお、ここでは、燃料ノズル３０と、ベースプレート３２に係る空気孔３１を同軸上に配置したが、両者の中心軸が完全に一致する必要はなく、燃料と空気の噴流が形成可能であれば両者の中心軸がずれても構わない。
【００３２】
上記のような同軸噴流構造によって、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、まず、ベースプレート３２に形成した空気孔３１に、図２に示した空気噴流３５となって供給され、このベースプレート３２の空気孔３１を流下して旋回プレート３３に形成した空気孔３１によって旋回をかけられて燃焼室５０に供給される。
【００３３】
また、ベースプレート３２に形成された空気孔３１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３２および旋回プレート３３が溶損することがないので、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。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。
【００３４】
図４は本実施の形態に係る空気孔プレート（ベースプレート３２および旋回プレート３３）を下流側から見た図である。本実施の形態のガスタービン燃焼器２において、多数の空気孔３１（および、図示しないが空気孔３１と対を成す燃料ノズル３０）は、円盤状の空気孔プレートの半径方向の内側から外側にかけて、環状の空気孔列が同心状に８列配置されている。以下では、当該８つの空気孔列に含まれる各空気孔列を、内側から外側に向かって第１列、第２列、…、第８列と称し、各空気列を区別して説明することがある。
【００３５】
本実施の形態において、ガスタービン燃焼器２の燃焼部を形成するバーナは４つに群分けされている。中心側の４列（第１列〜第４列）が第１群の燃焼部（Ｆ１バーナ）を形成し、第５列が第２群の燃焼部（Ｆ２バーナ）を形成し、第６列が第３群の燃焼部（Ｆ３バーナ）を形成し、外周側の２列（第７列および第８列）が第４群の燃焼部（Ｆ４バーナ）を形成している。
【００３６】
図１に示したように、Ｆ１バーナには流量制御弁２１１を備えた燃料系統２０１から燃料が供給されており、Ｆ２バーナには流量制御弁２１２を備えた燃料系統２０２から、Ｆ３バーナには流量制御弁２１３を備えた燃料系統２０３から、Ｆ４バーナには流量制御弁２１４を備えた燃料系統２０４から燃料が供給されている。
【００３７】
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３０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。
【００３８】
Ｆ１バーナでは、隣接する２つの空気孔３１が形成する間隙の距離（孔間距離）が消炎距離より大きい値に設定されており、これにより当該間隙に火炎を付着させることで火炎の安定性を強化している。
【００３９】
その一方で、Ｆ２バーナ、Ｆ３バーナおよびＦ４バーナでは、部分負荷条件から定格負荷条件において低ＮＯｘ燃焼するために、隣接する２つの空気孔３１が形成する間隙に火炎を付着させず、旋回プレート３３から下流に火炎を浮かせることが重要である。また、空気孔３１から燃焼室５０に流路が急拡大するとき、燃料噴流３４と空気噴流３５の同軸噴流は燃料と空気の混合が急速に進む。そのため、旋回プレート３３から下流に離れた位置に火炎が形成されると、燃料と空気が十分混合した予混合気が燃焼するため、低ＮＯｘ燃焼が実現できる。
【００４０】
そこで、本実施の形態では、Ｆ２バーナ、Ｆ３バーナおよびＦ４バーナを構成する第５列から第８列に係る空気孔群に対して、旋回プレート３３における燃焼室側５０の面上に空気孔３１と連結した溝３６を設けた。以下では、旋回プレート３３上のＦ１バーナに係る溝３６の無い領域を「第１領域」とし、旋回プレート３３上のＦ２バーナ、Ｆ３バーナおよびＦ４バーナに係る溝３６が設けられた領域を「第２領域」と称することがある。つまり、第１領域は、旋回プレート３３の中心から径方向距離が所定値未満の領域であり、第２領域は、旋回プレート３３の中心から径方向距離が当該所定値以上の領域に該当する。
【００４１】
溝３６は、旋回プレート３３に係る空気孔３１からの空気の噴出方向の下流側に位置するように設けられている。本実施の形態における溝３６は、円周状に配列された空気孔列の配列方向に合わせて旋回プレート３３上に環状に設けられており、旋回プレート３３上には、中心が同じで半径の異なる円周形状の溝３６が４つ設けられている。なお、旋回プレート３３に係る空気孔３１からの空気の噴出方向は、旋回プレート３３に係る空気孔３１の中心軸（燃料ノズル３０の中心軸と角度αをなすもの）の方向に対応し、溝３６と空気孔３１の配置関係では、旋回プレート３３に係る空気孔３１の中心軸を旋回プレート３３に対して正射影して得られる直線の方向（本実施の形態の場合には各空気孔列に係る円周の接線方向）を基準にして溝３６を設ければ良い。そのため、本実施の形態では、空気孔３１の配列方向に合わせて環状の溝３６が設けられている。
【００４２】
図５は図４中の点線の矩形で囲んだ領域の拡大図であり、図６は図５中のＡ−Ａ’断面の斜視図である。これらの図に示すように、溝３６の幅Ｗ３６（プレート３２，３３の半径方向における溝３６の大きさ）は、空気孔３１の孔径と同等の寸法である。また、プレート３２，３３の半径方向において隣接する２つの溝３６が形成する間隙（以下、当該間隙を「残肉部」と称することがある）３７の幅Ｗ３７（プレート３２，３３の半径方向における残肉部３７の大きさ）は、消炎距離以下の寸法に設定されており、例えば数ミリ程度に設定するものとする。また、残肉部３７を基準とした溝３６の深さＤ３６（プレート３２，３３の軸方向における溝３６の大きさ）は、残肉部３７の幅と同等の寸法とし、例えば数ミリ程度に設定されている。
【００４３】
本実施の形態における燃料と空気の流れを図７で説明する。図７は、図５中のＢ−Ｂ’断面について、燃料と空気の流れを模式的に示した断面図である。この図に示すように、燃料ヘッダ４０から燃料ノズル３０に供給される燃料は、燃料ノズル３０の噴出孔から噴射され燃料噴流３４として空気孔３１に流下する。圧縮機１から供給される圧縮空気１０１は、トランジションピース１２とライナ１０を対流冷却した後、空気噴流３５となって空気孔３１に流下する。ベースプレート３２に係る空気孔３１は直管（直円柱）であり、その下流の旋回プレート３３に係る空気孔３１は斜め管（斜円柱）となっている。この空気孔３１の内部で燃料噴流３４と空気噴流３５の混合が進むため、旋回プレート３３の空気孔３１の出口付近では、燃料と空気は混合して未燃予混合気となる。なお、前述のように、空気孔３１から燃焼室５０に流路が急拡大する時に、燃料と空気の混合が急速に進むため、空気孔３１の出口付近では、厳密に言うと燃料と空気は完全に混合していない。しかし、ここでは空気孔３１の出口付近の燃料と空気の混合気を、便宜的に未燃予混合気と呼ぶ。
【００４４】
旋回プレート３３に係る空気孔３１で旋回を付与された未燃予混合気は、未燃予混合気主流３８として燃焼室５０に流れて燃焼する。このとき、未燃予混合気は旋回を付与されているため、未燃予混合気の一部である未燃予混合気副流３９が、旋回成分の運動量によって溝３６に沿って流下する。溝３６に流れた未燃予混合気副流３９は、円周状に形成された溝３６に沿って円周方向に流れるので、同じ空気孔列に含まれ円周方向において隣接する２つの空気孔３１の間に火炎が付着することを防止する。
【００４５】
また、消炎距離とは、火炎が安定して存在できる限界の寸法のことであり、温度、圧力などの環境条件でその距離は変化するが、一般にその寸法は２〜３ミリである。そのため、先述の通り残肉部３７の幅を数ミリに設定すれば、一般的な消炎距離と同程度の寸法となるため、残肉部３７への火炎付着が容易に抑制できる。したがって、旋回プレート３３の空気孔３１の下流に、溝３６と残肉部３７を備えたＦ２〜Ｆ４バーナでは、旋回プレート３３への火炎付着が防止される。
【００４６】
かくして、バーナ５の中央に位置するＦ１バーナでは、旋回プレート３３に火炎が付着されて燃焼安定性が確保される。さらに、Ｆ１バーナは燃焼が完結するために十分な量の燃焼熱をＦ２バーナ〜Ｆ４バーナに伝える。そして、バーナ５の外周に位置するＦ２〜Ｆ４バーナでは、溝３６の作用により旋回プレート３３への火炎の付着が抑制されるので、低ＮＯｘ燃焼することができる。
【００４７】
図８は本実施の形態に係るガスタービンプラント１０００の燃焼器２の運用方法である、径方向の燃料ステージングを示しており、横軸が時間軸、縦軸が燃料流量である。この図に示すように、まず、ガスタービンの点火時は、Ｆ１〜Ｆ３バーナ（第１列〜第６列）に燃料を供給して燃焼するが、Ｆ４バーナ（第７列、第８列）には燃料を供給しない。
【００４８】
点火後は、Ｆ１バーナ（第１列〜第４列）の単独燃焼へと切り替え、定格回転数無負荷状態（ＦＳＮＬ：Ｆｕｌｌ  Ｓｐｅｅｄ  Ｎｏ  Ｌｏａｄ）に達するまでタービン３を昇速する。タービン３を定格回転数まで昇速したら、発電を開始して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５の燃空比が安定燃焼範囲となるように、Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４バーナと順々に燃料を供給する燃料系統を増加させる。これにより、全てのバーナ（Ｆ１〜Ｆ４バーナ）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）とすることができる。
【００４９】
以上のように、本実施の形態によれば、バーナの中央では旋回プレート３３に火炎が付着するので燃焼安定性が確保でき、バーナの外周では旋回プレート３３に火炎が付着しないので低ＮＯｘ燃焼できる。すなわち、本実施の形態によれば、安定燃焼と低ＮＯｘ燃焼が両立できる。
（２）第２の実施の形態
次に本発明の第２実施の形態に係るガスタービン燃焼器について説明する。本実施の形態に係るガスタービン及びガスタービン燃焼器は図１〜図８に示した第１の実施の形態に係るものと基本的な構成は共通している。そのため、両者に共通した構成及び作用の説明は省略し、相違する部分を主に以下で説明する。また、本実施の形態に係る燃焼器２の運用方法は、図８を用いて説明した第１の実施の形態とほぼ同じであるため、説明は割愛する。
【００５０】
図９は本発明の第２の実施の形態に係る空気孔プレート（ベースプレート３２および旋回プレート３３）を下流側から見た図である。本実施の形態が第１実施の形態と異なるのは、溝３６が設けられたＦ２バーナ、Ｆ３バーナおよびＦ４バーナ（第２領域）における旋回プレート３３に係る空気孔３１の孔径が、溝３６の無いＦ１バーナ（第１領域）の空気孔３１の孔径よりも大径である点である。  なお、図に示した例では、Ｆ２バーナ〜Ｆ４バーナ（第２領域）の空気孔３１の孔径は、Ｆ１バーナ（第１領域）の約１．２倍としている。また、隣り合う空気孔３１で孔同士が干渉せず、旋回プレート３３に設置可能な孔径であれば、大径であるほど効果が期待できるため、１．２倍以上に大径であっても問題はない。
【００５１】
図１０は図９中の点線の矩形で囲んだ領域の拡大図であり、図１１は図１０中のＡ−Ａ’断面の斜視図である。この図から明らかなように、残肉部３７の幅Ｗ３７を小さくして溝３６の幅Ｗ３６を確保することで、旋回プレート３３に係る空気孔３１の孔径を大径化している。残肉部３７を基準とした溝３６の軸方向の深さＤ３６は、第１の実施の形態と同じく数ミリに設定されている。
【００５２】
本実施の形態における燃料と空気の流れを図１２で説明する。図１２は、図１０中のＢ−Ｂ’断面について、燃料と空気の流れを模式的に示した断面図である。この図を図７と比較すれば明らかなように、本実施の形態におけるベースプレート３２に係る空気孔３１は第１の実施の形態と同じ形状であるが、本実施の形態における旋回プレート３３に係る空気孔３１は、第１の実施の形態のものよりも孔径を大きくしたものになっている。
【００５３】
このように構成された空気孔３１の内部では、第１の実施の形態と同じく燃料噴流３４と空気噴流３５が混合して未燃予混合気となり、当該未燃予混合気は旋回プレート３３において旋回を付与されて、燃焼室５０に供給される。しかし、本実施の形態では、旋回プレート３３に係る空気孔３１の孔径を大径化することで、第１の実施の形態に比べて幅の広い溝３６に未燃予混合気副流３９を流すことができるため、旋回プレート３３の広い領域で火炎付着が防止できる。また、溝３６の幅Ｗ３６が広くなると、残肉部３７の幅は必然的に第１の実施の形態に比べて小さくなるため、残肉部３７の幅は消炎距離と同程度またはそれ以下となり、残肉部３７への火炎付着が第１の実施の形態に比べて一層防止できる。
【００５４】
したがって、本実施の形態のように溝３６を設けても、バーナの中央では旋回プレート３３に火炎が付着するので燃焼安定性が確保でき、バーナの外周では旋回プレート３３に火炎が付着しないので低ＮＯｘ燃焼できるので、安定燃焼と低ＮＯｘ燃焼が両立できる。
【００５５】
図１３は本発明の第２の実施の形態の変形例に係るガスタービン燃焼器の断面図である。この図は、当該変形例に係るガスタービン燃焼器を図１２と同じ断面で切断したものに相当し、当該断面において燃料と空気の流れを模式的に示している。
【００５６】
図１３に示したガスタービン燃焼器における旋回プレート３３に係る空気孔３１は、その孔径が空気孔出口に向かって徐々に拡大するように設けられている。このように空気孔３１を設けると、ベースプレート３２に設けた空気孔３１と旋回プレート３３に設けた空気孔３１の接続部において図１２に示したもののような段差が生じないので、流路の急拡大に起因した渦の発生等により空気孔３１の内部で流れが不安定になることを回避できる。また、流路の急拡大は圧力損失を増加させる要因となるが、変形例のように滑らかに流路面積が拡大する流路とすることで空気孔３１を通過するときに生じる圧力損失を低減でき、ガスタービンの効率向上に寄与できる。
【００５７】
なお、空気孔３１の孔径について、本実施の形態ではベースプレート３２に係る空気孔３１の孔径に比べて、旋回プレート３３に係る空気孔３１の孔径を大径としたが、ベースプレート３２の孔径が旋回プレート３３と同じ大径であっても、同様に火炎付着抑制効果が期待できる。
（３）第３の実施の形態
次に本発明の第３実施の形態に係るガスタービン燃焼器について説明する。本実施の形態に係るガスタービン及びガスタービン燃焼器も図１〜図８に示した第１の実施の形態に係るものと基本的な構成は共通しているため、以下では相違する部分について主に説明する。なお、本実施の形態に係るガスタービンプラントの燃焼器の運用方法も、本発明の第１の実施の形態とほぼ同じであるため、説明は割愛する。
【００５８】
図１４は、本発明の第３の実施の形態に係る空気孔プレート（ベースプレート３２および旋回プレート３３）を下流側から見た図である。
【００５９】
本実施の形態でＦ２バーナ、Ｆ３バーナおよびＦ４バーナに設けられた溝３６は、先の２つの実施の形態のように円周状に配列された複数の空気孔３１を底部に備える環状の溝ではなく、１つの空気孔３１に対して１つずつ設けられた独立した溝である点で先の２つの実施の形態のものと異なる。
【００６０】
本実施の形態に係る複数の溝３６は、それぞれ１つの空気孔３１の出口に連結しており、その連結部から所定の距離だけ当該空気孔３１の空気噴出方向に沿って旋回プレート３３上に延在して設けられている。なお、言うまでもないが、溝３６の延設距離は、円周方向において空気流通方向の下流側に位置する他の空気孔３１までの距離未満となる。
【００６１】
図１５は図１４中の点線の矩形で囲んだ領域の拡大図であり、図１６は図１５中のＡ−Ａ’断面の斜視図である。これらの図に示すように、本実施の形態に係る溝３６が旋回プレート３３上で延在する方向は、空気孔３１からの空気の噴出方向を規定する中心軸を旋回プレート３３に対して正射影して得られる直線（たとえば、図１５中の矢印Ｌ３６）の方向に相当し、図示した例では、各空気孔３１が含まれる空気孔列が形成する円周の接線方向に一致している。すなわち、本実施の形態に係る溝３６は、各空気孔３１が含まれる空気孔列が形成する円周についての、当該空気孔３１の位置における接線方向に延在している。各溝３６における空気噴出方向の下流側には、空気噴出方向の下流側に向かって徐々に溝３６の深さが浅くなる傾斜部６１が設けられている。
【００６２】
本実施の形態における燃料と空気の流れを図１７で説明する。図１７は、図１５中のＢ−Ｂ’断面について、燃料と空気の流れを模式的に示した断面図である。本実施の形態に係る空気孔３１の内部では、図に示すように、第１および第２の実施の形態と同じく燃料噴流３４と空気噴流３５が混合して未燃予混合気となり、当該未燃予混合気は旋回プレート３３において旋回を付与されて、燃焼室５０に供給される。そして、未燃予混合気は、空気孔３１の中心軸方向に沿って噴出される未燃予混合気主流３８と、溝３６の表面に沿って流れる未燃予混合気副流３９に分かれる。
【００６３】
未燃予混合気主流３８は、そのまま燃焼室５０に供給される。一方、未燃予混合気副流３９は、空気孔３１の出口に接続する溝３６に沿って流れた後に、燃焼室５０に供給される。燃焼器ライナ１０の軸方向から見ると、溝３６の延設方向は空気孔３１の旋回方向（中心軸の方向）と一致しているため、溝３６を円周方向（環状）に設けた第１および第２の実施の形態と比べて未燃予混合気副流３９の運動量を効率良く活用することができ、未燃予混合気副流３９を溝３６内の全域に渡って容易に流すことができる。そのため、旋回プレート３３への火炎付着が効果的に防止できる。また、それぞれの溝３６が独立であるために、溝３６において隣り合う空気孔３１から供給される未燃予混合気副流３９との干渉が防止できる。
【００６４】
したがって、本実施の形態によっても、バーナ５の中央は旋回プレートに火炎を付着させて燃焼安定性を確保し、バーナ５の外周は旋回プレートに火炎を付着させずに低ＮＯｘ燃焼させて、安定燃焼と低ＮＯｘ燃焼が両立できる。
【００６５】
図１８は本実施の形態に係る溝３６の拡大図であり、図１９は本実施の形態に係る溝３６の変形例の拡大図である。本実施の形態に係る溝３６の幅Ｄ３６（図１６参照）は、図１８に示すように、空気孔３１の孔径と同等の寸法で一定に保持したが、図１９に示したように、溝３６Ａにおける空気噴出方向の下流側に向かって当該溝３６Ａの幅Ｗ３６Ａを徐々に拡大させ、未燃予混合気副流３９の幅を広げながら燃焼室５０に流す構造を採用しても良い。図１９のような溝３６Ａを形成すると、溝の幅が一定の場合と比較して広範な領域に未燃予混合気副流３９を流すことができるため、旋回プレート３３への火炎の付着が広範に抑制し易い。また、旋回プレート３３の残肉部３７が小さくなるため、残肉部３７への火炎付着も防止できる。
【００６６】
なお、上記の各実施の形態では、旋回プレート３３（空気孔プレート）の中心に対して複数の燃料ノズル及び空気孔を同心状に複数（８列）配置して構成した燃焼器を例に挙げて説明したが、旋回プレート３３上の複数の点に対して複数の燃料ノズル及び空気孔を同心状に配置して構成した燃焼器にも（マルチ噴射式の燃焼器）についても本発明は適用可能である。この場合の一例を第４の実施の形態として、図２０から図２３を用いて説明する。
【００６７】
（４）第４の実施の形態
本実施の形態に係るガスタービン及びガスタービン燃焼器も第１の実施の形態に係るものと基本的な構成は共通しているため、ここでは相違する部分について主に説明する。
【００６８】
図２０は、本発明の第４の実施の形態に係るガスタービン燃焼器の断面図であり、第１の実施の形態に係る図２に相当する図である。図２１は、本発明の第４の実施の形態に係る空気孔プレートを下流側から見た図であり、第１の実施の形態に係る図４に相当する図である。
【００６９】
これらの図に示すガスタービン燃焼器は、同心円状に複数列（３列）の燃料ノズル３０及び空気孔３１をそれぞれ配置して構成した１組のバーナ４１，４２を複数備えている。具体的には、１列目に６個、２列目に１２個、３列目に１８個の燃料ノズル３０及び空気孔３１をそれぞれ配置して１組のバーナが構成されている。そして、ガスタービン燃焼器２の軸中心に、パイロットバーナ４１としてこのバーナを１組配設し、その周囲にメインバーナ４２としてこのバーナを６組配設して、計７組のバーナから成るマルチバーナ構造としている。
【００７０】
本実施の形態に係るバーナには、燃料遮断弁２１０を備えた燃料系統２００を通じて燃料が供給されており、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。
【００７１】
Ｆ１燃料系統２０１を通じて供給されるＦ１燃料の流量は、Ｆ１燃料流量調節弁２１１によって調節されて、パイロットバーナ４１であるＦ１バーナ４３に供給される。Ｆ２燃料系統２０２を通じて供給されるＦ２燃料の流量は、Ｆ２燃料流量調節弁２１２によって調節されて、メインバーナ４２のうちバーナ２組の１列目であるＦ２バーナ４４に供給される。Ｆ３燃料系統２０３を通じてバーナ５に供給されるＦ３燃料の流量は、燃料流量調節弁２１３によって調節されて、メインバーナ４２のうちバーナ４組の１列目であるＦ３バーナ４５に供給される。Ｆ４燃料系統２０４を通じてバーナ５に供給されるＦ４燃料の流量は、燃料流量調節弁２１４によって調節されて、メインバーナ４２のバーナ全組の２、３列目であるＦ４バーナ４５に供給される。
【００７２】
第１の実施の形態と同じく、燃料系統２０１〜２０４の４つの系統から燃料を供給する構造によって、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。
【００７３】
さらに、旋回プレート３３において、それぞれのバーナの１列目、２列目、３列目の空気孔３１に旋回成分が付与されている。そのため、図２０に示すように、各バーナで旋回流６０が形成する。この旋回流６０によって、各バーナで循環流６１が形成し、火炎面６２が形成して安定燃焼する。
【００７４】
図２２は、図２０において一点鎖線の矩形で囲んだ旋回プレート３３の一部（Ａ部）の拡大図であり、図２３は、図２１において一点鎖線の円で囲んだメインバーナ４２の１組（Ｂ部）の拡大図である。マルチバーナ構造では、各バーナの１列目において旋回プレート３３に火炎を付着させて燃焼安定性を確保し、２列目と３列目において旋回プレート３３に火炎を付着させずに低ＮＯｘ燃焼する。本実施の形態では、各バーナの２列目と３列目に溝３６を設けた。なお、図２２に示したように、各空気孔３１は先の各実施の形態のものと同様に旋回角を有する旋回空気孔で構成されている。
【００７５】
本実施の形態のように溝３６を設けると、溝３６に空気孔３１から供給される燃料と空気の未燃予混合気の一部（未燃予混合気副流）が流れるため、２列目の空気孔間および３列目の空気孔間への火炎の付着が防止できる。さらに、溝３６の幅を空気孔３１の直径以上にして残肉３７の幅を消炎距離以下とすることで、残肉３７への火炎の付着が防止できる。かくして、マルチバーナ構造の各バーナで、安定燃焼と低ＮＯｘ燃焼が両立できる。したがって、本実施の形態によれば、各バーナの１列目では旋回プレートに火炎を付着させて燃焼安定性を確保でき、各バーナの２列目と３列目は旋回プレートに火炎を付着させずに低ＮＯｘ燃焼させて、安定燃焼と低ＮＯｘ燃焼が両立できる。
【００７６】
なお、本実施の形態では、パイロットバーナ４１とメインバーナ４２の全てのバーナにおける２列目と３列目に溝３６を配設したが、パイロットバーナ４１の２列目と３列目の溝３６は省略可能である。パイロットバーナ４１における２列目と３列目の溝３６を省略すれば、燃焼安定性をさらに強化できる。
【００７７】
ところで、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、ある実施の形態に係る構成の一部を、他の実施の形態に係る構成に追加又は置換することが可能である。
【符号の説明】
【００７８】
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、５：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、２０：発電機、２１：シャフト、３０：燃料ノズル、３１：空気孔、３２：ベースプレート、３３：旋回プレート、３４：燃料噴流、３５：空気噴流、３６：溝、３７：残肉部、３８：未燃予混合気主流、３９：未燃予混合気副流、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、２０３：Ｆ３燃料系統、２０４：Ｆ４燃料系統、２１０：燃料遮断弁、２１１：Ｆ１燃料流量調節弁、２１２：Ｆ２燃料流量調節弁、２１３：Ｆ３燃料流量調節弁、２１４：Ｆ４燃料流量調節弁、１０００：ガスタービンプラント
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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