(57)【要約】【課題】  全体の構造が小さく製作や組立てが容易な多缶型のガスタービン燃焼器、それを用いたガスタービン設備及びその運転方法を提供する。【解決手段】  ガスタービン設備の本体ケーシング６に取付けられる燃焼器ケーシング７と、該燃焼器ケーシング７に格納されて燃焼室を形成する燃焼器ライナ１０を複数備えたガスタービン燃焼器２において、前記本体ケーシング６に設けられた抽気ポート１３を介して抽気された作動流体を、前記燃焼室ケーシング７に設けられた注入ポート１４を介して前記燃焼器ケーシング７内に注入する。【選択図】図１
2006220350.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン設備の本体ケーシングに取付けられる燃焼器ケーシングと、該燃焼器ケーシングに格納されて燃焼室を形成する燃焼器ライナを複数備えたガスタービン燃焼器において、前記本体ケーシングに設けられた抽気ポートを介して抽気された作動流体が、前記燃焼室ケーシングに設けられた注入ポートを介して前記燃焼器ケーシング内に注入されることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項２】
ガスタービン設備の本体ケーシングに取付けられる燃焼器ケーシングと、該燃焼器ケーシングに格納されて燃焼室を形成する燃焼器ライナを複数備えたガスタービン燃焼器において、圧縮機で圧縮された作動流体が前記本体ケーシングの抽気ポートを介して前記本体ケーシング外へ抽気され、該作動流体がタービンの排ガスと熱交換され、該作動流体が前記燃焼器ケーシングの注入ポートから燃焼器ケーシング内に注入され、該燃焼器ケーシング内で前記作動流体が拡散し、各燃焼器ライナとその外周に設けられたフローガイドとの間を、各燃焼器ライナの軸方向に下流側から上流側へ前記作動流体が流れ、該作動流体の少なくとも一部が燃焼用として各燃焼器ライナ内へ供給されることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項３】
ガスタービン設備の本体ケーシングに取付けられる燃焼器ケーシングと、該燃焼ケーシングに格納されて燃焼室を形成する燃焼器ライナを複数備えたガスタービン燃焼器において、前記燃焼器ケーシングの形状は、略二重円筒型であり、その２つの円筒で挟まれた略環状空間内に複数の燃焼器ライナが略円周状に配置されており、各燃焼器ライナと各燃焼器ライナで発生した燃焼ガスをタービンに導く燃焼器尾筒とが接続される部分に、前記燃焼器ケーシング内と前記本体ケーシング内の空間を隔てる隔壁部材が設けられ、圧縮機で圧縮された空気が本体ケーシングの抽気ポートを介して再生器へ導入され、該再生器で前記空気がタービンの排ガスと熱交換され、前記燃焼器ケーシングの注入ポートを介して前記空気が燃焼器ケーシング内に注入され、該燃焼器ケーシング内で、その周方向，径方向及び軸方向へ前記空気が拡散し、各燃焼器ライナとその外周に設けられたフローガイドとの間を、各燃焼器ライナの軸方向に下流側から上流側へ前記空気が流れ、該空気の少なくとも一部が燃焼用空気として各燃焼器ライナ内へ供給され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において、前記燃焼器ケーシング内の空間で、各燃焼器ライナに対して略均一に空気が分配され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において、各燃焼器ライナに略均一流量の空気が流入す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３乃至５のいずれかにおいて、前記抽気ポートから抽気された空気が加湿され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３乃至５のいずれかにおいて、前記燃焼器尾筒の外周側に尾筒外筒が配置され、該尾筒外筒の外周側における空気の流れのうち、前記燃焼器尾筒の下流側から上流側へ向かう流れが遮断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８】
請求項３乃至５のいずれかにおいて、前記燃焼器尾筒の外周側に尾筒外筒が配置され、該尾筒外筒を前記本体ケーシングに取付けるフランジ部が前記尾筒外筒の外周側に設けられ、前記フランジ部がバイパス孔を有していることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項９】
作動流体を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された作動流体とタービン排ガスとを熱交換する再生器と、該再生器を経た作動流体と燃料とを燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるタービンを備えたガスタービン設備において、前記燃焼器は、前記ガスタービン設備の本体ケーシングに取付けられる燃焼器ケーシングと、該燃焼器ケーシングに格納されて燃焼室を形成する複数の燃焼器ライナと、前記本体ケーシング内に格納されて各燃焼器ライナで発生した燃焼ガスを前記タービンへ導く複数の燃焼器尾筒を有し、前記圧縮機で圧縮された作動流体を前記本体ケーシング内から抽気するポートが前記本体ケーシングに設けられ、前記再生器で熱交換された作動流体を前記燃焼器ケーシング内へ注入するポートが前記燃焼器ケーシングに設けられていることを特徴とするガスタービン設備。
【請求項１０】
圧縮機で作動流体を圧縮し、この圧縮した作動流体とタービン排ガスとの熱交換により加熱し、この加熱した作動流体と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスでタービンを駆動させるガスタービン設備の運転方法において、前記圧縮機で圧縮した作動流体を、本体ケーシングの抽気ポートを介して前記本体ケーシング外へ抽気し、前記熱交換により加熱した作動流体を、燃焼器ケーシングの注入ポートを介して前記燃焼ケーシング内に注入し、この燃焼器ケーシング内で前記作動流体を拡散し、この作動流体の少なくとも一部を、略円周状に配置された複数の燃焼器ライナ内に供給することを特徴とするガスタービン設備の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン設備及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、圧縮機で圧縮された作動流体を抽気し、再生器においてタービンの排ガスとの熱交換によって加熱して、燃焼器へ注入することにより、燃焼器に投入する燃料を減らして熱効率を向上させるようにした技術が知られている。
【０００３】
例えば、下記特許文献１には、再生器への抽気構造を燃焼器尾筒外筒及び本体ケーシングで構成し、再生器からの注入構造を燃焼器ケーシングで構成することにより、燃焼器ケーシングを小型化したガスタービン燃焼器が記載されている。
【０００４】
また、下記特許文献２には、多缶型のガスタービン燃焼器において、燃焼器ケーシングから空気を抽気して再生器を通し、再度燃焼器ケーシングへ注入することが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１９０９６２号公報(段落番号００１６，００３１等)
【特許文献２】特開平９−３２９３３５号公報（段落０００９，図２等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１のガスタービンは、単缶の燃焼器を前提としており、ガスタービンを大型化する場合に、大型の燃焼器自体の製作が容易でなくなる傾向にある。
【０００７】
一方、特許文献２には、多缶型の燃焼器が記載されているが、再生器から燃焼器へ注入するための配管を燃焼器ケーシング毎に複数設けているので、各燃焼器への空気配分に偏差が生じる可能性があるだけでなく、燃焼器ケーシングの周囲の構造が複雑となり、製作や組立てのコストの増加が懸念される。
【０００８】
本発明の目的は、全体の構造が小さく製作や組立てが容易な多缶型のガスタービン燃焼器、それを用いたガスタービン設備及びその運転方法を提供することである。
【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、本発明は、ガスタービン設備の本体ケーシングに取付けられる燃焼器ケーシングと、該燃焼器ケーシングに格納されて燃焼室を形成する燃焼器ライナを複数備えたガスタービン燃焼器において、前記本体ケーシングに設けられた抽気ポートを介して抽気された作動流体を、前記燃焼室ケーシングに設けられた注入ポートを介して前記燃焼器ケーシング内に注入する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、全体の構造が小さく製作や組立てが容易な多缶型のガスタービン燃焼器、それを用いたガスタービン設備及びその運転方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例について、図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１は、本発明の第１の実施例を示すガスタービン設備の断面図であり、図２は、図１の燃焼器部分の断面を軸方向から見た図である。本実施例のガスタービン設備は、圧縮機１，燃焼器２，タービン３，再生器４から構成され、タービン３の出力により発電機５を回転させて電力を得る発電用再生型ガスタービンである。
【００１３】
ここで、本実施例の燃焼器２は、未燃の空気と既燃の燃焼ガス１０５を隔てて燃焼室を形成する略円筒状の複数の燃焼器ライナ１０と、この燃焼器ライナ１０を格納する燃焼器ケーシング７と、各燃焼器ライナ１０の上流中央にある燃料ノズル９と、この燃料ノズル９が貫通する燃焼器カバー８と、各燃焼器ライナ１０の下流にあって燃料ガスをタービン３へ導く燃焼器尾筒１２を有する多缶型の燃焼器である。
【００１４】
更に、各燃焼器ライナ１０の外周には、空気流路を形成すると共に、空気の流れを制御するためのフローガイド１１が設けられている。このフローガイド１１は、燃焼器ライナ１０よりも直径が大きく、燃焼器ライナ１０に対して略同心円筒状に位置しており、燃焼器ライナ１０の下流側が開口部となるように燃焼器ケーシング７に取付けられている。
【００１５】
また、燃焼器ケーシング７の形状は、図２に示す通り、略二重円筒型であり、その２つの円筒で挟まれた略環状空間内に、複数の燃焼器ライナ１０が略円周状に配置されている。ここで、略二重円筒型とは、軸方向について径の大きさが異なる形状を含むものとする。更に、燃焼器ケーシング７には、１つの注入ポート１４が設けられており、これにより、再生器４から燃焼器ケーシング７内に高温空気１０３が注入される。
【００１６】
一方、燃焼器ケーシング７が取付けられる本体ケーシング６には、１つの抽気ポート
１３が設けられており、これにより、本体ケーシング６内から再生器４へ高圧空気１０１が抽気される。尚、本実施例では、本体ケーシング６は、燃焼器尾筒１２だけでなく、圧縮機１及びタービン３も格納しているが、圧縮機１を格納する圧縮機ケーシングやタービン３を格納するタービンケーシングを別個にしても良い。
【００１７】
次に、上記構成のガスタービン設備において、作動媒体としての空気の流れについて説明する。まず、大気１００が圧縮機１で圧縮されて高圧空気１０１となり、この高圧空気１０１が本体ケーシング６内に充満した後、本体ケーシング６の抽気ポート１３を介して本体ケーシング６外へと抽気される。ここで、高圧空気１０１が複数の燃焼器尾筒１２間をすり抜けて流れる際に、燃焼器尾筒１２を外壁面から対流冷却する。更に、本体ケーシング６外へと抽気された空気１０２は、再生器４において、タービン排ガス１０６との熱交換により加熱されて高温空気１０３となり、燃焼器ケーシング７の注入ポート１４を介して燃焼器ケーシング７内に注入される。
【００１８】
そして、注入された高温空気１０３は、燃焼器ケーシング７の周方向，径方向及び軸方向へ拡散し、燃焼器ケーシング７内に充満する。その後、フローガイド１１の開口部から、フローガイド１１と燃焼器ライナ１０の間の略環状の空間内を通って、燃焼器ライナ
１０の軸方向に下流側から上流側へ流れるが（図１の１０４）、その際、燃焼器ライナ
１０の対流冷却にも使用される。また、その高温空気１０３の一部は、燃焼器ライナ１０に設けられた冷却孔から燃焼器ライナ１０内へ流入し、フィルム冷却に使用される。そして、残りの高温空気１０３は、燃焼器ライナ１０に設けられた燃焼孔や燃料ノズル９に設けられた空気孔から燃焼器ライナ１０内に燃焼用空気として流入し、燃料ノズル９から噴出される燃料２００と共に燃焼ガス１０５として燃焼に使用される。この燃焼ガス１０５は、燃焼器尾筒１２を通ってタービン３へ送られ、タービン３を出た低圧のタービン排ガス１０６が再生器４で熱回収された後、排気される（図１の１０７）。
【００１９】
更に、図３を用いて、燃焼器ライナ１０と燃焼器尾筒１２とが接続される部分に設置した隔壁部材１５の構成について説明する。この隔壁部材１５は、本体ケーシング６内と燃焼器ケーシング７内の空間を隔てる働きをし、主として、フランジ部１５ａ，隔壁部15ｂ、シール円筒部１５ｃからなる。ここで、フランジ部１５ａは、隔壁部材１５を本体ケーシング６に固定するためのものであり、このフランジ部１５ａに設けられた穴にボルトを通し、本体ケーシング６に設けられたボルト穴に固定する。また、隔壁部１５ｂは、本体ケーシング６内と燃焼器ケーシング７内の空間を隔てるためのものであり、これにより、本体ケーシング６内に充満した空気の大部分が再生器４へと送られ、熱回収を効率よく行うことができる。そして、シール円筒部１５ｃは、燃焼器尾筒１２に対して略同心円筒状に位置するものであり、その円筒周方向に板バネシール１６が取付けられている。ここで、シール円筒部１５ｃと燃焼器尾筒１２の間は、ガスタービン起動時と定常運転時の熱伸び差を考慮し、板バネシール１６によるシール性が所定の条件を維持できるような間隔に設定されている。尚、通常運転時に燃焼器尾筒１２が燃焼器２の上流側に熱伸びしても、シール円筒部１５ｃが燃焼器尾筒１２に対して略同心円筒状にあるので、燃焼器尾筒１２の熱伸びを拘束することなくシールできる。
【００２０】
また、隔壁部材１５は、本体ケーシング６の外側から抜き差し可能な構造となっているため、燃焼器２の分解・組立てが容易である。そこで、燃焼器２の組立方法について具体的に説明すると、まず、本体ケーシング６内に燃焼器尾筒１２を取付け、その後、各燃焼器尾筒１２に対して隔壁部材１５を本体ケーシング６に固定する。次に、燃焼器ケーシング７を本体ケーシング６に取付け、燃焼器ケーシング７にフローガイド１１を挿入取付けした後、燃焼器ライナ１０を燃焼器２の上流側から燃焼器ケーシング７内に配置する。そして最後に、燃焼器カバー８及び燃焼ノズル９を設置する。尚、燃焼器２の分解方法は、上記と逆の手順で行えばよい。
【００２１】
上述した本実施例の構成によれば、次のような効果が達成される。まず、再生器４へ抽気するための抽気ポート１３と再生器４から注入するための注入ポート１４を、それぞれ本体ケーシング６と燃焼器ケーシング７に別個に設けたことにより、燃焼器ケーシング７には抽気ポート１３を設ける必要がなく、燃焼器ケーシング７を小型化できる。
【００２２】
また、略二重円筒型の燃焼器ケーシング７の内部空間が、各燃焼器ライナ１０に対して共通の空間となっており、この空間で各燃焼器ライナ１０に対して略均一に空気が分配されるため、各燃焼器ライナ１０に流入する空気の流量を略均一化できる。その際、燃焼器ライナ１０の外周にフローガイド１１を設け、燃焼器ケーシング７内の主として周方向の流れと主として軸方向の流れを隔てることにより、燃焼器ケーシング７のもつ流量均一化の機能を一層高めることができる。尚、燃焼器ライナ１０とフローガイド１１の間の少なくとも一部における流速が、燃焼器ケーシング７内の流速よりも早くなるように設定すると、流量均一化の機能がより高まる。こうして、空気の配分に偏差が生じにくくなると、部分的高温化や窒素酸化物（ＮＯｘ）の増加が抑制できる。
【００２３】
更に、フローガイド１１の開口部を燃焼器ライナ１０の下流側に設けたため、燃焼器２の上流側で燃焼に使用される空気も含めて燃焼器ライナ１０の対流冷却に使用することができる。その結果、燃焼器ライナ１０のフィルム冷却に消費される空気が低減し、その分燃焼器２の上流側の火炎温度が低下し、ＮＯｘ生成量の抑制やライナメタル温度の低減が可能となる。
【００２４】
また、本実施例の燃焼器２は、その上流側から順番に分解することができるので、燃焼空気の高温化によって寿命の低下が懸念される燃焼器部品の点検，補修，交換を容易に行うことができる。更に、多缶型ガスタービンに再生サイクルを適用する場合であっても、各燃焼器ライナ１０に空気を分配するための複雑な配管等を設けることなく、１つの注入ポート１４を介して各燃焼器ライナ１０に空気を供給できるので、全体構造が小さく製作も容易な燃焼器２となる。仮に、複数の燃焼器ライナ１０ごとに注入ポート１４を設けた場合、その配管の長さや分岐部，曲がり部の数の違いによって、各燃焼器ライナ１０へ流入する空気の配分に偏差が生じ、燃焼器２の部分的高温化やＮＯｘの発生量増加につながる恐れがある。
【００２５】
更に、本実施例の燃焼器２は多缶型であるため、単缶型の場合と比べて、ガスタービンが大型化しても個々の燃焼器ライナ１０を小型化できる。したがって、燃焼器ライナ１０の座屈強度を高く維持できると共に開発コストを抑制できる。
【００２６】
尚、本実施例では、注入ポート１４を１つとしたが、燃焼器ライナ１０の数よりも少ない数、例えば、２つ又は４つの注入ポート１４を燃焼器ケーシング７に設けても構わない。
【００２７】
図４は、本発明の第２の実施例を示すガスタービン設備の燃焼器尾筒１２付近の断面図である。本実施例におけるガスタービン設備は、基本的には第１の実施例と同じ構成であるので、第１の実施例と異なる点、すなわち、燃焼器尾筒１２の冷却機能を強化した点について説明する。
【００２８】
本実施例では、燃焼器尾筒１２の外周側に尾筒外筒１７を配置し、この尾筒外筒１７に設けられたフランジ部１８によって本体ケーシング６に固定する。また、尾筒外筒１７の外周側における空気の流れのうち、燃焼器尾筒１２の下流側から上流側へ向かう空気の流れをフランジ部１８によって遮断したので、圧縮機１から抽気ポート１３へ高圧空気101が直接的に流入するのを防ぐことができる。このため、燃焼器尾筒１２と尾筒外筒１７との間の空間が、高圧空気１０１ａの流路となり、図４に示す通り、高圧空気１０１ａは、燃焼器尾筒１２の下流側から流入して上流側へ流出することになる。また、流出した空気は、隣り合う燃焼器尾筒１２の間をすり抜けて流れ、抽気ポート１３へ集まる。このとき、燃焼器尾筒１２は、その外周を流れる高圧空気１０１ａによって対流冷却されるが、燃焼器尾筒１２外周の流路内の高圧空気１０１ａは、ほぼ全面にわたって一方向に流れるので、その流れが淀むことなく、効果的な冷却が可能となる。
【００２９】
尚、本実施例では、冷却流路の流入側と流出側の開口部は、尾筒外筒１７の長さを燃焼器尾筒１２の長さよりも短くして、尾筒外筒１７の両端に隙間を設けることによって形成したが、このように隙間を形成しなくても、所定の形状の穴を尾筒外筒１７に設けることによって、開口部を形成してもよい。
【００３０】
また、本実施例では、図５に示すように、尾筒外筒１７のフランジ部１８に、複数のバイパス孔１９が設けられている。このため、本体ケーシング６内に充満した高圧空気101の一部が、バイパス孔１９を通って抽気ポート１３へ流入する。このバイパス孔１９を通るバイパス流１０１ｂは、燃焼器尾筒１２の冷却には寄与しないので、圧縮機１から出た高圧空気１０１をすべて燃焼器尾筒１２の冷却に用いた場合と比べて、燃焼器尾筒１２を過度に冷却することがなく、燃焼ガス１０５の熱エネルギーの低下を防ぐため、ガスタービン設備を効率よく運転できる。
【００３１】
しかも、燃焼器尾筒１２と尾筒外筒１７との間の空間にすべての空気を流す場合と比べて、流速が過度に早くなることはないので、圧力損失が低下し、熱効率が向上する。また、流速を下げるために、尾筒外筒１７を大きくしたり本体ケーシング６の外部に分岐・合流配管を設けたりする必要がないので、小型化，部品点数の低減，構造の簡略化，分解組立の容易化，コスト低減などが期待できる。
【００３２】
図６は、本発明の第３の実施例を示すガスタービン設備の断面図である。本実施例は、基本的には第１の実施例と同じ構成であるが、加湿・再生型ガスタービンを採用している点が異なるので、以下、この点について具体的に説明する。
【００３３】
本実施例では、まず、本体ケーシング６の抽気ポート１３から抽気した抽気空気１０２に対して、加湿装置２０で高圧水を混合し、高湿空気とする。次に、空気中の水滴を低温再生器２１で完全に蒸発させた後、再生器４においてタービン排ガス１０６との熱交換により高温・高湿空気とし、注入ポート１４から燃焼器ケーシング７内に注入する。このとき、燃焼用空気には、通常の濃度以上の水分が含まれているので、燃焼器２の上流側の火炎温度が低下し、ＮＯｘの発生を抑制できる。つまり、燃焼に用いられる作動流体が高温である再生型ガスタービンであっても、ＮＯｘの排出量を低く抑えることが可能となる。また、加湿・再生型サイクルでは、再生サイクルと比べて、空気中に水分が含まれている分だけ燃焼器２に注入される空気量が増加するため、燃焼器２の構造が大型化する傾向にあるが、上記第１の実施例のような構成を採用すれば、燃焼器２の構造を小さく維持できる。
【００３４】
また、上記第１〜第３の実施例の多缶再生型ガスタービンは、発電，圧縮機駆動，ポンプ駆動などに利用できるほか、排熱回収ボイラと組合せることで、発電と蒸気発生のコジェネレーションにも利用できる。尚、ガスタービン設備で利用する燃料２００は、天然ガス・石炭ガス化ガス等の気体燃料、灯油・経由・重油・アルコール類等の液体燃料など、ガスタービン設備で使用可能な燃料であれば、種類を問わない。更に、ガスタービン設備の作動流体として、上記第１〜第３の実施例では、空気を用いたが、窒素，水蒸気，二酸化炭素やそれらの混合されたものなどでも良い。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１の実施例を示すガスタービン設備の断面図である。
【図２】図１の燃焼器部分の断面を軸方向から見た図である。
【図３】図１の燃焼器ライナと燃焼器尾筒の接続部分に設置した隔壁部材の構成を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施例を示すガスタービン設備の燃焼器尾筒付近の断面図である。
【図５】図４の尾筒外筒のフランジ部を拡大した図である。
【図６】本発明の第３の実施例を示すガスタービン設備の断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１…圧縮機、２…燃焼器、３…タービン、４…再生器、５…発電機、６…本体ケーシング、７…燃焼器ケーシング、８…燃焼器カバー、９…燃料ノズル、１０…燃焼器ライナ、
１１…フローガイド、１２…燃焼器尾筒、１３…抽気ポート、１４…注入ポート、１５…隔壁部材、１６…板バネシール、１７…尾筒外筒、１８…フランジ部、１９…バイパス孔、２０…加湿装置、２１…低温再生器、２２…水ポンプ、１００…大気、１０１…高圧空気、１０２…抽気空気、１０３…高温空気、１０４…ライナ冷却空気、１０５…燃焼ガス、１０６…タービン排ガス、１０７…排気ガス、２００…燃料、３０１…低圧水、３０２…高圧水。
【図１】
2006220350.tif 000003
【図２】
2006220350.tif 000004
【図３】
2006220350.tif 000005
【図４】
2006220350.tif 000006
【図５】
2006220350.tif 000007
【図６】
2006220350.tif 000008