(57)【要約】【課題】ガスタービンの停止時に、予蒸発予混合流路体における流路壁の内面に付着したコーキング層を、その内壁面から剥離させて、燃焼安定性及びＮＯｘ排出特性を向上させる。【解決手段】燃焼室で燃焼させるための液体燃料を蒸発させ、この蒸発した液体燃料と燃焼用空気とを混合する予蒸発予混合流路を形成する予蒸発予混合流路体９を備えるガスタービン燃焼器において、前記予蒸発予混合流路体９の内壁の少なくとも一部に、前記流路体の軸線方向に並設するコーキング層剥離用の突起部１２を形成したことを特徴とする【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室で燃焼させるための液体燃料を蒸発させ、この蒸発した液体燃料と燃焼用空気とを混合する予蒸発予混合流路を形成する予蒸発予混合流路体を備えるガスタービン燃焼器において、前記予蒸発予混合流路体の内壁の少なくとも一部に、コーキング層剥離用の突起部を形成したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項２】
燃焼室で燃焼させるための液体燃料を蒸発させ、この蒸発した液体燃料と燃焼用空気とを混合し、気化燃料気体を生成する予蒸発予混合流路を形成する予蒸発予混合流路体を備えるガスタービン燃焼器において、前記予蒸発予混合流路体の内壁の少なくとも一部に、前記気化燃料気体が流れる方向に並設するコーキング層剥離用の突起部を形成したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項３】
燃焼室で燃焼させるための液体燃料を蒸発させ、この蒸発した液体燃料と燃焼用空気とを混合し、気化燃料気体を生成する予蒸発予混合流路を形成する予蒸発予混合流路体を備えるガスタービン燃焼器において、前記予蒸発予混合流路体の内壁の少なくとも一部に、前記流路体の内壁面回りに沿って並設するコーキング層剥離用の突起部を形成したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項４】
燃焼室で燃焼させるための液体燃料を蒸発させ、この蒸発した液体燃料と燃焼用空気とを混合し、気化燃料気体を生成する予蒸発予混合流路を形成する予蒸発予混合流路体を備えるガスタービン燃焼器において、前記予蒸発予混合流路体の内壁の少なくとも一部に、互いに隣り合う第１の谷線と稜線とにより形成した第１のテーパ面と、前記稜線と第２の谷線とにより形成した第２のテーパ面とからなるコーキング層剥離用の突起部を、前記気化燃料気体が流れる方向に並設して形成したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項５】
燃焼室で燃焼させるための液体燃料を蒸発させ、この蒸発した液体燃料と燃焼用空気とを混合し、気化燃料気体を生成する予蒸発予混合流路を形成する予蒸発予混合流路体を備えるガスタービン燃焼器において、前記予蒸発予混合流路体の内壁の少なくとも一部に、互いに隣り合う第１の谷線と稜線とにより形成した第１のテーパ面と、混合気体が流れる方向において、前記第１の谷線と稜線との間隔よりも小さい間隔で前記稜線と第２の谷線とにより形成した第２のテーパ面とからなるコーキング層剥離用の突起部を、前記気化燃料気体が流れる方向に並設して形成したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項６】
燃焼室で燃焼させるための液体燃料を蒸発させ、この蒸発した液体燃料と燃焼用空気とを混合する予蒸発予混合流路を形成する予蒸発予混合流路体を備えるガスタービン燃焼器において、前記予蒸発予混合流路体の内壁の少なくとも一部に、コーキング層剥離用の突起部を形成したことを特徴とするガスタービン燃焼器の予蒸発予混合流路体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機からの燃焼空気に燃料を混合して燃焼させ、その生成された燃焼ガスをガスタービンに供給するガスタービン燃焼器に係わり、特に、液体燃料を燃焼することができるガスタービン燃焼器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、液体燃料を燃焼する際のＮＯｘ排出量が低減し、また、水を使用しないので、送水用のポンプが不要であるとの利点から、予蒸発予混合燃焼方式を採用するガスタービン燃焼器が提案されている。この予蒸発予混合燃焼方式を採用するガスタービン燃焼器は、燃料噴射弁から予蒸発予混合流路体に、液体燃料を噴霧して蒸発させて、気化燃料気体とし、この気化燃料気体を燃焼空気と予め均一に混合して希薄予混合気体としておき、この希薄予混合気体を燃焼器の内筒内で燃焼させるものである。
【０００３】
この種の予混合型燃焼器においては、予混合室の外周壁の内面にカーボンが堆積するので、このカーボンの堆積を防止し、燃焼ガス中のＮＯｘの排出量を低減するために、予混合室を形成する予混合管を、加熱コイルを絶縁部材で覆った加熱体により形成し、この加熱体の加熱コイルに通電することにより、予混合室の壁面をカーボン付着上限温度以上に加熱して、その壁面に液滴が付着してコーキングが発生することを防止する方策が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特許３０３４８５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した予蒸発予混合燃焼方式を採用するガスタービン燃焼器においては、燃料噴射弁から予蒸発予混合流路体に、液体燃料を噴霧して蒸発させさせるため、前述した予混合型燃焼器に比べて、予蒸発予混合流路体の流路内に噴霧された液滴状の液体燃料及びこれに含まれているカーボン等の不揮発性の成分が、完全に蒸発しきらずに、流路の内面に付着したまま残留して固化し堆積し、その堆積層を成長させる現象（コーキングと呼ばれている）の発生傾向が著しい。この堆積層が増加し、コーキング層の厚みが増加していくと、予蒸発予混合流路の流路面積が設計値よりも狭くなってしまう。そのため、燃焼安定性やＮＯｘ排出特性が悪化し、燃焼器の性能が低下する可能性があった。
【０００６】
このため、このコーキング現象を防止するために、前述した従来技術に開示されているように、予蒸発予混合流路体を加熱することが考えられるが、そのためには予蒸発予混合流路体における流路壁の温度を、カーボン付着温度以上で流路壁の耐熱温度以下に維持する必要がある。
【０００７】
しかしながら、予蒸発予混合流路体における流路壁の壁面の伝熱特性は、ガスタービンの運転状態により広い範囲で変化するので、その加熱のための温度管理が難しく、実用に供し得ないのが実情である。
【０００８】
本発明は、上述の事柄に基づいてなされたもので、予蒸発予混合流路体における流路壁の内面へのコーキング層の付着を防止し、燃焼安定性及びＮＯｘ排出特性を向上させることができるガスタービン燃焼器及びこれに用いる予蒸発予混合流路体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するための、第１の発明は、燃焼室で燃焼させるための液体燃料を蒸発させ、この蒸発した液体燃料と燃焼用空気とを混合する予蒸発予混合流路を形成する予蒸発予混合流路体を備えるガスタービン燃焼器において、前記予蒸発予混合流路体の内壁の少なくとも一部に、コーキング層剥離用の突起部を形成したことを特徴とするガスタービン燃焼器にある。
【００１０】
また、第２の発明は、燃焼室で燃焼させるための液体燃料を蒸発させ、この蒸発した液体燃料と燃焼用空気とを混合し、気化燃料気体を生成する予蒸発予混合流路を形成する予蒸発予混合流路体を備えるガスタービン燃焼器において、前記予蒸発予混合流路体の内壁の少なくとも一部に、前記気化燃料気体が流れる方向に並設するコーキング層剥離用の突起部を形成したことを特徴とするガスタービン燃焼器にある。
【００１１】
更に、第３の発明は、燃焼室で燃焼させるための液体燃料を蒸発させ、この蒸発した液体燃料と燃焼用空気とを混合し、気化燃料気体を生成する予蒸発予混合流路を形成する予蒸発予混合流路体を備えるガスタービン燃焼器において、前記予蒸発予混合流路体の内壁の少なくとも一部に、前記流路体の内壁面回りに沿って並設するコーキング層剥離用の突起部を形成したことを特徴とするガスタービン燃焼器にある。
【００１２】
また、第４の発明は、燃焼室で燃焼させるための液体燃料を蒸発させ、この蒸発した液体燃料と燃焼用空気とを混合し、気化燃料気体を生成する予蒸発予混合流路を形成する予蒸発予混合流路体を備えるガスタービン燃焼器において、前記予蒸発予混合流路体の内壁の少なくとも一部に、互いに隣り合う第１の谷線と稜線とにより形成した第１のテーパ面と、前記稜線と第２の谷線とにより形成した第２のテーパ面とからなるコーキング層剥離用の突起部を、前記気化燃料気体が流れる方向に並設して形成したことを特徴とするガスタービン燃焼器にある。
【００１３】
更に、第５の発明は、燃焼室で燃焼させるための液体燃料を蒸発させ、この蒸発した液体燃料と燃焼用空気とを混合し、気化燃料気体を生成する予蒸発予混合流路を形成する予蒸発予混合流路体を備えるガスタービン燃焼器において、前記予蒸発予混合流路体の内壁の少なくとも一部に、互いに隣り合う第１の谷線と稜線とにより形成した第１のテーパ面と、混合気体が流れる方向において、前記第１の谷線と稜線との間隔よりも小さい間隔で前記稜線と第２の谷線とにより形成した第２のテーパ面とからなるコーキング層剥離用の突起部を、前記気化燃料気体が流れる方向に並設して形成したことを特徴とするガスタービン燃焼器にある。
【００１４】
また、第６の発明は、燃焼室で燃焼させるための液体燃料を蒸発させ、この蒸発した液体燃料と燃焼用空気とを混合する予蒸発予混合流路を形成する予蒸発予混合流路体を備えるガスタービン燃焼器において、前記予蒸発予混合流路体の内壁の少なくとも一部に、コーキング層剥離用の突起部を形成したことを特徴とするガスタービン燃焼器の予蒸発予混合流路体にある。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のガスタービン燃焼器によれば、ガスタービンの停止時における温度低下に基づく、コーキング層剥離用の突起部の熱変形により、予蒸発予混合流路体の内壁面に付着したコーキング層をその内面から自動的に剥離させ、排出することができるので、予蒸発予混合流路体の内壁面へのコーキング層の成長を抑えることができる。その結果、燃焼器の性能を向上維持することができる。
【００１６】
本発明のガスタービン燃焼器の予蒸発予混合流路体によれば、数ｍｍ程度の高さのコーキング層剥離用の突起部を形成すれば良いので、その製作は容易であり、その製作費も高価にならないものでる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明のガスタービン燃焼器の実施の形態を図面を用いて説明する。  
図１及び図２は本発明のガスタービン燃焼器の一実施の形態を示すもので、この図１において、１は燃焼器外筒、２は燃焼器外筒１の端部に設けた燃焼器外筒端板、３は燃焼室Ｆを形成する燃焼器内筒で、この燃焼器内筒３は燃焼用空気の通路を形成するように燃焼器外筒１の内部に設けられている。４はその燃焼器内筒３の一方側に設けた燃焼器内筒端板である。燃焼器内筒３の他方側には燃焼器尾筒が設けられている。この燃焼器尾筒が燃焼ガスをガスタービンに供給するようにガスタービンに連結されている。
【００１８】
５は副燃焼部を構成する第１の燃料噴射弁で、この第１の燃料噴射弁５はその先端が燃焼用内筒内に臨むように燃焼器外筒端板２の中心に設けられている。６は主燃焼部を構成する第２の燃焼噴射弁で、この第２の燃料噴射弁６はその先端が予蒸発予混合流路の上流部に設置され、図２に示すように燃焼器外筒端板２の中心回りに間隔を持って設けられている。
【００１９】
７は副燃焼部を構成する副燃焼部壁で、この副燃焼部壁７はその一方端が第１の燃料噴射弁５の先端を覆うように他端が燃焼器内筒端板４に設けられている。８は副燃焼部壁７と第１の燃料噴射弁５の先端との間に設けた旋回翼、９は主燃焼部を構成する筒状の予蒸発予混合流路体で、この予蒸発予混合流路体９はその一方端が第２の燃料噴射弁６の先端を覆うように他端が燃焼器内筒端板４に設けられている。１０は予蒸発予混合流路体９と第２の燃料噴射弁６の先端との間に設けた旋回翼である。１１は点火栓管で、この点火栓管１１はその先端が燃焼器内筒３内に臨むように燃焼器外筒１に固定されている。
【００２０】
なお、上述した予蒸発予混合流路体９の形状は、円筒形状だけではなく、上流から下流に向かって拡開するコーン形状や、流路断面として矩形状、台形状のものなどがある。また、円環状の流路に複数の燃料噴射弁を設置して予蒸発予混合流体を形成する場合もある。本実施の形態では、予蒸発予混合流路体９の形状として筒状の場合を例にして説明する。
【００２１】
１２は予蒸発予混合流路体９の内面に設けたコーキング層剥離用の突起部で、この突起部１２は予蒸発予混合流路体９の内面の少なくとも一部に、混合気体が流れる方向に沿って並設されている。この突起部１２は、図３に示すように予蒸発予混合流路体９における任意の互いに隣り合う第１の谷線と稜線とにより形成した第１のテーパ面１３と、気化燃料気体が流れる方向において、第１の谷線と稜線との間隔よりも小さい間隔で互いに隣り合う稜線と第２の谷線とにより形成した第２のテーパ面１４とで形成されている。そして、本実施の形態では、第１のテーパ面１３を形成する第１の谷線（即ち、第２のテーパ面１４を形成する第２の谷線）が凹部であり、第１のテーパ面１３を形成する稜線（即ち、第２のテーパ面１４を形成する稜線）が凸部に該当する。
【００２２】
この突起部１２は温度変化に伴ってその第１のテーパ面１３と第２のテーパ面１４とに寸法変化を与えて、コーキング層Ａを予蒸発予混合流路体９の内面から剥離させる機能を有している。このため、この突起部１２の山と谷との間の寸法は、例えば数ｍｍ程度に設定すれば良い。また、予蒸発予混合流路体９の材質には、コーキング層Ａの主成分であるカーボンよりも数倍大きい線膨張率を持つ金属材料、例えばＳＵＳ等の金属材料が使用される。
【００２３】
次に、上述した本発明のガスタービン燃焼器の一実施の形態を図面を用いて説明する。  
まず、圧縮機から供給される高温高圧の燃焼用空気は、燃焼器外筒１と燃焼器内筒３とで形成された空間から旋回翼８，１０を通して、副燃焼部における副燃焼部壁７内及び予蒸発予混合流路体９内に流入する。この際、燃焼用空気は、それぞれ旋回翼８，１０により旋回成分を有しているので、燃焼室Ｆで火炎を安定に保炎するための循環流領域を生起している。
【００２４】
この状態において、第１の燃料噴射弁５から液体燃料が噴霧状に噴射され、点火栓管１１から挿入された点火プラグの点火により燃焼する。この副燃焼部の燃焼形態は、噴霧拡散燃焼になっている。
【００２５】
次に、第２の燃料噴射弁６から液体燃料を、主燃焼部を構成する筒状の予蒸発予混合流路体９内の予蒸発予混合流路に噴霧状に噴射すると、この液体燃料は、予蒸発予混合流路内で蒸発し、さらに燃焼用空気と混合して希薄予混合気体となり、燃焼室Ｆに供給される。
【００２６】
これにより、希薄予混合気体は、主燃焼部において副燃焼部の火炎により燃焼しタービンに供給される。この主燃焼部の燃焼形態は、局所的な高温領域が形成されにくい希薄予混合燃焼となるので、サーマルＮＯｘが発生し難い状態になっている。
【００２７】
この状態で燃焼を継続すると、主燃焼部を構成する筒状の予蒸発予混合流路体９の内面に形成した突起部１２の表面には、図４に示すように液体燃料に含まれているカーボン等の不揮発性の成分が付着したまま残留固化し、この現象の繰り返しにより、残留成分の層、所謂コーキング層Ａが堆積して成長する。
【００２８】
このとき、主燃焼部を構成する筒状の予蒸発予混合流路体９には、圧縮機からの高温高圧の燃焼用空気が供給されているため、この予蒸発予混合流路体９は高温状態となっており、室温時に比べて熱伸びした状態になっている。このため、前述したコーキング層Ａは、熱により膨張した突起部１２の表面に適合するように付着堆積している。
【００２９】
次に、ガスタービンの停止に伴い、ガスタービン燃焼器における主燃焼部の燃焼を停止すると、予蒸発予混合流路体９の温度は除々に低下し、最終的には、室温と同程度の温度となるので、予蒸発予混合流路体９は、その寸法に縮みを生じる。これにより、特に、予蒸発予混合流路体９の内面に形成した突起部１２の稜線及び谷線部分の寸法が、予蒸発予混合流路体９全体の縮みに追従して小さくなる。
【００３０】
このように、予蒸発予混合流路体９に、隣り合う凹部と凸部による突起部を形成すると、予蒸発予混合流路体９とコーキング層Ａとの熱伸び差によって、コーキング層Ａが予蒸発予混合流路体９の凸部で浮き上がりやすくなる（剥離作用）。そのため、コーキング層が予蒸発予混合流路体９の壁面から離脱しやすくなる。更に、本実施例では、凸部と凹部が稜線と谷線によって壁面に折れ線形状で形成されている。したがって、コーキング層Ａには、図５に示すように突起部１２の稜線及び谷線に対応する個所に引張応力Ｔがそれぞれ作用する。この引張応力Ｔにより、コーキング層Ａに亀裂Ｃが生じて、小片化する。
【００３１】
上述したコーキング層Ａの剥離作用により、コーキング層Ａは、予蒸発予混合流路体９の内面から剥がれて離脱する。また、本実施例では、離脱しないで予蒸発予混合流路体９の内面に残ったコーキング層Ａは、亀裂により小片化しているので、次回のガスタービン運転時の燃焼用空気により予蒸発予混合流路体９の内面から吹き飛ばされて離脱する。
【００３２】
これにより、予蒸発予混合流路体９の流路面積の狭小化を抑えることができるので、燃焼の安定性やＮＯｘ排出特性を改善することができる。また、ガスタービンの停止時に、コーキング層Ａの剥離が自動的に作用するので、コーキング層Ａを除去するための大掛かりで時間のかかる燃焼器の解体・洗浄作業が不要になり、ガスタービンの稼働率を向上させることができる。なお、予蒸発予混合流路体が円環状やコーン形状であっても、予蒸発予混合流路体の隣り合う稜線と谷線による突起部を形成することで、同様の効果を得ることが可能である。
【００３３】
また、上述した本発明の一実施の形態においては、図６に示すように予蒸発予混合流路体９の内面側の突起部１２の表面に、コーキング層Ａが堆積形成されていても、図３に示すように気化燃料気体が流れる方向において、突起部１２における第２のテーパ面１４が形成する第２の谷線と稜線との間隔よりも大きい間隔で、互いに隣り合う第１の谷線と稜線とにより形成した第１のテーパ面１３の緩い傾斜角度により、液滴状あるいは液膜状の液体燃料Ｏは、気流から受ける力によって下流方向に移動して、堆積されたコーキング層Ａの山部から離脱して、再び燃焼用空気中に飛散する。
【００３４】
その結果、コーキング層Ａの成長を抑えることができるので、タービン運転中に予蒸発予混合流路体９の流路断面積の狭小化が抑えられ、燃焼の安定性やＮＯｘ排出特性を改善できる。
【００３５】
なお、前述した本発明の実施の形態においては、予蒸発予混合流路体９の内面側の突起部１２の表面に、コーキング層Ａが既に堆積形成されている場合について述べたが、突起部１２の表面に、コーキング層Ａが堆積形成されていない場合についても、同様な機能を奏する。
【００３６】
また、上述した本発明の実施の形態においては、突起部１２の断面形状を、傾斜角度の異なる２つのテーパ面で構成したが、傾斜角度が同一な２つのテーパ面で構成しても良いし、また、断面形状を角形、台形等にすることも可能であるし、また、突起部１２を内壁面にその内壁面回りに沿って並設し、また螺旋状に設けることも可能である。更に、突起部１２の構成する第１のテーパ面１３の機能を向上させるために、円弧状に形成することも可能である。
【００３７】
図７は、本発明のガスタービン燃焼器の一実施の形態を構成する予蒸発予混合流路体の他の例を拡大して示すもので、この図７において、図３と同符号のものは同一または相当する部分である。この実施の形態は、突起部１２の断面形状が、突起部１２を形成する凸部と凹部とにそれぞれ図３のような明確な折れ線形状稜線及び谷線が形成されておらず、なだらかな曲線形状に形成したものである。
【００３８】
この実施の形態においては、予蒸発予混合流路体の壁面にコーキング層Ａが付着堆積する過程は前述した実施の形態と同様である。そして、タービン停止時には、予蒸発予混合流路体９の壁面とコーキング層Ａの熱伸び差により、突起部１２を形成する凸部付近でコーキング層Ａが浮き上がり、コーキング層Ａと予蒸発予混合流路体９の壁面との間に空間１５が生じる。そのため、コーキング層Ａが予蒸発予混合流路体９の壁面から剥離する。そして、突起部１２を形成する凸部付近でコーキング層Ａが剥離したことにより、コーキング層Ａを予蒸発予混合流路体９の壁面から離脱しやすくすることが可能である。
【００３９】
この実施の形態によれば、前述した実施の形態と同様な効果をえることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明のガスタービン燃焼器の一実施の形態を示す縦断面図である。
【図２】図１に示す本発明のガスタービン燃焼器の一実施の形態をII―II矢視から見た断面図である。
【図３】図１に示す本発明のガスタービン燃焼器の一実施の形態を構成する予蒸発予混合流路体を拡大して示す部分断面図である。
【図４】本発明のガスタービン燃焼器の一実施の形態を構成する予蒸発予混合流路体におけるコーキング層の付着状態を示す拡大部分断面図である。
【図５】本発明のガスタービン燃焼器の一実施の形態を構成する予蒸発予混合流路体におけるコーキング層の剥離状態を示す拡大部分断面図である。
【図６】本発明のガスタービン燃焼器の一実施の形態を構成する予蒸発予混合流路体におけるコーキング層に滴下した燃料液滴の挙動状態を示す拡大部分断面図である。
【図７】本発明のガスタービン燃焼器の一実施の形態を構成する予蒸発予混合流路体の他の例を拡大して示す部分断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１        燃焼器外筒
２        燃焼器外筒端板
３        燃焼器内筒
４        燃焼器内筒端板
５        第１の燃料噴射弁
６        第２の燃焼噴射弁
７        副燃焼部壁
８        旋回翼
９        予蒸発予混合流路体
１０      旋回翼
１１      点火栓管
１２      コーキング層剥離用の突起部
１３      第１のテーパ面１３
１４      第２のテーパ面
【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】
2006046734.tif 000008
【図７】
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