(57)【要約】  【課題】  簡単な構成で、ガスタービンの広い負荷範囲に渡って、低ＮＯｘでしかも燃焼効率が高く、さらには安定燃焼が可能なガスタービン燃焼器を提供する。  【解決手段】  予混合ノズル２の内側層２ａ及び外側層２ｃには、図示しない車室より空気（燃焼用空気）が供給され、これらがそれぞれスワラ３ａ，３ｃの働きにより旋回流を形成しつつ、矢印Ａで示すように各層より内筒４へと噴き出す。一方、予混合ノズル２の中間層２ｂには、燃料ガスに排ガスを混入して低カロリーガスとしたものが供給され、これがスワラ３ｂの働きにより旋回流を形成しつつ、矢印Ｂで示すように中間層２ｂより内筒４へと噴き出す。【選択図】      図１
2006097939.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略円筒状に設けられ、燃料ガスとタービンからの排ガスとを混合した混合ガスを内筒へ噴き出すことが可能な第１のノズルと、前記第１のノズルの外側周囲に設けられ、燃焼用空気を前記内筒へ噴き出すことが可能な第２のノズルとを備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項２】
前記第１のノズルの内側周囲に、燃焼用空気を前記内筒へ噴き出すことが可能な第３のノズルを設けたことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項３】
燃焼用空気に燃料ガスを混合した予混合気を、前記第２及び第３のノズルよりそれぞれ前記内筒へ噴き出すようにしたことを特徴とする請求項２に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項４】
前記混合ガスの代わりにパージ空気を前記第１のノズルより前記内筒へ噴き出すとともに、燃焼用空気に燃料ガスを混合した予混合気を、前記第２及び第３のノズルよりそれぞれ前記内筒へ噴き出すようにしたことを特徴とする請求項２に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項５】
前記第３のノズルの内側に、パイロット燃料を前記内筒へ噴き出すパイロットノズルを設けるとともに、前記混合ガスの代わりにパージ空気を前記第１のノズルより前記内筒へ噴き出し、燃焼用空気を前記第２のノズルより前記内筒へ噴き出し、燃焼用空気に燃料ガスを混合した予混合気を、前記第３のノズルより前記内筒へ噴き出すようにしたことを特徴とする請求項２に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項６】
前記内筒の内壁面より内側へ突設して燃焼用空気を前記内筒へ供給するスクープを設けたことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項７】
燃焼用空気に燃料ガスを混合した予混合気を、前記第２のノズルより前記内筒へ噴き出すようにしたことを特徴とする請求項６に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項８】
前記混合ガスの代わりにパージ空気を前記第１のノズルより前記内筒へ噴き出すとともに、燃焼用空気に燃料ガスを混合した予混合気を、前記第２のノズルより前記内筒へ噴き出すようにしたことを特徴とする請求項６に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項９】
前記第１のノズルの内側に、パイロット燃料を前記内筒へ噴き出すパイロットノズルを設けるとともに、前記混合ガスの代わりにパージ空気を前記第１のノズルより前記内筒へ噴き出し、燃焼用空気に燃料ガスを混合した予混合気を、前記第２のノズルより前記内筒へ噴き出すようにしたことを特徴とする請求項６に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項１０】
前記第１のノズルより前記内筒へ噴き出す前記混合ガスが、該第１のノズルの半径方向に不均一な燃料濃度分布となるように、該混合ガスに別途燃料ガスを供給するようにしたことを特徴とする請求項２又は請求項６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、低ＮＯｘ化及び高効率化等を図ったガスタービン燃焼器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、排ガスを再循環することで低ＮＯｘ化及び高効率化を図ったガスタービン燃焼器が知られている。例えば、ガスタービンから排出される排ガスの一部を燃焼器に循環するように構成されたガスタービンシステムが、特許文献１に開示されている。具体的には、排ガスの一部が排ガス圧縮機により加圧され、燃焼器に供給される燃料に予め混合されるように構成されてなるとしている。
【０００３】
この場合、排ガスが燃焼器に循環することにより、空気過剰率の低い燃焼ガスとすることができるので、燃焼ガス中の酸素濃度が低下し、高温燃焼時のＮＯｘ急増を抑制できる。また、排ガスを循環させることは、まだ温度エネルギーのあるガスを再利用することになり、排気損失を低減することにもなる。
【０００４】
また、燃料と空気を別々に供給して燃焼器内で燃焼させる拡散燃焼型ガスタービンにおいて、低ＮＯｘ化を図り、低コスト化をそのまま維持し得るとしたものが、特許文献２に開示されている。これは、ガスタービンの排気ガス（排ガス）を排出する排気経路と、燃焼器に燃料を供給する燃料経路とを、排気ガスを再循環させる再循環経路で連通し、この再循環経路には排気ガスコンプレッサを配設した拡散燃焼型ガスタービンである。
【０００５】
ここでは、再循環経路に設けた排気ガスコンプレッサによりガスタービンの排気ガスを燃料中に混入し、高カロリーの燃料を低カロリーの燃料に改質して燃焼中の火炎温度の低下を図り、ＮＯｘ発生濃度を低くするとしている。
【特許文献１】特開２００１−１７７４３号公報
【特許文献２】特開平１１−３０４１５１号公報
【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、上述したような従来の構成において、ＮＯｘ発生が少ない低燃焼温度時（部分負荷）に上記低カロリーガスを用いると、逆に保炎性の低下や燃焼振動の発生、更には燃焼効率の低下を招いてしまうおそれがある。また、排ガスを燃料と混合して燃焼器内に投入するためには、大きな排ガス圧縮機動力を必要としてしまうという問題もある。
【０００７】
本発明は、このような問題点に鑑み、簡単な構成で、ガスタービンの広い負荷範囲に渡って、低ＮＯｘでしかも燃焼効率が高く、さらには安定燃焼が可能なガスタービン燃焼器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】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明では、略円筒状に設けられ、燃料ガスとタービンからの排ガスとを混合した混合ガスを内筒へ噴き出すことが可能な第１のノズルと、前記第１のノズルの外側周囲に設けられ、燃焼用空気を前記内筒へ噴き出すことが可能な第２のノズルとを備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器とする。
【０００９】
そして、前記第１のノズルの内側周囲に、燃焼用空気を前記内筒へ噴き出すことが可能な第３のノズルを設けたことを特徴とする。
【００１０】
また、燃焼用空気に燃料ガスを混合した予混合気を、前記第２及び第３のノズルよりそれぞれ前記内筒へ噴き出すようにしたことを特徴とする。
【００１１】
また、前記混合ガスの代わりにパージ空気を前記第１のノズルより前記内筒へ噴き出すとともに、燃焼用空気に燃料ガスを混合した予混合気を、前記第２及び第３のノズルよりそれぞれ前記内筒へ噴き出すようにしたことを特徴とする。
【００１２】
また、前記第３のノズルの内側に、パイロット燃料を前記内筒へ噴き出すパイロットノズルを設けるとともに、前記混合ガスの代わりにパージ空気を前記第１のノズルより前記内筒へ噴き出し、燃焼用空気を前記第２のノズルより前記内筒へ噴き出し、燃焼用空気に燃料ガスを混合した予混合気を、前記第３のノズルより前記内筒へ噴き出すようにしたことを特徴とする。
【００１３】
或いは、前記第３のノズルの代わりに、前記内筒の内壁面より内側へ突設して燃焼用空気を前記内筒へ供給するスクープを設けたことを特徴とする。
【００１４】
また、燃焼用空気に燃料ガスを混合した予混合気を、前記第２のノズルより前記内筒へ噴き出すようにしたことを特徴とする。
【００１５】
また、前記混合ガスの代わりにパージ空気を前記第１のノズルより前記内筒へ噴き出すとともに、燃焼用空気に燃料ガスを混合した予混合気を、前記第２のノズルより前記内筒へ噴き出すようにしたことを特徴とする。
【００１６】
また、前記第１のノズルの内側に、パイロット燃料を前記内筒へ噴き出すパイロットノズルを設けるとともに、前記混合ガスの代わりにパージ空気を前記第１のノズルより前記内筒へ噴き出し、燃焼用空気に燃料ガスを混合した予混合気を、前記第２のノズルより前記内筒へ噴き出すようにしたことを特徴とする。
【００１７】
その他、前記第１のノズルより前記内筒へ噴き出す前記混合ガスが、その第１のノズルの半径方向に不均一な燃料濃度分布となるように、その混合ガスに別途燃料ガスを供給するようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、簡単な構成で、ガスタービンの広い負荷範囲に渡って、低ＮＯｘでしかも燃焼効率が高く、さらには安定燃焼が可能なガスタービン燃焼器を提供することができる。
【００１９】
具体的には、略円筒状に設けられ、燃料ガスとタービンからの排ガスとを混合した混合ガスを内筒へ噴き出すことが可能な第１のノズルと、第１のノズルの外側周囲に設けられ、燃焼用空気を内筒へ噴き出すことが可能な第２のノズルとを備えたことにより、混合ガスの外側にこれを取り囲む空気流があるため、内筒の内壁面を冷却することができて有利となる。また、混合ガス（低カロリーガス）を使用することにより、火炎面の最高温度を低減し、高温燃焼時のＮＯｘ急増を防止することができる。
【００２０】
また、第１のノズルの内側周囲に、燃焼用空気を内筒へ噴き出すことが可能な第３のノズルを設けたことにより、燃料を空気で挟むことで、燃焼時に生じるホットゾーンを冷却しつつ、下流側へ向かうにつれて燃料と空気を混合し、燃焼器出口の温度分布を均一化させることができる。
【００２１】
また、燃焼用空気に燃料ガスを混合した予混合気を、第２及び第３のノズルよりそれぞれ内筒へ噴き出すようにしたことにより、火炎温度の低い状態でも安定して保炎することが可能となる。
【００２２】
また、混合ガスの代わりにパージ空気を第１のノズルより内筒へ噴き出すとともに、燃焼用空気に燃料ガスを混合した予混合気を、第２及び第３のノズルよりそれぞれ内筒へ噴き出すようにしたことにより、排ガスを利用しない構成となり、部分負荷での排ガス圧縮機動力を不用とすることができる。なお、パージ空気により下流側の高温ガスが第１のノズルへと逆流することを防止することができる。
【００２３】
また、第３のノズルの内側に、パイロット燃料を内筒へ噴き出すパイロットノズルを設けたことにより、低負荷時には予混合燃焼方式にパイロット拡散燃焼を組み合わせて、火炎の安定化を図ることができる。
【００２４】
或いは、第３のノズルの代わりに、内筒の内壁面より内側へ突設して燃焼用空気を内筒へ供給するスクープを設けたことにより、このスクープの長さや個数、更には位置を調整することで、内筒における空気噴き出し位置を調整し、保炎性や燃焼振動傾向、更には燃焼器出口温度分布を調整することができる。
【００２５】
また、燃焼用空気に燃料ガスを混合した予混合気を、第２のノズルより内筒へ噴き出すようにしたことにより、火炎温度の低い状態でも安定して保炎することが可能となる。
【００２６】
また、混合ガスの代わりにパージ空気を第１のノズルより内筒へ噴き出すとともに、燃焼用空気に燃料ガスを混合した予混合気を、第２のノズルより内筒へ噴き出すようにしたことにより、排ガスを利用しない構成となり、部分負荷での排ガス圧縮機動力を不用とすることができる。なお、パージ空気により下流側の高温ガスが第１のノズルへと逆流することを防止することができる。
【００２７】
また、第１のノズルの内側に、パイロット燃料を内筒へ噴き出すパイロットノズルを設けたことにより、低負荷時には予混合燃焼方式にパイロット拡散燃焼を組み合わせて、火炎の安定化を図ることができる。
【００２８】
その他、第１のノズルより内筒へ噴き出す混合ガスが、第１のノズルの半径方向に不均一な燃料濃度分布となるように、混合ガスに別途燃料ガスを供給するようにしたことにより、保炎性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００３０】
図１は、本発明の実施例１に係るガスタービン燃焼器を模式的に示す図であり、燃料ノズル及び内筒の軸に沿った半断面図である。また図２は、燃焼器を軸方向でガスの下流側より見た燃料ノズルの配置図である。図１に示すように、燃料ノズル１内において、一点鎖線で示した軸の周囲には略円筒状に予混合ノズル２が設けられている。図２に示すように、予混合ノズル２は略同心円状に、内側層２ａ，中間層２ｂ，及び外側層２ｃの３層の領域に区分されている。各層には図１に示すように、スワラ３（それぞれスワラ３ａ，３ｂ，３ｃと呼ぶ）が設けられている。燃料ノズル１はその下流側で内筒４に連通しており、また内筒４はその下流側で図示しない尾筒更にはタービンに連通している。
【００３１】
図１において、予混合ノズル２の内側層２ａ及び外側層２ｃには、図示しない車室より空気（燃焼用空気）が供給され、これらがそれぞれスワラ３ａ，３ｃの働きにより旋回流を形成しつつ、矢印Ａで示すように各層より内筒４へと噴き出す。一方、予混合ノズル２の中間層２ｂには、燃料ガスに排ガスを混入して低カロリーガスとしたものが供給され、これがスワラ３ｂの働きにより旋回流を形成しつつ、矢印Ｂで示すように中間層２ｂより内筒４へと噴き出す。なお、内側層２ａと外側層２ｃは、例えば中間層２ｂを横切る図示しない通路により連通しており、車室より外側層２ｃに供給された空気の一部がこの通路を通って内側層２ａに供給される構成である。
【００３２】
つまり、内側と外側の空気流で低カロリーガスを挟み込み混合する。このように、燃料を空気で挟むことで、燃焼時に生じるホットゾーンを冷却しつつ、下流側へ向かうにつれて燃料と空気を混合し、燃焼器出口（即ちタービン入口）の温度分布を均一化させている。また、低カロリーガスを使用することにより、火炎面の最高温度を低減し、高温燃焼時のＮＯｘ急増を防止している。その他、低カロリーガスの外側にこれを取り囲む空気流があるため、内筒４の内壁面を冷却することができて有利である。なお、本実施例は主として燃焼器出口温度１５００℃以上の高温運転領域（主に全負荷）に適用される。燃料供給等に関する詳しい構成については後述する。
【実施例２】
【００３３】
図３は、本発明の実施例２に係るガスタービン燃焼器を模式的に示す図であり、燃料ノズル及び内筒の軸に沿った半断面図である。本実施例では、同図において、予混合ノズル２の内側層２ａ及び外側層２ｃには、空気及び燃料ガスが供給，混合されて予混合気となり、これらがそれぞれスワラ３ａ，３ｃの働きにより旋回流を形成しつつ、矢印Ｃで示すように各層より内筒４へと噴き出す。
【００３４】
一方、予混合ノズル２の中間層２ｂには、実施例１と同様に、燃料ガスに排ガスを混入して低カロリーガスとしたものが供給され、これがスワラ３ｂの働きにより旋回流を形成しつつ、矢印Ｂで示すように中間層２ｂより内筒４へと噴き出す。即ち本実施例は、実施例１に従来の予混合燃焼方式を加えたモードである。これは、主として燃焼器出口温度１５００℃以下で１０００℃程度までの運転領域（部分負荷）に適用される。
【００３５】
この場合、負荷上昇につれて内側層２ａ，中間層２ｂ，外側層２ｃに、それぞれ１次，２次，３次の順に燃料を供給するステージングを行い、燃焼器出口温度１５００℃以上となった時点で実施例１の状態に移行する。このようなステージングの様子を図４にグラフで模式的に示す。同図では横軸に燃焼器出口温度を取り、縦軸に燃料流量を取っている。      
【００３６】
同図に示すように、負荷上昇につれて実線ａ，ｂ，ｃのようにそれぞれ１次，２次，３次の順に燃料供給を行い、全体の燃料流量を破線ｄのように立ち上げる。これを燃焼器出口温度１５００℃となるまでの範囲で行う。本実施例の構成により、火炎温度の低い状態でも安定して保炎することができる。なお、燃焼器出口温度１５００℃以下においては、従来の予混合燃焼でも低ＮＯｘ化は可能である。
【実施例３】
【００３７】
図５は、本発明の実施例３に係るガスタービン燃焼器を模式的に示す図であり、燃料ノズル及び内筒の軸に沿った半断面図である。本実施例では、同図において、予混合ノズル２の内側層２ａ及び外側層２ｃには、空気及び燃料ガスが供給，混合されて予混合気となり、これらがそれぞれスワラ３ａ，３ｃの働きにより旋回流を形成しつつ、矢印Ｃで示すように各層より内筒４へと噴き出す。
【００３８】
一方、予混合ノズル２の中間層２ｂにはパージ空気が供給され、これが矢印Ｄで示すように中間層２ｂより内筒４へと噴き出す。即ち本実施例は、実施例２における低カロリーガスを使用しないモードである。これは、主として燃焼器出口温度１５００℃以下で１０００℃程度までの運転領域（部分負荷）に適用される。
【００３９】
この場合、負荷上昇につれて内側層２ａ，外側層２ｃに、それぞれ１次，２次の順に燃料を供給するステージングを行い、燃焼器出口温度１５００℃以上となった時点で実施例１の状態に移行する。本実施例では、低カロリーガスを使用しないこと、即ち排ガスを利用しないことにより、部分負荷での排ガス圧縮機動力を不用とすることができる。なお、中間層２ｂにパージ空気を供給するのは、下流側の高温ガスが中間層２ｂへと逆流することを防止するためである。
【実施例４】
【００４０】
図６は、本発明の実施例４に係るガスタービン燃焼器を模式的に示す図であり、燃料ノズル及び内筒の軸に沿った半断面図である。本実施例では、同図に示すように、燃料ノズル１中央部にパイロットノズル５を設けており、ここからパイロット燃料を矢印Ｅで示すように内筒４へと噴き出す。一方、予混合ノズル２の内側層２ａには、空気及び燃料ガスが供給，混合されて予混合気となり、これがスワラ３ａの働きにより旋回流を形成しつつ、矢印Ｃで示すように内側層２ａより内筒４へと噴き出す。
【００４１】
また、中間層２ｂにはパージ空気が供給され、これが矢印Ｄで示すように中間層２ｂより内筒４へと噴き出す。加えて、外側層２ｃには図示しない車室より空気（燃焼用空気）が供給され、これがスワラ３ｃの働きにより旋回流を形成しつつ、矢印Ａで示すように外側層２ｃより内筒４へと噴き出す。
【００４２】
本実施例は、上記実施例２，３よりさらに燃焼器出口温度が低い運転領域（低負荷）に適用される。この場合、予混合燃焼方式だけでは未燃分が多く発生するため、従来よりのパイロット拡散燃焼を組み合わせ、火炎の安定化を図っている。但し、上記実施例１〜３においても、燃焼振動の抑制や燃焼の安定を図るため、微少な燃料流量にてパイロット拡散燃焼を行う場合がある。
【実施例５】
【００４３】
図７は、本発明の実施例５に係るガスタービン燃焼器を模式的に示す図であり、燃料ノズル及び内筒の軸に沿った半断面図である。本実施例では、実施例１の変形例として、内側層２ａの代わりに、内筒４の内壁面より内側へ突設する筒状のスクープ６を設け、これにより、矢印Ｆで示すように図示しない車室より内筒４へ空気（燃焼用空気）を供給する構成としている。
【００４４】
同図に示すように、ここでは実施例１と同様にして、予混合ノズル２の外側層２ｃには、図示しない車室より空気（燃焼用空気）が供給され、これがスワラ３ｃの働きにより旋回流を形成しつつ、矢印Ａで示すように外側層２ｃより内筒４へと噴き出す。一方、予混合ノズル２の中間層２ｂには、燃料ガスに排ガスを混入して低カロリーガスとしたものが供給され、これがスワラ３ｂの働きにより旋回流を形成しつつ、矢印Ｂで示すように中間層２ｂより内筒４へと噴き出す。
【００４５】
スクープ６は単数設けられるか、或いは内筒４の内壁周方向複数箇所に設けられる。スクープ６の長さや個数、更には位置を調整することにより、内筒４における空気噴き出し位置を調整し、保炎性や燃焼振動傾向、更には燃焼器出口温度分布を調整することができる。このときのガス流れの解析は、例えばＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）を用いて行うことができる。なお、このスクープ空気には燃料を投入しない。このことは、以下の実施例においても同様である。また、本実施例は主として燃焼器出口温度１５００℃以上の高温運転領域（主に全負荷）に適用される。
【実施例６】
【００４６】
図８は、本発明の実施例６に係るガスタービン燃焼器を模式的に示す図であり、燃料ノズル及び内筒の軸に沿った半断面図である。本実施例では、実施例２の変形例として、実施例５と同様に、内側層２ａの代わりに、内筒４の内壁面より内側へ突設する筒状のスクープ６を設け、これにより、矢印Ｆで示すように図示しない車室より内筒４へ空気（燃焼用空気）を供給する構成としている。
【００４７】
同図に示すように、ここでは実施例２と同様にして、予混合ノズル２の外側層２ｃには、空気及び燃料ガスが供給，混合されて予混合気となり、これがスワラ３ｃの働きにより旋回流を形成しつつ、矢印Ｃで示すように外側層２ｃより内筒４へと噴き出す。一方、予混合ノズル２の中間層２ｂには、実施例１と同様に、燃料ガスに排ガスを混入して低カロリーガスとしたものが供給され、これがスワラ３ｂの働きにより旋回流を形成しつつ、矢印Ｂで示すように中間層２ｂより内筒４へと噴き出す。
【００４８】
本実施例は、主として燃焼器出口温度１５００℃以下で１０００℃程度までの運転領域（部分負荷）に適用される。この場合、負荷上昇につれて中間層２ｂ，外側層２ｃに、それぞれ１次，２次の順に燃料を供給するステージングを行い、燃焼器出口温度１５００℃以上となった時点で実施例５の状態に移行する。本実施例においても、スクープ６の長さや個数、更には位置を調整することにより、内筒４の半径方向における空気噴き出し位置を調整し、燃焼器出口温度分布と燃焼振動傾向を調整することができる。
【実施例７】
【００４９】
図９は、本発明の実施例７に係るガスタービン燃焼器を模式的に示す図であり、燃料ノズル及び内筒の軸に沿った半断面図である。本実施例では、実施例３の変形例として、実施例５と同様に、内側層２ａの代わりに、内筒４の内壁面より内側へ突設する筒状のスクープ６を設け、これにより、矢印Ｆで示すように図示しない車室より内筒４へ空気（燃焼用空気）を供給する構成としている。
【００５０】
同図に示すように、ここでは実施例３と同様にして、予混合ノズル２の外側層２ｃには、空気及び燃料ガスが供給，混合されて予混合気となり、これがスワラ３ｃの働きにより旋回流を形成しつつ、矢印Ｃで示すように外側層２ｃより内筒４へと噴き出す。一方、予混合ノズル２の中間層２ｂにはパージ空気が供給され、これが矢印Ｄで示すように中間層２ｂより内筒４へと噴き出す。即ち本実施例は、実施例６における低カロリーガスを使用しないモードである。これは、主として燃焼器出口温度１５００℃以下で１０００℃程度までの運転領域（部分負荷）に適用される。
【００５１】
この場合、燃焼器出口温度１５００℃以上となった時点で実施例５の状態に移行する。本実施例では、低カロリーガスを使用しないこと、即ち排ガスを利用しないことにより、部分負荷での排ガス圧縮機動力を不用とすることができる。なお、中間層２ｂにパージ空気を供給するのは、下流側の高温ガスが中間層２ｂへと逆流することを防止するためである。また本実施例においても、スクープ６の長さや個数、更には位置を調整することにより、内筒４の半径方向における空気噴き出し位置を調整し、燃焼器出口温度分布と燃焼振動傾向を調整することができる。
【実施例８】
【００５２】
図１０は、本発明の実施例８に係るガスタービン燃焼器を模式的に示す図であり、燃料ノズル及び内筒の軸に沿った半断面図である。本実施例では、実施例４の変形例として、実施例５と同様に、内側層２ａの代わりに、内筒４の内壁面より内側へ突設する筒状のスクープ６を設け、これにより、矢印Ｆで示すように図示しない車室より内筒４へ空気（燃焼用空気）を供給する構成としている。
【００５３】
ここでは同図に示すように、燃料ノズル１中央部にパイロットノズル５を設けており、ここからパイロット燃料を矢印Ｅで示すように内筒４へと噴き出す。一方、予混合ノズル２の外側層２ｃには、空気及び燃料ガスが供給，混合されて予混合気となり、これがスワラ３ｃの働きにより旋回流を形成しつつ、矢印Ｃで示すように内側層２ａより内筒４へと噴き出す。また、中間層２ｂにはパージ空気が供給され、これが矢印Ｄで示すように中間層２ｂより内筒４へと噴き出す。
【００５４】
本実施例は、上記実施例６，７よりさらに燃焼器出口温度が低い運転領域（低負荷）に適用される。この場合、予混合燃焼方式だけでは未燃分が多く発生するため、従来よりのパイロット拡散燃焼を組み合わせ、火炎の安定化を図っている。但し、上記実施例５〜７においても、燃焼振動の抑制や燃焼の安定を図るため、微少な燃料流量にてパイロット拡散燃焼を行う場合もある。また本実施例においても、スクープ６の長さや個数、更には位置を調整することにより、内筒４の半径方向における空気噴き出し位置を調整し、燃焼器出口温度分布と燃焼振動傾向を調整することができる。
【００５５】
なお、本発明における、燃料供給等に関する詳しい構成について、以下に説明しておく。図１１は、本発明の代表的なガスタービン燃焼器の燃料ノズル部を模式的に示す図であり、燃料ノズル及び内筒の軸に沿った半断面図である。同図では実施例２の構成を例示している。同図に示すように、燃料ノズル１における予混合ノズル２の内側層２ａ及び外側層２ｃそれぞれの内壁には、スワラの上流側に略筒状又は平板状のペグ７が立設している。ペグ７の側面には燃料孔７ａが開けられており、ここから矢印Ｇで示すように燃料ガスが噴き出す。
【００５６】
そして、図示しない車室より矢印Ｈで示すように内側層２ａ及び外側層２ｃに供給された空気と、前記燃料ガスとが混合して予混合気となり、これらがそれぞれスワラ３ａ，３ｃの働きにより旋回流を形成しつつ、矢印Ｃで示すように各層より内筒４へと噴き出す。一方、予混合ノズル２の中間層２ｂには、燃料ガスに排ガスを混入して低カロリーガスとしたものが、矢印Ｉで示すように供給され、これがスワラ３ｂの働きにより旋回流を形成しつつ、矢印Ｂで示すように中間層２ｂより内筒４へと噴き出す。以上の構成を基本として、各実施例に応じた燃料供給等を行う。
【００５７】
また以下に、実施例３，４，７，８におけるパージ空気を導入する方法について述べる。図１２は、本発明の代表的なガスタービン燃焼器の燃料ノズル部を模式的に示す図であり、燃料ノズル及び内筒の軸に沿った半断面図である。同図（ａ）は実施例１，２の構成を例示しており、低カロリーガスが有るときを示している。また、同図（ｂ）は実施例３，４の構成を例示しており、低カロリーガスが無いときを示している。
【００５８】
同図に示すように、内側層２ａと中間層２ｂとの間、及び中間層２ｂと外側層２ｃとの間には、それぞれを連通させるスリット８が設けられている。これは、それぞれ内側層２ａ及び外側層２ｃから中間層２ｂへの流れが生じやすいように、例えば中間層２ｂ側に壁面が突設して開口した構成となっている。
【００５９】
まず、同図（ａ）の場合、図示しない車室より矢印Ｈで示すように内側層２ａ及び外側層２ｃに空気が供給されており、また、燃料ガスに排ガスを混入して低カロリーガスとしたものが、矢印Ｉで示すように中間層２ｂに供給されている状態である。この状態では、中間層２ｂ内は他の層と同様に圧力が高いので、スリット８において各層間を行き交う流れは生じにくい。
【００６０】
一方、同図（ｂ）の場合、中間層２ｂに低カロリーガスが供給されていない状態であるので、中間層２ｂ内は他の層と比較して圧力が低くなり、他の層即ち内側層２ａ及び外側層２ｃから、矢印Ｊで示すようにスリット８を通して空気が中間層２ｂへと流れ込む。このようにして、中間層２ｂに低カロリーガスが供給されないときは、他の層から自然に空気が流れ込み、パージ空気として導入することが可能となっている。なお、ここでは実施例３，４の場合を例示したが、実施例７，８の場合も内側層２ａが無いこと以外は同様である。
【００６１】
ところで、以上説明した各実施例のうち、排ガスと燃料ガスを混合して生成した低カロリーガスを用いる場合、即ち実施例１，２，５，６において、排ガスと燃料ガスを混合する位置としては以下の各ケースがある。一つは燃料器より上流の排ガス循環経路の配管に燃料ガス供給の配管を接続し、この部分で混合するケースであり、もう一つは予混合ノズル２の中間層２ｂ内に燃料ガスを供給し、この部分で排ガスと混合するケースである。いずれのケースを選択するかは、例えば燃焼振動の抑制や燃焼の安定等を図る上で有利な構成といった観点から決定される。或いは両方のケースを選択し、それぞれの位置に対して燃料ガスを供給する比率を変えることにより、燃焼振動の調整を行うことも可能である。
【００６２】
さらに、排ガスと燃料ガスを混合する位置に関して、排ガスコンプレッサとの位置関係を考慮したケースがある。図１３は、このようなケースにおけるガスタービンの系統例を示すブロック図である。同図において、１１は圧縮機であり、これは図示省略の回転軸によりタービン１３と機械的に連結されて駆動され、その入口部は吸気経路１４に連通している。一方、１２は燃焼器であり、その上流端は前記圧縮機１１の出口部に連通しており、下流端は前記タービン３の入口部に連通している。タービン１３の出口部は排気経路１５と連通しており、排気経路１５と燃焼器１２との間は再循環経路１８で連通連絡され、且つ、再循環経路１８には排ガスコンプレッサ１７が配置されている。
【００６３】
従来は、燃焼器１２に燃料を供給する燃料経路を、排ガスコンプレッサ１７の下流側に連通させていたが、本ケースでは同図に示すように、排ガスコンプレッサ１７の上流側に燃料経路１６を連通させている。この構成により、排ガス及び燃料ガスは共に排ガスコンプレッサ１７を通過するので、排ガスコンプレッサ１７を排ガス及び燃料ガス共通のコンプレッサとすることができ、従来用いられていた燃料ガス専用のコンプレッサが不用となる。この場合、排ガスコンプレッサ１７をタービン１３と連動して動作するように構成しておけば、別途動力を必要とすることなく有利である。
【実施例９】
【００６４】
図１４は、本発明の実施例９に係るガスタービン燃焼器を模式的に示す図であり、燃料ノズル及び内筒の軸に沿った半断面図である。本実施例は、実施例１の変形例として、燃焼器出口温度１５００℃以上の高温運転領域（主に全負荷）に加えて、燃焼器出口温度１５００℃以下で１０００℃程度までの運転領域（部分負荷）にも適用可能な構成としている。本実施例の構成は、実施例５の変形例としても応用可能である。
【００６５】
同図に示すように、燃料ノズル１における予混合ノズル２の中間層２ｂの半径方向内周側内壁には、燃焼器頭部にそれぞれ長さの異なる略筒状のペグ９，１０が立設している。比較的長いペグ９の側面には、中間層２ｂの半径方向中央及び外周側の位置に燃料孔９ａが開けられており、ここから矢印Ｋで示すように燃料ガスが噴き出す。また、比較的短いペグ１０の側面には、中間層２ｂの半径方向内周側の位置に燃料孔１０ａが開けられており、ここから矢印Ｌで示すように燃料ガスが噴き出す。
【００６６】
加えて中間層２ｂには、燃料ガスに排ガスを混入して低カロリーガスとしたもの、或いは排ガスだけが、矢印Ｉで示すように供給され、これが前記ペグ９，１０からの燃料と混合し、スワラ３ｂの働きにより旋回流を形成しつつ、矢印Ｂで示すように中間層２ｂより内筒４へと噴き出す。一方、予混合ノズル２の内側層２ａ及び外側層２ｃには、図示しない車室より矢印Ｈで示すように空気（燃焼用空気）が供給され、これらがそれぞれスワラ３ａ，３ｃの働きにより旋回流を形成しつつ、矢印Ａで示すように各層より内筒４へと噴き出す。
【００６７】
さて、本実施例の構成を燃焼器出口温度１５００℃以上の高温運転領域で使用する場合には、ペグ９及び１０の両方から燃料ガスを供給し、中間層２ｂの半径方向に均一な燃料濃度分布となるようにする。或いは、ペグ９及び１０のいずれからも燃料ガスを供給せず、実施例１と同じ構成としても良い。これに対して、燃焼器出口温度１５００℃以下で１０００℃程度までの運転領域で使用する場合には、例えばペグ１０のみから燃料ガスを供給し、中間層２ｂの半径方向内周側の燃料濃度が高くなるように、つまり中間層２ｂの半径方向に不均一な燃料濃度分布となるようにする。これにより、保炎性を向上させている。なお、ペグ９，１０を一本化し、燃料ガスの噴き出し位置を切り換えることにより、燃料濃度分布を変える構成としても良い。
【００６８】
なお、特許請求の範囲で言う混合ガスは、実施例における低カロリーガスに対応している。また、第１のノズルは中間層２ｂに、第２のノズルは外側層２ｃに、第３のノズルは内側層２ａにそれぞれ対応している。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の実施例１に係るガスタービン燃焼器を模式的に示す図。
【図２】燃焼器を軸方向でガスの下流側より見た燃料ノズルの配置図。
【図３】本発明の実施例２に係るガスタービン燃焼器を模式的に示す図。
【図４】ステージングの様子を模式的に示すグラフ。
【図５】本発明の実施例３に係るガスタービン燃焼器を模式的に示す図。
【図６】本発明の実施例４に係るガスタービン燃焼器を模式的に示す図。
【図７】本発明の実施例５に係るガスタービン燃焼器を模式的に示す図。
【図８】本発明の実施例６に係るガスタービン燃焼器を模式的に示す図。
【図９】本発明の実施例７に係るガスタービン燃焼器を模式的に示す図。
【図１０】本発明の実施例８に係るガスタービン燃焼器を模式的に示す図。
【図１１】燃料ノズル部を模式的に示す図（燃料供給）。
【図１２】燃料ノズル部を模式的に示す図（パージ空気）。
【図１３】ガスタービンの系統例を示すブロック図。
【図１４】本発明の実施例９に係るガスタービン燃焼器を模式的に示す図。
【符号の説明】
【００７０】
１    燃料ノズル
２    予混合ノズル
２ａ    内側層
２ｂ    中間層
２ｃ    外側層
３    スワラ
４    内筒
５    パイロットノズル
６    スクープ
７    ペグ
８    スリット
９，１０    ぺグ
１１    圧縮機
１２    燃焼器
１３    タービン
１４    吸気経路
１５    排気経路
１６    燃料経路
１７    排ガスコンプレッサ
１８    再循環経路
【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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