(57)【要約】【課題】ガスタービンの負荷変動により燃料流量が変化しても、所望の燃料分布を保持して燃焼を安定させることができ、ＮＯｘ低減を可能としたガスタービンの燃焼器における燃料供給機構を提供する。【解決手段】燃焼器の内筒とその内筒を囲んだ外筒との間に形成される空気流路を仕切板により複数に分割し、その分割された空気流路各々に燃料を供給して、その燃料と空気の混合を促進するようにした構成とする。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器の内筒と該内筒を囲んだ外筒との間に形成される空気流路を仕切板により複数に分割し、該分割された空気流路各々に燃料を供給して、該燃料と空気の混合を促進するようにしたことを特徴とする燃料供給機構。
【請求項２】
孔径の異なる燃料の噴出孔各々を設け、該各々の噴出孔よりこれに対応する前記分割された空気流路各々に該燃料を供給するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の燃料供給機構。
【請求項３】
前記仕切板の端部に対して空気流の上流側及び下流側各々に燃料の噴出孔を設け、該各々の噴出孔よりこれに対応する前記分割された空気流路各々に該燃料を供給するようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料供給機構。
【請求項４】
燃焼器のメインノズルと該メインノズルを囲んだメインバーナとの間に形成される空気流路を仕切リングにより複数に分割し、該分割された空気流路各々に燃料を供給して、該燃料と空気の混合を促進するようにしたことを特徴とする燃料供給機構。
【請求項５】
孔径の異なる燃料の噴出孔各々を設け、該各々の噴出孔よりこれに対応する前記分割された空気流路各々に該燃料を供給するようにしたことを特徴とする請求項４に記載の燃料供給機構。
【請求項６】
前記仕切リングの端部に対して空気流の上流側及び下流側各々に燃料の噴出孔を設け、該各々の噴出孔よりこれに対応する前記分割された空気流路各々に該燃料を供給するようにしたことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の燃料供給機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンの燃焼器における燃料供給機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のガスタービン燃焼器における燃料供給機構の概要について説明する。図７は、従来のガスタービン燃焼器の概略構成を模式的に示す縦断面図である。ガスタービン燃焼器は、同図に示すように、外筒４とこれに同心状に囲まれた内筒３とを有しており、内筒３の軸心位置には、パイロットコーン１１に連通したパイロットノズル１が配置されている。
【０００３】
パイロットノズル１の周囲には、メインバーナ１２に連通したメインノズル２が配設されており、また内筒３はその後端（図の右側）で図示しない尾筒に連絡している。なお、本構成は外筒４が一部ケーシングから突出しているため、トップハットと呼称される部分を有するので、トップハット型式としている。
【０００４】
また、内筒３とこれを囲んだ外筒４との間には、空気流路１３が形成されており、外筒４の後端周縁にはマニホールド環６が配置されている。このマニホールド環６の内周面に開けられて外筒４まで貫通する噴出孔１０から、矢印ａで示す如く内側に向けて、放射状に空気流路１３へ燃料（トップハット燃料）が噴出される。
【０００５】
そして、この空気流路１３を経て供給される空気に燃料を混合し、後流に形成される燃焼域に至る距離を十分に確保して、均一な燃料混合気を得るようにしている。なお、マニホールド環６へと連通する燃料供給管は、図示を省略している。また、内筒３の前端付近には、断面が例えばＣ形状で全体がリング状の仕切板７が配置されており、これにより燃料混合気がより均一でスムーズに流れるようにしている。
【０００６】
一方図８は、メインバーナ付近を拡大して模式的に示す縦断面図である。メインバーナ１２内において、メインノズル２の周囲にはメインスワラ８が設けられている。このメインスワラ８の空気流上流側において、メインノズル２外周面の噴出孔５から矢印ｂで示す如く外側に向けて、放射状に燃料（メイン燃料）が噴出される。そして、この燃料はメインスワラ８の働きにより、メインバーナ１２において前記空気流路１３で形成された燃料混合気と混合し、予混合気を形成する。
【０００７】
その他、パイロットノズル１の先端の噴出孔１ａからは、矢印ｃで示す如く空気流の下流側斜め方向に、放射状に燃料（パイロット燃料）が噴出される。そして、この燃料はパイロットノズル１の周囲に設けられたパイロットスワラ９及び前記パイロットコーン１１等と共働して拡散火炎を形成し、保炎性を高めている。以上のようにして、パイロットは拡散炎として火炎を安定させ、メインは予混合炎として低ＮＯｘ化を図っている。また、ケーシングからもマニホールド環より一部燃料（トップハット燃料）を供給して、燃料混合気の均一化を図っている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような従来の構成においては、ガスタービン負荷の変動により燃料流量が変化すると、上記各噴出孔での燃料貫通力が変化し、燃料混合気の濃度分布を、意図した状態に保てない。例えば図９は、従来のガスタービン燃焼器におけるトップハット燃料分布の一例を示すグラフである。本例は、上記内筒３内後部でノズルから見て空気流下流側の燃料分布を計測して示している。ここでは横軸に内筒３の軸心位置からの半径を取っており、縦軸に温度を取っている。この温度は、計測された燃料の濃度を燃焼時の温度に換算したものである。
【０００９】
同図において、曲線αはトップハット燃料が１０％のときの燃料分布を示しており、曲線βはトップハット燃料が２０％のときの燃料分布を示している。同図に示すように、トップハット燃料が１０％のときは、比較的均一な燃料分布を示しているが、トップハット燃料が２０％のときは、外側ほど濃度が高くなっており、均一性が損なわれている。
【００１０】
ちなみに、トップハット燃料が１０％のときは、一例としてパイロット燃料が５％、メイン燃料が８５％となり、トップハット燃料が２０％のときは、一例としてパイロット燃料が５％、メイン燃料が７５％となる。このように、メイン燃料についても燃料流量が変化するので、その燃料混合気の濃度分布を、意図した状態に保てない場合がある。
【００１１】
本発明は、上述したような問題点に鑑み、ガスタービンの負荷変動により燃料流量が変化しても、所望の燃料分布を保持して燃焼を安定させることができ、ＮＯｘ低減を可能としたガスタービンの燃焼器における燃料供給機構を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、燃焼器の内筒とその内筒を囲んだ外筒との間に形成される空気流路を仕切板により複数に分割し、その分割された空気流路各々に燃料を供給して、その燃料と空気の混合を促進するようにしたことを特徴とする。
【００１３】
また、孔径の異なる燃料の噴出孔各々を設け、その各々の噴出孔よりこれに対応する前記分割された空気流路各々にその燃料を供給するようにしたことを特徴とする。また、前記仕切板の端部に対して空気流の上流側及び下流側各々に燃料の噴出孔を設け、その各々の噴出孔よりこれに対応する前記分割された空気流路各々にその燃料を供給するようにしたことを特徴とする。
【００１４】
或いは、燃焼器のメインノズルとそのメインノズルを囲んだメインバーナとの間に形成される空気流路を仕切リングにより複数に分割し、その分割された空気流路各々に燃料を供給して、その燃料と空気の混合を促進するようにしたことを特徴とする。
【００１５】
また、孔径の異なる燃料の噴出孔各々を設け、その各々の噴出孔よりこれに対応する前記分割された空気流路各々にその燃料を供給するようにしたことを特徴とする。また、前記仕切リングの端部に対して空気流の上流側及び下流側各々に燃料の噴出孔を設け、その各々の噴出孔よりこれに対応する前記分割された空気流路各々にその燃料を供給するようにしたことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
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。ここでは前記従来例と共通する部分には同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略する。なお、以下に示した具体例により、本発明が限定されるものではない。図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料供給機構を示す図であり、ガスタービン燃焼器の概略構成を模式的に示す縦断面図である。本実施形態では、同図に示すように、仕切板７の外周部を後方に延ばすことにより、空気流路１３を半径方向に分割している。これにより、流路長対幅の比を大きくしてトップハット燃料の混合促進を図っている。
【００１７】
具体的には、例えばマニホールド環６の噴出孔１０からパイロットコーン１１先端までの長さを流路長Ｌ、空気流路１３の幅即ち半径方向の高さをＨとし、流路を分割することによりＬ／Ｈを大きくして混合促進を図り、所望の燃料分布となるようにしている。なお、同図では空気流路１３を内側と外側の２つに分割しているが、仕切板を追加する等して３つ以上に分割する構成としても良い。また、空気流路の分割の割合としては、半径方向の高さを同じとするか、断面積を同じとすることが挙げられるが、その他の割合としても良い。これは、以下の実施形態についても同様である。
【００１８】
図２は、本発明の第２の実施形態に係る燃料供給機構を示す図であり、メインバーナ付近を拡大して模式的に示す縦断面図である。本実施形態では、同図に示すように、メインスワラ８の空気流上流側において、メインノズル２の周囲に仕切リング１４を設け、メインノズル２とこれを囲んだメインバーナ１２との間に形成される空気流路１５を半径方向に分割している。これにより、流路長対幅の比を大きくしてメイン燃料の混合促進を図っている。
【００１９】
具体的には、例えばメインノズル２の噴出孔５から図１に示したパイロットコーン１１先端までの長さを流路長ｌ、空気流路１５の幅即ち半径方向の高さをｈとし、流路を分割することによりｌ／ｈを大きくして混合促進を図り、所望の燃料分布となるようにしている。なお、同図では空気流路１５を内側と外側の２つに分割しているが、仕切リングを追加する等して３つ以上に分割する構成としても良い。
【００２０】
図３は、本発明の第３の実施形態に係る燃料供給機構を示す図であり、マニホールド環付近を拡大して模式的に示す縦断面図である。ここではマニホールド環６の噴出孔は、例えば２ｍｍと１ｍｍ等、大小２種類の孔径を有するそれぞれ噴出孔１０ａ，１０ｂとして、仕切板７後端部に対して空気流の上流側に、周方向に分散して開けられており、それぞれからの燃料噴流の軌跡が異なったものとなるようにしている。
【００２１】
また、噴出孔の個数の割合としては、例えば大径の噴出孔１個に対して小径の噴出孔４個を基準とし、適宜調整するといった構成がとられる。これは、以下の第４の実施形態においても同様である。なお、同図では大径の噴出孔からの燃料噴流の軌跡を実線の矢印で表し、小径の噴出孔からの燃料噴流の軌跡を破線の矢印で表している。
【００２２】
具体的にはまず、燃料流量の少ないときは、同図（ａ）に示すように、各径の噴出孔から噴出する燃料について、燃料噴流の軌跡はあまり異ならないので、仕切板７により半径方向に分割された空気流路１３のうち、外側の流路１３ａにのみ燃料は流入する。そして、燃料流量の多いときは、同図（ｂ）に示すように、大径の噴出孔１０ａでの燃料貫通力は高いため、ここから噴出する燃料は、半径方向に分割された空気流路１３のうち、内側の流路１３ｂに流入する。
【００２３】
一方、小径の噴出孔１０ｂでの燃料貫通力は低いため、ここから噴出する燃料は、半径方向に分割された空気流路１３のうち、外側の流路１３ａに流入する。以上のような構成で、トップハット燃料の混合促進を図っている。なお、本実施形態では、噴出孔の孔径を大小２種類としたが、３種類以上の孔径としても良い。また、同図では空気流路１３を内側と外側の２つに分割しているが、仕切板を追加する等して３つ以上に分割する構成としても良い。
【００２４】
図４は、本発明の第４の実施形態に係る燃料供給機構を示す図であり、メインノズル付近を拡大して模式的に示す縦断面図である。ここではメインノズル２の噴出孔は、大小２種類の孔径を有するそれぞれ噴出孔５ａ，５ｂとして、仕切リング１４前端部に対して空気流の上流側に、周方向に分散して開けられており、それぞれからの燃料噴流の軌跡が異なったものとなるようにしている。なお、同図では大径の噴出孔からの燃料噴流の軌跡を実線の矢印で表し、小径の噴出孔からの燃料噴流の軌跡を破線の矢印で表している。
【００２５】
具体的にはまず、燃料流量の少ないときは、同図（ａ）に示すように、各径の噴出孔からの燃料噴流の軌跡はあまり異ならないので、仕切リング１４により半径方向に分割された空気流路１５のうち、内側の流路１５ａにのみ燃料は流入する。そして、燃料流量の多いときは、同図（ｂ）に示すように、大径の噴出孔５ａでの燃料貫通力は高いため、ここから噴出する燃料は、半径方向に分割された空気流路１５のうち、外側の流路１５ｂに流入する。
【００２６】
一方、小径の噴出孔５ｂでの燃料貫通力は低いため、ここから噴出する燃料は、半径方向に分割された空気流路１５のうち、内側の流路１５ａに流入する。以上のような構成で、メイン燃料の混合促進を図っている。なお、本実施形態では、噴出孔の孔径を大小２種類としたが、３種類以上の孔径としても良い。また、同図では空気流路１５を内側と外側の２つに分割しているが、仕切リングを追加する等して３つ以上に分割する構成としても良い。
【００２７】
図５は、本発明の第５の実施形態に係る燃料供給機構を示す図であり、マニホールド環付近を拡大して模式的に示す縦断面図である。ここではマニホールド環６の噴出孔は、仕切板７後端部に対して空気流の上流側及び下流側に、それぞれ例えば２ｍｍの孔径を有する噴出孔１０ｃ，１０ｄとして周方向に分散して開けられている。なお、同図では各噴出孔からの燃料噴流の軌跡を破線の矢印で表している。また、各噴出孔は軸方向に揃えて配列しても良いし、千鳥状等に配列しても良い。
【００２８】
具体的にはまず、燃料流量の少ないときは、同図（ａ）に示すように、各噴出孔から噴出する燃料は、仕切板７により半径方向に分割された空気流路１３のうち、外側の流路１３ａにのみ流入する。そして、燃料流量の多いときは、同図（ｂ）に示すように、仕切板７後端部に対して空気流の下流側に開けられた噴出孔１０ｄから噴出する燃料は、その仕切板７壁面に当接し、半径方向に分割された空気流路１３のうち、外側の流路１３ａに流入する。
【００２９】
一方、仕切板７後端部に対して空気流の上流側に開けられた噴出孔１０ｃから噴出する燃料は、半径方向に分割された空気流路１３のうち、内側の流路１３ｂに流入する。以上のような構成で、トップハット燃料の混合促進を図っている。なお、本実施形態では、噴出孔の位置を上流側及び下流側の２種類としたが、３種類以上の位置としても良い。また、同図では空気流路１３を内側と外側の２つに分割しているが、仕切板を追加する等して３つ以上に分割する構成としても良い。
【００３０】
図６は、本発明の第６の実施形態に係る燃料供給機構を示す図であり、メインノズル付近を拡大して模式的に示す縦断面図である。ここではメインノズル２のの噴出孔は、仕切リング１４前端部に対して空気流の上流側及び下流側に、それぞれ噴出孔５ｃ，５ｄとして周方向に分散して開けられている。なお、同図では各噴出孔からの燃料噴流の軌跡を破線の矢印で表している。また、各噴出孔は軸方向に揃えて配列しても良いし、千鳥状等に配列しても良い。
【００３１】
具体的にはまず、燃料流量の少ないときは、同図（ａ）に示すように、各噴出孔から噴出する燃料は、仕切リング１４により半径方向に分割された空気流路１５のうち、内側の流路１５ａにのみ流入する。そして、燃料流量の多いときは、同図（ｂ）に示すように、仕切リング１４前端部に対して空気流の下流側に開けられた噴出孔５ｄから噴出する燃料は、その仕切リング１４壁面に当接し、半径方向に分割された空気流路１５のうち、内側の流路１５ａに流入する。
【００３２】
一方、仕切リング１４前端部に対して空気流の上流側に開けられた噴出孔５ｃから噴出する燃料は、半径方向に分割された空気流路１５のうち、外側の流路１５ｂに流入する。以上のような構成で、メイン燃料の混合促進を図っている。なお、本実施形態では、噴出孔の位置を上流側及び下流側の２種類としたが、３種類以上の位置としても良い。また、同図では空気流路１５を内側と外側の２つに分割しているが、仕切リングを追加する等して３つ以上に分割する構成としても良い。
【００３３】
なお、以上説明した第１〜第６の実施形態については、その全部或いは一部を組み合わせて構成することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ガスタービンの負荷変動により燃料流量が変化しても、所望の燃料分布を保持して燃焼を安定させることができ、ＮＯｘ低減を可能としたガスタービンの燃焼器における燃料供給機構を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料供給機構を示す図であり、ガスタービン燃焼器の概略構成を模式的に示す縦断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る燃料供給機構を示す図であり、メインバーナ付近を拡大して模式的に示す縦断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る燃料供給機構を示す図であり、マニホールド環付近を拡大して模式的に示す縦断面図である。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る燃料供給機構を示す図であり、メインノズル付近を拡大して模式的に示す縦断面図である。
【図５】本発明の第５の実施形態に係る燃料供給機構を示す図であり、マニホールド環付近を拡大して模式的に示す縦断面図である。
【図６】本発明の第６の実施形態に係る燃料供給機構を示す図であり、メインノズル付近を拡大して模式的に示す縦断面図である。
【図７】従来のガスタービン燃焼器の概略構成を模式的に示す縦断面図である。
【図８】従来のガスタービン燃焼器におけるメインバーナ付近を拡大して模式的に示す縦断面図である。
【図９】従来のガスタービン燃焼器におけるトップハット燃料分布の一例を示すグラフ。
【符号の説明】
１　　パイロットノズル
２　　メインノズル
３　　内筒
４　　外筒
５，１０　　噴出孔
６　　マニホールド環
７　　仕切板
８　　メインスワラ
９　　パイロットスワラ
１１　　パイロットコーン
１２　　メインバーナ
１３，１５　　空気流路
１４　　仕切リング
【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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