(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器内筒と、
前記燃焼器内筒の内部に配置されパイロット燃料と空気とを混合して拡散火炎を形成する拡散火炎形成コーンと、
前記燃焼器内筒とパイロット火炎形成コーンとの間に環状に設けられ、主燃料と空気とを混合させた予混合気体によって予混合火炎を形成するための予混合火炎形成ノズルと、当該予混合火炎形成ノズルの出口に備えられ、且つ前記燃焼器内筒の径方向外側に向かいながら当該燃焼器内筒の周方向に旋回する予混合気体の流れを形成する予混合火炎形成ノズル延長部と、を備え、
該予混合火炎形成ノズル延長部は、隣接する予混合火炎形成ノズル延長部との間隔が一定となるように配置されたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項２】
燃焼器内筒と、
前記燃焼器内筒の内部に配置されパイロット燃料と空気とを混合して拡散火炎を形成する拡散火炎形成コーンと、
前記燃焼器内筒とパイロット火炎形成コーンとの間に環状に設けられ、主燃料と空気とを混合させた予混合気体によって予混合火炎を形成するための予混合火炎形成ノズルと、
前記燃焼器内筒の軸方向に対して当該燃焼器内筒の径方向外側および周方向にそれぞれ傾けて前記予混合火炎形成ノズルの出口に備えられ、前記予混合火炎形成ノズルで作られた予混合気体を噴射する予混合火炎形成ノズル延長部と、を備え、
該予混合火炎形成ノズル延長部は、隣接する予混合火炎形成ノズル延長部との間隔が一定となるように配置されたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項３】
燃焼器内筒と、
パイロット燃料を噴射するノズルと主燃料を噴射するノズルとを内部に備えた混合気体形成用筒と、
前記燃焼器内筒の軸方向に対して当該燃焼器内筒の径方向外側および周方向にそれぞれ傾けて前記混合気体形成用筒の出口に備えられ、前記パイロット燃料と空気とを混合して作られた気体および前記主燃料と空気とを混合して作られた予混合気体を噴射する混合気体噴射用延長部と、
を備え、
該混合気体噴射用延長部は、その出口形状が扇型となるように形成され、隣接する混合気体噴射用延長部との間隔が一定となるように配置されたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項４】
さらに、少なくとも上記予混合火炎形成ノズルによって形成される予混合火炎または上記混合気体形成用筒から噴射される気体によって形成される火炎が前記燃焼器内筒の内周に衝突する部分に、当該燃焼器内筒冷却手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のガスタービン燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガスタービンに関し、さらに詳しくは、ガスタービンの運転時におけるＮＯｘの発生を低減できるガスタービン燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のガスタービン燃焼器においては、燃料と空気とをそれぞれ異なるノズルから噴出して燃焼させる拡散燃焼方式が多く使用されていた。しかし、近年においては、上記拡散燃焼方式に代わってサーマルＮＯｘの低減により有利な予混合燃焼方式も使用されるようになってきている。ここで予混合燃焼方式とは、燃料と空気とを予め混合し、同一のノズルから噴出して燃焼させるものをいう。この燃焼方式によれば、燃料が希薄な状態であってもすべての燃焼領域においてその状態で燃焼させることができるため予混合火炎の温度を下げ易く、拡散燃焼方式と比較してＮＯｘの低減に有利である。その反面、燃料に対して空気が過剰であるため予混合火炎の温度が低くなり、燃焼状態の安定性が劣るという問題もある。
【０００３】
図１６は、予混合方式のガスタービン燃焼器の一例を示す正面図である。燃焼器外筒１０内には、一定の間隔をおいて燃焼器内筒２０が設けられており、当該燃焼器内筒２０の中央部には拡散火炎を形成するための拡散火炎形成コーン３０が設けられている。当該拡散火炎形成コーン３０は、パイロット燃料供給ノズル３１から供給されるパイロット燃料と、燃焼器外筒１０と燃焼器内筒２０との間から供給される空気とを反応させて拡散火炎を形成する。
【０００４】
図１６からは明らかではないが、予混合火炎を形成するための予混合火炎形成ノズル４０は前記拡散火炎形成コーン３０の周囲に８個設けられている。予混合気体は前記燃焼器外筒１０と燃焼器内筒２０との間から供給される空気と主燃料とを混合させて作られた後、前記予混合火炎形成ノズル４０から噴射される。前記予混合火炎形成ノズル４０から噴射された予混合気体は、その出口に設けられた予混合火炎形成ノズル延長管４００を通って燃焼室５０側へ噴射される。そして、この予混合気体は上記拡散火炎から排出される高温の燃焼ガスによって着火され予混合火炎を形成する。この予混合火炎から高温・高圧の燃焼ガスが排出されて、当該燃焼ガスは燃焼器尾筒（図示せず）を通った後、タービン第一段ノズルへと導かれる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記ガスタービン燃焼器においては、予混合ガスが予混合火炎形成ノズル延長管４００から直線状に燃焼室５０側へ噴射されるため、予混合気体に燃料濃度の不均一な箇所が存在していた。このため、予混合気体の燃料濃度が高い箇所では燃焼温度が高くなり、ＮＯｘが発生しやすくなっていた。この問題を解決し、予混合方式のガスタービン燃焼器においてさらにＮＯｘの発生を抑制するためには、主燃料を燃焼用空気中へ十分に混合させる必要がある。かかる観点から、特開平７−２４８１１８には、予混合燃焼器内に燃焼用空気の旋回流を生じせしめる筒状体群からなる予混合手段を配設した予混合燃焼器が開示されている。また、特開平８−２８８７１には、予混合気体を各々周方向に旋回させ、その複数の旋回気流が燃焼器内で各々巻き付き合う、若しくは各々捩れる様な気流形状となるような手段を設けたガスタービン燃焼器が開示されている。
【０００６】
しかし、特開平７−２４８１１８および特開平８−２８８７１に開示されたガスタービン燃焼器では、予混合気体が燃焼室の中心に向かう内向きで、且つねじれた旋回流が形成されるので、燃焼ガスの再循環領域が十分に形成されない。このため、予混合火炎の保炎が不安定になるため安定した燃焼が得られず、また、振動燃焼等を引き起こすという問題があった。また、燃焼室の中心付近に予混合気体が集中して燃焼するので、局所的に高温部が発生しやすくＮＯｘの発生を十分に抑制できない場合もあった。そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ガスタービンの運転時におけるＮＯｘの発生を低減し、安定した状態で燃焼できるガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係るガスタービン燃焼器は、燃焼器内筒と、前記燃焼器内筒の内部に配置されパイロット燃料と空気とを混合して拡散火炎を形成する拡散火炎形成コーンと、前記燃焼器内筒とパイロット火炎形成コーンとの間に環状に設けられ、主燃料と空気とを混合させた予混合気体によって予混合火炎を形成するための予混合火炎形成ノズルと、当該予混合火炎形成ノズルの出口に備えられ、且つ前記燃焼器内筒の径方向外側に向かいながら当該燃焼器内筒の周方向に旋回する予混合気体の流れを形成する予混合火炎形成ノズル延長部と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
予混合燃焼においてＮＯｘの発生を十分に低減させるためには、予混合気体を十分に混合して燃焼することが必要である。このガスタービン燃焼器の予混合火炎形成ノズル延長部は、予混合気体に燃焼器内筒の径方向外側に向かい、且つ旋回するらせん状の流れを与える。したがって、予混合気体は拡散火炎の周囲をらせん状に流れる過程において十分に混合され、また燃焼室の軸方向にわたって均一且つ十分に燃焼が進行する。この作用によって、局所高温部がほとんど発生しなくなり、ＮＯｘの発生を十分に抑制できる。また、燃焼室の中心付近に形成される再循環領域が拡大されるので、予混合火炎が安定して形成され、振動燃焼も抑制される。
【０００９】
また、請求項２に係るガスタービン燃焼器は、燃焼器内筒と、前記燃焼器内筒の内部に配置されパイロット燃料と空気とを混合して拡散火炎を形成する拡散火炎形成コーンと、前記燃焼器内筒とパイロット火炎形成コーンとの間に環状に設けられ、主燃料と空気とを混合させた予混合気体によって予混合火炎を形成するための予混合火炎形成ノズルと、前記燃焼器内筒の軸方向に対して当該燃焼器内筒の径方向外側および周方向にそれぞれ傾けて前記予混合火炎形成ノズルの出口に備えられ、前記予混合火炎形成ノズルで作られた予混合気体を噴射する予混合火炎形成ノズル延長部と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
このガスタービン燃焼器は、予混合気体に燃焼器内筒の径方向外側に向かい、且つ旋回する流れを与えるために、予混合火炎形成ノズル延長部を燃焼器内筒の軸方向に対して当該燃焼器内筒の径方向外側および周方向にそれぞれ傾けてある。したがって、この予混合火炎形成ノズル延長部から噴射される予混合気体は、燃焼室内を燃焼器内筒の径方向外向き、且つらせん状に流れる。そして、この予混合気体はその過程において十分に混合され、また燃焼室の軸方向にわたって均一且つ十分に燃焼が進行する。この作用によって、局所高温部がほとんど発生しなくなり、ＮＯｘの発生を十分に抑制できる。また、燃焼室の中心付近に形成される再循環領域が拡大されるので、予混合火炎が安定して形成され、振動燃焼も抑制される。さらに、予混合火炎形成ノズル延長部の出口を傾ける簡単な構造であるため、製造が容易となり耐久性も向上する。
【００１１】
また、請求項３に係るガスタービン燃焼器は、燃焼器内筒と、パイロット燃料を噴射するノズルと主燃料を噴射するノズルとを内部に備えた混合気体形成用筒と、前記燃焼器内筒の軸方向に対して当該燃焼器内筒の径方向外側および周方向にそれぞれ傾けて前記混合気体形成用筒の出口に備えられ、前記パイロット燃料と空気とを混合して作られた気体および前記主燃料と空気とを混合して作られた予混合気体を噴射する混合気体噴射用延長部と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
このガスタービン燃焼器は、拡散火炎形成コーンを予混合火炎形成ノズル群の中心に配置せず、混合気体形成用筒内でパイロット燃料と圧縮空気との混合気体および予混合気体を形成し、外向き旋回流を作る混合気体噴射用延長管を介して燃焼室に噴射するものである。この混合気体噴射用延長管によって、予混合気体と前記混合気体とは燃焼器内筒の径方向外側に向かう旋回流となってらせん状に燃焼室内を流れる。このため燃焼室においては、内壁近傍における圧力は高く、中心近傍における圧力は低くなる。その結果、予混合気体が十分に混合されながら燃焼が進行するため、局所高温部が少なくなりＮＯｘの発生を十分に抑制できる。また、燃焼室の内壁近傍と中心近傍との間に生ずる再循環領域が拡大するため火炎が安定し、振動燃焼等が抑制されるので、安定した運転ができる。
【００１３】
また、請求項４に係るガスタービン燃焼器は、上記ガスタービン燃焼器において、さらに、少なくとも上記予混合火炎形成ノズルによって形成される予混合火炎または上記混合気体形成用筒から噴射される気体によって形成される火炎が前記燃焼器内筒の内周に衝突する部分に、当該燃焼器内筒冷却手段を備えたことを特徴とする。このように、燃焼器内筒に冷却手段を設けることによって燃焼器内筒の温度上昇を抑制できる。その結果、燃焼器内筒の寿命を損なうことなくより積極的に外向きの旋回流を作り出すことができるので、ＮＯｘの発生を十分に抑制できる。また、再循環領域もより拡大できるので、より安定した運転ができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるものが含まれるものとする。
【００１５】
（実施の形態１）
以下の実施の形態では、予混合火炎形成ノズル等に予混合火炎形成ノズル延長管等を取り付けて、燃焼室側へ予混合気体を噴射する場合を例にとって説明する。ただし、この発明に係る予混合火炎形成ノズル延長部および混合気体噴射用延長部としては、予混合火炎形成ノズル延長管等を用いた場合のみならず、予混合火炎形成ノズル等の出口自体を延長して直接予混合気体等を燃焼室側へ噴射する場合も含まれる。
【００１６】
図１は、この発明の実施の形態１に係るガスタービン燃焼器を示す正面図である。図２は、図１に示したガスタービン燃焼器の軸方向断面図である。また、図３は実施の形態１に使用する予混合火炎形成ノズル延長管の軸方向断面図である。図１および図２に示すように、燃焼器内筒２０の内部には拡散火炎形成コーン３０が設けられている。この拡散火炎形成コーン３０の内部には、パイロット燃料を噴射するパイロット燃料供給ノズル３１が設けられており、パイロット燃料供給ノズル３１から噴射されたパイロット燃料は、燃焼用空気と反応して拡散燃焼火炎を形成する。また、前記パイロット燃料供給ノズル３１の周囲には燃焼用空気を攪拌するためのスワラー３３が設けられており、燃焼用空気とパイロット燃料とを十分に混合する。前記拡散火炎形成コーン３０は、燃焼用空気とパイロット燃料とが混合した気体を燃焼室５０側（図２参照）へ噴射して、拡散燃焼火炎を形成する。
【００１７】
図２に示すように、予混合火炎形成ノズル４０は燃焼器内筒２０と拡散燃焼火炎を形成する拡散火炎形成コーン３０の間に配置されている。図２からは明らかではないが、８個の前記予混合火炎形成ノズル４０が前記拡散火炎形成コーン３０の周囲に環状に配置されている。なお、予混合火炎形成ノズル４０の数は８個に限定されるものではなく、ガスタービン燃焼器の仕様に応じて適宜増減することができる。また、図１および図２に示すように、前記予混合火炎形成ノズル４０の出口には、予混合火炎形成ノズル延長部として予混合火炎形成ノズル延長管（以下ノズル延長管と略称）４１０が設けられている。そして、予混合気体は当該ノズル延長管４１０を介して燃焼室５０側へ噴射される。
【００１８】
図１に示すように、前記ノズル延長管４１０の出口形状は扇形状である。このようにすると、隣り合うノズル延長管４１０同士の間隔はほぼ一定になるため、隣り合うノズル延長管４１０からは均等に空気が流れる。このため、空気の流れが弱い部分に高温の燃焼ガスが逆流することを抑制できるので、ノズル延長管４１０同士が隣り合う部分における焼損を低減できる。また、隣り合うノズル延長管４１０の間、ノズル延長管４１０と燃焼器内筒２０との間およびノズル延長管４１０と拡散火炎形成コーン３０との間からもほぼ均等に空気が流れる。このため、不均一な空気の流れに起因する逆火を抑制できるので、ノズル延長管４１０等の焼損を低減できる。
【００１９】
このノズル延長管４１０は、燃焼器内筒２０の径方向に存在する前記ノズル延長管４１０の側部のうち、少なくとも前記燃焼器内筒２０の中心軸に近い側部４１１を、前記燃焼器内筒２０の中心軸に垂直な平面に対して一定の角度αをもって前記燃焼器内筒の径方向外側に傾けてある（図３（ａ））。さらに、図３（ｂ）に示すように、前記ノズル延長管４１０は前記燃焼器内筒２０の周方向に存在する前記ノズル延長管４１０の側部４１２を、前記燃焼器内筒２０の中心軸に垂直な平面に対して一定の角度βをもって燃焼器内筒２０の周方向へ傾けてある。
【００２０】
このように、ノズル延長管４１０を前記燃焼器内筒２０の径方向外側へ向かって傾けることによって予混合気体に外向きの流れを与えることができる（図３（ａ）中の矢印Ａ）。さらに周方向へ傾けることによって、当該予混合気体に前記燃焼器内筒２０の周方向に向かう回転を与えることができる（図３（ｂ）中の矢印Ｂ）。なお、前記角度αおよびβは燃焼器の仕様によって適宜最適な値を選択することができるが、両者の大きさが小さすぎると予混合気体の混合が不十分となってＮＯｘを抑制し難くなる。反対に両者の角度が大きすぎると、予混合気体が燃焼室内に滞留しやすくなるため、フラッシュバック（逆火）を生ずるおそれがある。したがって、再循環領域を効果的に形成してＮＯｘを低減し、且つフラッシュバックの危険性を低くするという観点からは、αおよびβともに２０度から５０度の範囲とすることが好ましい。そして、ノズル延長管４１０における圧力損失をできるだけ少なくしつつ効果的な再循環領域を形成するという観点からは、αおよびβともに３０度から４０度の範囲とすることが望ましい。
【００２１】
次は、図２を参照して説明する。圧縮機（図示せず）から送られてきた空気は燃焼器外筒１０内に導かれ、当該燃焼器外筒１０と燃焼器内筒２０との間を通った後進行方向を１８０度変える。その後、前記燃焼器内筒２０の後方から予混合火炎形成ノズル４０および拡散火炎形成ノズル３２へ送られて、主燃料およびパイロット燃料と混合される。
【００２２】
拡散火炎形成ノズル３２内に導かれた圧縮空気は、拡散火炎形成ノズル３２内に設けられたスワラー３３によって攪拌され、パイロット燃料供給ノズル３１から噴射されたパイロット燃料と十分に混合される。そして両者の混合気体は拡散火炎を作り、拡散火炎形成コーン３０から燃焼室５０側に向かって拡散火炎が噴出される。この拡散火炎は、予混合火炎形成ノズル４０で作られる予混合気体を速やかに燃焼させ、また、当該予混合気体の燃焼を安定させて予混合火炎の逆火や予混合気体の自己着火を抑制する。
【００２３】
予混合火炎形成ノズル４０内に導かれた圧縮空気は、予混合火炎形成ノズル４０内に設けられたスワラー４２によって攪拌される。そして、主燃料供給ノズル６０に設けられた主燃料供給孔６１から噴射された主燃料と前記圧縮空気とが十分に混合されて予混合気体を形成した後、ノズル延長管４１０から燃焼室５０側へ噴射される。ここで、予混合気体はＮＯｘの発生を抑制する必要があることから、燃料に対して空気が過剰の状態となっている。この予混合気体は前記拡散火炎から排出される高温の燃焼ガスによって速やかに発火し、予混合火炎を形成して、当該予混合火炎から高温・高圧の燃焼ガスが排出される。
【００２４】
上述したように、ノズル延長管４１０は、少なくとも燃焼器内筒２０の中心軸に近い側部４１１を燃焼器内筒２０の軸方向に対して一定の角度αを持って前記燃焼器内筒２０の内壁側へ傾けてある。また、前記ノズル延長管４１０の出口は、燃焼器内筒２０の軸方向に対して一定の角度βを持って傾いている。このため、燃焼室５０内における燃焼ガスは前記燃焼器内筒２０の軸の周囲をらせん状に進む流れ、いわゆる外向き旋回流となる。
【００２５】
ここで主燃料供給ノズル６０について説明する。図４は、主燃料供給ノズル６０を示す側面図である。当該主燃料供給ノズル６０の周囲には、周方向断面形状が翼形をした複数のスポーク６２が設けられている。また、このスポーク６２の側面には、一方の側面につき２個ずつ、計４個の主燃料を噴射するための主燃料供給孔６１が設けられている。なお、前記主燃料供給孔６１の径が小さくなると個数は多くなる。また、主燃料供給孔６１の径をあまり小さくすると、主燃料の噴射が不安定になる。このため、主燃料供給孔６１の数は４個に限定されるものではないが、主燃料を安定して噴射できる径の範囲でその個数を定めるのが望ましい。主燃料供給孔６１の個数は前記主燃料供給孔６１の径にもよるが、一方の側面につき１個から４個、好ましくは２個または３個である。
【００２６】
従来このスポーク６２の断面形状は円形であったが、当該断面形状ではスポーク６２の後方に渦や空気の剥離が発生し、これが原因で逆火を発生させていた。
本実施の形態に係るスポーク６２のように断面形状を翼形とすると、スポーク６２の周囲を空気が滑らかに流れ、スポーク６２の後方において空気の乱れを抑制できるので、逆火を抑制できる。このため、ノズル延長管等の焼損を低減できるので、燃焼器の寿命も長くできる。また、メンテナンスの手間も軽減できる。
【００２７】
つぎに、燃焼器内筒２０の冷却について説明する。図５は、冷却手段を取付けた燃焼器内筒を示す軸方向断面図である。本発明のガスタービン燃焼器における燃焼ガスの流れは外向き旋回流となるため、燃焼室５０側における燃焼器内筒２０ａに燃焼ガスや予混合火炎が衝突する（図５（ａ）中の矢印Ｃ）。このため、燃焼室５０側における燃焼器内筒２０ａの燃焼ガス等が衝突する部分が高温となり、この部分の寿命を短くしてしまうこともある。
【００２８】
これを避けるために、燃焼室５０側における燃焼器内筒２０ａの周囲に冷却手段を配置して、燃焼ガス等の熱を除去することが望ましい。図５に示した例は、冷却手段として燃焼室５０側における燃焼器内筒２０ａをプレートフィン２１で構成したものである。ここで、プレートフィン２１の構造を図５（ｂ）に示す。
まず、燃焼器外筒１０と燃焼器内筒２０との間を通ってきた圧縮機からの空気が、プレートフィン２１の外筒１０側に設けられた冷却空気孔２１ａ（図５（ｂ）参照）からプレートフィン２１内部に流入する。この空気はプレートフィン２１内部を流れる際に、対流冷却により燃焼室５０側における燃焼器内筒２０ａを冷却する。また、プレートフィン２１内部を流れ終わった空気は、燃焼室５０側へ流れ出る（図中の矢印Ｊ方向）。この空気は燃焼室５０側における燃焼器内筒２０ａの表面を流れることで、その表面近傍に温度境界層を形成して、燃焼室５０側における燃焼器内筒２０をフィルム冷却する。
【００２９】
なお、冷却手段としては上記プレートフィン２１には限られず、ＭＴフィンと呼ばれるフィンを使用したり、あるいは燃焼室５０側における燃焼器内筒２０ａの周囲に孔を設け、この孔から冷却空気を噴射して燃焼室５０側における燃焼器内筒２０ａをフィルム冷却してもよい。このような冷却手段によれば、高温の燃焼ガス等が燃焼室５０側における内筒の表面に当たってもその部分が冷却されるため、燃焼室５０側における燃焼器内筒２０ａの局所的な温度上昇を抑制できる。したがって、より積極的に外向き流れを作ることができるので予混合気体の混合をさらに促進できる。
【００３０】
従来のガスタービン燃焼器における燃焼ガスは、燃焼器の中心に向かって旋回する内向きで、且つねじれた旋回流を形成するため、燃焼室５０の中心付近に予混合気体が集中する。その結果、この部分において燃焼が早まり、また局所高温部が発生しやすくなるため、ＮＯｘの発生を十分に抑制をすることができなかった。また、燃焼室５０の中心付近に再循環領域が十分に形成されないため、予混合火炎が不安定となって振動燃焼等を発生していた。
【００３１】
これに対して本発明のガスタービン燃焼器は、ノズル延長管に一定の角度を設けることによって、予混合気体に燃焼器内筒２０の径方向外側に向かい、且つ周方向に旋回する流れ、すなわち外向き旋回流を与えている。このため、予混合気体は、拡散火炎を取り巻くように流れる過程で十分に混合しながら燃焼室５０の全領域にわたって均一に燃焼することになる。その結果、局所高温部の発生が少なくなってＮＯｘの発生を十分に抑制することができる。また、外向き旋回流によって、燃焼器の中心部分に形成される再循環領域が拡大するので予混合火炎が安定して形成されて、振動燃焼も抑制できる。さらに、予混合気体は燃焼室５０の全領域にわたって燃焼するため、予混合気体の燃え残りがほとんどなくなって燃料を効率的に利用できる。なお、本実施の形態においては、外向き旋回流を作るためにノズル延長管４１０の出口を燃焼器内筒２０の径方向外側および周方向に傾けるだけなので、ノズル延長管４１０の出口内に特別な加工をする必要がなく、製造が容易となる。
【００３２】
次に上記実施の形態１に係る第一の変形例について説明する。図６は、実施の形態１に係るガスタービン燃焼器の第一の変形例を示す正面図である。上記実施の形態１に係るガスタービン燃焼器においては、ノズル延長管４１０（図１参照）の出口形状は扇形状であったが、本変形例のようにノズル延長管４２０の出口形状を楕円形としてもよい。このようにしても、ノズル延長管４２０から噴射される予混合気体は外向き旋回流を形成するため、燃焼室（図示せず）の全体にわたって燃焼し局所高温部が減少し、ＮＯｘの発生を抑制することができる。なお、本変形例においてノズル延長管４２０の出口形状を円形としてもよい。
【００３３】
図７は、実施の形態１に係るガスタービン燃焼器の第二の変形例を示す正面図である。この変形例のように、外向きのノズル延長管４３０と外向き旋回流を形成するノズル延長管４２０とを交互に配置してもよい。このようにすると、ノズル延長管４３０による予混合気体の外向きの直進流と、ノズル延長管４２０による予混合気体の外向き旋回流とが衝突して、予混合気体の混合が促進されるという効果がある。なお、ノズル延長管４３０および４２０の出口形状は図７に示した楕円状に限られず、図１に示したような扇形や円形としてもよい。
【００３４】
（実施の形態２）
図８は、この発明の実施の形態２に係るガスタービン燃焼器を示す正面図である。図９は、図８に示したガスタービン燃焼器の軸方向断面図である。また、図１０は、実施の形態２に使用する混合気体形成用筒を示す軸方向断面図である。
本実施の形態に係るガスタービン燃焼器は、混合気体形成用筒７０の内部に主燃料を供給するための主燃料供給孔６４を備えたスポーク６３とパイロットノズル３６とを備え、当該混合気体形成用筒７０を燃焼器内筒２０の内部へ環状に配置した点に特徴がある。
【００３５】
本実施の形態で使用する混合気体形成用筒７０は、図１０に示すように、内部に主燃料を噴射する主燃料供給孔６４と、内部にパイロット燃料供給ノズル３５を備えたパイロットノズル３６とを備えている。また、前記混合気体形成用筒７０の空気取り入れ口側にはスワラー７２が備えられており、燃焼用圧縮空気に旋回を与えて主燃料およびパイロット燃料と十分に混合させる。
【００３６】
前記混合気体形成用筒７０の出口側には混合気体噴射用延長部としてノズル延長管４４０が設けられており、燃焼用圧縮空気と主燃料およびパイロット燃料とが混合した気体を燃焼室５０側に噴射する。前記ノズル延長管４４０の出口形状は円形をしており、燃焼器内筒２０の径方向外側へ傾けてある。また、前記ノズル延長管４４０は、前記燃焼器内筒２０の周方向に対しても傾けてある。なお、ノズル延長管４４０の出口形状は円形のみならず、実施の形態１で示したような扇形や楕円形としてもよい。以下同様である。
【００３７】
本実施の形態におけるガスタービン燃焼器は、出口にノズル延長管４４０を備えた混合気体形成用筒７０を、燃焼器内筒２０（図８および図９参照）の内部に５個環状に配置してある。なお、混合気体形成用筒７０の個数は５個に限定されるものではなく、ガスタービン燃焼器の仕様等によって適宜増減することができる。
【００３８】
次は図９を参照して説明する。圧縮機（図示せず）から送られてきた燃焼用圧縮空気は燃焼器外筒１０内に導かれ、燃焼器外筒１０と燃焼器内筒２０との間を通った後１８０度進行方向を変える。そして、前記燃焼用圧縮空気は混合気体形成用筒７０の後方からパイロットノズル３６内と混合気体形成用筒７０内とへ導かれる。
【００３９】
次は図１０を参照して説明する。パイロットノズル３６内に導かれた圧縮空気は、パイロット燃料供給ノズル３５から噴射されたパイロット燃料と十分に混合される。また、混合気体形成用筒７０内に導かれた空気は、まず前記混合気体形成用筒７０内に設けられたスワラー７２によって攪拌された後、主燃料供給孔６４から噴射される主燃料と十分に混合されて予混合気体を形成する。なお、この予混合気体はＮＯｘの発生を抑制するため、燃料に対して空気が過剰の状態である。また、この主燃料供給孔６４が設けられているスポーク６３は、逆火を抑制するという観点から、実施の形態１において説明した断面を翼形形状としたスポークを使用することが好ましい。このようにすると、逆火を効果的に抑制できるので、ノズル延長管４４０等の焼損も抑制できる。また、燃焼が安定するので振動燃焼も抑制できる。
【００４０】
パイロット燃料と圧縮空気との混合気体および予混合気体は、ノズル延長管４４０を介して燃焼室５０側へ噴射される。燃焼室５０側に噴射されたパイロット燃料と圧縮空気との混合気体は拡散火炎を形成し、当該拡散火炎から発生する高温の燃焼ガスによって前記予混合気体を速やかに燃焼させる。また、予混合気体の燃焼を安定させて予混合火炎の逆火や予混合気体の自己着火を抑制する。燃焼した予混合気体は予混合火炎を形成して、当該予混合火炎から高温・高圧の燃焼ガスが排出される。
【００４１】
前記パイロット燃料と圧縮空気との混合気体および予混合気体は、ノズル延長管４４０によって、燃焼器内筒２０の径方向外側へ向かい且つ周方向へ旋回する外向き旋回流となり、燃焼室５０内を流れる。この外向き旋回流によって、予混合気体等が十分に混合されながら燃焼器の全域にわたって燃焼が進行するので、局所高温部が少なくなりＮＯｘの発生が抑制される。また、前記外向き旋回流によって燃焼室５０の内壁近傍における圧力は高く、中心近傍の圧力は低くなる結果、内壁近傍と中心近傍との間に循環流が発生し、再循環領域を形成する。その結果、火炎が安定し振動燃焼も低減するので、安定した運転ができる。なお、実施の形態１で説明したように、燃焼室５０側における燃焼器内筒に冷却手段を設けて、高温の燃焼ガスや混合気体が燃焼することによって形成される火炎が衝突する燃焼器内筒の部分を冷却してもよい。このようにすることで、より積極的に外向きの旋回流を形成できる。したがって、燃料と空気とがより十分に混合されて均等に燃焼するため局所高温部を抑制できる。その結果、ＮＯｘの発生もより抑制できる。
【００４２】
（実施の形態３）
図１１は、この発明の実施の形態３に係るガスタービン燃焼器を示す正面図である。本実施の形態に係るガスタービン燃焼器は、燃焼器内筒２０の軸方向に垂直な平面上に存在する異なる大きさのピッチ円Ｄ1およびＤ2（Ｄ1＞Ｄ2）上に複数の予混合ノズルを配置した点に特徴がある。
【００４３】
図１１に示すように、本実施の形態に係るガスタービン燃焼器では、燃焼器内筒２０の内部に拡散燃焼火炎を形成する拡散火炎形成コーン３０が備えられており、この拡散火炎形成コーン３０の周囲には複数の予混合火炎形成ノズル（図示せず）が大きさの異なる少なくとも２個のピッチ円上に配置されている。そして、前記ピッチ円Ｄ1およびＤ2上にはそれぞれ４個の予混合火炎形成ノズルが配置されている。なお、予混合火炎形成ノズルの数は４個に限定されるものではない。
【００４４】
予混合火炎形成ノズルは、その内部に主燃料を噴射する主燃料供給ノズルを備えている。また、前記予混合火炎形成ノズルの空気取り入れ口側にはスワラーが備えられており、燃焼用空気はこのスワラーによって旋回を与えられて主燃料と十分に混合される。また、前記予混合火炎形成ノズルの出口側にはノズル延長管４５０が設けられており、燃焼用圧縮空気と主燃料とが混合した気体を燃焼室側（図示せず）に噴射する。前記ノズル延長管４５０の出口形状は円形をしており、燃焼器内筒２０の径方向外側へ傾けてある。同時に前記ノズル延長管４５０は、前記燃焼器内筒２０の周方向へも傾けてある。
【００４５】
前記予混合火炎形成ノズルから噴射された予混合気体はノズル延長管４５０を介して燃焼室側へ噴射される。そして、燃焼室側へ噴射された予混合気体は、ノズル延長管４５０によって外向き旋回流となって、燃焼室内をらせん状に流れる。本実施の形態に係るガスタービン燃焼器においては、二つのピッチ円Ｄ1およびＤ2上にそれぞれ予混合火炎形成ノズルを配置しているため、ピッチ円Ｄ1およびＤ2上に設けられているそれぞれの予混合火炎形成ノズル群に対応した外向き旋回流が発生する。この二つの外向き旋回流によって、燃焼室の内壁近傍と中心近傍との間、および外側の予混合火炎形成ノズル群による外向き旋回流と内側の予混合火炎形成ノズル群による外向き旋回流との間に循環流が発生して予混合気体は十分に混合される。その結果、局所高温部が少なくなりＮＯｘの発生を抑制できる。また、上記二つの再循環領域によって予混合火炎がより安定し、振動燃焼等も軽減できる。
【００４６】
また、本実施の形態に係るガスタービン燃焼器では、二つのピッチ円Ｄ1およびＤ2上にそれぞれ予混合火炎形成ノズルを配置しているため、負荷に応じて使用する予混合火炎形成ノズル群を適宜選択することができる。したがって、部分負荷から全負荷にわたって最適な燃空比で希薄燃焼運転ができるので、すべての負荷領域でＮＯｘの発生を抑制することができる。
【００４７】
（実施の形態４）
図１２は、この発明の実施の形態４に係るガスタービン燃焼器を示す正面図である。図１３は実施の形態４に係るガスタービン燃焼器を使用するノズル延長管の軸方向断面図である。本ガスタービン燃焼器は、ノズル延長管４６０の内部に設けたフィンにより予混合気体の方向を調整する点に特徴がある。
【００４８】
本実施の形態に係るガスタービン燃焼器は、外向き旋回流を作る手段の一つとして一定方向に傾けたフィンを使用する点で、実施の形態１に係るガスタービン燃焼器と相違する。図１２および１３に示すように、ノズル延長管４６０の出口は燃焼器内筒２０の内壁に向かって傾けられており、この傾きによって予混合気体に外向きの流れを与える。また、当該ノズル延長管４６０の出口近傍には、予混合気体に燃焼器内筒２０の周方向に向かう旋回を与えるためのフィン４６５が備えられている。フィン４６５の枚数は適宜増減できる。なお、フィン４６５は燃焼器内筒２０の内壁に取付けてもよい。この場合にはフィン４６５がより燃焼室（図示せず）の近くに設置されて高温にさらされるので、フィルム冷却や対流冷却等の冷却手段によってフィン４６５を冷却することが好ましい。
【００４９】
本実施の形態に係るガスタービン燃焼器はノズル延長管４６０の出口にフィン４６５が設けられており、また前記ノズル延長管４６０の出口は燃焼器内筒２０の径方向外側に傾いている。したがって、前記ノズル延長管４６０から噴射された予混合気体は、前記燃焼器内筒２０の軸の周囲をらせん状に進む流れ、いわゆる外向き旋回流となる。この外向き旋回流によって予混合気体は十分に混合されるので局所高温部が少なくなり、ＮＯｘの発生を抑制できる。また、この外向き旋回流によって燃焼室５０の内壁近傍の圧力は高く、中心近傍の圧力は低くなる結果、内壁近傍と中心近傍との間に大きな循環流が発生し再循環領域が拡大する。このため、予混合気体の燃焼が安定する。なお、フィン４６５を燃焼器内筒２０の内壁側に取付けた場合も、同様の効果を得ることができる。
【００５０】
図１４は、実施の形態４の変形例に係るガスタービン燃焼器の正面図である。また、図１５は、実施の形態４に使用する予混合火炎形成ノズル延長管の軸方向断面図である。上記ガスタービン燃焼器はフィン４６５によって予混合気体に旋回を与えたが、本変形例に係るガスタービン燃焼器はフィン４７５によって予混合気体に外向きの流れを、ノズル延長管の傾きによって旋回を与えるものである。
【００５１】
この変形例に係るガスタービン燃焼器は、ノズル延長管４７０の出口にフィン４７５が設けられており、前記ノズル延長管４７０の出口は予混合気体に燃焼器内筒２０の周方向に向かう旋回を与えるように傾いている。また、フィン４７５は燃焼器内筒２０の径方向外側へ傾けてあり、予混合気体に当該方向へ向かう流れを与える。なお、このフィン４７５の枚数は適宜増減できる。
【００５２】
前記ノズル延長管４７０から噴射された予混合気体は、ノズル延長管４７０の傾きおよびフィン４７５の傾きによって、前記燃焼器内筒２０の軸の周囲をらせん状に進む流れ、すなわち外向き旋回流となる。この外向き旋回流によって、予混合気体は十分に混合されるので、局所高温部が少なくなりＮＯｘの発生が抑制される。また、この外向き旋回流によって燃焼室５０の内壁近傍における圧力は高く、中心近傍の圧力は低くなる結果、燃焼室５０の内壁と中心との間に循環流が発生し再循環領域を形成する。この再循環領域は予混合気体が内向きの旋回流を形成したときよりも大きくなるので、予混合火炎が安定して形成される。その結果、振動燃焼等が低減され、従来よりも安定した運転ができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明のガスタービン燃焼器（請求項１）では、燃焼器内筒の径方向外側に向かいながら当該燃焼器内筒の周方向に旋回する予混合気体の流れを形成する予混合火炎形成ノズル延長部を、主燃料と空気とを混合させた予混合気体によって予混合火炎を形成するための予混合火炎形成ノズルの出口に備えるようにした。この予混合火炎形成ノズル延長部によって、予混合気体には燃焼器内筒の内壁面に向かい且つ旋回する流れが与えられるので、予混合気体は拡散火炎の周囲をらせん状に流れる過程において十分に混合される。この混合作用によって、局所高温部がほとんど発生しなくなり、ＮＯｘの発生を十分に抑制できる。また、燃焼器の中心付近に形成される再循環領域が拡大されるので、予混合火炎が安定して形成されて安定した運転ができる。
【００５４】
また、この発明のガスタービン燃焼器（請求項２）では、予混合気体に燃焼器内筒の内壁面に向かい且つ旋回する流れを与えるため、予混合火炎形成ノズル延長部を燃焼器内筒の軸方向に対して当該燃焼器内筒の径方向外側および周方向にそれぞれ傾けるようにした。このため、この予混合火炎形成ノズル延長部から噴射される予混合気体は、燃焼室内を外向き且つらせん状に流れる過程において十分に混合され、また燃焼室の軸方向にわたって均一且つ十分に燃焼が進行する。この作用によって、局所高温部がほとんど発生しなくなり、ＮＯｘの発生を十分に抑制できる。また、燃焼器の中心付近に形成される再循環領域が拡大されるので、予混合火炎が安定して形成され、安定した運転ができる。さらに、予混合火炎形成ノズル延長部の出口を傾ける簡単な構造であるため、製造が容易となり耐久性も向上する。
【００５５】
また、この発明のガスタービン燃焼器（請求項３）では、混合気体形成用筒内でパイロット燃料と圧縮空気との混合気体と予混合気体とを形成し、燃焼器内筒の軸方向に対して当該燃焼器内筒の径方向外側および周方向にそれぞれ傾けた混合気体噴射用延長部から噴射するようにした。このため、予混合気体と前記混合気体とは外向の旋回流となってらせん状に燃焼室内を流れるので、燃焼室の内壁近傍における圧力は高く、中心近傍における圧力は低くなる。その結果、前記混合気体が十分に混合されながら燃焼が進行するため、局所高温部が少なくなりＮＯｘの発生を十分に抑制できる。また、内壁近傍と中心近傍との間に生ずる再循環領域が拡大するため火炎が安定し、振動燃焼等が抑制されるので、安定した運転ができる。
【００５６】
また、この発明のガスタービン燃焼器（請求項４）では、上記ガスタービン燃焼器において、さらに、少なくとも上記予混合火炎形成ノズルによって形成される予混合火炎または上記混合気体形成用筒から噴射される気体によって形成される火炎が前記燃焼器内筒の内周に衝突する部分に、当該燃焼器内筒冷却手段を備えた。このため、予混合火炎や高温の燃焼ガス等が衝突することによる燃焼器内筒の温度上昇を抑制できるので、燃焼器内筒の寿命を損なうことなくより積極的に外向きの旋回流を作り出すことができる。その結果、よりＮＯｘの発生を抑制できる。また、再循環領域もより拡大できるので、より安定した運転ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係るガスタービン燃焼器を示す正面図である。
【図２】図１に示したガスタービン燃焼器の軸方向断面図である。
【図３】実施の形態１に使用する予混合火炎形成ノズル延長管の軸方向断面図である。
【図４】主燃料供給ノズルを示す側面図である。
【図５】冷却手段を取付けた燃焼器内筒を示す軸方向断面図である。
【図６】実施の形態１に係るガスタービン燃焼器の第一の変形例を示す正面図である。
【図７】実施の形態１に係るガスタービン燃焼器の第二の変形例を示す正面図である。
【図８】この発明の実施の形態２に係るガスタービン燃焼器を示す正面図である。
【図９】図８に示したガスタービン燃焼器の軸方向断面図である。
【図１０】実施の形態２に使用する混合気体形成用筒を示す軸方向断面図である。
【図１１】この発明の実施の形態３に係るガスタービン燃焼器を示す正面図である。
【図１２】この発明の実施の形態４に係るガスタービン燃焼器を示す正面図である。
【図１３】実施の形態４に係るガスタービン燃焼器を使用するノズル延長管の軸方向断面図である。
【図１４】実施の形態４の変形例に係るガスタービン燃焼器の正面図である。
【図１５】実施の形態４に使用する予混合火炎形成ノズル延長管の軸方向断面図である。
【図１６】予混合方式のガスタービン燃焼器の一例を示す正面図である。
【符号の説明】
１０  燃焼器外筒
２０  燃焼器内筒
２０ａ  燃焼室側における燃焼器内筒
２１  プレートフィン
３０  拡散火炎形成コーン
３１、３５  パイロット燃料供給ノズル
３２  拡散火炎形成ノズル
３３、４２、７２  スワラー
３６  パイロットノズル
４０  予混合火炎形成ノズル
５０  燃焼室
６０  主燃料供給ノズル
６１、６４  主燃料供給孔
６２、６３  スポーク
７０  混合気体形成用筒
４００、４１０、４２０、４３０、４４０、４５０、４６０、４７０  ノズル延長管
４１１  側部
４１２  側部
【図１】
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【図２】
0004610800.tif 000003
【図３】
0004610800.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
0004610800.tif 000007
【図７】
0004610800.tif 000008
【図８】
0004610800.tif 000009
【図９】
0004610800.tif 000010
【図１０】
0004610800.tif 000011
【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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