(57)【要約】【課題】  特に小型ガスタービンの外筒内へのバイパス弁の配設を可能にし、低コスト化と低ＮＯX 化の促進とを図る。【解決手段】  外筒（２）とバイパス孔（８）を有する内筒（５）とを備えたガスタービン燃焼器（１）の燃焼空気可変機構であって、この燃焼空気可変機構（２０）は、筒状に形成され外筒と内筒との間に配設されて内筒のバイパス孔から外側へ延出し外筒と内筒との間に流入した圧縮機吐出空気を内筒内へ導入すると共に外端部に弁座（２４）が形成された空気導入部（２１）と、空気導入部の弁座に当接して閉弁し圧縮機吐出空気の内筒内への流入を禁止する弁体（３１）と、弁体を外筒の外側から開閉させる駆動部（４１）とを備える。空気導入部は、内筒の径方向及び又は軸方向に柔軟に動く可動部から成り、内端部が内筒のバイパス孔に挿脱自在に嵌合し、空気導入部と弁体は、外筒に外筒の外側から着脱自在に取り付けられていることが望ましい。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外筒（２）とバイパス孔（８）を有する内筒（５）とを備えたガスタービン燃焼器（１）の燃焼空気可変機構であって、前記燃焼空気可変機構（２０）は、筒状に形成され前記外筒と前記内筒との間に配設されて前記内筒の前記バイパス孔から外側へ延出し前記外筒と前記内筒との間に流入した圧縮機吐出空気を前記内筒内へ導入すると共に外端部に弁座（２４）が形成された空気導入部（２１）と、前記空気導入部の前記弁座に当接して閉弁し前記圧縮機吐出空気の前記内筒内への流入を禁止する弁体（３１）と、前記弁体を前記外筒の外側から開閉させる駆動部（４１）とを備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器の燃焼空気可変機構。
【請求項２】
前記空気導入部（２１）は、前記内筒（５）の径方向及び又は軸方向に柔軟に動く可動部（２６）を有する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の燃焼空気可変機構。
【請求項３】
前記空気導入部（２１）は、内端部が前記内筒（５）の前記バイパス孔（８）に挿脱自在に嵌合することを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタービン燃焼器の燃焼空気可変機構。
【請求項４】
前記空気導入部（２１）と前記弁体（３１）は、前記外筒（２）に前記外筒の外側から着脱自在に固定されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のガスタービン燃焼器の燃焼空気可変機構。
【請求項５】
前記バイパス孔（８）と前記燃焼空気可変機構（２０）は、複数から成り、前記燃焼空気可変機構は、前記ガスタービンの低出力時から高出力時にかけて前記弁体（３１）を順次閉弁させることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のガスタービン燃焼器の燃焼空気可変機構。
【請求項６】
前記弁体（３１）は、前記外筒（２）の外側に固定された空気シリンダ（４３）と、前記空気シリンダの作動を制御するコントローラとにより開閉されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のガスタービン燃焼器の燃焼空気可変機構。
【請求項７】
前記コントローラは、前記ガスタービンの発電出力、吸込み空気温度、圧縮機出口空気圧力若しくは軸回転数、燃焼器入口空気温度のいずれか１つ以上に基づいて前記弁体（３１）を開閉させる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の燃焼空気可変機構。
【請求項８】
前記燃焼器（１）は、単筒型であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のガスタービン燃焼器の燃焼空気可変機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に小型ガスタービンに用いられて好適な、ガスタービン燃焼器の燃焼空気可変機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンの高出力化に伴い急激に増大するＮＯX 排出量を低減することは、ガスタービンの環境対策において極めて重要な問題である。特に小型ガスタービンの場合、運転費や設置スペース等の関係から、脱硝装置を設けることが困難な場合が多い。このため、小型ガスタービンにおいては、燃焼改善によってＮＯX 排出量を減少させる必要がある。
【０００３】
ガスタービン燃焼器の低ＮＯX 化は、これまで主に水噴射や蒸気噴射によって行われてきた。しかしながら、これらの方式は、熱効率の低下や設備の維持管理の困難性等の問題があるため、この水噴射や蒸気噴射を行わない乾式の低ＮＯX 燃焼器の開発が急務となっている。このための一つの方式として、大型ガスタービンにおいては、外筒の内部に燃焼空気可変機構付きの尾筒を備え、この燃焼空気可変機構付きの燃焼器による予混合燃焼により、低ＮＯX 化を図るものがある（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
予混合燃焼方式による大型ガスタービンでは、例えば、図７に示すように、圧縮機吐出空気は、燃焼器１００内へ流入し、燃料と混合して燃焼する。燃焼後の高温ガスは、尾筒１０１を通してタービン１０２へ導かれる。燃焼空気可変機構１０３は、燃焼器において適切な空燃比が確保できるように、低負荷時には全開となり、圧縮機吐出空気の一部をバイパスして直接尾筒１０１内へ導く。負荷の上昇に伴い、燃料噴射量が増加すると共に、燃焼空気可変機構１０３のバイパス弁１０４が順次閉じ、定格負荷運転近辺ではかなり絞られた状態となる。バイパス弁１０４は、外筒１０５の内部に配設された、例えば、バタフライ弁から成る。
【非特許文献１】萬代重実，青山邦明、“予混合型燃焼器”、日本ガスタービン学会誌（Ｖｏｌ．１６、Ｎｏ．６４）、日本ガスタービン学会、１９８９年３月１０日、ｐ．２６（図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように、従来の大型ガスタービンにおいては、例えば、バタフライ弁から成るバイパス弁を用いた燃焼空気可変機構付きの尾筒を外筒の内部に備え、燃焼空気可変機構付き燃焼器による予混合燃焼により、低ＮＯX 化を行ってきた。しかしながら、小型ガスタービンにおいては、設置スペース等の関係から、外筒を含むガスタービン全体を小型化する必要があり、外筒の内部に大型ガスタービンと同様構造の、例えばバタフライ弁から成るバイパス弁を備えることは困難である。
【０００６】
一方、燃焼空気可変機構を外筒の外部に配設した場合、燃焼空気可変機構の構成が複雑となり、コスト高を招くという問題がある。
【０００７】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、小型化により、特に小型ガスタービンの外筒内へのバイパス弁の配設を可能にし、これにより低コスト化を図ると共に、低ＮＯX 化の促進を図ることができる、ガスタービン燃焼器の燃焼空気可変機構を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題を解決するために、本発明が採用する手段は、外筒とバイパス孔を有する内筒とを備えたガスタービン燃焼器の燃焼空気可変機構であって、この燃焼空気可変機構は、筒状に形成され外筒と内筒との間に配設されて内筒のバイパス孔から外側へ延出し外筒と内筒との間に流入した圧縮機吐出空気を内筒内へ導入すると共に外端部に弁座が形成された空気導入部と、空気導入部の弁座に当接して閉弁し圧縮機吐出空気の内筒内への流入を禁止する弁体と、弁体を外筒の外側から開閉させる駆動部とを備える。
【０００９】
したがって、駆動部を操作することにより、弁体を空気導入部の弁座に対して開閉させることができ、これにより圧縮機吐出空気をガスタービン燃焼器の内筒内へ流入させ、又はその流入を禁止させることができるから、ガスタービンの出力に応じて、ガスタービン燃焼器内の空燃比を適切に変化させることができる。また、燃焼空気可変機構は、空気導入部と弁体と駆動部とを備えることにより構成され、小型化することができ、特にバイパス弁を構成する空気導入部と弁体とを、小型ガスタービンの外筒内へ配設することが可能となる。
【００１０】
空気導入部は、内筒の径方向及び又は軸方向に柔軟に動く可動部を有することが望ましい。ガスタービン燃焼器の外筒と内筒との間には、熱膨張、振動等により、寸法差が生ずる。空気導入部が、内筒の径方向及び又は軸方向に柔軟に動く可動部を有することにより、この寸法差を吸収することができる。
【００１１】
空気導入部は、内端部が内筒のバイパス孔に挿脱自在に嵌合することが望ましい。空気導入部を内筒のバイパス孔に挿脱自在に嵌合させることにより、空気導入部の着脱が極めて容易となり、空気導入部及び内筒の整備性が向上する。
【００１２】
弁体と空気導入部は、外筒に外筒の外側から着脱自在に固定されることが望ましい。弁体と空気導入部とを、外筒に外筒の外側から着脱自在に固定することにより、ガスタービン本体の分解を行うことなく、弁体と空気導入部とを取り付け及び取り外しすることができ、弁体及び空気導入部の整備性が向上する。
【００１３】
バイパス孔と燃焼空気可変機構は、複数から成り、燃焼空気可変機構は、ガスタービンの低出力時から高出力時にかけて弁体を順次閉弁させることが望ましい。複数の燃焼空気可変機構を設け、ガスタービンの低出力時から高出力時にかけて弁体を順次閉弁させることにより、ガスタービンの全出力領域において、低ＮＯX 化の促進を図ることができる。
【００１４】
駆動部は、外筒の外側に固定されて圧縮機吐出空気により作動する空気シリンダと、空気シリンダの作動を制御するコントローラとにより開閉されることが望ましい。駆動部をこのように構成することにより、弁体の開閉を自動制御することができる。特に、空気シリンダは圧縮機吐出空気によって作動するから、シリンダ作動源を別途装備する必要がない。
【００１５】
コントローラは、ガスタービンの発電出力、吸込み空気温度、圧縮機出口空気圧力若しくは軸回転数、燃焼器入口空気温度のいずれか１つ以上に基づいて弁体を開閉させることが望ましい。このように、ガスタービンの発電出力、吸込み空気温度、圧縮機出口空気圧力若しくは軸回転数、燃焼器入口空気温度に基づいて弁体の開閉を制御することにより、ガスタービンのあらゆる運転状態において、理想的な開閉制御を行なうことができる。
【００１６】
例えば、燃焼器は、単筒型である。本発明のガスタービン燃焼器の燃焼空気可変機構は、大型から小型までのすべてのガスタービンに実施可能であるが、特に単筒型燃焼器を有する小型ガスタービンに用いられて好適である。
【発明の効果】
【００１７】
以上詳細に説明したように、本発明のガスタービン燃焼器の燃焼空気可変機構は、外筒とバイパス孔を有する内筒とを備えたガスタービン燃焼器の燃焼空気可変機構であって、この燃焼空気可変機構は、筒状に形成され外筒と内筒との間に配設されて内筒のバイパス孔から外側へ延出し外筒と内筒との間に流入した圧縮機吐出空気を内筒内へ導入すると共に外端部に弁座が形成された空気導入部と、空気導入部の弁座に当接して閉弁し圧縮機吐出空気の内筒内への流入を禁止する弁体と、弁体を外筒の外側から開閉させる駆動部とを備えるから、燃焼空気可変機構を小型化することができ、特に小型ガスタービンの外筒内へのバイパス弁の配設を可能にし、これにより低コスト化を図ると共に、低ＮＯX 化の促進を図ることができるという優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明に係るガスタービン燃焼器の燃焼空気可変機構を実施するための最良の形態を、図１ないし図６を参照して詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明のガスタービン燃焼器の燃焼空気可変機構を示す断面図、図２は、図１の燃焼空気可変機構を示す断面図、図３は、図２の弁座を示す平面図、図４は、図２とは別の作動状態を示す断面図、図５（ａ）ないし（ｄ）は、弁体の開閉状態を示す模試図、図６は、図１の燃焼空気可変機構を用いた燃焼制御を示すグラフである。
【００２０】
図１に示すように、ガスタービンの燃焼器１は単筒型であり、燃焼器ケースとしての外筒２と、内部で燃焼を行わせる内筒５とから成る。内筒５は、さらに主燃焼器６と尾筒７とから成り、複数の固定ピン１０によって外筒２に固定される。主燃焼器６には、燃料噴射ノズル１１と点火プラグ１２が配設される。また、尾筒７には、円周上等間隔に、４つのバイパス孔８が穿設される。この４つのバイパス孔８には、後述する燃焼空気可変機構２０が、それぞれ取り付けられる。図示下部の外筒２と内筒５との間の通路３は、図示しない圧縮機出口と連通し、圧縮機吐出空気がこの通路３を通って燃焼器１内へ流入する。一方、尾筒７の出口９は、図示しないタービン入口と連通し、燃焼ガスがタービンへ導かれる。
【００２１】
図２に示すように、各燃焼空気可変機構２０は、空気導入部２１と弁体３１と駆動部４１とから成り、バイパス弁を構成する空気導入部２１と弁体３１とが、外筒２から径方向外側へ突出する４つの円筒状の燃焼空気可変機構収容部５１の内部に、それぞれ配設される。この燃焼空気可変機構収容部５１も、外筒２の一部を形成する。
【００２２】
図２及び図３に示すように、空気導入部２１の支持板２２は、その中心部に短円筒状の蛇腹部材支持部２３を有し、その図示左端部（外端部）に弁座２４が形成される。蛇腹部材支持部２３の周囲には、３つの空気挿通孔２５が形成される。図２に示すように、空気導入部２１の蛇腹部材支持部２３には、円筒状の蛇腹部材（可動部）２６が固着され、蛇腹部材２６の図示右端部（内端部）には、先端が円筒状又は先細円筒状に形成され、尾筒７のバイパス孔８に着脱自在に嵌合することができる嵌合部２７が固着される。
【００２３】
このように、空気導入部２１は、尾筒７のバイパス孔８から径方向外側へ延出し、外筒２と内筒５との間に流入した圧縮機吐出空気を、蛇腹部材２６、バイパス孔８を通して、尾筒７内へ導入する。また、蛇腹部材２６は、尾筒７の径方向のみならず、尾筒７の軸方向へも柔軟に動くことができるから、熱膨張、振動等により、燃焼器１の外筒２と内筒５との間に寸法差が生じても、嵌合部２７を内筒５の径方向に伸縮自在に移動させ、また内筒５の軸方向にも柔軟に移動させて、この寸法差を吸収することができる。
【００２４】
弁体３１は、弁軸（駆動部）４２の先端に固定され、弁軸４２は、蓋部材５２をシール５３を介して気密に貫通し、外筒２の外側に固定された空気シリンダ（駆動部）４３に連結される。このため、空気シリンダ４３の作動により弁軸４２が往復し、弁体３１を空気導入部２１の弁座２４に当接させて閉弁させ、これにより圧縮機吐出空気の尾筒７内への流入を禁止することができる。空気シリンダ４３は、ガスタービンの圧縮機吐出空気により作動し、図示しないコントローラによってその作動が自動制御される。コントローラには、ガスタービンの発電出力、吸込み空気温度、圧縮機出口空気圧力若しくは軸回転数、燃焼器入口空気温度の各信号が入力され、これら発電出力と、吸込み空気温度と、圧縮機出口空気圧力若しくは軸回転数と、燃焼器入口空気温度とに基づいて、空気シリンダ４３の作動が制御される。
【００２５】
これは、発電出力によって燃料流量が変化するため、発電出力をパラメータとして弁体３１を開閉させて、作動空燃比を一定範囲内に収める必要があるためである。また、ガスタービンの吸込み空気温度によって、吸込み空気流量が変化するため、吸込み空気温度をパラメータとして、作動空燃比を一定範囲内に収める必要があるためである。吸込み空気温度は、空気中の水分量にも大きく影響し、空気中の水分量によって燃焼状態も変化する。この燃焼状態の変化に対応するため、吸込み空気温度をパラメータとして弁体３１を開閉させて、作動空燃比を調整する必要がある。
【００２６】
一方、起動中の排出ＮＯX を低減する場合、起動時の燃料と連続運転時の燃料とを異なるものにすることがある。このような場合、圧縮機出口空気圧力若しくは軸回転数をパラメータとして、起動時又は連続運転時の別を検出する必要がある。また、再生サイクルシステム等では、再生サイクルの運転状態によって燃焼器入口空気温度が変化する。この燃焼器入口空気温度の変化による影響を補償するため、燃焼器入口空気温度をパラメータとして弁体３１を開閉させて、作動空燃比を調整する必要がある。
【００２７】
蓋部材５２及び支持板２２は、燃焼空気可変機構収容部５１に、ボルト５４及びナット５５により固定される。また、空気導入部２１の蛇腹部材２６の嵌合部２７は、上述のように尾筒７のバイパス孔８に着脱自在に嵌合している。したがって、弁体３１及び空気導入部２１は、外筒２に対し外側から着脱自在であり、ガスタービン本体の分解を行うことなく取り外し及び取り付けすることができ、弁体３１及び空気導入部２１の整備性は極めてよい。
【００２８】
次に、本ガスタービン燃焼器の燃焼空気可変機構が、例えばガスタービンの発電出力により制御される場合の作動について説明する。
【００２９】
図５（ａ）に示すように、ガスタービンの始動時及び低出力時には、コントローラは、４つの燃焼空気可変機構２０をすべて開弁させる。図２に示すように、外筒２と内筒５との間の通路３を通り、燃焼空気可変機構収容部５１と空気導入部２１の蛇腹部材２６との間に流入した圧縮機吐出空気は、空気導入部２１の支持板２２の３つの空気挿通孔２５を通って、蛇腹部材２６内へ流入する。蛇腹部材２６内へ流入した圧縮機吐出空気は、さらにバイパス孔８を通って尾筒７内へ導入される。
【００３０】
図６は、上述の燃焼空気可変機構２０を装備した、一例としての１，１００ＰＳ級単純開放サイクル一軸式小型ガスタービンにおける燃焼制御を示すグラフであり、発電出力０％においては、ＮＯX 排出量は約５０ｐｐｍである。ＮＯX 排出量は発電出力の上昇に伴って増加し、発電出力約２５％においては約６５ｐｐｍとなる。
【００３１】
発電出力が２５％に達すると、図５（ｂ）に示すように、コントローラは１つの燃焼空気可変機構２０を閉弁させる。詳細には、図４に示すように、コントローラが空気シリンダ４３を作動させ、弁体３１を空気導入部２１の弁座２４に当接させて閉弁させる。これにより、燃焼空気可変機構収容部５１と空気導入部２１の蛇腹部材２６との間に流入した圧縮機吐出空気は、蛇腹部材２６内、及び尾筒７内への流入が禁止される。これにより、図６に示すように、発電出力２５％において約６５ｐｐｍであったＮＯX 排出量は、約４５ｐｐｍまで低下する。
【００３２】
コントローラは、発電出力が５０％に達すると、図５（ｃ）に示すように、２つの燃焼空気可変機構２０を閉弁させる。これにより、図６に示すように、発電出力が５０％において約６５ｐｐｍまで上昇したＮＯX 排出量を、約４０ｐｐｍまで低下させる。さらに、コントローラは、発電出力が７５％に達すると、図５（ｄ）に示すように、４つの燃焼空気可変機構２０をすべて閉弁させる。これにより、図６に示すように、発電出力が７５％において約５０ｐｐｍまで上昇したＮＯX 排出量を、約３５ｐｐｍまで低下させる。そして、発電出力が１００％に達したとき、ＮＯX 排出量は約４０ｐｐｍとなる。
【００３３】
このように、本ガスタービン燃焼器の燃焼空気可変機構によれば、一例としての１，１００ＰＳ級単純開放サイクル一軸式小型ガスタービンにおいて、４つのバイパス孔８に対して４つの燃焼空気可変機構２０を設け、ガスタービンの低出力時から高出力時にかけて弁体３１を順次閉弁させることにより、ガスタービンの全出力領域において、ＮＯX 排出量を最大約６５ｐｐｍに抑えることができ、低ＮＯX 化の促進を図ることができる。すなわち、ガスタービンの出力に応じて、ガスタービン燃焼器１の空燃比を適切に変化させることができる。
【００３４】
また、上述の燃焼空気可変機構２０は、空気導入部２１と弁体３１と駆動部４１とを備えることにより構成されるから、小型化することができ、特にバイパス弁を構成する空気導入部２１と弁体３１とが、小型ガスタービンの外筒２内へ配設される。このため、低コスト化を図ることができると共に、低ＮＯX 化の促進を図ることができる。さらに、空気シリンダ４３は、ガスタービンの圧縮機吐出空気によって作動するから、シリンダ作動源を別途装備する必要がない。
【００３５】
なお、本ガスタービン燃焼器１の燃焼空気可変機構２０は、上述のように、特に小型ガスタービンに実施されて好適であるが、必ずしも小型ガスタービンに限定されるものではなく、中型ないし大型ガスタービンに実施することもできる。燃焼空気可変機構２０も、必ずしもすべてのバイパス孔８に対して配設する必要はなく、また、複数とする必要もない。
【００３６】
一方、整備性がやや劣ることにはなるが、必ずしも空気導入部２１を尾筒７のバイパス孔８に挿脱自在に嵌合する必要はなく、また、空気導入部２１と弁体３１を外筒２に、外筒２の外側から着脱自在に取り付ける必要もない。さらに、弁体３１を、ガスタービンの発電出力と、吸込み空気温度と、圧縮機出口空気圧力若しくは軸回転数と、燃焼器入口空気温度とに基づいて開閉させるのではなく、これらの一部に基づいて、又は、他のパラメータ若しくはこれらと他のパラメータとの組合せに基づいて、開閉させるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明のガスタービン燃焼器の燃焼空気可変機構を示す断面図である。
【図２】図１の燃焼空気可変機構の詳細を示す断面図である。
【図３】図２の弁座を示す平面図である。
【図４】図２とは別の作動状態を示す断面図である。
【図５（ａ）】図２の弁体がすべて開いた状態を示す模試図である。
【図５（ｂ）】図２の弁体が１つ閉じた状態を示す模試図である。
【図５（ｃ）】図２の弁体が２つ閉じた状態を示す模試図である。
【図５（ｄ）】図２の弁体がすべて閉じた状態を示す模試図である。
【図６】図１の燃焼空気可変機構を用いた燃焼制御を示すグラフである。
【図７】従来の燃焼空気可変機構を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  燃焼器
２  外筒
３  通路
５  内筒
６  主燃焼器
７  尾筒
８  バイパス孔
９  出口
１０  固定ピン
１１  燃料噴射ノズル
１２  点火プラグ
２０  燃焼空気可変機構
２１  空気導入部
２２  支持板
２３  蛇腹部材支持部
２４  弁座
２５  空気挿通孔
２６  蛇腹部材
２７  嵌合部
３１  弁体
４１  駆動部
４２  弁軸
４３  空気シリンダ
５１  燃焼空気可変機構収容部
５２  蓋部材
５３  シール
５４  ボルト
５５  ナット
１００  燃焼器
１０１  尾筒
１０２  タービン
１０３  燃焼空気可変機構
１０４  バイパス弁
１０５  外筒
【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（ａ）】
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【図５（ｂ）】
2005257117.tif 000008
【図５（ｃ）】
2005257117.tif 000009
【図５（ｄ）】
2005257117.tif 000010
【図６】
2005257117.tif 000011
【図７】
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