(57)【要約】【課題】本発明は、ＮＯｘをより効果的に抑制できるガスタービン用燃焼器を提供することにある。【解決手段】本発明は、半径方向に複数に分けられた複数の環状バーナ群１１Ａ〜１１Ｃのうち、半径方向内側に位置する環状バーナ群の燃料供給量を半径方向外側に位置する環状バーナ群に比べて少なくしたのである。上記構成とすることにより、半径方向内側に位置する環状バーナ群から噴出される燃料が燃焼室２上流側で未燃焼分として存在し、これが下流側で燃焼されるので緩慢に燃焼が進むことになり、その結果、燃焼器の中心部における燃焼温度が下がり、ＮＯｘの発生を抑制できるのである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を噴流させる燃料ノズルとこの燃料ノズルと対になり空気を噴流させる空気孔とを備えたバーナ単位を燃焼室内に向けて複数形成し、これら複数のバーナ単位を半径方向に複数の環状バーナ群に分け、かつ分けられた複数の環状バーナ群の夫々に燃料供給量を個別に制御して供給する複数の燃料供給系を設けたガスタービン用燃焼器において、前記複数の燃料供給系は、半径方向内側に位置する環状バーナ群の燃料供給量を半径方向外側に位置する環状バーナ群に比べて少なくするように設定されていることを特徴とするガスタービン用燃焼器。
【請求項２】
半径方向外側に位置する環状バーナ群の空気孔は、下流側に半径方向内側に向う傾斜角を有していることを特徴とする請求項１記載のガスタービン用燃焼器。
【請求項３】
前記空気孔は、周方向に旋回角を有していることを特徴とする請求項２記載のガスタービン用燃焼器。
【請求項４】
半径方向内側に位置する環状バーナ群の空気孔は、周方向に旋回角を有していることを特徴とする請求項１記載のガスタービン用燃焼器。
【請求項５】
燃料を噴流させる燃料ノズルとこの燃料ノズルと対になり空気を噴流させる空気孔とを備えたバーナ単位を燃焼室内に向けて複数形成し、これら複数のバーナ単位を半径方向に複数の環状バーナ群に分け、かつ分けられた複数の環状バーナ群の夫々に燃料供給量を個別に制御して供給する複数の燃料供給系を設けたガスタービン用燃焼器において、前記複数の燃料供給系を、半径方向内側に位置する環状バーナ群の燃料供給量を半径方向外側に位置する環状バーナ群に比べて少なくするように設定し、かつ前記燃焼室内の複数の環状バーナ群に跨って火炎伝播域を設けたことを特徴とするガスタービン用燃焼器。
【請求項６】
燃料を噴流させる燃料ノズルとこの燃料ノズルと対になり空気を噴流させる空気孔とを備えたバーナ単位を燃焼室内に向けて複数形成し、これら複数のバーナ単位を半径方向に複数の環状バーナ群に分け、かつ分けられた複数の環状バーナ群の夫々に燃料供給量を個別に制御して供給する複数の燃料供給系を設けたガスタービン用燃焼器の運転方法において、半径方向内側に位置する環状バーナ群に、半径方向外側に位置する環状バーナ群に比べて少ない燃料を供給するようにしたことを特徴とするガスタービン用燃焼器の運転方法。
【請求項７】
燃料を噴流させる燃料ノズルとこの燃料ノズルと対になり空気を噴流させる空気孔とを備えたバーナ単位を燃焼室内に向けて複数形成し、これら複数のバーナ単位を半径方向に複数の環状バーナ群に分け、かつ分けられた複数の環状バーナ群の夫々に燃料供給量を個別に制御して供給する複数の燃料供給系を設けたガスタービン用燃焼器の運転方法において、起動から負荷の増加とともに、半径方向内側に位置する環状バーナ群の燃料ノズルから半径方向外側に位置する環状バーナ群の燃料ノズルに対し燃料を順次増加させて供給することを特徴とするガスタービン用燃焼器の運転方法。
【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用燃焼器及びその運転方法に係り、特に、半径方向に複数に分けた環状バーナ群に夫々対応する燃料供給系を個別に制御するようにしたガスタービン用燃焼器及びその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半径方向に複数に分けた環状バーナ群に夫々対応する燃料供給系を個別に制御するようにしたガスタービン用燃焼器は、例えば特許文献１及び特許文献２で、既に提案されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭５６−１１９４２３号公報（第２ａ図及び第２ｂ図とその説明）
【特許文献２】
特開平６−３２３５４３号公報（図４及び明細書の段落番号００１３）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来におけるガスタービン用燃焼器は、複数に分けた環状バーナ群への燃料の供給を夫々個別に制御することができるものの、より効果的な窒素酸化物（以下ＮＯｘと称する）の抑制については配慮されていない。
【０００５】
本発明の目的は、ＮＯｘをより効果的に抑制できるガスタービン用燃焼器を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、半径方向に複数に分けられた複数の環状バーナ群のうち、半径方向内側に位置する環状バーナ群の燃料供給量を半径方向外側に位置する環状バーナ群に比べて少なくしたのである。
【０００７】
上記構成とすることにより、半径方向内側に位置する環状バーナ群から噴出される燃料が燃焼室の上流側で未燃焼分として存在する。これが下流側で既燃ガスと混ざりながら燃焼されるので緩慢に燃焼が進むことになり、その結果、燃焼器の中心部における燃焼温度が下がり、ＮＯｘの発生を抑制できるのである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下本発明によるガスタービン用燃焼器の第１の実施の形態を図１〜図４に基づいて説明する。
【０００９】
ガスタービン用燃焼器１は、大きく分けると燃焼ガス流通方向に燃焼器中心軸Ｘを有する燃焼室２と、この燃焼室２に混合気を噴出させる燃焼バーナ３と、この燃焼バーナ３へ燃料を供給する燃料供給系４とを備えている。
【００１０】
燃焼室２は、外筒５の内側に間隔をもって配置された筒状の燃焼器ライナ６によって形成されている。
【００１１】
前記燃焼バーナ３は、前記燃焼器ライナ６の上流側端を塞ぐ端板７と、この端板７に設けられた多数の空気孔８と、これら空気孔８と対をなし前記燃焼器中心軸Ｘと平行な多数の燃料ノズル９と、これら燃料ノズル９に供給する燃料を分配する燃料ヘッダ１０とを備えている。
【００１２】
前記多数の燃料ノズル９は、図３及び図４に示すように、前記燃料ヘッダ１０を内側から半径方向Ｙに分割した第１燃料ヘッダ１０Ａ，第２燃料ヘッダ１０Ｂ，第３燃料ヘッダ１０Ｃによって、第１燃料ノズル群９Ａ，第２燃料ノズル群９Ｂ，第３燃料ノズル群９Ｃに区分けされている。そして、区分けされた第１燃料ノズル群９Ａ，第２燃料ノズル群９Ｂ，第３燃料ノズル群９Ｃの各燃料ノズル９に対向する空気孔８とで第１環状バーナ群１１Ａ，第２環状バーナ群１１Ｂ，第３環状バーナ群１１Ｃを構成している。
【００１３】
一方、前記燃料供給系４は、燃料供給管１２と、この燃料供給管１２から分岐された第１燃料供給管１３Ａ，第２燃料供給管１３Ｂ，第３燃料供給管１３Ｃとを備えている。そして、各管１２，１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃには、夫々燃料制御弁１４，１５ａ〜１５ｃが設けられ、さらに第１〜３燃料供給管１３Ａ〜１３Ｃには、遮断弁１６ａ〜１６ｃが設けられている。
【００１４】
このように構成されたガスタービン用燃焼器１に対し、圧縮機１７により圧縮された空気が燃焼器ライナ６の下流側から燃焼器ライナ６と外筒５との間に圧送される。圧送された空気の一部は、燃焼器ライナ６に設けた冷却空気孔（図示省略）から燃焼室２内に流入し、残りの空気は、端板７の上流側から空気孔８を通過して燃焼室２の最上流側に流入する。ここで、端板７に設けた空気孔８が、燃料ノズル９と同軸に配置されているので、燃料ノズル９から噴出される燃料噴流を空気環状流で包んだ状態で燃焼室２内に噴出し、そこで混合された燃料と空気は火炎を形成して燃焼する。燃焼による燃焼ガスは、燃焼器ライナ６の下流側に連結されたトランジションピース１８を経由して前記圧縮機１７と同軸のガスタービン１９に供給され、ガスタービンに回転力を付与する。
【００１５】
次に、上記構成のガスタービン用燃焼器の運転方法について図５に基づいて説明する。図中の折れ線は、燃焼器着火から１００％負荷に対する局所燃空比の変化を示す。（１）は着火時、（２）は負荷をかけ始めた時点、（３）は１００％負荷時である。着火から負荷をかけ始めるまでは、第２燃料供給管１３Ｂ，第３燃料供給管１３Ｃの遮断弁１６ｂ，１６ｃを閉じ、第１燃料供給管１３Ａの遮断弁１６ａを開いて第１環状バーナ群１１Ａにのみ燃料を供給して火炎を形成するモードＩで運転する。この状態で負荷をかけ始めると、局所燃空比は上昇し、これにともない燃焼温度が上昇するので、ＮＯｘの排出量が増加してゆく。さらに負荷を増加させてゆく途中（４）で、第２燃料供給管１３Ｂの遮断弁１６ｂを開いて第１環状バーナ群１１Ａに加えて第２環状バーナ群１１Ｂにも燃料を供給して火炎を形成するモードＩＩで運転する。そうすると、同じ量の燃料が広範囲に供給されるので、形成される火炎は、燃焼室２の燃焼器中心軸Ｘに対して半径方向Ｙに広がる。このとき、局所燃空比は（５）に下がるので、燃焼温度が下がりＮＯｘの排出量を抑えることができる。
【００１６】
さらに、負荷を増加させてゆくと、局所燃空比は（６）まで上昇する。ここで、第３燃料供給管１３Ｃの遮断弁１６ｃを開いて第１環状バーナ群１１Ａ及び第２環状バーナ群１１Ｂに加えて第３環状バーナ群１１Ｃにも燃料を供給して全バーナから燃料を噴出させてモードＩＩＩで燃焼させると、燃焼室２の下流全体に火炎が形成される。このとき、局所燃空比は、（７）まで下がり、それにより燃焼温度が下がってＮＯｘの排出量は少なくなる。
【００１７】
さらに、負荷を増加させて１００％（３）までモードＩＩＩでの運転を行う。
【００１８】
上記運転方法によれば、常に、燃焼器中心軸Ｘから半径方向Ｙに広がる一つの纏まった火炎を形成でき、燃焼器出口における温度分布の偏りを小さくすることができる。
【００１９】
尚、部分負荷領域では、条件によって局所燃空比が（４）及び（６）のように高くなって燃焼温度が上昇するので、これにより燃焼器ライナ６を加熱して寿命を短くする虞がある。しかし本実施の形態においては、モードＩ及びモードＩＩで示されるように、部分負荷時に形成される火炎は第１及び第２環状バーナ群１１Ａ，１１Ｂによるもので、燃焼器ライナ６から離れており、しかも燃焼器ライナ６と火炎との間には第３環状バーナ群１１Ｃからの空気の噴流があって燃焼器ライナ６の温度上昇を抑えているので、寿命の低下を抑制することができる。
【００２０】
この外、本実施の形態によれば、燃焼器軸方向Ｘに対し燃焼バーナ３を、半径方向Ｙに第１環状バーナ群１１Ａ，第２環状バーナ群１１Ｂ，第３環状バーナ群１１Ｃに分割し、夫々燃料の供給及び供給量の調節が行えるように構成しているので、火炎中の局所燃空比を半径方向Ｙに分布をつけて形成することができる。例えば、図６の変形モードＩに示すように、第２環状バーナ群１１Ｂと第３環状バーナ群１１Ｃにおける局所燃空比は、火炎が安定に保炎される燃空比であるのに対し、第１環状バーナ群１１Ａの燃空比を、第１環状バーナ群１１Ａの近傍に保炎しない程度に下げることができる。このとき、第１環状バーナ群１１Ａから噴出される燃料は燃焼室２の上流側では多くの未燃焼分として存在しているが、周囲の高温燃焼ガスとの間の熱伝導や対流拡散混合によって熱の授受が行われるので緩慢に燃焼が進んで行く。そして、最終的には、燃焼反応が完結するので、一酸化炭素や未燃焼炭化水素の排出量は極めて少なくなる。この場合、燃焼室２の中央部における燃焼温度は下がり、ＮＯｘの排出量を抑えることができる。
【００２１】
また、例えば、図７の変形モードＩＩに示すように、第１環状バーナ群１１Ａに加え、第２環状バーナ群１１Ｂの燃空比もバーナ近傍に保炎しないように下げて第３環状バーナ群１１Ｃのみによる燃焼を行うことも可能である。このように、第３環状バーナ群１１Ｃのみによる燃焼を行うと、燃焼温度が低い領域が増えるので、全体のＮＯｘの排出量を下げることができる。ただし、このとき火炎の保炎領域が半径方向に狭くなり過ぎると安定性が下がり、周囲を流れる空気流の影響により一酸化炭素や未燃炭化水素が排出される可能性が高まるので、保炎領域を半径方向にある程度の幅で確保することが望ましい。
【００２２】
このように、第３環状バーナ群１１Ｃの内側に位置する第１環状バーナ群１１Ａ又は第１環状バーナ群１１Ａと第２環状バーナ群１１Ｂの燃空比を下げることにより、ＮＯｘの排出量を下げることができる。
【００２３】
このときの負荷に対する運転方法を図８に基づいて説明する。局所燃空比が（７）〜（３）に対応する負荷ではモードＩＩＩで運転され、火炎は燃焼バーナの下流前面に形成されている。ここから負荷を下げる場合、全体的に燃空比を下げると、火炎が保持されなくなるために、モードＩＩに切替える。この時、局所燃空比が大きくなるために燃焼温度が上昇し、ＮＯｘが多量に排出される。そこで、第１環状バーナ群１１Ａ又は第１環状バーナ群１１Ａと第２環状バーナ群１１Ｂの燃空比を保炎しない程度に下げて変形モードＩＩに切替えれば、燃焼バーナ前面から燃料が流れているために、モードＩＩに比べて局所燃空比が下がり、その結果、燃焼温度が低下するので、ＮＯｘの排出量を抑えることができる。また、第３環状バーナ群１１Ｃの局所燃空比は、火炎を保持する値に維持されているので、低ＮＯｘで運転できる負荷帯を広げることができる。
【００２４】
同様に、局所燃空比が（５）に対応する負荷では、モードＩＩから変形モードＩ´に切替えて運転する。変形モードＩ´はモードＩに比べて同一の負荷でも局所燃空比が低く燃焼温度が低いため、ＮＯｘの排出量はモードＩに比べて少なく、その結果、低ＮＯｘで運転できる負荷帯を広げることができる。
【００２５】
ところで、複数の燃焼器を備えたガスタービンは、各燃焼器に夫々点火栓を設けて各燃焼器毎に着火させるのではなく、点火栓のある特定の燃焼器で着火させた後、隣接する燃焼器にクロスファイア管を介して次々に高温燃焼ガスを流入させ、その熱により隣接する燃焼器を次々に着火させているのが一般的である。
【００２６】
しかしながら、第１の実施の形態に示すように、燃焼バーナ３の端板７の全面に多数の空気孔８が存在していると、第１環状バーナ群１１Ａのみに着火させた場合、その半径方向外側の第２環状バーナ群１１Ｂ及び第３環状バーナ群１１Ｃの空気孔８からの噴出空気が空気のカーテンを作り、この空気のカーテンが第１環状バーナ群１１Ａでの高温燃焼ガスがクロスファイア管を介して隣接する燃焼器に移動することを妨げ、隣接燃焼器の着火を不可能にする不都合がある。
【００２７】
このような不都合を解消した本発明によるガスタービン用燃焼器の第２の実施の形態を図９に基づいて説明する。
【００２８】
即ち、燃焼バーナの端板７の第２環状バーナ群１１Ｂ及び第３環状バーナ群１１Ｃに対向する領域に半径方向に跨る保炎領域２０を複数設け、この保炎領域２０を図示しないクロスファイア管の開口に対向させるようにしたのである。
【００２９】
前記保炎領域２０は、例えば、空気孔８の開口面積を小さくした領域や、空気孔８の存在しない領域を設けて空気のカーテンが形成されないようにしたのである。その結果、この保炎領域２０の下流側には火炎が伝播し易くなり、隣接燃焼器へ着火に必要な高温燃焼ガスをクロスファイア管から導入することができる。
【００３０】
図１０は、本発明によるガスタービン用燃焼器の第３の実施の形態を示すもので、本実施の形態は、図９に示す第２の実施の形態における空気孔８のうち、第３環状バーナ群１１Ｃに対向する空気孔８Ｃに旋回角を設けたのである。旋回角は、燃焼器中心軸Ｘに対して周方向と半径方向の成分を有するものである。半径方向の成分は、空気孔８Ｃの噴出口が半径方向内側に向くように形成されている。
【００３１】
上記のような旋回角を有する空気孔８Ｃとしたので、噴出される噴流は半径方向内側を向く旋回流を形成し、燃焼器下流において第１環状バーナ群１１Ａ及び第２環状バーナ群１１Ｂの噴流との混合が促進される。
【００３２】
通常、前述の図８の変形モードＩ´及び変形モードＩのような半径方向内側に保炎せず、燃焼室の下流領域における半径方向外側の高温燃焼ガスとの間の熱伝導や対流拡散による熱の授受により半径方向内側の混合気の燃焼反応を進めるような燃焼モードでは、半径方向内側を流れる混合気と半径方向外側を流れる高温燃焼ガスとの間で十分な混合が行わなければ、一酸化炭素や未燃炭化水素が排出される可能性がある。
【００３３】
しかし、本実施の形態によれば、半径方向外側に形成される半径方向内側を向く旋回流によって、半径方行内外側を流れる混合気と高温燃焼ガスとが十分に混合される。この混合気と高温燃焼ガスとの十分なる混合により、熱の授受が活発に行われて半径方行内側を流れる混合気の燃焼反応が促進され、一酸化炭素や未燃炭化水素の排出を低減することができる。
【００３４】
図１１は、本発明によるガスタービン用燃焼器の第４の実施の形態を示すもので、本実施の形態は、図９に示す第２の実施の形態における空気孔８のうち、第１環状バーナ群１１Ａに対向する空気孔８Ａに旋回角を設けたのである。旋回角は、燃焼器中心軸Ｘに対して周方向と半径方向の成分を有するものである。半径方向の成分は、空気孔８Ａの噴出口が半径方向外側に向くように形成されている。
【００３５】
上記のような旋回角を有する空気孔８Ａとしたので、第１環状バーナ群１１Ａから噴出される噴流は半径方向外側を向く旋回流を形成し、燃焼器下流において第２環状バーナ群１１Ｂ及び第３環状バーナ群１１Ｃの高温燃焼ガスとの混合が促進される。この半径方向内外側の混合気と高温燃焼ガスとの十分なる混合により、熱の授受が活発に行われて半径方行内側を流れる混合気の燃焼反応が促進され、一酸化炭素や未燃炭化水素の排出を低減することができる。
【００３６】
図１２は、本発明によるガスタービン用燃焼器の第５の実施の形態を示すもので、本実施の形態においては、第３環状バーナ群１１Ｃを２つの半環状バーナ２１Ａ，２１Ｂで構成し、これらに別々に制御できる燃料供給管（図示せず）を接続し、さらに、これら２つの半環状バーナ２１Ａ，２１Ｂのうち、半環状バーナ２１Ｂに対向してクロスファイア管２２を設けたのである。
【００３７】
上記構成において、着火時に、第１環状バーナ群１１Ａの第１燃料ノズル群９Ａに燃料を供給すると共に、半環状バーナ２１Ｂの第３燃料ノズル群９Ｃにも燃料を供給する。その結果、半環状バーナ２１Ｂは、第１環状バーナ群１１Ａによる高温燃焼ガスをクロスファイア管２２に伝える伝達機能を有し、クロスファイアを良好に行うことができる。
【００３８】
したがって、本実施の形態によれば、図９〜１１に示すような保炎領域２０を設ける必要はない。その外は、上記各実施の形態と同じ作用効果を奏するものである。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ＮＯｘをより効果的に抑制できるガスタービン用燃焼器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるガスタービン用燃焼器の第１の実施の形態を示す概略縦断側面図。
【図２】図１における燃焼室の上流側を下流側から見た拡大図。
【図３】図１における燃料ヘッダを示す拡大斜視図。
【図４】図３における燃料ヘッダに燃料ノズルを取り付けた斜視図。
【図５】本発明によるガスタービン用燃焼器の第１の実施の形態の運転時における局所燃空比と燃焼モードとの関係を示す説明図。
【図６】図５における変形モードを示す説明図。
【図７】図５における別の変形モードを示す説明図。
【図８】図５における局所燃空比と燃焼モードとの関係を示す別の説明図。
【図９】本発明によるガスタービン用燃焼器の第２の実施の形態を示す図２相当図。
【図１０】本発明によるガスタービン用燃焼器の第３の実施の形態を示す図２相当図。
【図１１】本発明によるガスタービン用燃焼器の第４の実施の形態を示す図２相当図。
【図１２】本発明によるガスタービン用燃焼器の第５の実施の形態を示す図２相当図。
【符号の説明】
１…ガスタービン用燃焼器、２…燃焼室、３…燃焼バーナ、４…燃料供給系、７…端板、８…空気孔、９…燃料ノズル、９Ａ〜９Ｃ…第１〜３燃料ノズル群、１０（１０Ａ〜１０Ｃ）…燃料ヘッダ、１１Ａ〜１１Ｃ…第１〜３環状バーナ群、１２…燃料供給管、１３Ａ〜Ｃ…第１〜３燃料供給管、１４，１５ａ〜１５ｃ…燃料制御弁、１６ａ〜１６ｃ…遮断弁。
【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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