(57)【要約】【課題】ガスタービン入口燃焼ガス温度の高温化、低ＮＯｘ濃度化、燃料多様化に充分に対処でき、かつ燃焼振動を確実に抑制するガスタービン燃焼器を提供する。【解決手段】本発明に係るガスタービン燃焼器は、燃料に高圧空気を加えて燃焼ガスを生成する燃焼器缶胴１ａ，１ｂ，…と、この燃焼器缶胴１ａ，１ｂ，…に設けられ、燃焼ガスから発生する燃焼振動を抑制する複数の共鳴器３ａ，３ｂ，…，４ａ，４ｂ，…を備えた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料に高圧空気を加えて燃焼ガスを生成する燃焼器缶胴と、この燃焼器缶胴に設けられ、前記燃焼ガスから発生する燃焼振動を抑制する複数の共鳴器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】
複数の共鳴器のうち、少なくとも第１共鳴器および第２共鳴器は、燃焼ガスから発生する燃焼振動の圧力モードの腹近傍に設置したことを特徴とする請求項１記載のガスタービン燃焼器。
【請求項３】
第１共鳴器と第２共鳴器はホルムヘルツ周波数を異ならしめることを特徴とする請求項２記載のガスタービン燃焼器。
【請求項４】
第１共鳴器と第２共鳴器とは、燃焼器缶胴の周方向に沿って交互に配置したことを特徴とする請求項２記載のガスタービン燃焼器。
【請求項５】
燃料に高圧空気を加えて燃焼ガスを生成する燃焼器缶胴と、この燃焼器缶胴に設けられ、前記燃焼ガスから発生する燃焼振動を抑制する共鳴器と、これら複数の共鳴器のうち、少なくとも第１共鳴器および第２共鳴器は、前記燃焼ガスから発生する燃焼振動の圧力モードの腹近傍に設置するとともに、前記第１共鳴器および第２共鳴器に流入する燃焼ガス量を調整し、前記燃焼器缶胴内に発生するドミナント燃焼振動周波数に一致させる演算制御装置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６】
演算制御装置は、燃焼ガスから発生する圧力モードを検出する圧力センサを備えたことを特徴とする請求項５記載のガスタービン燃焼器。
【請求項７】
燃焼器缶胴は、環状に配置した多缶式であることを特徴とする請求項１，４，５記載のガスタービン燃焼器。
【請求項８】
燃焼器缶胴は、アニュラー型であることを特徴とする請求項１，４，５記載のガスタービン燃焼器。
【請求項９】
燃料に高圧空気を加えて燃焼ガスを生成する燃焼器缶胴と、この燃焼器缶胴に設けられ、前記燃焼ガスから発生する燃焼振動を抑制する複数の共鳴器と、これら複数の共鳴器のうち、少なくとも第１共鳴器および第２共鳴器は、前記燃焼ガスから発生する燃焼振動の圧力モードの腹近傍に設置するとともに、前記第１共鳴器および第２共鳴器に流入する燃焼ガス量を調整し、前記燃焼器缶胴内に発生するドミナント燃焼振動周波数に一致させる演算制御装置と、前記燃焼器缶胴と隣りの燃焼器缶胴とを互いに接続させる火炎伝播管に設けた仕切り装置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１０】
仕切り装置は進退自在に構成したことを特徴とする請求項９記載のガスタービン燃焼器。
【請求項１１】
燃料に高圧空気を加えて燃焼ガスを生成する燃焼器缶胴と、この燃焼器缶胴に設けられ、前記燃焼ガスから発生する燃焼振動を抑制する複数の共鳴器と、これら複数の共鳴器のうち、少なくとも第１共鳴器および第２共鳴器は、前記燃焼ガスから発生する燃焼振動の圧力モードの腹近傍に設置すると一方、前記燃焼器缶胴に燃料を供給する燃料供給系に設けられ、前記燃焼器缶胴に供給される燃料流量を制御して燃料の周波数を変動させ、変動させた燃料の周波数に前記燃焼器缶胴内の燃焼振動に加えて相殺させる燃料流量制御装置とを備えたことを特徴とする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】
本発明は、燃料に空気を加えて燃焼ガスを生成するガスタービン燃焼器に係り、特に燃焼ガス生成中に発生する燃焼振動を抑制するガスタービン燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンは、起動運転から定格負荷運転または停止運転まで広い範囲に亘って安定した運転と長寿命で信頼性の高い運転が求められている。
【０００３】
また、ガスタービンは、高効率指向や環境保護の対応からガスタービン入口燃焼温度の高温化とともに、低ＮＯｘ化対策の強化が求められている。
【０００４】
近年、これらの要求に対処するため、ガスタービン燃焼器では、燃料に予め空気を加えて燃料濃度を希薄にする予混合燃焼や燃焼ガスに水や蒸気を加えて燃焼温度を低くさせる蒸気、水噴射供給、あるいはその組合せ等の措置が講じられている。
【０００５】
また、ガスタービン燃焼器は、ガスタービン入口燃焼ガス温度の高温化に伴って構造機器壁面の冷却技術や、蒸気や空気によるガスタービン翼内冷却技術等を採用している。
【０００６】
さらに、最近になって、ガスタービン燃焼器では、例えば、液化天然ガス等のクリーン燃料の集中消費を避けるために、燃料の多様化が求められている。
【０００７】
これら、ガスタービン入口燃焼ガス温度の高温化、低ＮＯｘ濃度化、燃料多様化は、研究開発の成果が進展し、一部、実施済の技術もある。
【０００８】
他方、上述の研究開発テーマに対する実施、適用は、燃焼の安定化や構造機器壁面の材料寿命等の観点から考察すると、過酷な運転条件になっている。特に、予混合燃焼や蒸気、水噴射による低ＮＯｘ濃度化は、燃焼ガス生成の安定化を犠牲にしているものであり、結果として燃焼振動の増大を招来し、構造機器の摩耗増大により、耐久性や寿命信頼性を大きく阻害する要因になっている。
【０００９】
このような燃焼振動の問題に対し、ガスタービン燃焼器では、現在、試行錯誤が繰り返されており、模索中である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ガスタービン燃焼器では、上述の低ＮＯｘ濃度化や燃料多様化対応に伴う燃焼条件が燃焼振動を誘起する要因になっている。この燃焼振動を低減する手段として、従来、例えば、特開２００１−１４１２４０号公報に見られるように、燃焼室容積増減調整部にピストンを設け、ピストンの進退によって燃焼ガス量を調整する手段や、例えば特開平９−１３７９１９号公報に見られるように、燃料ノズルの軸方向で異なった断面に燃料噴射用枝管を設け、各枝管に空気流の上流方向に向って開口する燃料噴射口を設け、空気偏流への影響を小さくし、燃料と空気との混合を促進して燃焼振動を抑制する手段や、例えば、特開平６−１７３７１１号公報に見られるように、トランジェントピースに多数個穿設した冷却孔でヘルムホルツ共鳴系を構成したものが提案されている。
【００１１】
しかし、これらの提案は、構成が複雑であったり、運転条件が異なると当初の計画値にほど遠いデータしか得られない等、改良の余地を多く残した不具合、不都合があった。
【００１２】
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、ガスタービン入口燃焼ガス温度の高温化、低ＮＯｘ濃度化や燃料多様化に充分に対処でき、かつ燃焼振動を確実に抑制するガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るガスタービン燃焼器は、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、燃料に高圧空気を加えて燃焼ガスを生成する燃焼器缶胴と、この燃焼器缶胴に設けられ、前記燃焼ガスから発生する燃焼振動を抑制する複数の共鳴器とを備えたものである。
【００１４】
また、本発明に係るガスタービン燃焼器は、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、複数の共鳴器のうち、少なくとも第１共鳴器および第２共鳴器は、燃焼ガスから発生する燃焼振動の圧力モードの腹近傍に設置したものである。
【００１５】
また、本発明に係るガスタービン燃焼器は、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、第１共鳴器と第２共鳴器はホルムヘルツ周波数を異ならしめるものである。
【００１６】
また、本発明に係るガスタービン燃焼器は、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、第１共鳴器と第２共鳴器とは、燃焼器缶胴の周方向に沿って交互に配置したものである。
【００１７】
また、本発明に係るガスタービン燃焼器は、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、燃料に高圧空気を加えて燃焼ガスを生成する燃焼器缶胴と、この燃焼器缶胴に設けられ、前記燃焼ガスから発生する燃焼振動を抑制する複数の共鳴器と、これら複数の共鳴器のうち、少なくとも第１共鳴器および第２共鳴器は、前記燃焼ガスから発生する燃焼振動の圧力モードの腹近傍に設置するとともに、前記第１共鳴器および第２共鳴器に流入する燃焼ガス量を調整し、前記燃焼器缶胴内に発生するドミナント燃焼振動周波数に一致させる演算制御装置とを備えたものである。
【００１８】
また、本発明に係るガスタービン燃焼器は、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、演算制御装置は、燃焼ガスから発生する圧力モードを検出する圧力センサを備えたものである。
【００１９】
また、本発明に係るガスタービン燃焼器は、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、燃焼器缶胴は、環状に配置した多缶式であることを特徴とするものである。
【００２０】
また、本発明に係るガスタービン燃焼器は、上述の目的を達成するために、請求項８に記載したように、燃焼器缶胴は、アニュラー型であることを特徴とするものである。
【００２１】
また、本発明に係るガスタービン燃焼器は、上述の目的を達成するために、請求項９に記載したように、燃料に高圧空気を加えて燃焼ガスを生成する燃焼器缶胴と、この燃焼器缶胴に設けられ、前記燃焼ガスから発生する燃焼振動を抑制する複数の共鳴器と、これら複数の共鳴器のうち、少なくとも第１共鳴器および第２共鳴器は、前記燃焼ガスから発生する燃焼振動の圧力モードの腹近傍に設置するとともに、前記第１共鳴器および第２共鳴器に流入する燃焼ガス量を調整し、前記燃焼器缶胴内に発生するドミナント燃焼振動周波数に一致させる演算制御装置と、前記燃焼器缶胴と隣りの燃焼器缶胴とを互いに接続させる火炎伝播管に設けた仕切り装置とを備えたものである。
【００２２】
また、本発明に係るガスタービン燃焼器は、上述の目的を達成するために、請求項１０に記載したように、仕切り装置は進退自在に構成したものである。
【００２３】
また、本発明に係るガスタービン燃焼器は、上述の目的を達成するために、請求項１１に記載したように、燃料に高圧空気を加えて燃焼ガスを生成する燃焼器缶胴と、この燃焼器缶胴に設けられ、前記燃焼ガスから発生する燃焼振動を抑制する複数の共鳴器と、これら複数の共鳴器のうち、少なくとも第１共鳴器および第２共鳴器は、前記燃焼ガスから発生する燃焼振動の圧力モードの腹近傍に設置する一方、前記燃焼器缶胴に燃料を供給する燃料供給系に設けられ、前記燃焼器缶胴に供給される燃料流量を制御して燃料の周波数を変動させ、変動させた燃料の周波数に前記燃焼器缶胴内の燃焼振動に加えて相殺させる燃料流量制御装置とを備えたものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガスタービン燃焼器の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００２５】
図１は、本発明に係るガスタービン燃焼器の第１実施形態を示す概念図である。
【００２６】
本実施形態に係るガスタービン燃焼器は、例えば多缶型のものを適用対象とするもので、環状に配置された複数の燃焼器缶胴１ａ，１ｂ，…を、互いが火炎伝播管２ａ，２ｂ，…で接続するとともに、一つ一つの燃焼器缶胴１ａ，１ｂ，…に対し、ホルムヘルツ共鳴周波数の異なる第１共鳴器３ａ，３ｂ，…と第２共鳴器４ａ，４ｂ，…とをペアとして備える構成になっている。
【００２７】
このように、ペアとして備えられ、ホルムヘルツ共鳴周波数の異なる第１共鳴器３ａ，３ｂ，…、第２共鳴器４ａ，４ｂ，…とは、図４に示すように、燃焼器缶胴１ａ，１ｂ，…の火炎５側で、かつ破線で示す圧力モード（圧力振動波）６の腹側７に設置される。
【００２８】
他方、例えばアニュラー型のガスタービン燃焼器は、図２に示すように、例えば、ドーナツ状の燃焼器缶胴８の周方向に沿って、例えば一つ置きの交互にホルムヘルツ共鳴周波数の異なる第１共鳴器９ａ，９ｂ，…と第２共鳴器１０ａ，１０ｂ，…とを配置するとともに、第２共鳴器１０ａ，１０ｂ，…を、一点鎖線で示す圧力モード１１の腹側１２に設置する。なお、第１共鳴器９ａ，９ｂ，…の設置位置と第２共鳴器１０ａ，１０ｂ，…の設置位置とを異ならしめたのは、後述ドミナント周波数ｆ１，ｆ２により腹側７，１２の位置が異なるためである。
【００２９】
このような構成を有する多缶型のガスタービン燃焼器あるいはアニュラー型ガスタービン燃焼器は、図６に示すように、空気圧縮機１３と、発電機１４を備えたガスタービン１５との間に燃焼ガス生成部１６として設置され、空気圧縮機１３で吸い込んだ空気（大気）を圧縮して高圧にし、高圧空気を燃料とともに燃焼ガス生成部１６に供給し、ここで燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスをガスタービン１５に供給し、ガスタービン１５で膨張仕事をさせ、動力、具体的には回転トルクで発電機１４を駆動している。
【００３０】
また、多缶型あるいはアニュラー型のガスタービン燃焼器は、燃焼ガス生成部１６に圧力センサ１７と演算制御装置１８とを備え、圧力センサ１７で検出した圧力モード（圧力振動）信号を基に演算制御装置１８で演算し、その演算信号を基に第１共鳴器３ａ，３ｂ，…および第２共鳴器４ａ，４ｂ，…の燃焼ガス吸入量を調整している。
【００３１】
ところで、燃焼ガス生成部１６内で発生する燃焼振動レベルは、通常、一つまたは二つのドミナント（著しく突変した）燃焼振動周波数ｆ１，ｆ２等の成分の振動があらわれることが多い。
【００３２】
本実施形態は、このような点に着目したもので、圧力センサ１７で検出したドミナント周波数ｆ１を演算制御装置１８で演算し、その演算信号を用いて第１共鳴器３ａ，３ｂ，…に流入する燃焼ガス量を調整し、調整した燃焼ガス量としての共鳴器パラメータＸをドミナント燃焼振動周波数ｆ１に一致させる最適値Ｘ１を設定したものである。
【００３３】
また、本実施形態は、上述と同様に、圧力センサ１７で検出したドミナント燃焼振動周波数ｆ２を演算制御装置１８で演算し、その演算信号を用いて第２共鳴器４ａ，４ｂ，…に流入する燃焼ガス量を調整し、調整した燃焼ガス量としての共鳴器パラメータＹをドミナント燃焼振動周波数ｆ２に一致させる最適値Ｙ１を設定したものである。
【００３４】
このように、共鳴器パラメータＸ，Ｙをドミナント燃焼振動周波数ｆ１，ｆ２に一致させる最適値Ｘ１，Ｙ１を設定すると、燃焼振動レベル（振動圧力波）１８ａは、図７の実線で示すように、低減できることが実験で確認された。
【００３５】
したがって、本実施形態によれば、多缶型ガスタービン燃焼器の燃焼器缶胴１ａ，１ｂ，…、あるいはアニュラー型ガスタービン燃焼器の燃焼器缶胴８のそれぞれに第１共鳴器３ａ，３ｂ，…、９ａ，９ｂ，…と第２共鳴器４ａ，４ｂ，…、１０ａ，１０ｂ，…のそれぞれを設置し、各缶胴１ａ，１ｂ，…，８のそれぞれから検出した圧力モード信号を演算し、その演算信号に基づいて各共鳴器３ａ，３ｂ，…、４ａ，４ｂ，…、９ａ，９ｂ，…、１０ａ，１０ｂ，…への燃焼ガス流入量を調整し、共鳴器パラメータＸ，Ｙをドミナント燃焼振動周波数ｆ１，ｆ２に一致させる最適値Ｘ１，Ｙ１を設定したので、燃焼振動レベルをより一層低減させることができる。
【００３６】
なお、本実施形態は、各共鳴器３ａ，３ｂ，…、４ａ，４ｂ，…、９ａ，９ｂ，…、１０ａ，１０ｂ，…への燃焼ガス流入量を調整し、共鳴器パラメータＸ，Ｙをドミナント燃焼振動周波数ｆ１，ｆ２に一致させる最適値Ｘ１，Ｙ１を設定したが、この例に加えて、例えば、図３に示すように、火炎伝播管２ａ，２ｂ，…に仕切り装置１９，１９，…を設け、仕切り装置１９，１９，…を進退移動させ、例えば一つの燃焼器缶胴１ａと隣りの燃焼器缶胴１ｂとの燃焼ガスの相互干渉に起因する不安振動の発生を防止し、共鳴器パラメータをドミナント燃焼振動周波数ｆ１，ｆ２に一致させる最適値Ｘ１，Ｙ１を設定してもよい。
【００３７】
図５は、本発明に係るガスタービン燃焼器の第２実施形態を示す概念図である。
【００３８】
本実施形態は、互いが火炎伝播管２ａ，２ｂ，…で接続された燃焼器缶胴１ａ，１ｂ，…に第１共鳴器９ａ，９ｂ，…および第２共鳴器１０ａ，１０ｂ，…を備えるとともに、各燃焼器缶胴１ａ，１ｂ，…に燃料供給部２０から燃料ヘッダ２１，２１，…を介して燃料を供給する燃料供給分岐管２２ａ，２２ｂ，…に燃料流量制御装置２３ａ，２３ｂ，…を設けたものである。
【００３９】
従来、燃焼振動レベルが二つのドミナント燃焼振動周波数成分を含む場合、上述の第１実施形態における手段を用いれば、燃焼振動を低減することができたが、それでも二つのドミナント燃焼振動上述成分のうち、いずれか一方が低周波の場合、共鳴器パラメータＸ，Ｙの最適値Ｘ１，Ｙ１に設定していても、図７の破線で示すように、燃焼振動レベル（振動圧力波）１８ａの効果的な低減ができない場合があった。
【００４０】
本実施形態は、このような点を考慮したもので、二つのドミナント周波数ｆ１，ｆ２のうち、例えば一方のドミナント燃焼振動周波数を第１共鳴器９ａ，９ｂ，…および第２共鳴器１０ａ，１０ｂ，…で低減させ、残りのドミナント燃焼振動周波数ｆ２、特に低周波に対し、燃料供給部２０から燃料ヘッダ２１，２１，…、燃料供給分岐管２２ａ，２２ｂ，…を介して燃焼器缶胴１ａ，１ｂ，…に供給される燃料流量を燃料流量制御装置２３ａ，２３ｂ，…で制御し、その際の燃料の周波数を変動させ、変動させた周波数と燃焼器缶胴１ａ，１ｂ，…内の燃焼振動に加えて相殺させ振動レベルを低減させたものである。
【００４１】
このように、本実施形態は、燃料供給部２０から燃料ヘッダ２１，２１，…、燃料供給分岐管２２ａ，２２ｂ，…を介して燃焼器缶胴１ａ，１ｂ，…に供給される燃料流量を燃料流量制御装置２３ａ，２３ｂ，…で制御するので、燃焼振動レベルが低周波であっても低減させることができる。
【００４２】
なお、第１実施形態および第２実施形態ともに、第１共鳴器９ａ，９ｂ，…および第２共鳴器１０ａ，１０ｂ，…を備え、オンラインの制御を行なっているが、予め振動周波数が計測されていて既知であれば、その既知の周波数に一致させる共鳴器パラメータＸ，Ｙを予め設定してもよい。この手法でも燃焼振動レベルを低減することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係るガスタービン燃焼器は、燃焼器缶胴に振動レベルを低減させる手段を備えたので、燃焼器缶胴の信頼性の高い安定運転と相俟って長寿命化を維持することができ、ひいてはガスタービンプラントの運用率を向上させ、補修点検費の少ない低コストの運転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガスタービン燃焼器のうち、多缶型ガスタービン燃焼器を適用対象とする第１実施形態を示す概念図。
【図２】本発明に係るガスタービン燃焼器のうち、アニュラー型ガスタービン燃焼器を適用対象とする第１実施形態を示す概念図。
【図３】本発明に係るガスタービン燃焼器の第１実施形態における第１変形例を示す概念図。
【図４】本発明に係るガスタービン燃焼器に適用する共鳴器および燃焼器缶胴を示す概念図。
【図５】本発明に係るガスタービン燃焼器の第５実施形態を示す概念図。
【図６】本発明に係るガスタービン燃焼器を組み込んだガスタービンプラントを示す概念図。
【図７】本発明に係るガスタービン燃焼器の燃焼振動レベルを示す線図。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ，…  燃焼器缶胴
２ａ，２ｂ，…  火炎伝播管
３ａ，３ｂ，…  第１共鳴器
４ａ，４ｂ，…  第２共鳴器
５  火炎
６  圧力モード
７  腹側
８  燃焼器缶胴
９ａ，９ｂ，…  第１共鳴器
１０ａ，１０ｂ，…  第２共鳴器
１１  圧力モード
１２  腹側
１３  空気圧縮機
１４  発電機
１５  ガスタービン
１６  燃焼ガス生成部
１７  圧力センサ
１８  演算制御装置
１８ａ  燃焼振動レベル
１９  仕切り装置
２０  燃焼器器部
２１  燃料ヘッダ
２２ａ，２２ｂ，…  燃料供給分岐管
２３ａ，２３ｂ，…  燃料流量制御装置
【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】
2005048992.tif 000008
【図７】
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