(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内筒内に一次燃焼領域と二次燃焼領域とが形成されるガスタービンの燃焼器において、内筒の二次燃焼領域の上流側にスワラを有する二次空気と蒸気の混合気の流入口を周方向に複数個設けるとともに、外筒と内筒との間に形成される空気通路は、一次空気の通路と二次空気と蒸気の混合気の通路とに仕切られていることを特徴とするガスタービンの燃焼器。
【請求項２】
二次燃焼領域の内筒の直径は一次燃焼領域の内筒の直径よりも大きい請求項１記載のガスタービンの燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービンの燃焼器に係り、特に蒸気を多量に注入することのできるガスタービンの燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンの燃焼器は、ガスタービンの圧縮機とタービンとの間に設けられ、圧縮機で加圧された空気中に燃料を吹き込んで燃焼させて高温・高圧の気体にするためのものである。燃焼器を構成する要素は、燃料ノズル、内筒および外筒であり、着火用の点火栓も欠かせない。図５は直流かん形燃焼器の断面図である。内筒（ライナ）と外筒との間には空気通路が形成されている。内筒は燃料と空気の混合比を適当に保って安定、かつ、完全な燃焼を得るためのもので、保炎器と燃焼用空気（二次空気）の導入口（スクープ）、希釈用空気の導入口などを有する。保炎器は逆流域を作って火炎の安定を図るためのもので、燃料ノズルの周りに設けられたバッフル板、あるいはそれに加えて空気旋回器（スワラ）などがその役割を果たす。燃焼用の二次燃焼空気は、いくつかの段階に分けて燃焼域に導入するが、この空気の一部は同時に円筒の冷却に利用される。希釈空気は、混合後の燃焼ガス温度を計画された値に下げる。
【０００３】
ガスタービンの燃焼器に蒸気の注入が行われる場合がある。蒸気の注入は燃焼器内の火炎の温度を下げてＮＯｘの発生を抑制するためや蒸気の有する熱エネルギーをタービンで回収してタービンの出力向上と熱効率の向上を図るために行われる。図６はチェンサイクルと呼ばれる蒸気注入サイクル・プラントのフローシートである。チェンサイクルは、タービン排気の熱回収のための排熱ボイラで発生した蒸気を過熱蒸気として燃焼器に注入することにより熱効率および出力の大幅な向上を図ることができる。また、追炊きすることにより電力、蒸気の需要変化に柔軟に対応することができる。
【０００４】
蒸気の燃料ノズルの周辺に噴射される蒸気の噴射量は、多いほどＮＯｘ低減効果が大きいが、燃焼の不安定やＣＯの増加などを引き起こすので、噴射量が制限される。
【０００５】
図７はかかる問題点を解決するために、特開平９−１１９６３８に提案されたガスタービン燃焼器の概略図である。図７（Ａ）は燃料ノズル付近の断面図であり、図７（Ｂ）は空気や燃料や蒸気流れを付加した説明図である。図に示すように、このガスタービン燃焼器は、外筒１に包まれた内筒２内の燃焼領域に、ノズルホルダ−４に保持された燃料ノズル５から燃料油が、ノズルホルダ−４の前面の、燃料ノズル５より半径方向外方の部分に穿設された複数の穴Ｘからノズルホルダ−４の蒸気通路７に供給される水蒸気が、それぞれ噴射されるとともに、内筒２に設けられたスクープ３およびノズルホルダ−４と内筒２との間に設けられたバッフル６の内外の隙間から燃焼空気Ａが前記燃焼領域に供給されるガスタービン燃焼器において、ノズルホルダ−４の側面に前記ノズルホルダ−４の蒸気通路７に連通し、前記バッフル６の内外の隙間と前記スクープ３より流入する燃焼空気Ａに水蒸気Ｓを混入させる蒸気噴射用のバイパス穴Ｙを設けたものである。すなわち、本発明の新規な部分は、蒸気通路７にバイパス穴Ｙを設けたことにある。なお、図において、Ｆは燃料、２ａは内筒２の端部に設けられ、バッフル６が設けられた部分に空気を導入する穴、４ａはノズルホルダー４前面の穴、６ａはバッフル６に設けられ、前記穴２ａからの空気をバッフル６の内方の隙間に導入する穴である。
【０００６】
バイパス穴Ｙのない従来の燃焼器では、水蒸気Ｓをノズルホルダー４の前面に穿設された１０数個の穴Ｘから噴射させると、燃焼不安定を来たし燃焼振動を発生する場合がある。この原因は、水蒸気Ｓの随伴流のために小さい油滴が内筒の中の外側に行けないことや外側の高温部に水蒸気Ｓが多量に入るため温度が下がり酸素（Ｏ２）不足により一酸化炭素（ＣＯ）を発生するためと、酸素（Ｏ２）不足は同時に燃焼の不安定を起し火炎がついたり消えたりするためと考えられる。そして、この火炎の不安定（圧力変動）が燃焼器と車室の連成音響固有のモードと共振し、空気、油の流量（流速）に影響を与え圧力変動をますます助長させているものと考えられる。
【０００７】
上記発明では、ノズルホルダー４の蒸気通路７に供給される水蒸気Ｓの一部はバイパス穴Ｙから流出し、ノズルホルダー４の前面に穿設された穴Ｘから噴射される水蒸気噴射量は減少する。したがって、燃焼領域内において水蒸気Ｓの随伴流が無くなり、内筒の中の内側部の小さい油滴も外側部に抜けられるようになり、外側部の酸素（Ｏ２）不足も解消される。
【０００８】
また、ノズルホルダー４の側面に同ノズルホルダー４内の蒸気通路７に連通するバイパス穴Ｙを設けたことにより、該穴Ｙから水蒸気Ｓが噴射されて燃焼空気と混合し、バッフル６の内外隙間から燃焼領域内を全体的に等しく減温するとともに、内筒２外へ流出した水蒸気Ｓは、外筒１と内筒２との間で一部は空気流れに混入し押し戻され再びバッフル部６に、また一部は、スクープ３から空気流Ａと共に燃焼領域内に流入する。これによって、ガスタービン燃焼器内の頭部の高温域を全体的に減温することができるのである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、以上述べた発明では、大部分の水蒸気は燃料ノズル５の周囲から吹き込まれるので、たとえＮＯｘ低減のためには十分な蒸気量を吹き込めたとしても、図６に示すように、蒸気の有する熱エネルギーを回収するために多量の蒸気を燃焼器内に吹き込むことはできない。本願発明者等の経験によれば、従来の燃焼器に吹き込める蒸気量は、蒸気／空気質量比で２０〜３０％程度である。
【００１０】
本発明は、従来技術のかかる問題点に鑑み案出したもので、水蒸気と空気の混合気を燃焼器の二次燃焼領域に吹き込むことにより、大量の水蒸気が吹き込めるとともに、ＮＯｘの発生を低減することができるガスタービンの燃焼器を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のガスタービンの燃焼器は、内筒内に一次燃焼領域と二次燃焼領域とが形成されるガスタービンの燃焼器において、内筒の二次燃焼領域の上流側にスワラを有する二次空気と蒸気の混合気の流入口を周方向に複数個設けたものである。
【００１２】
外筒と内筒との間に形成される空気通路は、一次空気の通路と二次空気と蒸気の混合気の通路とに仕切られているのが好ましい。
【００１３】
次に本発明の作用を説明する。圧縮機からの圧縮空気の１部は一次燃焼用として、燃料ノズルの周囲から内筒内に吹き込まれる。圧縮空気の残部は二次空気として水蒸気と混合されて混合気となり、内筒の二次燃焼領域の上流側に設けられた流入口から内筒内に流入する。混合気は流入口に設けられたスワラを通過して旋回流となって内筒内に流入し、一次燃焼で残った燃料と混合して二次燃焼が行われる。なお、一次空気と二次空気の質量比は１対３程度が好ましい。
【００１４】
このように、一次燃焼領域には水蒸気を吹き込まないので、火炎は安定しており、ついたり消えたりすることがない。また、一次燃焼は燃料リッチの燃焼なので、火炎温度はあまり高くなることがなく、ＮＯｘの発生量は少ない。水蒸気は空気と混合した混合気として二次燃焼領域の上流側に吹き込まれるが、一次燃焼の火炎は安定しているので、火炎の吹き消えを起こすことなしに、多量に吹き込むことができる。したがって、二次燃焼領域の火炎温度も低下し、ＮＯｘの発生量も少ない。本発明によれば、蒸気／空気質量比で、７０％程度まで水蒸気を吹き込むことができる。水蒸気が一次燃焼領域に混入しないように内筒と外筒との間に形成される空気通路は、一次空気の通路と混合気の通路に仕切られている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明のガスタービンの燃焼器の断面図である。図２は図１のＡ−Ａ矢視図である。これらの図において、図７におけると同一の部分は同一の符号が付されている。図において、１は外筒であり、一次燃焼領域の外筒１ａと二次燃焼領域の外筒１ｂとからなる。２は内筒であり、一次燃焼領域の内筒２ｂと二次燃焼領域の内筒２ｃとからなる。内外筒とも一次燃焼領域の径よりも二次燃焼領域の径の方が大きい。内筒２は、図５に示すように、多数の孔を有する多孔式のものでもよいし、多数の截頭円錐状の筒を互いに一部が重なるように組み合わせ、重なり合った部分に形成される隙間から空気を流入させるようにした細隙式のものでもよい。８はスワラである。スワラ８は燃料ノズル５周りに設けられ一次空気を導入するスワラ８ｂと二次燃焼領域の内筒２ｃの上流側に周方向に複数個（本図では６個）設けられた二次空気と水蒸気の混合気（以下Ａ＋Ｓという）の流入口９に設けられたスワラ８ａとがある。１０は仕切板であり、外筒１と内筒２との間に形成される空気通路１１ａと二次空気と蒸気の混合気（Ａ＋Ｓ）の通路１１ｂとを仕切っている。
【００１６】
次に本実施形態の作用を説明する。圧縮機からの圧縮空気の一部（約２５％）は一次燃焼用として、燃料ノズル５の周囲のスワラ８ｂおよび内筒２ｂの周壁から内筒２ｂ内に吹き込まれる。圧縮空気の残部（約７５％）は二次空気として水蒸気と混合されて混合気（Ａ＋Ｓ）となり、その大部分が二次燃焼領域の内筒２ｃの上流側に設けられた流入口９から内筒内に流入する。残りの混合気は内筒の周壁に穿設された小孔から内筒内に流入する。混合気（Ａ＋Ｓ）は流入口９に設けられたスワラ８ａを通過して旋回流となって内筒２ｃ内に流入し、一次燃焼領域で残った燃料と混合して二次燃焼が行われる。
【００１７】
このように、一次燃焼領域には水蒸気を吹き込まないので、火炎は安定しており、ついたり消えたりすることがない。また、一次燃焼は燃料リッチの燃焼なので、火炎温度はあまり高くなることがなく、ＮＯｘの発生量は少ない。水蒸気Ｓは空気Ａと混合した混合気（Ａ＋Ｓ）として二次燃焼領域の上流側に吹き込まれるが、一次燃焼の火炎が安定しているので、火炎の吹き消えを起こすことなしに、多量に吹き込むことができる。したがって、二次燃焼領域の火炎温度も低下し、ＮＯｘの発生量も少ない。本発明によれば、蒸気／空気質量比で、７０％程度まで水蒸気を吹き込むことができる。そのときＡ＋ＳにおけるＡとＳの比は、約１：１である。水蒸気が一次燃焼領域に混入しないように内筒と外筒との間に形成される空気通路１１は、一次空気の通路１１ａと混合気（Ａ＋Ｓ）の通路１１ｂに仕切板１０によって仕切られている。
【００１８】
図３は本発明の燃焼器を有するガスタービン発電機を使用した発電設備のフローシートである。図に示すように、本発明の燃焼器を有するガスタービンは、特にごみ焼却施設などに有効である。すなわち、ごみ焼却施設では、ごみ焼却炉で発生する蒸気は所内で使用しても余るので、従来無駄に放出していたが、それを発電用に有効利用することができる。なお、図中、混合器はエジェクタであり、高圧の駆動気体（蒸気）をノズルから噴出させ、その高速噴流の吸引搬送力によって二次気体（空気）を排出する装置である。また、図に記載されている温度や圧力は、運転条件の１例を参考に示すものであって、これに限定されるものではない。
【００１９】
本発明は以上述べた実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。たとえば、燃焼器は拡散燃焼式のものを図示しているが、予混合燃焼式であってもよい。また、燃料は液体でも気体でもよい。
【００２０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のガスタービンの燃焼器は、蒸気を二次燃焼領域の上流側に注入するようにしたので、一次燃焼領域には蒸気が注入されず、安定した火炎が保たれ、蒸気の注入量を大幅に増しても二次燃焼領域で安定した燃焼が行われる。したがって、蒸気の注入量を従来より２倍以上に増すことができるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスタービンの燃焼器の断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視図である。
【図３】本発明の燃焼器を有するガスタービン発電機を使用した発電設備のフローシートである。
【図４】直流かん形燃焼器の断面図である。
【図５】蒸気注入サイクルプラントのフローシートである。
【図６】従来の蒸気注入式ガスタービン燃焼器の図面であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）はそれに空気や蒸気や燃料の流れを付加したものである。
【符号の説明】
２  内筒
８  スワラ
９  流入口
１０  仕切板
１１ａ  一次空気通路
１１ｂ  混合気通路
【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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