(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室と、該燃焼室に対向配置された燃料ノズルおよび酸化剤ノズルとを備え、メタンを燃料とし酸素を酸化剤とする炭酸ガス回収対応型のガスタービン燃焼器において、
前記酸化剤ノズルの酸化剤噴出側端面に多数の酸素噴孔を設けるとともに、該酸化剤ノズルの内部に、酸化剤ノズルの酸素噴孔と対向する位置であって、前記酸化剤噴出側端面の反対側に形成された酸化剤ノズル端面より上流側に位置する燃料噴孔を有する燃料ノズルを配置し、燃料ノズルの前記燃料噴孔から前記酸素噴孔の入口中心に向けて燃料噴流が噴出され、燃料が酸化剤ノズルの端面から噴出するまでの間に一部酸素との混合が進むように燃料噴流を酸素環状流で包んだような同軸噴流として前記酸化剤ノズルから噴出することを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項２】
前記燃料ノズルの燃料噴孔が、前記燃料ノズルのノズル端面から突き出すように形成された請求項１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】
本発明はガスタービン燃焼器に係わり、特にメタンを燃料とし酸素を酸化剤とする炭酸ガス回収対応型のガスタービン燃焼器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来一般に採用されているこの種のガスタービン燃焼器としては、例えば特開平５−１７２３３１号公報に開示されているような燃焼器が良く知られている。この種のガスタービン燃焼器においては、起動から定格負荷条件までのターンダウン比が大きく、広範囲の燃焼安定性を確保するため、燃料を燃焼室に直接噴射する拡散燃焼方式が広く採用されている。
【０００３】
図２は、燃焼器の頭部（図中左側）に設けた空気旋回器の出口付近に空気の旋回流と交差するように燃料を外側へ向けて噴出し、中心軸上にできる循環流によって拡散火炎を安定化するように図った例である。すなわち、圧縮機１０から送られる空気５０は、外筒２と燃焼器ライナ３の間を通り、一部は燃焼器ライナの冷却空気および燃焼ガスの混合を促す希釈空気５１として燃焼室１へ、また一部は頭部旋回空気４９として空気旋回器１２を通り燃焼室１へ流入する。燃料１６は、拡散燃料ノズル１３から旋回空気流に交差するように外側へ向けて燃焼室１に噴射され安定な拡散火炎４を形成する。発生した高温燃焼ガスはタービン６８へ入り仕事をして排気される。
【０００４】
一般に、ガスタービン燃焼器では高い燃焼効率が要求される。通常は燃焼に必要な十分な空気量があり、そのような条件下で燃焼器が適正化されている。一方、地球温暖化対策の一環として、温暖化ガスの炭酸ガスを濃縮し回収するシステムとして期待されている炭酸ガス回収対応高効率クローズドガスタービンシステムでは炭酸ガス回収効率を上げるため余計な非凝縮ガスを極力排出しないことが必要で、メタンと酸素の流量比率はほぼ量論比に設定されると考えられる。この場合、前記旋回空気流に相当する部分に酸化剤（酸素）が供給されると考える。このような場合には、燃料と酸化剤の混合が極めて重要で、燃料と酸化剤の偏在が少しでもあると燃焼効率が急激に悪化することが予想される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このようにこの種のガスタービン燃焼器においては、燃料と酸化剤である空気の混合を配慮して、燃料噴孔位置を空気流と近接して配置するとともに、空気の旋回流に交差して燃料噴流を噴出する構造としている。しかし、このように交差する空気と燃料の混合が最適となるのは、それぞれの運動量比が最適になる一つの条件に限られ、負荷が変われば燃料と空気の運動量比が最適の比率から外れ、混合の様子も変わり、燃料と空気の偏在が発生してしまい、広い負荷範囲での燃料と酸化剤の混合の適正化は図れないという問題がある。また、レイノルズ数などの条件が大きく変化する流れの中ではたとえ運動量比が適正に保たれたとしても、最適な噴孔形状を選定することは難しいと考えられる。
【０００６】
本発明はこれに鑑みなされたもので、その目的とするところは、燃焼室におけるメタンと酸素の混合状態が広い負荷範囲で最適に保たれ、ガスタービンシステム全体の熱効率を向上させることが可能なこの種のガスタービン燃焼器を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃焼室と、該燃焼室に対向配置された燃料ノズルおよび酸化剤ノズルとを備え、メタンを燃料とし酸素を酸化剤とする炭酸ガス回収対応型のガスタービン燃焼器において、
前記酸化剤ノズルの酸化剤噴出側端面に多数の酸素噴孔を設けるとともに、該酸化剤ノズルの内部に、酸化剤ノズルの酸素噴孔と対向する位置であって、前記酸化剤噴出側端面の反対側に形成された酸化剤ノズル端面より上流側に位置する燃料噴孔を有する燃料ノズルを配置し、燃料ノズルの前記燃料噴孔から前記酸素噴孔の入口中心に向けて燃料噴流が噴出され、燃料が酸化剤ノズルの端面から噴出するまでの間に一部酸素との混合が進むように燃料噴流を酸素環状流で包んだような同軸噴流として前記酸化剤ノズルから噴出することを特徴とする。
【０００８】
また本実施例は、燃焼室と、該燃焼室に対向配置された燃料ノズルおよび酸化剤ノズルとを備えたガスタービン燃焼器において、前記酸化剤ノズルの内部に前記燃料ノズルを配置するとともに、前記燃料ノズルの燃料噴流を前記酸化剤ノズルの酸化剤噴孔の中心に向けて噴出し、燃料と酸化剤とを同軸噴流として前記燃焼室に噴出するようにしたものである。
【０００９】
また、この場合、前記酸化剤ノズルの酸化剤噴孔および前記燃料ノズルの燃料噴孔を複数個設けるようにしたものである。
【００１０】
また本実施例は、燃焼室と、該燃焼室に対向配置された燃料ノズルおよび酸化剤ノズルとを備えたガスタービン燃焼器において、前記酸化剤ノズルに多数の酸化剤噴孔を設けるとともに、該酸化剤ノズルの内部に、酸化剤ノズルの酸化剤噴孔と対向する位置に多数の燃料噴孔を有する燃料ノズルを設置し、燃料ノズルの多数の燃料噴流が多数の酸化剤噴孔の中心に向けて噴出され、燃料噴流と酸化剤の環状流が同軸噴流として前記酸化剤ノズルから噴出されるように形成したものである。
【００１１】
また、この場合、前記燃料ノズルの燃料噴孔部分を、前記酸化剤ノズルの酸化剤噴孔部に向けて突き出すように形成したものである。また、参考例によれば、前記燃料ノズルの燃料噴孔部分の先端が、前記酸化剤ノズルの酸化剤噴出側端面まで突き出し、酸化剤噴孔が環状流路となって燃料・酸化剤ともに同軸噴流として直接燃焼室に噴出するように形成したものである。
【００１２】
すなわちこのように形成されたガスタービン燃焼器であると、燃料ノズルの燃料噴孔と酸化剤ノズルの酸化剤噴孔とが同軸状に配置され、燃料と酸化剤とが同軸噴流として燃焼室に噴出されることから、運動量比によらず燃料と酸化剤の偏在は最小限に保たれ、短い距離で良好な混合状態が得られ、したがって燃焼室における燃料と酸化剤の混合状態が広い負荷範囲で最適に保たれ、ガスタービンシステム全体の熱効率を向上させることができるのである。
【００１３】
以下、図１及び図５に示す実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。図１にはそのガスタービン燃焼器が断面で示されている。１が燃焼器の燃焼室であり、２が外筒、３が燃焼器ライナー、１２が旋回器、１３が燃料ノズル、１８が酸化剤ノズルである。なお、１０は燃焼用空気および冷却用空気を圧縮する圧縮機であり、６８は燃焼室からの高温高圧ガスにより駆動されるタービンである。
【００１４】
炭酸ガス回収型クローズドガスタービンでは、空気の変わりに作動流体として炭酸ガスを一部含む水蒸気を主体とする混合ガスが想定されている。ここでは簡単のため作動ガスは水蒸気のみであるとして説明を行う。この図において、圧縮機１０から送られる水蒸気５０は外筒２と燃焼器ライナ３の間を通り、一部は燃焼器ライナの冷却蒸気５２、一次燃焼蒸気５３、および燃焼ガスの混合を促す希釈蒸気５１として燃焼室１へ流入し、また一部は頭部旋回蒸気４９として蒸気旋回器１２を通り燃焼室１へ流入する。
【００１５】
酸素１７は、酸素（酸化剤）ノズル１８の多数の噴孔（酸化剤噴孔）から燃焼室１に噴出される。燃料ノズル１３は、酸素ノズル１８の内部に設置されており、多数の燃料噴孔が酸素ノズル１８の噴孔と同軸となるように配置されている。燃料は酸素と同軸の噴流として燃焼室１に噴出し安定な火炎を形成する。
【００１６】
発生した高温燃焼ガスは、希釈蒸気５１により一様な温度分布となってタービン６８へ入り仕事をして排気される。この場合のノズル部の詳細が、図５（ａ）に示されている。前述もしたように燃料ノズル本体１３は、酸素ノズル本体１８に内蔵されている。燃料ノズル１３には、多数の燃料噴孔１４がノズル端面から突き出すように設置されている。これは燃料噴流軸への酸素流のクロスフローの影響を最小限にするためである。
【００１７】
酸素噴孔１９は、燃料噴孔１４と同軸噴流を形成するように配置されており、燃料噴流を酸素環状流で包んだような多数の同軸噴流が酸素ノズル１８端面から噴出する。このように燃料と酸素が多数の小径の同軸噴流として構成されており、この構成によりこれらの燃料と酸素は短距離で混合し、燃料と酸素の偏在もなく高い燃焼効率が保たれる。
【００１８】
また、本実施例の構成であると、燃料が酸素ノズルの端面から噴出するまでの間に一部酸素との混合が進むことから、一層短い距離での燃料と酸素の混合が期待できる。さらに、この酸素ノズルの噴孔流路の長さを調節することにより、ほとんど流路内で混合しない状態からほぼ完全予混合の状態にまで設定することが可能である。また、噴孔径が小さければ完全予混合の場合でも火炎が通路内に戻ってくるいわゆる逆火現象の発生も防止できる。
【００１９】
図３に本発明の第２の実施例が示されている。この実施例では、燃料ノズルの噴孔の突き出しがないことを除いて第一の実施例と同じである。このような構成では酸素のクロスフローの影響が小さいと判断できる場合においてノズル構造の簡素化が図れる。
【００２０】
なお、図４は参考例を示す。この参考例では燃料ノズルの噴孔の突き出しが大きく、酸素ノズル端面位置まで突き出している。このように構成することにより構造はやや複雑ではあるが、燃料と酸素は燃焼室で始めて出会うこととなり、逆火の恐れは全くない燃焼器とすることができる。
【００２２】
以上説明してきたようにこのように形成されたガスタービン燃焼器であると、燃料と酸化剤の噴流が、多数の小径の同軸噴流となるように形成されていることから、運動量比によらず燃料と酸化剤の偏在は最小限に保たれ、短い距離で良好な混合状態が得られるのである。そして、結果として広い負荷範囲で燃料と酸化剤の偏在が最小限にとどめられ、高い燃焼効率が保たれる。また、レイノルズ数などの流れの条件の影響も受けにくいという特徴があり、その設計も容易とすることができるのである。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明してきたように本発明によれば、燃焼室におけるメタンと酸素の混合状態が広い負荷範囲で最適に保たれ、ガスタービンシステム全体の熱効率を向上させることが可能なこの種のガスタービン燃焼器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のガスタービン燃焼器の一実施例を示す縦断側面図である。
【図２】  従来のガスタービン燃焼器を示す縦断側面図である。
【図３】  本発明のガスタービン燃焼器におけるノズル部の一実施例を示す縦断側面図および正面図である。
【図４】  参考例のガスタービン燃焼器におけるノズル部の一実施例を示す縦断側面図および正面図である。
【図５】  本発明のガスタービン燃焼器におけるノズル部の一実施例を示す縦断側面図および正面図である。
【符号の説明】
１…燃焼室、２…外筒、３…燃焼器ライナ、１２…旋回器、１３…燃料ノズル、１８…酸化剤ノズル、１０…圧縮機、６８…タービン。
【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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