(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器ケーシング内に収容した燃焼器ライナで燃焼室を形成し、燃焼室の頭部側に燃料管から供給した燃料を上記燃焼室に噴出させる燃料噴射ノズルを備えたガスタービン燃焼器において、上記燃焼室およびその頭部側の少なくとも一方に燃焼振動抑制系を設け、この燃焼振動抑制系は上記燃焼室の容積を増減する燃焼ガス容積増減調整部およびその燃焼室に連通する通路面積を増減する通路面積可変部のいずれか少なくとも一つ以上を備え、上記燃焼室内で燃焼ガスを生成中に発生する燃焼振動を抑制し、上記燃焼振動抑制系は、燃焼室に連通する通路に設けた通路面積可変部と、上記通路に連通し、上記燃焼室の容積を増減させる燃焼ガス容積増減調整部とのうち、少なくとも一つ以上を選択する一方、上記燃焼室中の燃焼ガスの圧力および燃焼振動を検出し、検出信号が予め定められた設定値を超えたとき、その偏差に基づいて演算し、その演算信号を上記通路面積可変部および上記燃焼ガス容積増減調整部のうち、少なくとも一つ以上に与えて駆動させる制御演算装置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】
上記通路面積可変部は、通路を横断的に進退する仕切板で構成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】
上記燃焼室容積増減部は、通路に連通する筒部内に収容させるピストンと、ピストンを進退自在に移動させるピストン駆動部とを備え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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気に燃料を混合させて燃焼ガスを生成するガスタービン燃焼器に係り、特に燃焼室内に発生する燃焼振動を低く抑えるガスタービン燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近のガスタービンプラントは、起動運転から定格負荷運転または停止運転までの幅広い負荷運転範囲に亘って安定な運転と長寿命で信頼性の高い運転が要求されている。
【０００３】
また、最近のガスタービンプラントは、高プラント熱効率化や環境保護の志向からガスタービン入口の燃焼ガスの高温化やガスタービン燃焼器から生成される燃焼ガスの低ＮＯｘ化等の数多くの対策が要求されている。
【０００４】
このような要求に対処するため、ガスタービンプラントは、ガスタービン燃焼器に予混合燃焼構造あるいは蒸気または水噴射構造を導入して低ＮＯｘ化を図ったり、あるいは燃焼ガスの高温化用としてガスタービン燃焼器のライナ壁面に冷却構造を採用したり、さらにガスタービン燃焼器に供給される燃料と空気との流量制御を運転に見合うように調整する制御機構を組み込んだりする等数多くの改良を図っている。
【０００５】
このように、数々の改良を加えた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は、図４に示すように、ガスタービン１と同軸に空気圧縮機２を設けた一例が示されている。このガスタービンプラントは、空気圧縮機２の駆動により吐出された圧縮空気をガスタービン燃焼器３に案内し、このガスタービン燃焼器３の燃焼器ライナ４内に形成される燃焼室５で燃料とともに燃焼させ、その燃焼ガスをトランジションピース６を経てガスタービン１に案内し、このガスタービン１を駆動させて仕事をし、ガスタービン１に直結させた発電機（図示せず）を回転駆動させるようになっている。なお、ガスタービン燃焼器３は、ガスタービン１と空気圧縮機２との中間位置に設置されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示したガスタービン燃焼器３では、低ＮＯｘ化のために予混合希薄燃焼法や低カロリー燃料等を有効利用する燃料の多様化等が図られ、使用目的に応じた様々な燃焼法が実施できるようになっている。
【０００７】
しかし、ガスタービン燃焼器３で採用される低ＮＯｘ化のための燃焼条件や、低カロリー燃料有効利用のための燃焼条件は、安定燃焼限界に近い条件であるため、燃焼振動を誘発しやすい条件になっており、燃焼室内で燃焼振動を発生させることがあった。この燃焼振動は、長時間運転の際、ガスタービン燃焼器３に組み込まれている構成部品に損耗を与えるので、その対策が必要とされていた。
【０００８】
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、燃焼ガスの生成中に発生する燃焼振動および圧力変動を検出し、検出した燃焼振動および圧力変動に基づいて投入する燃料の流量、燃焼室の容積または通路面積を制御して、燃焼振動を低く抑えるガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。
【０００９】
【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、燃焼器ケーシング内に収容した燃焼器ライナで燃焼室を形成し、燃焼室の頭部側に燃料管から供給した燃料を上記燃焼室に噴出させる燃料噴射ノズルを備えたガスタービン燃焼器において、上記燃焼室およびその頭部側の少なくとも一方に燃焼振動抑制系を設け、この燃焼振動抑制系は上記燃焼室の容積を増減する燃焼ガス容積増減調整部およびその燃焼室に連通する通路面積を増減する通路面積可変部のいずれか少なくとも一つ以上を備え、上記燃焼室内で燃焼ガスを生成中に発生する燃焼振動を抑制し、上記燃焼振動抑制系は、燃焼室に連通する通路に設けた通路面積可変部と、上記通路に連通し、上記燃焼室の容積を増減させる燃焼ガス容積増減調整部とのうち、少なくとも一つ以上を選択する一方、上記燃焼室中の燃焼ガスの圧力および燃焼振動を検出し、検出信号が予め定められた設定値を超えたとき、その偏差に基づいて演算し、その演算信号を上記通路面積可変部および上記燃焼ガス容積増減調整部のうち、少なくとも一つ以上に与えて駆動させる制御演算装置を備えたものである。
【００１１】
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、上記通路面積可変部は、通路を横断的に進退する仕切板で構成したものである。
【００１２】
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、上記燃焼室容積増減部は、通路に連通する筒部内に収容させるピストンと、ピストンを進退自在に移動させるピストン駆動部とを備えたものである。
【００１３】
【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。
【００１４】
図１は、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の実施形態を示す概略系統図である。
【００１５】
本実施形態に係るガスタービンプラントは、空気圧縮機７、ガスタービン８、発電機９を回転軸１０で軸直結するとともに、空気圧縮機７とガスタービン８との中間位置の周方向に沿ってガスタービン燃焼器１１を複数個設置し、空気圧縮機７で吸い込んだ空気ＡＲを圧縮して高圧化し、その高圧空気を燃料とともにガスタービン燃焼器１１に供給して燃焼ガスを生成し、その燃焼ガスを駆動媒体としてガスタービン８に供給して膨張仕事をさせ、その際に発生する回転トルクを回転軸１０に与えて発電機９を駆動するようになっている。
【００１６】
一方、ガスタービン燃焼器１１は、燃焼器ケーシング１２内に燃焼器ライナ１３を収容して燃焼室１４を形成するとともに、燃焼室１４の頭部側にスワラ１５を備えた空気ダクト１６と空気ダクト１６を介して空気圧縮機７から供給される高圧空気に燃料管１８ａ，１８ｂの燃料噴射ノズル１７ａ，１７ｂから噴出する燃料を加えて混合させ、その混合気をスワラ１５で旋回流を与えて燃焼ガスＦＧを生成するようになっている。
【００１７】
また、ガスタービン燃焼器１１には、燃焼室１４で燃焼ガスＦＧの生成中に発生する燃焼振動を低く抑える燃焼振動抑制系１９が設けられている。
【００１８】
この燃焼振動抑制系１９は、燃焼室１４に設けた通路（スロート）２０の開口面積を可変にして燃焼振動を抑制する通路（スロート）面積可変部２１と、通路２０に連通し、燃焼室１４の燃焼ガス容積を増減変化させて燃焼振動を抑制する燃焼ガス容積増減調整部（別名共鳴器とも称す）２２と、燃焼室１４で燃焼ガスの生成中に発生する燃焼振動の高低に応じて燃料管１８ａ，１８ｂから燃料噴射ノズル１７ａ，１７ｂに供給する燃料の流量を調整する燃料弁２３ａ，２３ｂと、燃焼室１４の圧力変動および振動のそれぞれを圧力検出器２４および振動検出器２５のそれぞれで検出し、各検出信号に基づいて通路面積可変部２１、燃焼ガス容積増減調整部２２、燃料弁２３ａ，２３ｂのそれぞれを駆動させる演算信号を作り出す制御演算装置２６とを組み合せた構成になっている。
【００１９】
なお、本実施形態は、通路面積可変部２１、燃焼ガス容積増減調整部２２、燃料弁２３ａ，２３ｂの三つを組み合せて燃焼振動抑制系１９としているが、通路面積可変部２１、燃焼ガス容積増減調整部２２、燃料弁２３ａ，２３ｂのうち、少なくとも一つ以上であってもよい。
【００２０】
また、通路面積可変部２１は、図２に示すように、仕切板２７ａ，２７ｂを備え、仕切板２７ａ，２７ｂを通路２０に対し横断的に配置し、燃焼室１４で燃焼振動が発生すると、制御演算装置２６からの演算信号を仕切板２７ａ，２７ｂに与えて進退させ、通路２０の面積を増減可変にして燃焼振動を抑制するようになっている。
【００２１】
また、燃焼ガス容積増減調整部２２は、図２に示すように、通路２０に連通して空室２８を形成する筒部２９にピストン３０を収容するとともに、燃焼室１４で燃焼ガスＦＧの生成中に燃焼振動が発生すると、制御演算装置２６からの演算信号を与えてピストン３０を進退させ、燃焼室１４の燃焼振動が最小になる位置に設定できるピストン駆動部３１を備えた構成になっている。
【００２２】
このような構成を備えた燃焼振動抑制系１９において、ガスタービン燃焼器１１は、図１に示すように、燃焼室１４で生成される燃焼ガスＦＧの圧力および燃焼振動のそれぞれを圧力検出器２４および振動検出器２５のそれぞれで検出している。検出された圧力信号および燃焼振動信号は、制御演算装置２６に送られ、ここで予め定められた圧力および燃焼振動と比較し、設定値よりも実検出信号の方が超えた場合、その偏差に基づいて演算し、その演算信号のうち、一つを通路面積可変部２１に与えて図２に示す仕切板２７ａ，２７ｂを進退させ、燃焼室１４の燃焼ガスＦＧの容積を増減させて燃焼振動を抑制する。
【００２３】
また、制御演算装置２６で演算した信号のうち、残りの一つを燃焼ガス容積増減調整部２２に与えて図２に示すピストン駆動部３１を駆動し、ピストン駆動部３１の駆動力でピストン３０を進退させ、筒部２９の空室２８の容積を増減させて燃焼振動を抑制する。
【００２４】
また、制御演算装置２６で演算した信号のうち、残りの他の一つを図１に示す燃料弁２３ａ，２３ｂに与えて弁体を開閉制御し、燃料管１８ａ，１８ｂから燃料噴射ノズル１７ａ，１７ｂのそれぞれに供給する燃料の流量を増減制御して燃焼振動を抑制する。
【００２５】
なお、本実施形態は、通路面積可変部２１、燃焼ガス容積増減調整部２２、燃料弁２３ａ，２３ｂのそれぞれを同時に駆動して燃焼ガスＦＧの燃焼振動を抑制したが、この例に限らず、各部２１，２２，２３ａ，２３ｂを独立に駆動してもよく、また各部２１，２２，２３ａ，２３ｂが少なくとも一つ以上であってもよい。
【００２６】
本実施形態は、通路面積可変部２１、燃焼ガス容積増減調整部２２、燃料弁２３ａ，２３ｂの一つ一つを駆動し、燃焼振動減衰量を調べたところ、図３に示すように、燃焼振動を確実に抑制していることがわかった。
【００２７】
【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、燃焼室に設けた通路面積可変部、燃焼ガス容積増減調整部および燃料管に設けた燃料弁のうち、少なくとも一つ以上を駆動して燃焼室の容積を増減変動させるか、通路面積を増減変動させるか、あるいは燃料噴射ノズルに供給する燃料の流量を増減させる燃焼振動抑制系を設けて燃焼ガスを生成する際に発生する燃焼振動を抑制したので、ガスタービン燃焼器の構成部品に燃焼振動に基づく損耗を与えることなく長期間に亘ってガスタービンプラントに安定運転を行わせることができる。
【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を組み込んだガスタービンプラントの実施形態を示す概略系統図。
【図２】図１で示した通路面積可変部、燃焼ガス容積増減調整部の概略部分拡大図。
【図３】本発明により得られた燃焼振動の減衰量を示すグラフ。
【図４】従来のガスタービンプラントを示す概略一部切欠部分縦断面図。
【符号の説明】
１  ガスタービン
２  空気圧縮機
３  ガスタービン燃焼器
４  燃焼器ライナ
５  燃焼室
６  トランシションピース
７  空気圧縮機
８  ガスタービン
９  発電機
１０  回転軸
１１  ガスタービン燃焼器
１２  燃焼器ケーシング
１３  燃焼器ライナ
１４  燃焼室
１５  スワラ
１６  空気ダクト
１７ａ，１７ｂ  燃料噴射ノズル
１８ａ，１８ｂ  燃料管
１９  燃焼振動抑制系
２０  通路
２１  通路面積可変部
２２  燃焼ガス容積増減調整部
２３ａ，２３ｂ  燃料弁
２４  圧力検出器
２５  振動検出器
２６  制御演算装置
２７ａ，２７ｂ  仕切板
２８  空室
２９  筒部
３０  ピストン
３１  ピストン駆動部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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