(57)【要約】【課題】安定した燃焼を維持しつつ、二酸化炭素およびＮＯｘの排出量を抑制することができるガスタービン燃焼器およびガスタービンを提供する。【解決手段】実施形態の燃焼器１０は、燃焼室２３を形成する筒状の燃焼器ライナ２２と、燃焼器ライナ２２の頭部の中央に設けられ、燃焼器ライナ２２内に炭化水素燃料を噴射するパイロット燃料噴射部３０とを備える。さらに、燃焼器１０は、パイロット燃料噴射部３０の出口の外周に設けられ、燃焼器ライナ内に水素燃料を噴射する水素燃料噴射口６１と、燃焼器ライナ２２の外周に燃焼器ライナ２２の軸方向に沿って延設され、炭化水素燃料と空気からなる予混合気を形成し、出口開口４２から燃焼器ライナ内に予混合気を噴出する予混合ダクト４０とを備える。【選択図】図２
2016186387.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室を形成する筒状の燃焼器ライナと、
前記燃焼器ライナの頭部の中央に設けられ、前記燃焼器ライナ内に炭化水素燃料を噴射するパイロット燃料噴射部と、
前記パイロット燃料噴射部の出口の外周に設けられ、前記燃焼器ライナ内に水素燃料を噴射する水素燃料噴射口と、
前記燃焼器ライナの外周に前記燃焼器ライナの軸方向に沿って延設され、炭化水素燃料と空気からなる予混合気を形成し、出口開口から前記燃焼器ライナ内に前記予混合気を噴出する予混合ダクトと
を具備することを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項２】
前記水素燃料噴射口の外周に設けられ、前記燃焼器ライナ内に水蒸気を噴射する水蒸気噴射口を具備する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】
前記予混合ダクトの出口開口の外周に設けられ、前記燃焼器ライナ内に水素燃料を噴射する第２水素燃料噴射口を具備することを特徴とする請求項１または２記載のガスタービン燃焼器。
【請求項４】
出口開口の外周に、前記燃焼器ライナ内に水素燃料を噴射する第２水素燃料噴射口を備える前記予混合ダクトと、
前記第２水素燃料噴射口を備える前記予混合ダクトの出口開口と軸方向位置が異なる位置に出口開口が形成された前記予混合ダクトと
を具備することを特徴とする請求項１または２記載のガスタービン燃焼器。
【請求項５】
前記予混合ダクトの出口開口よりも下流側における前記燃焼器ライナに設けられ、前記燃焼器ライナ内に水素燃料を噴射する第３水素燃料噴射口を具備することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のガスタービン燃焼器。
【請求項６】
前記予混合ダクトの出口開口よりも下流側における前記燃焼器ライナに設けられ、前記燃焼器ライナ内に水素燃料と空気とからなる予混合気を噴射する第３水素燃料噴射口を具備することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のガスタービン燃焼器。
【請求項７】
大気から空気を吸い込んで高温高圧の空気とする圧縮機と、
前記圧縮機からの空気を利用して燃料を燃焼させる、請求項１乃至６のいずれか１項記載のガスタービン燃焼器と、
前記ガスタービン燃焼器によって生成された燃焼ガスによって回動されるタービンと
を具備することを特徴とするガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ガスタービン燃焼器およびガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
二酸化炭素を発生する発電設備において、二酸化炭素の削減は、喫緊の課題である。ガスタービン設備においてもこの課題は解決すべきものである。そのため、ガスタービン設備において、システムの高効率化を進めるとともに、二酸化炭素の回収技術、二酸化炭素の回収効率の向上、燃料の多様化などが進められている。
【０００３】
図８は、従来のガスタービンの燃焼器２００の断面を示した図である。この燃焼器２００は、天然ガスを燃料とするものである。
【０００４】
図８に示すように、燃焼器２００は、燃焼器ライナ２１０と、パイロット燃料噴射部２２０と、予混合ダクト２３０とを備えている。燃焼器ライナ２１０の周囲は、ガスタービン外筒２４０で覆われている。燃焼器ライナ２１０とガスタービン外筒２４０との間には、圧縮機（図示しない）からの空気２４５が流れる空気通路２５０が形成されている。
【０００５】
燃焼器ライナ２１０は、筒体で構成されている。燃焼器ライナ２１０の内部は、天然ガス２２３と空気２４５を燃焼させる燃焼室２１１を構成する。
【０００６】
パイロット燃料噴射部２２０は、燃焼器ライナ２１０の頭部側の中央に設けられている。パイロット燃料噴射部２２０は、図８に示すように、中央に、燃焼室２１１内における保炎を確保するための拡散燃焼用燃料噴射部２２１を備えている。拡散燃焼用燃料噴射部２２１からは、出口の直上流側に設けられたスワーラ２２２を通過する空気２４５に噴出された天然ガス２２３が燃焼室２１１内に噴射される。
【０００７】
拡散燃焼用燃料噴射部２２１の外周には、スワーラ２２４を通過した空気２４５に天然ガス２２３を噴出して形成された予混合気を燃焼室２１１内に噴射する予混燃焼用燃料噴射部２２５を備えている。
【０００８】
予混合ダクト２３０は、筒体で構成されている。予混合ダクト２３０は、空気通路２５０に、燃焼器ライナ２１０の軸方向に沿って延設されている。また、予混合ダクト２３０は、燃焼器ライナ２１０の外周の周方向に複数備えられている。予混合ダクト２３０の下流端は、燃焼器ライナ２１０の側部に形成された開口に接続されている。予混合ダクト２３０の上流側の入口開口２３２から、空気２４５およびメイン燃料噴射部２６０から噴出された天然ガス２２３が予混合ダクト２３０内に導入され、予混合気が形成される。この予混合気は、予混合ダクト２３０の出口開口２３１から燃焼室２１１内に噴出される。
【０００９】
このような従来の燃焼器２００では、ＮＯｘ排出量を低減するために、拡散燃焼用燃料噴射部２２１からの燃料流量は、できる限り小さく設定される。運転条件によっては、拡散燃焼用燃料噴射部２２１からの燃料流量を「０」とすることもある。この場合、火炎が不安定となることがある。
【００１０】
従来のガスタービンの燃焼器２００では、天然ガスを燃料とするため、石炭や他の炭化水素燃料と比べてＣＯ２の発生量が少ないが、さらなるＣＯ２の発生量の低減が求められている。そこで、近年、燃焼によってＣＯ２を発生しない水素が注目を集めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１３−９６３２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
水素は、天然ガスに比べて断熱火炎温度が高く、ＮＯｘの生成を助長しやすい。また、水素は、天然ガスと比べて、燃焼速度が数倍大きいため、水素と空気の予混合気を燃焼させる構成においては、逆火などの問題がある。そのため、水素を燃料とする従来のガスタービンの燃焼器においては、純水素（水素１００％）を燃焼領域に噴射する拡散燃焼方式が採用されることがある。しかしながら、この方式では、火炎温度が高くなり、安定した燃焼は維持されるが、ＮＯｘ排出量が増加する傾向にある。
【００１３】
また、発電設備などにおけるガスタービンの燃焼器においては、多くの燃料を消費量する。しかしながら、燃焼器における燃料を水素のみとする場合、現状の水素供給インフラでは、多くの発電設備に必要な水素量を供給することは困難である。
【００１４】
本発明が解決しようとする課題は、安定した燃焼を維持しつつ、二酸化炭素およびＮＯｘの排出量を抑制することができるガスタービン燃焼器およびガスタービンを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
実施形態のガスタービン燃焼器は、燃焼室を形成する筒状の燃焼器ライナと、前記燃焼器ライナの頭部の中央に設けられ、前記燃焼器ライナ内に炭化水素燃料を噴射するパイロット燃料噴射部とを備える。さらに、ガスタービン燃焼器は、前記パイロット燃料噴射部の出口の外周に設けられ、前記燃焼器ライナ内に水素燃料を噴射する水素燃料噴射口と、前記燃焼器ライナの外周に前記燃焼器ライナの軸方向に沿って延設され、炭化水素燃料と空気からなる予混合気を形成し、出口開口から前記燃焼器ライナ内に前記予混合気を噴出する予混合ダクトとを備える。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施の形態の燃焼器を備えるガスタービンの子午断面を示す図である。
【図２】第１の実施の形態の燃焼器の断面を示す図である。
【図３】第２の実施の形態の燃焼器の断面を示す図である。
【図４】第３の実施の形態の燃焼器の断面を示す図である。
【図５】第３の実施の形態において、他の構成を備える燃焼器の断面を示す図である。
【図６】第４の実施の形態の燃焼器の断面を示す図である。
【図７】第４の実施の形態において、他の構成を備える燃焼器の断面を示す図である。
【図８】従来のガスタービンの燃焼器の断面を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１８】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の燃焼器１０を備えるガスタービン１５０の子午断面を示す図である。なお、図１では、燃焼器１０は断面で示されていない。
【００１９】
図１に示すように、ガスタービン１５０は、圧縮機１５１と、燃焼器１０と、タービン１５２とを主に備える。圧縮機１５１では、大気から空気を吸い込み、高温高圧の燃焼用の空気とする。燃焼器１０では、圧縮機１５１からの燃焼用の空気に燃料を混合して燃焼させ、高温高圧の燃焼ガスを発生させる。タービン１５２では、燃焼器１０によって生成された燃焼ガスを通過させることで仕事がなされ、回転力を得る。なお、燃焼器１０から排出された燃焼ガスは、トランジションピース１５３を通りタービン１５２内に流入する。
【００２０】
タービン１５２で得られた回転力は、圧縮機１５１に伝えられ、圧縮機１５１を駆動する。また、この回転力は、発電機（図示しない）にも伝えられ、軸出力として取り出される。タービン１５２で仕事をした燃焼ガスは、ガスタービン１５０から外部に排気される。
【００２１】
なお、ここでは、第１の実施の形態の燃焼器１０を備えるガスタービン１５０の構成について説明したが、後述する他の実施の形態の燃焼器を備えるガスタービンにおいても構成は同じである。また、本実施の形態の燃焼器は、ガスタービン燃焼器として機能する。
【００２２】
次に、第１の実施の形態の燃焼器１０の構成について説明する。
【００２３】
図２は、第１の実施の形態の燃焼器１０の断面を示す図である。図２に示すように、燃焼器１０は、ガスタービンケーシング２０を備えている。ガスタービンケーシング２０内には、外筒２１が設けられ、この外筒２１内には、内筒である燃焼器ライナ２２が設けられている。
【００２４】
外筒２１と燃焼器ライナ２２は、例えば、同心的に備えられた二重筒を構成している。ガスタービンケーシング２０および外筒２１の一端側の端部は、ヘッドプレート２５に接続されている。
【００２５】
燃焼器ライナ２２は、ガスタービン１５０を駆動する燃焼ガスを生成する筒状の燃焼室２３を形成するとともに、外筒２１との間に空気通路２４を形成している。燃焼器ライナ２２の頭部の中央には、パイロット燃料噴射部３０が設けられている。また、パイロット燃料噴射部３０の外周には水素燃料噴射部６０が設けられている。なお、パイロット燃料噴射部３０および水素燃料噴射部６０については、後に詳しく説明する。
【００２６】
燃焼器ライナ２２の下流側には、トランジションピース１５３が設けられている。このトランジションピース１５３は、外筒１５３ａおよび内筒１５３ｂからなる二重筒で構成される。内筒１５３ｂ内を介して燃焼ガスがタービン１５２に導かれる。
【００２７】
燃焼器ライナ２２と外筒２１との間の空気通路２４には、トランジションピース１５３の外筒１５３ａに形成された噴出孔（図示せず）から外筒１５３ａと内筒１５３ｂとの間に導入された、圧縮機１５１からの高圧の空気ＡＲが、パイロット燃料噴射部３０側へ向かって流れる。なお、この際、高圧の空気ＡＲは、トランジションピース１５３の内筒１５３ｂや燃焼器ライナ２２を冷却しながら流れる。
【００２８】
また、空気通路２４には、燃焼器ライナ２２の軸方向（長手方向）に沿って延設された予混合ダクト４０が備えられている。この予混合ダクト４０は、例えば、燃焼器ライナ２２の外周の周方向に複数備えられている。予混合ダクト４０は、入口開口４１および出口開口４２を備える筒体である。予混合ダクト４０の下流端は、燃焼器ライナ２２の側部に形成された開口に接続されている。そして、予混合ダクト４０の出口開口４２は、燃焼器ライナ２２内に連通している。
【００２９】
予混合ダクト４０の入口開口４１のヘッドプレート２５側には、予混合ダクト４０内に炭化水素燃料Ｆ１を供給するメイン燃料噴射部５０が備えられている。メイン燃料噴射部５０は、パイロット燃料噴射部３０および水素燃料噴射部６０の外周に設けられている。メイン燃料噴射部５０の予混合ダクト４０側の端面に形成された燃料噴射口５１は、予混合ダクト４０の入口開口４１に対向するように設けられている。メイン燃料噴射部５０は、ヘッドプレート２５から予混合ダクト４０側に延びている。
【００３０】
燃焼器ライナ２２の頭部の中央には、パイロット燃料噴射部３０が設けられている。パイロット燃料噴射部３０は、ヘッドプレート２５から燃焼器ライナ２２の頭部側まで延びている。そして、パイロット燃料噴射部３０は、例えば、燃焼器ライナ２２の頭部側を閉鎖する端壁２２ａの中央に形成された開口部に配置される。なお、パイロット燃料噴射部３０は、例えば、燃焼器ライナ２２の頭部における、燃焼器ライナ２２の中心軸と同軸上に設けられる。
【００３１】
パイロット燃料噴射部３０は、例えば、図２に示すように、中央に設けられた拡散燃焼用燃料噴射部３１と、拡散燃焼用燃料噴射部３１の外周に設けられた予混燃焼用燃料噴射部３２とを備えている。
【００３２】
拡散燃焼用燃料噴射部３１は、燃焼室２３における保炎を確保するためのものである。拡散燃焼用燃料噴射部３１は、中央に軸方向に設けられた炭化水素燃料Ｆ１を導入する燃料通路３３と、燃料通路３３の外周に軸方向に設けられた空気通路３４とを備える。なお、ここで、軸方向とは、パイロット燃料噴射部３０の軸方向（長手方向）をいい、燃焼器ライナ２２の軸方向と同方向である。
【００３３】
燃料通路３３は、管状または環状に形成されている。空気通路３４は、環状に形成されている。空気通路３４には、パイロット燃料噴射部３０の空気導入口３５ａ、３５ｂを介して導入された空気ＡＲが流れる。燃料通路３３を流れる炭化水素燃料Ｆ１は、例えば、出口の直上流側の連通孔３９を介して空気通路３４を流れる空気ＡＲに向かって噴出される。そして、炭化水素燃料Ｆ１は、出口に配置されたスワーラ３７ａで旋回力が与えられ空気ＡＲとともに燃焼室２３に噴出される。拡散燃焼用燃料噴射部３１の出口は、例えば、環状の開口で形成される。
【００３４】
予混燃焼用燃料噴射部３２は、予混合通路３６を有している。この予混合通路３６の上流側には、空気導入口３５ａから導入した空気ＡＲに旋回力を与えるスワーラ３７ｂと、このスワーラ３７ｂを通過した空気ＡＲに向かって炭化水素燃料Ｆ１を噴出する燃料噴出孔３８を備える。予混合通路３６において、炭化水素燃料Ｆ１と空気ＡＲとが混合した予混合気は、予混燃焼用燃料噴射部３２の出口から燃焼室２３に噴射される。予混燃焼用燃料噴射部３２の出口は、例えば、環状の開口で形成される。
【００３５】
ここで、上記した予混合ダクト４０やパイロット燃料噴射部３０に導入される炭化水素燃料Ｆ１としては、例えば、天然ガス、メタンなどが使用される。
【００３６】
パイロット燃料噴射部３０の出口の外周には、水素燃料噴射部６０の水素燃料噴射口６１が設けられている。水素燃料噴射部６０は、水素燃料噴射口６１と、水素配管６２と、拡散部６３とを備える。
【００３７】
水素燃料噴射口６１は、例えば、燃焼器ライナ２２の頭部側を閉鎖する端壁２２ａに形成された環状の開口または複数の連通孔で構成される。この水素燃料噴射口６１は、燃焼室２３に水素燃料Ｆ２を噴射する。
【００３８】
拡散部６３は、水素配管６２からの水素燃料Ｆ２を周方向に拡散させて水素燃料噴射口６１に導く。拡散部６３を構成する環状の筐体は、例えば、水素燃料噴射口６１を内部に囲うように、端壁２２ａの上流側（ヘッドプレート２５側）の端面およびパイロット燃料噴射部３０の側壁に接続されている。
【００３９】
水素配管６２は、拡散部６３に接続されている。水素配管６２は、外部から供給された水素燃料Ｆ２を拡散部６３に導入する。
【００４０】
水素燃料噴射口６１から噴射される水素燃料Ｆ２は、例えば、純水素である。なお、水素燃料噴射口６１から噴射される水素燃料Ｆ２は、例えば、可燃限界の過濃限界を超える水素濃度の空気との予混合気であってもよい。水素燃料噴射口６１から噴射される水素燃料Ｆ２は、純水素または過濃限界を超える水素と空気の予混合気であるため、例えば、水素燃料噴射口６１から拡散部６３内への火炎の逆化を防止できる。
【００４１】
ここで、水素燃料噴射口６１を複数の連通孔で構成した場合、連通孔は、例えば直径が１ｍｍ以下の微小な孔で構成される。そのため、水素燃料噴射口６１から噴射された水素燃料Ｆ２は、周囲の空気と混合しやすい。また、水素燃料噴射口６１の下流に形成される火炎は小さいため、燃焼時間も短く、ＮＯｘの生成が抑制される。
【００４２】
ここで、燃焼室２３に導入される炭化水素燃料Ｆ１と水素燃料Ｆ２との体積割合は、例えば、水素燃料Ｆ２を最大６０〜７０％程度とすることが好ましい。これによって、二酸化炭素の排出量を削減することができる。
【００４３】
なお、パイロット燃料噴射部３０の燃料通路３３およびメイン燃料噴射部５０には、炭化水素系の燃料供給機構（図示しない）から所定の流量の炭化水素燃料Ｆ１が供給される。また、水素燃料噴射部６０の水素配管６２には、水素燃料供給機構（図示しない）から所定の流量の水素燃料Ｆ２が供給される。
【００４４】
次に、拡散燃焼用燃料噴射部３１、予混燃焼用燃料噴射部３２、水素燃料噴射部６０および予混合ダクト４０から燃焼室２３に噴射された燃料や予混合気などの作用について説明する。
【００４５】
拡散燃焼用燃料噴射部３１における空気通路３４の空気ＡＲに向かって噴出された炭化水素燃料Ｆ１は、拡散燃焼用燃料噴射部３１の出口から燃焼室２３に噴射され、拡散火炎を形成する。この拡散火炎は、スワーラ３７ａを通過した炭化水素燃料Ｆ１および空気ＡＲによって流れが形成されるため、旋回流となる。
【００４６】
予混燃焼用燃料噴射部３２における予混合通路３６において、炭化水素燃料Ｆ１と空気ＡＲとが混合した予混合気は、予混燃焼用燃料噴射部３２の出口から燃焼室２３に噴射され、予混合火炎を形成する。この予混合火炎も、スワーラ３７ｂを通過した空気ＡＲによって流れが形成されるため、旋回流となる。
【００４７】
このように、パイロット燃料噴射部３０から燃焼室２３に流出した流れは、旋回流となるため、図２に示すように、燃焼反応の際に、燃焼室２３の上流側（燃焼器ライナ２２内の上流側）には、再循環領域２６が存在する。ここで、再循環領域２６は、例えば、予混合ダクト４０の出口開口４２よりも上流側（パイロット燃料噴射部３０側）に形成される。この再循環領域２６によって、燃焼室２３の上流側において安定した火炎が形成される。
【００４８】
このような再循環領域２６の外周には、水素燃料噴射口６１から燃焼室２３に噴射された水素燃料Ｆ２によって、拡散火炎が形成する。そして、この水素燃料Ｆ２による拡散火炎は、予混燃焼用燃料噴射部３２から噴出された予混合気による火炎の基部の外側に形成される。そのため、炭化水素燃料Ｆ１による予混合火炎の安定性が向上する。また、拡散燃焼用燃料噴射部３１からの炭化水素燃料Ｆ１を減少させたときにおいても、炭化水素燃料Ｆ１による予混合火炎の安定性を維持することができる。拡散火炎を形成する水素燃料Ｆ２は、燃焼室２３で空気と混合されることで完全燃焼する。
【００４９】
一方、燃料噴射口５１から噴射された炭化水素燃料Ｆ１は、空気ＡＲとともに予混合ダクト４０内に導かれ、空気ＡＲと混合し予混合気となる。この予混合気は、予混合ダクト４０の出口開口４２から燃焼室２３内に噴出される。予混合ダクト４０の出口開口４２から噴出された予混合気は、例えば、再循環領域２６の下流側に導入され、燃焼する。
【００５０】
そして、燃焼室２３において燃焼反応が行われた燃焼ガスは、燃焼器ライナ２２の下流側からトランジションピース１５３に導かれる。
【００５１】
上記したように、第１の実施の形態の燃焼器１０では、予混燃焼用燃料噴射部３２の出口の外周に水素燃料噴射口６１を備えることで、水素燃料Ｆ２による拡散火炎によって、予混燃焼用燃料噴射部３２から噴出された予混合気による火炎の安定性を向上させることができる。
【００５２】
さらに、水素の拡散火炎によって火炎安定を図ることができるので、拡散燃焼用燃料噴射部３１に導入する燃料流量を最大限に減少させることができる。例えば、水素燃料噴射口６１から噴出する水素の流量を増加することで、拡散燃焼用燃料噴射部３１に導入する燃料流量を「０」とすることも可能である。これによって、二酸化炭素の排出量を削減するとともに、炭化水素燃料Ｆ１の拡散火炎から発生するＮＯｘを抑制することができる。
【００５３】
（第２の実施の形態）
図３は、第２の実施の形態の燃焼器１１の断面を示す図である。なお、図３において、第１の実施の形態の燃焼器１０の構成と同一の構成部分には、同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する（以下の実施の形態において同じ）。
【００５４】
第２の実施の形態の燃焼器１１は、水蒸気噴射部７０を備えた以外は、第１の実施の形態の燃焼器１０の構成と同じである。そのため、ここでは、この異なる構成について主に説明する。
【００５５】
水蒸気噴射部７０は、水蒸気噴射口７１と、水蒸気配管７２と、拡散部７３とを備える。
【００５６】
水蒸気噴射口７１は、図３に示すように、水素燃料噴射口６１の外周に設けられる。水蒸気噴射口７１は、例えば、燃焼器ライナ２２の頭部側を閉鎖する端壁２２ａに形成された環状の開口または複数の連通孔で構成される。この水蒸気噴射口７１は、燃焼室２３に水蒸気Ｓを噴射する。
【００５７】
拡散部７３は、水蒸気配管７２からの水蒸気Ｓを周方向に拡散させて水蒸気噴射口７１に導く。拡散部７３を構成する環状の筐体は、例えば、水蒸気噴射口７１を内部に囲うように、端壁２２ａの上流側（ヘッドプレート２５側）の端面および水素燃料噴射部６０の拡散部６３の側壁に接続されている。拡散部７３には、水蒸気配管７２が接続されている。
【００５８】
水蒸気配管７２は、拡散部７３に接続されている。この水蒸気配管７２には、水蒸気供給機構（図示しない）から所定の流量の水蒸気Ｓが供給される。
【００５９】
水蒸気噴射口７１から噴射された水蒸気は、水素燃料噴射口６１から噴出された水素燃料Ｆ２による拡散火炎の外周を流れる。そして、燃焼室２３で燃焼ガスと混合し、燃焼器ライナ２２の下流側からトランジションピース１５３に導かれる。
【００６０】
水素燃料Ｆ２による拡散火炎の外周を流れる水蒸気は、拡散火炎の温度を下げる。これによって、水素燃料Ｆ２による拡散火炎によって発生するＮＯｘ量を低減することができる。なお、水蒸気の流量は、水素燃料Ｆ２による拡散火炎の安定性およびガスタービン１５０の熱効率を維持できる程度の流量に抑えられる。また、水素燃料Ｆ２による拡散火炎の安定性が維持されるため、予混燃焼用燃料噴射部３２から噴出された予混合気による火炎の安定性も向上される。
【００６１】
拡散火炎を形成する水素燃料Ｆ２は、燃焼室２３で空気と混合されることで完全燃焼する。
【００６２】
上記したように、第２の実施の形態の燃焼器１１においては、水素燃料噴射部６０を備えることで、第１の実施の形態と同様の効果が得られるとともに、水蒸気噴射部７０を備えることで、ＮＯｘ排出量をさらに低減することができる。
【００６３】
（第３の実施の形態）
図４は、第３の実施の形態の燃焼器１２の断面を示す図である。図４に示された断面は、出口開口４２の外周に水素燃料噴射口８１を備えた予混合ダクト４０の断面、および出口開口４２の外周に水素燃料噴射口８１を備えない予混合ダクト４０の断面の双方を含むように示したものである。なお、双方の断面は、同一平面上の断面ではなく、燃焼器ライナ２２の中心軸を中心に周方向に所定の角度（例えば、４５度）ずれた断面である。
【００６４】
第３の実施の形態の燃焼器１２は、予混合ダクト４０が水素燃料噴射部８０を備えた以外は、第１の実施の形態の燃焼器１０の構成と同じである。そのため、ここでは、この異なる構成について主に説明する。
【００６５】
水素燃料噴射部８０は、図４に示すように、水素燃料噴射口８１と、水素配管８２と、拡散部８３とを備える。水素燃料噴射部８０は、複数の予混合ダクト４０の少なくとも一つに対して備えられていればよい。例えば、複数の予混合ダクト４０のうち、周方向に一つ置きの予混合ダクト４０に対して備えられてもよい。また、水素燃料噴射部８０は、すべての予混合ダクト４０に対して備えられてもよい。
【００６６】
水素燃料噴射口８１は、例えば、出口開口４２の外周の燃焼器ライナ２２に形成された複数の連通孔で構成される。この水素燃料噴射口８１から燃焼室２３に水素燃料Ｆ２が噴射される。なお、水素燃料噴射口８１は、第２水素燃料噴射口として機能する。
【００６７】
拡散部８３は、水素配管８２からの水素燃料Ｆ２を拡散させて水素燃料噴射口８１に導く。拡散部８３を構成する筐体は、例えば、水素燃料噴射口８１を内部に囲うように、燃焼器ライナ２２の外側面および予混合ダクト４０の外側面に接続されている。
【００６８】
水素配管８２は、拡散部８３に接続されている。水素配管８２には、水素燃料供給機構（図示しない）から所定の流量の水素燃料Ｆ２が供給される。
【００６９】
水素燃料噴射口８１から噴射される水素燃料Ｆ２は、例えば、純水素である。なお、水素燃料噴射口８１から噴射される水素燃料Ｆ２は、例えば、可燃限界の過濃限界を超える水素濃度の空気との予混合気であってもよい。水素燃料噴射口８１から噴射される水素燃料Ｆ２は、純水素または過濃限界を超える水素と空気の予混合気であるため、例えば、水素燃料噴射口８１から拡散部８３内への火炎の逆化を防止できる。
【００７０】
水素燃料噴射口８１から燃焼室２３に噴射された水素燃料Ｆ２は、炭化水素燃料Ｆ１と空気ＡＲとからなる予混合気が噴出される出口開口４２の外周に拡散火炎を形成するとともに、燃焼室２３で空気と混合されることで完全燃焼する。
【００７１】
ここで、水素燃料噴射口８１は、例えば直径が１ｍｍ以下の微小な連通孔を多数備えている。そのため、水素燃料噴射口８１から噴射された水素燃料Ｆ２は、周囲の空気と混合しやすい。また、水素燃料噴射口８１の下流に形成される火炎は小さいため、燃焼時間も短く、ＮＯｘの生成が抑制される。
【００７２】
ここで、燃焼器ライナ２２の頭部の水素燃料噴射部６０から水素燃料Ｆ２を噴出する場合、水素燃料噴射部６０から水素燃料Ｆ２を噴出しない場合に比べて、予混合ダクト４０に供給される炭化水素燃料Ｆ１の流量は減少する。その一方で、予混合ダクト４０に流入する空気ＡＲの流量は、いずれの場合も同じである。そのため、水素燃料噴射部６０から水素燃料Ｆ２を噴出する場合、水素燃料噴射部６０から水素燃料Ｆ２を噴出しない場合に比べて、予混合ダクト４０内の予混合気の燃料濃度は減少する。燃料濃度が減少して予混合気が希薄になり過ぎると、不完全燃焼となることがある。
【００７３】
本実施の形態では、予混合ダクト４０の出口開口４２から排出される予混合気が希薄になり過ぎたときでも、上記したように出口開口４２の外周に水素燃料Ｆ２の拡散火炎を形成することで、燃焼反応を促進させ、予混合気を完全燃焼させることができる。
【００７４】
そこで、本実施の形態において予混合気が希薄な状態に設定されるのは、例えば、水素燃料噴射部８０を備えた予混合ダクト４０とすることが好ましい。すなわち、水素燃料噴射部８０を備えていない予混合ダクト４０においては、メイン燃料噴射部５０から供給される炭化水素燃料Ｆ１の流量を調整して、予混合気が過度に希薄になることを抑制することが好ましい。
【００７５】
また、前述したように、例えば、燃焼室２３に導入される炭化水素燃料Ｆ１と水素燃料Ｆ２との体積割合は、例えば、水素燃料Ｆ２を最大６０〜７０％程度である。例えば、燃焼器の容量（ガスタービンの出力）によっては、水素燃料噴射口６１のサイズや数などが制限される。そのため、燃焼器ライナ２２の頭部の水素燃料噴射部６０からのみ水素燃料Ｆ２を噴出することが困難となることがある。そこで、本実施の形態のように、予混合ダクト４０の出口開口４２の外周に水素燃料噴射部８０を備えることで、燃焼器ライナ２２の頭部以外からも、水素燃料Ｆ２を燃焼室２３に導入することができる。
【００７６】
上記したように、第３の実施の形態の燃焼器１２においては、予混合ダクト４０の出口開口４２の外周に水素燃料噴射口８１を備えることで、予混合ダクト４０の出口開口４２から排出される予混合気が希薄になり過ぎたときでも、完全燃焼させることができる。
【００７７】
また、出口開口４２の外周に水素燃料Ｆ２の拡散火炎を形成することで、二酸化炭素の排出量を削減することができる。また、水素燃料噴射部８０を備える予混合ダクト４０を限定することで、水素燃料噴射部８０における水素燃料Ｆ２の拡散火炎によって生成されるＮＯｘの排出量を抑制することができる。
【００７８】
なお、第３の実施の形態の燃焼器１２においては、水素燃料噴射部６０を備えることで、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００７９】
ここで、第３の実施の形態の燃焼器１２の構成は、上記した構成に限られるものではない。図５は、第３の実施の形態において、他の構成を備える燃焼器１２の断面を示す図である。図５に示された断面は、出口開口４２の外周に水素燃料噴射口８１を備えた予混合ダクト４０の断面、および出口開口４２の外周に水素燃料噴射口８１を備えない予混合ダクト４０の断面の双方を含むように示したものである。なお、双方の断面は、同一平面上の断面ではなく、燃焼器ライナ２２の中心軸を中心に周方向に所定の角度（例えば、４５度）ずれた断面である。
【００８０】
図５に示すように、複数の予混合ダクト４０のうち、水素燃料噴射部８０を備える予混合ダクト４０の出口開口４２の軸方向位置と、水素燃料噴射部８０を備えない予混合ダクト４０の出口開口４２の軸方向位置とを異ならせてもよい。例えば、図５に示すように、水素燃料噴射部８０を備える予混合ダクト４０の出口開口４２の軸方向位置を、水素燃料噴射部８０を備えない予混合ダクト４０の出口開口４２の軸方向位置よりも下流側としてもよい。
【００８１】
さらに、例えば、周方向に一つ置きに交互に、水素燃料噴射部８０を備える予混合ダクト４０と水素燃料噴射部８０を備えない予混合ダクト４０とを配置してもよい。この場合、周方向に一つ置きに交互に、出口開口４２の軸方向位置が異なる構成となる。
【００８２】
このように構成することで、燃焼室２３における軸方向の発熱位置を変化させることができる。これによって、上記した作用効果に加えて、燃焼室２３で発生する圧力変動と熱発生の共鳴を抑制することができる。
【００８３】
また、第３の実施の形態の燃焼器１２の構成に、第２の実施の形態の燃焼器１１の構成である水蒸気噴射部７０を備えてもよい。この水蒸気噴射部７０を備えることで、第２の実施の形態における作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
【００８４】
（第４の実施の形態）
図６は、第４の実施の形態の燃焼器１３の断面を示す図である。第４の実施の形態の燃焼器１３は、多孔水素燃料噴射部９０を備えた以外は、第１の実施の形態の燃焼器１０の構成と同じである。そのため、ここでは、この異なる構成について主に説明する。
【００８５】
多孔水素燃料噴射部９０は、図６に示すように、水素燃料噴射口９１と、水素配管９２と、拡散部９３とを備える。
【００８６】
水素燃料噴射口９１は、予混合ダクト４０の出口開口４２よりも下流側における燃焼器ライナ２２に設けられている。水素燃料噴射口９１は、例えば、予混合ダクト４０に周方向に亘って形成された複数の連通孔で構成される。この水素燃料噴射口９１は、予混合ダクト４０の軸方向にも所定の幅に亘って設けられている。この水素燃料噴射口９１は、燃焼室２３に水素燃料Ｆ２を噴射する。なお、水素燃料噴射口９１は、第３水素燃料噴射口として機能する。
【００８７】
拡散部９３は、水素配管９２からの水素を周方向に拡散させて水素燃料噴射口９１に導く。拡散部９３を構成する環状の筐体は、例えば、水素燃料噴射口９１を内部に囲うように、燃焼器ライナ２２の外側面に接続されている。
【００８８】
水素配管９２は、拡散部９３に接続されている。水素配管９２には、水素燃料供給機構（図示しない）から所定の流量の水素燃料Ｆ２が供給される。
【００８９】
水素燃料噴射口９１から噴射される水素燃料Ｆ２は、例えば、純水素である。なお、水素燃料噴射口９１から噴射される水素燃料Ｆ２は、例えば、可燃限界の過濃限界を超える水素濃度の空気との予混合気であってもよい。水素燃料噴射口９１から噴射される水素燃料Ｆ２は、純水素または過濃限界を超える水素と空気の予混合気であるため、例えば、水素燃料噴射口９１から拡散部９３内への火炎の逆化を防止できる。
【００９０】
水素燃料噴射口９１から燃焼室２３に噴射された水素燃料Ｆ２は、拡散火炎を形成するとともに、燃焼室２３で空気と混合されることで完全燃焼する。
【００９１】
ここで、水素燃料噴射口９１は、例えば直径が１ｍｍ以下の微小な連通孔を多数備えている。そのため、水素燃料噴射口９１から噴射された水素燃料Ｆ２は、周囲の空気と混合しやすい。また、水素燃料噴射口９１の下流に形成される火炎は小さいため、燃焼時間も短く、ＮＯｘの生成が抑制される。
【００９２】
上記したように、第４の実施の形態の燃焼器１３においては、水素燃料噴射部６０を備えることで、第１の実施の形態と同様の効果が得られるとともに、水素燃料噴射口９１を複数の小孔で構成することで、圧力変動に対する水素燃料Ｆ２の流量変動などを抑制することができる。また、水素燃料噴射口９１を複数の小孔で構成することで、燃焼室２３における圧力変動の発生も抑制することができる。
【００９３】
ここで、第４の実施の形態の燃焼器１３の構成は、上記した構成に限られるものではない。図７は、第４の実施の形態において、他の構成を備える燃焼器１３の断面を示す図である。
【００９４】
多孔水素燃料噴射部９０の水素燃料噴射口９１から、水素燃料Ｆ２と空気ＡＲとからなる予混合気を燃焼室２３に噴射してもよい。
【００９５】
多孔水素燃料噴射部９０は、図７に示すように、水素燃料噴射口９１と、水素配管９２と、予混合部１００とを備える。
【００９６】
予混合部１００は、空気ＡＲおよび水素配管９２からの水素燃料Ｆ２を周方向に拡散させて水素燃料噴射口９１に導く。予混合部１００を構成する環状の筐体は、図７に示すように、例えば、空気ＡＲが流れてくる方向（トランジションピース１５３側の方向）に、空気ＡＲを筐体の内部に導く環状の空気導入通路１０１と、空気ＡＲおよび水素燃料Ｆ２を拡散および混合して周方向に導く環状の予混合通路１０２とを備える。
【００９７】
空気導入通路１０１を構成するトランジションピース１５３側の端部は、開口し、空気通路２４に連通している。予混合通路１０２は、空気導入通路１０１よりも外周側に広がった空間を有している。空気導入通路１０１の予混合通路１０２側に、水素配管９２が接続されている。予混合通路１０２を構成する筐体の一部は、水素燃料噴射口９１を内部に囲うように、燃焼器ライナ２２の外側面に接続されている。
【００９８】
そして、予混合部１００において、空気導入通路１０１を予混合通路１０２に向かって流れる空気ＡＲに水素燃料Ｆ２が噴出される。空気ＡＲおよび水素燃料Ｆ２は、予混合通路１０２において均一に混合され予混合気となる。この予混合気は、例えば、可燃範囲の予混合気、すなわち、希薄限界以上、かつ過濃限界以下の燃料濃度の予混合気である。
【００９９】
水素燃料噴射口９１は、上記したように、予混合ダクト４０に周方向に亘って形成された複数の連通孔で構成される。さらに、これらの連通孔は、例えば、連通孔内を火炎が伝播可能な最小の孔径である消炎直径よりも小さな孔径に形成される。これによって、水素燃料噴射口９１から可燃範囲の予混合気が噴出されても、予混合通路１０２への逆火を防止できる。また、水素燃料噴射口９１を構成する各連通孔から噴出される予混合気の速度を、その予混合気おける燃焼速度よりも大きくすることで、予混合通路１０２への逆火を防止してもよい。
【０１００】
水素燃料噴射口９１から燃焼室２３に噴射された水素燃料Ｆ２は、予混合火炎を形成するとともに、燃焼室２３で完全燃焼する。
【０１０１】
このような図７に示した構成の燃焼器１３においても、図６に示した構成の燃焼器１３における作用効果と同様の作用効果を得ることができる。また、水素燃料噴射口９１から燃料希薄な予混合気を噴出することで、ＮＯｘの排出量を削減することができる。
【０１０２】
また、ここでは、水素燃料噴射口９１が、予混合ダクト４０に形成された複数の連通孔で構成される一例を示したが、この構成に限られるものではない。水素燃料噴射口９１を構成する部分を、例えば、耐熱多孔質体などで構成してもよい。
【０１０３】
なお、第４の実施の形態の燃焼器１３の構成を、第２の実施の形態の燃焼器１１または第３の実施の形態の燃焼器１２の構成に適用してもよい。この場合においても、第４の実施の形態と同様に、多孔水素燃料噴射部９０を備えることで得られる作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
【０１０４】
また、上記した各実施の形態では、複数の筒状の予混合ダクト４０を、燃焼器ライナ２２の外周の周方向に備えた一例を示したが、この構成に限られるものではない。例えば、予混合ダクトが周方向に繋がった環状の構成であってもよい。すなわち、予混合ダクト４０は、燃焼器ライナ２２と外筒２１との間に周方向に亘って設けられた、外管と内管とからなる二重管構造によって構成されてもよい。これによって、周方向に繋がった環状の予混合通路が形成される。
【０１０５】
このような予混合ダクトにおいては、出口開口４２は、例えば、燃焼器ライナ２２に周方向に亘って形成された複数のスリットなどで形成される。
【０１０６】
以上説明した実施形態によれば、安定した燃焼を維持しつつ、二酸化炭素およびＮＯｘの排出量を抑制することが可能となる。
【０１０７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１０８】
１０，１１，１２，１３…燃焼器、２０…ガスタービンケーシング、２１…外筒、２２…燃焼器ライナ、２２ａ…端壁、２３…燃焼室、２４…空気通路、２５…ヘッドプレート、２６…再循環領域、３０…パイロット燃料噴射部、３１…拡散燃焼用燃料噴射部、３２…予混燃焼用燃料噴射部、３３…燃料通路、３４…空気通路、３５ａ…空気導入口、３６、１０２…予混合通路、３７ａ、３７ｂ…スワーラ、３８…燃料噴出孔、３９…連通孔、４０…予混合ダクト、４１…入口開口、４２…出口開口、５０…メイン燃料噴射部、５１…燃料噴射口、６０，８０…水素燃料噴射部、６１，８１，９１…水素燃料噴射口、６２，８２，９２…水素配管、６３，７３，８３，９３…拡散部、７０…水蒸気噴射部、７１…水蒸気噴射口、７２…水蒸気配管、９０…多孔水素燃料噴射部、１００…予混合部、１０１…空気導入通路、１５０…ガスタービン、１５１…圧縮機、１５２…タービン、１５３…トランジションピース、１５３ａ…外筒、１５３ｂ…内筒。
【図１】
2016186387.tif 000003
【図２】
2016186387.tif 000004
【図３】
2016186387.tif 000005
【図４】
2016186387.tif 000006
【図５】
2016186387.tif 000007
【図６】
2016186387.tif 000008
【図７】
2016186387.tif 000009
【図８】
2016186387.tif 000010