(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器の前端部に１次燃料のバーナを有し、同燃焼器の前後中間部において、空気バイパス弁を具備した空気バイパス管の下流端開口を接続し、同空気バイパス管に２次燃料系を接続し、タービン負荷半ばの所定のタービン負荷以上では前記２次燃料系から２次燃料を供給し、同所定のタービン負荷未満では同２次燃料系からの２次燃料を停止するように構成した燃焼器を備えてなることを特徴とするガスタービン。
【請求項２】
燃焼器の前端部に１次燃料のバーナを有し、同燃焼器の前後中間部において、空気バイパス弁を具備した空気バイパス管の下流端開口と、同空気バイパス管とは別にバイパス空気を導入し２次燃料系を接続した第２段予混合気ノズルの下流端開口とを接続し、タービン負荷半ばの所定のタービン負荷以上では前記２次燃料系から２次燃料を供給し、同所定のタービン負荷未満では同２次燃料系からの２次燃料を停止するように構成した燃焼器を備えてなることを特徴とするガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、安定燃焼と低ＮＯｘ燃焼を可能とするガスタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６、図７にもとづき、従来のガスタービンの一例を説明する。図６はガスタービンの要部、特に燃焼器周辺の断面概要図であり、図７は図６のガスタービンにおけるガスタービン負荷に対する燃料流量、空気バイパス弁開度の説明図である。
【０００３】
図６において、０１はガスタービンの燃焼器であり、複数の燃焼器０１が図示しないガスタービンロータを囲んで設けられるものであり、図示しない調整装置を経て燃焼器０１の前端部のバーナ０２から供給された燃料０２ａを共に供給された燃焼用空気で燃焼し、燃焼器出口０３から燃焼ガスをガスタービンの作動ガスとして噴出する。
【０００４】
０４は空気バイパス管であり、その下流端開口０４ａが燃焼器０１の前後中間部に接続しており、バーナ０２をバイパスして燃焼器０１内に供給されるバイパス空気の流量を調整する空気バイパス弁０５を具備している。
【０００５】
バーナ０２からの燃料０２ａは燃焼器０１で燃焼し、燃焼器０１の概ね前半部に燃焼領域０６を形成するが、ガスタービン負荷が低い時には、燃料の量が少ないために、燃焼効率が低下する傾向がある。
【０００６】
そこで、図７に示すように、ガスタービン負荷が低く、燃料流量が少ない領域では空気バイパス弁０５を開くことにより、バーナ０２における燃焼用空気流量を下げ燃焼領域０６の火炎温度を高くして、燃焼効率を高く維持するようにしている。また、ガスタービン負荷が高くなり、燃料流量が増加するとともに空気バイパス弁０５を閉としてバーナ０２の燃焼用空気を増加させている。
【０００７】
従来、このようにしてガスタービンの燃焼器は燃焼効率を確保し、且つ燃焼領域の火炎温度の範囲を適切に維持して低ＮＯｘを達成してきているが、燃焼器の燃焼温度の更なる高温化を推進していくと、安定燃焼に必要な十分な空気がなくなり、火炎温度が高くなるとともに、火炎長が短くなり、振動燃焼を起こしやすくなるという問題があり、それがＮＯｘ発生を増加させるという問題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような従来のガスタービンにおける問題を解消し、燃焼効率が高く、安定燃焼と低ＮＯｘ化が可能なガスタービンを提供することを課題とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その第１の手段として、燃焼器の前端部に１次燃料のバーナを有し、同燃焼器の前後中間部において、空気バイパス弁を具備した空気バイパス管の下流端開口を接続し、同空気バイパス管に２次燃料系を接続し、タービン負荷半ばの所定のタービン負荷以上では前記２次燃料系から２次燃料を供給し、同所定のタービン負荷未満では同２次燃料系からの２次燃料を停止するように構成した燃焼器を備えてなることを特徴とするガスタービンを供給するものである。
【００１０】
上記の第１の手段によれば、タービン負荷半ばの所定のタービン負荷未満の低負荷時においては空気バイパス弁を開として第１段バーナによる火炎温度を高温化し燃焼効率を高く保てるとともに、前記所定のタービン負荷以上の高負荷時においては第１段バーナからの１次燃料による第１段燃焼領域のほかに、空気バイパス弁を通って供給されるバイパス空気中に、第２段燃料系からの２次燃料を供給し予混合気を形成して後、燃焼器の後半部に第２段燃焼領域を形成することにより、高負荷時の振動燃焼抑制、火炎温度の適切な維持、安定燃焼が得られ易くなる。
【００１１】
さらに、第１段バーナと第２段燃料系に供給する燃料比率を微調整することにより、燃料性状が変化しても、安定燃焼と火炎温度の適切な維持が可能となるので、低ＮＯｘで安定な燃焼が行える。
【００１２】
なお、空気バイパス弁、第２段燃料系はガスタービンケーシングに固定されるので振動等を起こしにくく強度的にも堅固な構造が得られる。
【００１３】
（２）第２の手段としては、燃焼器の前端部に１次燃料のバーナを有し、同燃焼器の前後中間部において、空気バイパス弁を具備した空気バイパス管の下流端開口と、同空気バイパス管とは別にバイパス空気を導入し２次燃料系を接続した第２段予混合気ノズルの下流端開口とを接続し、タービン負荷半ばの所定のタービン負荷以上では前記２次燃料系から２次燃料を供給し、同所定のタービン負荷未満では同２次燃料系からの２次燃料を停止するように構成した燃焼器を備えてなることを特徴とするガスタービンを供給するものである。
【００１４】
第２の手段によれば、上記第１の手段と同様の特徴を有する共に、さらに
空気バイパス管によるバイパス空気の供給位置と第２段予混合気ノズルの開口位置を別にそれぞれ適正位置に設定でき、相互の位置関係も適切に設定できるので、第１段燃焼領域と第２段燃焼領域とをより適切に形成でき、より安定な燃焼と、適切な火炎温度維持を図ることができるため、部分負荷時の不完全燃焼によるスモークや、不安定燃焼時や高温過ぎる燃焼により発生しやすいＮＯｘが低減される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１、図２にもとづき、本発明の実施の第１形態に係るガスタービンにつき説明する。図１は本実施の形態のガスタービンの要部、特に燃焼器周辺の断面概要図であり、図２は図１のガスタービンにおけるガスタービン負荷に対する燃料流量、空気バイパス弁開度の説明図である。
【００１６】
図１において、１は、図６で説明した従来の燃焼器０１と同じくガスタービンに設けられた燃焼器であり、図示しない調整装置を経て燃焼器１の前端部に設けられた第１段バーナ２から供給された１次燃料２ａをそれと共に供給された燃焼用空気により燃焼し、燃焼器出口３から燃焼ガスをガスタービンの作動ガスとして噴出する。
【００１７】
４は空気バイパス管であり、バイパス空気量を調整する空気バイパス弁５を具備し、空気バイパス弁５の下流側に図示しない調整装置を経た第２段燃料系７が接続し、空気バイパス管４の下流端開口４ａは燃焼器１の前後中間部である先端部から燃焼器１の長さの１／３以上後方、好ましくは略中央部に接続してる。
【００１８】
以上のような本実施の形態においては、第１段バーナ２からの１次燃料２ａは燃焼器１で燃焼し、燃焼器１の概ね前半部に第１段燃焼領域６を形成するが、ガスタービン負荷が低い時には、燃料の量が少ないために、燃焼効率が低下する傾向があり、図２に示すように、火炎温度を一定以上に維持するために空気バイパス弁５を開とし、第１段バーナ２における燃焼用空気流量を下げ第１段燃焼領域の火炎温度を高くし、燃焼効率を高く維持するようにしている。
【００１９】
しかし、ガスタービン負荷の上昇により１次燃料２ａの流量が増加するとともに、空気バイパス弁５を閉じて行き、第１段バーナ２の燃焼用空気を増加させて行く。
【００２０】
そして、タービン負荷半ばで所定のタービン負荷以上では、逆に空気バイパス弁５を開いて行くとともに図示しない調整装置を経た２次燃料７ａを第２段燃料系７から供給し、空気バイパス管４中のバイパス空気と予混合気を形成し、予混合気は燃焼器１内に送り込まれてその概ね後半部に第２段燃焼領域８を形成する。なお、ガスタービンの高負荷から低負荷へは上記の逆に操作される。
【００２１】
図１中に大略図示するように、燃焼器１の前半部で発熱があると振動燃焼を起こしやすく前半部は発振域であり、一方、燃焼器１の後半部で発熱があると振動燃焼を抑制する効果があり後半部は抑制域である。
【００２２】
従って、図２に示したように、本実施の形態の装置構成においてガスタービン負荷に応じて１次および２次燃料流量、空気バイパス弁開度を調整すると、以下のような作用効果を得ることができる。
【００２３】
（１）燃焼器１の前端部に設けた第１段バーナ２からの１次燃料２ａによる第１段燃焼領域６のほかに、空気バイパス弁５を通って供給されるバイパス空気中に、第２段燃料系７からの２次燃料７ａを供給し予混合気を形成して後、燃焼器１の後半部に第２段燃焼領域８を形成することにより、高負荷時における振動燃焼を抑制でき、火炎温度を適切に維持できる。
【００２４】
（２）各燃焼領域の燃焼負荷率が低くなり、安定燃焼が得られ易くなる。
【００２５】
（３）第１段バーナ２と第２段燃料系７に供給する燃料比率を微調整することにより、燃料性状が変化しても、安定燃焼と火炎温度の適切な維持が可能となり、低ＮＯｘで安定な燃焼が可能となる。
【００２６】
（４）また、空気バイパス弁５、第２段燃料系７はガスタービンケーシングに固定されるので振動等を起こしにくく強度的にも堅固な構造が得られるものとなる。
【００２７】
図３から図５にもとづき、本発明の実施の第２形態に係るガスタービンにつき説明する。図３は本実施の形態のガスタービンの要部、特に燃焼器周辺の断面概要図であり、図４は図３中Ａ−Ａ矢視による部分断面概要図、図５は図３のガスタービンにおけるガスタービン負荷に対する１次および２次燃料流量、空気バイパス弁開度の説明図である。
【００２８】
図３において、１１は図１と同じくガスタービンの燃焼器であり、図示しない調整装置を経て燃焼器１１の前端部の第１段バーナに供給された１次燃料１２ａを燃焼し、燃焼器出口１３から燃焼ガスをガスタービンの作動ガスとして噴出する。
【００２９】
図４に図３中のＡ−Ａ矢視による部分断面概要を示すように、１４は空気バイパス管であり、バイパス空気量を調整する空気バイパス弁１５を具備し、燃焼器１１の前後中間部である前端部から燃焼器１１の長さの１／３以上後方、好ましくは略中央部にその下流端開口１４ａを接続している。
【００３０】
また、空気バイパス管１４と別途並んでバイパス空気を導入する第２段予混合気ノズル１９が設けられ、その下流端開口１９ａが前記空気バイパス管１４の下流端開口１４ａとは別に燃焼器１１の前後中間部である前端部から燃焼器１１の長さの１／３以上後方で燃焼器１１に接続している。図示する本実施の形態では、第２段予混合気ノズル１９の下流端開口１９ａは、空気バイパス管１４の下流端開口１４ａよりも下流側で接続しているが、図示の位置関係に限定されるものではない。
【００３１】
第２段予混合気ノズル１９には第２段燃料系１７が接続し、図示しない調整装置を経て第２段燃料系１７から供給された２次燃料１７ａにより、第２段予混合気ノズル１９内で予混合気を形成するようになっている。
【００３２】
以上のような本実施の形態においては、第１段バーナ１２から１次燃料１２ａが燃焼器１１に供給されて、燃焼器１１の概ね前半部で第１段燃焼領域１６を形成するが、ガスタービン負荷が低い時には、燃料の量が少ないために、火炎温度が低下し燃焼効率が低下する傾向があり、火炎温度を一定以上に維持するために、図５に示すように、空気バイパス弁１５を開として第１段バーナ１２における燃焼用空気流量を下げ、第１段燃焼領域１６の火炎温度を高くして燃焼効率を高く維持するようにしている。
【００３３】
ガスタービン負荷の上昇により１次燃料１２ａの流量が増加するとともに、空気バイパス弁１５を閉じて行き、ガスタービン負荷半ばで全閉とした後、第２段燃料系１７から２次燃料１７ａを供給して第２段予混合気ノズル１９で予混合気を形成して燃焼器１１に供給しその後方、燃焼器１１の概ね後半部において第２段燃焼領域１８を形成する。なお、ガスタービンの高負荷から低負荷へは上記の逆に操作される。
【００３４】
従って、本実施の形態において以上のような操作を行なうことにより、前述の実施の第１形態と同様の効果を奏するほか、更に、空気バイパス管１４によるバイパス空気の供給位置を燃焼器１１の中央部など、適正位置に設け、第２段予混合気ノズル１９との位置の関係も適切に設定できるので、第１段燃焼領域１６と第２段燃焼領域１８とをより適切に形成でき、より安定な燃焼と、適切な火炎温度維持を図ることができるため、部分負荷時の不完全燃焼によるスモークや、不安定燃焼時や高温過ぎる燃焼により発生しやすいＮＯｘを低減することができる。
【００３５】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内でその具体的構造に種々の変更を加えてもよいことは言うまでもない。
【００３６】
【発明の効果】
（１）請求項１に記載の発明によれば、ガスタービンを、燃焼器の前端部に１次燃料のバーナを有し、同燃焼器の前後中間部において、空気バイパス弁を具備した空気バイパス管の下流端開口を接続し、同空気バイパス管に２次燃料系を接続し、タービン負荷半ばの所定のタービン負荷以上では前記２次燃料系から２次燃料を供給し、同所定のタービン負荷未満では同２次燃料系からの２次燃料を停止するように構成した燃焼器を備えてなるように構成したので、タービン負荷半ばの所定のタービン負荷未満の低負荷時においては空気バイパス弁を開として第１段バーナによる火炎温度を高温化し燃焼効率を高く保てるとともに、第１段バーナからの１次燃料による第１段燃焼領域のほかに、空気バイパス弁を通って供給されるバイパス空気中に、第２段燃料系からの２次燃料を供給し予混合気を形成して後、燃焼器の後半部に第２段燃焼領域を形成することにより、前記所定のタービン負荷以上の高負荷時においては高負荷時における振動燃焼を抑制でき、火炎温度を適切に維持でき、また、各燃焼領域の燃焼負荷率が低くなり、安定燃焼が得られ易くなる。
【００３７】
さらに、第１段バーナと第２段燃料系に供給する燃料比率を微調整することにより、燃料性状が変化しても、安定燃焼と火炎温度の適切な維持が可能となるので、低ＮＯｘで安定な燃焼が可能となるという効果を奏する。
【００３８】
また、空気バイパス弁、第２段燃料系はガスタービンケーシングに固定されるので振動等を起こしにくく強度的にも堅固な構造が得られるものである。
【００３９】
（２）請求項２に記載の発明によれば、ガスタービンを、燃焼器の前端部に１次燃料のバーナを有し、同燃焼器の前後中間部において、空気バイパス弁を具備した空気バイパス管の下流端開口と、同空気バイパス管とは別にバイパス空気を導入し２次燃料系を接続した第２段予混合気ノズルの下流端開口とを接続し、タービン負荷半ばの所定のタービン負荷以上では前記２次燃料系から２次燃料を供給し、同所定のタービン負荷未満では同２次燃料系からの２次燃料を停止するように構成した燃焼器を備えてなるように構成したので、上記の請求項１の発明と同様の効果を奏すると共に、さらに、空気バイパス管によるバイパス空気の供給位置と第２段予混合気ノズルの開口位置を別にそれぞれ適正位置に設定でき、相互の位置関係も適切に設定できるため、第１段燃焼領域と第２段燃焼領域とをより適切に形成でき、より安定な燃焼と、適切な火炎温度維持を図ることができ、部分負荷時の不完全燃焼によるスモークや、不安定燃焼時や高温過ぎる燃焼により発生しやすいＮＯｘを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の第１形態のガスタービンの要部、特に燃焼器周辺の断面概要図である。
【図２】図１のガスタービンにおけるガスタービン負荷に対する燃料流量、空気バイパス弁開度の説明図である。
【図３】本発明の実施の第２形態のガスタービンの要部、特に燃焼器周辺の断面概要図である。
【図４】図３中Ａ−Ａ矢視による部分断面概要図ある。
【図５】図３のガスタービンにおけるガスタービン負荷に対する１次および２次燃料流量、空気バイパス弁開度の説明図である。
【図６】従来のガスタービンの要部、特に燃焼器周辺の断面概要図である。
【図７】図６のガスタービンにおけるガスタービン負荷に対する燃料流量、空気バイパス弁開度の説明図である。
【符号の説明】
１、１１        燃焼器
２、１２        第１段バーナ
２ａ、１２ａ    １次燃料
３、１３        燃焼器出口
４、１４        空気バイパス管
４ａ、１４ａ    下流端開口
５、１５        空気バイパス弁
６、１６        第１段燃焼領域
７、１７        第２段燃料系
７ａ、１７ａ    ２次燃料
８、１８        第２段燃焼領域
１９            第２段予混合気ノズル
１９ａ          下流端開口
【図１】
0003758914.tif 000002
【図２】
0003758914.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003758914.tif 000005
【図５】
0003758914.tif 000006
【図６】
0003758914.tif 000007
【図７】
0003758914.tif 000008