JP4015656B2 - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン燃焼器に関するものであり、特に燃料のステージング方法に特徴のあるガスタービン燃焼器に関するものである。

従来のガスタービン燃焼器の概要について説明する。図１８は、従来よりのガスタービン燃焼器の概略構成を模式的に示す図であり、同図（ａ）は縦断面図、同図（ｂ）は下流側から見た図である。ガスタービン燃焼器は、同図に示すように、燃焼室としての内部空間を備えた尾筒１０と、予混合気を形成するための機構を備えた内筒２を有しており、内筒２の軸心位置には、パイロットコーン５に連通したパイロットノズル３が配置されている。パイロットノズル３の周辺部には、予混合器であるメインバーナ６に連通したメインノズル４が、本例では等角度間隔で８本配設されている。

加えて、パイロットノズル３先端付近外周でパイロットコーン５との間には、パイロットスワラ７が配設されており、またメインノズル４先端付近外周でメインバーナ６との間には、メインスワラ８が配設されている。なお、本例ではメインノズル４の側面でメインスワラ８の上流側に平板４ａを取り付け、その表面に燃料の噴出孔を設けた平板型ノズルを採用している。以上のようにして、燃焼器１が構成されている。

メインノズル４に供給される主燃料は、メインバーナ６において予混合気を形成する。一方、パイロットノズル３に供給されるパイロット燃料は、パイロットノズル３によりパイロット火炎（拡散火炎）を生成する。そして、予混合気は尾筒１０に噴射され、尾筒１０内でパイロット火炎により着火されて、尾筒１０内に予混合火炎を生成する。なお、尾筒１０の外周面よりケーシング側へとバイパスエルボ９が突設しており、その先端にはバイパス弁ＢＶが設けられている。

その他、メインノズル内での空気と燃料ガスとの半径方向の混合を均一化するとともに、パイロット燃焼室での拡散燃焼する量を減らして低ＮＯｘ化を向上するとしたガスタービン燃焼器が、特許文献１に開示されている。また、一部分が燃焼している状態においても燃焼効率が高く、ＮＯｘ生成の少ない予混合燃焼割合を多くすると同時にこの予混合気燃料濃度の低い場合にも安定燃焼し、かつ、広負荷帯で低ＮＯｘ燃焼が可能としたガスタービン燃焼装置が、特許文献２に開示されている。
特開平６−１３７５５９号公報 特開平８−１４５６５号公報

ガスタービン燃焼器は、従来より、部分負荷状態から１００％負荷状態の広い範囲で、安定且つ低環境負荷の燃焼が求められている。しかしながら、上述したような従来のガスタービン燃焼器においては、低ＮＯｘ化のため希薄予混合燃焼としているので、部分負荷時には低燃焼温度とするため燃料が相対的に希薄となり、未燃分が多く発生する。市場ニーズとしては、このような部分負荷時の未燃分低減も、重要なポイントとなっている。

そこで、このような燃料の未燃分を低減させるためには、パイロット燃料比を高くし、バイパス弁を開けるといった運転パラメータ設定にすることとなるが、燃料圧力によりパイロット燃料比の上限には限界があり、またバイパス弁のサイズにより燃焼領域における燃空比の上限にも限界がある。しかも、現行の運転モードは起動時から全てのメインノズル（上記従来例では８本）及びパイロットノズル（１本）に燃料を供給しているため、このままでは、未燃分を低減するには自ずと限界が生じることとなる。

また、従来の燃焼制御方式では、低負荷時には排気ガス性状の悪化や燃焼振動、更には燃焼器におけるメタル温度の上昇が生じる傾向にあり、これを改善させる必要がある。本発明は、このような問題点に鑑み、燃料のステージング方法を改善することにより、部分負荷時の未燃分を低減させて排気特性を向上させ、且つ安定に燃焼を行うことを可能としたガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、内筒の軸心位置に配置されたパイロットノズルと、該パイロットノズルの周辺に配設され外周に予混合器を備えた複数のメインノズルとを有し、該メインノズルから予混合気として前記内筒の下流にある燃焼室を形成する尾筒内に噴射された燃料が、該尾筒内で前記パイロットノズルにより生成した拡散火炎により着火されて、該尾筒内に予混合火炎を生成するようにしたガスタービン燃焼器において、起動時から所定の負荷割合までは前記複数のメインノズルのうち一部であり、前記内筒の軸心に対して非対称な位置かつ前記内筒に設けられるバイパスエルボから離れた位置に備えられる前記メインノズルで燃焼を行ない、前記所定の負荷割合以上では該複数のメインノズルの残部を加えて燃焼を行うようにするとともに、燃焼させる前記複数のメインノズルの切り替え時に、前記複数のメインノズル全体に供給される燃料の供給量を一定としたことを特徴とする。

また、前記所定の負荷割合以上では、負荷上昇に伴い前記残部のメインノズルを１本ずつ追加して燃焼を行うようにしたことを特徴とする。さらに、前記パイロットノズルに前記複数のメインノズル各々に対応するパイロット孔各々を設け、前記メインノズル各々で燃焼を行うことに対応して前記パイロット孔各々より燃料を噴射するようにしたことを特徴とする。

また、前記パイロットノズル側に燃料を供給するトップハット燃料ノズルを設けたことを特徴とする。さらに、前記複数のメインノズル各々に対応する前記トップハット燃料ノズル各々を設け、前記メインノズル各々で燃焼を行うことに対応して前記トップハット燃料ノズル各々より燃料を噴射するようにしたことを特徴とする。

その他、内筒の軸心位置に配置されたパイロットノズルと、該パイロットノズルの周辺に配設され外周に予混合器を備えた複数のメインノズルとを有し、該メインノズルから予混合気として前記内筒の下流にある燃焼室を形成する尾筒内に噴射された燃料が、該尾筒内で前記パイロットノズルにより生成した拡散火炎により着火されて、該尾筒内に予混合火炎を生成するようにしたガスタービン燃焼器において、前記パイロットノズルに装着された油噴射用ノズルをガス噴射用ノズルに交換可能としたことを特徴とする。

また、内筒の軸心位置に配置されたパイロットノズルと、該パイロットノズルの周辺に配設され外周に予混合器を備えた複数のメインノズルとを有し、該メインノズルから予混合気として前記内筒の下流にある燃焼室を形成する尾筒内に噴射された燃料が、該尾筒内で前記パイロットノズルにより生成した拡散火炎により着火されて、該尾筒内に予混合火炎を生成するようにしたガスタービン燃焼器において、前記パイロットノズルに装着された水アトマイズ用キャップをガス噴射用キャップに交換可能としたことを特徴とする。

また、内筒の軸心位置に配置されたパイロットノズルと、該パイロットノズルの周辺に配設され外周に予混合器を備えた複数のメインノズルとを有し、該メインノズルから予混合気として前記内筒の下流にある燃焼室を形成する尾筒内に噴射された燃料が、該尾筒内で前記パイロットノズルにより生成した拡散火炎により着火されて、該尾筒内に予混合火炎を生成するようにしたガスタービン燃焼器において、前記パイロットノズルの先端面に触媒コーティングを施したことを特徴とする。

本発明によれば、燃料のステージング方法を改善することにより、部分負荷時の未燃分を低減させて排気特性を向上させ、且つ安定に燃焼を行うことを可能としたガスタービン燃焼器を提供することができる。

具体的には、起動時から所定の負荷割合までは複数のメインノズルのうち一部で燃焼を行い、所定の負荷割合以上では複数のメインノズルの残部を加えて燃焼を行うようにしたことにより、低負荷時等の予混合気濃度を濃くして未燃分を低減させることができる。

また、所定の負荷割合以上では、負荷上昇に伴い残部のメインノズルを１本ずつ追加して燃焼を行うようにしたことにより、より効果的に燃焼を行い、未燃分を低減させることができる。

さらに、パイロットノズルに複数のメインノズル各々に対応するパイロット孔各々を設け、メインノズル各々で燃焼を行うことに対応してパイロット孔各々より燃料を噴射するようにしたことにより、より効果的に燃焼を行い、未燃分を低減させることができる。

また、パイロットノズル側に燃料を供給するトップハット燃料ノズルを設けたことにより、パイロット循環部へ燃料を多く投入することができ、これにより未燃分を低減させることが可能となる。

さらに、複数のメインノズル各々に対応するトップハット燃料ノズル各々を設け、メインノズル各々で燃焼を行うことに対応してトップハット燃料ノズル各々より燃料を噴射するようにしたことにより、より効果的に局所火炎温度を上昇させることができ、未燃分を低減することが可能となる。

その他、パイロットノズルに装着された油噴射用ノズルをガス噴射用ノズルに交換可能としたことにより、パイロットガス噴射量を多くしてパイロット燃料比を増加させ、拡散燃焼比率を高くして未燃分を低減させることが可能となる。

また、パイロットノズルに装着された水アトマイズ用キャップをガス噴射用キャップに交換可能としたことにより、パイロットガス噴射量を多くしてパイロット燃料比を増加させ、拡散燃焼比率を高くすることができるので、コストダウンを図りつつ未燃分を低減させることが可能となる。

また、パイロットノズルの先端面に触媒コーティングを施したことにより、油焚き時に発生するスモークを触媒コーティングの作用により燃焼させることで、未燃分の低減を図ることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、上記従来例と共通する部分には同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略する。

図１は、本発明の実施例１に係るガスタービン燃焼器を下流側から見た模式図である。同図では上記図１８に示した従来例と同様に、メインノズルが８本でパイロットノズルが１本の場合を例示している。これは、以下の各実施例においても同様である。同図において、各メインバーナ６に連通する上記メインノズル４（ここでは不図示）について、改めてバイパスエルボ９側から順に、左回りにＭ１〜Ｍ８の符号を付す。このとき、例えばバイパスエルボ９から離れた位置にある、斜線を施したＭ２〜Ｍ６の５本のみで低負荷帯域での燃焼を行い、部分負荷帯域では残りを加えてＭ１〜Ｍ８の８本全部で燃焼を行うように切り替える。但し、メイン燃料全体の供給量は変化させない。

図２は、本実施例における燃料のステージングを示すグラフである。ここでは横軸に負荷（％）を取っており、縦軸にメインノズル燃焼本数（本）を取っている。同図に示すように、一例として負荷２０〜２５％までの低負荷帯域においては、一部であるメインノズル５本で燃焼を行い、負荷２０〜２５％以上の部分負荷帯域においては、残部である３本を加えメインノズル８本に切り替えて燃焼を行う。

このように、低負荷帯域においてメインノズル５本で燃焼を行うことにより、予混合気濃度を濃くして未燃分を低減させている。また、燃焼器の中心軸に対して非対称な位置で燃焼を行うことにより、燃焼振動を抑制している。さらに、燃焼させない３本のメインノズル（本例ではＭ１，Ｍ７，Ｍ８）をバイパスエルボ９側に配置することで、バイパスエルボ９への燃焼ガス巻き込みを防止している。

なお、メインノズルを５本に限らず、１本，３本等で燃焼を行う構成としても、予混合気濃度が濃く、且つ中心軸に対して非対称な燃焼が成り立つが、例えばメタル温度上昇，フラッシュバック等の、他の不具合を抑制しつつ効果的な燃焼を行うという観点からすると、５本で燃焼を行う構成とすることが現状では最も現実的である。

また、上記メインスワラ８による予混合気の旋回方向が、図１において左回りとなっているので、バイパスエルボ９に最も近くて左右対称に位置するメインノズルであるＭ１，Ｍ８に加えて、右回り方向に隣接するＭ７を燃焼させない構成とすることにより、左旋回する燃焼ガスがバイパスエルボ９から離れた位置関係となり、バイパスエルボ９への燃焼ガス巻き込みがより確実に防止される。

その他、低負荷帯域で燃焼を行う各メインノズル（本実施例ではＭ２〜Ｍ６）に連通する各メインバーナ６に、例えばハニカム形状等の触媒層を設けることにより、低負荷帯域での燃焼が促進され、未燃分の低減をより確実に行うことが可能となる。

図３は、本発明の実施例２に係るガスタービン燃焼器を下流側から見た模式図である。本実施例では、上記実施例１の構成に加えて、パイロットノズル３先端周囲の複数個（同図では８個）あるパイロット孔３ａについても、メインノズル４の動作に応じてステージングする構成としている。

さて同図に示すように、パイロット孔３ａは、中心軸から見て各メインノズルの間に位置するように開けられている。そして、各パイロット孔３ａについて、改めてＭ１，Ｍ２間に位置するものから順に、左回りにＰ１〜Ｐ８の符号を付す。このとき、低負荷帯域で例えば斜線を施したＭ２〜Ｍ６の５本のメインノズルで燃焼を行っているときは、それに対応するＰ２〜Ｐ６の５個の孔（黒丸で示す）からのみ燃料を噴射する。そして、部分負荷帯域でＭ１〜Ｍ８の８本全部のメインノズルで燃焼を行うように切り替えてからは、それに対応するＰ１〜Ｐ８の８個全部の孔から燃料を噴射する。

図４は、本実施例における燃料のステージングを示すグラフである。同図（ａ）はメイン燃料のステージングを示しており、同図（ｂ）はパイロット燃料のステージングを示している。同図（ａ）では横軸に負荷（％）を取っており、縦軸にメインノズル燃焼本数（本）を取っている。また、同図（ｂ）では横軸に負荷（％）を取っており、縦軸にパイロット孔燃料噴射個数（個）を取っている。

同図（ａ）に示すように、負荷２０〜２５％までの低負荷帯域においては、Ｍ２〜Ｍ６のメインノズル５本で燃焼を行い、負荷２０〜２５％以上の部分負荷帯域においては、Ｍ１〜Ｍ８のメインノズル８本に切り替えて燃焼を行う。これに対応して、同図（ｂ）に示すように、負荷２０〜２５％までの低負荷帯域においては、Ｐ２〜Ｐ６の５個の孔からのみ燃料を噴射し、負荷２０〜２５％以上の部分負荷帯域においては、Ｐ１〜Ｐ８の８個全部の孔から燃料を噴射する。このように、低負荷帯域において燃焼を行うメインノズル５本に対応して、パイロット孔５個より燃料を噴射することにより、より効果的に燃焼を行い、未燃分を低減させることができる。

なお、各メインノズルＭ１〜Ｍ８に対応するパイロット孔Ｐ１〜Ｐ８は、それぞれ図３において左回りに少し（例えば２２．５°）ずれた位置関係となっているが、これは上記パイロットスワラ７によるパイロット燃焼ガスの旋回方向が、同図において右回りとなっているので、パイロット炎がこれに対応するメインノズルの下流側に位置しやすくなるようにして、燃焼が効果的に行われるようにするためである。但し、各メインノズルに対応するパイロット孔位置は、メインスワラ角度やパイロットスワラ角度、更には燃焼器構造等の変更に対応して、任意に変えることができる。

図５は、本発明の実施例３に係るガスタービン燃焼器を下流側から見た模式図である。本実施例では、上記実施例１の構成に対し、低負荷帯域での燃焼を行うメインノズルの配置を、或る程度分散させた構成としている。例えば同図（ａ）に斜線で示すように、低負荷帯域においてはＭ２〜Ｍ４，及びＭ６，Ｍ７のメインノズルで燃焼を行い、間のＭ５では燃焼を行わない構成とすることができる。或いは、同図（ｂ）に斜線で示すように、低負荷帯域においてはＭ２，Ｍ３，及びＭ５〜Ｍ７のメインノズルで燃焼を行い、間のＭ４では燃焼を行わない構成としても良い。なお、Ｍ１及びＭ８はバイパスエルボ９側であるので、燃焼ガス巻き込みを防止するため、同図（ａ），（ｂ）いずれの場合でも低負荷帯域において燃焼は行わない。

本実施例のように、低負荷帯域での燃焼を行うメインノズルが３本と２本とに分割された構成においては、実施例１のように５本のメインノズルが完全に隣接している構成よりも、燃焼効率が若干低下することが考えられる。具体的には、同図（ａ）ではＭ５付近で燃焼効率が低下し、同図（ｂ）ではＭ４付近で燃焼効率が低下する可能性がある。しかし、メインノズル８本全部で燃焼を行う場合よりは燃焼効率が改善されるとともに、実施例１の場合よりも燃焼ガス温度分布の周方向不均一が改善されるので有利である。

図６は、本発明の実施例４に係るガスタービン燃焼器を下流側から見た模式図である。本実施例では、上記実施例３の構成に加えて、実施例２の場合と同様にして、パイロット孔３ａについても、メインノズル４の動作に応じてステージングする構成としている。具体的には、低負荷帯域で例えば斜線を施したＭ２〜Ｍ４，及びＭ６，Ｍ７の５本のメインノズルで燃焼を行っているときは、それに対応するＰ２〜Ｐ４，及びＰ６，Ｐ７の５個の孔（黒丸で示す）からのみ燃料を噴射する。そして、部分負荷帯域でＭ１〜Ｍ８の８本全部のメインノズルで燃焼を行うように切り替えてからは、それに対応するＰ１〜Ｐ８の８個全部の孔から燃料を噴射する。

図７は、本実施例における燃料のステージングを示すグラフである。同図（ａ）はメイン燃料のステージングを示しており、同図（ｂ）はパイロット燃料のステージングを示している。同図（ａ）では横軸に負荷（％）を取っており、縦軸にメインノズル燃焼本数（本）を取っている。また、同図（ｂ）では横軸に負荷（％）を取っており、縦軸にパイロット孔燃料噴射個数（個）を取っている。

同図（ａ）に示すように、負荷２０〜２５％までの低負荷帯域においては、Ｍ２〜Ｍ４，及びＭ６，Ｍ７のメインノズル５本で燃焼を行い、負荷２０〜２５％以上の部分負荷帯域においては、Ｍ１〜Ｍ８のメインノズル８本に切り替えて燃焼を行う。これに対応して、同図（ｂ）に示すように、負荷２０〜２５％までの低負荷帯域においては、Ｐ２〜Ｐ４，及びＰ６，Ｐ７の５個の孔からのみ燃料を噴射し、負荷２０〜２５％以上の部分負荷帯域においては、Ｐ１〜Ｐ８の８個全部の孔から燃料を噴射する。

このように、低負荷帯域において燃焼を行うメインノズル５本に対応して、パイロット孔５個より燃料を噴射することにより、より効果的に燃焼を行い、未燃分を低減させることができる。なお、ここではメインノズルに関して上記図５（ａ）の構成に対応した例を示したが、図５（ｂ）の構成に対応する場合も同様であり、この場合、低負荷帯域においては、Ｐ２，Ｐ３，及びＰ５〜Ｐ７の５個の孔からのみ燃料を噴射し、部分負荷帯域においては、Ｐ１〜Ｐ８の８個全部の孔から燃料を噴射することとなる。

図８は、本発明の実施例５に係るガスタービン燃焼器を下流側から見た模式図である。本実施例では、上記実施例４の構成に加えて、低負荷帯域において燃焼を行っていないＭ５のメインノズルに対応するパイロット孔Ｐ５からも燃料を噴射する構成としている。具体的には、低負荷帯域において例えば斜線を施したＭ２〜Ｍ４，及びＭ６，Ｍ７の５本のメインノズルで燃焼を行っているときは、それに対応するＰ２〜Ｐ４，及びＰ６，Ｐ７と、これにＰ５を加えた６個の孔（黒丸で示す）から燃料を噴射する。

そして、部分負荷帯域でＭ１〜Ｍ８の８本全部のメインノズルで燃焼を行うように切り替えてからは、それに対応するＰ１〜Ｐ８の８個全部の孔から燃料を噴射する。この構成により、Ｍ４及びＭ６それぞれにおけるＭ５側の火炎の燃焼効率を高めることが可能となる。さらに、低負荷帯域において燃焼を行っていないＭ１，Ｍ８のメインノズルに対応するパイロット孔Ｐ１，Ｐ８からも燃料を噴射する構成とすれば、Ｍ２におけるＭ１側の火炎の燃焼効率、及びＭ７におけるＭ８側の火炎の燃焼効率も高めることが可能となる。

本実施例では、上記実施例１の構成に対して、起動時は図１で説明した場合と同様にしてＭ２〜Ｍ６の５本のみで燃焼を行い、続いて負荷上昇に伴いメインノズルを１本ずつ追加して行く構成としている。具体的には、当初より燃焼を行っているＭ２〜Ｍ６に隣接するメインノズルから順次燃料投入して行く。本実施例では例えばＭ１，Ｍ７，Ｍ８と燃料投入することになる。

図９は、本実施例における燃料のステージングを示すグラフである。ここでは横軸に負荷（％）を取っており、縦軸にメインノズル燃焼本数（本）を取っている。同図に示すように、起動時から所定の負荷割合まではＭ２〜Ｍ６のメインノズル５本で燃焼を行い、負荷上昇に伴いＭ１，Ｍ７，Ｍ８の順に燃焼を行うメインノズルを追加して行く。これにより、より効果的に燃焼を行い、未燃分を低減させることができる。

なお、Ｍ１とＭ７の順序を逆にしても構わない。しかし、Ｍ８は最後に追加する構成とすることが望ましい。これは、上記メインスワラ８による予混合気の旋回方向が、図１において左回りとなっているので、左旋回する燃焼ガスがバイパスエルボ９に最も近くなるメインノズルであるＭ８を最後に追加することにより、バイパスエルボ９への燃焼ガス巻き込みを可能な限り防止するためである。

本実施例では、上記実施例６の構成に加えて、上記実施例２の構成と同様にして、パイロットノズル先端周囲のパイロット孔についても、メインノズルの動作に応じてステージングする構成としている。但し、本実施例では、燃焼を行うメインノズルを追加していく場合に、まずパイロット孔を先に追加し、続いてそれに対応するメインノズルを追加するようにしている。

図１０は、本実施例における燃料のステージングを示すグラフである。同図（ａ）はメイン燃料のステージングを示しており、同図（ｂ）はパイロット燃料のステージングを示している。同図（ａ）では横軸に負荷（％）を取っており、縦軸にメインノズル燃焼本数（本）を取っている。また、同図（ｂ）では横軸に負荷（％）を取っており、縦軸にパイロット孔燃料噴射個数（個）を取っている。

同図（ａ）に示すように、起動時から所定の負荷割合まではＭ２〜Ｍ６のメインノズル５本で燃焼を行い、負荷上昇に伴いＭ１，Ｍ７，Ｍ８の順に燃焼を行うメインノズルを追加して行く。これに対応して、同図（ｂ）に示すように、起動時から所定の負荷割合まではＰ２〜Ｐ６の５個の孔からのみ燃料を噴射し、順次追加されるＭ１，Ｍ７，Ｍ８のメインノズルそれぞれに先立って、対応するＰ１，Ｐ７，Ｐ８の孔から順次燃料を噴射する。

これにより、メインノズル追加前にパイロットの火種を確実に形成しておくことで、メインノズル追加時の燃焼不安定等を抑制することができる。なお、各メインノズルの追加に対応してそれぞれパイロット孔から同時に燃料を噴射するようにしても良く、この場合でも本来の目的である燃料のステージングによる未燃分低減には効果がある。

図１１は、本発明の実施例８に係るガスタービン燃焼器を模式的に示す縦断面図である。同図に示すように、本実施例では、外筒１１とこれに同心状に囲まれた内筒２とを有しており、内筒２の軸心位置にはパイロットノズル３が配置されている。パイロットノズル３の周辺には、メインバーナ６に連通したメインノズル４が配設されており、また内筒２はその後端で尾筒１０に連絡している。

また、内筒２とこれを囲んだ外筒１１との間には、空気流路１２が形成されており、外筒１１の内周壁には現行のトップハット燃料ノズル２０が立設している。そして、この空気流路１２を経て供給される空気（白抜きの矢印で示す）に燃料を混合し、後流に形成される燃焼域に至る距離を十分に確保して、均一な燃料混合気を得るようにしている。なお、１７は外筒１１が突設する車室ケーシング、１８は内筒２を外筒１１に固定するストラットである。

本実施例では更に、同図に示すように、現行のトップハット燃料ノズル２０の空気流下流側に、これより短い第２のトップハット燃料ノズル２１を設け、ここから噴射される第２のトップハット燃料が、破線の矢印で示したように、空気流路１２から内筒２にかけて設けられたターニングベーン１９の外側を回って、パイロットノズル３側へ供給される構成としている。このトップハット燃料ノズル２１を使用することで、パイロット循環部へ燃料を多く投入することができ、これにより未燃分を低減させることが可能となる。

図１２は、本実施例における燃焼のスケジュールの一例を示すグラフである。同図では横軸に負荷（％）を取っており、縦軸に火炎温度を取っている。また、図中の曲線ａはメイン火炎温度を、曲線ｂはパイロット火炎温度を示している。同図に示すように、低負荷時には、パイロット燃料比及び上記第２のトップハット燃料比を適切に調整して、保炎及び未燃分低減に必要なパイロット火炎温度範囲を保ちつつ燃焼を行う。

そして、中間負荷（例えば５０％負荷程度）にて燃焼温度が比較的高くなったときには、通常の低ＮＯｘモード、即ちメインノズル，パイロットノズル，及び現行のトップハット燃料ノズルを使用するモードに切り替える。その後は負荷上昇に伴いパイロット火炎温度が急激に低下する一方、メイン火炎温度は徐々に上昇して行く。

本実施例では、第２のトップハット燃料ノズル２１を設ける代わりに、上記現行のトップハット燃料ノズル２０において、例えば内筒２内の外側及び内側でそれぞれ燃料を噴射する２系統の噴射孔（不図示）を設け、パイロット側へ燃料が流れる外側の噴射孔を別系統とする。そして、部分負荷時にこの外側の噴射孔から燃焼を噴射する構成とすることで、上記実施例８のように第２のトップハット燃料ノズルを設けた場合と同様の効果が得られ、しかも燃焼器の部品点数を減らしてコストダウンを図ることができる。

本実施例では、上記第２のトップハット燃料ノズル２１、或いは上記トップハット燃料ノズル２０の別系統を、上記Ｍ１〜Ｍ８のメインノズルに対応して、例えばＴ１〜Ｔ８として燃焼器周方向に配置する。そして、上記実施例１や実施例６等で示したメインノズルのステージングに合わせて、トップハット燃料ノズルもステージングを行う。これにより、より効果的に局所火炎温度を上昇させることができ、未燃分を低減することが可能となる。

図１３は、本実施例における燃料のステージングの一例を示すグラフである。同図（ａ）は実施例１で示したメイン燃料のステージングを示しており、同図（ｂ）はトップハット燃料のステージングを示している。同図（ａ）では横軸に負荷（％）を取っており、縦軸にメインノズル燃焼本数（本）を取っている。また、同図（ｂ）では横軸に負荷（％）を取っており、縦軸にトップハット燃料ノズル燃料噴射本数（本）を取っている。

同図（ａ）に示すように、負荷２０〜２５％までの低負荷帯域においては、Ｍ２〜Ｍ６のメインノズル５本で燃焼を行い、負荷２０〜２５％以上の部分負荷帯域においては、Ｍ１〜Ｍ８のメインノズル８本に切り替えて燃焼を行う。これに対応して、同図（ｂ）に示すように、負荷２０〜２５％までの低負荷帯域においては、Ｔ２〜Ｔ６の５本のノズルからのみ燃料を噴射し、負荷２０〜２５％以上の部分負荷帯域においては、Ｔ１〜Ｔ８の８本全部のノズルから燃料を噴射する。なお、Ｔ１〜Ｔ８のトップハット燃料ノズル各々は単数本に限らず複数本としても良い。

図１４は、本発明の実施例１１に係るガスタービン燃焼器の要部を模式的に示す縦断面図である。同図（ａ）は従来の構成を示しており、同図（ｂ）は本実施例の構成を示している。同図（ａ）に示すように、従来のパイロットノズル３は、ガス焚き／油焚きのデュアル対応用として、その中心部に油噴射用の油ノズル３ｂが装着された構成となっている。この場合、ガス燃料は実線の矢印で示すように油ノズル３ｂの周囲を通過し、パイロットノズル３先端周囲のパイロット孔３ａより噴射する。

本実施例では同図（ｂ）に示すように、この油ノズル３ｂの代わりにガス用ノズル３ｃを挿入し、その内部に破線の矢印で示すようにガス燃料を通過させ、先端の孔３ｃａより噴射させる。これにより、パイロットガス噴射量を多くしてパイロット燃料比を増加させ、拡散燃焼比率を高くして未燃分を低減させる構成としている。この構成は、主として負荷５０％以下の帯域で使用する。

図１５は、本実施例における燃焼のスケジュールの一例を示すグラフである。同図では横軸に負荷（％）を取っており、縦軸に火炎温度を取っている。また、図中の実線ａは従来のメイン火炎温度を、実線ｂは従来のパイロット火炎温度を示しており、また二点鎖線ｃは本実施例でのメイン火炎温度を、一点鎖線ｄは本実施例でのパイロット火炎温度を示している。

本実施例では同図に示すように、負荷５０％以下の帯域においては、上記構成により、メイン火炎温度は従来より低めに推移させ、パイロット火炎温度は従来より高めに推移させて、未燃分を低減させる構成となっている。そして、負荷５０％以上の帯域においては、未燃分は殆ど出ないため、上記ガス用ノズル３ｃは使用せず、従来と同じ火炎温度となるようにしている。

油焚きはその多くがガス焚きのバックアップ用であるため、実績上、ガスタービン運転の大半はガス焚きとなる。従って、普段はガス用ノズルを装着して運転し、油焚きが必要となった場合に油ノズルに換装して運転すると良い。

図１６は、本発明の実施例１２に係るガスタービン燃焼器のパイロットノズル先端部を模式的に示す縦断面図である。同図（ａ）は一例を示しており、同図（ｂ）は他例を示している。同図に示すように、本実施例では、上記実施例１１と同様にして、パイロットノズル３は、ガス焚き／油焚きのデュアル対応用として、その中心部に油ノズル３ｂが装着された構成となっている。この場合、ガス燃料は実線の矢印で示すように油ノズル３ｂの周囲を通過し、パイロットノズル３先端周囲のパイロット孔３ａより噴射する。

同図（ａ）に示すように、パイロットノズル３の中心部に装着された油ノズル３ｂは、従来からの構成として、中心部３ｂａと外周部３ｂｂとで構成された二重管となっている。そして、中心部３ｂａの先端には、油ノズルチップ１３が嵌着されており、外周部３ｂｂには、油ノズルチップ１３の先端外周縁部を覆いつつキャップ１４が装着されている。このとき、キャップ１４中心の開口１４ｂより油ノズルチップ１３の先端が覗いた状態となっている。このキャップ１４は、油焚き時には従来からの水アトマイズ用のものが装着され、ガス焚き時には本実施例における燃料ガス噴射用のものに交換される。

さて、油焚き時には、中心部３ｂａを通って一点鎖線の矢印のように供給されてきたパイロット油は、油ノズルチップ１３先端の孔１３ａより噴射される。また、外周部３ｂｂを通って破線の矢印のように供給されてきた水は、キャップ１４先端の孔１４ａより噴霧される。一方、ガス焚き時には、キャップ１４は上述したように燃料ガス噴射用のものに交換されており、外周部３ｂｂを通って破線の矢印のように燃料ガスが供給され、キャップ１４先端の孔１４ａより噴射される。この場合、孔１４ａは燃料ガス噴射用として、例えば水アトマイズ用より大きめに開けられている。なお、ガス焚き時にはパイロット油の供給は停止されている。

このように、本例では油ノズル先端のキャップを変更することのみにより、ガス焚き及び油焚きの両方に対応することができるとともに、ガス焚き時にはパイロットガス噴射量を多くしてパイロット燃料比を増加させ、拡散燃焼比率を高くすることができるので、コストダウンを図りつつ上記実施例１１と同様に未燃分を低減させることが可能となる。

さらに、同図（ｂ）に示すように、ガス焚き時に油ノズルチップ１３を取り外し、キャップ１４を他の燃料ガス噴射用のものに交換することもできる。この場合、キャップ１４は上記開口１４ｂを無くし、孔１４ａを更に大きくした構成となっている。そして、油ノズル３ｂの中心部３ｂａと外周部３ｂｂの両方を通って二点鎖線の矢印のように燃料ガスが供給され、キャップ１４先端の孔１４ａより噴射される。

同図（ａ）に示した構成では、キャップ１４先端の中心軸上に油ノズルチップ１３が位置するので、この部分のスペースがやや狭くなっている。そこで、同図（ｂ）に示したように油ノズルチップを取り外した構成とすることで、キャップ１４先端の孔１４ａを大きく加工することができ、燃料ガスを大量に噴射することが可能となる。このように、本例では油ノズル先端のキャップを変更し油ノズルチップを取り外すことのみにより、コストダウンを図りつつ上記実施例１１と同様に未燃分を低減させることが可能となる。

図１７は、本発明の実施例１３に係るガスタービン燃焼器のパイロットノズル先端部を模式的に示す縦断面図である。本実施例では、同図に示すように、パイロットノズル３の先端面に、触媒コーティングＣを施した構成としている。油焚き時に、パイロットノズル３の先端より矢印Ａで示すようにパイロット油が噴霧されたとき、パイロットノズル３の前方には矢印Ｂで示すように循環域ができるが、この部分にスモークが発生する。そこで、このスモークを上記触媒コーティングＣの作用により燃焼させることで、未燃分の低減を図ることが可能となる。

実施例１に係るガスタービン燃焼器を下流側から見た模式図。 実施例１における燃料のステージングを示すグラフ。 実施例２に係るガスタービン燃焼器を下流側から見た模式図。 実施例２における燃料のステージングを示すグラフ。 実施例３に係るガスタービン燃焼器を下流側から見た模式図。 実施例４に係るガスタービン燃焼器を下流側から見た模式図。 実施例４における燃料のステージングを示すグラフ。 実施例５に係るガスタービン燃焼器を下流側から見た模式図。 実施例６における燃料のステージングを示すグラフ。 実施例７における燃料のステージングを示すグラフ。 実施例８に係るガスタービン燃焼器を模式的に示す縦断面図。 実施例８における燃焼のスケジュールの一例を示すグラフ。 実施例１０における燃料のステージングの一例を示すグラフ。 実施例１１に係るガスタービン燃焼器の要部を模式的に示す縦断面図。 実施例１１における燃焼のスケジュールの一例を示すグラフ。 実施例１２に係るガスタービン燃焼器のパイロットノズル先端部を模式的に示す縦断面図。 実施例１３に係るガスタービン燃焼器のパイロットノズル先端部を模式的に示す縦断面図。 従来よりのガスタービン燃焼器の概略構成を模式的に示す図。

符号の説明

１ 燃焼器
２ 内筒
３ パイロットノズル
４ メインノズル
５ パイロットコーン
６ メインバーナ
７ パイロットスワラ
８ メインスワラ
９ バイパスエルボ
１０ 尾筒
１１ 外筒
１２ 空気流路
１３ 油ノズルチップ
１４ キャップ
１７ 車室ケーシング
１８ ストラット
１９ ターニングベーン
２０ 現行のトップハット燃料ノズル
２１ 第２のトップハット燃料ノズル
ＢＶ バイパス弁

Claims (10)

1. 内筒の軸心位置に配置されたパイロットノズルと、該パイロットノズルの周辺に配設され外周に予混合器を備えた複数のメインノズルとを有し、該メインノズルから予混合気として前記内筒の下流にある燃焼室を形成する尾筒内に噴射された燃料が、該尾筒内で前記パイロットノズルにより生成した拡散火炎により着火されて、該尾筒内に予混合火炎を生成するようにしたガスタービン燃焼器において、
   起動時から所定の負荷割合までは、前記複数のメインノズルの一部であり、前記内筒の軸心に対して非対称な位置かつ前記内筒に備えられるバイパスエルボから離れた位置の前記メインノズルで燃焼を行い、
   前記所定の負荷割合以上では、該複数のメインノズルの残部を加えて燃焼を行うとともに、
   燃焼させる前記複数のメインノズルの切り替え時に、前記複数のメインノズル全体に供給される燃料の供給量を一定としたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 前記所定の負荷割合までは、前記バイパスエルボに隣接する前記メインノズルと、該メインノズルと前記予混合気の旋回方向と逆方向に隣接する前記メインノズルと、を燃焼させないことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン燃焼器。
3. 前記所定の負荷割合までにおいて燃焼させる複数の前記メインノズルが、隣接しない前記メインノズルを含むことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン燃焼器。
4. 前記所定の負荷割合以上では、負荷上昇に伴い前記残部のメインノズルを１本ずつ追加して燃焼を行うようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のガスタービン燃焼器。
5. 前記パイロットノズルに前記複数のメインノズル各々に対応するパイロット孔各々を設け、前記メインノズル各々で燃焼を行うことに対応して前記パイロット孔各々より燃料を噴射するようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のガスタービン燃焼器。
6. 前記パイロットノズル側に燃料を供給するトップハット燃料ノズルを設けたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載のガスタービン燃焼器。
7. 前記複数のメインノズル各々に対応する前記トップハット燃料ノズル各々を設け、前記メインノズル各々で燃焼を行うことに対応して前記トップハット燃料ノズル各々より燃料を噴射するようにしたことを特徴とする請求項６に記載のガスタービン燃焼器。
8. 前記パイロットノズルに装着された油噴射用ノズルをガス噴射用ノズルに交換可能としたことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載のガスタービン燃焼器。
9. 前記パイロットノズルに装着された水アトマイズ用キャップをガス噴射用キャップに交換可能としたことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかにガスタービン燃焼器。
10. 前記パイロットノズルの先端面に触媒コーティングを施したことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載のガスタービン燃焼器。

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