JP7132096B2 - gas turbine combustor - Google Patents
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本発明は、ガスタービン燃焼器の構造に係り、特に、マルチクラスタバーナー構造のガスタービン燃焼器に適用して有効な技術に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to the structure of a gas turbine combustor, and more particularly to a technique effectively applied to a gas turbine combustor having a multi-cluster burner structure.
ガスタービンの高効率化には燃焼温度を高める必要があり、燃焼温度の高温化に対応して、ガスタービンを構成する高温部材の信頼性向上が求められている。 In order to improve the efficiency of gas turbines, it is necessary to increase the combustion temperature, and in response to the increase in combustion temperature, there is a demand for improving the reliability of high-temperature components that make up gas turbines.
また、燃焼温度が高まることにより、窒素酸化物、いわゆるサーマルNOxの発生量が指数関数的に増加するため、その対策が求められる。低NOx化を実現する技術としては、分散希薄燃焼が可能な多孔同軸噴流バーナー(マルチクラスタバーナー)構造の燃焼器が開発されている。マルチクラスタバーナーは、多数の空気孔を設けた空気孔プレートと、各空気孔と同軸に配置した燃料ノズルで構成され、孔内の数十mm程度の短距離で燃料と酸化剤である空気を急速に混合し、希薄予混合燃焼場を形成することでNOx排出量を低減している。 In addition, since the amount of nitrogen oxides, so-called thermal NOx, generated increases exponentially as the combustion temperature rises, countermeasures are required. As a technology for realizing low NOx, a combustor with a porous coaxial jet burner (multi-cluster burner) structure capable of distributed lean combustion has been developed. The multi-cluster burner consists of an air hole plate with a large number of air holes and a fuel nozzle arranged coaxially with each air hole. It mixes rapidly and creates a lean premixed combustion field to reduce NOx emissions.
本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献1のような技術がある。特許文献1には「複数の燃料ノズルと空気孔とを同心円状に配置して構成されたバーナを燃焼部に複数配置したマルチ噴射式ガスタービン燃焼器において、空気孔プレートの外周部に、空気孔プレートの外周面から内筒よりも外周側まで突出する壁部と、外筒及び燃料ヘッダに向かって凸形状に形成され、空気孔プレートの最外周の空気孔に弧状に繋がる曲部とを有するガイド部が設けることで、各空気孔に供給される空気流量の偏差を縮小させるガスタービン燃焼器」が開示されている。
As a background art of this technical field, there is a technique such as
上記のマルチクラスタバーナー構造の燃焼器では、後述するように、空気孔プレートの外周側に設けられた空気孔と内周側に設けられた空気孔のそれぞれに流入する燃焼空気量が異なる傾向にあり、それに起因して窒素酸化物(NOx)の排出量の増加や、空気孔プレートや内筒といった高温部品のメタル温度の局所的な上昇による燃焼器構成部品の寿命低下などの信頼性低下が懸念される。 In the combustor having the multi-cluster burner structure, as will be described later, the amount of combustion air flowing into the air holes provided on the outer peripheral side of the air hole plate and the air holes provided on the inner peripheral side tend to differ. As a result, there is an increase in nitrogen oxide (NOx) emissions, and localized increases in the metal temperature of high-temperature parts such as the air hole plate and inner cylinder reduce the life of combustor components and reduce reliability. Concerned.
そこで、本発明の目的は、マルチクラスタバーナー構造のガスタービン燃焼器において、空気孔プレートの外周側の空気孔と内周側の空気孔に供給される燃焼空気量を均一にすることで燃焼特性を向上させ、窒素酸化物(NOx)の排出量を低減しつつ、空気孔プレートや内筒などの高温部品の変形や損傷を防止可能な信頼性の高いガスタービン燃焼器を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a gas turbine combustor with a multi-cluster burner structure, in which the amount of combustion air supplied to the air holes on the outer peripheral side and the air holes on the inner peripheral side of the air hole plate is made uniform to achieve combustion characteristics. To provide a highly reliable gas turbine combustor capable of preventing deformation and damage of high-temperature parts such as an air hole plate and an inner cylinder while reducing nitrogen oxide (NOx) emissions. .
上記課題を解決するために、本発明は、ガスタービン燃焼器の燃焼室を構成する内筒と、前記内筒を内包する外筒と、前記内筒と前記外筒とで形成される環状流路を流れる燃焼空気の下流端に配置され、前記燃焼室内へ燃焼空気を導入する複数の空気孔が設けられた空気孔プレートと、前記複数の空気孔の上流側に位置し、前記燃焼室内へ燃料を噴出する複数の燃料ノズルと、前記環状流路を流れる燃焼空気の下流側に配置された偏流ベーンと、前記偏流ベーンよりも燃焼空気の上流側に配置されたリブと、を備え、前記偏流ベーンは、前記空気孔プレートの外周部近傍、かつ、前記外筒の内周側に配置され、前記リブは、前記内筒の外周側に配置されることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides an inner cylinder that forms a combustion chamber of a gas turbine combustor, an outer cylinder that encloses the inner cylinder, and an annular flow formed by the inner cylinder and the outer cylinder. an air hole plate disposed at the downstream end of the combustion air flowing through the passage and provided with a plurality of air holes for introducing the combustion air into the combustion chamber; a plurality of fuel nozzles for ejecting fuel; a drift vane disposed downstream of the combustion air flowing through the annular flow path; and a rib disposed upstream of the combustion air from the drift vane ; The drift vane is arranged near the outer circumference of the air hole plate and on the inner circumference of the outer cylinder, and the rib is arranged on the outer circumference of the inner cylinder .
本発明によれば、マルチクラスタバーナー構造のガスタービン燃焼器において、窒素酸化物(NOx)の排出量を低減しつつ、空気孔プレートや内筒などの高温部品の変形や損傷を防止可能な信頼性の高いガスタービン燃焼器を実現することができる。 According to the present invention, in a gas turbine combustor with a multi-cluster burner structure, it is possible to reduce the amount of nitrogen oxide (NOx) emissions while preventing deformation and damage to high-temperature parts such as air hole plates and inner cylinders. A highly efficient gas turbine combustor can be realized.
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明によって明らかにされる。 Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of the embodiments.
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each drawing, the same configurations are denoted by the same reference numerals, and detailed descriptions of overlapping portions are omitted.
先ず、図1から図4を参照して、本発明の適用対象となる一般的なガスタービン発電設備(ガスタービンプラント)について説明する。図1はガスタービン発電設備の概略構成を示す図である。図2は図1の燃焼器3の内部構成を示す拡大断面図であり、図3は燃焼器3の空気孔プレートを燃焼ガスの流れ方向の下流側から見た図である。また、図4は本発明の比較例として示す従来のガスタービン燃焼器における空気孔プレート33の外周部近傍の拡大断面図である。
First, a general gas turbine power generation facility (gas turbine plant) to which the present invention is applied will be described with reference to FIGS. 1 to 4. FIG. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of gas turbine power generation equipment. FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing the internal configuration of the
図1に示すガスタービン発電設備(ガスタービンプラント)は、主として、空気を圧縮して高圧の燃焼用空気を生成する圧縮機1と、この圧縮機1から導入される圧縮空気(燃焼空気)4と燃料を混合して燃焼させることで高温の燃焼ガス20を生成する燃焼器(ガスタービン燃焼器)3と、この燃焼器3で生成された燃焼ガス20が導入されて駆動するガスタービン2と、駆動軸によりガスタービン2と連結されてガスタービン2の駆動によって回転し発電する発電機23から構成されている。
The gas turbine power generation facility (gas turbine plant) shown in FIG. and a combustor (gas turbine combustor) 3 that generates high-
燃焼器3に燃料を供給する燃料供給システムは、油を含む燃料を供給する油燃料供給装置5と、水素(H2)を含むガス燃料を供給するガス燃料供給装置6と、濃度調整用のキャリアガスとして例えば窒素(N2)ガスを供給する窒素供給装置7を備えている。
The fuel supply system that supplies fuel to the
油を含む燃料は、油燃料供給装置5から油燃料配管8と油燃料流量調整弁9を介して燃焼器3へ供給される。水素(H2)を含むガス燃料は、ガス燃料供給装置6からガス燃料配管10を介して供給された後、パイロットバーナガス燃料流量調整弁13とパイロットバーナガス燃料配管11を介して燃焼器3へ供給される系統と、メインバーナガス燃料流量調整弁14とメインバーナガス燃料配管12を介して燃焼器3へ供給される系統に分岐されて燃焼器3へ供給される。
Fuel containing oil is supplied from the oil-
また、窒素(N2)ガスは、窒素供給装置7から窒素供給配管15を介して供給された後、パイロットバーナ窒素流量調整弁18とパイロットバーナ窒素供給配管16を介してパイロットバーナガス燃料配管11へ供給される系統と、メインバーナ窒素流量調整弁19とメインバーナ窒素供給配管17へ供給される系統に分岐されて各ガス燃料配管へ供給される。
Nitrogen (N 2 ) gas is supplied from the
ガスタービン2から排気された排気ガス21は、図示しない排熱回収ボイラや水回収装置で熱や水分が回収された後、煙突(煙室)22から大気中に放出される。
燃焼器(ガスタービン燃焼器)3は、図2に示すように、主として、圧縮機1から導入される圧縮空気(燃焼空気)4と油燃料供給装置5及びガス燃料供給装置6から供給される燃料を燃焼して高温の燃焼ガス20を生成するガスタービン燃焼器3の内筒26と、この内筒26の内部(燃焼室)で生成された高温の燃焼ガス20を内筒26からガスタービン2に導くための尾筒(トランジッションピース)25と、これらの内筒26及び尾筒(トランジッションピース)25を収納(内包)して、車室24に取り付けられる外筒27と、エンドカバー28などから構成されている。
Combustor (gas turbine combustor) 3, as shown in FIG. The
内筒26の上流側には、内筒26の内部(燃焼室)に圧縮空気(燃焼空気)4を導入する空気孔プレート33が配置され、内筒26と空気孔プレート33の間には圧縮空気(燃焼空気)4の漏れを防ぐためのシール部材36が配置されている。空気孔プレート33には圧縮空気(燃焼空気)4を導入するための多数の空気孔34が設けられている。
An
エンドカバー28には、メインガスマニホールド29,30及びパイロットガスマニホールド31が設けられている。メインガスマニホールド29,30にはメインバーナガス燃料配管12が接続されており、ガス燃料供給装置6から供給された水素(H2)を含むガス燃料が、メインガスマニホールド29,30へ供給される。
The
また、パイロットガスマニホールド31にはパイロットバーナガス燃料配管11が接続されており、ガス燃料供給装置6から供給された水素(H2)を含むガス燃料が、パイロットガスマニホールド31へ供給される。
A pilot burner
メインガスマニホールド29,30及びパイロットガスマニホールド31には、ガス燃料ノズル35が接続されており、ガス燃料ノズル35の反対側の端部は空気孔プレート33の各空気孔34内の上流側に配置されており、メインガスマニホールド29,30及びパイロットガスマニホールド31を介して供給されたガス燃料は、ガス燃料ノズル35から空気孔プレート33の各空気孔34内に噴出される。圧縮空気(燃焼空気)4は、空気孔34とガス燃料ノズル35の隙間から内筒26の内部(燃焼室)へ導入される。
A
エンドカバー28及び空気孔プレート33の軸中心位置には、油燃料ノズル37が配置されており、油燃料供給装置5から供給された油を含む燃料が油燃料ノズル37から内筒26の内部(燃焼室)に供給される。油燃料ノズル37から供給される油を含む燃料は通常、起動用油燃料として用いられる。
An
内筒26の内部(燃焼室)へ導入された圧縮空気(燃焼空気)4と燃料の混合気体は、点火栓32により点火されて燃焼する。
A mixed gas of compressed air (combustion air) 4 and fuel introduced into the interior (combustion chamber) of the
本実施例の燃焼器3は、図3に示すように、複数のガス燃料ノズル35と空気孔34が同心円状に配置されて構成されたバーナを内筒26の内部(燃焼室)に複数配置したいわゆるマルチ噴射式ガスタービン燃焼器である。空気孔プレート33の中心に燃焼器3と同軸に配設された1つのバーナ(パイロットバーナ)38と、パイロットバーナ38の周囲に配設された6つのバーナ(メインバーナ)39A~39Fを備えている。つまり、本実施例では、燃焼器3は7つのバーナを備えたマルチバーナ構造で構成されている。パイロットバーナ38及びメインバーナ39A~39Fは、空気孔プレート33を共用している。
In the
パイロットバーナ38の中心部には油燃料ノズル37が配置されており、油燃料ノズル37に接続された油燃料配管8から油を含む燃料が供給され、内筒26の内部(燃焼室)に供給される。油燃料ノズル37の周囲には、同心円状に複数のガス燃料ノズル35及び複数の空気孔34が配置されており、複数のガス燃料ノズル35に接続されたパイロットバーナガス燃料配管11から水素(H2)を含むガス燃料が、複数の空気孔34から導入された圧縮空気(燃焼空気)4と混合されて、内筒26の内部(燃焼室)に供給される。
An oil-
メインバーナ39A~39Fの各々は、ガス燃料ノズル35及び空気孔34が同心円状に複数の環状列(図3では3列)で配置されており、各ガス燃料ノズル35に接続されたメインバーナガス燃料配管12から水素(H2)を含むガス燃料が供給され、内筒26の内部(燃焼室)に供給される。
Each of the
図4を用いて、従来のガスタービン燃焼器における課題を詳しく説明する。ガスタービン燃焼器では、図4に示すように、圧縮機1から供給された圧縮空気(燃焼空気)4は内筒26と外筒27で形成される環状流路を空気孔プレート33に形成された空気孔34に向かって流下する。
Problems in a conventional gas turbine combustor will be described in detail with reference to FIG. In the gas turbine combustor, as shown in FIG. 4, the compressed air (combustion air) 4 supplied from the
環状流路内の燃焼空気4aは、エンドカバー28の領域で空気孔プレート33の空気孔34に流入するため流方向を大きく変更する必要があるが、空気孔プレート33の外周側に形成された空気孔34aには燃焼空気4aの慣性力の影響で、そのコーナ部に剥離渦などが形成される場合があり、空気孔プレート33の外周側に形成された空気孔34に流入する空気流量が低下する場合がある。
The
各空気孔34には、燃料マニホールド(メインガスマニホールド29)を介してガス燃料ノズル35から例えば天然ガスや水素(H2)を含む可燃性ガスが空気孔34に供給されるが、ガス燃料ノズル35から供給されるガス燃料のガス流量はガス燃料ノズル35の位置によらず、ほぼ均等に各ガス燃料ノズル35に供給される。
Combustible gas including, for example, natural gas or hydrogen (H 2 ) is supplied to each
このため、流入する空気流量の少ない空気孔プレート33の例えば、外周側の空気孔34a内に形成される燃料ガスと燃焼空気の混合濃度は、流入する空気流量が多い、空気孔プレート33の内周側空気孔34bに比べて高くなる。
For this reason, the mixture density of the fuel gas and combustion air formed in the
空気孔34内部の燃料濃度が高くなると、その下流に形成される燃焼火炎の局所温度が高温となり、窒素酸化物(NOx)の排出量が大量に増加することになる。
When the fuel concentration inside the
また、燃焼ガス温度が上昇するため、燃焼器3を構成する空気孔プレート33や内筒26などのメタル温度が局所的に増加し、燃焼器構成部品の寿命低下など信頼性を低下させることが考えられる。
In addition, since the temperature of the combustion gas rises, the temperature of metals such as the
さらに、流入する空気流量の少ない空気孔34aは、空気流速が流速4b,4cのように流速4d~4fに比べ低下すると共に燃料濃度が増加するため、空気孔34内部に火炎が逆流する現象を発生しやすくなり、火炎の逆流によって空気孔プレート33の信頼性が損なわれる場合がある。
Further, in the
このため、各空気孔34に流入する空気流量は各空気孔で均一になることが燃焼器の信頼性を保持しつつ環境負荷を低減する低NOx燃焼を実現する上で必要となる。 Therefore, it is necessary to make the flow rate of air flowing into each air hole uniform in each air hole in order to realize low NOx combustion that reduces the environmental load while maintaining the reliability of the combustor.
次に、図5から図6Bを参照して、本発明の実施例1の燃焼器(ガスタービン燃焼器)について説明する。図5は本実施例の燃焼器3における空気孔プレート33の外周部近傍を示す拡大断面図である。図6Aは図5における偏流ベーン40の配置を示す図であり、図6Bは図6Aにおけるサポート41のA-A’方向矢視図である。
Next, a combustor (gas turbine combustor) according to Example 1 of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 to 6B. FIG. 5 is an enlarged sectional view showing the vicinity of the outer peripheral portion of the
本実施例では、内筒26と外筒27で形成される環状流路43に、外筒27の内周側から延びる周方向に複数配置されたサポート41に、内筒26の軸方向に伸びると共に、環状流路43を内周側流路と外周側流路に分割する部材である偏流(偏向)ベーン40を設置すると共に、偏流(偏向)ベーン40の上流側に内筒26の径方向外周側に延びるリブ42が、偏流(偏向)ベーン40と軸方向に間隙を形成して配置されている。
In this embodiment, in an
つまり、本実施例のガスタービン燃焼器は、ガスタービン燃焼器の燃焼室47を構成する内筒26と、内筒26を内包する外筒27と、内筒26と外筒27とで形成される環状流路43を流れる燃焼空気4の下流端に配置され、燃焼室47内へ燃焼空気4を導入する複数の空気孔34が設けられた空気孔プレート33と、複数の空気孔34の上流側に配置されて、燃焼室47内へ燃料を噴出する複数のガス燃料ノズル35と、環状流路43を流れる燃焼空気4の下流側に配置された偏流(偏向)ベーン40と、偏流(偏向)ベーン40よりも燃焼空気4の上流側に配置されたリブ42を備えている。
In other words, the gas turbine combustor of this embodiment is formed of an
偏流(偏向)ベーン40は、空気孔プレート33の外周部近傍に配置されている。また、偏流(偏向)ベーン40は、外筒27の内周側に配置され、リブ42は内筒26の外周側に配置されている。図6Aに示すように、偏流(偏向)ベーン40は、複数のサポート41により外筒27に固定されている。
A drift (deflection)
内筒26と外筒27で形成された環状流路43を流下する圧縮空気(燃焼空気)4は、リブ42によってその流れ方向が燃焼空気4-1のように偏向し、偏流(偏向)ベーン40と外筒27で形成される環状流路44に流入する流れと、偏流(偏向)ベーン40とリブ42の軸方向間隙から流入した燃焼空気4-2に分かれる。燃焼空気4-1と燃焼空気4-2のそれぞれの空気配分は、偏流(偏向)ベーン40、サポート41、リブ42の構造仕様および偏流(偏向)ベーン40とリブ42の軸方向間隙などから設定することが可能である。
Compressed air (combustion air) 4 flowing down an
本実施例では、燃焼空気4-2の流量より燃焼空気4-1の流量が多い場合の例について説明する。リブ42により径方向外周側に流れ方向を変更された燃焼空気4-1は、外筒27の内周壁近傍を流れ、エンドカバー28と空気孔プレート33で形成される流路46に流入する。
In this embodiment, an example in which the flow rate of the combustion air 4-1 is greater than that of the combustion air 4-2 will be described. The combustion air 4-1 whose flow direction is changed radially outward by the
流路46では流路(環状流路)44を流下した流れ4aと流路(環状流路)45を流下した流れ4-2aが合流する形になるが、流路46と内筒26の内部(燃焼室)47(正確には各空気孔34の出入口)との圧力差で燃焼空気4aは流れ4a-1,4a-2,4a-3に分流し、各空気孔34に流入する。
In the
上記で説明した図4の従来構造では、燃焼空気4aの主流成分が内筒26に近い領域を流れる傾向があり、内筒26の上流端部では燃焼空気の流速が速く、内筒26の上流端部で空気孔34に流入するため燃焼空気の流れ方向が偏流するが、外周側の空気孔34aの位置に相当する空気孔プレート33の外周側には剥離渦が発生しやすい傾向になり、空気孔プレート33の外周側の空気孔34aに流入する空気流量が低下する恐れがあった。
4 described above, the main component of the
しかしながら、本実施例では流路(環状流路)44を流れる燃焼空気流4aの主流成分が空気孔プレート33の外周側から径方向外側に位置するため、燃焼空気4aから分流した4a-1の流れは、燃焼空気4aの慣性力に逆らって空気孔34aに流入しやすくなる。
However, in the present embodiment, since the main component of the
この結果、各空気孔34に流入する空気流量4b~4fは、ほぼ同様(均一)な流量とすることが可能となる。
As a result, the
各空気孔34に流入する空気流量4b~4fがほぼ同様(均一)になると、各空気孔34の上流側に配置されているガス燃料ノズル35から供給される燃料ガス流量はほぼ同様(均一)に供給されるため、各空気孔34における燃料と空気の混合濃度が均一となり、燃焼火炎の温度分布も均一化して局所的に高い領域がなくなり、窒素酸化物(NOx)の発生量を抑制でき、空気孔プレート33や内筒26のメタル温度が局所的に上昇せず当該部品の寿命低下を抑制可能となる。
When the
また、各空気孔34から燃焼室(内筒の内部)47へ噴出する混合気の噴出速度もほぼ同様(均一)となり、噴出速度が低下する空気孔がなくなるため、空気孔からの混合気噴出速度低下に伴う空気孔34への火炎の逆流現象を抑制でき、空気孔プレート33の寿命低下を抑制することが可能となる。
In addition, the jet speed of the air-fuel mixture jetted from each
さらに、燃焼空気4、燃料ガスに含まれる可燃性物質により、空気孔34内部で火炎が発生した場合でも、空気孔内部の混合気流速が低下している空気孔がないため、空気孔34内部で発生した火炎は空気孔34外部に流下し、空気孔34内部に停滞しなくなるため、空気孔プレート33の寿命低下を抑制することが可能となる。
Furthermore, even if a flame is generated inside the
一方、内筒26と偏流(偏向)ベーン40で形成される流路(環状流路)45に流入した燃焼空気4-2は、流路45の断面積と流路45に流入する燃焼空気4-2の流量により燃焼空気4-2aの流速を制御することが可能となり、空気孔プレート33の外周側と内筒26の入口端に配置したシール部材36部に燃焼空気4-2aを供給することが可能となり、シール部材36の冷却用として空気を供給することが可能となる。
On the other hand, the combustion air 4-2 that has flowed into the flow path (annular flow path) 45 formed by the
また、本実施例では、燃焼空気4の流れを偏流(偏向)させる目的で内筒26にリブ42を設置しているが、内筒26にリブ42を設置することで円筒状の内筒26の強度を増加させる効果も期待できる。
In this embodiment, the
なお、図6A及び図6Bに示すように、周方向に複数個配置されるサポート41はサポート41により燃焼空気4(4-1)の流れに大きな乱れを発生させないような流線形状とするのがより好ましい。
As shown in FIGS. 6A and 6B, a plurality of
図7は偏流(偏向)ベーン40を内筒26側に設置した例であり、図5の変形例に相当する。図5では偏流(偏向)ベーン40及びサポート41を外筒27の内周側に設けているのに対し、図7では内筒26の外周側に設けている。つまり、偏流(偏向)ベーン40およびリブ42は共に、内筒26の外周側に配置されている。そして、偏流(偏向)ベーン40は、複数のサポート41により内筒26に固定されている。
FIG. 7 shows an example in which a drift (deflection)
図7のように偏流(偏向)ベーン40、サポート41、リブ42を内筒26側に設置した場合であっても、偏流(偏向)ベーン40、サポート41、リブ42の構造仕様および偏流(偏向)ベーン40とリブ42の軸方向間隙などを適宜設定することにより、燃焼空気4-1と燃焼空気4-2のそれぞれの空気配分を設定することが可能である。
Even if the drift (deflection)
以上説明したように、本実施例のガスタービン燃焼器によれば、空気孔プレートの外周側の空気孔と内周側の空気孔に供給される燃焼空気量を均一にすることで燃焼特性を向上させ、窒素酸化物(NOx)の排出量を低減しつつ、空気孔プレートや内筒などの高温部品の変形や損傷を防止することができる。 As described above, according to the gas turbine combustor of this embodiment, the combustion characteristics are improved by equalizing the amount of combustion air supplied to the air holes on the outer peripheral side and the air holes on the inner peripheral side of the air hole plate. It is possible to prevent deformation and damage to high-temperature parts such as air hole plates and inner cylinders while reducing nitrogen oxide (NOx) emissions.
また、実施例1では燃料ガスとして水素を含む燃料ガスを対象に、パイロットバーナに油燃料を燃焼する油燃料ノズルを設置したバーナに主眼をおいて説明したが、マルチクラスタバーナーは水素を含まない燃料ガスに対しても低NOx安定燃焼が可能なため、油燃料ノズルのない燃焼器に、本発明を適用しても実施例で説明した作用、効果は得られるものと考える。 In addition, in the first embodiment, the fuel gas containing hydrogen is targeted, and the main focus is on the burner in which the pilot burner is provided with an oil fuel nozzle for burning oil fuel. However, the multi-cluster burner does not contain hydrogen. Since low NOx stable combustion is possible even for fuel gas, even if the present invention is applied to a combustor without oil fuel nozzles, the actions and effects described in the embodiments can be obtained.
図8を参照して、本発明の実施例2の燃焼器(ガスタービン燃焼器)について説明する。図8は本実施例の燃焼器3における空気孔プレート33の外周部近傍を示す拡大断面図である。
A combustor (gas turbine combustor) according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 is an enlarged sectional view showing the vicinity of the outer peripheral portion of the
本実施例では、内筒26と外筒27で形成される環状流路43に、圧縮空気(燃焼空気)4の流れ方向を偏向させる偏流(偏向)ベーン48を設置すると共に、偏流(偏向)ベーン48の上流側に内筒26の径方向外周側に延びるリブ49を偏流(偏向)ベーン48と軸方向に間隙を形成して配置し、内筒26の上流端(燃焼空気4の下流端)には空気流を偏向させるターンベーン50を配置し、さらに外筒27とエンドカバー28の接合部に形成されるコーナ部に燃焼空気を偏向するスペーサー51を配置している。
In this embodiment, an
ターンベーン50は、偏流(偏向)ベーン48よりも燃焼空気4の下流側で、かつ、内筒26の外周側に配置されている。
The turn vanes 50 are arranged on the downstream side of the
本実施例は、環状流路43に配置した偏流(偏向)ベーン48が、内筒26に対して燃焼空気4-1が環状流路43の外周側に偏向するように傾斜角αを設けて設置されており、内筒26に設置したリブ49も傾斜を設けて設置した例である。
In this embodiment, the
図8に示すように、偏流(偏向)ベーン48が傾斜して設置されているため、流路(環状流路)44を流れる燃焼空気4aの主流成分が、実施例1に比べてより外筒27の内壁側に近い領域を流下するため、空気孔プレート33の外周側に配置される空気孔34aに対し空気が流入しやすくなる。
As shown in FIG. 8, since the drift (deflection)
偏流(偏向)ベーン48の傾斜角αを制御することで、各空気孔34に流入する燃焼空気流量を制御することが可能となり、燃焼器3を設計、開発するための裕度が拡大する。例えば、偏向する燃焼空気流量の増減に伴い、該当する位置の空気孔34の孔径を変更することが可能となる。空気孔34の孔径の仕様により空気孔から噴出する混合気体の流量や噴出速度、その方向を選択する自由度が拡大するため、窒素酸化物(NOx)を抑制する燃焼方法や、空気孔プレート33、内筒26のメタル温度の制御に対し有効になる。
By controlling the inclination angle α of the drift (deflection)
また、本実施例では内筒26の上流端(燃焼空気4の下流端)に空気流を偏向させるターンベーン50を設置してあるため、流路(環状流路)45を流下する空気流4-2は流路(環状流路)45に流入する空気流量で空気流4-2aの流速が決まるので、ターンベーン50によって偏向しやすい空気流速を偏流(偏向)ベーン48とリブ49の間隙で制御できる。例えば、図8のように、リブ49を燃焼空気4の下流側に傾斜して配置することで、偏流(偏向)ベーン48とリブ49の間隙を制御する。
Further, in this embodiment, since the turn vanes 50 for deflecting the air flow are installed at the upstream end of the inner cylinder 26 (the downstream end of the combustion air 4), the air flow 4- 2, since the flow rate of the air flow 4-2a is determined by the flow rate of the air flowing into the flow path (annular flow path) 45, the flow velocity of the air that is easily deflected by the turn vanes 50 can be controlled by the gap between the
また、空気流4-2aの流速とターンベーン50の構造により、内筒26と空気孔プレート33の接続部に設置したシール部材36に適切に空気を流入させることができるため、シール部材36や空気孔出口部の内筒26の内面の冷却を効率よく実施することが可能となる。
In addition, due to the flow velocity of the air flow 4-2a and the structure of the turn vanes 50, air can be appropriately introduced into the
さらに、本実施例では、空気孔プレート33よりも燃焼空気4の下流側に配置され、外筒27に連結されたエンドカバー28を備え、外筒27とエンドカバー28の接合部に燃焼空気4を偏向するスペーサー51が配置されている。外筒27とエンドカバー28の接合部に形成さるコーナ部に燃焼空気を偏向するスペーサー51を配置しているため、流路(環状流路)44を流下した空気流4aはスペーサー51の壁面に沿って流れ、コーナ部に発生し易い渦流などの発生を抑制することができ、圧力損失の増加を防止することが考えられる。
Furthermore, in this embodiment, an
図9は傾斜角αを設けずに偏流(偏向)ベーン40を設置した例であり、図8の変形例に相当する。図8では偏流(偏向)ベーン48が傾斜角αを有して設置されているのに対し、図9では偏流(偏向)ベーン40を内筒26及び外筒27と略平行に設置している。図9のように、傾斜角αを設けずに偏流(偏向)ベーン40を設置した場合であっても、偏流(偏向)ベーン40、サポート41、リブ42の構造仕様および偏流(偏向)ベーン40とリブ42の軸方向間隙などを適宜設定することにより、燃焼空気4-1と燃焼空気4-2のそれぞれの空気配分を設定することが可能である。
FIG. 9 shows an example in which the drift (deflection)
以上説明したように、本実施例のガスタービン燃焼器によれば、偏流(偏向)ベーン48、リブ49、ターンベーン50、スペーサー51を配置することにより、空気孔プレート33の各空気孔34に流入する空気流量を各空気孔の位置で制御することができるため、燃焼器3に要求される性能に応じて空気流量配分を制御することで、低NOx燃焼と安定燃焼を両立することが可能となる。
As described above, according to the gas turbine combustor of this embodiment, by arranging the
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 In addition, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications. For example, the above-described embodiments have been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the described configurations. In addition, it is possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. Moreover, it is possible to add, delete, or replace a part of the configuration of each embodiment with another configuration.
1…圧縮機
2…ガスタービン
3…燃焼器(ガスタービン燃焼器)
4,4a…圧縮空気(燃焼空気)
5…油燃料供給装置
6…ガス燃料供給装置
7…窒素供給装置
8…油燃料配管
9…油燃料流量調整弁
10…ガス燃料配管
11…パイロットバーナガス燃料配管
12…メインバーナガス燃料配管
13…パイロットバーナガス燃料流量調整弁
14…メインバーナガス燃料流量調整弁
15…窒素供給配管
16…パイロットバーナ窒素供給配管
17…メインバーナ窒素供給配管
18…パイロットバーナ窒素流量調整弁
19…メインバーナ窒素流量調整弁
20…燃焼ガス
21…排気ガス
22…煙突(煙室)
23…発電機
24…車室
25…尾筒
26…内筒
27…外筒
28…エンドカバー
29,30…メインガスマニホールド
31…パイロットガスマニホールド
32…点火栓
33…空気孔プレート
34,34a,34b…空気孔
35…ガス燃料ノズル
36…シール部材
37…油燃料ノズル
38…パイロットバーナ
39A~39F…メインバーナ
40,48…偏流(偏向)ベーン
41…サポート
42,49…リブ
43…環状流路
44,45,46…流路
47…燃焼室(内筒の内部)
50…ターンベーン
51…スペーサー
DESCRIPTION OF
4, 4a Compressed air (combustion air)
5 Oil fuel supply device 6 Gas
DESCRIPTION OF
50...
Claims (7)
前記内筒を内包する外筒と、
前記内筒と前記外筒とで形成される環状流路を流れる燃焼空気の下流端に配置され、前記燃焼室内へ燃焼空気を導入する複数の空気孔が設けられた空気孔プレートと、
前記複数の空気孔の上流側に位置し、前記燃焼室内へ燃料を噴出する複数の燃料ノズルと、
前記環状流路を流れる燃焼空気の下流側に配置された偏流ベーンと、
前記偏流ベーンよりも燃焼空気の上流側に配置されたリブと、
を備え、
前記偏流ベーンは、前記空気孔プレートの外周部近傍、かつ、前記外筒の内周側に配置され、
前記リブは、前記内筒の外周側に配置されることを特徴とするガスタービン燃焼器。 an inner cylinder forming a combustion chamber of a gas turbine combustor;
an outer cylinder enclosing the inner cylinder;
an air hole plate disposed at the downstream end of the combustion air flowing through the annular flow path formed by the inner cylinder and the outer cylinder, and provided with a plurality of air holes for introducing the combustion air into the combustion chamber;
a plurality of fuel nozzles located upstream of the plurality of air holes and ejecting fuel into the combustion chamber;
a drift vane disposed downstream of the combustion air flowing through the annular flow path;
a rib arranged upstream of the combustion air from the drift vane;
with
The drift vane is arranged near the outer periphery of the air hole plate and on the inner periphery of the outer cylinder,
A gas turbine combustor , wherein the rib is arranged on the outer peripheral side of the inner cylinder .
前記偏流ベーンは、複数のサポートにより前記外筒に固定されることを特徴とするガスタービン燃焼器。 A gas turbine combustor according to claim 1 , comprising:
A gas turbine combustor, wherein the drift vanes are fixed to the outer cylinder by a plurality of supports.
前記サポートは、流線形状であることを特徴とするガスタービン燃焼器。 A gas turbine combustor according to claim 2 ,
A gas turbine combustor, wherein the support has a streamlined shape.
前記内筒を内包する外筒と、
前記内筒と前記外筒とで形成される環状流路を流れる燃焼空気の下流端に配置され、前記燃焼室内へ燃焼空気を導入する複数の空気孔が設けられた空気孔プレートと、
前記複数の空気孔の上流側に位置し、前記燃焼室内へ燃料を噴出する複数の燃料ノズルと、
前記環状流路を流れる燃焼空気の下流側に配置された偏流ベーンと、
前記偏流ベーンよりも燃焼空気の上流側に配置されたリブと、
を備え、
前記偏流ベーンは、前記空気孔プレートの外周部近傍、かつ、前記内筒の外周側に配置されるとともに、複数の流線形状のサポートにより前記内筒に固定され、
前記リブは、前記内筒の外周側に配置されることを特徴とするガスタービン燃焼器。 an inner cylinder forming a combustion chamber of a gas turbine combustor;
an outer cylinder enclosing the inner cylinder;
an air hole plate disposed at the downstream end of the combustion air flowing through the annular flow path formed by the inner cylinder and the outer cylinder, and provided with a plurality of air holes for introducing the combustion air into the combustion chamber;
a plurality of fuel nozzles located upstream of the plurality of air holes and ejecting fuel into the combustion chamber;
a drift vane disposed downstream of the combustion air flowing through the annular flow path;
a rib arranged upstream of the combustion air from the drift vane;
with
The drift vanes are arranged near the outer periphery of the air hole plate and on the outer periphery side of the inner cylinder, and are fixed to the inner cylinder by a plurality of streamlined supports,
A gas turbine combustor , wherein the rib is arranged on the outer peripheral side of the inner cylinder .
前記内筒を内包する外筒と、
前記内筒と前記外筒とで形成される環状流路を流れる燃焼空気の下流端に配置され、前記燃焼室内へ燃焼空気を導入する複数の空気孔が設けられた空気孔プレートと、
前記複数の空気孔の上流側に位置し、前記燃焼室内へ燃料を噴出する複数の燃料ノズルと、
前記環状流路を流れる燃焼空気の下流側に配置された偏流ベーンと、
前記偏流ベーンよりも燃焼空気の上流側に配置されたリブと、
を備え、
前記偏流ベーンよりも燃焼空気の下流側で、かつ、前記内筒の外周側に配置されたターンベーンを備え、
前記偏流ベーンは、前記環状流路を流れる燃焼空気が当該環状流路の外周側に偏向するように傾斜角を有して配置されることを特徴とするガスタービン燃焼器。 an inner cylinder forming a combustion chamber of a gas turbine combustor;
an outer cylinder enclosing the inner cylinder;
an air hole plate disposed at the downstream end of the combustion air flowing through the annular flow path formed by the inner cylinder and the outer cylinder, and provided with a plurality of air holes for introducing the combustion air into the combustion chamber;
a plurality of fuel nozzles located upstream of the plurality of air holes and ejecting fuel into the combustion chamber;
a drift vane disposed downstream of the combustion air flowing through the annular flow path;
a rib arranged upstream of the combustion air from the drift vane;
with
A turn vane is arranged downstream of the drift vane in the combustion air and on the outer peripheral side of the inner cylinder ,
A gas turbine combustor according to claim 1, wherein the drift vanes are arranged at an inclination angle so that the combustion air flowing through the annular flow path is deflected toward the outer circumference of the annular flow path .
前記空気孔プレートよりも燃焼空気の下流側に配置され、前記外筒に連結されたエンドカバーを備え、
前記外筒と前記エンドカバーの接合部に燃焼空気を偏向するスペーサーが配置されることを特徴とするガスタービン燃焼器。 A gas turbine combustor according to claim 5 ,
an end cover arranged downstream of the combustion air from the air hole plate and connected to the outer cylinder;
A gas turbine combustor, wherein a spacer for deflecting combustion air is arranged at a junction between the outer cylinder and the end cover.
前記リブは燃焼空気の下流側に傾斜して配置されることを特徴とするガスタービン燃焼器。 A gas turbine combustor according to claim 6 ,
A gas turbine combustor, wherein the ribs are arranged at an angle downstream of the combustion air.
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