JP7489759B2

JP7489759B2 - 燃焼器及びガスタービン

Info

Publication number: JP7489759B2
Application number: JP2018217340A
Authority: JP
Inventors: 宣夫八木; 聡百々; 充博苅宿
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2018-11-20
Filing date: 2018-11-20
Publication date: 2024-05-24
Anticipated expiration: 2038-11-20
Also published as: US11378276B2; US20200158020A1; CN111197766A; JP2020085284A; DE102019217830A1; CN111197766B

Description

本発明は、複数のキャビティ（マニホールド空間）を備えた多段燃焼式の燃焼器及びこれを備えたガスタービンに関する。

低ＮＯｘ型のガスタービンとして、予混合燃焼バーナを備えた多段燃焼式の燃焼器が採用される場合がある。このような多段燃焼方式の燃焼器では、順次着火される予混合燃焼用ノズルにそれぞれ燃料を供給する燃料配管が、対応するキャビティ（マニホールド空間）を介して燃料母管に接続している（特許文献１等）。

特開平８－１３５９１０号公報

多段燃焼方式を採用すると燃料系統毎にキャビティが必要であり、更にキャビティを各燃料ノズルに接続する燃料配管や、燃料母管を各キャビティに分岐する配管等が必要となり、燃料系統が複雑で大型化する傾向にある。また配管経路が長く燃料の排熱ロスが大きい。

本発明の目的は、複数のキャビティ（マニホールド空間）の配置効率を向上させ、燃料の排熱ロスを低減することができる多段燃焼方式の燃焼器及びこれを備えたガスタービンを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、内部に燃焼室を形成する燃焼器ライナ、前記燃焼器ライナの外周を覆い前記燃焼器ライナとの間に圧縮空気を導く環状流路を構成する外筒、空気と混合前の燃料を噴射する複数の燃料ノズル、及び複数の前記燃料ノズルに燃料を分配するマニホールドを備えた多段燃焼方式の燃焼器において、前記マニホールドが、前記燃焼器ライナの中心軸上に配置されており、前記外筒に連結され、前記外筒の前記環状流路を流れる圧縮空気の流れ方向下流側端部を塞ぐように設置されたケーシングと、前記燃焼器ライナの中心軸方向に並べて前記ケーシングに組み入れられた複数の隔壁とを備え、前記複数の隔壁により隔てられた複数のキャビティが、前記ケーシングの内部に前記燃焼器ライナの中心軸方向に積層して形成され、それぞれ対応する複数の前記燃料ノズルに接続しており、一のキャビティと対応する前記燃料ノズルとを接続する燃料通路が、前記燃焼室側に突出するように、対応する前記隔壁に接合されて他のキャビティを貫通している。

本発明によれば、複数のマニホールドの配置効率を向上させ、燃料の排熱ロスを低減することができる。

本発明に係る燃焼器を適用するガスタービンの一構成例を表す図本発明に係る燃焼器を適用するガスタービンに備えられた燃焼器の一構成例を表す部分断面図図２の燃焼器を燃焼室側から見た図本発明の第１実施形態に係る燃焼器に備えられたマニホールドの構造を表す断面図であり、図３中のIV－IV線による断面図本発明の第２実施形態に係る燃焼器に備えられたマニホールドの構造を表す断面図であり、図４に対応する図本発明の第３実施形態に係る燃焼器に備えられたマニホールドの構造を表す断面図であり、図４に対応する図

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

（第１実施形態）
－ガスタービン－
図１は本発明に係る燃焼器を適用するガスタービンの一構成例を表す図である。図１に示したガスタービンは単軸のガスタービンであるが、いわゆる二軸式ガスタービンにも本発明は適用可能である。

図１に示したガスタービン１００は、圧縮機１、燃焼器２及びタービン３を備えている。圧縮機１とタービン３は、シャフト（不図示）により相互に連結されている。圧縮機１はタービン３により回転駆動され、吸気部５を介して吸い込まれた空気６を圧縮して高圧の圧縮空気を生成し燃焼器２に供給する。燃焼器２は圧縮機１から供給された圧縮空気と燃料とを混合して燃焼し、高温の燃焼ガス７を生成してタービン３に供給する。タービン３は、燃焼器２から供給された燃焼ガス７により駆動される。タービン３又は圧縮機１には、発電機やポンプ等の負荷機器（不図示）が連結される。負荷機器としてタービン３に発電機が連結されると、タービン３の回転動力から圧縮機１を駆動するための動力を差し引いた動力が発電機で電力に変換される。タービン３を駆動した燃焼ガス７は、タービン排気として大気に放出される。

－燃焼器－
図２は本発明に係る燃焼器を適用するガスタービンに備えられた燃焼器の一構成例を表す部分断面図、図３は図２の燃焼器を燃焼室側から見た図である。

燃焼器２は多段燃焼方式のものであってガスタービンのケーシング４（図１）の内部に挿入されており、燃焼器ライナ１０、外筒２０、バーナ３０及びマニホールド４０を備えている。

燃焼器ライナ１０は内部に燃焼室１１を形成する円筒状の部材であり、バーナ３０に対して燃料噴射方向の下流側（図２中の右側）に位置している。燃焼器ライナ１０で画定される内側の空間が燃焼室１１であり、バーナ３０から供給される燃料が空気と共に燃焼室１１で燃焼し燃焼ガス７が発生する。

外筒２０は燃焼器ライナ１０の外周を覆っており、燃焼器ライナ１０との間に形成された環状の空間は、圧縮機１からバーナ３０の上流側に圧縮空気Ａ２を導く環状流路２１を構成している。環状流路２１に流入した圧縮空気Ａ２は燃焼器ライナ１０を対流冷却する。また、環状流路２１を流れる圧縮空気Ａ２の一部は、燃焼器ライナ１０の外周部に設けられた多数の冷却孔（不図示）から燃焼器ライナ１０の内部へ流入し、燃焼器ライナ１０のフィルム冷却に使用される。冷却孔に流入しなかった残りの圧縮空気Ａ２は環状流路２１を通ってバーナ３０に供給される。バーナ３０に供給された圧縮空気Ａ２は、マニホールド４０から分配されて拡散燃焼用の燃料ノズル３１ａ（図３）又は予混合燃焼用の燃料ノズル３２ａ－３２ｃ（図４）から噴射された燃料と混合して、上記の通り燃焼室１１で燃焼する。

－バーナ－
バーナ３０は、拡散バーナ３１及び予混合バーナ３２を備えている。拡散バーナ３１は拡散燃焼方式のバーナであり、燃料ノズル３１ａと旋回器３１ｂを備えている。燃料ノズル３１ａは燃焼器２の中心軸上に配置されており、先端（図１中の右端）に燃料噴孔を備えていて、燃料噴孔から燃焼室１１に（図１中の右方向に）燃料を直接噴射する。旋回器３１ｂは燃料ノズル３１ａの先端付近の外周を囲むようにして設けられており、旋回空気流を噴射することで拡散バーナ３１の燃焼安定性を高めている。

予混合バーナ３２は予混合燃焼方式のバーナであり、内筒３２ｄ、外筒３２ｅ、複数の隔壁（予混合器ベーン）３２ｇ、複数の燃料ノズル３２ａ－３２ｃ（図４）を備えている。内筒３２ｄ及び外筒３２ｅは予混合器を形成する円筒状の部材であり、内筒３２ｄは拡散バーナ３１の外周を覆い、外筒３２ｅは更に内筒３２ｄの外周を覆っている。内筒３２ｄ及び外筒３２ｅの間に形成された円筒状の空間は環状流路２１に接続している。複数（本例では１６枚）の隔壁３２ｇは、内筒３２ｄ及び外筒３２ｅの間の円筒状の空間を複数（本例では１６個）の予混合室３２ｆに隔てている。予混合室３２ｆは燃料と空気が混ざり合う空間である。予混合室３２ｆの出口部分（予混合バーナ３２に対して燃焼室１１側）にはリング型の保炎器３３が備わっている。保炎器３３は下流（燃焼室１１）に循環流を形成するために予混合気の流路に障害物として設けた物理保炎方式の保炎器である。隔壁３２ｇは本例ではプレートで形成されており、燃焼室１１から見て放射状に配置されている。燃料ノズル３２ａは各予混合室３２ｆに複数本（例えば２，３本）設けられている。燃料ノズル３２ａから噴射された燃料は予混合室３２ｆで圧縮空気Ａ２と混合された混合気となって燃焼室１１に（図１中の右方向に）噴出する。

－マニホールド－
図４は本発明の第１実施形態に係る燃焼器の要部構造を表す断面図であり、図３中のIV－IV線による断面図である。図４において予混合器（内筒３２ｄ、外筒３２ｅ及び隔壁３２ｇ）は図の煩雑防止のため図示省略してある。

マニホールド４０は、複数の燃料ノズル（燃料ノズル３１ａ，３２ａ－３２ｃのうち少なくとも予混合燃焼用の燃料ノズル３２ａ－３２ｃ）に燃料を分配する要素である。このマニホールド４０は、燃焼器ライナ１０、外筒２０、バーナ３０と共にケーシング４の燃焼器室４ａ（図１）に収容され、燃焼器ライナ１０の中心軸Ｃ上に配置されている（中心軸Ｃがマニホールド４０を通っている）。マニホールド４０は、ケーシング４１、複数（本実施形態では３枚）の隔壁４２－４４を備えている。

ケーシング４１は、マニホールドの外郭をなす部材であり、円筒状の外周面４１ａ、及び燃焼室１１に対向する端面４１ｂを含んで構成されている。外周面４１ａの燃焼室１１側の端部開口が端面４１ｂで塞がれた構成である。外周面４１ａの燃焼室１１と反対側の端部は開口している。このケーシング４１は例えば燃焼器２の外筒２０に連結され、これにより上記の通りマニホールド４０が燃焼器ライナ１０の中心軸Ｃ上に配置されている。ケーシング４１の端面４１ｂには多数の予混合燃焼用の燃料ノズル３２ａ－３２ｃが設けられている。本実施形態において燃料ノズル３２ａ－３２は端面４１ｂに設けた孔であるが、筒状の部材を燃焼室１１側に突出させた構造のノズルとしても良い。端面４１ｂは凹凸のない平板で構成されており、孔として燃料ノズル３２ａ－３２ｃはいずれも燃焼室１１に向かって（中心軸Ｃ方向に）開口している。

なお、本実施形態の燃焼器２は複数（本例では３つ）の燃料系統（不図示）を有し段階的にバーナの着火エリアを変化させられる多段燃焼方式であり、第１燃料系統（不図示）に接続するのが予混合燃焼用の燃料ノズル３２ａである。同様に第２燃料系統（不図示）に接続するのが予混合燃焼用の燃料ノズル３２ｂ、第３燃料系統（不図示）に接続するのが予混合燃焼用の燃料ノズル３２ｃである。拡散燃焼用の燃料ノズル３１ａ（図３）にも別途燃料系統が接続している。

燃料ノズル３２ａ－３２ｃはリング状に配列されている（図３において保炎器３３に隠れる配置である）。本実施形態では、燃料ノズル３２ｂ，３２ｃを周方向に交互に配置し、更に燃料ノズル３２ｂ，３２ｃの間に燃料ノズル３２ａを配置した構成を一例として示している。つまり、１つの予混合室３２ｆに燃料ノズル３２ａが配置され、隣の予混合室３２ｆには燃料ノズル３２ｂ、更に隣の予混合室３２ｆには燃料ノズル３２ａ、その更に隣の予混合室３２ｆには燃料ノズル３２ｃといった要領でレイアウトされている。各予混合室３２ｆに、燃料ノズル３２ａ，３２ｂ又は３２ｃのいずれかが複数（２，３個）配置されている。

隔壁４２－４４はマニホールド４０の内部で複数（本例では３つ）の環状のキャビティ（マニホールド空間）４５ａ－４５ｃを画定する部材であり、燃焼器ライナ１０の中心軸Ｃ方向に並べてケーシング４１に組み入れられている。隔壁４２－４４は、燃焼器ライナ１０の中心軸Ｃ上に位置すると共に中心軸Ｃ方向に対面しており、これら隔壁４２－４４で仕切られて形成されたキャビティ４５ａ－４５ｃはケーシング４１の内部に中心軸Ｃ方向に積層（重畳）している。具体的には、ケーシング４１の外周面４１ａの内側において端面４１ｂと隔壁４２とで画定された空間がキャビティ４５ａである。同じくケーシング４１の外周面４１ａの内側において、隔壁４２，４３で画定された空間がキャビティ４５ｂ、隔壁４３，４４で画定された空間がキャビティ４５ｃである。本実施形態ではキャビティが３つの場合を例示しているが、隔壁の枚数に応じてキャビティの数は増減できる。

また、隔壁４２には複数（第２燃料系統の予混合室３２ｆと同数）の直管状の燃料通路Ｐ１が、隔壁４３には複数（第３燃料系統の予混合室３２ｆと同数）の直管状の燃料通路Ｐ２が、それぞれ燃焼室１１側に突出して設けられている。燃料通路Ｐ１，Ｐ２は隔壁４２，４３に対して例えば溶接により接合されている。隔壁４４には燃料通路は設けられておらず、隔壁４４はキャビティ４５ｃを画定すると共にケーシング４１の端壁（蓋）の役割を兼ねる。本実施形態においては複数のキャビティが軸方向に積層した構造であるため、一のキャビティと対応する燃料ノズルとを接続する燃料通路が、他のキャビティを貫通してそれぞれ対応する複数の燃料ノズルに接続する構成としてある。具体的には、燃料通路Ｐ１はキャビティ４５ａを貫通し、キャビティ４５ｂと燃料ノズル３２ｂとを接続している。また、燃料通路Ｐ２はキャビティ４５ａ，４５ｂを貫通し、キャビティ４５ｃと燃料ノズル３２ｃとを接続している。キャビティ４５ａは燃料ノズル３２ａに直接接続している。

また、キャビティ４５ａ－４５ｃに対する個々の燃料入口４６ａ－４６ｃは、マニホールド４０の外周面４１ａに設けられている。燃料入口４６ａには第１燃料系統、燃料入口４６ｂには第２燃料系統、燃料入口４６ｃには第３燃料系統が接続している。各燃料系統を介してキャビティ４５ａ－４５ｃひいては燃料ノズル３２ａ－３２ｃに対する燃料の供給及び停止を独立して行うことができる。

なお、図示省略されているが、燃料ノズル３１ａにも燃料系統が別途接続している。燃料ノズル３１ａに接続する燃料配管（不図示）は、例えばマニホールド４０の中心（環状のキャビティ４５ａ－４５ｃの内側）を貫通して燃料ノズル３１ａに接続している。

－効果－
（１）一般にマニホールド（キャビティ４５ａ－４５ｃに相当）は独立した容器状の部材で形成されるが、本実施形態ではケーシング４１の内部を隔壁４２－４４で仕切って複数のマニホールド空間としてのキャビティ４５ａ－４５ｃを積層型に形成した。このようにキャビティ４５ａ－４５ｃ（マニホールド空間）の配置効率を向上させてマニホールド４０を小型化でき、燃焼器２に具備させる形でマニホールド４０をガスタービンのケーシング４（圧力容器）に収容できる。

（２）キャビティ４５ａ－４５ｃが燃焼器ライナ１０の中心軸上に配置され、キャビティ４５ａ－４５ｃから燃料ノズル３２ａ－３２ｃに取り回す配管が不要となる又は短縮できることから、配管の部品点数を削減できると共に燃料系統を簡素化できる。燃料経路が短縮されるため燃料の排熱ロスも減少し、燃料がキャビティ４５ａ－４５ｃから分配されて燃料ノズル３２ａ－３２ｃから噴出されるまでの時間遅れも短縮され、着火時のバーナ３０の信頼性の向上にも繋がる。また、同一のキャビティから対応する各燃料ノズルまでの燃料経路の差が小さいため、燃料ノズル間の燃料流量の偏りも抑えられ、安定した低ＮＯｘ燃焼の実現にも貢献する。

（３）隔壁４２－４４をケーシング４１に組み入れる構成であるため、隔壁４２－４４の軸方向位置を変更することでキャビティ４５ａ－４５ｃの容積を容易に変更することができる。

（４）一のキャビティと対応する燃料ノズルとを接続する燃料通路Ｐ１，Ｐ２が他のキャビティを貫通しているので、ここを通る燃料の断熱効果、燃料間の熱交換により熱応力の緩和、予熱による熱効率向上等の効果も見込める。

（５）燃料ノズル３２ａ－３２ｃがマニホールド４０のケーシング４１における燃焼室１１に対向する端面４１ｂに設けられているので、構成の簡素化、燃料ノズル３２ａ－３２ｃに燃料を送る配管の省略又は短縮に貢献する。特に本実施形態では燃料ノズル３２ａ－３２がケーシング４１の端面４１ｂに設けた単なる孔であるため、構成が極めてシンプルである。

（６）キャビティ４５ａ－４５ｃに対する各燃料入口４６ａ－４６ｃがマニホールド４０の外周面４１ａに設けられているので、キャビティ４５ａ－４５ｃに対して燃料入口４６ａ－４６ｃが直接繋がっている。この点も配管効率の向上に寄与し得る。

（第２実施形態）
図５は本発明の第２実施形態に係る燃焼器の要部構造を表す断面図であり、図４に対応する図である。図５において第１実施形態の要素と同一の又は対応する要素については既出図面と同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態が第１実施形態と相違する点は、燃料通路Ｐ１，Ｐ２がケーシング４１の端面４１ｂを貫通し、端面４１ｂを貫通してケーシング４１の外部に突出した燃料通路Ｐ１，Ｐ２の端部の外周部に燃料噴孔４７が設けられている点である。燃料通路Ｐ１，Ｐ２の端面には燃料ノズル３２ｂ，３２ｃが設けられている。燃料噴孔４７は燃料通路Ｐ１，Ｐ２の半径方向に開口しており、燃料噴孔４７からは燃焼器ライナ１０の中心軸Ｃと直交する方向に燃料が噴出する。その他の点は第１実施形態と同様である。

本実施形態においては、第１実施形態と同様の効果が得られる他、燃料噴孔４７が追加されたことにより燃料噴射方向が多様になり、予混合室３２ｆの内部に供給する燃料の偏りを抑えることができ、より安定した低ＮＯｘ燃焼が実現できる。

（第３実施形態）
図６は本発明の第３実施形態に係る燃焼器の要部構造を表す断面図であり、図４に対応する図である。図５において第１実施形態の要素と同一の又は対応する要素については既出図面と同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態が第１実施形態と相違する点は、キャビティ４５ａ－４５ｃに対する各燃料入口４６ａ－４６ｃがマニホールド４０の燃焼室１１と反対側の端面（本例では隔壁４４）に設けられている点である。その他の点は第１実施形態と同様である。

例えばガスタービンのケーシング４の燃焼器室４ａのスペースの制限によりマニホールド４０の外周面４１ａに燃料入口４６ａ－４６ｃを設けることが難しい場合には、本実施形態のようにマニホールド４０に対する燃料入口４６ａ－４６ｃの位置を適宜変更できる。本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

１…圧縮機、２…燃焼器、３…タービン、１０…燃焼器ライナ、１１…燃焼室、３１ａ…燃料ノズル、３２ａ－３２ｃ…燃料ノズル（孔）、４０…マニホールド、４１…ケーシング、４１ａ…外周面、４１ｂ…端面、４２，４３…隔壁、４４…隔壁（マニホールドの燃焼室と反対側の端面）、４５ａ－４５ｃ…キャビティ、４６ａ－４６ｃ…燃料入口、４７…燃料噴孔、Ｃ…燃焼器ライナの中心軸、Ｐ１，Ｐ２…燃料通路

Claims

内部に燃焼室を形成する燃焼器ライナ、前記燃焼器ライナの外周を覆い前記燃焼器ライナとの間に圧縮空気を導く環状流路を構成する外筒、空気と混合前の燃料を噴射する複数の燃料ノズル、及び複数の前記燃料ノズルに燃料を分配するマニホールドを備えた多段燃焼方式の燃焼器において、
前記マニホールドが、
前記燃焼器ライナの中心軸上に配置されており、
前記外筒に連結され、前記外筒の前記環状流路を流れる圧縮空気の流れ方向下流側端部を塞ぐように設置されたケーシングと、
前記燃焼器ライナの中心軸方向に並べて前記ケーシングに組み入れられた複数の隔壁とを備え、
前記複数の隔壁により隔てられた複数のキャビティが、前記ケーシングの内部に前記燃焼器ライナの中心軸方向に積層して形成され、それぞれ対応する複数の前記燃料ノズルに接続しており、
一のキャビティと対応する前記燃料ノズルとを接続する燃料通路が、前記燃焼室側に突出するように、対応する前記隔壁に接合されて他のキャビティを貫通している燃焼器。
請求項１の燃焼器において、前記燃料ノズルが、前記ケーシングの前記燃焼室に対向する端面に設けられている燃焼器。
請求項２の燃焼器において、前記燃料ノズルが、前記端面に設けた孔である燃焼器。
請求項１の燃焼器において、前記複数のキャビティに対する各燃料入口が、前記マニホールドの外周面に設けられている燃焼器。
請求項１の燃焼器において、前記複数のキャビティに対する各燃料入口が、前記マニホールドの前記燃焼室と反対側の端面に設けられている燃焼器。
請求項１の燃焼器において、前記燃料通路が前記ケーシングの前記燃焼室に対向する端面を貫通し、前記端面を貫通して前記ケーシングの外部に突出した燃料通路の端部の外周部に燃料噴孔が設けられている燃焼器。
圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された圧縮空気を燃料と共に燃焼する請求項１の燃焼器と、
前記燃焼器で発生した燃焼ガスで駆動されるタービンと
を備えたガスタービン。