JP6637905B2 - バーナ、燃焼器、及びガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、バーナ、燃焼器、及びガスタービンに関する。

近年、ガスタービンは、地球温暖化防止及び資源有効利用の観点からガスタービンの主要燃料である天然ガスに加え、石油化学プラント等の製造プロセスから副次的に発生する副生水素ガスを利用することが要望されている。

特許文献１には、内部に燃焼室を形成する燃焼筒と、燃焼筒の外側を覆い該燃焼筒の周囲に、圧縮機から供給される圧縮空気（燃焼用空気という）の流路を形成するケーシングと、燃焼筒の上流側に配置され、第１燃料（石炭ガス化ガス）を燃焼室に噴射する第１燃料ノズル（メインバーナに相当する。）と、第１燃料ノズルの下流側であってケーシングから燃焼筒の周壁を貫通して配置された複数の第２燃料ノズル（追焚きバーナに相当する。）を有し、燃焼筒の周壁から燃焼室内に向けて第２燃料（水素含有ガス）を径方向内向きに噴射し、当該第２燃料を燃焼生成ガス中に拡散させて燃焼するガスタービン燃焼器が開示されている。

一方、水や蒸気を使用せずにＮＯｘの排出量を抑制する方法として、希薄予混合燃焼方法（Dry Low Emission燃焼方法）が注目されており、近年、この燃焼方法を採用した燃焼器（ＤＬＥ燃焼器）を有するガスタービンがプラント施設等で稼働している。

そこで、本出願人は、ＤＬＥ燃焼器の燃焼室における下流側の領域において、燃焼用空気、炭化水素系の第１燃料（例えば天然ガス）、及び第２燃料（例えば水素ガス）を予め混合した希薄な予混合気を噴射する追焚きバーナを備えるガスタービンの燃焼器をPCT/JP2014/065657（未公開）において提案している。

この追焚きバーナは、上流側から予混合流路に導入した燃焼用空気と第１、第２燃料を当該予混合流路内で混合して予混合気を生成し、当該予混合気を下流側から燃焼室に噴射して燃焼させるものであり、第１、２燃料を予混合室内に噴射する第１、２燃料噴出孔とを有している。

特開２０１１−７５１７４号公報

本出願人が提案している追焚きバーナの構造において燃焼用空気、第１燃料、及び第２燃料からなる予混合気を生成することを検討すると、水素ガスは天然ガスに比べて比重が極めて小さい（水素ガスの比重：0.09kg/m3N、天然ガスの比重：0.62kg/m3N）。このため、第２燃料噴出孔から噴出される水素ガス自体の貫通力（即ち、水素ガスが噴出する際の運動エネルギー）が小さく、予混合流路内で他の流体との攪拌混合が不十分となり、希薄で且つ均一な濃度分布の予混合気を生成することが困難である。即ち、燃焼の際に局所的な高温領域が発生する結果、ＮＯｘの排出量が増大し、更なる改善の余地があった。

そこで、本発明は、炭化水素系の第１燃料（例えば、天然ガス）、第２燃料（例えば、水素ガス）、及び燃焼用空気を予め混合し、希薄で且つ均一な濃度分布の予混合気を燃焼器の燃焼室に噴射することができると共に、ＮＯｘの排出量を抑制できるバーナ、そのバーナを具備する燃焼器、及びガスタービンを提供することを目的とする。

本発明のバーナは、上流側から予混合流路に導入した燃焼用空気と燃料を前記予混合流路内で混合して予混合気を生成し、前記予混合気を下流側から燃焼室に噴射して燃焼させるバーナであって、内部に前記予混合流路が形成される外筒と、前記予混合流路の上流側において前記外筒の外縁から中心に向けて燃焼用空気を供給する第１空気導入部と、第１燃料を前記予混合流路に導入する第１燃料導入部と、前記第１燃料より比重が小さい第２燃料を前記予混合流路に導入する第２燃料導入部を備え、前記第２燃料導入部は、前記予混合流路の上流側端部から下流側に向けて前記予混合流路内に突出して形成され、前記第１空気導入部から導入された圧縮空気に第２燃料を噴射する複数の第２燃料噴射ノズルを有し、前記燃焼用空気に対して前記第２燃料噴射ノズルから前記第２燃料が噴射されて１次混合気が生成され、前記１次混合気に対して前記第１燃料導入部から前記第１燃料が導入されて２次混合気が生成されることを特徴とする。

この構成によれば、予混合流路の上流側を外筒の外縁から中心に向けて流れる燃焼用空気に対して、各第２燃料噴射ノズルから第２燃料が噴射されて１次混合気が生成される。このとき、第２燃料は、予混合流路の上流側端部から予混合流路内に突出した第２燃料噴射ノズルから、予混合流路の上流側端部近傍において生じる圧縮空気の低速域（粘性境界層）を避けて燃焼用空気の流れの中に噴射される。このため、例えば水素ガスのように比重が小さく貫通力の低い第２燃料であっても上述した低流域で滞留するおそれがなく、希薄で且つ濃度分布の均一な１次混合気が生成される。その後、１次混合気に対して、第１燃料導入部から第１燃料が導入されて２次混合気（予混合気）が生成される。このとき、第１燃料は第２燃料よりも比重が大きいため、第１燃料と１次混合気が十分に撹拌混合されて希薄で且つ１次混合気よりも濃度分布が均一な２次混合気が生成される。その結果、希薄で且つ濃度分布が均一な予混合気が燃焼室に供給され、燃焼排ガス中のＮＯｘ量を抑制できる。

前記バーナが備える前記第１燃料導入部は、前記予混合流路の上流側端部から前記外筒と同心状に前記予混合流路内に突出し、前記外筒の外縁に向けて前記第１燃料を噴射する第１燃料噴射ノズルを有していてもよい。

この構成によると、予混合流路の上流側を外筒の外縁から中心に流れる１次混合気は、第１燃料噴射ノズルの外周に沿って予混合流路の下流側に向けて流れるようになり、その後、１次混合気に対して第１燃料噴射ノズルから第１燃料が噴射されて２次混合気が生成される。このとき、第１燃料は１次混合気の流れ方向と交差する方向に噴射されるため、第１燃料と１次混合気の混合が促進されて濃度分布が均一な２次混合気が生成される。その結果、希薄で且つ濃度分布が均一な予混合気が燃焼室に供給され、燃焼排ガス中のＮＯｘを抑制できる。

前記バーナは、前記予混合流路の上流側端部から前記外筒と同心状に前記予混合流路内に突出する整流突起部を備え、上記バーナが備える前記第１燃料導入部は、前記予混合流路の上流側端部であって前記整流突起部よりも外縁側に形成され、外筒の外縁側に傾斜する複数の第１燃料噴射孔を有していてもよい。

この構成によると、予混合流路の上流側を外筒の外縁から中心に向けて流れる１次混合気に対して、外筒の外縁側に傾斜した第１燃料噴射孔から１次混合気を噴射することで２次混合気が生成される。このとき、第１燃料は１次混合気の流れと交差する方向に噴射されるため、予混合流路内での１次混合気と第１燃料の混合が促進され、濃度分布が均一な２次混合気が生成される。その結果、希薄で且つ濃度分布が均一な予混合気が燃焼室に供給され、ＮＯｘの発生を抑制できる。また、２次混合気は、整流突起部に沿って方向を変えて下流側に流れ、速度を落とさずに燃焼室に噴射されるため、逆火を抑制できる。

前記バーナは、前記予混合流路の上流側端部から前記外筒と同心状に前記予混合流路内に突出する整流突起部を備え、前記第１燃料導入部は、前記第１空気導入部よりも下流側において、前記外筒の外縁から中心に向けて前記第１燃料を噴射する複数の第１燃料噴射ノズルを備えていてもよい。

この構成によると、予混合流路の上流側を外筒の外縁から中心に向けて流れる１次混合気は、整流突起部に沿って方向を変えて下流側に向けて流れるようになる。その後、１次混合気に対して、第１燃料噴射孔から外筒の中心に向けて第１燃料が噴射されて２次混合気が生成される。このとき、第１燃料は１次混合気の流れと交差する方向に噴射されるため、予混合流路内での１次混合気と第１燃料の混合が促進され、濃度分布が均一な２次混合気が生成される。その結果、希薄で且つ濃度分布が均一な予混合気が燃焼室に供給され、ＮＯｘの発生を抑制できる。また、１次混合気は、整流突起部に沿って流速を落とさずに下流側へ流れるため、変向時の流速低下が抑制される。したがって、予混合気が十分な流速を保ちながら燃焼室に噴射されるため、逆火を抑制できる。

前記バーナは、前記外筒の外縁から予混合流路に燃焼用空気を導入する第２空気導入部を前記第１空気導入部よりも下流側に備えていてもよい。また、前記外筒は、それぞれ同軸上に配置された上流側の第１の筒体、及び下流側の第２の筒体で構成され、前記第１の筒体と前記第２の筒体は、前記軸の方向に一部オーバーラップして配置されており、前記第２空気導入部は、前記第１の筒体と前記第２の筒体により区画されていると共に、上流側から下流側に向かって漸次縮径する環状の隙間であってもよい。この場合において、前記第２の筒体の内径は、その下流側において前記第１の筒体の内径と実質的に同じであってもよい。燃焼用空気の一部は、第１の筒体の外周に吹き付けられた後、２次空気として第２空気導入部に導入される。第２空気導入部から２次空気を導入することで境界層における予混合気の滞留を抑制できる。２次空気は、第２空気導入部を上流側から下流側に流れることで均一に整流される。２次空気が予混合流路に送り込まれることで境界層における混合気の滞留をより効果的に抑制できる。他方、２次空気は、上流側から下流側に向かって漸次縮径する環状の隙間を流れることにより境界層で滞留する予混合気を流路中央に向けて案内する流れを作ることができる。なお、第２の筒体の内径を、その下流側において第１の筒体の内径と実質的に同じにした場合は、予混合流路を流れる予混合気の流量をバランスさせることができる。

この構成によると、外筒の内面近傍における低速域の発生が抑制されて逆火を抑制できる。

前記第１燃料は、天然ガス又は液化天然ガスであり、前記第２燃料は、水素ガス又は水素含有ガスであってもよい。

また、本発明の燃焼器は、燃料を燃焼させる燃焼室を形成する燃焼筒と、前記燃焼筒の上流側に配置された予混合燃焼方式のメインバーナと、前記燃焼筒の下流側の周壁部を貫通して配置された追焚きバーナとを備えるガスタービンの燃焼器であって、前記追焚きバーナは、上述のいずれかに記載のバーナであることを特徴とする。

この構成によれば、均一な濃度分布の予混合気を燃焼器の燃焼室に噴射できると共に、ＮＯｘの排出量を抑制できる追焚きバーナを有する燃焼器を提供できる。

さらに、本発明のガスタービンは、上述の燃焼器を備えることを特徴とする。

この構成によれば、ＮＯｘの排出量を抑制できる燃焼器を具備するガスタービンを提供できる。

本発明によれば、第１燃料（例えば、天然ガス）、第２燃料（例えば、水素ガス）、及び燃焼用空気を予め混合し、均一な濃度分布の予混合気を燃焼器の燃焼室に噴射することによりＮＯｘの排出量を抑制できるバーナ、そのバーナを具備する燃焼器、及びガスタービンを提供できる。

本発明の実施の形態に係るガスタービンの概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る燃焼器の縦断面図である。 本発明の第１実施形態に係る追焚きバーナの縦断面図である。 図３におけるＡ−Ａ方向から見た予混合流路の横断面図である。 第１実施形態の変形例を示した図である。 本発明の第２実施形態に係る追焚きバーナの縦断面図である。 本発明の第３実施形態に係る追焚きバーナの第１例の縦断面図である。 本発明の第３実施形態に係る追焚きバーナの第２例の縦断面図である。 本発明の第３実施形態に係る追焚きバーナの第３例の縦断面図である。 本発明の第３実施形態に係る追焚きバーナの第４例の縦断面図である。 本発明の第４実施形態に係る追焚きバーナの縦断面図である。

以下、本発明の実施形態に係るバーナ、燃焼器、及びガスタービンについて、添付図面に従って説明する。なお、以下の説明は、本発明の一形態の例示に過ぎず、本発明の技術的範囲、本発明の適用、或いは用途を制限することを意図するものではない。

《第１実施形態》
ガスタービンの概略構成と機能を図１に示す。このガスタービン１において、圧縮機２は大気を吸引して圧縮空気２００を生成する。圧縮空気２００は燃焼器３で燃料と共に燃焼され、高温高圧の燃焼生成ガス（以下、「燃焼排ガス３００」と称する。）を生成する。燃焼排ガス３００はタービン４に供給され、ロータ５の回転に利用される。ロータ５の回転は圧縮機２に伝達され、圧縮空気２００（以下、「燃焼用空気２００」と称する。）の生成に利用される一方、ロータ５の回転は例えば発電機６に伝達されて発電に利用される。

図２は燃焼器３を示す。本実施の形態において、燃焼器３は、圧縮機（図１参照）から供給される圧縮空気２００の流れ方向（図１の上から下に向かう方向）と、燃焼排ガス３００の流れ方向（図１の下から上に向かう方向）とが内部で互いに対向する逆流缶型の燃焼器である。燃焼器の型式は複数の燃料噴射弁を円周上に有するアニュラ型であってもよい。

燃焼器３は、中心軸３０２上に同心状に配置された燃焼筒３４とケーシング３５を備えている。燃焼筒３４の頂部にはバーナユニット３０が取り付けられ、燃焼筒３４の内部にはバーナユニット３０から噴射される燃料等を燃焼する燃焼室３３が形成されている。燃焼筒３４は筒状のケーシング３５によって囲まれており、燃焼筒３４とケーシング３５との間には、圧縮機から供給される燃焼用空気２００が流れる環状の燃焼用空気流路３７が形成されている。ケーシング３５と燃焼筒３４は、バーナユニット３０よりも下流側において、複数の追焚きバーナ３６を支持している。

本実施の形態では、バーナユニット３０は、中心軸３０２に沿って配置され、燃料と燃焼用空気２００を混合して生成した予混合気を燃焼室３３内に噴射する予混合式のメインバーナ３１と、燃料を燃焼室３３内に直接噴射する拡散燃焼式のパイロットバーナ３２を備えている。メインバーナ３１は、パイロットバーナ３２の周囲に同心状に配置されている。メインバーナ３１、及びパイロットバーナ３２は、配管３０４を介して第１燃料供給源３０５（天然ガス供給源）と連通している。

本実施の形態では、メインバーナ３１は、中心軸３０２に沿って同心状に配置された外筒３１０と内筒３１２を有する。本実施の形態では、図示するように、内筒３１２は後述するパイロットバーナ３２の燃焼用空気噴射筒３２２ｂを兼ねている。外筒３１０と内筒３１２の間の環状空間は、燃料と燃焼用空気を混合するための予混合流路３１４として利用される。予混合流路３１４は、一端が燃焼室３３に開口しており、他端が複数の空気取入口３１５を介して径方向外側に向けて燃焼用空気流路３７に開口している。空気取入口３１５の径方向外側には、第１燃料を噴出する複数のメイン燃料ノズル３１６が配置されている。図示しないが、複数の空気取入口３１５とこれに対応する複数のメイン燃料ノズル３１６は、中心軸３０２を中心とする周方向に等間隔に配置することが好ましい。図示しないが、各メイン燃料ノズル３１６は、空気取入口３１５に対向する部位に、空気取入口３１５に向けて第１燃料を噴出する複数の燃料噴射孔（図示せず）が形成されると共に、流量調整弁を含む配管３０４ａを介して第１燃料供給源３０５（天然ガス供給源）に接続されており、通常運転時に流量調整弁を開状態とすることで、第１燃料供給源３０５から供給される燃料が、燃焼用空気流路３７から供給される燃焼用空気と共に、空気取入口３１５から予混合流路３１４に供給されて該予混合流路３１４で混合され、予混合気が燃焼室３３に噴射されるようにしてある。本実施の形態では、空気取入口３１５には、予混合流路３１４に流入する燃焼用空気に旋回力を付与して第１燃料との予混合を促進する複数の旋回羽根（スワラ）３１７が設けられている。

また、パイロットバーナ３２は、中心軸３０２に沿って伸びる燃料噴射筒３２２ａと該燃料噴射筒３２２ａに同心状に外装された燃焼用空気噴射筒３２２ｂを備え、燃料噴射筒３２２ａ内に形成された燃料噴射路（図示せず）が流量調整弁を含む配管３０４ｂを介して第１燃料供給源３０５（天然ガス供給源）に接続されており、起動時に流量調整弁を開状態とすることで、第１燃料供給源から供給される天然ガスが燃焼室内に噴射されるようにしてある。燃料噴射筒３２２ａと燃焼用空気噴射筒３２２ｂとの間には環状空気流路３２４が形成され、その一端が燃焼用空気流路３７に接続されると共に他端が燃焼室に接続されており、圧縮機から供給される圧縮空気が燃焼室内に噴射されるようにしてある。

追焚きバーナ３６は、中心軸３０２に直交する平面上に含まれ且つ周方向に等間隔に配置された４つの軸心３６０に沿って、ケーシング３５と燃焼筒３４にそれぞれ取付けられている。後に詳細に説明するが、追焚きバーナ３６は、流量調整弁を含む配管を介して第１燃料供給源（天然ガス供給源）３０５と第２燃料供給源（水素ガス供給源）３０７に接続されており、高負荷運転時に流量調整弁を開状態とすることで、燃焼用空気流路３７から取り込まれる燃焼用空気に第１燃料と第２燃料を混合して予混合気を生成し、当該予混合気を燃焼室内に噴射できるように構成されている。上記第１燃料とは、６０体積％以上の炭化水素を含み、水素ガスが１０体積％以下である気体、又は６０体積％以上の炭化水素を含む液体を示す。また、上記第２燃料とは、５０体積％以上の水素を含む気体を示す。なお、本実施の形態では、第１燃料の一例として天然ガスを例示し、第２燃料の一例として水素ガスを例示している。

上述の構成を備えた燃焼器３の作用について、図２を参照して以下に説明する。図２に示すように、ガスタービン（図示せず）の起動時、流量調整弁が開状態となり、メイン燃料供給源からパイロットバーナ３２に供給された天然ガスが燃焼室３３に噴射される。そして、環状空気流路３２４から燃焼室３３に噴射された燃焼用空気と燃焼室３３内で拡散混合され、図示しない着火源により点火されて拡散燃焼によるパイロット火炎が形成される。

ガスタービンが通常運転に移行すると、メインバーナ３１の予混合流路３１４から噴射された予混合気は、燃焼室３３内においてパイロット火炎により点火され、燃焼室３３の上流側の１次燃焼領域Ｓ１で燃焼する。希薄な予混合気を燃焼させることで燃焼室３３内の燃焼火炎温度が低下し、メインバーナの燃焼排ガス中のＮＯｘ量が抑制される。

ガスタービンの出力を上昇させるために高負荷燃焼が要求された場合、追焚きバーナ３６中で生成された天然ガスと水素ガスと燃焼用空気２００の予混合気が燃焼室３３内に導入され、１次燃焼領域Ｓ１よりも下流側の２次燃焼領域Ｓ２において、メインバーナ３１の燃焼排ガスに混合されて燃焼する。希薄な予混合気を燃焼させることで、燃焼排ガス中のＮＯｘ量が抑制される。

次に、本発明の実施の形態に係る追焚きバーナについて添付図面に従って説明する。

本発明の第１実施形態に係る追焚きバーナ３６を図３に示す。図３は図２に対応する断面を示し、図４は、図３におけるＡ−Ａ矢視断面を示している。なお、追焚きバーナ３６の構造、作用に関する以下の説明においては、追焚きバーナ３６内の流体の流れ方向に関して「上流側」や「下流側」の用語を用いる。

図３に示すように、追焚きバーナ３６は、複数の構成、例えば、燃焼器３の中心軸３０２に対する放射方向の軸心３６０上に外側から内側に向けて順番に配置された、頭部ブロック３６１、第１の筒部３６２、及び第２の筒部３６３を有する外筒３６４を備えている。頭部ブロック３６１は、ケーシング３５に形成された取付け孔３５２に嵌め込まれて固定され、第１の筒部３６２の鍔部３６５は複数の連結片３６６を介して頭部ブロック３６１に固定され、第２の筒部３６３は燃焼筒３４に形成された貫通孔３４０に嵌め込まれて固定されている。燃料と燃焼用空気２００を混合するための予混合流路３６７が、頭部ブロック３６１と第１の筒３６２と第２の筒部３６３とで囲まれた内部空間として形成されている。

また、追焚きバーナ３６は、第１燃料供給源から供給された天然ガスを予混合流路３６７に導入する第１燃料導入部３６８と、第２燃料供給源から供給された水素ガスを予混合流路３６７に導入する第２燃料導入部３６９と燃焼用空気流路３７から予混合流路３６７に燃焼用空気２００を導入する第１空気導入部３７０を備えている。

第１空気導入部３７０は、第１の筒部３６２の鍔部３６５と頭部ブロック３６１とこれらを連結する複数の連結片３６６で囲まれた複数の隙間空間（空気取入口）として形成されており、第１空気導入部３７０から燃焼用空気流路３７を流れる圧縮空気２００（燃焼用空気２００）の一部を予混合流路３６７に導入することができる。予混合流路３６７に導入された燃焼用空気２００は、外筒３６４の外縁（径方向外側）から中心（径方向内側）に向けて流れる。各連結片３６６は、外筒３６４と同心の円周上に４５度毎に等間隔に配置されると共に、後述する第２燃料噴射ノズル３８４から離間した周方向位置に配置されており、各第２燃料噴射ノズル３８４に対応する周方向位置に各空気取入口が配置されるようになっている。

第１燃料導入部３６８は、頭部ブロック３６１内を軸心３６０に沿って上流側から下流側に延びる第１燃料供給路３８０と、頭部ブロック３６１の下流側壁面から軸心３６０に沿って予混合流路３６７内に突出する有底筒状の第１燃料噴射ノズル３８１を有している。

第１燃料供給路３８０の上流側は、流量調整弁を含む配管３０６を介して第１燃料供給源と連通しており、当該第１燃料供給路３８０の下流側は、第１燃料噴射ノズル３８１の周壁を径方向に貫通して形成された複数の第１燃料噴射孔３８２を介して予混合流路３６７と連通している。また、各第１燃料噴射孔３８２は、周方向及び軸方向に等間隔に配置されている。周方向には９０度毎に配置されている。このように構成することで、第１燃料供給源から供給された天然ガスが、第１燃料供給路３８０と第１燃料噴射ノズル３８１を経由して予混合流路３６７内に噴射される。

第２燃料導入部３６９は、頭部ブロック３６１内を上流側から下流側に延びる第２燃料供給路３８３と頭部ブロック３６１の下流側壁面から予混合流路３６７内に突出する複数の筒状の第２燃料噴射ノズル３８４を有している。第２燃料供給路３８３の上流側は流量制御弁を含む配管３０８を介して第２燃料供給源に接続されている。第２燃料供給路３８３の下流側には、第１燃料供給路３８０を囲み外筒３６４と同心状に広がる環状流路３８５が形成されている。環状流路３８５の下流側は、各第２燃料噴射ノズル３８４の内部空間を介して予混合流路３６７と連通している。各第２燃料噴射ノズル３８４は外筒３６４と同心の円周上に４５度毎に等間隔に配置され、外筒と平行に延びている。このように構成することで、第２燃料供給源から供給された水素ガスが、第２燃料供給路３８３と第２燃料噴射ノズル３８４を経由して予混合流路３６７内に噴射される。

次に、上述の構成からなる追焚きバーナ３６の作用について、図２、図３、及び図４を参照して以下に説明する。第１空気導入部３７０から予混合流路３６７内に導入された燃焼用空気２００は、予混合流路３６７の上流側を外筒３６４の外縁から中心に向けて流れ、その後、当該燃焼用空気２００に対して各第２燃料噴射ノズル３８４から水素ガスが噴射されて１次混合気が生成される。このとき、水素ガスは、予混合流路３６７の上流側端部（頭部ブロック３６１の下流側壁面）から予混合流路３６７内に突出する各第２燃料噴射ノズル３８４から、予混合流路３６７の上流側端部近傍（頭部ブロック３６１の下流側壁面近傍）において生じる低速域（粘性境界層）を避けて燃焼用空気２００の流れの中に噴射される。このため、比重が小さく貫通力の低い水素ガスであっても上述した低流域で滞留する虞がなく、希薄で且つ濃度分布の均一な１次混合気が生成される。その後、１次混合気は、第１燃料噴射ノズル３８１の外周に沿って向きを変え、予混合流路３６７の下流側に向けて流れ、第１燃料噴射ノズル３８１から噴射された天然ガスと混合されることで２次混合気が生成される。

このとき、天然ガスは水素ガスよりも比重が大きいため、天然ガスと１次混合気が十分に撹拌混合されて希薄で且つ１次混合気よりも濃度分布が均一な２次混合気が生成される。また、第１燃料（天然ガス）は１次混合気の流れ方向と交差する方向に第１燃料噴射ノズル３８１から噴射されるため、第１燃料と１次混合気の混合が促進されて２次混合気の濃度分布が均一になる。その結果、希薄で且つ濃度分布が均一な予混合気７００（２次混合気）が、燃焼室３３の１次燃焼領域Ｓ１よりも下流側の２次燃焼領域Ｓ２に供給され、燃焼排ガス中のＮＯｘ量を抑制できる。

上述した第１実施形態に係る追焚きバーナは種々改変可能である。例えば、図５に示すように、第２燃料噴射ノズル３８４の周壁に形成した第２燃料噴射孔３８６から燃焼用空気２００の流れに対してその流れと逆の方向に水素ガスを噴射するように構成してもよい。このような構成によれば、第２燃料噴射孔３８６から噴射された水素ガスは燃焼用空気２００と衝突することで水素ガスの分散効果が向上する。結果、水素ガスと燃焼用空気２００の混合が促進され、より均一な１次混合気を生成することができる。この変形例の場合、第２燃料噴出孔３８６の数は１個でもよいが、図５に示したように第２燃料噴射孔３８６の数を複数個とすることで水素ガスの分散効果が更に向上し、水素ガスと燃焼用空気の混合促進が期待できる。

《第２実施形態》
次に、本発明の第２実施形態に係る追焚きバーナについて説明する。図６は、本発明の第２実施形態に係る追焚きバーナ３６を示す。なお、本実施の形態の追焚きバーナ３６の基本構造は、図３で説明した実施の形態１に係る追焚きバーナ３６と同じであるので、同一構成部分には同一符号を付して説明を省略する。

本実施の形態に係る追焚きバーナ３６が図３で説明した第１実施形態に係る追焚きバーナ３６と異なる点は、外筒３６４と同軸状に予混合流路３６７内に延びる逆円錐状の整流突起部３９０を頭部ブロック３６１の下流側壁面に形成した点と、整流突起部３９０を囲う複数の第１燃料噴射孔３９１から天然ガスを噴射するように第１燃料導入部３６８を構成した点の２点である。各第１燃料噴射孔３９１の上流側は、第１燃料供給路３８０と連通しており、当該第１燃料噴射孔３９１の下流側は、予混合流路３６７と連通している。各第１燃料噴射孔３９１は、外筒３６４と同心の円周上であって、第２燃料噴射ノズル３８４、第１空気導入部３７０と対応する周方向位置に等間隔に配置されている。各第１燃料噴射孔３９１は、第２燃料噴射ノズル３８４よりも外筒３６４の中心側に位置し、上流側から下流側に向けて、外筒３６４の外縁側（径方向外側）に傾斜している。

上述の構成からなる追焚きバーナ３６の作用について説明する。予混合流路３６７の上流側を外筒３６４の外縁から中心に向けて流れる１次混合気に対して、頭部ブロック３６１の下流側壁面（予混合流路３６７の上流側端部）に形成された複数の第１燃料噴射孔３９１から第１燃料（天然ガス）が噴射され、２次混合気が生成される。このとき、第１燃料は１次混合気の流れと交差する方向に噴射されるため、予混合流路３６７内での１次混合気と第１燃料の混合が促進され、均一な濃度の２次混合気（予混合気）が生成される。その結果、希薄で且つ濃度分布が均一な予混合気７００（２次混合気）が、燃焼室３３の１次燃焼領域Ｓ１よりも下流側の２次燃焼領域Ｓ２に供給され、燃焼排ガス中のＮＯｘを抑制できる。また、２次混合気は、整流突起部３９０に沿って流速を落とさずに下流側に流れ、燃焼室３３に噴射されるため、２次混合気の流速低下に起因する逆火を抑制できる。

なお、本実施の形態では逆円錐状の整流突起部３９０が採用されているが、整流突起部３９０の形状は逆円錐状に限られない。１次混合気を基端側から末端側に案内可能な外周形状を有していればよい。即ち、断面積が基端側から末端側に向けて小さくなるような形状であればよく、例えば部分球面状であってもよい。

《第３実施形態》
次に、本発明の第３実施形態に係る追焚きバーナについて説明する。図７〜図１０は、本発明の第３実施形態に係る追焚きバーナ３６のバリエーションを示す。なお、本実施の形態の追焚きバーナ３６の構造は、第１燃料導入部３６８よりも下流側において予混合流路３６７内に燃焼用空気２００を導入するための第２空気導入部３９３を有する点を除いて図３で説明した実施の形態１に係る追焚きバーナ３６と同じであるので、同一構成部分には同一符号を付して説明を省略する。

図７は、本発明の第３実施形態に係る追焚きバーナの第１例を示す。第１例の第２空気導入部３９３は、第１の筒部３６２（第１の筒体）と第２の筒部３６３（第２の筒体）の間に形成された間隙である。図７に示すように、燃焼用空気流路３７を流れる燃焼用空気２００は、第１空気導入部３７０から流入する１次空気２０１と、第２空気導入部３９３から流入する２次空気２０２に分配されて、予混合流路３６７内に導入される。

第２空気導入部３９３から予混合流路３６７内に流入される２次空気２０２により、第２の筒部３６３の内壁面近傍における低速度域の発生が抑制される。これにより、燃焼室３３で形成されている燃焼火炎が第２の筒部３６３の内壁面近傍に移行する逆火を防止できる。

図８は、本発明の第３実施形態に係る追焚きバーナの第２例を示す。第２例の追焚きバーナ３６は、第１の筒部３６２よりも大径の第２の筒部３６３Ａを備え、第２の筒部３６３Ａの上流側端部と第１の筒部３６２の下流側端部とを外筒の軸方向にオーバーラップさせた構成を有する。第２例の第２空気導入部３９３は、第１の筒部３６２の外周面と第２の筒部３６３Ａの内周面との間に形成された環状の間隙である。第２空気導入部３９３から予混合流路３６７内に導入された２次空気２０２は、環状の隙間を上流側から下流側に流れることにより整流されて２次混合気７００の濃度が高い第２の筒部３６３Ａの内壁面近傍に集中的に流れるため、第１例よりも効果的である。

図９は、本発明の第３実施形態に係る追焚きバーナの第３例を示す。第３例の追焚きバーナ３６は、予混合流路３６７を介して燃焼室３３に噴出される予混合気７００の流速を高めるための構成を有する。この構成における第２空気導入部３９３は、第１の筒部３６２と第２の筒部３６３により区画された環状の隙間が追焚きバーナ３６の下流側に向けて漸次縮径している。具体的に、第３例の追焚きバーナ３６は、第２の筒部３６３Ａにおける第２空気導入部３９３の内周面３６３Ｂが上流側から下流側に向かって漸次縮径している。また、第１の筒部３６２の下流側端部の外周面であって内周面３６３Ｂと対向する部位には、上流側から下流側に向かって漸次小径となるテーパ部３９４が形成されている。第３例において、第２の筒部３６３の内径は、その下流側において第１の筒部３６２の内径と実質的に同じであってもよい。なお、第３例の追焚きバーナ３６は、上述の構成を有する点を除いて図８で示した第２例の追焚きバーナ３６と同じであるので、同一構成部分には同一符号を付して説明を省略する。上述の構成を有する第３例の追焚きバーナ３６は以下の作用効果を奏する。即ち、圧縮空気２００の一部は、第１の筒部３６２の外周に吹き付けられた後、２次空気２０２として第２空気導入部３９３に導入される。第２空気導入部３９３から２次空気２０２を導入することで境界層における予混合気７００の滞留を抑制できる。２次空気２０２は、第２空気導入部３９３を上流側から下流側に流れることで均一に整流される。２次空気２０２が予混合流路３６７に送り込まれることで境界層における混合気の滞留をより効果的に抑制できる。他方、２次空気２０２は、上流側から下流側に向かって漸次縮径する環状の隙間（テーパ部３９４）を流れることにより境界層で滞留する予混合気７００を流路中央（第２の筒部３６３Ａの径方向内側）に向けて案内する流れを作ることができる。なお、第２の筒部３６３の内径を、その下流側において第１の筒部３６２の内径と実質的に同じにした場合は、予混合流路３６７を流れる予混合気７００の流量をバランスさせることができる。その結果、第２の筒部３６３Ａの内壁面近傍における低速度域の発生が更に抑制され、燃焼室３３で形成されている燃焼火炎が第２の筒部３６３Ａの内壁面近傍に移行する逆火を効果的に防止できる。

図１０は、本発明の第３実施形態に係る追焚きバーナの第４例を示す。第４例の追焚きバーナ３６は、第１の筒部３６２よりも大径の第２の筒部３６３Ａを備え、第２の筒部３６３Ａの上流側端部を第１の筒部３６２の鍔部３６５に固着させた構成を有する。第３例の第２空気導入部３９３は、第２の筒部３６３Ａの周壁部に形成された複数の流入口である。この第４例の追焚きバーナ３６も、第２例と同様の効果を奏することができる。

上述した本発明の実施形態３に係る追焚きバーナ３６において、第１空気導入部３７０から流入する１次空気２０１と、第２空気導入部３９３から流入する２次空気２０２との比率は、通常、１：１でよいが、ＮＯｘの低減を考慮するならば１次空気２０１の比率を増やし、逆火防止を考慮するならば２次空気２０２の比率を増やせばよいことが発明者らの実験で確認されている。

《第４実施形態》
次に、本発明の第４実施形態に係る追焚きバーナについて説明する。図１１は、本発明の第４実施形態に係る追焚きバーナ３６を示す。なお、本実施の形態の追焚きバーナ３６において、図３で説明した実施の形態１、及び図６で説明した実施の形態２に係る追焚きバーナ３６と同一構成部分には同一符号を付して説明を省略する。

図１１に示すように、本実施の形態に係る追焚きバーナ３６が図３で説明した第１実施形態に係る追焚きバーナ３６と異なる点は、第１の筒部３６２に周方向に等間隔で配置された複数の第１燃料噴射孔３９５から天然ガスを噴射するように第１燃料導入部３６８を構成した点と、頭部ブロック３６１の下流側壁面に第２実施形態と同じ整流突起部３９０を形成した点と、第２燃料供給路３８３を軸心３６０に沿って形成した点の３点である。

図１１に示すように、第１燃料導入部３６８は、頭部ブロック３６１の上流側に形成された円柱状通路部３９６と、頭部ブロック３６１の下流側に形成された第１環状通路部３９７と、第１環状通路３９７よりも下流側に形成され、頭部ブロック３６１の下流側から連結片３６６を貫通して第１の筒部３６２まで延びる分岐通路部３９８と、第１の筒部３６２の鍔部３６５に形成され、各分岐通路３９８が合流する第２環状通路部３９９から構成されている。第１環状通路部３９７は第２燃料供給路３８３を囲むようにして外筒３６４と同心状に配置されている。分岐通路部３９８は２本の分岐通路を有し、周方向に対向する２つの連結片３６６を貫通するように構成されている。第２環状通路部３９９は、外筒３６４と同心状に配置されている。図示するように、第１の筒部３６２の内面には、複数の第１燃料噴射孔３９５が周方向に等間隔で形成されている。各第１燃料噴射孔３９５は、径方向外側に延びて第２環状通路部３９９に連通している。

図示するように、第２燃料供給路３８３は、軸心３６０に沿って上流側から下流側に延び、上流側は流量制御弁を有する３０８配管を介して第２燃料供給源に接続され、下流側にはヘッダ部３８５Ａを介して第２燃料噴射ノズル３８４が接続されている。

なお、本実施の形態の追焚きバーナ３６は、実施形態３の追焚きバーナ３６の第１例〜第４例で説明した２次空気２０２を予混合流路３６７内に導入する構成を採用することも可能である。

次に、上述の構成からなる追焚きバーナ３６の作用について、図１１を参照して以下に説明する。

予混合流路３６７の上流側を外筒３６４の外縁から中心に向けて流れる１次混合気は、整流突起部３９０に沿って流速を落とさずに下流側に流れ、第１燃料と混合された予混合気７００（２次混合気）として燃焼室３３に噴射されるため、予混合気の流速低下による逆火を抑制できる。このとき、第１燃料（天然ガス）は第２燃料（水素ガス）よりも比重が大きいため、第１燃料により第１燃料と１次混合気が十分に撹拌混合されて希薄で且つ１次混合気よりも濃度分布が均一な予混合気７００が生成される。また、第１燃料は１次混合気の流れ方向と交差する方向に噴射されるため、第１燃料と１次混合気の混合が促進されて濃度分布が均一になる。その結果、希薄で且つ濃度分布が均一な予混合気７００が燃焼室３３の１次燃焼領域Ｓ１よりも下流側の２次燃焼領域Ｓ２に噴射され、燃焼排ガス中のＮＯｘを抑制できる。

１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン
５ ロータ
６ 発電機
３１ メインバーナ
３２ パイロットバーナ
３３ 燃焼室
３４ 燃焼筒
３６ 追焚きバーナ（燃料噴射装置）
３７ 燃焼用空気流路（空気流路）
２００ 圧縮空気（燃焼用空気）
３００ 燃焼排ガス
３６０ 軸心
３６１ 頭部ブロック
３６２ 第１の筒部
３６３ 第２の筒部
３６４ 外筒
３６６ 連結片
３６７ 予混合流路
３６８ 第１燃料導入部
３６９ 第２燃料導入部
３７０ 第１空気導入部
３８０ 第１燃料供給路
３８１ 第１燃料噴射ノズル
３８２ 第１燃料噴射孔
３８３ 第２燃料供給路
３８４ 第２燃料噴射ノズル
３９０ 整流突起部
３９３ 第２空気導入部
７００ 予混合気

Claims (8)

1. 上流側から予混合流路に導入した燃焼用空気と燃料を前記予混合流路内で混合して予混合気を生成し、前記予混合気を下流側から燃焼室に噴射して燃焼させるバーナであって、
   内部に前記予混合流路が形成される外筒と、前記予混合流路の上流側において前記外筒の外縁から中心に向けて燃焼用空気を供給する第１空気導入部と、
   第１燃料を前記予混合流路に導入する第１燃料導入部と、
   前記第１燃料より比重が小さい第２燃料を前記予混合流路に導入する第２燃料導入部を備え、
   前記第２燃料導入部は、前記予混合流路の上流側端部から下流側に向けて前記予混合流路内に突出して形成され、
   前記第１空気導入部から導入された圧縮空気に第２燃料を噴射する複数の第２燃料噴射ノズルを有し、
   前記燃焼用空気に対して前記第２燃料噴射ノズルから前記第２燃料が噴射されて１次混合気が生成され、
   前記１次混合気に対して前記第１燃料導入部から前記第１燃料が導入されて２次混合気が生成され、
   前記第１燃料導入部は、前記予混合流路の上流側端部から前記外筒と同心状に前記予混合流路内に突出し、前記外筒の外縁に向けて前記第１燃料を噴射する第１燃料噴射ノズルを有するバーナ。
2. 上流側から予混合流路に導入した燃焼用空気と燃料を前記予混合流路内で混合して予混合気を生成し、前記予混合気を下流側から燃焼室に噴射して燃焼させるバーナであって、
   内部に前記予混合流路が形成される外筒と、前記予混合流路の上流側において前記外筒の外縁から中心に向けて燃焼用空気を供給する第１空気導入部と、
   第１燃料を前記予混合流路に導入する第１燃料導入部と、
   前記第１燃料より比重が小さい第２燃料を前記予混合流路に導入する第２燃料導入部を備え、
   前記第２燃料導入部は、前記予混合流路の上流側端部から下流側に向けて前記予混合流路内に突出して形成され、
   前記第１空気導入部から導入された圧縮空気に第２燃料を噴射する複数の第２燃料噴射ノズルを有し、
   前記燃焼用空気に対して前記第２燃料噴射ノズルから前記第２燃料が噴射されて１次混合気が生成され、
   前記１次混合気に対して前記第１燃料導入部から前記第１燃料が導入されて２次混合気が生成され、
   前記予混合流路の上流側端部から前記外筒と同心状に前記予混合流路内に突出する整流突起部を備え、
   前記第１燃料導入部は、前記予混合流路の上流側端部であって前記整流突起部よりも外縁側に形成され、
   前記予混合流路の外縁側に傾斜した方向に前記第１燃料を噴射する複数の第１燃料噴射孔を有するバーナ。
3. 上流側から予混合流路に導入した燃焼用空気と燃料を前記予混合流路内で混合して予混合気を生成し、前記予混合気を下流側から燃焼室に噴射して燃焼させるバーナであって、
   内部に前記予混合流路が形成される外筒と、前記予混合流路の上流側において前記外筒の外縁から中心に向けて燃焼用空気を供給する第１空気導入部と、
   第１燃料を前記予混合流路に導入する第１燃料導入部と、
   前記第１燃料より比重が小さい第２燃料を前記予混合流路に導入する第２燃料導入部を備え、
   前記第２燃料導入部は、前記予混合流路の上流側端部から下流側に向けて前記予混合流路内に突出して形成され、
   前記第１空気導入部から導入された圧縮空気に第２燃料を噴射する複数の第２燃料噴射ノズルを有し、
   前記燃焼用空気に対して前記第２燃料噴射ノズルから前記第２燃料が噴射されて１次混合気が生成され、
   前記１次混合気に対して前記第１燃料導入部から前記第１燃料が導入されて２次混合気が生成され、
   前記予混合流路の上流側端部から前記外筒と同心状に前記予混合流路内に突出する整流突起部を備え、
   前記第１燃料導入部は、前記第１空気導入部よりも下流側において、前記外筒の外縁から中心に向けて第１燃料を噴射する複数の第１燃料噴射ノズルを備えるバーナ。
4. 前記外筒の外縁から前記予混合流路に空気を導入する第２空気導入部を前記第１空気導入部よりも下流側に備える請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のバーナ。
5. 前記外筒は、それぞれ同軸上に配置された上流側の第１の筒体、及び下流側の第２の筒体で構成され、
   前記第１の筒体と前記第２の筒体は、前記軸の方向に一部オーバーラップして配置されており、
   前記第２空気導入部は、前記第１の筒体と前記第２の筒体により区画されていると共に、上流側から下流側に向かって漸次縮径する環状の隙間である請求項４に記載のバーナ。
6. 前記第１燃料は、天然ガス又は液化天然ガスであり、前記第２燃料は、水素ガス又は水素含有ガスである請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のバーナ。
7. 燃料を燃焼させる燃焼室を形成する燃焼筒と、前記燃焼筒の上流側に配置された予混合式のメインバーナと、
   前記燃焼筒の下流側の周壁部を貫通して配置された追焚きバーナとを備えるガスタービンの燃焼器であって、
   前記追焚きバーナは、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のバーナであることを特徴とするガスタービンの燃焼器。
8. 請求項７に記載の燃焼器を備えることを特徴とするガスタービン。

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