JP2006029677A

JP2006029677A - 複数のバーナを備えた燃焼器

Info

Publication number: JP2006029677A
Application number: JP2004208698A
Authority: JP
Inventors: Tomoki Koganezawa; 知己小金沢; Shohei Yoshida; 正平吉田; Yoshitaka Hirata; 義隆平田; Tomoya Murota; 知也室田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-07-15
Filing date: 2004-07-15
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】本発明は、燃焼用空気を外周側から導入する際に各バーナにおける空気供給量の周方向偏差を抑制できる複数のバーナを備えた燃焼器を提供することにある。
【解決手段】本発明は、外径側から混合室１０内に至る空気導入孔１３を周方向に沿って複数形成してなるバーナ７を燃焼室５に複数臨ませた燃焼器２において、各バーナ７の空気導入孔１３への空気供給量を均等化させる手段（１２Ａ，１８，１９，２０）を設けたのである。
上記のように構成することで、周方向に複数設けた空気導入孔１３からほぼ均一な空気（Ａ２）が供給されることになるので、空気供給量の周方向の偏差はなくなり、空気流量が少ないことにより生じていた液体燃料の炭化物の付着堆積を回避することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は複数のバーナを備えた燃焼器に係り、特に、燃焼用空気を外周側から導入する空気導入孔を周方向に複数形成してなる複数のバーナを備えた燃焼器に関する。

一般的に、例えば、ガスタービン用燃焼器においては、燃焼ガス温度の上昇に伴って生成される窒素酸化物（以下、ＮＯｘと称する）の排出を低減させるために、予混合方式のガスタービン用燃焼器が、例えば特許文献１に開示のように、既に提案されている。しかし、予混合方式のガスタービン用燃焼器は、逆火や自発火による異常燃焼により予混合器を溶損させる問題がある。

そこで出願人は、上記逆火や自発火による異常燃焼によって予混合器を溶損させることのない新規なガスタービン用燃焼器を開発した。

上記新規なガスタービン用燃焼器は、中心に液体燃料ノズルを備え、この液体燃料ノズルの噴出方向下流側に混合室を形成し、この混合室を形成する壁の外径側から混合室内に貫通する空気導入孔を周方向に複数形成し、前記空気導入孔の内側に気体燃料噴出口を開口させた新規なバーナを形成し、この新規なバーナを燃焼室に臨ませたものである。

そして、前記新規なバーナを小型化して多数配置することで、燃料と空気の初期分布を均一にし、燃料と空気の混合をさらに促進させることで、ＮＯｘ排出量をさらに低減させている。

特開平９−２６４５３６

上記新規なバーナを多数配置することで、隣接された多数の新規なバーナ間の隙間が狭域となり、その結果、各バーナに導入される燃焼用空気が部分的に絞られるので、バーナの外周から導入される空気供給量に周方向の偏差が生じる。この空気供給量の周方向の偏差は、混合室内の空気供給量の少ない部分に、液体燃料の炭化物を付着させる問題を生じさせる。この炭化物が空気供給量の少ない空気導入孔内部に及んで堆積すると、空気導入孔内に開口する気体燃料噴出口を閉塞して気体燃料燃焼時に火炎温度の周方向偏差を引き起こし、排ガス性状の悪化（ＮＯｘ，未燃分などの生成）や燃焼の不安定性（逆火，吹き消え，燃焼振動など）など様々な悪影響を生じさせることが検証された。

本発明の目的は、燃焼用空気を外周側から導入する際に各バーナにおける空気供給量の周方向偏差を抑制できる複数のバーナを備えた燃焼器を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、外径側から混合室内に至る空気導入孔を周方向に沿って複数形成してなるバーナを燃焼室に複数臨ませた燃焼器において、各バーナの空気導入孔への空気供給量を均等化させる手段を設けたのである。

上記のように構成することで、周方向に複数設けた空気導入孔からほぼ均一な空気が供給されることになるので、空気供給量の周方向の偏差はなくなり、空気流量が少ないことにより生じていた液体燃料の炭化物の付着堆積を回避することができる。

以上説明したように本発明によれば、燃焼用空気を外周側から導入する際に各バーナにおける空気供給量の周方向偏差を抑制できる複数のバーナを備えた燃焼器を得ることが可能となる。

以下本発明による複数のバーナを備えた燃焼器の第１の実施の形態を、図１〜図４に示すガスタービン発電プラントに基づいて説明する。

ガスタービン発電プラントは、大きくは、外気Ａ１を圧縮して高圧の燃焼用空気Ａ２を生成する圧縮機１と、この圧縮機１から吐出される燃焼用空気Ａ２と燃料を混合して燃焼ガスＡ３を生成する燃焼器２と、この燃焼器２で生成された燃焼ガスＡ３により駆動されるガスタービン３と、このガスタービン３及び前記圧縮機１と同軸の発電機４とから構成されている。

前記燃焼器２は、燃焼室５を形成する燃焼器ライナ６と、この燃焼器ライナ６に開口部を望ませ平行に配置された複数のバーナ７と、このバーナ７と前記燃焼器ライナ６の外周部を覆う外筒８と、この外筒９の前記燃焼室５とは反対側を覆い前記複数のバーナ７を支持する燃焼器カバー９とを備えている。

前記バーナ７は、一端側が塞がれた円筒状に形成され、内部には燃焼室５に向かって拡開する混合室１０を形成している。また、前記バーナ７は、円筒状が塞がれた側から前記混合室１０内に液体燃料Ｆ１を噴出する液体燃料ノズル１１を開口させており、さらに、前記混合室１０を形成する周壁１２には周方向及び軸方向に複数（本実施の形態では周方向に６つ、軸方向に５段）の空気導入孔１３が形成されている。これら空気導入孔１３は、周壁１２の外径側から内径側の混合室１０に至るように貫通されており、そのうち液体燃料ノズル１１寄りの空気導入孔１３は混合室１０の中心部に向かって燃焼用空気Ａ２を放出するように放射方向に形成され、燃焼室５側に接近するにつれて周方向の傾斜が次第に大きくなるように形成されている。また、前記空気導入孔１３間の周壁１２には、等間隔に気体燃料ヘッダ１４が設けられており、この気体燃料ヘッダ１４から周方向に気体燃料供給孔１５が延在されており、その延在端に前記空気導入孔１３内に開口する気体燃料噴出口１６が設けられている。そして、前記気体燃料ヘッダ１４は、混合室１０の円筒状が塞がれた側に設けた気体燃料分配ヘッダ１７に接続され、この気体燃料分配ヘッダ１７を介して前記気体燃料ヘッダ１４に気体燃料Ｆ２が供給される。

このような構成により、液体燃料燃焼時には、液体燃料ノズル１１から液体燃料が混合室１０内に噴霧され、同時に空気導入孔１３からは燃焼用空気Ａ２が混合室１０内に流入する。このうち液体燃料噴霧方向の上流側（図３の左側）に位置する空気導入孔１３から導入された燃焼用空気Ａ２は、噴霧されている液体燃料に衝突し、液滴径をさらに微細化しつつ液体燃料Ｆ１と混合して下流側（図３の右側）に流れる。下流側の空気導入孔１３から導入される燃焼用空気Ａ２は、周方向に傾斜した空気導入孔１３の傾きに応じて混合室１０内を旋回しながら液体燃料Ｆ１と混合して下流側に移動し、混合室１０の出口近傍に混合気の循環流を形成する。この混合気の循環流によって火炎が保持されるために噴霧された液体燃料Ｆ１が混合室１０の出口近傍で安定して燃焼する。こうして、混合室１０内に噴霧された液体燃料Ｆ１は導入された燃焼用空気Ａ２の流れによってさらに微細化されることで蒸発が促進され、気体となって混合室１０内で燃焼用空気Ａ２と均一に混合された後、混合室１０の出口近傍で希薄燃焼するので、火炎内に局所的高温部が生じずＮＯｘ発生量を低く抑えることができる。

一方、気体燃料燃焼時には、気体燃料噴出口１６から空気導入孔１３内に気体燃料Ｆ２が噴出される。この気体燃料Ｆ２と燃焼用空気Ａ２の混合気は、多数（本実施の形態の場合、６×５列＝３０）の空気導入孔１３から混合室１０内に噴出され、旋回して混合がさらに均一になりながら混合室１０の下流側に流れ、混合室１０の出口近傍に形成された循環流に保持されて安定燃焼する。このようにして、気体燃料Ｆ２と燃焼用空気Ａ２とは、混合室１０への噴出前には混合度は不十分ながら予め混合状態にあるため、混合室１０内に噴霧された後の混合は速やかに進行して混合室１０の出口近傍で希薄燃焼するので、火炎内に局所的高温部が生じずＮＯｘ発生量を低く抑えることができる。

上記構成の燃焼器２において、隣接配置された各バーナ７間は、互いの周壁１２が接近している部分で外径側から内径側に流れる燃焼用空気Ａ２の流路が絞られるので、燃焼器２の内径側となる周壁１２に設けられた空気導入孔１３には、十分に燃焼用空気Ａ２が行き渡らず、結果的に、燃焼器２の外径側となる周壁１２に設けられた空気導入孔１３に多くの燃焼用空気Ａ２が流入するので、一つのバーナ７を見ると周方向に空気供給量の偏差が生じる。

そこで本実施の形態では、図１及び図２に示すように、バーナ７の混合室１０を形成する周壁１２のうち、隣接するバーナ７に面する周壁１２Ａの肉厚を薄く形成したのである。このように、周壁１２Ａの肉厚を薄くすることで、隣接バーナ７間の隙間を広げることができ、その広がった隙間から燃焼用空気Ａ２を矢印（図１）で示すように容易に燃焼器の内径方向に流入することができ、燃焼器内径側に開口する各バーナ７の空気導入孔１３から容易に流入することができる。したがって、１バーナ当たりの空気流量の周方向偏差は少なくなる。また、隣接バーナ７間の隙間が広がることで、隣接バーナ７間を流通する燃焼用空気Ａ２の流速が遅くなるので、燃焼器内径側に開口する各バーナ７の空気導入孔１３から十分な量の燃焼用空気Ａ２を導入でき、このことからも１バーナ当たりの周方向の空気流量の偏差を少なくすることができる。同時に、周壁１２Ａの肉厚を薄くすることで、薄くした肉厚部に形成した空気導入孔１３の長さが短くなるので、混合室１０内へ容易に燃焼用空気Ａ２を導入することができる。これによっても、１バーナ当たりの周方向の空気流量の偏差を少なくすることができる。

以上のように、１バーナ当たりの周方向の空気流量の偏差が解消されることにより、液体燃料燃焼時及び気体燃料燃焼時とも、火炎温度の周方向の偏差がなくなるので、排ガス性状の悪化（ＮＯｘ，未燃分などの生成）が改善され、バーナ部品の局所的高温による損傷（酸化，熱応力発生，変形）や燃焼の不安定性（逆火，吹き消え，燃焼振動など）などを低減或いは無くすことができる。

また、１バーナ当たりの空気流量の周方向偏差に基づく混合室１０内の周方向の流速偏差も解消されるので、逆火，吹き消え，燃焼振動などの燃焼不安定を防止できる。このほか、液体燃料使用時に液体燃料の微粒化を損なうことがなく、液体燃料噴霧に対する燃焼用空気Ａ２の衝突により良好な微粒化や混合促進が図れ、ＮＯｘ発生量を抑制することができる。

さらにまた、混合室１０内の空気流速が均一化できるので、周方向偏差により発生していた液体燃料の炭化物の付着堆積を回避することができる。同様に、周方向偏差で空気流量が少なかった位置の空気導入孔１３内へ液体燃料の炭化物が付着堆積する問題も、１バーナ当たりの空気流量の周方向偏差がなくなることで解消することができ、したがって空気導入孔１３内に開口する気体燃料噴出口１６を液体燃料の炭化物で閉塞させることも回避することができる。このことから、気体燃料燃焼時に、火炎温度の周方向分布を均一化でき、排ガス性状の悪化（ＮＯｘ，未燃分などの生成）を改善し、バーナ部品の局所的高温による損傷（酸化，熱応力発生，変形）や燃焼の不安定性（逆火，吹き消え，燃焼振動など）などを低減或いは無くすことができる。

本実施の形態において、隣接するバーナ７に面する周壁１２Ａの肉厚を薄く形成し、その部分の空気導入孔１３の長さを短くした構成が、本発明による各空気導入孔へ供給する空気供給量を均等化させる手段、各空気導入孔への流通抵抗を均等化させる手段、空気流路から離れた位置に開口する空気導入孔の長さを短くした構成、隣接するバーナに面する空気導入孔の入口部に設けた流通抵抗低減手段に相当するものである。

次に、本発明による第２の実施の形態を図５及び図６に基づいて説明する。尚、図１〜図４と同一符号は同一部品を示すので、再度の詳細な説明は省略する。

本実施の形態は、第１の実施の形態のようにバーナ７の周壁１２の肉厚を変化させるものではなく、燃焼用空気Ａ２の流通方向の下流側となる方向に開口する空気導入孔１３の入口の周縁に面取り部１８を形成したのである。

このように面取り部１８を設けたことにより、燃焼用空気Ａ２の流通方向の下流側となる方向に開口する空気導入孔１３の空気抵抗を、他の空気導入孔１３の空気抵抗に比べて低減することができる。その結果、燃焼用空気Ａ２の流通方向の下流側となる方向に開口する空気導入孔１３からも燃焼用空気Ａ２を十分に導入できるので、１バーナ当たりの空気流量の周方向偏差を縮小することができる。

したがって、第１の実施の形態と同じように、液体燃料燃焼時、気体燃料燃焼時とも、ＮＯｘ発生量及び未燃分発生量の抑制、バーナ部品の損傷防止、燃焼不安定の発生抑制、液体燃料による炭化物の付着堆積防止、炭化物の付着堆積による気体燃料噴出口の閉塞防止の効果を奏することができる。

図７は、第２の実施の形態の変形例を示すもので、燃焼用空気Ａ２の流通方向の下流側となる方向に開口する空気導入孔１３の入口の周縁にフィレット１９を形成したので、第２の実施の形態と同等の効果を奏することができる。

上記第２の実施の形態及びその変形例において、面取り部１８及びフィレット１９が、本発明による各空気導入孔へ供給する空気供給量を均等化させる手段、各空気導入孔への流通抵抗を均等化させる手段、隣接するバーナに面する空気導入孔の入口部に設けた流通抵抗低減手段に相当するものである。

次に、本発明による第３の実施の形態を図８に基づいて説明する。尚、図１〜図７と同一符号は同一部品を示すので、再度の詳細な説明は省略する。

本実施の形態においては、バーナ７の外周に空気導入筒２０を同心状に設けたのである。この空気導入筒２０は、バーナ７の外形と相似形の筒体２０Ａと、混合室１０の下流側に対応する筒体２０Ａの端部を塞ぐ端板２０Ｂとを有する。そして、このように形成された空気導入筒２０を、バーナ７の外周にほぼ均一な隙間をもって設置し、空気導入孔１３を覆うのである。また、空気導入筒２０の開口側は、バーナ７の気体燃料分配ヘッダ１７が形成されている位置近傍に位置させている。

上記構成とすることで、燃焼器２（図４）内に供給された燃焼用空気Ａ２は、空気導入筒２０の外周面に沿って上流側に進み、空気導入筒２０の開口側で方向転換する。この燃焼用空気Ａ２の方向転換部は、バーナ７の外形に比べてかなり小径の液体燃料供給管２１や気体燃料供給管２２が存在するだけなので、容易に方向転換できる。方向転換した燃焼用空気Ａ２は、空気導入筒２０とバーナ７の外周と隙間をバーナ７の外周全域に亘って下流側に向かって進み、バーナ７の外周に開口する空気導入孔１３から混合室１０内に導入される。

このように空気導入筒２０を設けることで、空気導入孔１３に至る燃焼用空気Ａ２は、すべて一方向（バーナ７の長手方向）の流れとなり、しかもバーナ７の外周全域に亘って流れるので、バーナ７の外周に開口させた空気導入孔１３までの流通抵抗を均等化させることができ、空気導入孔１３からほぼ均等の供給量の燃焼用空気Ａ２を導入することができる。その結果、混合室１０内に供給される燃焼用空気Ａ２の空気流量の周方向偏差はなくなり、第１及び第２の実施の形態と同様に、液体燃料燃焼時、気体燃料燃焼時とも、ＮＯｘ発生量及び未燃分発生量の抑制、バーナ部品の損傷防止、燃焼不安定の発生抑制、液体燃料による炭化物の付着堆積防止、炭化物の付着堆積による気体燃料噴出口の閉塞防止の効果を奏することができる。

本実施の形態において、空気導入筒２０が、本発明による空気供給量を均等化させる手段、各空気導入孔への流通抵抗を均等化させる手段、空気導入孔に至る空気流をバーナの長手方向に沿うように変更させる空気流変更手段に相当する。

上記各実施の形態においては、各空気導入孔１３の断面積を同じにして周方向の空気供給量の偏差を改善したものであるが、空気供給量が少なくなる側の空気導入孔１３の断面積を他の空気導入孔１３の断面積よりも大きくして空気供給量を均等化させるようにしてもよい。

また、上記各実施の形態においては、ガスタービン発電プラントを一例として説明したが、これに限定されるものではなく、ボイラや炉などの燃焼装置に適用することができる。

本発明による第１の実施の形態を示すバーナの断面図。図１に示すバーナの一部を示す拡大図。図１に示すバーナの一部を示す縦断側面図。図３に示すバーナを適用したガスタービン発電プラントを示すブロック図。本発明による第２の実施の形態を示す図１相当図。図５に示すバーナの一部を示す拡大図。本発明による第２の実施の形態の変形例を示す図６相当図。本発明による第３の実施の形態の変形例を示す図３相当図。

符号の説明

１…圧縮機、２…燃焼器、５…燃焼室、７…バーナ、１０…混合室、１１…液体燃料ノズル、１２，１２Ａ…周壁、１３…空気導入孔、１６…気体燃料噴出口、１８…面取り部、１９…フィレット、２０…空気導入筒。

Claims

円筒状のバーナを複数平行に隣接させて下流側を燃焼室に臨ませると共に、各円筒状のバーナの夫々に外径側から内径側に至る空気導入孔を周方向に沿って複数形成してなる複数のバーナを備えた燃焼器において、各空気導入孔へ供給する空気供給量を均等化させる手段を設けたことを特徴とする複数のバーナを備えた燃焼器。
前記空気供給量を均等化させる手段は、各空気導入孔の流通抵抗を均等化させる手段であることを特徴とする請求項１記載の複数のバーナを備えた燃焼器。
前記空気供給量を均等化させる手段は、空気流路から離れた位置に開口する空気導入孔の断面積を空気流路に近接する空気導入孔の断面積より大きく形成した構成である請求項１記載の複数のバーナを備えた燃焼器。
前記空気供給量を均等化させる手段は、空気流路から離れた位置に開口する空気導入孔の長さを空気流路に近接する空気導入孔の長さより短く形成した構成である請求項１記載の複数のバーナを備えた燃焼器。
前記空気供給量を均等化させる手段は、前記空気導入孔に至る空気流を前記バーナの長手方向に沿うように変更させる空気流変更手段である請求項１記載の複数のバーナを備えた燃焼器。
中心に備えた液体燃料ノズルと、この液体燃料ノズルの噴出方向下流側に形成した混合室と、この混合室を形成する壁の外径側から混合室内に貫通し周方向に複数形成され空気導入孔と、前記空気導入孔の内側に開口する気体燃料噴出口とを有する円筒状のバーナを形成し、このバーナを複数平行に隣接させて前記噴出方向下流側を燃焼室に臨ませてなる複数のバーナを備えた燃焼器において、前記バーナの混合室を形成する周壁で隣接するバーナに面する周壁の肉厚を薄く形成したことを特徴とする複数のバーナを備えた燃焼器。
中心に備えた液体燃料ノズルと、この液体燃料ノズルの噴出方向下流側に形成した混合室と、この混合室を形成する壁の外径側から混合室内に貫通し周方向に複数形成され空気導入孔と、前記空気導入孔の内側に開口する気体燃料噴出口とを有する円筒状のバーナを形成し、このバーナを複数平行に隣接させて前記噴出方向下流側を燃焼室に臨ませてなる複数のバーナを備えた燃焼器において、前記空気導入孔のうち隣接するバーナに面する空気導入孔の入口部に流通抵抗低減手段を設けたことを特徴とする複数のバーナを備えた燃焼器。
中心に備えた液体燃料ノズルと、この液体燃料ノズルの噴出方向下流側に形成した混合室と、この混合室を形成する壁の外径側から混合室内に貫通し周方向に複数形成され空気導入孔と、前記空気導入孔の内側に開口する気体燃料噴出口とを有する円筒状のバーナを形成し、このバーナを複数平行に隣接させて前記噴出方向下流側を燃焼室に臨ませてなる複数のバーナを備えた燃焼器において、前記バーナの外形と相似形の空気導入筒を、前記バーナの外周にほぼ均一な隙間をもって設置したことを特徴とする複数のバーナを備えた燃焼器。