JP2006029677A - 複数のバーナを備えた燃焼器 - Google Patents
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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
【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。
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。
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 (8)
- 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。
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- 2004-07-15 JP JP2004208698A patent/JP2006029677A/ja active Pending
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