JP2007113888A - ガスタービンエンジンの燃焼器構造 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の大型化、複雑化や熱効率の低下を招来することなく、広い運転負荷範囲において、燃焼安定性が良好であり、かつＮＯｘおよびＣＯ等の有害物質の排出が少ないガスタービンエンジンの燃焼器構造を提供する。
【解決手段】希薄予混合燃焼が適用されてなるガスタービンエンジンの燃焼器構造であって、燃料追加供給部７を予混合燃焼領域Ｖの下流に２段階に設け、予混合燃焼領域Ｖに空気を供給するライナヘッドにおける主空気流路面積Ｓが、燃料追加供給部７における空気流路の総流路面積を超えないようにされているものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスタービンエンジンの燃焼器構造に関する。さらに詳しくは、部分負荷時においても所望の燃焼安定性と低公害性とを発揮し得るガスタービンエンジンの燃焼器構造に関する。

近年、自家発電設備の普及がさらに進み、その動力源としてガスタービンエンジンが広く採用されている。そのような発電設備は、時間帯等に応じて電力需要が変動するために、最大出力による運転のみならず部分負荷による運転が必要とされる場合も多い。

したがって、広い運転負荷範囲において、良好な燃焼安定性を達成し、かつＮＯｘ（窒素酸化物）およびＣＯ（一酸化炭素）等の有害物質の排出を低減することが、環境保全のために、ガスタービンエンジンにおいて求められるようになってきている。

このような要請に応えるために、従来、部分負荷時に、（１）燃焼室内に水または水蒸気を噴射したり、（２）エンジン抽気により、希薄予混合燃焼における混合空気量を減少させたりすることが行われている。

ところが、前記１の方法では、水または水蒸気を噴射するための設備が必要となり、装置の大型化、複雑化を招来する上、そのようなデメリットに見合った大幅なＮＯｘの低減効果が発揮されないといった問題がある。

また、前記２の方法では、安定燃焼範囲の狭い希薄予混合燃焼においても広い運転負荷範囲において低ＮＯｘ化を実現できるものの、抽気のための仕事量によりエンジン熱効率が低下するといった問題がある。
特開平８−２６１４６８号公報 特開平１０−１９６９０９号公報 特開２０００−２７４６８９号公報

本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、装置の大型化、複雑化や熱効率の低下を招来することなく、広い運転負荷範囲において、燃焼安定性が良好であり、かつＮＯｘおよびＣＯ等の有害物質の排出が少ないガスタービンエンジンの燃焼器構造を提供することを目的としている。

本発明のガスタービンエンジンの燃焼器構造は、希薄予混合燃焼が適用されてなるガスタービンエンジンの燃焼器構造であって、燃料追加供給部を予混合燃焼領域の下流に２段階に設けてなることを特徴とする。

本発明のガスタービンエンジンの燃焼器構造においては、予混合燃焼領域に空気を供給するライナヘッドに設けられる主空気流路面積が、燃料追加供給部における空気を供給する空気流路の総流路面積を超えないようにされてなるのが好ましい。

また、本発明のガスタービンエンジンの燃焼器構造においては、第１段の燃料追加供給部における空気を供給する空気流路の総流路面積が、第２段の燃料追加供給部における空気を供給する空気流路の総流路面積を超えないようにされてなるのが好ましい。

さらに、本発明のガスタービンエンジンの燃焼器構造においては、燃料追加供給部の燃料ノズルは、拡散ノズルおよび予混合燃焼用ノズルとすることができるが、拡散ノズルとされるのが好ましい。

しかして、本発明のガスタービンエンジンの燃焼器構造は、ガスタービンエンジンの燃焼器に備えられる。

本発明のガスタービンエンジンの燃焼器構造は、前記の如く構成されているので、広い運転負荷範囲において、燃焼安定性が良好であり、かつＮＯｘおよびＣＯ等の有害物質の排出が少ないという優れた効果が得られる。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。

図１に、本発明の一実施形態に係るガスタービンエンジンの燃焼器構造が適用された燃焼器Ｕの概略図を示す。

燃焼器Ｕは、図１に示すように、燃焼器ライナのスリーブ外筒としてのフロースリーブ１と、その内側に設けられたスリーブ内筒としての内筒２とを備える。

フロースリーブ１および内筒２の一端開口はともに端壁３により閉塞される一方、フロースリーブ１の他端は燃焼用空気を導入する空気導入口１ａとして開口し、内筒２の他端は排気口２ａとして開口している。

ここで、内筒２の内部は、円環板状の隔壁２ｂにより、端壁３側のライナヘッド４と、排気口２ａ側の燃焼室５とに軸方向に所定位置で区分される。

ライナヘッド４は、空気導入口１ａからフロースリーブ１内に導入された燃焼用空気を内筒２内部に導くための所定数の開口４ａを有するとともに、図示しない燃料供給系から供給される燃料を燃焼用空気と混合して予混合燃料として燃焼室５内に噴出するための燃料噴出装置６を内部に収納している。燃料噴出装置６から噴出された予混合燃料は、燃焼室５内の所定領域（以下、予混合燃焼領域という）Ｖにおいて燃焼する。

また、燃焼器Ｕは、燃料噴出装置６とは別に、部分負荷時に燃焼室５に追加的に燃料を供給するための燃料追加供給部７を備えるものとされる。図中、符号Ｆは燃料追加供給部７により供給された燃料により形成される拡散火炎（または予混合火炎）を示す。

次に、燃料噴出装置６を説明する。

燃料噴出装置６は、燃焼室５の上流側開口である前記隔壁２ａの内側開口の中心に配されたパイロット燃焼部１０と、その径方向外方に配されたメイン燃焼部２０とを有する。

パイロット燃焼部１０は、中心に配されたパイロット燃料ノズル１１と、その径方向周囲に配された、パイロット燃料ノズル１１から噴出される燃料と燃焼用空気とを混合して燃焼室に送るための燃焼用空気流路１２とを有する。

パイロット燃料ノズル１１は、端部開口が閉塞された管状部材からなり、放射状に燃料を噴出するように周壁に噴射孔１１ａが穿設されている。

燃焼用空気流路１２は、パイロット燃料ノズル１１外周面と、その周囲に配設されたハット状筒体１３の内周面との間隙として形成されており、所定位置にスワーラ１４が設けられるものとされる。パイロット燃料ノズル１１から燃焼用空気流路１２に噴出された燃料は、スワーラ１４により旋回流とされた燃焼用空気と混合して、燃焼室５に送られる。

メイン燃焼部２０は、メイン燃料ノズル２１と、メイン燃料ノズルから噴出される燃料と燃焼用空気とを混合して燃焼室５に送るためのメイン燃料予混合流路２２とを有する。

メイン燃料ノズル２１は、前記ハット状筒体１３の径方向外方に配されており、メイン燃料予混合流路２２の始端開口２２ａに向けて燃料を噴出する。

メイン燃料予混合流路２２は、前記ハット状筒体１３の外周面と、これよりも大径のハット状筒体２３との間隙として形成されており、両ハット状筒体１３、２３のフランジ状部の間隙がメイン燃料予混合流路２２の始端開口２２ａとされている。

また、この始端開口２２ａには、スワーラ２４が配設されている。

そして、前記大径のハット状筒体２３のボス状部開口は前記内筒２の隔壁２ａの内側端部と接続されて、メイン燃料予混合流路の出口（以下、予混合流路出口という）２２ｂを形成している。

しかして、メイン燃料ノズル２１から噴出された燃料は、スワーラ２４において燃焼用空気とともに旋回成分が与えられて燃焼用空気と混合し、予混合流路出口２２ｂから予混合燃焼領域Ｖに向けて噴出される。

ここで、前記ライナヘッド４の開口４ａから内筒２内に導入された燃焼用空気は、メイン燃料予混合流路２２およびスワーラ１４を通過して予混合燃焼領域Ｖに送られる。したがって、メイン燃料予混合流路２２およびスワーラ１４の合計流路面積を本明細書では主空気流路面積Ｓと定義するものとする。

一般に、ガスタービンエンジンにおいては、ＮＯｘ（窒素酸化物）およびＣＯ（一酸化炭素）の排出を共に抑えて安定燃焼できる、負荷に応じた希薄側の限界空燃比が存在する。実施形態では、ガスタービンエンジンの所定の部分負荷運転時（例えば、最大負荷の５０％の運転時）の予混合燃焼領域Ｖにおける空燃比が、最大負荷に近い所定負荷による運転時（例えば、最大負荷の８０％の運転時）の前記限界空燃比と同程度となるように、前記主空気流路面積Ｓを設定する。このとき、前記面積Ｓは、通常よりも小さくなる。

次に、燃料追加供給部７を説明する。

燃料追加供給部７は、部分負荷時に、低ＮＯｘかつ低ＣＯの燃焼状態で安定燃焼している予混合燃焼領域Ｖの下流側の所定位置にて、ＮＯｘの生成を抑えるように、燃焼室５に燃料を追加的に供給して燃焼（追焚き燃焼）させるものであり、前記所定位置にて燃焼室５と外部とを連通するように、燃焼室５壁を貫通して設けられる所定数の燃料追加供給用チューブ３１と、チューブ３１に先端を所定長さ差し込むようにして配設された燃料追加供給ノズル３２とを有する。

燃料追加供給ノズル３２は、図示例のような拡散燃焼用ノズルとすることも、図示しない予混合燃焼用ノズルとすることも可能である。

ここで、燃料追加供給部７は２段階に設けられるものとされる。すなわち、予混合流路出口２２ｂからの軸方向距離が第１の距離Ｌ１である第１段追加供給部７Ａと、第２の距離Ｌ２（ただし、Ｌ１＜Ｌ２）である第２段追加供給部７Ｂがそれぞれ設けられるものとされる。

ここで、第１距離Ｌ１および第２距離Ｌ２と、各段の追加供給部７Ａ、７Ｂに配設されるチューブ３１および燃料追加供給ノズル３２の数量とその配置の相互関係（例：直列配置、千鳥配置）と、前記主空気流路面積Ｓと燃料追加供給部７の空気流路の総流路面積の比と、第１段追加供給部７Ａの空気流路面積と第２段追加供給部７Ｂの空気流路面積の比とは、それぞれ、ＮＯｘおよびＣＯの排出量が少なく、かつ安定燃焼が可能なように適宜設定するものとされる。

例えば、主空気流路面積Ｓと燃料追加供給部７の空気流路の総流路面積の比Ｄ１は、５：５等とされ、第１段追加供給部７Ａの空気流路の総流路面積と第２段追加供給部７Ｂのそれとの比Ｄ２は、４：６等とされる。

前記比Ｄ１の値は、低負荷範囲を広くする場合に、４：６、・・・と小さくされる。

また、前記比Ｄ２の値は、低負荷範囲を広くする場合に、３：７、・・・と小さくされる。

このように、本実施形態の燃焼器Ｕにおいては、部分負荷時に、低ＮＯｘかつ低ＣＯの燃焼状態で安定燃焼が行えるように主空気流路面積Ｓを設定するとともに、２段階の燃料追加供給部７により燃焼室５に燃料を追加的に供給して燃焼させるものとしたので、負荷に応じた適正な空燃比となし得るという理由により、ＮＯｘおよびＣＯの発生を抑えることが可能となる。

したがって、広い運転負荷範囲において、良好な燃焼安定性と、ＮＯｘおよびＣＯ等の有害物質の排出の少ないクリーンな燃焼とを達成することができる。

以下、図２を参照して、本発明の実施例を説明する。図２は、実施形態の第１段燃料追加供給部７Ａのみを設けた燃焼器におけるＮＯｘ排出量（比較例１）およびＣＯ排出量（比較例２）の負荷特性と、２段階の燃料追加供給部７Ａ、７Ｂを設けた燃焼器のＮＯｘ排出量（実施例１）およびＣＯ排出量（実施例２）の負荷特性とを示すグラフ図である。また、図２において、Ｈ１線はＮＯｘの排出許容濃度を示し、Ｈ２線はＣＯの排出許容濃度を示す。

図２に示すように、実施例１では、全ての負荷領域において比較例１よりもＮＯｘの排出濃度が低く抑えられており、２段階の燃料追加供給部７Ａ、７Ｂを設けることによってＮＯｘの排出量をより低減できることが分かる。

また、実施例２では、全ての負荷領域においてＣＯ排出量が許容濃度以下に抑えられており、２段階の燃料追加供給部７Ａ、７Ｂを設けることによってＣＯの排出量をより低減できることが分かる。これに対して、比較例２では、所定負荷Ｅ１以下の領域でＣＯ排出量が許容濃度を上回っており、環境保全の観点から前記所定負荷Ｅ１以下での運転はできないことが分かる。したがって、２段階の燃料追加供給部７Ａ、７Ｂを設けることによって、環境保全上、運転可能な負荷領域が広がる。

本発明は、ガスタービンエンジンの燃焼器に適用できる。

本発明の一実施形態に係るガスタービンエンジンの燃焼器構造が適用された燃焼器の概略図である。 本発明の実施例としての有害物質排出量の負荷特性図である。

符号の説明

Ｕ 燃焼器
Ｖ 予混合燃焼領域
１ フロースリーブ
２ 内筒
４ ライナヘッド
５ 燃焼室
６ 燃料噴出装置
７ 燃料追加供給部

Claims (5)

1. 希薄予混合燃焼が適用されてなるガスタービンエンジンの燃焼器構造であって、
   燃料追加供給部を予混合燃焼領域の下流に２段階に設けてなることを特徴とするガスタービンエンジンの燃焼器構造。
2. 予混合燃焼領域に空気を供給するライナヘッドに設けられる主空気流路面積が、燃料追加供給部における空気を供給する空気流路の総流路面積を超えないようにされてなることを特徴とする請求項１記載のガスタービンエンジンの燃焼器構造。
3. 第１段の燃料追加供給部における空気を供給する空気流路の総流路面積が、第２段の燃料追加供給部における空気を供給する空気流路の総流路面積を超えないようにされてなることを特徴とする請求項１記載のガスタービンエンジンの燃焼器構造。
4. 燃料追加供給部の燃料ノズルが拡散ノズルとされてなることを特徴とする請求項１記載のガスタービンエンジンの燃焼器構造。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載のガスタービンエンジンの燃焼器構造を備えてなることを特徴とするガスタービンエンジンの燃焼器。

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