JP2014181886A - 燃焼器及びガスタービン - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃焼器14は、パイロットノズル40と、パイロットノズル40の外周側で周方向に間隔を隔てて複数配置され予混合燃焼を行うメインノズル44と、パイロットノズル40と各メインノズル44とを取り囲む内筒34と、内筒34の先端に設けられる出口外側リング50と、内面が内筒34の外周に嵌合されると共に、出口外側リング50を取り囲む燃焼筒36と、を備える。そして、出口外側リング50は、燃焼筒36の内壁面66に対して平行となるように形成される。
【選択図】図2
Description
また、従来の燃焼器100は、出口外側リング102の外周及び燃焼筒108の内壁面110に設けられたフィルム空気排出孔112から圧縮空気の一部をフィルム空気として供給している。燃焼器100は、フィルム空気によって内壁面110の近辺における予混合気濃度が希薄化される。これにより、燃焼筒108の内壁面110に到達した予混合気は、燃焼筒108の内壁面110の近辺で燃焼することが抑制される。
予混合気は、メインバーナで1次の混合が行われるが、メインバーナを出た後も燃焼するまで継続して混合が促進される。このため、燃焼器の下流側ほど燃料の濃度がより均一化されるので、燃焼ガスの最高火炎温度が低下する。すなわち、NOxの低減のためには、混合が完了してから燃焼させることが好ましい。また、混合が完了してからの燃焼は、燃焼ガスの滞留時間も短縮されることとなり、NOxの生成量がより低減される。一方、燃焼器の上流側(燃焼器頭部)の予混合気ほど、混合が十分ではなく、燃料の濃度が均一化されていない。このため燃焼器の上流側における燃焼ほど、最高火炎温度が高くなり、かつ高温燃焼ガスの滞留時間も長くなるので、NOxの生成量が増加する。
また、予混合気は、リング部によって燃焼筒の内周方向に供給されるので、燃焼筒の中心軸付近に形成される高温の再循環流のサイズが小さくなる。その結果、再循環領域で生成されるNOxが低減する。
また、再循環流は、リング部によって燃焼筒のより内側に拘束される(絞り込まれる)。このため、再循環流の外周側の流れが加速されて、再循環流領域とその外周側の半径方向への速度勾配が大きくなる。その結果、燃焼に至るまでに外周側の予混合気の均一化がより促進されるので、燃焼ガスの最高火炎温度が低下して、NOxの生成量が低減する。
さらに、燃焼領域の下流側への移動に伴い、燃焼筒の内壁面での発熱及び高温領域が従来に比べて下流側に移動するので、温度が高くなる内壁面が減少する。このため、内壁面を冷却させるための空気量を減少でき、燃焼に用いる空気量を増加できる。その結果、火炎温度が低下し、NOxの生成量が減少する。
以下、本発明の第1実施形態について説明する。
ガスタービン10は、圧縮機12、燃焼器14、及びタービン16を備える。
燃焼器14は、パイロットバーナ30、メインバーナ32、内筒34、及び燃焼筒(尾筒ともいう)36を備える。なお、圧縮機12で圧縮された圧縮空気は、燃焼器14の外周側へと導かれる。そして、燃焼器14内のパイロットバーナ30及びメインバーナ32へ導かれる圧縮空気は、燃焼器14の外周側から空気流入口38に導かれることで、燃焼器14内へと供給されて、図1の矢印Aのように右端部で折り返した後に左側から右側へ流れる。
また、メイン燃料と空気との予混合気は、混合及び保炎のために旋回流とされている。このため、この予混合気は、図2の矢印Cのように燃焼筒36の内壁面側を流れて燃焼する傾向にあり、燃焼筒36の内壁面66の温度が上昇することとなるため、好ましくはない。
すなわち、本第1実施形態に係る燃焼器14は、従来では燃焼筒36の内壁面66近辺の低流速領域でも起こっていた燃焼を、内壁面66から離れた高流速場に移動させることができる。これにより、予混合気は、より下流側に移動しやすくなり、燃焼領域が従来の位置より下流側に移動することとなる。その結果、燃焼による発熱及び高温領域が従来に比べて全体的に下流側に移動し、燃焼ガスの高温滞留時間が短縮する。また、燃焼までの混合距離が長くなり、燃料の濃度が均一かされるので最高火炎温度が低下する。これらのために、NOxの生成量が減少する。
図3(b)は、出口外側リング50の外径が縮小していない形状を示している。図3(b)に示されるように、外径が縮小していない形状では、出口外側リング50の端部近辺に(図3(b)の破線領域)に保炎が生じ、出口外側リング50が損傷する可能性がある。
一方、出口外側リング50の外径が縮小させることで、端部に保炎が生じて、出口外側リング50が損傷することを防止できる。
さらに、出口外側リング50は、従来に比べて肉厚が薄くなっている(従来は図10の出口外側リング102を参照)。このため、空気流路58を流れる空気によって、対流冷却されやすい。このように、出口外側リング50が対流冷却されることで、出口外側リング50の温度がより低下し、出口外側リング50近辺での逆火が抑制される。
図4に示される燃焼器14が備える出口外側リング50は、予混合気の流れの下流側ほど内径が小さく形成される。図4に示される出口外側リング50は、メインバーナ32及びパイロットバーナ30が備えられる位置よりも下流側で段差を有することで、その内径が小さくなっている。なお、これに限らず、出口外側リング50の内径が逆テーパ状とされ、内径が徐々に小さくなってもよい。
例えば、メイン燃料の予混合気の旋回方向と順方向の旋回成分を、空気流路58を流通する空気に与える。これにより、空気流路58を流通する空気によるフィルム冷却の効果が高まり、燃焼筒36の内壁面66をより冷却することとなる。一方、メイン燃焼の予混合気の旋回方向と逆方向の旋回成分を、空気流路58を流通する空気に与えることにより、旋回成分を緩和させて、燃焼火炎の燃焼筒36の内壁面66へ到達を抑制する。
以下、本発明の第2実施形態について説明する。
図5は、本第2実施形態に係る燃焼器14の構成を示す。なお、図5における図2と同一の構成部分については図2と同一の符号を付して、その説明を省略する。
本第2実施形態に係る燃焼器14は、燃焼筒36の構成が簡略化されるので、燃焼器14の加工性が向上すると共にコスト低減となる。
図6に示される燃焼器14は、空気流路58の下流端部に、空気流路58に流れる空気量を制限する制限部材である垂直リング70が設けられる。垂直リング70は、空気流路58の出口を堰き止めるように配置された円環形状とされている。垂直リング70には、燃焼筒36の内壁面66を冷却するための空気を排出する空気排出口60Aが設けられる。
図6に示される燃焼器14は、垂直リング70が設けられることにより、空気流路58に流れる空気量を制御でき、かつ空気流路58の上流側へ燃焼火炎が逆火することを防止できる。
図7に示される燃焼器14は、垂直リング70に空気排出口60Aを兼ねた音響箱68が設けられる。これによりまた、燃焼器14は、空き領域を有効に利用でき、燃焼筒36の外周に音響箱68を設ける必要が無くなる。
以下、本発明の第3実施形態について説明する。
図8は、本第3実施形態に係る燃焼器14の構成を示す。なお、図8における図2と同一の構成部分については図2と同一の符号を付して、その説明を省略する。
例えばL=8Hのように、軸方向長さLがより長い場合、より逆火が抑制されることとなるので、フィルム空気等の冷却用の空気を減少できる。
以下、本発明の第4実施形態について説明する。
図9は、本第4実施形態に係る燃焼器14の構成を示す。なお、図9における図8と同一の構成部分については図2と同一の符号を付して、その説明を省略する。
なお、本第4実施形態に係る燃焼器14は、パイロットスワラ46もパイロットコーン42の端部付近に位置すると共に、パイロットノズル40とパイロットスワラ46との間には、圧縮空気の排出孔80が設けられる。圧縮空気の排出孔80から排出される空気により、パイロットスワラ46とパイロットノズル40との間が冷却される。
このため、本第4実施形態に係る燃焼器14は、パイロット燃料と圧縮空気との予混合気の再循環に起因した低流速領域が縮小され、再循環流によるNOxの生成が抑制される。また、パイロット保炎の基部がより下流側に移動するため、燃焼火炎がより下流側へ移動し、NOxの生成量が少なくなる。
12 圧縮機
14 燃焼器
16 タービン
34 内筒
36 燃焼筒
40 パイロットノズル
44 メインノズル
50 出口外側リング
54 段差
58 空気流路
64 フィルム空気排出孔
68 音響箱
Claims (11)
- パイロットノズルと、
前記パイロットノズルの外周側で周方向に間隔を隔てて複数配置され予混合燃焼を行うメインノズルと、
前記パイロットノズルと各前記メインノズルとを取り囲む内筒と、
前記内筒の先端に設けられるリング部と、
内面が前記内筒の外周に嵌合されると共に、前記リング部を取り囲む燃焼筒と、
を備えた燃焼器であって、
前記リング部は、前記燃焼筒の内壁面に対して平行、又は予混合気の流れの下流側ほど内径が小さく形成される燃焼器。 - 前記リング部の外径は、前記リング部の端部に向けて縮小する請求項1記載の燃焼器。
- 前記燃焼筒の内径は、前記リング部の端部よりも下流側で段差を持って広がり、
前記リング部と前記燃焼筒との間隙に設けられた空気流路から、前記段差近辺に空気が排出される請求項1又は請求項2記載の燃焼器。 - 燃焼筒の内壁面から空気を排出する排出孔が、前記燃焼筒の前記段差よりも下流側に設けられる請求項3記載の燃焼器。
- 前記燃焼筒の周方向に複数の孔が穿設された共鳴空間が形成された音響箱が、前記燃焼筒の前記段差内に設けられる請求項3又は請求項4記載の燃焼器。
- 前記空気流路は、流通する空気に旋回成分を与える請求項3から請求項5の何れか1項記載の燃焼器。
- 前記燃焼筒は、前記リング部の端部よりも下流側で内径が徐々に拡大する請求項1又は請求項2記載の燃焼器。
- 前記燃焼筒の前記内径が拡大する領域に、前記燃焼筒の内壁面へ空気を排出する排出孔が設けられる請求項7記載の燃焼器。
- 前記燃焼筒の前記内径が拡大する領域の内部に、前記燃焼筒の周方向に複数の孔が穿設された共鳴空間が形成された音響箱が設けられる請求項7又は請求項8記載の燃焼器。
- 前記パイロットノズルの先端周囲を覆うパイロットコーンが設けられ、
前記パイロットノズルの先端は、前記パイロットコーンの端部付近に位置する請求項1から請求項9の何れか1項記載の燃焼器。 - 空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機と、
前記圧縮機から導入された圧縮空気に燃料を噴射して燃焼ガスを発生させる請求項1から請求項10の何れか1項記載の燃焼器と、
前記燃焼器で発生した燃焼ガスによって回転駆動するタービンと、
を備えるガスタービン。
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