JP2965639B2 - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は空気と燃料を予混合して燃焼させるガスター
ビン燃焼器に係り、特に低NOx化を図ったガスタービン
燃焼器に関する。

（従来の技術） 一般に、ガスタービン燃焼器におけるNOxの発生の主
要因は、燃料と空気との当量比が１に近い燃焼領域が燃
焼ガス中に生じ、この燃焼領域において燃焼ガスが局所
的に高温化することにある。このような要因で発生する
NOxを抑制する手段としては稀薄予混合燃焼方式があ
る。

上記稀薄予混合燃焼方式を適用した従来の燃焼器とし
ては、例えば特開昭61−110817号公報等に開示されたも
のがある。この燃焼器は第８図に示すように、頭部にス
ワラ101を備えたライナ102と、このライナ102の外周部
にあって二重円筒状に形成された予混合室103と、ライ
ナー102の胴部に穿孔された予混合室103とライナ102の
内部とを連通する複数個の通気ガイド104とから構成さ
れている。

ライナ102の内部燃焼室105には第１段燃料106が供給
され、スワラ101を通って供給される空気107と拡散混合
しながら安定な拡散燃焼が行われる。

一方、予混合室103の入口開口部からは第２段燃料108
と空気107とが取入れられて稀薄予混合され、この予混
合ガス109が通気ガイド104を通って燃焼室105に供給さ
れて稀薄予混合燃焼を行うようになっている。この通気
ガイド104から噴出された予混合ガス109は、スワラ101
を通った空気によって形成される旋回流110の内側に流
入し、中央部逆流保炎域111を形成する。この中央部逆
流保炎域111において予混合ガス109の一部が保炎するこ
とにより予混合ガスの安定した燃焼を促進している。ま
た、旋回流110の外側には第９図に示されたように外周
部逆流保炎域112が形成される。このような方法によっ
て燃料の一部を稀薄予混合燃焼させて低NOx化を図って
いる。

（発明が解決しようとする課題） ところが、一般に旋回流110はたえず変動しており、
この旋回流110の変動は中央部逆流保炎域111と外周部逆
流保炎域112との変動を引起こす。詳述すると、旋回流1
10が例えば第９図（ａ）から第９図（ｂ）のように変動
すると、中央部逆流保炎域111は小さくなり、外周部逆
流保炎域112は逆に大きくなる。この中央部逆流保炎域1
11は、広くなればなる程、予混合ガス109の燃焼度合い
が高くなり中央部逆流保炎域内のガス温度が上昇し、一
層大きくなる。逆に、中央部逆流保炎域111は狭くなれ
ばなる程、中央部逆流保炎域内ガス温度が低下し一層小
さくなる。

このように、従来の燃焼器では中央部逆流保炎域の変
動は正帰還帰に作用し保炎状態が大きく変化してしま
い、NOx発生を充分に抑制できないという問題があっ
た。更に中央部逆流保炎域の正帰還的変動は燃焼振動を
増大し、この燃焼振動の増大はガスタービン燃焼器の構
成部品に作用する変動応力及び各部品の摩耗量を増加
し、ガスタービン燃焼器の寿命を短くするといった問題
があった。

そこで、本発明の目的は極めて簡単な構成によって旋
回流を安定化し、NOx及び燃焼振動の発生を充分に抑制
することができるガスタービン燃焼器を提供することに
ある。

〔発明の目的〕

（課題を解決するための手段） この目的を達成するために、本発明は、ライナ頭部に
環状に取り付けられ、空気を上記ライナ内の燃焼室に環
状旋回流として供給するスワラと、上記スワラに取り囲
まれるように上記ライナ頭部に取り付けられ、第１段燃
料を上記燃焼室に放出し上記環状旋回流に拡散混合し拡
散燃焼させる第１段燃料ノズルと、第２段燃料と空気と
を予混合して予混合ガスを作り、この予混合ガスを上記
ライナ胴部に形成された複数の噴出孔から上記燃焼室に
複数の予混合ガス流として噴出させる予混合ガス噴出手
段とを具備し、上記予混合ガス流の一部が上記環状旋回
流に取り囲まれる領域内に流入して中央部逆流保炎域を
形成するガスタービン燃焼器において、上記第１段燃料
ノズル先端付近から上記噴出孔の方に向って徐々に径が
大きくなるように延在するほぼ円錐台形状の環状旋回流
ガイドを具備し、上記環状旋回流ガイドは上記環状旋回
流をそれが該環状旋回流ガイドに沿って流出するように
案内し、上記環状旋回流ガイドの長さは上記中央部逆流
保延域が上記環状旋回流ガイドによって取り囲まれる領
域内に位置するように定められていることを特徴とする
ものである。

この構成にあっては、上記スワラは上記第１段燃焼ノ
ズルの側面に向って上記空気を流出させるラジアルスワ
ラであることが望ましい。

また、上記環状旋回流ガイドの先端と上記ライナ胴部
との接続部は径が急拡大し、上記環状旋回流は上記接続
部において外周部逆流保炎域を形成することが好まし
い。

上記スワラの上流側に付加ノズルを隣接配置し、この
付加ノズルから上記スワラに第１段燃料を放出すること
が望ましい。

また、上記第１段燃料を上記第１段燃焼ノズルと上記
付加ノズルとに供給するのに、共通の第１段燃料供給路
を使用してもよいし、夫々別個の互いに独立の第１段燃
料供給路を使用することもできる。

（作 用） スワラに流入した空気は、第１段燃料ノズルからの第
１段燃料と混合し環状旋回流となって環状旋回流ガイド
に案内され、この環状旋回流ガイドに沿って流れる。

予混合ガス噴出手段から燃焼室内に噴出された予混合
ガス流は一部が、環状旋回流に囲まれる領域に流入して
中央部逆流保炎域を形成する。

環状旋回流は環状旋回流ガイドに案内されるため、そ
の広がり角度が常にほぼ一定に保たれ、かつまた環状旋
回流ガイドの長さは中央部逆流保炎域が環状旋回流ガイ
ドによって取り囲まれる領域内に位置するように定めら
れている。また、環状旋回流ガイドとライナ胴部が接続
する境界領域は、径が拡大する拡大径部になっており、
この領域で形成される外周部逆流保炎域では燃焼が安定
する。そして、中央部逆流保炎域は常にほぼ一定の大き
さに維持され、予混合ガスの保炎が安定して保られる。

予混合ガスの流れの変動等によって中央部逆流保炎域
の圧力が上昇し、環状旋回流を外方に広げる外力が作用
しても、環状旋回流の変位は環状旋回流ガイドによって
制限されるため、中央部逆流保炎域の大きさはほとんど
変化しない。逆に中央部逆流保炎域の圧力が低下し環状
旋回流を内方に引き込む力が作用しても、環状旋回流は
環状旋回流ガイドに付着して流れているため、簡単には
環状旋回流ガイドから剥離せず中央部逆流保炎域の大き
さをほぼ一定に保持する。

（実施例） 以下本発明によるガスタービン燃焼器の一実施例を第
１図乃至第７図を参照して説明する。

第１図乃至第３図に示されたガスタービン燃焼器は図
示を省略された圧縮機とガスタービンとの間に複数個設
置され、圧縮機吐出チャンバを囲む燃焼器ラッパ１内に
収容されている。

この燃焼器ラッパ１には燃焼器外筒２が接合され、こ
の燃焼器外筒２の上流端はヘッドプレート３によって閉
塞されている。燃焼器ラッパ１と燃焼器外筒２との内側
には、燃焼室４の外壁を形成するライナ５が設置され、
このライナ５の前方端、即ち上流端には冷却空気孔6aを
有するライナキャップ６が取り付けられ、ライナ５の後
方端にはトランジョンピース７が装着されている。燃焼
器外筒２とライナ５との間の間隙には、燃焼器外筒２に
支持されたフロースリーブ８が介在され、このフロース
リーブ８は圧縮機からの圧縮空気９をライナ５の前方
端、即ちライナ頭部に導く。フロースリーブ８にはライ
ナ支持具10が固着され、このライナ支持具10はライナ５
を支持している。

ヘッドプレート３の中央部には第１段バーナ11が設置
され、この第１段バーナ11の中央部には第１段燃料系12
に連通した第１段燃料取入口13と第１段燃料ノズル14と
が設置され、この第１段燃料ノズル14の外周にはこのノ
ズル14を取り囲むようにラジアルスワラ15が設けられて
いる。このラジアルスワラ15はライナ５とフロースリー
ブ８との間を流通してきた圧縮空気９を旋回し、第１段
燃料ノズル14の側面に向けて放出する。ラジアルスワラ
15の通路壁には、下流側に向って徐々に径が大きくなる
円錐台形状の環状旋回流ガイド16が連接され、この環状
旋回流ガイド16は第１段燃料ノズル14の先端付近からラ
イナ５の上流端に向かって延在し、先端がライナキャッ
プ６の開口に嵌合されている。

ヘッドプレート３の一方の側には、第２段燃料系17に
連通する第２段燃料取入口18が取り付けられ、他方の側
には８個の第２段燃料ノズル19が第１段燃料ノズル14を
中心にほぼ等角度間隔で取り付けられている。またヘッ
ドプレート３には環状の第２段燃料ヘッダ20が穿設さ
れ、この第２段燃料ヘッダ20は第２段燃料取入口18と第
２段燃料ノズル19とを連通している。

ライナ５とフロースリーブ８との間には、８個の予混
合ダクト21が設置され、各予混合ダクト21は第２段燃料
ノズル19に対向した入口と３個の分岐出口21aとを有す
る。予混合ダクト21の３個の分岐出口21aは、ライナ５
の孔に嵌合されたスリーブ22に挿入されている。予混合
ダクト21の上流側は支持具23によってライナ５に支持さ
れ、予混合ダクト21の下流側は支持板24と支持リング25
とによってライナ５に支持されている。この支持板24は
分岐出口に固着され、支持リング25は支持板24を介して
ライナ５に巻き付けられている。

また、ランナキャップ６には内面遮熱板26が取り付け
られ、ライナ５には下流側に希解空気孔27が複数個穿孔
されている。

次にこの実施例の作用を説明する。

圧縮機からの圧縮空気９はライナ５とフロースリーブ
８との間隙を通ってラジアルスワラ15と予混合ダクト21
の入口とに流入する。また、圧縮空気９の一部は、ライ
ナ５の希解空気孔27と、第２図に示したライナキャップ
６の冷却空気孔6aと、ライナ６に穿孔された不図示の冷
却空気孔とを通ってライナ内部に流入する。

ラジアルスワラ15を通過した空気は、そこで旋回され
ると共に、第１段燃料ノズル14の側面に衝突し、第１段
燃料ノズル孔14aからの第１段燃料の一部と混合し、環
状旋回流28として環状旋回流ガイド16に案内されそのガ
イド16の内面に沿って流れ、燃焼室４内に流入する。こ
の環状旋回流28は環状旋回流ガイド16に沿って一定の開
き角度でもって流出し、内部に中央部逆流保炎域29を形
成する。この中央部逆流保炎域29の一部29aは環状旋回
流ガイド16に囲まれる領域内に位置している。また、環
状旋回流28はライナキャップ６の背後、即ち環状旋回流
ガイド16の先端とライナ５の上流端との境界の拡大径部
に、外周部逆流保炎域30を形成する。

第２段燃料ノズル19から予混合ダクト21に流入した第
２段燃料は、この予混合ダクト21内で圧縮空気９と混合
し、予混合ガス31として予混合ダクト出口21aから燃焼
室４内に流入する。この流入した予混合ガス31の一部が
中央部逆流保炎域29に流入する。

第１段燃料ノズル孔14aからの第１段燃料の多くは拡
散燃焼し、この拡散燃焼した第１段燃料は，中央部逆流
保炎域29で燃焼した予混合ガス31と共に、残りの燃料
（主に予混合ガスの残部）にとって強い種火として保炎
する。

環状旋回流28は、ラジアルスワラ15に流入する圧縮空
気９がたとえ変動しても常に環状旋回流ガイド16の内面
に沿って流れるため、中央部逆流保炎域28の大きさを一
定に維持することができる。また、予混合ガス31の流れ
が変動し、中央部逆流保炎域29の圧力が上昇し、これに
よって環状旋回流28にそれを外方に広げる外力が作用し
ても、環状旋回流28の変位は環状旋回流ガイド16によっ
て制限されるため、中央部逆流保炎域29の大きさはほと
んど変化しない。逆に中央部逆流保炎域29の圧力が低下
し環状旋回流28にそれを内方に引き込む力が作用して
も、環状旋回流28は環状旋回流ガイド16に付着して流れ
ているため、環状旋回流ガイド16から簡単には剥離せず
中央部逆流保炎域29の大きさをほぼ一定に保持する。

なお、環状旋回流28の外周部に混合した第１段燃料は
外周部逆流保炎域30において安定して燃焼されるため、
燃焼効率を高める事ができる。

第４図と第５図は本発明の第２の実施例を示し、この
第２実施例は上記第１実施例における第１段燃料ノズル
14からの第１段燃料の燃焼によって発生するNOxの量を
大幅に低減するものである。ラジアルスワラ15にはその
上流側に第１段燃料用の付加ノズル32が隣接配置されて
いる。第１段バーナ11には、第１段燃料取入口13と第１
段燃料ノズル14と付加ノズル32とに夫々連通した共通の
第１段燃料供給路33が穿設されている。

第１段燃料取入口13からの第１段燃料はその一部が第
１段燃料ノズル14から流出しラジアルスワラ15からの空
気に拡散し燃焼し、その残りが第１段燃料供給路33で分
流され付加ノズル32の複数の孔32aからラジアルスワラ1
5の方に流出し、このラジアルスワラ15を通る圧縮空気
９に予混合し環状旋回流28になる。

このように付加ノズル32の付設によって、第１段燃料
ノズル14から流出する第１段燃料の量を第１実施例より
も減少させることができる。これによって、第１段燃料
ノズル14からの第１段燃料の燃焼によって発生するNOx
の量を大幅に低減することができる。

第６図は上記第２実施例の変形例を示したもので、第
１段燃料取入口13とは別個の独立した付加ノズル用の第
１段燃料取入口34が第１段バーナ11に取り付けられてい
る。第１段バーナ11には付加ノズル用第１段燃料取入口
34と付加ノズル32とを連通する第１段燃料ヘッダ35が穿
設されている。

このように、第１段燃料ノズル14と付加ノズル32とに
は第１段燃料が夫々別個の第１段燃料取入口13と付加ノ
ズル用第１段燃料取入口34とから供給されるので、第１
段燃料ノズル14への第１段燃料供給量と付加ノズル32へ
の第１段燃料供給量とを独立に制御することができる。
従って、ガスタービンの負荷変化に応じて、第１段燃料
ノズル14への第１段燃料供給量と付加ノズル32への第１
段燃料供給量と予混合ダクト21への第２段燃料供給量と
を夫々適切に制御することによって、ガスタービンの全
負荷域にわたってNOxを充分に低減することができる。

第７図はガスタービンの負荷と第１段燃料ノズル14へ
の第１段燃料流量ａ、付加ノズル32への第１段燃料流量
ｂ及び予混合ダクト21への第２段燃料流量ｃとの関係を
示したもので、中間負荷から第２段燃料を投入する場
合、特にこの切換点近傍において付加ノズル第１段燃料
流量ｂの第１段燃料ノズル第１段燃料流量ａに対する比
率をその他の負荷時よりも低くすることによって、第２
段燃料投入時の燃焼を安定化することができる。また、
第２段燃料投入前と第２段燃料投入後のより高負荷域に
おいて付加ノズル第１段燃料流量ｂの比率を高くし、第
１段燃料ノズル第１段燃料流量ａの比率を低くすること
によって各負荷においてNOxの量を最低にすることがで
きる。

なお、本発明は上記実施例に限らず種々の変更が可能
である。例えば、スワラ15はその形状や第１段燃料ノズ
ル14に対する位置や空気の噴出方法などを適宜変更する
ことができる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、第
１段燃焼ノズル先端付近からライナの予混合ガス噴出孔
の方に向って徐々に径が大きくなるように延在するほぼ
円錐台形状の環状旋回流ガイドを設け、この環状旋回流
ガイドによって上記環状旋回流をそれが環状旋回流ガイ
ドに沿って流出するように案内し、かつ環状旋回流ガイ
ドの長さを、中央部逆流保炎域が環状旋回流ガイドによ
って取り囲まれる領域内に位置するように定め、前記環
状旋回流ガイドの先端とライナの上流端との境界の拡大
径部に外周部逆流保炎域を形成するようにしたので、の
で、環状旋回流の流れ位置が常にほぼ一定となり、中央
部逆流保炎域を一定に維持することができる。従って、
NOxの発生を充分に抑制し、燃焼振動を抑えガスタービ
ン燃焼器を長寿命化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるガスタービン燃焼器の第１実施例
を示した縦断面図、第２図は第１図の要部を拡大して示
した縦断面図、第３図は第２図のIII−III線矢視の断面
図、第４図は本発明によるガスタービン燃焼器の第２実
施例の要部を示した縦断面図、第５図は第４図のＶ−Ｖ
線矢視の断面図、第６図は第２実施例の変形例を示した
縦断面図、第７図はガスタービンの負荷と燃料流量との
関係を示したグラフ図、第８図は従来のガスタービン燃
焼器を示した縦断面図、第９図（ａ）及び（ｂ）は第８
図のガスタービン燃焼器における旋回流と予混合ガスの
流れを示した説明図である。 ４……燃焼室、５……ライナ、９……圧縮空気、12……
第１段燃料系、14……第１段燃料ノズル、15……スワ
ラ、16……環状旋回流ガイド、17……第２段燃料系、21
……予混合ダクト、28……環状旋回流、29……中央部逆
流保炎域、31……予混合ガス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F23R 3/02 F23R 3/04 F23R 3/16 F23R 3/20 F23R 3/28 F23R 3/30 F23R 3/34

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ライナ頭部に環状に取り付けられ、空気を
   上記ライナ内の燃焼室に環状旋回流として供給するスワ
   ラと、上記スワラに取り囲まれるように上記ライナ頭部
   に取り付けられ、第１段燃料を上記燃焼室に放出し上記
   環状旋回流に拡散混合して拡散燃焼させる第１段燃料ノ
   ズルと、第２段燃料と空気とを予混合して予混合ガスを
   作り、この予混合ガスを上記ライナ胴部に形成された複
   数の噴出孔から上記燃焼室に複数の予混合ガス流として
   噴出させる予混合ガス噴出手段とを具備し、上記予混合
   ガス流の一部が上記環状旋回流に取り囲まれる領域内に
   流入して中央部逆流保炎域を形成するガスタービン燃焼
   器において、上記第１段燃料ノズル先端付近から上記噴
   出孔の方に向って徐々に径が大きくなるように延在する
   ほぼ円錐台形状の環状旋回流ガイドを具備し、上記環状
   旋回流ガイドは上記環状旋回流をそれが該環状旋回流ガ
   イドに沿って流出するように案内し、上記環状旋回流ガ
   イドの長さは上記中央部逆流保炎域が上記環状旋回流ガ
   イドによって取り囲まれる領域内に位置するように定め
   られ、さらに前記環状旋回流ガイドの先端とライナの上
   流端との境界の拡大径部に外周部逆流保炎域を形成する
   ようにしたことを特徴とするガスタービン燃焼器。