JP3034859B1

JP3034859B1 - ガスタ―ビンの燃焼器

Info

Publication number: JP3034859B1
Application number: JP11016466A
Authority: JP
Inventors: 眞市梶田
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 1999-01-26
Filing date: 1999-01-26
Publication date: 2000-04-17
Anticipated expiration: 2019-01-26
Also published as: JP2000213748A

Abstract

【要約】【課題】ガスタービンの燃焼器における予混合室の壁
面にカーボンが堆積するのを防止し、かつ、燃焼ガス中
のＮＯ_XおよびＣＯの量を低減する。【解決手段】ガスタービンの燃焼器５は、圧縮機から
供給される圧縮空気に燃料を混合して予混合気を作る予
混合室２８と、予混合室２８からの予混合気を燃焼させ
る燃焼室Ｃとを備える。予混合室２８は予混合管２９に
より形成する。予混合管２９は、加熱コイルを絶縁部材
で覆った加熱体により形成する。加熱体は、加熱コイル
をシート状の絶縁部材に取り付けてなるヒータフィルム
を多重に巻回して形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料と空気を予混
合室で予め混合したのち燃焼室へ導入して燃焼させるガ
スタービンの燃焼器に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、地球環境保全への関心の高まりか
ら、排気ガス中に含まれるＮＯ_X，ＣＯ，ＳＯ_X等の大
気汚染物質に対して厳しい規制が行われるようになって
いる。ガスタービンの排気についても、世界各国におい
てＮＯ_Xの排出量が厳しく規制されるようになってお
り、低ＮＯ_X性能が市場競争での有力な武器となってい
る。このため、各ガスタービンメーカーにおいて、低エ
ミッション（低ＮＯ_X，低ＣＯ）燃焼器の開発が競って
行われている。

【０００３】このような低エミッションの燃焼器とし
て、圧縮機から供給される圧縮空気に燃料を混合して予
混合気を作る環状の予混合室を設け、この予混合気を燃
焼室において燃焼させる予混合型燃焼器がある。この予
混合型燃焼器では、液体燃料が予混合室の壁面（内面）
に衝突して付着する。この壁面は、通常、燃焼室内の燃
焼炎から離れているので高温とはならず、壁面の温度が
カーボンの付着する温度範囲であるときは、付着した液
体燃料が炭化して壁面にカーボンが堆積する。このため
混合気の流路が狭まり、燃焼条件が変化してＮＯ_Xおよ
びＣＯが増加する。また、壁面に付着しているカーボン
が剥がれると、燃焼ガスとともにタービン内に流入して
ブレードを傷付けるため、定期的にカーボン除去作業を
行う必要がある。

【０００４】他方、壁面の温度が液体燃料が炭化する温
度以下であるときは、液化した液体燃料が壁面を伝わっ
て燃焼室内に流入して燃焼するが、大きな液滴の状態で
燃焼するために予混合燃焼とならず、燃焼ガス中のＮＯ
_Xの量が増加するとともに、空気との十分な混合が行わ
れないためにＣＯの量も増加する。そこで、パイロット
ノズルによる拡散燃焼領域の外周部分を予混合室の内周
壁で覆って、内周壁の内面をカーボン付着温度以上に保
持させるようにした予混合型燃焼器が提案されている
（特開平１０−３０００９０号公報参照）。

【０００５】この燃焼器によれば、環状の予混合室の内
周壁の内面がカーボン付着温度以上に加熱されるので、
予混合室の内周壁の内面に付着した液体燃料が炭化する
ことなく蒸発し、内周壁の内面にカーボンが堆積せず、
かつ、燃焼ガス中のＮＯ_XおよびＣＯの量を低減でき
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記従来例で
は、予混合室の外周壁の内面にカーボンが堆積するのを
防止できず、燃焼ガス中のＮＯ_X量およびＣＯ量の低減
が十分でない。また、パイロットノズルを中心にして、
環状の予混合室を配置した型式以外の燃焼器には通用で
きない。

【０００７】本発明は、前記課題を解決して、予混合室
の壁面にカーボンが堆積するのを防止し、燃焼ガス中の
ＮＯ_XおよびＣＯの量を低減できるガスタービンの燃焼
器を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の請求項１に係るガスタービンの燃焼器は、
圧縮機から供給される圧縮空気に燃料を混合して予混合
気を作る予混合室と、予混合室からの予混合気を燃焼さ
せる燃焼室とを備え、前記予混合室を形成する予混合管
が、加熱コイルを絶縁部材で覆った加熱体により形成さ
れている。

【０００９】前記ガスタービンの燃焼器によれば、前記
予混合管を形成する加熱体の加熱コイルへの通電によ
り、予混合室の壁面を、カーボン付着温度以上に加熱で
きるので、その壁面に付着した液体燃料は炭化すること
なく蒸発し、これにより、カーボンの付着を防止し、か
つ、燃焼ガス中のＮＯ_XおよびＣＯの量を低減できる。

【００１０】また、本発明の請求項２に係るガスタービ
ンの燃焼器は、請求項１の構成において、前記加熱体
が、加熱コイルをシート状の絶縁部材上に形成してなる
ヒータフィルムが多重に巻回されて形成されている。

【００１１】前記ガスタービンの燃焼器によれば、予混
合室となる予混合管を、加熱体により容易に形成でき
る。

【００１２】また、本発明の請求項３に係るガスタービ
ンの燃焼器は、圧縮機から供給される圧縮空気に燃料を
混合して予混合気を作る予混合室と、予混合室からの予
混合気を燃焼させる燃焼室とを備え、前記予混合室を形
成する予混合管の外周面に、加熱コイルを絶縁部材で覆
ってなり、管の内面をカーボン付着温度以上に加熱する
加熱体が取り付けられている。

【００１３】前記ガスタービンの燃焼器によれば、予混
合管の外周面に取り付けられた加熱体の加熱コイルへの
通電により、予混合室の壁面を、カーボン付着温度以上
に加熱できるので、その壁面に付着した液体燃料は炭化
することなく蒸発し、これにより、カーボン付着の防止
と、燃焼ガス中のＮＯ_XおよびＣＯの量の低減とを実現
できる。

【００１４】また、本発明の請求項４に係るガスタービ
ンの燃焼器は、請求項４の構成において、前記加熱体
が、板状または棒状に形成されて、その複数が予混合管
の外周面に周方向に並べて配置されている。

【００１５】前記ガスタービンの燃焼器によれば、予混
合管の形状を問わず、容易に予混合管に加熱体を取り付
けることができる。

【００１６】また、本発明の請求項５に係るガスタービ
ンの燃焼器は、請求項１から４のいずれかの構成におい
て、前記加熱体の絶縁部材がセラミックスからなる。

【００１７】前記ガスタービンの燃焼器によれば、予混
合管を形成する、または予混合管に取り付けられる加熱
体の絶縁部材がセラミックスからなるので、加熱体に十
分な耐熱性を付与することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態に
ついて図面を参照しながら説明する。図１は本発明の第
１の実施形態に係る燃焼器を備えたガスタービンの概略
構成を示す縦断面図である。このガスタービン１は、空
気吸入口ＩＮから空気Ａを吸入して圧縮する遠心形の２
段圧縮機３，４と、圧縮された空気に燃料を供給して燃
焼させる燃焼器５と、燃焼ガスＧで駆動されるタービン
６とを有している。前記燃焼器５は燃焼室Ｃを形成する
内筒２１を備えており、燃焼室Ｃ内で発生した燃焼ガス
Ｇをスクロール９でタービン６に導いて回転させ、この
タービン６に回転軸１０で連結されている２段圧縮機
３，４と、発電機のような負荷Ｌとを駆動する。

【００１９】図２は燃焼器５の頭部の構成を示す縦断面
図である。図２において、燃焼器５は、燃焼室Ｃを形成
する内筒２１とその外周を覆うハウジング２２とを有
し、内筒２１とハウジング２２の間に空気通路２３が形
成されている。この燃焼器５は単缶型であって、図１の
タービン６の径方向に突出して設けられており、遠心形
の２段圧縮機３，４から供給された圧縮空気ＣＡが前記
空気通路２３を燃焼器５の先端側に向かって流れ、内筒
２１内で燃焼ガスＧとなって燃焼器５の基端側に向かっ
て流れる。

【００２０】燃焼器５の頂部には、その中心にパイロッ
ト燃料を噴射するパイロットノズル２４が設けられ、こ
のパイロットノイズ２４の外方には、メイン燃料を噴射
する複数のメインノズル２５が設けられている。パイロ
ットノズル２４の前記燃焼室Ｃに臨む吐出位置の外周に
は、パイロット空気通路２６が設けられている。また、
パイロット空気通路２６には、このパイロット空気通路
２６から燃焼室Ｃ内に流入する圧縮空気ＣＡを旋回させ
る第１のスワーラ２７が配置されている。

【００２１】前記各メインノズル２５の吐出位置には、
２段圧縮機３，４から供給された圧縮空気ＣＡにメイン
ノズル２５から噴射される燃料を混合して予混合気を作
る予混合室２８がそれぞれ配置されている。この予混合
室２８は予混合管２９により形成されている。また、こ
の予混合管２９の前記メインノズル２５と対向する上流
側開口の周囲には、径方向に開口する環状の空気流入口
３０が設けられている。この環状の空気流入口３０に
は、流入空気を旋回させる第２のスワーラ３１が配置さ
れている。燃焼器５の側壁には始動時のみ作動する点火
プラグ３２が装着されている。

【００２２】前記パイロットノイズ２４からは始動時お
よび通常運転時のすべてにわたって液体燃料が噴射さ
れ、前記メインノズル２５からは通常運転時のみ液体燃
料が噴射される。

【００２３】前記予混合管２９は、図３（Ａ）に示すよ
うに、加熱コイル３５をシート状の絶縁部材３４上に蒸
着形成してなるヒータフィルム３３を多重に巻回したの
ち焼結して形成された加熱体２０からなり、加熱コイル
３５に接続された一対のリード線３６，３６が、加熱体
２０から図３（Ｂ）に示すように引き出される。このよ
うな加熱体の製法は既に実用化されている。シート状の
絶縁部材３４としてはセラミックスが適しており、例え
ばアルミナが好適である。前記加熱体２０の一端開口部
に第２のスワーラ３１を介してカバー１９を取り付ける
ことにより、予混合管２９が完成する。このように構成
することにより、加熱体２０自身で予混合管２９を容易
に形成でき、予混合管２９に加熱体を取り付ける作業も
省略できる。また、シート状の絶縁部材３４として、ア
ルミナ等のセラミックスを使用すれば、予混合管２９に
十分な耐熱性を持たせることができる。

【００２４】予混合管２９に接続されたリード線３６
は、図２に示すように、燃焼器５の内筒２１およびハウ
ジング２２に形成されたリード線挿通孔３７，３８を経
て燃焼器５外に引き出されて電源に接続される。ハウジ
ング２２のリード線挿通孔３８では、ブッシング３９を
介してリード線３６が挿通され、そのリード線挿通孔３
８の口縁からハウジング２２の外径側に突出させた筒部
２２ａに、リード線挿通孔４０ａを有するキャップ４０
が螺着される。キャップ４０とブッシング３９との間に
はＯリング４１が介在される。これにより、ハウジング
２２におけるリード線３６の挿通部が気密に封止されて
いる。

【００２５】次に、この実施形態の動作を説明する。図
１の２段圧縮機３，４からの圧縮空気ＣＡは、空気通路
２３を経てその一部が内筒２１の希釈用空気孔４２から
燃焼室Ｃ内へ流入し、他の一部が空気通路２３から、図
２に示すパイロット空気通路２６および第１のスワーラ
２７を経て燃焼室Ｃ内へ入り、残りが第２のスワーラ３
１を経て予混合室２８へ流入する。始動時には、第１の
スワーラ２７によって旋回しながら内筒２１内に吹き込
まれる空気流中に、パイロットノズル２４から噴射され
て微粒化した液体パイロット燃料ＰＦが混入されて霧化
し、これに点火プラグ３２の火が着火して拡散燃焼領域
Ｓ１が形成される。

【００２６】始動後の通常運転では、メインノズル２５
から予混合室２８内に微粒化した液体メイン燃料ＭＦが
噴射される。予混合室２８内には圧縮空気ＣＡが空気流
入口３０から第２のスワーラ３１を経て旋回しながら流
入し、メインノズル２５から噴射されたメイン燃料ＭＦ
と混合して、一定の空燃比の混合気となり、予混合室２
８の内壁面（内面）により軸線方向に案内されて燃焼室
Ｃに送られ、拡散燃料領域Ｓ１の燃焼炎によって着火さ
れて燃焼し、拡散燃焼領域Ｓ１の外周から下流側へかけ
て広がる予混合燃焼領域Ｓ２を形成する。

【００２７】また、通常運転では、予混合管２９を形成
する加熱体２０の加熱コイル３５に通電が行われ、予混
合室２８の内壁面はカーボンが生成されない最低温度で
ある約６００℃以上に加熱される。その結果、予混合室
２８の内壁面への混合気の衝突によって例え燃料液滴が
粗大化しても、粗大化した燃料液滴は内壁面上で炭化し
て付着することなく蒸発し、内壁面へのカーボンの堆積
が防止される。また、燃料の蒸発によって燃料と空気の
混合が促進される結果、燃焼ガスＧ中のＮＯ_XおよびＣ
Ｏの量を低減できる。

【００２８】図４は、本発明の第２の実施形態に係るガ
スタービンの単缶型燃焼器の要部の概略構成を示す正面
図である。この燃焼器では、燃焼室を構成する燃焼筒４
７の頂部中央に図示しないパイロットノズルが設けられ
るとともに、パイロットノズルを中心として、その周囲
に複数の予混合管４９が配置されている。

【００２９】前記予混合管４９は、図５に断面図で示す
ように、圧縮機３，４（図１）から供給される圧縮空気
ＣＡに液体メイン燃料ＭＦを混合して予混合気を作る予
混合室４８を構成するものであって、管内にはメインノ
ズル５０が配置されている。このメインノズル５０は、
予混合管４９の軸心上に位置する燃料供給管５１と、こ
の燃料供給管５１の下流端部から外径方向に放射状に突
出する複数の燃料インジェクタ５２とからなり、燃料供
給管５１から供給される液体メイン燃料ＭＦが燃料イン
ジェクタ５２に形成された複数の噴出孔５２ａから噴射
され、予混合管４９内に供給される圧縮空気ＣＡと混合
されて予混合気が形成される。

【００３０】また、前記各予混合管４９は、燃焼筒４７
の頂部において、燃焼筒４７に対して所定の傾斜角度と
なるように配置されている。これにより、予混合管４９
から噴出する予混合気の噴流は、燃焼室の内壁に衝突し
ながら旋回して、大きく強い循環流れが形成される。こ
のようにして形成される予混合燃焼領域が、始動時にパ
イロットノズルからの燃料によって形成される一次燃焼
領域の燃焼炎によって着火し燃焼するのは、先の実施形
態の場合と同様である。

【００３１】さらに、前記各予混合管４９も、先の実施
形態の場合と同様に、図３に示すように、加熱コイル３
５をシート状の絶縁部材３４に蒸着形成してなるヒータ
フィルム３３を多重に巻回して形成された加熱体２０か
らなる。これにより、通常運転では、図５の予混合管４
９を形成する加熱体２０の加熱コイル３５に通電が行わ
れ、予混合室４８の内壁面はカーボンが生成されない最
低温度である約６００℃以上に加熱される。その結果、
予混合室４８の内壁面へのカーボンの堆積が防止され、
さらに、燃焼ガスＧ中のＮＯ_XおよびＣＯの量を低減で
きる。

【００３２】図６は、本発明の第３の実施形態に係るガ
スタービンの単缶型燃焼器の要部を示す縦断面図であ
る。この燃焼器５５では、その頂部にパイロットノズル
６４が設けられ、その外周にパイロット空気通路６６が
設けられている。このパイロット空気通路６６は、導入
口７３を介して空気通路６３に連通しており、出口に
は、空気通路６３から送給される圧縮空気ＣＡを旋回さ
せながら、燃焼器５５の内筒６１内へ流入させる環状の
第１のスワーラ６５が配置されている。前記空気通路６
３は、燃焼室Ｃを形成する内筒６１と、この外周を覆う
ハウジング６２との間に形成され、圧縮機３，４（図
１）から供給される圧縮空気ＣＡが、空気通路６３を経
て燃焼器５５の基端側に向かって流れる。

【００３３】前記パイロット空気通路６５の外周には、
環状の予混合室６７を構成する予混合管５９が配置され
ている。この予混合室６７は、前記内筒６１の径方向外
方に向いて前記空気通路６３に臨む環状の空気流入口６
７ａを有している。この環状の空気流入口６７ａには、
流入空気を旋回させる第２のスワーラ６８が装着され、
このスワーラ６８の下流側に、予混合用の燃料を供給す
る複数のメインノズル６９が周方向に等間隔に配置され
ている。前記パイロットノズル６４からは始動時および
通常運転時のすべてにわたって液体燃料が噴射される。

【００３４】前記予混合管５９の内周壁５９ｂの下流端
部は、前記パイロットノズル６４から噴射された燃料に
よる拡散燃焼領域Ｓ１の外周の一部を覆っており、この
拡散燃焼領域Ｓ１内の拡散燃焼炎によって、液体燃料の
炭化温度である約６００℃よりも高温に加熱されるよう
に設定されている。燃焼器５５の側壁には始動時のみ作
動する点火プラグ７０が装着され、第２のスワーラ６８
の外周、つまり空気流入口６７ａの上流側には、複数の
ガス燃料ノズル７１が周方向に等間隔で配置されてい
る。

【００３５】前記パイロットノズル６４にはパイロット
燃料通路７４を介して液体パイロット燃料ＰＦが、メイ
ンノズル６９にはメイン燃料通路７９を介してメイン燃
料ＭＦが、ガス燃料ノズル７１にはガス燃料通路８１を
介してガス燃料ＧＦが、それぞれ供給される。これら燃
料ＰＦ，ＭＦ，ＧＦは図示しない燃料制御手段によって
制御される。前記メインノズル６９の噴射口６９ａと反
対側の端部６９ｂの開口からは、パイロット空気通路６
６の空気の一部が流入して燃料の微粒化を促進する。

【００３６】前記予混合管５９の外周壁５９ａの外面す
なわち外周面には、図７に示すように、予混合管５９の
内面をカーボン付着温度（約６００℃以下）以上に加熱
する複数の加熱体８０が周方向に並べて取り付けられて
いる。このような加熱体８０を使用することにより、予
混合管５９の形状を問わず、予混合管５９に加熱体８０
を容易に取り付けることができる。この加熱体８０は、
図８に示すように、窒化珪素等のセラミックスからなる
絶縁部材８２で加熱コイル８３を覆ったものであり、板
状または棒状に形成されている。窒化珪素は、アルミナ
とは異なり、シート状にして巻回することは難しい。こ
のように、加熱体８０の絶縁部材８２として窒化珪素等
のセラミックスを採用することにより、加熱体８０に十
分な耐熱性を付与することができる。加熱体８０の一対
のリード線８４，８４は、加熱体８０，８０同志の間で
並列接続され、端部が図２に示す第１の実施形態の場合
と同様の構成により、燃焼器５５の外側に引き出されて
電源に接続される。

【００３７】この実施形態の場合でも、通常運転におい
て、予混合管５９の外周壁５９ａに取り付けられる加熱
体８０の加熱コイル８３に通電が行われ、予混合管５９
の外周壁５９ａの内壁面はカーボンが生成されない最低
温度である約６００℃以上に加熱される。その結果、予
混合管５９の外周壁５９ａ内面へのカーボンの堆積が防
止され、さらに、燃焼ガスＧ中のＮＯ_XおよびＣＯの量
を低減できる。

【００３８】また、予混合管５９の内周壁５９ｂも拡散
燃焼領域Ｓ１の燃焼炎によってカーボンが生成されない
最低温度である約６００℃以上に加熱されるので、やは
り、カーボンの堆積が防止され、かつ、ＮＯ_XおよびＣ
Ｏの量が低減される。さらに、メインノズル６９の燃料
噴出口６９ａが予混合管５９の外周壁５９ａと内周壁５
９ｂの中間部、つまり両周壁５９ａ，５９ｂから離れた
位置に配置されているから、噴出された燃料がこれら両
周壁５９ａ，５９ｂに付着しにくくなり、この点からも
壁面へのカーボン付着が抑制される。

【００３９】なお、前記各実施形態では、単缶型の燃焼
器について説明したが、多缶型であってもよく、また、
ガスタービンの径方向に突出するタイプでなく、軸方向
に向いたタイプであってもよい。

【００４０】

【発明の効果】以上のように、本発明のガスタービンの
燃焼器によれば、加熱コイルへの通電により、予混合室
の壁面を、カーボン付着温度以上に加熱できるので、そ
の壁面へのカーボンの付着を防止でき、かつ、燃焼ガス
中のＮＯ_XおよびＣＯの量を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃焼器を備えた
ガスタービンの概略構成を示す縦断面図である。

【図２】同燃焼器の頭部の構成を示す縦断面図である。

【図３】（Ａ）は同燃焼器の予混合管を構成する加熱体
の組立方法を示す斜視図、（Ｂ）は同加熱体の斜視図で
ある。

【図４】本発明の第２の実施形態に係るガスタービンの
燃焼器の概略構成を示す側面図である。

【図５】同燃焼器における予混合管の縦断面図である。

【図６】本発明の第３の実施形態に係るガスタービンの
燃焼器の頭部の構成を示す縦断面図である。

【図７】同燃焼器における予燃焼管への加熱体の取付状
態を示す斜視図である。

【図８】同加熱体の斜視図である。

【符号の説明】

１…ガスタービン、３，４…２段圧縮機、５…燃焼器、
２０…加熱体、２８…予混合室、２９…予混合管、３３
…ヒータフィルム、３４…絶縁部材、３５…加熱コイ
ル、４８…予混合室、４９…予混合管、５５…燃焼器、
５９…予混合管、６７…予混合室、８０…加熱体、８２
…絶縁部材、８３…加熱コイル、Ｃ…燃焼室、ＣＡ…圧
縮空気、ＰＦ…液体パイロット燃料、ＭＦ…液体メイン
燃料

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】圧縮機から供給される圧縮空気に燃料を
混合して予混合気を作る予混合室と、予混合室からの予
混合気を燃焼させる燃焼室とを備え、前記予混合室を形成する予混合管が、加熱コイルを絶縁
部材で覆った加熱体により形成されているガスタービン
の燃焼器。
【請求項２】請求項１において、前記加熱体は、加熱
コイルをシート状の絶縁部材上に形成してなるヒータフ
ィルムが多重に巻回されて形成されているガスタービン
の燃焼器。
【請求項３】圧縮機から供給される圧縮空気に燃料を
混合して予混合気を作る予混合室と、予混合室からの予
混合気を燃焼させる燃焼室とを備え、前記予混合室を形成する予混合管の外周面に、管の内面
をカーボン付着温度以上に加熱する加熱体が取り付けら
れており、前記加熱体は、加熱コイルを絶縁部材で覆ってなるもの
であるガスタービンの燃焼器。
【請求項４】請求項３において、前記加熱体は、板状
または棒状に形成されて、その複数が予混合管の外周面
に周方向に並べて配置されているガスタービンの燃焼
器。
【請求項５】請求項１から４のいずれかにおいて、前
記加熱体の絶縁部材はセラミックスからなるガスタービ
ンの燃焼器。