JP3427617B2 - ガスタービン燃焼器 - Google Patents
ガスタービン燃焼器Info
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Description
えたガスタービン燃焼器に関し、予混合燃焼器の燃料と
空気との混合ガスの流路出口近傍に該流路の中央部近傍
に保炎器を備えたガスタービン燃焼器に係る。
いわゆるブラフボディタイプの予混合燃焼器を備えたガ
スタービン燃焼器が記載されており、いくつかの保炎器
形状が開示され、かかる保炎器を備えることにより希薄
燃焼時においても安定に火炎を形成できる旨記載されて
いる。
器出口の片側にいわゆるリセスタイプの予混合燃焼器を
備えたガスタービン燃焼器の予混合燃焼器の構造に関し
て、スワラ等の下流側端面から発生した渦流等消滅させ
てより逆火を防止するため、例えば、前記予混合燃焼器
の内周側出口に設けられた保炎器の傾斜部の少なくとも
一部が予混合燃焼器内の流路をなだらかに傾斜させるよ
うにし、流路を徐々に狭める構造が記載されている。
動の大きなプラントや負荷変化の多い運転条件等におい
ては、安定燃焼範囲をより広くできる予混合燃焼器構造
にすることが望まれる。しかし、特開平5−187637 号公
報では、いわゆるブラフボディタイプの燃焼器の予混合
燃焼器構造に関しては、何ら記載されていない。
ラフボディタイプの保炎器では、保炎器が流路内に位置
するため、保炎器の上流先端部では、ガス流に対して剥
離渦が生じる場合がある。
器の下流のガス流れに影響を与え、剥離渦が保炎器で保
炎する火炎まで残存して、剥離渦により逆火するおそれ
を回避する必要もある。
イプの保炎器を備えたガスタービン燃焼器において、保
炎器による剥離渦の影響による逆火を防ぐとともに、広
い安定燃焼範囲を確保できるガスタービンを提供するこ
とである。
焼器と予混合燃焼器とを有し、前記予混合燃焼器には、
燃料と空気との予混合ガスが流れる流路に設けられ、該
流路を二分するように配置される保炎器を備えてなるガ
スタービン燃焼器において、前記予混合燃焼器の前記流
路は、流路の半径方向の幅が徐々に狭くなる絞り部と、
前記絞り部の下流側に形成され、前記半径方向の幅が実
質的に一定である助走部と、前記助走部の下流側に形成
され、前記半径方向の幅が徐々に広くなる吐出部とを備
え、前記支持板を前記助走部または絞り部に対向する位
置、或いは前記絞り部に対向する位置より上流側に配置
したことである。尚、吐出部の半径方向の幅とは、保炎
器を考慮せず、予混合燃焼器流路壁で構成される流路の
うち半径方向の幅をいう。
燃焼器の燃焼方法において、前記予混合燃焼器の前記流
路を流れる前記ガスのガス流速を徐々に速める第1の行
程,前記ガス流速を実質一定に維持して、前記保炎器の
上流部で発生した剥離流を整流する第2の行程,前記ガ
ス流速を徐々に遅くする第3の行程,前記ガスが前記保
炎器により保炎されて燃焼する第4の行程、とを有する
ことができる。
度早い段階で剥離渦を消滅し流れを整えることで、予混
合器出口の流速をかなり大きくせずとも、予混合火炎の
吹き消え等の発生を抑制できる。
けることにより、予混合気体が燃焼室に吹き出す前のあ
る程度早い段階で剥離渦を消滅し流れを整流、また、整
流した予混合気体の流速を調整することが可能なため、
予混合器内の増速による吹き消えが防止できる。
器の燃空比が変動しても逆火等を抑制することができ、
安定燃焼範囲が広げることができる。
内の圧力が変動した場合であっても、逆火及び失火を防
止することができる。
ついて図1から図3を用いて説明する。尚、各種実施例
を説明するにつき、同一部位については同一の符号を付
し、重複した説明を省略する。
部に圧縮空気A0が供給され、この圧縮空気A0が後側
フロースリーブ3aと予混合燃焼室5の間を通り予混合
燃焼空気A2として予混合器4内部に流れ込む。また、
一部の空気は前側フロースリーブ3bと拡散燃焼室6の
間を通り拡散燃焼空気A1として拡散燃焼室6内部に流
れ込み、拡散燃焼用燃焼ノズル7から噴射される拡散燃
料F1が燃焼する。予混合器4内部に流れ込んだ予混合
燃焼空気A2は、予混合燃焼用燃料ノズル8から噴射さ
れる予混合燃焼用燃料F2と混合され、この予混合気体
は予混合器4を出たところで予混合燃焼室5内部で予混
合火炎を形成する。この予混合火炎は円筒状の予混合器
外輪4aと予混合器内輪4bで構成された二重管の予混
合器4出口に二重管の中央に設けられている上流側から
下流側に向かって広がる流線型の環状である保炎器9内
周及び外周の下流に生じる二つの保炎器後流循環流12
により保持されている。
したガスは、ガスタービン2に流れ込みタービンを回転
させる。
環状部を有し、この部分で予混合器外輪4aと予混合器
内輪4bの間に立てられた比較的薄い平板の保炎器支持
板10により支持されている。保炎器9の支持部である
環状部の上流端は予混合器4内の流れの中にあるため、
予混合器4内の流れの障害物となり、この部分で保炎器
上流剥離渦13が生じる。
混合器内絞り部15,予混合器内助走部16,予混合器
吐出部17等について詳述する。
に、流路の幅が徐々に狭くなる領域である。燃焼器の予
混合器が円筒状の外輪部材、該外輪部材より直径が小さ
くほぼ同心円状の内輪部材とを構成部材として有してい
る場合は、前記外輪部材或いは内輪部材の半径方向の幅
が下流側に向かって徐々に厚くなる領域である。ここで
は、保炎器の影響を除けばガス流速が実質的に早くなる
領域である。尚、前記外輪部材の半径方向の幅は、外輪
部材の内側面と外側面との幅とすることもできる。
流の予混合器外輪4aと予混合器内輪4bは予混合器4
の流路面積が小さくなる様に、円の頂点から中心角が最
大30°程度以下の角度の円弧で絞られている。
し、また、流速を速くすることにより、例えば、絞り部
の上流側,絞り部,助走部のうち絞り部側近傍にある渦
(保炎器9上流端面が該当する場合は、その上流端面で
発生する保炎器上流剥離渦13)を減少或いは消滅させ
ることができる。ここで、予混合器内絞り部15の形状
を円弧としているが、予混合器4に要求される仕様に合
わせ、最適な曲線あるいは直線であってもかまわない。
例えば、直線の場合は、絞り部の前後で上流の流路や助
走部等との連絡が連続的となるよう曲線で構成されるよ
うにしたとしても、同絞り部の直線領域と絞り部の上流
側の流路とのなす角度は実用的には30°以下程度にす
ることが好ましい。予混合器内絞り部15の形状が円弧
である場合中心角があまり大きいと予混合器内絞り部1
5により流れが乱れるため好ましくない。
向の流路断面積に対して、絞り部の最下流側の同流路断
面積は15から30%減少している状態が好ましい。割
合は、保炎性能,予混合器4内部の圧損上昇などの点か
ら設定することができる。これらの条件及び予混合器4
の持てるスペースにより予混合器内絞り部15の高さ及
び絞りRの大きさが決められる。
果が十分でなく、燃焼安定範囲が広がる効果はあまり得
難い。保炎器9の上流端で発生した保炎器上流剥離渦1
3が予混合器4出口まで残存する確率が高く、安定燃焼
は期待できない。但し、予混合器内助走部16の長さが
スペース的に十分取る事ができ、予混合器内助走部16
のもつ整流効果のみで保炎器上流剥離渦13を消滅させ
る事ができる場合はこの限りではない。実用的には、1
5%以上絞ると燃焼安定範囲が広がる効果が比較的得ら
れ、さらに絞っていくと燃焼安定範囲が広がる。
合器の圧損が増大し、空気流量が減少して燃空比が上昇
しNOxが増大する可能性があるため、バランスから前
記範囲にすることが好ましい。絞り部での流路幅の減少
率は、剥離渦の消滅と、圧損、等を考慮して定められ
る。
合火炎による発生NOxが要求される仕様を満足するも
のであれば、予混合器内絞り部15での保炎器上流剥離
渦13の消滅による安定燃焼と発生NOxとのバランス
により絞り割合は30%を越える場合も考えられる。
側に、好ましくは、燃焼器の半径方向の流路の幅が実質
的に一定の領域を有する。燃焼器の予混合器が円筒状の
外輪部材、該外輪部材より直径が小さくほぼ同心円状の
内輪部材とを構成部材として有している場合は、前記外
輪部材或いは内輪部材の幅が実質一定の領域である。こ
こでは、保炎器の影響を除けばガス流速が実質的に一定
となる領域を有する。助走部を備えることにより、前記
絞り部との関係で、渦の消滅効果を高めることができ
る。また、助走部を備えたほうが燃焼範囲を広くするこ
とができる。また、例えば前述の流路の幅が実質的に一
定等の助走部をより長くすることにより燃焼安定範囲を
広げることもできる。また、絞り部が同様であっても助
走部を設けることにより、又、より長い助走部を設ける
ことにより、これらの整流効果によって、そうでない燃
焼器と比べ低NOx化を図ることができる。
ことができ、流速及び流線を均一に整え、出口形状の制
限された保炎器の保炎部等の吐出部に助走部で整えられ
た流れを供給することにより燃焼室での安定火炎を形成
することができる。
防止することができる。絞り部と助走部と吐出部を設け
る構成にする方が、絞り部形状をなだらかにして吐出部
にするより燃空比が変動した場合の安定燃焼できる範囲
をより広くできる。ガス流れを整えて流れの速度分布を
より均一にできるので、希薄燃焼状態において安定燃焼
に寄与できる。
考慮した場合や、燃焼器の構造上長さがあまりとれない
場合は、助走部が無い構成にすることもできる。
置される場合は、予混合燃焼器の流路断面積は、厳密に
言えば該上流側端の前後で保炎器のサポートリングの厚
さ分だけ変化している場合がある。しかし、サポートリ
ング自体の厚さ等が実質一定であり構造上必要程度の厚
さであれば、計算の簡略化のために、この流路の幅や断
面積等の変化を考慮しなくてもよい。
16の関係は、予混合器4内の圧損上昇等の点から決め
られた予混合器内絞り部15形状にて保炎器上流剥離渦
13を消滅させるためには、絞り効果が大である場合は
予混合器内助走部16の長さは比較的短くすることがで
きるが、絞り効果が小である場合は長くとる必要があ
る。例えば、予混合器内絞り部15の絞り割合が15%
〜30%程度であれば、予混合器内絞り部15の長さに
対し2倍以上の予混合器内助走部16長さを持たせるこ
とが望ましい。
16の下流側に位置し、流路中に配置された保炎器9の
幅が徐々に広がり始める位置に対向する流路面より下流
側領域が該当する。
向かって徐々に広くなる領域を有する。また、燃焼器の
予混合器が円筒状の外輪部材、該外輪部材より直径が小
さくほぼ同心円状の内輪部材とを構成部材として有して
いる場合は、前記外輪部材或いは内輪部材の幅が下流側
に向かって徐々薄くなる領域を有する。
6の下流であり、予混合器内助走部16により予混合気
体が整流された所から保炎器9は下流側に向かって広が
り、保炎器9の形にほぼ沿った形状で予混合器外輪4a
と予混合器内輪4bも各々広がり、予混合気体を予混合
燃焼室5へ吹きだすようになっている領域である。
予混合器内助走部16で整流された状態で予混合燃焼室
5に予混合気体を吹き出すことができる。この吹き出す
流れに、予混合器内絞り部15および予混合器内助走部
16の効果により渦流や不安定な流れがなく均一な流れ
であるため、保炎器9下流に生じる保炎器後流循環流1
2が安定し、変動の少ない安定燃料が得られる。また同
時に、不安定な流れからの火炎の戻りはなくなることか
ら、逆火防止につながる。
円弧であるが、予混合器4に要求される仕様に合う最適
な曲線あるいは直線であってもかまわない。
予混合器内絞り部15,予混合器内助走部16,予混合
器吐出部17に分け、各々の役割を果たすことで、単に
予混合器4出口の流路断面積を徐々に減少させ、均一で
大きな流速を得て安定燃焼を図る様な予混合器と比較し
て、予混合器吐出部17で予混合気体の流速が調整され
るため、予混合火炎の吹き消えに対しても性能を低下さ
せることを抑制できる。
にする。逆火防止のために絞り部と助走部とにより流速
を速めるだけの場合、過大な流速となり予混合燃焼の吹
き消え防止のために吐出部を調整し流速等を所望の状態
にすることが有効である。これにより、絞り部等で早く
なった流れを、吐出部で調整することができる。よっ
て、予混合器出口の流速がかなり大きくなってしまう恐
れはなく、予混合火炎の吹き消えを防止できる。
る。逆火防止の観点からは、流速を維持するようにして
もよい。
域を有する。逆火防止の観点からは、流速を維持するよ
うにしてもよい。例えば、助走部の断面積に対して吐出
部の流路断面積を10〜15%程度減少することができ
る。
焼範囲を得るために吐出部の形状を加工することによ
り、最適なガス流れ状態を得ることができ、安定燃焼範
囲を拡大することができる。例えば、剥離渦は消滅させ
ることができたが、燃焼安定性をさらに向上させる場合
や、燃焼器の状態が経時的に変化した場合等において、
前記のように吐出部を適宜修正できる。
速が±15%程度であれば、助走部による効果を損なわ
ず安定した燃焼が得られる。具体的には燃焼器の仕様に
より適宜調整することができる。
いように安定範囲を調整でき、メンテナンス性にすぐれ
る。吐出された予混合ガスは保炎器で保炎され燃焼す
る。
備える。
前記助走部に対向するよう配置することができる。詳細
な位置は保炎器の受ける熱応力やサポートリング部上流
側端付近に生じる剥離渦や燃焼器の構造上の大きさ(長
さ)等を考慮して定めることができる。助走部に設ける
場合は、助走部のうち上流側に配置することが好まし
い。
絞り部に対向する位置に配置することもできる。或い
は、前記絞り部に対向する位置より上流側に配置するこ
ともできる。
影響を緩和することもできる。また、ガスタービン軸方
向の長さがあまり短いとサポートリング上流部で生ずる
剥離渦が消滅せずに、保炎器にて保炎されている火炎に
達することがない程度の長さを有することが好ましい。
いは燃焼器の運用方法,要求される低NOx性能に見合
った形状であり、予混合器4流路高さに対する保炎器9
下流端の有する高さの割合や保炎器9下流端の前後位置
等が変わってくる。予混合器内助走部16より予混合気
体が整流された所から下流に広がり保炎器9の広がり形
状は、これらの条件を満たすようにする。予混合器4流
路形状の変化により、予混合器内助走部16で整流され
た均一な流れを乱さぬ様に、滑らかに広がる形状となる
ことが好ましい。
は燃焼器の運用方法,低NOx性能に見合った形状で下
流に向かって滑らかに広がる様に変化するようにする。
壁の形状も保炎器の形状にほぼ沿った形状に変化させる
ことで、助走区間で整えられた流れに流路形状変化に伴
う乱れが発生することを防止でき、この均一な流れの状
態で燃焼室内に予混合気体を吹き出すことができ、保炎
器下流に発生する循環流が安定し、保炎器による保炎を
助長し安定燃焼が得られる。
より上流側の流路の半径方向の幅に対して1/2程度に
することが好ましい。
示す。
%絞り、絞り部の長さに対して助走部長さを2倍とし、
吐出部の流路断面積を助走部の流路断面積の12%増加
させた構造にしたものである。
造を適応しなかったガスタービン燃焼器とにおいて、各
負荷での燃空比の変動に対する裕度を比較したものであ
る。当該着火時の失火側の燃焼安定範囲の裕度(以下ベ
ースという)を基準として説明する。
り側の裕度は本発明を適応しないガスタービン燃焼器で
は、ベースの1.5倍あるのに対し、本発明の裕度は2.
2倍に拡大した。
いて、失火側の燃焼安定範囲の裕度は、本発明を適応し
ないガスタービンではベースの1.3 倍なのに対し、本
発明のガスタービンでは、ベースの1.4 倍に拡大す
る。
しないガスタービンでは、べースの1.7倍なのに対
し、本発明のガスタービンでは、ベースの4.2倍まで
拡大した。
ができるので、排気再燃による排圧変動の大きなプラン
ト等においても、排圧変動が燃料室内部の圧力にまで大
きな影響を及ぼし、一時的に、燃焼室の圧力が上昇する
ことにより、予混合器出口の流速が下がると共に予混合
器に入る空気量が減少し燃空比が上がり、図4に示すよ
うな火炎戻り域に達し逆火に至る可能性等を防止でき
る。
荷時、いわゆる燃焼安定範囲の狭い状態での運転時に、
気温や湿度の変化等、種々の外乱により図4に示す火炎
戻り域に達する可能性を抑制することができる。また、
燃焼安定範囲を拡大することで大きく負荷を変化させる
ことができる。
合器4の流れの中にあればよく、その数は特に制限はな
く、二段でも三段でもかまわない。保炎器9が二段の場
合について、図3を用いて説明する。
予混合器4出口に設置され、外側保炎器9a支持部と内
側保炎器9b支持部の間には環状の予混合器内仕切り板
14が設置され、予混合器内仕切り板14,予混合器外
輪4a,内輪4bにより予混合器4出口の予混合器内絞
り部15を形成し、その下流で更に外側保炎器9a,内
側保炎器9bにより予混合器内助走部16,予混合器吐
出部17が形成される。
と同様の効果が得られ、安定した火炎が得られ、安定燃
焼範囲が広がる。
に設置されているため、上流端で予混合器内仕切り板上
流剥離渦が発生するが、この予混合器内仕切り板上流剥
離渦も外側保炎器9a及び内側保炎器9bの上流端に発
生する保炎器上流剥離渦13と同様に、予混合器内絞り
部15及び予混合器内助走部16の通過過程で消滅する
ため、予混合火炎に影響を及ぼすことはなく、安定した
火炎が得られる。
ることを抑制して保炎器の下流に安定した循環流を形成
し、安定した予混合火炎を得ると共に、逆火を防止する
ことができ、安定燃焼範囲を広範囲に確保できる。
燃焼器の断面図である。
保炎器の断面図である。
よび保炎器の断面図である。
スリーブ、3b…前側フロースリーブ、4…予混合器、
4a…予混合器外輪、4b…予混合器内輪、5…予混合
燃焼室、6…拡散燃焼室、7…拡散燃焼用燃焼ノズル、
8…予混合燃焼用燃焼ノズル、9…保炎器、9a…外側
保炎器、9b…内側保炎器、10…保炎器支持板、12
…保炎器後流循環流、13…保炎器上流剥離渦、14…
予混合器内仕切り板、15…予混合器内絞り部、16…
予混合器内助走部、17…予混合器吐出部、18…予混
合器内仕切り板上流剥離渦。
Claims (6)
- 【請求項1】拡散燃焼器と予混合燃焼器とを有し、前記
予混合燃焼器には、燃料と空気との予混合ガスが流れる
流路に設けられ、該流路を二分するように配置される保
炎器を備えてなるガスタービン燃焼器において、 前記予混合燃焼器の前記流路は、 流路の半径方向の幅が徐々に狭くなる絞り部と、 前記絞り部の下流側に形成され、前記流路の半径方向の
幅が実質的に一定である助走部と、 前記助走部の下流側に形成され、前記流路の半径方向の
幅が徐々に広くなる吐出部とを有し、 前記保炎器の支持部を前記助走部または絞り部に対向す
る位置、或いは前記絞り部に対向する位置より上流側に
配置した ことを特徴とするガスタービン燃焼器。 - 【請求項2】拡散燃焼器と予混合燃焼器とを有し、前記
予混合燃焼器には、燃料と空気との予混合ガスが流れる
流路に支持板によって支持され、該流路を二分するよう
に配置される保炎器を備えてなるガスタービン燃焼器に
おいて、 前記予混合燃焼器の流路は、円筒状の外輪部材、該外輪
部材より直径が小さくほぼ同心円状の内輪部材とを構成
要素とし、 前記外輪部材の半径方向の幅が徐々に厚くなる絞り部
と、 前記絞り部の下流に形成され、前記絞り部の前記幅が実
質的に維持する助走部と、 前記助走部の下流に形成され、前記外輪部材の半径方向
の幅が徐々に薄くなる吐出部を有し、 前記支持板に支持される保炎器の支持部の上流端を前記
助走部または絞り部に対向する位置、或いは前記絞り部
に対向する位置より上流側に配置した ことを特徴とする
ガスタービン燃焼器。 - 【請求項3】請求項2のガスタービン燃焼器において、 前記内輪部材は、 前記外輪部材の絞り部に対向する位置であって、 前記外輪部材の内周側面と外周側面との間の半径方向の
幅が徐々に厚くなる他の絞り部と、 前記外輪部材の助走部に対向する位置であって、前記半
径方向の幅がほぼ一定の他の助走部と、 前記外輪部材の絞り部に対向する位置であって、前記半
径方向の幅が徐々に狭くなる他の吐出部と、 を備えてなることを特徴とするガスタービン燃焼器。 - 【請求項4】拡散燃焼器と予混合燃焼器とを有し、前記
予混合燃焼器には、燃料と空気との予混合ガスが流れる
流路に支持板によって支持され、該流路を二分するよう
に配置される保炎器を備えてなるガスタービン燃焼器に
おいて、 前記予混合燃焼器の流路は、円筒状の外輪部材、該外輪
部材より直径が小さくほぼ同心円状の内輪部材とを構成
要素とし、 流路断面積が徐々に小さくなる絞り部と、 前記絞り部の下流に形成され、前記断面積が実質的に同
じ助走部と、 前記助走部の下流に形成され、前記断面積が前記助走部
の下流部より徐々に狭くなる領域を備えた吐出部とを有
し、 前記支持板に支持される保炎器の支持部を前記助走部ま
たは絞り部に対向する位置、或いは前記絞り部に対向す
る位置より上流側に配置した ことを特徴とするガスター
ビン燃焼器。 - 【請求項5】拡散燃焼器と予混合燃焼器とを有し、前記
予混合燃焼器には、燃料と空気との予混合ガスが流れる
流路に設けられ、該流路を二分するように配置される保
炎器を有し、該保炎器は保炎部と、保炎器を支持するサ
ポートリング部とを備えてなるガスタービン燃焼器にお
いて、 前記予混合燃焼器の前記流路は、 流路の半径方向の幅が徐々に狭くなる絞り部と、前記絞り部の下流に形成され、前記断面積が実質的に同
じ助走部と、 前記助走部の下流側に形成され、前記流路の半径方向の
幅が徐々に広くなる吐出部を有し、 前記サポートリング部を前記助走部または絞り部に対向
する位置、或いは前記絞り部に対向する位置より上流側
に配置した ことを特徴とするガスタービン燃焼器。 - 【請求項6】請求項1に記載のガスタービン燃焼器の予
混合燃焼器の燃焼方法において、 前記予混合燃焼器の前記流路を流れる前記ガスのガス流
速を徐々に速める第1の行程、 前記ガス流速を実質一定に維持して、前記保炎器の上流
部で発生した剥離流を整流する第2の行程、 前記ガス流速を徐々に遅くする第3の行程、 前記ガスが前記保炎器により保炎されて燃焼する第4の
行程、 とを有することを特徴とするガスタービン燃焼器の予混
合燃焼器の燃焼方法。
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JP13467096A JP3427617B2 (ja) | 1996-05-29 | 1996-05-29 | ガスタービン燃焼器 |
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JP4906689B2 (ja) | 2007-11-29 | 2012-03-28 | 株式会社日立製作所 | バーナ,燃焼装置及び燃焼装置の改造方法 |
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