JPH04198622A - Combustion apparatus - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To allow steady premixed combustion even when the opening area of a nozzle of a burner is designed larger, by providing a combustion chamber which rapidly expands from the nozzle of the burner, and resisting elements. CONSTITUTION:A nozzle 42 of a premixing burner 35 has an annular shape, and a combustion chamber 23, in which premixed gas is burned, expands rapidly from the nozzle 42 of the burner 35. One or more resisting elements 19, whose sectional areas are sharply reduced toward the downstream side so that they offer resistance to the blowing mixed gas, are provided in the vicinity of the nozzle 42 of the burner 35. The sum of the maximum sectional areas of one or more resisting elements perpendicular to the direction from upstream side toward the downstream side is 40-20% of the opening area of the nozzle 42. Thereby, the opening area of the nozzle 42 of the premixed combustion burner 35 can be designed larger, allowing lean premixed combustion to be performed steadily.

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、燃料と燃焼用空気とが混合した予混合気体を
噴出する予混合燃焼バーナを有している燃焼器、および
ガスタービン設備に関する。Detailed Description of the Invention [Field of Industrial Application] The present invention relates to a combustor having a premixed combustion burner that blows out a premixed gas in which fuel and combustion air are mixed, and to gas turbine equipment. .

［従来の技術］ 従来より、燃料の燃焼の際に発生するＮＯｘを削減する
ために、燃焼の１方式として、予め燃料と空気とを混合
したものをバーナから噴出してこれを燃焼させる予混合
燃焼が採用されている。[Prior Art] Conventionally, in order to reduce NOx generated during fuel combustion, one method of combustion has been premixing, in which a mixture of fuel and air is ejected from a burner and combusted. Combustion is used.

予混合燃焼器では、多くの場合、起動時等の着火性を確
保するために、予混合燃焼バーナの上流側に拡散燃焼バ
ーナが設けられるが、これだけでは火炎の安定性を図る
ことが難しいので、予混合燃焼バーナの噴出口に旋回羽
根等を設けて予混合気体を旋回させ、火炎を保持するも
のや、予混合燃焼バーナの８口近傍に、予混゛合気体の
流れに対する抵抗体を設け、抵抗体の下流側に燃焼気体
を一時的に循環させて高温部を作り、火炎を保持するも
のなどが提案されている。In premix combustors, a diffusion combustion burner is often installed upstream of the premix combustion burner to ensure ignitability during startup, etc., but this alone is difficult to ensure flame stability. , a swirl vane or the like is provided at the ejection port of the premix combustion burner to swirl the premix gas and hold the flame, and a resistor against the flow of the premix gas is installed near the 8 ports of the premix combustion burner. It has been proposed that the combustion gas be temporarily circulated downstream of the resistor to create a high-temperature area and hold the flame.

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、前者の燃焼器では、予混合気体の旋回流
を確実に形成するために予混合燃焼バーナの噴出０開口
面積を大きくすることができず、拡散燃焼に対して予混
合燃焼の比率を１：１程度ぐらいまでしか高めることが
できず、結果として、燃焼器から排呂されるＮＯｘを十
分に削減することができないという問題点がある。[Problems to be Solved by the Invention] However, in the former combustor, it is not possible to increase the no-ejection opening area of the premix combustion burner in order to reliably form a swirling flow of premixed gas, and diffusion combustion is difficult to achieve. On the other hand, there is a problem in that the ratio of premix combustion can only be increased to about 1:1, and as a result, it is not possible to sufficiently reduce NOx exhausted from the combustor.

また、後者のものでは、予混合燃焼バーナの８口近傍に
抵抗体を設けることにより、バーナの噴出口開口面積に
関係無く、火炎の安定性が確保させるので、前者のもの
よりも予混合燃焼の比率を高めることができるものの、
予混合燃焼バーナから燃焼室内に流入する燃焼用空気へ
の抵抗が大きくなる。空気は、燃焼室内外の圧力差で燃
焼器内に導かれるが、燃焼筒の周囲に形成さしている冷
却孔などから燃焼室内に流入する空気に対する抵抗より
も、予混合燃焼バーナから燃焼室内に流入する燃焼用空
気に対する抵抗が大きくなることにより、燃焼用空気の
流量を高めることが難しくなり、希薄予混合燃焼を実現
できない場合があり、後者のものもＮＯｘを削減するこ
とができないことがあるという問題点がある。In addition, in the latter type, by providing a resistor near the eight ports of the premix combustion burner, flame stability is ensured regardless of the burner nozzle opening area, so the premix combustion burner is more effective than the former type. Although it is possible to increase the ratio of
The resistance to combustion air flowing into the combustion chamber from the premix combustion burner increases. Air is guided into the combustor by the pressure difference between the outside and outside of the combustion chamber, but the air flowing into the combustion chamber from the premix combustion burner is stronger than the resistance to air flowing into the combustion chamber from cooling holes formed around the combustion tube. The increased resistance to the combustion air makes it difficult to increase the flow rate of combustion air, making it impossible to achieve lean premix combustion, and the latter also may not be able to reduce NOx. There is a problem.

本発明は、このような従来の問題点について着目してな
されたもので、予混合燃焼バーナの噴出口開口面積を大
きくすることができると共に、希薄予混合燃焼を実現す
ることができ、Ｎ　Ｏｘを低減することができる燃焼器
およびガスタービン設備を提供することを目的とする。The present invention has been made with attention to these conventional problems, and it is possible to increase the opening area of the jet nozzle of a premix combustion burner, realize lean premix combustion, and reduce NOx. The objective is to provide a combustor and gas turbine equipment that can reduce the

［１１題を解決するための手段］ 前記目的を達成するための燃焼器は、 予混合燃焼バーナの噴出口を環状に形成し、予混合気体
が燃焼する燃焼室を前記予混合バーナの噴出口から急激
に大きくなるよう形成し、前記予混合燃焼バーナの噴出
口近傍に、下流側の断面積が急激に小さくなり、噴出す
る予混合気体の抵抗となる１以上の抵抗体を設け、１以
上の前記抵抗体の上流側から下流側方向に対して直角方
向の断面のうち、面積が最大となるそれぞれの断面の総
面積を、噴出口開口面積の４％〜２０％にしたことを特
徴とするものである。[Means for Solving Problem 11] A combustor for achieving the above-mentioned object has the following: A jet nozzle of a premix combustion burner is formed in an annular shape, and a combustion chamber in which premixed gas is combusted is formed between the jet nozzle of the premix burner. The premixed combustion burner is formed so as to suddenly increase in size from the premixed combustion burner, and one or more resistors are provided in the vicinity of the ejection port of the premixed combustion burner, the cross-sectional area of which is rapidly reduced on the downstream side, and which acts as a resistance to the ejected premixed gas. The total area of each cross section having the maximum area among the cross sections in the direction perpendicular to the direction from the upstream side to the downstream side of the resistor is set to 4% to 20% of the outlet opening area. It is something to do.

ここで、本明細書中では、抵抗体の断面積は、抵抗体が
中空構造である場合などのときでは、抵抗体を上流側か
ら下流側方向に対して直角方向に切断した際の中空部分
の面積も含んでいるものとする。また、面積が最大とな
る箇所が抵抗体の端面である場合には、その面が最大面
積の断面とする。Here, in this specification, when the resistor has a hollow structure, the cross-sectional area of the resistor is defined as the hollow portion when the resistor is cut in a direction perpendicular to the upstream to downstream direction. It also includes the area of Furthermore, if the location with the largest area is the end face of the resistor, that face is the cross section with the largest area.

なお、抵抗体は、複数設けてもよいが、その場合には、
抵抗体相互の距離を等間隔に配することが好ましい。さ
らに、抵抗体を複数設ける場合には、抵抗体を環状の前
記予混合燃焼バーナの半径方向に長く形成し、放射状に
配することが好ましい。Note that a plurality of resistors may be provided, but in that case,
It is preferable that the resistors be arranged at equal distances from each other. Furthermore, when a plurality of resistors are provided, it is preferable that the resistors are formed long in the radial direction of the annular premix combustion burner and arranged radially.

また、燃焼室の上流側で環状の前記予混合燃焼バーナの
ほぼ中心には、起動時等の着火性を確保するために、拡
散燃焼バーナを設けることが好ましい。Further, it is preferable to provide a diffusion combustion burner approximately at the center of the annular premix combustion burner on the upstream side of the combustion chamber in order to ensure ignition performance during startup and the like.

［作用］ 予混合燃焼バーナから噴出する予混合気体は、抵抗体に
衝突して分流する。抵抗体の下流には燃焼気体の循環流
が形成されるので、高温になり、ここが予混合気体の着
火源となり、予混合火炎を形成する。この予混合火炎は
、抵抗体から燃焼室の外周側方向に伝播して行く。この
ように、抵抗体を設けることにより、確実に着火源を確
保することができるので、噴出口の開口面積を大きくし
た場合でも、安定し、た希薄予混合燃焼を実現すること
ができる。[Operation] The premixed gas ejected from the premixed combustion burner collides with the resistor and is divided into streams. Since a circulating flow of combustion gas is formed downstream of the resistor, the temperature becomes high, and this serves as an ignition source for the premixed gas, forming a premixed flame. This premixed flame propagates from the resistor toward the outer circumferential side of the combustion chamber. In this manner, by providing the resistor, an ignition source can be reliably secured, so that even when the opening area of the ejection port is increased, stable lean premix combustion can be achieved.

また、本発明では、燃焼室を予混合燃焼バーナの噴出口
から急激に大きく形成したので、燃焼室の上流側の外周
近傍も、予混合火炎で形成された燃焼気体の循環流が形
成される。そのため、この領域も高温となり、予混合火
炎は環状の噴出口の外周縁を基点として形成される。In addition, in the present invention, since the combustion chamber is formed to suddenly become larger from the jet port of the premix combustion burner, a circulating flow of combustion gas formed by the premix flame is also formed near the outer periphery on the upstream side of the combustion chamber. . Therefore, this region also becomes high temperature, and a premixed flame is formed starting from the outer periphery of the annular jet nozzle.

したがって、噴出口が完全に火炎面で覆われることは無
く、バーナから噴出する気体に対する抵抗が少なくなり
、火炎付着による加速損出を極力少なくすることができ
、燃焼用空気量の減少の少ない希薄予混合燃焼が可能と
なる。Therefore, the jet nozzle is not completely covered by the flame surface, the resistance to the gas jetting out from the burner is reduced, acceleration loss due to flame adhesion can be minimized, and the combustion air amount is less reduced. Premixed combustion becomes possible.

ところで、予混合燃焼バーナの噴出口近傍に抵抗体を設
けることにより、噴出口の開口面積を大きくしても、火
炎の安定性を確保できるが、前述したように、抵抗体の
上流側から下流側方向に対して直角方向の断面積を無制
限に大きくすると、ある程度火炎の安定性は向上するも
のの、予混合燃焼バーナから燃焼室内に流入する燃焼用
空気への抵抗が大きくなり、燃焼用空気の流量シ高める
ことが難しくなって、希薄予混合燃焼を実現できない。By the way, by providing a resistor near the jet nozzle of the premix combustion burner, flame stability can be ensured even if the opening area of the jet nozzle is increased. If the cross-sectional area perpendicular to the lateral direction is increased without limit, the flame stability will be improved to some extent, but the resistance to the combustion air flowing from the premix combustion burner into the combustion chamber will increase, and the It becomes difficult to increase the flow rate, making it impossible to achieve lean premix combustion.

また、抵抗体の上流側から下流側方向に対して直角方向
の断面積を極端に小さくすると、保炎効果が望めなくな
る。Furthermore, if the cross-sectional area of the resistor in the direction perpendicular to the direction from the upstream side to the downstream side is extremely small, the flame stabilizing effect cannot be expected.

そこで、本発明では、各種の試験より、抵抗体の総断面
積を、噴出口開口面積の４％〜２０％に設定することに
より、抵抗体の保炎効果を維持しつつ、燃焼用空気に対
する抵抗を制限して、希薄予混合燃焼が可能な燃焼用空
気流量を確保し、ＮＯｘの削減を図っている。Therefore, in the present invention, by setting the total cross-sectional area of the resistor to 4% to 20% of the nozzle opening area through various tests, it is possible to maintain the flame-holding effect of the resistor while maintaining the resistance to combustion air. By limiting the resistance, a combustion air flow rate that enables lean premix combustion is ensured, and NOx is reduced.

［実施例コ 以下、第１図〜第９図に基づき、本発明の一実施例につ
いて説明する。[Example 1] Hereinafter, an example of the present invention will be described based on FIGS. 1 to 9.

本実施例の燃焼器は、ガスタービン用燃焼器で、この燃
焼器には、図示されていないが燃焼器に圧縮空気を供給
する空気圧縮機と、燃焼器内で燃焼して生成された燃焼
気体が供給されるガスタービンが接続されている。The combustor of this embodiment is a combustor for a gas turbine, and this combustor includes an air compressor (not shown) that supplies compressed air to the combustor, and a A gas turbine is connected to which gas is supplied.

ガスタービン用燃焼器は、第１図および第２図に示すよ
うに、燃焼器ケーシング１と、燃焼室２３を形成する燃
焼筒２と、燃焼室２３内で生成された燃焼気体をガスタ
ービンへ導くトランジッションピース２５と、拡散火炎
を形成するパイロットバーナ１０と、予混合火炎を形成
する予混合燃焼バーナ３５と、予混合火炎の安定性を確
保するための保炎器１８とを有して構成されている。As shown in FIGS. 1 and 2, a gas turbine combustor includes a combustor casing 1, a combustion tube 2 forming a combustion chamber 23, and a combustion gas generated in the combustion chamber 23 to be sent to the gas turbine. It includes a transition piece 25 for guiding, a pilot burner 10 for forming a diffusion flame, a premix combustion burner 35 for forming a premix flame, and a flame stabilizer 18 for ensuring the stability of the premix flame. has been done.

燃焼器ケーシング１には、圧縮された空気を取り入れる
空気取入口３８と、燃焼により生成された燃焼気体を排
出する燃焼気体排呂口３９とが形成されている。The combustor casing 1 is formed with an air intake port 38 that takes in compressed air, and a combustion gas exhaust port 39 that discharges combustion gas generated by combustion.

パイロットバーナ１０は、燃焼筒２の上流側の中央部に
設けられており、外筒６と内筒５とで構成されている。The pilot burner 10 is provided at the center of the upstream side of the combustion tube 2 and is composed of an outer tube 6 and an inner tube 5.

外筒６の上流側には燃焼用空気を外筒６内に導くための
複数の空気流入口８が形成され、外筒６の下流側には、
外筒６と内筒５との間を通ってきた燃焼用空気を旋回さ
せる旋回羽根４が設けられている。内筒５の上流側は燃
焼器ケーシング１から突呂しており、そこがパイロット
燃料取入口４０を形成している。A plurality of air inlets 8 for guiding combustion air into the outer cylinder 6 are formed on the upstream side of the outer cylinder 6, and on the downstream side of the outer cylinder 6,
A swirling vane 4 is provided to swirl the combustion air that has passed between the outer cylinder 6 and the inner cylinder 5. The upstream side of the inner cylinder 5 protrudes from the combustor casing 1, and forms a pilot fuel intake port 40.

予混合燃焼バーナ３５は、第２図に示すように、パイロ
ットバーナ１０の周囲に環状に設けられている。予混合
燃焼バーナ３５は、燃焼器ケーシング１と燃焼筒２との
間を通ってくる空気を仕切る仕切リング３０と、仕切リ
ング３０内に設けられ燃焼用空気と予混合燃料Ｆ１とを
混合する混合室１４を形成する外筒１３および内筒１２
と、仕切リング３０内に均圧室３１を形成すべく仕切リ
ング３０の上流側を塞ぐ上流側フランジ１１と、仕切リ
ング３０の下流側を塞ぐ下流側フランジ２゜とを有して
構成されている。仕切リング３０の下流側外周には、仕
切リング３０内に燃焼用空気を導く燃焼用空気導入孔４
１が形成され、そこに燃焼用空気流量を調整する空気流
量調整リング２９が設けられている。外筒１３および内
筒１２の上流端は、予混合気体噴出口４２を形成してい
る。The premix combustion burner 35 is provided in an annular shape around the pilot burner 10, as shown in FIG. The premix combustion burner 35 includes a partition ring 30 that partitions air passing between the combustor casing 1 and the combustion cylinder 2, and a mixing ring that is provided inside the partition ring 30 and mixes the combustion air and the premix fuel F1. Outer cylinder 13 and inner cylinder 12 forming chamber 14
and an upstream flange 11 that closes the upstream side of the partition ring 30 to form a pressure equalization chamber 31 within the partition ring 30, and a downstream flange 2° that closes the downstream side of the partition ring 30. There is. A combustion air introduction hole 4 for guiding combustion air into the partition ring 30 is provided on the outer periphery of the downstream side of the partition ring 30.
1 is formed, and an air flow rate adjustment ring 29 for adjusting the combustion air flow rate is provided there. The upstream ends of the outer cylinder 13 and the inner cylinder 12 form a premixed gas jet port 42 .

外ｓ１３および内筒１２により構成される混合室１４内
には、予混合気体の旋回流を形成する旋回流羽根１５が
設けられている。混合室１４の上流側には、混合室１４
内に予混合燃料Ｆ１を噴出する予混合燃料ノズル１７が
設けられており、これは、下流側フランジ１１内に放射
状に形成されている燃料流路１６に接続されている。A swirling flow vane 15 that forms a swirling flow of premixed gas is provided in the mixing chamber 14 configured by the outer cylinder s13 and the inner cylinder 12. On the upstream side of the mixing chamber 14, there is a mixing chamber 14.
A premixed fuel nozzle 17 for ejecting premixed fuel F1 is provided within the flange 11, and is connected to a fuel flow path 16 formed radially within the downstream flange 11.

環状に形成されている予混合気体噴出口４２には、第２
図に示すように、放射状に複数の保炎器１８．１８，１
８が設けられている。この保炎器１８は、第３図に示す
ように、縦断面（上流側から下流側方向の断面）が、下
流側を底辺とする二等辺三角形の抵抗体１９と、抵抗体
１９を予混合気体噴出口４２の僅かに下流側に支持して
おく抵抗体支持脚１９ａとで構成されている。The annularly formed premixed gas outlet 42 has a second
As shown in the figure, a plurality of flame stabilizers 18.18,1 are arranged radially.
8 is provided. As shown in FIG. 3, this flame stabilizer 18 includes a resistor 19 whose vertical cross section (cross section from the upstream side to the downstream side) is an isosceles triangle with the base on the downstream side, and a resistor 19 that is premixed. The resistor support leg 19a is supported slightly downstream of the gas outlet 42.

ここで、抵抗体１９の横断面（上流側から下流側に方向
に対して直角方向の断面）の面積が最大となる面は、抵
抗体の底面であるが、それぞれの抵抗体の底面の総面積
は、予混合気体噴出ロ４２開ロ面積の２０％になってい
る。また、保炎器１８は、保炎器１８で複数に仕切らる
予混合気体噴出口４２のそれぞれの開口面積が均等にな
るように、配設されている。Here, the surface where the area of the cross section of the resistor 19 (cross section perpendicular to the direction from the upstream side to the downstream side) is the maximum is the bottom surface of the resistor, but the total area of the bottom surface of each resistor is The area is 20% of the area of the premixed gas blowout hole 42. Further, the flame stabilizer 18 is arranged so that the opening area of each of the premixed gas jet ports 42 partitioned into a plurality by the flame stabilizer 18 is equal.

次に、本実施例の作用について説明する。Next, the operation of this embodiment will be explained.

燃焼器の起動時には、まず、パイロットバーナ１０のみ
を用いて、起動させる。When starting the combustor, first, only the pilot burner 10 is used.

パイロットバーナ１０で拡散火炎を形成する場合には、
パイロット燃料Ｆｐをパイロット燃料取入口４０からパ
イロットバーナ１０の内筒５内に取り入れる。同時に、
燃焼用空気を空気取入口３８から燃焼器内に取り入れて
、燃焼器ケーシング１と燃焼筒２との間の空気流路およ
びパイロットバーナ１０の空気流入口８を介してパイロ
ットバーナ１０の外筒６内に取り入れる。燃焼用空気は
、内筒５と外筒６との間を通り旋回羽根４により旋回さ
せられて燃焼室２３内に噴出する。この燃焼用空気によ
り、内筒５から燃焼室２３に噴出したパイロット燃料Ｆ
ｐは、燃焼して、拡散火炎を形成する。When forming a diffusion flame with the pilot burner 10,
Pilot fuel Fp is taken into the inner cylinder 5 of the pilot burner 10 from the pilot fuel intake port 40. at the same time,
Combustion air is taken into the combustor from the air intake port 38, and is passed through the air flow path between the combustor casing 1 and the combustion tube 2 and the air inlet 8 of the pilot burner 10 to the outer tube 6 of the pilot burner 10. Take it inside. The combustion air passes between the inner cylinder 5 and the outer cylinder 6, is swirled by the swirling vanes 4, and is ejected into the combustion chamber 23. This combustion air causes pilot fuel F to be ejected from the inner cylinder 5 into the combustion chamber 23.
p burns to form a diffusion flame.

パイロット燃料Ｆｐは、第４図に示すように、ガスター
ビン負荷１００％時における全燃料流量（パイロット燃
料Ｆｐと予混合燃料Ｆ□との和、図中実線示す）の約３
０％（タービン負荷Ｏ％）になるまで、単独で燃焼器内
に供給され、燃焼室２３内には拡散火炎のみが形成され
る。全燃料流量がガスタービン負荷１００％時における
約３０％になると、予混合燃料Ｆ、が予混合燃焼バーナ
３５に供給され始める同時に、パイロット燃料Ｆｐがス
テップ状にガスタービン負荷１００％時における全燃料
流量の約５％に削減される。パイロット燃料Ｆｐは、そ
の後、一定流量（ガスタービン負荷１００％時における
全燃料流量の約５％）供給され、タービン負荷が２５％
なると供給が停止される。タービン負荷が０％から２５
％の間は、燃焼器には、パイロット燃料Ｆｐと予混合燃
料Ｆ工とが供給され、燃焼室２３内には拡散火炎と予混
合火炎とが形成されている。As shown in Fig. 4, the pilot fuel Fp is approximately 3 of the total fuel flow rate (the sum of the pilot fuel Fp and the premixed fuel F□, shown by the solid line in the figure) when the gas turbine load is 100%.
The fuel is supplied alone into the combustor until it reaches 0% (turbine load 0%), and only a diffusion flame is formed in the combustion chamber 23. When the total fuel flow rate reaches approximately 30% of the gas turbine load at 100%, the premixed fuel F starts to be supplied to the premix combustion burner 35, and at the same time, the pilot fuel Fp is gradually increased to approximately 30% of the total fuel flow at the gas turbine load of 100%. The flow rate is reduced to approximately 5%. The pilot fuel Fp is then supplied at a constant flow rate (approximately 5% of the total fuel flow rate when the gas turbine load is 100%), and when the turbine load is 25%.
Then the supply will be stopped. Turbine load from 0% to 25
%, the pilot fuel Fp and the premixed fuel Fp are supplied to the combustor, and a diffusion flame and a premixed flame are formed in the combustion chamber 23.

予混合燃料Ｆ１の燃焼について、第５１ｉｆｌを用いて
説明する。Combustion of the premixed fuel F1 will be explained using the 51st ifl.

予混合燃焼バーナから噴出する予混合気体は、抵抗体１
９に衝突して分割される。抵抗体１９の下流には燃焼気
体の循環流が形成されるので、高温になり、ここが予混
合気体の着火源となり、比較的急激な燃焼領域Ｂを形成
する。ここで形成される予混合火炎は燃焼室２３の外周
側方向に伝播して、緩慢な燃焼領域Ｃを形成する。緩慢
な燃焼領域Ｃでは、比較的急激な燃焼領域Ｂで形成され
た燃焼気体と予混合気体とが混合した酸素分圧の低い気
体が燃焼しているのでＮＯｘの発生量は少ない。The premixed gas ejected from the premixed combustion burner is connected to the resistor 1
It collides with 9 and is split. Since a circulating flow of combustion gas is formed downstream of the resistor 19, the temperature becomes high, and this serves as an ignition source for the premixed gas, forming a relatively rapid combustion region B. The premixed flame formed here propagates toward the outer circumferential side of the combustion chamber 23 to form a slow combustion region C. In the slow combustion region C, a gas with a low oxygen partial pressure that is a mixture of the combustion gas formed in the relatively rapid combustion region B and the premixed gas is combusted, so the amount of NOx generated is small.

ところで、燃焼室２３は予混合燃焼バーナ３５の噴出口
４２から急激に大きくなっているので、燃焼室２３の上
流側の外周近傍には、緩慢な燃焼領域Ｃで形成された燃
焼気体と予混合気体の一部を含む気体の循環流３３が形
成される。そのため、この領域も高温となる。Incidentally, since the combustion chamber 23 suddenly becomes larger from the jet port 42 of the premix combustion burner 35, there is a premixed combustion gas formed in the slow combustion region C near the outer periphery on the upstream side of the combustion chamber 23. A gas circulation flow 33 containing a portion of the gas is formed. Therefore, this area also becomes high temperature.

このように、抵抗体１８の下流側および燃焼室２３の上
流側の外周近傍に高温な領域が形成されるので、−予混
合気体の火炎面は、抵抗体１９と予混合燃焼バーナ噴出
口４２の外周縁４３を基点として形成される。In this way, high-temperature regions are formed near the outer periphery of the downstream side of the resistor 18 and the upstream side of the combustion chamber 23, so that the flame front of the premixed gas is It is formed with the outer peripheral edge 43 of as a base point.

したがって、予混合気体噴出口４２が火炎面で覆われる
ことは無く、バーナ３５から噴出する気体に対する抵抗
が少なくなり、火炎付着による加速損出を極力少なくす
ることができ、燃焼用空気量の減少の少ない希薄予混合
燃焼が可能となる。Therefore, the premixed gas jet port 42 is not covered with a flame surface, the resistance to the gas jetted from the burner 35 is reduced, acceleration loss due to flame adhesion can be minimized, and the amount of combustion air is reduced. This enables lean premixed combustion with less combustion.

また、安定した燃焼が可能となる。Moreover, stable combustion becomes possible.

なお、タービン負荷が０％から２５％の低負荷時には、
予混合燃料Ｆ□のみならずパイロット燃料Ｆｐも供給さ
れ、環状に形成される予混合火炎の内周側に拡散燃焼領
域Ａが形成されるので、この領域に形成される拡散火炎
も、予混合気体の着火源となり、安定した燃焼が行われ
る。In addition, when the turbine load is low from 0% to 25%,
Not only the premixed fuel F□ but also the pilot fuel Fp is supplied, and a diffusion combustion region A is formed on the inner circumferential side of the annularly formed premixed flame, so the diffusion flame formed in this region is also premixed. It serves as an ignition source for gas, resulting in stable combustion.

第４図に示すように、タービン負荷が２５％以上では、
燃焼器に予混合燃料Ｆ□が単独で供給され、燃焼室内に
は予混合火炎のみが形成される。As shown in Figure 4, when the turbine load is 25% or more,
The premixed fuel F□ is supplied alone to the combustor, and only a premixed flame is formed within the combustion chamber.

この際も、予混合火炎は、前述したように、抵抗体１９
の下流側および燃焼室２３の上流側の外周近傍に高温な
領域が形成されるので、安定燃焼する。At this time as well, the premixed flame flows through the resistor 19 as described above.
Since high-temperature regions are formed near the outer periphery of the downstream side of the combustion chamber 23 and the upstream side of the combustion chamber 23, stable combustion occurs.

ところで、抵抗体１８は、保炎性能の向上に有利ではあ
るが、予混合燃焼バーナから噴出される燃焼用空気に対
する抵抗が大きくなり、燃焼用空気流量の減少を招く。By the way, although the resistor 18 is advantageous in improving flame holding performance, it increases the resistance to the combustion air ejected from the premix combustion burner, resulting in a decrease in the combustion air flow rate.

第６図は、本実施例とほぼ同様に構成されている試作燃
焼器で、定格燃焼時における抵抗体の面積を変えた際の
予混合燃焼バーナ３５と保炎器１８とによる圧力損出を
示している。同図において、縦軸は（圧力損失／燃焼器
出口内圧）％を示しており、横軸は（保炎器総面積／噴
出口開口面積）を示している。FIG. 6 shows a prototype combustor configured almost the same as this example, and shows the pressure loss caused by the premix combustion burner 35 and flame stabilizer 18 when changing the area of the resistor during rated combustion. It shows. In the figure, the vertical axis shows (pressure loss/combustor outlet internal pressure)%, and the horizontal axis shows (total flame stabilizer area/nozzle opening area).

噴出口が環状の予混合バーナを有するガスタービン用燃
焼器の場合、定格運転時の燃焼器全体の圧力損出は、第
６図に示すように、５％である。In the case of a gas turbine combustor having a premix burner with an annular ejection port, the pressure loss of the entire combustor during rated operation is 5%, as shown in FIG.

また、燃焼器全体の圧力損出は、予混合燃焼バーナ３５
および保炎器１８を通過する燃焼用空気の圧力損出の他
に、パイロットバーナ用空気、燃焼筒冷却用空気、希釈
用空気などに対する圧力損出が含まれている。そのため
、定格運転時の燃焼器−前他の圧力損出５％を満たすた
めには、予混合燃焼バーナ３５および保炎器１８を通過
する燃焼用空気の圧力損出と共に他の圧力損出も考慮す
ると、抵抗体１８，１８．１８の総面積は、予混合燃焼
バーナ３５の噴呂ロ開ロ面積の２０％以下が望ましいこ
とになる。In addition, the pressure loss of the entire combustor is reduced by the premix combustion burner 35.
In addition to the pressure loss of the combustion air passing through the flame stabilizer 18, there is also pressure loss for pilot burner air, combustion tube cooling air, dilution air, and the like. Therefore, in order to satisfy the 5% pressure loss between the combustor and other sources during rated operation, in addition to the pressure loss of the combustion air passing through the premix combustion burner 35 and flame stabilizer 18, other pressure losses must also be generated. Taking this into consideration, it is desirable that the total area of the resistors 18, 18, 18 be 20% or less of the area of the premix combustion burner 35 when the spout is opened.

なお、圧力損出は、空気のみ流動させた場合（第６図中
−点破線で示す）より燃焼時（第６図中実線で示す）の
圧損が大きくなるので、この点を十分考慮して保炎器の
総面積を決定することが好ましい。これは、火炎を形成
すると、火炎面の高温作用により噴出口近傍の内圧を局
部的に上げるために、内外圧力差が減少して、バーナ噴
出口の開口面積に見合った空気量が流れなくなるからで
ある。Note that the pressure loss during combustion (shown by the solid line in Figure 6) is greater than when only air is allowed to flow (shown by the dotted line in Figure 6), so please take this into consideration. Preferably, the total area of the flame holder is determined. This is because when a flame is formed, the internal pressure near the nozzle increases locally due to the high temperature action of the flame surface, which reduces the pressure difference between the inside and outside and prevents the flow of air in proportion to the opening area of the burner nozzle. It is.

第７図に、保炎器１８の総面積の変化に伴う燃空比（燃
料流量／空気流量）の変化（同図中実線で示す）および
ＮＯｘ生成量（同図中−点破線で示す）の変化を示す。FIG. 7 shows changes in the fuel-air ratio (fuel flow rate/air flow rate) due to changes in the total area of the flame stabilizer 18 (indicated by the solid line in the figure) and the amount of NOx produced (indicated by the dotted line in the figure). shows the change in

同図より、保炎器１８の総面積がバーナ噴出口の開口面
積に対して４％以下では、保炎８１８の作用による燃空
比の増加現象は見られず、保炎効果をあまり期待できな
いので、保炎器１８の総面積はバーナ噴出口の開口面積
に対して４％以上に設定することがよいことがわかる。From the same figure, when the total area of the flame stabilizer 18 is less than 4% of the opening area of the burner nozzle, no increase in the fuel-air ratio due to the effect of the flame stabilizer 818 is observed, and no significant flame stabilization effect can be expected. Therefore, it is understood that the total area of the flame stabilizer 18 is preferably set to 4% or more of the opening area of the burner outlet.

保炎器１８の総面積を４％以上にすると、保炎器１８の
面積増加に伴いＮ　Ｏｘ生成量も増加する。When the total area of the flame stabilizer 18 is set to 4% or more, the amount of NOx generated also increases as the area of the flame stabilizer 18 increases.

さらに、保炎器１８の総面積が２０％を超える（ｆＭ焼
焼金全体圧力損出も設計値５％を超える）と、ＮＯｘ生
成量が急激に増加する。Furthermore, when the total area of the flame stabilizer 18 exceeds 20% (the pressure loss of the entire fM sintered metal also exceeds the design value of 5%), the amount of NOx generated increases rapidly.

したがって、保炎器による圧力損出、保炎効果およびＮ
　Ｏｘ生成量を考慮すると、保炎器の総面積はバーナ噴
出口の開口面積に対して４％から２０％の間に設定する
ことが適切であることがわかる。Therefore, the pressure loss due to the flame holder, the flame holding effect, and the N
Considering the amount of Ox produced, it is found that it is appropriate to set the total area of the flame stabilizer between 4% and 20% of the opening area of the burner outlet.

次に、火炎の安定性に関して各種燃焼器を用いて試験を
行ったので、これについて第８図を用いて説明する。Next, flame stability was tested using various combustors, which will be explained using FIG.

この試験は、予混合燃焼バーナに旋回羽根のみを設けた
燃焼器Ａ（図中破線で示す）、燃焼室を予混合燃焼バー
ナの噴出口から急激に大きくした燃焼器Ｂ（図中−点破
線で示す）、本実施例と同様の構成の燃焼器Ｃを用いて
行った。This test was conducted using combustor A (indicated by the dashed line in the diagram) in which only swirl vanes were installed in the premix combustion burner, and combustor B (indicated by the dotted line in the diagram) in which the combustion chamber was suddenly enlarged from the jet nozzle of the premix combustion burner. The experiment was conducted using a combustor C having the same configuration as in this example.

この試験では、第８図に示すように、本実施例と同様の
構成の燃焼器Ｃは、安定した燃焼が可能な燃空比の下限
界を燃焼器Ａに対しては２５％、燃焼器Ｂに対しては１
０％も下げることができることができることが確認され
た。In this test, as shown in FIG. 8, the lower limit of the fuel-air ratio for combustor A that allows stable combustion was 25% for combustor A, and 25% for combustor A, and 1 for B
It has been confirmed that it is possible to lower the amount by as much as 0%.

燃焼器Ａおよび燃焼器Ｃを用いてＮ　Ｏｘ生成量の違い
についても試験を行ったので、このについて第９図を用
いて説明する。A test was also conducted to determine the difference in the amount of NOx produced using combustor A and combustor C, and this will be explained using FIG. 9.

この試験では、各燃焼器Ａ、Ｃの負荷を変化させてＮＯ
ｘ生成量を調べたが、すべての負荷条件時において、燃
焼器Ａよりも本実施例と同様の構成の燃焼器Ｃ方がＮＯ
ｘ生成量は大幅に少なく、定格時（負荷１００％）で燃
焼器Ｃの方が３５％もＮ　Ｏｘ生成量が少なくすること
が確認された。In this test, the load on each combustor A and C was changed to
The amount of NO x produced was investigated, and under all load conditions, combustor C, which has the same configuration as this example, produced more NO than combustor A.
It was confirmed that the amount of NOx produced was significantly lower, and that combustor C produced 35% less NOx at rated conditions (100% load).

以上の各種試験結果からもわかるように、本実施例の燃
焼器は、安定した希薄予混合燃焼を実現することができ
、Ｎ　Ｏｘを低減することができる。As can be seen from the above various test results, the combustor of this example can realize stable lean premix combustion and can reduce NOx.

ところで、環状のバーナ噴出口形状に対応させ゛　　　
　　　　て、面積をバーナ噴出口の開口面積ｌこ対して
４％から２０％の間に設定した環状の保炎器を１個設け
ても本実施例とほぼ同様にＮＯｘを低減することができ
る。しかし、このような構成では、環状の保炎器の外周
側と内周側とに前述した緩慢な燃焼領域が形成され、こ
こに形成される予混合火炎が互いに干渉し易くなり、燃
焼振動を招くおそれがあるので、環状の保炎器を設ける
場合には予混合火炎の干渉を考慮して、設ける必要があ
る。By the way, in order to correspond to the annular burner nozzle shape,
Even if one annular flame stabilizer is provided, the area of which is set between 4% and 20% of the opening area l of the burner outlet, NOx can be reduced almost in the same manner as in this embodiment. However, in such a configuration, the aforementioned slow combustion areas are formed on the outer and inner sides of the annular flame stabilizer, and the premixed flames formed there tend to interfere with each other, causing combustion vibrations. Therefore, if an annular flame stabilizer is provided, it is necessary to take the interference of the premixed flame into account.

［発明の効果］ 本発明によれば、予混合バーナの噴出口から急激に広が
る燃焼室および抵抗体を有しているので、これらの作用
により着火源となる高温な領域を得ることができるので
、予混合燃焼バーナの噴出口開口面積を大きくしても安
定した予混合燃焼を実現することができる。さらに、抵
抗体の総面積を予混合燃焼バーナの噴出口開口面積に対
して、４％〜２０％に設定したことにより、確実に保炎
効果を得ることができると共に、燃焼用空気量の多い、
いわゆる希薄予混合燃焼を実現することができ、ＮＯｘ
を低減することができる。[Effects of the Invention] According to the present invention, since the premix burner has a combustion chamber and a resistor that rapidly expand from the jet nozzle, a high-temperature area that becomes an ignition source can be obtained by these actions. Therefore, stable premix combustion can be achieved even if the opening area of the ejection port of the premix combustion burner is increased. Furthermore, by setting the total area of the resistor to 4% to 20% of the nozzle opening area of the premix combustion burner, it is possible to reliably obtain a flame holding effect and to increase the amount of combustion air. ,
So-called lean premix combustion can be achieved, reducing NOx
can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第１図は燃焼器の全体断面図、第２図は第１図の■−■
線断面図、第３図は保炎器の断面図、第４図は予混合燃
料およびパイロット燃料の供給量を示すグラフ、第５図
は燃焼器内の燃焼状態を示すための説明図、第６図は圧
力損呂と保炎器の総面積との関係を示すグラフ、第７図
は燃空比およびＮＯｘ生成量と保炎器の総面積との関係
を示すグラフ、第８図は各種燃焼器の安定燃焼領域を示
すグラフ、第９図は各種燃焼器のＮＯｘ生成量を示すグ
ラフである。 １・・・燃焼器ケーシング、２・・・燃焼筒、１０・・
パイロットバーナ、１４・・混合室、１８・・・保炎器
。 １９・・・抵抗体、２３・・・燃焼室、３５・・・予混
合バーナ、４２・・・燃焼気体噴出口。Figure 1 is an overall sectional view of the combustor, and Figure 2 is from ■ to ■ in Figure 1.
3 is a sectional view of the flame stabilizer, FIG. 4 is a graph showing the supply amount of premixed fuel and pilot fuel, and FIG. 5 is an explanatory diagram showing the combustion state in the combustor. Figure 6 is a graph showing the relationship between pressure loss and the total area of the flame holder, Figure 7 is a graph showing the relationship between the fuel-air ratio, the amount of NOx generated, and the total area of the flame holder, and Figure 8 is a graph showing the relationship between the pressure loss and the total area of the flame holder. FIG. 9 is a graph showing the stable combustion region of the combustor, and FIG. 9 is a graph showing the NOx production amount of various combustors. 1... Combustor casing, 2... Combustion cylinder, 10...
Pilot burner, 14...mixing chamber, 18...flame holder. 19... Resistor, 23... Combustion chamber, 35... Premix burner, 42... Combustion gas jet port.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 １、燃料と燃焼用空気とが混合した予混合気体を噴出す
る予混合燃焼バーナを備えている燃焼器において、 前記予混合燃焼バーナの噴出口を環状に形成し、 前記予混合気体が燃焼する燃焼室を前記予混合バーナの
噴出口から急激に大きくなるよう形成し、 前記予混合燃焼バーナの噴出口近傍に、下流側の断面積
が急激に小さくなり、噴出する予混合気体の抵抗となる
１以上の抵抗体を設け、１以上の前記抵抗体の上流側か
ら下流側方向に対して直角方向の断面のうち、面積が最
大となるそれぞれの断面の総面積を、噴出口開口面積の
４％〜２０％にしたことを特徴とする燃焼器。 ２、前記抵抗体を２以上設け、抵抗体相互の距離を等間
隔に配したことを特徴とする請求項１記載の燃焼器。 ３、環状の前記予混合燃焼バーナの半径方向に長く形成
した２以上の前記抵抗体を放射状に配したことを特徴と
する請求項１または２記載の燃焼器。 ４、前記燃焼室の上流側で環状の前記予混合燃焼バーナ
のほぼ中心に、拡散燃焼バーナを設けたことを特徴とす
る請求項１、２または３記載の燃焼器。 ５、請求項１、２、３または４記載の燃焼器と、該燃焼
器で生成される燃焼気体により駆動するガスタービンと
を備えていることを特徴とするガスタービン設備。[Claims] 1. In a combustor equipped with a premix combustion burner that blows out a premixed gas in which fuel and combustion air are mixed, the ejection port of the premix combustion burner is formed in an annular shape, and the A combustion chamber in which the premixed gas is combusted is formed so as to rapidly increase in size from the jetting port of the premixed combustion burner, and a downstream cross-sectional area of the premixed gas rapidly decreases near the spouting port of the premixed combustion burner, and a premixed gas is spouted. One or more resistors serving as resistance to the mixed gas are provided, and the total area of each cross section having the maximum area among the cross sections in the direction perpendicular to the direction from the upstream side to the downstream side of the one or more resistors is calculated as follows: A combustor characterized in that the area of the nozzle opening is 4% to 20%. 2. The combustor according to claim 1, wherein two or more resistors are provided, and the resistors are arranged at equal distances from each other. 3. The combustor according to claim 1 or 2, wherein the two or more resistors are arranged radially in the radial direction of the annular premix combustion burner. 4. The combustor according to claim 1, 2 or 3, wherein a diffusion combustion burner is provided approximately at the center of the annular premix combustion burner on the upstream side of the combustion chamber. 5. Gas turbine equipment comprising the combustor according to claim 1, 2, 3 or 4 and a gas turbine driven by combustion gas generated by the combustor.