JPH0579630A - ガスタービン燃焼器および運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 ガスタービン燃焼器の高温、低ＮＯｘ化に対
する予混合燃焼技術の開発、特にガスタービン作動領域
で、予混合燃焼の安定化と低ＮＯｘ化方向の希薄燃焼を
安定的に可能とする燃焼器の構造および運転方法を提供
する。。 【構成】 燃焼室２９の頭部に予混合バーナ４，軸心部
に補助バーナ５を設置し、予混合バーナ空気を可変にす
る内部流量調節リング２１と連動するバイパス機構を備
える燃焼器において、着火時から無負荷までは補助バー
ナ５の空気量に対して燃料過剰による一部拡散燃焼条件
とし、無負荷で予混合バーナ４へ燃料投入時に瞬時希薄
予混合燃焼となる燃料制御を行い、その後負荷上昇は、
予混合バーナ４の燃空比制御運転により、希薄混合燃焼
を継続させて低ＮＯｘ化を実現する。 【効果】 予混合燃焼の燃空比制御運転が容易となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービン燃焼器に
係り、特に窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減を目的とした予
混合燃焼を行う燃焼器の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術の低ＮＯｘ燃焼器は、頭部燃焼
室で拡散燃焼を行い、後部燃焼室では予混合燃焼を行う
二段燃焼方式である。特に予混合燃焼時は、燃焼の安定
化と広範囲の予混合燃焼を継続するために、負荷帯に合
せた燃料に対して空気量を制御する内部流量調節リング
を設け、燃空比を制御する手段を用いている。

【０００３】しかし、予混合空気量を増大させると拡散
空気量が減少し、予混合燃焼量が増大した高負荷側の燃
焼では、拡散燃焼の燃空比が大きくなり、低ＮＯｘ化方
向の燃焼が不利となる。

【０００４】また、実公昭５７−１６５９６７、特開昭
５８−１４０５２０の燃焼器では、燃焼室後流側にバイ
パス導入孔を設け、その流路断面積を変化させる機構や
制御弁を介してバイパス空気量を制御する方法がある
が、他の燃焼用空気や冷却空気等の流動抵抗が構造的な
制約から異なるため、燃焼室に設置した各空気導入口へ
の所要空気量配分は難しい。

【０００５】一方、予混合燃焼を助ける拡散燃焼も特開
昭５９−１０１５５１に示す如く予混合バーナに拡散バ
ーナを組込んだ方式があるが、拡散と予混合二系統のラ
インが必要であるため、制御系が複雑化すると同時に極
低ＮＯｘ化燃焼の高負荷側では、全燃焼を予混合燃焼で
行うことが不可欠である。

【０００６】参考文献 コンバインドプラント用低ＮＯ
ｘガスタービン燃焼器の開発（第１４回ガスタービン学
会論文集１９８７ Ｐ５１乃至５６）

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】予混合燃焼を安定且つ
広範囲で燃焼を行うために、予混合バーナの空気量を調
節する際に、他の空気量配分に影響を与えないようにす
る。そのためにバイパス空気量を適切に調節する手段を
設ける。

【０００８】予混合空気量とバイパス空気量の合目的な
調節を行い得る実際的な燃焼器の構造を提供する。

【０００９】その際、バイパス空気調節手段は、燃焼室
内の燃焼状態を粗害しないようにする。

【００１０】また、低負荷時は、過度運転に有利な燃料
過剰条件を作り一部拡散燃焼状態にすることにより、過
渡運転時の燃焼の安定性を高める。

【００１１】高負荷時では、希薄予混合燃焼が可能な補
助バーナを設けることにより、希薄予混合燃焼を燃料制
御によって実現できる運転方法を提供する。

【００１２】更に、前記機能を達成するために、燃焼室
内の空気配分と負荷帯による燃空比運転条件を設定し、
運転制御を容易にする。

【００１３】本発明の目的は、上記課題を解決する全予
混合燃焼を可能にする燃焼器の構造および運転方法を提
供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】

（１）外筒、内筒および尾筒で構成するガスタービン燃
焼器の頭部燃焼室軸芯部に補助バーナを設け、その外周
側に予混合バーナを設置してなり、前記内筒内に形成さ
れた燃焼室内で予混合燃焼を行うガスタービン燃焼器に
おいて、前記予混合空気入口窓部および前記燃焼室後流
側に空気を導入するバイパス空気のバイパス空気入口窓
部を設け、これら予混合空気入口窓部と前記バイパス空
気入口窓部の開度が、一方の空気流量が増大した分だけ
他方の空気流量が減少するような前記両窓部の開度調節
手段を設けたこと。

【００１５】（２）上記（１）において、前記予混合空
気入口窓部を前記予混合バーナの円筒状外周壁の円周上
に設け、前記バイパス空気入口窓部を前記予混合空気入
口窓部に隣接して設け、これらの予混合空気入口窓部お
よびバイパス空気入口窓部に対応する外周側に軸方向に
摺動する流量調節リングを設けたこと１。

【００１６】（３）上記（１）および（２）において、
前記バイパス空気入口窓部から空気を前記燃焼室後部に
バイパス空気を搬送する連通管を前記内筒の外周に軸方
向に配列し、同連通管の端部を前記燃焼室後流側の燃焼
室内に開口させたこと。

【００１７】（４）上記（１）ないし（３）において、
前記補助バーナの燃焼室に突出された筒状の燃料流路を
設け、該筒状燃料流路の外周に補助バーナ用空気および
前記燃料流路から燃料が供給され、これらの空気と燃料
が予混合される環状の室を設け、前記環状の室には予混
合流体が燃焼室に噴出する出口を設けたこと。

【００１８】（５）上記（４）記載のガスタービン燃焼
器の運転方法において、低負荷燃焼時は、補助バーナに
対する燃料の供給を補助バーナへの空気量に対して過剰
に供給し、その際、補助バーナから燃焼室内に噴出され
た燃料と空気の混合体に、補助バーナを包囲する前記予
混合バーナからの空気が作用することにより、補助バー
ナの外側で拡散燃焼が行われるようにしたこと。

【００１９】（６）上記（５）において、補助バーナの
低負荷時は然空比０．０６〜０．１の範囲で作動させ、
予混合バーナ燃料導入時から高負荷側では、０．０３〜
０．０４５燃空比一定に設定し、予混合バーナと同等の
燃空比で全予混合燃焼を行うこと。

【００２０】（７）上記（５）において、タービン無負
荷時の燃焼器空気配分を補助バーナ空気量８〜１５％一
定、予混合バーナ空気量１０〜６５％定格まで可変、冷
却空気量１５〜２５％一定、バイパス空気量は０〜５０
％定格まで可変制御すること。

【００２１】（８）上記（１）において、燃焼器頭部か
ら後流側に導くバイパス空気を燃焼室と完全に分離した
パイプ状としたこと。

【００２２】

【作用】予混合バーナ空気量の変化量の増減をバイパス
空気量の減増として制御すれば、燃焼負荷に見合った燃
焼室内外の圧力損失を常時一定に保つことができる。そ
の結果、全空気量が一定となる無負荷から定格負荷帯ま
での補助バーナ及び冷却空気量は、開口面積比によって
定まるため、各空気配分の変動はなくなる。

【００２３】一方、着火時から無負荷までの補助バーナ
作動時において、燃料過剰条件とする理由は、予混合バ
ーナ空気を効果的に利用することによって、急激な負荷
変動に有利な拡散燃焼形態を一部作り、燃焼の安定性を
図る。

【００２４】また、補助バーナに予混合機構を具備させ
ることは、予混合バーナに燃料をステップ状に投入する
切換条件において、即時に希薄予混合燃焼形態となるよ
うにしたもので、燃料導入制御によって容易に予混合燃
焼条件を形成することが可能とり、他の拡散バーナ機構
を必要としないため、構造的に簡素化を図ることができ
る。

【００２５】

【実施例】図１は本発明の一具体例を示す燃焼器全体の
構造を示す縦断面図である。外筒１、内筒２、尾筒３で
構成するガスタービン燃焼器において、内筒２の頭部に
予混合バーナ４を設け、前記予混合バーナ４に囲まれた
中心部に補助バーナ５が設けられている。

【００２６】補助バーナ５は、燃焼室内の延伸された燃
料流路７、その外周に環状に設けられた環状空気流路８
および環状流路８の先端部に設けられた旋回器６を有
し、さらに燃料流路７と環状空気流路８を連通する燃料
噴孔９をそなえてなる。

【００２７】予混合バーナ４は、補助バーナ５を包囲す
る環状流路部１０をそなえ、上流部で予混合バーナ４の
本体を固定する外筒フランジ１１の内部を貫通して設け
られた燃料供給流路１２と燃料チャンバ１３をそなえ、
さらに、噴出孔１４を有する燃料ノズル１５を複数個円
周上に配置して取り付けた構造である。

【００２８】図２は、図１に示された燃焼器の頭部近傍
の構造を示す斜視図であり、図３は、補助バーナの先端
部の構造を示す断面図である。図１を含むこれらの図を
参照しながら本実施例の構造を説明する。環状流路部１
０は上流側端部において、予混合空気を導く空気入口窓
１６をその外周端に設置している。この空気入口窓１６
の下流側に隣接して空気入口窓１６と同じ外径の外周端
にバイパス空気入口窓１７を設け、このバイパス空気入
口窓１７はその内周側に設けられた環状空気槽１８に開
口している。この空気槽１８に連通した連通管１９が内
筒２の外周側に円周上に間隔をおいて円周状に配列さ
れ、これらの連通管１９の下流側端は内筒２の燃焼室の
後流側に設けたパイパス空気導入孔２０群に連通されて
いる。

【００２９】予混合空気入口窓１６とバイパス空気入口
窓１７の外周部には、内部流量調節リング２１が軸方向
に移動可能に設置され、予混合空気入口窓１６が閉の時
バイパス空気入口窓１７が開となる如く構成されてい
る。この内部流量調節リング２１の移動は外部から予混
合燃焼を自動制御を有する機能により操作される。

【００３０】本燃焼器の作動時は、圧縮機からの空気２
２を尾筒３の後部より導き入れ、内筒２の外壁から冷却
空気２３、バイパス空気２４、予混合空気２５及び補助
バーナ空気２６を燃焼室内外の差圧で導入する。

【００３１】燃焼器のエンドカバー２７の中央部に取付
けられた補助バーナ５に供給された燃料２８は、図３に
示す如く燃料流路７に導入され、旋回器６の上流側に設
置された燃料噴孔９より環状空気流路８を流動する空気
２６に導入され、混合流となって旋回器６から燃焼室２
９に噴出される。旋回器６から噴出した混合流３０に、
予混合バーナ空気２５が包囲する如く流動するので、補
助バーナ５の予混合気が燃料過剰条件であっても、前記
予混合バーナ空気２５の接触混合による一部拡散状態で
燃焼が行われる。予混合燃料３１は、外筒フランジ１１
に設けた燃料供給流路１２より燃料チャンバ１３に導び
かれ、燃料ノズル１５の噴出孔１４から環状流路部１０
を流れる空気２５に混入し、予混合気として燃焼室内に
噴出される。

【００３２】図４は本発明の実施例である燃空比制御運
転の状況を示す線図である。同図は、タービン無負荷ま
での過渡運転と、無負荷から定格負荷までの空気量Ａｔ
一定におけるガスタービン運転時において、無負荷時の
空気量配分を補助バーナ５の空気量Ａｐ＝１０％、予混
合バーナ４の空気量Ａｍ＝１５％、冷却空気量Ａｃ＝２
５％、バイパス空気量Ａｖ＝５０％になるように各空気
導入口面積を設定されていることを示している。 同様
に、無負荷から定格負荷の作動領域において、補助バー
ナ空気量Ａｐ及び冷却空気量Ａｃが一定となるように予
混合バーナ空気量Ａｍの増加量だけバイパス空気量Ａｖ
を減少させ、定格時はバイパス空気量Ａｖ＝０（全閉）
で、予混合バーナ空気量Ａｍ＝６５％に設定することが
示されている。

【００３３】一方、タービン負荷帯において導入する全
燃料流量Ｆｔに対して、着火時から無負荷までの間、補
助バーナ燃料Ｆｐを空気量Ａｐに対して過剰に投入し、
燃空比Ｆｐ／Ａｐ＝０．０６〜０．１の燃料過剰範囲で
運転する。この場合、補助バーナの周囲から予混合バー
ナ空気量Ａｍが包囲して流動するため、燃焼室頭部の燃
空比はＦｐ／Ａｐ＋Ａｍ＝０．０３以下の条件で一部拡
散燃焼が行われる。

【００３４】無負荷時の全燃料流量Ｆｔにおいて、補助
バーナ燃料流量Ｆｐ＝５０％を減少させると同時に、予
混合バーナ燃料流量Ｆｍ＝５０％を階段状に投入し、補
助バーナの燃空比Ｆｐ／Ａｐ及び予混合バーナ燃空比Ｆ
ｍ／Ａｍが０．０４近傍になるように設定する。その
後、定格負荷までの運転は、補助バーナの燃空比Ｆｐ／
Ａｐを一定にして、予混合バーナ燃空比Ｆｍ／Ａｍを希
薄側の予混合燃焼条件となるように空気量Ａｍと燃料流
量Ｆｍを制御運転する。

【００３５】本実施例においては、上記した如く燃焼室
内に導入する空気と燃料を負荷帯に合せて、燃空比制御
することに特徴があり、すなわち、補助バーナ作動にお
いて、低負荷時は、燃料過剰による一部拡散燃焼を行わ
せ、一方、高負荷側では、希薄予混合燃焼を燃料制御の
みによって燃空比制御を実現できるようにした。

【００３６】また、他の応用例として、補助バーナの空
気を制御できるように内部流量調節機構を、前記予混合
バーナ及バイパス空気調節機能を連動させれば、本発明
の燃空比制御がより容易となる。

【００３７】従って本実施例に拠れば、ガスタービン無
負荷から定格負荷の作動領域において、低ＮＯｘ化に有
利な予混合燃焼を燃空比制御によって達成する燃焼を提
供することができる。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、予混合空気入口窓部と
バイパス空気入口窓部の開度が、一方の空気流量が増大
した分だけ他方の空気流量が減少するような前記両窓部
の開度調節手段を設けたので、他の空気量に影響を与え
ることなく、予混合空気量を制御することができ、予混
合燃焼の燃空比制御が容易となり、ガスタービン燃焼負
荷帯において、信頼性の高い運転が可能であると共に、
低ＮＯｘ化に有利な燃焼器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

図１は、本発明の実施例であるガスタービン燃焼器の構
造を示す縦断面図、図２は、燃焼器頭近傍の構造を示す
斜視図、図３は、補助バーナ先端部近傍の構造を示す断
面図、図４は、本発明の実施例の燃焼器における、ガス
タービン作動領域での燃空比制御運転の特性を示す線図
である。

【符号の説明】

１ 外筒 ２ 内筒 ３ 尾筒 ４ 予混合バーナ ５ 補助バーナ ８ 環状空気流路 １９ 連通官 ２１ 内部流量調節リング Ａｐ 補助バーナ空気量 Ａｍ 予混合バーナ空気量 Ａｒ バイパス空気量 Ｆｐ 補助バーナ燃料量 Ｆｍ 予混合バーナ燃料量

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 文雄 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 赤津 茂行 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外筒、内筒および尾筒で構成するガスタ
   ービン燃焼器の頭部燃焼室軸芯部に補助バーナを設け、
   その外周側に予混合バーナを設置してなり、前記内筒内
   に形成された燃焼室内で予混合燃焼を行うガスタービン
   燃焼器において、前記予混合空気入口窓部および前記燃
   焼室後流側に空気を導入するバイパス空気のバイパス空
   気入口窓部を設け、これら予混合空気入口窓部と前記バ
   イパス空気入口窓部の開度が、一方の空気流量が増大し
   た分だけ他方の空気流量が減少するような前記両窓部の
   開度調節手段を設けたことを特徴とするガスタービン燃
   焼器。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記予混合空気入口
   窓部を前記予混合バーナの円筒状外周壁の円周上に設
   け、前記バイパス空気入口窓部を前記予混合空気入口窓
   部に隣接して設け、これらの予混合空気入口窓部および
   バイパス空気入口窓部に対応する外周側に軸方向に摺動
   する流量調節リングを設けたことを特徴とするガスター
   ビン燃焼器。
3. 【請求項３】 請求項１および２において、前記バイパ
   ス空気入口窓部から空気を前記燃焼室後部にバイパス空
   気を搬送する連通管を前記内筒の外周に軸方向に配列
   し、同連通管の端部を前記燃焼室後流側の燃焼室内に開
   口させたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３において、前記補助バ
   ーナの燃焼室に突出された筒状の燃料流路を設け、該筒
   状燃料流路の外周に補助バーナ用空気および前記燃料流
   路から燃料が供給され、これらの空気と燃料が予混合さ
   れる環状の室を設け、前記環状の室には予混合流体が燃
   焼室に噴出する出口を設けたことを特徴とするガスター
   ビン燃焼器。
5. 【請求項５】 請求項（４）記載のガスタービン燃焼器
   の運転方法において、低負荷燃焼時は、補助バーナに対
   する燃料の供給を補助バーナへの空気量に対して過剰に
   供給し、その際、補助バーナから燃焼室内に噴出された
   燃料と空気の混合体に、補助バーナを包囲する前記予混
   合バーナからの空気が作用することにより、補助バーナ
   の外側で拡散燃焼が行われるようにしたことを特徴とす
   るガスタービン燃焼器の運転方法。
6. 【請求項６】 請求項５において、補助バーナの低負荷
   時は然空比０．０６〜０．１の範囲で作動させ、予混合
   バーナ燃料導入時から高負荷側では、０．０３〜０．０
   ４５燃空比一定に設定し、予混合バーナと同等の燃空比
   で全予混合燃焼を行うガスタービン燃焼器の運転方法。
7. 【請求項７】 請求項５において、タービン無負荷時の
   燃焼器空気配分を補助バーナ空気量８〜１５％一定、予
   混合バーナ空気量１０〜６５％定格まで可変、冷却空気
   量１５〜２５％一定、バイパス空気量は０〜５０％定格
   まで可変制御することを特徴とするガスタービン燃焼器
   の運転方法。
8. 【請求項８】 請求項１記載において、燃焼器頭部から
   後流側に導くバイパス空気を燃焼室と完全に分離したパ
   イプ状としたことを特徴とする構造。