JPH06101840A - ガスタービン燃焼器の予混合構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、ガスタービン燃焼器により発生す
るＮＯｘを抑制するために、予混合燃焼を行なうに際
し、その基本的な技術となる予混合空気と燃料とを均一
に混合させる効果的な予混合構造を提供するものであ
る。 【構成】 単段または多段に設けられた予混合バ−ナ口
において、各段の環状の予混合通路を中空部材または中
空部材と仕切板とにより複数に分割して水力学的直径を
小さくし、その中空部材の両側に複数の燃料ガス噴口を
設け、この中空部材の中空部に燃料を供給して各分割さ
れた予混合通路の局所的な予混合空気流量に対応した燃
料を供給し、中空部材によって形成された予混合通路の
減速部にて混合を促進させるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、予混合燃焼により低Ｎ
Ｏｘ燃焼を行わせるガスタービン燃焼器の予混合構造に
係り、特に天然ガス（ＬＮＧ、ＬＰＧ等）等の気体燃料
を使用する場合に於いて、大幅なＮＯｘ低減を図ること
が出来るガスタービン燃焼器の予混合構造に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来の低ＮＯｘ燃焼器のうち、本発明に
最も近い技術を説明する。例えば特開昭６１−２２１２
７号の公報に示されている内容では２段燃焼方式を採用
しており、１段目はマルチノズルによる拡散燃焼方式を
採用し、２段目はマルチノズルによる予混合燃焼方式を
採用している。そして全体として空気過剰による低温燃
焼を行い、ＮＯｘの低減を図っている。

【０００３】衆知のごとくガスタービンでは、着火より
定格負荷まで極めて広い燃焼が要求されるので、燃焼範
囲の狭い予混合燃焼だけでこの広い燃焼範囲をカバ−す
ることが出来ない。このため、着火より或る回転数又は
或る負荷帯までは、燃焼幅の広い拡散燃焼方式に頼らざ
るを得ない。しかし、拡散燃焼方式は局所的に高温部が
発生しやすいので、燃焼の結果発生するＮＯｘの排出レ
ベルは高くなるので、低ＮＯｘ化を図る為には空気過剰
の予混合燃焼に切り換えて、均一で且つ低温の燃焼を図
る必要がある。従って着火時は拡散燃焼によってガスタ
ービンの起動を開始し、空気と燃料の比率即ち空気比の
変動幅が予混合燃焼の可燃限界に近ずいた時点より拡散
火炎でサポ−トさせながら逐次予混合燃焼に切り換える
操作が必要となる。この操作によって、ガスタービンの
低ＮＯｘ運転が可能となる。

【０００４】一方、予混合燃焼方式であれば低ＮＯｘ燃
焼が簡単に達成出来るとは限らない。

【０００５】上記従来技術の図５〜７のように混合距離
の短い単純な予混合通路に燃料を細分化して供給しても
完全に均一な予混合気を得ることは困難であり、当然の
ことながら予混合気に或る濃度分布が存在することにな
る。つまり、燃料を細分化する意味ずけは、局所的にそ
の近傍を流れる空気流量に対応して局所的に燃料を供給
することであり、これによって出来るだけ均一な予混合
気を得ることが出来るものである。特に、ここで示した
従来技術のように予混合通路に対して燃料を上下左右に
供給し、空気流が反転する構造では、３次元的なしかも
偏流のある空間に局所的に空気流量に対応して燃料を供
給することは極めて困難となり、その結果として部分的
にガス濃度の濃い部分が発生し、この部分における火炎
温度が高くなり、ＮＯｘの生成が促進されることにな
る。このように低ＮＯｘの予混合燃焼において、予混合
ガスの濃度分布を均一にすることは、極めて重要な基本
的技術となるものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、大幅
な低ＮＯｘ燃焼を実現することであり、このために極め
て均一な予混合気を得ること、および空気との予混合を
強化することによって火炎温度分布を均一にし、さらに
低温燃焼を実現して、燃焼によって発生するサ−マルＮ
Ｏｘの大幅な低減を図れるガスタービン燃焼器の空気−
燃料の予混合構造を提供せんとすることである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明では、前記の如き
目的を達成するため、環状の予混合通路部を複数の中空
部材または仕切板と中空部材を組合せたもので半径方向
に分割して水力学的直径を小さくし、予混合効率の向上
を図るとともに、予混合通路の中空部材の両側に複数の
燃料噴口を設け、この中空部材の中空部に燃料を供給し
て局所的な予混合空気流量に対応した燃料を供給し、予
混合通路の減速部にて混合を促進させるものである。従
って予混合距離が同一長さであっても、予混合通路内の
空気−燃料の混合を飛躍的に改善することが出来る。

【０００８】

【作用】燃料ガスと予混合空気の混合を改善させる為に
は、 （１）予混合通路断面の水力学的直径を小さくすること （２）予混合通路内における局所的な予混合空気流量に
見合った燃料ガスを供給すること （３）予混合通路内に噴射された燃料ガスと予混合空気
の混合体が、通過する予混合通路内に、流動抵抗体によ
って構成される減速部（混合促進部）を設け、所定の圧
力損失を与えて混合を促進させる これらの３要素を満足させることが技術的な条件とな
る。本発明では、中空部材または中空部材と仕切板の組
合せにより、水力学的直径を小さくし、その中空部材の
中空部に燃料ガスを供給し、中空部材の両側壁に複数個
の燃料噴口を設けて減速部を流れる局所的な予混合空気
流量に見合った燃料を供給し、これにより燃料ガスと予
混合空気との混合を改善させるものである。

【０００９】

【実施例】以下、本発明について図面を用いて詳細に説
明する。図１は、本発明によるガスタービン燃焼器の１
具体例を示す断面図である。この具体例では、１段の予
混合バ−ナの例を示しているが、特に限定されるもので
はなく、２段又はそれ以上の複数段であっても何等差し
支えなく本発明に含まれるものとする。ガスタービン圧
縮機（図示せず）で圧縮された圧縮空気１はディフュ−
ザ２により圧力回復させた後、空気室３に供給される。
圧縮空気１の１部は、燃焼器のライナ−２１を冷却する
為にライナ−冷却空気４として使用され、燃焼室１２内
に供給される。

【００１０】圧縮空気１の他の１部は、予混合空気５と
して予混合通路１０に供給され、予混合バ−ナ口１１よ
り予混合ガスとして燃焼室１２に供給される。残りの圧
縮空気１は、拡散空気６として拡散空気通路１７を通
り、拡散旋回翼１９を介して拡散バ−ナ口２０より燃焼
室１２に供給される。

【００１１】一方、予混合燃料１３は、共通の予混合燃
料室１４に供給され、予混合燃料通路１５を経て各燃料
供給口１６より中空部材７の中空部８に入り、中空部材
７の両側壁に設けられた複数個の燃料噴口９より予混合
通路１０内に供給され、前記予混合空気５と混合し、予
混合バ−ナ口１１で予混合燃焼を開始し、燃焼室１２内
にて燃焼する。また、ガスタービン着火時に用いる拡散
燃料２４は、拡散燃料通路２５を通り、拡散燃料孔１８
より拡散旋回翼１９内に供給され、拡散バ−ナ口２０に
て燃焼を開始し、燃焼室１２内で燃焼する。

【００１２】ガスタービンの回転数または或る部分負荷
時より拡散火炎で燃焼をサポ−トさせながら、逐次予混
合燃焼の比率を増加させて低ＮＯｘ化を図りつつ定格負
荷に到達する。定格負荷時では、拡散燃料流量を完全に
ゼロとしても良く、また火炎の安定化のために極くわず
かの拡散燃料を供給しても良い。燃焼室１２で燃焼した
高温ガス流２３は、トランジションピ−ス２２内を流
れ、タ−ビン入り口（図示せず）に導かれ、ガスタービ
ンを駆動させる。

【００１３】図２は、図１のＡ−Ａ断面の詳細図を示す
もので、特に中空部材７の燃料噴口９の部分の断面を示
したものである。図は半径方向に設けられた１６個の中
空の部材７により環状の予混合通路１０を等分割した具
体例を示しているが、特に分割数については限定してい
ない。予混合燃料通路１５に供給された燃料ガスは、複
数個の各燃料供給口１６より各中空部材７の中空部８に
分配され、中空部材７の側壁に設けられた複数個の燃料
噴口９より予混合通路狭部２９に噴出され、ここで予混
合空気５と合流する。

【００１４】予混合通路１０の入り口部に複数個の中空
部材７を設けることにより、予混合通路１０が絞られる
ので、予混合空気５の流れは、半径方向に比較的均一化
されるが、図１に示すように予混合空気５が入り口部で
反転するものでは、偏流が充分に矯正されず、動圧の影
響をうけることになる。図示のような環状の予混合通路
に関しては、外径側ほど予混合通路幅が広くなるので半
径方向に与える燃料のバイアスは、上記予混合空気の偏
流に対しては比較的少なくて済むことになるが、必らず
しも半径方向に均一な流量配分にならない。従って、こ
のアンバランスを矯正するためには、燃料側に空気量に
見合う燃料ガスの配分が必要である。

【００１５】本発明では、２つの方法でこのアンバラン
スを矯正している。第１の方法は、図４に示すように、
中空部材７の両側面に設けられている複数の燃料噴口９
のピッチを変化させることによって偏流のアンバランス
を矯正するものである。第２の方法は、図５に示すよう
に、中空部材７の両側面に設けられている複数の燃料噴
口９の噴口径を変化させて偏流のアンバランスを矯正す
るものである。

【００１６】また、図２に示すように、中空部材７の半
径方向の幅を変化させて、各断面上の局所的な予混合空
気５の流量を半径方向に一定にして燃料分布のバイアス
を掛けない構造とすることも出来る。

【００１７】中空部材７に対する燃料噴口９の位置ずけ
は、中空部材７によって絞られた予混合通路狭部２９な
いしそれより後流に設けることが、予混合通路１０内の
流れの動圧の影響を受けないので、安定な燃料供給を行
うことが出来る。また、この断面では、拡散空気通路１
７及び拡散燃料通路２５が図の中心部に示されている。

【００１８】図３は、図１のＢ−Ｂ断面展開図または図
２のＣ−Ｃ断面展開図の１具体例を示したものである。
図示のように、予混合通路１０は、仕切板２８によって
複数個に分割され、各予混合通路の入り口部に各々中空
部材７が設けられていて、その両側に予混合通路狭部２
９が構成されている。中空部材の中空部８に供給された
燃料は中空部材７の両側壁に設けられた燃料噴口９より
予混合通路１０内に燃料を噴出させる。そして、予混合
通路狭部２９の後流は、図示のように末広がりとなって
おり、ここで予混合空気５と燃料ガスとの混合が主とし
て行われ、予混合バ−ナ口１１に供給されて燃焼室１２
内で燃焼が行われる。

【００１９】図６は、図１のＢ−Ｂ断面展開図または図
２のＣ−Ｃ断面展開図の他の１具体例を示したものであ
る。中空部材７は、予混合通路１０に対して単なる燃料
供給の役目だけでなく、構造上１種の仕切板としても機
能しており、図２および図３に示す仕切板２８の使用を
廃止することが出来る。この場合、隣接した中空部材７
によって図示のように予混合通路狭部３１を設けること
が出来る。また、中空部材７の後流側では、必要に応じ
中空部材７の後尾部２７を延長した形の仕切板３０を図
示のように設け、分割された予混合通路１０として予混
合バ−ナ口１１に予混合気を供給することが出来る。

【００２０】また、特に図示していないが、予混合通路
１０の周方向のアンバランスが比較的少ない場合には、
予混合通路狭部３１を設けなくても良く、本発明の１変
形として考えることが出来、本発明に含まれるものとす
る。

【００２１】図７は、図１のＤ視図を示したものであ
り、燃焼室１２内よりバ−ナ口を見たものである。ここ
で示した構造は、本発明の１具体例であり、例えば予混
合バ−ナ口１１を２段又は多段としても良いし、拡散バ
−ナ口２０を予混合バ−ナ口内に組み込んだものも本発
明に含まれるものとする。要は予混合空気と燃料ガスと
の予混合気を理想に近い均一な濃度分布を得る構造に関
する発明であり、上記のように幾つかのバ−ナの組合せ
構造に展開することが出来る。中心部に拡散燃料通路２
５が破線で示されている。

【００２２】

【発明の効果】本発明による第一の効果は、環状の予混
合通路に複数個の中空部材や仕切板を設けることによっ
て、予混合空気と燃料ガスとの混合が促進でき、また、
或る程度の圧力回復が期待出来且つ水力学的直径を小さ
く出来るので、結果的に極めて効率の良い混合を行わせ
ることが出来ることである。本発明の第二の効果は、環
状の予混合通路高さ方向（半径方向）に中空部材が設け
られ、高さ方向の燃料の分配がその部分を流れる予混合
空気流量に対応して供給することが容易となり、更に均
一な予混合気を得ることが出来ることである。

【００２３】本発明による第三の効果は、例えば予混合
空気の取り入れ口において、流れが反転するような構造
であっても、中空部材により予混合通路が絞られるの
で、半径方向の偏流をかなり矯正することが出来、予混
合バ−ナ口における速度分布を均一化出来ることであ
る。また、半径方向に中空部材の幅を変化させることに
よって、半径方向に均一な予混合空気配分が出来ること
である。

【００２４】本発明による第四の効果は、上記第一より
第三の効果を更に改善するために、局所的な予混合空気
流量に見合うように、中空部材の両側面に設けた複数個
の燃料噴口に噴口のピッチや噴口径にバイアスをもうけ
ることによって、極めて均一な予混合気を得ることが出
来ることである。本発明の第五の効果は、上記第一より
第四までの効果を組み合わせることによって、更に効率
の良い混合プロセスを得ることが出来ることである。

【００２５】本発明による第六の効果は、予混合バ−ナ
口を多段化することによって、ガスタービンの負荷変化
の広い範囲にわたって、予混合燃焼による低ＮＯｘ燃焼
が達成出来ることである。以上のように、本発明の効果
は、ガスタービンの低ＮＯｘ燃焼を実現する上で極めて
有効となるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による予混合燃焼と拡散燃焼を組み合わ
せたガスタービンの１具体例を示す断面図

【図２】図１のＡ−Ａ断面を示す詳細図

【図３】図１のＢ−Ｂ断面または図２のＣ−Ｃ断面の展
開図

【図４】燃料噴口にバイアスを設けた例を示す一部の斜
視図

【図５】燃料噴口にバイアスを設けた例を示す一部の斜
視図

【図６】図３と同様の他の実施例を示す断面展開図

【図７】図１のＤ視図を示し、燃焼室内より見たバ−ナ
口を示す図

【符号の説明】

１…圧縮空気、２…ディフュ−ザ、３…空気室、４…ラ
イナ−冷却空気、５…予混合空気、６…拡散空気、７…
中空部材、８…中空部材の中空部、９…予混合燃料噴
口、１０…予混合通路、１１…予混合バ−ナ口、１２…
燃焼室、１３…予混合燃料、１４…予混合燃料室、１５
…予混合燃料通路、１６…予混合燃料供給口、１７…拡
散空気通路、１８…拡散燃料孔、１９…拡散旋回翼、２
０…拡散バ−ナ口、２１…ライナ−、２２…トランジシ
ョンピ−ス、２３…高温ガス流、２４…拡散燃料、２５
…拡散燃料通路、２６…予混合通路仕切部、２７…中空
部材後尾部、２８…仕切板、２９…予混合通路狭部、３
０…仕切板、３１…予混合通路狭部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 勲 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 中村 昭三 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 (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮機から供給される燃焼空気の一部を
   予混合空気として燃料と予混合させて低ＮＯｘ燃焼を行
   なわせるガスタービン燃焼器において、環状をなす予混
   合通路内に複数の半径方向にのびる中空部材を設けてそ
   の中空部材により環状の予混合通路を複数に分割し、か
   つ、その各中空部材の両側に複数の燃料噴口を設け、前
   記各中空部材の中空部に燃料を供給し、燃料噴口から供
   給される燃料と各分割予混合通路に供給される予混合空
   気との混合を前記中空部材により促進させて低ＮＯｘ燃
   焼を行なわせることを特徴とするガスタービン燃焼器の
   予混合構造。
2. 【請求項２】 圧縮機から供給される燃焼空気の一部を
   予混合空気として燃料と予混合させて低ＮＯｘ燃焼を行
   なわせるガスタービン燃焼器において、環状をなす予混
   合通路を半径方向にのびる仕切板により複数に分割する
   と共に、その各分割予混合通路内に半径方向にのびる中
   空部材を設け、その中空部材の両側に複数の燃料噴口を
   設け、前記各中空部材の中空部に燃料を供給し、燃料噴
   口から供給される燃料と各分割予混合通路に供給される
   予混合空気との混合を前記中空部材により促進させて低
   ＮＯｘ燃焼を行なわせることを特徴とするガスタービン
   燃焼器の予混合構造。
3. 【請求項３】 中空部材の後部を先細形状とすることに
   より各分割予混合通路を末広がり予混合通路とし、予混
   合燃料と予混合空気との拡散混合を行なわせることを特
   徴とする請求項１または２に記載のガスタービン燃焼器
   の予混合構造。
4. 【請求項４】 中空部材の両側に設けた複数の燃料噴口
   のピッチを局所的に流れる予混合空気量に見合うように
   不等間隔に設けて、燃料−空気の混合比を均一化させた
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービ
   ン燃焼器の予混合構造。
5. 【請求項５】 中空部材の両側に設けた複数の燃料噴口
   の口径を局所的に流れる予混合空気量に見合うようにに
   変化させて、燃料−空気の混合比を均一化させたことを
   特徴とする請求項１または２に記載のガスタービン燃焼
   器の予混合構造。
6. 【請求項６】 請求項１または２のガスタービン燃焼器
   の予混合構造において、局所的な空気流量が半径方向に
   均一になるように、中空部材の半径方向の幅を変化さ
   せ、予混合空気と燃料との混合を促進させて低ＮＯｘ燃
   料を行なわせることを特徴とするガスタービン燃焼器の
   予混合構造。
7. 【請求項７】 請求項１または３のガスターピン燃料器
   の予混合構造において、中空部材の後尾部に、その中空
   部材の後尾部を延長した形の仕切板を設け、予混合空気
   と燃料との混合を促進させて低ＮＯｘ燃焼を行なわせる
   ことを特徴とするガスタービン燃焼器の予混合構造。