JPS6213932A - ガスタ−ビン燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はガスタービン燃焼器に係り、特に、窒素酸化物
（以下ＮＯＸと称す）の低減を図る天然ガス焚低ＮＯＸ
燃焼器に関する。

〔発明の背景〕

ガスタービン燃焼器の燃焼時におけるＮＯＸ生成は、燃
焼領域の局所的な高温部（１８００℃以上）の燃焼ガス
に支配され、主に燃料の未燃焼排出物である窒素成分と
燃焼空気中の窒素成分の酸化によって発生する。特に、
ガスタービン作動時の燃焼では、その燃焼形態からサー
マルＮ　Ｏ（ＴｈｅｒｍａｌＮＯ）が主な発生源となっ
ているために、燃焼過程で局所高温度領域が形成されな
い均一低温度燃焼（約１５００℃以下）の実現が大きな
目的となる。

従って、燃焼形態のみＫよってＮＯＸ生成を理想的に抑
制するには、いかに燃料と空気の接触混合を図るかが必
要不可欠条件となる。この燃焼方法を実現させる手段と
して、空気と燃料の予混合化、燃料の分散及び多段導入
法がある。

特に、予混合燃焼は、均一低温度化が可能であるため、
低ＮＯｘ化に最も有利であると考えられている。しかし
、完全予混合燃焼は拡散燃焼に比べ可能範囲が狭いこと
。火炎の逆火等の問題があり、実際のガスタービン燃焼
では、作動範囲が広い等の理由から、燃料の分散注入化
、あるいは、多段注入による燃焼方式が採用されている
。

例えば、特公昭５８−５８５６３号公報では、燃焼器頭
部に単一噴口部をもつ第一段燃料ノズルを設け、その後
流側に第二段燃料ノズルをマルチ化シて構成した二段燃
焼方式があるが、次のような欠点がある。第一段燃料ノ
ズルが単一噴口方式である場合、燃焼室中央部の燃料噴
流に対して燃焼室周囲からの空気流との接触混合が小さ
く、燃料の導入割合が比較的大きくなること等から、燃
焼室中央部に低ＮＯＸ化に不利な局部高温領域が形成さ
れ易い。また、第二段燃料ノズル注入機構も上流側から
の燃焼ガス流に対して直交するような導入方法であった
り、予混合した可燃混合気であっても燃焼室内で火炎が
極端に干渉する燃料注入方法では、効果的な低ＮＯＸ化
は実現できない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、頭部燃焼室に設置する第一段燃料ノズ
ル近傍の空気導入機構と燃料ノズルのマルチ化と第二段
燃料を予混合化して環状旋回器から可燃混合気を燃焼室
内に導入し、低ＮＯＸ化燃焼を行う二段燃焼器の構造に
関する。

〔発明の概要〕

ガスタービンの低負荷時は、第一段燃料を導入して拡散
燃焼、高負荷時は第一段と第二段目の予混合燃焼を行う
二段燃焼方式において、低ＮＯｘ化を効果的に実現する
ためには、第一段及び第二段燃料の作動範囲と、その構
造及び構成が重要な要素となる。即ち、燃焼室を副室、
主室に区分し、各燃焼室に第一段及び第二段燃料ノズル
を設け、燃焼室断面方向への燃料分散化を図る。％Ｋ、
副室内への燃料ノズルは、拡散燃焼を主体とするので、
燃焼室外壁面からの燃焼用空気との接触が良’、’、ｌ
、’、ｌ’、　　　　　　　好となる燃焼室外壁近傍に
配列する。これは燃料と空気の混合促進化を燃料の分散
と空気流との接触を密にして達成させるもので、極めて
効果的に作用する。第一段燃料ノズル近傍に空気の主流
が形成されるので、空気に対して燃料を効果的に導入す
ることができる。例えば、副室頭部外周端に形成する保
炎用の渦流への燃料導入機構、また、第一段燃料ノズル
のマルチ化によって設置する保炎用の空気旋回器を構成
した場合にも、副室中央部に空気旋回器を設けて、燃焼
室中央部に極端な高温領域が形成されないようにするこ
とも比較的簡単に可能となる。

一方、第二段燃料ノズルは、環状旋回器の上流側で空気
と燃料を混合させる予混合方式で、主燃焼室内へは大き
な旋回流となって可燃混合気を流入させる。この旋回流
は第二段燃料導入時の安定燃焼の外に頭部副室燃焼との
極端な干渉をさけ、局部高温が形成されにくい平行旋回
噴流を構成する。従って、第一段燃料ノズルのマルチ化
と第二段燃料ノズルからの燃料を予混合してから環状旋
回器を介して導入する効果的な組合せＫよシ、安定、且
つ、低ＮＯｘ化を目的としたガスタービン１“［１，ｇ
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ル４，５等で構成されるガスタービン燃焼器において、
内筒２の頭部は後部に設ける主燃焼室６より断面部が小
さく、上流端にライナーキャップ７で形成される副燃焼
室８があシ、ライナーキャップ７に設けた孔９を介して
第一段目の燃料ノズル１０が副室８内に突出、または、
突出しない状態で複数個配列し、副室外壁１１に燃焼用
空気導入孔群１２ｔ−多数設ける。

一方、副室８と主室６の内筒拡大部１３に環状旋回器１
４を設け、エンドカバー３と外筒１の７ランジ１５の間
に燃料導入フランジ１６を固定し、燃料導入管１７、燃
料チャンバー１８から環状旋回器１４に対応して、第二
段燃料ノズル１９を複数個設け、また、主室６の外壁２
０には冷却空気孔２１、希釈空気孔２２′Ｊｋ設置する
。

本燃焼器の作動時は、空気２３は希釈空気孔２２、冷却
空気２４、環状旋回器１４への空気流２５で主室６内に
導入させ、副室８内へは燃焼用空気導入孔群１２がら空
気流２６、第一段燃料ノズル１０とライナーキャップ７
に設けた孔９の間隙からの空気流２７、冷却空気２８か
ら空気を導入する。低負荷時の燃料は第一段燃料２９を
燃料ノズル本体４に導き、多数の噴出孔２９をもつ燃料
ノズル１０から副室８内に導入し、点火栓で着火させ燃
焼を行ない、高負荷時には、燃料３１から導入して環状
旋回器１４の上流側に設置する第二段燃料ノズル１９か
ら燃料を噴出し、空気流２５と混合して旋回流として可
燃混合気を主室６内へ導き燃焼を継続させる。

第３図にガスタービン作動時における燃料制御の一例を
示す。第一段燃料ノズル１０の作動領域は、着火時から
タービン負荷２５チまで負荷制御後一定に保ち、第二段
燃料ノズルをタービン負荷２５チから導入し、定負荷ま
での高負荷領域に作動させる。本燃焼器の特徴は、副室
８内に設置する第一段燃料ノズル１０のマルチ化と主室
６の拡大部１３に設ける環状旋回器１４からの予混合気
を導入する機構において、平行環状旋回形状とすること
にある。

第４図、第５図に他の実施例を示す。

燃焼器の構造図で、外筒１、内筒２、エンドカバー３、
第一段燃料ノズル本体４等で構成し、内筒２の頭部を副
室８、その後部全主室６で形成し、副室８の上流端を形
成するライナーキャンプ７の中央部に空気旋回器３２を
設置し、空気旋回器３２を覆うように空気旋回器３３を
もつ第一段燃料ノズル３４を複数個環状に配列する。更
に、副室８の出口部に環状旋回器１４を設け、その環状
旋回器１４の旋回羽根間の噴口部に対応して第二段燃料
ノズル１９を燃料チャンバ一部１８から突出した構造で
多数設置する。

本燃焼器の特徴は、第一段燃料ノズル３４に空気旋回器
３３を設け、マルチ化したこと。副室８の上流中央部近
傍に空気旋回器３２を設置し、第一段燃料ノズルの保炎
強化、副室８の中央部近傍が高温度領域とならないよう
に１空気流で冷却する。また、副室８の中央部に導入す
る空気は旋回流とした方が比較的軸方向の速度成分が小
さくなるので、安定燃焼が期待できる。特に、副室内へ
の燃料分散化は、燃料ノズル一本当りの燃料流量が小さ
くできること、燃焼室内の空気主流近傍に導入すること
で、混合拡散が促進され、燃焼時の火炎分離が希薄側で
可能とな夛、燃焼室断面方向へのガス温度均一化が比較
的容易となる。また、第一段燃料ノズルの構造は、空気
旋回器を設けて、燃料噴出部を突出した場合にも燃焼室
周囲からの空気との接触割合が多くなシ、希薄側での混
合燃焼が期待できるので、低ＮＯｘ化に非常に有利とな
る。更に、他の方法として、第一段燃料ノズルを突出し
た構造で、燃焼室中央部に空気旋回器を設置することも
燃焼基中央部近傍の燃焼温度を押し下げ、希薄燃焼へ効
果的に作用する。特に、燃焼室外周側への燃料導入は、
その周囲に火炎が発生し中央部へ高温ガスを巻込むこと
があるので、燃焼室中央近傍に空気旋回器を設置するこ
とは、局部高温領域をさける有効な手段となる。従って
、本発明のガスタービン燃焼器は、信頼性の高い低ＮＯ
ｘ化燃焼器として提供できる。

第６図に１従来方式（引例：特公昭５８−５８５６３）
の二段燃焼器と本発明の二段燃焼器における頭部燃焼室
出口近傍のガス温度分布を示す。従来方式は燃焼室中央
部に単−噴口形燃料ノズルをもつため燃焼時の高温ガス
が中央部に集中する高温領域が形成され、燃焼室外周側
が低くなる傾向がある。

一方、本発明の燃焼器は、従来形より全体的にガス温度
が低く、燃焼室断面方向への温度分布は中央部近傍が低
く外周側に比較的高温領域が形成されるが、燃焼室断面
方向への均一化を図ることができる。即ち、従来方式よ
シ均−低温度燃焼が可能となり、効果的な低ＮＯｘ化を
実現できる。

−！た、燃焼室の外周側に高温領域が形成されるので、
第二段燃料ノズルへの火移り特性の改善が可能となる。

特に、火移シ現象では、可燃混合気の導入近傍の雰囲気
の温度によってかなり影響される。即ち、燃料の可燃範
囲は、温度の依存性が大きく、高温度になるにしたがっ
て広がる傾向にあるため、上流側からのガス温度は外周
側に高い勾配の温度分布が火移りに効果的である。更に
、第二段燃料ノズル部を構成する環状旋回器を平行形に
して、上流側からのガス流に対して可燃混合気を平行旋
回噴流させ、火炎の極端な干渉が起らないようにする。

第７図に１本発明の燃焼器構造のＮＯｘ抑制結果の一例
を示す。従来方式と比較して、ガスタービン定格作動時
にＮＯＸ低減率３０チの改善を図ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃焼器縦断面図、第２図は第１図の■
矢視平面図、第３図は本発明の燃焼、−における燃料導
入方法の説明図、第４図は本発明の他の実施例の燃焼器
頭部縦断面図、第５図は第４図のＶ矢視図、第６図は燃
焼器頭部の副室出口近傍断面図のガス温度分布図、第７
図は従来と本発明のＮＯｘ特性比較図である。 ６・・・主室、７・・・ライナーキャップ、８・・・副
室、１０・・・第一段燃料ノズル、１４・・・環状旋回
器、１−ビン憂凋“Ｑｏ 詐４０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃焼器内筒の頭部に副燃焼室、その後部に前記副燃
   焼室より拡大断面部をもつ主燃焼室を構成し、前記副燃
   焼室の前端部を形成するライナーキャップ部に、第一段
   燃料ノズルを複数個配列して設置し、更に、前記副燃焼
   室と前記主燃焼室の拡大部に円環状の旋回器を設け、そ
   の旋回羽根間に対応する上流側空間部に第二段燃料ノズ
   ルを多数配列して、空気と燃料を混合した後に旋回流で
   前記主燃焼室内に導入する機構を有し、低負荷時には、
   前記第一段燃料ノズルを作動させ、高負荷領域は前記第
   二燃料ノズルにも燃料を導入して燃焼を行うことを特徴
   とするガスタービン燃焼器。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記副燃焼室の前
   端ライナーキャップ部を貫通して突出する管状形の第一
   段燃料ノズルで構成したことを特徴とするガスタービン
   燃焼器。 ３、特許請求の範囲第１項において、前記副燃焼室の前
   記ライナーキャップの中央部に空気旋回器を設置し、そ
   の外周側に前記第一段燃料ノズルを複数個配列したこと
   を特徴とするガスタービン燃焼器。 ４、特許請求の範囲第１項において、前記第一段燃料ノ
   ズルに空気旋回器を設置したことを特徴とするガスター
   ビン燃焼器。