JPS62294814A - ガスタ−ビン燃焼器構造 - 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】 ３、発明の詳細な説明 〔産業上の利用分野〕 本発明はガスタービン燃焼器に係り、とくに、２段燃焼
形ガスタービン燃焼器における１段目燃焼の保炎性能を
向上させ、広範囲のガスタービン負荷で安定な燃焼を実
現し、低Ｎ　Ｏ８燃焼を行い得るよう改良した燃焼器構
造に関するものである。

〔従来技術〕

ガスタービンから排出される大気汚染物質である窒素酸
化物（ＮＯＸ）は燃焼の過程で発生するものであり、ガ
スタービンの場合では燃焼火炎中で燃焼用空気中の窒素
（Ｎ２）が酸化されて生成するものである。このＮ　Ｏ
ｘの発生を抑制するためには燃焼温度を低く抑えた燃焼
を行い窒素（ＮＺ）酸化反応を抑制することが一般的に
行われている。具体的な方法としては燃焼用空気を過剰
に供給し、希薄低温度燃焼を実施することである。この
ような方法により低ＮＯｘ化を効果的に行うためには燃
焼＠全域にわたり均一な低温度燃焼を実現すること、お
よび、広い作動範囲にわたって安定な燃焼を達成するこ
とが必要である。

均一な低温度燃焼と安定な燃焼とを同時に達成するため
には、実開昭５９−５５２６７号、米国特許４１９３２
６０号に見られるように１段目を拡散燃焼方式として２
段目を予混合燃焼方式としたいわゆる２段燃焼方式が低
Ｎ　Ｏｘ燃焼の主流となっている。

とくに１段目の燃焼はガスタービンの着火から定格負荷
までの広範囲に安定した燃焼を実現させ、しかも低Ｎ　
ＯＸ化を図ることが必要となる。

上述の公知例に見られるように、単に１段目で単一ノズ
ルによる拡散燃焼を形成させ、その後流に予混合燃焼を
組合せた方式においてはＮ　Ｏｘの大巾な低減化は図る
ことが出来ないという欠点を有する。その理由は、１段
目は旋回流によって安定燃焼化を図る拡散燃焼により燃
焼室中央部に高温度のホットスポット部が形成されるた
め、ＮＯＸの発生が多くなることに起因するものである
。その原因は、１段目の燃焼用空気と燃料との混合が悪
いこと、および、旋回燃焼方式を採用していることに伴
い燃焼室中心部（ここはホットスポットを形成する場所
と一致する）において火炎の保持を行うため、Ｎｏ８発
生の要因となるものである。

こうした理由により、従来技術において大巾なＮ　Ｏｘ
低減化が達成出来ないという欠点があり、これを解消す
るためには旋回流燃焼によらない新たな燃焼方式が求め
られる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前記従来技術においては１段目拡散燃焼においてはいか
にして大幅にＮ０８を低減させ、しかも広範囲に安定な
燃焼を実現させるかということについて配慮されておら
ず、この為大幅なＮＯｘ低減を達成出来ないという問題
を有している。

本発明は上記の事情に鑑みて為されたもので、安定した
燃焼火炎を常に一定の位置に保持すること（保炎）が出
来る燃焼器構造を提供し、Ｎ　Ｏｘ低減に貢献しようと
するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成する為、本発明の燃焼器構造は、燃焼
室を形成する円筒と、上記内筒内に燃料を噴射するノズ
ルと、上記内筒の壁に設けられた複数個の空気供給孔と
を有し、前記内筒の閉端部に燃料ノズルを貫通せしめる
とともに、該ノズルの近傍に空気供給用の開口を設けた
ガスタービン燃焼器において、燃料ノズルの周辺に供給
される空気流の方向及び流量分布の少なくとも何れか一
方を、ノズル中心軸に関して非対称に偏らせる手段を設
ける。

〔作用〕

上記のようにして、燃焼空気流の方向、又は流量分布を
偏らせ、かつ、該偏りの量と方向とを適正ならしめると
、１段目燃焼室１段目燃焼室内において内壁面と燃焼室
内へ突出した部材との間に複数個の燃料ノズルから燃料
を供給した場合、燃焼室に開口した空気孔からの空気と
の混合が小さな空間で短時間に行われることになり、短
時間で均一な混合化が実現できる。又、燃料ノズル周囲
およびその近傍から供給する空気に方向性を持たせ燃料
ノズルからの燃料の１部により常に一定位置にのみ火炎
を形成させる。このようにして安定な火炎が決った位置
に形成できるようになるので、広範囲の条件で安定な燃
焼を維持できる。

〔実施例〕

本発明の１実施例を第１図について説明する。

ガスタービンは圧縮機１とタービン２およびタービンの
周囲に設置される複数個の燃焼器３（１個のみ図示す）
によりネ１成され、燃焼器３は内筒４外筒５およびター
ビン静翼に燃焼ガスを導く尾筒８か成り立っており、外
筒５の側閉端部には１段目燃料ノズル９を取付けるカバ
ー１０が装着される。この他１図示していないが着火用
の点火栓および火炎を感知する火炎検知器などが装備さ
れている。

燃焼室は１段目燃焼室１１と２段目燃焼室１２とで構成
され、とくに１段目燃焼室１１内部の中央部に先端を閉
とするかもしくは若干の空気孔を開口する筒状部材１３
が設置されている。１，２段目燃焼室１１．１２にはそ
れぞれ燃料ノズル９゜１６により燃料が供給されるが、
とくに、１段目では複数個のノズル９が燃焼室内に突出
た構造となっており、その先端部に燃料噴出孔が開口し
ている。又、２段目の燃焼は１段目燃焼室１１の出口近
傍に２段目燃料ノズル１６と空気供給部１７とを装備し
、２段目の燃焼は次記のように行われる。即ち、燃料ノ
ズルから出た燃料は、２段目空気通路１８内で燃料１６
と予混合し、可燃ガス１９となり、２段目燃焼室１２へ
供給される。

圧縮機１で圧縮された空気１４はディフューザ１５を通
過し尾筒の周囲を迂回し、１段目、２段目の内筒にそれ
ぞれ開口した空気孔２１．２０からそれぞれの燃焼室１
１．１２内へ供給する。カバー１０に取付られた１段目
燃料ノズル９は１段目燃焼室１１内へ燃料を供給する。

この燃料ノズル９は、ライナキャップ２２を貫通して取
付けられる。１段目燃焼室１１の上流に取付られた同一
形状複数個の燃料ノズル９から、第１段目燃焼室の内壁
と筒状部材１３とに囲まれた環状部分２４に、燃料が噴
出される。そしてこの燃料は燃料ノズル貫通孔２６から
流入する空気流、および燃焼室壁に開口した空気孔２１
から流入する燃焼用空気と混合しながら燃焼を進行する
。この混合は従来のような燃焼室中央部に設置した単一
ノズルから噴出する場合と比べて、燃料噴出口が燃焼用
空気孔２１に近接している球め燃料と空気との混合が早
期にしかも、狭い環状空間部２４にて行なわれるため燃
焼過程の初期に空気の混合効果を上げることが出来る。

これによりホットスポットの形成がなくなるため、Ｎ　
ＯＸの発生を抑えることが出来る。このように燃焼ノズ
ル９を燃焼室の内壁面に近接する位置に複数個配置しか
つ、第１段目燃焼室１１内部に筒状部材１３を設置して
いるため空気と燃料との混合効果を上げることが出来る
。

従来技術における単一ノズルに見られるような燃焼室軸
心部に生じるホットスポット部の形成が無くなり、Ｎ　
Ｏｘの低減が可能となる。一方、このような複数個の突
出した形の燃料ノズルによる低温度燃焼方法では旋回流
を伴う従来の単一ノズルによる保炎と異なり従来の保炎
技術を応用することは出来ない、従って、上述の構成を
適用して大巾な低ＮＯｘ化を行うと共に安定な燃焼を維
持するには、保炎について別設の工夫が必要である。

第２図に本発明による保炎メカニズムの１例を説明する
。多数設けられた燃焼用空気孔２１からの空気流２１．
２：ｂは、それぞれの燃料ノズル９ａ、９ｂ・・・・・
・の間から、１段目燃焼室壁２３と内筒部材１３で囲ま
れた環状部２４に供給され。

燃料２５と混合しながら燃焼する。安定な燃焼を左右す
る保炎流２９は、燃料ノズル９と燃焼室壁内面２３との
間に形成される環状空間部２４に形成され、又、燃料ノ
ズル９ａ、９ｂそれぞれの間においては燃焼空壁内面２
３に近接する空間３０に形成される。ライナキャップ３
１に設けた複数個の開口３２ａ、３２ｂ・・・・・・そ
れぞれに燃料ノズル９ａ、９ｂ・・・・・・が貫通し、
環状の燃焼空間２４へ突き出た構造をなしている。燃料
ノズル９が貫通する開口部３２から流入する空気流２７
は内筒１３側に偏流している。この偏流に燃料ノズル周
囲の空気および火炎が引き寄せるいわゆるエジェクタ効
果により、保炎流２９が形成される。燃料ノズル先端６
の近、傍から燃焼用空気２１ａ、２１ｂを流入するため
、保炎流２９は燃焼用空気２１ａとライナキャップ３１
間の燃焼室側３０に形成される。しかもこの保炎流２９
は燃料流量が夕景になった場合でも安定性を失うことは
ない。第３図について、保炎流２９の形成を左右する偏
流２７の形成を説明する。ライナキャップ３１の開口部
３２に燃料ノズル９が貫通している。ライナキャツブ３
１の前側に位置せしめて、燃焼室内壁２３と内筒１３と
の間に、開口３３を有する空気反らせ板３３を取付は空
気流３４を常に内筒１３側に偏らせる。この偏流による
エジェクタ効果により周囲の空気流３５や火炎３５がま
き込まれ、渦流状保炎流２９が形成されるものである。

第４図及び第４図に、前記空気反らせ板３３の取付位置
の変化による主流４６の方向変化と保炎流４７の形成を
示す、第４図に示すようにライナキャップ側板３１と空
気反らせ板３３との間隔Ｑが小さい場合には主流４６も
内筒１３側にあり、これにより誘起される保炎流４７は
燃焼室内壁２３側に形成され、良好な保炎を行う、しか
しながら第５図に示すようにライナキャップ側板３１と
反らせ板３３との間隔が広くなると主流方向４６は軸流
方向に近くなるため主流４６により循環流４７′は燃焼
室２３側および内筒１３側に形成される。この循環流４
７′は第４図における場合と異なり、それぞれが小さく
、保炎効果は非常に悪い、かつ、循環流の相互干渉を生
じて不安定な燃焼となる。このようにライナキャップ板
３１と反らせ板３３との間隔の大小は、主流４６によっ
て誘起される保炎流（ｕａ環流＞４７．１７’の形成と
その大きさに及ぼす影響が大であり、実験によれば流入
空気孔径りと間隔ｎとの最適範囲は、Ｑ／Ｄ≦１が好ま
しく安定な保炎流を形成する。

１＜２／Ｄ＜２程度であれば保炎効果が悪くなり。

Ｑ／Ｄ≧２では保炎が出来ないことがわかった。

第６図に他の実施例を示す８本例は、空気反らせ板３６
を燃焼室２３側に固定し、内筒１３側に空気流入用開口
部３７を形成したものであり、保炎流３８は内筒側１３
に形成される。他の実施例を第７図に示す０本例は、ラ
イナキャップ３１に開口する空気流入孔３８′に方向性
を持たせ、空気流の偏りを形成させたもので、このため
空気流入孔３８を燃焼器の軸心に対して傾斜させである
。

燃焼器軸に対し±３０°以上の傾斜であれば保炎性能が
良好となる。

さらに他の実施例を第８図及び第９図に示す。

本例は、ライナキャップ３１に開口する空気流入孔３９
ａ、３９ｂ、３９ｃと、燃料ノズル９ａ。

９ｂ、９ｃとの関係位置を同志円上とせず若干偏心させ
、内筒１３に近接する方の開口部４０を大きくとり、第
９図に示すように空気流入量にアンバランスをもたせる
ものである。空気流入量の多い方には保炎流の形成はな
く、多流量の空気流４２に小流量側４３の空気および火
炎が誘引されるため燃焼室壁２３に近接する位置に保炎
流４１が形成される。このように空気流量を偏在させる
ことによっても同様の効果が得られる１図示していない
が、開口部のアンバランスをこの逆の傾向とした場合も
同様の効果が得られる。さらに第１０図及び第１１図に
他の１実施例を示す０本例はライナキャップを貫通する
燃料ノズル９の周囲に複数個の径の違う空気流入孔４５
を関口せしめたもので、第９図の場合と同様な空気流入
量に偏りをもたせるものである。

第１２図にこれまで説明した実施例の性能を纒めて示し
た。従軸は燃焼が維持されるか否かの最低燃料流量（失
火流量）を示した６図中Ａの状態は第５図に示すように
主流が燃焼器軸方向に近くなると保炎性が低下し、燃料
流量の多い状態で失炎する。さらにＢの状態は反らせ板
とライナキャップとの間隔をある程度大きくした場合に
は良好な保炎に入る前段階で不安定燃焼域に入る。さら
に、図中Ｃの場合は本文中の応用例（第９図〜第１１図
）における性能で、前述のＡ、Ｈに比して図表の下方に
位置する。即ち失火燃料流量が小さく、保炎性能が良い
。

〔発明の効果〕 以上説明したように、本発明の燃焼器構造によれば、安
定した火炎を常に一定位置に保持することが出来るとい
う優れた実用的効果を奏する。従って、本発明を２段燃
焼形ガスタービン燃焼器における１段目燃焼部分に適用
すると、広範囲の負荷条件において安定した燃焼を可能
ならしめ１Ｎ　Ｏｘ低減に寄与し、公害防止に貢献する
ところ多大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃焼器構造の１実施例の所而図、第２
図は上記実施例の保炎作用の説明図、第３図は同じく原
理的説明図である。第４図及び第５図は上記実施例にお
ける寸法と性能との関係の説明図である。第６図、第７
図、第８図、第９図。 及び第１０図、第１１図は、それぞれ前記と異なる実施
例の説明図である。第１２図は、以上に述べた各種実施
例の性能を比較して説明するための図表である。 ３・・・燃焼器、４・・・内筒、５・・・外筒、９・・
・燃料ノズル、１３・・・内筒、２７・・・偏流、２９
・・・保炎流、３３・・・空気反らせ板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃焼室を形成する内筒と、上記内筒内に燃料を噴射
   するノズルと、上記内筒の壁に設けられた複数個の空気
   供給孔とを有し、前記内筒の閉端部に燃料ノズルを貫通
   せしめるとともに、該ノズルの近傍に空気供給用の開口
   を設けたガスタービン燃焼器において、燃料ノズルの周
   辺に供給される空気流の方向及び流量分布の少なくとも
   何れか一方を、ノズル中心軸に関して非対称に偏らせる
   手段を設けたことを特徴とする、ガスタービン燃焼器構
   造。 ２、前記空気流の方向を偏らせる手段は、内筒閉端部に
   対向せしめて設置した板状の部材であることを特徴とす
   る、特許請求の範囲第１項に記載のガスタービン燃焼器
   構造。 ３、前記空気流の方向を偏らせる手段は、内筒閉端部に
   設けた空気供給孔であり、かつ、該空気供給孔は燃焼器
   の軸心に対して３０度以上傾斜させたものであることを
   特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のガスタービ
   ン燃焼器構造。 ４、前記空気流の方向及び流量分布を偏らせる手段は、
   内筒閉端部に設けた燃料ノズルを挿通する開口であり、
   かつ、該開口は燃料ノズルの径よりも大きく、燃料ノズ
   ルに対して偏心せしめたものであることを特徴とする、
   特許請求の範囲第１項に記載のガスタービン燃焼器構造
   。 ５、前記の板状部材は、燃料ノズルを挿通するための直
   径Ｄの透孔を設けるとともに、内筒閉端部に対する距離
   ｌで設置されたものであり、かつ、ｌ＜Ｄであることを
   特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のガスタービ
   ン燃焼器構造。