JP2001141242A - Gas turbine combustor - Google Patents

Gas turbine combustor

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JP2001141242A
JP2001141242A JP32535099A JP32535099A JP2001141242A JP 2001141242 A JP2001141242 A JP 2001141242A JP 32535099 A JP32535099 A JP 32535099A JP 32535099 A JP32535099 A JP 32535099A JP 2001141242 A JP2001141242 A JP 2001141242A
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JP
Japan
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premixer
fuel
gas turbine
vortex generator
turbine combustor
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Application number
JP32535099A
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Japanese (ja)
Inventor
Tomoki Koganezawa
知己 小金沢
Hiroshi Inoue
洋 井上
Shigeyoshi Kobayashi
成嘉 小林
Masaya Otsuka
雅哉 大塚
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas turbine combustor the vortex generator of which can be manufactured easily and can be attached to a premixer in a short time even when the premixer has a complicated shape. SOLUTION: A gas turbine combustor is provided with a premixer 10 which supplies a mixed gas to a combustion chamber, a vortex generator 9 which generates vortexes in a flowing gas, and a fuel nozzle 8 which injects fuel into the flowing gas in the premixer 10. The vortex generator 9 is formed by cutting parts of the wall constituting the outer peripheral wall of the premixer 10 in, for example, mountain-like shapes, and erecting the cut parts by bending the parts toward the inside of the premixer 10 so that the erected projections may generate vortexes in the flowing gas.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はガスタービン燃焼器
に係わり、特に予混合燃焼を行う燃焼器で、かつその予
混合器の内部に混合促進のための渦発生器を備えている
ガスタービン燃焼器に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gas turbine combustor and, more particularly, to a gas turbine combustor for performing premix combustion and having a vortex generator inside the premixer to promote mixing. It is about a vessel.

【0002】[0002]

【従来の技術】産業用ガスタービンにおいては、環境問
題への配慮から、燃焼器内で生じるNOxの排出量を低
減することが求められている。一般に窒素含有量の少な
い燃料を使用するガスタービンから発生するNOxは、
空気中の窒素が高温雰囲気によって酸化されて発生する
サーマルNOxが大部分である。サーマルNOxの生成
は、温度依存性が高いため、火炎温度をできるだけ低く
することが低NOx燃焼法の基本思想である。
2. Description of the Related Art In an industrial gas turbine, it is required to reduce the amount of NOx emitted in a combustor in consideration of environmental problems. In general, NOx generated from a gas turbine using a fuel having a low nitrogen content is as follows.
Most of the thermal NOx is generated when nitrogen in the air is oxidized by a high-temperature atmosphere. Since the generation of thermal NOx is highly temperature-dependent, the basic idea of the low NOx combustion method is to reduce the flame temperature as much as possible.

【0003】従来一般に採用されているガスタービン燃
焼器は、ガスタービンの負荷に応じて燃料流量は変化す
るが、空気流量はほぼ一定であり、部分負荷から100
%定格負荷の間で、燃料と空気との質量流量比である燃
空比が大きく変化する。また燃料流量が最大となる定格
負荷付近でも、燃料の完全燃焼に必要な理論空気量の2
倍近い多量の空気が供給される。したがって、過剰の空
気で火炎を形成する希薄燃焼が適用でき、これが現状の
燃焼器で採用されるNOx低減法の主流技術である。
[0003] In a gas turbine combustor generally used in the past, the fuel flow rate changes according to the load of the gas turbine, but the air flow rate is almost constant, and the partial load is 100 to 100%.
The fuel-air ratio, which is the mass flow ratio between fuel and air, greatly changes between the% rated loads. In addition, even near the rated load where the fuel flow rate is maximum, the theoretical air amount required for complete combustion of the fuel is 2 times.
Nearly twice as much air is supplied. Therefore, lean combustion in which a flame is formed by excess air can be applied, and this is the mainstream technology of the NOx reduction method employed in current combustors.

【0004】気体燃料の燃焼法としては、空気中に燃料
を噴出し、燃料と空気を混合させながら燃焼させる拡散
燃焼法と、燃料と空気とを予め混合してノズルから噴出
させた後燃焼させる予混合燃焼法に大別される。
[0004] As a combustion method of gaseous fuel, a diffusion combustion method in which fuel is injected into the air and the fuel and air are mixed and burned, and a fuel and air are mixed in advance and then injected from a nozzle and burned. It is roughly divided into the premix combustion method.

【0005】前者の拡散燃焼法は、火炎の安定性に優
れ、広い燃空比範囲で火炎を形成することができるとい
う利点がある。しかし、燃料と空気とが混合しながら燃
焼するため、希薄燃焼を試みても火炎での燃空比はほぼ
化学量論比となる。したがって、局所的に火炎温度が高
くなり、多量のNOxが発生し易いという難点がある。
[0005] The former diffusion combustion method has the advantages that the flame is excellent in stability and the flame can be formed in a wide fuel-air ratio range. However, since fuel and air are mixed and burned, even if lean combustion is attempted, the fuel-air ratio in the flame is almost stoichiometric. Therefore, there is a problem that the flame temperature locally increases and a large amount of NOx is easily generated.

【0006】一方、後者の予混合燃焼法では、燃料と空
気とを燃焼室に投入する前に混合する。したがってこの
燃焼法は、拡散燃焼よりは火炎内の燃空比の均一化を図
り易く、混合の不均一による局所的な高温部の形成を逃
れられる。そのためNOxの低減は、燃料と空気を燃焼
前に混合して燃焼する予混合燃焼を利用し、かつ燃空比
が理論混合比よりも小さい状態で燃焼させることによっ
て図れる。
On the other hand, in the latter premix combustion method, fuel and air are mixed before being charged into a combustion chamber. Therefore, in this combustion method, it is easier to make the fuel-air ratio in the flame uniform than in diffusion combustion, and it is possible to avoid formation of a local high-temperature portion due to uneven mixing. Therefore, reduction of NOx can be achieved by utilizing premixed combustion in which fuel and air are mixed and burned before combustion, and by burning in a state where the fuel-air ratio is smaller than the stoichiometric mixture ratio.

【0007】しかし、予混合器出口における燃料と空気
の均一度が十分でないと、上述のNOx低減効果が得ら
れ難いばかりでなく、拡散火炎よりもNOx生成量が大
きくなったり、また、燃料の濃い部分を火炎が伝播して
いわゆる逆火が生じ、燃焼器構成部品を溶損することも
考えられるため、逆火防止機構が複雑になるきらいがあ
る。そのため、例えば特開平07−91661号公報や
特開平06−307640号公報に開示されているよう
に、予混合器内部に渦を発生させる渦発生器を設け、積
極的に燃料と空気の混合を促進するようにしている。
However, if the uniformity of fuel and air at the outlet of the premixer is not sufficient, not only is it difficult to obtain the above-described NOx reduction effect, but also the NOx generation amount becomes larger than that of the diffusion flame, Since it is conceivable that a so-called flashback occurs due to the propagation of the flame through the dark portion and the combustor components are melted, the flashback prevention mechanism is likely to be complicated. Therefore, as disclosed in, for example, JP-A-07-91661 and JP-A-06-307640, a vortex generator for generating a vortex is provided inside the premixer to actively mix the fuel and air. I try to promote it.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】このように予混合器内
部に渦を発生させる構造物(渦発生器)を設ける場合、
一般には、前述公報にも開示されているように、ガス通
路内の壁面に三角錐等の形状をした部材を溶接にて固着
するようにしている。しかし、特にNOx値が10pp
m未満となる「シングルNOx」燃焼器などの低NOx
燃焼器の場合、予混合器自体が大型になり、また燃焼器
内に配置される予混合器の数が増えるなどして取り付け
るべき渦発生器の数が増加し、三角錐程度の単純な形状
でも、その取り付け作業が煩雑になり、これに多くの時
間が費やされるきらいがあった。
When a structure (vortex generator) for generating a vortex is provided inside the premixer as described above,
Generally, as disclosed in the above-mentioned publication, a member having a triangular pyramid shape or the like is fixed to a wall surface in a gas passage by welding. However, especially when the NOx value is 10 pp
low NOx such as "single NOx" combustor
In the case of a combustor, the premixer itself becomes large, and the number of vortex generators to be installed increases due to the increase in the number of premixers arranged in the combustor, and a simple shape such as a triangular pyramid However, the installation work became complicated, and this would have required a lot of time.

【0009】本発明はこれに鑑みなされたもので、その
目的とするところは、予混合器自体が大型になることな
く、渦発生器を容易に製作することができ、かつ複雑な
形状の予混合器であっても渦発生器を短時間に取り付け
ることが可能なこの種のガスタービン燃焼器を提供する
ことにある。
The present invention has been made in view of the above, and it is an object of the present invention to make it possible to easily manufacture a vortex generator without increasing the size of a premixer itself and to prepare a premixer having a complicated shape. It is an object of the present invention to provide a gas turbine combustor of this type that can install a vortex generator in a short time even with a mixer.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、燃焼
室へ混合ガスを供給する予混合器を備え、かつこの予混
合器の内部に、流通ガスに渦を発生させる渦発生器と、
流通ガス中に燃料を噴射供給する燃料ノズルとを備えて
なるガスタービン燃焼器において、前記渦発生器を、前
記予混合器の外周壁を構成する壁の一部に切り込み,例
えば山形状,あるいは台形状などの切り込みを入れると
ともに、その切り込み部分を予混合器内部方向に折り曲
げて起立させ、この起立突起部で流通ガスに渦を発生さ
せるように形成し所期の目的を達成するようにしたもの
である。
That is, the present invention comprises a premixer for supplying a mixed gas to a combustion chamber, and a vortex generator for generating a vortex in a flowing gas inside the premixer;
In a gas turbine combustor comprising a fuel nozzle for injecting and supplying fuel into a flowing gas, the vortex generator is cut into a part of a wall constituting an outer peripheral wall of the premixer, for example, a mountain shape, or A notch such as a trapezoidal shape was formed, and the cut portion was bent toward the inside of the premixer to be erected, and formed so as to generate a vortex in the flowing gas at the erected projection, thereby achieving the intended purpose. Things.

【0011】また、この場合、前記起立突起部を、流通
ガスの流れ方向に対して10〜30度の仰角を持つよう
に形成したものである。また、前記起立突起部の高さ
を、予混合器の高さの1/3〜1/2に形成するように
したものである。また、この起立突起部を、前記燃料ノ
ズルの燃料噴射口より、流通ガスの上流側に位置するよ
うに形成したものである。また、前記予混合器の外周
に、予混合器と同心円状のスリーブを嵌合するようにし
たものである。
Further, in this case, the upstanding projection is formed so as to have an elevation angle of 10 to 30 degrees with respect to the flowing direction of the flowing gas. Further, the height of the upstanding projection is formed to be 1/3 to 1/2 of the height of the premixer. Further, the upstanding projection is formed so as to be located on the upstream side of the flowing gas from the fuel injection port of the fuel nozzle. Further, a sleeve concentric with the premixer is fitted around the outer periphery of the premixer.

【0012】すなわちこのように形成されたガスタービ
ン燃焼器であると、渦発生器が、予混合器外周壁の切り
込み折り曲げによる起立突起,すなわち予混合器の外周
壁の一部に切り込みが入れられ、その切り込み部分が折
り曲げられて起立させられた起立突起により形成されて
いるので、特に予混合器外周壁より体格が増すことなく
予混合器自体が大型になることなく、また切り込み部分
が折り曲げられて起立した起立突起だけの形成であるの
で、その渦発生器の製作は容易であり、またその取付け
は不要であり、したがって、たとえ複雑な形状の予混合
器であっても渦発生器を短時間の作業で完成させること
ができるのである。
That is, in the gas turbine combustor formed as described above, the vortex generator has a notch in the upright projection formed by cutting and bending the outer peripheral wall of the premixer, ie, a part of the outer peripheral wall of the premixer. Since the cut portion is formed by the raised projections that are bent and erected, the premixer itself does not become large without increasing the physical size particularly from the outer peripheral wall of the premixer, and the cut portion is bent. The vortex generator is easy to fabricate and does not need to be mounted because only the upright raised projections are formed. Therefore, even if the premixer has a complicated shape, the vortex generator can be shortened. It can be completed in time.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】以下図示した実施例に基づいて本
発明を詳細に説明する。図1にはそのガスタービン燃焼
器およびその周辺機器が線図で示されている。このガス
タービン設備は、主として、圧縮空気を発生する圧縮機
1と高圧高温燃焼ガスを発生する燃焼器2および燃焼ガ
スにより駆動されるタービン3から構成され、そして、
このタービンの出力により発電機4を回転させて電力を
得るように形成されている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below in detail with reference to the illustrated embodiments. FIG. 1 is a diagram illustrating the gas turbine combustor and its peripheral devices. This gas turbine equipment mainly includes a compressor 1 for generating compressed air, a combustor 2 for generating high-pressure high-temperature combustion gas, and a turbine 3 driven by the combustion gas, and
The generator 4 is rotated by the output of the turbine to obtain electric power.

【0014】燃焼器2は、ガスタービンケーシング5、
燃焼器外筒6および燃焼器カバー7内に格納され、その
上流端の中央には拡散パイロットバーナ21が配置され
ている。また、このパイロットバーナ21の外周には、
環状の予混合バーナ22が配置されている。予混合バー
ナ22は、複数の予混合バーナ用燃料ノズル8、渦発生
器9、燃料と空気を混合するための予混合器10および
保炎器11を備えている。
The combustor 2 includes a gas turbine casing 5,
The diffusion pilot burner 21 is disposed in the center of the upstream end of the combustor outer cylinder 6 and the combustor cover 7. Also, on the outer periphery of the pilot burner 21,
An annular premix burner 22 is arranged. The premix burner 22 includes a plurality of premix burner fuel nozzles 8, a vortex generator 9, a premixer 10 for mixing fuel and air, and a flame stabilizer 11.

【0015】ガスタービンにおける空気系統の圧縮空気
は次のような流通系統となる。すなわち、圧縮機1から
の高圧空気100は、燃焼器外筒6と燃焼器ライナ12
の間の環状の空間を通り、一部はライナ冷却空気103
として燃焼器内へ流入する。また残りの空気は予混合バ
ーナ用空気102、拡散パイロットバーナ用空気101
に分かれて燃焼器内へ供給される。
The compressed air of the air system in the gas turbine is distributed as follows. That is, the high-pressure air 100 from the compressor 1 is supplied to the combustor outer cylinder 6 and the combustor liner 12.
Of the liner cooling air 103
And flows into the combustor. The remaining air is premixed burner air 102 and diffusion pilot burner air 101.
And supplied into the combustor.

【0016】一方、燃料系統は、主燃料系統200と、
この系統から分岐する拡散パイロットバーナ用燃料系統
201、予混合バーナ用燃料系統202よりなってい
る。主燃料系統200には、流量調節弁210が取り付
けられており、ガスタービンの負荷に応じて燃料流量を
調節可能となっている。また、拡散パイロットバーナ用
燃料系統201の燃料流量は、流量調節弁211により
調節可能となっている。同様に、予混合バーナ用燃料系
統202の燃料流量は、流量調節弁212により調節可
能となっている。
On the other hand, the fuel system includes a main fuel system 200,
A diffusion pilot burner fuel system 201 and a premix burner fuel system 202 branch from this system. The main fuel system 200 is provided with a flow control valve 210 so that the fuel flow can be adjusted according to the load of the gas turbine. The fuel flow rate of the diffusion pilot burner fuel system 201 can be adjusted by a flow rate control valve 211. Similarly, the fuel flow rate of the premix burner fuel system 202 can be adjusted by a flow rate control valve 212.

【0017】予混合バーナ12内に流入した予混合バー
ナ用空気102には、予混合器10内に突出した渦発生
器9によって、流れ方向に回転軸を持つ渦が作られる。
渦発生器9の下流に位置する複数の予混合バーナ用燃料
ノズル8から予混合バーナ用燃料が噴出され、予混合器
内で前記渦の作用によって均一に混合した後、予混合バ
ーナ出口に設置された保炎器11によって保炎されて予
混合燃焼する。
In the premix burner air 102 flowing into the premix burner 12, a vortex having a rotation axis in the flow direction is generated by the vortex generator 9 projecting into the premixer 10.
Premix burner fuel is jetted from a plurality of premix burner fuel nozzles 8 located downstream of the vortex generator 9 and uniformly mixed by the action of the vortex in the premixer, and then installed at the premix burner outlet. The flame is held by the flame stabilizer 11 and premixed combustion is performed.

【0018】このように燃料を渦発生器9の下流で噴く
ことにより、渦発生器の部分には燃料が存在しないの
で、空気または燃料流量の変動、あるいは異物の飛来な
どの予期せぬ原因によって逆火が生じても、渦発生器の
溶損は防止できる。また、渦発生器から保炎器までの間
の空気流速を十分に確保して、火炎を保持するような構
造を無くすことで、逆火は一時的でただちに正常な燃焼
状態に戻すことができる。
By injecting the fuel downstream of the vortex generator 9 in this manner, since there is no fuel in the vortex generator portion, fluctuations in the air or fuel flow rate or unexpected foreign matter such as foreign matter flying may occur. Even if flashback occurs, erosion of the vortex generator can be prevented. In addition, by ensuring a sufficient air flow velocity from the vortex generator to the flame stabilizer and eliminating the structure that holds the flame, flashback can be returned to a normal combustion state temporarily and immediately. .

【0019】次に、渦発生器9を備えた予混合器10に
ついて述べる。予混合器10を構成する壁材は加工性や
予混合器全体の軽量化を考えて板材を用いる。その厚み
は予混合器の構造強度と加工性、渦発生器の厚み等を考
慮すると1〜3mm程度が望ましい。また、材質は、圧
縮機から送られてくる空気の温度が400℃前後である
ので、耐温度性を考慮してステンレス鋼等を選択する。
Next, the premixer 10 having the vortex generator 9 will be described. The wall material constituting the premixer 10 is a plate material in consideration of workability and weight reduction of the entire premixer. The thickness is preferably about 1 to 3 mm in consideration of the structural strength and workability of the premixer, the thickness of the vortex generator, and the like. In addition, since the temperature of the air sent from the compressor is about 400 ° C., stainless steel or the like is selected as the material in consideration of temperature resistance.

【0020】この材料にワイヤーカッターなどの通常の
手段で図3の実線のような山形状の切り込みを入れる。
その後、図4のように凹台15の上に板材10を置い
て、図3中の点線が折り目となるよう凸台16でプレス
するなどの曲げ加工を施し、所定の形状の渦発生器を作
成する。このようにして製作した渦発生器の一例が図1
(b)である。同様にして所定の数の渦発生器を順次製
作した後、図5のように渦発生器が内周側となるように
板材全体を円筒状に曲げ加工して、継ぎ目部分17を溶
接などで接合して予混合器の外筒部分を製作する。
In this material, a mountain-shaped cut as shown by the solid line in FIG. 3 is made by a usual means such as a wire cutter.
Thereafter, the plate material 10 is placed on the concave base 15 as shown in FIG. 4, and a bending process such as pressing with the convex base 16 is performed so that the dotted line in FIG. create. An example of the vortex generator manufactured in this manner is shown in FIG.
(B). Similarly, after a predetermined number of vortex generators are sequentially manufactured, the entire plate is bent into a cylindrical shape so that the vortex generator is on the inner peripheral side as shown in FIG. 5, and the seam portion 17 is welded or the like. Joining to make the outer cylinder part of the premixer.

【0021】同様に予混合器の内筒部分は、渦発生器が
外周側となるように板材全体を円筒状に曲げ加工して製
作する。予混合器の外面には予混合器と同心円状のフロ
ースリーブ13を、渦発生器を折り曲げた後に残った切
り欠き穴を覆うように取り付ける。これにより、切り欠
き穴を通って予混合器内に流入する空気の流れを妨げる
ことができ、流れ方向に回転軸を持つ渦の発生を効果的
にすることができる。
Similarly, the inner cylinder portion of the premixer is manufactured by bending the entire plate into a cylindrical shape so that the vortex generator is on the outer peripheral side. A flow sleeve 13 concentric with the premixer is mounted on the outer surface of the premixer so as to cover the notch hole remaining after the vortex generator is bent. Thereby, the flow of the air flowing into the premixer through the cutout hole can be prevented, and the generation of the vortex having the rotation axis in the flow direction can be made effective.

【0022】また、フロースリーブ13は予混合器の上
流側に突き出して配置することで、予混合器内の空気の
流れが渦発生器に達するまでの助走区間の役割を果たす
ので、やはり、流れ方向に回転軸を持つ渦の発生を効果
的にすることができ、燃料と空気の混合を促進できる。
その結果、燃焼器から排出されるNOxを抑制すること
ができ、また、燃料の濃い部分を火炎が伝播していわゆ
る逆火が生じ、燃焼器構成部品を溶損する可能性が極め
て小さくなるので、逆火防止機構を単純化したり、無く
すことが可能となる。
Further, since the flow sleeve 13 is disposed so as to protrude to the upstream side of the premixer, the airflow in the premixer serves as a leading section until the air flows to the vortex generator. The generation of a vortex having a rotation axis in the direction can be made effective, and the mixing of fuel and air can be promoted.
As a result, NOx emitted from the combustor can be suppressed, and the flame propagates through the dense portion of the fuel, so-called flashback occurs, and the possibility of melting and destroying the components of the combustor becomes extremely small. It is possible to simplify or eliminate the flashback prevention mechanism.

【0023】図6は、本発明による渦発生器付き予混合
器の別の実施例である。この図のように予混合器の部材
に管材を用いる場合は、凹台、凸台とも管材の曲率に適
した物を使用すれば、前述の平板を用いた場合と同様に
製作できる。また、板材を用いる場合にも、凹台、凸台
とも所定の曲率に適した物を使用することにより、渦発
生器の製作と予混合器の円筒状の曲げ加工が同時にでき
るので、予混合器の製作工程を減らすことができる。
FIG. 6 shows another embodiment of the premixer with a vortex generator according to the present invention. As shown in this figure, when a tube material is used as a member of the premixer, if the concave and convex bases are made of a material suitable for the curvature of the tube material, it can be manufactured in the same manner as the case using the flat plate described above. Also, when using a plate material, by using the concave and convex bases that are suitable for the predetermined curvature, the production of the vortex generator and the cylindrical bending of the premixer can be performed at the same time. The manufacturing process of the container can be reduced.

【0024】図2,図7および図8は、また別の実施例
である。図8のように凹台、凸台の形状を適当な物を選
択することにより、予混合器壁に対する渦発生器の取り
付き角度を任意に設定することができる。例えば図7の
ように台形状(あるいは山形状)に切り欠いた後、曲げ
角度を30度にすることにより、図2の様な形状の渦発
生器を製作することもできる。
FIGS. 2, 7 and 8 show another embodiment. As shown in FIG. 8, by selecting appropriate shapes for the concave and convex bases, the attachment angle of the vortex generator to the premixer wall can be set arbitrarily. For example, a vortex generator having a shape as shown in FIG. 2 can also be manufactured by cutting a trapezoidal shape (or a mountain shape) as shown in FIG. 7 and then setting the bending angle to 30 degrees.

【0025】図1や図2に示したように渦発生器の稜線
(8a−8b)は主流の流れ方向102aに対して仰角
αを持っていることが必要である。このとき仰角αは1
0゜〜30゜程度とするのがより望ましい。また、渦発
生器の高さ(8b−8c)は予混合器流路高さの約1/
3〜1/2とすることが望ましい。
As shown in FIGS. 1 and 2, the ridges (8a-8b) of the vortex generator need to have an elevation angle α with respect to the main flow direction 102a. At this time, the elevation angle α is 1
More preferably, the angle is about 0 ° to 30 °. The height (8b-8c) of the vortex generator is about 1 / of the height of the premixer flow path.
It is desirable to set it to 3 to 1/2.

【0026】なお、フロースリーブ13がないと、渦発
生器を製作したときの切り欠き部14から予混合器内へ
流れ込む空気流が生じる。このとき主流空気の流れ方向
は、予混合器入口から流入する空気と切り欠き部14か
ら流入する空気との割合によって複雑に変化するので、
渦発生器の仰角を定めにくく、混合が均一化しない原因
となる。そのため、前述したように、フロースリーブ1
3を設けることで、より効果的な渦の発生が可能とな
る。
If the flow sleeve 13 is not provided, an air flow which flows into the premixer from the cutout portion 14 when the vortex generator is manufactured is generated. At this time, the flow direction of the mainstream air changes in a complicated manner depending on the ratio of the air flowing in from the premixer inlet and the air flowing in from the cutout portion 14.
It is difficult to determine the elevation angle of the vortex generator, which causes the mixing to not be uniform. Therefore, as described above, the flow sleeve 1
Provision of 3 enables more effective vortex generation.

【0027】以上の実施例では燃焼器中に予混合バーナ
が1つの場合について述べたが、予混合器あるいは予混
合バーナが複数有っても、同様にして渦発生器を備えた
予混合バーナを製作することは可能である。
In the above embodiment, the case where one premix burner is provided in the combustor has been described. However, even if there are a plurality of premixers or a plurality of premix burners, a premix burner having a vortex generator is similarly provided. It is possible to produce

【0028】このようにして製作した、渦発生器付き予
混合器を備えたガスタービンの運転は、以下のように行
う。
The operation of the gas turbine provided with the premixer with the vortex generator manufactured as described above is performed as follows.

【0029】起動から定格回転数までと、ガスタービン
負荷の小さい範囲では、拡散パイロットバーナ用燃料系
統201に燃料を流すことにより、拡散パイロットバー
ナ21で運転を行う。そして予め定められた負荷におい
て、拡散パイロットバーナ用燃料系統201の燃料流量
を減少させながら、予混合バーナ用燃料系統202の燃
料流量を増加させ、拡散パイロットバーナ21と予混合
バーナ22とで運転を行う。予混合バーナは、保炎器後
流の循環流によって火炎が保炎され、安定な燃焼が可能
となる。
In the range from the start up to the rated rotation speed and in a small range of the gas turbine load, the fuel is supplied to the diffusion pilot burner fuel system 201 to operate the diffusion pilot burner 21. At a predetermined load, while decreasing the fuel flow rate of the diffusion pilot burner fuel system 201, the fuel flow rate of the premix burner fuel system 202 is increased, and the operation is performed by the diffusion pilot burner 21 and the premix burner 22. Do. In the premix burner, the flame is held by the circulating flow downstream of the flame stabilizer, thereby enabling stable combustion.

【0030】また拡散燃焼の大部分を予混合燃焼に変え
ることで、燃焼器から排出するNOxを抑制することが
可能となる。このとき、予混合器内に突出した渦発生器
によって、予混合器内に流れ方向に回転軸を持つ渦が発
生し、燃料と空気の混合が促進されて予混合器出口で均
一な濃度分布が得られるため、予混合バーナから排出さ
れるNOxはほとんどゼロに近くなる。すなわち燃焼器
から排出されるNOxは、そのほとんどが拡散バーナか
ら排出されるNOxであり、拡散バーナは予混合バーナ
に比べて小さいので、全体のNOx量を抑制することが
できる。
Further, by changing most of the diffusion combustion to the premix combustion, it is possible to suppress NOx discharged from the combustor. At this time, the vortex generator projecting into the premixer generates a vortex with a rotation axis in the flow direction in the premixer, promoting the mixing of fuel and air, and a uniform concentration distribution at the premixer outlet. Is obtained, the NOx discharged from the premix burner becomes almost zero. That is, most of the NOx discharged from the combustor is the NOx discharged from the diffusion burner. Since the diffusion burner is smaller than the premix burner, the total NOx amount can be suppressed.

【0031】その後、拡散パイロットバーナ用燃料系統
201および予混合バーナ用燃料系統202の燃料流量
を増加して負荷上昇させた後、予め定められた負荷にお
いて、拡散パイロットバーナ用燃料系統201の燃料流
量を減少させて0にし、予混合バーナ22のみで運転を
行う。このとき、拡散バーナ21は全く着火していない
ため予混合燃焼のみの運転となり、燃焼器から発生する
NOxは極めて少なくできる。
Then, after increasing the fuel flow rate of the diffusion pilot burner fuel system 201 and the premix burner fuel system 202 to increase the load, the fuel flow rate of the diffusion pilot burner fuel system 201 at a predetermined load is increased. Is reduced to 0, and the operation is performed using only the premix burner 22. At this time, since the diffusion burner 21 is not ignited at all, only the premix combustion is operated, and the NOx generated from the combustor can be extremely reduced.

【0032】拡散空気101は燃焼器内で予混合気の燃
焼ガスと混合し、所定の温度となってタービンに送られ
る。このとき拡散空気101内に図示されていない別の
燃料を適量投入すると、拡散パイロットバーナ用空気1
01と混合した後燃焼室内に流入し、そこで予混合バー
ナ22の燃焼ガスと混合して、約1100℃以上の高温
となるため、投入した燃料は燃焼器内で十分に反応し、
その燃空比が極めて小さくとも高い燃焼効率を得ること
ができる。そのため発生するNOxを増加させることな
くガスタービンの出力を増加させることもできる。ある
いは負荷一定制御の場合には、その分予混合気の燃空比
を下げることができるため、ライナ等の高温部品の寿命
向上、逆火に対する裕度確保等の効果が得られる。
The diffused air 101 mixes with the combustion gas of the premixed gas in the combustor, reaches a predetermined temperature, and is sent to the turbine. At this time, when another appropriate amount of fuel (not shown) is introduced into the diffusion air 101, the air for diffusion pilot burner 1
01 and then flows into the combustion chamber, where it mixes with the combustion gas of the premix burner 22 to reach a high temperature of about 1100 ° C. or higher, so that the injected fuel sufficiently reacts in the combustor,
High combustion efficiency can be obtained even if the fuel-air ratio is extremely small. Therefore, the output of the gas turbine can be increased without increasing the generated NOx. Alternatively, in the case of the constant load control, the fuel-air ratio of the premixed gas can be reduced correspondingly, so that effects such as improvement of the life of the high-temperature components such as the liner and securing of a margin against flashback can be obtained.

【0033】このとき拡散パイロットバーナ用燃料系統
201には、拡散火炎が保炎せず、かつ該拡散燃料系統
内の流れが停滞しない流量となるように制御した流量の
燃料を流すようにすると、燃料配管内の燃料が空気によ
って置換されることを防止できるので、負荷遮断時など
の緊急時に直ちに拡散バーナに着火できるのでさらに良
い。
At this time, when the diffusion pilot burner fuel system 201 is supplied with fuel at a flow rate controlled such that the diffusion flame does not hold flame and the flow in the diffusion fuel system does not stagnate, Since the fuel in the fuel pipe can be prevented from being replaced by air, the diffusion burner can be ignited immediately in an emergency such as when the load is cut off, which is more preferable.

【0034】以上説明してきたようにこのように形成さ
れたガスタービン燃焼器であると、予混合器の壁を形成
する薄板状の材料に所定の切り込みを入れ、その部分を
折り曲げて、おおむね板状の渦発生器とすることで、渦
発生器を容易に製作することができ、また、流れ方向に
回転軸を持った渦を発生させることによって、燃料−空
気の混合を均一にしてNOxを抑制することが可能にな
る。
As described above, in the gas turbine combustor formed as described above, a predetermined cut is made in a thin plate-like material forming the wall of the premixer, and the cut portion is bent to substantially make the plate. The vortex generator can be easily manufactured by forming a vortex generator having a shape of a circle. In addition, by generating a vortex having a rotation axis in the flow direction, the mixing of fuel and air is made uniform and NOx is generated. It becomes possible to suppress.

【0035】また、渦発生器を折り曲げた後の切り欠き
部を覆うようにフロースリーブを外周側に配置すること
で、切り欠きから予混合器内部へ流入する空気の流れを
防止し、流れ方向に回転軸を持つ渦の発生を効果的にで
きる。
Further, by arranging the flow sleeve on the outer peripheral side so as to cover the notch after the vortex generator is bent, the flow of air flowing into the premixer from the notch can be prevented, and the flow direction can be reduced. A vortex having a rotation axis can be effectively generated.

【0036】また、概略筒状の物体で、その筒を構成す
る壁の一部に切り込みを入れ、その部分を筒の内部方向
に折り曲げることによって製作した渦発生器を備えた物
体を、予混合器内に複数個並べて構成することによっ
て、比較的複雑な形状の予混合器でも、渦発生器を容易
に製作することができる。また、この概略筒状の物体内
で燃料を噴くことによって、空気流に対する燃料噴流の
貫通が一様になるため、燃料−空気の混合を均一にする
ことができる。
Also, an object provided with a vortex generator manufactured by making a cut in a part of a wall constituting the cylinder and bending the part toward the inside of the cylinder is premixed. By arranging a plurality of vortex generators in a vessel, a vortex generator can be easily manufactured even with a premixer having a relatively complicated shape. Further, by injecting the fuel into the roughly cylindrical object, the penetration of the fuel jet into the air flow becomes uniform, so that the fuel-air mixture can be made uniform.

【0037】このようにして製作した渦発生器により、
予混合器内の空気流に、流れ方向に回転軸を持った渦が
生じ、この渦によって燃料−空気の混合が均一化される
ため、NOx10ppm未満の超低NOx燃焼器が実現
できる。また、渦発生器の下流側で燃料を噴射すること
で、万が一逆火が生じても、渦発生器を溶損することな
く、ただちに正常な燃焼状態に戻すことができる。
With the vortex generator manufactured in this manner,
A vortex having a rotation axis in the flow direction is generated in the air flow in the premixer, and the vortex homogenizes the fuel-air mixing, so that an ultra-low NOx combustor having less than 10 ppm of NOx can be realized. Further, by injecting the fuel downstream of the vortex generator, even if flashback occurs, the vortex generator can be immediately returned to a normal combustion state without being melted.

【0038】[0038]

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、予混合器自体が大型になることなく、渦発生器を容
易に製作することができ、かつ複雑な形状の予混合器で
あっても渦発生器を短時間に取り付けることが可能なこ
の種のガスタービン燃焼器を得ることができる。
As described above, according to the present invention, a vortex generator can be easily manufactured without increasing the size of the premixer itself, and the premixer has a complicated shape. This kind of gas turbine combustor in which the vortex generator can be mounted in a short time can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のガスタービン燃焼器の一実施例を示す
縦断側面図および渦発生器の要部拡大図である。
FIG. 1 is a vertical sectional side view showing an embodiment of a gas turbine combustor of the present invention and an enlarged view of a main part of a vortex generator.

【図2】本発明のガスタービン燃焼器の渦発生器の他の
実施例を示す要部拡大斜視図である。
FIG. 2 is an enlarged perspective view of a main part showing another embodiment of the vortex generator of the gas turbine combustor of the present invention.

【図3】本発明のガスタービン燃焼器の渦発生器の一実
施例を示す要部拡大(切り込み作業)図である。
FIG. 3 is an enlarged view (cutting operation) of a main portion showing an embodiment of the vortex generator of the gas turbine combustor according to the present invention.

【図4】本発明のガスタービン燃焼器の渦発生器の一実
施例を示す要部拡大(曲げ作業)図である。
FIG. 4 is an enlarged view (bending work) of a main part of an embodiment of the vortex generator of the gas turbine combustor according to the present invention.

【図5】本発明のガスタービン燃焼器の渦発生器の一実
施例を示す斜視図である。
FIG. 5 is a perspective view showing one embodiment of a vortex generator of the gas turbine combustor of the present invention.

【図6】本発明のガスタービン燃焼器の渦発生器の他の
実施例を示す要部拡大(曲げ作業)図である。
FIG. 6 is an enlarged view (bending work) of a main part showing another embodiment of the vortex generator of the gas turbine combustor of the present invention.

【図7】本発明のガスタービン燃焼器の渦発生器の他の
実施例を示す要部拡大(切り込み作業)図である。
FIG. 7 is an enlarged view (cutting operation) of a main part showing another embodiment of the vortex generator of the gas turbine combustor of the present invention.

【図8】本発明のガスタービン燃焼器の渦発生器の他の
実施例を示す要部拡大(曲げ作業)図である。
FIG. 8 is an enlarged view (bending work) of a main part showing another embodiment of the vortex generator of the gas turbine combustor of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…圧縮機、2…燃焼器、3…ガスタービン、4…発電
機、5…ガスタービンケーシング、6…燃焼器外筒、7
…燃焼器カバー、8…予混合燃料ノズル、9…渦発生
器、10…予混合器、11…保炎器、12…燃焼器ライ
ナ、13…フロースリーブ、14…切り欠き、21…拡
散パイロットバーナ、22…予混合バーナ、100…燃
焼器流入空気、101…拡散燃焼用空気、102…予混
合燃焼用空気、103…冷却空気、200…全燃料、2
01…拡散燃料、202…予混合燃料、210…燃料流
量調節弁、211…拡散燃料流量調節弁、212…予混
合燃料流量調節弁。
REFERENCE SIGNS LIST 1 compressor, 2 combustor, 3 gas turbine, 4 generator, 5 gas turbine casing, 6 combustor outer cylinder, 7
... combustor cover, 8 ... premixed fuel nozzle, 9 ... vortex generator, 10 ... premixer, 11 ... flame stabilizer, 12 ... combustor liner, 13 ... flow sleeve, 14 ... notch, 21 ... diffusion pilot Burner, 22: Premixed burner, 100: Combustor inflow air, 101: Diffusion combustion air, 102: Premixed combustion air, 103: Cooling air, 200: Total fuel, 2
01: diffusion fuel, 202: premixed fuel, 210: fuel flow control valve, 211: diffusion fuel flow control valve, 212: premixed fuel flow control valve.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 成嘉 茨城県日立市大みか町七丁目2番1号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (72)発明者 大塚 雅哉 茨城県日立市大みか町七丁目2番1号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Narika Kobayashi 7-2-1, Omika-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Inside Power & Electric Development Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Masaya Otsuka Inventor Masaka Otsuka, Ibaraki Prefecture 7-2 cho-cho, Hitachi, Ltd. Power and Electric Development Laboratory

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 燃焼室へ混合ガスを供給する予混合器を
備え、かつこの予混合器の内部に、流通ガスに渦を発生
させる渦発生器と、流通ガス中に燃料を噴射供給する燃
料ノズルとを備えてなるガスタービン燃焼器において、 前記渦発生器を、前記予混合器の外周壁を構成する壁の
一部に切り込みを入れるとともに、その切り込み部分を
予混合器内部方向に折り曲げて起立させ、この起立突起
部で流通ガスに渦を発生させるように形成したことを特
徴とするガスタービン燃焼器。
1. A premixer for supplying a mixed gas to a combustion chamber, wherein a vortex generator for generating a vortex in the flowing gas and a fuel for injecting fuel into the flowing gas are provided inside the premixer. In a gas turbine combustor comprising a nozzle, the vortex generator is cut into a part of a wall constituting an outer peripheral wall of the premixer, and the cut portion is bent toward the inside of the premixer. A gas turbine combustor characterized in that the gas turbine combustor is formed so as to be erected and generate a vortex in the flowing gas at the erected projection.
【請求項2】 燃焼室へ混合ガスを供給する予混合器を
備え、かつこの予混合器の内部に、流通ガスに渦を発生
させる渦発生器と、流通ガス中に燃料を噴射供給する燃
料ノズルとを備えてなるガスタービン燃焼器において、 前記渦発生器を、前記予混合器の外周壁を構成する壁の
一部に山状,若しくは台形状の切り込みを入れるととも
に、その山形状,若しくは台形状の頂点部分を、予混合
器内部方向に折り曲げて起立させ、この起立突起部で流
通ガスに渦を発生させるように形成したことを特徴とす
るガスタービン燃焼器。
2. A premixer for supplying a mixed gas to a combustion chamber, wherein a vortex generator for generating a vortex in the flowing gas and a fuel for injecting fuel into the flowing gas are provided inside the premixer. A gas turbine combustor comprising a nozzle, wherein the vortex generator has a mountain-shaped or trapezoidal cut in a part of a wall constituting an outer peripheral wall of the premixer, and the mountain-shaped or trapezoidal cut is formed. A gas turbine combustor characterized in that a trapezoidal apex is bent in the direction toward the inside of the premixer so as to be erected and formed so as to generate a vortex in the flowing gas at the erected projection.
【請求項3】 前記起立突起部が、前記流通ガスの流れ
方向に対して10〜30度の仰角を持つように形成され
てなる請求項1または2記載のガスタービン燃焼器。
3. The gas turbine combustor according to claim 1, wherein the upstanding projection is formed to have an elevation angle of 10 to 30 degrees with respect to the flow direction of the flowing gas.
【請求項4】 前記起立突起部の高さが、前記予混合器
の高さの1/3〜1/2に形成されてなる請求項1,2
または3記載のガスタービン燃焼器。
4. The height of the upstanding projection is formed to be 1/3 to 1/2 of the height of the premixer.
Or the gas turbine combustor according to 3.
【請求項5】 前記起立突起部が、前記燃料ノズルの燃
料噴射口より、流通ガスの上流側に位置するように形成
されてなる請求項1,2,3または4記載のガスタービ
ン燃焼器。
5. The gas turbine combustor according to claim 1, wherein the upstanding projection is formed so as to be located on an upstream side of a flowing gas from a fuel injection port of the fuel nozzle.
【請求項6】 前記予混合器の外周に、予混合器と同心
円状のスリーブを嵌合してなる請求項1〜5のいずれか
に記載のガスタービン燃焼器。
6. The gas turbine combustor according to claim 1, wherein a sleeve concentric with the premixer is fitted around an outer periphery of the premixer.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170108224A1 (en) * 2014-04-03 2017-04-20 Siemens Aktiengesellschaft Burner, gas turbine having such a burner, and fuel nozzle
RU2705326C1 (en) * 2018-02-06 2019-11-06 Мицубиси Хитачи Пауэр Системз, Лтд. Combustion chamber of a gas turbine, a gas turbine and a method of controlling a combustion chamber of a gas turbine
CN115507388A (en) * 2021-06-07 2022-12-23 通用电气公司 Fuel injector and premixer system for a burner array

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