JP2002195562A - ガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 希薄予混合方式を用いた低ＮＯｘガスタービ
ン燃焼器において希薄予混合火炎の燃焼安定性を高め、
その保炎を確実に行い燃焼効率を高めることができるガ
スタービン用低ＮＯｘ燃焼器を提供する。 【解決手段】 拡散燃焼式のパイロットバーナー１２
と、そのまわりに配置された複数の予混合燃焼式のメイ
ンバーナー１４とを備える。メインバーナー１４は、主
噴射弁１５と予混合管１６とからなり、予混合管の出口
形状がパイロットバーナーに隣接する扇形に形成されて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービン用の
低ＮＯｘ燃焼器に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は、従来のガスタービン用低ＮＯｘ
燃焼器の全体構成図である。この図に示すように、従来
の低ＮＯｘ燃焼器は、中央部に配置されたパイロットバ
ーナー８と、そのまわりに配置された複数（図には１つ
のみを示す）のメインバーナー９とを備える。なお、こ
の図において、１はスクロール部、２は燃焼器ライナ、
３はケーシング、４は点火栓（イグナイタ）であり、空
気６がケーシング３とライナ２の間を流れてバーナー
８、９に達し、このバーナーとその他の部分を通ってラ
イナ２内に流入して火炎７ａ，７ｂを形成し、発生した
燃焼ガスがスクロール部１を通って図示しないガスター
ビンに導かれ、これを駆動するようになっている。

【０００３】図６において、メインバーナー９は、互い
に同軸に配置された主噴射弁９ａと予混合管９ｂとから
なる。主噴射弁９ａには、ケーシング３を通して外部か
ら燃料Ｆが供給される。この燃料には、例えばガス燃料
又は液体燃料を用いる。予混合管９ｂは、この図で下端
部が開口した円筒形の筒であり、内部で燃料と空気が互
いに混合しやすくなっている。すなわち、メインバーナ
ー９は、主噴射弁９ａと予混合管９ｂで構成された予混
合希薄バーナーである。この構成により、主噴射弁９ａ
により予混合管９ｂ内に燃料Ｆを噴射し、予混合管９ｂ
内で燃料Ｆを十分な空気量と予混合しこれを希薄燃焼さ
せることができる。かかる予混合燃焼方式の燃焼器で
は、燃料を十分な空気量と予混合しこれを希薄燃焼させ
るものであり、このためホットスポットがなく、高温火
炎の発生をなくし低ＮＯｘ化を実現することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし上述した従来型
の円筒形の予混合管９ｂでは、パイロット火炎７ａと予
混合火炎７ｂは線でしか接していない。そのため、パイ
ロット火炎７ａと希薄予混合気との混合が緩慢である問
題点があった。このため熱量やラジカルといった火炎を
安定させる因子のパイロット火炎７ａから希薄予混合気
への供給が乏しく、燃焼安定性に欠ける希薄予混合火炎
を保炎させることが難しかった。その結果、燃焼効率の
低下を引き起こしていた。

【０００５】本発明はかかる問題点を解決するために創
案されたものである。すなわち、本発明の目的は、希薄
予混合方式を用いた低ＮＯｘガスタービン燃焼器におい
て希薄予混合火炎の燃焼安定性を高め、その保炎を確実
に行い燃焼効率を高めることができるガスタービン用低
ＮＯｘ燃焼器を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、拡散燃
焼式のパイロットバーナー（１２）と、そのまわりに配
置された複数の予混合燃焼式のメインバーナー（１４）
とを備え、該メインバーナー（１４）は、主噴射弁（１
５）と予混合管（１６）とからなり、該予混合管の出口
形状がパイロットバーナーに隣接する扇形に形成されて
いる、ことを特徴とするガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器
が提供される。

【０００７】上記本発明の構成によれば、予混合管（１
６）の内部で燃料と空気を予混合し、この予混合気を、
扇形の予混合管出口からパイロット火炎に沿って燃料室
内に流出させることができる。このため扇形のパイロッ
トバーナーに隣接する面では、パイロット火炎と予混合
気が面で接し、この界面で予混合管を出た直後から予混
合気とパイロット火炎との混合が急速に進み、パイロッ
ト火炎で発生した熱量とラジカルが接触面を介してメイ
ンバーナーの希薄予混合気を加熱・活性化してその燃焼
安定性を高め、燃焼効率を高めることができる。

【０００８】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
予混合管（１６）は、主噴射弁（１５）に隣接する円筒
部分（１６ａ）と、円筒部分に連結し断面形状が円形か
ら扇形に変化する変形部分（１６ｂ）とからなる。この
構成により、円筒部分（１６ａ）で主噴射弁（１５）か
ら噴射された燃料と空気を強い旋回流で予混合すること
ができる。また、変形部分（１６ｂ）で予混合気を扇形
の流れに変えて、扇形の予混合管出口からパイロット火
炎に沿って燃料室内に流出させることができる。

【０００９】また、前記変形部分（１６ｂ）は、予混合
気が内向きに流れるように、外方壁が内方に傾斜してい
る。この構成により、扇形の予混合管出口からの予混合
気の流れが内向きとなり、パイロット火炎との接触をよ
り促進することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通
する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略す
る。

【００１１】図１は本発明のガスタービン用低ＮＯｘ燃
焼器の第１実施形態を示す全体構成図である。この図に
おいて、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ矢
視図である。

【００１２】図１（Ａ）に示す低ＮＯｘ燃焼器１０は、
中央部に配置されたパイロットバーナー１２と、そのま
わりに配置された複数（例えば６つ）のメインバーナー
１４とを備える。なお、この低ＮＯｘ燃焼器１０は単管
式燃焼器であり、２は燃焼器ライナ、３はケーシング、
４は点火栓（イグナイタ）である。この構成により空気
６がケーシング３とライナ２の間を流れてバーナー１
２、１４に達し、このバーナーとその他の部分を通って
ライナ２内に流入して火炎７ａ，７ｂを形成し、発生し
た燃焼ガスがスクロール部（図示せず）を通って図示し
ないガスタービンに導かれ、これを駆動するようになっ
ている。

【００１３】図１（Ａ）において、パイロットバーナー
１２は、燃料を燃焼室１１内で拡散燃焼させる拡散バー
ナーである。また、メインバーナー１４は、燃料を空気
を予混合して燃焼室内で燃焼させる予混合バーナーであ
る。

【００１４】予混合バーナー１４は、主噴射弁１５と予
混合管１６とからなる。また、図１（Ｂ）に示すよう
に、予混合管１６の出口形状がパイロットバーナーに隣
接する扇形に形成されている。この扇形は、パイロット
バーナー１２の円形の出口を囲むドーナツ形を複数（こ
の例では６つ）の扇形で形成するように、扇形の短い円
弧がパイロットバーナー１２の円形出口に近接して配置
されている。

【００１５】また、この予混合管１６は、主噴射弁１５
に隣接する円筒部分１６ａと、円筒部分１６ａに連結し
断面形状が円形から扇形に変化する変形部分１６ｂとか
らなる。円筒部分１６ａは、主噴射弁１５から噴射され
た燃料と空気をスワール等で形成された強い旋回流で予
混合するように内面が円筒形に形成されている。また、
変形部分１６ｂは、予混合した予混合気を扇形の流れに
変えて、扇形の予混合管出口からパイロット火炎に沿っ
て燃料室内に流出させるように内面が滑らかに形成され
ている。また、この変形部分１６ｂは、予混合気の流速
が変化しないように一定の断面積に形成するのがよい。
また、必要により流速を高めて燃焼室１１内に噴射でき
るように、断面積を徐々に小さくしてもよい。

【００１６】更に、この変形部分１６ｂは、予混合気が
内向きに流れるように、外方壁が内方に傾斜し、扇形の
予混合管出口からの予混合気の流れを内向きにし、パイ
ロット火炎との接触をより促進するようになっている。

【００１７】図２は、本発明の低ＮＯｘ燃焼器の第２実
施形態を示す構成図である。この図において、（Ａ）は
側面図、（Ｂ）はそのＢ−Ｂ矢視図である。この例の低
ＮＯｘ燃焼器１０は、アニュラー型であり、エンジンを
囲むドーナツ形部分を複数（この例では４つ）に分割し
た扇形に全体が形成されている。また、この各低ＮＯｘ
燃焼器１０は、複数（この例では３つ）の拡散燃焼式の
パイロットバーナー１２と、そのまわりに配置された複
数（それぞれ４つ）の予混合燃焼式のメインバーナー１
４とからなる。その他の構成は、図１の第１実施形態と
同様である。

【００１８】図３は、本発明の低ＮＯｘ燃焼器の原理図
である。この図において、（Ａ）は従来型、（Ｂ）は本
発明を示している。上述した本発明の構成によれば、予
混合管１６の内部で燃料と空気を予混合し、この予混合
気を、扇形の予混合管出口からパイロット火炎７ａに沿
って燃料室内に流出させることができる。このため扇形
のパイロットバーナー１２（パイロット噴射弁）に隣接
する境界面では、パイロット火炎７ａと予混合気が面で
接し、この界面で予混合管１６を出た直後から予混合気
とパイロット火炎７ａとの混合が急速に進み、パイロッ
ト火炎７ａで発生した熱量とラジカルが接触面を介して
メインバーナーの希薄予混合気を加熱・活性化してその
燃焼安定性を高め、燃焼効率を高めることができる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を試験結果に基づき説
明する。

【００２０】図４は、本発明の低ＮＯｘ燃焼器の試験結
果を示す図である。この試験では、扇形部１６ｂの出口
のパイロットバーナー１２に隣接する円弧長Ｌと円筒部
分１６ａの直径Ｄとの比率Ｌ／Ｄが、１．０、１．４、
２．４の３種を製作し、それぞれをＡ，Ｂ，Ｃ型として
試験した。また、予混合管出口近傍の燃焼室壁温を計測
した。この出口近傍の燃焼室壁温は、予混合火炎が燃焼
室内で直ぐさま着火し安定燃焼する場合に、その熱伝達
と輻射で温度上昇しやすい場所に取り付けた。従って、
この部分の燃焼室壁温の上昇は、着火・燃焼が安定して
いる目安となる。

【００２１】図４において、横軸は比率Ｌ／Ｄ、縦軸は
予混合管出口近傍の燃焼室壁温上昇率である。この図か
ら、燃焼室壁温が、比率Ｌ／Ｄ１以上で２０％以上上昇
し、約１．５で約４０％上昇している。従って、比率Ｌ
／Ｄは１以上であるのが好ましい。

【００２２】図５は、本発明の低ＮＯｘ燃焼器の別の試
験結果を示す図である。この図において、横軸は全体の
空燃比、縦軸は燃焼効率である。また、図中の▲は本発
明、●は従来技術の結果である。この図から、本発明の
低ＮＯｘ燃焼器は、従来に比較して、同一の空燃比では
高い燃焼効率が得られ、同一の燃焼効率では空燃比を高
められることがわかる。

【００２３】なお本発明は上述した実施形態に限られる
ものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変
更が可能である。

【００２４】

【発明の効果】上述したように、本発明ではパイロット
バーナーとの接触面積を広げた扇形予混合管を用いた。
すなわち、予混合管の出口形状を扇形とし、希薄予混合
火炎を保炎するために形成される拡散燃焼方式のパイロ
ット火炎と希薄予混合火炎とが接触する面積を増やすこ
とで両者の干渉を促進させ火炎を安定化させるものであ
る。

【００２５】この結果、予混合管内部で燃料と予混合さ
れた空気は燃焼室に供給させるが、予混合管出口が扇形
をしているためパイロット火炎に沿うような流れとなっ
て供給される（図３参照）。このためパイロット火炎と
接する面では、予混合管を出た直後から予混合気とパイ
ロット火炎との混合が急速に進む。パイロット火炎では
熱量の発生とラジカルの生成が生じているが、接触面全
体からこういった燃焼を促進する因子を多量と取り込め
るため希薄予混合火炎が安定化される（図４、図５参
照）。

【００２６】すなわち、本発明のガスタービン用低ＮＯ
ｘ燃焼器は、希薄予混合方式を用いた低ＮＯｘガスター
ビン燃焼器において希薄予混合火炎の燃焼安定性を高
め、その保炎を確実に行い燃焼効率を高めることができ
る等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器の第１
実施形態図である。

【図２】本発明の低ＮＯｘ燃焼器の第２実施形態図であ
る。

【図３】本発明の低ＮＯｘ燃焼器の原理図である。

【図４】本発明の低ＮＯｘ燃焼器の試験結果を示す図で
ある。

【図５】本発明の低ＮＯｘ燃焼器の別の試験結果を示す
図である。

【図６】従来のガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器の構成図
である。

【符号の説明】

１ スクロール部、２ 燃焼器ライナ、３ ケーシン
グ、４ 点火栓（イグナイタ）、６ 空気、７ 火炎、
７ａ パイロット火炎（拡散火炎）、７ｂ メイン火炎
（予混合火炎）、８ パイロットバーナー、９ メイン
バーナー、９ａ 主噴射弁、９ｂ 予混合管、１０ 低
ＮＯｘ燃焼器、１１ 燃焼室、１２ パイロットバーナ
ー（拡散バーナー）、１４ メインバーナー（予混合バ
ーナー、１５ 主噴射弁、１６ 予混合管、１６ａ 円
筒部分、１６ｂ 変形部分

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 拡散燃焼式のパイロットバーナー（１
   ２）と、そのまわりに配置された複数の予混合燃焼式の
   メインバーナー（１４）とを備え、 該メインバーナー（１４）は、主噴射弁（１５）と予混
   合管（１６）とからなり、該予混合管の出口形状がパイ
   ロットバーナーに隣接する扇形に形成されている、こと
   を特徴とするガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器。
2. 【請求項２】 前記予混合管（１６）は、主噴射弁（１
   ５）に隣接する円筒部分（１６ａ）と、円筒部分に連結
   し断面形状が円形から扇形に変化する変形部分（１６
   ｂ）とからなる、ことを特徴とする請求項１に記載のガ
   スタービン用低ＮＯｘ燃焼器。
3. 【請求項３】 前記変形部分（１６ｂ）は、予混合気が
   内向きに流れるように、外方壁が内方に傾斜している、
   ことを特徴とする請求項２に記載のガスタービン用低Ｎ
   Ｏｘ燃焼器。