JP2002243153A - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ＮＯｘ低減に必要な燃料と空気の混合特性を確
保し、かつ、予混合器内に火炎が発生する場合に、火炎
を速やかに予混合器から排出する。 【解決手段】ダクト状の空気流路２０に燃料ノズル５を
配置し、燃料ノズル５から噴出した燃料を空気と混合し
て燃焼室に供給する予混合器４に、流入する空気１２の
流れを流れ方向に進行しながら空気と燃料の混合を促進
させる縦渦を発生させると同時に、空気の流れに低速部
の発生を抑制するように、空気流入口部５０に半円弧状
の入口窓５１を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービン燃焼
器に関し、特に空気と燃料を混合するための予混合器の
構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービン機関で燃料を燃焼させる際
に排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量は、空気と
燃料を予混合器内で混合してから燃焼室に供給して燃焼
させる予混合燃焼とすると、燃料と空気が混合しつつ燃
焼する拡散燃焼に比べて大幅に低減することができる。
したがって、近年のＮＯｘ排出規制に対応するため、予
混合燃焼を採用するガスタービン機関が増加している。

【０００３】一方、予混合燃焼は拡散燃焼に比べて安定
燃焼できる燃空比（燃料と空気の重量割合）、流速、等
の条件範囲が狭い特性がある。このため、ガスタービン
機関で予混合燃焼を実現するための燃焼器構造、及びガ
スタービン機関の制御方法、等に多くの提案がなされて
いるが、ここでは、予混合器について記載する。

【０００４】予混合器燃焼で排出ＮＯｘを効率良く低減
するためには、燃料と空気の混合方法を均一にし、ま
た、予混合燃焼を安定に実現する必要がある。このた
め、燃料と空気の均一混合や逆火防止を主要な目的にし
て、予混合方法及びこれを実現する手段である予混合に
関して種々の提案がなされている。例えば、特公平５−
２０６４４公報、特開平４−１８７９０９公報、特開平
６−２７２８６２公報、特開平６−２４１４５７公報、
特開平６−２８４８公報、特開平９−３０３７７６公報
などがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】予混合器は燃料と空気
を混合させるものであるが、ガスタービン燃焼器に用い
る場合には幾つかの要件を満す必要がある。例えば、燃
料と空気との混合気体である予混合気を燃焼させる予混
合燃焼においては、一般的には燃焼領域に供給される予
混合気の濃度分布が均一であるほどＮＯｘが低減する。
したがって、均一な濃度分布を達成するために空気に旋
回を与えることが行われる。

【０００６】また、何らかの原因で予混合器内で発火す
る場合がある。例えば、燃料系統あるいは空気系統に発
火温度の低い可燃物が混入すると、ガスタービンの圧縮
機から燃焼器に流入する空気温度は３００〜５００℃程
度の高温になっているから、着火する可能性がある。予
混合器でこのような着火が生じると局所的な圧力変動を
誘起し、これが局所的な流速変動となって火炎を内部に
引き込む可能性がある。予混合気体が予混合器内部で継
続して燃焼すると燃焼器を損傷し、ガスタービンを長期
間亘って安定に運転することができない。

【０００７】また、予混合器空気流入口部のリターンフ
ロー構造及び入口部窓形状により、予混合器内で軸方向
の流速に低速流域が生じることがある。そのため、予混
合器内の流路で何らかの原因で発火した場合、軸方向流
速の低速流域に火炎が付着し燃焼する可能性がある。し
たがって、予混合器内の低速流域の発生を極力、抑制す
る必要がある。

【０００８】従来、予混合器入口部窓形状には、多孔板
またはＶ字窓形状が用いられてきた。予混合器入口の形
状に多孔板を用いた場合、空気と燃料の混合特性が悪く
局所的な濃度分布の不均一が生じ易い問題があり、ＮＯ
ｘの低減に限界があった。また、Ｖ字の窓形状を用いた
場合においては、斜め境界を持つような入口形状とする
ことで流れ方向に空気と燃料の混合を促進させる縦渦を
発生させ、この縦渦により燃料と空気の混合特性は得ら
れるが、鋭角部分において軸方向の流速に低速流域が発
生し、予混合器内の流路に何らかの原因で火種が流入し
た場合そのまま火炎を内部に留め、保炎器等を指傷する
可能性があった。

【０００９】本発明の目的は、従来技術の問題点に鑑
み、ＮＯｘ低減に必要な空気と燃料の混合特性を確保
し、また、軸方向の低流速域の発生を抑制し、予混合器
内部で火炎が生じた場合であっても、火炎が速やかに予
混合器外に排出されるようにしたガスタービン燃焼器を
提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、ダクト状の空
気流路に燃料を噴射する燃料ノズルを１本あるいは複数
本配置した予混合器を設ける。該予混合器では燃料と空
気の混合を促進させる手段として、該予混合器の空気流
入口部に入口窓を設ける。この入口窓に円弧状（半円弧
状も含む）の形状を用いることで、流れ方向に進行しな
がら回転する縦渦を発生させ、燃料と空気の混合を促進
できる。また、空気流入口の入口窓に対し１本あるいは
複数本の燃料ノズルを配置することで、燃料ノズルの周
りに空気の流れができ、燃料ノズル先端より噴出する燃
料との混合を促進される。

【００１１】また、本発明は、上記の予混合器におい
て、空気流入口を空気の流れ方向を反転させるリターン
フロー構造としている。そのため、予混合器入口では空
気の流れ全体がダクト状の空気流路の内周側に向かうこ
とになる。また、ダクト状空気流路の外周側から流入し
た空気は、ダクト状空気流路の内周壁に衝突し、その一
部は空気流路の外周壁に向かう流れとなる。そこで、入
口窓は、円弧の部分を前記燃料ノズルの先端から遠い側
に設けたことで、空気の流れをより滑らかにし、軸方向
流速の低流速域の発生を抑制し、何らかの原因で予混合
器内に火炎が存在する場合であっても、火炎を速やかに
予混合器外へ排出させることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１に本発明によるガスタービン
燃焼器用予混合器の実施例を示す。本実施例のガスター
ビン燃焼器１は、拡散燃焼用の燃料１０を燃焼室２に噴
射する燃料ノズル３を有する拡散バーナ７と、予混合燃
焼用の燃料１１を予混合器４に噴射する燃料ノズル５を
有する予混合バーナ８を備えている。

【００１３】燃焼用空気１２は、簡略して図示した圧縮
機６１から燃焼器１に供給される。拡散バーナ７では、
燃焼用空気１２と燃料ノズル３は旋回器６により燃焼室
内に燃焼ガスの循環渦を形成し、安定な拡散火炎とな
る。一方、予混合器４に流入した燃焼用空気１２は、燃
料ノズル５から噴射された燃料と混合し、燃焼室２に噴
射され燃焼する。予混合器４の出口には環状の保炎器９
が配置される。拡散バーナ７及び予混合バーナ８の燃焼
ガスは、簡略して図示したタービン６１に送られ、ター
ビン６１を駆動する。

【００１４】図２に、図１のガスタービン燃焼器を燃焼
ガスの流れの下流側から見た図を示す。ただし、図２で
は、説明のため、図１の環状の保炎器９は記載していな
い。予混合器４はダクト状の空気流路２０を有し、該空
気流路２０には円周状に燃料ノズル５が配置されてい
る。

【００１５】図３に、図１、図２の予混合器４の軸方向
の断面を拡大して示す。図４は、図３について、Ａ−Ａ
方向の断面から見た図を示したものである。図5は、図3
について、Ｂ矢視方向から見た図を示したものである。

【００１６】予混合器４は空気流入口部５０に滑らかな
半円弧状の入口窓５１を配置している。入口窓５１を形
成することで、燃焼用空気１２は流れ方向に進行しなが
ら回転する縦渦を発生させる。

【００１７】また、予混合器４は、空気流入口部５０で
燃焼用空気１２が反転して流入するリターンフロー構造
になっている。空気流入口部５０付近の領域では、燃焼
用空気１２の流れはダクト状空気流路２０の内周側方向
となる。また、空気流入口部５０から下流側では、空気
流の一部はダクト状空気流路２０の内周壁に衝突して外
周側へ向かう流れとなる。

【００１８】したがって、図３のリターンフロー構造は
燃焼用空気１２の流れの一部あるいは全体を予混合器４
の半径方向に変化させる手段となっている。この結果、
半円弧状の入口窓５１により発生した縦渦及びリターン
フロー構造による流れにより、燃料ノズル５のまわりに
流れが生じる。

【００１９】燃料ノズル５の先端付近には燃料を噴射す
る噴孔２１が設けられる。噴孔２１は前記流れが半径方
向に変化する位置よりも下流側になるように配置され
る。また、予混合器空気流入口部５０に配置されている
半円弧状の入口窓５１において、燃料ノズル５は１窓に
対し１本あるいは複数本配置させる。そのため、噴孔２
１から噴射された燃料は、燃料ノズル５のまわりに生じ
た流れにより、混合が促進され、ＮＯｘの排出量は低減
される。

【００２０】ここで、何らかの原因で予混合器４内で発
火した場合を想定する。空気流入口部５０は燃焼用空気
１２が反転して流入するリターンフロー構造となってい
るが、入口窓５１は滑らかな半円弧状に形成されている
ため、軸方向の流速に低速流域が発生することを抑制し
ている。また、予混合器４の下流側はダクト状空気流路
２０の流路断面積を狭める絞り構造３０、３１を設けて
いる。絞り構造３０、３１により下流側では流速が大き
くなっている。

【００２１】本実施例によれば、予混合器４内で着火し
た場合であっても、火炎は予混合器４外へ速やかに排出
でき、したがって、ＮＯｘの増大を抑制しつつ、燃焼器
の損傷を防止できる効果がある。

【００２２】図６に従来のガスタービン燃焼器用予混合
器の軸方向の断面を示す。図７は、図６について、Ｄ矢
視方向から見た図を示したものである。

【００２３】予混合器４は空気流入口部５０にＶ字型形
状の入口窓５１を配置している。該入口窓５１の形状を
斜めの境界を持たせるような構造とすることで燃焼用空
気１２は流れ方向に進行しながら回転する縦渦を発生さ
せる。また、予混合器空気流入口部５０で燃焼用空気１
２が反転して流入するリターンフロー構造になってい
る。したがって、Ｖ字型の入口窓５１により発生した縦
渦及びリターンフロー構造による流れにより、燃料ノズ
ル５のまわりに流れが生じる。

【００２４】燃料ノズル５は予混合器空気流入口部５０
に配置されている入口窓５１において、Ｖ字窓１窓に対
し、１本あるいは複数本配置させる。そのため、噴孔２
１から噴射された燃料は、燃料ノズル５のまわりに生じ
た流れにより、混合が促進され、ＮＯｘの排出量は低減
される。

【００２５】しかし、器空気流入口部５０に燃焼用空気
１２が反転して流入するリターンフロー構造で、配置し
ている入口窓５１の形状は鋭角部分をもつＶ字型となっ
ているため、この鋭角部分において軸方向の流速に低流
速域が発生し、予混合器４内の空気流路２０で何らかの
原因で発火した場合、低流速域に火炎が付着し燃焼する
可能性がある。したがって、予混合火炎を安定に保つた
めに配置してある保炎器９等を指傷する可能性がある。

【００２６】図８に本発明によるガスタービン燃焼器用
予混合器の空気流速の分布を示す。Ｅ部は高流速域、Ｆ
部は中流速域、Ｇ部は低流速域である。入口窓５１を滑
らかな半円弧状の形状としているため、燃料ノズル５の
噴孔２１付近は中流速域Ｆ部となっており、低流速域Ｇ
部の発生領域を抑制している。

【００２７】図９に従来のガスタービン燃焼器用予混合
器の空気流速の分布を示す。Ｅ部は高流速域、Ｆ部は中
流速域、Ｇ部は低流速域を示す。燃料ノズル５の噴孔２
１付近は内周壁側は中流速域Ｆ部となっている。予混合
器空気流入口窓部５１の形状は、鋭角部分のあるＶ字型
窓形状であるため、噴孔２１付近の外壁側は低流速域Ｇ
部となっている。そのため、予混合器４内で何らかの原
因で発火した場合、低流速域に火炎が付着し燃焼する可
能性がある。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、燃料ノズルまわりに生
じる流れによって、ＮＯｘ低減に必要な混合特性を確保
するとともに、何らかの原因により予混合器内で発火し
た場合にも、速やかに火炎を予混合器外に排出できる。
したがって、ＮＯｘを低減しつつガスタービン機関を長
期間、安定に運転できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるガスタービン燃焼器の
断面図。

【図２】図１のガスタービン燃焼器を燃焼ガスの下流側
から見た側面図。

【図３】図１の実施例における予混合器の断面図。

【図４】図３の予混合器を燃焼ガスの下流側から見た部
分図。

【図５】図３の予混合器を空気流量入口側から見た部分
図。

【図６】従来の予混合器の断面図。

【図７】図６の予混合器を空気流量入口側から見た部分
図。

【図８】本実施例による予混合器断面の速度分布図。

【図９】従来の予混合器断面の速度分布図。

【符号の説明】

１…燃焼器、２…燃焼室、３…拡散燃料ノズル、４…予
混合器、５…予混合燃料ノズル、６…旋回器、７…拡散
バーナ、８…予混合バーナ、９…保炎器、１０，１１…
燃料、１２…燃焼用空気、２０…空気流路、２１…燃料
噴孔、３０，３１…絞り構造、５０…空気流入口部、５
１…入口窓。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 泰行 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所火力・水力事業部内 (72)発明者 笹尾 俊文 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所火力・水力事業部内 (72)発明者 竹原 勲 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所火力・水力事業部内 Ｆターム(参考） 3K017 CA06 CB09 CE01

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ダクト状の空気流路に燃料を噴射する燃
   料ノズルを１本あるいは複数本配置し、前記空気流路に
   通じる空気流入口で空気の流れ方向を反転させるリター
   ンフロー構造の予混合器を有するガスタービン燃焼器に
   おいて、 前記空気流入口に円弧状の入口窓を設けることを特徴と
   するガスタービン燃焼器。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記入口窓は、円弧の部分を前記燃料ノズルの先端から
   遠い側に形成したことを特徴とするガスタービン燃焼
   器。