JP2003014232A

JP2003014232A - ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JP2003014232A
Application number: JP2001199944A
Authority: JP
Inventors: Katsunori Tanaka; 克則田中; Koichi Nishida; 幸一西田; Wataru Akizuki; 渉秋月; Sadao Minagawa; 貞夫皆川
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2003-01-15
Anticipated expiration: 2021-06-29
Also published as: US20030014975A1; US20040163392A1; US6915637B2; US6772594B2; EP1271058A3; CA2392262A1; EP1712843A2; JP4610800B2; EP1271058A2; CA2392262C

Abstract

(57)【要約】【課題】ガスタービンの運転時におけるＮＯｘの発生
を低減すること。【解決手段】ノズル延長管４１０を燃焼器内筒２０の
径方向外側へ向かって傾けることによって予混合気体に
外向きの流れを与える。さらにノズル延長管４１０を燃
焼器内筒２０の周方向へ傾けることによって、予混合気
体に前記燃焼器内筒２０の周方向に向かう回転を与え
る。その結果、予混合気体は燃焼室を旋回しながら流れ
るらせん状の流れ、すなわち外向き旋回流となるので、
予混合気体が燃焼室を流れる過程で十分に混合される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ガスタービンに
関し、さらに詳しくは、ガスタービンの運転時における
ＮＯｘの発生を低減できるガスタービン燃焼器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のガスタービン燃焼器においては、
燃料と空気とをそれぞれ異なるノズルから噴出して燃焼
させる拡散燃焼方式が多く使用されていた。しかし、近
年においては、上記拡散燃焼方式に代わってサーマルＮ
Ｏｘの低減により有利な予混合燃焼方式も使用されるよ
うになってきている。ここで予混合燃焼方式とは、燃料
と空気とを予め混合し、同一のノズルから噴出して燃焼
させるものをいう。この燃焼方式によれば、燃料が希薄
な状態であってもすべての燃焼領域においてその状態で
燃焼させることができるため予混合火炎の温度を下げ易
く、拡散燃焼方式と比較してＮＯｘの低減に有利であ
る。その反面、燃料に対して空気が過剰であるため予混
合火炎の温度が低くなり、燃焼状態の安定性が劣るとい
う問題もある。

【０００３】図１６は、予混合方式のガスタービン燃焼
器の一例を示す正面図である。燃焼器外筒１０内には、
一定の間隔をおいて燃焼器内筒２０が設けられており、
当該燃焼器内筒２０の中央部には拡散火炎を形成するた
めの拡散火炎形成コーン３０が設けられている。当該拡
散火炎形成コーン３０は、パイロット燃料供給ノズル３
１から供給されるパイロット燃料と、燃焼器外筒１０と
燃焼器内筒２０との間から供給される空気とを反応させ
て拡散火炎を形成する。

【０００４】図１６からは明らかではないが、予混合火
炎を形成するための予混合火炎形成ノズル４０は前記拡
散火炎形成コーン３０の周囲に８個設けられている。予
混合気体は前記燃焼器外筒１０と燃焼器内筒２０との間
から供給される空気と主燃料とを混合させて作られた
後、前記予混合火炎形成ノズル４０から噴射される。前
記予混合火炎形成ノズル４０から噴射された予混合気体
は、その出口に設けられた予混合火炎形成ノズル延長管
４００を通って燃焼室５０側へ噴射される。そして、こ
の予混合気体は上記拡散火炎から排出される高温の燃焼
ガスによって着火され予混合火炎を形成する。この予混
合火炎から高温・高圧の燃焼ガスが排出されて、当該燃
焼ガスは燃焼器尾筒（図示せず）を通った後、タービン
第一段ノズルへと導かれる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記ガスタ
ービン燃焼器においては、予混合ガスが予混合火炎形成
ノズル延長管４００から直線状に燃焼室５０側へ噴射さ
れるため、予混合気体に燃料濃度の不均一な箇所が存在
していた。このため、予混合気体の燃料濃度が高い箇所
では燃焼温度が高くなり、ＮＯｘが発生しやすくなって
いた。この問題を解決し、予混合方式のガスタービン燃
焼器においてさらにＮＯｘの発生を抑制するためには、
主燃料を燃焼用空気中へ十分に混合させる必要がある。
かかる観点から、特開平７−２４８１１８には、予混合
燃焼器内に燃焼用空気の旋回流を生じせしめる筒状体群
からなる予混合手段を配設した予混合燃焼器が開示され
ている。また、特開平８−２８８７１には、予混合気体
を各々周方向に旋回させ、その複数の旋回気流が燃焼器
内で各々巻き付き合う、若しくは各々捩れる様な気流形
状となるような手段を設けたガスタービン燃焼器が開示
されている。

【０００６】しかし、特開平７−２４８１１８および特
開平８−２８８７１に開示されたガスタービン燃焼器で
は、予混合気体が燃焼室の中心に向かう内向きで、且つ
ねじれた旋回流が形成されるので、燃焼ガスの再循環領
域が十分に形成されない。このため、予混合火炎の保炎
が不安定になるため安定した燃焼が得られず、また、振
動燃焼等を引き起こすという問題があった。また、燃焼
室の中心付近に予混合気体が集中して燃焼するので、局
所的に高温部が発生しやすくＮＯｘの発生を十分に抑制
できない場合もあった。そこで、この発明は、上記に鑑
みてなされたものであって、ガスタービンの運転時にお
けるＮＯｘの発生を低減し、安定した状態で燃焼できる
ガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係るガスタービン燃焼器は、燃焼器内筒
と、前記燃焼器内筒の内部に配置されパイロット燃料と
空気とを混合して拡散火炎を形成する拡散火炎形成コー
ンと、前記燃焼器内筒とパイロット火炎形成コーンとの
間に環状に設けられ、主燃料と空気とを混合させた予混
合気体によって予混合火炎を形成するための予混合火炎
形成ノズルと、当該予混合火炎形成ノズルの出口に備え
られ、且つ前記燃焼器内筒の径方向外側に向かいながら
当該燃焼器内筒の周方向に旋回する予混合気体の流れを
形成する予混合火炎形成ノズル延長部と、を備えたこと
を特徴とする。

【０００８】予混合燃焼においてＮＯｘの発生を十分に
低減させるためには、予混合気体を十分に混合して燃焼
することが必要である。このガスタービン燃焼器の予混
合火炎形成ノズル延長部は、予混合気体に燃焼器内筒の
径方向外側に向かい、且つ旋回するらせん状の流れを与
える。したがって、予混合気体は拡散火炎の周囲をらせ
ん状に流れる過程において十分に混合され、また燃焼室
の軸方向にわたって均一且つ十分に燃焼が進行する。こ
の作用によって、局所高温部がほとんど発生しなくな
り、ＮＯｘの発生を十分に抑制できる。また、燃焼室の
中心付近に形成される再循環領域が拡大されるので、予
混合火炎が安定して形成され、振動燃焼も抑制される。

【０００９】また、請求項２に係るガスタービン燃焼器
は、燃焼器内筒と、前記燃焼器内筒の内部に配置されパ
イロット燃料と空気とを混合して拡散火炎を形成する拡
散火炎形成コーンと、前記燃焼器内筒とパイロット火炎
形成コーンとの間に環状に設けられ、主燃料と空気とを
混合させた予混合気体によって予混合火炎を形成するた
めの予混合火炎形成ノズルと、前記燃焼器内筒の軸方向
に対して当該燃焼器内筒の径方向外側および周方向にそ
れぞれ傾けて前記予混合火炎形成ノズルの出口に備えら
れ、前記予混合火炎形成ノズルで作られた予混合気体を
噴射する予混合火炎形成ノズル延長部と、を備えたこと
を特徴とする。

【００１０】このガスタービン燃焼器は、予混合気体に
燃焼器内筒の径方向外側に向かい、且つ旋回する流れを
与えるために、予混合火炎形成ノズル延長部を燃焼器内
筒の軸方向に対して当該燃焼器内筒の径方向外側および
周方向にそれぞれ傾けてある。したがって、この予混合
火炎形成ノズル延長部から噴射される予混合気体は、燃
焼室内を燃焼器内筒の径方向外向き、且つらせん状に流
れる。そして、この予混合気体はその過程において十分
に混合され、また燃焼室の軸方向にわたって均一且つ十
分に燃焼が進行する。この作用によって、局所高温部が
ほとんど発生しなくなり、ＮＯｘの発生を十分に抑制で
きる。また、燃焼室の中心付近に形成される再循環領域
が拡大されるので、予混合火炎が安定して形成され、振
動燃焼も抑制される。さらに、予混合火炎形成ノズル延
長部の出口を傾ける簡単な構造であるため、製造が容易
となり耐久性も向上する。

【００１１】また、請求項３に係るガスタービン燃焼器
は、燃焼器内筒と、パイロット燃料を噴射するノズルと
主燃料を噴射するノズルとを内部に備えた混合気体形成
用筒と、前記燃焼器内筒の軸方向に対して当該燃焼器内
筒の径方向外側および周方向にそれぞれ傾けて前記混合
気体形成用筒の出口に備えられ、前記パイロット燃料と
空気とを混合して作られた気体および前記主燃料と空気
とを混合して作られた予混合気体を噴射する混合気体噴
射用延長部と、を備えたことを特徴とする。

【００１２】このガスタービン燃焼器は、拡散火炎形成
コーンを予混合火炎形成ノズル群の中心に配置せず、混
合気体形成用筒内でパイロット燃料と圧縮空気との混合
気体および予混合気体を形成し、外向き旋回流を作る混
合気体噴射用延長管を介して燃焼室に噴射するものであ
る。この混合気体噴射用延長管によって、予混合気体と
前記混合気体とは燃焼器内筒の径方向外側に向かう旋回
流となってらせん状に燃焼室内を流れる。このため燃焼
室においては、内壁近傍における圧力は高く、中心近傍
における圧力は低くなる。その結果、予混合気体が十分
に混合されながら燃焼が進行するため、局所高温部が少
なくなりＮＯｘの発生を十分に抑制できる。また、燃焼
室の内壁近傍と中心近傍との間に生ずる再循環領域が拡
大するため火炎が安定し、振動燃焼等が抑制されるの
で、安定した運転ができる。

【００１３】また、請求項４に係るガスタービン燃焼器
は、上記ガスタービン燃焼器において、さらに、少なく
とも上記予混合火炎形成ノズルによって形成される予混
合火炎または上記混合気体形成用筒から噴射される気体
によって形成される火炎が前記燃焼器内筒の内周に衝突
する部分に、当該燃焼器内筒冷却手段を備えたことを特
徴とする。このように、燃焼器内筒に冷却手段を設ける
ことによって燃焼器内筒の温度上昇を抑制できる。その
結果、燃焼器内筒の寿命を損なうことなくより積極的に
外向きの旋回流を作り出すことができるので、ＮＯｘの
発生を十分に抑制できる。また、再循環領域もより拡大
できるので、より安定した運転ができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、この発明につき図面を参照
しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこ
の発明が限定されるものではない。また、下記実施の形
態における構成要素には、当業者が容易に想定できるも
のが含まれるものとする。

【００１５】（実施の形態１）以下の実施の形態では、
予混合火炎形成ノズル等に予混合火炎形成ノズル延長管
等を取り付けて、燃焼室側へ予混合気体を噴射する場合
を例にとって説明する。ただし、この発明に係る予混合
火炎形成ノズル延長部および混合気体噴射用延長部とし
ては、予混合火炎形成ノズル延長管等を用いた場合のみ
ならず、予混合火炎形成ノズル等の出口自体を延長して
直接予混合気体等を燃焼室側へ噴射する場合も含まれ
る。

【００１６】図１は、この発明の実施の形態１に係るガ
スタービン燃焼器を示す正面図である。図２は、図１に
示したガスタービン燃焼器の軸方向断面図である。ま
た、図３は実施の形態１に使用する予混合火炎形成ノズ
ル延長管の軸方向断面図である。図１および図２に示す
ように、燃焼器内筒２０の内部には拡散火炎形成コーン
３０が設けられている。この拡散火炎形成コーン３０の
内部には、パイロット燃料を噴射するパイロット燃料供
給ノズル３１が設けられており、パイロット燃料供給ノ
ズル３１から噴射されたパイロット燃料は、燃焼用空気
と反応して拡散燃焼火炎を形成する。また、前記パイロ
ット燃料供給ノズル３１の周囲には燃焼用空気を攪拌す
るためのスワラー３３が設けられており、燃焼用空気と
パイロット燃料とを十分に混合する。前記拡散火炎形成
コーン３０は、燃焼用空気とパイロット燃料とが混合し
た気体を燃焼室５０側（図２参照）へ噴射して、拡散燃
焼火炎を形成する。

【００１７】図２に示すように、予混合火炎形成ノズル
４０は燃焼器内筒２０と拡散燃焼火炎を形成する拡散火
炎形成コーン３０の間に配置されている。図２からは明
らかではないが、８個の前記予混合火炎形成ノズル４０
が前記拡散火炎形成コーン３０の周囲に環状に配置され
ている。なお、予混合火炎形成ノズル４０の数は８個に
限定されるものではなく、ガスタービン燃焼器の仕様に
応じて適宜増減することができる。また、図１および図
２に示すように、前記予混合火炎形成ノズル４０の出口
には、予混合火炎形成ノズル延長部として予混合火炎形
成ノズル延長管（以下ノズル延長管と略称）４１０が設
けられている。そして、予混合気体は当該ノズル延長管
４１０を介して燃焼室５０側へ噴射される。

【００１８】図１に示すように、前記ノズル延長管４１
０の出口形状は扇形状である。このようにすると、隣り
合うノズル延長管４１０同士の間隔はほぼ一定になるた
め、隣り合うノズル延長管４１０からは均等に空気が流
れる。このため、空気の流れが弱い部分に高温の燃焼ガ
スが逆流することを抑制できるので、ノズル延長管４１
０同士が隣り合う部分における焼損を低減できる。ま
た、隣り合うノズル延長管４１０の間、ノズル延長管４
１０と燃焼器内筒２０との間およびノズル延長管４１０
と拡散火炎形成コーン３０との間からもほぼ均等に空気
が流れる。このため、不均一な空気の流れに起因する逆
火を抑制できるので、ノズル延長管４１０等の焼損を低
減できる。

【００１９】このノズル延長管４１０は、燃焼器内筒２
０の径方向に存在する前記ノズル延長管４１０の側部の
うち、少なくとも前記燃焼器内筒２０の中心軸に近い側
部４１１を、前記燃焼器内筒２０の中心軸に垂直な平面
に対して一定の角度αをもって前記燃焼器内筒の径方向
外側に傾けてある（図３（ａ））。さらに、図３（ｂ）
に示すように、前記ノズル延長管４１０は前記燃焼器内
筒２０の周方向に存在する前記ノズル延長管４１０の側
部４１２を、前記燃焼器内筒２０の中心軸に垂直な平面
に対して一定の角度βをもって燃焼器内筒２０の周方向
へ傾けてある。

【００２０】このように、ノズル延長管４１０を前記燃
焼器内筒２０の径方向外側へ向かって傾けることによっ
て予混合気体に外向きの流れを与えることができる（図
３（ａ）中の矢印Ａ）。さらに周方向へ傾けることによ
って、当該予混合気体に前記燃焼器内筒２０の周方向に
向かう回転を与えることができる（図３（ｂ）中の矢印
Ｂ）。なお、前記角度αおよびβは燃焼器の仕様によっ
て適宜最適な値を選択することができるが、両者の大き
さが小さすぎると予混合気体の混合が不十分となってＮ
Ｏｘを抑制し難くなる。反対に両者の角度が大きすぎる
と、予混合気体が燃焼室内に滞留しやすくなるため、フ
ラッシュバック（逆火）を生ずるおそれがある。したが
って、再循環領域を効果的に形成してＮＯｘを低減し、
且つフラッシュバックの危険性を低くするという観点か
らは、αおよびβともに２０度から５０度の範囲とする
ことが好ましい。そして、ノズル延長管４１０における
圧力損失をできるだけ少なくしつつ効果的な再循環領域
を形成するという観点からは、αおよびβともに３０度
から４０度の範囲とすることが望ましい。

【００２１】次は、図２を参照して説明する。圧縮機
（図示せず）から送られてきた空気は燃焼器外筒１０内
に導かれ、当該燃焼器外筒１０と燃焼器内筒２０との間
を通った後進行方向を１８０度変える。その後、前記燃
焼器内筒２０の後方から予混合火炎形成ノズル４０およ
び拡散火炎形成ノズル３２へ送られて、主燃料およびパ
イロット燃料と混合される。

【００２２】拡散火炎形成ノズル３２内に導かれた圧縮
空気は、拡散火炎形成ノズル３２内に設けられたスワラ
ー３３によって攪拌され、パイロット燃料供給ノズル３
１から噴射されたパイロット燃料と十分に混合される。
そして両者の混合気体は拡散火炎を作り、拡散火炎形成
コーン３０から燃焼室５０側に向かって拡散火炎が噴出
される。この拡散火炎は、予混合火炎形成ノズル４０で
作られる予混合気体を速やかに燃焼させ、また、当該予
混合気体の燃焼を安定させて予混合火炎の逆火や予混合
気体の自己着火を抑制する。

【００２３】予混合火炎形成ノズル４０内に導かれた圧
縮空気は、予混合火炎形成ノズル４０内に設けられたス
ワラー４２によって攪拌される。そして、主燃料供給ノ
ズル６０に設けられた主燃料供給孔６１から噴射された
主燃料と前記圧縮空気とが十分に混合されて予混合気体
を形成した後、ノズル延長管４１０から燃焼室５０側へ
噴射される。ここで、予混合気体はＮＯｘの発生を抑制
する必要があることから、燃料に対して空気が過剰の状
態となっている。この予混合気体は前記拡散火炎から排
出される高温の燃焼ガスによって速やかに発火し、予混
合火炎を形成して、当該予混合火炎から高温・高圧の燃
焼ガスが排出される。

【００２４】上述したように、ノズル延長管４１０は、
少なくとも燃焼器内筒２０の中心軸に近い側部４１１を
燃焼器内筒２０の軸方向に対して一定の角度αを持って
前記燃焼器内筒２０の内壁側へ傾けてある。また、前記
ノズル延長管４１０の出口は、燃焼器内筒２０の軸方向
に対して一定の角度βを持って傾いている。このため、
燃焼室５０内における燃焼ガスは前記燃焼器内筒２０の
軸の周囲をらせん状に進む流れ、いわゆる外向き旋回流
となる。

【００２５】ここで主燃料供給ノズル６０について説明
する。図４は、主燃料供給ノズル６０を示す側面図であ
る。当該主燃料供給ノズル６０の周囲には、周方向断面
形状が翼形をした複数のスポーク６２が設けられてい
る。また、このスポーク６２の側面には、一方の側面に
つき２個ずつ、計４個の主燃料を噴射するための主燃料
供給孔６１が設けられている。なお、前記主燃料供給孔
６１の径が小さくなると個数は多くなる。また、主燃料
供給孔６１の径をあまり小さくすると、主燃料の噴射が
不安定になる。このため、主燃料供給孔６１の数は４個
に限定されるものではないが、主燃料を安定して噴射で
きる径の範囲でその個数を定めるのが望ましい。主燃料
供給孔６１の個数は前記主燃料供給孔６１の径にもよる
が、一方の側面につき１個から４個、好ましくは２個ま
たは３個である。

【００２６】従来このスポーク６２の断面形状は円形で
あったが、当該断面形状ではスポーク６２の後方に渦や
空気の剥離が発生し、これが原因で逆火を発生させてい
た。本実施の形態に係るスポーク６２のように断面形状
を翼形とすると、スポーク６２の周囲を空気が滑らかに
流れ、スポーク６２の後方において空気の乱れを抑制で
きるので、逆火を抑制できる。このため、ノズル延長管
等の焼損を低減できるので、燃焼器の寿命も長くでき
る。また、メンテナンスの手間も軽減できる。

【００２７】つぎに、燃焼器内筒２０の冷却について説
明する。図５は、冷却手段を取付けた燃焼器内筒を示す
軸方向断面図である。本発明のガスタービン燃焼器にお
ける燃焼ガスの流れは外向き旋回流となるため、燃焼室
５０側における燃焼器内筒２０ａに燃焼ガスや予混合火
炎が衝突する（図５（ａ）中の矢印Ｃ）。このため、燃
焼室５０側における燃焼器内筒２０ａの燃焼ガス等が衝
突する部分が高温となり、この部分の寿命を短くしてし
まうこともある。

【００２８】これを避けるために、燃焼室５０側におけ
る燃焼器内筒２０ａの周囲に冷却手段を配置して、燃焼
ガス等の熱を除去することが望ましい。図５に示した例
は、冷却手段として燃焼室５０側における燃焼器内筒２
０ａをプレートフィン２１で構成したものである。ここ
で、プレートフィン２１の構造を図５（ｂ）に示す。ま
ず、燃焼器外筒１０と燃焼器内筒２０との間を通ってき
た圧縮機からの空気が、プレートフィン２１の外筒１０
側に設けられた冷却空気孔２１ａ（図５（ｂ）参照）か
らプレートフィン２１内部に流入する。この空気はプレ
ートフィン２１内部を流れる際に、対流冷却により燃焼
室５０側における燃焼器内筒２０ａを冷却する。また、
プレートフィン２１内部を流れ終わった空気は、燃焼室
５０側へ流れ出る（図中の矢印Ｊ方向）。この空気は燃
焼室５０側における燃焼器内筒２０ａの表面を流れるこ
とで、その表面近傍に温度境界層を形成して、燃焼室５
０側における燃焼器内筒２０をフィルム冷却する。

【００２９】なお、冷却手段としては上記プレートフィ
ン２１には限られず、ＭＴフィンと呼ばれるフィンを使
用したり、あるいは燃焼室５０側における燃焼器内筒２
０ａの周囲に孔を設け、この孔から冷却空気を噴射して
燃焼室５０側における燃焼器内筒２０ａをフィルム冷却
してもよい。このような冷却手段によれば、高温の燃焼
ガス等が燃焼室５０側における内筒の表面に当たっても
その部分が冷却されるため、燃焼室５０側における燃焼
器内筒２０ａの局所的な温度上昇を抑制できる。したが
って、より積極的に外向き流れを作ることができるので
予混合気体の混合をさらに促進できる。

【００３０】従来のガスタービン燃焼器における燃焼ガ
スは、燃焼器の中心に向かって旋回する内向きで、且つ
ねじれた旋回流を形成するため、燃焼室５０の中心付近
に予混合気体が集中する。その結果、この部分において
燃焼が早まり、また局所高温部が発生しやすくなるた
め、ＮＯｘの発生を十分に抑制をすることができなかっ
た。また、燃焼室５０の中心付近に再循環領域が十分に
形成されないため、予混合火炎が不安定となって振動燃
焼等を発生していた。

【００３１】これに対して本発明のガスタービン燃焼器
は、ノズル延長管に一定の角度を設けることによって、
予混合気体に燃焼器内筒２０の径方向外側に向かい、且
つ周方向に旋回する流れ、すなわち外向き旋回流を与え
ている。このため、予混合気体は、拡散火炎を取り巻く
ように流れる過程で十分に混合しながら燃焼室５０の全
領域にわたって均一に燃焼することになる。その結果、
局所高温部の発生が少なくなってＮＯｘの発生を十分に
抑制することができる。また、外向き旋回流によって、
燃焼器の中心部分に形成される再循環領域が拡大するの
で予混合火炎が安定して形成されて、振動燃焼も抑制で
きる。さらに、予混合気体は燃焼室５０の全領域にわた
って燃焼するため、予混合気体の燃え残りがほとんどな
くなって燃料を効率的に利用できる。なお、本実施の形
態においては、外向き旋回流を作るためにノズル延長管
４１０の出口を燃焼器内筒２０の径方向外側および周方
向に傾けるだけなので、ノズル延長管４１０の出口内に
特別な加工をする必要がなく、製造が容易となる。

【００３２】次に上記実施の形態１に係る第一の変形例
について説明する。図６は、実施の形態１に係るガスタ
ービン燃焼器の第一の変形例を示す正面図である。上記
実施の形態１に係るガスタービン燃焼器においては、ノ
ズル延長管４１０（図１参照）の出口形状は扇形状であ
ったが、本変形例のようにノズル延長管４２０の出口形
状を楕円形としてもよい。このようにしても、ノズル延
長管４２０から噴射される予混合気体は外向き旋回流を
形成するため、燃焼室（図示せず）の全体にわたって燃
焼し局所高温部が減少し、ＮＯｘの発生を抑制すること
ができる。なお、本変形例においてノズル延長管４２０
の出口形状を円形としてもよい。

【００３３】図７は、実施の形態１に係るガスタービン
燃焼器の第二の変形例を示す正面図である。この変形例
のように、外向きのノズル延長管４３０と外向き旋回流
を形成するノズル延長管４２０とを交互に配置してもよ
い。このようにすると、ノズル延長管４３０による予混
合気体の外向きの直進流と、ノズル延長管４２０による
予混合気体の外向き旋回流とが衝突して、予混合気体の
混合が促進されるという効果がある。なお、ノズル延長
管４３０および４２０の出口形状は図７に示した楕円状
に限られず、図１に示したような扇形や円形としてもよ
い。

【００３４】（実施の形態２）図８は、この発明の実施
の形態２に係るガスタービン燃焼器を示す正面図であ
る。図９は、図８に示したガスタービン燃焼器の軸方向
断面図である。また、図１０は、実施の形態２に使用す
る混合気体形成用筒を示す軸方向断面図である。本実施
の形態に係るガスタービン燃焼器は、混合気体形成用筒
７０の内部に主燃料を供給するための主燃料供給孔６４
を備えたスポーク６３とパイロットノズル３６とを備
え、当該混合気体形成用筒７０を燃焼器内筒２０の内部
へ環状に配置した点に特徴がある。

【００３５】本実施の形態で使用する混合気体形成用筒
７０は、図１０に示すように、内部に主燃料を噴射する
主燃料供給孔６４と、内部にパイロット燃料供給ノズル
３５を備えたパイロットノズル３６とを備えている。ま
た、前記混合気体形成用筒７０の空気取り入れ口側には
スワラー７２が備えられており、燃焼用圧縮空気に旋回
を与えて主燃料およびパイロット燃料と十分に混合させ
る。

【００３６】前記混合気体形成用筒７０の出口側には混
合気体噴射用延長部としてノズル延長管４４０が設けら
れており、燃焼用圧縮空気と主燃料およびパイロット燃
料とが混合した気体を燃焼室５０側に噴射する。前記ノ
ズル延長管４４０の出口形状は円形をしており、燃焼器
内筒２０の径方向外側へ傾けてある。また、前記ノズル
延長管４４０は、前記燃焼器内筒２０の周方向に対して
も傾けてある。なお、ノズル延長管４４０の出口形状は
円形のみならず、実施の形態１で示したような扇形や楕
円形としてもよい。以下同様である。

【００３７】本実施の形態におけるガスタービン燃焼器
は、出口にノズル延長管４４０を備えた混合気体形成用
筒７０を、燃焼器内筒２０（図８および図９参照）の内
部に５個環状に配置してある。なお、混合気体形成用筒
７０の個数は５個に限定されるものではなく、ガスター
ビン燃焼器の仕様等によって適宜増減することができ
る。

【００３８】次は図９を参照して説明する。圧縮機（図
示せず）から送られてきた燃焼用圧縮空気は燃焼器外筒
１０内に導かれ、燃焼器外筒１０と燃焼器内筒２０との
間を通った後１８０度進行方向を変える。そして、前記
燃焼用圧縮空気は混合気体形成用筒７０の後方からパイ
ロットノズル３６内と混合気体形成用筒７０内とへ導か
れる。

【００３９】次は図１０を参照して説明する。パイロッ
トノズル３６内に導かれた圧縮空気は、パイロット燃料
供給ノズル３５から噴射されたパイロット燃料と十分に
混合される。また、混合気体形成用筒７０内に導かれた
空気は、まず前記混合気体形成用筒７０内に設けられた
スワラー７２によって攪拌された後、主燃料供給孔６４
から噴射される主燃料と十分に混合されて予混合気体を
形成する。なお、この予混合気体はＮＯｘの発生を抑制
するため、燃料に対して空気が過剰の状態である。ま
た、この主燃料供給孔６４が設けられているスポーク６
３は、逆火を抑制するという観点から、実施の形態１に
おいて説明した断面を翼形形状としたスポークを使用す
ることが好ましい。このようにすると、逆火を効果的に
抑制できるので、ノズル延長管４４０等の焼損も抑制で
きる。また、燃焼が安定するので振動燃焼も抑制でき
る。

【００４０】パイロット燃料と圧縮空気との混合気体お
よび予混合気体は、ノズル延長管４４０を介して燃焼室
５０側へ噴射される。燃焼室５０側に噴射されたパイロ
ット燃料と圧縮空気との混合気体は拡散火炎を形成し、
当該拡散火炎から発生する高温の燃焼ガスによって前記
予混合気体を速やかに燃焼させる。また、予混合気体の
燃焼を安定させて予混合火炎の逆火や予混合気体の自己
着火を抑制する。燃焼した予混合気体は予混合火炎を形
成して、当該予混合火炎から高温・高圧の燃焼ガスが排
出される。

【００４１】前記パイロット燃料と圧縮空気との混合気
体および予混合気体は、ノズル延長管４４０によって、
燃焼器内筒２０の径方向外側へ向かい且つ周方向へ旋回
する外向き旋回流となり、燃焼室５０内を流れる。この
外向き旋回流によって、予混合気体等が十分に混合され
ながら燃焼器の全域にわたって燃焼が進行するので、局
所高温部が少なくなりＮＯｘの発生が抑制される。ま
た、前記外向き旋回流によって燃焼室５０の内壁近傍に
おける圧力は高く、中心近傍の圧力は低くなる結果、内
壁近傍と中心近傍との間に循環流が発生し、再循環領域
を形成する。その結果、火炎が安定し振動燃焼も低減す
るので、安定した運転ができる。なお、実施の形態１で
説明したように、燃焼室５０側における燃焼器内筒に冷
却手段を設けて、高温の燃焼ガスや混合気体が燃焼する
ことによって形成される火炎が衝突する燃焼器内筒の部
分を冷却してもよい。このようにすることで、より積極
的に外向きの旋回流を形成できる。したがって、燃料と
空気とがより十分に混合されて均等に燃焼するため局所
高温部を抑制できる。その結果、ＮＯｘの発生もより抑
制できる。

【００４２】（実施の形態３）図１１は、この発明の実
施の形態３に係るガスタービン燃焼器を示す正面図であ
る。本実施の形態に係るガスタービン燃焼器は、燃焼器
内筒２０の軸方向に垂直な平面上に存在する異なる大き
さのピッチ円Ｄ₁およびＤ₂（Ｄ₁＞Ｄ₂）上に複数の予混
合ノズルを配置した点に特徴がある。

【００４３】図１１に示すように、本実施の形態に係る
ガスタービン燃焼器では、燃焼器内筒２０の内部に拡散
燃焼火炎を形成する拡散火炎形成コーン３０が備えられ
ており、この拡散火炎形成コーン３０の周囲には複数の
予混合火炎形成ノズル（図示せず）が大きさの異なる少
なくとも２個のピッチ円上に配置されている。そして、
前記ピッチ円Ｄ₁およびＤ₂上にはそれぞれ４個の予混合
火炎形成ノズルが配置されている。なお、予混合火炎形
成ノズルの数は４個に限定されるものではない。

【００４４】予混合火炎形成ノズルは、その内部に主燃
料を噴射する主燃料供給ノズルを備えている。また、前
記予混合火炎形成ノズルの空気取り入れ口側にはスワラ
ーが備えられており、燃焼用空気はこのスワラーによっ
て旋回を与えられて主燃料と十分に混合される。また、
前記予混合火炎形成ノズルの出口側にはノズル延長管４
５０が設けられており、燃焼用圧縮空気と主燃料とが混
合した気体を燃焼室側（図示せず）に噴射する。前記ノ
ズル延長管４５０の出口形状は円形をしており、燃焼器
内筒２０の径方向外側へ傾けてある。同時に前記ノズル
延長管４５０は、前記燃焼器内筒２０の周方向へも傾け
てある。

【００４５】前記予混合火炎形成ノズルから噴射された
予混合気体はノズル延長管４５０を介して燃焼室側へ噴
射される。そして、燃焼室側へ噴射された予混合気体
は、ノズル延長管４５０によって外向き旋回流となっ
て、燃焼室内をらせん状に流れる。本実施の形態に係る
ガスタービン燃焼器においては、二つのピッチ円Ｄ₁お
よびＤ₂上にそれぞれ予混合火炎形成ノズルを配置して
いるため、ピッチ円Ｄ₁およびＤ₂上に設けられているそ
れぞれの予混合火炎形成ノズル群に対応した外向き旋回
流が発生する。この二つの外向き旋回流によって、燃焼
室の内壁近傍と中心近傍との間、および外側の予混合火
炎形成ノズル群による外向き旋回流と内側の予混合火炎
形成ノズル群による外向き旋回流との間に循環流が発生
して予混合気体は十分に混合される。その結果、局所高
温部が少なくなりＮＯｘの発生を抑制できる。また、上
記二つの再循環領域によって予混合火炎がより安定し、
振動燃焼等も軽減できる。

【００４６】また、本実施の形態に係るガスタービン燃
焼器では、二つのピッチ円Ｄ₁およびＤ₂上にそれぞれ予
混合火炎形成ノズルを配置しているため、負荷に応じて
使用する予混合火炎形成ノズル群を適宜選択することが
できる。したがって、部分負荷から全負荷にわたって最
適な燃空比で希薄燃焼運転ができるので、すべての負荷
領域でＮＯｘの発生を抑制することができる。

【００４７】（実施の形態４）図１２は、この発明の実
施の形態４に係るガスタービン燃焼器を示す正面図であ
る。図１３は実施の形態４に係るガスタービン燃焼器を
使用するノズル延長管の軸方向断面図である。本ガスタ
ービン燃焼器は、ノズル延長管４６０の内部に設けたフ
ィンにより予混合気体の方向を調整する点に特徴があ
る。

【００４８】本実施の形態に係るガスタービン燃焼器
は、外向き旋回流を作る手段の一つとして一定方向に傾
けたフィンを使用する点で、実施の形態１に係るガスタ
ービン燃焼器と相違する。図１２および１３に示すよう
に、ノズル延長管４６０の出口は燃焼器内筒２０の内壁
に向かって傾けられており、この傾きによって予混合気
体に外向きの流れを与える。また、当該ノズル延長管４
６０の出口近傍には、予混合気体に燃焼器内筒２０の周
方向に向かう旋回を与えるためのフィン４６５が備えら
れている。フィン４６５の枚数は適宜増減できる。な
お、フィン４６５は燃焼器内筒２０の内壁に取付けても
よい。この場合にはフィン４６５がより燃焼室（図示せ
ず）の近くに設置されて高温にさらされるので、フィル
ム冷却や対流冷却等の冷却手段によってフィン４６５を
冷却することが好ましい。

【００４９】本実施の形態に係るガスタービン燃焼器は
ノズル延長管４６０の出口にフィン４６５が設けられて
おり、また前記ノズル延長管４６０の出口は燃焼器内筒
２０の径方向外側に傾いている。したがって、前記ノズ
ル延長管４６０から噴射された予混合気体は、前記燃焼
器内筒２０の軸の周囲をらせん状に進む流れ、いわゆる
外向き旋回流となる。この外向き旋回流によって予混合
気体は十分に混合されるので局所高温部が少なくなり、
ＮＯｘの発生を抑制できる。また、この外向き旋回流に
よって燃焼室５０の内壁近傍の圧力は高く、中心近傍の
圧力は低くなる結果、内壁近傍と中心近傍との間に大き
な循環流が発生し再循環領域が拡大する。このため、予
混合気体の燃焼が安定する。なお、フィン４６５を燃焼
器内筒２０の内壁側に取付けた場合も、同様の効果を得
ることができる。

【００５０】図１４は、実施の形態４の変形例に係るガ
スタービン燃焼器の正面図である。また、図１５は、実
施の形態４に使用する予混合火炎形成ノズル延長管の軸
方向断面図である。上記ガスタービン燃焼器はフィン４
６５によって予混合気体に旋回を与えたが、本変形例に
係るガスタービン燃焼器はフィン４７５によって予混合
気体に外向きの流れを、ノズル延長管の傾きによって旋
回を与えるものである。

【００５１】この変形例に係るガスタービン燃焼器は、
ノズル延長管４７０の出口にフィン４７５が設けられて
おり、前記ノズル延長管４７０の出口は予混合気体に燃
焼器内筒２０の周方向に向かう旋回を与えるように傾い
ている。また、フィン４７５は燃焼器内筒２０の径方向
外側へ傾けてあり、予混合気体に当該方向へ向かう流れ
を与える。なお、このフィン４７５の枚数は適宜増減で
きる。

【００５２】前記ノズル延長管４７０から噴射された予
混合気体は、ノズル延長管４７０の傾きおよびフィン４
７５の傾きによって、前記燃焼器内筒２０の軸の周囲を
らせん状に進む流れ、すなわち外向き旋回流となる。こ
の外向き旋回流によって、予混合気体は十分に混合され
るので、局所高温部が少なくなりＮＯｘの発生が抑制さ
れる。また、この外向き旋回流によって燃焼室５０の内
壁近傍における圧力は高く、中心近傍の圧力は低くなる
結果、燃焼室５０の内壁と中心との間に循環流が発生し
再循環領域を形成する。この再循環領域は予混合気体が
内向きの旋回流を形成したときよりも大きくなるので、
予混合火炎が安定して形成される。その結果、振動燃焼
等が低減され、従来よりも安定した運転ができる。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように、この発明のガスタ
ービン燃焼器（請求項１）では、燃焼器内筒の径方向外
側に向かいながら当該燃焼器内筒の周方向に旋回する予
混合気体の流れを形成する予混合火炎形成ノズル延長部
を、主燃料と空気とを混合させた予混合気体によって予
混合火炎を形成するための予混合火炎形成ノズルの出口
に備えるようにした。この予混合火炎形成ノズル延長部
によって、予混合気体には燃焼器内筒の内壁面に向かい
且つ旋回する流れが与えられるので、予混合気体は拡散
火炎の周囲をらせん状に流れる過程において十分に混合
される。この混合作用によって、局所高温部がほとんど
発生しなくなり、ＮＯｘの発生を十分に抑制できる。ま
た、燃焼器の中心付近に形成される再循環領域が拡大さ
れるので、予混合火炎が安定して形成されて安定した運
転ができる。

【００５４】また、この発明のガスタービン燃焼器（請
求項２）では、予混合気体に燃焼器内筒の内壁面に向か
い且つ旋回する流れを与えるため、予混合火炎形成ノズ
ル延長部を燃焼器内筒の軸方向に対して当該燃焼器内筒
の径方向外側および周方向にそれぞれ傾けるようにし
た。このため、この予混合火炎形成ノズル延長部から噴
射される予混合気体は、燃焼室内を外向き且つらせん状
に流れる過程において十分に混合され、また燃焼室の軸
方向にわたって均一且つ十分に燃焼が進行する。この作
用によって、局所高温部がほとんど発生しなくなり、Ｎ
Ｏｘの発生を十分に抑制できる。また、燃焼器の中心付
近に形成される再循環領域が拡大されるので、予混合火
炎が安定して形成され、安定した運転ができる。さら
に、予混合火炎形成ノズル延長部の出口を傾ける簡単な
構造であるため、製造が容易となり耐久性も向上する。

【００５５】また、この発明のガスタービン燃焼器（請
求項３）では、混合気体形成用筒内でパイロット燃料と
圧縮空気との混合気体と予混合気体とを形成し、燃焼器
内筒の軸方向に対して当該燃焼器内筒の径方向外側およ
び周方向にそれぞれ傾けた混合気体噴射用延長部から噴
射するようにした。このため、予混合気体と前記混合気
体とは外向の旋回流となってらせん状に燃焼室内を流れ
るので、燃焼室の内壁近傍における圧力は高く、中心近
傍における圧力は低くなる。その結果、前記混合気体が
十分に混合されながら燃焼が進行するため、局所高温部
が少なくなりＮＯｘの発生を十分に抑制できる。また、
内壁近傍と中心近傍との間に生ずる再循環領域が拡大す
るため火炎が安定し、振動燃焼等が抑制されるので、安
定した運転ができる。

【００５６】また、この発明のガスタービン燃焼器（請
求項４）では、上記ガスタービン燃焼器において、さら
に、少なくとも上記予混合火炎形成ノズルによって形成
される予混合火炎または上記混合気体形成用筒から噴射
される気体によって形成される火炎が前記燃焼器内筒の
内周に衝突する部分に、当該燃焼器内筒冷却手段を備え
た。このため、予混合火炎や高温の燃焼ガス等が衝突す
ることによる燃焼器内筒の温度上昇を抑制できるので、
燃焼器内筒の寿命を損なうことなくより積極的に外向き
の旋回流を作り出すことができる。その結果、よりＮＯ
ｘの発生を抑制できる。また、再循環領域もより拡大で
きるので、より安定した運転ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１に係るガスタービン燃
焼器を示す正面図である。

【図２】図１に示したガスタービン燃焼器の軸方向断面
図である。

【図３】実施の形態１に使用する予混合火炎形成ノズル
延長管の軸方向断面図である。

【図４】主燃料供給ノズルを示す側面図である。

【図５】冷却手段を取付けた燃焼器内筒を示す軸方向断
面図である。

【図６】実施の形態１に係るガスタービン燃焼器の第一
の変形例を示す正面図である。

【図７】実施の形態１に係るガスタービン燃焼器の第二
の変形例を示す正面図である。

【図８】この発明の実施の形態２に係るガスタービン燃
焼器を示す正面図である。

【図９】図８に示したガスタービン燃焼器の軸方向断面
図である。

【図１０】実施の形態２に使用する混合気体形成用筒を
示す軸方向断面図である。

【図１１】この発明の実施の形態３に係るガスタービン
燃焼器を示す正面図である。

【図１２】この発明の実施の形態４に係るガスタービン
燃焼器を示す正面図である。

【図１３】実施の形態４に係るガスタービン燃焼器を使
用するノズル延長管の軸方向断面図である。

【図１４】実施の形態４の変形例に係るガスタービン燃
焼器の正面図である。

【図１５】実施の形態４に使用する予混合火炎形成ノズ
ル延長管の軸方向断面図である。

【図１６】予混合方式のガスタービン燃焼器の一例を示
す正面図である。

【符号の説明】

１０燃焼器外筒２０燃焼器内筒２０ａ燃焼室側における燃焼器内筒２１プレートフィン３０拡散火炎形成コーン３１、３５パイロット燃料供給ノズル３２拡散火炎形成ノズル３３、４２、７２スワラー３６パイロットノズル４０予混合火炎形成ノズル５０燃焼室６０主燃料供給ノズル６１、６４主燃料供給孔６２、６３スポーク７０混合気体形成用筒４００、４１０、４２０、４３０、４４０、４５０、４
６０、４７０ノズル延長管４１１側部４１２側部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者秋月渉兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号三菱重工業株式会社高砂製作所内 (72)発明者皆川貞夫広島市西区南観音六丁目４番31号株式会社リョーセンエンジニアズ内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼器内筒と、前記燃焼器内筒の内部に配置されパイロット燃料と空気
とを混合して拡散火炎を形成する拡散火炎形成コーン
と、前記燃焼器内筒とパイロット火炎形成コーンとの間に環
状に設けられ、主燃料と空気とを混合させた予混合気体
によって予混合火炎を形成するための予混合火炎形成ノ
ズルと、当該予混合火炎形成ノズルの出口に備えられ、且つ前記
燃焼器内筒の径方向外側に向かいながら当該燃焼器内筒
の周方向に旋回する予混合気体の流れを形成する予混合
火炎形成ノズル延長部と、を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項２】燃焼器内筒と、前記燃焼器内筒の内部に配置されパイロット燃料と空気
とを混合して拡散火炎を形成する拡散火炎形成コーン
と、前記燃焼器内筒とパイロット火炎形成コーンとの間に環
状に設けられ、主燃料と空気とを混合させた予混合気体
によって予混合火炎を形成するための予混合火炎形成ノ
ズルと、前記燃焼器内筒の軸方向に対して当該燃焼器内筒の径方
向外側および周方向にそれぞれ傾けて前記予混合火炎形
成ノズルの出口に備えられ、前記予混合火炎形成ノズル
で作られた予混合気体を噴射する予混合火炎形成ノズル
延長部と、を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項３】燃焼器内筒と、パイロット燃料を噴射するノズルと主燃料を噴射するノ
ズルとを内部に備えた混合気体形成用筒と、前記燃焼器内筒の軸方向に対して当該燃焼器内筒の径方
向外側および周方向にそれぞれ傾けて前記混合気体形成
用筒の出口に備えられ、前記パイロット燃料と空気とを
混合して作られた気体および前記主燃料と空気とを混合
して作られた予混合気体を噴射する混合気体噴射用延長
部と、を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項４】さらに、少なくとも上記予混合火炎形成
ノズルによって形成される予混合火炎または上記混合気
体形成用筒から噴射される気体によって形成される火炎
が前記燃焼器内筒の内周に衝突する部分に、当該燃焼器
内筒冷却手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３の
いずれか一つに記載のガスタービン燃焼器。