JP2003139326A

JP2003139326A - ガスタービンの燃焼器

Info

Publication number: JP2003139326A
Application number: JP2001337554A
Authority: JP
Inventors: Kimiyoshi Sato; 公美佐藤; Toshiro Fujimori; 俊郎藤森; Soichiro Kato; 壮一郎加藤
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2001-11-02
Filing date: 2001-11-02
Publication date: 2003-05-14

Abstract

(57)【要約】【課題】ガスタービン燃焼器の燃焼振動を防ぐ。【解決手段】燃焼器ライナ１に囲繞された燃焼室７に
燃料と空気を予め混合して送る予混合管５を接続してな
るガスタービンの燃焼器１０であって、予混合管５は２
以上設けられていて各予混合管５の空気入口に設けられ
たスワラ４のスワール角度が互いに異なっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は予混合管を有するガ
スタービンの燃焼器に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンの燃焼器は、ガスタービン
の圧縮機とタービンとの間に設けられ、圧縮機で加圧さ
れた空気中に燃料を吹き込んで燃焼させて高温・高圧の
気体にするためのものである。燃焼器を構成する要素
は、燃料ノズル、内筒および外筒であり、着火用の点火
線も欠かせない。図３は直流かん形燃焼器の断面図であ
る。内筒（燃焼器ライナ）と外筒（燃焼器ケーシング）
との間には空気通路が形成されている。内筒は燃料と空
気の混合比を適当に保って安定、かつ、完全な燃焼を得
るためのもので、保炎器と燃焼用空気（二次空気）の導
入口、希釈用空気の導入口などを有する。保炎器は逆流
域を作って火炎の安定を図るためのもので、燃料ノズル
の周りに設けられたバッフル板、あるいはそれに加えて
空気旋回器（スワラ）などがその役割を果たす。燃焼用
の二次燃焼空気は、いくつかの段階に分けて燃焼域に導
入するが、この空気の一部は同時に円筒の冷却に利用さ
れる。希釈空気は、混合後の燃焼ガス温度を計画された
値に下げる。

【０００３】近年、発電用などにガスタービンの利用が
増加している。特に燃料にＬＮＧなどを使用し、発電用
ガスタービンの廃ガスを廃熱ボイラに導いて蒸気を発生
させ、その蒸気を蒸気タービンに導いて発電を行うコン
バインドサイクルは熱効率を大幅に高めることができ
る。一方、大気汚染に対する公害規則は年々厳しくな
り、窒素酸化物（ＮＯｘ）などの大気汚染物質の排出値
を低減することが社会的な要請となっている。ガスター
ビンでは、従来、油燃料による拡散燃焼が主体であった
が、最近ではガス系の燃料（ＬＮＧなど）が主流にな
り、燃焼法も拡散燃焼から予混合燃焼へと変わってきて
いる。予混合燃焼とは、予め燃料と空気とを混合させた
予混合気を燃焼させる方法で、比較的低温で一様な燃焼
をさせるので、ＮＯｘの発生の盛んな高温域が少なく、
ＮＯｘ低減効果の大きい燃焼法である。

【０００４】一方、拡散燃焼に対する予混合燃焼の比率
の増大および希薄予混合気の燃焼は逆に燃焼の安定性を
悪くし、燃焼振動や不安定燃焼を起こし易く、信頼性上
大きな問題がある。その理由は、油燃料の拡散燃焼では
油滴の径の違い、蒸発速度の違いなどがあって、局所的
に見れば発熱量や発熱位置の相当のばらつきがあり、燃
焼振動の圧力変動に対する発熱の位相も全体としては揃
わないため、燃焼振動が起こりにくいのに対し、ガス系
の燃料の予混合燃焼の場合には燃料が均一濃度になって
いるため、どの位置でもほとんど同じ位相で、しかも、
集中的な発熱になり、振動の加振力は集中的で強力なも
のになるためと思われる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】燃焼振動の発生は、燃
焼器の損傷や破損につながるため、その発生の抑制や燃
焼振動圧力の低減が予混合燃焼の課題となっている。

【０００６】燃焼振動のメカニズムは、必ずしも明らか
ではないが、気柱共鳴現象の１つではないかと考えられ
る。図４は考えられるメカニズムの解説のためのフロー
シートで、何らかの原因で燃焼室への燃料供給量および
空気供給量に変動が生じると火炎帯の発熱変動を惹き起
すが、それは同時に火炎帯の圧力変動、すなわち、燃焼
振動を惹き起す。火炎帯で発生する圧力の疎密波は音速
で予混合器内を逆流し、予混合管の基端に到達する。疎
密波の山の部分（圧力の高い部分）では、予混合管に流
入する圧縮空気と燃料の流量は減少し、谷の部分（圧力
の低い部分）では、予混合管に流入する圧縮空気と燃料
の流量は増大する。空気流量と燃料流量の疎密波は、エ
ネルギーの疎密波と考えられる。エネルギーの疎密波
は、再び予混合管を順流して火炎に到達する。このエネ
ルギーの疎密波は、火炎内の圧力の疎密波と波長が同じ
で、位相が遅れている。

【０００７】位相の遅れが、周波数の整数倍である場合
には共振を起すことになる。すなわち、圧力の高い部分
にエネルギーレベルの高い部分が重なり、圧力の低い部
分にエネルギーレベルの低い部分が重なると、圧力の高
い部分はますます圧力が高くなり、低い部分では圧力が
ますます低くなり、圧力変動をますます増大させる。

【０００８】以上述べた位相の遅れの量は、予混合管内
を流れる気体の流速に依存するが、流速はガスタービン
の運転条件により変化し、流速がある条件下にあるとき
に位相の遅れが周波数の整数倍となることがあり、その
ような運転条件では運転が著しく困難になる。

【０００９】本発明は、従来技術のかかる問題点に鑑み
案出したもので、予混合管出口から火炎までの距離を分
散化することにより、燃焼器内における燃焼振動の発生
を抑制することのできるガスタービンの燃焼器を提供す
ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のガスタービンの燃焼器は、燃焼器ライナに
囲繞された燃焼室に燃料と空気を予め混合して送る予混
合管を接続してなるガスタービンの燃焼器であって、予
混合管は２以上設けられていて各予混合管の空気入口に
設けられたスワラのスワール角度が互いに異なっている
ものである。

【００１１】燃料が気体燃料である場合は、先に述べた
ように燃焼振動を起こし易いので、本発明の燃焼器が特
に有効である。

【００１２】次に本発明の作用を説明する。複数の予混
合管の長さが同じで、スワラの角度も同じである場合に
は、どの予混合管出口でもエネルギーレベルの変動の位
相が同じであり、かつ、火炎の発生する位置も同じで、
集中的な発熱になるため振動の加振力は集中的で、強力
なものになる。しかし、予混合管の長さが同じで、スワ
ラのスワール角度（スワラを構成する各羽根の軸芯を含
む平面に対する傾き角度）が異なると、燃焼器内の火炎
の長さが長くなる。すなわち、スワール角度の小さいス
ワラを有する予混合管からの混合気は流速が大きく、混
合も悪いので、予混合管出口から火炎までの距離が大き
いのに対し、スワール角度の大きいスワラを有する予混
合管からの混合気の流速は小さく、混合もよいので、予
混合管出口から火炎までの距離が小さい。したがって、
合成された火炎の長さは長くなり、発熱が分散されて集
中的な発熱が回避され、加振力も小さくなる。また、各
予混合管からの混合気のエネルギーレベルの変動の位相
もずれているので、加振力はさらに減少する。このよう
な理由で、本発明のガスタービンの燃焼振動が起こりに
くい。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態につい
て図面を参照しつつ説明する。図１は本発明のガスター
ビンの燃焼器の部分断面図である。図において、１０は
燃焼器である。１は燃焼器ライナである。燃焼器ライナ
１は、図３に示すような二次燃焼兼冷却用の空気が流入
する小孔が多数穿設された多孔式のものでもよいし、多
数の截頭円錐状の筒を互いに一部が重なるように組み合
わせ、重なり合った部分に形成される隙間から空気を流
入させるようにした細隙式のものでもよい。２は燃焼器
ケーシングである。３はパイロットバーナで、パイロッ
トノズル３ａとそれを囲繞するスワラ４ｃを有してい
る。パイロットバーナ３からの燃焼は拡散燃焼である。
５は予混合管で、パイロットバーナ３を囲繞して複数個
（たとえば６個）設けられているが、説明の都合上、上
下に１個ずつ設けられている場合について説明する。予
混合管５は、上流側（図上で左端側）にスワラ４が設け
られており、スワラ４の中心を貫通して予混合ノズル５
ａが設けられており、その先端から燃料を噴出する。ス
ワラ４は軸芯から放射状に伸びる複数の羽根を有してい
て、各羽根は、羽根の先端と軸芯を含む放射状の平面に
対して傾いており、この傾き角をスワール角度という。
羽根がスワール角をもっているので、スワラ４を通った
空気は旋回流となり、空気と燃料との混合が良好に行わ
れる。４ａはスワラａ、４ｂはスワラｂであり、スワラ
ａはスワール角度が大きく、スワラｂはスワール角度が
小さい。６は火炎、７は燃焼室、８は空気通路である。
また、Ｌは火炎６の長さである。

【００１４】次に本実施形態の作用を説明する。複数の
予混合管５の長さが同じで、スワラ４の角度も同じであ
る場合には、どの予混合管５の出口でもエネルギーレベ
ルの変動の位相が同じであり、かつ、火炎の発生する位
置も同じで集中的な発熱になるため振動の加振力は集中
的で強力なものになる。しかし、予混合管５の長さが同
じで、スワラ４のスワール角度が異なると、燃焼室７内
の火炎６の長さＬが長くなる。すなわち、図２に示すよ
うに、スワール角度の小さいスワラ４ｂを有する予混合
管５からの混合気は流速が大きく、混合も悪いので、予
混合管５出口から火炎６までの距離が大きいのに対し、
スワール角度の大きいスワラ４ａを有する予混合管５か
らの混合気の流速は小さく、混合もよいので、予混合管
５出口から火炎６までの距離が小さい。したがって、合
成された火炎６の長さＬは長くなり、発熱が分散されて
集中的な発熱が回避され、加振力も小さくなる。また、
各予混合管５からの混合気のエネルギーレベルの変動の
位相もずれているので、加振力はさらに減少する。この
ような理由で、本発明のガスタービンの燃焼振動が起こ
りにくい。

【００１５】本発明は以上述べた実施形態に限定される
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。たとえば、以上述べた実施形態では燃
焼室に接続する予混合管の数は２としたが３以上であっ
てもよく、また、スワラのスワール角度も全部が別々で
あってもよいし、同じ物が2以上あり残りが異なっても
よい。さらに、燃料は気体でなく、液体であってもよ
い。

【００１６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明のガスタービ
ンの燃焼器は、燃焼室に接続する２以上の予混合管の空
気入口に設けられたスワール角度が互いに異なっている
ので、燃焼室内の火炎が長くなって発熱が分散されて、
加振力が小さくなる。また、各予混合管からの混合気の
エネルギーレベルの変動の位相もずれているので、さら
に、燃焼振動が起こりにくいという優れた効果を有す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガスタービンの燃焼器の部分断面図で
ある。

【図２】スワール角度と火炎位置の関係を示すグラフで
ある。

【図３】ガスタービンの燃焼器の断面図である。

【図４】燃焼振動のメカニズムの説明図である。

【符号の説明】

１燃焼器ライナ２燃焼器ケーシング４スワラ５予混合管６火炎７燃焼室１０燃焼器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤森俊郎東京都江東区豊洲三丁目１番15号石川島播磨重工業株式会社東京エンジニアリングセンター基盤技術研究所内 (72)発明者加藤壮一郎東京都江東区豊洲三丁目１番15号石川島播磨重工業株式会社東京エンジニアリングセンター基盤技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼器ライナに囲繞された燃焼室に燃料
と空気を予め混合して送る予混合管を接続してなるガス
タービンの燃焼器であって、予混合管は２以上設けられ
ていて各予混合管の空気入口に設けられたスワラのスワ
ール角度が互いに異なっていることを特徴とするガスタ
ービンの燃焼器。
【請求項２】燃料は気体である請求項１記載のガスタ
ービンの燃焼器。