JP2004085123A - Combustor for gas turbine - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明が属する技術分野】
本発明は、気体燃料あるいは液体燃料を燃焼させるガスタービン用燃焼器に関する。
【0002】
【従来の技術】
気体燃料あるいは液体燃料を燃焼させるガスタービン用の燃焼器が知られている。ここで、このような燃焼器において、近年、環境面への配慮から、燃焼時に発生する窒素酸化物(NOx)と一酸化炭素(CO)や炭化水素(HC)などの未燃燃料の排出が大きな問題となっている。
【0003】
この種の燃焼器においては、安定した燃焼が得られる拡散燃焼が通常に用いられていたが、このような拡散燃焼では、断熱火炎温度が約2000℃前後にも達するため、一酸化炭素(CO)や炭化水素(HC)などの未燃燃料の排出は比較的少ない反面、この高温により空気中の窒素が酸化される所謂「サーマルNOx」が大量に発生するというデメリットがあった。
【0004】
一方、この「サーマルNOx」は、火炎温度を下げることにより低減できることが知られており、従来の拡散燃焼に代えて、希薄予混合燃焼を採用し、燃料と燃焼空気を予混合して燃料の希薄な混合ガスとし、これを比較的低温で燃焼させてNOxの発生を抑制する手段が既に試みられている。
【0005】
しかし、予混合燃焼において例えば当量比0.5程度の希薄予混合気になると一酸化炭素(CO)や炭化水素(HC)などの未燃燃料の排出が多くなるばかりでなく、燃焼安定範囲が狭くなり、確実な着火スタートや安定したガスタービン運転が困難になる問題があった。
【0006】
このため、着火用ガス噴出孔とその周囲に設けられた一次及び二次の燃焼用予混合ガス噴出孔とによって3系統の燃料供給系統を構成し、これら3系統の燃料供給制御を行うことにより、比較的広い運転条件で予混合気の当量比が希薄になり過ぎないようにして低NOx化を実現する技術が提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2)。
【0007】
しかしながら、前記特許文献に示される如き多数の燃料供給系をもつ燃焼器の場合、燃焼室内の空間的な当量比を理想的な当量比分布に制御して運転できるメリットがある反面、燃料制御などの機器構成が複雑になったり燃料制御が複雑で構成機器の信頼性やコスト等に課題が残存していた。
【0008】
そこで、燃焼器の燃料供給系を2系統で構成し、この2系統の燃料供給制御で希薄予混合燃焼させるガスタービン用燃焼器を、既に本出願人が提案している(特願2001−394615)。
【0009】
ところが、前記提案した構造の燃焼器では、構造が簡便で安価であるものの、着火性を確実に確保すると同時に広い運転条件で希薄予混合火炎の安定性を確保するという点においては、未だ改善の余地があった。
【0010】
また、前記提案した構造の燃焼器では、燃料噴射ノズルが燃焼用空気通路の空間内または燃焼室内に対面しているため、特に燃焼用空気が600℃以上に加熱される条件においては、熱的耐久性がない、カーボン付着がある、あるいは加熱空気の粘性が上昇するため噴射燃料と空気の混合が悪い、といった問題が発生することがある。
【0011】
特に、例えば、シンプルサイクルガスタービンの熱効率を改善した再生式マイクロガスタービンでは、圧縮機出口の空気をタービン出口排出ガスの排熱回収用熱交換器により加熱して、例えば600℃程度以上に加熱して燃焼器に供給される構成となっているため、予混合燃焼器に組み込まれた燃料噴射ノズルは600℃以上の空気に常時曝されると共に燃焼室からの燃焼熱によっても加熱されることになる。このため、燃料噴射ノズルの熱的耐久性を向上させたり、あるいは燃料のカーボン化やデポジットの付着を防止する対策や工夫が必要である。
【0012】
さらに、排熱回収用熱交換器で加熱された600℃程度以上の空気は、圧縮機出口の空気(例えば200℃程度)に比較して粘性が3倍も大きく、加熱空気と燃料の混合は相対的に悪化する。このため、限られた通路内の空間で均一な希薄予混合気を形成することが難しくなり、従来と同等の空間寸法で充分に均一な予混合気を得るためには工夫が必要である。一方、加熱空気は未燃炭化水素(HC)や一酸化炭素(CO)の排出を抑制する可能性がある一方で、予混合度の悪化による燃焼温度の不均一の結果として「サーマルNOx」の排出が助長される可能性も大きくなる。現実的には、例えば分散電源に使用されるマイクロガスタービン等の場合には、NOxとCO・HCを同時に10ppm未満に低減することが要求されている。
【0013】
この場合、200℃程度の圧縮機出口空気で予混合燃焼器の燃料噴射ノズルを冷却することが考えられるが、その空気を単に冷却だけに使用したのでは、希薄予混合火炎あるいは拡散火炎に悪影響がでることになり、NOxとCO・HCを同時に低減すると共に耐久性を向上しつつ、着火始動性と火炎安定性を共に確保することは困難である。
【0014】
【特許文献1】
特開平5−340273号公報
【特許文献2】
特開平8−128636号公報
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の相反する諸問題に対して創案されたものであり、確実な着火始動性及び強固な予混合火炎の安定性を確保できると共に、広い運転範囲(運転条件)で低NOx及び高燃焼効率(低CO・低HC)で運転することができ、かつこれを簡便で低コストにより実現できるガスタービン用燃焼器を得ることが目的である。
【0016】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る発明のガスタービン用燃焼器は、燃焼室の軸心部分に位置し、前記燃焼室へ向けて拡散燃料を噴射する拡散燃料噴射ノズルと、前記燃焼室に連通して前記拡散燃料噴射ノズルの周囲に環状に設けられ、予混合気を供給するための予混合通路と、前記予混合通路内に予混合燃料を噴射する予混合燃料噴射ノズルと、前記拡散燃料噴射ノズルと前記予混合通路の間に配置され、前記燃焼室へ向けて旋回気流を噴出するための旋回装置と、を備えたことを特徴としている。
【0017】
請求項1記載のガスタービン用燃焼器では、拡散燃料噴射ノズルから燃焼室へ向けて拡散燃焼用の燃料が噴射されると共に、予混合燃料噴射ノズルから予混合通路内に予混合気のための燃料が噴射され、この予混合通路で形成された予混合気が燃焼室へ供給される。さらにこの際に、旋回装置によって旋回気流が燃焼室へ向けて噴出される。これにより、拡散燃料噴射ノズルにより燃焼室内の中央領域に形成される拡散火炎とその外周領域に形成される予混合火炎を旋回気流で乱流混合させることができる。
【0018】
したがって、拡散燃料噴射ノズルからの燃料による拡散火炎と、予混合通路(予混合燃料噴射ノズル)からの燃料による予混合火炎との燃焼促進が図られ、このため、燃焼効率が高まると共に燃焼室内温度の空間分布を比較的一様にすることができる。これにより、結果として「サーマルNOx」の排出が低減されると同時に、CO・HCの排出も低く抑えることができる。
【0019】
請求項2に係る発明のガスタービン用燃焼器は、請求項1記載のガスタービン用燃焼器において、前記拡散燃料噴射ノズルに連通し、前記拡散燃料噴射ノズルに燃料を供給するための拡散燃料通路と、前記旋回装置に連通すると共に、前記予混合通路よりも軸心側であって前記拡散燃料通路の周囲に環状に設けられ、前記旋回装置に空気を供給するための旋回気流通路と、を備え、前記旋回気流通路を通って供給された空気が前記旋回装置によって旋回速度を付与されて噴出し前記燃焼室に旋回気流を形成する、ことを特徴としている。
【0020】
一般的に、予混合燃料噴射ノズルから噴射した燃料を予混合通路の比較的短い空間寸法内(平均通過時間・約1msec以内)で燃料と空気を予混合し、予混合通路の出口(燃焼室の入口)で円周方向と半径方向の空間的分布がなく、しかも時間的に空気流量も燃料流量も変動するために均一な予混合気を形成することは現実的にはかなり難しい。
【0021】
この点、請求項2記載のガスタービン用燃焼器では、拡散燃料通路の周囲に環状に設けられ旋回気流通路を備えており、旋回気流通路を通って供給された空気が旋回装置によって旋回速度を付与されて噴出されて燃焼室に旋回気流を形成し、しかもこの旋回気流は予混合通路よりも軸心側(内方側)に噴出形成されるため、予混合通路の出口に存在し燃料濃度の不均一がある予混合気流で形成される予混合火炎は、その内側に形成された旋回気流によって燃焼室内の下流側に引き延ばされる(旋回気流によって予混合火炎を燃焼室の下流側まで引き延ばすことができる)。このため、燃焼室内の「サーマルNOx」の生成が抑制されて、例えば5ppm以下の低NOx燃焼が可能となる。
【0022】
請求項3に係る発明のガスタービン用燃焼器は、請求項1または請求項2記載のガスタービン用燃焼器において、前記予混合通路の出口と前記旋回装置との間に位置し、前記燃焼室に対面して設けられた円環状の端面を有する保炎器を備えたことを特徴としている。
【0023】
前述の如く予混合火炎を旋回気流で燃焼室内に引き延ばすと、火炎を保持する火炎起部が不安定になり、吹き消えの確率が上昇することがある。
【0024】
この点、請求項3記載のガスタービン用燃焼器では、保炎器を予混合通路の出口と旋回装置との間に配置し、その円環状の端面を燃焼室に対面して設けたため、この端面付近が止水領域を形成して、この端面下流に円環状に火炎起部が形成されることになり、火炎を引き延ばしても火炎起部の保持力を増強することができる。
【0025】
請求項4に係る発明のガスタービン用燃焼器は、請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載のガスタービン用燃焼器において、前記拡散燃料噴射ノズルは、前記拡散燃料を80度から100度の挟み角度で前記燃焼室へ向けて噴射する複数の噴孔を有する、ことを特徴としている。
【0026】
請求項4記載のガスタービン用燃焼器では、拡散燃料噴射ノズルの噴孔から燃料が80度から100度の挟み角度で燃焼室に噴射されるため、燃焼室に形成された旋回気流が例えば燃焼室軸線に対し45度の角度で旋回しているとすると、前記噴射された燃料噴流と前記旋回気流とは相対的にほぼ横から衝突する位置関係になる。これにより、拡散燃料と空気が素早く混合することになり、拡散燃料噴射ノズル近傍領域の空気不足によるススの生成が抑制されると共に燃焼が促進される。このため、火炎保持力が高まり、結果として少ない燃料で火炎保持ができるので、低NOxでかつ高燃焼効率(低CO・低HC)で燃焼することが可能になる。また、保炎器端面の近傍領域が比較的リーンな当量比になるため、スス付着による拡散燃料噴射ノズルの不具合の発生を防止することもできる。
【0027】
なお、ガスタービンの着火スタート時にはエンジンの回転速度が低いため供給される空気が少ないので、拡散燃料噴射ノズルの噴孔から噴射される燃料は、燃焼室側壁に設置した点火プラグ先端まで直接に確実に到達することができ、着火が素早く行われる。その後に、ガスタービンが加速するに連れて空気が大量に供給される状況では、拡散燃料噴射ノズルから噴射された燃料は旋回気流と充分に混合するため、拡散燃料はもはや燃焼室側壁面に到達することがなく、このため、燃焼室壁面が加熱されて昇温されることが無くなり、燃焼室ライナの耐久性が向上する。
【0028】
請求項5に係る発明のガスタービン用燃焼器は、請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載のガスタービン用燃焼器において、前記拡散燃料噴射ノズルの複数の噴孔は、前記燃焼室に対面するノズル先端の円周上等分位置に設けられ、かつ、前記旋回装置は前記噴孔の直近に配置される、ことを特徴としている。
【0029】
請求項5記載のガスタービン用燃焼器では、噴孔が燃焼室に対面するノズル先端の円周上等分位置に設けられているため、これらの噴孔から噴出した燃料によって火炎を効果的に保持することができると共に、旋回装置が各噴孔の直近に配置されるため、各噴孔からの燃料の分散と混合が良好になり、低NOxでかつ低CO・低HC燃焼が可能となる。
【0030】
請求項6に係る発明のガスタービン用燃焼器は、請求項2乃至請求項5の何れか1項に記載のガスタービン用燃焼器において、前記旋回気流通路を前記燃焼室及び前記予混合通路から隔壁によって分離して設け、かつ、前記拡散燃料噴射ノズルまたは前記予混合燃料噴射ノズルを前記旋回気流通路に配置した、ことを特徴としている。
【0031】
請求項6記載のガスタービン用燃焼器では、隔壁によって燃焼室及び予混合通路から分離した旋回気流通路に拡散燃料噴射ノズルあるいは予混合燃料噴射ノズルを配置したため、例えば600℃に加熱された空気に曝されることがなくなる。このため、拡散燃料噴射ノズルあるいは予混合燃料噴射ノズル自体を効果的に遮熱することができ、燃料のカーボン化またはデポジット化等の不具合の発生を防止することができる。
【0032】
請求項7に係る発明のガスタービン用燃焼器は、請求項2乃至請求項6の何れか1項に記載のガスタービン用燃焼器において、前記予混合燃料噴射ノズルは複数の噴孔を有して前記予混合通路へ燃料噴射すると共に、その周囲から前記予混合通路へ気流を噴出する、ことを特徴としている。
【0033】
請求項7記載のガスタービン用燃焼器では、予混合燃料噴射ノズルは複数の噴孔から構成されており、しかも各噴孔の周囲から気流を噴出することにより、予混合通路への燃料を効果的に分散させて気体燃料を予混合、あるいは液体燃料を予蒸発予混合することができる。
【0034】
請求項8に係る発明のガスタービン用燃焼器は、請求項2乃至請求項7の何れか1項に記載のガスタービン用燃焼器において、前記旋回気流通路に高圧源から直接に気流を供給することを特徴としている。
【0035】
例えば、ガスタービンの排熱を回収して熱効率を高めることができる再生式ガスタービンでは、圧縮機出口の空気は熱交換器で排熱を回収して例えば600℃に加熱して燃焼器に供給するので、例えば液体燃料用の噴射ノズルは熱的耐久性がなかったり、あるいは燃料のカーボン化またはデポジット化が問題になる場合がある。
【0036】
この点、請求項8記載のガスタービン用燃焼器では、再生式ガスタービンに適用した場合であっても、旋回気流通路に高圧源から直接に気流を供給する構成であるため、例えば熱交換する前の圧縮機出口空気(比較的温度の低い空気:例えば200℃)を旋回気流通路に供給して旋回気流を燃焼室に噴出することで、効果的に空気と燃料を混合できる(温度の低い空気の方が粘性が低いためより混合し易い)。したがって、予混合火炎が一様に形成されやすく、燃焼室内温度をほぼ一様にすることができる。
【0037】
なお、高圧源としてはボイラでもよく、この場合には気流としては水蒸気(例えば、180℃程度)となり、同様の効果が期待できる。
【0038】
また、旋回気流通路(すなわち、拡散燃料噴射ノズルに連通する拡散燃料通路の周囲)に空気を供給するので、拡散燃料噴射ノズル自体を効果的に遮熱すると共に冷却することができ、燃料のカーボン化またはデポジット化等の不具合を防止することができる。さらに、空気が拡散燃料通路を冷却することになり、拡散燃料噴射ノズル周囲の例えば保炎器壁面の温度上昇を抑制することができ、噴射ノズルや保炎器の焼損等を予防することができる。
【0039】
【発明の実施の形態】
図1には、本発明の第1の実施の形態に係るガスタービン用燃焼器10の全体構成が断面図にて示されている。
【0040】
この燃焼器10は、略円筒状の外筒12とこの外筒12内に配置された内筒14とを備えた所謂缶型燃焼器とされており、内筒14が燃焼室16を構成する燃焼室ライナとなっている。この燃焼室16(内筒14)には、空気を内部へと導き燃焼ガスを希釈する希釈孔18が設けられている。
【0041】
外筒12と内筒14との間には、後述する圧縮機56で圧縮された燃焼用空気を外筒12の末端(図1において右端)から流入させるための空気流入路20が形成されており、さらに、空気流入路20には予混合通路22が連続して形成されている。予混合通路22は、内筒14の端部内側に環状に形成されると共に燃焼室16に連通しており、後述する予混合燃料噴射ノズル24による燃料及び空気流入路20からの空気を導きながら流れを反転させて燃焼室16へと供給するように構成されている。予混合通路22から燃焼室16へ供給された予混合気は、燃焼室16内で燃焼した後に燃焼室16後端側(図1において右端)から流出して後述するタービン52へ供給される構成となっている。
【0042】
予混合通路22の通路中には、予混合燃料噴射ノズル24が配置されており、さらにその下流にはスワーラ羽根26が設けられている。予混合燃料噴射ノズル24は、予混合通路22内へ燃料(予混合燃料)を噴射することができ、これにより、空気流入路20からの空気と混合されて予混合気が形成され、スワーラ羽根26によって当該予混合気に旋回速度が付与されて燃焼室16へ供給される構成である。
【0043】
一方、装置の一端側(図1において左端側)の燃焼室16の軸心部分には、拡散燃料噴射ノズル28及びこの拡散燃料噴射ノズル28に連通する拡散燃料通路30が配置されている。図2(A)乃至図2(C)にも詳細に示す如く、拡散燃料噴射ノズル28は、複数の噴孔32A、32Bを備えている。これらの各噴孔32A、32Bは、それぞれ、燃焼室16に対面するノズル先端の円周上等分位置に設けられており、各噴孔32A、32Bからは、拡散燃料通路30から送給された燃料(拡散燃料)を80度から100度の挟み角度で(本第1の実施の形態においては、挟み角度90度で)燃焼室16内に噴射することができる。さらに、この拡散燃料噴射ノズル28から噴射された燃料は、燃焼室16側方に配置された点火プラグ34先端に到達するように設定されている。
【0044】
また、拡散燃料噴射ノズル28(拡散燃料通路30)と予混合通路22の間には、旋回装置36及び旋回気流通路38が設けられている。図2(A)乃至図2(C)にも詳細に示す如く、旋回装置36は、拡散燃料噴射ノズル28の噴孔32A、32Bの直近に位置し、部材を凹溝状に形成することで設けられており、送給された空気に旋回速度を付与できるように構成されている。なお、この場合、噴孔32A、32Bに対して旋回気流がほぼ30度から45度で噴出するように設定されている。一方、旋回気流通路38は、旋回装置36の上流に位置して旋回装置36に連通すると共に、予混合通路22よりも軸心側であって拡散燃料通路30の周囲に環状に設けられている。この旋回気流通路38は、後述する圧縮機56に接続されており、空気が供給される構成である。これにより、旋回気流通路38を通って供給された空気は、旋回装置36によって旋回速度を付与され、噴孔32A、32Bから燃焼室16に噴射された燃料と交わる方向に燃焼室16へ向けて噴出されて燃焼室16に旋回気流を形成し、当該燃料と衝突混合するように構成されている。
【0045】
またさらに、予混合通路22の出口と旋回装置36との間(拡散燃料噴射ノズル28先端部及び旋回装置36の周囲)には、保炎器40が設けられている。この保炎器40は、燃焼室16に対面して設けられた円環状の端面42を有しており、止水領域を形成して端面42下流に円環状の火炎起部を形成する役目を有している。
【0046】
以上の構成の燃焼器10は、図3に示す如く、例えば、タービン52の排熱を回収して熱効率を高めることができる再生式マイクロガスタービン50に適用される。
【0047】
すなわち、この再生式マイクロガスタービン50では、タービン52の出口排出ガスは排熱回収用熱交換器54に送給されるように構成されると共に、圧縮機56の出口空気は排熱回収用熱交換器54に送給されて加熱(例えば600℃程度以上)された後に燃焼器10の空気流入路20に供給される構成となっている。さらに、圧縮機56の出口空気の一部は、すなわち熱交換する前の圧縮機56出口空気(比較的温度の低い空気:例えば200℃)の一部は、排熱回収用熱交換器54に送給されることなく、そのまま直接に燃焼器10の旋回気流通路38に供給される構成となっている。
【0048】
次に、本第1の実施の形態の作用を説明する。
【0049】
上記構成の燃焼器10が適用された再生式マイクロガスタービン50の始動時には、燃焼器10の拡散燃料噴射ノズル28から燃料が燃焼室16に噴射され、ガスタービン回転速度がまだ低いために、燃焼用空気の流量は微少量であり、燃料は旋回気流の影響をほとんど受けずに燃焼室16側壁上の点火プラグ34先端まで到達する。
【0050】
そこで火花点火すると、点火プラグ34先端に形成された火炎核が燃焼室16内に燃え広がると共に、保炎器40近傍の再循環領域に到達することで火炎が保持されることになる。この間に、ガスタービン回転速度は上昇して燃焼用空気の流量が増加し、旋回気流も形成されてくるので、燃料はもはや点火プラグ34先端に到達する前に旋回気流と混合して燃焼が完結するようになる。
【0051】
さらに、ガスタービン回転速度が上昇してタービン52が出力を発生する負荷領域になると、予混合燃料噴射ノズル24から燃料を噴射すると共に拡散燃料噴射ノズル28からの燃料を減少し、ほぼ全体の燃料供給量の1/10から1/20以下の微少流量のみが拡散燃料噴射ノズル28から直接噴射されて燃焼室16にパイロット火炎を形成する。さらに、例えば50%負荷以上の高負荷運転では拡散燃料噴射ノズル28からの燃料噴射を停止し、全燃料が予混合燃料噴射ノズル24から噴射されて、完全な予混合燃焼で運転することになる。
【0052】
ここで、本第1の実施の形態に係る燃焼器10では、前述の如く、拡散燃料噴射ノズル28から燃焼室16へ向けて拡散燃焼用の燃料が噴射されると共に、予混合燃料噴射ノズル24から予混合通路22内に予混合気のための燃料が噴射され、この予混合通路22で形成された予混合気が燃焼室16へ供給される。さらにこの際に、旋回装置36によって旋回気流が燃焼室16へ向けて噴出される。これにより、拡散燃料噴射ノズル28により燃焼室16内の中央領域に形成される拡散火炎とその外周領域に形成される予混合火炎を旋回気流で乱流混合させることができる。
【0053】
したがって、拡散燃料噴射ノズル28からの燃料による拡散火炎と、予混合通路22(予混合燃料噴射ノズル24)からの燃料による予混合火炎との燃焼促進が図られ、このため、燃焼効率が高まると共に燃焼室16内温度の空間分布を比較的一様にすることができる。これにより、結果として「サーマルNOx」の排出が低減されると同時に、CO・HCの排出も低く抑えることができる。
【0054】
また、一般的に、予混合燃料噴射ノズル24から噴射した燃料を予混合通路22の比較的短い空間寸法内で燃料と空気を予混合し、予混合通路22の出口(燃焼室16の入口)で円周方向と半径方向の空間的分布がなく、しかも時間的にも均一な予混合気を形成することは現実的にはかなり難しい。
【0055】
この点、本燃焼器10では、拡散燃料通路30の周囲に環状に設けられ旋回気流通路38を備えており、旋回気流通路38を通って供給された空気が旋回装置36によって旋回速度を付与されて噴出されて燃焼室16に旋回気流を形成し、しかもこの旋回気流は予混合通路22よりも軸心側(内方側)に噴出形成されるため、予混合通路22の出口に存在し燃料濃度の不均一がある予混合気流で形成される予混合火炎は、その内側に形成された旋回気流によって燃焼室16内の下流側に引き延ばされる(旋回気流によって予混合火炎を燃焼室16の右側中央付近まで引き延ばすことができる)。このため、燃焼室16内の「サーマルNOx」の生成が抑制されて、例えば5ppm以下の低NOx燃焼が可能となる。
【0056】
さらに、前述の如く予混合火炎を旋回気流で燃焼室16内に引き延ばすと、火炎を保持する火炎起部が不安定になり、吹き消えの確率が上昇することがある。
【0057】
この点、本燃焼器10では、保炎器40を予混合通路22の出口と旋回装置36との間に配置し、その円環状の端面42を燃焼室16に対面して設けたため、この端面42付近が止水領域を形成して、この端面42下流に円環状に火炎起部が形成されることになり、火炎を引き延ばしても火炎起部の保持力を増強することができる。
【0058】
また、この燃焼器10では、拡散燃料噴射ノズル28の噴孔32A、32Bから燃料が80度から100度の挟み角度で(本第1の実施の形態においては、挟み角度90度で)燃焼室16に噴射されるため、燃焼室16に形成された旋回気流が例えば燃焼室16軸線に対し45度の角度で旋回しているとすると、前記噴射された燃料噴流と前記旋回気流とは相対的にほぼ横から衝突する位置関係になる。これにより、拡散燃料と空気が素早く混合することになり、拡散燃料噴射ノズル28近傍領域の空気不足によるススの生成が抑制されると共に燃焼が促進される。このため、火炎保持力が高まり、結果として少ない燃料で火炎保持ができるので、低NOxでかつ高燃焼効率(低CO・低HC)で燃焼することが可能になる。また、スス付着による拡散燃料噴射ノズルの不具合の発生を防止することもできる。
【0059】
ここで、図4には、拡散燃料噴射ノズル28(複数の噴孔32A、32B)から燃焼室16へ向けて噴射する拡散燃料の噴射角度(挟み角度)の燃焼効率に対する影響を比較した線図が示されている。この図4にて明らかなように、例えば燃料が45度あるいは60度の挟み角度で燃焼室16に噴射される場合に比べて、燃料が80度あるいは90度の挟み角度で燃焼室16に噴射される場合は、大幅に燃焼効率が向上することが解る。
【0060】
なお、ガスタービン50の着火スタート時には供給される空気が少ないので、拡散燃料噴射ノズル28の噴孔32A、32Bから噴射される燃料は、燃焼室16側壁に設置した点火プラグ34先端まで直接に確実に到達することができ、着火が素早く行われる。その後に、ガスタービン50が加速するに連れて空気が大量に供給される状況では、拡散燃料噴射ノズル28から噴射された燃料は旋回気流と充分に混合するため、拡散燃料はもはや燃焼室16側壁面に到達することがなく、このため、燃焼室16壁面が加熱されて昇温されることが無くなり、燃焼室16(燃焼室ライナ)の耐久性が向上する。
【0061】
またさらに、本燃焼器10では、噴孔32A、32Bが燃焼室16に対面するノズル先端の円周上等分位置に設けられているため、これらの噴孔32A、32Bから噴出した燃料によって火炎を効果的に保持することができると共に、旋回装置36が各噴孔32A、32Bの直近に配置されるため、各噴孔32A、32Bからの燃料の分散と混合が良好になり、低NOxでかつ低CO・低HC燃焼が可能となる。
【0062】
さらにここで、本第1の実施の形態の如く、例えば、タービン52の排熱を回収して熱効率を高めることができる再生式マイクロガスタービン50では、圧縮機56の出口の空気は廃熱回収用熱交換器54で排熱を回収して例えば600℃に加熱して燃焼器10に供給するので、例えば液体燃料用の噴射ノズルは熱的耐久性がなかったり、あるいは燃料のカーボン化またはデポジット化が問題になる場合がある。
【0063】
この点、本燃焼器10では、再生式マイクロガスタービン50に適用した場合であっても、旋回気流通路38に圧縮機56(高圧空気源)から直接に空気を供給する構成であるため、熱交換する前の圧縮機56出口空気(比較的温度の低い空気:例えば200℃)を旋回気流通路38に供給して旋回気流を燃焼室16に噴出することで、効果的に空気と燃料を混合できる(温度の低い空気の方が粘性が低いためより混合し易い)。したがって、予混合火炎が一様に形成されやすく、燃焼室16内温度をほぼ一様にすることができる。
【0064】
また、旋回気流通路38(すなわち、拡散燃料噴射ノズル28に連通する拡散燃料通路30の周囲)に空気を供給するので、拡散燃料噴射ノズル28自体を効果的に遮熱すると共に冷却することができ、燃料のカーボン化またはデポジット化等の不具合を防止することができる。さらに、空気が拡散燃料通路30を冷却することになり、拡散燃料噴射ノズル28周囲の例えば保炎器40の壁面の温度上昇を抑制することができ、保炎器40の焼損等を予防することもできる。
【0065】
ここで、本出願人がこの燃焼器10の運転時における拡散燃焼火炎を観察した結果によれば、拡散燃料噴射ノズル28(保炎器40の中央部分)から噴射される燃料は噴射付近で火炎を形成せず(燃焼室16の中央領域には火炎はない)、予混合通路22の内側に設けられた保炎器40の円環状の端面42上にリング状となって火炎が形成されることが判明した。従来の燃焼器では、保炎器40の端面42から釣り鐘状(または、チューリップ状)の火炎柱が燃焼室16中央領域に黄輝となって形成されることが判っているが、これに対し、本第1の実施の形態に係る燃焼器10では、黄炎はなく外周領域に形成された中空状の青炎が形成されており、燃焼が良好であることが解る。これは、保炎器40の端面42直近の旋回気流通路38から空気が約45度の傾きの旋回気流となって噴出するため、噴孔32A、32Bから挟み角度90度で噴射されて放射状に拡がった燃料にほぼ横方向から旋回気流が衝突して混合が短時間で促進されることになり、比較的短い空間で燃焼が完結するためである。つまり、従来の燃焼器では中実の釣り鐘状火炎となり燃焼室16の下流部分で先絞りになるため、火炎柱の内部は燃料リッチ(過濃)でススの生成が活発であるのに対し、本燃焼器10では、保炎器40の端面42(旋回気流通路38)から噴出する旋回気流との混合促進により、その火炎起部が保炎器40の端面42上にリング状に形成されつつ火炎表面が中空スカート状に拡大されて形成され、拡散火炎の長さは短縮される。この結果として、タービン52入口のガス温度が空間的にも時間的にも均一になり、エンジン回転速度の時間的な変動を助長する要因が少なくなり、燃料制御の変動が少なく、より一層火炎安定性が良好になる。
【0066】
さらに、予混合燃料噴射ノズル24のみから全燃料を噴射して運転する完全な予混合燃焼を観察すると、従来の燃焼器では600℃を越える燃焼用空気が予混合通路22から燃焼室に供給されており、しかも燃焼室16内の再循環領域の高温ガスが保炎器40の端面42に下流側から衝突するので拡散燃料噴射ノズル28と保炎器40自体が赤熱している。これに対し、本燃焼器10では、圧縮機56出口の比較的温度の低い(約200℃)空気が旋回気流通路38を介して送給されることで保炎器40自体を冷却すると共に、旋回装置36から噴出する旋回気流が再循環領域の高温ガスと素早く混合して壁面を加熱することを防止している。このとき、予混合火炎は旋回装置36と予混合通路22出口の間に設けられた保炎器40の円環状の端面42にリング状の火炎起部を形成して、火炎の安定性は損なわれない。さらに、従来の燃焼器では予混合火炎に輝度の濃淡があるのに対し、本燃焼器10では旋回気流により燃焼室16の内側から剪断気流により引き延ばされて、混合促進が図られるので濃淡は観測されず、一様な輝度の薄い青炎を形成する。結果として、排出されるNOx濃度は従来の燃焼器で約10ppm(酸素16%換算値)に対し、本燃焼器10では5ppm程度に半減する。
【0067】
また、従来の燃焼器では保炎器40の端面42の熱上昇が大きいためにアップダウンの頻繁な運転がある場合には特に耐久性がなかったが、本燃焼器10では温度上昇が抑えられるので耐久性が向上する。
【0068】
以上の如く、本第1の実施の形態に係る燃焼器10は、確実な着火始動性及び強固な予混合火炎の安定性を確保できると共に、広い運転範囲(運転条件)で低NOx及び高燃焼効率(低CO・低HC)で運転することができ、かつこれを簡便で低コストにより実現することができる。
【0069】
次に、本発明の第2の実施の形態を説明する。
【0070】
なお、前記第1の実施の形態と基本的に同一の部品には前記第1の実施の形態と同一の符号を付与してその説明を省略する。
【0071】
図5には、本発明の第2の実施の形態に係るガスタービン用燃焼器60の全体構成が断面図にて示されている。
【0072】
この燃焼器60は、気体燃料を予混合してあるいは液体燃料を予蒸発予混合して希薄燃焼させる構成のものであり、旋回気流通路38に予蒸発予混合燃料噴射ノズル62が配置されている。予蒸発予混合燃料噴射ノズル62は、複数の噴孔を有しており、予混合通路22の上流側(スワーラ羽根26の下流側)の隔壁64に形成された透孔66に対向して配置されている。これにより、予蒸発予混合燃料噴射ノズル62は、透孔66を介して予蒸発予混合燃料を空気と一緒に予混合通路22へ噴出することができる構成である。
【0073】
一方、燃焼器中央に配置された拡散燃料噴射ノズル68は、保炎器40の端面隔壁70に形成された透孔72に対向配置されており、さらに、この拡散燃料噴射ノズル68の周囲には環状の旋回装置74が配置されている。図6(A)及び図6(B)に詳細に示す如く、旋回装置74は、拡散燃料噴射ノズル68の周囲に位置し、部材を凹溝状に形成することで設けられており、送給された空気に旋回速度を付与できるように構成されている。また、図7に示す如く、保炎器40の端面隔壁70には透孔72の周囲に複数の空気孔76が形成されている。これにより、旋回気流通路38を通って供給された空気は、旋回装置74によって旋回速度を付与され、拡散燃料噴射ノズル68から噴射された噴霧燃料と旋回気流とを一緒に透孔72及び空気孔76を介して燃焼室16に噴射することができる構成である。
【0074】
なお、この場合においても、各空気孔76は、それぞれ、燃焼室16に対面する保炎器40の端面隔壁70の円周上等分位置に設けられており、さらに、透孔72から噴射される燃料は、80度から100度の挟み角度で(本第2の実施の形態においては、挟み角度80度で)燃焼室16内に噴射することができ、さらに、この噴射された燃料は、燃焼室16側方に配置された点火プラグ34先端に到達するように設定されている。
【0075】
上記構成の燃焼器60では、隔壁64によって予混合通路22から分離された旋回気流通路38に予蒸発予混合燃料噴射ノズル62が配置されると共に、保炎器40(その端面隔壁70)によって燃焼室16から分離して拡散燃料噴射ノズル68を配置したため、これらの噴射ノズルが例えば600℃に加熱された空気に曝されることがなくなる。このため、拡散燃料噴射ノズル68あるいは予蒸発予混合燃料噴射ノズル62自体を効果的に遮熱することができ、燃料のカーボン化またはデポジット化等の不具合の発生を防止することができる。またさらに、旋回気流通路38に供給された比較的温度の低い(約200℃)空気で拡散燃料噴射ノズル68及び予蒸発予混合燃料噴射ノズル62を冷却すると共に旋回気流を形成して噴射するので、燃焼室16内に形成される噴霧火炎からの輻射を低下することができ、これによっても熱上昇が抑制され、燃料の詰まりやデポジット付着の不具合を一層確実に回避することができる。
【0076】
さらに、この燃焼器60では、予蒸発予混合燃料噴射ノズル62は複数の噴孔から構成されており、しかも旋回気流通路38内の空気を予蒸発予混合燃料噴射ノズル62の各噴孔の周囲から一緒に透孔66を介して予混合通路22へ噴出することにより、予混合通路22内の燃料の蒸発と空気との混合が容易になり(予混合通路22へ燃料を効果的に分散させることができ)、気体燃料を効果的に予混合することができ、あるいは液体燃料を効果的に予蒸発予混合することができる。
【0077】
また、拡散燃料噴射ノズル68から噴射された噴霧燃料と旋回気流とを一緒に透孔72及び空気孔76を介して燃焼室16に噴射し、あるいは、予蒸発予混合燃料噴射ノズル62から噴射された噴霧燃料を空気と一緒に透孔66を介して予混合通路22へ噴出するため、液体燃料の微粒化を促進する効果もあり、燃料の分散と混合がより素早く均一になる。
【0078】
【発明の効果】
以上説明した如く本発明に係るガスタービン用燃焼器は、確実な着火始動性及び強固な予混合火炎の安定性を確保できると共に、広い運転範囲(運転条件)で低NOx及び高燃焼効率(低CO・低HC)で運転することができ、かつこれを簡便で低コストにより実現することができるという優れた効果を有している。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る燃焼器の全体構成を示す断面図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態に係る燃焼器の拡散燃料噴射ノズル及び旋回装置の詳細を示し、(A)は側面図であり、(B)は正面図であり、(C)は断面図である。
【図3】本発明の第1の実施の形態に係る燃焼器が適用された再生式マイクロガスタービンの全体構成を示す概略的なブロック図である。
【図4】本発明の第1の実施の形態に係る燃焼器における拡散燃料噴射ノズルから燃焼室へ向けて噴射する拡散燃料の噴射角度(挟み角度)の燃焼効率に対する影響を比較した線図である。
【図5】本発明の第2の実施の形態に係る燃焼器の全体構成を示す断面図である。
【図6】本発明の第2の実施の形態に係る燃焼器の旋回装置の詳細を示し、(A)は側面図であり、(B)は正面図である。
【図7】本発明の第2の実施の形態に係る燃焼器の保炎器に設けられた透孔及び複数の空気孔の詳細を示す正面図である。
【符号の説明】
10 燃焼器
16 燃焼室
20 空気流入路
22 予混合通路
24 予混合燃料噴射ノズル
26 スワーラ羽根
28 拡散燃料噴射ノズル
30 拡散燃料通路
32A 噴孔
32B 噴孔
34 点火プラグ
36 旋回装置
38 旋回気流通路
40 保炎器
42 端面[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas turbine combustor for burning gaseous fuel or liquid fuel.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art A combustor for a gas turbine that burns a gaseous fuel or a liquid fuel is known. Here, in such a combustor, in recent years, emission of nitrogen oxides (NOx) and unburned fuels such as carbon monoxide (CO) and hydrocarbons (HC) generated during combustion have been reduced due to environmental considerations. It is a big problem.
[0003]
In this type of combustor, diffusion combustion for obtaining stable combustion is usually used. However, in such diffusion combustion, since the adiabatic flame temperature reaches about 2000 ° C., carbon monoxide (CO 2) ) And hydrocarbons (HC), the emission of unburned fuel is relatively small, but there is a disadvantage that a large amount of so-called "thermal NOx" is generated in which nitrogen in the air is oxidized by the high temperature.
[0004]
On the other hand, it is known that this “thermal NOx” can be reduced by lowering the flame temperature. Instead of the conventional diffusion combustion, lean premixed combustion is adopted, and the fuel and combustion air are premixed to reduce the fuel. Means of suppressing the generation of NOx by making a lean gas mixture and burning it at a relatively low temperature have already been attempted.
[0005]
However, in the premixed combustion, for example, when a lean premixed gas having an equivalent ratio of about 0.5 is used, not only the emission of unburned fuel such as carbon monoxide (CO) and hydrocarbon (HC) increases, but also the combustion stability range is reduced. There is a problem that it becomes difficult to reliably start ignition and stable gas turbine operation.
[0006]
Therefore, three fuel supply systems are constituted by the ignition gas ejection holes and the primary and secondary combustion premixed gas ejection holes provided therearound, and the fuel supply control of these three systems is performed. There have been proposed techniques for reducing the NOx by preventing the equivalence ratio of the premixed gas from becoming too lean under relatively wide operating conditions (for example, Patent Documents 1 and 2).
[0007]
However, in the case of a combustor having a large number of fuel supply systems as disclosed in the patent document, there is a merit that the space equivalent ratio in the combustion chamber can be controlled and controlled to an ideal equivalent ratio distribution. However, the device configuration becomes complicated and the fuel control becomes complicated, and the problems remain in the reliability and cost of the component devices.
[0008]
Therefore, the present applicant has already proposed a gas turbine combustor in which the fuel supply system of the combustor is composed of two systems and the fuel supply control of the two systems performs lean premix combustion (Japanese Patent Application No. 2001-394615). ).
[0009]
However, in the combustor of the proposed structure, although the structure is simple and inexpensive, it is still an improvement in ensuring the ignitability and securing the stability of the lean premixed flame under a wide range of operating conditions. There was room.
[0010]
In the combustor having the proposed structure, the fuel injection nozzle faces the space of the combustion air passage or the combustion chamber. Problems such as lack of durability, adhesion of carbon, or poor mixing of the injected fuel and air due to an increase in the viscosity of the heated air may occur.
[0011]
In particular, for example, in a regenerative micro gas turbine in which the thermal efficiency of a simple cycle gas turbine has been improved, the air at the compressor outlet is heated by a heat exchanger for exhaust heat recovery of exhaust gas from the turbine outlet, and is heated to, for example, about 600 ° C. or more. The fuel injection nozzle incorporated in the premixed combustor is always exposed to air at 600 ° C or higher and is also heated by combustion heat from the combustion chamber. become. For this reason, it is necessary to improve the thermal durability of the fuel injection nozzle or to take measures and devices for preventing carbonization of fuel and adhesion of deposits.
[0012]
Furthermore, the air heated at about 600 ° C. or higher heated by the heat exchanger for exhaust heat recovery has a viscosity three times as large as the air at the compressor outlet (eg, about 200 ° C.), and the mixing of the heated air and the fuel is difficult. It gets worse relatively. For this reason, it is difficult to form a uniform lean premixed gas in a limited space in the passage, and a device is required to obtain a sufficiently uniform premixed gas with the same spatial dimensions as in the past. On the other hand, while the heated air may suppress the emission of unburned hydrocarbons (HC) and carbon monoxide (CO), "thermal NOx" Emissions are more likely to be encouraged. In reality, for example, in the case of a micro gas turbine used for a distributed power source, it is required to reduce NOx and CO / HC to less than 10 ppm simultaneously.
[0013]
In this case, it is conceivable to cool the fuel injection nozzle of the premixed combustor with the compressor outlet air at about 200 ° C., but simply using the air for cooling adversely affects the lean premixed flame or diffusion flame. It is difficult to secure both ignition startability and flame stability while simultaneously reducing NOx and CO / HC and improving durability.
[0014]
[Patent Document 1]
JP-A-5-340273
[Patent Document 2]
JP-A-8-128636
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been devised for the above contradictory problems, and can ensure a reliable ignition startability and a stable stability of a premixed flame, as well as a low NOx and a wide operating range (operating conditions). An object of the present invention is to provide a gas turbine combustor that can be operated with high combustion efficiency (low CO and low HC) and that can be realized simply and at low cost.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The gas turbine combustor according to the first aspect of the present invention is a diffusion fuel injection nozzle located at an axial portion of a combustion chamber and injecting diffusion fuel toward the combustion chamber, and communicating with the combustion chamber. A pre-mixing passage for supplying a pre-mixed gas, a pre-mixed fuel injection nozzle for injecting pre-mixed fuel into the pre-mixed passage, the diffusion fuel injection nozzle, A swirling device disposed between the premixing passages for injecting a swirling airflow toward the combustion chamber.
[0017]
In the gas turbine combustor according to the first aspect, the fuel for diffusion combustion is injected from the diffusion fuel injection nozzle toward the combustion chamber, and the premixed fuel is injected into the premixing passage from the premixed fuel injection nozzle. Fuel is injected, and the premixed gas formed in the premixing passage is supplied to the combustion chamber. Further, at this time, the swirling device jets the swirling airflow toward the combustion chamber. Thus, the diffusion flame formed in the central region in the combustion chamber by the diffusion fuel injection nozzle and the premixed flame formed in the peripheral region thereof can be turbulently mixed by the swirling airflow.
[0018]
Therefore, the combustion of the diffusion flame by the fuel from the diffusion fuel injection nozzle and the premixed flame by the fuel from the premix passage (premix fuel injection nozzle) are promoted, thereby increasing the combustion efficiency and the temperature in the combustion chamber. Can be made relatively uniform. As a result, the emission of "thermal NOx" can be reduced, and the emission of CO and HC can also be kept low.
[0019]
A gas turbine combustor according to a second aspect of the present invention is the gas turbine combustor according to the first aspect, wherein the diffusion fuel passage communicates with the diffusion fuel injection nozzle and supplies fuel to the diffusion fuel injection nozzle. And a swirling airflow passage, which communicates with the swirling device, is provided in an annular shape around the diffusion fuel passage on the axial center side of the premixing passage, and supplies air to the swirling device. The air supplied through the swirling airflow path is provided with a swirling speed by the swirling device and is ejected to form a swirling airflow in the combustion chamber.
[0020]
Generally, the fuel injected from the premix fuel injection nozzle is premixed with the fuel and air within a relatively short space dimension of the premix passage (average transit time, within about 1 msec), and the outlet of the premix passage (combustion chamber) Since there is no spatial distribution in the circumferential direction and the radial direction at the inlet, and since the air flow rate and the fuel flow rate fluctuate with time, it is actually quite difficult to form a uniform premixed gas.
[0021]
In this respect, in the gas turbine combustor according to the second aspect, the swirling air flow passage is provided annularly around the diffusion fuel passage, and the air supplied through the swirling air flow passage is swirled by the swirling device to reduce the swirling speed. The swirling airflow is applied and ejected to form a swirling airflow in the combustion chamber, and the swirling airflow is ejected to the axial center side (inward side) of the premixing passage. The premixed flame formed by the premixed gas flow having the unevenness is extended downstream in the combustion chamber by the swirling airflow formed therein (the premixed flame is spread to the downstream side of the combustion chamber by the swirling airflow) be able to). Therefore, generation of “thermal NOx” in the combustion chamber is suppressed, and low NOx combustion of, for example, 5 ppm or less can be performed.
[0022]
A gas turbine combustor according to a third aspect of the present invention is the gas turbine combustor according to the first or second aspect, wherein the combustor is located between an outlet of the premix passage and the swirl device. And a flame stabilizer having an annular end face provided to face the.
[0023]
When the premixed flame is extended into the combustion chamber by the swirling airflow as described above, the flame starting portion holding the flame becomes unstable, and the probability of blowing out may increase.
[0024]
In this regard, in the gas turbine combustor according to the third aspect, the flame stabilizer is disposed between the outlet of the premix passage and the swirl device, and the annular end face is provided to face the combustion chamber. The vicinity of the end surface forms a water-stop region, and a flame starting portion is formed in an annular shape downstream of the end surface, so that the holding power of the flame starting portion can be enhanced even when the flame is extended.
[0025]
A gas turbine combustor according to a fourth aspect of the present invention is the gas turbine combustor according to any one of the first to third aspects, wherein the diffusion fuel injection nozzle is configured to shift the diffusion fuel from 80 degrees. It is characterized by having a plurality of injection holes for injecting toward the combustion chamber at a sandwiching angle of 100 degrees.
[0026]
In the gas turbine combustor according to the fourth aspect, fuel is injected from the injection hole of the diffusion fuel injection nozzle into the combustion chamber at an angle of 80 to 100 degrees, so that the swirling airflow formed in the combustion chamber is, for example, burned. Assuming that the fuel is swirling at an angle of 45 degrees with respect to the chamber axis, the injected fuel jet and the swirling air flow relatively collide from the side. As a result, the diffusion fuel and the air are quickly mixed, so that the generation of soot due to the shortage of air in the vicinity of the diffusion fuel injection nozzle is suppressed and the combustion is promoted. For this reason, the flame holding power is increased, and as a result, the flame can be held with a small amount of fuel. Therefore, it is possible to burn with low NOx and high combustion efficiency (low CO and low HC). Further, since the equivalence ratio in the region near the end face of the flame stabilizer is relatively lean, it is possible to prevent the problem of the diffusion fuel injection nozzle due to the adhesion of soot.
[0027]
At the start of ignition of the gas turbine, the amount of air supplied is low due to the low rotational speed of the engine.Therefore, the fuel injected from the injection hole of the diffusion fuel injection nozzle must be directly supplied to the tip of the spark plug installed on the side wall of the combustion chamber. Can be reached and the ignition takes place quickly. Thereafter, in a situation where a large amount of air is supplied as the gas turbine accelerates, the fuel injected from the diffusion fuel injection nozzle mixes well with the swirling airflow, so that the diffusion fuel no longer reaches the combustion chamber side wall surface. Therefore, the wall surface of the combustion chamber is not heated and heated, and the durability of the liner of the combustion chamber is improved.
[0028]
A gas turbine combustor according to a fifth aspect of the present invention is the gas turbine combustor according to any one of the first to fourth aspects, wherein a plurality of injection holes of the diffusion fuel injection nozzle are configured to perform the combustion. The swirling device is provided at a position equally spaced on the circumference of the tip of the nozzle facing the chamber, and the swirling device is disposed in the immediate vicinity of the injection hole.
[0029]
In the gas turbine combustor according to the fifth aspect, the injection holes are provided at equal positions on the circumference of the nozzle tip facing the combustion chamber, so that the fuel injected from these injection holes effectively reduces the flame. Since the swirl device can be held and the swirl device is arranged in the immediate vicinity of each injection hole, the dispersion and mixing of the fuel from each injection hole is improved, and low NOx and low CO / low HC combustion can be achieved. .
[0030]
A gas turbine combustor according to a sixth aspect of the present invention is the gas turbine combustor according to any one of the second to fifth aspects, wherein the swirling airflow path is connected to the combustion chamber and the premixing path. The diffusion fuel injection nozzle or the premixed fuel injection nozzle may be provided separately by a partition wall, and may be disposed in the swirling airflow passage.
[0031]
In the gas turbine combustor according to the sixth aspect, since the diffusion fuel injection nozzle or the premixed fuel injection nozzle is disposed in the swirling airflow passage separated from the combustion chamber and the premixed passage by the partition wall, for example, the air heated to 600 ° C. No exposure. For this reason, the diffusion fuel injection nozzle or the premixed fuel injection nozzle itself can be effectively shielded from heat, and problems such as carbonization or deposition of fuel can be prevented.
[0032]
A gas turbine combustor according to a seventh aspect of the present invention is the gas turbine combustor according to any one of the second to sixth aspects, wherein the premixed fuel injection nozzle has a plurality of injection holes. And injecting fuel into the premixing passage and injecting airflow from the periphery thereof into the premixing passage.
[0033]
In the gas turbine combustor according to the seventh aspect, the premixed fuel injection nozzle is constituted by a plurality of injection holes, and furthermore, the fuel flow to the premix passage is effected by jetting an airflow from around each injection hole. The gaseous fuel can be premixed or the liquid fuel can be prevaporized and premixed.
[0034]
According to an eighth aspect of the present invention, in the gas turbine combustor according to any one of the second to seventh aspects, an airflow is supplied directly from a high-pressure source to the swirling airflow passage. It is characterized by:
[0035]
For example, in a regenerative gas turbine in which the exhaust heat of a gas turbine can be recovered to increase the thermal efficiency, the air at the compressor outlet recovers the exhaust heat with a heat exchanger and is heated to, for example, 600 ° C. and supplied to a combustor. Therefore, for example, the injection nozzle for liquid fuel may not have thermal durability, or carbonization or deposition of fuel may be a problem.
[0036]
In this regard, in the gas turbine combustor according to the eighth aspect, even when the gas turbine combustor is applied to a regenerative gas turbine, for example, heat exchange is performed because the gas flow is directly supplied from the high-pressure source to the swirling air flow passage. By supplying the previous compressor outlet air (air having a relatively low temperature: for example, 200 ° C.) to the swirling airflow path and jetting the swirling airflow into the combustion chamber, the air and the fuel can be effectively mixed (low temperature). Air is easier to mix because of its lower viscosity). Therefore, the premixed flame is easily formed uniformly, and the temperature in the combustion chamber can be made substantially uniform.
[0037]
Note that a boiler may be used as the high-pressure source. In this case, the airflow is steam (for example, about 180 ° C.), and the same effect can be expected.
[0038]
Further, since air is supplied to the swirling air flow passage (that is, around the diffusion fuel passage communicating with the diffusion fuel injection nozzle), the diffusion fuel injection nozzle itself can be effectively shielded and cooled, and the fuel carbon can be cooled. This makes it possible to prevent problems such as conversion or deposition. Further, the air cools the diffusion fuel passage, so that it is possible to suppress a rise in the temperature of, for example, the flame stabilizer wall around the diffusion fuel injection nozzle, and prevent burning of the injection nozzle and the flame stabilizer. .
[0039]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a sectional view showing the overall configuration of a
[0040]
The
[0041]
An
[0042]
A premix
[0043]
On the other hand, a diffusion
[0044]
A swirling
[0045]
Further, a
[0046]
As shown in FIG. 3, the
[0047]
That is, in this regenerative
[0048]
Next, the operation of the first embodiment will be described.
[0049]
When the regenerative
[0050]
Then, when spark ignition is performed, the flame nucleus formed at the tip of the
[0051]
Further, when the rotation speed of the gas turbine increases and the load region where the
[0052]
Here, in the
[0053]
Therefore, the combustion of the diffusion flame by the fuel from the diffusion
[0054]
Further, generally, the fuel injected from the premixed
[0055]
In this regard, the
[0056]
Further, when the premixed flame is extended into the
[0057]
In this regard, in the
[0058]
Further, in the
[0059]
Here, FIG. 4 is a diagram comparing the effects of the injection angle (sandwich angle) of the diffusion fuel injected from the diffusion fuel injection nozzle 28 (the plurality of
[0060]
When the ignition of the
[0061]
Further, in the
[0062]
Further, here, as in the first embodiment, for example, in the regenerative
[0063]
In this regard, even when the
[0064]
In addition, since air is supplied to the swirling air flow passage 38 (that is, around the
[0065]
Here, according to the result of observation of the diffusion combustion flame during the operation of the
[0066]
Further, when observing the complete premixed combustion in which all the fuel is injected only from the premixed
[0067]
Further, in the conventional combustor, the
[0068]
As described above, the
[0069]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
[0070]
Note that components that are basically the same as those in the first embodiment are given the same reference numerals as in the first embodiment, and descriptions thereof are omitted.
[0071]
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the overall configuration of a
[0072]
The
[0073]
On the other hand, the diffusion
[0074]
In this case as well, each
[0075]
In the
[0076]
Further, in this
[0077]
Further, the spray fuel and the swirling airflow injected from the diffusion
[0078]
【The invention's effect】
As described above, the gas turbine combustor according to the present invention can ensure reliable ignition startability and robust premixed flame stability, and can achieve low NOx and high combustion efficiency (low combustion efficiency) over a wide operating range (operating conditions). (CO / low HC), and has an excellent effect that this can be realized simply and at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an entire configuration of a combustor according to a first embodiment of the present invention.
FIGS. 2A and 2B show details of a diffusion fuel injection nozzle and a swirl device of a combustor according to a first embodiment of the present invention, wherein FIG. 2A is a side view, FIG. 2B is a front view, and FIG. () Is a sectional view.
FIG. 3 is a schematic block diagram illustrating an entire configuration of a regenerative micro gas turbine to which the combustor according to the first embodiment of the present invention is applied.
FIG. 4 is a diagram comparing the effects of the injection angle (sandwich angle) of the diffusion fuel injected from the diffusion fuel injection nozzle toward the combustion chamber on the combustion efficiency in the combustor according to the first embodiment of the present invention. is there.
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating an entire configuration of a combustor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 shows details of a swirl device of a combustor according to a second embodiment of the present invention, where (A) is a side view and (B) is a front view.
FIG. 7 is a front view showing details of a through hole and a plurality of air holes provided in a flame stabilizer of a combustor according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 Combustor
16 Combustion chamber
20 Air inflow path
22 Premix passage
24 Premix fuel injection nozzle
26 swirler feather
28 Diffusion fuel injection nozzle
30 Diffusion fuel passage
32A orifice
32B orifice
34 spark plug
36 Swivel device
38 Swirling airflow passage
40 flame stabilizer
42 end face
Claims (8)
前記燃焼室に連通して前記拡散燃料噴射ノズルの周囲に環状に設けられ、予混合気を供給するための予混合通路と、
前記予混合通路内に予混合燃料を噴射する予混合燃料噴射ノズルと、
前記拡散燃料噴射ノズルと前記予混合通路の間に配置され、前記燃焼室へ向けて旋回気流を噴出するための旋回装置と、
を備えたことを特徴とするガスタービン用燃焼器。A diffusion fuel injection nozzle that is located at the axial center of the combustion chamber and injects diffusion fuel toward the combustion chamber;
A premixing passage that is provided in an annular shape around the diffusion fuel injection nozzle in communication with the combustion chamber and that supplies a premixed air;
A premix fuel injection nozzle that injects premix fuel into the premix passage,
A swirling device disposed between the diffusion fuel injection nozzle and the premix passage, for injecting a swirling airflow toward the combustion chamber;
A combustor for a gas turbine, comprising:
前記旋回装置に連通すると共に、前記予混合通路よりも軸心側であって前記拡散燃料通路の周囲に環状に設けられ、前記旋回装置に空気を供給するための旋回気流通路と、
を備え、前記旋回気流通路を通って供給された空気が前記旋回装置によって旋回速度を付与されて噴出し前記燃焼室に旋回気流を形成する、
ことを特徴とする請求項1記載のガスタービン用燃焼器。A diffusion fuel passage communicating with the diffusion fuel injection nozzle and supplying fuel to the diffusion fuel injection nozzle;
A swirling airflow passage that communicates with the swirling device, is provided in an annular shape around the diffusion fuel passage on the axial center side of the premixing passage, and supplies air to the swirling device;
Wherein the air supplied through the swirling airflow path is given a swirling speed by the swirling device and ejects to form a swirling airflow in the combustion chamber.
The gas turbine combustor according to claim 1, wherein:
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載のガスタービン用燃焼器。The diffusion fuel injection nozzle has a plurality of injection holes for injecting the diffusion fuel toward the combustion chamber at an angle of 80 to 100 degrees.
The gas turbine combustor according to any one of claims 1 to 3, wherein:
ことを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載のガスタービン用燃焼器。The plurality of injection holes of the diffusion fuel injection nozzle are provided at equally spaced positions on a circumference of a nozzle tip facing the combustion chamber, and the swirl device is disposed immediately adjacent to the injection hole.
The combustor for a gas turbine according to any one of claims 1 to 4, wherein:
ことを特徴とする請求項2乃至請求項5の何れか1項に記載のガスタービン用燃焼器。The swirling airflow passage is provided separately from the combustion chamber and the premixing passage by a partition, and the diffusion fuel injection nozzle or the premixed fuel injection nozzle is disposed at the swirling airflow passage.
The gas turbine combustor according to any one of claims 2 to 5, wherein:
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