JP2007033025A - ガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の燃焼方法並びにガスタービン燃焼器の改造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
ガス燃料及び液体燃料の利用可能な燃焼器で適切な燃焼を行い、且つ低ＮＯｘ化を図る。
【解決手段】
パイロットバーナーの外周に配置された予混合燃焼バーナーと、前記予混合燃焼バーナーの下流側に配置され内部に燃焼室を形成する略円筒形状の燃焼器内筒壁とを備えたガスタービン燃焼器であって、前記予混合燃焼バーナーの出口で放射状に配置された保炎器と、前記パイロットバーナーが、ガス燃料及び液体燃料のうちの少なくとも一方を噴射する燃料噴射手段とを備え、前記パイロットバーナーの外側であって、前記予混合燃焼バーナーの内側に燃焼室に空気を噴出する複数の空気噴孔を備えたことを特徴とする。
【効果】
ガス燃料及び液体燃料の利用可能な燃焼器で適切な燃焼を行い、且つ低ＮＯｘ化が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の燃焼方法並びにガスタービン燃焼器の改造方法に関する。

従来のガスタービン燃焼器で、予混合燃焼方式と拡散燃焼方式を併用したガスタービン燃焼器の例として、特許文献１，特許文献２などがあげられる。

特開平１１−９４２５５号公報 特開平３−２５５８１５号公報

特許文献１記載の技術では、噴射後の蒸発過程において蒸発しきらなかった液体燃料が、そのまま保炎器に付着して炭化するといったコーキングの現象を起こしやすく、この炭化物による予混合気の自己着火や予混合燃焼バーナー内部に火炎が流入する逆火が生じる問題がある。また構造物において炭化物が付着した箇所の冷却性能が低下したり、炭化物がはがれて他の構造物に衝突し破損させてしまうなどの問題もある。更に、予蒸発予混合方式は拡散燃焼方式と併用となるため系統が複雑化するとともに、燃料ノズル内部のコーキングを防止するための手段、及びメンテナンスが必要となる。

特許文献２に記載の技術では、予蒸発予混合燃焼方式により液体燃料を用いた場合でも前述同様の問題が生じる。またガスタービンの外周に複数の燃焼器を設置し、パイロットバーナーである拡散燃焼バーナーの外周に予混合燃焼バーナーを同軸心的に配置した場合、パイロット火炎である拡散火炎の周囲に予混合用空気が覆うため、拡散火炎が燃焼器の側壁に接続した火炎伝播管に到達できずに隣接燃焼器への着火が不可能となるといった問題がある。

また液体燃料を用いて予蒸発混合させる場合、着火時における空気温度が低いため予蒸発は不可能であり、パイロットバーナーによる着火が不可欠となって上記火炎伝播の問題はより重要となる。

本発明の目的は、ガス燃料及び液体燃料の利用可能な燃焼器で適切な燃焼を行い、且つ低ＮＯｘ性に優れたガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の燃焼方法並びにガスタービン燃焼器の改造方法を提供することである。

予混合燃焼バーナーの出口に放射状に保炎器を配置し、パイロットバーナーの外側及び前記予混合燃焼バーナーの内側の位置で空気を噴出する。

本発明によると、ガス燃料及び液体燃料の利用可能な燃焼器で適切な燃焼を行い、且つ低ＮＯｘ性に優れたガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の燃焼方法並びにガスタービン燃焼器の改造方法を提供することができる。

パイロットバーナーと、前記パイロットバーナーの外周に配置された予混合燃焼バーナーと、前記予混合燃焼バーナーの下流側に配置され内部に燃焼室を形成する略円筒形状の燃焼器内筒壁とを備えたガスタービン燃焼器において、前記予混合燃焼バーナーの出口で放射状に配置された保炎器と、前記パイロットバーナーが、ガス燃料及び液体燃料のうちの少なくとも一方を噴射する燃料噴射手段とを備え、前記パイロットバーナーの外側であって、前記予混合燃焼バーナーの内側に燃焼室に空気を噴出する複数の空気噴孔を備えるものとする。このように放射状の保炎器を予混合バーナーの出口に設置することで、パイロットバーナーの燃料が保炎面に火炎を形成し、ガス燃料使用時では、予混合火炎の安定化を図り、液体燃料使用時は、予混合バーナーから吐出する空気とパイロットバーナーの燃料混合を促進し拡散火炎の長炎化を防止する。またパイロットバーナーと予混合燃焼バーナーの間の空気噴孔は、保炎面の温度上昇を防止し、更に拡散火炎の安定化を図る。

また、放射状の保炎器を取り付けることで、燃焼器出口の温度分布を均一にすることが可能であり、タービンの保護につながる。ここで、放射状に配置された保炎器とは、燃焼室からパイロットバーナーを見た場合の保炎器形状が、保炎器内周側から外周側（半径方向で外側）に向けて複数の突出部を表したものである。

更に、前記予混合燃焼バーナーの出口で放射状に配置された保炎器と前記燃焼器内筒壁の側壁で前記保炎器の１つ以上と一致する周方向位置に開口を有する火炎伝播管とを備えるものとする。このように火炎伝播管が、燃焼器内筒壁の側壁で保炎器の１つと一致する周方向位置に開口を有して接続されているため、予混合燃焼バーナーの出口に到達した拡散火炎のうち、前記保炎器の保炎面に沿って拡散した火炎のみが予混合気により希釈されることなく外周側に位置する火炎伝播管に到達して他の燃焼器を着火させることができる。

更に、前記保炎器は、その下流側の縁において内周側よりも外周側の方が下流側に位置するように傾斜配置されており、好ましくはその燃焼器中心軸に対する傾斜角度が３０度以上６０度以内であるものとする。これにより、外周側の予混合燃焼ガスが保炎器の下流側の縁を通過した後に燃焼器の軸心へ収束する方向に偏向し、内周側の拡散燃焼ガスを十分に希釈混合するため、拡散火炎の長炎化を防いでＮＯｘの発生を低減し、また燃焼器出口の燃焼温度偏差の発生を防いでタービン翼の損傷を防止する。

放射状に配置された保炎器を、その下流側の縁において内周側よりも外周側の方が下流側に位置するように傾斜させることで、火炎の安定性を更に向上させる効果を奏する。

また、前記保炎器は、前記予混合燃焼バーナーに内周側で固定されており、前記保炎器の外周側の縁は、前記予混合燃焼バーナー外周壁から分離しているものとする。これにより、保炎器の熱伸び等による応力を逃がすことができ、更に保炎器下流側の縁と予混合燃焼バーナー外周壁の間より燃焼室に吐出する予混合気、若しくは空気により拡散火炎による燃焼室側壁の温度上昇を防止する。

また、前記空気噴孔は、空気を旋回させて噴出する構造とする。これにより、空気が旋回により広がるため保炎面の冷却が向上するとともに、旋回空気による循環流領域の拡大によって拡散火炎の更なる安定化を図る。

また、前記空気噴孔の外側であって前記予混合燃焼バーナーの内側にスリットを設け、その該スリット間に空気が保炎器に向けて流れる手段を設けるものとする。これにより、スリットから吐出するフィルム状の空気が保炎面を覆い、冷却性能を向上させる。

また、前記パイロットバーナーの空気流入部、若しくは空気流出部に水、若しくは蒸気を噴射可能なノズルを設ける。これにより、液体燃料の拡散燃焼時において、燃料噴出部の近傍に水、又は蒸気を供給することで、効果的にＮＯｘを低減できる。

また、前記予混合燃焼バーナーの流路を周方向に分割する仕切り板を設けたものとする。これにより、予混合燃焼バーナーの内部における予混合気（若しくは予混合用空気）の周方向への偏流を抑制し、予混合燃焼バーナー出口の流速偏差や燃料濃度偏差を減少させて、ＮＯｘの低減及び逆火を防止できる。

また、前記保炎器は前記仕切り板と隣接する仕切り板の間に位置するように配置することとする。これにより保炎器周方向側面を流れる予混合気（若しくは予混合用空気）の周方向への偏流を抑制し、予混合燃焼バーナー出口の流速偏差や燃料濃度偏差を減少させて、ＮＯｘの低減及び逆火を防止できる。

また、前記仕切り板は前記保炎器の下流側へ燃焼室に突き出して配置されているものとする。これにより、保炎面下流に安定した予混合気の循環流を形成させることができ、予混合火炎の安定性が向上する。

また、前記保炎器に燃焼室に予混合気、若しくは空気を噴出する複数の噴孔を設けたものとする。これにより、保炎面の冷却性能が向上し、更に予混合気の場合は、保炎面の噴流保炎による予混合火炎の安定化が達成できる。

また、前記予混合燃焼バーナーの内側隔壁の縁が、上流部から下流部に向かって、予混合燃焼バーナーの予混合気、若しくは空気流路断面積が拡大するような傾斜面を有するものとする。これにより、燃焼室において燃焼器中心軸に向かって予混合気、若しくは予混合用空気が流入しやすくなり、拡散燃料との混合性が向上し、ＮＯｘを低減できる。

また、前記保炎器と前記パイロットバーナーの間に補助燃料を燃焼室へ直接噴射可能な燃料噴孔を設けているものとする。または前記予混合燃焼バーナーと前記パイロットバーナーの間に、補助燃料を噴射可能なノズルと空気流路を設け、該燃料と該空気を予め混合し、燃焼室で予混合燃焼させる第２の予混合燃焼バーナーを設置するものとする。または放射状に配置された前記保炎器と周方向に隣接する前記保炎器の間であり、且つ前記予混合燃焼バーナーの燃料噴射ノズルより下流側に、補助燃料を予混合燃焼バーナーの予混合気、若しくは空気の流路に噴射可能な手段を設けたものとする。これにより、ガス燃料燃焼時に拡散火炎と予混合火炎の火移りをこの補助燃料の投入により確実にするとともに、燃焼室径方向への燃料供給位置の分散により燃焼振動を低減する。

また、前記予混合燃焼バーナーは、複数の燃料ノズルが幾つかに分割されて燃料が制御され供給できる構造とし、更にガスタービン負荷に応じて分割された燃料ノズルのうち燃料を噴射するノズルの組み合わせが変化する制御方法を有する。これにより、ガス燃料燃焼時に予混合火炎の安定性を保ちつつ、負荷に応じた全燃料流量の制御が可能となる。

（実施例）
本発明を用いた第一の実施例として、ガスタービン燃焼器の概略構造を図１から図３に示す。図１に示すように燃焼器は外筒壁１とエンドフランジ２で囲まれ、内筒壁３で囲まれた燃焼室４，拡散燃焼させる拡散旋回バーナー５，燃料と空気を混合し予混合気を生成する予混合器６，着火時に火炎を他の燃焼器に伝播させるための火炎伝播管７、更に燃料及び空気供給系統より構成される。

燃焼器中心軸上に設置された拡散旋回バーナー５は、燃焼用空気１２ａより分配された拡散燃焼用空気１２ｂを旋回翼８で旋回をかけ、更にガス１３ａ、若しくは液体燃料噴孔１４から吐出した燃料と燃焼室４で混合し、拡散火炎を形成する。拡散旋回バーナー５の周囲には、更に拡散燃焼用空気１２ｂを燃焼室４へ供給するための複数の旋回燃焼空気孔２６を設けている。拡散燃焼用液体燃料は液体燃料噴孔１４の周囲に設けられたアトマイズ空気噴孔２７から供給されるアトマイズ空気の噴流により微粒化される。旋回翼８の空気流入部には、水噴射ノズル２９が設けてあり、拡散燃焼用空気１２ｂと混合しながら燃焼室へ蒸気３０が供給できる。

拡散旋回バーナー５の周囲に設置された環状の予混合器６は、複数の予混合用燃料ノズル９のガス１３ａから吐出した燃料と燃焼用空気１２ａより分配された予混合用空気12ｃを予め混合し予混合気１１を生成し、この予混合気１１下流の燃焼室４の入口に設けられた保炎器１０ａによって、予混合火炎１８を形成し保炎する。保炎器１０ａは燃焼器中心軸に対し放射状に複数個配置され、更に各々の保炎器１０ａが、燃焼器中心軸に対し傾斜し設置されている。予混合器６には仕切板２２が予混合器６入口から保炎器１０ａ上流側まで予混合器６流路を周方向に分割するように設けられている。

燃焼器中心軸に対し傾斜配置された保炎器１０ａは、燃焼器の側面から見て、ほぼ平面の場合だけでなく、多少の凸状や凹状であっても良い。

図２に図１の燃焼器２缶を火炎伝播管７にて結合した場合の横断面図を示す。保炎器
１０ａは各々の燃焼器に８枚ずつ、各々の保炎器１０ａは予混合器６の仕切板２２間の上流、及び予混合用燃料ノズル間の上流に設置されている。火炎伝播管７は、各々の燃焼器に設置されたある保炎器１０ａに対し、径方向の内筒壁３に設置され、２缶の燃焼室４を繋いでいる。

図３は、図１に示した燃焼器に対し、拡散旋回バーナーを中心に拡大した断面図を示しており、各部の機能と通過する流体の流れ方向について以下説明する。拡散旋回バーナーの拡散燃焼用空気１２ｂは旋回翼８により旋回流となり、更に燃焼器中心軸に向かうある内向角をもって燃焼室に流入する。液体燃料ノズルから吐出しアトマイズ空気によって微粒化された液体燃料は、この内向角をもった旋回空気流と急速混合するため、空気不足の燃焼によるすすの発生を防止し安定な拡散火炎が形成できる。旋回翼８の上流部に設けられた水噴射ノズル２９は、旋回翼８に向かって水を噴射して拡散燃焼用空気１２ｂと水を混合させる。更にその後、水は燃焼室４で液体燃料と急速混合するため、燃料の発熱密度を効率よく低下することができ、ＮＯｘが低減できる。旋回翼８の空気出口近傍に設けられたガス燃料噴孔は、燃焼器中心軸に対しある外向角をもってガス１５ａを噴出させる。噴出したガス燃料の流量が少ない場合（ガスタービンの負荷が低い場合）は、ガス燃料の流速が遅く拡散燃焼用空気１２ｂに対する貫通力が小さいため、ガス１５ａは主に拡散燃焼用空気１２ｂと混合し燃焼器中心軸近傍で燃焼し安定燃焼できる。ガスタービン負荷が上昇し、ガス１５ａが増加した場合は、ガス燃料の貫通力が大きく旋回燃焼空気孔２６と予混合器６から流入する空気（予混合気）とも混合するため、希薄燃焼によるＮＯｘ低減が図れる。旋回燃焼空気孔２６は、拡散燃焼用空気１２ｂが旋回翼８と同一旋回方向に燃焼室へ流入できるよう拡散燃焼用バーナーの周囲に設けられており、燃焼器中心軸近傍の循環流を大きくし火炎安定化を図るとともに、旋回流による予混合器６側への空気の広がりが、燃焼室４と接する保炎器１０ａの面への拡散火炎の付着、保炎器１０ａ温度の上昇を防止している。旋回燃焼空気孔２６の周囲にはスリット２８が設けられており、拡散燃焼用空気１２ｂをフィルム状にし、燃焼室４と接する保炎器１０ａの面へ流出させることで、更に保炎器１０ａの温度上昇を防止している。燃焼器中心軸に対し傾斜し設置された保炎器１０ａは、環状の予混合器６流路を周方向に絞ると共に、傾斜した方向に流路が拡大するため、予混合器６における圧力損失の増加を抑えながら、予混合用空気１２ｃ、若しくは予混合気１１が予混合器６から燃焼室４の燃焼器中心軸方向へ吐出する。

保炎器１０ａは、その下流側の縁において内周側よりも外周側の方が下流側に位置するように傾斜配置されており、好ましくはその燃焼器中心軸に対する傾斜角度が３０度以上６０度以下であるものとする。これにより、外周側の予混合燃焼ガスが保炎器の下流側の縁を通過した後に燃焼器の軸心へ収束する方向に偏向し、内周側の拡散燃焼ガスを十分に希釈混合するため、拡散火炎の長炎化を防いでＮＯｘの発生を低減し、また燃焼器出口の燃焼温度偏差の発生を防いでタービン翼の損傷を防止する。

保炎器１０ａの傾斜角度を、３０度以上６０度以下とする理由を説明する。図１３に示すように、保炎器１０ａの燃焼器中心軸に対する傾斜角度が減少するにつれて、燃焼振動の振幅αは指数関数的に増加する。これは、保炎器１０ａの傾斜角度が減少するほど、予混合燃焼ガスが燃焼器の軸心へ収束し、高温の拡散燃焼ガスが希釈され、火炎の安定性が低下するために、燃焼振動の振幅が大きくなるためである。特に傾斜角度が３０度未満になると、燃焼振動振幅の増加が顕著になる。次に、燃焼器出口の温度偏差βは、保炎器
１０ａの燃焼器中心軸に対する傾斜角度が増加するにつれて、指数関数的に増加する。保炎器の傾斜角度が大きいため、予混合燃焼ガスが燃焼器の軸心へ収束する方向に偏心する量が小さく、予混合燃焼ガスは燃焼室４内をほぼ真っ直ぐに進行する。よって、内周側の拡散燃焼ガスと予混合燃焼ガスが十分に混合されず、出口の温度分布が偏り、下流のタービン翼に損傷を与える。特に傾斜角度が６０度を越えると、燃焼器出口における温度分布偏差の増加が顕著になる。したがって、燃焼振動の振幅，燃焼器出口の温度偏差、両者の影響を考慮すると、傾斜角度は３０度以上６０度以下とすることが、好ましい。

次に、パイロットバーナーと、パイロットバーナーの外周に配置された予混合燃焼バーナーと、内部に燃焼室を形成する略円筒形状の燃焼器内筒壁とを備えた予混合式ガスタービン燃焼器において、予混合燃焼バーナーの出口に放射状に配置された保炎器１０ａを取り付けた燃焼器の原理について説明する。環状の予混合燃焼バーナーにおいて、予混合燃焼バーナーの出口に保炎器を設けない場合、予混合燃焼ガスは環状のまま燃焼室４に流入する。よって、予混合燃焼ガスは、パイロットバーナーから噴出した拡散燃焼ガスを包み込む流れとなる。予混合燃焼ガスの流れは拡散燃焼ガスの流れを積極的に崩そうとしないため、予混合燃焼ガスと拡散燃焼ガスが均一に攪拌することは困難である。したがって、燃料の偏在が生じ、ＮＯｘの発生につながる。これに対し、本実施例のように、予混合燃焼バーナーの出口に放射状に配置された保炎器を取り付けることで、予混合燃焼バーナーから流出する気体には円周方向で流れる個所と流れない個所が生じ、気体流速の強弱が円周方向に交互に並ぶ分布となる。このような分布により、ガス燃料使用時には予混合火炎の安定化を図り、液体燃料使用時には予混合バーナーから吐出する空気とパイロットバーナーの燃料混合を促進し拡散火炎の長炎化を防止する。燃焼器出口の温度分布が均一になることで、タービンの保護にもつながる。更に、燃焼室４と接する保炎器１０ａの面を燃焼器中心軸に傾けることで、予混合燃焼バーナーから流出した予混合燃焼ガスを、積極的に燃焼器の軸心へ収束する方向に偏向させる。そして、パイロットバーナーから噴出した拡散燃焼ガスと交差し、混合が促進され、拡散火炎の長炎化を防いでＮＯｘの発生を低減し、また燃焼器出口の燃焼温度偏差の発生を防いでタービン翼の損傷を防止する。予混合燃焼バーナーの出口に放射状に配置された保炎器１０ａと、燃焼室４と接する保炎器10ａの面を燃焼器中心軸に傾けるという、両者の相乗効果により、火炎の安定性を更に向上させることが可能である。なお、燃焼室４と接する保炎器１０ａの面から流出した予混合流路は、必ずしも周方向に一定間隔である必要はなく、図１４に示すように予混合気１１流路の間隔が不均一であっても、パイロットバーナーから噴出した拡散燃焼ガスを希釈混合することが可能である。また、図１５に示すように、燃焼器の軸心を中心に、予混合気
１１流路に回転成分を持たせても良い。このような回転成分を持たせることにより、拡散燃焼ガスと予混合燃焼ガスの更なる攪拌効果を期待できる。なお、予混合燃焼バーナーの出口に、燃焼器中心軸に対し傾斜する放射状の保炎器１０ａを取り付けたのは、予混合燃焼ガスが環状のまま燃焼室４に流入することの防止と、予混合燃焼ガスを拡散燃焼バーナー側へ偏心させることを目的としている。この目的を達成するためであれば、例えば、保炎器１０ａを設けずに、パイロットバーナーの外周に配置された環状の予混合燃焼バーナーを隔壁で円周方向に分割し、予混合燃焼バーナー出口をパイロットバーナー側に向けることで、予混合燃焼バーナーから流出する予混合燃焼ガスは円周方向に流速の強弱が交互に並ぶ分布となり、拡散燃焼バーナー側に偏心する流路とすることができるため、放射状の保炎器１０ａを取り付けた場合と同じ予混合流路を作ることが可能である。但し、本実施例のような保炎器形状とすることで、予混合燃焼ガスが環状のまま燃焼室４に流入することを防止し、拡散燃焼バーナー側に偏心する流路にするという目的を、簡易な構造で達成することが可能である。

また、保炎器１０ａは、内周側で片持ち状に配置される。つまり、保炎器１０ａの内周側で予混合燃焼バーナーに支持（固定）されており、保炎器１０ａの外周側の縁は、前記予混合燃焼バーナー外周壁から分離しているものとする。これにより、保炎器１０ａの熱伸び等による応力を逃がすことができ、更に保炎器１０ａ下流側の縁と予混合燃焼バーナー外周壁の間より燃焼室に吐出する予混合気１１、若しくは空気により拡散火炎による燃焼室側壁の温度上昇を防止することができる。

図１，図２、及び図３の燃焼器に関し、ガス燃料、及び液体燃料燃焼時における運転条件と火炎形状の一例を図４，図５に示す。

図４は燃焼器着火時の燃焼状態を示しており、ガス燃料と液体燃料燃焼時の火炎形状を各々燃焼器中心軸から上と下に示している。まず、ある燃焼器において、拡散旋回バーナー５にガス１５ａ、若しくは液体燃料１６ａを供給し、何らかの点火装置を用いて拡散火炎１９を形成させる。ガス１５ａは拡散燃焼用空気１２ｂと混合後、拡散火炎１９を形成し、拡散旋回バーナー５によって保炎され、更に保炎器１０ａの下流は低速循環流領域であるため、拡散火炎１９は各保炎器１０ａに添って放射状に広がる。火炎伝播管７は、保炎器１０ａの外周部に配置されているため、高温の燃焼ガス２０は、予混合用空気１２ｃに希釈されることなく保炎器１０ａを介し火炎伝播管７に流入することが可能となり、隣接燃焼器を着火することができる。また、ガス燃料を用いる場合は、他缶を火炎伝播管７によって着火させる時、ガス１５ａに加え予混合用燃料１５ｂを供給し予混合火炎１８も形成することによって、更に火炎の伝播特性が向上する。

燃焼器着火後は、燃料供給量を増加させ、ガスタービンの昇速運転、及び負荷運転をする。図５はこの時のガス燃料と液体燃料燃焼時の火炎形状を各々燃焼器中心軸から上と下に示している。ガス燃料による高負荷燃焼時において、燃焼安定化のための拡散燃焼と
ＮＯｘ低減のために予混合用燃料を用い希薄予混合燃焼させる。放射状に配置し、更に燃焼器中心軸方向へ傾斜させた保炎器１０ａによって、拡散火炎１９は保炎器１０ａに沿って燃焼器径方向へ放射状に広がり、予混合火炎１８は燃焼器中心軸方向へ伸びる。このため、高温の拡散火炎１９と希薄燃焼による低温の予混合火炎１８が、燃焼器周方向に交差し、燃焼器頭部の瞬時温度均一化によるＮＯｘ低減と燃焼安定化を促進している。

液体燃料使用時の拡散火炎１９は、前述のように保炎器１０ａに添って放射状に広がり、更に傾斜した保炎器１０ａによって予混合用空気１２ｃが燃焼器中心軸方向、即ち拡散旋回バーナー５の下流に流出するため、燃焼室４下流部においては、予混合用空気１２ｃと拡散火炎１９による燃焼ガスの混合が促進し、燃焼器出口の温度偏差を抑え、タービン翼の焼損を防止できる。また、予混合用空気１２ｃによる希釈効果から、拡散火炎１９の長炎化を防止できるため、高温燃焼領域が減少しＮＯｘ排出量が低減できる。

また、保炎器１０ａと予混合器６外周壁の間に隙間があり、高速の空気、若しくは予混合気が燃焼室壁面に沿って噴出するため、全ての燃焼状態において、燃焼室壁面を冷却し、温度上昇を防止している。

図６は燃焼器着火から定格負荷における燃料、及び水流量制御の一例を示す。図６の上図に示すように予混合燃料ノズルはＦ１からＦ４に４分割されて各々別系統にて予混合用ガス燃料の制御が可能となっている。

図６（ｂ）にガス燃料と液体燃料燃焼時のガスタービン負荷に対する燃料流量を示す。ガス燃料燃焼の場合、燃焼器着火からガスタービン昇速を経て、ある部分負荷まで拡散燃料で運用する。その後負荷上昇に伴いＦ１からＦ４まで順次予混合燃料を投入していく。このように予混合燃料を段階的に投入することにより、予混合気の燃料と空気の混合比を、不安定燃焼と逆火が防止できる最適条件にて予混合燃焼を制御することが可能となる。

また液体燃料燃焼時は、拡散燃料のみの運用となるが、燃焼が安定したある部分負荷時に水を投入し、ＮＯｘ濃度の低減を図る。

図１から図３の実施例に対し、本発明を用いた他の予混合器６構造を図７から図９に示す。

図７は仕切板２２を保炎器１０ａから下流部へ突き出して設置した場合を示している。この仕切板２２により予混合気の保炎器１０ａ間から下流への流れを周方向に拘束し、保炎器１０ａが燃焼室４と接する面に形成する循環流の安定化を図ることができ、予混合気の不安定燃焼と燃焼振動を防止する。

そして、予混合燃焼バーナー出口の流速偏差や燃料濃度偏差を減少させて、ＮＯｘの低減及び逆火を防止できる。

図８は保炎器１０ａの内周側にスリット２８と複数の冷却孔３１を設けた構造を示している。スリット２８内部に設けた冷却孔３１は、拡散燃焼用空気１２ｂから分岐し供給され、フィルム状の空気を保炎器の近傍から燃焼室４と接する保炎器１０ａの面に向けて噴出することにより、確実に保炎器１０ａの温度上昇を防止することが可能となる。又、保炎器１０ａに予混合器６内部から保炎器１０ａ下流部に向けて冷却孔を設置することによって、直接保炎器１０ａを冷却することが可能となると共に、燃焼室４と接する保炎器
１０ａの面から冷却孔を経て吐出する予混合気によって、噴流保炎が可能となり、予混合火炎の安定性が向上する。

図９は保炎器１０ａ間における予混合器６の内側隔壁の縁が、上流部から下流部に向かって、予混合燃焼バーナーの予混合気１１、若しくは空気流路断面積が拡大するような傾斜面を有する構造とした場合を示している。これにより、燃焼室において燃焼器中心軸に向かって予混合気、若しくは予混合用空気が流入しやすくなり、拡散燃料との混合性が向上し、ＮＯｘを低減できる。

本発明を用いた他の実施例として、図１から図３の燃焼器に対し予混合器６と拡散旋回バーナーの間に補助燃料２３が供給できる流路を設け、保炎器１０ａと旋回燃焼空気孔
２６の間より燃焼室４へ直接燃料を噴射できるような、複数の補助燃料噴孔２４を設けた構造を図１０に示す。ガス燃料燃焼時、特にガスタービンの部分負荷運転時に、拡散火炎から予混合火炎の火移りが悪く、未燃燃料が排出されてしまう場合は、保炎器１０ａ近傍に配置された補助燃料噴孔２４からガス燃料を燃焼室へ噴出することによって、予混合気
１１内周側の燃料濃度が増加し、予混合気１１を完全燃焼することができる。またＮＯｘ低減のために拡散ガス燃料を減少させると拡散火炎が不安定となり、それと共に予混合火炎が揺動して大きな燃焼振動が発生する場合がある。この場合補助燃料２３を投入することにより、拡散火炎を分散できるため、燃焼振動を抑制することができる。

本発明を用いた他の実施例として、燃焼器の縦断面図を図１１に示す。図１０の実施例と同様に補助燃料２３が供給できる流路を設けてあり、予混合器６出口に近接した保炎器１０ａ間の上流部における予混合器６内周壁に予混合器６内部へ燃料が噴出可能な補助燃料噴孔２４が設けてある。補助燃料噴孔２４から噴出した燃料は、予混合気１１、若しくは予混合用空気と混合し、保炎器１０ａ間から燃焼室４へ供給される。効果としては図
１０の実施例と同様であるが、補助燃料２３が予混合気１１、若しくは予混合用空気と一部混合するために更に低ＮＯｘ化が図れる。

また、ガス燃料燃焼時に拡散火炎と予混合火炎の火移りを補助燃料２３の供給により確実にするとともに、燃焼室径方向への燃料供給位置の分散により燃焼振動を低減する。

図１０，図１１の燃焼器に係り、本発明を用いた他の実施例として、予混合器６と拡散旋回バーナー５の間に補助予混合器３２を設置した場合を図１２に示す。部分負荷時の未燃燃料の低減と燃焼振動の抑制効果は図１０，図１１の燃焼器と同様であるが、補助予混合器３２出口にも放射型の保炎器１０ｂを設置することによって、補助燃料２３による予混合火炎が安定化し、更に拡散火炎が補助予混合器３２の燃焼室４と接する保炎器１０ｂの面を通過できるため、着火時隣接缶への火炎伝播特性や燃焼器出口の均一温度特性を損なうことなく、更なるＮＯｘ低減が図れる。

次に、パイロットバーナーとパイロットバーナーの外周に予混合燃焼バーナーを配置した既存のガスタービン燃焼器において、保炎器１０ａを取り付けることで改造を行う方法について、以下説明する。パイロットバーナーとパイロットバーナーの外周に予混合燃焼バーナーを配置した既存のガスタービン燃焼器に放射状の保炎器を取り付けるときは、保炎器の下流側の縁において内周側よりも外周側の方が下流側に位置するように傾斜配置し、好ましくはその燃焼器中心軸に対する傾斜角度が３０度以上６０度以下であるものとする。これにより、外周側の予混合燃焼ガスが保炎器の下流側の縁を通過した後に燃焼器の軸心へ収束する方向に偏向し、内周側の拡散燃焼ガスを十分に希釈混合するため、拡散火炎の長炎化を防いでＮＯｘの発生を低減し、また燃焼器出口の燃焼温度偏差の発生を防いでタービン翼の損傷を防止する。次に、放射状の保炎器を取り付けるときは、内周側で片持ち状に配置するものとする。つまり、保炎器１０ａの内周側で予混合燃焼バーナーに支持（固定）されており、保炎器１０ａの外周側の縁は、前記予混合燃焼バーナー外周壁から分離しているものとする。これにより、保炎器１０ａの熱伸び等による応力を逃がすことができ、更に保炎器１０ａ下流側の縁と予混合燃焼バーナー外周壁の間より燃焼室に吐出する予混合気１１、若しくは空気により拡散火炎による燃焼室側壁の温度上昇を防止することができる。以上のように、ガスタービンにおいて、既に取り付けられた燃焼器がパイロットバーナーとパイロットバーナーの外周に予混合燃焼バーナーを配置した形式においては、放射状の保炎器１０ａを取り付けた新しい燃焼器を製作して既存の燃焼器と取り替えるのではなく、既存の燃焼器に放射状の保炎器１０ａを取り付けて改造することで、ほぼ同等の性能を出すことが可能であり、製作費用の低減が可能である。

以上述べたように、本発明をガスタービン用燃焼器に用いることによって、ガス、及び液体燃料に対応した燃焼形態を実現することにより燃焼安定化と低ＮＯｘ化が両立できる。また、燃焼場の空気と燃料の混合が促進されるため、ガスタービン入口の燃焼ガス温度が均一になり、タービン翼の損傷を防止できる。更に、ガスタービンシステムが多缶の燃焼器で構成され、各缶の着火に火炎伝播管を用いる場合、本発明により火炎伝播性能が向上するため、着火範囲が拡大する。

また、パイロットバーナーとパイロットバーナーの外周に予混合燃焼バーナーを配置した既存のガスタービン燃焼器においても、放射状の保炎器を予混合燃焼バーナーの出口に設置することで、当初から放射状の保炎器を備えたガスタービン燃焼器と同じ効果が期待できる。

本発明を用いたガスタービン燃焼器の断面図。 燃焼器２缶を火炎伝播管で連結した構成断面図。 燃焼器の燃料ノズルと保炎器を示す断面図。 燃焼器の拡散燃焼時火炎形状を示す断面図。 燃焼器の拡散及び予混合燃焼時の火炎形状を示す断面図。 燃焼器の保炎器構成及び流量関係図。 本発明を用いた予混合器の部分拡大断面図。 本発明を用いた予混合器の部分拡大断面図。 本発明を用いた予混合器の部分拡大断面図。 本発明を用いた燃焼器の断面図。 本発明を用いた燃焼器の断面図。 本発明を用いた燃焼器の断面図。 燃焼器中心軸に対する保炎器の傾斜角度と傾斜角度により現れる現象の影響度合いを表した図。 予混合流路が周方向に不均一である場合を示す図。 燃焼器軸心を中心に予混合流路に回転成分を持たせた場合を示す図。

符号の説明

１…外筒壁、２…エンドフランジ、３…内筒壁、４…燃焼室、５…拡散旋回バーナー、６…予混合器、７…火炎伝播管、８…旋回翼、９…予混合用燃料ノズル、１０ａ，１０ｂ…保炎器、１１…予混合気、１２ａ…燃焼用空気、１２ｂ…拡散燃焼用空気、１２ｃ…予混合用空気、１３ａ，１５ａ…ガス、１３ｂ…予混合燃焼用ガス燃料噴孔、１４…拡散燃焼用液体燃料噴孔、１５ｂ…予混合用燃料、１６ａ…液体燃料、１８…予混合火炎、１９…拡散火炎、２１…ガス及び液体燃料流路、２２…予混合器仕切板、２３…補助燃料、
２４…補助燃料噴孔、２６…旋回燃焼空気孔、２７…アトマイズ空気噴孔、２８…スリット、２９…水噴射ノズル、３０…蒸気、３１…冷却孔、３２…補助予混合器。

Claims (12)

1. パイロットバーナーと、前記パイロットバーナーの外周に配置された予混合燃焼バーナーと、前記予混合燃焼バーナーの下流側に配置され内部に燃焼室を形成する略円筒形状の燃焼器内筒壁とを備えたガスタービン燃焼器であって、
   前記予混合燃焼バーナーの出口で放射状に配置された保炎器と、前記パイロットバーナーが、ガス燃料及び液体燃料のうちの少なくとも一方を噴射する燃料噴射手段とを備え、前記パイロットバーナーの外側であって、前記予混合燃焼バーナーの内側に燃焼室に空気を噴出する複数の空気噴孔を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、前記燃焼器内筒壁の側壁で前記保炎器の１つと一致する周方向位置に開口を有する火炎伝播管とを備えることを特徴とするガスタービン燃焼器。
3. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、前記保炎器は、その下流側の縁において内周側よりも外周側の方が下流側に位置するように傾斜配置されており、その燃焼器中心軸に対する傾斜角度が３０度以上６０度以内であることを特徴とするガスタービン燃焼器。
4. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記保炎器は、前記予混合燃焼バーナーに内周側で固定されており、前記保炎器の外周側の縁は、前記予混合燃焼バーナー外周壁から分離していることを特徴とするガスタービン燃焼器。
5. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、前記空気噴孔は、空気を旋回させて噴出する構造であることを特徴としたガスタービン燃焼器。
6. 請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記空気噴孔の外側であって前記予混合燃焼バーナーの内側にスリットを設け、その該スリット間に空気が保炎器に向けて流れる手段を設けたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
7. 請求項１に記載のガスタービンの燃焼器において、前記パイロットバーナーの空気流入部、若しくは空気流出部に水、若しくは蒸気を噴射可能なノズルを設けたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
8. 請求項１に記載のガスタービンの燃焼器において、
   前記予混合燃焼バーナーの流路を周方向に分割する仕切り板を設けたことを特徴とする燃焼器。
9. ガス燃料及び液体燃料を噴射可能な燃料噴射手段を備えたパイロットバーナーと、前記パイロットバーナーの外周に配置された予混合燃焼バーナーと、前記予混合燃焼バーナーの下流側に配置され内部に燃焼室を形成する略円筒形状の燃焼器内筒壁とを備えたガスタービン燃焼器であって、
   前記予混合燃焼バーナーの出口で放射状に配置された保炎器を設け、前記保炎器は、その下流側の縁において内周側よりも外周側の方が下流側に位置するように傾斜配置されており、前記保炎器は、前記予混合燃焼バーナーに内周側で固定されており、前記保炎器の外周側の縁は、前記予混合燃焼バーナー外周壁から分離していることを特徴とするガスタービン燃焼器。
10. パイロットバーナーと、前記パイロットバーナーの外周に配置された予混合燃焼バーナーと、前記予混合燃焼バーナーの下流側に配置され内部に燃焼室を形成する略円筒形状の燃焼器内筒壁とを備えたガスタービン燃焼器の燃焼方法であって、
    前記予混合燃焼バーナーの出口に放射状に保炎器を配置し、前記パイロットバーナーからガス燃料及び液体燃料のうちの少なくとも一方を噴射し、前記パイロットバーナーの外側及び前記予混合燃焼バーナーの内側の複数の空気噴孔から燃焼室に空気を噴出することを特徴とするガスタービン燃焼器の燃焼方法。
11. ガス燃料及び液体燃料を噴射可能な燃料噴射手段を備えたパイロットバーナーと、前記パイロットバーナーの外周の予混合流路内に配置された予混合燃焼バーナーと、前記予混合燃焼バーナーの下流側に配置され内部に燃焼室を形成する略円筒形状の燃焼器内筒壁とを備えたガスタービン燃焼器の改造方法であって、
    前記予混合流路の出口に放射状の保炎器を取り付け、前記保炎器を、内周側よりも外周側の方が下流側に位置するように傾斜配置し、前記保炎器の外周側の縁と前記予混合燃焼バーナー外周壁とを間隔を有して配置したことを特徴とするガスタービン燃焼器の改造方法。
12. パイロットバーナーと、前記パイロットバーナーの外周に配置された予混合流路と、前記予混合流路の下流側に配置され内部に燃焼室を形成する略円筒形状の燃焼器内筒壁とを備えた予混合式ガスタービン燃焼器であって、
    該燃焼室に向けられた環状の前記予混合流路を、第一に前記予混合流路中の流体は予混合流路出口において燃焼器中心軸方向の流速が異なり、第二に燃焼器中心側へ向け、第三に前記パイロットバーナーから噴出する燃料と交差させるよう構成した、予混合式ガスタービン燃焼器。

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