JP2007113888A - ガスタービンエンジンの燃焼器構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】装置の大型化、複雑化や熱効率の低下を招来することなく、広い運転負荷範囲において、燃焼安定性が良好であり、かつNOxおよびCO等の有害物質の排出が少ないガスタービンエンジンの燃焼器構造を提供する。
【解決手段】希薄予混合燃焼が適用されてなるガスタービンエンジンの燃焼器構造であって、燃料追加供給部7を予混合燃焼領域Vの下流に2段階に設け、予混合燃焼領域Vに空気を供給するライナヘッドにおける主空気流路面積Sが、燃料追加供給部7における空気流路の総流路面積を超えないようにされているものである。
【選択図】 図1

Description

本発明は、ガスタービンエンジンの燃焼器構造に関する。さらに詳しくは、部分負荷時においても所望の燃焼安定性と低公害性とを発揮し得るガスタービンエンジンの燃焼器構造に関する。
近年、自家発電設備の普及がさらに進み、その動力源としてガスタービンエンジンが広く採用されている。そのような発電設備は、時間帯等に応じて電力需要が変動するために、最大出力による運転のみならず部分負荷による運転が必要とされる場合も多い。
したがって、広い運転負荷範囲において、良好な燃焼安定性を達成し、かつNOx(窒素酸化物)およびCO(一酸化炭素)等の有害物質の排出を低減することが、環境保全のために、ガスタービンエンジンにおいて求められるようになってきている。
このような要請に応えるために、従来、部分負荷時に、(1)燃焼室内に水または水蒸気を噴射したり、(2)エンジン抽気により、希薄予混合燃焼における混合空気量を減少させたりすることが行われている。
ところが、前記1の方法では、水または水蒸気を噴射するための設備が必要となり、装置の大型化、複雑化を招来する上、そのようなデメリットに見合った大幅なNOxの低減効果が発揮されないといった問題がある。
また、前記2の方法では、安定燃焼範囲の狭い希薄予混合燃焼においても広い運転負荷範囲において低NOx化を実現できるものの、抽気のための仕事量によりエンジン熱効率が低下するといった問題がある。
特開平8−261468号公報 特開平10−196909号公報 特開2000−274689号公報
本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、装置の大型化、複雑化や熱効率の低下を招来することなく、広い運転負荷範囲において、燃焼安定性が良好であり、かつNOxおよびCO等の有害物質の排出が少ないガスタービンエンジンの燃焼器構造を提供することを目的としている。
本発明のガスタービンエンジンの燃焼器構造は、希薄予混合燃焼が適用されてなるガスタービンエンジンの燃焼器構造であって、燃料追加供給部を予混合燃焼領域の下流に2段階に設けてなることを特徴とする。
本発明のガスタービンエンジンの燃焼器構造においては、予混合燃焼領域に空気を供給するライナヘッドに設けられる主空気流路面積が、燃料追加供給部における空気を供給する空気流路の総流路面積を超えないようにされてなるのが好ましい。
また、本発明のガスタービンエンジンの燃焼器構造においては、第1段の燃料追加供給部における空気を供給する空気流路の総流路面積が、第2段の燃料追加供給部における空気を供給する空気流路の総流路面積を超えないようにされてなるのが好ましい。
さらに、本発明のガスタービンエンジンの燃焼器構造においては、燃料追加供給部の燃料ノズルは、拡散ノズルおよび予混合燃焼用ノズルとすることができるが、拡散ノズルとされるのが好ましい。
しかして、本発明のガスタービンエンジンの燃焼器構造は、ガスタービンエンジンの燃焼器に備えられる。
本発明のガスタービンエンジンの燃焼器構造は、前記の如く構成されているので、広い運転負荷範囲において、燃焼安定性が良好であり、かつNOxおよびCO等の有害物質の排出が少ないという優れた効果が得られる。
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。
図1に、本発明の一実施形態に係るガスタービンエンジンの燃焼器構造が適用された燃焼器Uの概略図を示す。
燃焼器Uは、図1に示すように、燃焼器ライナのスリーブ外筒としてのフロースリーブ1と、その内側に設けられたスリーブ内筒としての内筒2とを備える。
フロースリーブ1および内筒2の一端開口はともに端壁3により閉塞される一方、フロースリーブ1の他端は燃焼用空気を導入する空気導入口1aとして開口し、内筒2の他端は排気口2aとして開口している。
ここで、内筒2の内部は、円環板状の隔壁2bにより、端壁3側のライナヘッド4と、排気口2a側の燃焼室5とに軸方向に所定位置で区分される。
ライナヘッド4は、空気導入口1aからフロースリーブ1内に導入された燃焼用空気を内筒2内部に導くための所定数の開口4aを有するとともに、図示しない燃料供給系から供給される燃料を燃焼用空気と混合して予混合燃料として燃焼室5内に噴出するための燃料噴出装置6を内部に収納している。燃料噴出装置6から噴出された予混合燃料は、燃焼室5内の所定領域(以下、予混合燃焼領域という)Vにおいて燃焼する。
また、燃焼器Uは、燃料噴出装置6とは別に、部分負荷時に燃焼室5に追加的に燃料を供給するための燃料追加供給部7を備えるものとされる。図中、符号Fは燃料追加供給部7により供給された燃料により形成される拡散火炎(または予混合火炎)を示す。
次に、燃料噴出装置6を説明する。
燃料噴出装置6は、燃焼室5の上流側開口である前記隔壁2aの内側開口の中心に配されたパイロット燃焼部10と、その径方向外方に配されたメイン燃焼部20とを有する。
パイロット燃焼部10は、中心に配されたパイロット燃料ノズル11と、その径方向周囲に配された、パイロット燃料ノズル11から噴出される燃料と燃焼用空気とを混合して燃焼室に送るための燃焼用空気流路12とを有する。
パイロット燃料ノズル11は、端部開口が閉塞された管状部材からなり、放射状に燃料を噴出するように周壁に噴射孔11aが穿設されている。
燃焼用空気流路12は、パイロット燃料ノズル11外周面と、その周囲に配設されたハット状筒体13の内周面との間隙として形成されており、所定位置にスワーラ14が設けられるものとされる。パイロット燃料ノズル11から燃焼用空気流路12に噴出された燃料は、スワーラ14により旋回流とされた燃焼用空気と混合して、燃焼室5に送られる。
メイン燃焼部20は、メイン燃料ノズル21と、メイン燃料ノズルから噴出される燃料と燃焼用空気とを混合して燃焼室5に送るためのメイン燃料予混合流路22とを有する。
メイン燃料ノズル21は、前記ハット状筒体13の径方向外方に配されており、メイン燃料予混合流路22の始端開口22aに向けて燃料を噴出する。
メイン燃料予混合流路22は、前記ハット状筒体13の外周面と、これよりも大径のハット状筒体23との間隙として形成されており、両ハット状筒体13、23のフランジ状部の間隙がメイン燃料予混合流路22の始端開口22aとされている。
また、この始端開口22aには、スワーラ24が配設されている。
そして、前記大径のハット状筒体23のボス状部開口は前記内筒2の隔壁2aの内側端部と接続されて、メイン燃料予混合流路の出口(以下、予混合流路出口という)22bを形成している。
しかして、メイン燃料ノズル21から噴出された燃料は、スワーラ24において燃焼用空気とともに旋回成分が与えられて燃焼用空気と混合し、予混合流路出口22bから予混合燃焼領域Vに向けて噴出される。
ここで、前記ライナヘッド4の開口4aから内筒2内に導入された燃焼用空気は、メイン燃料予混合流路22およびスワーラ14を通過して予混合燃焼領域Vに送られる。したがって、メイン燃料予混合流路22およびスワーラ14の合計流路面積を本明細書では主空気流路面積Sと定義するものとする。
一般に、ガスタービンエンジンにおいては、NOx(窒素酸化物)およびCO(一酸化炭素)の排出を共に抑えて安定燃焼できる、負荷に応じた希薄側の限界空燃比が存在する。実施形態では、ガスタービンエンジンの所定の部分負荷運転時(例えば、最大負荷の50%の運転時)の予混合燃焼領域Vにおける空燃比が、最大負荷に近い所定負荷による運転時(例えば、最大負荷の80%の運転時)の前記限界空燃比と同程度となるように、前記主空気流路面積Sを設定する。このとき、前記面積Sは、通常よりも小さくなる。
次に、燃料追加供給部7を説明する。
燃料追加供給部7は、部分負荷時に、低NOxかつ低COの燃焼状態で安定燃焼している予混合燃焼領域Vの下流側の所定位置にて、NOxの生成を抑えるように、燃焼室5に燃料を追加的に供給して燃焼(追焚き燃焼)させるものであり、前記所定位置にて燃焼室5と外部とを連通するように、燃焼室5壁を貫通して設けられる所定数の燃料追加供給用チューブ31と、チューブ31に先端を所定長さ差し込むようにして配設された燃料追加供給ノズル32とを有する。
燃料追加供給ノズル32は、図示例のような拡散燃焼用ノズルとすることも、図示しない予混合燃焼用ノズルとすることも可能である。
ここで、燃料追加供給部7は2段階に設けられるものとされる。すなわち、予混合流路出口22bからの軸方向距離が第1の距離L1である第1段追加供給部7Aと、第2の距離L2(ただし、L1<L2)である第2段追加供給部7Bがそれぞれ設けられるものとされる。
ここで、第1距離L1および第2距離L2と、各段の追加供給部7A、7Bに配設されるチューブ31および燃料追加供給ノズル32の数量とその配置の相互関係(例:直列配置、千鳥配置)と、前記主空気流路面積Sと燃料追加供給部7の空気流路の総流路面積の比と、第1段追加供給部7Aの空気流路面積と第2段追加供給部7Bの空気流路面積の比とは、それぞれ、NOxおよびCOの排出量が少なく、かつ安定燃焼が可能なように適宜設定するものとされる。
例えば、主空気流路面積Sと燃料追加供給部7の空気流路の総流路面積の比D1は、5:5等とされ、第1段追加供給部7Aの空気流路の総流路面積と第2段追加供給部7Bのそれとの比D2は、4:6等とされる。
前記比D1の値は、低負荷範囲を広くする場合に、4:6、・・・と小さくされる。
また、前記比D2の値は、低負荷範囲を広くする場合に、3:7、・・・と小さくされる。
このように、本実施形態の燃焼器Uにおいては、部分負荷時に、低NOxかつ低COの燃焼状態で安定燃焼が行えるように主空気流路面積Sを設定するとともに、2段階の燃料追加供給部7により燃焼室5に燃料を追加的に供給して燃焼させるものとしたので、負荷に応じた適正な空燃比となし得るという理由により、NOxおよびCOの発生を抑えることが可能となる。
したがって、広い運転負荷範囲において、良好な燃焼安定性と、NOxおよびCO等の有害物質の排出の少ないクリーンな燃焼とを達成することができる。
以下、図2を参照して、本発明の実施例を説明する。図2は、実施形態の第1段燃料追加供給部7Aのみを設けた燃焼器におけるNOx排出量(比較例1)およびCO排出量(比較例2)の負荷特性と、2段階の燃料追加供給部7A、7Bを設けた燃焼器のNOx排出量(実施例1)およびCO排出量(実施例2)の負荷特性とを示すグラフ図である。また、図2において、H1線はNOxの排出許容濃度を示し、H2線はCOの排出許容濃度を示す。
図2に示すように、実施例1では、全ての負荷領域において比較例1よりもNOxの排出濃度が低く抑えられており、2段階の燃料追加供給部7A、7Bを設けることによってNOxの排出量をより低減できることが分かる。
また、実施例2では、全ての負荷領域においてCO排出量が許容濃度以下に抑えられており、2段階の燃料追加供給部7A、7Bを設けることによってCOの排出量をより低減できることが分かる。これに対して、比較例2では、所定負荷E1以下の領域でCO排出量が許容濃度を上回っており、環境保全の観点から前記所定負荷E1以下での運転はできないことが分かる。したがって、2段階の燃料追加供給部7A、7Bを設けることによって、環境保全上、運転可能な負荷領域が広がる。
本発明は、ガスタービンエンジンの燃焼器に適用できる。
本発明の一実施形態に係るガスタービンエンジンの燃焼器構造が適用された燃焼器の概略図である。 本発明の実施例としての有害物質排出量の負荷特性図である。
符号の説明
U 燃焼器
V 予混合燃焼領域
1 フロースリーブ
2 内筒
4 ライナヘッド
5 燃焼室
6 燃料噴出装置
7 燃料追加供給部

Claims (5)

  1. 希薄予混合燃焼が適用されてなるガスタービンエンジンの燃焼器構造であって、
    燃料追加供給部を予混合燃焼領域の下流に2段階に設けてなることを特徴とするガスタービンエンジンの燃焼器構造。
  2. 予混合燃焼領域に空気を供給するライナヘッドに設けられる主空気流路面積が、燃料追加供給部における空気を供給する空気流路の総流路面積を超えないようにされてなることを特徴とする請求項1記載のガスタービンエンジンの燃焼器構造。
  3. 第1段の燃料追加供給部における空気を供給する空気流路の総流路面積が、第2段の燃料追加供給部における空気を供給する空気流路の総流路面積を超えないようにされてなることを特徴とする請求項1記載のガスタービンエンジンの燃焼器構造。
  4. 燃料追加供給部の燃料ノズルが拡散ノズルとされてなることを特徴とする請求項1記載のガスタービンエンジンの燃焼器構造。
  5. 請求項1ないし4のいずれか一項に記載のガスタービンエンジンの燃焼器構造を備えてなることを特徴とするガスタービンエンジンの燃焼器。
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