JP2007146697A - 燃焼器及び燃焼器の燃焼空気供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、燃焼器の空気ノズル構造でＮＯｘ性能が評価可能な燃焼器及び燃焼器の燃焼空気供給方法を提供することにある。
【解決手段】本発明は、空気ノズルの流路に、空気ノズルに形成された空気流路の断面積が拡大する流路拡大部とこの流路拡大部の下流側に断面積が縮小する流路縮小部を設けたことを特徴とする。
【効果】本発明によれば、燃焼器の空気ノズル構造でＮＯｘ性能が評価可能な燃焼器及び燃焼器の燃焼空気供給方法を提供することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼器及び燃焼器の燃焼空気供給方法に関するものである。

産業用電力を支える発電プラントのひとつに天然ガスや石油などの化石資源を燃料とするガスタービン発電プラントがある。このガスタービン発電プラントは化石資源を燃料とし、地球温暖化物質のひとつである二酸化炭素（ＣＯ₂ ）を排出することから、これまで以上に発電効率の向上が求められている。発電効率を高める手段として、ガスタービン燃焼器における燃焼ガスの高温化が挙げられる。しかし、燃焼ガスの高温化に伴い、燃焼排ガス中の環境阻害物質である窒素酸化物（ＮＯｘ）が指数関数的に増加するため、発電効率を高めながらＮＯｘを低減する対策が重要な技術課題となっている。

そこで、特許文献１には、燃料ノズルと空気ノズルとを同軸に配置するとともに、クラスタと呼ばれる多数の小口径同軸ノズル（以下、同軸クラスタノズルと記載）で低ＮＯｘかつ燃焼安定性に優れたガスタービン燃焼器の技術が開示されている。

特開２００３−１４８７３４号公報

特許文献１に開示された、燃料の周囲に空気を流す同軸ノズルは、クラスタ化しても基本的な流動形態が拡散方式である。そのため、燃焼時に燃料の過濃領域で高温部が形成され温度上昇に伴い指数関数的にＮＯｘが増加することから、安定して一桁台のppm 濃度となるＮＯｘ排出値を得にくい場合がある。また、燃焼時における燃焼室内の流動はその詳細な把握が困難なことから、燃焼器設計上は燃焼させる直前までの燃料と空気の混合状態、つまり空気ノズル出口までの燃料と空気の混合度でＮＯｘ性能を評価できる同軸クラスタノズルを構築することが望ましい。

そこで、本発明の目的は、燃焼器の空気ノズル構造でＮＯｘ性能が評価可能な燃焼器及び燃焼器の燃焼空気供給方法を提供することにある。

本発明は、空気ノズルの流路に、空気ノズルに形成された空気流路の断面積が拡大する流路拡大部とこの流路拡大部の下流側に断面積が縮小する流路縮小部を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、燃焼器の空気ノズル構造でＮＯｘ性能が評価可能な燃焼器及び燃焼器の燃焼空気供給方法を提供することが可能となる。

化石資源を燃料とするガスタービン燃焼器は、発電効率を高めるため、燃焼ガスの高温化を図っている。この燃焼ガスの高温化に伴い、燃焼排ガス中の環境阻害物質である窒素酸化物（ＮＯｘ）が指数関数的に増加するため、発電効率を向上しつつＮＯｘを低減することが重要な技術課題となっている。

これまでＮＯｘを低減させる燃焼方法としては、燃料と空気を予め混合させることで燃料・空気濃度を均一化し局所的な高温化を避ける予混合燃焼方式が主流となっていた。しかし、予混合燃焼方式は信頼性に関わる「逆火」すなわち予混合ガスの上流側に火が戻ることで燃焼器部材を溶損する可能性がある。そのような逆火を防止する構造として、燃料の周囲に環状の空気流を形成して噴流が同軸状となるようにノズルを配置し、燃焼させる方法がある。但し、単一の大口径同軸ノズルでは燃料と空気の混合性が損なわれてＮＯｘの発生が大きくなるため、同軸クラスタノズルによって予め燃料と空気の分散性を高める手段が有用である。すなわち、同軸クラスタノズルの特徴は、小流量の燃料を供給する燃料ノズルを中心として燃料の周囲に空気を供給する空気ノズルを同軸状に配置した同軸ノズルを複数配列する構成である。同軸クラスタノズルは燃料と空気が同軸状に配置されているため、燃料が中心部を流れてその周囲を空気が流れ充分な予混合ガスとはならず逆火しにくい特徴を持つ。また、同軸ノズルをクラスタ化すること、つまり多数配列することで燃料を空気中に分散させて濃度分布を平坦化してＮＯｘを低減させる構成となっている。しかし、こうした充分な予混合ガスにならない状態は、燃焼時に燃焼室内で燃料と空気の濃度分布を持つガスを燃焼させることになるため、ＮＯｘが低下しにくい場合がある。

また、今後の新設発電プラントに求められているＮＯｘ排出レベルはさらに低い一桁台のppm 濃度であるため、同軸クラスタノズル構造による逆火の恐れが少ない特徴を生かしながら、予混合燃焼方式と同等の燃料と空気の混合促進を図り、更なる低ＮＯｘ化対策が必要となっている。また、燃料を中心部に流してその周囲に空気を流す同軸ノズルは基本的な流動形態が拡散方式であるため、同軸ノズルを複数配列した同軸クラスタノズルとしても基本的な流動形態も同じく拡散方式である。この拡散方式の燃焼時には、燃料の過濃領域で高温部が形成され、温度上昇に伴い指数関数的にＮＯｘが増加する可能性がある。従って、ＮＯｘ排出値を安定な一桁台のppm 濃度に抑制することが困難な場合がある。実際には同軸クラスタノズルから燃焼室内に噴出した直後に燃料と空気の撹拌流が生じるために、燃焼時には比較的ＮＯｘが低下する状況も見受けられるが、実際には燃焼時の燃焼室内における燃料と空気の流動現象の把握が困難である。従って、燃焼器設計においては燃焼する直前までの燃料と空気の混合状態、つまり空気ノズル出口までの燃料と空気の混合度によってＮＯｘ性能を評価できる同軸クラスタノズルを構築することが望ましい。

そこで本発明は、現行の同軸クラスタノズルそのものの基本的な配置は変更せずに、空気ノズル流路の形状の変更により空気ノズル構造でＮＯｘ性能を評価可能にした。

本発明の実施例１を図１及び図２により説明する。図２は、燃焼器に圧縮空気を供給する圧縮機１７と、燃焼器から排出する燃焼ガスにより回転駆動するタービン１８、及び燃焼器の断面を示す。図２において、圧縮機１７から送られる空気１９は、外筒２２と燃焼器ライナ２１の間を通る。その空気１９の一部は、燃焼器ライナ２１の冷却空気２０として燃焼室１６へ流入する。またその空気１９の残りは空気供給孔２９を通り、燃焼用空気８として空気ノズルである空気孔５から燃焼室１６へ流入する。この空気孔５は壁状部材６に設けられた複数個の穴によって構成され、穴の内側壁面によって空気ノズルを構成する。そして、壁状部材６は、燃料分配器２と燃料ノズル３を内部に収めた部材のうち、燃焼室１６に面する下流側の部材であって、燃焼室１６の上流側を区画する役割を有する。

本実施例では、燃料７および燃料７ａは、制御弁２３ａを備えた燃料供給系２３から分岐されて供給する。つまり、燃料供給系２３が第一の燃料供給系２４と第二の燃料供給系２５の２つに分岐されている。これら第一の燃料供給系２４及び第二の燃料供給系２５には夫々個別に単独で制御可能な制御弁２４ａ及び制御弁２５ａが設けられている。制御弁２４ａ及び制御弁２５ａは、ガスタービンの負荷によって夫々の燃料流量を独立に制御するように構成される。ここで、制御弁２４ａは周囲の燃料ノズル群の流量が制御でき、制御弁２５ａは中央部の燃料ノズル群の流量が制御できる。本実施例では中央部の燃料ノズル群とその周囲の燃料ノズル群とに複数に分割し、夫々に対応する燃料供給系統を設け、各々独立に燃料流量を制御できる。

第一の燃料供給系２４を流れた燃料７は、燃焼器内の燃料供給管１を流れる。燃料供給管１を流れた燃料７は、燃料分配器２を介して複数の燃料ノズル３に分散して供給される。同様に、第二の燃料供給系２５を流下した燃料７ａも、燃焼器内の燃料供給管２６より燃料分配器２７を経て複数の燃料ノズル２８に分散して供給される。これらの燃料ノズル３および燃料ノズル２８は、その周辺の環状の空気流とともに同軸噴流を形成するように配置されている。燃料７および燃料７ａは、燃料ノズル３および燃料ノズル２８の噴出孔から燃焼室１６に噴出され、燃焼し安定な火炎を形成する。燃焼室で生成した高温燃焼ガスは、タービン１８へ入り仕事をして排気される。

図１は、本発明を適用した燃料ノズルと空気ノズルの断面を模式的に示した図であり、燃焼器の内部に空気ノズルである空気孔５と燃料ノズル３とから構成される燃焼器ノズルが複数個収められた同軸クラスタノズルを形成している。簡単のため、図１は２個の燃料ノズル３について流れ方向断面図で構成を示している。なお、ここではノズルの基本形状を円筒状としているが、円筒状以外の形状でも成立する。燃焼器には燃料供給管１が設けられており、燃料分配器２を介して各燃料ノズル３に接続されている。そして、燃料ノズル３には複数個の噴出孔４が設けられ、噴出孔４が壁状部材６に設けられた空気孔５の空気入口部１０に対面する位置に設けられている。そして、空気孔５が空気ノズルに相当する。噴出孔４の個数は燃料の分散性向上を考慮すると、多数設けることが有利である。一方、加工の容易性および目詰まり防止を考慮すると少数にすることが望ましい。従って、本実施例では六個前後の個数としている。図１は断面図であるため、燃料ノズル３には噴出孔が三個として示されている。燃料との同軸噴流を構成する燃焼用空気は、図２に示す外筒２２と燃焼器ライナ２１の間を流れた空気が燃焼用空気８として空気孔５に供給される。

そして、本実施例では、壁状部材６に設けられた空気孔５の流路を凹凸形状としている。ここで空気孔５の流路形状について説明する。空気孔５の空気入口部１０は、燃焼用空気８を滑らかに流入させるため、入口側が広角になった円錐状のテーパを成している。その下流では、空気孔５の流路断面積が広がる流路拡大部である円錐状の拡大テーパを構成するため、空気入口部１０と拡大テーパとの境界に凸部１１を形成する。前記拡大テーパの下流は、空気孔５の流路断面積が縮小する流路縮小部である円錐状の縮小テーパが接続されるため、前記の拡大テーパと縮小テーパとの境界は凹部１２を形成する。そして、拡大テーパの下流側は直管形状の空気出口部１３につながっている。空気孔５内の渦流９は上述の拡大テーパと縮小テーパで形成されそろばん玉状に膨らんだ空間部分（凹部１２）で生じる。ここで生じる渦流９は、通常の乱流内で生じている微小距離での物質移動を行うミクロ渦と異なり、燃焼用空気８と燃料７の混合流体全体を撹拌する。空気孔５の出口側は、壁状部材６に面した燃焼室１６を形成している。

空気供給孔２９から供給された空気８は、燃料ノズル３の周囲空間に流入したのち、壁状部材６に設けられたテーパ形状の空気入口部１０より空気孔５の内部に流入する。一方、燃料７は燃料供給管１から燃料分配器２を経由して燃料ノズル３の内部に導かれて噴出孔４から放出される。噴出孔４から放出された燃料７は、空気入口部１０において空気８とともに空気孔５の内部に流入する。空気孔５の内部に流入した空気８と燃料７の混合流体は、空気孔５の凸部１１下流の凹部１２付近において形成される渦流９によって混合が促進されて、混合ガス１４となって空気孔５より燃焼室１６内に流出する。そして、点火装置によって混合ガス１４を着火し、より均一な温度の火炎１５が形成されることでNOxの発生量が低減される。

本実施例では、空気ノズルである空気孔５に形成された空気ノズルの空気流路に、空気ノズルに形成された空気流路の断面積が拡大する流路拡大部とこの流路拡大部の下流側に断面積が縮小する流路縮小部を設けている。空気孔５が直管構造のみで構成されている場合、空気孔５の内部では燃料７が空気孔５の中心部に集中して流れてしまうため、燃料７と空気８の流速差で生じるせん断力による混合と乱流域でのミクロ渦による混合が主体であった。これに対して、図１に示すように空気ノズルに形成された空気流路の断面積が拡大する流路拡大部とこの流路拡大部の下流側に断面積が縮小する流路縮小部によって空気孔５の壁面に凹部１２を設けると、凹部１２に形成された渦流９によって燃料と空気の混合流体が撹拌される。なお、凹みの程度は、凹部１２に形成される渦流９が燃料と空気の混合流体を攪拌することが出来る程度に凹ませることが望ましい。凹みの程度が小さいと渦流９が発生せず、十分な攪拌作用が得られないためである。そのため、空気ノズルの流路に、空気ノズルに形成された空気流路の断面積が拡大する流路拡大部とこの流路拡大部の下流側であって断面積が縮小する流路縮小部を設けることで、流路拡大部と流路縮小部の間にある凹部に形成された渦流９によって燃料と空気の混合流体を攪拌し、ＮＯｘを低下させることができる。また、燃焼時の燃焼室における燃料と空気の流動を把握しなくても、燃焼器の空気ノズル構造で空気ノズルにおける燃料と空気の混合度を把握することが可能となり、設計段階でＮＯｘ性能を評価することが出来る。

また、本実施例では、燃料ノズル３の噴出孔４に対向する空気ノズル（空気孔５）の空気入口部１０をその流路断面積が下流側に向かって縮小するように形成し、空気入口部
１０の下流側に、流路断面積が拡大する流路拡大部とこの流路拡大部の下流側に流路断面積が縮小する流路縮小部を設けている。このように、空気孔５の流路に交互に縮小部と拡大部を設けると、空気孔５の入口部分の凸部１１から凹部１２を経由する間に流れの縮小拡大が起こり、それに伴って流速が大小に大きく変化する。従って、燃料７も空気８と共に凹部１２で一旦広がり凹部１２に形成された渦流９によって撹拌される。そのため、空気ノズル（空気孔５）の空気入口部１０をその流路断面積が下流側に向かって縮小するように形成し、流路断面積が拡大する流路拡大部とこの流路拡大部の下流側に流路断面積が縮小する流路縮小部を設けることで、空気ノズルを流れる混合流体の流速を大きく変化させて混合を更に促進し、流路拡大部と流路縮小部の間にある凹部に形成された渦流９によって燃料と空気の混合流体を攪拌し、ＮＯｘを低下させることができる。また、燃焼時の燃焼室における燃料と空気の流動を把握しなくても、燃焼器の空気ノズル構造で空気ノズルにおける燃料と空気の混合度を把握することが可能となり、設計段階でＮＯｘ性能を評価することが出来る。

また、本実施例では、空気ノズルである空気孔５に形成された空気ノズルの空気流路に、空気ノズルに形成された空気流路の断面積が拡大する流路拡大部とこの流路拡大部の下流側に断面積が縮小する流路縮小部を設け、燃料ノズル３の噴出孔を複数個設けたことを特徴とする。すなわち、従来の同軸クラスタノズル構造にて噴出孔４が燃料ノズル３の中心部に一箇所であったときに比べると、全燃料噴口面積を同一に維持した場合、六箇所の噴出孔４に分散したことにより空気８と燃料７が最初に合流する時のぬれぶち長さ（空気８と燃料７が触れ合う線長）をおよそ二倍以上にできるので燃料と空気を混合促進できる。更に、燃料ノズル３の中心部噴出孔以外の噴出孔４を設けたことにより空気８と燃料７の混合距離が長くなり、さらに混合促進が加速されるという効果がある。

そのため、複数個の噴出孔を有する燃料ノズル３と流路断面積が拡大する流路拡大部及び縮小する流路縮小部を有する空気ノズルから成る燃焼器ノズルを採用することで、両者の相乗効果である燃料分散と渦流による撹拌によって燃料７と空気８の混合が促進されて低ＮＯｘ化が図れるだけでなく、従来にも増して燃焼ガス温度分布が均一化されるので、燃焼器を構成する金属材料の耐熱温度までの許容範囲が増す効果がある。また、混合が促進されることで、混合距離に相当する壁状部材６の板厚を薄くすることが可能となるので、材料費が削減できる効果も生じる。

図３は実施例２における燃料ノズルと空気ノズルの断面図であり、実施例１と異なる部分の燃料ノズルと空気ノズルについて説明する。燃料ノズルと空気ノズルの構成上で異なる点は、空気ノズルの空気孔５を曲線的な凹凸形状にし、噴出孔が一つの燃料ノズル３を採用したことにある。より具体的には、本実施例の空気孔５は流線形の凹部が二箇所（第１の凹部３０と第２の凹部３２）、流線形の凸部３１が一箇所で構成される。即ち、第１の凹部３０は空気ノズルの流路断面積が縮小する流路縮小部と、流路縮小部の下流側であり流路断面積が拡大する流路拡大部との間に設けられており、第２の凹部３２も同様である。燃料ノズル３の噴出孔４の端面は空気孔５の空気入口部１０の下流端部であって、上流側の第１の凹部３０を形成する流路拡大部の上流端部に一致させた位置に設けられている。

本実施例では、燃料ノズル３の噴出孔に対向する空気孔５の空気入口部１０をその流路断面積が下流側に向かって縮小するように形成し、空気入口部１０の下流側に、流路断面積が拡大する流路拡大部とこの流路拡大部の下流側に流路断面積が縮小する流路縮小部を設け、燃料ノズル３の噴出孔を空気入口部１０の下流端部まで突き出したことを特徴とする。このような構成にすることで、空気孔５の空気入口部１０に流入した空気８の流速が高くなる位置（空気入口部１０の下流端部）で燃料７が空気８に投入され、燃料７と空気８の間に強いせん断力が働くため、混合が促進される。

本実施例では、さらに流路拡大部と流路縮小部の間にある第１の凹部３０において渦流９が形成されて混合が加速される。そして、凸部３１での絞り効果ののちに再び第２の凹部３２での渦流９により混合が促進されて、混合ガス１４が生成される。

本実施例によれば、空気ノズルの空気孔５を流線形とし、さらに燃料ノズル３を単一噴口型にスリム化したので、燃焼器ノズルの圧損増加を抑えられる効果と、燃料ノズルの製作コストが少なくなる効果がある。

図４は実施例３における燃料ノズルと空気ノズルの断面図であり、図３と異なる部分の燃料ノズルと空気ノズルについて説明する。燃料ノズルと空気ノズルの構成上で異なる点は、空気ノズルの空気孔５の内面に螺旋溝３３を形成したことにある。従って、螺旋溝により形成された溝の１本ずつはそれぞれ空気ノズルの流路拡大部と流路縮小部の間に形成されている。より具体的にはストレート形状の空気孔５にネジ溝を切ることで形成される。本形状によれば、空気孔５内の空気流が螺旋状に回転しながら燃料を巻き込むため、混合促進できる。

本実施例によれば、空気孔５の製作がネジ切り作業で行えるため、燃焼器ノズルの製作コストが少なくて済むという効果がある。また、空気孔５により深い溝が必要になった場合には、新規に製作することなく追加のネジ切り作業で改造が可能な利点もある。

図５は実施例４における燃料ノズルと空気ノズルの断面図であり、図４と異なる部分の燃料ノズルと空気ノズルについて説明する。燃料ノズルと空気ノズルの構成上で異なる点は、空気ノズルの空気孔５の空気入口部１０に旋回羽根３４を設けたことにある。ここで、図５のＡ−Ａ方向から旋回羽根３４を見た図を図６に示す。あるいは、同様の効果が得られる手段として空気入口部１０に旋回溝を掘ることもできる。本形状によれば、空気孔５に流入する空気８が旋回しながら燃料を巻き込むため、混合促進できる。

本実施例によれば、空気孔５の入口部だけの改造で済むので、製作が容易であり、燃焼器ノズルの製作コストが少なくて済むという効果がある。

なお、前述のいずれの実施例においても、燃料ノズルの噴出孔の数は、一個の場合あるいは複数個の場合といった両方の場合が可能であり、これら実施例における空気孔形状の組合せもまた可能である。

燃料ノズルと空気ノズルの実施例を示した構造断面図（実施例１）。 燃焼器断面及び圧縮機とタービンの系統を示した図。 燃料ノズルと空気ノズルの別の実施例を示した構造断面図（実施例２）。 燃料ノズルと空気ノズルの別の実施例を示した構造断面図（実施例３）。 燃料ノズルと空気ノズルの別の実施例を示した構造断面図（実施例４）。 図５におけるＡ−Ａ方向から見た図。

符号の説明

１，２６…燃料供給管、２，２７…燃料分配器、３，２８…燃料ノズル、４…噴出孔、５…空気孔、６…壁状部材、７，７ａ…燃料、８…燃焼用空気、９…渦流、１０…空気入口部、１１，３１…凸部、１２…凹部、１３…空気出口部、１４…混合ガス、１５…火炎、１６…燃焼室、１７…圧縮機、１８…タービン、１９…空気、２０…冷却空気、２１…燃焼器ライナ、２２…外筒、２３…燃料供給系、２３ａ，２４ａ，２５ａ…制御弁、２４…第一の燃料供給系、２５…第二の燃料供給系、２９…空気供給孔、３０…第１の凹部、３２…第２の凹部、３３…螺旋溝、３４…旋回羽根。

Claims (7)

1. 空気と燃料を燃焼させる燃焼室に面した壁状部材に空気を噴出する空気ノズルを設け、燃料を噴出する燃料ノズルを該空気ノズルと同軸状に配置し、前記空気ノズルから該空気と燃料を該燃焼室に噴出する燃焼器であって、
   前記空気ノズルの流路に、該空気ノズルに形成された空気流路の断面積が拡大する流路拡大部と該流路拡大部の下流側に該断面積が縮小する流路縮小部を設けたことを特徴とする燃焼器。
2. 空気と燃料を燃焼させる燃焼室を区画する部材のうち上流側に設置された壁状部材に空気を噴出する空気ノズルを設け、燃料を噴出する燃料ノズルを該空気ノズルと同軸状に配置し、前記空気ノズルから該空気と燃料を該燃焼室に噴出する燃焼器であって、
   前記燃料ノズルの噴出孔に対向する前記空気ノズルの空気入口部をその流路断面積が下流側に向かって縮小するように形成し、
   該空気入口部の下流側に、前記流路断面積が拡大する流路拡大部と該流路拡大部の下流側に前記流路断面積が縮小する流路縮小部を設けたことを特徴とする燃焼器。
3. 空気と燃料を燃焼させる燃焼室に面した壁状部材に空気を噴出する空気ノズルと、該空気ノズルと同軸状に配置され燃料を噴出する燃料ノズルとを備えた燃焼器であって、
   前記燃料ノズルの噴出孔に対向する前記空気ノズルの空気入口部をその流路断面積が下流側に向かって縮小するように形成し、
   該空気入口部の下流側に、前記流路断面積が拡大する流路拡大部と該流路拡大部の下流側に前記流路断面積が縮小する流路縮小部を設け、
   前記燃料ノズルの噴出孔を前記空気入口部の下流端部まで突き出したことを特徴とする燃焼器。
4. 請求項１記載の燃焼器において、前記流路拡大部と前記流路縮小部の境界である前記空気ノズルの凹部が前記空気ノズルの周方向に沿って螺旋溝に形成されることを特徴とする燃焼器。
5. 請求項１記載の燃焼器において、前記空気ノズルの空気入口部に旋回羽根もしくは旋回溝を設けたことを特徴とする燃焼器。
6. 請求項１乃至５の燃焼器において、前記空気ノズルに対向する前記燃料ノズルの噴出孔を複数個設けたことを特徴とする燃焼器。
7. 空気を噴出する空気ノズルを、空気と燃料を燃焼させる燃焼室に面した壁状部材に燃料を噴出する燃料ノズルと同軸上に位置するよう配置し、該燃料と空気を該壁状部材より燃焼室に噴出させる燃焼器の燃焼空気供給方法であって、
   前記燃料と空気が燃焼室に面した前記壁状部材を通過する際に、前記空気ノズルに形成された空気流路の断面積が広がる流路拡大部と該流路拡大部の下流側に該断面積が縮小する流路縮小部により前記燃料と空気を攪拌させることを特徴とする燃焼器の燃焼空気供給方法。

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