JP2008082590A

JP2008082590A - ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JP2008082590A
Application number: JP2006261652A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Miura; 圭祐三浦; Hiroshi Inoue; 洋井上; Kazuhito Koyama; 一仁小山; Takeo Saito; 武雄斉藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2008-04-10

Abstract

【課題】
ガスタービン燃焼器において、低ＮＯｘ燃焼と燃焼安定性を両立させることである。
【解決手段】
燃料が複数個の燃料ノズルから供給され、空気が複数個の空気孔から供給される燃焼室を備え、燃料流の周囲を空気流が包み込む同軸噴流として前記燃焼室に供給するように構成したガスタービン燃焼器において、該空気孔の下流に旋回羽根を設けることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【効果】
本発明により、バーナ下流に強い旋回流を形成し火炎の安定性を強化することができる。また、旋回流を弱めることなく混合距離延長が可能となるため、火炎の安定性と低ＮＯｘ燃焼を両立させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン燃焼器に関する。

環境に対する規制や社会的要求が日増しに強くなっており、ガスタービンにおいてもさらなる高効率化，低ＮＯｘ化が求められている。ガスタービンを高効率化させるためには、ガスタービンの入口ガス温度を上昇させる必要がある。しかし、火炎温度の上昇に伴いＮＯｘの生成量も増加することから、ＮＯｘの排出量増加が懸念される。また、ＮＯｘ低減のため従来型の予混合型燃焼器を採用する場合には、火炎温度上昇にともない火炎が逆火する可能性が増すため、ＮＯｘ排出量の抑制と耐逆火性を兼ね備えたガスタービン燃焼器が必要である。

これに対し、従来技術として特許文献１があげられる。特許文献１では、空気孔と燃料ノズルを同軸または同軸に近い位置に配置した同軸ノズルを多数配置し、燃料と空気を均等に分散させて燃焼室に供給し、燃料と空気を混合することによって耐逆火性と低ＮＯｘ燃焼の両立を図っている。また、ガスタービン燃焼器は、起動から負荷運転時まで幅広い条件で安定に燃料を燃焼させなければならない。そこで特許文献１では、一部の空気孔に旋回角を設け、燃焼室に旋回流を形成し、旋回流中心部に循環領域または低流速領域を設けることによって火炎を保持している。形成される旋回流の旋回の強さは旋回角に依存し、旋回流の流量が多いほど安定な流れとなる。

特開２００３−１４８７３４号公報

しかし、空気孔を傾斜させて空気流に旋回成分を付与する特許文献１の方法では、旋回角は空気孔長さや旋回角をもった空気孔を配置する領域の広さから制約を受けてしまう。そのため、希薄均一燃焼を行う場合、火炎の安定性を十分に確保することが困難な場合があった。

また、さらなるＮＯｘ排出量削減には、空気孔長さの延長による燃料と空気の混合促進が欠かせない。しかし、空気孔を長くするほど傾けられる旋回角度が小さくなるため、火炎の安定性が損なわれる可能性がある。

そこで、本発明の目的は、低ＮＯｘ燃焼を維持しつつ、燃焼安定性を更に向上させたガスタービン燃焼器を提供することである。

本発明によれば、空気孔の下流に旋回羽根を設けることを特徴とする。

本発明により、低ＮＯｘ燃焼を維持しつつ、燃焼安定性を更に向上させたガスタービン燃焼器を提供することが可能となる。

ガスタービン燃焼器は起動から負荷運転まで、幅広い運転条件で安定に燃焼を維持しなければならない。そのため、一般にバーナ下流に循環領域または低流速領域を形成することにより、火炎を安定に保持している。そこで、図３の比較例に示すように、多数の同軸ノズルを複数個の群に分け、それぞれの同軸ノズル群の中心近くの領域２２における複数個の空気孔３２を、燃焼室１の中心軸に対し傾斜させ旋回角３３をつけている。これにより空気流に旋回成分が付与され、空気孔プレート３０の領域２２の下流に旋回流２３，
２５が形成される。旋回流に十分な旋回成分が付与されると、旋回流２３，２５の中心部は低流速・循環領域となり、火炎の伝播速度と空気流速がつり合うことによって火炎２４，２６が保持される。旋回角が大きいほど旋回の強さが増加し火炎の安定性が向上する。しかし、空気孔を傾斜させて旋回流を形成する方法では、旋回角の角度３３は旋回角を有した空気孔３２を配置する領域２２の大きさや空気孔の長さの制約を受ける。

図４に示すように、空気孔につけられる最大傾斜角３４は、空気孔プレート３０における領域２２の大きさと空気孔プレート３０の厚さにより決まる。しかし、複数個の空気孔を干渉しないように配置しなければならないため、実際に傾けられる角度は最大傾斜角
３４よりも小さく、旋回角の角度を傾けるほど密に配置することができない。また、最大傾斜角３４を大きくするために領域２２を大きくすると、バーナ全体として配置できる空気孔の有効流路断面積が減って圧力損失の増大を招いてしまう。一方、領域２２の大きさに対し空気孔プレート３０の厚さを薄くすると、燃料と空気の混合距離が短くなるため、ＮＯｘの排出量が増加してしまう。また、旋回角を持った空気孔３２から、十分な旋回成分が付与されない空気流が燃焼室１に噴出されてしまい、旋回流２３，２５の旋回強度が弱くなってしまう。

低ＮＯｘ燃焼には、燃料と空気を均一に燃焼させ火炎の温度を低く抑える必要があるため、火炎の温度が低下すると燃焼速度も遅くなり、比較例では燃焼安定性が十分に確保できない可能性があった。

図５はガスタービン全体概略図である。圧縮機１０から送られる空気１９は、外筒２と燃焼器ライナ３の間を通過する。その空気１９の一部は、燃焼器ライナ３の冷却空気２０として燃焼室１に流入する。また、その空気１９の残りは燃焼空気２１として空気孔３１を通り燃焼室１に流入する。

本実施例では、燃料供給系統１２および燃料供給系統１３は制御弁１４ａを備えた燃料供給系統１４から分割されている。また、燃料供給系統１２には制御弁１２ａ、燃料供給系統１３は制御弁１３ａを備えており、個別に制御をおこなうことができる。そして、その下流にはそれぞれに遮断弁１２ｂ，１３ｂが備えられている。

図５に示すように本実施例では複数本の燃料ノズル３９を備えており、その燃料ノズル３９は複数個の燃料ノズルに燃料を分配する燃料ヘッダー１５，１６に接続されている。燃料ヘッダー１５には燃料供給系統１２から燃料が供給され、燃料ヘッダー１６には燃料供給系統１３から燃料が供給される。各系統には制御弁を備えているため、複数本ある燃料ノズル３９のうちの一部を一纏めにした２つの群として制御することが可能である。

図５に示すように、燃料ノズル３９と空気孔３１の一つ一つが対となって一組の同軸ノズルを構成しており、燃料ノズル３９と空気孔３１は同軸上または同軸に近い位置に配置されている。燃料ヘッダー１５，１６に供給された燃料は燃料ノズル３９から空気孔に向けて噴出され、燃焼空気２１と同軸噴流を形成し、燃焼室１に流入・混合し、均質で安定な火炎を形成する。この同軸噴流は、燃料流の周囲を環状の空気流が包み込むように形成される。そして、燃焼室１で発生した高温燃焼ガスはタービン１１に入り、仕事をして排出される。

バーナの詳細図を図１に示す。本実施例では、同軸ノズルを複数の群に分け、各群の中央部近傍の空気孔下流に旋回羽根３５を設け、旋回羽根３５により燃焼空気２１に旋回成分を付与している。即ち、各群の中央部近傍における空気孔の長さを短くし、空気孔下流に旋回羽根３５を設けている。

図２は、旋回羽根３５を周方向に展開した図である。本実施例では、一つの同軸ノズルに対し一つの旋回羽根３５の流路が組合わされており、空気孔３１の出口と旋回羽根３５の流路の入口は同軸または同軸に近い位置に配置され、旋回羽根３５の流路内でも同軸噴流が維持されている。旋回羽根は３次元的に流路を変形させることができるため、限られた空間でも十分な旋回角をつけることができ、密に同軸ノズルを配置することが可能である。本実施例は燃料１８と燃焼空気２１を広く分散させ均一に燃焼室に供給する機能を保持しつつ、かつ強力な旋回流２３，２５を形成させることができるため、低ＮＯｘ燃焼の性能を有しつつ、さらに火炎２４，２６の安定性を向上させることができる。また、空気孔プレート３０の厚さに制約を受けないため、空気孔プレート３０の厚さを増加させることができ、燃料１８と燃焼空気２１の均一化を一段とすすめることが出来る。従って、さらなる低ＮＯｘ化を達成することが可能となり、ＮＯｘの排出量が極めて少なくかつ安定な燃焼を実現することができる。

実施例２を図６に示す。実施例１に対し、複数ある同軸ノズル群のうち中央に位置する同軸ノズル群３６にのみ旋回羽根３５を設けている。周囲の同軸ノズル群３７の中心付近には、従来と同様に旋回角をもった空気孔３２を配置している。本実施例のように、複数の同軸ノズル群に分けそれぞれに火炎を保持させる場合、中央部に位置する同軸ノズル群３６の火炎２６の熱が周囲の同軸ノズル群に保持される火炎２４に伝わり、火炎２４の安定性が増加する。そのため、中央部の同軸ノズル群３６にのみ旋回羽根３５を設ける場合でも、十分な火炎安定性を確保することができる。また、旋回羽根３５を設けるよりも空気孔に傾斜を付けるほうが構造は単純で加工が簡単であるため、本構成とすることにより製作コストの上昇を最小限に抑えることができる。

実施例３を図７，図８に示す。図７は燃焼器概観図、図８は中央旋回羽根３８を周方向に展開した図である。本実施例は、実施例１に対し中央部の同軸ノズル群３６の中心付近に配置された空気孔３１の下流に旋回羽根３８を設け、その旋回羽根３８の一つの流路の入口に対し空気孔３１が２個接続されていることを特徴とする。これにより旋回羽根３８に燃焼空気２１と燃料１８の同軸噴流をより多く導入することができるため、旋回流２５の流量が増し、旋回流の流れが安定することによって火炎２６の安定性を増すことができる。また、旋回羽根３８に接続する空気孔は２個に限らず複数個としても同様の効果を得ることができる。なお、外周側の同軸ノズル群３７の中央部に配置した旋回羽根３５に接続する空気孔を２個以上としてもよい。

また、図９に示すように旋回羽根３８と空気孔３１との間にギャップ４０を設けてもよい。本構成では、旋回羽根３８の入口に対し空気孔３１の出口がずれた位置にあっても旋回羽根３８によって空気孔３１の出口が閉塞されることがないため、旋回羽根３８と空気孔３１の位置関係を自由に決めることができる。

実施例４を図１０，図１１に示す。図１０は燃焼器の概観図、図１１は旋回羽根３５を周方向に展開した図である。実施例１に対し、空気孔３１の下流に旋回羽根を配置するのではなく、複数個の空気孔自体を旋回羽根３５に置き換えることを特徴とする。即ち、旋回羽根３５の一つの流路に対し一つの燃料ノズル３９が対応し、かつ旋回羽根３５の入口に対し燃料ノズル３９が同軸または同軸に近い位置に配置されている。そのため、燃料
１８の周りを燃焼空気２１が取り囲む同軸噴流と同じような流れを形成し、旋回成分をもって燃焼室１に噴出される。本実施例は、実施例１に比べて構造がシンプルであるにもかかわらず、実施例１と同等の機能を有し、燃料と空気を均一に燃焼室に供給することができる。そして、同時に旋回流２３，２５による火炎２４，２６の安定性を確保することができる。

本実施例は実施例１に比べて構造がシンプルであるため、コスト上昇を最小限に抑えられるほか、旋回羽根３５の中の流れがよりスムーズであるため、逆火の可能性が低い。一方、空気孔３１の円形または円形に近い流路断面に対し、旋回羽根３５の流路が矩形または矩形に近い流路断面であるため、アスペクト比が大きいほど燃料１８と燃焼空気２１に偏りができてしまい混合性能が悪くなる可能性がある。

また、本実施例は図１２に示すように旋回羽根３５の入口側に助走区間４１を設けることによって、燃料１８と燃焼空気２１の混合距離を長くすることができる。助走区間４１は、燃料ノズル３９の中心軸に沿った直線状の流路である。旋回羽根３５によって形成される強い旋回流により安定燃焼を確保しつつ、助走区間４１により燃料と空気の均一化を更に促進させ、ＮＯｘの排出量削減を図ることができる。問題点としては、旋回羽根３５が大きくなることによってコストが上昇してしまうことがあげられる。

図１３は、旋回羽根３５の１つの流路に２つの燃料ノズル３９が対応した変形例であり、２つの燃料ノズル３９から噴出された燃料１８は旋回羽根３５の流路を通過しながら燃焼空気２１と混合される。また、旋回羽根３５の１つの流路に対応させる燃料ノズルは３本以上とすることもできる。

本構成とすることによって旋回羽根３５の枚数を減らすことができ、コストの上昇を抑えることができる。また、旋回羽根のアスペクト比が大きい場合、燃料ノズルが１本だけでは燃料１８と燃焼空気２１の分布に偏りができてしまい、混合性能が悪化してしまう。しかし、燃料ノズルを複数本とすることにより旋回羽根の流路に満遍なく燃料１８を供給することによって、混合性能の悪化を防ぐことができる。ただし、流路断面積が大きくなることによって２次的な流れが発生しやすくなり、逆火の原因となる可能性がある。

実施例５を図１４，図１５に示す。図１４は燃焼器概観図、図１５は旋回羽根を周方向に展開した図である。本実施例は、実施例４と同様に中央部の同軸ノズル群３６の中心付近に空気孔３１の代わりに旋回羽根４２を組込んでおり、旋回羽根４２の１つの流路に対し１つの燃料ノズル３９が対応し、かつ旋回羽根４２の入口に対し燃料ノズル３９が同軸または同軸に近い位置に配置されている。さらに、本実施例では旋回羽根４２の外周側にもう一列の旋回羽根４３を空気孔３１の代わりに組込んでおり、内周側の旋回羽根４２と同様に、旋回羽根４３の１つの流路に対し１つの燃料ノズル３９が対応し、かつ旋回羽根４３の入口に対し燃料ノズル３９が同軸または同軸に近い位置に配置されている。

本実施例は、旋回羽根の１つの流路と１つの燃料ノズルが一対となっており、同軸または同軸に近い位置に配置されているため、燃料１８の周りを燃焼空気２１が取囲む同軸噴流と同じような流れを形成し、燃料１８と燃焼空気２１を燃焼室１に均一に供給することができる。また、旋回羽根を２列とすることにより旋回流２５が一段と強くなるため、火炎２６の安定性をさらに向上させることができる。そのため、旋回羽根が増えるなど構造が複雑になることによってコストが上昇するデメリットがあるが、希薄均一燃焼を行っても火炎の安定性が損なわれることなく、火炎の安定性と低ＮＯｘ燃焼を両立させることができる。

本発明の実施例１におけるガスタービン燃焼器の縦断側面の概略図ならびに空気孔プレート正面図。本発明の実施例１における旋回羽根ならび空気孔，燃料ノズルの周方向展開図。比較例におけるガスタービン燃焼器の縦断側面の概略図ならびに空気孔プレート正面図。比較例における旋回角説明図。本発明の実施例１におけるガスタービン燃焼器全体の縦断側面の概観図。本発明の実施例２におけるガスタービン燃焼器の縦断側面の概略図ならびに空気孔プレート正面図。本発明の実施例３におけるガスタービン燃焼器の縦断側面の概略図ならびに空気孔プレート正面図。本発明の実施例３における旋回羽根ならび空気孔，燃料ノズルの周方向展開図。本発明の実施例３における旋回羽根ならび空気孔，燃料ノズルの周方向展開図。本発明の実施例４におけるガスタービン燃焼器の縦断側面の概略図ならびに空気孔プレート正面図。本発明の実施例４における旋回羽根ならび空気孔，燃料ノズルの周方向展開図。本発明の実施例４における旋回羽根ならび空気孔，燃料ノズルの周方向展開図。本発明の実施例４における旋回羽根ならび空気孔，燃料ノズルの周方向展開図。本発明の実施例５におけるガスタービン燃焼器の縦断側面の概略図ならびに空気孔プレート正面図。本発明の実施例５における旋回羽根ならび空気孔，燃料ノズルの周方向展開図。

符号の説明

１燃焼室
２外筒
３燃焼器ライナ
１０圧縮機
１１タービン
１２，１３，１４燃料供給系統
１５，１６燃料ヘッダー
１８燃料
２１燃焼空気
２３，２５旋回流
２４，２６火炎
３０空気孔プレート
３１空気孔
３２旋回角をもった空気孔
３３旋回角
３４最大傾斜角
３５，３８，４２，４３旋回羽根
３６，３７同軸ノズル群
３９燃料ノズル

Claims

燃料が複数個の燃料ノズルから供給され、空気が複数個の空気孔から供給される燃焼室を備え、燃料流の周囲を空気流が包み込む同軸噴流として前記燃焼室に供給するように構成したガスタービン燃焼器において、該空気孔の下流に旋回羽根を設けることを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項１のガスタービン燃焼器において、該空気孔出口と該旋回羽根の流路入口を同軸または同軸に近い位置に配置することを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項１のガスタービン燃焼器において、複数の該空気孔出口を該旋回羽根の一つの流路入口に接続することを特徴とするガスタービン燃焼器。
燃料が複数個の燃料ノズルから供給され、空気が複数個の空気孔又は旋回羽根から供給される燃焼室を備え、燃料流の周囲を空気流が包み込む同軸噴流として前記燃焼室に供給するように構成したガスタービン燃焼器において、該燃料ノズルから燃料を前記旋回羽根の流路に向かって噴出することを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項４のガスタービン燃焼器において、該旋回羽根流路入口側と該燃料ノズルを同軸または同軸に近い位置に配置することを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項４のガスタービン燃焼器において、該旋回羽根の一つの流路に対し複数本の前記燃料ノズルから燃料を噴出することを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項４のガスタービン燃焼器において、該旋回羽根の入口側流路に、前記燃料ノズルの中心軸方向に沿った直線形状の助走区間を設けることを特徴とするガスタービン燃焼器。