JP2008111651A - ガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼器の燃料供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、拡散燃焼方式の場合の高レベルのＮＯｘ、予混合燃焼方式の場合の逆
火などの燃焼安定性の問題を同時に解決し、低ＮＯｘかつ燃焼安定性に優れた燃焼方式を
提供することを課題とする。
【解決手段】
燃料流と燃焼用空気流路を同軸上に配置し、燃料流を空気流が包み込むような同軸の噴
流とするとともに、さらにそれらを多数に分散するように構成した多孔同軸噴流として燃
焼室壁面に配置し、その一部の燃焼用空気流路で燃焼安定化のための旋回をかけるために
傾斜角を持って設置されていた空気孔の上流端部に、傾斜角を持たない直管部分を追加し
て、燃料噴流をこの直管部に向けて、または、直管部内において噴出するように構成する
。
【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料供給方法に関する。

ガスタービン燃焼器においては、拡散燃焼方式，予混合燃焼方式がある。拡散燃焼方式は、起動から定格負荷条件までのターンダウン比が大きく広範囲の燃焼安定性を確保するため、燃料を燃焼室に直接噴射する。一方、予混合燃焼方式は、窒素酸化物を低減するための燃焼方式である。しかし、予混合燃焼方式の場合、予混合器内に火炎が入り込んで構造物を焼損する逆火現象が発生するなど特有の不安定な要素を含んでいる。

この課題に対して、燃焼室に対向配置された燃料ノズルと空気ノズルを概略同軸上に配置し、燃料と空気を同軸流として燃焼室に供給することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００３−１４８７３４号公報

拡散燃焼方式の場合には、高レベルのＮＯｘが発生する。予混合燃焼方式の場合には逆
火などの燃焼安定性の問題と、起動・部分負荷時の火炎安定化の課題があった。実際の運
用においてはこれらの問題を同時に解決することが望ましい。

一方、特許文献１記載のガスタービン燃焼器では、燃料と空気を同軸流として燃焼室に
供給しており、逆火の発生を防止できるとともに、個別には火炎を保持し難く、火炎形成
位置までに燃焼室内でも混合が進み低ＮＯｘ燃焼が可能な構造となっている。また、複数
の同軸噴流を群として旋回流を発生させ火炎を安定化する方法を開示しており、拡散燃焼
の信頼性と予混合燃焼の低ＮＯｘ性を両立する燃焼器を提供するものである。特許文献１
では、旋回流の発生方法として、空気ノズルを燃焼器の主軸に対して傾斜角を持つように
形成させ、この傾斜した空気ノズルを燃焼器軸周りに同心状に配置する構成が開示されて
いる。このような方法では、旋回流による火炎安定性の向上効果の他、空気ノズル出口に
おける燃料濃度分布が空気ノズルの中心軸に対して非対称となり、火炎を保持する旋回流
内の燃料濃度を比較的高く保つことで火炎安定性を強化できることが開示されている。し
かし、燃料濃度分布の不均一さのため、トレードオフとしてＮＯｘ排出量が十分下がりき
らないという課題が残る。

本発明の目的は、ガスタービン燃焼器の更なるＮＯｘ低減を図ることにある。

本発明は、空気ノズルに、傾斜角を付与した傾斜部と、空気ノズルの上流端側に燃料ノ
ズルと同軸となるような直管部を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ガスタービン燃焼器の更なるＮＯｘ低減を図ることができる。

燃料流を空気流が包み込むような同軸流とすることにより、燃料は燃焼室に流入した後
、実際に高温ガスに接触して燃焼を開始する前に周囲の同軸空気流と混合し、適度な混合
比の予混合気となったあと燃焼する。このため、希薄予混合燃焼と同等の低ＮＯｘ燃焼が
可能となる。このとき、従来の予混合燃焼器の予混合管に相当する部分が極めて短く、ま
た空気ノズル内壁面近傍で燃料濃度がほぼゼロとなるため、逆火による焼損のポテンシャ
ルも極めて低い。一方、火炎を保持する領域の同軸噴流群には火炎保持のための低流速部
と、その周囲に配置した傾斜角を持った空気ノズル群による旋回流により、燃料希薄な火
炎を安定化するよう構成している。

ここで、空気ノズルを傾斜させると同時に、燃料ノズルにも傾斜角を与えて燃料と空気
の同軸性を保つことは技術的には可能である。しかし、両者の軸を精度良く合わせることは難しく、また、燃料ノズル側の加工も難しくなる。実用的には燃料ノズルは傾斜角を持たずに設置することが選択されると考えられる。その際、燃料噴流と空気流の軸はずれて設置されることになり、燃料濃度分布に非対称性が現れ、ＮＯｘ低減効果に制限がかかることが予想される。

そこで、空気ノズルの上流端部に傾斜角を持たない直管部を追加して、燃料噴流をこの
直管部に向けて、または、直管部において噴出するように構成することにより、燃料噴流
軸と空気孔軸の角度ずれに伴う燃料濃度の非対称性を緩和する作用が期待できる。このこ
とにより、十分なＮＯｘ低減効果を発揮する燃焼器が提供可能となる。

（第１の実施例）
以下、本発明の第１の実施例を図面により説明する。本実施形態によるガスタービン燃
焼器の全体断面図を表す図を図２に示す。図２において、このガスタービン燃焼器は、主
に燃焼用の空気を圧縮する圧縮機１０と燃焼ガスによりタービン軸を駆動するタービン
１８と燃焼器１００とで構成される。

圧縮機１０は、外部から供給された空気を圧縮し、その圧縮された空気を燃焼器に送る
。

タービン１８は、燃焼器１００から発生する高温燃焼ガスを使ってタービン軸を回転駆
動し、電力を起こす。

燃焼器１００は、主に燃料，空気を供給する部位と燃焼器ライナ３，外筒２とを備えて
いる。燃焼器の外筒２内には図示のように燃料５４を燃焼器ライナ３の中の燃焼室１に送
る燃料ヘッダー６０があり、燃料は燃料ヘッダー６０から突き出た燃料ノズル５５より供
給される。また、燃料ノズル５５前方にはそれぞれのノズルに対応して空気ノズル５２が
同軸上に設けられている。この空気ノズル５２は、燃焼室上流側の燃焼室壁面に設けられ
ている。

圧縮機１０から送られる空気５０は、外筒２と燃焼器ライナ３の間を通り、一部は燃焼
器ライナ３の冷却空気３１として燃焼室１へ、また残りは同軸空気５１として空気ノズル
５２を通り燃焼室１へ供給される。燃料ノズル５５は、空気ノズル５２とほぼ同軸となる
ように配置されている。燃料５４は燃料ヘッダー６０で圧力を回復し、流れを整えた後、多数の燃料ノズル５５から供給され、燃焼空気とともに同軸流として燃焼室１に流入・混合し均質で安定な火炎を形成する。発生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３にノズル部の詳細を示す。空気ノズル５２は燃料ノズル５５から供給された燃料と
燃焼用空気が同軸流を形成するように配置されており、燃料流を空気環状流で包んだよう
な多数の同軸流が空気ノズル５２の端面から噴出する。燃料と空気が多数の小径の同軸流
として構成されており、これらの燃料と空気は比較的短距離で十分に混合し、燃料の偏在
もなく逆火の防止が可能となる。本実施例では、バーナ中心軸に近い６個の空気ノズルには火炎の安定性を高める旋回流速度成分を与えるため、バーナ軸に対して傾斜角が付与されている。また、バーナ中心軸に対して２列目及び３列目の空気ノズルは傾斜角を有さない構造である。

図３に示す空気ノズル群のピッチ円１００に沿って空気ノズル及び燃料ノズル断面を平
面に展開したものを図１に示す。傾斜部５２ａは燃焼器軸方向に対してピッチ円に概略沿
うように、燃焼器軸心に対して旋回角θの傾斜を持って設置されている。さらに、傾斜部５２ａの上流側には比較的短い直管部５２ｂが接続しており、燃料ノズル５５はこの直管部と同軸となるように配置されている。このような構成とすることにより、傾斜部５２ａのみに旋回を与える場合でも、直管部５２ｂでは燃料噴流と空気流は同軸性を確保でき、空気ノズル出口での燃料濃度分布の非対称性を緩和することができ、ＮＯｘ低減が図れる。また、図４は第１の実施例で直管部５２ｂを長くした場合の例を示しており、直管部５２ｂの長さは大きな制約なく延長することが可能であり、更なるＮＯｘ低減が必要な場合、有効である。

次に、図７（ａ）（ｂ）を用いて、燃料ノズルと空気ノズルとの位置関係について説明する。図７は、燃料ノズルと空気ノズルの拡大図であり、（ａ）は燃料ノズル噴出口を空気ノズルに挿入した図、（ｂ）は燃料ノズル噴出孔を空気ノズル上流側に引き離した図を示す。前述の通り、空気ノズル５２は、燃焼室壁面２０に設けられた空気ノズルプレート２１に設けられており、燃料ノズルの中心軸と同じ方向に沿った穴部である直管部５２ｂと、バーナ中心軸に対して傾斜する傾斜部５２ａとを有する。なお、傾斜部５２ａは燃焼器軸心に対しても傾斜する関係にある。また、空気ノズルプレート２１は一定の厚みを備え、燃焼室壁面２０に接する燃焼室側壁面２２と、燃焼室側壁面に対向する面であり燃料ノズル５５と対向する燃料ノズル側壁面２３によって構成される。

ここで、燃料ノズル５５から燃料を噴出する方向をＸ軸として、燃料ノズル側壁面２３を原点とした座標系を考える。そして、燃料ノズル５５の直径をＤとした場合、燃料ノズル５５の噴出孔５６は０（原点）〜＋Ｄまでの範囲で空気ノズルに挿入することが望ましい。図７（ａ）のように燃料ノズル５５を空気ノズル５２の内部に挿入する場合、燃料ノズルによって空気ノズルの空気流路が狭くなった区間では、空気の縮流が生じる。そして、燃料ノズル５５の噴出孔５６より下流側では、空気ノズル５２の空気流路が急拡大するため、空気流が縮流から急激に拡大する効果が得られる。そのため、空気流による縮流から急拡大の効果によって、燃料ノズル５５から噴出した燃料流も空気ノズル内で十分に空気流と混合することが可能となる。

但し、燃料ノズル５５の噴出孔５６を＋Ｄより超えて空気ノズル５２に挿入しても、前述の空気流の縮小・拡大による効果は改善しない。また、空気ノズルの有効部分（燃料ノズルと空気ノズルの流路が重ならない部分）が更に短くなるため、空気ノズルに燃料ノズルを挿入できる最大距離は＋Ｄと考えられる。従って、本発明の空気ノズルプレート２１の場合、直管部５２ｂの板厚は少なくとも＋Ｄ以上が望ましい。

また、図７（ｂ）のように燃料ノズル５５を空気ノズル５２の上流側に引き離す場合、−Ｄ〜０（原点）までの範囲に燃料ノズル噴出孔５６を位置させることが望ましい。燃料ノズル噴出孔５６を空気ノズル５２の上流側に引き離すことで、圧力損失の低減と共に、燃料ノズル噴出孔５６から燃料ノズル側壁面２３までの予混合距離を長くすることが可能である。但し、−Ｄよりも大きく燃料ノズル噴出孔を空気ノズルの上流側に引き離した場合、圧力損失は改善しない。また、燃料噴流が空気ノズルに入る直前に形成される低速部の時間が長くなり、逆火・自発火の可能性が考えられる。従って、本発明の空気ノズルプレート２１と燃料ノズル５５との位置関係においても、燃料ノズル噴出孔５６を空気ノズルプレート２１の燃料ノズル側壁面２３から−Ｄ〜０（原点）までの範囲に位置させることが望ましい。

図８は、空気ノズルプレートの直管部によって燃焼室に生じる燃料濃度分布を示した図である。図８のように、燃料ノズル５５の中心軸と空気ノズル５２ｂの中心軸が平行に配置された直管部５２ｂの場合、空気ノズル出口（空気ノズルプレート２１の燃焼室側壁面２２）における燃料濃度分布は、燃料ノズルの中心軸における燃料濃度が高い軸対称の分布となる。但し、燃料ノズル５５から噴出した直後の燃料濃度と比べると、空気ノズル内面壁の近傍に形成された低速領域は相対的に燃料濃度が低くなる。そのため、空気ノズル内面壁の近傍に形成された低速領域からの逆火が起こりにくい。また、小径の燃料ノズル及び空気ノズルを多数分散配置しているため、大規模な低流速域が空気ノズル中にできず、逆火を抑制することができる。更に、燃料と空気を多数の同軸噴流として分散して噴出させるため、燃料と空気の空間配分を適正に保つことが容易となる。そのため、燃焼室に流入する燃料全体の燃料濃度分布を均一にすることが容易であり、ＮＯｘを低減することが可能である。

また、図９のように、燃料ノズル５５の中心軸に対して空気ノズル５２ａの中心軸を傾斜させた傾斜部５２ａでは、燃料噴流が空気流と交差して燃焼室に噴出する。そのため、空気ノズル出口（空気ノズルプレート２１の燃焼室側壁面２２）における燃料濃度分布は非対称な分布となる。

そこで本発明では、図１０のように、傾斜部５２ａの上流側に直管部５２ｂを設けることにより、直管部５２ｂにおける燃料濃度分布の軸対称性を燃焼室でも保つことが可能となる。また、直管部５２ｂの一定距離を燃料噴流と空気流が流れることにより、燃料噴流は周囲の空気流と混合して両者の速度差が小さくなる。このように、燃料噴流と空気流の速度差が小さくなった状態で傾斜部５２ａに流入させるため、燃料濃度分布の軸対称性を保ったまま、燃料噴流と空気流の全体をバーナ中心軸に対して傾斜させることが可能となる。また、空気孔出口（空気ノズルプレート２１の燃焼室側壁面２２）における燃料濃度分布の非対称性も、図９と比べて非常に小さくすることが可能となり、更なる低ＮＯｘが可能である。

以上より、直管部５２ｂでは、流入した燃料噴流と空気流の速度差が小さくなり、傾斜部５２ａにおいても燃料噴流に追随できる空気流の速度にするだけの距離にすることが望ましい。

また、図３に示すように、本発明のバーナを形成する空気ノズルプレート２１には、燃焼室から見ると、同心円状に３列の空気ノズル５２，５２ａが形成されている。３列の空気ノズルのうち、空気ノズルプレートの中心軸側に形成された第１列の空気ノズル５２ａには、傾斜部及び直管部を備える。そして、第１列の空気ノズル５２ａから噴出する燃料流と空気流は燃焼室で旋回しながら下流側に流れる。そのため、第１列の空気ノズル５２ａの下流側に形成される再循環流は大きく安定したものとなり、火炎の安定性を高めることが可能である。

次に、第２列・第３列の空気ノズル５２は、燃料ノズル及びバーナ中心軸と平行に形成された直管部のみを備える。そのため、第２列・第３列の空気ノズル５２から噴出した燃料の燃料濃度分布は、燃料ノズルの中心軸における燃料濃度が高い軸対称の分布となり、燃料ノズル半径方向に燃料濃度が薄くなる分布となる。従って、周囲の高温ガスからの熱による着火が妨げられ、十分混合した燃焼室下流側で燃焼させることが可能となり、ＮＯｘ低減を図ることが出来る。

（第２の実施例）
図５には本発明の第２の実施例における空気ノズル展開図を示す。第１の実施例との違
いは、直管部５２ｂを構成する部材を傾斜部５２ａを構成する部材と別部材として構成し
たものである。第１の実施例では空気流路の途中に曲折部があり、製作性にやや難がある
と考えられる。本実施例では、直管部と傾斜部を別部材で構成することにより、それ
ぞれの製作が容易となる利点がある。両部材はボルト締めなどの機械的な結合方法のほか
、溶接や拡散接合などの技術により一体化して組み込むことができる。

（第３の実施例）
図６には本発明の第３の実施例を示す。第１，第２の実施例と本実施例との違いは旋回
角を付与する傾斜部５２ａのみに、直管部５２ｂを設置するようにしたことである。即ち、空気ノズルプレートに同心円状に設けられた３列の空気ノズルのうち、プレート中心から第２列・第３列の空気ノズルは直管部のみを備える。また、プレート中心から第１列の空気ノズルにおいて、上流側から直管部及び傾斜部を備えた空気ノズルを備える。そのため、空気ノズルプレートを、プレート中心を含む切断面で切断した断面図（図６の左側）を見ると、第１列の空気ノズルにおける空気流路が第２列・第３列の空気ノズルにおける空気流路よりも長く形成されている。また、第１列の空気ノズルにおける燃料ノズル側壁面は、第２列・第３列の空気ノズルにおける燃料ノズル側壁面より上流側に位置する。このようにすることにより、旋回を掛けない空気ノズル群の長さは短くなり、空気ノズルを形成する部材の重量を大幅に軽減でき、材料費，加工費の低減によるコスト低減が期待できる。

本発明の第１の実施例の全体断面図を含む説明図である。 本発明の第１の実施例のノズル部詳細説明図である。 本発明の第１の実施例の空気ノズル展開図である。 本発明の第１の実施例の空気ノズル展開図である。 本発明の第２の実施例の空気ノズル展開図である。 本発明の第３の実施例の空気ノズル展開図である。 本発明の第１の実施例における空気ノズルの座標系を示した図である。 空気ノズルプレートの直管部によって燃焼室に生じる燃料濃度分布を示した図である。 空気ノズルプレートの傾斜部によって燃焼室に生じる燃料濃度分布を示した図である。 本発明の第１の実施例における空気ノズルプレートによって燃焼室に生じる燃料濃度分布を示した図である。

符号の説明

２ 外筒
３ 燃焼器ライナ
５２ 空気ノズル
５２ａ 傾斜部
５２ｂ 直管部
５５ 燃料ノズル
６０ 燃料ヘッダー

Claims (4)

1. 燃料を噴出する燃料ノズルと、該燃料ノズルからの燃料と空気とを噴出する空気ノズルと、該空気ノズルから噴出した燃料と空気が供給される燃焼室とを備えたガスタービン燃焼器であって、
   前記空気ノズルに、傾斜角を付与した傾斜部と、前記空気ノズルの上流端側に前記燃料ノズルと同軸となるような直管部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のガスタービン燃焼器において、前記空気ノズルの直管部を形成する部材を、
   前記傾斜部を形成する部材と別部材としたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
3. 請求項１のガスタービン燃焼器において、前記傾斜部を有する空気ノズルの上流側のみに、前記燃料ノズルと同軸となるような直管部を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
4. 燃料を噴出する燃料ノズルと、該燃料ノズルからの燃料と空気とを噴出する空気ノズルと、該空気ノズルから噴出した燃料と空気が供給される燃焼室とを備えたガスタービン燃焼器の燃料供給方法であって、
   前記燃料ノズルの軸心方向に、前記燃料ノズルから噴出した燃料の直進流を空気の環状流で包み込んだような同軸直進流を形成した後に、該同軸直進流が燃焼器軸心に対して傾斜して前記燃料室に噴出することを特徴とするガスタービン燃焼器の燃料供給方法。

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