JP2597792B2 - 空気段階式の予混合低ＮＯｘ燃焼器 - Google Patents

空気段階式の予混合低ＮＯｘ燃焼器

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関連出願の表示】本出願は、「ベンチュリ調節により
流れを分割する空気段階式の予混合ドライ低ＮＯｘ燃焼
器」と題したレオナルド（G. L. Leonard ）による１９
９１年９月２３日付米国特許出願第７６４２９７号に関
連している。
【０００２】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料−空気予混合室お
よび中心体多孔プラグ予混合保炎器から構成した形式の
空気段階式の予混合ドライ低ＮＯｘガスタービン燃焼器
に関する。この形式の構造は、燃焼器において広い範囲
の燃料対空気比および低い火炎温度にて安定な燃焼を達
成し、窒素酸化物（ＮＯｘ）の放出量を少なくする。
【０００３】
【従来の技術】燃焼器システムにおいて、ＮＯｘ放出を
低減するためには、燃焼器内の火炎温度を低くしなけれ
ばならないことが知られている。火炎温度を低くする方
法としては、燃料−空気混合物の燃焼前に燃料と空気と
を予混合（プレミックス）することが周知である。しか
し、予混合燃焼器を運転できる適正運転範囲（ウィンド
ウ）は比較的狭く、その適正運転範囲は低燃料対空気比
での希薄吹き消え（リーンブローアウト）および高燃料
対空気比での高いＮＯｘ放出によって決められることも
知られている。火炎の安定性は燃料対空気比および燃料
−空気混合気の速度にきわめて敏感である。たとえば、
混合気の速度が速すぎると、燃焼器内の火炎は吹き消え
るおそれがある。しかし、速度が遅すぎると、火炎が後
方へ予混合区域に伝播するおそれがあり、これは通常逆
火（フラッシュバック）と呼ばれている。また、燃料対
空気比が適正に維持されず、火炎温度が高くなりすぎる
と、ＮＯｘの生成量が増加し、このことも極めて望まし
くない。したがって、燃焼器をもっと広い運転範囲にわ
たって運転できるならば、もっと有利な予混合低ＮＯｘ
燃焼器が得られる。このことはガスタービンの運転範囲
に関して特に重要である。
【０００４】上述したところから明らかなように、部品
が簡単で、構造が独特であることから効率がよく、公知
の予混合燃焼器のＮＯｘ放出特性に少なくとも匹敵し、
同時に、もっと広い運転範囲にわたって運転できる、予
混合低ＮＯｘ燃焼器が当業界で必要とされている。本発
明の目的は、当業界のこのような要求を満たすことにあ
り、このことを以下に明確に説明する。
【０００５】
【発明の概要】上述したような要求を満たす本発明によ
る空気段階式の予混合低ＮＯｘ燃焼器は、燃焼室手段
と、燃料導入手段と、空気導入手段と、前述の燃料導入
手段および空気導入手段に隣接して位置する、燃料と空
気とを混合する予混合室手段と、この予混合室手段に隣
接して位置する燃料および空気スワラ手段と、このスワ
ラ手段に隣接して位置する燃料−空気制御通路手段と、
この通路手段に隣接して位置するとともに、実質的に前
述の燃焼室内に位置する多孔性保炎器手段とを備える。
【０００６】好適な実施例では、燃焼器への導入空気が
予混合室への空気流、冷却空気および希釈空気を含む。
これら３つの入口間での空気の分配は、保炎器としても
作用する空気弁の軸線方向位置によって決められる。保
炎器は少量の燃料および空気流が通過する多孔性プレー
トも含み、パイロットとして作用する。燃料は予混合室
に入り、そこで主燃焼空気と混ざった後、燃焼領域に入
る。
【０００７】他の好適な実施例では、燃焼器を運転する
運転範囲が広く、この範囲で火炎温度を広い範囲の燃料
対空気条件にわたって比較的低い値に維持し、そしてそ
の低い火炎温度からこの広い範囲の条件について低いＮ
Ｏｘ放出が達成される。本発明による好適な空気段階式
の予混合燃焼器には、広い運転範囲にわたってすぐれた
火炎安定性を達成しながら、ＮＯｘ放出量を極めて低く
する利点がある。
【０００８】
【具体的な構成】図１に、空気段階式の予混合ドライ低
ＮＯｘ燃焼器２を示す。燃焼器２は、部分的に、外側シ
ェル４、空気制御通路６および空気希釈穴８から構成さ
れる。シェル４は、インターナショナル ニッケル カ
ンパニイ（International Nickel Company、米国西ヴァ
ージニア州ハンチントン所在）製造のハステロイエック
ス（Hastelloy X ）合金で作製するのが好ましい。薄い
耐熱皮膜５は、部分安定化ジルコニア製で厚さ約０．０
７６ｃｍ（０．０３０インチ）とするのが好ましく、プ
ラズマ溶射のような通常のコーティング技術によりシェ
ル４の内面に被着する。制御通路６および穴８は、空気
を予混合室１６および燃焼室４２にそれぞれ導入すると
ともに、空気通路４４を冷却するのに用いる。空気は温
度が約３１６〜５３８℃（６００〜１０００°Ｆ）であ
るのが代表的である。シェル４は通常の締結具１２によ
りサポート１０に剛固に取り付けられている。サポート
１０は、代表的には、燃焼器２を取り囲む圧力エンクロ
ージャ１１の壁である。
【０００９】通常の燃料マニホールド１４により天然ガ
スのような通常の気体燃料を燃焼器２に導入する。制御
通路６により導入される空気とマニホールド１４により
導入される燃料とを、環状予混合（プレミックス）室１
６で混合する。予混合した燃料−空気はつぎに矢印Ａに
沿ってそれまでと反対方向に、そして環状部２０に沿っ
て向流軸流スワラ２２に進む。このように燃料−空気混
合物を反対向きに流す（向流させる）ことにより、燃料
と空気とを適正に混合する。予混合室１６および環状部
２０をステンレス鋼から作製するのが好ましい。燃料−
空気混合物を環状燃焼燃料−空気混合物制御通路２４に
沿って移送し、通路２４から吐出し、そこで燃料−空気
混合物を火炎４１により燃焼させる。燃料−空気混合物
の一部は保炎器の内部通路にも流れ、穴４０を通って燃
焼室に流出し、主燃焼燃料−空気流れに対する安定なパ
イロットとして作用する。なお、保炎器（スタビライ
ザ）３８に位置する火炎４１は実質的に安定な火炎であ
る。ライナ４６は内側に薄い耐熱熱バリヤ皮膜４５を含
み、ライナ４６はHastelloy X 合金から作製するのが好
ましく、皮膜４５はシェル４上の皮膜５と同じ皮膜であ
る。シェル４とライナ４６との間に対流冷却される壁通
路４４が位置する。具体的には、空気制御通路６により
導入される空気は予混合室１６と通路４４とに向かって
進む。通路４４の目的は、燃焼室４２で燃料−空気混合
物が燃焼することによりライナ４６が加熱されるので、
空気を通路４４に沿って流すことによりライナ４６を対
流冷却することにある。通路４４に沿って進む空気はそ
の後、希釈穴８近くで燃焼室４２に導入される。
【００１０】保炎器３８を往復移動するために、予混合
室１６を通常のフランジ２６によりサポート２８に剛固
に取り付ける。サポート２８は圧力エンクロージャの他
の壁とするのが代表的である。サポート２８およびフラ
ンジ２６をステンレス鋼から作製するのが好ましい。通
常のアクチュエータ３４を保炎器３８のポスト３６に剛
固に取り付ける。アクチュエータ３４は、パッキング３
２およびパッキング保持リング３０の内側を矢印Ｘの方
向に往復移動する。保持リング３０を適当な耐熱材料か
ら形成し、パッキングシール３２を黒鉛から形成するの
が好ましい。アクチュエータ３４を通常の往復装置（図
示せず）に取り付ける。
【００１１】燃焼器２の運転中、空気制御通路６および
希釈穴８を通して導入される空気の総量は、燃料の添加
量にかかわりなく、相対的に一定である。したがって、
特に燃料要求が比較的低いパワー低減条件の間は、空気
の一部を予混合室１６に向けるのではなく、希釈穴８お
よび通路４４に向けて分流することが重要である。燃料
に加える空気が多過ぎると、火炎が不安定になり、消え
ることがある。予混合室１６、通路４４および希釈穴８
に適正な空気流を適切に維持するためには、保炎器３８
を燃焼燃料−空気制御通路２４に対して位置決めするア
クチュエータ３４を矢印Ｘの方向に移動する。すなわ
ち、保炎器３８を通路２４から遠ざけると、予混合室１
６に入る空気が増え、希釈穴８および通路４４に入る空
気が減る。このように、通路２４に一定の燃料対空気比
を保つためには、燃料の添加量を増やす必要がある。前
述したように、一定の燃料−空気混合物はＮＯｘ放出量
を低減するのに重要である。また、火炎温度が広い適正
運転範囲にわたって比較的一定な値に維持される。
【００１２】低負荷での運転時には、アクチュエータ３
４により保炎器３８を通路２４に向かって移動すると、
予混合室１６に入る空気が少なくなり、希釈穴８および
通路４４に入る空気が多くなる。このように、広い適正
運転範囲にわたって火炎温度を比較的一定の値に維持す
る。特に燃料要求が小さい場合のような特定の状況で
は、保炎器３８をほぼ通路２４に接するよう配置して、
燃料−空気混合物が保炎器３８の穴４０にしか流れない
ようにすることができる。
【００１３】以上の説明から、他の特徴、変更や改変も
当業者には明らかである。このような特徴、変更、改変
も本発明の一部であるとみなされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による空気段階式の予混合ドライ低ＮＯ
ｘ燃焼器の線図的側面図である。
【符号の説明】
２ 燃焼器 ４ シェル ５ 耐熱皮膜 ６ 空気制御通路 ８ 空気希釈穴 １４ 燃料マニホールド １６ 予混合室 ２２ スワラ ２４ 燃料−空気混合物制御通路 ３８ 保炎器 ４０ 穴 ４１ 火炎 ４２ 燃焼室 ４４ 通路 ４６ ライナ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−147034（ＪＰ，Ａ) 特公 平１−59414（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】燃焼室（４２）と、前記燃焼室（４２）の上流に配置された 燃料導入マニホ
    ルド（１４）と、前記燃料導入マニホルドに隣接した 空気制御通路（６）
    と、 前記燃料導入マニホルドおよび空気制御通路に接続さ
    れ、燃料と空気とを混合する予混合室（１６）と、 該予混合室に接続され、燃料および空気混合物を受けと
    るスワラ（２２）と、 該スワラ（２２）に接続された燃料−空気制御通路（２
    ４）と、該燃料−空気制御通路に 隣接して位置して、該燃料−空
    気制御通路の断面積を決めるとともに、実質的に前記燃
    焼室内に位置し、前記予混合室に接続されて、前記燃料
    および空気混合物の一部を通す多孔性保炎器（３８）と を備える空気段階式の予混合低ＮＯｘ燃焼器。
  2. 【請求項２】前記燃焼室がさらに、 熱バリヤ皮膜（５）を有するシェル（４）と、 熱バリヤ皮膜（４５）を有するライナ（４６）と を含み、前記ライナが前記シェル内に同心状に装着され
    ている請求項１に記載の燃焼器。
  3. 【請求項３】前記多孔性保炎器の位置が、前記空気制御
    通路（６）および前記シェル（４）上に前記空気制御通
    路から所定の距離に位置する空気希釈孔（８）を通る空
    気流を調節する請求項１に記載の燃焼器。
  4. 【請求項４】前記予混合室（１６）が環状である請求項
    １に記載の燃焼器。
  5. 【請求項５】前記燃料−空気制御通路（２４）が前記多
    孔性保炎器の位置により調節可能である請求項１に記載
    の燃焼器。
  6. 【請求項６】多孔性保炎器が、前記燃料−空気制御通路
    （２４）の断面積を調節するために該保炎器を軸方向に
    位置決めするアクチュエータ（３４）に接続されている
    請求項５に記載の燃焼器。
JP4251066A 1991-09-23 1992-09-21 空気段階式の予混合低ＮＯｘ燃焼器 Expired - Fee Related JP2597792B2 (ja)

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