JP2759722B2 - ガスタ−ビンの燃焼制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、燃焼にともなって発
生する窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量の低減化、つまり
低Ｎ０ｘ化を達成するようになされたガスタービンの燃
焼制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンの燃焼器において、低ＮＯ
ｘ燃焼を実現する手段として、例えば特公平１−３００
５５号公報に開示されているように、燃焼室内に複数個
の予混合燃焼式の予混合バーナを配置し、これら予混合
バーナの燃焼作動数を負荷に応じて制御するようになし
たマルチバーナ燃焼器が知られている。このマルチバー
ナ燃焼器によれば、それ以前から行われていた低ＮＯｘ
化の手段の一つで、燃焼室内に水や蒸気を噴射して燃焼
火炎温度を低下させる方法のもつ欠点、すなわち、エン
ジン熱効率の低下（水噴射の場合）、悪い水質によるタ
ービン等の腐蝕にともなうエンジンの寿命低下、さらに
は水質を良くするための前処理に要する設備および維持
管理費の高騰などの欠点を克服することができるととも
に、性能の低下を抑えつつ、大幅な低ＮＯｘ化を達成す
ることができるという優れた効果を有している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】 反面、上記のようなマ
ルチバーナ燃焼器においては、予混合燃焼にともない、
着火・起動時の火炎が不安定であること、負荷変動が頻
繁な場合、複数個のバーナのオン／オフ回数が増えて燃
焼が不安定になりやすいこと、予混合部への逆火を生じ
やすいことなどの課題を有する。

【０００４】このようなマルチバーナ燃焼器のもつ課題
を解消できるガスタービンの燃焼器として、本出願人
は、先に特開平４−４３２２０号公報に開示されている
ように、燃焼室の中央部に燃料を直接燃焼室内に噴出す
る拡散燃焼式のパイロットバーナを設けるとともに、こ
のパイロットバーナの周囲に複数個の予混合燃焼式のメ
インバーナを配置し、その複数個のメインバーナを負荷
の変動に応じて作動制御するようにしたものを提案して
いる。この先に提案したガスタービンの燃焼器（以下、
先行技術と称す）によれば、燃焼室の中央部に設けたパ
イロットバーナが拡散燃焼式であって、常に良好な保炎
効果を有しているため、着火・起動時はもちろん、急激
な負荷変動があっても燃焼を安定よく保持することがで
き、また、各メインバーナの燃料噴出ノズルを分散型と
することにより、燃料と空気との混合距離・スペースを
大きくすることなく、逆火の発生を概ね防止することが
できるという効果を奏する。

【０００５】ところで、上記した先行技術において、パ
イロットバーナへの燃料供給は保炎機能を果たすに足り
る燃料を供給するにとどまり、一つのメインバーナに逆
火が発生し、その逆火の検知にもとづいて該当するメイ
ンバーナへの燃料管に介在させた燃料遮断弁を遮断させ
て燃焼を停止したとき、残りのメインバーナへの燃料供
給量が相対的に増加して、それらメインバーナにおける
空気と燃料との混合比率が変化し、予混合燃焼によるＮ
Ｏｘの低減効果が損なわれたり、残りのメインバーナの
逆火を招いたりして、ついにはエンジンの停止を余儀な
くされるなどの課題がある。また、従来、特公昭６３−
８３７３号公報に開示されているように、第１燃焼室と
第２燃焼室とをこれら各燃焼室よりも小径のネック部も
しくはスロート部を介して連結し、各燃焼室内に燃料を
直接噴出する１次および２次燃料ノズルを設け、１次お
よび２次燃料ノズルへの燃料流量比を燃料流量制御装置
でもって可変制御するとともに、上記両燃料ノズルへの
全燃料流量を実質的に一定とするガスタービンの燃焼方
法および装置（以下、従来技術と称す）が提案されてい
る。 上記従来技術において、低負荷では１次燃料ノズル
のみが燃料を噴出して単段拡散燃焼し、中負荷状態では
１次および２次燃料ノズルが燃料を噴出して２段燃焼
し、高負荷状態では２次燃料ノズルのみが燃料を噴出し
て単段燃焼に移行し、この高負荷状態で逆火が発生する
と、この逆火を上記ネック部もしくはスロート部で防止
するとともに、隣接する他の第２燃焼室に連結された交
差点火管からの火炎で再点火される。 ところが、上記従
来技術によれば、低負荷では１次燃料ノズルのみが燃料
を噴出して単段拡散燃焼するものであり、着火・起動時
の火炎が不安定となるおそれがあり、また、負荷変動が
頻繁な場合、１次および２次燃料ノズルのオン／オフ回
数が増えて燃焼が不安定になりやすく、さらに、高負荷
状態で逆火が発生して交差点火管からの火炎で再点火さ
れると、その再点火時における空気と燃料との混合比率
が変化し、予混合燃焼によるＮＯｘの低減効果が損なわ
れたり、交差点火管で連結された他の第２燃焼室におけ
る２次燃料ノズルの逆火を招いて、エンジンの停止を余
儀なくされるおそれがある。しかも、高負荷状態で発生
する逆火を防止するために、第１燃焼室と第２燃焼室と
をネック部もしくはスロート部を介して連結しなければ
ならず、燃料と空気との混合距離およびスペースが大き
くなるなどの課題がある。

【０００６】この発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、上述の先行技術による効果を達成できるだけでな
く、逆火発生時の課題を解消することができるガスター
ビンの燃焼制御装置を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明の請求項１に係るガスタービンの燃焼制御
装置は、燃焼室の中央部に燃料を直接燃焼室内に噴出す
る拡散燃焼式のパイロットバーナを設けるとともに、こ
のパイロットバーナの周囲に複数個の予混合燃焼式のメ
インバーナを配置し、これらメインバーナの各燃料供給
管およびパイロットバーナの保炎用燃料供給管を１つの
燃料マニホールドから分岐させてなるガスタービンの燃
焼器において、上記保炎用燃料供給管に固定オリフィス
を設けるとともに、上記パイロットバーナと上記燃料マ
ニホールドとの間に上記保炎用燃料供給管とは別に、通
常燃焼時には遮断状態に保持されるパイロット燃料遮断
弁と固定オリフィスとを有する燃料供給管を設け、この
燃料供給管のパイロット燃料遮断弁を、上記メインバー
ナの逆火時に遮断解除する燃料供給制御装置を設けたこ
とを特徴とする。

【０００８】特に、請求項２のように、上記メインバー
ナとして、パイロットバーナを中心にして互いに１８０
°離れた箇所に配置された２個のバーナを一組として複
数組配置し、負荷の変動に応じて燃焼作動する組の数を
制御するように構成することが好ましい。

【０００９】

【作用】この請求項１の発明によれば、燃焼室の中央部
に設けられたパイロットバーナが拡散燃焼式であるか
ら、良好な保炎効果を発揮して、その周囲に配置したメ
インバーナへの火移りが確実、容易で、着火・起動時の
燃焼火炎の安定化が図れるとともに、頻繁な負荷変動に
ともないメインバーナのオン／オフ回数が多くなって
も、燃焼を安定よく保持することが可能で、負荷の変動
に応じたメインバーナの１本当たりの等量比の変化によ
って低ＮＯｘ燃焼を確実に維持することができる。ま
た、一つのメインバーナが逆火を発生し、その該当バー
ナへの燃料供給が停止されたとき、それまで遮断状態に
保持されていたパイロット燃料遮断弁が遮断解除され
て、燃焼が停止されるメインバーナへの供給量に相当す
る燃料がパイロットバーナ側へ供給されることになる。
これにより、他の残りのメインバーナへの燃料供給量の
増加にともなう混合比率の変化およびそれに原因する予
混合燃焼によるＮＯｘの低減効果の低下、残りのメイン
バーナの逆火を防ぐことが可能である。さらに、保炎用
燃料供給管には固定オリフィスが設けられているため
に、そのサイズを変更することによってパイロットバー
ナとメインバーナの燃料の配分を最適化することが容易
であるとともに、上記固定オリフィスを設けた保炎用燃
料供給管には遮断弁がないために、エンジンの運転中は
上記燃料供給管を通じてパイロットバーナに常時一定量
の燃料が供給されており、したがって、エンジンの負荷
が遮断された場合でも安定した燃焼を維持することがで
きる。

【００１０】特に、パイロットバーナを中心にして互い
に１８０°離れた箇所に配置された２個のメインバーナ
を一組として複数組配置し、負荷の変動に応じて燃焼作
動する組の数を制御することにより、負荷変動に応じた
燃焼制御に拘らず、常に燃焼の安定保持が可能である。

【００１１】

【実施例】以下、この発明の一実施例を図面にもとづい
て説明する。図１は、この発明の一実施例によるガスタ
ービンの燃焼器を示す断面図、図２は図１のＡ−Ａ線に
沿った断面図である。両図において、１は円筒状の外
筒、２は外筒１内に収納された円筒状の燃焼室であり、
上記外筒１の一端側にはフランジ１ａ，３ａを介してエ
ンジン（図示せず）の外壁３がボルト・ナットにより結
合されているとともに、外筒１の他端側にはエンドカバ
ー４がボルト５により固定されており、さらに上記燃焼
室２のエンドカバー４側の端部は蓋板６により閉塞され
ている。

【００１２】７は燃料を直接燃焼室２内に噴出する拡散
燃焼式のパイロットバーナで、上記燃焼室２の中央部に
１つだけ設けられている。８は燃料と空気とを混合させ
たのちにその混合気を燃焼室２内に拡散させて噴出する
予混合燃焼式のメインバーナであって、上記パイロット
バーナ７の周囲で、かつそのパイロットバーナ７に近接
させて円周方向に等間隔を隔てて８個が配置されてい
る。これらパイロットバーナ７およびメインバーナ８は
ともに、上記蓋板６を貫通してその先端が燃焼室２内に
突出するように設けられている。

【００１３】上記パイロットバーナ７は、円環状の旋回
スワーラ９を内嵌するパイロット用の空気流入管１０と
この空気流入管１０内に同心状に嵌合保持されたパイロ
ット燃料管１１とこのパイロット燃料管１１の先端部に
固定されたパイロット用（保炎用）多孔ノズル１２とか
ら構成されており、上記パイロット燃料管１１が後述す
るパイロット燃料供給管１３に接続されている。上記パ
イロット用多孔ノズル１２の噴孔１２ａは、図３に示す
ように、斜め外方に向かって開口し、かつ円周方向に等
間隔を隔てて複数個形成されている。

【００１４】上記メインバーナ８は、円環状の旋回スワ
ーラ１４を内嵌する空気流入管１５とこの空気流入管１
５内に同心状に嵌合保持された燃料管１６とこの燃料管
１６の先端部に固定されて上記旋回スワーラ１４に対向
位置させた分散型ノズル１７とから構成されており、上
記燃料管１６が後述する燃料供給管１８に接続されてい
る。上記分散型ノズル１７は、図４に示すように、燃料
管１６の先端部から半径方向に放射状に延び、かつ先端
が閉じられた複数本（図では６本で示すが、それ以下で
も以上でもよい）のパイプ１７Ａにそれぞれ、燃料管１
６に対して直角な平面に位置するように多数の噴孔１７
ａが形成されて構成されている。また、上記旋回スワー
ラ１４の内側のボス部１４Ａには空気通路１９が形成さ
れているとともに、ボス部１４Ａの錐状先端部には斜め
外方に向かって空気を噴出する孔１４ａが形成されてい
て、空気の一部を上記空気通路１９および孔１４ａを通
して燃焼室２内に噴出させることにより、ボス部１４Ａ
の過熱を抑制して予混合燃焼時の逆火を防止するように
なされている。

【００１５】なお、上記した各旋回スワーラ９，１４は
ともに、半径方向に延びた羽根が空気流入管１０，１５
の長手方向に対して所定の角度だけ傾けられた状態で円
周方向に並設されて構成されている。

【００１６】さらに、上記エンドカバー４には、同心円
状の４つの燃料通路２４Ａ〜２４Ｄが形成されており、
それら各燃料通路２４Ａ〜２４Ｄが、パイロットバーナ
７を中心にして互いに１８０°離れた箇所に配置された
２個を一組とする４組のメインバーナ８における燃料供
給管１８にそれぞれ接続されているとともに、これら各
燃料通路２４Ａ〜２４Ｄ、上記パイロットバーナ７にお
けるパイロット燃料供給管１３はそれぞれ、１つの燃料
マニホールド２５（図５参照）から分岐された計６本の
燃料供給管２６Ａ〜２６Ｆに接続されている。

【００１７】図５は、上記のような構成のガスタービン
の燃焼器における燃料供給制御装置の系統図であり、同
図において、２５は上述の燃料マニホールドで、この燃
料マニホールド２５から分岐された６本の燃料供給管２
６Ａ〜２６Ｆのうち、パイロット燃料供給管２６Ｆを除
く５本の燃料供給管２６Ａ〜２６Ｅにはそれぞれ燃料遮
断弁２７Ａ〜２７Ｅが介在されているとともに、上記パ
イロット燃料供給管２６Ｆおよびパイロットバーナ７側
の１本の燃料供給管２６Ｅには固定オリフィス２８Ｆ，
２８Ｅが介在されている。上記燃料遮断弁２７Ａ〜２７
Ｅのうち、パイロットバーナ７側の１本の燃料供給管２
６Ｅに介在されている燃料遮断弁２７Ｅは、通常燃焼時
には遮断状態に保持されており、メインバーナ８のいず
れか一つが逆火したときに逆火検知信号を受けて遮断解
除されるように構成されている。

【００１８】２９は空気マニホールドで、三方口電磁弁
３０Ａ〜３０Ｅを介して上述した各燃料遮断弁２７Ａ〜
２７Ｅを開閉制御するようになされている。また、３１
は上記燃料マニホールド２５の上流側に設置された一次
燃料供給制御装置で、フィルタ３２、主燃料遮断弁３
３、アクチュエータ３４を介して制御される燃料絞り制
御弁３５、プライマリ電磁弁３６、プライマリオリフィ
ス３７等を備えており、その具体構成は従来から公知で
あるため、省略する。なお、図１中の３８は点火栓であ
る。

【００１９】つぎに、上記構成のガスタービンの燃焼器
における動作について説明する。パイロットバーナ７に
おいては、空気圧縮機（図示せず）から送給される圧縮
空気が空気流入管１０に矢印Ａのように流入し、旋回ス
ワーラ９を通って渦巻きながら燃焼室２内に拡散されて
供給されるとともに、燃料管１１に供給された燃料は多
孔ノズル１２の噴孔１２ａから燃焼室２内に噴出され
て、上記渦巻き状に空気により瞬間に拡散される。この
とき、渦巻きの中心部には安定した保炎部が形成される
ことになる。

【００２０】一方、メインバーナ８においては、上記圧
縮空気が空気流入管１５に矢印Ｂのように流入するとと
もに、燃料管１６に供給された燃料は分散型ノズル１７
の噴孔１７ａから上記空気流入管１５内に噴出されて、
上記の空気と混合された後、旋回スワーラ１４を通って
燃焼室２内に拡散されて噴出される。ここで、燃料は分
散型ノズル１７の噴孔１７ａから空気流入管１５内に分
散されて噴出されるので、その噴孔１７ａから旋回スワ
ーラ１４までの距離が短くても、空気と充分に混合され
る。そして、点火栓３８によりパイロットバーナ７への
着火が行われると、このパイロットバーナ７の周囲に近
接して配置されているメインバーナ８への着火が確実、
容易に行われ、これによって、燃焼室２内で所定の燃焼
が行われてエンジン駆動のための高圧の燃焼ガスを発生
する。

【００２１】上記のような燃焼状態において、拡散燃焼
は中央部のパイロットバーナ７だけであり、あとは全て
メインバーナ８による予混合燃焼であるから、ＮＯｘの
発生量は十分に低減される。また、メインバーナ８にお
いては、上記旋回スワーラ１４の内側のボス部１４Ａに
形成された空気通路１９を経て、そのボス部１４Ａの錐
状先端部に形成された孔１４ａから斜め外方に向かって
空気が噴出されており、この空気により、ボス部１４Ａ
の過熱が抑制されるので、予混合燃焼時の逆火が防止さ
れる。

【００２２】ところで、上記構成のガスタービンの燃焼
器においては、負荷の変動に応じて燃焼作動させるメイ
ンバーナ８の数を変更することにより、全負荷範囲にお
いて低ＮＯｘで安定した燃焼が行われる。すなわち、図
６は負荷運転時におけるバーナの燃焼作動状況を示し、
図７は燃焼起動時における弁制御方法を示す図であっ
て、円周方向に１８０°の間隔を置いて位置する２個の
メインバーナ８，８を一組（Ｍ１）として、負荷割合に
応じて、４組（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４）それぞれに対
応する燃料遮断弁２７Ａ〜２７Ｄを順次開にして、燃料
供給管２６Ａ〜２６Ｄを通して各組のメインバーナ８に
燃料を供給して予混合燃焼させることにより、全負荷範
囲において低ＮＯｘで、かつ、高い効率の安定燃焼を行
わせることが可能である。なお、図７において、横軸は
エンジン回転数の割合を示し、縦軸は燃料量である。

【００２３】上記の燃焼作動状態において、パイロット
バーナ７は常に上述のような拡散燃焼により、その中央
部に安定した保炎部を形成しており、負荷の変動に応じ
て、メインバーナ８を燃焼作動させる際の火移りが確実
に行われる。このような通常の燃焼作動状態では、パイ
ロットバーナ７にパイロット燃料供給管２６Ｆおよび固
定オリフィス２８Ｆを経て燃料が供給されており、燃料
供給管２６Ｅに介在されている燃料遮断弁２７Ｅは遮断
状態に保持されたままにある。

【００２４】ここで、メインバーナ８のいずれか一つが
逆火したときは、その逆火が検知され、その検知信号を
受けて、三方口電磁弁３０Ｅが切り換わって上記の燃料
遮断弁２７Ｅが空気マニホールド２９から送られる圧縮
空気により自動的に遮断解除される。これにともない、
上記パイロットバーナ７には、燃料供給管２６Ｅおよび
固定オリフィス２８Ｅを経て燃料が供給されることにな
り、その燃料が多孔ノズル１２の噴孔１２ａから燃焼室
２内に噴出される。

【００２５】このように、メインバーナ８の逆火発生に
ともない、その該当メインバーナ８への燃料供給が停止
されたとき、それまで遮断状態に保持されていた燃料遮
断弁２７Ｅが遮断解除されて、燃焼が停止されるメイン
バーナ８への供給量に相当する燃料がパイロットバーナ
７側へ供給されて、該パイロットバーナ７の燃焼量が増
加することになる。したがって、一つのメインバーナ８
が逆火を発生しても、他の残りのメインバーナ８への燃
料供給量が増加することがなく、常に所定の混合比率を
保って、低ＮＯｘで、かつ、効率の良い安定燃焼を維持
することができ、また燃焼室２全体としてのＮＯｘ排出
量の増加も最小限に抑えることができる。さらに、保炎
用燃料供給管２６Ｆには固定オリフィス２８Ｆが設けら
れているために、そのサイズを変更することによってパ
イロットバーナ７とメインバーナ８の燃料の配分を最適
化することが容易であるとともに、上記固定オリフィス
２８Ｆを設けた保炎用燃料供給管２６Ｆには遮断弁がな
いために、エンジンの運転中は上記燃料供給管２６Ｆを
通じてパイロットバーナ７に常時一定量の燃料が供給さ
れており、したがって、エンジンの負荷が遮断された場
合でも安定した燃焼を維持することができる。

【００２６】

【発明の効果】以上のように、この発明の請求項１によ
れば、燃焼室の中央部に拡散燃焼式のパイロットバーナ
を設けることで、良好な保炎効果を発揮して、その周囲
に配置したメインバーナへの火移りを確実、容易にでき
るばかりでなく、着火・起動時の燃焼火炎の安定化を図
ることができ、負荷変動が激しくてメインバーナのオン
／オフ回数が多くなる条件下においても、燃焼を安定よ
く保持させて低ＮＯｘ燃焼を確実に維持することができ
る。しかも、燃焼状態で一つのメインバーナが逆火を発
生し、その該当メインバーナへの燃料供給が停止された
とき、その燃焼が停止されるメインバーナへの供給量に
相当する燃料をパイロットバーナ側へ供給して、運転を
継続することができるので、逆火発生時に他の残りのメ
インバーナへの燃料供給量の増加による混合比率の変化
をなくして、予混合燃焼によるＮＯｘの低減効果を良好
に維持できるとともに、エンジンの突然の停止に伴うプ
ラントの損失の発生を防止することができる。さらに、
保炎用燃料供給管には固定オリフィスが設けられている
ために、そのサイズを変更することによってパイロット
バーナとメインバーナの燃料の配分を最適化することが
容易であるとともに、上記固定オリフィスを設けた保炎
用燃料供給管には遮断弁がないために、エンジンの運転
中は上記燃料供給管を通じてパイロットバーナに常時一
定量の燃料が供給されており、したがって、エンジンの
負荷が遮断された場合でも安定した燃焼を維持すること
ができる。

【００２７】また、この発明の請求項２によれば、パイ
ロットバーナを中心にして互いに１８０°離れた箇所に
配置された２個のメインバーナを一組として複数組配置
し、負荷の変動に応じて燃焼作動する組の数を制御する
ことにより、負荷変動に応じた燃焼制御に拘らず、燃焼
室内での燃焼バランスを良好に保って所定の低ＮＯｘ効
果を確実に達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例によるガスタービンの燃焼
器を示す縦断側面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

【図３】図１の多孔ノズルの拡大正面図である。

【図４】図１の分散型ノズルの拡大縦断正面図である。

【図５】ガスタービンの燃焼器における燃料供給制御装
置の系統図である。

【図６】負荷運転時におけるバーナの燃焼作動状況を示
す図である。

【図７】燃焼起動時における弁制御方法を示す図であ
る。

【符号の説明】

２ 燃焼室 ７ パイロットバーナ ８ メインバーナ １１ パイロット燃料管 １３ パイロット燃料供給管 １６ メイン燃料管１８ メイン燃料供給管 ２５ 燃料マニホールド２６Ａ〜２６Ｅ 燃料供給管 ２６Ｆ パイロット（保炎用）燃料供給管 ２７Ａ〜２７Ｄ メイン燃料遮断弁 ２７Ｅ パイロット燃料遮断弁 ２８Ｅ 固定オリフィス ２８Ｆ 固定オリフィス ３１ 燃料供給制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木村 武清 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工 業株式会社明石工場内 (56)参考文献 特開 平４−43220（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−149544（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−288081（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−149149（ＪＰ，Ａ) 特公 昭63−8373（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F23R 3/28 F02C 9/34 F23R 3/30

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼室の中央部に燃料を直接燃焼室内に
   噴出する拡散燃焼式のパイロットバーナを設けるととも
   に、このパイロットバーナの周囲に複数個の予混合燃焼
   式のメインバーナを配置し、これらメインバーナの各燃
   料供給管およびパイロットバーナの保炎用燃料供給管を
   １つの燃料マニホールドから分岐させてなるガスタービ
   ンの燃焼器において、上記保炎用燃料供給管に固定オリ
   フィスを設けるとともに、上記パイロットバーナと上記
   燃料マニホールドとの間に上記保炎用燃料供給管とは別
   に、通常燃焼時には遮断状態に保持されるパイロット燃
   料遮断弁と固定オリフィスとを有する燃料供給管を設
   け、この燃料供給管のパイロット燃料遮断弁を上記メイ
   ンバーナの逆火時に遮断解除する燃料供給制御装置を設
   けたことを特徴とするガスタービンの燃焼制御装置。
2. 【請求項２】 上記メインバーナは、パイロットバーナ
   を中心として互いに１８０゜離れた箇所に配置された２
   個を−組として複数組配置されており、負荷の変動に応
   じて燃焼作動する組の数を制御するように構成されてい
   る請求項１のガスタービンの燃焼制御装置。