JP3012166B2 - ガスタービン燃焼システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃焼にともなって発生
する窒素酸化物（以下、ＮＯ_X という）の排出量の低減
と燃焼効率の向上とを達成するガスタービン燃焼システ
ムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンにおいては、排ガス組成に
関して厳しい環境基準が設けられており、特にＮＯ_X 排
出量の低減が望まれている。低ＮＯ_X 化の手段として、
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
る方法が以前に一般的に採用されていたが、この方法で
は、エンジン熱効率の低下（水噴射の場合）、悪い水質
によるタービンなどの腐食に伴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種々の欠点があった。このよ
うな水や蒸気を用いないでＮＯ_X を低減する方法とし
て、希薄予混合燃焼方式が有効であることがよく知られ
ているが、この方式では、ＮＯ_X の排出量が少なく、か
つ高い燃焼効率を得られる燃空比範囲が非常に狭い。そ
のため、ガスタービンの全作動範囲にわたって低ＮＯ_X
でかつ高い燃焼効率を維持するためには、ガスタービン
の作動条件にかかわらず燃料と空気の混合比（燃空比）
を一定範囲内に維持する必要がある。

【０００３】この燃空比を一定範囲内に維持するため
に、燃焼器に複数個の予混合燃焼式のバーナを配置し、
これら予混合式バーナの燃焼作動個数をガスタービンの
作動条件、たとえば負荷の変化に応じて可変制御する方
法がある。この方法には、燃焼器の上流側における燃焼
室の軸心方向の同一位置に複数個のバーナを配設し、ガ
スタービンの作動条件に応じてバーナの燃焼作動本数を
可変制御するParallelFuel Staging方式（たとえば、特
開平４−４３２２０号公報参照）と、燃焼室をその軸心
方向に複数の燃焼領域に分割して、ガスタービンの負荷
の増加に応じて上流側から下流側の燃焼領域に向かって
燃料を供給するバーナの燃焼作動本数を増やしていくSe
ries Fuel Staging 方式とがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記Parallel Fuel St
aging 方式では、負荷の変化に応じてバーナの燃焼作動
本数をオン・オフ制御により可変するだけであるため、
制御が簡単である利点がある。その反面、燃焼室の上流
側で燃焼室の軸心方向に対し直交する同一位置に多数個
のバーナを配設して、全ての燃焼用空気を燃焼室内にそ
の上流側から供給する構成であるため、燃焼器は上流側
（頭部）の径が大きくなって大型化する。しかも、より
低ＮＯ_X 化を達成しようとすれば、バーナの本数を多く
しなければならず、燃焼器がさらに大型化する。

【０００５】一方、上記Series Fuel Staging 方式で
は、下流側の燃焼領域において、上流側の燃焼領域での
燃焼による高温の燃焼排ガス中に燃料を噴射するため、
希薄な混合気でも完全燃焼させることができることか
ら、下流側の燃焼領域でのＣＯおよびＮＯ_X の生成を極
めて少なくできる特長がある。しかし、燃焼室の軸心方
向に沿って複数の燃焼領域を順次設ける構成であるた
め、燃焼器の寸法が長くなる。しかも、寸法が長くなる
のに伴って、燃焼室の壁面を冷却するための空気量を増
やす必要があり、燃焼用の空気が不足して十分な低ＮＯ
_X 化を果たせなくなる。この欠点に対処する方法とし
て、燃焼用の混合気を冷却用に使用する構成が考えられ
るが、逆火が生じ易い。さらに、下流側での燃焼状態を
良くして燃焼効率を高めるために上流側の燃焼温度を常
に高く保つ必要があることから、上流側の燃空比を常に
一定に保持しなければならず、その制御が複雑となる。

【０００６】そこで、本発明は、燃焼器の径や長さ寸法
を抑制しながらも簡単な制御で高い燃焼効率と低ＮＯ_X
化を達成できるガスタービン燃焼システムを提供するこ
とを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明の請求項１に係るガスタービン燃焼シス
テムが備える燃焼器は、圧縮機から供給される圧縮空気
を燃焼させてタービンに供給する燃焼器であって、燃焼
室の上流側で該燃焼室の軸心方向の同一位置に配置され
て該燃焼室内に第１の燃焼領域を形成させる複数の第１
のバーナと、前記燃焼室内における第１の燃焼領域より
も下流側に設けられて該燃焼室内に第２の燃焼領域を形
成させる第２のバーナとを備えている。

【０００８】また、この燃焼器は、前記第２以降のバー
ナが、前記第１の燃焼領域よりも下流側で前記燃焼室内
に空気を導入する希釈用空気孔に臨んで配置され、その
希釈用空気孔を通して燃料を前記燃焼室内に噴出する拡
散燃焼式のバーナである。

【０００９】さらに、請求項１に係るガスタービン燃焼
システムは、７５％未満ないし８５％未満の低負荷領域
において、前記第１のバーナの作動数を負荷の増大に応
じて順次増加させ、高負荷領域において、燃料流量の２
５％以下を前記第２以降のバーナより供給する燃料コン
トローラを備えている。

【００１０】

【００１１】請求項２に係るガスタービン燃焼システム
は、請求項１のガスタービン燃焼システムにおいて、前
記第１および第２以降のバーナへの燃料供給を制御する
オン・オフ弁を備えている。

【００１２】また、請求項３に係るガスタービン燃焼シ
ステムは、請求項１のガスタービン燃焼システムにおい
て、前記第１のバーナへの燃料供給量を制御するオン・
オフ弁と、前記第２以降のバーナへの燃料供給量を連続
的に制御するコントロール弁とを備えている。

【００１３】

【作用および効果】請求項１のガスタービン燃焼システ
ムによれば、第１の燃焼領域を形成させる複数の第１の
バーナは、負荷に応じて燃焼作動本数を可変制御される
が、下流側に第２以降の燃焼領域を形成させる第２以降
のバーナにより定常運転時（高負荷時）の燃料供給の一
部が分担される。そのため、第１の燃焼ノズルは従来の
Parallel Fuel Staging 方式の燃焼器よりも本数を少な
くすることができるから、燃焼器の径が大きくなること
がない。一方、上流側に複数の第１のバーナを備えてい
るため、第２以降の燃焼領域を形成させる第２以降のバ
ーナは、従来のSeries Fuel Staging 方式の燃焼器より
も燃焼領域の段数を少なくできる。したがって、燃焼器
の軸心方向の寸法も長くなることがない。

【００１４】また、第２のバーナは高負荷領域において
のみ作動させればよいから、第１の燃焼領域の燃焼温度
が十分高くなっているので、Series Fuel Staging 方式
におけるような複雑な制御を行うことなく、第２の燃焼
領域での燃焼効率を高めることができる。さらに、燃焼
室の軸心方向寸法が長くならないことから、燃焼室の冷
却のために第２のバーナによる混合気を使用する必要が
ないので、第２のバーナからの燃料を、予混合とせず
に、直接燃焼室内に噴射することができ、したがって、
逆火のおそれをなくすことができる。

【００１５】さらに、燃焼室の下流側で空気を燃焼室内
に導入する希釈用空気孔に臨んで第２以降のバーナが配
置されているから、これらバーナを配置するための孔を
別途燃焼室壁に設ける必要がない。

【００１６】さらにまた、７５％未満〜８５％未満の負
荷領域では、燃料コントローラが負荷の増大に応じて第
１のバーナの作動数を順次増加させる。これにより、低
負荷時における負荷の変動、つまり燃料供給量の変動に
かかわらず、燃空比を適切な範囲に保って、ＮＯ_X とＣ
Ｏの両方の発生量を低減できる。

【００１７】さらにまた、高負荷時において、燃料流量
の２５％以下が第２以降のバーナから供給するよう制御
される。この第２以降のバーナから噴出する燃料は、第
１のバーナから噴射された燃料が第１の燃焼領域内で燃
焼することにより発生した高温の燃焼排ガス中に供給さ
れて完全燃焼するので、この第２以降のバーナからの燃
料によるＣＯやＮＯ_X は殆ど発生しない。しかも、この
第２以降のバーナから供給した燃料量分だけ第１のバー
ナから供給する燃料流量を低減できるので、その分だけ
第１の燃焼領域で発生するＮＯ_X を低減できるから、全
体としてＮＯ_Xの発生量をさらに少なくできる。

【００１８】請求項２のガスタービン燃焼システムによ
れば、第１および第２以降のバーナはオン・オフ弁によ
り燃料を供給または遮断がなされるので、燃料供給の制
御が極めて簡単となる。また、請求項３のガスタービン
燃焼システムによれば、第２以降のバーナからの燃料供
給量がコントロール弁により連続的に制御されるので、
第２以降のバーナから燃料供給を開始したときに、燃焼
状態が急激に変化せず、かつ負荷の変化に応じて燃料供
給量が連続的に可変制御されるので、燃焼効率を高めて
ＣＯの発生量をさらに低減できる利点がある。

【００１９】

〔第１実施例〕

図１は本発明のガスタービン燃焼システムが適用される
ガスタービン発電装置を示した簡略構成図である。ガス
タービンＧＴは圧縮機１、燃焼器２およびタービン３を
主構成要素として構成されており、圧縮機１から供給さ
れる圧縮空気を燃焼器２で燃焼させ、それにより発生す
る高圧の燃焼ガスをタービン３に供給する。圧縮機１は
単一の回転軸５を介してタービン３に連結されて、この
タービン３によって駆動されており、したがって、この
ガスタービンＧＴは、いわゆる一軸型ガスタービンであ
る。上記タービン３は減速機４を介して発電機７を駆動
する。燃焼器２には、ガス供給装置９から送給される天
然ガスのようなガス燃料が、燃料制御装置８を介して供
給される。

【００２０】図２は第１実施例に係るガスタービン燃焼
システムが備える燃焼器２を示す縦断面図である。同図
において、円筒状のハウジングＨ内に、ほぼ円筒状とな
った燃焼筒１０が同心状に収納されており、この燃焼筒
１０内に燃焼室１１が形成されている。燃焼室１１の軸
心方向Ａは、この例では、回転軸５と直交する方向に設
定されている。ハウジングＨは、その下流側（図の右
側）に設けられたフランジ１０ａを介して、圧縮機１お
よびタービン３からなるエンジン本体部（図示せず）の
外壁１３に設けたフランジ１３ａに、ボルト（図示せ
ず）により結合されている。ハウジングＨの上流側（図
の左側）にはエンドカバー１２がボルト１４により固定
されている。

【００２１】また、上記燃焼筒１０の上流側には、燃焼
室１１の前壁（頭部）を形成する蓋１７が装着されてい
る。ハウジングＨの頭部には、ボルト５１により支持筒
５２が連結されており、この支持筒５２の後端部に上記
蓋１７が、ボルト・ナット５３で固定されて、燃焼筒１
０の頭部が支持筒５２を介してハウジングＨに支持され
ている。燃焼筒１０の下流部は、タービン部への燃焼ガ
ス導入路であるスクロール（図示せず）の入口部５４に
挿入されている。ハウジングＨと燃焼筒１０との間に、
圧縮機１からの圧縮空気を矢印Ｐ０で示すように燃焼筒
１０に対し上流側方向に導く空気通路２０が形成されて
いる。また、支持筒５２内には、エンドカバー１２と燃
焼筒１０との間に位置する空気導入室２１が形成されて
おり、支持筒５２の周壁に、空気通路２０を通って送ら
れてきた圧縮空気を空気導入室２１内に導く空気導入孔
２２が設けられている。

【００２２】燃焼筒１０の上流側の中心部には、天然ガ
スのような燃料を燃焼室１１内に直接噴出する拡散燃焼
式の単一のパイロットバーナ１８が、蓋板１７を貫通し
てその先端が燃焼室１１内に突出するように設けられて
いる。このパイロットバーナ１８の周囲には、燃料と空
気とを混合させたのちにその混合気を燃焼室１１内に拡
散させて噴出する予混合燃焼式の第１のバーナであるメ
インバーナ１９ａ〜１９ｈが８個配置されている。各メ
インバーナ１９ａ〜１９ｈは、後述の図５に示すよう
に、円周方向に等間隔に配置されて、図２の蓋１７を貫
通してその先端が燃焼室１１内に突出するように設けら
れている。すなわち、各メインバーナ１９ａ〜１９ｈ
は、既存のParallel Fuel Staging 方式の燃焼器と同様
に、燃焼筒１０の軸心方向Ａの同一位置に配設されてい
る。

【００２３】上記中心部のパイロットバーナ１８は、圧
縮空気を燃焼室１１内に供給するための空気流入管２３
と、この空気流入管２３内に嵌め込み固定された円環状
の旋回スワーラ２４と、空気流入管２３内に同心状に配
して固定されたパイロット燃料管２７と、このパイロッ
ト燃料管２７の先端部に固定されたパイロット用（保炎
用）多孔ノズル２８とにより構成されている。パイロッ
ト燃料管２７は、ハウジングＨの外側から燃料が導入さ
れるパイロット燃料供給管２９に接続されている。ま
た、上記多孔ノズル２８には、斜め外方に向け開口した
燃料噴出孔２８ａが円周方向に等間隔に複数個形成され
ている。

【００２４】上記各メインバーナ１９ａ〜１９ｈは、圧
縮空気を燃焼室１１内に供給するための空気流入管３０
と、この空気流入管３０内に嵌め込み固定された円環状
の旋回スワーラ３１と、閉塞された先端部を燃焼室１１
内に臨ませて空気流入管３０内に同心状に固定された被
覆管３２と、この被覆管３２内に嵌合された燃料管３３
と放射状に配設されて複数の燃料噴出孔を有する燃料吐
出管（燃料ノズル）３４とを備えている。この燃料吐出
管３４は、燃料管３３の先端開口から流出して反転し燃
料管３３と被覆管３２との間の燃料導入路３７を通って
送られてくる燃料を、燃料噴出孔から拡散して燃焼筒１
０内に噴射し、燃焼室１１内の上流側に第１の燃焼領域
１１ａを形成させる。

【００２５】燃焼筒１０における第１の燃焼領域１１ａ
よりも下流側には、短いパイプを貫通させて形成された
４個の第１の希釈用空気孔３８が等間隔に配設されてお
り、この第１の希釈用空気孔３８よりも下流側の燃焼筒
１０の壁面に４個の第２の希釈用空気孔３９が形成され
ている。ハウジングＨにおける第１の希釈用空気孔３８
に対向する部分には、第２のバーナである４個の追焚バ
ーナ４０が、各々の先端部を第１の希釈用空気孔３８に
臨ませて取り付けられており、この４個の追焚バーナ４
０は、燃料を第１の希釈用空気孔３８を通じて燃焼筒１
０内に噴射して、燃焼室１１内で第２の燃焼領域１１ｂ
を形成させる。すなわち、追焚バーナ４０は、上記メイ
ンバーナ１９ａ〜１９ｈのような予混合燃焼式のバーナ
ではなく、上記パイロットバーナのような拡散燃焼式の
バーナである。

【００２６】ところで、この種のガスタービンの燃焼器
では、図３（ａ）に示すように、燃焼温度が上昇するの
に伴ってＮＯ_X の発生量が著しく増大する。そのため、
多くの空気を燃焼室１１内に導入して燃焼温度を下げて
燃焼させる必要がある。一方、導入する空気量が多くな
って燃焼温度が下がり過ぎると、燃焼温度の低下に伴い
ＣＯの発生量が増加する、つまり、燃焼効率が悪化す
る。図３（ａ）から明らかなように、燃焼温度が１７０
０°Ｋ付近でＣＯおよびＮＯ_X の発生量が共に低くなる
ので、この燃焼温度付近で燃焼させるのが最も好まし
い。一方、図３（ｂ）に示すように、燃焼温度は燃料濃
度を理論燃空比付近に保った場合に最も高くなる（２０
００°Ｋ以上）。したがって、燃料濃度を理論燃空比よ
りもかなり燃料希薄条件に保持するように制御して、上
記１７００°Ｋ付近で燃焼させるのが好ましい。

【００２７】この実施例のガスタービンＧＴは、発電機
４を駆動することから、負荷にかかわらずタービン３が
一定回転数に保持され、一軸型ガスタービンであること
から、圧縮機１も一定回転数に保持される。したがっ
て、供給される圧縮空気は、負荷の変動にかかわらず圧
縮機１の回転数で決まるほぼ一定の量となる。この状態
で、上述のような燃焼条件を満足するよう燃料の供給量
を制御する。

【００２８】図４は上記第１実施例のガスタービン燃焼
システムを示す配管図である。同図において、燃料コン
トロール部ＦＣでは、空気逃がし口を有する電磁三方弁
ＳＶ１の作動によって空気圧式の主オン・オフ弁ＳＯＶ
が開弁されると、ガス燃料は、フィルタＦおよび主オン
・オフ弁ＳＯＶを通り、アクチュエータＡＣにより弁開
度を調整される燃料コントロール弁ＦＣＶにより、設定
流量に調節されて燃料マニーホールドＦＭに供給され
る。これとは別に、着火用の燃料がプライマリ電磁弁Ｐ
ＶおよびプライマリオリフィスＰＯを通って燃料マニー
ホールドＦＭに供給される。

【００２９】一方、バルブコントロール部ＶＣにおいて
は燃料コントローラＣがエンジンの負荷に応じて５つの
電磁三方弁ＳＶ２〜ＳＶ６を開閉制御する。開弁された
各電磁三方弁ＳＶ２〜ＳＶ６を通った空気が個々に対応
する空気圧操作型ボール弁のようなオン・オフ弁ＰＳ
Ｖ，ＭＳＶ１〜ＭＳＶ３，ＳＳＶを開弁させる。すなわ
ち、負荷が定格の３５％付近までは、パイロット用オン
・オフ弁ＰＳＶが開放され、図５に黒丸で示すように、
パイロットバーナ１８および互いに１８０°離れた箇所
に配置されたメインバーナ１９ａ，１９ｅにのみ燃料が
供給される。負荷が３５〜６５％の範囲および６５〜７
５％の範囲へと増大していくと、第１のメイン用オン・
オフ弁ＭＳＶ１および第２のメイン用オン・オフ弁ＭＳ
Ｖ２が順に開放され、２個一組のメインバーナ１９ｂ，
１９ｆおよび１９ｃ，１９ｇにも順次燃料が供給されて
いく。

【００３０】そして、負荷が７５％になると、パイロッ
トバーナ１８への燃料供給が停止されるとともに、第３
のメイン用オン・オフ弁ＭＳＶ３が開放されて、さらに
２個一組のメインバーナ１９ｄ，１９ｈにも燃料が供給
される。負荷がさらに増大して８５％に達すると、副オ
ン・オフ弁ＳＳＶが開放されて追焚バーナ４０に燃料が
供給される。

【００３１】つぎに、上記実施例の動作について説明す
る。パイロットバーナ１８においては、図１の圧縮機１
から送給される圧縮空気が、図２の空気流入管２３内に
矢印Ｐ１で示すように流入し、旋回スワーラ２４を通っ
て旋回流となって燃焼室１１内に供給される。一方、パ
イロット燃料管２７に供給された燃料は、多孔ノズル２
８の燃料噴出孔２８ａから燃焼室１１内に噴出されて、
上記旋回した空気により拡散され、かつ点火プラグ４１
により着火される。このとき、旋回流の中心部には安定
した保炎部が形成される。

【００３２】一方、メインバーナ１９ａ〜１９ｈでは、
空気流入管３０に図２の矢印Ｐ２で示すように流入した
圧縮空気が、旋回スワーラ３１を通って旋回して燃焼室
１１内に送られる。一方、燃料管３３に供給された燃料
は、燃料導入路３７を通って燃料吐出管３４の噴出孔か
ら噴出され、上記の旋回した圧縮空気と十分に混合され
ながら、燃焼室１１内に拡散されて供給され、パイロッ
トバーナ１８により形成された保炎部で着火されて、第
１の燃焼領域１１ａを形成し、高圧の燃焼ガスを発生す
る。ここで、第１の燃焼領域１１ａでは大部分の燃料が
燃料希薄条件で予混合燃焼されているから、燃焼温度が
低下して、ＮＯ_X の発生が抑制される。

【００３３】さらに、追焚バーナ４０から噴出されたガ
ス燃料は、第１の燃焼領域１１ａでの燃焼によりかなり
高温になっている第２の燃焼領域１１ｂに導入されるの
で、燃料希薄条件でも燃焼効率の低下を招くこともなく
燃焼が行われ、ＮＯ_X の発生も極めて少ない。また、希
釈用空気孔３９から燃焼筒１０内に導入される圧縮空気
により、第２の燃焼領域１１ｂの下流の燃焼排ガス温度
が、タービン３（図１）の耐久性を低下させない程度ま
で低下する。

【００３４】図６は、各バーナ１８，１９および追焚バ
ーナ４０を上述の図５のように制御した場合の、負荷率
に対する燃焼効率およびＮＯ_X 発生量の関係を示す特性
図である。負荷率１００％は定格負荷（発電機の定格出
力）に相当する。同図において、ＮＯ_X 発生量を丸印
で、燃焼効率を三角印で示してある。また、Ｐはパイロ
ットバーナの点火状態、Ｍはメインバーナの点火状態、
Ｍの前の数字は点火状態のメインバーナ１９ａ〜１９ｈ
の数、Ｓは追焚バーナ４０に燃料を供給している状態を
それぞれ示している。

【００３５】同一燃焼条件において負荷が増大していく
と、前述のとおり、空気量は一定であるのに対して燃料
供給量が増加するので、燃料が濃くなってＮＯ_X 発生量
および燃焼効率が共に上昇していくが、点火中のメイン
バーナ１９ａ〜１９ｈの理論燃空比に近づいてＮＯ_X 発
生量が大幅に増えた時点で、燃料コントローラＣが上述
のようにメインバーナ１９ａ〜１９ｈにおける燃料供給
する数を２個一組として増やしていくので、その数が増
えた時点でメインバーナにおける燃空比が低下し、つま
り燃料濃度が薄くなり、ＮＯ_X 発生量が急激に下がる。
このように負荷の増大に応じて着火させるメインバーナ
１９ａ〜１９ｈの数を順次増加させることにより、低負
荷領域（たとえば負荷率８５％未満）において低ＮＯ_X
で安定した燃焼が行われる。

【００３６】さらに、通常の使用領域であるガスタービ
ンの高負荷運転領域（たとえば負荷率７５〜１００％）
では、負荷率が８５％に達した時点で、追焚バーナ４０
に全燃料流量の２０〜２５％程度の燃料の供給を開始す
るようになっている。それにより、ＮＯ_X 発生量を目標
値以下に維持できるとともに、燃焼効率も目標値以上に
維持できた。これは、追焚バーナ４０から噴射される燃
料が第１の燃焼領域１１ａでの燃焼による高温の燃焼排
ガス中に導入されることから、希薄な混合気でも完全燃
焼し、第２の燃焼領域１１ｂではＣＯおよびＮＯ_X の発
生量が極めて少ないことと、追焚バーナ４０から噴射し
た燃料量の分だけメインバーナ１９ａ〜１９ｈへの燃料
供給量が減少して、燃料濃度が薄くなることによる。な
お、この追焚バーナ４０への燃料供給開始時点では、そ
の分だけメインバーナ１９ａ〜１９ｈへの燃料供給量が
低下するので、第１の燃焼領域１１ａでのＮＯ_X 発生量
が急激に減少する。

【００３７】図７は、着火した８個のメインバーナ１９
ａ〜１９ｈへの燃料供給量を一定に保持したまま、追焚
バーナ４０への燃料供給量を増やしていった場合のＮＯ
_X の変化率の領域の実測結果を示す。ここで、８個のメ
インバーナ１９ａ〜１９ｈのみに燃料供給した場合のＮ
Ｏ_X を「１」として示している。横軸は、メインバーナ
１９ａ〜１９ｈと追焚バーナ４０の両方への全燃料供給
量に対する追焚バーナ４０への燃料供給量の割合を示
す。同図から明らかなように、追焚バーナ４０への燃料
供給割合が２０〜２５％までの範囲では、ＮＯ_X は全く
増加せず、むしろ僅かに減少することを示している。こ
の良好な範囲が斜線範囲で示したように幅を持っている
のは、第２の希釈用空気孔３９の大きさの変化、つま
り、希釈空気量の変化によって燃焼ガス温度が変化して
ＮＯ_X 量に変化が生じるためである。

【００３８】また、図８は、燃焼器２を実機に取り付け
て測定した空燃比とＮＯ_X 発生量との関係の実測結果を
示す特性図であり、黒丸はメインバーナ１９ａ〜１９ｈ
のみによる燃焼の実測結果であり、白丸は８０％に達し
た時点でメインバーナ１９ａ〜１９ｈに加えて追焚バー
ナ４０にも燃料を供給して燃焼させた実測結果を示して
いる。同図において、８０％負荷のときの空燃比（０．
０１４＝ａ）に対して、その１．２５倍の空燃比（１．
２５ａ）までの領域では、ＮＯ_X 発生量が増加していな
い。この実測結果にも、８０％以上の高負荷時に追焚バ
ーナ４０から全燃料の２５％以下の燃料流量を供給した
場合には、追焚バーナ４０によるＮＯ_Xが殆ど発生しな
いことが明確にあらわれている。

【００３９】また、追焚バーナ４０は高負荷領域におい
てのみ作動させればよく、高負荷領域では第１の燃焼領
域１１ａの燃焼温度が十分高くなっているので、従来の
Series Fuel Staging 方式におけるような複雑な制御を
行うことなく、第２の燃焼領域１１ｂでの燃焼温度を高
めて燃焼効率を高く維持することができる。さらに、燃
焼室１１の軸心方向寸法が長くならないことから、燃焼
室１１の冷却のために混合気を使用するような構成とす
る必要がないので、追焚バーナ４０からの燃料を、予混
合とせずに直接燃焼室１１内に噴射することができ、し
たがって、逆火のおそれをなくすことができる。

【００４０】しかも、上記実施例の燃焼器２では、上流
側において着火するメインバーナ１９ａ〜１９ｈの数を
オン・オフ弁ＭＳＶ１〜ＭＳＶ３により切り換えるだけ
の簡単な制御でよい。また、高負荷運転時には、下流側
に第２の燃焼領域１１ｂを形成させる追焚バーナ４０に
より供給燃料の一部が分担されるため、第１の燃焼領域
１１ａを形成させるメインバーナ１９ａ〜１９ｈは、既
存のParallel FuelStaging 方式の燃焼器よりも数を少
なくすることができ、それだけ燃焼器の径を従来よりも
小さくできる。一方、追焚バーナ４０により形成させる
第２の燃焼領域１１ｂは、上流側に負荷に応じて着火す
る数を制御される複数のメインバーナ１９ａ〜１９ｈを
備えていることから、既存のSeries Fuel Staging 方式
の燃焼器よりも少ない段数だけ設ければよい。そのた
め、燃焼器２の軸心方向Ａの寸法も長くなることがな
い。

【００４１】〔第２実施例〕図９は本発明の第２実施例
のガスタービン燃焼システムを示す要部の配管図であ
る。この実施例では、図４の副オン・オフ弁ＳＳＶに代
えて、コントローラＣにより負荷に応じて弁開度を連続
的に可変制御されるコントロール弁ＣＶを設けており、
その他の構成は第１実施例と同様である。

【００４２】図１０は上記第２実施例における負荷率に
対するＮＯ_X 発生量および燃焼効率の関係を示した特性
図である。第１実施例では、副オン・オフ弁ＳＳＶを開
弁したときに、メインバーナ１９ａ〜１９ｈへの燃料供
給量がそれだけ減少して、第１の燃焼領域１１ａでの燃
料濃度が薄くなるから、燃焼効率が若干ながら低下した
のに対し、この第２実施例では、コントロール弁ＣＶを
開弁しても、追焚バーナ４０からの燃料供給量は急激に
増えないから、第１の燃焼領域１１ａでの燃料濃度が薄
くなることはないので、燃焼効率の低下を防止できる。
しかも、コントロール弁ＣＶの弁開度が負荷の増大に応
じて徐々に大きくなるよう制御することにより、それに
応じてＮＯ_X も目標値以下のほぼ一定値に保つことがで
きる。

【００４３】〔第３実施例〕 図１１は本発明の第３実施例のガスタービン燃焼システ
ムが備える燃焼器２の縦断面図である。上記第１，第２
実施例ではガス燃料を用いる場合の構成を示したが、こ
の実施例では、灯油または重油のような液体燃料を用い
る場合を例示している。したがって、ガス燃料の場合の
ような予混合燃焼を採用できないので、８個のメインバ
ーナ（第１のバーナ）１９ａ〜１９ｈは、液体燃料を拡
散して噴射する８本の燃料噴射弁４２と、空気流入口に
旋回スワーラ４３を備えた混合管４４とにより構成され
ている。燃料噴射弁４２から噴射された液体燃料は空気
とともに燃焼室１１内つまり燃焼筒１０内に噴射され
る。第２のバーナである追焚バーナ４０は、燃焼筒１０
の壁面における上記実施例と同様の位置に４個が等間隔
に配設されており、希釈用空気孔３８を通して燃焼室１
１内つまり燃焼筒１０内の第２の燃焼領域１１ｂに向け
液体燃料を拡散状態に噴射する。すなわち、第３実施例
では、メインバーナ１９ａ〜１９ｈと追焚バーナ４０の
双方が、拡散燃焼式のバーナである。

【００４４】図１２は上記第３実施例の燃焼器２を実機
に取り付けて実測したエンジンの出力に対するＮＯ_X 発
生量および燃焼効率の関係を示す特性図であり、白丸は
ＮＯ _X の変化、黒丸は燃焼効率の変化を示している。こ
の実施例においても、メインバーナ１９ａ〜１９ｈおよ
び追焚バーナ４０への燃料供給を上記第１，第２実施例
と同様に制御することにより、定常運転範囲では、ＮＯ
_X を目標値以下に抑制することができるとともに、燃焼
効率を目標値以上に保持することができる。

【００４５】上記各実施例において、追焚バーナ４０か
らの燃料供給量は、図６で説明したとおり、全体の２５
％以下とするのが、ＮＯ_X を増加させないために好まし
い。また、追焚バーナ４０の作動を開始する負荷領域
は、負荷率７５％ないし８５％の高負荷領域とするのが
好ましい。７５％未満で追焚バーナ４０を作動させる
と、メインバーナ１９ａ〜１９ｈによる燃焼温度が下が
って、ＣＯの発生量が増大する。また、８５％を越えて
から追焚バーナ４０を作動させると、８０〜８５％の領
域で、メインバーナ１９ａ〜１９ｈのみの燃焼によりＮ
Ｏ_X 量が増大してしまう。さらにまた、追焚バーナ４０
は燃焼室１１の軸心方向Ａに沿って複数設けてもよい。
たとえば、第２および第３の追焚バーナを設けた場合、
負荷率７０％に達したときに第２の追焚バーナを、８５
％に達したときに第３の追焚バーナの作動を開始する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用されるガスタービンを示す簡略構
成図である。

【図２】本発明の第１実施例に係るガスタービン燃焼シ
ステムが備える燃焼器を示す縦断面図である。

【図３】（ａ）は上記燃焼器の燃焼温度に対するＮＯ_X
発生量および燃焼効率の関係を示す特性図、（ｂ）は同
燃焼器の燃料濃度と燃焼温度との関係を示す特性図であ
る。

【図４】同上実施例におけるガスタービン燃焼システム
を示す配管図である。

【図５】同上システムにおける各燃料ノズルの負荷に応
じた切り換えを示す説明図である。

【図６】同上システムによる負荷率に対するＮＯ_X 発生
量および燃焼効率の関係を示す特性図である。

【図７】同上システムにおける第２の燃料ノズルへの燃
料供給割合の変化に対するＮＯ_X 変化率の関係を実測し
て示した特性図である。

【図８】同上システムにおける燃空比に対するＮＯ_X 発
生量の関係を実測して示した特性図である。

【図９】本発明の第２実施例に係るガスタービン燃焼シ
ステムを示す要部の配管図である。

【図１０】同上実施例の定常運転範囲における負荷率に
対するＮＯ_X 発生量および燃焼効率の関係を示す特性図
である。

【図１１】本発明の第３実施例に係るガスタービン燃焼
システムの燃焼器を示す縦断面図である。

【図１２】同上実施例の負荷率に対するＮＯ_X 発生量お
よび燃焼効率の関係を示す特性図である。

【符号の説明】

１…圧縮機、２…燃焼器、３…タービン、１０…燃焼
筒、１１…燃焼室、１１ａ…第１の燃焼領域、１１ｂ…
第２の燃焼領域、１９〜１９ｈ…メインバーナ（第１の
バーナ）、３８…希釈用空気孔、４０…追焚バーナ（第
２のバーナ）、ＧＴ…ガスタービン、Ｃ…燃料コントロ
ーラ、ＭＳＶ１〜ＭＳＶ３，ＳＳＶ…オン・オフ弁、Ｃ
Ｖ…コントロール弁。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 北嶋 潤一 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 (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５−322169（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−340508（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−145426（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−129330（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−12071（ＪＰ，Ｕ) 実開 平７−41255（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F23R 3/34 F23R 3/28 F02C 9/34

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮機から供給される圧縮空気を燃焼さ
   せてタービンに供給する燃焼器であって、燃焼室の上流
   側で該燃焼室の軸心方向の同一位置に配置されて該燃焼
   室内に第１の燃焼領域を形成させる複数の第１のバーナ
   と、前記燃焼室内における第１の燃焼領域よりも下流側
   に配置されて該燃焼室内に第２以降の燃焼領域を形成さ
   せる第２以降のバーナとを備え、前記第２以降のバーナ
   は、前記第１の燃焼領域よりも下流側で前記燃焼室内に
   空気を導入する希釈用空気孔に臨んで配置され、その希
   釈用空気孔を通して燃料を前記燃焼室内に噴出する拡散
   燃焼式のバーナであるガスタービンの燃焼器と、 ７５％未満ないし８５％未満の低負荷領域において、前
   記第１のバーナの作動数を負荷の増大に応じて順次増加
   させ、高負荷領域において、燃料流量の２５％以下を前
   記第２以降のバーナより供給する燃料コントローラとを
   備えたガスタービン燃焼システム。
2. 【請求項２】 請求項１のガスタービン燃焼システムに
   おいて、前記第１および第２以降のバーナへの燃料供給
   を制御するオン・オフ弁を備えたガスタービン燃焼シス
   テム。
3. 【請求項３】 請求項１のガスタービン燃焼システムに
   おいて、前記第１のバーナへの燃料供給量を制御するオ
   ン・オフ弁と、前記第２以降のバーナへの燃料供給量を
   連続的に制御するコントロール弁とを備えたガスタービ
   ン燃焼システム。