JP3826205B2

JP3826205B2 - Burner

Info

Publication number: JP3826205B2
Application number: JP25005998A
Authority: JP
Inventors: 和雄鈴木; 一雄下平; 努若林; 浩二守家; 裕司中村
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd; Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd; Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 1998-09-03
Filing date: 1998-09-03
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2018-09-03
Also published as: JP2000074372A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンの燃焼器として好適に用いられ、また加熱炉などに関連して好適に用いられる燃料ガスを燃焼するためのバーナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼負荷を変化して調節することができるようにした典型的な先行技術は、複数のバーナを設置し、これらの各バーナを選択的に運転し、燃焼量を変化する。
【０００３】
この先行技術では、各バーナを選択的に運転するので、排ガスの温度変動を引き起こし、したがってガスタービンでは、負荷変動を招く結果になる。
【０００４】
この問題を解決する或る提案されたバーナでは、中心部とその外側の周辺部とに隔壁で相互に仕切られた複数の空気導入孔が備えられ、中心部および周辺部に供給する燃料ガスの流量を制御し、中心部での空気比が周辺部の空気比に比べて小さくなるように構成される。このバーナの新たな問題は、低負荷時に、燃料ガスの流量制御を行う際、周辺部の炎が消えたり、燃焼が不安定になることであり、その流量制御が難しい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、燃焼負荷を円滑に変化させることができ、低負荷の安定な燃焼を達成することができるようにしたバーナを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃焼用空気が供給される燃焼用空気流路を形成するケースと、
燃焼用空気流路内に配置され、燃料ガスが供給され、燃料ガスを噴出するノズル孔を有するノズル体と、
燃焼用空気流路内で、ノズル孔よりも燃焼用空気の流過方向下流側に配置される複数のスワラであって、各スワラは、ノズル孔の近傍の領域と、その近傍領域よりもノズル孔から遠去かった領域とに、燃焼用空気の流過方向に沿って延びる仕切部材によってそれぞれ仕切られて配置されるスワラとを含み、
前記ノズル体は、
周壁に間隔をあけて複数の第１ノズル孔が形成される大径部と、
大径部の燃焼用空気の下流側の端部に連なり、燃焼用空気の下流になるにつれて先細状に形成され、周壁に間隔をあけて複数の第２ノズル孔が形成される錐体部とを有し、
前記第２ノズル孔は、各スワラよりも燃焼用空気の流過方向上流側に形成され、この第２ノズル孔よりも前記燃焼用空気の流過方向上流側に、前記第１ノズル孔が形成されることを特徴とするバーナである。
【０００７】
本発明に従えば、バーナのケース内に燃焼用空気流路が形成され、ここにたとえば予め定める一定の流量で燃焼用空気が供給される。この燃焼用空気流量内には、燃料ガスを噴出するノズル孔を有するノズル体が配置されるとともに、このノズル体のノズル孔よりも燃焼用空気の流過方向下流側に複数のスワラが配置される。スワラは、燃焼用空気と燃料ガスとを、たとえば各スワラの軸線まわりに旋回して混合する働きをする。これらの各スワラは、ノズル孔の近傍の領域と、ノズル孔から遠去かった領域とにそれぞれ配置される。各スワラは、仕切部材によって仕切られており、したがって燃焼用空気および燃料ガスを含むガスが、各スワラ相互間で混合してしまうことはない。
【０００８】
高負荷燃焼時に、ノズル体には大流量の燃料ガスが供給され、したがって前記近傍領域と前記遠去かった領域とにそれぞれ配置されるスワラには、燃焼用空気と燃料ガスとが供給される。こうしてスワラの下流側における燃焼室で、安定した燃焼が行われる。
【０００９】
燃料ガスの流量を小さく調節することによって、燃焼負荷を円滑に減少することができ、大きな負荷変動を生じることがない。このことは特に本発明がガスタービンの燃焼器として実施される場合、タービンの回転速度を一定に保つために重要である。
【００１０】
ノズル体に供給される燃料ガスの流量を小流量にしたとき、ノズル孔からの燃料ガスは、前記近傍領域に配置されたスワラに主として流れ、前記遠去かった領域に配置されたスワラには到達しない。近傍の領域のスワラでは、燃料ガスの濃度が高く、空気比が小さく保たれ、したがって安定した燃焼状態を保つことができる。こうして燃焼量の調節範囲を広くすることができ、可燃限界を拡げることができ、ターンダウン比を大きくすることが可能になる。
【００１２】
またノズル体は、たとえば直円筒状の大径部と、その大径部に連なるたとえば中空直円錐状の錐体部とを含み、これらの大径部と錐体部とに複数の第１および第２ノズル孔がそれぞれ形成される。燃焼負荷を大きくするために、ノズル体に供給する燃料ガスの流量を大きく設定した状態では、第１および第２ノズル孔の両者から噴出される燃料ガスは、前述のように近傍の領域と遠去かった領域とにそれぞれ配置されるスワラによって、燃焼用空気とともに旋回されて混合され、燃焼が行われる。
【００１３】
低負荷燃焼時には、ノズル体に供給される燃料ガスの流量が減少されることによって、第１ノズル孔から噴出される燃料ガスの流量は、高負荷燃焼時に比べて低下し、その第１ノズル孔からの燃料ガスは、ガス噴出速度が低下して、ノズル体の軸線寄りに、すなわち大径部の周壁表面付近に沿って流れるようになる。先細状の錐体部に形成されている第２ノズル孔からも、燃料ガスが噴出され、ノズル体の軸線寄りに流れる。したがって前記近傍の領域のスワラにおける燃料ガスの濃度を高く保って、空気比を小さくし、安定した燃焼状態を保つことができる。このようにしてケースのスワラよりも下流側で前記近傍領域のスワラからの燃焼用空気の濃度の低下が抑制された領域が保たれることになり、安定した低負荷燃焼を保つことができる。
【００１４】
また本発明は、大径部が肉厚に形成され、これによって第１ノズル孔はチョーク状に形成されることを特徴とする。
【００１５】
本発明に従えば、大径部を比較的肉厚に形成し、したがって第１ノズル孔をチョークとし、すなわち第１ノズル孔の流路断面積に比べて第１ノズル孔の流路を長くして第１ノズル孔を細長く形成することができる。これによって第１ノズル孔の出口端から噴出される燃料ガスは、ノズル体の半径方向外方に第１ノズル孔の軸線に沿って噴出され、高負荷燃焼時において燃料ガスが前記遠去かった領域のスワラにまで確実に到達し、スワラの下流側での燃焼室において、燃料ガスのできるだけ均一な濃度で、安定した燃焼を達成することができる。
【００１６】
また本発明は、第１ノズル孔の軸線は、ノズル体の軸線に対して８０〜１５０度の角度θ１を有することを特徴とする。
【００１７】
また本発明は、第２ノズル孔の軸線は、ノズル体の軸線に対して、１０〜８０度の角度θ２を有することを特徴とする。
【００１８】
本発明に従えば、第１および第２ノズル孔の軸線の角度θ１，θ２を上述のように設定し、これによって高負荷および低負荷の各燃焼状態で、安定した燃焼を維持することができる。第１ノズル孔の軸線の角度θ１を８０度未満および１５０度を超える値に選ぶと、高負荷燃焼時に燃料ガスが第１ノズル孔から前記遠去かった領域のスワラにまで到達することができず、スワラの下流側の燃焼室において燃焼用空気と燃料ガスとのできるだけ均一な分布を達成することができなくなる。
【００１９】
第２ノズル孔の軸線の角度θ２を１０度未満の値に選ぶと、第２ノズル孔からの燃料ガスが噴出される領域が前記近傍の領域において狭い範囲に存在する結果になり、前記近傍の領域におけるスワラによって燃焼用空気と燃料ガスとの均一な混合が困難になるおそれがある。第２ノズル孔の軸線の角度θ２が８０度を超えると、低負荷燃焼時における前記近傍の領域のみにおけるスワラへの燃料ガスの噴出が困難になり、安定な燃焼状態を維持することができなくなる。
【００２０】
また本発明は、ノズル体は、燃焼用空気の下流側の端部が閉塞された筒体の周壁に、周方向に間隔をあけて複数のノズル孔が形成されることを特徴とする。
【００２１】
本発明に従えば、ノズル体では、たとえば後述の図７に示されるように、前記筒体である大径部２１のみにノズル孔３４が形成され、錐体部２２は省略されてもよく、これによって構成の簡略化が図られる。ノズル体に供給される燃料ガスの流量を、負荷に応じて大小に調節したとき、ノズル孔３４からの燃料ガスの流量が変化し、低負荷燃焼時には、ノズル孔３４からの燃料ガスの流量が小さくなり、ノズル体の軸線寄りに流れ、前記近傍の領域に配置されたスワラの燃料ガス濃度を維持して、燃焼状態を安定に保つことができる。
【００２２】
また本発明は、筒体のノズル孔よりも燃焼用空気下流側の部分が、燃焼用空気の下流になるにつれて先細状に形成されることを特徴とする。
【００２３】
本発明に従えば、後述の図７のように、筒体２１のノズル孔３４よりも下流側の部分を先細状に形成して錐体部２２とするので、低負荷燃焼時に小流量の燃料ガスが、ノズル体の軸線寄りに流れ、したがってノズル孔３４から前記先細状の部分２２に流れ、これによって前記近傍領域におけるスワラで燃料ガスの濃度の低下を防ぎ、空気比を小さく保ち、低負荷時における安定な燃焼状態を維持することが容易に可能である。
【００２４】
また本発明は、ノズル孔の軸線はノズル体の軸線に対して８０〜１５０度の角度θ１を有することを特徴とする。
【００２５】
本発明に従えば、前述と同様に、ノズル孔の軸線の角度θ１を、８０〜１５０度の範囲に選び、これによって高負荷燃焼時に、近傍の領域だけでなく、遠去かった領域に配置されたスワラにも、燃焼用空気を到達させ、スワラの下流側の燃焼室において、燃焼用空気と燃料ガスとのできるだけ均一な燃焼状態を達成することができる。
【００２６】
また本発明は、前記スワラは、
ノズル体の軸線の延長上に軸線を有して同心状に形成されることを特徴とする。
【００２７】
本発明に従えば、図１〜図７に関連して後述されるように、スワラは、同心状に形成され、中央のスワラは、たとえば環状であってもよく、円形などの軸線に直角な断面形状を有していてもよく、その中央のスワラの半径方向外方に配置される周辺のスワラは、環状に形成される。このような同心状の各スワラは、たとえば環状の仕切部材によって仕切られ、各スワラ毎のガスが混合することがない。高負荷燃焼時には、中央のスワラだけでなく周辺のスワラに燃料ガスが到達し、また低負荷燃焼時には、中央のスワラの燃料ガス濃度が維持され、安定した燃焼状態を保つことができる。
【００２８】
また本発明は、前記スワラは、
ノズル体の軸線の延長上に軸線を有する第１スワラと、
ノズル体の軸線の延長上に中心を有する仮想円上にそれぞれ軸線を有し、その仮想円の周方向に隣接して配置される複数の第２スワラとを有することを特徴とする。
【００２９】
本発明に従えば、図８および図９に関連して後述されるように、中央の１つの第１スワラの半径方向外方で周方向に隣接して複数の第２スワラが配置される。高負荷燃焼時には、第１スワラだけでなく、第２スワラに燃料ガスが到達し、燃焼が行われ、低負荷燃焼時には、第１スワラにおける燃料ガスの濃度が低下されることなく、安定した燃焼状態を維持することができ、このとき第２スワラでは燃料ガスの濃度が低下している。
【００３０】
また本発明は、燃焼用空気は、予め定める一定の流量で供給され、
ノズル体に供給する燃料ガスの流量を制御する流量制御弁が設けられることを特徴とする。
【００３１】
本発明に従えば、燃焼用空気の流量を予め定める一定の値に保ち、燃料ガスの流量を流量制御弁によって制御し、これによって比較的簡単な操作で燃焼負荷を広範囲に制御することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態であるバーナ１の一部の構成を示す断面図であり、図２はそのバーナ１の全体の構成を示す断面図である。これらの図面を参照して、本件バーナ１は、たとえばガスタービンの燃焼器として用いられ、ガスタービンは、コージェネレーションシステムに関連して実施され、コージェネレーションシステムは、地域発電および地域冷暖房を行うために実用に供される。バーナ１の導出筒６０からの燃焼ガスは、タービン６２に送給されてタービン６２が駆動される。このタービン６２によって、空気圧縮機９が回転駆動される。
【００３３】
空気圧縮機９からの燃焼用空気は、ケース３内の燃焼用空気流路８に圧送されて供給される。ケース３は、デフューザ２と、デフューザ２における燃焼用空気の流過方向１１の下流側（図１および図２の右方）の端部に形成される直円筒状の燃焼ケース６とを有する。デフューザ２には、円筒状の保持ケース４がフランジ５によって取付けられる。保持ケース４内には燃焼ケース６が配置される。
【００３４】
ケース３の燃焼用空気流路８内には、ノズル体２０が配置される。このノズル体２０には、燃料ガス供給装置２７が、たとえば都市ガスなどの燃料ガスが供給される。燃料ガス供給装置２７は、ガス供給源２５と、ガス供給源２５からの燃料ガスの流量を制御する流量制御弁２９と、流量制御弁２９からの燃料ガスをノズル体２０にデフューザ２を貫通して供給する燃料ガス送給管２８とを含む。
【００３５】
ノズル体２０は基本的に、直円筒状の大径部２１と、大径部の燃焼用空気下流側端部に連なる中空の直円錐状の錐体部２２と、錐体部２２の燃焼用空気下流側端部に連なる取付け部２３とを含み、ノズル体２０の軸線と共通な軸線を有して構成される。錐体部２２は、燃焼用空気下流側になるにつれて先細状に形成される。取付け部２３は、スワラ装置２６に同軸に固定される。このスワラ装置２６の外周部は、筒体３０の内周面に固定される。筒体３０は、ノズル体２０を外囲し、ノズル体２０よりも燃焼用空気流過方向１１の上流側（図１および図２の左方）に延びる。筒体３０は、外向きフランジ４２に連なる。この外向きフランジ４２には、燃焼筒１４の基端部が固定される。ノズル体２０の軸線２４を含む直線状に、筒体３０、燃焼筒１４および燃焼ケース６の軸線が存在する。燃焼ケース６と燃焼筒１４との間には環状の空間５１が形成される。燃焼筒１４には、燃焼用空気の流過方向１１に間隔をあけて複数（たとえば６）列の空気孔５２が形成され、これらの空気孔５２の燃焼用空気下流側には、希釈孔５３が形成される。各列の空気孔５２は、周方向に間隔をあけて形成される。燃焼筒１４内には、燃焼室３１が形成される。燃焼筒１４のスワラ装置２６付近には、点火プラグ５８が設けられる。燃焼筒１４の先端部には、導出筒６０が設けられている。導出筒６０は先細状に形成されており、支持プレート６４によって支持される。
【００３６】
図３は、ノズル体２０の拡大断面図である。ノズル体２０には、同軸の燃料ガス流路３２が形成される。大径部２１には、その周壁３３に周方向に間隔をあけて複数の第１ノズル孔３４が形成される。この大径部２１の周壁３３は肉厚に形成される。したがって第１ノズル孔３４は、その流路断面積に比べて長く、チョーク状に形成される。したがって流路３２に供給される燃料ガスは、第１ノズル孔３４の軸線３５に沿って噴出される。この第１ノズル孔３４の軸線３５は、ノズル体２０の軸線２４に対して角度θ１を有する。角度θ１は、８０〜１５０度に選ばれる。軸線２４，３５は一平面内に存在してもよいけれども、軸線３５は軸線２４を含む平面に対して交差していてもよい。
【００３７】
ノズル体２０の大径部２１には、図１に示すように半径方向外方に延びる板状の衝突部材６７が設けられる。この衝突部材６７に燃焼用空気が衝突することによって、第１および第２ノズル孔３４，４０からの燃料ガスが燃焼用空気によって不所望に妨げられることなく、燃焼負荷に応じて適切な流量で噴出されることができる。本発明の実施の他の形態で、この衝突部材６７は、省略されてもよい。衝突部材６７の半径方向外方の周縁部６８は、燃焼用空気の流過方向１１の上流側に向かって突出する。これによって第１および第２ノズル孔３４，４０からの燃料ガスの噴出が、燃焼用空気の流れによって乱されることを、確実に防ぐことができる。
【００３８】
スワラ装置２６は、ノズル体２０の取付け部２３を外囲する中央の環状のスワラ３６と、そのスワラ３６の外周で環状に形成される周辺のスワラ３７とを有し、スワラ３６，３７間には、環状の仕切部材３８が介在される。こうしてスワラ３６，３７は、ノズル体２０の軸線２４の延長上に軸線を有して同心上に形成される。
【００３９】
第１ノズル孔３４の軸線３５の角度θ１が８０度未満では、高負荷燃焼時にその第１ノズル孔３４から噴出される燃料ガスが周辺のスワラ３７および仕切部材３８付近まで確実に到達して供給することができない。角度θ１が１５０度を超えると、このときにも同様に高負荷燃焼時に第１ノズル孔３４からの燃料ガスが周辺のスワラ３７および仕切部材３８付近まで確実に到達することができなくなる。第１ノズル孔３４の長さは、たとえば５〜１０ｍｍであってもよく、７ｍｍであってもよい。周壁３３が肉厚にされて第１ノズル孔３４が細長く形成されることによって、その第１ノズル孔３４から噴出される燃料ガスは、高負荷燃焼時に整流されて噴出され、前述のように周辺のスワラ３７付近にまで供給することが確実になる。
【００４０】
錐体部２２の周壁３９には、周方向に間隔をあけて複数の第２ノズル孔４０が形成される。第２ノズル孔４０の軸線４１は、ノズル体２０の軸線２４に対して角度θ２を有し、この角度θ２は、１０〜８０度に選ばれる。角度θ２が１０度未満では、第２ノズル孔４０から噴出される燃料ガスが中央のスワラ３６に燃焼用空気と均一に旋回、混合されるには不充分であり、低負荷燃焼時における安定な燃焼状態を保つことができなくなる。角度θ２が８０度を超えると、高負荷燃焼時および低負荷燃焼時に第２ノズル孔４０からの燃料ガスが中央のスワラ３６に導かれなくなり、中央のスワラ３６における燃料ガスの濃度が低下し、燃焼が不安定になってしまう。第２ノズル孔４０の軸線４１は、ノズル体２０の軸線２４を含む一平面内に存在してもよいけれども、この軸線４１は、前記平面に交差してもよい。錐体部２２の周壁３９は、前述の大径部２４の周壁３３と同様に肉厚であってもよいけれども、薄肉であってもよい。燃料ガス通路３２は、下流側で端部４３において閉塞されている。
【００４１】
図４はスワラ装置２６の正面図であり、図５は図４におけるスワラ装置２６の切断面線Ｖ−Ｖから見た一部の周方向展開図である。中央のスワラ３６は、仕切部材３８と筒部４４との間にわたって周方向に間隔をあけて配置されかつ半径方向に延びる複数の旋回羽根４５が固定されて構成される。筒部４４には、前述のノズル体２０の取付け部２３が嵌合して固定される。周辺のスワラ３７は、仕切部材３８と筒部４６との間に周方向に間隔をあけてかつ半径方向に延びる旋回羽根４７が固定されて構成される。旋回羽根４７は、前述の旋回羽根４５と同様に構成される。旋回羽根４５は、前記軸線２４に関してたとえば約４５度を有し、図５に示されるように湾曲されて形成される。
【００４２】
図６は、本発明の実施の他の形態における中央のスワラ３６の周方向展開図である。この実施の形態では旋回羽根４５ａは、平板状に構成され、このことは周辺のスワラ３７に関しても同様である。スワラ装置２６の軸線２４に沿う長さＬ１は、たとえば１０ｍｍであってもよい。ガスタービンの運転中、タービン６２は、ほぼ一定の回転速度で回転され、したがって空気圧縮機９から燃焼用空気流路８に供給される燃焼用空気の流量は、一定に保たれる。
【００４３】
ガスタービンの出力を上昇するために、バーナ１で高負荷燃焼を行うにあたっては、流量制御弁２９の開度を大きくし、燃料ガスの流量を増大する。これによってノズル体２０の第１ノズル孔３４から噴出される燃料ガスは、図１の参照符１５２で示されるように周辺のスワラ３７に到達し、また参照符１５３で示されるように仕切部材３８付近に到達する。さらに第２ノズル孔４０から噴出される燃料ガスは、参照符５４で示されるように、中央のスワラ３６に導かれる。こうしてスワラ３６，３７によって、燃焼用空気と燃料とが旋回されて混合され、スワラ装置２６の下流における燃焼筒１４内の燃焼室３１において安定した燃焼が行われる。
【００４４】
低負荷燃焼時には、流量制御弁２９によって供給される燃料ガスの流量を小さく絞る。これによってノズル体２０の第１ノズル孔３４から噴出される燃料ガスは、そのガス噴出速度が低下することによって、図１の参照符５６で示されるように、ノズル体２０の軸線２４寄りに流れるようになり、中央のスワラ３６付近にのみ到達し、周辺のスワラ３７には到達しない。また第２ノズル孔４０から噴出される燃料ガスは、参照符５７で示されるように、第１ノズル孔３４からの燃料ガスよりも軸線２４寄りに供給される。こうして中央のスワラ３６において燃料ガスの濃度が高負荷燃焼時と同様に維持され、空気比を小さく保つことができる。したがって低負荷燃焼時において、安定した燃焼状態を保つことができ、燃焼限界を拡げることができる。
【００４５】
図７は、本発明の実施の一形態の一部の断面図である。この図７は、前述の図１の構成に対応する。図７に示される実施の形態のそのほかの構成は、前述の実施の形態と同様であり、対応する部分には同一の参照符を付し、または添え字ａを付して示す。注目すべきはこの実施の形態では、ノズル体２０ａの大径部２１に周方向に間隔をあけて複数の第１ノズル孔３４が形成され、錐体部２２には、前述の実施の形態における第２ノズル孔４０は形成されない。ノズル体２０ａの大径部２１は、燃焼用空気の下流側の端部８３が閉塞された直円筒状の筒体である。この大径部２１のノズル孔３４よりも燃焼用空気下流側（図７の右方）の部分である錐体部２２が連なり、この錐体部２２は、前述のように燃焼用空気下流になるにつれて先細状に形成される。
【００４６】
高負荷燃焼時には、ノズル孔３４から噴出される燃料ガスは、参照符６５で示されるように、仕切部材３８付近到達するように供給される。したがってこの参照符６５で示される燃料ガスは、周辺のスワラ３７と中央のスワラ３６との両者にわたって導かれて旋回、混合される。
【００４７】
低負荷燃焼時には、ノズル孔３４からの燃料ガスは参照符６６で示されるように、中央のスワラ３６に供給される。これによって低負荷燃焼時においてスワラ３６における燃料ガスの濃度が低下することが防がれ、安定した燃焼状態を維持することができる。大径部２１の下流側に錐体部２２が設けられているので、ノズル孔３４から噴出される燃料ガスは、円滑に中央のスワラ３６に導かれることが可能になる。
【００４８】
図８は本発明の実施の他の形態のスワラ装置２６ｂの正面図であり、図９はその図８に示されるスワラ装置２６ｂの縦断面図である。この実施の形態は、前述の実施の形態に類似し、対応する部分には同一の参照符を付す。注目すべきはこの実施の形態では、スワラ装置２６ｂにおいてノズル体２０の軸線２４の延長上に軸線を有する第１スワラ４５ｂが設けられ、さらにその周辺に複数（この実施の形態では６）の第２スワラ４７ｂが配置される。第２スワラ４７ｂは、ノズル体２０の軸線２４の延長上に中心を有する仮想円６９上に軸線７０を有する。第２スワラ４７ｂは、仮想円６９の周方向に隣接して配置される。第１および第２の各スワラ４５ｂ，４７ｂは、直円筒状の仕切部材７１，７２によって個別的に仕切られており、したがって各スワラ４５ｂ，４７ｂのガスが相互に混合することはない。さらにこれらのスワラ４５ｂ，４７ｂ相互間の空間は、遮蔽板７３で塞がれる。スワラ装置２６ｂは、これらの第２スワラ４７ｂの外周部を囲む筒部７４に固定され、この筒部７４が、図１における筒体３０の内周面に固定される。図８および図９に示される実施の形態におけるそのほかの構成は、前述の実施の形態と同様である。
【００４９】
図１０は本発明の実施のさらに他の形態のスワラ装置２６ｃの正面図であり、図１１は図１０に示されるスワラ装置２６ｃのＸＩ−ＸＩから見た断面図である。この実施の形態では、ノズル体２０ｃのノズル孔３４ｃの近傍の領域には、スワラ７５が配置され、その近傍領域よりもノズル孔３４ｃから遠去かった領域には、スワラ７６〜７８が配置される。これらの各スワラ７５〜７８は、前述の実施の形態と同様に仕切部材７９，８０によって仕切られており、また遮蔽板８１によって塞がれる。高負荷燃焼時には、すべてのスワラ７５〜７８にノズル孔３４ｃから燃料ガスが供給される。低負荷燃焼時には、近傍の領域のスワラ７５にのみノズル孔３４ｃから燃料ガスが供給される。
【００５０】
本件発明者の実験によれば、図１〜図６の実施の形態において、燃焼用空気の流量７００ｍ³／Ｈ、３５０℃とし、燃料ガスとして都市ガスを用いたとき、ターンダウン比を２０：１にまで向上することができることが、確認された。
【００５１】
図１２は、本発明の実施の一形態のバーナ１が用いられたガスタービンの一部の斜視図である。導出筒６０からの燃焼ガスは、ガスタービンのタービン６２に噴射される。バーナ１は、仮想円６３の周方向に間隔をあけて複数（たとえば６）基配置される。タービン６２は、いわゆる軸流形タービンである。
【００５２】
図１３は、本発明の実施の他の形態の一部の断面図である。遠心形タービン８３には、単一基のバーナ１からの燃焼ガスが導出筒８４を経て供給される。そのほかの構成は、前述の実施の形態と同様である。
【００５３】
本発明は、ガスタービンに関連して実施されるだけでなく、加熱炉およびボイラなどに関連して広範囲に実施することができる。
【００５４】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、スワラは、ノズル孔の近傍の領域と、ノズル孔から遠去かった領域とにそれぞれ配置され、各スワラは、仕切部材によって仕切られており、したがって燃焼用空気および燃料ガスを含むガスが、各スワラ相互間で混合してしまうことはない。高負荷燃焼時には、燃料ガスの流速が大きく、この状態ではノズル孔の近傍領域に配置されたスワラだけでなく、前記遠去かった領域に配置されたスワラにも燃料ガスが供給され、こうしてスワラの下流側の燃焼室では、燃焼用空気と燃料ガスとの均一な予混合状態で安定した燃焼が行われる。こうして低ＮＯｘ燃焼を確保することができる。燃料ガスの流量を制御し、円滑な燃焼ガスの変化を行うことができる。
【００５５】
低負荷燃焼時には、燃料ガスの流量が小さく、ノズル孔からの燃料ガスはそのノズル孔の近傍の領域に配置されたスワラに主として集中して流れる。これによってその近傍領域のスワラの燃料ガスの濃度を維持し、こうして低負荷燃焼時における安定した燃焼を確保することができる。したがって燃焼量の調節範囲を広くすることができ、可燃限界を拡げることができ、ターンダウン比を大きくすることが可能になる。さらに負荷燃焼量に応じて燃料ガスの流量を変化して調整すればよく、制御操作が簡単である。
【００５６】
また大径部と錐体部とに複数の第１および第２ノズル孔がそれぞれ形成される。燃焼負荷を大きくするために、ノズル体に供給する燃料ガスの流量を大きく設定した状態では、第１ノズル孔から噴出される燃料ガスは、前記近傍の領域と前記遠去かった領域とにそれぞれ配置されるスワラに導かれ、また第２ノズル孔から噴出される燃料ガスは前記近傍の領域に導かれ、このようにしてスワラによって燃焼用空気とともに旋回されて混合され、燃焼が行われる。
【００５７】
ノズル体に供給する燃料ガスの流量を小さく調節した低負荷燃焼時には、第１ノズル孔から噴出される燃料ガスの流量は大きく低下し、その第１ノズル孔からの燃料ガスは、ノズル体の大径部の周壁表面付近に沿って流れるようになり、また錐体部に設けられている第２ノズル孔から噴出される燃料ガスとともに、ノズル体の軸線寄りに流れる。これによって前記近傍の領域のスワラにおける燃料ガスの濃度を高く保って、空気比を小さくし、安定した燃焼状態を保つことができる。
【００５８】
請求項２記載の本発明によれば、ノズル体の大径部が肉厚に形成され、第１ノズル孔はチョーク状に形成されるので、第１ノズル孔の流路断面積に比べて第１ノズル孔の流路を長くして第１ノズル孔を細長く形成することができる。これによって第１ノズル孔の出口端から噴出される燃料ガスは、ノズル体の半径方向外方に第１ノズル孔の軸線に沿って噴出され、高負荷燃焼時において燃料ガスが前記遠去かった領域のスワラにまで確実に到達し、スワラの下流側での燃焼室において、燃料ガスのできるだけ均一な濃度で、安定した燃焼を達成することができる。
【００５９】
請求項３および４記載の本発明によれば、第１および第２ノズル孔の軸線の角度θ１，θ２が適正に設定されるので、高負荷および低負荷の各燃焼状態で、安定した燃焼を維持することができる。
【００６０】
請求項５記載の本発明によれば、前述の図７のように、ノズル体は燃焼用空気の下流側の端部が閉塞された筒体２１の周壁に周方向に間隔をあけて複数のノズル孔３４が形成されるので、ノズル体に供給される燃料ガスの流量を、負荷に応じて大小に調節したとき、ノズル孔からの燃料ガスの流量が変化し、低負荷燃焼時には、ノズル孔からの燃料ガスの流量が小さくなり、前記近傍の領域に配置されたスワラの燃料ガス濃度を維持して、燃焼状態を安定に保つことができる。
【００６１】
請求項６記載の本発明によれば、前述の図７のように筒体２１のノズル孔３４よりも下流側の部分２２が先細状に形成されるので、低負荷燃焼時に小流量の燃料ガスが、ノズル孔３４から前記先細状の部分２２に流れ、これによって前記近傍領域におけるスワラで燃料ガスの濃度の低下を防ぎ、空気比を小さく保ち、低負荷時における安定な燃焼状態を維持することが容易に可能である。
【００６２】
請求項７記載の本発明によれば、ノズル孔３４の軸線の角度θ１が適正な範囲の値に選ばれるので、高負荷燃焼時に、近傍の領域だけでなく、遠去かった領域に配置されたスワラにも、燃焼用空気を到達させ、スワラの下流側の燃焼室において、燃焼用空気と燃料ガスとのできるだけ均一な燃焼状態を達成することができる。
【００６３】
請求項８記載の本発明によれば、スワラは同心状に形成されるので、高負荷燃焼時には、中央のスワラだけでなく周辺のスワラに燃料ガスが到達し、また低負荷燃焼時には、中央のスワラの燃料ガス濃度が維持され、安定した燃焼状態を保つことができる。
【００６４】
請求項９記載の本発明によれば、高負荷燃焼時には、第１スワラだけでなく、第２スワラに燃料ガスが到達し、燃焼が行われ、低負荷燃焼時には、第１スワラにおける燃料ガスの濃度が低下されることなく、安定した燃焼状態を維持することができる。
【００６５】
請求項１０記載の本発明によれば、燃焼用空気の流量を予め定める一定の値に保ち、燃料ガスの流量を流量制御弁によって制御し、これによって比較的簡単な操作で燃焼負荷を広範囲に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態であるバーナ１の一部の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示すバーナ１の全体の構成を示す断面図である。
【図３】ノズル体２０の拡大断面図である。
【図４】スワラ装置２６の正面図である。
【図５】図４におけるスワラ装置２６の切断面線Ｖ−Ｖから見た一部の周方向展開図である。
【図６】本発明の実施の他の形態における中央のスワラ３６の周方向展開図である。
【図７】本発明の実施の一形態の一部の断面図である。
【図８】本発明の実施の他の形態のスワラ装置２６ｂの正面図である。
【図９】図８に示すスワラ装置２６ｂの縦断面図である。
【図１０】本発明の実施のさらに他の形態のスワラ装置２６ｃの正面図である。
【図１１】図１０に示されるスワラ装置２６ｃのＸＩ−ＸＩから見た断面図である。
【図１２】本発明の実施の一形態のバーナ１が用いられたガスタービンの一部の斜視図である。
【図１３】本発明の実施の他の形態の一部の断面図である。
【符号の説明】
１バーナ
２デフューザ
３ケース
４保持ケース
５フランジ
６燃焼ケース
８燃焼用空気流路
９空気圧縮機
１４燃焼筒
２０ノズル体
２１大径部
２２錐体部
２３取付け部
２４，３５，４１軸線
２５ガス供給源
２６スワラ装置
２７燃料ガス供給装置
２８燃料ガス送給管
２９流量制御弁
３０筒体
３１燃焼室
３２燃料ガス流路
３３，３９周壁
３４第１ノズル孔
３６，３７スワラ
３８仕切部材
４０第２ノズル孔
４２外向きフランジ
４４筒部
４５，４５ａ，４７旋回羽根
５１空間
５２空気孔
５３希釈孔
５８点火プラグ
６０，８４導出筒
６２タービン
６４支持プレート
６７衝突部材
６８周縁部
７１，７２，７９，８０仕切部材
８３遠心形タービン[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a burner for burning fuel gas which is preferably used as a combustor of a gas turbine and which is preferably used in connection with a heating furnace or the like.
[0002]
[Prior art]
A typical prior art that allows the combustion load to be varied and adjusted is to install a plurality of burners and selectively operate each of these burners to change the amount of combustion.
[0003]
In this prior art, since each burner is selectively operated, temperature fluctuations of exhaust gas are caused, and therefore, in a gas turbine, load fluctuations are caused.
[0004]
In one proposed burner that solves this problem, a plurality of air introduction holes that are partitioned by a partition wall are provided in the central portion and the outer peripheral portion thereof, and the fuel gas supplied to the central portion and the peripheral portion is provided. The flow rate is controlled so that the air ratio at the center is smaller than the air ratio at the periphery. A new problem with this burner is that when controlling the flow rate of fuel gas at low load, the surrounding flames disappear or the combustion becomes unstable, making it difficult to control the flow rate.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a burner capable of smoothly changing a combustion load and achieving stable combustion at a low load.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
  The present invention comprises a case for forming a combustion air flow path to which combustion air is supplied;
  A nozzle body that is disposed in the combustion air flow path, is supplied with fuel gas, and has a nozzle hole that ejects the fuel gas;
  A plurality of swirlers disposed in the combustion air flow path downstream of the nozzle holes in the flow direction of the combustion air, each swirler having a region near the nozzle hole and a nozzle near the region near the nozzle hole And a swirler that is partitioned by a partition member that extends along the flow direction of the combustion air in the region far from the hole.See
  The nozzle body is
  A large diameter portion in which a plurality of first nozzle holes are formed at intervals in the peripheral wall;
  A cone portion that is connected to the downstream end portion of the combustion air of the large-diameter portion, is tapered toward the downstream side of the combustion air, and has a plurality of second nozzle holes formed at intervals in the peripheral wall; Have
  The second nozzle hole is formed upstream of each swirler in the flow direction of combustion air, and the first nozzle hole is formed upstream of the second nozzle hole in the flow direction of combustion air. Be doneIt is a burner characterized by this.
[0007]
According to the present invention, a combustion air passage is formed in the case of the burner, and combustion air is supplied thereto at a predetermined flow rate, for example. In the combustion air flow rate, a nozzle body having nozzle holes for ejecting fuel gas is disposed, and a plurality of swirlers are disposed downstream of the nozzle holes of the nozzle body in the flow direction of combustion air. The The swirler functions to swirl and mix the combustion air and the fuel gas, for example, around the axis of each swirler. Each of these swirlers is respectively arranged in a region near the nozzle hole and a region far from the nozzle hole. Each swirler is partitioned by a partition member, and therefore, gas including combustion air and fuel gas is not mixed between the swirlers.
[0008]
During high-load combustion, a large amount of fuel gas is supplied to the nozzle body. Therefore, combustion air and fuel gas are supplied to the swirlers arranged in the vicinity area and the away area, respectively. . Thus, stable combustion is performed in the combustion chamber on the downstream side of the swirler.
[0009]
By adjusting the flow rate of the fuel gas to be small, the combustion load can be reduced smoothly, and a large load fluctuation does not occur. This is particularly important for keeping the turbine rotational speed constant when the present invention is implemented as a combustor for a gas turbine.
[0010]
When the flow rate of the fuel gas supplied to the nozzle body is set to a small flow rate, the fuel gas from the nozzle hole mainly flows to the swirler disposed in the vicinity region, and the swirler disposed in the far away region Not reach. In the swirler in the nearby region, the concentration of the fuel gas is high and the air ratio is kept small, so that a stable combustion state can be maintained. In this way, the adjustment range of the combustion amount can be widened, the flammability limit can be expanded, and the turndown ratio can be increased.
[0012]
  AlsoThe nozzle body includes, for example, a straight cylindrical large-diameter portion and, for example, a hollow conical cone-shaped cone portion connected to the large-diameter portion. Two nozzle holes are formed respectively. In a state where the flow rate of the fuel gas supplied to the nozzle body is set to be large in order to increase the combustion load, the fuel gas ejected from both the first and second nozzle holes is far from the nearby region as described above. Combustion is performed by swirling and mixing with the combustion air by swirlers arranged respectively in the left areas.
[0013]
At the time of low load combustion, the flow rate of the fuel gas supplied to the nozzle body is reduced, so that the flow rate of the fuel gas ejected from the first nozzle hole is lower than that at the time of high load combustion. The fuel gas from the gas flow rate decreases and flows near the axis of the nozzle body, that is, along the vicinity of the peripheral wall surface of the large diameter portion. Fuel gas is also ejected from the second nozzle hole formed in the tapered cone portion and flows closer to the axis of the nozzle body. Therefore, the concentration of the fuel gas in the swirler in the vicinity region can be kept high, the air ratio can be reduced, and a stable combustion state can be maintained. In this manner, a region in which a decrease in the concentration of combustion air from the swirler in the vicinity region is suppressed downstream from the swirler of the case is maintained, and stable low-load combustion can be maintained.
[0014]
Further, the present invention is characterized in that the large-diameter portion is formed thick, whereby the first nozzle hole is formed in a choke shape.
[0015]
According to the present invention, the large diameter portion is formed to be relatively thick, and therefore the first nozzle hole is a choke, that is, the flow path of the first nozzle hole is made longer than the flow path cross-sectional area of the first nozzle hole. Thus, the first nozzle hole can be formed elongated. As a result, the fuel gas ejected from the outlet end of the first nozzle hole is ejected along the axis of the first nozzle hole outward in the radial direction of the nozzle body, and the fuel gas has gone away during high-load combustion. It is possible to reliably reach the swirler in the region and achieve stable combustion with as uniform a concentration of fuel gas as possible in the combustion chamber downstream of the swirler.
[0016]
Further, the present invention is characterized in that the axis of the first nozzle hole has an angle θ1 of 80 to 150 degrees with respect to the axis of the nozzle body.
[0017]
In the present invention, the axis of the second nozzle hole has an angle θ2 of 10 to 80 degrees with respect to the axis of the nozzle body.
[0018]
According to the present invention, the angles θ1 and θ2 of the axis lines of the first and second nozzle holes are set as described above, so that stable combustion can be maintained in each of the high load and low load combustion states. . If the angle θ1 of the axis of the first nozzle hole is selected to be less than 80 degrees and greater than 150 degrees, the fuel gas can reach the swirler in the area away from the first nozzle hole during high load combustion. In other words, it becomes impossible to achieve as uniform a distribution of combustion air and fuel gas as possible in the combustion chamber downstream of the swirler.
[0019]
If the angle θ2 of the axis of the second nozzle hole is selected to be less than 10 degrees, the result is that the region where the fuel gas is ejected from the second nozzle hole exists in a narrow range in the vicinity region, The swirler in the region may make it difficult to uniformly mix the combustion air and the fuel gas. When the angle θ2 of the axis of the second nozzle hole exceeds 80 degrees, it becomes difficult to eject the fuel gas to the swirler only in the vicinity of the region at the time of low load combustion, and a stable combustion state cannot be maintained. .
[0020]
According to the present invention, the nozzle body is characterized in that a plurality of nozzle holes are formed at intervals in the circumferential direction on the peripheral wall of the cylindrical body closed at the downstream end of the combustion air.
[0021]
According to the present invention, in the nozzle body, for example, as shown in FIG. 7 described later, the nozzle hole 34 may be formed only in the large-diameter portion 21 that is the cylindrical body, and the cone portion 22 may be omitted. This simplifies the configuration. When the flow rate of the fuel gas supplied to the nozzle body is adjusted to be large or small according to the load, the flow rate of the fuel gas from the nozzle hole 34 changes, and during low load combustion, the flow rate of the fuel gas from the nozzle hole 34 changes. The fuel gas concentration of the swirler disposed in the vicinity region can be maintained by maintaining the combustion state in a stable manner by decreasing and flowing closer to the axis of the nozzle body.
[0022]
Further, the present invention is characterized in that a portion of the cylindrical body on the downstream side of the combustion air from the nozzle hole is formed in a tapered shape as it becomes downstream of the combustion air.
[0023]
According to the present invention, as shown in FIG. 7 to be described later, the portion downstream of the nozzle hole 34 of the cylinder 21 is formed into a tapered shape to form the cone portion 22, so that the fuel with a small flow rate at the time of low load combustion The gas flows closer to the axis of the nozzle body, and therefore flows from the nozzle hole 34 to the tapered portion 22, thereby preventing a decrease in the concentration of the fuel gas by the swirler in the adjacent region, keeping the air ratio small and reducing the load. It is possible to easily maintain a stable combustion state at the time.
[0024]
Further, the invention is characterized in that the axis of the nozzle hole has an angle θ1 of 80 to 150 degrees with respect to the axis of the nozzle body.
[0025]
According to the present invention, as described above, the angle θ1 of the axis of the nozzle hole is selected in the range of 80 to 150 degrees, so that not only in the vicinity area but also in the area far away during high-load combustion. Combustion air can reach the swirler as well, and a combustion state of combustion air and fuel gas that is as uniform as possible can be achieved in the combustion chamber downstream of the swirler.
[0026]
In the present invention, the swirler is
It is characterized by being formed concentrically with an axis on an extension of the axis of the nozzle body.
[0027]
In accordance with the present invention, the swirler is formed concentrically and the central swirler may be, for example, annular and perpendicular to an axis such as a circle, as described below in connection with FIGS. The peripheral swirler which may have a cross-sectional shape and is arranged radially outward of the central swirler is formed in an annular shape. Such concentric swirlers are partitioned by, for example, an annular partition member, and the gas for each swirler is not mixed. During high-load combustion, the fuel gas reaches not only the central swirler but also the peripheral swirler, and during low-load combustion, the fuel gas concentration in the central swirler is maintained, and a stable combustion state can be maintained.
[0028]
In the present invention, the swirler is
A first swirler having an axis on an extension of the axis of the nozzle body;
A plurality of second swirlers each having an axis on an imaginary circle having a center on the extension of the axis of the nozzle body and arranged adjacent to each other in the circumferential direction of the imaginary circle.
[0029]
According to the present invention, as will be described later with reference to FIGS. 8 and 9, a plurality of second swirlers are arranged adjacent to each other in the circumferential direction outward in the radial direction of one central first swirler. During high-load combustion, fuel gas reaches not only the first swirler but also the second swirler and combustion is performed, and during low-load combustion, the concentration of the fuel gas in the first swirler is not reduced and stable combustion is performed. The state can be maintained, and at this time, the concentration of the fuel gas is reduced in the second swirler.
[0030]
In the present invention, the combustion air is supplied at a predetermined constant flow rate,
A flow rate control valve for controlling the flow rate of the fuel gas supplied to the nozzle body is provided.
[0031]
According to the present invention, the flow rate of the combustion air is maintained at a predetermined value, and the flow rate of the fuel gas is controlled by the flow rate control valve, whereby the combustion load can be controlled over a wide range by a relatively simple operation. .
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a partial configuration of a burner 1 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing the overall configuration of the burner 1. With reference to these drawings, the present burner 1 is used as, for example, a combustor of a gas turbine. The gas turbine is implemented in association with a cogeneration system, and the cogeneration system performs local power generation and district heating and cooling. Used for practical use. Combustion gas from the lead-out cylinder 60 of the burner 1 is supplied to the turbine 62 and the turbine 62 is driven. The air compressor 9 is rotationally driven by the turbine 62.
[0033]
Combustion air from the air compressor 9 is pumped and supplied to the combustion air flow path 8 in the case 3. The case 3 includes a diffuser 2 and a right cylindrical combustion case 6 formed at an end of the diffuser 2 on the downstream side (right side in FIGS. 1 and 2) of the combustion air flow direction 11. A cylindrical holding case 4 is attached to the diffuser 2 by a flange 5. A combustion case 6 is disposed in the holding case 4.
[0034]
A nozzle body 20 is disposed in the combustion air flow path 8 of the case 3. The nozzle body 20 is supplied with a fuel gas such as a city gas by a fuel gas supply device 27. The fuel gas supply device 27 includes a gas supply source 25, a flow rate control valve 29 that controls the flow rate of the fuel gas from the gas supply source 25, and fuel gas from the flow rate control valve 29 that penetrates the nozzle body 20 through the diffuser 2. And a fuel gas supply pipe 28 to be supplied.
[0035]
The nozzle body 20 basically has a large diameter portion 21 having a right cylindrical shape, a hollow right conical cone portion 22 connected to a combustion air downstream end of the large diameter portion, and for burning the cone portion 22. And an attachment portion 23 connected to the air downstream side end portion, and is configured to have an axis common to the axis of the nozzle body 20. The cone portion 22 is formed in a tapered shape as it becomes downstream of the combustion air. The attachment portion 23 is coaxially fixed to the swirler device 26. The outer peripheral portion of the swirler device 26 is fixed to the inner peripheral surface of the cylindrical body 30. The cylindrical body 30 surrounds the nozzle body 20 and extends upstream of the nozzle body 20 in the combustion air flow direction 11 (leftward in FIGS. 1 and 2). The cylindrical body 30 continues to the outward flange 42. A base end portion of the combustion cylinder 14 is fixed to the outward flange 42. The axis of the cylinder 30, the combustion cylinder 14, and the combustion case 6 exists in a straight line including the axis 24 of the nozzle body 20. An annular space 51 is formed between the combustion case 6 and the combustion cylinder 14. A plurality of (for example, six) rows of air holes 52 are formed in the combustion cylinder 14 at intervals in the flow direction 11 of the combustion air, and dilution holes 53 are formed on the combustion air downstream side of these air holes 52. Is formed. The air holes 52 in each row are formed at intervals in the circumferential direction. A combustion chamber 31 is formed in the combustion cylinder 14. A spark plug 58 is provided near the swirler device 26 of the combustion cylinder 14. A lead-out cylinder 60 is provided at the tip of the combustion cylinder 14. The lead-out cylinder 60 is formed in a tapered shape and is supported by a support plate 64.
[0036]
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the nozzle body 20. A coaxial fuel gas channel 32 is formed in the nozzle body 20. In the large diameter portion 21, a plurality of first nozzle holes 34 are formed in the peripheral wall 33 at intervals in the circumferential direction. The peripheral wall 33 of the large diameter portion 21 is formed thick. Therefore, the first nozzle hole 34 is longer than the cross-sectional area of the flow path and is formed in a choke shape. Accordingly, the fuel gas supplied to the flow path 32 is ejected along the axis 35 of the first nozzle hole 34. The axis 35 of the first nozzle hole 34 has an angle θ1 with respect to the axis 24 of the nozzle body 20. The angle θ1 is selected from 80 to 150 degrees. Although the axes 24 and 35 may exist in one plane, the axis 35 may intersect the plane including the axis 24.
[0037]
  The large-diameter portion 21 of the nozzle body 20 is provided with a plate-like collision member 67 extending radially outward as shown in FIG. When the combustion air collides with the collision member 67, the fuel gas from the first and second nozzle holes 34, 40 is not undesirably blocked by the combustion air, but at an appropriate flow rate according to the combustion load. Can be squirted. In another embodiment of the invention, this collisionElement67 may be omitted. collisionElementA peripheral edge 68 radially outward of 67 projects toward the upstream side in the flow direction 11 of the combustion air. This can reliably prevent the ejection of the fuel gas from the first and second nozzle holes 34 and 40 from being disturbed by the flow of combustion air.
[0038]
The swirler device 26 includes a central annular swirler 36 that surrounds the attachment portion 23 of the nozzle body 20, and a peripheral swirler 37 that is formed in an annular shape on the outer periphery of the swirler 36. An annular partition member 38 is interposed. Thus, the swirlers 36 and 37 are formed concentrically with an axis on the extension of the axis 24 of the nozzle body 20.
[0039]
When the angle θ1 of the axis 35 of the first nozzle hole 34 is less than 80 degrees, the fuel gas ejected from the first nozzle hole 34 at the time of high load combustion surely reaches and is supplied to the vicinity of the surrounding swirler 37 and the partition member 38. Can not do it. If the angle θ1 exceeds 150 degrees, the fuel gas from the first nozzle hole 34 cannot reach the vicinity of the peripheral swirler 37 and the partition member 38 reliably at this time as well during high-load combustion. The length of the first nozzle hole 34 may be, for example, 5 to 10 mm, or 7 mm. By making the peripheral wall 33 thick and forming the first nozzle hole 34 to be elongated, the fuel gas ejected from the first nozzle hole 34 is rectified and ejected during high-load combustion, as described above. It is ensured to supply even near the swirler 37.
[0040]
A plurality of second nozzle holes 40 are formed in the circumferential wall 39 of the cone portion 22 at intervals in the circumferential direction. The axis 41 of the second nozzle hole 40 has an angle θ2 with respect to the axis 24 of the nozzle body 20, and this angle θ2 is selected from 10 to 80 degrees. If the angle θ2 is less than 10 degrees, the fuel gas ejected from the second nozzle hole 40 is insufficient to be swirled and mixed with the combustion air uniformly in the central swirler 36, and stable during low-load combustion. The combustion state cannot be maintained. When the angle θ2 exceeds 80 degrees, the fuel gas from the second nozzle hole 40 is not guided to the central swirler 36 during high load combustion and low load combustion, and the concentration of the fuel gas in the central swirler 36 decreases. Combustion becomes unstable. Although the axis 41 of the second nozzle hole 40 may exist in one plane including the axis 24 of the nozzle body 20, the axis 41 may intersect the plane. Although the peripheral wall 39 of the cone part 22 may be thick like the above-mentioned peripheral wall 33 of the large diameter part 24, it may be thin. The fuel gas passage 32 is closed at the end 43 on the downstream side.
[0041]
4 is a front view of the swirler device 26, and FIG. 5 is a partial development view in the circumferential direction of the swirler device 26 seen from the cutting plane line V-V in FIG. The central swirler 36 is configured by fixing a plurality of swirl vanes 45 that are spaced apart in the circumferential direction between the partition member 38 and the cylindrical portion 44 and that extend in the radial direction. The mounting portion 23 of the nozzle body 20 is fitted and fixed to the tube portion 44. The peripheral swirler 37 is configured such that a swirl vane 47 extending in the radial direction is fixed between the partition member 38 and the cylindrical portion 46 in the circumferential direction. The swirl vane 47 is configured in the same manner as the swirl vane 45 described above. The swirl blade 45 has, for example, about 45 degrees with respect to the axis 24 and is formed to be curved as shown in FIG.
[0042]
FIG. 6 is a circumferential development view of a central swirler 36 according to another embodiment of the present invention. In this embodiment, the swirl vanes 45a are formed in a flat plate shape, and this also applies to the peripheral swirler 37. The length L1 along the axis 24 of the swirler device 26 may be, for example, 10 mm. During the operation of the gas turbine, the turbine 62 is rotated at a substantially constant rotational speed, so that the flow rate of the combustion air supplied from the air compressor 9 to the combustion air flow path 8 is kept constant.
[0043]
  In order to increase the output of the gas turbine, when performing high-load combustion with the burner 1, the opening degree of the flow control valve 29 is increased to increase the flow rate of the fuel gas. As a result, the fuel gas ejected from the first nozzle hole 34 of the nozzle body 20 is indicated by the reference symbol in FIG.1As shown at 52, the surrounding swirler 37 is reached and the reference mark1As indicated by 53, the vicinity of the partition member 38 is reached. Further, the fuel gas ejected from the second nozzle hole 40 is guided to the central swirler 36 as indicated by reference numeral 54. Thus, the swirlers 36 and 37 swirl and mix the combustion air and fuel, and stable combustion is performed in the combustion chamber 31 in the combustion cylinder 14 downstream of the swirler device 26.
[0044]
At the time of low load combustion, the flow rate of the fuel gas supplied by the flow rate control valve 29 is reduced. As a result, the fuel gas ejected from the first nozzle hole 34 of the nozzle body 20 flows closer to the axis 24 of the nozzle body 20 as indicated by reference numeral 56 in FIG. Thus, only the vicinity of the central swirler 36 is reached, and the surrounding swirler 37 is not reached. The fuel gas ejected from the second nozzle hole 40 is supplied closer to the axis 24 than the fuel gas from the first nozzle hole 34 as indicated by reference numeral 57. In this way, the concentration of the fuel gas is maintained in the central swirler 36 in the same manner as during high-load combustion, and the air ratio can be kept small. Therefore, a stable combustion state can be maintained during low load combustion, and the combustion limit can be expanded.
[0045]
FIG. 7 is a partial cross-sectional view of one embodiment of the present invention. FIG. 7 corresponds to the configuration of FIG. 1 described above. The other configuration of the embodiment shown in FIG. 7 is the same as that of the above-described embodiment, and corresponding portions are denoted by the same reference numerals or suffix a. It should be noted that in this embodiment, a plurality of first nozzle holes 34 are formed in the large diameter portion 21 of the nozzle body 20a at intervals in the circumferential direction, and the cone portion 22 is formed in the above-described embodiment. The second nozzle hole 40 is not formed. The large-diameter portion 21 of the nozzle body 20a is a right cylindrical cylindrical body in which an end 83 on the downstream side of combustion air is closed. A cone portion 22 that is a portion of the large-diameter portion 21 on the downstream side of the combustion air (right side in FIG. 7) is connected to the nozzle hole 34, and the cone portion 22 is disposed downstream of the combustion air as described above. As it becomes, it is formed in a tapered shape.
[0046]
During high-load combustion, the fuel gas ejected from the nozzle hole 34 is supplied so as to reach the vicinity of the partition member 38 as indicated by reference numeral 65. Therefore, the fuel gas indicated by the reference numeral 65 is guided over both the peripheral swirler 37 and the central swirler 36 and swirled and mixed.
[0047]
During low load combustion, the fuel gas from the nozzle hole 34 is supplied to the central swirler 36 as indicated by reference numeral 66. As a result, the fuel gas concentration in the swirler 36 is prevented from decreasing during low-load combustion, and a stable combustion state can be maintained. Since the cone portion 22 is provided on the downstream side of the large diameter portion 21, the fuel gas ejected from the nozzle hole 34 can be smoothly guided to the central swirler 36.
[0048]
FIG. 8 is a front view of a swirler device 26b according to another embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a longitudinal sectional view of the swirler device 26b shown in FIG. This embodiment is similar to the above-described embodiment, and corresponding portions are denoted by the same reference numerals. It should be noted that in this embodiment, the swirler device 26b is provided with a first swirler 45b having an axis on the extension of the axis 24 of the nozzle body 20, and a plurality of (six in this embodiment) first swirlers 45b. Two swirlers 47b are arranged. The second swirler 47 b has an axis 70 on an imaginary circle 69 centered on the extension of the axis 24 of the nozzle body 20. The second swirler 47b is arranged adjacent to the virtual circle 69 in the circumferential direction. The first and second swirlers 45b and 47b are individually partitioned by right cylindrical partition members 71 and 72, and therefore the gases of the swirlers 45b and 47b are not mixed with each other. Further, the space between the swirlers 45b and 47b is closed by the shielding plate 73. The swirler device 26b is fixed to a cylindrical portion 74 surrounding the outer peripheral portion of the second swirler 47b, and this cylindrical portion 74 is fixed to the inner peripheral surface of the cylindrical body 30 in FIG. Other configurations in the embodiment shown in FIGS. 8 and 9 are the same as those in the above-described embodiment.
[0049]
10 is a front view of a swirler device 26c according to still another embodiment of the present invention, and FIG. 11 is a cross-sectional view of the swirler device 26c shown in FIG. 10 as seen from XI-XI. In this embodiment, the swirler 75 is arranged in a region near the nozzle hole 34c of the nozzle body 20c, and the swirlers 76 to 78 are arranged in a region farther from the nozzle hole 34c than the neighboring region. The Each of the swirlers 75 to 78 is partitioned by the partition members 79 and 80 as in the above-described embodiment, and is blocked by the shielding plate 81. During high-load combustion, fuel gas is supplied to all the swirlers 75 to 78 from the nozzle holes 34c. During low load combustion, the fuel gas is supplied from the nozzle hole 34c only to the swirler 75 in the vicinity.
[0050]
According to the experiments of the present inventors, in the embodiment shown in FIGS. 1 to 6, the flow rate of combustion air is 700 m.^ThreeIt was confirmed that the turndown ratio can be improved to 20: 1 when / H and 350 ° C. are used as the fuel gas.
[0051]
FIG. 12 is a perspective view of a part of a gas turbine using the burner 1 according to the embodiment of the present invention. The combustion gas from the lead-out cylinder 60 is injected into the turbine 62 of the gas turbine. A plurality of (for example, six) burners 1 are arranged at intervals in the circumferential direction of the virtual circle 63. The turbine 62 is a so-called axial flow turbine.
[0052]
FIG. 13 is a partial cross-sectional view of another embodiment of the present invention. The combustion gas from the single burner 1 is supplied to the centrifugal turbine 83 through the outlet tube 84. Other configurations are the same as those of the above-described embodiment.
[0053]
The present invention can be implemented not only in connection with gas turbines, but also in a wide range in connection with heating furnaces and boilers.
[0054]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, the swirlers are respectively arranged in a region in the vicinity of the nozzle hole and a region far from the nozzle hole, and each swirler is partitioned by the partition member, and thus is burned. Gases including working air and fuel gas are not mixed between the swirlers. During high load combustion, the flow rate of the fuel gas is large. In this state, the fuel gas is supplied not only to the swirler disposed in the vicinity of the nozzle hole but also to the swirler disposed in the far away region, and thus the swirler is disposed. In the combustion chamber on the downstream side, stable combustion is performed in a uniform premixed state of combustion air and fuel gas. Thus, low NOx combustion can be ensured. By controlling the flow rate of the fuel gas, the combustion gas can be changed smoothly.
[0055]
At the time of low load combustion, the flow rate of the fuel gas is small, and the fuel gas from the nozzle hole mainly flows in a swirler disposed in a region near the nozzle hole. As a result, the concentration of the fuel gas of the swirler in the vicinity region can be maintained, and thus stable combustion during low load combustion can be secured. Therefore, the adjustment range of the combustion amount can be widened, the flammability limit can be expanded, and the turndown ratio can be increased. Furthermore, it is only necessary to change and adjust the flow rate of the fuel gas according to the load combustion amount, and the control operation is simple.
[0056]
  AlsoA plurality of first and second nozzle holes are respectively formed in the large diameter portion and the cone portion. In a state where the flow rate of the fuel gas supplied to the nozzle body is set to be large in order to increase the combustion load, the fuel gas ejected from the first nozzle hole is respectively in the vicinity region and the far away region. The fuel gas guided to the arranged swirler and ejected from the second nozzle hole is guided to the adjacent region, and thus swirled and mixed with the combustion air by the swirler to perform combustion.
[0057]
During low-load combustion in which the flow rate of the fuel gas supplied to the nozzle body is adjusted to be small, the flow rate of the fuel gas ejected from the first nozzle hole is greatly reduced, and the fuel gas from the first nozzle hole is large in the nozzle body. It flows along the vicinity of the peripheral wall surface of the diameter portion, and flows closer to the axis of the nozzle body together with the fuel gas ejected from the second nozzle hole provided in the cone portion. As a result, the concentration of the fuel gas in the swirler in the vicinity region can be kept high, the air ratio can be reduced, and a stable combustion state can be maintained.
[0058]
  Claim2According to the described invention, since the large diameter portion of the nozzle body is formed thick and the first nozzle hole is formed in a choke shape, the first nozzle hole is larger than the flow passage cross-sectional area of the first nozzle hole. The first nozzle hole can be formed to be elongated by making the flow path longer. As a result, the fuel gas ejected from the outlet end of the first nozzle hole is ejected along the axis of the first nozzle hole outward in the radial direction of the nozzle body, and the fuel gas has gone away during high-load combustion. It is possible to reliably reach the swirler in the region and achieve stable combustion with as uniform a concentration of fuel gas as possible in the combustion chamber downstream of the swirler.
[0059]
  Claim3and4According to the described invention, since the angles θ1 and θ2 of the axis lines of the first and second nozzle holes are appropriately set, stable combustion can be maintained in each of the high load and low load combustion states. .
[0060]
  Claim5According to the described invention, as shown in FIG. 7 described above, the nozzle body is provided with a plurality of nozzle holes 34 at intervals in the circumferential direction on the peripheral wall of the cylinder body 21 whose downstream end of the combustion air is closed. Therefore, when the flow rate of the fuel gas supplied to the nozzle body is adjusted according to the load, the flow rate of the fuel gas from the nozzle hole changes. The gas flow rate is reduced, and the fuel gas concentration of the swirler disposed in the vicinity region can be maintained, so that the combustion state can be kept stable.
[0061]
  Claim6According to the described invention, since the portion 22 downstream of the nozzle hole 34 of the cylindrical body 21 is formed in a tapered shape as shown in FIG. 7 described above, a small flow rate of fuel gas is produced at the time of low load combustion. It is easy to flow from the hole 34 to the tapered portion 22, thereby preventing a decrease in the concentration of the fuel gas by a swirler in the vicinity region, keeping the air ratio small, and maintaining a stable combustion state at low load. Is possible.
[0062]
  Claim7According to the described invention, since the angle θ1 of the axis of the nozzle hole 34 is selected within a proper range, the swirlers arranged not only in the nearby area but also in the far away area during high load combustion. However, it is possible to reach the combustion air and achieve as uniform a combustion state as possible between the combustion air and the fuel gas in the combustion chamber on the downstream side of the swirler.
[0063]
  Claim8According to the described invention, since the swirler is formed concentrically, the fuel gas reaches not only the central swirler but also the peripheral swirler during high load combustion, and the fuel of the central swirler during low load combustion. The gas concentration is maintained and a stable combustion state can be maintained.
[0064]
  Claim9According to the described invention, the fuel gas reaches not only the first swirler but also the second swirler during high load combustion and combustion is performed, and the fuel gas concentration in the first swirler decreases during low load combustion. Therefore, a stable combustion state can be maintained.
[0065]
  Claim10According to the described invention, the flow rate of the combustion air is maintained at a predetermined value, and the flow rate of the fuel gas is controlled by the flow rate control valve, whereby the combustion load is controlled over a wide range by a relatively simple operation. Can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a partial configuration of a burner 1 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the overall configuration of the burner 1 shown in FIG.
3 is an enlarged cross-sectional view of the nozzle body 20. FIG.
4 is a front view of a swirler device 26. FIG.
5 is a partial development view in the circumferential direction as seen from the cutting plane line VV of the swirler device 26 in FIG. 4;
FIG. 6 is a circumferential development view of a central swirler 36 according to another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a partial cross-sectional view of one embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a front view of a swirler device 26b according to another embodiment of the present invention.
9 is a longitudinal sectional view of the swirler device 26b shown in FIG.
FIG. 10 is a front view of a swirler device 26c according to still another embodiment of the present invention.
11 is a cross-sectional view of the swirler device 26c shown in FIG. 10 as seen from XI-XI.
FIG. 12 is a perspective view of a part of a gas turbine using the burner 1 according to the embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a partial cross-sectional view of another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Burner
2 Diffuser
3 cases
4 holding case
5 Flange
6 Combustion case
8 Combustion air flow path
9 Air compressor
14 Combustion cylinder
20 Nozzle body
21 Large diameter part
22 Cone section
23 Mounting part
24, 35, 41 axis
25 Gas supply source
26 Swirler device
27 Fuel gas supply device
28 Fuel gas supply pipe
29 Flow control valve
30 cylinder
31 Combustion chamber
32 Fuel gas flow path
33,39 wall
34 1st nozzle hole
36, 37 Swara
38 Partition member
40 Second nozzle hole
42 outward flange
44 Tube
45, 45a, 47 Swirling blades
51 space
52 Air holes
53 Dilution hole
58 Spark plug
60,84 Lead tube
62 Turbine
64 Support plate
67 Collision member
68 Perimeter
71, 72, 79, 80 Partition member
83 Centrifugal turbine

Claims

A case forming a combustion air flow path to which combustion air is supplied; and
A nozzle body that is disposed in the combustion air flow path, is supplied with fuel gas, and has a nozzle hole that ejects the fuel gas;
A plurality of swirlers disposed in the combustion air flow path downstream of the nozzle holes in the flow direction of the combustion air, each swirler having a region near the nozzle hole and a nozzle near the region near the nozzle hole to and far removed by off area from the hole, seen including a swirler disposed are partitioned respectively by a partition member extending along the flow-direction of the combustion air,
The nozzle body is
A large diameter portion in which a plurality of first nozzle holes are formed at intervals in the peripheral wall;
A cone portion that is connected to the downstream end portion of the combustion air of the large-diameter portion, is tapered toward the downstream side of the combustion air, and has a plurality of second nozzle holes formed at intervals in the peripheral wall; Have
The second nozzle hole is formed upstream of each swirler in the flow direction of combustion air, and the first nozzle hole is formed upstream of the second nozzle hole in the flow direction of combustion air. Burner characterized by being made .

The burner according to claim 1, wherein the large-diameter portion is formed thick, whereby the first nozzle hole is formed in a choke shape.

The burner according to claim 1 or 2, wherein the axis of the first nozzle hole has an angle θ1 of 80 to 150 degrees with respect to the axis of the nozzle body.

The burner according to any one of claims 1 to 3, wherein the axis of the second nozzle hole has an angle θ2 of 10 to 80 degrees with respect to the axis of the nozzle body.

2. The burner according to claim 1, wherein the nozzle body is formed with a plurality of nozzle holes at intervals in a circumferential direction on a peripheral wall of a cylindrical body whose downstream end of combustion air is closed.

The burner according to claim 5, wherein a portion of the cylindrical body on the downstream side of the combustion air from the nozzle hole is formed in a tapered shape as it becomes downstream of the combustion air.

The burner according to claim 5 or 6, wherein the axis of the nozzle hole has an angle θ1 of 80 to 150 degrees with respect to the axis of the nozzle body.

The swirler is
The burner according to claim 1, wherein the burner is formed concentrically with an axis on an extension of the axis of the nozzle body.

The swirler is
A first swirler having an axis on an extension of the axis of the nozzle body;
2. A plurality of second swirlers each having an axis on an imaginary circle having a center on the extension of the axis of the nozzle body and arranged adjacent to each other in the circumferential direction of the imaginary circle. The burner according to one of ˜7.

Combustion air is supplied at a predetermined constant flow rate,
The burner according to claim 1, further comprising a flow rate control valve for controlling a flow rate of the fuel gas supplied to the nozzle body.