JP3841285B2

JP3841285B2 - Swivel type low NOx combustor

Info

Publication number: JP3841285B2
Application number: JP2002162668A
Authority: JP
Inventors: 潤細井; 永兆廣光
Original assignee: 石川島播磨重工業株式会社
Priority date: 2002-06-04
Filing date: 2002-06-04
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2022-06-04
Also published as: JP2004011947A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃焼器にかかり、より詳細には、燃料と空気との混合を促進するとともに、燃焼室内での燃料ガスの滞留時間を確保してその燃焼を促進し、燃焼排ガス中のＮＯｘの低減を図ることができる小型かつ簡易な構造のRich-Quick Quench-Lean（ＲＱＬ）燃焼方式による低ＮＯｘ燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年では環境保護のために、ガスタービンの燃焼排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）の低減が義務付けられており、そのため、最近では▲１▼予混合希薄燃焼方式によって希薄燃焼を行うメインバーナと拡散燃焼方式によって保炎を行うパイロットバーナとを組み合わせた予混合希薄燃焼方式の燃焼器や、▲２▼Rich-Quick Quench-Lean燃焼方式（過濃−急冷−希薄：ＲＱＬ燃焼方式）の燃焼器が開発されている。
【０００３】
上記▲１▼の予混合希薄燃焼方式の燃焼器は、メインバーナにおいて燃料を十分な量の空気と予混合しこれを希薄燃焼させ高温火炎の発生を防止し、高温燃焼時に大量に発生するＮＯｘの低減を図るものである。
また上記▲２▼のＲＱＬ燃焼方式の燃焼器は、１次燃焼域で酸素不足状態（過濃）の燃料ガスを部分的に燃焼させた後にその燃焼ガスに大量の２次空気を追加してこれを急激に希釈・冷却し、２次燃焼領域でその過剰酸素状態（希薄）の燃料ガスを燃焼させることで発生するＮＯｘの低減を図るものである。
【０００４】
ＲＱＬ燃焼方式の燃焼器を図３を用いてより詳しく説明すると、この燃焼器３０の円筒状のフレームチューブ３１には、その中間位置に流路断面積を小さくする絞り部３２が設けられ、絞り部３２の上流側には１次燃焼を行うための１次燃焼空間３３が、絞り部３２の下流側には２次燃焼を行う２次燃焼空間３４が形成されている。
このフレームチューブ３１の上流端には１次燃焼空間３３に軸方向に空気を供給する１次空気噴出管３５が連結され、１次空気噴出管３５の内部には先端部に噴出ノズルを備えた燃料供給管３６が同軸に配置されている。燃料供給管３６は１次燃焼空間３３の手前にまでのびており、また１次空気噴出管３５内の１次空気流路には、１次空気を周方向に旋回させるためのスワールベーン（swirl vanes）３７が取り付けられている。
さらに、絞り部３２には外部から大量の空気を２次燃焼空間３４内に供給するための２次空気供給管３８が取り付けられている。
【０００５】
スワールベーン３７によって旋回を与えられた１次空気は１次空気噴出管３５から１次燃焼空間３３に噴射されて導入され、同じく１次燃焼空間内に向けて噴出ノズルから噴出された燃料を巻き込んでこれを攪拌・混合する。このとき生成される燃料ガスは燃料濃度が高くなるように、すなわち高当量比となるようになっている。
生成された燃料濃度が過度に高い燃料ガスは酸素不足雰囲気下（高当量比）で１次燃焼（部分燃焼）を行った後に２次燃焼空間に向かう。その際、絞り部３２に取り付けられた２次空気供給管３８から大量の空気が供給され、２次燃焼空間では過剰酸素雰囲気下（低当量比）で２次燃焼が行われる。
【０００６】
ＲＱＬ燃焼方式の燃焼器は、このように酸素不足状態（過濃）の燃料ガスを部分的に燃焼させた後に、その燃焼ガスに大量の２次空気を追加してこれを急激に希釈・冷却し、２次燃焼領域でその過剰酸素状態（希薄）の燃焼ガスを燃焼させることによってＮＯｘの低減を図るものである。
【０００７】
すなわち燃料と空気（酸素）との当量比と火炎温度およびサーマルＮＯｘ生成速度との関係を示した図４のグラフからも分かるように、燃焼排ガス中のＮＯｘは、当量比０．８５〜１．１５の範囲で、また高温燃焼時に急速に生成する。そのためＲＱＬ燃焼方式の燃焼器は、「過濃雰囲気下での１次燃焼→追加空気（２次空気）による希釈・急冷→希薄雰囲気下での２次燃焼」といった燃焼方式により、ＮＯｘが急激に生成する条件範囲での燃焼時間をできるだけ短くして発生するＮＯｘの低減を図っている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述した予混合希薄燃焼方式の燃焼器では、燃料と空気が予め混合されているため、混合気の自発点火や逆火のおそれがあり、これらが発生すると、ＮＯｘの急増、振動燃焼等を引き起こし、燃焼器の性能が悪化するばかりでなく、機器に損傷を与えるおそれもあった。
【０００９】
一方ＲＱＬ燃焼方式の燃焼器では、１次燃焼空間の軸方向長さが短く、空気と燃料とが１次燃焼するための充分な滞留時間の確保が困難であった。そのため従来のＲＱＬ燃焼方式の燃焼器では滞留時間の確保と燃焼器の小型化の要請を両立することは困難であった。
さらに、従来のＲＱＬ燃焼方式の燃焼器では燃料と空気の混合も従来の拡散燃焼方式と同様であったため、充分な混合がえられずに、局所的に低ＮＯｘに効果的な当量比が形成されない領域が発生するおそれがあった。
【００１０】
本発明はかかる問題点を解決するために、創案されたものである。すなわち、本発明は、燃料と空気との混合を促進するとともに、燃焼室内での燃料ガスの滞留時間を確保してその燃焼を促進し、ＲＱＬ燃焼方式によるＮＯｘの低減を達成することができる小型かつ簡易な構造の低ＮＯｘ燃焼器を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述した問題を解決するため本発明の旋回型低ＮＯｘ燃焼器は、上流端面（２）を閉口し下流端面（４）を開口した円筒形の燃焼室（６）を内部に有するフレームチューブ（８）と、該フレームチューブに連結され、かつ、燃焼室内に向けその接線方向から１次空気を噴出してこれを燃焼室内で旋回させる１次空気噴出管（１２）と、前記上流端面の径方向外側に連結され、かつ、燃焼室の軸方向に燃料を噴出する燃料供給管（１４）と、を備えた旋回型低ＮＯｘ燃焼器であって、前記フレームチューブには、前記上流端面の中心を軸方向に貫通して燃焼室内に突出し、２次空気を燃焼室内に供給する円管状の２次空気供給管（１６）がさらに設けられ、燃焼室内に突出した２次空気供給管の外側とフレームチューブ内周面との間には１次空気と燃料とが混合した燃料ガスが旋回しながら酸素不足雰囲気下で１次燃焼を行うための１次燃焼空間（６ａ）が形成され、２次空気供給管の下流側には１次燃焼後の燃焼ガスと２次空気との混合ガスが過剰酸素雰囲気下で２次燃焼を行うための２次燃焼空間（６ｂ）が形成されている、ことを特徴とする。
【００１２】
ＲＱＬ燃焼方式では、リッチ（高当量比）ゾーンにおいては燃料と１次空気を効率よく混合し、ＮＯｘが多量に発生する当量比領域を形成せず、かつ、酸素と燃料とを充分に反応（燃焼）させること、リーン（低当量比）ゾーンにおいては燃焼ガスと２次空気とを素早く均一に混合することが重要である。
上記本発明の構成によれば、リッチゾーンとなる１次燃焼空間で周方向に旋回する１次空気の流れに軸方向に燃料を噴射することで空気と燃料との混合が促進される。すなわち、軸方向に噴出された燃料と旋回する１次空気とは垂直をなし、これにより燃料はせん断されてその流れが攪拌されるため、空気と燃料との急速混合が促進され、均一な燃料ガス（空気と燃料との混合ガス）の生成が達成される。
また、燃料ガスは２次空気供給管の外側の１次燃焼空間内で、フレームチューブ内周面に沿って旋回しながらその１次燃焼（リッチ燃焼）を行うため、火炎の滞留時間が確保され酸素不足雰囲気下で目的の反応を達成させることができる。さらに、１次燃焼空間には渦巻状の旋回火炎が形成されるため、周方向の燃焼の均一性も得ることができる。
以上のように本発明によれば、燃料と空気との混合を促進し、燃料ガスの滞留時間を確保してその燃焼を促進し、ＲＱＬ燃焼方式によるＮＯｘの低減を達成することができる小型かつ簡易な構造のガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器が提供される。
【００１３】
また好ましい実施例によれば、前記２次空気供給管（１６）内の２次空気流路には、２次空気を旋回させて２次燃焼空間（６ｂ）へ供給するためのスワールベーン（１８）が設けられている。
【００１４】
周方向に旋回する１次燃焼後の燃焼ガスに、旋回させた大量の２次空気を２次空気供給管から供給することで、燃焼ガスと２次空気との急速混合が達成される。急速混合により急激に希釈・冷却され、過剰酸素状態（希薄：低当量比）となった燃焼ガスは、２次燃焼空間で２次燃焼（リーン燃焼）を行う。これにより、燃焼排ガス中のＮＯｘの低減を図ることができる。
【００１５】
ここで、前記フレームチューブ（８）にはその内径を漏斗状に滑らかに減少させる漏斗部（２２）が形成され、１次燃焼空間（６ａ）の内径は２次燃焼空間（６ｂ）の内径よりも大きくなっており、かつ、前記２次空気供給管（１６）は２次燃焼空間の手前にまでのびている、ことが好ましい。
【００１６】
１次燃焼空間の内径を大きくすることで１次燃焼空間には大きな旋回流が形成されるため、１次燃焼空間における混合・燃焼がさらに促進される。
また２次空気には１次燃焼空間の中心に配置された２次空気供給管に設けられたスワールベーンによって旋回がかけられるため、噴出後に２次燃焼空間内でその流れが広がる一方、１次燃焼後の燃焼ガスは漏斗部においてその流路の径が絞られながら２次空気に向かう。このように燃焼ガスの流れ方向を変化させ、かつ、旋回する燃焼ガスと２次空気とを合流させることにより両者を素早く均一に混合することができる。
【００１７】
なお、前記スワールベーン（１８）による２次空気の旋回方向は１次空気の旋回方向と逆方向とする、こともできる。
【００１８】
１次空気と２次空気との旋回方向を逆向きにし、２次燃焼空間内に大きな気流乱れを生じさせることにより燃焼ガスと２次空気とを攪拌し、その混合をさらに促進することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２０】
図１は本発明の旋回型低ＮＯｘ燃焼器の軸方向断面図であり、図２は図１のＰ−Ｐ位置における径方向断面である。
【００２１】
この燃焼器はガスタービンに用いられるものであって、上流側にはエンジン内部に取り入れた空気を圧縮する圧縮機が、下流側には燃焼ガスにより駆動されるガスタービンが配置されている（図示せず）。
またこの燃焼器は、高速に導入される圧縮空気と燃料とをその内部で十分に混合しながら燃焼させ、タービンの要求する高圧圧縮ガスを発生させるものであり、ＲＱＬ燃焼方式により燃焼排ガス中のＮＯｘの低減を実現するものである。
【００２２】
燃焼器１０は、図１に示したように、上流端面２を閉口し下流端面４を開口する円筒形のフレームチューブ８によりその外形が構成されている。フレームチューブ８は空気と燃料との混合ガス（燃料ガス）の燃焼が行われる円筒形の燃焼室６を内部に有している。
フレームチューブ８にはその内径を漏斗状に滑らかに減少させる漏斗部２２が形成され、１次燃焼空間６ａとなる上流側の燃焼室の内径は２次燃焼空間６ｂとなる下流側の燃焼室の内径よりも大きくなっている。
【００２３】
また、フレームチューブ８の側面には図示しない圧縮機で圧縮された空気を燃焼室に向けて高速で噴出する４本の１次空気噴出管１２がフレームチューブの接線方向から等間隔に接続されている。１次空気噴出管１２から噴出された空気はフレームチューブ内周面に沿って流れ、旋回流αとなって上流から下流に向かう。
【００２４】
さらにフレームチューブ８の上流端面２の径方向外側位置には、燃焼室の軸方向に燃料を噴出する燃料供給管１４が４本接続されている。ここで、燃料は旋回流αの層流境界層付近に向けて噴出される。
【００２５】
また、フレームチューブ８には、その上流端面２の中心を軸方向に貫通して燃焼室内に突出し、燃焼室内の２次燃焼空間手前までのびた円管状の２次空気供給管１６が設けられている。２次空気供給管は、２次燃焼空間に向けて大量の空気を噴出する。この２次空気供給管１６内の２次空気流路には、２次空気を旋回させるために軸方向に対して傾斜した状態で放射状に並べられた複数のベーンからなるスワールベーン１８が取り付けられている。
【００２６】
次に上述した構成の燃焼器１０内での、空気と燃料との混合、１次燃焼空間６ａでの１次燃焼、２次燃焼空間６ｂでの２次燃焼の機構について説明する。
【００２７】
１次空気噴出管１２から燃焼室の接線方向に噴出された空気は、２次空気供給管１６とフレームチューブ内周面との間に形成された１次燃焼空間６ａをフレームチューブ内周面に沿って流れ、旋回流αとなって上流から下流に向かう。
一方、燃料供給管１４からフレームチューブ８の燃焼室の軸方向に、旋回流αの層流境界層付近に向けて噴出された燃料は、旋回流によってせん断されて１次空気と混合される。すなわち旋回流αが噴射された燃料を巻き込むことでこれを攪拌し、均一燃料ガスの生成を促進する。また気体が流れる表面、すなわち燃焼室の内周面が主流方向に凹面状に湾曲しているため、その表面の層流境界層には遠心力による不安定現象からテイラー渦に類似する渦（ゲルトラ渦）が発生し、この渦によっても空気と燃料との均一混合が一層促進され、燃料濃度に濃淡のある領域の局所的な発生も防ぐことができる。
【００２８】
１次空気と燃料との均一混合により生成された燃料ガスは、燃料濃度が過度に高く、すなわち高当量比となっている。生成された高当量比の燃料ガスは酸素不足雰囲気下で１次燃焼（部分燃焼：リッチ燃焼）を行う。その際、１次燃焼空間には旋回流による旋回火炎が形成されるため、燃料ガスが１次燃焼するための充分な滞留時間が確保され、従来の軸方向に火炎が形成されるＲＱＬ燃焼方式の燃焼器の問題を解消することができる。
さらに、旋回型の燃焼器では燃料ガスの滞留領域Ｘが燃料供給管１４とフレームチューブとの連結箇所近傍の燃焼室の隅に形成されるため、旋回火炎の保炎性も向上するといったメリットもある。
【００２９】
１次燃焼を行った燃料ガス（「燃焼ガス」という。）は、旋回しながら２次燃焼空間へ向かう。その際前述のようにフレームチューブ８にはその内径を漏斗状に滑らかに減少させる漏斗部２２が形成されているため、燃焼ガスはその流路面積を一定区間で狭めながら下流側に流れる。
【００３０】
下流側に流れた燃焼ガスには２次燃焼空間の手前で大量の空気が２次空気供給管１６から追加して供給される。２次空気供給管１６から供給される空気は、２次空気供給管内の２次空気流路に設けられたスワールベーン１８により旋回流αと逆向きの旋回β（螺旋状の回転）が与えられている。
【００３１】
スワールベーン１８によって旋回がかけられた２次空気はその流れを広げ、１次燃焼後の燃焼ガスは漏斗部においてその流れを狭める。このように軸方向に対して異なる角度で流れ、かつ、旋回方向を反対方向とする燃焼ガスと２次空気とを２次燃焼空間手間で合流してやることにより気流乱が発生するため、その攪拌によって両者は素早く均一に混合される。
これにより燃焼ガスは、急激に希釈・冷却されて過剰酸素状態（希薄：低当量比）となり、２次燃焼空間で過剰酸素雰囲気下（低当量比）の２次燃焼（リーン燃焼）が行われる。
【００３２】
以上のように本発明の燃焼器によれば、旋回型の燃焼器にＲＱＬ燃焼方式を採用することで、従来のＲＱＬ燃焼器では困難であった ▲１▼燃料と空気との急速混合の促進、▲２▼燃焼室内での燃料ガスの滞留時間確保による燃焼促進、▲３▼小型かつ簡易な構造のＲＱＬ燃焼器の提供、を実現することができる。
【００３３】
なお本発明は上述した実施形態及び実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない限りで種々に変更できることは勿論である。例えば、２次空気供給管から噴出する２次空気の旋回を燃焼ガスの旋回方向と一致させることもできる。
【００３４】
【発明の効果】
上述したように、本発明では、燃料と空気との混合を促進するとともに、燃焼室内での燃料ガスの滞留時間を確保してその燃焼を促進し、ＲＱＬ燃焼方式によるＮＯｘの低減を達成する小型かつ簡易な構造の低ＮＯｘ燃焼器を提供することことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の旋回型低ＮＯｘ燃焼器の軸方向断面図である。
【図２】図１のＰ−Ｐ位置における径方向断面である。
【図３】従来のＲＱＬ燃焼方式の燃焼器の概念図である。
【図４】燃料と空気（酸素）との当量比と火炎温度およびサーマルＮＯｘ生成速度との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
２上流端面
４下流端面
６燃焼室
６ａ１次燃焼空間
６ｂ２次燃焼空間
８フレームチューブ
１０燃焼器
１２１次空気噴出管
１４燃料供給管
１６２次空気供給管
１８スワールベーン
２２漏斗部
３０燃焼器３０
３１フレームチューブ３１
３２絞り部３２
３３１次燃焼空間
３４２次燃焼空間
３５１次空気噴出管
３６燃料供給管
３７スワールベーン
３８２次空気供給管
Ｘ滞留領域[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is applied to a combustor, and more specifically, promotes mixing of fuel and air, secures a residence time of fuel gas in the combustion chamber to promote combustion, and reduces NOx in combustion exhaust gas. The present invention relates to a low-NOx combustor using a Rich-Quick Quench-Lean (RQL) combustion system having a small and simple structure.
[0002]
[Prior art]
Recently, in order to protect the environment, reduction of NOx (nitrogen oxides) in the combustion exhaust gas of gas turbines is obligatory. Recently, therefore, (1) Main burners that perform lean combustion by the premixed lean combustion method and diffusion Premixed lean combustion type combustors combined with pilot burners that hold flames by combustion method, and (2) Rich-Quick Quench-Lean combustion type (super-rich-quenched-lean: RQL combustion method) combustors Has been developed.
[0003]
The premixed lean combustion type combustor of (1) is premixed with a sufficient amount of air in the main burner and lean-combusted to prevent the occurrence of high temperature flame, and NOx generated in large quantities during high temperature combustion. Is to be reduced.
In addition, the RQL combustion type combustor of (2) above, after partially burning the oxygen-deficient (over-rich) fuel gas in the primary combustion zone, adding a large amount of secondary air to the combustion gas. This is rapidly diluted and cooled, and NOx generated by burning the excess oxygen state (dilute) fuel gas in the secondary combustion region is reduced.
[0004]
The combustor of the RQL combustion method will be described in more detail with reference to FIG. 3. A cylindrical frame tube 31 of the combustor 30 is provided with a throttle portion 32 that reduces the cross-sectional area of the flow channel at an intermediate position. A primary combustion space 33 for performing primary combustion is formed on the upstream side of the portion 32, and a secondary combustion space 34 for performing secondary combustion is formed on the downstream side of the throttle portion 32.
A primary air ejection pipe 35 for supplying air in the axial direction to the primary combustion space 33 is connected to the upstream end of the frame tube 31, and an ejection nozzle is provided at the tip of the primary air ejection pipe 35. A fuel supply pipe 36 is arranged coaxially. The fuel supply pipe 36 extends to the front of the primary combustion space 33, and a swirl vanes for swirling the primary air in the circumferential direction is provided in the primary air flow path in the primary air ejection pipe 35. 37) is attached.
Further, a secondary air supply pipe 38 for supplying a large amount of air from the outside into the secondary combustion space 34 is attached to the throttle portion 32.
[0005]
The primary air swirled by the swirl vane 37 is injected and introduced into the primary combustion space 33 from the primary air ejection pipe 35, and also entrains the fuel ejected from the ejection nozzle into the primary combustion space. This is stirred and mixed. The fuel gas generated at this time has a high fuel concentration, that is, a high equivalent ratio.
The generated fuel gas having an excessively high fuel concentration goes to the secondary combustion space after performing primary combustion (partial combustion) in an oxygen-deficient atmosphere (high equivalence ratio). At that time, a large amount of air is supplied from the secondary air supply pipe 38 attached to the throttle portion 32, and secondary combustion is performed in the secondary combustion space under an excess oxygen atmosphere (low equivalent ratio).
[0006]
In the RQL combustion system combustor, after partially burning the oxygen-deficient (over-rich) fuel gas in this way, a large amount of secondary air is added to the combustion gas to rapidly dilute and cool it. Then, NOx is reduced by burning the excess oxygen state (dilute) combustion gas in the secondary combustion region.
[0007]
That is, as can be seen from the graph of FIG. 4 showing the relationship between the equivalent ratio of fuel and air (oxygen), the flame temperature, and the thermal NOx generation rate, the NOx in the combustion exhaust gas has an equivalent ratio of 0.85 to 1. It is rapidly generated in the range of 15 and during high temperature combustion. For this reason, the RQL combustion method combustor uses a combustion method such as “primary combustion in a rich atmosphere → dilution / quenching with additional air (secondary air) → secondary combustion in a lean atmosphere” to rapidly reduce NOx. NOx generated is reduced by shortening the combustion time within the range of conditions to be generated as much as possible.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the premixed lean combustion type combustor described above, since fuel and air are mixed in advance, there is a risk of spontaneous ignition or flashback of the air-fuel mixture. When these occur, NOx sudden increase, vibration combustion, etc. This not only deteriorates the performance of the combustor but also damages the equipment.
[0009]
On the other hand, in the combustor of the RQL combustion system, the axial length of the primary combustion space is short, and it is difficult to secure a sufficient residence time for the primary combustion of air and fuel. For this reason, it has been difficult for the conventional RQL combustion type combustor to satisfy both the requirement of ensuring the residence time and the size reduction of the combustor.
Furthermore, in the conventional RQL combustion system combustor, the mixing of fuel and air is the same as in the conventional diffusion combustion system, so that an effective equivalence ratio is formed locally for low NOx without sufficient mixing. There was a risk that some areas would not be generated.
[0010]
The present invention has been developed to solve such problems. That is, the present invention facilitates the mixing of fuel and air, secures the residence time of the fuel gas in the combustion chamber to promote its combustion, and achieves a reduction in NOx by the RQL combustion method. And it aims at providing the low NOx combustor of a simple structure.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problem, the swirl type low NOx combustor according to the present invention includes a frame tube (8) having a cylindrical combustion chamber (6) in which an upstream end face (2) is closed and a downstream end face (4) is opened. ), A primary air ejection pipe (12) coupled to the frame tube and ejecting primary air from the tangential direction toward the combustion chamber and swirling the primary air in the combustion chamber, and the radial direction of the upstream end surface A swirl type low NOx combustor that is connected to the outside and has a fuel supply pipe (14) that jets fuel in the axial direction of the combustion chamber, wherein the frame tube has a center of the upstream end face An annular secondary air supply pipe (16) that penetrates in the axial direction and protrudes into the combustion chamber and supplies secondary air into the combustion chamber is further provided, and the outside of the secondary air supply pipe protruding into the combustion chamber and the frame Primary space between the tube inner periphery A primary combustion space (6a) for performing primary combustion in an oxygen-deficient atmosphere while swirling the fuel gas mixed with fuel and fuel is formed, and the downstream side of the secondary air supply pipe is located after the primary combustion A secondary combustion space (6b) for performing a secondary combustion of the mixed gas of the combustion gas and the secondary air in an excess oxygen atmosphere is formed.
[0012]
In the RQL combustion method, fuel and primary air are efficiently mixed in a rich (high equivalent ratio) zone, an equivalent ratio region in which a large amount of NOx is generated is not formed, and oxygen and fuel are sufficiently reacted ( In the lean (low equivalence ratio) zone, it is important to mix the combustion gas and the secondary air quickly and uniformly.
According to the configuration of the present invention, mixing of air and fuel is promoted by injecting fuel in the axial direction into the flow of primary air swirling in the circumferential direction in the primary combustion space serving as a rich zone. That is, the fuel jetted in the axial direction and the swirling primary air are perpendicular to each other, whereby the fuel is sheared and the flow thereof is stirred, so that rapid mixing of air and fuel is promoted and uniform fuel is obtained. Generation of gas (mixed gas of air and fuel) is achieved.
In addition, since the fuel gas performs primary combustion (rich combustion) while swirling along the inner peripheral surface of the frame tube in the primary combustion space outside the secondary air supply pipe, the residence time of the flame is secured. The desired reaction can be achieved in an oxygen-deficient atmosphere. Furthermore, since a spiral swirl flame is formed in the primary combustion space, it is possible to obtain uniform combustion in the circumferential direction.
As described above, according to the present invention, the mixing of the fuel and air is promoted, the residence time of the fuel gas is ensured, the combustion is promoted, and the NOx reduction by the RQL combustion method can be achieved. A low-NOx combustor for a gas turbine having a simple structure is provided.
[0013]
According to a preferred embodiment, a swirl vane (18) is provided in the secondary air flow path in the secondary air supply pipe (16) for swirling the secondary air and supplying it to the secondary combustion space (6b). ) Is provided.
[0014]
By supplying a large amount of swirled secondary air from the secondary air supply pipe to the combustion gas after the primary combustion swirling in the circumferential direction, rapid mixing of the combustion gas and the secondary air is achieved. Combustion gas that has been rapidly diluted and cooled by rapid mixing to become an excess oxygen state (diluted: low equivalent ratio) undergoes secondary combustion (lean combustion) in the secondary combustion space. Thereby, reduction of NOx in combustion exhaust gas can be aimed at.
[0015]
Here, the frame tube (8) is formed with a funnel portion (22) for smoothly reducing its inner diameter in a funnel shape, and the inner diameter of the primary combustion space (6a) is larger than the inner diameter of the secondary combustion space (6b). It is preferable that the secondary air supply pipe (16) extends to the front of the secondary combustion space.
[0016]
By increasing the inner diameter of the primary combustion space, a large swirling flow is formed in the primary combustion space, so that mixing and combustion in the primary combustion space is further promoted.
Further, since the secondary air is swirled by a swirl vane provided in a secondary air supply pipe disposed at the center of the primary combustion space, the flow spreads in the secondary combustion space after the ejection, while the primary air The combustion gas after combustion goes to the secondary air while the diameter of the flow path is reduced in the funnel. Thus, by changing the flow direction of the combustion gas and combining the swirling combustion gas and the secondary air, both can be quickly and uniformly mixed.
[0017]
The swirl direction of the secondary air by the swirl vane (18) may be opposite to the swirl direction of the primary air.
[0018]
The swirl directions of the primary air and the secondary air are reversed, and a large air flow turbulence is generated in the secondary combustion space, whereby the combustion gas and the secondary air can be agitated to further promote the mixing thereof. .
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each figure, common portions are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0020]
FIG. 1 is an axial sectional view of a swirl type low NOx combustor according to the present invention, and FIG. 2 is a radial sectional view at a PP position in FIG.
[0021]
This combustor is used for a gas turbine. A compressor for compressing air taken into the engine is arranged on the upstream side, and a gas turbine driven by combustion gas is arranged on the downstream side (see FIG. Not shown).
This combustor burns while sufficiently mixing compressed air and fuel introduced at high speed inside to generate high-pressure compressed gas required by the turbine. The reduction of NOx is realized.
[0022]
As shown in FIG. 1, the outer shape of the combustor 10 is configured by a cylindrical frame tube 8 that closes the upstream end surface 2 and opens the downstream end surface 4. The frame tube 8 has a cylindrical combustion chamber 6 in which combustion of a mixed gas of air and fuel (fuel gas) is performed.
The frame tube 8 is formed with a funnel portion 22 for smoothly reducing its inner diameter in a funnel shape, and the inner diameter of the upstream combustion chamber serving as the primary combustion space 6a is that of the downstream combustion chamber serving as the secondary combustion space 6b. It is larger than the inner diameter.
[0023]
Further, four primary air ejection pipes 12 for ejecting air compressed by a compressor (not shown) toward the combustion chamber at high speed are connected to the side surface of the frame tube 8 at equal intervals from the tangential direction of the frame tube. Yes. The air ejected from the primary air ejection pipe 12 flows along the inner peripheral surface of the frame tube, becomes a swirling flow α, and travels from upstream to downstream.
[0024]
Further, four fuel supply pipes 14 for ejecting fuel in the axial direction of the combustion chamber are connected to the radially outer position of the upstream end surface 2 of the frame tube 8. Here, the fuel is ejected toward the vicinity of the laminar boundary layer of the swirling flow α.
[0025]
The frame tube 8 is provided with a circular secondary air supply pipe 16 that penetrates the center of the upstream end surface 2 in the axial direction and protrudes into the combustion chamber and extends to the front of the secondary combustion space in the combustion chamber. . The secondary air supply pipe ejects a large amount of air toward the secondary combustion space. A swirl vane 18 composed of a plurality of vanes arranged radially in an inclined state with respect to the axial direction is attached to the secondary air flow path in the secondary air supply pipe 16 in order to swirl the secondary air. ing.
[0026]
Next, the mechanism of mixing air and fuel in the combustor 10 having the above-described configuration, primary combustion in the primary combustion space 6a, and secondary combustion in the secondary combustion space 6b will be described.
[0027]
The air ejected from the primary air ejection pipe 12 in the tangential direction of the combustion chamber forms the primary combustion space 6a formed between the secondary air supply pipe 16 and the inner peripheral surface of the frame tube on the inner peripheral surface of the frame tube. It flows along and turns into a swirl flow α from upstream to downstream.
On the other hand, the fuel ejected from the fuel supply pipe 14 in the axial direction of the combustion chamber of the frame tube 8 toward the vicinity of the laminar boundary layer of the swirling flow α is sheared by the swirling flow and mixed with the primary air. That is, the swirling flow α is agitated by entraining the injected fuel to promote the generation of uniform fuel gas. Also, the surface through which the gas flows, that is, the inner peripheral surface of the combustion chamber, is curved in a concave shape in the main flow direction. A vortex) is generated, and this vortex also promotes uniform mixing of air and fuel, and can also prevent local generation of a region having a concentration of fuel.
[0028]
The fuel gas generated by the uniform mixing of the primary air and the fuel has an excessively high fuel concentration, that is, a high equivalence ratio. The generated high equivalent ratio fuel gas performs primary combustion (partial combustion: rich combustion) in an oxygen-deficient atmosphere. At this time, a swirling flame is formed in the primary combustion space by a swirling flow, so that a sufficient residence time for the primary combustion of the fuel gas is ensured, and a conventional RQL combustion method in which a flame is formed in the axial direction. The problem of the combustor can be solved.
Further, in the swirl type combustor, the fuel gas retention region X is formed at the corner of the combustion chamber in the vicinity of the connection point between the fuel supply pipe 14 and the frame tube, so that there is an advantage that the flame holding performance of the swirl flame is improved. is there.
[0029]
The fuel gas that has undergone primary combustion (referred to as “combustion gas”) travels to the secondary combustion space while turning. At that time, as described above, the funnel portion 22 that smoothly reduces the inner diameter of the frame tube 8 in a funnel shape is formed in the frame tube 8, so that the combustion gas flows downstream while narrowing the flow passage area in a certain section.
[0030]
A large amount of air is additionally supplied to the combustion gas flowing downstream from the secondary air supply pipe 16 before the secondary combustion space. The air supplied from the secondary air supply pipe 16 is given a swirl β (spiral rotation) opposite to the swirl flow α by a swirl vane 18 provided in a secondary air flow path in the secondary air supply pipe. ing.
[0031]
The secondary air swirled by the swirl vane 18 widens its flow, and the combustion gas after the primary combustion narrows its flow at the funnel. In this way, airflow turbulence is generated by joining the combustion gas and the secondary air, which flow at different angles with respect to the axial direction and the swirl direction is opposite, between the secondary combustion spaces. Both are mixed quickly and uniformly.
As a result, the combustion gas is rapidly diluted and cooled to become an excess oxygen state (lean: low equivalent ratio), and secondary combustion (lean combustion) is performed in an excess oxygen atmosphere (low equivalent ratio) in the secondary combustion space. .
[0032]
As described above, according to the combustor of the present invention, by adopting the RQL combustion method in the swirl type combustor, it has been difficult with the conventional RQL combustor. (1) Promotion of rapid mixing of fuel and air (2) Combustion promotion by ensuring the residence time of the fuel gas in the combustion chamber and (3) Provision of a small and simple RQL combustor can be realized.
[0033]
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and can be variously modified without departing from the gist of the present invention. For example, the swirl of the secondary air ejected from the secondary air supply pipe can be matched with the swirl direction of the combustion gas.
[0034]
【The invention's effect】
As described above, the present invention facilitates the mixing of fuel and air, secures the residence time of the fuel gas in the combustion chamber to promote the combustion, and achieves a reduction in NOx by the RQL combustion method. In addition, a low NOx combustor having a simple structure can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an axial sectional view of a swirl type low NOx combustor according to the present invention.
FIG. 2 is a radial cross-section at a PP position in FIG.
FIG. 3 is a conceptual diagram of a conventional RQL combustion type combustor.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the equivalent ratio of fuel and air (oxygen), flame temperature, and thermal NOx generation rate.
[Explanation of symbols]
2 upstream end face 4 downstream end face 6 combustion chamber 6a primary combustion space 6b secondary combustion space 8 flame tube 10 combustor 12 primary air ejection pipe 14 fuel supply pipe 16 secondary air supply pipe 18 swirl vane 22 funnel part 30 combustor 30
31 Frame tube 31
32 Aperture section 32
33 Primary combustion space 34 Secondary combustion space 35 Primary air ejection pipe 36 Fuel supply pipe 37 Swirl vane 38 Secondary air supply pipe X Residence region

Claims

A frame tube (8) having a cylindrical combustion chamber (6) with the upstream end surface (2) closed and the downstream end surface (4) open, and a tangent line connected to the frame tube and into the combustion chamber A primary air jet pipe (12) that jets primary air from the direction and swirls it in the combustion chamber, and a fuel that is connected to the radially outer side of the upstream end face and jets fuel in the axial direction of the combustion chamber A swirl type low NOx combustor comprising a supply pipe (14),
The frame tube is further provided with a circular secondary air supply pipe (16) that penetrates the center of the upstream end surface in the axial direction and protrudes into the combustion chamber and supplies secondary air to the combustion chamber.
Between the outer side of the secondary air supply pipe protruding into the combustion chamber and the inner peripheral surface of the frame tube, the fuel gas in which the primary air and the fuel are mixed swirls to perform primary combustion in an oxygen-deficient atmosphere. A primary combustion space (6a) is formed, and a mixture gas of the combustion gas after the primary combustion and the secondary air performs secondary combustion in an excess oxygen atmosphere on the downstream side of the secondary air supply pipe. A swirl type low NOx combustor, characterized in that a next combustion space (6b) is formed.

The secondary air flow path in the secondary air supply pipe (16) is provided with a swirl vane (18) for swirling the secondary air and supplying it to the secondary combustion space (6b). The swirl type low NOx combustor according to claim 1.

The frame tube (8) is formed with a funnel portion (22) for smoothly reducing its inner diameter in a funnel shape, and the inner diameter of the primary combustion space (6a) is larger than the inner diameter of the secondary combustion space (6b). The swirl type low NOx combustor according to claim 1 or 2, wherein the secondary air supply pipe (16) extends to the front of the secondary combustion space.

The swirl type low NOx combustor according to claim 2 or 3, wherein the swirl direction of the secondary air by the swirl vane (18) is opposite to the swirl direction of the primary air.