JP4854613B2 - Combustion apparatus and gas turbine combustor - Google Patents
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本発明は、燃料と空気を複数の同軸噴流として燃焼室に供給して燃焼させる燃焼装置及びガスタービン燃焼器に係り、燃料と空気の混合を促進して窒素酸化物(NOx)の排出量を低減する燃焼装置及びガスタービン燃焼器に関する。 The present invention relates to a combustion apparatus and a gas turbine combustor for supplying fuel and air as a plurality of coaxial jets to a combustion chamber for combustion, and promotes mixing of fuel and air to reduce nitrogen oxide (NOx) emissions. The present invention relates to a reducing combustion apparatus and a gas turbine combustor.
近年、大気汚染物質の排出に関する規制は厳しくなってきており、燃焼装置、特に発電設備として使用されるガスタービン燃焼器においては、ガスタービン燃焼器から排出される排気ガス中に含まれる窒素酸化物(NOx)の排出量を低減させる様々な燃焼方式が研究されている。 In recent years, regulations on the emission of air pollutants have become stricter, and in a gas turbine combustor used as a combustion apparatus, particularly a power generation facility, nitrogen oxides contained in exhaust gas discharged from the gas turbine combustor Various combustion methods for reducing (NOx) emissions have been studied.
特開2003−148734号公報には燃料と空気とを同軸の噴流として燃焼室に供給して燃焼させる同軸噴流燃焼方式に関するガスタービン燃焼器に関する技術が開示されており、従来の予混合燃焼方式と比較して非常に短い距離で効果的に燃料と空気の混合を促進させて、NOxの排出量を低く抑えることが可能である。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-148734 discloses a technology related to a gas turbine combustor related to a coaxial jet combustion system in which fuel and air are supplied to a combustion chamber as a coaxial jet and burned. In comparison, it is possible to effectively promote the mixing of fuel and air at a very short distance, and to suppress the NOx emission amount to a low level.
前記の特開2003−148734号公報に記載された同軸噴流方式のガスタービン燃焼器の技術では、燃料と空気との急速混合が可能であるためNOx排出量を低く抑える事が出来る。 In the coaxial jet type gas turbine combustor technology described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-148734, rapid mixing of fuel and air is possible, so that NOx emission can be kept low.
しかしながら、地球環境的な観点からガスタービン燃焼器から排出されるNOx排出量の環境規制値は年々厳しくなってきており、将来的には現在よりも更なるNOx排出量の低減が望まれている。 However, environmental regulations for NOx emissions from gas turbine combustors are becoming stricter year by year from the viewpoint of the global environment, and further reduction of NOx emissions is desired in the future. .
ここでNOx生成量はガスタービン燃焼器の燃焼室内に形勢される火炎の温度に大きく依存しており、火炎温度の上昇に伴なってNOx排出量は指数関数的に増大する。 Here, the NOx generation amount greatly depends on the temperature of the flame formed in the combustion chamber of the gas turbine combustor, and the NOx emission amount increases exponentially as the flame temperature rises.
このため、燃料と空気とを同軸の噴流として燃焼室に供給して燃焼させる同軸噴流方式を使用したとしても、燃料と空気とが良く混合されていない場合には、燃料と空気の予混合気内で局所的に燃料濃度が濃い領域が形成されることになる。 For this reason, even if a coaxial jet method is used in which fuel and air are supplied to the combustion chamber as a coaxial jet and burned, if the fuel and air are not well mixed, a premixed mixture of fuel and air is used. A region having a high fuel concentration is formed locally.
その結果、局所的に燃料濃度が濃い領域を形成した予混合気を燃焼させた場合に局所的に火炎温度が高くなってNOxの排出量が増加するので、上記したガスタービン燃焼器の技術ではNOx排出量を更に低減させることは困難であった。 As a result, when the premixed gas in which the fuel concentration is locally formed is burned, the flame temperature is locally increased and the amount of NOx emission is increased. It has been difficult to further reduce NOx emissions.
本発明の目的は、燃料と空気とを同軸の噴流として燃焼室に供給して燃焼させる同軸噴流燃焼方式のものにおいて、同軸に噴出させる燃料と空気とを均一に混合させて両者の混合度を高め、NOx排出量の大幅な低減を可能にした燃焼装置及びガスタービン燃焼器を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a coaxial jet combustion system in which fuel and air are supplied to a combustion chamber as a coaxial jet and burned, and the fuel and air to be jetted coaxially are mixed uniformly so as to increase the degree of mixing between them. An object of the present invention is to provide a combustion apparatus and a gas turbine combustor which can be increased and greatly reduce NOx emissions.
本発明の燃焼装置は、燃料を噴出する複数の燃料噴射ノズルと、前記燃料噴射ノズルの下流部に配置されて該燃料と一次空気が混合した第一の混合気を噴出する複数の混合気噴射ノズルと、前記混合気噴射ノズルの下流側に配置されて該第一の混合気と二次空気が混合した第二の混合気を噴出する複数の空気孔を設けた空気孔プレートと、前記空気孔プレートに設けた空気孔の下流側に配置されて燃料と空気の混合気を燃焼させる燃焼室とを備え、前記混合気噴射ノズルはその中心軸が前記燃料噴射ノズルの中心軸と同軸上に配置して該燃料噴射ノズルから噴出される燃料の噴流の周囲を一次空気で包み込むようにしてこの混合気噴射ノズルに導入させ、前記空気孔プレートに設けた空気孔はその中心軸が前記混合気噴射ノズルの中心軸と同軸上に配置して、該混合気噴射ノズルから噴出される前記第一の混合気を、その内側に前記混合気噴射ノズルを備えた混合気ヘッダを設置したノズル外筒と、前記混合気ヘッダとの間に形成される流路で急拡大させ、前記第一の混合気の周囲を二次空気で包み込むようにして前記空気孔プレートの空気孔に導入させ、前記空気孔から燃焼室に前記第二の混合気を噴出させて燃焼させるように構成したことを特徴とする。
また本発明の燃焼装置は、燃料を噴出する複数の燃料噴射ノズルと、前記燃料噴射ノズルの下流部に配置されて該燃料と一次空気が混合した第一の混合気を噴出する複数の第一空気孔を設けた混合気ヘッダと、前記混合気ヘッダに設けた第一空気孔の下流側に配置されて該第一の混合気と二次空気が混合した第二の混合気を噴出する複数の第二空気孔を設けた空気孔プレートと、前記空気孔プレートに設けた第二空気孔の下流側に配置されて燃料と空気の混合気を燃焼させる燃焼室とを備え、前記混合気ヘッダに設けた第一空気孔はその中心軸が前記燃料噴射ノズルの中心軸と同軸上に配置して、該燃料噴射ノズルから噴出される燃料の噴流の周囲を一次空気で包み込むようにして前記混合気ヘッダの第一空気孔に導入させ、この第一空気孔から噴出される前記第一の混合気を、その内側に前記第一空気孔を設けた混合気ヘッダが設置されるノズル外筒と、前記混合気ヘッダとの間に形成される流路で急拡大させ、
前記空気孔プレートに設けた第二空気孔はその中心軸が前記第一空気孔の中心軸と同軸上に配置して該第一空気孔から噴出される前記第一の混合気の周囲を二次空気で包み込むようにして前記空気孔プレートの第二空気孔に導入させ、前記第二空気孔から燃焼室に前記第二の混合気を噴出させて燃焼させるように構成したことを特徴とする。
また本発明の燃焼装置は、燃料を噴出する複数の燃料噴射ノズルと、前記燃料噴射ノズルの下流部に配置されて該燃料と一次空気とが流入する複数の第一空気孔及びこの第一空気孔の下流側に該燃料と一次空気とが混合して第一の混合気を形成する部屋を形成した予混合ヘッダをそれぞれ備えた混合気へッダと、この混合気へッダに形成した該予混合ヘッダから該第一の混合気を噴出する混合気噴射ノズルと、前記混合気噴射ノズルの下流側に配置されて該第一の混合気と二次空気が混合した第二の混合気を噴出する複数の第二空気孔を設けた空気孔プレートと、前記空気孔プレートに設けた空気孔の下流側に配置されて燃料と空気の混合気を燃焼させる燃焼室とを備え、前記第一空気孔はその中心軸が前記燃料噴射ノズルの中心軸と同軸上に配置して該燃料噴射ノズルから噴出される燃料の噴流の周囲を一次空気で包み込むようにして前記混合気ヘッダの第一空気孔に導入させ、更にこの第一空気孔を経由して予混合ヘッダ内に流下した該燃料と一次空気の混合気を前記予混合ヘッダ内で急拡大させて第一の混合気を形成させて前記混合気噴射ノズルから噴出させ、該第一の混合気を、その内側に前記混合気噴射ノズルを備えた混合気ヘッダを設置したノズル外筒と、前記混合気ヘッダとの間に形成される流路で急拡大させ、前記空気孔プレートに設けた第二空気孔はその中心軸が前記混合気噴射ノズルの中心軸と同軸上に配置して前記混合気噴射ノズルから噴出される前記第一の混合気の周囲を二次空気で包み込むようにして前記空気孔プレートの第二空気孔に導入させ、前記第二空気孔から燃焼室に前記第二の混合気を噴出させて燃焼させるように構成したことを特徴とする。
A combustion apparatus according to the present invention includes a plurality of fuel injection nozzles that eject fuel and a plurality of mixture injections that are disposed downstream of the fuel injection nozzle and eject a first air-fuel mixture in which the fuel and primary air are mixed. A nozzle, an air hole plate provided downstream of the air-fuel mixture injection nozzle, and provided with a plurality of air holes for ejecting a second air-fuel mixture in which the first air-fuel mixture and secondary air are mixed; and the air A combustion chamber for combusting a mixture of fuel and air disposed on the downstream side of the air hole provided in the hole plate, and the center axis of the mixture injection nozzle is coaxial with the center axis of the fuel injection nozzle An air hole provided in the air hole plate is arranged so that the periphery of the jet of fuel ejected from the fuel injection nozzle is wrapped in primary air so as to be surrounded by the primary air. Same as the central axis of the injection nozzle A nozzle outer cylinder in which an air-fuel mixture header provided with the air-fuel mixture injection nozzle is disposed inside the first air-fuel mixture ejected from the air-fuel mixture injection nozzle; and the air-fuel mixture header; Is rapidly expanded in a flow path formed between the first air- fuel mixture and the air around the first air- fuel mixture so as to be surrounded by secondary air and introduced into the air holes of the air hole plate. It is characterized in that the second air-fuel mixture is jetted and burned.
Further, the combustion apparatus of the present invention includes a plurality of fuel injection nozzles for ejecting fuel, and a plurality of first fuel injectors that are disposed downstream of the fuel injection nozzle and eject a first air-fuel mixture in which the fuel and primary air are mixed. A plurality of air-fuel mixture headers provided with air holes, and a plurality of air-fuel mixture headers arranged on the downstream side of the first air holes provided in the air-fuel mixture header and ejecting a second air-fuel mixture mixed with the first air-fuel mixture and secondary air An air hole plate provided with a second air hole, and a combustion chamber disposed on the downstream side of the second air hole provided in the air hole plate and combusting a fuel / air mixture. The first air hole provided in the central axis of the fuel injection nozzle is arranged coaxially with the central axis of the fuel injection nozzle, and the mixing is performed so as to wrap around the fuel jet ejected from the fuel injection nozzle with primary air. This first air hole is introduced into the first air hole of the air header. The first air-fuel mixture ejected from the nozzle is abruptly passed through a flow path formed between the nozzle outer cylinder in which the air-fuel mixture header provided with the first air hole is installed and the air-fuel mixture header. Enlarge,
The second air hole provided in the air hole plate has a central axis coaxially arranged with the central axis of the first air hole, and the second air hole is disposed around the first air-fuel mixture ejected from the first air hole. It is configured to be introduced into the second air hole of the air hole plate so as to be enveloped by the secondary air, and to be burned by injecting the second air-fuel mixture from the second air hole into the combustion chamber. .
The combustion apparatus of the present invention includes a plurality of fuel injection nozzles for ejecting fuel, a plurality of first air holes arranged downstream of the fuel injection nozzle and into which the fuel and primary air flow and the first air. A gas mixture header provided with a premix header in which a chamber in which the fuel and primary air are mixed to form a first gas mixture is formed downstream of the hole, and the gas mixture header is formed in the gas mixture header. An air-fuel mixture injection nozzle that ejects the first air-fuel mixture from the premix header, and a second air-fuel mixture that is disposed downstream of the air-fuel mixture injection nozzle and in which the first air-fuel mixture and secondary air are mixed An air hole plate provided with a plurality of second air holes for ejecting gas, and a combustion chamber disposed downstream of the air holes provided in the air hole plate and combusting a fuel-air mixture. One air hole has a central axis coaxial with the central axis of the fuel injection nozzle. And surrounding the jet of fuel ejected from the fuel injection nozzle with the primary air so as to be introduced into the first air hole of the mixture header, and further through the first air hole, the premix header The fuel / primary air mixture flowing down into the premixing header is rapidly expanded to form a first mixture and ejected from the mixture injection nozzle. A second air hole provided in the air hole plate, which is rapidly expanded in a flow path formed between a nozzle outer cylinder having an air-fuel mixture header provided with the air-fuel mixture injection nozzle and the air-fuel mixture header. The air hole plate is arranged so that its central axis is coaxial with the central axis of the air-fuel mixture injection nozzle so as to wrap around the first air-fuel mixture ejected from the air-fuel mixture injection nozzle with secondary air And introduced into the second air hole of the Two to the air hole is ejected the second mixture in the combustion chamber, characterized by being configured to burn with.
本発明のガスタービンは、燃料を噴出する複数の燃料噴射ノズルと、前記燃料噴射ノズルの下流部に配置されて該燃料と圧縮機で圧縮された高圧空気の一部である一次空気が混合した第一の混合気を噴出する複数の混合気噴射ノズルと、前記混合気噴射ノズルの下流側に配置されて該第一の混合気と該圧縮機で圧縮された高圧空気の一部である二次空気が混合した第二の混合気を噴出する複数の空気孔を設けた空気孔プレートと、前記空気孔プレートに設けた空気孔の下流側に配置されて燃料と空気の混合気を燃焼させる燃焼室とを備え、前記混合気噴射ノズルはその中心軸が前記燃料噴射ノズルの中心軸と同軸上に配置して該燃料噴射ノズルから噴出される燃料の噴流の周囲を一次空気で包み込むようにしてこの混合気噴射ノズルに導入させ、前記空気孔プレートに設けた空気孔はその中心軸が前記混合気噴射ノズルの中心軸と同軸上に配置して、該混合気噴射ノズルから噴出される前記第一の混合気を、その内側に前記混合気噴射ノズルを備えた混合気ヘッダを設置したノズル外筒と、前記混合気ヘッダとの間に形成される流路で急拡大させ、前記第一の混合気の周囲を二次空気で包み込むようにして前記空気孔プレートの空気孔に導入させ、前記空気孔から燃焼室に前記第二の混合気を噴出させて燃焼させるように構成したことを特徴とする。
また本発明のガスタービンは、燃料を噴出する複数の燃料噴射ノズルと、前記燃料噴射ノズルの下流部に配置されて該燃料と圧縮機で圧縮された高圧空気の一部である一次空気が混合した第一の混合気を噴出する複数の第一空気孔を設けた混合気ヘッダと、前記混合気ヘッダに設けた第一空気孔の下流側に配置されて該第一の混合気と該圧縮機で圧縮された高圧空気の一部である二次空気が混合した第二の混合気を噴出する複数の第二空気孔を設けた空気孔プレートと、前記空気孔プレートに設けた第二空気孔の下流側に配置されて燃料と空気の混合気を燃焼させる燃焼室とを備え、前記混合気ヘッダに設けた第一空気孔はその中心軸が前記燃料噴射ノズルの中心軸と同軸上に配置して、該燃料噴射ノズルから噴出される燃料の噴流の周囲を一次空気で包み込むようにしてこの第一空気孔に導入させ、更にこの第一空気孔から噴出される前記第一の混合気を、その内側に前記第一空気孔を設けた混合気ヘッダが設置されるノズル外筒と、前記混合気ヘッダとの間に形成される流路で急拡大させ、前記空気孔プレートに設けた第二空気孔はその中心軸が前記第一空気孔の中心軸と同軸上に配置して該第一空気孔から噴出される前記第一の混合気の周囲を二次空気で包み込むようにして前記空気孔プレートの第二空気孔に導入させ、前記第二空気孔から燃焼室に前記第二の混合気を噴出させて燃焼させるように構成したことを特徴とする。
In the gas turbine of the present invention, a plurality of fuel injection nozzles for ejecting fuel and primary air that is a part of high-pressure air that is disposed downstream of the fuel injection nozzle and compressed by the compressor are mixed. A plurality of air-fuel mixture injection nozzles for ejecting the first air-fuel mixture; and a part of high-pressure air that is disposed downstream of the air-fuel mixture injection nozzle and compressed by the first air-fuel mixture and the compressor An air hole plate provided with a plurality of air holes for ejecting the second air-fuel mixture mixed with the secondary air, and disposed on the downstream side of the air holes provided in the air hole plate to burn the fuel / air mixture A combustion chamber, and the air-fuel mixture injection nozzle has a central axis disposed coaxially with the central axis of the fuel injection nozzle so as to wrap around the fuel jet ejected from the fuel injection nozzle with primary air. Introduced into the lever The air hole provided in the air hole plate has a central axis coaxially arranged with the central axis of the air-fuel mixture injection nozzle, and the first air-fuel mixture ejected from the air-fuel mixture injection nozzle is disposed inside the air hole. The nozzle outer cylinder having the gas mixture header provided with the gas mixture injection nozzle is rapidly expanded in a flow path formed between the gas mixture header and the secondary air around the first gas mixture The second air-fuel mixture is introduced into the air holes of the air hole plate so as to be encased, and the second air-fuel mixture is ejected from the air holes into the combustion chamber for combustion.
Further, the gas turbine according to the present invention mixes a plurality of fuel injection nozzles for ejecting fuel, and primary air that is disposed at a downstream portion of the fuel injection nozzle and is a part of high-pressure air compressed by the compressor. An air-fuel mixture header provided with a plurality of first air holes for ejecting the first air-fuel mixture, and the first air-fuel mixture and the compression disposed on the downstream side of the first air hole provided in the air-fuel mixture header An air hole plate provided with a plurality of second air holes for ejecting a second air-fuel mixture mixed with secondary air that is part of the high-pressure air compressed by the machine, and second air provided on the air hole plate A combustion chamber disposed on the downstream side of the hole and combusting a mixture of fuel and air, and the first air hole provided in the mixture header has a central axis coaxial with the central axis of the fuel injection nozzle Around the jet of fuel ejected from the fuel injection nozzle An air-fuel mixture header is provided in which the first air-fuel mixture is introduced into the first air hole so as to be enveloped by the secondary air, and the first air-hole is further ejected from the first air hole. The second air hole provided in the air hole plate has a central axis that is the central axis of the first air hole. The second air hole is arranged on the same axis and introduced into the second air hole of the air hole plate so as to surround the first air-fuel mixture ejected from the first air hole with secondary air. The second air-fuel mixture is jetted into the combustion chamber and burned .
本発明によれば、燃料と空気とを同軸の噴流として燃焼室に供給して燃焼させる同軸噴流燃焼方式のものにおいて、同軸に噴出させる燃料と空気とを均一に混合させて両者の混合度を高め、NOx排出量の大幅な低減を可能にした燃焼装置及びガスタービン燃焼器が実現できる。 According to the present invention, fuel and in the air that the coaxial injection flow combustion method for burning is supplied to the combustion chamber as a coaxial jet, both degree of mixing uniformly mixed fuel and air jetting coaxially And a combustion apparatus and a gas turbine combustor that can significantly reduce NOx emissions can be realized .
本発明の実施例である燃焼装置として、ガスタービン燃焼器に適用した場合について図面を参照して以下に説明する。 A case where the present invention is applied to a gas turbine combustor as a combustion apparatus according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
本発明の一実施例である燃焼装置として、ガスタービン燃焼器に適用した実施例について図1を用いて説明する。 As a combustion apparatus according to an embodiment of the present invention, an embodiment applied to a gas turbine combustor will be described with reference to FIG.
図1は燃料と空気との同軸噴流燃焼方式を適用した本発明の一実施例であるガスタービン燃焼器を備えたガスタービン発電装置の全体概略図である。 FIG. 1 is an overall schematic view of a gas turbine power generator equipped with a gas turbine combustor which is an embodiment of the present invention to which a coaxial jet combustion system of fuel and air is applied.
図1においてガスタービン発電装置を構成する主要機器として、空気を圧縮する圧縮機110と、この圧縮機110で圧縮された高圧空気と燃料とを同軸噴流にして燃焼室に供給し燃焼させるガスタービン燃焼器1と、このガスタービン燃焼器1で燃焼して発生した高温の燃焼ガスによって駆動されるタービン200と、このタービン200の駆動によって回転して発電する発電機210が備えられている。
In FIG. 1, as main equipment constituting the gas turbine power generation apparatus, a
空気圧縮機110は大気を圧縮して高圧空気120を生成し、この高圧空気120はディフューザ130を経由して車室140に導入される。
The
この高圧空気120は、更に尾筒150と尾筒150の外周に設置された尾筒フロースリーブ151との間に形成された流路を経由して、ガスタービン燃焼器1を構成するライナ160とライナ160の外周に同心円状に配置された外筒161との間に形成された流路に流入する。
The high-
そして前記高圧空気120は前記流路の下流側で流れの方向を反転させ、空気孔プレート31に設けられた空気孔30から燃焼室190の内部に導入される。
The high-
一方、ガスタービン燃焼器1に燃料40を供給する燃料系統180には燃料ポンプ181と流量調節弁182が設置されており、この燃料ポンプ181で昇圧されて流量調節弁182によって流量を調節された燃料40が、ガスタービン燃焼器1の内部に設置された燃料噴射ノズル10から噴出される。
On the other hand, the
燃料噴射ノズル10と空気孔30付近の構造は、図2で説明する。
The structure in the vicinity of the
空気孔30から噴出した混合気は、ライナ160の内部に形成するガスタービン燃焼器1の燃焼室190内に空気孔17230から供給されて燃焼し、燃焼室190内で火炎を形成して高温高圧の燃焼ガス191を生成する。
The air-fuel mixture ejected from the
このようにガスタービン燃焼器1の燃焼室190で生成された高温高圧の燃焼ガス191は尾筒150の内部を流下してタービン200に駆動流体として導入される。
The high-temperature and high-
タービン200では、高温高圧の燃焼ガス191が断熱膨張する際に発生する仕事量を軸回転力に転換することにより、発電機210を駆動して電気出力を得ている。
In the
圧縮機110と発電機210は、タービン200と共通の1本のロータ軸で互いに連結された1軸の構造となっている。
The
但し、圧縮機110とタービン200とを連結するロータ軸と、タービン200と発電機210とを連結するロータ軸とが別軸となる2軸の構造であってもよい。
However, the structure may be a two-axis structure in which the rotor shaft that connects the
また、図1に示した燃料系統180では1つの系統として示されているが、燃料系統180が複数の系統に分かれてガスタービン燃焼器に備えられた複数の燃料ヘッダに供給する構成のマルチバーナ構造のガスタービン燃焼器であっても良い。
Further, although shown as one system in the
また一般に火力発電所等で広く使用されているガスタービン発電装置では、ロータ軸の周りにガスタービン燃焼器が放射状に複数缶配列された構造となっている。 In general, a gas turbine power generator widely used in a thermal power plant or the like has a structure in which a plurality of gas turbine combustors are radially arranged around a rotor shaft.
次に図2を用いて図1に示したガスタービン発電装置に適用されている本発明の実施例であるガスタービン燃焼器1の部分構造について説明する。
Next, a partial structure of the
図2(a)は、ガスタービン燃焼器1に設置された燃料噴射ノズル10と混合気噴射ノズル20及び空気孔30の周辺部分を拡大した部分断面図であり、図2(b)は図2(a)のA−A方向の矢視図である。
FIG. 2A is a partial cross-sectional view in which the peripheral portions of the
図2(a)及び図2(b)に示されたガスタービン燃焼器1の内部には、ノズル外筒2の内側に、燃料40を噴射する複数の燃料噴射ノズル10を備えた燃料ヘッダ11と、この燃料ヘッダ11の下流側に設置されて、前記燃料噴射ノズル10から噴射された燃料40と一次空気41とを同軸状にして噴射する複数の混合気噴射ノズル20を備えた混合気ヘッダ21とを備える。
A
また、この混合気ヘッダ21の下流側に設置されて複数の空気孔30を備えると共に燃焼室190に面して配置された空気孔プレート31と、この空気孔プレート31の空気孔30から噴射された燃料と空気との混合気を燃焼させる燃焼室190をその内側に形成する円筒形状のライナ160とを備える。
Further, the
そして、前記燃料噴射ノズル10、混合気噴射ノズル20、及び空気孔30の各中心軸は同軸線上に位置するようにそれぞれ配列されている。
The central axes of the
燃料40は燃料ヘッダ11に複数個設置された燃料噴射ノズル10から、同じく複数個設置された混合気噴射ノズル20の孔の中心に向かって同軸方向に燃料の噴流としてそれぞれ噴射される。
The
これらの複数の燃料噴射ノズル10からそれぞれ噴射された燃料40の噴流は、燃料40の周囲を包み込むようにして混合気噴射ノズル20の孔に供給される一次空気41と共に混合気噴射ノズル20の孔の内部に供給されて燃料と空気との同軸噴流を形成するので、前記混合気噴射ノズル20の孔の内部にて燃料と空気とが混合した同軸噴流の混合気が形成される。
The jets of the
前記混合気噴射ノズル20の孔の内部にて形成された燃料と空気とが混合した同軸噴流の混合気は、混合気噴射ノズル20の孔から下流側に噴出される。
An air-fuel mixture of a coaxial jet formed by mixing fuel and air formed inside the hole of the air-fuel
混合気は、混合気噴射ノズル20の出口から下流側に噴出された際に同軸噴流の混合気の流れが急拡大するので、混合気の流れに乱れが発生し、燃料40と一次空気41との混合が促進される。
When the air-fuel mixture is ejected from the outlet of the air-fuel
更に空気孔プレート31に設けた空気孔30の中心に向かって噴出された前記燃料40と一次空気41との混合気は、その混合気を周囲から包み込むようにして供給される二次空気42と共に空気孔30に導入されて前記混合気と二次空気42との同軸噴流を形成する。
Further, the mixture of the
この空気孔30の孔内で、前記燃料40と一次空気41との混合気は二次空気42によって更に混合されて希薄な混合気となる。
Within the
そして、この更に混合された希薄な混合気は空気孔30の孔の出口から下流側の燃焼室内190に噴出される。
The further mixed lean air-fuel mixture is ejected from the outlet of the
希薄な混合気は、燃焼室190内に噴出された際に流れが急拡大するので、前記希薄な混合気の流れに乱れが発生する。
When the lean air-fuel mixture is ejected into the
この結果、希薄な混合気と二次空気42との混合が更に促進されて希薄で均一な混合気が形成されることになる。
As a result, the mixture of the lean air-fuel mixture and the
そして、前記燃焼室190に導入された同軸噴流の希薄で均一な予混合気はこの燃焼室190内で燃焼する。
The lean and uniform premixed gas of the coaxial jet introduced into the
この希薄で均一な予混合気では局所的に燃料濃度が濃い領域の生成が抑制されていることから、燃焼させた場合にも局所的な高温場を発生させることなく燃焼室190内に良好な火炎を形成して均一な高温高圧の燃焼ガス191を生成させることが出来る。
Since this lean and uniform premixed gas suppresses the generation of a region where the fuel concentration is locally high, it is excellent in the
本実施例の燃焼装置における同軸噴流混合気の混合度を可視化試験により計測した結果を図8に示す。 FIG. 8 shows the result of measuring the degree of mixing of the coaxial jet mixture in the combustion apparatus of this example by a visualization test.
図8に示す燃焼装置における同軸噴流混合度の可視化試験では、燃料40を噴射する燃料噴射ノズル10の軸心と、空気を流入させる空気孔30の中心軸とが同軸となる同軸状に配置して、燃料噴射ノズル10から燃料40の噴流を空気孔30に供給して前記空気孔30の孔の内部にて燃料と空気とが混合した同軸噴流の混合気を形成する場合の組み合せによる同軸噴流混合気の燃料濃度の試験結果である。
In the visualization test of the coaxial jet mixing degree in the combustion apparatus shown in FIG. 8, the axial center of the
図8において、グラフ横軸の数値は空気孔30の空気孔入口から空気孔出口の下流方向に向かう距離(以降、Xと表記)を空気孔30の内径(以降、φDと表記)で割った値であり、縦軸は前記空気孔入口から空気孔出口に至る空気孔30の各断面に於ける燃料と空気とが混合した混合気の混合度を示す最大燃料濃度値を標準化して示したものである。
In FIG. 8, the numerical value on the horizontal axis of the graph is obtained by dividing the distance from the air hole inlet of the
ここで、図8に示した最大燃料濃度値では縦軸の値が低いほど燃料と空気とが良く混合されていることを示している。 Here, the maximum fuel concentration value shown in FIG. 8 indicates that the lower the value on the vertical axis, the better the fuel and air are mixed.
図8に示した同軸噴流混合度の可視化試験の結果からは、燃料と空気は空気孔に導入された直後のX/φD=0.5付近から燃料と空気との混合が始まり、空気孔出口に向かって燃料と空気との混合が促進されることをしている。 From the result of the visualization test of the coaxial jet mixing degree shown in FIG. 8, the mixing of the fuel and the air starts near X / φD = 0.5 immediately after the fuel and the air are introduced into the air hole, and the air hole outlet The mixing of fuel and air is promoted toward
即ち、図8に示されたものでは、燃料噴射ノズル10から噴射された燃料40の噴流は、燃料40の周囲を包み込むようにして供給される空気と共に空気孔30の孔に供給されて燃料と空気との同軸噴流を形成するので、前記空気孔30の内部にて燃料と空気とが混合した同軸噴流の混合気が形成される。
In other words, in the case shown in FIG. 8, the jet of the
またこの同軸噴流の混合気は、空気孔30の空気孔出口から下流側に噴出され、噴出された際にこの同軸噴流の混合気の流れが空気孔出口の下流側で急拡大するので混合気の流れに乱れが発生し、燃料と空気の混合が更に促進される。
Further, the air-fuel mixture of the coaxial jet is ejected to the downstream side from the air hole outlet of the
つまり、燃料噴射ノズル10と空気孔30の軸心とを同軸状に配置して同軸噴流を形成することによって、燃料噴流は空気孔の内部での燃料と空気との同軸噴流の混合促進効果と、空気孔出口から混合気が噴出した際の該混合気の流れの急拡大による混合促進効果の2つの効果を得るものである。
That is, by arranging the
この図8に示した同軸噴流混合気の混合度の可視化試験の結果を外挿して、図2に示した本発明の実施例である燃焼装置であるガスタービン燃焼器の構造に基づいた燃料と空気の混合度を予測した結果を図9に示す。 The result of the visualization test of the mixing degree of the coaxial jet mixture shown in FIG. 8 is extrapolated, and the fuel based on the structure of the gas turbine combustor which is the combustion apparatus according to the embodiment of the present invention shown in FIG. The result of predicting the degree of air mixing is shown in FIG.
図9の燃料と空気の混合度を予測したグラフは図8の同軸噴流混合気の混合度の可視化試験のグラフに基づいて予測した同軸噴流混合気の混合度を示すグラフである。 9 is a graph showing the mixing degree of the coaxial jet mixture predicted based on the graph of the visualization test of the mixing degree of the coaxial jet mixture in FIG.
グラフ横軸の数値は混合気噴射ノズル20の空気孔入口から空気孔出口の下流方向に向かう距離Xであって、このうちグラフ左側の横軸はXを混合気噴射ノズル20の内径(φDn)で割った値で、グラフ右側の横軸はXを空気孔プレート31の空気孔30の内径(φD)で割った値である。
The numerical value on the horizontal axis of the graph is the distance X from the air hole inlet of the air-fuel
この図9に示した燃料と空気の混合度の予測結果に示されたように、図2に記載された本発明の実施例であるガスタービン燃焼器の構造では、まず、燃料噴射ノズル10から噴射された燃料40の噴流は、この燃料40の周囲を包み込むようにして供給される一次空気41と共に混合気噴射ノズル20の孔に供給されて燃料40の噴流と一次空気41との同軸噴流を形成するので、前記混合気噴射ノズル20の孔の内部にて燃料40と一次空気41とが混合した同軸噴流の混合気が形成される。
As shown in the prediction result of the degree of mixing of fuel and air shown in FIG. 9, in the structure of the gas turbine combustor according to the embodiment of the present invention shown in FIG. The jet of the injected
更に前記混合気噴射ノズル20から噴出された混合気の噴流は、この混合気の周囲を包み込むようにして供給される二次空気42と共に前記混合気噴射ノズル20の下流側に設置された空気孔プレート31の空気孔30の孔に供給されて混合気と二次空気42との同軸噴流を形成するので、前記空気孔30の孔の内部にて混合気と二次空気42とが混合した同軸噴流の混合気が形成される。
Furthermore, the jet of the air-fuel mixture ejected from the air-fuel
そして前記空気孔30の空気孔出口から下流側の燃焼室190に噴出される際にこの二次空気42と混合した同軸噴流の混合気の流れは急拡大するので混合気の流れに乱れが発生し、燃料と空気の混合が更に促進される。
When the jet of air from the outlet of the
つまり、燃料噴射ノズル10と、混合気噴射ノズル20と、空気孔30の各軸心をそれぞれ同軸状に配置して、燃料と一次空気及び二次空気との同軸噴流を形成することによって、燃料噴流は混合気噴射ノズル20の内部及び空気孔30の内部で燃料と空気との同軸噴流の混合促進効果と、混合気噴射ノズル20の出口及び空気孔30の出口から燃料と空気との混合気がそれぞれ下流側に噴出した際の混合気の流れの急拡大による混合促進効果の2つの効果を得るものとなる。
That is, the
そして燃料噴射ノズル10から噴射された燃料40は、一次空気41と混合気噴射ノズル20の内部での混合及び混合気噴射ノズル20の出口から混合気として噴出する際の混合促進効果と、この混合気が混合気噴射ノズル20の下流側に設置された空気孔30の内部での混合及び空気孔30の出口から混合気として噴出する際の混合促進効果により、空気孔30の下流側となる燃焼室190の内部に、燃料と空気とが非常に良く混合されて均一な濃度の混合気を形成することができるものと考えられる。
Then, the
上記した2つの混合促進効果が得られる結果、図2に示した本発明の実施例のガスタービン燃焼器においては、燃焼室190の内部に均一な濃度の混合気を噴射して燃焼させることが可能となる。 As a result of obtaining the above-described two mixing promotion effects, in the gas turbine combustor according to the embodiment of the present invention shown in FIG. It becomes possible.
そして、この均一な濃度の混合気が燃焼して生成される燃焼ガス中に局所的に火炎温度が上昇する高温場が発生することを抑制でき、ガスタービン燃焼器から排出されるNOx排出量の大幅な低減を図ることが可能となる。 And it can suppress that the high temperature field where a flame temperature rises locally generate | occur | produces in the combustion gas produced | generated when this air-fuel mixture of a uniform density | concentration burns, and NOx discharge amount discharged | emitted from a gas turbine combustor A significant reduction can be achieved.
前記した図2に示した本発明の実施例のガスタービン燃焼器においては、図2(b)に示したように空気孔プレート31には環状に3列に配列した複数個の空気孔30が形成されている。
In the gas turbine combustor according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 2, the
前記空気孔30から噴出される混合気は前述したように均一な濃度に良く混合されているため、この空気孔30から燃焼室190に噴出された混合気を燃焼させた場合にも燃焼室190内に局所的な火炎温度上昇が生じることが抑制できる。
Since the air-fuel mixture ejected from the air holes 30 is well mixed in a uniform concentration as described above, the
よって空気孔プレート31に形成する空気孔30の数は、保炎形態に応じた最適な空気孔配列と数量にすることが可能となる。
Therefore, the number of the air holes 30 formed in the
また、ガスタービン燃焼器に設置される燃料噴射ノズル10、混合気噴射ノズル20、及び空気孔30は、ガスタービンの負荷上昇に応じて内部を流れる燃料及び空気の流体量が徐々に増加していくが、管内流速増加による圧力損失の増大を防ぐために前記ノズル及び空気孔の各孔の内径はその入口側から出口側にかけて徐々に増加するように前記孔を形成することが望ましい。
In addition, the
また図8に示す同軸噴流混合度の可視化試験の結果から、燃料と空気の混合度はX/φD=4、つまり、空気孔出口からの距離が空気孔径の2倍の距離付近で混合度の値が一定値に漸近される。 Further, from the result of the coaxial jet mixing degree visualization test shown in FIG. 8, the mixing degree of fuel and air is X / φD = 4, that is, the mixing degree is around the distance that is twice the air hole diameter from the air hole outlet. The value is asymptotic to a constant value.
そのため、図9に示した本発明の実施例のガスタービン燃焼器における混合気噴射ノズル20の出口と空気孔30の入口との間の軸方向間隙は、混合気噴射ノズル20の内径Dnに対して2倍以上の長さの間隔に設定することが望ましい。
Therefore, the axial gap between the outlet of the
上記した本発明の実施例によれば、燃料と空気とを同軸の噴流として燃焼室に供給して燃焼させる同軸噴流燃焼方式のものにおいて、同軸に噴流させる燃料と空気とを均一に混合させて両者の混合度を高め、NOx排出量の大幅な低減を可能にした燃焼装置及びガスタービン燃焼器が実現できる。 According to the above-described embodiment of the present invention, in the coaxial jet combustion system in which fuel and air are supplied to the combustion chamber as a coaxial jet and burned, the fuel and air to be jetted coaxially are mixed uniformly. A combustion apparatus and a gas turbine combustor that can increase the degree of mixing of both and greatly reduce NOx emissions can be realized.
次に図3を用いて本発明の他の実施例であるガスタービン燃焼器の部分構造について説明する。 Next, a partial structure of a gas turbine combustor according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図3(a)は、図2と同様にガスタービン燃焼器1に設置された燃料噴射ノズル10と第一空気孔22及び空気孔30の周辺部分を拡大した部分断面図であり、図3(b)は図3(a)のB−B方向の矢視図である。
3A is a partial cross-sectional view in which the peripheral portions of the
図3に示した本実施例のガスタービン燃焼器1の構成は、図1乃至図2に示した先の実施例のガスタービン燃焼器1の構成と基本構成が共通しているので、本実施例では両者に共通した構成の説明は省略して相違した構成についてのみ以下に説明する。
The configuration of the
図3に示した本実施例のガスタービン燃焼器1においては、混合気ヘッダ21に混合気噴射ノズルに替えて第一空気孔22が設けられている点が、図2に示した先の実施例のガスタービン燃焼器1の構造と相違している。
In the
図3に示した本実施例のガスタービン燃焼器1では、燃料40は燃料ヘッダ11に複数個設置された燃料噴射ノズル10から、混合気ヘッダ21に複数個設置された第一空気孔22の孔の中心に向かって同軸方向の燃料噴流として噴射される。
In the
これらの燃料噴射ノズル10から噴射された燃料40の噴流は、燃料40の周囲を包み込むようにして第一空気孔22の孔に供給される一次空気41と共に第一空気孔22の孔の内部に供給されて燃料と空気との同軸噴流を形成するので、前記第一空気孔22の孔の内部にて燃料と空気とが混合した同軸噴流の混合気が形成される。
The jets of the
前記第一空気孔22の孔の内部にて形成された燃料と空気とが混合した同軸噴流の混合気は、第一空気孔22の孔から下流側に噴出されるが、この第一空気孔22の出口から下流側に噴出された際にこの同軸噴流の混合気の流れが急拡大するので混合気の流れに乱れが発生し、燃料40と一次空気41との混合が促進される。
An air-fuel mixture of a coaxial jet formed by mixing fuel and air formed inside the
更に空気孔プレート31に設けた第二空気孔となる空気孔30の中心に向かって噴出された前記燃料40と一次空気41との混合気は、その混合気を周囲から包み込むようにして供給される二次空気42と共に第二空気孔となる空気孔30に導入されて前記混合気と二次空気42との同軸噴流を形成するので、この空気孔30の孔内で前記燃料40と一次空気41との混合気は二次空気42によって更に混合されて希薄な混合気となる。
Further, the air-fuel mixture of the
そして、更に混合された希薄な混合気は前記空気孔30の孔の出口から下流側の燃焼室内190に噴出される。
Further, the further mixed lean air-fuel mixture is ejected from the outlet of the
混合気が、燃焼室190内に噴出された際に流れが急拡大するので前記希薄な混合気の流れに乱れが発生し、希薄な混合気と二次空気42との混合が更に促進されて希薄で均一な混合気が形成されることになる。
When the air-fuel mixture is ejected into the
そして、前記燃焼室190に導入された同軸噴流の希薄で均一な予混合気はこの燃焼室190内で燃焼する。
The lean and uniform premixed gas of the coaxial jet introduced into the
この希薄で均一な予混合気では、局所的に燃料濃度が濃い領域の生成が抑制されていることから、前記予混合気を燃焼させた場合にも局所的な高温場を発生させることなく燃焼室190内に良好な火炎を形成して均一な高温高圧の燃焼ガス191を生成させることが出来る。
In this lean and uniform premixed gas, the generation of a region where the fuel concentration is locally high is suppressed. Therefore, even when the premixed gas is burned, it is burned without generating a local high temperature field. A good flame can be formed in the
図3に示した本実施例のガスタービン燃焼器1における燃料40と一次空気41及び二次空気42の混合形態は、図2に示した先の実施例のガスタービン燃焼器1とほぼ同様である。
The mixing form of the
図3の実施例のガスタービン燃焼器1では、混合気噴射ノズル20に替わって第一空気孔22を設けることで、ガスタービン燃焼器の構造が簡素化されるので製作コストを低減させることが可能となる。
In the
具体的には、図3に示した本実施例のガスタービン燃焼器1の場合では、混合気ヘッダ21にドリル等で孔加工を施すだけで、前記燃料噴射ノズル10と同軸の複数の第一空気孔22を簡単に設けることができる。
Specifically, in the case of the
図3に示した本実施例のガスタービン燃焼器1の場合でも、前記空気孔30から噴出される混合気は前述したように均一な濃度に良く混合されているため、この空気孔30から燃焼室190に噴出された混合気を燃焼させた場合にも燃焼室190内に局所的な火炎温度上昇が生じることが抑制できる。
Even in the case of the
よって空気孔プレート31に形成する空気孔30の数は多数個設置する必要がなく、保炎形態に応じた最適な空気孔配列と数量にすることが可能となる。
Therefore, it is not necessary to install a large number of
また、本実施例のガスタービン燃焼器に設置される燃料噴射ノズル10、第一空気孔22、及び第二空気孔となる空気孔30は、ガスタービンの負荷上昇に応じて内部を流れる燃料及び空気の流体量が徐々に増加していく。
Further, the
管内流速増加による圧力損失の増大を防ぐために前記ノズル及び空気孔の各孔の内径はその入口側から出口側にかけて徐々に増加するように前記孔を形成することが望ましい。 In order to prevent an increase in pressure loss due to an increase in flow velocity in the pipe, it is desirable to form the holes so that the inner diameters of the nozzle and air holes gradually increase from the inlet side to the outlet side.
また図8に示す同軸噴流混合度の可視化試験の結果から、燃料と空気の混合度はX/φD=4、つまり、空気孔出口からの距離が空気孔径の2倍の距離付近で混合度の値が一定値に漸近される。 Further, from the result of the coaxial jet mixing degree visualization test shown in FIG. 8, the mixing degree of fuel and air is X / φD = 4, that is, the mixing degree is around the distance that is twice the air hole diameter from the air hole outlet. The value is asymptotic to a constant value.
そのため、図3に示した本実施例のガスタービン燃焼器における第一空気孔22の出口と第二空気孔の空気孔30の入口との間の軸方向間隙は、第一空気孔22の内径Dnに対して2倍以上の長さの間隔に設定することが望ましい。
Therefore, the axial gap between the outlet of the
上記した本発明の実施例によれば、燃料と空気とを同軸の噴流として燃焼室に供給して燃焼させる同軸噴流燃焼方式のものにおいて、同軸に噴流させる燃料と空気とを均一に混合させて両者の混合度を高め、NOx排出量の大幅な低減を可能にした燃焼装置及びガスタービン燃焼器が実現できる。 According to the above-described embodiment of the present invention, in the coaxial jet combustion type in which fuel and air are supplied to the combustion chamber as a coaxial jet and burned, the fuel and air to be jetted coaxially are mixed uniformly. A combustion apparatus and a gas turbine combustor that can increase the degree of mixing of both and greatly reduce NOx emissions can be realized.
次に図4を用いて本発明の更に他の実施例であるガスタービン燃焼器の部分構造について説明する。 Next, a partial structure of a gas turbine combustor which is still another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図4(a)は、図2と同様にガスタービン燃焼器1に設置された燃料噴射ノズル10と第一空気孔22及び空気孔30の周辺部分を拡大した部分断面図であり、図4(b)は図4(a)のC−C方向の矢視図である。
4A is a partial cross-sectional view in which the peripheral portions of the
図4に示した本実施例のガスタービン燃焼器1の構成は、図1乃至図2に示した先の実施例のガスタービン燃焼器1の構成と基本構成が共通しているので、本実施例では両者に共通した構成の説明は省略して相違した構成についてのみ以下に説明する。
The configuration of the
図4に示した本実施例のガスタービン燃焼器1においては、混合気ヘッダ21に混合気噴射ノズルに替えて第一空気孔22を設け、更にこの第一空気孔22の下流側に予混合ヘッダ23を配設してこの予混合ヘッダ23内の混合気を混合気噴射ノズル20を通じて噴射するようにした点が、図2に示した先の実施例のガスタービン燃焼器1の構造と相違している。
In the
そして本実施例のガスタービン燃焼器1では、燃料噴射ノズル10と、第一空気孔22の孔と、混合気噴射ノズル20と、空気孔プレート31に設けた第二空気孔となる空気孔30の孔とが同軸上に位置するように配置されている。
In the
図4に示した本実施例のガスタービン燃焼器1では、燃料40は燃料ヘッダ11に複数個設置された燃料噴射ノズル10から、混合気ヘッダ21に複数個設置された第一空気孔22の孔の中心に向かって同軸方向の燃料噴流として噴射される。
In the
これらの燃料噴射ノズル10から噴射された燃料40の噴流は、燃料40の周囲を包み込むようにして第一空気孔22の孔に供給される一次空気41と共に第一空気孔22の孔の内部に供給されて燃料と空気との同軸噴流を形成するので、前記第一空気孔22の孔の内部にて燃料と空気とが混合した同軸噴流の混合気が形成される。
The jets of the
前記第一空気孔22の孔の内部にて形成された燃料と空気とが混合した同軸噴流の混合気は、第一空気孔22の孔から下流側に噴出される。
An air-fuel mixture of a coaxial jet formed by mixing fuel and air formed inside the
第一空気孔22の下流側に予混合ヘッダ23が設けられているので、第一空気孔22の出口から前記予混合ヘッダ23内に噴出されたこの同軸噴流の混合気はその流れが急拡大して混合気の流れに乱れが発生し、燃料40と一次空気41との混合が促進される。
Since the
しかも、第一空気孔22の下流側に予混合ヘッダ23を設けたことで、第一空気孔22から噴出された直後の混合気はその周囲を二次空気42によって包み込まれること無く、予混合ヘッダ23内で混合気の流れが大きく拡大されるために、この混合気を形成する燃料40と一次空気41との混合がより促進される。
In addition, by providing the
また予混合ヘッダ23内で燃料40と一次空気41を滞留させることになるので混合時間が長くなり、この混合気を形成する燃料40と一次空気41との更なる混合促進を図ることも可能となる。
Further, since the
更に前記予混合ヘッダ23から混合気噴射ノズル20を通じて空気孔プレート31に設けた第二空気孔となる空気孔30の中心に向かって噴出された前記燃料40と一次空気41との混合気は、その混合気を周囲から包み込むようにして供給される二次空気42と共に第二空気孔となる空気孔30に導入されて前記混合気と二次空気42との同軸噴流を形成する。
Furthermore, the mixture of the
この空気孔30の孔内において、前記燃料40と一次空気41との混合気は二次空気42によって更に混合されて希薄な混合気となる。
In the
そして、この更に混合された希薄な混合気は前記空気孔30の孔の出口から下流側の燃焼室内190に噴出される。
The further mixed lean air-fuel mixture is ejected from the outlet of the
混合気は、燃焼室190内に噴出された際に流れが急拡大するので前記希薄な混合気の流れに乱れが発生し、希薄な混合気と二次空気42との混合が更に促進されて希薄で均一な混合気が形成されることになる。
When the air-fuel mixture is ejected into the
そして、前記燃焼室190に導入された同軸噴流の希薄で均一な予混合気はこの燃焼室190内で燃焼する。
The lean and uniform premixed gas of the coaxial jet introduced into the
この希薄で均一な予混合気では、局所的に燃料濃度が濃い領域の生成が抑制されていることから、予混合気を燃焼させた場合にも局所的な高温場を発生させることなく燃焼室190内に良好な火炎を形成して均一な高温高圧の燃焼ガス191を生成させることが出来る。
In this lean and uniform premixed gas, the generation of a region where the fuel concentration is locally high is suppressed. Therefore, even when the premixed gas is burned, the combustion chamber does not generate a local high temperature field. A good flame can be formed in 190, and uniform high-temperature and high-
図4に示した本実施例のガスタービン燃焼器1の場合でも、前記空気孔30から噴出される混合気は前述したように均一な濃度に良く混合されているため、この空気孔30から燃焼室190に噴出された混合気を燃焼させた場合にも燃焼室190内に局所的な火炎温度上昇が生じることが抑制できる。
Even in the case of the
よって空気孔プレート31に形成する空気孔30の数は多数個設置する必要がなく、保炎形態に応じた最適な空気孔配列と数量にすることが可能となる。
Therefore, it is not necessary to install a large number of
また、本実施例のガスタービン燃焼器に設置される燃料噴射ノズル10、第一空気孔22、混合気噴射ノズル20、及び第二空気孔となる空気孔30は、ガスタービンの負荷上昇に応じて内部を流れる燃料及び空気の流体量が徐々に増加していく。
Further, the
管内流速増加による圧力損失の増大を防ぐために前記ノズル及び空気孔の各孔の内径はその入口側から出口側にかけて徐々に増加するように前記孔を形成することが望ましい。 In order to prevent an increase in pressure loss due to an increase in flow velocity in the pipe, it is desirable to form the holes so that the inner diameters of the nozzle and air holes gradually increase from the inlet side to the outlet side.
また図8に示す同軸噴流混合度の可視化試験の結果から、燃料と空気の混合度はX/φD=4、つまり、空気孔出口からの距離が空気孔径の2倍の距離付近で混合度の値が一定値に漸近される。 Further, from the result of the coaxial jet mixing degree visualization test shown in FIG. 8, the mixing degree of fuel and air is X / φD = 4, that is, the mixing degree is around the distance that is twice the air hole diameter from the air hole outlet. The value is asymptotic to a constant value.
そのため、図4に示した本実施例のガスタービン燃焼器における混合気噴射ノズル20の出口と第二空気孔となる空気孔30の入口との間の軸方向間隙は、混合気噴射ノズル20の内径Dnに対して2倍以上の長さの間隔に設定することが望ましい。
Therefore, the axial gap between the outlet of the
上記した本発明の実施例によれば、燃料と空気とを同軸の噴流として燃焼室に供給して燃焼させる同軸噴流燃焼方式のものにおいて、同軸に噴流させる燃料と空気とを均一に混合させて両者の混合度を高め、NOx排出量の大幅な低減を可能にした燃焼装置及びガスタービン燃焼器が実現できる。 According to the above-described embodiment of the present invention, in the coaxial jet combustion system in which fuel and air are supplied to the combustion chamber as a coaxial jet and burned, the fuel and air to be jetted coaxially are mixed uniformly. A combustion apparatus and a gas turbine combustor that can increase the degree of mixing of both and greatly reduce NOx emissions can be realized.
次に図5を用いて本発明の別の実施例であるガスタービン燃焼器の部分構造について説明する。 Next, the partial structure of the gas turbine combustor which is another Example of this invention is demonstrated using FIG.
図5(a)は、図4と同様にガスタービン燃焼器1に設置された燃料ノズル10と第一空気孔22及び空気孔30の周辺部分を拡大した部分断面図であり、図5(b)は図5(a)のD−D方向の矢視図である。
FIG. 5A is an enlarged partial cross-sectional view of the peripheral portion of the
図5に示した本実施例のガスタービン燃焼器1の構成は、図4に示した先の実施例のガスタービン燃焼器1の構成と基本構成が共通しているので、本実施例では両者に共通した構成の説明は省略して相違した構成についてのみ以下に説明する。
The configuration of the
図5に示した本実施例のガスタービン燃焼器1においては、混合気ヘッダ21に設けた第一空気孔22の下流側に予混合ヘッダ23が配置されている。
In the
そして、予混合ヘッダ23から混合気を噴射する混合気噴射ノズル20が該予混合ヘッダ23に対して複数個設置させて、燃料噴射ノズル10の本数よりも混合気噴射ノズル20の本数を多く配設する構造となっている点が、図4に示した先の実施例のガスタービン燃焼器1の構造と相違している。
A plurality of the
そして本実施例のガスタービン燃焼器1では、燃料噴射ノズル10と、第一空気孔22の孔との中心軸は同軸上に位置するように配置され、また、混合気噴射ノズル20と、空気孔プレート31に設けた第二空気孔となる空気孔30の孔との中心軸は同軸上に位置するように配置されている。
In the
但し、前記第一空気孔22の孔と混合気噴射ノズル20との中心軸は異なる軸線上に位置するように配置されている。
However, the center axis | shaft of the hole of the said
尚、図5に示した本実施例のガスタービン燃焼器1における燃料40、一次空気41、二次空気42、混合気の噴射状況は図4に示した本実施例のガスタービン燃焼器1の場合と同様なので、ここではそれらの噴射状況の説明を省略する。
The injection state of the
ところで、図4に示した先の実施例のガスタービン燃焼器1では、燃料噴射ノズル10、予混合ヘッダ23、第二空気孔30はそれぞれ対になっているので各々の数は等しい構成となっている。
By the way, in the
予混合ヘッダ23内に於ける燃料40と一次空気41との混合気の拡大流による混合促進の観点からみると、予混合ヘッダ23のサイズは混合気が充分拡大できるよう大きくする必要があり、必然的に図4(b)に示したように第二空気孔となる空気孔30の数は少なくなる。
From the viewpoint of promoting the mixing of the
このため、第二空気孔30から燃焼室190に噴射される混合気の混合度を燃焼室190内の全域に亘って均一にする場合、第二空気孔となる空気孔30の数の減少がある程度制約となり得る。
For this reason, when the mixture of the air-fuel mixture injected from the second air holes 30 into the
そのため、空気孔30から噴射されたこの混合気が燃焼室190内で燃焼して生成される火炎に空間的な偏りが生じる可能性もある。
For this reason, there is a possibility that a spatial bias occurs in the flame generated by burning the air-fuel mixture injected from the
そこで、図5に示した本実施例のガスタービン燃焼器1では、前記したように一つの予混合ヘッダ23に複数の混合気噴射ノズル20を配置した構成にした。
Therefore, the
そして、予混合ヘッダ23内に於ける燃料40と一次空気41の混合気の拡大流による混合促進効果を維持させたまま、数を増加させて配設した第二空気孔となる空気孔30にてこの混合気と二次空気42とを混合させ、この混合した混合気を前記空気孔30から燃焼室190に噴射させるようにしている。
Then, while maintaining the effect of promoting the mixing by the expanded flow of the mixture of the
そのため、この混合気が燃焼室190内で燃焼して生成される火炎に空間的な偏りが生じることが抑制できる。
Therefore, it is possible to suppress the occurrence of a spatial bias in the flame generated by burning the air-fuel mixture in the
また、第二空気孔となる空気孔30に比較して燃料噴射ノズル10と第一空気孔22の数を減少させて配置することが可能となるので、燃焼装置の製作コストを低減させることも可能である。
In addition, since the number of the
上記した本発明の実施例によれば、燃料と空気とを同軸の噴流として燃焼室に供給して燃焼させる同軸噴流燃焼方式のものにおいて、同軸に噴流させる燃料と空気とを均一に混合させて両者の混合度を高め、NOx排出量の大幅な低減を可能にした燃焼装置及びガスタービン燃焼器が実現できる。 According to the above-described embodiment of the present invention, in the coaxial jet combustion system in which fuel and air are supplied to the combustion chamber as a coaxial jet and burned, the fuel and air to be jetted coaxially are mixed uniformly. A combustion apparatus and a gas turbine combustor that can increase the degree of mixing of both and greatly reduce NOx emissions can be realized.
次に図6を用いて本発明の更に別の実施例であるガスタービン燃焼器の部分構造について説明する。 Next, a partial structure of a gas turbine combustor which is still another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図6(a)は、図4と同様にガスタービン燃焼器1に設置された燃料ノズル10と第一空気孔22及び空気孔30の周辺部分を拡大した部分断面図であり、図6(b)は図6(a)のE−E方向の矢視図である。
FIG. 6A is a partial cross-sectional view in which the peripheral portions of the
図6に示した本実施例のガスタービン燃焼器1の構成は、図4に示した先の実施例のガスタービン燃焼器1の構成と基本構成が共通しているので、本実施例では両者に共通した構成の説明は省略して相違した構成についてのみ以下に説明する。
The configuration of the
図6に示した本実施例のガスタービン燃焼器1においては、燃料ヘッダ11に設置した燃料噴射ノズル10の数に対応させて、該燃料噴射ノズル10の下流側の混合気ヘッダ21に第一空気孔22をそれぞれ配置している。
In the
また、第一空気孔22の下流側となる混合気ヘッダ21には予混合ヘッダ23が配置されている。
A
この予混合ヘッダ23の個数は前記第一空気孔22が複数本当たり、例えば2本当たりにつき一個の予混合ヘッダ23が配置できるように設置させて、燃料噴射ノズル10の本数よりも混合気噴射ノズル20の本数を少なく配設する構造となっている点が、図4に示した先の実施例のガスタービン燃焼器1の構造と相違している。
The number of the
そして本実施例のガスタービン燃焼器1では、燃料噴射ノズル10と、第一空気孔22の孔との中心軸は同軸上に位置するように配置され、また、混合気噴射ノズル20と、空気孔プレート31に設けた第二空気孔となる空気孔30の孔との中心軸は同軸上に位置するように配置されている。
In the
但し、前記第一空気孔22の孔と混合気噴射ノズル20との中心軸は異なる軸線上に位置するように配置されている。
However, the center axis | shaft of the hole of the said
尚、図6に示した本実施例のガスタービン燃焼器1における燃料40、一次空気41、二次空気42、混合気の噴射状況は図4に示した本実施例のガスタービン燃焼器1の場合と同様なので、ここではそれらの噴射状況の説明を省略する。
The injection state of the
図6に示した本実施例のガスタービン燃焼器1では、前記したように一つの予混合ヘッダ23に複数の第一空気孔22を配置した構成にして、この予混合ヘッダ23に燃料40と一次空気41の混合気を導入させ、前記予混合ヘッダ23から混合気を噴射する混合気噴射ノズル20の本数を燃料噴射ノズル10の本数よりも少なく配置した構造としている。
In the
そこで、図6に示した本実施例のガスタービン燃焼器1では、前記したように一つの予混合ヘッダ23に1個の混合気噴射ノズル20を配置した構成にする。
Therefore, the
予混合ヘッダ23内に於ける燃料40と一次空気41の混合気の拡大流による混合促進効果を維持させたまま、第二空気孔となる空気孔30にこの混合気と二次空気42とを混合させ、この混合した混合気を前記空気孔30から燃焼室190に噴射させるようにしたので、この混合気が燃焼室190内で燃焼して生成される火炎に空間的な偏りが生じることが抑制できる。
While maintaining the effect of promoting the mixing by the expanded flow of the mixture of the
このように、図6に示した本実施例のガスタービン燃焼器1では予混合ヘッダ23の容量を大きく形成することができ、予混合ヘッダ23の下流部に設ける混合気噴射ノズル20の配置の自由度を大きく取ることができる。
As described above, in the
そして、保炎の観点から第二空気孔となる空気孔30の数と位置を最適に配置して燃料安定性を向上させることが可能である。 From the viewpoint of flame holding, the number and positions of the air holes 30 serving as the second air holes can be optimally arranged to improve the fuel stability.
また混合気噴射ノズル20と第二空気孔となる空気孔30の数を減少させることができるので、ガスタービン燃焼器の製作コストを低減させることも可能である。
Moreover, since the number of the air-fuel
上記した本発明の実施例によれば、燃料と空気とを同軸の噴流として燃焼室に供給して燃焼させる同軸噴流燃焼方式のものにおいて、同軸に噴流させる燃料と空気とを均一に混合させて両者の混合度を高め、NOx排出量の大幅な低減を可能にした燃焼装置及びガスタービン燃焼器が実現できる。 According to the above-described embodiment of the present invention, in the coaxial jet combustion system in which fuel and air are supplied to the combustion chamber as a coaxial jet and burned, the fuel and air to be jetted coaxially are mixed uniformly. A combustion apparatus and a gas turbine combustor that can increase the degree of mixing of both and greatly reduce NOx emissions can be realized.
次に図7を用いて本発明の他の別の実施例であるガスタービン燃焼器の部分構造について説明する。 Next, a partial structure of a gas turbine combustor according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図7(a)は、ガスタービン燃焼器1に設置された燃料ノズル10と混合気噴射ノズル20及び空気孔30の周辺部分を示す部分断面図であり、図7(b)は図7(a)のE−E方向の矢視図である。
FIG. 7A is a partial cross-sectional view showing a peripheral portion of the
図7に示した本実施例のガスタービン燃焼器1の構成は、図2に示した実施例のガスタービン燃焼器1における燃料噴射ノズル10を有する燃料ヘッダ11と、混合気噴射ノズル20を有する混合気ヘッダ21とを備えた構造のバーナを1つのモジュールとして、これらのバーナを図7(b)に示したように複数個組み合わせて、中心に1個、その外周側に離間させて6個を環状に配設させて、空気孔30を有する空気孔プレート31の上流側に配置し、これらのモジュールの下流側に空気孔30又は第二空気孔を有する共通の空気孔プレート31を備えさせて1基のガスタービン燃焼器1を構成している。
The configuration of the
前記複数個のバーナに燃料を供給する燃料流量調整弁182を有する燃料系統180も前記バーナの個数に合わせて分岐して配設されており、ガスタービンの負荷に応じて燃料を燃焼させるバーナ本数を制御することで、燃料流量が大きく変わるガスタービンの起動条件から100%負荷条件まで、ガスタービン燃焼器を安定に燃焼を継続させることが可能である。
A
また、前記バーナに設置する燃料ノズルの本数を増減させたバーナを採用することで、ガスタービン燃焼器の1缶当たりの容量が異なるガスタービン燃焼器を比較的容易に提供することが可能である。 Further, by adopting a burner in which the number of fuel nozzles installed in the burner is increased or decreased, it is possible to provide a gas turbine combustor having a different capacity per can of the gas turbine combustor relatively easily. .
また、本実施例のガスタービン燃焼器1には図2に示したモジュールのバーナ構造を採用した構造を示したが、これ以外にも図3乃至図6に示された各バーナ構造のモジュールを採用することができる。
Further, the
上記した本発明の実施例によれば、燃料と空気とを同軸の噴流として燃焼室に供給して燃焼させる同軸噴流燃焼方式のものにおいて、同軸に噴流させる燃料と空気とを均一に混合させて両者の混合度を高め、NOx排出量の大幅な低減を可能にした燃焼装置及びガスタービン燃焼器が実現できる。 According to the above-described embodiment of the present invention, in the coaxial jet combustion system in which fuel and air are supplied to the combustion chamber as a coaxial jet and burned, the fuel and air to be jetted coaxially are mixed uniformly. A combustion apparatus and a gas turbine combustor that can increase the degree of mixing of both and greatly reduce NOx emissions can be realized.
本発明は、ガスタービン燃焼器に適用できるだけでなく、燃料電池に搭載される燃料改質用燃焼器、ボイラ用燃焼器、温風暖房機や焼却炉など、メタン等の気体燃料を燃焼させる燃焼装置にも適用できる。 The present invention can be applied not only to a gas turbine combustor but also to combust gas fuel such as methane, such as a fuel reforming combustor, a boiler combustor, a hot air heater and an incinerator mounted on a fuel cell. It can also be applied to devices.
10:燃料噴射ノズル、11:燃料ヘッダ、20:混合気噴射ノズル、22:第一空気孔、23:予混合ヘッダ、30:(第二)空気孔、31:空気孔プレート、50:隔壁、110:空気圧縮機、120:高圧空気流、130:ディフューザ、140:車室、150:尾筒、151:尾筒フロースリーブ、160:ライナ、161:外筒、180:燃料系統、181:燃料ポンプ、182:燃料流量調節弁、190:燃焼室、191:燃焼ガス流れ、200:タービン、210:発電機。 10: Fuel injection nozzle, 11: Fuel header, 20: Mixture injection nozzle, 22: First air hole, 23: Premix header, 30: (Second) air hole, 31: Air hole plate, 50: Partition wall, 110: air compressor, 120: high pressure air flow, 130: diffuser, 140: passenger compartment, 150: tail cylinder, 151: tail cylinder flow sleeve, 160: liner, 161: outer cylinder, 180: fuel system, 181: fuel Pump, 182: Fuel flow control valve, 190: Combustion chamber, 191: Combustion gas flow, 200: Turbine, 210: Generator.
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