JP4934696B2 - バーナ及び燃焼器 - Google Patents

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Description

本発明はガスタービン設備に用いるバーナ及び燃焼器に関する。
エネルギー資源の問題や環境問題が注目されるようになって各分野で長期間に渡って様々な取り組みがなされてきた。ガスタービンにおいても燃焼器から排出される燃焼ガスの高温化による高効率化や低NOx燃焼に対する技術開発が行われ目覚しい進歩を遂げているが、NOx排出量の規制はますます厳しくなってきておりNOx排出量の更なる低減が急務である。
この一環として、空気孔に燃料を噴射して燃料と空気の同軸噴流を形成し、燃焼室に供給するガスタービン燃焼器が開示されている(特許文献1等参照)。
特開2003−148734号公報
ガスタービン燃焼器では、拡散燃焼型燃焼器から予混合燃焼型燃焼器に移行することによって大幅にNOx排出レベルが低減した。しかし、ガスタービンは起動から定格負荷まで幅広い条件で運転を行う必要があるため、燃焼器中央部には燃焼安定性の高いパイロットバーナが配置される。特許文献1のガスタービン燃焼器では、パイロットバーナは同心円状の2列の空気孔を備えているが、バーナの適用対象によって消費する燃料や供給する空気量は大きく異なってくる。ガスタービン燃焼器では発電出力の増大に伴って空気供給量、燃料流量とも増加するため燃焼器全体を大きくする必要があり、その結果バーナもサイズアップする必要がある。しかし、バーナを相似拡大すると空気孔径が大きくなり、燃料と空気を予混合させる空気孔容積の増大によって混合性能が低下する恐れがある。したがって、特許文献1のようなバーナをサイズアップする場合、相似拡大ではなく燃料ノズル及び空気孔を増設することが有効である。
しかしながら、特許文献1のバーナでは空気孔と燃焼ノズルが1対1の対応関係にある。例えば18本の燃料ノズルを有するバーナをパイロットバーナとし、さらに同型のバーナをパーロットバーナの周囲に6缶配置した場合、燃焼器1缶当たり126本の燃料ノズルが必要になる。この場合、ガスタービンに10缶の燃焼器を配置するなら燃料ノズルは1200を超えてしまい、部品点数の大幅な増加により、制作上、メンテナンス上問題となる可能性がある。
本発明は上記の事情に鑑みなされたもので、大型化に伴う燃料ノズルの増加を抑え、かつ燃料ノズルの本数を抑えながらも燃焼安定性を維持することができるバーナ及び燃焼器を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、燃焼ガスを生成する燃焼室の燃焼ガスの上流側に設けた複数の空気孔を有する空気孔部材と、バーナ軸に交差する方向から前記複数の空気孔のうちの2つ以上の空気孔に燃料を噴出する第1燃料ノズルと、残りの各空気孔に対してそれぞれ1つずつ設けられバーナ軸に沿う方向から対応の空気孔に燃料を噴出する複数の第2燃料ノズルと、前記第1燃料ノズル及び前記第2燃料ノズルに燃料を分配する燃料ヘッダと、前記燃料ヘッダ、前記第1燃料ノズル及び前記第2燃料ノズルを覆い空気流入孔を有する燃料ヘッダ収納部とを備える。
本発明によれば、大型化に伴う燃料ノズルの増加を抑え、かつ燃料ノズルの本数を抑えながらも燃焼安定性を維持することができる。
実施例1に係るバーナの概略構成図である。 図1(b)中のZ−Z断面図である。 本発明の実施例2に係るガスタービンの全体構成を示す概略図である。 図3のガスタービンに備えられた燃焼器の燃焼室側から見た断面図である。 図3と異なるパイロットバーナを使用した場合における予混合型ガスタービン燃焼器であって比較例の構成例である。 本発明の実施例3のバーナに備えられた空気孔部材を燃焼室から見た正面図である。 本発明の実施例4のバーナに備えられた空気孔部材を燃焼室から見た正面図である。 本発明の実施例5のバーナに備えられた空気孔部材を燃焼室から見た正面図である。 本発明の実施例7のバーナに備えられた空気孔部材を燃焼室から見た正面図である。 本発明の実施例8のバーナに備えられた空気孔部材を燃焼室から見た正面図である。 本発明の実施例8のバーナにより形成される火炎の模式図である。 本発明の実施例9のバーナに備えられた空気孔部材を燃焼室から見た正面図である。 本発明の実施例10のバーナに備えられた空気孔部材を燃焼室から見た正面図である。 本発明の実施例11のバーナに備えられた空気孔部材を燃焼室から見た正面図である。 本発明の実施例12に係るガスタービン燃焼器の側断面図である。 本発明の実施例12のバーナに備えられた空気孔部材を燃焼室から見た正面図である。 本発明の実施例13のバーナに備えられた空気孔部材を燃焼室から見た正面図である。 本発明の実施例14のバーナに備えられた燃料ノズルの概略構成を示す側断面図である。
以下に図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
本実施形態のバーナは、複数の空気孔を有する空気孔部材と、複数の空気孔に燃料を噴出する第1燃料ノズルと、対応する1つの空気孔に燃料を噴出する複数の第2燃料ノズルと、第1燃料ノズル及び第2燃料ノズルに燃料を分配する燃料ヘッダと、燃料ヘッダ、第1燃料ノズル及び第2燃料ノズルを覆い空気流入孔を有する燃料ヘッダ収納部とを備える。空気孔部材は燃焼ガスを生成する燃焼室の燃焼ガスの上流側に設けられ、空気孔部材の空気孔はバーナ中心軸に対して周方向に傾斜している。第1燃料ノズルは、バーナ軸に交差する方向から2つ以上の空気孔に燃料を同時噴出する。第2燃料ノズルは、残りの各空気孔に対してそれぞれ1つずつ設けられ、バーナ軸に沿う方向から対応の空気孔に燃料を噴出する。
このように、第1燃料ノズルから複数の空気孔に燃料を噴出することで燃料ノズルの本数を抑えることができ、また第1燃料ノズルは複数の空気孔に燃料を噴出する関係上、対象の空気孔の入口中心からオフセットした配置となり対象の空気孔の入口に臨む障害物(燃料ノズル)がなく空気孔入口が大きく開放される。そのため、第1燃料ノズルに対応する空気孔に流入する空気の乱れを抑え当該空気孔内における燃料と空気の混合を抑えることができる。これによって第1燃料ノズルに対応する空気孔の下流域には拡散燃焼火炎が形成され、幅広い運転条件で安定な燃焼特性を確保することができる。また、周囲の第2燃料ノズルは対応の空気孔で十分に空気と予混合されて燃焼室に噴出するので、予混合燃焼領域が大勢を占めNOx排出量も抑えられる。よって、大型化に伴う燃料ノズルの増加を抑え、かつ燃料ノズルの本数を抑えながらも燃焼安定性を維持することができる。
次に具体的実施例を順次説明していく。
図1は実施例1に係るバーナの概略構成図であり、図1(a)はバーナの側断面図、図1(b)は空気孔部材31を燃焼室1から見たバーナの正面図、図1(c)は図1(b)中のY−Y断面図である。図1(a)は図1(b)中のX−X断面図に相当する。
本実施例のバーナ100は、複数の空気孔35を環状に配列してなる空気孔列51及びこの空気孔列51の外周側に複数の空気孔34を同心円状に配列してなる空気孔列52を有する空気孔部材31と、空気孔34,35にそれぞれ燃料(本実施例ではガス燃料)を噴出する燃料ノズル32,33と、燃料ノズル32,33に燃料を分配する燃料ヘッダ30と、燃料ヘッダ30、燃料ノズル32,33を収納し燃料ヘッダ30より上流側に空気流入孔71有する円筒状の燃料ヘッダ収納部70とを備えている。
空気孔部材31は燃焼室1の上流側壁面に配置されている。空気孔34,35の空気流路の中心軸はバーナ100の中心軸に対して周方向の一の側に傾斜している。図1(b)のY−Y断面である図1(c)に空気孔34が周方向に傾斜した状態を図示しているが、空気孔35についても同様である。空気孔34,35は径方向には傾きを持たないため、図1(b)のX−X断面である図1(a)の側面視ではバーナ軸方向に延びているように見える。
以降、空気孔部材31の燃焼室1と反対側の面(図1(a)中の左側の面)の空気孔34,35の開口を空気孔34,35の入口とし、空気孔入口の中心を通り空気孔部材31に対して垂直に形成された軸(バーナ軸に沿う方向の軸)を「空気孔入口の中心軸」と定義する。また、本実施例では空気孔部材31が円板状の部材であるため、空気孔部材31の中心点をバーナ面中心と定義する。
燃料ノズル32,33は燃料噴出態様が異なる。外周側の空気孔34に向かって燃料を噴出する燃料ノズル32は先端部からバーナ軸方向に沿って燃料を噴出し、内周側の空気孔33に向かって燃料を噴出する燃料ノズル33は、外周面に設けた複数の噴出口からバーナ軸方向に向かって径方向外側に傾斜した方向に燃料を噴出する。
燃料ノズル32は対応の空気孔34と1対1の組をなし、燃料ノズル33は1本で複数の空気孔35と組をなす。燃料ノズル32と空気孔34の組合せにおいて、燃料ノズル32の中心軸は空気孔34の空気孔入口の中心軸にほぼ一致している。燃料ノズル33と空気孔35の組合せにおいて、燃料ノズル33の中心軸はバーナ中心軸(空気孔部材31の中心軸に相当)にほぼ一致している。
燃料ヘッダ収納部70の空気流入孔71から流入した空気45は空気孔34,35を通過して燃焼室1に噴出し、バーナ100の下流域に旋回流41を形成する。また、燃料ヘッダ30に流入した燃料42は複数の燃料ノズル32,33に分配される。各燃料ノズル32,33から噴出した燃料噴流は空気孔34,35を通過して空気とともに燃焼室1に流入する。旋回流41の中心には循環流50が生じ低流速領域ができるため、低流速領域を起点に火炎を保持することができる。旋回流41によってNOx排出量が低減される。
図2は図1(b)中のZ−Z断面図であり、内側の空気孔列51と外側の空気孔列52の空気孔を周方向に展開し、対応の燃料ノズル32,33を合わせて図示している。
図2に示したように、燃料ノズル32の先端は空気孔34の空気孔入口に対向して配置されており、空気孔部材31の空気孔入口面よりも上流(燃焼室1と反対側)に位置している。そのため燃料ノズル32と空気孔43の間の空間が、燃料ノズル33と空気孔35のそれよりも狭くなっており、燃料ノズル32から噴出し空気孔34に流入した燃料噴流43は、空気孔34の内部において空気孔34に流入してきた空気45の乱流に取り囲まれた状態で流れ、燃料噴流43と空気45が混合しながら燃焼室1に噴出する。このように空気孔34から燃焼室1に噴出する時点で燃料噴流43と空気45の混合が進んでいるため、空気孔34の下流領域46に形成される火炎は予混合火炎となり、NOx排出量が抑えられる。
一方、燃料ノズル33の先端は円板状の空気孔部材31の中央(中心点付近)に対向しており、空気孔部材31の空気孔入口面よりも上流(燃焼室1と反対側)に位置している。これによって燃料ノズル33の外周面に設置された複数の噴射口から燃料噴流44が分流して噴出し、空気孔35の内壁面に衝突して内壁面に沿って下流側に流れる。燃料ノズル33は空気孔35の入口中心からオフセットしていて空気孔35の対向領域は空気孔34のそれに比べて開けているので、燃料ノズル32と空気孔34の組合せに比べて空気孔35に流入する空気量は相対的に増加するが、空気34に乱れが生じ難いので燃料噴流44は空気45とさほど混合しないまま燃焼室1へ噴出する。つまり燃料ノズル33が空気孔35の空気孔入口に対向していないので空気45の流れを乱す障害物がなく、燃料噴流44と空気45の混合が抑制される。
なお、図2の模式図では燃料噴流44が空気孔35の傾斜面に衝突した状態を図示しているが、燃料噴流44はバーナ中心位置から放射状に噴出し、また空気孔35はバーナ周方向に傾斜するので、実際には燃料噴流44は空気孔35のバーナ軸方向に沿う面に衝突する。
ここで、図2に示した態様から空気孔35の傾斜角や傾斜方向を変更する場合、少なくとも燃料ノズル33から噴出した燃料噴流44が空気孔35の内壁面に衝突する範囲で調整することが望ましい。また、空気孔部材31は、燃料ノズル33から噴出した燃料噴流44が空気孔35の内壁面に衝突する厚みを要する。例えば空気孔35の流路の中心軸と燃料噴流44の中心軸が平行に近付けば空気孔部材31を厚くする必要が生じる場合があるし、空気孔35の流路の中心軸と燃料噴流44の中心軸が垂直に近付けば空気孔部材31を薄くて良い場合もある。
以上のことから、燃料ノズル35から噴出される燃料噴流44は空気孔35を通過する過程で空気45とほとんど混ざり合わずに燃焼室1へ噴出するため、空気孔35の下流領域47には拡散燃焼火炎が形成される。これによって非常に安定した燃焼特性を確保することができ、幅広い運転条件において安定に保炎することができる。
以上、図1(b)及び図2に示すように、空気孔部材31の内側の空気孔列51の空気孔35及び燃焼ノズル33の組と、外側の空気孔列52の空気孔34及び燃焼ノズル32の組を並設したことにより、図2に示すように空気孔部材31の拡散燃焼火炎(下流領域47)の周りを予混合燃焼火炎(下流領域46)が囲むように燃焼火炎が形成される。拡散燃焼領域は安定性が高いため、幅広い条件で安定に燃焼し続けることができる。そして、内側の空気孔列51の空気孔35はバーナ中心軸に対して傾斜角があるため、空気孔35から噴出した燃料噴流44と空気流45は旋回状に燃焼室1に噴出する。そのため空気孔列52の空気孔34から噴出する予混合気はバーナ中央部に形成される拡散燃焼火炎から熱・化学活性種の供給を受けながら予混合燃焼し、燃焼温度の低い条件でも安定燃焼する。すなわち、空気孔35の下流領域47に形成される拡散燃焼領域を基点に非常に安定な火炎が形成され、かつ火炎全体としては予混合燃焼領域が大勢を占めるためNOx排出量を低く抑えることができる。
また、空気孔35をバーナ中心軸に対して傾斜させて旋回流の拡散燃焼領域を形成することで火炎全体としての燃焼安定性が強化されるので、ガスタービン負荷運転の運用範囲を広げることができる。また、窒素分の多い反応性の低い燃料に対しても安定に火炎を保持させることができる。また傾斜させるのは内側の空気孔列51の空気孔35のみでも周囲のバーナに十分な熱及び化学活性種を供給することができるので、十分にパイロットバーナとして役割を果たすことができる。注意点は傾斜角をつけた空気孔35の内壁面に燃料ノズル33からの燃料噴流44が衝突することである。
図1(a)及び図2に示したように燃料ノズル32は先端にテーパをつけずに円筒形状としている。燃料ノズル33に関しては外周面に複数の燃料噴出口が必要であるが、先端形状は図示した態様に限られない。テーパを省略することで製作工数の減少につながるため製作コストを抑えることができる。燃料ノズル32の先端にテーパをつける場合、空気孔34に流入する空気の流れに発生する乱れが小さくなるので、図2に示したよりも燃料ノズル32の先端を空気孔34の入口に近付けることができ、また空気孔34へ流れ込む空気の流路面積を十分に維持し、十分な空気量を確保することができる。
なお、燃料ノズル33の燃料噴出口部に空気孔35に向かう燃料噴流ガイドを設置することが考えられるが、ガイドを設置することによって空気の流れに乱れや流体渦が生じ、燃料噴流44と空気45の混合が促進されて拡散燃焼から予混合燃焼に燃焼特性がやや移行することが予想される。この場合、燃焼安定性は低下するがNOx排出量は減少すると考えられる。
以上のように、燃料ノズル33から複数の空気孔35に燃料を噴出することで燃料ノズルの本数を抑えることができ、また燃料ノズル33は複数の空気孔に燃料を噴出する関係上、対象の空気孔35の入口中心からオフセットした配置となるため対象の空気孔35の入口に臨む障害物(燃料ノズル)がなく空気孔入口が大きく開放されるため、空気孔35に流入する空気45の乱れを抑え空気孔35内における燃料と空気の混合を抑えることができる。これによって空気孔35の下流域47には拡散燃焼火炎が形成され、幅広い運転条件で安定な燃焼特性を確保することができる。また、周囲の燃料ノズル32は空気孔34で十分に空気と予混合されて燃焼室1に噴出するので、予混合燃焼領域が大勢を占めNOx排出量も抑えられる。よって、大型化に伴う燃料ノズルの増加を抑え、かつ燃料ノズルの本数を抑えながらも燃焼安定性を維持することができる。すなわち、ガスタービンの使用条件に沿って適切に燃料ノズル32の本数や位置を選定することで、複数の空気孔に対し、燃料ノズル本数を低減しても燃焼安定性と低NOx排出量を維持することができるバーナを提供することができる。
本実施例は本発明に係るバーナを燃焼器のパイロットバーナとして適用した例である。本実施例では予混合型ガスタービン燃焼器を例示する。
図3は本発明の実施例2に係るガスタービンの全体構成を示す概略図、図4は図3のガスタービンに備えられた燃焼器の燃焼室側から見た断面図である。
空気の供給系統について説明すると、圧縮機5から送られる圧縮空気10はディフューザ7より燃焼器へ流入し、外筒2と燃焼器ライナ3の間を通過する。その空気11の一部は燃焼器ライナ3の冷却空気12として燃焼室1に流入する。また、空気11の残りは燃焼空気13,45としてそれぞれ予混合路22と空気孔部材31を通過して燃焼室1に流入する。燃焼室1の内部で燃料と空気が混合燃焼され、燃焼ガスが生成される。燃焼ガスは燃焼器ライナ3から排出されてタービン6に供給される。
燃料の供給系統について説明すると、制御弁14aを備えた燃料供給系統14がそれぞれ制御弁16a,16aを備えた燃料供給系統15,16に分岐している。制御弁15a,16aは個別に制御可能である。制御弁15a,16aの下流にはそれぞれ遮断弁15b,16bが備えられている。燃料供給系統15はパイロットバーナに燃料を供給する燃料ヘッダ30に、燃料供給系統16は予混合バーナの燃料ノズル20にそれぞれ接続されている。
本実施例では、中央部(パイロットバーナ)に本発明のバーナが設置され、その周囲に環状の予混合バーナが配置されている。燃焼室1から見たパイロットバーナと予混合バーナの直径は、例えば220mm程度である。中央部のバーナは実施例1と同様に、燃料ヘッダ30と、これに接続された複数個の燃料ノズル32,33と、複数個の空気孔34,35を開けた空気孔部材31とを備えている。空気孔部材31は燃焼室1の上流側壁面に位置する。空気孔は同心円状に2列で配置され、内側の空気孔列51には空気孔35が配置されている。空気孔34は燃料ノズル32と組になっており、燃料ノズル32の先端は空気孔34の入口よりも上流側に位置する。空気孔35は燃料ノズル33と組となっており、燃料ノズル33も先端が空気孔35の入口より上流側に位置している。
外周部に配置された予混合バーナは、燃料ノズル20、予混合路22、そして出口に配置された保炎器21を備えている。この予混合バーナでは燃料ノズル20から噴出された燃料が予混合路22内で燃焼空気13と混合され、予混合燃焼気となって燃焼室1に噴出される。バーナ出口には予混合路22の流路を半径方向に2分する保炎器21が配置されているため、保炎器21のすぐ下流に循環流23が形成され、循環流23に火炎がホールドされる。
ここで、図3と異なるパイロットバーナを使用した場合における予混合型ガスタービン燃焼器を比較例として図5に示す。
図5の比較例の予混合型ガスタービン燃焼器では、燃焼器中央部にパイロットバーナとして拡散バーナ25が配置されており、燃焼室1に拡散火炎26を形成する。拡散火炎26によって発生した熱及び化学活性種が外周部に伝わることによって保炎器21の下流に形成される火炎の安定燃焼を補助することができる。しかし、パイロットバーナとしての機能を保つためには、パイロットバーナで形成する火炎は一定の大きさを必要とするため燃焼器全体としては拡散燃焼が一定比率を占め、燃焼器全体のNOx排出量の低減には限界があった。
図3に示した本実施例のガスタービンでが、本発明のバーナをパイロットバーナとして備えているため、バーナ下流に形成される火炎24は限定された拡散燃焼領域を基点にして保炎される予混合火炎となる。そのため、拡散バーナをパイロットバーナとした予混合型ガスタービン燃焼器に比べてNOx排出量を削減することができる。
また、空気孔部材31の空気孔34,35にはバーナ中心軸に対して旋回角を設けているため、パイロットバーナから噴出した火炎は旋回流の安定した火炎となる。そのため、予混合バーナから噴出した循環流23に熱及び化学活性種を安定に供給することができ、予混合バーナによる火炎を安定に保持することができる。
以上のように、パイロットバーナに拡散バーナを用いた図5のような予混合型ガスタービン燃焼器に比較して、本実施例の場合、燃焼安定性を大きく損なうことなく拡散バーナと同様に幅広い運転条件においてガスタービン燃焼器を運用することができ、しかもNOx排出量を低減することができる。
近年、エネルギー資源の枯渇問題からガスタービンには幅広い燃料に対する汎用性が求められている。水素を多く含む燃料では燃焼速度が早くなる一方、窒素分を多く含む燃料では火炎温度が下がり燃焼速度も遅くなる。このように、燃料組成によって燃焼特性が大きく変わるため、燃料組成に合わせて空気孔の配置や個数などを適正化する必要がある。また、ガスタービンを使用する地域によって求められるNOx排出量や運用範囲の広さ等が異なり、これらに対しても柔軟に対応する必要がある。本発明の場合、燃料ノズル32と空気孔34の組と燃料ノズル33と空気孔35の組における配列バリエーションを実施例1の構成から変更することによってNOx排出量や燃焼安定性を調整することが可能である。
図6は本発明の実施例3のバーナに備えられた空気孔部材を燃焼室から見た正面図であり、実施例1の図1(b)に対応する図である。
本実施例では、2列の同心円状に並んだ空気孔34,35の全てが旋回角を有しており、内側の空気孔列51に配置された6個の空気孔35を3個ずつの2つのグループ35a,35bにグループ分けしている。図6ではグループ35aの空気孔35をハッチングで、グループ35bの空気孔35を塗り潰しで表している。グループ35aの3つの空気孔35は同一円周上で隣り合って配置されており、グループ35bの3つの空気孔35も同じく同一円周上で隣り合っている。そして、2本の第1燃料ノズル33(図2参照)によってそれぞれ2つのグループ35a,35bの空気孔35に燃料を噴出する。実施例1では1本の燃料ノズル33から6つの空気孔35に燃料を噴出したが、本例では燃料ノズル33一本当たり3つの空気孔35に燃料を噴出する。特に図示していないが、2本の燃料ノズル33は、各グループ35a,35bの3つの空気孔35の中間位置に配置され、その位置から各空気孔35に向けて燃料を噴出するように外周面に3つの燃料噴出口を備えている。その他の構成は実施例1と同様である。
本実施例では、1本の燃料ノズル33から燃料を供給する空気孔35の数が減少したことによって各空気孔35から燃焼室1に噴出する噴流の燃料濃度が実施例1に比べて上昇する。この場合、実施例1と予混合領域は変化せず、空気孔35からの噴流の燃料濃度が増加するので、全体としてはNOx排出量が増加し得る。反面、火炎全体に占める拡散燃焼が強化されて火炎基部における燃焼安定性が向上し得る。また、窒素が多く含まれるような低カロリー燃料や燃焼速度の遅い燃料であっても火炎安定性を維持し易いメリットがある。
図7は本発明の実施例4のバーナに備えられた空気孔部材を燃焼室から見た正面図であり、実施例3の図6に対応する図である。
本実施例では実施例3と同様に内側の空気孔列51の6個の空気孔35を3個ずつの2つのグループ35a,35bに分けるが、各グループ35a,35bの3つの空気孔35は実施例3のように隣り合っておらず、グループ35a,35bの空気孔35が同一円周上に交互に配置されている。その他の構成は実施例3と同様である。
本実施例では、実施例3と同じく空気孔35からの噴流の燃料濃度が増加するため、実施例1と比べて全体的にNOx排出量が増加し得る。反面、火炎全体に占める拡散燃焼が実施例1に比べて強化され、火炎基部における燃焼安定性が向上し得る。さらに本実施例ではグループ35a,35bの各空気孔35が120度間隔で均一に配置されているので、燃料組成や運用範囲等によって燃料調整やNOx排出調整が必要な場合、例えば空気孔35の2つのグループ35a,35bのうちいずれかの燃料噴流を停止した場合でも、全体的な燃焼安定性を保つことができる。そのため、低カロリー燃料や燃焼速度の遅い燃料を用いた場合や運用範囲を広げた場合でも火炎安定性を維持し易い。
図8は本発明の実施例5のバーナに備えられた空気孔部材を燃焼室から見た正面図であり、実施例4の図7に対応する図である。
本実施例では最内周の空気孔列51に空気孔34,35が3個ずつ配列してある。空気孔列51には空気孔34,35が交互に配列してある。したがって、空気孔35は120度間隔の配置である。3つの空気孔35には1つの燃料ノズル33(図2参照)から燃料が供給され、空気孔列51の3つの空気孔34には、外側の空気孔列52の空気孔34と同様それぞれに1本ずつ対応して設置された燃料ノズル32から燃料が供給される。なお、本例では空気孔35を120度間隔で配置しているが、例えば空気孔列51の6つの空気孔のうち隣り合う3つを空気孔35にして残りを空気孔34としても良いし、空気孔35の配置の仕方は任意に変更可能である。その他の構成は実施例1と同様である。
本実施例では、内側の空気孔列51にも空気孔34を混在させたことによって予混合燃焼の割合が増加するので、実施例1に比べてもNOx排出量を低減することができる。一方、空気孔35の減少に伴って拡散燃焼の割合が減少したことによって実施例1に比べて燃焼安定性が低下し得るが、空気孔34,35の全てに旋回角を設けているためバーナ中央部に形成される拡散燃焼領域から熱・化学活性種の供給を受けながら安定な燃焼状態を維持することができる。
実施例1の変形例として、外側の空気孔列52の空気孔に旋回角を施さず内側の空気孔列51の空気孔にのみ旋回角を付ける構成も考えられる。この場合、空気孔列52の空気孔34は空気孔部材31に垂直にドリルを立てて穿孔することができるため、加工費を抑えることができる。またバーナ下流に形成される旋回流は小さくなるが、本バーナを単独で用いる場合には問題ない。また、本バーナをパイロットバーナとして用いる場合であっても周囲のバーナとの距離が近ければ本バーナで形成される火炎から周囲のバーナまで十分に熱及び化学活性種が供給され、パイロットバーナとしての役割を十分に果たすことができる。なお、外側の空気孔列52の空気孔に旋回角を設けず空気孔部材31に対して垂直な流路とする構成は、以降の実施例を含めて他の実施例に適用しても有効である。
実施例1の他の変形例として、内側の空気孔列51の空気孔に旋回角を施さず外側の空気孔列52の空気孔にのみ旋回角を付ける構成も考えられる。この場合も加工費を抑えることができ、バーナ下流に形成される旋回流が小さくなっても本バーナを単独で用いることができる。またパイロットバーナとして用いる場合であっても周囲のバーナとの距離が近ければ周囲のバーナの火炎領域に十分に熱及び化学活性種を供給することができ、パイロットバーナとしての役割は十分に果たされる。
空気孔部材31上の全ての空気孔をバーナ軸方向(空気孔部材31に垂直)に開けるにことも考えられ、この場合は加工費をさらに抑えることができるが、熱及び化学活性種の供給面や燃焼安定性の面では好ましくないと考えられる。
図9は本発明の実施例7のバーナに備えられた空気孔部材を燃焼室から見た正面図であり、実施例1の図1(b)に対応する図である。
本実施例では全ての空気孔34,35にバーナ中心軸に対して周方向に傾斜した旋回角が施されており、内側の空気孔列51、外側の空気孔列52ともに空気孔34,35が混在している。実施例1,3と同様、空気孔34は燃料ノズル32と組になり、空気孔35は燃料ノズル33と組となる。また、空気孔35は2つのグループ35a,35bに分けられている。グループ35aは空気孔列51の2つと空気孔列52の3つの合計5つからなり、これら5つの空気孔35は同じ扇状の領域に集まっており、同一の燃料ノズル33から燃料が供給される。グループ35bも空気孔列51の2つと空気孔列52の3つの合計5つからなり、グループ35aと180度対向する領域に集まっており、やはり同一の燃料ノズル33から燃料が供給される。グループ35a,35bの間の領域は空気孔列51,52とも空気孔34としてあり、それぞれ対応付けられた燃料ノズル32から燃料が供給される。空気孔34は空気孔列51の2つと空気孔列52の6つの合計8つからなる。その他の構成は実施例1と同様である。
燃料ノズル32と燃料ノズル33はいずれも、空気孔34と空気孔35の入口より下流側に挿入されている。本実施例では、空気孔34より空気孔35の個数が若干数多く、予混合燃焼領域より拡散燃焼領域が占める割合が増えるため、拡散バーナに対するNOx削減効果は多少減少し得る一方で、実施例1に比べて燃焼安定性は向上し得る。そのため、窒素が多く含まれるような低カロリー燃料や燃焼速度の遅い燃料であっても火炎安定性を維持できる。
なお、本実施例では空気孔35が空気孔34に対して若干多いが、空気孔35より空気孔34が多くなれば、拡散燃焼領域より予混合燃焼領域が占める割合が増え、拡散バーナに対するNOx削減効果が増加し得る。また実施例1に比べて燃焼安定性も向上し得る。空気孔34,35のいずれが多くても空気孔34,35に旋回角が施されているため、燃焼下流域にて旋回流により熱及び化学活性種が十分に供給され、全体的に火炎安定性を維持することができる。
実施例1−7のバーナは同心円状の2列の空気孔を備えていたが、バーナの適用対象によって消費する燃料や空気の流量が大きく異なる。発電出力が大きくなって燃焼器やバーナがサイズアップする場合、空気量や燃料流量の増加に対応するにあたってバーナを相似拡大するのではなく、前述した通り燃料ノズル及び空気孔部材31の空気孔の数を増やすことが有効である。
また、本発明のバーナをガスタービン燃焼器のパイロットバーナとして用いる場合、燃料の種類によってはパイロットバーナが形成する火炎を大きくして火炎の燃焼安定性を向上させる必要がある。
図10は本発明の実施例8のバーナに備えられた空気孔部材を燃焼室から見た正面図であり、実施例1の図1(b)に対応する図である。
本実施例は実施例1に対し、空気孔列を2列から3列に増やしている。追加した最外周の空気孔列53は空気孔54からなる。前述したように、本実施例は実施例1に比べてより多くの空気量及び燃料を供給する必要がある場合、より大きな火炎を形成する必要がある場合に有効である。供給する空気や燃料流量及び形成する火炎の大きさによって4列以上に空気孔列を増やしていくことも可能である。
本実施例では、空気孔35は3つの空気孔列51−53のうち最内周の空気孔列51だけにある。空気孔列51の空気孔は全て空気孔35である。空気孔53,54はいずれも旋回角を有している。すなわち燃焼室1に形成される拡散燃焼領域は実施例1と同等であるが、空気孔列53の追加によって予混合燃焼領域が拡大した分だけ火炎全体に対する拡散燃焼領域の割合は実施例1に比べて小さくなるため、燃焼器全体から排出されるNOx排出量は抑えられる。このようにバーナサイズを大きくする場合、1本の燃料ノズル33から複数の空気孔35に燃料を噴出する構成を組み合わせることでノズル本数の増加を抑えることができるメリットは大きい。
ここで、図11は本実施例のバーナにより形成される火炎の模式図であり、図10の中央線54を通る側断面図である。
実施例1と同様、本実施例においても空気孔35の下流部では拡散燃焼領域が形成される。周囲の予混合気はこの拡散燃焼領域55から熱及び化学活性種の供給を受けながら下流及び外周側に広がりながら予混合火炎56を形成する。内側の空気孔列51の空気孔35は燃料ノズル33と組になっており、燃料ノズル33の先端は空気孔入口より上流側に配置されているため、空気孔35からは拡散燃焼気が噴出される。そして、空気孔列52,53の空気孔34は拡散燃焼領域から予混合気に十分な熱を受けることができ、空気孔列51の空気孔35の出口付近に安定して予混合火炎が保炎される。また、最内周の空気孔列51の空気孔35はバーナ中心軸に対して旋回角を有しているため、予混合火炎56は外周側に広がりつつ下流に形成される。下流に向かって広がる円錐状の予混合火炎56の基点に存在する拡散燃焼領域55が火炎を安定に保持するため、同心円状の空気孔列が2列から3列に増えても拡散燃焼領域55を増やすことなく燃焼安定性を維持することができる。もちろん、実施例1と同じく最内周空気孔列51を除く空気孔列52,53の空気孔34に旋回角を持たせれば本実施例の効果と相乗して更なる燃焼安定性を得ることができる。
実施例8で説明したように火炎基部の一部を拡散燃焼とすることで火炎全体を安定に燃焼させることができる。しかし、本発明のバーナをパイロットバーナとして用いる場合、幅広い運転条件で安定に燃焼できることが求められ、隣接する周囲の予混合バーナへ熱を供給して予混合バーナに着火して燃焼安定性を補完することで、更なる燃焼安定性が求められ得る。また、一般にカロリーが低く燃焼速度の遅い材料の場合、予混合火炎が途中で消えてしまって燃料が完全に反応しきらずに未燃炭化水素や一酸化炭素が排出される恐れがある。
図12は本発明の実施例9のバーナに備えられた空気孔部材を燃焼室から見た正面図であり、実施例1の図1(b)に対応する図である。
図12に示した実施例9では、3列の空気孔列51−53に空気孔34,35が混在している。既出の各実施例と同様、空気孔34は燃料ノズル32、空気孔35は燃料ノズル33と組であり、実施例7と同様に空気孔35は全列に跨るグループ35a,35bにグループ分けされている。グループ35a,35bはバーナ中心を境に対向し、空気孔列51の2つ、空気孔列52の3つ、空気孔列53の4つの合計9つの空気孔35で扇状に構成されている。グループ35a,35bの各空気孔35には、それぞれ1本の燃料ノズル33から燃料が噴出する。また、グループ35a,35bの間には空気孔34の2つのグループが介在し、空気孔34の1つのグループは、空気孔列51の1つ、空気孔列52の3つ、空気孔列53の5つの合計9つの空気孔35で扇状に構成されている。その他の構成は実施例1と同様である。
本実施例では、空気孔34,35が同数であるため、予混合燃焼領域と拡散燃焼領域が同程度となり得る。そのため、全体として前述した各実施例と比較すると拡散燃焼領域の占める割合が増加する分だけNOx削減効果は減少し得るが、燃焼安定性は向上する。そして、このように最外周にも空気孔35が混在する構成とすることによって、バーナに形成される火炎の外側にも拡散燃焼領域を形成させることができ、火炎外周側に十分に熱及び化学活性種を供給することができるため、窒素が多く含まれるような低カロリー燃料や燃焼速度の遅い燃料に対しても未燃炭化水素や一酸化炭素の発生を抑制して火炎安定性を維持できる。
また本実施例のバーナをガスタービン燃焼器のパイロットバーナとして用いる場合、燃焼安定性が向上することでガスタービン負荷運転の運用範囲を拡大させることが可能となる。使用燃料や運転条件に合わせて燃料ノズル33や空気孔35の組数や配置を調整することで、必要とされる燃焼安定性に対する性能を満たす中でNOx排出量を最少とすることができる。
ここで、図10や図12の実施例では、供給する空気や燃料流量の増加に対応するために空気孔列を増やす場合を例に挙げて説明したが、これに限られず、例えば1列当たりの空気孔の数を増やすこともできる。これまでの実施例では最内周の空気孔列51は6つの空気孔からなっていたが、例えば8個、10個と増やすことができる。最内周の空気孔列51の空気孔数が増加すれば、これに応じてその外周側の各列の空気孔数も増し、バーナの半径方向サイズを大きくすることができる。
図13は本発明の実施例10のバーナに備えられた空気孔部材を燃焼室から見た正面図であり、実施例1の図1(b)に対応する図である。
図示したように、本実施例では最内周の空気孔列51の空気孔が8個であり、前述した各実施例に比べて多い。燃料ノズル33と組となる空気孔35は実施例1と同様に最内周の空気孔列51に配置されており、8つの空気孔35に対して同一の燃料ノズル33から燃料が噴出する。
実施例10では空気孔を3列としたが、当然ながら2列以下の場合、4列以上の場合のいずれにも1列当たりの空気孔数を変更するメリットはある。
図14は本発明の実施例11のバーナに備えられた空気孔部材を燃焼室から見た正面図であり、実施例1の図1(b)に対応する図である。
本実施例では最内周の空気孔列51の空気孔数が実施例10と同様に8個であり実施例7までと比べて1列当たりの空気孔数が多いが、空気孔列が2列に抑えられている。その他の構成は実施例10と同様である。
例えば空気孔列を増やすとバーナが必要以上に大きくなってしまう場合、空気孔列を維持して最内周の空気孔数を増やすことで、バーナの必要以上の大型化を抑えつつ全体の空気孔数を増加させることができる。また1列当たりの空気孔数を増やすと空気孔の配列が全体に外側に広がるため、バーナ中心部下流に形成される循環流領域も大きくなり、最内周の空気孔列51の空気孔35が増加しても1本の燃料ノズル33で空気孔35へ燃料を供給することができ、燃料ノズルの増加を抑えつつ燃焼安定性を維持することができる。
図15は本発明の実施例12に係るガスタービン燃焼器の側断面図、図16は本発明の実施例12のバーナに備えられた空気孔部材を燃焼室から見た正面図であり、実施例1の図1(b)に対応する図である。
本実施例の燃焼器は、空気孔部材を備えたバーナを燃焼室1の上流側に複数配置したガスタービン燃焼器であって、中央のバーナ57に本発明(例えば実施例1−11のいずれか)を適用している。バーナ57の外周側には複数(本例では6つ)のバーナ58が配置してある。各バーナ58は、燃料ヘッダ60、燃料ノズル61、空気孔62から構成され、それぞれに供給される燃料は個別制御可能である。空気孔62は空気孔部材に複数設けられており、各空気孔62に対応して空気孔62と同数の燃料ノズル61が配置されている。各バーナ58において、それぞれ燃料ヘッダ60に送られた燃料は燃料ヘッダ60に接続された複数の燃料ノズル61に分配され、燃料ノズル61から対応の空気孔62に向かって噴射された後、空気孔62を通過する際に予混合されて燃焼室1に噴出する。
外側のバーナ58では、全ての燃料ノズルの先端が空気孔入口より上流側に配置されている。そのため、空気孔内で燃料流の外周側に空気流が形成され、燃料と空気が予混合される。このとき、空気孔内の容量が燃焼室1に比べて小さいことから短い距離で十分に混合させることができ、バーナ58の下流には予混合火炎27が形成される。
ガスタービンでは起動から定格負荷条件まで幅広い条件で運転を行う必要がある。特に起動条件や燃料系統を切り換えた後の条件ではバーナ局所における燃空比が低くなるため、火炎の燃焼安定性が非常に重要である。そこで、中央のバーナ57に本発明を適用することでバーナ57の燃焼安定性が向上し、起動からガスタービン回転数の増加条件に対応して高い信頼性を得ることができる。外側のバーナ58の下流側に形成される予混合火炎27においても、中央のバーナ57の下流側に形成される安定な火炎24から熱及び化学活性種の供給を受けることで燃料ノズル本数の増加を抑えても燃焼安定性が維持できる。
図17は本発明の実施例13のバーナに備えられた空気孔部材を燃焼室から見た正面図であり、実施例1の図1(b)に対応する図である。
本実施例は実施例12の外側のバーナにも本発明を適用したバーナ57を配した例である。本実施例では、個々のバーナ57に形成される火炎に拡散燃焼領域が存在するのでNOx排出量は増加し得るが、各バーナ57が形成する火炎の燃焼安定性は向上する。そのため、低カロリー燃料のように燃焼速度が遅く非常に燃えにくい燃料をガスタービンの燃料として用いる場合でも、複数のバーナ57に形成されるそれぞれの火炎基部に拡散燃焼領域が形成され、火炎を安定に保持して信頼性高く運用することが可能となる。また、ガスタービン負荷運転の運用範囲の拡大も同時に実現することができる。
図18は本発明の実施例14のバーナに備えられた燃料ノズルの概略構成を示す側断面図である。
図18のバーナの燃料ノズル33は、実施例1の燃料ノズル33とは異なり先端が空気孔35の入口より下流にあり、空気孔部材31の中心部に燃料ノズル33の先端が嵌め込まれた構成になっている。燃料ノズル33の外周面には複数の噴射口が穿孔されており、各噴射口は最内周の空気孔列51の各空気孔35の側面にそれぞれ通過口を介して直通している。通過口は空気孔部材31の板厚内に中心部から放射状に延びている。空気孔35は実施例1等と同じく周方向に旋回角を有している。その他の構成は既述した実施例のバーナ構造と同様である。
本実施例では、燃料ノズル33から噴出される燃料噴流44が空気孔35の内壁面に衝突し、空気孔35の内壁面に沿って下流側に流れる。そのため、燃料ノズル32と空気孔34の組合せに比べ、空気孔35に流入する空気量は相対的に増加し、空気45との混合が進行しないまま燃料噴流44が燃焼室1へ噴出する。燃料ノズル33が空気孔部材31の内部を通って空気孔35内に直接噴出するので、空気孔35に流入する空気45の流れを乱す障害物もなく燃料噴流44と空気45の混合をより効率的に抑制することができる。
1 燃焼室
2 外筒
3 燃焼器ライナ
4 トランジションピース
5 圧縮機
6 タービン
7 ディフーザ
10,11 圧縮空気
12 冷却空気
13 燃焼空気
14−16 燃料供給系統
20 燃料ノズル
21 保炎器
22 予混合路
23 循環流
24 火炎
25 拡散バーナ
26 拡散火炎
30 燃料ヘッダ
31 空気孔部材
32,33 燃料ノズル
34,35 空気孔
49 循環流
41 旋回流
42−44 燃料噴流
45 空気
46,47 下流領域
50 循環流
51−53 空気孔列
54 中央線
55 拡散燃焼領域
56 予混合火炎
57,58 バーナ
60 燃料ヘッダ
70 燃料ヘッダ収納部
71 空気流入孔
100 バーナ

Claims (10)

  1. 燃焼ガスを生成する燃焼室の燃焼ガスの上流側に設けた複数の空気孔を有する空気孔部材と、
    バーナ軸に交差する方向から前記複数の空気孔のうちの2つ以上の空気孔に燃料を噴出する第1燃料ノズルと、
    残りの各空気孔に対してそれぞれ1つずつ設けられバーナ軸に沿う方向から対応の空気孔に燃料を噴出する複数の第2燃料ノズルと、
    前記第1燃料ノズル及び前記第2燃料ノズルに燃料を分配する燃料ヘッダと、
    前記燃料ヘッダ、前記第1燃料ノズル及び前記第2燃料ノズルを覆い空気流入孔を有する燃料ヘッダ収納部とを備え、
    前記複数の空気孔は同心円状に複数列設けられバーナ軸に対して周方向に傾斜しており、
    前記第1燃料ノズルは前記空気孔部材の中心軸上に配置され、最内周列の各空気孔の内壁面に対して燃料を噴出し、
    前記第2燃料ノズルは対応の空気孔の入口中心に対してバーナ軸方向に対向する位置に設けられ、それぞれ最内周列を除く各空気孔に対して燃料を噴出する
    ことを特徴とするバーナ。
  2. 燃焼ガスを生成する燃焼室の燃焼ガスの上流側に設けた複数の空気孔を有する空気孔部材と、
    バーナ軸に交差する方向から前記複数の空気孔のうちの2つ以上の空気孔に燃料を噴出する第1燃料ノズルと、
    残りの各空気孔に対してそれぞれ1つずつ設けられバーナ軸に沿う方向から対応の空気孔に燃料を噴出する複数の第2燃料ノズルと、
    前記第1燃料ノズル及び前記第2燃料ノズルに燃料を分配する燃料ヘッダと、
    前記燃料ヘッダ、前記第1燃料ノズル及び前記第2燃料ノズルを覆い空気流入孔を有する燃料ヘッダ収納部とを備え、
    前記複数の空気孔は同心円状に複数列設けられバーナ軸に対して周方向に傾斜しており、
    最内周列の空気孔を2つのグループに分け、2本の第1燃料ノズルによってそれぞれのグループの各空気孔の内壁面に燃料を噴出し、
    前記第2燃料ノズルは対応の空気孔の入口中心に対してバーナ軸方向に対向する位置に設けられ、それぞれ最内周列を除く各空気孔に対して燃料を噴出する
    ことを特徴とするバーナ。
  3. 請求項のバーナにおいて、前記2つのグループの各空気孔は円周上で隣り合っていることを特徴とするバーナ。
  4. 請求項のバーナにおいて、前記2つのグループの空気孔が円周上で交互に配置されていることを特徴とするバーナ。
  5. 燃焼ガスを生成する燃焼室の燃焼ガスの上流側に設けた複数の空気孔を有する空気孔部材と、
    バーナ軸に交差する方向から前記複数の空気孔のうちの2つ以上の空気孔に燃料を噴出する第1燃料ノズルと、
    残りの各空気孔に対してそれぞれ1つずつ設けられバーナ軸に沿う方向から対応の空気孔に燃料を噴出する複数の第2燃料ノズルと、
    前記第1燃料ノズル及び前記第2燃料ノズルに燃料を分配する燃料ヘッダと、
    前記燃料ヘッダ、前記第1燃料ノズル及び前記第2燃料ノズルを覆い空気流入孔を有する燃料ヘッダ収納部とを備え、
    前記複数の空気孔は同心円状に複数列設けられバーナ軸に対して周方向に傾斜しており、
    前記第1燃料ノズルは前記空気孔部材の中心軸上に配置され、最内周列のうちの複数の空気孔の内壁面に対して燃料を噴出し、
    前記第2燃料ノズルは対応の空気孔の入口中心に対してバーナ軸方向に対向する位置に設けられ、それぞれ最内周列を除く各空気孔、及び最内周列のうち前記第1燃料ノズルから燃料が噴出されるものを除く各空気孔に対して燃料を噴出する
    ことを特徴とするバーナ。
  6. 請求項1−のいずれかのバーナにおいて、前記第1燃料ノズル及び第2燃料ノズルの先端が対応の空気孔の入口よりも上流側に位置していることを特徴とするバーナ。
  7. 請求項1−のいずれかのバーナにおいて、前記第1燃料ノズルの先端を前記空気孔部材に嵌め込み、前記空気孔部材の板厚内に設けた通過口を介して前記第1燃料ノズルからの燃料を対応の空気孔に噴出させることを特徴とするバーナ。
  8. 燃焼器ライナの燃焼ガス流れ方向上流側に配置された請求項1−のいずれかのバーナからなるパイロットバーナと、
    前記パイロットバーナの外周側に設けられ、燃料と空気を混合する予混合路と該予混合路の出口に設けた保炎器と有する予混合バーナと
    を備えたことを特徴とする燃焼器。
  9. 燃焼器ライナの燃焼ガス流れ方向上流側に配置された請求項1−のいずれかのバーナからなるパイロットバーナと、
    前記パイロットバーナの外周側に設けられ、複数の空気孔を有する空気孔部材及び空気孔と同数の燃料ノズルを有し各燃料ノズルから対応の空気孔を介して燃焼室に燃料を噴出する複数の外側バーナと
    を備えたことを特徴とする燃焼器。
  10. 燃焼器ライナの燃焼ガス流れ方向上流側に配置された請求項1−のいずれかのバーナからなるパイロットバーナを複数備えたことを特徴とする燃焼器。
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