JP6037736B2 - Gas turbine combustor and gas turbine engine equipped with the same - Google Patents
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本発明は、メインバーナから供給される空気と燃料の混合を促進させてエミッション低減を図るとともに、逆火を防止することのできるガスタービン燃焼器およびこれを備えたガスタービン機関に関するものである。 The present invention relates to a gas turbine combustor capable of reducing emissions by promoting mixing of air and fuel supplied from a main burner and preventing backfire, and a gas turbine engine including the gas turbine combustor.
近年、環境問題への関心の高まりとともに、窒素酸化物(以下、NOx)等のエミッション低減が求められるようになっている。ガスタービン機関においても例外ではなく、特に燃焼器に関する種々の研究開発が進められている。 In recent years, with increasing interest in environmental problems, reduction of emissions of nitrogen oxides (hereinafter referred to as NOx) has been demanded. The gas turbine engine is no exception, and various researches and developments on the combustor are in progress.
例えば、ガスタービン機関に広く適用されている予混合方式の燃焼器においては、燃料ガスと空気との混合比を均一にすることがNOxの低減に有効であることが知られている。上記混合比が不均一になると、燃料ガス濃度の高い領域の火炎が局部的に高温になり、多量のNOxが発生する懸念がある。 For example, in a premixing type combustor widely applied to gas turbine engines, it is known that making the mixing ratio of fuel gas and air uniform is effective in reducing NOx. If the mixing ratio is not uniform, the flame in the region where the fuel gas concentration is high becomes locally hot, and there is a concern that a large amount of NOx is generated.
特許文献1に開示されている従来のガスタービン燃焼器は、同文献の図1および図2に示されるように、燃焼筒の中心軸線に沿って配置されたパイロットバーナと、このパイロットバーナを取り囲むように配置された複数のメインバーナとを備えており、各メインバーナのメインノズル(予混合ノズル)に延長ノズルが接続されている。これらの延長ノズルは、それぞれが独立した略円筒状であり、その各々の出口側の開口部が、パイロットバーナに接続されたパイロットコーンの周囲を取り囲むように配置されている。
The conventional gas turbine combustor disclosed in
各メインノズルの内部にはスワーラ(旋回翼)が設けられており、これによってメインノズル内を流れる燃料混合気が旋回流となって燃料と空気の混合比の均一化が図られ、NOxの発生が抑制される。 Each main nozzle is provided with a swirler (swirl blade), which makes the fuel mixture flowing in the main nozzle a swirling flow to achieve a uniform fuel / air mixing ratio and generate NOx. Is suppressed.
なお、延長ノズルの内壁面近傍は低流速となるため、フラッシュバック(逆火)が発生しやすい。このフラッシュバックを防止するために、パイロットバーナと延長ノズルとの接続部から膜状の空気(フィルム空気)が取り入れられる。具体的には、メインバーナと延長ノズルとの接続部に隙間が設けられ、この隙間からメインバーナの外周側を通過する圧縮空気の一部が取り入れられてフィルム空気として延長ノズルの内面に供給される。このフィルム空気によって延長ノズルの内壁面近傍における燃料混合気が希薄化され、フラッシュバックの発生が抑制される。また、フィルム空気は、延長ノズルの内壁面を冷却する効果も奏する。 Since the vicinity of the inner wall surface of the extension nozzle has a low flow velocity, flashback (backfire) is likely to occur. In order to prevent this flashback, film-like air (film air) is introduced from the connection portion between the pilot burner and the extension nozzle. Specifically, a gap is provided in the connection portion between the main burner and the extension nozzle, and a part of the compressed air passing through the outer peripheral side of the main burner is taken from this gap and supplied to the inner surface of the extension nozzle as film air. The The film air dilutes the fuel mixture in the vicinity of the inner wall surface of the extension nozzle, and the occurrence of flashback is suppressed. The film air also has an effect of cooling the inner wall surface of the extension nozzle.
しかしながら、上記のような従来のガスタービン燃焼器は、複数のメインバーナの下流側に接続された延長ノズルが、それぞれが独立した管状をなしていたため、次のような問題点があった。 However, the conventional gas turbine combustor as described above has the following problems because the extension nozzles connected to the downstream side of the plurality of main burners have each formed an independent tubular shape.
まず、前述のように、各延長ノズルの内部におけるフラッシュバック防止のために、延長ノズルの内面にフィルム空気が形成されるが、各延長ノズルが独立しているために、その内周長の合計が長くなり、フィルム空気を形成するために必要な空気の量が多くなる。このため、本来、メインバーナに流されるべき空気がフィルム空気形成のために差し引かれて減少してしまい、メインバーナで生成される燃料混合気の燃料濃度(空燃比)が高くなる傾向があった。このように燃料濃度の高い燃料混合気は、延長ノズルが短距離であるために均一に混合しきれず、延長ノズルから噴射された燃料混合気の流れの中心部に燃料濃度が高い領域が残存してしまう。 First, as described above, in order to prevent flashback inside each extension nozzle, film air is formed on the inner surface of the extension nozzle, but since each extension nozzle is independent, the total inner circumferential length thereof Increases and the amount of air required to form film air increases. For this reason, the air that should be flown to the main burner is subtracted to reduce the film air formation, and the fuel concentration (air-fuel ratio) of the fuel mixture generated by the main burner tends to increase. . In this way, the fuel mixture with a high fuel concentration cannot be mixed uniformly because the extension nozzle is short, and a region with a high fuel concentration remains in the center of the flow of the fuel mixture injected from the extension nozzle. End up.
また、前述の通り、各メインバーナの内部にスワーラ(旋回翼)が設置されることにより、メインノズル内を流れる燃料混合気を旋回流にして燃料と空気の混合比の均一化が図られているが、延長ノズルの内部では、遠心力により半径方向に燃料濃度分布が成層化して混合率が低下してしまう傾向がある。 In addition, as described above, swirlers (swirl blades) are installed inside each main burner, so that the fuel / air mixture flowing in the main nozzle is swirled to achieve a uniform fuel / air mixture ratio. However, inside the extension nozzle, the fuel concentration distribution tends to be stratified in the radial direction by centrifugal force, and the mixing rate tends to decrease.
さらに、延長ノズルの周囲では、その低流速域に高温な燃焼ガスが巻き込まれることを防止するために、メインバーナおよびパイロットバーナを保持している基盤から空気を流出させているが、この空気を必要とすることで、メインバーナに流されるべき空気がさらに減少し、メインバーナで生成される燃料混合気の空燃比がさらに高くなる傾向があった。 Further, in order to prevent high-temperature combustion gas from being caught in the low flow velocity region around the extension nozzle, air is discharged from the base holding the main burner and the pilot burner. As a result, the amount of air to be flowed to the main burner further decreased, and the air-fuel ratio of the fuel mixture generated by the main burner tended to be further increased.
以上のような不具合により、NOxの発生を抑制しにくい状況となっていた。
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、メインバーナから供給される空気と燃料の混合を促進させてNOx等のエミッション低減を図るとともに、逆火を防止することのできるガスタービン燃焼器およびこれを備えたガスタービン機関を提供することを目的とする。
Due to the above problems, it is difficult to suppress the generation of NOx.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and is a gas turbine combustion capable of promoting the mixing of air and fuel supplied from a main burner to reduce emissions such as NOx and preventing backfire. And a gas turbine engine including the same.
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
即ち、本発明に係るガスタービン燃焼器は、燃焼筒の中心軸線に沿って配置されたパイロットバーナと、前記パイロットバーナの周囲を取り囲むように配置された複数のメインバーナと、前記複数のメインバーナにそれぞれ設けられ、その内部に第1次混合領域を形成する複数の円筒状の予混合ノズルと、前記予混合ノズルのピッチ円の円周方向に沿って連続する環状をなし、前記複数の予混合ノズルの各々の出口側が接続され、その内部に第2次混合領域が形成され、かつ下流側に開放された噴出口を有するアニュラー延長ノズルと、を具備して、前記予混合ノズルと前記アニュラー延長ノズルとの接続部に、前記予混合ノズルから前記アニュラー延長ノズルに流れる燃料混合気の流れを縮流させる縮流部が設けられ、前記アニュラー延長ノズルは、前記ピッチ円の円周方向に沿った環状の外周壁面及び環状の内周壁面を有し、前記縮流部は、前記外周壁面が前記ピッチ円の半径方向内側に向かい、前記内周壁面が前記ピッチ円の半径方向外側に向かって、前記外周壁面と前記内周壁面との間の径方向の寸法が絞られていることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention employs the following means.
That is, a gas turbine combustor according to the present invention includes a pilot burner disposed along a central axis of a combustion cylinder, a plurality of main burners disposed so as to surround the pilot burner, and the plurality of main burners. Each of the plurality of cylindrical premixing nozzles forming a primary mixing region therein, and an annular continuous in the circumferential direction of the pitch circle of the premixing nozzle, Each of the mixing nozzles is connected to an outlet side thereof, and a secondary mixing region is formed therein, and an annular extension nozzle having a jet outlet opened downstream is provided, and the premixing nozzle and the annular nozzle are provided. A constriction part for constricting the flow of the fuel mixture flowing from the premixing nozzle to the annular extension nozzle is provided at a connection part with the extension nozzle, and the annular extension is provided. The slip has an annular outer peripheral wall surface and an annular inner peripheral wall surface along the circumferential direction of the pitch circle, and the contraction portion has the outer peripheral wall surface directed radially inward of the pitch circle, A radial dimension between the outer peripheral wall surface and the inner peripheral wall surface is narrowed toward the radially outer side of the pitch circle of the wall surface .
このガスタービン燃焼器によれば、複数のメインバーナの各々に設けられた予混合ノズルが、これら予混合ノズルのピッチ円の円周方向に沿ってアニュラー状に連続した環状をなすアニュラー延長ノズルにそれぞれ接続されるため、各予混合ノズルの内部の第1次混合領域において予め混合された燃料混合気が、アニュラー延長ノズルの内部の第2次混合領域に流入し、ここでさらに相互に混合する。 According to this gas turbine combustor, the premixing nozzle provided in each of the plurality of main burners is an annular extension nozzle that forms an annular shape that is annularly continuous along the circumferential direction of the pitch circle of these premixing nozzles. Since they are connected to each other, the fuel mixture premixed in the primary mixing area inside each premixing nozzle flows into the secondary mixing area inside the annular extension nozzle, where it further mixes with each other. .
このため、各メインバーナからアニュラー延長ノズルに流れた圧縮空気と燃料との混合を促進させて燃料濃度分布の成層化を防止し、燃料混合気の混合比を均一化することができる。そして、このように均一に混合された燃料混合気が燃焼領域に供されるため、燃料ガス濃度が局所的に高い部分が無くなって燃焼温度が均一化され、NOxの発生を低減させることができる。 For this reason, it is possible to promote the mixing of the compressed air flowing from each main burner to the annular extension nozzle and the fuel to prevent stratification of the fuel concentration distribution, and to make the mixture ratio of the fuel mixture uniform. Since the fuel mixture that is uniformly mixed in this way is supplied to the combustion region, there is no portion where the fuel gas concentration is locally high, the combustion temperature is made uniform, and the generation of NOx can be reduced. .
しかも、アニュラー延長ノズルは、その壁面が周方向に連続しているため、壁面の周長が従来の独立型の延長ノズルに比べて格段に短い。このため、フラッシュバック防止用のフィルム空気をアニュラー延長ノズルの内面に形成するのに必要な空気の量、および燃焼ガスの巻き込みを防止するためにアニュラー延長ノズルの外周に供給しなければならない空気の量が非常に少なくて済む。 Moreover, since the wall surface of the annular extension nozzle is continuous in the circumferential direction, the circumferential length of the wall surface is much shorter than that of a conventional independent extension nozzle. For this reason, the amount of air required to form film air for flashback prevention on the inner surface of the annular extension nozzle and the air that must be supplied to the outer periphery of the annular extension nozzle to prevent the entrainment of combustion gas. The amount is very small.
したがって、本来、メインバーナに流されるべき空気が多量に差し引かれて減少してしまうことがなくなり、これによってメインバーナで生成される燃料混合気の燃料濃度(空燃比)が高くなることを防止しつつ、燃料混合気を均一に混合して燃料濃度が高い領域を排除し、燃焼温度を下げてNOxの低減を図るとともに、逆火する可能性を低下させることができる。 Accordingly, a large amount of air that should be flown to the main burner is not deducted and reduced, thereby preventing an increase in the fuel concentration (air-fuel ratio) of the fuel mixture generated by the main burner. However, it is possible to uniformly mix the fuel mixture and eliminate the high fuel concentration region, lower the combustion temperature to reduce NOx, and reduce the possibility of backfire.
また、上記構成において、前記複数の予混合ノズルには、それぞれ同一の回転方向に旋回流を起こさせる旋回流発生手段が設けられていてもよい。 In the above configuration, the plurality of premixing nozzles may be provided with swirl flow generating means for causing swirl flow in the same rotation direction.
上記構成によれば、各々の予混合ノズル内(第1次混合領域)を流れる燃料混合気が、旋回流発生手段の作用によってそれぞれ旋回流となる。これらの旋回流の中心部には低流速域が発生するため、従来ではこの低流速域で逆火する可能性があった。しかし、このような旋回流である燃料混合気が、アニュラー延長ノズルの内部(第2次混合領域)で合流した際に、隣接する旋回流同士の流れが打ち消されて、アニュラー延長ノズルの周方向に沿って外周側と内周側とで逆方向に旋回する大きな二重反転旋回流が形成される。このため、低速領域が消去される。 According to the above configuration, the fuel mixture flowing in each premixing nozzle (primary mixing region) becomes a swirling flow by the action of the swirling flow generating means. Since a low flow velocity region is generated at the center of these swirling flows, there has been a possibility of backfire in this low flow velocity region. However, when the fuel mixture which is such a swirl flow merges inside the annular extension nozzle (secondary mixing region), the flow of the adjacent swirl flows is canceled and the circumferential direction of the annular extension nozzle A large counter rotating swirl flow swirling in the opposite direction on the outer peripheral side and the inner peripheral side is formed. For this reason, the low speed region is erased.
したがって、アニュラー延長ノズルの内部(第2次混合領域)において、各メインバーナから流れ込んだ燃料混合気の混合が促進され、燃焼混合気の流れの中に局所的に燃料濃度が高い部分や低速域が発生しなくなる。よって、燃焼温度の上昇を防いでNOxの発生を抑制するとともに、逆火を防止することができる。 Therefore, in the annular extension nozzle (secondary mixing region), the mixing of the fuel mixture flowing from each main burner is promoted, and the locally high fuel concentration portion or the low speed region is included in the flow of the combustion mixture. Will not occur. Therefore, the rise in combustion temperature can be prevented to suppress the generation of NOx, and backfire can be prevented.
上記構成において、前記予混合ノズルと前記アニュラー延長ノズルとの接続部に、前記予混合ノズルから前記アニュラー延長ノズルに流れる燃料混合気の流れを縮流させる縮流部が設けられていることが好ましい。 In the above-described configuration, it is preferable that a connecting portion between the premixing nozzle and the annular extension nozzle is provided with a contraction portion that contracts the flow of the fuel mixture flowing from the premixing nozzle to the annular extension nozzle. .
上記構成によれば、燃料混合気が予混合ノズルからアニュラー延長ノズルに流れ込む際に、その接続部における流れが縮流部により縮流されて流速が加速し、低流速領域が除去される。また、アニュラー延長ノズルの内壁面における境界層を薄くすることができる。これらのため、燃料混合気を均一に混合させてNOxを低減させるとともに、逆火を防止することができる。 According to the above configuration, when the fuel mixture flows from the premixing nozzle into the annular extension nozzle, the flow at the connection portion is contracted by the contraction portion, the flow velocity is accelerated, and the low flow velocity region is removed. Further, the boundary layer on the inner wall surface of the annular extension nozzle can be thinned. For these reasons, the fuel mixture can be mixed uniformly to reduce NOx and prevent backfire.
上記構成において、前記予混合ノズルと前記アニュラー延長ノズルとの接続部、または前記アニュラー延長ノズル自体の、少なくとも一方に、前記メインバーナの周囲を流れる空気を前記アニュラー延長ノズルの内部に導入し、この導入した空気によって前記アニュラー延長ノズルの内壁面にフィルム空気を形成する空気導入手段が設けられていてもよい。 In the above configuration, the air flowing around the main burner is introduced into the annular extension nozzle at least one of the connecting portion between the premixing nozzle and the annular extension nozzle, or the annular extension nozzle itself. Air introducing means for forming film air on the inner wall surface of the annular extension nozzle by the introduced air may be provided.
上記構成によれば、アニュラー延長ノズルの内壁面にフィルム空気が形成されて壁面近傍の低流速領域の燃料濃度が薄くなり、これによって内壁面近傍を流れる燃料混合気を可燃限界濃度以下として燃焼および逆火が起こらないようにすることができる。 According to the above configuration, the film air is formed on the inner wall surface of the annular extension nozzle, and the fuel concentration in the low flow velocity region near the wall surface is reduced, thereby reducing the fuel mixture flowing near the inner wall surface to a combustible limit concentration or less. You can prevent backfire.
上記構成において、前記空気導入手段に、前記フィルム空気に旋回流を発生させるフィルム空気旋回手段をさらに設けてもよい。 The said structure WHEREIN: You may further provide the film air swirling means which generates a swirling flow in the said film air in the said air introduction means.
上記構成によれば、混合促進のために旋回流とされているメインバーナ内の燃料混合気の旋回方向に合わせてフィルム空気を旋回させることができ、これによってアニュラー延長ノズル内での旋回が弱まることを防止し、燃料混合気の混合をより効果的に促進してNOxの発生を低減させるとともに、逆火を防止することができる。 According to the above configuration, the film air can be swung in accordance with the swirling direction of the fuel mixture in the main burner, which is swirled to promote mixing, thereby weakening swirling in the annular extension nozzle. This prevents the occurrence of NOx and promotes the mixing of the fuel mixture more effectively, and prevents backfire.
上記構成において、前記空気導入手段は、導入したフィルム空気が前記予混合ノズルまたは前記アニュラー延長ノズルの少なくとも一方の外壁面に沿って所定の長さに亘って流れた後に前記アニュラー延長ノズルの内壁面に導入されるように構成されていてもよい。 In the above-described configuration, the air introduction means may be configured such that the introduced film air flows over a predetermined length along the outer wall surface of at least one of the premixing nozzle or the annular extension nozzle and then the inner wall surface of the annular extension nozzle. It may be configured to be introduced into.
上記構成によれば、予混合ノズルやアニュラー延長ノズルをフィルム空気によって外周側から対流冷却することができる。これにより、万一、異常事態により逆火が生じても、これらが焼損することが防止され、継続した運用が可能となる。 According to the above configuration, the premixing nozzle and the annular extension nozzle can be convectively cooled from the outer peripheral side by the film air. As a result, even if a backfire occurs due to an abnormal situation, they are prevented from being burned out and continuous operation is possible.
また、本発明に係るガスタービン機関は、空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機において圧縮された前記空気を燃焼させる上記いずれかのガスタービン燃焼器と、該ガスタービン燃焼器から噴出する燃焼ガスの膨張によって駆動されるタービンとを備えることを特徴とする。 Further, a gas turbine engine according to the present invention includes a compressor that compresses air, any one of the gas turbine combustors that combusts the air compressed in the compressor, and combustion that is ejected from the gas turbine combustor. And a turbine driven by gas expansion.
上記構成によれば、燃焼器のメインバーナで生成される空気と燃料との混合を促進させて燃料濃度分布の成層化を防止し、燃料混合気の混合比を均一化して、ひいては燃焼温度を均一化して、NOxの発生を低減させるとともに、逆火を防止することができる。 According to the above configuration, mixing of air and fuel generated in the main burner of the combustor is promoted to prevent stratification of the fuel concentration distribution, and the mixing ratio of the fuel mixture is made uniform, so that the combustion temperature is increased. It can be made uniform to reduce the generation of NOx and prevent backfire.
以上のように、本発明に係るガスタービン燃焼器およびこれを備えたガスタービン機関よれば、メインバーナから供給される空気と燃料の混合を促進させてNOx等のエミッション低減を図るとともに、逆火を防止することができる。 As described above, according to the gas turbine combustor and the gas turbine engine including the gas turbine combustor according to the present invention, the mixing of air and fuel supplied from the main burner is promoted to reduce the emission of NOx and the like, and backfire Can be prevented.
以下に、本発明に係るガスタービン燃焼器の複数の実施形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a plurality of embodiments of a gas turbine combustor according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態を示すガスタービン燃焼器の縦断面図である。
このガスタービン燃焼器1は、図示しないガスタービン機関に搭載されるものである。ガスタービン機関は、広く周知の通り、空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機において圧縮された空気を燃焼させるガスタービン燃焼器と、このガスタービン燃焼器から噴出する燃焼ガスの膨張によって駆動されるタービンとを備えており、ガスタービン燃焼器において発生した燃焼ガスのエネルギを利用してタービンを高速で回転駆動し、軸出力を得て発電機等を駆動するものである。そして、上記のガスタービン燃焼器として、本発明に係るガスタービン燃焼器1が用いられている。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a gas turbine combustor showing a first embodiment of the present invention.
The
ガスタービン燃焼器1は、その外周部をなす燃焼筒2と、この燃焼筒2の中心軸線Cに沿って配置された1基のパイロットバーナ3と、このパイロットバーナ3の周囲を取り囲むように等間隔に配置された複数基(例えば8基)のメインバーナ4とを備えた一般的な予混合方式の構成を持つものである。なお、図示しない圧縮機で圧縮された圧縮空気Aは、ガスタービン燃焼器1(燃焼筒2)の内部を、図1において左側から右側に向かって流れる。
The
パイロットバーナ3は、その軸心部に軸状のパイロットノズル5を備えている。このパイロットノズル5の下流側の先端部には複数の燃料噴射孔6が穿設されており、ここから燃料F1が噴射される。また、パイロットノズル5の周囲を、間隔を開けて取り巻くように略ファンネル状のパイロットノズル外筒7が装着されている。このパイロットノズル外筒7は、その径が圧縮空気Aの流れの下流側に向かって徐々に縮まっている。
The
パイロットノズル外筒7の内周面には、複数の翼状のパイロットスワーラ8が、パイロットノズル5側に向かって起立するように設置されている。これらのパイロットスワーラ8には、同一の方向に傾斜するピッチ角が付与されているため、圧縮空気Aの流れが旋回流(スワール流)となり、圧縮空気Aと、燃料噴射孔6から噴射される燃料F1との混合が促進される。このように、パイロットバーナ3では圧縮空気Aに燃料F1が予め混合されて燃料混合気M1が生成される。
A plurality of wing-
さらに、パイロットノズル5の周囲を覆うようにパイロットコーン9が設けられている。このパイロットコーン9は、流れの下流側に向かって径が拡大する略ファンネル状に形成されており、パイロットコーン9の上流側端部の内側に、パイロットノズル外筒7の下流側端部が、径方向に間隔を空けて短く挿入されている。このパイロットコーン9により、パイロットバーナ3から噴射された燃料混合気M1およびその燃焼火炎が遠心方向に拡散することが防止され、後述するメインバーナ4からの燃料混合気M2に干渉することが防止される。
Further, a
一方、複数のメインバーナ4は、それぞれの軸心部に軸状のメインノズル11を備えている。このメインノズル11は、圧縮空気の流れの下流側に向かって先端が細くなっている。また、メインバーナ4の各々の出口寄りに予混合ノズル12が設けられている。予混合ノズル12は円筒状であり、その上流側の入口部がベルマウス状に拡開され、内部が第1次混合領域13とされている。
On the other hand, the plurality of
メインノズル11から放射方向に延びる複数の翼状の支持ステー14が予混合ノズル12を内側から支持することにより、予混合ノズル12はメインノズル11の周囲を取り巻くように同心状に設置されている。支持ステー14には複数の燃料噴射孔15が設けられており、ここから燃料F2が噴射される。このように、メインバーナ4では圧縮空気Aに燃料F2が予め混合されて燃料混合気M2が生成される。
The plurality of wing-like support stays 14 extending in the radial direction from the
また、予混合ノズル12の内周面の、燃料噴射孔15よりも下流側の位置に、複数の翼状のメインスワーラ16(旋回流発生手段)が、メインノズル11側に向かって起立するように設置されている。これらのメインスワーラ16には、同一の方向に傾斜するピッチ角が付与されているため、図3に示すように、各予混合ノズル12の内部を通る燃料混合気M2の流れに同一回転方向の旋回流(スワール流)Sが発生し、これによって燃料混合気M2の混合が促進される。
Also, a plurality of wing-shaped main swirlers 16 (swirl flow generating means) stand up toward the
そして、各メインバーナ4(予混合ノズル12)の下流側にアニュラー延長ノズル18が連結されている。図1および図2に示すように、このアニュラー延長ノズル18は、予混合ノズル12のピッチ円Pの円周方向に沿って連続する環状(アニュラー状)をなしており、その外周壁面18aおよび内周壁面18bが周方向に連続している(図2参照)。このため、図1に示すように、アニュラー延長ノズル18が、パイロットバーナ3のパイロットコーン9の周囲を取り囲んでいる。なお、本実施形態では、予混合ノズル12のピッチ円Pの半径と、アニュラー延長ノズル18の通路のピッチ円C1の半径とが同一の半径R1となっている。パイロットコーン9の直径はD1で示される。
An
各予混合ノズル12の出口側は、アニュラー延長ノズル18の入口側(上流側)にそれぞれ接続されており、予混合ノズル12の接続部を除いた部分、即ち各予混合ノズル12の間となる部分は妻板部19(図2中のハッチング部分参照)となっている。このため、アニュラー延長ノズル18の上流側は外部に通じていない。
The outlet side of each premixing
アニュラー延長ノズル18の下流側は開放されており噴出口20となっている。この噴出口20は環状であり、図2に示すように、噴出口20から複数のメインバーナ4の予混合ノズル12が見える。アニュラー延長ノズル18の内部は第2次混合領域21となっている。
The downstream side of the
アニュラー延長ノズル18と予混合ノズル12との接続部には縮流部22が設けられている。この縮流部22は、アニュラー延長ノズル18側に一体に形成されており、縮流部22の縦断面形状(図1参照)はベルマウス状(ファンネル状)である。この縮流部22が設けられたことにより、環状のアニュラー延長ノズル18の内部は、下流側に向かってその厚み(径方向の寸法)が絞られている。このため、図2において、噴出口20から見える複数の予混合ノズル12の、内周側と外周側が縮流部22によって隠されている。
A
上記のように構成されたガスタービン燃焼器1における燃焼の過程を説明すると、まず、図示しないガスタービン機関の圧縮機において圧縮された圧縮空気Aが燃焼筒2内に流入し、パイロットバーナ3およびメインバーナ4の上流端側から下流端側に向かって流れる。
The combustion process in the
パイロットバーナ3においては、圧縮空気Aがパイロットノズル外筒7に沿って流れる際にパイロットスワーラ8によって旋回流を与えられながら燃料噴射孔6から噴射される燃料F1を混合されて燃料混合気M1となり、パイロットコーン9から図示しない燃焼領域に向かって噴出する。この燃料混合気M1は、図示しない種火によって着火され、パイロットコーン9の内部および下流で拡散燃焼が行われる。
In the
一方、メインバーナ4においては、圧縮空気Aが予混合ノズル12に沿って流れる際にメインスワーラ16によって旋回流を与えられながら燃料噴射孔15から噴射される燃料F2を混合されて燃料混合気M2となり、アニュラー延長ノズル18の噴出口20から図示しない燃焼領域に向かって噴出する。この燃料混合気M2は、パイロットコーン9から噴出して燃焼する燃料混合気M1の燃焼ガス(火炎)に触れることにより着火されて燃焼する。
On the other hand, in the
このように燃焼する燃料混合気M1,M2の燃焼ガスの膨張圧力によってガスタービン機関のタービン(非図示)が駆動され、出力として取り出されるとともに、タービンの主軸と同軸的に設けられた圧縮機が駆動されて圧縮空気Aが供給される。 A turbine (not shown) of the gas turbine engine is driven by the expansion pressure of the combustion gas of the fuel mixture M1 and M2 that burns in this way and is taken out as an output, and a compressor provided coaxially with the main shaft of the turbine. Driven and compressed air A is supplied.
このガスタービン燃焼器1においては、複数のメインバーナ4の各々に設けられた予混合ノズル12が、それらのピッチ円Pの円周方向に沿ってアニュラー状に連続した環状をなすアニュラー延長ノズル18にそれぞれ接続されているため、各予混合ノズル12の内部の第1次混合領域13において予め混合された燃料混合気M2が、アニュラー延長ノズル18の内部の第2次混合領域21に流入し、ここでさらに相互に混合する。
In the
このため、各メインバーナ4からアニュラー延長ノズル18に流れた圧縮空気Aと燃料F2との混合を促進させて燃料濃度分布の成層化を防止し、燃料混合気M2の混合比を均一化することができる。そして、このように均一に混合された燃料混合気M2が燃焼領域に供されるため、燃料ガス濃度が局所的に高い部分が無くなって燃焼温度が均一化され、NOxの発生を低減させることができる。
For this reason, the mixing of the compressed air A and the fuel F2 flowing from each
しかも、アニュラー延長ノズル18は、その外周壁面18aおよび内周壁面18bが周方向に連続しているため、これらの内外周壁面18a,18bの周長が従来の独立型の延長ノズルに比べて格段に短くなっている。このため、フラッシュバック防止用のフィルム空気をアニュラー延長ノズル18の内外周壁面18a,18bに形成するのに必要な空気の量、および燃焼ガスの巻き込みを防止するためにアニュラー延長ノズル18の外周に供給しなければならない空気の量が非常に少なくて済む。
In addition, since the outer
したがって、本来、メインバーナ4に流されるべき空気が多量に差し引かれて減少してしまうことがなくなり、これによってメインバーナ4で生成される燃料混合気M2の燃料濃度(空燃比)が高くなることを防止しつつ、燃料混合気M2を均一に混合して燃料濃度が高い領域を排除し、燃焼温度を下げてNOxの低減を図るとともに、逆火する可能性を低下させることができる。
Accordingly, a large amount of air that should be flown to the
しかも、各メインバーナ4の予混合ノズル12に旋回流発生手段としてのメインスワーラ16が設置されているため、図3に示すように、各予混合ノズル12の内部を通る燃料混合気M2の流れに同一回転方向の旋回流(スワール流)Sが発生する。これらの旋回流Sの中心部には低流速域が発生するため、従来ではこの低流速域で逆火する可能性があった。
Moreover, since the
しかし、このような燃料混合気M2の旋回流Sが、アニュラー延長ノズル18の内部(第2次混合領域21)で合流した際には、隣接する旋回流S同士のすれ違う流れ、つまり図3中に矢印Saで示す流れが互いに打ち消されて、矢印Sbで示す流れのみが残る傾向が発生する。そして、これらの矢印Sbが合体して、アニュラー延長ノズル18の周方向に沿って外周側と内周側とで逆方向に旋回する大きな二重反転旋回流S1,S2を形成する。このため、予混合ノズル12の内部に発生する低速領域が、アニュラー延長ノズル18の内部において消去される。
However, when such a swirl flow S of the fuel mixture M2 merges inside the annular extension nozzle 18 (secondary mixing region 21), the swirl flows adjacent to each other, that is, in FIG. The flow indicated by the arrow Sa cancels each other and only the flow indicated by the arrow Sb remains. These arrows Sb are combined to form large counter rotating swirl flows S1 and S2 swirling in opposite directions along the circumferential direction of the
したがって、アニュラー延長ノズル18の内部の第2次混合領域21において、各メインバーナ4から流れ込んだ燃料混合気M2の混合が、二重反転旋回流S1,S2の流れによって促進され、燃料混合気M2の流れの中に局所的に燃料濃度が高い部分や低速域が発生しなくなる。このため、燃焼温度の上昇を防いでNOxの発生を抑制するとともに、逆火を防止することができる。
Therefore, in the
さらに、各メインバーナ4の予混合ノズル12と、アニュラー延長ノズル18との接続部に縮流部22が設けられているため、図4に示すように、予混合ノズル12からアニュラー延長ノズル18に流れる燃料混合気M2の流れが縮流部22により縮流される。このため、縮流部22以降における燃料混合気M2の流速が加速され、低流速領域が除去される。
Further, since the
つまり、図5に示すように、予混合ノズル12の内部における燃料混合気M2の速度分布V1は、予混合ノズル12の中心部で速く、内周壁に近づくにつれて遅くなり、内周壁に近い位置では低流速領域が形成されるが、この流れが縮流部22により縮流されてアニュラー延長ノズル18に入ると、ほぼ均等な速度分布V2となり、低流速領域が解消される。また、アニュラー延長ノズル18の内壁面における境界層を薄くすることができる。
That is, as shown in FIG. 5, the velocity distribution V1 of the fuel mixture M2 inside the
これらのため、アニュラー延長ノズル18の内部で燃料混合気M2を一層均一に混合させ、より効果的にNOxを低減させるとともに、逆火を防止することができる。
For these reasons, the fuel mixture M2 can be mixed more uniformly inside the
[第2実施形態]
図6は、本発明の第2実施形態を示すガスタービン燃焼器の縦断面図である。
ここでは、メインバーナ4およびアニュラー延長ノズル18のみが示されている。なお、メインバーナ4(予混合ノズル12)の構成は第1実施形態と同一である。
[Second Embodiment]
FIG. 6 is a longitudinal sectional view of a gas turbine combustor showing a second embodiment of the present invention.
Here, only the
アニュラー延長ノズル18は、ノズル本体18cと、ノズル延長管18dとを備えてなる2ピース構造であり、これら両部材18c,18dの接続部においては、ノズル本体18cの外周をノズル延長管18dが間隔を空けて取り巻いており、両部材18c,18d間に環状隙間25(空気導入手段)が形成されている。なお、両部材18c,18dの上流側の入口部は共にベルマウス状に拡開されている。
The
また、同様に、予混合ノズル12とアニュラー延長ノズル18(ノズル本体18c)との接続部においては、予混合ノズル12の外周をノズル本体18cが間隔を空けて取り巻いており、両部材12,18c間に環状隙間26(空気導入手段)が形成されている。
Similarly, at the connecting portion between the premixing
これらの環状隙間25,26が設けられているため、メインバーナ4の周囲を流れる圧縮空気Aの一部が、入口をベルマウス形状とされた環状隙間25,26からアニュラー延長ノズル18の内部に導入され、アニュラー延長ノズル18の内壁面にフィルム空気FAが形成される。このため、アニュラー延長ノズル18(18c,18d)の内壁面近傍の低流速領域の燃料濃度が薄くなり、これによって燃料混合気M2の、アニュラー延長ノズル18の内壁面近傍を流れる部分の可燃限界濃度以下とし、燃焼および逆火が起こらないようにすることができる。
Since these
[第3実施形態]
図7は、本発明の第3実施形態を示すガスタービン燃焼器の縦断面図である。
ここでは、図6に示す第2実施形態の構成に加えて、空気導入手段である環状隙間25,26の内部に、それぞれ旋回翼状のフィルム空気スワーラ29,30(フィルム空気旋回手段)が設置されている。その他の部分は第2実施形態と同様である。フィルム空気スワーラ29,30は、環状隙間25,26によってアニュラー延長ノズル18の内壁面に形成されるフィルム空気FA(図6参照)に旋回流を発生させるものである。
[Third Embodiment]
FIG. 7 is a longitudinal sectional view of a gas turbine combustor showing a third embodiment of the present invention.
Here, in addition to the configuration of the second embodiment shown in FIG. 6, swirl wing-like film air swirlers 29 and 30 (film air swirling means) are respectively installed in the
フィルム空気スワーラ29,30を形成する複数の旋回翼には、それぞれ同一の方向に傾斜するピッチ角が付与されている。このピッチ角の傾斜方向は、予混合ノズル12の内部に設置されたメインスワーラ16の傾斜方向と同じであることが望ましい。これにより、予混合ノズル12の内部で混合促進のために旋回流とされている燃料混合気M2(図6参照)の旋回方向に合わせてフィルム空気FAを旋回させることができる。このため、アニュラー延長ノズル18内での旋回流(二重反転旋回流S1,S2)が弱まることを防止して燃料混合気の混合をより効果的に促進し、NOxの発生を低減させるとともに、逆火を防止することができる。
The plurality of swirl blades forming the film air swirlers 29 and 30 are given pitch angles that are inclined in the same direction. The inclination direction of the pitch angle is preferably the same as the inclination direction of the
[第4実施形態]
図8は、本発明の第4実施形態を示すガスタービン燃焼器の縦断面図である。
ここでは、図7に示す第3実施形態の構成に比べて、空気導入手段である環状隙間25,26の長さが延長されている。具体的には、予混合ノズル12が、その下流側端部から、その全長の約50パーセント以上の範囲をアニュラー延長ノズル18のノズル本体18cによって覆われている。また、ノズル本体18cが、その下流側端部から予混合ノズル12の下流側端部までの長さのうちの約50パーセント以上の範囲をノズル延長管18dによって覆われている。
[Fourth Embodiment]
FIG. 8 is a longitudinal sectional view of a gas turbine combustor showing a fourth embodiment of the present invention.
Here, compared with the structure of 3rd Embodiment shown in FIG. 7, the length of the
このように環状隙間25,26の長さが延長されていることにより、環状隙間25,26から導入されたフィルム空気(非図示)が、予混合ノズル12およびアニュラー延長ノズル18(ノズル本体18c)の外壁面に沿って所定の長さに亘って流れた後にアニュラー延長ノズル18の内壁面に導入される。
Since the lengths of the
本構成によれば、予混合ノズル12およびアニュラー延長ノズル18をフィルム空気によって外周側から対流冷却することができる。これにより、万一、異常事態により逆火が生じても、予混合ノズル12およびアニュラー延長ノズル18が焼損することを防止さでき、継続した運用が可能となる。
According to this configuration, the
[第1参考実施形態]
図9は、本発明の第1参考実施形態を示すガスタービン燃焼器の縦断面図である。
このガスタービン燃焼器31は、図1に示す第1実施形態のガスタービン燃焼器1と異なり、予混合ノズル12のピッチ円Pと、アニュラー延長ノズル18の通路のピッチ円C2とが同一半径ではない。即ち、予混合ノズル12のピッチ円Pの半径R1よりも、アニュラー延長ノズル18のピッチ円C2の半径R2の方が大きくなっている。そして、その分、パイロットバーナ3のパイロットコーン9の直径D2が、第1実施形態におけるパイロットコーン9の直径D1よりも拡大されている。その他の部分の構成は第1実施形態と同様であるため、各部に同一符号を付して説明を省略する。
[First embodiment]
FIG. 9 is a longitudinal sectional view of a gas turbine combustor showing a first reference embodiment of the present invention.
This
本構成によれば、アニュラー延長ノズル18の開口面積に対してパイロットコーン9の開口面積を大きくすることができる。ここでは、アニュラー延長ノズル18の内周側が絞られることにより、メインバーナ4(予混合ノズル12)の内部における内周側の旋回流を潰し、消失させることができる。これにより、パイロットバーナ3から噴出されたガスとの混合を抑制され、長火炎化することができる。
According to this configuration, the opening area of the
[第2参考実施形態]
図10は、本発明の第2参考実施形態を示すガスタービン燃焼器の縦断面図である。
このガスタービン燃焼器41では、第1参考実施形態のガスタービン燃焼器31とは逆に、予混合ノズル12のピッチ円Pの半径R1よりも、アニュラー延長ノズル18のピッチ円C3の半径R3の方が小さくなっている。そして、その分、パイロットバーナ3のパイロットコーン9の直径D3が小さくなっている。
[Second embodiment]
FIG. 10 is a longitudinal sectional view of a gas turbine combustor showing a second reference embodiment of the present invention.
In this
本構成によれば、アニュラー延長ノズル18の開口面積に対してパイロットコーン9の開口面積を小さくすることができる。ここでは、アニュラー延長ノズル18の内周側が絞られないため、メインバーナ4(予混合ノズル12)の内部における内周側の旋回流を完全に残すことができる。これにより、パイロットバーナ3から噴出されたガスとの混合を促進し、短火炎化することができる。
According to this configuration, the opening area of the
[第3参考実施形態]
図11は、本発明の第3参考実施形態を示すガスタービン燃焼器の縦断面図である。
このガスタービン燃焼器51では、第1参考実施形態の場合と同様に、予混合ノズル12のピッチ円Pの半径R1よりも、アニュラー延長ノズル18の通路のピッチ円C4の半径R4の方が大きい。パイロットコーン9の直径D4は第1参考実施形態における直径D2と同一である。
[Third Reference Embodiment]
FIG. 11 is a longitudinal sectional view of a gas turbine combustor showing a third reference embodiment of the present invention.
In this
アニュラー延長ノズル18は、その上流側が予混合ノズル12の内周側から延出し、下流側に向かうにつれて径方向外側に拡径し、最下流部における通路のピッチ円C4の半径R4が予混合ノズル12のピッチ円Pの半径R1よりも大きくなっている。つまり、上流側から下流側に向かって滑らかにカーブしながら拡径されている。
The
本構成によれば、パイロットコーン9を滑らかに拡張させて、パイロットバーナ3を流れる燃料混合気の流れをスムーズにするとともに、メインバーナ4からの火炎の流れを燃焼筒2の下流部2aの内周壁面に長く沿わせることができ、これによりメイン循環流MCを下流側に長く伸ばし、火移りを促進することで保炎性を向上させることができる。
According to this configuration, the
以上説明したように、本発明に係るガスタービン燃焼器、およびこれを備えたガスタービン機関によれば、メインバーナ4から供給される空気と燃料の混合を促進させて均一な燃料混合気を生成し、NOx等のエミッション低減を図るとともに、逆火を防止して、ガスタービン機関の信頼性を向上させることができる。
As described above, according to the gas turbine combustor according to the present invention and the gas turbine engine equipped with the combustor, the mixing of air and fuel supplied from the
なお、本発明は上記実施形態の構成のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更や改良を加えることができ、このように変更や改良を加えた実施形態も本発明の権利範囲に含まれるものとする。例えば、上記の各実施形態および各参考実施形態を相互に組み合わせる等してもよい。 It should be noted that the present invention is not limited to the configuration of the above-described embodiment, and can be appropriately modified or improved within a scope not departing from the gist of the present invention. Are also included in the scope of rights of the present invention. For example, the above embodiments and reference embodiments may be combined with each other.
1,31,41,51 ガスタービン燃焼器
2 燃焼筒
3 パイロットバーナ
4 メインバーナ
5 パイロットノズル
6,15 燃料噴射孔
7 パイロットノズル外筒
8 パイロットスワーラ
9 パイロットコーン
11 メインノズル
12 予混合ノズル
13 第1次混合領域
16 メインスワーラ(旋回流発生手段)
18 アニュラー延長ノズル
19 妻板部
20 噴出口
21 第2次混合領域
22 縮流部
25,26 環状隙間(空気導入手段)
29,30 フィルム空気スワーラ(フィルム空気旋回手段)
A 圧縮空気
C 燃焼筒の中心軸線
C1,C2,C3,C4 アニュラー延長ノズルの通路のピッチ円
F1,F2 燃料
FA フィルム空気
M1,M2 燃料混合気
P 予混合ノズルのピッチ円
1, 31, 41, 51
18
29, 30 Film air swirler (film air swirl means)
A Compressed air C Center axis C1, C2, C3, C4 of combustion cylinder Pitch circle F1, F2 Fuel FA Film air M1, M2 Fuel mixture P Pitch circle of premix nozzle
Claims (6)
前記パイロットバーナの周囲を取り囲むように配置された複数のメインバーナと、
前記複数のメインバーナにそれぞれ設けられ、その内部に第1次混合領域を形成する複数の円筒状の予混合ノズルと、
前記予混合ノズルのピッチ円の円周方向に沿って連続する環状をなし、前記複数の予混合ノズルの各々の出口側が接続され、その内部に第2次混合領域が形成され、かつ下流側に開放された噴出口を有するアニュラー延長ノズルと、
を具備して、
前記予混合ノズルと前記アニュラー延長ノズルとの接続部に、前記予混合ノズルから前記アニュラー延長ノズルに流れる燃料混合気の流れを縮流させる縮流部が設けられ、
前記アニュラー延長ノズルは、前記ピッチ円の円周方向に沿った環状の外周壁面及び環状の内周壁面を有し、
前記縮流部は、前記外周壁面が前記ピッチ円の半径方向内側に向かい、前記内周壁面が前記ピッチ円の半径方向外側に向かって、前記外周壁面と前記内周壁面との間の径方向の寸法が絞られていることを特徴とするガスタービン燃焼器。 A pilot burner disposed along the central axis of the combustion cylinder;
A plurality of main burners arranged to surround the pilot burner;
A plurality of cylindrical premixing nozzles respectively provided in the plurality of main burners and forming a primary mixing region therein;
The premixing nozzle has a continuous annular shape along the circumferential direction of the pitch circle, the outlet side of each of the plurality of premixing nozzles is connected, a secondary mixing region is formed therein, and on the downstream side An annular extension nozzle having an open spout,
It comprises a,
A connecting part between the premixing nozzle and the annular extension nozzle is provided with a contraction part for reducing the flow of the fuel mixture flowing from the premixing nozzle to the annular extension nozzle,
The annular extension nozzle has an annular outer peripheral wall surface and an annular inner peripheral wall surface along the circumferential direction of the pitch circle,
The contracted portion has a radial direction between the outer peripheral wall surface and the inner peripheral wall surface, with the outer peripheral wall surface facing inward in the radial direction of the pitch circle, and the inner peripheral wall surface inward in the radial direction outer side of the pitch circle. The gas turbine combustor is characterized in that the size of is reduced.
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