JPH01107015A - ガスタービン用燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はガスタービン用燃焼器、特に、Ｎ　Ｏｘ低減効
果の大きいガスタービン用燃焼器に関する。

〔従来の技術〕

化石燃料を燃料とする燃焼装置から発生する大気汚染物
質の主要な成分は燃料の未燃焼排出物である炭化水素、
すすおよび不完全酸化物の一酸化炭素と、燃料中の窒素
分、燃焼空気中の窒素の酸化により生成される窒素酸化
物（以下Ｎ　Ｏｘと称す）である。

ガスタービン燃焼器は燃焼空気量が理論燃焼空気量より
もはるかに大きく、かつ、連続燃焼であるので、未燃炭
化水素の排出指数（グラム／キログラム燃料）は０．１
以下、−酸化炭量は１以下、すすは１０■／　Ｎ　ｍ’
以下であり、ピストンエンジンおよびボイラに比較し、
これらの未燃焼汚染物質の発生は少ないが、Ｎ　Ｏｘの
排出指数は６〜１２程度でありＮ　Ｏｘに関しては必ず
しも低排量となっておらず、ガスタービン燃焼器ではＮ
　Ｏｘの低減化が大きな課題である。

ガスタービン燃焼器におけるＮ　Ｏｘの生成は、軽質油
および天然ガスを燃料とする場合には、燃料中の窒素分
の含有量が非常に小さいので、大部分が燃焼空気中の窒
素の固定によるものである。

一方、ガスタービン燃焼器内の燃焼形態はほぼ断熱燃焼
に近いものであり、局部的には２２００℃程度の高温領
域が存在し、この領域では十分の一秒あたり数十ｐｐｍ
のＮ　Ｏｘが生成される。このＮ　Ｏｘ生成速度は燃焼
ガス温度により支配的な影響を受けるガスタービン燃焼
器の場合のＮ　Ｏｘの制御は、まず、燃焼温度の制御す
なわち、低温燃焼化である１５００℃程度の燃焼を実現
できるならば、Ｎ　Ｏｘの排出濃度を約十分の−に低減
させることができる。

この２２００℃程度の局部的な高温領域をなくす燃焼方
法は、（１）燃焼炉内に水または水蒸気を噴射して燃焼
ガスを低減する方法、（２）燃料を燃焼するに必要な空
気量に対する実際の空気量の割合（以下、当量比と称す
る）を高くして、燃料が希薄な条件で燃焼する方法が実
用化されている。

方法（１）では、無対策の燃焼器に比ベロ０〜８０％の
ＮＯｘの低減を図れるが、この方法では水噴射量の増加
とともにＮ　Ｏｘの低減率は次第に飽和する傾向が現わ
れる。また、ガスタービンの効率を高くするため、燃焼
器出口のガス温度を高くすると、水及び水蒸気の噴射量
が少なくなり、低Ｎ　Ｏｘ燃焼は困難になる。

従って、方法（２）によりＮ　Ｏｘの生成量を抑えよう
とする試みが数多くなされている。一般に、希薄燃焼を
実現しようとすると、燃料の発熱量に対する全ガス量の
割合が大きくなり、安定に火炎を形成し得なくなる。ま
た、ガスタービンの負荷変動幅は火力発電用のボイラに
比べて大きく、低負荷の燃焼時に火炎安定性が悪くなる
。

この問題に対し、燃焼器内に燃焼用空気の旋回流を形成
させ、その中へ燃料を噴出させることにより、燃料を均
一に分散させ希薄燃焼を実現させようとする試みが、特
開昭５６−１２４８３４号公報に記されている。確かに
この公知例の方法は従来の拡散燃焼火炎に比べてＮ　Ｏ
ｘの排出量を低減できる。

しかし、Ｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　＆　Ｆｎａｍｅ　２３　
、　　ｌ　４３−２０１　（１９７４）によれば、燃焼
用空気の旋回強度を増加すると、燃料と燃焼用空気が接
触するまでに要する時間が長くなると記されている。こ
のため、旋回流中に燃料を噴出する方法は、従来の拡散
燃焼火炎に比べて燃料噴出直後の空気との混合を抑制し
、着火する雰囲気の当量比を高くできないことに起因す
るＮ　Ｏｘを生成させる。

このため、旋回流発生器の上流側へ燃料を噴出し、予め
燃料と燃焼用空気を混合した後に、旋回流発生器から燃
焼器内へ旋回流で供給させる試みが、特開昭５７−１８
７５３１号、特開昭６１−２２１２７号に記されている
。この公知例では前述のような燃料噴出直後の混合不良
を解決でき、定常運転時にはＮ　Ｏｘ濃度を低減できる
。しかし、低負荷運転させるため燃料供給量を減少して
いくと、旋回流発生器の近傍に火炎を安定に形成させ得
なくなり、火炎の吹き飛び等が生じて排ガス中のＣ○濃
度が高くなる問題が生じる。また、負荷量に応じて旋回
流発生器へ供給する空気流量を減少させると、旋回流発
生器内の流速の不均一さから火炎が旋回流発生器内部へ
逆火する問題が生じる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は燃料と空気の混合を促進することにより
、火炎内部の局所的な高温を無くし、比較的低い温度の
火炎を形成し、Ｎ　Ｏｘの低減を図ろうとしている。し
かし、燃料と空気の混合を促進することによってもたら
される火炎の不安定性、即ち、火炎を安定に燃料器内部
に保持する点は配慮されておらず、またガスタービンを
低負荷で運転する際に火炎が吹き飛んで排ガス中の一酸
化炭素等の未燃焼分が増加する問題、さらには火炎が逆
火する問題があった。

本発明の目的は、あらゆる負荷条件に対して安定に希薄
燃焼を達成させ、燃焼器出口のＮ　Ｏｘ濃度を低減させ
るガスタービン用燃焼器を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、燃焼用空気を旋回流で投入する旋回流発生
器の上流側に燃料ノズルを配し、燃料と空気を混合させ
た後に旋回流発生器へ供給し、旋回流発生器のもつ複数
個の噴出孔の出口に、噴出孔の流路面積が下流方向に向
うにつれて小さくなるような保炎板を取り付けることに
より達成される。

更に、この目的は、火炎板を取付けた噴出孔の保炎板近
傍の噴出速度を、保炎板を取付けない時の噴出孔の噴出
速度の約１．２倍以上にすると効果的である。

〔作用〕

旋回流発生器のもつ複数個の噴出孔は、旋回流発生器の
上流側で燃料と燃焼用空気を混合した混合気を噴出する
。この噴出孔の燃焼器側の開孔部に取り付けられた保炎
板は、噴出孔の流路面積が下流方向へ向うにつれて小さ
くなるように取付けられている。この保炎板は噴出孔か
ら噴出される混合気の流れの一部を塞ぐ形で取付けられ
ている。

ここで、噴出孔から噴出される混合気の体積流量を保炎
板をもたない噴出孔の流路面積で割った値を平均噴出流
速Ｕと定義する。保炎板は、保炎板近傍の混合気の流速
を加速させ、平均噴出流速Ｕよりも高いＵ＋ΔＵになる
ように動作する。この時、保炎板の大きさは、保炎板か
ら離れた噴出孔における噴出流速が平均噴出流速Ｕにほ
ぼ等しくなるように定められなければならない。即ち、
噴出孔から噴出される混合気の噴出流速は、流速分布を
持つことが重要であり、噴出孔の最小噴出流速は上記平
均法噴出流速Ｕにほぼ等しく、最大流速噴出Ｕ＋ΔＵは
保炎板近傍に形成される。

保炎板の混合気噴出方向と直角方向の投影面積が噴出孔
の流路面積の５０％以上になると、混合気の噴出流速は
一様に加速され、上記の流速分布は形成されにくいこと
が種々の検討により明らかになった。

さて、流速分布が形成されると、流速の異なる領域では
せん断力が生じ、平均流速Ｕにほぼ等しい混合気の流れ
から最大流速噴流Ｕ＋ΔＵの混合気の流れ方向への混合
気の移動と、この移動と逆方向の混合気の移動が生じ、
いわゆる、乱流混合層が形成される。また、保炎板によ
り混合気の流れが塞がれているため、保炎板の後流側の
静圧は燃焼器内圧より低くなり、燃焼器から保炎板の方
向へ向う流れ、即ち、循環流が形成される。循環流と最
大流速噴流の間の流速差は乱流混合層を形成する。一般
に、乱流混合層内の物質及び熱の移動は、分子拡散等の
分子振動による移動の一千倍以上良い。このため、循環
流で運ばれた燃焼器内の高温ガスは乱流混合層により、
最大流速噴流と迅速に混合し、最大流速噴流が加熱され
る。さらに、流速Ｕの噴流と最大流速噴流に形成された
乱流混合層により、循環流の高温ガスは最大流速噴流を
介し、流速Ｕの噴流と容易に混合し、加熱されるのであ
る。乱流混合層により、混合気は従来の技術よりも速く
加熱されるので、混合気の着火性は飛躍的に向上し、従
来技術では着火し得なかった燃料の希薄な混合気まで着
火できる。このため、火炎内の局所的な高温域が無くな
り、Ｎ　Ｏｘ濃度は飛躍的に低減され、また、燃料供給
量を絞つた低負荷運転時にも火炎を安定に保持すること
ができる。

〔実施例〕

以下、本発明の第１の実施例を第１図により説明する。

第１図は本発明のガスタービン燃焼器の構造図である。

本実施例は、図には記載されていないガスタービンの圧
縮器で加圧された空気が給される燃焼器外筒１０と、燃
焼器外筒１０内に保持された円筒状の燃焼器１１と、燃
焼器１１へ圧縮空気を燃焼用空気として供給するために
燃焼器１１の上流側へ設けられたウィンドボックス１３
と、ウィンドボックス１３を燃焼器１１の間に設けられ
燃焼用空気と燃料の混合気を燃焼器１１の内部へ旋回流
で供給するスワラと、スワラ１４を構成する複数個の噴
出孔の流路面積が燃焼器１１へ向うにつれて小さくなる
ようにした保炎板１５と、ウィンドボックス１３の内部
へ燃料を供給する複数の燃料ノズル１８と、燃料ノズル
１８へ供給する燃料流量が等しくなるように設けられた
燃料ボックス１７からなる。

第２図は第１図に示したガスタービン用燃焼器保炎板１
５、スワラ１４、ウィンドボックス１３、及び燃料ノズ
ル１８の位置関係を示す図である。

スワラ１４は、燃焼器１１の中心軸と同軸上に配された
スワラ内筒２２とスワラ外筒２１の二重円管から成る環
状の流路に配された複数個の案内羽根２３から成る。案
内羽根２３は上流側で燃料１６と燃焼用空気が混合した
混合気の燃焼器１１の軸方向の流れを妨げるように取り
付けられている。即ち、案内羽根２３は、燃焼器１１の
中心軸と平行でない角度をもつように取り付けられてい
る。また、燃焼器１１の長さ方向の案内羽根２３の長さ
は、スワラ外筒２１より短くなるように取り付けられて
いる。また、ウィンドボックス１３はスワラ外筒２１と
スワラ内筒２２及び燃焼器外筒１０を内壁とする。燃料
ノズル１８の一方の開孔部は燃料ボックス１７に連結さ
れている。燃料ノズル１８の他方の開孔部はウィンドボ
ックス１３に連結されている。また、燃料ノズル１８は
燃焼器外筒１０に複数個取りつけられ、燃料ノズル１８
のウィンドボックス１３側の開孔部が二つの案内羽根２
３の中間に位置するように取り付けられている。

保炎板１５は、スワラ内筒２２と同一の径の円筒部と、
円筒部の直径が燃焼器１１の長さ方向に向うにつれて大
きくなる部分を組み合わせた形状をなしており、スワラ
内筒２２の燃焼器１１側の端面に取り付けられている。

第３図は第２図に示したスワラ１４及び保炎板１５を燃
焼器１１側から見た平面図である。スワラ１５の最大直
径ｄｓは、（１）式を満足するように設定されている。

ｄｓ≦−（（スワラ外筒直径）２＋（スワラ内筒直径）
２）・・・（３）図には記載されていないガスタービン
の圧縮器で圧絞された空気は燃焼器外筒１０と燃焼器１
１で形成される円環状の流路へ供給される。圧縮空気の
一部は、燃焼器１１に設けられたルーパー２から燃焼器
１１内へ供給され、燃焼器１１を冷却して燃損を防止す
る。残りの空気は、ウィントポックス１３へ燃焼用空気
として供給される。燃焼用空気はウィンドボックス内で
燃料１６と完全に混合し、混合気を形成する。混合気は
、スワラ１４により旋回流となり、燃焼器１１の内部へ
供給される。このとき、旋回流の混合気の一部は保炎板
１５に衝突し、加速されるが、他の部分はほとんど加速
されずに噴出する。

第４図は、保炎板の動作を示す説明図である。

保炎板１５は、スワラ内筒の直径と等しい円筒部と、そ
の先端に取付けられた直径が燃焼器１］、の長さ方向に
向うにつれて大きくなる円錐部から成る。混合気４１の
一部は保炎板１５に衝突して加速され流速をＵ＋ΔＵを
持つ高速流４３になる。

保炎板１５に衝突しない混合気４１は、はとんど加速さ
れずに流速Ｕを持つ低速流４４で噴出される。高速流４
３及び低速流４４は共に旋回流で噴出されるので、循環
流２０を形成し、燃焼器１１の中心の高温ガスを保炎板
１５の近傍まで運ぶ。

特に、高速流４３は加速された流れであるため、保炎板
１５の燃焼器１１中心軸側の圧力を低くし、循環流１９
を保炎板１５の近傍に形成する。一方、高速流４３は循
環流２０との間の速度差により流れの境界部にせん断力
を生じる。このせん断力は高速流４３と循環流２０を混
合させるように働き、両者の流れの境界に混合層■が形
成される。循環流１９及び混合層Ｈによる循環流２０か
ら高速流４３への熱の移動量は保炎板１５の無い場合に
比べ、はるかに秀れているので、高速流４３は迅速に加
熱される。

一方、低速流４３と高速流４４も流速差ΔＵをもつため
、上記説明と同様に流れ境界に混合層Ｉを形成する。従
って、高速流４３へ伝わった熱は混合層Ｉを介して低速
流４４へ移動し、低速流４４は加熱される。この様に混
合層Ｉ及び混合層■によって低速流４４の加熱は保炎板
１５の無い場合に比べて著しく良くなる。このため、保
炎板１５の無い従来技術に比べ、当量比の高い条件でも
安定で、かつ、局所的な高温部の無い火炎を形成できる
ので、燃焼器１１出口のＮＯｘ濃度を飛躍的に低減でき
る。また、燃料流量の少ない低負荷の燃焼時にも安定な
火炎を形成できるので、火炎の吹き飛びや燃焼器１１．
の出口の未燃焼分の増加を無くすことができる。

保炎板１５がスワラ１４の個々の噴出孔を５０％以上塞
ぐ大きさの場合、混合気４１は一様に加速され、第４図
に示したような流速分布は形成されない。従って、混合
層Ｉも形成されず、循環流２０の持つ熱の移動は上記の
説明よりも遅くなる。

また、混合気４１が保炎板１５の無い時に燃焼できる極
限に近い条件の場合、この様な大き過ぎる保炎板を付け
ると、混合気４１の流速が速くなり、混合気４１の可燃
条件を満足しなくなる。

低速流４４と高速流の流速条件を種々の形状を持つ保炎
板を用い実験した結果、低速流４４の流速を高速流４３
の流速で割った値が０．８以下になる形状の保炎板は火
炎の安定性、燃焼器１１の出口のＮＯＸ濃度の低減に有
効であった。その中の数例を示す。第５図は、第３図の
変形例であり、燃焼器１１側なら見た時の平面図である
。保炎板５１は第３図の保炎板の一部を切り欠き、スワ
ラ１４の噴出孔の中心部を残した形状である。第６図は
第３図の変形例の保炎板を示す平面図である。

保炎板６１は、案内板２３の燃焼器１１側の端面に取付
けられた板である。スワラの外筒２１に取付ける保炎板
も考えられるが、混合気の旋回流で形成される循環流２
０はスワラ内筒２２の方向に形成されるので、保炎板で
形成される循環流１９と循環流２０との間に形成される
混合層の相乗効果が無くなり、第３図に示した保炎板１
５はどの効はない。また、保炎板の形状は目的とする趣
旨をそこなわない限り種々変形できる。

本発明の第二の実施例を第７図により説明する。

第７図は本発明のガスタービン燃焼器の構造図である。

第一の実施例のガスタービン燃焼器のスワラ内筒２２の
内部に、更に、副燃焼器を設けたことが第二の実施例の
特徴である。新たに付加された副燃焼器のみの構造を記
する。副燃焼器は燃焼器１１の上流側に設けられたスワ
ラ内筒２２よりも直径の小さな副燃焼器外筒７２と、副
燃焼器外筒７２の内部に納められ、かつ、副燃焼器外筒
７２とほぼ長さの等しい円錐台形の副燃焼器内筒７１と
副燃焼器外筒７２と副燃焼器内筒７１で作られた環状流
路の上流側に配された燃焼器プレート７４からなる。副
燃焼器内筒７１と副燃焼器外筒７２は、図には記載され
ていない圧縮器で加圧された空気を副燃焼室内へ供給す
るルーバが設けられている。燃焼器プレート７４は複数
個の副燃料ノズル７３をもち、副燃料ボックスへ供給さ
れた燃料１６は副燃料ノズル７３から副燃焼室内へ供給
される。ここで、副燃焼器外筒７２と副燃焼器内筒７１
で構成される環状流路の形状は、副燃焼室へ流入するル
ーバ１２からの空気及び副燃料ノズル７３から供給され
る燃料１６及び燃料１６の燃焼ガスの流速が副燃焼室の
長さ方向にほぼ一様であるように決定される。

副燃焼室へ供給された燃料１６は副燃焼器外筒７２及び
副燃焼器内筒７１のルーバ１２から供給される空気と混
合しながら燃焼する。この燃焼ガスはスワラ１４の出口
に設けられた保炎板１５が形成する循環流１９へ供給さ
れ、スワラ１４から供給される混合気は循環流１９を介
して加熱される。

副燃焼室及び保炎板１５を設けることによりスワラ１４
から供給される混合気へ混合するガス温度を高くできる
ので、スワラ１４から供給する混合気の当量化を高くで
きる。このため、局所的な高温域を無くし、燃焼器１１
の出口のＮＯＸ濃度を低減できる。

第−及び第二の実施例に示した保炎板１５の燃損が問題
になる場合、保炎板１５は圧縮空気による冷却、又は、
水冷を処することができる。また、保炎板１５を耐熱性
をもつセラミックス（炭化ケイ素、アルミナ、等）で形
成すれば、保炎板１５表面からの輻射伝熱を促進できる
ので、混合気の着火性をより一層向上できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、スワラ出口に設けた保炎板により混合
気を燃焼ガスのせん断力が強くなり、混合気は加熱され
易くなるので、混合気の当量比の高い希薄燃焼を成すこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のガスタービン燃焼器の縦断
面図、第２図はスワラ及び保炎板の構造を示す斜視図、
第３図はスワラ及び保炎板を燃焼器内部から見た平面図
、第４図は保炎板の動作説明図、第５図及び第６図は第
１図の変形例を示す平面図、第７図は本発明の他の実施
例のガスタービン燃焼器の縦断面図である。 １０・・・燃焼器、１１・・・ルーバ、１３・・・ウィ
ンドボックス、１４・・・スワラ、１５・・・保炎板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、冷却空気導入孔をもつ燃焼器と、前記燃焼器の一端
   に設けたスワラと、前記スワラの燃焼器に面した開口部
   の反対側に配された燃料ノズルと、前記燃焼器及び前記
   スワラ及び前記燃料ノズルを内部にもつ燃焼器外筒から
   なるガスタービン用燃焼器において、 前記燃料器の内部から見た噴出口の開口部の面積が小さ
   くなる保炎板を前記スワラの噴出口の前記燃焼器側端面
   に取付けたことを特徴とするガスタービン用燃焼器。 ２、特許請求の範囲第１項に記載の保炎板は、燃焼器内
   部から見た前記スワラの噴出口の面積を少なくとも５０
   ％以上にして、前記スワラの噴出口から噴出される燃料
   と空気の混合気の一部を加速させたことを特徴とするガ
   スタービン用燃焼器。