JPH02309123A - ガスタービン燃焼器 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は空気と燃１１：１を予混合して燃焼さけるガス
タービン燃焼器に係り、特に低ＮＯｘ化を図ったガスタ
ービン燃焼器に関する。

〈従来の技術） 一般に、ガスタービン燃焼器におけるＮＯｘの発生の主
要因は、燃料と空気との当Ｒ１比が１に近い燃焼領域が
燃焼ガス中に発生し、この燃焼領域において燃焼ガスが
局所的に高温化することにある。このような要因で発生
するＮＯｘを抑制する手段としては希薄予混合燃焼方式
がある。

上記燃焼方式を適用した従来の燃焼器としては、例えば
特開昭６１−１１０８１７号公報等に開示したものがあ
る。この燃焼器は第１０図に示すように、頭部にスワラ
１０１を備えたライナ１０２と、このライフ１０２の外
周部にあって二１円筒状に形成心れた予ｉ！’２合掌１
０３と、この予混合室１０３とライナ１０２とを連通す
る通気ガイド１０４とから構成されている。

ライナ１０２の内部燃焼室１０５には第１段燃料１０６
ａが供給され、ライナ１０１を通って供給される空気１
０７と拡散混合しながら安定な拡散燃焼が行なわれる。

一方、予混合室１０３のムロ１ｔｔ１ロ部からは第２段
燃料１０６ｂと空気１０７が取入れられて希薄、予混合
され、この予混合ガス゛１０８が通気ガイド１０４を通
って燃焼室１０５に供給されて希薄予混合燃焼を行なう
ようになっている。このように予混合気を複数の孔から
噴出させると、燃焼室の内部の流れが高乱流となり、燃
焼速度が速くなって良好な燃焼効率を得ながらＮＯ８の
低減が図れるとともに、燃焼の均一化によるＮＯｘ低減
も図れる。

しかし、上記従来例では第１０図に示す逆流領ｋｌ　１
０９　ａや、第１１図に示すように予混合ガス１０８の
主流方向に直交する断面の２つの通気ガイド１０４の中
間において予混合気の速度が遅い領１或１０９ｂが生じ
ろため、予混合室１０３や通気ガイド１０４内部に火炎
が入る、いわゆる逆火が発生し易い。すなわち、第１０
図に示す燃焼器では予混合領域に低速域、逆流域等が生
じて圧力■失増加や逆火し易い問題点がある。

このような問題点を回避するために提案された従来のガ
スタービン燃焼器としては、特開ｏｒ＋６２−２９４８
１５舅公報等に開示されたものがある。

この燃焼器は第１２図に示す１ように燃焼室外１１１１
３の上流端がヘッドプレート１１４で閉塞され、外筒１
１３内には上流端側にスワラ１０１を備えたライブ１０
２を右し、このライナ１０２の内部の燃焼室１０５には
第１段燃料１１６ａが供給されるようになっている。そ
して、この従来例は燃焼室１０５に予混合ガスを供給す
る供給孔１１０ａ、１１０ｂｆ′ｒＪに甲−通路のダク
ト状の予混合室である予混合ダクｔ−１１１ａ、１１１
ｂを設けて、その入口部に第２段燃料す系統１１６ｂ、
第２段燃斜ａ系統１１６ａからの燃料を供給する第２「
９燃利ノズル１１２ａ、１１２ｂを設（プることで、予
混合領域内に特に流速の遅い低速領域、逆流域、よどみ
域を形成しないようにして圧力損失および逆火を防止し
ている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら１．Ｆ記従来のガスタービン燃焼器では、
予混合ガスの供給孔毎に１つの予混合ダクトを設けてい
るため、予混合ダクトは供給孔と同数だけ必要となり、
また第２段燃料ノズルも少なくとも供給孔と同数以上必
要となる。その結果、部品点数が多くなり、燃焼器を大
型化してしまう問題点があった。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、予混合ダ
クトの圧力損失の減少および逆火防止を図るとともに、
予混合ダクト等の部品点数を削減してコンバク］−にし
、かつ低ＮＯｘ化を図ったガスタービン燃焼器を提供す
ることを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明によるガスタービン燃焼器は、燃料と空気を予混
合させて燃焼室に予混合ガスを供給する予混合ダクトを
備えたガスタービン燃焼器において、上記予混合ダクト
の出口部分を複数の通路に分岐し、かつこの分岐部より
下流側の通路に絞り部を形成したことを特徴とする。

（杵用） 上記の構成を有する本発明においては、１つの予混合ダ
クトで複数の予混合ガス供給孔へ予混合ガスを供給でき
るので、予混合ダクト等の部品点数を削減し、コンバク
１〜にすることが可能である。一般に、予混合ガスの流
れを分岐した場合に１よその分岐部下流側に大きな乱れ
が生じろために、出口部分を分岐しただ１ノの予混合ダ
クトではその乱れの増大による燃焼速度増大および流速
の芹い領域の発生によって逆火してしまう危険があるが
、本発明では分岐部より下流側の通路に絞り部を形成し
ているため、予混合ガスの流速を増加させて流れを整流
させることができる。これににす、圧力１１１失が減少
し、また予混合ガスの流れを火炎伝播速度より速い均一
な速度分布の流れとすることができるので、逆火を防止
できる。

（実施例〉 以下、本発明によるガスタービン燃焼器の実施例につい
て添付図面を参照して説明する。

第１図は本発明の第１実施例によるガスタービン燃焼器
を示し、この燃焼器は図示しない圧縮機とガスタービン
との間に複数個段りられ、圧縮機からの吐出ヂャンバ内
に収容される。そして、燃焼器外筒１３の上流端はヘッ
ドプレート１４で閉塞され、このヘッドプレー１・１４
の中央部には第１段燃料系６ａに接続される第１段燃料
取入口１５ａおよび第１段燃料ノズル１５が設けられる
。

ヘッドプレート１４の内部には第２段燃料ヘッダ１６が
設けられており、また外面に第２段燃料系６ｂと接続し
て燃料を取り入れる第２段燃料取入口１７、その内部に
第２段燃石ノズル１８（第２図）が設置される。そして
、その内径側には蒸気ヘッダ１９、蒸気５０を取り入れ
る蒸気取入口２０　ｉＪ３よび蒸気噴射ノズル２１が設
置されている。

燃焼器外筒１３の内側には燃焼室５に圧縮機からの圧縮
空気を導くフロースリーブ２２が設けられ、その内周側
に燃焼室５の外壁を形成するライナ２が設けられている
。ライナ２の上流端にはライナキャップ２３が取り付け
られ、この中央部にスワラＩ　Ｊ３よび第１段燃料ノズ
ル１５が設置されている。そして、燃焼器外筒１３の下
流端には燃焼器ラッパ５２が設けられ、またライナ２の
後端部にはトランジションピース５３が装着される。

ライナ２の胴部外周には例えば８組の予混合ダクト２４
が配設され、この予混合ダクト２４は上流側においてラ
イナキャップ２３に取り付けられた支持具２５によって
支持されており、下流側は予混合ダク］・２４に固定さ
れた支持プレート２６の外周側に支持リング２７を巻回
することによって、８相の予混合ダク［・２４をライナ
２に支持さＵでいる。このライナ２はその上流端がライ
ブ支持具５１を介してフロースリーブ２２に支持されて
いる。

ここで、予混合ダクト２４の出口部は三方に分岐され、
各々の出口端がライナ２に固定されたスリーブ２８ａ、
２８ｂ、２８ｃに挿入されており、このスリーブ２８ａ
、２８ｂ、２８ｃの外周端は予混合ダクト２４の支持プ
レート２６と接触している。また、予混合ダクト２４の
＃Ｊ後２箇所の支持部ではダクトの軸方向に対してスラ
イド可能となっており、支持リング２７は弾性を有し、
半径方向に拡径・縮径可能となっている。

さらに、第２図に示すように８組の予混合ダクト２４間
には、点火器２９、火炎検知器（図示Ｕず）および火炎
伝播管３１が設置されており、この火炎伝播管３１は燃
焼器外ｆｉ１３の周面に設【ブた火炎伝福管外筒５４に
嵌着され、その内面を火炎仏間孔５５としている。点火
器２９ち同様に燃焼器外筒１３の周面に取り付１ノられ
、この先端部がライナ２に形成した点火器挿入孔５６に
臨んでいる。

予混合ダクト２４の入口開口部には、第１図に示すよう
に各々２組の第２段燃料ノズル１８の先端が位置してお
り、このノズル先端部には予混合ダクト２４内部に向い
て位置決めされた第２段燃料ノズル孔３２が多数穿設さ
れている。また、予混合ダクト２４は第３図に示すよう
に入口部に空気７を反転流入さ′Ｕるガイド３３が設け
られるとともに、３つの分岐俊の通路に各々絞り部３４
ａ。

３４ｂ、３４Ｃが形成されている。これらの絞り部３４
は例えば第４図＜Ａ）〜（Ｃ）に示すような形状であっ
て、つまり分岐直後の面積Ａ１から出口部面積Ａ２まで
の縮小流路であればよく、△１〉へ２の関係であればよ
い。

第５図は第１図のＡ部を拡大して示し、予混合ダク；・
２４の出口端が挿入されたライナ２に固定されたスリー
ブ２８ｂには予混合ダクｉ・出口端外周を空気で対流冷
却させるように多数の孔３５が穿設されている。図示し
ないが他のスリーブ２８ａ、２８Ｇについても同様な構
造となっている。

そして、第５図においてスリーブ２８ｂの外周方向にお
りるライナ２の内周にはライナ内リング５７が設置ノら
れ、またスリーブ２８ｂの外周にはスリーブ冷却フラン
ジ５８が固定されている。

次に、本実施例の作用を説明する。

図示しない圧縮機から吐出される空気７（よ、）ロース
リーブ２２とライナ２との間を燃焼器上端側に向けて流
入し、その一部はライナ冷却孔３６（第５図）等からラ
イナ冷却用空気として流れ、また他の一部はスワラ１ｖ
から一次燃焼空気として、さらに一部は予混合ダクト２
４に予混合ガス生成用として、さらに他の一部は希釈空
気孔３７より希釈空気として燃焼室５内に流入する。

一方、？１５１段燃料系６ａの燃料は第１段燃料ノズル
本体先端部に設けた第１段燃料ノズル孔３８（第１図）
からスワラ１を介して燃焼室５内に流入して上記−火燃
焼空気と主に拡散混合して拡散燃焼する。

他方、第２段燃料系６ｂの燃料は第２段燃料取入口１７
、第２段燃料ヘッダ１６を通り、第２段燃料ノズル１８
を介して予混合ダクト２４内に噴射され、空気と予混合
して予混合ガス８となって燃焼器５内に流入して予混合
燃焼を行なう。そして、燃焼器５内で燃焼に供され、高
温の燃焼ガスとなった燃焼ガス６０はトランジションピ
ース５３内に形成された案内路を通って図示しないガス
タービンに導かれる。燃焼ガスがガスタービンを通過す
る際に膨張して仕事をし、発電機を回転駆動さＵる。

本実施例において予混合ガス供給孔は例えば２４個ある
が、３個の孔に対して１つの予混合ダクトが対応するの
で、全体では予混合ダクト８本、第２段燃料ノズル１６
個によって構成されている。

また、予混合ダクト入口から分岐前までの予混合ガスの
流速を３０〜５０ｍ／ｓｅａとして、分岐後の絞り部３
４以降では６０　ｍ　／ｓｅｃ以上に増速させているた
め、火炎伝播速度より速くなってガスタービンの実用運
転条件において逆火せず、かつ圧力ＩＱ失が少ないこと
が実験によって確認された。

また、予混合ダクト２４は入口部に空気導入用のガイド
３３を有しているため、流入する空気の流れを乱ずこと
がなく、加えて予混合ダクト２４人口から出口までの形
状を滑かで連続的に変化する形状としたので、予混合ダ
クト２４内部で発生する乱れも少なく、これにより一段
と圧力損失が減少するとともに耐逆火性能を向上させて
いる。

さらに、各予混合ダクト出口端のライナ２内にＩｌＢ入
されている部分をスリーブ２８ａ、２８ｂ。

２８ｃに穿設した多数の孔３５から流入する空気によっ
て対流冷却しているために、予混合ダクト出口端壁面を
湯度上昇させることがない。その結果、予混合ダクト表
面を高温着火諒とするような逆火も防止することができ
る。

このように本実施例によれば、予混合ダクト２４の出口
部を複数の通路に分岐し、この通路部を滑かで連続的に
内周が変化する形状とし、分岐部より下流側の通路に絞
り部３４を形成したので、予混台ダクトの本数、第２段
燃料ノズル本数ｃ１５よび予混合ダクト支持具等の部品
点数を削減し、コンバクｉ・化が図れる。そして、乱れ
のない予混合ガスの流れが得られるため、予混合ダクト
における圧力損失の減少および逆火防止が達成される。

また、予混合ダクトは支持部において軸方向にスライド
可能であり、半径方向への伸びも許容されるため、予混
合ダクトとライナとのＩ　Ｉｆｆ差による熱応力を生じ
させることなく、予混合ダクトを支１、テすることがで
きる。

第６図〜第８図は本発明の第２実施例を示し、前記第１
実施例と同一の部材には同一の符号を付して説明する。

第６図は本実施例の予混合ダクトを示しており、予混合
ダク！・２４の出口分岐部の下流側に多数の空気孔３９
を穿設している。また、図示しないが予混合ダクト２４
の内側にリングをムΩけてもよい。

このように構成された予混合ダクトを有するがスタービ
ン燃焼器にあっては、第６図の予混合ダクト２４の出口
端から×方向の断面における速度分布と害足比（燃空比
／ｌＩ論燃空比）分布が各々第７図（Ａ）、（Ｂ）に示
すようになる。寸なわら、本実施例によってＸ−Ｑおよ
びｄ近傍のいわゆる壁面近傍の速度の低い境界層の当量
比を低下さＵることかできる。したがって、第８図に示
すように形状的に可燃の範囲での速度と当部比との関係
が得られ、火炎伝播速度に対するマージンを従来のＭ　
からＭｌに大きくすることができる。

このＪ：うに本実施例によれば、予゛諌合ダクト２４の
出口分岐部の下流において予混合ダクト内壁面近傍に空
気を流入さＬる手段を設けたので、予混合ガスの速度の
但い境界層における燃料濃度を低くでき、逆火に対する
マージンを大きくすることができる。その他の構成およ
び作用は前記第１実施例と同一であるのでその説明を省
略する。

第９図は本発明の第３実施例を示し、前記第７実施例と
同一の部材には同一の符号を付して説明する。同図にお
いて、ライナは上流側の小径ライナ４０と下流側の大径
ライナ４１に分かれてＪタリ、この小径ライナ４０およ
び大径ライナ４１内には各々面部燃焼室７０および後部
燃焼室７１が画成される。予混合ダクト２４は主として
小径ライナ４０の外周に位置し、予混合ダクト支持具４
２を介してフロースリーブ２２に支持されている。この
フロースリーブ２２の後端部は燃焼器に流入する空気を
周方向に均一かつ整流するために外周方向に折曲形成し
たガイド４３を有している。また、第２段燃料ヘッダ１
６は外筒１３の延長線、Ｆに位置し、第２段燃料ノズル
１８は第゛２段燃わ１ヘツダ１６の内周方向に延びるよ
うにして取り付けられている。そして、本実施例ではラ
イナ後部に設けている希釈空気孔が設けられていない。

次に、本実施例の作用を説明する。

上流側のライ少を小径化したことによって、その外周に
予混合ダクト２４を設けることができ、これにより燃焼
器の直径を小ざくコンバクｊ−に覆ることができる。ま
た、予混合ダクト２４が支持具４２を介してフロースリ
ーブ２２に支持されているため、ライナに支持された場
合よりも予混合ダクＩ・２４の入口開口部と第２段燃料
ノズル１８との位置決めｖＪ度を高め、予混合ガスの濃
度分布を均一にして低ＮＯｘ化が図れる。そして、フロ
ースリーブ２２のｔｅ１部にガイド４３を設（プたので
、予混合ダクト２４に流入する空気格の周方向分布を均
一にでき、これにより予混合ガスのｔ　Ｕ分布を均一に
して低ＮＯｘ化が図れる。

加えて、ライナに希釈空気孔をなくしたので、その分の
空気を予混合用空気として用いることができ、予混合気
の濃度を低下さぜ°一段と低ＮＯ，Ｘ化が図れる。ここ
で、予混合ガスは燃料濃度が低いため燃焼ガス温度が低
く、かつ複数の出口から燃焼室内に流入するので混合効
果があり、その結果燃焼器出口断面にお１）る燃焼ガス
４度の分布も平坦となり、局所的高温ガスによるタービ
ン翼の焼石等を防止することもできる。

このように本実施例によれば、ガスタービン燃焼器をコ
ンパクトにでき、Ｎ０ｘＩＪＩｆをざらに（Ｉｔ下さ「
ることができる。その他の構成および作用は前記第１実
施例と同一であるのでその説明を省略づる。

なお、本発明は上記実施例に限らず種々の変更が可能で
ある。例えば燃焼器外筒や第１段燃料系統については他
の手段でもよく、また予混合ダク）・の向きも入口部を
ライナ側に向け、予混合ダクト入口部に第２段燃料ノズ
ルを配置するようにしてもよい。

（発明の効果） 以上の通り本発明によれば、予混合ダクトの出口部分を
複数の通路に分岐し、この分岐部より下流側の通路に絞
り部を形成したので、予混合ダクトの圧力損失を減少さ
せ、逆火防止が図れる。

また、予混合ダクト等の部品点数を大幅に削減しコンパ
クト化が図れ、さらに低ＮＯｘ化が図れるという効果を
秦する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るガスタービン燃焼器の第１実施例
を示す縦断面図、第２図は第１図のｎ−■１！２断面図
、第３図は予混合ダクトを一部切欠いて示す斜視図、第
４図（Δ）、（Ｂ）、（Ｃ）はＰ混合ダク１〜の絞り部
を示す説明図、第５図は第１図のΔ部拡大斜視図、第６
図は本発明の第２実施例における予混合ダクトを示す外
形図、第７図（Ａ＞、＜８＞は第６図の実施例の予混合
ガスの速度と等争比の分布図、第８図は第６図の実施例
における予混合ガスｆｉ度と火炎伝播速度との関係を示
す図、第９図は本発明の第３実施例を示す縦断面図、第
１０図は従来のガスタービン燃焼器を示づ縦断面図、第
１１図は第１０図のＸＩ−ＸＩ線断面図、第１２図は他
の従来のガスタービン燃焼器を示１ｉ縦断面図、第１３
図は第１２図の■−■線断面図である。 ２・・・ライナ、５・・・燃焼室、１３・・・燃焼器外
筒、２２・・・フロースリーブ、２４・・・予混合ダク
ト、２８ａ、２８ｂ、２８ｃ・・・スリーブ、３２　・
・・第２段燃料ノズル、３３・・・ガイド、３４ａ、３
４ｂ、３４Ｃ・・・絞り部、３９・・・空気孔、４０・
・・小径ライナ、４１・・・大径ライ±。 出願人代理人　　　波　多　野　　　久名２回 宴〆Ｚ回 ＄１５回

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃料と空気を予混合させて燃焼室に予混合ガスを供
   給する予混合ダクトを備えたガスタービン燃焼器におい
   て、上記予混合ダクトの出口部分を複数の通路に分岐し
   、かつこの分岐部より下流側の通路に絞り部を形成した
   ことを特徴とするガスタービン燃焼器。 ２、予混合ダクトはその入口部に空気導入ガイドを有す
   る請求項１記載のガスタービン燃焼器。 ３、予混合ダクトはその入口部から出口部までの通路を
   その内周が滑かで連続的に変化する形状に形成した請求
   項１記載のガスタービン燃焼器。 ４、予混合ダクト出口先端部の外側に空気を対流させ、
   この先端部を冷却してなる請求項１記載のガスタービン
   燃焼器。