JPH0343535B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は２段燃焼方式の構造を持つガスタービ
ンの燃焼器に係り、とくに天然ガス（LNG）な
どの気体燃料を使用する場合において大幅な
NOx低減を図ることができるガスタービン燃焼
器に関するものである。

〔発明の背景〕

まず一般に知られている従来の低NOxを狙つ
た燃焼器のうち本発明に最も近い技術を説明す
る。２段燃焼方式を採用した燃焼器は、例えば特
開昭57−41524号公報にも示されているように、
１段目（頭部）燃焼室に燃料と空気を導入し単一
ノズルによる拡散燃焼を行い、後流側（燃焼ガス
の流動方向下流側）の２段目燃焼室（後部）に燃
料と空気の混合ガスを供給し、全体として空気過
剰による低温度燃焼を行ないNOxの低減化を図
るものである。

しかし、頭部燃焼室に単一ノズルにより拡散燃
焼火炎を形成し、その後流から２段目の燃料を投
入する方法においては、NOxの大幅な低減化は
出来ない欠点を有する。なぜならば２段目の燃料
投入においては２段目燃焼におけるNOxの発生
は抑えることが出来るが、１段目における拡散燃
焼においては広い範囲で高温度となるホツトスポ
ツトの形成が生ずるため、NOxの発生を抑える
ことは出来ない。さらに、単一ノズルにおいては
ノズルが燃焼室の軸心部に位置するため、燃焼室
側壁から供給される空気流とノズルから供給され
る燃料との混合が悪く、ホツトスポツトが存在す
る原因となる。このように単一燃料噴出ノズルを
頭部燃焼室に備えた従来形燃焼器においては大幅
な低NOx化が出来ない欠点を有する。このよう
に２段燃焼器においてもNOxを大幅に低減する
ためには、１段目および２段目にて生成される
NOxを抑えることが必要となるものである。

〔発明の目的〕

本発明はこれにかんがみなされたもので、その
目的とするところは、頭部、後部とも低温度希薄
燃焼によりNOxの生成を抑え、大幅なNOx低減
化を図ることが出来る２段燃焼方式のガスタービ
ン燃焼器を提供するにある。

〔発明の概要〕

すなわち本発明は頭部燃焼室では拡散燃焼が行
なわれ、又後部燃焼室では予混合燃焼が行なわれ
るガスタービン燃焼器において、頭部の１段目燃
料を供給する１段目燃料供給ノズルを、頭部燃焼
室の頭部に複数個配置するとともに、後部の２段
目燃料を供給する予混合ガス供給口を、後部燃焼
室の周壁近傍に配置し、かつ前記頭部燃焼室の軸
心部に、上流端が頭部燃焼室の頭部端に位置し、
下流端が前記１段目燃料供給ノズルの燃焼噴出口
より下流側で、かつ前記予混合ガス供給口よりは
上流側に位置した内筒を設けるようになし所期の
目的を達成するようにしたものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の１実施例を第１図を用いて説明
する。

ガスタービンは圧縮機１とタービン２および燃
焼器３によつて構成され、燃焼器３は燃焼筒４、
外筒５、およびタービン静翼６に燃焼ガス７を導
く尾筒８から成立つており、そして外筒５の頭部
側の閉じた端部には第１段目の燃料ノズルボデイ
９を備えている。尚１０はこの燃料ノズルボデイ
を装着するカバーである。この他燃焼器には図示
していないが着火用の点火栓、火炎を感知する火
炎検知器などが装着されている。燃焼筒４は頭部
燃焼室１１とこれにより一段直径の大きな後部燃
焼室１２に分けられ、頭部燃焼室１１の中央部、
すなわち軸心部には内筒１３が挿入されている。
この内筒は下流側に向うにしたがい先細のコーン
状をなしていることが望ましい。

図中実線矢印は空気流を示すもので、圧縮機１
で圧縮された空気流１４は、デイフユーザ１５を
通過し尾筒８の周囲を迂回し、燃焼筒４に開孔し
た冷却孔１８や希釈空気孔１６や２段目燃料１７
を燃焼させるための２段目空気通路３２や頭部燃
焼室に開孔した燃焼用空気孔１９および冷却用空
気孔２０などからそれぞれの燃焼室内に導入され
る。

カバー１０に取付けられた第１段目燃料ノズル
２２は、頭部燃焼室側壁（ライナキヤツプ）２１
を貫通して燃焼器の軸心と同軸状に複数個設けら
れ、頭部燃焼室内に燃料を噴出する。尚図中２７
はノズルの燃料噴出口である。

内筒１３には空気を導入する空気入口孔２３が
設けられ、又内筒１３の表面には冷却空気がその
表面に添つて流れるように複数個、複数列の冷却
空気孔２４が設けられている。

さらに第２図には燃焼器の詳細構造が示されて
いる。

頭部燃焼室１１は次のように燃焼される。すな
わち、頭部燃焼室１１の上流には、ライナキヤツ
プ２１を貫通して複数個の１段目燃料供給ノズル
２２が設けられているが、このノズルの噴出口２
７から噴出された燃料２６は、１段目燃料供給ノ
ズルを貫通させるためのライナキヤツプ２１の開
孔とノズル間の間〓２９からの空気２８および頭
部燃焼室壁に開孔した空気孔１９ａ，１９ｂ，１
９ｃ，１９ｄからの空気と混合し燃焼を進行す
る。

１段目燃料供給ノズル２２は従来技術における
単一噴出ノズルの配置と異なり、それ自体が頭部
燃焼室の側壁に近接する位置にあるため、後述す
る内筒の作用も手伝つて空気孔１９ａ，１９ｂ，
１９ｃおよび１９ｄおよび空気流２８との混合が
早く行なわれ、このため燃焼過程の初期において
空気による冷却効果を上げることが出来る。した
がつて、ホツトスポツトの発生が抑えられ、
NOxの低減化を図ることが出来る。

さらに又複数個の燃料噴射が行なわれること
は、火炎の分散化を図ることができ、これらの相
剰作用により、低NOxとすることが出来る。頭
部燃焼室の中心部に台形錐形状をした内筒１３が
設けられていることは燃料と空気の混合を促進す
る。すなわち従来技術に見られた頭部燃焼室側壁
に開孔した空気孔１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９
ｄからの空気が中心部へ到達しなくなることに起
因する冷却混合効果が低下する現象がなくなる。
又、内筒自体による冷却と内筒１３の表面から噴
出する冷却空気２４によつて火炎を内面から効果
的に冷却する作用が生ずるため大幅な低NOx化
をはかることが出来る。さらに１段目燃料噴射出
口２７の燃焼室内への突き出し長さは、燃料噴出
口２７の上流側から流入する空気との混合に影響
するので、その噴出口はできるだけ空気孔１９
ａ，１９ｄの近傍に位置することが望ましい。す
なわち、ライナキヤツプより突出させることが望
ましい。

次に内筒１３及び頭部燃焼室１１と２段目燃料
を供給する予混合ガス供給口の位置関係について
本燃焼器の運転方法も合せて説明する。

周知のように、この種２段燃焼器を有するガス
タービンの運転は、起動から軽量負荷時までは頭
部燃焼室の燃焼のみで運転され、高負荷運転時
は、頭部燃焼室の燃焼と後部燃焼室の燃焼の両者
燃焼により運転される。したがつて、頭部燃焼室
の長さと２段目燃料供給位置との関連は頭部燃焼
室内に位置する内筒も含め下記のような作用を考
慮して決定される。すなわち頭部燃焼室１１にお
ける環状空間部２５では１段目燃料がほぼ完全に
燃焼が終了することであり、また、２段目の燃料
と空気が供給され燃焼しても、頭部燃焼室１１の
内部流動の変動と流入空気量の変化を極力少なく
抑えることである。このような作用を果たすため
に、頭部燃焼室内壁と内筒１３とで囲まれる環状
空間部２５内においては１段目の燃料２６が、流
入する空気１９ａ〜１９ｄ及び空気２８と混合し
ほぼ完全な燃焼を行うように頭部燃焼室１１を決
定することが必要となる。

第４図には頭部燃焼室の１段目火炎４５の形成
状況が模式的に示されている。頭部燃焼室１１の
長さが短くなると頭部燃焼室１１内の燃焼が完了
しないうちに２段目からの燃料及び空気流が導入
されるため、次のような現象が発生する。すなわ
ち頭部燃焼のみの場合は１段目火炎４５は後部燃
焼室まで延びるが、２段目からの空気で燃焼の進
行が阻止され、かつＡ部で示す部分が急冷却され
るためにCOやHCなどの未燃焼成分の生成が多く
なり燃焼効率が低下する欠点を有する。又このよ
うな構造で２段目の燃焼を行うと１段目の燃焼と
２段目の燃焼が同時に進行することにより２段目
燃焼開始部に高温のホツトスポツトが出来るため
NOxの発生が多くなる欠点を有する。又頭部燃
焼室の長さが長くなると頭部燃焼室壁の冷却面積
が増加する。したがつて冷却空気の量が多くな
る。このように冷却空気量が多くなることによつ
て２段目投入時に１段目火炎と２段目燃料ガスの
間に冷却用空気が導入されるため、２段日燃料ガ
スへの１段目火炎からの火移り性が悪くなり頭部
燃焼室の長さを必要以上長くすることは出来な
い。燃焼用圧力10ata、空気温度350℃までの試験
によれば頭部燃焼室の長さは内筒１３の直径およ
び長さにも支配されるが代表的なものとして頭部
燃焼室１１外径の1.2〜2.0倍程度であることが望
ましく1.5程度が最良である。一方、内筒１３の
長さは頭部燃焼室１１の容積にも関係するが、基
本的には頭部燃焼室１１よりも長くなると、２段
目の燃焼が開始した場合に後部燃焼室１２内で発
生する燃焼ガス膨張によりガス流速が増加する
が、この増加割合が内筒の突出しによる流路面積
の減少分だけ大きくなり、ガス流速の二乗で変化
する頭部燃焼室出口の流動抵抗が大きくなる。こ
のため２段目の燃焼時には頭部燃焼室１１から導
入する空気流量が減少し、頭部燃焼室１１におい
ては空気過剰による低温度燃焼が出来なくなり、
NOxの発生が増加する。また、ガス温度が高く
なりかつ空気流量が減少することから頭部燃焼室
１１外周壁の温度が高くなり燃焼器の信頼性、寿
命を短くすることになる。したがつて内筒１３の
長さは２段目の燃焼による流動抵抗の影響を少な
く抑えるように決定することが必要である。この
ために内筒１３の長さは頭部燃焼室１１よりも短
かくし、内筒の先端から頭部燃焼室の出口部まで
は燃焼ガスの流動面積を大きくとりいわゆる燃焼
ガスの急激な膨張に耐えるような容積をとること
が必要である。実験では内筒１３の長さｌは頭部
燃焼室１１の長さＬとの比でｌ／Ｌ＝0.7程度が
最良でありこのような寸法関係に内筒先端から、
頭部燃焼室後端までの空間をとることが良好であ
る。ここでｌ／Ｌが小さくなる状態、すなわち内
筒が短くなると１段目燃焼火炎は内筒先端部の軸
心部に形成されることにより軸心部に高温度部が
形成されるためNOxの発生は多くなる。

先述と同様の燃焼試験では１、２段目のNOx
を低減でき、かつCOやHC発生が少ない良好燃焼
特性を与える各部の空気開口面積は、全開口面積
に対する割合（％）として示すと、次の通りであ
る。

(1) 頭部燃焼室の開口面積（１９，２０，２８）
割合：50〜55％。

(2) ２段目（後部）燃焼の空気孔面積（３２）割
合：20〜30％。

(3) 後部燃焼室の開口面積（１６，１８）割合：
10〜30％。

(4) 内筒コーンの開口面積（２４）割合：５〜10
％。

とくに内筒に冷却用空気の他に燃焼用空気孔を
開口すると、この空気流により燃焼が促進される
ため、ホツトスポツト部が形成され、空気孔の近
傍が加熱される現象がみられる。したがつて内筒
は冷却空気孔のみ開孔する構造であることが望ま
しい。さらに２段目への空気面積を増加し30％以
上とした場合では火移り性能が低下する欠点を有
し、20％以下ではNOx低減効果が小さくなる。
一方頭部燃焼室１１への空気量が60％以上になる
と混合ガスが稀薄化しCO、HCの生成が多くな
り、又、40％以下ではNOx発生とメタル温度上
昇することになる。

次に、第５図ないし第７図を用いて２段目の燃
焼について説明する。燃料１７はパス部３０（第
７図）を通過し、燃料ダメ３１に導かれ、ここか
ら２段目空気通路３２および後部燃焼室１２に開
口する空気孔３３（第５図）の近傍に燃料を供給
する。この燃料供給は複数個の燃料ノズル３４の
燃料噴射孔３５から空気孔３３の空気流に添うよ
うに行なわれる。２段目の空気流３６は後部燃焼
室に供給される時に燃焼時間を出来るだけ長くす
るように旋回流として供給することが好ましく、
そのため複数個の旋回ベーン３７により空気通路
を仕切り、それぞれの空気通路に燃料噴射出口３
５を開口し空気と燃料の混合促進を図り空気過剰
の混合ガス３８として後部燃焼室に供給し、頭部
燃焼室の火炎から引火して低温度希釈燃焼を行い
NOxの低減化を図る。２段目の燃焼における
NOxの低減は空気と燃料をいかに良く混合する
かがキイポイントであり、このためには混合時間
をできるだけ長くする方が良い。このことからも
旋回ベーン３７を設けることにより、流路が長く
なつた分だけ混合時間が長くとれ、したがつて混
合の均一性が改善される。一方、２段目の燃焼に
対して重要なことは、２段目空気通路、とくに旋
回ベーン３７の中に火炎を引き込まないことであ
る。すなわちベーン３７に囲まれた空気通路は燃
料も供給され充分燃焼し得る条件になつている。
しかしながらベーン３７を通る空気と燃料の混合
ガスの噴出速度が約100ｍ／ｓであり、一方乱流
場における火炎の伝播速度がたかだか５ｍ／ｓで
あることにより、理想的な状態では火炎の逆火現
象は生じない。しかしながら、ベーンの形状およ
び表面仕上精度の低下などによつてはベーンの壁
面近傍に渦などの淀みが発生し、ここを火点にし
てベーンの中へ火炎が引き込まれるいわゆる逆火
現象が生ずる。これに対処する方法として第５図
及び第６図に示す如く２段目燃料ノズル３４から
の燃料１７の噴射は、その噴口３５を旋回ベーン
３７で囲まれた空気通路の中へ噴出し混合を図る
ことが重要である。このためには旋回ベーンの中
央近傍に噴出口位置を設定することが良好であ
り、とくに２段目燃料供給構造にもよるが旋回ベ
ーン３７の上流側は軸方向に沿つた直線部をも
ち、下流側に向つて湾曲４１ａ，ｂ，ｃ…をもた
せた旋回ベーンとすることにより、空気の流れを
スムーズにできるとともに、燃料ノズル３４の位
置ぎめ精度も高くなる。しかも旋回ベーン３７表
面近傍に渦、淀みの発生がなく逆火現象もみられ
ず良好な構造である。このように、燃料ノズル３
４に開口する噴出口３５の位置が旋回ベーン３７
で囲まれた空気通路の中央部に位置することによ
り、流れがスムーズになるとともに、燃料を流路
にほぼ均等に分散させやすくなり均一混合効果を
上げる。このため燃焼時における内筒４および２
段目燃料ノズル３５を支持する外筒５の熱膨張差
により旋回ベーン３７と燃料ノズル３５位置がず
れ均一混合効果の低下がなきようにすることが重
要である。この実施例を第７図に示す。２段目燃
焼用空気通路を形成する旋回ベーン３７等の部
材、とくに下側の押え部材４０とノズルフランジ
３９を連結し一体構造とすることにより旋回ベー
ン３７とノズル噴口３５の位置を常に定位置に保
つものである。さらにガスタービンの長時間使用
においても定位置を保つために頭部燃焼室１１と
後部燃焼室１２はそれぞれ２段目空気通路を形成
する部材をはさみ込み、図に示すようなスプリン
グシール部材４２ａ，４２ｂによつて燃焼器を連
結することにより燃焼器の熱変形から２段目空気
通路及び２段目燃料ノズルをフリーにしている。
一方、空気の流動がスムーズに行なわれるように
空気通路部に流路に合うような湾曲４３ａ，４３
ｂ形状とすることが良好な均一混合化となり、か
つ渦、淀み等の形成がなくなるため逆火現象を防
止できる効果を発揮する。

一方、１段目火炎と２段目火炎との干渉が
NOxの生成を左右することについて説明する。
すなわち、第８図に示すように２段目の燃料と空
気流３６が頭部燃焼室後部４４より１段目火炎４
５に対しほぼ直交（場合によつては旋回流でも良
い）して導入される場合には１段目火炎４５と２
段目火炎４６とが干渉（図中４７として示す）す
る部分において燃焼温度が高くなるホツトスポツ
ト部が出来るためNOxの生成が多くなる。した
がつて第９図に示すように１段目火炎４５と２段
目火炎４６が干渉しないようにすることが低
NOx化のために必須であり火炎を分離すること
が得策となる。したがつて２段目火炎は点線４８
で示す方向に形成することも考えられるが、この
場合２段目燃料投入開始時に２段目の燃焼は頭部
火炎４５によつて引火（火移り）する性能が低下
するため必要以上に外向きに形成させることは出
来ない。第１０図に２段目火炎の形成状況がほぼ
水平の場合のNOx濃度をＡ線、直角の場合の
NOx濃度をＢ線とし、両者比較を示す。直角流
入よりも水平流入時の方が火炎の干渉がなくなる
ためNOxの低減化が出来る。

以上説明したように頭部燃焼室に内筒の配置お
よびマルチ燃料ノズルを採用し、かつ燃焼器ライ
ナの外周部近傍から供給することにより燃料の分
散化を図り、かつ空気と燃料との均一混合化を促
進させることにより効果的な低温度空気過剰燃焼
を実現させ大幅な低NOx化を行うことができる。
すなわち、第１１図に示すように１段目のNOx
を大幅に低減することができかつＡ線で示す従来
技術と異なり、Ｂ線で示す２段目を組合せた場合
では大幅なNOx低減が得られる効果を発揮する。

一方、１段目の燃焼状態が２段目に及ぼす効果
について第１２図を用いて説明を加える。第１２
図は頭部燃焼室出口部のガス温度分布を示してい
る。シングル燃料ノズルを軸心に設置する従来技
術においては燃焼室軸心部の温度が高くなるが、
本発明によると燃料分散の効果および空気と燃料
の混合が良好となるため従来技術でみられたよう
な高温部分は存在しない。当然のことながら火炎
の位置に対応する外周部に若干の高温部が存在す
る傾向を示す。特に本発明では軸心部に内筒が設
置され、そして内筒表面側へ冷却空気を供給する
ようにすれば、さらに軸心部の高温部分はなくな
る。したがつて１段目燃焼により大幅なNOx低
減効果を得ることができる。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように本発明は、１段目燃料
を供給する１段目燃料供給ノズルを、頭部燃焼室
の頭部端で、かつ燃焼室の軸心と同軸状に複数個
配置するとともに、２段目燃料を供給する予混合
ガス供給口を、後部燃焼室の外周壁に近傍する位
置に配置し、かつ頭部燃焼室の軸心部に、上流端
が頭部燃焼室の頭部端に位置し、下流端が前記第
１段目燃料供給ノズルの燃料噴出口より下流側
で、かつ前記予混合ガス供給口よりは上流側に位
置する内筒を設けるようになしたから頭部燃焼室
における供給燃料の分散化及び空気と燃料との均
一混合化が促進され、かつホツトスポツト部が解
消され、したがつて頭部、後部とも低温度希薄燃
焼によりNOxの生成を押え、大幅なNOx低減化
を図ることが出来る２段燃焼方式のガスタービン
燃焼器を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を実施したガスタービン燃焼
器の断面図、第２図は燃焼器の部分断面図、第３
図は、燃焼器後部の斜視図、第４図は、火炎形成
状態を示す説明図、第５図は、２段目燃料供給部
の詳細図、第６図は、２段目燃料供給部の他の実
施例を示す詳細図、第７図は、２段目燃料供給部
の他実施例を示す断面図、第８図及び第９図は、
それぞれ、２段目燃料の供給方向と火炎の干渉状
態を説明する図、第１０図は、頭部燃焼室長さと
NOx低減効果の関係を示す特性図、第１１図は、
ガスタービン負荷とNOx濃度との関係を示す特
性図、第１２図は、火炎の温度分布を示す特性図
である。 ９……１段目燃料、１１……頭部燃焼室、１２
……後部燃焼室、１３……内筒、１７……２段目
燃料、１８……２段目空気通路部、２２……１段
目燃料噴出部、３４……２段目燃料ノズル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 燃焼器頭部に位置し、１段目燃料と空気を導
   入して燃焼が行なわれる頭部燃焼室と、 該頭部燃焼室の燃焼ガス流動方向下流側に位置
   し、２段目燃料と空気を導入して燃焼が行なわれ
   る後部燃焼室と、を備え、 前記頭部燃焼室では拡散燃焼が行なわれ、かつ
   前記後部燃焼室では予混合燃焼が行なわれるガス
   タービン燃焼器において、 前記１段目燃料を供給する１段目燃料供給ノズ
   ルを、頭部燃焼室の頭部に複数個配置するととも
   に、 前記２段目燃料を供給する予混合ガス供給口
   を、後部燃焼室の周壁近傍に配置し、かつ 前記頭部燃焼室の軸心部に、 上流端が頭部燃焼室の頭部端に位置し、下流端
   が前記１段目燃料供給ノズルの燃料噴出口より下
   流側で、かつ前記予混合ガス供給口よりは上流側
   に位置する内筒を設けたことを特徴とするガスタ
   ービン燃焼器。 ２ 前記１段目燃料供給ノズルを、 頭部燃焼室の外周壁と前記内筒との間で、かつ
   頭部燃焼室の頭部端面から下流側に向つて突出し
   て配置させたことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載のガスタービン燃焼器。 ３ 前記内筒を、 下流側へ向うにしたがい先細となるコーン状に
   形成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載のガスタービン燃焼器。 ４ 前記内筒の外周壁に、 複数個の孔を設け、該孔を介して燃焼室に供給
   される空気の一部を供給するようにしたことを特
   徴とする特許請求の範囲第３項記載のガスタービ
   ン燃焼器。 ５ 前記頭部燃焼室の軸線に沿う長さが、頭部燃
   焼室の外径の1.2倍以上1.8倍以下であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載のガスタービ
   ン燃焼器。 ６ 前記２段目燃料を供給する予混合ガス供給口
   が、燃焼器軸線にほぼ平行な方向に混合ガスを噴
   出するように形成されていることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載のガスタービン燃焼器。