JPH0370128B2

JPH0370128B2 -

Info

Publication number: JPH0370128B2
Application number: JP56070149A
Authority: JP
Inventors: Isao Sato; Yoji Ishibashi; Takashi Oomori; Yoshimitsu Minagawa; Michio Kuroda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-05-12
Filing date: 1981-05-12
Publication date: 1991-11-06
Also published as: DE3217674A1; DE3217674C2; JPS57187531A; US4598553A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、燃焼の際に発生する有害ガス、特に
窒素酸化物（以下、NO_xと称す）および一酸化
炭素（COと称す）の低減を可能としたガスター
ビン燃焼器に係わり、特に液化天然ガス（LNG）
焚ガスタービン燃焼器に関する。

ガスタービン燃焼器において、燃焼の際に発生
し排気ガス中に含有するNO_x、COなどは大気汚
染をひき起こす主な物質であるから、その燃焼性
を改善しつつこれらを低減することが行なわれ
る。これらの有害物質のうち、NO_xは燃焼領域
におけるより高温度の燃焼ガス中において発生す
るものであるから、NO_xの発生を抑制するため
には、高温度燃焼ガスの温度を低下させることが
有効である。従つてこのNO_x低減策として、高
温度域に水や水蒸気などを添加して燃焼温度を低
下させる湿式法、あるいは過剰の燃焼空気を供給
するいわゆる希薄低温度燃焼を行なわせる乾式法
がとられる。これら２つの方法のうち、燃焼よう
空気を有効に活用する乾式法が有効である。すな
わち、前記乾式法により、燃焼過程において均一
低温度燃焼を実現すればかなり効果的なNO_x低
減が可能となる。

一方、COの発生形態には、空気不足に起因す
る未燃焼部での発生形態と、過剰の空気供給によ
る過冷却のため燃焼過程が中断して未燃焼部
（CO）が発生する形態とがあるが、ガスタービン
においては後者、すなわち過冷却によりCOが発
生する形態をなす。

従つて、前記希薄温度燃焼法によりNO_xを低
減させると過冷却を生じ易くなつてCO発生量が
増大することとなり、希薄温度燃焼法を採用する
ガスタービンにおいては、NO_x低減とCO低減と
いう相反する特性を同時に解決しなければならな
い訳である。従つてできるだけ少ない過剰空気で
効果的に火炎を均一に冷却させ、かつ過冷却部が
ないようにすることがNO_xとCOを同時に低減す
る重要なポイントである。

このNO_xとCOを同時に低減しうる燃焼器とし
て、本発明者らは既に予混合形二段燃焼方式のも
のを開発している。この燃焼器は、第１図に示す
ように、外筒６内に設けられた内筒７内に、頭部
燃焼室１９と、該頭部燃焼室１９よりも直径の大
きい主燃焼室２２とを設け、頭部燃焼室１９に予
め空気を混合した燃料を供給して燃焼させ、主燃
焼室２２においては、頭部燃焼室１９で形成され
た火炎に旋回空気と燃料とを供給して低温度希薄
燃焼を行なうように構成されたものである。この
燃焼器についてより詳細に説明する。圧縮機１か
ら空気流路５のバイパス流路１１を通して圧縮空
気の一部を分流させ、ブーストアツプ圧縮機１２
により昇圧し、制御弁１３を介して予混合室１４
に導入すると共に、燃料ガス１５を制御弁１６を
有する燃料流路２３を介して予混合室１４に導入
して前記圧縮空気と混合し、旋回器１８を有する
第１段旋回バーナ１７により頭部燃焼室１９内に
噴出させて燃焼させる。この予混合燃焼は着火か
ら高負荷運転まで、すなわち全運転範囲について
行なわれる。

一方、着火後、タービン３の負荷４を担う運転
が開始された時点あるいは部分負荷（例えば1/2
負荷）時点より、燃料流路２３より分岐させた燃
料流路に設けられた制御弁２１を開き始め、頭部
燃焼室１９と主燃焼室２２との間の接続部に設け
られた環状の第２段旋回バーナ９から燃料ガスの
供給を始める。

着火から高負荷運転にわたり、圧縮機１からの
圧縮空気の多くは、空気流路５を通して外筒６と
内筒７との間の環状通路５ａに導かれ、内筒７に
設けられた冷却孔１０、前記旋回バーナ９、およ
び希釈空気孔８より内筒７内に導入される。

このように、頭部燃焼室１９において、燃焼す
る前に空気と燃料とを予め混合する予混合燃焼を
行なうことにより、少量の過剰（すなわちCO発
生量を低減させつつ）大幅なNO_x低減を達成し
うることを確認している。第３図はその実験結果
を示すもので、燃焼圧力５ata、入口空気温度100
〜120℃、総空気量が10Kg／ｓ条件下の結果につ
いて示す。

しかしながら、この構成の燃焼器においては、
第２段旋回バーナ９より燃焼を徐々に供給し始め
て定格負荷運転時まで立上げて行く過程において
は、COや未燃焼成分（HC）が多量に発生すると
いう問題がある。すなわち、従来の燃焼器におい
ては、第２図に示すように、空気旋回翼３８を周
方向に副数枚配設した旋回バーナ９の外周に、両
端閉塞の２重円筒体からなる燃料溜め３０を設
け、該燃料溜め３０に燃料１５を供給する前記燃
料通路となる配管２０を接続し、燃料溜め３０の
内筒部３０ａには、第１３図に示すように空気旋
回翼３８の間に燃料１５を噴出させる燃料噴出孔
６１を多数穿設してなるものであり、燃料１５が
旋回バーナ９の外環側から供給される構成を有す
るので、燃料流量が小さい場合には旋回バーナ９
を通る旋回空気流３３に対して混入する充分な流
速を持ち得ず、燃料流３２は旋回空気流３３の外
側、すなわち内筒７の内壁面３４に添つて流れ
る。従つて、頭部予混合燃焼火炎３１と前記旋回
バーナ９を介する燃料流３２との間には旋回空気
流３３が介在することになるので、後流での燃焼
が促進せず、未燃焼成分として排出される量が多
くなる。さらに、燃料の流量が小さい時には燃料
に対する空気の割合が著しく大きくなり、燃焼の
可燃限界以下になるため、燃焼が持続できない条
件下におかれる。このため、燃料を配管２０から
燃料溜め３０へと注入し始めてから燃料流量を次
第に増大させ、可燃焼範囲の条件になれば、第４
図に示すように、COや未燃焼成分（HC）の生成
量が非常に多くなる。なお、第４図は第３図と同
じ条件下における実験結果であり、Ａ点が配管２
０、旋回バーナ９を介する燃料供給開始点であ
る。

このように、第１図、第２図に示した予混合燃
焼を併用した２段燃焼式の燃焼によれば、低
NO_x対策を考慮しない内筒同一直径型燃焼器に
比べ大幅なNO_x低減（定格状態において約70％
程度の低減率）をなすことが可能であるが、しか
しながら部分負荷時においてはCOや未燃焼成分
である炭化水素（HC）の発生量が多くなるとい
う欠点がある。

ガスタービン燃焼器においては、着火から定格
負荷までの広範囲にわたる燃焼性能の向上と
NO_x、COの低減化を行なわなければならず、ま
た、部分負荷時におけるCO、HCの発生量が多い
という欠点を解消することは燃焼性の向上にも寄
与しうる重要なことである。

本発明の目的は、前述のように予混合燃焼を併
用した２段燃焼器式の燃焼器において、NO_x低
減効果を損わずに、全運転範囲にわたつてCO、
HCを大巾に低減しうるものを提供することにあ
る。

上記目的を達成するために、本発明は、頭部燃
焼室と該頭部燃焼室よりも直径の大きい主燃焼室
とで構成され、前記頭部燃焼室内には予め空気を
混合した燃料を供給し、該頭部燃焼室で形成され
た予混合燃焼火炎に、該頭部燃焼室の外周に形成
された空気通路を通つて旋回バーナにより旋回さ
れる主燃焼室用旋回空気と主燃焼室用燃料を供給
して前記主燃焼室で低温度希薄燃焼を行なうガス
タービン燃焼器において、前記旋回バーナに設け
た燃焼溜め部に、前記頭部燃焼室外壁近傍から前
記旋回バーナの主燃焼室旋回空気流内に半径方向
に向けて燃料を噴出する燃料噴出部を設けたこと
を特徴とする。

第５図、第６図は本発明の一実施例であり、第
１図の燃焼器と同様に、内筒７には、頭部燃焼室
１９と、該頭部燃焼室１９よりも直径の大きい主
燃焼室２２とが構成される。そして頭部燃焼室１
９には第１図に示したように予め空気を混合した
燃料が旋回バーナを介して供給される。第１図の
ものと異なる点は、第２段旋回バーナ９に供給す
る燃料１５を、頭部燃焼室１９に近接する位置か
ら主燃焼用旋回空気流３３内に噴出するようにし
た点である。

すななち、複数枚の空気旋回翼３８を周方向に
配設した第２段旋回バーナ９の内周側に両端閉塞
２重円筒形の燃料溜め６５を設け、該燃料溜め６
５に燃料供給用の配管２０を接続し、燃料溜め６
５の外周すなわち旋回バーナ９の内周部３６に燃
料噴出部となる孔３７を周方向に多数配設してな
る。

この構成において、配管２０を介する燃料１５
は、一たん燃料溜め６５に入り、燃料噴出孔３７
から旋回バーナ９を通る主燃焼室用旋回空気流５
ｂ内に向つて噴出する。燃料流量が少ない場合に
は、燃料の噴出速度が小さいため、第５図に示す
ように、燃料流３２の旋回空気流３３への貫通距
離は小さく、ほとんどが旋回バーナ９の内筒部３
６の面に沿つて流れるようになる。このため、燃
料流量が少ない場合にはとくに頭部燃焼室１９か
らの温度の高い予混合燃焼火炎３１と燃料流３２
が接触し（４１が接触部である）、燃焼を持続す
る。さらに旋回バーナ９の下流の旋回空気流３３
の主流は予混合燃焼火炎３１を包むように流れる
ため、燃焼火炎を過冷却するような状態はなく、
とくに、第２段旋回バーナ９からの燃料を入れ始
めてから徐々に燃料を増加する過程におけるCO、
HCの発生は非常に低く抑えることができる。

一方、定格負荷状態では、第６図に示すよう
に、燃料噴出孔３７からの燃料の噴出量が多くな
り、噴出速度が大きくなるので、旋回空気流５ｂ
への貫通距離が大きくなる。このため、定格負荷
運転時では、燃料流３２が旋回バーナ９の中央な
いしは外側へ供給され、旋回空気と混合し、低
NO_x化も達成できる。

第７図は、第５図、第６図のように燃料を内側
（頭部燃焼室１９近傍側）から供給した場合と、
第１図のように燃料を外側から供給した場合にお
けるタービン負荷に対する排気ガス中のNO_x濃
度を対比して示しており、第８図は同じくCO、
HC濃度について対比して示す。第８図から明ら
かなように、燃料を内側から供給することによ
り、部分負荷（第２段旋回バーナ９からの燃料供
給開始点Ａ以上の部分負荷）相当時におけるCO
やHCなどの濃度を大巾に低減できる。

しかしながら、定格負荷相当時においては、内
側から燃料を供給すると、外側から供給する場合
に比べてNO_x濃度が若干増加する傾向を示す。
これは、頭部燃焼室１９からの予混合燃焼火炎３
１と第２段旋回バーナ９から火炎が干渉するた
め、その接触部４１に高温度のスポツトが生じ、
この部分でのNO_x発生量が増加したためである。

第９図、第１０図はこのようNO_x発生量の増
加を抑制しうる本発明の他の実施例であり、本実
施例は、旋回バーナ９の内筒部３６と外筒部４４
及びこれらの間に周方向に配設された旋回翼３８
とによつて形成された旋回空気通路６３に、該通
路６３を半径方向に分割する仕切板４２を設け、
該仕切板４２には前記内筒部３６の空気噴出孔３
７に対する位置に空気流通部となる孔４７を設け
たものである。仕切板４２の設置位置は、前記内
筒部３６寄りとし、これによつて各旋回空気通路
６３は半径方向に狭巾の内側通路６３ａと広巾の
該側通路６３ｂとに分割され、これによつて旋回
空気流５ｂは、内側通路６３Aaを通る小流量の
空気流４５と、外側通路６３ｂを通る大流量の空
気流４６とに分割されるようにする。

このような構成とすれば、第２段旋回バーナ９
から燃料が少ない時には燃料が頭部燃料室１９ら
の予混合燃焼火炎３１と接触する一方、燃料が多
くなる定各運転時近傍においては予混合燃焼火炎
３１と燃料との混合度合いが少なくなり、前記実
施例に比べ、CO、NO_xを同時に低減することが
可能である。以下、その理由について説明する。

空気流に直交するように燃料を噴出した場合、
燃料が空気流中へ貫通し到達する距離は一般的に
次式で表される。

y_jet＝2.2（V_f・ρ_f／V_a，ρ_a−0.1）^0.68×d_t ここで、y_jetは到達距離、V_f，ρ_fおよびV_a，ρ_a
はそれぞれ燃料と空気流の速度、密度を示し、d_t
は燃料の噴出孔径を示す。

この式から分るように、到達距離y_jetは、燃料
噴出速度V_fが大きく、噴出孔径d_tが大きい程大き
くなる。すなわち、燃料１５が少量の場合は燃料
噴出速度V_fが小となるため、到達距離y_jetの価は
小さく、逆に燃料流量が大となれば燃料噴出速度
V_fが増大し、このため到達距離y_jetの値は大きく
なる。本実施例の場合、燃料の噴出速度V_fは０
ｍ／ｓ〜100ｍ／ｓ程度まで変化するが、噴出孔
３７の直径d_tが３mmφの場合、燃料の到達距離は
０〜30mm程度まで変わるものである。

このようなことを考慮し、燃料流量が少ない1/
２〜3/4負荷近傍までの燃料の貫通距離が仕切坂４
２の内方に位置するように仕切坂を設定すること
が望ましい。

本実施例の燃焼器においては、燃料の噴出量が
少ない時には燃料が旋回空気流へ貫通しないた
め、仕切坂４２の内側のみに流れ、予混合燃焼火
炎３１に接触し、未燃焼成分（HC）、COの発生
を抑えることができる。また、定格負荷運転時の
ように多量の燃料を供給する場合には、第１０図
に示す様にほとんどの燃料１５ａが仕切坂４２に
設けられた燃料通過孔４７を通り、仕切坂４２の
外側を流れる旋回空気流４６に混入する。また、
このとき、仕切坂４２の内側には、空気流４５の
みが流れるので、主燃料室２２における火炎は、
頭部燃料室１９からの予混合燃焼火炎３１と第２
段旋回バーナ９からの火炎６７とが、仕切坂４２
の内側を通過した空気流４５により分離される形
となる。従つて、仕切坂４２を取り付けない場合
に生じた予混合燃焼火炎３１と燃料との交わり部
における高温域に空気流４５が入るため、効果的
に冷却することができる。

本実施例の実験結果は、前に説明した第７図、
第８図に付記しており、これらの図から明らかな
様に、仕切坂４２を設けたことにより、定格負荷
のNO_x濃度を低減することができ、かつ部分負
荷時におけるCOやHC濃度を低く抑えることがで
きる。

以上の各例は燃料を旋回バーナ９の内側から供
給する様にしたが、第１１図、第１２図に示すよ
うに、第２段旋回バーナ９の外側に燃料溜め６５
を設け、該燃料溜め６５から内方（燃焼器軸心方
向）に向けて、燃料噴出口５０が旋回バーナ９の
内筒部３６の外面すなわち頭部燃料室１９に近接
する旋回空気通路面に対面するように複数本の燃
料供給管４９を取り付け、該燃料供給管４９から
内筒部３６の外面に燃料１５ｂを衝突させるよう
にしてもよい。このような構成とすれば、燃料１
５の量が少ないときは、第１４図に示す様に燃料
噴出口５０から噴出される燃料１５ｂは内筒部３
６の外面にそつて流れて主燃料室２２へと導入さ
れる。一方、燃料１５の量が多い場合は、第１５
図に示す様に噴出される燃料１５ｂは高流速にて
内筒部３６の外面に衝突した後、旋回翼３８の側
壁面に沿つて主燃料室２２に流入する。従つて、
この構成によればCO、NO_xを同時に低減できる
が仕切坂を取り付けた場合に比べ、NO_x低減効
果が若干劣る。しかしながら、NO_x低減対策を
考慮しない燃焼器のNO_x濃度と比べ、約60％の
低減効果を得ることがでる。

このように燃料供給管４９を設ける場合、燃料
噴出口５０を内筒部３６の外面に近接する位置と
するが、燃料少量時には内筒部３６の外面に沿つ
て燃料を流動させ且つ燃料多量時に旋回翼３８側
壁面に沿つて流動させる上で有効である。

以上述べたように、本発明の請求項１の発明に
よれば、頭部燃焼室と該頭部燃焼室よりも直径の
大きい主燃焼室とで構成され、前記頭部燃焼室内
には予め空気を混合した燃料を供給し、該頭部燃
焼室で形成された予混合燃焼火炎に、該頭部燃焼
室の外周に形成された空気通路を通つて旋回バー
ナにより旋回される主燃焼室用旋回空気と主燃焼
室用燃料を供給して前記主燃焼室で低温度希薄燃
焼を行なうガスタービン燃焼器において、前記旋
回バーナに設けた燃料溜め部に、前記頭部燃焼室
外壁近傍から前記旋回バーナの主燃焼室旋回空気
流内に半径方向に向けて燃料を噴出する燃料噴出
部を設けたので、主燃焼室様燃料の流量に応じた
噴出速度の相違により、特に部分負荷時における
主燃料室での過冷却部が少なくなり、CO、HCの
発生量を少なくすることが可能となると共に、均
一な希薄低温度燃焼が実現でき、大幅な低NO_x
化ができる効果を生じる。

また本発明の請求項２の発明によれば、前記燃
料噴射部を前記旋回バーナの前記頭部燃焼室外壁
近傍に設けられた燃料溜め部から前記旋回バーナ
の前記主燃焼室用旋回空気流内に半径方向に向け
て燃料を噴出するように構成したので、仕切板の
内側には、空気流のみが流れるので、主燃料室に
おける火炎は、頭部燃焼室からの予混合燃焼火炎
と第２段旋回バーナからの火炎とが、仕切坂の内
側を通過した空気流により分割された形となる。
従つて、仕切坂を取り付けない場合に生じた予混
合燃焼火炎と燃料との交わり部における高温域に
空気流が入るため、効果的に冷却することができ
る。

また本発明の請求項３の発明によれば、前記旋
回バーナに前記主燃焼室用旋回空気通路を半径方
向に分割する仕切板と、該仕切板の前記燃料噴出
孔に対向する位置に燃料通過孔とを設けたので、
各旋回空気通路は半径方向に狭巾の内側通路と広
巾の外側とに分割され、ひれによつて旋回空気流
は内側通路を通る小流量の空気流と外側通路を通
る大流量の空気流とに分流され、CO、NO_xを同
時に低減するひとができる。

また本発明の請求項４の発明によれば前記燃料
溜め部が旋回バーナの外筒部側に設けられ、該燃
料溜め部に、前記旋回空気流内に前記頭部燃焼室
の外壁近傍に半径方向に向けて先端開口から燃料
を噴出する燃料噴出部を有する燃料供給管を設け
たので、燃料の量が少ない時は、燃料噴出口から
噴出される燃料は内筒部の外面に沿つて流れて主
燃焼室へと導入され、燃料の量が多い場合は噴出
される燃料は高流速にて内筒部の外面に衝突した
後、旋回翼の側壁面に沿つて主燃焼室に流入す
る。

従つて、燃料の多少に伴う噴出流速の相違によ
つて部分負荷時の主燃焼室での過冷却部の発生が
少なくなり、CO、HC発生量の低減及び低NO_x
化が達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の対象となる低NO_xガスター
ビン燃焼器を示す断面図、第２図は先行技術によ
る主燃焼室様燃料供給構造と火炎形成状態を示す
内筒の一部欠開斜視図、第３図は第１図、第２図
の燃焼器と従来の低NO_x無対策燃焼器とのNO_x
濃度比較図、第４図は第１図、第２図の燃焼器に
おけるCO、HCの濃度特性図、第５図は本発明の
一実施例の主燃料室用燃料供給構造と火炎形成状
態を示す内筒の一部欠開斜視図、第６図は該実施
例における他の火炎形成状態を示す断面図、第７
図は第２図の燃焼器と本発明の燃焼器のNO_x濃
度比較図、第８図は同じくCO、HC濃度比較図、
第９図は本発明の他の実施例の主燃焼室用燃料供
給構造を示す内筒の一部欠開斜視図、第１０図は
その火炎形成状態を示す断面図、第１１図は本発
明の他の実施例の主燃焼室用燃料供給構造を示す
内筒の一部欠開斜視図、第１２図はその断面図、
第１３図は第２図に示す空気旋回翼部分の断面側
面図、第１４図は第１２図のＡ矢視図にして、燃
料の量が少ない時の燃料の流れ状態を示し、第１
５図は第１２図のＡ矢視図にして、燃料の量が多
い場合の燃料の流れ状態を示す。５ｂ，３３：旋回空気流、９：旋回バーナ、１
５：燃料、１９：頭部燃料室、２２：主燃料室、
３２：燃料流、３７：燃料噴出孔、４２：仕切
板、４７：燃料通過孔、４９：燃料供給管。

Claims

【特許請求の範囲】１頭部燃焼室と該頭部燃焼室よりも直径の大き
い主燃焼室とで構成され、前記頭部燃焼室内には
予め空気を混合した燃料を供給し、該頭部燃焼室
で形成された予混合燃焼火炎に、該頭部燃焼室の
外周に形成された空気通路を通つて旋回バーナに
より旋回される主燃焼室用旋回空気と主燃焼室用
燃料を供給して前記主燃焼室で低温度希薄燃焼を
行なうガスタービン燃焼器において、前記旋回バ
ーナに設けた燃料溜め部に、前記頭部燃焼室外壁
近傍から前記旋回バーナの主燃焼室旋回空気流内
に半径方向に向けて燃料を噴出する燃料噴出部を
設けたことを特徴とする低NO_xガスタービン燃
焼器。２前記燃料噴出部を、前記旋回バーナの前記頭
部燃焼室外壁近傍に設けられた燃料溜め部から前
記旋回バーナの前記主燃焼室用旋回空気流内に半
径方向に向けて燃料を噴出するように構成したこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の低
NO_xガスタービン燃焼器。３前記旋回バーナに、前記主燃焼室用旋回空気
通路を半径方向に分割する仕切板と、該仕切板の
前記燃料噴出孔に対向する位置に燃料通過孔とを
設けたことを特徴とする特許請求の範囲第２項に
記載の低NO_xガスタービン燃焼器。４前記燃料溜め部が旋回バーナの外筒部側に設
けられ、該燃料溜め部に、前記旋回空気流内に前
記頭部燃焼室の外壁近傍に半径方向に向けて先端
開口から燃料を噴出する燃料噴出部を有する燃料
供給管を設けたことを特徴とする特許請求の範囲
第１項に記載の低NO_xガスタービン燃焼器。