JPH04139312A

JPH04139312A - ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JPH04139312A
Application number: JP26071390A
Authority: JP
Inventors: Mikio Sato; 幹夫佐藤; Toru Ninomiya; 徹二宮; Toshiyuki Yoshine; 芳根　俊行
Original assignee: Toshiba Corp; Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Toshiba Corp; Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 1990-09-29
Filing date: 1990-09-29
Publication date: 1992-05-13
Anticipated expiration: 2014-02-17
Also published as: JP2859411B2

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、ガスタービン燃焼器に係り、特に低カロリー
燃料を使用した場合に、燃焼ガスから生成される窒素酸
化物を低減することができるガスタービン燃焼器に関す
る。

（従来の技術）エネルギの安定供給を目指すため、従来の石油やＬＮＧ
燃料の他に石炭の利用が注目されており、石炭をガス化
した燃料を積極的に使っていこうとする動きが世界的に
広がりつつある。

しかし、石炭ガスは低カロリー燃料であるとともにアン
モニアを多く含み、それが燃焼中に空気と化合して、Ｎ
ｏやＮＯ□などの窒素酸化物となり、大気の汚染の原因
となるという問題を有している。

このような窒素化合物を低減させる燃焼法として、燃料
過濃状態で一旦燃焼させ、その後空気を混ぜて燃料稀薄
状態とし、再び燃焼させる方法が有効である。

また、窒素酸化物の低減効果を高くするためには、燃料
過濃状態の度合を高くして燃焼させれば良く、このとき
燃焼の安定性を確保するため、炒料過濃状態で燃焼の前
段に副燃料ノズルを設け、保炎のためのパイロット火炎
を形成する方法が欠られている。

このような燃焼をさせるガスタービン燃焼器として、第
２図に示す構成のものがある。

この燃焼器は、はぼ円筒状の主燃焼室２とこに前段に設
けられた副燃焼室１とからなり、副燃焼室１は燃料を供
給する副燃料ノズル３と空気を菌目流として副燃焼室に
供給する副族回器４を有している。また副燃焼室１は側
壁に空気導入孔８Ａを有しており、副族回器４とともに
副燃焼室１内での燃焼に必要な空気を供給するようにな
っている。

主燃焼室２は、旋回機構を備え旋回流として燃料を供給
する主燃料ノズル５を有しており、側壁には空気導入孔
８Ｂ、８Ｃが設けられ、多量の空気を導入できる導入孔
８Ｂより前方が一次燃焼域１０となり、導入孔８Ｂより
後方が二次燃焼域１１となる。燃焼器の外側にはほぼ円
筒状の外筒７が設けられており、圧縮器（図示せず）か
ら吐出された圧縮空気が燃焼室と外筒７によって形成さ
れる環状通路６に供給されるようになっている。

このようなガスタービン燃焼器では環状通路６に供給さ
れた空気の一部は、副族回器４を通ることによって旋回
流となって副燃焼室１内に流入し、副燃料ノズル３を通
して供給される燃料と混合して燃焼し、安定したパイロ
ット火炎９を形成する。

一方、旋回機構を備えた主燃料ノズル５を通し、旋回流
として供給される燃料は、パイロット火炎９を着火源と
して、一次燃焼域１０にて燃料過濃の状態で燃焼する。

一次燃焼域１０においては、空気の流入が極力押さえら
れているため燃料過濃状態の度合が高く、通常では燃焼
が不可能であるが、パイロット火炎の存在により安定し
た燃焼が可能となっている。このような燃料過濃状態の
燃焼によっては、燃料中のアンモニアが酸素不足下で熱
分解を起こすことになり、窒素ガスとなって窒素酸化物
にはならない。

燃料過濃状態で燃焼した後の未燃燃料を含む燃焼ガスは
空気孔８Ｂより供給される空気と混合し、二次燃焼域１
１に送り込まれる。ここで未燃燃料を含む燃焼ガスは、
空気孔８Ｂより供給された大量の空気と混合されて燃料
稀薄状態となっており、火炎温度の低い燃焼となる。こ
のため一次燃焼域１０でアンモニアが分解して生成した
窒素骨は、ここでも窒素酸化物にはならず、しかも高い
燃焼効率で燃焼することが可能となる。

このような燃焼器において、副燃焼室における旋回流は
パイロット火炎を安定化するために不可欠であり、一方
主燃焼室における旋回流は副燃焼室からの燃焼ガスと主
燃料を混合させるために不可欠となっている。

（発明が解決しようとする課題）しかし、上記のようなガスタービン燃焼器では、第３図
に示すように、副燃焼室１に設置された旋回器４により
形成される旋回流１６と、主燃焼室２に設置された主燃
料ノズル５により形成される旋回流１７との相乗効果で
、主燃焼室２内に大きな旋回流が形成される。これにと
もない、主燃焼室２内の中心部には、逆方向の気体の流
れ１８が発生する。このため、空気導入孔８Ｂから導入
された空気と混合され、稀薄になった燃焼ガスが、この
逆方向の流れ１８によって一次燃焼域１０に供給される
ことになる。一次燃焼域１０は燃料過１状態で燃焼させ
ることによって窒素酸化物の生成を抑制しており、空気
と混合され稀薄化した燃焼ガスが流入すると、酸素の供
給量が増加して窒素酸化物の生成量が増えるという問題
が生じる。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされ
たものであり、その目的は、燃料過濃状態での燃焼後空
気と混合され稀薄化した燃゛焼ガスが逆流して一次燃焼
域へ流入するのを防止し、窒素酸化物の生成量を低いレ
ベルに抑制できるガスタービン燃焼器を提供することで
ある。

〔発明の構成〕（課題を解決するための手段）上記目的を達成するために、本発明においては一次燃焼
域と二次燃焼域との間に、燃焼室の断面積が漸次縮小し
、二次燃焼域側で再び拡大する増速流域を設ける。この
増速流域の断面積がほぼ最小となる部分の側面に空気孔
を設ける。

（作　用）このような構成の燃焼器では、一次燃焼域での燃焼後の
未燃燃料を含むガスが二次燃焼域側へ流れるときに、燃
焼室の断面積が縮小する部分で増速される。燃焼室の断
面積がほぼ最小になった部分、すなわち流速が最大とな
る部分には空気導入孔が設けられており、ここで多量の
空気と混合されて二次燃焼域へ流入する。

このとき、副燃焼室に設けられた副流回器と主燃焼室に
設けられた旋回機構を有する主燃料ノズルによって主燃
焼室２内には旋回流が形成されており、これにともない
中心部に逆方向の流れが生じるが、増速流域においては
二次燃焼域側への流速が増加しており、逆方向への流れ
に打ちかって、空気が混合されて稀薄化したガスの逆流
が防止される。これによって一次燃焼域では高度の燃料
過濃状態が維持される。また、流速が大きい増速流域に
おいて未燃燃料を含むガスと空気を混合するため、急速
混合が可能となる。

増速度流域の二次燃焼域側では再び断面が拡大しており
、低流速となって二次燃焼域での安定した燃料稀薄燃焼
が確保される。

（実施例）以下、図を参照して本発明の好ましい実施例について説
明する。

第１図は、本発明にかかるガスタービン燃焼器の概略説
明図であり、はぼ円筒状の主燃焼室２とこの前段に設け
られた副燃焼室１とを有し、副燃焼室１は燃料を供給す
る副燃料ノズル３と空気を旋回流として副燃焼室に供給
する副流回器４を備えている。主燃焼室２は、旋回機構
によって燃料を旋回流として供給する主燃料ノズル５を
備えている。また主燃焼室２は、前方に燃料過濃状態で
燃焼させる一次燃料域１０と、−火燃焼後の未燃燃料を
含む燃焼ガスに空気を混合して稀薄化したガスを低温で
燃焼させる二次燃焼域１１を有している。一次燃焼域１
０と二次燃焼域１１との間には、燃焼室の断面積を漸次
縮小する縮流部１２と、はぼ等しい断面積を有し、側面
に多量の空気の導入が可能な空気導入孔８Ｂを有する直
管部１３と、後方に行（にしたがって燃焼室の断面積を
拡大する拡大部１４とからなる増速流域１５を有してい
る。燃焼室は、増速流域１５の空気導入孔８Ｂの他に、
副燃焼室１に空気を供給する導入孔８Ａ。

導入孔８Ｂとともに二次燃焼域へ空気を供給する８Ｃを
有している。

燃焼器の外側にはほぼ円筒状の外筒７が設けられており
、圧縮器（図示せず）から吐出された圧縮空気が、燃焼
器と外筒７によって形成される環状通路６に供給される
ようになっている。

このような構成のガスタービン燃焼器の作用を以下に説
明する。

副燃焼室１では、副燃料ノズル３を通して供給される燃
料と、副流回器４を通して供給される空気とが混合して
旋回流を形成し、これが燃焼して安定したパイロット火
炎９を形成している。副燃焼室１に連続した一次燃焼域
１０には旋回機構を備えた主燃料ノズル５を通して燃料
が旋回流として供給され、副燃焼室１から発生する旋回
成分をもった燃焼ガスと混合し、パイロット火炎９を着
火源として燃焼する。ここでは空気の供給量が極めて少
なくなっており燃料過濃燃焼となる。

一次燃焼域１０で燃料過濃燃焼を起こした後の未燃燃料
を含む燃焼ガスは燃焼室の断面積が縮小される縮流部１
２において増速流となる。増速流となった未燃燃料を含
む燃焼ガスは、はぼ等断面を有する直管部１３に導かれ
、空気孔８Ｂより供給される空気と混合されて一気に燃
料過濃状態から燃料稀薄状態に変化する。そして、この
燃料稀薄状態になった混合ガスは流路を拡大する拡大部
１４を通過する際に再び低流速となり、拡大部１４に接
続して形成された二次燃焼域１１に導かれる。燃料稀薄
状態となった混合ガスは、高流速では燃焼しにくいが、
低流速にして二次燃焼域へ導入されることによって、安
定した燃料稀薄状態での燃焼が維持される。

上記のような燃焼状態において、安定した燃焼を維持す
るために形成される旋回流にともない、燃焼室の中心部
に逆方向への流れが発生するが、縮流部１２と直管部１
３と拡大部１４とからなる増速流域付近では、軸流速度
成分が高くなり、逆方向への流れよりも強くなる。この
ため空気導入孔８Ｂから導入される空気と混合された後
のガスは逆流することがなく、一部が一次燃焼域に流入
して燃焼ガスを稀薄化するようなことがない。

また、直管部においては流路が小さく、空気導入孔８Ｂ
が設けられた側面から流路中心までの距離が小さくなる
とともに高流速となって乱れが大きくなっているため、
空気導入孔８Ｂより供給される空気と中心部まで混合さ
れ易く、混合性能が向上する。

さらに燃焼ガスが燃料過濃燃焼を行う一次燃焼域から燃
料稀薄燃焼を行う二次燃焼域へ流れる際、燃料過濃と燃
料稀薄との境界面となる領域を通過することになる。こ
の領域は、窒素酸化物が発生しやすい状態となっている
が、上記の燃焼器においては、この領域が高流速の直管
部１２にあり、滞留時間か短くなって窒素酸化物の発生
量が少なくなる。

（発明の効果）以上の説明から明らかなように、本発明によれば、−次
燃焼域と二次燃焼域との間に増速流域が設けられている
ため、旋回流にともなって中心部に生じる逆方向の流れ
を抑制することができ、次燃焼域における超燃料過濃状
態の燃焼を維持することができる。これによって窒素酸
化物の排出量が少ないガスタービン燃焼器を得ることが
可能となる。

【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実施例を示
す概略説明図、第２図は従来のガスタービン燃焼器を示
す概略説明図、第３図はガスタービン燃焼器内の流動パ
ターンを示す説明図である。１・・・副燃焼室、２・・・主燃焼室、３・・・副燃料
ノズル、４・・・副族回器、５・・・主燃料ノズル、８
・・・空気孔、１０・・・−次燃焼域、１１・・・二次
燃焼域、１２・・・縮流部、１３・・・直管部、１４・
・・拡大部、１５・・・増速流域。

Claims

【特許請求の範囲】

副燃料ノズルと旋回器とを備えた副燃焼室と、旋回機能
付きの主燃料ノズルを備えた主燃焼室とを有し、主燃焼
室が、燃料過濃状態で燃焼が生じる一次燃焼域と、燃焼
稀薄状態で燃焼が生じる二次燃焼域とを有するガスター
ビン燃焼器において、前記一次燃焼域と二次燃焼域との
間に燃焼室の断面積が漸次縮小し、二次燃焼域側で拡大
する増速流域を有し、この断面積がほぼ最小となる部分
の側面に空気導入孔を有することを特徴とするガスター
ビン燃焼器。