JPH04260723A - ガスタービン燃焼器とその運転方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液体を燃料とするガス
タービン燃焼器に係わり、特に、窒素酸化物（ＮＯＸ　
）の生成を抑制するのみならず、拡散燃焼から予混合燃
焼へ移るときの一酸化炭素や未燃炭化水素の発生をも抑
制し得る拡散・予蒸発予混合式２段燃焼器とその運転方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のガスタービン用の拡散・予混合式
の２段燃焼器は、特開昭６１−２２１２７に示されてい
る如く、拡散燃焼用燃料ノズルＦ１と予混合燃焼用燃料
ノズルＦ２を有する。ガスタービンの起動から或る低負
荷までは拡散燃焼用燃料ノズルＦ１を用い、該低負荷か
ら定格負荷までは予混合燃焼用燃料ノズルＦ２を用いる
。この場合、拡散燃焼用燃料ノズルＦ１への着火は点火
栓で行ない、予混合燃焼用燃料ノズルＦ２への着火は拡
散燃焼用燃料ノズルＦ１の火炎により行なう。予混合燃
焼用燃料ノズルＦ２への着火を火移と呼び、この場合に
は、着火が瞬間的に行なわれるのではなく、ある時間（
例えば３０秒程度）を必要とするため、予混合燃焼用燃
料ノズルＦ２から投入される燃料は最初から完全燃焼す
るのではなく、ＣＯ（一酸化炭素）やＵＨＣ（未燃炭化
水素）が発生する。従って、それに伴ない、ガスタービ
ンの負荷急変動が起きるのが常である。ガスタービンの
負荷が急変動すると、ガスタービンの熱負荷によるター
ビン動静翼にダメージが生じる恐れがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の如く従来技術の
拡散・予混合式２段燃焼器は燃料ノズルが２個必要なた
め拡散燃焼用燃料ノズルから予混合燃焼用燃料ノズルへ
火移させる必要があり、（１）火移時、ＣＯやＵＨＣが
発生すること、（２）そのためガスタービンの負荷が急
変動すること、という欠点があった。

【０００４】本発明の目的は、燃料ノズルを１つとなす
ことによって拡散燃焼から予混合燃焼へ移るとき燃料ノ
ズル間の火移りが不要であり、以て従来技術の２段燃焼
器の欠点であるＣＯやＵＨＣの発生および火移時ガスタ
ービンの負荷急変動のない２段式のガスタービン燃焼器
を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明のガスタービン燃
焼器は特許請求の範囲の請求項１に記載の構成を有し、
その運転方法としては請求項４に記載の運転方法を採る
。

【０００６】

【作用】本発明のガスタービン燃焼器は、拡散燃焼、予
蒸発予混合燃焼の２段燃焼方式を採用するも、従来技術
の如き別々に制御される複数の燃料ノズルを備えている
のではなく、唯一の燃焼ノズルを備えている。燃焼ノズ
ルは液体燃料を微粒化して噴霧する回転カップ噴霧器よ
りなり、液体燃料は、若干外側に傾斜のついた回転カッ
プ噴霧器の内部環状空間に供給され、回転カップの回転
数および燃料供給流量に応じて回転カップ内壁面で薄膜
となり、回転カップ先端から燃焼器筒の副室内へ投入さ
れ、同時に、それに流入するスワラからの空気および回
転カップ噴霧器の中央開口からの空気により液体燃料の
油膜は剪断され、噴霧粒子となる。

【０００７】スワラからの空気は旋回空気流をなす。ま
た回転カップ噴霧器は空気旋回羽根を有し、この空気旋
回羽根は回転カップ噴霧器の回転時にその中央開口から
出る空気に旋回を与える作用をするものであり、燃料の
微粒化の働き及び保炎作用を弱める働きをするものであ
る。

【０００８】ガスタービンの起動から或る低負荷までは
、回転カップ噴霧器は停止している。このときには、回
転カップ噴霧器は、通常のエアブラスト形の燃料ノズル
（例えば特開昭５１−６４１１６号公報参照）と同様に
働き、燃料を８０〜１００μｍの平均粒径にて噴霧する
。また、このとき燃焼器筒の副室は燃焼筒として機能し
、副室中にはスワラからの旋回空気流による再循環域が
存在し、これにより、副室内には拡散燃焼火炎が安定に
存在する。

【０００９】或る低負荷に達したとき、回転カップ噴霧
器は突然回転を始める。そうすると、燃料の噴霧粒径は
、遠心力による薄膜効果が加わるため、一気に、１０μ
ｍ程度の径となり、副室に投入される。また、回転カッ
プ内の空気旋回羽根により、旋回空気流が回転カップか
ら副室の中央部に投入される。この旋回流は、その外側
のスワラから副室の中央部に投入される旋回空気流と旋
回方向が反対であり、両旋回空気流の回転が互に減殺す
るので、拡散燃焼のときに副室内に存在した再循環域が
消滅する。これにより、火炎は、下流に流れ、スロート
部を通過し径の大きい主室に保炎される。従って副室は
予蒸発予混合器として機能し、主室には予混合燃焼火炎
が存在する。以後、定格負荷までの負荷では回転カップ
噴霧器は回転を続け、燃料は完全予混合状態にて主室中
で予混合燃焼される。

【００１０】

【実施例】本発明の一実施例を図１に示す。燃料器筒２
１は、副室５、スロート６、主室７から構成されている
。１は外筒、４はフロースリーブである。副室５の径は
主室７の径より小さい。スロート６の径は、副室５の径
より小さい。従って、燃焼器筒２１中を流れる空気また
は燃焼ガスの流速は、スロート６にて最も大きくなる。 スロート６にて流速を最も速くするのは、後述の予蒸発
予混合火炎３１の副室５への逆火を防ぐためである。燃
焼ノズル装置２３は、エアスピンタービン３と、副室５
の基端部（スロート６と反端側の端部）に位置する回転
カップ噴霧器１０と、から構成されている。エアスピン
タービン３の軸と回転カップ噴霧器１０の軸は直結され
ており、エアスピンタービン３の回転により回転カップ
噴霧器１０が回転される様になっている。１３はエアス
ピンタービン３駆動用エアの入口、１４は同出口である
。

【００１１】燃焼器筒２１は、その中を通る燃焼ガス３
２の下流側において、尾筒（図示せず）に保持されてい
る。また燃焼器筒２１は、回転カップ噴霧器１０の側に
おいて、外筒１のエンドカバー２に固定されたフロース
リーブ４の支持片３４により保持されている。燃焼器筒
２１の副室５の基端部のキャップ９の中央には穴が存在
し、その中へ回転カップ噴霧器１０の先端が挿入されて
いる。燃料ノズル装置２３は、外筒１のエンドカバー２
にボルト（図示せず）で固定されている。キャップ９に
は、回転カップ噴霧器１０の先端が挿入されている穴の
周りにスワラ８が設けてある。このスワラ８は空気が通
過する複数の環状に配置された開口を有し、これら複数
の開口を通る空気に旋回を与える様になっている。

【００１２】回転カップ噴霧器１０には、回転中心の周
りに中央開口４２が存在し、この中央開口４２は半径方
向の羽根１１を有する開口４４と接続している。回転カ
ップ噴霧器１０が回転すると、フロースリーブ４と燃焼
器筒２１との間を流れて来た空気２２の一部１７は、回
転カップ噴霧器１０の羽根１１により回転を与えられて
開口４４から中心開口４２に送り込まれ、旋回空気流と
して燃焼器筒２１の副室５内の空間１８に投入される。 また、フロースリーブ４と燃焼器筒２１との間を流れて
来た空気の一部２０はスワラ８を通過することにより旋
回空気流となって空間１８に投入される。

【００１３】液体燃料１２は、エアスピンタービン３の
軸に穿孔された孔１５を介して供給され、回転カップ噴
霧器１０の羽根１１の内部にあけられた孔を通過して若
干外側に傾斜のついた該回転カップ１０の環状空間１６
に供給され、そして回転カップ噴霧器１０の先端から副
室５内の空間１８に投入される。１９はその投入軌跡を
示す。回転カップ噴霧器１０の回転時には環状空間１６
を通る液体燃料はその内壁上に遠心力で薄い油膜となり
、この油膜の厚さは、回転カップ回転数と燃料流量の関
数となる。燃料流量が同一の条件なら回転数が増加する
ほど油膜は薄くなる。

【００１４】エアスピンタービンは、多数の燃焼器を用
いる多缶形ガスタービンに適している。すなわち、多缶
形ガスタービンでは、各燃焼器が比較的小径であり、従
って、その中に設置する回転カップ噴霧器も比較的小径
のものになるが、エアスピンタービンは空気量の加減に
よって高速回転させることができるので、比較的径が小
さい回転カップであっても大きな遠心力を得ることが可
能である。従って、数十ミクロン程度の燃料油膜も容易
に得ることができる。

【００１５】回転カップ噴霧器１０の停止中に燃料１２
が供給されると、燃料１２は、回転カップ噴霧器１０に
開口４４から半径方向に流入した空気１７とスワラ８へ
流入した空気２０により内外径側から微粒化される。こ
れは、通常エアブラストノズルと呼ばれる燃料ノズルと
動作がほぼ同じであり、従って、噴霧粒径は７０〜１０
０μｍであり、拡散燃焼に適している。この場合、副室
５の空間１８では、拡散燃焼火炎が存在する。スワラ８
を通った空気２０にはスワラ８により旋回が与えられて
いるので、空間１８には大きな再循環流が存在する。こ
れにより、上記火炎は安定して空間１８内に存在し得る
。

【００１６】回転カップ噴霧器１０が回転した場合には
、回転カップ噴霧器１０の先端に存在する燃料油膜は、
遠心力の作用にて、非常に薄くなる。従って、空間１８
に投入される噴霧粒子径は、非常に小さく、１０μｍ程
度となる。この粒子径においては、噴霧粒子の蒸発が非
常に速くなり、副室５内にて、充分予混合が行なわれる
。更に、回転カップ噴霧器１０に入る空気１７は、回転
カップ噴霧器１０の回転により、羽根１１にて、スワラ
８を通過した空気２０と逆の旋回を与えられ、燃焼空間
１８へ投入される。回転カップ１０およびスワラ８を夫
々通過した上記互に逆に旋回する空気１７と空気２０は
空間１８内にて互いにその回転力を減殺し、空間１８内
では、回転カップ噴霧器１０の停止中存在した再循環域
が消滅する。この場合、火炎の保炎力が低下し、火炎は
下流側へ吹飛ぶ。

【００１７】図２は以上の説明に基づく本実施例のガス
タービン燃焼器の動作を模式的に表現している。図２（
ａ）は回転カップ１０が停止中の場合を示し、この場合
副室５の中には拡散燃焼火炎２４が存在する。

【００１８】図２（ｂ）は、火炎の遷移（拡散燃焼火炎
から予混合燃焼火炎へ）を示す。回転カップ噴霧器１０
は矢印３０のように回転せしめられ、該噴霧器１０が回
転すると、副室５内の再循環域が消滅し、火炎２８は下
流の方へ吹飛ばされる。燃料は２６の如き軌跡にて副室
５に投入されるが、粒径が小さいため、すばやく蒸発し
周囲の空気と予混合を行なう。

【００１９】図２（ｃ）は、遷移後の火炎３１の状態を
示す。回転カップ噴霧器は、高速でまわり続けている。 火炎３１は予蒸発予混合燃焼火炎として主室７のリセス
部４０に存在する。主室７は、径が一番大きく、断面流
速が一番小さい。従って副室５に存在できなかった火炎
３１は、主室７内で火炎３１として存在することができ
る。２６は予蒸発予混合する燃料粒子の軌跡を示す。

【００２０】本発明において、拡散燃焼から予蒸発予混
合燃焼に切り換えるタイミングをガスタービン負荷との
関係において図３に示す。ガスタービンの起動からある
所定の低負荷（本例では２５％負荷）までは、図２（ａ
）の状態、すなわち拡散燃焼を行なう。これは、拡散燃
焼が、燃料流量が大きく変わる場合においても、安定燃
焼するためである。ある所定の低負荷（２５％負荷）に
なると、図２（ｂ）の如くエアスピンタービン３を回転
させ、回転カップ噴霧器１０の先端から、火炎をデタッ
チさせ遷移を行う。その後は、定格負荷まで図２（ｃ）
の如く予蒸発予混合燃焼を行なわせる。

【００２１】ガスタービンの停止を行うため燃焼状態を
予蒸発予混合燃焼から拡散燃焼に移す場合、エアスピン
タービン３へのエアの供給を断ち、その回転数を低下さ
せて、点火栓により副室５内の噴霧粒子１９に再着火さ
せれば燃焼状態は、図２（ａ）の拡散燃焼火炎に移る。

【００２２】図４は、回転カップ噴霧器１０の停止中お
よび回転中における状態の違いを、わかりやすくまとめ
た表である。この表の「副室」の欄は、回転カップ噴霧
器の回転の有無により副室が予蒸発予混合器または燃焼
筒として機能するものであることを示す。

【００２３】我が国の発電設備への本発明実施例を適用
において、負荷遮断を行なった場合、すなわち、最悪の
ケースとして図３において、定格負荷から無負荷まで燃
料が急に減少した場合でも、火炎が燃焼器中に存在する
ことが要求される。この場合燃焼状態が、予蒸発予混合
燃焼から拡散燃焼へ移ることが必要である。この場合に
は全ての燃焼器に取付けられた点火栓（図示せず）を励
起して、噴霧粒子１９に再着火させる。当然、火炎を充
分保炎するためエアスピンタービンは制動する必要があ
る。制動手段は、本実施例では図示していないが、当業
者には、良く知られている。

【００２４】以上の実施例では回転カップ噴霧器１０を
回わすのにエアスピンタービン３を使用しているが、回
転カップ噴霧器１０を回転させるためには電動機を用い
てもよい。電動機により回転カップを回転させる方式は
、燃焼器が一缶または二缶であるいわゆるサイロ形燃焼
器を使用するガスタービンに適している。電動機の最高
回転数は３０００又は３６００ｒｐｍである。従って、
大きな遠心力を得るためには回転カップ径を大きくする
必要があるが、サイロ形燃焼器は、その空間が大きいた
め、大径の回転カップを設置することができる。従って
、回転カップの回転数が低くても、数十ミクロン程度の
燃料油膜を容易に得ることができる。

【００２５】本発明によれば、唯一つの燃料ノズルによ
り、拡散・予蒸発予混合燃焼の２段燃焼が得られる。回
転カップ噴霧器の回転数が大きければ、その遠心力に応
じて油膜は薄くなり、更にその薄さに従い、噴霧粒子径
は小さくなる。回転カップ噴霧器により形成される油膜
の薄さは、微粒化直前において、液体燃料の粘度には関
係せず、回転カップの径、回転数、燃料流量のみに影響
される。このように回転カップ噴霧器は、微粒化過程に
おいて燃料を選ばないため、微粒化の難しい重油に対し
ても、充分使用することができる。従って、ナフサ、灯
油、軽油、重油、さらには、他の成分を含む原油も、燃
焼させることが可能である。回転カップ噴霧器の回転数
の調節により、種々の燃料に応じ粒径調整が可能なため
、非常に燃料適応性の広い燃焼器とすることができる。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、１個の回転カップ噴霧
器を使用しているため、燃焼状態が拡散燃焼から予混合
燃焼へ移るとき、ＣＯやＵＨＣ（未燃炭化水素）の発生
がなく、またガスタービンの負荷急変動がない。従って
、ガスタービンの負荷急変動により発生するタービン部
（初段動静翼）への熱的損傷がない。更に、種々の液体
燃料に対しても使用できるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガスタービン燃焼器の実施例の断面図
。

【図２】該ガスタービン燃焼器における回転カップ噴霧
器による拡散燃焼から予混合燃焼への遷移を示す図。

【図３】本発明のガスタービン燃焼器の運転方法の説明
図。

【図４】本発明のガスタービン燃焼器の状態変化をまと
めて示す表。

【符号の説明】

１…外筒　　　　　　　　　　　　　　　　３…エアス
ピンタービン４…フロースリーブ　　　　　　５…副室
６…スロート　　　　　　　　　　　　７…主室８…ス
ワラ　　　　　　　　　　　　　　１０…回転カップ噴
霧器１１…羽根　　　　　　　　　　　　　　１２…液
体燃料１３，１４…エアスピンタービン用空気１６…環
状空間　　　　　　　　　　２１…燃焼器筒２３…燃料
ノズル装置

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　副室、それより小径のスロートおよび
   それら二者より大径の主室がこの順に連なることにより
   形成された燃焼器筒と、前記副室の基端部にそれと同心
   的に配置された回転カップ噴霧器と、前記副室の基端部
   にて前記回転カップ噴霧器の周囲に配置され前記副室内
   に旋回空気流を投入するスワラと、前記回転カップ噴霧
   器を回転させる回転駆動手段と、を備え、前記回転カッ
   プ噴霧器は、前記副室内に空気を投入する中央開口と、
   該中央開口の周囲に形成され前記副室内に液体燃料を投
   入する環状空間と、回転カップ噴霧器の回転時に該中央
   開口から副室内に投入される空気に前記スワラからの旋
   回空気流とは逆の旋回を与える空気旋回羽根とを有し、
   回転カップ噴霧器の停止中は前記副室内で拡散燃焼を行
   わせ、回転カップの回転中は前記副室内で予蒸発予混合
   を行わしめると共に前記主室内で予蒸発予混合燃焼を行
   わしめることを特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 【請求項２】　　回転カップ噴霧器を回転させる回転駆
   動手段がエアスピンタービンである請求項１記載のガス
   タービン燃焼器。
3. 【請求項３】　　回転カップ噴霧器を回転させる回転駆
   動手段が電動機である請求項１記載のガスタービン燃焼
   器。
4. 【請求項４】　　ガスタービンの起動から所定の低負荷
   までは前記回転カップ噴霧器を停止し、該所定の低負荷
   から定格負荷までは前記回転カップ噴霧器を回転させる
   ことを特徴とする請求項１記載のガスタービン燃焼器の
   運転方法。