JPH0440611B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はNOxの発生を低減せしめるように改
良したガスタービン用の燃焼器に関するものであ
る。

〔発明の背景〕

ガスタービンの燃焼器において、NOxを低減
せしめるために従来用いられている方法には、大
別して、(イ)水、水蒸気等を使用する湿式法と、(ロ)
燃焼性能の改善に基づく乾式法とが有る。

上記(イ)項の湿式法は、水、水蒸気などの媒体を
用いるため、タービン効率を低下せしめる虞れが
有る。

また、上記(ロ)項の乾式法は、均一温度で希薄燃
焼を行わせてNOxの発生を抑制するものであつ
て、その燃焼形態に極めて厳しい条件が課され
る。

上記の乾式法におけるNOx低減の原理につい
て、次に略述する。

一般に燃焼時のNOx生成は、燃焼領域の局所
的な高温部（1800℃以上）の燃焼ガスに支配さ
れ、主に燃料の未燃焼排出物の窒素分と燃焼空気
中の窒素の酸化等によつて発生する。これ等は、
サーマルNOとフユエルNOの呼れ、特にサーマ
ルNOは酸素濃度、反応時間の依存度が大きく、
ガス温度にかなり影響される。したがつて、燃焼
過程において局所的な高温度領域が形成されない
均一低温度燃焼（1500℃以下）を実現すれば効果
的な低NOx化燃焼が可能となる。

従来、ガスタービンの低NOx化を目的とした
燃焼技術は、過剰の空気を燃焼領域に導入して希
薄拡散燃焼方式で、局所高温部に空気や水あるい
は水蒸気を導入して高温領域を抑制する手段がと
られている。特にこの燃焼形態は、空気に対して
燃料が拡散混合しながら燃焼が継続するので均一
な可燃混合気を生成することは難しく、燃焼過程
において、燃料の濃淡が形成され、結果的に局所
高温部ができること、また、過剰の空気や水及び
水蒸気の導入は、火炎面を過冷却してCO等の未
燃焼排出物の増加、不安定燃焼の原因となり、水
等を導入した場合はタービン効率の低下の因子と
なつている。したがつて、燃焼形態のみによつて
理想的にNOx及びCOの生成を抑制するために
は、燃料の前に燃料と空気を完全に混合し、均一
化した火炎温度でしかも比較的低温度燃焼を行う
ことが必要となる。

上に述べたような、均一かつ低温の燃焼形態を
実現させる手段として、従来においては、燃料と
空気とを燃焼室内に導く過程で完全に混合（予混
合）してから燃焼室内に導入する構造が用いられ
る。また燃焼室の一部に混合室を設けて上記の予
混合を行わせるとともに、この領域においては火
炎の発生を極力抑制して均一、低温の燃焼を行わ
せることも考えられる。

しかし、上記の予混合燃焼を従来技術によつて
行わせようとすると、予混合室において逆火を発
生する虞れがあり、その上、予混合気の希薄化に
よつて、CO等の未燃排出物が生成及び保炎安定
性が低下して燃焼振動等の発生領域が形成される
ことが避けられない。特にガスタービン燃焼器で
は、燃焼室内外の差圧によつて空気が導入され、
かつ各燃焼室内の一定空気量に対して燃焼負荷制
御を燃料の導入量によつて行う方法においては、
前記の諸問題をいかに解決するかが大きな課題と
なる。

上記の問題を従来技術における燃焼装置の具体
的な一例について説明すると、燃焼器の一部に混
合室を設置し、その下流側に燃料ノズルを置き、
逆火防止構造として予混合室出口を一部絞り形状
で構成した場合、 () 予混合室出口の予混合気流が高速で噴流す
るように構成しなければならないので、燃料流
量の低い領域では極端に燃料が希薄となり、安
定燃焼を維持するためには更に下流側に設けた
燃料ノズルに大きい燃焼負荷を与える必要を生
じる。これはNOxの低減について不利な条件
となる。

() 予混合室内での着火立上げを考慮した燃焼
形態をとろうとすると、作動領域内で部分的な
不安定燃焼を生じて燃焼振動の原因となり、ま
た、燃焼室が独立していると着火時の火炎伝播
について難しい技術的問題を伴う。

() 前記の絞り構造は、火炎を燃焼室中央部に
集中せしめるため、火炎集中部に局部的な高温
を生じてNOx低減を妨げることになる。

〔発明の目的〕

本発明は上述の事情に鑑みて為され、NOxの
発生を低減し得る、予混合方式のガスタービン燃
焼器を提供しようとするものである。

〔発明の概要〕

前述のような不具合を誘発することなく、予混
合燃焼によつてNOxを低減せしめるには、効果
的な予混合を行わせ得る予混合機構と、安定燃焼
を行わせ得る燃焼機構と、逆火防止手段とが必要
である。

本発明は上記の考察に基づいて前記の目的を達
成するため燃焼室頭部内筒の上流端付近の内部
に、中空円錐状の部材を設け、上記中空円錐状部
材の下流側先端部に燃料ノズルを設け、上記燃料
ノズルの近傍に点火栓を設け、前記の頭部内筒と
中空円錐状部材との間に形成される筒状の間隙の
上流端に空気と燃料との送入手段を設け、送入さ
れた空気と燃料とによつて形成される可燃混合気
に対して前記の燃料ノズルの火炎によつて着火し
得るようにしたことを特徴とする。

〔発明の実施例〕

次に、本発明の一実施例を第１図乃至第３図に
ついて説明する。

第１図は本発明のガスタービン低NOx燃焼器
の一実施例の縦断面図、第２図は第１図のＡ−Ａ
断面図、第３図は燃焼器の頭部付近を破断して描
いた斜視図である。

１は燃焼器外筒、２はその上流側の端面に固着
したエンドカバー、３は燃料ノズル、４，５は燃
料導入機構、６は内筒、７は点火栓で、上記の各
部材は燃焼器の構成部材である。

上記の内部６の頭部（燃焼ガス流に関して上流
側、第１図において左方をいう）は、後部に設け
る円筒形主燃焼室８より断面部が小さく頭部方向
に断面部を漸減した内筒壁９で外枠を形成し、頭
部上流端より下流側に先細形状の円筒コーン部１
０を、前記内筒壁９に対応して内周側に間隙を置
いて同心状に突起させ、内筒頭部に末広空間部を
有する予混合室１１を形成する。また、円筒コー
ン部１０の下流端に旋回器を有する燃料ノズル３
を配設し、前記予混合室１１の頭部近傍に第１段
目の環状旋回器１２を取付け、その上流部に環状
旋回器１２の有効開口部を内外枠を延長して環状
中空部１３を形成し、外周側に円形環状の燃料ヘ
ツター部１４を設けて、前記環状中空部１３内に
燃料噴出孔１５を付けたパイプ１６（第３図）を
多数突設し、燃料導入機構４を構成する。

本実施例は以上のようにして燃焼室頭部内筒の
上流端付近の内部に、中空円錐状の部材を設け、
上記中空円錐状部材の下流側先端部に燃料ノズル
を設け、上記燃料ノズルの近傍に点火栓を設け、
前記の頭部内筒と中空円錐状部材との間に形成さ
れる筒状の間隙の上流端に空気と燃料との送入手
段を設け、送入された空気と燃料とによつて形成
される可燃混合気に対してその下流側に燃料ノズ
ルを設け、該燃料ノズルの火炎によつて予混合し
た可燃混合気に着火し得るように構成してある。

本実施例においては更に予混合室１１の出口近
傍で主燃焼室８へ連なる内筒拡大部１７に第２段
環状旋回器１８を設け、前記した如く環状旋回器
１８の上流側の有効開口部に環状中空部１９を形
成して外周部に円形環状の燃料ヘツター部２０を
取付け、燃料噴出孔２１を有するパイプ２２を環
状中空部２３に突起して多数設けて燃料導入機構
５を形成せしめる。一方、内筒の主燃焼室８の後
流側断面部を縮少した円筒で形成させ、内筒後部
近傍の前記縮少断面部２４に希釈空気孔２５を設
置する。

次に、以上のように構成したガスタービン燃焼
器の運転操作方法、並びに作用について説明す
る。点火栓７を外筒１の外枠部から円筒コーン部
１０の先端に取付けた燃料ノズル３近傍まで挿入
し、燃焼の初期では燃料２６を燃料導入管２７を
介して燃料ノズル３に導き、周囲から導入される
空気流２８とともに燃焼室内に導入して、前記の
点火栓７で着火させる。また、燃焼負荷上昇にと
もなつて、燃料２９を燃料導入管３０を通して燃
料ヘツター部１４に導き、燃料パイプ１６の噴出
孔１５から環状中空部１３に噴流して空気流３１
に混入し、環状旋回器１２によつて予混合室１１
内に旋回噴流させる。高負荷燃焼時は、更に燃料
３２を燃料導入管３３から燃料ヘツター部２０を
介して環状中空部２３に突起したパイブ２２の噴
出孔２１より噴出し、空気流３４に混入してから
環状旋回器１８により旋回噴流となつて主燃焼室
８内に導入して燃焼を継続させる。

本実施例においては予混合室の内筒壁９、主燃
焼室８の壁面には、冷却空気３５を、下流近傍に
は希釈空気３７を導入する機構をそれぞれ設けて
あり、外筒１と内筒６の間隙を流動する空気３６
の一部を燃焼室内に導くようになつている。

第４図は、本実施例のガスタービン低NOx燃
焼器における燃料制御の一例を示す。図中F₁は
内筒コーン部１０の先端部に設置する燃料ノズル
３への燃料流量で、着火時から無負荷近傍までを
作動させる。F₂は第１段環状旋回器１２への燃
料導入量でタービンの部分負荷の作動を受け持
ち、F₃は第２段環状旋回器１８への燃料流量で、
高負荷領域において作動させる。

即ち、本発明では、前記燃焼方式において、燃
焼室中央部に設ける燃料ノズル３は常時火炎を発
生させ、負荷の変化に応じて作動させる第１段及
び第２段環状旋回器１２，１６からの予混合気を
安定に燃焼せしめ得ることが特徴の一つになつて
いる。したがつて、燃料ノズル３の保炎安定性が
一つの重要な要素となる。そこで、燃料ノズル３
は保炎性の面から燃料と空気の混合が良くない状
態を一部作り、可燃混合気中の濃淡によつて生成
される燃焼性が高い領域（理論混合比）を形成す
る拡散炎にする燃焼を行う。しかし、燃焼過程で
局所高温部が発生するので、低NOx化の面から
燃焼量を極力小さくすることが望ましい。

第５図に燃料ノズル３の一具体例を示す。燃料
２６を燃料導入管２７を介して導き、燃料ノズル
３の旋回器部に設けた燃料噴孔３８で空気旋回流
に対して噴流する。また、旋回器の外周側から角
θなる傾斜で内筒コーン部１０の先端部よりも大
きく、前記予混合室１１に突起する如く形成する
保炎筒３９を設置し、保炎筒３９の壁面に沿う冷
却空気４０を導入する。この保炎筒３９を燃料ノ
ズル３からの可燃混合気の安定燃焼を、周囲の流
動状態（特に予混合室からの流動）に直接影響さ
れることなく行えるようにしたこと。保炎安定性
向上によつてパイロツト火炎専用の燃焼量を少な
くすること、更に保炎筒３９の後流部に生成され
る可燃混合気のまき込み流４１によつて火移りの
向上を期待し得る。

以上説明したように、燃料ノズル３を保炎筒３
９によつて覆う構成とし、かつ、上記の保炎筒３
９の断面形状を内筒コーン部１０の先端部よりも
大きく形成すると保炎安定性が向上するという効
果がある。

次に第１段旋回器から流動する可燃予混合気の
逆火を防ぐ手段として、予混合室１１形状を下流
方向に末広状とし、上流端より空気と燃料を全て
導入して、予混合室１１内を流動する状態の流速
が下流方向に減速流と成らしめる。つまり予混合
室１１の出口近傍で逆火条件下に流速を設定して
おけば、下流側に発生する火炎の輻射等による予
期しない急激な逆火現象の防止は可能である。

本実施例のように、燃焼室頭部内筒の上流端付
近に第１段の円環状旋回器を設け、前記の燃料ノ
ズルの先端部に旋回器を設け、前記の筒状の間隙
は下流側に向けてその断面積を拡大するごとく形
成して頭部予混合室を構成し、前記の燃料室頭部
内筒が中空円錐状部材に対向している部分よりも
下流側を最に段階状に拡開して円柱状の主燃焼室
を形成し、前記の予混合室と主燃焼室との境界付
近に第２段の円環状旋回器を設けて、前記の燃焼
ノズルを中心とする多重環状旋回器構造とするこ
とにより、安定した均一、低温度燃焼が得られ、
特に、逆火の防止に有効である。

本実施例のガスタービン低NOx燃焼器の、上
記以外の特徴として、空気と燃料との予混合機構
がある。前記で示した空気流が流入される環状中
空部に燃料を導入する過程で、多数のパイプ部を
突きだし、そのパイプに１個又は複数個の燃料噴
孔を設けて空気流に分散供給することで、空気が
低速流であつても効果的な混合が可能である。特
に予混合室上流部に旋回器を設けると、予混合室
内の燃料と空気の拡散領域が増長され、より混合
が促進される。

本例のように、第１段の旋回器１２および第２
段の旋回器１８にそれぞれ燃料噴霧手段としての
燃料導入機構４及び同５を設けると、燃焼の均一
化に有効である。

第６図は燃料導入機構４付近の拡大図、第７図
は第６図のＢ−Ｂ断面図である。燃料ヘツタ１４
から突出したパイプ１６に燃料噴出孔１５を設
け、上記の噴出孔１５に対向せしめて乱流部材４
２，４３を千鳥状に配設して乱状発生手段を構成
してある。本例によれば短い空間で燃料の混合拡
散が行われ、比較的圧力損失が小さくする構造も
容易であるので、一開口部から多量の空気量を必
要とする手段として非常に有利な方法である。

第８図は第１図の実施例において発生する火炎
の状態を示す説明図で、Ｃは旋回器を備えたノズ
ル３によつて発生するパイロツト炎、Ｄは予混合
気によつて発生する火炎、Ｅは燃料導入手段５か
ら供給された燃料と第２段環状旋回器１８から供
給された空気とによつて発生する火炎である。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明の低NOx燃焼器
は、燃焼室頭部内筒の上流端付近の内部に、中空
円錐状の部材を設け、上記中空円錐状部材の下流
側先端部に燃料ノズルを設け、上記燃料ノズルの
近傍に点火栓を設け、前記の頭部内筒と中空円錐
状部材との間に形成される筒状の間隙の上流端に
空気と燃料との送入手段を設け、送入された空気
と燃料とによつて形成される可燃混合気に対して
前記の燃料ノズルの火炎によつて着火し得べく為
すことにより、燃焼室の半径方向および軸方向の
双方について均一な燃焼を行わしめることがで
き、局部的な高温の個所を生じないのでNOxの
発生を軽減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の縦断面図、第２図
は第１図のＡ−Ａ断面図、第３図は上記実施例に
おける燃焼器頭部付近を部分的に切断して描いた
斜視図、第４図は上記実施例における燃料制御の
１例を示す図表、第５図は同じくノズル先端部の
拡大断面図、第６図は同じく燃料導入機構の付近
を示す部分的拡大断面図、第７図は第６図のＢ−
Ｂ断面図、第８図は第１図の実施例における火炎
の発生状態を示す説明図である。 １……燃焼器外筒、２……エンドカバー、３…
…燃料ノズル、４，５……燃料導入機構、６……
内筒、７……点火栓、８……円柱状の主燃焼室、
９……内筒壁、１０……中空円錐状部材としての
円筒コーン部、１１……予混合室、１２……第１
段環状旋回器、１３……環状中空部、２０……燃
料ヘツタ部、２１……燃料噴出孔、２２……パイ
プ、２３……環状中空部、２４……断面縮小部、
２５……希釈空気孔、２６……燃料、２７……燃
料導入管、２８……空気流、２９……燃料、３０
……燃料導入管、３１……空気流、３２……燃
料、３３……燃料導入管、３４……空気流、３５
……冷却空気、３６……空気、３７……希釈空
気、３８……燃料噴孔、３９……保炎筒、４０…
…冷却空気流、４１……巻込流、４２，４３……
乱流部材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 燃焼室頭部内筒と、該燃焼室頭部内筒の上流
   端付近の内部に設けられ、下流に向うに従い先細
   となる中空円錐状の部材と、該中空円錐状の部材
   と前記燃焼室頭部内筒との間に形成され、下流側
   に向けてその断面積が拡大している間〓のその上
   流端付近に設けられた第１段円環状旋回器と、該
   第１段円環状旋回器の上流側に設けられ、空気と
   燃料とを送入する燃料噴霧手段と、前記中空円錐
   状部材の下流側先端部に設けられた燃料ノズル
   と、該燃料ノズルの近傍に設けられた点火栓と、
   前記燃焼室頭部内筒が中空円錐状部材に対向して
   いる部分よりも下流側が階段状に拡開して形成さ
   れているその拡開付近に設けられた第２段円環状
   旋回器と、該第２段円環状旋回器の上流側に設け
   られ、空気と燃料とを送入する燃料噴霧手段とを
   備え、前記第１段、第２段円環状旋回器の空気と
   燃料とによつて形成された可燃混合気を、前記燃
   料ノズルの火炎によつて着火するようにしたこと
   を特徴とするガスタービン低NOx燃焼器。 ２ 前記の中空円錐状部材に設けた燃料ノズル
   は、保炎筒によつて覆われたものとし、かつ、上
   記の保炎筒は中空円錐状部材の先端部よりも大き
   い断面形状を有するごとく形成したことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載のガスタービン
   低NOx燃焼器。 ３ 前記の燃料噴霧手段は、乱流発生手段を備え
   たものとし、かつ、上記の乱流発生手段は複数個
   の乱流部材と千鳥形に配置したものであることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のガスタ
   ービン低NOx燃焼器。