JPH0443726Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔考案の技術分野〕 本考案はガスタービン燃焼器に係り、特に多段
燃焼方式の燃焼器においてパイロツト燃焼室の上
流側にパイロツト予混合室を設け、パイロツト燃
焼室における窒素酸化物（以下NOxという）の
発生を抑制するようにしたガスタービン燃焼器に
関する。

〔考案の技術的背景とその問題点〕

一般に、ガスタービン燃焼器より排出される排
ガス中のNOxの発生の主要因は、燃料と空気と
の当量比が１に近い燃焼領域が燃焼器中に形成さ
れこの燃焼領域において発生する燃焼ガスが局部
的に高温化することにある。上記のNOxの発生
要因に基づいて、従来から燃焼に必要な空気量に
対して過剰な燃料を供給し、燃料と空気の当量比
が１よりはるかに大きい燃料過濃の条件下で燃焼
を行い、さらにこの燃焼によつて生成された燃焼
ガスに空気を供給して完全燃焼を行うようにした
燃焼器が知られている。

しかし、この条件で燃焼を行う燃焼器は燃焼器
自体の冷却が困難であるという問題を有してい
る。すなわち、燃焼室の壁面には一般に冷却の目
的で、空気を燃焼室の壁面に沿つて流して冷却用
の空気層を形成しているが、燃料過濃な燃焼を行
う燃焼室においては燃料が過濃なため、冷却用の
空気層が燃焼されてしまつて燃焼室の壁面が過熱
するという問題があつた。

一方において、空気を必要以上に供給すると共
に燃料と空気とを混合し、この当量比が局部的に
１になることを避けるように希薄予混合燃焼を行
ない、NOxの発生を抑制するようにしたガスタ
ービン燃焼器が知られている。

このガスタービン燃焼器は燃料系統を複数にし
た多段燃焼方式で、第３図に示すように、パイロ
ツト燃焼室１、メイン燃焼室２および燃料と空気
との予混合室３を有している。燃料系統はパイロ
ツト燃料系統４とメイン燃料系統５とに分かれ、
それぞれ流量調整バルブ６，７で供給量を調整で
きるようになつている。上記パイロツト燃料系統
４より供給されるパイロツト燃料は、第１段燃焼
部であるパイロツト燃焼室１の入口に設けられた
スワラー８内に噴射され旋回空気により拡散する
と共にパイロツト燃焼室周壁の一次空気孔９より
流入する空気と混合して拡散燃焼し、高温の燃焼
ガス１０と共にNOxを生成し、この高温燃焼ガ
ス１０は第２段燃焼部であるメイン燃焼室２に送
られるようになつている。一方、上記メイン燃料
系統５より供給されるメイン燃料は、上記予混合
室３内で圧縮機（図示せず）より送られる圧縮空
気と混合して予混合気１１となり、この予混合気
１１はメイン燃料室２の入口近傍に開口する注入
口１２よりメイン燃焼室２内に送給され、上記パ
イロツト燃焼室より送られる高温燃焼ガス１０に
より着火し希薄予混合燃焼する。また、この希薄
予混合燃焼により生成される燃焼ガスは、メイン
燃焼室周壁の希釈空気孔１３より流入する空気で
所定温度に希釈されたのちガスタービンの第１段
静翼（図示せず）に導かれるようになつている。

このように構成されたガスタービン燃焼器にお
いて、ガスタービンの負荷に応じて供給される燃
料流量を制御する方法としてパイロツト燃料一定
式とパイロツト燃料変動式とが知られている。第
４図ａはパイロツト燃料一定式を示し、パイロツ
ト燃料の流量を一定に保持したままメイン燃料の
流量を負荷に応じて増加させるものである。この
パイロツト燃料一定式の場合、定格負荷時に対応
してメイン燃料の流量を設定するので部分負荷時
におけるメイン燃料の流量が不足しメイン燃料室
２に送給される予混合気１１の燃料濃度が可燃限
界以下と超希薄になり、第４図ｂに示すようにメ
イン燃焼室の局所当量比が0.4以下となり燃焼効
率が悪化する欠点があつた。

また、第５図ａはパイロツト燃料変動式を示
し、燃焼効率の悪い部分負荷時はパイロツト燃料
のみを負荷に応じて供給しある段階を超えた時に
パイロツト燃料の流量をステツプ状に減少させる
と共にメイン燃料の供給を開始するものである。
このパイロツト燃料変動式の場合、部分負荷時の
大部分はパイロツト燃焼室における拡散燃焼のみ
となり通常の一段式燃焼方式と同じになるので、
第５図ｂに示すようにパイロツト燃焼室の局所当
量比が１前後となりNOxの発生を抑制するよう
にしたガスタービン燃焼器にもかかわらず多量の
高温燃焼ガスとNOxが生成される欠点があつた。

従来これらの問題解決策として、ガスタービン
燃焼器に流入する空気の配分を弁体により調節す
る提案がなされているが、この対策では弁体の取
付けにより構造が複雑になると共に燃焼器部分で
の圧力損失が変化しこれによりガスタービン全体
の効率やタービン翼冷却用空気流量に悪影響を及
ぼすので望ましい対策とはいえなかつた。

また、負荷遮断時の応答性の点から多段燃焼方
式においては定格負荷時のパイロツト燃料の流量
は無負荷時の燃料流量とほぼ同じであることが経
験的にわかつており、定格負荷時のパイロツト燃
料の割合は25〜35％が望ましかつた。

〔考案の目的〕

そこで、本考案の目的は上述した従来技術が有
する問題点を解消し、部分負荷から定格負荷まで
広い範囲に亘つて高い燃焼効率が得られると共に
NOxの発生を抑制するようにしたガスタービン
燃焼器を提供することを目的とする。

〔考案の概要〕

上記目的を達成するために、本考案は燃料の流
れ方向にパイロツト燃焼室とメイン燃焼室とを連
続して形成すると共に上記メイン燃焼室の上流側
に予混合室を形成し、上記パイロツト燃焼室に供
給されるパイロツト燃料をパイロツト燃焼室入口
に設けられたスワラーを介して拡散燃焼させると
共に上記予混合室にメイン燃料を供給して予混合
気を生成し、この予混合気をメイン燃焼室で希薄
予混合燃焼させるようにしたガスタービン燃焼器
において、上記パイロツト燃焼室の上流側にパイ
ロツト予混合室を形成し、このパイロツト予混合
室の入口にはパイロツト燃料予混合気を生成する
予混合用スワラーを備えいていることを特徴とす
るものであつて、パイロツト燃焼室に供給される
パイロツト燃料の一部を予め空気と混合すること
によりパイロツト燃焼室での拡散燃焼の割合を低
減させNOxの発生を抑制するものである。

〔考案の実施例〕

以下、本考案によるガスタービン燃焼器の実施
例を第１図および第２図を参照して説明する。な
お、従来と同一部分は同一符号を用いる。

第１図において符号１はパイロツト燃焼室を示
し、このパイロツト燃焼室１の下流には拡開部１
ａを介してパイロツト燃焼室より大径のメイン燃
焼室２が連続して形成されている。上記パイロツ
ト燃焼室１の入口周縁にはスワラー８が設けられ
ると共にパイロツト燃焼室の周壁には一次空気孔
９が形成され、また上記パイロツト燃焼室１とメ
イン燃焼室２を連接する拡開部１ａ周面には予混
合室３の注入口１２が開口し、上記メイン燃焼室
の周壁には希釈空気孔１３が形成されている。ま
た、上記パイロツト燃焼室１の上流にはパイロツ
ト燃焼室入口に連接するパイロツト予混合室１４
が形成され、このパイロツト予混合室１４の入口
周縁には予混合用スワラー１５が設けられてい
る。そしてパイロツト燃料を供給するパイロツト
燃料系統４は上記パイロツト予混合室１４を経て
パイロツト燃焼室１入口まで延び、パイロツト燃
料の一部はパイロツト予混合室１４入口の予混合
用スワラー１５内に噴射され残りのパイロツト燃
料はパイロツト燃焼室１入口のスワラー８内に噴
射される。また、メイン燃料を供給するメイン燃
料系統５は予混合室３まで延び、メイン燃料は圧
縮空気と混合して予混合気１１となる。また上記
パイロツト燃料およびメイン燃料は各燃料系統に
設けられた流量調整バルブ６，７で供給量が調整
される。

次に、以上のように構成されたガスタービン燃
焼器の作用について説明する。

圧縮機（図示せず）より吐出される圧縮空気は
燃焼室の周壁外側の環状空間を通つて燃焼室の下
流側より上流側に導かれ、希釈空気孔１３および
一次空気孔９より各燃焼室内に流入すると共にパ
イロツト予混合室１４および予混合室３に導かれ
る。パイロツト予混合室１４に導かれる圧縮空気
は、入口の予混合用スワラー１５により旋回流と
なる。この時パイロツト燃料系統４により供給さ
れるパイロツト燃料の一部は上記予混合室スワラ
ー１５内に噴射され、上記旋回流によりパイロツ
ト予混合室１４内で圧縮空気と充分に混合されパ
イロツト予混合気１６となり、このパイロツト予
混合気１６はスワラー８よりパイロツト燃焼室１
内に旋回して吹出される。また、パイロツト燃料
の残りは上記スワラー８よりパイロツト燃焼室１
内に噴射され、パイロツト燃焼室１内で上記パイ
ロツト予混合気１６と旋回、混合すると共に一次
空気孔９から流入する空気と混合して燃焼する。
このパイロツト燃焼室１における燃焼は、パイロ
ツト燃料の一部が予混合気となつているので一部
予混合燃焼となり、従来と比べ拡散燃焼の割合が
低減する。そしてこの拡散燃焼の割合の低減は、
拡散燃焼により生成されるNOxの低減をもたら
す。

一方、上記予混合室３に導かれる圧縮空気は、
従来と同様にメイン燃料と混合して予混合気１１
となり、この予混合気１１は上記パイロツト燃焼
室１での燃焼により生ずる高温燃焼ガス１０によ
り着火し希薄予混合燃焼する。またこの燃焼によ
り生ずる燃焼ガスは第１段静翼（図示せず）に導
かれる。

このようなガスタービン燃焼器において、ガス
タービンの全負荷範囲に亘つて高い燃焼効率が得
られるようにするには、第２図に示すように従来
のパイロツト燃料変動式と同様に燃料流量を制御
する必要がある。ところが、本考案は前述のよう
に一部を予混合燃焼とするのでパイロツト燃焼室
１における拡散燃焼の割合を全負荷範囲に亘つて
低く抑えることができ、この拡散燃焼により生成
されるNOx量を低く抑えることができる。また、
上記予混合燃焼の割合は燃料ノズルの面積や燃焼
条件により予め決めることができ、従来と同様の
燃料制御方法により全負荷範囲に亘つて高い燃焼
効率を維持できると共に燃焼により生成される
NOx量を抑制することができる。

また、本考案は予混合用スワラー１５をパイロ
ツト予混合室１４入口に設けると共にスワラー８
をパイロツト燃焼室１入口に設けているので、パ
イロツト予混合室１４内の圧力が圧縮機吐出圧力
とパイロツト燃焼室１内の圧力の中間となり、パ
イロツト予混合室とパイロツト燃焼室との圧力差
が従来の圧縮機吐出圧とパイロツト燃焼室との圧
力差より小さくなり、上記スワラー８よりパイロ
ツト燃焼室１内に吹出される空気流速が小さくな
る。このため、パイロツト燃焼室における保炎性
能が向上すると共にターンダウン比が大きくなり
広い安定燃焼範囲を持つことができる。

〔考案の効果〕

以上の説明から明らかなように本考案は多段燃
焼方式のガスタービン燃焼器においてパイロツト
燃焼室の上流側にパイロツト予混合室を形成する
と共にこのパイロツト予混合室の入口にはパイロ
ツト燃料予混合気を生成する予混合用スワラーを
設けたので、パイロツト燃焼室における拡散燃焼
の割合を低減することができ拡散燃焼による
NOxの発生を抑制することができる。またパイ
ロツト燃焼室の入口と共にパイロツト予混合室の
入口にもスワラーを設けたので、パイロツト燃焼
室内に吹出される空気流速が小さくなり、保炎性
能が向上すると共に安定燃焼範囲が拡大し、負荷
遮断等の大きな負荷変動に対しても安定した燃焼
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案によるガスタービン燃焼器の実
施例を示す断面概略図、第２図は上記実施例の燃
料制御方法を示す図、第３図は従来のガスタービ
ン燃焼器の断面概略図、第４図ａおよび第５図ａ
は従来のガスタービン燃焼器における燃料制御方
法を示す図、第４図ｂおよび第５図ｂは上記燃料
制御方法における燃焼室内の局所当量比と負荷と
の関係を示す図である。 １……パイロツト燃焼室、２……メイン燃焼
室、３……予混合室、４……パイロツト燃料系
統、５……メイン燃料系統、６，７……流量調整
バルブ、８……スワラー、９……一次空気孔、１
０……高温燃焼ガス、１１……予混合気、１３…
…希釈空気孔、１４……パイロツト予混合室、１
５……予混合用スワラー、１６……パイロツト予
混合気。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 燃料の流れ方向にパイロツト燃焼室とメイン燃
   焼室とを連続して形成すると共に上記メイン燃焼
   室の上流側に予混合室を形成し、上記パイロツト
   燃焼室に供給されるパイロツト燃料をパイロツト
   燃焼室入口に設けられたスワラーを介して拡散燃
   焼させると共に上記予混合室にメイン燃料を供給
   して予混合気を生成し、この予混合気をメイン燃
   焼室で希薄予混合燃焼させるようにしたガスター
   ビン燃焼器において、上記パイロツト燃焼室の上
   流側にパイロツト予混合室を形成し、このパイロ
   ツト予混合室の入口にはパイロツト燃料予混合気
   を生成する予混合用スワラーを備えていることを
   特徴とするガスタービン燃焼器。