JPH05322167A - ガスタ−ビンの燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 全負荷範囲において低ＮＯｘで、安定よい燃
焼が行えるとともに、簡単な構成改良だけで、メインバ
ーナの予混合燃焼時の逆火を確実に防止することができ
るようにする。 【構成】 燃焼室２の中央部に設けたパイロットバーナ
７の周囲に複数個の予混合燃焼式のメインバーナ８を配
置してなるガスタービンの燃焼器において、メインバー
ナ８における旋回スワーラ１４内側のボス部１４Ａに、
空気流入管１５に流入された空気の一部を取り入れる空
気通路１９を形成するとともに、この空気通路１９内に
取り入れた空気を燃焼室２に噴出する孔１４ａを設け
て、その噴出空気によりボス部１４Ａを冷却し過熱を防
ぐように構成している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、燃焼にともなって発
生する窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量の低減化、つまり
低Ｎ０ｘ化を達成するようになされたガスタービンの燃
焼器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】ガス
タービンの燃焼器において、低ＮＯｘ燃焼を実現する手
段として、例えば特開平１−３００５５号公報に開示さ
れているように、燃焼室内に複数個の予混合燃焼式のメ
インバーナを配置し、これらメインバーナの燃焼作動数
を負荷に応じて制御するようになしたマルチバーナ燃焼
器が知られている。このマルチバーナ燃焼器によれば、
それ以前から行われていた低ＮＯｘ化の手段の一つで、
燃焼室内に水や蒸気を噴射して燃焼火炎温度を低下させ
る方法のもつ欠点、すなわち、エンジン熱効率の低下
（水噴射の場合）、悪い水質によるタービン等の腐蝕に
ともなうエンジンの寿命低下、さらには水質を良くする
ための前処理に要する設備および維持管理費の高騰など
の欠点を克服することができるとともに、性能の低下を
抑えつつ、大幅な低ＮＯｘ化を達成することができると
いう優れた効果を有している。

【０００３】反面、上記のようなマルチバーナ燃焼器に
おいては、予混合燃焼にともない、着火・起動時の火炎
が不安定であること、負荷変動が頻繁な場合、複数個の
バーナのオン／オフ回数が増えて燃焼が不安定になりや
すいこと、予混合部への逆火を生じやすいこと、などの
問題点を有していた。

【０００４】このようなマルチバーナ燃焼器のもつ問題
点を解消できるガスタービンの燃焼器として、本出願人
は、先に特開平２−１４９６８８号公報に開示されてい
るように、燃焼室の中央部に燃料を直接燃焼室内に噴出
する拡散燃焼式のパイロットバーナを設けるとともに、
このパイロットバーナの周囲に複数個の予混合燃焼式の
メインバーナを配置し、その複数個のメインバーナを負
荷の変動に応じて作動制御するようにしたものを提案し
ている。この先に提案したガスタービンの燃焼器（以
下、先行技術と称す）によれば、燃焼室の中央部に設け
たパイロットバーナが拡散燃焼式であって、常に良好な
保炎効果を有しているため、着火・起動時はもちろん、
急激な負荷変動があっても燃焼を安定よく保持すること
ができ、また、各メインバーナの燃料噴出ノズルを分散
型とすることにより、燃料と空気との混合距離・スペー
スを大きくしなくても、逆火の発生を概ね防止すること
ができるという効果を奏する。

【０００５】ところで、上記した先行技術において、メ
インバーナは、燃焼室側の端部に旋回スワーラを設けた
空気流入管内に分散型ノズルを有する燃料管を挿嵌して
構成されているものであり、燃焼作動時にメインバーナ
における旋回スワーラ内側のボス部が過熱されやすく、
その過熱されたボス部に上記空気流入管内で予混合され
旋回スワーラを通って燃焼室内に噴出される混合気が接
触することにより、逆火を発生しやすいという課題が残
されていた。

【０００６】この発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、上述の先行技術による効果を達成できるだけでな
く、簡単な構成改良を施すだけで、予混合燃焼時の逆火
の発生を確実に防止することができるガスタービンの燃
焼器を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明の請求項１に係るガスタービンの燃焼器
は、燃焼室の中央部に燃料を直接燃焼室内に噴出する拡
散燃焼式のパイロットバーナを設けるとともに、このパ
イロットバーナの周囲に複数個の予混合燃焼式のメイン
バーナを配置し、これらメインバーナは、燃焼室側の端
部に旋回スワーラを設けた空気流入管内に分散型ノズル
を有する燃料管を挿嵌して構成されているガスタービン
の燃焼器において、上記メインバーナにおける旋回スワ
ーラ内側のボス部に上記空気流入管に連通する空気通路
を形成し、この空気通路に流入した空気を燃焼室に向け
て噴出する空気噴出孔を上記ボス部の先端部に形成した
ものである。

【０００８】また、この発明の請求項２のガスタービン
の燃焼器は、燃焼室の一端側に配置されたエンドカバー
に同心円状の複数の燃料通路が形成されており、これら
燃料通路を、上記パイロットバーナを中心として互いに
１８０°離れた箇所に配置された２個を一組とする複数
組のメインバーナの燃料管に接続したものである。

【０００９】

【作用】この発明の請求項１によれば、燃焼室の中央部
に設けられたパイロットバーナが拡散燃焼式であるか
ら、良好な保炎効果を発揮して、その周囲に配置したメ
インバーナへの火移りが確実、容易で、着火・起動時の
燃焼火炎の安定化が図れるとともに、頻繁な負荷変動に
ともないメインバーナのオン／オフ回数が多くなって
も、燃焼を安定よく保持することが可能で、負荷の変動
に応じたメインバーナの１本当たりの等量比の変化によ
って低ＮＯｘ燃焼を確実に維持することができる。ま
た、メインバーナでの予混合燃焼時において、空気流入
管内に流入した空気の一部が旋回スワーラ内側のボス部
に形成された空気通路を通って、ボス部の先端部の空気
噴出孔から燃焼室に向けて噴出され、その空気によって
上記ボス部が冷却されるために、ボス部の過熱を防ぎ、
予混合燃焼時の逆火を防止することができる。

【００１０】また、請求項２によれば、燃焼室の一端側
に配置されたエンドカバーに同心円状に形成された複数
の燃料通路が、対称的に配置された２個を一組とする複
数組のメインバーナの燃料管に接続されているので、各
メインバーナへの燃料の配分を均等化しやすく、これに
よって、所定の低ＮＯｘ燃焼を安定よく行うことができ
る。

【００１１】

【実施例】以下、この発明の一実施例を図面にもとづい
て説明する。図１は、この発明の一実施例によるガスタ
ービンの燃焼器を示す断面図、図２は図１のＡ−Ａ線に
沿った断面図である。両図において、１は円筒状の外
筒、２は外筒１内に収納された円筒状の燃焼室であり、
上記外筒１の一端側にはフランジ１ａ，３ａを介してエ
ンジン（図示せず）の外壁３がボルト・ナットにより結
合されているとともに、外筒１の他端側にはエンドカバ
ー４がボルト５により固定されており、さらに上記燃焼
室２のエンドカバー４側の端部は蓋板６により閉塞され
ている。

【００１２】７は燃料を直接燃焼室２内に噴出する拡散
燃焼式のパイロットバーナで、上記燃焼室２の中央部に
１つだけ設けられている。８は燃料と空気とを混合させ
たのちにその混合気を燃焼室２内に拡散させて噴出する
予混合燃焼式のメインバーナであって、上記パイロット
バーナ７の周囲で、かつそのパイロットバーナ７に近接
させて円周方向に等間隔を隔てて８個が配置されてい
る。これらパイロットバーナ７およびメインバーナ８は
ともに、上記蓋板６を貫通してその先端が燃焼室２内に
突出するように設けられている。

【００１３】上記パイロットバーナ７は、図３に明示し
たように、円環状の旋回スワーラ９を内嵌するパイロッ
ト用の空気流入管１０とこの空気流入管１０内に同心状
に嵌合保持されたパイロット燃料管１１とこのパイロッ
ト燃料管１１の先端部に固定されたパイロット用（保炎
用）多孔ノズル１２とから構成されており、上記パイロ
ット燃料管１１がパイロット燃料供給管１３に接続され
ている。上記パイロット用多孔ノズル１２の噴孔１２ａ
は、図４に示すように、斜め外方に向かって開口し、か
つ円周方向に等間隔を隔てて複数個形成されている。

【００１４】上記メインバーナ８は、図５に明示するよ
うに、円環状の旋回スワーラ１４を内嵌する空気流入管
１５とこの空気流入管１５内に同心状に嵌合保持された
燃料管１６とこの燃料管１６の先端部に固定されて上記
旋回スワーラ１４に対向位置させた分散型ノズル１７と
から構成されており、上記燃料管１６が燃料供給管１８
に接続されている。上記分散型ノズル１７は、図６に示
すように、燃料管１６の先端部から半径方向に放射状に
延び、かつ先端が閉じられた複数本（図では６本で示す
が、それ以下でも以上でもよい）のパイプ１７Ａにそれ
ぞれ燃料管１６に対して直角な平面に位置するように多
数の噴孔１７ａが形成されて構成されている。

【００１５】また、上記旋回スワーラ１４の内側のボス
部１４Ａには空気通路１９が形成されているとともに、
ボス部１４Ａの錐状先端部には斜め外方に向かって空気
を噴出する空気噴出孔１４ａが形成されていて、空気流
入管１５内に流入した空気の一部を上記空気通路１９お
よび噴出孔１４ａを通して燃焼室２内に噴出させること
により、ボス部１４Ａの過熱を抑制して予混合燃焼時の
逆火を防止するようになされている。

【００１６】なお、上記した各旋回スワーラ９，１４は
ともに、半径方向に延びた羽根が空気流入管１０，１５
の長手方向に対して所定の角度だけ傾けられた状態で円
周方向に並設されて構成されている。

【００１７】さらに、上記エンドカバー４には、同心円
状の４つの燃料通路２４Ａ〜２４Ｄが形成されており、
それら各燃料通路２４Ａ〜２４Ｄが、パイロットバーナ
７を中心にして互いに１８０°離れた箇所に配置された
２個を一組とする４組のメイスンーナ８における燃料供
給管１８にそれぞれ接続されているとともに、これら各
燃料通路２４Ａ〜２４Ｄ、上記パイロットバーナ７にお
けるパイロット燃料供給管１３がそれぞれ燃料マニホー
ルド（図示省略）に接続されている。なお、図１中、３
８は点火栓である。

【００１８】つぎに、上記構成のガスタービンの燃焼器
における動作について説明する。パイロットバーナ７に
おいては、空気圧縮機（図示せず）から送給される圧縮
空気が空気流入管１０に矢印Ａのように流入し、旋回ス
ワーラ９を通って渦巻きながら燃焼室２内に拡散されて
供給されるとともに、燃料管１１に供給された燃料は多
孔ノズル１２の噴孔１２ａから燃焼室２内に噴出され
て、上記渦巻き状に空気により瞬間に拡散される。この
とき、渦巻きの中心部には安定した保炎部が形成される
ことになる。

【００１９】一方、メインバーナ８においては、上記圧
縮空気が空気流入管１５に矢印Ｂのように流入するとと
もに、エンドカバー４に形成された同心円状の４つの燃
料通路２４Ａ〜２４Ｄ内に供給された燃料は、互いに１
８０°離れた箇所に配置された２個を一組とするメイン
バーナ８の各燃料管１６に均等に配分されたのち、分散
型ノズル１７の噴孔１７ａから上記空気流入管１５内に
噴出されて、上記の空気と混合された後、旋回スワーラ
１４を通って燃焼室２内に拡散されて噴出される。ここ
で、燃料は分散型ノズル１７の噴孔１７ａから空気流入
管１５内に分散されて噴出されるので、その噴孔１７ａ
から旋回スワーラ１４までの距離が短くても、空気と充
分に混合される。そして、点火栓３８によりパイロット
バーナ７への着火が行われると、このパイロットバーナ
７の周囲に近接して配置されているメインバーナ８への
着火が確実、容易に行われ、これによって、燃焼室２内
で所定の燃焼が行われてエンジン駆動のための高圧の燃
焼ガスを発生する。

【００２０】上記のような燃焼状態において、拡散燃焼
は中央部のパイロットバーナ７だけであり、あとは全て
メインバーナ８による予混合燃焼であるから、ＮＯｘの
発生量は十分に低減される。また、メインバーナ８にお
いては、上記空気流入管１５内に流入した空気の一部が
旋回スワーラ１４内側のボス部１４Ａに形成された空気
通路１９を通り、そのボス部１４Ａの錐状先端部に形成
された孔１４ａから斜め外方に向かって燃焼室２内に噴
出されており、この空気により、ボス部１４Ａの過熱が
抑制されるので、予混合燃焼時の逆火が防止される。

【００２１】ところで、上記構成のガスタービンの燃焼
器においては、負荷の変動に応じて燃焼作動させるメイ
ンバーナ８の数を変更することにより、全負荷範囲にお
いて低ＮＯｘで安定した燃焼が行われる。すなわち、図
７は負荷運転時におけるバーナの燃焼作動状況を示し、
図８は燃焼起動時における弁制御方法を示す図であっ
て、円周方向に１８０°の間隔を置いて位置する２個の
メインバーナ８，８を一組（Ｍ１）として、負荷割合に
応じて、４組（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４）それぞれに対
応する燃料遮断弁（図示せず）を順次開にして、燃料供
給管１８および燃料管１６を通して各組のメインバーナ
８に燃料を供給して予混合燃焼させることにより、全負
荷範囲において低ＮＯｘで、かつ、高い効率の安定燃焼
を行わせることが可能である。なお、図８において、横
軸はエンジン回転数の割合を示し、縦軸は燃料量であ
る。

【００２２】なお、上記実施例では、メインバーナ８を
８個設け、それを４組に分けて燃焼作動制御するように
したもので説明したが、そのメインバーナ８の数は４個
以上の偶数個であればよい。

【００２３】

【発明の効果】以上のように、この発明の請求項１によ
れば、燃焼室の中央部に拡散燃焼式のパイロットバーナ
を設けることで、良好な保炎効果を発揮して、その周囲
に配置したメインバーナへの火移りを確実、容易にでき
るばかりでなく、着火・起動時の燃焼火炎の安定化を図
ることができ、負荷変動が激しくてメインバーナのオン
／オフ回数が多くなる条件下においても、燃焼を安定よ
く保持させて低ＮＯｘ燃焼を確実に維持することができ
る。しかも、メインバーナでの予混合燃焼時において、
空気流入管内に流入した空気の一部を旋回スワーラ内側
のボス部に形成された空気通路を通して、ボス部の先端
部の空気噴出孔から燃焼室に向けて噴出させることによ
って、上記ボス部を保冷して該ボス部の過熱を防ぐよう
にしているので、予混合燃焼時の逆火を、簡単な構成改
良によって確実に防止することができて、安全性の向上
を図ることができる。

【００２４】また、この発明の請求項２によれば、燃焼
室の一端側に配置されたエンドカバーに同心円状に複数
の燃料通路を形成して、これら複数の燃料通路を、対称
的に配置された２個を一組とする複数組のメインバーナ
の燃料管に接続することにより、少ないスペースにして
全体の小形化を図りつつ、各メインバーナへの燃料配分
を均等化しやすく、これによって、所定の低ＮＯｘ燃焼
をより効果的に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例によるガスタービンの燃焼
器を示す縦断側面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

【図３】パイロットバーナの拡大縦断面図である。

【図４】図３の多孔ノズルの拡大正面図である。

【図５】メインバーナの拡大縦断面図である。

【図６】図５の分散型ノズルの拡大縦断正面図である。

【図７】負荷運転時におけるバーナの燃焼作動状況を示
す図である。

【図８】燃焼起動時における弁制御方法を示す図であ
る。

【符号の説明】

２ 燃焼室 ４ エンドカバー ７ パイロットバーナ ８ メインバーナ １４ 旋回スワーラ １４Ａ ボス部 １４ａ 空気噴出孔 １５ 空気流入管 １６ 燃料管 １７ 分散型ノズル １９ 空気通路 ２４Ａ〜２４Ｄ 燃料通路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 北嶋 潤一 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工業 株式会社明石工場内 (72)発明者 木村 武清 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工業 株式会社明石工場内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼室の中央部に燃料を直接燃焼室内に
   噴出する拡散燃焼式のパイロットバーナを設けるととも
   に、このパイロットバーナの周囲に複数個の予混合燃焼
   式のメインバーナを配置し、これらメインバーナは、燃
   焼室側の端部に旋回スワーラを設けた空気流入管内に分
   散型ノズルを有する燃料管を挿嵌して構成されているガ
   スタービンの燃焼器において、上記メインバーナにおけ
   る旋回スワーラ内側のボス部に上記空気流入管に連通す
   る空気通路を形成し、この空気通路に流入した空気を燃
   焼室に向けて噴出する空気噴出孔を上記ボス部の先端部
   に形成したことを特徴とするガスタービンの燃焼器。
2. 【請求項２】 上記燃焼室の一端側に配置されたエンド
   カバーには、同心円状の複数の燃料通路が形成されてお
   り、これら燃料通路は、上記パイロットバーナを中心と
   して互いに１８０°離れた箇所に配置された２個を一組
   とする複数組のメインバーナの燃料管に接続されている
   請求項１のガスタービンの燃焼器。