JPH06323543A - ガスタービン及び燃料の燃焼方法 - Google Patents
ガスタービン及び燃料の燃焼方法Info
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- JPH06323543A JPH06323543A JP6101841A JP10184194A JPH06323543A JP H06323543 A JPH06323543 A JP H06323543A JP 6101841 A JP6101841 A JP 6101841A JP 10184194 A JP10184194 A JP 10184194A JP H06323543 A JPH06323543 A JP H06323543A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 NOxの生成量を減少させるよう燃料と空気
の超希薄混合気による安定した燃焼を行うことができる
燃焼器を提供する。 【構成】 燃焼器(6 )は、バリヤプレート(57)によ
り互いに分離された予混合領域(10)と燃焼領域(12)
を有する。燃料と空気から成る希薄混合気を導入する複
数の同心状に配置された環状通路(23〜26)が予混合領
域内に設けられる。各環状通路は、複数のスワーラ(5
9)が円周方向に配置された排出端を有し、スワーラは
環状通路を通って流れる燃料/空気混合気が燃焼領域内
へ入るようにし、スワーラは保炎器として働く。ドーナ
ツ形燃料マニホルド(70〜73)を環状通路の各々の上流
側に設けることにより、各環状通路内の燃料空気比(燃
空比)を個々に調節できる。燃焼器の点火温度を上げる
には、燃料を各環状通路に順次供給するが、まず最初に
燃料を最も内側の通路に供給する。パイロット燃料組立
体が環状通路に対し中央に配置されており、このパイロ
ット燃料組立体はスワールベーン(44)及び点火装置
(40)を有する。
の超希薄混合気による安定した燃焼を行うことができる
燃焼器を提供する。 【構成】 燃焼器(6 )は、バリヤプレート(57)によ
り互いに分離された予混合領域(10)と燃焼領域(12)
を有する。燃料と空気から成る希薄混合気を導入する複
数の同心状に配置された環状通路(23〜26)が予混合領
域内に設けられる。各環状通路は、複数のスワーラ(5
9)が円周方向に配置された排出端を有し、スワーラは
環状通路を通って流れる燃料/空気混合気が燃焼領域内
へ入るようにし、スワーラは保炎器として働く。ドーナ
ツ形燃料マニホルド(70〜73)を環状通路の各々の上流
側に設けることにより、各環状通路内の燃料空気比(燃
空比)を個々に調節できる。燃焼器の点火温度を上げる
には、燃料を各環状通路に順次供給するが、まず最初に
燃料を最も内側の通路に供給する。パイロット燃料組立
体が環状通路に対し中央に配置されており、このパイロ
ット燃料組立体はスワールベーン(44)及び点火装置
(40)を有する。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料を圧縮空気内で燃
焼させる燃焼器(燃焼装置ともいう)に関する。より詳
細には、本発明は、燃焼によるNOxの生成量を著しく
減少させるガスタービン用燃焼器及び燃料燃焼方法に関
する。
焼させる燃焼器(燃焼装置ともいう)に関する。より詳
細には、本発明は、燃焼によるNOxの生成量を著しく
減少させるガスタービン用燃焼器及び燃料燃焼方法に関
する。
【0002】
【従来の技術】ガスタービンでは、一又二以上の燃焼器
内で燃料を圧縮機により得られた圧縮空気中で燃焼させ
る。伝統的に、かかる燃焼器は、燃料と空気のほぼ理論
混合気を生じさせ、これを拡散燃焼方式で燃焼させる主
燃焼領域を備えていた。主燃焼領域の下流側で、空気を
更に燃焼器内へ導入した。全体的な燃料空気比(燃空
比)は理論比よりもかなり小さいが、始動時における燃
料/空気混合気の着火は容易であり、主燃焼領域内での
燃料/空気混合気が局所的に濃厚なので着火温度の広範
囲にわたり良好な火炎安定性が得られた。
内で燃料を圧縮機により得られた圧縮空気中で燃焼させ
る。伝統的に、かかる燃焼器は、燃料と空気のほぼ理論
混合気を生じさせ、これを拡散燃焼方式で燃焼させる主
燃焼領域を備えていた。主燃焼領域の下流側で、空気を
更に燃焼器内へ導入した。全体的な燃料空気比(燃空
比)は理論比よりもかなり小さいが、始動時における燃
料/空気混合気の着火は容易であり、主燃焼領域内での
燃料/空気混合気が局所的に濃厚なので着火温度の広範
囲にわたり良好な火炎安定性が得られた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】残念ながら、かかるほ
ぼ理論燃料/空気混合気を用いると、結果的に、主燃焼
領域中の温度が非常に高くなっていた。このように温度
が高いために、大気汚染物と考えられる窒素の酸化物
(NOx)の生成が促進された。希薄燃料空気比での燃
焼によりNOx生成量が減少することは知られている
が、かかる希薄混合気は着火が困難であり、火炎安定性
が良くない。
ぼ理論燃料/空気混合気を用いると、結果的に、主燃焼
領域中の温度が非常に高くなっていた。このように温度
が高いために、大気汚染物と考えられる窒素の酸化物
(NOx)の生成が促進された。希薄燃料空気比での燃
焼によりNOx生成量が減少することは知られている
が、かかる希薄混合気は着火が困難であり、火炎安定性
が良くない。
【0004】したがって、始動時における信頼性のある
着火を可能にするだけでなく、NOxの生成量を減少さ
せるよう燃料と空気から成る希薄混合気による安定した
燃焼を可能にする燃焼器を提供することが望ましい。
着火を可能にするだけでなく、NOxの生成量を減少さ
せるよう燃料と空気から成る希薄混合気による安定した
燃焼を可能にする燃焼器を提供することが望ましい。
【0005】したがって、本発明の一般的な目的は、始
動時における信頼性のある着火を可能にするだけでな
く、NOxの生成量を減少させるよう燃料と空気から成
る希薄混合気による安定した燃焼を可能にする燃焼器及
び燃料燃焼方法を提供することにある。
動時における信頼性のある着火を可能にするだけでな
く、NOxの生成量を減少させるよう燃料と空気から成
る希薄混合気による安定した燃焼を可能にする燃焼器及
び燃料燃焼方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】簡単に述べると、本発明
の上記目的及び他の目的は、空気を圧縮する圧縮機、圧
縮空気中で燃料を燃焼させることにより高温ガスを生じ
させる燃焼器、及び燃焼器で生じた高温ガスを膨張させ
るタービンとから成るガスタービンにおいて達成され
る。燃焼器は、(1) 各々、入口端及び排出端を備えた複
数の同心状に配置された環状通路、(2) 環状通路内に燃
料を導入する各環状通路のための第1の燃料排出ポー
ト、及び(3) 燃料排出ポート経由による環状通路の各々
の中への燃料の導入を別々に制御する手段を有する。一
実施例では、燃焼器はそのほかに、各環状通路に対応し
て複数のスワーラ又は旋回翼を有し、かかるスワーラ
は、それぞれの環状通路の周りに円周方向に分布したア
レイを形成する。この実施例では、燃料排出ポート経由
による環状通路の各々の中への燃料の導入を別々に制御
する前記手段は環状通路の各々のためのほぼドーナツ形
のマニホルドを含み、度ーナッツ形マニホルドの各々
は、その対応の環状通路の上流側に配置されている。ま
た、本発明は、ガスタービンにおいて、燃料を圧縮空気
内で燃焼させる方法であって、(1) 燃料空気比が重量を
基準として少なくとも0.04の燃料と空気の混合気か
ら成る第1の流れを、燃焼領域の中央部分内に導入し、
(2) 前記第1の流れを着火させて前記燃焼領域内に中央
パイロット火炎を生じさせ、(3) 燃料と空気の混合気か
ら成る第2の流れを、パイロット火炎発生後に、前記中
央部分の周りの前記燃焼領域の第1の部分に導入し、そ
れにより前記パイロット火炎の周りに第2の火炎を生じ
させ、前記第2の流れの燃料空気比は重量を基準として
0.035未満であり、さらに、(4) 燃料と空気の混合
気からから成る第3の流れを、前記第の火炎発生後に、
前記第1の部分の周りの前記燃焼領域の第2の部分に導
入し、それにより前記第2の火炎の周りに第3の火炎を
生じさせ、前記第3の流れの燃料空気比は重量を基準と
して0.035未満であることを特徴とする燃焼方法を
提供する。
の上記目的及び他の目的は、空気を圧縮する圧縮機、圧
縮空気中で燃料を燃焼させることにより高温ガスを生じ
させる燃焼器、及び燃焼器で生じた高温ガスを膨張させ
るタービンとから成るガスタービンにおいて達成され
る。燃焼器は、(1) 各々、入口端及び排出端を備えた複
数の同心状に配置された環状通路、(2) 環状通路内に燃
料を導入する各環状通路のための第1の燃料排出ポー
ト、及び(3) 燃料排出ポート経由による環状通路の各々
の中への燃料の導入を別々に制御する手段を有する。一
実施例では、燃焼器はそのほかに、各環状通路に対応し
て複数のスワーラ又は旋回翼を有し、かかるスワーラ
は、それぞれの環状通路の周りに円周方向に分布したア
レイを形成する。この実施例では、燃料排出ポート経由
による環状通路の各々の中への燃料の導入を別々に制御
する前記手段は環状通路の各々のためのほぼドーナツ形
のマニホルドを含み、度ーナッツ形マニホルドの各々
は、その対応の環状通路の上流側に配置されている。ま
た、本発明は、ガスタービンにおいて、燃料を圧縮空気
内で燃焼させる方法であって、(1) 燃料空気比が重量を
基準として少なくとも0.04の燃料と空気の混合気か
ら成る第1の流れを、燃焼領域の中央部分内に導入し、
(2) 前記第1の流れを着火させて前記燃焼領域内に中央
パイロット火炎を生じさせ、(3) 燃料と空気の混合気か
ら成る第2の流れを、パイロット火炎発生後に、前記中
央部分の周りの前記燃焼領域の第1の部分に導入し、そ
れにより前記パイロット火炎の周りに第2の火炎を生じ
させ、前記第2の流れの燃料空気比は重量を基準として
0.035未満であり、さらに、(4) 燃料と空気の混合
気からから成る第3の流れを、前記第の火炎発生後に、
前記第1の部分の周りの前記燃焼領域の第2の部分に導
入し、それにより前記第2の火炎の周りに第3の火炎を
生じさせ、前記第3の流れの燃料空気比は重量を基準と
して0.035未満であることを特徴とする燃焼方法を
提供する。
【0007】
【実施例】図面を参照すると、図1にはガスタービン1
が示されている。従前通り、ガスタービンは周囲空気2
を引き込む圧縮機3を有する。圧縮機3は圧縮空気4を
燃焼器6に送り、燃焼器6内での燃料5の燃焼により高
温ガス7が生じる。高温ガス7はタービン8内で膨脹
し、次に排ガス9として排出される。
が示されている。従前通り、ガスタービンは周囲空気2
を引き込む圧縮機3を有する。圧縮機3は圧縮空気4を
燃焼器6に送り、燃焼器6内での燃料5の燃焼により高
温ガス7が生じる。高温ガス7はタービン8内で膨脹
し、次に排ガス9として排出される。
【0008】本発明は、ガスタービン1の燃焼器6、具
体的には、発生するNOxが非常に低レベルになるよう
(例えば、ガスタービンがその基底負荷点火温度で作動
している時、水又は蒸気の注入を行わない状態で約9p
pmv以下)設計された燃焼器に関する。図2及び図3
に示すように、本発明の燃焼器は、空気及び燃料が混合
される予混合領域10と、予混合領域の下流側に位置し
た燃焼領域12とを含む。前端部にフランジ13を備え
たハウジング27が、燃焼器6の予混合領域10を包囲
している。3つの大きな窓形開口部30がハウジング2
7の周りに等間隔で配置されている。ダクト28がハウ
ジング27の前端部に取り付けられ、燃焼領域12を包
囲している。冷却通路31がダクト21の周りに形成さ
れていて、フィルム冷却空気を導入できるようになって
いる。燃焼器6で生じた高温ガスをタービン8に送り出
すための出口56がダクト28の後端部に形成されてい
る。
体的には、発生するNOxが非常に低レベルになるよう
(例えば、ガスタービンがその基底負荷点火温度で作動
している時、水又は蒸気の注入を行わない状態で約9p
pmv以下)設計された燃焼器に関する。図2及び図3
に示すように、本発明の燃焼器は、空気及び燃料が混合
される予混合領域10と、予混合領域の下流側に位置し
た燃焼領域12とを含む。前端部にフランジ13を備え
たハウジング27が、燃焼器6の予混合領域10を包囲
している。3つの大きな窓形開口部30がハウジング2
7の周りに等間隔で配置されている。ダクト28がハウ
ジング27の前端部に取り付けられ、燃焼領域12を包
囲している。冷却通路31がダクト21の周りに形成さ
れていて、フィルム冷却空気を導入できるようになって
いる。燃焼器6で生じた高温ガスをタービン8に送り出
すための出口56がダクト28の後端部に形成されてい
る。
【0009】図4に示すように、ハウジング27の前フ
ランジ13はネジ15によりプレート14に取り付けら
れ、ガスタービン1の燃焼領域内への燃焼器6の取り付
けを容易にしている。また、図4に示すように、5つの
円筒形ライナ18〜22が、燃焼器6の予混合領域10
内に同心状に配置されていて、4つの環状通路23〜2
6を形成しており、隣り合う各ライナ対の間に環状通路
が一つずつ形成されている。環状通路の各々は、入口端
34及び排出端35を有する。支持ストラット32が、
各環状通路の入口端34に隣接して配置されていて、構
造体を補剛している。バリヤプレート57が環状通路の
排出端35に隣接してライナ18〜22の前端部に取り
付けらていて、燃焼器の予混合領域10と燃焼領域12
を互いに分離している。
ランジ13はネジ15によりプレート14に取り付けら
れ、ガスタービン1の燃焼領域内への燃焼器6の取り付
けを容易にしている。また、図4に示すように、5つの
円筒形ライナ18〜22が、燃焼器6の予混合領域10
内に同心状に配置されていて、4つの環状通路23〜2
6を形成しており、隣り合う各ライナ対の間に環状通路
が一つずつ形成されている。環状通路の各々は、入口端
34及び排出端35を有する。支持ストラット32が、
各環状通路の入口端34に隣接して配置されていて、構
造体を補剛している。バリヤプレート57が環状通路の
排出端35に隣接してライナ18〜22の前端部に取り
付けらていて、燃焼器の予混合領域10と燃焼領域12
を互いに分離している。
【0010】図5に最も良く示すように、複数のバッフ
ル33がライナ18〜22から半径方向内方且つ外方へ
延びて環状通路23〜26内に延びており、これら環状
通路の周りにバッフルが円周方向に分布して配置されて
いる。図6で最も良く分かるように、複数のスワーラ又
は旋回翼59がバリヤプレート57内に配置されてい
て、排出端35に隣接して環状通路23〜26の各々の
周りに円周方向に分布して配置されている。典型的なス
ワーラ59が図9及び図10に示されており、この典型
的なスワーラ59は外側リングを備えており、この外側
リングから複数の翼又はベーン53が延びている。スワ
ーラ翼53はスワーラ59を通って流れる燃料及び空気
に回転を与えるようになっている。そのように回転を与
える際、スワーラ翼53は燃料と空気の混合を促進して
フレームを定着させるのに役立つ再循環状態を生じさせ
ている。中央に位置する通路52がスワーラ59の内部
に形成されており、この通路52により、流体はスワー
ラ翼53を通過することなくバリヤプレート57を通っ
て流れることができる。通路52の幾つかを開き、他を
塞いだままにすることにより、各スワーラ59を通る空
気の流量を調節して安定性を向上させることができる。
ル33がライナ18〜22から半径方向内方且つ外方へ
延びて環状通路23〜26内に延びており、これら環状
通路の周りにバッフルが円周方向に分布して配置されて
いる。図6で最も良く分かるように、複数のスワーラ又
は旋回翼59がバリヤプレート57内に配置されてい
て、排出端35に隣接して環状通路23〜26の各々の
周りに円周方向に分布して配置されている。典型的なス
ワーラ59が図9及び図10に示されており、この典型
的なスワーラ59は外側リングを備えており、この外側
リングから複数の翼又はベーン53が延びている。スワ
ーラ翼53はスワーラ59を通って流れる燃料及び空気
に回転を与えるようになっている。そのように回転を与
える際、スワーラ翼53は燃料と空気の混合を促進して
フレームを定着させるのに役立つ再循環状態を生じさせ
ている。中央に位置する通路52がスワーラ59の内部
に形成されており、この通路52により、流体はスワー
ラ翼53を通過することなくバリヤプレート57を通っ
て流れることができる。通路52の幾つかを開き、他を
塞いだままにすることにより、各スワーラ59を通る空
気の流量を調節して安定性を向上させることができる。
【0011】図11に示すように、本発明の好ましい実
施例では、各スワーラ翼は金属製コア54で構成されて
おり、金属製コアは、触媒材料55、例えばパラジウム
とプラチナから成る組成物で被覆されており、この触媒
材料により、低温での燃焼を促進し、それゆえNOxの
生成量を減少させる。適当な触媒被覆剤はコネチカット
州ニューヘブン所在のプリシジョン・コンバッション・
インコーポレイテッドを通じて入手できる。
施例では、各スワーラ翼は金属製コア54で構成されて
おり、金属製コアは、触媒材料55、例えばパラジウム
とプラチナから成る組成物で被覆されており、この触媒
材料により、低温での燃焼を促進し、それゆえNOxの
生成量を減少させる。適当な触媒被覆剤はコネチカット
州ニューヘブン所在のプリシジョン・コンバッション・
インコーポレイテッドを通じて入手できる。
【0012】図4に示すように、燃料組立体が燃焼器6
内に配置されている。燃料組立体は4つの同心状のドー
ナツ形マニホルド70〜73で構成されている。各燃料
マニホルド70〜73は環状通路23〜26のうちの一
つの入口端34のすぐ上流側に配置されている。複数の
後方に向いた燃料排出ポート47(そのうちの一つが図
12に示されている)がマニホルド70〜73の各々の
周囲の周りに分布して配置されている。本発明の好まし
い実施例では、排出ポート47は互いに約2cm(0.
75インチ)間隔で配置されていて、燃料5が環状通路
23〜26の周囲の周りに均等に分配されるようになっ
ている。加うるに、燃料排出ポート47は各々、図12
に示すように、約18°の角度Aに差し向けられてい
て、各燃料排出ポートは図4に示すように、燃料5を或
る角度をなして環状通路20〜26の各々の半径方向外
側領域中へ差し向け、それにより混合を促進するように
なっている。
内に配置されている。燃料組立体は4つの同心状のドー
ナツ形マニホルド70〜73で構成されている。各燃料
マニホルド70〜73は環状通路23〜26のうちの一
つの入口端34のすぐ上流側に配置されている。複数の
後方に向いた燃料排出ポート47(そのうちの一つが図
12に示されている)がマニホルド70〜73の各々の
周囲の周りに分布して配置されている。本発明の好まし
い実施例では、排出ポート47は互いに約2cm(0.
75インチ)間隔で配置されていて、燃料5が環状通路
23〜26の周囲の周りに均等に分配されるようになっ
ている。加うるに、燃料排出ポート47は各々、図12
に示すように、約18°の角度Aに差し向けられてい
て、各燃料排出ポートは図4に示すように、燃料5を或
る角度をなして環状通路20〜26の各々の半径方向外
側領域中へ差し向け、それにより混合を促進するように
なっている。
【0013】図4に示すように、4つの軸方向に延びる
燃料供給管74〜77のうちの1本は、4つの燃料マニ
ホルド70〜73の各々につながり、従って各マニホル
ドには燃料5が別個の燃料供給管により供給されるよう
になっている。流量調節弁78が各燃料供給管74〜7
7内に取り付けられている。その目的は、各燃料供給管
への燃料供給源(図示せず)からの燃料5の流量を調節
することにある。かくして、本発明によれば、各環状通
路23〜26への燃料の供給は別個に調節できる。好ま
しい実施例では、燃料は気体燃料、例えば天然ガスであ
る。
燃料供給管74〜77のうちの1本は、4つの燃料マニ
ホルド70〜73の各々につながり、従って各マニホル
ドには燃料5が別個の燃料供給管により供給されるよう
になっている。流量調節弁78が各燃料供給管74〜7
7内に取り付けられている。その目的は、各燃料供給管
への燃料供給源(図示せず)からの燃料5の流量を調節
することにある。かくして、本発明によれば、各環状通
路23〜26への燃料の供給は別個に調節できる。好ま
しい実施例では、燃料は気体燃料、例えば天然ガスであ
る。
【0014】図4に示すように、燃焼器6は又、プレー
ト17を貫通するネジ16によりプレート14に取り付
けられたパイロット燃料組立体を備えている。パイロッ
ト燃料組立体は、パイロット燃料5′をパイロット燃料
管42に供給する燃料パイプ37を有する。図7に最も
良く示すように、パイロット燃料管42は、最も内側の
ライナ18内に配置されると共にこの中にバネクリップ
58により心出しされたパイロット燃料/空気スワーラ
43(図4に示す)に送り出す。図7に示すように、パ
イロット燃料/空気スワーラ43は、内側リング61、
外側リング62、及びこれらリングの間に延びる複数の
スワラー翼44で構成されている。スワーラ翼44はパ
イロット43を通って流れる空気と燃料に回転を与える
ようになっており、それにより良好な火炎安定性を確保
している。従来型のスパーク・ギャップ形式のものであ
るのが良い点火装置又は着火装置40が、内側リング6
1内に配置されていて、その先端はパイロット43をち
ょうど越えて延びるようになっている。パイロット燃料
管42を貫通する電気導管39が動力を点火装置40に
供給する。
ト17を貫通するネジ16によりプレート14に取り付
けられたパイロット燃料組立体を備えている。パイロッ
ト燃料組立体は、パイロット燃料5′をパイロット燃料
管42に供給する燃料パイプ37を有する。図7に最も
良く示すように、パイロット燃料管42は、最も内側の
ライナ18内に配置されると共にこの中にバネクリップ
58により心出しされたパイロット燃料/空気スワーラ
43(図4に示す)に送り出す。図7に示すように、パ
イロット燃料/空気スワーラ43は、内側リング61、
外側リング62、及びこれらリングの間に延びる複数の
スワラー翼44で構成されている。スワーラ翼44はパ
イロット43を通って流れる空気と燃料に回転を与える
ようになっており、それにより良好な火炎安定性を確保
している。従来型のスパーク・ギャップ形式のものであ
るのが良い点火装置又は着火装置40が、内側リング6
1内に配置されていて、その先端はパイロット43をち
ょうど越えて延びるようになっている。パイロット燃料
管42を貫通する電気導管39が動力を点火装置40に
供給する。
【0015】燃焼器6へ供給された燃料の全てが、燃料
5を環状通路23〜26及びパイロット燃料管42に供
給する燃料マニホルド70〜73を通って流れるわけで
はない。また、図4に示す燃料パイプ38は補助パイロ
ット燃料と称する燃料5″を供給する。燃料パイプ38
は、補助パイロット燃料5″を、パイロット燃料管42
の一部を包囲する導管41に送り出す。導管41から、
補助パイロット燃料5″は、最も内側のライナ18とパ
イロット燃料管42との間に形成された環状通路49に
差し向けられる。
5を環状通路23〜26及びパイロット燃料管42に供
給する燃料マニホルド70〜73を通って流れるわけで
はない。また、図4に示す燃料パイプ38は補助パイロ
ット燃料と称する燃料5″を供給する。燃料パイプ38
は、補助パイロット燃料5″を、パイロット燃料管42
の一部を包囲する導管41に送り出す。導管41から、
補助パイロット燃料5″は、最も内側のライナ18とパ
イロット燃料管42との間に形成された環状通路49に
差し向けられる。
【0016】燃焼器6の作動原理を以下に説明する。燃
焼器一つだけについて作動を説明するが、ガスタービン
1は多くのかかる燃焼器6を備えていることは理解され
るべきである。起動の際、圧縮機3は始動モータ(図示
せず)により点火速度、典型的には設計速度の約18%
〜約20%まで高速回転される。圧縮機のロータ(図示
せず)の増速につれ、圧縮機3からの圧縮空気4は図4
に示すように3つの大きな窓形開口部30を通って燃焼
器6内に流入する。燃焼器6への流入後、空気は4つの
流れ4′に分割され、一つの流れは4つの環状通路49
及び23〜26の各々を通って流れる。
焼器一つだけについて作動を説明するが、ガスタービン
1は多くのかかる燃焼器6を備えていることは理解され
るべきである。起動の際、圧縮機3は始動モータ(図示
せず)により点火速度、典型的には設計速度の約18%
〜約20%まで高速回転される。圧縮機のロータ(図示
せず)の増速につれ、圧縮機3からの圧縮空気4は図4
に示すように3つの大きな窓形開口部30を通って燃焼
器6内に流入する。燃焼器6への流入後、空気は4つの
流れ4′に分割され、一つの流れは4つの環状通路49
及び23〜26の各々を通って流れる。
【0017】点火速度に達すると、パイロット燃料5′
を燃料パイプ37及びパイロット燃料管42を経由して
導入する。図7に示すように、パイロットスワ−ラ43
内では、パイロット燃料5′は環状通路49を通って流
れる空気4′と十分な量混合し、燃料と空気の適度の混
合気、即ち、局所的な燃料空気比(又は、燃空比)が重
量を基準として少なくとも約0.04の混合気を得て点
火を行わせる。動力の供給により燃焼を行い、その後、
パイロット燃料5′を点火装置40に導入する。
を燃料パイプ37及びパイロット燃料管42を経由して
導入する。図7に示すように、パイロットスワ−ラ43
内では、パイロット燃料5′は環状通路49を通って流
れる空気4′と十分な量混合し、燃料と空気の適度の混
合気、即ち、局所的な燃料空気比(又は、燃空比)が重
量を基準として少なくとも約0.04の混合気を得て点
火を行わせる。動力の供給により燃焼を行い、その後、
パイロット燃料5′を点火装置40に導入する。
【0018】パイロットスワーラ43内で行われる混
合、パイロットスワーラを通って流れる燃料と空気の混
合気67の上記の局所燃料/空気比、及びスワーラ翼4
4の火炎定着効果の結果として、図13に示すように非
常に安定したパイロット火炎64がパイロットスワーラ
43のすぐ下流側の燃焼領域12の中央部分中に得られ
る。かかる燃焼(燃料と空気が火炎の前部のすぐ上流側
で燃料が濃いめの割合で混合される)は、一般に「拡
散」タイプの燃焼と称されている。
合、パイロットスワーラを通って流れる燃料と空気の混
合気67の上記の局所燃料/空気比、及びスワーラ翼4
4の火炎定着効果の結果として、図13に示すように非
常に安定したパイロット火炎64がパイロットスワーラ
43のすぐ下流側の燃焼領域12の中央部分中に得られ
る。かかる燃焼(燃料と空気が火炎の前部のすぐ上流側
で燃料が濃いめの割合で混合される)は、一般に「拡
散」タイプの燃焼と称されている。
【0019】残念なことに、パイロット火炎64と関連
した拡散燃焼により、結果的にガス温度が局所的に高く
なり、従ってNOxの生成量が多くなる。かくして、本
発明によれば、ガスタービン速度が点火速度を越えて大
きくなると、それ以上の燃料の燃焼が、燃料が濃いめの
拡散燃焼方式ではなくて、超希薄予混合タイプの燃焼方
式で生じる。当該技術分野で周知のように、希薄燃焼に
より、燃焼領域内の局部的ガス温度が最小限に抑えら
れ、従って、NOxの生成が最小限に抑えられる。本明
細書で用いる希薄燃料/空気混合気という用語は、空気
に対する燃料の比、即ち、燃料空気比が重量を基準とし
て約0.035よりも小さい混合気をいう。
した拡散燃焼により、結果的にガス温度が局所的に高く
なり、従ってNOxの生成量が多くなる。かくして、本
発明によれば、ガスタービン速度が点火速度を越えて大
きくなると、それ以上の燃料の燃焼が、燃料が濃いめの
拡散燃焼方式ではなくて、超希薄予混合タイプの燃焼方
式で生じる。当該技術分野で周知のように、希薄燃焼に
より、燃焼領域内の局部的ガス温度が最小限に抑えら
れ、従って、NOxの生成が最小限に抑えられる。本明
細書で用いる希薄燃料/空気混合気という用語は、空気
に対する燃料の比、即ち、燃料空気比が重量を基準とし
て約0.035よりも小さい混合気をいう。
【0020】本発明によれば、かかる超希薄予混合燃焼
は、燃料5を希薄空気/空気混合気を燃料マニホルド7
0〜73を介してパイロット燃料管42の周りの環状通
路23〜26内に導入することにより得られる。燃料5
が環状通路23〜26を通って流れているとき、通路の
長さ及び乱流を引き起こすバッフル33の存在により、
燃料と空気の高い混合の度合が促進される。かかる混合
により、その結果得られた燃料と空気の流れ66(図4
及び図13に示す)は全体にわたり希薄燃料/空気比を
呈している。その結果、NOxの生成を促進する局所的
な燃料濃厚域がない。環状通路23〜26を通って流れ
た後、燃料/空気混合気66はスワーラ59を経て予混
合領域10から出て燃焼領域12に流入する。燃焼領域
12内では、希薄燃料/空気混合気66はパイロット火
炎64によって着火され、それにより、パイロット火炎
64を包囲した状態で燃焼領域12内にさらに別の同心
状の火炎前面80〜83を生じさせる。
は、燃料5を希薄空気/空気混合気を燃料マニホルド7
0〜73を介してパイロット燃料管42の周りの環状通
路23〜26内に導入することにより得られる。燃料5
が環状通路23〜26を通って流れているとき、通路の
長さ及び乱流を引き起こすバッフル33の存在により、
燃料と空気の高い混合の度合が促進される。かかる混合
により、その結果得られた燃料と空気の流れ66(図4
及び図13に示す)は全体にわたり希薄燃料/空気比を
呈している。その結果、NOxの生成を促進する局所的
な燃料濃厚域がない。環状通路23〜26を通って流れ
た後、燃料/空気混合気66はスワーラ59を経て予混
合領域10から出て燃焼領域12に流入する。燃焼領域
12内では、希薄燃料/空気混合気66はパイロット火
炎64によって着火され、それにより、パイロット火炎
64を包囲した状態で燃焼領域12内にさらに別の同心
状の火炎前面80〜83を生じさせる。
【0021】好ましい実施例では、燃料5は環状通路2
3〜26内に順次供給される。かくして、タービン8に
加わる負荷が増大すると高温ガス7のより高い温度が必
要となるので、パイロット燃料管42により得られる燃
料5′の外に追加の燃料5が当初において、その環状通
路のすぐ上流側で燃料マニホルド70を経て内側の環状
通路23にのみ供給される。環状通路23を通って流れ
る燃料/空気混合気を点火させて、パイロット火炎64
を包囲する燃焼領域の一部内に環状の火炎80を生じさ
せた後、点火温度を一段と高くするため、燃料マニホル
ド70により環状通路23に供給される燃料を増加させ
るが、その環状通路内の燃空比が重量を基準として約
0.035に達するまでにする。
3〜26内に順次供給される。かくして、タービン8に
加わる負荷が増大すると高温ガス7のより高い温度が必
要となるので、パイロット燃料管42により得られる燃
料5′の外に追加の燃料5が当初において、その環状通
路のすぐ上流側で燃料マニホルド70を経て内側の環状
通路23にのみ供給される。環状通路23を通って流れ
る燃料/空気混合気を点火させて、パイロット火炎64
を包囲する燃焼領域の一部内に環状の火炎80を生じさ
せた後、点火温度を一段と高くするため、燃料マニホル
ド70により環状通路23に供給される燃料を増加させ
るが、その環状通路内の燃空比が重量を基準として約
0.035に達するまでにする。
【0022】しかる後、燃料を燃料マニホルド71経由
で環状通路24に供給することにより負荷を更に大きく
し、それにより第1の環状の火炎80の周りに第2の環
状の火炎80を生じさせる。追加の燃料をその燃空比が
重量を基準として0.035に達するまで環状通路24
に供給する。さらにそれ以上負荷を増大させるには、燃
料を同様な方法で燃料マニホルド72を経て環状通路2
5に供給し、最後にその燃料マニホルド73を経て最も
外側の環状通路26に供給する。その結果、燃焼器6の
点火温度が濃燃料/空気比の流れを生ずることなく増加
すると、火炎が燃焼領域12内で半径方向外方へ延びる
ことになる。このようにすると、超希薄燃料/空気混合
気66、従って、NOxの低生成量を作動範囲全体に亘
って維持できる。
で環状通路24に供給することにより負荷を更に大きく
し、それにより第1の環状の火炎80の周りに第2の環
状の火炎80を生じさせる。追加の燃料をその燃空比が
重量を基準として0.035に達するまで環状通路24
に供給する。さらにそれ以上負荷を増大させるには、燃
料を同様な方法で燃料マニホルド72を経て環状通路2
5に供給し、最後にその燃料マニホルド73を経て最も
外側の環状通路26に供給する。その結果、燃焼器6の
点火温度が濃燃料/空気比の流れを生ずることなく増加
すると、火炎が燃焼領域12内で半径方向外方へ延びる
ことになる。このようにすると、超希薄燃料/空気混合
気66、従って、NOxの低生成量を作動範囲全体に亘
って維持できる。
【0023】それ以上の改良策として、本発明によれ
ば、環状通路23〜26の各々を通って流れる稀薄燃料
/空気混合気66に関して燃焼を達成した後、補助パイ
ロット燃料5″を燃料導管41経由で最も内側の環状通
路49に供給するのが良い。この場合もまた、通路49
の長さにより、燃料と空気の良好な混合が促進され、図
4に示す稀薄燃料/空気混合気68が得られる。次に、
パイロット燃料5′及びその関連の拡散燃焼(これは上
述のように、これはNOx発生の主要源である)を省く
ことができ、補助パイロット燃料5″の稀薄予混合燃焼
はパイロット火炎64を維持するのに利用できる。
ば、環状通路23〜26の各々を通って流れる稀薄燃料
/空気混合気66に関して燃焼を達成した後、補助パイ
ロット燃料5″を燃料導管41経由で最も内側の環状通
路49に供給するのが良い。この場合もまた、通路49
の長さにより、燃料と空気の良好な混合が促進され、図
4に示す稀薄燃料/空気混合気68が得られる。次に、
パイロット燃料5′及びその関連の拡散燃焼(これは上
述のように、これはNOx発生の主要源である)を省く
ことができ、補助パイロット燃料5″の稀薄予混合燃焼
はパイロット火炎64を維持するのに利用できる。
【0024】典型的には、パイロット燃料/空気混合気
67を除き、本発明の燃焼器6が動作する際の稀薄燃料
/空気比における燃焼の火炎安定性は不良であり、それ
により吹き消え(blow-out)の恐れが生じる。しかしな
がら本発明によれば、燃焼領域の中央にパイロット火炎
64を用い、そして火炎65を定着させるのに役立つ各
環状通路23〜26の排出部においてスワーラ59(そ
のうち幾つかのコア52は施栓される)を用いることに
より、良好な火炎安定性が達成される。
67を除き、本発明の燃焼器6が動作する際の稀薄燃料
/空気比における燃焼の火炎安定性は不良であり、それ
により吹き消え(blow-out)の恐れが生じる。しかしな
がら本発明によれば、燃焼領域の中央にパイロット火炎
64を用い、そして火炎65を定着させるのに役立つ各
環状通路23〜26の排出部においてスワーラ59(そ
のうち幾つかのコア52は施栓される)を用いることに
より、良好な火炎安定性が達成される。
【0025】図14は、本発明のもう1つの実施例であ
るパイロットスワーラ43′を示しており、かかる実施
例では、スパークタイプの点火装置40に代えて、燃料
を点火させるのに十分な温度まで電気抵抗により加熱さ
れる要素63で構成された点火装置が用いられている。
図14に示すように、この実施例では、外側リング62
の内面及び加熱要素63の外面は、触媒材料、例えば先
にスワーラ翼53に関連して説明したもので被覆されて
いる。
るパイロットスワーラ43′を示しており、かかる実施
例では、スパークタイプの点火装置40に代えて、燃料
を点火させるのに十分な温度まで電気抵抗により加熱さ
れる要素63で構成された点火装置が用いられている。
図14に示すように、この実施例では、外側リング62
の内面及び加熱要素63の外面は、触媒材料、例えば先
にスワーラ翼53に関連して説明したもので被覆されて
いる。
【0026】本発明をガス燃料に関連して説明したが、
本発明は他の燃料を用いても実施できる。また、本発明
をガスタービンの燃焼器に関連して説明したが、本発明
は低NOxが望まれる他の型式の機械で用いられる燃焼
器に関しても実施できる。
本発明は他の燃料を用いても実施できる。また、本発明
をガスタービンの燃焼器に関連して説明したが、本発明
は低NOxが望まれる他の型式の機械で用いられる燃焼
器に関しても実施できる。
【0027】
【図1】本発明による燃焼器を用いるガスタービンの略
図である。
図である。
【図2】本発明の燃焼器の縦断面図である。
【図3】図2に示す燃焼器の前側部分の等角図である。
【図4】図2に示す燃焼器の前側部分の縦断面図であ
り、燃料配管及び点火装置を取り付けた状態で示す図で
ある。
り、燃料配管及び点火装置を取り付けた状態で示す図で
ある。
【図5】図2のV−V線における横断面図である。
【図6】図2に示すVI−VI線における断面図であ
る。
る。
【図7】図4に示す燃焼器のパイロット区分の拡大図で
ある。
ある。
【図8】図7に示すVIII−VIII線における図で
ある。
ある。
【図9】図2に示すスワーラのうちの1つの正面図であ
る。
る。
【図10】図9に示すX−X線における横断面図であ
る。
る。
【図11】図10に示すXI−XI線における横断面図
である。
である。
【図12】図4に示す燃料導管の横断面図である。
【図13】作動中の本発明の燃焼器の長さ方向横断面部
分略図である。
分略図である。
【図14】本発明による燃焼器のパイロット部分の変形
例の縦断面図である。
例の縦断面図である。
1 ガスタービン 2 周囲空気 3 圧縮機 4 圧縮空気 5 燃料 6 燃焼器 7 高温ガス 8 タービン 9 排ガス 10 予混合領域 12 燃焼領域 14 プレート 18 円筒形ライナ 23 環状通路 27 ハウジング 28 ダクト 30 開口部 38 燃料パイプ 40 点火装置 43 パイロット燃料/空気スワーラ 44,53 スワーラ翼 59 スワーラ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ユージーニオ コラッティ カナダ国 オンタリオ ミシッソーガ シ リバークリークブールバード ナンバート ゥエンティワン 600 (72)発明者 デビッド ジョセフ アモス アメリカ合衆国 フロリダ州 オーランド シドンストリート 8518
Claims (13)
- 【請求項1】 ガスタービンであって、空気を圧縮する
圧縮機と、燃料を前記圧縮空気内で燃焼させることによ
り高温ガスを生じさせる燃焼器と、該燃焼器で生じた高
温ガスを膨張させるタービンとから成り、前記燃焼器
は、各々、入口端及び排出端を備えていて、共通軸線の
周りに同心状に配置された複数の環状通路と、前記環状
通路の各々のためのほぼドーナツ形のマニホルドとを有
し、該ドーナツ形マニホルドの各々は、その対応の環状
通路の前記入口端のすぐ上流側に設けられ、燃料を該環
状通路内へ、前記共通軸線に対し鋭角をなして導入する
手段を有しており、前記燃焼器は更に、ドーナツ形マニ
ホルド経路による各環状通路内への燃料の導入を別々に
制御する手段を有することを特徴とするガスタービン。 - 【請求項2】 鋭角で燃料を導入する前記手段は、前記
ドーナツ形マニホルドの各々に形成されていて、その周
りに円周方向に分布した複数の燃料排出ポートであるこ
とを特徴とする請求項1のガスタービン。 - 【請求項3】 前記環状通路は各々、該環状通路を通っ
て流れる流体に乱流を導入する手段を有することを特徴
とする請求項1のガスタービン。 - 【請求項4】 前記乱流導入手段は、前記環状通路の各
々の内部に配置され、その周りに円周方向に延びるバッ
フルの第1及び第2の列を含み、前記第1のバッフル列
は各々、前記第2のバッフル列から軸方向に間隔を置
き、前記第1のバッフル列中の前記バッフルの少なくと
も一部は半径方向内方に延び、前記第2のバッフル列中
の前記バッフルの少なくとも一部は半径方向外方に延び
ることを特徴とする請求項3のガスタービン。 - 【請求項5】 前記燃焼器は前記環状通路の各々のため
のスワーラを更に有することを特徴とする請求項1のガ
スタービン。 - 【請求項6】 前記燃焼器は前記環状通路の各々のため
の複数のスワーラを有し、該スワーラの各々は、その周
りに円周方向に分布した複数の翼を有し、前記スワーラ
は、前記環状通路の各々の周りでその排出端の近傍で円
周方向に分布したスワーラのアレイを形成することを特
徴とする請求項1のガスタービン。 - 【請求項7】 スワーラ翼は各々、触媒材料で被覆され
ていることを特徴とする請求項6のガスタービン。 - 【請求項8】 環状通路の前記排出端の下流側に位置し
たプレートを更に有し、前記スワーラは各々、前記プレ
ート内に設けられていることを特徴とする請求項6のガ
スタービン。 - 【請求項9】 前記燃焼器は、環状通路と同心状に設け
られた状態でこれによって包囲され、排出ポートを備え
た燃料供給パイプと、前記燃料供給パイプの排出ポート
の下流側に設けられたスワーラと、燃料と空気の混合気
を着火させる手段とを更に有し、前記着火手段の少くと
も一部は前記スワーラ内に位置していることを特徴とす
る請求項1のガスタービン。 - 【請求項10】 前記着火手段は電気抵抗により加熱さ
れる要素を含むことを特徴とする請求項9のガスタービ
ン。 - 【請求項11】 前記加熱される要素は触媒材料で被覆
されていることを特徴とする請求項10のガスタービ
ン。 - 【請求項12】 前記燃焼器の少くとも一部は触媒材料
で形成されていることを特徴とする請求項1のガスター
ビン。 - 【請求項13】 ガスタービンにおいて、燃料を圧縮空
気内で燃焼させる方法であって、燃料空気比が重量を基
準として少なくとも0.04の燃料と空気の混合気から
成る第1の流れを、燃焼領域の中央部分内に導入し、前
記第1の流れを着火させて前記燃焼領域内に中央パイロ
ット火炎を生じさせ、燃料と空気の混合気から成る第2
の流れを、パイロット火炎発生後に、前記中央部分の周
りの前記燃焼領域の第1の部分に導入し、それにより前
記パイロット火炎の周りに第2の火炎を生じさせ、前記
第2の流れの燃料空気比は重量を基準として0.035
未満であり、さらに、燃料と空気の混合気からから成る
第3の流れを、前記第の火炎発生後に、前記第1の部分
の周りの前記燃焼領域の第2の部分に導入し、それによ
り前記第2の火炎の周りに第3の火炎を生じさせ、前記
第3の流れの燃料空気比は重量を基準として0.035
未満であることを特徴とする燃焼方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US08/046,320 US5361586A (en) | 1993-04-15 | 1993-04-15 | Gas turbine ultra low NOx combustor |
US08/046320 | 1993-04-15 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06323543A true JPH06323543A (ja) | 1994-11-25 |
Family
ID=21942823
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP6101841A Withdrawn JPH06323543A (ja) | 1993-04-15 | 1994-04-15 | ガスタービン及び燃料の燃焼方法 |
Country Status (7)
Country | Link |
---|---|
US (2) | US5361586A (ja) |
EP (2) | EP0620402B1 (ja) |
JP (1) | JPH06323543A (ja) |
CA (1) | CA2121314A1 (ja) |
DE (2) | DE69425836D1 (ja) |
ES (1) | ES2108938T3 (ja) |
TW (1) | TW230233B (ja) |
Cited By (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Date | Code | Title | Description |
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A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20010703 |