JPH0634136A - ガスタービン燃焼器を希薄予混合燃焼方式で運転する方法、及びガスタービン燃焼器内の燃焼を安定化する装置 - Google Patents
ガスタービン燃焼器を希薄予混合燃焼方式で運転する方法、及びガスタービン燃焼器内の燃焼を安定化する装置Info
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- JPH0634136A JPH0634136A JP5121001A JP12100193A JPH0634136A JP H0634136 A JPH0634136 A JP H0634136A JP 5121001 A JP5121001 A JP 5121001A JP 12100193 A JP12100193 A JP 12100193A JP H0634136 A JPH0634136 A JP H0634136A
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- Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 ガスタービン燃焼器内の燃焼を安定化する装
置を提供する。 【構成】 希薄燃焼ガスタービン燃焼器が燃焼器ライナ
から圧縮機吐出空気を受け入れる予混合域を有してい
る。燃料ノズルが上流オリフィス５２と、下流オリフィ
ス５６と、両オリフィス間に設けられている応答制御空
洞５４とを有している。オリフィス５２はほぼ圧縮機吐
出空気圧への気体燃料圧力降下をもたらす。オリフィス
５６は燃焼器ライナの空気供給開口での圧力降下に匹敵
する圧力降下をもたらす。予混合域への空気及び燃料の
入口の動圧応答特性が実質的に整合され、予混合域内の
圧力変動に起因する燃料空気比の変動が除去される。空
洞５４は、予混合域内の圧力変動関数の位相角に対して
第１位相角でオリフィス５２を経て空洞５４に流入する
燃料と、この圧力変動位相角に対して第２位相角でオリ
フィス５６を経て空洞５４から流出する燃料との位相角
の不整合に対処するのに十分な燃料を蓄えることができ
る。
置を提供する。 【構成】 希薄燃焼ガスタービン燃焼器が燃焼器ライナ
から圧縮機吐出空気を受け入れる予混合域を有してい
る。燃料ノズルが上流オリフィス５２と、下流オリフィ
ス５６と、両オリフィス間に設けられている応答制御空
洞５４とを有している。オリフィス５２はほぼ圧縮機吐
出空気圧への気体燃料圧力降下をもたらす。オリフィス
５６は燃焼器ライナの空気供給開口での圧力降下に匹敵
する圧力降下をもたらす。予混合域への空気及び燃料の
入口の動圧応答特性が実質的に整合され、予混合域内の
圧力変動に起因する燃料空気比の変動が除去される。空
洞５４は、予混合域内の圧力変動関数の位相角に対して
第１位相角でオリフィス５２を経て空洞５４に流入する
燃料と、この圧力変動位相角に対して第２位相角でオリ
フィス５６を経て空洞５４から流出する燃料との位相角
の不整合に対処するのに十分な燃料を蓄えることができ
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、希薄予混合燃焼方式を
用いるガスタービン燃焼器内の予混合器燃料空気比振動
に起因する動圧増幅を最小にするか又は無くする装置及
び方法に関し、特に、希薄燃焼ガスタービン燃焼器の予
混合器内のガスの温度及び圧力の変動による影響を事実
上受けないよう実質的に一定の燃料空気比を保つべく、
ガスタービン燃焼器への燃料及び空気供給系における動
的応答特性を整合する装置及び方法に関する。
用いるガスタービン燃焼器内の予混合器燃料空気比振動
に起因する動圧増幅を最小にするか又は無くする装置及
び方法に関し、特に、希薄燃焼ガスタービン燃焼器の予
混合器内のガスの温度及び圧力の変動による影響を事実
上受けないよう実質的に一定の燃料空気比を保つべく、
ガスタービン燃焼器への燃料及び空気供給系における動
的応答特性を整合する装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービン排気の窒素酸化物（ＮＯ
ｘ）及び一酸化炭素（ＣＯ）の許容放出量は、環境問題
を考慮して次第に低減されてきている。高い効率を保ち
ながら非常に低い排気放出量を得る１つの方法は、希薄
予混合概念に基づく燃焼装置を用いることである。この
種の装置では、燃料と空気とが燃焼前に完全に混合され
る。混合は様々な方法で達成することができ、その結果
生ずる燃料空気混合比は十分希薄であり、このため、燃
焼時に火炎温度はＮＯｘの発生を最小にし得るほど低
い。この燃料空気比は理論混合比の約半分であり、そし
て反応の自己保持がもはや不可能であって消炎が起こる
ような混合比（希薄限界）よりもわずかばかり高い。
ｘ）及び一酸化炭素（ＣＯ）の許容放出量は、環境問題
を考慮して次第に低減されてきている。高い効率を保ち
ながら非常に低い排気放出量を得る１つの方法は、希薄
予混合概念に基づく燃焼装置を用いることである。この
種の装置では、燃料と空気とが燃焼前に完全に混合され
る。混合は様々な方法で達成することができ、その結果
生ずる燃料空気混合比は十分希薄であり、このため、燃
焼時に火炎温度はＮＯｘの発生を最小にし得るほど低
い。この燃料空気比は理論混合比の約半分であり、そし
て反応の自己保持がもはや不可能であって消炎が起こる
ような混合比（希薄限界）よりもわずかばかり高い。
【０００３】このような燃焼装置は反応希薄限界のごく
近くで運転されるので、拡散火炎により理論燃料空気混
合比で動作する伝統的なガスタービン燃焼装置では通常
生じないような燃焼安定性に関する重大な問題が生じ得
る。燃焼の不安定が燃焼器内の振動的な圧力場により発
生する可能性があり、このような圧力振動は、燃焼装置
の全体的な設計と関連する様々な物理的機構によってし
ばしば増幅される。もし動圧が許容レベルを超えれば、
ガスタービンの運転及び（又は）燃焼装置の機械的寿命
は重大な影響を受けるおそれがある。
近くで運転されるので、拡散火炎により理論燃料空気混
合比で動作する伝統的なガスタービン燃焼装置では通常
生じないような燃焼安定性に関する重大な問題が生じ得
る。燃焼の不安定が燃焼器内の振動的な圧力場により発
生する可能性があり、このような圧力振動は、燃焼装置
の全体的な設計と関連する様々な物理的機構によってし
ばしば増幅される。もし動圧が許容レベルを超えれば、
ガスタービンの運転及び（又は）燃焼装置の機械的寿命
は重大な影響を受けるおそれがある。
【０００４】予混合燃焼における高い動圧と関連する幾
つかの物理的機構は、拡散火炎燃焼装置の場合と同じも
のとして存在するが、予混合器燃料空気比振動に起因す
る高い動圧は、希薄予混合式燃焼装置独特のものであ
る。代表的な希薄予混合式燃焼装置には、予混合域と、
保炎器と、反応域と、第１段ガスタービンノズルと、燃
料及び空気送給系とが設けられている。希薄予混合式燃
焼方式では、燃料と空気とは、予混合域に対して相異な
る動的特性を有するそれぞれの供給源から別々に送給さ
れる。反応域に入った燃料及び空気の予混合気は、保炎
器の退避域内に保たれている高温ガスによって点火され
る。燃焼後、高温燃焼ガスが第１段タービンノズルを通
流し、第１段タービンノズルによって加速されて第１段
タービン動翼を通過する。第１段タービンノズルを通る
高温燃焼ガスの圧送に要する圧力は、質量流量と、流れ
の温度との関数である。ガス流の温度は、反応域内の燃
料空気混合比に依存する。この混合比が反応持続に要す
る値よりも高いとき、混合比の変化に伴う燃焼温度の変
化はほぼ線形である。しかしながら、燃料空気混合比が
希薄限界に近付き、希薄限界を通過すると、混合比の変
化に伴うガス温度の変化は更に大きくなり、最終的には
消炎が起こる。
つかの物理的機構は、拡散火炎燃焼装置の場合と同じも
のとして存在するが、予混合器燃料空気比振動に起因す
る高い動圧は、希薄予混合式燃焼装置独特のものであ
る。代表的な希薄予混合式燃焼装置には、予混合域と、
保炎器と、反応域と、第１段ガスタービンノズルと、燃
料及び空気送給系とが設けられている。希薄予混合式燃
焼方式では、燃料と空気とは、予混合域に対して相異な
る動的特性を有するそれぞれの供給源から別々に送給さ
れる。反応域に入った燃料及び空気の予混合気は、保炎
器の退避域内に保たれている高温ガスによって点火され
る。燃焼後、高温燃焼ガスが第１段タービンノズルを通
流し、第１段タービンノズルによって加速されて第１段
タービン動翼を通過する。第１段タービンノズルを通る
高温燃焼ガスの圧送に要する圧力は、質量流量と、流れ
の温度との関数である。ガス流の温度は、反応域内の燃
料空気混合比に依存する。この混合比が反応持続に要す
る値よりも高いとき、混合比の変化に伴う燃焼温度の変
化はほぼ線形である。しかしながら、燃料空気混合比が
希薄限界に近付き、希薄限界を通過すると、混合比の変
化に伴うガス温度の変化は更に大きくなり、最終的には
消炎が起こる。
【０００５】希薄限界での振動は任意の希薄予混合装置
内で起こり得る。振動のサイクルは次の通りである。
（１）基本的な燃焼騒音又はある種の装置不調に起因す
る圧力パルスが、装置内を伝わって予混合器に入る。予
混合器に供給される燃料及び空気の量は予混合器内の圧
力に依存するので、この圧力変化、即ち圧力パルスは、
燃料及び空気の質量流量を変化させる。燃料及び空気供
給系の動的応答は相異なるので、予混合器燃料空気比の
変化が生ずる。（２）この新しい燃料空気比の燃料及び
空気は反応域に入り、そこで燃料が燃やされて、新しい
異なるガス温度を生ずる。（３）この新しい温度の燃焼
生成ガスは、第１段タービンノズルに入る。ノズル背圧
はガス温度に依存するので、背圧の変化が生ずる。
（４）この新しい圧力は予混合器内に伝わり、そしてサ
イクルが繰り返される。従って、予混合器内の平均燃料
空気比が希薄限界近くにあるとき、燃料空気比の小さな
変化が、ガスの温度及び圧力に大きな変動を与え得る。
その結果、良好な排出に必要なこのような状態での運転
は、特に不安定である。本発明者の知る限り、このよう
な希薄限界振動により生ずる動圧レベルを最小にする明
確な方法論は、従来存在しなかった。
内で起こり得る。振動のサイクルは次の通りである。
（１）基本的な燃焼騒音又はある種の装置不調に起因す
る圧力パルスが、装置内を伝わって予混合器に入る。予
混合器に供給される燃料及び空気の量は予混合器内の圧
力に依存するので、この圧力変化、即ち圧力パルスは、
燃料及び空気の質量流量を変化させる。燃料及び空気供
給系の動的応答は相異なるので、予混合器燃料空気比の
変化が生ずる。（２）この新しい燃料空気比の燃料及び
空気は反応域に入り、そこで燃料が燃やされて、新しい
異なるガス温度を生ずる。（３）この新しい温度の燃焼
生成ガスは、第１段タービンノズルに入る。ノズル背圧
はガス温度に依存するので、背圧の変化が生ずる。
（４）この新しい圧力は予混合器内に伝わり、そしてサ
イクルが繰り返される。従って、予混合器内の平均燃料
空気比が希薄限界近くにあるとき、燃料空気比の小さな
変化が、ガスの温度及び圧力に大きな変動を与え得る。
その結果、良好な排出に必要なこのような状態での運転
は、特に不安定である。本発明者の知る限り、このよう
な希薄限界振動により生ずる動圧レベルを最小にする明
確な方法論は、従来存在しなかった。
【０００６】
【発明の概要】本発明によれば、希薄予混合式燃焼装置
内の動圧レベルが、希薄限界振動サイクルに起因する増
幅を除くことにより低減される。一般に、上述の希薄限
界振動サイクルは、予混合器への燃料及び空気供給系の
動的応答特性を合わせることにより破られる。一度燃料
及び空気供給系が圧力の乱れに対してほぼ同様に応答す
れば、予混合器内混合比は実質的に変わらず、その結
果、反応域ガス温度が安定すると共に、燃焼室圧力が相
対的に一定になる。
内の動圧レベルが、希薄限界振動サイクルに起因する増
幅を除くことにより低減される。一般に、上述の希薄限
界振動サイクルは、予混合器への燃料及び空気供給系の
動的応答特性を合わせることにより破られる。一度燃料
及び空気供給系が圧力の乱れに対してほぼ同様に応答す
れば、予混合器内混合比は実質的に変わらず、その結
果、反応域ガス温度が安定すると共に、燃焼室圧力が相
対的に一定になる。
【０００７】上述のことを達成するため、燃料供給系
は、空気供給系の動圧応答特性に実質的に匹敵する動圧
応答特性を有するように設計されている。通例、ガスタ
ービン燃焼装置では、空気が圧縮機出口から燃焼器ライ
ナの孔を経て、予混合域に供給され、その際の全圧の損
失は非常に少ない。このような供給が行われるのは、空
気供給系内の全圧損失が総合的な熱力学的サイクル効率
に非常に大きな影響を与えるからである。空気供給は軽
く減衰されるので、その供給系は予混合域内に生ずる圧
力変動関数（圧力の乱れ）に対して、迅速に且つ非常に
わずかの位相角差をもって応答する。これに対し、燃料
例えば天然ガス供給ノズルは通例、燃料が予混合域に導
入される位置に集中する大きな圧力損失をもたらすよう
に設計されている。従って、この大きな圧力損失は、燃
焼室動圧振動が全燃料流量に及ぼす影響を制限すると共
に、大きな燃料流量変動をもたらすおそれのある共振を
なくする。しかしながら、燃料系は圧力変動関数（圧力
の乱れ）に対して非常に緩やかに応答し、従って、比較
的大きな位相角をもって圧力変動に応答する。空気及び
燃料供給系の間の応答振幅と位相角とのこの不整合は、
予混合器燃料空気比の変動をもたらし、希薄限界振動サ
イクルを推し進める。
は、空気供給系の動圧応答特性に実質的に匹敵する動圧
応答特性を有するように設計されている。通例、ガスタ
ービン燃焼装置では、空気が圧縮機出口から燃焼器ライ
ナの孔を経て、予混合域に供給され、その際の全圧の損
失は非常に少ない。このような供給が行われるのは、空
気供給系内の全圧損失が総合的な熱力学的サイクル効率
に非常に大きな影響を与えるからである。空気供給は軽
く減衰されるので、その供給系は予混合域内に生ずる圧
力変動関数（圧力の乱れ）に対して、迅速に且つ非常に
わずかの位相角差をもって応答する。これに対し、燃料
例えば天然ガス供給ノズルは通例、燃料が予混合域に導
入される位置に集中する大きな圧力損失をもたらすよう
に設計されている。従って、この大きな圧力損失は、燃
焼室動圧振動が全燃料流量に及ぼす影響を制限すると共
に、大きな燃料流量変動をもたらすおそれのある共振を
なくする。しかしながら、燃料系は圧力変動関数（圧力
の乱れ）に対して非常に緩やかに応答し、従って、比較
的大きな位相角をもって圧力変動に応答する。空気及び
燃料供給系の間の応答振幅と位相角とのこの不整合は、
予混合器燃料空気比の変動をもたらし、希薄限界振動サ
イクルを推し進める。
【０００８】燃料及び空気供給系内のこの不整合を最小
にするか又は除去するために、燃料供給系は、上流オリ
フィスと、下流吐出しオリフィスと、両オリフィスの間
にある応答制御空洞（captured response volume）とを
備えた燃料通路を有している。上流オリフィスは、非常
に大きな圧力降下をもたらし、従って、燃料系を予混合
域から隔離すると共に、燃料分布を均等にするという機
能を果たす。更に、上流オリフィスは、オリフィスの下
流且つ応答制御空洞内の圧力が圧縮機吐出し空気の圧力
に近似するような圧力降下をもたらすように定められて
いる。しかしながら、下流ノズルは、燃焼器ライナの孔
を通って予混合域内に入る圧縮機吐出し空気の圧力降下
に近似する非常に小さな圧力降下をもたらすような寸法
を有している。その結果、予混合域に入る空気の圧力と
燃料の圧力とは、ほぼ同じになる。
にするか又は除去するために、燃料供給系は、上流オリ
フィスと、下流吐出しオリフィスと、両オリフィスの間
にある応答制御空洞（captured response volume）とを
備えた燃料通路を有している。上流オリフィスは、非常
に大きな圧力降下をもたらし、従って、燃料系を予混合
域から隔離すると共に、燃料分布を均等にするという機
能を果たす。更に、上流オリフィスは、オリフィスの下
流且つ応答制御空洞内の圧力が圧縮機吐出し空気の圧力
に近似するような圧力降下をもたらすように定められて
いる。しかしながら、下流ノズルは、燃焼器ライナの孔
を通って予混合域内に入る圧縮機吐出し空気の圧力降下
に近似する非常に小さな圧力降下をもたらすような寸法
を有している。その結果、予混合域に入る空気の圧力と
燃料の圧力とは、ほぼ同じになる。
【０００９】上流オリフィスと燃料吐出しオリフィスと
の間の燃料通路内の応答制御空洞は、圧縮機吐出し圧力
とほぼ同じ燃料圧力を有しており、従って、空気供給系
と事実上同じ減衰特性をもって予混合域に接続されてい
る。この空洞はかなり小さいので、燃焼装置にとって重
要な振動数の共振点は、空洞には存在せず、空洞からの
燃料のサージングは発生しない。しかしながら、この空
洞は、少なくとも１つの振動サイクルに対して十分な燃
料を蓄えるのに十分大きい。燃料はある位相角で応答制
御空洞に流入し、そして応答制御空洞から他の位相角で
流出して、予混合域に入ることを認識されたい。従っ
て、応答制御空洞は、任意の時点で、高圧及び低圧オリ
フィスを通る流れの位相角の不整合による流量の差、即
ち高圧オリフィスを経て応答制御空洞に入る流量と、低
圧オリフィスを経て応答制御空洞から出る流量との差を
補うように、予混合域に燃料を供給するために十分な寸
法を有していなければならない。
の間の燃料通路内の応答制御空洞は、圧縮機吐出し圧力
とほぼ同じ燃料圧力を有しており、従って、空気供給系
と事実上同じ減衰特性をもって予混合域に接続されてい
る。この空洞はかなり小さいので、燃焼装置にとって重
要な振動数の共振点は、空洞には存在せず、空洞からの
燃料のサージングは発生しない。しかしながら、この空
洞は、少なくとも１つの振動サイクルに対して十分な燃
料を蓄えるのに十分大きい。燃料はある位相角で応答制
御空洞に流入し、そして応答制御空洞から他の位相角で
流出して、予混合域に入ることを認識されたい。従っ
て、応答制御空洞は、任意の時点で、高圧及び低圧オリ
フィスを通る流れの位相角の不整合による流量の差、即
ち高圧オリフィスを経て応答制御空洞に入る流量と、低
圧オリフィスを経て応答制御空洞から出る流量との差を
補うように、予混合域に燃料を供給するために十分な寸
法を有していなければならない。
【００１０】従って、本発明の好適な実施例では、別個
の燃料送給系及び空気送給系と、燃料空気予混合域とを
有しているガスタービン燃焼器を希薄予混合燃焼方式で
運転する方法であって、燃料及び空気を予混合域に送給
するときに、予混合域内の圧力変動に起因する予混合域
内の燃料空気混合比の変動を実質的に最小にするか又は
除去すべく、燃焼器の燃料送給系及び空気送給系の動圧
応答特性を実質的に合わせる工程を備えた方法が提供さ
れる。
の燃料送給系及び空気送給系と、燃料空気予混合域とを
有しているガスタービン燃焼器を希薄予混合燃焼方式で
運転する方法であって、燃料及び空気を予混合域に送給
するときに、予混合域内の圧力変動に起因する予混合域
内の燃料空気混合比の変動を実質的に最小にするか又は
除去すべく、燃焼器の燃料送給系及び空気送給系の動圧
応答特性を実質的に合わせる工程を備えた方法が提供さ
れる。
【００１１】本発明による他の好適な実施例では、別個
の燃料入口及び空気入口と、燃料及び空気を受け入れる
燃料空気予混合域とを有しているガスタービン燃焼器を
希薄予混合方式で運転する方法であって、予混合域への
空気入口及び燃料入口での空気及び燃料の圧力降下を実
質的に等しくすることにより、予混合燃料空気比の振動
に起因する燃焼器の予混合域内の動圧変動を低下させる
工程を備えた方法が提供される。
の燃料入口及び空気入口と、燃料及び空気を受け入れる
燃料空気予混合域とを有しているガスタービン燃焼器を
希薄予混合方式で運転する方法であって、予混合域への
空気入口及び燃料入口での空気及び燃料の圧力降下を実
質的に等しくすることにより、予混合燃料空気比の振動
に起因する燃焼器の予混合域内の動圧変動を低下させる
工程を備えた方法が提供される。
【００１２】本発明の他の好適な実施例では、予混合域
を有していると共に希薄予混合方式で動作可能なガスタ
ービン燃焼器内の燃焼を安定化する装置が設けられてお
り、この装置は、燃焼器の予混合域内に空気を送給する
開口を含んでいると共にこの開口の上流で所定の圧力を
有している空気供給系と、燃焼器の予混合域内に燃料を
通す燃料通路を含んでいるノズルとを備えており、燃料
通路は、燃料を予混合域内に送給する吐出しオリフィス
を有している。燃料吐出しオリフィスの上流に燃料吐出
しオリフィスの上流の燃料圧力をほぼ前記所定の圧力に
低減する手段が設けられており、空気供給開口と燃料吐
出しオリフィスとは、燃料空気比振動に起因する予混合
域内の圧力変動が実質的に最小にされるか又は除去され
るように、実質的に同じ圧力降下をもたらしている。
を有していると共に希薄予混合方式で動作可能なガスタ
ービン燃焼器内の燃焼を安定化する装置が設けられてお
り、この装置は、燃焼器の予混合域内に空気を送給する
開口を含んでいると共にこの開口の上流で所定の圧力を
有している空気供給系と、燃焼器の予混合域内に燃料を
通す燃料通路を含んでいるノズルとを備えており、燃料
通路は、燃料を予混合域内に送給する吐出しオリフィス
を有している。燃料吐出しオリフィスの上流に燃料吐出
しオリフィスの上流の燃料圧力をほぼ前記所定の圧力に
低減する手段が設けられており、空気供給開口と燃料吐
出しオリフィスとは、燃料空気比振動に起因する予混合
域内の圧力変動が実質的に最小にされるか又は除去され
るように、実質的に同じ圧力降下をもたらしている。
【００１３】
【発明の目的】従って、本発明の主目的は、希薄限界振
動サイクルに起因する増幅を最小にするか又は無くすこ
とにより、希薄予混合燃焼装置内の動圧を低減させるこ
とである。
動サイクルに起因する増幅を最小にするか又は無くすこ
とにより、希薄予混合燃焼装置内の動圧を低減させるこ
とである。
【００１４】
【実施例の記載】図面に示す本発明の好適な実施例を次
に詳述する。図１には、燃焼器を含んでいるガスタービ
ン用の燃焼装置が総括的に参照番号１０で表されてお
り、燃焼装置１０は、予混合域１２と、ベンチュリアセ
ンブリ１４と、第２段反応域１６と、予混合域１２用の
ライナアセンブリ１８と、第２段反応域用のライナアセ
ンブリ２０とを含んでいる。第１段ノズル（図示せず）
に高温燃焼ガスを送給する遷移片２２も示されている。
本発明に従って構成されている複数の燃料ノズル２４
が、燃料を予混合域１２に送給すべく、中央体２６の周
りに円形列を成して配設されており、予混合域１２で燃
料は、ライナ１８の複数の開口を通流する圧縮機吐出し
空気と混合される。付言すれば、タービンハウジング
（図示せず）の内周に沿って環状列を成している複数の
燃焼器が存在している。
に詳述する。図１には、燃焼器を含んでいるガスタービ
ン用の燃焼装置が総括的に参照番号１０で表されてお
り、燃焼装置１０は、予混合域１２と、ベンチュリアセ
ンブリ１４と、第２段反応域１６と、予混合域１２用の
ライナアセンブリ１８と、第２段反応域用のライナアセ
ンブリ２０とを含んでいる。第１段ノズル（図示せず）
に高温燃焼ガスを送給する遷移片２２も示されている。
本発明に従って構成されている複数の燃料ノズル２４
が、燃料を予混合域１２に送給すべく、中央体２６の周
りに円形列を成して配設されており、予混合域１２で燃
料は、ライナ１８の複数の開口を通流する圧縮機吐出し
空気と混合される。付言すれば、タービンハウジング
（図示せず）の内周に沿って環状列を成している複数の
燃焼器が存在している。
【００１５】前述のように、そして図３に示すように、
従来の拡散燃焼方式は理論混合比近辺で機能する。燃料
空気混合比が図３に矢印２７で示すように希薄度を増す
につれ、それにほぼ比例して減少する温度で燃焼が起こ
る。しかしながら、燃料空気混合比が希薄限界、即ち可
燃限界に近付くにつれて、混合比変化に伴うガス温度の
変化は極めて顕著になる。例えば、図３に符号Ａで示す
曲線の傾斜は、燃料空気比の更なるわずかな減少の結果
として、燃焼温度が非常に大幅に減少することを示す。
このグラフに示すように、最終的に消炎が生ずる。その
結果、希薄限界近くでの運転時に、燃料空気比の非常に
小さな変動に対して、かなり大きな燃焼温度変動が生ず
る。こうして、圧力の乱れ又は圧力パルスが燃焼装置内
に生じて予混合域内の圧力を変化させるとき、燃料及び
空気の質量流量がそれに応じて、但し、互いに異なる位
相で変化する。従って、予混合器燃料空気比はいかなる
時点でも変化し、その結果、反応域内のガス温度が変動
する。この温度変動は予混合域内の圧力を変えるので、
サイクルが続くにつれて新しい燃料空気比が生ずる。こ
れは、燃料及び空気送給系の間の位相角の不整合（ミス
マッチ）の結果である。
従来の拡散燃焼方式は理論混合比近辺で機能する。燃料
空気混合比が図３に矢印２７で示すように希薄度を増す
につれ、それにほぼ比例して減少する温度で燃焼が起こ
る。しかしながら、燃料空気混合比が希薄限界、即ち可
燃限界に近付くにつれて、混合比変化に伴うガス温度の
変化は極めて顕著になる。例えば、図３に符号Ａで示す
曲線の傾斜は、燃料空気比の更なるわずかな減少の結果
として、燃焼温度が非常に大幅に減少することを示す。
このグラフに示すように、最終的に消炎が生ずる。その
結果、希薄限界近くでの運転時に、燃料空気比の非常に
小さな変動に対して、かなり大きな燃焼温度変動が生ず
る。こうして、圧力の乱れ又は圧力パルスが燃焼装置内
に生じて予混合域内の圧力を変化させるとき、燃料及び
空気の質量流量がそれに応じて、但し、互いに異なる位
相で変化する。従って、予混合器燃料空気比はいかなる
時点でも変化し、その結果、反応域内のガス温度が変動
する。この温度変動は予混合域内の圧力を変えるので、
サイクルが続くにつれて新しい燃料空気比が生ずる。こ
れは、燃料及び空気送給系の間の位相角の不整合（ミス
マッチ）の結果である。
【００１６】圧力により誘起されるこの燃料空気比変動
を防止するために、燃料及び空気送給系の動圧応答特性
を実質的に整合させる。燃焼室からの燃料系の隔離を保
ち且つ燃料分布を均等にしながらこの整合を達成するた
めに、燃料供給系は、ほぼ圧縮機吐出し空気圧までの大
きな圧力降下をもたらす上流燃料オリフィスと、ライナ
開口を通って予混合域に入る圧縮機吐出し空気流の圧力
とほぼ等しい圧力までの小さな圧力降下をもたらす下流
オリフィスとを備えている。両オリフィスは、空洞によ
って相隔てられており、この空洞は、圧力の乱れの位相
角に対して第１の位相角で上流オリフィスを経て空洞内
に流入する燃料と、圧力の乱れの位相角に対して第２の
位相角で第２のオリフィスを経て空洞から流出する燃料
との位相の不整合に対処するのに十分な燃料を蓄えるた
めに十分な寸法を有している。
を防止するために、燃料及び空気送給系の動圧応答特性
を実質的に整合させる。燃焼室からの燃料系の隔離を保
ち且つ燃料分布を均等にしながらこの整合を達成するた
めに、燃料供給系は、ほぼ圧縮機吐出し空気圧までの大
きな圧力降下をもたらす上流燃料オリフィスと、ライナ
開口を通って予混合域に入る圧縮機吐出し空気流の圧力
とほぼ等しい圧力までの小さな圧力降下をもたらす下流
オリフィスとを備えている。両オリフィスは、空洞によ
って相隔てられており、この空洞は、圧力の乱れの位相
角に対して第１の位相角で上流オリフィスを経て空洞内
に流入する燃料と、圧力の乱れの位相角に対して第２の
位相角で第２のオリフィスを経て空洞から流出する燃料
との位相の不整合に対処するのに十分な燃料を蓄えるた
めに十分な寸法を有している。
【００１７】更に詳述すると、図２には本発明による２
段燃料ノズル構造が示されている。この２段燃料ノズル
構造はハウジング３２を含んでおり、ハウジング３２
は、ハウジング３２にスリーブ３３が固定されており、
導管３４を受け入れる中央孔を画成している。導管３４
は中央孔の他端にあるノズル３８に油を送給するよう
に、管継手３６を介して給油路（図示せず）に連結され
ている。取り付け部材４０がハウジング３２に適当に固
定されていると共に、油霧化ノズル３８の一部を形成し
ている取り付け端部４２を支承している。圧縮空気が取
り付け部材４０の一端における環状域４４に供給され
て、周方向に相隔たっている複数の孔４６を通流し、更
に取り付け端部４２とスリーブ３３の端の燃料油ノズル
３８との間の環状空間４８を通流する。燃料油はノズル
端で霧化されて、予混合域内に送り込まれる。上述の燃
料ノズルは従来のものであり、これ以上の説明は不要と
思われる。
段燃料ノズル構造が示されている。この２段燃料ノズル
構造はハウジング３２を含んでおり、ハウジング３２
は、ハウジング３２にスリーブ３３が固定されており、
導管３４を受け入れる中央孔を画成している。導管３４
は中央孔の他端にあるノズル３８に油を送給するよう
に、管継手３６を介して給油路（図示せず）に連結され
ている。取り付け部材４０がハウジング３２に適当に固
定されていると共に、油霧化ノズル３８の一部を形成し
ている取り付け端部４２を支承している。圧縮空気が取
り付け部材４０の一端における環状域４４に供給され
て、周方向に相隔たっている複数の孔４６を通流し、更
に取り付け端部４２とスリーブ３３の端の燃料油ノズル
３８との間の環状空間４８を通流する。燃料油はノズル
端で霧化されて、予混合域内に送り込まれる。上述の燃
料ノズルは従来のものであり、これ以上の説明は不要と
思われる。
【００１８】燃料ガス、例えば天然ガスが気体燃料源
（図示せず）から取り付け部材４０に形成されている環
状域５０に供給される。取り付け部材４０は、周方向に
相隔たっており軸方向に延在している複数の孔５２を含
んでおり、複数の孔５２は、全孔が一緒になって、大き
な圧力降下をもたらす第１又は上流燃料オリフィス５２
を構成している。孔５２は、取り付け端部４２の周囲に
形成されている環状室５４に開いており、そして周方向
に相隔たっている複数の燃料吐出しノズル５６が、燃料
ガスを予混合域内に吐出すために取り付け部材４０の端
の周囲に沿って配設されている。ノズル５６は、全ノズ
ルが一緒になって、非常に小さな圧力降下をもたらす下
流オリフィス５６を構成している。加えて、上流オリフ
ィス５２と下流オリフィス５６との間の空洞が、前述の
ような応答制御空洞５４を構成している。上述の説明か
らわかるように、燃料ガスは環状室５０に入り、上流オ
リフィスを構成している上流孔５２を通って応答制御空
洞５４に入り、更に孔５６を通って予混合域に入る。従
来の燃料ノズルにおける気体燃料噴出ノズルで通常発生
する大きな圧力降下は、こうして、下流低圧オリフィス
５６と応答制御空洞５４とによって予混合域から上流方
向に離れて発生する。
（図示せず）から取り付け部材４０に形成されている環
状域５０に供給される。取り付け部材４０は、周方向に
相隔たっており軸方向に延在している複数の孔５２を含
んでおり、複数の孔５２は、全孔が一緒になって、大き
な圧力降下をもたらす第１又は上流燃料オリフィス５２
を構成している。孔５２は、取り付け端部４２の周囲に
形成されている環状室５４に開いており、そして周方向
に相隔たっている複数の燃料吐出しノズル５６が、燃料
ガスを予混合域内に吐出すために取り付け部材４０の端
の周囲に沿って配設されている。ノズル５６は、全ノズ
ルが一緒になって、非常に小さな圧力降下をもたらす下
流オリフィス５６を構成している。加えて、上流オリフ
ィス５２と下流オリフィス５６との間の空洞が、前述の
ような応答制御空洞５４を構成している。上述の説明か
らわかるように、燃料ガスは環状室５０に入り、上流オ
リフィスを構成している上流孔５２を通って応答制御空
洞５４に入り、更に孔５６を通って予混合域に入る。従
来の燃料ノズルにおける気体燃料噴出ノズルで通常発生
する大きな圧力降下は、こうして、下流低圧オリフィス
５６と応答制御空洞５４とによって予混合域から上流方
向に離れて発生する。
【００１９】予混合域内の圧力の乱れの結果、予混合域
圧力が低くなると仮定すれば、ライナ１８の開口による
予混合域への空気供給は増加し、その応答は迅速であ
り、そして圧力の乱れの位相角に対して小さな位相角を
有する。もし従来の高圧気体燃料ノズルが予混合域燃料
吐出しオリフィスの箇所に配置されていれば、燃料流も
同様に、予混合器圧力の低下に応じて増加しようとす
る。しかしながら、予混合域内のこのような圧力低下に
対する燃料供給の応答時間は、ライナ開口での空気圧力
の応答時間よりも長いので、燃料及び空気圧力応答の間
に位相角の不整合が生ずる。本発明によれば、燃料通路
内の大きな圧力降下が第１のオリフィス５２で生ずる結
果、空洞５４内の圧力は圧縮機吐出し圧力にほぼ等しく
なる。もし空気を予混合域に供給するライナ開口での圧
力降下が下流オリフィス、即ち気体燃料吐出しオリフィ
ス５６での小さな圧力降下と実質的に同じであれば、圧
力変動関数に対するそれぞれの位相角は実質的に整合さ
れる。位相角の整合により、燃料空気混合比は、圧力変
動関数、即ち圧力の乱れと、燃料及び空気送給系に対す
るその影響とにかかわらず、実質的に一定に保たれる。
即ち、圧力乱れ関数が予混合域内の圧力を下げる上述の
例では、燃料及び空気流量応答が整合されて、混合比を
実質的に一定に保つ。逆に、もし圧力の乱れが予混合域
内の圧力を高めても、燃料空気混合比は同様に一定に保
たれる。従って、希薄限界振動サイクルは、実質的に最
小にされるか又は除去される。
圧力が低くなると仮定すれば、ライナ１８の開口による
予混合域への空気供給は増加し、その応答は迅速であ
り、そして圧力の乱れの位相角に対して小さな位相角を
有する。もし従来の高圧気体燃料ノズルが予混合域燃料
吐出しオリフィスの箇所に配置されていれば、燃料流も
同様に、予混合器圧力の低下に応じて増加しようとす
る。しかしながら、予混合域内のこのような圧力低下に
対する燃料供給の応答時間は、ライナ開口での空気圧力
の応答時間よりも長いので、燃料及び空気圧力応答の間
に位相角の不整合が生ずる。本発明によれば、燃料通路
内の大きな圧力降下が第１のオリフィス５２で生ずる結
果、空洞５４内の圧力は圧縮機吐出し圧力にほぼ等しく
なる。もし空気を予混合域に供給するライナ開口での圧
力降下が下流オリフィス、即ち気体燃料吐出しオリフィ
ス５６での小さな圧力降下と実質的に同じであれば、圧
力変動関数に対するそれぞれの位相角は実質的に整合さ
れる。位相角の整合により、燃料空気混合比は、圧力変
動関数、即ち圧力の乱れと、燃料及び空気送給系に対す
るその影響とにかかわらず、実質的に一定に保たれる。
即ち、圧力乱れ関数が予混合域内の圧力を下げる上述の
例では、燃料及び空気流量応答が整合されて、混合比を
実質的に一定に保つ。逆に、もし圧力の乱れが予混合域
内の圧力を高めても、燃料空気混合比は同様に一定に保
たれる。従って、希薄限界振動サイクルは、実質的に最
小にされるか又は除去される。
【００２０】応答制御空洞５４は、圧力変動関数の位相
角に対して第１の位相角で第１のオリフィスを経て空洞
内に流入する燃料と、この圧力変動関数の位相角に対し
て第２の位相角で第２のオリフィスを経て空洞から流出
する燃料との位相の不整合に対処するために十分な容積
を有していなければならないことを理解されたい。即
ち、燃料が圧力変動関数に対して小さな位相角で下流低
圧ノズルを経て予混合域内に放出されるときに、その位
相角と、圧力変動関数の位相角に対する、上流高圧第１
のノズルを経て空洞に供給される燃料の位相角との間に
不整合が生ずる。その結果、１サイクルの運転の完了に
十分な燃料を応答制御空洞内に蓄える必要がある。即
ち、任意の時点で、燃料は、空洞から流出するよりも速
く空洞に流入するか、又は空洞に流入するよりも速く空
洞から流出する可能性がある。相異なる位相角に起因す
るこの燃料差を空洞内に蓄えなければならず、従って、
空洞は、その目的の達成に十分な寸法を有していなけれ
ばならない。
角に対して第１の位相角で第１のオリフィスを経て空洞
内に流入する燃料と、この圧力変動関数の位相角に対し
て第２の位相角で第２のオリフィスを経て空洞から流出
する燃料との位相の不整合に対処するために十分な容積
を有していなければならないことを理解されたい。即
ち、燃料が圧力変動関数に対して小さな位相角で下流低
圧ノズルを経て予混合域内に放出されるときに、その位
相角と、圧力変動関数の位相角に対する、上流高圧第１
のノズルを経て空洞に供給される燃料の位相角との間に
不整合が生ずる。その結果、１サイクルの運転の完了に
十分な燃料を応答制御空洞内に蓄える必要がある。即
ち、任意の時点で、燃料は、空洞から流出するよりも速
く空洞に流入するか、又は空洞に流入するよりも速く空
洞から流出する可能性がある。相異なる位相角に起因す
るこの燃料差を空洞内に蓄えなければならず、従って、
空洞は、その目的の達成に十分な寸法を有していなけれ
ばならない。
【００２１】以上、本発明の最適な実施例と考えられる
ものについて説明したが、もちろん本発明の範囲内で当
業者には様々な改変が可能であろうが、これらの改変は
本発明の要旨に含まれるものと理解されたい。
ものについて説明したが、もちろん本発明の範囲内で当
業者には様々な改変が可能であろうが、これらの改変は
本発明の要旨に含まれるものと理解されたい。
【図１】ガスタービン用の希薄予混合式燃焼装置の概略
図である。
図である。
【図２】本発明による２段燃料ノズルの部分拡大断面図
である。
である。
【図３】燃焼温度上昇と燃料空気混合比との関数的依存
性を示すグラフである。
性を示すグラフである。
１０ ガスタービン燃焼器 １２ 予混合域 ２４ 燃料ノズル ５２ 上流オリフィス（第１のオリフィス） ５４ 応答制御空洞（環状室） ５６ 下流オリフィス（第２のオリフィス）
Claims (9)
- 【請求項１】 別個の燃料送給系及び空気送給系と、燃
料空気予混合域とを有しているガスタービン燃焼器を希
薄予混合燃焼方式で運転する方法であって、 燃料及び空気を前記予混合域に送給するときに前記予混
合域内の圧力変動に起因する前記予混合域内の燃料空気
混合比の変動を実質的に最小にするか又は除去すべく、
前記燃焼器の前記燃料送給系及び前記空気送給系の動圧
応答特性を実質的に合わせる工程を備えたガスタービン
燃焼器を希薄予混合燃焼方式で運転する方法。 - 【請求項２】 前記燃料送給系の一部を形成している燃
料通路内に第１の燃料オリフィスを設ける工程を含んで
おり、該オリフィスは、そのすぐ下流の燃料圧力が前記
ガスタービンの圧縮機吐出し圧力に近似するように十分
な圧力降下をもたらしている請求項１に記載の方法。 - 【請求項３】 前記空気送給系の一部を形成している空
気通路内に、圧縮機空気を前記予混合域内に吐出する入
口を設ける工程を含んでいる請求項２に記載の方法。 - 【請求項４】 前記燃料通路内に第２の燃料オリフィス
を設ける工程を含んでおり、該第２の燃料オリフィス
は、前記空気入口の動圧応答特性と前記第２の燃料オリ
フィスの動圧応答特性とが互いに実質的に整合されるよ
うに圧力降下をもたらしている請求項３に記載の方法。 - 【請求項５】 前記燃料通路内において前記第１及び第
２のオリフィスの間に空洞を設ける工程を含んでおり、
該空洞は、前記予混合域内の圧力変動の位相角に対して
第１の位相角で前記第１のオリフィスを経て該応答制御
空洞内に流入する燃料と、前記圧力変動の位相角に対し
て第２の位相角で前記第２のオリフィスを経て該応答制
御空洞から流出する燃料との位相角の不整合に対処する
のに十分な燃料を蓄えるために十分な寸法を有している
請求項４に記載の方法。 - 【請求項６】 別個の燃料入口及び空気入口と、燃料及
び空気を受け入れる燃料空気予混合域とを有しているガ
スタービン燃焼器を希薄予混合方式で運転する方法であ
って、 前記予混合域への前記空気入口及び燃料入口での空気及
び燃料の圧力降下を実質的に等しくすることにより、予
混合燃料空気比の振動に起因する前記燃焼器予混合域内
の動圧変動を低下する工程を備えたガスタービン燃焼器
を希薄予混合方式で運転する方法。 - 【請求項７】 予混合域を有していると共に希薄予混合
方式で動作可能なガスタービン燃焼器内の燃焼を安定化
する装置であって、 前記燃焼器の前記予混合域内に空気を送給する開口を含
んでいると共に、該開口の上流で所定の圧力を有してい
る空気供給系と、 前記燃焼器の前記予混合域内に燃料を通すべく、前記予
混合域内に燃料を送給する吐出しオリフィスを有してい
る燃料通路を含んでいるノズルと、 前記燃料吐出しオリフィスの上流に設けられており、前
記燃料吐出しオリフィスの上流の燃料圧力をほぼ前記所
定の圧力に低下させる手段とを備えており、 前記空気供給開口と前記燃料吐出しオリフィスとは、燃
料空気比振動に起因する前記予混合域内の圧力変動が実
質的に最小にされるか又は除去されるように、実質的に
同じ圧力降下をもたらしているガスタービン燃焼器内の
燃焼を安定化する装置。 - 【請求項８】 前記燃料通路内において前記燃料吐出し
オリフィスの上流に空洞を含んでいる請求項７に記載の
装置。 - 【請求項９】 前記低下させる手段は、 前記燃料通路内において前記燃料吐出しオリフィスの上
流に設けられており、前記燃料吐出しオリフィスでの圧
力降下よりも大きな圧力降下をもたらしているオリフィ
スと、 前記燃料通路内において前記上流オリフィスと前記燃料
吐出しオリフィスとの間に設けられており、前記予混合
域内の圧力変動の位相角に対して第１の位相角で前記上
流オリフィスを経て前記空洞内に流入する燃料と、前記
圧力変動の前記位相角に対して第２の位相角で前記吐出
しオリフィスを経て前記空洞から流出する燃料との位相
角の不整合に対処するのに十分な燃料を蓄えるために十
分な寸法を有していると共に、前記所定の圧力と実質的
に同じ圧力である空洞とを含んでいる請求項７に記載の
装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US888847 | 1992-05-27 | ||
| US07/888,847 US5211004A (en) | 1992-05-27 | 1992-05-27 | Apparatus for reducing fuel/air concentration oscillations in gas turbine combustors |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0634136A true JPH0634136A (ja) | 1994-02-08 |
| JP3345461B2 JP3345461B2 (ja) | 2002-11-18 |
Family
ID=25394023
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12100193A Expired - Lifetime JP3345461B2 (ja) | 1992-05-27 | 1993-05-24 | ガスタービン燃焼器を希薄予混合燃焼方式で運転する方法、及びガスタービン燃焼器内の燃焼を安定化する装置 |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5211004A (ja) |
| EP (1) | EP0572202B1 (ja) |
| JP (1) | JP3345461B2 (ja) |
| KR (1) | KR100246266B1 (ja) |
| CN (1) | CN1050893C (ja) |
| CA (1) | CA2093712C (ja) |
| DE (1) | DE69308383T2 (ja) |
| NO (1) | NO300472B1 (ja) |
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| CN106338063A (zh) * | 2016-08-27 | 2017-01-18 | 淄博凯雷得汽车零部件有限公司 | 恒压燃烧的清洁燃烧器 |
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