JPH07332672A - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明の目的は、パイロットバーナーの燃焼方
式が自動的に拡散燃焼から予混合燃焼に切り替わり、運
用負荷帯でのパイロットバーナーから放出されるＮＯｘ
発生を抑制する構造を提供することにある。 【構成】パイロットバーナーの燃焼領域が互いに、ある
角度を持ってＶ字型に接合された二枚の平板により構成
され、かつ二枚の平板に設けられたスリットからは空気
を、さらに二枚の平板の接合部付近に設けられた燃焼噴
射ノズルからは燃料を供給するガスタービン燃焼器。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料と酸化剤を予混合し
て燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室内の燃焼を安定化す
るために設けたパイロットバーナーからなるガスタービ
ン燃焼器に係り、特に、燃焼器の排気ガス中の窒素酸化
物（以下ＮＯｘと略す）の発生を低く抑制し得るガスタ
ービン燃焼器に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料と酸化剤を予混合して燃焼させる燃
焼室と、前記燃焼室内の燃焼を安定化するために設けた
パイロットバーナーからなる低ＮＯｘ型ガスタービン燃
焼器における従来技術の一般的構成例を図２に示す。図
２において、１はパイロットバーナー、２はパイロット
バーナーの燃料噴射装置、３はパイロットバーナー用空
気、４は予混合器、５は予混合器の燃料噴射装置、６は
予混合器の空気、７は主燃焼室、８は圧縮器である。圧
縮器８により圧縮された空気は適切な分量で、パイロッ
トバーナー用空気３及び予混合器の空気６へと分配され
る。予混合器の空気６へ供給された空気は、予混合器の
燃料噴射装置５により噴射された燃料と混合し、予混合
気９を形成する。その際、ＮＯｘの発生を抑制するため
に、予混合器４内に噴射される燃料量は、予混合気９が
低燃料濃度になるように設定されている。予混合気９
は、主燃焼室７において燃焼される（以下、この燃焼方
式を予混合燃焼と呼ぶ）。しかし、低燃料濃度の予混合
気の燃焼は不安定になりやすく火炎の吹き飛び，吹き消
え等が生じる可能性がある。そのため、主燃焼室７の前
段にパイロットバーナー１を設ける。パイロットバーナ
ー１では、パイロットバーナー燃料噴射装置２からの燃
料と予混合器の空気６からの空気が別々に噴出し、互い
に混合しながら燃焼が行われる(以下、この燃焼方式を
拡散燃焼と呼ぶ)。パイロット火炎１０中には、高燃料
濃度領域１１が存在しその部分が局所的に高温となるた
め、燃焼が安定に行われる。この安定なパイロット火炎
１０を用いることにより、主燃焼室７内の予混合燃焼を
安定化することが可能となる。

【０００３】次に、図３を用いて図２に示した従来例の
ＮＯｘ発生の抑制機構について説明する。従来例では、
拡散及び予混合燃焼を併用している。図３に示すよう
に、同じ燃空比（燃料量／空気量）に対しては予混合燃
焼を用いた方がＮＯｘを減らすことができる。これは、
ＮＯｘ発生が温度に大きく依存するためである。すなわ
ち、拡散燃焼の場合は燃料と酸化剤が別々に噴出され混
合しながら燃焼していくため、混合過程で燃料濃度にむ
らが生じる。高濃度領域で燃焼が起こると、その部分が
局所的に高温となり、ＮＯｘが多量に発生する。それに
対し、予混合燃焼の場合は燃料と酸化剤が予め混合され
ているので燃焼による温度上昇は一様となるため、ＮＯ
ｘの発生は少ない。そこで、従来例では予混合燃焼の割
合を増やすことでＮＯｘの抑制を実現している。

【０００４】次に、図４を用いて従来例の運転方法を説
明する。ガスタービンの定格回転数や低負荷運転時には
空気及び燃料の供給量が少なく、また空気温度も低いた
め火炎が不安定になりやすい。そこで従来例では、燃焼
器の起動，負荷が小さい間は火炎安定性に優れる拡散燃
焼によるパイロットバーナーのみで運転を行う。タービ
ン負荷４０％程度で主燃焼室の予混合気に点火し、負荷
の増加に伴い主燃焼室での燃焼割合を増加させていく。
このような運転方法を用いた場合の、タービン負荷とＮ
Ｏｘ発生の関係を図５に示す。燃焼器起動，停止時及び
タービン負荷が小さい間は、パイロットバーナーのみで
運転しているためＮＯｘ発生値は負荷とともに増大して
いく。燃焼室点火とともにＮＯｘ発生は抑えられ、予混
合燃焼の割合を増すごとにＮＯｘ許容値に収まってい
く。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記の図２に示した従
来例では、予混合燃焼の割合を増すことでＮＯｘの抑制
を図っている。例えば、ＮＯｘ値７０ppm 級のガスター
ビン燃焼器では、燃焼室（予混合燃焼）とパイロットバ
ーナー（拡散燃焼）との割合は、７対３程度である。こ
の場合、各部分でのＮＯｘ発生量は各５０％ずつであ
り、パイロットバーナーからのＮＯｘ発生率が高い。Ｎ
Ｏｘの許容値は年々厳しくなっており、最終的には９pp
m 程度になると見込まれる。その実現には燃焼室（予混
合燃焼）の割合をより増やす必要があるが、燃焼の安定
化の点でパイロットバーナー（拡散燃焼）との割合を９
対１又は９.５対０.５程度にするのが限界である。その
場合、各部分から発生するＮＯｘ割合は、圧倒的にパイ
ロットバーナー部分に依存する。そのため、パイロット
バーナーのＮＯｘ発生量によっては、ＮＯｘ量９ppm を
実現できない可能性がある。これを解決するには、火炎
が不安定になりやすい起動時及び低不可運転時はパイロ
ットバーナーは拡散燃焼を行い、運用負荷帯ではパイロ
ットバーナーも予混合燃焼することが望ましい。この拡
散燃焼から予混合燃焼への切り替えは特別な制御機構を
設けることなしにできることが望ましい。本発明の目的
は、パイロットバーナーの燃焼方式が自動的に拡散燃焼
から予混合燃焼に切り替わり、運用負荷帯でのパイロッ
トバーナーから放出されるＮＯｘ発生を抑制する構造を
提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る第１のガス
タービン燃焼器は、燃料と酸化剤を拡散させながら燃焼
させるパイロットバーナーを設けたガスタービン燃焼器
において、前記パイロットバーナーの燃焼領域が互いに
ある角度を持ってＶ字型に接合された二枚の平板により
構成され、かつ前記二枚の平板に設けられたスリットか
らは空気を、前記二枚の平板の接合部付近に設けられた
燃料噴射ノズルからは燃料を供給することにより構成さ
れるものである。

【０００７】本発明に係る第２のガスタービン燃焼器
は、前記第１の構成において、前記Ｖ字型の平板間に仕
切板を設け、Ｖ字型領域を幾つかの小領域に分けること
により構成されるものである。

【０００８】本発明に係る第３のガスタービン燃焼器
は、前記第１，２の構成において、前記のＶ字型に接合
された二枚の平板を円周上に多数配置することによりパ
イロットバーナーを構成することより構成されるもので
ある。

【０００９】

【作用】前記第１のガスタービン燃焼器によれば、以下
の機構に基づき起動時及び低負荷運転時には安定した拡
散燃焼が行えるとともに、運用負荷においては特別な制
御なしに予混合燃焼状態となり低ＮＯｘ化を実現でき
る。まず、本発明の基礎となる対向予混合火炎の概念を
図６に示す。対向予混合火炎は、二つの対向するバーナ
ーより予混合気体が供給され各流体の衝突により流速が
遅くなり、燃焼速度とバランスした位置で二つの火炎が
形成される。流速が除々に早くなってくると二つの火炎
は互いに近づき始め、やがて一つになる。さらに流速が
早くなると、流速と燃焼速度とバランスする位置が火炎
帯の厚みよりも小さくなるため、火炎を維持できずにや
がて消炎に至る。消炎に至る目安としては、以下の式で
定義される火炎伸長度Ａである。

【００１０】 Ａ＝Ｕ／Ｌ …１） ここに、Ｕはバーナー出口の平均流速、Ｌはバーナー間
の距離である。Ａが大きいほど消炎しやすい。そのた
め、幅を固定した場合、流速を増大させていくと火炎伸
長度Ａが大きくなりやがて消炎する。本発明のように二
枚の平板を互いに角度を持ってＶ字型に組み合わせ両平
板に設けたスリットから対向流として空気を供給する
と、起動時のように極端に空気流速が遅い場合は、平板
の接合部分において、安定な拡散燃焼状態で燃焼でき
る。しかし、ガスタービン回転数が徐々に上がり空気流
速が増大すると、火炎は両平板間の間隔Ｌが広いところ
でのみ形成できる。燃料は平板間の接合部より供給され
るので、接合部から燃焼可能領域までの領域は燃料，空
気の予混合領域となる。そのため、燃焼形態は予混合燃
焼に近くなる。空気流速がほぼ一定となる運用負荷時に
は、火炎はさらに接合部分よりも離れた位置に形成され
るのでほぼ完全予混合燃焼を実現できる。対向予混合火
炎のため、火炎は流体の淀み点に形成され安定燃焼で
き、ＮＯｘも同時に低減できる。

【００１１】前記第２のガスタービン燃焼器によれば、
平板に垂直な仕切板を設けることで拡散燃焼用の燃料が
ｙ方向に飛散するのを防止すると同時に仕切板に燃料を
衝突させて予混合度を上げることにより、より効果的に
拡散燃焼から予混合燃焼への切り替えを行わせることが
できる。

【００１２】前記第３のガスタービン燃焼器によれば、
個々のＶ字型燃焼器が円周上に配置されることにより、
個々の燃焼器からの流出される燃焼気体はお互いに火炎
を安定化するように働き、運用負荷帯の予混合燃焼でも
安定燃焼ができる。

【００１３】

【実施例】以下に、本発明の実施例を図面に基づいて説
明する。

【００１４】図１はパイロットバーナーの燃焼領域が互
いにある角度を持ってＶ字型に接合された二枚の平板に
より構成され、かつ前記二枚の平板からは空気を、前記
二枚の平板の接合部付近からは燃料を供給するように構
成された本発明によるガスタービン燃焼器の第１実施例
を示す。図１において、１はパイロットバーナー、２は
パイロットバーナーの燃料噴射装置、３はパイロットバ
ーナー用空気、４は予混合器、５は予混合器の燃料噴射
装置、６は予混合器の空気、７は主燃焼室である。パイ
ロットバーナー用空気３は圧縮器から供給される。パイ
ロットバーナーの燃料噴射装置２からは燃料が供給さ
れ、予混合器の空気６と混合しながら燃焼し、パイロッ
ト火炎１０を形成する。また、予混合器４では、予混合
器の燃料噴射装置５からの燃料及び予混合器の空気６に
より予混合気９が作られる。前記予混合気９は主燃焼室
７へ供給されパイロット火炎１０により安定化されなが
ら燃焼する。パイロットバーナーの詳細を図７に示す。
二枚の平板１２はそれぞれある角度を持って、Ｖ字型に
接合される。接合部付近にはパイロットバーナーの燃料
噴射装置２が設置される。各平板１２にはスリット１４
が設けてあり、パイロットバーナー用空気３をＶ字型領
域内部へ導く。起動時や低負荷運転時のようにパイロッ
トバーナー用空気３の流速が遅い場合は火炎の伸長が小
さいため、パイロットバーナー用燃料１５とパイロット
バーナー用空気３はＶ字型領域の接合部近傍で拡散燃焼
方式で燃焼する。それに対し、運用負荷帯ではパイロッ
トバーナー用空気３の流速が大きくなり火炎伸長も強く
なるので、火炎面はＶ字型領域の出口付近で形成され
る。この場合、パイロットバーナー用燃料１５と空気は
接合部から出口までの間に十分混合されるため予混合燃
焼方式に近い状態で燃焼する。

【００１５】上記の構成によれば、パイロットバーナー
を起動時及び低負荷時には拡散燃焼方式で、運用負荷帯
では予混合燃焼方式に近い状態で燃焼させることができ
る。特に、拡散燃焼方式から予混合燃焼への切り替えに
対して特別な制御は必要としない。

【００１６】図８は図１記載のガスタービン燃焼器にお
いて、前記Ｖ字型の平板間に仕切板を設け、Ｖ字型領域
を幾つかの小領域に分けることにより構成された本発明
の第２実施例を示す。二枚の平板１２はそれぞれある角
度を持って、Ｖ字型に接合される。接合部付近にはパイ
ロットバーナーの燃料噴射装置２が設置される。各平板
１２にはスリット１４が設けてあり、パイロットバーナ
ー用空気３をＶ字型領域内部へ導く。スリット１４の間
には仕切板１３が設置される。図９にはスリット側から
見たパイロットバーナーを示す。パイロットバーナーの
燃料噴射装置２は好ましくは仕切板間の中央に設置され
る。パイロットバーナーの燃料噴射装置２から噴射され
たパイロットバーナー用燃料１５は仕切板１３に一旦衝
突する。上記の構成によれば、パイロットバーナー用燃
料１５を仕切板１３に衝突させることにより、スリット
１４から供給された空気との混合度を上げることがで
き、第１実施例に比べてより予混合燃焼状態に近いパイ
ロット火炎を形成できる。

【００１７】図１０は図１記載のガスタービン燃焼器に
おいて、前記のＶ字型に接合された二枚の平板を円周上
に多数配置することによりパイロットバーナーを構成し
た本発明の第３実施例である。図には８個のＶ字型の燃
焼器を組み合わせたものを示す。８個のＶ字型の燃焼器
の周囲には予混合器が同心円上に設置される。上記の構
成によれば個々のＶ字型燃焼器が円周上に配置されるこ
とにより、個々の燃焼器からの流出される燃焼気体はお
互いに火炎を安定化し、パイロットバーナーは運用負荷
帯の予混合燃焼に近い状態でも安定燃焼ができる。

【００１８】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば次のような効果が生じる。

【００１９】燃焼室の予混合燃焼を安定化するために拡
散燃焼のパイロットバーナーを設けたガスタービン燃焼
において、空気の流速及び温度が急激に変化する起動時
から低負荷帯では安定な拡散燃焼方式で、また空気流速
が安定する運用負荷帯では予混合燃焼方式でパイロット
バーナーを燃焼させることによりＮＯｘ発生を抑制，制
御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るガスタービン燃焼器の第１実施例
を示す概念図である。

【図２】従来のガスタービン燃焼器の実施例を示す概念
図である。

【図３】燃空比とＮＯｘ発生量の関係を示した概念図で
ある。

【図４】従来例のガスタービン燃焼器の運転方法を示す
概念図である。

【図５】従来例の運転方法におけるＮＯｘの発生状況を
示す概念図である。

【図６】対向拡散火炎の概念図である。

【図７】本発明に係るガスタービン燃焼器の第１実施例
のパイロットバーナー部分を示す概念図である。

【図８】本発明に係るガスタービン燃焼器の第２実施例
を示す概念図である。

【図９】本発明に係るガスタービン燃焼器の第２実施例
を示す概念図である。

【図１０】本発明に係るガスタービン燃焼器の第２実施
例を示す概念図である。

【符号の説明】

１…パイロットバーナー、２…パイロットバーナーの燃
料噴射装置、３…パイロットバーナー用空気、４…予混
合器、５…予混合器の燃料噴射装置、６…予混合器の空
気、７…主燃焼室、８…圧縮器、９…予混合気、１０…
パイロット火炎、１１…高燃料濃度領域、１２…平板、
１３…仕切板、１４…スリット、１５…パイロットバー
ナー用燃料。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料と空気を予混合して燃焼室で燃焼させ
   る際に火炎の安定化を図る目的で、燃料と酸化剤を拡散
   させながら燃焼させるパイロットバーナーを設けたガス
   タービン燃焼器において、前記パイロットバーナーの燃
   焼領域が互いに、ある角度を持ってＶ字型に接合された
   二枚の平板により構成され、かつ前記二枚の平板に設け
   られたスリットからは空気を、さらに前記二枚の平板の
   接合部付近に設けられた燃料噴射ノズルからは燃料を供
   給することを特徴としたガスタービン燃焼器。
2. 【請求項２】請求項１記載のガスタービン燃焼器におい
   て、前記Ｖ字型の平板間に仕切板を設け、Ｖ字型領域を
   幾つかの小領域に分けることを特徴としたガスタービン
   燃焼器。
3. 【請求項３】請求項１又は２記載のガスタービン燃焼器
   において、前記のＶ字型に接合された二枚の平板を円周
   上に多数配置することによりパイロットバーナーを構成
   することを特徴としたガスタービン燃焼器。