JPH0743137B2 - Gas turbine combustor - Google Patents

Gas turbine combustor

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JPH0743137B2
JPH0743137B2 JP1033811A JP3381189A JPH0743137B2 JP H0743137 B2 JPH0743137 B2 JP H0743137B2 JP 1033811 A JP1033811 A JP 1033811A JP 3381189 A JP3381189 A JP 3381189A JP H0743137 B2 JPH0743137 B2 JP H0743137B2
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combustion
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combustor
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富明 古屋
輝信 早田
勝平 種村
之義 原
進 半田
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Tokyo Electric Power Co Inc
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Tokyo Electric Power Co Inc
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) この発明はガスタービン燃焼器に係わり、詳しくは環境
の汚染源である窒素酸化物(NOx)の発生を抑制するた
めに触媒を併用するようにしたガスタービン燃焼器に関
する。
The present invention relates to a gas turbine combustor, and more specifically, a catalyst for suppressing the generation of nitrogen oxide (NOx) which is a pollution source of the environment. The present invention relates to a gas turbine combustor designed to be used together.

(従来の技術) 近年、石油資源等の枯渇化に伴ない、種々の代替えエネ
ルギが要求されているが、同時にエネルギ資源の効率的
な使用も要求されている。これらの要求に答えるものの
中には、例えば燃料として天然ガスを使用するガスター
ビン・スチームタービン複合サイクル発電システム、あ
るいは石炭ガス化ガスタービン・スチームタービン複合
サイクル発電システムがあり、現在検討されつつある。
(Prior Art) In recent years, various alternative energies have been demanded with the depletion of petroleum resources and the like, but at the same time, efficient use of energy resources has been demanded. Among those that meet these requirements are, for example, a gas turbine / steam turbine combined cycle power generation system that uses natural gas as a fuel, or a coal gasification gas turbine / steam turbine combined cycle power generation system, which is currently under study.

これらのガスタービン・スチームタービン複合サイクル
発電システムは、化石燃料を使用した従来のスチームタ
ービンによる発電システムに比較して発電効率が高いた
め、将来生産量の増加が予想される天然ガスや石炭ガス
等の燃料を有効に電力に変換できる発電システムとして
期待されている。
These gas turbine / steam turbine combined cycle power generation systems have higher power generation efficiency than conventional steam turbine power generation systems that use fossil fuels, so natural gas, coal gas, etc., whose production is expected to increase in the future, are expected. It is expected as a power generation system that can effectively convert the fuel of the above to electric power.

このようなガスタービン発電システムに使用されている
ガスタービン燃焼器では、従来より燃料と酸化性気体
(一般には空気、以下空気という)との混合ガスをスパ
ークプラグ等を用いて着火して均一な燃焼を行ってい
る。第8図に従来のガスタービン燃焼器の一例が示され
ている。このガスタービン燃焼器においては、燃料ノズ
ル1から噴射された燃料Fがエアダクト3から圧送され
てくる燃焼用空気A1と混合され、スパークプラグ5によ
り着火されて燃焼する。そして、燃焼した気体、すなわ
ち燃焼ガスは、冷却空気A2及び希釈空気A3が加えられ
て、所定のタービン入口温度まで冷却、希釈された後、
タービンノズル7からガスタービン内に噴射される。9
はスワラーである。
In a gas turbine combustor used in such a gas turbine power generation system, a mixed gas of a fuel and an oxidizing gas (generally referred to as air, hereinafter referred to as air) has been conventionally ignited by using a spark plug or the like to obtain a uniform gas. Burning. FIG. 8 shows an example of a conventional gas turbine combustor. In this gas turbine combustor, the fuel F injected from the fuel nozzle 1 is mixed with the combustion air A 1 pressure-fed from the air duct 3 and ignited by the spark plug 5 to burn. Then, the burned gas, that is, the combustion gas, after the cooling air A 2 and the dilution air A 3 are added to cool and dilute to a predetermined turbine inlet temperature,
It is injected from the turbine nozzle 7 into the gas turbine. 9
Is a swirler.

このような従来のガスタービン燃焼器における重大な問
題点の一つは、燃料の燃焼時に多量のNOxが生成して環
境汚染等の悪影響を及ぼすことである。そして、このNO
xが生成する理由は、燃料の燃焼時において、燃焼器内
には部分的に2000℃を超える高温部が存在することにあ
る。
One of the serious problems in such a conventional gas turbine combustor is that a large amount of NOx is generated at the time of combustion of fuel, which adversely affects environmental pollution. And this NO
The reason why x is generated is that at the time of combustion of the fuel, there is a high-temperature part partially exceeding 2000 ° C. in the combustor.

このようなガスタービン燃焼器の問題点を解決するため
に、種々の燃焼方式が検討されており、最近では固相触
媒を用いた触媒燃焼方式が提案されている。この触媒燃
焼方式は、触媒を用いて通常の燃焼器では燃焼し得ない
希薄な燃料を燃焼させるものである。そのため、燃焼温
度はNOxが発生する程には高温にならない。また、ター
ビン入口温度も従来のものと変わりないものとすること
が可能である。
In order to solve the problems of such a gas turbine combustor, various combustion methods have been studied, and recently, a catalytic combustion method using a solid-phase catalyst has been proposed. This catalytic combustion method uses a catalyst to burn a lean fuel that cannot be burned by an ordinary combustor. Therefore, the combustion temperature does not become high enough to generate NOx. Further, the turbine inlet temperature can be the same as the conventional one.

第9図は、触媒燃焼方式に用いる燃焼器の一例である。
図中の符号のうち第8図に示したものと同一のものはそ
れぞれ同一の要素を表わしている。この燃焼器は、副ノ
ズル11を備えると共に、ガス流路上に触媒体13を備える
ことが構造上の特徴である。触媒体13には、通常、ハニ
カム構造の燃焼触媒が装填されていて、ここで燃料と空
気の混合ガスが燃焼させられる。
FIG. 9 is an example of a combustor used in the catalytic combustion system.
Among the reference numerals in the figure, the same elements as those shown in FIG. 8 represent the same elements. This combustor is structurally characterized in that it has a sub-nozzle 11 and a catalyst 13 on the gas flow path. The catalyst body 13 is usually loaded with a honeycomb structure combustion catalyst, and a mixed gas of fuel and air is burned therein.

しかしながら、このようなガスタービン燃焼器にも、次
のような問題点がある。つまり、ガスタービンで要求さ
れるタービンへの噴射燃焼ガス温度は約1100℃程度(高
効率化をめざして今後さらに高温となる)であるため、
その温度まで混合ガスを触媒体で燃焼させた場合、触媒
体それ自身は1100℃より高温度まで加熱されて触媒体が
損壊してしまうという問題である。本発明の発明者らの
実験においても、触媒体13の温度が1100〜1300℃まで昇
温してしまうことが確認されている。そのような状況下
にあるにも拘わらず1100〜1300℃の高温下での耐久性に
優れた触媒体が現状では存在しない。
However, such a gas turbine combustor also has the following problems. In other words, the temperature of the combustion gas injected into the turbine required for the gas turbine is approximately 1100 ° C (it will be even higher in the future with the aim of improving efficiency),
When the gas mixture is burned to that temperature by the catalyst body, the catalyst body itself is heated to a temperature higher than 1100 ° C. and the catalyst body is damaged. The experiments conducted by the inventors of the present invention have also confirmed that the temperature of the catalyst body 13 rises to 1100-1300 ° C. Despite such circumstances, there is currently no catalyst body that has excellent durability at high temperatures of 1100 to 1300 ° C.

そこで、本発明者らは、触媒体13の下流における気相燃
焼を有効に利用し、触媒体13の熱負荷を低減せしめた触
媒燃焼法を先に提案した(特願昭58-229967号)。この
方法は、第10図に示すように、まず燃料F1と空気A1,A2
との希薄混合ガスを触媒体13で燃焼させる方法である。
通常、触媒体を用いて難燃性の希薄混合気を酸化反応さ
せる場合、触媒表面での反応による接触燃焼(触媒燃
焼)と前記ハニカム構造体内などでの気相燃焼とが同時
に生起するが、上記の提案においては、触媒燃焼のみが
生起するように混合ガスの燃料濃度、温度、流量などを
コントロールしている。したがって、触媒体内では気相
燃焼を伴なわないので高温にはならず、燃料もその一部
だけが燃焼して、未燃燃料を含む燃焼ガスが触媒体13か
ら排出される。これによって触媒体の熱による損壊が防
止される。
Therefore, the present inventors have previously proposed a catalytic combustion method in which gas phase combustion in the downstream of the catalyst body 13 is effectively used to reduce the heat load of the catalyst body 13 (Japanese Patent Application No. 58-229967). . In this method, as shown in FIG. 10, first, fuel F 1 and air A 1 , A 2
This is a method of burning a lean mixed gas of and with the catalyst 13.
Usually, when an oxidation reaction of a flame-retardant lean air-fuel mixture is carried out using a catalyst body, catalytic combustion (catalytic combustion) by reaction on the catalyst surface and gas phase combustion in the honeycomb structure and the like occur at the same time, In the above proposal, the fuel concentration, temperature, flow rate, etc. of the mixed gas are controlled so that only catalytic combustion occurs. Therefore, since no high temperature combustion occurs in the catalytic body, the temperature does not rise, and only part of the fuel burns, and the combustion gas containing unburned fuel is discharged from the catalytic body 13. This prevents the catalyst body from being damaged by heat.

上記の提案においては、排出された燃焼ガスに対して、
さらに第10図に示す触媒体13の下流に設けられた燃料供
給管15より新たに燃料を加えることにより、そのガス中
における燃料濃度を高めて触媒体13の下流で気相燃焼を
生起させ、これによってガスタービンへ供給する燃焼ガ
スの高温化を可能とした。すなわち、NOxは通常、燃料
と空気との理論混合比の付近で最大の発生量を示すが、
この提案は触媒体13の下流での気相燃焼を希薄混合比側
で行わせることにより、NOxの発生を抑制しつつ燃料の
完全燃焼を図って必要な燃焼ガス温度が得られるように
したものである。
In the above proposal, for the exhausted combustion gas,
Furthermore, by adding new fuel from a fuel supply pipe 15 provided downstream of the catalyst body 13 shown in FIG. 10, the fuel concentration in the gas is increased to cause gas phase combustion downstream of the catalyst body 13, This made it possible to raise the temperature of the combustion gas supplied to the gas turbine. That is, NOx usually shows the maximum generation amount near the theoretical mixing ratio of fuel and air,
In this proposal, by performing gas-phase combustion downstream of the catalyst body 13 on the lean mixing ratio side, the required combustion gas temperature can be obtained by achieving complete combustion of fuel while suppressing NOx generation. Is.

(発明が解決しようとする課題) しかしながら、上記提案における触媒体下流での気相燃
焼には、次のような問題点がある。それは、触媒体13か
ら排出された燃焼ガスの流れに対して、燃料供給管15よ
り空気が混合されていない高濃度の燃料を加えるために
生ずる燃料濃度分布の不均一である。すなわち、触媒体
13の下流において、部分的に燃料濃度の高い場所と低い
場所とが生ずるのである。その結果、部分的に燃料濃度
が高い場所では、その燃焼温度が高くならざるを得ず、
そのためNOxの発生を招くのである。
(Problems to be Solved by the Invention) However, the vapor phase combustion downstream of the catalyst body in the above proposal has the following problems. That is, the fuel concentration distribution is non-uniform due to the addition of a high concentration of unmixed air from the fuel supply pipe 15 to the flow of the combustion gas discharged from the catalyst body 13. That is, the catalyst body
Downstream of 13, there are partially high and low fuel concentrations. As a result, in places where the fuel concentration is partially high, the combustion temperature must be high,
Therefore, NOx is generated.

このような問題点を解決するために、触媒体13の下流側
に燃料濃度分布を均一化するような燃料供給部が望まれ
る。このような燃料供給部としては、燃焼器内部から燃
料を供給する方式と、燃焼器殻壁17から燃焼器内へ燃料
を噴出させる方式がある。
In order to solve such a problem, a fuel supply unit that makes the fuel concentration distribution uniform on the downstream side of the catalyst body 13 is desired. As such a fuel supply unit, there are a method of supplying fuel from the inside of the combustor and a method of ejecting fuel from the combustor shell wall 17 into the combustor.

燃料濃度分布の均一性を得るには燃焼器内部から燃料を
供給する方式の方が容易であるが、高温ガス中に燃料供
給部をさらすことになるために燃料供給部の冷却を行う
必要があり、構造の複雑さ及び高温下での燃料供給部の
信頼性問題から上記問題点を解決するまでには至ってい
ない。
It is easier to supply the fuel from the inside of the combustor to obtain a uniform fuel concentration distribution, but it is necessary to cool the fuel supply part because it is exposed to high temperature gas. However, due to the complexity of the structure and the reliability of the fuel supply unit at high temperatures, the above problems have not been solved yet.

一方、燃焼器殻壁17から燃焼器内へ噴出させる方式は、
燃料供給部の耐熱性上の問題は少ないが、燃料濃度分布
の均一性を得るためには所定の燃料の貫通距離を得る必
要がある。この燃料の貫通距離は、燃料圧に大きく依存
するが、燃焼器が大型になると規定の燃料圧では燃料の
貫通距離が充分に得られない問題点がある。
On the other hand, the method of ejecting from the combustor shell wall 17 into the combustor is
Although there are few problems in heat resistance of the fuel supply section, it is necessary to obtain a predetermined fuel penetration distance in order to obtain uniform fuel concentration distribution. The fuel penetration distance largely depends on the fuel pressure. However, when the combustor becomes large, there is a problem that the fuel penetration distance cannot be sufficiently obtained at the prescribed fuel pressure.

この発明は、このような従来の問題点に鑑みなされたも
ので、触媒体の下流において燃焼ガスに対して燃料を充
分均一に混合することができ、触媒体を高温度にさらす
ことにより損傷することがなく、しかもハード上の問題
もなくNOxの発生を抑制することのできるガスタービン
燃焼器を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and the fuel can be sufficiently uniformly mixed with the combustion gas in the downstream of the catalyst body, and is damaged by exposing the catalyst body to a high temperature. It is an object of the present invention to provide a gas turbine combustor that is capable of suppressing the generation of NOx without causing any problems in terms of hardware.

[発明の構成] (課題を解決するための手段) 上記課題を解決するため、この発明のガスタービン燃焼
器は、酸化性気体と希薄燃料分とを含む混合ガスの供給
部と、この供給部の下流に設置された触媒燃焼用の触媒
体と、この触媒体の下流にあってガスタービンへの燃焼
ガスを生成する気相燃焼部とを有するガスタービン燃焼
器において、前記気相燃焼部の基端側に前記触媒体を通
過したガスを複数の流れに分割する分割流路構成体を設
け、この分割流路構成体に分割流路各別に燃料を供給す
る燃料供給手段を設け、分割流路構成体の上流端および
下流端の少なくとも何れか一方に分割流路を取囲む空間
部を形成し、この空間部に連通する冷却空気導入通路
と、同じく空間部に連通する分割流路への排出通路とを
分割流路構成体に設けたものである。
[Structure of the Invention] (Means for Solving the Problems) In order to solve the above problems, a gas turbine combustor according to the present invention includes a supply unit for a mixed gas containing an oxidizing gas and a lean fuel, and this supply unit. In a gas turbine combustor having a catalyst body for catalytic combustion installed downstream of the gas turbine and a gas phase combustor downstream of the catalyst body for generating combustion gas to a gas turbine. At the base end side, there is provided a divided flow passage structure for dividing the gas passing through the catalyst body into a plurality of flows, and the divided flow passage constitution body is provided with fuel supply means for supplying fuel to each of the divided flow passages. At least one of the upstream end and the downstream end of the passage structure is formed with a space portion that surrounds the divided flow passage, and a cooling air introduction passage that communicates with this space portion and a divided flow passage that also communicates with the space portion are formed. The discharge passage and the divided flow passage structure are provided. It is.

(作用) この発明のガスタービン燃焼器では、混合ガスの供給部
から燃料分希薄な混合ガスは触媒体内で触媒燃焼し、燃
焼ガスとして分割流路に流入してくる。そして、この分
割流路において、各流路ごとに燃料供給手段から燃料が
加えられて燃焼ガスと混合され、気相燃焼部に送出さ
れ、ここで気相燃焼する。したがって、触媒体の部分で
は比較的低温度で触媒燃焼するだけであり、下流側の気
相燃焼部において完全燃焼させることになる。
(Operation) In the gas turbine combustor according to the present invention, the fuel-lean mixed gas from the mixed gas supply portion is catalytically burned in the catalyst body and flows into the divided passages as combustion gas. Then, in this divided flow path, fuel is added from the fuel supply means for each flow path, mixed with the combustion gas, sent out to the gas phase combustion section, and gas phase combustion is performed there. Therefore, the catalytic combustion portion only catalytically burns at a relatively low temperature, and complete combustion is achieved in the downstream gas-phase combustion portion.

しかも、分割流路構成体に燃料供給手段が設けられて、
分割流路ごとに燃料を噴出させることから燃料濃度分布
の均一化が容易となり、NOxの発生の少ない気相燃焼を
実現することができる。
Moreover, the fuel supply means is provided in the divided flow path structure,
Since the fuel is injected into each of the divided flow paths, it is easy to make the fuel concentration distribution uniform, and it is possible to realize gas-phase combustion with less NOx generation.

燃焼器として成立するには、燃焼性とともに構成部材の
信頼性も必要である。この構造の燃焼器では、分割流路
構成体は触媒燃焼後の高温ガス中にさらされることにな
るが、分割流路構成体の空間部に冷却空気導入通路を通
って冷却空気が流入し、これによって分割流路構成体の
端部が冷却され、その後排出通路を通って分割流路側に
流出する。このため、分割流路構成体の特に高温にさら
される端部が冷却されることから、その耐熱,耐久性が
向上する。
In order to be established as a combustor, the combustibility as well as the reliability of the constituent members are required. In the combustor of this structure, the divided flow passage structure is exposed to the hot gas after catalytic combustion, but the cooling air flows into the space of the divided flow passage structure through the cooling air introduction passage, As a result, the end of the divided flow path structure is cooled, and then flows out to the divided flow path side through the discharge passage. For this reason, since the end portion of the divided flow path structure that is particularly exposed to high temperature is cooled, the heat resistance and durability thereof are improved.

(実施例) 以下この発明の一実施例を第1図ないし第4図を参照し
て説明する。
(Embodiment) An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 4.

第1図はこの実施例の全体的構成を示すものであり、第
8図〜第10図に示した従来例と共通する部分には同一の
符号が付されている。
FIG. 1 shows the overall construction of this embodiment, and the portions common to the conventional example shown in FIGS. 8 to 10 are designated by the same reference numerals.

混合ガスの供給部20は、それぞれ燃料ノズル1,スパーク
プラグ5,スワラー9,副ノズル11等を備えている。そして
燃料ノズル1から供給された燃料Fを燃焼用空気A1と混
合し、スパークプラグ5により着火して予燃焼をさせ
る。この場合スワラー9は燃料と空気とを攪拌して燃焼
の安定化を図るものであるが、用いる燃料や触媒の種類
によっては予燃焼は必ずしも必要としない。このように
して予燃焼をした燃焼ガスに副ノズル11からの燃料F1
エアダクト3からの空気A2とを補給して混合ガスを生成
し、これを触媒体13へ供給する。この場合、触媒体13の
作用温度が安定に保持され、かつ損壊を招く程の高温に
はならないような適温の希薄混合気を生成させるべく、
上記予燃焼ガスの温度および量とともに燃料F1と空気A2
との補給量が調整される。
The mixed gas supply unit 20 includes a fuel nozzle 1, a spark plug 5, a swirler 9, a sub nozzle 11, and the like, respectively. Then, the fuel F supplied from the fuel nozzle 1 is mixed with the combustion air A 1 and ignited by the spark plug 5 to pre-combust. In this case, the swirler 9 stirs fuel and air to stabilize combustion, but pre-combustion is not always necessary depending on the type of fuel and catalyst used. The fuel gas pre-combusted in this manner is replenished with the fuel F 1 from the sub nozzle 11 and the air A 2 from the air duct 3 to generate a mixed gas, which is supplied to the catalyst body 13. In this case, the working temperature of the catalyst body 13 is stably maintained, and in order to generate a lean air-fuel mixture having an appropriate temperature such that the temperature is not high enough to cause damage,
Fuel F 1 and air A 2 together with the temperature and amount of the above pre-combustion gas
The amount of replenishment with is adjusted.

触媒体13の下流側には気相燃焼部21を形成してあって、
その基部側に分割流路構成体25を設けてある。分割流路
構成体25は第2図に示すように複数、この例では7つの
分割流路27と、これらの分割流路27を包容して各流路27
内へ各別に燃料F2を供給する燃料供給手段35と、分割流
路構成体25の主に両端面を冷却するための冷却手段51と
を一体的に備えている。
A gas-phase combustion section 21 is formed on the downstream side of the catalyst body 13,
A divided flow channel structure 25 is provided on the base side thereof. As shown in FIG. 2, a plurality of divided flow passages 25, in this example, seven divided flow passages 27, and the divided flow passages 27 are contained in the divided flow passages 27.
A fuel supply means 35 for separately supplying the fuel F 2 into the inside, and a cooling means 51 for mainly cooling both end faces of the divided flow path constituting body 25 are integrally provided.

第3図および第4図を用いて更に詳述すれば、分割流路
27は、気相燃焼部21の上記基端部にあって相互に対向し
て固定される隔壁29,31と、これらの隔壁29,31に掛け渡
して溶接した短い円管33とによって形成してある。また
上記燃料供給手段35は、これら7個の円管33を取り囲む
中空盤状のジャケット37の内部に形成した燃料分配室39
と、ジャケット37に接合した燃料送給管41と、燃料分配
室39から円管33を介して分割流路27へ連通するノズル孔
43とを備える。そして、ノズル孔43は各分割流路27毎に
適数個ずつ等角度関係に配設されている。燃料送給管41
から送給される前記燃料F2は燃料ガス単体もしくは燃料
ガスと空気との混合体であって、分割流路27とノズル孔
43との数や径は、触媒体13を流過してくるガスの流量と
性状、および燃料F2の燃料圧と流量、等の基本条件によ
って設定されるものである。この際、ノズル孔43からの
燃料F2の貫通距離を分割通路27の半径以上とすることが
望ましく、この条件は流路が分割されていてその流路径
が小さいことで容易に満足させることができる。
More specifically with reference to FIG. 3 and FIG.
27 is formed by partition walls 29, 31 fixed at the base end of the gas-phase combustion section 21 so as to face each other, and a short circular pipe 33 hung over and welded to these partition walls 29, 31. There is. Further, the fuel supply means 35 is provided with a fuel distribution chamber 39 formed inside a hollow disk-shaped jacket 37 surrounding these seven circular tubes 33.
And a fuel feed pipe 41 joined to the jacket 37 and a nozzle hole communicating from the fuel distribution chamber 39 to the divided flow passage 27 through the circular pipe 33.
43 and. An appropriate number of nozzle holes 43 are arranged in each divided channel 27 in equal angular relationship. Fuel supply pipe 41
The fuel F 2 delivered from the fuel tank is a fuel gas alone or a mixture of fuel gas and air, and the divided flow passage 27 and the nozzle holes are provided.
The number and diameter of 43 are set according to basic conditions such as the flow rate and properties of the gas flowing through the catalyst body 13 and the fuel pressure and flow rate of the fuel F 2 . At this time, it is desirable that the penetration distance of the fuel F 2 from the nozzle hole 43 be equal to or larger than the radius of the divided passage 27, and this condition can be easily satisfied because the passage is divided and the passage diameter is small. it can.

さらに、各分割流路27へは各複数のノズル孔43を介して
均等に燃料F2を供給するべく、円管33の間には燃料ガス
が流れにくい領域、いわゆるデッドスペースができうる
限り生じないようにすることが必要で、そのために分割
通路27の配設位置を調節したり断面形状を変えるなどの
対策をとることもありうる。そしてまた、触媒体13を通
過してきた混合ガスと、ノズル孔43からの燃料とを効果
的に混合させるために、これらのノズル孔をできるだけ
触媒体13寄りに設けるのが好ましい。
Further, in order to uniformly supply the fuel F 2 to each of the divided flow passages 27 through each of the plurality of nozzle holes 43, a region where the fuel gas is hard to flow between the circular pipes 33, a so-called dead space is generated as much as possible. It is necessary to prevent this, and for that purpose, it is possible to take measures such as adjusting the disposition position of the divided passage 27 or changing the cross-sectional shape. Further, in order to effectively mix the mixed gas having passed through the catalyst body 13 and the fuel from the nozzle hole 43, it is preferable to provide these nozzle holes as close to the catalyst body 13 as possible.

次に前記冷却手段51の基本構成は、エアダクト3に開設
した透窓53から隔壁29,31間へ空気A4を取り入れて分割
流路構成体25を冷却したのち分割流路27へ導入するよう
にしたものである。この場合には、隔壁29および31の近
傍に空気のデットスペースが形成さる結果、これらの隔
壁がそれぞれ触媒体13および気相燃焼部21からの放射熱
を受けて加熱される。そこでこの実施例では、隔壁29お
よび31の内側にそれぞれディスク55および57を接合して
二重構造とすることにより、これらの内側にそれぞれ空
間部としての空気分配室59および61を形成してある。そ
して上記透窓53から取り入れた空気A4を各ディスク55,5
7に形成した多数の冷却空気導入通路としての通孔63,65
から空気分配室59,61へ流入させたのち、各円管33に等
角度関係で開設した適数個の排出通路としてのエアノズ
ル孔67,69を介して各分割流路27へ供給するようにして
ある。
Next, the basic structure of the cooling means 51 is that air A 4 is introduced from the transparent window 53 provided in the air duct 3 between the partition walls 29 and 31 to cool the divided flow passage structure 25 and then to introduce it into the divided flow passage 27. It is the one. In this case, the dead spaces of air are formed near the partition walls 29 and 31, and as a result, these partition walls are heated by receiving the radiant heat from the catalyst body 13 and the vapor phase combustion section 21, respectively. Therefore, in this embodiment, the disks 55 and 57 are joined to the insides of the partition walls 29 and 31, respectively, to form a double structure, thereby forming the air distribution chambers 59 and 61 as the space portions inside them. . Then, the air A 4 taken in through the transparent window 53 is supplied to each disk 55, 5
Through-holes 63 and 65 formed in 7 as many cooling air introduction passages
After being made to flow into the air distribution chambers 59, 61 from the air supply chambers 59, 61, each circular pipe 33 is supplied to each divided flow passage 27 through a proper number of air nozzle holes 67, 69 which are opened in an equiangular relationship. There is.

上記構成のガスタービン燃焼器の動作について、次に説
明する。
The operation of the gas turbine combustor having the above structure will be described below.

燃料供給ノズル1から供給されてくる燃料Fは、燃焼用
空気A1と混合され、スパークプラグ5により着火されて
予燃焼し、副ノズル11から供給される燃料F1と混合し、
混合ガスとなり触媒体13に流入する。
The fuel F supplied from the fuel supply nozzle 1 is mixed with the combustion air A 1 , ignited by the spark plug 5 and pre-combusted, and mixed with the fuel F 1 supplied from the sub nozzle 11.
It becomes a mixed gas and flows into the catalyst body 13.

この触媒体13においては、混合ガスが触媒反応を起こし
て触媒燃焼する。この触媒燃焼では、副ノズル11から供
給する燃料流量を調整することにより、触媒体13の高温
化を抑制する。この触媒燃焼は不完全燃焼となり触媒体
13から排出される燃焼ガスに未燃燃料が含有されるが、
その後流の気相燃焼部で完全燃焼させるため、かまわな
い。触媒体13がそれ程高温とならないことから、その劣
化、損壊が発生しにくいことになる。触媒体13から排出
されてくる燃焼ガスは、分割流路27内において供給され
てきた新たな燃料ガスF2と混合されて混合ガスとなり気
相燃焼部21に送られていく。そして、この分割流路構成
体25では、空気A4が円管33と接触して流路壁を外部から
冷却しつつ逐次通孔63,65を経て空気分配室59,61へ流入
し、ここで隔壁29,31を冷却したのちエアノズル孔67,69
を介して各分割流路27内へ配分されながら流出し、これ
らが燃焼用空気に参画する。そしてまたエアノズル孔67
から流出した空気は、分割流路27の流路壁に沿って進出
しながらフィルム冷却作用を営むので、この流路壁は内
部からも冷却され、分割流路構成体25の耐熱性の問題は
解決される。
In the catalyst body 13, the mixed gas causes a catalytic reaction and catalytically burns. In this catalytic combustion, the temperature rise of the catalyst body 13 is suppressed by adjusting the fuel flow rate supplied from the sub nozzle 11. This catalytic combustion becomes incomplete combustion and the catalytic body
Combustion gas discharged from 13 contains unburned fuel,
It does not matter since it is completely combusted in the gas phase combustion part of the subsequent flow. Since the catalyst body 13 does not reach such a high temperature, its deterioration and damage are less likely to occur. The combustion gas discharged from the catalyst body 13 is mixed with the new fuel gas F 2 supplied in the divided flow path 27 to become a mixed gas and is sent to the gas phase combustion unit 21. Then, in this divided flow channel structure 25, the air A 4 flows into the air distribution chambers 59, 61 sequentially through the through holes 63, 65 while cooling the flow channel wall from outside by contacting the circular pipe 33, After cooling the partition walls 29, 31 with the air nozzle holes 67, 69
Flow out while being distributed to each of the divided flow paths 27 via the, and these participate in the combustion air. And again the air nozzle hole 67
Since the air flowing out from the film performs a film cooling action while advancing along the flow path wall of the divided flow path 27, this flow path wall is also cooled from the inside, and the heat resistance problem of the divided flow path structure 25 is not a problem. Will be resolved.

さらに、この分割流路27の部分では、所定の燃焼温度を
得るために新たな燃料F2が触媒体13からの燃焼ガスと狭
い領域内で混合されるため、その下流の気相燃焼部21に
入る混合ガスの燃料濃度が均一化され、NOxの発生をよ
り効果的に抑制することができる。
Further, in the portion of the divided flow path 27, new fuel F 2 is mixed with the combustion gas from the catalyst body 13 in a narrow region in order to obtain a predetermined combustion temperature, so that the gas-phase combustion section 21 downstream thereof is provided. The fuel concentration of the mixed gas that enters is made uniform, and the generation of NOx can be suppressed more effectively.

なお、気相燃焼部21では元来希薄混合気を燃焼させるた
めに、冷却用空気が多過ぎると燃焼性の低下を招く。そ
のためこの空気量は冷却のために必要な程度に抑えてお
くのがよく、例えば流路壁にセラミックコーティング層
などの耐熱断熱層を形成しておけば冷却用空気量の抑制
に役立つ。また、分割流路構成体25の上流側温度及び下
流側温度は、触媒体13の作用温度によってどちらが低い
とは言えないが、低温度側の隔壁29あるいは31には必要
により上記耐熱断熱層を形成するなどして空気分配室59
あるいは61を省くこともできる。
In the gas-phase combustion unit 21, since the lean air-fuel mixture is originally burned, if the cooling air is too much, the combustibility is deteriorated. Therefore, this amount of air is preferably suppressed to an extent necessary for cooling. For example, forming a heat-resistant and heat-insulating layer such as a ceramic coating layer on the flow path wall helps to suppress the amount of cooling air. Further, the upstream side temperature and the downstream side temperature of the divided flow channel constituting body 25 cannot be said to be lower depending on the working temperature of the catalyst body 13, but the partition wall 29 or 31 on the low temperature side may be provided with the heat resistant heat insulating layer if necessary. Air distribution chamber 59
Alternatively, 61 can be omitted.

ここで、各分割流路27を形成する円管33は熱膨張を伴う
が、第5図のように各流路にベローズ34を設けることに
より、その熱膨張を吸収することができる。したがっ
て、燃焼器横断面に温度分布があり各分割流路27の熱膨
張に差があったとしても、分割流路構成体25は変形する
ことはなく、ハード面からの信頼性も大となる。
Here, the circular pipe 33 forming each divided flow path 27 is accompanied by thermal expansion, but by providing the bellows 34 in each flow path as shown in FIG. 5, the thermal expansion can be absorbed. Therefore, even if there is a temperature distribution in the cross section of the combustor and there is a difference in the thermal expansion of each divided flow passage 27, the divided flow passage constituent body 25 will not be deformed, and the reliability in terms of hardware will be great. .

なお、気相燃焼部21においては、例えば第6図に示すよ
うなガスの流れを遅滞させ、もしくは逆流させる膨径部
19を殻壁17に形成すると、ガス流がこの膨径部19の内側
に回り込み、ここに保炎部が形成されて気相燃焼が安定
して行われる。
In the gas-phase combustion section 21, for example, an expanded diameter section that delays or reverses the flow of gas as shown in FIG.
When 19 is formed on the shell wall 17, the gas flow circulates inside the expanded diameter portion 19 and a flame holding portion is formed there, so that gas phase combustion is stably performed.

また、分割流路構成体25の下流の領域に、例えば第7図
に示すようにイグナイタ等の点火源23を設ければ、気相
燃焼を容易に開始させることが可能となり、有効であ
る。
Further, if an ignition source 23 such as an igniter is provided in a region downstream of the divided flow channel structure 25, for example, as shown in FIG. 7, vapor phase combustion can be easily started, which is effective.

(発明の実験例) 第1図の示すような構造のガスタービン燃焼器を製作
し、燃焼特性を調べた。ここでの触媒体域の流路径は30
0mm、分割流路27の各流路径は81mm、分割流路の数は7
つとした。分割流路の冷却構造は、隔壁29,31の内側に
空気分配室59,61を設けた二重構造とし、各流路の熱膨
張吸収のためにベローズ34を設けた。そして、分割流路
部に流入する冷却空気量としては、触媒入口空気量の2
%になるようにエアノズル孔67,69の開口面積を設定し
た。触媒体としては、直径300mm、長さ150mmの貴金属系
ハニカムを用いた。
(Experimental Example of the Invention) A gas turbine combustor having a structure as shown in FIG. 1 was manufactured and its combustion characteristics were investigated. The diameter of the flow path in the catalyst body area here is 30
0 mm, the diameter of each of the divided channels 27 is 81 mm, and the number of divided channels is 7
I thought The cooling structure of the divided flow paths was a double structure in which the air distribution chambers 59 and 61 were provided inside the partition walls 29 and 31, and the bellows 34 was provided to absorb the thermal expansion of each flow path. The amount of cooling air that flows into the divided flow path portion is equal to the catalyst inlet air amount of 2
The opening areas of the air nozzle holes 67 and 69 were set so as to be%. A noble metal honeycomb having a diameter of 300 mm and a length of 150 mm was used as the catalyst body.

供給部20において、天然ガス(F1)と空気A2)とが次表
に示す容積比(F1/A2)で混合された混合ガスを450℃ま
で予燃焼により昇温させ、500℃換算にして30m/secの実
機ベースの流速で触媒体に供給して燃焼を行った。
In the supply unit 20, the mixed gas in which the natural gas (F 1 ) and the air A 2 ) are mixed in the volume ratio (F 1 / A 2 ) shown in the following table is heated up to 450 ° C by pre-combustion and then heated to 500 ° C. Combustion was carried out by supplying the catalyst at a flow rate of 30 m / sec based on actual equipment.

なお、燃料送給管41を通じて各分割流路27にノズル孔43
から供給された天然ガス(F2)を含む天然ガス(F1
F2)と空気(A2+A4=A)との比(F1+F2)/Aは、次表
に示すように設定し、気相燃焼の着火はイグナイタに23
より行った。
It should be noted that the nozzle hole 43 is provided in each divided flow path 27 through the fuel supply pipe 41.
Natural gas (F 1 +) including natural gas (F 2 ) supplied from
The ratio (F 1 + F 2 ) / A of F 2 ) to air (A 2 + A 4 = A) is set as shown in the following table, and the ignition of gas phase combustion is performed by the igniter.
I went more.

そして、触媒体の下流700mmの位置で燃焼により生じた
排出ガス中のNOx発生量(ppm)を測定した。なお、燃焼
効率は、何れも99%以上であった。
Then, the NOx generation amount (ppm) in the exhaust gas generated by combustion was measured at a position 700 mm downstream of the catalyst body. The combustion efficiency was 99% or higher in all cases.

比較例として第10図に示す構造のガスタービン燃焼器を
用いて実施例と同様の条件で燃焼を行った。なお、ここ
での触媒体の下流に設けた燃料供給管15は28本設置し、
この燃料供給管から供給される燃料をF2とした。
As a comparative example, a gas turbine combustor having the structure shown in FIG. 10 was used to perform combustion under the same conditions as in the example. In addition, 28 fuel supply pipes 15 are provided downstream of the catalyst body,
The fuel supplied from this fuel supply pipe was designated as F 2 .

本実施例による分割流路のメタル温度は700℃以下であ
った。なお、比較のため冷却手段を設けていない分割流
路を用いて燃焼試験を行ったところ、排出ガスの特性は
本実施例と大差なかったが、分割流路のメタル温度は80
0℃以上の高温になることもあった。また、数回試験後
分割流路を検査したところ、冷却手段を設けていない分
割流路の一部にクラックが生じていた。
The metal temperature of the divided channels according to this example was 700 ° C. or lower. For comparison, when a combustion test was performed using a divided flow passage not provided with a cooling means, the characteristics of the exhaust gas were not much different from those of this example, but the metal temperature of the divided flow passage was 80%.
The temperature could be as high as 0 ° C or higher. Further, when the divided flow passage was inspected after several tests, cracks were found in a part of the divided flow passage where no cooling means was provided.

[発明の効果] 以上のようにこの発明によれば、触媒体の下流側に分割
流路を形成し、各分割流路を構成する分割流路構成体に
燃料の供給手段を設けているため、触媒体からの燃焼ガ
スと分割流路に供給されてくる燃料とを狭い領域内で混
合させることから燃料濃度分布を各部分で均一化するこ
とができ、NOxの発生量を効果的に抑制することができ
る。さらに、分割流路構成体の上流側及び下流側の何れ
か一方の端部に空間部を形成してここに冷却空気を導入
した後、分割流路側に流出させるようにしたため、特に
高温にさらされる上記端部の高温化が防止され、ハード
面での信頼性も大となる。
[Advantages of the Invention] As described above, according to the present invention, the divided flow passages are formed on the downstream side of the catalyst body, and the fuel supply means is provided in the divided flow passage constituents forming each divided flow passage. Since the combustion gas from the catalyst and the fuel supplied to the divided flow channel are mixed in a narrow area, the fuel concentration distribution can be made uniform in each part, and the NOx generation amount is effectively suppressed. can do. Furthermore, since a space is formed at either one of the upstream side and the downstream side of the divided flow channel structure and cooling air is introduced into this space, it is made to flow out to the divided flow channel side, so that it is exposed to particularly high temperatures. The temperature of the above-mentioned end portion is prevented from becoming high, and the reliability in terms of hardware becomes great.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図はこの発明の一実施例に係る燃焼器の側面断面説
明図、第2図は第1図の分割流路構成体の斜視図、第3
図は第2図の側面断面図、第4図は第3図のIV-IV矢視
断面図、第5図は別の実施例に係る分割流路構成体の側
面断面図、第6図および第7図はそれぞれにこの発明の
他の実施例に係る燃焼器の側面断面説明図、第8図,第
9図および第10図はそれぞれ従来例に係る燃焼器の側面
断面説明図である。 13……触媒体、20……混合ガスの供給部 21……気相燃焼部、25……分割流路構成体 27……分割流路、35……燃料供給手段 51……冷却手段 59,61……空気分配室(空間部) 63,65……通孔(冷却空気導入通路) 67,69……エアノズル孔(排出通路)
FIG. 1 is a side cross-sectional explanatory view of a combustor according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a perspective view of the divided flow channel structure of FIG. 1, and FIG.
FIG. 4 is a side sectional view of FIG. 2, FIG. 4 is a sectional view taken along the line IV-IV of FIG. 3, and FIG. 5 is a side sectional view of a split channel structure according to another embodiment. FIG. 7 is a side sectional explanatory view of a combustor according to another embodiment of the present invention, and FIGS. 8, 9 and 10 are side sectional explanatory views of a combustor according to a conventional example. 13 …… Catalyst body, 20 …… Mixed gas supply section 21 …… Gas phase combustion section, 25 …… Split channel structure 27 …… Split channel, 35 …… Fuel supply means 51 …… Cooling means 59, 61 …… Air distribution chamber (space) 63, 65 …… Through hole (cooling air introduction passage) 67,69 …… Air nozzle hole (exhaust passage)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 早田 輝信 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1 株式会 社東芝総合研究所内 (72)発明者 種村 勝平 東京都調布市西つつじケ丘2―4―1 東 京電力株式会社技術研究所内 (72)発明者 原 之義 東京都調布市西つつじケ丘2―4―1 東 京電力株式会社技術研究所内 (72)発明者 半田 進 東京都調布市西つつじケ丘2―4―1 東 京電力株式会社技術研究所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Inventor Terunobu Hayata 1 Komukai Toshiba-cho, Sachi-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Toshiba Research Institute Ltd. Inside the Technical Research Laboratory, Kyoden Electric Co., Ltd. (72) Noriyoshi Hara, 2-4-1 Nishitsujigaoka, Chofu-shi, Tokyo Inside the Technical Research Laboratory, Tokyo Electric Power Co., Inc. Tokyo Electric Power Company Technical Research Center

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】酸化性気体と希薄燃料分とを含む混合ガス
の供給部と、この供給部の下流に設置された触媒燃焼用
の触媒体と、この触媒体の下流にあってガスタービンへ
の燃焼ガスを生成する気相燃焼部とを有するガスタービ
ン燃焼器において、前記気相燃焼部の基端側に前記触媒
体を通過したガスを複数の流れに分割する分割流路構成
体を設け、この分割流路構成体に分割流路各別に燃料を
供給する燃料供給手段を設け、分割流路構成体の上流端
および下流端の少なくとも何れか一方に分割流路を取囲
む空間部を形成し、この空間部に連通する冷却空気導入
通路と、同じく空間部に連通する分割流路への排出通路
とを分割流路構成体に設けたことを特徴とするガスター
ビン燃焼器。
1. A supply unit for a mixed gas containing an oxidizing gas and a lean fuel component, a catalytic combustion catalyst body installed downstream of the supply unit, and a gas turbine located downstream of the catalytic body. In a gas turbine combustor having a gas-phase combustor for generating combustion gas, a divided flow path structure is provided on the base end side of the gas-phase combustor for dividing the gas passing through the catalyst into a plurality of flows. A fuel supply means for supplying fuel to each of the divided flow passages is provided in the divided flow passage structure, and a space portion surrounding the divided flow passage is formed at at least one of an upstream end and a downstream end of the divided flow passage structure. The gas turbine combustor is characterized in that a cooling air introduction passage communicating with the space portion and a discharge passage to the division passage communicating with the space portion are provided in the divided passage structure.
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