JPH0821627A - タービン用燃焼器において拡散モード燃焼及び予混合モード燃焼を行うノズル並びにタービン用燃焼器を運転する方法 - Google Patents
タービン用燃焼器において拡散モード燃焼及び予混合モード燃焼を行うノズル並びにタービン用燃焼器を運転する方法Info
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- JPH0821627A JPH0821627A JP7046031A JP4603195A JPH0821627A JP H0821627 A JPH0821627 A JP H0821627A JP 7046031 A JP7046031 A JP 7046031A JP 4603195 A JP4603195 A JP 4603195A JP H0821627 A JPH0821627 A JP H0821627A
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- F23D2900/00008—Burner assemblies with diffusion and premix modes, i.e. dual mode burners
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 タービンの全運転範囲にわたって機能し、排
気ガス中の大気汚染物の排出量が極めて低い燃料ノズル
を提供する。 【構成】 燃料ノズルには、ハウジング１７と中心管１
４との間に環状室２３が画定されている。管１４の下流
端には、内側スワラ１８及び外側スワラ２０が上流室と
連通して設けられており、スワラ１８、２０の下流に
は、燃焼領域が位置している。燃料ガスをスワラ１８に
供給すると、室２３に流れる空気の一部がスワラ１８で
この供給燃料と混合し、下流の拡散混合カップにおいて
拡散炎を保持する。室２３に流れスワラ２０に向かう残
りの空気を、円周方向に延在しているスプリッタ・ベー
ン２２によって、スワラ１８に供給される空気から分離
する。室２３の上流部では、複数のスポーク４０が室２
３内に張り出しており、予混合燃焼モードでは、燃料ガ
スを室２３に供給する。予混合燃焼モードでは、燃料ガ
スをスワラ１８から遮断し、スポーク４０に供給する。
気ガス中の大気汚染物の排出量が極めて低い燃料ノズル
を提供する。 【構成】 燃料ノズルには、ハウジング１７と中心管１
４との間に環状室２３が画定されている。管１４の下流
端には、内側スワラ１８及び外側スワラ２０が上流室と
連通して設けられており、スワラ１８、２０の下流に
は、燃焼領域が位置している。燃料ガスをスワラ１８に
供給すると、室２３に流れる空気の一部がスワラ１８で
この供給燃料と混合し、下流の拡散混合カップにおいて
拡散炎を保持する。室２３に流れスワラ２０に向かう残
りの空気を、円周方向に延在しているスプリッタ・ベー
ン２２によって、スワラ１８に供給される空気から分離
する。室２３の上流部では、複数のスポーク４０が室２
３内に張り出しており、予混合燃焼モードでは、燃料ガ
スを室２３に供給する。予混合燃焼モードでは、燃料ガ
スをスワラ１８から遮断し、スポーク４０に供給する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、拡散燃焼及び予混合燃
焼の２つのモードを単一ノズルに組み込んだタービン用
燃料ノズルに関し、特に、供給空気を分割して、拡散燃
焼には供給空気の一部のみを利用していると共に予混合
燃焼には供給空気の全量を利用している燃焼器用ノズル
に関する。
焼の２つのモードを単一ノズルに組み込んだタービン用
燃料ノズルに関し、特に、供給空気を分割して、拡散燃
焼には供給空気の一部のみを利用していると共に予混合
燃焼には供給空気の全量を利用している燃焼器用ノズル
に関する。
【０００２】
【従来の技術】周知のように、通常の炭化水素燃料を燃
焼させるガスタービンが生成する大気汚染排出物の主た
るものは、窒素酸化物（ＮＯx ）、一酸化炭素（ＣＯ）
及び未燃焼炭化水素（ＵＨＣ）である。又、空気取り込
みエンジンにおける分子状窒素の酸化が、燃焼系反応領
域内の高熱ガスの最高温度に大きく依存することもよく
知られている。例えば、燃焼器内で温度が上昇するにつ
れて、窒素酸化物を形成する化学反応の速度が指数関数
的に増加する。しかしながら、燃焼室の高温ガスの温度
を低いレベルに制御すれば、熱的（サーマル）ＮＯx は
極めて低い速度で生成される。
焼させるガスタービンが生成する大気汚染排出物の主た
るものは、窒素酸化物（ＮＯx ）、一酸化炭素（ＣＯ）
及び未燃焼炭化水素（ＵＨＣ）である。又、空気取り込
みエンジンにおける分子状窒素の酸化が、燃焼系反応領
域内の高熱ガスの最高温度に大きく依存することもよく
知られている。例えば、燃焼器内で温度が上昇するにつ
れて、窒素酸化物を形成する化学反応の速度が指数関数
的に増加する。しかしながら、燃焼室の高温ガスの温度
を低いレベルに制御すれば、熱的（サーマル）ＮＯx は
極めて低い速度で生成される。
【０００３】燃焼器の反応領域の温度を、熱的ＮＯx の
生成が最小になるレベルに制御する方法として、燃焼前
に、燃料と空気とを予混合してリーン（希薄）混合物を
形成する方法がある。リーン予混合燃焼器の反応領域に
存在している過剰な空気の熱的質量は、熱を吸収し、燃
焼生成物の温度上昇を、ＮＯx の生成が最小になるレベ
ルに抑える。予混合燃焼に付随して、ほとんどの炭化水
素燃料について、燃料／空気混合物強度をリーン可燃限
界に近いレベルまで下げなければならないという問題が
ある。その結果、リーン予混合燃焼器は、通常の拡散炎
燃焼器と比較して、不安定になりがちであり、タービン
の全負荷範囲にわたっての運転でのターンダウン比が適
正でない。点火から拡散炎で燃焼する中間負荷まで、そ
して中間負荷から予混合炎で燃焼する全負荷まで、ガス
タービンの全運転範囲にわたって得られる排気性能を最
良にすることが強く望まれている。
生成が最小になるレベルに制御する方法として、燃焼前
に、燃料と空気とを予混合してリーン（希薄）混合物を
形成する方法がある。リーン予混合燃焼器の反応領域に
存在している過剰な空気の熱的質量は、熱を吸収し、燃
焼生成物の温度上昇を、ＮＯx の生成が最小になるレベ
ルに抑える。予混合燃焼に付随して、ほとんどの炭化水
素燃料について、燃料／空気混合物強度をリーン可燃限
界に近いレベルまで下げなければならないという問題が
ある。その結果、リーン予混合燃焼器は、通常の拡散炎
燃焼器と比較して、不安定になりがちであり、タービン
の全負荷範囲にわたっての運転でのターンダウン比が適
正でない。点火から拡散炎で燃焼する中間負荷まで、そ
して中間負荷から予混合炎で燃焼する全負荷まで、ガス
タービンの全運転範囲にわたって得られる排気性能を最
良にすることが強く望まれている。
【０００４】強力な工業ガスタービン用の拡散及び予混
合の両方の可能なバーナが知られている。例えば、この
形式の従来の燃焼器では、予混合室に流入した空気のす
べてが拡散及び予混合燃焼モードの両方に用いられてい
る。従って、空気供給は予混合燃焼モードには最適であ
るが、拡散燃焼モードで燃料を、予混合室に供給された
同じ全量の空気に噴射すると、それだけで拡散炎の性能
が最適でなくなり、例えば、火炎の安定性が失われる。
他の従来の燃焼器では、予混合及び拡散燃焼モードで空
気を供給するのに２つの別個の通路を用いている。本発
明者が知る限りでは、スワラを用いた場合、これらのス
ワラは空気力学的ベーンを有しているスワラではなく、
平坦なベーンを有しており、これらの平坦なベーンは拡
散及び予混合燃焼モードに、適切に空気を空気通路に流
すのに用いることができない。従って、従来は、予混合
モード及び拡散燃焼モード用に２つの全く異なる別々の
通路が用いられており、従って、予混合モードでは燃料
／空気比がリッチに（濃く）なり、ＮＯx が多くなっ
た。更に、従来の燃焼器では、燃焼器に沿った軸線方向
に離れた位置に２つの別個の空気入口を設けて、拡散及
び予混合燃焼モードを達成している。
合の両方の可能なバーナが知られている。例えば、この
形式の従来の燃焼器では、予混合室に流入した空気のす
べてが拡散及び予混合燃焼モードの両方に用いられてい
る。従って、空気供給は予混合燃焼モードには最適であ
るが、拡散燃焼モードで燃料を、予混合室に供給された
同じ全量の空気に噴射すると、それだけで拡散炎の性能
が最適でなくなり、例えば、火炎の安定性が失われる。
他の従来の燃焼器では、予混合及び拡散燃焼モードで空
気を供給するのに２つの別個の通路を用いている。本発
明者が知る限りでは、スワラを用いた場合、これらのス
ワラは空気力学的ベーンを有しているスワラではなく、
平坦なベーンを有しており、これらの平坦なベーンは拡
散及び予混合燃焼モードに、適切に空気を空気通路に流
すのに用いることができない。従って、従来は、予混合
モード及び拡散燃焼モード用に２つの全く異なる別々の
通路が用いられており、従って、予混合モードでは燃料
／空気比がリッチに（濃く）なり、ＮＯx が多くなっ
た。更に、従来の燃焼器では、燃焼器に沿った軸線方向
に離れた位置に２つの別個の空気入口を設けて、拡散及
び予混合燃焼モードを達成している。
【０００５】
【発明の概要】本発明によれば、拡散燃焼モード用の液
体及びガス燃料ノズルを、予混合モードでの排気レベル
の低い燃焼を行うために燃料と空気とを予混合する燃料
インジェクタと組み合わせる。従って、拡散燃焼モード
用の燃料インジェクタは、スプリッタ・ベーンによって
包囲されている内側スワラを含んでおり、内側スワラ
は、燃料／空気比を制御すると共に、拡散ガス噴射ポー
トのすぐ下流に保護領域を形成しており、しかもスワラ
の空気力学的設計と、スプリッタ・ベーンの存在とによ
り、流れ通路を予混合保炎器の一部として適当なものに
している。外側スワラが内側スワラを包囲しており、両
スワラとも、供給源からの空気、例えばタービン圧縮機
の吐出し空気が供給される上流の室と連通している。ス
プリッタ・ベーンは、内側拡散スワラに供給する空気
を、室に供給されて内側及び外側スワラを通過する全空
気の一部のみに減少させる。従って、内側スワラを通過
する空気中に燃料を噴射するとき、内側スワラ内に形成
されるガス／空気混合物は、スワラの下流の拡散混合カ
ップに安定化された拡散炎を確立する。専用の拡散通
路、即ち内側スワラを設けることにより、そしてその通
路は予混合バーナそれ自体としては不適当であるので、
内側スワラで予混合用に用いられる全空気の量は制限さ
れ、その結果、拡散燃焼モードで燃焼器から得られるＮ
Ｏx 、ＣＯ及びＵＨＣの排出レベルは最適となる。
体及びガス燃料ノズルを、予混合モードでの排気レベル
の低い燃焼を行うために燃料と空気とを予混合する燃料
インジェクタと組み合わせる。従って、拡散燃焼モード
用の燃料インジェクタは、スプリッタ・ベーンによって
包囲されている内側スワラを含んでおり、内側スワラ
は、燃料／空気比を制御すると共に、拡散ガス噴射ポー
トのすぐ下流に保護領域を形成しており、しかもスワラ
の空気力学的設計と、スプリッタ・ベーンの存在とによ
り、流れ通路を予混合保炎器の一部として適当なものに
している。外側スワラが内側スワラを包囲しており、両
スワラとも、供給源からの空気、例えばタービン圧縮機
の吐出し空気が供給される上流の室と連通している。ス
プリッタ・ベーンは、内側拡散スワラに供給する空気
を、室に供給されて内側及び外側スワラを通過する全空
気の一部のみに減少させる。従って、内側スワラを通過
する空気中に燃料を噴射するとき、内側スワラ内に形成
されるガス／空気混合物は、スワラの下流の拡散混合カ
ップに安定化された拡散炎を確立する。専用の拡散通
路、即ち内側スワラを設けることにより、そしてその通
路は予混合バーナそれ自体としては不適当であるので、
内側スワラで予混合用に用いられる全空気の量は制限さ
れ、その結果、拡散燃焼モードで燃焼器から得られるＮ
Ｏx 、ＣＯ及びＵＨＣの排出レベルは最適となる。
【０００６】タービンに負荷を加えるにつれて、安定な
予混合炎を支持することができる。そのとき、ガス燃料
供給を、内側スワラを通過する空気流に直接にガス燃料
を供給する方式から、室の上流部分にガス燃料を供給す
る方式に切り換える。その結果、空気と燃料とを室内で
予混合し、その燃料／空気混合物を内側スワラ及び外側
スワラの両方を通して供給し、下流の再循環域内の予混
合カップで安定化を図る。
予混合炎を支持することができる。そのとき、ガス燃料
供給を、内側スワラを通過する空気流に直接にガス燃料
を供給する方式から、室の上流部分にガス燃料を供給す
る方式に切り換える。その結果、空気と燃料とを室内で
予混合し、その燃料／空気混合物を内側スワラ及び外側
スワラの両方を通して供給し、下流の再循環域内の予混
合カップで安定化を図る。
【０００７】その結果、予混合燃焼モードでは、室に供
給される空気の全量が燃料と混合され、その燃料／空気
混合物が内側スワラ及び外側スワラの両方に流れる。拡
散燃焼モードでは、室を通る全空気流の一部のみ、即
ち、内側スワラに流れる部分のみが燃料と混合され、拡
散炎を安定化するのに適当な燃料／空気比が得られる。
室を通る空気の残り、即ち外側スワラを通る空気が拡散
炎に影響するのを、スプリッタ・ベーンによって防止す
る。
給される空気の全量が燃料と混合され、その燃料／空気
混合物が内側スワラ及び外側スワラの両方に流れる。拡
散燃焼モードでは、室を通る全空気流の一部のみ、即
ち、内側スワラに流れる部分のみが燃料と混合され、拡
散炎を安定化するのに適当な燃料／空気比が得られる。
室を通る空気の残り、即ち外側スワラを通る空気が拡散
炎に影響するのを、スプリッタ・ベーンによって防止す
る。
【０００８】本発明による好適な実施例では、タービン
用燃焼器において拡散モード燃焼及び予混合モード燃焼
を行うノズルが提供される。ノズルは、軸線を有してい
ると共にその軸線の周りに室を画定しているノズル本体
を含んでおり、このノズル本体の室は、上流の空気源か
ら空気を受け取る上流部と、ノズル本体の軸線を中心と
して、半径方向に離間された環状の内側スワラ及び外側
スワラを含んでいる下流部とを含んでいる。各スワラ
は、空気力学的に成形された複数のベーンを有してお
り、前述の室に流れて空気力学的ベーンを通過する空気
に渦流を与える作用を成す。全体的に環状のベーンが、
内側スワラと外側スワラとの間に配設されており、両ス
ワラを通過する流れを分離する。第１の燃料供給配管が
燃料を供給し、この燃料を実質的に内側スワラに流れる
空気とのみ混合して、拡散燃焼用の燃料／空気混合物を
形成する。第２の燃料供給配管が、両スワラの上流で前
述の室に燃料を供給し、この燃料を室内で空気と混合し
て室内に燃料／空気混合物を形成し、この燃料／空気混
合物を予混合燃焼のために内側スワラ及び外側スワラに
流す。
用燃焼器において拡散モード燃焼及び予混合モード燃焼
を行うノズルが提供される。ノズルは、軸線を有してい
ると共にその軸線の周りに室を画定しているノズル本体
を含んでおり、このノズル本体の室は、上流の空気源か
ら空気を受け取る上流部と、ノズル本体の軸線を中心と
して、半径方向に離間された環状の内側スワラ及び外側
スワラを含んでいる下流部とを含んでいる。各スワラ
は、空気力学的に成形された複数のベーンを有してお
り、前述の室に流れて空気力学的ベーンを通過する空気
に渦流を与える作用を成す。全体的に環状のベーンが、
内側スワラと外側スワラとの間に配設されており、両ス
ワラを通過する流れを分離する。第１の燃料供給配管が
燃料を供給し、この燃料を実質的に内側スワラに流れる
空気とのみ混合して、拡散燃焼用の燃料／空気混合物を
形成する。第２の燃料供給配管が、両スワラの上流で前
述の室に燃料を供給し、この燃料を室内で空気と混合し
て室内に燃料／空気混合物を形成し、この燃料／空気混
合物を予混合燃焼のために内側スワラ及び外側スワラに
流す。
【０００９】本発明による他の好適な実施例では、軸線
を有しているノズル本体と、軸線の周りに設けられてい
る室と、この室の下流部に隣接して内側スワラ及び外側
スワラとを含んでいるタービン用燃焼器を運転する方法
が提供される。この方法では、空気を前述のノズル本体
の室に供給し、下流に前述の両スワラに流し、両スワラ
を通る空気流を、第１及び第２の別々の流れに、即ち、
内側スワラを通る第１の流れと、外側スワラを通る第２
の流れとに分離し、燃料を供給し、この燃料を実質的に
内側スワラを通る第１の空気流とのみ混合して燃料／空
気混合物を形成し、こうして前述の室に供給される空気
の一部のみを利用することにより、両スワラの下流で拡
散燃焼を安定化し、燃料を前述の室に供給し、その室を
通る空気流と混合して燃料／空気混合物を形成し、こう
して前述の室に供給される空気のすべてを利用すること
により、予混合燃焼モードでの運転を行う。
を有しているノズル本体と、軸線の周りに設けられてい
る室と、この室の下流部に隣接して内側スワラ及び外側
スワラとを含んでいるタービン用燃焼器を運転する方法
が提供される。この方法では、空気を前述のノズル本体
の室に供給し、下流に前述の両スワラに流し、両スワラ
を通る空気流を、第１及び第２の別々の流れに、即ち、
内側スワラを通る第１の流れと、外側スワラを通る第２
の流れとに分離し、燃料を供給し、この燃料を実質的に
内側スワラを通る第１の空気流とのみ混合して燃料／空
気混合物を形成し、こうして前述の室に供給される空気
の一部のみを利用することにより、両スワラの下流で拡
散燃焼を安定化し、燃料を前述の室に供給し、その室を
通る空気流と混合して燃料／空気混合物を形成し、こう
して前述の室に供給される空気のすべてを利用すること
により、予混合燃焼モードでの運転を行う。
【００１０】従って、本発明の主要な目的は、拡散炎燃
焼器の運転特性を、リーン予混合燃焼器の低排気特性と
組み合わせることにあり、又、これにより予混合及び拡
散燃焼の二重機能を有しており、従って、タービンの全
運転範囲にわたって機能し、しかも、ガスタービン運転
範囲にわたってガスタービン排気ガス中の大気汚染物の
排出量が極めて低い、燃焼システムを提供することにあ
る。得られる空気を燃料との混合に適切に用いることに
より、燃焼器の排気性能を全運転範囲にわたって最適化
する。
焼器の運転特性を、リーン予混合燃焼器の低排気特性と
組み合わせることにあり、又、これにより予混合及び拡
散燃焼の二重機能を有しており、従って、タービンの全
運転範囲にわたって機能し、しかも、ガスタービン運転
範囲にわたってガスタービン排気ガス中の大気汚染物の
排出量が極めて低い、燃焼システムを提供することにあ
る。得られる空気を燃料との混合に適切に用いることに
より、燃焼器の排気性能を全運転範囲にわたって最適化
する。
【００１１】
【実施例】以下に、本発明の実施例を図面を参照しなが
ら説明する。図１において、参照番号１０で全体的に示
されている燃焼器は、内管１２と、中心管１４とを含ん
でいるノズル本体を備えている。内管１２は、中心管１
４から内側に離間していると共に中心管１４で囲まれて
いる高圧液体燃料ノズルとして作用しており、内管１２
と、中心管１４とは、内管１２と中心管１４との間に環
状室１６を画定している。ノズル本体は更に、外側ハウ
ジング１７を含んでおり、又、中心管１４の先端に隣接
して中心管１４とハウジング１７との間に、内側スワラ
１８と、外側スワラ２０とを含んでいる。以下に説明す
る理由で、内側スワラ１８と、外側スワラ２０とは、円
周方向に延在している連続な円筒形スプリッタ・ベーン
２２で分離されている。スワラ・ベーン１８及び２０の
上流且つ中心管１４とハウジング１７との間に、環状室
２３が設けられており、環状室２３にはその上流端で、
圧縮機からの排気のような適当な供給源から空気が供給
されている。こうして、室２３に流れる空気はベーン２
２によって、内側スワラ１８に流れる部分と、外側スワ
ラ２０に流れる残りの部分とに分割される。尚、外側ス
ワラ２０は、ノズルの下流部分に向かって軸線方向に延
長されており、スプリッタ・ベーンも外側スワラ２０と
同じ軸線方向長さだけ延在している。
ら説明する。図１において、参照番号１０で全体的に示
されている燃焼器は、内管１２と、中心管１４とを含ん
でいるノズル本体を備えている。内管１２は、中心管１
４から内側に離間していると共に中心管１４で囲まれて
いる高圧液体燃料ノズルとして作用しており、内管１２
と、中心管１４とは、内管１２と中心管１４との間に環
状室１６を画定している。ノズル本体は更に、外側ハウ
ジング１７を含んでおり、又、中心管１４の先端に隣接
して中心管１４とハウジング１７との間に、内側スワラ
１８と、外側スワラ２０とを含んでいる。以下に説明す
る理由で、内側スワラ１８と、外側スワラ２０とは、円
周方向に延在している連続な円筒形スプリッタ・ベーン
２２で分離されている。スワラ・ベーン１８及び２０の
上流且つ中心管１４とハウジング１７との間に、環状室
２３が設けられており、環状室２３にはその上流端で、
圧縮機からの排気のような適当な供給源から空気が供給
されている。こうして、室２３に流れる空気はベーン２
２によって、内側スワラ１８に流れる部分と、外側スワ
ラ２０に流れる残りの部分とに分割される。尚、外側ス
ワラ２０は、ノズルの下流部分に向かって軸線方向に延
長されており、スプリッタ・ベーンも外側スワラ２０と
同じ軸線方向長さだけ延在している。
【００１２】本発明によれば、内側スワラ１８及び外側
スワラ２０はそれぞれ、全体的に半径方向に延在してい
る空気力学的に成形された複数のベーン２４及び２６を
円周方向に間隔をあけて配置した構成である。即ち、ス
ワラ・ベーンは、通常のスワラの場合のように平坦では
なく、ベーンに沿って流れる空気流又は燃料／空気混合
物に回転が与えられても、空気流又は燃料／空気混合物
がベーンから剥離しないような形状に成形されている
（空気流又は燃料／空気混合物のいずれであるかは以下
の説明から明らかになる）。即ち、ベーンに沿った軸線
方向位置にはベーンからの流れ剥離の領域がない。その
結果、空気力学的ベーンの軸線方向長さに沿って再循環
域が形成されることが予防され、スワラ・ベーンの下流
では何らかの渦分離又は破壊が起こる。円筒形ベーン２
２の内面は、内側スワラ・ベーン２４の後縁と共に、拡
散混合カップを画定している。又、外側スワラ・ベーン
２０及びスプリッタ・ベーン２２の下流で、ハウジング
１７が予混合（プレミックス）カップ２８を画定してい
る。
スワラ２０はそれぞれ、全体的に半径方向に延在してい
る空気力学的に成形された複数のベーン２４及び２６を
円周方向に間隔をあけて配置した構成である。即ち、ス
ワラ・ベーンは、通常のスワラの場合のように平坦では
なく、ベーンに沿って流れる空気流又は燃料／空気混合
物に回転が与えられても、空気流又は燃料／空気混合物
がベーンから剥離しないような形状に成形されている
（空気流又は燃料／空気混合物のいずれであるかは以下
の説明から明らかになる）。即ち、ベーンに沿った軸線
方向位置にはベーンからの流れ剥離の領域がない。その
結果、空気力学的ベーンの軸線方向長さに沿って再循環
域が形成されることが予防され、スワラ・ベーンの下流
では何らかの渦分離又は破壊が起こる。円筒形ベーン２
２の内面は、内側スワラ・ベーン２４の後縁と共に、拡
散混合カップを画定している。又、外側スワラ・ベーン
２０及びスプリッタ・ベーン２２の下流で、ハウジング
１７が予混合（プレミックス）カップ２８を画定してい
る。
【００１３】内管１２と中心管１４との間には、環状室
１６によって形成されている高圧ガス燃料拡散マニホー
ルドが設けられており、このマニホールドに供給源２９
から弁３０及びガス供給ライン３２を通してガスが供給
されている。中心管１４の先端付近に開口３４が形成さ
れており、気体燃料を内側スワラ１８のベーン２４の間
を流れる空気に流入させる。更に、ガス燃料を供給源２
９から弁３０及び供給ライン３６を介して予混合マニホ
ールド３８に供給し、円周方向に離間した複数のスポー
ク４０に流入させる。スポーク４０は室２３の上流部分
に、且つ圧縮機からの吐出し空気の通路内に配置されて
いる。スポーク４０の各々には、半径方向開口４２若し
くは軸線方向開口４４、又は半径方向開口４２及び軸線
方向開口４４の両方が設けられており、開口を通してマ
ニホールド３８からの燃料を室２３内に供給し、室２３
で燃料と空気とを混合する。尚、弁３０は、気体燃料を
供給ライン３２及び３６のいずれか又は同時に両方に供
給する。従って、燃料をノズルに供給するためには、拡
散燃焼モードでは、開口３４を通して内側スワラ１８に
送り、空気と混合するか、予混合燃焼モードでは、スポ
ーク４０の開口を通して室２３に送り、室２３で空気と
混合することができる。又は、燃料を開口３４と、スポ
ーク４０の開口との両方に同時に供給することもでき
る。
１６によって形成されている高圧ガス燃料拡散マニホー
ルドが設けられており、このマニホールドに供給源２９
から弁３０及びガス供給ライン３２を通してガスが供給
されている。中心管１４の先端付近に開口３４が形成さ
れており、気体燃料を内側スワラ１８のベーン２４の間
を流れる空気に流入させる。更に、ガス燃料を供給源２
９から弁３０及び供給ライン３６を介して予混合マニホ
ールド３８に供給し、円周方向に離間した複数のスポー
ク４０に流入させる。スポーク４０は室２３の上流部分
に、且つ圧縮機からの吐出し空気の通路内に配置されて
いる。スポーク４０の各々には、半径方向開口４２若し
くは軸線方向開口４４、又は半径方向開口４２及び軸線
方向開口４４の両方が設けられており、開口を通してマ
ニホールド３８からの燃料を室２３内に供給し、室２３
で燃料と空気とを混合する。尚、弁３０は、気体燃料を
供給ライン３２及び３６のいずれか又は同時に両方に供
給する。従って、燃料をノズルに供給するためには、拡
散燃焼モードでは、開口３４を通して内側スワラ１８に
送り、空気と混合するか、予混合燃焼モードでは、スポ
ーク４０の開口を通して室２３に送り、室２３で空気と
混合することができる。又は、燃料を開口３４と、スポ
ーク４０の開口との両方に同時に供給することもでき
る。
【００１４】このノズルを使用するに当たっては、始動
時に弁３０を回して燃料ガスを供給ライン３２、マニホ
ールド１６及び開口３４を通して、内側スワラ１８に流
れる空気中に供給する。尚、空気は空気源から室２３を
介して供給され、従って、室２３内の空気の一部のみが
内側スワラ１８に供給されて、開口３４から供給される
燃料ガスと混合する。こうして生じた拡散燃料／空気混
合物は拡散スワラ１８を出て、拡散混合カップ２２に入
る。渦流れにより、拡散炎混合カップ２２の中心線に沿
って再循環域が生成され、この再循環域が高温ガスを燃
焼器反応領域から引き戻し、火炎面を拡散炎混合カップ
２２内に係留する。外側スワラ２０に流れる空気の部分
は、スプリッタ・ベーン２２によって内側スワラ１８か
ら出る燃料／空気混合物から分離されている。従って、
少量の空気、即ち、室２３に供給された全空気の一部が
内側スワラ１８に供給される。このことは、拡散燃焼モ
ードに最適であり、炎から生じるＮＯx 、ＣＯ及びＵＨ
Ｃ排出レベルは、このモードで達成できる最適なレベル
となる。
時に弁３０を回して燃料ガスを供給ライン３２、マニホ
ールド１６及び開口３４を通して、内側スワラ１８に流
れる空気中に供給する。尚、空気は空気源から室２３を
介して供給され、従って、室２３内の空気の一部のみが
内側スワラ１８に供給されて、開口３４から供給される
燃料ガスと混合する。こうして生じた拡散燃料／空気混
合物は拡散スワラ１８を出て、拡散混合カップ２２に入
る。渦流れにより、拡散炎混合カップ２２の中心線に沿
って再循環域が生成され、この再循環域が高温ガスを燃
焼器反応領域から引き戻し、火炎面を拡散炎混合カップ
２２内に係留する。外側スワラ２０に流れる空気の部分
は、スプリッタ・ベーン２２によって内側スワラ１８か
ら出る燃料／空気混合物から分離されている。従って、
少量の空気、即ち、室２３に供給された全空気の一部が
内側スワラ１８に供給される。このことは、拡散燃焼モ
ードに最適であり、炎から生じるＮＯx 、ＣＯ及びＵＨ
Ｃ排出レベルは、このモードで達成できる最適なレベル
となる。
【００１５】予混合燃焼モードでは、弁３０を回してラ
イン３２を通してのガス燃料の供給を遮断し、ガス燃料
をライン３６を介してスポーク４０に、そしてその開口
を通して室２３内の空気中に供給する。こうして、燃料
をスポーク４０によって分配し、室２３に供給された空
気のすべてと混合する。予混合燃焼モードの燃料／空気
混合物は、内側スワラ１８及び外側スワラ２０の両方に
入る。内側スワラ１８及び外側スワラ２０の空気力学的
ベーンが流れを高速度渦に加速し、この高速渦は、燃焼
が反応領域から室２３（予混合室として作用している）
に逆流する、即ち、逆火が生じるのを防止する。両スワ
ラから出る予混合流の回転により、燃焼室から予混合カ
ップ２８への高温ガスの中心再循環流れが生じ、従っ
て、予混合火炎面が予混合カップ２８内で安定する。そ
の結果、圧縮機の排気から室２３に流入する空気の全量
がスポーク４０から出てくる燃料との混合に用いられる
ことがわかる。従って、予混合燃焼モードでのリーン
（希薄）燃料／空気比が得られ、こうしてタービンの中
間から高負荷運転範囲でのＮＯx 排気量レベルを減少さ
せる。
イン３２を通してのガス燃料の供給を遮断し、ガス燃料
をライン３６を介してスポーク４０に、そしてその開口
を通して室２３内の空気中に供給する。こうして、燃料
をスポーク４０によって分配し、室２３に供給された空
気のすべてと混合する。予混合燃焼モードの燃料／空気
混合物は、内側スワラ１８及び外側スワラ２０の両方に
入る。内側スワラ１８及び外側スワラ２０の空気力学的
ベーンが流れを高速度渦に加速し、この高速渦は、燃焼
が反応領域から室２３（予混合室として作用している）
に逆流する、即ち、逆火が生じるのを防止する。両スワ
ラから出る予混合流の回転により、燃焼室から予混合カ
ップ２８への高温ガスの中心再循環流れが生じ、従っ
て、予混合火炎面が予混合カップ２８内で安定する。そ
の結果、圧縮機の排気から室２３に流入する空気の全量
がスポーク４０から出てくる燃料との混合に用いられる
ことがわかる。従って、予混合燃焼モードでのリーン
（希薄）燃料／空気比が得られ、こうしてタービンの中
間から高負荷運転範囲でのＮＯx 排気量レベルを減少さ
せる。
【００１６】以上、本発明を現在最も実用的且つ好適と
考えられる実施例について説明したが、本発明は、それ
に限定されず、本発明の要旨の範囲内に含まれる種々の
変更及び均等構成を包含している。
考えられる実施例について説明したが、本発明は、それ
に限定されず、本発明の要旨の範囲内に含まれる種々の
変更及び均等構成を包含している。
【図１】本発明による拡散及び予混合燃焼モード兼用燃
焼器を一部破断して示す線図である。
焼器を一部破断して示す線図である。
【図２】図１の２−２線方向に見た断面図である。
【図３】図１の３−３線方向に見た断面図である。
１０ 燃焼器 １２ 内管 １４ 中心管 １７ 外側ハウジング １８ 内側スワラ ２０ 外側スワラ ２２ スプリッタ・ベーン ２３ 環状室 ２４、２６ 空気力学的ベーン ２８ 予混合カップ ２９ 燃料源 ３４ 中心管の孔 ３８ マニホールド ４０ スポーク
Claims (15)
- 【請求項１】 タービン用燃焼器において拡散モード燃
焼及び予混合モード燃焼を行うノズルであって、 軸線を有していると共に該軸線の周りに室を画定してい
るノズル本体であって、前記室は、上流の空気源から空
気を受け取る上流部と、前記軸線を中心として半径方向
に離間している環状の内側スワラ及び外側スワラを含ん
でいる下流部とを有しており、前記スワラの各々は、空
気力学的に成形されている複数のベーンであって、前記
室を流れて該空気力学的ベーンを通過する空気に渦流を
与える複数のベーンを有している、ノズル本体と、 前記内側スワラと前記外側スワラとの間に設けられてお
り、該内側スワラ及び該外側スワラを通過する流れを分
離する全体的に環状のベーンと、 燃料を供給し、該燃料を実質的に前記内側スワラに流れ
る空気とのみ混合して拡散燃焼用の燃料／空気混合物を
形成する第１の燃料供給配管と、 前記内側スワラ及び前記外側スワラの上流で前記室に燃
料を供給し、該燃料を該室内で空気と混合して該室内に
燃料／空気混合物を形成し、該燃料／空気混合物を予混
合燃焼のために前記内側スワラ及び前記外側スワラに流
す第２の燃料供給配管とを備えたタービン用燃焼器にお
いて拡散モード燃焼及び予混合モード燃焼を行うノズ
ル。 - 【請求項２】 前記第２の燃料供給配管は、前記室内に
円周方向に隔設された全体的に半径方向に延在している
複数のスポークを含んでおり、該スポークの各々は、燃
料を前記室に供給する少なくとも１つの開口を有してい
る請求項１に記載のノズル。 - 【請求項３】 前記ノズル本体は、中心管を含んでお
り、前記内側スワラは、前記中心管によりその端部付近
で担持されていると共に、そこから半径方向外方に延在
しており、前記中心管は、前記第１の燃料供給配管の一
部を形成している開口であって、燃料を前記内側スワラ
に供給する開口を含んでいる請求項１に記載のノズル。 - 【請求項４】 前記内側スワラのベーンの下流端は、前
記外側スワラのベーンの下流端より手前で終端してお
り、前記環状のベーンは、前記内側スワラのベーンより
下流に延在していると共に、前記外側スワラのベーンの
下流端と実質的に同じ範囲で終端している請求項１に記
載のノズル。 - 【請求項５】 前記内側スワラ及び前記室に燃料を交互
に供給する前記第１及び第２の燃料供給配管に燃料を供
給する手段を含んでいる請求項１に記載のノズル。 - 【請求項６】 前記内側スワラの下流に拡散炎カップを
含んでいる請求項１に記載のノズル。 - 【請求項７】 前記外側スワラの下流に予混合炎カップ
を含んでいる請求項１に記載のノズル。 - 【請求項８】 前記第２の燃料供給配管は、前記室内に
円周方向に隔設された全体的に半径方向に延在している
複数のスポークを含んでおり、該スポークの各々は、燃
料を前記室に供給する少なくとも１つの開口を有してお
り、 前記ノズル本体は、中心管を含んでおり、前記内側スワ
ラは、前記中心管によりその端部付近で担持されている
と共に、そこから半径方向外方に延在しており、前記中
心管は、前記第１の燃料供給配管の一部を形成している
開口であって、燃料を前記内側スワラに供給する開口を
含んでいる請求項１に記載のノズル。 - 【請求項９】 前記内側スワラのベーンの下流端は、前
記外側スワラのベーンの下流端より手前で終端してお
り、前記環状のベーンは、前記内側スワラのベーンより
下流に延在していると共に、前記外側スワラのベーンの
下流端と実質的に同じ範囲で終端している請求項８に記
載のノズル。 - 【請求項１０】 前記内側スワラ及び前記室に燃料を交
互に供給する前記第１及び第２の燃料供給配管に燃料を
供給する手段と、 前記内側スワラの下流に設けられている拡散炎カップ
と、 前記外側スワラの下流に設けられている予混合炎カップ
とを含んでいる請求項９に記載のノズル。 - 【請求項１１】 軸線と、該軸線の周りに設けられてい
る室と、該室の下流部に隣接している内側スワラ及び外
側スワラとを有しているノズル本体を含んでいるタービ
ン用燃焼器を運転する方法であって、 前記室に空気を供給し、下流へ前記内側スワラ及び前記
外側スワラに流す工程と、 前記内側スワラ及び前記外側スワラを通る空気流を、別
々の前記内側スワラを通る第１の流れと、前記外側スワ
ラを通る第２の流れとに分離する工程と、 燃料を供給し、該燃料を実質的に前記内側スワラを通る
第１の空気の流れとのみ混合して燃料／空気混合物を形
成し、こうして前記室に供給される空気の一部のみを利
用することにより前記内側スワラ及び前記外側スワラの
下流で拡散燃焼を安定化する工程と、 燃料を前記室に供給し、該室を通る空気流と混合して燃
料／空気混合物を形成し、こうして前記室に供給される
空気のすべてを利用することにより予混合燃焼モードで
の運転を行う工程とを備えたタービン用燃焼器を運転す
る方法。 - 【請求項１２】 拡散及び予混合燃焼モードを切り換え
るように前記内側スワラ及び前記室への燃料の供給を切
り換える工程を含んでいる請求項１１に記載の方法。 - 【請求項１３】 前記第１の空気の流れとのみ混合する
ように燃料を供給する工程は、燃料を前記内側スワラに
直接に供給する工程を含んでいる請求項１１に記載の方
法。 - 【請求項１４】 前記燃料を室に供給する工程は、先ず
燃料を半径方向外方へ向け、前記室を軸線方向に流れる
空気と該燃料を混合する工程を含んでいる請求項１１に
記載の方法。 - 【請求項１５】 拡散及び予混合燃焼モードを切り換え
るように、燃料の前記内側スワラ及び前記室への供給を
切り換える工程と含んでおり、 前記第１の空気の流れとのみ混合するように燃料を供給
する工程は、燃料を前記内側スワラに直接に供給する工
程を含んでおり、 前記燃料を室に供給する工程は、先ず燃料を半径方向外
方へ向け、前記室を軸線方向に流れる空気と該燃料を混
合する工程を含んでいる請求項１１に記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US212401 | 1994-03-14 | ||
| US08/212,401 US5435126A (en) | 1994-03-14 | 1994-03-14 | Fuel nozzle for a turbine having dual capability for diffusion and premix combustion and methods of operation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0821627A true JPH0821627A (ja) | 1996-01-23 |
| JP3628747B2 JP3628747B2 (ja) | 2005-03-16 |
Family
ID=22790853
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04603195A Expired - Fee Related JP3628747B2 (ja) | 1994-03-14 | 1995-03-07 | タービン用燃焼器において拡散モード燃焼及び予混合モード燃焼を行うノズル並びにタービン用燃焼器を運転する方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5435126A (ja) |
| EP (1) | EP0672865B1 (ja) |
| JP (1) | JP3628747B2 (ja) |
| CA (1) | CA2143232C (ja) |
| DE (1) | DE69523082T2 (ja) |
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