JPH08278028A - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】特に予混合燃焼の燃焼割合が大きい燃焼器に対
して、振動燃焼や燃焼器の変形を特別な制御機構を設け
ること無しに抑制でき、安定燃焼が可能なガスタービン
燃焼器を提供する。 【構成】燃焼室７を形成している燃焼筒と、この燃焼筒
の上流側に配置され、燃料と空気を混合する予混合器４
とを備え、前記予混合器の出口に前記燃焼筒と同芯円状
に形成された保炎器１２を備えているガスタービン燃焼
器において、前記保炎器１２の火炎と接する側の面を、
燃焼筒の中心軸と垂直な線に対して所定の角度をもつよ
うに形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガスタービン燃焼器に係
り、特に燃料と空気を予混合して燃焼させる燃焼室と、
この燃焼室内の燃焼を安定化するために設けたパイロッ
トバーナーおよび保炎器を備えているガスタービン燃焼
器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来一般に採用されているこの種燃焼
器、すなわち燃料と空気を予め混合させて燃焼させる燃
焼室およびこの燃焼室内の燃焼を安定化するためにパイ
ロットバーナーを備えている低ＮＯｘ型のガスタービン
燃焼器は、図２に示されているように保炎器１２を備え
ているのが普通である。すなわち、２０が燃焼筒で、そ
の内部には燃焼室７が形成されており、そしてこの燃焼
室の上流側にパイロットバーナー１および予混合器４が
配置されている。２はこの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の空気供給系、５は予
混合器４の燃料噴射装置、６は予混合器の空気供給系、
８は圧縮器である。

【０００３】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の空気供給系３および予混合
器４の空気供給系６へと分配される。予混合器４の空気
供給系６へ供給された空気は、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。

【０００４】予混合気９は、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易く火
炎の吹き飛びなどが生じる可能性がある。そのため、一
般には燃焼室７の前段にパイロットバーナー１および保
炎器１２が設けられる。

【０００５】パイロットバーナー１では、燃料噴射装置
２からの燃料と空気供給系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、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。

【０００６】また、保炎器１２の背面には循環流が形成
されるため、既燃焼気体が循環流により保炎器１２の背
面に引き戻され、保炎器のエッジにおいて新たな予混合
気を着火する。この機構によっても予混合火炎は安定化
される。

【０００７】次に、このように形成されている燃焼器の
ＮＯｘ発生の抑制機構について図３を用いて説明する。
この従来の燃焼器では、拡散および予混合燃焼を併用し
ている。この図は予混合燃焼および拡散燃焼の燃空比に
対するＮＯｘ発生量を示しており、同じ燃空比（燃料量
／空気量）に対しては、拡散燃焼より予混合燃焼を用い
た方がＮＯｘを減らすことができる。

【０００８】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、ＮＯｘの発生は少ないのである。そこ
で、従来においては予混合燃焼の割合を増やすことでＮ
Ｏｘの抑制を実現するようにしている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このように従来におい
ては、予混合燃焼の割合を増すことでＮＯｘの抑制を図
るようにしているが、しかし最近のようにさらなるＮＯ
ｘ発生量の低減が要望され、そのＮＯｘ発生量を２０ｐ
ｐｍ以下に抑えるためには、予混合燃焼割合を９０〜９
８％程度にする必要がある。この場合、予混合燃焼割合
を増すことでＮＯｘ発生量は小さくなるものの予混合火
炎は不安定に成りやすいために、振動燃焼が発生しやす
い。振動燃焼の振動振幅が大きい場合、予混合器内への
逆火を生じさせたり、燃焼器を変形させるなどの弊害を
生じる恐れがある。

【００１０】本発明はこれに鑑みなされたもので、その
目的とするところは、特に予混合燃焼の燃焼割合が大き
い燃焼器に対して、振動燃焼や燃焼器の変形を特別な制
御機構を設けること無しに抑制でき、安定燃焼が可能な
この種のガスタービン燃焼器を提供するにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、燃焼
室を形成している燃焼筒と、この燃焼筒の上流側に配置
され、燃料と空気を混合する予混合器とを備え、前記予
混合器の出口に前記燃焼筒と同芯円状に形成された保炎
器を備えているガスタービン燃焼器において、前記保炎
器の火炎と接する側の面を、燃焼筒の中心軸と垂直な線
に対して所定の角度をもつように形成し、所期の目的を
達成するようにしたものである。

【００１２】また、この場合前記保炎器の火炎側の面
が、燃焼筒の中心軸側を向くように傾斜させたものであ
る。また、前記保炎器の火炎側の面を、内外二つの面に
分け、内側の面は燃焼筒の中心軸線と垂直な面となるよ
うに形成し、外側の面は、燃焼筒の中心軸側を向くよう
に傾斜させるようにしたものである。また、保炎器の火
炎側の面を、燃焼筒の中心軸側を向くように傾斜させる
とともに、周方向に複数個に分割するようにしたもので
ある。

【００１３】また、保炎器を、前記燃焼筒と同芯円状に
複数段設けるとともに、前記各段の保炎器の火炎側の面
を、燃焼筒の中心軸側を向くように傾斜させるようにし
たものである。また、保炎器を、前記燃焼筒と同芯円状
に複数段設けるとともに、前記各段のうちいずれかの段
の保炎器の火炎側の面を、燃焼筒の中心軸側を向くよう
に傾斜させるようにしたものである。

【００１４】また、保炎器を、前記燃焼筒と同芯円状に
複数段設けるとともに、前記各段のうちいずれかの段の
保炎器の火炎側の面を、燃焼筒の中心軸側を向くように
傾斜させ、かつ前記予混合器出口と前記保炎器とにより
形成される複数以上の予混合気体の流路の各断面積をそ
れぞれ同一に形成するようにしたものである。

【００１５】

【作用】このように形成された保炎器を有するガスター
ビン燃焼器の作用について図４〜図６を用い説明する。
図４には現在考えられている振動燃焼の発生機構が示さ
れている。燃料、空気の供給系統に圧力あるいは流量の
変動が生じた場合、保炎器背面に形成された火炎が不安
定となる。火炎の不安定は、火炎帯内での発熱量の変
動、またそれに伴う圧力の変動を引き起こすことにな
る。生じた圧力波が燃焼器内で気柱共鳴すると、圧力変
動が増幅され燃焼振動を発生する。燃焼振動は、燃料、
空気の供給系統に圧力、流量の変動を生じさせ、フィー
ドバック機構を形成する。

【００１６】図５および図６は、振動燃焼による保炎器
からの放出渦の変化を示すもので、図５の正常燃焼時に
は、保炎器の両端から放出される大規模渦は、図のよう
に各々渦の中心の位相がずれて放出される。それに対
し、図６の振動燃焼がある場合には、保炎器両端から放
出される大規模渦は、図のように渦の各中心の位相が同
相となる、所謂ロックイン（Ｌｏｃｋ Ｉｎ）状態とな
る。燃焼は主に渦の中心領域で行なわれるために、この
位相の揃った渦の放出周期と燃焼器の気柱共鳴の固有振
動数が一致すると振動燃焼を増幅させる。

【００１７】これより、保炎器からの両端から放出され
る大規模渦のそれぞれの位相をずらし、ロックインを防
止することにより、振動燃焼を抑制できる。ロックイン
状態は、各々の放出渦の放出周波数が同じ場合に生じや
すい。各々の放出渦の放出周波数を変えるには、例え
ば、本発明のように、保炎器を予混合気流れ方向に対し
て傾けて設置することである。このように、保炎器が予
混合気流れ方向に対して傾いていると両端から放出され
る大規模渦の放出周波数を互いに変えることができる。
それ故、本発明において以下のような作用が生じる。

【００１８】すなわち、保炎器の火炎と接する側の面
を、燃焼筒の中心軸と垂直な線に対して所定の角度をも
つように形成されていることから、保炎器から放出され
る渦の放出周期が両側で異なるために、ロックインしに
くくなる。この機構を利用することにより、振動燃焼の
発生を抑制することができる。

【００１９】また、保炎器の火炎側の面を、内外二つの
面に分け、内側の面は燃焼筒の中心軸線と垂直な面とな
るように形成し、外側の面は、燃焼筒の中心軸側を向く
ように傾斜させることにより、振動燃焼の発生を抑制す
ると同時に、火炎の安定性を確保し、燃焼室内の予混合
燃焼の安定化を図ることができる。また、保炎器の火炎
側の面を、燃焼筒の中心軸側を向くように傾斜させると
ともに、周方向に複数個に分割することにより、さらに
効果的に振動燃焼の発生を抑制すると共に、燃焼室内の
予混合燃焼の安定化を図ることができる。

【００２０】また、保炎器を、前記燃焼筒と同芯円状に
複数段設けるとともに、前記各段のうちいずれかの段の
保炎器の火炎側の面を、燃焼筒の中心軸側を向くように
傾斜させ、かつ前記予混合器出口と前記保炎器とにより
形成される複数以上の予混合気体の流路の各断面積をそ
れぞれ同一に形成することにより、振動燃焼の発生を抑
制すると共に、燃焼室内の予混合燃焼の安定化を図り、
かつ予混合気内への逆火を抑制することができるのであ
る。

【００２１】

【実施例】以下図示した実施例に基づいて本発明を詳細
に説明する。図１にはその第１の実施例である保炎器を
有するガスタービン燃焼器が示され、また図７にはその
保炎器が単品で示されている。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、４は予混合器、５は予混合器の燃料噴射装置、６は
予混合器の空気供給系、７は燃焼室、８は圧縮器、１３
は本発明よる保炎器である。本発明のガスタービン燃焼
器においては、パイロットバーナーの空気供給系６に
は、圧縮器８から空気が供給される。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、空気供給系
１２より供給される空気と混合しながら燃焼し、パイロ
ットバーナーを形成する。

【００２２】また、予混合器４では、燃料噴射装置５お
よび空気供給系６からそれぞれ燃料、空気の供給を受け
予混合気９が作られる。予混合器４の出口には、保炎器
１３が設置される。前記予混合気９は燃焼室７へ供給さ
れパイロットバーナーおよび保炎器により安定化されて
燃焼する。既燃焼気体は、ガスタービン本体１９へ輸送
される。

【００２３】保炎器１３は、その単品が図７に示されて
いるように、燃焼筒とほぼ同心円状をなしたリング状に
構成され、その断面において火炎が接する保炎器両端
Ａ、Ｂを結んだ直線が燃焼器中心軸に対してある角度を
なすように構成される。この場合には、燃焼筒の軸芯側
を向くように傾斜させると火炎の形成上有効である。な
お、１６はこの保炎器にて形成される火炎帯、１４は保
炎器から放出される大規模渦、１７は燃焼器の中心軸線
である。

【００２４】このように形成された保炎器であると、保
炎器１３から放出される大規模渦の各々の放出周波数が
異なるため、渦のロックインしにくくなり、振動燃焼を
抑制することができ、特別な制御機構を設けることなし
に振動燃焼のレベルを小さくすることができる。なお、
この場合循環流１５の形状の歪みを押さえるようにすれ
ば、保炎性能を維持したまま、保炎器１３から放出され
る大規模渦の各々の放出周波数を変えることができ、振
動燃焼を抑制することができる。

【００２５】図８は本発明のもう一つの実施例（第２の
実施例）を示すもので、１３は保炎器、１６は火炎帯、
４は予混合器、９は予混合気、１４は保炎器から放出さ
れる大規模渦および１７は燃焼器中心軸である。この実
施例は、複数の同芯円状の保炎器を配置した場合の例
で、寸法および保炎器と燃焼器中心軸がなす角度αがそ
れぞれ異なる複数の保炎器１３を予混合器９の出口に設
置するようにしたものである。

【００２６】なお、この場合、保炎器の火炎側の面を内
外二つの面に分け、内側の面は燃焼筒の中心軸線と垂直
な面となるように形成し、外側の面は中心軸側を向くよ
うに傾斜させたが、火炎側の面全体を傾斜させるように
してもよいし、また複数の保炎器のうちいずれかを傾斜
させるようにしてもよいであろう。

【００２７】このような保炎器であると、各保炎器の両
端からは、それぞれ大規模渦が放出され、そして各々の
大規模渦の放出周波数は、それぞれ異なるために保炎性
能を維持したまま、より効果的に振動燃焼を抑制するこ
とができる。

【００２８】図９はさらに本発明の他の実施例（第３の
実施例）を示すもので、１３は保炎器、１６は火炎帯、
４は予混合器、９は予混合気、１４は保炎器から放出さ
れる大規模渦である。この実施例では、実施例２で示し
た保炎器が燃焼器周方向に対して、複数に分割されて予
混合器９の出口に設置されている。分割された領域では
大規模渦が存在しないため、この領域は保炎器からの放
出渦のロックインを抑制する効果を持つ。そのため上記
の構成によれば、より効果的に振動燃焼を抑制すること
ができる。

【００２９】図１０はさらに本発明の他の実施例（第４
の実施例）を示し、１３は保炎器、４は予混合器、９は
予混合気である。この実施例では、前記予混合器出口と
前記保炎器とにより形成する複数以上の予混合気体の流
路の各断面積をそれぞれ等しくなるように構成したもの
である。

【００３０】上記第１〜３の実施例では、保炎器１３と
予混合器４の出口とで形成される予混合気体の流路面積
がそれぞれ異なり、したがって予混合器４の出口から遠
い側の保炎器の端部では、流路断面積が大きいため予混
合気流速が遅くなり、火炎が予混合器内へ逆火する可能
性があるが、それに対し、この実施例では予混合器壁１
８を保炎器側へと伸ばし、流路断面積を等しくなるよう
にしていることから、振動燃焼を抑制するとともに、逆
火も合わせて防止することができる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、予混合器の出口に前記燃焼筒と同芯円状に形成され
た保炎器を備えているガスタービン燃焼器において、保
炎器の火炎と接する側の面を、燃焼筒の中心軸と垂直な
線に対して所定の角度をもつように形成したので、保炎
器両端から放出される大規模渦の放出周波数が異なるた
めに、燃焼器内の共鳴周波数に渦の放出周波数が同期さ
せられる渦のロックイン現象が生じにくく、振動燃焼の
抑制が可能となり、したがって、特に予混合燃焼の燃焼
割合が大きい燃焼器に対して、振動燃焼や燃焼器の変形
を特別な制御機構を設けることなしに抑制でき、安定燃
焼が可能なこの種のガスタービン燃焼器を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガスタービン燃焼器の一実施例を示す
縦断側面図である。

【図２】従来のガスタービン燃焼器の一実施例を示す縦
断側面図である。

【図３】燃空比とＮＯｘ発生量の関係を示す特性図であ
る。

【図４】振動燃焼の発生機構を示す概念図である。

【図５】振動燃焼が保炎器から放出する渦の運動に与え
る影響を示す保炎器断面図である。

【図６】振動燃焼が保炎器から放出する渦の運動に与え
る影響を示す保炎器断面図である。

【図７】本発明のガスタービン燃焼器の保炎器の一実施
例を示す斜視図である。

【図８】本発明のガスタービン燃焼器の保炎器の他の実
施例を示す縦断側面図である。

【図９】本発明のガスタービン燃焼器の保炎器の他の実
施例を示す斜視図である。

【図１０】本発明のガスタービン燃焼器の保炎器の他の
実施例を示す縦断側面図である。

【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の空気供給系、４
…予混合器、５…予混合器の燃料噴射装置、６…予混合
器の空気供給系、７…燃焼室、８…圧縮器、９…予混合
気、１０…パイロット火炎、１１…パイロット火炎中の
高燃料濃度領域、１２…保炎器、１３…保炎器、１４…
保炎器より放出される大規模渦、１５…循環流、１６…
予混合火炎帯、１７…燃焼器中心軸、１８…予混合器壁
面、１９…ガスタービン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 濱武 久司 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所エネルギー研究所内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼室を形成している燃焼筒と、該燃焼
   筒の上流側に配置され、燃料と空気を混合する予混合器
   とを備え、前記予混合器の出口に前記燃焼筒と同芯円状
   に形成された保炎器を備えているガスタービン燃焼器に
   おいて、 前記保炎器の火炎と接する側の面を、燃焼筒の中心軸と
   垂直な線に対して所定の角度をもつように形成したこと
   を特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 【請求項２】 燃焼室を形成している燃焼筒と、該燃焼
   筒の上流側に配置され、燃料と空気を混合する予混合器
   とを備え、前記予混合器の出口に前記燃焼筒と同芯円状
   に形成された保炎器を備えているガスタービン燃焼器に
   おいて、 前記保炎器の下面を、保炎器と火炎とが接する境界上の
   二つの任意の点を結んだ直線の全てが、燃焼器中心軸に
   対して垂直でないある角度をなすように形成したことを
   特徴とするガスタービン燃焼器。
3. 【請求項３】 燃焼室を形成している燃焼筒と、該燃焼
   筒の上流側に配置され、燃料と空気を混合する予混合器
   とを備え、前記予混合器の出口に前記燃焼筒と同芯円状
   に形成された保炎器を備えているガスタービン燃焼器に
   おいて、 前記保炎器の火炎側の面を、燃焼筒の中心軸側を向くよ
   うに傾斜させたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
4. 【請求項４】 燃焼室を形成している燃焼筒と、該燃焼
   筒の上流側に配置され、燃料と空気を混合する予混合器
   とを備え、前記予混合器の出口に前記燃焼筒と同芯円状
   に形成された保炎器を備えているガスタービン燃焼器に
   おいて、 前記保炎器の火炎側の面を、燃焼筒の反中心軸側を向く
   ように傾斜させたことを特徴とするガスタービン燃焼
   器。
5. 【請求項５】 燃焼室を形成している燃焼筒と、該燃焼
   筒の上流側に配置され、燃料と空気を混合する予混合器
   とを備え、前記予混合器の出口に前記燃焼筒と同芯円状
   に形成された保炎器を備えているガスタービン燃焼器に
   おいて、 前記保炎器の火炎側の面を、内外二つの面に分け、内側
   の面は燃焼筒の中心軸線と垂直な面となるように形成
   し、外側の面は、燃焼筒の中心軸側を向くように傾斜さ
   せたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
6. 【請求項６】 前記保炎器が、前記燃焼筒と同芯円状に
   複数段設けられてなる請求項５記載のガスタービン燃焼
   器。
7. 【請求項７】 燃焼室を形成している燃焼筒と、該燃焼
   筒の上流側に配置され、燃料と空気を混合する予混合器
   とを備え、前記予混合器の出口に前記燃焼筒と同芯円状
   に形成された保炎器を備えているガスタービン燃焼器に
   おいて、 前記保炎器の火炎側の面を、燃焼筒の中心軸側を向くよ
   うに傾斜させるとともに、周方向に複数個に分割したこ
   とを特徴とするガスタービン燃焼器。
8. 【請求項８】 燃焼室を形成している燃焼筒と、該燃焼
   筒の上流側に配置され、燃料と空気を混合する予混合器
   とを備え、前記予混合器の出口に前記燃焼筒と同芯円状
   に形成された保炎器を備えているガスタービン燃焼器に
   おいて、 前記保炎器を、前記燃焼筒と同芯円状に複数段設けると
   ともに、前記各段の保炎器の火炎側の面を、燃焼筒の中
   心軸側を向くように傾斜させるようにしたことを特徴と
   するガスタービン燃焼器。
9. 【請求項９】 燃焼室を形成している燃焼筒と、該燃焼
   筒の上流側に配置され、燃料と空気を混合する予混合器
   とを備え、前記予混合器の出口に前記燃焼筒と同芯円状
   に形成された保炎器を備えているガスタービン燃焼器に
   おいて、 前記保炎器を、前記燃焼筒と同芯円状に複数段設けると
   ともに、前記各段のうちいずれかの段の保炎器の火炎側
   の面を、燃焼筒の中心軸側を向くように傾斜させるよう
   にしたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
10. 【請求項１０】 燃焼室を形成している燃焼筒と、該燃
    焼筒の上流側に配置され、燃料と空気を混合する予混合
    器とを備え、前記予混合器の出口に前記燃焼筒と同芯円
    状に形成された保炎器を備えているガスタービン燃焼器
    において、 前記保炎器を、前記燃焼筒と同芯円状に複数段設けると
    ともに、前記各段のうちいずれかの段の保炎器の火炎側
    の面を、燃焼筒の中心軸側を向くように傾斜させ、かつ
    前記予混合器出口と前記保炎器とにより形成される複数
    以上の予混合気体の流路の各断面積をそれぞれ同一に形
    成するようにしたことを特徴とするガスタービン燃焼
    器。