JPH0828871A - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】燃焼室において空気と燃料の混合を促進し、排
出ガス中のＮＯｘ濃度、及び未燃ガス濃度を低減する。 【構成】予混合器８の予混合気吐出部に設けられた予混
合旋回バーナ４は、その予混合気旋回軸方向１３が、燃
焼器中心軸方向に対し同一周方向へ適当な角度で傾き、
更に燃焼器中心軸側へも適当な角度になるように傾け設
置されている。 【効果】複数の予混合器より吐出する旋回予混合気流に
対し、相互にひねりを与え、全体としてヘリカル構造の
混合気流にすることで、燃焼室内において空気と燃料の
混合を促進し、排出ガス中のＮＯｘと未燃ガスの濃度を
低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は予混合器を有するガスタ
ービン燃焼器に係り、特に排出ガスのＮＯｘや未燃ガス
の低減を要求されたガスタービンに適用するのに好適な
ガスタービン燃焼器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の燃焼器では、低ＮＯｘ化の対策と
して予混合燃焼方式が採用されている。更にこの予混合
燃焼方式に加えて拡散燃焼方式を用いることにより、予
混合火炎の保炎性能を高め、ガスタービン燃焼器の運転
範囲を広げている。

【０００３】既存の燃焼器としては、例えば、第十九回
燃焼機関国際会議誌(CIMAC1991）に記載のシーメンス型
（ＫＷＵ）がある。この燃焼器は、燃焼器中心に拡散燃
焼方式の旋回パイロットバーナを設け、その周囲に予混
合燃焼方式の旋回バーナが八つその旋回軸方向を燃焼器
中心軸側に傾けて配置されている。この２段燃焼によ
り、予混合気を安定に燃焼させ、更に排出ガス中のＮＯ
ｘ，ＣＯを低減している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】燃焼器内を流れる混合
気の燃料と空気の濃度分布が不均一であると、その火炎
には、局所的に温度が高い部分ができ、その結果として
排出ガスのＮＯｘ濃度が増加する。従って従来技術で
は、予混合器で燃料と空気をできるだけ均一に混合する
ために、予混合器の入口から出口までの長さが長くなっ
たり、混合手段や装置が複雑になる問題が出てくる。ま
た、従来技術の様に複数の予混合器から予混合気が吐出
する場合、各々の予混合器によって燃料と空気の混合比
にばらつきを持つ可能性があり、やはり不均一な火炎温
度分布の発生原因となる。

【０００５】更に予混合火炎が不安定であったり、予混
合気流量比べ火炎領域が小さい場合には、排出ガスとし
て未燃ガス濃度が増加する。特に予混合気の希薄燃焼下
限界付近ではその効果が顕著となる。

【０００６】従来技術の様に、予混合器出口に保炎器を
置き予混合火炎の保炎を行う場合、普通火炎は保炎器の
ある部分に付着し、そこから下流に伸びて安定する。こ
のためその火炎が保炎器に付着した部分は赤熱し、その
温度が保炎器の耐熱限界温度を超えてしまう恐れがあっ
た。

【０００７】本発明の目的は、排出ガスのＮＯｘ及び未
燃ガス濃度を低下させるとともに、予混合器を小型化・
簡略化し、保炎器の火炎による温度上昇を防ぎ、火炎安
定性の優れたガスタービン燃焼器を提供することであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係るガスタービン燃焼器は、次の（１）から
（５）の手段、若しくは装置を持ったガスタービン燃焼
器とする。

【０００９】（１）空気と燃料とを混合して予混合気を
生成する複数個の予混合器と、該予混合器の下流側に位
置し前記予混合気を燃焼させる燃焼室とを備えた燃焼器
において、前記予混合気を各々周方向に旋回させ、その
複数の旋回気流が前記燃焼室内で各々巻き付き合う、若
しくは各々捩れる様な気流形状となる手段を持つ燃焼器
とする。

【００１０】（２）上記（１）の手段を持つ燃焼器とし
て、前記予混合気を周方向に旋回させる各々の装置は、
前記予混合気の旋回軸方向が、前記燃焼器の中心軸に対
して同一周方向へある角度を持つように傾け設置され、
更に前記旋回軸方向が、前記燃焼器の中心軸側へある角
度を持つように傾け設置されている燃焼器とする。ま
た、前記予混合気を周方向に旋回させる全ての装置は、
その旋回方向を同一とする。また、前記複数の予混合器
を燃焼器の中心軸に対し軸対称として設置する。

【００１１】（３）上記（１）若しくは（２）の燃焼器
において、前記予混合器は、前記旋回させた予混合気の
空気に対する燃料の混合比が、旋回軸からの距離が増加
するほど大きくなる構造であるとする。

【００１２】（４）上記（１）から（３）の何れかの燃
焼器において、前記燃焼器中心軸にパイロットバーナを
設置した燃焼器とする。

【００１３】（５）上記（１）から（４）の何れかの燃
焼器において、該燃焼器の、予混合器より吐出した予混
合気流の上流部に、燃焼器の内容積が急増する様な開口
部を設けた燃焼器とする。

【００１４】

【作用】複数の予混合器から吐出する旋回のかかった予
混合気の旋回軸方向を、燃焼器中心軸に対し同一周方向
へ、更に燃焼器中心軸側に傾けることで、各々の旋回が
かかった予混合気の相互干渉を促進することができる。
その各々の旋回方向が同一であれば、周方向の旋回速度
の自己誘導、及び相互誘導によって、混合気流は互いに
巻き付き合い、捩れ、燃焼器中心軸に沿ってヘリカル形
状の混合気流ができる。このような形状の気流は、各々
の予混合器より吐出する予混合気を燃焼器の中で更に混
合し、燃料濃度の分布を均一にする。従って火炎内の局
所的な高温部が減少し、ＮＯｘは低減できる。

【００１５】また、火炎は前記ヘリカル形状の放絡線に
沿って広がる。その中を各々の予混合器より吐出した混
合旋回気流が螺旋状に進むため、予混合気が火炎中を通
過する滞留経路は長くなり、予混合気の燃焼反応を促進
することができる。従って排出ガス中の未燃成分を低減
できる。

【００１６】前記の如く燃焼器内で混合が促進されるた
め、予混合器から吐出する予混合気の燃料濃度はある程
度不均一な分布にすることができる。旋回がかかった予
混合気の中心軸から離れるに従い、空気に対する燃料の
混合濃度を濃くすることで、火炎の着火性と保炎性が向
上すると共に、予混合器を小型化できる。

【００１７】更に予混合器を、燃焼器中心軸に対し円周
上に配置し、その中心軸上にパイロットバーナを設ける
ことで、前記火炎を安定に保炎することができる。

【００１８】また予混合器より吐出する予混合旋回流の
軸方向流速と周方向流速を調節することで、火炎が予混
合気出口付近の物体に付着することなく、予混合旋回流
が各々干渉し合う位置において、パイロットバーナによ
り着火，保炎が可能となる。前記各々の予混合気流の相
互作用によって、燃焼室内の混合気は全体に旋回流とな
る。燃焼室に対してこの旋回流の上流部に開口部を設
け、旋回流の動圧を開放することで、開口部上流領域に
高温既燃ガスの再循環流が形成され、この再循環流の作
用で予混合気の火炎を安定に保炎することができる。

【００１９】

【実施例】以下に本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。

【００２０】図１は本発明の一実施例に係るガスタービ
ン燃焼器構造を示すものであり、図２は図１のＡ矢視図
である。燃焼器は外筒壁１０で囲まれ、第一燃焼室３
と、内筒壁１で囲まれた第二燃焼室２、更に燃料及び空
気供給装置より構成される。

【００２１】第一燃焼室３は、旋回翼５と燃料吐出口６
を備えた円筒形の拡散旋回バーナを燃焼器中心軸上に設
置し、パイロット火炎を形成する。更にこのパイロット
火炎を隣接した燃焼器に火移りさせるためのクロスファ
イアチューブ９が設置されている。

【００２２】第二燃焼室２は、空気と燃料を予め混合す
るための円筒形予混合器８を燃焼器中心軸に対し同一円
周上に軸対称となるよう八個配置されている。各々の予
混合器の予混合気吐出部に設けられた円筒形の予混合旋
回バーナ４は、その予混合気旋回軸方向１３ａが、燃焼
器中心軸方向に対し同一周方向へ適当な角度で傾き、更
に燃焼器中心軸側へも適当な角度になるように傾け設置
している。尚この全ての予混合旋回バーナ４について、
旋回軸方向１３ａの燃焼機中心軸に対する傾斜角度は、
同一となっている。

【００２３】燃料は、燃料溜１１より燃料管１８ａを通
って第一燃焼室３、及び各予混合器８に供給される。圧
縮器１４より吐出した空気は、外筒壁１０と内筒壁１で
囲まれた空気通路を通り第一燃焼室３，第二燃焼室２、
および各予混合器８に供給される。

【００２４】この燃焼器の運転方法の一例として、まず
第一燃焼室３の拡散旋回バーナに着火しパイロット火炎
を形成する。クロスファイアチューブ９を介してこのパ
イロット火炎を火移りさせ、隣接した燃焼器も同様に着
火させる。この状態で第一燃焼室３の燃料流量を調節す
ることにより、ガスタービンの部分負荷運転が可能とな
る。次に予混合器８へ燃料を供給し、前記パイロット火
炎にて着火，第二燃焼室２に予混合火炎を形成させる。
この後ＮＯｘ低減のために、第一燃焼室３の燃料流量を
しぼり予混合火炎の保炎ができる程度のパイロット火炎
にする。更にガスタービンの定格負荷運転まで、予混合
器の燃料濃度を増加する。この際、第二燃焼室２に吐出
する予混合気の軸流速と燃料濃度を適度にすることで、
火炎が予混合旋回バーナ４に付着することなく、パイロ
ット火炎により着火，保炎できる位置より予混合火炎を
形成することができる。

【００２５】図３は本発明の作用によって、形成される
混合気流と火炎の形状を示した模式図である。尚、図の
燃焼器は、簡略化のために二つの予混合器８で構成す
る。二つの予混合旋回気流１３ｂの旋回周方向を同一に
し、その旋回軸方向１３ａを燃焼器中心軸に対して同一
周方向へ、更に燃焼器中心軸側に適当な角度を持って傾
けたことで、二つの予混合旋回バーナ４より吐出した予
混合旋回気流１３ｂは、各々の旋回周速度の自己誘導、
及び相互誘導によって、互い巻き付き合い、捩れ、全体
としてヘリカル構造の混合気流となる。従って図１，図
２にて示した実施例では、八つの予混合旋回気流が相互
に巻き付き合い、捩れることが期待できる。このような
ヘリカル構造の気流は、第二段燃焼室内において燃料と
空気の混合を更に促進するため、燃焼器全体に希薄で均
一な混合気流が形成され、排出ガス中のＮＯｘ濃度を低
減できる。

【００２６】尚、前記拡散旋回バーナより吐出する拡散
旋回気流１６は、予混合火炎１７の吹き飛び防止のた
め、その流量を制限される。加えて、拡散旋回気流１６
は燃焼器中心軸近傍に形成されるため、その角運動量は
前記予混合気の捩れの角運動量に比べ小さく、この捩れ
に対する拡散旋回流の顕著な効果は期待できない。従っ
て特にこの捩れを積極的に形成させ、更に安定な気流形
状にするため、各予混合旋回気流１３ｂの旋回軸方向１
３ａを燃焼器中心軸に対して同一周方向へ傾ける事が重
要である。

【００２７】図１，図２で説明した本発明の一実施例に
おいて、前記複数の予混合器８を燃焼器中心軸に対し軸
対称に設置し、更に前記全ての予混合気の旋回軸方向１
３ａを、燃焼器中心軸に対し同一の角度で傾けること
で、燃焼器中心軸に沿った安定な火炎を形成することが
できる。

【００２８】また、火炎は前記ヘリカル形状の放絡線に
沿って広がる。その中を各々の予混合器８より吐出した
予混合旋回気流が螺旋状に進むため、予混合気が火炎中
を通過する滞留経路は長くなり、予混合気の燃焼反応を
促進することができる。従って排出ガスの未燃成分を低
減できる。

【００２９】更に前述の如く、ヘリカル形状の気流の形
成により燃焼室内で燃料と空気の混合が促進できるた
め、予混合器内において積極的に混合する必要は無くな
る。従って予混合器内の構造は簡略化され、予混合器全
体が小型化できる。

【００３０】前記予混合器に関する本発明に係るガスタ
ービン燃焼器の他の実施例として、予混合器８及び予混
合旋回バーナ４の概略図を図４に示す。予混合器８は、
円形の燃料管１８ｂとここに燃料を供給するための燃料
管１８ａより構成している。円形の燃料管１８ｂは予混
合器８の内壁に沿って設置されており、更に複数の燃料
吐出口６を、その吐出方向がバーナ側へ向くように設け
てある。このような予混合器にすることで、予混合バー
ナ４から吐出する予混合旋回気流は、その旋回中心軸か
ら離れるに従い燃料濃度が増加するような濃度分布とな
るため、この予混合気の着火および保炎性が向上でき
る。この際、火炎の予混合器８への逆火を防止するため
に、予混合旋回気流の軸方向流速を大きく、すなわち旋
回バーナ４の旋回の強さを小さくする必要がある。

【００３１】また比較的温度の高い火炎が、予混合旋回
気流の周囲に形成されるため、この火炎に包まれた希薄
な予混合気の燃焼性が向上し、排出ガス中の未燃ガス濃
度が減少できる。特に予混合気の希薄燃焼下限界近傍に
おいて、この効果が期待できる。

【００３２】以上のような予混合器８は、空気と燃料の
混合を燃焼室内で促進している本発明の燃焼器におい
て、特に有効的である。

【００３３】本発明を用いた他の実施例として、燃焼器
の概略図を図５に示す。前記の作用により、第二燃焼室
内２において複数の予混合旋回バーナ４から吐出した各
々の旋回気流が捩れる事で、混合気全体が旋回流とな
る。従って内筒壁１に対し、この混合旋回流の下流部に
絞り１９を設け、混合旋回流の動圧を開放することで、
この絞りの下流部に再循環流２０が形成される。この再
循環領域で火炎の安定な保炎が可能となる。予混合気流
のみで安定な保炎が可能となれば、第一燃焼室３のパイ
ロット火炎は必要なくなり、従って排出ガス中のＮＯｘ
濃度を低減することができる。

【００３４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、複
数の予混合器より吐出する旋回予混合気流に対し、相互
にひねりを与え、全体としてヘリカル構造の混合気流に
することで、燃焼室内に置ける空気と燃料の混合を促進
することができる。従って排出ガス中のＮＯｘと未燃ガ
スの濃度を低減することができる。

【００３５】また、燃焼室内で混合が促進されるので、
予混合器から吐出する予混合気の燃料濃度は不均一な分
布にすることができ、予混合気の火炎の着火性と保炎性
が向上すると共に、予混合器を小型化、その構造を簡略
化できる。

【００３６】予混合器より吐出する予混合旋回流の軸方
向流速と周方向流速を調節し、更にパイロット火炎や、
燃焼器に開口部を設けることで、火炎が予混合気出口付
近の物体に付着することがなく保炎でき、その物体の赤
熱を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るガスタービン燃焼器を
示した図。

【図２】図１に示したガスタービン燃焼器の軸方向断面
図。

【図３】本発明の一実施例の作用による混合気流の概略
図。

【図４】本発明の他の実施例に係る予混合器と旋回機構
を示す図。

【図５】図４に示した本発明の他の実施例に係る予混合
器を用いたガスタービン燃焼器を示す図。

【符号の説明】

１…内筒、２…第二燃焼室、３…第一燃焼室、４…予混
合旋回バーナ、５…旋回翼、６…燃料吐出口、７…第一
燃焼室壁、８…予混合器、９…クロスファイアチュー
ブ、１０…外筒、１１…燃料溜、１２…空気の流れ、１
３ａ…予混合旋回気流の旋回軸方向、１３ｂ…予混合旋
回気流の流れ、１４…圧縮器、１５…タービン、１６…
拡散旋回気流の流れ、１７…予混合火炎、１８ａ…燃料
管、１８ｂ…円形燃料管、１９…絞り、２０…再循環流
の流れ。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】空気と燃料とを混合して予混合気を生成す
   る複数個の予混合器と、該予混合器の下流側に位置し前
   記予混合気を燃焼させる燃焼室とを備えたガスタービン
   燃焼器において、 前記予混合気を各々周方向に旋回させ、その複数の旋回
   気流が前記燃焼室内で各々巻き付き合う、若しくは各々
   捩れる様な気流形状となるような手段を設けたことを特
   徴とするガスタービン燃焼器。
2. 【請求項２】空気と燃料とを混合して予混合気を生成す
   る複数個の予混合器と、該予混合器の下流側に位置し前
   記予混合気を燃焼させる燃焼室とを備えたガスタービン
   燃焼器において、 前記予混合器は、各々の前記予混合気を周方向に旋回さ
   せる装置を備え、 該装置は、各々前記予混合気の旋回軸方向が、前記燃焼
   器の中心軸に対して同一周方向へある角度を持つように
   傾け設置され、 更に前記旋回軸方向が、前記燃焼器の中心軸側へある角
   度を持つように傾け設置されていることを特徴とするガ
   スタービン燃焼器。
3. 【請求項３】請求項２に記載のガスタービン燃焼器にお
   いて、 前記予混合気を周方向に旋回させる全ての装置は、その
   旋回方向がほぼ同一であることを特徴とするガスタービ
   ン燃焼器。
4. 【請求項４】請求項１乃至３の何れかに記載のガスター
   ビン燃焼器において、 前記予混合気を周方向に旋回させる全ての装置は、旋回
   軸方向の前記燃焼器中心軸に対する角度がほぼ同一であ
   る様に設置されていることを特徴とするガスタービン燃
   焼器。
5. 【請求項５】請求項１乃至４の何れかに記載のガスター
   ビン燃焼器において、 前記予混合器は、前記旋回させた予混合気の空気に対す
   る燃料の混合比が、旋回軸からの距離が増加するほど大
   きくなる構造であることを特徴とする燃焼器。
6. 【請求項６】請求項１乃至５の何れかに記載のガスター
   ビン燃焼器において、 前記複数の予混合器を燃焼器の中心軸を軸対称として設
   置したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
7. 【請求項７】請求項６に記載のガスタービン燃焼器にお
   いて、 前記中心軸にパイロットバーナを設置したことを特徴と
   するガスタービン燃焼器。
8. 【請求項８】請求項１乃至７に記載のガスタービン燃焼
   器において、 該燃焼器の、予混合器より吐出した予混合気流の上流部
   に、燃焼器の内容積が増加する様な開口部を設けたこと
   を特徴とするガスタービン燃焼器。