JPH0828873A

JPH0828873A - ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JPH0828873A
Application number: JP16771194A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Ito; 和行伊藤; Shigeyoshi Kobayashi; 成嘉小林; Masaya Otsuka; 雅哉大塚; Shigeru Azuhata; 茂小豆畑; Yasutaka Komatsu; 康孝小松; Haruo Urushiya; 春雄漆谷; Nobuyuki Iizuka; 信之飯塚; Tadataka Murakami; 忠孝村上
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-07-20
Filing date: 1994-07-20
Publication date: 1996-02-02

Abstract

(57)【要約】【目的】広い負荷範囲にわたって安定に燃焼でき、ＮＯ
ｘ排出量の低減を図る。【構成】拡散燃焼用バーナの外周に環状の予混合ノズル
３を配置し、予混合ノズルを円周方向に複数個に分割し
て複数の予混合室１０を形成し、数個の予混合室をまと
めて予混合室ユニット１１を複数設けたガスタービン燃
焼器において、予混合室ユニット１１毎に保炎器１２を
設け、保炎器１２の最下流端面をそれぞれの予混合室ユ
ニット１１からの噴出混合気気流に収まるようにする。
予混合室ユニット１１毎に燃料流量を独立に制御し、ガ
スタービンの負荷に応じて燃料供給方法を変える。【効果】複数の予混合室ユニットの出口に配置される保
炎器で各予混合室ユニットによる燃焼火炎を安定に保持
できる。

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の燃焼器に
係り、特に窒素酸化物(以下ＮＯｘと称する)を低減する
のに好適なガスタービン燃焼器に関する。

【０００２】

【従来の技術】天然ガスや灯油，軽油等の窒素含有量の
少ない燃料の燃焼時に発生するＮＯｘは、空気中の窒素
が酸化されて発生するサーマルＮＯｘである。サーマル
ＮＯｘの生成は温度依存性が高く、一般にこれらの燃料
を使用するガスタービンでは、火炎温度の低減が低ＮＯ
ｘ燃焼法の基本思想である。ガスタービンの燃焼器は、
ガスタービン負荷に応じて燃料流量が変化するが、ボイ
ラ等で使用される燃焼器とは異なり、起動時と低負荷時
を除けば空気流量はほぼ一定であり、燃料と空気との質
量流量比である燃空比が部分負荷から１００％定格負荷
の間で大きく変化する。また、燃料流量が最大となる定
格負荷付近でも、燃料の完全燃焼に必要な理論空気量の
２倍近い多量の空気が供給される。従って、大過剰の空
気で火炎を形成する希薄燃焼が行えるようにする必要が
ある。

【０００３】気体燃料の燃焼法は、燃料と空気とが混合
しながら燃焼する拡散燃焼法と，燃料と空気とを予め混
合してノズルより噴出して燃焼する予混合燃焼法に大別
される。拡散燃焼は火炎安定性に優れ、広い燃空比範囲
で火炎を形成できるが、燃料と空気が混合しながら燃焼
するため、火炎内で空間的に燃空比は大きく変化し、希
薄燃焼を試みても燃料の一部は燃料過剰の状態で燃焼す
る。従って、局所的に火炎温度が高くなり、多量のＮＯ
ｘが発生しやすい。

【０００４】予混合燃焼では、燃料と空気とを燃焼室に
投入する前に混合する。従って、この燃焼法は、拡散燃
焼よりは火炎内の燃空比の均一化を図りやすく、混合の
不均一による局所的な高温部の形成を逃れられるため、
ＮＯｘ低減の効果は大きいが、安定に火炎を形成できる
燃空比、及び燃料と空気の混合気の噴出速度の条件が拡
散燃焼より狭い。特に、ガスタービンの起動から１００
％負荷までの運転、あるいは緊急時の負荷遮断運転で
は、燃料流量が幅広く変化するため、予混合燃焼だけで
ガスタービンを運用するのは困難であり、起動からある
部分までは拡散燃焼を使用し、ある負荷以上で予混合燃
焼を開始する二段燃焼法が採用される。二段燃焼法を採
用する燃焼器でも、拡散燃焼用と予混合燃焼用の燃焼室
をそれぞれ独立して設ける燃焼器と（例えば、特開昭61
−22106号，特開昭61−22127号公報参照）、拡散と予混
合燃焼を同じ燃焼室で行う燃焼器（例えば、特開昭63−
161318号公報参照）とがある。

【０００５】また、ガスタービン負荷の上昇、即ち燃料
流量の増加と共に燃空比が増加し、火炎温度が上昇する
ため、負荷の上昇に伴いＮＯｘ発生量は増加する。二段
燃焼法を採用すると予混合燃焼開始後にはＮＯｘ排出量
を低減できるが、予混合燃焼開始前の拡散燃焼時にはＮ
Ｏｘ発生量が増える。広い負荷範囲でＮＯｘを抑制する
には、できるだけ低いガスタービン負荷で予混合燃焼を
開始して、拡散燃焼でのＮＯｘの発生を抑制する必要が
ある。

【０００６】予混合火炎を形成するには、混合気の噴出
速度と燃空比をある範囲内に設定する必要がある。噴出
速度が高く燃空比が小さくなると火炎は吹き消え、噴出
速度が低く燃空比が大きくなると混合気噴出ノズル内に
火炎が入る、所謂、逆火となる。火炎形成に必要な燃料
と空気量はノズルの噴出口面積で決定され、ノズル噴出
口面積を大きくすれば、安定燃焼に必要な速度で噴出す
るのに必要な空気と燃料流量が増え、予混合燃焼のでき
るガスタービン負荷は高くなる。ノズル噴出口面積を小
さくすれば、少ない空気と燃料流量とで安定に予混合火
炎を形成できるが、予混合燃焼できる燃料流量の割合が
少なくなり、拡散燃焼で燃焼する燃料流量の割合が増加
するためＮＯｘ発生量は増える。従って、高負荷運転時
のＮＯｘを減少しようとすると、予混合ノズルが大きく
なるため、予混合燃焼で運転できるガスタービン負荷は
高くなる。

【０００７】これらの課題を解決するための一例とし
て、拡散燃焼と予混合燃焼用の空気流量を調節する機構
を設け、空気流量配分の最適化により広い負荷範囲でＮ
Ｏｘや一酸化炭素等を低減する燃焼器が既に提案されて
いる（例えば、特開昭60−91141号，特開昭60−218535
号，特開昭61−153316号，特開昭61−52523号，特開昭6
1−153316号公報参照）。また、予混合ノズルを複数個
設け、負荷に応じて使用するノズルの数を変える燃焼器
も提案されている(例えば実開平2−100060号参照）。

【０００８】さらに、予混合燃焼を安定化するには、燃
焼反応が開始する領域、即ち保炎領域を明確に形成させ
るのが有効である。これには、予混合気気流に対して障
害となる物体を予混合ノズル出口近傍に配置し、該物体
の後流に形成される循環流を保炎領域とさせる技術があ
る。該物体は、一般に保炎器と呼ばれ、ガスタービン燃
焼器に適用された例として、特開平4−103906号，特開
平5−113207号公報等がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上述べた燃焼器で
も、これまでより少ないＮＯｘ排出量でガスタービンを
運用できるが、更に性能を向上するには、次の課題があ
る。燃焼室を分ける場合には、それぞれの燃焼を独立し
て行わせるため、火炎同士の干渉が避けられ安定に火炎
を形成できるが、燃焼用空気も拡散火炎用と予混合火炎
用に分離するため、予混合燃焼の割合を大きくできな
い。また、同じ燃焼室で拡散火炎と予混合火炎を形成
し、空気を拡散火炎用と予混合火炎用の両方に共用する
場合には、例えばガスタービン負荷の低い時には、予混
合火炎用の空気で拡散火炎の燃空比が小さくなり、未燃
分が排出され易くなることがある等の課題がある。

【００１０】また、広い負荷範囲で更にＮＯｘを低減す
るためには、予混合ノズルを大きくして予混合燃焼割合
を増大すると共に、低い負荷から予混合燃焼を開始し、
拡散燃焼で発生するＮＯｘを極力少なくする必要があ
る。

【００１１】前記従来技術のうち、空気流量調節機構を
設けた燃焼器では、低い負荷で予混合燃焼を行うため
に、予混合燃焼用の空気量を減少させると、予混合気の
噴出速度も小さくなり、逆火の可能性がある。従って、
特に予混合ノズル噴出口面積を大きくした時に、予混合
燃焼開始負荷を下げるのに十分ではなかった。

【００１２】一方、予混合ノズルを複数個設け、負荷に
応じて使用するノズルの数を変える燃焼器では、軸心に
対し同心状に複数の環状予混合ノズルを設けた構造であ
るため、使用する予混合ノズルの数を増やしてゆく時、
比較的低温度の予混合火炎を用いて次の予混合ノズルに
着火しなければならず、２段目以降の予混合ノズルの着
火性が悪くなる問題点があった。更に、隣り合う予混合
ノズルの火炎が接触する面積が広く、予混合火炎同士が
干渉して、圧力変動（燃焼振動）が大きくなり、燃焼器
の寿命が短くなるという問題もあった。

【００１３】また、保炎器を設けることで低い燃空比で
も安定に燃焼させることができ、ある程度予混合燃焼開
始負荷を下げることができるが、大幅なＮＯｘの低減に
は尚不十分であった。

【００１４】そこで本発明の目的は、広い負荷範囲にわ
たって安定に燃焼でき、ＮＯｘの低減を図ることができ
るガスタービンの燃焼器を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明に係るガスタービ
ン燃焼器は、拡散燃焼用バーナ及び拡散燃焼用と予混合
燃焼用との両方に使用可能なバーナを中心部に有し、そ
の外周に燃料と空気の混合気を噴出する環状の予混合ノ
ズルを有し、該環状の予混合ノズルを円周方向に分割し
て複数の予混合室を形成するように構成したガスタービ
ン燃焼器において、前記複数の予混合室のうち、円周方
向に隣接する所定数の予混合室毎にまとめて複数の予混
合室ユニットを構成し、該複数の予混合室ユニットから
の混合気が燃焼室に噴出する出口近傍に、該予混合室ユ
ニットからの噴出混合気気流の抵抗体となる保炎器を設
け、かつ、該保炎器を前記予混合室ユニット毎に分割し
て設けて、当該予混合室ユニットの下流に位置する前記
保炎器の少なくとも最下流端面が、前記予混合室ユニッ
トからの噴出混合気気流中に収まるように構成し、該複
数の予混合室ユニット毎に独立に供給燃料流量を制御す
る手段を設け、前記ガスタービンの低負荷運転時には、
前記複数の予混合室ユニットのうち所定数の予混合室ユ
ニットに燃料を投入し、高負荷運転時には、全ての予混
合室ユニットに燃料を投入するように構成したことを特
徴とする。

【００１６】前記複数の予混合室ユニットの下流に配置
される前記保炎器は、円環状の共通の支持部で前記予混
合ノズルに接合してもよい。

【００１７】さらに、前記複数の予混合室ユニットにつ
いて、隣接する予混合室ユニットの円周方向境界面には
冷却空気を投入できるようにしてもよい。また、前記保
炎器の前記円環状の共通の支持部において、前記隣接す
る予混合ユニットの円周方向境界面に位置する前記支持
部から冷却空気を流せるようにしてもよい。

【００１８】本発明によるガスタービン燃焼器を、ガス
タービン及びガスタービン発電プラントに組み込むこと
によって、燃焼の安定性及び環境汚染防止に対する信頼
性を高めることができる。

【００１９】

【作用】本発明によるガスタービン燃焼器は、燃焼器中
心部に拡散燃焼用バーナあるいは拡散燃焼用と燃料と空
気の混合気である予混合気噴出用との両方に使用可能な
バーナを有し、その外周に燃料と空気の混合気を噴出す
る環状の予混合ノズルを有する。そして、該環状の予混
合ノズルを円周方向に分割して複数の予混合室を形成す
るように構成し、さらに前記複数の予混合室について、
円周方向に隣接する所定数の予混合室毎にまとめて複数
の予混合室ユニットを構成する。

【００２０】更に、該複数の予混合室ユニットからの混
合気が燃焼室に噴出する出口近傍に、該予混合室ユニッ
トからの噴出混合気気流の抵抗体となる保炎器を設け、
かつ、前記複数の予混合室ユニットそれぞれについて、
それぞれ当該予混合室ユニットの下流に位置する前記保
炎器の少なくとも最下流端面が、完全に前記それぞれの
予混合室ユニットからの噴出混合気気流中に収まるよう
に構成すると共に、該複数の予混合室ユニット毎に独立
に供給燃料流量を制御する手段を設ける。

【００２１】そして更に、前記ガスタービンの低負荷運
転時には、前記複数の予混合室ユニットのうち所定数の
予混合室ユニットに燃料を投入し、高負荷運転時には、
全ての予混合室ユニットに燃料を投入するようにする。

【００２２】この本発明によるガスタービン燃焼器によ
れば、ガスタービンの低負荷運転時、つまり燃料流量が
少ない時には、前記複数の予混合室ユニットのうち所定
数の予混合室ユニットにのみ燃料を供給するので、使用
する予混合室ユニットの燃空比を、分割数の倍率で高く
することができる。従って、予混合ノズルの分割数を増
すことにより、より低い負荷から予混合燃焼を開始で
き、部分負荷でのＮＯｘ排出量を低減することができ
る。

【００２３】また、複数の予混合室ユニットに燃料を供
給して予混合燃焼させる場合、隣り合う予混合火炎の接
触する面積が小さく、予混合火炎同士の干渉が少なくな
り、燃焼振動も低減できる。

【００２４】さらに、該複数の予混合室ユニットからの
混合気が燃焼室に噴出する出口近傍に、該予混合室ユニ
ットからの噴出混合気気流の抵抗体となる保炎器が設け
られ、かつ、前記複数の予混合室ユニットそれぞれにつ
いて、それぞれ当該予混合室ユニットの下流に位置する
前記保炎器の少なくとも最下流端面が、完全に前記それ
ぞれの予混合室ユニットからの噴出混合気気流中に収ま
るように構成されている。ここで、前記保炎器の最下流
端面が噴出混合気気流中に完全に収まっていると、該保
炎器の後流には強い循環流が形成され、低い燃空比でも
失火することなく安定な予混合火炎ができる。したがっ
て、前記予混合ユニットに供給する燃料流量が少なくて
も運用が可能となるので、前記予混合ノズルの必要分割
数を低減することができ、分割した前記予混合室ユニッ
トに必要な燃料制御機器の数を低減できる。

【００２５】また、ガスタービンの低負荷運転時には、
隣接する前記予混合室ユニットの一方に燃料と空気の混
合気が供給され、他方に空気のみが供給される場合があ
る。この時、前者の予混合室ユニットの出口に配置され
ている保炎器には火炎が形成される。一方、後者の予混
合室ユニットの出口に配置されている保炎器は、該保炎
器の少なくとも最下流端面は該予混合室ユニットからの
噴出気流中に収まるように構成されているので火炎が形
成されず、また、該保炎器が隣接する予混合室ユニット
による火炎のゆらぎにさらされることはない。従って、
保炎器で最も高温となる最下流端面の温度は、該保炎器
が配置される前記予混合室ユニットの燃焼条件できま
り、燃焼条件の時間的変動が大きくなければ、該予混合
室ユニット毎にほぼ均一になる。したがって、該保炎器
に過度の熱応力が繰り返しかかり、該保炎器に亀裂が入
ったり、破損したりする可能性を少なくすることができ
る。ここで、予混合ノズル出口に配置する保炎器が破損
したり焼損したりする可能性を少なくする方法として、
特開平5−113207 号公報に、保炎器を中空にし、中空部
に空気、または霧状水滴を同伴した空気から成る冷却媒
体を流入させ、該冷却媒体を燃焼室内に放出する方法が
提案されている。この場合、該冷却媒体の噴出口を設け
るために、前記保炎器の最下流端面は分割されている。
しかし、前記予混合ノズルは分割されておらず、該予混
合ノズルの分割数に対応して前記保炎器を配置すること
により、低い燃空比で安定燃焼させる作用はない。従っ
て、本発明とは明らかに構成が異なる。

【００２６】さらに、本発明では、予混合室ユニットに
分割された各予混合ノズルから噴出される予混合気は、
どれも燃焼器中心部に設けた拡散燃焼用の燃料噴射ノズ
ル、あるいは拡散燃焼用の燃料噴出用と燃料と空気の混
合気である予混合気噴出用の両方に使用可能な噴射ノズ
ルからの火炎と接触できることになる。前記燃焼器中心
部のノズルから拡散燃焼を形成させると、各予混合室ユ
ニットは、予混合火炎よりも高温となる拡散火炎によっ
て着火されることになり、負荷上昇時、より安定に使用
する予混合室ユニットの数を増加させてゆくことができ
る。

【００２７】ここで、前記燃焼器中心部のノズルを拡散
燃焼用の燃料噴出用と燃料と空気の混合気である予混合
気噴出用の両方に使用可能な構成にしておくと、前記分
割された予混合室ユニットに着火可能で、かつ、未燃分
の排出が許容値以下となる条件の燃焼火炎を形成できる
範囲で、前記燃焼器中心部のノズルから予混合燃料を供
給できるので、部分負荷でのＮＯｘをさらに低減でき
る。また、定格負荷においても、拡散燃焼用に配分した
空気を予混合燃焼用に用いることができるので、ＮＯｘ
を低減できる。ここで、前記分割された予混合室ユニッ
トに着火できる条件、及び前記燃焼器中心部のノズルに
予混合燃料を供給した時の未燃分の排出条件は、該分割
された予混合室ユニットのうち何個に燃焼火炎が形成さ
れているかによっても異なる。従って、前記燃焼器中心
部のノズルに予混合燃料を供給開始する時点は、前記予
混合室ユニットに燃料を供給する以前でも良いし、複数
個の予混合室ユニットを着火させた後でも良く、特には
限定されない。

【００２８】本発明では、前記複数の予混合室ユニット
の下流に配置される前記保炎器は、円環状の共通の支持
部で前記予混合ノズルに配置されてもよい。これは、該
保炎器の配置が、長期間の運転で熱変形によりずれる事
態が生じるのを防止するためのものである。本発明で
は、該予混合ノズルは環状であり、燃焼器の円周方向に
複数の予混合室ユニットに分割されるから、保炎器もリ
ングの一部を削除した形状となる。この様な形状の該保
炎器が高温の燃焼ガスにさらされると、徐々に熱変形を
起こし、配置がずれる可能性がある。燃焼器での燃焼を
長期間にわたって安定に行わせるためには、前記保炎器
は前記予混合ユニット出口に正確に配置されていること
が望ましい。そこで、該保炎器を円環状の共通の支持部
で構成する。該支持部は予混合気気流中にあるので、そ
の構造材の温度は前記保炎器の最下流端面よりもかなり
低く、実質的に熱変形は生じない。したがって、該支持
部を共通の構造部材として、予混合ノズルと接合するこ
とで、前記分割された予混合室ユニット毎に配置される
前記保炎器の配置がずれるのを防止することができる。

【００２９】また、本発明では、前記複数の予混合室ユ
ニットについて、隣接する予混合室ユニットの円周方向
境界面には冷却空気を投入できるようにしてもよい。こ
れは、前記保炎器を環状の共通の支持部で前記分割され
た予混合ノズル出口に配置する場合、該分割個所である
前記予混合室ユニットの円周方向境界面に位置する前記
支持部の部分から、火炎が形成され、該支持部よりも下
流側にある前記保炎器部分を加熱する事態が生じるのを
防止するためのものである。該支持部は、前記予混合ユ
ニットの円周方向境界面に位置する部分の先端は鋭利に
し、また、厚さも望ましくは１０mm以下として、当該部
分から火炎が形成されない形状とするのが望ましい。該
形状とすることで、定常状態のガスタービン燃焼器の運
転条件では、前記支持部の先端から火炎が形成されるこ
とはない。しかし、前記複数の予混合室ユニットの円周
方向境界面に冷却空気を投入できるようにしておくと、
前記予混合ノズルの燃料流量が一時的に急激に増えるよ
うな過わた的な運転状態でも、前記予混合室ユニットの
円周方向境界面の予混合気は火炎の吹き消え条件にある
ので、確実に前記支持部の先端から火炎が形成されるの
を防止できる。

【００３０】また、本発明では、前記保炎器の前記円環
状の共通の支持部において、前記隣接する予混合室ユニ
ットの円周方向境界面に位置する前記支持部から冷却空
気を流せるようにしてもよい。該支持部から冷却空気を
流すことにより、該支持部から火炎が形成されるのを確
実に防止でき、前述と同様の作用効果がある。

【００３１】そして、このようなガスタービン燃焼器を
組み込むことにより、ガスタービン及びガスタービン発
電プラントの信頼性が向上する。

【００３２】

【実施例】

〔実施例１〕図１に本発明の一実施例を示す。図２は図
１を下流側から見た時の一部分を示す。ガスタービン
は、空気圧縮機，燃焼器，タービンから構成される。空
気圧縮機からの空気は燃焼器へ導入され、ここで燃料を
燃焼し、高温の気体となってタービンへ導かれる。燃焼
器は、燃焼室１，拡散燃焼用燃料ノズル２，予混合ノズ
ル３から構成される。

【００３３】空気圧縮機からの燃焼用空気２０は、燃焼
器下流から、燃焼室１を形成するライナ表面を冷却し
て、燃焼器上流へ導かれる。燃焼室１へは、空気は拡散
燃料分散用空気２０Ａ，燃焼器構成部材の冷却空気２０
Ｂ，予混合燃焼用空気２０Ｃとして供給される。燃料
は、拡散燃焼用燃料ノズル２，予混合燃焼用燃料ノズル
４から噴出される。

【００３４】拡散燃焼用燃料ノズル２は燃焼器中心に配
置され、その外周に円錐形の隔壁５を介して、円環状の
予混合ノズル３が配置される。この時の拡散燃焼用燃料
ノズル２と予混合ノズル３との間の半径方向の距離は、
拡散火炎３０の燃焼ガスが拡散火炎３０の後流側から拡
散燃焼用燃料ノズル２の燃料出口側まで十分に循環でき
るように離しておくことが重要である。このような循環
流を発生させることにより、拡散火炎３０の安定性を向
上させることができる。

【００３５】拡散燃焼用の燃料４０は、拡散燃焼用燃料
ノズル２の燃料噴出口から噴出される。拡散燃焼用燃料
ノズル２の外周には拡散燃料分散用空気２０Ａの流路６
が設けられ、燃料４０と共に燃焼室１内へ噴出される。
拡散燃焼用燃料ノズル２と拡散燃料分散用空気の噴出用
ノズルとによって拡散燃焼用バーナが構成される。拡散
燃料分散用空気２０Ａは流路６出口に設けられた旋回羽
根により旋回流３２として、燃焼室１内へ投入される。
拡散燃料分散用空気２０Ａを使わずに、燃料を直接、旋
回流３２として噴出しようとすると、ガスタービン負荷
即ち燃料流量によって旋回成分の運動量が変化する。こ
れを避け、燃料流量に依らず常にある程度の旋回の運動
量を確保するため、拡散燃料分散用空気２０Ａを旋回流
３２として投入する。本実施例では、拡散燃料分散用空
気２０Ａは、燃焼室中心に向かって噴出される。

【００３６】予混合ノズル３には、複数の予混合燃焼用
燃料ノズル４と仕切板７とで、複数の予混合室１０が構
成される。ここで、仕切板７は、予混合燃焼用燃料ノズ
ル４から噴射される予混合燃料の拡散を制限して燃焼用
空気２０Ｃとの混合を促進させるためのものであり、予
混合ノズル３の出口まで仕切るものではない。したがっ
て、隣接する予混合室１０内を流れる混合気は、予混合
ノズル出口では、一部混合する。予混合ノズル３の出口
には、分割板９が配置される。分割板９は、予混合燃料
用ノズル４の上流側から予混合ノズル３の出口まで仕切
り、本実施例では５個の予混合室１０から構成される予
混合室ユニット１１を形成させるものである。したがっ
て、隣接する予混合室ユニット１１を流れる混合気は、
予混合ノズル３出口まで交じりあうことはない。本実施
例では、予混合室ユニットの数は４個である。ただし、
予混合室１０及び予混合室ユニット１１の数は、特には
限定されない。

【００３７】予混合ノズル３出口には、保炎器１２が接
合板８によって配置される。接合板８の接合位置は特に
は限定されない。保炎器１２は、環状の予混合ノズル３
に対応して環状に形成され、その断面は頂点が上流側を
向くように配された三角形形状をしており、保炎器１２
の後流側に発生する循環流３４によって、予混合火炎３
５を安定に保持するものである。図３は予混合ノズル３
の出口部分の一部を拡大して図示したものである。分割
板９で仕切られた予混合室ユニット１１の境界では、保
炎器１２の最下流端面１２Ａは削除されており、各予混
合ユニット１１から噴出される気流２２は、それぞれの
下流に配置されている保炎器１２を完全に包込むように
なっている。従って、保炎器１２からは安定な予混合火
炎３５が形成される。ここで、保炎器１２の円周方向の
分割面である側面１２Ｂの形状は、図４のようにまっす
ぐにするのが製作上は最も簡単である。しかし、予混合
ノズル３が大型となり、出口付近で流れが偏流する場合
には、保炎器１２の最下流端面以外の側面１２Ｂからも
火炎が形成される恐れがある。そこで、図５のように保
炎器１２の側面１２Ｂに角度θをつけると、側面１２Ｂ
に沿う流れが加速されるので、この部分に火炎が形成さ
れるのを防止できる。ここで、角度θは、通常は１２０
〜１７０゜の範囲にすると、側面１２Ｂでの気流の状態
を良好に保てる。ただし、角度θが１８０゜は図４の場
合に相当する。また、図５で、最下流端面にできる角部
１２Ｃから渦が発生し、角部１２Ｃが赤熱する可能性が
あるが、図６のように角部を削ると、この事態が発生す
るのを回避できる。

【００３８】上述した個々の作用効果を総合したガスタ
ービン燃焼器の運用の実施例について、図１２及び図１
３で説明する。

【００３９】燃料８０は、ガスタービンの負荷信号９４
に基づき、燃料流量制御装置９０により制御され、各ノ
ズルに供給される燃料（Ａ），(Ｂ），(Ｃ），(Ｄ），
(Ｅ)が分割される。例えば、燃料流量制御装置９０から
の制御信号９２Ａによって、燃料制御弁８２Ａの開度す
なわち燃料流量が調節されて、拡散燃焼用燃料ノズル２
に燃料（Ａ）が供給される。同様に、燃料(Ｂ），
(Ｃ），(Ｄ），(Ｅ）は、それぞれ燃料流量制御装置９
０からの制御信号９２Ｂ，９２Ｃ，９２Ｄ，９２Ｅによ
って、それぞれ燃料制御弁８２Ｂ，８２Ｃ，８２Ｄ，８
２Ｅの開度すなわち燃料流量が調節されて、それぞれの
予混合燃焼用燃料ノズル４に供給される。

【００４０】ガスタービン起動時及び低負荷時には、燃
料（Ａ）を拡散燃焼用燃料ノズル２に供給し、拡散燃焼
単独運転を行う。予混合開始負荷に到達した時、拡散燃
焼用燃料(Ａ）を減らし、その分だけ４個の予混合室ユ
ニット１１の一つに燃料(Ｂ）を供給する。ここで、予
混合室ユニット１１には、５本の予混合燃焼用燃料ノズ
ル４が配置されており、燃料（Ｂ）は該ノズル４から噴
射され、空気と混合して予混合気となる。本実施例で
は、この予混合室ユニット１１の構成は他の予混合室ユ
ニットでも同じなので、以下、単に予混合室ユニット１
１と表示する。そして、予混合室ユニット１１の出口に
は、予混合気の噴流で少なくともその最下流端面が完全
に包込まれるようになっている保炎器１２が接合されて
いる。したがって、拡散燃焼用燃料ノズル２で形成され
る火炎で着火された予混合室ユニット１１の火炎は、低
い燃空比でも安定に燃焼される。また、隣接する予混合
室ユニット１１の出口に配置される保炎器１２には火炎
が形成されない。

【００４１】さらに高い負荷で運転する場合には、燃料
（Ｂ）の供給量を減らし、その分だけ燃料（Ｃ）の供給
量を増やす。この状態で負荷を上昇する場合には、燃料
(Ｂ)，（Ｃ）の供給量が概略同じになるようにすると、
局所的に高温部分が発生することがなく、排出ＮＯｘレ
ベルを低くできる。この場合にも、各予混合室ユニット
１１の出口に配置される保炎器１２は、それぞれに対応
する予混合室ユニット１１からの混合気の噴出流に包込
まれているので、隣接する予混合室ユニット１１に形成
される火炎に影響されない。したがって、保炎器の温度
分布はそれ自身で形成する火炎によってのみ決まるの
で、保炎器１２に過度の熱応力がかかることがない。

【００４２】この状態で負荷を上昇させていくと、燃焼
室１内の燃焼ガスの平均温度は、燃料の着火温度よりも
大きくなる。したがって、このような条件になった時点
から燃料（Ｄ）及び燃料（Ｅ）を供給すると、連続的に
負荷を上昇させることができる。以後、定格負荷に至る
過程で、燃焼器から排出されるＮＯｘや一酸化炭素，未
燃分の排出特性を勘案して、図１３に示すように、拡散
燃焼用ノズル及び各予混合室ユニットへの燃料供給量を
決める。

【００４３】本実施例によれば、予混合室ユニットの出
口に配置する保炎器に低い燃空比で安定に火炎を形成で
き、しかも隣接する予混合室ユニットの噴出気流に影響
を受けないので、予混合室ユニットへの燃料の供給を排
出ＮＯｘの少ない低い燃空比ででき、しかも保炎器に過
度の熱応力が発生するのを防止できる作用効果がある。

【００４４】〔実施例２〕本発明による他の実施例を図
７，図８に示す。図７は、分割した予混合室ユニット１
１の出口に配置した保炎器１２の一部分を下流側から見
たものを示す。図８は、本実施例の保炎器１２の一部分
を立体的に示したものである。本実施例においては、予
混合室ユニット１１の出口に配置される保炎器１２は円
環状の共通の支持部１３と一体構造となっており、最下
流端面１２Ａのみ各予混合室ユニット１１毎に別個に構
成される。支持部１３は、図１に示したように、接合板
８で予混合ノズル３と接合される。本実施例による保炎
器を配置したガスタービン燃焼器の運用方法は、実施例
１と同様である。

【００４５】保炎器１２の最下流端面に火炎が形成され
ると、保炎器１２は高温の燃焼ガス及び混合気気流との
伝熱により温度分布を持つ。保炎器１２はリングの一部
を削除した形状になっているので、内部に温度分布がで
きると、各部の伸びが異なり、側面部に反りができるよ
うな力が働く。しかし、本実施例では、保炎器１２を円
環状の共通の支持部１３で支持し、また、支持部１３が
高温燃焼ガスの影響を受けない上流側で予混合ノズル３
と接合されているため、支持部１３はその位置からずれ
ず、従って、長期間の運転後も保炎器１２の配置がずれ
るのを防ぐことができる。その結果、保炎器１２の配置
がずれて、予混合ノズル３から噴出される気流が乱れて
燃焼が不安定となる事態が生じることはない。

【００４６】本実施例によれば、円環状の共通の支持部
で保炎器を支持するため、長期間の運転後も保炎器の配
置がずれず、安定な燃焼が提供できる効果がある。

【００４７】〔実施例３〕本発明による他の実施例を図
９に示す。図９は、実施例２と同様に、分割した予混合
室ユニット１１の出口に配置した保炎器１２の一部分を
下流側から見たものを示す。本実施例では、保炎器の構
造は実施例２と同様である。実施例２と異なるのは、隣
接する予混合室ユニット１１の円周方向境界面に多孔板
１４を配置し、孔１５から冷却空気を流せるようにした
ことである。冷却空気は、図１で２枚の分割板９を予混
合燃焼用燃料ノズル４の上流側まで配置して、空気の流
路を形成すれば良い。本実施例においてもガスタービン
燃焼器の運用方法は、実施例１，２と同様である。

【００４８】ガスタービンの負荷が上昇し、予混合室ユ
ニット１１に供給される混合気の燃空比が大きくなる
と、保炎器１２の支持部１３の後流のせん断層に火炎が
形成される可能性が生じる。このせん断層火炎は不安定
であり、燃焼条件が非定常に変動するような場合には、
支持部１３まで火炎が戻り、保炎器１２を焼損させる可
能性がある。これを防止するには、予混合室ユニット１
１の円周方向境界面に位置する支持部１３の軸方向端面
を鋭利にして支持部１３に火炎が付着するのを防止する
のが良い。さらに、本実施例のように、隣接する予混合
室ユニット１１の円周方向境界面に多孔板１４を配置
し、孔１５から冷却空気を流すことで、支持部１３に火
炎が付着するのを完全に防止できる。

【００４９】本実施例によれば、支持部材１３に火炎が
付着するのを完全に防止できるので、保炎器１２の信頼
性を高めることができる効果がある。

【００５０】〔実施例４〕本発明による他の実施例を図
１０，図１１に示す。図１０は、実施例２，３と同様
に、分割した予混合室ユニット１１の出口に配置した保
炎器１２の一部分を下流側から見たものを示す。図１１
は、保炎器１２及び支持部１３の一部分の断面図であ
る。本実施例では、実施例３の隣接する予混合室ユニッ
ト１１の円周方向境界面部分の形状から、さらに支持部
１３に冷却空気が通過する孔１６を設ける。冷却空気
は、図１１に示すように、多孔板１４からの冷却空気の
一部を受ける開口部１７を設けて取り込み、そこから孔
１６を通過させて支持部１３から噴出させる。本実施例
の場合、冷却空気が直接支持部１３から噴出するので、
火炎が支持部１３に付着することはない。

【００５１】本実施例によれば、支持部１３に火炎が付
着するのを完全に防止できるので、保炎器１２の信頼性
を高めることができる効果がある。

【００５２】〔実施例５〕本発明による他の実施例を図
１４，図１５に示す。図１５は図１４を下流側から見た
時の一部分を示す。図１，図２の実施例と異なるのは、
燃焼器中心に配置される拡散燃焼用燃料ノズル２よりも
上流側に予混合燃焼用燃料ノズル１８を設け、流路６か
ら噴出する気流を、拡散燃料分散用空気あるいは予混合
気とする点である。ここで、予混合燃焼用燃料ノズル１
８の本数は、空気と燃料との混合が均一に行われるもの
であれば、特には限定されない。また、本実施例では、
図１５のように、予混合室ユニットの数を３個としてい
る。本実施例では、流路６は図１に比べて大きくなって
おり、より多くの空気が流れるように構成している。

【００５３】本実施例による燃料流量調節の運用方法を
図１６に示す。ただし、燃料（Ａ）は拡散燃焼用燃料ノ
ズル２への供給燃料、燃料（Ｂ）は予混合燃焼用燃料ノ
ズル１８への供給燃料、燃料（Ｃ），(Ｄ），(Ｅ）は、
それぞれ３個に分割された各予混合室ユニット１１に配
置されている予混合燃焼用燃料ノズル４への供給燃料を
表す。

【００５４】ガスタービン起動時及び低負荷時には、燃
料（Ａ）を拡散燃焼用燃料ノズル２に供給し、拡散燃焼
単独運転を行う。予混合燃焼開始負荷に到達した時、予
混合燃焼用燃料ノズル１８から燃料（Ｂ）を供給する。
さらに負荷が上昇すると、燃料（Ａ）を減らし、その分
だけ燃料（Ｃ）を３個の予混合室ユニット１１の一つに
供給する。さらに負荷が上昇すると、燃料（Ｃ）を減ら
し、その分だけ燃料（Ｄ）を３個の予混合室ユニット１
１の一つに供給する。そして、最後に燃料（Ｅ）を供給
する。また、燃料（Ｂ）の供給流量を増やし、燃料
（Ａ）の供給流量を減らして定格負荷に至る。本実施例
では、燃焼器中心に配置されるノズルは拡散燃焼用と予
混合燃焼用の両方に使用可能であるので、定格負荷では
燃料(Ａ)を全燃料流量の５％以下に減少させることがで
きる。したがって、定格負荷でもＮＯｘ排出量を減少さ
せることができる。

【００５５】本実施例によれば、定格負荷での拡散燃焼
用燃料流量割合を減少できるので、定格負荷でのＮＯｘ
排出量を低減できる効果がある。

【００５６】以上の実施例１〜６に示した本発明のガス
タービン燃焼器を、ガスタービン燃焼器内で発生した燃
焼気体により駆動されるタービン及び該タービンの回転
軸に接続された空気圧縮機等と周知の方法で組み合わせ
ると、失火の恐れのない信頼性に優れたガスタービンが
構成される。

【００５７】また、本発明のガスタービン燃焼器を、該
ガスタービン燃焼器内で発生した燃焼気体により駆動さ
れるガスタービン及び該ガスタービンの駆動により発電
を行う発電機等と周知の方法で組み合わせると、信頼性
に優れたガスタービン発電プラントが構成される。

【００５８】

【発明の効果】本発明によれば、複数の予混合室ユニッ
トの出口に配置される保炎器で各予混合室ユニットによ
る燃焼火炎を安定に保持できる。しかも、該保炎器を長
期間の使用後も破損等が生じるのを回避できる。したが
って、前記予混合室ユニットに供給する燃料流量を独立
に制御することで、ガスタービンの広い負荷条件でNOx
排出量の少ない安定した燃焼が行える効果がある。

【００５９】そして、本発明のガスタービン燃焼器を組
み込むことによって、燃焼の安定性に優れたガスタービ
ン，ガスタービン発電プラントが提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるガスタービン燃焼器の
断面図。

【図２】図１の一部を下流側から見た図。

【図３】本発明の一実施例による保炎器近傍の説明図。

【図４】本発明の一実施例による保炎器の一部を示す斜
視図。

【図５】本発明の一実施例による保炎器の一部を示す斜
視図。

【図６】本発明の一実施例による保炎器の一部を示す斜
視図。

【図７】本発明の一実施例を示す保炎器近傍の説明図。

【図８】本発明の一実施例を示す保炎器近傍の説明図。

【図９】本発明の一実施例を示す保炎器近傍の説明図。

【図１０】本発明の一実施例を示す保炎器近傍の説明
図。

【図１１】本発明の一実施例による保炎器近傍の部分構
造を示す断面図。

【図１２】本発明の一実施例によるガスタービン燃焼器
の燃料流量制御系統の説明図。

【図１３】本発明の一実施例によるガスタービン燃焼器
の燃料流量制御方法の説明図。

【図１４】本発明の他の実施例によるガスタービン燃焼
器の断面図。

【図１５】図１４の一部を下流側から見た図。

【図１６】本発明の他の実施例によるガスタービン燃焼
器の燃料流量制御方法の説明図。

【符号の説明】

１…燃焼室、２…拡散燃焼用燃料ノズル、３…予混合ノ
ズル、４，１８…予混合燃焼用燃料ノズル、５…隔壁、
６…流路、７…仕切板、８…接合板、９…分割板、１０
…予混合室、１１…予混合室ユニット、１２…保炎器、
１３…支持部、１４…多孔板、１５，１６…孔、１７…
開口部、２０…燃焼用空気、３０…拡散火炎、３２…旋
回流、３４…循環流、３５…予混合火炎、４０，８０…
燃料、８２…燃料制御弁、９０…燃料流量制御装置、９
４…負荷信号。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｆ２３Ｄ 23/00 ＺＦ２３Ｒ 3/06 3/12 3/18 3/30 3/34 (72)発明者小豆畑茂茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者小松康孝茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者漆谷春雄茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者飯塚信之茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者村上忠孝茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】拡散燃焼用バーナ及び拡散燃焼用と予混合
燃焼用との両方に使用可能なバーナを中心部に有し、その外周に燃料と空気の混合気を噴出する環状の予混合
ノズルを有し、該環状の予混合ノズルを円周方向に分割して複数の予混
合室を形成するように構成したガスタービン燃焼器にお
いて、前記複数の予混合室のうち、円周方向に隣接する所定数
の予混合室毎にまとめて複数の予混合室ユニットを構成
し、該複数の予混合室ユニットからの混合気が燃焼室に噴出
する出口近傍に、該予混合室ユニットからの噴出混合気
気流の抵抗体となる保炎器を設け、かつ、該保炎器を前
記予混合室ユニット毎に分割して設けて、当該予混合室
ユニットの下流に位置する前記保炎器の少なくとも最下
流端面が、前記予混合室ユニットからの噴出混合気気流
中に収まるように構成し、該複数の予混合室ユニット毎に独立に供給燃料流量を制
御する手段を設け、前記ガスタービンの低負荷運転時には、前記複数の予混
合室ユニットのうち所定数の予混合室ユニットに燃料を
投入し、高負荷運転時には、全ての予混合室ユニットに
燃料を投入するように構成したことを特徴とするガスタ
ービン燃焼器。
【請求項２】前記複数の予混合室ユニットの下流に配置
される前記保炎器は、円環状の共通の支持部により前記
予混合ノズルに固定されていることを特徴とする請求項
１記載のガスタービン燃焼器。
【請求項３】請求項２において、隣接する前記予混合室
ユニットの円周方向境界面に位置する前記支持部から冷
却空気を流せるようにしたことを特徴とするガスタービ
ン燃焼器。
【請求項４】複数の前記予混合室ユニットが隣接する円
周方向境界面に冷却空気の通路を設けたことを特徴とす
る請求項１乃至３のいずれかに記載のガスタービン燃焼
器。