JPH10176832A - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 予蒸発予混合燃焼法により窒素酸化物の低減
を図る場合でもパイロットバーナを別に設けること無
く、広範囲で安定した燃焼を可能とするガスタービン燃
焼器を提供すること。 【解決手段】 予蒸発予混合管２２の先端部の燃焼器２
１との連結部２３にリセス２４を設ける。このリセス２
４によって燃焼ガスの流れに渦等が生じて燃焼ガスの流
れの遅い部分ができ、これによって予蒸発予混合管２２
の先端部近傍に火炎をとどめ、パイロットバーナを設け
ること無く、広範囲（ガスタービンの負荷の変化範囲や
燃料供給量の変化範囲）で安定した燃焼を継続できるよ
うにしている。したがって、パイロットバーナからの窒
素酸化物の発生がなく、より一層の窒素酸化物の低減を
図ることができるようになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ガスタービンで
の燃焼にともなう窒素酸化物の低減を図るために予蒸発
予混合燃焼を行う場合でも火炎の安定性を向上すること
ができるガスタービン燃焼器に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンは、圧縮機で圧縮された空
気と燃料を燃焼器で燃焼させ、発生する高温・高圧の燃
焼ガスをタービン中で膨張させることによって外部に出
力を取り出し、発電機、プロペラ、車両、機械の駆動な
どに用いられ、高温・高圧の燃焼ガスほど大きな出力を
得ることができる。

【０００３】一方、特に開放サイクルのタービンでは、
仕事をした燃焼ガスは排ガスとして大気中に排出される
ため、大気汚染の問題があり、特に高温燃焼にとなって
発生する窒素酸化物の排出が問題となっており、燃焼温
度が高いほど窒素酸化物の発生量が増大する。

【０００４】このようなガスタービン燃焼器から排出さ
れる窒素酸化物は、燃焼温度を低くすることによって低
減することができることから、低ＮＯｘバーナ，多段燃
焼，排ガス循環燃焼，水噴射等の種々の方法が提案され
ている。

【０００５】このような窒素酸化物の低減を可能とする
燃焼方法の一つに、予蒸発予混合燃焼法とよばれるもの
があり、噴射された燃料と空気を予め蒸発混合して均一
で希薄な混合燃料ガス（混合気）を作り、これを燃焼器
に送って燃焼させることで、燃焼温度を低くした燃焼を
可能として窒素酸化物の低減を図るようにしており、混
合燃料ガスが希薄なほど窒素酸化物の低減を図ることが
できる。

【０００６】この予蒸発予混合燃焼法によるタービン燃
焼器は、例えば図３に概略断面を示すように、燃焼器１
１の上流側に円周上等間隔に複数の予蒸発予混合管１２
を設け、これら予蒸発予混合管１２の基端部に取り付け
た燃料噴射弁１３から噴出された灯油等の液体燃料や天
然ガス等の気体燃料を空気と蒸発混合させて空気過剰で
均一な混合燃料ガスを形成し、この混合燃料ガスを燃焼
器１１内に供給して燃焼させ、高温高圧の燃焼ガスを発
生するようになっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな予蒸発予混合燃焼法によるタービン燃焼器では、混
合燃料ガスを希薄にすることによって窒素酸化物の発生
を抑えることができるものの、燃料の濃度が低いため安
定した火炎を得て燃焼を継続することができる範囲が狭
く、実用上窒素酸化物の低減化には限界がある。

【０００８】そこで、実際のタービン燃焼器１０では、
複数本の予蒸発予混合管１２が配置された円の中心部に
常時火炎を発生するパイロット噴射弁１４を備えたパイ
ロットバーナ１５を設けることによって燃焼を安定させ
ることが行われているが、このパイロットバーナ１５に
よる燃焼によっても同様に窒素酸化物が生成され、その
窒素酸化物の発生量が全発生量の１／３〜１／２程度と
多いことから、予蒸発予混合燃焼法による窒素酸化物の
低減効果が大幅に疎外されてしまうという問題がある。

【０００９】この発明は、かかる従来技術の有する課題
に鑑みてなされたもので、予蒸発予混合燃焼法により窒
素酸化物の低減を図る場合でもパイロットバーナを別に
設けること無く、広範囲で安定した燃焼を可能とするガ
スタービン燃焼器を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するこの
発明の請求項１記載のガスタービン燃焼器は、予蒸発予
混合管の基端部から供給される燃料と空気とを予め蒸発
混合して燃焼器内に供給するガスタービン燃焼器におい
て、前記予蒸発予混合管の先端部の前記燃焼器との連結
部に火炎を安定して存在させる再循環領域を形成するリ
セスを設けたことを特徴とするものである。

【００１１】このガスタービン燃焼器によれば、予蒸発
予混合管の先端部の燃焼器との連結部にリセスを設ける
ようにしており、リセスによって燃焼ガスの流れに渦等
が生じて燃焼ガスの流れの遅い部分ができ、これによっ
て予蒸発予混合管の先端部近傍に火炎をとどめ、パイロ
ットバーナを設けること無く、広範囲（ガスタービンの
負荷の変化範囲や燃料供給量の変化範囲）で安定した燃
焼を継続できるようにしている。

【００１２】これにより、パイロットバーナからの窒素
酸化物の発生がなく、より一層の窒素酸化物の低減を図
ることができるようになる。

【００１３】また、この発明の請求項２記載のガスター
ビン燃焼器は、請求項１記載の構成に加え、前記予蒸発
予混合管で予め蒸発混合して前記燃焼器内に供給される
燃料の前記リセス近傍の濃度を高めて供給することを特
徴とするものである。

【００１４】このガスタービン燃焼器によれば、リセス
近傍の燃料の濃度を高めて供給するようにしており、リ
セス近傍の高温燃焼ガスによる混合燃料ガスへの着火性
が増大し、一層安定した燃焼を継続することができるよ
うになる。

【００１５】ここで、リセスとは、くぼみやへこみ等を
いい、燃焼ガスの流れをよどませて渦などを形成できれ
ば良く、燃焼ガスの流れの遅い部分を予蒸発予混合管の
先端に形成するようにする。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて図面に基づき詳細に説明する。図１および図２は、
この発明のガスタービン燃焼器にかかり、図１（ａ）は
一つの予蒸発予混合管部分を抽出した縦断面図、図１
（ｂ）は混合燃料ガスの濃度分布の説明図、図２（ａ）
は全体の縦断面図、図２（ｂ）は（ａ）中のＢ−Ｂ断面
図である。

【００１７】このガスタービン燃焼器２０は、図２に示
すように、一端が開口する大径円筒状の燃焼器２１を備
えており、その一端部に小径の予蒸発予混合管２２が複
数本、図示例では６本の予蒸発予混合管２２が円周上に
等間隔に配置されて、燃焼器２１内と連通するようにな
っている。

【００１８】そして、これら６本の予蒸発予混合管２２
の燃焼器２１とのそれぞれの連結部２３には、図１に拡
大して示すように、外周側に拡がるくぼみで構成された
リセス２４が設けられ、この部分の予蒸発予混合管２２
の内径が段差を介して急激に拡大した形状になってい
る。

【００１９】このような予蒸発予混合管２２のそれぞれ
の基端部には、中心部に燃料噴射弁２５が設けられると
ともに、燃料噴射弁２５の周囲にスワラ（旋回羽根）２
６が取付けられて燃焼用の高温圧縮空気を旋回しながら
供給するようになっている。

【００２０】なお、このガスタービン燃焼器２０では、
点火用に図示しないイグナイタが設けてあるが、火炎保
持用のパイロットバーナは必要がなく設置してない。

【００２１】このように構成したガスタービン燃焼器２
０では、予蒸発予混合管２２の基端部の燃料噴射弁２５
から灯油等の液体燃料や天然ガス等の気体燃料が噴射さ
れると同時に、スワラ２６を介して高温圧縮空気が供給
されると、予蒸発予混合管２２の内部で噴射された燃料
と高温圧縮空気による旋回空気流とが蒸発混合し、均一
で希薄な混合燃料ガスが形成される。

【００２２】こうして予蒸発予混合管２２内で形成され
た均一で希薄な混合燃料ガスが予蒸発予混合管２２の先
端部からリセス２４を介して燃焼器２１内に供給されて
希薄混合燃焼が行われる。なお、起動時の点火は、図示
しないイグナイタ等によって行われる。

【００２３】このような燃焼器２１内での希薄混合燃焼
による火炎は、予蒸発予混合管２２から噴射される混合
燃料ガスの供給速度（図１での左側から右側への速度）
と噴射された混合燃料ガスの先端からの燃焼速度（図１
での右側から左側への速度）とが釣り合った位置に存在
することになるが、このガスタービン燃焼器２０では、
予蒸発予混合管２２の先端部の燃焼器２１との連結部２
３にリセス２４が形成されて外周側に急激に大径となる
くぼみとなっていることから、噴射される混合燃料ガス
がリセス２４で渦を形成してこの部分の流れが遅くなる
とともに、先端部分で中心に向かう流れが形成されて再
循環領域が形成され、これらにより、混合燃料ガスの供
給速度と混合燃料ガスの燃焼速度との釣り合う位置が予
蒸発予混合管２２の先端近傍となって火炎が安定して存
在することになる。

【００２４】この予蒸発予混合管２２の先端近傍の安定
した火炎を火種として均一で希薄な混合燃料ガスであっ
ても燃焼器２１内で安定して希薄混合燃焼を行うことが
できる。

【００２５】これにより、このタービン燃焼器２０で
は、パイロットバーナを設けること無く希薄な混合燃料
ガスでも安定した燃焼が可能となり、従来のパイロット
バーナで生成される全排出量の１／３〜１／２程度の窒
素酸化物を減少することができるとともに、より希薄な
混合燃料ガスの安定燃焼が可能となり、より一層の窒素
酸化物の生成の抑制を図ることができる。

【００２６】次に、より安定した火炎を燃焼器２１内に
形成するため、このガスタービン燃焼器２０では、各燃
料噴射弁２５により噴射される燃料の濃度を、図１
（ｂ）に示すように、リセス２４近傍だけを濃くするよ
うにしている。

【００２７】このような燃料濃度をリセス２４近傍だけ
を高めるようにすることで、着火性が高まり、保炎性を
一層高めることができ、パイロットバーナを設けること
無く、広範囲（ガスタービンの負荷の変化範囲や燃料供
給量の変化範囲）で安定した燃焼を継続することができ
る。

【００２８】これにより、パイロットバーナからの窒素
酸化物の発生がなく、より一層の窒素酸化物の低減を図
ることができる。

【００２９】このような燃料に濃度分布を持たせるため
には、例えば燃焼噴射弁２５の外周側の噴射口を大きく
することや外周に別に燃料噴射弁を設ける等で対応する
ことができ、特に天然ガスなどの気体燃料の場合には、
比較的容易に対応することができる。

【００３０】なお、上記実施の形態では、燃焼器に複数
本の予蒸発予混合管を円周上に等間隔に配置して設ける
場合で説明したが、さらに中心部にも設けるようにした
り、複数本に替え１本の予蒸発予混合管のみで構成する
ようにしても良い。

【００３１】

【発明の効果】以上、実施の形態とともに詳細に説明し
たように、この発明の請求項１記載のガスタービン燃焼
器によれば、予蒸発予混合管の先端部の燃焼器との連結
部にリセスを設けるようにしたので、リセスによって燃
焼ガスの流れに渦等が生じて燃焼ガスの流れの遅い部分
ができ、これによって予蒸発予混合管の先端部近傍に火
炎をとどめることができ、パイロットバーナを設けるこ
と無く、広範囲（ガスタービンの負荷の変化範囲や燃料
供給量の変化範囲）で安定した燃焼を継続することがで
きる。

【００３２】これにより、パイロットバーナからの窒素
酸化物の発生がなく、より一層の窒素酸化物の低減を図
ることができる。

【００３３】また、この発明の請求項２記載のガスター
ビン燃焼器によれば、リセス近傍の燃料の濃度を高めて
供給するようにしたので、リセス近傍の高温燃焼ガスに
よる混合燃料ガスへの着火性が増大し、一層安定した燃
焼を継続することができる。

【００３４】これにより、より希薄な混合気でも安定し
た燃焼が可能となり、その結果、よりいっそうの窒素酸
化物の生成の抑制が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のガスタービン燃焼器にかかり、
（ａ）は一つの予蒸発予混合管部分を抽出した縦断面
図、（ｂ）は混合燃料ガスの濃度分布の説明図である。

【図２】この発明のガスタービン燃焼器にかかり、
（ａ）は全体の縦断面図、（ｂ）は（ａ）中のＢ−Ｂ断
面図である。

【図３】従来のガスタービン燃焼器にかかり、（ａ）は
全体の縦断面図、（ｂ）は（ａ）中のＢ−Ｂ断面図であ
る。

【符号の説明】

２０ ガスタービン燃焼器 ２１ 燃焼器 ２２ 予蒸発予混合管 ２３ 連結部 ２４ リセス ２５ 燃料噴射弁 ２６ スワラ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 予蒸発予混合管の基端部から供給される
   燃料と空気とを予め蒸発混合して燃焼器内に供給するガ
   スタービン燃焼器において、前記予蒸発予混合管の先端
   部の前記燃焼器との連結部に火炎を安定して存在させる
   再循環領域を形成するリセス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】 前記予蒸発予混合管で予め蒸発混合して
   前記燃焼器内に供給される燃料の前記リセス近傍の濃度
   を高めて供給す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。