JPS5847610B2 - ガスタ−ビン燃焼器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はガスタービン燃焼器に係り、とくに空気過剰の
予混合燃料ガスを燃焼室に供給し、保炎性能を保ちなが
ら希釈低温度燃焼を行なわせ窒素酸化物（ＮＯｘ）の生
或を抑えるガスタービン燃焼器に関するものである。

黄硫酸化物（８０２）と並び窒素酸化物（ＮＯｘ）が大
気汚染の県因と言われているが、ガスタービンではＮＯ
ｘ生或が問題となっている。

ＮＯｘは低温度均質燃焼により低減することが得策であ
る。

すなわち、ガスタービン特有の過剰空気を有効に活用し
、燃焼反応時の温度を低下させること，により、ＮＯｘ
の生成を抑えることが一般的に行われている。

ガスタービンでは液体燃料を噴霧し、燃焼するいわゆる
拡散燃焼を行なっているものがほとんどである。

この場合過剰の空気を供給するか、あるいは二段燃焼な
どによりＮＯｘ低減化を図っているが、ＮＯｘ低減効果
が低い欠点がある。

これは液滴燃料が蒸発し、燃焼して行く過程を微視的に
見ると液滴表面から幾分離れた位置に火炎面があり、こ
の火炎面の直後においては、全体が空気過剰であっても
ほぼ理論空気比で燃焼する領域があるため高温度となり
、ＮＯｘ生成速度は犬となっている。

このように全体としては過剰の空気であっても火炎面直
後の燃焼帯では常に理論空気比での燃焼を行なうため効
果的な低温度燃焼ができず、大巾なＮＯｘ低減を行なう
ことはできない大きな理由となっている。

しかし、あら力化め空気と予混合を行なったガス体燃料
では過剰の空気は均一に混合されているため液滴燃焼の
ようにほぼ理論燃焼を行なう高温度の火炎面の形成はな
い。

したがって全体にわたり希釈低温度燃焼を行なうことが
可能となり大巾なＮＯｘ低減が得られる。

液体燃料を蒸発させ燃料ガスとして空気予混合した後で
燃焼室に導き低温度燃焼を行なう蒸発形燃焼器を第１図
に示す。

ガスタービンは圧縮機１、燃焼器２および−タービン３
のメーンパーツから構成され、空気４ａが圧縮機１に吸
引され加圧４ｂされて燃焼器２に導かれる。

燃焼器２には燃料５が供給される。燃焼ガス６はタービ
ン３を通過する際に仕事をし、排気ガス７となって大気
中に排出される。

ＮＯｘの生成は燃焼器２内で生ずるものであり、燃焼器
２について説明を加える。

実際のガスタービンにはタービン１台につき図示するよ
うな燃焼器２と同一寸法のものが複数個環状配置されて
いる。

燃焼器２は外筒８、内筒９、燃焼ガスをタービン３へと
導くトランジションピース１０、および燃焼ノズル１１
．１２などから構成される。

燃料ノズル１１，１２は外筒８の側閉端の蓋１３に取付
られており、中央部には起動から定格運転時に至る過渡
運転時に用いるパイロット燃料ノズル１１とその周囲に
は複数個の主燃料ノズル１２が取付られる。

主燃焼ノズル１２からの噴霧燃料１４は内筒９と外筒８
との間の環状空間部に設けられている燃料蒸発室１５内
に噴霧される。

加圧空気４ｂは外筒８と内筒９との環状部を通過し、内
筒９内に供給されるが、頭部燃焼室１６に導かれる１次
燃焼空気流１７、後部燃焼室１８に導かれる２次燃焼用
空気流１９および希釈空気流２０に分れて供給される。

燃焼室内筒９は頭部に一段直径の小さな頭部燃焼室１６
とその後流に径の大きな後部燃焼室１８とから成立って
いる。

頭部燃焼室１６の外側には噴霧燃料粒子１４を頭部燃焼
室１６の熱により加熱蒸発させかつ空気流１７と均一混
合し、予混合燃料ガスを生成する燃料蒸発予混合室１５
が設けられている。

この予混合室１５は外側壁２１と頭部燃焼室内筒壁２２
とに囲まれた環状空間部に位置する。

予混合燃料ガスは空気過剰率が１．２〜１６程度の空気
過剰となって内筒壁２２に穿設した供給孔２３より頭部
燃焼室１６へ導入され低温度燃焼を行なうためＮｏｘの
生成は少なくなるものである。

頭部燃焼室１６の側閉端２４に旋回空気流２５を導入す
るスワラ２６があり、旋回空気流２５に起因して生ずる
再循環流２７により火炎が保持されるようになっている
。

頭部燃焼室での過剰率は１．２〜１，６程度の空気過剰
となっているが、さらに大巾にＮＯｘを低減させるため
には、２次空気流１９による混合を促進させ更に、温度
の低い低温度燃焼を実現させることにある。

しかし、従来装置では予混合燃料ガスがほぼ均一に頭部
燃焼室１６に供給されるため頭部燃焼内における燃焼が
主であり、２次空気流による冷却が効果的に行なわれな
い欠点があり大巾なＮＯｘ低減化に結びついていない。

本発明の目的はＮＯｘ低減効果の大きい蒸発形燃焼器を
提供するものであるが、とくに２次空気流による冷却作
用を有効に活用できるような頭部燃焼室の予混合供給配
分と、２次空気流の供給方法を効果的に適合させること
により大巾なＮＯｘ低減を得るものである。

本発明の要点は頭部燃焼室内に火炎の保持ができ、かつ
頭部燃焼室への予混合燃料ガスの供給配分およびその位
置を実験的に検討し、２次空気による冷却作用が得やす
い構造とするようにしたものである。

以下、本発明の一実施例を第２図及び第３図により詳細
に説明する。

圧縮機、燃焼器およびタービンから成る構成は従来技術
を説明した第１図と同一であるため、省略し、本発明の
キーポイントとなる頭部燃焼室およひ２次空気導入構造
について説明を加える。

頭部燃焼室内筒壁２２に複数列かつ複数個の前方、後方
燃料ガス供給孔２ ８ ａ ，２ ８ ｂを穿設する。

またパイロットノズル１１に近接する周囲にスワラ２９
を取付サ頭部燃焼室内に旋回空気流３０を導入し保炎性
能を向上させる。

頭部燃焼室１６から後部燃焼室１８に至る拡大部には２
次空気１９に旋回３１を加えて供給する２次空気用スワ
ラ３２を取付けていることが特徴である。

蒸発予混合室１５で蒸発した燃料ガス３ ３ ａ ，３
３ ｂはガス供給孔２８ａ，２８ｂから頭部燃焼室１
６に供給され燃焼を継続する。

複数列のガス供給孔２８ａ，２８ｂは均等配分とはなっ
ておらず後部燃焼室１８に近い位置の供給孔２８ｂから
多量の燃料ガス３３ｂが供給されるようになっている。

すなわち、後方供給孔２８ｂからのガス流の一部は頭部
スワラ２９からの旋回流３０に起因する再循環流３４に
巻き込まれるが、ほとんどは後部燃焼室１８の２次空気
スワラ３２からの旋回流３１に巻き込まれる。

また、パイロットノズル１１に近接する前方供給孔２８
ａからのガス流３３ａは頭部の燃料濃度を増し、保炎性
能を向上させるものであると共にパイロツ１・ノズルか
らの燃料噴霧３５を止めた場合でもその周囲から供給す
る燃料ガス３３ａを旋回空気流３０によって生ずる再循
環流３４に巻き込み、保炎性能を向上させる効果を生ず
る。

第３図に火炎形成状態図を示す。

２次空気旋回流３１によって後部燃焼室内１８に拡大さ
れた火炎が形成される。

このように２次空気流１９と予混合燃焼ガス３３ｂとが
効果的に混合し燃焼を継続する。

一方、前方供給孔３３ａからの混合ガス量が多くなると
、頭部燃焼室内に主に火炎が形成され、２次空気流１９
による冷却効果がうすれるため、ＮＯｘ低減効果は悪く
なる。

しかし、前方供給孔３３ａからの混合ガス量がなくなる
とスワラ２９による再循環流３４内への燃料ガスの供給
が少なくなるため保炎性が劣る欠点がある。

頭部燃焼室１６の形状は直径をｄとし、また軸方向の長
さをｌとした場合、内筒壁面の異状温度上昇などに起因
して生ずる蒸発室内１５での火炎形或、すなわち逆火な
どを防止する条件として＃／ｄ＝１近傍が最適である。

また頭部燃焼室内壁面２２に穿設した前部供給孔２８ａ
の位置は０．２＜ｌ１／ｌ≦０．４が良く、後部供給孔
２８ｂの位置は０．７≦ＩＪ，，／ｌ≦ ０．９に設定
すると良い、ｉ１７ｉ牛Ｏに近づけると旋回流３０の外
側を流れるため保炎効果を向上することはできない。

また１１２／／ｌ≦０．７では２次空気流１９による旋
回流３１との混合効果がうすれるためＮＯｘ低減効果が
悪くなる。

表１にいくつかの燃焼器による比較試験例を示す。

実施した燃焼器のうち代表的なもの４種類について示す
。

前方供給孔２８ａからの流量３３ａおよび後方供給孔２
８ｂからの流量３３ｂ配分の異なる場合である。

人の燃焼器は、予混合燃料ガスを後方供給孔２８ｂから
ρみ供給したものであり、Ｄは、前方供給孔２８ａから
のみ供給したようにしたものである。

Ｂ，Ｃは、予混合ガスの供給比率を各係となるように供
給孔面積を設定したものである。

この比較試験に用いられた燃焼器のトータルの空気過剰
率λ１は１．４に設定した。

すなわち後方供給孔２８ｂから多量に燃料ガス３３ｂを
導入した方が（燃焼器Ａ）、前方からすべてを供給した
場合（燃焼器Ｄ）に比べ約７２係のＮＯｘ濃度である。

このように２次空気による冷却効果が示されている。

一方、ＣおよびＤのように前方供給孔２８ａからの流量
配分を多くするとＮＯｘ濃度が上昇し、１００係前方供
給孔２８ｂから導入する場合におけるＮＯｘ濃度が高い
傾向となっている。

しかし、頭部内筒壁２２の温度上昇は前方供給孔２８ａ
から多い流量配分にすると生じ、逆火が生ずるため後方
から多く流入すれば良いが、１００％後方から供給すれ
ば頭部燃焼室内での保炎性能が低下することになり総合
して評価すると、前方、後方供給孔からそれぞれ約２０
〜３０％、７０〜８０％の流量配分にすることが望まし
い。

ＮＯｘの低減は過剰空気との均質混合により低温変燃焼
を実現することに大きく左右されるが、本発明では蒸発
予混合室内での蒸発した燃料と１次空気流量λ１との空
気過剰率を１．２〜１，６近傍に保った場合が低ＮＯｘ
に効果的であり、λ、＞ １． ６では燃料濃度からす
くなるため不安定燃焼からついには吹き消えるに至る。

またλ，＜１．２では理論燃焼により近づくためにＮＯ
ｘ濃度が高くなると共に蒸発室内での火炎形成すなわち
逆火現象が表われる欠点がある。

このようなことを考慮すると予混合室内の空気過剰率は
１，２〈λ１ぐ１．６が最適である。

現在一般的に用いられている液体燃料を噴霧燃焼（拡散
燃焼）させた場合と比べ、２次空気による冷却効果を向
上させた本発明による蒸発型燃焼器のＮＯｘ濃度は約±
〜圭程度に低減可能となる６８ ものである。

本発明によれば蒸発予混合燃焼それ自体でもかなりのＮ
Ｏｘ低減を行なうことができるが、さらに２次空気によ
る冷却効果を向上させることによりさらに大巾なＮＯｘ
低減効果を得ることができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来形燃焼器の部分断面図、第２図は本発明の
一実施例になる燃焼器を示す要部断面図第３図は第２図
燃焼器の火炎形成状態を示す図である。 １５・・・燃料蒸発予混合室、１６・・・頭部燃焼室、
１８・・・後部燃焼室、２８ ａ 、２８ｂ・・・ガス
供給孔、２９・・・頭部スワラ、３２・・・２次空気ス
ワラ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧縮機からの高圧空気に液体燃料を供給し、ガス化
   を行なわせ、空気との予混合ガスとして燃焼室に導きこ
   こで生成する燃焼ガスでタービンを駆動する蒸発形ガス
   タービン燃焼器において前記燃焼室はスワラーを有し、
   かつ直径の小さい頭部燃焼室とその後流に頭部燃焼室よ
   り直径の大きな後部燃焼室から成り、前記頭部燃焼室の
   半径方向に燃料蒸発室を設け、前記燃料蒸発室で気化し
   た燃料ガスを複数個の供給孔よりなる前方供給孔列及び
   後方供給孔列より頭部燃焼室へ導入する構成となし、頭
   部燃焼室の直径をｄ１長さをｌ１頭部燃焼室側閉端から
   前方供給孔列及び後方供給孔列までの軸方向距離を１１
   ，’２としたとき、ｌ中ｄ ， ０．２≦Ａ，／ｄ≦０
   ．４ ， ０．７≦４２刀≦０．９に設定し、更に前記
   頭状燃焼室と後部燃焼室との接続拡大部に空気を旋回し
   て後部燃焼室内に供給するスワラーを設けたことを特徴
   とするガスタービン燃焼器。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の燃焼器において、全気
   化燃料ガス流量をＷ，とすると前方供給孔列からの流量
   を０．２〜０．３Ｗ，とし、後方供給孔列からの流量を
   ０．７〜０．８Ｗ５になるような流量配分にしたことを
   特徴としたガスタービン燃焼器。