JPS5913829A - ガスタ−ビン燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はガスタービン燃焼器に係シ、特に燃焼時に生成
する窒素酸化物（以下Ｎ　Ｏｘと称す）と未燃物（ＣＯ
，ＨＣ等）の低減を目的とした天然ガス（］、　Ｎ　Ｇ
と略）焚希薄拡散燃焼方式の構造に関する。

ガスタービン燃焼器におけるＮ　Ｏｘ低減化の方法を大
別すると、水、水蒸気を使用する湿式法と燃焼性能の改
善に基づく乾式法がある。燃焼抑制法は、他の媒体が不
必要、タービン効率低下の１１１１止等、他方に比べ優
位であるが、均−幅度希薄拡散方式を目的とした燃焼で
は、その燃焼形態は極めて厳しい条件であシ、一般的に
低Ｎ　Ｏｘ化のか向と未燃物ＣＯ等の排出量増加は相反
する傾向ケ示す。

現在、上記燃焼抑制法による具体的な低ＮＯｘ燃焼器は
、渦巻式希薄拡散燃焼方式が提案されている。本燃焼器
の特徴は、頭部燃焼室の断面部を後部燃焼室より縮少し
た形状で燃焼室内筒を構成し、頭部・燃焼室内に設置す
る空気導入機構を旋回流、円孔及びスクープ孔等の組合
せによって、燃料と空気の拡散混合を主体として、比較
的多量の空気を供給し、後部燃焼室で均−低篇度燃焼に
よる低Ｎ　ＯＸを図るものである。特に頭部燃焼室内に
全空気量に対して５０チ以上の空気を導入すること。燃
焼器断面部と従来燃焼器より縮少すること等によって、
燃料と空気の混合促進化と帯留時間の短縮により効果的
なＮＯｘ低減化を図る。第一１図に本燃焼方式の燃焼特
性を示す。ＮＯｘ生成駄は、頭部燃焼室内の燃焼状態が
支配的で、頭部燃焼室内に導入される空気量を大にする
とＮＯｘ低減は達成されるが、空気過剰率λ、を大きく
するとＣＯ生成瞼は極単に増大し、結果的にＮＯｘ低減
率を制約する原因となっている。従って、燃焼時の未燃
物であるＣＯ生成量を押へ低ＮＯｘ化を達成させる手段
として、＠部燃焼室内への各空気導入機構形状の最適化
と空気配分を重点的に検討を重ねた結果、燃焼室内へ突
き出すスクープ孔の長さを犬にすると、よＦ）　Ｎ　Ｏ
ｘ低減化を目的とした燃焼を確立する上で、重要な要素
であることが明らかとなった。しかし、燃焼室内の燃焼
ガス中にスクープ孔の突起部がさらされることは、スク
ープ孔の耐久性、横規等の燃焼器としての信頼性の問題
がある。実験時にスクープ孔の先端部が局部加熱された
。また、ガスタービンでは作動範囲が広く、高負荷燃焼
時の燃焼室内は高温高速になシ、その燃焼状態は苛酷な
条件となるため燃焼室内への突起部に関する構造は、冷
却を含めた形状にすることが不可欠である。

以下、本発明は、上記諸欠点を補う低ＮＯｘ希薄拡散燃
焼方式の燃焼器構造に関する。

本発明の目的は、前記渦巻式希薄拡散燃焼器において、
頭部燃焼室の空気スクープ孔を燃焼室内に比較的長く突
起させ、軸心方向への空気噴流の貫通度を増大して、頭
部燃焼室内の燃料と空気の混合促進化を図シ、燃焼時の
ＣＯ生成量を抑制して低ＮＯｘ化を達成している空気ス
クープ孔の冷却を可能にしたガスタービン燃焼器を提供
することにある。

本燃焼器の頭部燃焼室に導入される突気量は全空気量の
５０％以上であることは前記した。この頭部燃焼室内の
各空気導入割合は、空気旋回導入機構からの空気が最も
多く、前記５０チの約１／２が導入され、その他は円孔
及びスクープ孔による軸心方向への空気導入となる。前
者の空気に旋回を与える目的は、燃焼の安定化と混合を
主眼とするもので、燃料ノズル近傍では保炎に直接影響
を与える再循環流領域を阻害することなく空気導入法を
確立する一つの手段である。他方は空気旋回流による帯
留時間を増大してＣＯ生成を防止する。

後者は燃焼室内の中央部に空気を導き入れ、燃料との混
合拡散を目的とし、空気導入機構である円孔及びスクー
プ孔の組合せと、スクープ孔を燃焼室内へ突起する長さ
によって中央部への空気噴流の貫通度を調節し、効果的
な混合を図る。しかし、頭部燃焼室には、低Ｎ　Ｏｘ化
の目的から比較的多くの空気流入があり、その後部領域
に円孔及びスクープ孔を設置する場合、空気旋回主流が
燃焼室壁面に対して燃焼室外周壁面からの空気噴流パタ
ーンは、その空気旋回流の増大によって境界層が拡大さ
れ、大きな貫通度を有する空気噴流は得られない。一般
に噴流の貫通度は、主流動状態の運動量に対する空気噴
流の運動量比によって定まり、円孔よりスクープ孔形状
が有利である。一方、ガスタービン燃焼器での各空気導
入機構からの空気量配分及び空気流入時の運動量は、燃
焼器内外の圧力差が支配的で燃焼器全体の形状で定まる
。第２図に本燃焼室内外の圧力差の変化を示した。この
図から明らかのように、頭部燃焼室領域では燃焼室断面
部が縮少されているために圧損の増加によシ極単に差圧
が小さくなる傾向にある。即ち頭部燃焼室に多量の空気
を導入したい場合は開口面積の増大によ＃）０Ｔ能とな
るが、その運動量は噴流速度によって決まるので空気導
入方法（主に形状）にたよらざるを得ない。また、ガス
タービン燃焼では、作動範囲が広く空気量に対して燃料
は約１０倍も変化し、作動条件によって燃料と空気の混
合状態が異なり、頭部燃焼室４内部は比較的燃料過剰状
態を形成し易い。特に後述する燃料ノズル空気旋回器、
空気旋回導Δ孔群と第１空気スクープの組合せにおける
スクープ孔の突起長さは、燃料ノズル中央部（再循環流
領域も含む）の燃料過剰を改善し、ＣＯ抑制に極めて効
果的である。

本発明は、前記空気スクープ孔の形状において、Ｎｏｗ
、Ｃｏ生成曖を抑制するために燃焼室内に突起するスク
ープ孔部の長さを比較的大きくし、その突起部に冷却空
気を導入して高温ガスに耐え得る構造で形成して、信頼
性の高い燃焼器を提供するにある。

第３図に示す一具体的な実施例において説明する。燃焼
器外筒１、エンドカバー２、燃料ノズル３、頭部燃焼室
４を後部燃焼室５よシ断面部を縮少した形状で内筒６を
構成し、燃料ノズル３の空気旋回器７を頭部燃焼室４の
前端部中央に設置して、その空気旋回器７を覆う如く外
周壁面に第１空気旋回供給孔群８を複数段配列させ、頭
部・燃焼室４の出口側の拡大部９近傍の外周壁に第２空
気旋回供給孔群１０を設置する。また、第１と第２空気
旋回供給孔群８．ｌＯの間に第１空気スクープ孔１１を
第１空気旋回供給孔群８の直後に燃焼室内に一部突起し
た形状で配置し、史に第１空気スクープ孔１１と第２空
気旋回供給孔群８の間に第２空気導入孔を円孔１２とス
クープ孔１３の組合せによって設置する。一方、後部燃
焼室５の拡大部９に近い外周壁に第３空気導入孔１４を
配列し、その後部よりに燃焼ガスを希釈均一温度化する
希釈空気孔１５と燃焼器内筒６の壁面冷却を目的とした
冷却空気孔群１６で燃焼器を構成する。

この燃焼器は、前記したように頭部燃焼室４内は燃料と
空気の混合拡散を主体とした燃焼で、第２窒気旋回供給
孔群１０までに全空気量の５０チ以上の空気量を導入さ
せるもので、空気過剰率にしてλ、＝ｌ、ｆｉ以上とな
り、後部燃焼室５の第３空気導入孔１４から全空気量の
約１５係の空気量を導入して希薄燃焼を継続させる。ま
た、頭部燃焼室４に設置する空気旋回器７、第１空気旋
回供給孔群８と第１空気スクープ孔１１からの空気量及
び空気導入機構（主に形状）は、燃焼の安定性、燃焼器
全体の燃焼状態（ＮＯｘ、ＣＯ等）を左右し、その適用
範囲は各空気導入機構の相互干渉に基づく条件下にある
。先ず各空気導入機構の燃焼へ及ぼす影響を示すと、空
気旋回器７は保炎性能、第１空気旋回供給孔群８は保炎
とＮ　Ｏｘ低減化、第１空気スクープ孔１１は保炎とＣ
Ｏ生成量の抑制等へ主に作用する。その適用範囲は、空
気旋回Ｂ７の９気量は全空気量の６〜ｌＯ％で旋回角１
５〜３０度、第１空気旋回供給孔群８の空気量は７〜１
３％で旋回角４０〜７０度、第１空気スクープ孔１１の
空気量は６〜１０％で・燃焼室内への突起部長さは５〜
３０ｍｍである。以下、本発明の第１’２気スクープ孔
１１形状の作用効果について説明する。第４、第５図に
頭部燃焼室４の燃料ノズル３近傍における燃料濃度分布
状態を示す。

図において、燃料ノズル３に設けた燃料噴孔１７を介し
て噴流される燃ネ・１は、空気旋回器７の空気と混合し
、第１空気旋回供給孔群８及び第１空気スクープ孔１１
の空気流の一部と混合した状態で、図示した第１窒気ス
クープ孔１１の突起部長さｔは５ｆｉの場合である。第
４図はガスタービン懲焼作動範■の定格時の状況で、第
１空気スクープ孔１１までの累計空気量を基に試算する
と燃料ψ：に対する空気過剰率は０．５〜０．８０理削
混合比以下である。第５図は無負荷時の燃焼状態を示す
もので、空気過剰率は１．５〜２．５の範囲にある。定
格時は燃料噴射駿が多く、周囲の空気流に対する運動量
が大きいので、燃料の過＠変である主流は燃料噴孔１７
の噴流方向に則した軌跡を示す。また、燃料過剰領域は
第１空気旋回供給孔群８方向に広がり、再循環流領域の
は可燃領域となるが、第１スクープ孔１１の燃料ノズル
３側に燃料過剰領域のが生成される。一方、無負荷時は
燃料が少なく噴流も小さいので、第１？気旋回供給孔群
８方向への貫通度が小さく、前記した周囲の空気量に対
する燃料流量が少なくなる結果、第１空気スクープ孔１
１近傍■は可燃領域に移行し、再循ｆｉ４流頑域０が燃
料過剰となる。

本発明のポイントは、前記燃料の局所過剰領域に空気を
導き入れ、混合の改善を図りＣＯ生成量を抑制すること
がキガ目的である。その手段として前記各空気導入機構
の構成において、第１空気スクープ孔の燃焼室内への突
起部長さ１−＠大きくし、燃焼室外壁から軸心方向に対
応する複数個の空気スクープ孔を設置し、空気噴流の貫
通度を増大して燃焼室内中央部への空気流の増大又は空
気噴流の衝突によシ、再循環領域内に一部空気を導入す
る等によって混合促進化を図る。即ち定格時は燃料過剰
領域■を、無負荷時は再循環流領域［Ｆ］の燃料過剰部
の混合が改善され、第１空気スクープ孔の突起部長さｔ
に比例して、ＣＯ生成量が抑制されることが可能となっ
た。しかし、図から明らかの如く、第１スクープ孔１１
の突起部ｔは常時可燃領域にあり、突起部長さｔを大き
くすることは、よシ高湛ガス中にさらされ、その突起部
の表面積が拡大されるので、材質によっては耐久性が問
題となる。実験においても短時間で第１空気スクープ孔
の後滝部（流動方向に対して）が局部的に加熱しており
、この突起部の局部加熱の増長により横規の恐れがある
。したがって、燃焼器としての信頼性の而からスクープ
孔の突起部ｔを長くする場合、冷却構造が必要不可欠で
ある。

第６．７図に本発明の空気スクープ孔形状の冷却構造の
一具体例を示した。図において空気スクープ孔を形成す
る第１段スクープ孔１８を内径ｄ７、燃焼室内への突起
部長さをｔ２にして燃焼室外壁１９に固定する。また、
第１段スクープ孔１８の内径ｄ２に内接する支へ部２０
によって間隙ｔ２を形成し、その内側に設置する第２段
スクープ孔２１の内径ｄ、として、第１段スクープ孔１
８の先端部からの突起部ｔ１　で第２段スクープ孔２１
を構成する。更に第３段スクープ孔２２の内径ｄ。、そ
の外径を一部延長して拡大した支へ部２３によって形成
される間隙ｔ１　を設けて、第２段スクープ孔２１の開
口部内側と一部交差して突起部長さｔ。にして固定し、
空気スクープ孔の全突起部長さＬを形成する。即ち本発
明の空気スクーグ孔の特徴は、燃焼室内への突起部を開
ロ部力向に縮少する如く、リング形状で多段にし、その
組合せ部に間隙’＋　＋　　”ｔ　を形成するスリット
部より空気スクープ孔内を流動する一部の空気を噴流し
て、突起部ｔ。、ｔ、の壁面を冷却する。

この場合、空気噴流の最大貫通度は最小開口内径ｄｏに
よって定まり、冷却領域は突起＠ｔ、〉右〉ｔｏ　にし
た方が効果的である。第８図に本発明の空気スクープ孔
冷却構造の他の応用例を示した。

空気スクープ孔の本体２４を図示の如く開口部に縮少し
た形状で構成し、その各々の縮少部２５゜２６に多数の
孔群２７，２８を設け、スクープ孔突起部りの外壁面を
冷却する。この構造は、空気スクープ孔形状の一体化を
図シ、製作上成形などの加工製を容易にしたことに特徴
がある。第９図に本発明の更に他の空気スクープ孔の冷
却構造を示す。図中（ａ）はスクープ孔２９０円筒状突
起部壁全面に多数の冷却孔３１を設け、矢印の如くスク
ープ孔内を流動する空気の一部を燃焼室内に向けて噴出
して、突起部の全面を冷却する。図（ｂ）はスクープ孔
２９の突起部に形成される局部加熱部を局所的に冷却す
る方法で、突起部の加熱する領域の壁面にのみ冷却孔３
１を設置して局部加熱防止を行う、、また、図中（Ｃ）
に示した冷却法は、局部加熱部の冷却機構として、スク
ープ孔２９ｆ：固定する燃焼室壁１９に冷却孔３２を設
け、燃焼室内外によって流動する空気をスクーグ孔２９
の突起部で局部加熱する壁面に向けて噴流させ冷却を行
う。

これ等はスクープ孔２９の突起部の形状及び冷却構造を
簡素化したことに特徴がある。

本発明の空気スクープ孔の突起部長さによる燃焼性能改
善効果を第１０図に示す。ここで・燃焼性能は、ガスタ
ービン定格燃焼領域で、特に空気スクープ孔の突起部長
さＬ＝５ａ＋は、従来の燃焼器で主に使用されているこ
とから、この場合の燃焼状態を基準として表示した。図
から明らかの如く、燃焼室内への突起部長さＬを犬きく
すると、ＮＱｘ生成量は余シ変化なく、未燃物として排
気されるＣＯ生成量は大巾に低減される。即ち空気スク
ープ孔の突起部長さＬ＝３０＋ｗｍでは、Ｌ＝５ｒｔｒ
ｍより約６０チのＣＯ生成堆の抑制が可能となる。

−力、本発明の空気スクープ孔は、燃焼室内への突起部
に冷却構造を有するので、燃焼ガスによる加熱防市、そ
の構造も比較的簡単で、製作上油圧成形による一体化も
容易であり、経済性に優れている。従って、本発明の空
気スクープ孔形状を具備するガスタービン燃焼器は、燃
焼性能及び信頼性に有利な燃焼器構造として提供できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は希薄拡散燃焼方式におけるＮ　Ｏｘ生成量とＣ
Ｏ生成粱の関係図、第２図は燃焼器内外の圧力差の変化
状況図、第３図は本発明の対象となる空気スクープ孔を
具備した燃焼器頭部近傍の縦断面図、第４図は頭部燃焼
室内の定格負荷時の燃料濃度分布図、第５図は頭部燃焼
室内の無負荷時の燃料濃度分布図、第６図は本発明の一
実施例である燃焼器の空気スクープ孔の冷却構造図、第
７図は第６図のＰ視図、第８及び第９図（ａ）、　（ｂ
）、　（Ｃ）はそれぞれ本発明の他の実施例である空気
スクープ孔の冷却ｆＩｔｊ造図、第１θ図は本発明の空
気スクープ孔の突起部長さと燃焼性能改善との関係図で
ある。 １８・・・第１段スクープ孔、２０．２３・・・支へ部
、２１・・・第２段スクープ孔、２芝・・・第３段スク
ープ孔、２４・・・空気スクープ孔本体、２５．２６・
・・縮少部、２７．２８．、、孔群（冷却孔）、ｉｏ、
ｔ、。 ｔ、・・・突起部、Ｌ・・・最大突起部長さ、’ｌ　＋
　　’２・・・スリット間隙ｙ　ｄＯ＊　ｄｌ　ｔ　ｄ
ｔ・・・各スクープ孔の内径。 一頭野燃′脆’！’＝ｖ空九過剰卆入１儲脆宣軸力句９
長さｌ（１ル） 第４−吊 第５図 −だ埋賞軸Ａ句窃隨さム憔帆） 第６図 介 第７図 第８凹 第７０図 やＬれヌクーアＬ突４絆長）Ｌ伽気）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃焼器に空気スクーグ孔を設置したガスタービン燃
   焼器において、燃焼室内の空気スクープ孔の突起部を開
   口部方向に階段式に縮少したものを複数個設け、その第
   １突起剖の円環形状の内壁と次の＠２突起師の円環形状
   の外壁に間隙を設けて成るスリット部を１段以上形成し
   、燃焼室側の突起部の外壁面に則した空気噴流を空気ス
   クープ孔内から導く、冷却構造を有することを特徴とす
   るガスタービン燃焼器。 ２、特許請求の範囲の第１項記載において、空気スクー
   プ孔の本体を開口部方向に階段方式に縮少する形状を油
   圧成形法で一体化し、その縮少部に多数の冷却孔を突起
   部の同項形状外壁に則して設けたことを特徴とするガス
   タービン燃焼器。 ３　燃焼器内筒に空気スクープ孔を設置したガスタービ
   ン燃焼器において、空気スクープ孔の突起部を円環状に
   形成し、その円環壁面に多数の円孔を設けたことを特徴
   とするガスタービン燃焼器。 ４、特許請求の範囲の第３項記載において、・燃焼室下
   流側に相当するスクープ孔突起部の壁面に円孔群を配列
   したことを特徴とするガスタービン燃焼器。