JPS59153028A - ガスタ−ビンの燃焼器 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、ガスタービンの燃焼器に係り、特にＬＮＧ　
（液化天然ガス）焚希薄燃焼方式において内筒を副燃焼
室と主燃焼室とに区分し、しかも燃料を多段的に注入す
ることによって、より効果的に低ＮＯｘ化を図るガスタ
ービンの燃焼器に関する。

〔従来技術〕

ガスタービンの燃焼における低Ｎ　Ｏｘ化ハ、燃料流蓋
に対して比較的多く空気量を流し、燃焼させる希薄燃焼
が最も有利である 特に、燃焼の際は燃焼温度の低下、燃料と空気の混合促
進化およびＮ　Ｏｘ生成時間の短縮化を図シ、均一低温
度燃焼を行い得るようにすればよい。

従来、前記燃焼方式を確立する具体的な一手段として副
燃焼室付き希薄燃焼器が提案されている。

しかし、従来の副燃焼室付き希薄燃焼器では、単一燃料
ノズルから燃料を供給するようにしているので、前記燃
料ノズルから多量に燃料を導入すると、燃料と空気の混
合過程において即時の希薄混合化が行われないため、高
温領域が拡大され、Ｎ　Ｏｘ発生が非常に多くなる欠点
がある。また、低Ｎ　Ｏｘ化を図るためにさらに過剰の
空気を導入すると、過冷却部が形成され、ＣＯ等の未燃
分の発生が多くなる傾向が表われるという欠点がある。

これらの点をさらに第１図、第２図および第３図に基づ
いて詳しく説明する。

ガスタービンプラントは、第１図に示すごとく、圧縮機
１、副燃焼室付き燃焼器２、タービン３、発電機等の負
荷部４とを具備している。

そして、従来の副燃焼室付き燃焼器２は第１図に示すよ
うに、副燃焼室１１と主燃焼室１２とを有する内筒５、
尾筒６、これら両筒＋ａう外筒７、これの前端部を閉塞
するエンドカバー８、副燃焼室１１の前端部に設けられ
た燃料供給装置とを備えている。前記燃料供給装置は、
単一燃料ノズル９、該燃料ノズル９の端部の回シに環状
に設けられた空気旋回器１０とで構成されている。前記
主燃焼室１２は、副燃焼室１１よシも大径に形成され、
かつ副燃焼室１１の後部に末広形の連結部１３によシ連
結されている。前記副燃焼室１１には、前端部側に第１
の空気旋回供給孔群１４が設けられ、後端部側に第２の
空気旋回供給孔群１５が設けられ、中間部に空気導入孔
１６が設けられている。前記主燃焼室１２には、前端部
側に空気導入孔１７が設けられ、後端部側に希釈空気導
入孔１８が設けられ、中間部には冷却孔群１９が設けら
れている。なお、第１図において、２０は燃料、２１は
圧縮機から燃焼器へ供給される空気、２２は燃焼器後部
で温度調整されてタービンへ供給される燃焼ガスをそれ
ぞれ示す。

そして、前記副燃焼室付き燃焼器でに、主燃焼室１２に
対して断面積が縮小さ扛ている副燃焼室１１に、全空気
量に対して約５０％以上の空気量を導入することによっ
て、平均断面流速を上昇させ、燃料と空気の混合促進を
図ると同時に、燃焼ガスの帯留時間を短縮することによ
って、効果的なＮ　Ｏｘ低減化を図ろうとするものであ
る。

実験の結果、第２図に示すように、ＮＯｘの生成は主に
副燃焼室１１内の燃焼状態が支配的であり、副燃焼室１
１の空気過剰率λを大きくすることによって、ＮＯｘ低
減化は達成される傾向にある。しかし、空気過剰率λが
犬となる領域ではＣＯ等の未燃分が増大し、第３図に示
すように、ガスタービン作動領域の部分負荷時の燃焼は
、かなり厳しい状態での希薄燃焼条件となシ、不安定燃
焼および未燃分が増大するため、結果的に希薄燃焼を制
約する原因となっている。

すなわら、従来の副燃焼室付き燃焼器のように、単一燃
焼ノズル９と空気旋回器１０とで構成された燃料供給装
置のみを用いた希薄燃焼では、燃料供給量が相対的に多
くなシ、過剰な空気を導入しても、十分な希薄混合気が
得られない。また、空気流に対して多量の燃料を供給す
ると、燃焼の過程で必らず最適な燃焼範囲（理論混合比
ψ＝１）が形成され、高温度の火炎面が存在し、ＮＯｘ
生成量が多くなる。特に、単一燃料ノズル９から多量に
燃料全導入すると、燃料と空気の混合過程において、即
時の希薄混合比が行われにくいため、高温領域が拡大さ
れ、ＮＯｘ発生が非常に多くなる。一方、低ＮＯＸ化を
図るため、さらに過剰の空気を導入すると、過冷却部が
形成され、ＮＯｘＯｘ生成量減少するが、ＣＯ等の未燃
分の発生が多くなる傾向が表われる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、前記従来技術の欠点をなくし、ガスタ
ービンのｉ昭負荷時においても最適な希薄燃焼によって
大幅な低ＮＯｘ化全図ることができ、かつ安定燃焼を実
現し得るガスタービンの燃焼器を提供するにある。

〔発明の概要〕

本発明は、副燃焼室とこれより大径の主燃焼室とを連結
してなる燃焼器において、副燃焼室にはその前端部に設
けられた単一燃料ノズルと空気旋回器とを備えた燃料供
給装置から燃料と空気を導入し、主燃焼室には副燃焼室
と主燃焼室間の肩部に設けられた燃料供給手段と空気旋
回器と全備えた燃料供給装置から燃料と空気を導入する
ようにし、燃料と空気を２段に分散して導入するように
したことによって、ガスタービンの高負荷時においても
最適な希薄燃焼を実施でき、大幅な低ＮＯｘ化を図るこ
とができたものである。

また、本発明は副燃焼室と主燃焼室間の肩部に設けられ
た燃料供給装置を、主燃焼室へ供給する燃料と空気の混
合気に濃淡領域全形成し得るようにしたことにより、火
炎安定化を図ることができ、したがって安定燃焼を実現
することができたものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第４図、第５図および第６図は、本発明の一実施例を示
す。

これらの図に示す実施例のものは、外筒２３、副燃焼室
２５と主燃焼室２６と金有する内筒２４、前記副燃焼室
２５の前端部に設けられた燃料供給装置（以下、第１段
目の燃料供給装置という）、副燃焼室２５と主燃焼室２
６の連結部３２の肩部３２′に設けられた燃料供給装置
（以下、第２段目の燃料供給装置という）とを備えてい
る。

前記外筒２３の前端部側の開口は、エンドカバー２３′
で閉塞されている。

前記内筒２４は、副燃焼室２５と主燃焼室２６とに区分
されている。主燃焼室２６は、前記副燃焼室２５よシも
大径に形成され、かつ副燃焼室２５の後端部に、肩部３
２′を有する連結部３２によシ連結されている。なお、
内筒２４における主燃焼室２６の後続部２６′は、主燃
焼室２６よシも小径に形成されている。

前記第１段目の燃料供給装置は、エンドプレート２３′
の外側から副燃焼室２５に臨ませて設けられた単一燃料
ノズル２７、該燃料ノズル２７の出口側端部の回りに設
けられた空気旋回器２８とを備えて構成されている。

前記副燃焼室２５には、前端部側に空気旋回供給孔群２
９が設けられ、中間部には円周方向に間隔をおいて複数
個の空気導入スクープ孔３０が設けられ、後端部には円
周方向に間隔上おいて複数個の空気導入孔３１が設けら
れている。

（９） 前記第２段目の燃料供給装置は、燃料供給手段としての
燃料チャンバ３３、空気旋回器３５、燃料通路としての
燃料噴孔３６とで構成されている。

前記燃料チャンバ３３は、主燃焼室２６と同心円の円環
状に形成）れ、かつ前記連結部３２の肩部３２′に取り
付けられている。また、燃料チャンバ３３は燃料供給管
３４を通じて燃料供給源（図示せず）に接続され、さら
に燃料チャンバ３３にはガスタービン作動領域における
タービン１／２負荷以上の高負荷時に、負荷に比例して
燃料量が送シ込まれるようになっている。前記空気旋回
器３５１ｄ、前記燃料チャンバ３３に内接する円環状に
形成され、かつ第５図に示すように、羽根により円周方
向に複数個の小空間室に分割されている。

前記燃料噴孔３６は、第６図に示すように、燃料チャン
バ３３の内側の周壁から空気旋回器３５の各小空間室の
内部における外側に開口されている。

前記主燃焼室２６には、冷却孔群４０が設けられており
、また主燃焼室２６の後続部２６′には希釈空気導入孔
３８が設けられている。

（１０） なお、第４図および第６図において、２０ａ。

２０ｂは第１段目、第２段目の燃料供給装置へ導入され
るＬＮＧ等の燃料、２１ａ、２１ｂは同じく第１段目、
第２段目の燃料供給装置へ導入される空気を示す。

次に、第４図〜第８図に関連して、前記実施例の燃焼器
の作用を説明する。

着火からタービン作動領域の部分負荷時、すなわちター
ビン１／２負荷時までは第１段目の燃料供給装置の燃料
ノズル２７から第７図に示す燃料流量Ｆ１ｆｆｉ導入す
るとともに、空気旋回器２８、空気旋回供給孔群２９、
空気導入スクープ孔３０、空気導入孔３１がら空気を導
入し、副燃焼室２５で燃焼させる、副燃焼室２５を主体
とした希薄燃焼を行う。

ついで、タービン１／２負荷以上の筒負荷時には第１段
目の燃料供給装置の燃料ノズル２７と第２段目の燃料供
給装置の燃料チャンバ３３から燃料を導入し、第７図に
示すように、第１段目の燃料供給装置の燃料ノズル２７
の燃料流ｔＦ１　と第（１１） ２段目の燃料供給装置の燃料チャンバ３３の燃料流量Ｆ
２とを合わせた燃料流量（ＰＩ　＋Ｆ２　）　’ｃもっ
て希薄燃焼全確立させる。

実験によれは、副燃焼室２５と主燃焼室２６への燃料流
量の配分は、第８図に示すように、主燃焼室２６に導入
する燃料流量Ｆ２を基準とした場合、低Ｎ　Ｏｘ化に有
効な適用範囲りは２０〜６０％であるが明らかとなった
。この第８図において、Ｆ２＜２０％のとき、主燃焼室
２６での燃焼状態は希薄化が進行し、低Ｎ　Ｏｘ化に有
利であるが、副燃焼室２５に導入する燃料流量Ｆ、がＦ
ｔ　＞８０％となり、燃料流量Ｆ１で燃焼を継続させて
いるときの副燃焼室２５内の空気過剰率λが小さくなっ
てＮ　Ｏｘ生成量が増大する傾向が表われる。

したがって、主燃焼室２６へＦ２＜２０％を導入したと
きの主燃焼室２６内のＮ　Ｏｘ生成量が少なくなったと
しても、副燃焼室２５でのＮ　Ｏｘ生成量が支配的とな
り、燃焼室出口での低ＮＯｘ化は達成されない。

一方、Ｆ２）６０％の領域では、主燃焼室２６（１２） での希薄燃焼が行われないのでＮ　Ｏｘが増大したり、
ＦＩく４０％になるので副燃焼室２５内での空気過剰率
λが太きくなシすぎてＣｏ生成量の増加や、副燃焼室２
５から主燃焼室２６へ火炎伝ばが良好に行われない等の
弊害が発生する。

したがって、副燃焼室２５の出口での空気過剰率λが１
．３以上になるように、燃料流量に対する空気量を供給
することによシ、副燃焼室２５と主燃焼室２６とで希薄
燃焼を継続して行うことができる。

また、この第４図〜第６図に示す実施例では第２段目の
燃料供給装置における空気旋回器３５０分割された小空
間室の外側に燃料噴孔３６が開口している。したがって
、空気旋回器３５の各小空間室を径て主燃焼室２６に導
入される燃料２０ｂと空気２１ｂの混合気が各小空間室
出口の外側で濃く、内側で薄くなり、濃淡領域が形成さ
れる。

これにより、主燃焼室２６の火炎伝ばを良好にでき、火
炎安定化を図ることができる結果、安定燃焼を実現でき
る。

（１３） 次に、第９図は本発明の他の実施例を示す。

この実施例では、第２段目の燃料供給装置の燃料チャン
バ３３と空気旋回器３５の分割された各小空間室とが、
燃料通路としての燃料バイブ４０を介して連通されてい
る。そして、燃料パイプ４０は前記小空間室の内部にお
ける内側に開口されている。

したがって、この実施例では燃料２０ｂと空気２１ｂの
混合気は、各小空間室出口において内側が濃く、外側が
薄くなり、濃淡領域が形成される。

なお、この第９図に示す実施例において、他の構成、作
用は前記第４図〜第６図に示す実施例と同様である。

ついで、第１０図および第１１図は本発明の別の実施例
を示す。

この実施例では、第２段目の燃料供給装置が空気旋回器
４１および燃料ノズル４２の組を、円周方向に間隔をお
いて複数紐取シ付けて構成されている。各組の空気旋回
器４１は副燃焼室２５と主燃焼室２６の連結部３２の肩
部３２′に取υ付け（１４） られており、各組の燃料ノズル４２は空気旋回器４１の
中心部に挿入されている。

この構成により、各燃料ノズル４２毎に燃料流量を制御
することが可能であり、また各空気旋回器４１と燃料ノ
ズル４２の組において、燃料２０ｂと空気２１ｂの混合
気には中心部が濃く、その回りが薄い、顕著な濃淡領域
を形成できるので、副燃焼室２５からの火炎伝はが厳し
い条件下でもより効果的に安定燃焼を実現することがで
きる。

なお、この第１０図および第１１図に示す実施例におい
て、他の構成、作用については前記第４図〜第６図に示
す実施例と同様である。

そして、本発明では主燃焼室２６へ混合気を送る第２段
目の燃料供給装置は図示実施例のものに限らず、要は燃
料供給手段と空気旋回器との組み合わせによる構成であ
って、副燃焼室２５と主燃Ｓ’ａ室２６間の肩部３２′
を利用して取シ付は得るものであればよい。

また、第２段目の燃料供給装置における燃料と空気の混
合気に濃淡領域を形成するための具体的（１５） な構造も、図示実施例に限らない。

〔発明の効果〕

以上説明した本発明によれば、副燃焼室とこれよシ大径
の主燃焼室とを連結してなる燃焼器において、副燃焼室
には単一燃料ノズルと空気旋回器とを備えた第１段目の
燃料供給装置から燃料と空気を導入し、主燃焼室には副
燃焼室と主燃焼室間の肩部に設けられた燃料供給手段と
空気旋回器とを備えた第２段目の燃料供給装置から燃料
と空気を導入するようにし、燃料と空気を２段に分散し
て導入するようにしているので、ガスタービンの高負荷
時においても最適な希薄燃焼を実施できる結果、大幅な
低ＮＯｘ化を図シ得る効果がある。

さらに、本発明によれば第２段目の燃料供給装置を、主
燃焼室へ供給する燃料と空気の混合気に濃淡領域を形成
し得るように構成しているので、火炎安定化を図ること
ができ、したがって安定燃焼を実現し得る効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の副燃焼室付き燃焼器を配備した（１６） ガスタービンプラントの概略図、第２図は従来の副燃焼
室付き燃焼器における副燃焼室出口での空気過剰率とＮ
　Ｏｘ生成量とＣｏ生成量の関係を示す図、第３図は従
来の副燃焼室付き燃焼器においてガスタービン作動領域
における副燃焼室への空気流入状況を示す図、第４図〜
第６図は本発明の一実施例を示すもので、その第４図は
縦断正面図、第５図は第２段目の燃料供給装置部分の縦
断側面図、第６図は同じく一部拡大縦断正面図、第７図
は本発明におけるタービン負荷と燃料流量の関係を示す
図、第８図は本発明における副燃焼室への燃料配分と低
Ｎ０ｗ化に有効な適用範囲を示す図、第９図は本発明の
他の実施例を示すものであって第２段目の燃料供給装置
の一部分の拡大縦断正面図、第１０図および第１１図は
本発明の別の実施例を示すもので、その第１０図は縦断
正面図、第１１図は第１０図中Ａ−Ａ’線断面図である
。 ２３・・・燃焼器の外筒、２４・・・同内筒、２５・・
・副燃焼室、２６・・・主燃焼室、２７・・・第１段目
の燃料供給装置の単一燃料ノズル、２８・・・同空気旋
回器、（１７） ２９．３０．３１・・・各種空気導入孔、３２′・・・
副燃焼室と主燃焼室間の肩部、３３・・・第２段目の燃
料供給装置の燃料供給手段としての燃料チャンバ、３５
・・・同空気旋回器、３６・・・同燃料通路としての燃
料噴孔、３７．３８・・・各種空気導入孔、４ｏ・・・
燃料チャンバと空気旋回器とを結ぶ燃料通路としての燃
料パイプ、４１・・・第２段目の燃料供給装置の空気旋
回器、４２・・・同燃料供給手段としての燃料ノズル。 代理人　弁理士　秋本正実 （１８） −副虞な見窄あ口ｌ′の空気暉刺キλ ０　　　　　　　　　　５０　　　　　　　　　　　　
　　１００　クーピン旬何いノ弔を口 ？／１／ 第７図 フーヒンや荷（Ｚ） 弔８図 ２ｏ４Ｑ　　　　６Ｑ　　　　８０ −７−、ｑ図 第ｔｏ図 第１／図 第１頁の続き ０発　明　者　内山好弘 土浦市神立町５０２番地株式会社 日立製作所機械研究所内 ０発　明　者　黒田倫夫 土浦市神立町５０２番地株式会社 日立製作所機械研究所内 １３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃焼器内筒の頭部に副燃焼室を形成し、その後部に
   副燃焼室よりも大径の主燃焼室全形成し、前記燃焼室に
   は単一燃料ノズルと空気旋回器とを備えた燃料供給装置
   を設け、前記副燃焼室と主燃焼室にはそれぞれ長さ方向
   に多段にかつ各段とも円周方向に複数個ずつの各種空気
   導入孔を設けた燃焼器において、前記副燃焼室と主燃焼
   室間の肩部に、燃料供給手段と空気旋回器とを備えた燃
   料供給装置を取り付けるとともに、該燃料供給装置を主
   燃焼室へ供給する燃料と空気の混合気に＃疾領域を形成
   し得るように構成したことを特徴とするガスタービンの
   燃焼器。 ２、前記主燃焼室へ混合気を供給する燃料供給装置を、
   燃料供給手段としての燃料チャンバと、空気旋回器と、
   燃料チャンバがら空気旋回器へ燃料を導入する燃料通路
   とで構成し、前記燃料チャンバと空気旋回器とを主燃焼
   室と同心円の円環状に形成し、前記空気旋回器を円周方
   向に複数個の小空間室に分割し、前記燃料通路を前記各
   小空間室内において偏倚した位置に開口させたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載のガスタービンの燃
   焼器。 ３、前記主燃焼室への混合気を供給する燃料供給装置を
   、複数個の空気旋回器と、これと同じ本数の燃料供給手
   段としての燃料ノズルとで構成し、該燃料ノズルを各空
   気旋回器の中央部に挿入し、前記空気旋回器と燃料ノズ
   ルの組を副燃焼室と主燃焼室間の肩部に、円周方向に間
   隔をおいて取シ付けたことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載のガスタービンの燃焼器。 ４、前記副燃焼室への燃料供給量を４０〜８０％、主燃
   焼室への燃料供給量を２０〜６０％に分割供給し、２段
   燃焼を行うことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   のガスタービンの燃焼器。 ５、前記副燃焼室の出口での空気過剰率全１．３以上に
   なるように、空気を供給することを特徴とする特許請求
   の範囲第４項記載のガスタービンの燃焼器。