JPS60145426A - ガスタ−ビンの燃焼方法と燃焼器構造 - 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燃焼室に係り、特に大気汚染物質
である窒素酸化物（以下ＮＯｘと記載する）及び未燃排
出物の一酸化炭素（以下ＣＯと記載する）、炭化水素（
以下ＨＣと記載する）等の発生？抑制し得るガスタービ
ン燃焼方法と燃焼室構造に関する。

〔発明の背景〕

ガスタービン燃焼器における低ＮＯｘ化は、燃焼過程に
おいて、燃料と空気の均一混合化、ＮＯｘの生成時間の
短縮を図って、均一低温度燃焼を行なわせることが主な
目的となる。この燃焼形態を確豆する一手段として、従
来は燃料と空気の予混合化、燃料の分散及び多段導入方
法等の公知技術がろる。

しかし、燃料と空気の予混合化に伴なって可燃範囲が狭
くなること、また、ガスタービン燃焼領域で燃料を多段
導入法を採用した場合、燃焼室内の一定空気賃に対して
燃料投入時の初期は必ず空気過剰となり、特に１段目の
燃料導入に際しては、＆端な希薄化に、１１１）艮好な
燃焼が行なわれずＣ０゜１−Ｉ　Ｃ等の未燃成分が増大
する欠点ケ有していた。

第１図に従来のガスタービ／における２段式燃焼室の一
具体例を示す。空気圧縮機ｌ、燃焼器２、タービン３及
び負荷部４で構成されたガスターピノにおいて、燃焼器
２は内筒５及び尾筒６ケ覆った外筒７から構成さ几、外
筒７の前閉端部にエンドカバー８を設置し、このカバー
８の中央部に第１段目の燃料噴出ノズル９が内筒５の前
端部に脱着可能で取付け、空気孔１０及び壁面冷却孔１
１を設けて頭部燃焼室１２を形成する。更に内筒５の後
流側に第２股目の燃料供給部１３忙設置して、その下流
側に希釈空気孔１４、壁面冷却孔１５を有する後部燃焼
室１２ａを形成する。燃焼の際は先ず低置荷時全作動さ
せる燃料調節弁１６を開放し燃料全第１段目の燃料噴出
ノズル９に導き入孔、各部からの空気流との混合ガスで
希薄燃焼金する。

また、尚負荷時は燃料調節弁１７全開放して第２段目の
燃料供給部１３に導き空気流に混入してから希薄低温度
予混合燃焼ケ継続させる。

第２図は上記の２段式燃焼室の燃料供給を示したもので
、横軸には、タービン負荷部）全示し、縦＠には燃料流
量（係）を示している。すなわち、低タービ／負荷では
第１段目の燃料Ｆ、が負荷に比例して供給さｎ、途中か
ら第２段目の燃料Ｆ２が負荷に比例して供給さｎる。第
３図は、上記の如き燃料供給の場合の大気汚染物質であ
るＮＯｘ、ＣＯ。

Ｈ，Ｃの併出濃髪を示したもので、第２段目の燃料Ｆ２
の供給初期時に他めて悪い燃焼状態が生ずることが示さ
ｎている。すなわち、図示の如く、燃料Ｆ２の供給初期
からある負荷幅間に不燃範囲が生じ、高排出濃度（ｐ）
のＣＯ，ＨＣが発生する。

この現象は２段式燃焼方法の最大の欠点となる。

この解決案として燃空比制岬あるいは燃料をステップ状
に投入すること等が考えられるが、前者は燃焼器ＷＩ造
の複雑化、圧力損失の増大及び空気の制御が必要である
ことからブースト等のタービ／効率低下を招く原因とな
る。後者は第２段目の燃料投入時に第１段目の燃料を減
少させなくてはならず、比較的高負荷時に切換えること
が要求されるため第１段目の燃料による燃焼時のＮ　Ｏ
ｘ生成相の大巾な抑制が必要となる。丑だ、ステップ状
の切換時に燃焼量が減少するので火炎伝はには不利であ
る。このように従来技術においては、ＮＯｘとｃｏ、■
］、ｃ２同時に低減することは難しく第２段目の燃料投
入時の燃焼性能改轡が大きな課題となっている。

〔発明の目的〕

本発明は、上記の欠点等全解決すべく創案されたもので
あり、その目的は、不燃範囲を除去し、おト気ガス中の
ＮＯｘの低減と、ＣＯ，ＨＣの発生全防止し得るガスタ
ービン燃焼方法と燃焼室構造を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、上記目的ケ遅成するために、第２段目の予混
合燃焼を効果的にする手段として、第１段目と第２段目
の燃料供給作動範囲の間に燃料のみ投入する作動領域ケ
設け、その燃料ケ第２段目の燃料供給部近傍に投入し、
タービン負荷に見付つた運転ケ行ない、第２段目の予混
合ガス投入時期の条件（燃空比）が可燃範囲に入ってか
らステップ状に完全に切換え、その後部員荷時は予混合
燃焼を主体とするように燃料制御１１を行なうようにし
たガスタービン燃焼方法と燃焼室構造金特徴としたもの
でおる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明方法の夾施に＠接関連する燃焼室構造に関
する実施例を図面に基づき説明する。

壕す、本実施例の該安ｆｆ：第４図により説明する。

頭部燃焼室２７と、後部燃焼室２７ａとの間には、燃焼
室２０円筒５内に直接燃料のみを導入する補助バーナ２
３が設けられ、補助バーナ２３には、導入燃料ケＡ節す
る燃料調節弁３２と、この燃料調節弁３２全制呻する図
示しない制御手段が係合し、こｆＬ等で燃料供給手段１
８ｅ形成している。

低負荷時には、従来技術と同じく、頭部燃焼室２７で燃
焼が行なわれるが、高中負荷時では、第２段目の燃料の
供給は停止し、ます上記燃料供給手段１８の補助バーナ
２３からのみ所定量の燃料が供給さｎる。次に、第２段
目の燃料がステップ状に増加して導入さｎるに伴って、
補助バーナ２３からの燃料を同量だけステップ状に減少
せしめ、その後、第２段目の燃料に切換えて供給するよ
うに調整する。以上にエリ不燃範囲の発生を防止し、上
記目的全達成することができる。

次に、本実施例全更に詳細に説明する。

内筒５の前閉端部には燃料噴出ノズル１９が設けら几、
これから噴出する第１段目の燃料と空気孔２０等からの
空気とが混合して、頭部燃焼室２７内に火炎２８’に発
生せしめる。第２股目の燃料は燃料供給部２１から供給
さ几、この燃料は、内筒５内に連通ずる空気流２２内に
噴出され、混合さｆ′Ｌ後部燃焼室２７ａに混合ガスを
形成する。又、燃料噴出ノズル１９お工び燃料供給部２
１には、燃料調節弁２６．３２が係合すると共に、燃料
調節弁２６．３２には、図示しない制（財）手段が係合
し、そｎぞれの燃料導入量を調節副側１するように形成
される。

燃料供給部２１には、こｎから分離した燃料供給室３０
が連結され、燃料供給室３０には、円筒５内に直接燃料
ケ噴射する補助バーナ２３が連結される。又、燃料供給
室３０には、上記の如く燃料調節弁２９等が連結してい
る。又、内筒５の下流側には、希釈空気孔２４および冷
却孔群２５がそれぞｎ設けられている。

次に、本実施例の作用を説明する。

第５図は第２図と同じく、横軸にタービン負荷（釣、縦
軸に燃料流ｉ＃Ｃ灼を示したものでめる。

図示の如く燃焼時の初期は燃料調節弁２６を開き第１段
目の燃料Ｆ１ヲ第１段目の燃料噴射ノズル１９に導き頭
部燃焼室内２７に火炎２８を形成させて低負荷領域の燃
焼を行う。次に燃料調節弁２９（１１−介して所要流量
の燃料Ｆ２を燃料供給室３０に導き補助バーナ２３から
内筒５内に直接投入し、内筒５の壁面領域で第２段目の
燃料供給部２１の上流側近傍に火炎３１を形成させる。

更に第１段目燃料噴射ノズル１９と補助バーナ２３で燃
焼全継続させ、その後、燃料調節弁３２を開放すると同
時に燃料調節弁２９を全閉にして高負荷時は第（９） １段目の燃料Ｆ、と第２段目の燃料１゛２ヲ作動させて
燃焼を行うものでめる。

補助バーナ２３からの燃料Ｆ２′は、空気流２２に基づ
く空気量に対し、重量比で０．Ｏｌないし０．０５の割
合で導入され、不燃状態全防止すると共に、第２段目の
燃料Ｆ２ば、不燃状態の生じない投入位置で、・姥ｉ料
Ｆ２′とステップ状に切替って供給さｎる。

第６図は、横軸にタービン負荷（％）および雰曲気温度
（’ＣＩ全示し、縦軸には空気過剰率λヶ示したもので
直線Ａを境として、上方側が不燃範囲、下方側が可燃範
囲を示している。第２段目の燃料Ｆ２の投入時期は曲線
Ｂに沿って行われ、各タービン負荷υ工び雰囲気温朋の
条件下で、上記不燃範囲に該当しない空気過剰率を保持
すべく設定さｎる。

以上により、後部燃焼室２７ａにおける希薄低温度予混
合燃焼が常に可燃範囲で行わｎ、その初期からＣＯ，Ｈ
Ｃの発生を完全に防止できると共に、第１段目の燃料は
常に一定に供給されている（１θ） ため第２段目の切換時における変動および不安定燃焼等
の発生がなく、安定性ろる燃焼が行われる。

第７図は本実施例の効果を示すもので、横軸にはタービ
ン負荷（チ）全示し、縦軸にはＮＯｘ、ＣＯ。

ＨＣの排出濃度（騨）を示している。ＮＯｘは補助バー
ナ２３の作動する位置Ｃでやや増加するが、第２段目の
燃料Ｆ２供？＠時の位１置りでは減少し、以下漸増する
も、従来技術に較べ低減し、規定値り以下に保持さｎる
。又、ＣＯ，ＨＣは不燃範囲なく、図示の如く大幅に低
減さｆ、排気ガス内での発生が防止される。又、燃料供
給手段１８は簡便のもので、各局に実施できるものであ
る。

本実施例で、燃料供給室３０を燃料供給部２１から分陰
して形成したが別に設けたものであってもよく、又、燃
料供給室３０の設置は燃料供給部２１の上流位置近傍に
限定するものでない。

〔発明の効果〕

以上説明に裏って明らかの如く、本発明に工ｎげ、不燃
範囲を除去し、排気ガス中のＮＯｘの低減２よひＣＯ，
ＨＣの発生全防止する効果が上け（１１） らｎる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術の２段式のガスタービン燃焼室の概要
を示す説明図、第２図は第１図に示すガスタービン燃焼
室の燃料供給方法を示す線図、第３図は従来技術に２け
るＮＯｘ　、ＣＯ，ＨＣの排出濃度を示す線図、第４図
は本発明−実施例の説明図、第５図は本実施例の燃料供
給方法を示す線図、第６図は第２股目の燃料の投入時期
を説明する線図、第７図は本実施例の効果を示す線図で
ある。 １・・・空気圧縮機、２・・・燃焼器、３・・・タービ
／、４・・・負荷部、５・・・内筒、６・・・尾筒、７
・・・外筒、８・・・カバー、９，１９・・・燃料噴出
ノズル、１０．２０・・・空気孔、１１．１５・・・壁
面冷却孔、１２．２７・・・頭部燃焼室、１２ａ、２７
ａ・・・後部燃焼室、１３．２１・・・燃料供給部、１
．４．２４・・・希釈空気孔、１６．１７，２６，２９
．３２・・・燃料６周節弁、１８・・・燃料供給手段、
２２・・・空気流、２３・・・補助バーナ、２５・・・
冷却孔群、２８．３１・・・火炎、（１２） ３０・・・燃料供給室。 代理人　弁理士　秋本正実 （１３） 弔４−図 第５図 →７−ビン色荷　（ｙ、） も６図 □　算囲％Ａ度（°Ｃ） −タービン０術（η） −フーヒ゛ン功荷（ｙ−）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ■、燃焼器頭部に第１段目の燃料と空気との混合ガス？
   導入し希薄燃焼を行なうと共に、高負荷時に、後部燃焼
   室に第２段目の燃料と空気とを混合して希薄低温度予混
   合燃焼を継続させる２段式のガスタービ／燃焼方法にお
   いて、上記第１段目と第２段目の燃料供給動作間に、上
   記第２段目の燃料供給部近傍に燃料のみを投入する動作
   領域を設け、その後該燃料と上記第２段目の燃料と空気
   の混合ガスとを切換るように燃料供給量（財）葡したこ
   とを％徴とするタービ／の燃焼方法。 ２、上記燃料のみの投入が、上記第２段目の燃焼前に行
   わｎると共に、上ｄピ燃料の投入量の減少分と見合う同
   量の上記第２段目の燃料を供給し、ステップ状に燃料供
   給を切換るようにしたことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項に記載のガスタービ／の燃焼方法。 ３、第１段目の燃料と空気とを混合して希薄燃焼を生ず
   る頭部燃焼室と、第２段目の燃料と空気とを混合して希
   薄低温度予混合燃焼ケ生ずる後部燃焼室とを有する２段
   式のガスタービン燃焼室構造において、上記頭部燃焼室
   と後部燃焼室間の燃焼室内に、燃料のみを調節自在に、
   直接供給する燃料供給手段を設けたことを特徴とするガ
   スタービ／の燃焼室構造。 ４、上記燃料供給手段からの燃料の供給が、上記後部燃
   焼室内の燃焼前に行われると共に、上記燃料供給手段か
   らの燃料供給量の減少分と見合う同量分の上記第２段目
   の燃料が順次供給きれて、燃料供給がステップ状に切替
   るように調節されるものであることを特徴とする特許請
   求の範囲第３項に記載のガスタービン燃焼室構造。 ５、上記燃料供給手段から供給さｎる燃料の導入量が、
   第２段目の燃料と混合する空気ｆａ−に対して重量比で
   ０．０１ないし０．０５であることを特徴とする特許請
   求の範囲第３項に記載のガスターピノ燃焼室構造。