JPS6017633A - 燃焼器の空気制御装置 - 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、燃焼器の
空気取入口を可変機構として、予混合燃焼の促進を図る
燃焼器に関する。

〔発明の背景〕

ガスタービン燃焼器から排出される排ガス中には、大気
汚染の元凶とされるＮ　ＯｘやＣｏ、ＨＣなどが含まれ
るが、特に、ＮＯｘについては、厳しい排出規制が設定
されている。低Ｎ　Ｏｘ化の方法と１〜て、燃焼ガス中
に水や蒸気を噴射する湿式法と、燃焼法全改善する乾式
法７）卸元・る１、前古は比較的簡単に実施でき、ＮＯ
ｘの低減効率も大きいが、最大の欠点はタービン効率を
低下させるととである。

一方、後者Ｑ」１、前者に比べて優位にあるが、実現化
には種々の困難な問題を含んでいる。この乾式法として
一部芙用化されているものや詠験段階のものとして希薄
拡散燃焼法や、予混合燃焼法、壕だ、これらの併用のも
のなど提案されている。

希薄拡散燃焼法は過剰な空気を燃焼領域に導入して低温
度燃焼をさせることにょＩ）　Ｎ　Ｏｘの発生要因とさ
れる、いわゆる、高温部分（ホットスポット）をなくし
緩慢な燃焼をさせるものである。

しかし、過剰な空気を理想的に入れたとしても、燃料の
拡散過程では、燃料と空気の混合を均一にすることは不
可能であｐ、どうしても、燃料軌跡に濃淡がつくため、
高温度部分の発生が避けられないという而をもっている
。この順向は高燃焼負荷になればなるほど強く現われ、
その結果、必然的に、ＮＯｘ値も高くなる。従来の低Ｎ
　Ｏｘ化の方法は（＝、の技術に立脚しｒものが多いが
、上述のように高負荷で難点があり、仁の解決策として
燃料を複数の燃料ノズルから噴射し−Ｃ１本あたりの燃
焼量を少なくＬようとするマルブツズル燃焼方法も試み
られているが、新たに、隣合う火炎間の干渉からＮ　Ｏ
ｘが生成きれるという問題もあシ、大幅なＮ　Ｏｘ低減
までには至っていない。

一方、予混合燃焼方式は燃４１−１と空気をあらかじめ
均一に混合させ、これを燃料ノズルに導き燃焼させる方
法であり、燃焼方式としては最も理想的な方法とされて
おり、ＮＯｘの低減効果が大きいことが最大の利点であ
る。しかし、このようにＮ　Ｏｘ低減に有利とされる方
式も、ガスタービン燃焼器としての実用化となると末だ
みるべきものはない。この実用化への道を困難にしてい
るものに予混合燃焼における火炎の逆火現象（バツクン
アイヤ）や希薄燃焼による保炎安定性、不良ＣＯ等の未
然排出量の増加という新たな問題が発生していくるため
である。この方式の一具体例を示すと、燃焼器の上流側
を予混合室とし、その下流側に燃料ノズルを置き、逆火
防止構造として予混合室の出口部を絞ることにより、そ
ののど部での流速を燃焼速度よシも大きくすることによ
り、火炎の予混合室への伝播を防ぐ。この方式の問題点
は、１）燃焼流量が少ない低負荷領域では、空気量に対
し相対的に燃料が少ないため、希釈燃焼となることから
安ご燃焼を得ることが難しくなる。２）予混合室出口部
で絞ることにより、下流部での流動に乱れを生じさせ易
くなシ、安定な燃焼を保持するために、下流側の燃料ノ
ズルの燃焼負荷が大となｐ１低Ｎ　Ｏｘ化に不利となる
。

〔発明の目的〕

本発明の目的はガスタービンにおいて予混合燃焼を行な
うための空気と燃料との混合の方法、タービン負荷変動
に応じて燃焼状態を制御でき、Ｎ　Ｏｘ排出量の低減と
安定燃焼を図る燃焼器構造を提供するにある。

〔発明の概要〕

本発明の質点は、低負荷時に従来の拡散燃焼方式を行な
わせ、かつ、燃料の分散化を図ることによｐて燃料ノズ
ル１本当りの燃焼ｆｉ４を抑制しＮ　Ｏｘ排出量を抑え
るにある。

〔発明の叉施例〕

第１図ないし、第９図に本発明の一具体例を示す。

燃焼ガスを生成するライナ部上、燃焼ガスをタービン部
に輸送するだめのトランジションピース４、ｅ３料ノズ
ル５、エンドカバ６、外筒７で構成されるガスタービン
燃焼器において、ライチ部入の上流部は下流部より径が
絞られた副室２と下流部の主室３から成る。また、燃料
ノズル包は副室２にライナ１１＋方向下流側に挿入され
、ライナ頭部を形成するように配置される。このノズル
旦には本発明の主要部をなす空気調整器邑、空圧ユニッ
ト９コーン１０、燃料管１１等から構成される。

第２図ないし第４図で副室２と燃料ノズＡ／−＝の形状
及び機能の詳細について腰下説明する。

第２図は副室部２及び燃料ノズル部見の断面を示す。先
ず、この部分の組込方法であるが、副室部２．゛二燃料
ノズル５は分割組立ができるように構成される。すなわ
ち、旋回器２８の外周部に取付けられた弾性支持バネ１
２をもって副室２の内壁との接触が保たれている。副室
２内へのバネ１２の挿入深さは副室先端２３．２３とガ
ス側コーン先端２４．２４がエンドカバ６よシ同−距離
にくるように設定される。燃料ノズル５の下流側には副
室２との間に環状部の燃焼室３１を形成するために、円
錐状のコー／１０がある。このコーン部は２重構造にな
っている。その理由は燃焼側コーンの冷却のため空気導
入部を確保するためであム冷却空気は環状部をなす冷却
空気取入口３０よシ流入する。コーン１０の燃焼ガス側
コーン２５にはコーンの冷却を実施するための細孔が多
数設けられ、この部分を冷却空気が通シ燃焼ガス側に流
れ込むことによって、コーンの効果的な冷却を実施する
。

一方、コｙｌ　ＯｃＤ？９ｒ却側コーン２６はコーン１
０の先端部で燃焼側コーン２５と一体になるように配置
され、燃焼側コーン部２５との間で形成される環状の冷
却空気通路部が細光になるように構成される。

このコーン１０のノズル５先端部への固定は下流側端は
パイロット燃料管１６の先端に設けられている旋回器１
４．１４に溶接され、一方、上流側端ついては、複数個
の主燃料管１５との接点部で溶接される。

燃料の供給系統は本発明では２系統ちり、一系統はコー
ン１０の先端部にパイロット燃料管１６をもって輸送さ
れ、管先端近くの噴孔２９，２９を通シ旋回器内に噴出
されたのち空気との旋回混合拡散を行なってコーン１０
先端部３２にパイロット燃焼火炎を形成されるものと、
同心の二重円筒である燃料管１１の外円環部に輸送され
た燃料は、第６図に一例を示した複数個の主燃料管１５
によって先端部の噴孔１３，１３に導かれ、さら　１に
旋回器１４．１４に噴出された後、タービン負荷に応じ
て、燃焼室３１内で混合拡散燃焼か、あるいは、燃料の
混合拡散のみを行なって、いわゆる、卓子混合ガスを生
成したのち、燃焼室３１の下流側で、予混合燃焼が行な
われる２方式の燃焼モードが存在する。

なお、前者のパイロット燃焼では全燃料の約１０〜２０
俤が消費され残シの８０〜９０俤は燃焼室３１内で消費
される。

さて、上記の燃焼室３１内での燃焼法を制御するのとし
て重要な働きをするのが本発明の主要部分をなす燃焼器
に入る空気量を制御する機栴である。これは２つの円環
状及び円形の開閉板を空圧ユニットによってライナの軸
方向に移動させることによって行なわれる。第３図にこ
の部分の詳細を示すが、燃焼室３１への空気量の制御は
環状板１７で行なわれ、冷却側コーン内部３３への空気
量の制御は円板２０によシ行なわれる。まず、環状板１
７は２本のアーム１８．１８棒で燃料管１１の外壁に沿
ってスライドできるようにされたボス１９に接続され、
かつ、アーム棒ｉｓ、ｉｓの途中で環状板１７を軸方向
に押すために必要な一方が空圧ユニットに接続されたス
ラスト棒２２゜２２が接続されている。一方、冷却側コ
ーン内部３３への空気流入を仕切る円板２０も、その方
法は先の方法と同じで、スライド可能なボス３５に円板
２０が取付けられてお９円板の軸方向への移動は２本の
スラスト棒２１．２１で行なわれる。

環状板１７と円板２０を移動させるスラスト棒２１．２
１及び２２．２２の位置関係は特に規定はしないが、空
圧ユニット４個の取付関係から、−例として、互いに９
０″間隔に取付けるのが一般的である。なお、１対のス
ラスト棒には空圧ユニット９によって同等の力が働くよ
うに設計されることは当然である。空圧ユニットはノズ
ルカバ３４に溶接されて取付けられておシ、空圧ユニッ
ト９内には圧縮空気で作動するピストン３６と減圧時に
ピストンを定位置に戻すためのスプリング２７が設けら
れ、ピストン３６には先のスラスト棒２１，２１，２２
．２２がノズルカバ部に設けられたスラスト棒を通すの
に十分な穴部を通して接続されている。第５図は空圧ユ
ニットの取付の１例を示したものである。

次に、空気量を制御する環状板１７と円板２０の位置関
係と燃焼との関係の１例を示したのが第６図と第７図で
ある。第６図は低負荷（約２５係負荷まで）の状況を示
す。この状態では燃焼室３１内では混合拡散燃焼が行な
われる。タービン低負荷時には空気量が過剰にライナ内
に流入することになるので一般には希薄化が進み、燃焼
が不安定になシ易い。そのため、本方式では、理論空気
過剰率に近い空気量を設定するため環状板１７の開度を
小さく抑える。コーン１０先端部からのパイロット火炎
による燃焼も低負荷時における総燃料の約１０〜２０％
になるようにするのがよく、このため、この燃料比に最
適な空気量が円板２０の開度によって供給される。

一方、第７図はタービン高負荷時の燃焼状況を示したも
のである。この場合には、燃焼室３１への空気流入を増
大させることによシ最早、ノズル近傍での火炎の保持は
できなくなシ、燃焼室はこの場合、燃料の予混合ゾーン
としての働きをし燃焼は図に示すようにパイロット火炎
が形成されている近傍で燃焼室３１の下流側から燃焼が
始まる予混合燃焼が促進される。予混合燃焼では特に保
炎機構を信頼性の高いものにする必要があり、本方法で
は、十分な強度のパイロット火炎をコーン先端部に形成
する仁とによってそれを補償Ｉ７ている。

第８図は、ガスタービン負荷と燃料との関係を示したも
ので、パイロット部での燃焼量は全体の約１０〜２０優
に抑えるのが好ましい。

第９図はガスタービン負荷とＮ　Ｏｘ値との関係を示し
たもので、この例ではガスタービン負荷が約２５％にな
ると予混合燃焼に移行しＮ　Ｏｘが大幅に低減できるこ
とが示されている。予混合燃焼への移行時をタービン負
荷のどの点にもってくるかは、環状部の幅、環状板１７
、円板２０のそれぞれの開度、パイロット火炎の強度、
旋回器の構造との組合せによっである幅をもたせること
は可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、タービン負荷に対応した燃焼方式の選
択ができ、低Ｎ　Ｏｘ化の理想とされる予混合燃焼を安
定して行なうことを可能にした燃焼器が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃焼器縦断面図、第２図は第１図の燃
焼器上流側の詳細図、＠３図は第２図の環状板の斜視図
、第４図は第２図の■−■矢視図、第５図は第２図のノ
ズルカバーの斜視図、第６図、第７図は、仕切板と燃焼
状況を示す断面図、第８図はタービン負荷と燃料との関
係を示した図、第９図は、タービン負荷とＮ　Ｏｘ値と
の関係を示した図である。 １・・・ライナ部、２・・・副室、３・・・主室、４・
・・トランジションピース、５・・、燃料ノズル、６・
・・ランドカバ、７・・・外筒、８・・・空気調整器、
９・・・空圧ユニッギ２　．３　巨Ａ １７ 躬　４　囚 拳　５　囚 第　６　目 第　７１ 茅Ｂ　口 カスターヒー〉醍荷　（１０ρ％う

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃焼器上流側内筒の中心軸に沿って円錐状の内筒を
   下流側に向は突起させ、前記上流側内筒と前記円錐状の
   内筒との間に形成される末広環状の燃焼室内に、上流側
   から流入する空気量を制御しつつ、燃料を注入し、前記
   燃焼室の上流端に複数個配置された燃料ノズルで火炎を
   発生し燃焼を行なうことを特徴とする燃焼器の空気制御
   装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記円錐状内筒の
   先端部に前記燃料ノズルを配置し、前記円錐状内筒に流
   入する空気量を制御しつつ燃料を注入し、前記内筒の先
   端部附近に火炎を形成することを特徴とする燃焼器の空
   気制御装置。 ３゜特許請求の範囲第１項において、空気量の制御は、
   前記末広環状の前記燃焼室の上流端に位置する環状部の
   空気取入口前方に環状部寸法よりやや大きめの板部材を
   配置し、前記板部材の一端が空圧ユニットと連間するよ
   うに接続され、ライナ軸方向に移動可能にし前記空気取
   入口を閉塞及び開放できるようにしたことをＩｒｊ徴と
   する燃焼器の空気制御装置。 ４、特許請求の範囲の第２項において、空気量の制御は
   、前記円錐状内筒の入口部断面よりも幾分大きめの円板
   部材を前記入口部の前方に配置し、前記円板の一端が空
   圧ユニットと連間するように接続され、２イナ軸方向に
   移動可能にし、前記空気取入口を閉塞及び開放できるよ
   うにしたことを特徴とする燃焼器の空気制御装置。