JPS60247013A - 多段燃焼型ガスタ−ビンにおける燃焼方法および燃焼器 - 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、多段燃焼型ガスタービンにおける燃焼方法お
よび燃焼器に係シ、特にＮＯＸ発生を抑えるとともに、
第２段以降の燃焼室における燃焼性能の改善に好適な多
段燃焼型ガスタービンにおける燃焼方法と燃焼器に関す
る。

〔発明の背景〕

ガスタービンの環境問題の一つとして大気汚染物質であ
るＮＯＸ発生がある。これは、ガスタービンの高温作動
ガスの発生器である燃焼器内において、特に高温となる
燃焼領域で、空気中のＮ２が配化されるために発生する
。また、燃料中にＮ分を含有する場合には、これが酸化
されてＮＯｘを生成する。しかし、現在ではガスタービ
ン燃料には、比較的燃料中のＮ分が少ない灯軽油系統や
ガス燃料が用いられるため、ＮＯＸの大部分は前者、つ
まシ高温燃料領域で、空気中のＮ２が酸化することによ
って発生する。

したがって、ガスタービン燃焼器の低ＮＯＸ化は低温燃
焼によって達成される。これを具体化する技術として、
従来から燃焼器内への水噴射、蒸気噴射法が開発され、
実用化されている。また、これとは別に燃焼条件を空気
過剰の条件で燃焼させる、いわゆる希薄燃焼化による低
ＮＯＸ燃焼器の開発が各方面で盛んに行われている。こ
の希薄燃焼化による方法は、水噴射や蒸気噴射に比べて
特別な補器が不要なことや、水、蒸気の消費がないこと
、さらに熱効率が有利なことから、現在低ＮＯＸ技術の
主流となりつつある。

希薄燃焼化による低ＮＯＸ燃焼器としては、これまでに
種々の方式、構造のものが研究開発されているが、大別
すると次の二通りの方式となる。

その一つは、燃料と空気を別々に燃焼室内に供給し、燃
焼室内で混合させながら燃焼させる、いわゆる拡散燃焼
形式において、空気を理論燃焼空気量以上供給すること
により、低ＮＯＸ燃焼させるものである。他の一つは、
燃料と空気を燃焼室内に供給する前に予め混合させて、
予混合気として燃焼させる、いわゆる予混合燃焼形式で
あシ、同じく空気を理論燃焼空気量以上混合させること
によシ低ＮＯＸ燃焼させるものである。両者の燃焼方式
を比較した場合、同−燃空比条件におけるＮＯＸ低減効
果は後者の予混合燃焼の方が優れている。これは、予混
合気の燃焼であるため、均一な低温燃焼とな）、前者の
場合にできやすい局所的な高温部がないためである。し
かし、との予混合燃焼方式をガスタービン低ＮＯＸ燃−
焼器へ適用する場合には、不燃混合範囲を避けるための
方策が必要となる。すなわち、ガスタービンが高出力で
運転される高燃空比での燃焼において、大量のＮＯＸが
発生するので、との条件でＮＯＸの発生を抑えるべく希
薄予混合気の燃焼を計画すると、燃料を減少させて運転
する低出力側において、燃料が希薄になりすぎて不燃混
合範囲となるため、燃焼器として成立しなくなる。これ
を解決する手段には二つある。その一つは、燃料の増減
に対応して燃焼用空気量を増減させ、燃空比を所定の範
囲内に制御する方法である。また、他の一つは燃料と空
気を燃焼器の軸方向、まだは半径方向に分割して供給し
、ガスタービンの出力に応じてそれぞれの領域へ燃料を
供給することによム作動燃空比範囲を狭くする多段燃焼
方式がある。前者の場合には、燃焼条件は適確にコント
ロールできるが、空気量を制御するための弁機構や可動
部が必要となシ、機器の信頼性が大きな問題となる。ま
た、後者の多段燃焼方式の場合には、第２段以降の燃焼
において、燃料投入時からある範囲においては過剰希薄
の混合気となシ、未燃分を多量に発生したり、振動燃焼
を生じたりする問題がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、前記従来技術の問題を解決し、第２段
以降の燃焼室の燃料供給開始時の着火性能を向上でき、
かつＮＯＸ発生を低減し得る多段燃焼型ガスタービンに
おける燃焼方法を提供するにあり、他の目的は前記燃焼
方法を確実に実施し得る多段燃焼型ガスタービンにおけ
る燃焼器を提供するにある。

〔発明の概要〕

本発明方法は、第２段以降の燃焼室用の空気流路に、燃
料の供給開始段階では燃料噴射口を絞って燃料を集中的
に噴射し、局部的に燃料の濃い部分を持った混合気を供
給し、燃焼後、燃料流量の増大とともに燃料噴射口を広
くシ、均一の希薄予混合気を供給するようにしたところ
に特徴を有するもので、この構成にょシ、第２段以降の
燃焼室への燃料供給開始段階での着火性能を向上でき、
しかも燃焼後のＮＯＸ発生を低減することができる。

また、本発明燃焼器は、第２段以降の燃焼室に、環状の
空気流路を有する多段燃焼型ガスタービンにおいて、前
記空気流路に、円周方向にほぼ等間隔をおいて複数個の
燃料ノズルを設けるとともに、この燃料ノズルを少なく
とも、前記空気流路を流れる空気流と直交する方向に配
置されかつ両端部が密閉されしかも軸方向に燃料噴射口
を連ねた燃料噴射管と、この燃料噴射管の内部に導入さ
れかつ燃料噴射管内の底部に開口する燃料供給管と、前
記燃料噴射管と燃料供給管間の周隙に、燃料噴射管の軸
方向に移動可能に設けられたスプールと、このスプール
を前記燃料噴射口の噴射面積を絞る方向に移動付勢する
ばねとで構成したところに特徴を有するもので、この構
成によシ、前記燃焼方法を確実に実施することができる
。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面により説明する。

第１図および第２図は、本発明方法を実施するための多
段燃焼型の燃焼器の一例を示すもので、第１段燃焼器Ａ
、と第２段燃焼器Ｂとを備える２段燃焼型の燃焼器につ
いて例示している。

前記第１段燃焼器Ａは、第１図に示すように、燃焼筒１
を備え、この燃焼筒１の内部には燃焼室２が形成されて
いる。また、前記燃焼筒１の入口側には空気旋回器３と
、端部に燃料噴射孔５を有する燃料ノズル４とが設けら
れている。さらに、前記燃焼筒１の胴部には燃焼空気供
給孔６が設けられている。

前記第２段燃焼器Ｂは、第１段燃焼器Ａの燃焼筒１の出
口側に形成された拡径部７を介して前記燃焼筒１に連結
された燃焼筒９を備えている。前記拡径部７は、仕切シ
板８によシ円周方向に複数個のガス通路に区画されてい
る。前記燃焼筒９の内部には、燃焼室１０が形成され、
胴部には希釈空気孔１１が設けられている。前記拡径部
７には、第２段燃焼器Ｂの燃焼用の空気流路１２が設け
られている。この空気流路１２は、第１段燃焼器Ａの燃
焼筒１の外側に配置された空気供給内筒１３と、これの
外側に一定の周隙を有して配置された空気供給外筒１４
とで構成され、かつ仕切シ板１５によシ円周方向に複数
個に区画されておシ、この仕切シ板１５によシ区画され
た空気流路は前記拡径部７に形成されたガス通路に連通
されている。

前記空気通路１２には、第１図に示すように、円周方向
にほぼ等間隔をおいて、複数個の燃料ノズル１６が設け
られている。各燃料ノズル１６は、第２図に示すように
、燃料噴射管１７と、これの内部に導入された燃料供給
管２２と、前記燃料噴射管１７と燃料供給管２２間の周
隙に移動可能に設けられたスプール２３と、このスプー
ル２３を付勢する圧縮ばね２４とを備えている、前記燃
料噴射管１６は、一端部は底板１８によシ閉塞され、の
周壁には、少なくとも燃焼ノズル１６の軸方向に連ねて
複数個の燃料噴射孔２０が設けられている。前記燃料供
給管２２は、燃料導管２１に連結され、前記燃料噴射管
１７の内部に同心状に導入されていて、その端部２２′
は燃料噴射管１７内の底部に開口されている。また、前
記燃料噴射管１７と燃料供給管２２間には周隙が形成さ
れていスー食ちに、燃料供給管２２の外筒には、軸方向
に一定の間隔をおいて第１．第２のストッパ２５゜２６
が取シ付けられている。前記スプール２３は、燃料の供
給開始段階では圧縮ばね２４によシ、燃料噴射孔２０の
噴射面積を絞る方向に移動付勢されておシ、第２段燃焼
器Ｂの燃焼室１０への燃料流量の増大とともにスプール
２３は燃料噴射管１７の底部側の圧力によシ圧縮はね２
４のばね力に抗して燃料噴射孔２０の噴射面積を広くす
る方向に移動するように構成されている。そして、スプ
ール２３は燃料噴射孔２０の噴射面積が最も絞られた状
態では第１のストッパ２５に当接し、噴射面積が最も広
げられた状態では第２のストッパ２６に当接するように
なっている。

次に、前記実施例の燃焼器の作用に関連して本発明方法
の一例を説明する。

まず、ガスタービンの着火から部分負荷までは第１段燃
焼器Ａの燃焼室２へ、空気旋回器３と燃焼空気供給孔６
を通じて燃焼空気１０１が供給され、燃料ノズル４を通
じて燃料１０２が供給される。前記燃焼室２では、前記
燃焼空気１０１と燃料１０２とが混合され、図示省略の
電気式の着火栓または隣接する燃焼器から火炎伝播管を
通じて熱着火され、燃焼される。この第１段燃焼器Ａで
は、前述のごとく、燃焼室２で燃焼空気１０１と燃料１
０２とを混合しながら燃焼されるので、比較的燃料が希
薄な混合気であっても安定燃焼する。

前記第１段燃焼器Ａの燃焼室２で発生した高温ガス１０
３は、拡径部７を通って第２段燃焼器Ｂの燃焼室ＩＯの
入口側へ流れる。

ガスタービンの高負荷運転時には、第２段燃焼器Ｂの空
気流路１２内へ燃焼空気１０４が導入され、また燃料導
管２１と燃料ノズル１６を通じて燃料１０５が導入され
る。そして、前記空気流路１２内で燃焼空気１０４と燃
料１０５とが予め混合され、その希薄予混合気が第２段
燃焼器Ｂの燃焼室１０の入口に供給され、第１段燃焼器
Ａの燃焼室２で発生した高温ガス１０３との接触によシ
着火され、かつ保炎され、希薄予混合気の低温。

低ＮＯＸ燃焼が行われる。

ところで、第２段燃焼器Ｂにおける燃焼によるＮＯＸ発
生量は、第２段燃焼器Ｂの燃焼室１０への燃焼空気量と
燃料流量の比が小さい程、すなわち燃料１０５が希薄で
ある程小さく、燃焼空気１０４と燃料１０５とが均一に
混合されている程小さい。しかしながら、このような希
薄予混合気の燃焼においては、不燃混合気となる混合比
が存在するため、使用燃料によって決まる最小燃空比以
上に設定する必要がある。

そこで、この第１図、第２図に示す本発明の実施例では
、第２段燃焼器Ｂへの燃料供給開始段階では燃料ノズル
１６の圧縮ばね２４の作用でスプール２３を介して燃料
噴射孔２０の噴射面積を絞シ、つまり特定の燃料噴射孔
２０からのみ、しかも第１段燃焼器Ａの燃焼室２の出口
に近い位置としての、空気流路１２の空気供給内筒１３
に近い燃料噴射孔２０から燃料１０５を噴射させる。そ
の結果、混合気１０６には空気供給内筒１３に近い側に
、燃料１０５の・濃い部分が形成され、この燃料１０５
の濃い部分と第２段燃焼器Ｂの燃焼室１０の入口側に流
入する高温ガス１０３とが接触し、第２段燃焼器Ｂの燃
焼室１０に供給された混合気１０６に確実に着火され、
保炎される。

第２段燃焼器Ｂの燃焼後、燃料流量の増大につれて、燃
料ノズル１６の燃料供給管２２から燃料噴射管１７の底
部側へ供給される燃料１０５が増加し、これによシ燃料
噴射管１７の底部の圧力が上昇し、この圧力によりスプ
ール２３が圧縮ばね２４のばね力に抗して押し込まれて
移動し、燃料噴射孔２０の噴射面積が拡大される。その
結果、。

燃焼空気１０４に燃料１０５が均一に混合され、第２段
燃焼器Ｂの燃焼室１０には均一に混合された希薄予混合
気が供給されるので、燃焼室１０のＮＯＸ発生を低減さ
せることができる。

なお、第１図中、１０７は希釈用空気、１０８は第２段
燃焼器で生成された燃焼ガスを示す。

前述の本発明においては、３段以上の燃焼器を持ったも
のにも適用できること勿論である。

さらに、本発明燃焼器では、燃料ノズル１６には図面に
示す実施例の燃料噴射孔２０に代えて、燃料噴射管１７
の軸方向に長い燃料噴射用のスリットを設けてもよいし
、また圧縮ばね２４に代えて、ばね作用を持った他の部
材を用いてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明した本発明方法によれば、第２段以降の燃焼室
用の空気流路に、燃料の供給開始段階では燃料噴射口を
絞って燃料を集中的に噴射し、局部的に燃料の濃い部分
を持った混合気を供給し、燃焼後、燃料流量の増大とと
もに燃料噴射口を広くシ、均一の希薄予混合気を供給す
るようにしているので、第２段以降の燃焼室における着
火性能を向上し得る効果があ如、シかも燃焼後のＮＯＸ
発生を低減し得る効果がある。

また、本発明燃焼器によれば、第２段以降の燃焼室に、
環状の空気流路を有する多段燃焼型ガスタービンにおい
て、前記空気流路に、円周方向にほぼ等間隔をおいて複
数個の燃料ノズルを設けるとともに、この燃料ノズルを
少なくとも、前記空気流路を流れる空気流と直交する方
向に配置されかつ両端部が密閉されしかも軸方向に燃料
噴射口を連ねた燃料噴射管と、この燃料噴射管の内部に
導入されかつ燃料噴射管内の底部に開口する燃料供給管
と、前記燃料噴射管と燃料供給間の間隙に、燃料噴射管
の軸方向に移動可能に設けられたスプールと、このスプ
ールを前記燃料噴射口の噴射面る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施するだめの燃焼器の概要を示
す縦断面図、第２図は本発明燃焼器の要部に当たる燃料
ノズルとその回りの部材の拡大縦断面図である。 Ａ・・・第１段燃焼器、Ｂ・・・第２階燃焼器、９・・
・第２段燃焼器の燃焼筒、１０・・・同燃焼室、１２・
・・第２段燃焼器の燃焼室への空気流路、１３・・・空
気流路を構成している空気供給内筒、１４・・・同空気
供給外筒、１５・・・間仕切シ板、１６・・・第２段燃
焼器の燃料ノズル、１７・・・燃料ノズルを構成してい
る燃料噴射管、２０・・・同燃料噴射孔、２２・・・同
燃料供給管、２３・・・同スプール、２４・・・同圧縮
ばね、２５．２６・・・スプール用の第１．第２のスト
ッパ、１０４・・・第２段燃焼器の空気流路に導入され
る燃焼空気、１０５・・・同燃料、１０６・・・第２段
燃焼器の燃焼室へ供給される局部的燃料の濃い部分を持
った混合気。 代理人　弁理士　秋本正実

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第２段以降の燃焼室用の空気流路に、燃料の供給開
   始段階では燃料噴射口を絞って燃料を集中的に噴射し、
   局部的に燃料の濃い部分を持った混合気を供給し、燃焼
   後、燃料流量の増大とともに燃料噴射口を広くシ、均一
   の希薄予混合気を供給することを特徴とする多段燃焼型
   ガスタービンにおける燃焼方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記燃料の供給開
   始段階で、前段の燃焼室出口に近い位置に、局部的に燃
   料の濃い混合気を形成することを特徴とする多段燃焼型
   ガスタービンにおける燃焼方法。 ３、第２段以降の燃焼室に、環状の空気流路を有する多
   段燃焼型ガスタービンにおいて、前記空気流路に、同周
   方向にほぼ等間隔をおいて複数個の燃料ノズルを設ける
   とともに、この燃料ノズルを少なくとも、前記空気流路
   を流れる空気流と直交する方向に配置されかつ両端部が
   密閉されしかも軸方向に燃料噴射口を連ねた燃料噴射管
   と、この燃料噴射管の内部に導入されかつ燃料噴射管内
   の底部に開口する燃料供給管と、前記燃料噴射管と燃料
   供給管間の周隙に、燃料噴射管の軸方向に移動可能に設
   けられたスプールと、このスプールを前記燃料噴射口の
   噴射面積を絞る方向に移動付勢するばねとで構成したこ
   とを特徴とする多段燃焼型ガスタービンにおける燃焼器
   。