JPS6057131A - ガスタ−ビン燃焼器の燃料供給方法 - Google Patents

ガスタ−ビン燃焼器の燃料供給方法

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JPS6057131A
JPS6057131A JP58164164A JP16416483A JPS6057131A JP S6057131 A JPS6057131 A JP S6057131A JP 58164164 A JP58164164 A JP 58164164A JP 16416483 A JP16416483 A JP 16416483A JP S6057131 A JPS6057131 A JP S6057131A
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    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones
    • F23R3/346—Feeding into different combustion zones for staged combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
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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器の燃料供給方法に係シ、特
に低Ｎ　Ｏｘ型の２段燃焼方式のガスタービン燃焼器に
対し、て、良好な燃焼性能を得るだめの燃料供給方法に
関するものである。
〔発明の背暇〕
ガスタービン燃焼器は燃焼圧力と入口空気温度が高いた
めＮ　Ｏｘの生成はボイラや加熱炉等よりも一般に大き
く、このためＮ　Ｏｘの低減化が急務となっている。
燃焼過程中に生成するＮ　Ｏｘは燃焼ガス温度、酸素分
圧及びガスの滞留時間の影響を受けるが、その中でも燃
焼ガス温度の影響が最も大きいため、ＮＯｘの低減には
低温燃焼化が最も有効な手段となる。従って、ガスター
ビン燃焼器の低ＮＯｘ技術としては従来から燃焼領域へ
理論空気量以上の空気を供給して低温燃焼させる、いわ
ゆる希薄燃焼法が開発されてきている。ところで、ガス
タービン燃焼器は起動から定格負荷まで非常に作動範囲
が広いため、定格時に十分希薄燃焼させて低Ｎ　Ｏｘ化
を達成しようとすると、部分負荷時は燃の 料流量を減少させるため一層希薄燃焼度合が大きくなシ
、燃焼の不安定や未燃分の増大及び着火時の着火不良と
いった感作用がでるので、希薄燃焼の程度は大きな制約
を受ける。また、ガスタービンのように高温高圧燃焼は
燃焼速度が極めて速いため、従来製燃焼である燃料と空
気を別々に燃焼器へ供給して燃焼させる、いわゆる拡散
燃焼では、みかけ上空気過剰の状態での燃焼であっても
局所的には理論混合比もしくは燃料過濃な混合比での燃
焼が相当１占めることとなり、結果的にはホットスポッ
トを生じ、大幅な低Ｎ　Ｏｘ化は達成できない。これら
の技術諌題の解決方法として種々の燃焼方式、燃焼器構
造が検討されているが、前者の問題に関しては燃料を燃
焼器の上流側と下流側に分割して供給する、いわゆる２
段燃焼方式の検討が進められている。また、ホットスポ
ットの除去に関しては、混合気のｍ淡をなくすことによ
り解決できることから、予混合燃焼化が検討されている
。すなわちガスタービン燃焼器において大幅な低Ｎ０ｗ
化を達成するためには、予混合燃焼化が必須条件となり
、また、この場合にはガスタービンの全作動領域で良好
な燃焼性能を得るために２段燃焼化もしくは多段燃焼化
が必要となる。従来、このようなガスタービン低Ｎ　Ｏ
ｘ燃焼器として、燃焼器の断面を絞ることによシ１段目
と２段目の燃焼域を区画し、それぞれ１段目、２段目に
燃料を供給する構成とするとともに１段目の燃料を途中
で一旦カットし、再投入することによ′り１段目に予混
合燃焼としての作用を果たさせるという公知の技術があ
る。また、１段目で安定な拡散燃焼を行わせ、２段目に
おいてパイプ型の予混合器によシ希薄予混合気を形成せ
しめる方式の公知技術もある。このような公知技術によ
り、高負荷時のＮ　Ｏｘは大幅に低減できるとともに、
着火及び低負荷時の性能も相当改善できることとなった
が、これらの方式の最大欠点は２段目の燃料投入時の燃
焼性が悪化することにある。具体的には、２段目の燃料
投入時に未燃成分の流出が極端に増大することと、２段
目の燃焼火炎が不安定であシ場合によっては振動燃焼を
起し、吹消えが発生した如、１段目燃焼火炎と互に干渉
し合って燃焼器全体が振動するという欠点が有る。この
原因は、２段目の燃料投入時は２段目燃焼の燃空費が極
端に小さいため十分安定な燃焼が維持できず、２段目燃
焼の反応が進行しないために、未燃分の流出ならびに振
動燃焼の発生が起るものでおる。この解決案としては、
（１）２段目燃焼の燃空比設計値を大きくとること、（
乃２段目燃焼用の燃料濃度に濃淡をつけること、（３）
２段目燃焼用の可燃混合気の流れ方向を１段燃焼火炎の
高温ガスと接触混合するよう設定すること、などが考え
られるが、これらの解決案はいずれも２１ｇ、目燃焼火
炎からのＮＯｘを著（−＜増大させることとなり２段燃
焼化の長所ｆ：、損うことになる。すなわち、２段燃焼
型の低Ｎ　Ｏｘ燃焼器においては、このような２段目燃
料の投入時の燃焼性能の低下を如何に解決するかが大き
な課題の一つである。
〔発明の目的：］ 本発明の目的は、他の燃焼性能を損うことなく低Ｎ　Ｏ
ｘ化を達成し得るガスタービン燃焼器の燃料供給方法を
提供することにある。
〔発明の概要〕
この目的を達成するために、本発明のガスタービン燃焼
器の燃料供給方法は、ガスタービンの起動から低出力範
囲は第１段目の燃料と空気とを燃焼させて運転し、最大
出力を含む高出力範囲は第１段目及びｍ２段目の燃料と
空気とを燃焼させて運転すると共に、第２段目への燃料
供給は一定量をステップ状に投入し、同時に第１段目へ
の燃料供給量を同量ステップ状に減じるようにしたこと
を特徴とする。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の詳細を図面に従って説明する。
第１図は本発明による燃料供給方法が効果的に発揮でき
る２段燃焼型低ＮＯｘ燃焼器の構造を示している。この
燃焼器は、燃焼器ライナ１の上流側に、該燃焼器ライナ
１よシ断面積が小さい副室２を設けた構造となっており
、この副室２の内部に、下流方向に断面積が縮小する円
筒コーン３が副室２に同心状に設けられている。前記円
筒コーン３の内部には、第１段目の燃料供給管４及び燃
料ノズル５が設けられて１段目燃焼室を形成している。
また前記副室２の後端の円錐部外周には、２段目燃焼用
空気を旋回流として供給するための旋回器６が設けられ
、かつ該旋回器６の旋回羽根間には２段目燃料ノズル７
が燃料へラダ８を介して取付けられ、２段目燃焼室を形
成している。９は２段目燃料ノズル７の燃料供給管であ
る。
前記のガスタービン燃焼器において、圧縮機（図示省略
）により昇圧された空気１００は燃焼器外筒１０と燃焼
器ライナ１との間を流通しながら燃焼器ライナ１に設け
た希釈空気孔１１及び壁面冷却孔１２、旋回器６、副室
２の外壁に設けた空気孔１３より燃焼器ライナ１の内部
に流入する。
ガスタービンの着火起動に際しては、１段目燃料２００
を１段目燃料ノズル５を介して円筒コーン３の内壁面に
設けた燃料噴射口１４よシ供給し、着火栓１６の電気ス
パークにより着火、燃焼させる。そしてガスタービンの
部分負荷までは、この１段目燃焼のみで運転する。ガス
タービンの高出力運転は、２段目燃料２０１を２段目燃
料ノズル７より旋回器６内に供給し、ここにおいて形成
される可燃混合気を１段目燃焼火炎との接触加熱により
自動的に着火燃焼させる。
この燃焼器による低Ｎｏｔ燃焼化の原理について説明す
ると、まず１段目燃焼に関しては、１段目燃料２００を
円筒コーン３周壁より供給することにより副室２周壁よ
シ供給される燃焼空気との急速混合を達成し、かつ円筒
コーン３周壁近傍に一部の燃料によって形成される燃料
濃度の濃い領域で安定した燃焼が行われることによシ、
１段目燃焼を全体として希薄低温燃焼させ、低Ｎ　Ｏｘ
化を達成する。
また、２段目燃焼に関しては、旋回器６の内部に２段目
燃料２０１を供給することにより、前記旋回器６の内部
において燃料と空気を予混化して供給し、ホットスポッ
トのない均一低温燃焼を実現させて低Ｎ　Ｏｘ化を達成
する。
かかる２段燃焼型低Ｎ　Ｏｘ燃焼器の基本燃焼計画であ
る１段目、２段目の燃料流量比及び定格運転時の１段目
、２段目燃焼の燃空比は燃焼器構造によって変わるのは
勿論のこと対象ガスタービンの作動条件やＮＯｘ目標値
ならびに燃料の種類によって異なる。しかし、ごく基本
的な考え方では、対象ガスタービンの概略５０％負荷ま
でを１段目燃焼で、５０チ負荷から定格負荷までを２段
目燃焼で運転するというのが、それぞれの燃焼領域を（
９） 半分ずつ受持つことになり、各作動燃空比範囲をそれぞ
れはソ同程度の範囲で分担させることにより燃焼に無理
がなく、基本的な設計条件といえる。
また１段目、２段目の定格燃空比は０．０２〜０．０５
の範囲が燃焼性能と低Ｎ　Ｏｘ化のバランスの面から妥
尚な範囲となる。第２図はタービン入口温度が約１１０
０ｔ？のガスタービン（定格時の燃空比約０、０２　）
を対象に１段目と２段目の従来方式による燃料投入Ｖｉ
画をモデル的に示したもので、まず着火から燃空比が０
．０１までは１段燃焼で運転し、それ以降は漸次２段目
燃料の供給量を増加させることにより運転するものであ
る。かかる燃料供給方法とした場合のＮ　Ｏｘ濃度特性
とＣＯ濃度特性を第３図、第４図に示す。これらの図か
ら明らかな如く、２段目燃料の投入開始（Ｆ／Ａ＝０゜
０１）からｌｉ’／Ａが０．０１４近傍までは著しいＣ
Ｏの増大を伴い、この間２段目燃料は不安全燃焼をして
いる。この原因は前に峰述したように第２段が過剰希薄
となるためであり、この現象は２段目燃焼型低Ｎ　Ｏｘ
燃焼器の致紐的な欠点でおる。第５図は（ｌＯ） 本発明によるガスタービン負荷上昇時における燃料供給
方法を示すものであシ、本供給方法の特徴は２段目燃料
投入をある一定量ステップ状に行うとともに、同時にそ
れと同量の１段目燃焼をステップ状に減じて行うことで
ある。すなわち、２段目燃料をステップ状に投入するこ
とによシ、２段目燃焼の過剰希薄による不完全燃焼帯を
瞬時に通過させて安定燃焼帯へ移行させ、未燃分の極端
な増大を抑制し、かつ燃焼の不安定も解消するものであ
る。第６図、第７図は本発明燃料供給方法によるＮＯｘ
濃度特性及びＣＯ濃度物性を示している。２段目燃料の
投入により２段燃焼が開始され、１段目燃焼の燃空比が
小さくなるため、ＮＯｘはステップ状に低下する。一方
、ＣＯは２段目燃焼からのＣＯ発生があるためステップ
状に増加する。
しかし、とのＣＯビーク値は従来の燃料供給方法の場合
の如く数千ｐｐｍといった高濃度とはならず、さらには
ＣＯＯ高濃度帯も非常に狭い範囲内におさえることが可
能となる。２段目燃料投入開始時のステップ状に投入す
べき２段目燃料の必要（１１） 流Ｉは燃焼器のｖＭ［及びＮ　Ｏｘ値や未燃分の許容値
によって異なるがガスタービンの燃料となり得る炭化水
氷燃料の可燃燃空比範囲、火炎伝播速度及びＣＯの燃焼
速度などの燃焼データと種々の燃焼器構造についての実
験的検討により、ステップ状に投入する２段目燃料ＩＡ
ｔｊｊｋと２段目燃焼用の空気瀘との比は０．（１１か
ら０．０４の範囲が良好な２段目の着火燃焼性を示す。
この燃空比がｏ、ｏｌよシも小さい場合には、２段目燃
料の瞬時着火が起らず、未燃分の極端な増大と場合によ
っては振動燃焼を引き起す。また、燃空比を大きくする
と２段目燃焼の作動範囲が制約されることになシ、低Ｎ
　Ｏｘ化にとって不利になるとともに、運転の自由度が
損われる。このため燃空比の上限は０．０４程度が限界
となる。以上の説明はガスタービンの着火から低負荷運
転に至る立上げ時の燃料供給方法であるが、次にガスタ
ービンの高負荷運転域における出力調整力法について述
べる。第８図は高負荷運転域における燃料供給方法を示
すもので、第２段目の燃料ははソ一定に保持し、第１段
目の（１２） 燃料流量の増減によシガスタービンの出力を変化させる
ものである。これは、第１段目燃焼のｃ。
特性が低燃空比範囲まで低濃度であるという特性を活用
したものである。この特性は１段目燃焼が拡散燃焼型に
近い燃焼パターンであるとともに、未燃分の燃焼のため
のガス滞留時間が長いことによるものである。
このような燃料制御によるガスタービンの負荷調整を行
うことによシ、ガスタービンの負荷運転時の未燃分を最
小とすることが可能となる。この場合のＣＯ濃度特性は
第７図の点線にて示される。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、次のような効果
が得られる。
（１）第２段目燃料投入時の未燃分の発生を抑制できる
と共に、２段目燃焼の安定性が向上する。
（２）２段目燃焼の希薄燃焼化を向上でき、低ＮＯｘ化
を図るにきわめて有利となる。
（３）高負荷運転域での未燃分の発生を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
（１３） 第１図は２段燃焼型低ＮＯｘ燃焼器を示す断面図、第２
図１、従来の燃料供給方法を模式的に示す線図、＆ｇ３
図及び第４図は従来におけるＮＯｘ９度特性及びＣＯ濃
度特性を示す線図、第５図は本発明による燃料供給方法
を模式的に示す線図、第６図及び第７図は本発明におけ
るＮＯｘ濃度特性及びＣＯｇ度特性を示す線図、第８図
はガスタービン高出力作動領域における燃料供給を示す
線図である。 １・・・燃焼器ライナ、２・・・副室、３・・・円筒コ
ーン、５・・・１段目燃料ノズル、７・・・２段目燃料
ノズル、１００・・・燃焼用空気、２００・・・１段目
燃料、２０１・・・２段目燃料。 代理人　弁理士　秋本正実 （１４） 摺２図 Ｑ　Ｃｏｏｌ　０．０２ が五空１ヒ（Ｆ／八） （ＬＩＪｄｃＪ　）’４（耶ｘＯＮ （ｌＪＬｃｌＪ）事篇（Ｏつ 千Ｓ区 ｇ仝Ｊ’ｔ　（Ｆ／Ａ　） 第６図 疫空Ｊｌｔ（Ｆ／Ａ） 燈゛空、上ヒ（Ｆ／ハ）

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、圧縮機によって昇圧された空気と燃料とを燃焼器内
    へ導入して燃焼させ、高温のタービン作動ガスを発生す
    るガスタービン燃焼器であって、燃料の上流側に第１段
    目の燃料供給装置及び燃料ノズルを有し、前記燃焼器頭
    部に第１段目燃焼用の空気供給装置を有し、前記第１段
    燃料ノズルの後流側に第２段目の燃料供給装置及び燃料
    ノズルを有し、第２段燃料ノズルの近傍に第２段目燃焼
    用の空気供給装置を有するガスタービン燃焼器において
    、ガスタービンの起動から低出力範囲は第１段目の燃料
    と空気とを燃焼させて運転し、最大出力を含む高出力範
    囲は第１段目及び第２段目の燃料と空気とを燃焼させて
    運転すると共に、第２段目への燃料供給は一定量をステ
    ップ状に投入し、同時に第１段目への燃料供給量を同量
    ステップ状に減じるようにしたことを特徴とするガスタ
    ービン燃焼器の燃料供給方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、第２段目の燃料供
    給時におけるステップ状の投入量は、第２段燃料ノズル
    の近傍から供給される第２段目燃焼用空気−との１電比
    （第２段燃料流量／第２段目燃焼用空気皿）を０．０１
    〜０．０４としたことを特徴とするガスタービン燃焼器
    の燃料供給方法。 ３、％許請求の範囲第１項において、ガスタービンの高
    出力運転領域における出力調整は、第１段目の燃料流皺
    の増減によって行うことを特徴とするガスタービン燃焼
    器の燃料供給方法。
JP58164164A 1983-09-08 1983-09-08 ガスタ−ビン燃焼器の燃料供給方法 Granted JPS6057131A (ja)

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