JPS6122127A - ガスタ−ビン燃焼器 - 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２段燃焼方式の構造を持つガスタービンの低Ｎ
ＯＸ燃焼器に係シ、とくに天然ガス（ＬＮＧ）などの気
体燃料を使用する場合において大巾なＮＯＸ低減を図る
ガスタービン燃焼器に関するものである。

〔発明の背景〕

従来の低ＮＯＸ燃焼器のうち本発明に最つと近い技術を
説明する。２段燃焼方式を採用した燃焼器は、例えば特
開昭５７−４１５２４号公報に示されている。この公知
技術は２段燃焼方式を採用していることは同じであシ、
１段目（頭部）燃焼室に燃料と空気の予混合ガスを導入
し単一ノズルによる燃焼を行った後流の２段目燃焼室（
後部）に燃料と空気を同時に空気孔を介し供給し、全体
として空気過剰による低温度燃焼を行ないＮＯＸの低減
化を図るものである。

しかし、頭部燃焼室に単一ノズルによシ拡散燃焼火炎を
形成しその後流から２段目の燃料を投入する方法におい
てはＮＯＸの大巾な低減化は出来ない欠点を有するすな
わち、２段目の燃料投入においては２段目燃焼における
ＮＯＸの発生は抑えることが出来るが、１段目における
拡散燃焼においては広い範囲で高温度となるホットスポ
ットの形成が生ずるためＮＯＸの発生を抑えることは出
来ない。さらに、単一ノズルにおいては燃焼室の軸心部
に位置するため燃焼室側壁から流入する空気流と燃料と
の混合が悪いためホットスポットが存在する原因となる
。このように単一燃料噴出ノズルを頭部燃焼室に備えた
従来形燃焼器においては大巾な低ＮＯＸ化が出来ない欠
点を有する。このように２段燃焼器においてもＮＯＸを
大巾に低減するためには１段目および２段目にて生成さ
れるＮＯＸを抑えることが必要となるものである。

この点頭部の軸心部に単一燃料ノズルを有する従来技術
においてはＮＯＸを大巾に低減することは出来ない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は頭部にＮＯＸの発生を抑えるため局部的
な高温度燃焼部を形成しない燃料分散法を採用し、しか
も燃料と空気との混合空間を小さくして混合の促進化を
図シ、頭部、後部とも低温度希薄燃焼によるＮＯＸの生
成を抑え大巾なＮＯＸ低減化を図ることが出来る２段燃
焼方式のガスタービン燃焼器を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明はＮＯＸ生成を支配する燃焼部における高温度の
存在、いわゆるホットスポットを除去するため燃料の分
散化を図ることにある。すなわち１．２段目燃料ノズル
の分散（マルチ）化を行ない、さらに燃料と空気の混合
を促進するため、とくに頭部燃焼室内に中央部のホット
スポット部を除去し、しかも、頭部燃焼室の燃料と空気
の混合を良くするため、混合空間を小さくする内筒コー
ンを設けている。又、２段目の後部燃焼室では燃料ノズ
ルを、複数個のマルチ化を行い、しかも燃料ノズルそれ
ぞれを空気の流路中に位置し、空気と燃料の混合化を促
進させホットスポット部を除去しＮＯＸの大巾な低減化
を図るものである。１段目および２段目のマルチノズル
化を行いしかも軸心部からの燃料供給をやめて内筒壁面
近傍、すなわち外側に燃料供給部を位置させて燃料分散
および空気との混合促進により大巾な低ＮＯＸ化を計る
ことにある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の１実施例を第１図を用いて説明する。

ガスタービンは圧縮機１とタービン２および燃焼器３に
よって構成され、燃焼器３は内筒４、外筒５およびター
ビン静翼６に燃焼ガス７を導く尾筒８から成立ってンシ
、外筒５の側閉端には第１段目の燃料ノズルボディ９を
装着するカバー１０が取付られる。この他燃焼器には図
示していないが着火用の点火栓、フレームを感知する火
炎検知器などが装着されている。内筒４は頭部燃焼室、
とこれより一段直径の大きな後部燃焼室１２に分けられ
、頭部燃焼室、の中央部には内筒コーン１３が挿入され
ている。圧縮機１で圧縮された空気流１４はディフュー
ザ１５を通過し尾筒８の周囲を迂回し内筒５に開孔した
冷却孔１５希薄を気孔１６や２段目燃料１７を燃焼する
ための空気孔１８や頭部燃焼室に開孔した燃焼用空気孔
１９および冷却用空気孔２０からそれぞれの燃焼室内に
導入される。カバー１０に取付られた第１段目燃料ノズ
ル２２は頭部燃焼室側壁（ライナキャップ）２１を貫赦
し頭部燃焼室内に燃料を噴出する複数個の燃料噴出口を
備えている。

内筒コーン１３には空気を導入する入口孔２３が開孔し
、コーン１３の表面から表面に添うように流れる複数個
、複数列の冷却空気孔２４を開口している。

さらに第２図に燃焼器の詳細構造を示す。

頭部燃焼室、の上流にはライナキャップ２１を貫通し複
数個の燃料噴出部が位置し噴出された燃料２７と燃料噴
出部が貫通したライナキャップの開孔からの空気２８お
よび頭部燃焼室壁に開孔した空気孔１９ａ、１９ｂ、１
９ｃ、１９ｄからの空気と混合し燃焼を進行する。燃料
噴出部２２は従来技術における単一噴出ノズルからの燃
料と異なシそれ自体が頭部燃焼室の側壁に近接する位置
にあるため空気孔１９ａ、１９ｂ、１９ｃおよび１９ｄ
および空気流２８との混合が早く行なわれるため燃焼過
程の初期において空気による冷却効果を上げることが出
来る。このためホットスポットの発生が抑えられるため
ＮＯＸの低減化を図ることが出来る。とのように複数個
の燃料噴出部を頭部燃焼室の側壁に近接する位置に取付
ることは先述した混合効果促進と共に複数個の燃料噴出
部２２をもついわゆる分割燃焼によシ火炎の分散化を図
ることができ、これらの相剰作用によシ、大巾なＮＯＸ
化を達成することが出来る。さらにＮＯＸ低減化を得る
手段として燃焼器の中心部に台形錐形状をした内筒コー
ン１３を般けることは従来技術に見られた頭部燃焼室側
壁に開孔した空気孔１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄか
らの空気が中心部へ到達し、なくなることに起因する冷
却混合効果が低下する現象がなくなる。かつ、内筒コー
ン自体による冷却と内筒コーン１３表面から噴出する冷
却空気２０ｂによって火炎を内面から効果的に冷却する
効果が生ずるため大巾な低ＮＯＸ化を行うことが出来る
。さらに１段目燃料噴出部２２の燃焼器内への突き出し
はその長さによって燃料噴出口の上流から流入する空気
との混合効果を促進するもので低ＮＯＸ化を支配する要
因でおシ、燃料噴出口位置は空気孔１９ａ、１９ｂを含
む近傍であれば混合効果が良好であｐＮＯＸ低減効果が
大きい。さらに頭部燃焼室および内筒コーン１３と２段
目燃料供給位置に関する効果を説明する。

頭部燃焼室の長さと２段目燃料供給位置との関連は頭部
燃焼室内に位置する内筒コーンも含め下記のような作用
を行う。すなわち、頭部燃焼室、における環状空間部２
５では１段目燃料かはぼ完全に燃焼が終了することであ
シまた、２段目の燃料と空気が供給され燃焼しても１段
目への頭部燃焼室、内流動の変動を極力少く抑えるもの
である。頭部燃焼室内壁と内筒コーン１３外壁とで囲ま
れる環状空間部２５内においては１段目の燃料１７が流
入する空気１９８〜１９ｄと混合しｉｔは完全な燃焼を
行うように頭部燃焼室、を決定することが必要となる。

２段目から供給する燃料と空気との位置とＮＯＸ濃度と
の関係を第４図に示す。頭部燃焼室、の長さが短くなる
と頭部燃焼室、内の燃焼が完了しないうちに２段目から
の燃料及び空気流が導入されるため頭部における燃焼が
２段目からの空気で阻止されかつＡ部で示す部分が急冷
却されるためにＣｏやＨＣなどの未燃焼成分の生成が多
くなシ燃焼効率が低下する欠点を有する。又このような
状態で２段目の燃焼を行うとは１段目の燃焼と２段目の
燃焼が同時に進行することになシ２段目燃焼開始部に高
温のホットスポットが出来るためＮＯＸの発生が多くな
る欠小を有する。又頭部燃焼室の長さが長くなると頭部
燃焼室壁の冷却面積が増加する。したがって冷却空気の
量が多くなる。このように冷却空気量が多くなることに
よって２段目投入時に１段目火炎と２段目燃料ガスの間
に冷却用空気が導入されるため２段目燃料ガスへの１段
目火炎からの火移り性が悪くなるため頭部燃焼室の長さ
を必要以上長くすることは出来ない。燃焼用圧力Ｉ　Ｑ
　ａｔａ。

空気温度３５０Ｃまでの試験によれば頭部燃焼室の長さ
は内筒コーン１３の直径および長さにも支配されるが代
表的なものとして頭部燃焼室、外径の１．２〜２．０倍
程度であることが望ましく１．５程度が最良である。一
方、内筒コーン１３の長さは頭部燃焼室、容積にも関係
するが基本的には頭部燃焼室、よりも長くなると２段目
の燃焼が開始した場合に後部燃焼室１２内での燃焼ガス
膨張が生じ頭部燃焼室、出口部に燃焼ガス加速による圧
力損失（抵抗）が大きくなるため頭部燃焼室、から導入
する空気流量が減少する。このため頭部燃焼室、におい
ては空気過剰による低温度燃焼が出来なくなるためにＮ
ＯＸの発生が増加すると共にガス温度が高くなシかつ空
気流量が減少することから頭部燃焼室、外周壁の温度が
高くなシ燃焼器の信頼性、寿命を短くすることになる。

したがって内筒コーン１３の長さは２段目の燃焼による
ガス加速損失の影響を抑えることが必要である。このた
めに内筒コーン１３の長さは頭部燃焼室、よりも短かく
しコーンの先端から頭部燃焼室の出口部までに燃焼ガス
加速が生じても、 いわゆる燃焼ガスの急激な膨張に耐えるような容積をと
ることが必要であシ実験では内筒コーン１３の長さｔは
頭部燃焼室、の長さＬとの比でｔ／Ｌ＝ｏ、７程度が最
良であシこのような寸法関係に内筒コーン先端から、頭
部燃焼室後端までの空間をとることが良好である。ここ
でｔ／Ｌが小さくなる状態、いわゆる内筒コーンが短く
なると１段目燃焼火炎は内筒コーン先端部の軸心部に形
成されることによシ軸心部に高温度部が形成されるため
ＮＱｘの発生は多くなり又／、／Ｌ＝１近傍では前述し
たように、ＮＯｘ発生量は多くなり、かつ頭部壁温度が
高くなる欠点を有することになる。したがって内筒コー
ン１３は頭部燃焼室、よりも短かくすることが良好であ
る。

先述と同様の燃焼試験では１，２段目のＮＯｘを低減で
きかつＣＯやＨＣ発生が少ない頭部燃焼室への空気開口
面積は全開口面積に対し５０〜５５％であシまた２段へ
の空気孔面積は２０〜３０％さらに後部燃焼室に開口す
る空気流通面積は２０〜３０％、内筒コーンに開口する
冷却孔面積７〜１０％が良好であり、とくに内筒コーン
に冷却用空気の他に燃焼用空気孔を開口するとこの空気
１流によシ燃焼が促進されるためホットスポット部がμ
成きれ空気孔の近傍が加熱される現象がみられ内筒コー
ンには冷却空気孔のみ開孔する構造であることが望まし
い。さらに２段目への空気面積を増加し３０％以上とし
た場合では火移シ性能が低下する欠点を有し、２０％以
下ではＮＯｘ低減効果が小さく々る。−万頭部燃焼室、
への空気量が６０％以上になると混合ガスが稀薄化しＣ
ｏ、）Ｉｃの生成が多くなシ又、４０％以下ではＮＯＸ
発生とメタル温度上昇することになる。

さらに第５図ないし第７図を用いて２段目の燃焼につい
て説明する。燃料１７はバス部３０を通過し、燃料ダメ
３１に導かれ、ここから２段目空気通路３２および後部
燃焼室１２に開口する全気孔３３の近傍に燃料を供給す
る複数個の燃料ノズル３４を取付は燃料噴出孔３５がら
空気孔３３の空気流に添うように２段目の燃料を供給す
る。２段目の空気流３６は主燃焼室に供給される時に燃
焼時間を出来るだけ長くするように廓回流として供給す
ることが好ましく複数個の旋回ベーン３７によシ空気通
路を仕切り、それぞれの空気通路に燃料噴出口３５を開
口し空気と燃料の混合促進を図９空気過剰の混合ガス３
８として主燃焼室に供給し、頭部燃焼室の火炎に引火し
て低温度希釈燃焼を行ｒ　Ｎ　Ｏｘの低減化を図る。２
段目の燃焼におけるＮＯＸの低減は空気と燃料をいかに
良く混合するかがキイポイントでろυ、このためには混
合時間を長くすることが最良の方法でｓｂ本発明では空
気通路を長くする手段として旋回ベーン−′３７′ｆ：
、設は旋回流３８としてこの中へ燃料を供給する構成と
している。一方、２段目の燃焼に対して重要なことは２
段目空気通路とくにベーン３７の中に火炎を引き込まな
いことである。すなわちベーン３７に囲まれた空気通路
は燃料も供給され充分燃焼し得る条件になっている。し
かしながらベーン３７を通る空気と燃料の混合気の噴出
速度が約１００ｍ／ｓであシ、一方乱流場における火炎
の伝播速度がたかだか５　ｍ　／　ｓであシ、理想的な
このような状態では火炎の逆火現象は生じない。

ベーンの形状および表面仕上精度の低下などによっては
ベーンの壁面近傍に渦などの淀みが発生し、ここを火点
にしてベーンの中へ火炎が引き込まれるいわゆる逆火現
象が生ずる。これに対処する方法として第５図及び第６
図に示す如く２段目燃料ノズル３４からの燃料１７の噴
射はその噴口３５を旋回ベーン３７で囲まれｆＣＣ気気
通路中へ噴出し混合を図ることが重要である。このため
には旋回ベーンの近傍に噴出口位置を設定することが良
好でアシ、とくに２段目燃料供給構造にもよるが旋回ベ
ーン３７の上流側に湾曲４１ａ、ｂ、ｃ・・・・・・を
もたせ燃料ノズル３４の取付方向と合せるようにする方
法によ多燃料と空気との混合をさらに促進させることが
出来る。しかも旋回ベーン３７表面近傍に渦、淀みの発
生がなく逆火現象もみられず良好な構造である。このよ
うに、燃料ノズル３４に開口する噴出口３５の位置が旋
回ベーン３７で囲まれた空気通路の中央部に位置するこ
とが均一混合効果を上げる。このため燃焼時における内
筒４および２段目燃料ノズル３５を支持する外筒５の熱
膨張差により旋回ベーン３７と燃料ノズル３５位置がず
れ均一効果低下がなきようにすることが重要である。こ
の実施例を第７図に示す。

２段目燃焼用空気通路を形成する旋回ベーン３７等の部
材、とくに下側の押え部材３８とノズル７ランジ３９を
連結し旋回ベーン３７とノズル噴口３５の位置を常に定
位置に保つものであシ、ガスタービンの長時間使用にお
いても常に均一な２段目燃料および空気の混合促進を行
うことができ低ＮＯＸ効果が得られる。このために頭部
燃焼室、と後部燃焼室１２はそれぞれが２段目空気通路
を形成する部材をはさみ込み図に示すようなスプリング
シール部材４２ａ、４’２ｂによって蓮゛結することに
より均一効果を得ることが出来ると共に空気通路部内に
おける燃料濃度の片寄シをなくすことが出来るため局部
的な燃料濃度大によるホットスポットの除去をすること
ができる。一方、空気の流動がスムーズに行なわれるよ
うに空気通路部に流路に合うような湾曲４３ａ、４３ｂ
形状とすることが良好な均一混合化となシ、かつ渦。

淀み等の形成がなくなるため逆火現象を防止できる効果
を発揮中る。

一方、１段目燃焼火炎と２段目燃焼火炎との干渉がＮＯ
Ｘの生成を左右するととについて説明する。すなわち、
第８図に示すように２段目の燃料と空気流３６が頭部燃
焼室後部４４よシ頭部火炎４５に対しほぼ直交（場合に
よっては旋回流でも良い）して導入される場合には頭部
火炎４５と後部火炎４６とが干渉４７する部分において
燃焼温度が高くなるホットスポット部が出来るためＮＯ
Ｘの生成が多くなる。したがって第９図に示すように頭
部火炎４５と後部火炎４６が干渉しないようにすること
が低ＮＯｘ化のために必須であシ火炎を分離することが
特策となる。したがって２段目の火炎を４８点線で示す
方向にすることが考えられるが、この場合２段目燃料投
入開始時に２段目の燃焼は頭部火炎４５によって引火（
火移シ）の性能が低下するため必要以上に外向きに流出
することは出来ない。第１０図に水平の場合Ａ線と直角
Ｂ線とのＮＯＸ濃度の比較を示す。直角流入よりも水平
流入時の方が火炎の干渉がなくなるためＮＯＸの低減化
が出来る。

以上説明したように１段目および２段目ともにマルチ燃
料ノズルを採用し、かついずれも燃焼器ライナの外周部
近傍から供給することによ多燃料の分散化を図り、かつ
空気と燃料との均一混合化を促進させることによシ効果
的な低温度空気過剰燃焼を実現させ大巾な低ＮＯｘ化を
行うことができる。すなわち、第、図に示すようにとく
に１段目のＮＯＸを大巾に低減することができかつＡ線
で示す従来技術と異なシ、Ｂ線で示す２段目を組合せた
場合では大巾なＮＯＸ低減が得られる効果を発揮する。

一方、１段目の燃焼状態が２段目に及ぼす効果について
第１２図を用いて説明を加える。第１２図は頭ｍ燃焼室
出口部のガス温度分布を示している。シングル燃料ノズ
ルを軸心に設置する従来技術においては燃焼室軸心部の
温度が高くなるが、本発明によると燃料分散の効果およ
び空気と燃料の均一混合化が良好となるため従来技術で
みられたような高温部分は存在せず当然のことながら外
周部に高温部が存在する傾向を示す。さらに、本発明で
は軸心部に円錐状の内筒コーンを設置するそして冷却空
気を供給するために軸心部の高温部分はなくなる。した
がって１段目燃焼によシ大巾なＮＯＸ低減効果を得るこ
とができる。

一方、外周部の温度が高く々る本発明では後流にひかえ
る２段目の燃焼に大きく寄与する。すなわち２階目の燃
焼は空気過剰の低温度燃焼を実現することであシ、周囲
の温度が高くなることによって燃焼性を向上す地ことか
出来るため一酸化炭素（Ｃｏ）や未燃焼生成物（ＨＣ）
などの未燃節分の発生を抑えることができる他の利点も
生ずる。

〔発明の効果〕

本発明によれば１段目の燃焼を均一な低温度燃焼および
軸心部のホットスポット部をなくすることができるので
ＮＯＸ低減化を図ることが出来かつ２段目の燃焼もマル
チ燃料ノズルによる均一混合化ができるので燃焼器全体
で均一な低温度燃焼を実現することによって大巾な低Ｎ
ＯＸ化効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を実施したガスタービン燃焼器の断面
図、第２図は燃焼器の部分断面図、第３図は、燃焼器頭
部の斜視図、第４図は、内炎形成状態を示す説明図、第
５図は、２段目燃料供給部の詳細図、第６図は、２段目
燃料供給部の他の実施例を示す詳細図、第７図は、２段
燃料供給部の信実流側を示す断面図、第８図及び第９図
は、それぞれ、２段目燃料の供給方向と火炎の干渉状態
を説明する図、第１０図は、頭部燃焼室長さとＮＯｘ低
減効果の関係を示す特性図、第、図は、ガスタービン負
荷とＮＯｘ濃度との関係を示す特性図、第１２図は、火
炎の温度分布を示す特性図である。 ９・・・１段目燃料、、・・・頭部燃焼室、１２・・・
後部燃焼室、１３・・・内筒コーン、１７・・・２段目
燃料、１８・・・２段目空気通路部、２２・・・１段目
燃料噴出部、３４・・・２段目燃料ノズル。 冨３　口 ヌ４　図 β Ｉ５　記 、　￥６　品 １７図 ７．８　　図 γ１０　図 順都部旭室長さ、ヒ χ、　　図 ｔ′スターと”ン萎ネ１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃焼器頭部に１段目燃料と空気を導入し燃焼を行わ
   せる頭部燃焼室と、この頭部燃焼室の後流に２段目燃料
   と空気を導入して燃焼を行う後部燃焼室とを備えた燃焼
   器において、前記１段目燃料供給手段は、頭部燃焼室の
   外周近傍に設けた複数個の燃料ノズルを含み、前記２段
   目供給手段は、後部燃焼室の外周壁に近接する位置に設
   けた複数の燃料ノズルを含み、更に前記頭部燃焼室軸心
   部に後流に向つて１段目燃料ノズルの後流側端よりも後
   流まで延び、かつ先端が閉となつた内筒を設け、この内
   筒の後流側端よりも後流側に前記２段目燃料の供給孔を
   設けたことを特徴とするガスタービン燃焼器。 ２、特許請求の範囲第１項において、１段目燃料ノズル
   は、頭部燃焼室外周壁と内筒との間に形成される環状空
   間に頭部燃焼室端面から後流側に向つて突出して配置し
   たことを特徴とするガスタービン燃焼器。 ３、特許請求の範囲第１項において、２段目燃料ノズル
   は、２段目空気通路を形成する複数個の旋回ベーンを通
   る空気流の中に配置されたことを特徴とするガスタービ
   ン燃焼器。 ４、特許請求の範囲第３項において、前記旋回ベーンは
   、燃焼器軸線にほぼ平行な方向に空気を噴出するよう開
   口方向が設定されていることを特徴とするガスタービン
   燃焼器。 ５、特許請求の範囲第１項において、前記頭部燃焼室の
   軸線に沿う長さは、頭部燃焼室の外径の１．２倍以上１
   ．８倍以下であることを特徴とするガスタービン燃焼器
   。