JPS62166210A - ガスタ−ビン燃焼器等の蒸気噴射ノズル - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はガスタービン燃焼器等の蒸気噴射装置に係り、
特に蒸気噴射によるＮＯｘ低減効果が高く、かつ高蒸気
噴射率が可能な蒸気噴射ノズルに関する。

〔従来の技術〕

近年、ガスタービンは高効率化のために、タービンの作
動条件を高温、高圧化した所謂、高温ガスタービンの開
発が進められている。この場合に燃焼器内で発生するＮ
　Ｏｘは燃焼温度が上昇するため著しく増加するので、
従来に増して効果的なＮ　Ｏｘ低減技術の開発が必要と
なってくる。

今日までにガスタービン燃焼器等の高負荷燃焼器に対す
る低Ｎ　Ｏｘ技術としては、水又は蒸気噴射方式と希薄
燃焼に基づいた低温燃焼方式が開発され、実用に供され
ている。後者の方式は空気過剰条件での燃焼により火炎
温度を低下させ、ＮＯｘ発生成量を抑制するものである
。特に予混合燃焼の採用により火炎温度を均一に低下さ
せることによりＮＯｘ無対策型燃焼器のＮＯｘ値を１／
３〜１１５程度とすることが可能であり、ＮＯｘ対策と
して非常に有効ではある。しかしながら油焚の場合は蒸
発器が必要となる他に、高温ガスタービンの場合におい
ては燃料の増加と燃焼器冷却空気の増加のためにＮ　Ｏ
ｘ対策用の過剰空気が制約され、低ＮＯｘ化は期待でき
ない。従って、このような油焚ガスタービンや高温ガス
タービンのＮＯｘ低減対策としては前者の水又は蒸気噴
射によるところが大きい。水噴射は水の蒸発潜熱も火炎
温度低下として作用するのでＮ　Ｏｘ低減効果は蒸気噴
射よりも大きい。しかし、効率損失は蒸気噴射より大き
いので、今後はＮＯｘ低減効果を高めた改良型蒸気噴射
方式が主体となるものと考えられる。

従来の蒸気噴射方法は、燃焼器頭部の燃焼器外筒カバー
もしくは燃焼器外筒に設けられた蒸気噴射ノズルにより
、燃焼空気流中へ蒸気を噴射し。

燃焼空気と蒸気の混合気体として燃焼器ライナ内へ蒸気
を供給するものである。このような蒸気噴射構造の代表
的なものとしては、トランザクションズ　オブ　ザ　エ
イエスエムイ　１０７８゜１９８５第７０６頁から第７
１２頁（’ｐｒａｓａｃｔｉｏｎｓｏｆ　ｔｈｅ　ＡＳ
ＭＥ　Ｖｏｔ、　１０７　、　Ｊｕｌｙ　（１９８５）
　ｐ、　ｐ７０６〜７１２）に論じられている。また、
第５図に従来型の蒸気噴射構造を示す。燃焼器ライナ３
は円筒型であり１頭部に燃焼器ライナーカバー４を有し
、その中心部には燃料ノズル１０が取付けられている。

圧縮機から供給される燃焼空気１００は燃焼器外筒１と
燃焼器ライナー３の間の環状部を逆流しながら流れ、そ
れぞれライナー壁にあけられた空気孔を通って燃焼器ラ
イナー内に流入する。また燃料ノズル１０の先端部には
旋回器９が燃焼器ライナーに開口して取付けられておシ
、ここを通って燃焼用空気１０２が供給される。蒸気噴
射ノズル２４は燃焼器外筒カバー２に複数本取付けられ
ており、蒸気は燃焼器外筒カバー２と燃焼器ライナーカ
バー４の間の空気通路の空間に噴射され、燃焼空気流１
０２と混合しながら、旋回器９及び燃焼器ライナーキャ
ップを通して燃焼器ライナー内２２に流入する。かかる
蒸気噴射構造に訃いては、燃焼空気と混合して供給され
るため、燃焼空気中の酸素濃度が燃焼器ライナー内に入
る前から低くなり、このことが火炎の安定性を阻害する
。また、蒸気の１部は、特に燃焼器ライナーキャップか
ら流入するものは、火炎冷却用として有効に作用せず、
火炎の外周側の低温度を流れることとなりＮ　Ｏｘ低減
効果が十分発揮されないことが判った。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は蒸気噴射により燃料ノズル周囲から流入
する空気の酸素濃度が低下し、火炎を阻害する点及び、
蒸気の１部が火炎の外周側へ供給される点についての配
慮がされておらず、蒸気噴射によシ火炎が不安定になる
とともに、ＮＯｘ低減効果が小さいという問題があった
。

本発明はこれらの欠点を改造した蒸気噴射構造を提供す
ることばある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、蒸気を燃焼空気と混合させることなく直接
燃焼器ライナー内へ直接供給することだよシ、達成され
る。更に好ましくは、旋回器外周近傍に供給し、蒸気を
旋回流とすることである。

〔作用〕 蒸気を燃焼器ライナー内へ直接供給することは、保炎作
用を有する旋回空気の酸素濃度が予め低濃度となって燃
焼器ライナー内へ供給される事を防止できることになる
。それによって、蒸気噴射により酸素濃度低下に起因す
る火炎不安定性は改善される。また、蒸気を燃焼器ライ
ナー内の旋回器外周近傍へ供給することは、供給され蒸
気が有効に高温火炎部と混合し、ＮＯｘ低減効果を高め
ることができる。更に蒸気を旋回流として供給すること
は、旋回空気流を強める作用が動き、火炎の安定性を高
める。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図によシ説明する。第１
図は逆流円筒型燃焼ライナーへの適用例である。燃焼器
２２は燃焼器ライナー３と、その上流端部に燃焼器ライ
ナーカバー４を取付けて構成され、燃焼器ライナー３の
壁面には空気流穴７が設けられている。燃痛器ライナー
カバー４には打抜き冷却孔を有する燃焼器ライナーキャ
ップ５がり／グ６を介して取付けである。また燃焼器ラ
イナーカバー４には燃焼器ライナーキャップ冷却空気穴
８があけである。燃焼器外筒１の上流端には燃焼器外筒
カバー２が取付けられ、燃焼器外筒カバー２に燃料ノズ
ル１０が７ランジにて取付けられ、燃料ノズル１０、燃
焼器２２及び燃焼器外筒ｌははソ同心状に配列されてい
る。燃料ノズルは油、ガス共用型であプ、油系統は油通
路１１゜油噴孔１２及び噴霧空気通路１３よりなり、ガ
ス系統はガス通路１４及びガス噴孔１５より構成される
。また燃料ノズルの先端近傍には複数の旋回羽根９′を
持つ旋回器９が取付けである。燃焼器外筒カバー２には
、蒸気供給管１６がフランジにより取付けられ、また燃
焼器外筒カバーの内部には環状の蒸気ヘッダー１７が設
けられている。更に燃焼器外筒カバー２の内面には、複
数本の蒸気供給通路１９と複数箇の旋回空気通路２１を
有する蒸気供給ボディ１８が取付けである。蒸気供給ボ
ディ１８の燃焼器２２側の端部近傍は内部に環状の蒸気
流路を持つ平行形状とし旋回器９と燃焼器ライナーカバ
ーリング６との間に配置されてあシ、その端部は閉構造
とし、内周壁に蒸気噴射ノズルが内向きに８個取付けら
れている。第２図は第１図のＡ−Ａ矢視図である。

かかる構成のガスタービン燃焼器において、圧縮機によ
り昇圧された燃焼空気１００は燃焼器ライナー３と燃焼
器外筒１で形成される環状流路を燃焼器頭部側に向って
流れながら、それぞれ燃焼器ライナー壁３に設けられた
所定の空気穴から流入する。燃焼器頭においては１次燃
焼空気１０１゜燃焼器ライナーキャップ冷却空気１０４
及び旋回空気１０２として燃焼器２２の内部へ供給され
る。

燃料ノズル１０から噴射される油燃料１１０あるいはガ
ス燃料１２０は前記旋回空気流によって誘起される再循
環流３０によって安定化されるとともに、１次燃焼空久
１０１の供給により燃焼器頭部の再循環流領域内４０に
おいて主要な燃焼反応が進行し、火炎温度は最も高くな
るとともにＮＯｘの生成速度も著しく速く、大部分のＮ
　Ｏｘ　ｔすこの領域にお・いて生成する。一方、蒸気
供給管１６から供給された蒸気１３０はヘッダー７を通
って蒸気供給ボデ・イー内に供給され、それぞれ蒸気供
給通路１９を経て蒸気噴射ノズル２０より燃焼器内へ噴
射される。この蒸気１質流１３１は周方向に不連続な噴
流であるため、燃料ノズル出口近傍では局所的にのみ旋
回空気の酸素濃度を低下させるだけであシ、この領域で
の保炎性能の劣化は小さい。

蒸気は下流方向に渣回空気と混合しながら流れ。

再循環流領域の高温火炎部を冷却し、低Ｎ　Ｏｘ効果が
高い。なお、第１図の実施例では蒸気噴射ノズル２０を
用いているが、空気旋回器９の出口と蒸気噴射の位置と
の距離関係が適正に取れる場合には蒸気噴射ノズルを設
けなくとも、蒸気流路の内周壁に複数箇の噴孔を設ける
ことによっても。

第１図とはソ同等の性能が得られる。

第３図は本発明の他の実施例を示したものである。本構
造では燃焼器内に突出させた蒸気流路の先端部分に内径
方向流路全形成するための二板の環状板２４．２５が取
付けられ、また環状板２４゜２５で形成される内径方向
流路内には半径方向に角度を持つ複数板の羽根２３が取
付けられている。

この角度は２通りの取付は方法が有る。即ち、空気旋回
器と同じ向きと逆向きである。一般的な設計では空気旋
回器と同じ向きに羽根角度を取付ける。この場合には、
各々の蒸気噴射１３１はほとんど連続する旋回噴流とし
て供給されるが、燃料ノズル近傍では旋回空気と急速な
混合Ｉ−１起さず、空気孔７などの空気噴流のかく押作
用等によシ。

旋回流が１部こわされると急激１昆合が生ずる。このた
め、燃料ノズル近傍では旋回空気の酸素濃度は蒸気噴射
によって余シ影響を受けず、保炎性能の低下は小さい。

保炎性能について見れば、逆に蒸気の旋回運動により旋
回空気流の減衰が緩和され、火炎の不安定発生による蒸
気噴射量の制限は大幅に広がる。一方、蒸気を空気旋回
器と逆向きに旋回させる場合には１両者の旋回流の境界
において大きな速度勾配が形成され、蒸気と空気の混合
は前者よりも急速となり、ＮＯｘ低減効果が上昇する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、蒸気噴射により保炎作用を有する旋回
空気の酸素濃度低下が防げるので、蒸気噴射量を多くす
ることができ、従来よりもＮＯｘ濃度を小さくできる効
果がある。また、蒸気を燃焼器ライナー内の旋回器外周
近傍へ供給することにより、供給された蒸気は高温火炎
と混合するので、Ｎ　Ｏｘ低減効果を高める。更に蒸気
を旋回流として供給することによシ、保炎作用をする旋
回空気流を強めるので、火炎の安定性が高まシ、許容蒸
気噴射量が大きくでき低Ｎ　Ｏｘ化に効果があるっ

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の断面図、第２図は第１図の
Ａ−Ａ矢視図、第３図は本発明の他の実施例の断面図、
第４図は第３図のＢ　−Ｂ線断面図。 第５図は従来構造の断面図である。 １・・・燃焼器外筒、２・・・燃焼器外筒カバー、３・
・・燃焼器ライナー、４・・・燃焼器ライナーカバー、
５・・・燃焼器ライナーキャップ、９・・・旋回器、１
０・・・燃料ノズル、１９・・・蒸気供給通路、２０・
・・蒸気噴射ノズル、２１・・・旋回空気流路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃焼器ライナーの上流端には燃焼器ライナーの断面
   開口面積を制約するライナーキャップを取付け、同じく
   中心部近傍には内周側に燃料噴孔を持ちその外周側に空
   気旋回羽根を有する旋回器からなる燃料供給手段を取付
   け、燃焼器ライナーと燃料供給手段は燃焼器外筒もしく
   はケーシングとそのカバーで形成され空間に格納されて
   配され、燃焼器ライナーの下流端側に燃焼ガスを流出さ
   せる燃焼器において、燃焼器外筒カバーもしくはケーシ
   ングカバーを介してライナーキャップに向って蒸気導入
   流路を形成させ、前記旋回器外周と前記ライナーキャッ
   プ内周間の環状部を通して蒸気導入流路を燃焼器内へ延
   長させて配置し、燃焼器内に突出させた部分の内径側壁
   面に複数箇の蒸気噴射孔もしくは蒸気噴射ノズルを取付
   け、そして前記蒸気導入流路には径方向に部分的に開口
   する窓を設けることを特徴とするガスタービン燃焼器等
   の蒸気噴射ノズル。 ２、特許請求の範囲第１項記載の蒸気噴射ノズルにおい
   て、燃焼器内に突出させた蒸気導入流路の先端部分に内
   径方向流路を形成するための二板の環状板を取付け、前
   記環状板の間に径方向に角度を持つ複数板の羽根を取付
   けたことを特徴とするガスタービン燃焼器等の蒸気噴射
   ノズル。