JPS62206237A - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はガスタービン燃焼器に係り、特に排ガス中にお
【プるＮＯｘの低下を図ったガスタービン燃焼器に関す
る。

（従来の技術） ガスタービン燃焼器にけるＮＯｘ発生の主たる要因とし
ては、燃焼ガスの局所的高温化が挙げられる。ずなわら
、燃焼ガスの流れの一部で当ｍ比が１に近い部分が発生
すると、この部分において燃焼ガスが断熱火炎温度に近
い高温となり、Ｎ。

×が発生１°ると考えられている。

そこで、上記ＮＯｘ低減化の方法としては、空気を燃焼
に必要な吊以上に供給する希薄燃焼を行わせたり、また
供給燃料を予め空気で希薄均一化して予混合燃焼を行な
わ辺ること等により、局所的高温部分の発生防止を図る
方法が知られている。

しかし、定格負荷時に希薄予ａ合燃焼を行なうように設
定すると、部分負荷時には予混合気の燃焼濃度が可燃限
界以下になって燃焼困難となるため、燃料供給系統が一
つの通常の一段燃焼式燃焼器にはこれらの方法を適用す
ることは不可能である。

したがって、燃焼器を燃料系統を二つに分は各系統から
の燃料配分を負荷に対応して変化させるようにし二段燃
焼式の燃焼器とし、これに上記方法を適用することによ
って排ガス中のＮＯｘの低減が図られている。

すなわち、第１０図は上記従来のガスタービン燃焼器の
概略構成を示す縦画面図であって、燃焼室がパイロット
燃焼室１および引続いて設番ノられるメイン燃焼室２に
よって形成されており、上記パイロット燃焼室１の外周
部に燃焼・空気の予混合室３が設けられている。

しかして、上記パイロワ１〜燃焼室１には、パイロット
燃料系４から調整弁５を経て供給された燃料がスワラ６
〜による旋回空気とともに供給され、そこで第１段的に
拡散燃焼され、高温化した燃焼ガス７がメイン燃焼室２
に導入される。一方、上記予混合室３には燃料がメイン
燃料系８から調整弁９を介して供給され、そこで空気と
希薄均一混合し、その後注入口１ｏを通ってメイン燃焼
室２内の高温燃焼ガス中に注入され、そこで着火燃焼が
行なわれる。なお、図中符号１１は一次燃焼空気孔、１
２は希釈空気孔である。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、上述の如きガスタービン燃焼器の負荷に対応
する燃料配分の制御方法としては、第１０図（ａ）に示
すように、パイロット燃料による希薄燃焼を一定に保持
したまま、メイン燃料の供給ｍを変化させて全体燃焼を
付加させる方法、或は、第１１図（ａ）に示ずように中
間負荷時まではパイロン１〜燃料の供給車を漸増させて
燃焼効率の悪い中間負荷領域ではバイロット燃焼だけで
負荷に対応させ、或段階を越えた場合にパイロット燃料
をステップ状に減少させ、それに相応してメイン燃料を
注入する方法とがある。

ところが、上記第１の方法においては、全負荷に対応し
て予混合気の供給量を設定した場合、中間負向峙に予混
合気が超希薄となり、パイロット燃料の高温燃焼ガスに
予混合気が混合しても十分に燃焼しぎらない等の問題が
ある。すなわら、第１０図（ｂ）に示すように、所定負
荷になるまでは局所当量化が小さく、燃焼効率悪化状態
となる。

一方、第２の方法は、メイン燃料の局所当ｍ比が燃焼を
行なうに十分な程度高くなるので、燃焼効率の良い状態
を保つことはできる。しかし、この場合には中間負荷時
の大部分における燃焼状態が通常の一段燃焼式の燃焼器
の場合と同じことになり、パイロット燃焼部分での局所
当恐比厚、第１１図（ｂ）に示すように、１前後となっ
て燃焼ガスが高温化し、ＮＯｘが多量に発生する。

そこで、従来、燃焼器に流入する空気配分を弁によって
調整する等の手段も提案されているが、この場合には弁
の取付けにより構成が複雑となり、また燃焼器部分での
圧力演失が変化することがら、ガスタービン全体の効率
やタービン翼冷却用空気流量に恩影響を及ぼすことにな
り、上記空気配ブ）を変化させることは必ずしも望まし
゛い対策とはいえない。また、第１１図（ａ）に示した
ような制御では、負荷が細かく変動し、切換え点を何度
も通過した場合には、その都度燃料の切換えが生じ、２
つの流量調整弁が同時に聞Ｉｌｌ駆勅され、その過渡期
には燃焼効率およ燃焼安定性が悪化する等の不都合もあ
る。

本発明はこのような点に鑑み、全負荷！！囲において低
ＮＯＸ、高燃焼効率が実現できるとともに、構成が簡単
でかつ圧力損失によるタービンへの悪影響がないガスタ
ービン燃焼器を得ることを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明はパイロット燃焼室、メイン燃焼室、および燃料
・空気の予混合室を有し、前記パイロット燃焼室で拡散
されメイン燃焼室に吐出される高温の燃焼ガスに予混合
室から燃料希源な予混合気を注入して燃焼されるガスタ
ービン燃焼器において、全燃料流量を制御する流量調整
弁と、上記流ｍ調整弁の下流側において分岐され、複数
の予混合室にそれぞれ予混合燃料を供給する複数の予混
合燃料系を設（）るどともに、各予混合燃料供給系に負
荷に対応し゛Ｃ順次全開、全開状１ぶとなる止め弁を設
け、各予混合燃料供給系の切り換えを行４【う負荷設定
点を、燃焼領域での燃料と空気との当量化が複数段燃焼
モードで常に０．４５から０゜７で運転されるように設
定したことを特徴とする。

（作　用） 流量調整弁によって流ｈ１制御された燃料は、まずパイ
ロット燃焼室に供給され、そこで燃焼し高温ガスとなっ
てガスタービンに供給される。そこで負荷が上昇して所
定の負荷設定値になると、所定の予混合燃料供給系の止
め弁が全開し、上記燃料の一部が予混合室を経てメイン
燃焼室に流入し、さらに負荷が増加して成る負荷設定値
に達すると、次の予混合燃料供給系の止め弁も全開し、
前記流ｍ調整弁によって制御された燃料の一部が、さら
に他の予混合室に流入し、そこで燃焼が行なわれる。一
方、負荷の減少時には後に全開した止め弁がまず全開し
、その後さらに所定量負荷が減少した時点で他の止め弁
が全閉する。

ところで、上記止め弁の聞ｍを行なう負荷設定点が、燃
焼領域での燃料と空気との当量化が複数段燃焼モードで
常に０．４５から０．７で運転されるような値に設定さ
れていることにより、燃焼効率の悪化が防止されるとと
もに、火炎温度が所定ｆｆ１ｉ以上となることが防止さ
れ、ＮＯｘの発生料が低くおさえられる。

（実施例） 以下、第１図乃至第６図を参照して本発明の一実施例に
ついて説明する。

第１図において、符号２０はガスタービン燃焼器の燃焼
筒であって、その燃焼筒２０にはパイロット燃焼室２１
およびメイン燃焼室２２がそれぞれ引続いて形成されて
いる。上記燃焼筒２０の外周部には、パイロット予混合
室２３．第１のメイン予混合室２４および第２のメイン
予混合室２５がそれぞれ同心状に配設されており、上記
パイロット予混合室２３はその一端がパイロット燃焼室
２１に連通し、第１および第２のメイン予混合室２４．
２５はその一端がそれぞれメイン燃焼室２２に対して互
いに軸線方向に離開した位置く”連通せしめられている
。

上記パイロット予混合室２３．第１および第２のメイン
予混合室２４．２５の他端は空気供給源に１ｍ放されて
おり、各開放端中心部には予混合燃料ノズル２６．２７
．２８がそれぞれ配設されている。一方、パイロット燃
焼室２１の一端部にはその中心部にパイロット拡散燃焼
用燃料ノズル２９が設けられており、そのパイロット拡
散燃焼用燃料ノズル２９の外周部にはスワラ−３０が配
設されている。

ところで、上記燃焼器に燃料を供給する燃料供給系には
、燃料流量系３１および流量調整弁３２が設けられてお
り、その流ｍ調整弁３２の下流側において、パイロット
拡散燃料供給系３３、パイロット予混合燃料供給系３４
、第１のメイン予混合燃料供給系３５、および第２のメ
イン予混合燃料供給系３６に分岐され、上記パイロット
拡散燃料供給系３３の先端部に前記パイ［Ｊット拡散燃
焼用燃料ノズル２９が接続されている。また、上記パイ
ロット予混合燃料供給系３４．第１および第２のメイン
予混合燃料供給系３５．３６にはそれぞれ止め弁３７．
３８．３９が設けられており、各県の先端部にそれぞれ
予混合燃料ノズル２６゜２７．２８が接続されている。

また、前記流量調整弁３２は、流猪系３１からの流量信
号と負荷設定信号とによって開瓜信号を出力するコント
ローラ４０によって、その開度制御が行なわれるように
しており、一方各止め弁３７．３８．３９は、負荷設定
信号を入力し所定設定値との大小によって全開、全開信
号を発生するコントローラ／１１によって開閉制御され
るようにしである。

ところで、上記各予混合燃料供給系の止め弁は所定順序
にしたがって開閉制御され、パイロット予混合燃料供給
系３４の止め弁３７は、無負荷点直前で全開し、負荷が
減少し無負荷点になると全■する。また、第１のメイン
予混合燃料供給系３５の止め弁３８は、負荷上界時には
所定の成る負荷設定点０１で全開し、負荷減少時には上
記負荷設定点Ｃ１より若干小さな負荷設定点Ｃ１′で全
開するように制御され、さらに第２のメイン予混合燃料
供給系３６の止め弁３９は、負荷上昇時には上記負荷設
定点Ｃ１より所定値だけ大ぎな負荷設定点Ｃ２で全開し
、負荷減少時にはその負荷設定点Ｃ２より小さな負荷設
定点Ｃ２−で全１３１１リーるように構成されている。

このように各止め弁３７゜３８．３９は全開か全開の状
態のみを保持するＪ：うにしであるため、各県の燃料の
流量比は各予混合燃料供給系ノズル２６．２７．２８の
間口面積比によって決定される。

しかして、上記燃焼器の作動時においては、図示しない
圧縮機から吐出した圧縮空気が、図示しない希釈空気孔
、内筒壁冷却空気孔を通過して燃焼ＷＵ２０内にそれぞ
れ流入するとともに、その燃焼筒内にはスワラ−３０お
Ｊ：び各予混合室２３゜２４．２５の開放端からも空気
が供給される。すなわち、パイロット予混合室２３を通
過した空気はパイロット燃焼室２１に流入し、第１およ
び第２の予混合室２４．２５を経た空気はメイン燃焼室
２２に流入する。そして、各流量比は第２図に示すよう
にほぼ全負荷にわたって一定で、各開口面積によって固
定されている。

一方、燃料は流ｆｆ１ｌ整弁３２によってその流出を制
御され、各燃料供給系を経て燃焼器に供給される。

すなわち、タービンの起動に際しては、まず流量調整弁
３２によって流量制御された燃料がパイロン１−拡散燃
料供給系３３を経てパイロット拡散燃焼用燃料ノズル２
９からパイロット燃焼室２１内に供給され、そこで着火
燃焼せしめられる。

上記着火が完了し、回転数定格無負荷の点点前となると
、バイ０ット予混合燃料供給系３４の止め弁３７が全開
せしめられ、上記バイ０ツト燃焼室２１内には予混合燃
料ノズル２６からも燃料供給が開始される。そこで、負
荷の増加に応じて流ｆｆｉ調整弁３２が開方向に制御さ
れ、パイロット拡散燃焼用燃料ノズル２９および予混合
燃料ノズル２６からの燃料流山が次第に増加する。

このようにして負荷が第１の負荷設定点Ｃ１に達すると
、第１のメイン予混合燃料供給系３５の止め弁３８が全
開される。したがって、上記第１のメイン予混合燃料供
給系３５および第１のメイ　。

ン予混合室２４を通りメイン燃焼室２２に流入する燃料
がステップ状に増加し、一方パイロット拡散燃料供給系
３３およびパイロット予混合燃料供給系３４からパイロ
ット燃焼室２１に供給される燃料が、上記第１のメイン
予混合燃料供給系３５からの燃料急増に対応してステッ
プ状に減少する（第３図（ａ）、（ｂ）参照）。

そこでさらに負荷が増加すると、その負荷増加に応じて
各燃料供給系３３．３４．３５から燃焼室内に流入する
燃料量が増加する。そして上記負荷が第２の負荷設定点
Ｃ２に達すると、第２のメイン予混合燃料供給系３６の
止め弁３９が全開される。したがって、上記第２のメイ
ン予混合燃料供給系３６から第２のメイン予混合室２５
を経てメイン燃焼室２２に流入する燃料がステップ状に
増加しく第３図（Ｃ）参照）、一方これに対応してパイ
ロット拡散燃料供給系３３、パイロット予混合燃料供給
系３４おにび第１のメイン予混合燃料供給系３５から燃
焼室内に流入する燃料がステップ状に急減する。そして
、その後は負荷の増加に応じて、各燃料供給系から燃焼
室内に供給される燃料が増加される。

一方、負荷が減少し、第２の負荷設定点Ｃ２より所定値
だけ少ない負荷設定点Ｃ２−に達すると、第２のメイン
予混合燃料供給系３６の止め弁３９が全開される。した
がって、燃焼器への燃料供給はその他の燃料供給系から
供給されることとなり、上記その他の燃料供給系からの
燃料供給流山がそれぞれステップ状に増加され、上記第
２のメイン予混合燃料供給系３６からの燃料供給停止に
よる燃料減少分が補充される。同様にして、負荷が第１
の負荷設定点Ｃ１より所定値だけ少ない負荷設定点０１
′に達すると、第１のメイン予混合燃料供給系３５の止
め弁３８が全開され、これに対応して他の残りの各燃料
供給系の燃料供給流口がステップ状に増加される。第３
図（ａ）、（ｂ）。

（Ｃ）は負荷に対応したパイロット予混合燃料流量、第
１および第２のメイン予混合撚ｒ１流■の変化を示し、
第４図に総燃料流量変化を示す。

ところで、第５図は上述の如ぎ燃料供給系の切換えを行
なう負荷設定点を与える条件の説明図でアッテ、１１１
１ｉｄ中１／）Ｉ−Ｌ　１１−１［、ｆｉｌ−１１１Ｍ
ニ沿う各断面において、その断面より上流側から供給さ
れる空気と燃料の当量化を示す。

すなわち、着火から回転数定格無負荷の産直前までは止
め弁３７．３８．３９が全閉状態であるので、パイロッ
ト拡散燃料供給系３３がら供給される燃料のみによって
燃焼が行なわれる。

そこで、無負荷点直前でパイロット予混合燃料供給系３
４の止め弁３７を全開する。ここＣ前記Ｉ−Ｉ断面での
当量化が０．４５となっている。

この０．４５という値は予混合燃焼が行なわれる希薄下
限値であり、それより当量化が小さくなると燃焼効率が
悪化してしまう。

無負荷から負荷が上昇するにつれて流ｆｆｉ調整弁３２
が開いてゆき、パイロットｍ焼室２１だけで燃焼が行な
われ、第１および第２のメイン予混合室２４．２５から
流入する空気には燃料が含まれない状態が続く。このよ
うにして負荷の上昇に応じて燃料流量が増加し、上記Ｉ
−Ｉ断面での当量化が０．７になった点で、第１のメイ
ン予混合燃料供給系３５の止め弁３８が全開される。こ
の０゜７という値は当ｍ比がこの値以上となって燃焼す
ると火炎温度が高くなり、ＮＯｘが急激に増加するとい
う限界地である。しかして、上記止め弁３８が全開され
ると、その時点で燃料総量は変化はないが燃料が３個所
から注入されるので、前記■−１断面の当量化は低下す
る。しかし、この場合、Ｉ−Ｉ段面およびＩ［−１［断
面での当量化は０．４５を越えるようにしであるので燃
焼効率が悪化することはない。

同様にして、Ｉ−Ｉ断面における当量化が０゜７となる
点で第２のメイン予混合燃料供給系３６の止め弁３９が
全開される。したがってｎ−■ｉ面における当量化が減
少し、しかも■−肛断面およびＩ−１線断面における当
量化は０．４５以上となり、各断面のどの断面において
も燃焼効率およびＮＯｘがともに満足された燃焼が行な
われる。

一方、負荷を下げる場合には、断面■−■、断面■−■
で当量化が０．４５になる点で、止め弁３８．３９を閉
じて、燃焼効率の維持を行なう。

しかして、各燃料ノズル２６．２７．２８の各間口面積
を適宜選定するとともに、上記当量化が所定値となる点
での負荷に第１または第２の負荷設定点Ｃ１，Ｃ２等を
設定することによって、上述の如き作動を行なわせるこ
とができる。

また、希薄予混合多段燃焼器では、予混合燃焼によるＮ
Ｏｘは比較的少ないことが判っており、第６図に示すよ
うに総排出Ｎ０ｘｆｆｉを低減するためには予混合燃焼
の割合を大きくすればよい。しかし、拡散燃焼の割合を
小さくすると、燃焼の安定性、吹き消え、予混合気への
着火等の問題が多くなり、実験の結果、拡散燃焼の割合
が全燃料に対して８〜１２％のときが最も効果的である
ことが判明しており、パイロット拡散燃焼用燃料ノズル
２９は上記条件を満足するような値に選定してある。

なお、上記実施例においては、分岐された各予混合燃料
供給系にそれぞれ止め弁を設番プたものを示したが、第
７図および第８図に示すように、回転弁４５を有する一
つの分配弁に置きかえることもできる。すなわち、容器
４６の中に、軸４７に装着された半円形の回転弁４５を
配設し、入口４８から流入した燃料を軸４７の回転角度
によって出口４９の数を変えることによって分配するこ
とができる。この場合、上記回転角度は前記実施例と同
様に、負荷の大きさにより開閉を与える制御にすること
で前記実施例と同じ効果を得ることができる。

（発明の効果） 本発明は上述のように構成したので、総燃料流量を流ｆ
ｉｌ整弁によって制御し、各予混合燃料供給系では止め
弁をオン・オフ１ｌｉｌＪ　ＩＩＩするだけでよく、そ
の制御がきわめて簡単なものとすることができ、しかも
各予混合燃料供給系の切換え点である負荷設定点を、当
量化が所定値内になるような値に設定しであるので・、
ＮＯＸ排出を抑制することができるばかりでなく、空気
流量を制御することなしに中間負荷の燃焼効率の悪化を
防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のガスタービン燃焼器の一実施例を示す
概略構成図、第２図は負荷に対する各部の空気流ａ配分
図、１４３図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ負荷に
対するパイロット予混合燃料流ｍ１第１のメイン予混合
燃料流量、第２のメイン予混合燃料流量の変化線図、第
４図は負荷に対する全燃料流昂およびその配分を示す図
、第５図は負荷に対する燃焼器の各断面における当量化
を示す図、第６図は拡散燃焼／全燃料に対する排出Ｎ０
ｘｆｆｉの変化線図、第７図および第８図は止め弁の他
の実施例を示す縦断面図および平断面図、第９図は従来
の希薄予混合撚ａ器の断面図、第１０図（ａ）および第
１１図（ａ）はそれぞれ従来の装置における燃料流量の
流量配分を示す図、第１Ｏ図（ｂ）および第１１図（ｂ
）はそれぞれ従来装δにおける負荷に対応した局所当量
化変化線図である。 ２０・・・燃焼筒、２１・・・パイロット燃焼室、２２
・・・メイン燃焼室、２３・・・パイロット予混合室、
２４・・・第１のメイン予混合室、２５・・・第２のメ
イン予混合室、２６，２７．２８．・・・予混合燃料ノ
ズル、２９−・・・パイロット拡散燃焼用燃料ノズル、
３０・・・スワラ−１３２・・・１ｆａＪ整弁、３３・
・・パイロット拡散燃料供給系、３４・・・バイ０ット
予混合燃料供給系、３５・・・第１のメイン予混合燃料
供給系、３６・・・第２のメイン予混合燃料供給系。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 第１目 負＄１（％） 第２図 ０＠　（％） ・ｎ葡（％） ０補（％） 第３目 Ω褐　（％） 第４目 ―＃Ｆ　（％） ＄５図 ０萄（％） 第１０薗 負荷（％） 第１１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、パイロット燃焼室、メイン燃焼室、および燃料・空
   気の予混合室を有し、前記パイロット燃焼室で拡散燃焼
   されメイン燃焼室に吐出される高温の燃焼ガスに予混合
   室から燃料希薄な予混合気を注入して燃焼させるガスタ
   ービン燃焼器において、全燃料流量を制御する流量調整
   弁と、上記流量調整弁の下流側において分岐され、複数
   の予混合室にそれぞれ予混合燃料を供給する複数の予混
   合燃料供給系と、各予混合燃料供給系にそれぞれ設けら
   れ、負荷に対応して順次全開、全閉状態となる止め弁と
   を有し、各予混合燃料供給系の切り換えを行なう負荷設
   定点が、燃焼領域での燃料と空気との当量化が複数段燃
   焼モードで常に０．４５から０．７で運転されるように
   設定されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。 ２、メイン予混合燃料供給系に設けられた止め弁を全開
   にさせる負荷設定点は、該当するメイン予混合気噴出孔
   を含まない上流側における当量化が０．７を越えないよ
   うに設定され、上記止め弁を全閉にさせる負荷設定点は
   、該当するメイン予混合気噴出孔を含みこれより上流側
   における当量化が０．４５以上になるような値に設定さ
   れていることを特徴とする、特許請求の範囲第１項記載
   のガスタービン燃焼器。 ３、燃料供給系の切換えを行なう負荷設定点においては
   、予混合燃料流量変化にヒステリシスが与えられている
   ことを特徴とする、特許請求の範囲第１項記載のガスタ
   ービン燃焼器。 ４、定格負荷において、パイロット燃焼室内で拡散燃焼
   用として供給される燃料が全燃料の８〜１２％であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のガスタービ
   ン燃焼器。