JPS6277520A - 低ＮＯｘ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段燃焼型低ＮＯｘガスタービン燃焼器に係り
、特に２段目の燃焼性能の改善を図り、かつ低ＮＯｘ効
果を高めたガスタービン燃焼器に関するものである。

（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のＮ
Ｏｘの発生がある。これはガスタービンの燃焼火炎中で
燃焼空気中の窒素が酸化されて生成するものである。ま
た、燃料中に窒素分を含む場合にも、これが酸化されて
ＮＯｘとなる。ガスタービンの場合には比較的燃料中の
窒素分の少ない燃料が使用されるので、ＮＯｘの大部分
は燃焼空気中の窒素の酸化によるものである。

このため、ガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ化は低温燃焼
させて窒素の酸化を抑えることによって達成される。こ
の具体的方法として従来から燃焼器内へ水もしくは水蒸
気を噴射する方法と、希薄燃焼に基づく燃焼制御方法が
ある。前者は熱効率が低下すること、補機が必要なこと
などから、最近は後者の燃焼制御方法によるものが主流
になりつつある。

希薄燃焼による低ＮＯｘ化に関しては次の２点が重要な
ポイントとなる。即ち、（１）均一な低温燃焼を実現す
ると、（２）工作動域にわたって安定な燃焼を達成する
こと、であ、６．（１）に対する解決策としては、これ
までの拡散燃焼から予混合燃焼とすることで解決できる
。また（２）に関しては、燃料の多段燃焼化や燃焼空気
量をガスタービンの負荷によって制御し、燃焼域の燃空
比を適切に調節する方法がある。特に予混合燃焼させる
場合には不燃燃空比帯が存在するため、作動燃空注域の
広いガスタービン燃焼器にこれを採用する場合には、作
動範囲を補うために、１段目を拡散燃焼、２段目を予混
合燃焼とした２段燃焼方式が合理的であり、現在の技術
開発の主流となっている。

このような２段燃焼方式に関するものとしては、日本の
特公昭５８−５８５６３号、実開昭５９−５５２６７号
、米国特許４１．！１３２６０号等がある。２段目を予
混合燃焼とする２段燃焼器においては、前述した如く、
予混合燃焼を良好な燃焼状態とするためには、ある所定
の燃室比以上での燃焼が必要であり、このため、２段目
の予混合燃料の流景が小さい範囲及び、１段目から２段
目への燃料切換時には性能が著しく低下するという問題
がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は２段燃焼型低ＮＯｘガスタービン燃焼器
において、２段目燃料の投入時を含めた２段目燃料の小
流量範囲において未燃分の発生が少ない良好な燃焼性能
を発揮し、しがも２段目燃料の大流量範囲で低Ｎ　Ｏｘ
燃焼を促進する燃焼器構造を提供するにある。

〔発明の概要〕

上記の目的を達成するために創作した本発明の詳細な説
明するに先立ち、先ず、その基本的な原理を次に述べる
ゆ 本発明の要点は、燃焼空気流路内に燃料を噴射し、その
可燃混合物を燃焼室内に供給して燃焼させる方式におい
て、燃料の噴射位置を燃料流量に対応して可変とするこ
とにより、可燃混合物の濃度分布を調整して燃焼室内に
供給することである。

更に具体的には、燃焼流量が小さい範囲は燃焼空気流路
の出口側から燃料を噴射し、可燃物濃度の濃淡を大とし
、逆に、燃料流量が大きい範囲は燃焼空気流路の上流側
から燃料を噴射して均一な可燃混合気として供給させる
ことである。

上記の原理に基づいて前記の目的を達成する為本発明に
係る低ＮＯｘガスタービン燃焼器は、燃焼器の上流端近
傍に第１段燃焼用の燃料ノズルを設けてその下流に第１
段燃焼室を形成し、上記第１段燃焼室の下流側の外周壁
に沿って区画された第２段燃焼空気流路を第２段燃焼室
内に開口連通せしめ、この第２段燃焼空気流路内に複数
個の２段目燃料ノズルを設けたガスタービン燃焼器にお
いて、前記２段目燃料ノズルを前記空気流路の軸心方向
に多段に配設したことを特徴とする。

〔発明の実施例〕

次に、本発明の１実施例を添付の図面について説明する
。本実施例は、発電用ガスタービンの燃焼器に本発明を
適用して改良した一例である。

第１図は本実施例の断面図である。燃焼器２は逆流式缶
型であり、圧縮機１より供給される圧縮空気１０１は燃
焼器外筒２５と燃焼器ライナ５との間、及び同じく６と
の間を流れながらそれぞれ燃焼器壁の設けられた空気孔
等の流入手段を通って燃焼器２の内部に入る。この空気
は１部燃料と燃焼反応をして高温の作動ガス１１０を発
生し。

これは尾筒２７を経てタービン３へ供給される。

燃焼器２は上流側を径の小さい副室ライナ６、下流側を
径の大きい主室ライナ５とし、その接続部に区画された
２段目燃焼空気流路９を設けて構成される。副室ライナ
６の壁面には燃焼空気孔８゜８′が、またライナキャッ
プ７には旋回器１１が設けである。上記ライナキャップ
７のほぼ中心部には１段目燃料ノズル１２が取付けられ
、前記副室ライナ６とにより１段燃焼部２′を形成する
。

一方、２段目燃焼空気流路９の内部には、空気流路のほ
ぼ同一円周上に等間隔で複数本の２段目燃料ノズル１４
が装着され、この空気流路内で可燃混合物を形成せしめ
て２段燃焼部２１に供給される。更に詳細には、２段目
燃料ノズル１４は第１料路１５及び第２流路１８からな
る２移統で構成され、それぞれ第１噴孔１７及び第２噴
孔２ｏより燃料を供給するものである。

第２図に２段目燃料ノズルの詳細断面を、第３図には第
２図の（Ａ）〜（Ａ′）断面を示す、第２図及び第３図
により２段目燃料ノズル１４の構造について説明する。

第１図について説明した燃焼外筒２５’　、２５’に支
持された燃料供給フランジ１２には複数の空気通路窓３
２が設けてあり、該患部を除く部分に複数の第２流路１
８を設ける。これら複数の第２流路は仕切板３３で仕切
られた燃料ヘッダ１６と同１９とにそれぞれ連通されて
いる。

燃料ヘッダ部に２段目燃料ノズル１４が複数本取付けら
れている。上記の２段目燃料ノズル１４は第１燃料パイ
プ２８と第２燃料パイプ２９を同軸上に組合せることに
より、第１燃料パイプ２８は２段目燃焼空気流路９の下
流側まで延びており、その先端は閉構造とし、端部に第
１噴孔１７が設けである。第２燃料パイプ２９は２段目
燃焼空気流路９の上流端側でその先端を閉構造とし、第
２噴孔２ｏが設けである。

かかる燃焼器構造（第１図参照）において、圧縮機１よ
り供給される圧縮空気１０１は主室ライナ５に設けられ
た希釈空気孔１ｏより希釈空気１０２が、第２段燃焼空
気流路９より第２段燃焼空気１０３が、また残りの空気
は燃料供給フランジ１２に設けられた空気流路窓３２（
第３図）を通って副室ライナ６側に供給され、それぞれ
第１段燃焼空気１０５，１０５’及び１０６として第１
段燃焼部２′内へ供給される。一方、燃料２００は燃料
分配器３４によりそれぞれ１段目燃料（Ｆｒ　）２２．
副２段目燃料（Ｆｚ’）２３及び主２段目燃料（Ｆｚ）
２４に分配されて供給される。

燃料流量ならびに燃料の分配比率はガスタービンの出力
に応じて予め設定された燃料制御信号３００によって行
われる。ガスタービンの着火起動から軽出力時までは１
段目燃料（Ｆｚ）２２　のみの供給に、よって行われ、
定格出力を含む高出力側では２段目燃料が供給されて運
転されるが、２段目燃料は先ず副２段目燃料（Ｆｚ’　
）　２３　　が先行して供給され、ある所定出力に達し
た時において副２段目燃料（Ｆｚ’）２３は主２段目燃
料（Ｆｚ）２４に切換えられる。第４図に燃料投入方法
を示す。図にはガスタービン負荷運転時のみを示してい
るが、ガスタービンの着火起動から約２５％出力時まで
は１段目燃料（Ｆｌ）のみにて運転される。１段目燃料
は基本的には拡散燃料であり、１段目燃焼域の作動撚空
比帯はｏ、ｏｏｓ〜０．０２のに設定される。出力２５
％において１段目燃焼　　　域の燃空比は約０．０２　
となる。この状態において全燃料流量が本第４図に鎖線
で示した全燃料カーブに合致するようにしながら、１段
目燃料（Ｆｌ）をステップ状に減じると共に（点Ｄ）、
副２段目燃料（Ｆｚ’　）をステップ状に投入（、弘Ｕ
）Ｌ、２段目燃焼に移行する。この２段目燃焼Ｉま１段
目燃焼火炎からの火炎伝播にて着火されるものであるか
ら、２段目が良好に着火して安定な燃焼を持続する為の
条件は、１段目の燃焼火炎温度、及び。

２段目の燃室比、並びに、２段目燃料と２段目燃焼空気
の混合状態の影響を受ける。即ち１段目の燃焼火炎温度
が高いほど、又２段目の燃料の混合状態が不均一なほど
、２段目燃焼はより小さｂ）燃焼流量にて着火が可能と
なる。しかじな力罵ら、２段燃料の濃度分布の不均一性
が大きｂ）はどＮＯｘの生成は大きくなるので、適切な
条件の設定力５重要である。ここでは、種々の実験的検
討により。

副２段目燃料（Ｆｚ’）のステップ投入量は２段目燃焼
空気との比で表わした燃室比で約０．０３以上とする必
要がある。一方、この時ステップ状しこ減じた第１段燃
焼部の燃室比は、前述したように１段燃焼部の燃室比が
０．０５　以上とする必要がある。燃料切換後は１段目
燃料、副２段目燃料を増加してガスタービン出力を上昇
させ、出力約６０％において、２段目燃料の切換操作を
行う、これは、全燃料流量を一定に保ちながら、燃料分
配器３４により、副２段目燃料（Ｆｚ’）を減じながら
ながら、主２段目燃料（Ｆ２）を投入することによって
達成される。かかる操作により、２段目燃料は２段目燃
焼空気流路の上流部に噴射され、２段目燃焼空気と充分
均一な混合物として２段目燃焼室に供給され、均一火炎
温度で燃焼し、より低ＮＯｘ燃焼となる。２段目燃料の
切換後の燃室比が０．０３５以上であるとき安定な低Ｎ
　Ｏｘ燃焼が実現でき、その上限界は０．０４５以上と
することが望ましい。

第５図、第６図は前記と異なる実施例を示すものである
。第５図の実施例は２段目燃焼を第１燃料ヘツダ１６及
び第２燃料ヘツダ１９よりそれぞれ副２段燃料パイプ及
び主２段燃料パイプ３３゜３２を介してそれぞれ２段目
燃焼空気路の内周壁に設けられ副燃料ヘッダ３５．３６
に導き、内周壁にあけられた複数筒の第１噴孔２０、及
び第２噴孔１７より燃料を供給するものである。かかる
構造の場合には、副２段目燃料を１段目燃焼火炎に近い
側で噴孔することになり着火が改善されるとともに、燃
料ノズルが不要となり、構造的に簡単となる。第６図の
実施例は主２段燃料を２段目燃焼空気流路９の外周壁３
０の上流端付近に設けられた第２噴孔２０より供給する
ものである。かかる゛構造とすることにより、主２段目
燃料と空気との混合状態が内周側はど燃料希薄の状態と
なり。

低ＮＯｘ効果が高くなる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の低ＮＯｘガスタービン燃
焼器２段燃焼への移行時及び２段目燃料流量が小さい時
には燃料に濃淡をつけて燃焼器内へ供給することができ
るので、２段目燃焼の着火範囲及び良好燃焼する範囲が
拡大し、より軽負荷側にて２段目燃焼への移行が可能と
なるとともに。

燃焼性能が向上し、特に燃料切換後の未燃分が抑制され
る。更に、高負荷側で２段目燃料の切換えを行い、均一
混合気の燃焼とすることが出来、ＮＯｘの抑制効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の断面図、第２図は上記実施
例における２段目燃料ノズル付近の拡大詳細断面図、第
３図は第２図の（Ａ）−（Ａ’　）断面図、第４図は前
記実施例における燃料流量比を示す図表、第５図及び第
６図はそれぞれ前記と異なる実施例を示し、２段目燃料
ノズル付近の断面図である。 ２・・・燃焼器、５・・・主室ライナ、６・・・副室ラ
イナ、９・・・２段目燃焼空気流路、１４・・・２段目
燃料ノズル、１７・・・２段日第１噴孔、２０・・・２
段目第２噴孔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃焼器の上流端近傍に第１段燃焼用の燃料ノズルを
   設けてその下流に第１段燃焼室を形成し、上記第１段燃
   焼室の下流側の外周壁に沿つて区画された第２段燃焼空
   気流路を第２段燃焼室内に開口連通せしめ、この第２段
   燃焼空気流路内に複数個の２段目燃料ノズルを設けたガ
   スタービン燃焼器において、前記２段目燃料ノズルを前
   記空気流路の軸心方向に多段に配設したことを特徴とす
   る低ＮＯ＿ｘガスタービン燃焼器。 ２、前記の２段目燃料ノズルは２重管状構造であつて、
   外管の先端は内管に対して密着するように絞られた形状
   で、該先端部に噴孔を設けた構造であり、前記の内管は
   外管先端よりも突出してその先端に噴孔を設けた構造で
   あり、かつ、上記の内、外管はそれぞれ区画された２系
   統の燃料供給通路に接続したものであることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の低ＮＯ＿ｘガスタービ
   ン燃焼器。 ３、２段目燃焼空気の流路内壁側には、軸方向下流側に
   燃料噴孔を複数個設け、外壁側には軸方向上流側に燃料
   噴孔を複数個設け、上記それぞれの燃料噴孔に対してそ
   れぞれ独立した燃料系統の燃料ヘッダから燃料を供給す
   るように構成したことを特徴とする特許請求の範囲第２
   項に記載の低ＮＯ＿ｘガスタービン燃焼器。 ４、前記の２段目燃料ノズルは、それぞれ区画された２
   系統の燃料供給通路に接続したものであり、かつ、２段
   目燃焼空気流路の内壁に設けられた複数個の燃料噴孔に
   配設したものであり、上記の複数個の燃料噴孔は２段目
   燃料空気流路の軸方向に配設されたものであることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載の低ＮＯ＿ｘガス
   タービン燃焼器。 ５、前記の燃焼器は、着火から部分負荷までの状態にお
   いては第１段燃焼用燃料のみ供給し、中間部負荷帯にお
   いては２段目燃焼用空気流路の下流側に設けた燃料噴孔
   から２段目燃焼用燃料を供給し、定格負荷を含む高負荷
   帯においては２段目燃焼用空気流路の上流側に設けた噴
   孔から２段目燃焼用燃料を供給するように燃料供給を制
   御する手段を設けたものであることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載の低ＮＯ＿ｘガスタービン燃焼器
   。