JPS629124A - ガスタ−ビン - 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、ガスタービンの燃焼器に係り、特に、低ＮＯ
ｘ化が図れる二段燃焼方式、あるいけ、他の多段燃焼方
式の燃焼器に関する。

〔発明の背景〕

ガスタービン燃焼器は、最近、低ＮＯｘ化が図れるとし
て二段燃焼方式、あるいは、他の多段燃焼器が採用され
つつある。これらは、いずれも燃焼用空気量をガスター
ビン負荷によって調節する必要がある。例えば、特公昭
５３−４３号公報には、−次燃焼帯と二次燃焼帯の間の
空気通路にバッフルを設け、低負荷運転時は燃焼用−次
空気を減じるとともに二次空気を増加させることにより
、−次燃焼帯が過剰・希薄となることを回避し、また、
高負荷運転時ｖｃげ、それぞれの空気が抵抗なく流入す
るように、バッフルを調節し、ＮＯｘの発生を抑制する
燃焼器が開示きれている。しかし、一段燃焼から二段燃
焼への移行時の燃焼性能及び排出物特性の問題が存在し
、公知の空気制御では、燃料切換とその前後の燃焼性能
を良好に維持することば困難である。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、一段燃焼から二段燃焼・＼の移行時の
燃焼性能を良好に保持し、かつ、排出物特性を良好に維
持することができるガスタービンの燃焼器を提供するこ
とにある。

〔発明の暗要〕

二段燃焼方式のガスタービン燃焼器において、一段燃焼
から二段燃焼への移行時に、二段目燃焼部・＼流入する
空気量を可変装置により減じ、二段目燃焼部を燃焼性能
及び排出物特注の良好な燃空比（燃料流量／空気流量）
とし、ざらに、一段燃焼より二段燃焼へと移行した後の
一段目、二段目熱料の増減による燃空比を良好な乾固に
保持する九めに、二段目燃焼部へ流入する空気量を減じ
た状態で、燃焼器・＼流入する空気を抽気し、このこと
により燃焼用空気量を局部的および全体的に調節するよ
うにしたことを特徴とする。

〔発明の実施例〕

第１図は、本発明の一実施例を示す。本図において、ガ
スタービンは、圧縮機１、タービン２、燃焼器３などに
よって構成されている。圧縮機１で圧縮された空気１ａ
げ、ケーシング４内を通り・燃焼器３Ｖｃ導かれる。燃
焼器３は、外筒５ａ、５ｂ内筒６および前部燃焼室７Ｖ
ｃ−次燃料８を供給する一次燃料ノズル９を装着したエ
ンドカバー１０が取付けられる。内筒６ば、前部燃焼室
７とこれよりも径が大きい後部燃焼室１１で形成され、
前部燃焼室７と後部燃焼室１１との接続部１２には、空
気供給孔１３が設けられ、ここに二次燃料１４が噴出さ
れ二次空気と共に後部燃焼室１１へ供給されて、二次燃
焼火炎１５を形成する。−次燃料ノズル９から噴出され
る一次燃料８への着火は、点火栓（図示せず）πよシ行
われ一次燃焼火炎１６を形成するようになっている。一
方、二次燃料１４への着火は、−次燃焼火炎１６よりの
人格りにより達せられる。

第２図により、ざらに、燃焼器３の構成を説明する。−
次燃料８は、−次燃料ノズル９により、前部燃焼室７内
に噴出されるが、噴出部９ａは、燃料が分散して噴出さ
れるように複数本となっている。また、二次燃料１４け
、同様に、外筒５ａ。

５ｂｖｃより、挾まれ固定された二次燃料ノズル１７内
を通り、ざらに、複数本の突出した噴出部１８の先端部
より噴出されている。−次燃料８は、前部燃焼室７内に
噴出されて、ケーシング４内を通って流入した大量の燃
焼用空気１９と混合拡散し燃焼して、低ＮＯｘ化に有効
な希薄低温の一次燃焼火炎１６を形成する。二次燃焼部
は、噴出部１８よシ噴出された二次燃料と開口部２ｏよ
り流入した燃焼用空気２１とを噴出部１８の下流で混合
させ、後部燃焼室】１内にその混合気を供給する。

この開口部２０には、それを覆うように可動片２２が設
けられ、リンク機構２３等の手段により、開口部２０廻
りで移動し、開口部２０より流入する燃焼用空気２１の
量を調節できるようになっている。燃焼用空気２１の量
の調節は、二次燃料量に見合って行われ、前述した混合
気の燃空比（燃料量／空気量）が適正な範囲となるよう
にしている。

きらに、二次燃料が噴出１−でいない低負荷運転域でげ
、後部燃焼室１１内に流入せず前部燃焼室７内に流入す
る燃焼用空気１９量を、開口部２ｏより可動片２２の移
動により、大量に・燃焼用空気２１を流入させてバイパ
スすることにより、減少させ一次燃焼部の燃空比を適正
な範囲となるように調節することも可能である。−次燃
焼のみでけ、ガスタービンの起動から低負荷運転までの
範囲で使用され、低負荷から定格負荷運転までの範囲は
、−次、二次両方の燃焼となる。−次燃焼のみから一次
、二次両方への燃焼移行時に汀、−次燃焼火炎による二
次燃焼用混合気への着火が必要となる。

この着火は、ガスタービンの低負荷運転時に行われるが
、ガスタービンは、回転数一定で運転でれているため、
圧縮機の回転数も一定であり、圧縮空気、すなわち、燃
焼用空気量が一定であるため、燃空比が燃料ダニのみに
よって左右され、燃焼特注、および、排ガス特注を良好
に保持するには、燃焼用空気の調節が必要不可欠なもの
となっている。

そこで、二次燃焼用混合気・＼の着火時ｌｅｔ、混合気
の着火可能な燃空比となるように、開口部２０の流路面
積を可動片２２の移動により小ざくして調節するが、燃
焼用空気２１の流入量が適正な燃空比となった場合には
極めて小量となり、混合気にに着火したものの後部燃焼
室内への混合気の流入速度が非常に小ざくなって燃焼火
炎が噴出部１８まで逆流して、噴出部１８近傍を焼損さ
せたシ、あるいは、燃焼火炎がふらついて燃焼振動など
の異常状態をひき起こすことになる。従って、可動片２
２の移動は、燃焼火炎が逆流することのない範囲に留め
ている。従って、二次燃焼用混合気の燃空比は、空気量
が所定の量より多いことによフ、小ざい値となっている
。ここで−次燃焼のみから、−次、二次両方の燃焼とな
る場合の燃料量の制御を説明する。ガスタービンの出力
げ、−回転数一定で運転される発電用では、燃料量に比
例しており、低負荷運転である一次燃焼のみの時は、−
次燃料のみで出力を維持している。ところが、−次、二
次燃焼時は、−次燃料量と二次燃料量の合計の燃料量で
出力を維持することとなり、−次燃料のみについて言え
ば、−次燃焼時の場合と一次、二次燃焼・＼移行時の場
合とでは、−次、二次燃焼へ移行時の場合の方が非常に
燃料量が少なく、燃空比が小ざくなり燃焼性能・＼の悪
影響をもたらす可能性がある。また、先述のように、二
次燃焼部でに、燃焼用空気量が多く燃空比が小さい状態
にある。

これらを解決するために、圧縮機によって圧縮された燃
焼用空気を第１図に示すように、燃焼器・＼流入する前
πケーシング４Ｖｃ設けた孔よシ抽気して、圧力の低い
排ガス２３中、あるいけ、排気家父に排気ダクトｖＣ遵
通し、かつ、流量調整弁２４により抽気量を制御し、燃
焼用空気を全体的ｖｃ減少させ燃空比を適正な範囲とな
るようにしている。

ここで、圧縮機の仕事により得られた高温、高圧の圧縮
空気、すなわち、燃焼用空気を燃焼器のみならずタービ
ン２を通すことなく一部を抽気することにより、タービ
ン２での通過燃焼ガス量が減少して出力が低下する傾向
となるが、この出力低下分け、燃料量が増加することに
より捕われ、実質的に、この抽気により、燃料量の増加
および空気量の減少が生じ、燃空比の増大につながる。

しかも、この燃空比の増大は、−次、二次燃焼の開始時
に非常に効果を発揮する。第３図は、制岬図である。横
軸にガスタービン負荷をとり、可動開度、抽気量及び燃
空比を示しており、横軸は、三者同一尺度としている。

通常、燃焼器において、低ＮＯｘ化を図るには、燃焼火
炎温度を低くした希薄低温燃焼方式が有効であるとされ
ており、燃焼方式と燃空比により、はぼ、性能が決って
くる。

第３図において、燃空比は、下段の範囲が、−次燃焼部
を拡散燃焼方式とした場合の適正範囲を示し、上段の範
囲が、二次燃焼部を予混合燃焼方式とした場合の適正範
囲を示している。両者の範囲ａ、いずれも、上限は、燃
空比の増大による火炎温度上昇からくるＮＯｘ値の制限
値よシ決まり、下限は、燃焼可能限界からくる不完全燃
焼により生じるＣＯ値の制限値より決まるものであり、
いかなる場合にも、この範囲内に燃空比を制御できなけ
れば、燃焼性能および排ガス特性共に満足できる燃焼器
ニ汀なり得ないものである。ここで第３図について、詳
細に説明する。起動から定格回転数に至るまでの制＃Ｊ
は、ここに図示していないが、−次燃焼のみで回転数の
上昇による空気量の増加に見合って所定の燃空比となる
ように燃料量を増加させ定格回転数に達し本図に示すガ
スタービン負荷０（ゼロ）の位置の燃空比となる。定格
回転数に達した後に、ガスタービン負荷運転となるがこ
の間は、全て回転数は一定であり、圧縮機よりの圧縮空
気、すなわち、燃焼器の方へ流入する燃焼用空気が一定
となる。そのため、特別に燃焼用空気量を調節しない限
りは、ガスタービンの負荷げ燃料量の制御！Ｋｌｖｃよ
って行われることになる。−次燃焼のみの低負荷運転に
おいて、二次燃焼部に流入する空気を調節する可動片の
開度を変えることなく全開にした状態では、負荷０（ゼ
ロ）から、負荷上昇に伴い、燃料量が増加することによ
り適正な燃空比範囲内で上昇している。ざらに負荷上昇
による燃料量の増加により燃空比が上昇するが、燃空比
の上限に近くなりＮＯｘ量が増大する傾向となるため、
ここで、前述のように、二次燃焼部に流入する空気量を
可動片の開度を閉の方向へ移動することにより、徐々に
減じ、この操作により頭部燃焼室へ流入する空気量を増
加させ負荷上昇による燃料量の増加に伴って、結果的ｖ
ｃば、燃空比にほぼ一定にしてＮＯｘ　ｆｔの上昇を抑
えている。可動片の開度は、負荷上昇と共に、さらに、
閉方向へ移動し、全閉となる前のある程度間いている状
態で、移動は完了する。尚、可動片を全閉としないのけ
、前述したように空気量が極めて小量となり、燃焼火炎
の逆流、あるいは、異常燃焼をひき起こすことが考えら
れるなめである。その後、空気量を変化することなく二
次燃料を投入する負荷まで一次燃料の増加により上昇き
せることになるが、−次燃焼のみから一次、二次燃焼へ
移行する場合の燃料量が移行＃げ、−次燃料量のみであ
り、移行後は、−次燃料と二次燃料の合計燃料量となり
、移行前、後でガスタービン負荷が変ワラナいとすれば
、合計燃料量も一定でなければならず、−次燃焼のみの
場合の一次燃焼部の燃空比及び−次、二次燃焼時の一次
燃焼部、二次燃焼部各々の燃空比は、燃焼性能及び排ガ
ス特性を良好に保持できる適正なる燃空比範囲内となっ
ていなければならない。ところが、可動片の移動が完了
した状態で空気量を一定にして一次燃焼から一次、二次
燃焼・＼移行しようとすると燃空比汀、第３図中の破線
で示すように変化し、移行後に燃空比の下限を下廻る結
果となり、第４図に示すように排ガス特注として不一完
全燃焼によるｃｏが破線のように発生し、Ｎ　Ｏｘは低
いものの非常に燃焼性能が低い、不安定な燃焼となり種
々の問題を牛じることになる。従って、本発明は、可動
片の移動が完了した状態で、燃焼器に流入する燃焼用空
気を抽気して減じ、適正なる燃空比となるようにするも
のである。具体的には、圧縮機からの圧縮空気を負荷の
上昇と共に徐々に抽気し、−次燃焼から一次、二次燃焼
に移行する点において最大となるように、流量ｖＩ４整
弁により制御するようになっている。ガスタービンは、
抽気したことにより、燃焼空気量が減少して燃焼ガス量
が減少し、出力が低下することになるが、負荷一定運転
を行うように制御されるため、抽気量に見合って、出力
低下を補う量の燃料が、ざらに、投入されることになり
、結果的には、第３図の燃空比の変化に見られるように
、燃空比が上昇することになる。この抽気により、燃空
比が増加したことにより、燃焼温度が上昇し、ｌＸ４図
に示されるように、多少ＮＯｘ値が高くなるが、定格運
転時よりは低く問題とならない。ＣＯについてに、抽気
πより、−火燃焼時は、ざほど変化ないが、−次、二次
燃焼に移行した後の一次、二次燃焼部の燃空比が抽気に
よって低下し比出力を補うための燃料量の増加によ〕高
くな勺適正な燃空比範囲に入るため、従来に比べ極端に
減少し、燃焼性能の向上を図ることができる。−次、二
次燃焼移行後は、負荷土星に伴い燃料量が増加すること
により、燃空比が高くなる傾向にあるため、抽気量を流
量調整弁を閉めることにより徐々に減じ、燃空比として
は、適正な燃空比範囲内でほぼ一定に保ちながら、抽気
量ゼロの状態にする。

ざらに、負荷上昇に伴い、二次燃焼部に流入する空気量
を可動片を全開の方向へ移動式せることにより、適正な
燃空比範囲内となるように調節しながら、可動片を全開
に至るまで移動させる。それ以後は、空気量の調節は行
なわれず燃料量の増加により負荷は上昇し、燃仝比は、
燃料量の増加と共に増加するが、この高負荷範囲では、
空気量調節が完了した時点の燃空比を適正な燃空比範囲
の下限近くになるように調節しているため、空気量調節
が行われなくても適正な燃空比範囲内で燃空比が上昇す
るのみであり、燃焼性能および排ガス特性ｖｃは影響が
ないようになっている。このように、本発明は、二段燃
焼器、あるいけ、他の多段燃焼器でも適用可能であるが
、燃焼器の燃焼特注および排ガス％註を良好に保持する
べく全負荷帯で適正な燃空比範凹内となるように、燃焼
用空気の局部的な調節と、ざらに、全体量の調節を兼ね
備えていることが特徴である。

第５図ないし第７図に本発明の変形例を示す。

いずれも、第二次燃焼部に流入する空気量を調節する可
動片が設けられている場合の抽気の方法を示している。

第５図は、圧縮機１で圧縮された空気１　ａをケーンフ
グ４部よシ抽気し、配管２５により流量調整弁２４を介
して、タービン２部の中間段に連通している。抽気した
空気をタルピン部中間段２ａに連通させることにより、
排ガス２３中に連通きせる場合とは異なり、圧力の高い
圧縮空気をタービン部の燃焼ガスと合流はせることによ
り、エネルギの回収が可能となるため、抽気による効率
低下を緩和できる。第６図は、抽気した空気を圧縮機１
の中間段１ｂに連通している。これは、圧縮した空気を
圧縮機上流に抽気して戻すことにより、圧縮機の入口空
気量を減じ燃焼器へ流入する空気量を減じるものである
。第７図は、抽気する位置を燃焼器３の頭部３ａとし、
圧縮された空気１ａを燃焼器３の内筒６の表面冷却に充
分役立てた後に抽気するようにしたもの−で、内筒６の
メタル温度低減に効果がある。尚、＃ｇ７図に示される
ように、燃焼器３の頭部３ａよシ抽気した空気は、配管
２５Ｖｃより流量調整弁２４を介して、排ガス２３中、
あるいは、タービン２の中Ｍ　Ｒ２ａあるいは、圧縮機
１の中間段１ｂのいずれか一つ、あるいは、組合せとし
て連通ずることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、燃焼器の燃焼用空気量を局部的、ある
いに、全体的に調節できるので、適正な燃空比範囲内と
なるように、あらゆる条件下で正確π制御可能となり、
ガスタービンの全負荷帯で燃焼器の燃焼性能および排ガ
ス特性を良好に保持できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の系統図、第２図は本発明の
燃焼器の断面図、第３図は制御方法の説明図、第４図は
排ガス特注図、８ｇ５図ないし第７図は本発明の変形例
の系統図である。 ３・・・燃焼器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃焼器の上流部に一次燃焼用の燃料ノズルと一次燃
   焼室を設け、その下流部に二次燃焼用の燃料ノズルと二
   次燃焼室を設けた多段燃焼形ガスタービン燃焼器におい
   て、 燃焼器内に流入する燃焼用空気量を局部的および全体的
   に制御するようにし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、燃焼用空気量の制
   御は、局部的には、機械式可動片により行ない、全体的
   には、抽気により行なう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２項において、圧縮機より吐出さ
   れた直後、あるいは、前記燃焼器の廻りから行なうこと
   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、抽気は、前記ガス
   タービンの排ガスもしくは、排気ダクト、排気室あるい
   はタービンの中間段ないしは圧縮機の中間段に連通され
   ていることを特徴とするガスタービン燃焼器。