JPS63279026A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はガスタービン燃焼器に係り、特に大気汚染物質
である窒素酸化物（ＮＯｘ）及び未燃排出物の一酸化炭
素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）等の発生を抑制し得る予
混合二段燃焼器に関する。

〔従来の技術〕

ガスタービン燃焼に予混合方式を導入する場合、最も重
要な開発課題は安定燃焼範囲の拡大である。

従来、予混合燃焼領域を広げる手段の−っとして、パイ
ロットバーナ等の他の熱源を利用することが考えられて
いるが、ガスタービンの広範囲の作動負荷帯を満足させ
ることは難しい。例えば、予混合気の近傍に燃料を直接
導入して、パイロット炎を形成させると予混合燃焼範囲
の拡大は可能であるが、ＮＯｘ生成量が極端に増大する
傾向がある。

一方、特開昭５７−１８７５３１号公報に記載のように
予混合の過程で燃料分布に濃淡を形成させる方法を提案
した。即ち、噴口部内で燃料噴出孔に対応して孔をもつ
仕切板を設け、低負荷時は仕切板の内側に燃料を導き入
れ、燃料の濃い部分を形成して燃焼を行う。高負荷時は
、仕切板の外側に燃料を導き、内側の空気流は火炎の冷
却として作用させることを考えた。しかし、予混合燃焼
では噴口部出口で極端な燃料濃度場を形成するとＮＯｘ
。

ＣＯの同時抑制は不可能である。特に、噴口部出口で空
気のみが流動する領域が形成されると過冷却のためＣＯ
等の未燃成分が発生する原因となる。

また、噴口部内側までパイプ状の燃料ノズルを介して内
側に噴射する構造では、内側に局部的な燃料濃度が濃い
部分は形成されるが、環状方向、及び、半径方向に火移
り特性を向上させる燃料濃度分布は望めない。

〔発明が解決しようとする問題点ゴ 上記従来技術は、予混合燃焼範囲の拡大を図りながらＮ
Ｏｘ、Ｃｏ等の同時抑制を達成させる点について考慮が
されておらず燃料濃度制御方法に開運があった。

本発明の目的は、予混合燃料濃度場制御を可能にする燃
料導入機構及び制御方法、特に、噴口部の燃料濃度分布
の均一化と極力少ない領域に燃料濃度の濃い部分を形成
させ、燃焼負荷帯に合致した燃料制御構造を実現させる
ことにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的である予混合燃料濃度堰制御構造の手段として
、燃料濃度の均一化を達成させる燃料導入機構と燃料の
濃い部分を形成させる燃料導入機構を同一空気流路内に
分離して設置する６即ち、予混合を主体とした燃料導入
機構と燃料の濃い部分を形成させる燃料導入機構を混合
流路内、の軸方向に二系統に分割して構成し、燃焼負荷
帯によって組合せ、あるいは、単独で作動させて燃料濃
度場の制御を行う。また、均一化方向の燃料導入機構は
空気流路内の上流側に設け、ノズルのマルチ化及び多数
の孔群を介して空気の主流に燃料の分散化と混合距離に
より予混合の強化を図る。一方、頃日出口部で濃い燃料
領域を形成させるため、噴口部流路出口近傍に環状形の
噴口、又は、半径方向に開口部をもつスリット燃料噴出
部を設け、空気流に対する燃料噴出速度を小さくして混
入を押える燃料導入構造とする。従って、空気流路部の
壁面近傍は速度境界層となるため燃料噴流の拡散速度は
遅く、燃料導入量が比較的少なくても壁面に沿って燃料
の濃い領域を形成することが可能となる。

特に、燃料の濃い部分を形成させる燃料流量が少なくて
比較的濃い局部燃料領域が形成されることは、燃料負荷
帯を考えた場合、上流側からの均一混合濃度値を極端に
低下させることがないので、予混合燃焼領域の拡大効果
は大きくなる。更に火移りを良好にするため、予混合気
の濃い部分を火点側で環状形とする。これは予混合気の
噴口径が比較的大きく環状の場合の周方向への火移りを
効果的にする手段である。例えば、火点側より燃料濃度
のピーク値が離れた位置に存在したり、円周方向に不均
一な燃料濃度分布を形成すると、火点をはさんで希薄側
の層が形成されるので、火移り条件となるまで多量の燃
料流量が必要となり、予混合と云うより拡散燃焼に近づ
き、燃焼拡大よりもＧｏ、ＮＯｘ等の増大となる。

〔作用〕

空気と燃料の予混合の過程で、混合流路内に予混合を主
体とした燃料導入機構、噴口出口で燃料の濃い領域を形
成させる燃料導入機構を二系統分割して構成することは
、燃焼負荷帯に合せて燃料濃度場を確実、しかも、自在
に制御することが可能となる。例えば、低負荷燃焼では
燃料濃度均一化燃料導入機構と燃料の濃い部分を形成さ
せる燃料導入機構を同時に作動させ、燃料導入量割合を
より低負荷では燃料の濃淡を大とする制御によす安定燃
焼を継続させる。高負荷時は主に燃料均一化燃料導入機
構のみを作動して、噴口出口部の燃料均一化混合による
低ＮＯｘ化燃焼が達成される。

また、予混合噴口流路内の火点側に環状噴口部を設ける
ことは、予混合燃料濃度分布のピーク値を　。

形成すること。その結果、環状方向に同一レベルの燃料
濃度と半径方向に勾配をもつ燃料濃度場ができる。この
燃料濃度場によって火炎の伝ばを良好にし少ない燃料量
で迅速な火移りが達成できる。

〔実施例〕

第１図に本発明の構造を具備する二段燃焼器全体の構成
図を示す、外筒１．内筒２２尾筒３で構成するガスター
ビン燃焼器において、内筒２の頭部に副燃焼室４．この
副燃焼室４よりも直径が大きい主燃焼室５を設置し、副
燃焼室４の中央部には頭部より突出した内筒コーン６、
その環状中空部に燃料噴出孔をもつパイプ状の第一段目
の燃料ノズル７を突出させ円周状に配列する。更に、副
燃焼室４と主燃焼室５の拡大部に旋回器８を設置し、旋
回器８の内外壁を上流側に延長して環状空気流路９を形
成させ、その空気流路９内の上流側に第二段目の予混合
燃料ノズル１０を多数配列する。また空気流路９の内周
側で旋回器８の出口近傍に噴出口を形成する予混合濃淡
燃料導入機構１１を設け、旋回器８を固定する支へ部材
１２に設置する燃料供給孔１３より第二段目の燃料を導
入するように構成する。

本燃焼器の作動時は、圧縮機からの空気１４を尾筒３の
後部より導き入れ、希釈空気孔１５．主燃焼室外壁の冷
却空気１６．予混合空気１７．＃Ｊ燃焼室壁面冷却空気
１８．燃焼用空気１９．内筒コーン冷却空気２０より設
焼室内に空気を流動させる。

燃料２１は、第一段目燃料系Ｆｌに調節弁２２を設け、
第二段目燃料系は、予混合燃料Ｆ２と予混合濃淡燃料Ｆ
２’　　の二系統に分離し、各県の配管に調節弁２３．
２４を設置して燃料調節計２５によって操作制御を可能
にする。

第２図にガスタービン作動範囲における燃料制御運転方
法の一例を示す。第一段目０ｍＦＦＦ１の単独作動範囲
は、着火時からタービン負荷２５％相当で、全燃料流量
の５０％である。第二段目燃料Ｆｚ＋Ｆｚ’　　は、タ
ービン負荷２５〜１００％で、全燃料流量の２５〜５０
％を導入させる。特に、本発明では、タービン負荷２５
％の第二段目燃料切換時は、第一段目燃料Ｆｌと５０％
から２５％までステップ状に減少させ、第二段目燃料の
予混合燃料Ｆ２を１７．５　％、予混合濃淡燃料Ｆ２′
７．５　％の燃料流量を同時にステップ状に導入し、そ
の後、高負荷にしたがって予混合燃料Ｆ２の量を増大す
るに伴い、予混合濃淡燃料Ｆｘ’　　の流量を減少する
比率で制御し、タービン負荷５０％では予混合燃料Ｆ２
のみとなるように設定する。また、第一段目と第二段目
燃料作動時の割合は、タービン負荷帯に見合った流量の
１７２に常時分割導入し、定格時（タービン負荷＝１０
０％）は全燃料の５０　：　５０の割合で操作運転をす
る。第３図に本発明の第二段目燃料導入構造の一具体例
を示した。予混合燃料Ｆ２は、旋回器８を固定する支へ
部材１２に設けた燃料供給孔１３より、環状中空部を形
成する燃料チャンバー２６に導き入れ、予混合燃料ノズ
ル１ｏを空気流路９を形成する内外壁の中央部で、しか
も、旋回器８の旋回羽根２７間の中央、且つ、上流部近
傍まで突出させ、予混合燃料ノズル１０の燃料噴出孔２
８を上・下。

左・右方向に噴出させ、予混合空気入口部２９より導入
した空気１７と混合して予混合気を形成させる。

一方、予混合濃淡燃料Ｆｘ’　　は、燃料供給管３０を
介して環状の燃料チャンバ３１に供給し、予混合燃料チ
ャンバ２６に隣接して同一軸状に区分して構成する。ま
た、燃料チャンバ３１の内周壁に燃料を均一分散するた
めの均圧孔３２を周方向に多数設けて、均圧孔３２に対
応する内周側に極めて狭い間隙をもつ環状燃料流路部３
３を形成して、旋回器８内の出口近傍まで延長し、軸方
向に開口部ができる環状スリット噴口部３４を設置する
。従って、空気１７に対する予混合燃料Ｆ２は旋回器８
の空気流路９の上流側で混入され、予混合濃淡燃料Ｆ２
’　　は下流側の副燃焼室４側より噴出するので、主燃
料室５へ流入する可燃混合気は、旋回器８の出口縦断面
部において、内周側に濃い領域が形成される燃料濃度場
が可能となる。

第４図に本発明の第二段目燃料導入機構における旋回器
８の空気流路９内の空気流動状態の一例を示す。空気１
７は予混合空気入口部２９では。

空気導入の構造上比較的大きな流速偏差がある。

予混合燃料Ｆ２の燃料ノズル１０の噴出孔２８の縦断面
部の流速分布では、内側がやや大きな流速を示すため、
旋回器出口部でも内側の空気流量が大となる傾向を示す
。従って、予混合燃料Ｆ２を導入した場合、旋回器８の
出口部（図中Ａ−Ａ’断面部）の燃料濃度分布は、第５
図の（ａ）に示すように内側（Ｈ＝０近傍）は外側より
希薄となる燃料濃度分布となる。図中ｍはＡ−Ａ’断面
部の平均燃料濃度、Δｍは測定点の燃料濃度で、Ｈは内
から外側の距離を示した。次に予混合燃料Ｆ２と予混合
濃淡燃料Ｆ２’　　を環状燃料流路部３３を介して環状
スリット噴口部３４から旋回路８の空気流路９内に噴出
した燃料分布について述べる。例えば、予混合燃料Ｆ２
に対して予混合濃淡燃料Ｆｚ／　　の割合を増加させる
と、図示のように、（ｂ）から（ｃ）より（ｄ）のよう
に内側の狭い領域に濃度が高く、その濃度勾配は、頃日
出口内壁端にピーク値をもつシャープな曲線分布変化を
示す。特に、内側ピーク値を形成し、周方向に均一化さ
れた環状の燃料濃度分布は、ＮＯｘ。

Ｃｏ濃度を抑制しながら火点からの火移りの片寄りを防
止し、迅速に円周方向（環状）と半径方向（内から外側
）への火移りが理想的に達成される。

第６図に本発明の燃料濃度場制御による燃焼特性を示す
。縦軸に予混合燃料Ｆ２単独燃焼特性に対する予混合濃
淡燃料Ｆ２’　　の組合せ燃焼時の燃室比、ＣＯ及びＮ
Ｏｘ濃度比で表し、横軸に予混合濃淡燃料Ｆｚ’　　の
割合を示した。燃室比は予混合濃淡燃料Ｆｚ’　　の割
合増加に比例して燃室比Ｆ／Ａが小さくなり、燃焼範囲
が拡大される傾向にある。Ｃ０１１度はＦｘ’　／Ｆ２
’　＋Ｆ２　＝１０〜３０％が最も低く、ＮＯｘ濃度は
Ｆ２’　／Ｆ’　＋Ｆｚ＝：１５％が高くなるが、予混
合燃料Ｆ２単独燃焼時に比べ約１．０７倍程度である。

ここでＮＯｘ濃度を比較的抑制できるのは、予混合によ
る燃料濃度場制御が理想的に実現できる結果である。従
って、ＮＯｘ、Ｃｏ濃度の発生を防止しながら燃焼範囲
の拡大を図るには、Ｆｚ’　／Ｆｚ’　＋Ｆ２＝３０％
以下にすることが賢明である。これは燃室比にして約３
０％希薄側への燃焼が可能となる。

第７図に本発明の予混合濃淡燃料Ｆ２１の噴孔部の他の
構造を示す。外壁３５．内壁３６で構成される混合流路
部３７で、混合流路部３７の上流側より可燃混合気３８
を流動させ、内壁３６の内側に環状中空燃料供給部３９
を設け、予混合濃淡燃料４０を導入して、混合流路部３
７の噴口部４１の近傍に半径方向へ開口するスリット噴
口部４２を設置する。スリット噴口部４２の開口形状は
、上流から流動する可燃混合気３８に対して予混合濃淡
燃料噴流４３の貫通度を小となるように定め内側に最も
濃い燃料濃度を形成させる。

本発明の特徴は、予混合燃料濃度場において、比較的均
−子混合化された可燃混合気に対して火点側にピーク値
をもつ環状形の燃料濃度分布を形成させる構造にある。

第８図に従来技術と本発明の燃焼特性の比較を示した０
本発明は、従来技術の欠点である希薄側の予混合燃焼を
改善するために、第２図に示した第二段目燃料導入時の
初期において、予混合燃料と予混合濃淡燃料の組合せ導
入制御をタービン負荷に合致させて燃料濃度場を形成し
、ＮＯｘ。

ＣＯ抑制を達成させる。例えば、予混合燃焼の最も負薄
側の燃焼条件であるタービン負荷２５％で、第二段燃料
流量の３０％（全燃料の７．５　％）を予混合濃淡燃料
に設定し、負荷５０％まで徐々にその割合を減少させ、
定格負荷では予混合燃料のみで燃焼を行う、この結果、
負荷２５％近傍のＣＯ発生率は、従来技術に比べ約７０
％低減され、燃焼効率の低下防止が可能となる。またＮ
　Ｏｘ値は従来より約１．１倍高くなるが、定格時は予
混合燃焼が強化されるためＮＯｘ濃度は約１０％低減で
きるので、信頼性の高い低ＮＯｘ燃焼が実現できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、燃焼負荷帯に合致した制御が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の二段燃焼器全体の縦断面図
で、第２図にガスタービン作動範囲における燃料制御運
転方法の一例を示す図、第３図は本発明の第二段目燃料
導入構造の拡大断面図、第４図は第二段目燃料導入構造
の空気流動状況を示す図、第５図に第二段目燃料導入時
における燃料濃度分布特性図、第６図は第二段目燃料濃
度場制御による燃焼特性図、第７図は予混合濃淡燃料導
入構造の他の応用例図、第８図は従来技術と本発明の燃
焼特性比較図である。 Ｆ２・・・第二段目予混合燃料、Ｆ２’　　・・・第二
段目予混合濃淡燃料、３２・・・均圧孔、３３・・・環
状燃料流第２０ 燃璧比（ＦＭ） 第６０ −−］ジ仁−とγＤ） Ｆ２’ｔＦＺ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、頭部副室よりも直径が大きい主室で燃焼室内筒を構
   成し、前記副室頭部に第一段目の燃料ノズルを設置して
   、前記副室から主室へ連なる拡大部に第二段目の燃料導
   入機構と旋回器を介して可燃混合気を前記主室内に供給
   するガスタービン燃焼器において、 前記第二段目の旋回路の上流側の環状空気流路部内に燃
   料噴孔部をもつパイプ状の燃料ノズルを上流壁端から突
   出して同一半径状に複数個配列し、前記燃料噴孔部より
   下流側で前記旋回路の出口近傍の内壁側に極めて狭い間
   隙を設けた環状噴口、又は、半径方向へ開口をもつスリ
   ット噴口部を構成して、第二段目の燃料を空気流路の軸
   方向での位置から分散導入する二系統の燃料供給機構を
   備え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、 空気流路部の上流側に設ける燃料の導入は、空気流に対
   して直交する孔群の配列により混合強化を主体とした構
   造、下流側の燃料導入は、空気流に対して平行噴流又は
   直交の場合は空気流に対して燃料噴流の貫通度が極力小
   となる開口部を形成させ、低負荷時は上流側と下流側の
   燃料導入量の組合せで作動し、高負荷帯は上流側の燃料
   のみで燃焼を行うことを特徴とするガスタービン燃焼器
   。