JPS6329117A - ガスタービン - 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】 〔産業上の利用分野〕 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、あるいは、他の多段燃焼方
式の燃焼器に関する６ 〔従来の技術〕 ガスタービン燃焼器では、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
ービンの負荷によって調節Ｙる必要がある。例えば、特
公昭５３−４３号公報には一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−
火室気を減じると共に、二次空気量を増加させることに
より一次燃焼帯が過剰希薄となることを回避し、また、
高負荷運転時には、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
焼器が開示されている。しかし、−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、
公知の空気制御法では燃料切換とその前後の燃焼性能を
良好に保持させることは困難である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、−段燃焼から二段燃焼への移行時の空
気制御がバッフルのみによって行われるため、−次、二
次空気量制御が正確に行えず燃料切換とその前後の燃焼
性能を良好に保持するには問題があった。

本発明の目的は、−段燃焼から二段燃焼への移行時の燃
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を提供することに
ある。

〔問題点を解決するための手段〕

二段燃焼方式のガスタービン燃焼器において、−段燃焼
から二段燃焼への移行時に、二段目燃焼部へ流入する空
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
排出物特性の良好な燃室比（燃料流量／空気流量）とし
、さらに−段燃焼より二段燃焼へと移行する前後におい
て一段目、二段目燃料の増減による燃室比を良好な範囲
に保持するために二段目燃焼部へ流入する空気量を減じ
た状態で燃焼器へ流入する全体空気量を調節するため圧
縮機から抽気するようにしたものである。

この手段により、燃焼器へ流入する燃焼用空気量を全量
、あるいは、部分的に調節できるようにしたものである
。

〔作用〕

二段燃焼方式のガスタービン燃焼器において、燃焼器に
流入する燃焼用空気量全量を圧縮機からの抽気量の増減
により調節し、さらに、燃焼器の二段目燃焼部に流入す
る空気量を部分的に機械式可動装置により行うようにし
たものである。このようにして、二段燃焼方式のガスタ
ービン燃焼器において、燃焼用空気量の調節を全量行い
、さらに１部分的に行えるので、燃焼器内で燃室比をあ
らゆる条件下で適正な範囲内に制御することができる。

特に、−段燃焼より二段燃焼への移行前後における燃焼
性能及び排出物特性を良好な状態に保持する効果がある
。

〔実施例〕

第１図は、本発明の一実施例を示す０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
って構成される。圧縮機１で圧縮された空気１ａは、ケ
ーシング４内を通り燃焼器３に導かれる。燃焼器３は、
外筒５ａ、５ｂ内筒６および前部燃焼室７に一次燃料８
を供給する一次燃料ノズル９を装置したカバー１０が取
付けられる。内筒６は、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１点火プラグ（図示せず）により行われ一次燃焼火炎
１６を形成する。一方、二次燃料１４への着火は、−火
燃焼火炎１６よりの大検りにより達せられる。ここで、
第２図により、さらに、燃焼器３の構成を説明する。本
図において、−次燃料８は、前述のように、−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９
ａ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は、同様に外筒５ａ、５ｂによ
り挟まれ固定された二次燃料ノズル１７内を通り、複数
本の突出た噴出部１８の先端部より噴出される。−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１′番よ）、噴出部１８より噴出
された二次燃料と開口部−一′ ２０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１１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
けられており、リンク機構２３等の手段により開口部２
０廻りにおいて移動し、このことにより開口部２０より
流入する燃焼用空気２１の流量を調節できるようになっ
ている。

燃焼用空気２１の流＃、調節は、二次燃料流量に見合っ
て行われ、前述した混合気の燃室比（燃料流量／空気流
量）が適正なる範囲となるようにしている。さらに、二
次燃料が噴出していない低負荷運転域では、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の流量を、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、−次燃焼部の燃室比を適正な範囲となる
ように調節することも可能な構造となっている。

−次燃焼のみでは、ガスタービンの起動から低置る。−
次燃焼のみから一次、二次両方への燃焼移行時には、−
火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。この着火時期は、前述のように、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、定格回転数
一定で運転れでいるため、圧縮機の回転数も一定であり
、圧縮空気、すなわち、燃焼用空気流量が一定であるた
め、燃室比が燃料流量のみによって左右され燃焼特性お
よび排ガス特性を良好に保持するには、燃焼用空気の流
量調節が必要不可欠なものとなっている。

そこで、二次燃焼用混合気への着火時には、混合気の着
火可能な燃室比となるように開口部２０の流路面積を可
動片２２の移動により小さくして調節するが、混合気が
適正な燃室比となって場合には、燃焼用空気２１の流量
が極めて少量となり、混合気には着火したものの、後部
燃焼室内への混合気の流入速度が非常に小さくなって、
燃焼火炎が噴出部１８まで逆流して、噴出部１８近傍を
焼損させたり、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。従って、可動片２２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
。このことにより、二次燃焼用混合気の燃室比は、空気
量が所定の量より多いことになり小さい値となっている
。ここで、−次燃焼のみから一次、二次両方の燃焼に移
行する場合の燃料流量の制御について説明する。ガスタ
ービンの出力は、回転数一定で運転される発電用では燃
料流、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、−次燃料流量と二次燃料流量
の合計の燃料流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一次燃焼時の場合と一次、二次燃
焼へ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流量が少なく、燃室比が小さくなり
燃焼性能への悪影響をもたらす可能性がある。また、先
に述べたように、二次燃焼部では、燃焼用空気流量が多
く燃室比が小さい状態にある。これらを゛　解決するた
めに、圧縮機により圧縮中の燃焼用空気を、第１図に示
すように、燃焼器の装着されたケーシング４内に到達す
る前に抽気して、その圧縮空気より圧力の低い排ガス２
３中、あるいは、排気室、又は、排気ダクトに連通し、
かつ、流量１１４ｍ弁２４により抽気量を制御し、燃焼
用空気量を全体的に減少させ燃室比を適正な範囲となる
ようにしている。ここで、圧縮機の仕事中の高温。

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をも通すことなく抽気するため、タービ
ン２での通過燃焼ガスが減少し、出力が低下する傾向と
なるが、この出力低下分は、燃料流量増加することによ
り補われ、実質的にこの抽気により燃料流量の増加およ
び空気流量の減少が生じ燃室比の増大につながることに
なる。しかも、この燃室比の増大は、−次、二次燃焼の
開始時に非常に効果を発揮する。第３図は、制御図を示
す。横軸はガスタービン負荷をとり、可動片開度、抽気
量及び燃室比を示し、横軸は全て同一尺度としている。

通常、燃焼器で、低Ｎ　Ｏｘ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り、燃焼方式
と燃室比によりほぼ性能が決まってくる。第３図で、燃
室比は、下段の範囲が一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。

両者の範囲は、いずれも上限が燃室比の増大による火炎
温度上昇からくるＮＯｘ値の制限値より決まり、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
囲内に燃室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にはなり得ない。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
至るまでの制御については本図に示していないが、−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
所定の燃室比となるように燃料流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Ｏの位置の燃室比
となる。定格回転数に達した後は、負荷運転となるが、
この負荷運転の間は、全て回転数は一定であり、圧縮機
からの圧縮空気、すなわち、燃焼器の方へ流入する燃焼
用空気量が一定となる。よって、後述するように、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
荷は、燃料流量の制御に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Ｏから負荷上昇に伴い、燃料流量
増加することにより適正な燃室比範囲内で上昇している
。さらに、負荷上昇により燃料流量が増加し燃室比が上
昇するが、燃室比の上限に近くなりＮＯｘ量が増大する
傾向となるため、ここで前述した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方向へ移動することに
より除々に減じ、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流量の増加が伴
って、結果的には燃室比はほぼ一定となり、Ｎｏｘｐ度
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、全開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、可動片を全開としないのは、前述のように
、全開では空気量が極めて少量となり、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た
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させるこ
とになるが、−次燃焼のみから一次、二次燃焼へ移行す
る場合の燃料流量が移行前は一次燃料流量のみであり、
移行後は一次燃料と二次燃料の合計燃料流量となり、移
行前後においてガスタービン負荷が変わらないとすれば
、合計燃料流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室比及び−次、二次燃焼時の一
次燃焼部、二次燃焼部各々の燃室比は、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室比範囲内とな
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
次燃焼へ移行しようとすると燃室比は、第３図中の破線
で示すように変化し、移行後において、燃室比の下限を
下廻る結果となり。

第４図に示すように非ガス特性として不完全燃焼による
ＣＯが破線のように発生し、ＮＯｘ濃度は低Ｃ）ものの
非常に燃焼性能が低い不安定な燃焼となり１種々の問題
を生じることになる。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、適正な燃室比となるようにしようとするもの
である。具体的には、圧縮機で圧縮中の空気を圧縮機の
中間段より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で、最大となるように流
量調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さらに投入されることになり、結
果的には、第３図の燃室比の変化に見られるように燃室
比が上昇することになる。この抽気により、燃室比が増
加したことにより燃焼温度が上昇し、第４図に示される
ように多少ＮＯｘ濃度が高くなるが定格運転時よりは低
く問題とはならない。Ｇｏ濃度については、抽気により
一次燃焼時はさほど変化ないが、−次、二次燃焼に移行
した後の一次。

二次燃焼部の燃室比が抽気によって低下した出力を補う
ための燃料流量の増加により高くなり適正な燃室比範囲
に入るようになるため、従来に比べて極端に減少する。

このことにより従来に比べて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、負荷上昇に伴い燃
料流量が増加することにより燃室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
室比としては適正な燃室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。さらに、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
動させることにより適正な燃室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、空気量の調節は行われず、燃料流量の増加により
負荷は上昇し、燃室比は燃料料量の増加により上昇する
が、この高負荷範囲では、空気量調節が完了した時点の
燃室比を適正な燃室比範囲の下限近くになるように戻節
しているため、空気量調節が行われなくても適正な燃室
比範囲内で燃室比が上昇するのみであり、燃焼性能およ
び排ガス特性に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、あるいは、他の多段燃焼
器において、適用可能であり、燃焼器の燃焼特性および
排ガス特性を良好に保持するべく全負荷帯で適正な燃室
比範囲内となるように、燃焼用空気量の調節を全量およ
び部分的に調節できるようにしたことを特徴とする。

第５図、第６図に本発明の変形例を示す。いずれも圧縮
機中間段より抽気した空気の連通先について、第一図を
変形したものである。第５図は、圧縮機１で圧縮中の突
気ＩＣを配管２５により圧縮機より抽気し流ｌｆ調整弁
２４を介して、抽気の圧力より低い圧縮機１の低圧段１
ｂに連通している。このことにより、圧縮中の空気をそ
れより低圧部に抽気し連通させ抽気部以降の圧縮空気量
を減らし、最終的には１ｍｍ囲器流入する燃焼用空気量
を減少させる。第６図は、圧縮機１で圧縮中の空気ＩＣ
を配管２５により抽気し流量調整弁２４を介して抽気の
圧力より低いタービン部中間段２ａに連通させるように
したものであり、圧力の高い圧縮突気をタービン部燃焼
ガスと合流させることに１より、エネルギの回収を行い
、抽気による効率低下を緩和する。すなわち１両者共、
目的は、圧縮機からの抽気によって燃焼器に流入する燃
焼用空気量を調節しようとするものである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、燃焼器の燃焼用空気量を部分的、ある
いは、全体的に調節できるので適正な燃室比範囲内とな
るように、あらゆる条件下で正確に制御することができ
、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することができる。

【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、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、排ガス特性図、第５図、第６図は、本発明の変形
例を示す系統図である。 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方式のガスタービン燃焼器に
   おいて、 前記燃焼器部に流入する燃焼用空気の全量および局部的
   な量を制御する手段を設け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、 前記燃焼用空気の制御のため、局部的には機械式可動片
   により行い、全量は、圧縮機における圧縮中の空気を抽
   気することにより行う手段を設けた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、前記抽気は、ガス
   タービンの排ガス中、あるいは、排気室、又は、排気ダ
   クトないしは、抽気の圧力より低い前記圧縮機の低圧段
   、さらには、タービン部中間段のいずれかに連通される
   ことを特徴とするガスタービン燃焼器。