WO2001029484A1

WO2001029484A1 - Chambre de combustion de turbine a gaz, premelangeur pour chambres de combustion de turbine a gaz et procede de premelange pour chambres de combustion de turbine a gaz

Info

Publication number: WO2001029484A1
Application number: PCT/JP1999/005779
Authority: WO
Inventors: Hiroshi Inoue; Tomomi Koganezawa; Noriyoshi Kobayashi; Masaya Ohtsuka; Kazuyuki Ito; Isao Takehara
Original assignee: Hitachi, Ltd.
Priority date: 1999-10-20
Filing date: 1999-10-20
Publication date: 2001-04-26
Also published as: EP1223383A1; AU4607201A; US6871503B1; EP1223383A4; JP4066658B2; DE69942104D1; EP1223383B1

Description

明細書

ガスタービン燃焼器、ガスタービン燃焼器用予混

合装置、及びガスターピン燃焼器の予混合方法技術分野

本発明は、ガスターピン燃焼器の予混合装置、ガスタービン燃焼器の予混合方法、ガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼方法に関する。背景技術

ガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼方法においては、大気汚染物質である N O xの排出量を低減するため、燃料が燃焼室に入る前に、予め燃料と空気を混合しておく予混合燃焼法の適用が進んでいる。例えば、特開平 3— 1 7521 1 号公報に記載されているように、中心部を安定性に優れた拡散燃焼とし、外周側に低 N O X性に優れた予混合燃焼を配して低 N O x化を図ったものがある。ここで、圧縮機から送られる空気は . 燃焼器外筒と燃焼器ライナの間を通り、夫々、燃焼室ゃ予混合器等へ流入する。

拡散燃焼用燃料は拡散燃料ノズルから燃焼室に噴射され安定な拡散火炎を形成し、予混合用燃料は予混合燃料ノズルから環状の予混合器内へと噴出して空気と混合して予混合気となる。

この予混合気は燃焼室へ流出し、予混合火炎を形成する。発生した高温燃焼ガスはタービンへ入り仕事をして排気される。

このような予混合燃焼を利用する低 N O x燃焼器では均一な予混合気の形成が低 N O x性能を大きく左右する。特に、本従来例のように空気の流れが予混合器の入口で Uターンするような構成の場合、予混合器内の空気の流れに偏流を生じやすく均一な混合気を形成しづらい。つまリ、このような技術では予混合器内での混合促進に留意する必要がある。予混合内の空気の流れに関しては、従来、特開昭 60— 223587号公報や特開平 2— 26741 9 号公報等の技術があげられる。

上記特開平 2— 2674 1 9 号公報には、燃料ノズル 1 本毎に周方向に分離されるように隔壁を設け、予混合燃焼用空気が偏って流入するように開口の偏った入口窓を設置して、予混合燃焼用空気に旋回成分を発生させ、燃料との混合を促進しょうとする技術が記載されている。しかし、窓形状や燃料ノズルとの関係については十分な考慮がなされていない。

本発明の目的は、予混合を均一化し、低 N 0 X性能の優れたガスタービン燃焼器の予混合装置，ガスターピン燃焼器の予混合方法，ガスタービン燃焼器及びガスタービン燃焼方法を提供することにある。発明の開示

本発明のガスタービン燃焼器は、燃料と空気とを燃焼室に噴出して拡散燃焼火炎を形成する拡散燃焼ノズルと、環状の予混合流路を形成する外壁及び内壁と、前記予混合流路内に配置され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を前記燃焼室に噴出して予混合燃焼火炎を形成する予混合ノズルと、を備えたガスタービン燃焼器において、前記予混合ノズルは前記予混合流路内に複数配置され、前記予混合流路に流入される空気が該予混合ノズルに対して旋回流を形成するように、該外壁に空気を流入する開口部を設け、前記開口部は円周方向で隣り合う 2 つの予混合ノズルに対して一個所設けることを特徴とする。

或いは、本発明のガスタービン燃焼器は、燃料と空気とを燃焼室に噴出して拡散燃焼火炎を形成する拡散燃焼ノズルと、環状の予混合流路を形成する外壁及び内壁と、前記予混合流路内に配置され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を前記燃焼室に噴出して予混合燃焼火炎を形成する予混合ノズルと、を備えたガスタービン燃焼器において、前記予混合ノズルは前記予混合流路内に円周方向で複数配置され、前記予混合流路に流入される空気が該予混合ノズルに対して旋回流を形成するように、該外壁に空気を流入する開口部を設け、前記開口部は、円周方向で隣り合う 2 つの予混合ノズルに対して一個所設け、前記 2 つの予混合ノズル夫々に対する旋回流の回転方向を逆向きにすることを特徴とする。或いは、本発明のガスタービン燃焼器は、燃料と空気とを燃焼室に噴出して拡散燃焼火炎を形成する拡散燃焼ノズルと、該拡散燃焼ノズルの外側に配置された内筒と、該内筒の外側で円周方向に複数個配置され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を前記燃焼室に噴出して予混合燃焼火炎を形成する予混合ノズルと、円周方向で隣り合う 2つの予混合ノズルに対して夫々回転方向が異なる旋回流を形成する手段とを備えたことを特徴とする。

或いは、本発明のガスタービン燃焼器は、燃料と空気とを燃焼室に噴出して拡散燃焼火炎を形成する拡散燃焼ノズルと、環状の予混合流路を形成する外壁及び内壁と、前記予混合流路内に配置され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を前記燃焼室に噴出して予混合燃焼火炎を形成する予混合ノズルと、を備えたガスタービン燃焼器において、前記予混合ノズルは前記予混合流路内に円周方向で複数配置され、前記予混合流路に流入される空気が隣り合う 2つの該予混合ノズルに対して旋回流を形成するように、該外壁に空気を流入する開口部を設けることを特徴とする。

或いは、本発明のガスタービン燃焼器は、燃料と空気とを燃焼室に噴出して拡散燃焼火炎を形成する拡散燃焼ノズルと、環状の予混合流路を形成する外壁及び内壁と、前記予混合流路内に配置され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を前記燃焼室に噴出して予混合燃焼火炎を形成する予混合ノズルと、を備えたガスタービン燃焼器において、前記予混合ノズルは前記予混合流路内に円周方向で複数配置され、円周方向で隣り合う 2つの予混合ノズルの間の位置であって該外壁に前記予混合流路に空気を流入する開口部を設け、円周方向で前記隣り合う 2 つの予混合ノズルの両側に、隔壁部材を設けることを特徴とする。

或いは、本発明のガスタービン燃焼器は、燃料と空気とを燃焼室に噴出して拡散燃焼火炎を形成する拡散燃焼ノズルと、該拡散燃焼ノズルの外側に配置された内筒と、該内筒の外側で円周方向に複数個配置され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を前記燃焼室に噴出して予混合燃焼火炎を形成する予混合ノズルと、

円周方向で隣り合う 2 つの予混合ノズルに対して夫々回転方向が異なる旋回流を形成する手段と、円周方向で隣り合う 2 つの予混合ノズルを軸方向に沿って取り囲む部材とを備えたことを特徴とする。

或いは、本発明のガスタービン燃焼器は、燃料と空気とを燃焼室に噴出して拡散燃焼火炎を形成する拡散燃焼ノズルと、環状の予混合流路を形成する外壁及び内壁と、前記予混合流路内に配置され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を前記燃焼室に噴出して予混合燃焼火炎を形成する予混合ノズルと、を備えたガスタービン燃焼器において、前記予混合ノズルは前記予混合流路内に円周方向で複数配置され、前記予混合流路に流入される空気が該予混合ノズルに対して旋回流を形成するように、該外壁に空気を流入する開口部を設け、前記 2 つの予混合ノズル夫々に対する旋回流の回転方向を逆向きにすることを特徴とする。或いは、本発明のガスタービン燃焼器は、燃料と空気とを燃焼室に噴出して拡散燃焼火炎を形成する拡散燃焼ノズルと、環状の予混合流路を形成する外壁及び内壁と、前記予混合流路内に配置され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を前記燃焼室に噴出して予混合燃焼火炎を形成する予混合ノズルと、を備えたガスタービン燃焼器において、前記予混合ノズルは前記予混合流路内に円周方向で複数配置され、前記予混合流路に流入される空気が該予混合ノズルに対して旋回流を形成するように、該外壁に空気を流入する開口部を設け、前記開口部の形状を、予混合器流入前の空気主流方向で末広がりの略三角形状、又は、予混合器流入前の空気主流方向で先細りの略三角形状とし、前記 2つの予混合ノズル夫々に対する旋回流の回転方向を逆向きにすることを特徴とする。或いは、本発明のガスタービン燃焼器用予混合装置は、円周方向で複数個配置され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を前記燃焼室に噴出して予混合燃焼火炎を形成する予混合ノズルを備えたガスターピン燃焼器用予混合装置において、円周方向で隣り合う 2つの予混合ノズルに対して旋回流を形成するように、隣り合う 2つの予混合ノズルに対して一個所の空気流入口を設けることを特徴とする。

或いは、本発明のガスタービン燃焼器用予混合装置は、円周方向で複数個配置され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を前記燃焼室に噴出して予混合燃焼火炎を形成する予混合ノズルを備えたガスタービン燃焼器用予混合装置において、円周方向で隣り合う 2つの予混合ノズルに対して各々回転方向が逆の旋回流を形成するように、隣り合う 2つの予混合ノズルに対して一個所の空気流入口を設けることを特徴とする , 或いは、本発明のガスタービン燃焼器用予混合装置は、円周方向で複数個配置され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を前記燃焼室に噴出して予混合燃焼火炎を形成する予混合ノズルを備えたガスタービン燃焼器用予混合装置において、円周方向で隣り合う 2 つの予混合ノズルに対して夫々回転方向が異なる旋回流を形成する手段を設けることを特徴とする。

或いは、本発明のガスタービン燃焼器の予混合方法は、円周方向で複数個配置され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を前記燃焼室に噴出して予混合燃焼火炎を形成する予混合ノズルを備えたガスタービン燃焼器の予混合方法において、円周方向で隣り合う 2つの予混合ノズルに対して一個所の空気流入口から空気を流して、該 2 つの予混合ノズルの周辺に旋回流を形成することを特徴とする。

或いは、本発明のガスタービン燃焼器の予混合方法は、円周方向で複数個配置され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を前記燃焼室に噴出して予混合燃焼火炎を形成する予混合ノズルを備えたガスタービン燃焼器の予混合方法において、隣り合う 2 つの予混合ノズルに対して一個所の空気流入口から空気を流して、前記 2 つの予混合ノズルの周辺に各々回転方向が逆の旋回流を形成することを特徴とする。

或いは、本発明のガスタービン燃焼器の予混合方法は、円周方向で複数個配置され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を前記燃焼室に噴出して予混合燃焼火炎を形成する予混合ノズルを備えたガスタービン燃焼器の予混合方法において、円周方向で隣り合う 2 つの予混合ノズルの周辺に、夫々回転方向が異なる旋回流を形成することを特徴とする図面の簡単な説明

第 1 図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分横断面図を示す。第 2 図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分上面図を示す。第 3図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分縦断面図を示す。第 4図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分縦断面図である。第 5図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分横断面図である。第 6図は、本発明の一実施例である燃焼器全体の構成断面図である。第 7図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分横断面図を示す。第 8図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分縦断面図を示す。第 9図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分上面図を示す。

第 1 0図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分横断面図を示す。第 1 1 図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分縦断面図を示す。第 1 2図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分上面図を示す。第 1 3図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分横断面図を示す。第 1 4図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分縦断面図を示す。第 1 5図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分上面図を示す。第 1 6図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分横断面図を示す。第 1 7図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分縦断面図を示す。第 1 8図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分上面図を示す。第 1 9図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分横断面図を示す。第 2 0図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分縦断面図を示す。第 2 1 図は. 本発明の一実施例である燃焼器の部分上面図を示す。第 2 2図は. 本発明の一実施例である燃焼器の部分横断面図を示す。第 2 3図は本発明の一実施例である燃焼器の部分縦断面図を示す。第 2 4図は本発明の一実施例である燃焼器の部分上面図を示す。第 2 5図は本発明の一実施例である燃焼器の部分上面図を示す。第 2 6図は本発明の一実施例である燃焼器の部分上面図を示す。第 2 7図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分縦断面図を示す。第 2 8図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分上面図を示す。第 2 9図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分上面図を示す。第 3 0図は、 3つの実施例における旋回強度を比較した図である。第 3 1 図は、実施例 2 を基準に、 3つの実施例における旋回強度の減衰を比較した図である。

第 3 2図は、本発明を適用した燃焼器の部分縦断面図を示す。

第 3 3図は. 本発明を適用した燃焼器の部分横断面図を示す。

第 3 4図は. 本発明の一実施例である燃焼器の部分上面図を示す。第 3 5図は本発明の一実施例である燃焼器の部分縦断面図を示す。第 3 6図は本発明の一実施例である燃焼器の部分横断面図を示す。第 3 7図は本発明の一実施例である燃焼器の部分上面図を示す。第 3 8図は本発明の一実施例である燃焼器の部分横断面図を示す。第 3 9図は本発明の一実施例である燃焼器の部分上面図を示す。発明を実施するための最良の形態

以下に、本発明の実施の形態を説明する。

本発明の実施の形態では、入口窓の形状を燃焼器の軸方向に沿って周方向の幅の変化する構成とすることにより旋回渦の強さや大きさを変化させ最大の効果が得られるように配慮した。

また、予混合器の周方向に配置される燃料ノズル 2本に対し入口窓 1 つを一組として 2つずつのペアの旋回渦を発生させることにより、相対的に入口窓の数を減らすとともに予混合器内の隔壁を減らして旋回渦の減衰を防止して混合をさらに促進するようにした。

予混合器入口窓と、隔壁の数を減らすことで製作コストを低減できるとともに、旋回渦を強化 · 適正化することにより、いっそう均一度の高ぃ予混合気が得られ、優れた低 N 0 X性能の燃焼器を提供できる。

(実施例 1 )

以下、本発明の第一の実施例を第 1 図〜第 6図により説明する。

第 6図は、燃焼器全体の構成断面図である。この燃焼器は、中心部を安定性に優れた拡散燃焼とし、外周側に低 N 0 X性に優れた予混合燃焼を配して低 N 0 X化を図った例である。

第 6図に示すように、この燃焼器では、圧縮機 1 0から送られる空気 5 0は、燃焼器外筒 2 と燃焼器ライナ 3 との間を流れる。そして、その空気の一部部分は、燃焼器ライナの冷却空気 5 1 として燃焼室 1 へ流入し、また、その空気の他の一部分は、予混合用空気 4 9 として予混合器 1 2へ流入する。その空気の残りは、予混合器流路と燃焼器端板の間の通路を経て燃焼空気孔 1 4 aと冷却空気孔 1 7から燃焼室 1 へと流入する。

また、拡散燃焼用燃料 1 6は、拡散燃料ノズル 1 3から燃焼室 1 に噴射され、安定な拡散火炎 4を形成する。予混合用燃料 2 1 は、予混合燃料ノズル 8から環状の予混合器 1 2内へと噴出して空気と混合して予混合気 2 2 となる。この予混合気 2 2は、燃焼室 1 へ流出して予混合火炎 5 を形成する。そして、発生した高温燃焼ガスは、タービン 1 8へ入り仕事をして排気される。

このような予混合燃焼を利用する低 N O x燃焼器では、均一な予混合気の形成が低 N 0 X性能を大きく左右する。特に、空気の流れが予混合器の入口で Uターンするような構成の場合、予混合器内の空気の流れに偏流を生じやすく、均一な混合気を形成しづらい。そのため、予混合器内での混合促進に留意する必要がある。

本発明を適用した燃焼器の部分縦断面図を第 4図に示し、本発明を適用した燃焼器の部分横断面図を第 5 図に示す。本実施例での予混合装置は、第 4図及び第 5図に示すように、燃焼器外筒 2 と円筒状の燃焼器ライナ 3 ，燃焼室 1 に流出する環状の流路を有する予混合器 1 2 、およびこれらによって形成される環状の空気流路 2 0 3 ，予混合器 1 2 の外周側に設置された空気入り口窓である空気入口開口部 3 0 ，予混合器環状流路内に周方向に複数設置された予混合燃料ノズル 8 ，予混合燃料ノズノレ 8 に明けられた燃料噴口 8 1 ，予混合器環状流路内に周方向に複数設置された隔壁である仕切り 3 1 を備えている。

燃焼器外筒 2 は、高温高圧の空気 5 0 を外気にもらさないことと燃焼器部材をガスタービン本体に固定するものである。燃焼器ライナ 3 は、燃焼室 1 を形成し、その内部において燃料と空気が燃焼反応を行い、高温の燃焼ガスを発生させ、タービンに高温の燃焼ガスを導くものである ₍ 予混合器 1 2 は、環状の流路を形成し、この流路において燃料と空気を混合して予混合気 2 2 を形成し、燃焼室 1 に流出させ、 N O x排出量の少ない予混合燃焼を行わせるものである。

空気流路 2 0 3 は、高温高圧の空気を予混合器 1 2 などへ送るための環状の流路である。

予混合燃料ノズル 8 は、予混合器 1 2 の入り口に近い環状流路中に燃料を適正に分散させるように周方向に複数本設置され、またそれぞれの燃料ノズル 8 には、燃料噴口 8 1 がー個以上設置され、予混合器 1 2 中に燃料を噴射する。

隔壁である仕切り 3 1 は、予混合器 1 2 の内外周の壁を機械的に支えるとともに、予混合器の環状流路を周方向に複数に仕切っている。

次に、第 1 図〜第 3 図を用いて本発明を説明する。第 1 図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分横断面図を示し、第 2 図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分上面図を示し、第 3図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分縦断面図を示す。

本実施例では、空気入リ口窓である空気入口開口部 3 0は、空気流路 2 0 3から予混合器 1 2へ空気が流れ込む入リ口を形成しておリ、燃料ノズル 8の二本に 1個の割合で開口部分が周方向に分散して設置され、それぞれの主開口面積は二本の燃料ノズルの周方向中間位置にくるように設置されている。

また、開口部分の幅は空気流路 2 0 3 を流れる空気の主流方向に先細になっておリ概略三角形状の開口形状をしている。

次に本発明の実施例の動作を説明する。第 4図に示すように、圧縮機から送られる高温高圧の空気 5 0は燃焼器外筒 2 と燃焼器ライナ 3及び予混合器 1 2 によって形成される環状の流路 2 0 3 を通って予混合器の空気入口開口部 3 0 に到達する。ここで空気 5 0は予混合器 1 2 に流入する予混合用空気 4 9 と拡散燃焼器等へ流入する空気 1 4に分岐する。第 1 図に示すように、予混合器 1 2 に入った予混合空気 4 9は予混合器 1 2の流路に沿うように流れ方向を反転し、中に設置された燃料ノズル 8の燃料噴孔 8 1 から噴射される予混合燃料 2 1 と混合しながら予混合気 2 2 を形成し、燃焼室 1 に流出する。

燃焼室 1 では、上流側の拡散燃焼器の高温ガスを着火源とするかまたは適当な保炎装置（ブラフボディなど）によって予混合火炎を形成し、 N O x発生の少ない予混合燃焼反応を行い高温の燃焼ガスを発生する。

ここで、予混合気 2 2の燃料濃度の均一性が良いほど、燃焼ガスの温度が均一となり N O xの発生源となる高温部分を排除し低 N O x燃焼を実現することができる。

次に、本実施例の燃料と空気の混合過程について、第 7図〜第 2 4図を用いて詳細に説明する。

まず、空気入口窓形状と予混合器中に発生する空気の流れについて第 7 図〜第 1 2 図により説明する。

第 7 図〜第 9 図に示すように、予混合器 1 2 に入った予混合空気 4 9 は予混合器 1 2 の流路に沿うように流れ方向を反転し、中に設置された燃料ノズル 8 の燃料噴孔 8 1 から噴射される予混合燃料 2 1 と混合しながら予混合気 2 2 を形成し、燃焼室 1 に流出する。ここでは簡単のためひとまず燃料ノズルを省略し空気の流れのみについて説明する。第 9 図に示すように、窓形状を周方向全体に大きな一つづきの開口とした場合、つまり、空気入口開口部 3 0 を円周方向で連続的に設けた場合、第 7 図及び第 8 図に示すように、予混合器 1 2 中の空気の流れは流路断面内の 2 次流れの小さい層状の流れとなり、燃料と空気の混合はあまリ促進されない。また、空気の流れが反転した予混合器外周側壁の内面に周方向に軸を持つ剥離渦が発生し'やすい。この渦は不安定で時々離脱し流れに乗って下流に放出され下流側の火炎を引き戻す逆火現象を引き起こす原因の一つと考えられている。

これに対して、第 1 0 図〜第 1 2 図に示すように、本発明の実施例では、円周方向に分散した開口部としている。つまり、空気入口開口部 3 0 を円周方向で不連続に設けている。そのため、第 1 0 図及び第 1 1 図に示すように、周方向両側の入口空気窓である空気入口開口部 3 0 の背面に、流れの剥離に伴う負圧領域 3 0 0 が形成され、この負圧領域 3 0 0 を中心とする一対の安定な渦 3 0 1 が形成される。また、第 1 0 図に示すように、発生した渦 3 0 1 の旋回方向は、燃焼器円周方向でみると、隣り合う渦 3 0 1 は夫々逆方向に旋回している。この渦 3 0 1 は予混合器壁内面との摩擦損失で少しずつ減衰しながらも軸方向下流側に伸び、予混合器内の空気を流路断面内で大きく撹拌し、燃料と空気の混合を促進することができる。

次に、第 1 3図〜第 1 5図及び第 1 6図〜第 1 8図を用い、空気入口窓である空気入口開口部 3 0の開口幅を空気 5 0の主流方向に変化させた場合の効果の違いについて説明する。第 1 3図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分横断面図であり、第 1 4図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分縦断面図であり、第 1 5図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分上面図である。

第 1 3図〜第 1 5図に示す実施例は、開口部形状を空気流路 2 0 3の空気 5 0主流方向に向かって（予混合空気の流れ方向と逆方向に向かつて）先細の概略三角形状になるようにした場合の渦 3 0 1 の状況を示す _c この場合は、予混合器流路の内周側まで全体に、渦が拡がり、より強い撹拌混合作用が得られる。

また、第 1 6図は本発明の一実施例である燃焼器の部分横断面図であリ、第 1 7図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分縦断面図であり . 第 1 8図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分上面図である。

第 1 6図〜第 1 8図に示す実施例は、逆に開口部形状を空気流路 203 の空気主流方向に末広がりになるようにした場合の渦 3 0 1 の状況を示す。この場合、渦 3 0 1 は予混合器の比較的外周側に限定され、撹拌混合作用も相対的に小さくなる。

空気入口窓の形状を流れ方向に変化させない場合は、先に述べた第 10 図〜第 1 2図の例であり、第 1 0図〜第 1 2図の例は、これらの中間の作用となる。

このように、予混合器空気入口窓 3 0 を周方向に分散させ、予混合器内に旋回方向が逆方向の一対の渦 3 0 1 を形成させることにより、予混合器内の燃料と空気の混合を促進できる。

さらに、予混合器空気入口窓である空気入口開口部 3 0の形状を空気 5 0の流れ方向に先細となるような概略三角形状とすることで渦 3 0 1 を大きく強くすることができ、一層混合撹拌作用を強化できる。

次に、空気入口窓 3 0 と予混合燃料ノズル 8の位置関係と混合過程の関係について、第 1 9図〜第 2 1 図及び第 2 2図〜第 2 4図により説明する。第 1 9図は本発明の一実施例である燃焼器の部分横断面図であり、第 2 0図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分縦断面図であり、第 2 1 図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分上面図であり、第 2 2 図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分横断面図であり、第 2 3図は、本発明の一実施例である燃焼器の部分縦断面図であり、第 2 4図は, 本発明の一実施例である燃焼器の部分上面図である。

第 1 9図〜第 2 1 図は、空気入口窓 3 0の中央直下に予混合燃料ノズル 8が位置するように設置した場合である。つまり、空気入口窓 3 0 と燃焼器軸中心とを結ぶ線上にほぼ予混合燃料ノズル 8が位置している場合である。この場合は、渦 3 0 1 は隣接する予混合燃料ノズル 8の間に形成されるが、予混合用空気 4 9の主流を予混合燃料ノズル 8が邪魔をするようなかたちとなり、渦 3 0 1 は比較的小さくかつ緩やかなものとなる。

これに対して、第 2 2図〜第 2 4図は、本発明の実施例を示したもので、空気入口窓である空気入口開口部 3 0の開口の中心が隣接する予混合燃料ノズル 8のほぼ中間に位置するように設置した場合である。この場合は、渦 3 0 1 は予混合燃料ノズル 8 をとりまくように大きく強く形成され、優れた混合撹拌効果を得屡ことが出来る。

一方、本実施例では、予混合器入口空気窓一つに対して逆旋回の渦の対が形成されるため、隣接する予混合器入口空気窓の渦同士も逆旋回となっており、干渉しにくい構成となっている。このため、従来、周方向の一つの窓毎に予混合器流路を仕切る隔壁である仕切り 3 1 を必ず必要としていたが、本実施例では、予混合器の機械強度を保つ最低限の隔壁があればよい。つまり、仕切リ 3 1 を省略して簡易構造としたり、仕切リ 3 1 を簡素化する事が出来る。通常、混合を促進する渦 3 0 1 の減衰の主要因は予混合器壁との摩擦損失による減衰であることから、本実施例では予混合器入口空気窓で形成した渦の減衰を非常に少なくすることができ、より均一な予混合器を形成することができる。

逆に言えば、同一の混合度の予混合器を得るために必要な予混合器の長さを短くすることができ、コスト低減の効果と設計上の自由度が向上する。

また、不安定な周方向剥離渦もできにくく、逆火等のポテンシャルの低減にも繋がると考えられる。

同時に、本実施例のように、隔壁を最小限まで減らすことができるためこの点でも製作上のコスト低減に寄与できる。

(実施例 2 )

本発明の第 2の実施例を第 2 5図により説明する。この実施例では基本的な構成は第 1 の実施例と同じであるが空気入口開口部 3 0の形状が空気の主流方向に一定の幅である点が異なる。このように構成することにより、前述のように混合撹拌性能はやや小さくなるが、部品製作や組立の容易性などが向上すると考えられる。

(実施例 3 )

本発明の第 3の実施例を第 2 6図により説明する。この実施例では第 1 の実施例と基本的な構成は同一であるが、空気入口開口部 3 0の形状が空気の主流方向に末広がりの概略三角形状にしてある点が異なる。このように構成することにより、既に述べたように、窓下流側の旋回渦発生源は比較的外よりの狭い範囲に限定され、比較的緩やかな混合を実現でき、上流側拡散燃焼との干渉の問題で内周側の混合度を緩やかにしたい場合などに有効である。

ここで、上記実施例 1 〜実施例 3 について、渦の旋回強度を比較したものを第 3 0図を用い説明する。第 3 0図は、 3つの実施例における旋回強度を比較した図である。横軸は予混合ノズル噴孔からの軸方向距離を無次元化したものをとリ、縦軸は旋回強度を示す。

これらの旋回強度は、従来と比べて高いものであり、また、旋回強度の軸方向での減衰は、従来と比べて少ないものである。

その中でも、実施例 1 では、全般的に旋回強度が高いことがわかった, つまリ、実施例 1 のような主流方向に向かって順次その幅が減少する略三角形上の開口部の場合には、顕著に旋回強度が高い事がわかる。

また、上記実施例 1 〜実施例 3 について、渦の旋回強度の減衰を比較したものを第 3 1 図を用い説明する。第 3 1 図は、実施例 2 を基準に、 3つの実施例における旋回強度の減衰を比較した図である。横軸は予混合ノズル噴孔からの軸方向距離を無次元化したものをとり、縦軸は実施例 2の旋回強度値を 1 とした場合の相対的な旋回強度を示す。

上記実施例 1 〜実施例 3の中でも、実施例 1 では、全般的に旋回強度が高く、且つ実施例 2 と比較すると軸方向距離が長くなつても、旋回強度が減衰しづらいことがわかる。つまり、実施例 1 のような主流方向に向かって（予混合気の流れとは逆方向に向かって）順次その幅が減少する略三角形上の開口部の場合には、顕著に旋回強度が減少しづらい事がわかる。以上のように、本実施例では、予混合器入口空気窓で形成した渦の減衰を最小限とすることができ、よリ均一な予混合器を形成することができ低 N O X性能の向上に寄与できる。同一の混合度の予混合器を得るために必要な予混合器の長さを短くすることができ、コスト低減の効果と設計上の自由度が向上する。また、不安定な周方向剥離渦もできにくく，逆火等のポテンシャルの低減にも繋がると考えられる。同時に、本実施例のように隔壁を最小限まで減らすことができるためこの点でも製作上のコスト低減に寄与できる。

(実施例 4 )

本発明の第 4の実施例を第 2 7図〜第 2 9図により説明する。この実施例では基本的な構成は第 1 の実施例と同じであるが、燃料ノズルを短くして予混合器壁面に設置した点が異なる。本実施例のように二つの渦をペアとして発生させる場合には、隣接する渦はその旋回方向が必ず逆になっているため旋回渦の安定性が高く、燃料ノズルも必ずしも前方にのびている必要はなく、壁面に燃料噴孔を直接設置することも考えられる。このようにすることで燃料ノズルそのものを簡素化できコスト低減に有効である。

(実施例 5 )

本発明を適用した燃焼器の部分縦断面図を第 3 2図に示し、本発明を適用した燃焼器の部分横断面図を第 3 3図に示す。本実施例では、特に予混合燃料ノズル 8の予混合燃料 2 1 の供給を、拡散燃料ノズル 1 3 に供給される拡散燃焼用燃料 1 6 と同一方向（主流方向下流側）から導入している。

予混合装置は、燃焼器外筒 2 と円筒状の燃焼器ライナ 3、燃焼室 1 に流出する流路を有し、予混合器流路内に周方向に複数設置された予混合燃料ノズル 8 を備えている。

燃焼器外筒 2 は、高温高圧の空気 5 0 を外気にもらさないことと燃焼器部材をガスタービン本体に固定するものである。燃焼器ライナ 3 は、燃焼室 1 を形成し、その内部において燃料と空気が燃焼反応を行い、高温の燃焼ガスを発生させ、タ一ビンに高温の燃焼ガスを導くものである _c 予混合器 1 2では、空気 1 4 ，主流方向で送られる空気 5 0 の一部が予混合空気 4 9 として予混合の流路に流れ、燃料と空気を混合して予混合気 2 2 を形成し、燃焼室 1 に流出させ、 N O x排出量の少ない予混合燃焼を行わせるものである。なお、空気 5 0 の他の一部である空気 1 4 は拡散側に送られる。

予混合燃料ノズル 8 は、予混合器 1 2 の入リロに近い流路中に燃料を適正に分散させるように燃焼器円周方向で、複数本を一組として複数組設置される。また、その一組を囲むように、一組毎に流路を形成している。本実施例では、第 3 3 図に示すように、 2つの予混合燃料ノズル 8 を一組として、その 2 つの予混合燃料ノズル 8 (—組の予混合燃料ノズル 8 ) を取り囲むような流路を、組毎に設けている。

また、第 3 4図に示すように、本実施例では、空気入り口窓である空気入口開口部 3 0 は、予混合器 1 2 へ空気が流れ込む入リロを形成しており、予混合燃料ノズル 8 の二本に 1 個の割合で開口部分が周方向に分散して設置され、それぞれの主開口面積は二本の燃料ノズルの周方向中間位置にくるように設置されている。そして、開口部分の幅は主流方向に向かって先細になっており概略三角形状の開口形状をしている。なお第 3 6 図及び第 3 7 図に示すように、予混合器 1 2 に入った予混合空気 4 9 は予混合器 1 2 の流路に沿うように夫々流れ方向を反転し、旋回流れ 3 0 1 を形成する事が出来る。このような構成においても、旋回強度の高い旋回流を形成する事が出来る。

(実施例 6 )

第 3 7図及び第 3 8図に、入り口窓の別形態の例を示す。本実施例では、隣り合う 2つの予混合燃料ノズル 8の周りに形成する旋回方向を、各々逆回転方向とする手段の一例である。

つまり、隣り合う 2つの予混合燃料ノズル 8の各々に対して、入リロ窓を形成し、その 2つの予混合燃料ノズル 8の中心付近から外側に向かつて順次開口部面積を減少しているものである。また、主流方向に向かつて順次開口部面積が減少しているものである。このような構成によつて、隣り合う 2つの予混合燃料ノズル 8の周りに形成する旋回方向を、各々逆回転方向とし、旋回強度の高い旋回流れを形成する事が出来る。

また、言い換えると、実施例 1 に示したような、主流方向に向かって順次開口部面積が減少している略三角形状の入り口部を、隣り合う 2つの予混合燃料ノズル 8 に対して一つ設け、その略三角形状の入り口部の中心付近に、空気が流れないような遮断部を形成しているものである。このような構成によって、隣り合う 2つの予混合燃料ノズル 8の周リに形成する旋回方向を、各々逆回転方向とし、旋回強度の高い旋回流れを形成する事が出来る。

なお、略三角形状の入口部で、第 3 9図に示すように、主流方向に対して、順次減少する開口部位を曲線状に形成しても良い。産業上の利用可能性

本発明によると、予混合を均一化し、低 N O x性能の優れたガスタービン燃焼器の予混合装置，ガスタービン燃焼器の予混合方法，ガスタービン燃焼器及びガスタ一ビン燃焼方法を提供することができるという効

° 24拳雀

0 z

LLS0/66dT/lDd m6Z/W OAV

Claims

請求の範囲

1 . 燃料と空気とを燃焼室に噴出して拡散燃焼火炎を形成する拡散燃焼ノズルと、環状の予混合流路を形成する外壁及び内壁と、前記予混合流路内に配置され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を前記燃焼室に噴出して予混合燃焼火炎を形成する予混合ノズルと、を備えたガスタービン燃焼器において、

前記予混合ノズルは前記予混合流路内に複数配置され、

前記予混合流路に流入される空気が該予混合ノズルに対して旋回流を形成するように、該外壁に空気を流入する開口部を設け、

前記開口部は円周方向で隣り合う 2つの予混合ノズルに対して一個所設けることを特徴とするガスタ一ビン燃焼器。

2 . 燃料と空気とを燃焼室に噴出して拡散燃焼火炎を形成する拡散燃焼ノズルと、環状の予混合流路を形成する外壁及び内壁と、前記予混合流路内に配置され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を前記燃焼室に噴出して予混合燃焼火炎を形成する予混合ノズルと、を備えたガスタービン燃焼器において、

前記予混合ノズルは前記予混合流路内に円周方向で複数配置され、前記予混合流路に流入される空気が該予混合ノズルに対して旋回流を形成するように、該外壁に空気を流入する開口部を設け、

前記開口部は、円周方向で隣り合う 2つの予混合ノズルに対して一個所設け、前記 2つの予混合ノズル夫々に対する旋回流の回転方向を逆向きにすることを特徴とするガスタービン燃焼器。

3 . 燃料と空気とを燃焼室に噴出して拡散燃焼火炎を形成する拡散燃焼ノズルと、

該拡散燃焼ノズルの外側に配置された内筒と、該内筒の外側で円周方向に複数個配置され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を前記燃焼室に噴出して予混合燃焼火炎を形成する予混合ノズルと、

円周方向で隣り合う 2 つの予混合ノズルに対して夫々回転方向が異なる旋回流を形成する手段とを備えたガスタービン燃焼器。

4 . 請求の範囲第 1 項又は第 2項に記載のガスタービン燃焼器において、円周方向位置で、隣り合う 2つの予混合ノズルの間に前記開口部を設けることを特徴とするガスタービン燃焼器。

5 . 請求の範囲第 1 項又は第 2項に記載のガスタービン燃焼器において、前記開口部の形状を、円周方向での開口幅が軸方向で変化する形状とすることを特徴とするガスタービン燃焼器。

6 . 請求の範囲第 5項に記載のガスタービン燃焼器において、前記開口部の形状を、予混合器流入前の空気主流方向で末広がりの略三角形状、又は、予混合器流入前の空気主流方向で先細りの略三角形状とすることを特徴とするガスタービン燃焼器。

7 . 燃料と空気とを燃焼室に噴出して拡散燃焼火炎を形成する拡散燃焼ノズルと、環状の予混合流路を形成する外壁及び内壁と、前記予混合流路内に配置され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を前記燃焼室に噴出して予混合燃焼火炎を形成する予混合ノズルと、を備えたガスタービン燃焼器において、

前記予混合ノズルは前記予混合流路内に円周方向で複数配置され、前記予混合流路に流入される空気が隣り合う 2つの該予混合ノズルに対して旋回流を形成するように、該外壁に空気を流入する開口部を設けることを特徴とするガスタービン燃焼器。

8 . 燃料と空気とを燃焼室に噴出して拡散燃焼火炎を形成する拡散燃焼ノズルと、環状の予混合流路を形成する外壁及び内壁と、前記予混合流路内に配置され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を前記燃焼室に噴出して予混合燃焼火炎を形成する予混合ノズルと、を備えたガスタービン燃焼器において、

前記予混合ノズルは前記予混合流路内に円周方向で複数配置され、円周方向で隣り合う 2 つの予混合ノズルの間の位置であって該外壁に前記予混合流路に空気を流入する開口部を設け、

円周方向で前記隣り合う 2 つの予混合ノズルの両側に、隔壁部材を設けることを特徴とするガスタービン燃焼器。

9 . 燃料と空気とを燃焼室に噴出して拡散燃焼火炎を形成する拡散燃焼ノズルと、

円周方向で隣り合う 2 つの予混合ノズルに対して夫々回転方向が異なる旋回流を形成する手段と、

円周方向で隣り合う 2 つの予混合ノズルを軸方向に沿って取り囲む部材とを備えたガスタービン燃焼器。

1 0 . 燃料と空気とを燃焼室に噴出して拡散燃焼火炎を形成する拡散燃焼ノズルと、環状の予混合流路を形成する外壁及び内壁と、前記予混合流路内に配置され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を前記燃焼室に噴出して予混合燃焼火炎を形成する予混合ノズルと、を備えたガスタービン燃焼器において、

前記予混合ノズルは前記予混合流路内に円周方向で複数配置され、前記予混合流路に流入される空気が該予混合ノズルに対して旋回流を形成するように、該外壁に空気を流入する開口部を設け、前記 2つの予混合ノズル夫々に対する旋回流の回転方向を逆向きにすることを特徴とするガスタービン燃焼器。

1 1 . 燃料と空気とを燃焼室に噴出して拡散燃焼火炎を形成する拡散燃焼ノズルと、環状の予混合流路を形成する外壁及び内壁と、前記予混合流路内に配置され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を前記燃焼室に噴出して予混合燃焼火炎を形成する予混合ノズルと、を備えたガスタービン燃焼器において、

前記開口部の形状を、予混合器流入前の空気主流方向で末広がりの略三角形状、又は、予混合器流入前の空気主流方向で先細りの略三角形状とし、

前記 2つの予混合ノズル夫々に対する旋回流の回転方向を逆向きにすることを特徴とするガスタービン燃焼器。

1 2 . 円周方向で複数個配置され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を前記燃焼室に噴出して予混合燃焼火炎を形成する予混合ノズルを備えたガスタービン燃焼器用予混合装置において、

円周方向で隣り合う 2 つの予混合ノズルに対して旋回流を形成するように、隣り合う 2 つの予混合ノズルに対して一個所の空気流入口を設けることを特徴とするガスタービン燃焼器用予混合装置。

1 3 . 円周方向で複数個配置され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を前記燃焼室に噴出して予混合燃焼火炎を形成する予混合ノズルを備えたガスタービン燃焼器用予混合装置において、

円周方向で隣り合う 2 つの予混合ノズルに対して各々回転方向が逆の旋回流を形成するように、隣り合う 2つの予混合ノズルに対して一個所の空気流入口を設けることを特徴とするガスタービン燃焼器用予混合装置。

1 4 . 円周方向で複数個配置され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を前記燃焼室に噴出して予混合燃焼火炎を形成する予混合ノズルを備えたガスタービン燃焼器用予混合装置において、

円周方向で隣り合う 2つの予混合ノズルに対して夫々回転方向が異なる旋回流を形成する手段を設けることを特徴とするガスタービン燃焼器用予混合装置。

1 5 . 円周方向で複数個配置され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を前記燃焼室に噴出して予混合燃焼火炎を形成する予混合ノズルを備えたガスタービン燃焼器の予混合方法において、

円周方向で隣り合う 2つの予混合ノズルに対して一個所の空気流入口から空気を流して、該 2 つの予混合ノズルの周辺に旋回流を形成することを特徴とするガスタービン燃焼器の予混合方法。

1 6 . 円周方向で複数個配置され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を前記燃焼室に噴出して予混合燃焼火炎を形成する予混合ノズルを備えたガスタービン燃焼器の予混合方法において、

隣り合う 2 つの予混合ノズルに対して一個所の空気流入口から空気を流して、前記 2つの予混合ノズルの周辺に各々回転方向が逆の旋回流を形成することを特徴とするガスタービン燃焼器の予混合方法。

1 7 . 円周方向で複数個配置され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を前記燃焼室に噴出して予混合燃焼火炎を形成する予混合ノズルを備えたガスタービン燃焼器の予混合方法において、

円周方向で隣り合う 2つの予混合ノズルの周辺に、夫々回転方向が異なる旋回流を形成することを特徴とするガスタービン燃焼器の予混合方法。