JPH02275221A - ガスタービンの燃焼室 - 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室に関する。

［従来の技術］ ガスタービンの運転時に規定された極度に低いＮＯ，エ
ミッションを考慮して多くのガスタービンメーカーは前
混合燃焼器を使用する方向に進んでいる。前混合燃焼器
の欠点の１つは、該前混合燃焼器が、きわめて低い空気
過剰率λで、例えばλ＝２においても、ガスタービンの
圧ｍ機の後方温度に応じて消火することである。

この理由からこのような前混合燃焼器はガスタービンの
部分負荷運転時には単数又は複数のパイロット燃焼器に
よって助成されねばならない。おおむねこのパイロット
燃焼器のために拡散型燃焼器が使用される。この技術は
全負荷範囲においてきわめて低いＮＯ，エミッションを
可能にするが、これに対して部分負荷運転ではこの補助
燃焼器システムは著しく高いＮｏ３エミツシヨンを惹起
する。拡散型補助燃焼器を比較的希薄の燃料で稼働させ
たり、或いはより小型の補助燃焼器を使用しようとする
試みが種々公知にはなっているが、燃焼不良でＣｏ／Ｕ
ＨＣエミッションが著しく上昇するために成功するには
至っていない。この状態はＣｏ／ＵＨＣ−Ｎｏ、５ｃｈ
ｅｒｅという名称で知られている。

［発明が解決しようとする課題１ 本発明は、ガスタービンの燃焼室においてＮＯ，エミッ
ションを最小限に抑えることである［課題を解決するた
めの手段］ 前記課題を解決する本発明の構成手段は、燃焼室が流入
側に所定数の２種の前混合燃焼器を装備し、両種の前混
合燃焼器が互いに並列されて同一方向の旋回流を発生さ
せるように方向づけられておりかつ異なった燃焼空気量
を流過させるように互いに異なった大きさに構成されて
おり、しかも２つの大型の前混合燃焼器の中間には夫々
１つの小型の前混合燃焼器が位置している点にある。

［作用］ 以下主燃焼器と呼ばれる大型の前混合燃焼器は、以下パ
イロット燃焼器と呼ばれる小型の前混合燃焼器に対して
、両種の燃焼器を通流する燃焼空気に関して成る量比関
係にあり、該量比関係は使用例に応じて規定される。燃
焼室のすべての負荷範囲においてパイロット燃焼器は独
立した前混合燃焼器として働き、その場合の空気過剰率
はほぼ一定である。本発明によってパイロット燃焼器が
負荷の全範囲において前混合燃焼器の理想的な混合気で
稼働することができるので、ＮＯ，エミッションは部分
負荷運転時においてもきわめて僅少である。

主燃焼器とパイロット燃焼器とが、互いに異なった大き
さの所謂二重円錐体燃焼器から成り、かつこれらが１つ
の環状燃焼室に組込まれているのが有利である。このよ
うな状況では環状燃焼室において循環流線はパイロット
燃焼器の渦中心にきわめて近く接近するので、着火はこ
のパイロット燃焼器でのみ可能である。回転数アップ時
には、パイロット燃焼器を介して供給される燃料量は、
パイロット燃焼器が制御されるまで、すなわち燃料量が
フルに使用されるまで高められる。構成は、この時点が
ガスタービンの負荷ドロップ条件に相当するように選ば
れる。次いでその後の出力上昇は主燃焼器を介して行わ
れる。装置のピーク負荷時には主燃焼器もフル制御され
ている。パイロット燃焼器の「小さな」高温の渦中心は
主燃焼器の大きな、比較的低温の渦中心の中間で種度に
不安定であるので、希薄な燃料で主燃焼器が稼働する場
合でも部分負荷運転範囲においてＣＯ／ＵＨＣエミッシ
ョンの低い極めて良好な燃焼が得られる。すなわちパイ
ロット燃焼器の高温渦流が主燃焼器の冷い渦流内へ即座
に侵入する訳である。

［実施例］ 次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説する。

但し、本発明を理解するために直接必要としないエレメ
ントは、すべてその説明を省いた。

なお第１ａ図〜第７図のすべての図面において同一のエ
レメントには同じ符号を付し、また媒体の流動方向は矢
印で示した。

第１ａ図及び第１ｂ図は夫々主燃焼器Ｂの平面もしくは
パイロット燃焼器Ｃの平面で切った環状燃焼室Ａの概略
断面図である。図示の環状燃焼室Ａは、該環状燃焼室Ａ
の中心軸線Ｅを示す一点鎖線から判るようにタービン人
口りの方向に円錐状に延びている。主燃焼器Ｂ及びパイ
ロット燃焼器Ｃには夫々独自のノズル３が配設されてい
る。この概略図から判るように前記の両燃焼器Ｂ、Ｃは
同時に前混合燃焼器を成、しており、要するに慣用の前
混合ゾーンを有していない訳である。勿論これらの前混
合燃焼器Ｂ。

Ｃは、独自の構想とは関わりなく、前壁１０を介して前
混合ゾーンへパック７アイヤが生じる虞れがないように
設計されていなければならない。この条件を有利に満た
す前混合燃焼器は第２図〜第５図に示され後述の通りで
ある、その場合両混合器種（主燃焼器Ｂとパイロット燃
焼器Ｃ）の構成は等しくてもよく、ただそのサイズが異
なっているにすぎない。環状燃焼室Ａが平均サイズの場
合、主燃焼器Ｂとパイロット燃焼器Ｃとのサイズ比は、
燃焼空気の約２３％がパイロット燃焼器Ｃを、また約７
７％が主燃焼器Ｂを通流するように選ばれる。

主燃焼器Ｂ及びパイロット燃焼器Ｃの構成を一層良く理
解するためには、第２図に、第３図〜第５図の個々の断
面図を同時にオーバラップさせて見れば有利である。ま
た第２図を必要以上に作図して、却って不得要領になら
ないようにするために、第２図では、第３図〜第５図に
示した案内プレート２１ａ、２１ｂはただ示唆するにと
どめた。また以下の第２図の説明においても第３図〜第
５図を必要に応じて選択的に参照することにする。

第２図に示した燃焼器Ｂ／Ｃ（これは構成の点から見れ
ばパイロット燃焼器Ｃであっても主燃焼器Ｂであっても
よい）は、互いにずらして配置された２つの半割中空の
部分円錐体１．２から成っている。両方の部分円錐体１
．２の各中心軸線１ｂ、２ｂ相互のずれによってノズル
３の両側で鏡面対称的に夫々１つの接線方向空気取入れ
スロット１９，２０が解放され（第３図〜第５図）、該
接線方向空気取入れスロットを通って燃焼空気１５は燃
焼器Ｂ／Ｃの内室すなわち円錐中空室１４へ流入する。

両方の部分円錐体１．２は、該部分円錐体１．２に相応
して互いにずれて延びる円筒始端部分１ａ、２ａを夫々
有しているので、接線方向空気取入れスロット１９．２
０は始端から存在している。前記円筒始端部分１ａ、２
ａ内にノズル３が、内蔵されており、該ノズルの燃料噴
射口４は、２つの部分円錐体１．２によって形成された
円錐中空室１４の最狭横断面と合致する。該ノズル３の
大きさは、燃焼器種に基づいて、すなわちパイロット燃
焼器Ｃであるか、それとも主燃焼器Ｂであるかに基づい
て決まる。燃焼器を純然たる円錐形に、要するに円筒始
端部分１ａ、２ａなしに、構成することも勿論可能であ
る。両部分円錐体１．２は夫々燃料導管８，９を有し、
該燃料導管は複数のポート１７を有し、該ポートを通っ
て気相燃料１３が噴出し、かつ接線方向空気取入れスロ
ット１９．２０を通って流れる燃料空気１５に混合され
る。前記燃料導管８９の位置は接線方向空気取入れスロ
ワｌ−１９２０の端部に設けられているので、そこでも
気相燃料１３と流入する燃焼空気１５との混合部１６が
生じる。燃焼器Ｂ／Ｃは燃焼室２２寄りに前壁１０を形
成するプレートを有しているノズル３を通って流れる液
相燃料１２は、燃焼器出口平面においてできるだけ均質
な円錐形燃料スプーレを生じめるように鋭角を成して円
錐中空室１４内へ噴入される。燃料噴射口４は、空気で
助成されるノズル又は圧力噴霧器であってもよい。勿論
、燃焼室の成る種の稼働形式では、例えばヨーロッパ特
許出願公開第２１０４６２号明細書に開示されているよ
うな、気相燃料と液相燃料の供給される二重燃焼器であ
ってもよい。ノズル３からの液相燃料の円錐形噴射体５
は、接線方向に流入して旋回する燃焼空気１５の流れに
よって取囲まれる。液相燃料１２の濃度は、混入される
燃焼空気１５によって軸方向で連続的に低減される。気
相燃料１３／１６が燃焼される場合、燃焼空気１５の混
合気形成は接線方向空気取入れスロット１９．２０の端
部で直接行われる。液相燃料が噴入されると、渦流破壊
部域において、要するに逆流ゾーン６において全横断面
にわたって最適の均質の燃料濃度が得られる。点火は逆
流ゾーン６の先端で行われる。この部位で初めて安定し
た火炎フロント７が生じることができる。公知の前混合
ゾーンでは燃焼器内部へ火炎が逆行する虞れが潜在して
おり、複雑な火炎保持手段を講じる必要があったのに対
して、本発明では、このような火炎逆行の虞れはない。

燃焼空気１５が予熱されていれば、混合気の着火点が燃
焼器の出口に達する前に液相燃料１２の自然気化が生じ
る。気化の度合が、燃焼器のサイズ、液相燃料１２にお
ける霧滴サイズの分布状態及び燃焼空気１５の温度に関
連しているのは勿論である。低温の燃焼空気１５による
液相燃料霧滴の混和以外に、予熱された燃焼空気１５に
よって付加的に液相燃料霧滴が部分気化されるか完全気
化されるかには係わりなく、酸化窒素又は−酸化炭素の
放出ガス（エミッション）は、空気過剰率が少なくとも
６０％であれば低く抑えられる。従ってＮＯヨエミッシ
ョンを最小限にするための付加的な手段が効果的になる
。燃焼ゾーンへ液相燃料が入る前に完全気化が行われる
場合には有毒物質の放出値は最低になる。同等のことは
、過剰空気に代えて排ガスを再利用するような近似化学
量的運用についても当て嵌まる。

部分円錐体１．２の円錐勾配及び接線方向空気取入れス
ロット１９．２０の幅を設計する場合、火炎を安定化さ
せるために燃焼器開口域における空気の逆流ゾーン６と
共に所望の空気流動フィールドが生じるように狭い許容
誤差範囲が維持されねばならない。概括的に云えること
ば、接線方向空気取入れスロット１９，２０の縮小化は
逆流ゾーン６を更に上流寄りにシフトしひいては混合気
の早期点火を生ぜしめることである。更にここで確認し
ておくべきことは、ひとたび幾何学的に固定された逆流
ゾーン６はそれ自体位置安定的であることである。それ
というのは燃焼空気の旋回数が燃焼器の円錐形域では流
動方向に増加するからである。本発明の燃焼器の構造は
、燃焼器の長さが予め規定されている場合は、部分円錐
体１．２を着脱可能な継手によって前壁１０のプレート
に固定したことによって、接線方向空気取入れスロット
■９２０の大きさを変化するのに殊に適している。両方
の部分円錐体１．２を互いに接近又は離間する半径方向
でシフトすることによって両方の中心軸線１ｂと２ｂの
間隔は縮小又は拡大され、ひいては接線方向空気取入れ
スロット１９２０のギャップ寸法が、第３図〜第５図か
ら特に良く判るように変化される。勿論、両方の部分円
錐体１．２を別の平面内で互いにシフトすることもでき
、これによって両者のオーバラップを制御することも可
能である。また両方の部分円錐体１，２を逆向きの回動
によってスパイラル状に互いにシフトすることも可能で
ある。従って接線方向空気取入れスロット１９．２０の
形状と大きさを任意に変化できるのは明らかであり、こ
れによって構造長さを変じることなく燃焼器を個々に適
合させることが可能になる。

第３ｒＩ！Ｊ−第５図に基づいて又、案内プレート２１
ａ、２１ｂの位置も明らかである。該案内プレート２１
ｂ、２１ａは流れ導入機能を有ししかもその長さに応じ
て部分円錐体１．２の各端部を燃焼空気１５の流動方向
で延長する。

円錐中空室１４内へ燃焼空気を通路状に最適に連絡する
ために案内プレート２１ａ、２１ｂは旋回支点２３を中
心として開閉される。これが特に必要になるのは、接線
方向空気取入れスロット１９．２０の最初のギャップサ
イズを変化する場合である。しかし燃焼器を案内プレー
トなしにも稼働させうるのは勿論である。

第６図には前壁１０のセクタ部分が示されている。この
図面から個々の主燃焼器Ｂとパイロット燃焼器Ｃの配置
形式が明らかである。主燃焼器Ｂとパイロット燃焼器Ｃ
は環状燃焼室Ａの全周にわたって均等にかつ交互に配分
されている。主燃焼器Ｂとパイロット燃焼器Ｃとの図示
のサイズ差は質的なものでしかない。個々の燃焼器の有
効サイズ並びに環状燃焼室Ａの前壁１０の全周にわたっ
ての燃焼器の配分と数は、すでに前述した通り、燃焼室
自体の出力とサイズに基づいて決まる。交互に配置され
た主燃焼器Ｂとパイロット燃焼器Ｃはすべて、環状燃焼
室Ａの入口面を形成する単一のリング状前壁１０に同じ
高さで開口している。

第７図には第６図と同じセクタ部分が示されているが、
ここでは各燃焼器によって発生される個々の渦中心が示
されている。パイロツ！・燃焼器Ｃに起因する小さな高
温の渦中心Ｃ′は、主燃焼器Ｂに起因した大きな低温の
渦中心Ｂ′間で作用しかつ著しく不安定なので、作動す
ると直ちに低温の渦中心Ｂ′内へ侵入する傾向がある。

これにより、主燃焼器Ｂが、部分負荷運転時のように、
希薄燃料で稼働する場合でさえも、きわめて良好な燃焼
が生じ、Ｃｏ／ＵＨＣエミッションも低くなる。

主燃焼器Ｂとパイロット燃焼器Ｃが等方向の渦を発生す
るので、該渦の上下で、主燃焼器Ｂ及びパイロット燃焼
器Ｃを囲んで循環する流れが、流線Ｆ’、Ｆ“で示すよ
うに生じる。この状態は、同一方向に回転するローラに
よって動かされるエンドレスコンベヤに対比してみれば
判る。この場合、ローラの役割は、等方向に噴射する燃
焼器によって引受けられる。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は主燃焼器の平面で環状燃焼室を断面して示し
た概略断面図、第１ｂ図はパイロット燃焼器の平面で環
状燃焼室を断面して示した概略断面図、第２図は一部破
断して示した２重円錐型燃焼器の斜視図、第３図、第４
図及び第５図は第２図に示した２重円錐型燃焼器を第２
図のｍ−ｍ線、ＩＶ−ＩＶ線、及びＶ−Ｖ線に沿って断
面した暗示図、第６図は複数の２重円錐型燃焼器の配置
関係を暗示した前壁正面図、第７図は前壁に投影された
流線経過図である。 Ａ・・・環状燃焼室、Ｂ・・・主燃焼器、Ｂ′・・・主
燃焼器の渦中心、Ｃ・・・パイロット燃焼器、Ｃ′・・
・パイロット燃焼器の渦中心、Ｄ・・・タービン人口Ｅ
・・・中心軸線、Ｆ’　、Ｆ“・・・循環流線、１゜２
・・・部分円錐体、ｌａ、　２ａ・・・円筒始端部分、
１ｂ、２ｂ・・・中心軸線、・３・・・ノズル、４・・
・燃料噴射口、５・・・液相燃料の円錐形噴射体、６・
・・逆流ゾーン（渦流破壊部）、７・・・火炎フロント
、８．９・・・気相燃料用導管、ＩＯ・・・前壁、１２
・・・液相燃料、１３・・・気相燃料、１４・・・円錐
中空室１５・・・燃焼空気、１６・・・混合部、１７・
・・ポート、１９．２０・・・接線方向空気取入れスロ
ット２１ａ、２１ｂ・・・案内プレート、２２・・・燃
焼室、２３・・・旋回支点 −０−１−１−１二。 ＦＩＧ、１ａ 一／ ＦｒＧ、１ｂ ＦＩＧ、６ ＦＩＧ、７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃焼室（Ａ）が流入側に所定数の２種の前混合燃焼
   器（Ｂ、Ｃ）を装備し、両種の前混合燃焼器が互いに並
   列配列されて同一方向の旋回流を発生させるように方向
   づけられておりかつ異なつた燃焼空気量を流過させるよ
   うに互いに異なった大きさに構成されており、しかも２
   つの大型の前混合燃焼器（Ｂ）の中間には夫々１つの小
   型の前混合燃焼器（Ｃ）が位置していることを特徴とす
   る、ガスタービンの燃焼室。 ２、大型の前混合燃焼器（Ｂ）を燃焼空気の７７％が、
   また小型の前混合燃焼器（Ｃ）を燃焼空気の２３％が通
   流する。請求項１記載の燃焼室。 ３、大型の前混合燃焼器（Ｂ）が燃焼室の主燃焼器であ
   って、小型の前混合燃焼器（Ｃ）が燃焼室のパイロット
   燃焼器である、請求項１又は２記載の燃焼室。 ４、前混合燃焼器（Ｂ、Ｃ）が、少なくとも２つの互い
   にオーバーラップして配置されていて流動方向に末広が
   りになる円錐勾配を有する中空の部分円錐体（１、２）
   から成り、両部分円錐体の中心軸線（１ｂ、２ｂ）が互
   いにずれて部分円錐体（１、２）の縦方向に延びており
   、かつ両部分円錐体（１、２）によって形成された円錐
   中空形の内室（１４）内の流入側に少なくとも１つの燃
   料ノズル（３）が配置されており、該燃料ノズルの燃料
   噴射口（４）が、両部分円錐体（１、２）の互いにずれ
   た中心軸線（１ｂ、２ｂ）の真中に位置し、前記の両部
   分円錐体（１、２）が接線方向空気取入れスロット（１
   ９、２０）を有している、請求項１記載の燃焼室。 ５、接線方向空気取入れスロット（１９、２０）の区域
   に別の複数の燃料ノズル（１６、１７）が設けられてい
   る、請求項４記載の燃焼室。 ６、燃焼室（Ａ）が環状燃焼室であり、該環状燃焼室の
   全周にわたって流入側に大型の前混合燃焼器（Ｂ）と小
   型の前混合燃焼器（Ｃ）が交互にかつ統一した相互間隔
   をおいて配置されており、しかも大型の前混合燃焼器（
   Ｂ）と小型の前混合燃焼器（Ｃ）が単一のリング状の前
   壁（１０）内に開口している、請求項１から５までのい
   ずれか１項記載の燃焼室