JPH04136620A - ガスタービン燃焼器 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明はガスタービン燃焼器に係わり、詳しくは環境
の汚染源である窒素酸化物（ＮＯｘ　）の発生量が少な
く、かつ、良好な燃焼効率を有するガスタービン燃焼器
に関する。

（従来の技術） 近年、石油資源等の枯渇化に伴ない、種々の代替エネル
ギが要求されているが、同時にエネルギ資源の効率的な
使用も要求されている。これらの要求に答えるものの中
には、例えば燃料として天然ガスを使用するガスタービ
ン・スチームタービン複合サイクル発電システム、ある
いは石炭ガス化ガスタービン・スチームタービン複合サ
イクル発電システムがあり、現在検討されつつある。

これらのガスタービン・スチームタービン複合サイクル
発電システムは、化石燃料を使用した従来のスチームタ
ービンによる発電システムに比較して発電効率が高いた
め、将来生産量の増加が予想される天然ガスや石炭ガス
等の燃料を有効に電力に変換できる発電システムとして
期待されている。

このようなガスタービン発電システムに使用されている
ガスタービン燃焼器では、従来より燃料と酸化性気体（
一般には空気、以下空気という）との混合ガスをスパー
クプラグ等を用いて着火して均一な燃焼を行っている。

第６図に従来のガスタービン燃焼器の一例を示す。この
ガスタービン燃焼器においては、燃料ノズル１から噴射
された燃料Ｆがエアダクト３から圧送されてくる燃焼用
空気Ａ、と混合され、スパークプラグ５により着火され
て燃焼する。そして、燃焼した気体、すなわち燃焼ガス
は、冷却空気Ａ２及び希釈空気Ａ３が加えられて、所定
のタービン入口温度まで冷却。

希釈された後、タービンノズル７からガスタービン内に
噴射される。９はスワラ−である。

このような従来のガスタービン燃焼器における重大な問
題点の一つは、燃料の燃焼時に多量のＮＯｘが生成して
環境汚染等の悪影響を及はすことである。

上記したＮＯｘが生成する理由は、燃料の燃焼時におい
て、低い燃焼温度による失火等燃焼の不安定を避けるた
め、燃料濃度を高め、燃焼温度を高＜シていることによ
る。ＮＯｘは、通常、燃料中に窒素成分が存在していな
い場合には、燃焼用空気中の窒素と酸素が以下に示す式
により反応して生成する。

Ｎ２＋０□−２Ｎ０ 上記反応は、高温になるほど、右側に移行して一酸化窒
素（Ｎ　Ｏ）の生成量か増加する。そして、このＮｏの
一部は、さらに酸化されて二酸化窒素（ＮＯ２）を生成
する。

第７図は、第６図に例示した従来のガスタービン燃焼器
において、前記安定した燃焼を行わせた際の、燃焼器内
の流体の流れ方向に沿った温度分布を示すものである。

この第７図に示すように、燃焼器内の温度分布は極大値
をもち、この極大値（最高温度）が、前記安定した燃焼
の際には２０００℃にも達するために、この近辺におい
てＮ。

Ｘの生成量が急激に増加するものである。

このＮＯｘ生成というガスタービン燃焼器の問題点を解
決するために、以下の燃焼方式が検討されている。

（１）水蒸気あるいは水噴射を行う方式。

（２）燃焼を２段階に行う２段燃焼方式。

しかしながら、これらの方式には以下のような問題があ
る。すなわち、（１）の方式は、水蒸気あるいは水を噴
射するために燃焼器の熱効率が悪いという問題、（２）
の方式は、ＮＯｘ生成量を充分低減できるほど燃焼器内
の最高温度を低くできないという問題である。

（発明が解決しようとする課題） このように、従来においては、燃焼器の熱効率を維持す
るため、あるいは低い燃焼温度による燃焼の不安定さを
避けるために燃焼温度を高めざるを得す、このためＮＯ
ｘの発生を招くという問題点があった。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みなされたもの
で、局部的な高温箇所の発生抑制によってＮＯｘの生成
が少なく、しかも高い熱効率で安定した気相燃焼を実現
できるガスタービン燃焼器を提供することを目的とする
。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記課題を解決するため、本発明のガスタビン燃焼器に
おいては、燃焼器上流から送られてくる酸化性気体を複
数の流れに分割する分割流路構成体を設け、この分割流
路構成体に分割流路各別に燃料を供給する燃料供給手段
を設け、分割流路構成体の上流端および下流端の少なく
とも何れか一方に分割流路を取囲む空間部を形成し、こ
の空間部に連通ずる冷却空気導入通路と、同しく空間部
に連通ずる分割流路への排出通路とを分割流路構成体に
設けたことを要旨とするものである。

（作用） この発明のガスタービン燃焼器では、燃焼器上流から流
入した空気が分割流路構成体の分割流路に流入して来る
が、この分割流路においては、各流路ごとに燃料供給手
段から燃料が加えられるもので、この燃料と前記空気と
が混合され、気相燃焼部に送出され、ここで気相燃焼す
る。この燃焼の際、各分割流路出口の後流域では、循環
流が形成されて保炎効果をもたらすため、安定した燃焼
が行われる。また、分割流路構成体に燃料供給手段が設
けられて、分割流路ごとに燃料を噴出させることから、
燃料濃度分布の均一化が容易となり、局部的な高温箇所
か発生することなくＮＯｘの生成が少ない安定した気相
燃焼を実現できる。

また、燃焼器として成立するには、燃焼性とともに構成
部材の信頼性も必要である。上記構造の燃焼器では、分
割流路構成体の空間部に冷却空気導入通路を通って冷却
空気が流入し、これによって分割流路構成体の端部が冷
却され、その後排出通路を通って分割流路側に流出する
。このため、分割流路構成体の特に高温にさらされる端
部が冷却されることから、その耐熱、耐久性が向上する
。

（実施例） 以下、本発明にかかるガスタービン燃焼器の一実施例に
ついて、第１図ないし第５図に基づいて説明する。なお
、図中、上山の第６図と共通する部分には同一の符号を
付した。

第１図は、前記ガスタービン燃焼器の一実施例を示す図
である。

このガスタービン燃焼器において、エアダクト３から吐
出され燃焼器の開口部１３から燃焼器内に流入した空気
Ａ２は、この開口部１３の下流に設けられた分割流路構
成体２５に入り分割される。

この分割流路構成体２５は、第２図に示すように、複数
、この例では７つの分割流路２７と、これらの分割流路
２７を包容して各流路２７内へ各別に燃料Ｆ１を供給す
る燃料供給部（燃料供給手段）３５と、分割流路２７を
取囲み分割流路構成体２５を冷却するための冷却手段５
１とを一体的に備えている。

第３図および第４図を用いて更に詳述すれば、分割流路
２７は、分割流路構成体２５の上流端および下流端の両
端部にあって相互に対向して固定される隔壁２９．３１
と、これらの隔壁２９，３１に掛は渡して溶接した短い
円管３３とによって形成しである。また上記燃料供給部
３５は、これら７個の円管３３を取り囲む中空盤状のジ
ャケット３７の内部に形成した燃料分配室３９と、ジャ
ケット３７に接合した燃料送給管４１と、燃料分配室３
９から円管３３を介して分割流路２７へ連通するノズル
孔４３とを備える。そして、このノズル孔４３は各分割
流路２７毎に適数個ずつ等角度関係に配設されている。

燃料送給管４１から送給される前記燃料Ｆ、は燃料ガス
単体もしくは燃料ガスと空気との混合体であって、分割
流路２７とノズル孔４３との数や径は、開口部１３から
燃焼器内に流入する空気Ａ２の流量、および燃料Ｆ、の
燃料圧と流量、等の基本条件によって設定されるもので
ある。この際、ノズル孔４３からの燃料Ｆ、の貫通距離
を分割流路２７の半径以上とすることが望ましく、この
条件は流路が分割されていてその流路径が小さいことで
容易に満足させることができる。

さらに、各分割流路２７へ各複数のノズル孔４３を介し
て均等に燃料Ｆ、を供給するべく、円管３３の間には燃
料ガスか流れにくい領域、いわゆるデッドスペースがて
きうる限り生じないようにすることが必要で、そのため
に分割流路２７の配設位置を調節したり断面形状を変え
るなどの対策をとることもありうる。そしてまた、開口
部１３から燃焼器内に流入する空気Ａ２と、ノズル孔４
３からの燃料とを効果的に混合させるために、これらの
ノズル孔４３をできるだけ開口部１３寄りに設けるのが
好ましい。

次に、前記冷却手段５１の基本構成は、エアダクト３に
開設した透窓５３から隔壁２９．３１間へ空気Ａ４を取
り入れて分割流路構成体２５を冷却したのち分割流路２
７へ導入するようにしたものである。すなわち、隔壁２
９．３１の形成により、これら隔壁２９．３１近傍に空
気のデッドスペースが形成されるが、このデッドスペー
スにより、隔壁３１が気相燃焼部２１からの放射熱を受
けて加熱される。そこで、隔壁３１の内側にディスク５
７を接合して二重構造とし、この内側に空間部としての
空気分配室６１を形成し、上記透窓５３から取り入れた
空気Ａ４をディスク５７に形成した多数の冷却空気導入
通路としての通孔６５がら空気分配室６１へ流入させた
のち、各円管３３に等角度関係で開設した適数個の排出
通路としてのエアノズル孔６９を介して各分割流路２７
へ供給することで冷却を行うようにしである。なお、第
１図においては、隔壁２９の内側にディスク５５を接合
して空気分配室５９を形成するとともに、通孔６３およ
びエアノズル孔６７を形成し、冷却手段５１を隔壁２９
側にも設けているが、上述のように分割流路構成体２５
の上流に燃焼がなく、分割流路構成体２５に流入するガ
スの温度が低い際には、隔壁２９側に冷却手段５１を必
ずしも設ける必要はない。

上記構成のガスタービン燃焼器の動作について、次に説
明する。

開口部１３から燃焼器内に流入する空気Ａ２は、分割流
路２７内において供給されてきた新たな燃料ガスＦ、と
混合されて混合ガスとなり、気相燃焼部２１に送られ、
スパークプラグ１９により着火されて燃焼し、完全燃焼
した後、タービンへ供給される。

この分割流路２７の部分ては、燃料Ｆ、か開口部１３か
ら燃焼器内に流入する空気Ａ２と狭い領域内で混合され
るため、その下流の気相燃焼部２１に入る混合ガスの燃
料濃度が均一化され部分的な高濃度箇所が形成されない
ことから、高温箇所がなく、ＮＯｘの発生をより効果的
に抑制することができる。

さらに、前記分割流路構成体２５における混合ガスの形
成においては、空気Ａ４が円管３３と接触して流路壁を
外部から冷却しつつ逐次通孔６３゜６５を経て空気分配
室５９．６１へ流入し、ここで隔壁２９．３１を冷却し
たのちエアノズル孔６７．６９を介して各分割流路２７
内へ配分されながら流出し、これらか燃焼用空気に参画
する。そしてまたエアノズル孔６７から流出した空気は
、分割流路２７の流路壁に沿って進出しながらフィルム
冷却作用を営むので、この流路壁は内部からも冷却され
、分割流路構成体２５の耐熱性の問題は解決される。

また、隔壁３１後流において循環流２６が形成される。

この循環流２６か分割流路構成体２５丁流の気相燃焼部
２１て保炎効果をもたらすため、燃焼の安定化が得られ
る。

なお、気相燃焼部２１ては元来希薄混合気を燃焼させる
ために、冷却用空気が多過ぎると燃焼性の低下を招く。

そのためこの空気量は冷却のために必要な程度に抑えて
おくのがよく、例えば流路壁にセラミックコーティング
層などの耐熱断熱層を形成しておけば冷却用空気量の抑
制に役立つ。

また、分割流路構成体２５の隔壁３１あるいは２９に上
記耐熱断熱層を形成するなどして、空気分配室６１ある
いは５９を省くこともできる。

ここで、各分割流路２７を形成する円管３３は熱膨張を
伴うが、第３図のように各流路にベロズ３４を設けるこ
とにより、その熱膨張を吸収することができる。したが
って、燃焼器横断面に温度分布があり各分割流路２７の
熱膨張に差があったとしても、分割流路構成体２５は変
形することはなく、ハード面からの信頼性も大となる。

なお、気相燃焼部２１の殻壁１１．７径を、その上流の
分割流路構成体２５での殻壁径より拡大させた膨径部（
図示せず）を形成し、この膨径部でガスの流れを遅滞も
しくは逆流させ、ガス流がこの膨径部の内側に回り込み
、ここに保炎部を形成することで、気相燃焼の安定向上
を図ってもよい。

一方、第５図に示すように、燃料を２段に分けて供給し
気相燃焼を２段階で行う２段燃焼方式のガスタービン燃
焼器に対し、２段目の燃料を供給する手段として本発明
にかかる分割流路構成体２５を用いる構成をとってもよ
い。この構成において、燃料ノズル１から供給された燃
料は、スパークプラグ５により着火されて燃焼し、スワ
ラ−９によって安定化がもたらされながら、さらに空気
Ａ１が供給されて、分割流路構成体２５に流入する。そ
して、この分割流路構成体２５により上述の実施例と同
様に均一な混合ガスが得られるため、次の気相燃焼部２
１へ供給されスパークプラグ１９により燃焼が開始され
る際、局部的な高温箇所が発生しない。この構成におい
て、分割流路構成体２５に流入するガスの、燃焼による
温度上昇によっては、上流側隔壁２９に空気分配室５９
を必ず設ける必要がででくる。

以下、本発明にかかるガスタービン燃焼器を試作および
試験し、得られた結果について述べる。

第１図に示すような構造のガスタービン燃焼器を製作し
、燃焼特性を調べた。この燃焼器の径は３００ｍｍ、分
割流路２７の各流路径は８１ｍｍ、分割流路の数は７つ
とした。分割流路２７の冷却構造は、隔壁２９．３１の
内側に空気分配室５９６１を設けた二重構造とし、各流
路の熱膨張吸収のためにベローズ３４を設けた。そして
、分割流路部に流入する冷却空気量としては、分割流路
構成体２５人口に供給される空気量の２％になるように
エアノズル孔６７．６９の開口面積を設定した。

そして、燃焼器に流入する空気の温度は３５０℃とし、
燃料供給部３５から供給される天然ガス（Ｆ、）と分割
流路構成体２５に流入する空気（Ａ４）とが、表１に示
す容積比（Ｆｌ　／Ａ４　）で混合された混合ガスを燃
焼させた場合の、燃焼による排出ガス中のＮＯｘ発生量
（ｐｐｍ）を測定した。ここで、燃料供給部３５に流入
するガスの流速は、５００℃換算にして２０　ｍ　／　
ｓとし、試験は大気圧で行った。なお、気相燃焼の着火
はスパークプラグにより行った。

表１ 燃焼効率は実施例ａ、ｂとも９９％以上であった。

比較例として、本発明にかかる分割流路構成体２５を設
けない従来のスワラ−タイプの燃焼器を用い、拡散燃焼
を行った場合、上記のＦｌ／Ａ４の燃料濃度では、燃焼
が不十分てあった。また、この従来のタイプの燃焼器に
より燃料濃度を高めて燃焼させた後、希釈空気で燃焼器
出口温度を合わせるとすると（総燃料と総空気量は同じ
。したかって、燃焼器上流に流入する空気量は少なくな
る）　、ＮＯｘは６０　ｐｐｍ以上となった。

前記実施例ａ、ｂによる分割流路構成体２５のメタル温
度は、７００℃以下であった。なお、比較のため、冷却
手段５１を設けていない分割流路構成体を用いて燃焼試
験を行ったところ、排出ガスの特性は上記実施例ａ、ｂ
と大差なかったが、分割流路のメタル温度は８００℃以
上の高温になることもあった。また、分割流路構成体２
５での圧力損失は１％以下であった。

一方、第５図に示すような２段燃焼方式ガスタービン燃
焼器を製作し、燃焼特性を調べた。この燃焼器の径は３
００ｍｍ、２段目の燃料供給部には、上記実施例ａ、ｂ
に用いた分割流路構成体２５を使用した。

そして、燃焼器に流入する空気の温度は３５０℃とし、
−段目のスワラ−タイプの拡散燃焼で、本発明の燃料供
給手段３５へのガス温度を５００℃に高め、燃料供給部
３５から供給される天然ガス（Ｆ２）と空気（Ａ４）と
か、表２に示す容積比（Ｆ２　／Ａ４　）で混合された
混合ガスを燃焼させた場合の、生成ＮＯ！発生量（ｐｐ
ｍ）を測定した。なお、流速は、上記実施例ａ、ｂと同
様２０ｍ／ｓとし、着火に際しては、スパークプラグを
用いた。

表２ 比較例として、本発明にかかる分割流路構成体２５を設
けない燃焼器で２段燃焼を行った場合、上記のＦ　２　
／　Ａ　４の燃料濃度では、燃焼が不十分てあった。ま
た、この従来のタイプの燃焼器により従来の２段燃焼を
行った後、希釈空気で燃焼器出口温度を合わせるとする
と（総燃料と総空気量は同じ。したがって、燃焼器上流
に流入する空気量は少なくなる）、ＮＯＸは３０　ｐｐ
ｍ程度であった。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、分割流路を形成し、各分
割流路を構成する分割流路構成体に燃料の供給手段を設
けているため、上流からの空気と分割流路に供給される
燃料とを狭い領域内で混合させることから燃料濃度分布
を各部分で均一化することができる。また、各分割流路
出口の後流域ては、循環流が形成されて保炎効果をもた
らすため、安定した燃焼が行われる。したがって、ＮＯ
Ｘの発生量を効果的に抑制することができる。さらに、
分割流路構成体の上流側及び下流側の何れか一方の端部
に空間部を形成してここに冷却空気を導入した後、分割
流路側に流出させるようにしたため、分割流路構成体の
高温化が防止され、ハード面での信頼性も大となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る燃焼器の側断面説明図
、第２図は第１図の分割流路構成体の斜視図、第３図は
第２図の側断面説明図、第４図は第３図のＡ−Ａ矢視断
面図、第５図は別の実施例に係る分割流路構成体の側断
面説明図、第６図は従来例に係る燃焼器の側断面説明図
、第７図は第６図に示した燃焼器で燃焼を行わせた際の
燃焼器内の流体の流れ方向に沿った温度分布図である。 ２１・・・気相燃焼部　　２５・分割流路構成体２６・
・・循環流　　　　２７・・・分割流路３５・・・燃料
供給部　　５１・・・冷却手段５９．６１・空気分配室
（空間部） ６３．６５・・・通孔（冷却空気導入通路）６９・・・
エアノズル孔（排出通路） 代理ノ、弁理士三好秀和 范１図 第２図 Ａ← 第３図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ガスタービンへの燃焼ガスを生成する気相燃焼部の基端
   側に、前記気相燃焼部より上流から送られてくる気体を
   複数の流れに分割する分割流路構成体を設け、この分割
   流路構成体に分割流路各別に燃料を供給する燃料供給手
   段を設け、分割流路構成体の上流端および下流端の少な
   くとも何れか一方に分割流路を取囲む空間部を形成し、
   この空間部に連通する冷却空気導入通路と、同じく空間
   部に連通する分割流路への排出通路とを分割流路構成体
   に設けたことを特徴とするガスタービン燃焼器。