JPH0498014A - 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） 本発明は空気と燃料を予混合して燃焼させるガスタービ
ン燃焼器に係り、特に低ＮＯｘ化を図ったガスタービン
燃焼器に関する。

（従来の技術） 一般に、ガスタービン燃焼器におけるＮＯｘの発生の主
要因は、燃料と空気との当量比が１に近い燃焼領域が燃
焼ガス中に生じ、この燃焼領域において燃焼ガスが局所
的に高温化することにある。

このような要因で発生するＮＯｘを抑制する手段として
は稀薄予混合燃焼方式がある。

上記稀薄予混合燃焼方式を適用した従来の燃焼器として
は、例えば特開昭６１−１１０８１７号公報等に開示さ
れたものがある。この燃焼器は第８図に示すように、頭
部にスワラ１０１を備えたライナ１０２と、このライナ
１０２の外周部にあって二重円筒状に形成された予混合
室１０３と、ライナー１０２の胴部に穿孔され予混合室
１０３とライナ１０２の内部とを連通ずる複数個の通気
ガイド１０４とから構成されている。

ライナ１０２の内部燃焼室１０５には第１段燃料１０６
が供給され、スワラ１０１を通って供給される空気１０
７と拡散混合しながら安定な拡散燃焼が行われる。

一方、予混合室１０３の入口開口部からは第２段燃料１
０８と空気１０７とが取入れられて稀薄予混合され、こ
の予混合ガス１０９が通気ガイド１０４を通って燃焼室
１０５に供給されて稀薄予混合燃焼を行うようになって
いる。この通気ガイド１０４から噴出された予混合ガス
１０９は、スワラ１０１を通った空気によって形成され
る旋回流１１０の内側に流入し、中央部逆流保炎域１１
１を形成する。この中央部逆流保炎域１１１において予
混合ガス１０９の一部が保炎することにより予混合ガス
の安定した燃焼を促進している。

また、旋回流１１０の外側には第９図に示されたように
外周部逆流保炎域１１２が形成される。このような方法
によって燃料の一部を稀薄予混合燃焼させて低ＮＯｘ化
を図っている。

（発明が解決しようとする課題） ところが、一般に旋回流１１０はたえず変動しており、
この旋回流１１０の変動は中央部逆流保炎域１１１と外
周部逆流保炎域１１２との変動を引起こす。詳述すると
、旋回流１１０が例えば第９図（ａ）から第９図（ｂ）
のように変動すると、中央部逆流保炎域１１１は小さく
なり、外周部逆流保炎域１１２は逆に大きくなる。この
中央部逆流保炎域１１１は、広くなればなる程、予混合
ガス１０９の燃焼度合いが高くなり中央部逆流保炎域内
のガス温度が上昇し、−層大きくなる。逆に、中央Ｓ逆
流保炎域１１１は狭くなればなる程、中央部逆流保炎域
内ガス温度か低下し一層小さくなる。

このように、従来の燃焼器では中央部逆流保炎域の変動
は正帰還的に作用し保炎状態が大きく変化してしまい、
ＮＯｘ発生を充分に抑制できないという問題があった。

更に中央部逆流保炎域の正帰還的変動は燃焼振動を増大
し、この燃焼振動の増大はガスタービン燃焼器の構成部
品に作用する変動応力及び各部品の摩耗量を増加し、ガ
スタービン燃焼器の寿命を短くするといった問題があっ
た。

そこで、本発明の目的は極めて簡単な構成によって旋回
流を安定化し、ＮＯｘ及び燃焼振動の発生を充分に抑制
することができるガスタービン燃焼器を提供することに
ある。

［発明の目的］ （課題を解決するための手段） この目的を達成するために、本発明は、ライナ頭部に環
状に取り付けられ、空気を上記ライナ内の燃焼室に環状
旋回流として供給するスワラと、上記スワラに取り囲ま
れるように上記ライナ頭部に取り付けられ、、第１段燃
料を上記燃焼室に放出し上記環状旋回流に拡散混合して
拡散燃焼させる第１段燃料ノズルと、第２段燃料と空気
とを予混合して予混合ガスを作り、この予混合ガスを上
記ライナ胴部に形成された複数の噴出孔から上記燃焼室
に複数の予混合ガス流として噴出させる予混合ガス噴出
手段とを具備し、上記予混合ガス流の一部が上記環状旋
回流に取り囲まれる領域内に流入して中央部逆流保炎域
を形成するガスタービン燃焼器において、上記第１段燃
料ノズル先端付近から上記噴出孔の方に向って徐々に径
が大きくなるように延在するほぼ円錐台形状の環状旋回
流ガイドを具備し、上記環状旋回流ガイドは上記環状旋
回流をそれが該環状旋回流ガイドに沿って流出するよう
に案内し、上記環状旋回流ガイドの長さは上記中央部逆
流保炎域が上記環状旋回流ガイドによって取り囲まれる
領域内に位置するように定められていることを特徴とす
るものである。

この構成にあっては、上記スワラは上記第１段燃焼ノズ
ルの側面に向って上記空気を流出させるラジアルスワラ
であることが望ましい。

また、上記環状旋回流ガイドの先端と上記ライナ胴部と
の接続部は径が急拡大し、上記環状旋回流は上記接続部
において外周部逆流保炎域を形成することが好ましい。

上記スワラの上流側に付加ノズルを隣接配置し、この付
加ノズルから上記スワラに第１段燃料を放出することが
望ましい。

また、上記第１段燃料を上記第１段燃焼ノズルと上記付
加ノズルとに供給するのに、共通の第１段燃料供給路を
使用してもよいし、夫々別個の互いに独立の第１段燃料
供給路を使用することもできる。

（作　用） スワラに流入した空気は、第１段燃料ノズルからの第１
段燃料と混合し環状旋回流となって環状旋回流ガイドに
案内され、この環状旋回流ガイドに沿って流れる。

予混合ガス噴出手段から燃焼室内に噴出された予混合ガ
ス流は一部が、環状旋回流に囲まれる領域に流入して中
央部逆流保炎域を形成する。

環状旋回流は環状旋回流ガイドに案内されるため、その
広がり角度が常にほぼ一定に保たれ、かつまた環状旋回
流ガイドの長さは中央部逆流保炎域が環状旋回流ガイド
によって取り囲まれる領域内に位置するように定められ
ているので、中央部逆流保炎域は常にほぼ一定の大きさ
に維持され、予混合ガスの保炎が安定して保たれる。

予混合ガスの流れの変動等によって中央部逆流保炎域の
圧力が上昇し、環状旋回流を外方に広げる外力が作用し
ても、環状旋回流の変位は環状旋回流ガイドによって制
限されるため、中央部逆流保炎域の大きさはほとんど変
化しない。逆に中央部逆流保炎域の圧力が低下し環状旋
回流を内方に引き込む力が作用しても、環状旋回流は環
状旋回流ガイドに付着して流れているため、簡単には環
状旋回流ガイドから剥離せず中央部逆流保炎域の大きさ
をほぼ一定に保持する。

（実施例） 以下本発明によるガスタービン燃焼器の一実施例を第１
図乃至第７図を参照して説明する。

第１図乃至第３図に示されたガスタービン燃焼器は図示
を省略された圧縮機とガスタービンとの間に複数個設置
され、圧縮機吐出チャンバを囲む燃焼器ラッパ１内に収
容されている。

この燃焼器ラッパ１には燃焼器外ＷＪ２が接合され、こ
の燃焼器外筒２の上流端はヘッドプレート３によって閉
塞されている。燃焼器ラッパ１と燃焼器外筒２との内側
には、燃焼室４の外壁を形成するライナ５が設置され、
このライナ５の前方端、即ち上流端には冷却空気孔６ａ
を有するライナキャップ６が取り付けられ、ライナ５の
後方端にはトランジョンピース７が装着されている。燃
焼器外筒２とライナ５との間の間隙には、燃焼器外筒２
に支持されたフロースリーブ８が介在され、このフロー
スリーブ８は圧縮機からの圧縮空気９をライナ５の前方
端、即ちライナ頭部に導く。フロースリーブ８にはライ
ナ支持具１０か固着され、このライナ支持具１０はライ
ナ５を支持している。

ヘッドプレート３の中央部には第１段バーナ１１が設置
され、この第１段バーナ１１の中央部には第１段燃料系
１２に連通した第１段燃料取入口１３と第１段燃料ノズ
ル１４とが設置され、この第１段燃料ノズル１４の外周
にはこのノズル１４を取り囲むようにラジアルスワラ１
５が設けられている。このラジアルスワラ１５はライナ
５とフロースリーブ８との間を流通してきた圧縮空気９
を旋回し、第１段燃料ノズル１４の側面に向けて敷用す
る。ラジアルスワラ１５の通路壁には、下流側に向って
徐々に径が大きくなる円錐台形状の環状旋回流ガイド１
６が連接され、この環状旋回流ガイド１６は第１段燃料
ノズル１４の先端付近からライナ５の上流端に向かって
延在し、先端がライナキャップ６の開口に嵌合されてい
る。

ヘッドプレート３の一方の側には、第２段燃料系１７に
連通する第２段燃料取入口１８が取り付けられ、他方の
側には８個の第２段燃料ノズル１９が第１段燃料ノズル
１４を中心にほぼ等角度間隔で取り付けられている。ま
たヘッドプレート３には環状の第２段燃料ヘッダ２０が
穿設され、この第２段燃料ヘッダ２０は第２段燃料取入
口１８と第２段燃料ノズル１９とを連通している。

ライナ５とフロースリーブ８との間には、８個の予混合
ダクト２１が設置され、各予混合ダクト２１は第２段燃
料ノズル１９に対向した入口と３個の分岐出口２１ａと
を有する。予混合ダクト２１の３個の分岐出口２１ａは
、ライナ５の孔に嵌合されたスリーブ２２に挿入されて
いる。予混合ダクト２１の上流側は支持具２３によって
ライナ５に支持され、予混合ダクト２１の下流側は支持
板２４と支持リング２５とによってライナ５に支持され
ている。この支持板２４は分岐出口に固着され、支持リ
ング２５は支持板２４を介してライナ５に巻き付けられ
ている。

また、ランナキャップ６には内面遮熱板２６が取り付け
られ、ライナ５には下流側に精解空気孔２７が複数個穿
孔されている。

次にこの実施例の作用を説明する。

圧縮機からの圧縮空気９はライナ５とフロースリーブ８
との間隙を通ってラジアルスワラ１５と予混合ダクト２
１の人口とに流入する。また、圧縮空気９の一部は、ラ
イナ５の精解空気孔２７と、第２図に示したライナキャ
ップ６の冷却空気孔６ａと、ライナ６に穿孔された不図
示の冷却空気孔とを通ってライナ内部に流入する。

ラジアルスワラ１５を通過した空気は、そこで旋回され
ると共に、第１段燃料ノズル１４の側面に衝突し、第１
段燃料ノズル孔１４ａからの第１段燃料の一部と混合し
、環状旋回流２８として環状旋回流ガイド１６に案内さ
れそのガイド１６の内面に沿って流れ、燃焼室４内に流
入する。この環状旋回流２８は環状旋回流ガイド１６に
沿って一定の開き角度でもって流出し、内部に中央部逆
流保炎域２９を形成する。この中央部逆流保炎域２９の
一部２９ａは環状旋回流ガイド１６に囲まれる領域内に
位置している。また、環状旋回流２８はライナキャップ
６の背後、即ち環状旋回流ガイド１６の先端とライナ５
の上流端との境界の拡大径部に、外周部逆流保炎域３０
を形成する。

第２段燃料ノズル１９から予混合ダクト２１に流入した
第２段燃料は、この予混合ダクト２１内で圧縮空気９と
混合し、予混合ガス３１として予混合ダクト出口２１ａ
から燃焼室４内に流入する。

この流入した予混合ガス３１の一部が中央部逆流保炎域
２９に流入する。

第１段燃料ノズル孔１４ａからの第１段燃料の多くは拡
散燃焼し、この拡散燃焼した第１段燃料は、中央部逆流
保炎域２９で燃焼した予混合ガス３１と共に、残りの燃
料（主に予混合ガスの残部）にとって強い種火として保
炎する。

環状旋回流２８は、ラジアルスワラ１５に流入する圧縮
空気９がたとえ変動しても常に環状旋回流ガイド１６の
内面に沿って流れるため、中央部逆流保炎域２８の大き
さを一定に維持することができる。また、予混合ガス３
１の流れが変動し、中央部逆流保炎域２９の圧力が上昇
し、これによって環状旋回流２８にそれを外方に広げる
外力が作用しても、環状旋回流２８の変位は環状旋回流
ガイド１６によって制限されるため、中央部逆流保炎域
２９の大きさはほとんど変化しない。逆に中央部逆流保
炎域２９の圧力が低下し環状旋回流２８にそれを内方に
引き込む力が作用しても、環状旋回流２８は環状旋回流
ガイド１６に付着して流れているため、環状旋回流ガイ
ド１６から簡単には剥離せず中央部逆流保炎域２９の大
きさをほぼ一定に保持する。

なお、環状旋回流２８の外周部に混合した第１段燃料は
外周部逆流保炎域３０において安定して燃焼されるため
、燃焼効率を高める事ができる。

第４図と第５図は本発明の第２の実施例を示し、この第
２実施例は上記第１実施例における第１段燃料ノズル１
４からの第１段燃料の燃焼によって発生するＮＯｘの量
を大幅に低減するものである。

ラジアルスワラ１５にはその上流側に第１段燃料用の付
加ノズル３２が隣接配置されている。第１段バーナ１１
には、第１段燃料取入口１３と第１段燃料ノズル１４と
付加ノズル３２とに夫々連通した共通の第１段燃料供給
路３３が穿設されている。

第１段燃料取入口１３からの第１段燃料はその一部が第
１段燃料ノズル１４から流比しラジアルスワラ１５から
の空気に拡散し燃焼し、その残りが第１段燃料供給路３
３で分流され付加ノズル３２の複数の孔３２ａからラジ
アルスワラ１５の方に流出し、このラジアルスワラ１５
を通る圧縮空気９に予混合し環状旋回流２８になる。

このように付加ノズル３２の付設によって、第１段燃料
ノズル１４から流出する第１段燃料の量を第１実施例よ
りも減少させることができる。これによって、第１段燃
料ノズル１４からの第１段燃料の燃焼によって発生する
ＮＯｘの量を大幅に低減することができる。

第６図は上記第２実施例の変形例を示したもので、第１
段燃料取入口１３とは別個の独立した付加ノズル用の第
１段燃料取入口３４が第１段バーナ１１に取り付けられ
ている。第１段バーナ１１には付加ノズル用第１段燃料
取入口３４と付加ノズル３２とを連通する第１段燃料ヘ
ッダ３５が穿設されている。

このように、第１段燃料ノズル１４と付加ノズル３２と
には第１段燃料が夫々別個の第１段燃料取入口１３と付
加ノズル用第１段燃料取入口３４とから供給されるので
、第１段燃料ノズル１４への第１段燃料供給量と付加ノ
ズル３２への第１段燃料供給量とを独立に制御すること
ができる。従って、ガスタービンの負荷変化に応じて、
第１段燃料ノズル１４への第１段燃料供給量と付加ノズ
ル３２への第１段燃料供給量と予混合ダクト２１への第
２段燃料供給量とを夫々適切に制御することによって、
ガスタービンの全負荷域にわたってＮＯｘを充分に低減
することができる。

第７図はガスタービンの負荷と第１段燃料ノズル１４へ
の第１段燃料流量ａ１付加ノズル３２への第１段燃料流
１ｂ及び予混合ダクト２１への第１段燃料供量Ｃとの関
係を示したもので、中間負荷から第２段燃料を投入する
場合、特にこの切換点近傍において付加ノズル第１段燃
料流ｚｂの第１段燃料ノズル第１段燃料流量ａに対する
比率をその他の負荷時よりも低くすることによって、第
２段燃料投入時の燃焼を安定化することかできる。

また、第２段燃料投入前と第２段燃料投入後のより高負
荷域において付加ノズル第１段燃料流量すの比率を高く
し、第１段燃料ノズル第１段燃料流量ａの比率を低くす
ることによって各負荷においてＮＯｘの量を最低にする
ことができる。

なお、本発明は上記実施例に限らず種々の変更が可能で
ある。例えば、スワラ１５はその形状や第１段燃料ノズ
ル１４に対する位置や空気の噴出方法などを適宜変更す
ることができる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、第１
段燃焼ノズル先端付近からライナの予混合ガス噴出孔の
方に向って徐々に径が大きくなるように延在するほぼ円
錐台形状の環状旋回流ガイドを設け、この環状旋回流ガ
イドによって上記環状旋回流をそれが環状旋回流ガイド
に沿って流出するように案内し、かつ環状旋回流ガイド
の長さを、中央部逆流保炎域が環状旋回流ガイドによっ
て取り囲まれる領域内に位置するように定めたので、環
状旋回流の流れ位置が常にほぼ一定となり、中央部逆流
保炎域を一定に維持することができる。

従って、ＮＯｘの発生を充分に抑制し、燃焼振動を抑え
ガスタービン燃焼器を長寿命化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるガスタービン燃焼器の第１実施例
を示した縦断面図、第２図は第１図の要部を拡大して示
した縦断面図、第３図は第２図の■−■線矢視の断面図
、第４図は本発明によるガスタービン燃焼器の第２実施
例の要部を示した縦断面図、第５図は第４図のＶ−ｖ線
矢視の断面図、第６図は第２実施例の変形例を示した縦
断面図、第７図はガスタービンの負荷と燃料流量との関
係を示したグラフ図、第８図は従来のガスタービン燃焼
器を示した縦断面図、第９図（ａ）及び（ｂ）は第８図
のガスタービン燃焼器における旋回流と予混合ガスの流
れを示した説明図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、ライナ頭部に環状に取り付けられ、空気を上記ライ
   ナ内の燃焼室に環状旋回流として供給するスワラと、上
   記スワラに取り囲まれるように上記ライナ頭部に取り付
   けられ、、第１段燃料を上記燃焼室に放出し上記環状旋
   回流に拡散混合して拡散燃焼させる第１段燃料ノズルと
   、第２段燃料と空気とを予混合して予混合ガスを作り、
   この予混合ガスを上記ライナ胴部に形成された複数の噴
   出孔から上記燃焼室に複数の予混合ガス流として噴出さ
   せる予混合ガス噴出手段とを具備し、上記予混合ガス流
   の一部が上記環状旋回流に取り囲まれる領域内に流入し
   て中央部逆流保炎域を形成するガスタービン燃焼器にお
   いて、上記第１段燃料ノズル先端付近から上記噴出孔の
   方に向って徐々に径が大きくなるように延在するほぼ円
   錐台形状の環状旋回流ガイドを具備し、上記環状旋回流
   ガイドは上記環状旋回流をそれが該環状旋回流ガイドに
   沿って流出するように案内し、上記環状旋回流ガイドの
   長さは上記中央部逆流保炎域が上記環状旋回流ガイドに
   よって取り囲まれる領域内に位置するように定められて
   いることを特徴とするガスタービン燃焼器。