JPH05264037A

JPH05264037A - ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JPH05264037A
Application number: JP6577592A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Okamoto; 浩明岡本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-03-24
Filing date: 1992-03-24
Publication date: 1993-10-12

Abstract

(57)【要約】【目的】排気ガス中のＮＯ_x濃度を極力低く抑えること
のできるガスタービン燃焼器を提供すること。【構成】燃焼器頭部に設けた旋回保炎器１８から燃焼空
気１４を導入し且つこの旋回保炎器１８の内周側に設け
た第１段燃料ノズル５から燃焼室１３に第１段燃料を噴
射するとともに、燃焼空気１４と予混合して燃焼室１３
に第２段燃料を噴射させるガスタービン燃焼器におい
て、第１段燃料ノズル５の内周側に空気噴射ノズル２９
を設け、この空気噴射ノズル２９から燃焼空気１４の一
部を流すように構成したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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ＮＯ_x化
を図ったガスタービン燃焼器に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ガスタービン燃焼器におけるＮ
Ｏ_x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発生し、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ＮＯ_xを抑制する手段としては希薄予
混合燃焼方式がある。

【０００３】この希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
報などに開示されたものがある。この燃焼器は図５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、この予混合室１０３とライ
ナ１０２とを連通する通気ガイド１０４とから構成され
ている。そして、ライナ１０２の内部燃焼室１０５には
第１段燃料１０６ａが供給され、ライナ１０２を通って
供給される空気１０７と拡散混合しながら安定した拡散
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１０６ｂと空気１０７が取り入れられて
希薄予混合され、この予混合ガス１０８が通気ガイド１
０４を通って内部燃焼室１０５に供給されて希薄予混合
燃焼を行う。このように予混合気を複数の孔から噴出さ
せると、燃焼室１０５の内部の流れが高乱流となり、燃
焼速度が速くなって良好な燃焼効率を得ながらＮＯ_xの
低減が図れるとともに、燃焼の均一化によるＮＯ_x低減
も図れる。

【０００４】上記従来の２段燃焼器の負荷運転時の燃料
流量は、図６（Ａ）に示すように中間負荷まで第１段燃
料単独で運転され、高負荷時には第１段燃料を減少させ
て第２段燃料を増加させた運転になる。この時、燃焼器
出口のＮＯ_x濃度は図６（Ｂ）中のａで示すように第１
段燃料流量と似た特性となる。

【０００５】この２段燃焼時のＮＯ_x生成原因を明確に
するため、第２段燃料を流さずに第１段燃料のみを流し
て燃焼空気流量、温度、圧力条件を同じにして燃焼させ
た試験結果をまとめると、ほぼ図６（Ｂ）中のｂで示す
ＮＯ_x濃度が得られた。予混合された第２段燃料のみが
燃焼する場合のＮＯ_x濃度はその燃焼ガス温度が低いた
めに無視できる程度であり、図６（Ｂ）中のａとｂとの
ＮＯ_x濃度差Ｘは第１段燃料の拡散燃焼と第２段燃料の
予混合燃焼との干渉により生成されるＮＯ_xであること
が判る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のガスタービン燃焼器では、第１段燃料の拡散燃焼と
第２段燃料の予混合燃焼とが干渉することによりＮＯ_x
が生成されるため、燃焼器出口のＮＯ_x濃度をさらに低
減させることが不可能である。

【０００７】本発明は上述した事情を考慮してなされた
もので、排気ガス中のＮＯ_x濃度を極力低く抑えること
の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。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係るガスタービ
ン燃焼器は、上述した課題を解決するために、燃焼器頭
部に設けた旋回保炎器から燃焼空気を導入し且つこの旋
回保炎器の内周側に設けた第１段燃料ノズルから燃焼室
に第１段燃料を噴射するとともに、上記燃焼空気と予混
合して上記燃焼室に第２段燃料を噴射させるガスタービ
ン燃焼器において、上記第１段燃料ノズルの内周側に空
気噴射ノズルを設け、この空気噴射ノズルから上記燃焼
空気の一部を流すように構成したものである。

【０００９】

【作用】上記の構成を有する本発明においては、旋回保
炎器から流入する燃焼空気と、空気噴射ノズルから供給
される燃焼空気とにより、第１段燃料ノズルから噴射さ
れた第１段燃料が外周側と内周側との両側から挟まれた
流れ構造を実現できるため、第１段燃料と燃焼器内部に
噴射された第２段燃料の予混合気との混合が防止され、
干渉によるＮＯ_x発生量を抑制することができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００１１】図１は本発明の第１実施例によるガスター
ビン燃焼器を示し、この燃焼器は図示しない圧縮機とガ
スタービンとの間に複数個設けられ、圧縮機からの吐出
チャンバ内に収容される。そして、燃焼器外筒１の上流
端はヘッドプレート２で閉塞され、このヘッドプレート
２の中央部には第１段燃料系３ａに接続される第１段燃
料取入口４および第１段燃料ノズル５が設けられてい
る。

【００１２】また、ヘッドプレート２の内部には第２段
燃料ヘッダー６が設けられ、この第２段燃料ヘッダー６
の外面に第２段燃料系３ｂと接続して燃料を取り入れる
第２段燃料取入口７が取り付けられるとともに、第２段
燃料ヘッダー６の内部には第２段燃料ノズル８が設置さ
れる。そして、ヘッドプレート２の内径側には蒸気ヘッ
ダー９が設けられ、この蒸気ヘッダー９の外面に蒸気１
０を取り入れる蒸気取入口１１が取り付けられるととも
に、蒸気ヘッダー９の内部には蒸気噴射ノズル１２が設
置される。

【００１３】さらに、燃焼器外筒１の内側には燃焼室１
３に圧縮機からの圧縮空気１４を導くフロースリーブ１
５が設けられ、このフロースリーブ１５の内周側に燃焼
室１３の外壁を形成するライナ１６が設けられている。
このライナ１６の上端側にはライナキャップ１７が取り
付けられ、このライナキャップ１７の中央部に旋回保炎
器としてのスワラ１８および第１段燃料ノズル５が設置
されている。そして、燃焼器外筒１の下流端には燃焼器
ラッパ１９が設けられ、またライナ１６の後端部にはト
ランジションピース２０が装着されている。

【００１４】ライナ１６の胴部外周には、例えば８組の
予混合ダクト２１が設置され、この予混合ダクト２１の
上流側はライナキャップ１７に取り付けられた支持具２
２により支持されており、下流側は予混合ダクト２１に
固定された支持プレート２３の外周側に支持リング２４
を巻回することにより、８組の予混合ダクト２１がライ
ナ１６に支持されている。このライナ１６はその上流端
がライナ支持具２５を介してフロースリーブ１５に支持
されている。

【００１５】ここで、予混合ダクト２１の出口部は三方
に分岐され、各々の出口端がライナ１６に固定されたス
リーブ２６ａ，２６ｂ，２６ｃに挿入されており、この
スリーブ２６ａ，２６ｂ，２６ｃの外周端は予混合ダク
ト２１の支持プレート２３と接触している。また、予混
合ダクト２１の前後２箇所の支持部ではダクトの軸方向
に対してスライド可能に構成され、支持リング２４は弾
性を有し、半径方向に拡径・縮径可能である。

【００１６】さらに、第１段燃料ノズル５周辺部を図２
に示し、この第１段燃料ノズル５の先端にはスワラ１８
および第１段燃料噴射孔２７を組み込んだスワラリング
２８が接合され、この第１段燃料噴射孔２７の内側に内
部空気ノズル２９が同心円状に接合されている。この内
部空気ノズル２９の先端部の燃焼室１３に面する壁面に
は、空気噴射孔３０が第１段燃料噴射孔２７側に傾斜し
て複数個穿設されている。また、第１段燃料ノズル５に
は内部空気導通孔３１と、第１段燃料導通孔３２とがそ
れぞれ互いの孔が干渉しないように複数穿設されてい
る。次に、本実施例の作用について説明する。

【００１７】図示しない圧縮機から吐出される圧縮空気
１４は、フロースリーブ１５とライナ１６との間を燃焼
器上端側に向けて流入し、その一部はライナ冷却孔３３
などからライナ冷却用空気として流れ、また他の一部は
スワラ１８などから一次燃焼空気として、さらに一部は
予混合ダクト２１に予混合ガス生成用として、さらに他
の一部は希釈空気孔３４から希釈空気として燃焼室１３
内に流入する。

【００１８】一方、第１段燃料系３ａの燃料はスワラリ
ング２８先端部に設けた第１段燃料噴射孔２７（図２に
示す）からスワラ１８を介して燃焼室５内に流入して上
記一次燃焼空気とともに、拡散混合して拡散燃焼する。
他方、第２段燃料系３ｂの燃料は第２段燃料取入口７、
第２段燃料ヘッダー６を通り、第２段燃料ノズル８を経
て予混合ダクト２１内に噴射され、空気と予混合して予
混合ガス３５となって燃焼室１３内に流入して予混合燃
焼を行う。

【００１９】そして、燃焼室１３内で燃焼に供され、高
温の燃焼ガスとなった燃焼ガス３６はトランジションピ
ース２０内に形成された案内路を通り図示しないガスタ
ービンに導かれる。燃焼ガスがガスタービンを通過する
際に膨張して仕事をし、発電機を回転駆動させる。

【００２０】さらに、圧縮空気７の一部は第１段燃料ノ
ズル５の内部空気導通孔３１から内部空気ノズル２９に
導かれて空気噴射孔３０から燃焼室１３に供給される。
ここで、図２に示すように燃焼室１３内に噴射された第
１段燃料系３ａの燃料はスワラ１８を介して導入された
空気と内部空気ノズル２９から導入された空気によって
挟み込まれるため、燃焼室１３内部に噴射された予混合
ガス３５との混合を低減することができる。その結果、
第１段燃料系３ａの拡散燃焼と第２段燃料系３ｂの予混
合燃焼の干渉によるＮＯ_x発生量を抑えることができ
る。

【００２１】図３および図４は本発明の第２実施例によ
るガスタービン燃焼器の第１段燃料ノズルを示し、前記
第１実施例と同一の部材には同一の符号を付して説明す
る。この第１段燃料ノズル５では図３に示すように内部
空気ノズル２９の先端部に内部スワラ４０が設けられて
いる。そして、図４に示すようにスワラリング２８の先
端部は燃焼室１３の軸方向に対して垂直な幅Ｙの有限の
平面を有している。

【００２２】このように構成された第１段燃料ノズル５
を有するガスタービン燃焼器では、スワラ１８と内部ス
ワラ４０との間の幅Ｙの有限の平面において保炎域４１
を形成し、この保炎域４１を第１段燃料の燃焼の起点と
して安定化させるとともに、内部スワラ４０を通過して
供給される圧縮空気１４による環状の空気層により第１
段燃料系３ａと予混合ガス３５をシールドできるため、
それらの干渉によって生成されるＮＯ_xを抑えることが
できる。

【００２３】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１８や内部スワラ４
０の旋回角度、内向角度の変更は種々設定でき、第１段
燃料噴射孔２７の位置はスワラ１８から内部空気ノズル
２９の間で移動させることも可能である。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るガス
タービン燃焼器によれば、第１段燃料ノズルの内周側に
空気噴射ノズルを設け、この空気噴射ノズルから上記燃
焼空気の一部を流すように構成したので、第１段燃料の
燃焼部と第２段燃料の予混合燃焼部との間に空気による
シールド層が形成され、相互の干渉によるＮＯ_x生成量
を抑制できる。その結果、従来のガスタービン燃焼器に
比べて低ＮＯ_x化が図れるとともに、上記旋回保炎器近
傍の焼損を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るガスタービン燃焼器の第１実施例
を示す縦断面図。

【図２】図１に示す第１段燃料噴射ノズルの拡大断面
図。

【図３】本発明の第２実施例における第１段燃料噴射ノ
ズルを示す縦断面図。

【図４】図３のＡ部の拡大断面図。

【図５】従来のガスタービン燃焼器を示す断面概略図。

【図６】（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ従来のガスタービン
燃焼器において負荷と燃料流量および負荷とＮＯ_x濃度
との関係を示すグラフ図。

【符号の説明】

１燃焼器外筒２ヘッドプレート３ａ第１段燃料系３ｂ第２段燃料系４燃料取入口５第１段燃料ノズル６第２段燃料ヘッダー７第２段燃料取入口８第２段燃料ノズル９蒸気ヘッダー１０蒸気１３燃焼室１４圧縮空気（燃焼空気）１６ライナ１８スワラ（旋回保炎器）２１予混合ダクト２７第１段燃料噴射孔２９内部空気ノズル（空気噴射ノズル）３０空気噴射孔３１内部空気導通孔３２第１段燃料導通孔３５予混合ガス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼器頭部に設けた旋回保炎器から燃焼
空気を導入し且つこの旋回保炎器の内周側に設けた第１
段燃料ノズルから燃焼室に第１段燃料を噴射するととも
に、上記燃焼空気と予混合して上記燃焼室に第２段燃料
を噴射させるガスタービン燃焼器において、上記第１段
燃料ノズルの内周側に空気噴射ノズルを設け、この空気
噴射ノズルから上記燃焼空気の一部を流すように構成し
たことを特徴とするガスタービン燃焼器。