JPH06101841A - ガスタービン燃焼器の空気−燃料予混合構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、ガスタ−ビン燃焼器により発生す
るＮＯｘを抑制するために、予混合燃焼を行なうに際
し、その基本的な技術となる予混合空気と燃料とを均一
に混合させる効果的な構造を提供するものである。 【構成】 単段または多段に設けられた予混合バ−ナ口
において、各段の環状の予混合通路をエアフォイルと仕
切板とにより複数に分割し、エアフォイルにより予混合
通路内で予混合空気と燃料ガスとを加速・減速させると
同時に、燃料ノズルを半径方向に長くして局所的な予混
合空気量に見合うように燃料ノズルの両側面に設けた複
数の燃料ガス噴口にピッチまたは噴口径を変化させて、
理想的な予混合気を得ることができるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、予混合燃焼により低Ｎ
Ｏｘ燃焼を行なわせるガスタ−ビン燃焼器の空気−燃料
予混合構造に係り、特に天然ガス（ＬＮＧ、ＬＰＧ等）
等の気体燃料を使用する場合において大幅なＮＯｘ低減
を図ることが出来るガスタ−ビン燃焼器の空気−燃料予
混合構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の低ＮＯｘ燃焼器のうち、本発明に
最も近い技術を説明する。例えば特開昭６１−２２１２
７号の公報に示されている内容では２段燃焼方式を採用
しており、１段目はマルチノズルによる拡散燃焼方式を
採用しており、２段目はマルチノズルによる予混合燃焼
方式を採用している。そして全体として空気過剰による
低温燃焼を行い、ＮＯｘの低減を図っている。

【０００３】衆知のごとくガスタ−ビンでは、着火より
定格負荷まで極めて広い燃焼が要求されるので、燃焼範
囲の狭い予混合燃焼だけでこの広い燃焼範囲をカバ−す
ることは出来ない。このため、着火より或る回転数又は
或る負荷帯までは燃焼幅の広い拡散燃焼方式に頼らざる
を得ない。しかし、拡散燃焼方式は局所的に高温部が発
生しやすいので、燃焼の結果発生するＮＯｘのレベルは
高くなるので、低ＮＯｘ化を図る為には空気過剰の予混
合燃焼方式により均一で且つ低温の燃焼を図る必要があ
る。従って着火時は拡散燃焼により起動し、空気と燃料
の比率即ち空気比の変動幅が予混合燃焼範囲に近ずいた
時点より拡散燃焼火炎でサポ−トしながら逐次予混合燃
焼に切り換える操作が必要となる。この操作によって、
ガスタ−ビンの低ＮＯｘ運転が可能となる。

【０００４】一方、予混合燃焼方式であれば、低ＮＯｘ
燃焼が簡単に達成出来るとは限らない。上記従来技術の
図５〜７のように混合距離の短い単純な予混合通路に燃
料を細分化して供給しても完全な予混合気を得ることは
困難であり、当然のことながら予混合気に濃度分布が存
在することになる。つまり、燃料を細分化する意味付け
は、局所的にそこを流れる空気に対応した燃料を供給す
ることが必要条件となるからである。特にここで示した
従来技術のように、予混合通路に対して燃料を上下左右
に供給し、空気流が反転する構造では、３次元的なしか
も偏流のある空間に局所的に空気に対応して燃料を供給
することは極めて困難となり、その結果として部分的に
ガス濃度の濃い部分が発生し、この部分に於いて火炎温
度が高くなり、ＮＯｘの生成が促進されることになる。

【０００５】このように予混合ガスの濃度分布を均一に
することは、低ＮＯｘ化を達成する上で極めて重要な技
術となるものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、大幅
な低ＮＯｘ燃焼を実現することであり、このために極め
て均一な予混合気を得ること、及び空気との予混合を強
化することによって、火炎の温度分布を均一にし、更に
低温燃焼を実現して、燃焼によって発生するサ−マルＮ
Ｏｘの大幅な低減を図れるガスタービン燃焼器の空気−
燃料の予混合構造を提供せんとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記の如き目
的を達成するため、環状の予混合通路にエアフォイルま
たは仕切板とエアフォイルを組合せた構造を設けて、予
混合通路を複数個に分割して水力学的直径を小さくし予
混合距離の縮小化を図るとともに、その上流に設ける燃
料ノズルを予混合通路高さ方向に長くして（ノズル断面
が半径方向に矩形形状となる）、局所的な空気流量に見
合う燃料ガス流量を供給して予混合空気の均一化を図
り、且つ、エアフォイルにおいて加速、減速させること
により予混合空気と燃料ガスとの混合を改善するもので
ある。従って、予混合距離が同一であっても、予混合通
路内の空気−燃料の混合は、飛躍的に改善することが出
来るものである。

【０００８】

【作用】燃料ガスと予混合空気の混合を改善させる為に
は、 （１）予混合通路断面の水力学的直径を小さくすること （２）予混合通路内における局所的な予混合空気流量に
見合って燃料ガスを供給すること （３）噴射した燃料ガスと予混合空気の混合体が通過す
る予混合通路内に、流動抵抗体を設けて混合促進の為に
所定の圧力損失を与える（混合に要するエネルギが必
要） の３要素を満足させることが技術的な条件となる。本発
明では、エアフォイルや仕切板とエアフォイルとの組合
せにより、水力学的直径を小さくし、燃料ノズルを予混
合通路高さ方向に長くして局所的な予混合空気流量に見
合った燃料ガスを供給し、エアフォイルにより加速や減
速を行い、混合に必要な所定の圧力損失を与えて混合改
善を図っている。

【０００９】

【実施例】以下、本発明に就いて図面を用いて詳細に説
明する。図１は本発明によるガスタ−ビン燃焼器の１具
体例を示す断面図である。この実施例では、１段の予混
合バ−ナの例を示しているが、特に限定されるものでは
なく、２段又はそれ以上の複数段であっても何等差し支
えなく本発明に含まれる。ガスタ-ビン圧縮機（図示せ
ず）で加圧された圧縮空気１は、ディフュ−ザ２により
圧力を回復させた後、空気室３に供給される。圧縮空気
１の１部は、燃焼器ライナ−４を冷却する為にライナ−
冷却空気５として使用され、燃焼室１４内に供給され
る。

【００１０】圧縮空気１の他の１部は、予混合燃焼空気
６として隣接する燃料ノズル７の間を通り、予混合通路
８内を流れて予混合バ−ナ口１０より燃焼室１４に供給
して予混合燃焼を行わせる。

【００１１】一方、予混合燃料ガス１１は、予混合燃料
室１２に入り、複数個の各燃料ノズル７よりその両側面
に設けられた複数個の燃料ガス噴口１３より予混合通路
８内に噴射して予混合燃焼空気６と合流し、エアフォイ
ル９により拡散混合した後、均質な予混合燃料ガスとな
って予混合バ−ナ口１０に供給され、燃焼室１４で予混
合火炎となり、低ＮＯｘ燃焼が行われる。

【００１２】他方、拡散バ−ナに関しては、圧縮空気の
１部が拡散燃焼空気１７として拡散燃焼空気通路２３に
入り、拡散バ−ナスワラ１８より拡散バ−ナ口１９より
燃焼室１４内に供給され、拡散火炎となる。又、拡散燃
料ガス２０は拡散燃料ガス通路２１を通り拡散燃料ガス
噴口２２より拡散バ−ナスワラ１８内に噴射し、拡散バ
−ナ口１９より燃焼室１４内に供給される。燃焼室１４
で燃焼した高温ガスはトランジションピ−ス１５内を流
れ高温ガス流１６としてタ−ビン側へ供給される。

【００１３】本発明の予混合構造は、予混合燃焼空気
６、燃料ノズル７、予混合通路８、エアフォイル９及び
燃料ガス噴口１３に関するものであり、最終的に予混合
バ−ナ口１０より極めて均一な予混合気を燃焼室１４に
供給して理想的に近い予混合低ＮＯｘ燃焼を実現するも
のである。

【００１４】図２は、図１のＡ−Ａ断面を示すもので、
中心部に拡散燃料ガス通路２１の空間、予混合通路入口
部２４の部分には１６個の燃料ノズル７が図示のように
示されている。図より判るように、燃料ノズル７は、そ
の断面が半径方向に長くして予混合通路８の半径方向の
高さにほぼ同じくしてこの予混合通路８の入口部に挿入
されている。燃料ノズル７の燃料ガス噴流２５は、図示
のように燃料ノズル両側面に設けられた各複数個の燃料
ガス噴口１３より、周方向に噴射され、燃料ガス噴流２
５のようになる。外筒２７に近い部分は、燃焼空気通路
部２６であり、圧縮空気１の通路となっている。

【００１５】図１のように、予混合燃焼空気６の流れ方
向が反転するような通路構成では、流れが偏流により流
れの外周側の流速が大きくなる。一方、図２より明らか
なように、予混合空気入口部の通過断面積は中心寄りが
小さくなっている。従って、予混合空気量のアンバラン
スは、かなり緩和される方向となるが、必ずしも半径方
向に均一な流量配分にはならない。従って、このアンバ
ランスを矯正する為には、燃料側に空気量に見合う燃料
ガスの配分が必要となる。

【００１６】本発明では、２つの方法でこのアンバラン
スを矯正しようとするものである。即ち、第１の方法
は、図６に示すように、燃料ノズル両側面に設けられて
いる複数個の燃料ガス噴口１３のピッチを変化させるこ
とによって偏流のアンバランスを矯正するものである。
第２の方法は、図７に示すように、燃料ノズル両側面に
設けられている複数個の燃料ガス噴口１３の噴口径を変
化させることによって偏流のアンバランスを矯正するも
のである。

【００１７】図３は、図１のＢ−Ｂ断面を示すものであ
り、とくに予混合通路８内に設けられたエアフォイル９
の部分の詳細断面を示したものである。予混合通路８
は、予混合通路仕切板２８によって複数に分割され、水
力学的直径を小さくして予混合空気と燃料ガスとの混合
効率を改善するのに役立っている。この分割された予混
合通路８の中にエアフォイル９を挿入して予混合通路狭
部２９を構成している。この予混合通路狭部２９は、上
記予混合空気の偏流を矯正することに有効であり、且
つ、エアフォイル後流の減速部において予混合空気と燃
料ガスとの混合促進に有効なものである。すなわち、エ
アフォイル９は、図１のＣ−Ｃ断面展開図である図４に
示すように、後部が先細形状となっていてその先細部で
は末広がりの拡大予混合通路となっている。このエアフ
ォイル９の前後の圧力差は、流体的には圧力損失である
が、しかしこの圧力差は混合を改善するために必要なエ
ネルギと考えることができる。

【００１８】なお、図３および図４に示した実施例では
予混合通路仕切板２８とエアフォイル９とを組み合わせ
て予混合通路８を複数に分割したものを示したが、分割
数が多い場合には、この予混合仕切板２８を削除しても
同様の効果を得ることができる。

【００１９】図４は、図１のＣ−Ｃ断面展開図を示した
ものであり、燃料ノズル７、エアフォイル９、予混合通
路仕切壁２８、予混合通路狭部２９及び燃料ガス噴流２
５との関係を図示したものである。予混合通路８の入口
に設けられた燃料ノズル７によって予混合燃焼空気６は
各予混合通路８に対して２分割され、予混合通路狭部２
９で加速され、その後拡大通路によって減速されて混合
が促進されることになる。エアフォイル９の後流に発生
した乱流渦は、予混合通路８内で混合促進をしながら減
衰して予混合バ−ナ口１０に至る。

【００２０】図５は、図１のＤ視図を示したものであ
り、燃焼室１４内より予混合バ−ナ口１０及び拡散バ−
ナ口１９を示したものである。図５から判るように予混
合バ−ナ口１０は旋回流となるようにしており、又拡散
バ−ナ口１９も旋回流となるような構成としている。旋
回方向は、いずれも同一方向として旋回によって生じる
燃焼室１４の軸心上にカウンタ−フロ−を誘起させて火
炎の安定化を図っている。

【００２１】上記のように、本発明は燃料ノズル７より
供給される燃料ガスと予混合燃焼空気６との混合構造に
関するものであり、予混合バ−ナ口１０が多段化した場
合に対しても同様に適用することが出来る。すなわち、
図８に示すように、例えば２段予混合形の場合にも、そ
の各段ごとに本発明を適用することができる。

【００２２】

【発明の効果】本発明による第一の効果は、環状の予混
合通路に複数個のエアフォイルを設けることによって、
予混合燃焼空気と燃料ガスが加速−減速のプロセスが行
われ、且つ水力学的直径を小さくすることが出来、その
結果として極めて効率の良い混合を行わせることが出来
ることである。本発明による第二の効果は、環状の予混
合通路高さ方向（半径方向）に長い燃料ノズルとし、高
さ方向に燃料ガスを分配することによって、更に効果的
な混合を促進することが出来ることである。本発明の第
三の効果は、上記第二の効果を更に促進させる為に、燃
料ノズル両側面に設けた複数個の燃料ガス噴口に対し、
局所的な予混合燃焼空気量に見合うように噴口のピッチ
や噴口径にバイアスを設けて極めて均一な予混合気を得
ることが出来ることである。本発明の第四の効果は、上
記第一より第三までの効果を組み合わせることによって
更に効率の良い混合プロセスを得ることが出来ることで
ある。本発明による第五の効果は、予混合バ−ナ口を多
段化することによって、ガスタ−ビンの負荷変化の広い
範囲にわたって、予混合燃焼による低ＮＯｘ燃焼が達成
することが出来ることである。以上のように本発明によ
る効果は、ガスタ−ビンの低ＮＯｘ燃焼を実現するため
に極めて有効となるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による予混合燃焼と拡散燃焼方式を組み
合わせたガスタ−ビン燃焼器の断面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。

【図３】図１のＢ−Ｂ断面図である。

【図４】図１のＣ−Ｃ断面展開図である。

【図５】図１のＤ矢視図である。

【図６】燃料ガス噴口のピッチを変化させた例を示す一
部の斜視図である。

【図７】燃料ガス噴口の噴口径を変化させた例を示す一
部の斜視図である。

【図８】予混合バーナを２段にした例を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１…圧縮空気、２…ディフュ−ザ、３…空気室、４…燃
焼器ライナ−、５…ライナ−冷却空気、６…予混合燃焼
空気、７…燃料ノズル、８…予混合通路、９…エアフォ
イル、１０…予混合バ−ナ口、１１…予混合燃料ガス、
１２…予混合燃料室、１３…燃料ガス噴口、１４…燃焼
室、１５…トランジションピ−ス、１６…高温ガス流、
１７…拡散燃焼空気、１８…拡散バ−ナスワラ、１９…
拡散バ−ナ口、２０…拡散燃料ガス、２１…拡散燃料ガ
ス通路、２２…拡散燃料ガス噴口、２３…拡散燃焼空気
通路、２４…予混合通路入口部、２５…燃料ガス噴流、
２６…燃焼空気通路部、２７…外筒、２８…予混合通路
仕切板、２９…予混合通路狭部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 熊田 和彦 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮機から供給される燃焼空気の一部を
   予混合空気として燃料と予混合させて低ＮＯｘ燃焼を行
   なわせるガスタ−ビン燃焼器において、環状をなす予混
   合通路内に複数のエアフォイルを半径方向に設けてその
   エアフォイルにより予混合通路を複数に分割し、その各
   分割予混合通路の入口部に半径方向にのびる矩形断面形
   状のノズルを配設すると共にそのノズルの先端の長辺部
   両側に複数の燃料噴口を設け、前記各分割予混合通路の
   エアフォイルにより、前記ノズルから供給される燃料と
   予混合通路に供給される予混合空気との混合を促進させ
   て低ＮＯｘ燃焼を行わせることを特徴とするガスタービ
   ン燃焼器の空気−燃料予混合構造。
2. 【請求項２】 圧縮機から供給される燃焼空気の一部を
   予混合空気として燃料と予混合させて低ＮＯｘ燃焼を行
   なわせるガスタ−ビン燃焼器において、環状をなす予混
   合通路を半径方向にのびる仕切板により複数に分割する
   と共に、その各分割予混合通路内に半径方向にのびるエ
   アフォイルを設け、前記各分割予混合通路の入口部に半
   径方向にのびる矩形断面形状のノズルを配設すると共に
   そのノズルの先端の長辺部両側に複数の燃料噴口を設
   け、前記各分割予混合通路のエアフォイルにより、前記
   ノズルから供給される燃料と予混合通路に供給される予
   混合空気との混合を促進させて低ＮＯｘ燃焼を行なわせ
   ることを特徴とするガスタービン燃焼器の空気−燃料予
   混合構造。
3. 【請求項３】 エアフォイルの後部を先細形状とするこ
   とにより予混合通路の一部を末広がり予混合通路とし、
   予混合燃料と予混合空気との拡散混合を行なわせること
   を特徴とする請求項１または２に記載のガスタービン燃
   焼器の空気−燃料予混合構造。
4. 【請求項４】 燃料ノズルの長辺部両側に設けた複数個
   の燃料噴口のピッチを局所的に流れる予混合空気量に見
   合うように不等間隔に設けて、燃料−空気の混合比を均
   一化させたことを特徴とする請求項１または２に記載の
   ガスタービン燃焼器の空気−燃料予混合構造。
5. 【請求項５】 燃料ノズルの長辺部両側に設けた複数個
   の燃料噴口の口径を局所的に流れる予混合空気量に見合
   うように変化させて、燃料−空気の混合比を均一化させ
   たことを特徴とする請求項１または２に記載のガスター
   ビン燃焼器の空気−燃料予混合構造。
6. 【請求項６】 環状をなす予混合通路を半径方向に多段
   に設けると共に、燃料供給用ノズルも多段に設けたこと
   を特徴とする請求項１ないし５の何れかに記載のガスタ
   ービン燃焼器の空気−燃料予混合構造。