JPH06281146A - 燃焼器用バーナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 燃焼振動が少なく広い安定作動域を有し、か
つ低ＮＯｘ化を図ることのできるこの種燃焼器バーナを
提供するにある。 【構成】 ノズルの周囲にノズルの長手方向に燃焼用圧
縮空気が流通する空気流路を備えている燃焼器用バーナ
において、ノズルの周表面でノズル先端の燃料噴射口よ
りは上流側の位置に、第二の燃料噴射口を設け、かつこ
の第二の燃料噴射口の上流側に保炎器を設けるようにし
た

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は例えばガスタ−ビンの燃
焼器等に採用されている燃焼器用バーナの改良に係り、
特にノズル本体の長手方向に燃焼用圧縮空気が流通する
ように形成されている燃焼器用バーナの改良に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】例えばガスタービンの排気中のＮＯｘを
低減するために、予混合燃焼と拡散燃焼を組み合わせた
二段燃焼器が開発されている。

【０００３】この二段燃焼器は、例えば米国特許第４、
８９８、００１号明細書にも開示されているように燃焼
器の上流側には、燃焼器中へ突出する燃料ノズルを有す
る拡散燃焼バーナがあり、その下流側の外周には燃料と
空気の混合気体を燃焼室へ供給して燃焼させる予混合燃
焼バーナがある。極一般にはこのいずれのバーナも燃料
と空気の比率が理論混合比よりも小さくなる条件、すな
わち稀薄燃焼させることによりＮＯｘの発生量を抑制し
ている。

【０００４】この場合拡散燃焼バーナのＮＯｘ発生度合
は予混合燃焼バーナよりも高い。このため一層の低ＮＯ
ｘ化を図るためには予混合燃焼させる燃焼比率（全燃焼
に対する予混合燃焼の燃焼割合）を大きくしていく必要
がある。

【０００５】この場合拡散燃焼バーナの容量を小さく
し、予混合燃焼バーナの容量を大きくしていくと拡散燃
焼バーナの保炎作用の低下のため予混合燃焼バーナ火炎
の安定性が低下し、燃焼振動が発生しやすくなる。また
部分負荷運転時は基本的には予混合気の燃空比（燃料と
空気の混合比）を一定に保つ事が必要であるため、予混
合器に入る空気量の制御、若しくはバーナの本数切り替
えが行われている。

【０００６】一方予混合火炎の保炎については、前述の
引例のように予混合出口部の予混合気流中に鈍頭体を配
置し、その後流に形成される渦で火炎を安定させるもの
と、他方特開昭５９−１０１５５１号公報に開示されて
いるように外周側に予混合気流を形成し、その中心部に
拡散燃焼させる拡散燃焼バーナを配置したものが知られ
ている。

【０００７】後者の場合には低負荷運転領域は専ら拡散
燃焼バーナで作動させ、高負荷運転領域は拡散燃焼バー
ナを極力小さくして専ら予混合燃焼バーナを作動させＮ
Ｏｘの発生を抑制するようにしている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように形成された
燃焼バーナは通常の運転であれば特に問題になることは
ないのであるが、負荷変化が著しいときなどには、たと
え燃料流量を絞り込んだ小さい拡散燃焼であっても、そ
の周囲に負荷に対応した予混合火炎が存在することから
燃焼振動を生じ易く、すなわち不安定燃焼となり、かつ
極めて多量のＮＯｘが発生する嫌いがあった。

【０００９】本発明はこれに鑑みなされたものでその目
的とするところは、たとえ負荷変動の激しい燃焼器に用
いられる燃焼バーナであっても、燃焼振動が少なく広い
安定作動域を有し、かつ低ＮＯｘ化を図ることのできる
この種燃焼器バーナを提供するにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、ノズ
ルの周囲にノズルの長手方向に燃焼用圧縮空気が流通す
る空気流路を備えている燃焼器用バーナにおいて、ノズ
ルの周表面でノズル先端の燃料噴射口よりは上流側の位
置に、第二の燃料噴射口を設け、かつこの第二の燃料噴
射口の上流側に保炎器を設けるようになし所期の目的を
達成するようにしたものである。

【００１１】

【作用】すなわちこの構成であると、保炎器後流にでき
る空気渦により、第二燃料噴射口より噴射された燃料と
空気との拡散が急激に進むために、局部的な高温燃焼部
が形成されることはなくなり、この部分で発生するＮＯ
ｘの量は少なくなり、さらにこの保炎器後流で燃焼した
燃焼ガスがその下流側で燃焼している燃焼火炎中に無理
なく混合して燃焼するので、その燃焼は安定となり、し
たがって全体としてＮＯｘ発生が少なく、かつ広い安定
領域を有するこの種燃焼器バーナを得ることができるの
である。

【００１２】

【実施例】以下図示した実施例に基づいて本発明を詳細
に説明する。なお本発明の燃焼器用バーナはノズルの周
囲に燃焼用の圧縮空気が流通しているものであれば、如
何なるものにも採用可能であるが、ここではガスタービ
ン燃焼器に採用した場合の例について述べる。

【００１３】図１にはそのガスタービンの燃焼器が示さ
れている。燃焼器はタービンケーシング１０と圧縮機ケ
ーシング２６の間に配置され、燃焼器外筒１１と燃焼器
外筒カバー１２とを備えている。

【００１４】燃焼器は内周側に１段目のバーナ５Ａをも
ち、その下流の外周側に２段目のバーナ７Ａを有する２
段燃焼器であり、１段目のバーナ５Ａは、１段目のノズ
ル５と１段目燃焼空気流路２からなり、２段目のバーナ
７Ａは２段目のノズル６と２段目空気流路３からなり、
その下流に燃焼筒４にかこまれた燃焼室１を形成し、更
にその下流に燃焼器尾筒９が連なり、燃焼器内で発生し
た高温作動ガス２１０はタービンノズル１３へ供給され
る。

【００１５】圧縮機から吐出される圧縮空気１００のう
ち１段目の燃焼空気１０２及び２段目の燃焼空気１０１
がそれぞれ１段目燃料，２段目燃料と燃焼する。更に図
示されていないが、圧縮空気の一部は燃焼筒の壁面冷却
空気や各バーナのつなぎ部分から燃焼器内に流入する。

【００１６】２段目のバーナ７Ａはその出口部に保炎器
８が設けられており、この保炎器８の下流に形成される
循環流に予混合気１１０′がまき込まれ持続燃焼する。

【００１７】１段目のバーナ５Ａについてはその要部を
示した図２に基づき説明する。１段目のバーナ５Ａは、
外周側円筒１５の軸芯側に複数枚の仕切板１４を介して
１段目燃焼ノズル５が取り付けられている。仕切板１４
によって形成される複数の区画された空気流路の下流は
燃焼器内に開口し、上流側は仕切板より更に上流側が環
状の空気流入口となっており、ここには渦発生板（絞り
板）１６が取り付けられており、渦発生板１６には各区
画された空気流路に対応した空気流入口１７が設けられ
ている。

【００１８】１段目のノズル５には、その中心に一次燃
料供給管２１が取付けられており、一次燃料管２１と１
段目のノズル５によって区画された空間は二次燃料供給
路２２として機能し、一次燃料供給管から供給される１
段目燃料２００は１段目空気流路の出口近傍の流気流路
内に一次の燃料噴射口２３を通して噴出し、二次燃料供
給路から供給される１段目燃料２０１は空気流路内の仕
切板上流端近傍に設けられた二次の燃料噴射口２４を通
して燃焼空気流中へ供給される。ここで、一次燃料供給
管２１及び二次燃料供給管２２に供給されるそれぞれの
燃料２００，２０１は図示されていないが独立燃料供給
系統から供給され、ガスタービン起動時から軽負荷時は
専ら一次燃料供給管から、ガスタービン高負荷運転時は
専ら二次燃料供給管から燃料を供給して運転する。

【００１９】更に、外周側円筒１５の出口端近傍に半径
方向に空間１９を有するスペーサリング１８が取り付け
られ、この空間１９を通して遮へい空気１０３が燃焼器
内へ流入する。なお、１段目のバーナはスペーサリング
１８に取り付けられバネシール２０を介して２段目のバ
ーナの内周側に装着される。

【００２０】図３，図４は図２のそれぞれＡーＡ，Ｂー
Ｂ線に沿う断面図であり、空気流入口１７は仕切り板１
４間のほぼ中間に対応させて設けられている。また、燃
料噴射口２３および第二の燃料噴口２４は仕切り板で区
画された流路のほぼ中央位置に設けられている。

【００２１】かかる構造の１段目のバーナにおいては、
一次の燃料噴射口２３から噴出する燃料は空気流路内で
空気と混合しながら燃焼室内へ供給されるが、区画され
た流路の出口付近であり、燃料濃度に濃淡が存在し、安
定燃焼となる。

【００２２】一方、二次の燃料噴射口２４から噴射され
た燃料は渦発生板１６によって誘起される渦によって空
気と急速混合し、出口においてはほとんど均一な燃料濃
度となり、前述の火炎に保持されて低ＮＯｘ燃焼する。

【００２３】また、図１に示す２段燃焼器においては、
燃焼条件によっては、１段目の火炎と２段目の火炎が干
渉して燃焼振動が発生したり、火炎が不安定になる現象
が発生する場合がある。これは主に火炎が保持される保
炎器近傍でお互いの火炎が干渉することによるものであ
る。しかしながらこの構成であると、作用については後
述するが、拡散燃焼の周囲に予混合燃焼が近接して設け
られることからこれらが防止されるのである。さらに１
段目のバーナの外周に遮へい空気１０３を流すことによ
り火炎保持部での火炎干渉を抑制できることになり一層
燃焼の安定性が向上する。

【００２４】図５は他の実施例を示すものであり、ここ
では環状の空気入口部に旋回器２５、すなわち空気を旋
回させて保炎する保炎器がそれぞれ区画された流路に対
応して設けられている。この場合には旋回流１０２′に
よって空気と燃料の混合が促進され、前述した効果をさ
らに向上させることができる。

【００２５】図６にはさらに他の実施例が示されてい
る。なお図１と同一部品には同一符号を付したのでその
説明は省略する 図において燃料２０３は燃料ノズル５に供給され、燃料
ノズルの先端近傍の燃料噴口２３より燃焼室に噴射され
燃焼する。ノズル本体の周表面で前記燃料噴口２３より
は上流側の位置に、第二の燃料噴口２４が設けられてい
る。この第二の燃料噴口２４は燃料穴２４Ａに連通して
いる。燃料穴２４Ａより出た燃料は燃料室２４Ｂに入
り、絞り部２４Ｃを通り燃料室２４Ｄに入り絞り部２４
Ｅを通り保炎器１６の下流側に供給される。

【００２６】なお燃料室２４Ｂ、絞り部２４Ｃ、燃料室
２４Ｄ、絞り部２４Ｅは燃料の周方向の流量分布を均一
にするために設けたものであり、例えば燃料穴２４Ａが
周方向に多数均等に設けた場合には、絞り部は一段でも
差し支えなく、また燃料の通路がかなり長い場合には、
この絞り部は不必要としても良い。

【００２７】一方燃焼空気流１０２は燃焼室に供給され
るが、この場合保炎器の上流側へ燃焼空気絞り板１３０
を設けるようにすると、すなわち燃焼空気がノズルの周
囲に流速が増すように案内板を設けるようにすると、保
炎器部の流速が増し渦による混合度が向上し有効であ
る。

【００２８】図７はノズルの正面を示したものであり燃
料ノズルの先端近傍には、複数個の燃料噴口２３が設け
られている。また絞り部もノズルの周囲に複数個設けら
れている。保炎器１６はこの絞り部を有する通路の外周
に設けられている。

【００２９】この保炎器はこの場合円形上を成している
が、この保炎器は円形上でなければならないわけではな
く、例えば楕円形や角形あるいは星型であっても何等差
し支えない。要は燃焼空気流が保炎器によってその後流
の空気流に渦が発生して火炎が保持できればよいわけで
ある。

【００３０】また保炎器１６の上流側壁と燃焼空気流と
のなす角が直角でなくても保炎はできるが、できるだけ
直角の方が保炎の性能的には有効である。

【００３１】図８及び図９は絞り部の形状および位置を
示したもので、この絞り部２４Ｃおよび絞り部２４Ｅは
燃料通路の出口における燃料の周方向の分布をできるだ
け均一にするためにずらして設けるようにした場合のも
のであり、勿論これらの位置、大きさ、形状は燃料孔２
４Ａとの関連、さらに燃料室２４Ｂや燃料室２４Ｄの容
積および燃料の通路の長さとの関連において決定される
べき正確のものである。

【００３２】特にこの絞り部の通路２４Ｃの通過面積
は、絞り部の通路２４Ｅの通過面積に比べて小さくして
周方向の燃料量の均一化を図ると有効である。

【００３３】また図８より判るように絞り部の燃料通路
２４Ｃの間に燃料孔２４Ａが設けられている。これは燃
料孔２４Ａから噴出する燃料の動圧の影響を無くして燃
料量の分布の均一化を目的としたもので、必ずしもこの
配置関係でなければならない理由はなく、一つの理想的
な配置の関係として捉えるべきものである。

【００３４】次に図１０に基づき本実施例バーナのその
周囲空気および燃料の流動状況について説明する。

【００３５】まず燃料２０３は上流にて燃料を一部供給
した後、燃料ノズル５に設けられた燃料孔２３より燃料
噴流２３Ａとして燃料室１に噴射する。これに伴い燃料
噴流の随伴流２３Ｂが発生する。一方燃焼空気流１０２
はリング状の保炎器１６によりリングのエッジ１６Ａを
起点として燃焼空気流の渦１０２Ａが生じ、その一部は
燃料噴流の随伴流となる。もし保炎器１６の火炎保持面
１６Ｂの位置に燃料孔２３が存在すると燃料噴流２３Ａ
の影響を強く受けて燃焼空気流の渦１０２Ａはその大半
が燃料噴流の随伴流２３Ｂとして燃料噴流２３Ａに引き
づられてしまい、火炎保持面上に安定な火炎を作ること
ができなくなる。つまり燃料孔４は火炎保持面２６より
或る程度後流に設ける事が重要である。

【００３６】また燃料２０５は燃料の流れ２０６として
火炎保持面１６Ｂの面上に供給され、リングのエッジ１
６Ａまで達する。そしてここで火炎を発生し燃焼空気流
の渦１０２Ａで安定な火炎を作ることができるのであ
る。したがって火炎保持面１６Ｂの上では燃料の流れ２
０６によって火炎との直接的な接触が無くなり、伝熱形
態としては単純に輻射による伝熱のみとなり、保炎器１
６の過熱や焼損を防止することができるのである この燃料の流れ２０６が図のように保炎器の下面に沿っ
て流れるためには、燃料の流れ２０６の流速が燃焼空気
流の渦１０２Ａの旋回流速より小さいことが必要条件と
なるので、最高の性能を発揮するためには、前述した絞
り部２４Ｃ、２４Ｅにおける燃料の減速や燃料の通路の
断面積の設定は慎重に行う必要がある。しかし実験の結
果ではこの燃料２０５は供給する全燃料量の２〜５％程
度であり、バーナの設計上ではそれほど問題となること
はないであろう。

【００３７】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、保炎器後流にできる空気渦により、第二燃料噴射口
より噴射された燃料と空気との拡散が急激に進むため
に、局部的な高温燃焼部が形成されることはなくなり、
この部分で発生するＮＯｘの量は少なくなり、さらにこ
の保炎器後流で燃焼した燃焼ガスがその下流側で燃焼し
ている燃焼火炎中に混合して燃焼するので、その燃焼は
不安定になることはなく、したがって燃焼振動も少なく
広い安定作動域を有し、かつ低ＮＯｘ化を図ることので
きるこの種燃焼器バーナを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃焼器用バーナを備えたガスタービン
燃焼器を示す縦断側面図である。

【図２】本発明の燃焼用バーナを示す縦断側面図であ
る。

【図３】図２のＡーＡ線に沿う断面図である。

【図４】図２のＢーＢ線に沿う断面図である。

【図５】本発明の燃焼用バーナの他の実施例を示す縦断
側面図である。

【図６】本発明の燃焼用バーナのさらに他の実施例を示
す縦断側面図である。

【図７】図６のＣ矢印方向より見た正面図である。

【図８】図６のＤーＤ線に沿う断面図である。

【図９】図６のＥーＥ線に沿う断面図である。

【図１０】本発明の燃焼用バーナにおける燃料流と空気
流との関係を示すバーナ要部の縦断側面図である。

【符号の説明】

１…燃焼室、２…空気流路、５…ノズル、１６…保炎
器、２３…燃料噴射口、２４…第二の燃料噴射口、

フロントページの続き (72)発明者 印南 民雄 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 林 則行 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 井上 洋 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 吉田 正平 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 赤津 茂行 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 笹尾 俊文 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 小豆畑 茂 茨城県日立市幸町三町目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 伊藤 和行 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 政井 忠久 茨城県日立市幸町三町目２番１号 日立エ ンジニアリング 株式会社内 (72)発明者 佐藤 勲 茨城県日立市幸町三町目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下流側先端近傍に燃料噴射口を有するノ
   ズルと、該ノズルの周囲で、かつノズルの長手方向に燃
   焼用圧縮空気が流通する空気流路とを備えた燃焼器用バ
   ーナにおいて、 前記ノズルの周表面で前記燃料噴射口よりは上流側の位
   置に、第二の燃料噴射口を設け、かつ該第二の燃料噴射
   口の上流側に保炎器を設けたことを特徴とする燃焼器用
   バーナ。
2. 【請求項２】 下流側先端近傍に燃料噴射口を有するノ
   ズルと、該ノズルの周囲に燃焼用圧縮空気が流通する空
   気流通路とを備え、拡散燃焼が行なわれる燃焼器用バー
   ナにおいて、 前記ノズルの周表面で前記燃料噴射口よりは上流側の位
   置に、第二の燃料噴射口を設け、かつ該第二の燃料噴射
   口より噴出した燃料を予混合燃焼させるようにしたこと
   を特徴とする燃焼器用バーナ。
3. 【請求項３】 前記燃料噴射口と前記第二の燃料噴射口
   とは夫々独立した燃料供給装置を備えていることを特徴
   とする請求項２記載の燃焼器用バーナ。
4. 【請求項４】 下流側先端近傍に燃料噴射口を有するノ
   ズルと、該ノズルの周囲で、かつノズルの長手方向に燃
   焼用圧縮空気が流通する空気流路とを備えた燃焼器用バ
   ーナにおいて、 前記ノズルの周表面で前記燃料噴射口よりは上流側の位
   置に、第二の燃料噴射口を設け、かつ該第二の燃料噴射
   口の上流側に保炎器を設けるとともに前記第二の燃料噴
   射口より噴射される燃料が前記保炎器の燃焼室側表面に
   沿うように形成したことを特徴とする燃焼器用バーナ。
5. 【請求項５】 下流側先端近傍に燃料噴射口を有するノ
   ズルと、該ノズルの周囲で、かつノズルの長手方向に燃
   焼用空気が流通する空気流路とを備えた燃焼器用バーナ
   において、 前記ノズルの周表面で前記燃料噴射口よりは上流側の位
   置に、第二の燃料噴射口を設けるとともに、該第二の燃
   料噴射口の上流側に保炎器を設け、かつ該保炎器の上流
   側に燃焼用空気を絞り込む絞り部を設けるようにしたこ
   とを特徴とする燃焼器用バーナ。
6. 【請求項６】 下流側先端近傍に燃料噴射口を有するノ
   ズルと、該ノズルの周囲で、かつノズルの長手方向に燃
   焼用空気が流通する空気流路とを備えた燃焼器用バーナ
   において、 前記ノズルの周表面で前記燃料噴射口よりは上流側の位
   置に、第二の燃料噴射口を設けるとともに、該第二の燃
   料噴射口の上流側に保炎器を設け、かつ該保炎器の上流
   側に、燃焼用空気がノズル表面に沿って流通するよう案
   内するガイドを設けるようにしたことを特徴とする燃焼
   器用バーナ。
7. 【請求項７】 下流側先端近傍に燃料噴射口を有するノ
   ズルと、該ノズルの周囲で、かつノズルの長手方向に燃
   焼用空気が流通する空気流路とを備えた燃焼器用バーナ
   において、 前記ノズルに、前記燃料噴射口よりは上流側に開口した
   噴射口を有する燃料供給部を設けるとともに、該第二の
   燃料供給部の燃料流通路内に絞り部を設け、かつ該第二
   の燃料供給部の噴射口の上流側に保炎器を設けるように
   したことを特徴とする燃焼器用バーナ。
8. 【請求項８】 前記燃料噴射口と前記第二の燃料噴射口
   に供給される燃料はガス燃料であることを特徴とする請
   求項７記載の燃焼器用バーナ。