JPH07280265A - ガスタービンの燃焼装置及びその運転方法 - Google Patents

ガスタービンの燃焼装置及びその運転方法

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JPH07280265A
JPH07280265A JP7038794A JP7038794A JPH07280265A JP H07280265 A JPH07280265 A JP H07280265A JP 7038794 A JP7038794 A JP 7038794A JP 7038794 A JP7038794 A JP 7038794A JP H07280265 A JPH07280265 A JP H07280265A
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premixer
gas turbine
combustion
annular flow
blade
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JP7038794A
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Hiroshi Inoue
洋 井上
Yoji Ishibashi
洋二 石橋
Shohei Yoshida
正平 吉田
Tomomi Koganezawa
知巳 小金沢
Shigeyuki Akatsu
茂行 赤津
Kazumi Iwai
一躬 岩井
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】燃料と空気との混合を活発にしNOxを抑制す
ることができ、既燃ガスと未燃混合気との混合および燃
焼反応の促進を図り、結果として運用負荷帯を拡大する
ことのできるガスタービンの燃焼装置を提供する。 【構成】予混合器が複数個の同心状をなした環状流路に
形成されているガスタービンの燃焼装置において、予混
合器の環状流路に、混合気に旋回成分を与える傾斜翼を
設けるとともに、予混合器の環状流路のうち少なくとも
1つの環状流路に配置されている傾斜翼を、その傾斜角
が自由に変化できる旋回可能の傾斜翼に形成した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はガスタービンの燃焼装置
およびその運転方法の改良に係り、特に予混合燃焼を行
う燃焼装置を備えたガスタービン燃焼装置の改良に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】従来一般に採用されているこの種ガスタ
ービンの燃焼装置は、例えば特開平3−175211号
公報にも記載されているように、大気汚染物質であるN
Oxの排出量が少ない予混合燃焼器が採用されている。
すなわち予混合燃焼器は、燃料と空気とを予め混合して
おきこの混合ガスを燃焼室内で燃焼するようにしたもの
で、燃料と空気量の混合比を適度に保つことにより低温
燃焼が可能で、低NOx化図ることができるものであ
る。
【0003】この種予混合燃焼器は、このように低NO
x化を図る点では非常に有効な燃焼器であるが、火炎を
安定して保持することが難しく火炎安定性の点では問題
がある。図2は予混合燃焼を2段とし保炎器による火炎
安定化を図った例を示したもので、この図に基づきその
構成および作用を説明すると、60が燃焼器で61が燃
焼用の空気を発生する空気圧縮機、62がタービンであ
る。また燃焼器内の8および9が予混合燃焼用の燃料ノ
ズルで、30および31がその保炎器である。
【0004】燃焼に際しては、圧縮機61から送られる
空気50が燃焼器の外筒2と燃焼器ライナ3の間を通り
予混合器12、11およびパイロット燃焼ノズル10へ
と流れる。一方、予混合燃焼器へ供給される燃料21お
よび22は、燃料ノズル8および9から環状の予混合器
11、12内へと噴出して空気と混合して可燃性の予混
合気となる。この予混合気は燃焼室1へ流出し環状の保
炎器30および31に保持される予混合火炎を形成す
る。
【0005】燃焼器中心にはパイロット燃料ノズル10
が備えられていて少量のパイロット燃料20が直接燃焼
室1内に噴射され安定な拡散火炎を形成する。
【0006】予混合燃焼器において安定に火炎を保持す
るには、混合ガスの流速を調整することも大切である
が、保炎器自体の構成も大切である。例えば特開昭59
−129330号公報には多段に形成した予混合流路に
混合ガスが燃焼室内に旋回しながら噴出されるように方
向性を有する固定翼を設けて燃料と空気の混合促進と旋
回による火炎安定化を図った例が開示されている。これ
らの例ではガスタービンの負荷の増大に応じて中心に近
い火炎から順次点火して行くことでガスタービンの全負
荷帯をカバーするように構成されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】まず、このように形成
された燃焼装置の運用について説明する。図8はガスタ
ービン負荷に対する1段目(F1)、2段目(F2)そ
れぞれの予混合気当量比の概略の変化を示したもので、
負荷の小さいAの範囲ではF1の当量比が小さく温度も
低いため周囲からの冷却空気により未燃分を発生しやす
く、F2の流路11から流れる空気との混合を小さくす
る必要がある。
【0008】逆に図中Bの範囲では当量比が大きくなり
燃焼ガスの温度が高くNOxの排出量が大きくなってし
まうため、F2の流路11からの空気と速やかに混合し
燃焼ガス温度を下げる必要がある。また、Cの範囲では
F2の当量比が小さくF2の炎の伝播が遅いため十分な
燃焼効率を得るためにはF1の燃焼ガスとの混合を促進
する必要がある。
【0009】このように形成された従来の燃焼器では、
大気汚染の原因物質であるNOx生成量の少ない燃焼器
を得ようとするものであるが、パイロット+1段目(F
1)単独予混合燃焼時における2段目空気による1段目
火炎の冷却と燃焼効率の低下および2段目にも点火して
パイロット+1段目予混合+2段目予混合燃焼へ移行す
る際の火移り等について十分な配慮がなされておらず運
用範囲が広くとれないなどの支障が有った。
【0010】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、燃料と空気との混合を活発にしNO
xを抑制することができ、既燃ガスと未燃混合気との混
合および燃焼反応の促進を図り、結果として運用負荷帯
を拡大することのできるこの種ガスタービンの燃焼装置
を提供するにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、予混
合器が複数個の同心状をなした環状流路に形成されてい
るガスタービンの燃焼装置において、予混合器の環状流
路に、混合気に旋回成分を与える傾斜翼を設けるととも
に、予混合器の環状流路のうち少なくとも1つの環状流
路に配置されている傾斜翼を、その傾斜角が自由に変化
できる旋回可能の傾斜翼に形成し所期の目的を達成する
ようにしたものである。
【0012】
【作用】すなわちこのように形成された燃焼装置である
と、隣接する同軸環状流路を流れる流体のそれぞれの旋
回方向を逆旋回とすることが可能で、両者の混合が促進
される。すなわち両者の境界面に周方向速度差による強
いせん断層が生じて境界面が不安定となり両者の混合が
活発に行われるようになり、また反対に両者の旋回方向
を同一にするか或は両者とも旋回を止めて境界面での周
方向速度差を小さくしてやると境界面は安定となり、す
なわち両者の混合は比較的ゆっくりとなり、これにより
ガスタービンの低負荷の範囲では旋回方向を同一とする
ことで混合を抑制し未燃分の発生を抑え、また所定以上
の負荷の範囲では、旋回方向を逆にすることにより既燃
ガスと未燃ガスとの混合および燃焼の促進を図ることが
でき、結果として運用負荷帯を拡大することができる。
【0013】
【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。図1にはその燃焼装置が線図で示されてい
る。なお、前述した従来のもの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。
【0014】この図において、圧縮機から送られる空気
50は、外筒2と燃焼器ライナ3の間を通り後述する旋
回翼(傾斜翼)6および7により旋回成分速度を得て予
混合器12、11へと流入する。燃焼器の中心部にはパ
イロット燃料ノズル10が備えられており、少量のパイ
ロット燃料20が直接燃焼室1内に噴射され安定なパイ
ロット火炎(拡散火炎)を形成するよう形成されてい
る。
【0015】図中内側に位置する予混合器のF1予混合
燃焼用燃料21および外側に位置する予混合器のF2予
混合燃焼用燃料22は、燃料ノズル8および9から環状
の予混合流路12、11内へ噴出され、燃焼空気と混合
して可燃性の予混合気となる。この予混合気は燃焼室1
内へ噴流して燃焼する。すなわち、F1予混合気は前記
パイロット火炎により着火されて予混合燃焼し、またF
2予混合気はF1予混合気の燃焼ガスにより着火されて
予混合燃焼をする。
【0016】ここでF1側の予混合器の内部に配置され
ている旋回翼7は、混合気の流れに旋回を与えるように
所定の傾斜が可能なように形成されている。すなわち旋
回翼7には回転軸14とこれに接続されたレバー15お
よびリング13が設けられており、そしてこの旋回翼7
は、制御用計算機などからの司令により動作する制御装
置40によりリング13を介して、すなわちリング13
を回転させることによりその旋回角度が変えられるよう
に形成されている。
【0017】図3には、その動作とガスタービン負荷と
の関係が対応して示されている。今ここでは、F2の旋
回翼は固定翼のため全負荷で旋回翼角度Θは一定であ
る。ガスタービン負荷の小さいところではF1の旋回翼
角度は、F2旋回翼と同一方向にしてF2側の空気との
混合を抑え、冷却による燃焼効率の低下を防止してい
る。
【0018】F1の燃料流量が増加しF1予混合気の当
量比が上がってくると逆旋回になるように旋回角度を変
えてF2側の空気との混合を活発にしNOxを抑制す
る。F2への燃料投入後も逆旋回を維持しF1側の既燃
ガスとF2側の未燃混合気との混合、燃焼反応の促進を
図って結果として図8に示す運用負荷帯を拡大すること
ができる。
【0019】なお、以上の説明ではF2側の旋回翼は固
定翼となし、F1の旋回翼を角度変更が可能なように形
成したが、常にこのようにしなければならないわけでは
なく、この逆すなわちF1側の旋回翼は固定翼となし、
F2側の旋回翼を角度変更が可能なように形成するよう
にしてもよいであろう。
【0020】図4にその実施例が示されている。この実
施例では基本的な構成は図1の実施例と同一であるが、
回転軸やレバーおよびリングがF2側の旋回翼に設けら
れ、F2側の旋回翼が角度変更可能に形成されている。
このような形成とすることにより、前述したものと同様
な効果を秦することは勿論のこと、さらにパイロット火
炎とF1予混合気との干渉状態が一定となるので、F1
予混合燃焼の安定性を最適な状態に保つことができる。
【0021】図5にはさらに他の実施例が示されてい
る。この実施例では基本的な構成は図1の実施例と同一
であるが、F1、F2ともに可動旋回翼となっている点
が異なる。このように構成することにより多少構造は複
雑となるが、F1・F2の旋回、混合状態の選択に自由
度が大きくなり特に強い逆旋回を利用して火炎を短炎化
し燃焼器の小型化を図る場合に有利である。
【0022】図6にはさらに他の実施例を示す。本実施
例も基本的な構成は図1の実施例と同一であるが、特に
この実施例ではF1、F2の予混合器出口に保炎器3
0、30aを設置している点が異なる。保炎器を設置す
ることによりF1およびF2の予混合火炎の安定性が高
くなり急激な負荷変動などの外乱に対してより安定性の
高さを要求される場合に適する。
【0023】図7には本発明のさらに他の実施例を示
す。本実施例においてはパイロット燃料20は独立した
拡散火炎を形成するのではなく、F1予混合気流路の中
心よりの部分に噴射され予混合気流の中心よりの部分の
当量比を上げて安定性を向上させる事で拡散燃焼のNO
xを低減し全体としてより低NOx化が期待できる。
【0024】このように本発明によれば、よりガスター
ビン負荷の小さいところではF1の旋回翼角度はF2旋
回翼と同一方向にしてF2側の空気との混合を抑えるこ
とが可能で、冷却による燃焼効率の低下を防止すること
ができ、またF1の燃料流量が増加しF1予混合気の当
量比が上がってくると逆旋回になるように旋回角度を変
えることができ、F2側の空気との混合を活発にしNO
xを抑制することができる。F2への燃料投入後も逆旋
回を維持しF1側の既燃ガスとF2側の未燃混合気との
混合、燃焼反応の促進を図って結果として運用負荷帯を
拡大することができるこの種ガスタービンの燃焼装置を
得ることができる。
【0025】
【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、予混合器の環状流路に配置されている旋回翼(傾斜
翼)を、その傾斜角が自由に変化できる旋回可能の傾斜
翼に形成したので、複数個の予混合器の空気との混合を
抑えることが可能で、冷却による燃焼効率の低下を防止
することができ、また燃料流量が増加した状態では、一
方側の空気との混合を活発にしNOxを抑制することが
でき、したがって燃料と空気との混合を活発にしNOx
を抑制することができ、また燃焼反応の促進を図り、結
果として運用負荷帯を拡大することのできるこの種ガス
タービンの燃焼装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のガスタービンの燃焼装置の一実施例を
示す縦断側面線図である。
【図2】従来のガスタービンの燃焼装置を示す縦断側面
線図である。
【図3】ガスタービン負荷と旋回翼の角度との関係を示
す説明図である。
【図4】本発明のガスタービンの燃焼装置の他の実施例
を示す縦断側面線図である。
【図5】本発明のガスタービンの燃焼装置の他の実施例
を示す縦断側面線図である。
【図6】本発明のガスタービンの燃焼装置の他の実施例
を示す縦断側面線図である。
【図7】本発明のガスタービンの燃焼装置の他の実施例
を示す縦断側面線図である。
【図8】本発明のガスタービン燃焼装置の動作特性図で
ある。
【符号の説明】
6,7…傾斜翼(旋回翼)、8,9…予混合用燃料ノズ
ル、11,12…予混合流路、14…旋回翼の回転軸、
13…旋回翼の角度調整用リング、40…旋回翼角度制
御装置。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小金沢 知巳 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 岩井 一躬 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

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 燃料と空気とを燃焼室に入る前に混合す
    る予混合器を備え、かつこの予混合器が、複数個の同心
    状をなした環状流路に形成されているガスタービンの燃
    焼装置において、 前記予混合器の環状流路に、混合気に旋回成分を与える
    傾斜翼を設けるとともに、予混合器の環状流路のうち少
    なくとも1つの環状流路に配置されている傾斜翼を、そ
    の傾斜角が自由に変化できる旋回可能の傾斜翼に形成し
    たことを特徴とするガスタービンの燃焼装置。
  2. 【請求項2】 燃料と空気とを燃焼室に入る前に混合す
    る予混合器を備え、かつこの予混合器が、複数個の同心
    状をなした環状流路に形成されているガスタービンの燃
    焼装置において、 前記予混合器の環状流路の夫々に、混合気に旋回成分を
    与える傾斜翼を設けるとともに、該傾斜翼の全てを、そ
    の傾斜角が自由に変化できる旋回可能の傾斜翼に形成し
    たことを特徴とするガスタービンの燃焼装置。
  3. 【請求項3】 燃料と空気とを燃焼室に入る前に混合す
    る予混合器を備え、かつこの予混合器が、複数個の同心
    状をなした環状流路に形成されているガスタービンの燃
    焼装置において、 前記予混合器の環状流路のうち少なくとも1つの環状流
    路に、混合気の流通方向を変化させる旋回可能な傾斜翼
    を設けたことを特徴とするガスタービンの燃焼装置。
  4. 【請求項4】 燃料と空気とを燃焼室に入る前に混合す
    る予混合器を備え、かつこの予混合器が、複数個の同心
    状をなした環状流路に形成されているガスタービンの燃
    焼装置において、 前記予混合器の全ての環状流路に、混合気の流通方向を
    変化させる旋回可能な傾斜翼を設けたことを特徴とする
    ガスタービンの燃焼装置。
  5. 【請求項5】 燃料と空気とを燃焼室に入る前に混合す
    る予混合器を備え、かつこの予混合器が、複数個の同心
    状をなした環状流路に形成されているガスタービンの燃
    焼装置において、 前記予混合器の環状流路に、混合気に旋回成分を与える
    傾斜翼を設けるとともに、予混合器の環状流路のうち少
    なくとも1つの環状流路に配置されている傾斜翼を、そ
    の傾斜角がガスタービンの負荷に応じて変化するように
    形成したことを特徴とするガスタービンの燃焼装置。
  6. 【請求項6】 燃料と空気とを燃焼室に入る前に混合す
    る予混合器を備え、かつこの予混合器が、複数個の同心
    状をなした環状流路に形成されているガスタービンの燃
    焼装置において、 前記燃焼装置に、前記予混合器の環状流路内に配置さ
    れ、かつその傾斜角が自由に変化する傾斜翼と、該傾斜
    翼をガスタービンの負荷に応じてその傾斜角を変化させ
    る傾斜翼制御装置とを設けたことを特徴とするガスター
    ビンの燃焼装置。
  7. 【請求項7】 燃料と空気とを燃焼室に入る前に混合す
    る予混合器を備え、かつこの予混合器が、複数個の同心
    状をなした環状流路に形成されているガスタービンの燃
    焼装置において、 前記燃焼装置に、前記予混合器の環状流路内に配置さ
    れ、かつその傾斜角が自由に変化する傾斜翼と、該傾斜
    翼をガスタービンの負荷に応じて順旋回と逆旋回に変更
    する制御手段とを設けたことを特徴とするガスタービン
    の燃焼装置。
  8. 【請求項8】 燃料と空気とを燃焼室に入る前に混合す
    る予混合器を備え、かつこの予混合器が、複数個の同心
    状をなした環状流路に形成されているガスタービン燃焼
    装置の運転方法において、 前記予混合器の環状流路のうち少なくとも1つの環状流
    路に配置されている傾斜翼を、その傾斜角が自由に変化
    できる旋回可能の傾斜翼に形成するとともに、該傾斜翼
    をガスタービンの負荷に応じてその傾斜角を変化させる
    ようにしたことを特徴とするガスタービン燃焼装置の運
    転方法。
  9. 【請求項9】 燃料と空気とを燃焼室に入る前に混合す
    る予混合器を備え、かつこの予混合器が、複数個の同心
    状をなした環状流路に形成されているガスタービンの燃
    焼装置の運転方法において、 前記予混合器の環状流路に、傾斜角が自由に変化でき、
    かつ混合気に旋回成分を与える旋回可能な傾斜翼を設け
    るとともに、この傾斜翼をガスタービンの負荷に応じて
    順旋回と逆旋回に変更するするようにしたことを特徴と
    するガスタービン燃焼装置の運転方法。
  10. 【請求項10】 燃料と空気とを燃焼室に入る前に混合
    する複数個の予混合器を備え、かつこれら予混合器が、
    同心状に形成され、かつ燃焼器の始動に際し、内側予混
    合器のバーナから順次外側予混合器のバーナへ火移りが
    行われるガスタービンの燃焼装置の運転方法において、 前記夫々の予混合器の混合気流路に、傾斜角が自由に変
    化でき、かつ混合気に旋回成分を与える旋回可能な傾斜
    翼を設けるとともに、ガスタービン負荷の小さいところ
    では、夫々の予混合器の傾斜翼の角度を同一方向となる
    ように制御し、かつ所定のガスタービン負荷以上では、
    夫々の予混合器の傾斜翼の角度が逆向きの傾斜角となる
    ように制御するようにしたことを特徴とするガスタービ
    ン燃焼装置の運転方法。
JP7038794A 1994-04-08 1994-04-08 ガスタービンの燃焼装置及びその運転方法 Pending JPH07280265A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002162035A (ja) * 2000-09-29 2002-06-07 General Electric Co <Ge> 多重環状スワーラ
JP2003004232A (ja) * 2001-05-31 2003-01-08 General Electric Co <Ge> ガスタービンエンジンの運転方法、燃焼器及びミキサ組立体

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