JPH0752015B2 - ガスタービン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はガスタービンに係り、特に燃焼器に供給される
空気の流量を制御する手段を具備するガスタービンに関
する。

〔従来の技術〕

ガスタービン燃焼器では、最近、低NOx化が図れるとし
て二段燃焼方式、あるいは、他の多段燃焼器が採用され
つつある。これらは、いずれも燃焼用空気量をガスター
ビンの負荷によつて調節する必要がある。例えば、特公
昭53−43号公報には一次燃焼帯と二次燃焼帯の間の空気
通路にバツフルを設け、低負荷運転時は燃焼用一次空気
を減じると共に、二次空気量を増加させることにより一
次燃焼帯が過剰希薄となることを回避し、また、高負荷
運転時には、それぞれの空気が抵抗なく流入するよう
に、バツフルを調節し、NOxの発生を抑制する燃焼器が
開示されている。しかし、一段燃焼から二段燃焼への移
行時の燃焼性能及び排出物特性の問題が存在し、公知の
空気制御法では燃料切換とその前後の燃焼性能を良好に
保持させることは困難である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、一段燃焼から二段燃焼への移行時の空
気制御がバツフルのみによつて行われるため、一次、二
次空気量制御が正常に行えず燃料切換とその前後の燃焼
性能を良好に保持するには問題があつた。

本発明の目的は、一段燃焼である拡散燃焼から二段燃焼
である予混合燃焼への移行時の燃焼性能を良好に保持
し、かつ、排出物特性を良好に維持することができるガ
スタービンを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明のガスタービンは、燃焼室に燃料及び空気を供給
して拡散燃焼を行なう拡散燃焼手段と、燃料と空気とを
予め混合し、この混合気を前記燃焼室に供給して予混合
燃焼を行なう予混合燃焼手段とを有する燃焼器と、該燃
焼器で使用される空気を供給する圧縮機とを備えたもの
である。そして、前記圧縮機の中間段から圧縮空気を抽
気し燃焼器に供給される空気の流量を制御する第１の空
気流量制御手段と、前記圧縮機から燃焼器に供給される
空気のうち前記予混合燃焼手段に供給される空気の流量
を制御する第２の空気流量制御手段とを設け、前記ガス
タービンの負荷が前記予混合燃焼手段による予混合燃焼
を開始する負荷近傍にある時に、前記第２の空気流量制
御手段により前記予混合燃焼手段に供給される空気流量
を減少させた状態で、前記第１の空気流量制御手段によ
り前記燃焼器に供給される空気流量を減少させることを
特徴とする。

〔作用〕

拡散燃焼を行なう手段と予混合燃焼を行なう手段とを具
備する二段燃焼方式のガスタービン燃焼器において、燃
焼器に流入する燃焼用空気量全量を圧縮機からの抽気量
の増減により調節し、さらに、燃焼器の二段目燃焼部に
流入する空気量を部分的に機械式可動装置により行うよ
うにしたものである。このようにして、二段燃焼方式の
ガスタービン燃焼器において、燃焼用空気量の調節を全
量行い、さらに、部分的に行えるので、燃焼器内で燃焼
比をあらゆる条件下で適正な範囲内に制御することがで
きる。特に、一段燃焼より二段燃焼への移行前後におけ
る燃焼性能及び排出物特性を良好な状態に保持する効果
がある。

〔実施例〕

第１図は、本発明の一実施例を示す。本図において、ガ
スタービンは圧縮機1,タービン2,燃焼器３などによつて
構成される。圧縮機１で圧縮された空気1aは、ケーシン
グ４内を通り燃焼器３に導かれる。燃焼器３は、外筒5
a,5b内筒６および前部燃焼室７に一次燃料８を供給する
一次燃料ノズル９を装置したカバー10が取付けられる。
内筒６は、前部燃焼室７とこれよりも径が大きい後部燃
焼室11で形成される。また、前部燃焼室７と後部燃焼室
11との接続部12には、予混合燃焼を行なう予混合燃焼部
が設けられている。この予混合燃焼部には、空気供給孔
13が設けられ、ここに二次燃料14が噴出され二次空気と
予め混合され，後部燃焼室11へ供給されて二次燃焼火炎
15を形成するように構成される。一次燃料ノズル９から
噴出される一次燃料８への着火は、点火プラグ（図示せ
ず）により行われ一次燃焼火炎16を形成する。一方、二
次燃料14への着火は、一次燃焼火炎16よりの火移りによ
り達せられる。ここで、第２図により、さらに、燃焼器
３の構成を説明する。本図において、一次燃料８は、前
述のように、一次燃料ノズル９により前部燃焼室７内に
噴出されるが、噴出部9aは燃料が分散して噴出されるよ
うに複数本となつている。また、二次燃料14は、同様に
外筒5a,5bにより挟まれ固定された二次燃料ノズル17内
を通り、複数本の突出した噴出部18の先端部より噴出さ
れる。一次燃料８は、前部燃焼室７内に噴出されてケー
シング４内を通つて流入した大量の燃焼用空気19と混合
拡散し燃焼して低NOx化に有効な希薄低温の一次燃焼火
炎16を形成する。二次燃焼部は、噴出部18より噴出され
た二次燃料と開口部20より流入した燃焼用空気21とを噴
出部18の下流で混合させ後部燃焼室11内にその混合気を
供給する。この開口部20には、それを覆うように可動片
22が設けられており、リンク機構23等の手段により開口
部20廻りにおいて移動し、このことにより開口部20より
流入する燃焼用空気21の流量を調節できるようになつて
いる。燃焼用空気21の流量調節は、二次燃料流量に見合
つて行われ、前述した混合気の燃焼比（燃料流量／空気
流量）が適正なる範囲となるようにしている。さらに、
二次燃料が噴出していない低負荷運転域では、後部燃焼
室11内に流入せず前部燃焼室７内に流入する燃焼用空気
19の流量を、開口部20より可動片22の移動により大量に
燃焼用空気21を流入させてバイパスすることにより減少
させ、一次燃焼部の燃空比を適正な範囲となるように調
節することも可能な構造となつている。一次燃焼のみで
は、ガスタービンの起動から低負荷運転までの範囲で使
用され、低負荷から定格負荷運転までの範囲は、一次，
二次両方の燃焼となる。一次燃焼のみから一次，二次両
方への燃焼移行時には、一次燃焼火炎による二次燃焼用
混合気への着火が必要となる。この着火時期は、前述の
ように、ガスタービンの低負荷運転時に行われるが、ガ
スタービンは、定格回転数一定で運転れているため、圧
縮機の回転数も一定であり、圧縮空気、すなわち、燃焼
用空気流量が一定であるため、燃焼比が燃料流量のみに
よつて左右され燃焼特性および排ガス特性を良好に保持
するには、燃焼用空気の流量調節が必要不可欠なものと
なつている。そこで、二次燃焼用混合気への着火時に
は、混合気の着火可能な燃空比となるように開口部20の
流路面積を可動片22の移動により小さくして調節する
が、混合気が適正な燃空比となつて場合には、燃焼用空
気21の流量が極めて少量となり、混合気には着火したも
のの、後部燃焼室内への混合気の流入速度が非常に小さ
くなつて、燃焼火炎が噴出部18まで逆流して、噴出部18
近傍を焼失させたり、あるいは燃焼火炎がふらついて燃
焼振動などの異常状態をひき起こす。従って、可動片22
の移動は、燃焼火炎が逆流することのない範囲に留めて
いる。このことにより、二次燃焼用混合気の燃空比は、
空気量が所定の量より多いことになり小さい値となつて
いる。ここで、一次燃焼のみから一次，二次両方の燃焼
に移行する場合の燃料流量の制御について説明する。ガ
スタービンの出力は、回転数一定で運転される発電用で
は燃料流量に比例しており、低負荷運転である一次燃焼
のみの時は、一次燃料のみで出力を維持している。とこ
ろが、一次，二次燃焼時は、一次燃料流量と二次燃料流
量の合計の燃料流量で出力を維持することとなり、一次
燃料のみについて言えば一次燃焼時の場合と一次，二次
燃焼へ移行時の場合とでは、一次，二次燃焼へ移行時の
場合の方が非常に燃料流量が少なく、燃空比が小さくな
り燃焼性能への悪影響をもたらす可能性がある。また、
先に述べたように、二次燃焼部では、燃焼用空気流量が
多く燃空比が小さい状態にある。これらを解決するため
に、圧縮機により圧縮中の燃焼用空気を、第１図に示す
ように、燃焼器の装着されたケーシング４内に到達する
前に抽気して、その圧縮空気より圧力の低い排ガス23
中、あるいは、排気室、又は、排気ダクトに連通し、か
つ、流量調整弁24により抽気量を制御し、燃焼用空気量
を全体的に減少させ燃空比を補正な範囲となるようにし
ている。ここで、圧縮機の仕事中の高温，高圧の圧縮空
気、すなわち、燃焼用空気を燃焼器のみならずタービン
２をも通すことなく抽気するため、タービン２での通過
燃焼ガスが減少し、出力が低下する傾向となるが、この
出力低下分は、燃料流量増加することにより補われ、実
質的にこの抽気により燃料流量の増加および空気流量の
減少が生じ燃空比の増大につながることになる。しか
も、この燃空比の増大は、一次，二次燃焼の開始時に非
常に効果を発揮する。第３図は、制御図を示す。横軸は
ガスタービン負荷をとり、縦軸は可動片開度、抽気量及
び燃空比を示し、横軸は全て同一尺度としている。通
常、燃焼器で、低NOx化を図るには、燃焼火炎温度を低
くした希薄低温燃焼方式が有効であり、燃焼方式と燃空
比によりほぼ性能が決まつてくる。第３図で、燃空比
は、下段の範囲が一次燃焼部を拡散燃焼方式とした場合
の適正範囲を示し、上段の範囲が二次燃焼部を予混合燃
焼方式とした場合の適正範囲を示している。両者の範囲
は、いずれも上限が燃空比の増大による火炎温度上昇か
らくるNOx値の制限値より決まり、下限は、燃焼可能限
界からくる不完全燃焼により生じるCO値の制限より決ま
るものであり、いかなる場合にもこの範囲内に燃焼比を
制御できなければ燃焼性能および排ガス特性共に満足で
きる燃焼器にはなり得ない。ここで、第３図について、
詳細に説明する。起動から定格回転数に至るまでの制御
については本図に示していないが、一次燃焼のみで回転
数の上昇による空気量の増加に見合つて所定の燃空比と
なるように燃料流量を増加させ定格回転数に達し本図に
示すガスタービン負荷０の位置の燃空比となる。定格回
転数に達した後は、負荷運転となるが、この負荷運転の
間は、全て回転数は一定であり、圧縮機からの圧縮空
気、すなわち、燃焼器の方へ流入する燃焼用空気量が一
定となる。よつて、後述するように、特別に燃焼用空気
量を調節しない限りは、ガスタービンの負荷は、燃料流
量の制御によつて行われることになる。一次燃焼のみの
低負荷運転において、二次燃焼部に流入する空気を調節
する可動片の開度を変えることなく、全開にした状態で
は、負荷０から負荷上昇に伴い、燃料流量増加すること
により適正な燃空比範囲内で上昇している。さらに、負
荷上昇により燃料流量が増加し燃空比が上昇するが、燃
空比の上限に近くなりNOx量が増大する傾向となるた
め、ここで前述したように二次燃焼部に流入する空気量
を可動片の開度を閉方向へ移動することにより除々に減
じ、この操作により頭部燃焼室へ流入する空気量を増加
させ、負荷上昇による燃料流量の増加が伴つて、結果的
には燃空比はほぼ一定となり、NOx濃度の上昇を抑えて
いる。可動片の開度は、負荷上昇と共に、さらに閉方向
へ移動し、全閉となる前のある程度開いている状態で移
動は完了する。尚、可動片を全閉としないのは、前述の
ように、全閉では空気量が極めて少量となり、燃焼火炎
の逆流、あるいは、異常燃焼をひき起こすことが考えら
れるためである。その後、空気量を変化することなく二
次燃料を投入する負荷まで一次燃料の増加により上昇さ
せることになるが、一次燃焼のみから一次，二次燃焼へ
移行する場合の燃料流量が移行前は一次燃料流量のみで
あり、移行後は一次燃料と二次燃料の合計燃料流量とな
り、移行前後においてガスタービン負荷が変わらないと
すれば、合計燃料流量も一定でなければならず、一次燃
焼のみの場合の一次燃焼部の燃空比及び一次，二次燃焼
時の一次燃焼部、二次燃焼部各々の燃空比は、燃焼性能
及び排ガス特性を良好に保持できる適正なる燃空比範囲
内となつていなければならない。ところが、可動片の移
動が完了した状態で空気量を一定にして一次燃焼から一
次，二次燃焼へ移行しようとすると燃空比は、第３図中
の破線で示すように変化し、移行後において、燃空比の
下限を下廻る結果となり、第４図に示すように排ガス特
性として不完全燃焼によるCOが破線のように発生し、NO
x濃度は低いものの非常に燃焼性能が低い不安定な燃焼
となり、種々の問題を生じることになる。従って、本発
明は、可動片の移動が完了した状態で、燃焼器に流入す
る燃焼用空気を抽気して減じ、適正な燃空比となるよう
にしようとするものである。具体的には、圧縮機で圧縮
中の空気を圧縮機の中間段より負荷の上昇と共に徐々に
抽気し、一次燃焼から一次，二次燃焼に移行する点で、
最大となるように流量調整弁により制御するようになつ
ている。ガスタービンは、抽気したことにより燃焼空気
量が減少して燃焼ガス量が減少し出力が低下することに
なるが、負荷一定運転を行うように制御されるため、抽
気量に見合つて出力低下を補う量の燃料がさらに投入さ
れることになり、結果的には、第３図の燃空比の変化に
見られるように燃空比が上昇することになる。この抽気
により、燃空比が増加したことにより燃焼温度が上昇
し、第４図に示されるように多少NOx濃度が高くなるが
定格運転時よりは低く問題とはならない。CO濃度につい
ては、抽気により一次燃焼時はさほど変化ないが、一
次，二次燃焼に移行した後の一次，二次燃焼部の燃空比
が抽気によつて低下した出力を補うための燃料流量の増
加により高くなり適正な燃空比範囲に入るようになるた
め、従来に比べて極端に減少する。このことにより従来
に比べて燃焼性能の向上を図ることができる。一次，二
次燃焼移行後は、負荷上昇に伴い燃料流量が増加するこ
とにより燃空比が高くなる傾向にあるため、抽気量を流
量調整弁を閉めることにより徐々に減じ、燃空比として
は適正な燃空比範囲内でほぼ一定に保ちながら抽気量ゼ
ロの状態にする。さらに、負荷上昇に伴い、二次燃焼部
に流入する空気量を可動片を全開の方向へ移動させるこ
とにより適正な燃空比範囲内となるよう調節しながら可
動片を全開に至るまで移動させる。それ移後は、空気量
の調節は行われず、燃料流量の増加により負荷は上昇
し、燃空比は燃料料量の増加により上昇するが、この高
負荷範囲では、空気量調節が完了した時点の燃空比を適
正な燃空比範囲の下限近くになるように調節しているた
め、空気量調節が行われなくても適正な燃空比範囲内で
燃空比が上昇するのみであり、燃焼性能および排ガス特
性には影響がないようになつている。このように、本発
明は、二段燃焼器、あるいは、他の多段燃焼器におい
て、適用可能であり、燃焼器の燃焼特性および排ガス特
性を良好に保持するべく全負荷帯で適正な燃空比範囲内
となるように、燃焼用空気量の調節を全量および部分的
に調節できるようにしたことを特徴とする。

第５図，第６図に本発明の変形例を示す。いずれも圧縮
機中間段より抽気した空気の連通先について、第一図を
変形したものである。第５図は、圧縮機１で圧縮中の空
気1Cを配管25により圧縮機より抽気し流量調節弁24を介
して、抽気の圧力より低い圧縮機１の低圧段1bに連通し
ている。このことにより、圧縮中の空気をそれより低圧
部に抽気し連通させ抽気部以降の圧縮空気量を減らし、
最終的には、燃焼器へ流入する燃焼用空気量を減少させ
る。第６図は、圧縮機１で圧縮中の空気1Cを配管25によ
り抽気し流量調節弁24を介して抽気の圧力より低いター
ビン部中間段2aに連通させるようにしたものであり、圧
力の高い圧縮空気をタービン部燃焼ガスと合流させるこ
とにより、エネルギの回収を行い、抽気による効率低下
を緩和する。すなわち、両者共、目的は、圧縮機からの
抽気によつて燃焼器に流入する燃焼用空気量を調節しよ
うとするものである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、燃焼器の燃焼用空気量を部分的、ある
いは、全体的に調節できるので適正な燃空比範囲内とな
るように、あらゆる条件下で正確に制御することがで
き、ガスタービンの全負荷帯で、特に、拡散燃焼から予
混合燃焼へ移行時に、燃焼器の燃焼性能および排ガス特
性を良好に保持することができる。更に、圧縮機の中間
段から圧縮空気を抽気することにより、圧縮機における
エネルギー損失を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の断面図、第２図は、本発明
の燃焼器の断面図、第３図は、制御方法の説明図、第４
図は、排ガス特性図、第５図，第６図は、本発明の変形
例を示す系統図である。 ３……燃焼器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 勲 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 (56)参考文献 特開 昭60−218535（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃焼室に燃料及び空気を供給して拡散燃焼
   を行なう拡散燃焼手段と、燃料と空気とを予め混合し、
   この混合気を前記燃焼室に供給して予混合燃焼を行なう
   予混合燃焼手段とを有する燃焼器と、 該燃焼器で使用される空気を供給する圧縮機とを備えた
   ガスタービンにおいて、 前記圧縮機の中間段から圧縮空気を抽気し燃焼器に供給
   される空気の流量を制御する第１の空気流量制御手段
   と、前記圧縮機から燃焼器に供給される空気のうち前記
   予混合燃焼手段に供給される空気の流量を制御する第２
   の空気流量制御手段とを設け、 前記ガスタービンの負荷が前記予混合燃焼手段による予
   混合燃焼を開始する負荷近傍にある時に、前記第２の空
   気流量制御手段により前記予混合燃焼手段に供給される
   空気流量を減少させた状態で、前記第１の空気流量制御
   手段により前記燃焼器に供給される空気流量を減少させ
   ることを特徴とするガスタービン。