JPH08200680A - 燃焼器の予混合器構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】予混合室の上流側に一対の内外周側バックステ
ップ１９，２０を設け、その後流側に発達する安定した
循環流２１，２２内に燃料を主流空気の影響を排除して
噴射して効率のよい混合を達成する。 【効果】予混合器構造の軽微な変更によって、従来より
も混合率を２〜３倍よくできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービン燃焼器の
予混合気を生成する予混合器の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンの利用は、近年、発電プラ
ントとして、蒸気タービンと併用するコンバインドサイ
クルの普及により大形化している。発電プラントの利点
はトータル熱効率の高さと低公害性にある。特にＮＯｘ
（窒素酸化物）については、新しいプラント程、排出量
は低減されて来ていて、現在４０〜５０ppm ぐらいの濃
度で稼働中のものが主流になりつつある。

【０００３】この低ＮＯｘ化は、今後、さらに強化され
る状況にあり、これに対処するため低ＮＯｘ燃焼技術を
さらに高度化して行く必要がある。

【０００４】低ＮＯｘ化には、基本的に、空気とガス燃
料を予め混合させて燃焼させる予混合燃焼の比率の増大
が不可避である。従来の低ＮＯｘ燃焼器では、一段目を
拡散燃焼，二段目を予混合燃焼する二段燃焼方式が採ら
れて来た。その予混合燃焼比率は定格負荷運転で６０〜
７０％のレベルであった。さらに低ＮＯｘ化を図るには
この比率をでき得る限り１００％に近づけて行くことが
必須となる。このため必然的に予混合器は大形化する傾
向にあり、限られた空間内で、混合気を効率よく発生す
る予混合器構造の決定が重要な課題である。

【０００５】従来の二段燃焼器では、特開昭63−29117
号公報に示されるように予混合器はＬ型の予混合器内に
複数個のノズルを配置しただけのもので、混合の促進を
図る特別な考慮はなされていなかった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、予混
合器の大形化に伴って、拡大した予混合器出口で空間
的，時間的に均一混合気の生成が、従来構造のスケール
アップのみでは難しく、予混合器内の流動を考慮した、
混合促進に効果のある予混合器形状を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】二段目の予混合器は、環
状の出口断面形状を有し、上流部に複数個の燃料ノズル
が等間隔で配置される。予混合器の大形化は、この環状
断面積が増加することになり、予混燃焼比率９５％前後
の燃焼器では環状部の高さは従来のものに比べて約２倍
となる。このように環状部の高さが高くなると、特に、
外周側と内周側の濃度分布が悪化するので、この点の改
善が必要となる。

【０００８】流動の可視実験の結果によると、予混合器
内に発生する循環流域に燃料が入ると主流空気との混合
が促進されることが判明した。従って、本発明の基本と
なる技術手段のうちの一つは、予混合器内に積極的に循
環流領域を作ってやり、そこでノズルからの燃料を拡散
させる方法である。

【０００９】もう一点は、翼周りの流動の特徴として知
られている翼端から発生する縦渦（主流流れのほぼ垂直
断面内に発生する渦）を利用する。

【００１０】本発明では、縦渦発生用の翼をノズル先端
部の上，下方向に設けて翼の上，下先端付近から放出さ
れる縦渦を用いて燃料の混合を促進する。

【００１１】

【作用】第一の発明である予混合内の循環流域を利用す
る方法では、循環流域を、予混合器の外周側と内周側に
作ってやることがポイントである。主流の向きが９０゜
曲げられて流れ出るＬ形の予混合器では外周側の曲がり
部の後流側に流量にもより大きさは変わるが自然に循環
流域が形成される。しかしこの循環流は安定したもので
はない。一方、下流側は流速は速く、循環流域の形成は
全くない。そこで、曲がり部の後流部の内外周面に一対
のバックステップを設け、その後部に安定した循環流を
形成させる。一方、燃料ノズルからの燃料噴流は主流を
横切って循環流域まで達する十分なペネトレーションを
確保する必要がある。本発明では主流空気の影響を少な
くするため、ノズル噴孔の上流側に、主流空気の流れを
ブロックするための板を設け噴流を確実に循環流域まで
到達できるようにしてある。第二の発明では、ノズル先
端部に縦渦発生用の複数枚の翼を設け翼の先端から噴出
させた燃料を翼先端後縁部から発生する縦渦によって混
合を促進し、均一な混合気を生成する。

【００１２】

【実施例】本発明の実施例を図１ないし図６をもって説
明する。図１は本発明を適用した代表的なガスタービン
用キャン型燃焼器の構造を示す。燃焼器１は外筒２とエ
ンドカバー３よりなる円筒容器の中に格納され十数気圧
の高圧状態で使用される。本燃焼器１は、中央部にパイ
ロットバーナ４をもちその外周側に環状の予混合器５
と，複数個の燃料ノズル６，予混合器の出口部にある環
状の保炎器７からなる予混合ガス燃焼装置を主要構成と
する二段焚の低ＮＯｘ燃焼器である。

【００１３】環状空気パス部１０を逆流して燃焼器上流
側に向った圧縮空気１１は予混合器流入空気１２とパイ
ロットノズル流入空気１３に分かれ、それぞれ予混合器
５、及びパイロットバーナ４へ流入して行く。予混合器
流入空気１２は、予混合器の上流部でその流れ方向を９
０゜曲げ、燃料ノズル６から噴射される燃料との混合を
行いながら、下流側に流れながら予混合気が生成され、
保炎器の周りで着火し、保炎器７の後方に予混合火炎９
が形成される。

【００１４】一方、パイロットノズル流入空気１３は、
パイロットバーナ４の外周部にある旋回器１４を通って
旋回流となって燃焼器内に噴出する。パイロット燃料は
この旋回流に噴射され、旋回のかかった安定したパイロ
ット炎８が得られる。このようにパイロット炎８には基
本的に予混合炎に比べて安定な拡散炎が使用される。し
かし、拡散炎は予混合炎に比べて、はるかにＮＯｘの発
生量が高くなるので、定格運転では拡散燃焼の比率を５
％以下まで下げる運転モードが採られる。

【００１５】図２から図４は、予混合器５内の混合促進
技術の一実施例の詳細図である。

【００１６】本図に示すようなＬ形の流路形状をもつ予
混合器では、予混合器入口部１５に流入した空気流はＬ
形部を通過するとき遠心力のために内周側の流速が速く
なる。一方、外周側の先端の円弧状スロート１６の後流
部では流れのはく離や循環渦の形成が、可視化実験によ
り、確認されている。さらに、その循環渦内に燃料をう
まく噴射させてやると出口外周側の濃度の均一化が格段
に改善することが示された。

【００１７】これらの可視化実験結果に基づいて、外周
側と内周側に安定した循環流を形成する方法として、予
混合器上流部の外周壁１７と内周壁１８にそれぞれ一対
の外周側バックステップ１９と内周側バックステップ２
０を設け、その後流部に安定した循環流２１，２２を形
成する。

【００１８】この二つの循環流内の主流空気量に関係せ
ず確実に燃料を噴射できるようにするため、噴流に対す
る主流空気流の影響を軽減する目的で、外周向き噴孔２
３と内周向き噴孔２４の上流部に外周側ブロック板２５
と，内周側ブロック板２６を配置したことを特徴とす
る。

【００１９】図３の例では、燃料の噴射方向は外，内周
側に限ったが、出口側の濃度均一化の空間的分布として
は当然周方向もある。図３の実施例で周方向の改善を要
する場合には図４に示した変形例として周方向（９０゜
ピッチ）にも噴孔２７を設け、噴孔径を調整して最適化
を図ることも可能である。

【００２０】本方式によると環状断面積の大きな予混合
器に於いても、流路の軽微な変更とノズル部にブロック
板を設けるという比較的簡単な変更で混合の促進が可能
である。

【００２１】第二の予混合促進技術は、予混合器内に縦
渦を発生させ混合距離と混合時間を長くとれるようにす
るものである。

【００２２】図５，図６にその構造を示す。この発明で
は、燃料ノズル形状を工夫することだけでその目的を達
することが可能である。外周側と内周側の混合を改善す
ることが主眼である。このためノズル先端部に外周側及
び内周側に向ってそれぞれ外周側翼板２８と内周側翼板
２９が設けられる。翼板は図６に示すように主流空気の
方向に対してある迎え角をもって取付けられる。この図
では分かり易くするためノズルの軸に対してθの角度を
付けて取付けられるものとする。

【００２３】また翼板は、流体抵抗を抑え、損失を軽減
するため、上流側が上流側から下流側にかけて直接的に
カットし、三角翼としてある。

【００２４】翼理論によると、流体圧力の高くなる翼裏
面から、圧力の低い翼表面へ流れ込もうとする流体力が
働き、外周側，内周側の翼後縁先端部２２，２３からそ
れぞれ反時計方向縦渦と時計方向縦渦が放出される。こ
の縦渦は主流によって後流に運ばれる過程で、渦の半径
は徐々に大きくなり、回転の角速度は弱められて行く。

【００２５】燃料は、縦渦の発生するすぐ上流部より供
給するため外周側翼板２８，内周側翼板２９内に設けら
れた外周向き噴孔３０と内周向き噴孔３１を通って供給
される。

【００２６】基本的には外，内側に翼を設けるのが最も
効果的ではあるが、予混合器が小さい場合や形状が異な
る場合には、主流空気の流れ方向を考慮して、最適な位
置に、２枚に限らずさらに枚数を増やすことは容易にで
きる。また先の発明で説明したように周方向の混合の改
良を目的として縦渦を利用しない従来型の噴孔３６を追
加した噴孔の組合せも可能である。

【００２７】

【発明の効果】本発明では、予混合器流路に一対のバッ
クステップを設け、かつ燃料ノズルも従来構造のものに
ブロック板もしくは翼を設けるだけの簡単な変更で、混
合率の大幅な向上が可能である。定性的には、出口部で
の濃度の標準偏差を計算すると、従来構造のものが１０
〜１５％であるのに対して本発明では約５％のレベルに
上がり従来比で２〜３倍混合がよくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ガスタービン用燃焼器の断面図。

【図２】ガスタービン用燃焼器の予混合器の断面図。

【図３】燃料ノズル先端部の説明図。

【図４】変形例としての燃料ノズル先端部の説明図。

【図５】予混合器内に縦渦を発生させて混合する状況を
示した断面図。

【図６】燃料ノズル先端部に縦渦発生用の翼を取付けた
説明図。

【符号の説明】

５…予混合器、６…燃料ノズル、７…保炎器、１５…予
混合器入口部、１６…円弧状スロート、１７…外周壁、
１８…内周壁、１９…外周側バックステップ、２０…内
周側バックステップ、２１，２２…循環流。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガスタービン用燃焼器の空気とガス燃料を
   混合させる予混合器の構造において、Ｌ字形の空気通路
   部を有する環状の予混合室と，前記予混合室の上流部に
   環状に配置された複数個の燃料ノズルからなる予混合器
   を備え、前記予混合室の上流側の外周壁と内周壁に環状
   の突起物を設け、前記突起物の後流部に安定した循環流
   を発生させ、前記燃料ノズルの先端部に設けた複数個の
   噴孔の内，外周側及び内周側に向けられた噴孔には、前
   記噴孔からの燃料が主流空気流の影響を受けないように
   して確実に循環流域に到達させ混合を促進させるため
   に、前記噴孔の上流部に主流空気をブロックするための
   板を取付けたことを特徴とするガスタービン燃焼器の予
   混合器構造。
2. 【請求項２】燃料ノズルの先端部に予混合室の内，外周
   側に向って一対の翼板をノズル軸に対してある角度をも
   って取付け、前記翼板の内部に内，外周側に向う燃料噴
   孔を有する。主流空気は前記翼板に当たると翼の裏表面
   に発生する圧力差のために、前記翼板の後縁先端部から
   は空気主流の垂直断面内で回転する渦が発生し、前記翼
   の上流側に噴出した燃料は前記渦内に流れ込み、渦の回
   転エネルギと十分な混合距離により、空気と燃料の効率
   のよい混合を可能にすることを特徴とするガスタービン
   燃焼器の予混合器構造。