JPH09170720A - ガスタービン燃焼装置及び拡散燃焼ガスバーナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】保炎性能を高める構造設計において付随的に発
生するノズル端面部材の加熱を効果的に抑制するととも
に、保炎性能を損なわないでノズル端面部材を冷却し、
ガスバーナの信頼性を高めることが可能な拡散燃焼ガス
バーナを提供する。 【解決手段】環状に配置された予混合燃焼をする予混合
燃焼メインバーナの軸心部に配置され、かつ燃焼部側の
端面に平坦面部を有する燃料ノズルと、この燃料ノズル
の外周に配置され、燃焼空気に旋回を与える空気旋回器
とを備えている拡散燃焼ガスバーナ７において、前記燃
料ノズルの平坦面部８に、燃料ガスを燃焼部側へ噴射さ
せる噴射孔を設けるとともに、この噴射孔に、ノズルの
平坦面部を覆うガス膜を形成するガス膜形成手段を設け
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はガスタービン燃焼器
用ガスバーナの改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近になり、液化天然ガス等を燃料とす
るガス焚の産業用ガスタービン燃焼器には、ＮＯｘの低
減が図れる低ＮＯｘ燃焼器が採用されるようになってき
た。この低ＮＯｘ燃焼器に用いられるバーナとしては、
一般に拡散燃焼をする拡散燃焼パイロットバーナと低Ｎ
Ｏｘ燃焼をさせるための予混合燃焼メインバーナとを組
合せたものが多い。

【０００３】このようなバーナを備えた燃焼器の一例が
図５に示されている。燃焼器ライナ１の上流側（この図
では左側）には燃料ガスと空気の予混合気を燃焼器内へ
供給する環状の予混合器２が接続され、その内側には空
気旋回器３を外周側に持ち、その内周側に主燃料ガス噴
孔９を持つパイロットバーナが配置されている。これら
は、燃焼器外筒１２および予混合燃料供給フランジ４そ
れに燃焼器カバー１３によって格納されている。

【０００４】かかる構成のガスタービン燃焼器におい
て、圧縮機から供給される高圧の圧縮機吐出空気１００
は、予混合燃焼用空気１０１、拡散燃焼用空気１０４と
して燃焼器内へ供給される。また、これらの他に図示さ
れていないが燃焼器ライナの壁冷却のための冷却空気が
供給される。

【０００５】ＮＯｘを効果的に低減するためには、火炎
温度を均一低温燃焼させることが必要であり、このため
メインバーナにおいては予混合燃焼用空気１０１と予混
合燃料２０３はできるだけ一様に混合させることが重要
である。このため、予混合燃焼空気１０１は環状の予混
合器２へ一様に流入するように設計されるとともに、予
混合ノズル５および予混合ノズル噴孔６は予混合燃料を
予混合器内へ一様に噴射するように本数、寸法が適正に
決められている。

【０００６】予混合器へ供給される燃料と空気の比率は
理論比の約０．６程度の燃料希薄状態とし、低温燃焼さ
せる。予混合燃焼のメインバーナの内周側に配置された
拡散パイロットバーナは、ガスタービンの起動、昇速用
として作用する。さらに、ガスタービン部分負荷運転時
から定格運転時は、メインバーナの予混合火炎の保炎用
として作用する。

【０００７】但し、拡散燃焼のパイロットバーナはＮＯ
ｘの発生量が多いため、ガスタービンの高出力運転時は
パイロットバーナの燃料はできるだけ絞り、逆に予混合
バーナの燃料を増大させることになる。このため、低Ｎ
Ｏｘ燃焼器の拡散パイロットバーナの作動範囲は従来の
燃焼器に用いられる拡散バーナよりもターンダウン比
（最大熱出力／最小熱出力）は一般に大きくなる。

【０００８】また、パイロットバーナの外周側には予混
合バーナが配置されており、パイロットバーナ単独燃焼
時は外周側を流れる予混合燃焼空気によって冷却され
る。このためパイロットバーナの燃焼安定性は従来バー
ナよりも高めた設計が必要となる。

【０００９】このようなパイロットバーナの要求を達成
するため、パイロットバーナの空気旋回器３の旋回強さ
を強くするとともに空気旋回器の径を大きくすることに
より、空気旋回器３から供給される旋回流１０４によっ
て誘起される再循環流１０５の強さと領域を大きくする
設計が採用され、火炎の安定性を高めている。

【００１０】かかる設計においては、再循環流１０５が
強化され逆流流速が大きくなることと、ノズル端面部材
の面積が大きいことから、ノズル端面部材８は火炎によ
る加熱作用が増大する。このため、ノズル端面部材の効
果的な冷却が必要となる。ノズル端面部材の冷却方法と
して、従来一般には、ノズル端面部材に冷却空気孔を設
け、この冷却空気孔に空気を流通させ、空冷する方法
や、燃料ガスをノズル端面部材の内側表面に衝突させて
冷却するようにしたものなどが知られている。

【００１１】なお、この種のガスタービン燃焼器用ガス
バーナに関連するものとしては、例えば特開平５−１７
２３３１号公報が挙げられる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】このような燃料ノズル
を有するバーナにおいては、たしかに通常運転状態では
燃料ノズルは充分冷却されるが、しかしながら運転条件
によっては次のような問題点を有する嫌いがあった。す
なわち、まず前者においては、冷却空気の流れが再循環
流１０５と対向するように流出することから、保炎に必
要な再循環流を弱めてしまう恐れがあり、さらに、この
領域のガス温度を低下させるので保炎性能が大きく低下
してしまう問題があり、一方、後者においては、パイロ
ットバーナへ供給する燃料を絞って運転するガスタービ
ン条件などの場合には、燃料ガスの衝突流が弱くなるこ
とと、それに火炎がノズル端面部材に近接して形成され
加熱作用が強まることから、ノズル端面部材を十分に冷
却できなくなる場合が生ずる恐れがあった。

【００１３】また、もう一つの考えとして、ノズル端面
部材に冷却用の燃料ガス噴孔を複数個設け、燃料ガスを
噴出させることによって冷却することも考えられるが、
この構造においては、燃料噴流によって周囲の酸素を含
む高温ガスが誘引され、この酸素と燃料ガスが反応し、
ノズル端面部材の近接して火炎を形成する条件となって
しまう場合あり、この場合には、逆にノズル端面部材は
この火炎によって強く加熱されてしまう恐れがある。

【００１４】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、特に保炎性能を高める構造設計に
おいて付随的に発生するノズル端面部材の加熱を効果的
に抑制するとともに保炎性能を損なわないでノズル端面
部材を冷却し、ガスバーナの信頼性を高めることが可能
なこの種の拡散燃焼ガスバーナを提供するにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、環状
に配置された予混合燃焼をする予混合燃焼メインバーナ
の軸心部に配置され、かつ燃焼部側の端面に平坦面部を
有する燃料ノズルと、この燃料ノズルの外周に配置さ
れ、燃焼空気に旋回を与える空気旋回器とを備えている
拡散燃焼ガスバーナにおいて、前記燃料ノズルの平坦面
部に、燃料ガスを燃焼部側へ噴射させる噴射孔を設ける
とともに、この噴射孔に、ノズルの平坦面部を覆うガス
膜を形成するガス膜形成手段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。

【００１６】また、環状に配置された予混合燃焼をする
予混合燃焼メインバーナの軸心部に配置され、かつ燃焼
部側の端面に平坦面部を有する燃料ノズルと、この燃料
ノズルの外周に配置され、燃焼空気に旋回を与える空気
旋回器とを備えている拡散燃焼ガスバーナにおいて、前
記燃料ノズルの平坦面部に、燃料ガスを旋回流として燃
焼部側へ噴射させるガス旋回噴射手段を設けるようにし
たものである。また、前記ガス旋回噴射手段を、燃料ノ
ズルの平坦面部に所定の間隔をおいて複数個設けるよう
にしたものである。

【００１７】すなわちこのように形成されている拡散燃
焼ガスバーナであると、冷却用の燃料ガスをノズル端面
部材を通して旋回流として噴出させることによりガスの
噴出角度は広くなる。燃料ガスの噴孔を噴出角度に見合
った適切な配置とすることにより、個々の噴孔から噴出
するガス噴流はノズル端面部材に近接した面でお互いに
重なり合う。この結果、ノズル端面部材に近接して燃料
ガス層が形成される。すなわちノズル端面にガス膜が形
成される。

【００１８】燃料ガス層のノズル端面側は外周の雰囲気
ガスを誘引しない。したがって、燃料ガス層には酸素を
含む周囲ガスの混入がないので、燃料ガス層が燃料自身
の発火温度以上に加熱されても、酸素を含まないからこ
の領域で火炎は発生しない。これにより、高温雰囲気中
であってもノズル端面部材は燃料ガス層によって火炎か
ら遮断され、ノズル端面部材の加熱が防止される。さら
にノズル端面部材の内部を旋回流としてガスが流れるの
で、ノズル端面部材とガスとの熱伝達が促進され、より
効果的な冷却が行える。

【００１９】一方、ガスバーナの保炎性能については、
冷却用の副燃料ガスは旋回流として供給され流出角度が
広く、噴流が合体して安定に流動する燃料ガス層を形成
する。これにより、空気旋回器によって誘起する保炎用
の再循環流はノズル端面側の安定した合体旋回流に捕捉
されて安定化するので、保炎性能を向上させることがで
きるのである。

【００２０】

【発明の実施の形態】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にはそのガスバーナを備え
たガスタービン燃焼器の要部が断面で示されている。燃
焼器の構成および各部の作用は前述したので、ここでは
省略するが、大きく異なる点は、燃料ノズルの平坦面部
に、燃料ガスを旋回流として燃焼部側へ噴射させるガス
旋回噴射手段を設けた。すなわち、ノズル端面の外周端
部に主燃料ガス噴孔を複数個設け、さらにこのノズル端
面の内周側に燃料ガスを旋回流として噴射させるガス旋
回路とガス噴孔を組合せてなる副燃料ガス噴射孔を１個
または複数個設けるようにした点にある。

【００２１】すなわち、ノズル端面部材８の平面部分に
は冷却用の副燃料ガスを旋回流として噴射するガス旋回
器１１を有する副燃料ガス噴孔１０が複数個設けられて
いる。すなわち、ガス旋回器および副燃料ガス噴孔は、
図２に拡大されて示されているように、ガス旋回器１１
は副燃料ガス流入口１５を持ち、これにより流入するガ
ス流に旋回羽根１６によって旋回流を与える構造となっ
ている。ガス旋回器１１の出口部を径を絞った副燃料ガ
ス噴孔１０と連通させることにより、旋回流を与えられ
た副燃料ガス２０２は大きな噴出角度を持って燃焼室内
へ噴射される。

【００２２】ノズル端面部材８には前記副燃料ガス噴孔
１０がノズル端面部材の中心に１個とその周囲に等間隔
に６個配列されており、それぞれの副燃料ガス噴孔から
噴射される燃料噴流はノズル端面部材に近接した位置に
おいて、お互いに重なり合う流れとなる。

【００２３】図３は図２の正面図であり、前述した燃料
噴流の重なりが出る燃料噴流の境界を点線の円１７で示
す。燃料噴流の重なり合う面のノズル端面側は雰囲気ガ
スの誘引が小さく、したがって酸素濃度が低いので、可
燃性混合とはならない。このため、この領域は燃料ガス
層が形成され、再循環流１０５によって保炎された火炎
からの熱を遮断し、ノズル端面が加熱されるのを抑制す
る。

【００２４】冷却用の副燃料ガスは旋回流であり、これ
が合体して形成される燃料ガス層も旋回成分を持つ安定
した流動となる。このため空気旋回器３によって誘起す
る保炎用の再循環流はノズル端面側の安定した合体旋回
流に捕捉されて安定化するので、パイロットバーナの火
炎はより安定化される。

【００２５】このようなバーナを備えた燃焼器である
と、パイロットバーナ（拡散燃焼）とメインの予混合バ
ーナを組合せた構成で、パイロットバーナを低温に保ち
つつ、その外周側に配置された予混合器２から供給され
る予混合気１０２を保炎して燃焼を行うことができ、さ
らにガスタービンの起動から低出力時はパイロットバー
ナのみで運転し、ガスタービンの高出力運転時は低ＮＯ
ｘの達成のためにパイロットバーナへ供給する拡散燃料
２００は極力絞って運転することが可能となるのであ
る。

【００２６】特に、空気旋回器３の旋回強度を強めるこ
とと空気旋回器３の径を大きくとることができ、このノ
ズル端面部材８の平面部の面積を大きく設計することに
より空気旋回器３によって誘起される再循環流１０５の
強さとその領域を増大させ、火炎の安定性を高めている
のである。

【００２７】図４は第２の実施例を示すガスバーナのノ
ズル端面部材の冷却構造を示す断面図である。ノズル端
面部材８の上流側は副燃料ガスの流入孔１５を有するガ
ス旋回器１１が取付けられており、旋回羽根は半径方向
旋回羽根１７が下流端に付いている。ガス旋回器１１の
下流端はテーパ状に絞られ、ノズル状の副燃料ガス噴孔
１０につながっている。

【００２８】かかる構造とすることにより、副燃料ガス
噴流２０２の噴出角度は非常に大きくすることが可能と
なり、１個の副燃料ガス噴流で広いノズル端面面積を燃
料ガス層で覆うことができる。また、副燃料ガスの旋回
方向が互いに異なるもの同志を配列することにより、噴
流が合体して形成される燃料ガス層の流動の旋回成分は
お互いに相殺される。燃料ガス層の旋回成分をなくすこ
とにより、燃料ガス層の誘引作用がなくなり、周囲ガス
の混入が一層小さくなるとともに、再循環流１０５はノ
ズル端面部材８から離れて形成されることになり、加熱
防止効果が高まる。

【００２９】なお、以上の説明では、バーナ端面を冷却
するにあたり冷却媒体を旋回させ噴出させるように説明
してきたが、常にこのように形成しなければならないわ
けではなく、例えば図６に示されているように、ガス拡
散部材５０を噴出孔の出口部に設け、噴射ガスをこのガ
ス拡散部材５０に当てその周りに傘状のガス膜を形成す
るようにしても同様な効果が生ずることは勿論である。

【００３０】上記のようなガスバーナ構造とすることに
より、ノズル端面部材は冷却用の燃料ガス層によって火
炎から遮断され、ノズル端面部材の加熱を防止すること
ができ、また、冷却用の燃料ガスはノズル端面部材の内
部を旋回流として流れるので、ガスとノズル端面部材と
の熱伝達が促進され、効果的に冷却ができる。

【００３１】一方、ガスバーナの保炎性能については、
冷却用の燃料ガスの流出角度を広くした旋回流であるの
で、保炎作用を有する再循環流と対向する速度成分が小
さいことと、燃料噴流が合体した燃料ガス層は旋回成分
を持つ安定した流動となるので再循環流がこれに捕捉さ
れて安定化し、ガスバーナ火炎の安定性を向上させ、し
たがって、本バーナは火炎の安定性を高めるために空気
旋回強度を強め、かつノズル端面部材の面積を大きく設
計できることと、再循環流を安定化させるので、バーナ
の作動範囲が広くでき、かつバーナの信頼性が高く低Ｎ
Ｏｘガスタービン燃焼器のパイロットバーナへの適用が
好適である。

【００３２】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、保炎性能を高める構造設計において付随的に発生す
るノズル端面部材の加熱を効果的に抑制するとともに、
いかなる運転条件においても保炎性能を損なわないでノ
ズル端面部材を冷却し、ガスバーナの信頼性を高めるこ
とが可能なこの種の拡散燃焼ガスバーナを得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガスバーナを備えたガスタービン燃焼
器の一実施例を示す縦断側面図である。

【図２】本発明の拡散燃焼ガスバーナの一実施例を示す
縦断側面図である。

【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う正面図である。

【図４】本発明の拡散燃焼ガスバーナ要部の他の実施例
を示す縦断側面図である。

【図５】従来の拡散燃焼ガス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６】本発明の拡散燃焼ガスバーナ要部の他の実施例
を示す縦断側面図である。

【符号の説明】

１…燃焼器ライナ、２…予混合器、３…空気旋回器、４
…予混合燃料供給フランジ、６…予混合ノズル噴孔、７
…パイロットバーナ、８…ノズル端面部材、９…主燃料
ガス噴孔、１０…副燃料ガス噴孔、１１…ガス旋回器、
１２…燃焼器外筒、１３…燃焼器カバー、１５…副燃料
ガスの流入孔、１６…旋回羽根、５０…ガス拡散部材、
１００…圧縮機吐出空気、１０１…予混合燃焼用空気、
１０４…拡散燃焼用空気、２０２…副燃料ガス噴流、２
０３…予混合燃料。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小金沢 知巳 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者 小林 成嘉 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼器の軸心部上流側に配置され、拡散
   燃焼をする拡散燃焼パイロットバーナと、この拡散燃焼
   パイロットバーナの周囲に配置され、かつ予混合燃焼を
   する予混合燃焼メインバーナとを備え、前記拡散燃焼パ
   イロットバーナが、燃焼部側の端面に平坦面部を有する
   燃料ノズルと、この燃料ノズルの外周に配置され、燃焼
   空気に旋回を与える空気旋回器とを備えているガスター
   ビン燃焼装置において、 前記燃料ノズルの平坦面部に、燃料ガスを燃焼部側へ噴
   射させる噴射孔を設けるとともに、この噴射孔に、ノズ
   ルの平坦面部を覆うガス膜を形成するガス膜形成手段設
   けたことを特徴とするガスタービン燃焼装置。
2. 【請求項２】 燃焼器の軸心部上流側に配置され、拡散
   燃焼をする拡散燃焼パイロットバーナと、この拡散燃焼
   パイロットバーナの周囲に配置され、かつ予混合燃焼を
   する予混合燃焼メインバーナとを備え、前記拡散燃焼パ
   イロットバーナが、燃焼部側の端面に平坦面部を有する
   燃料ノズルと、この燃料ノズルの外周に配置され、燃焼
   空気に旋回を与える空気旋回器とを備えているガスター
   ビン燃焼装置において、 前記燃料ノズルの平坦面部に、燃料ガスを旋回流として
   燃焼部側へ噴射させるガス旋回噴射手段を設けたことを
   特徴とするガスタービン燃焼装置。
3. 【請求項３】 燃焼器の軸心部上流側に配置され、拡散
   燃焼をする拡散燃焼パイロットバーナと、この拡散燃焼
   パイロットバーナの周囲に配置され、かつ予混合燃焼を
   する予混合燃焼メインバーナとを備え、前記拡散燃焼パ
   イロットバーナが、燃焼部側の端面に平坦面部を有する
   燃料ノズルと、この燃料ノズルの外周に配置され、燃焼
   空気に旋回を与える空気旋回器とを備えているガスター
   ビン燃焼装置において、 前記燃料ノズルの平坦面部に、燃料ガスを燃焼部側へ噴
   射させる噴射孔を設けるとともに、この噴射孔に燃料ガ
   スを旋回させるガス旋回器を設けたことを特徴とするガ
   スタービン燃焼装置。
4. 【請求項４】 環状に配置された予混合燃焼をする予混
   合燃焼メインバーナの軸心部に配置され、かつ燃焼部側
   の端面に平坦面部を有する燃料ノズルと、この燃料ノズ
   ルの外周に配置され、燃焼空気に旋回を与える空気旋回
   器とを備えている拡散燃焼ガスバーナにおいて、 前記燃料ノズルの平坦面部に、燃料ガスを燃焼部側へ噴
   射させる噴射孔を設けるとともに、この噴射孔に、ノズ
   ルの平坦面部を覆うガス膜を形成するガス膜形成手段設
   けたことを特徴とする拡散燃焼ガスバーナ。
5. 【請求項５】 環状に配置された予混合燃焼をする予混
   合燃焼メインバーナの軸心部に配置され、かつ燃焼部側
   の端面に平坦面部を有する燃料ノズルと、この燃料ノズ
   ルの外周に配置され、燃焼空気に旋回を与える空気旋回
   器とを備えている拡散燃焼ガスバーナにおいて、 前記燃料ノズルの平坦面部に、燃料ガスを旋回流として
   燃焼部側へ噴射させるガス旋回噴射手段を設けたことを
   特徴とする拡散燃焼ガスバーナ。
6. 【請求項６】 前記ガス旋回噴射手段を、燃料ノズルの
   平坦面部に所定の間隔をおいて複数個設けてなる請求項
   ５記載の拡散燃焼ガスバーナ。
7. 【請求項７】 空気旋回器とガス噴射孔との組合せから
   なり、かつ前記空気旋回器が外周側に配置され、その内
   周側に全面もしくは一部分が平面で形成されるノズル端
   面を有し、かつこのノズル端面の外周端部に主燃料ガス
   噴孔が複数個設けられている拡散燃焼ガスバーナにおい
   て、 前記ノズル端面の内側に、燃料ガスを旋回流として噴射
   させるガス旋回路とガス噴孔を組合せてなる副燃料ガス
   噴射孔を１個または複数個設けたことを特徴とする拡散
   燃焼ガスバーナ。