JPS6066020A - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕　、 本発明はガスタービンの燃焼器に係り、特に、燃焼ガス
中の未燃焼生成物の低減を図り、下流側燃焼装置での燃
焼を安定して行わせるため、燃焼器に流入する空気量を
調整できる燃焼器に関する。

〔発明の背景〕

ガスタービン燃焼器から排出される排ガス中には大気汚
染の元凶とされるＮ　Ｏｘやｃｏ、ｓ、ｃなどが含壕れ
るが、特に、ＮＯｘについては厳しい排出規制が設けら
れている。低Ｎ　Ｏｘ化のための最も簡便な方法には燃
焼ガス中に水や水蒸気を注入しＮ　Ｏｘが生成される高
温部の温度を下ける方法がある。この方法は簡単に実施
できるが燃焼ガス温度を降下させるためにタービン出力
を低下させるという決定的な欠点ｔもつため採用される
ことは希である。これに対して燃料を多段に分配し、一
段当りの燃焼負荷を少なくし、又は、希薄燃焼を行なわ
せることにより、部分的なホットスポットの発生を抑え
、低ＮＯｘ化を図るという試みがガスタービン燃焼器の
主流になりつつある。ガスターピノのｊハ合は構造等の
制約から燃焼器の上流側と下流側とから燃料を噴射する
、いわゆる、二段燃焼器が一般的である。第１図はこの
二段燃焼方式の１例を示した図である。すなわち、燃焼
器ライナ１１’こは上流側に燃料ノズル２が装Ｈされる
ノズル塩（＝ｊ口３全もち、また、燃焼火炎の保炎に寄
与する空気旋回器４が取付口３０周上に配置され空気旋
回器５と燃料噴出部６が連結きれた二段目燃料噴射機病
が設けられ、各々のノズルで燃料の約５０％が燃焼きれ
る。

この二段燃焼方式は確かに低ＮＯｘ化の冶力な手段とさ
れるが、一方ではＣ（ＪやＩＣといった未燃分の排出量
が多くなり易いという問題点も含んでいる。この問題は
一段目の燃料を噴射した低負荷時と二段目の燃料を噴射
した際に、特に、多量の未燃盆の排出が起こる。まず、
一段目の低燃焼負荷時に発生するものは、次のような理
由による。

ガスタービンではタービ／の回転がタービン出力に関係
なく一定であるため、ライナ１に流入する空気量も一定
となる。従って一段目の低負荷燃焼時には空気過剰な状
態での燃焼が行なわれるごとになり、空気過剰率が可燃
範囲（λ中０．５〜２，５）外となる領域が多くなるこ
とから燃焼できないまま排出される未燃分の量が多くな
ってくる。

この一段目からの未燃分の排出量は燃焼負荷が増加する
につれて減少し、一段目の１００％負荷時には、はとん
ど未燃分が検出できない程度にまで燃焼は完全燃焼をす
る。なお、この一段目からの未燃分の排出は二段燃焼と
関係なく、従来のシックルバーナ燃焼でも発生するもの
で、二段燃焼固有の問題というものではない。これに対
して、二段目の燃料投入時以降に発生する未燃物の生成
は二段燃焼固有の問題といってよく、燃焼負荷がすでに
全体の約１／２という時点からの発生でおるために、未
燃分の発生が排出量という問題に止捷らずタービン出力
の低下をきたすという性能の問題に係ってくるので注目
されなければならない。

特に、この発生原因が一段目の火炎から二段目燃料への
火移りの問題に関係しており、二段目燃料投入時には一
段目同様、空気旋回器から流入する空気量は燃料に対し
て過剰な状態で供給されるため、可燃域からはずれた希
薄状態が多くなるため、着火しなかったり、一部の燃料
の燃焼に止まるという状態が起こり、結果的に未燃分の
排出量が増大すると見ることができる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は上流側と下流側より燃料を二段に供給す
るガスタービン燃焼器Ｖｃ２いて、燃焼負荷に応じて燃
焼器に流入する空器量を制御し、燃料も空気の混合割合
が杷えず可燃範囲にらるようにすることにより、排ガス
中のＣＯやｌ−ＩＣ等の未燃分の濃度低減を図ることが
できる燃焼器構造を１供するにめる。

〔発明の概侠〕

二段燃焼方式では、特に、二段目の燃料投入時に一段目
に形成されている火炎によってスムーズに火炎の移動が
図られることが必要でらり、このためには二段目の燃料
と空気の混合割合を絶えず可燃域に入るように設足する
ことが条件となる。

本発明ではこの条件を実流するために二段目の燃料と空
気の混合割合を自由に変えられるようにするために、二
段目のを気取人口ｐ外周に燃焼器の軸方向に移動可能な
円筒環ケ設直し、運転モードに応じて二段目の空気取入
ロケ閉塞あるいは開放できるようにして二段目に流入す
る空気量を制御できるようにしたことを特徴とする。本
発明の他の特徴は、一段目ノズルからの燃料の投入時に
過剰な空気の供給により発生する未燃分の発生を抑制す
るため、一段目の旋回器以外から供給される燃焼空気を
円筒環を一段目の空゛気取入口まで移動し、空気取入口
を部分もしくは完全に閉塞することにより一段目の燃料
と空気の混合割合を理論混合に近い状態に制御するにあ
る。

〔発明の実施例〕

第２図ないし第６図に本発明の一具体例を示す。

ガス、タービン燃焼器の主な構成は燃焼ガスを生成する
ライチ部ｌと燃料供給系及び空気供給系よりなり、これ
らが外筒７及びエンドカバ８で密閉された圧力チャンバ
９内に装着されている。ライナｌは上流側に下流側より
径を絞った副室部１０を設けこの副室部で上流側に供給
された燃料の燃焼を行なう。一方、ライナ１の下流側に
は副室部より径を大きく製作した主室部１１にもち、主
室部では、下流側より供給された燃料及び副室１０内で
未燃となったＣＯ等の町然分を燃焼し、且つ、主室下流
部に配置される希釈空気孔１２より流入する空気により
、燃焼ガスを所定の温度まで低下させる。

燃料供給系は本発明では二段供給方式が採られる。すな
わち、主に副室ｌＯでの燃焼に関わる上流側燃料ノズル
１３と主室１１内での燃焼に関わる下流側燃料ノズル１
４とからなる。上流側燃料ノズル１３と下流側燃料ノズ
ル１４との差違は、上流側燃料ノズル１３がライナ１本
体に固定されたノズルではなく、単独のノズルがエンド
カバー８の外部よりライナｌに挿入されて装着されるの
に対し、゛下流側燃料ノズル１４は副室ｌＯと主室１１
を継ぐ拡大コーン１５に固定されて周上に複数個設置さ
れる。この部分全詳述すれば、拡大コーン１５の周上に
空気旋回羽根１６を配置し、この上流１１ｔｌＫ燃料溜
管１７が接続されており、さらに燃料溜管１７への燃料
の輸送は、燃料溜管１７の上流側に接続される複数個の
燃料供給管１８を経由して行なわれる。下流側燃料ノズ
ル１４は燃料溜管より空気旋回羽根内に突出させて周上
に複数個装着される。

次に本発明に関わる空気供給系及び空気量の方法につい
て説明する。

空気供給系は、大別すると次のように分類できる。すな
わち、副室ｌＯに供給される空気は全空気量の３０〜４
０係でライナ外筒１９上に設けられた空気孔２θを通り
、副室内筒２１に設けられている一次燃焼空気孔２２及
び二次燃焼空気孔２３より副室ｌＯ内に流入するものと
、上流側燃料ノズル１３の先端部局上に配置される空気
旋回器２４を経て副室に流入するものがある。後者の空
気量は全体空気量の４〜５チ程度であるため、副室１０
へ流入する空気量のほとんどは一次燃焼空気孔２２及び
二次燃焼空気孔２３より供給される。

一方、主室ｌｌ内に供給される空気量は空気旋回羽根１
６’＆通るものが全体空気量の約３０％で一番多く、次
いで、希釈空気孔から入るものが全体空気量の約１５％
程度である。

これらの空気配分を燃焼負荷に応じて適切に行なうこと
により、下流側燃料投入時の未燃物の発生の抑制と、上
流側燃料による低負荷燃焼時の未燃分の発生を抑制する
ことができる。

以下この空気制御法について述べる。

本発明では、−次燃焼空気孔２２と二次燃焼空気孔２３
から副室ｌＯ内に流入する空気と空気旋回羽根１６を通
り、主室ｌｌ内に流入する空気を分離し、これを燃焼負
荷に応じて開側１する。ライナ外筒１９及び副室内筒２
１、さらに、ライナエンドカバ２６と拡大コーン１５に
よって形成される環状空気室２５はその内部に設けられ
る仕切板２７により、空気室２に分離される。上流側空
気室２８は副室１０へ供給されるための空気室であり、
下流側空気室２９は空気旋回羽根１４を経て主室内へ流
入させるための空気室として使われる。

環状空気流路部３０からそれぞれの空気室への空気流入
はライナ外筒周上に複数個設けられ空気穴２０及び３１
から行なわれ、前者の空気孔２０が上流側空気室２８へ
、後者の空気孔３１が下流側空気室２９への空気流入孔
として使われる。

空気孔２８あるいは２９を閉塞又は開放して空気量をコ
ントロールする方法として、第３図に立体重に示したよ
うなライナ軸方向に移動可能な円筒壌糺ヱ金用いる。円
筒項七ノはライチ外筒１９上に取付けられた複数個の支
持ガイド３３により支持され、支持ガイドのレール３４
を滑走するように取付けられる。数句の手ノｌは円筒環
３２を支持ガイド３３にライチ上流側から挿入されるが
、その際、支持ガイド３３の上流端が切り開かれた状態
となっており、円筒環３２を支持ガイド３３のレール３
４に挿入した後、支持ガイドの上流端は止め金具３５に
よって締結され、円筒壌乞スがライナ軸方向に抜は出な
いように取付けられる。

第４図に円筒環３２の詳細図を示す。円筒環すの上ｉＡ
Ｌ・下流端部には支持ガイドレール３４よりも幾分背の
高い側板３６，３７が取（＝１けられ、この側板部には
ガイドレール３４に挿入されるための切込み３８．３９
が複数個設けられる。この切込みがカイトレールに挿入
された状態では側板の底面４０，４１とライナ外筒１９
との間にわずかな間隙ケもつ程度の寸法で組込１れる。

次に、円筒環すのライナ軸方向への駆動は次の手段を用
いて行なわれる。円筒環１スの上流側に押し棒を固定す
る支持金具４２を複数個取付けられる。第４図は一例と
して二個の支持金具４２を取Ｕけた状態を示す。支持金
具４２には押し棒４３が連結される。押し棒４３の他端
は、第３図に示すように、外筒エンドカバ４４に設置さ
れた圧力ビストノ金内蔵するピストン駆動装置４５に連
結されている。ピストン駆動装置４５のピスト／４６に
外部より圧力をかけることにより押し棒４３を介しで円
筒壊しを下流側に移動させる。

一方、ピストンにかかる圧力を減するとピストン４６の
下部に心るコイルバネ４７によってピストン４６は上流
側に押し戻され、従って、円筒環３２も上ａ側に移動す
る仕組みになっている。このように、ピストンにより押
し棒が駆動される場合、複数個βるピストンの所定位置
からの変位があらかじめ決められた許容変位量に常に入
るように制御系が組込捷れている。

次に、燃焼負荷に応じてどのように円筒環を移動し空・
気Ｓ−にコントロールするかについて以下に述べる。

第５ンｊに７１テした実線及び破線ｅまそれぞれ空気鼠
のコントロール全行なわないＳ台と、適切なコントロー
ルを与えた場合の未燃分の代表例としてのＣ０ｅｋ吸の
相対比較を燃焼負荷を横軸にとって示したものである。

Ｃ（Ｊ濃度は低負荷燃焼時と２／４負荷以上でピークと
なる分布を示す。これは前にも１Ｉ５２ψ］したように
、低負荷燃焼時に発生するＣＯＯ高レベル帯は上流側燃
料投入時に空気が過剰に供給されるためであり、一方、
２／４負荷以降に発生ずるピークは下流側の燃料投入時
からある負荷範囲に亘って、空気過剰な状態が続き、空
気と燃料との混合割付が可燃域をはずれて存在するため
に、上流側からの火炎の移動が完全でなかったり、部分
的な燃焼に止まるために発生ずるものである。

第６図は上流側空気孔及び下流側空気孔開度制御の１例
を示したものであり、これにより実現したのが第５図の
破線で示したカーブである。

この空気孔開度制御の基本的な考え方は、上流側燃料投
入時から、０／４負荷ぐらいまでは上流側空気孔は完全
閉の状態にしてお−き、燃料リッチな状態での燃胱を促
進し、０／４負荷近傍から空気孔の間髪ヲ増し、２／４
負荷近傍で１００％開度になるようにｉｌ！Ｉ側］する
。この際、下流側空気孔の開度は構造上１００％に開度
となっている。続いて、下流側燃料が投入される際には
円筒環しが下流側空気孔３１を完全に被い隠す位置まで
移動しておき、すなわち、下流側を気孔開度がゼロの状
態で燃料投入が開始され、下流側においても燃料リッチ
の状態で上流側にある火炎からの大杉を完了し、３／４
負荷近傍から空気孔の開度を増し、４／４負荷で１００
％開度となるようなコントロールをする。一方、上流側
空気孔は下流側燃料投入時以降、開側ｊ上も１００％開
綻のままとなる。

〔発明の効果〕

不発り」によれば、燃焼負荷に応じて空気流入量を制師
し、下流側燃料投入以降のＣＯ，ＨＣ等の未燃分の発生
が抑制され、同時に、上流側燃焼に付随する未燃分の発
生も抑制できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は匠来型飲・焼器のホｊｒ面図、第２図は本発明
の燃焼器の断面図、第３図は本発明の燃焼器の胴視図、
第４区は円筒環の余［視図、第５図（ｄ燃腕負イ’＝ｉ
ｊとＣＯ濃度の関係を示す図、第６図は燃焼負荷と空気
孔回度の関係を示す図である。 １９・・・シイナ外筒、２０．３１・・・空気孔、２１
・・・１ｉ１１Ｊ室内膀、２２・・・１次燃焼空気孔、
２３・・・２次燃焼空気孔、２４・・・空気旋回器、ζ
辷・・環状空気室、２６・・・シイナエンドカバ、２７
・・・仕切板、２８・・・上流（ＩＩＩを気室、２９・
・・下流側を気室、３０・・・猿伏孕気流路部、３２・
・・円筒環、３３・・・支持ガイド、３４・・・支持カ
イトレール、３５・・・止め金具、３６゜３７・・・側
板、３８．３９・・・切込み、４２・・・支持金具、４
３．４４・・・押し棒、４４・・・外筒エンドカバ、４
５・・・ピストン駆動装置、４６・・・ヒスト／、４７
最　４　区 ＄　タ　ロ ＄ｚ　目 賜゛度没今

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃焼器の上流側でその軸方向に垂直な断面が円形を
   なし、且つ、下流側よりもその径を小さく形成し、上流
   側及び下流側にそれぞれ燃料噴射装置を備えたガスター
   ビン燃焼器において、上流部に流入する空気量と・前記
   下流側の前記燃料噴射装置部に流入する望気量金燃焼負
   荷に応じて調整することを特徴とする燃焼器の空気制御
   法。 ２、特許請求の範囲第１項において、径の小さな上流側
   円面部の外側に同ノしの円筒部を被せ、上流側円筒部と
   の間に形成され之項伏部の最上流端及び下流端を閉塞し
   、環状の空気室を形成し、前記空気室は仕切板により二
   つの空気室に分離され、それぞれ、上流、下流側から噴
   射される燃料の燃焼に８喪なＨ「定の空気量を供給する
   ことを％徴とする燃焼器の空気制御法。 ３、特許請求の範囲第２項において、前記空気室を形成
   する外円筒部の同上に円筒ｉｋ設置し、前記円筒環を燃
   焼器の軸方向に移動可能にし、前記空気室の周上に複数
   個設けられた空気流入孔を円筒環が被い包むことにより
   流入空気量の調整を図ることを特徴とする燃焼器の空気
   制御法。 ４　％許請求の範囲第３項において、前記円筒環の燃焼
   器軸方向への可動手段は、前記円筒環の上流側端に複数
   個の押し棒を配置し、この押し棒の上流側端が燃焼器ケ
   格納する外筒の前蓋に設置さｉｔた圧力駆動のピストン
   部に連結され、このピストン部に作用する圧力の大小に
   よ！ｌｌ前記押し棒がＭｉＩ後し、さらに前記円筒環が
   軸方向に移動することケ特徴とする燃焼器の空気制御法
   。