JPS6232370B2 - - Google Patents
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- JPS6232370B2 JPS6232370B2 JP55094106A JP9410680A JPS6232370B2 JP S6232370 B2 JPS6232370 B2 JP S6232370B2 JP 55094106 A JP55094106 A JP 55094106A JP 9410680 A JP9410680 A JP 9410680A JP S6232370 B2 JPS6232370 B2 JP S6232370B2
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- Japan
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- fuel
- combustion
- combustion chamber
- air
- combustor
- Prior art date
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-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
- F23R3/34—Feeding into different combustion zones
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2270/00—Control
- F05D2270/01—Purpose of the control system
- F05D2270/08—Purpose of the control system to produce clean exhaust gases
- F05D2270/082—Purpose of the control system to produce clean exhaust gases with as little NOx as possible
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2270/00—Control
- F05D2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
- F05D2270/31—Fuel schedule for stage combustors
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23D—BURNERS
- F23D2209/00—Safety arrangements
- F23D2209/10—Flame flashback
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は燃焼タービン用燃焼器に関し、特に、
窒素酸化物(NOx)の排出量を減らし得る燃焼
器に関する。
窒素酸化物(NOx)の排出量を減らし得る燃焼
器に関する。
本発明は点火と、未燃炭化水素、一酸化炭素の
排出とに関する問題をいずれも悪化させることな
く燃焼タービンからのNOx排出量をかなり少な
くする方法と装置とに関する。さらに詳述する
と、本発明の少量NOx燃焼器はスロート域によ
つて相互に連結された第1および第2燃焼室また
は燃焼段を含む。燃料と混合用空気とが第1燃焼
室に導入されそこであらかじめ混合する。第1燃
焼室は複数の燃料ノズルを備え、これらのノズル
は燃焼器の軸線の周りに周方向に配置されかつ第
1燃料室の背面壁を貫通して同室内に突出してい
る。また、別の燃料と空気が第1燃焼室の下流端
近くで導入されるとともにさらに別の空気がスロ
ート域において導入されて第2燃焼室で燃焼に用
いられる。本燃焼器の使用に際しては、まず燃料
と空気を第1燃焼室に導入しそこで燃焼させる。
その後、第1室内での燃焼を終えるため第1室内
での燃料流を止め第2室内での燃料流のみとし、
次いで燃料は混合の目的で再び第1室内に分配さ
れ、その際第2室内では燃焼が保たれている。第
2室内の燃焼は、かなりの量の希釈空気を第2室
の下流端に導入することによる急冷作用を受け、
その結果NOx発生温度における燃焼生成物の停
留時間が減り、これによつてタービン部用の原動
力が得られる。このタービンはNOx、一酸化炭
素および未燃炭化水素を少量しか排出しないこと
を特徴とする。
排出とに関する問題をいずれも悪化させることな
く燃焼タービンからのNOx排出量をかなり少な
くする方法と装置とに関する。さらに詳述する
と、本発明の少量NOx燃焼器はスロート域によ
つて相互に連結された第1および第2燃焼室また
は燃焼段を含む。燃料と混合用空気とが第1燃焼
室に導入されそこであらかじめ混合する。第1燃
焼室は複数の燃料ノズルを備え、これらのノズル
は燃焼器の軸線の周りに周方向に配置されかつ第
1燃料室の背面壁を貫通して同室内に突出してい
る。また、別の燃料と空気が第1燃焼室の下流端
近くで導入されるとともにさらに別の空気がスロ
ート域において導入されて第2燃焼室で燃焼に用
いられる。本燃焼器の使用に際しては、まず燃料
と空気を第1燃焼室に導入しそこで燃焼させる。
その後、第1室内での燃焼を終えるため第1室内
での燃料流を止め第2室内での燃料流のみとし、
次いで燃料は混合の目的で再び第1室内に分配さ
れ、その際第2室内では燃焼が保たれている。第
2室内の燃焼は、かなりの量の希釈空気を第2室
の下流端に導入することによる急冷作用を受け、
その結果NOx発生温度における燃焼生成物の停
留時間が減り、これによつてタービン部用の原動
力が得られる。このタービンはNOx、一酸化炭
素および未燃炭化水素を少量しか排出しないこと
を特徴とする。
第1図は本発明による少量NOx燃焼器12を
含む燃焼タービン11の一部分を示す。燃焼ター
ビン11の典型的なものは、断面が円形で、複数
の燃焼器12を有し、これらの燃焼器は燃焼ター
ビンの周囲に沿つて隔設されている。タービン1
1はまた、燃焼用と冷却用の高圧空気を供給する
圧縮機13を有する。タービン11の作動中、燃
焼器12は(後述のように)燃料を圧縮機13か
らの高圧空気と共に燃焼させ、この空気にエルギ
ーを与える。こうして生じた高温ガスのエネルギ
ーの一部は燃焼器12から遷移部材14を経て第
1段ノズル15とタービン羽根車に装着されたタ
ービン動翼(図示せず)に達する。タービン羽根
車は圧縮機13と適当な負荷とを駆動する。
含む燃焼タービン11の一部分を示す。燃焼ター
ビン11の典型的なものは、断面が円形で、複数
の燃焼器12を有し、これらの燃焼器は燃焼ター
ビンの周囲に沿つて隔設されている。タービン1
1はまた、燃焼用と冷却用の高圧空気を供給する
圧縮機13を有する。タービン11の作動中、燃
焼器12は(後述のように)燃料を圧縮機13か
らの高圧空気と共に燃焼させ、この空気にエルギ
ーを与える。こうして生じた高温ガスのエネルギ
ーの一部は燃焼器12から遷移部材14を経て第
1段ノズル15とタービン羽根車に装着されたタ
ービン動翼(図示せず)に達する。タービン羽根
車は圧縮機13と適当な負荷とを駆動する。
少量NOx燃焼器12はタービンケーシング1
7に固定された燃焼ライナ16に囲まれている。
燃料は燃料管路18と燃料流量制御装置19とを
経てタービン11へ送られる。制御装置19は燃
料ノズルのような適当な燃料導入手段20,21
によつて燃料を燃焼器12内へ導入する。燃料導
入手段20,21はガス状または液状の燃料を受
け入れるように構成され得る。あるいは複式燃料
ノズルを用いることによつていずれの燃料でも燃
焼器を働かせることができる。燃料は周知の点火
手段、例えば点火プラグ22によつて点火され、
隣合う燃焼器間の点火は交差点火管23(第1室
25の燃料流及び燃焼方向に交差する方向に燃焼
を伝える点火管)の使用によつて達成される。
7に固定された燃焼ライナ16に囲まれている。
燃料は燃料管路18と燃料流量制御装置19とを
経てタービン11へ送られる。制御装置19は燃
料ノズルのような適当な燃料導入手段20,21
によつて燃料を燃焼器12内へ導入する。燃料導
入手段20,21はガス状または液状の燃料を受
け入れるように構成され得る。あるいは複式燃料
ノズルを用いることによつていずれの燃料でも燃
焼器を働かせることができる。燃料は周知の点火
手段、例えば点火プラグ22によつて点火され、
隣合う燃焼器間の点火は交差点火管23(第1室
25の燃料流及び燃焼方向に交差する方向に燃焼
を伝える点火管)の使用によつて達成される。
第2図は本発明の少量NOx燃焼器12を例示
する詳細図であり、本例は第1段または第1室2
5と第2段または第2室26を含み、第2室の上
流端は比較的小さな断面のスロート域27によつ
て第1室の下流端に連結されている。
する詳細図であり、本例は第1段または第1室2
5と第2段または第2室26を含み、第2室の上
流端は比較的小さな断面のスロート域27によつ
て第1室の下流端に連結されている。
燃料室25,26は円形断面のものが好ましい
が、他の形状のものでもよい。構造材料は燃焼タ
ービン用燃焼器で通例生ずる点火温度に耐え得る
高温用金属であることが好ましい。燃焼室の冷却
にはルーバまたはスロツトを利用した空気膜冷却
方式が好適であるが、水冷、関系冷却、蒸気膜冷
却、従来の空気膜冷却等の他の冷却方式も所望に
応じて利用し得る。
が、他の形状のものでもよい。構造材料は燃焼タ
ービン用燃焼器で通例生ずる点火温度に耐え得る
高温用金属であることが好ましい。燃焼室の冷却
にはルーバまたはスロツトを利用した空気膜冷却
方式が好適であるが、水冷、関系冷却、蒸気膜冷
却、従来の空気膜冷却等の他の冷却方式も所望に
応じて利用し得る。
燃料導入手段20は複数の燃料ノズル29から
成るものとして第2図と第3図に例示され、燃焼
器12の軸線の周りに周方向に配置された6個の
ノズル29を含む。燃料ノズル29は背面壁30
を貫通して第1段燃焼器25内に突出している。
燃料は、背面壁30の外側に延在する燃料管路1
8を通つて各燃料ノズル29に送給される。燃焼
用空気はノズル29の出口端に隣接する空気スワ
ーラ32を通つて第1段に導入される。空気スワ
ーラ32は燃焼用旋回空気を導入し、この空気は
燃料ノズル29からの燃料と混合して燃焼用の可
燃混合気となる。空気スワーラ32への燃焼用空
気は圧縮機13から燃焼ライナ16と燃焼室壁3
4との間の通路を経て供給される。
成るものとして第2図と第3図に例示され、燃焼
器12の軸線の周りに周方向に配置された6個の
ノズル29を含む。燃料ノズル29は背面壁30
を貫通して第1段燃焼器25内に突出している。
燃料は、背面壁30の外側に延在する燃料管路1
8を通つて各燃料ノズル29に送給される。燃焼
用空気はノズル29の出口端に隣接する空気スワ
ーラ32を通つて第1段に導入される。空気スワ
ーラ32は燃焼用旋回空気を導入し、この空気は
燃料ノズル29からの燃料と混合して燃焼用の可
燃混合気となる。空気スワーラ32への燃焼用空
気は圧縮機13から燃焼ライナ16と燃焼室壁3
4との間の通路を経て供給される。
本発明によれば、第2図に示すように、複数の
ルーバ36が第1燃焼室25の壁34に沿つて隔
設され、また複数のルーバ37が第2燃焼室26
の壁に沿つ隔設されている。これらのルーバ3
6,37は、前述のように冷却に役立つととも
に、後に詳述するように希釈空気を燃焼域に導入
して火炎温度の浄昇をかなり防ぐものである。
ルーバ36が第1燃焼室25の壁34に沿つて隔
設され、また複数のルーバ37が第2燃焼室26
の壁に沿つ隔設されている。これらのルーバ3
6,37は、前述のように冷却に役立つととも
に、後に詳述するように希釈空気を燃焼域に導入
して火炎温度の浄昇をかなり防ぐものである。
第1燃焼室25はまた1個の燃料ノズル40を
含む燃料導入手段21を備える。燃料ノズル40
は燃料ノズル29と類似のものでよく、燃焼器の
後壁30からスロート域27に向かつて延在して
おり、燃料を第2燃焼室26内の燃焼用として同
室に導入し得る。空気スワーラ32に類似の空気
スワーラ42が燃料ノズル40に隣接して設けら
れ、燃焼用空気を燃料ノズル40からの燃料噴霧
に導入して点火可能な混合気を生成する。
含む燃料導入手段21を備える。燃料ノズル40
は燃料ノズル29と類似のものでよく、燃焼器の
後壁30からスロート域27に向かつて延在して
おり、燃料を第2燃焼室26内の燃焼用として同
室に導入し得る。空気スワーラ32に類似の空気
スワーラ42が燃料ノズル40に隣接して設けら
れ、燃焼用空気を燃料ノズル40からの燃料噴霧
に導入して点火可能な混合気を生成する。
第1および第2燃焼室を連結するスロート域2
7は第2室から第1室への逆火を防止する空気力
学的分離手段または隔離手段として機能する。こ
の機能を果たすため、スロート域27は両燃焼室
に比べて直径が小さい。一般に、第1燃焼室25
の直径と第2室26の直径の小さい方の直径対ス
ロート域27の直径の比が少なくとも1.2:1で
あるべきであり、好ましくは約1.5:1であるこ
とがわかつている。しかし、より大きな比が逆火
防止に必要となるかも知れない。なぜなら、逆火
に影響する別の要因は、スロート域27の位置に
対する燃料導入手段21の位置だからである。さ
らに詳述すると、燃料導入手段21がスロート域
27に近ければ近い程、それに応じて直径比を小
さくしても逆火は発生しない。以上の説明から、
スロート域27に対する燃料導入手段21の位置
と、両燃焼室に対するスロート域の寸法は簡単な
実験によつて逆火が最小となるように最適に定め
得るものであることが当業者には理解し得るはず
である。
7は第2室から第1室への逆火を防止する空気力
学的分離手段または隔離手段として機能する。こ
の機能を果たすため、スロート域27は両燃焼室
に比べて直径が小さい。一般に、第1燃焼室25
の直径と第2室26の直径の小さい方の直径対ス
ロート域27の直径の比が少なくとも1.2:1で
あるべきであり、好ましくは約1.5:1であるこ
とがわかつている。しかし、より大きな比が逆火
防止に必要となるかも知れない。なぜなら、逆火
に影響する別の要因は、スロート域27の位置に
対する燃料導入手段21の位置だからである。さ
らに詳述すると、燃料導入手段21がスロート域
27に近ければ近い程、それに応じて直径比を小
さくしても逆火は発生しない。以上の説明から、
スロート域27に対する燃料導入手段21の位置
と、両燃焼室に対するスロート域の寸法は簡単な
実験によつて逆火が最小となるように最適に定め
得るものであることが当業者には理解し得るはず
である。
スロート域27はまた漸減直径(先細)の壁部
27aと漸増直径(末広)の壁部27bとによつ
て両燃焼室間の遷移を滑らかにするように形成さ
れる。また、スロート域27の壁は圧縮空気導入
用の複数のスロツト44を有する。これらのスロ
ツトは壁冷却に役立つだけでなく、第2室内の逆
火が最も生じやすい区域に一定流量の空気を供給
することによつて第1室への逆火の可能性を減ら
す。また、希釈孔48(第1図と第3図参照)が
希釈空気を第2燃焼室に急速に導入して火炎温度
の上昇をかなり防止する。これについては後に詳
述する。
27aと漸増直径(末広)の壁部27bとによつ
て両燃焼室間の遷移を滑らかにするように形成さ
れる。また、スロート域27の壁は圧縮空気導入
用の複数のスロツト44を有する。これらのスロ
ツトは壁冷却に役立つだけでなく、第2室内の逆
火が最も生じやすい区域に一定流量の空気を供給
することによつて第1室への逆火の可能性を減ら
す。また、希釈孔48(第1図と第3図参照)が
希釈空気を第2燃焼室に急速に導入して火炎温度
の上昇をかなり防止する。これについては後に詳
述する。
少量NOx燃焼器12の作用は第4図と関連す
る以下の説明から容易に理解されよう。始動中、
燃焼は火花プラグ22と交差点火管23により第
2番留出物のような炭化水素燃料の混合気に点火
することによつて開始される。点火および交差点
火中、さらにまた燃焼器が低負荷で働く間は、燃
料流量制御装置19によつて燃料は第1燃焼室2
5内の燃料ノズル29だけに流れ得る。この点ま
での燃焼は従来の燃焼器の単段不均質乱流拡散火
炎燃焼特性を示す。
る以下の説明から容易に理解されよう。始動中、
燃焼は火花プラグ22と交差点火管23により第
2番留出物のような炭化水素燃料の混合気に点火
することによつて開始される。点火および交差点
火中、さらにまた燃焼器が低負荷で働く間は、燃
料流量制御装置19によつて燃料は第1燃焼室2
5内の燃料ノズル29だけに流れ得る。この点ま
での燃焼は従来の燃焼器の単段不均質乱流拡散火
炎燃焼特性を示す。
中程度の負荷状態の正確な調時は安定性限界
と、各燃焼方式の汚染物排出特性と、両段間の燃
料分割とに関係する。この状態では、燃料は燃料
流量制御装置19によつて燃料ノズル29,40
に分配されそして燃料ノズル40によつて第2室
に導入されてそこで燃焼し得る。この時点では、
燃料は第1室25と第2室26の両方で燃焼して
いる。従つて、燃焼器は2段不均質方式で働いて
おり、この方式は所望負荷が得られるまで続く。
安定化とウオームアツプに短い時間を取つた後、
燃焼器の作用は2段不均質燃焼が単段燃焼へと転
換される。この転換は、全燃料流量を一定に保ち
ながら燃料ノズル40への燃料流量を増すと同時
にノズル29への燃料流量を減らすことによつて
開始される。燃料分配の変化は火炎が第1燃焼室
25内で消えるまで続く。この消炎はほとんどの
場合全燃料がノズル40に移された時に生ずる。
次いでノズル29への燃料流を再び発生させかつ
ノズル40への燃料流を減らし、その間全燃料流
量を実質的に一定に保つ。ノズル40からノズル
29への燃料分配の切換えは、汚染物の排出が所
望の低いレベルに達するまで続く。一般に、所望
の低い汚染物排出レベルは、燃料流の大部分が複
数の燃料ノズル29に均等に分配されそして全燃
料流の10〜25%だけがノズル40を通る時に得ら
れる。
と、各燃焼方式の汚染物排出特性と、両段間の燃
料分割とに関係する。この状態では、燃料は燃料
流量制御装置19によつて燃料ノズル29,40
に分配されそして燃料ノズル40によつて第2室
に導入されてそこで燃焼し得る。この時点では、
燃料は第1室25と第2室26の両方で燃焼して
いる。従つて、燃焼器は2段不均質方式で働いて
おり、この方式は所望負荷が得られるまで続く。
安定化とウオームアツプに短い時間を取つた後、
燃焼器の作用は2段不均質燃焼が単段燃焼へと転
換される。この転換は、全燃料流量を一定に保ち
ながら燃料ノズル40への燃料流量を増すと同時
にノズル29への燃料流量を減らすことによつて
開始される。燃料分配の変化は火炎が第1燃焼室
25内で消えるまで続く。この消炎はほとんどの
場合全燃料がノズル40に移された時に生ずる。
次いでノズル29への燃料流を再び発生させかつ
ノズル40への燃料流を減らし、その間全燃料流
量を実質的に一定に保つ。ノズル40からノズル
29への燃料分配の切換えは、汚染物の排出が所
望の低いレベルに達するまで続く。一般に、所望
の低い汚染物排出レベルは、燃料流の大部分が複
数の燃料ノズル29に均等に分配されそして全燃
料流の10〜25%だけがノズル40を通る時に得ら
れる。
この作用方式では、燃料と空気の大部分は第1
燃焼室25内であらかじめ混合されそして第2燃
焼室26内へ均質燃焼をなす。点火が第1燃焼室
25内に逆導入されることが逆火と言われている
もので、これは、正常運転中は前述のように空気
をスロツト44によつてスロート域に導入するこ
とによつて防止される。本発明の燃焼器の重要な
特徴は、逆火が生じた場合、代表な予混合設計の
場合のような構造部の破損が生じないということ
であることを理解されたい。しかし、NOxの排
出量がかなり増加するおそれがあるので、前述の
不均質方式から均質方式への切換え方法を用いて
燃焼器を再び均質方式で使用するとが必要となろ
う。
燃焼室25内であらかじめ混合されそして第2燃
焼室26内へ均質燃焼をなす。点火が第1燃焼室
25内に逆導入されることが逆火と言われている
もので、これは、正常運転中は前述のように空気
をスロツト44によつてスロート域に導入するこ
とによつて防止される。本発明の燃焼器の重要な
特徴は、逆火が生じた場合、代表な予混合設計の
場合のような構造部の破損が生じないということ
であることを理解されたい。しかし、NOxの排
出量がかなり増加するおそれがあるので、前述の
不均質方式から均質方式への切換え方法を用いて
燃焼器を再び均質方式で使用するとが必要となろ
う。
ガスタービンの停止は第1燃焼室25内で再点
火することによつて達成される。なぜなら燃焼が
第2燃焼室だけで生じている時は小さいターンダ
ウン比(ターンダウン比とは、爆発前の最大燃料
流量と消炎前の最小燃料流量との比。ターンダウ
ン比が大きいことは燃焼が停止せずに、燃料流量
が少ない量まで調節できるので望ましいことであ
り、望ましくない局部的熱応力の発生を軽減出来
る。)しか得られないからである。第1燃焼室の
再点火は不均質2段燃焼へ戻るということを意味
し、この方式の燃焼では系は大きなターンダウン
比を有し、タービンはゆつくり停止され得るので
望ましくない熱応力が緩和される。
火することによつて達成される。なぜなら燃焼が
第2燃焼室だけで生じている時は小さいターンダ
ウン比(ターンダウン比とは、爆発前の最大燃料
流量と消炎前の最小燃料流量との比。ターンダウ
ン比が大きいことは燃焼が停止せずに、燃料流量
が少ない量まで調節できるので望ましいことであ
り、望ましくない局部的熱応力の発生を軽減出来
る。)しか得られないからである。第1燃焼室の
再点火は不均質2段燃焼へ戻るということを意味
し、この方式の燃焼では系は大きなターンダウン
比を有し、タービンはゆつくり停止され得るので
望ましくない熱応力が緩和される。
本発明によつて達成されるNOx排出量の減少
を明示するため、本発明に従つて製作された燃焼
器を、MS7001E燃焼タービン用の従来の市販燃
焼器と比較した。比較試験に用いた燃焼器は第1
〜3図に示す形状を有し、ノズル29,40とし
て空気噴霧式燃料ノズルを利用したものであつ
た。汚れていない空気(間接的に加熱された空
気)を燃焼過程に利用し、タービン点火温度の関
数としてのNOx排出量に関するデータを収集し
た。このデータは従来のMS7001E燃焼器のNOx
排出特性と共に第5図に示してある。第5図は従
来の燃焼器と比べて1600から2000〓までの範囲で
NOx排出量がかなり減ることを明示している。
各点火温度におけるNOx排出量の差は第1段燃
料流量の分配比率が異なることを示す。第6図は
一定のタービン点火温度に対して第1段燃料流量
の関数としてのNOx排出量がかなり減少するこ
とを明示している。
を明示するため、本発明に従つて製作された燃焼
器を、MS7001E燃焼タービン用の従来の市販燃
焼器と比較した。比較試験に用いた燃焼器は第1
〜3図に示す形状を有し、ノズル29,40とし
て空気噴霧式燃料ノズルを利用したものであつ
た。汚れていない空気(間接的に加熱された空
気)を燃焼過程に利用し、タービン点火温度の関
数としてのNOx排出量に関するデータを収集し
た。このデータは従来のMS7001E燃焼器のNOx
排出特性と共に第5図に示してある。第5図は従
来の燃焼器と比べて1600から2000〓までの範囲で
NOx排出量がかなり減ることを明示している。
各点火温度におけるNOx排出量の差は第1段燃
料流量の分配比率が異なることを示す。第6図は
一定のタービン点火温度に対して第1段燃料流量
の関数としてのNOx排出量がかなり減少するこ
とを明示している。
図示の燃焼器に関して第5図と第6図に示した
試験データは、点火温度(TFIR)と、複数のノ
ズル29と単一ノズル40との燃料流量分配比率
(FS)と共に変わるNOx特性を示すことがわかつ
た。この特性は次の方程式によつて要約され得
る。
試験データは、点火温度(TFIR)と、複数のノ
ズル29と単一ノズル40との燃料流量分配比率
(FS)と共に変わるNOx特性を示すことがわかつ
た。この特性は次の方程式によつて要約され得
る。
NOx=EXP(A+B(TFIR+C(FS)
+D(TFIR)(FS))
上式の定数A、B、C、Dは燃焼器の冷却兼希
釈孔の数と位置によつて定まる。第3図に示すよ
うな代表的な燃焼器形状は次の定数値を有する。
釈孔の数と位置によつて定まる。第3図に示すよ
うな代表的な燃焼器形状は次の定数値を有する。
A=1.079
B=0.0021
C=−0.0202
D=2.72E−06
前式を上記の定数値と共に用いると、広範な運
転状態にわたつてNOx排出量の期待値を計算す
ることができる。しかし、第1燃焼段における燃
料分配率を100%にして運転を行うことは逆火を
起こすので不可能である。前述のごとく、逆火が
生ずると、第1段は予混合段としての作用方式か
ら第1段内の燃焼を伴う作用方式へと切換わる。
逆火を起こす燃料分配百分率の正確な値は明確に
定められず、点火温度および燃焼器形状と共に変
わるが、第6図は第3図の燃焼器の代表的な逆火
特性を示す。
転状態にわたつてNOx排出量の期待値を計算す
ることができる。しかし、第1燃焼段における燃
料分配率を100%にして運転を行うことは逆火を
起こすので不可能である。前述のごとく、逆火が
生ずると、第1段は予混合段としての作用方式か
ら第1段内の燃焼を伴う作用方式へと切換わる。
逆火を起こす燃料分配百分率の正確な値は明確に
定められず、点火温度および燃焼器形状と共に変
わるが、第6図は第3図の燃焼器の代表的な逆火
特性を示す。
以上の説明と第5図および第6図のデータとか
らただちに明らかなように、第1燃焼室25への
燃料流量を最大にするとは予混合を良くして
NOx排出量を減らすのに望ましいことである。
しかし、第6図から明らかなように、点火温度を
高めた場合、もし第1燃焼段への燃料流量を減ら
さなければ、逆火が生ずるおそれがある。ただ
し、容易に認知し得るように、第1燃焼室内での
燃料の約70〜90%をあらかじめ空気と混合しても
逆火は生じない。こうした状態では、NOx排出
量は第5図に示す従来の燃焼器に比べてかなり少
ない。
らただちに明らかなように、第1燃焼室25への
燃料流量を最大にするとは予混合を良くして
NOx排出量を減らすのに望ましいことである。
しかし、第6図から明らかなように、点火温度を
高めた場合、もし第1燃焼段への燃料流量を減ら
さなければ、逆火が生ずるおそれがある。ただ
し、容易に認知し得るように、第1燃焼室内での
燃料の約70〜90%をあらかじめ空気と混合しても
逆火は生じない。こうした状態では、NOx排出
量は第5図に示す従来の燃焼器に比べてかなり少
ない。
第7図は第3図の燃焼器からの一酸化炭素
(CO)排出量を第1燃焼室内の燃料流量の関数と
して示す。CO排出量は低い点火温度では従来の
燃焼器に比べてある程度以上多いが、それより高
い点火温度では従来と同程度である。従つて、本
発明の燃焼器は代表的な燃焼タービンベース負荷
点火温度でNOxとCOの排出量がともに少ない。
(CO)排出量を第1燃焼室内の燃料流量の関数と
して示す。CO排出量は低い点火温度では従来の
燃焼器に比べてある程度以上多いが、それより高
い点火温度では従来と同程度である。従つて、本
発明の燃焼器は代表的な燃焼タービンベース負荷
点火温度でNOxとCOの排出量がともに少ない。
本発明の燃焼器をNOxとCOの排出量が少なく
なるように働かせるためには、ノズル29,40
への燃料流量分配の適切な比率に保つだけでなく
各燃焼室への空気流量を適切に保つことが必要で
ある。両燃焼室への空気流量は設計によつて定め
られ、運単中可変ではないので、第8図に示す空
気流量が得られるように燃焼器を設計することが
望ましい。例えば、空気流量の好ましい分配割合
は、全空気スワーラ32に対して約5〜15%、空
気スワーラ42に対しての約0〜5%、ルーバ3
6に対して約20〜30%、スロツト37に対して約
30〜40%、希釈孔48に対して約15〜25%、スロ
ート域27のルーバ4に対して約0〜5%であ
る。このようにして、空気の約25〜50%が第1燃
焼室に導入され、45〜65%が第2燃焼室に、そし
て5%以下がスロート域27に導入され、逆火の
発生を極めて少なくする。また、かなりの量の空
気、すなわち15〜25%の空気が希釈孔48に導入
されてNOx発生温度における燃焼生成物の停留
時間を減らすということに注意すべきである。そ
の結果、第2燃焼室26を出て遷移部材14に入
る高温ガスに含まれるNOxと一酸化炭素は少量
となる。
なるように働かせるためには、ノズル29,40
への燃料流量分配の適切な比率に保つだけでなく
各燃焼室への空気流量を適切に保つことが必要で
ある。両燃焼室への空気流量は設計によつて定め
られ、運単中可変ではないので、第8図に示す空
気流量が得られるように燃焼器を設計することが
望ましい。例えば、空気流量の好ましい分配割合
は、全空気スワーラ32に対して約5〜15%、空
気スワーラ42に対しての約0〜5%、ルーバ3
6に対して約20〜30%、スロツト37に対して約
30〜40%、希釈孔48に対して約15〜25%、スロ
ート域27のルーバ4に対して約0〜5%であ
る。このようにして、空気の約25〜50%が第1燃
焼室に導入され、45〜65%が第2燃焼室に、そし
て5%以下がスロート域27に導入され、逆火の
発生を極めて少なくする。また、かなりの量の空
気、すなわち15〜25%の空気が希釈孔48に導入
されてNOx発生温度における燃焼生成物の停留
時間を減らすということに注意すべきである。そ
の結果、第2燃焼室26を出て遷移部材14に入
る高温ガスに含まれるNOxと一酸化炭素は少量
となる。
上述の試験データから、当業者は本発明によつ
て構成した燃焼器によつて達成されたNOx排出
量の減少がかなりの程度(因数4以上)であるこ
とと認識し得よう。このような燃焼器を利用する
とによつて、NOx排出量はかなり減らされ、ほ
とんどNOx排出要件に適合することになろう。
て構成した燃焼器によつて達成されたNOx排出
量の減少がかなりの程度(因数4以上)であるこ
とと認識し得よう。このような燃焼器を利用する
とによつて、NOx排出量はかなり減らされ、ほ
とんどNOx排出要件に適合することになろう。
第1図は本発明の好適実施例による燃焼タービ
ン用燃焼器の部分断面図、第2図はスロート域に
よつて相互に連結された2段燃焼器の第1段と第
2段を詳細に示す概略断面図、第3図は本発明に
よつて構成された2段燃焼器の外観を示す斜視
図、第4図は2段燃焼器使用中の燃焼流量を時間
の関数として示すグラフで、線Aは全燃料流量、
線Bは第1段燃料流量、線Cは第2段燃料流量を
示す、第5図は従来の燃焼器と、第1段内の燃料
流量を変えた場合の2段燃焼器とに対して代表的
なNOx排出量をタービン点火温度の関数として
示すグラフで、曲線はMS7001E燃焼器を示す、
第6図は点火温度の複数の一定値に対して代表的
なNOx排出量を第1段内の燃料流量百分率の関
数として示すグラフで、第7図は点火温度の一定
値に対して、第1段内の燃料流量百分率の関数と
してCO排出量を示すグラフで、第8図は本発明
の典型的な二重段燃焼器内の空気流を示す図であ
る。 11……燃焼タービン、12……燃焼器、2
0,21…それぞれ第1および第2燃料導入手
段、25,26……それぞれ第1および第2燃焼
室、27……スロート域、29……燃料ノズル、
32……空気スワーラ、36……ルーバ、37…
…スロツト、40……燃料ノズル、42……空気
スワーラ、44……スロツト。
ン用燃焼器の部分断面図、第2図はスロート域に
よつて相互に連結された2段燃焼器の第1段と第
2段を詳細に示す概略断面図、第3図は本発明に
よつて構成された2段燃焼器の外観を示す斜視
図、第4図は2段燃焼器使用中の燃焼流量を時間
の関数として示すグラフで、線Aは全燃料流量、
線Bは第1段燃料流量、線Cは第2段燃料流量を
示す、第5図は従来の燃焼器と、第1段内の燃料
流量を変えた場合の2段燃焼器とに対して代表的
なNOx排出量をタービン点火温度の関数として
示すグラフで、曲線はMS7001E燃焼器を示す、
第6図は点火温度の複数の一定値に対して代表的
なNOx排出量を第1段内の燃料流量百分率の関
数として示すグラフで、第7図は点火温度の一定
値に対して、第1段内の燃料流量百分率の関数と
してCO排出量を示すグラフで、第8図は本発明
の典型的な二重段燃焼器内の空気流を示す図であ
る。 11……燃焼タービン、12……燃焼器、2
0,21…それぞれ第1および第2燃料導入手
段、25,26……それぞれ第1および第2燃焼
室、27……スロート域、29……燃料ノズル、
32……空気スワーラ、36……ルーバ、37…
…スロツト、40……燃料ノズル、42……空気
スワーラ、44……スロツト。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 相対的に直径の小さいスロート域によつて分
離された第1および第2燃焼段と、前記第1燃焼
段に燃料と空気をそれぞれ導入する複数の燃料ノ
ズルと複数の空気スワーラと、前記スロート域に
近接して配置され前記第2燃焼段に追加燃料と追
加空気をそれぞれ導入する単一燃料ノズルと単一
空気スワーラとを含むガスタービン用燃焼器を窒
素酸化物排出量を少なくするように働かせる方法
であつて、該方法が、 前記複数の燃料ノズルと空気スワーラから前記
第1燃焼段に燃料と空気を導入することによりこ
れらを該第1燃焼段で混合させて可燃混合気を生
成することと、 前記の単一燃料ノズルと単一空気スワーラから
前記第2燃焼段に追加燃料と追加空気を導入する
ことにより該追加燃料と追加空気を前記第2燃焼
段で可燃混合気と混合させ燃焼させることであつ
て、ここで前記スロート域に対して前記単一燃料
ノズルと単一空気スワーラを配置することと、前
記第2燃焼段から第1燃焼段への逆火が最小とな
るように両燃焼段に対する前記スロート域の寸法
を決めることを含み、 前記第2燃焼段から第1燃焼段への逆火の可能
性を更に減らすために前記スロート域から前記第
2燃焼段に追加空気を導入することと、 前記第2燃焼段の下流端に希釈空気を導入して
前記第2燃焼段内のNOx発生温度における燃焼
生成物の停留時間を減らすことと、 全燃料流量を実質的に一定に保ちながら、全燃
料流量の大部分が前記複数の燃料ノズルに均等に
分配されるまで、前記単一燃料ノズルと前記複数
の燃料ノズルへの燃料流を調節することとを含む
方法。 2 全燃料流量の約75乃至95%が前記第1燃焼段
に導入される特許請求の範囲第1項記載の方法。 3 前記第1および第2燃焼段が複数個の開口を
持つ壁を有し、圧縮空気を該複数個の開口を介し
て両燃焼段に導入する特許請求の範囲第1項記載
の方法。 4 前記燃焼器への全空気流量の約25乃至50%を
前記第1燃焼段に導入することを含む特許請求の
範囲第3項記載の方法。 5 前記燃焼器への全空気流量の約15乃至25%が
希釈空気として前記第2燃焼段の下流端に導入さ
れる特許請求の範囲第4項記載の方法。 6 前記燃焼器への全空気流量の約45乃至65%を
前記第2燃焼段に導入することを含む特許請求の
範囲第3項記載の方法。 7 前記燃焼器への全空気流量の約5%以下を前
記スロート域に導入する特許請求の範囲第5項記
載の方法。 8 前記第2燃焼段から前記タービンへ燃焼生成
物を送給することを含む特許請求の範囲第1項記
載の方法。 9 スロート域によつて相互に連結された第1お
よび第2燃焼室であつて、該スロート域は両燃焼
室に比べて直径寸法が小さく、また先細部分と末
広部分とを含み、前記第2燃焼室から第1燃焼室
への逆火を最小にする空気力学的分離手段または
隔離手段として機能し、 前記第1燃焼室の上流端に隣接して該第1燃焼
室内に燃料を導入する第1燃料導入手段であつ
て、該第1燃料導入手段は前記第1燃焼室の背面
壁で軸線の周りに周方向に位置決めされ且つ第1
燃焼室内に突出している複数個の燃料ノズルを含
み、 前記第1燃料導入手段の複数個の燃料ノズルに
隣接し、圧縮空気を前記第1燃焼室内に導入して
該圧縮空気を前記燃料と混合させて前記第1燃焼
室内に燃料―空気の可燃混合気を生成する第1手
段と、 前記第1燃料導入手段の中心に位置し、前記第
2燃焼室内での燃焼のために燃料を前記第2燃焼
室内に導入して該燃料を前記可燃混合気又は前記
第1燃焼室からの燃焼生成物と混合させる第2燃
料導入手段であつて、該中心に位置する第2燃料
導入手段は前記第1燃焼室の下流端並びに前記ス
ロート域に接近して配置されて前記第2燃焼室か
ら前記第1燃焼室への逆火のおそれを最小にし、 前記第2燃料導入手段に隣接し、圧縮空気を前
記燃焼室に導入して前記燃料と混合させる手段
と、 希釈空気を前記第2燃焼室の下流端に導入し
て、該第2燃焼室内のNOx発生温度における燃
焼生成物の停留時間を減らす手段とを含むガスタ
ービン用少量NOx燃焼器。 10 前記第1および第2燃料導入手段間の燃料
流量比を変える手段を含む特許請求の範囲第9項
記載の少量NOx燃焼器。 11 前記第1燃焼室に入る燃料流量が前記第2
燃焼室に入る燃料流量より多い特許請求の範囲第
10項記載の少量NOx燃焼器。 12 前記燃料器に入る全燃料流量の約75乃至95
%が前記第1燃焼室に導入される特許請求の範囲
第11項記載の少量NOx燃焼器。 13 前記第1燃焼室に導入される圧縮空気が前
記燃焼器に導入される全空気流量の約25乃至50%
である特許請求の範囲第9項記載の少量NOx燃
焼器。 14 前記スロート域が、逆火の可能性をさらに
減らすために圧縮空気を前記第2燃焼室に導入す
る手段を含む、特許請求の範囲第9項記載の少量
NOx燃焼器。。 15 前記スロート域から前記第2燃焼室に導入
される圧縮空気が前記燃焼器に導入される全空気
流量の約5%以下を占める特許請求の範囲第14
項記載の少量NOx燃焼器。 16 前記燃焼器への空気流量が、前記第1手段
によつて導入される約5乃至15%と、前記第2燃
焼室内の希釈空気として導入される約15乃至25%
と、前記第1および第2燃焼室の壁のルーバ又は
スロツトを介する残りとからなる特許請求の範囲
第15項記載の少量NOx燃焼器。 17 前記燃焼器への全空気流量の約15乃至25%
が前記希釈空気の流量である特許請求の範囲第9
項記載の少量NOx燃焼器。 18 前記第2燃焼室へ導入される圧縮空気が前
記燃焼室へ導入される全空気流量の約45乃至65%
の間にあり、残りが前記スロート域に導入される
特許請求の範囲第13項記載の少量NOx燃焼
器。 19 前記第2燃料導入手段が前記第1燃焼室の
背面壁から支持されている特許請求の範囲第9項
記載の少量NOx燃焼器。
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US06/056,510 US4292801A (en) | 1979-07-11 | 1979-07-11 | Dual stage-dual mode low nox combustor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5625622A JPS5625622A (en) | 1981-03-12 |
| JPS6232370B2 true JPS6232370B2 (ja) | 1987-07-14 |
Family
ID=22004880
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9410680A Granted JPS5625622A (en) | 1979-07-11 | 1980-07-11 | Combustor which decrease quantity of nitrogen oxide discharged |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4292801A (ja) |
| JP (1) | JPS5625622A (ja) |
| CA (1) | CA1138658A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006144796A (ja) * | 2004-11-24 | 2006-06-08 | General Electric Co <Ge> | ガスタービン |
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