JPS6233490B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はガスタービン用燃焼器に係るもので特
にLNG（液化天然ガス）などの気体燃料を使用
する場合において窒素酸化物（以下NOxと記載
する。）低減を図るガスタービン用燃焼方法及び
ガスタービン用燃焼器に関するものである。

ガスタービン排気ガス中に含まれるNOxや一
酸化炭素（以下COと記載する。）はそれ自体毒性
を持つたものであり、大気汚染や光化学スモツグ
の原因の一つである。環境、自然破壊問題の面か
らNOxを低減することがクローズアツプされて
いる。特に社会面からの要求が厳しく、その許容
値を満足する為には現状レベルを約1/10以下に抑
えることが必要となつている。一般的にNOxは
燃焼器内部の高温度火炎形成部にて発生すると言
われ、従つてその低減には温度を低下させること
が有効であると言われている。従来技術について
みると過剰の空気を有しているガスタービンでは
高温度の火炎形成部へ過剰空気の一部を供給し、
低温度のままで燃焼させる。所謂希薄低温度燃焼
法が一部実施されている。しかしながら現状の厳
しい低NOx化要求に対し、大巾な低減が得られ
ない欠点がある。この理由を次に示す。

これまでに各種、数多くの技術開発が進められ
て来たが、共通して言えることはNOxの発生は
高温燃焼部に存在し、過剰の空気を供給しても燃
焼の過程では燃料と空気とが混合されて後に燃焼
して行くものであり、この間には必ず最適な燃焼
を行う高温度の火炎面が存在するはずであるか
ら、NOx発生が非常に多くなる原因となつてい
る。

また、NOx低減を行う為に更に過剰の冷却空
気を導入すれば過冷却部が形成され、確かに
NOxの低減は図れるが、COや未燃焼成分等の発
生が多くなるという問題があり、最悪の場合には
火炎の吹き飛び（失火）等が生ずるようになる。

本発明の目的は、圧縮空気と気体燃料との予混
合流体を燃焼器頭部に供給することによつて、燃
焼室内部にNOxの発生し易い高温度の火炎面が
形成されることを防止することができるガスター
ビン用燃焼器を提供するにある。

本発明は燃焼器の内で燃料と空気の混合、燃焼
を行なういわゆる拡散混合形燃焼よりあらかじめ
燃料と空気とを予混合した後に燃焼するいわゆる
予混合形燃焼の場合における希釈燃焼の方が低
NOx効果が大きいことを確認し、とくに燃焼器
中心部に形成する高温度燃焼部に安定な予混合燃
焼火炎を形成し、NOxの発生を抑え、かつ、安
定な火炎を形成することにより、より希薄低温度
燃焼が出来るようにしNOxの発生を抑えるよう
にしたものである。

以下、本発明の実施例を図面に従つて説明す
る。

第１図は本発明の一実施例を示す燃焼器の概略
図であり、第２図は第１図のＡ部拡大図である。
圧縮機１、燃焼器２、タービン３並びに負荷部４
の主要構成部から成るガスタービンにおいて、圧
縮機１から吐出される圧縮空気５ａ及び５ｂは燃
焼器２に導かれる。燃焼器２内部にて発生する燃
焼ガス６はタービン３へ供給され、仕事を行うも
のである。NOxやCOの発生源となる燃焼器２は
外筒７と、外筒７内に装着された内筒８と、外筒
７の一端を閉塞するように配置されたエンドカバ
ー９と、エンドカバー９に取付られた燃料ノズル
１０とからなる。内筒８内に形成された燃焼室１
１は、予混合燃焼が行われて安定した予混合火炎
１２が形成される頭部燃焼器１３と、空気燃料１
８ｂと圧縮空気５ｂとが同時に供給されて希薄低
温度火炎１４を形成する後部燃焼室１５と、そし
てこの後部燃焼室１５の後流において燃焼ガス温
度を設定された温度になるように冷却すると共に
燃焼ガス温度の均一性を向上する為の希釈域とか
ら成立つている。希釈域には希釈空気孔１６が配
置されている。圧縮機１から吐出される圧縮空気
５ａを更に再圧縮機１７にてより高圧にし、この
圧縮空気５ｃと気体燃料１８の一部１８ａとを予
混合室１９内に導入し、気体燃料１８ａと圧縮空
気５ｃとの重量比0.0484〜0.0415程度の予混合燃
料ガス２０を形成させる。この予混合燃料ガス２
０を頭部燃焼室１３に供給する。この予混合燃料
ガス２０は定格状態において全体燃料の約1/4〜
1/3の燃料を燃焼させるもので、燃料ノズル１０
を介し頭部燃焼室１３内へ導入するものである。
予混合燃料ガス２０は燃焼性が良好なので頭部燃
焼室１３内で燃焼する可能性が大であり、従つて
供給系内の流速度を早め燃焼室内からの火炎の伝
播、所謂逆火が無くなる。またこの為には燃料ノ
ズル噴口２１からの予混合燃料ガス２０の噴出流
速度が火炎の燃焼速度よりも大きくなるようにす
ることが必要であり、この手段の１つとして圧縮
空気流５ａを再圧縮し高圧力とし頭部燃焼室内１
３に高流速度で噴出するようになつており気体燃
料１８ａと圧縮空気５ｃは充分に均一混合した後
に燃焼室に導入されるようになつている。また、
一部の空気を再圧縮することによつて燃焼器内筒
８の軸長方向における圧力変化と無関係に逆火の
防止が図れて安定した火炎が得られる。すなわち
これは次の理由によるものである。

燃焼ガス６は頭部燃焼室１３から後部燃焼室１
５へと流れるもので頭部燃焼室１３の圧力が高く
後流になるにつれて低くなる。一方外筒７と内筒
８間の環状部２２の圧力は管摩擦損失や流路抵抗
損失などにより燃焼器頭部になるにつれて低くな
り、従つて頭部になる程内筒内圧力は高く、逆に
環状部２２の圧力が低くなり、内筒８へ流入する
空気流入速度は遅くなるから設定通りの空気を流
入することは非常に難かしく、また流入速度を上
げようとすれば燃焼器の圧力損失を大きくとる欠
点を生ずる。しかし本発明の如く一部の圧縮空気
５ａのみを再圧縮し流出速度を上げることにより
火炎が予混合器１９へ移る所謂逆火現象が生ずる
ことが無く、後部燃焼室１５の燃焼状態の変化に
左右されず常に安定した火炎を形成することが可
能になる。このように頭部燃焼室１３においては
安定し、かつNOx発生の少ない予混合火炎を形
成することが可能である。

第３図はこの様子を示す実験結果であつて、予
混合空気過剰率とNOx低減率との関係を示すも
のである。この図から明らかなように、予混合空
気過剰率が1.2以上であれば低減率70％を得るこ
とがわかる。

後部燃焼室１５の側面には複数個の燃料噴出口
２３と旋回空気孔２４を配設する。燃料噴出口２
３は旋回空気孔２４に対向して開孔し、気体燃料
１８ｂを空気孔２４を通過する空気流２５に混合
して後部燃焼室１５内に供給するものである。圧
縮空気５ｂの流量と気体燃料１８ｂの流量とは定
格負荷時において空気過剰率1.5〜1.6となるよう
に設定するもので、部分負荷時においてはさらに
空気過剰の状態となるが、頭部燃焼室１３内に形
成する予混合火炎により安定なパイロツト炎を形
成している為部分負荷時における不安定燃焼が存
在しない。NOxの低減を更に進める為には後部
燃焼室１５においても頭部燃焼室１８と同様に予
混合燃料による燃焼を行うことが望ましいが燃焼
室内に至る以前に火炎を形成する逆火の現象が生
じ非常に危険な状態となる為、拡散混合燃焼にな
る。しかしながら、気体燃料１８ｂと圧縮空気５
ｂとの予混合比を図るための旋回空気孔２４を対
向して配置し、ここから気体燃料１８ｂを供給し
旋回空気孔２４内で気体燃料１８ｂと圧縮空気５
ｂとの予混合比を向上することを実施しNOx低
減を図るものである。

定格負荷状態における気体燃料１８ｂと圧縮空
気５ｂとの重量比は0.0388〜0.0363になるように
し（空気過剰率で1.5〜1.6）、空気過剰の低温度
燃焼を実現させ、NOxの大巾が低減が実施出来
る。燃料流量は全体の66〜75％供給するものであ
る。この様子を第４図に示す。図中は頭部燃焼
室燃料流量を、は後部燃焼室燃料流量を、そし
ては全燃料流量を示す。定格状態において空気
過剰率が1.5〜1.6であるが部分負荷時のように燃
料流量が低下する状態においては更に空気過剰率
は大きくなる。しかし頭部燃焼室１３では常に一
定燃焼を保つている安定な火炎形成を行つている
為に後部燃焼室１５における燃焼は安定なものと
なる。

第５図に従来技術によるNOx低減と本実施例
による結果の比較を示す。図中は従来型の希薄
低温度燃焼の傾向を示し、は本実施例による燃
焼の傾向を示す。

従来形技術の燃焼器は第６図に示すように燃料
の噴出部は１ケ所でありNOx低減の為希薄低温
度燃焼を行うもので通常言われる拡散混合形の燃
焼器である。しかし無負荷から定格負荷時まで安
定した火炎を形成しなければならない為燃焼域に
おける定格時の空気過剰率は1.3〜1.5程度に抑え
なければならず、NOxを低減する為にこれ以上
空気を供給すれば燃料流量が少ない部分負荷時に
おいてCOや未燃焼分の発生や吹き消えなどの現
象が生ずることになる。これに対し本実施例の技
術においては安定な火炎を頭部燃焼室１３に形成
している為、後部燃焼室１５においてはより空気
過剰の状態の燃焼条件を得ることが出来るもので
あり、NOx発生を大巾に低減できる。従つて第
２図に示すようなNOx低減効果が得られるもの
である。

さらに頭部燃焼室１３内の火炎は予混合火炎で
ある為NOx発生源となる燃焼器軸心部でのNOx
発生を抑えることが出来るものである。

第７図、第８図に本発明の他の実施例を示す。
第８図は第７図のＢ部拡大図である。

頭部燃焼室２６は後部燃焼室２７よりも径を小
さくし、かつ頭部燃焼室２６と後部燃焼室２７と
の継続部から旋回空気２８を流入するスワラ２９
を設けこのスワラ２９の空気通路３０に燃料噴出
口３１を穿設する。更にこの小径の頭部燃焼室２
６の上流側（図の左側）に予混合室１９を隣接さ
せる。

本実施例も前記第１の実施例と同様にして、ス
ワラ２９内で圧縮空気５６と気体燃料１８ｂとの
予混合比が促進される。また、頭部燃焼室２６の
径を小さくしたので後部燃焼室２７に形成する火
炎に左右されず安定な予混合火炎３２が持続形成
される。頭部燃焼室２６は空気過剰率で1.2〜1.4
程度で予混合燃焼をさせる為燃焼温度は1600〜
2000℃になり当然メタル壁温度が高くなるが、本
実施例はこのような構成であるからメタル表面積
は少なくなり伝熱面が小さくなる。それ故にメタ
ル冷却用の空気を少なく抑える利点を生じ、この
結果燃焼用や希釈用の空気を増加しても問題がな
くなるという効果がある。

以上説明した如く、本発明によれば圧縮空気と
気体燃料との予混合流体を燃焼器頭部に供給する
ことによつて、燃焼室内部にNOxの発生し易い
高温度の火炎面が形成されることを防止すること
ができるから、大巾な低NOx化が図れるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図、第７図はそれぞれ本発明の実施例を示
すガスタービン用燃焼器の概略図、第２図は第１
図のＡ部拡大図、第３図は本発明における予混合
空気過剰率のNOx低減効果を示す特性図、第４
図は本発明における燃料制御を示す説明図、第５
図は本発明と従来型とのNOx低減効果を比較す
るもので燃焼比とNOx濃度との関係を示す特性
図、第６図は従来型の燃焼器の概略図、第８図は
第７図のＢ部拡大図である。 １……圧縮機、２……燃焼器、３……タービ
ン、５，５ａ，５ｂ，５ｃ……圧縮空気、６……
燃焼ガス、７……外筒、８……内筒、９……エン
ドカバー、１０……燃料ノズル、１１……燃焼
室、１２，３２……予混合火炎、１３，２６……
頭部燃焼室、１４……火炎、１５，２７……後部
燃焼室、１７……再圧縮機、１８，１８ａ，１８
ｂ……気体燃料、１９……予混合室、２０……予
混合燃料ガス、２１……ノズル噴口、２３，３１
……燃料噴出口、２４……旋回空気孔、２８……
旋回空気流、２９……スワラ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 燃焼室を形成する内筒と、該内筒との間隙が
   燃焼及び希釈用の空気の流路となるように該内筒
   を覆う外筒と、該外筒の一端を閉じるエンドカバ
   ーと、該エンドカバーを貫通して前記内筒へ開口
   する燃料供給用のノズルと、前記内筒の円周方向
   に配置した燃焼用空気供給用のスワラとからなる
   ガスタービン用燃焼器において、前記ノズルの上
   流側に気体燃料と圧縮空気との予混合を行い、空
   気過剰率１以上の予混合気を生成する予混合室を
   配置し、この予混合室の吐出部を前記ノズルと連
   通せしめ、前記スワラを通して気体燃料と空気と
   が空気過剰率１以上となる流量比で共に内筒内に
   吐出されるように該気体燃料の供給管を接続した
   ことを特徴とするガスタービン用燃焼器。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のガスタービン用
   燃焼器において、前記スワラよりも上流側の内筒
   径をその下流側の内筒径よりも小さくして、予混
   合流体の燃焼による火炎を持続形成する頭部燃焼
   室を形成したことを特徴とするガスタービン用燃
   焼器。