WO2002101294A1 - Combustor - Google Patents

Description

明 細 書 燃焼器 技術分野

本発明は、 燃焼器、 特にガスタービンに使用されるガスタービン 燃焼器に関する。 背景技術

図 1 1は従来技術、 例えば特開平 6 _ 2 8 4 8号公報に開示され た燃料ノズルを含む燃焼器の長手方向断面図である。 図 1 1 に示す ような燃焼器 1 0 0の内筒 1 8 0の中心軸線上にはパイロッ トノズ ル 3 0 0が配置されており、 このパイ ロ ッ トノズル 3 0 0周りには 、 パイ ロッ トノズル 3 0 0に対してほぼ平行に延びる複数の燃料ノ ズル 2 0 0が周方向にほぼ等間隔に配置されている。 これらパイ 口 ッ トノズル 3 0 0および燃料ノズル 2 0 0には燃料が供給されるよ うになつている。 燃料ノズル 2 0 0の棒状本体周りには、 旋回羽根 またはスヮーラ 2 9 0が配置されている。 燃料ノズル 2 0 0には、 燃料ノズルの側壁から放射状に半径方向外側に延びる複数の中空支 柱 2 5 0が設けられており、 中空支柱 2 5 0 と燃料ノズル 2 0 0 と は連通している。 中空支柱 2 5 0には複数の噴出口 2 6 0が設けら れており、 燃料を燃料ノズル 2 0 0の先端方向に噴出するよ うにな つている。 さ らに、 燃料ノズル 2 0 0の先端には混合室 1 5 0が形 成されており、 パイ ロ ッ トノズル 3 0 0の先端付近には予混合ノズ ル 1 7 0によりパイ口 ッ ト燃焼室 1 6 0が形成されている。

燃焼器の空気流入口部 1 1 0から燃焼器 1 0 0に進入した燃焼用 空気は内筒端部 1 2 0において約 1 8 0 ° 反転して空気通路 1 4 0 に流入する。 この燃焼用空気の一部分は、 中空支柱 2 5 0の嘖出口 2 6 0から噴出された燃料と混合されつつ燃料ノズル 2 0 0のスヮ ーラ 2 9 0に流入する。 これによ り、 燃焼用空気の流れに主に周方 向に旋回が与えられて燃焼用空気は燃料とさらに混合され、 予混合 空気が混合室 1 5 0に形成される。

さ らに、 燃焼用空気の残りの部分はパイロッ トノズル 3 0 0 と予 混合ノズル 1 7 0 との間に配置されたスヮーラ 3 9 0 に流入する。 次いで、 この燃焼用空気はパイ 口 ッ トノズル 3 0 0の先端から噴出 された燃料と共にパイ ロ ッ ト燃焼室 1 6 0において燃焼され、 パイ 口 ッ ト火炎が形成される。 中空支柱 2 5 0の嘖出口 2 6 0から噴出 された燃料と混合された予混合空気は、 このパイ ロッ ト火炎に接触 して主火炎を形成して燃焼する。

このよ うな特開平 6— 2 8 4 8号公報に開示される燃焼器の場合 に、 燃料噴出口を有した中空支柱から燃料を噴出することで、 燃料 と空気とを均等に混合させている。 混合作用をよ り一層高めるため には、 一つの中空支柱 2 5 0あたりの嘖出口の数を増やすと共に中 空支柱 2 5 0の数を増やすことが想定されるが、 中空支柱の数およ び噴出口の数には物理的な制約があり、 よ り一層の混合作用を持た せるには限界がある。 一般的に、 燃焼用空気に対する燃料の比率が 高いほど、 つまりホッ トスポッ トが発生すると N O xが生じやすい 傾向にあるので、 燃料と空気とを均等に混合させるのが望ましい。

また、 特開平 6— 2 8 4 8号公報に開示されるような予混合タイ プの燃焼器では、 比較的狭い空間で燃焼がおこなわれる場合に、 燃 焼により解放されるエネルギーの空間的な密度が高く なり、 結果と して燃焼振動が生ずる。 燃焼振動は燃焼器の気柱共鳴と関連してお り、 燃焼器の長さ、 容積および流動抵抗に応じて定まる。 この場合 には、 予混合ノズル 1 7 0における速度変動によ り燃料濃度が変化 し、 自励的な振動現象である燃焼振動が生ずる。 燃焼振動によって 燃焼が不安定となり燃焼器を安定して運転することができなくなる ので、 燃焼振動の発生を抑える必要がある。

特願 2 0 0 0 - 2 2 0 8 3 2号明細書は、 空気を取り入れる入口 部に速度変動吸収部材を設けることによ り燃焼振動の発生を抑える ようにした燃焼器ノズルを開示している。 この従来技術においては 、 速度変動吸収部材が流動抵抗を発生させて燃焼振動による速度変 動を吸収することによ り、 燃焼振動の発生を抑えている。

しかしながら、 特願 2 0 0 0 - 2 2 0 8 3 2号明細書に開示され る燃焼器の場合には、 空気は入口部に位置する速度変動吸収部材を 通過して内筒端部において約 1 8 0 ° 反転した後に、 スヮーラおよ び混合室に向かう ようになっている。 すなわち前述した特願 2 0 0 0 - 2 2 0 8 3 2号明細書においては速度変動吸収部材から混合室 までの距離は比較的長い。 従って、 入口部の速度変動吸収部材によ り与えられた空気の乱れは混合室付近では少なくなるか、 または混 合室付近において完全に消失する場合がある。 特願 2 0 0 0 - 2 2 0 8 3 2号明細書に開示される燃焼器の速度変動吸収部材はぁく ま で燃焼振動対策のために設置されているものであり、 乱れによる混 合作用は考慮に入れていない。 従って、 燃料と空気との混合を乱れ により促進するときには、 空気の流れの乱れが維持されている必要 がある。

また、 前述した特開平 6 — 2 8 4 8号公報に開示される燃焼器の 場合には、 中空支柱の噴出口の直径は製作加工精度や穴の目詰ま り などの問題に応じて定まるので、 噴出口の数を増やすのには限界が ある。 さらに、 中空支柱の数を増やす場合には、 中空支柱 2 5 0 自 体が空気の流れを遮断するので、 空気を混合室に供給するのが困難 となる。 従って、 中空支柱および中空支柱の嘖出口の数を増やすこ となしに、 燃料と空気との混合作用を高める方式が望まれる。

特願 2 0 0 0— 2 2 0 8 3 2号明細書に開示される空気入口部に 位置する速度変動吸収部材では、 空気入口部と予混合器との間に存 在する空気容積の影響を受け、 燃焼振動を効果的に低減できないこ とが考えられ、 予混合器上流側容積の影響を受けにく く さらに効果 的な燃焼振動低減化構造が必要である。

それゆえ、 本発明は燃料と空気との混合作用を高めつつ燃焼振動 の発生を抑えるよ うにしたガスタービン燃焼器を提供することを目 的とする。 発明の開示

本発明の第一の実施形態によれば、 空気を内部に供給するための 空気用流路と、 燃料を噴出させる噴出口を備えていて前記空気用流 路に配置される燃料ノズルとを含むガスタービン燃焼器において、 前記燃料ノズルの前記噴出口近傍に乱流を発生させるよう前記空 気流路内に乱流発生手段を設けたガスタービン燃焼器が提供される すなわち本発明の第一の実施形態によって、 乱流発生体が燃料の 嘖出口付近において空気の流れに乱れを与えるので、 空気の流れの 乱れが維持されつつ空気と燃料とを混合させることができて、 従つ て、 燃料と空気との混合作用をさらに高めることができる。 空気と 燃料とを均等に混合することによって、 ホッ トスポッ トの発生を防 止し、 N O xの発生を抑えることができる。 さらに、 乱流発生体が 圧損体と しての役目も果たすので、 流動抵抗を生じさせることによ り、 燃焼振動の速度変動を吸収することができる。 これによ り、 乱 流発生体よ り も上流に位置する空気体積および気柱長さの影響が少 なくなり、 予混合ノズル内における速度変動の振幅も小さくなる。 従って、 予混合ノズルにおける燃料の濃度変動も少なくなり、 燃焼 振動の発生が抑えられること となる。 図面の簡単な説明

図 1 は、 本発明の第一の実施形態に基づく燃焼器の長手方向部分 断面図であり、

図 2は、 図 1 の線 a — aに沿ってみた断面図であり、

図 3は、 本発明の第一の実施形態に基づく燃焼器の燃料ノズル付 近の拡大図であり、

図 4 aは、 多孔板の概念斜視図であり、

図 4 bは、 多孔板の概念斜視図であり、

図 5 aは、 多孔板の概念斜視図であり、

図 5 bは、 多孔板の概念斜視図であり、

図 6は、 本発明の第二の実施形態に基づく燃焼器の長手方向部分 断面図であり、

図 7は、 図 6に示す燃焼器の燃料ノズルの拡大図であり、 図 8は、 図 6の線 b _ bに沿ってみた断面図であり、

図 9は、 本発明の他の実施形態の燃焼器の長手方向部分断面図で あり、

図 1 0は、 図 9の線 c 一 cに沿ってみた断面図であり、 さらに、 図 1 1 は、 従来技術の燃料ノズルを含む燃焼器の長手方向断面図 である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。 図面に おいて同様の部材には同様の参照符号が付けられている。 これら図 面は理解を容易にするために縮尺を変更している。 図 1は本発明の第一の実施形態に基づく燃焼器の長手方向部分断 面図である。 さ らに図 2は図 1の線 a - aに沿ってみた断面図であ る。 前述した実施形態と同様に、 燃焼器 1 0の内筒 1 8の中心軸線 上にはパイロ ッ トノズル 3 0が配置されており、 図 2から分かるよ うに、 このパイ ロ ッ トノズル 3 0周りには、 複数の燃料ノズル 2 0 が周方向にほぼ等間隔に配置されている。 燃料ノズル 2 0の棒状本 体周りには、 旋回羽根またはスヮーラ 2 9が配置されている。 燃料 ノズル 2 0には、 複数の中空支柱 2 5が設けられている。 これら中 空支柱 2 5は燃料ノズルの側壁から放射状に半径方向外側に延びて いて、 燃料ノズル 2 0に連通している。 中空支柱 2 5には複数の噴 出口 2 6が設けられており、 燃料ノズル 2 0内を流れる燃料を中空 支柱 2 5に通してこれら嘖出口 2 6から燃料ノズルの先端方向に噴 出できるようになつている。 さらに、 燃料ノズル 2 0の先端には混 合室 1 5が形成されており、 パイ ロ ッ トノズル 3 0の先端付近には 予混合ノズル 1 7によ りパイ ロ ッ ト燃焼室 1 6が形成されている。 燃焼器の空気流入口部 1 1から燃焼器 1 0に進入した燃焼用空気 は内筒端部 1 2において約 1 8 0 ° 反転して空気通路 1 4を通る。 この燃焼用空気の一部分は、 中空支柱 2 5から嘖出された燃料と混 合されつつ燃料ノズル 2 0のスヮーラ 2 9に流入する。 これによ り 、 燃焼用空気の流れに周方向の旋回が与えられて燃焼用空気は燃料 とさらに混合されて混合室 1 5において予混合空気が形成される。 さ らに、 燃焼用空気の残りの部分はパイ ロ ッ トノズル 3 0 と予混 合ノズル 1 7 との間に配置されたスヮーラ 3 9に流入する。 次いで 、 この燃焼用空気はパイロ ッ トノズル 3 0から噴出された燃料と共 にパイ 口ッ ト燃焼室 1 6において燃焼され、 パイ 口ッ ト火炎が形成 される。 中空支柱 2 5から噴出された燃料と混合された予混合空気 は、 このパイ ロ ッ ト火炎に接触して主火炎を形成して燃焼する。 図 3は本発明の第一の実施形態に基づく燃焼器の燃科ノズル付近 の拡大図である。 図 1および図 3に示されるように、 本実施形態に おいては、 中空支柱 2 5の空気の流れに対して上流において乱流発 生体 6 0が中空支柱 2 5に隣接するように配置されている。 乱流発 生体 6 0は、 例えば複数の孔が設けられた金属製多孔板、 すなわち パンチメタルである。 図 4 aおよび図 4 bはこの多孔板 6 0の概念 斜視図である。 これら図面に示すように、 多孔板 6 0には複数の孔 6 1が設けられており、 空気がこれら孔を通過するようになってい る。 図 4 aには円形の孔 6 1が示されており、 図 4 bには矩形の孔 6 1が示されている。

前述したように空気流入口部 1 1から燃焼器 1 0内に進入した空 気は、 内筒端部 1 2において約 1 8 0 ° 反転して空気通路 1 4を通 つて、 多孔板 6 0を通過する。 空気が多孔板 6 0の孔 6 1を通過す るときに、 空気の流路面積は急縮小し、 次いで急拡大する。 このよ うに流路面積が急拡大するときに空気の流れに乱れが生じる、 すな わち乱流が発生する。 このよ うな空気の乱れは多孔板 6 0の下流に 位置する中空支柱 2 5を通過した後も維持されるので、 中空支柱 2 5の噴出口 2 6から噴出した燃料とこの空気との混合作用を多孔板 6 0によって高めることができる。 さ らに、 多孔板 6 0は圧損体と しての役目も果たすので、 流動抵抗を生じさせることにより、 燃焼 振動の速度変動を吸収することができる。 これにより、 乱流発生体 よ り も上流に位置する空気体積および気柱長さの影響が少なくなり 、 予混合ノズル内における速度変動の振幅も小さくなる。 従って、 予混合ノズルにおける燃料の濃度変動も少なくなり、 燃焼振動の発 生を抑えることができる。

図 4 aの変更例としてポーラス状の金属製プレート （図示しない ) 、 図 4 bの変更例として金網 （図示しない） を使用することもで きる。 さらに図 5 aおよび図 5 bには別の多孔板が示されている。 多孔板 6 0に形成される孔は、 図 5 aに示されるよ うな周方向スリ ッ ト 6 2でもよく、 図 5 bに示されるような半径方向スリ ツ ト 6 3 でもよい。 これら変更例としての多孔板を使用する場合にも、 孔ま たはスリ ッ トを通過する空気の流れに乱れを生じさせて、 空気と燃 料との主に半径方向の混合作用を高めることができると共に、 流動 抵抗を生じさせて燃焼振動の速度変動を吸収することができる。

本実施形態においては、 多孔板 6 0を中空支柱 2 5の上流におい て中空支柱 2 5に隣接するように配置しているが、 多孔板 6 0を中 空支柱 2 5の下流に配置してもよい。 この場合にも、 多孔板 6 0の 下流において空気の流れに乱れが生じるので、 燃料と空気との混合 作用を高めると共に燃焼振動の速度変動を吸収することができる。

図 6は本発明の第二の実施形態に基づく燃焼器の長手方向部分断 面図である。 図 7は図 6に示す燃焼器の燃料ノズルの拡大図である 。 さ らに図 8は図 6の線 b — bに沿ってみた断面図である。 図 6に 示すように、 燃焼器 1 0の内筒 1 8には、 ディフューザ部 7 0が設 けられている。 このディフユーザ部 7 0は内筒 1 8の半径方向に狭 くなっている狭窄部分 7 5 と、 この狭窄部分 7 5の下流に半径方向 に広くなっている広範部分 7 6 とを含んでおり、 傾斜部分 7 7が狭 窄部分 7 5 と広範部分 7 6 とを平滑に結んでいる。 さらに、 燃料ノ ズル 2 0およびパイロ ッ トノズル 3 0は隆起部 2 2、 3 2をそれぞ れ有している。 これら隆起部 2 2、 3 2は空気の流れに対して下流 方向に先細になっている略錐体状であって、 傾斜部分 2 3、 3 3を それぞれ有している。 図 6から分かるように、 ディフューザ部 7 0 の内壁とパイ ロ ッ トノズル 3 0の外壁とによって、 環状室 1 3が形 成されている。 さ らに、 環状室 1 3には隆起部 2 2を含む燃料ノズ ル 2 0が周方向にほぼ等間隔に配置されている。 図 8に示すよ うに、 中空支柱 2 5が狭窄部分 7 5 と隆起部 3 2 と の間に配置されている。 従って、 空気は狭窄部分 7 5 と隆起部 3 2 との間の最も幅狭であるディフューザ部 7 0の入口部分を通過する こと となる。 空気と、 噴出口 2 6から噴出される燃料とが傾斜部分 7 7および傾斜部分 2 3、 3 3に沿う ようにディフューザ部 7 0内 を通るときに、 乱れがディフューザ部 7 0内に生じる。 これによ り 、 環状室 1 3における燃料および空気の混合作用を高めることがで きる。 当然のことながら、 ディフューザ部 7 0は、 空気の主流の速 度成分がディフューザ部 7 0内で逆火しない程度に十分に大きいよ うに、 形成されている。 さ らにディフューザの広がり角度を適切に し、 ここで生じる圧損もガスタービン効率を低下させない程度の低 圧損にする必要がある。

ディフューザ部 7 0における空気の乱れは、 燃料および空気の混 合作用を主に半径方向に高めるのに役立つ。 前述したように、 スヮ ーラ 2 9は空気と燃料とを周方向に混合する役目を果たす。 従って 、 ディフユーザ部 7 0の内壁およびパイ ロ ッ トノズル 3 0の外壁に よ り形成される環状室 1 3において主に半径方向の混合作用が生じ 、 スヮーラ 2 9によって混合室 1 5において主に周方向の混合作用 が生ずる。 それによ り、 空気と燃料とを極めて均等に混合すること ができる。

さらに、 本実施形態の場合には、 ディフューザ部 7 0の入口にお いては空気の流速および動圧が極めて大きい。 従って、 ディフュー ザ部 7 0内に流入する空気の流れに周方向の分布が存在する場合に 、 ディフューザ部 7 0の入口部による動圧によってこの分布が緩和 される。 それゆえ、 燃料と空気との混合比をディフューザ部の入口 において周方向に均等にすることができる。

図 9は本発明の他の実施形態の燃焼器の長手方向部分断面図であ る。 さらに図 1 0は図 9の線 c — cに沿ってみた断面図である。 本 実施形態においては、 複数の燃料ノズル 2 0が排除されており、 パ ィロ ッ トノズル 3 0周りに複数の中空支柱 3 5が設けられている。 これら複数の中空支柱 3 5はパイロッ トノズル 3 0の側壁から放射 状に半径方向外側に延びている。 本実施形態に示される中空支柱 3 5はディフューザ部 7 0の狭窄部分 7 5付近まで延びている。 各中 空支柱 3 5には複数の噴出口 3 6が設けられており、 それにより、 パイ ロ ッ トノズル 3 0内を通る燃料が各中空支柱 3 5を通って複数 の噴出口 3 6から下流に噴出されるようになる。 さらに、 パイロ ッ トノズル 3 0は隆起部 3 2を有している。 隆起部 3 2は空気の流れ に対して下流方向に先細になっている略錐体状であり、 傾斜部分 3 3を有している。 図 6に示す実施形態と同様に、 ディ フューザ部 7 0の内壁とパイ ロ ッ トノズル 3 0の外壁とによって、 環状室 1 3が 形成されている。 なお、 スヮーラ 2 9によって生じる旋回流の渦芯 領域を極小化するために、 心棒 3 8が配置されている。

本実施形態の場合にも、 ディフユーザ部 7 0の内壁およびパイ 口 ッ トノズル 3 0の外壁により形成される環状室 1 3において主に半 径方向の混合作用が生じ、 スヮーラ 2 9によって混合室 1 5におい て主に周方向の混合作用が生ずる。 さらに、 本実施形態の場合には 燃料ノズル 2 0が存在していないので、 燃料ノズル 2 0が障害物と なることなしに、 空気を空気通路 1 4から環状室 1 3内に平滑に流 すことができる。 さ らに、 燃料ノズル 2 0が存在しないことによ り 、 燃焼器 1 0の構造を単純化することができると共に燃焼器 1 0全 体の重量を少なくすることができる。

当然のことながら、 図 6および図 9に示される実施形態の場合に 、 乱流発生体、 例えば多孔板を空気通路に配置することは本発明の 範囲に含まれる。 本発明の第一の実施形態によれば、 乱流発生体が空気の流れに乱 れを与えるので、 空気の流れの乱れが維持されつつ空気と燃料とを 混合させることができ、 従って燃料と空気との半径方向の混合作用 を高めることができるという共通の効果を奏しう る。 さらに、 乱流 発生体が圧損体と しての役目も果たすので、 流動抵抗を生じさせる ことによ り、 燃焼振動の速度変動を吸収することができるという共 通の効果を奏しう る。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 空気を内部に供給するための空気用流路と、 燃料を嘖出させ る噴出口を備えていて前記空気用流路に配置される燃料ノズルとを 含むガスタービン燃焼器において、

前記燃料ノズルの前記嘖出口近傍に乱流を発生させるよう前記空 気流路内に乱流発生手段を設けたガスタービン燃焼器。

2 . 前記乱流発生手段が前記燃料ノズルの前記噴出口に隣接して いる請求項 1 に記載のガスタービン燃焼器。

3 . 前記乱流発生手段として、 複数の孔を備えた多孔板を空気の 流れに対して前記噴出口の上流側に設けた請求項 1 または 2に記載 のガスタービン燃焼器。

4 . 前記孔が円形である請求項 3に記載のガスタービン燃焼器。

5 . 前記孔が矩形である請求項 3に記載のガスタービン燃焼器。

6 . 前記孔が前記多孔板の半径方向に延びるよう形成されている 請求項 3に記載のガスタービン燃焼器。

7 . 前記孔が前記多孔板の周方向に延びるよ う形成されている請 求項 3に記載のガスタ一ビン燃焼器。

8 . 前記乱流発生手段と して、 前記空気用流路にディフューザ部 を空気の流れに対して前記嘖出口の上流側に設け、 該ディフューザ 部によって、 前記噴出口付近に位置する前記空気用流路の一部分の 断面積は、 前記噴出口より も空気の流れに対して下流に位置する前 記空気用流路の下流部分の断面積よ り も小さくなっている請求項 1 に記載のガスタービン燃焼器。

9 . さらに、 パイ口 ッ ト燃料を供給するパイロッ トノズルを具備 し、 前記ディフューザ部が前記空気用流路の内壁と前記パイ ロ ッ ト ノズルの外壁とから形成される環状のディフューザ部である請求項 8に記載のガスタービン燃焼器。

1 0 . 前記乱流発生手段としてさ らに、 複数の孔を備えた多孔板 を空気の流れに対して前記噴出口の上流側に設けた請求項 8または 9に記載のガスタ一ビン燃焼器。

1 1 . 前記孔が円形である請求項 1 0に記載のガスタービン燃焼 ¾。

1 2 . 前記孔が矩形である請求項 1 0に記載のガスタービン燃焼

1 3 . 前記孔が前記多孔板の半径方向に延びるよう形成されてい る請求項 1 0に記載のガスタービン燃焼器。

1 4 . 前記孔が前記多孔板の周方向に延びるよ う形成されている 請求項 1 0に記載のガスタービン燃焼器。