JPH02309124A - 燃焼器及びその運転方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、たとえばガスタービン等に採用されている燃
焼器の改良に係り、特に予混合燃焼が行なわれる燃焼器
及びその運転方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来一般に採用されている燃焼器は、低ＮＯｘ化の点か
ら２段燃焼方式のものが主流である。すなわち燃焼筒の
一方端（燃焼器頭部）で火炎の安定性を目的とした拡散
燃焼が行なわれ、又その下流側で低ＮＯｘ効果の大きい
予混合燃焼が行なわれるものである。

この種の燃焼器としては、たとえば米国特許第４２９２
８０１号等がある。この種燃焼器についてもう少し詳し
く説明すると、燃焼器は、燃焼器頭部に設けられている
第１段バーナ（拡散燃焼）と、燃焼器頭部から燃焼室中
央部に突出する如く設置された第２段バーナ（拡散燃焼
）で構成され、燃焼室は第２段バーナ出口近傍で燃焼室
の径が縮少するように形成されている。着火時は第１段
バーナに燃料を供給して点火し、第１段燃焼室で拡散燃
焼を行う。更に燃焼負荷上昇に伴って、第２段バーナへ
燃料を導入して第２段燃焼室内で拡散燃焼をする。その
後、第１段目の燃料を第２段目バーナへ移すと同時に第
１段バーナを消火させ、また第１段バーナ八燃料を再投
入する。即ちこのときには第１段燃焼室は燃料と空気を
混合する予混合室の作用をする。したがって、高負荷燃
焼時は第１段燃焼室からの予混合気を第２段バーナの熱
源により燃焼を継続させるようにしたものである。

このように形成された燃焼器であると、所定負荷以上の
運転においては、主として予混合燃焼が行なわれること
から、低ＮＯｘの燃焼器として非常に有効なものとなる
。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながらこの種の燃焼器は、高負荷時においてはた
しかにＮＯｘや未然物質、たとえばＣＯの排出などは少
なく特に問題になることはないのであるが、すなわち燃
焼室内全体が充分燃焼しているので可燃混合気が未然の
まま燃焼器より排出されることは少ないのであるが、低
負荷時、すなわち可燃混合気が希薄となる条件下では、
燃焼室壁面の冷却空気の侵入及びその侵入冷却空気層の
影響も手伝いＣＯ等の未燃排出片が増大する嫌いがあっ
た。

本発明はこれにかんがみなされたもので、たとえ低負荷
時であっても、すなわち可燃混合気が希薄の条件下でも
ＣＯ等の未燃ガス燃焼器より排出するこ−とのないこの
種の燃焼器を提供するにある。

〔課題を解決するための手段〕

すなわち本発明は燃焼筒の一方側（頭部側）に設けられ
ている予混合気供給手段を、燃焼筒とほぼ同心状に配置
され、かつ燃焼器の高負荷７１Ｆ域で作動する第１の予
混合気供給手段と、この第１の予混合気供給手段の外周
部に配置され、かつ少なくとも低負荷帯域で作動する第
２の予混合気供給手段とより形成す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。

〔作用〕

すなわちこのような構成であると、燃焼器の低負荷時に
は、第２の予混合気供給手段によるバーナ、すなわち燃
焼室の外周部の近いバーナが作動しているので、低負荷
時であっても、燃焼室外周部の燃焼ガス温度を高く保つ
ことができ、低負荷時に燃焼室外周部に生じがちな未燃
成分、すなわちＣ○等の発生を充分防止することができ
るのである。

〔実施例〕

以下薗示した実施例に基づいて本発明の詳細な説明する
。

第１図にはその燃焼器の一実施例が断面で示されている
。燃焼器は外筒１と、この外筒の内部に配置されている
内筒２（燃焼筒）と、この内筒２の後部（タービン側）
に配置されている尾筒３とを備え、そして内ｆｌｉ２の
頭部には後述する混合気供給手段が設けられている。

すなわち内筒２の頭部中央には予混合室４　（第２の予
混合気供給用）が設けられており、又この予混合室の外
周、すなわち内筒内壁面近傍には第１段目の予混合バー
ナ８が設けられている。すなわち第１の予混合気供給手
段が設けられている。

又さらにこの予混合バーナ８の噴出口近傍の外周側には
補助バーナ１３が設けられている。補助バーナ１３の後
流側に１４として示゛されているものは補助バーナの点
火を行う着火枠である。

補助バーナ１３には補助燃料１２と空気が供給され、又
第１段目の予混合バーナ８には第１の予混合気供給手段
により混合気、すなわち燃料６と空気７とが供給され、
燃焼室５に可燃混合気が供給されるように形成されてい
る。

前述した予混合室４にも燃料ノズル１６より燃料１８及
び空気１９が供給され、この予混合室内で可燃混合気が
形成され、この可燃混合気が、燃焼室５に供給される。

尚図中矢印２０は圧縮機から供給される空気の流れを示
している。

次にこのように形成された燃焼器のり３作及び運転方法
についてのべる。

まず燃料供給関係と運転方法について第２図に示す一具
体例で説明する。燃料２３は、燃焼負荷帯に合わせて制
御される燃料圧力調節弁２４を通過した後、補助燃料１
２、第１段予混合燃料６、第２段予混合燃料１８に分岐
される。これらの燃料は夫々各燃料供給管２５．２６；
　２７及び燃料流量調節弁２８，２９．３０を介して供
給され、このうち補助燃料１２と第１段予混合燃料６は
、燃料器の中間部に配置されているフランジ３１部より
供給され、補助燃料は燃焼室５の急拡大部９近傍に設置
されている補助バーナ１３に供給される。予混合燃料６
は、フランジ３１に設けられた燃料チャンバ３２を介し
て予混合バーナ８の環状流路部３３内に突出している燃
料ノズル３４に至り、その先端部噴孔より予混合バーナ
８内に噴出する。第２段燃料１８は、流量調節弁３０を
介して、燃料ノズル１６に供給される。この場合これら
の燃料は常に供給されているわけではなく次のように行
なわれる。即ち燃焼の起動時は、着火栓１４を作動させ
るとともに、流量調節弁２８によって、補助バーナ１３
から燃料１２を噴出させ、リセス部１１に火炎を形成さ
せる。次に第１段予混合燃料６を流量調節弁２９を介し
て所定量流し。

可燃混合気を形成して、これを予混合バーナ８から噴出
する。この可燃混合気は前記補助バーナ１３によって形
成された火炎の熱源で燃焼する。

更に高負荷燃焼においては、燃焼器頭部に設置した予混
合室４の燃料ノズル１６に第２段予混合燃料１８を流量
調節弁３ｏを操作して導き入れ、可燃混合気を燃焼室５
内に供給する。これらの運転制御は、タービン負荷帯に
合せて制御機３５の信号により自動操作される。

第３図にはガスタービン作動範囲における燃料制御運転
方法の一例が示されている。この図は本燃焼器の補助バ
ーナ用燃料１２、予混合バーナへの第１段燃料６と頭部
予混合室に：％入する第２段燃料１８をタービン負荷帯
に対応して示したものである。尚このときの火炎パター
ン、すなわち燃料制御によって燃焼室内に形成される火
炎パターンは第４図に示したようになる。第３図におい
て、燃焼負荷によって燃焼室内に導入される全燃料に対
応して、起動時においては、補助バーナ燃料１２を着火
からタービン無負荷近傍まで作動させ、燃焼室内に補助
バーナ火炎１０１（第４図）を形成させる。そして、無
負荷近傍（ａ点）では予混合バーナの第１段燃料６をス
テップ状に導入し、補助バーナ燃料１２を、負荷帯を変
化させることなくステップ状に減少させ、予混合バーナ
からの可燃混合気で燃焼室内に予混合火炎１０２を作る
。

この場合、補助バーナ燃料流量は着火から無負荷時まで
作動させ、その後、予混合バーナの火炎１０２で、ター
ビン負荷２５％まで単独燃焼を行う。頭部予混合室の第
２段燃料１８の作動範囲は、タービン負荷２５〜１００
％で全燃料の２５〜５０％を導入する。更にタービン負
荷２５％で頭部予混合室第２段燃料１８への燃料切換時
は、予混合バーナの第１段燃料６を５０％から２５％ま
でステップ状に減少すると同時に、予混合室第２段燃料
１８をステップ状に２５％供給して燃焼火炎１０３を形
成する。その後予混合燃焼に用いる第１段及び第２段燃
料をタービン負荷帯に見合った流量の１／２に分割して
定格時で全燃料の５０−５０の割合で運転するわけであ
る。

次に燃料室内の燃焼状況（ガス温度、Ｎｏｘａ度、ｃｏ
ａ度）について、第５図、第６図の概念図を用いて説明
する。

第５図は従来方式の拡散−予混合燃焼時の燃焼室上流側
の状態を示すもので、ガス温度は中央部が高温となり、
外周側に低温部が形成される。このため外側を流れる予
混合気は燃焼が良好に行なわれず、ＣＯ等の未燃成分の
発生源となる。特に燃焼室壁面には、冷却空気層がある
ために一度発生した未燃分の除去はかなり困難となる。

また、燃焼室中央部の高温領域は、ＮＯｘの発生源とな
るため大幅な低ＮＯｘ化燃焼は達成できない。一方、本
発明のものでは内外配置で、かつ外側が低負荷時作動す
る完全予混合構成となっているため、第６図に示す如く
ガス温度の比較的均一化によるＮＯｘ、Ｃ○抑制を同時
に低減することができる。

すなわちこのような構成であると、燃焼室の上流部外周
側は比較的周囲の空気等の流動が少ないため、補助バー
ナの火炎が形成され易いこと、又低負荷時にも燃焼室の
外周側の過冷却が防止され未燃分の発生を充分防止する
ことができるのである。

又負荷に応じて燃焼拡大を図る場合、周囲の熱源（接触
率等）が大きいため、下流側での熱拡散移動（火炎伝播
及び燃焼性）が速く、より希薄側の燃焼や燃焼室出口側
の未燃分の発生を抑制することが可能となる利点もある
。

したがって、本発明では、タービン無負荷から定格負荷
までＮＯｘ、Ｃｏの抑制をはかることができるため、非
常に優れた燃焼器を得ることができるのである。

尚以上の説明では補助バーナを形成するにあたり、一つ
の例を示してきたが、その他にも種々の構成が考えられ
よう。

第７図〜第１２図は補助バーナの種々の例を示すもので
ある。

まず第７図は補助燃料１２を燃料層４０の先端近傍の内
側に複数個の孔又はスリット４１を設け、その下端部に
急拡大部９と環状部１ｏによりリセス部１１を形成して
補助バーナ１３を構成するようにしたものである。補助
バーナ１３の着火時は、予混合バーナ８がら空気７に対
して補助燃料１２を噴孔４１を噴出させ、着火枠で着火
して火炎１０１を形成させる。この火炎１０１は空気７
の噴流がリセス部１１で誘起する渦流４２によって保持
される。

第８図は単独予混合補助バーナ４３を設置した場合で、
空気４４と燃料１２を混合してから燃焼室Ｓ内に火炎１
０１を形成する。これら予混合補助バーナに関しての応
用例は、第９図の予混合バーナ内に導入孔４５を有する
もの、第１０図に示したリセス部１１の急拡大部９に噴
出孔４６を設けたもの等があろう。

尚この場合、第９図、第１０図に示すように燃焼室上流
中央部に設ける予混合室４の出口部に縮少部４７．４８
を設け、これにより、可燃混合気の流速を大きくして、
逆火防止すると、特に有効である。更に予混合バーナ８
の火炎を効果的に予混合室４の可燃混合気に移行する方
法としては、第１１図及び第１２図に示す予混合バーナ
８を予混合室４に対して角度４９を設けること、また、
予混合室４に直交５０する構造とすることが考えられ、
これによって、予混合室４からの可燃混合気を効果的に
燃焼することが可能である。

以上補助バーナの種々の例を記したが、この運転方法と
して次のようなことも考えられよう。すなわち予混合燃
焼による大幅な低ＮＯｘ化を目的として、先ず補助バー
ナの燃料をタービン全負荷帯において導入し、燃焼室外
周側の保炎強化を行い、予混合バー□す及び予混合室か
らの可燃混合気をより希薄側燃焼で低Ｎ　Ｏｘ化を実現
する。又さらに予混合バーナに燃室比制御機能を導入す
るようにすれば、前記補助バーナの火炎をベースに。

予混合バーナと予混合室からの可燃混合気をより希薄側
の燃焼条件に設定することが可能となる。

特に予混合バーナを燃室比制御ができると、補助バーナ
からの火移りや予混合室からの可燃混合気の燃焼形態を
自在に設定できるので、安定した予混合燃焼と運転制御
が非常に有利となる。

尚以上の説明では補助バーナを用いた場合の例について
述べてきたが（勿論この補助バーナはあった方が円滑な
始動及び火炎の安定度の点で有利であるが）、必ず必要
なものではなく、たとえば、外周側の予混合バーナに着
火栓を設け、かつこの予混合バーナの燃室比を制御する
ようにして始動から低負荷時までこの予混合バーナを作
動させるようにしても同様な効果が得られるであろう。

第１３図には従来のものと本発明のものの燃焼時のＮＯ
ｘ特性比較が示されている。従来のものも拡散燃焼量に
対する予混合燃焼量の割合によっては、低ＮＯｘ化領域
が存在する。しかしこの従来のＮＯｘ低減値よりも本発
明の完全予混合燃焼では、約１／２以下の低ＮＯｘ化を
図ることができる。又更に本発明の燃焼器では、第１４
図に示すように従来のものに対して燃室比を希薄側に約
３０％移行してもＣ○等の発生がない安定した燃焼を確
立することが可能となる。

〔発明の効果〕

以上種々述べてきたように、本発明は燃焼筒の一方端（
頭部側）に設けられている予混合バーナを、燃焼筒とほ
ぼ同心状に配置され、かつ燃焼器の高負荷帯域で作動す
る第１の予混合バーナと、この第１の予混合バーナの外
周部に配置され、かつ少なくとも低負荷帯域で作動する
第２の予混合バーナとより形成するようになしたから、
燃焼器の低負荷時であっても、燃焼筒の内壁近傍、すな
わち燃焼室外周部の燃焼ガス温度を高く保つことができ
、従来この燃焼室外周部で生じがちであった未燃成分、
すなわちＣ○の発生を充分防止することができる。

さらに、負荷上昇時は、燃焼室上流中央部から可燃混合
気が供給されるので、可燃混合気が燃焼する過程で周囲
の熱源が大きい結果、下流方向での熱拡散移動が速く、
燃焼室８口での未燃分抑制を効果的に行うことができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃焼器の一実施例を示す縦断側面図、
第２図はその燃料系と燃焼器の要部を示す縦断側面図、
第３図はタービン負荷に対する燃料流量及び作動バーナ
の関係を示す線図、第４図は各バーナにおける火炎形成
状態を示す線図、第５図は従来の燃焼器のガス温度及び
ＣＯａ度を示す曲線図、第６図は本発明の燃焼器のガス
温度及びＣＯ′ａ度を示す曲線図、第７図〜第１２図は
本発明の補助バーナの変形例を示す縦断側面図、第１３
図は燃料の割合とＮＯｘ排出濃度との関係を表わす曲線
図、第１４図は空燃比に対する安定性を示す曲線図であ
る。 １・・・外筒、２・・・内筒（燃焼筒）、３・・・尾筒
、４・・・第３図 第４図 ｊＵｉｌＵＺＩＵ３ 第５図 第６図 ＋補助バーナ　　　　　　　　　＋補助バーナ第７図　
　　　　第８図 第１２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内部に燃焼室を有する燃焼筒と、 前記燃焼室の一方側に設けられ、該燃焼室へ可燃混合気
   を供給する予混合気供給手段とを備え、 前記燃焼室の他方側より燃焼ガスを排出するようになし
   た燃焼器において、 前記予混合器気供給手段を、 前記燃焼筒の内壁部近傍部に配置され、かつ燃焼器の低
   負荷時に作動する外側予混合気供給手段と、 該予混合気供給手段より燃焼筒の軸心側に配置され、か
   つ燃焼器の高負荷時に作動する内側予混合気供給手段と
   、 より形成し、かつ 前記外側予混合気供給手段の近傍に、着火栓を有し、か
   つ燃焼器の始動時に作動する補助バーナを設けるように
   したことを特徴とする燃焼器。 ２、内部に燃焼室を有する燃焼筒と、 前記燃焼室の一方側に設けられ、前記燃焼室へ可燃混合
   気を供給する予混合気供給手段とを備え、予混合燃焼を
   行うようになした燃焼器において、 前記予混合気供給手段を、 燃焼筒とほぼ同心の中心部に配置され、かつ燃焼器の高
   負荷時に作動する第１の予混合気供給手段と、 該第１の予混合気供給手段の外周部に配置され、かつ低
   負荷時に作動する第２の予混合気供給手段と、 より形成したことを特徴とする燃焼器。 ３、内部に燃焼室を有する燃焼筒と、 該燃焼筒の一方側に配置され、前記燃焼室へ可燃混合気
   を供給する予混合気供給手段とを備え、予混合燃焼を行
   うようになした燃焼器において、 前記予混合気供給手段を、 前記燃焼筒の軸心に配置され、かつ燃焼器の高負荷帯時
   に作動する第１の予混合気供給手段と、 該第１の予混合気供給手段の外周部に配置され、かつす
   べての負荷帯に作動している第２の予混合気供給手段と
   、 より形成したことを特徴とする燃焼器。 ４、内部に燃焼室を有する燃焼筒と、 該燃焼筒の一方側に配置され、前記燃焼室へ可燃混合気
   を供給する予混合気供給手段と、を備えた燃焼器におい
   て、 前記予混合気供給手段を、 前記燃焼筒の軸心位置に設けられ、かつ燃焼器の高負荷
   帯域の部分で作動する第１の予混合気供給手段と、 該第１の予混合気供給手段の外周部に配置され、かつ少
   なくとも低負荷帯域で作動する第２の予混合気供給手段
   と、 より形成したことを特徴とする燃焼器。 ５、内部に燃焼室を有する燃焼筒と、 該燃焼筒の一方側に配置され、かつ前記燃焼室に対面し
   ている予混合気供給手段と、 を備えた燃焼器において、 前記予混合気供給手段を、 前記燃焼筒の軸心位置に設けられ、かつ燃焼器の高負荷
   帯域で作動する第１の予混合気供給手段と、 該第１の予混合気供給手段の外周部に配置され、かつす
   べての負荷帯域で作動する第２の予混合気供給手段と、 より形成するとともに、 前記第２の予混合気供給手段の外周部に、燃焼器の始動
   時に着火燃焼する補助バーナを設けたことを特徴とする
   燃焼器。 ６、内部に燃焼室を有する燃焼筒と、 該燃焼筒の一方側に設けられ、かつ前記燃焼室へ対向配
   置されている予混合気供給手段と、を備えた燃焼器にお
   いて、 前記予混合気供給手段を、 前記燃焼筒の径方向中央部に配置され、かつ燃焼器の高
   負荷帯域で作動する第１の予混合気供給手段と、 該第１の予混合気供給手段の外周部に配置され、かつす
   べての負荷帯域で作動する第２の予混合気供給手段と、 該第２の予混合気供給手段の外周部に配置され、かつ燃
   焼器の低負荷帯域で作動する第３の予混合気供給手段と
   より形成するようにしたことを特徴とする燃焼器。 ７、内部に燃焼室を有する燃焼筒と、 該燃焼筒の一方側に設けられ、かつ前記燃焼室に対向配
   置されている予混合気供給手段と、を備えた燃焼器にお
   いて、 前記予混合気供給手段を、 前記燃焼筒の径方向中央部に配置され、かつ燃焼器の高
   負荷帯域で作動する第１の予混合気供給手段と、 該第１の予混合気供給手段の外周部に配置され、かつす
   べての負荷帯域で作動する第２の予混合気供給手段と、 より形成するとともに、 前記第２の予混合気供給手段の近傍部に、該第２の予混
   合気供給手段の着火を行う補助バーナを設けたことを特
   徴とする燃焼器。 ８、内部に燃焼室を有する燃焼筒と、該燃焼筒の一方側
   に設けられ、前記燃焼室へ可燃混合気を供給する予混合
   気供給手段とを備え、予混合燃焼を行うようになした燃
   焼器において、 前記予混合気供給手段を、少なくとも内外２段に形成す
   るとともに、燃焼器の低負荷時には外側の予混合気供給
   手段を作動させ、所定負荷以上の時には内外両者予混合
   気供給手段を作動させるようにしたことを特徴とする燃
   焼器。 ９、内部に燃焼室を有する燃焼筒と、 該燃焼筒の一方側で、かつ燃焼筒の軸心部に配置された
   第１の予混合気供給手段と、 該第１の予混合気供給手段の外周部に配置された第２の
   予混合気供給手段と、 該第２の予混合気供給手段の近傍に配置され、該第２の
   予混合気供給手段より供給された混合気の着火を行うバ
   ーナと、 を備え、 燃焼器の低負荷帯域では、前記第２の予混合気供給手段
   のバーナがその帯域の全負荷を負い、燃焼器の高負荷帯
   域では、前記第１の予混合供給手段のバーナと前記第２
   の予混合気供給手段のバーナとの両者でその帯域の全負
   荷を負うように前記第１、第２の予混合気供給手段の供
   給量を制御するようにしたことを特徴とする燃焼器の運
   転方法。 １０、前記高負荷帯域で第１、第２の予混合バーナが負
   う負荷割合は両者同一であることを特徴とする請求項８
   記載の燃焼器の運転方法。