JPH08303779A - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】予混合器６の先端部並びに中心に配置されるパ
イロットバーナ７の先端を燃焼器ライナ３に立てた直角
な線１９に対し傾斜角θをもつように配置する。このよ
うに配置することによって保炎器９の後方にできる最大
発熱位置を燃焼器の周方向で最大ｄＬだけ離すことが可
能になる。また、予混合器６を複数個に分割して個々の
ブロック毎に燃料制御を行う。 【効果】従来の予混合器部並びにパイロットバーナの基
本的構成を変えることなく比較的軽微な変更によって燃
焼振動の発生が抑えられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガスタービン燃焼器に関
する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンの利用は近年、蒸気タービ
ンと併用し熱効率の大幅な改善ができるコンバインドサ
イクル発電プラントなど大形化している。一方、大気汚
染に対する公害規制は、さらに厳しくなり、窒素酸化物
（ＮＯｘ）やＣＯ₂ など大気汚染物質の排出値を低減す
ることが社会的な要請になっている。ガスタービンの燃
焼器のＮＯｘ低減は燃焼法の改善により行われてきた。
初期には油燃料による拡散燃焼が主流であったが、最近
はガス系の燃料（ＬＮＧなど）がほとんど、燃焼法も拡
散燃焼から予混合燃焼へ変わってきている。予混合燃焼
とは予め燃料と空気を混合させた予混合気を燃焼させる
方式で、比較的低温で一様な燃焼ができることから、Ｎ
Ｏｘの発生が盛んな高温域が少なく、ＮＯｘの低減効果
の大きい燃焼法である。

【０００３】一方、予混合燃焼比率の増大並びに希薄予
混合気の燃焼は逆に燃焼の安定性を悪くし、燃焼振動や
不安定燃焼を起し易く、信頼性上、大きな問題がある。
燃焼振動の発生は、燃焼器のハードウエアの損傷や破損
に繋がるため、その発生の抑制や燃焼振動圧力の低減が
予混合燃焼の大きな課題となっている。

【０００４】ところで、燃焼装置に発生する、燃焼振動
は振動形態からヘルムホルツ形と音響学的固有振動形に
分類できる。前者は振動空間内で圧力が同位相で伝播す
る特徴があり、これまで家庭用の暖房器や小形ボイラな
どでの発生報告例がみられる。一方、後者は振動空間内
で圧力に分布がある特徴をもつ、気柱共鳴現象の一つで
これまで大形ボイラや火炉での報告が多い。またこの形
の振動については、単純な小形燃焼装置を用いた現象の
メカニズム解明の研究も多くなされている。ガスタービ
ンの燃焼器についてはまだ明確に述べられた報告はない
が、我々の研究では後者のタイプが支配的であると判断
している。

【０００５】後者形の燃焼振動の発振法則については有
効なLoad Rayleigh の発振条件は数１がよく用いられて
いる。

【０００６】

【数１】

【０００７】数１は音波の仕事量を表し、これが正であ
れば発振、負であれば燃焼振動は発生しない。実際に
は、加振源となる熱発熱量および圧力との位相関係さら
に系全体の振動モードに対する振動エネルギの減衰量な
どとも関係し、振動応答まで推定することは一般に難し
い。

【０００８】ガスタービン燃焼器の燃焼振動の圧力レベ
ルは従来の拡散燃焼に比ベて、予混合燃焼の方が遥かに
高い振動が観測される。この一つの理由は油燃料の拡散
燃焼では油滴の径の違い、蒸発速度の違いなどがあっ
て、局所的に見れば発熱量や発熱位置に相当のばらつき
があるため燃焼振動の圧力に対する発熱の位相も全体と
して揃わないためとみられる。これに対して予混合燃焼
の場合は燃料が均一濃度になっているためどの位置でも
ほとんど同じ位相でしかも集中的な発熱をみることにな
り、振動の加振力は集中的で強力なものになるためと思
われる。

【０００９】そこで、予混合燃焼に於ける振動軽減策の
方法の一つとして、燃焼の集中化をなくし特に燃焼器の
長手方向で燃焼部を分散させると言う考え方がある。特
開昭64−329 号公報は発明の目的とするところは違う
が、燃焼振動抑制と言う観点からは従来の単一燃焼ポー
トに比べれば制振効果があると思われる。従来、燃焼器
の燃焼振動に対するためには振動の発生源を押さえると
言うよりは、振動に対する構造の強化や振動減衰に効果
のある構造などハードウエア側の変更の対策が主であっ
た。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明はガスタービン
の予混合燃焼器をはじめ同種の燃焼装置で発生する有害
な燃焼振動の抑制及び振動圧力の低減を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】図１にガスタービン燃焼
器で発生する燃焼振動の代表的な振動モードを模式的に
示した。すなわち、燃焼器の長手方向に圧力分布が存在
する典型的な気柱振動モード（音響学的固有振動）にな
っている。この振動モードの形状からその音響境界条件
は両端固定に近いものと考えられる（１個の振動節を持
つ１次の振動）。燃焼器の出口にはタービン動翼があ
り、ここで作動流体は音速を越えるため音の伝播はこの
点の上流と下流側では干渉は起こらない。従って、燃焼
器の出口部は音響の固定壁とみなせる。一方、燃焼器の
上流側については開口部が多くあるので、下流側ほど明
瞭ではないがほぼ固定壁に近い条件とみなせる。従って
上流側端も燃焼振動モードの圧力の腹（圧力振幅の最大
値）となる。そして、そこが燃焼の発熱部に最も近い位
置になっている。レイリーの発振条件によると圧力のち
ょうど腹（圧力勾配がゼロの点；粒子速度がゼロ）及び
振動の節(圧力がゼロ)では仕事量はゼロとなって発振は
しないがそれ以外の腹と節の間に発熱ゾーンが存在し、
しかも振動圧力の位相と同相で、且つ集中的に燃焼が起
こる程燃焼振動の発振エネルギは高くなる。また燃焼振
動の発振が圧力依存型であるとすると、発振を抑えるた
めには圧力の腹から離れた位置に燃焼ゾーンをもってく
るのがよい。

【００１２】本発明では発熱ゾーンを長手方向並びに燃
焼器の周方向にも変化させて発熱の集中を緩和し、起振
力を分散減少させることを特徴としている。

【００１３】

【作用】発熱ゾーンを燃焼器の長手方向変化させる目的
のために予混合燃焼部のバーナ出口端面の長さを燃焼器
の周方向で違うようにした。また燃焼器の周方向の火炎
パターン、すなわち、燃焼速度が変えられるようにする
ために燃焼ポートを複数個に分割すると共に各燃焼ポー
トの内周側と外周側の燃空比（燃料と空気の重量比）、
すなわち、予混合気の濃度を変えられるように燃料ノズ
ルの外周，内周側の２個のノズル噴孔へ供給する燃料を
個々に制御できるようにした。以上のようなノズル配置
と周方向の燃料濃度の制御によって発熱ゾーンの燃焼器
長手方向への分散が可能となり、かつ燃焼パターンをあ
る程度の範囲で変化できることによって発熱速度に位相
差を持たせることによって燃焼振動の発振を抑制するこ
とが可能となる。

【００１４】

【実施例】本発明の実施例を図１から図４をもって説明
する。図１は本発明と関わりのあるガスタービン燃焼器
内に発生する燃焼振動の代表的な圧力分布（圧力モー
ド）を模式的に示した図である。この振動と関係して燃
焼器の構成について簡単に説明する。燃焼器は外筒１と
ラッパーケイシング２の中に配置されている。上流側に
はパイロットバーナ７や予混合器６などの燃焼に関係す
る部品があり、その下流側に燃焼器ライナ３によって形
成される燃焼室４が続き、さらにその下流側に燃焼ガス
をタービン動翼１４まで輸送するための尾筒５がある。
燃焼器ライナ１部は円筒形状であり、尾筒５は上流側が
円筒で下流側端は円環を燃焼器の本数で等分割した形状
になる。圧縮機デイフューザ１５を通った空気１６はリ
ザーバタンク１７に入り、外筒１と燃焼器ライナ３の環
状通路を通って予混合器６やパイロットバーナ７へ供給
される。

【００１５】１１は燃焼器内に発生する振動燃焼の代表
的な圧力モードである。このモードはいわゆる音響振動
（気柱振動）の両端固定境界における１次の振動に近
い。タービン動翼１４側と予混合器６の出口またパイロ
ットバーナ７付近は振動圧力の腹１２，１２となり、燃
焼室４の内部には振動圧力の節が存在する。予混合器出
口部には保炎器９があり、その近くに集中的な火炎帯１
０が存在する。

【００１６】従来形の燃焼器ではここに示したように燃
焼振動が発振し易い圧力モードの腹１２付近に発熱ゾー
ンがあり、しかも非常に狭い範囲で集中的に燃焼すると
いう燃焼振動発振に好都合な条件が満たされ易い構造で
あった。

【００１７】本発明では、燃焼振動の発生しにくいバー
ナ構造として、図２に示すように、予混合器及びパイロ
ットバーナの出口面を燃焼器の周方向で違えるようにし
て発熱ゾーンを燃焼器長手方向に分散させたことを第１
の特徴とする。最大発熱ゾーンの最大移動幅ｄＬは燃焼
器ライナ３の壁面に対する直角線１９とバーナ端面１８
のなす傾角θを選択することによって自由に設定可能で
ある。また図では予混合器６の出口面とパイロットバー
ナの先端を同一傾斜角上にあるように配置しているが、
その限りではなく、パイロットバーナを予混合器先端す
なわちバーナ端面１８より上流側にも下流側（燃焼側）
へ出したりすることもできる。以上の様なバーナ形状で
従来燃焼方式のように燃焼器の周方向に一様な燃焼火炎
を形成させても十分制振効果は上がるが、さらに制振効
果を上げるには周方向にも火炎パターンを変えられるよ
うにすることである。

【００１８】本発明の第２点は、図２にも示したよう
に、周方向の火炎パターンを違えるように燃焼を制御す
ることができることであ。２０，２０に示した非対称火
炎はその形状が保炎器９に対して外周側と内周側の火炎
パターンが違うことと、燃焼器軸中心２１に対しても非
対称な分布となることを模式的に示している。さらにこ
の詳細を図３で説明する。

【００１９】図３は燃焼器周方向に形成される火炎パタ
ーンの状態をモデル化して示した。ここではパイロット
バーナ７からの火炎は特に示していない。本発明では保
炎器９（ここではリング状の保炎器を示す。）の後方に
できる火炎パターンを以下の方法によって変えられるよ
うにしている。予混合器を周方向に複数個（図には４分
割した状況を示す）に分割しグループ化し、ここに供給
する燃料流量を個別に制御できるようにしてある。即
ち、燃料デバイダ２５によって４分割された予混合器６
に燃料供給口２４を通して送られる。各予混合器に送ら
れる燃料系統はそれぞれ２系統からなる。それは図４に
示すように予混合器に供給される燃料は燃料ノズル８の
２個の噴出孔、すなわち、予混合器の外周側に向かって
設けられた外周側ノズル噴孔２６とこれと対向する位置
に配置された内周側ノズル噴孔２７から噴出しその流量
を別々に変えられる。このため燃料ノズル８の内部は２
本の燃料パス２８，２９が設けられる。

【００２０】このように予混合器内に供給する燃料を２
系統にすることによって予混合器６の外周側と内周側に
形成される予混合気濃度を制御することが可能となり、
これによって保炎器周りに形成される火炎パターンも燃
焼速度の違いによって異なるものとなる。図３は保炎器
９の外周側と内周側にそれぞれ異なったパターンの外周
側火炎２２と内周側火炎２３が周方向に自由に制御でき
る様子を示している。このように、他の予混合器におい
ても同様な燃料制御が行われる。

【００２１】なお、実際の制御は次のように行われるこ
とになる。すなわち、燃焼器運転中の燃焼振動の状態を
圧力センサ３０等を用い観測し、その圧力レベルが燃焼
火炎パターンを変える必要があるか否かを判定器３１で
判断する。必要である場合にはその信号が制御コンピユ
ータ３１に送られる。コンピュータは燃料最適制御器２
３へ指令信号を送ると２３は振動の圧力レベルに従って
予めプログラミングされている燃料配分指令を燃料デバ
インダ２５に送り、最適燃料制御が行われる。このよう
に燃料制御ループを構成することによって燃焼振動発生
を抑制し全燃焼負荷帯で安定した燃焼器運転が確保でき
る。

【００２２】

【発明の効果】本発明では基本的に従来の燃焼器構造の
軽微な変更で燃焼振動を軽減することができる。燃焼振
動のレベルは燃焼器構造体の振動減衰特性によっても異
なり定量的な振動低減率をのべることは難しいが、燃焼
振動の発振が燃焼発熱ゾーンの集中化と圧力変動もしく
は粒子変動と発熱変動の位相関係によって決定されるの
で燃焼器の長手方向と周方向に火炎パターンを変更でき
る本発明においてはまず信頼性の高い振動制御が可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】ガスタービン燃焼器の内部に発生する燃焼振動
の圧力モードを示した説明図。

【図２】本発明の中心をなす図で燃焼振動低減形バーナ
配置を示した説明図。

【図３】燃焼器周方向火炎パターンとその制御方法を示
した説明図。

【図４】燃料ノズルおよび予混合器への燃料噴射状況を
示した説明図。

【符号の説明】

１…外筒、３…燃焼器ライナ、６…予混合器、７…パイ
ロットバーナ、８…燃料ノズル、９…保炎器、１８…バ
ーナ端面、１９…直角線、２０…非対称火炎、２１…燃
焼器軸中心。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ２３Ｒ 3/42 Ｆ２３Ｒ 3/42 Ｚ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガス燃料を燃料とするガスタービン燃焼器
   のバーナ構造に関し、中心部にパイロットバーナその外
   周部に空気とガス燃料を予混合する環状の予混合器、さ
   らにこれに続くバーナ部を持つ２段燃焼バーナの構成に
   於いて、これらパイロットバーナおよび予混合気環状バ
   ーナの先端部の長手方向の位置が周方向で異なるように
   燃焼器のライナ壁に直角に立てた線に対してθの角度を
   なして配置することを特徴とする低燃焼振動形の燃焼器
   バーナ。
2. 【請求項２】環状予混合器バーナ部を複数個に分割し、
   個々のバーナ部に供給する燃料を制御できるようにし、
   さらに予混合器内に配置された２個の噴孔を持つ燃料ノ
   ズルに供給する燃料も別個に制御し予混合器の外周側の
   内周側で予混合気の濃度を変化させることを特徴とする
   低燃焼振動形の燃焼器バーナ。