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JP2010054142A - Combustor - Google Patents

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JP2010054142A
JP2010054142A JP2008220673A JP2008220673A JP2010054142A JP 2010054142 A JP2010054142 A JP 2010054142A JP 2008220673 A JP2008220673 A JP 2008220673A JP 2008220673 A JP2008220673 A JP 2008220673A JP 2010054142 A JP2010054142 A JP 2010054142A
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JP
Japan
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fuel
air hole
air
combustor
hole plate
Prior art date
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Pending
Application number
JP2008220673A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kazuhito Koyama
一仁 小山
Satoshi Momo
聡 百々
Keisuke Miura
圭祐 三浦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a combustor capable of further reducing an NOx emission value. <P>SOLUTION: This combustor is provided with a burner comprising a fuel nozzle jetting fuel, a first air hole plate disposed at a downstream side in the fuel jetting direction with respect to the fuel nozzle, and comprising an air hole for supplying a fuel flow and an air flow to a combustion chamber at the downstream side, and a barrier disposed between the first air hole plate and the combustion chamber as a member independent from the first air hole plate. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃焼器に関する。   The present invention relates to a combustor.

産業用電力を支える発電プラントのひとつに天然ガスや石油などの化石資源を燃料とするガスタービン発電プラントがある。このガスタービン発電プラントは化石資源を燃料とし、地球温暖化物質のひとつである二酸化炭素(CO2)を排出することから、これまで以上に発電効率の向上が求められている。発電効率を高める手段として、ガスタービン燃焼器における燃焼ガスの高温化が挙げられる。しかし、燃焼ガスの高温化に伴い、燃焼排ガス中の環境阻害物質である窒素酸化物(NOx)が指数関数的に増加するため、発電効率を高めながらNOxを低減する対策が重要な技術課題となっている。 One of the power plants that support industrial power is a gas turbine power plant that uses fossil resources such as natural gas and oil as fuel. Since this gas turbine power plant uses fossil resources as fuel and emits carbon dioxide (CO 2 ), which is one of the global warming substances, improvement in power generation efficiency is required more than ever. As means for increasing the power generation efficiency, there is an increase in the temperature of combustion gas in the gas turbine combustor. However, as the combustion gas becomes hot, nitrogen oxides (NOx), which are environmental inhibitors in the combustion exhaust gas, increase exponentially. Therefore, measures to reduce NOx while increasing power generation efficiency are important technical issues. It has become.

そこで、特許文献1には、空気孔を備えた空気孔プレートの上流側に燃料ノズルを配置し、NOxを低減する技術が開示されている。   Therefore, Patent Document 1 discloses a technique for reducing NOx by disposing a fuel nozzle on the upstream side of an air hole plate having air holes.

特開2003−148734号公報JP 2003-148734 A

特許文献1では、空気孔内部において燃料流の外周側を環状の空気流が包み込みながら下流へ流れ、燃焼室に噴出する。そして、燃料流が燃焼室に噴出する際に、空気流と急速混合させることが出来る。   In Patent Document 1, an annular air flow wraps around the outer peripheral side of the fuel flow inside the air hole and flows downstream, and is ejected into the combustion chamber. Then, when the fuel flow is ejected into the combustion chamber, it can be rapidly mixed with the air flow.

但し、燃焼室においても燃料の過濃領域が残ると高温部が形成される。NOxは、温度上昇に伴い指数関数的に増加することから、空気中への燃料分散性をさらに高めて局部的な高温部を形成しないようにして、NOx排出値を低減する必要がある。   However, a high temperature portion is formed when a fuel rich region remains in the combustion chamber. Since NOx increases exponentially as the temperature rises, it is necessary to further improve the fuel dispersibility in the air so as not to form a local high temperature portion and to reduce the NOx emission value.

本発明の目的は、NOx排出値を更に低減できる燃焼器を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a combustor that can further reduce the NOx emission value.

本発明は、燃料を噴出する燃料ノズルと、該燃料ノズルに対し、該燃料噴出方向の下流側に配置され、燃料流及び空気流を下流側の燃焼室に供給する空気孔を備えた第1の空気孔プレートと、該第1の空気孔プレートと前記燃焼室との間に、前記第1の空気孔プレートと別部材の障害物とを備えたバーナを設けたことを特徴とする。   The present invention includes a fuel nozzle that ejects fuel, and a first air hole that is disposed downstream of the fuel nozzle in the fuel ejection direction and supplies a fuel flow and an air flow to a downstream combustion chamber. And a burner provided with the first air hole plate and an obstacle as a separate member between the first air hole plate and the combustion chamber.

本発明によれば、NOx排出値を更に低減できる燃焼器を提供できる。   According to the present invention, a combustor that can further reduce the NOx emission value can be provided.

化石資源を燃料とするガスタービン燃焼器は、発電効率を高めるため、燃焼ガスの高温化を図っている。この燃焼ガスの高温化に伴い、燃焼排ガス中の環境阻害物質である窒素酸化物(NOx)が指数関数的に増加する。そのため、発電効率を高めながらNOxを低減する対策が重要な技術課題となっている。   Gas turbine combustors that use fossil resources as fuel aim to increase the temperature of combustion gases in order to increase power generation efficiency. As the combustion gas increases in temperature, nitrogen oxides (NOx), which are environmental inhibitors in the combustion exhaust gas, increase exponentially. Therefore, a countermeasure for reducing NOx while increasing power generation efficiency is an important technical issue.

NOxを低減させる燃焼方法には、燃料と空気を予め混合させることで燃料・空気濃度を均一化させ、局所的な高温化を避ける予混合燃焼方式がある。しかし、予混合燃焼方式は信頼性に関わる「逆火」、すなわち予混合ガスの上流側に火が戻り燃焼器部材を溶損する可能性がある。そのような逆火を防止する構造として、特許文献1に開示する燃焼器構造がある。特許文献1の燃焼器構造では、燃料ノズル及び空気孔を複数集合化させ、小流量の燃料を供給する燃料ノズルの下流側に、燃料流の周囲に空気流を供給する空気孔を配置する構成である。また、空気孔は空気孔プレートに設けられるともに、前記プレートの半径方向に複数列設けられている。   As a combustion method for reducing NOx, there is a premixed combustion method in which fuel and air concentrations are made uniform by premixing fuel and air to avoid local high temperatures. However, the premixed combustion method has a “backfire” related to reliability, that is, there is a possibility that the fire returns to the upstream side of the premixed gas and the combustor member is melted. As a structure for preventing such backfire, there is a combustor structure disclosed in Patent Document 1. In the combustor structure of Patent Document 1, a plurality of fuel nozzles and air holes are assembled, and an air hole for supplying an air flow around the fuel flow is disposed on the downstream side of the fuel nozzle for supplying a low flow rate fuel It is. The air holes are provided in the air hole plate and are provided in a plurality of rows in the radial direction of the plate.

この燃焼器構造は、燃料流が中心部を流れてその周囲を空気流が流れるため、空気孔内部において完全な予混合ガスとはならず、逆火しにくい特徴を持つ。また、空気孔を複数集合化すること、つまり多数配列することで、空気孔から噴出する燃料を空気中に分散させると共に濃度分布を平坦化して、NOxを低減する構成となっている。しかし、空気孔において完全な予混合ガスにならないため、燃焼室内で燃料と空気の濃度分布を持つガスを燃焼させることになり、NOxが低下しにくい場合がある。   This combustor structure has a feature that the fuel flow flows through the center portion and the air flow flows around the fuel flow, so that it does not become a complete premixed gas inside the air hole and is difficult to backfire. In addition, by arranging a plurality of air holes, that is, by arranging a large number of air holes, the fuel sprayed from the air holes is dispersed in the air and the concentration distribution is flattened to reduce NOx. However, since it does not become a complete premixed gas in the air hole, a gas having a fuel and air concentration distribution is burned in the combustion chamber, and NOx may not easily decrease.

また、前述の燃焼器構造では複数の空気孔を集合化させているが、空気と燃料が合流する個々の合流地点において、基本的な流動形態は拡散方式に近い状態である。そのため、燃焼時に燃料の過濃領域が形成されると、この過濃領域が高温部となる。高温部が形成され温度が上昇すると、指数関数的にNOxが増加することから、空気中への燃料分散性を高めて局部的な高温部を形成しないようにして、NOx排出値を低減することが重要である。   Further, in the above-described combustor structure, a plurality of air holes are aggregated. However, at each merging point where air and fuel merge, the basic flow form is close to the diffusion system. For this reason, when a fuel-rich region is formed during combustion, the fuel-rich region becomes a high-temperature part. When the high temperature part is formed and the temperature rises, the NOx increases exponentially, so the fuel dispersibility in the air is increased so as not to form a local high temperature part, and the NOx emission value is reduced. is important.

また、今後の新設発電プラントに求められているNOx排出レベルはさらに低い一桁台のppm濃度である。そのため、前述の燃焼器構造による逆火の恐れが無い特徴を生かしながら、予混合燃焼方式と同等の燃料と空気の混合促進を図り、更なる低NOx化対策が必要となっている。   In addition, the NOx emission level required for new power plants in the future is a single-digit ppm concentration that is even lower. For this reason, while taking advantage of the above-described characteristic that there is no risk of flashback due to the structure of the combustor, it is necessary to promote the mixing of fuel and air equivalent to the premixed combustion method, and to further reduce NOx.

そこで本発明は、前記燃焼器構造の基本的なノズル配置は変更せずに、空気孔から噴出した燃料と空気の混合流動形態の特徴から、混合機構と混合領域および保炎機構の三点を機能分担させた。これにより、従来に比べてさらに均質な混合ガスを安定に燃焼させることができると共に低NOx化を実現した。   Therefore, the present invention does not change the basic nozzle arrangement of the combustor structure, and the three features of the mixing mechanism, the mixing region, and the flame holding mechanism from the characteristics of the mixed flow mode of fuel and air ejected from the air holes. The function was shared. As a result, a more homogeneous mixed gas can be combusted more stably than before, and a low NOx reduction can be realized.

本発明の実施例1を図1及び図2により説明する。図2(b)は、燃焼器に圧縮空気を供給する圧縮機17と、燃焼器から排出する燃焼ガスにより回転駆動するタービン18、及び燃焼器の断面を示す。図2(b)において、圧縮機17から送られる空気19は、外筒22と燃焼器ライナ21の間を通る。その空気19の一部は、燃焼器ライナ21の冷却空気20として燃焼室15へ流入する。またその空気19の残りは空気供給孔29を通り、燃焼用空気8として空気孔5を経由して下流の燃焼室15側へ導かれる。   A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 2B shows a cross section of the compressor 17 that supplies compressed air to the combustor, the turbine 18 that is rotationally driven by the combustion gas discharged from the combustor, and the combustor. In FIG. 2B, the air 19 sent from the compressor 17 passes between the outer cylinder 22 and the combustor liner 21. A part of the air 19 flows into the combustion chamber 15 as the cooling air 20 of the combustor liner 21. The remainder of the air 19 passes through the air supply hole 29 and is guided to the downstream combustion chamber 15 side as the combustion air 8 via the air hole 5.

本実施例では、燃料7および燃料7aは、制御弁23aを備えた燃料供給系23から分岐されて供給される。つまり、燃料供給系23が第一の燃料供給系24と第二の燃料供給系25の2つに分岐されている。これら第一の燃料供給系24及び第二の燃料供給系25には夫々個別に単独で制御可能な制御弁24a及び制御弁25aが設けられている。制御弁24a及び制御弁25aは、ガスタービンの負荷によって夫々の燃料流量を独立に制御するように構成される。ここで、制御弁24aは周囲の燃料ノズル群の流量が制御でき、制御弁25aは中央部の燃料ノズル群の流量が制御できる。本実施例では中央部の燃料ノズル群とその周囲の燃料ノズル群とに複数に分割し、夫々に対応する燃料供給系統を設け、各々独立に燃料流量を制御できる。   In this embodiment, the fuel 7 and the fuel 7a are branched and supplied from a fuel supply system 23 having a control valve 23a. That is, the fuel supply system 23 is branched into two parts, a first fuel supply system 24 and a second fuel supply system 25. The first fuel supply system 24 and the second fuel supply system 25 are each provided with a control valve 24a and a control valve 25a that can be individually controlled independently. The control valve 24a and the control valve 25a are configured to independently control the respective fuel flow rates according to the load of the gas turbine. Here, the control valve 24a can control the flow rate of the surrounding fuel nozzle group, and the control valve 25a can control the flow rate of the central fuel nozzle group. In this embodiment, the fuel nozzle group is divided into a plurality of fuel nozzle groups in the central portion and the surrounding fuel nozzle groups, and corresponding fuel supply systems are provided so that the fuel flow rate can be controlled independently.

第一の燃料供給系24を流下した燃料7は、燃焼器内の燃料供給管2を流れる。燃料供給管2を流れた燃料7は、燃料分配器3を通じて複数の燃料ノズル4に分散して供給される。同様に、第二の燃料供給系25を流下した燃料7aも、燃焼器内の燃料供給管26より燃料分配器27を経て複数の燃料ノズル28に分散して供給される。これらの燃料ノズル4および燃料ノズル28は、第1の空気孔プレート10に設けられた空気孔5と一対になるように配置されている。燃料7および燃料7aは燃料ノズル4および燃料ノズル28などの噴出孔から空気孔15の内部を流れ、燃焼用空気とほぼ同軸の噴流として下流の混合促進空間6へ流入する。この混合促進空間6は、その外周側をバーナごとに隔壁1で囲まれている。さらに、第1の空気孔プレート10の下流側には、前述の混合促進空間6と燃焼室15とを仕切る障害物が設けられている。この障害物は、図2では第2の空気孔プレート11に相当する。第2の空気孔プレート11には複数の空気孔が設けられており、燃料流と空気流は第2の空気孔プレート11を経由して燃焼室15側に導かれて火炎を形成する。図2(a)のA3断面図は、バーナを複数配置したマルチバーナの正面図であり、7個のバーナ40が平面上に配置され、燃焼器を構成する。発生した高温燃焼ガスは、タービン18へ入り仕事をして排気される。   The fuel 7 that has flowed down the first fuel supply system 24 flows through the fuel supply pipe 2 in the combustor. The fuel 7 that has flowed through the fuel supply pipe 2 is distributed and supplied to the plurality of fuel nozzles 4 through the fuel distributor 3. Similarly, the fuel 7a flowing down the second fuel supply system 25 is also distributed and supplied to a plurality of fuel nozzles 28 via a fuel distributor 27 from a fuel supply pipe 26 in the combustor. The fuel nozzle 4 and the fuel nozzle 28 are arranged so as to be paired with the air hole 5 provided in the first air hole plate 10. The fuel 7 and the fuel 7a flow from the injection holes such as the fuel nozzle 4 and the fuel nozzle 28 through the air hole 15 and flow into the mixing promoting space 6 as a jet substantially coaxial with the combustion air. The mixing promoting space 6 is surrounded by the partition wall 1 on the outer peripheral side for each burner. Further, an obstacle that partitions the mixing promotion space 6 and the combustion chamber 15 is provided on the downstream side of the first air hole plate 10. This obstacle corresponds to the second air hole plate 11 in FIG. The second air hole plate 11 is provided with a plurality of air holes, and the fuel flow and the air flow are guided to the combustion chamber 15 side via the second air hole plate 11 to form a flame. 2A is a front view of a multi-burner in which a plurality of burners are arranged, and seven burners 40 are arranged on a plane to constitute a combustor. The generated high-temperature combustion gas enters the turbine 18 to work and is exhausted.

図1は、本発明を適用した燃焼器において、外周部に配置された1個のバーナ40に着目した図である。簡単のため、図1は30個の空気孔を有したバーナの平面図(A1−A1断面,A2−A2断面)と流れ方向断面図(軸方向断面)を示す。なお、ここでは空気孔の基本形状を円形としているが、円形以外の形状でも成立する。   FIG. 1 is a view focusing on one burner 40 arranged on the outer periphery of a combustor to which the present invention is applied. For the sake of simplicity, FIG. 1 shows a plan view (A1-A1 cross section, A2-A2 cross section) and a flow direction cross section (axial cross section) of a burner having 30 air holes. Here, the basic shape of the air hole is circular, but shapes other than circular may also be established.

図1(a)(b)は2つの空気孔プレートを下流側から見た図であり、図1(c)はバーナをバーナ軸に沿って切断した断面図である。バーナ40の内部には、燃料ノズル4の燃料噴出方向下流側に第1の空気孔プレート10が配置され、一対の燃料ノズル4と空気孔5が第1の空気孔プレート10の半径方向に複数配列されている。また、第1の空気孔プレート10より間隔をあけた下流位置に、第1の空気孔プレート10と別部材であって、空気孔5から噴出した燃料流・空気流が直接燃焼室15に流入することを防ぐ障害物を設けている。この障害物は、第1の空気孔プレート10と燃焼室15との間に設けられているため、空気孔5から噴出した燃料流・空気流が直接燃焼室15に流入することを防ぎ、障害物によって燃料流・空気流をより混合させることが可能である。従って、特許文献1に比べてより均質な燃料濃度の混合ガス13を燃やすことができ、低NOx化が図られる。   FIGS. 1A and 1B are views of two air hole plates viewed from the downstream side, and FIG. 1C is a cross-sectional view of the burner cut along the burner axis. Inside the burner 40, a first air hole plate 10 is disposed downstream of the fuel nozzle 4 in the fuel ejection direction, and a plurality of pairs of fuel nozzles 4 and air holes 5 are provided in the radial direction of the first air hole plate 10. It is arranged. Further, a fuel flow / air flow which is a separate member from the first air hole plate 10 and is ejected from the air hole 5 directly flows into the combustion chamber 15 at a downstream position spaced apart from the first air hole plate 10. There are obstacles to prevent this. Since this obstacle is provided between the first air hole plate 10 and the combustion chamber 15, the fuel flow / air flow ejected from the air hole 5 is prevented from flowing directly into the combustion chamber 15. Depending on the object, it is possible to further mix the fuel flow and air flow. Therefore, it is possible to burn the mixed gas 13 having a more homogeneous fuel concentration than that of Patent Document 1, and to achieve low NOx.

次に、第1の空気孔プレート及び第2の空気孔プレートにおける、燃料流・空気流の流動状態を説明する。図2の空気供給孔29から供給された燃焼用空気8は、燃料ノズル4の周囲空間に流入したのち、空気孔5の内部に流入する。一方、燃料7は燃料供給管2から燃料分配器3を経由して燃料ノズル4から放出される。燃料ノズル4から放出された燃料7は、第1の空気孔プレート10の入口部において燃焼用空気8と合流し、空気孔5の内部に流入する。燃焼用空気8と燃料7は、狭い空間の空気孔5に流入することで、燃料ノズル4の端面下流に形成される渦流によって混合される。そして、燃料7は空気孔5より広い空間の混合促進空間6に流出することで、燃焼用空気に燃料が拡散される。   Next, the flow state of the fuel flow / air flow in the first air hole plate and the second air hole plate will be described. The combustion air 8 supplied from the air supply hole 29 in FIG. 2 flows into the space around the fuel nozzle 4 and then flows into the air hole 5. On the other hand, the fuel 7 is discharged from the fuel nozzle 4 via the fuel distributor 3 from the fuel supply pipe 2. The fuel 7 discharged from the fuel nozzle 4 merges with the combustion air 8 at the inlet of the first air hole plate 10 and flows into the air holes 5. Combustion air 8 and fuel 7 are mixed by a vortex formed downstream of the end face of fuel nozzle 4 by flowing into air hole 5 in a narrow space. The fuel 7 flows out into the mixing promotion space 6 wider than the air hole 5, so that the fuel is diffused into the combustion air.

図1に示すように、第1の空気孔プレート10を出て混合促進空間6に流入した混合ガス13は、続いて第2の空気孔プレート11に設けられた空気孔12および14を通り燃焼室15内に流入する。なお、空気孔12はバーナ中心から1列目・2列目の空気孔であり、空気孔14はバーナ中心から3列目の空気孔を示す。そして、点火装置(図示せず)によって燃焼室15内の混合ガス13を着火させ、より均一な温度の火炎が形成されることでNOxの発生量が低減される。   As shown in FIG. 1, the mixed gas 13 that has exited the first air hole plate 10 and entered the mixing promotion space 6 subsequently burns through the air holes 12 and 14 provided in the second air hole plate 11. It flows into the chamber 15. The air holes 12 are air holes in the first and second rows from the burner center, and the air holes 14 are air holes in the third row from the burner center. Then, the mixed gas 13 in the combustion chamber 15 is ignited by an ignition device (not shown), and a flame with a more uniform temperature is formed, thereby reducing the amount of NOx generated.

ここで、図1に示した燃料7と燃焼用空気8の混合に必要な最少距離Lは、噴流の渦崩壊が起きて混合が促進される距離である。この「混合促進距離」について非定常乱流解析を行った結果、空気孔5の単一孔径φ8mmに対して、空気孔5の出口より20mm下流側にて渦崩壊による混合が急速に進むことが分かった。したがって、上記空気孔5の出口端面と第2の空気孔プレート11の入口端面との間隔(即ち、第1の空気孔プレート10と障害物との間隔)は、空気孔5の単一孔径の2.5倍(=20mm/8mm)以上が好ましい。但し、「混合促進距離」を長く取ることで混合促進が可能である一方、燃焼器全長は長くなる。そのため、前記間隔の最大値は、設計上許容される燃焼器全長により求めることが可能である。このように、本実施例では、空気孔5の内部で燃料7と燃焼用空気8を合流させた後、混合促進空間6内にて渦崩壊が開始する距離L以上滞留させて混合促進させる。   Here, the minimum distance L necessary for mixing the fuel 7 and the combustion air 8 shown in FIG. 1 is a distance at which mixing is promoted by the vortex breakdown of the jet. As a result of the unsteady turbulent flow analysis for this “mixing promotion distance”, the mixing by vortex breakdown rapidly proceeds 20 mm downstream from the outlet of the air hole 5 with respect to the single hole diameter φ8 mm of the air hole 5. I understood. Therefore, the distance between the outlet end face of the air hole 5 and the inlet end face of the second air hole plate 11 (that is, the distance between the first air hole plate 10 and the obstacle) is equal to the single hole diameter of the air hole 5. It is preferably 2.5 times (= 20 mm / 8 mm) or more. However, while the mixing promotion is possible by taking a long “mixing promotion distance”, the total length of the combustor becomes long. Therefore, the maximum value of the interval can be obtained from the total length of the combustor allowed in design. As described above, in this embodiment, after the fuel 7 and the combustion air 8 are merged inside the air hole 5, the mixing is promoted by staying in the mixing promoting space 6 for a distance L at which vortex breakdown starts.

混合促進後の混合ガス13は、燃焼安定化を図るための旋回角を有する空気孔12を設けた第2の空気孔プレート11によって、旋回流となって燃焼室15内にて安定火炎を形成する。   The mixed gas 13 after the mixing is promoted is swirled to form a stable flame in the combustion chamber 15 by the second air hole plate 11 provided with the air holes 12 having a swirl angle for stabilizing the combustion. To do.

図1のA1−A1断面図およびA2−A2断面図に示したように、第1の空気孔プレート10の空気孔5は、燃料7と燃焼用空気8を合流させることが基本的な機能であるため無旋回で良い(もちろん旋回有りでも構わない)。また、第2の空気孔プレート11の空気孔は、混合促進空間6で混合された混合ガス13に旋回をかけて火炎形成の安定化を図るために、本実施例では中央部分1列目及び2列目の空気孔12に旋回角を設けている。具体的には、空気孔12のうち、内周側1列目の旋回角は、空気孔の軸をバーナの軸中心方向に傾斜させている。そして、内周側2列目の旋回角は、空気孔の軸をバーナの軸中心方向に傾斜させると共に、バーナの軸中心に対して周方向に傾斜させている。このように、空気孔12の軸をバーナ中心軸に対して傾斜させることによって、混合ガス13が空気孔12を出た直後に混合ガス13の流れが交差し、内部に渦流を伴う三角錐形状の流動形態を経た後、流体のねじれ作用によりほぼ円錐形状の流動形態を作る。この円錐形状の流れは、その内部のねじれ作用による旋回流と、流れの急拡大作用によって中心部圧力が低下し循環流が形成されることで保炎機能が得られる。   As shown in the A1-A1 sectional view and the A2-A2 sectional view of FIG. 1, the basic function of the air holes 5 of the first air hole plate 10 is to join the fuel 7 and the combustion air 8 together. There is no need to turn (because of course turning). In addition, the air holes of the second air hole plate 11 swirl the mixed gas 13 mixed in the mixing promotion space 6 to stabilize the formation of the flame. A turning angle is provided in the air holes 12 in the second row. Specifically, among the air holes 12, the turning angle in the first row on the inner circumferential side is such that the axis of the air holes is inclined toward the axial center of the burner. The turning angle in the second row on the inner circumferential side is such that the axis of the air hole is inclined in the axial center direction of the burner and is inclined in the circumferential direction with respect to the axial center of the burner. Thus, by inclining the axis of the air hole 12 with respect to the burner central axis, the mixed gas 13 intersects immediately after the mixed gas 13 exits the air hole 12, and a triangular pyramid shape with a vortex inside is obtained. After passing through the flow form, a substantially conical flow form is created by the twisting action of the fluid. This conical flow has a flame holding function by a swirling flow caused by its internal twisting action and a central flow pressure that is reduced by a rapid expansion action of the flow to form a circulating flow.

なお、本実施例では第2の空気孔プレート11の中央部分に位置する12個の空気孔12(バーナ内周側1列目及び2列目)を旋回孔としたが、バーナ内周側3列目の空気孔14も旋回孔として構成した場合も同様の効果がある。   In the present embodiment, the twelve air holes 12 (first and second rows on the burner inner peripheral side) located in the center portion of the second air hole plate 11 are swivel holes. The same effect can be obtained when the air holes 14 in the row are also configured as swirl holes.

本実施例は、第1の空気孔プレート10と混合促進空間6によって燃料7と燃焼用空気8の混合が充分促進されたのちの混合ガス13を第2の空気孔プレート11から燃焼室15に導いて燃焼させるので、特許文献1に比べてより均質な燃料濃度の混合ガス13を燃やすことができ、低NOx化が図られる。また、本実施例では、より均質な燃料濃度の混合ガスを燃焼させるので、火炎温度むらが少なく、使用金属部材の熱的な信頼性を向上できると共に、火炎が近くに形成されない第1の空気孔プレート10を従来よりも耐熱性の低い廉価な材料で構成できる効果もある。   In this embodiment, the mixed gas 13 after the mixing of the fuel 7 and the combustion air 8 is sufficiently promoted by the first air hole plate 10 and the mixing promotion space 6 is transferred from the second air hole plate 11 to the combustion chamber 15. Since the gas is guided and burned, it is possible to burn the mixed gas 13 having a more uniform fuel concentration as compared with Patent Document 1, and to achieve low NOx. Further, in the present embodiment, since the mixed gas having a more homogeneous fuel concentration is burned, there is little flame temperature unevenness, the thermal reliability of the metal member used can be improved, and the first air in which no flame is formed nearby. There is also an effect that the hole plate 10 can be made of an inexpensive material having lower heat resistance than the conventional one.

図3は実施例2におけるバーナ40の軸方向断面図と半径方向断面図である。実施例1と異なる部分の構成と作用について説明する。構成上で異なる点は、第2の空気孔プレート11において、空気孔12と14からなる合計30個の空気孔に替えて旋回羽30を設けたことにある。すなわち、実施例1の第2の空気孔プレート11を旋回プレートに置き換えた構造である。具体的には、バーナ40の中心軸部分に円形スペーサ31を設け、その円形スペーサ31とバーナ40の隔壁1との間に矩形梁16を半径方向に16本橋渡しして、かつその16本の矩形梁16の各上流側に傾斜した旋回羽30を設けたことを特徴とする。図3(a)のB−B断面図には時計回りに旋回する旋回羽30を記載しているが、反時計回りでも同様な効果を有する。   FIG. 3 is an axial sectional view and a radial sectional view of the burner 40 in the second embodiment. The configuration and operation of parts different from the first embodiment will be described. The difference in configuration is that the second air hole plate 11 is provided with swirl vanes 30 instead of a total of 30 air holes consisting of air holes 12 and 14. That is, the second air hole plate 11 of the first embodiment is replaced with a swivel plate. Specifically, a circular spacer 31 is provided in the central axis portion of the burner 40, and 16 rectangular beams 16 are bridged in the radial direction between the circular spacer 31 and the partition wall 1 of the burner 40, and the 16 A feature is that a swirling wing 30 is provided on each upstream side of the rectangular beam 16. The BB cross-sectional view of FIG. 3A shows the swirl vane 30 that swivels clockwise, but the same effect can be obtained even in the counterclockwise direction.

混合促進空間6において混合された燃料7と燃焼用空気8の混合ガス13は、旋回羽30を通過することにより、回転力を得る。また、混合ガス13は複数の矩形梁16の隙間から燃焼室15に流入する。旋回プレートの中心軸部分に設けた円形スペーサ31はある程度の断面積を有しており、混合ガス13の旋回流によって形成される燃焼室15内の循環流を中心軸部分で受け止めて燃焼を安定化させる働きがある。また、矩形梁16も、その後流側に形成される渦流によって混合ガス13の燃焼を安定化させる効果を有する。   The mixed gas 13 of the fuel 7 and the combustion air 8 mixed in the mixing promotion space 6 obtains a rotational force by passing through the swirl vanes 30. Further, the mixed gas 13 flows into the combustion chamber 15 through the gaps between the plurality of rectangular beams 16. The circular spacer 31 provided in the central shaft portion of the swirl plate has a certain cross-sectional area, and the circulation flow in the combustion chamber 15 formed by the swirl flow of the mixed gas 13 is received by the central shaft portion to stabilize combustion. There is a function to make it. The rectangular beam 16 also has an effect of stabilizing the combustion of the mixed gas 13 by the vortex formed on the downstream side.

本実施例では、図1の実施例と比較して次の効果がある。第一に、本実施例の旋回プレートにより、燃焼室15内における混合ガス13の流動において、さらに強い旋回流を形成することができ、さらなる混合促進により低NOx化が可能となる。第二に、混合ガス13全体の旋回力によって燃焼室15内に形成される軸方向の循環流も強化されるため、燃焼安定性を向上させることができる。第三に、本旋回プレート構造によれば、円形スペーサ31を介してすべての矩形梁16と連結しているため、火炎も連結して形成され燃焼安定性を向上させることができる。   The present embodiment has the following effects compared to the embodiment of FIG. First, the swirl plate of the present embodiment can form a stronger swirl flow in the flow of the mixed gas 13 in the combustion chamber 15, and can further reduce NOx by further promoting the mixing. Secondly, since the axial circulation flow formed in the combustion chamber 15 is also strengthened by the swirl force of the entire mixed gas 13, the combustion stability can be improved. Thirdly, according to the swivel plate structure, since it is connected to all the rectangular beams 16 via the circular spacer 31, it is formed by connecting the flames, and the combustion stability can be improved.

本実施例においても、図3の燃焼器構造にて、より均質な燃料濃度の混合ガスを燃焼させるので、火炎温度むらが少なく、使用金属部材の熱的な信頼性を向上できる。また、火炎が近くに形成されない第1の空気孔プレート10を従来よりも耐熱性の低い廉価な材料で構成できる効果もある。   Also in this embodiment, since the mixed gas having a more uniform fuel concentration is burned in the combustor structure of FIG. 3, there is little unevenness in the flame temperature, and the thermal reliability of the metal member used can be improved. In addition, there is an effect that the first air hole plate 10 in which the flame is not formed nearby can be made of an inexpensive material having lower heat resistance than the conventional one.

図4は実施例3におけるバーナ40の軸方向断面図と半径方向断面図である。実施例1と異なる部分の構成と作用について説明する。構成上で異なる点は、第2の空気孔プレート11において、空気孔12と14の合計30個に替えて流体内障害物である中心部ブラフボディ32と外周ブラフボディ33を設けたことにある。具体的には、バーナの中心軸部分に円形状の中心部ブラフボディ32を設けると共に、その中心部ブラフボディ32から一定の距離を置いてリング状の外周ブラフボディ33を配置し、両ブラフボディ32と33とを支持ステー34にてバーナの隔壁に取り付けている。   FIG. 4 is an axial sectional view and a radial sectional view of the burner 40 in the third embodiment. The configuration and operation of parts different from the first embodiment will be described. The difference in configuration is that the second air hole plate 11 is provided with a central bluff body 32 and an outer peripheral bluff body 33 which are obstacles in the fluid in place of a total of 30 air holes 12 and 14. . Specifically, a circular central bluff body 32 is provided at the central axis portion of the burner, and a ring-shaped outer peripheral bluff body 33 is arranged at a certain distance from the central bluff body 32, and both bluff bodies are arranged. 32 and 33 are attached to the partition wall of the burner by a support stay 34.

図4のC−C断面図および軸方向断面図には、十字の支持ステー34に両ブラフボディ32と33を載せて、燃焼室15側へ両ブラフボディ32と33の端面が同一平面となるように配置した構成を示した。両ブラフボディ32と33は共に軸方向断面が三角形状である。なお、両ブラフボディ32と33の端面は、必ずしも同一平面である必要はなく、また、両ブラフボディ32と33の断面形状も流線形で構成されても良い。混合促進空間6において混合された燃料7と燃焼用空気8の混合ガス13は、支持ステー34を通過した直後に先鋭形状の両ブラフボディ32と33に沿って流れ、燃焼室15に流入する。先鋭形状の両ブラフボディ32と33に沿って流れた混合ガス13は、両ブラフボディ32と33を通過直後に両ブラフボディ32と33の後流に形成される渦流に巻き込まれながら撹拌される。   In the CC sectional view and the axial sectional view of FIG. 4, both the bluff bodies 32 and 33 are placed on the cross support stay 34, and the end surfaces of both the bluff bodies 32 and 33 are flush with the combustion chamber 15. The arrangement arranged as shown is shown. Both the bluff bodies 32 and 33 have a triangular cross section in the axial direction. Note that the end faces of both the bluff bodies 32 and 33 are not necessarily the same plane, and the cross-sectional shapes of both the bluff bodies 32 and 33 may be streamlined. The mixed gas 13 of the fuel 7 and the combustion air 8 mixed in the mixing promotion space 6 flows along the sharp bluff bodies 32 and 33 immediately after passing through the support stay 34 and flows into the combustion chamber 15. The mixed gas 13 that has flowed along both the sharp-shaped bluff bodies 32 and 33 is stirred while being caught in a vortex formed in the wake of both the bluff bodies 32 and 33 immediately after passing through both the bluff bodies 32 and 33. .

この両ブラフボディ32と33の後流渦によって、燃焼安定性が向上する。また、支持ステーにより両ブラフボディ32と33が連結されていることで、金属部材のホットスポットを緩和し、信頼性を高める効果を有する。   Combustion stability is improved by the wake vortex of both the bluff bodies 32 and 33. Further, since both the bluff bodies 32 and 33 are connected by the support stay, the hot spots of the metal member are alleviated and the reliability is improved.

本実施例では、図1の実施例と比較して次の効果がある。第一に、流体内障害物である両ブラフボディ32と33により、定常的に安定した後流渦を形成することができ、保炎性が高められる。第二に、燃焼器の流路断面積を両ブラフボディ32と33の各端面の面積によって変えることが容易であるので、燃焼器の圧力損失を変更する場合、構造的に対応し易い利点がある。また、図1の場合よりも、燃焼室15内の流れが複雑でないため、燃焼振動などの不安定現象が発生した場合、対応し易い利点もある。   The present embodiment has the following effects compared to the embodiment of FIG. Firstly, the vortex steadily and stably can be formed by both the bluff bodies 32 and 33 which are obstacles in the fluid, and the flame holding property is improved. Secondly, since it is easy to change the cross-sectional area of the flow path of the combustor depending on the area of each end face of both the bluff bodies 32 and 33, there is an advantage that it is easy to cope structurally when changing the pressure loss of the combustor. is there. Further, since the flow in the combustion chamber 15 is less complicated than in the case of FIG. 1, there is an advantage that it is easy to cope with an unstable phenomenon such as combustion vibration.

本実施例においても、図4の燃焼器構造により、火炎が第1の空気孔プレート10に付着しないので、第1の空気孔プレート10の温度上昇が抑えられて信頼性を向上できると共に、第1の空気孔プレート10として耐熱性の低い廉価な材料を用いることができる。   Also in this embodiment, since the flame does not adhere to the first air hole plate 10 by the combustor structure of FIG. 4, the temperature rise of the first air hole plate 10 can be suppressed and the reliability can be improved. An inexpensive material with low heat resistance can be used for the one air hole plate 10.

図5は実施例4におけるバーナの軸方向断面図と半径方向断面図である。実施例1と異なる部分の構成と作用について説明する。構成上で異なる点は、第2の空気孔プレート11において、空気孔12と14の合計30個に替えて格子型プレート35を設けたことにある。具体的には、矩形空気孔36を一定距離間隔で配置した金属プレートをバーナの隔壁に取り付けている。図5のD−D断面図および軸方向断面図には、矩形空気孔36の配置として点対称および線対称となる構成を示した。これは燃焼室15の空間に対して混合ガス13を均等分配したものである。混合促進空間6において混合された燃料7と燃焼用空気8の混合ガス13は、格子型プレート35の矩形空気孔36を通過したのち燃焼室15に流入する。矩形空気孔36のコーナー部分の流速は中心部分よりも遅くなると共に、矩形空気孔36を出た直後の混合ガス13は格子型プレート35の閉塞部分にて渦流を作り、燃焼安定性に寄与する流れを形成する。この格子型プレート35は、矩形空気孔36を縦横に均等配置できることから、火炎が均一化し、金属部材への熱負荷も均等化することで、熱的信頼性を高める効果を有する。   FIG. 5 is an axial sectional view and a radial sectional view of the burner in the fourth embodiment. The configuration and operation of parts different from the first embodiment will be described. The difference in configuration is that the second air hole plate 11 is provided with a lattice-type plate 35 in place of 30 air holes 12 and 14 in total. Specifically, a metal plate having rectangular air holes 36 arranged at regular intervals is attached to the partition wall of the burner. In the DD cross-sectional view and the axial cross-sectional view of FIG. 5, the arrangement of the pointed and line symmetric as the arrangement of the rectangular air holes 36 is shown. In this case, the mixed gas 13 is evenly distributed to the space of the combustion chamber 15. The mixed gas 13 of the fuel 7 and the combustion air 8 mixed in the mixing promotion space 6 passes through the rectangular air holes 36 of the lattice plate 35 and then flows into the combustion chamber 15. The flow velocity at the corner portion of the rectangular air hole 36 becomes slower than that at the central portion, and the mixed gas 13 immediately after exiting the rectangular air hole 36 creates a vortex at the closed portion of the lattice plate 35 and contributes to combustion stability. Form a flow. Since the rectangular air holes 36 can be evenly arranged in the vertical and horizontal directions, the lattice plate 35 has the effect of increasing the thermal reliability by equalizing the flame and equalizing the heat load on the metal member.

本実施例では、図1の実施例と比較して次の効果がある。第一に、その形状の特質から、矩形空気孔の配置および配列に自由度が高く、火炎形状を制御することが可能となり、金属部材の熱負荷設計を行い易い。第二に、空気孔の流路断面積を矩形空気孔の寸法や個数によって変えることが容易であるので、燃焼器の圧力損失を変更する場合、構造的に対応し易い利点がある。第三に、旋回角を有しない格子型プレートは鋳物で製作し易いため、コスト面で安価にできる利点がある。   The present embodiment has the following effects compared to the embodiment of FIG. First, due to its shape characteristics, it has a high degree of freedom in the arrangement and arrangement of the rectangular air holes, it becomes possible to control the flame shape, and it is easy to design the heat load of the metal member. Secondly, since it is easy to change the cross-sectional area of the air holes depending on the size and number of the rectangular air holes, there is an advantage that the structure can be easily handled when the pressure loss of the combustor is changed. Thirdly, since the lattice-type plate having no swivel angle is easy to manufacture with a casting, there is an advantage that the cost can be reduced.

本実施例においても、図5の燃焼器構造により、火炎が第1の空気孔プレート10に付着しないので、第1の空気孔プレート10の温度上昇が抑えられて信頼性を向上できると共に、第1の空気孔プレート10として耐熱性の低い廉価な材料を用いることができる。   Also in the present embodiment, the flame does not adhere to the first air hole plate 10 by the combustor structure of FIG. 5, so that the temperature rise of the first air hole plate 10 can be suppressed and the reliability can be improved. An inexpensive material with low heat resistance can be used for the one air hole plate 10.

燃焼器の実施例を示した構造図(実施例1)である。It is the structure figure (Example 1) which showed the Example of the combustor. 燃焼器断面及び圧縮機とタービンの系統を示した図である。It is the figure which showed the combustor cross section and the system of a compressor and a turbine. 燃焼器の別の実施例を示した構造図(実施例2)である。It is the structure figure (Example 2) which showed another Example of the combustor. 燃焼器の別の実施例を示した構造図(実施例3)である。It is the structure figure (Example 3) which showed another Example of the combustor. 燃焼器の別の実施例を示した構造図(実施例4)である。It is the structure figure (Example 4) which showed another Example of the combustor.

符号の説明Explanation of symbols

1 隔壁
2,26 燃料供給管
3,27 燃料分配器
4,28 燃料ノズル
5,12,14 空気孔
6 混合促進空間
7,7a 燃料
8,19 空気
10 第1の空気孔プレート
11 第2の空気孔プレート
13 混合ガス
15 燃焼室
16 矩形梁
17 圧縮機
18 タービン
20 冷却空気
21 燃焼器ライナ
22 外筒
23 燃料供給系
24 第一の燃料供給系
25 第二の燃料供給系
23a,24a,25a 制御弁
29 空気供給孔
30 旋回羽
31 円形スペーサ
32 中心部ブラフボディ
33 外周ブラフボディ
34 支持ステー
35 格子型プレート
36 矩形空気孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Partition 2, 26 Fuel supply pipe 3, 27 Fuel distributor 4, 28 Fuel nozzle 5, 12, 14 Air hole 6 Mixing promotion space 7, 7a Fuel 8, 19 Air 10 1st air hole plate 11 2nd air Hole plate 13 Gas mixture 15 Combustion chamber 16 Rectangular beam 17 Compressor 18 Turbine 20 Cooling air 21 Combustor liner 22 Outer cylinder 23 Fuel supply system 24 First fuel supply system 25 Second fuel supply systems 23a, 24a, 25a Control Valve 29 Air supply hole 30 Swivel blade 31 Circular spacer 32 Central bluff body 33 Outer peripheral bluff body 34 Support stay 35 Grid plate 36 Rectangular air hole

Claims (7)

燃料を噴出する燃料ノズルと、
該燃料ノズルに対し、該燃料噴出方向の下流側に配置され、燃料流及び空気流を下流側の燃焼室に供給する空気孔を備えた第1の空気孔プレートと、
該第1の空気孔プレートと前記燃焼室との間に、前記第1の空気孔プレートと別部材の障害物とを備えたバーナを設けたことを特徴とする燃焼器。
A fuel nozzle for ejecting fuel;
A first air hole plate that is disposed downstream of the fuel nozzle in the fuel ejection direction and includes air holes for supplying a fuel flow and an air flow to a downstream combustion chamber;
A combustor provided with a burner provided with the first air hole plate and an obstacle as a separate member between the first air hole plate and the combustion chamber.
請求項1記載の燃焼器であって、
前記第1の空気孔プレート及び前記障害物の間隔が、前記空気孔の孔径の2.5倍以上であることを特徴とする燃焼器。
A combustor according to claim 1,
The combustor, wherein a distance between the first air hole plate and the obstacle is at least 2.5 times a diameter of the air hole.
請求項1又は2記載の燃焼器であって、
前記障害物は空気孔を設けた第2の空気孔プレートにより構成され、
前記第2の空気孔プレートに設けられた空気孔の軸を前記燃焼器の軸中心に対して周方向に傾斜させることを特徴とする燃焼器。
The combustor according to claim 1 or 2, wherein
The obstacle is constituted by a second air hole plate provided with air holes,
A combustor, wherein an axis of an air hole provided in the second air hole plate is inclined in a circumferential direction with respect to an axial center of the combustor.
請求項1又は2記載の燃焼器であって、
前記障害物は空気孔を設けた第2の空気孔プレートにより構成され、
前記第2の空気孔プレートに設けられた空気孔の軸を前記燃焼器の軸中心方向に傾斜させることを特徴とする燃焼器。
The combustor according to claim 1 or 2, wherein
The obstacle is constituted by a second air hole plate provided with air holes,
A combustor, wherein an axis of an air hole provided in the second air hole plate is inclined toward an axial center of the combustor.
請求項1又は2記載の燃焼器であって、
前記障害物は旋回羽により構成されることを特徴とする燃焼器。
The combustor according to claim 1 or 2, wherein
The combustor characterized in that the obstacle is constituted by swirl feathers.
請求項1又は2記載の燃焼器であって、
前記障害物は流路内障害物(ブラフボディ)により構成されることを特徴とする燃焼器。
The combustor according to claim 1 or 2, wherein
The combustor characterized in that the obstacle is constituted by an obstruction (bluff body) in a flow path.
請求項1又は2記載の燃焼器であって、
前記障害物は格子型プレートにより構成されることを特徴とする燃焼器。
The combustor according to claim 1 or 2, wherein
The combustor is characterized in that the obstacle is constituted by a lattice plate.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2014122723A (en) * 2012-12-20 2014-07-03 Hitachi Ltd Burner
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