JP2878831B2 - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は産業用ガスタービン燃焼器に係り、特に排気
ガス中のNO_x濃度の低い完全予混合型のリング状保炎器
を有する低NO_xガスタービン燃焼器に関する。

［従来の技術］ 従来の予混合型のリング状保炎器を有する低NO_xガス
タービン燃焼器の概要を第４図（ａ）〜（ｃ）および第
５図により説明する。

第４図（ａ）〜（ｃ）は従来のガスタービン燃焼器を
例示する予混合気体燃焼器の火炎状況の説明図である。
第４図（ａ）〜（ｃ）において、ガスタービン燃焼器１
は円筒型燃焼室2,2′から成り、圧縮機から供給された
高圧空気を燃焼器１に導き、燃料系統200,201,202より
燃焼器１に供給される燃料を燃焼させる。燃焼器１は円
筒形であって１段目燃焼器筒12と２段目燃焼器筒３が接
続されている。１段目燃焼器筒12には１段目燃料ノズル
20が取り付けられており、２段目燃焼器筒３には複数の
２段目燃料ノズル11が設けられている。２段目燃焼器筒
３の２段目燃料ノズル11の横には空気流入口７があり、
ここで燃料ノズル11からの燃料と空気102が混合される
が、これを予混合器６と呼んでいる。２段目燃焼器筒３
には予混合器６の流出部下流に燃焼器１下流方向に径が
縮小して延び、その端部において径が急拡大するリング
状の保炎器４が設けられている。

このガスタービン燃焼器１の動作を次に説明する。ま
ず第４図（ａ）において、空気孔15,16等より空気103〜
106を流入させると共に第１段目燃料系統200と補助バー
ナ燃料系統201の燃料を第１段目燃料ノズル20と補助バ
ーナノズル21より投入して点火させるとその時の火炎状
態は第４図（ａ）に示すようになる。ついで第４図
（ｂ）において、上記第４図（ａ）の火炎状態でガスタ
ービンが運転されてある負荷に到達した段階で２段目燃
焼器筒３への点火が行なわれると２段燃焼切換後の火炎
形成状況は第４図（ｂ）に示すようになる。すなわち２
段目燃料系統202の２段目燃料ノズル11からの燃料は予
混合室６において２段目燃料空気102と混合し、２段目
予混合気流402として２段目燃焼室２′へ供給され、こ
れが１段目燃焼火炎501により着火されて２段目燃焼火
炎502となる。ここに保炎器４を設けることによって２
段目燃料濃度が薄くても安定燃焼し、さらに１段目燃焼
火炎501が消炎しても２段目燃焼火炎502単独で安定燃焼
させられる。つぎに第４図（ｃ）において、補助バーナ
21から供給していた補助バーナ燃料系統201の燃料を停
止させ、この燃料分を第１段目燃料系統200へ合流して
供給する。すなわち補助バーナ火炎500を消化し、１段
目燃焼火炎501の１段目燃焼室２における保炎作用をな
くすことにより１段目燃焼火炎501を下流に流して、第
４図（ｃ）に示すように流れ401により２段目燃焼室
２′内に形成されている２段目燃焼火炎501′によって
保炎させて燃焼させるものである。

第５図は第４図（ａ）〜（ｃ）の保炎器４の構造と正
常燃焼火炎502状況を示す詳細図である。第５図におい
て、上記のように第４図（ａ）〜（ｃ）の３段階の燃焼
過程で重要な役割を果たしているのが２段目燃料ノズル
11の下流に設けられている保炎器４であって、これを設
けることによって上記第４図（ｂ），（ｃ）の第２段階
や第３段階の安定燃焼を確保するとともにNO_x濃度を減
少させる役目を有している。この保炎器４の詳細形状は
第５図のように予混合器６の出口下流側において予混合
流体402の流れをさえぎるように内壁９により流路をせ
ばめた後に端面８により急激に流路を広げた円筒形の軸
対称構造となっている。第４図（ｂ），（ｃ）および第
５図に示したように燃焼器１の２段目燃焼火炎502は保
炎器４の下流側に位置しており、通常の燃焼では高温の
火炎が接触するのは端面８だけであって、内壁９に接触
しているのは２段目燃料ノズル11からの燃料と空気孔７
からの燃料用空気102が混合した予混合流体402で比較的
低温の流体である。

なおこの種の装置として関連するものには例えば特開
平２−40418号公報等が挙げられる。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来技術は燃焼器１の運転中に常に第５図に示し
たような２段目燃焼火炎502の火炎状態をしているので
はなく、制御系統の変動による燃焼火炎502のゆらぎ等
によって燃焼火炎が巻き込まれることがある。

第６図（ａ），（ｂ）は第４図（ｂ），（ｃ）の正常
燃焼時と火炎巻き込み時の火炎状況の相違を示す詳細図
である。第６図（ａ），（ｂ）において第６図（ａ）は
第５図と同様に正常燃焼時の２段目燃焼火炎502が保炎
器４の下流側に位置している。しかし第６図（ｂ）は火
炎のゆらぎ等により保炎器４と予混合器６の間にまで２
段目燃焼火炎502′が巻き込まれることがある。その結
果から制御系統のゆらぎにより第６図（ａ）に示した正
常燃焼と第６図（ｂ）に示した火炎巻き込み時の火炎状
況が繰り返されることになる。その結果で火炎器４の内
部に温度分布が発生する。

第７図（ａ），（ｂ）は第６図（ａ），（ｂ）の正常
燃焼時と火炎巻き込み時に発生する火炎器４内部の温度
分布例図である。第６図（ａ）において正常燃焼時には
保炎器４の下流側端面８に火炎502が接し、内壁９には
予混合流体402が接触し、さらに外壁10には冷却空気が
存在するために冷却されることになる。その結果で保炎
器４の温度は先端部Ａが最も高くなるが外壁10および内
壁９が冷却されるためにメタル温度Tmetalは火炎温度T_s
の1/2以下に冷却されている。しかし第６図（ｂ）にお
いて火炎巻き込み時には保炎器４の内壁９にも火炎50
2′が接することになり、先端部Ａは周囲が火炎502′の
中におかれることになる。その結果で先端部Ａのメタル
温度Tmetalは火炎温度T_sの60％程度を示すようになり、
異常に昇温して保炎器４の材料の劣化をまねくことにな
る。さらにガスタービンの起動と停止に伴う燃焼器１の
着火により第７図（ａ），（ｂ）のような保炎器４の温
度分布が発生して消火により冷却される。これの繰返し
により発生する繰返し熱応力によって熱疲労き裂が発生
して進展する結果、保炎器４の破損をまねきプラントに
重大な損傷をきたす。また火炎のゆらぎにより第７図
（ａ），（ｂ）に示した正常燃焼と火炎巻き込み燃焼に
よる保炎器４の温度分布が繰り返された場合にも繰返し
熱応力が発生し、これにより熱疲労き裂が発生して進展
することになる。この火炎ゆらぎによる熱応力の繰返し
回数は起動と停止に伴う熱応力の繰返しようも頻度が高
く、保炎器の寿命には大きな損傷を与えると考えられ
る。

上記のような従来のガスタービン燃焼器において低NO
_x化のために不可欠な保炎器が正常燃焼時にも大きな温
度分布による熱応力が発生し、さらに火炎巻き込み時に
は温度が異常に上昇して材料の劣化を生じさせるととも
に大きな熱応力を生じさせる結果、保炎器に損傷を与え
るという問題があった。

本発明の保炎器の信頼性を確保するために保炎器の温
度分布を少なくして発生する熱応力を低減させるととも
に、火炎巻き込み時にも材料が劣化するような高温には
昇温せずしかも低熱応力な構造の保炎器を有するガスタ
ービン燃焼器を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明のガスタービン燃
焼器は従来構造の保炎器が円筒リング状の一体構造であ
ったため冷却されにくく剛性も高い構造となっているこ
とから異常加熱されると共に発生熱応力が高くなってい
た状態を考慮して、保炎器を薄皮構造と厚肉支持構造に
分離して火炎に直接に接触する場所を薄肉の外皮構造で
内部より冷却空気により冷却できる冷却効率の高い構造
にすると共に肉厚内の温度分布を最低限にして熱応力も
極力小さくなるような構造とし、しかしこの薄肉の外皮
構造だけで保炎器を構成すると剛性が低くなり過ぎて大
きな変形を起す可能性を生じるため薄肉の外皮構造の内
部に厚肉で剛性の高い保炎器支持構造を採用して保炎器
の変形防止を図ると共に冷却空気通路を形成する部品と
しても利用可能な構造として冷却効果の向上を図るよう
にしたものである。

［作用］ 上記ガスタービン燃焼器は保炎器を薄肉外皮構造とし
て表面の薄肉外皮で直接に火炎を受けるが、内部より冷
却しているので異常に加熱されることがなく発生熱応力
も小さくなり、また内部の厚肉支持構造により強度と剛
性を保持するので、燃焼ガスの流速等の影響を受けても
変形などを生じることのない状態で保炎器が十分に冷却
されると共に材質的に安定な温度領で使用することがで
きるから、保炎器が損傷するのを防止できる。

［実施例］ 以下に本発明の実施例を第１図（ａ），（ｂ）から第
３図（ｂ），（ｃ）により説明する。

第１図（ａ），（ｂ）は本発明によるガスタービン燃
焼器の一実施例を示す保炎器の断面図およびＡ方向から
見た図である。第１図（ａ），（ｂ）において、保炎器
４は薄肉の外皮50と厚肉の保炎器支持体51に分離されて
おり、厚肉の保炎器支持体51は予混合器６とその外周部
を延長した予混合器延長部55に溶接部57,54で固定され
ている。予混合器６の予混合器延長部55に設けられた複
数の冷却空気通路56を通ってバネシール52の内部より高
圧の冷却空気107が保炎器４の内部に流入される。この
保炎器４内部に入った冷却空気107は保炎器支持体51の
全周に設けられた冷却空気孔52を通り、さらに保炎器支
持体51と薄肉の外皮50との間の冷却空気通路59を通って
冷却空気出口60に至り保炎器４外部に放出される。薄肉
の外皮50は溶接部57で予混合器６に固定されるととも
に、溶接部58で保炎器４の端面８と内壁９と薄肉の外皮
50同士の全周接合を行い、溶接部61で予混合器延長部55
と端面８の薄肉の外皮50との接合を行うが、溶接部61で
の接合は全周ではなくて厚肉の保炎器支持体51に設けた
保炎器支持体51と薄肉の外皮50との間に冷却空気通路59
を形成するための突起62に対して実施する。突起62は冷
却効率を上昇させるためには全周に数多いほど流れが半
径方向に流れるのでよいと考えられるが、薄肉の外皮50
との接合は全突起62に対して成されなくともよく、また
突起62の全面に成されなくてもよい。また冷却孔52を同
心円上でかつ放射状に配置しているが、任意の配置でも
よくて最も均一に冷却されるように冷却孔52の位置を選
択するのも好ましい。

本実施例によれば、上記のような保炎器の構造とする
ことにより火炎に直接に接触する薄肉の外皮が内部より
冷却空気で冷却されるため異常に温度上昇することがな
く、また薄肉状であるため大きな温度分布が発生せずに
剛性が低くて比較的容易に変形するので大きな熱応力が
発生することがない。また厚肉の保炎器支持体には直接
に炎が接触しないために温度分布が発生しない。したが
って燃焼ガスの炎に包まれて過大にメタル温度が上昇す
ることなく、またひんぱんな起動と停止や火炎のゆらぎ
等があっても損傷を受けるおそれがなくてプラントの信
頼性の向上がはかれる。

第２図（ａ），（ｂ）は本発明によるガスタービン燃
焼器の他の実施例を示す保炎器の断面図およびＡ方向か
ら見た図である。第２図（ａ），（ｂ）において、第１
図（ａ），（ｂ）と同一符号は相当部分を示すものと
し、保炎器４の薄皮構造であるのは同様であり、その取
付け方もほぼ同様である。ただし内部構造の厚肉の保炎
器支持体51に冷却空気孔が設けられておらず、予混合器
６の外周の予混合器延長部55に設けられた複数の冷却空
気通路56より直接に薄肉の外皮50と厚肉と保炎器支持体
51との間に設けられた冷却通路59に冷却空気107を流入
させて冷却する構造である。

本実施例によれば、構造がより簡単で機械加工も容易
となり、保炎器４の冷却効果が得られるとともに大きな
温度分布や熱応力が発生することもない。

第３図（ａ），（ｂ）は本発明によるガスタービン燃
焼器のさらに他の実施例を示す保炎器４の断面図および
Ａ方向から見た図である。第３図（ａ），（ｂ）におい
て、第２図（ａ），（ｂ）の薄皮構造の保炎器４の冷却
効果をさらに向上させる手段として薄肉の外皮50と厚肉
の火炎器支持体51との冷却空気通路59の間隙よりも低い
凸起63を薄肉の外皮50の内面に設けることにより、薄肉
の外皮50の冷却効率を高めることができる。また機械加
工が容易なように同心円状の全周にわたった凸起63とし
ているが、断続的な凸起であってもよい。断続的な凸起
の極端な例としてはランダムに配置されたピンファン状
の突起ということができ、同心円状からピンファン状ま
での間で機械加工が容易であればいかなる配置でもよ
い。

本実施例によれば、火炎器の薄肉の外皮の内面に凸起
を設けることにより冷却効率を上昇させることができ、
少ない冷却空気で多くの熱量を奪うことが可能である。

［発明の効果］ 本発明によれば、ガスタービン燃焼器の火炎に直接に
接触する保炎器の外皮が薄肉であるために内部より冷却
空気で冷却されることにより異常に温度上昇することが
なく、また薄肉であるため大きな温度分布が発生しない
し剛性が低いことにより大きな熱応力が発生することも
ない。また保炎器支持体は比較的に厚肉であるが火炎に
直接に触れないために温度上昇することがなく熱応力が
発生しない。したがってプラントの起動と停止に伴う火
炎の着火と着火や負荷変動に伴う着火と消火あるいは制
御系統の変動による火炎のゆらぎ等による温度変動があ
っても、そのもとで保炎器が熱疲労損傷を受けることが
なくてプラントの信頼性を確保することができる効果が
ある。

また、保炎器の外皮の内側に凸起を設けることにより
冷却効率を向上させることができ、少量の冷却空気で外
皮を冷却することができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ），（ｂ）は本発明によるガスタービン燃焼
器の一実施例を示す保炎器の断面図およびＡ方向から見
た図、第２図（ａ），（ｂ）は同じく他の実施例を示す
保炎器の断面図およびＡ方向から見た図、第３図
（ａ），（ｂ）は同じくさらに他の実施例を示す保炎器
の断面図およびＡ方向から見た図、第４図（ａ）〜
（ｃ）は従来のガスタービン燃焼器を例示する予混合気
体燃焼器の火炎状況の説明図、第５図は第４図（ａ）〜
（ｃ）の保炎器の構造と正常燃焼状況を示す詳細図、第
６図（ａ），（ｂ）は第４図（ｂ），（ｃ）の正常燃焼
時と火炎巻き込み時の火炎状況の相違を示す詳細図、第
７図（ａ），（ｂ）は第６図（ａ），（ｂ）の正常燃焼
時と火炎巻き込み時に発生する火炎器内部の温度分布例
図である。 １……燃焼器、２……燃焼室、12……１段目燃焼器筒、
３……２段目燃焼器筒、４……火炎器、６……予混合
器、51……保炎器支持体、52……冷却空気孔、50……外
皮、59……冷却通路、63……凸起。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桜井 茂雄 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所機械研究所内 (72)発明者 笹田 哲男 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式 会社日立製作所日立工場内 (72)発明者 鳥谷 初 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式 会社日立製作所日立工場内 (56)参考文献 特開 平２−40418（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−103916（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F23R 3/16 F23R 3/18 F23R 3/30 F23R 3/32

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃焼用の燃料と空気を予め混合し可燃予混
   合気体を作成して燃焼させるガスタービン燃焼器におい
   て、可燃予混合気体作成機構の下流側に燃焼器下流方向
   に径が縮小して延びると共にその端部で径が拡大する円
   筒リング状の保炎器支持体を設け、該保炎器支持体の内
   径側および端部に外皮を被装し、該外皮と保炎器支持体
   の間に冷却媒体を流すための通路もしくは空間を形成し
   たことを特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 【請求項２】上記保炎器支持体の内径側および端部に被
   装した外皮の冷却媒体通路側に冷却効果を向上させるた
   めの突起を設けたことを特徴とする請求項１記載のガス
   タービン燃焼器。