JP3960166B2

JP3960166B2 - ガスタービン燃焼器およびガスタービン燃焼器の運転方法

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Publication number: JP3960166B2
Application number: JP2002247951A
Authority: JP
Inventors: 洋井上; 知己小金沢; 成嘉小林; 勲竹原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-08-29
Filing date: 2002-08-28
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2022-08-28
Also published as: JP2003148734A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン燃焼器およびガスタービン燃焼器の運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明は、特に、窒素酸化物の排出の少ない低ＮＯｘ型ガスタービン燃焼器に関し、従来技術として、特開平５−１７２３３１号等があげられる。
【０００３】
ガスタービン燃焼器においては、起動から定格負荷条件までのターンダウン比が大きく、広範囲の燃焼安定性を確保するため、燃料を燃焼室に直接噴射する拡散燃焼方式が広く採用されてきた。また、予混合燃焼方式等もある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来例においては、拡散燃焼方式の場合には、高レベルのＮＯｘという課題があった。予混合燃焼方式の場合には、逆火などの燃焼安定性の課題や、起動や部分負荷時の火炎安定化の課題があった。実際の運用においては、これらの課題を同時に解決することが望ましい。
【０００５】
本発明の目的は、低ＮＯｘかつ燃焼安定性に優れたガスタービン燃焼器およびガスタービン燃焼器の運転方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のガスタービン燃焼器は、燃料噴流と該燃料噴流の外周側を流れる空気流との同軸噴流が形成されるように、気体燃料を燃焼室に噴出する複数の燃料ノズルと空気を該燃焼室に噴出する複数の空気孔とを配置し、前記同軸噴流の気体燃料と空気が燃焼室に噴出するように、複数の空気孔を有する盤状部材を前記燃焼室の壁面に配置し、前記空気孔の流路面積は、前記燃料ノズルの燃料噴出孔の流路面積よりも大きく形成され、該盤状部材の上流側の空気と前記燃料ノズルからの気体燃料とを前記空気孔の予混合流路で予混合した後に前記燃焼室で急速混合するように、前記燃焼室の壁面より上流側であって、前記空気孔の入口付近に前記燃料ノズルの先端を配置し、前記燃料ノズルからの気体燃料を前記空気孔に向かって噴出させるとともに、複数の前記燃料ノズルと複数の前記空気孔を一つのモジュールとして形成し、前記燃料ノズルの燃料噴流軸に対して、前記モジュールに設けられた前記空気孔のうち、一部の前記空気孔のみについて軸を傾けることを特徴とする。
【０００７】
或いは、本発明のガスタービン燃焼器の運転方法は、前記燃焼室の壁面に配置された複数の空気孔を有する盤状部材を備え、前記空気孔の流路面積は、前記燃料ノズルの燃料噴出孔の流路面積よりも大きく形成し、前記燃焼室の壁面より上流側であって、前記空気孔の入口付近に配置された前記燃料ノズルの先端から該気体燃料を前記空気孔に向かって噴出し、燃料噴流と該燃料噴流の外周側を流れる空気流との同軸噴流を形成して、前記盤状部材の上流側の空気と前記燃料ノズルからの気体燃料とを前記空気孔の予混合流路で予混合させた後、前記盤状部材から前記同軸噴流の気体燃料と空気を燃焼室に噴出させて、前記燃焼室で急速混合させるとともに、複数の前記燃料ノズルと複数の前記空気孔を一つのモジュールとして形成し、前記燃料ノズルの燃料噴流軸に対して、前記モジュールに設けられた前記空気孔のうち、一部の前記空気孔のみから噴出する同軸噴流の軸が傾斜していることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
まず、ガスタービン燃焼器での２種の燃焼方式について説明する。
【０００９】
（１）拡散燃焼方式では、図２に示すように、燃焼器の頭部に設けた空気旋回器の出口付近に空気の旋回流と交差するように燃料を外側へ向けて噴出し、中心軸上にできる循環流によって拡散火炎を安定化するように図っている。
【００１０】
図２において、圧縮機１０から送られる空気５０は外筒２と燃焼器ライナ３の間を通り、一部は燃焼器ライナの冷却空気３１及び燃焼ガスの混合を促す希釈空気３２として燃焼室１へ、また一部は頭部旋回空気４９として空気旋回器１２を通り燃焼室１へ流入する。気体燃料１６は拡散燃料ノズル１３から旋回空気流に交差するように外側へ向けて燃焼室１に噴射され、頭部旋回空気４９および１次燃焼用空気３３とともに安定な拡散火炎４を形成する。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。
【００１１】
ここに示した拡散燃焼方式は、燃焼安定性が高い反面、燃料と酸素が量論比になる部分に火炎が形成され、火炎温度が断熱火炎温度に近い高温となる。窒素酸化物の生成速度が火炎温度上昇に対し指数関数的に増加するため、一般的に拡散燃焼では窒素酸化物の排出濃度が高く、大気汚染防止の観点から望ましくない。
【００１２】
（２）一方、予混合燃焼方式は、低ＮＯｘ化のために用いられる。図３は中心部を安定性に優れた拡散燃焼とし、外周側に低ＮＯｘ性に優れた予混合燃焼を配して低ＮＯｘ化を図った例である。図３において、圧縮機１０から送られる空気５０は外筒２と燃焼器ライナ３の間を通り、一部は燃焼器ライナの冷却空気３１として燃焼室１へ、また一部は予混合燃焼用空気４８として予混合器２３へ流入する。残りは予混合器流路と燃焼器端板の間の通路を経て燃焼空気孔１４と冷却空気孔１７から燃焼室１へと流入する。拡散燃焼用の気体燃料１６は拡散燃料ノズル１３から燃焼室１に噴射され安定な拡散火炎４を形成する。予混合用気体燃料２１は燃料ノズル８から環状の予混合器２３内へと噴出して空気と混合して予混合気２２となる。この予混合気２２は燃焼室１へ流出し予混合火炎５を形成する。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。
【００１３】
しかし、このような予混合燃焼方式を採用した場合、予混合器内に火炎が入り込んで構造物を焼損する、いわゆる逆火現象が発生するなど予混合燃焼特有の不安定な要素を含んでいる。
【００１４】
本発明の実施の形態では、燃料噴流と燃焼用空気流路を同軸上に配置し、燃料流を空気流が包み込むような同軸の噴流とするとともに、さらにそれらを多数に分散するように構成した多孔同軸噴流として燃焼室壁面に配置する。一方、一部またはすべての同軸噴流に対して、燃焼器の軸まわりに適度な旋回角をもって流入するように構成する。また、燃料の供給系統を複数に分割し、ガスタービンの起動，部分負荷運転時には、一部の系統のみに燃料を供給するように構成する。
【００１５】
燃料を空気流が包み込むような同軸の噴流とすることにより、燃料は燃焼室に流入した後、実際に高温ガスに接触して燃焼を開始する前に周囲の同軸空気流と混合し、適度な混合比の予混合気となったあと燃焼する。このため、希薄予混合燃焼と同等の低ＮＯｘ燃焼が可能となる。このとき、従来の予混合燃焼器の予混合管に相当する部分が極めて短く、また壁面近傍で燃料濃度がほぼゼロとなるため逆火による焼損のポテンシャルも極めて低い。
【００１６】
また、一部またはすべての同軸噴流に対して、燃焼器の軸まわりに適度な旋回角をもって流入するように構成することで、同軸噴流という流れ形態ながら、同時に火炎を安定化するための再循環流を形成することができる。
【００１７】
また、ガスタービンの起動，部分負荷運転時には、一部の系統のみに燃料を供給するようにすることで、局部的に燃料を過濃度の状態とし、周囲の空気中の酸素を利用する拡散燃焼に近い形で燃焼させることにより燃焼安定性を確保することができる。
【００１８】
（第１の実施例）
以下、本発明の第１の実施例を図１により説明する。図１において、圧縮機
１０から送られる空気５０は、外筒２と燃焼器ライナ３の間を通る。その空気
５０の一部は、燃焼器ライナ３の冷却空気３１として燃焼室１へ流入する。またその空気５０の残りは、同軸空気５１として空気孔５２を通り燃焼室１へ流入する。
【００１９】
燃料ノズル５５および燃料ノズル５６は、燃焼空気孔５２の噴孔と同軸又は同軸に近い位置となるように配置されており、燃料５３および燃料５４は燃料ノズル５５および燃料ノズル５６から燃焼空気とほぼ同軸の噴流として燃焼室１に噴出し安定な火炎を形成する。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。
【００２０】
本実施例では、燃料５３および燃料５４は、制御弁８０ａを備えた燃料供給系８０が分割されている。つまり、ここでは、燃料供給系８０が、第一の燃料供給系５４ｂと、第二の燃料供給系５３ｂの２つに分割されている。これら第一の燃料供給系５４ｂ及び第二の燃料供給系５３ｂには夫々個別に単独で制御可能な制御弁５３ａ及び制御弁５４ａが設けられている。これら制御弁５３ａ及び制御弁５４ａは、ガスタービンの負荷によって夫々の燃料流量が独立に制御するように構成される。ここで、制御弁５３ａは、中央部の燃料ノズル群である燃料ノズル５６群の流量が制御でき、制御弁５４ａは、周囲の燃料ノズル群である燃料ノズル５５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前述した制御装置を備えている。
【００２１】
次に、図４を用いノズル部の詳細を説明する。本実施例では、燃料ノズル本体は中央の燃料ノズル５６と周囲の燃料ノズル５５に分かれている。これら燃料ノズル５５及び燃料ノズル５６の噴射方向前方側に、夫々に対応する空気孔５２及び空気孔５７が設けられている。これら空気孔５２及び空気孔５７は、円盤状部材に小径で複数設けられている。複数の燃料ノズル５５及び燃料ノズル５６に対応するよう複数の空気孔５２及び空気孔５７が設けられている。
【００２２】
空気孔５２及び空気孔５７は、小径であるが、燃料ノズル５５及び燃料ノズル５６から噴射される燃料が空気孔５２及び空気孔５７を通過する際に、周囲の空気を伴って、燃料噴流とそれを包み込む空気の環状流が形成される程度の大きさとすることが望ましい。例えば、燃料ノズル５５及び燃料ノズル５６からの噴流径より若干大きくすることが望ましい。
【００２３】
空気孔５２，空気孔５７は、燃料ノズル５５，燃料ノズル５６と同軸噴流を形成するように配置されており、燃料噴流を空気環状流で包んだような多数の同軸噴流が空気孔５２，空気孔５７端面から噴出する。即ち、燃料ノズル５５，燃料ノズル５６の燃料噴孔が空気孔５２や空気孔５７と、同軸または同軸に近い位置に設置され、燃料噴流が空気孔５２や空気孔５７の入り口中心近傍に向けて噴出し、燃料噴流とそれを包み込む空気の環状流が同軸噴流となる。
【００２４】
燃料と空気が多数の小径の同軸噴流として構成されているので、これらの燃料と空気は短距離で混合させることができる。そのため、燃料の偏在もなく高い燃焼効率を保つことができる。
【００２５】
また、本実施例の構成では燃料が空気孔の端面から噴出するまでに一部混合が進み、一層短い距離での燃料と空気の混合が期待できる。さらに、空気孔の流路長さを調節することにより、ほとんど流路内で混合しない状態からほぼ完全予混合の状態にまで設定することが可能である。
【００２６】
なお、本実施例では、中央の燃料ノズル５６と中央の空気孔５７には燃焼室軸周りの旋回がかかるように適当な旋回角が付与されている。このように対応する空気孔５７に燃焼室軸周りに旋回する成分を与える旋回角を設けることにより、中央燃料を含む混合気流に旋回による安定な再循環領域が形成され、火炎を安定化することができる。
【００２７】
また、本実施例では、ガスタービンの種々の負荷条件に対して顕著な効果が期待できる。図１に示す制御弁５３ａ及び制御弁５４ａを利用し燃料流量を調整してガスタービンの種々の負荷条件に対応できる。
【００２８】
つまり、ガスタービン負荷の小さい条件では、全空気量に対する燃料流量が小さくなるが、その場合には中央燃料５３のみを供給し、中央領域での燃料濃度を火炎が安定に形成される濃度以上に保つように運用することができる。また、ガスタービン負荷の大きい条件では、中央の燃料５３と周囲の燃料５４の両方を供給して全体として希薄低ＮＯｘ燃焼を行うことができる。また、中間的な負荷においては、中央の燃料５３の量を空気孔５７から流れる空気量に対して当量比が１を超えるような設定として、周囲の空気を燃焼に使う拡散燃焼的な運用することも可能である。
【００２９】
従って、種々のガスタービン負荷に応じて、火炎の安定化や低ＮＯｘ燃焼に寄与できる。
【００３０】
このように、燃料を空気流が包み込むような同軸の噴流とすることにより、燃料は燃焼室に流入した後、実際に高温ガスに接触して燃焼を開始する前に周囲の同軸空気流と混合し、適度な混合比の予混合気となったあと燃焼する。このため、希薄予混合燃焼と同等の低ＮＯｘ燃焼が可能となる。このとき、本実施例では、従来の予混合燃焼器の予混合管に相当する部分が極めて短くできる。
【００３１】
また、壁面近傍で燃料濃度がほぼゼロとなるため、逆火による焼損のポテンシャルも極めて低い。
【００３２】
以上のように、本実施例によると、低ＮＯｘかつ燃焼安定性に優れたガスタービン燃焼器およびガスタービン燃焼器の運転方法を提供することができる。
【００３３】
（第２の実施例）
図５に第２の実施例のノズル部詳細を示す。本実施例では、燃料の系統が１つで中央と周囲とに分かれていない。また、中央付近のノズル，燃焼空気孔には旋回角が付与されていない。本実施例では、運用上、あるいは燃料の性状により燃焼安定性があまり問題とならないような状況の場合にノズル構造の簡素化が図れる。
【００３４】
（第３の実施例）
図６に第３の実施例を示す。本実施例では図５に示した第２の実施例のノズルを複数個組み合わせて一つの燃焼器を構成するようにしたものである。つまり、燃料ノズルと空気孔を一つのモジュールとしてこれらを複数個組み合わせて１つの燃焼器を構成している。
【００３５】
このような構成とすることで、第１の実施例で説明したように燃料系統を複数化してガスタービンの負荷の変化に対して柔軟に対処できるとともに、ノズルの数の増減で燃焼器１缶あたりの容量の異なるものを比較的容易に提供できる。
【００３６】
（第４の実施例）
図７に第４の実施例を示す。本実施例では第２の実施例と基本的に同じであるが、空気旋回器５８により同軸噴流自体に、旋回成分を持たせた点が異なる。
【００３７】
このように構成することにより、個々の同軸噴流の混合が促進され、より均一な低ＮＯｘ燃焼が可能となる。燃料ノズル内に燃料噴流に旋回成分を与えるような構造も混合促進に有効である。
【００３８】
（第５の実施例）
図８には第５の実施例を示す。本実施例では第３の実施例の中心軸に設置したノズルを空気旋回器６３とこれに交差する燃料噴孔６２を備える従来型の拡散バーナー６１とした点が異なる。
【００３９】
このように構成することで従来の拡散燃焼バーナーを起動・昇速，部分負荷で使うことにより起動安定性を重視する場合有利と考えられる。
【００４０】
（第６の実施例）
図９には第６の実施例を示す。本実施例では、図８に示した実施例の拡散バーナー６１の中に液体燃料ノズル６８と噴霧空気ノズル６９を設置し、液体燃料
６６を噴霧空気６５で霧化して液体燃料の燃焼にも対応できるようにしたものである。低ＮＯｘ化という点では多くは期待できないが、燃料の供給状況によっては柔軟な対応が可能な燃焼器を提供するものである。
【００４１】
（第７の実施例）
図１０には第７の実施例を示す。本実施例は図１および図４で示した第１の実施例に、燃焼器の下流側に補助的な燃料供給系７１とヘッダー７２，ノズル７３を追加した例である。ノズル７３から噴出した燃料は空気孔７４を通って同軸状の噴流となって燃焼室に流入し、上流側から流れてくる高温ガスにより燃焼反応が進む。
【００４２】
このような構成とすることにより、構造は複雑となるが、さらに、負荷対応が柔軟な低ＮＯｘ燃焼器を提供できる。
【００４３】
（第８の実施例）
図１１には第８の実施例を示す。本実施例では図５に示した実施例の個々の燃料ノズルを２重構造化することにより、内側の液体燃料ノズル６８には液体燃料６６を供給し、外側のノズル８１には噴霧空気６５を供給することで液体燃料
６６を用いた場合にも多数の同軸噴流を形成して逆火ポテンシャルのきわめて小さい低ＮＯｘ燃焼を実現することができる。
【００４４】
また、液体燃料の供給を止め、噴霧空気の代わりに気体燃料を供給することにより、気体燃料の低ＮＯｘ燃焼器としても動作することが可能であり、液体と気体の両方の燃料に対応した燃焼器の提供が可能となる特徴も合わせ持つことができる。
【００４５】
このように、燃料ノズルの一部またはすべてを二重構造として、液体燃料の噴霧と気体燃料を切り替えてまたは併用して使用できるようにしたことで、液体と気体の両方の燃料に対応できる。
【００４６】
以上のように、前述の実施例によると、燃料を空気流が包み込むような多数の同軸の噴流とすることにより、燃料は燃焼室に流入した後、実際に高温ガスに接触して燃焼を開始する前に周囲の同軸空気流と混合し、適度な混合比の予混合気となったあと燃焼する。このため、希薄予混合燃焼と同等の低ＮＯｘ燃焼が可能となる。このとき、従来の予混合燃焼器の予混合管に相当する部分が極めて短く、また壁面近傍で燃料濃度がほぼゼロとなるため逆火による焼損のポテンシャルも極めて低い信頼性の高い燃焼器を提供できる。
【００４７】
（第９の実施例）
図１２は、燃料ノズル５５と燃焼空気孔５２をほぼ同軸配置した部分断面図を示す。燃料ノズル５５の燃料噴出下流側に燃焼空気孔５２を設けている。つまり、燃料ノズル５５の燃料噴出下流側に予混合流路が形成される。この燃焼空気孔５２の大きさ（流路面積）は、燃料ノズル５５の燃料噴出孔面積よりも大きく形成することが良い。本実施例では、燃焼空気孔５２の直径(予混合流路直径面積)は、燃料ノズル５５の燃料噴出孔直径（面積）よりも大きく形成されている。燃料ノズル５５からこの予混合流路を介して燃料を噴出して、燃料と空気を同軸噴流している。この際、燃料ノズル５５からの燃料は、燃焼空気孔５２の入り口部のほぼ中心に向かって噴出し良好な同軸噴流を形成することが望ましい。また、本実施例の場合、空気出口下流の燃料濃度分布は図中に示すとおり同軸流の軸を中心に対称な形をしており、下流に行くに従い急速に混合し均一化していく。これにより従来の予混合燃焼方式に比べて、短い予混合距離で同等の低ＮＯｘ性能を実現することができる。
【００４８】
また、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、燃料ノズル５５の燃料噴流軸に対して燃焼空気孔５２の軸を角度θ°傾けて配置した例である。燃焼空気孔５２の入り口付近では同軸状配置で、流れ方向に対して燃焼空気孔５２を傾けたものである。このように配置した場合の空気出口下流の燃料濃度分布は、図中に示すように空気噴流軸に対して非対称な分布となる。下流に行くに従い混合して均一化するが軸に対する非対称性は完全には解消されず、濃度偏差が残ると考えられる。そして、例えば、図１３（ｂ）に示すように、同軸噴流の集合体で形成されるバーナの中心近くの同軸噴孔にこのような燃料噴流軸と空気孔軸のズレを積極的に利用することが考えられる。つまり、本実施例では、保炎領域周り，バーナ中心部付近に前述の燃焼空気孔５２の傾きθ°を設け、反中心側の燃焼空気孔５２を傾けずに（θ＝０°）構成し、火炎保持領域の燃料濃度を比較的濃い状態に保ち、火炎の安定性を強化することができる。本実施例では燃料噴孔に旋回角や内向き・外向き角の無いストレートな燃料噴孔を採用しながら空気孔のみに旋回角などのバーナの軸と平行ではない角度を持たせることにより、比較的簡単な構造で予混合気に旋回や内向き・外向き角を付与することができ、バーナの構成・目的に応じて予混合気の流れを比較的簡単な構造で設定できる点で優れている。
【００４９】
次に、図１４は、燃料噴孔と空気孔の同軸配置の軸方向は同一で位置ずれｄを意図的に設定した例である。このずれによって、図中に示すように空気噴流軸に対して濃度偏差は非対称な分布となり、燃料の濃度偏差を積極的に発生させることができ、燃焼安定性向上などの燃焼特性改善をはかることができる。
【００５０】
このような本実施例では、予混合流路内で燃料ノズル５５からの燃料は、ほぼ予混合流路中心に沿って流れる。また、燃料ノズル５５の外周側から空気が予混合流路内でその流路外周側に沿って流れるよう構成している。そのため、予混合流路内では燃料の流れに沿ってその燃料流れの外周側を空気が流れ、両者の流れはほぼ同軸状となる。このようなノズル形態を複数設けることで、混合促進が図れ、簡易な構造で安定燃焼を実現可能となる。
【００５１】
また、図１５（ａ）及び（ｂ）には、予混合長さＬの長短の例を示す。空気孔から出た後の急拡大による混合が支配的で、予混合長さＬが混合の均一性、低
ＮＯｘ性能に与える影響はそれほど大きくないと考えられる。図１５（ａ）のように空気孔を形成する部材を薄くして予混合距離Ｌを短くしても低ＮＯｘ性能は十分に確保できると考えられる。一方、空気孔を形成する部材の材料や、空気孔の穴加工の加工費節約が期待できコスト低減が有利である。図１５（ｂ）には予混合長さＬを十分長くとった場合の例を示す。燃料と空気がこの流路内で十分に混合することが期待でき、一層低ＮＯｘ性に優れた燃焼器を提供できる。更に、空気孔に斜めの角度をつけて旋回成分を与えたり、内向き・外向きの偏向角を与えるなどの機能を付与する場合にもＬが空気孔径の数倍程度あった方が有利である。
【００５２】
図１５（ｃ）及び（ｄ）には、燃料噴孔先端と空気孔入り口の軸方向距離Ｇが違う例を示す。図１５（ｃ）は、Ｇが大きい例で、実質的な予混合距離が長く取れ、混合の均一化，低ＮＯｘ性について有利と考えられる。また、燃料ノズルの長さを短くできるため、燃料ノズルの製作性が向上し、コスト低減が図れる。一方、図１５（ｄ）は、相対的に燃料ノズル５５の下流側に予混合流路を形成し、軸方向距離Ｇがマイナスで燃料噴孔が空気孔内に突き出した配置である。このような配置とすることにより、逆火のポテンシャルは一層低減され、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）などの着火性の良い燃料を低ＮＯｘで燃焼させる場合などに有効であると考えられる。
【００５３】
図１５（ｅ）及び（ｆ）には、空気孔の直径Ｄの大きさが小さい例と大きい例である。空気孔の直径Ｄが小さくその分、数を多く設置した図１５（ｅ）の場合は、燃料と空気がバーナから細かく分散して供給されるため、短い距離で均一に良く混合し、より低ＮＯｘ性能を重視する場合に適している。図１５（ｆ）のように空気孔直径Ｄを大きくして空気孔の数を少なく配置する場合には、混合距離が長く必要で、均一性もやや損なわれるため低ＮＯｘ性能はやや劣るが、製作工数の削減が図れるとともに要求される製作精度も比較的粗くでき、コスト低減に重点をおく場合に有利である。
【００５４】
（第１０の実施例）
図１６（ａ）には他の実施例を示す。これまでに述べた実施例では同軸空気孔のバーナ面内の配置は同心円状に分散して配置する例を示してきたが、格子状配置や千鳥配置としても基本的な特性は失われるものではない。図１６（ａ）はそのように配置する場合の例を示すものである。このように配置する場合、燃焼器ライナーでの平均流速にもよるが、火炎の形成される軸方向位置がライナー断面内でほぼ同一の浮き上がった火炎となる。製作する上では単純で良いが火炎の安定化という点では十分ではない場合もある。図１６（ｂ）はそのような場合に対して、バーナ面内の一部に、空気孔のピッチは同一でも空気孔の面積の小さな領域や、空気孔の無いまたはピッチの大きな領域などを設けて低流速部や循環流領域を形成し、この部分で火炎を安定化するようにした例である。このように構成することで逆火ポテンシャルが小さく、低ＮＯｘ性と燃焼安定性を兼ね備えた燃焼器を提供できる。
【００５５】
（第１１の実施例）
図１７に本発明の予混合距離ＬとＮＯｘ排出量の関係についての実験結果の一例を示す。燃料と空気を完全に混合したあと燃焼させる完全予混合燃焼では混合距離を十分長くとるか圧力損失の大きな混合デバイスが必要であるが、排出されるＮＯｘは非常に低くなる。（図中Ａ点）一方、環状の予混合流路に複数の燃料ノズルを配置して形成する実用的な予混合器構造においては予混合距離Ｌに概略逆比例でＮＯｘが増加し、このような予混合器の一例のＮＯｘを図中Ｂ点に示す。
【００５６】
これに対し、本発明では、燃料と空気を多数の同軸噴流として配置する本発明の一実施例の予混合距離とＮＯｘ排出量の関係は図中Ｃ点に示すとおりで、完全予混合燃焼には及ばないものの、従来構造の２０分の１以下の予混合距離で従来の予混合器と同等のＮＯｘ性能を発揮することが示されている。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によると、低ＮＯｘかつ燃焼安定性に優れたガスタービン燃焼器およびガスタービン燃焼器の運転方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の全体断面図を含む説明図。
【図２】拡散燃焼方式の説明図。
【図３】予混合燃焼方式の説明図。
【図４】本発明の第１の実施例のノズル部詳細説明図。
【図５】本発明の第２の実施例のノズル部詳細説明図。
【図６】本発明の第３の実施例のノズル部詳細説明図。
【図７】本発明の第４の実施例のノズル部詳細説明図。
【図８】本発明の第５の実施例のノズル部詳細説明図。
【図９】本発明の第６の実施例のノズル部詳細説明図。
【図１０】本発明の第７の実施例のノズル部詳細説明図。
【図１１】本発明の第８の実施例のノズル部詳細説明図。
【図１２】本発明の第９の実施例のノズル部詳細説明図。
【図１３】本発明の第９の実施例の他のノズル部詳細説明図。
【図１４】本発明の第９の実施例の他のノズル部詳細説明図。
【図１５】本発明の種々のノズル形態を示す図。
【図１６】本発明の第１０の実施例のノズル部詳細説明図。
【図１７】予混合距離とＮＯｘ排出量の関係を示す図。
【符号の説明】
１…燃焼室、２…外筒、３…燃焼器ライナ、４…拡散火炎、５…予混合火炎、８，５５，５６…燃料ノズル、１０…圧縮機、１２，６３…空気旋回器、１３…拡散燃料ノズル、１４…燃焼空気孔、１６…気体燃料、１７…冷却空気孔、１８…タービン、２１…予混合用気体燃料、２２…予混合気、２３…予混合器、３１…冷却空気、３２…希釈空気、３３…１次燃焼用空気、４９…頭部旋回空気、
５０…空気、５１…同軸空気、５２，５７，７４…空気孔、５３，５４…燃料、６１…拡散バーナー、６２…燃料噴孔、６５…噴霧空気、６６…液体燃料、６８…液体燃料ノズル、６９…噴霧空気ノズル、７１，８０…燃料供給系、７２…ヘッダー、７３…ノズル。

Claims

燃料噴流と該燃料噴流の外周側を流れる空気流との同軸噴流が形成されるように、気体燃料を燃焼室に噴出する複数の燃料ノズルと空気を該燃焼室に噴出する複数の空気孔とを配置し、
前記同軸噴流の気体燃料と空気が燃焼室に噴出するように、複数の空気孔を有する盤状部材を前記燃焼室の壁面に配置し、
前記空気孔の流路面積は、前記燃料ノズルの燃料噴出孔の流路面積よりも大きく形成され、
該盤状部材の上流側の空気と前記燃料ノズルからの気体燃料とを前記空気孔の予混合流路で予混合した後に前記燃焼室で急速混合するように、
前記燃焼室の壁面より上流側であって、前記空気孔の入口付近に前記燃料ノズルの先端を配置し、
前記燃料ノズルからの気体燃料を前記空気孔に向かって噴出させるとともに、
複数の前記燃料ノズルと複数の前記空気孔を一つのモジュールとして形成し、前記燃料ノズルの燃料噴流軸に対して、前記モジュールに設けられた前記空気孔のうち、一部の前記空気孔のみについて軸を傾けることを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
多数の該燃料ノズルを複数の燃料供給系統に分割し、ガスタービンの負荷によってそれぞれの燃料流量を独立に制御する制御装置を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
個々の空気孔または燃料ノズルにそれぞれの軸周りに旋回成分を付与する機構を付与したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
請求項１に記載のガスタービン燃焼器において、
該燃料ノズルの一部またはすべてを二重構造として液体燃料の噴霧と気体燃料を切り替えてまたは併用して使用できるようにしたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
気体燃料を燃焼室に噴出する複数の燃料ノズルと空気を該燃焼室に噴出する複数の空気孔とを配置したガスタービン燃焼器の運転方法であって、
前記燃焼室の壁面に配置された複数の空気孔を有する盤状部材を備え、
前記空気孔の流路面積は、前記燃料ノズルの燃料噴出孔の流路面積よりも大きく形成し、
前記燃焼室の壁面より上流側であって、前記空気孔の入口付近に配置された前記燃料ノズルの先端から該気体燃料を前記空気孔に向かって噴出し、燃料噴流と該燃料噴流の外周側を流れる空気流との同軸噴流を形成して、前記盤状部材の上流側の空気と前記燃料ノズルからの気体燃料とを前記空気孔の予混合流路で予混合させた後、
前記盤状部材から前記同軸噴流の気体燃料と空気を燃焼室に噴出させて、前記燃焼室で急速混合させるとともに、
複数の前記燃料ノズルと複数の前記空気孔を一つのモジュールとして形成し、前記燃料ノズルの燃料噴流軸に対して、前記モジュールに設けられた前記空気孔のうち、一部の前記空気孔のみから噴出する同軸噴流の軸が傾斜することを特徴とするガスタービン燃焼器の運転方法。
請求項５に記載のガスタービン燃焼器の運転方法であって、
前記燃料ノズルを複数の燃料供給系統に分割し、ガスタービン負荷によってそれぞれの燃料流量を独立に制御することを特徴とするガスタービン燃焼器の運転方法。