JPS5950889B2 - ガスタ−ビン燃焼器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はガスタービン燃焼器、特に燃焼器の頭部に小径
の頭部燃焼室を、後方に大径の主燃焼室を有し、頭部燃
焼室の外側に予混合室をそなえ、空気過剰の予混合燃料
ガスを頭部燃焼室に導入し、希釈低温度燃焼を行わせて
窒素酸化物（ＮＯ幻の生成を抑制するガスタービン燃焼
器に関するものである。

〔発明の背景〕

一般に燃焼時には大気中の窒素と酸素が反応してＮＯｘ
を生成するが、このＮＯｘの生成は低温燃焼および低酸
素燃焼による方法で抑制されている。

ガスタービンの排気ガス中で大気汚染の問題となる成分
はＮＯｘであり、特にガスタービン燃焼器では、燃焼温
度を低下させることによりＮＯｘの生成を抑制すること
が得策である。

すなわちガスタービンでは過剰の冷却空気を導入し、燃
焼反応時のガス温度（１８００〜２０００℃）を約１０
００℃前後に冷却して低温化しいるが、この過剰の空気
を高温度の燃焼反応域に導入し、希釈低温度燃焼を行な
わせてＮＯｘ生成を抑制している。

ところが従来のガスタービンでは液体燃料を噴霧して燃
焼させているものがほとんどであるので、過剰の空気を
供給してもＮＯｘ低減効果は少ない恐れがある。

液滴燃料が蒸発して燃焼する過程をよく観察すると、液
滴表面から幾分能れた位置に火炎面が存在し、この火炎
面の直後にほぼ理論空気比で燃焼する領域があるため、
高温度になりＮＯｘの生成速度が大となっている。

仮りに全体が過剰の空気であっても燃料液滴の蒸発過程
では、常に理論空気比の部分が存在するから高温度帯が
生成される。

したがって過剰の空気を導入しても効果的に冷却するこ
とはできないため、大幅なＮＯｘ低減を行うことができ
ないのである。

しかるにガス体燃料の燃焼では、液滴燃焼のようにほぼ
理論燃焼を行う火炎面が形成されなく、過剰の空気が均
一に混合されやすいため、有効に希薄低温度燃焼を行う
ことが可能であるからガス体燃料はＮＯｘ低減に効果的
である。

したがって液体燃料を蒸発させて燃料ガスとなし、空気
と予混合させて燃焼室に導入する、いわゆる蒸発予混台
形燃焼器が提案されている。

この燃焼器は第１図に示すように圧縮機１、燃焼器２お
よびタービン３からなり、空気４は圧縮機１により圧縮
されて燃焼用空気１３となり燃焼器２に供給され、液体
の供給燃料５を燃焼させて燃焼ガス６を生ずる。

この燃焼ガス６はタービン３に供給されて仕事をした後
に、排気ガス７となり大気中に放出される。

上記燃焼器２は外筒８．内筒９．燃焼ガス６を整流して
タービン３へ導くトランジョンピース１０および燃料ノ
ズル１１，２２からなり、燃料ノズル１１，２２は外筒
８の側閉部のふた１２に取付けられている。

内筒９は小径の頭部燃焼室１４と、この燃焼室１４の後
流に設けられた大径の主燃焼室１５からなり、頭部燃焼
室１４の外側には、空気流１９と混合し、かつ空気流１
９により燃料噴霧粒子１６を加熱蒸発して予混合燃料ガ
ス２５を生成する予混合室１７が設けられている。

この予混合室１７は外側壁１８と頭部燃焼室１４の周壁
２０により形成された環状空間部に形成される。

上記予混合室１７で空気過剰率１．２〜１．４に予混合
された燃料ガスは、頭部燃焼室１４０周壁２０に設けた
供給孔２１を経て頭部燃焼室１４内に導入され、希釈低
温度燃焼を行うからＮＯｘの生成は少ない。

すなわち着火および起動時に用いるパイロット燃料ノズ
ル２２の近傍からスワラ２３により空気流を、またその
外側からスワラ２４により空気流を供給し、これらスワ
ラ２３，２４により旋回空気流２６を生成する。

その旋回空気２６と予混合燃料ガス２５は混合し、かつ
旋回空気流２６により生ずる再循環流２７により火炎が
保持されて燃焼を持続する。

また頭部燃焼室１４では空気過剰率が約１．４〜１．６
程度で燃焼が行われるため、平均燃焼温度は約１６００
〜１４００℃である。

上記予混合室１７は噴霧燃料粒子の完全蒸発および空気
流１９との均一混合をはかるように構成されていること
はもちろん、噴霧液滴１６の滞留時間および温度を確保
するように構成されている。

また頭部燃焼室１４からの火炎の逆火防止をはかるため
、燃料予混合ガスの供給孔２１からの流出速度が火炎速
度５ ｍ／ｓよりもかなり大である約１００ｍ／ｓ程度
になるように構成されている。

しかし予混合室１７に温度の高い火点（着火源）と流速
の遅い部分があると、予混合室１７内の混合気は可燃空
気燃料比の範囲にあるため、予混合室１７で燃焼が起る
。

予混合室１７で燃焼が生ずると液滴の噴霧拡散燃焼とな
るため、ＮＯｘの低減を行うことができないばかりでな
く、頭部燃焼室１４の周壁２０は１６００℃の高温度に
さらされるから焼損事故を起す危険性がある。

燃焼器２の内筒９の周壁温度を測定した結果は第２図に
示す通りで、この図から予混合室１７と頭部燃焼室１４
とを仕切る周壁２０は燃料の蒸発と空気流１９による冷
却効果が大きいから低温である。

また燃焼ノズル２２からの粗大噴霧粒子が前記周壁２０
に付着して蒸発し、さらにスワラ２４からの旋回空気流
２６による壁面シールなどが相関し、全体的にみて着火
源となるような高温度は存在しない。

しかし頭部燃焼室１４と主燃焼室１５の連結拡大部２８
における壁面温度は高温の燃焼火炎の急拡大により、こ
の部分に巻き込み流れ３０を生じ、またスワラ２３，２
４からの旋回空気２６による壁面シールの効果が減少す
るため１０００℃に近い高温度となる。

さらに第３図に示すように拡大部２８壁面に接触する予
混合室１７内の予混合ガスは、頭部燃焼室１４の周壁２
０に設けた供給孔２１へ流動すると共に、拡大部２８に
接触する部分に渦流のよどみ部３１を発生する。

このよどみ部３１に接触する拡大部２８の壁面は高温と
なるため、よどみ部３１の予混合ガスの空気燃料比が可
燃範囲になると容易に着火して予混合室１７内で燃焼を
行うことになる。

すなわち予混合室１７内に噴霧された燃料粒子の一部は
頭部燃焼室周壁面２０および予混合室外側壁１８に付着
し、液膜の状態になると蒸発を生じ、一部は空気流１９
中に噴霧された液滴の状態で拡散して蒸発する。

特に頭部燃焼室周壁２０の外面は主として燃焼室内の火
炎から輻射熱を受は高温となるから蒸発を促進するが、
予混合室１７の外側壁１８は圧縮機による空気圧縮熱に
よる空気吐出温度になっているから内側の周壁２０より
低温である。

したがって燃料の蒸発が遅れ、かつ空気との予混合時間
が少ないことに起因して、予混合室外側壁１８の後流側
１８ａに燃料濃度の高い部分が存在する。

さらに渦流によるよどみ部３１は高温度であるので、予
混合室１７内に火炎を形成して頭部燃焼室周壁２０を焼
損し危険状態にする恐れがある。

予混合室内で火炎が形成されるのを防ぐためには、予混
合室を形成する壁面の温度が、燃料の発火点よりも低い
こと、及び、予混合室内の混合ガスのよどみ部をなくす
ことが必要である。

〔発明の目的〕

本発明の目的とするところは、予混合室内で火炎が発生
するのを防ぎ、安全性が高くかつ低ＮＯｘ燃焼を達成す
るガスタービン燃焼器を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴とするところは、燃焼器の頭部に小径の頭
部燃焼室と、この燃焼室の後流に大径の主燃焼室と、頭
部燃焼室の外周部分に液体燃料を蒸発させ予混合燃料ガ
ガスを生成するための予混合室を備えたガスタービン燃
焼器において、予混合室で生成した予混合ガスを頭部燃
焼室に案内する外側壁を、よどみが生じない程度の適度
の曲率半径の曲面をもって構成し、更に、主燃焼室と頭
部燃焼室の連結拡大部槽面と前記外側壁との間に断熱空
間を形成したことにある。

〔発明の実施例〕

以下本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第４図において、９は小径の頭部燃料室１４および大径
の主燃焼室１５からなる内筒、１１，２２は燃料ノズル
、１７は頭部燃焼室１４の外側に設けられた予混合室で
、その一方側（燃料ノズル１１側）が開口し、予混合の
ための空気取入口を形成すると共に、後流（主燃焼室１
５側）が頭部燃焼室１４に連通ずるように構成されると
共に、この予混合室が頭部燃焼室１４に連通する連通部
４１の外側壁１８ｂは適当な曲率半径を有する曲面に形
成されている。

２３，２４はスワラ、２８は頭部燃焼室１４と主燃焼室
１５を接続する拡大部、３２は予混合室１７と頭部燃焼
室１４の連通部４１の直後の頭部燃焼室１４の周壁２０
に設けられた空気流入孔である。

予混合室１４の後流端の外側壁曲面１８ｂと、拡大部２
８の壁面との間には空間Ｓが形成され、この空間の内側
を画成する頭部燃焼室壁面２０に前記空気流入孔３２が
設けられている。

空間Ｓは、拡大部２８壁面が、火炎の巻き込みによって
高温になっても、予混合室の外側壁曲面１８ｂにその熱
が伝わらないよう断熱空間の機能を有する。

上記のように予混合室１７を従来のように頭部燃焼焼室
１４から主燃焼室１５に至る拡大部２８すなわち渦流３
０による火炎の巻き込みによる高温部に接触させないよ
うに構成したので、予混合室１７内で火災形成を生ずる
原因を解消することができる。

また予混合室１７の連通部４１の直後に設けた空気流入
孔３２より流入する空気により前記断熱空間Ｓの遮熱作
用を助長するとともに、燃焼室内では燃焼ガスとの予混
合および燃焼を促進させて低温燃焼を行わせることがで
る。

さらに予混合ガス流３３が頭部燃焼室１４の軸心部への
貫通を持たせるように設計することにより、軸心部の冷
却効果を向上させ大幅なＮＯｘの低減をはかることが可
能である。

一方、予混合室１７内の流動は第５図、第６図に示すよ
うに、予混合室１７の外側壁１８内面と頭部燃焼室周壁
２０間の距離ｌに対する外側壁１８の曲面１８ｂの曲率
半径Ｒとの比Ｒ／ｌにより異なる。

すなわち第５図に示すように曲面１８ｂの曲率半径Ｒが
小さい場合には、曲面１８ｂにおいてガス流は剥離を生
じ、その部分で予混合ガスは渦流を発生して停滞するの
が観察される。

また、第６図に示すように曲面１８ｂの曲率半径Ｒを大
きくすれば、上記のようにガス流は剥離を生じないが、
頭部燃焼室１４に流入するガス流３３の角度θが小さく
なるため、頭部燃焼室１４の後部から主燃焼室１５内で
燃焼するように燃料ガスを供給することになる。

このためスワラ（図示せず）による旋回空気流２６によ
り生ずる再循環流２７に巻き込まれる燃料ガス３３はな
くなるので、頭部燃焼室１４内において火炎を保持する
ことができない欠点がある。

実験の結果よりガス流が剥離を生じないためには、前記
ＲとｌはＲ〉１／２１の関係を保持することが好ましい
。

もしＲ＜１７２１にすれば、第５図に示すような剥離を
生ずるから好ましくない。

また頭部燃焼室への予混合ガスの流入角ｌは９０°以上
であることが好ましいことを考えると、Ｒと１は１／２
＜１／ｌ ＜ １の関係を保持することが望ましい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、拡大部壁面から
予混合室外側壁を断熱空間より熱しゃ蔽し、更に、予混
合室内での予混合ガスのよどみを少なくしたので予混合
室に火炎が形成されるのを防ぐことができる。

尚、液体燃料を予混合ガス化して燃焼させるので大幅な
ＮＯｘ化を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のガスタービン燃焼器の断面図、第２図は
同燃焼器の周壁の温度分布を示す図、第３図は同燃焼器
内の燃焼室を示す断面図、第４図は本発明の燃焼器の一
実施例を示す要部（燃焼室）断面図、第５図および第６
図は本発明の燃焼器の予混合室におけるガス流の流動状
態を示す図である。 １４・・・頭部燃焼室、１５・・・主燃焼室、１７・・
・予混合室、１８・・・外側壁、１８ｂ・・・外側壁曲
面、２８・・・拡大部、３２・・・空気流入孔、Ｓ・・
・断熱空間、４１・・・連通部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 小径の類焼焼室と、頭部燃焼室の後流側に拡大部を
   介して連結した大径の主燃焼室と、頭部燃焼室の外側に
   設けられ、液体燃料を蒸発させて予混合ガスを生成する
   予混合室と、予混合室と頭部燃焼室とを予混合室の後流
   側端で連通する連通部とを備えたガスタービン燃焼器に
   おいて、前記連通部に予混合ガスを導くため予混合室の
   外側壁曲面の曲率半径Ｒを予混合室の外側壁と内側壁間
   の距離ｌとの関係で１／２＜Ｒ／ｌ＜１を満足する値と
   し、更に、前記、外側壁曲面と前記拡大部槽面の間に断
   熱空間を形成したことを特徴とするガスタービン燃焼器
   。