JPH0828872A - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】燃焼振動の激しい発生を抑制し、排出ＮＯｘ量
を低減できる燃焼条件を含む全ての運転範囲で安定に燃
焼できるガスタービン燃焼器を提供する。 【構成】旋回流バーナ８０に隣接させて保炎器３付き予
混合バーナ９０を配置し、予混合バーナ９０の予混合気
噴出口に突起１５を配置する。ガスタービンの負荷の増
大に伴い、予混合バーナへの燃料供給量の比率を大きく
して、排出ＮＯｘが増加するのを抑制するが、これによ
り旋回流バーナ８０の燃料流量が大幅に変化しても、予
混合器４の内周壁面に設けられた突起１５の後流に形成
される高温の循環流が保炎領域となるので、火炎が安定
に形成される。 【効果】ガスタービン燃焼器の全ての運転範囲で旋回流
バーナの燃焼が安定に保持され、激しい燃焼振動の発生
を抑制できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料と空気を混合させ
つつ燃焼させる拡散燃焼バーナと、燃料と空気を予め混
合して燃焼させる予混合燃焼バーナとを備えたガスター
ビン燃焼器に係り、特に拡散燃焼バーナを包囲するよう
に環状の予混合燃焼バーナを備えたガスタービン燃焼器
或いは拡散燃焼バーナの周囲に複数個の予混合燃焼バー
ナを備えたガスタービン燃焼器に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンは、起動から定格負荷ま
で、大きな負荷変化に対応して広範な出力範囲で運転し
なければならない。したがって、起動から定格負荷ま
で、空気流量や燃料流量等の運転条件が大幅に変化して
も安定に燃焼することがガスタービン燃焼器の必須要件
の一つである。

【０００３】一方、ガスタービン燃焼器から排出される
ＮＯｘの排出量を低減するために、ＮＯｘの生成を抑制
できる燃焼方法が強く求められている。

【０００４】排出ＮＯｘ量の少ない燃焼方法として、燃
料と空気を燃焼反応前に予め混合させてから燃焼させる
予混合燃焼がある。これは、予混合燃焼させることで、
燃焼火炎温度が局部的に上昇するのを防ぐためである。

【０００５】一般に、ＮＯｘ生成量は、燃焼火炎温度が
高いほど指数関数的に増加する。したがって、空気の割
合を大きくして予混合気を希薄にすることで燃焼火炎温
度を低下させ、ＮＯｘ排出量を低減することができる。
そこで、近年ますます強くなる低ＮＯｘ化の要求に対し
て、希薄予混合燃焼の比率が大きくなってきている。し
かし、一般に希薄予混合燃焼は、拡散燃焼に比べて安定
燃焼範囲が狭く、失火しやすい。したがって、燃焼の安
定化を確保しつつ低ＮＯｘ化を図るために、拡散燃焼と
希薄予混合燃焼とを巧みに組み合わせることが必要であ
る。

【０００６】予混合燃焼を安定に行わせるための手段と
しては、予混合気噴出口に保炎器を配置し、保炎器の後
流にできる燃焼ガスの循環流で火炎を保持するのが有効
である。そこで、保炎器付きの予混合バーナと拡散燃焼
によるパイロットバーナとを組合せた燃焼器が提案され
ている。これらについては、特開平4−103906 号公報あ
るいは特開平5−157239 号公報等に記載されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】保炎器付きの予混合バ
ーナと拡散燃焼によるパイロットバーナとを組合せた燃
焼器において問題になるのは、両者の火炎の関係が不安
定になると燃焼振動を発生することである。

【０００８】燃焼振動が発生する条件は極めて複雑であ
り、拡散燃焼用燃料や予混合気の噴出条件、予混合燃焼
用燃料と拡散燃焼用燃料の供給割合等を変化させると、
火炎が不安定になる条件が出現し、燃焼振動が発生す
る。燃焼に伴うＮＯｘの排出を抑制するためには、拡散
燃焼用燃料の割合をできる限り小さくするのが望ましい
が、このような条件で燃焼振動が発生すると極めて大き
な振動レベルとなり、実質的に低ＮＯｘ燃焼器として採
用できない。

【０００９】従来の保炎器付きの予混合バーナと拡散燃
焼によるパイロットバーナとを組合せた燃焼器において
は、拡散燃焼の燃料供給量比率が大きく、また、拡散燃
焼用の燃焼室を予混合燃焼用の燃焼室の上流側に別個に
配置することで予混合火炎と拡散火炎との干渉を小さく
している。しかし、このような構成のバーナでは、拡散
燃焼させるための燃焼空気流量は、拡散燃焼火炎からの
ＮＯｘ生成を抑制し、かつ局部的に高温部が発生して構
造材にダメージを与えるのを防止するため、拡散燃焼用
燃料供給量の最大値に合わせて配分しなければならな
い。

【００１０】したがって、予混合器に配分する燃焼空気
流量の割合が少なくなり、希薄予混合燃焼の比率を大き
くできず、排出ＮＯｘの低減には限界があった。尚、こ
のような燃焼器において拡散燃焼用燃料の比率を小さく
すると、拡散燃焼による燃焼ガス温度が低下し、拡散燃
焼室の下流に形成される予混合火炎に火炎を伝播させる
のが困難になるため、この点からも排出ＮＯｘの低減に
は限界があった。

【００１１】そこで、保炎器付きの予混合バーナと拡散
燃焼によるパイロットバーナとを隣接させ、パイロット
バーナに供給する燃料の燃焼空気の一部を予混合バーナ
の燃焼空気と共有させる燃焼器構造が提案されている。
この場合、パイロットバーナから噴出する気体に旋回流
をかける方式にすると、より良く予混合バーナの空気と
混合させることができる。ここで、旋回流をかけるのは
燃焼空気だけであってもよいし、燃焼空気と燃料の両方
であってもよい。前者の場合には、燃料は燃焼室に直進
流で噴出される。この燃焼器構成では、パイロットバー
ナの燃焼のみに用いられる燃焼空気流量を低減できるの
で希薄予混合燃焼比率を大きくでき、排出ＮＯｘを低減
することができる。

【００１２】しかし、一方で、該燃焼器では、図１２の
従来例に示すように、両方のバーナへの供給燃料割合に
よって、燃焼振動が激しく発生する条件が出現し、ガス
タービン燃焼器の運用性と信頼性を阻害する大きな問題
になっていた。

【００１３】本発明の目的は、拡散燃焼バーナと予混合
燃焼バーナとを備えたガスタービン燃焼器において、希
薄予混合燃焼比率を大きくして排出ＮＯｘを減らすため
に、空気流量及び燃料流量を広範囲で変化させても燃焼
振動が発生せず、安定に燃焼できるガスタービン燃焼器
を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、拡散燃焼用燃
料ノズルを包囲するように環状の空気ノズルを備えた拡
散燃焼バーナと、該拡散燃焼バーナを取り囲むように配
置した予混合燃焼バーナとを具備するガスタービン燃焼
器において、前記拡散燃焼バーナに備えた空気ノズルの
噴出口近傍に旋回空気流を発生させる旋回羽根を備え、
前記予混合燃焼バーナの予混合気噴出口の下流側近傍に
燃料と空気の予混合気の流れを反らして後流側に燃焼ガ
スの循環流を形成して火炎を保持する保炎器を備え、前
記予混合燃焼バーナの予混合気噴出口先端に該噴出口周
縁から内側に向かって張り出して予混合気の流路を狭め
る突起部を設けたことを特徴とする。

【００１５】また、拡散燃焼用燃料ノズルを包囲するよ
うに環状の空気ノズルを備えた拡散燃焼バーナと、該拡
散燃焼バーナを取り囲むように配置された予混合燃焼バ
ーナとを具備するガスタービン燃焼器において、前記拡
散燃焼バーナの空気ノズル内にもう一つの燃料ノズルを
設けて該バーナを拡散−予混合混焼バーナとし、該拡散
−予混合混焼バーナの空気と燃料の予混合気噴出口に旋
回予混合気流を発生させる旋回羽根を備え、前記予混合
燃焼バーナの予混合気噴出口の下流側近傍に燃料と空気
の予混合気の流れを反らして後流側に燃焼ガスの循環流
を形成し火炎を保持する保炎器を備え、前記予混合燃焼
バーナの予混合気噴出口の先端に該噴出口周縁から内側
に向かって張り出して予混合気の流路を狭める突起部を
設けたことを特徴とする。

【００１６】ガスタービン燃焼器を安定に燃焼させる最
も確実な方法は、燃焼器内に燃焼が開始する領域、即ち
保炎領域を明確に形成することである。本発明では、該
保炎領域を形成する手段として、燃焼空気あるいは燃焼
空気と燃料の予混合気に旋回流を与え、該旋回流により
逆流領域を形成して保炎領域とする方法、及び予混合気
体を噴出する予混合器出口に保炎器を配置し、該保炎器
の後流に形成される逆流領域を保炎領域とする方法とを
組み合わせる。この場合、旋回流を発生させる方のバー
ナと、保炎器を備えた予混合バーナを隣接して配置す
る。そして、両方のバーナの広範囲な運転条件において
燃焼振動を抑制するために、予混合バーナの予混合気噴
出口の先端部に噴出口周縁から内側に向けて張り出した
突起部を設け、予混合気の流路を狭める。

【００１７】ここで、予混合気の噴出口の口径を狭める
突起部は、該突起部の上流側に予混合気の大きな淀み域
を形成しないような角度を前記予混合気の流れに対して
有するのが望ましい。また、該突起部の表面に、複数個
の微小な突部よりなる乱流促進体を設けて予混合気の流
れを乱すことが望ましく、これにより突起部のメタル温
度を低減できる。

【００１８】本発明においては、拡散燃焼バーナを燃焼
器の中央部に設け、その拡散燃焼バーナを取り囲むよう
に予混合燃焼バーナを設けることが望ましい。このため
の一つの手段として、環状の予混合燃焼バーナを拡散燃
焼バーナの周囲に同心的に設けることが望ましい。ま
た、拡散燃焼バーナの周囲に複数個の予混合燃焼バーナ
をほぼ等間隔で設けることが望ましい。拡散燃焼バーナ
の周囲に環状の予混合燃焼バーナを設ける場合には、予
混合燃焼バーナと拡散燃焼バーナとを仕切る隔壁に拡散
燃焼バーナを流れる燃焼空気の一部を供給する空気流路
を設けて、両バーナを冷却することが望ましい。

【００１９】拡散燃焼バーナに代えて拡散−予混合混焼
バーナを備えた場合でも、上述の拡散燃焼バーナを備え
た場合と同様に、環状或いは複数個の予混合燃焼バーナ
を備えることが望ましい。また、拡散−予混合混焼バー
ナの周囲に環状の予混合燃焼バーナを備える場合には、
両者を仕切る隔壁に拡散−予混合混焼バーナを流れる予
混合気の一部を供給する予混合気流路を設けて、両バー
ナを冷却することが望ましい。

【００２０】ここで、前記隔壁に設けた冷却空気流路か
ら噴出する冷却空気および空気と燃料の混合気体は、前
記予混合バーナを流れる予混合気の噴出方向とほぼ同じ
噴出方向に噴出されるのが望ましい。

【００２１】

【作用】旋回器付き拡散燃焼バーナ或いは拡散−予混合
混焼バーナと保炎器付き予混合バーナとを隣接して配置
したガスタービン燃焼器は、図１２の従来例に示すよう
に、両方のバーナへの供給燃料割合によって、燃焼振動
が激しく発生する条件が出現する。このような燃焼振動
の挙動には、旋回器付きバーナから供給される燃料によ
り燃焼反応が進行する領域（火炎形成領域）と、保炎器
付き予混合バーナから供給される燃料により燃焼反応が
進行する領域（火炎形成領域）との相互作用が重要な役
割を果たしていると考えられる。即ち、旋回器付きバー
ナによる火炎は、それ自身は安定であるものの、該旋回
器付きバーナへの供給燃料割合によって、火炎形成領域
を変化させ、ゆらぎを生ずる。そして、ゆらぎの位相が
前記保炎器付きバーナの燃焼反応の変化の位相と一致す
ると燃焼器の固有振動数に対応して大きな燃焼振動が発
生すると考えられる。

【００２２】したがって、燃焼振動の抑制には、前記旋
回器付きバーナの火炎のゆらぎの位相が、該旋回器付き
バーナへの供給燃料割合によって変化する割合を低減し
てやればよい。本発明者等は、これを達成するには、旋
回器付きバーナによる火炎形成領域が、少なくとも前記
保炎器付きバーナと併用して運転する条件で、大きく変
化するのを防ぐのが有効と考えた。

【００２３】本発明は、このような考えに基づいて完成
させたもので、図１２に従来例で示したような激しい燃
焼振動の発生を抑制し、ガスタービン燃焼器の全ての運
用範囲で安定な燃焼が達成できる燃焼器を提供するもの
である。

【００２４】本発明では、旋回器付きバーナの火炎形成
領域が大きく変化するのを防止する手段として、該旋回
器付きバーナと隣接する保炎器付き予混合バーナの予混
合気噴出口に該噴出口周囲から内側に向かって張り出し
予混合気の流れに対して障害となる突起部を設ける。該
突起部は、リング状あるいはリングの一部を欠損させた
形状であるのが望ましい。該突起部を配置すると、該突
起部に沿って予混合気の流れは加速され、突起部の後流
に安定な循環渦が形成される。該循環流には、前記旋回
器付きバーナから噴出される燃料と空気、また、前記保
炎器付き予混合バーナから噴出される予混合気及び燃焼
ガスが巻き込まれるから、ここに安定な火炎形成領域、
即ち保炎領域が形成される。ここで重要なのは、該循環
流には前記保炎器付き予混合バーナから噴出される予混
合気及び燃焼ガスも巻き込まれる点である。この作用に
より、前記旋回器付きバーナに供給される燃料流量に比
べて前記保炎器付き予混合バーナに供給される燃料流量
の方が圧倒的に大きい条件であっても、該循環流が安定
な保炎領域になり、激しい燃焼振動の発生を抑制するこ
とができる。

【００２５】保炎器付き予混合バーナの予混合気噴出口
に設けた予混合気の流れに対して障害となる突起部は、
該突起部の上流側に予混合気の大きな淀み域を形成しな
いような角度を前記予混合気の流れに対して有すること
が望ましい。例えば、該突起部が該予混合気の流れに対
して９０度の角度を有していると、該突起部の上流側に
は大きな淀み域が形成される。この状態で、燃料流量の
変動等で燃焼状態が不安定になると、火炎が該淀み域に
形成され、予混合器内に逆火する可能性が高くなる。こ
れを防ぐには、該突起部の上流側に大きな淀み域が発生
するのを抑制すればよく、本発明では該突起部を前記予
混合気の流れに対して、９０度以下の角度とすることが
望ましい。該予混合気の大きな淀み域の形成は、予混合
バーナの予混合気流路の形状や予混合気流速によって影
響されるから、前記突起部の予混合気流れに対する角度
は一概には決められないが、通常は８０度以下にするの
が望ましい。また、該突起部の先端を鋭利にして、当該
部分に火炎が付着するのを防止するのが望ましい。

【００２６】また、本発明では、前記突起部の壁面に、
複数の微小な突起よりなる乱流促進体を配置するのが望
ましい。該乱流促進体を配置することにより、該乱流促
進体後流に空気あるいは予混合気の気流による小さな渦
が形成され、境界層が破壊される。その結果、熱伝達係
数が増加し、予混合気気流と火炎に隣接して高温となる
前記突起部の火炎形成領域側との伝熱が促進される。通
常、予混合気気流の温度は１００〜４００℃程度であ
り、前記突起部を構成する構造部材の最高温度は５００
〜８００℃になる。両者の伝熱が促進されれば、予混合
気気流の温度が上昇する。該気流温度が高いほど燃焼の
開始が容易となるから、より安定な燃焼が達成できる。
また、前記突起部の火炎形成領域側と該気流との伝熱を
促進することは、該突起部に高温部分が発生するのを防
止することにもなる。ここで、前記乱流促進体は、その
後流に形成される渦流と流れの微小な偏流により伝熱を
促進するものであり、高さを０.１mm 以上１mm以下とす
ることが望ましい。乱流促進体の高さを１mm以上にする
と、渦流及び偏流のスケールも大きくなり乱流促進体の
効果が阻害される。また、乱流促進体の高さを０.１mm
以下とすると乱流発生の効果が発揮されない。したがっ
て、乱流促進体の高さを０.１mm 以上１mm以下とするこ
とで該乱流促進体の伝熱性能を高水準に維持することが
可能となる。

【００２７】また、本発明では、前記旋回器付きバーナ
と前記保炎器付き予混合バーナとの境界にバーナ構造体
を冷却するための冷却空気流路を設け、かつ該冷却空気
流路を流れる冷却空気に燃料を供給する手段を更に付加
することが望ましい。一般に、旋回器付きバーナにおい
ては、流体を旋回によって周方向に広げるから、前記保
炎器付き予混合バーナからの噴出気体との干渉を避ける
ため、該予混合バーナの予混合気出口と前記旋回器付き
バーナの旋回流体の噴出口との間に距離を設けるのが望
ましい。この場合、該予混合器出口と該旋回器付きバー
ナの旋回流体の噴出口との間の構造体即ち両者バーナを
仕切る隔壁の近傍には循環流が形成され、該構造体は高
温になる。そこで、該構造体のメタル温度が材料の許容
値を越えないように冷却空気を該構造体部分に供給する
が、本発明では、このための該冷却空気の流路を、少な
くとも前記旋回器付きバーナと前記予混合バーナとを仕
切る隔壁の部分に設けることが望ましい。更に、該冷却
空気流路を流れる冷却空気に燃料を供給する手段を設け
るのが望ましい。前記予混合バーナの予混合気噴出口周
縁には予混合気流路を狭めるように突起部が設けられて
おり、該突起部の後流には循環流が形成されるから、前
記冷却空気流路に冷却空気とともに燃料が供給されると
循環流内のガスはより高温となり、より安定な保炎領域
を形成する。したがって、燃焼振動の発生を抑制する作
用をさらに強化できる。

【００２８】ここで、旋回器付きバーナと予混合バーナ
との隔壁に設けた冷却空気流路から噴出する空気あるい
は空気および燃料の混合気体を、予混合バーナの予混合
気の噴出方向とほぼ同じ噴出方向に噴出させると、該冷
却空気流路から噴出する空気および燃料の混合気体の噴
出流と前記予混合気噴出流との間により安定な循環渦が
形成される。前者の噴出流が前記予混合気噴出流側に寄
り過ぎると安定な循環渦の形成が阻害され、また、離れ
過ぎると前記旋回器付きバーナの保炎領域を乱す結果を
生じやすくなる。

【００２９】このようなガスタービン燃焼器を組み込む
ことにより、ガスタービン及びガスタービン発電プラン
トの信頼性が向上する。

【００３０】

【実施例】

〔実施例１〕本発明の一実施例を図１及び図２を用いて
説明する。図１は本実施例によるガスタービン燃焼器の
断面図を示し、図２は図１を側面から見た図を示す。該
燃焼器は、旋回羽根２を備えた旋回器付きバーナ（以
下、旋回流バーナという）８０が中心軸上に配置され、
その外周にリング状の保炎器３と予混合器４を有する予
混合バーナ９０が配置されている。旋回流バーナ８０
は、燃料ノズル１を中心に備え、それを取り囲むように
環状の空気ノズルを備えている。該空気ノズルの噴出口
先端は、周縁から内側上流に向けて張り出した流路縮小
部材１３によって流路が狭められており、その狭められ
た空気流路に旋回羽根２が備えられている。該燃焼器に
は、図示しないコンプレッサーで圧縮された空気２０が
供給される。旋回流バーナ８０の燃料ノズル１には、燃
料２１が供給され、旋回羽根２を通過する燃焼用空気２
０Ａによって形成される旋回流３０中に噴出される。一
方、予混合器４内には、燃料ノズル１０から燃料が供給
され、空気と混合して予混合気２２として、リング状の
保炎器３の内外周から噴出される。燃料ノズル１０は、
図２に示すように複数個備えられているが、その個数，
配置は特に限定されない。また、本実施例ではリング状
の保炎器３が使用され、固定板１１で予混合器４出口に
配置されているが、保炎器後流に循環流４０を形成でき
るものであれば、この形状、配置も特には限定されな
い。空気２０は、燃焼用空気２０Ａとして使われるほか
に、冷却空気２３として配分される。冷却空気２３は、
燃焼ガスが接して高温となる流路縮小部材１３壁面を冷
却した後、燃焼領域に噴出される。また、予混合器４の
旋回流バーナ８０側の内周壁面にリング状の突起１５が
設けられる。

【００３１】図３は、図１の燃焼器の一部分の断面を拡
大して示したものである。リング状の保炎器３の後流に
は高温の燃焼ガスによる循環流４０が形成されるから、
ここが保炎領域となり、循環流４０に沿って予混合気２
２が燃焼する。旋回流バーナ８０については、旋回羽根
２からの空気噴出口２と予混合器４との間の流路縮小部
材１３壁面に沿ってできる循環流５０Ａと、旋回流によ
る逆流領域５０Ｂに沿って、燃料噴出口１８Ａ，１８Ｂ
より噴出した燃料と空気とが混合し、燃焼が進行する。

【００３２】図４は、予混合器４の内周壁面に配置した
突起１５の周辺の流れを示す。該突起１５の後流には循
環渦６０が形成される。循環渦６０は、旋回流バーナ８
０からの燃料と空気の気流２４及び予混合気２２による
燃焼ガスの流れであるから、十分に高温であり、これに
沿って火炎７０が形成される。前述した図１２の従来例
に示すような燃焼振動は、旋回流バーナ８０による気流
２４と予混合気気流２２の境界にできる火炎の変動が大
きな原因である。したがって、本実施例によって火炎７
０が安定に形成されることで、図１２の本発明による実
施例に示すレベルにまで燃焼振動を低減することができ
る。

【００３３】ここで、突起１５は、予混合気気流２２の
障害となるのが基本要件であるが、該突起１５はその一
方で、予混合器４内に大きな淀み域ができない構成にな
っていなければならない。これは、該突起１５は予混合
器４の出口に配置されるから、この部分でできる淀み域
は、わずかな火炎のゆらぎにより逆火を誘因し、燃焼器
を焼損させる恐れがあるからである。したがって、突起
１５に対し、以下の実施例に示すような工夫がなされ
る。

【００３４】図５は、図４と同様に、予混合器４の内周
壁面に配置される突起１５の断面形状を示すものであ
る。ここで、突起１５の壁面１５Ａと予混合気２２の主
流方向との角度をθとすると、該θは１０゜〜８０゜の
範囲であるのが望ましい。θが８０゜以上になると予混
合器４の壁面４Ａに沿う流れによってできる淀み域７５
が大きくなり、逆火の可能性が大きくなる。また、θが
１０゜以下であると突起１５の後流に形成される循環渦
６０が弱くなり、火炎７０の保炎性能が悪化する。θが
１０゜〜８０゜の範囲にあると、逆火を防止しつつ保炎
性能を維持できる。θが大きくなると突起１５の火炎７
０の形成部の構造体の厚さが小さくなる。この場合、突
起１５の燃焼ガス側の壁面１５Ｃ，１５Ｄを、図５に示
すように角度をつけて構成すると先端部１５Ｄの構造体
の厚さを大きくでき、強度を増すことができる。

【００３５】図６は、図５の突起１５の壁面１５Ａを、
壁面１５Ａ，１５Ｂと角度を付けた壁面としたものであ
る。この構成により、予混合気気流２２Ａによる淀み域
７５を極めて小さくできる。また、１５Ｂの構造体の厚
さが大きくなるので、この部分の強度を増すことができ
る。

【００３６】図７は、図４の突起１５の構成に対し、壁
面１５Ａの表面に微小な突起である乱流促進体１６を更
に設けたものである。乱流促進体１６は、図８に示すよ
うな断面形状で、高さＨを０.１mm 以上１mm以下とし、
間隔ＬをＨの４〜２０倍にしたものである。ここで、奥
行き方向は、連続であっても良いし、一部を切り離した
形状であっても良い。乱流促進体１６の後流には、循環
渦７６が形成され、壁面１５Ａの表面にできる境界層を
破壊するので、突起１５と予混合気気流２２Ａとの伝熱
が促進される。このため、該気流２２Ａの温度が上昇す
るから、火炎７０の形成が安定となる。また、高温の循
環渦６０に接する突起１５のメタル温度の上昇を抑制で
きる。乱流促進体１６の効果は図８以外の形状、例えば
断面形状が台形でも三角形でも大差なく、乱流促進体１
６の配置も含め、特には限定されない。

【００３７】以上で説明した個々の作用効果を総合した
ガスタービン燃焼器の運用の実施例について、図１で説
明する。

【００３８】ガスタービンの起動，昇速時には旋回流バ
ーナ８０に燃料ノズル１から燃料２１を供給する。起
動，昇速時には空気流量，燃料流量共に大きく変化する
が、旋回羽根２による旋回流３０によって拡散火炎が安
定に形成されるので、失火することはない。ガスタービ
ンが負荷運転に入り、負荷を上昇させるに伴って、燃料
２１の供給量を増加させる。

【００３９】負荷が更に大きくなった段階で、予混合器
４内の燃料ノズル１０より燃料を供給して予混合気２２
とし、予混合バーナ９０に導入する。予混合器４の出口
にはリング状の保炎器３が配置されており、その後流に
形成される循環流４０によって、火炎は安定に形成され
る。

【００４０】本実施例においては、旋回流バーナ８０に
隣接する予混合器４の内周側壁面に、リング状の突起１
５が配置されている。定格負荷に至る過程で、排出ＮＯ
ｘを抑制するために、ＮＯｘ生成量の少ない予混合バー
ナ９０への燃料供給量を増加し、相対的にＮＯｘ生成量
が多い旋回流バーナ８０への燃料供給量を低減させる。
従来のバーナでは、図１２の従来例に示したように、旋
回流バーナの燃料供給量を変化させる過程で火炎が不安
定となり、激しい燃焼振動を発生していた。これに対し
て、本実施例においては、図１２の本発明の実施例に示
すように、前記リング状の突起の後流にできる循環流が
保炎領域となるので、燃焼振動が激しく発生することは
ない。

【００４１】本実施例によれば、定格負荷に至る過程
で、旋回流バーナへの燃料供給量が変化しても、燃焼振
動の発生を抑制できる効果がある。

【００４２】〔実施例２〕本発明による他の実施例を図
９に示す。本実施例においても、本実施例による旋回流
バーナ８０と保炎器を出口に配置した予混合器を設けた
予混合バーナ９０を隣接させる構成及び予混合器４の内
壁に配置した突起１５による保炎領域の形成等の作用効
果は実施例１と同様である。実施例１と異なるのは、旋
回流バーナ８０の上流側に燃料ノズル１６を配置して燃
料１７を供給できるようにしたことである。ここで、燃
料ノズル１６の個数は特には限定されない。また、燃料
ノズル１６からの燃料１７の供給は、ガスタービンの起
動から定格負荷に至るまでの、どの時点からでも開始で
きる。この場合、燃料１７の供給量の増加に応じて燃料
ノズル１からの燃料流量を減少させるように制御すれば
良い。

【００４３】燃料ノズル１７から噴出する燃料は、一部
は旋回羽根２を通過して、燃料ノズル１からの燃料とと
もに燃焼領域に噴出される。残りの燃料は、冷却空気２
３の通路１４を通過して、予混合器４の旋回流バーナ８
０側の壁面に沿って燃焼領域に噴出される。図４に示し
たように、予混合器４の内周壁面には突起１５が配置さ
れており、その後流には循環渦６０が形成されている。
ここで、冷却空気通路１４を通過する空気と燃料の混合
気体は、該循環渦６０の形成を阻害しないように、燃焼
領域に噴出される。冷却空気２３には燃料ノズル１６か
ら供給された燃料が混合されているので、循環渦６０に
沿った火炎の燃焼をより促進することができる。したが
って、当該部分での保炎を強化でき、旋回流バーナから
の燃料と空気２４の燃焼反応を安定化できるので、激し
い燃焼振動の発生を抑制できる。また、本実施例によれ
ば、燃料１７の一部は、旋回羽根２に至る過程で空気と
混合し、予混合気となって燃焼領域に噴出される。した
がって、燃料１７の供給量分だけ拡散燃焼による燃料量
２１の供給量を低減できるから、ＮＯｘ排出量を低減で
きる。

【００４４】本実施例によれば、激しい燃焼振動の発生
を抑制し、かつＮＯｘ排出量を低減できる効果がある。

【００４５】〔実施例３〕本発明による他の実施例を図
１０及び図１１に示す。図１１は、図１０の燃焼器の一
部を下流側から見た図である。本実施例の燃焼器は、旋
回流バーナ８０の周辺に、保炎器３付き予混合バーナ９
０Ａ，９０Ｂ，９０Ｃ，９０Ｄ，９０Ｅを配置したもの
である。図１０は、図１１のバーナ９０Ａ，８０，９０
Ｄの断面をつなげた図になっている。

【００４６】予混合バーナ９０Ａ，９０Ｂ，９０Ｃ，９
０Ｄ，９０Ｅは、予混合器４の出口に保炎器３を支持板
１１で固定してある。燃料は、燃料ノズル１０から供給
し、空気２０と混合して予混合気２２として燃焼領域に
噴出させる。予混合器４の内周壁面には突起１５を配置
する。

【００４７】旋回流バーナ８０では、旋回羽根２によっ
て空気と燃料ノズル１から噴出する燃料の旋回流を形成
し、燃焼させる。本実施例の場合、ガスタービンの起動
時に旋回流バーナ８０を作動し、負荷の上昇に伴って予
混合バーナ９０Ａ，９０Ｂ，９０Ｃ，９０Ｄ，９０Ｅに
順次燃料を供給し、作動させていく。この間、排出ＮＯ
ｘを低減するために、旋回流バーナ８０の燃料流量比率
は少なくなっていくが、予混合器４の内周壁面に配置さ
れた突起１５の効果により、旋回流バーナ８０と予混合
バーナ９０Ａ，９０Ｂ，９０Ｃ，９０Ｄ，９０Ｅの境界
にできる火炎は安定に燃焼し、顕著な燃焼振動は発生し
ない。

【００４８】本実施例によれば、予混合バーナを複数個
有するガスタービン燃焼器に対して、燃焼を安定に行わ
せることができる効果がある。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、旋回流バーナと保炎器
付き予混合バーナの境界にできる燃焼火炎を保持する保
炎領域を安定に確保することができ、ＮＯｘ排出量を低
減できる燃焼条件を含む広い運転範囲で、激しい燃焼振
動の発生を防止できる効果がある。

【００５０】そして、本発明のガスタービン燃焼器を組
み込むことによって、燃焼の安定性に優れたガスタービ
ン、ガスタービン発電プラントが提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるガスタービン燃焼器の
断面図。

【図２】図１のバーナ構成を燃焼器の下流側から見た
図。

【図３】図１の一部を拡大した図。

【図４】図３の一部を拡大した図。

【図５】本発明の一実施例によるバーナの一部断面説明
図。

【図６】本発明の一実施例によるバーナの一部断面説明
図。

【図７】本発明の一実施例によるバーナの一部断面説明
図。

【図８】図７の乱流促進体の形状、寸法とそれによって
できる循環渦を示す図。

【図９】本発明の他の実施例によるガスタービン燃焼器
の断面図。

【図１０】本発明の更に他の実施例によるガスタービン
燃焼器の断面図。

【図１１】図１０のバーナ構成の一部を燃焼器の下流側
から見た図。

【図１２】燃焼振動の発生状況の例を示すグラフ。

【符号の説明】

１，１０…燃料ノズル、２…旋回羽根、３…保炎器、
４，２２…予混合器、１３…流路縮小部材、１４…冷却
空気流路、１５…突起、２０…空気、２１…燃料、２３
…冷却空気、２４…燃料及び空気の気流、３０…旋回
流、４０，５０，６０，７６…循環渦、７０…火炎、７
５…淀み域、８０…旋回流バーナ、９０…予混合バー
ナ。

フロントページの続き (72)発明者 小豆畑 茂 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 小松 康孝 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 漆谷 春雄 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 飯塚 信之 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 村上 忠孝 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】拡散燃焼用燃料ノズルの外側に環状の空気
   ノズルを備えた拡散燃焼バーナと、該拡散燃焼バーナの
   周囲に配置した予混合燃焼バーナとを具備するガスター
   ビン燃焼器において、 前記拡散燃焼バーナの前記空気ノズルの噴出口近傍に旋
   回空気流を発生させる旋回羽根を備え、 前記予混合燃焼バーナの予混合気噴出口の下流側近傍に
   燃料と空気の予混合気の流れを反らして後流側に燃焼ガ
   スの循環流を形成して火炎を保持する保炎器を備え、 前記予混合燃焼バーナの予混合気噴出口先端部に該噴出
   口の周縁から内側に向かって張り出して予混合気の流路
   を狭める突起部を設けたことを特徴とするガスタービン
   燃焼器。
2. 【請求項２】拡散燃焼用燃料ノズルを包囲するように環
   状の空気ノズルを備えた拡散燃焼バーナと、該拡散燃焼
   バーナの周囲に配置した予混合燃焼バーナとを具備する
   ガスタービン燃焼器において、 前記拡散燃焼バーナの空気ノズル内にもう一つの燃料ノ
   ズルを設けて該バーナを拡散−予混合混焼バーナとし、 該拡散−予混合混焼バーナの空気と燃料の予混合気噴出
   口に旋回予混合気流を発生させる旋回羽根を備え、 前記予混合燃焼バーナの予混合気噴出口の下流側近傍に
   燃料と空気の予混合気の流れを反らして後流側に燃焼ガ
   スの循環流を形成して火炎を保持する保炎器を備え、 前記予混合燃焼バーナの予混合気噴出口の先端に該噴出
   口周縁から内側に向かって張り出して予混合気の流路を
   狭める突起部を設けたことを特徴とするガスタービン燃
   焼器。
3. 【請求項３】請求項１又は２において、前記予混合燃焼
   バーナの予混合気噴出口に設けた突起部は、該突起の上
   流側に予混合気の大きな淀み域を形成しないような角度
   を予混合気の流れに対して有することを特徴とするガス
   タービン燃焼器。
4. 【請求項４】請求項１又は２において、前記予混合燃焼
   バーナの予混合気噴出口に設けた突起部の予混合気と接
   触する表面に、予混合気の流れに対して障害となる微小
   な突起である乱流促進体を設けたことを特徴とするガス
   タービン燃焼器。
5. 【請求項５】請求項１において、前記拡散燃焼バーナを
   包囲するように環状の前記予混合燃焼バーナを備え、両
   者バーナを仕切る隔壁に前記拡散燃焼バーナを流れる空
   気の一部がバーナ冷却用空気として供給される空気流路
   を設けたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
6. 【請求項６】請求項２において、前記拡散−予混合混焼
   バーナを包囲するように環状の前記予混合燃焼バーナを
   備え、両者バーナを仕切る隔壁に前記拡散−予混合混焼
   バーナを流れる予混合気の一部が供給される流路を設け
   たことを特徴とするガスタービン燃焼器。
7. 【請求項７】請求項１において、前記拡散燃焼バーナに
   備えた空気ノズルの噴出口に、環状の該噴出口の流路を
   内周側に狭めるように該噴出口の周縁から内側に向けて
   張り出した空気流路縮小部材を設け、該部材によって狭
   められた空気噴出口に前記旋回羽根を備えたことを特徴
   とするガスタービン燃焼器。
8. 【請求項８】請求項２において、前記拡散−予混合混焼
   バーナの予混合気噴出口に、環状の該噴出口の流路を内
   周側に狭めるように該噴出口の周縁から内側に向けて張
   り出した流路縮小部材を設け、該部材によって狭められ
   た予混合気噴出口に前記旋回羽根を備えたことを特徴と
   するガスタービン燃焼器。
9. 【請求項９】請求項１において、前記拡散燃焼バーナを
   中央に配置し、該拡散燃焼バーナを取り囲んでその周囲
   に複数個の前記予混合燃焼バーナを配置したことを特徴
   とするガスタービン燃焼器。
10. 【請求項１０】請求項２において、前記拡散−予混合混
    焼バーナを中央に配置し、該拡散−予混合混焼バーナを
    取り囲んでその周囲に複数個の前記予混合燃焼バーナを
    配置したことを特徴とするガスタービン燃焼器。