(57)【要約】【課題】低ＮＯｘで且つ安定した燃焼が可能で、また、触媒燃焼器でありながら燃焼ガス温度に制約がないガスタービン燃焼器を提供する。【解決手段】触媒層により触媒パイロット火炎を形成し、これを火種として主たる燃焼を行うガスタービン燃焼器において、前記触媒層を通過して燃焼する予混合気と、通過せず直接供給される予混合気との流量比により、燃焼ガス温度が決定される構成とする。また、所望の前記燃焼ガス温度に適した構成となるように、前記触媒層の配置領域が決定されてなる構成とする。【選択図】      図１
2004361035.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒層により触媒パイロット火炎を形成し、これを火種として主たる燃焼を行うガスタービン燃焼器において、
前記触媒層を通過して燃焼する予混合気と、通過せず直接供給される予混合気との流量比により、燃焼ガス温度が決定されることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項２】
所望の前記燃焼ガス温度に適した構成となるように、前記触媒層の配置領域が決定されてなることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項３】
前記触媒層を予混合ノズル内における外側の領域に配置してなることを特徴とする請求項２に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項４】
前記触媒層を予混合ノズル内における内側の領域に配置してなることを特徴とする請求項２に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項５】
予混合ノズル内を外側，中間部，及び内側の領域に区分し、前記触媒層を前記予混合ノズル内における外側及び内側の領域に配置してなることを特徴とする請求項２に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項６】
予混合ノズル内を外側，中間部，及び内側の領域に区分し、前記触媒層を前記予混合ノズル内における中間部の領域に配置してなることを特徴とする請求項２に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項７】
複数の予混合ノズルのうち、所定の該予混合ノズル内の全領域に、前記触媒層を配置してなることを特徴とする請求項２に記載のガスタービン燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、触媒燃焼を組み入れた、ガスタービンの燃焼器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、複数の予混合ノズルからなるガスタービン燃焼器において、各予混合ノズルでパイロット燃焼及びメイン燃焼の両方を行うものがある。図７は、このような従来のガスタービン燃焼器の一例を模式的に示す図であり、同図（ａ）は一つの予混合ノズルの軸に沿った半断面図、同図（ｂ）は燃焼器を軸方向より見た予混合ノズルの配置図である。
【０００３】
同図（ａ）に示す予混合ノズル１内において、中心のノズル２の周囲にはスワラ３が設けられている。このスワラ３の空気流上流側において、ノズル２外面より燃料ノズル４が外側へと延びており、ここから矢印ａで示す如く空気流下流側に向けて、燃料（メイン燃料）が噴出される。そして、この燃料は予混合ノズル１において空気と混合して予混合気となり、またスワラ３の働きにより旋回流を形成する。
【０００４】
また、ノズル２の空気流下流側先端にはパイロットバーナ２ａが設けられており、ここから矢印ｐで示す如く空気流の下流側斜め方向に、放射状に燃料（パイロット燃料）が噴出される。そして、この燃料はパイロット火炎を形成する。これにより、前記スワラ３で旋回流を形成した予混合気は、予混合ノズル１の出口急拡大部１ａで、矢印Ａで示すように排出される際に保炎する。なお、同図（ｂ）に示すように、燃焼器Ｂ内面に沿って、予混合ノズル１が等角度間隔で８個配置された構成となっている。
【０００５】
一方、従来より、触媒燃焼を組み入れたガスタービン燃焼器が用いられている。図８は、このような従来のガスタービン燃焼器を模式的に示す構成図である。同図において、空気孔１０１を通って燃焼器１０４へ流入した空気は、ベンチュリー部１０２で矢印に示すように供給された燃料と混合されて、予混合気を形成する。この予混合気は、触媒層１０３に供給され、ここで触媒燃焼が行われる。なお、燃焼器１０４上流側の１０５はプリバーナであり、燃焼を安定させるために設けられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記図７で示したようなガスタービン燃焼器では、低ＮＯｘとするために予混合気を希薄にすると、燃焼安定性が劣化するという欠点がある。一方、前記図８で示したようなガスタービン燃焼器では、触媒層１０３は燃焼器１０４の断面いっぱいに広がって設けられ、且つ予混合気はその殆どがこの触媒層１０３で燃焼することになるため、触媒の耐熱性により燃焼ガス温度に制約があるとともに、圧力損失が高くなるという欠点がある。
【０００７】
本発明は、以上のような問題点に鑑み、低ＮＯｘで且つ安定した燃焼が可能で、また、触媒燃焼器でありながら燃焼ガス温度に制約がないガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、触媒層により触媒パイロット火炎を形成し、これを火種として主たる燃焼を行うガスタービン燃焼器において、前記触媒層を通過して燃焼する予混合気と、通過せず直接供給される予混合気との流量比により、燃焼ガス温度が決定されることを特徴とする。また、所望の前記燃焼ガス温度に適した構成となるように、前記触媒層の配置領域が決定されてなることを特徴とする。
【０００９】
また、前記触媒層を予混合ノズル内における外側の領域に配置してなることを特徴とする請求項２に記載のガスタービン燃焼器。或いは、前記触媒層を予混合ノズル内における内側の領域に配置してなることを特徴とする。或いは、予混合ノズル内を外側，中間部，及び内側の領域に区分し、前記触媒層を前記予混合ノズル内における外側及び内側の領域に配置してなることを特徴とする。或いは、予混合ノズル内を外側，中間部，及び内側の領域に区分し、前記触媒層を前記予混合ノズル内における中間部の領域に配置してなることを特徴とする。或いは、複数の予混合ノズルのうち、所定のその予混合ノズル内の全領域に、前記触媒層を配置してなることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係るガスタービン燃焼器を模式的に示す図であり、同図（ａ）は一つの予混合ノズルの軸に沿った半断面図、同図（ｂ）は燃焼器を軸方向より見た予混合ノズルの配置図である。なお、同図（ｂ）に示すように、本実施形態では、燃焼器Ｂ内面に沿って、予混合ノズル１が等角度間隔で８個配置された構成となっている。配置の個数及び位置関係はこれに限定されるものではない。このことは、以下の実施形態においても同様である。
【００１１】
本実施形態では、ノズル２の空気流下流側周囲に触媒層５ａが設けられており、その周囲には仕切筒６ａが外接していて、予混合ノズル１内を外側と内側の領域に区分している。さらに、触媒層５ａの空気流上流側には、仕切筒６ａの内側でノズル２との間にスワラ３ａが、また仕切筒６ａの外側で予混合ノズル１外殻との間にスワラ３ｂが設けられている。加えて、このスワラ３ａ，３ｂの空気流上流側において、ノズル２外面より燃料ノズル４ａ，４ｂが外側へと延びており、ここからそれぞれ矢印ａ，ｂで示す如く空気流下流側に向けて、それぞれ仕切筒６ａの内側と外側へ燃料（メイン燃料）が噴出される。
【００１２】
これらの燃料は空気と混合して予混合気となり、またそれぞれスワラ３ａ，３ｂの働きにより旋回流を形成する。また、ノズル２の空気流下流側先端にはパイロットバーナ２ａが設けられており、ここから矢印ｐで示す如く空気流の下流側斜め方向に、放射状に燃料（パイロット燃料）が噴出される。そして、この燃料はパイロット火炎を形成する。
【００１３】
本実施形態では、上述したように、各予混合ノズル１の内周側に触媒パイロットを設けて、触媒で燃焼可能な温度の触媒パイロット火炎を形成する。そして、その外周から予混合気を供給し、触媒パイロット火炎を火種として燃焼させる。これにより、従来の燃焼器と比較して、触媒パイロット火炎から安定して高温ガスが供給されるため、安定燃焼が可能となる。加えて、触媒燃焼のパイロットから、またその周りに供給される予混合気からも、ＮＯｘは殆ど発生しないため、ＮＯｘは２〜３ｐｐｍ程度と非常に低いレベルに留まる。
【００１４】
図２は、本発明の第２の実施形態に係るガスタービン燃焼器を模式的に示す図であり、同図（ａ）は一つの予混合ノズルの軸に沿った半断面図、同図（ｂ）は燃焼器を軸方向より見た予混合ノズルの配置図である。なお、同図（ｂ）に示すように、本実施形態では、燃焼器Ｂ内面に沿って、予混合ノズル１が等角度間隔で８個配置された構成となっている。
【００１５】
本実施形態では、予混合ノズル１外殻の空気流下流側内面に触媒層５ｂが設けられており、その内側には仕切筒６ｂが内接していて、予混合ノズル１内を外側と内側の領域に区分している。さらに、触媒層５ｂの空気流上流側には、仕切筒６ｂの外側で予混合ノズル１外殻との間にスワラ３ｃが、また仕切筒６ｂの内側でノズル２との間にスワラ３ｄが設けられている。加えて、このスワラ３ｃ，３ｄの空気流上流側において、ノズル２外面より燃料ノズル４ｃ，４ｄが外側へと延びており、ここからそれぞれ矢印ｃ，ｄで示す如く空気流下流側に向けて、それぞれ仕切筒６ｂの外側と内側へ燃料（メイン燃料）が噴出される。
【００１６】
これらの燃料は空気と混合して予混合気となり、またそれぞれスワラ３ｃ，３ｄの働きにより旋回流を形成する。また、ノズル２の空気流下流側先端にはパイロットバーナ２ａが設けられており、ここから矢印ｐで示す如く空気流の下流側斜め方向に、放射状に燃料（パイロット燃料）が噴出される。そして、この燃料はパイロット火炎を形成する。
【００１７】
本実施形態では、基本的には第１の実施形態と同じ思想であるが、上述したように、各予混合ノズル１の外周側に触媒パイロットを設けて、ここを通過した予混合気により、触媒で燃焼可能な温度の触媒パイロット火炎を形成する。そして、その内周から予混合気を供給し、触媒パイロット火炎を火種として燃焼させる。これにより、上記第１の実施形態と同様の効果が得られる。加えて、予混合ノズル外周側に高温ガスを供給しているため、未燃焼分を発生しにくい。また、第１の実施形態より火炎長が長く、発熱が分散されるため振動燃焼を起こしにくい。
【００１８】
図３は、本発明の第３の実施形態に係るガスタービン燃焼器を模式的に示す図であり、同図（ａ）は一つの予混合ノズルの軸に沿った半断面図、同図（ｂ）は燃焼器を軸方向より見た予混合ノズルの配置図である。なお、同図（ｂ）に示すように、本実施形態では、燃焼器Ｂ内面に沿って、予混合ノズル１が等角度間隔で８個配置された構成となっている。
【００１９】
本実施形態では、ノズル２の空気流下流側周囲に触媒層５ａが設けられており、その周囲には仕切筒６ａが外接している。また、予混合ノズル１外殻の空気流下流側内面に触媒層５ｂが設けられており、その内側には仕切筒６ｂが内接している。これにより、予混合ノズル１内を外側，中間部，及び内側の領域に区分している。
【００２０】
さらに、触媒層５ａの空気流上流側には、仕切筒６ａの内側でノズル２との間にスワラ３ａが、また仕切筒６ｂの外側で予混合ノズル１外殻との間にスワラ３ｃが、そして仕切筒６ａと６ｂとの間にスワラ３ｅが設けられている。加えて、このスワラ３ａ，３ｃ，及び３ｅの空気流上流側において、ノズル２外面より燃料ノズル４ａ，４ｃ，及び４ｅが外側へと延びており、ここからそれぞれ矢印ａ，ｃ，及びｅで示す如く空気流下流側に向けて、それぞれ予混合ノズル１内の内側，外側，及び中間部へ燃料（メイン燃料）が噴出される。
【００２１】
これらの燃料は空気と混合して予混合気となり、またそれぞれスワラ３ａ，３ｃ，及び３ｅの働きにより旋回流を形成する。また、ノズル２の空気流下流側先端にはパイロットバーナ２ａが設けられており、ここから矢印ｐで示す如く空気流の下流側斜め方向に、放射状に燃料（パイロット燃料）が噴出される。そして、この燃料はパイロット火炎を形成する。
【００２２】
本実施形態は、上記第１，第２の実施形態を組み合わせたものとなっている。即ち、各予混合ノズル１の内周側及び外周側に触媒パイロットを設けて、ここを通過した予混合気により、触媒で燃焼可能な温度の触媒パイロット火炎を形成する。そして、両者の中間層から予混合気を供給し、触媒パイロット火炎を火種として燃焼させる。これにより、上記第１の実施形態と同様の効果が得られる。加えて、高温ガスを予混合気内外周両面から供給するため、火炎安定性が著しく良好となる。
【００２３】
図４は、本発明の第４の実施形態に係るガスタービン燃焼器を模式的に示す図であり、同図（ａ）は一つの予混合ノズルの軸に沿った半断面図、同図（ｂ）は燃焼器を軸方向より見た予混合ノズルの配置図である。なお、同図（ｂ）に示すように、本実施形態では、燃焼器Ｂ内面に沿って、予混合ノズル１が等角度間隔で８個配置された構成となっている。
【００２４】
本実施形態では、上記第３の実施形態における触媒層５ａ，５ｂを取り外し、代わりに仕切筒６ａと６ｂとの間に触媒層５ｃを設けた構成となっている。その他の構成は第３の実施形態と同様である。本実施形態では、上記第１の実施形態と同様の効果が得られるとともに、触媒層が中間で浮いた配置となっており、その外周及び内周両方から供給される予混合気との間に界面が形成されるので、小さい触媒層でもその界面積が大きくなり、燃焼に有利である。
【００２５】
図５は、本発明の第５の実施形態に係るガスタービン燃焼器を模式的に示す図であり、同図（ａ）は一つの予混合ノズルの軸に沿った半断面図、同図（ｂ）は燃焼器を軸方向より見た予混合ノズルの配置図である。なお、同図（ｂ）に示すように、本実施形態では、燃焼器Ｂ内面に沿って、予混合ノズル１が等角度間隔で８個配置され、更に中央に予混合ノズル１が１個配置されて、中央の予混合ノズル１のみ触媒燃焼とした構成となっている。なお、いずれの予混合ノズル１を触媒燃焼とするかは自由である。
【００２６】
本実施形態では、上記燃焼器Ｂ中央の予混合ノズル１の空気流下流側で、外殻とノズル２との間の全領域に触媒層５が設けられており、予混合ノズル１外殻とノズル２との間にはスワラ３が設けられている。このスワラ３の空気流上流側において、ノズル２外面より燃料ノズル４が外側へと延びており、ここから矢印ａで示す如く空気流下流側に向けて、燃料（メイン燃料）が噴出される。そして、この燃料は予混合ノズル１において空気と混合して予混合気となり、またスワラ３の働きにより旋回流を形成する。
【００２７】
また、ノズル２の空気流下流側先端にはパイロットバーナ２ａが設けられており、ここから矢印ｐで示す如く空気流の下流側斜め方向に、放射状に燃料（パイロット燃料）が噴出される。そして、この燃料はパイロット火炎を形成する。これにより、前記スワラ３で旋回流を形成した予混合気は、触媒層５を通過した後、予混合ノズル１の出口急拡大部１ａで、矢印Ａで示すように排出される際に保炎する。
【００２８】
本実施形態では、上述したように、中央の予混合ノズル１のみ触媒燃焼とすることにより、これが燃焼器Ｂ全体のパイロットノズルの役割を果たしている。これにより、上記第１の実施形態と同様の効果が得られる。加えて、触媒燃焼とした予混合ノズル１の構造が簡単となっている。
【００２９】
図６は、本発明の燃焼器の予混合ノズルにおける、触媒の占める比率に対する燃焼ガス温度（燃焼器出口ガス温度）の特性を示すグラフである。同図において、横軸には触媒層を通過して燃焼する予混合気と、通過せず直接供給される予混合気との流量比（触媒／予混合）を取っており、縦軸には燃焼ガス温度を取っている。ここでは触媒の耐熱温度を例えば１２００℃としている。また、触媒を用いない場合の燃焼ガス温度を例えば１６００℃としている。
【００３０】
同図において、触媒の耐熱温度を示す定直線を漸近線αとし、触媒を通過する予混合気の流量比をゼロから限りなく大きくしていくと、燃えにくい状態から燃えやすい状態へと移行し、燃焼ガス温度は１６００℃から始まって、漸近線α即ち１２００℃に限りなく近づいていく特性曲線βの形状となる。また、途中、流量比が１のところでは、触媒を通過する予混合気と、通過せず直接供給される予混合気の流量が同じであるから、燃焼ガス温度は１６００℃と１２００℃の中間である１４００℃となる。このように、触媒層を通過して燃焼する予混合気と、通過せず直接供給される予混合気との流量比により、燃焼ガス温度が決定される。
【００３１】
また、上記流量比に加えて、触媒層を通過して燃焼する予混合気と、通過せず直接供給される予混合気との界面積を大きくする工夫をして、触媒層の大きさ形状が決定される。ここで、上記第４の実施形態では、触媒層が予混合ノズル内の中間で浮いた配置となっており、その外周及び内周両方から供給される予混合気との間に界面が形成されるので、小さい触媒層でもその界面積が大きくなり有利である。この場合、高温ガスタービンに適した構成となっている。
【００３２】
一方、上記第３の実施形態では、触媒層は予混合ノズル内の外側及び内側の両方に配置されており、各触媒層の片側に界面が形成される。この場合、低温ガスタービンに適した構成となっている。また、上記第１，第２の実施形態では、触媒層は予混合ノズル内の外側或いは内側のいずれかに配置されており、触媒層の片側に界面が形成される。この場合、中温ガスタービンに適した構成となっている。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、低ＮＯｘで且つ安定した燃焼が可能で、また、触媒燃焼器でありながら燃焼ガス温度に制約がないガスタービン燃焼器を提供することができる。また、燃焼器の大きさ、燃焼器の圧力損失は、従来の燃焼器とほぼ同等とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るガスタービン燃焼器の模式図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係るガスタービン燃焼器の模式図。
【図３】本発明の第３の実施形態に係るガスタービン燃焼器の模式図。
【図４】本発明の第４の実施形態に係るガスタービン燃焼器の模式図。
【図５】本発明の第５の実施形態に係るガスタービン燃焼器の模式図。
【図６】触媒の占める比率に対する燃焼ガス温度の特性を示すグラフ。
【図７】従来のガスタービン燃焼器の一例を模式的に示す図。
【図８】従来のガスタービン燃焼器を模式的に示す構成図。
【符号の説明】
１    予混合ノズル
２    ノズル
３    スワラ
３ａ〜３ｅ    スワラ
４    燃料ノズル
４ａ〜４ｅ    燃料ノズル
５    触媒層
５ａ〜５ｃ    触媒層
６ａ，６ｂ    仕切筒
Ｂ    燃焼器
【図１】
2004361035.tif 000003
【図２】
2004361035.tif 000004
【図３】
2004361035.tif 000005
【図４】
2004361035.tif 000006
【図５】
2004361035.tif 000007
【図６】
2004361035.tif 000008
【図７】
2004361035.tif 000009
【図８】
2004361035.tif 000010