(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ほぼ円筒状で上部が燃焼室になっており、この燃焼室下部に希釈空気取り入れ口を有する内筒と、この内筒を包囲する外筒と、その下端が前記内筒の頂部にて前記内筒内に連通し内部が予混合空間となっている円筒形の予混合管と、該予混合空間の上部にて該予混合空間に燃料を噴射する燃料噴射部と、前記希釈空気取り入れ口に近接して蒸気噴射口を有する蒸気噴射部と、を備え、
前記内筒の軸と垂直な前記予混合空間の断面積は、前記内筒の軸と垂直な前記燃焼室の断面積より小さくなっており、
前記燃料噴射部には、加圧空気取り入れ口が設けられ、
前記外筒と内筒の間の空間は前記希釈空気取り入れ口と前記加圧空気取り入れ口に連通しており、該空間に加圧空気が供給され、該加圧空気は前記加圧空気取り入れ口を通して前記燃料噴射部に導入され、
前記燃料噴射部は、前記加圧空気取り入れ口を通して導入された前記加圧空気を燃料と共に前記予混合空間に噴射して、前記予混合空間内で該加圧空気と燃料を予混合し、
通常運転時には、前記外筒と内筒の間の前記加圧空気が、前記加圧空気取り入れ口を通して燃料噴射部に導入されるだけでなく、前記希釈空気取り入れ口を通して前記内筒の内部にも導入され、
出力増加時には、前記燃料噴射部から噴射される燃料量が増加されるとともに、前記蒸気噴射口から蒸気を噴射し、これにより、前記外筒と内筒の間の前記加圧空気が前記希釈空気取り入れ口より流入するのを制限し、この制限された加圧空気が前記加圧空気取り入れ口に供給されることで、前記燃料噴射部に導入される加圧空気が増大される、ことを特徴とする低ＮＯｘ蒸気噴射燃焼器。
【請求項２】
前記蒸気噴射口は前記希釈空気取り入れ口とほぼ同じ大きさであることを特徴とする請求項１記載の低ＮＯｘ蒸気噴射燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン用の低ＮＯｘ燃焼器に係わり、特に蒸気噴射により出力増大を図った低ＮＯｘ蒸気噴射燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
環境保護のために、ガスタービンの燃焼排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を低減することが義務付けられており、我国では、全国基準でも例えば７０ｐｐｍ以下、大都市（例えば東京）では例えば２５〜３０ｐｐｍ以下にする必要がある。
【０００３】
このＮＯｘの発生要因は、燃焼時の高温火炎により空気中の窒素が酸化するものであり、これを低減するには、火炎中のホットスポットを減少させ、高温火炎の発生をなくすことが効果的である。
低ＮＯｘ化が可能な燃焼器として、希薄予混合燃焼器が知られている。この希薄予混合燃焼器は、燃料を十分な空気量と予混合して均質化し、これを希薄燃焼させるものである。最適の燃焼温度はタービン側の耐熱温度より高いので、燃焼ガスに希釈空気を混入してタービン側に適した温度に低下させて、タービンに供給される。この希釈空気は混合ガスの温度を均一にする働きも有している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この希薄予混合燃焼器の出力を増大する場合、蒸気を内筒に噴射し、温度が低下する分燃料を注入して燃焼させ出力を増大させることができる。この場合、蒸気を燃焼領域へ噴射すると燃焼安定性を損なう。また増加した燃料に対応して燃料噴射部の空気取り入れ口からの空気が増大するようにするため、内筒の希釈空気取り入れ口の面積を減少させる装置が必要になる。
【０００５】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、蒸気噴射による燃焼の不安定を防止し、簡単な構造で希釈空気取り入れ口からの空気流入を制限して燃料噴射部の空気取り入れ口からの空気が増大するようにした低ＮＯｘ蒸気噴射燃焼器を提供することにある。
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１の発明では、ほぼ円筒状で上部が燃焼室になっており、この燃焼室下部に希釈空気取り入れ口を有する内筒と、この内筒を包囲する外筒と、その下端が前記内筒の頂部にて前記内筒内に連通し内部が予混合空間となっている円筒形の予混合管と、該予混合空間の上部にて該予混合空間に燃料を噴射する燃料噴射部と、前記希釈空気取り入れ口に近接して蒸気噴射口を有する蒸気噴射部と、を備え、
前記内筒の軸と垂直な前記予混合空間の断面積は、前記内筒の軸と垂直な前記燃焼室の断面積より小さくなっており、
前記燃料噴射部には、加圧空気取り入れ口が設けられ、
前記外筒と内筒の間の空間は前記希釈空気取り入れ口と前記加圧空気取り入れ口に連通しており、該空間に加圧空気が供給され、該加圧空気は前記加圧空気取り入れ口を通して前記燃料噴射部に導入され、
前記燃料噴射部は、前記加圧空気取り入れ口を通して導入された前記加圧空気を燃料と共に前記予混合空間に噴射して、前記予混合空間内で該加圧空気と燃料を予混合し、
通常運転時には、前記外筒と内筒の間の前記加圧空気が、前記加圧空気取り入れ口を通して燃料噴射部に導入されるだけでなく、前記希釈空気取り入れ口を通して前記内筒の内部にも導入され、
出力増加時には、前記燃料噴射部から噴射される燃料量が増加されるとともに、前記蒸気噴射口から蒸気を噴射し、これにより、前記外筒と内筒の間の前記加圧空気が前記希釈空気取り入れ口より流入するのを制限し、この制限された加圧空気が前記加圧空気取り入れ口に供給されることで、前記燃料噴射部に導入される加圧空気が増大される、ことを特徴とする低ＮＯｘ蒸気噴射燃焼器が提供される。
【０００７】
上記構成により、出力増加時、蒸気は燃焼室の下部に設けられた希釈空気取り入れ口より噴射さるので、燃焼領域の燃焼に悪影響を及ぼさない。またこの蒸気噴射により、いままで希釈空気取り入れ口より流入していた空気の量は制限される。この制限されて入らない空気は燃料噴射部の空気取り入れ口から入り、増加した燃料の燃焼に用いられる。このように蒸気を噴射することにより希釈空気の流入を制限できるので、希釈空気の流入制限に特別な装置を設ける必要がない。
【０００８】
請求項２の発明では、前記蒸気噴射口は前記希釈空気取り入れ口とほぼ同じ大きさである。
【０００９】
蒸気噴射口を希釈空気取り入れ口とほぼ同じ大きさとして、両者を近接して配置し、蒸気噴射口から蒸気を噴射すると全量内筒内に流入するが、エゼクタ作用により周囲の空気も多少吸引する。しかし吸引される空気量は蒸気を噴射しないとき流入する空気量よりも少く、空気流量を蒸気で制限している。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好ましい実施態様を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
図１は、本発明によるガスタービン用の低ＮＯｘ蒸気噴射燃焼器の全体構成図である。この図に示すように、本発明の低ＮＯｘ蒸気噴射燃焼器１は、中央部に配置されたパイロット燃焼器１２と、そのまわりに配置された複数（図には１つのみを示す）の主燃焼器１４とを備える。なお、この図において、２は内筒（ライナ）、３はケーシング（外筒）、４は点火栓（イグナイタ）であり、空気６がケーシング３とライナ２の間を流れて燃焼器１２、１４に達し、この燃焼器１２、１４とその他の部分を通ってライナ２内に流入して火炎７，８を形成し、発生した燃焼排ガス９がスクロール部２ｃを通って図示しないガスタービンに導かれ、これを駆動するようになっている。
【００１１】
図１において、主燃焼器１４は、互いに同軸に配置された主噴射弁１５と、主噴射弁１５に設けられた空気取り入れ口１５ａと、予蒸発予混合管１６とからなる。主噴射弁１５には、ケーシング３を通して外部から燃料Ｆが供給される。この燃料には、フューエルＮＯｘの要因となる窒素成分が少ない燃料、例えばガス燃料、灯油、軽油、Ａ重油等を用いるのがよい。ケーシング３内には下側から加圧空気が供給されているので、空気取り入れ口１５ａより空気が流入する。予蒸発予混合管１６は、この図で下端部が開口した円筒形の筒であり、内部で燃料と空気が互いに混合しやすくなっている。すなわち、主燃焼器１４は、主噴射弁１５と空気取り入れ口１５ａと予蒸発予混合管１６で構成された予混合希薄燃焼器である。この構成により、主噴射弁１５により予蒸発予混合管１６内に燃料Ｆを噴射し、空気取り入れ口１５ａより供給される燃料に対応する空気が流入し、予蒸発予混合管１６内で燃料Ｆを十分な空気量と予混合して蒸発させ、これを希薄燃焼させることができる。
【００１２】
また、図１において、パイロット燃焼器１２は、互いに同軸に配置されたパイロット噴射弁１３ａとパイロットチャンバ１３ｂと空気取り入れ口１３ｃとからなる。このパイロット燃焼器１２は、安定燃焼が可能な拡散燃焼器であり、パイロット噴射弁１３ａによりパイロットチャンバ１３ｂ内に燃料を噴射し、空気取り入れ口１３ｃより空気が流入し、燃料が空気中に拡散しながら燃焼するようになっている。また、パイロットチャンバ１３ｂ内に、点火栓４の点火部が位置しており、互いに拡散した混合ガスに着火するようになっている。この構成により、ライナ２の内部に拡散火炎７を安定して形成することができる。
【００１３】
図１において、ライナ２（内筒）は中空円筒形で頂板と底板が設けられ、頂板にはパイロット燃焼器１２と主燃焼器１４が設けられており、さらに空気流入口２ｄが複数設けられている。ライナ２の周囲を冷却しながら上昇してきた空気のかなりの量がパイロット燃焼器１２と主燃焼器１４とにそれぞれ設けられた空気取り入れ口１３ｃ，１５ａに流入し、残りがこの空気流入口２ｄから流入する。また底板には燃焼排ガスがタービンに送られるタービン通路１０が設けられている。ライナ２の上部は燃焼室２ａを構成し、中央部２ｂには外周に複数個の希釈空気取り入れ口２０が設けられ、下部はスクロール室２ｃとなり、タービン通路１０に接続している。希釈空気取り入れ口２０に近接してこの取り入れ口２０とほぼ同じ径の蒸気噴射管２２が各希釈空気取り入れ口２０毎に設けられており、この蒸気噴射管２２には図示しない蒸気供給装置が接続されている。なお、加圧空気は希釈空気取り入れ口２０の下部から取り入れられ、ライナ２を冷却しながら上昇し、希釈空気取り入れ口２０，ライナ頂板の空気流入口２ｄ、およびパイロット燃焼器１２と主燃焼器１４の空気取り入れ口１３ｃ，１５ａからライナ内部に流入する。
【００１４】
図２は希釈空気取り入れ口２０と蒸気噴射管２２の関係を示し、通常運転時の空気流入状態を示す。希釈空気取り入れ口２０と蒸気噴射管２２は距離ｔ離れて設けられ、希釈空気取り入れ口２０の直径Ｄと蒸気噴射管２２の内径ｄはほぼ同じ寸法としている。距離ｔは所望の空気流量が流入し、かつできるだけ短い寸法となっている。希釈空気取り入れ口２０の口径Ｄと蒸気噴射管２２の内径ｄはほぼ同一寸法とする。この通常運転時には、蒸気噴射管２２から蒸気を噴射していないので、希釈空気取り入れ口２０から空気６が流入するようになっている。
【００１５】
図３は蒸気噴射時の状態を示す。蒸気２３は周囲の加圧空気６よりも大きな圧力で希釈空気取り入れ口２０一杯に噴射され、エゼクタ作用により多少の空気６を吸引するが、空気６の流入は蒸気２３の噴射流により大幅に制限される。
【００１６】
次に動作について説明する。
通常運転時は、ライナの下部周囲より供給された加圧空気６はライナ２に沿って上昇し、一部は希釈空気取り入れ口２０より流入し、残りはライナ２を冷却しながら上昇し、一部はライナ頂板の空気流入口２ｄより流入し、残りはパイロット燃焼器１２と主燃焼器１４とにそれぞれ設けられた空気取り入れ口１３ｃ，１５ａに流入する。パイロット燃焼器１２と主燃焼器１４でこの流入した空気と燃料を予混合し、燃焼室２ａで燃焼させる。この燃焼室２ａでは空気流入口２ｄから流入した空気も加わって燃焼が行われる。この燃焼ガスに希釈空気取り入れ口２０から流入した空気が加わり、この燃焼ガスの温度をタービン側の要求する温度に低下させるとともに均一な温度分布にする。
【００１７】
出力増大時は、蒸気噴射管２２より蒸気が噴射される。これにより希釈空気取り入れ口２２より流入していた空気６の大部分はパイロット燃焼器１２と主燃焼器１４とにそれぞれ設けられた空気取り入れ口１３ｃ，１５ａに流入し、一部はライナ頂板の空気流入口２ｄから流入する。パイロット燃焼器１２と主燃焼器１４ではこの空気流入量に応じた燃料を増加して供給する。これにより燃料を増大して出力を増しても安定した低ＮＯｘの燃焼を持続することができる。流入した蒸気２３と一部吸引された空気は燃焼ガスと均一に混合し、燃焼ガスの温度をタービン側の要求する温度に低下させるとともに均一な温度分布にする。
【００１８】
図４は燃焼室に蒸気を噴射し燃料を増加した場合の蒸気量と、当量比（燃料／空気）およびＮＯｘとの関係を示す図である。蒸気量を増やしこれに合わせて燃料を増やしてゆくと当量比は増加し、ＮＯｘも増大してゆく。
【００１９】
図５は本発明の場合で、蒸気を希釈空気取り入れ口２０より噴射し、燃料をこれに応じて増加した場合の蒸気量と、当量比およびＮＯｘとの関係を示す図である。この場合、蒸気によって希釈空気取り入れ口２０からの流入を制限された空気は、パイロット燃焼器１２と主燃焼器１４とにそれぞれ設けられた空気取り入れ口１３ｃ，１５ａに流入し、一部はライナ頂板の空気流入口２ｄから流入するので、燃料が増加しても当量比は変化せず、ＮＯｘの発生も変化しない。
【００２０】
【発明の効果】
上述したように、本発明は、蒸気噴射により希釈空気取り入れ口から流入する空気を、パイロット燃焼器と主燃焼器とにそれぞれ設けられた空気取り入れ口から流入するようにしたので、燃料を増加しても当量比が変化せず、燃焼安定性を損なうことなく出力を増大させることができる。また燃焼状態を変化させないので、ＮＯｘの発生も増加することなく、低ＮＯｘの状態を維持できる。特にドライ低ＮＯｘ燃焼器（特に安定燃焼範囲の狭い予混合燃焼器）と組み合わせれば、蒸気噴射を必要としない負荷域から蒸気噴射域まで、広い負荷範囲で低ＮＯｘ運転が可能になる。また蒸気噴射による燃焼器への空気の取り入れは、特別な構造を設けていないので、単純な構造になり、製作的にもコスト的にも有利になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による低ＮＯｘ蒸気噴射燃焼器の全体構成図である。
【図２】希釈空気取り入れ口と蒸気噴射管との関係を示し、空気取り入れ時の状態を示す図である。
【図３】希釈空気取り入れ口と蒸気噴射管との関係を示し、蒸気噴射時の状態を示す図である。
【図４】燃焼室に蒸気を噴射し燃料を増加した場合の蒸気量と、当量比（燃料／空気）およびＮＯｘの関係を示す図である。
【図５】希釈空気取り入れ口に蒸気を噴射し燃料を増加した場合の蒸気量と、当量比（燃料／空気）およびＮＯｘの関係を示す図である。
【符号の説明】
１  低ＮＯｘ蒸気噴射燃焼器
２  ライナ
２ａ  燃焼室
２ｂ  中央部
２ｃ  スクロール部
２ｄ  空気流入口
３  ケーシング
４  点火栓（イグナイタ）
６  空気
７  拡散火炎
８  予混合火炎
９  燃焼排ガス
１０  タービン通路
１２  パイロット燃焼器
１３ａ  パイロット噴射弁
１３ｂ  パイロットチャンバー
１３ｃ  空気取り入れ口
１４  主燃焼器
１５  主噴射弁
１５ａ  空気取り入れ口
１６  予蒸発予混合管
２０  希釈空気取り入れ口
２２  蒸気噴射管
２３  蒸気
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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