(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心部に着火用燃料ガス噴出孔を有し、該着火用燃料ガス噴出孔の周囲に、空気と燃料ガスとの混合比が一定である１次燃焼用混合ガスの噴出孔と、該１次燃焼用混合ガス噴出孔の外周に空気と燃料ガスとの混合比が可変の２次燃焼用混合ガスの噴出孔とを同心状に設けたガスタービン用燃焼器において、
中空円筒形のケーシングと、該ケーシングの内部にほぼ同心に設けられ、内側の燃焼室と外側の燃焼用空気流路との間を気密に仕切る中空円筒形のライナと、を備え、該ライナは、薄肉の耐熱金属で形成され、かつ外側空気流の流速を高めるように拡径された拡径部を有し、該拡径部の外面は空気流に乱流を発生させる乱流促進面に形成され、内面は起伏の少ない円滑面に形成されている、ことを特徴とするガスタービン用燃焼器。
【請求項２】
前記乱流促進面には、空気流の流れにほぼ直交する面を有する多数の乱流促進体が形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン用燃焼器。
【請求項３】
ケーシングの中心軸心に沿って配置され先端にスパーク用電極を有する点火栓を更に有する、ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン用燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排ガス中の窒素酸化物（ＮＯx ）の濃度を低減させるガスタービン用燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンは、図５に例示するように、空気圧縮機、燃焼器、タービン、等から構成され、空気圧縮機で加圧した空気により、燃焼器で燃料を燃焼させて高温の燃焼ガスを発生させ、この高温の燃焼ガスによりタービンを駆動し、タービンにより空気圧縮機を回転駆動するようになっている。また、図５に例示したガスタービンでは、多数の燃焼器が周囲に配置されているが、陸上用や航空機の補助動力用のガスタービンでは、排ガス対策、メンテナンス性の向上、コスト等の見地から単一の燃焼器だけを備えたものが多い。
【０００３】
近年、環境面への配慮から、燃焼時に発生する窒素酸化物（ＮＯx ）が大きな問題となっている。窒素成分の少ない燃料（例えば天然ガス）を使用する燃焼器から排出されるＮＯx は、高温領域において空気中の窒素が酸化されるいわゆるサーマルＮＯx である。従来のガスタービン用燃焼器で通常用いられる拡散燃焼では、断熱火炎温度が約２０００℃前後にも達するため、この高温によりサーマルＮＯx が大量に発生する問題がある。一方、このサーマルＮＯx は、火炎温度を下げることにより低減できることが知られており、従来の拡散燃焼に代えて予混合燃焼を採用し、燃料と燃焼空気を予混合して燃料の希薄な混合ガスとし、これを比較的低温で燃焼させてＮＯx の発生を抑制する手段が既に試みられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、▲１▼予混合燃焼において燃料ガスが希薄になると燃焼安定範囲が狭くなり、確実な着火や安定した燃焼が困難になる問題点がある。この問題点を解決するため、特開昭６３−２１７１４１においては、低負荷時には拡散燃焼により着火と燃焼を安定して行い、燃焼が安定した後の定格出力までの部分負荷において予混合燃焼を行ってＮＯx を低減すること、また拡散燃焼の併用と予混合する際負荷に応じて燃焼空気流量を制御する可変機構を採用することで予混合燃焼を安定化させることが開示されている。しかしこの手段では、低負荷時にＮＯx が発生し易い拡散燃焼を採用するために低ＮＯx 化に限界があり、かつ、燃焼空気の流量を制御する可変機構のために燃焼器の構造が複雑になり、小型化が困難である問題点があった。
【０００５】
上述した問題点を解決するために、本願出願人は、特開平５−２９６４１２号公報において、中心に着火用ガス噴出口を設け、そのまわりに１次混合ガスと２次混合ガスの噴出孔を同心状に設けた燃焼手段を提案した。この燃焼手段により、着火から安定燃焼まで予混合燃焼で行い、比較的簡潔な構造の燃焼装置で低ＮＯx 化を実現することができた。
【０００６】
しかし、かかる燃焼手段によっても、▲２▼特に、空気圧縮機で高圧（例えば１０ａｔａ以上）に加圧した空気中で燃料ガスを燃焼させるガスタービン用燃焼器では、燃焼室を囲むライナが過熱されやすく、このライナを冷却するためにライナを通して冷却空気を内側に流してフィルム冷却を行うと、この冷却空気で燃焼室内の予混合燃焼火炎が冷却され、吹消えたり燃焼が不安定になる問題点があった。このため、加圧下の燃焼では、本発明が達成しようとする十分低いレベルの低ＮＯx 化は極めて困難であった。また、▲３▼上述した燃焼手段では、中央部の着火用ガスに着火する必要があるが、従来の固定または着脱式の着火用バーナの使用では、着火用バーナ自体が火炎により損傷を受けたり、着火用バーナの出し入れにより、予混合燃焼が不安定になる問題点があった。そのため、上述した燃焼手段では、確実な着火と安定した燃焼を維持することが困難であり、かつ部分負荷時から定格出力まで高い燃焼効率の維持と低ＮＯx 化を安定して達成することが極めて困難であった。
【０００７】
本発明は上述した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、▲１▼加圧空気中で確実な着火と安定した燃焼を行うことができ、▲２▼予混合燃焼火炎を冷却することなく燃焼室を囲むライナを冷却することができ、かつ▲３▼部分負荷時から最大出力時まで高い燃焼効率と低ＮＯx 化を同時に実現できるガスタービン用燃焼器を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、中心部に着火用燃料ガス噴出孔を有し、該着火用燃料ガス噴出孔の周囲に、空気と燃料ガスとの混合比が一定である１次燃焼用混合ガスの噴出孔と、該１次燃焼用混合ガス噴出孔の外周に空気と燃料ガスとの混合比が可変の２次燃焼用混合ガスの噴出孔とを同心状に設けたガスタービン用燃焼器において、中空円筒形のケーシングと、該ケーシングの内部にほぼ同心に設けられ、内側の燃焼室と外側の燃焼用空気流路との間を気密に仕切る中空円筒形のライナと、を備え、該ライナは、薄肉の耐熱金属で形成され、かつ外側空気流の流速を高めるように拡径された拡径部を有し、該拡径部の外面は空気流に乱流を発生させる乱流促進面に形成され、内面は起伏の少ない円滑面に形成されている、ことを特徴とするガスタービン用燃焼器が提供される。
【０００９】
本発明の好ましい実施例によれば、前記乱流促進面には、空気流の流れにほぼ直交する面を有する多数の乱流促進体が形成されている。また、ケーシングの中心軸心に沿って配置され先端にスパーク用電極を有する点火栓を更に有する。
【００１０】
上述した本発明の構成によれば、中空円筒形のケーシングの内部に中空円筒形のライナがほぼ同心に設けられ、このライナの内側の燃焼室と外側の燃焼用空気流路との間を気密に仕切っているので、燃焼室で加熱されたライナを燃焼用空気で冷却することができ、燃焼用空気の予熱により燃焼効率を高めることができる。また従来のフィルム冷却のようにライナを通して冷却空気が内側に流れないため、限界に近い低温で燃焼している燃焼室内の予混合燃焼火炎を冷却することがなく、この火炎の吹消えや不安定な燃焼を防止することができる。
【００１１】
また、このライナは、薄肉の耐熱金属製であり、かつ外側空気流の流速を高めるように拡径された拡径部を有し、この拡径部の外面は空気流に乱流を発生させる乱流促進面に形成されているので、拡径部で流速が高まった空気流が乱流促進面で乱流となって熱伝達率が大幅に高まるので、拡径部外面における伝熱が促進され、燃焼用空気により効果的にライナを冷却することができる。更に、拡径部の内面は起伏の少ない円滑面に形成されているので、限界に近い低温で燃焼している燃焼室内の予混合燃焼火炎に乱れを与えることなく、安定燃焼を維持することができ、従来以上に燃料ガスの薄いリーンな燃焼を行うことができ、未燃焼分の排出を低い値に抑えたままでＮＯx の排出を抑えることができ、従来の燃焼装置に比べて大幅な低ＮＯx 化が実現できる。
【００１２】
また、本発明の好ましい実施例によれば、ケーシングの中心軸心に沿って配置され先端にスパーク用電極を有する点火栓を有しているので、燃焼室内に流れを乱す部分が露出せず、この点火栓によるスパークにより、中心部の着火用燃料ガス噴出孔からの予混合ガスに確実に着火でき、安定した燃焼を行わせることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態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て使用する。
図１は、本発明によるガスタービン用燃焼器を備えたガスタービンの全体構成図（半断面図）である。この図に示すように、ガスタービンは、空気圧縮機１、タービン２、圧縮機ハウジング３、タービンハウジング４、本発明による燃焼器１０、等を備え、空気圧縮機１により加圧した空気により、燃焼器１０で燃料を燃焼させて燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスによりタービン２を駆動し、このタービン２により空気圧縮機１を回転駆動するようになっている。
【００１４】
図２は、本発明によるガスタービン用燃焼器の構成図である。本発明のガスタービン用燃焼器１０は、中心部に着火用燃料ガス噴出孔５を有し、この着火用燃料ガス噴出孔５の周囲に、空気と燃料ガスとの混合比が一定である１次燃焼用混合ガスの噴出孔６と、１次燃焼用混合ガス噴出孔６の外周に空気と燃料ガスとの混合比が可変の２次燃焼用混合ガスの噴出孔７とが同心状に設けられている。かかる構成は、特開平５−２９６４１２号公報に開示した燃焼装置と同様であり、この燃焼装置により、着火から安定燃焼まで予混合燃焼で行い、比較的簡潔な構造の燃焼装置で低ＮＯx 化を実現することができた。なお、図２の燃焼器は燃焼器の軸線が垂直（鉛直）な縦型であるが、本発明はこれに限定されず、燃焼器の軸線が水平な横型であってもよく、或いは斜めであってもよい。
【００１５】
図２において、本発明のガスタービン用燃焼器１０は、更に、中空円筒形のケーシング１２と、ケーシング１２の内部にほぼ同心に設けられ、内側の燃焼室１１と外側の燃焼用空気流路１３との間を気密に仕切る中空円筒形のライナ１４と、を備えている。かかる構成により、燃焼室１１で加熱されたライナ１４を燃焼用空気１３で冷却することができ、燃焼用空気１３の予熱により燃焼効率を高めることができる。また従来のフィルム冷却のようにライナを通して冷却空気が内側に流れないため、限界に近い低温で燃焼している燃焼室１１内の予混合燃焼火炎を冷却することがなく、この火炎の吹消えや不安定な燃焼を防止することができる。
【００１６】
更に図２において、ライナ１４は、全体が薄肉の耐熱金属で形成されている。また、このライナ１４は、外側空気流８の流速を高めるように拡径された拡径部１４ａを有し、この拡径部１４ａの外面は空気流に乱流を発生させる乱流促進面に形成され、内面は起伏の少ない円滑面に形成されている。
【００１７】
図３は、乱流促進面の一例を示す拡大図である。この図に示すように、乱流促進面には、空気流８の流れにほぼ直交する面を有する多数の乱流促進体１５が形成されている。すなわち、この図において、乱流促進体１５は、空気流８にほぼ直交する面１５ａ，１５ｂと傾斜した面１５ｃからなり、面１５ａ，１５ｃにより、空気流８に対して鋭角をなす突起部が形成されている。この乱流促進体１５は、ライナ１４の外面を囲むようにリング状に形成してもよく、或いは独立した多数の突起部により形成してもよい。更に、この乱流促進体１５は、図３に例示したものに限定されず、周知の別の形状のものであってもよい。
【００１８】
上述した構成のライナ１４により、拡径部１４ａで流速が高まった空気流８が乱流促進面で乱流となって熱伝達率が大幅に高まるので、拡径部外面における伝熱が促進され、燃焼用空気８により効果的にライナ１４を冷却することができる。更に、拡径部１４ａの内面は起伏の少ない円滑面に形成されているので、限界に近い低温で燃焼している燃焼室１１内の予混合燃焼火炎に乱れを与えることなく、安定燃焼を維持することができる。従って、従来以上に燃料ガスの薄いリーンな燃焼を行うことができ、未燃焼分の排出を低い値に抑えたままでＮＯx の排出を抑えることができ、従来の燃焼装置に比べて大幅な低ＮＯx 化が実現できる。
【００１９】
また、図２において、ケーシング１２の中心軸心に沿って点火栓１６が配置されており、その先端（この図で下端）にスパーク用電極（図示せず）を有している。この構成により、燃焼室１１内に流れを乱す部分が露出しないので、この点火栓１６によるスパークにより、中心部の着火用燃料ガス噴出孔５からの予混合ガスに確実に着火でき、安定した燃焼を行わせることができる。
【００２０】
【実施例】
図４は、本発明のガスタービン用燃焼器１０の試験結果を示す図である。この図は、出力０％から部分負荷を経て最大出力時（出力１００％）までの燃焼効率と排出ガス中のＮＯx 量を示している。
【００２１】
図３及び図４において、着火用燃料ガス噴出孔５から安定して着火できる濃度の予混合ガスを供給し、点火栓１６によるスパークにより、この予混合ガスに着火する。この着火は、着火用燃料ガス噴出孔５から着火に適した比較的リッチな予混合ガスが供給されるため、確実に着火でき、安定した燃焼を行ない、パイロット火炎を形成することができる。
【００２２】
次いで、１次燃焼用混合ガスの噴出孔６から、空気と燃料ガスとの混合比が一定である予混合ガスを供給し、パイロット火炎Ｐによりこれを燃焼させて１次火炎を形成し出力を増大させる。１次燃焼用の予混合ガスは、パイロット火炎により安定して燃焼できる範囲でできる限り燃料ガス量の少ない混合ガスとするのがよい。この運転により、１次燃焼用混合ガスの量を増大させるにつれて、図４に示すように出力が増大し、燃焼効率も上昇するが、ＮＯx 量も少しずつ増大する。
【００２３】
次いで、２次燃焼が開始できる十分な負荷に達した後、２次燃焼用混合ガスの噴出孔７から、更に燃料ガス量の比率の少ない混合ガスを供給し、１次火炎によりこれを燃焼させて２次火炎を形成し出力を増大させる。この２次火炎は、安定して燃焼できる極限に近い薄い燃料ガスを用いて、いわゆる気相での酸化反応を行わせるのがよい。また、２次火炎形成後は、１次燃焼用混合ガスの量を絞り、全体としてもできる限りリーンな燃焼を行わせるのがよい。かかる運転により、機関負荷出力が必要とされる５０％以上の出力では、図４に示すように、２次火炎形成後のＮＯx 量を大幅に低減することができ、低ＮＯx 化を実現することができる。
【００２４】
なお、本発明は、上述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００２５】
【発明の効果】
上述したように、本発明のガスタービン用燃焼器は、加圧空気中で確実な着火と安定した燃焼を行うことができ、予混合燃焼火炎を冷却することなく燃焼室を囲むライナを冷却することができ、かつ部分負荷時から最大出力時まで高い燃焼効率と低ＮＯx 化を同時に実現できる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるガスタービン用燃焼器を備えたガスタービンの全体構成図（半断面図）である。
【図２】本発明によるガスタービン用燃焼器の構成図である。
【図３】乱流促進面の一例を示す拡大図である。
【図４】本発明のガスタービン用燃焼器の試験結果を示す図である。
【図５】従来のガスタービンの全体構成図である。
【符号の説明】
１  空気圧縮機
２  タービン
３  圧縮機ハウジング
４  タービンハウジング
５  着火用燃料ガス噴出孔
６  １次燃焼用混合ガス噴出孔
７  ２次燃焼用混合ガス噴出孔
８  空気流
１０  ガスタービン用燃焼器
１２  ケーシング
１３  燃焼用空気流路
１４  ライナ
１４ａ  拡径部
１５  乱流促進体
１６  点火栓
【図１】
0003743530.tif 000002
【図２】
0003743530.tif 000003
【図３】
0003743530.tif 000004
【図４】
0003743530.tif 000005
【図５】
0003743530.tif 000006