JP2002256890A - 熱ターボ機械および該熱ターボ機械に点火するための方法 - Google Patents

熱ターボ機械および該熱ターボ機械に点火するための方法

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JP2002256890A
JP2002256890A JP2002046608A JP2002046608A JP2002256890A JP 2002256890 A JP2002256890 A JP 2002256890A JP 2002046608 A JP2002046608 A JP 2002046608A JP 2002046608 A JP2002046608 A JP 2002046608A JP 2002256890 A JP2002256890 A JP 2002256890A
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combustor
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igniter
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Marcel Stalder
シュタルダー マルセル
Franz Dr Joos
ヨース フランツ
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
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    • F23R3/343—Pilot flames, i.e. fuel nozzles or injectors using only a very small proportion of the total fuel to insure continuous combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 減じられた熱負荷によって点火器の全寿命を
高める。 【解決手段】 熱ターボ機械が、ハウジング８０と燃焼
器３０と点火装置１０と燃料供給部６０と空気供給部７
０とを備えていて、点火装置１０が点火室５０と、該点
火室５０内に配置された点火器５１とから成っており、
燃料供給部６０と空気供給部７０とが点火室５０に開口
しており、該点火室５０が燃焼器３０に接続されている
形式のものにおいて、点火装置１０が、当該熱ターボ機
械のハウジング８０の外部に配置されていて、点火管４
０を介して燃焼器３０に接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ハウジングと燃焼
器と点火装置と燃料供給部と空気供給部とを備えた熱タ
ーボ機械であって、点火装置が点火室と、該点火室内に
配置された点火器とから成っており、燃料供給部と空気
供給部とが点火室に開口しており、該点火室が燃焼器に
接続されている形式のものに関する。
【０００２】さらに本発明は、このような形式の熱ター
ボ機械に点火するための方法に関する。
【０００３】
【従来の技術】連続的な化学反応を進行させるために
は、燃焼設備およびガスタービン設備の燃焼器が、一般
に「点火補助手段」を介して点火される。特にこのため
には、電気的な点火プラグまたはグロープラグが知られ
ているが、しかし点火のためには、しばしばガス火炎
（点火トーチ）も使用される。
【０００４】この場合、まずたいていは補助バーナが点
火され、そして補助バーナが最終的に本来のバーナに点
火する。ガスタービンでは、部分的に主燃料も点火バー
ナのために使用される。すなわち、使用事例に応じて、
燃料油、ケロシン（灯油）または天然ガスが使用され
る。もちろん、貯蔵性にすぐれた補助ガス、たとえばプ
ロパンも、時々使用される。
【０００５】点火補助手段により行われる点火が成功す
るか否かは、多数のファクタに依存している。これらの
ファクタとしては、特に燃焼空気の流入条件、たとえば
圧力、温度、速度、使用される点火燃料およびその条
件、燃焼器のジオメトリ（幾何学的形状）および性質な
らびに燃焼空気の組成が挙げられる。
【０００６】熱ターボ機械、すなわちたとえばガスター
ビン内の燃焼器を点火プラグまたはグロープラグによっ
て点火することは、とりわけＡ．Ｌｅｆｅｂｖｒｅ著の
「Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ」
（Ａｒｔｈｕｒ Ｈ．Ｌｅｆｅｂｖｒｅ：Ｇａｓ Ｔｕ
ｒｂｉｎｅ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ、第２２２頁〜第２
２５頁および第２３２頁および第２３３頁、出版社Ｈｅ
ｍｉｓｐｈｅｒｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｃｏｒｐｏ
ｒａｔｉｏｎ、１９８３年）に記載されている。
【０００７】当然ながら、点火装置の機能のための前提
条件は、安定的でかつ十分に強力な口火（Ｚｕｅｎｄｆ
ｌａｍｍｅ）の形成を可能にする条件が点火器に提供さ
れていることである。この場合、特に点火器における燃
料・空気比の調節ならびに点火器の範囲における、目的
に合った流速の調節が挙げられる。
【０００８】特にガスタービンの燃焼器では、これらの
要求がしばしば特殊な点火バーナの使用によってしか満
たされ得ない。点火器を直接に燃焼室内に配置すること
は、上で述べた判断基準に基づき、全く考えられない。
したがって、しばしば点火器は小さな点火室内に収納さ
れるので、初期点火により小さな容量に着火するだけで
済む。次いで、この点火室の下流側に設置された火炎管
内には、安定した口火が生じる。
【０００９】ガスタービンに用いられるこのような点火
システムは、欧州特許出願公開第９９２６６１号明細書
に基づき公知である。別の点火器は、たとえば米国特許
第２９６７２４４号明細書、米国特許第３４０４９３９
号明細書、米国特許第５３６８４７４号明細書または国
際公開第９６／３９５７８号パンフレットに基づき公知
である。ガス状の燃料および酸素のための点火装置を備
えたバーナは、ドイツ民主共和国特許第２４１４５７号
明細書にも記載されている。さらに、ドイツ連邦共和国
特許出願公開第４３２０４２９号明細書に基づき、燃焼
器の主火炎を点火するための方法が公知である。
【００１０】最新のガスタービンの燃焼器において存在
する条件のもとで、点火システムはその信頼性の良い機
能を長い時間にわたって維持するために、高い保守手間
を必要とする。このことは上で挙げた全ての刊行物にお
いて、特に点火器を燃焼器のすぐ近くに配置することに
より、ひいては高い熱負荷にさらすことにより生ぜしめ
られる。点火が熱ターボ機械の内部で行われるので、圧
縮機最終空気の空気通路を通じて熱ターボ機械内部へ高
電圧が導入されなければならない。この場合、やはり高
い温度が生ぜしめられるので、電圧案内部分のための相
応するセラミック絶縁体が設けられなければならない。
【００１１】したがって、点火器の寿命は、熱勾配（ｔ
ｈｅｒｍｉｓｃｈ．Ｇｒａｄｉｅｎｔｅｎ）および熱遷
移（ｔｈｅｒｍｉｓｃｈ．Ｔｒａｎｓｉｅｎｔｅｎ）の
発生に基づくものであれ、振動に基づくものであれ、使
用される材料の高い負荷により制限されている。
【００１２】その低い電圧に基づき高効率の絶縁を必要
としない、自動車構造において使用される公知のグロー
点火器を使用することはできない。なぜならば、このよ
うなグロー点火器は機械の運転時に高い燃焼器温度によ
って早期に老化してしまうからである。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
欠点を回避することである。本発明の根底を成す課題
は、ハウジングと燃焼器と点火装置と燃料供給部と空気
供給部とを備えた熱ターボ機械において、減じられた熱
負荷によって点火器の全寿命を高めることである。さら
に本発明の課題は、点火器の寿命を高めるような、熱タ
ーボ機械に点火するための方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明の熱ターボ機械の構成では、冒頭で述べた形式
の熱ターボ機械において、点火装置が、当該熱ターボ機
械のハウジングの外部に配置されていて、点火管を介し
て燃焼器に接続されているようにした。
【００１５】さらに上記課題を解決するために本発明
の、このような熱ターボ機械に点火するための方法で
は、燃料・空気混合物を点火室と点火管とに導入し、該
燃料・空気混合物に熱ターボ機械のハウジングの外部で
点火室内で点火し、点火管を通じて燃焼器内へ点火火
炎、つまり口火を吹き込み、該燃焼器内の燃料・空気混
合物に着火するようにした。
【００１６】
【発明の効果】本発明によれば、点火の前に、燃料・空
気混合物が点火室と点火管とにおいて混合される。その
後に、両媒体である空気/燃料の流入速度の適当な設定
（火炎速度よりも高い）により、点火された火炎は点火
管を通って燃焼器の方向へ移動する。燃焼器では、火炎
が横断面拡張部に基づき安定化される。その後に、主バ
ーナの点火が、燃焼器内に発生する口火によって行われ
る。このような配置形式およびこのような方法に基づ
き、点火器や電気的な構成部分や線路、管路等の全ての
ラインの熱負荷が全体的に減じられるので有利である。
なぜならば、点火器がハウジングの外部に配置されてい
て、ひいては燃焼器を通る高い熱にさらされていないか
らである。さらに、点火エレメントは火炎の高い熱放射
線もしくは燃焼器の、傍らを擦過して行く熱ガスにもさ
らされていない。
【００１７】本発明の有利な構成では、点火管が直接に
主燃焼器に結合されていてよい。一層良好な点火を行う
ためには、点火部が燃焼器に向かって横断面拡張部を備
えていてよい。また、点火管への移行部をノズルとして
形成することも考えられる。
【００１８】本発明のさらに別の有利な構成では、口火
を安定化するための横断面拡張部が直接に燃焼器壁に配
置されているのではなく、燃焼器と点火管との間で火炎
管の形に段付けされて配置されている。このことは次の
ような構成に結びつけることができる。すなわち、火炎
管が少なくともそれぞれ１つの別の管路を介して燃料供
給部と空気供給部とに接続されていて、これにより、口
火には慣用的に燃料と燃料空気とがガスタービンの内部
で供給される。このことは特に次のような利点を有して
いる。すなわち、点火トーチの燃料・空気量を点火管の
燃料量とは別個に独立して調節することができる。当然
ながら、点火バーナの点火は、点火性混合物で充填され
る点火管によって、機械の外部で行われる。口火は点火
管を通じて燃焼器の方向へ移動し、燃焼器内で、別個に
供給された燃料・空気混合物に着火する。相応して、点
火管の充填は口火を形成するために一回しか行われな
い。その後に、この点火管を介して燃焼器に燃料および
／または空気を供給することができる。
【００１９】さらに、点火器は小さな混合物容量に着火
するだけで済むことが判った。したがって、確実な初期
点火のために最小限消費されなければならないエネルギ
が減じられる。こうして形成された口火は点火室から点
火管を通って火炎管内に進入するか、または直接に燃焼
器内に進入して、この場所に存在する燃料・空気混合物
に着火する。これにより、燃焼器全体のための本来の口
火が生じる。
【００２０】点火装置の本発明による構成では、点火器
の周囲に対する空気および燃料の流過が、燃焼室内の圧
力や空気および燃料の供給圧のようなパラメータから有
効に分離される。これによって、直接に点火器で点火装
置の広い運転領域にわたって良好な点火条件を保証する
ことができる。
【００２１】本発明のさらに別の有利な構成では、点火
室の手前に混合室が配置されており、該混合室内に燃料
供給部と空気供給部とが開口しているので、改善された
混合および一層確実な点火を行うことができる。
【００２２】点火器はグロー点火器または火花点火器と
して形成されていてよい。熱作用に基づいた老化プロセ
スは、もはや大きな問題にはならない。
【００２３】一層確実な点火を行うためには、点火室お
よび／または点火管および／または点火器が触媒被覆さ
れていてよく、つまり触媒でコーティングされていてよ
く、また適当な点火補助剤（酸化剤、易着火性の反応物
質等）を使用することもできる。同じ目的のために、口
火を点火管の出口で渦流もしくはスワールにより安定化
することもできる。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
面につき詳しく説明する。
【００２５】図１、図３および図４には、ハウジング８
０と燃焼器３０と燃焼器壁３１と点火装置１０と燃料供
給部６０と空気供給部７０とを備えた、本発明による熱
ターボ機械の実施例がそれぞれ示されている。点火装置
１０は点火室５０と、この点火室５０内に配置された点
火器５１とから成っている。点火器５１は電気的に作動
させられる。点火室５０は本発明によれば、ガスタービ
ンのハウジング８０の外部に配置されていて、点火管４
０を介して燃焼器３０に接続されている。このような配
置に基づき、点火器５１、電気的な構成部分および線
路、管路等の全てのラインの熱負荷が全体的に減じられ
るので有利である。熱負荷が減じられる理由は、点火器
５１がハウジング８０の外部に配置されているので、こ
の点火器５１が燃焼器３０を通る大きな熱にさらされて
いないからである。さらに、これらの点火エレメントは
火炎の高い熱放射線もしくは燃焼器３０の、傍らを擦過
する熱ガスにもさらされていない。
【００２６】点火室５０は燃料供給部６０と空気供給部
７０とに接続されている。これらの管路を介して点火室
５０と点火管４０とに、燃料・空気混合物が供給され
る。この燃料・空気混合物は点火器５１によって点火さ
れ得る。点火が行われた後に、発生した火炎は点火管４
０を通って燃焼器３０の方向へ伝播する。燃料・空気比
の勾配が存在することに基づき、点火火炎、つまり口火
は、特に点火性の混合物が存在する範囲へ確実に当た
る。このような機能原理に基づき、点火装置の燃料・空
気比の特に大きな範囲にわたって信頼性の良い点火が達
成される。さらに、火炎は、流入する燃料・空気混合物
の流速に基づき、燃焼器３０の方向へ押しやられる。次
いで、この口火は主燃焼器内の火炎に着火する。
【００２７】このことは、図１に示したように、点火管
４０と燃焼器３０との直接的な接続によって可能であっ
てよい。点火管４０から燃焼器３０への移行部は、横断
面拡張部として形成されている。このような横断面拡張
部により、口火の安定化、つまり保炎が生ぜしめられ
る。図１のＩＩで示した部分の別の構成を示す図２から
判るように、横断面拡張部である点火管４０から燃焼器
３０への移行部は、この移行部に存在するノズル４４を
備えていてよい。
【００２８】図３に示した別の有利な構成では、口火を
安定化するための横断面拡張部が直接に燃焼器壁３１に
配置されているのではなく、段付けされて燃焼器壁３１
と点火管４０との間に火炎管４１の形で配置されてい
る。このことは、燃焼器３０への到達前に口火を早期に
安定化するために役立つ。図３から同じく判るように、
有利には点火室５０の手前に混合室９０が配置されてい
てよい。この混合室９０には燃料供給部６０と空気供給
部７０とが開口しているので、改善された混合と、一層
確実な点火とを行うことができる。
【００２９】このような構成は、図４に示したような構
成に結びつけられていてよい。すなわち、図４に示した
構成では、火炎管４１が少なくともそれぞれ１つの別の
管路４２，４３を介して燃料供給部６０と空気供給部７
０とに接続されているので、ガスタービンの内部で口火
にコンベンショナルに燃料と燃焼空気とが供給される。
特にこのことは、口火の燃料・空気量を点火管４０の燃
料量とは無関係に調節することができるという利点を有
している。当然ながら、点火性の混合物で充填される点
火管４０による点火バーナの点火は、ターボ機械の外部
で行われる。口火は点火管４０を通って燃焼器３０の方
向へ伝播して、燃焼器３０内で、別個に供給された燃料
・空気混合物に着火する。相応して、点火管４０の充填
は、口火を発生させるために一回しか行われない。その
後に、点火管４０を介して火炎管４１に燃料および／ま
たは空気を供給することができる。
【００３０】熱ターボ機械の本発明による構成では、点
火器５１の周囲に対する空気および燃料の流過が、燃焼
室内の圧力や空気および燃料の供給圧もしくは流入圧
（Ｖｏｒｄｒｕｃｋ）のようなパラメータから有効に分
離される。これによって、良好な点火条件を直接に点火
器５１において、点火装置の広い作動領域にわたって保
証することができる。
【００３１】点火器５１は前述の全ての実施例において
グロー点火器（Ｇｌｕｅｈｚｕｅｎｄｅｒ）または火花
点火器（Ｆｕｎｋｅｎｚｕｅｎｄｅｒ）として形成され
ていてよい。燃焼器３０の熱作用に基づく老化プロセス
はもはや重要とならないので有利である。
【００３２】一層確実な点火を行うためには、点火室５
０および／または点火管４０および／または点火器５１
が触媒被覆されていてよい。また、適当な点火補助剤
（酸化剤、易着火性の反応物質等）を使用することもで
きる。同じ目的のために、点火管４０の出口で口火を渦
流、つまりスワールにより安定化することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ハウジングと燃焼器と点火装置とを備えた本発
明による熱ターボ機械の第１実施例を示す概略図であ
る。
【図２】図１にＩＩで示した部分における、点火管から
燃焼器への移行部のジオメトリの変化形を示す概略図で
ある。
【図３】ハウジングと燃焼器と点火装置とを備えた本発
明による熱ターボ機械の第２実施例を示す概略図であ
る。
【図４】ハウジングと燃焼器と点火装置とを備えた本発
明による熱ターボ機械の第３実施例を示す概略図であ
る。
【符号の説明】
１０ 点火装置、 ３０ 燃焼器、 ３１ 燃焼器壁、
４０ 点火管、 ４１ 火炎管、 ４２，４３ 管
路、 ４４ ノズル、 ５０ 点火室、 ５１点火器、
６０ 燃料供給部、 ７０ 空気供給部、 ８０ ハ
ウジング、 ９０ 混合室
フロントページの続き (71)出願人 599168073 Ｂｒｏｗｎ Ｂｏｖｅｒｉ Ｓｔｒａｓｓ ｅ ７，5401 ｂａｒｄｅｎ，Ｓｗｉｔｚ ｅｒｌａｎｄ (72)発明者 フランツ ヨース ドイツ連邦共和国 ヴァイルハイム−バン ホルツ ツム フェルンブリック ５

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ハウジング（８０）と燃焼器（３０）と
    点火装置（１０）と燃料供給部（６０）と空気供給部
    （７０）とを備えた熱ターボ機械であって、点火装置
    （１０）が点火室（５０）と、該点火室（５０）内に配
    置された点火器（５１）とから成っており、燃料供給部
    （６０）と空気供給部（７０）とが点火室（５０）に開
    口しており、該点火室（５０）が燃焼器（３０）に接続
    されている形式のものにおいて、点火装置（１０）が、
    当該熱ターボ機械のハウジング（８０）の外部に配置さ
    れていて、点火管（４０）を介して燃焼器（３０）に接
    続されていることを特徴とする熱ターボ機械。
  2. 【請求項２】 燃焼器（３０）が直接に点火管（４０）
    に接続されており、該点火管（４０）から燃焼器（３
    ０）への移行部が、ノズルを有するか、またはノズルを
    有しない横断面拡張部として形成されている、請求項１
    記載の熱ターボ機械。
  3. 【請求項３】 点火管（４０）と燃焼器（３０）との間
    に火炎管（４１）が配置されており、該火炎管（４１）
    が、点火管（４０）に比べて横断面拡張部を有してい
    る、請求項１記載の熱ターボ機械。
  4. 【請求項４】 前記火炎管（４１）が、少なくともそれ
    ぞれ１つの別の管路（４２，４３）を介して燃料供給部
    （６０）と空気供給部（７０）とに接続されている、請
    求項３記載の熱ターボ機械。
  5. 【請求項５】 点火室（５０）の手前に混合室（９０）
    が配置されており、該混合室（９０）内に燃料供給部
    （６０）と空気供給部（７０）とが開口している、請求
    項１から４までのいずれか１項記載の熱ターボ機械。
  6. 【請求項６】 点火器（５１）がグロー点火器または火
    花点火器として形成されている、請求項１から４までの
    いずれか１項記載の熱ターボ機械。
  7. 【請求項７】 点火器（５１）および／または点火室
    （５０）および／または点火管（４０）が触媒被覆され
    ている、請求項１から４までのいずれか１項記載の熱タ
    ーボ機械。
  8. 【請求項８】 ハウジング（８０）と燃焼器（３０）と
    点火装置（１０）と燃料供給部（６０）と空気供給部
    （７０）とを備えた、請求項１から７までのいずれか１
    項記載の熱ターボ機械に点火するための方法において、
    燃料・空気混合物を点火室（５０）と点火管（４０）と
    に導入し、該燃料・空気混合物に熱ターボ機械のハウジ
    ング（８０）の外部で点火室（５０）内で点火し、点火
    管（４０）を通じて燃焼器（３０）内へ口火を吹き込
    み、該燃焼器（３０）内の燃料・空気混合物に着火する
    ことを特徴とする、熱ターボ機械に点火するための方
    法。
  9. 【請求項９】 点火管（４０）を燃焼器（３０）の点火
    のために一回だけ使用し、その後に点火管（４０）を介
    して燃焼器（３０）または火炎管（４１）に燃料および
    ／または空気を供給する、請求項８記載の方法。
  10. 【請求項１０】 火炎管（４１）に、少なくともそれぞ
    れ１つの別の管路（４２，４３）を介して燃料と空気と
    を供給する、請求項８または９記載の方法。
  11. 【請求項１１】 口火を点火管（４０）の出口で渦流に
    より安定化させる、請求項８から１０までのいずれか１
    項記載の方法。
  12. 【請求項１２】 燃料・空気混合物の確実な点火のため
    に、点火補助剤を使用する、請求項８から１０までのい
    ずれか１項記載の方法。
JP2002046608A 2001-02-22 2002-02-22 熱ターボ機械および該熱ターボ機械に点火するための方法 Withdrawn JP2002256890A (ja)

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