JP2002332870A

JP2002332870A - 熱的なターボ機械に点火するための方法

Info

Publication number: JP2002332870A
Application number: JP2002070525A
Authority: JP
Inventors: Urs Benz; ベンツウルス; Jaan Hellat; ヘラートヤーン; Franz Dr Joos; ヨースフランツ; Pirmin Schiessel; シーセルピルミン; Marcel Stalder; シュタルダーマルセル; Guenter Sybon; シーボンギュンター
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: General Electric Switzerland GmbH
Priority date: 2001-03-16
Filing date: 2002-03-14
Publication date: 2002-11-22
Also published as: EP1241334A1; DE10112864A1; DE50203539D1; US6718773B2; US20030019215A1; EP1241334B1

Abstract

(57)【要約】【課題】極めて良好な点火特性を備えた拡散点火火炎
が幅広い安定性範囲にわたって達成されるようにする。【解決手段】燃焼室３０の点火の前に点火装置１０の
火炎管４０内に１よりも大きな全体的な燃料／空気混合
比Φ_{ｇｌｏｂａｌ}＝１／λ_{ｇｌｏｂａｌ}を発生させ、λ
_{ｇｌｏｂａｌ}が、全体的な空気量を表しており、燃料／
空気混合気に点火器５１によって点火室５０内で点火
し、火炎と、残りの燃料／空気混合気とを点火室５０か
ら火炎管４０を通して燃焼室３０にまで通走させ、そこ
で、燃焼室３０を点火させるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱的なターボ機械
に点火するための方法であって、該ターボ機械が、燃焼
室と、点火装置と、燃料供給部と、空気供給部とを有し
ており、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、火炎管を介し
て燃焼室に接続されている形式の、熱的なターボ機械に
点火するための方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】連続的な化学反応を開始するためには、
一般的に燃焼装置およびガスタービン設備の燃焼器が、
いわゆる「点火補助手段」を介して点火される。このた
めには、特に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、点火のためには、しばしばガス火炎
（点火トーチ）も使用されている。

【０００３】この場合、まずたいてい補助バーナが点火
される。この補助バーナは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、すなわち、
使用事例に応じて燃焼オイル、灯油（ケロシン）または
天然ガスも点火バーナのために使用される。しかし、時
には、良好に貯蔵可能な補助ガス、たとえばプロパンも
使用される。

【０００４】点火補助手段によって達成される点火結果
は多数の因子に関連している。これらの因子には、特に
燃焼空気の流入条件、たとえば圧力、温度および速度、
使用される点火燃料とその条件、燃焼室の幾何学的形状
と性状および最後に燃焼空気の組成比も所属している。

【０００５】点火プラグまたはグロープラグによる、熱
的なターボ機械、すなわちガスタービンに設けられた燃
焼器の点火は、特にＡ．Ｌｅｆｅｂｖｂｒｅ著の「ガス
タービンコンバスチョン（ＧａｓＴｕｒｂｉｎｅ
Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）」（ＡｒｔｈｕｒＨ．Ｌ
ｅｆｅｂｖｅｒ：ＧａｓＴｕｒｂｉｎｅＣｏｍｂｕ
ｓｔｉｏｎ第２２２〜２２５頁および第２３２〜２３
３頁ヘミスフェーレ（Ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｅ）出版社
１９８３年）に記載されている。

【０００６】点火装置の機能に対する前提条件は、当然
ながら、十分に強力な安定した点火火炎の形成を可能に
する条件が点火器に付与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・空気比率の調整ならびに
点火器の領域における有利な流速の調整が挙げられ得
る。

【０００７】特にガスタービンの燃焼器では、これらの
要求はしばしば特殊な点火バーナの使用によってしか満
たすことができない。点火器を燃焼室内に直接配置する
ことは、上述した基準に基づき自ずと禁止される。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、
これによって、小さな容積が起爆によって点火されさえ
すればよい。この点火室の下流に設けられた火炎管内に
は、安定した点火火炎が連続して形成される。

【０００８】ガスタービンに用いられるこのような点火
システムは、ヨーロッパ特許出願公開第１９９２６６１
号明細書に基づき公知である。別の点火器は、たとえば
アメリカ合衆国特許第２９６７２４４号明細書、アメリ
カ合衆国特許第３４０４９３９号明細書、アメリカ合衆
国特許第５３４４３１０号明細書、アメリカ合衆国特許
第５３６８４７４号明細書または国際公開第９６／３９
５７８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、旧ド
イツ民主共和国特許出願公開第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１４３２０４２９号明細書に基づき、燃焼室の主
火炎に点火するための方法が公知である。

【０００９】このような形式の点火バーナでは、点火火
炎のために、１未満の燃料／空気混合比Φ_{ｇｌｏｂａｌ}
＝１／λ_{ｇｌｏｂａｌ}を備えたリーンな混合気を使用す
ることが一般的である。この場合、λ_{ｇｌｏｂａｌ}は、
コントロール室全体にわたって平衡された空気量を成し
ている。すなわち、リーンな混合気が点火される。当然
ながら、混合比はリッチな安定性境界からリーンな安定
性境界にまで局所的に実現される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、前記
欠点を回避することである。本発明の課題は、熱的なタ
ーボ機械に点火するための方法を改善して、極めて良好
な点火特性を備えた拡散点火火炎が幅広い安定性範囲に
わたって達成されるようにすることである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明の方法では、燃焼室の点火の前に点火装置の火
炎管内に１よりも大きな全体的な燃料／空気混合比Φ
_{ｇｌｏｂａｌ}＝１／λ_ｇ _{ｌｏｂａｌ}を形成し、λ
_{ｇｌｏｂａｌ}が、全体的な空気量を表しており、燃料／
空気混合気に点火器によって点火室内で点火し、火炎
と、残りの燃料／空気混合気とを点火室から火炎管を通
して燃焼室にまで通走させ、そこで、燃焼室を点火させ
るようにした。

【００１２】

【発明の効果】特別な実施態様では、全体的な燃料／空
気混合比Φ_{ｇｌｏｂａｌ}が、１〜３４によって調整され
る。

【００１３】したがって、両媒体（空気／燃料）の流入
速度を適切に選択する、すなわち、火炎速度よりも高く
設定することによって、点火された燃料／空気混合気が
火炎管を通って燃焼室の方向に通走する。そこでは、火
炎が横断面拡張に基づき安定化される。したがって、メ
インバーナの点火は、燃焼室内で燃焼する点火火炎によ
って行われる。このような方法によって、極めて安定し
た拡散火炎が得られる。この拡散火炎は、点火ランスの
熱いガスだけでなく、取り囲んでいる過剰燃料の、付加
的に点火される区域も拡散形式で燃焼されることによっ
て、拡散火炎がその過剰リッチ状態に基づき燃焼室の空
気と相俟って良好な点火特性を有するという特性を付加
的に有している。

【００１４】使用される点火バーナの形式では、空気
が、燃料を点火の前に環状に取り囲んでおり、こうし
て、前記燃料が、外部から局所的に希薄されると有利で
ある。空気が複数の孔を介して火炎管内にノズル噴射さ
れることも同じく可能である。点火火炎の安定化は、既
知のように、自由噴流、ボルダ・ジャンプまたは渦流発
生構造体によって行われ得る。

【００１５】火炎管内に付与されているリッチな混合気
のより良好な点火のためには、点火火炎の起爆のために
点火室内に、希薄された燃料／空気混合気を発生させ、
したがって、リッチな混合気をそこで局所的に希薄にす
ることが有利である。

【００１６】さらに、点火空気の点火の前にかつ点火の
間に付加的な酸素が添加されることが可能である。これ
によって、混合気の点火のための最小点火エネルギが低
減される。このことは、点火特性を有するＨ_２を含有し
ている燃料の点火時に特に技術的に重要である。

【００１７】火炎管を燃焼室の点火のために一回だけ使
用することができ、その後、燃焼室に火炎管を介して燃
料および／または空気を供給することができる。

【００１８】

【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。

【００１９】ただ１つの図面には、本発明による方法を
実施することができる点火装置１０のための例が示して
ある。この点火装置１０は燃焼室３０の壁８０に組み付
けられている。火炎管４０は燃焼室３０の内部に向かっ
て開いている。単数または複数の燃焼ガス管路６０を介
して火炎管４０に燃焼ガスが供給されるのに対して、空
気供給は通路７０を介して行われる。火炎管４０の端面
には点火室５０が位置している。この点火室５０の内部
には点火器５１が配置されている。点火室５０は、少な
くとも１つの接続通路５５，５６によって空気供給部７
０と燃焼ガス供給部６０とに接続されている。接続通路
５５，５６は、当然ながら、有利な流れ場を点火室５０
内に発生させるために、点火室５０の軸線５３と特定の
角度を成していてもよいし、側方にずらされていてもよ
い。原理的には、点火器５１の構造は、ヨーロッパ特許
出願公開第１９９２６６１号明細書に基づき公知であ
る。このヨーロッパ特許出願公開第１９９２６６１号明
細書は、本発明による明細書にとって不可欠な要素を成
している。

【００２０】燃焼ガス供給部６０と空気供給部７０とが
燃焼ガスと空気とで負荷されると、この燃焼ガスと空気
との大部分が火炎管４０内に流入する。各媒体の部分流
は供給開口５５，５６を通って点火室５０内に流入し、
そこで、点火器５１、たとえば点火プラグによって点火
され得る。最初、点火室５０内では、比較的小さな量の
燃焼可能な混合気だけが点火されさえすればよい。この
場合、供給開口５５，５６の互いの横断面比率によっ
て、点火室５０内に存在する混合気の化学量論を他のパ
ラメータとは無関係に調整することができる。さらに、
点火室５０内の流速も比較的小さく設定されている。し
たがって、小さな点火エネルギで確実な点火が達成され
る。このように形成された、点火室５０の幾何学的形状
によって影響を与えることができる強さを備えたパイロ
ット火炎は、点火室５０から火炎管４０内に流入する。
そこに存在する燃焼ガスはパイロット火炎によって、た
とえば点火プラグまたはグロープラグにより発生させら
れる僅かな点火エネルギしか提供されない事例よりも著
しく大きな濃度範囲で確実に点火される。いま、火炎管
４０内には、燃焼室３０内に流出する本来の点火火炎が
発生させられる。この点火火炎は、そこで別のバーナへ
の横方向点火によって確実な点火を熱発生器全体におい
て保証するために、十分な強さを有している。

【００２１】図１から明らかであるように、本発明によ
る方法では、火炎管４０内に局所的に種々異なる燃料／
空気混合比Φが達成される。この場合、Φ＝１／λであ
る。λは空気量（燃料に対する空気の化学量論的な比
率）を表している。外周壁内では燃料を取り囲むように
純粋な空気、すなわち、Φ＝０の混合比が付与されてい
るのに対して、火炎管４０の中心には純粋な燃料、すな
わち、Φ＝∞の混合比が存在している。この両区域の間
には、Φ＝１の化学量論的な燃料／空気混合比を備えた
境界が形成される。火炎管４０の充填時には、Φ＝１を
備えた区域が点火の前に火炎管４０内での拡散によって
燃焼室３０の方向に拡張する。Φ＝０もしくはΦ＝１を
備えた区域と、Φ＝∞を備えた火炎管４０の中心との間
では混合比Φが変化する。

【００２２】ここに説明した本発明による方法では、点
火時に火炎管４０内に１よりも大きな全体的（ｇｌｏｂ
ａｌ）な燃料／空気混合比Φ_{ｇｌｏｂａｌ}＝１／λ
_ｇｌｏｂ _ａｌが得られる。λ_{ｇｌｏｂａｌ}は全体的な空
気量を表している。本発明の枠内では、１〜３４の間の
全体的な燃料／空気混合比Φ_{ｇｌｏｂａｌ}＝１／λ
_ｇｌｏ _ｂａｌを点火の前にかつ点火の間に調整すること
が原理的に可能である。原則的には、燃料／空気混合比
は前記範囲内で一定に保たれる。このような実施態様に
よって、極めて安定した拡散火炎が得られる。この拡散
火炎は、点火ランスの熱いガスだけでなく、取り囲んで
いる過剰燃料の、付加的に点火される区域も拡散形式で
燃焼されることによって、拡散火炎がその過剰リッチ状
態（Ｕｅｂｅｒｆｅｔｔｕｎｇ）に基づき燃焼室３０の
空気と相俟って良好な点火特性を有するという特性を付
加的に有している。さらに、本発明による方法は、メイ
ンバーナ相互の、改善された横方向点火特性の点で優れ
ている。

【００２３】火炎管４０内に付与されているリッチな混
合気のより良好な点火のためには、点火火炎の起爆のた
めに点火室５０内に、希薄された燃料／空気混合気を発
生させ、したがって、リッチな混合気を局所的に希薄に
することが有利である。

【００２４】点火火炎の安定化は、既知のように、自由
噴流、ボルダ・ジャンプ（Ｂｏｒｄａ−Ｓｐｒｕｎｇ）
または渦流発生構造体によって行うことができる。

【００２５】さらに、火炎管が燃焼室の点火のために一
回だけ使用され、その後、点火管を介して燃焼室または
火炎管に燃料および／または空気が供給されることも可
能である。

【００２６】さらに、熱的なターボ機械の点火の前にか
つ点火の間に、付加的な点火ガスの代わりに、点火バー
ナ１０の空気供給部７０に付加的に酸素が酸素供給部７
１を通って混加されることが提案される。当然ながら、
燃焼室３０の燃料／空気混合気にも同じく酸素が供給さ
れ得る。このことは、特に点火特性を有する水素を含有
している燃料、たとえばＨ_２／ＣＯ混合気、ＭＢＴＵ燃
焼ガス、ＬＢＴＵ燃焼ガスまたは液状の燃料、たとえば
オイルまたはアルコールの燃焼時に特に技術的に重要で
ある。

【００２７】空気もしくは燃料／空気混合気での付加的
な酸素の使用によって、（純粋な）空気の使用に比べ
て、燃料の所要の最小点火エネルギが低減される。

【００２８】従来のように、ＭＢＴＵ燃焼ガスが確実な
燃焼のために希ガスによって希薄された場合には、付加
的な酸素によって点火特性が希薄なしに改善される。

【００２９】当然ながら、酸素添加によって、点火バー
ナによる点火が、相応に困難な条件（低い圧力、低い温
度、高い流速）で容易となり得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】ケーシングと、燃焼室と、点火装置と、火炎管
内の燃料／空気混合比Φとを備えた本発明による熱的な
ターボ機械の構成を示す図である。

【符号の説明】

１０点火装置、３０燃焼室、４０火炎管、
５０点火室、５１点火器、５３軸線、５５
接続通路、５６接続通路、６０燃焼ガス供給
部、７０空気供給部、７１酸素供給部、８０
壁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ウルスベンツスイス国ギプフ−オーバーフリックメルテンヴェーク７ (72)発明者ヤーンヘラートスイス国バーデン−リューティホフシュタインシュトラーセ 16ツェー (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 (72)発明者ピルミンシーセルスイス国ウンテレーレンディンゲンティーフェンヴァーク 415 (72)発明者マルセルシュタルダースイス国クリングナウブリュールシュトラーセ 21 (72)発明者ギュンターシーボンスイス国ゲーベンストルフウンターリーデンシュトラーセ 41

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱的なターボ機械に点火するための方法
であって、該ターボ機械が、燃焼室（３０）と、点火装
置（１０）と、燃料供給部（６０）と、空気供給部（７
０）とを有しており、点火装置（１０）が、点火室（５
０）と、該点火室（５０）内に配置された点火器（５
１）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、火炎管（４０）を介して燃焼室（３
０）に接続されている形式の、熱的なターボ機械に点火
するための方法において、燃焼室（３０）の点火の前に点火装置（１０）の火炎管
（４０）内に１よりも大きな全体的な燃料／空気混合比
Φ_{ｇｌｏｂａｌ}＝１／λ_{ｇｌｏｂａｌ}を発生させ、λ
_{ｇｌｏｂａｌ}が、全体的な空気量を表しており、燃料／
空気混合気に点火器（５１）によって点火室（５０）内
で点火し、火炎と、残りの燃料／空気混合気とを点火室
（５０）から火炎管（４０）を通して燃焼室（３０）に
まで通走させ、そこで、燃焼室（３０）を点火させるこ
とを特徴とする、熱的なターボ機械に点火するための方
法。
【請求項２】点火の前に火炎管（４０）内で全体的な
燃料／空気混合比Φ _{ｇｌｏｂａｌ}＝１／λ_{ｇｌｏｂａｌ}
を１〜３４の間に調整する、請求項１記載の方法。
【請求項３】点火の前、空気が、燃料を火炎管（４
０）内で環状に取り囲んでおり、こうして、前記燃料を
局所的に希薄する、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】点火工程を点火器（５１）によって点火
室（５０）内でリーンな燃料／空気混合気を用いて行
う、請求項１または２記載の方法。
【請求項５】点火空気の点火の前にかつ点火の間に付
加的な酸素を添加する、請求項１または２記載の方法。
【請求項６】火炎管（４０）内の点火火炎を自由噴
流、ボルダ・ジャンプまたは渦流によって安定化させ
る、請求項１または２記載の方法。
【請求項７】火炎管（４０）を燃焼室（３０）の点火
のために一回だけ使用し、その後、火炎管（４０）を介
して燃焼室（３０）に燃料および／または空気を供給す
る、請求項１または２記載の方法。