JP2002506193A - 燃焼器とその運転方法 - Google Patents

燃焼器とその運転方法

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Abstract

(57)【要約】 本発明は多数の熱遮蔽要素（６）で形成されたライニング（５）を備える燃焼器（５）に関し、少なくとも１つの熱遮蔽要素（５）が、燃料（３６）の供給管（３０）および燃焼空気（３８）の供給管（２６）を前置接続されていて、バーナとして機能するバーナ兼熱遮蔽要素（２２）となっている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は燃焼器壁および多数の熱遮蔽要素で形成されたライニングを備える燃
焼器ならびにその運転方法に関する。
【０００２】 ヨーロッパ特許第０５９７１３７号明細書に、ガスタービン用の環状燃焼器が
記載されている。その燃焼器は一次領域と二次領域に分けられている。一次領域
および二次領域は、それぞれ互いに無関係に冷却空気によって冷却される流れ境
界壁を有している。二次領域の流れ境界壁は二重壁構造に作られ、一次領域の流
れ境界壁に続いている。一次領域の流れ境界壁は、耐火ライニングのセグメント
に対する支持体によって形成されている。冷却空気はまず二次領域の二重壁を貫
流し、続いて一次領域の耐火ライニングセグメントおよびその支持体を貫流し、
最後に燃焼するためにバーナに導入される。
【０００３】 ヨーロッパ特許第０５７６６９７号明細書に、古典的型式のバーナと同時に触
媒バーナをも採用したガスタービン用の燃焼器が記載されている。その古典的型
式のバーナとして、主燃焼を実行する予混合バーナが採用されている。上述の両
型式のバーナを組み合わせることによって、ガスタービンの負荷状態が変動する
ときも単純に制御することができる。
【０００４】 １９９６年５月発行のリチャード Ｊ．アントス氏著の文献「ローＮＯXガス タービン（Low NOXGas Turbine）」の第４３頁に掲載の論文“低ＮＯX発生用オ プション”に、二段燃焼式ガスタービンが記載されている。その一次領域におい
て、拡散燃焼により安定させられる予混合バーナによって第１段燃焼が行われる
。その一次領域用の燃焼室に二次領域用の大きな燃焼室が続き、この二次燃焼用
の燃焼室において第２燃焼段が進行する。そのため二次領域の入口に、燃焼器壁
にある多数の開口を通して予混合済みの燃料・空気混合気が導入される。この燃
料・空気混合気は一次領域から二次領域に流入する高温燃焼ガス内で発火する。
これによって第２燃料段が生ずる。
【０００５】 本発明の課題は、特に単純な構造様式で燃料および燃焼空気を導入できる燃焼
器を提供することにある。更に本発明のもう１つの課題は、特に簡単に段階的燃
焼を可能にする燃焼器の運転方法を提供することにある。
【０００６】 燃焼器についての課題は本発明に基づいて、燃焼器壁および多数の熱遮蔽要素
で形成されたライニングを備える燃焼器において、少なくとも１つの熱遮蔽要素
が、燃料の供給管および燃焼空気の供給管が前置接続されていてバーナとして機
能するバーナ兼熱遮蔽要素となっていることにより解決される。
【０００７】 本発明に基づく燃焼器において、燃焼器の耐火ライニングの構成部品である熱
遮蔽要素をバーナとして兼用することにより、特に単純な構造で燃焼を行わせる
ことができる。このバーナ兼熱遮蔽要素に燃料および燃焼空気を導入し、そこか
ら燃焼器の中に導入するか、あるいは直接熱遮蔽要素内で燃焼させる。
【０００８】 バーナ兼熱遮蔽要素に、燃料および燃焼空気を導入する予混合室を前置接続す
るのが好ましい。燃料および燃焼空気はまず予混合室に導入し、そこで燃料・空
気混合気を形成する。この燃料・空気混合気を、続いてバーナ兼熱遮蔽要素に導
入する。これによって、燃焼にとって良好な均質な燃料・空気混合気が生ずる。
【０００９】 燃料を予混合室に入れる燃料管が燃焼器壁の外側面に沿って延びていることが
有利である。この燃料管は、例えば環状燃焼器の場合、環状燃焼器の円周方向に
燃焼器壁の周囲をめぐる環状管の形をし、この環状管から、例えばこの円周方向
に沿って配置された多数のバーナ兼熱遮蔽要素に燃料が簡単に導入される。
【００１０】 燃焼器の広がり方向に沿って燃焼ガス流を入口側から出口側まで案内し、少な
くとも１つのバーナを第１燃焼段に対して用意し、第１燃焼段の下流においてバ
ーナ兼熱遮蔽要素によって第２燃焼段を発生するようにすると有利である。
【００１１】 バーナ兼熱遮蔽要素によって簡単に第２燃焼段が実現できる。勿論、もっと多
くの燃焼段も考えられる。二段燃焼あるいは多段燃焼によって、燃焼反応領域は
大きな容積に分配される。これによって、燃焼器内における燃焼振動の発生傾向
が低くなる。そのような燃焼振動は、場合によっては燃焼器内に大きな損傷を生
じさせる。更に二段燃焼あるいは多段燃焼によって、例えば種々の負荷で運転さ
れるガスタービンにおいて、種々の出力発生に、即ち負荷状態に特に良好に適合
制御することができる。燃焼器からの燃焼ガスによってガスタービンが駆動され
る場合、燃焼に対してガスタービンの負荷に適合した空燃比が必要である。少な
くとも２つのバーナを利用することにより、燃焼制御に対して広いパラメータ範
囲が生ずる。更にまた、例えば必要な場合には、バーナ兼熱遮蔽要素を通して空
気しか燃焼器に流入しないように、バーナ兼熱遮蔽要素への燃料供給を中断する
ことができる。またバーナ兼熱遮蔽要素を利用することによって、バーナ兼熱遮
蔽要素に比較的多量の冷たい燃焼空気が導入されるので、燃焼器ライニングの冷
却に対して良好な冷却力が生ずる。更にまた、第１段燃焼のバーナを通る空気質
量流量が減少するというもう１つの利点が生ずる。この結果、特にバーナを小形
化できる。これに伴い、例えばバーナを、それを包囲するハウジングにより単純
な様式で構成できるという利点が生ずる。
【００１２】 バーナ兼熱遮蔽要素は、その広がり方向に沿ってその第１端から第２端まで延
び、予混合室は、好適には燃焼器壁とバーナ兼熱遮蔽要素との間に位置し、第２
端の範囲に予混合室を燃焼室に接続する出口開口を備える。このように予混合室
を配置し、出口開口を下流に配置することによって、予混合室と燃焼器との間に
、流れ抵抗が非常に小さいという特長を持つ流体的な接続が生ずる。
【００１３】 バーナ兼熱遮蔽要素に冷却空気を導入するのが有利であり、その冷却空気は同
時に燃焼空気として利用できる。熱遮蔽要素は、しばしば冷却空気が燃焼器壁の
外側面から、例えば孔を通して熱遮蔽要素の背面に導かれることによって冷却さ
れる。この冷却空気管を燃焼空気管として利用することにより、燃焼空気をバー
ナ兼熱遮蔽要素に特に簡単に導入できる。
【００１４】 バーナ兼熱遮蔽要素に多数の空洞を有する材料を設け、燃料および燃焼空気を
、この材料内で燃焼が起こるように導入すると有利である。そのようなバーナ兼
熱遮蔽要素は、いわゆる多孔バーナとなっている。即ち燃料および燃焼空気は空
洞あるいは多孔の中で燃焼し、その際材料を加熱する。これによって一方では燃
焼が良好に安定し、他方では多孔組織が燃焼振動を大きく減衰する。多孔バーナ
のこれらの両特性により、多孔バーナにおける燃焼において、燃焼振動は殆ど生
じない。更に燃焼中に上述したように熱せられる材料はかなりの熱を放出する。
これにより、材料内における燃焼の火炎温度は非常に低くなる。この結果、窒素
酸化物の発生量が少なくなる。しかもその火炎温度が低いことによって、バーナ
兼熱遮蔽要素に多量の燃料を、そのために第１燃焼段のバーナに少量の燃料を供
給することができるという利点が生ずる。これによって、第１燃焼段のバーナで
ひき起こされる燃焼振動の発生が減少する。
【００１５】 材料として、発泡セラミックス、特に酸化ジルコンあるいは炭化ケイ素が有効
である。そのような材料は、例えば発泡形成担体材料にセラミックスを添加し、
その発泡および硬化後に、多孔質セラミックスが残存するように、担体材料をエ
ッチング処理で除去することによって作られる。
【００１６】 燃焼室を環状に形成し、その燃焼室の円周方向に沿って多数の熱遮蔽要素をバ
ーナ兼熱遮蔽要素として形成するのが有利である。好適には、円周方向に沿って
配置する熱遮蔽要素の大部分を、バーナ兼熱遮蔽要素として形成する。これによ
って、環状燃焼器の円周にわたり第２燃焼段が一様に分布する。
【００１７】 本発明に基づく燃焼器はガスタービン、特に定置ガスタービンに利用するのに
適する。６０ＭＷより大きな出力を有するガスタービンに特に有効である。
【００１８】 燃焼器の運転方法に係る課題は、本発明に基づき、燃焼器壁および多数の熱遮
蔽要素によって形成されたライニングを備えた燃焼器の運転方法において、少な
くとも１つの熱遮蔽要素に、燃焼器における燃焼用の燃料および燃焼空気を導入
することによって解決される。
【００１９】 本発明に基づく方法の利点は、燃焼器について上述した利点に相当している。
【００２０】 燃料および燃焼空気をまず混合し、それから熱遮蔽要素に導入し、続いて燃焼
器の中に噴出し、ここで燃焼させることが有利である。更にまた好適には、燃料
および燃焼空気を熱遮蔽要素の多孔質材料内で燃焼させる。
【００２１】 好適にはまず第１燃焼段が進行し、続いて熱遮蔽要素を介して第２燃焼段が生
ずる。
【００２２】 更にまた、この運転方法をガスタービンの燃焼器、特に環状燃焼器において実
施することが有利である。
【００２３】 以下図に示した実施例を参照して本発明を詳細に説明する。各図において同一
部分には同一符号を付してある。
【００２４】 図１はガスタービン用の環状燃焼器１を縦断面図で示す。環状燃焼器１は中心
線２を軸とした回転対称構造を有する。ここでは分かり易くするために縦断面の
半分しか示していない。環状燃焼器１は燃焼器壁３を有し、この燃焼器壁３は環
状燃焼室４を包囲している。燃焼器壁３の内面にライニング５を設けてある。こ
のライニング５は多数の熱遮蔽要素６によって形成されている。その熱遮蔽要素
６は、例えば耐火セラミックスから成る。環状燃焼器１の中に、バーナ装置７が
開口している。このバーナ装置７は、拡散バーナ８およびこのバーナ８を環状通
路の形で包囲する予混合バーナ９によって形成されている。バーナ装置７は、環
状燃焼器１のバーナ側端１１に配置されている。環状燃焼器１のバーナ側端１１
と反対側のタービン側端１３に、概略的に示すガスタービン１５が続いている。
【００２５】 このような環状燃焼器１をガスタービン設備（図示せず）に利用する場合、パ
イロットバーナ８に燃料１７Ａが導入される。パイロットバーナ８には燃焼空気
１８Ａも導入される。燃料１７Ａおよび燃焼空気１８Ａは、環状燃焼器１の環状
燃焼室４内においてパイロットバーナ８の拡散運転で燃焼される。予混合バーナ
９に導入された燃料１７Ｂと燃焼空気１８Ｂの混合気は、パイロットバーナ８で
安定させられた火炎で発火する。その燃焼で発生した燃焼ガス２０は、環状燃焼
器１のタービン側端１３から出てガスタービン１５に流入し、これを駆動する。
次に、ここで述べた通常の第１燃焼段が、どのようにして特に簡単に、バーナ兼
熱遮蔽要素を利用しての第２燃焼段によって補完されるかについて説明する。
【００２６】 図２は、図１における環状燃焼器１の一部を拡大断面図で示す。熱遮蔽要素６
の１つがバーナ兼熱遮蔽要素２２として形成されている。このバーナ兼熱遮蔽要
素２２も、各熱遮蔽要素６と同様にボルト２４によって燃焼器壁３にねじ止めさ
れている。バーナ兼熱遮蔽要素２２の背面において燃焼器壁３に貫通孔２６が設
けられている。燃焼器壁３の外側面２８に燃料管３０が設けられている。燃焼器
壁３に接しているバーナ兼熱遮蔽要素２２によって予混合室３４が形成されてい
る。燃料管３０はこの予混合室３４に燃焼器壁３にある貫通孔３２を介して通じ
ている。予混合室３４には貫通孔２６も開口している。バーナ兼熱遮蔽要素２２
はその第１端２３から第２端２５まで延びている。
【００２７】 そしてこのバーナ兼熱遮蔽要素２２は環状燃焼器１における第２段燃焼に対し
て次のように利用される。
【００２８】 燃料管３０から燃料３６、特に天然ガスを予混合室３４に貫通孔３２を介して
導入する。更に燃焼空気３８を貫通孔２６を介して予混合室３４に導入する。天
然ガス３６は予混合室３４内で燃焼空気３８と混合する。バーナ兼熱遮蔽要素２
２の第２端２５に、天然ガス・空気混合気４２を環状燃焼器１の中に導入する出
口開口４０が設けられている。この天然ガス・空気混合気４２は高温の環状燃焼
器１内で発火する。これによって第２燃焼段が生ずる。この第２燃焼段によって
、環状燃焼器１内で進行する燃焼反応領域が増大する。これにより、燃焼振動の
発生傾向が低下する。多量の燃焼空気３８は、更にバーナ兼熱遮蔽要素２２およ
びその下流に置かれている別の熱遮蔽要素６に対する冷却力を高める。
【００２９】 図３は、燃焼器壁３に配置されるバーナ兼熱遮蔽要素２２の異なった実施例を
示す。この実施例に対しても、図２の実施例での説明がそのまま適用できる。
【００３０】 図４は、燃焼器壁３に配置されるバーナ兼熱遮蔽要素２２の更に異なった実施
例を概略的に示す。このバーナ兼熱遮蔽要素２２は多孔質材料４４で形成され、
クランプ４６によって燃焼器壁３に固定されている。燃焼器壁３のバーナ兼熱遮
蔽要素２２と反対側の外側面２８にバーナ兼熱遮蔽要素２２に対向した位置に、
予混合室３４を包囲形成する囲壁４８が設けられている。この囲壁４８に燃料管
３０が一体に組み入れられている。また囲壁４８には開口５０が設けられている
。予混合室３４は燃焼器壁３にある貫通孔２６によって、バーナ兼熱遮蔽要素２
２に流体的に接続されている。
【００３１】 燃焼空気３８は開口５０を通り予混合室３４に到達する。燃料管３０から燃料
特に天然ガスも同様に予混合室３４に到達する。この予混合室３４から燃料・空
気混合気４２が貫通孔２６を通りバーナ兼熱遮蔽要素２２内に到達する。この燃
料・空気混合気４２は多孔質材料４４の中に浸透し、燃焼器（図示せず）におけ
る熱によって発火し、多孔質材料４４の多孔内で燃焼する。そして多孔質材料４
４が熱せられる。これにより燃焼が特に安定化する。更に多孔質材料４４の多孔
組織によって燃焼振動が抑制される。更に多孔質材料４４が熱を放出する。これ
により、多孔質材料４４内における燃焼火炎温度が比較的低くなる。その結果、
窒素酸化物の発生量が少なくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ガスタービンの環状燃焼器の縦断面図である。
【図２】 バーナ兼熱遮蔽要素を備えた環状燃焼器の部分拡大断面図である。
【図３】 バーナ兼熱遮蔽要素の異なった実施例の断面図である。
【図４】 多孔質材料から成るバーナ兼熱遮蔽要素の断面図である。
【符号の説明】
１ 燃焼器 ３ 燃焼器壁 ４ 燃焼室 ５ ライニング ６ 熱遮蔽要素 ８ バーナ １１ 燃焼器のバーナ側端 １３ 燃焼器のガスタービン側端 ２０ 燃焼ガス流 ２２ バーナ兼熱遮蔽要素 ２３ バーナ兼熱遮蔽要素の第１端 ２５ バーナ兼熱遮蔽要素の第２端 ２８ 燃焼器壁の外側面 ３０ 燃料管 ３４ 予混合室 ３６ 燃料 ３８ 燃焼空気 ４０ 燃料・空気混合気の出口開口 ４４ 多孔質材料 ４５ 空洞
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ホフマン、シュテファン ドイツ連邦共和国 デー‐45481 ミュー ルハイム アン デア ルール エリー- ホイス‐クナップ‐シュトラーセ 31

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃焼室（４）を包囲する燃焼器壁（３）と、多数の熱遮蔽要
    素（６）で形成されたライニング（５）とを備えた燃焼器（３）において、少な
    くとも１つの熱遮蔽要素（５）が、燃料（３６）の供給管（３０）および燃焼空
    気（３８）の供給管（２６）を前置接続されたバーナとして機能するバーナ兼熱
    遮蔽要素（２２）であることを特徴とする燃焼器。
  2. 【請求項２】 バーナ兼熱遮蔽要素（２２）に、燃料（３６）および燃焼空
    気（３８）が導入される予混合室（３４）を前置接続したことを特徴とする請求
    項１記載の燃焼器。
  3. 【請求項３】 燃焼器壁（３）がそれに沿って燃料管（３０）が延びる外側
    面（２８）を有することを特徴とする請求項２記載の燃焼器。
  4. 【請求項４】 燃焼器（１）の広がり方向に沿って燃焼ガス流（２０）が入
    口側（１１）から出口側（１３）まで案内され、少なくとも１つのバーナ（８）
    が第１燃焼段に対して用意されている燃焼器（１）において、第１燃焼段の下流
    に、バーナ兼熱遮蔽要素（２２）によって第２燃焼段を形成することを特徴とす
    る請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃焼器。
  5. 【請求項５】 燃焼器壁（３）とバーナ兼熱遮蔽要素（２２）との間に予混
    合室（３４）が配置され、バーナ兼熱遮蔽要素（２２）がその広がり方向に沿っ
    て第１端（２３）から第２端（２５）まで延び、その第２端（２５）の範囲にお
    いて出口開口（４０）が予混合室（３４）を燃焼室（４）に接続していることを
    特徴とする請求項２又は４記載の燃焼器。
  6. 【請求項６】 バーナ兼熱遮蔽要素（２２）が多数の空洞（４５）を備えた
    材料（４４）を有し、この材料（４４）がその中で燃焼が起こるように形成され
    たことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃焼器。
  7. 【請求項７】 材料（４４）が、機械的に、特に窄孔加工で空洞（４５）を
    設けられた金属であることを特徴とする請求項６記載の燃焼器。
  8. 【請求項８】 材料（４４）が多孔質セラミックス、特に酸化ジルコンある
    いは炭化ケイ素であることを特徴とする請求項６記載の燃焼器。
  9. 【請求項９】 燃焼室（４）が環状に形成されている燃焼器（１）、特に環
    状燃焼器において、燃焼室（４）の円周方向に沿って多数の熱遮蔽要素（６）を
    バーナ兼熱遮蔽要素（２２）として形成したことを特徴とする請求項１ないし８
    のいずれか１つに記載の燃焼器。
  10. 【請求項１０】 請求項１ないし９のいずれか１つに記載の燃焼器（１）を
    ガスタービン、特に出力６０ＭＷ以上の定置ガスタービンに利用することを特徴
    とする燃焼器の利用。
  11. 【請求項１１】 燃焼器壁（３）および多数の熱遮蔽要素（６、２２）によ
    って形成されたライニング（５）を備えた燃焼器（１）の運転方法において、少
    なくとも１つの熱遮蔽要素（６、２２）に、燃焼器（１）における燃焼用の燃料
    （３６）および燃焼空気（３８）を導入することを特徴とする燃焼器の運転方法
    。
  12. 【請求項１２】 燃料（３６）および燃焼空気（３８）をまず混合し、それ
    から熱遮蔽要素（２２）に導き、続いて燃焼器（１）の中に導入し、ここで燃焼
    させることを特徴とする請求項１１記載の方法。
  13. 【請求項１３】 燃料（３６）および燃焼空気（３８）を熱遮蔽要素（２２
    ）の多孔質材料（４４）内で燃焼させることを特徴とする請求項１１記載の方法
    。
  14. 【請求項１４】 まず第１燃焼段を進行させ、続いて熱遮蔽要素（２２）を
    介して第２燃焼段を行わせることを特徴とする請求項１１ないし１３のいずれか
    １つに記載の方法。
  15. 【請求項１５】 ガスタービンの燃焼器（１）、特に環状燃焼器において実
    施することを特徴とする請求項１１ないし１４のいずれか１つに記載の方法の実
    施。
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