JP2004537707A - 予混合バーナとその運転方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、主バーナ（３）と該バーナ（３）を安定させるためのパイロットバーナ（５）とを備えた予混合バーナに関する。このパイロットバーナ（５）は、例えばセラミックス材料の発泡により形成された微細孔組織のバーナ材料（４１）を有し、このバーナ材料（４１）によって混合気を均質化できるため、窒素酸化物の発生が少なく且つ燃焼振動に対して鈍感な燃焼が可能となる。本発明の予混合バーナは、特にガスタービンに用いられる。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、主バーナとこの主バーナを安定させるパイロットバーナとを備えた、特にガスタービン用の予混合バーナに関する。本発明は予混合バーナの運転方法にも関する。
【０００２】
米国特許第６２０２４０１号明細書によりガスタービン用のバーナが知られている。ハイブリッド形バーナとして形成されたバーナは、選択的に拡散バーナ又は予混合バーナとして作動する。拡散燃焼時に燃料と燃焼用空気は火炎内で混合されるが、予混合燃焼時、まず燃焼用空気が燃料と強く混合され、続いて該混合気が燃焼部に導かれる。これは特に混合気が均質であるために予混合火炎内に一様な火炎温度が生ずるので、窒素酸化物の発生に関し有利である。窒素酸化物の発生は、火炎温度に応じ指数関数的に増大する。
【０００３】
予混合燃焼時に希薄燃焼が行われ、従って、拡散燃焼時よりも大きな空燃比となる。この結果、窒素酸化物の発生が減少する。もっとも、希薄燃焼はむしろ燃焼を不安定にする傾向を有し、拡散燃焼よりも調整範囲が狭い。従って、通常、予混合燃焼は拡散火炎によって安定させられる。しかしこのために、拡散火炎における窒素酸化物の発生によって、希薄予混合燃焼による窒素酸化物発生減少の利点が、部分的に失われる。
【０００４】
米国特許第３９５４３８４号明細書で公知のバーナ装置の場合、燃料供給系は、主バーナと該バーナを点火するパイロットバーナに供給する。パイロットバーナの火炎は、解析すべきガスを吸収するために用いる多孔性材料が配置されたガラス球により監視される。
【０００５】
欧州特許出願公開第１０６２４６１号明細書は、熱遮蔽要素から成るライニングで内張りした燃焼器を開示する。該要素は、燃焼用空気と燃料が供給されるバーナ熱遮蔽要素を構成している。考え得る形態において、その熱遮蔽要素は多孔性バーナとして形成されている。ここでは少なくとも部分的に、多孔性材料内で燃焼反応が行われる。この結果燃焼が安定し、燃焼振動の発生傾向が減少する。
【０００６】
欧州特許第０５７６６９７号明細書に、古典的バーナに加えて触媒バーナも用いるガスタービンが記載されている。そのバーナは、主燃焼を実行する予混合バーナである。触媒バーナとの組合せにより、ガスタービンの負荷変動時の調整が単純となる。
【０００７】
本発明の課題は、特に窒素酸化物の発生が少なく、且つ燃焼が不安定になる傾向の少ない予混合バーナを提供することにある。また、窒素酸化物の発生が少なく、且つ燃焼が不安定になる傾向の少ない予混合バーナとガスタービンの運転方法を提供することにある。
【０００８】
予混合バーナについての課題は、請求項１の特徴事項により解決される。そのため、燃焼用空気を燃料と燃料混合気の形に混合し、続いてこの燃料混合気を燃焼すべく、大部分の燃焼用空気に対する主バーナと、該バーナにおける希薄燃焼を安定化させるパイロットバーナとを設け、該パイロットバーナを、微細孔組織のバーナ材料を備えた多孔性バーナとして形成している。
【０００９】
本発明は、予混合バーナのパイロットバーナを多孔性バーナとして形成するという考えから出発する。これは、燃料と燃焼用空気をバーナ材料への流入前に混合するので、通常の拡散バーナを予混合バーナに置換することを意味する。主バーナの不安定な予混合燃焼をパイロットバーナで安定させねばならない故、パイロットバーナを予混合バーナとして形成することは一見非常識に思える。しかし実際には、バーナ材料の加熱で、多孔性バーナとして形成したパイロットバーナで十分な安定化ができることを実験的に確認した。同時に、多孔性バーナ材料内での混合気の均質化に伴い、窒素酸化物発生量が減る。
【００１０】
本発明の認識に基づき、燃料空気混合気の質量流量を正確に調整するとき、多孔性バーナを有効に採用できる。このため、圧力比を過大な質量流量により多孔性体から燃焼反応が駆逐されないように調整する。しかし他方では、質量流量は、逆火の危険が生じてしまう程に少なくしてはならない。
【００１１】
強い加熱とそれに伴うバーナ材料の熱放射で火炎温度が低下する故、窒素酸化物の発生量が減少する。更に多孔性バーナ材料内で反応の一部が起るので、一定出力時、バーナ火炎全体の反応密度も減少する。更に多孔性バーナは空気又は気体変動に対し特に感受性が小さいので、燃焼が安定化し、この結果、特に燃焼振動に対する感受性も低下する。
【００１２】
微細孔組織は基礎材料の発泡により形成するとよい。基礎材料の発泡とそれに続く硬化で、簡単に微細孔組織を生ずる。
【００１３】
好適には、バーナ材料はセラミックスである。セラミックスバーナ材料は特に大きな耐熱強度を特徴とする。その場合、目的に適って、バーナ材料は酸化ジルコン又は炭化珪素を含んでいる。或いはバーナ材料はニッケル基又はコバルト基の耐熱合金又は耐熱鋼である。そのような金属材料は、例えば金属フォームとして微細孔組織に形成させられ、大きな耐熱強度下に、良好な再加工性を有する。また、金属織物として形成してもよい。
【００１４】
本発明の有利な実施態様では、主バーナは燃焼用空気に対する環状通路でパイロットバーナを包囲する。
【００１５】
予混合バーナは、目的に適った実施態様では、ガスタービン、特に定置ガスタービンに採用される。例えば電気エネルギの発生のために採用される定置ガスタービン等の場合、環境負荷を減少しかつ法的な有害物質発生基準を守るため、窒素酸化物の発生を低く抑えることが重要である。またそのようなガスタービンにおける燃焼振動は、大きな出力発生のために、機械的損傷を引き起こす恐れがある。
【００１６】
ガスタービンは環状燃焼器を備えるとよい。環状燃焼器では、全バーナの連結により、特に大きな振幅の燃焼振動が生ずる。この振動は、複雑な幾何学形状のために、実際には前もって計算できない。
【００１７】
方法に関する上述の課題は、請求項１０に記載の特徴事項により解決される。主バーナで燃焼用空気を燃料と燃料混合気の形に混合し、続いてこの混合気を燃焼させ、主バーナにおける燃焼をパイロットバーナで安定させる。その際、パイロットバーナにおける燃焼が、微細孔組織のバーナ材料の内部で起る。
【００１８】
以下図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。各図において同一部分には同一符号を付している。
【００１９】
図１は、主バーナ３とパイロットバーナ５を備えた予混合バーナ１を示す。主バーナ３は環状通路７を有し、該通路７はパイロットバーナ５を同心的に包囲している。環状通路７内に旋回羽根９が配置されている。環状通路７を経て燃焼用空気１１が導かれ、該空気１１に中空旋回羽根（図示せず）を経て燃料１３が混入され、該燃料１３は旋回羽根から出される。燃料１３は、主火炎１５で燃焼する前に燃焼用空気１１と強く混合される。
【００２０】
窒素酸化物の発生を減少すべく、主バーナ３は過剰な燃焼用空気１１の下で運転され、従って希薄混合気が生じる。予混合は、その混合気が十分に均質で、従って一様な火炎温度となることを保証する。尤も、希薄予混合燃焼は、制御し難く、簡単に消える。従ってそれは燃焼不安定を生じ易く、周囲、例えば燃焼器壁との音響的結合により、安定した燃焼振動を生じさせる。この燃焼振動は大きな騒音や燃焼装置に損傷を生じさせる。
【００２１】
主火炎１５を安定させるべく、パイロットバーナ５を用いる。該バーナ５は、燃焼用空気１１を案内するパイロット空気通路２１を備える。更に、パイロットバーナ５は燃料１３を供給するパイロット燃料通路２３を持つ。燃焼用空気１１と燃料１３は、微細孔組織の材料を経て導かれる。この結果、パイロットバーナ５は多孔性バーナを構成する。燃焼用空気１１と燃料１３は、バーナ材料４１への流入前に予混合される。既にバーナ材料４１で、燃焼反応が起る。パイロットバーナ５の出口におけるパイロット火炎２５により、主火炎１５が安定化する。バーナ材料４１は均質化と火炎温度低下とによって、窒素酸化物の発生を減少する。更に、特にバーナ材料４１の加熱によって、空気変動又は気体変動に非常に鈍感な安定した燃焼が生じ、それに応じ、燃焼振動の発生傾向も減少する。
【００２２】
図２に示されたパイロットバーナ５の場合、パイロット燃料通路２３は、気体案内管２３と補助通路３５とから構成されている。これによって、燃料１３がパイロット燃料需要に良好に合わされて供給される。気体案内管２３の開口３９および補助通路３７とパイロット空気通路２１の開口３９に続いて、バーナ材料４１が配置されている。このバーナ材料４１はセラミックス材料で発泡成形され、それに応じて微細孔組織を有している。バーナ材料４１を混合材料で形成してもよく、その場合には、混合材料の１つ又は複数の成分が、最終的に、バーナ材料４１の微細孔組織が残存するように除去される。
【００２３】
図３に示すガスタービン５１は、圧縮機５３と環状燃焼器５５とタービン部分５７とを備える。燃焼用空気１１は圧縮機５３において大きく圧縮され、環状燃焼器５５に供給される。そこで燃焼用空気１１は、上述の形式の予混合バーナ１で燃料１３と共に燃焼し、高温ガス５９を発生し、該ガス５９によってタービン部分５７を駆動する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】予混合バーナの概略構成図。
【図２】図１における予混合バーナのパイロットバーナの縦断面図。
【図３】図１および図２における予混合バーナを備えたガスタービンの概略構成図。
【符号の説明】
【００２５】
１ 予混合バーナ、３ 主バーナ、５ パイロットバーナ、１１ 燃焼用空気、１３ 燃料、４１ バーナ材料、５１ ガスタービン、５５ 環状燃焼器

Claims (11)

1. 燃焼用空気（１１）を燃料（１３）と燃料混合気の形に予め混合し、続いてこの燃料混合気を燃焼するための予混合バーナ（１）であって、大部分の燃焼用空気（１１）に対する主バーナ（３）とこの主バーナ（３）における希薄燃焼を安定させるためのパイロットバーナ（５）とを備えた予混合バーナ（１）において、
   パイロットバーナ（５）が、微細孔組織のバーナ材料（４１）を備えた多孔性バーナとして形成されたことを特徴とする予混合バーナ。
2. 微細孔組織がバーナ材料（４１）の発泡によって形成されたことを特徴とする請求項１記載の予混合バーナ。
3. バーナ材料（４１）がセラミックスであることを特徴とする請求項１又は２記載のバーナ。
4. バーナ材料（４１）が酸化ジルコン又は炭化珪素を含むことを特徴とする請求項３記載のバーナ。
5. バーナ材料（４１）がニッケル基又はコバルト基の耐熱合金であることを特徴とする請求項１又は２記載のバーナ。
6. バーナ材料（４１）が耐熱鋼であることを特徴とする請求項１又は２記載のバーナ。
7. 主バーナ（３）の燃焼用空気（１１）に対する環状通路（７）を備え、該通路がパイロットバーナ（５）を包囲することを特徴とする請求項１から６の１つに記載のバーナ。
8. 請求項１から７の１つに記載の予混合バーナ（１）を備えることを特徴とするガスタービン（５１）、特に定置ガスタービン。
9. 環状燃焼器（５５）を備えることを特徴とする請求項８記載のガスタービン。
10. 主バーナ（３）で燃焼用空気（１１）を燃料（１３）と燃料混合気の形に混合し、続いてこの燃料混合気を燃焼させ、主バーナ（３）における燃焼をパイロットバーナ（５）で安定化させる予混合バーナ（１）の運転方法において、
    パイロットバーナ（５）における燃焼を、微細孔組織のバーナ材料（４１）の内部で行わせることを特徴とする方法。
11. 請求項１から９の１つに記載の予混合バーナ（１）で実施することを特徴とする請求項１０記載の方法。