JP2011169579A - バーナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ホルダ（３７）と、該ホルダ（３７）に流れ方向に固定され燃料ノズル噴射頭部（４７ａ、４７ｂ）を備えた少なくとも２本の燃料ノズル（４０）と、前記ホルダ（３７）を通って延び燃料ノズル噴射頭部（４７ａ、４７ｂ）に通じるガス供給系統（１２０）とを備えたバーナ装置に関する。
【解決手段】各燃料ノズル（４０）がホルダ側基部（４５）を有し、該ホルダ側基部（４５）がホルダ側（１００）にホルダ側基部（４５）がホルダ（３７）の当接面（５５）に接する当接面（６０）を有し、ホルダ側基部（４５）から一体形成された少なくとも２つの燃料ノズル噴射頭部（４７ａ、４７ｂ）が流れ方向に延び、ガス供給系統（１２０）が少なくとも１つのガス入口管（７０）とそのホルダ（３７）を貫通する貫通部とを有し、該貫通部がはめ合い（７５）として形成されている。
【選択図】図４

Description

本発明はバーナ装置およびかかるバーナ装置付きガスタービンに関する。

ガスタービンは主要構造部品として圧縮機、動翼付きタービン並びに少なくとも１つの燃焼器を有している。タービンの動翼は通常は、ガスタービン全体を通して延び負荷例えば発電機に連結されている軸に動翼輪の形で配置されている。その動翼を備えた軸はタービンランナやロータとも呼ばれている。動翼輪間に静翼輪が存在し、この静翼輪はタービンを通して作動媒体を案内するノズルとして用いられる。

ガスタービンの運転中、圧縮機から圧縮空気が燃焼器に供給される。その圧縮空気は燃料例えば油あるいはガスと混合され、その混合気は燃焼器において燃焼される。その高温の燃焼ガスは作動媒体として燃焼器出口からタービンに供給され、そこで膨張して衝撃を動翼に伝達し仕事をして冷える。その場合、静翼は衝撃伝達を最適にするために用いられる。

特許文献１に記載され特にいわゆる管形燃焼器に利用されるようなガスタービンの典型的なバーナ装置は一般に、リングの円周に一様に分布された複数の燃料ノズルを備えたリング状ホルダを有している。それらの燃料ノズルに燃料噴射開口が配置され、その燃料噴射開口によって燃料が空気供給路に噴射される。燃料ノズルは予混合火炎、即ち、空気と燃料が点火前に混合される火炎を発生するために使用されるバーナの主要段となっている。火炎におけるＮＯｘ発生を最少にするために、予混合バーナは空気・燃料希薄混合気で、即ち、燃料含有量が比較的少ない混合気で運転される。

環状の燃料分配器リングの中央を通って典型的にはパイロットバーナが延びている。このパイロットバーナは拡散バーナとして形成され、即ち、これは燃料が空気と予め混合されずに直接注入される火炎を発生する。パイロットバーナはガスタービンを起動するためのほかに予混合火炎を安定するためにも用いられる。その予混合火炎は有害物質発生を少なくするためにしばしば、パイロット火炎の支援なしでは火炎不安定が生じてしまう混合空燃比の範囲で運転される。

上述のようなバーナ装置は典型的には、燃料を燃焼器に供給するために、金属ブロックから機械加工されホルダに溶接された複数の燃料ノズルを有している。そのホルダはそこに加工設置された燃料通路（分配路）を通して燃料を個々のノズルに分配する。

燃料通路の機械加工に対して十分な場所を用意するために、ホルダ半製品および従って将来のホルダは或る最低の厚みを有していなければならない。これはバーナ装置の重量並びに材料費を高める。さらにその機械加工は作業費がかかる。

また運転中にホルダは暖かくなるが、燃料入口管は低温に維持される。このために熱応力が生じ、このホルダは長い寿命についての要件を満たさない。

米国特許第６０８２１１１号明細書

本発明の課題は、有利なバーナ装置を提供すること、特に必要な寿命要件を満たすガスタービン用の有利なバーナ装置を提供することにある。もう１つの課題はそのようなバーナ装置を備えた有利なガスタービンを提供することにある。

この課題は請求項１に記載のバーナ装置によって解決される。即ち、「１つのホルダ（３７）と、該ホルダ（３７）に流れ方向に固定され複数の燃料ノズル噴射頭部（４７ａ、４７ｂ）を備えた少なくとも２本の燃料ノズル（４０）と、前記ホルダ（３７）を通って延び燃料ノズル噴射頭部（４７ａ、４７ｂ）に通じる１つのガス供給系統（１２０）とを備えたバーナ装置であって、各燃料ノズル（４０）がホルダ側基部（４５）を有し、該ホルダ側基部（４５）がホルダ側（１００）にホルダ側基部（４５）がホルダ（３７）の当接面（５５）に接する当接面（６０）を有し、ホルダ側基部（４５）から一体形成された少なくとも２つの燃料ノズル噴射頭部（４７ａ、４７ｂ）が流れ方向に延び、ガス供給系統（１２０）が少なくとも１つのガス入口管（７０）とホルダ（３７）を貫通する１つの貫通部とを有し、該貫通部がはめ合い（７５）として形成されていることを特徴とする。」
本発明の有利な実施態様は従属請求項２〜９に記載されている。ガスタービンに関する課題は請求項１０に記載のガスタービンによって解決される。即ち、「圧縮機部分（３）と、燃焼部分（４）と、燃焼器（５）と、バーナ（６）と、タービン部分（７）と、ロータ（９）と、請求項１ないし９のいずれか１つに記載のバーナ装置とを備えていることを特徴とする。」

本発明に基づくバーナ装置は、１つのホルダ並びにこのホルダに流れ方向に取り付けられた複数の燃料ノズルを有している。ホルダが燃料分配器として利用される場合にホルダが最低の高さ即ち或る厚みを有していなければならないことは知られている。燃料分配器として形成されたホルダは燃焼器において高温燃焼ガスに直接曝されるので、ホルダは耐熱材料例えば超合金で作られねばならない。しかし、これは非常に高価である。

本発明によれば、バーナ装置は１つのホルダと、このホルダに固定され複数の燃料ノズル噴射頭部を備えた少なくとも２本の燃料ノズルを有している。その各燃料ノズルはホルダ側基部を有し、この燃料ノズルのホルダ側基部はそのホルダ側にホルダの当接面に接する当接面を有し、そのホルダ側基部から一体形成された少なくとも２つの燃料ノズル噴射頭部が流れ方向に延びている。さらに本発明に基づくバーナ装置は、ホルダを通って延び燃料ノズル噴射頭部に通じるガス供給系統を有している。本発明に基づいて、ガス供給系統は少なくとも１つのガス入口管とホルダを貫通する１つの貫通部とを有している。その貫通部は本発明によれば、はめ合いとして形成されている。これは特に締りばめ、あるいは中間ばめとすることができる。

これによって、ホルダにおける分配路を省略することができる。従って、ホルダの材料厚さが減少され、これにより、重量およびコストが削減される。さらにホルダの燃料ノズルとは反対側の部位におけるバーナ装置の組込み空間についての要求は従来技術よりも厳しくない。また全体としてホルダの機械加工も容易になる。

ガス供給系統は少なくとも１つのガス入口管とそのホルダを貫通するその貫通部とを有している。しかしガス入口管は運転中に貫流するガスにより十分低温に保たれ、一方でホルダが圧縮空気によって暖められるので、十分な寿命を保証しない熱応力が生ずる。これは特に、例えば貫通部を密封するためにガス入口管がホルダに材料結合的に結合され例えば溶接されている場合に当てはまる。また燃料ノズルをホルダにボルトにより補助的に固定する場合も、寿命を短縮させる二重の結合が生ずる。

本発明ではいまや貫通部が溶接に代わってはめ合いとして形成されている。これは特に締りばめ、あるいは中間ばめである。

互いにはまり合う２つの部品の結合は、はめ合いと呼ばれ、その両部品は同じ定格寸法を有するが、公差域の状態および大きさは異なる。はめ合いは常に、孔と軸の実際寸法が変動してよい公差を与える。

完成品において、すきまばめか、締りばめが生ずる。公差がすきま並びに締めしろを許す限りにおいて、これを中間ばめと呼び、生産時に作られた寸法に応じて上述のグループのいずれかに属する。従って、ホルダを貫通するガス入口管の貫通部は特にかかるはめ合いとして形成され、これに伴って僅かな流れ（圧縮空気流あるいは漏れガス流）しか許さない。溶接継目が存在しないことによりホルダはいまや自由に熱膨張できる。従って寿命要件は満たされる。また本発明に基づくはめ合いによって、燃料ノズルは損傷することなく分解できる。

従来における燃料ノズルの他の問題は、ホルダへの燃料ノズルの固定にある。というのは、燃料ノズルが製造工程時にホルダに対して垂直に配置されねばならないからである。

本発明に基づいて、これらの燃料ノズルはいまやガス入口管を介して心合わせされ これにより、高い経費は不要となる。

好適には、反ホルダ側にガス入口管に燃料を供給する少なくとも１つの分配路が設けられている。分配路がいまや反ホルダ側に位置し、また（元来の分配路のように）高温燃焼ガスと直接接触しないので、分配路はより安価な材料で作れる。これによって、著しくコストが削減される。即ち、燃料が（流れ方向に見て）ホルダの上流で既に分配され、ホルダの下流で通路に分配されない。

好適には、燃料ノズルのホルダ側に液体燃料特に油を供給する液体燃料用のもう１つの燃料入口管特に油管がホルダを貫通して設けられている。これによって、燃料ノズルにガスおよび油が供給される。

有利な実施態様において、ホルダ側当接面とホルダとの間に少なくとも１つのシールが存在している。好適には、このシールはホルダ側ではめ合いおよびガス入口管部、即ちガス管に配置されている。その少なくとも１つのシールはＣ形シールとして形成される。その場合、ホルダはシールが配置される凹所を有している。はめ合いとこれに付随するシール特にシールリングによって空気漏洩に対する密封が保証される。

好適には、燃料ノズルのホルダ側当接面が、このホルダ側当接面をホルダの当接面に固定するための少なくとも１つの開口を有している。有利な実施態様において、この開口は孔であり、固定手段はねじ結合あるいはボルト結合である。好適には、ホルダ側当接面にねじ結合用ないしボルト結合用の６個の孔が設けられ、これらの孔は燃料ノズルのホルダ側当接面全体にわたり分布されている。当接面全体にわたる孔の分布パターンによって、燃料ノズルは迅速に減衰する高い固有周波数を有する。これによって、燃料ノズルは固有周波数に対して安定している。

本発明に基づくガスタービンは、圧縮機部分と、燃焼部分と、燃焼器と、バーナと、タービン部分と、ロータと、上述のようなバーナ装置を有している。これによって、ガスタービンは特に容易に建設される。

以下の図を参照した実施例の詳細から本発明の他の特徴、特性および利点が理解できる。

ガスタービンの概略断面図。 従来におけるガスタービン用バーナ装置の斜視図。 本発明に基づくバーナ装置の前面斜視図。 本発明に基づくバーナ装置の一部断面図。

先に、ガスタービンを概略縦断面図で示した図１を参照して、ガスタービンの構造および機能について説明する。ガスタービン１は圧縮機部分３、燃焼部分４およびタービン部分７を有し、この実施例では燃焼部分４はそれぞれバーナ６が配置された複数の管形燃焼器５を有しているが、基本的には１つの環状燃焼器を有することもできる。ランナとも呼ばれるロータ９はガスタービン１の上述の全部分を通して延び、圧縮機部分３に圧縮機動翼輪１１が付けられ、タービン部分７にタービン動翼輪１３が付けられている。隣り合う圧縮機動翼輪１１間および隣り合うタービン動翼輪１３間にそれぞれ圧縮機静翼１５から成る静翼輪ないしタービン静翼１７から成る静翼輪が配置されている。それらの静翼１５、１７はそれぞれガスタービン１の車室１９からロータ９の方向に向けて半径方向に延びている。

ガスタービン１の運転中、空気が空気入口２１を通して圧縮機部分３に吸い込まれる。そこで空気は回転する圧縮機動翼１１によって圧縮され、燃焼部分４におけるバーナ６に導かれる。その空気はバーナ６において気体燃料ないし液体燃料と混合され、その混合気は燃焼器５において燃焼される。そして高温高圧の燃焼ガスが作動媒体としてタービン部分７に供給される。その燃焼ガスはタービン部分を通過する間にタービン動翼１３に衝撃を伝達し、その間に膨張し冷える。その膨張済みの冷えた燃焼ガスは排気口２３を通してタービン部分７から出る。伝達された衝撃はロータ９を回転運動させ、この回転運動が圧縮機および負荷例えば発電機や工業用作業機械を駆動する。その場合、タービン静翼１７の静翼輪は、タービン動翼１３への衝撃伝達を最適にするために、作動媒体を案内するためのノズルとして用いられる。

図２は従来公知の燃焼部分４のバーナ６を斜視図で示している。このバーナ６は主要構成要素として燃料分配器リング２７と、この燃料分配器リング２７から出ている８本の燃料ノズル２９と、これらの燃料ノズル２９の噴射頭部領域にそれぞれ配置された８個のスワーラ（旋回流発生器）３１とを有している。燃料分配器リング２７および燃料ノズル２９は共にバーナハウジングを形成し、複数の燃料案内管がそのバーナハウジングを通ってスワーラ３１の内部に配置された噴出開口まで延びている。燃料ノズル２９は燃料分配器リング２７に溶接される。バーナはそれぞれ接続短管（図示せず）を介して複数の燃料入口管に接続される。バーナ６はフランジ３５によって、燃料ノズル２９が燃焼器内部に向くように管形燃焼器に取り付けられる。

図２に示されたバーナ６は８本の燃料ノズル２９を有しているが、異なった本数の燃料ノズルを装備することもできる。その燃料ノズル２９の数は８本より多くも少なくもでき、例えばそれぞれ専用のスワーラを有する６本の燃料ノズル２９あるいは１２本の燃料ノズル２９を設置することもできる。さらに通常、バーナの中央にパイロット燃料ノズルが配置されている。このパイロット燃料ノズルは図２では見通しよくするために図示されていない。

燃焼過程中に空気は圧縮機からスワーラ３１によって案内され、そこで空気は燃料と混合される。続いてその空気・燃料混合気は燃焼器５の燃焼域において燃焼され、作動媒体が発生される。

ホルダ２７は各燃料ノズル２９に燃料を分配する目的を有している。そのためにホルダ２７は内部に複数の燃料流路が設けられ、これから各燃料ノズル２９に燃料が供給される。燃料をホルダ２７に導く燃料入口管に対する複数の接続口がホルダ２７に存在し、燃料はそのホルダ２７において各燃料ノズル２９に分配される。その場合、異なった種類の燃料も利用できる。そのために燃料ノズル２９は燃料が流出する少なくとも１つの燃料開口を有している。

現在公知のバーナ装置（図２）の場合、燃料流路は典型的には円筒状ホルダ半製品に機械加工で切削して設けられ、続いて溶接された部材で塞がれて形成される。配管用の貫通路も機械加工でホルダ半製品に設けられる。その貫通路およびガス路の機械加工に対する十分な場所を用意するために、ホルダ半製品従って後のホルダは或る最低の厚みを有していなければならない。これはバーナ装置の重量および材料費を高める。また機械加工は作業費がかかり、これに伴って高いコストが生ずる。別の問題は、ホルダ２７に対する燃料ノズル２９の組立にある。これは燃料ノズル２９がホルダ２７に対して垂直に溶接されねばならないからである。またこの製造は非常に時間がかかり、大きな手間とそれによる高いコストが伴って生ずる。また燃料ノズルはスワーラ３１に溶接されている。ホルダ２７は燃料ノズル２９と同じように高温に曝される。従って、ホルダ２７並びに燃料ノズル２９は耐熱材料例えば耐食性ニッケル合金で作られねばならない。しかしこの材料は同じくコストを非常に高める。

これはいまや本発明によって回避される（図３および図４）。本発明に基づいて、１つのホルダ３７とこのホルダ３７に流れ方向に固定された少なくとも２本の燃料ノズル４０とを備えたバーナ装置が設置されている。その各燃料ノズル４０はホルダ側基部４５を有し、このホルダ側基部４５はホルダ側１００にホルダ３７の当接面５５に接する当接面６０を有している。そのホルダ側基部４５から一体形成された少なくとも２つの燃料ノズル噴射頭部４７ａ、４７ｂが流れ方向に、即ち、燃焼器５の方向に出ている。

この燃料ノズル４０はホルダ３７を通って延びガスを燃料ノズル噴射頭部４７ａ、４７ｂに搬送する１つのガス供給系統１２０を有している。

そのガス供給系統１２０は通常は、ガス管の形の少なくとも１つのガス入口管７０を有し、その貫通部はホルダ３７を貫通している。この貫通部は孔とすることができる。

その貫通部特に孔ははめ合い７５として設計されている。

従って、ガス管７０の貫通部は本発明に基づいてはめ合い７５として形成され、これによって僅かな流れ例えば圧縮空気の僅かな流入あるいはガスの僅かな流出しか許さない。これは特に締りばめ、あるいは中間ばめである。従って、ホルダ３７ははめ合いによって運転中に自由に膨張できる。従って、熱応力が無くされるか大幅に減少され、これによって寿命が延長される。

ガス管７０は本発明に基づいて運転中において十分に冷たく、他方でホルダ３７は暖まっている。その場合、ホルダ３７は膨張する。ガス管７０が従来のように密封目的でホルダ３７に溶接されていると、熱膨張によって溶接部位に大きな応力が生ずる。従って、そのような溶接が利用されると、ホルダ３７とガス管７０の異なった熱膨張のために寿命要件が満たされない。加えて燃料ノズル４０もホルダ３７にねじ止めされていると、ねじ結合あるいは溶接継手によるホルダ３７への燃料ノズル４０の固定は過剰固定となり、これも寿命に不利に作用する。

ガス管７０に対するはめ合い７５がタービンにおけるガスあるいは圧縮空気の望ましくない通過を生ずることを防止するために、はめ合い７５のホルダ側端１００に好適には少なくとも１つのシール８０が特にはめ合い７５およびガス管７０の部分に存在している。その場合、ホルダ３７はシール８０が配置される凹所を有している。かかるシール８０は特にＣ形シールとして形成することができる。これはその弾力復元性に基づいて特にシールとして適している。しかし基本的には例えばＯ形シールリングのような他のばね弾性シールも利用できる。シールの弾性によって、例えば運転による部品加熱に基づいて生ずる相対運動の過度の制限を回避することができる。

従来における燃料ノズルの他の問題は、ホルダ３７に対する燃料ノズル４０の組立にある。それは燃料ノズル４０が製造工程時にホルダ３７に対して垂直に配置されねばならないからである。この組立はまた非常に時間がかかり、より高い手間およびこれにより高いコストが伴って生ずる。

しかし本発明によれば、特にガス管７０を介して燃料ノズル４０をはめ合い７５によって容易に心合わせすることができ、これによって、もはや高い経費は必要とされない。

ホルダ３７に別の複数の貫通孔（別個に図示せず）を配置することができ、これらを通して追加的に少なくとも１つの油路がホルダ３７を貫通して導かれる。

燃料ノズルから見てホルダの反対側１０１に少なくとも１つの分配路（図示せず）が、しかし通常はそれぞれ油およびガスに対する２つの分配路が設けられ、これらの分配路がガス管７０および少なくとも１つの油路にそれぞれ反ホルダ側１０１で既に相応した燃料を供給する。これらの分配路が燃焼器における高温燃焼ガスに直接接触しないので、これらは安価な材料で作ることができる。

またホルダの燃料ノズル４０とは反対側の部位におけるバーナ装置の組込み空間についての要件は従来よりも厳しくない。また全体としてホルダの機械加工も単純化される。

燃料ノズルのホルダ側当接面６０は燃料ノズル４０をホルダ３７に固定するために複数の孔を有している。ホルダ３７はそれらに対応した開口あるいは孔を有している。これらの孔を通してねじ結合あるいはボルト結合によって燃料ノズル４０をホルダ３７に固定することができる。それらの孔はホルダ側当接面６０全体にわたって分布されている。そのような複数の孔の分布によって燃料ノズル４０は急速に減衰される高い固有振動数を有する。従って、燃料ノズル４０は固有振動数に対して安定している。ねじ結合あるいはボルト結合が燃料ノズル４０をホルダ３７に固定し、そのようにして、運転中における圧力荷重の大部分を受ける。

ホルダ側当接面６０における孔並びにそれに対応したホルダ３７における穴／孔は大きな寸法公差で設計でき、これによって、迅速で容易な組立が可能である。

本発明に基づくバーナ装置によればバーナ装置の寿命を著しく増大することができる。これは、いまや可能である自由な熱膨張変形が支障をもたらす熱応力を発生しないことに起因する。燃料ノズル４０はガス管７０を介して容易に心合わせされる。

Ｃ形シールによって望ましくない漏れが防止され、これによって、ガスおよび／又は圧縮空気の制御できない流出ないし流入が防止できる。

本発明に基づくバーナ装置によって、いまや個々の燃料ノズル４０はホルダから容易に且つ損傷せずに分解でき、これによって特に組立・分解性が改善される。これは特に既に建設され運転中の設備における点検時に極めて有利である。

本発明に基づくバーナ装置によってコストを著しく低減することができる。これは、燃料分配器３７がいまや従来における燃料分配器２７より非常に薄い厚さを有することに起因する。すべての孔ないし開口は、特に精密な寸法公差が要求されず守られる必要がないので、迅速に容易に製造できる。

３７：ホルダ、４０：燃料ノズル、４５：ホルダ側基部、４７ａ，４７ｂ：燃料ノズル噴射頭部、５５，６０：当接面、７０：ガス入口管、７５：はめ合い、８０：シール、１２０：ガス供給系統。

Claims (10)

1. １つのホルダ（３７）と、該ホルダ（３７）に流れ方向に固定され複数の燃料ノズル噴射頭部（４７ａ、４７ｂ）を備えた少なくとも２本の燃料ノズル（４０）と、前記ホルダ（３７）を通って延び燃料ノズル噴射頭部（４７ａ、４７ｂ）に通じる１つのガス供給系統（１２０）とを備えたバーナ装置であって、
   各燃料ノズル（４０）がホルダ側基部（４５）を有し、該ホルダ側基部（４５）がホルダ側（１００）にホルダ側基部（４５）がホルダ（３７）の当接面（５５）に接する当接面（６０）を有し、ホルダ側基部（４５）から一体形成された少なくとも２つの燃料ノズル噴射頭部（４７ａ、４７ｂ）が流れ方向に延び、ガス供給系統（１２０）が少なくとも１つのガス入口管（７０）とホルダ（３７）を貫通する１つの貫通部とを有し、該貫通部がはめ合い（７５）として形成されていることを特徴とするバーナ装置。
2. ガス入口管（７０）に燃料を供給する少なくとも１つの分配路が燃料ノズルから見てホルダの反対側（１０１）に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のバーナ装置。
3. 液体燃料特に油を供給する液体燃料用のもう１つの燃料入口管特に油管がホルダ（３７）を貫通して設けられており、このもう１つの燃料入口管を通って前記燃料ノズルにホルダ側（１００）で液体燃料特に油が供給されることを特徴とする請求項１又は２に記載のバーナ装置。
4. 燃料ノズル（４０）のホルダ側当接面（６０）とホルダ（３７）との間に少なくとも１つのシール（８０）が存在していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のバーナ装置。
5. シール（８０）がホルダ側（１００）ではめ合い（７５）およびガス入口管（７０）の部分に配置されていることを特徴とする請求項４に記載のバーナ装置。
6. 少なくとも１つのシール（８０）がＣ形シールであることを特徴とする請求項４又は５に記載のバーナ装置。
7. 燃料ノズルのホルダ側当接面（６０）が、該ホルダ側当接面（６０）をホルダ（３７）の当接面（５５）に固定するための少なくとも１つの開口を有していることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載のバーナ装置。
8. 前記開口が孔であり、固定手段がねじ結合あるいはボルト結合であることを特徴とする請求項７に記載のバーナ装置。
9. 燃料ノズルのホルダ側当接面（６０）に少なくとも６個の孔が設けられ、これらの孔がホルダ側当接面（６０）全体にわたり分布されていることを特徴とする請求項８に記載のバーナ装置。
10. 圧縮機部分（３）と、燃焼部分（４）と、燃焼器（５）と、バーナ（６）と、タービン部分（７）と、ロータ（９）と、請求項１ないし９のいずれか１つに記載のバーナ装置とを備えていることを特徴とするガスタービン。

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