JP2011513695A - 予混合燃焼器の駆動方法と当該方法を実行するための予混合燃焼器 - Google Patents

Abstract

開示されているのは、多段式パイロットガスシステム（８）を有する、気体状燃料用予混合燃焼器の駆動方法であって、当該パイロットガスシステムの拡散燃料は、少なくとも２つの部分流（２６，２８）として異なる方向で予混合燃焼器の燃焼室（４）に噴入される駆動方法と、当該方法を実行するための予混合燃焼器と、である。

Description

本発明は、請求項１に記載の予混合燃焼器の駆動方法と、請求項５に記載のそのような方法を実行するための予混合燃焼器に関する。

外部点火されてその後は自己運転する燃焼プロセスは、ガスタービンにおいては頻繁に、有害物質の排出を削減するために、主流燃料システムもしくはメインインジェクションを介して、それぞれの燃焼室の外で生成される希薄なガス・空気混合気によって駆動される。しかしながら希薄なガス・空気混合気は、それぞれの燃焼プロセスがそれに応じた狭い安定領域を備えることをもたらす。安定領域が狭ければ狭いほど、燃焼プロセスは、変化する駆動条件に対して抵抗力がなくなり、それによって燃焼プロセスの望まない消滅という結果になりかねない。燃焼プロセスを安定させるために、従来の予混合燃焼器はパイロットガスシステムを備えており、当該パイロットガスシステムを介して、予混合されていない燃料によるパイロット炎を燃焼室に立てる。パイロット炎は燃焼プロセスの安定化だけでなく、頻繁にそれぞれの燃焼プロセスの点火にも同様に用いられ、その結果当然のことながら、パイロット炎は予混合燃焼器の点火口の近くに配置されている。その際有害物質の排出は、燃焼プロセスの安定化に比べると、目立たない。

気体状燃料用の予混合燃焼器と、当該予混合燃焼器の制御方法とは、特許文献１に示されている。当該予混合燃焼器は、ガス・空気混合気を燃焼室に噴入するための複数のメインノズルを備える多段式メインインジェクションと、中央パイロットガスシステムとを有する。ガス・空気混合気に点火するために、混合されていない主燃料によるパイロット炎が、パイロットガスシステムを介して形成される。起動時から所定の負荷割合まで、特定の数のメインノズルのみが開放制御される。所定の負荷割合を下回るもしくは上回る場合、さらなるメインノズルが追加されるかあるいはすでに駆動しているメインノズルが閉鎖制御される。

ガスタービン用のさらなる予混合燃焼器およびそのような予混合燃焼器の駆動方法は、特許文献２に記載されている。気体状燃料用の当該予混合燃焼器は、メインインジェクションと、多段式中央パイロットガスシステムとを有する。メインインジェクションは、予混合された主燃料を噴入するためのメインノズルのノズル群を備えている。多段式中央パイロットガスシステムは、混合されていない拡散燃料を噴入するための拡散ノズルのノズル群と、予混合された主燃料を追加で噴入するための予混合ノズルの、独立して制御可能なノズル群と、を備えている。

予混合燃焼器の点火の際に、パイロットガスシステムの拡散段階を経て、燃料の大部分がもたらされる。負荷が増すにつれ、パイロットガスシステムの予混合ノズルと、メインインジェクションのメインノズルとが追加される。拡散ノズルの能力は落とされる。全負荷の場合には、予混合ノズルとメインノズルとは完全に駆動中となり、拡散ノズルは全燃料の質量流量の最小限にまで落とされている。

この方法の欠点は、多段式パイロットガスシステムにもかかわらず、燃焼プロセスの安定領域が、基本的に広げられていないことである。さらに、コストのかかる、燃料供給の制御が不可欠である。その上、変化する燃料組成に、予混合燃焼器が敏感に反応する。

独国特許出願公開第１０２００５０５４４４２号明細書 独国特許出願公開第１０３３４２２８号明細書

本発明の課題は、気体状燃料用の予混合燃焼器の駆動方法、すなわち、変化する環境条件に対してより安定を見せ、かつ変化する燃料組成と燃料品質とに適合され得る方法、およびそのような方法を実行するための予混合燃焼器を提供することである。

当該課題は、請求項１の特徴を有する方法と、請求項５の特徴を有する予混合燃焼器とによって解決される。

本発明に係る方法は、メインインジェクションにより、主燃料であるガス・空気混合気を旋回発生装置を介して燃焼室へ噴入することを意図している。中央パイロットガスシステムの拡散燃料は、異なる方向もしくは方角を有する少なくとも２つの部分流の形で、燃焼室へ噴入される。

異なる方向を有する少なくとも２つの部分流としての拡散燃料の、本発明に係る噴入は、予混合と同様の効果をもたらす。同時に、本発明に係る噴入を有する燃焼プロセスは、本質的により改善された安定性、および変化する燃料組成と燃料品質とに対するより高い順応性を示す。

好ましい実施例においては、第１部分流は、燃焼室で形成される主燃料流の流れの方向に対して横向きもしくは垂直に噴入される。第２部分流は、主燃料流の流れの方向に噴入される。主燃料流の流れの方向に対して横向きの第１部分流は、予混合と同様の効果をもたらす。主燃料流の流れの方向の第２部分流はあまり旋回せず、流れの方向に対して横向きの第１部分流よりも混合がわずかである。それゆえ、流れの方向の拡散燃料の割合は変化に対して敏感ではなく、それぞれの燃焼プロセスがより安定して進行する。

好適には、メインインジェクションのガス・空気混合気は、半径方向で燃焼室にもたらされる。

一実施例においては、主燃料のガスと空気の比率は、主燃料ノズルの開放制御もしくは閉鎖制御によってではなく、空気供給によって制御される。

気体状燃料用の本発明に係る予混合燃焼器は、燃焼室と、主燃料であるガス・空気混合気を燃焼室に噴入するためのメインインジェクションと、主燃料を旋回させるための旋回発生装置と、拡散燃料を噴入するための、燃焼器底部に設けられた中央パイロットガスシステムと、を有する。本発明に従えばパイロットガスシステムは、拡散燃料の第１部分流を噴入するための少なくとも１つの軸方向拡散ノズルと、拡散燃料の第２部分流を供給するための、燃焼器長手軸に対して斜めに傾けられた１つあるいは複数の拡散ノズルと、によって多段式に実施される。

一実施例においては、少なくとも１つの傾斜拡散ノズルが、主燃料流の流れの方向に傾けられている。

好ましくは、複数の軸方向拡散ノズルと傾斜拡散ノズルとが備えられている。その際、軸方向拡散ノズルは、燃焼器底部において、半径方向外側に位置するように配置され、傾斜拡散ノズルは半径方向内側に位置するように配置されている。

軸方向拡散ノズルと傾斜拡散ノズルとは、２つ以上の互いに同心状の円を形成してよく、当該同心円の共通の中心点は、燃焼器長手軸にある。

拡散ノズルは、異なる幾何学形状を備えていてよい。たとえば拡散ノズルは、孔、溝、あるいは長手方向スリットとして形成されている。

好ましくはパイロットガスシステムは、傾斜拡散ノズルよりも多くの軸方向拡散ノズルを備える。特に、傾斜拡散ノズルの２倍の軸方向拡散ノズルが備えられていてよい。

一実施例においては、予混合燃焼器は、旋回発生装置によって燃焼器底部から間隔をあけられた、少なくとも部分的に円筒状の火炎管を有する空き缶バーナー(can burner)として形成されている。

本発明のその他の有利な実施例は、さらなる従属請求項の対象である。

以下に、本発明の好ましい実施例が、概略図に基づいて詳述される。図で示されるのは以下である。

本発明に係る予混合燃焼器を通る、燃焼器底部領域の縦断面図である。 図１の燃焼器底部の上面図である。

図１は、ガスタービン用の本発明に係る予混合燃焼器２を通る、著しく簡略化された部分縦断面図を示している。予混合燃焼器２は、気体状あるいは液体状燃料用の円筒状の燃焼室４を有する空き缶バーナーとして形成されている。当該予混合燃焼器２は、メインインジェクション６と、本発明に係る多段式中央パイロットガスシステム８とを備えている。

燃焼室４は、軸方向における片側で燃焼器底部１０によって、かつ半径方向で火炎管１２によって画定される。燃焼器底部１０から見て外方を向く、火炎管１２の終端部１４は、漏斗状に広がっている。

メインインジェクション６は、予混合された主燃料１６であるガス・空気混合気を噴入するために用いられる。噴入は、半径方向の旋回発生装置２０に合流する、図示されていないメインノズルを介して、燃焼器長手軸１８に対して放射状に行われる。好適には、メインインジェクション２４はメインノズルを備えている。

半径方向の旋回発生装置２０は、燃焼器底部１０と火炎管１２との間に設けられている。当該旋回発生装置２０によって、主燃料１６は回転インパルスを印加され、旋回しながら燃焼室４へ進入することになる。燃焼室４においては主燃料流が形成され、その方向は、それぞれ矢印で表示されている。

パイロットガスシステム８は、予混合されていない拡散燃料を噴入するために用いられ、複数の軸方向拡散ノズル２２ａ、２２ｂと、燃焼器長手軸１８に対して斜めに傾けられた複数の拡散ノズル２４ａ、２４ｂと、を備えている。拡散燃料は、軸方向拡散ノズル２２ａ、２２ｂと傾斜拡散ノズル２４ａ、２４ｂとを介して、２つの部分流２６，２８として燃焼室４へ噴入される。

軸方向拡散ノズル２２ａ、２２ｂと傾斜拡散ノズル２４ａ、２４ｂとは燃焼器底部１０に設けられており、その結果部分流２６，２８の噴入は、主燃料流１６の進入より下流で行われる。燃焼室４内の主燃料１６の流れの方向に対して横向きもしくは垂直な軸方向拡散ノズル２２ａ、２２ｂによって、第１部分流２６が特に激しく主燃料１６と混ざり合うことになる。傾斜拡散ノズル２４ａ、２４ｂは、第２部分流２８が旋回される主燃料１６の流れの方向で燃焼室４に噴入され、それによって混合が最小限となり、燃焼プロセスの安定性が向上するように方向付けられている。

図２における燃焼器底部１０の正面図に従えば、軸方向拡散ノズル２２ａ、２２ｂ…と傾斜拡散ノズル２４ａ、２４ｂ…とは、２つの同心状の円を形成しており、それらの共通の中心点３０は、燃焼器長手軸１８にある。その際、軸方向拡散ノズル２２ａ、２２ｂ…は、半径方向外側に位置するように配置され、傾斜拡散ノズル２４ａ、２４ｂ…は半径方向内側に位置するように配置されている。拡散ノズル２２ａ、２２ｂ…、２４ａ、２４ｂ…は、それぞれの円にわたって均等に分散されており、表された実施例においては、２４の軸方向拡散ノズル２２ａ、２２ｂ…と１２の傾斜拡散ノズル２４ａ、２４ｂ…とが備えられている。それによって、傾斜拡散ノズル２４ａ、２４ｂ…の２倍の軸方向拡散ノズル２２ａ、２２ｂ…がある。軸方向拡散ノズル２２ａ、２２ｂ…の数は、ここではメインノズルの数に相当する。

軸方向拡散ノズル２２と傾斜拡散ノズル２４とは、当該実施例においては、孔として形成されている。

本発明に係る、予混合燃焼器２の好ましい駆動方法においては、半径方向の旋回発生装置２０を介して、メインインジェクション６の旋回されたガス・空気混合気が燃焼室４へ半径方向に噴入される。多段式パイロットガスシステム８を用いて、第１部分流２６と第２部分流２８として拡散燃料が燃焼室４へ噴入される。第１部分流２６は軸方向拡散ノズル２２ａ、２２ｂ…を介して、第２部分流２８は傾斜拡散ノズル２４ａ、２４ｂ…を介して、燃焼室４へ噴入される。主燃料１６のガスと空気との割合は、主燃料１６の空気供給を変化させることによって、それぞれの負荷状態に対して調整される。それゆえ、メインノズルの従来の開放制御もしくは閉鎖制御によってガス・空気混合気を調整させることは意図されていない。

言及されるべきは、拡散燃料を２つの部分流２６，２８以上に分割させることも考えられ得るということである。同様に本願は、拡散燃料流の、同じ強さの２つの部分流もしくは２つの異なる部分流２６，２８に限定されない。

さらに言及されるべきは、拡散ノズル２２ａ、２２ｂ…、２４ａ、２４ｂ…の幾何学形状が孔に限定されず、溝あるいは長手方向スリットも考えられ得るということである。同様に軸方向拡散ノズルもしくは傾斜拡散ノズルの幾何学形状が、互いに異なっていてよい。さらに拡散ノズル２２ａ、２２ｂ…、２４ａ、２４ｂ…の配置は円状の配置に限定されず、同様に、たとえば星型のような別の配置も考えられ得る。拡散ノズルを不均等に分散させることも同様に可能である。

開示されているのは、多段式パイロットガスシステムを有する、気体状燃料用予混合燃焼器の駆動方法であって、当該パイロットガスシステムの拡散燃料は、少なくとも２つの部分流として異なる方向で予混合燃焼器の燃焼室に噴入される駆動方法と、当該方法を実行するための予混合燃焼器と、である。

２ 予混合燃焼器
４ 燃焼室
６ メインインジェクション
８ パイロットガスシステム
１０ 燃焼器底部
１２ 火炎管
１４ 終端部
１６ 主燃料
１８ 燃焼器長手軸
２０ 旋回発生装置
２２ａ、２２ｂ… 軸方向拡散ノズル
２４ａ、２４ｂ… 傾斜拡散ノズル
２６ 拡散燃料の第１部分流
２８ 拡散燃料の第２部分流
３０ 中心点

Claims (12)

1. ガスタービン用の予混合燃焼器（２）の駆動方法であって、
   ‐主燃料（１６）であるガス・空気混合気を、旋回発生装置（２０）を介して燃焼室（４）に噴入するステップと、
   ‐拡散燃料の第１部分流（２６）を前記燃焼室（４）に中心噴入するステップと、
   ‐拡散燃料の第２部分流（２８）を前記燃焼室（４）に中心噴入するステップと、を有し、
   前記部分流（２６，２８）は、異なる方向を備えることを特徴とする方法。
2. 前記第１部分流（２６）が、前記燃焼室（４）で形成される主燃料流に対してほぼ横向きに噴入され、かつ前記第２部分流（２８）が、主燃料流のほぼ流れの方向で噴入されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記主燃料（１６）が、半径方向に噴入されることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の方法。
4. 前記主燃料（１６）のガスと空気との割合は、空気供給によって制御されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 請求項１に記載の方法を実行するための、ガスタービン用の予混合燃焼器であって、
   燃焼室（４）と、
   主燃料（１６）であるガス・空気混合気を前記燃焼室（４）に噴入するためのメインインジェクション（６）と、
   前記主燃料（１６）を旋回させるための旋回発生装置（２０）と、
   拡散燃料を噴入するための、燃焼器底部（１０）に形成された中央パイロットガスシステム（８）と、
   を有する予混合燃焼器において、
   前記燃焼器底部（１０）に、前記燃焼室（４）で形成される主燃料流に対して横向きに拡散燃料の第１部分流（２６）を供給するための、少なくとも１つの軸方向拡散ノズル（２２ａ、２２ｂ…）と、任意的に、拡散燃料の第２部分流（２８）を噴入するための、燃焼器長手軸（１８）に対して斜めに傾けられた少なくとも１つの傾斜拡散ノズル（２４ａ、２４ｂ…）と、
   が設けられていることを特徴とする予混合燃焼器。
6. 少なくとも１つの前記傾斜拡散ノズル（２４ａ、２４ｂ…）が、主燃料流の流れの方向に傾けられていることを特徴とする請求項５に記載の予混合燃焼器。
7. 半径方向外側に位置する複数の軸方向拡散ノズル（２２ａ、２２ｂ…）と、半径方向内側に位置する複数の傾斜拡散ノズル（２４ａ、２４ｂ…）と、が備えられていることを特徴とする請求項６に記載の予混合燃焼器。
8. 前記軸方向拡散ノズル（２２ａ、２２ｂ…）と前記傾斜拡散ノズル（２４ａ、２４ｂ…）とは、少なくとも２つの互いに同心状の円を形成し、該同心状の円の共通の中心点（３０）は、前記燃焼器長手軸（１８）にあることを特徴とする請求項６あるいは７に記載の予混合燃焼器。
9. 前記軸方向拡散ノズル（２２ａ、２２ｂ…）は、前記傾斜拡散ノズル（２４ａ、２４ｂ…）と異なる幾何学形状を備えることを特徴とする請求項５から８のいずれか一項に記載の予混合燃焼器。
10. 前記軸方向拡散ノズル（２２ａ、２２ｂ…）と、前記傾斜拡散ノズル（２４ａ、２４ｂ…）とは、孔であることを特徴とする請求項９に記載の予混合燃焼器。
11. 前記パイロットガスシステム（８）は、傾斜拡散ノズル（２４ａ、２４ｂ…）よりも多くの軸方向拡散ノズル（２２ａ、２２ｂ…）を備え、特に傾斜拡散ノズル（２４ａ、２４ｂ…）の２倍の軸方向拡散ノズル（２２ａ、２２ｂ…）を備えることを特徴とする請求項５から１０のいずれか一項に記載の予混合燃焼器。
12. 前記燃焼室（４）は、前記燃焼器底部（１０）の近傍で前記旋回発生装置（２０）と、円筒状の火炎管（１２）とによって半径方向で画定されていることを特徴とする請求項５から１１のいずれか一項に記載の予混合燃焼器。

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