JP3553995B2 - ガス作動式のプレミックスバーナ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えばガスタービンの燃焼室に用いられるガス作動式のプレミックスバーナであって、複数のノズルを介して噴射された燃料が、予混合室の内部で着火前に燃焼空気と強力に混合されるようになっており、ノズルが、バーナ軸線を取り囲んで配置されている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
プレミックスバーナを基礎としたガスタービンのための燃焼室は例えばＥＰ−Ｂ１２９６１９から公知である。ここでは本来の燃焼工程が火炎ホルダの下流側で起こる前に多数の管形部材内で予混合／予蒸発工程が噴射された燃料と圧縮空気との間で大きな空気過剰率で経過する。この手段でもって燃焼からの汚染物質の放出値は著しく低減せしめられる。
【０００３】
最大限の空気過剰率での燃焼（火炎がそもそも依然として燃えること、さらにＣＯが大量には生じないことと仮定して）は汚染物質ＮＯ_ｘ量を低下させるのみならず、さらに他の汚染物質、すなわち上記のＣＯおよび未燃焼炭化水素を底レベルに保持する。これは比較的大きな空気過剰率の選択を可能にし、最初は大量のＣＯが生じるが、これらはさらに反応してＣＯ_２になるので、最終的にＣＯ放出は僅かである。しかし他方では大きな空気過剰率のために形成される付加的なＮＯは少量であるにすぎない。この公知の燃焼室では多数の管形部材が予混合を行うので負荷制御に際してその都度各作動期（始動、部分負荷、全負荷）に最適な空気過剰率が得られるような数の部材のみが燃料でもって作動される。
【０００４】
火炎ホルダを省略し得る他のタイプのプレミックスバーナが二重円錐バーナの形でＥＰ−Ｂ１−０３２１８０９から公知である。
【０００５】
しかしプレミックスバーナを備えたすべての燃焼室は、少なくともバーナの一部しか燃料でもって作動されない作動状態または各バーナに少量にされた燃料が負荷される作動状態で殆ど火炎安定性の限界に達するという欠点を有している。実際きわめて希薄な混合気、これから生じる低い火炎温度のために典型的なガスタービン条件下で既にほぼ２，０の空気過剰率で消炎限界に達した。
【０００６】
このことによって、相応に面倒な制御を伴う、燃焼室の比較的複雑な作動方法が必要となる。プレミックスバーナの作動範囲を拡大する他の方法は、バーナを小さな拡散火炎を用いて支援することである。このパイロット火炎は純粋な燃料または少なくとも劣悪に予混合された燃料を受取り、このことは一方で安定な火炎に導くが、他方では拡散燃焼に典型的な高いＮＯｘ−放出をもたらす。
ＵＳ−Ａ−４１００７３３（アメリカ合衆国特許第４１００７３３号明細書）に記載された公知の燃焼室においては、半径方向に段状に設けられた多数のプレミックスバーナについて記載されており、このプレミックスバーナは、それぞれ、半径方向外側のシステム（燃料室２８、ノズル４２、混合室４０）と半径方向内側のシステム（燃料室３０、ノズル４６、混合室４４）とから成っている。このプレミックスバーナの混合室（４０，４４）は、異なる２つの燃料システムから供給されるようにはなっていないので、バーナ出口における燃料プロフィールを変化させることはできない。また、この公知のプレミックスバーナは互いに別個に駆動される。つまりすべての運転条件において半径方向外側のシステムは、常に十分にリッチ（濃厚）な混合気で駆動されることになる。このことは始動運転のためにもまた部分負荷運転のためにも当てはまる。従って、バーナの出口における燃料プロフィールに初期の影響を与えることは、上記公知の燃焼室においては行われない。この公知の燃焼室においては、むしろ燃料集中だけが、燃焼室の流入横断面を介して、すべてのバーナの相応の作動方法によって影響を受ける。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、燃焼室を出来る限り希薄な消炎限界近くで、すなわち実際にＮＯ_ｘが生じない範囲内で作動することができる手段を見出すことである。
【０００８】
【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構成では、予混合室の内部でバーナ軸線の領域に付加的な燃料ノズルが設けられており、該燃料ノズルに別個の燃料管路を介して燃料が供給可能であり、これによって、燃料分布に適切な影響を与えるために、当該プレミックスバーナの出口でバーナ軸線の領域における燃料濃度が、当該プレミックスバーナの出口平面における平均的な燃料濃度よりも大きくなっているようにした。
【００１０】
【発明の効果】
本発明の利点は、中でも限界的な状態における（例えば一様な燃料プロフィールでの予混合燃焼についての消炎限界が時に越えられることがある一時的な振動の発生時における）燃焼室純然たる純支援にみることができる。バーナ軸線の領域で燃料プロフィールを濃くし、これによって異なる空気過剰率を持つゾーンを作ることによって生じる火炎を著しく安定に保持することができる。
【００１１】
バーナがきわめて希薄な混合気においても作動可能であることによって、今や燃焼室の負荷および除荷時に従来の一様な燃料プロフィールでの予混合燃焼ではその希薄混合気消炎限界故に普通経験され得なかった空気比範囲が実施（ｄｕｒｃｈｑｕｅｒｅｎ）され得る点で制御が簡単にされる。
【００１２】
【実施例】
本発明の実施例が図に二重円錐構造形式のプレミックスバーナの例で略示されている。図には本発明の理解に必要な部材のみが示されている。例えば燃焼室内のバーナの関連装置、燃料準備系、制御装置等は示されていない。作業媒体の流れ方向は矢印で示されている。
【００１３】
略示されているプレミックスバーナは例えばＥＰ−Ｂ１−０３２１８０９から公知であるいわゆる二重円錐バーナである。このようなバーナは例えば個別の燃焼室のドーム状端部内または環状燃焼室内に配置することができる。
【００１４】
バーナは主に２つの中空、円錐形の部分体１１，１２から成り、これらは流れ方向で見て内外に重ねられている。両部分体の各中心軸線１３，１４は互いにずらされている。両部分体の隣り合った壁はこれらの長手方向で見て燃焼空気のための接戦方向のスリットを形成しており、燃焼空気はこうしてバーナ内部の予混合室に入る。
【００１５】
この例のバーナは気体燃料で作動される。そのためには両部分体の壁内の接戦方向のスリットの領域にノズルの形のガス流入開口１７が縦方向において分配されて配置されている。これらのノズルは部分体につき各１つの集合管路１８から供給され、集合管路自体はガス供給管路１９によって供給される。燃料制御は制御弁２０を介して行われる。したがってこのようなガス作動では燃焼空気との混合気形成はすでに入口のスリット１５内で行われる。
【００１６】
バーナ出口２２では負荷される環状横断面にわたって出来る限り均質な燃料濃度が得られる。バーナ出口では所定の帽子状の逆流ゾーンが現れ、その先端で着火が行われる。
【００１７】
このような予混合燃焼で所望のＮＯ_ｘ−限界値を困難なく下廻ることができる。しかし安定性限界は低い火炎温度のために低い。負荷範囲全体にわたっての燃焼室の確実な作動のために着火性と消炎との間の領域は比較的狭い。
【００１８】
ところで本発明は最大限均質な燃料濃度を所期通りに、しかもバーナの出口面においてバーナ軸線１０の領域内により高い燃料濃度が存在するように乱すように配慮されており、このより高い燃料濃度が安定な火炎を保証する。
【００１９】
この目的のために円錐頂部の領域内に付加的な燃料ノズル２３が配置されており、したがってこの地点で相対的に少量の燃焼空気が予混合空間内へ流入する。これらの燃料ノズルは別個の燃料管路２４を介してガスを供給される。ガス量の微調節のためには燃料管路２４内に制御弁２５が配置されている。
【００２０】
付加的に噴射されたガス量はバーナ軸線１０上で予混合濃厚化を行う。したがってバーナ出口では負荷された横断面にわたって不均一な燃料分布およびこれとともに異なる空気過剰率を持つゾーンが生じる。バーナ軸線の領域内にこのようにして生ぜしめられた、十分に独立な核火炎はこの周囲の、一様な燃料濃度で生ぜしめられた主火炎よりも著しく安定である。この領域内における支配的な空気過剰率に応じて若干多量のＮＯ_ｘが生成されるのは避けられないが、このＮＯ_ｘ−発生は拡散火炎で導かれるバーナの場合よりも依然として低い。いずれの場合も決定的なのは相応するＮＯ_ｘ−上昇を伴わない消炎限界の改善である。
【００２１】
不均一に分配された、しかし予混合される燃料分布の形のこの安定化補助手段は、これを必要としない作動範囲では制御弁２５を単に閉止することによって切ることができる。
【００２２】
したがって主要な作動範囲において消炎限界での作動形式を保証する新規手段は、今日達成可能なＮＯ_ｘ−値２０ｐｐｍを確実に著しく下廻ることを可能にする。
【００２３】
本発明が図示の上記の実施例に限定されないことはもちろんである。付加ノズルを備えた図示の構成に変わるものとしてバーナ内の噴射ノズルを不均一に分布させることによってもバーナ出口面内に“不調の”燃料プロフィールを得ることができよう。または均一な分布でノズル横断面を異ならせることにより。これらすべての手段により混合気内で所望の“より濃厚な”筋が得られる。
【００２４】
原則的には本発明はまたバーナ軸線において混合気濃厚化が行われる二重円錐構造形式のプレミックスバーナに限定されるものではなく、支配的な空気速度分野によって火炎安定化が生ぜしめられるすべての燃焼室ゾーンで使用可能である。
【００２５】
さらに図示の二重円錐バーナは、混合油／ガス作動のために円錐頂部でバーナ軸線上に位置した液体燃料のための燃料ノズルを備えていてよい。これから燃料を一定の角度で中空円錐部内へ噴射することができる。得られる円錐形の液体燃料プロフィールは接戦方向で流入する燃焼空気によって包囲される。燃料の濃度は燃焼空気との混合により軸線方向に見て連続的に低下せしめられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】プレミックスバーナの縦断面図である。
【図２】プレミックスバーナの横断面図である。
【符号の説明】
１０ バーナ軸線、 １１，１２ 部分体、 １３，１４ 中心軸線、 １５ スリット、 １７ ガス流入開口、 １８ 集合管路、 １９ ガス供給管路、２０，２５ 制御弁、 ２１ 予混合室、 ２２ バーナ出口、 ２３ 燃 料ノズル、 ２４ 燃料管路

Claims (3)

1. 燃焼室に用いられるガス作動式のプレミックスバーナであって、複数のノズル（１７）を介して噴射された燃料が、予混合室（２１）の内部で着火前に燃焼空気と強力に混合されるようになっており、ノズル（１７）が、バーナ軸線（１０）を取り囲んで配置されている形式のものにおいて、
   予混合室（２１）の内部でバーナ軸線（１０）の領域に付加的な燃料ノズル（２３）が設けられており、該燃料ノズル（２３）に別個の燃料管路（２４）を介して燃料が供給可能であり、これによって、燃料分布に適切な影響を与えるために、当該プレミックスバーナの出口でバーナ軸線（１０）の領域における燃料濃度が、当該プレミックスバーナの出口平面（２２）における平均的な燃料濃度よりも大きくなっていることを特徴とする、ガス作動式のプレミックスバーナ。
2. 別個の燃料管路（２４）が閉止可能な制御弁（２５）を備えている、請求項１記載のプレミックスバーナ。
3. 互いにずらされた中心軸線（１３，１４）を有する、互いに内外に重ねられた中空で円錐形の２つの部分体（１１，１２）より成る二重円錐形構造のバーナが使用されており、付加的な燃料ノズル（２３）が円錐頂部の領域内に配置されている、請求項１記載のプレミックスバーナ。

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