JP3710510B2 - 自己点火式燃焼室の冷却法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は主として流入区域と、該流入区域の下流側に続く燃焼区域とから成り燃焼室内に高温の作動ガスを流入せしめ、燃料の混入により混合物の自己点火を発動させる形式の、ガスターボ装置団の自己点火式燃焼室の冷却法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来ガスタービンプラントで使用される燃焼室では、燃焼室壁の冷却のために、高い材料温度を回避すべくほぼ圧縮機の全空気質量流れが使用される。この空気質量流れのわずかな部分が、それ以前に冷却に使用されることなく燃焼室内に達する。この種の冷却法によれば、冷却区域に沿って可能な限りわずかな圧力損失で作動し、これによりガスタービンプラントの効率を少しも失わないことが、冷却の最適化の要点となっている。
【０００３】
これに対して、有利には第１のタービンの下流で作動する自己点火式燃焼室では、その煙道ガスを、前もって高い温度が生じるために冷却の目的で使用することができないのは当然である。他面において、この種の燃焼室はすでに流入区域内でカロリー的に著しく負荷されており、それゆえ、すでにその箇所で冷却が著しく効果的であらねばならない。ましてや、つぎの燃焼区域ではさらに高い熱負荷が生じるために、冷却はさらに効果的であらねばならない。それゆえ、この種の自己点火式燃焼室の冷却のためには、低温の大量の空気質量流れがプロセスから取り出されなければならない。その場合に考慮されるべきことは、高出力の現代のガスターボ装置団では一般的に、冷却の目的にわずかな空気しか自由に使用できないことである。それというのは、さもないと効率及び比出力が著しく低下してしまうからである。それゆえ、カロリー的に高負荷にさらされる装置団の冷却を外部からの他の媒体により行うことが繰り返し提案されている。その主立った提案は、冷却を蒸気により行うというものである。ガスターボ装置団を蒸気回路を備えた組合わせ装置に統合すれば、この種の提案はたしかに試みるに値する。しかし、蒸気又は冷却に適したその他の媒体が得られないところでは、自己点火式燃焼室の冷却は効率の低下を甘受して行われなければならない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は冒頭に述べた冷却法において、内的なわずかな空気質量流れによって効果的な冷却を提案することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の構成では、燃料の混入によって作動ガス／燃料混合物の自己点火を発動させるために、流入区域に流入する作動ガスの温度を十分に高くして、流入区域をしみ出し冷却により冷却し、かつ燃焼区域を接触冷却により冷却するようになっている。
【０００６】
この冷却法は燃焼室の内部でのそのつどの燃焼特性に適合され、かつ使用された冷却空気質量流れが作動後に適当形式で当該燃焼室の熱ガスの成分となるように実施される。
【０００７】
自己点火式燃焼室が流入区域と燃焼区域とから成る場合には、流入区域ではしみ出し冷却が、燃焼区域では接触冷却が選択される。燃焼区域内での害の少ない所期の前混合燃焼を保証するために、この燃焼区域内への制御された空気供給に基づく冷却技術は使用されない。
【０００８】
しみ出し冷却を行うために、バーナ壁に互いに密に列状に並んだ孔が設けられ、これらの孔を通って冷却空気が燃焼室の内部へ達し、これにより燃焼室壁を冷却する。燃焼室の内側では、この冷却空気が熱的な薄い絶縁層を形成し、この絶縁層が燃焼室壁の熱負荷を軽減し、主質量流れ内へ冷却空気が大きな面で供給されて良好な混合度が保証される。さらに、このしみ出し冷却によれば、火炎フロントが燃焼区域から上流へフラッシュバックすることがない。このフラッシュバックは、特に流入区域のインナライナにおける壁境界層内の燃焼空気の流れ速度が最小値を有し、その箇所では燃焼区域からの前混合火炎のクリーピングバックが潜在的なリスクとなるために、容易に生じる可能性があるものである。
【０００９】
燃焼区域のために使用される接触冷却は有利には向流原理で設計されるが、しかしその場合、並流冷却又は向流と並流との組合わせも可能であることは勿論である。この冷却のために特徴的なことはその設計にあり、これによれば、外側の燃焼室壁の周囲に燃焼区域の縦方向で密に互いに順次に配置された貫流路が形成され、その半径方向の深さが冷却通路の高さと同じであり、このことが、熱的に高い負荷を受ける燃焼室壁の効果的な冷却を生ぜしめる。
【００１０】
向流原理による燃焼区域の接触冷却では、この冷却空気が流体技術的に最適に流入区域の前室内に搬送され、この場所から上述のしみ出し冷却を行うことができる。
【００１１】
このようにして冷却される自己点火式燃焼室では、冷却すべき区域に沿った圧力損失に基づく燃焼室壁の大きすぎる機械的な負荷の発生という危険なしに、燃焼室を貫流する質量流れに対する所要の冷却空気の比を１０％以下まで低下させることができる。
【００１２】
本発明の有利かつ効果的な構成が請求項２以下に記載されている。
【００１３】
【実施例】
つぎに図面に基づいて本発明の実施例を詳しく説明する。本発明の直接的な理解にとって不必要なすべての要素は省かれている。媒体の流れ方向は矢印で示されている。
【００１４】
図面に示された燃焼室は例えばガスターボ装置団の第２の燃焼室として使用可能であり、自己点火原理で機能する。この燃焼室は有利には大体において、連続した環状のアキシャル又はセミアキシャルなシリンダの形状を有しており、このことは、図示された中央軸線１４から看取され、かつ主として流入区域１と、これに続く燃焼区域とから成っている。この燃焼室はアキシャル、セミアキシャル又は螺旋状に配置された閉鎖された多数の燃焼室から成っていてもよい。この燃焼室が自己点火式に設計されている場合、上流で作用する図示されていないタービンは作動ガス８が部分膨張するように設計され、これにより作動ガスは極めて高い温度を有することができる。このような運転形式及び燃焼室の環状の構成では、燃焼室を形成する環状のシリンダの周方向に複数の燃料ノズル６が配置され、これらの燃料ノズルは燃料供給に関して、例えば図示されていない環状導管を介して互いに接続される。それゆえ、この燃焼室はバーナを備えていない。作動ガス８が自己点火を発動することのできる温度を有しているかぎりにおいて、燃料ノズル６により作動ガス８内に噴入される燃料が自己点火を発動させる。燃焼室がガス状の燃料により運転される場合、上流に位置するタービンからの作動ガス８の、自己点火に要する温度は、一般的には１０００℃とみなされる。自己点火式に設計されたこの種の燃焼室の運転確実性及び高い効率を保証するために、全運転範囲にわたり火炎フロント１３が位置的に安定していることが重要である。この目的のために、一面では燃料ノズル６の上流で流入区域の内壁３の内側の周方向に、一列の渦発生部材７が設けられており、これらの渦発生部材は火炎フロント１３の領域内にバックフロー区域を誘発する。他面においては、火炎フロント１３に対する半径方向の平面内に、流入区域１の横断面に対して対称的な横断面拡張部１５が設けられており、これの大きさが燃焼区域２の流れ横断面をも形成している。この横断面拡張部１５の内部には、運転中にバックフロー区域が形成され、このバックフロー区域は火炎フロント１３の環状安定性をもたらす。この種の燃焼室は、その軸方向の構成及び極めて短い全長に基づき、高速度燃焼室を形成し、この燃焼室の平均速度が６０ｍ／ｓと大きいために、渦発生部材７は流れと合致する形状で形成されなければならない。この燃焼室のカロリー的な負荷が極めて高いために、冷却は著しく効果的に行われなければならない。すでに述べたように、その場合に考慮しなければならないことは、高出力段のガスターボ装置団では、効率及び比出力を著しく低下させないためには、一般的には冷却目的のためにわずかな空気しか自由に使用できないことである。本燃焼室の冷却は、流入区域１と燃焼区域２との間で互いに異なる冷却形式が使用されるように行われる。まず、燃焼室２の冷却が向流原理で行われる。冷却空気１０は、燃焼区域２の内壁５と外壁４とにより形成された冷却空気通路１８に沿って流入区域１へ流れて、燃焼区域２のカロリー的に高負荷される内壁５を接触冷却により冷却する。燃焼区域２の領域内での冷却の最適化は冷却空気通路１８の高さの適当な適合、冷却すべき内壁５の所定の表面あらさ、冷却すべき区域に沿った種々のひだ付けなどにより行われ、その場合、すでに述べたように、内壁５の周方向に軸方向の貫流路を設ければ良い結果が得られる。燃焼区域２の接触冷却はインパクト冷却により補完されることができる。その場合、これに関して注意されなければならないことは、冷却空気１０の圧力が低下しすぎないことである。第１の冷却が行われた後、いまやカロリー的に部分負荷された冷却空気１１が前室１７内に流入する。この前室は軸方向で流入区域１に対して平行に延びていて、流入区域１の内壁３とすでに説明した外壁４とによって形成されている。この冷却空気１１はいまや大きな冷却ポテンシャルを有しており、その結果、燃焼区域２に対比してカロリー的にわずかにしか負荷されていない流入区域１が同様に最適に冷却されることができる。流入区域１のための冷却は、前述の冷却空気１１の流れの大部分が内壁３に設けた著しく多数の開口１６を介して流入区域１の内部へ流入するようにして行われる。冷却空気１１の流れのわずかな一部が半径方向の壁２０に設けた別の開口１９を介して直接に横断拡張部１５内へ流入する。この場所には火炎フロントの環状安定化があらかじめ生じている。さらにこの場所は必要に応じて冷却並びに強化に役立てられる。流入区域１の軸方向及び周方向で分配されている前述の開口１６は要するに流入区域１全体をカバーし、内壁３をわずかな空気消費量で冷却することができる。さらに、流入区域１の内側、要するに内壁３のインナライナに沿って流れるこの冷却空気１２は薄い熱的な絶縁層を形成し、この絶縁層が内壁３の熱負荷を著しく軽減し、冷却のための空気が大きな面積で作動ガス８の主質量流れ内へよい混合状態で混入するのを保証する。さらに、不所望に前混合火炎が壁の流れ境界層内で上流へ燃料噴入箇所まで伝播すると、この火炎は拡散的に燃焼してしまうことになるが、燃料噴入箇所までの火炎の伝播がこの絶縁層により回避される。これらのことにより、自己点火式の、有害物質の少ない燃焼を行う燃焼室のコンセプトが効果的に助成される。初めの冷却空気１０の大部分が火炎フロント１３の上流で比較的高い温度で作動ガスの質量流れ内へ混入されるので、この冷却空気は同じ質量で燃焼区域２内で熱ガス９への準備に参加し、これにより、自己点火の、特に部分負荷運転において問題となる温度不均一性が回避される。横断面拡張部１５内へ噴入されるわずかな冷却空気量は温度不均一性に関与しないが、しかしその反面、冷却空気通路１８と前室１７との間の流れの偏向及び横断面拡大に基づき冷却が特に弱くなっている領域で燃焼区域２の接触冷却を助成する。このように冷却される自己点火式燃焼室では、冷却空気通路１８内での圧力損失に基づき内壁３，５の著しい機械的な負荷を生じることなく、燃焼室を貫流する質量流れ８に対する所要の全冷却空気１０の比を１０％以下に軽減することができる。渦形成部材７のカロリー的な負荷を軽減するために、この渦発生部材が図面に変化実施例として示されているように流入区域１の内壁３の延長として中空に形成されていると有利である。渦発生部材を形成する流れ側の屈曲部は同様に規則的に開口１６を備えており、これらの開口を通して冷却空気１１が流入区域１の内部へ流入し、その場所で同様にしみ出し冷却作用を生じる。内壁３に設けられ冷却空気を流入区域１内へ流入せしめるこれらの開口１６は、所定の流れ比では、流れ方向で見て斜めに設けられ、これにより、すでに説明したインナライナでの冷却空気による絶縁層の形成は著しい付着性を示す。開口１６の斜めの位置は冷却空気の流れに依存する剥離現象の強さに適合させられる。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明により得られる著しい利点は、ガスターボ装置団の効率低下と比出力の低下とが軽減されるように燃焼室の冷却が行われることにある。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスターボ装置団の後燃焼室として形成され、自己点火式に燃焼が行われる冷却される燃焼室を示す図である。
【符号の説明】
１ 流入区域、 ２ 燃焼区域、 ３ 内壁、 ４ 外壁、 ５ 内壁、 ６燃料ノズル、 ７ 渦発生部材、 ８ 作動ガス、 ９ 熱ガス、 １０ 冷却空気、 １１ 接触冷却後の冷却空気、 １２ しみ出し冷却後の冷却空気、１３ 火炎フロント、 １４ 中央軸線、 １５ 横断面跳躍、 １６ 開口、 １７ 前室、 １８ 冷却空気通路、 １９ 開口、 ２０ 半径方向の壁

Claims (5)

1. 主として流入区域（１）と、該流入区域の下流側に続く燃焼区域（２）とから成り燃焼室内に高温の作動ガス（８）を流入せしめ、燃料（６）の混入により混合物の自己点火を発動させる形式の、ガスターボ装置団の自己点火式燃焼室の冷却法であって、
   燃料（６）の混入によって作動ガス／燃料混合物の自己点火を発動させるために、流入区域（１）に流入する作動ガス（８）の温度を十分に高くして、流入区域（１）をしみ出し冷却により冷却し、かつ燃焼区域（２）を接触冷却により冷却することを特徴とする自己点火式燃焼室の冷却法。
2. はじめに、燃焼区域（２）を向流原理で冷却し、次いで、この同じ冷却空気（１０）を流入区域（１）のしみ出し冷却のために使用する請求項１記載の冷却法。
3. 燃料と作動ガス（８）との混合を流入区域（１）内で行い、流入区域（１）と燃焼区域（２）との移行領域に火炎フロント（１３）を生ぜしめ、この火炎フロント（１３）を流入区域（１）の横断面に対する燃焼区域（２）の横断面拡張部（１５）により安定させる請求項１記載の冷却法。
4. 流入区域（１）内で燃料噴入箇所の上流に多数の渦発生部材（７）を設けることにより火炎フロント（１３）の領域内にバックフロー区域を生ぜしめる請求項１記載の冷却法。
5. 渦発生部材（７）をしみ出し冷却により冷却する請求項４記載の冷却法。

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