JP3833297B2 - ガス又は液体燃料タービンのための燃焼器及びタービン操作方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス又は液体燃料タービンのための燃焼器及びそのようなタービンを操作方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガス又は液体燃料タービンプラントは、通常、空気圧縮機と、燃焼器とタービンを備えている。圧縮機は、加圧空気を燃焼器に供給し、その空気の一部分が燃焼器の混合帯域内で燃料と混合され、その空燃混合物（以下、単に「混合物」とも称する）が一次燃焼帯域内で燃焼されてタービンを駆動するための燃焼ガスを創生する。圧縮機によって供給された空気の他の一部分は、通常、燃焼器の高熱表面を冷却するのに用いられる。
【０００３】
燃料に混合される空気の割合が、燃焼が起る温度範囲を決定し、燃焼によって生じる汚染物質、特にＮＯｘ及びＣＯの量に影響する。即ち、燃料豊富混合物（即ち、空気の割合が比較的低い混合物）は、比較的高い温度で燃焼し、比較的多量のＮＯｘ及びＣＯを発生する。高い温度は、部品の寿命にとって有害であるから、一次燃焼帯域の下流の温度を低くするために多量の冷却空気が必要とされる。
【０００４】
燃料に混合する空気の量を多くすると、比較的低い温度で燃焼し、汚染物質の発生量の少ない希薄混合物（燃料が希薄な空燃混合物）を生成するが、燃料と混合する空気が多くなる分、適度の部品寿命を維持するのに要する冷却を達成するのに利用することができる空気が少なくなる。従って、希薄混合物を燃焼させることは、その結果として減少する利用可能な冷却空気の使用を効率的にしなければならないことを意味する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、使用において汚染物質の発生量を抑制し、しかも、効率的な冷却機構を有する燃焼器、及び、ガス又は液体燃料タービンを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の一側面によれば、燃焼及び冷却のために空気を燃焼器に供給するための圧縮機を有するガス又は液体燃料タービンのための燃焼器であって、燃料を該燃焼器に供給された空気の一部分と混合させる混合帯域と、該混合帯域の下流に設けられた一次燃焼帯域と、該一次燃焼帯域の下流に設けられた後一次燃焼帯域を含み、該一次燃焼帯域と後一次燃焼帯域とは、共に、衝撃（衝突）冷却によって冷却される壁の内側に形成されており、該後一次燃焼帯域は、燃焼ガスの流れに対して横断方向に複数の冷却空気ジェットを噴射するための手段を有し、空気の前記一部分が該燃焼器に供給された空気の少くとも５０％を占めるように構成されていることを特徴とする燃焼器が提供される。
【０００７】
好ましい実施形態においては、前記壁は、前記後一次燃焼帯域を囲包するように延長しており、使用済みの衝撃冷却空気を前記冷却空気ジェットとして使用することを可能にする複数の孔を有している。
この壁の、前記後一次燃焼帯域を画定する領域に、該後一次燃焼帯域内へ空気を差し向けるための複数のパーホレーション（一連の穿孔）を形成することができる。
後一次燃焼帯域内へ向けられる空気は、前記燃焼器の長手軸線に対して半径方向に後一次燃焼帯域内へ流れるようにすることが好ましい。
前記各孔にテーパリップ（先細唇部）を形成することができる。
【０００８】
好ましい実施形態においては、前記後一次燃焼帯域に流入する空気は少くとも７００°Ｃとし、状況によっては少くとも８００°Ｃとする。
前記後一次燃焼帯域に流入する使用済みの衝撃冷却空気の前記ジェットを該後一次燃焼帯域内の燃焼ガスと混合させて該後一次燃焼帯域内に実質的に均一な半径方向の温度分布を設定するように構成することが好ましい。
【０００９】
本発明の別の側面によれば、ガス又は液体燃料タービンを操作する方法であって、圧縮空気を燃焼及び冷却のために燃焼器に供給し、燃焼器に供給された空気の一部分を燃焼器の混合帯域内で燃料と混合させ、燃焼器に供給された空気の他の一部分を衝撃冷却によって燃焼器の一次燃焼帯域の壁を冷却するのに使用し、次いで、使用済み衝撃冷却空気を一次燃焼帯域の下流の後一次燃焼帯域内へ燃焼ガスの流れに対して横断方向に複数の冷却空気ジェットとして差向け、空気の前記一部分が該燃焼器に供給された空気の少くとも５０％を占めるようにすることを特徴とする方法が提供される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図を参照して本発明の実施形態を説明する。
一般に、燃焼器のサイズ及び形態は、タービンの全体設計及びパワー要件によって決定される。通常、タービンの軸線の周りに複数の燃焼器が配置される。
例として図示された燃焼器１は、長手軸線１００を有する総体的に円筒形又は「缶」型であり、タービンケーシング内に開口する圧縮空気囲い体内に取り付けられ、タービンの周りに等間隔に配置された４又はそれ以上の燃焼器のうちの１つである。
【００１１】
空気圧縮機（以下、単に「圧縮機」とも称する）（図示せず）は、各燃焼器１の内部に露出され燃焼ガスによって駆動される圧縮機タービンによって駆動される。圧縮機タービンは、圧縮空気を燃焼及び冷却のために燃焼器へ供給する圧縮機の各段に軸連結されている。
【００１２】
詳述すれば、各燃焼器１は、同心の内側円筒壁２と外側円筒壁３から成る。壁２と３とは、それらの間に環状の空間又は通路３０を画定するように互いに離隔されている。
内側壁２は、図示の実施例では環状に配列された複数の孔又はパーホレーション６を除いては、総体的に無孔である。各孔６には、後述するように冷却空気をジェットの形に形成するのを助成するために、かつ、壁２を補剛する（剛性を高める）ためにテーパリップ３６が形成されている。
【００１３】
外側壁３は、その表面全体に環状に又はらせん状に分布された多数のパーホレーション７，２７を有している。これらのパーホレーションは、圧縮空気（即ち、高圧空気）の細いジェットを内側壁２に衝突させることによって内側壁２に衝撃冷却を与える。図に示されるように、パーホレーション７は（後述するように）稀釈孔６の上流に配置されており、パーホレーション２７は稀釈孔６の下流に配置されている。
【００１４】
壁２、３の左端（即ち、下流端）には、円錐形ダクト８を介して燃料噴射組立体１１が取り付けられている。燃料噴射組立体１１は、空気流１３に半径方向速度成分と円周方向速度成分の両方を付与する多数のダクト１０を有する空気渦流創生器１２を備えている。領域１５は、ダクト１０を通って流入した空気が燃料噴射器１１によって軸方向に噴射された燃料と混合する混合帯域である。燃料噴出口自体は、特に図示されていないが、通常、後板に付設されたリングに設けられている。混合帯域１５の直ぐ下流に先一次燃焼帯域２５が形成される。両帯域１５と２５の間の境界は画然としていないが、波状線で示されている。
【００１５】
先に述べたように、燃焼器は、その全体が圧縮空気囲い体内に密閉されているので、空気は、燃焼器のそれぞれの孔又はダクトを通って燃焼器内に流入し、その孔又はダクトの位置に応じて燃焼又は冷却機能を果たす。代表的な従来技術の衝撃冷却式燃焼器においては、燃焼器に供給される全空気のうちのほぼ２０％が渦流創生器を通して搬入され、残りが冷却のために用いられる。
【００１６】
これに対して本発明の構成においては、利用し得る空気の相当に高い割合の一部分が空燃混合物を生成するのに用いられるので、混合帯域１５内に非常に希薄な空燃混合物が生成される。本発明においては、燃焼器に供給される空気の少くとも５０％が燃料噴射器１１からの燃料との直接混合に用いられることが企図されており、ある種の状況下では燃料に直接混合される空気の量を全空気のうちの５７％した場合に非常に有利な結果が得られることが認められた。
【００１７】
利用し得る空気のうちのそのような高い割合の空気を用いて空燃混合物を生成することにより、従来の燃焼器におけるより低い温度で燃焼が行われるので、汚染物質、即ちＣＯ及びＮＯｘの発生量を抑制することができる。
もちろん、初期空燃混合物のためにそのような高い割合の空気が使用されると、燃焼器を冷却するのに利用することができる空気の割合がそれだけ少なくなる。しかしながら、燃焼が低い温度で行われるので、そのこと自体が冷却用に使用される空気の量の減少分を一部埋め合わせる。更に、本発明の燃焼器は、後述するように利用可能な冷却空気の利用するのに特に効率的な冷却機構を有する。しかも、その冷却空気は、後述するように燃焼ガス中のＣＯを焼却する（焼き尽くす）のに利用される。
【００１８】
先一次燃焼帯域２５より下流の燃焼器１の内部は、下流から順に、混合帯域１５から延長した一次燃焼帯域１６と、後一次燃焼帯域１７と、ほとんど燃焼が行われない遷移帯域１８を構成する。遷移帯域１８は、燃焼器出口１９に通じており、出口１９は、燃焼器１内に創出された燃焼ガスによって駆動されるタービンへの入口に連通している。
【００１９】
先に述べたように、圧縮器によって供給される空気の少くとも５０％が各燃焼器１の混合帯域１５内で燃料と直接混合される。残りの空気は、以下に述べるように特別な流れ態様を示す。即ち、外側壁３に沿ってその周りを流れる空気は、矢印２０によって示されるようにパーホレーション７，２７を通って内側壁３に衝突し、それによって、燃焼器１に、より特定的にいえば、内側壁２の一次燃焼帯域１６及び後一次燃焼帯域１７を囲繞する部分に衝撃冷却を施す。壁２と３の間の環状空間３０に流入した空気は、矢印２１，３１によって示されるように内側壁２に沿って流れ内側壁に穿設された比較的大きい孔６に到達する。矢印２２が示すように、使用済み衝撃冷却空気は、軸線１００に対して実施例に半径方向に、即ち、一次燃焼帯域１６からの燃焼ガスの流れに対して横断方向に一連のジェットの形で高速度でかなりの力をもって後一次燃焼帯域１７に流入し、燃焼ガスと混合する。この空気（高速度でかなりの力をもって吹き込まれる空気）と帯域１６から帯域１７へ流れてきた燃焼ガス（燃焼生成物）との混合は、実質的に均一な半径方向の温度分布を与える働きをし、かつ、燃焼過程で発生した汚染物質ＣＯを減少させる、即ち、焼却するのに十分な帯域１７での滞留時間を与え、遷移帯域１８でも帯域１７におけるほど長くはないが、汚染物質ＣＯを減少させる滞留時間を与える。
【００２０】
使用済み衝撃冷却剤（空気）の後一次燃焼帯域１７内へ噴出される部位での温度は、燃焼生成物の急冷（即ち、過度の冷却）が起らないようにするような温度となるように構成する必要がある。さもないと（燃焼生成物の過度の冷却が起ると）、ＣＯがそれ以上焼却されないからである。この温度は、７００°Ｃより低くならないようにすべきであり、理想的には少くとも８００°Ｃにすべきであることが判明している。使用済み衝撃冷却空気を十分な力/ 速度及び適当な温度で後一次燃焼帯域１７内に流入させるには、壁２，３及びパーホレーション６，７，２７を慎重に設計することが要求される。
【００２１】
従って、所望の結果を得るには、即ち発生する汚染物質の量を少なくするように制御された燃焼、燃焼器の効果的な冷却、及び一次燃焼帯域１６の下流の燃焼生成物の均一な半径方向の温度分布を達成するには、外側壁３のパーホレーション７及び内側壁２の導入孔６の数、サイズ及び位置を、燃焼器が作動される特定の環境条件に適合し、かつ、孔６を通って流入する空気の必要な量及び速度を確保するように選定する。
【００２２】
ここに開示した本発明の衝撃冷却は、使用済み冷却剤を燃焼帯域の壁２の内面に沿って軸方向に噴射させる通常の冷却構造とは基本的に異なる。
遷移帯域１８を画定する壁２，３には、必要ならば、追加の冷却手段を組み入れることができる。例えば、それらの壁は単一の壁として示されているが、二重壁とするか、その他の構造とすることもできる。その場合、薄膜（フィルム）式又は衝撃（衝突）冷却を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明によるガスタービンの燃焼器の軸方向断面図である。
【符号の説明】
１：燃焼器
２：内側円筒壁
３：外側円筒壁
６：孔又はパーホレーション
７：孔又はパーホレーション
１１：燃焼噴射器
１２：空気渦流創世記
１５：混合帯域
１６：一次燃焼帯域
１７：後一次燃焼帯域
１８：遷移一次燃焼帯域
２５：先燃焼帯域
２７：孔又はパーホレーション
３０：環状空間又は通路
３６：テーパリップ
１００：長手軸線

Claims (6)

1. 燃焼及び冷却のために空気を燃焼器に供給するための圧縮機を有するガス又は液体燃料タービンのための燃焼器であって、
   燃料を該燃焼器に供給された空気の一部分と混合させる混合帯域と、該混合帯域の下流に設けられた一次燃焼帯域と、該一次燃焼帯域の下流に設けられた後一次燃焼帯域を含み、該一次燃焼帯域と後一次燃焼帯域とは、共に、衝撃冷却によって冷却される壁の内側に形成されており、該壁は、前記後一次燃焼帯域を画定する領域に、使用済みの衝撃冷却空気を燃焼ガスの流れに対して横断方向に複数の冷却空気ジェットとして該燃焼器の長手軸線に対して半径方向に該後一次燃焼帯域内へ噴射するための複数の孔を有しており、空気の前記一部分が前記燃焼器に供給された空気の少くとも５０％を占めるように構成されていることを特徴とする燃焼器。
2. 前記各孔にテーパリップが形成されている請求項１に記載の燃焼器。
3. ガス又は液体燃料タービンを操作する方法であって、
   圧縮空気を燃焼及び冷却のために燃焼器に供給し、該燃焼器に供給された空気の一部分を該燃焼器の混合帯域内で燃料と混合させ、該燃焼器に供給された空気の他の一部分を衝撃冷却によって該燃焼器の一次燃焼帯域の壁を冷却するのに使用し、次いで、その使用済み衝撃冷却空気を該一次燃焼帯域の下流の後一次燃焼帯域内へ燃焼ガスの流れに対して横断方向に複数の冷却空気ジェットとして差向け、空気の前記一部分が該燃焼器に供給された空気の少くとも５０％を占めるようにすることを特徴とする方法。
4. 前記後一次燃焼帯域に流入する空気を少くとも７００°Ｃとする請求項３に記載の方法。
5. 前記後一次燃焼帯域に流入する空気を少くとも８００°Ｃとする請求項４に記載の方法。
6. 前記後一次燃焼帯域に流入する使用済みの衝撃冷却空気の前記ジェットを該後一次燃焼帯域内の燃焼ガスと混合させて該後一次燃焼帯域内に実質的に均一な半径方向の温度分布を設定する請求項３〜５のいずれか１つに記載の方法。

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