JP3927612B2 - ガスタービン群の燃焼器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン群の燃焼器であって、当該燃焼器が、第１のタービンの下流側にかつ第２のタービンの上流側に配置されていて、第１のタービンの流出平面と、第２のタービンの上流側流入平面との間に延びる、バーナなしの燃焼室と、ランス状の燃料噴射部とを備えており、該燃料噴射部が、主流に対して横方向で燃焼室のほぼ中心軸線にまで延びる燃料ノズルホルダと、流れ方向で中心軸線に配置された、燃料ノズルホルダに結合された燃料ノズルとから成っており、当該燃焼器が、予混合燃焼によってフィルム冷却空気なしに働くようになっており、当該燃焼器内への第１のタービンの排ガスの進入温度が、燃料の自己着火温度を上回っている形式のものに関する。
【０００２】
さらに本発明は、このような後燃焼器を運転する方法に関する。
【０００３】
【従来の技術】
気体燃料もしくは液体燃料のための自己着火温度を上回る温度を有し、かつ有害物質の少ない予混合燃焼が行われるような、常設ガスタービンのための後燃焼器においては、しばしば組込み部が配置されている。このような組込み部の後流は不所望の火炎ホルダの危険を孕んでいる。
【０００４】
このように燃料噴射部は、ガスタービン燃焼器に組込まれた構成部分の一例として構造上しばしば、燃焼器の流れに晒された湾曲した供給部を介して実現される。燃料ノズルの、主流に対してジオメトリックに見て横方向に位置するホルダは、ノズル自体の鈍端と同じように再循環流を備えた死水域を形成する。この場所、つまり、ランス状の燃料噴射部の横方向に位置する部分の背後の後流区域においては、局地的に再循環する流れ特性によって、不十分な状態で混合された燃料・空気混合物が再び上流側に搬送される恐れがある。これにより、この後流においては、予混合火炎の代わりに、比較的高い有害物質生産を伴う拡散火炎が生ぜしめられる。この火炎はこのような後流域においては安定的に燃焼する。それというのは、常に燃料が流れ再循環によって噴射個所から死水域に搬送されるからである。
【０００５】
このような従来技術の欠点は、このような火炎においては、燃焼ゾーンにおける比較的長い滞留時間と高い火炎温度とによって、大抵の場合有害物質生成が燃料噴射部下流側の所期の予混合燃焼に比べて著しく高められることである。このような作用は、有害物質エミッション値に対する要求が徐々に強まっている点から見て望ましいものではない。
【０００６】
さらに、構成部分の熱負荷が高まる恐れがあり、ひいては構成部分壁の比較的手間のかかる冷却が必要となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、冒頭で述べた形式の燃焼器を改良して、上記すべての欠点を回避し、主としてバーナなしの燃焼室と、主流に対して横方向に配置されたランス状の燃料噴射部とから成る密な、つまり付加空気（例えばフィルム冷却空気）なしで働きかつ有害物質の少ない予混合燃焼によって働く燃焼器を提供することである。さらに本発明の課題は、燃料噴射部の後流、つまり本来の燃焼ゾーンのはるか手前における火炎の形成を抑制するような、前記燃焼器を運転するための方法を提供することである。
【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、後流区域における流れの速度プロフィールを均らしかつ温度を低下させるために、燃料噴射部の内部に、付加的な空気質量流を案内するための空気供給路が配置されており、該空気供給路が、複数の吹出し開口に結合されており、該吹出し開口が、燃料ノズルの、下流側に位置する部分に位置しており、吹出し開口が、主流の方向に向けられており、吹出し開口の直径が、約１ｍｍであるようにした。
【００１０】
【発明の効果】
本発明の利点は特に、不所望の火炎ホルダ作用が減じられる一方で、燃料供給もしくは燃焼のまえに付加空気と主質量流との良好な混合が得られるので、有害エミッションが減じられることである。さらに、構成部分の付加的な熱負荷が阻止される。
【００１１】
さらに、ノズルホルダと本来の燃料ノズルとの間に、主流の流れ方向において僅かな間隔（ホルダ直径の５倍よりも小さい）しか設けられておらず、これにより、燃料ノズルホルダの後流においても不所望の火炎ホルダ作用が計算されなければならないような、ランス状の燃料噴射部を備えた燃焼器の場合、空気供給路に結合されたさらに別の吹出し開口が、燃料ノズルホルダの、下流側に位置する部分で少なくとも１つの列を成して配置されていると有利である。
【００１２】
本発明による燃焼器を運転するための方法の場合、燃料噴射部の、主流に対して横方向に位置する部分の後流において、燃焼器内への吹出し開口を通って付加的な空気質量流が本来の燃焼ゾーンの手前で吹出される。この場合、空気質量流の大きさは高温ガスの質量流の０．５％よりも小さい。
【００１３】
付加的な空気質量流が、加熱された燃料器冷却空気から取出されると特に有利である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図面には、ガスタービン後燃焼器のためのランス状の燃料ノズルの、本発明の実施例が示されている。本発明の理解のために重要なエレメントのみ図示している。媒体の方向を矢印で示した。
【００１５】
次に本発明を、図１〜４に示した実施の形態について説明する。
【００１６】
図１は、ガスタービンプロセスに組込まれた後燃焼器１４を概略的に示している。この後燃焼器１４は、圧縮ユニット（図示せず）と、この圧縮ユニットに続いて設けられた第１の燃焼器（やはり図示せず）と、この第１の燃焼器の下流側で作用する第１のタービン１１との下流側に配置されている。さらに後燃焼器１４の下流側では、第２のタービン１２が作用する。
【００１７】
後燃焼器１４は、第１のタービン１１の高温排ガスの主流１で負荷される。この後燃焼器１４は、バーナなしの燃焼室から成っている。この燃焼室は、第１のタービン１１の流出平面と、第２のタービン１２の上流側流入平面との間に延びている。この後燃焼器は、有利には、中心軸線１５から見て軸線方向または準軸線方向の連続した環状の円筒形状を有しており、混合ゾーンＭを備えた流入ゾーンＺと、燃焼ゾーンＶとから構成されている。後燃焼器１４は軸線方向、準軸線方向またはねじ状に配置された、閉じた複数の燃焼室から成っていてもよい。
【００１８】
後燃焼器を形成する環状の円筒体の周方向において、ランス状の複数の燃料噴射部２が配置されている。これらの燃料噴射部は、例えば図示していない環状導管を介して互いに結合されており、この燃料噴射部によって、燃料１３が高温ガス流に混合される。
【００１９】
燃料１３としては気体燃料、例えば天然ガス、またはオイル・水エマルジョンが使用される。僅かなＮＯｘへの要求が徐々に高まっている理由から、有利には天然ガス運転を行うことが望ましい。それというのは、極めて低いＮＯｘ値が達成可能であるからである。後燃焼器１４においては、有害物質の少ない予混合燃焼が行われる。この後燃焼器内への進入温度は極めて高い。それというのは、高温ガス（第１のタービンの排ガス）がほぼ１０００°Ｃの温度を有しているからである。従ってこのような温度は、燃料の自己着火温度よりも高い。
【００２０】
混合区間Ｍにおいては、高温ガス１による燃料１３の強力な混合が生ぜしめられる。有害物質の少ない燃焼のためには、火炎Ｆが混合区間Ｍの下流側で初めて安定的に燃焼し、燃料噴射部２の後流においてはまだ燃焼しないようにしなければならない。それというのは、さもなければ従来の技術において述べた欠点が生じてしまうからである。このような理由から液体燃料による運転時には、純然たるオイルの代わりにオイル・水エマルジョンも使用される。それというのはこのオイル・水エマルジョンは、純然たるオイルよりも着火するのが遅いからである。
【００２１】
図２は、後燃焼器１４の燃料噴射部２の領域を拡大して示した部分縦断面図である。ランス状の燃料噴射部２は、燃焼器壁７を通って後燃焼器１４の内部に案内されている。この燃焼器壁は、燃焼器冷却空気４の流れによって純然たる対流方向で冷却されて過熱を防止され、燃焼器内に例えばフィルム冷却空気を進入させるための開口を有してはいない。この燃料噴射部は、燃料ノズルホルダ８と燃料ノズル９とから成っている。円筒形の燃料ノズルホルダ８は、後燃焼器１４の主流１に対して横方向に設けられており、燃焼器の中心にまで、つまり、符号Ｈ／２（燃料ノズルの領域において互いに対向する燃焼器壁の相互の間隔Ｈの半分）にまで達しているので、この燃料ノズルホルダに続いて設けられた燃料ノズル９もやはり主流１の中心に位置している。
【００２２】
図２に示した実施例の場合、燃料ノズルホルダ８と本来の燃料ノズル９との間に、比較的大きな距離が流れ方向に存在している。このような距離はホルダ直径の５倍よりも大きいことが望ましい。ただしこのことは図２においては寸法通りには示されていない。これにより、主流１に対して横方向に設けられた燃料ノズルホルダ８が、再循環流を備えた区域を形成しはするものの、このような再循環区域は無視することができる。それというのは、燃料１３の噴射個所１０から大きく隔たっていることに基づき、燃料はこのような区域には搬送されないので、このような区域には不所望の火炎ホルダ作用が生じることはないからである。
【００２３】
しかしながら、燃料ノズル９の後流区域においては状況は別である。この場所では、本発明による手段を用いない場合、火炎速度に比べて小さな流れ速度を備えた再循環流が通常生ぜしめられる。このような流れ速度は、このような区域において不所望の火炎を安定化するための要因である。局地的に再循環する流れ特性によって、不十分な状態で混合された燃料・空気混合物が再び上流側に搬送される。つまり、このような燃料・空気混合物は下流側で行われる、有害物質の少ない予混合燃焼には関与しないわけである。その代わりに、燃料ノズル９の後流において、極めて高い有害物質生産を伴う拡散フレームが生ぜしめられる。
【００２４】
燃料噴射部２に、速度プロフィールを均らし、かつ燃料ノズル９の後流区域における温度を低下させるような手段が設けられていると、再循環流の不所望の区域が減じられるかもしくは完全に排除される。このような手段は、図２〜５に示された燃料噴射部内部に配置された空気供給路５と吹出し開口６である。これらを通って付加的な空気質量流３が後燃焼器１４内に導入される。これらの吹出し開口６は、燃料ノズルの、下流側に位置する部分に配置されている。
【００２５】
この付加的な空気質量流３は、例えば固有に調製された、噴射個所１０から出た天然ガス噴流と混合される。空気吹出しが火炎の上流側で、つまり本来の燃焼ゾーンの手前で行われるので、このような空気も混合され、予混合燃焼を妨げることはなく、この空気は完全に燃焼に関与し、ひいては有害物質値の間接的な増大を招くことはない。
【００２６】
この実施例においては、付加的な空気質量流３は、加熱された燃焼器冷却空気４から取出される。勿論、この付加的な空気質量流３は他の空気流から取出されてもよい。例えばこの空気質量流は燃焼器の外部に配置されたプレナム室から取出されてよい。
【００２７】
これにより吹出し率に応じて、火炎ホルダ作用の必要な減小が達成されるとともに、燃料のための噴射個所１０の手前でつまり燃焼のまえに、付加的な空気質量流３と主流１とを良好に混合することができる。吹出し率の設定は、吹出された空気質量流が高温ガスの質量流の０．５％よりも小さくなるように行うのが望ましい。
【００２８】
図４は、図２の部分横断面図である。ローマ数字Ｉで、ランス状の燃料噴射部２に流れが衝突するまえの主流１の温度プロフィールおよび速度プロフィールが示されている。ローマ数字ＩＩで、後流における速度プロフィールが示されている。さらに、ローマ数字ＩＩＩで、後流における温度プロフィールが示されている。燃料噴流の混合作用は示されていない。
【００２９】
図５は、比較のために、従来技術に基づく対応特性を示している。本発明により２つのポジティブな効果が得られる。すなわち、第１に、組込み部による流れ速度の低下が減じられる。例えば速度差ΔＵが従来技術と比較して半分になる。第２に、後流における温度が低下する。すなわち、温度差ΔＴが得られる訳である。これにより、着火遅延時間、つまり自己着火までの時間が増大して、燃料と高温ガスとの良好な混合が行われる。
【００３０】
別の実施例が図３に示されている。この実施例に示されたランス状の燃料噴射部２の場合、主流１に対して横方向に配置された燃料ノズルホルダ８と、本来の燃料ノズル９との相互間隔は、図２に示した実施例よりも著しく小さい。このことが意味するのは、燃料ノズルホルダ８が燃料ノズル９自体の鈍端のように、再循環流を備えた区域を形成する点である。従って燃料ノズルホルダ８の後流において火炎ホルダ作用を抑制するためには、空気供給路５に結合された別の吹出し開口６が、燃料ノズルホルダ８の、下流側に位置する部分に配置されなければならない。これらの吹出し開口は複数列を成して取付けられていると有利である。
【００３１】
本発明の別の利点は、付加的な空気質量流３が同時に、燃料ノズルホルダ８および燃料ノズル９の場合によっては必要となる冷却にも貢献することである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービン後燃焼器を概略的に示した縦断面図である。
【図２】燃料ノズルホルダと本来の燃料ノズルとの流れ方向における相互間隔が比較的大きい、燃焼器のランス状の燃料噴射部の領域を示した部分縦断面図である。
【図３】燃料ノズルホルダと本来の燃料ノズルとの流れ方向における相互間隔が比較的小さい、燃焼器のランス状の燃料噴射部の領域を示した部分縦断面図である。
【図４】燃料噴射部の上流側における温度プロフィールおよび速度プロフィール（Ｉ）と、燃料噴射部の下流側、すなわち後流における温度プロフィール（ＩＩＩ）および速度プロフィール（ＩＩ）とを示した各概略図を付した、図２の４ａ−４ａ線に沿った横断面図である。
【図５】後流に影響を及ぼさない従来技術に基づいた、図４と同様に示した図である。
【符号の説明】
１ 主流、 ２ 燃料噴射部、 ３ 空気質量流、 ４ 燃焼器冷却空気、 ５ 空気供給路、 ６ 吹出し開口、 ７ 燃焼器壁、 ８ 燃料ノズルホルダ、 ９ 燃料ノズル、 １０ 噴射個所、 １１ 第１のタービン、 １２ 第２のタービン、 １３ 燃料、 １４ 後燃焼器、 １５ 中心軸線、 Ｔ 温度、 ΔＴ 温度差、 Ｕ 速度、 ΔＵ 速度差、 Ｈ 間隔、 Ｚ 流入ゾーン、 Ｍ 混合ゾーン、 Ｖ 燃焼ゾーン

Claims (4)

1. ガスタービン群の燃焼器（１４）であって、当該燃焼器（１４）が、第１のタービン（１１）の下流側にかつ第２のタービン（１２）の上流側に配置されていて、第１のタービン（１１）の流出平面と、第２のタービン（１２）の上流側流入平面との間に延びる、バーナなしの燃焼室と、ランス状の燃料噴射部（２）とを備えており、該燃料噴射部（２）が、主流（１）に対して横方向で燃焼室のほぼ中心軸線にまで延びる燃料ノズルホルダ（８）と、流れ方向で中心軸線に配置された、燃料ノズルホルダ（８）に結合された燃料ノズル（９）とから成っており、当該燃焼器（１４）が、予混合燃焼によってフィルム冷却空気なしに働くようになっており、当該燃焼器（１４）内への第１のタービン（１１）の排ガスの進入温度が、燃料（１３）の自己着火温度を上回っている形式のものにおいて、後流区域における流れの速度プロフィールを均らしかつ温度を低下させるために、燃料噴射部（２）の内部に、付加的な空気質量流（３）を案内するための空気供給路（５）が配置されており、該空気供給路（５）が、複数の吹出し開口（６）に結合されており、該吹出し開口（６）が、燃料ノズル（９）の、下流側に位置する部分に位置しており、吹出し開口（６）が、主流（１）の方向に向けられており、吹出し開口（６）の直径が、約１ｍｍであることを特徴とする、ガスタービン群の燃焼器。
2. 燃料ノズルホルダ（８）と燃料ノズル（９）との軸線方向の相互間隔が、燃料ノズルホルダの直径の５倍よりも小さい燃料噴射部（２）が使用され、空気供給路（５）に結合された別の吹出し開口（６）が、燃料ノズルホルダ（８）の、下流側に位置する部分に、少なくとも１つの列を成して配置されている、請求項１記載の燃焼器。
3. 請求項１記載の燃焼器を運転する方法において、燃料噴射部（２）の、主流（１）に対して横方向に位置する部分の後流で、燃焼器（１４）内への吹出し開口（６）を通して、付加的な空気質量流（３）を本来の燃焼ゾーンの手前で吹出し、空気質量流（３）の大きさを高温ガス（１）の質量流の０．５％よりも小さくすることを特徴とする、燃焼器を運転する方法。
4. 付加的な空気質量流（３）を、加熱した燃焼器冷却空気（４）から取出す、請求項３記載の方法。

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