JP4036962B2 - 燃焼器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はバーナドームにより外側から制限されていて少なくとも主空気流を受容するためのプレナムを備えた燃焼器であって，プレナム内に配置された少なくとも１つのバーナと，プレナムの下流に形成された燃焼室と，プレナム内に開口していて燃焼室を取囲んでいる少なくとも１つの冷却通路と，副次空気流のための，バーナドームに形成された少なくとも１つの開口とを備えている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンプラントの燃焼器は多数のバーナを介して液状及び又はガス状の燃料と噴霧空気との供給を受ける。そのことのために，バーナはしばしば，バーナの周りのスペース，いわゆるプレナムを外から閉鎖するバーナドーム内に配置される。このプレナムは燃焼器の上流に配置されていて燃焼器壁に結合されている。燃焼に必要な空気はガスタービンプラントの圧縮機から供給される。その場合，主空気流はまず燃焼器壁の冷却のために利用され，そのことのために燃焼器壁の外側に設けた冷却通路に沿って案内される。この冷却通路はプレナム内に開口している。このプレナムからは，冷却通路内で予熱された空気が燃焼空気としてバーナを介して燃焼器内へ達し，最終的には供給された燃料と一緒に燃焼させられる。確実なバーナ運転を保証することができるように，バーナドーム内へ流入した燃焼空気に，規定された流れ構造が付与されなければならない。
【０００３】
新しい燃焼器冷却技術の使用時には，所要の冷却空気量及び燃焼空気量が部分的に明らかに互いに異なってくる。燃焼のためには極めて大量の空気が所望されるため，冷却空気に対して付加的に圧縮機空気流の相応の空気量が直接にバーナドーム内に案内される。いわゆるこのバイパス空気が同様にプレナム内に導入されることができるように，例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５１６７９８号明細書に示されているように，バーナドームには適当な開口が形成されている。
【０００４】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５２３０９４号明細書によれば，バイパス空気の供給のための別の解決手段が公知であり，この手段によれば，この副次空気流はプレナムへの移行部に位置する少なくとも１つの噴射機構を介して主空気流（冷却空気）内に導入される。このことにより，両方の空気流の混合が良好に行われる割りには比較的わずかな圧力損失が実現される。
【０００５】
しかし，ガスタービンの温度設計と使用される燃料とに応じて，燃焼器内での燃焼のために必要な空気要求量と燃焼器の冷却のために必要な空気要求量とが極めて大きく異なることがある。それゆえ，バイパス空気量を変化させることができるようにすることが必要である。しかし，バイパス空気の質量流れを変化させても，バーナドーム内の流れ状態が損なわれてはならない。さもなければ，要するにバイパス空気の流入状態が不都合である場合には，主空気流及びその安定性にネガティブに作用することのある渦，逆流区域及びこの種の別の現象が生じる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
これらのすべての欠点を回避すべく本発明の課題とするところは，冷却空気と燃焼空気との質量流れが互いに異なる場合でも，最適なバーナ入射流が保証されるような，改善された空気供給を受ける燃焼器を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題は，本発明によれば請求項１に記載のように，少なくとも１つの冷却通路がプレナム内まで延長されており，かつプレナムの内部では，プレナム内へのオリフィスを備えたディフューザとして形成されており，バーナドームの少なくとも１つの開口がディフューザの領域内に又はそのオリフィスのすぐ下流に配置されており，各開口の下流に，プレナム内へのオリフィスを備えたバイパス通路が接続されており，各バイパス通路のオリフィスがディフューザのオリフィスに対して少なくともほぼ平行に形成されており，かつ外へ向かって段状にずれて形成されており，各バイパス通路が圧力調整装置を備えていることにより解決される。
【０００８】
【発明の効果】
このジオメトリによれば，バイパス空気の質量流れのみならず速度及び流れの方向をも，主空気流すなわち少なくとも１つの冷却通路を介してプレナム内へ流入する燃焼空気に適合させることができる。その場合，バイパス空気は主空気流に対して平行に導入されるばかりでなく，直接にバーナドームの内壁のところでいわゆるウオール・ジエットとしてプレナム内へ導入される。このことにより，流れの剥離が効果的に抑制される。バーナ通路内に取付けられた圧力調整装置は有利に副次空気流（バイパス空気）の圧力比の，主空気流内の圧力比への適合をもたらす。この形式で，バーナ入射流の妨げが回避され，このことが燃焼器内での燃焼を改善せしめ，ひいてはガスタービンプラントの効果的かつエミッションの少ない運転をもたらす。さらに，ディフューザは流れ速度の減少と主空気流の最大の圧力回収とに役立てられる。バイパス空気が不要の場合でも，バイパス通路のオリフィスが段として作用して，いわゆるステップディフューザを形成し，このステップディフューザの端部に，規定された剥離点が形成される。このことにより，ディフューザ内での規定されない，要するに局所化されない剥離の危険が回避される。
【０００９】
開口の下流に少なくとも１つの別の開口がバーナドームに形成されていると特別有利である。上流に配置された開口と同様に，それぞれ別の開口が，下流に配置されていてプレナム内へのオリフィスを備えたバイパス通路を備えている。これらの各バイパス通路は同様に圧力調整装置を備えている。これにより，それぞれ個々のバイパス通路の通路高さを最適なディフューザ運転に適合させることができる。主空気流の方向で相前後して配置された複数の開口のバイパス通路のオリフィスは段状にずれており，かつ少なくとも近似的に互いに平行に配置されている。この二重の段はバイパス空気の所要の方向性をもたらす。小さい段の段後の流れ内での剥離領域が相応に小さいため，複数の小さい段は１つの大きな段に比して比較的わずかな圧力損失しかもたらさない。
【００１０】
圧力調整装置が蜂の巣構造体として形成されていて空気入口側でスリット内に配置されていると特別有利である。蜂の巣構造体体により，バイパス空気が方向性を与えられかつ均一化され，その結果，プレナム内への規定された入射流を得ることができる。蜂の巣構造の種類，要するにその長さ及びその遮蔽作用が，必要とされる圧力損失に応じて選択されることによって，副次空気流は燃焼器の一般的な運転条件に応じて予期される主空気流の速度比及び圧力比に適合せしめられる。検査時間及び停止時間中に蜂の巣構造体の交換が可能であり，その結果，これらの圧力調整装置は，変化した運転条件にも適合可能である。少なくとも最も下流に配置された蜂の巣構造体のところに蜂の巣構造体カバーのための保持体が取付けられる。同様に機械の停止中に行われる蜂の巣構造体カバーの取付けにより，蜂の巣構造が閉鎖され，これにより有利には冷却空気への比較的大きな要求にも対処することができる。
【００１１】
蜂の巣構造体に対して代替的に，圧力調整装置は，貫通するインパクト孔を備えていて開口を閉鎖する遮蔽板と，バイパス通路内に配置されたインパクト面とから成ることができる。燃焼器の運転時にインパクト孔を通してプレナム内に侵入する副次空気流の噴流がまず最初にインパクト面に衝突し，このことにより所望の圧力損失が得られる。
【００１２】
インパクト孔の少なくとも１つが閉鎖可能に形成されており，かつこのことのために，孔閉鎖カバーのための保持体を備えていると特別有利である。孔閉鎖カバーの組込みもしくは組外しは同様に機械の停止中に行われる。相応して孔を遮蔽又は開放することにより，供給すべきバイパス空気の流れ質量を燃焼器の冷却要求に適合させることができる。そのことのために，各遮蔽板のそのつど最も下流に配置されたインパクト孔が閉鎖されることができると有利であり，その結果，主空気流のための可能な限り良好なディフューザ作用が保証される。
【００１３】
最後に，バーナドーム内に少なくとも２つの開口が形成され，かつこれらの開口が圧縮機空気流に対して少なくともほぼ直角方向に位置する１平面内に均一に分配されて配置されている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次ぎに，図面について本発明の２つの実施例をガスタービンプラントの燃焼器にもとづき説明する。
【００１５】
本発明の理解にとって重要なエレメントだけが図示されている。ガスタービンプラントのうち，例えば圧縮機及びガスタービン並びにバーナドームの外部に位置する燃料供給手段は図示されていない。作動媒体の流れ方向は矢印で示されている。
【００１６】
図示されていないガスタービンプラントは主として圧縮機と，環状燃焼器として形成されていて燃焼室２及び燃焼器壁３を備えた環状燃焼器１と，ガスタービンと，このガスタービンに接続された発電機とから成っている。燃焼器１の燃焼室２には，バーナドーム４内に固定されていて燃料供給に役立つ円錐バーナとして形成された多数のバーナ５が結合されている。各円錐バーナ５は入射流側に配置されたスワール発生器６と，継目なしにこれに接続されていて燃焼室２内に開口した混合区域７とから成る。これに相応して形成されていてヨーロッパ特許出願公開第０７０４６５７号明細書から公知である円錐バーナ５は混合区域７が管状であるために管バーナとして記載されている。このバーナはたんに略示されたそれぞれ１つのバーナランス８を介してバーナドーム４の外部から燃料９の供給を受ける。別の形式のバーナを使用することもできるのは勿論である。
【００１７】
燃焼室２の外部にはこれを取り囲むように冷却通路１０が配置されており，この冷却通路内には，環状燃焼器１内で燃料９を燃焼させるために必要な燃焼空気が圧縮機から案内される。最初に燃焼器壁３の冷却のために利用された燃焼空気は均一な主空気流１１を形成する。この主空気流は冷却通路１０のオリフィス１２を介して，バーナドーム４の内部に形成された室，要するに円錐バーナ５のプレナム１３内へ導入される。そのことのために，冷却通路１０はプレナム１３内にまで延長されており，かつプレナム１３内でディフューザ１４として形成されており，その結果，冷却通路１０のオリフィス１２はディフューザ１４のオリフィスでもある。それぞれのディフューザ１４の下流側の端部のところにはバーナドーム４の両側に，スリットとて形成されたそれぞれ２つの開口１５，１５′がバーナドーム４に配置されている（図１）。各スリット１５，１５′の下流にはプレナム１３へのオリフィス１７，１７′を備えた１つのバイパス通路１６，１６′が接続されている。バイパス通路１６，１６′のオリフィス１７，１７′はディフューザ１４のオリフィス１２に対してほぼ平行に向けられている。さらに，バイパス通路１６，１６′のオリフィス１７，１７′は相互にずれて配置されていると共に，ディフューザ１４のオリフィス１２に対しても外に向かって段状にずれて配置されている。
【００１８】
本発明の第１実施例では空気入口側に，蜂の巣構造体として形成された圧力調整装置１８，１８′がバイパス通路１６，１６′内に配置されている。この圧力調整装置１８，１８′はバーナドーム４の両側に，破線で示した蜂の巣構造体カバー２６のためのそれぞれ１つの保持体１９を備えており，かつこれにより閉鎖可能に形成されている（図２）。
【００１９】
環状燃焼器１の運転時に燃焼器冷却のコンセプトに応じて種々異なる出力が求められるため，環状燃焼器１内で必要とされる燃焼空気の一部が燃焼器壁３の冷却のために変化した量で使用される必要がある。そのことのために，圧縮機からもたらされた燃焼空気から副次空気流２０が分流されて，バイパス空気２０として，バーナドーム４内に設けられたスリット１５，１５′を介してプレナム１３内へ導入される（図１）。このバイパス空気２０の量は全燃焼空気量の２０％まで可能である。その場合，バイパス空気２０はいわゆるウオールジェット２５を成して主空気流１１に対してほぼ平行に，かつ主空気流１１とほぼ同じ速度でプレナム１３内に導入される（図２）。バイパス空気２０の必要な圧力損失は圧力調整装置１８，１８′を介して実現される。この形式で，バーナ入射流の障害が回避され，このことが環状燃焼器１内での燃焼の改善と，ひいてはガスタービンプラントのエミッションの少ない効果的な運転とをもたらす。
【００２０】
その上，主空気流１１がディフューザ１４によりプレナム１３内へ導入されるため，その圧力損失が軽減される。このことにより，主空気流１１と副次空気流２０との間の圧力差が減少させられ，その結果，比較的短い圧力調整装置１８，１８′の使用が可能となる。蜂の巣構造体カバー２６によって，バイパス空気２０の質量流れを後から環状燃焼器１の測定された要求に適合させることができる。このことのために，蜂の巣構造体カバー２６はガスタービンプラントの停止時に，対応する保持体１９内へ挿入されてそのところに固定される。その場合，まず最初に，最も下流に配置された圧力調整装置１８′が閉鎖される。蜂の巣構造体カバー２６を溶接することができるのは勿論である。
【００２１】
最終的に，燃焼器壁３の対流冷却により予熱された主空気流１１並びに燃焼空気の副次空気流はプレナム１３を介して円錐バーナ５内へ，かつそこから環状燃焼器１内へ達する。環状燃焼器１内では燃焼空気が，供給された燃料９と共に燃焼させられて熱い作動ガスを形成する。この作動ガスは図示されていないガスタービンを介して膨張して，圧縮機と発電機との駆動に役立てられ，その際，発電機は外部の消費装置のための電流を発生する。
【００２２】
本発明の第２実施例では，圧力調整装置１８，１８′がそれぞれ，スリット１５，１５′を閉鎖する遮蔽板２１，２１′に配置された２列のインパクト孔２２，２２′と，それぞれスリット１５，１５′ごとにバイパス通路１６，１６′の内部に配置された１つのインパクト面２３，２３′との組合せとして形成されている。インパクト孔２２，２２′は遮蔽板２１，２１′の全周にわたり分配されている。バーナドーム４の一方の側で上流に配置されたスリット１５は第１のインパクト面２３を有しており，バーナドーム４の同じ側で下流に形成されたスリット１５′は第２のインパクト面２３′を有している。両方のインパクト面２３，２３′並びに下流に配置されたバーナドーム４は主空気流１１の方向で段状に形成されている。バーナドーム４の両側でインパクト孔２２，２２′は閉鎖可能に形成されており，かつそのことのために，破線で示した孔カバー２７のための保持体２４を備えている。
【００２３】
環状燃焼器１の運転時に，インパクト孔２２，２２′と，これに続くバイパス通路１６，１６′とを通ってプレナム１３内へ侵入したバイパス空気２０の噴流はまず最初にインパクト面２３，２３′に衝突し，これによって所望の圧力損失が得られる。運転形式に応じて，単数又は複数のインパクト孔列を閉鎖することができ，その際，下流に配置されたインパクト孔列から閉鎖が開始される。副次空気流２０の，主空気流１１へのその他の適合は第１実施例と同様に行われる。
【００２４】
両方の実施例において，いわゆる二段の外側のスリット１５′は遮蔽されることができる（図２及び図３で部分的にのみ示す）。この場合，内側のスリット１５は副次空気流２０を必要な範囲で維持し，他面において外側のスリット１５′は段付きディフューザとして作動する。バイパス空気２０が不要な場合には，両方のスリット１５，１５′を閉鎖することができ，これにより，２段ディフューザが生じる（図示せず）。この種のディフューザによれば，比較的大きな１つだけの段による場合に比して大きな圧力利得が得られる。両方のスリット１５，１５′の間の相応する剥離区域はディフューザ１４内への逆流を発生させない働きを有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にもとづく燃焼器の略示部分縦断面図である。
【図２】本発明の第１実施例の燃焼器においてスリットの領域内でバーナドームを拡大して示す図である。
【図３】本発明の第２実施例を図２と同様に示す図である。
【符号の説明】
１ 燃焼器（環状燃焼器）， ２ 燃焼室， ３ 燃焼器壁， ４ バーナドーム， ５ バーナ（円錐バーナ）， ６ スワール発生器， ７ 混合区域，８ バーナランス， ９ 燃料， １０ 冷却通路， １１ 主空気流， １２ 冷却通路のオリフィス， １３ プレナム， １４ ディフューザ， １５，１５′ 開口（スリット）， １６，１６′ バイパス通路， １７，１７′バイパス通路のオリフィス， １８，１８′ 圧力調整装置（蜂の巣構造体）， １９ 保持体， ２０ 副次空気流（バイパス流）， ２１，２１′ 遮蔽板， ２２，２２′ インパクト孔， ２３，２３′ インパクト面， ２４ 保持体， ２５ ウオールジェット， ２６ 蜂の巣構造体カバー， ２７ 孔カバー

Claims (10)

1. バーナドーム（４）により外側から制限されていて少なくとも主空気流（１１）を受容するためのプレナム（１３）を備えた燃焼器であって，プレナム（１３）内に配置された少なくとも１つのバーナ（５）と，プレナム（１３）の下流に形成された燃焼室（２）と，プレナム（１３）内に開口していて燃焼室（２）を取囲んでいる少なくとも１つの冷却通路（１０）と，副次空気流（２０）のための，バーナドーム（４）に形成された少なくとも１つの開口（１５，１５′）とを備えている形式のものにおいて，
   ａ） 少なくとも１つの冷却通路（１０）がプレナム（１３）内まで延長されており，かつプレナム（１３）の内部ではこの冷却通路がプレナム（１３）内へのオリフィス（１２）を備えたディフューザ（１４）として形成されており，
   ｂ） バーナドーム（４）の少なくとも１つの開口（１５，１５′）がディフューザ（１４）の領域内に又はそのオリフィス（１２）のすぐ下流に配置されており，
   ｃ） 各開口（１５，１５′）の下流に，プレナム（１３）内へのオリフィス（１７，１７′）を備えたバイパス通路（１６，１６′）が接続されており，
   ｄ） 各バイパス通路（１６，１６′）のオリフィス（１７，１７′）がディフューザ（１４）のオリフィス（１２）に対して少なくともほぼ平行に形成されており，かつ外へ向かって段状にずれて形成されており，
   ｅ） 各バイパス通路（１６，１６′）が圧力調整装置（１８，１８′）を備えていることを特徴とする燃焼器。
2. 各開口（１５）の下流に少なくとも１つの別の開口（１５′）がバーナドーム（４）に形成されており，この別の各開口が，下流に配置されていてプレナム（１３）内へのオリフィス（１７′）を備えたバイパス通路（１６′）を有しており，各バイパス通路（１６′）が圧力調整装置（１８′）を備えており，かつバイパス通路（１６，１６′）のオリフィス（１７，１７′）が段状にずれて配置されており，かつ互いに少なくともほぼ平行に配置されている請求項１記載の燃焼器。
3. 圧力調整装置（１８，１８′）が蜂の巣構造体として形成されている請求項１又は２記載の燃焼器。
4. 蜂の巣構造体（１８，１８′）が空気入口側でバイパス通路（１６，１６′）内に配置されている請求項３記載の燃焼器。
5. 蜂の巣構造体（１８，１８′）の少なくとも１つが閉鎖可能に形成されている請求項３記載の燃焼器。
6. 少なくとも最も下流に配置された蜂の巣構造体（１８′）が蜂の巣構造体カバー（２６）のための保持体（１９）を備えている請求項５記載の燃焼器。
7. 各圧力調整装置（１８，１８′）が，開口（１５，１５′）を閉鎖する遮蔽板（２１，２１′）と，バイパス通路（１６，１６′）の内部に配置されたインパクト面（２３，２３′）とから成り，前記遮蔽板が，この遮蔽板を貫通した少なくとも１つのインパクト孔（２２，２２′）を有している請求項１又は２記載の燃焼器。
8. 各圧力調整装置（１８，１８′）の少なくとも１つのインパクト孔（２２，２２′）が閉鎖可能に形成されている請求項７記載の燃焼器。
9. 各遮蔽板（２１，２１′）の，最も下流に配置されたインパクト孔（２２，２２′）が孔カバー（２７）のための保持体（２４）を備えている請求項８記載の燃焼器。
10. バーナドーム（４）内に少なくともそれぞれ２つの開口（１５，１５′）が形成されており，これらの開口が主空気流（１１）に対して少なくともほぼ直角に位置する平面内で均一に分配されて配置されている請求項１から９までのいずれか１項記載の燃焼器。

Images