JP4090233B2 - 触媒燃焼器の流れ調整装置及び均一なガス速度分布を得る方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
ガスタービン排気中の非常に低い水準の大気汚染物質の排出（エミッション）を達成するために、高負荷型産業用ガスタービンのための触媒燃焼装置が開発されてきている。最小限にされる必要があるエミッションには、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び未燃焼炭化水素（ＵＨＣ）が含まれる。
【０００２】
【従来の技術】
もとより、装置のエミッション性能の目的にかない、触媒反応器の要望される耐用年数を得るためには、触媒反応器の入口において非常に均一な流れ場が必要であることが知られている。事実、適切に機能させるためには、触媒燃焼器中の触媒反応器は、温度、速度、圧力及び燃料／空気濃度の分布が均一になっている入口流れ場を供給される必要がある。触媒反応器が入口で不均一な流れ場に供え付られる場合には、二つの不都合な結果を生じることになる。一つは、触媒反応器の有効耐用年数の減少であり、二つ目は、触媒燃焼装置のエミッション性能の劣化である。これらの不均一な温度分布のために起こる問題は、触媒反応器内で発生し、また燃焼の化学反応が完了する触媒反応後方区域で発生する。触媒反応器内の平均より高い温度領域、いわゆる「ホットスポット」は、熱応力の増加により反応器の寿命を短縮させ、また半溶融及び酸化のようなある種の反応器の劣化作用を促進させる。触媒反応後方区域の平均より高い温度領域は、局所温度がサーマルＮＯｘが生成される閾値を越える場合には、サーマルＮＯｘを生成することになる。このことは、装置が非常に低いＮＯｘ水準を達成するのを妨げる。触媒反応後方区域の平均より低い温度領域は、化学反応の局所的消失の原因となり、ＣＯ及びＵＨＣエミッションの増加をもたらす可能性がある。それ故に、触媒反応器内及び下流の反応流れ場での温度分布を均一にすることは、反応器の寿命の目的及びエミッション性能の目的を満たすために重要である。
【０００３】
開示事項の全てが本明細書に参考文献として組み込まれる、米国特許第４，９６６，００１号は、触媒燃焼用途のマルチベンチュリ管（ＭＶＴ）型ガス燃料噴射器を全体にわたって論じている。この装置の一つの目的は、触媒反応器の入口に近づく全ての高温ガス流断面にわたってガス燃料を均一に分布させることより、触媒反応器の入口において非常に均一な燃料／空気混合気強さの分布を得ることであった。この装置は、高負荷型産業用ガスタービンのための触媒燃焼を開発するために幾つかの実験室試験計画に使用されたが、触媒反応器の入口における燃料／空気混合気強さの分布を均一（平均値からの偏差が±５％以下）にする目的は達成されていない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＭＶＴ型主燃料噴射器を出る燃料／空気濃度分布が不均一になる第一の理由は、ＭＶＴ型主燃料噴射器に入る高熱ガス流の速度分布（単位面積あたりの質量流量）が不均一なことである。
【０００５】
本発明は、触媒反応器に入るのに備えて、触媒燃焼器中の高温ガスの流れを調整するための装置に具体化される。先に説明したように、適切に機能させるためには、触媒反応器は、温度、速度、圧力及び燃料／空気濃度の分布が均一になっている高温ガス流が供給される必要がある。従って、本発明は、触媒燃焼器の上流構成要素から不均一な流れ場が供給される場合に、触媒反応器が要求する均一な流れ場を得るための装置に具体化される。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の流れ調整装置は、ＭＶＴ型主燃料噴射器に入る高温ガス流の速度分布をより均一にし、それによって触媒反応器の入口においてより均一な燃料／空気濃度分布及び速度分布をもたらす。このことは、「ホットスポット」を避けることにより触媒反応器の耐用年数を増加させ、触媒燃焼装置のエミッション性能を改良する。
【０００７】
これらのことは、本発明のその他の目的及び利点と共に、以下の本発明の現在好ましい例示的な実施形態のより詳細な記述を、添付する図面と併せて、綿密に検討することにより、より完全に理解され、評価されるであろう。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の流れ調整装置は、触媒反応器が、触媒反応器内及び触媒反応後方区域内の温度分布が均一になるように、均一な入口流れ場を確実に供給されるようにするために開発された。
【０００９】
図１は、本発明の流れ調整装置を都合よく配置することができる高負荷型産業用ガスタービンのための触媒燃焼器の断面図を示す。
【００１０】
図１に示す構造をさらに具体的に述べると、ガスタービンエンジン用の燃焼器は全体を１０で示され、プレバーナセクション１２、触媒反応器組立体１４、主燃焼組立体１６及び燃焼による高温ガスをタービン翼（図示せず）に流すための遷移部品１８を含む。プレバーナ組立体１２は、反応器に入るガスの温度を触媒点火を達成し、触媒反応を持続するのに要求される水準に上昇させる目的で、触媒反応器組立体１４の上流に配置される。プレバーナ組立体１２は、プレバーナケース２０、プレバーナ端部カバー２２、始動燃料ノズル２４、流れスリーブ２６及びスリーブ２６内に配置されたプレバーナライナ２８を含む。点火器３０が備えられ、それは火花あるいはグロープラグを含むことができる。プレバーナ組立体１２内での燃焼は、プレバーナライナ２８の中で起こる。圧縮機放出空気３２は、プレバーナ燃焼空気３４として、流れスリーブ２６を介してライナ２８中に導かれる。空気３４は、ライナ２８を挟む圧力差によりライナに入り、ライナ２８中で燃料ノズル２４からの燃料と混合される。その結果、拡散火炎燃焼反応がライナ２８中で起き、ガスタービンを駆動し、また触媒反応器４２中の化学反応に点火する目的で熱流を放出する。
【００１１】
触媒燃焼区域は、反応器組立体１４及び燃焼組立体１６を含む。触媒燃焼区域の上流領域には、主燃料噴射器取り付けリング３６が備えられ、それを通して燃料が主燃料供給パイプ３８を介して供給される。例えば、これは、米国特許第４，８４５，９５２号に記載され、図示されている、マルチベンチュリ管型ガス燃料噴射器４０の形態とすることができ、この特許の開示内容は参考文献として本明細書に組み込まれる。従って、炭化水素燃料及び燃焼によるプレバーナ生成物の混合物は、触媒反応器組立体のライナを介して触媒反応器ベッドに入る。触媒反応器ベッド４２は、全体的に形状が円筒形をしており、セラミック材料あるいは反応触媒で被覆されたハニカムセルの基材から形成することができる。反応触媒は、例えば、パラジウムを含むことができる。触媒反応器ベッド４２の構造は、開示内容が参考文献として本明細書に組み込まれる、米国特許第４，７９４，７５３号に記載され、図示されたものとすることができる。
【００１２】
上述のように、プレバーナは、触媒点火を達成し、触媒反応を持続するために要求される水準に、反応器に入るガスの温度を上昇させる目的で設けられる。プレバーナがその出口平面で中心にピークがある速度分布を持つ流れ場を作り出すことは、分析及び実験的測定を通して知られている。この中心にピークがある速度分布は、触媒反応器のための燃料を供給する主燃料噴射器を通して引き継がれる。その結果、流れ場の中心における混合気は平均より弱いが、速度が高く、より強力な混合気が速度の比較的低い流れ場の周辺部に向う状態の、触媒反応器の入口における不均一な燃料／空気濃度分布が生じる。
【００１３】
本発明を具体化する流れ調整装置は、図１に５０で示ように、プレバーナの出口に配置されるようになっており、中心にピークがある速度分布を主燃料噴射器の入口表面全体にわたってより均一に分布したものに変換する。その結果、触媒反応器の入口における、より均一な燃料／空気濃度分布及び速度分布を持つ流れ場がもたらされる。
【００１４】
上述のように、本発明の流れ調整装置は、触媒燃焼装置のマルチベンチュリ管（ＭＶＴ）型主燃料噴射器４０の入口において高熱ガス速度の均一な分布を得るために使用される。流れ調整装置は、図３に５２で示すような中心にピークがある放物線状速度分布を持つ、触媒燃焼装置のプレバーナからの不均一な高温ガス速度分布を受け、この流れを図３の右側の５４で示すような下流の均一な速度分布に変換する。図３に示す、ＭＶＴ型主燃料噴射器４０との組合せで作用する本発明の流れ調整装置５６により、均一な燃料／空気濃度分布及び速度分布を持つ流れ場が、触媒反応器４２の入口において得られる。触媒反応器４２への入口における均一な流れ場は、反応器耐用年数の目的及び装置のエミッション性能の目的を満たすのに必要である。
【００１５】
図３は、本発明を具体化する流れ調整装置５６の概略断面図である。上述のように、触媒燃焼器においては、流れ調整装置５６は、図１に５０で示すようにプレバーナ１２と主燃料噴射器４０の間に配置される。流れ調整装置５６の部品は、プレバーナ燃焼ライナ２８、あるいは主燃料噴射器４０、あるいはその両方と一体に作ることができる。図３を参照すると、流れ調整装置５６は、外径がシュラウド６０に結合され、内径が中心体６２に結合された円筒形状の高温ガス流路５８を形成する。流れ調整装置５６は、その入口において、図３に異なる大きさの速度ベクトルで示される不均一な速度分布５２を持つ高温ガス流をプレバーナ１２から受ける。この速度分布は図３では図解目的のために１次元（軸方向）ベクトルとして示してあるが、流れ場は、実施において実際には３次元であり、解り易くするために図３には含まれていない半径方向及び接線方向の速度成分を持っている。少なくとも１つ、また最も望ましくは２つ又はそれ以上のディスク６４、６８が、高温ガス流の方向に対してほぼ垂直な平面内に配置されるように、シュラウドに固定される。それぞれのディスクは、そこを通る流れチャネルが軸方向に向くように配置された複数の小さいセルから構成されている。セルは、ガスの流れを線形化し、そこを通るガスの流れに抵抗として作用する。このことは、ハニカムディスクの上流と下流の流れ場に静圧勾配を発生させ、そのことがさらに均一な軸方向流れ場を作るように流れ調整を引き起こす。
【００１６】
さらに具体的に説明すると、図示する実施形態を参照すると、プレバーナからの流れ５２は、流れ調整装置組立体５６の中の２つ又はそれ以上のそのようなディスクの一番目のハニカムディスク６４に入る。ハニカムディスク６４は、ディスク６４の全断面にわたって一様に分布し、軸方向に配置された開口チャネルを形成する多数の小さいセルから構成される。セルは、６角形の形状にすることができ、互いにろう付け及び／又は溶接された金属フォイルにより形成することができる。流れ場５２の半径方向あるいは接線方向成分は、それらの速度成分が流れ不透過性のセル壁に対して垂直であるので、流れがこれらのチャネルを通り抜けるとき、取り除かれる。軸方向流れがチャネルを通り抜けるとき、流動しているガスと固定チャネル壁の間の摩擦により、流れに抵抗が作用する。この抵抗は、チャネル内の高温ガス流の速度の平方に比例し、速度の減少及び静圧の増加を生じる。平均より大きい速度に接するセルでは、平均より大きい静圧増加を生じ、平均より低い速度に接するセルは、平均より小さい静圧増加を生じるであろう。この作用が、ハニカムディスク６４の上流の流れ場及びハニカムディスク６４とハニカムディスク６８の間の間隙６６内に静圧勾配を生じさせる。流体摩擦による抵抗はまた、ハニカムディスク６４、６８を通して圧力降下を生じさせ、その結果発生するハニカムディスクに作用する荷重は、半径方向ピン７０を通して周囲のシュラウド６０に伝達できる。この構造はまた、ハニカムディスク６４及び６８とシュラウド６０との間の半径方向の熱膨張差を許容する。
【００１７】
ハニカムチャネル内の摩擦抵抗により生じる流れ場の静圧勾配は、ハニカムディスク６４及び６８の上流の半径方向及び/又は接線方向の流れを発生させる。流れは、静圧が最も高い高速度の領域から、静圧が最も低い低速度の領域に移動する。この流速調整の最終的な効果は、図３に均一な軸方向速度ベクトル５４として概略的に示す、全体的に均一な軸方向流れ場を作り出すことである。この流れ場は、流れ場断面にわたって全体的に均一にガス燃料を分散させるＭＶＴ型主燃料噴射器４０（図１及び図２）と協働して作用し、触媒反応器の入口において燃料／空気濃度分布及び速度分布が全体的に均一な流れ場を作り出す。
【００１８】
コンピュータ計算流体力学（ＣＦＤ）を使用した本発明の流れ調整装置の解析により、図３に示す形式の単段流れ調整装置は、最大から最少まで２９％の変化がある中心にピークを持つ触媒燃焼器プレバーナからの速度変動を、最大から最小まで６％の変化を持つ、より均一な速度分布に減少させることが予測された。
【００１９】
本発明を、現在最も実用的で好ましい実施形態と考えられるものと関連させて説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に、添付した特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる種々の変更形態及び等価な構成を保護することを意図していると理解されたい。従って、１つの中間の間隙６６を持つ２つのハニカムディスク６４及び６８を備える本発明の実施形体を図示し説明したが、本発明はそれぞれの追加の段が、隙間６６のような別の隙間とディスク６８のような別のハニカムディスクを含む、流れ調整のさらなる段を加えることにより、均一な流れを作り出す時にさらに効果的に作用する流れ調整装置に具体化できることを理解されたい。従って、本発明は、図３では単純化するために単一の段のみを示したが、１つ又はそれ以上の段を持つ流れ調整装置として具体化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 高負荷型産業用タービンのための触媒燃焼器の概略断面図。
【図２】 図１の燃焼器の触媒反応器の組立部品及び主燃料噴射器の分解斜視図。
【図３】 本発明を具体化する触媒燃焼器の流れ調整装置の部分断面図。
【符号の説明】
１０ 燃焼器
１２ プレバーナ組立体
１４ 触媒反応器組立体
１６ 主燃焼組立体
１８ 遷移部品
２０ プレバーナケース
２２ プレバーナ端部カバー
２４ 始動燃料ノズル
２６ 流れスリーブ
２８ プレバーナライナ
３０ 点火器
３２ 圧縮機放出空気
３４ プレバーナ燃焼空気
３８ 燃料供給パイプ
４０ 燃料噴射器
４２ 触媒反応器
５０ 流れ調整装置

Claims (3)

1. 触媒燃焼装置の主燃料噴射器（４０）への入口において高温ガスの均一な速度分布（５４）を得る方法であって、
   触媒燃焼装置のプレバーナ（１２）から高温ガス速度分布（５２）を受けるための流れ調整装置（５６）を設け、前記高温ガス速度分布を受け、前記主燃料噴射器（４０）へ流すために前記高温ガス速度分布を全体的に均一な速度分布（５４）に変換する段階を含むこと特徴とする方法。
2. 流れ調整装置（５６）を設ける前記段階は、セルの縦方向の軸線が互に平行に、かつ前記触媒燃焼装置を通る軸方向の空気流の方向に配置されるように、前記主燃料噴射器（４０）の上流でそれを通る空気流のための複数の小さいセルを形成する少なくとも１つのディスク（６４、６８）を配置する段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. それぞれの前記ディスク（６４、６８）を、円筒形状の高温ガス流路を形成する周囲壁へ取り付ける段階を含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。

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