JP4121096B2 - ガス点火装置及び点火炎形成方法 - Google Patents

Description

発明の属する分野
本発明は圧縮空気の中で気体燃料を点火炎として燃焼させる方法及び装置に関し、さらに詳細には広い範囲の運転条件の下で安定した点火炎を得る方法及び装置に関する。
従来の技術及び発明が解決しようとする課題
従来型ガス燃焼器は、ほぼ化学量論的混合比で圧縮空気に混合された気体燃料を燃焼するものである。化学量論比の燃料と空気の混合物を燃焼させて拡散フレームを形成すると、燃焼領域が高温度となり、大気汚染物質である窒素酸化物（ＮＯx）の形成が促進される。燃料と空気を、典型的には燃空比（fuel to air ratio）が重量比で約０．０３５以下の希薄状態になるように予混合すると、低ＮＯx濃度の燃焼生成物が生じることがよく知られている。
研究者等は、予混合した希薄状態の燃料と空気を燃焼させる低ＮＯxガス燃焼器の開発に向けて努力を重ねている。本明細書の一部を形成するものとして全体を引用する米国特許第５，３６１，５８６号（発明者：McWirter et al．）は、複数の環状通路がガス点火装置の周りに同心的に配設された複数環状室型燃焼器を開示している。これら複数の環状通路の各々は互いにリンクしているか、或いは各環状通路内の燃料流量及び燃空比を制御するために別個に制御可能な燃料弁を備えている。
複数環状室型燃焼器の中心にあるような従来型ガス点火装置は、主燃料管が補助燃料管により同心的に囲まれた構造である。主燃料管の端部から流出する燃料は、その周りの補助燃料管からの空気と接触すると燃焼して拡散型フレームを形成する。しかしながら、従来型点火装置では、´５８６特許のような複数環状室型燃焼器が通常要求する燃空比及び流量の多くの条件下において点火炎の状態が不安定である。不安定な点火炎の状態には、フレームアウト、逆火及びノイズ及び振動を指示する高い動的圧力が含まれる。
ガス点火装置を備えた燃焼器は、高温ガスを発生させてガスタービンを駆動するために頻繁に使用される。ガスタービンを加速し運転するには、広い範囲の燃焼器運転条件に亘って点火炎が安定であることが必要である。燃料流量及び空気流量、燃空比、予混合量及び周囲温度の条件は広い範囲に亘って変化するため、従来の点火装置に付随する点火炎が不安定であるという問題がさらに深刻となる。
広い範囲の運転条件に亘って燃焼器に安定なガス点火炎を形成する効果的な方法が要望されている。
課題を解決するための手段
本発明によるガス点火装置は、主燃料管、主燃料管を同心的に取り囲む外側管、外側管の下流に配置した渦流燃焼器、点火器、主燃料管に接続された燃料流半径方向変位手段とよりなる。この燃料流半径方向変位手段は、点火燃料流の少なくとも一部を主燃料管の半径方向外側に向ける。点火ガス流の半径方向変位部分の軸方向運動量は、点火ガス流の残部の平均軸方向運動量よりも大きい。ガス流のこれらの軸方向運動量間に存在するこの関係により、広い範囲の運転条件に亘って安定した点火炎が得られ、これが過濃側の可燃限界を引き延ばす。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明による半径方向に変位させた高運動量燃料出口を備えたガス点火装置の略図である。
図２は、図１の線２−２に沿う断面図である。
図３は、複数環状室型燃焼器内の図１のガス点火装置の略図である。
発明の実施の形態
同一参照番号が同一部品を指示する図面を参照して、図１及び２は、本発明によるガス点火装置９９を示す。便宜的に、ここでは、本発明を´５８６特許の図３に示すような型の燃焼器に使用するものとして説明するが。しかしながら、本発明は、後記の請求の範囲において特定される場合を除きそれに限定されない。従って、図１及び２に示すガス点火装置９９は、主燃料管１０、中心軸１１、外側管２０、渦流燃焼器３０、点火器４０、複数の燃料マニホルド管５０よりなる。図３は、外側管２０を含まない複数環状室型燃焼器内に配置したガス点火装置９９の実施例を示す。
主燃料管１０は、入口１２、出口１６、出口を封止する出口隔壁１８を有する。主燃料管１０は、点火装置の中心軸１１と同心的に配置されている。本発明の一実施例の主燃料管の出口隔壁１８は、図２に示すように、内側一次点火燃料流４″が通過できる直径が０．３１８cm（０．１２５インチ）の４個の円形開口１９を有する。
外側管２０は主燃料管１０を同心的に取り囲み、燃料マニホルド管５０を包囲し、外側管２０と主燃料管１０の間に外側環状通路２４を画定し、入口２２と出口２６とを有する。本発明の一実施例によると、二次点火ガス流５が外側環状通路を通過する。
渦流燃焼器３０は、渦流燃焼管３４、渦流燃焼管入口３２、渦流燃焼管内面３５、渦流燃焼管出口３６、渦流燃焼器内面３５に結合された複数の渦流羽根３８を有する。この実施例の渦流燃焼器３０は、外側管２０の下流にそれに作動的に接続した状態で配置されている。
本明細書及び請求の範囲で用いる用語「作動的に接続されている」の定義は、中間に介在する手段による場合を含み、加圧連通状態にある場合を含む。
点火器４０は、電気スパーク型または電気抵抗加熱素子型のいずれかである。点火器４０は、主燃料管の出口１６の下流に位置し、少なくともその一部は渦流燃焼器管３４内にある。点火器４０は、主燃料管１０内の電気導管４２を有する。この電気導管４２は、点火器４０への給電を行う配線部分を包む。
本発明の一実施例の、複数の燃料マニホルド管５０は６個の燃料マニホルド管５０よりなり、各外径は０．６３５cm（０．２５インチ）である。各燃料マニホルド管５０は、入口５２と出口５６とを有する。燃料マニホルド管の入口５２は、主燃料管の出口１６の上流で主燃料管１０に作動的に接続されている。燃料マニホルド管の入口５２は、主燃料管１０の周りにおいてほぼ等しい角度間隔（即ちほぼ６０°の間隔）で離隔配置されている。燃料マニホルド管の出口５６は、半径方向には、渦流燃焼器管内面３５の近くに位置し、軸方向には、渦流燃焼器管入口３２の近くに位置する。燃料マニホルド管の各入口５２は、主燃料管１０に作動的に接続されて、点火装置の中心軸１１に関し直角に延びる。各燃料マニホルド管５０は、外側一次点火ガス流４′が、点火装置の中心軸１にほぼ平行に、燃料マニホルド管の各出口５６から流出するように、９０°の屈曲部５３を有する。
本発明の一実施例では、図３に示すように、複数環状室型燃焼器内に点火装置が配置されているが、本発明装置を種々の燃焼器及び種々の燃料に組み合わせて用いる他の実施例も可能である。本発明のさらに別の実施例として、複数の燃料マニホルド管５０を、他の流量及び構成の燃料通路、例えば、図示しないがトロイダル型にした、燃料流半径方向変位手段５０として構成したものがある。加えて、本発明のさらに別の実施例では、この燃料マニホルド管の構成として、燃料マニホルド管出口５６が渦流燃焼器管出口３６の近くにあり、少なくとも１つの燃料マニホルド管５０が渦流燃焼器３０を貫通してその出口が渦流燃焼器管出口３６の下流に来るようにするか、或いは燃料マニホルド管出口５６がガス流の混合を促進するために渦流燃焼器３０の上流に位置するようにすることも可能である。
本発明のさらに別の実施例では、主燃料管出口隔壁１８に、主燃料管１０と渦流燃焼器３０の間に加圧連通関係を確立する任意タイプの開口よりなる少なくとも１つの開口１９を形成してもよい。さらに、主燃料管出口隔壁１８は、開口を含まないものでもよい。さらに、本発明の別の実施例として、点火装置９９は外側管２０を具備せず、点火器４０が電気導管４２を具備せず、外側管２０が渦流燃焼器管３４との物理的接続部を具備せず、渦流燃焼器３０が羽根３８を具備しないものがある。加えて、渦流燃焼器３０は、少なくともその一部を外側管２０内に位置させたものでもよい。さらに、点火器４０は、電気スパークまたは電気抵抗素子型以外のタイプのものでもよい。本発明のさらに別の実施例として、渦流燃焼器３０及び点火器４０の少なくとも一部が燃焼反応を促進する触媒物質を被覆したものでもよい。
本発明によると、広い範囲の運転条件に亘って安定した点火炎を形成する方法が提供される。１つの好ましい実施例の方法は、一次点火ガス流４を外側流４′と内側流４″に配分するステップよりなる。点火装置９９内において、外側一次点火ガス流４′は、内側一次点火ガス流４″から半径方向に変位した所を流れ、また、二次点火ガス流５は、外側環状通路２４内を流れる。外側一次点火ガス流４′の軸方向運動量は、二次点火ガス流５及び内側一次点火ガス流４″の軸方向運動量の平均値よりも大きいため、広い範囲の運転条件下において点火炎の安定性が維持される。本発明のさらに別の実施例には、この点火装置９９に内側一次点火ガス流４″が存在しないものがある。本発明のさらに別の実施例では、この二次点火ガス流５は燃料と空気の混合物よりなる。加えて、点火装置９９に二次点火ガス流５が存在しないものがある。この説明及び請求範囲において使用する用語「一次点火ガス」の定義は、可燃性ガスを含むものである。
一次点火ガス流４は、主燃料管入口１２を介して主燃料管１０に入る。外側一次点火ガス流４′は、主燃料管１０から燃料マニホルド管入口５２を介して燃料マニホルド管５０に入る。燃料マニホルド管５０は、外側一次点火ガス流４′を外側環状通路２４内において外側に向ける。外側一次点火ガス流４′は、燃料マニホルド管出口５６を介して燃料マニホルド管５０から出る。半径方向に変位させた外側一次点火ガス流４′は、渦流燃焼器管内面３５の近くで渦流燃焼管３４に流入する。
内側一次点火ガス流４″は、主燃料管出口隔壁の開口１９を介して主燃料管１０から流出する。内側一次点火ガス流４″は渦流燃焼器管３４に流入するが、この流入は半径方向に変位させた外側一次点火ガス流４′内において同心的である。
二次点火ガス流５は、外側管入口２２を介して外側環状通路２４に流入する。二次点火ガス流５は、外側環状通路２４から外側管出口２６及び渦流燃焼器入口３２を介して渦流燃焼器管３４内に流入する。二次点火ガス流５は渦流燃焼器管３４に流入するが、この流入は半径方向に変位させた外側一次点火ガス流４′内において同心的である。
この説明及び請求の範囲に使用する用語「二次点火ガス」は、圧縮空気、加圧酸素、気体燃料、圧縮空気、加圧酸素、気体燃料の任意のものの混合物のうちの１つを包む。
渦流燃焼管３４内での混合、渦流羽根３８の点火炎固定維持効果及び半径方向に変位させた外側一次点火ガス流４′の相対的に高い軸方向運動量により、渦流燃焼器３０のすぐ下流に循環が生じる。この説明及び請求範囲において使用する用語「相対的に高い軸方向運動量」とは、外側一次点火ガス流４′の軸方向運動量が内側一次点火ガス流、二次点火ガス流、内側一次点火ガス流と二次点火ガス流の平均値のうちの１つの軸方向運動量より大きいことをいう。この循環により、点火炎の安定性が増大し、点火炎が渦流燃焼器の端部に固定維持され、広い範囲の運転条件下において点火装置９９の動作が安定し、かくして過濃側可燃限界が引き延ばされる。
本発明は、その精神または本質的特徴から逸脱することなく他の特定の構成で実現可能である。従って、本発明の技術的範囲を画定するに際しては、上記説明でなくて後記の請求の範囲を参照されるべきである。

Claims (10)

1. 中心軸（１）に関して同心的に配置され、入口（１２）、出口（１６）及び出口（１６）を封止する出口隔壁（１８）を有し、出口隔壁（１８）に形成した開口（１９）が内側一次点火ガス流（４”）を提供する主燃料管（１０）と、
   主燃料管（１０）を取り囲んでこの主燃料管との間に環状通路（２４）を形成する外側管（２０）と、
   渦流燃焼器管（３４）、渦流燃焼器管内面（３５）、入口（３２）及び出口（３６）を有し、外側管（２０）の下流に位置してこの外側管と作動的に接続された渦流燃焼器（３０）と、
   入口（５２）が主燃料管出口（１６）の上流でこの主燃料管（１０）に接続され、出口（５６）が主燃料管（１０）の半径方向外側に位置して外側一次点火ガス流（４’）を提供する燃料マニホルド管（５０）と、
   主燃料管（１０）の出口（１６）の下流に位置し、少なくともその一部が渦流燃焼器管（３４）内にある点火器（４０）とよりなり、
   外側一次点火ガス流（４’）が内側一次点火ガス流（４”）の運動量に比べて相対的に高い運動量を維持するため広い範囲の運転条件に亘って安定した点火炎が得られることを特徴とするガス点火装置（９９）。
2. 燃料マニホルド管出口（５６）が渦流燃焼器管内面（３５）に隣接していることを特徴とする請求項１のガス点火装置（９９）。
3. 燃料マニホルド管出口（５６）が渦流燃焼器入口（３２）の下流にあることを特徴とする請求項２のガス点火装置（９９）。
4. 燃料マニホルド管出口（５６）が主燃料管出口（１６）の下流にあることを特徴とする請求項２のガス点火装置（９９）。
5. 複数の燃料マニホルド管（５０）が主燃料管（１０）の周りにほぼ同一の角度間隔で設けられていることを特徴とする請求項１のガス点火装置（９９）。
6. 点火炎を形成する方法であって、
   中心軸（１）を有する点火装置（９９）を提供し、
   外側一次点火ガス流（４’）を中心軸（１）の半径方向外側において軸方向に流れるようにし、
   二次点火ガス流（５）を外側一次点火ガス流（４’）の半径方向内側において軸方向に流れるようにし、
   点火炎を点火するステップよりなり、
   外側一次点火ガス流（４’）に二次点火ガス流（５）の運動量に比べて相対的に高い運動量を維持することにより広い範囲の運転条件に亘って安定した点火炎が得られるようにすることを特徴とする点火炎形成方法。
7. 内側一次点火ガス流（４”）を二次点火ガス流（５）の半径方向内側において軸方向に流れるようにし、
   外側一次点火ガス流（４’）に内側一次点火ガス流（４”）の運動量に比べて相対的に高い運動量を維持することにより広い範囲の運転条件に亘って安定した点火炎が得られるようにすることを特徴とする請求項６の方法。
8. 二次点火ガス流（５）を受ける入口（３２）を備えた渦流燃焼器（３０）を提供するステップを含み、外側一次点火ガス流（４’）を軸方向に流れるようにするステップがさらに、外側一次点火ガス流（４’）を渦流燃焼器入口（３２）の下流位置に提供することを特徴とする請求項６の方法。
9. 渦流燃焼器管（３４）、渦流燃焼器管内面（３５）及び二次点火ガス流（５）を受ける入口（３２）を備えた渦流燃焼器（３０）を提供するステップを含み、外側一次点火ガス流（４’）を軸方向に流れるようにするステップがさらに、外側一次点火ガス流（４’）を渦流燃焼器管内面（３５）に隣接する位置に提供することを特徴とする請求項６の方法。
10. 二次点火ガス流（５）及び内側一次点火ガス流（４”）を受ける入口（３２）を有する渦流燃焼器（３０）を提供するステップをさらに含み、外側一次点火ガス流（４’）を軸方向に流れるようにするステップがさらに、外側一次点火ガス流（４’）を渦流燃焼器入口（３２）の下流位置に提供することを特徴とする請求項７の方法。

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