JP4121107B2 - ガスタービンの炉における火炎・圧力振動の抑制装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、火炎を発生する少なくとも１つのバーナと、この火炎が向けられる燃焼室とを備えた炉における火炎・圧力振動の抑制装置であって、該炉が、火炎を包被状に取り囲むガス流の流出する少なくとも１つのガス流出開口を有し、その包被ガス流が、火炎の外側部位におけるより大きな火炎伝播方向の流速を有している炉における火炎・圧力振動の抑制装置およびこのような抑制装置を備えたガスタービンに関する。
【０００２】
ガスタービン、燃焼器、熱風炉、残滓燃焼設備のような工業用燃焼設備、あるいは家庭用のガスボイラや湯沸器のような小形炉においても、熱出力や空気比のような炉の運転パラメータによって決定される所定の条件下で、不安定な運転状態が生ずる。この不安定な運転状態は、燃焼器内並びにこれに前置ないし後置される設備内における静圧の変化に伴って現われる火炎の周期的変動によって特徴づけられる。この不安定状態は、旋回流やバッフル体等のような、それ自体公知の処置によって火炎を安定させる炉においても生じ得る。
【０００３】
このような不安定な燃焼が生じた際、しばしば、設備の運転状態は、定常運転状態と異なるものとなり、騒音が増大するほかに、燃焼室ないし燃焼室内張りに、大きな機械応力および／又は熱応力が生じる。このような火炎・圧力振動は不利な状態のもとで、振動を生じた設備を損傷させてしまう。この火炎・圧力振動を防止するには、かなりの経費がかかる。火炎・圧力振動を防止するために、例えば燃焼室の幾何学形状を、特別な組込み物によって変更することが考えられる。しかしこれは、通常、単に発生振動周波数を変化させるだけであり、問題の普遍的な解決策とはならない。そうでなければ、火炎・圧力振動が生じた際、その都度、経験に基づいた特別な処置が講じられる。
【０００４】
ヨーロッパ特許出願公開第０７５４９０８号明細書に、バーナの火炎をガス流でできるだけきっちり包囲するようにし、この包被ガス流が、火炎ないし燃料を含むバーナ主流の外側部位ないし周縁部位におけるより一層大きな火炎伝播方向の流速を有しているようにした、冒頭に述べた形式の装置が提案されている。
【０００５】
なおここで、「火炎の外側部位」とは、燃料ないし燃料ガス・空気流の反応層を意味する。この反応層に、包被ガス流によって、軸方向衝撃が伝達される。
【０００６】
またこの明細書では、火炎の軸方向に延びる主伝播方向を、火炎の半径方向への伝播方向と区別して、「火炎伝播方向」と呼ぶことにする。
【０００７】
火炎の周縁部位に周期的に生ずる環状の渦により振動が引き起こされあるいは強められるという認識が、本発明の基礎となっている。燃料を含むバーナ噴射流の周縁部位の横揺れによって生ずるこの環状渦は、それが形成された際、燃焼済みのもはや反応しない高温燃焼ガスを取り囲む。その場合、この高温燃焼ガスは、同様に環状渦内に含まれる燃料・空気混合気を急速に加熱し、これにより燃料が燃焼させられ、この燃料の燃焼のために、衝撃的な圧力振動が励起される。
【０００８】
この環状渦の発生を防止するため、上述したように、火炎は、火炎ないしバーナ噴射主流に対してできるだけ小さな半径方向間隔を隔てて流出する包被ガス流によって包囲される。この包被ガス流は、火炎の周縁ないし外側部位におけるより大きな火炎伝播方向の流速を有している。これによって、包被ガス流と火炎ないし燃料ガス・空気混合気流との間で、軸方向衝撃が交換される。この軸方向衝撃の交換によって、自由な火炎層ないし燃料・空気混合気の流れ境界層が加速され、これに伴ない、この範囲における反応性渦の発生が、有効に防止される。
【０００９】
包被ガス流と、通常燃焼ガス内に封じ込まれた状態にある周囲媒体との境界層に、環状渦が新たに出現する場合、包被ガス流が全く燃料を含まないことが特に有利である。何故なら、その場合燃料を含まない包被ガス流からは、燃料を周期的に燃焼させ、これにより火炎ないし燃料・空気混合気流を包囲しない場合に生じ、火炎・圧力振動を引き起こす、燃料を含有した渦が生じないからである。
【００１０】
包被ガス流用の燃料を含まないガスとして、好適には、随所で十分な量の得られる空気が利用される。しかし、不活性ガスを利用することも考えられるが、もっともこの場合、多少、経費がかかるという欠点がある。
【００１１】
特に不活性ガスを利用する場合、所望の効果を得るため、単位時間当たりのガス量ないしガス流が少なくて済むように上述の装置を改良する必要がある。また空気を利用する場合も、包被ガス流用の空気が、包被ガス流を利用する目的で大きな圧縮機動力を用意する必要がなく又は他から分岐してくる必要がないようにするために、少量で済むようにすることが重要である。
【００１２】
この課題は本発明に基づき、バーナ出口の周りを取り囲み、これに対し半径方向に間隔を隔てて延びる仕切り壁を設け、この仕切り壁により、燃焼室につながる燃焼ガス再循環流範囲を、包被ガス流から分離することによって解決される。
【００１３】
燃料・空気混合気およびこれを包被状に包囲するガスを、燃焼済みの高温燃焼ガスの外側再循環流から仕切り壁により空間的に分離することによって、包被ガス流の横への転向を確実に防止し、その結果、包被ガス流の方向が僅かしか転向しないことを確認している。これに伴ない、僅かな衝撃流密度ないしガス速度でも、十分な衝撃で、即ち火炎の周縁部位に比べて十分大きな速度で、上述の反応性環状渦、即ち燃料を含む環状渦の周期的な発生を防止しようとするバーナ出口の下流に位置する場所に、包被ガス流を確実に到達させることができる。
【００１４】
仕切り壁を採用することによって、必要なガス流、空気質量流量あるいは空気衝撃流はかなり節約される。
【００１５】
更に、燃焼ガスの再循環範囲を、包被ガス流の出口場所、従って包被ガス流から分離することにより、この燃焼ガス再循環流範囲から高温燃焼ガスが包被ガス流に混入するのを防止できる。そのような燃焼ガスの混入が生ずると、包被ガス流の流速が著しく低下し、同時に、包被ガス流はそれに応じて加熱される。
【００１６】
これによって、包被ガス流の設計は、包被ガス流を包囲する残りの炉構造物と無関係にされる。このため、特に場合によって相互に影響し合う多数のバーナにおいて、本発明は一層の効果を発揮する。その場合、仕切り壁自体は単殻状に形成され、これによって、既存の炉に、非常に簡単に追加設置できる。
【００１７】
仕切り壁のバーナ出口に対する半径方向間隔は、包被ガス流が壁における摩擦による粘着によって大きく減速されないように選定しなければならない。包被ガス流により、環状渦の形成を防止しようとする場所に、包被ガス流が到達することを保証しなければならない。
【００１８】
特に、出口から広がる包被ガス流を考慮に入れ、仕切り壁の前縁がガス流出開口に対して半径方向の間隔を有し、包被ガス流がこの前縁の直前ではじめて仕切り壁の内側面に当たるようにしなければならない。そうすれば、仕切り壁の内側面に沿った高温燃焼ガスの望ましくない流れも防止できる。そのような高温燃焼ガス流は、包被ガス流の出口場所において、この包被ガス流と混合してしまう。
【００１９】
この目的は、仕切り壁を円筒状に形成し、バーナ出口に同心的に配置することによって達成される。しかし、仕切り壁自体を、その勾配が外被ガス流の広がり角に適合する円錐形にすることもできる。いずれの場合も、仕切り壁は火炎伝播方向に対して平行に延び、例えば円錐状仕切り壁の半径方向における広がり距離は、火炎方向における広がり距離に比べて非常に小さい。
【００２０】
基本的には、仕切り壁を二重殻状に形成し、包被ガス流を形成するガスが貫流するようにしてもよい。その場合、包被ガス流は、例えば全部あるいは少なくとも一部が、仕切り壁の前縁において仕切り壁から流出する。このことは、包被ガス流が、例えば耐熱鋼あるいはセラミックス材で作った仕切り壁を適宜冷却することを可能にし、これにより仕切り壁の熱的問題等の発生を防止できる。
【００２１】
本発明の特に有利な用途は、環状燃焼器に多数のバーナを備えるガスタービンであり、その場合、相互干渉を減少する本発明の効果が、特に大きく発揮される。
【００２２】
本発明の他の利点および特徴は、以下の実施例の説明から理解できる。
【００２３】
図１は、本発明に基づいて形成された炉の縦断面図である。予混合された燃料ガスと空気との混合気が燃料管２を介して導入される旋回バーナが対象である。この燃料管２は旋回流発生体３で終えている。この旋回流発生体３は回転対称体であり、その外周面に複数の傾斜した案内羽根４を有する。これらの案内羽根４は約３０°傾き、これによって流出する燃料ガス／空気混合気が転向され、従って旋回させられる。更に、案内羽根４より幾分半径方向内側位置に、旋回流発生体３を貫通する多数の孔５が、円周方向に分布して設けられている。これらの孔５を通って、燃料ガス／空気混合気の部分流が流れ、これによって、火炎を安定させるパイロット火炎が形成される。バーナから流出する燃料ガス／空気混合気は、旋回流発生体３の外側端面６で点火され、燃焼室８の中に入り込む火炎７を形成する。この燃焼室８は、図示の実施例ではガスタービンの環状燃焼室であり、燃焼室の右側に後置されるタービン部分は、図１中に示していない。
【００２４】
火炎７は、燃料ガス／空気混合気流の反応層の外側部位によって形成される。この反応層の外側部位は、観察者が強い炎光色によって認識できる火炎輪郭を発生する。燃料ガス／空気混合気の反応で形成されたこの火炎は、包被ガスによって包囲される。この包被ガスは、燃料管２に対して平行な環状通路１０を通りバーナを貫通して導かれ、ガス流出開口１１でバーナから流出するガス流９によって形成される。このガス流出開口１１は、バーナの円周にわたり多数分布して設けられている。これらの多数のガス流出開口１１は、バーナの旋回流発生体３の周りに、これに近接して配置されているので、ガス流出開口１１の数に相当して生じた多数のガス流９が、火炎を完全に包囲する包被ガス流を形成する。
【００２５】
ガス流出開口１１から流出する包被ガス流の、環状通路１０から流出する前の流速を所望の値まで高められるようにするために、ここに図示した実施例の場合、ガス流出開口１１に４分円ノズル１２が組み込まれている。この４分円ノズル１２は、包被ガス流の特に外側部位を、軸方向に、即ちバーナの軸線１３に対して平行に、強く加速させる。
【００２６】
ガス流出開口１１から流出する包被ガス流の流速は、４分円ノズル１２に基づいて、バーナ中心軸線１３の方向における速度が、旋回流発生体３の下流における、燃焼する燃料ガス／空気混合気の火炎７の外側部位よりもかなり高くなるように高められる。これによって、火炎内で燃焼する燃料ガス／空気混合気とこれをきつく包囲する包被ガス流との境界層の範囲において、この境界層内の一部が燃焼し一部がまだ点火されていない燃料ガス／空気混合気が加速される。そのようにして、火炎の周縁部位における周期的な干渉性環状渦流の発生を有効に防止できる。そのような環状渦流は、位相の合ったエネルギ供給に伴ない、その中に含まれた燃料の急速な反応によって、火炎・圧力振動を誘起し、強めてしまう。
【００２７】
通常、包被ガス流は連続的にガス流出開口１１から流出する。しかし他方では環状渦流は周期的に生ずるので、空気流をそれに応じて周期的に流すこと、即ち間欠的に流すこともできる。これによって、一方では、空気質量流量を節約することができるが、他方では、かなり高価な制御費用が必要となる。特に、そのために用意すべき弁や制御器のような調整装置のために高い経費がかかり、更に、その追加構造部品の分だけ、全設備において付加的に故障が増える。
【００２８】
図示の炉では、燃焼室８の端面１４に円筒状仕切り壁１５を溶接している。この仕切り壁１５は、バーナに対して半径方向に間隔を有し、ガス流出開口１１をも取り囲んでいる。そのようにして、仕切り壁１５の外側で、燃焼ガス再循環流範囲１６が包被ガス流９から分離される。これにより、流れ状態に基づき燃焼ガス再循環流範囲１６において、矢印１７で示すように半径方向内側に流れる燃焼ガスが、包被ガス流９の中に吸い込まれ、これに伴ないこの燃焼ガスが包被ガス流９の作用を悪化させるのを防止できる。これに対し、包被ガス流９は、初期範囲において自由噴射流のように影響されずに広まる。
【００２９】
このことは、図２に示すような多数のバーナを備えた炉において特に有効である。図２は、円周にわたり８個のバーナを分布して配置したガスタービンの環状燃焼室８を断面図で示す。この図から、各バーナにおける旋回流発生体３およびバーナに包被ガス流を発生させるために環状に配置したガス流出開口１１が理解できる。包被ガス流を、隣のバーナの影響ないしバーナで発生した燃焼ガス再循環流の影響から遮蔽するため、各バーナを各々仕切り壁１５で包囲している。
【００３０】
図１に示す円筒状仕切り壁１５の場合、この仕切り壁１５とガス流出開口１１との半径方向の間隔は、包被ガス流９がガス流出開口１１から流出した後で自由噴射流のように広がり、仕切り壁１５の前縁１８の近くで初めて仕切り壁１５の内側面に当たるように選定されている。そのようにして、まず第１に、包被ガス流が仕切り壁１５に過度に早く当たり、仕切り壁１５で形成された壁との摩擦によって減速されるのを防止できる。他方では、包被ガス流と仕切り壁１５の前縁１８との間に隙間が生じないようにできる。仮にそのような隙間があると、燃焼ガスがその隙間を通って包被ガス流の出口範囲に流入し、そこで包被ガス流に混入してしまう不都合がある。
【００３１】
この点を考慮して選定すべき半径方向の間隔は、ガス密度およびガス温度に依存する包被ガス流の広がり角が分かっている場合、火炎伝播方向に対して平行な方向における仕切り壁長さに関係して、三角関数によって決定される。なお良好に配列するために、ここに図示した実施例において、火炎伝播方向はバーナの中心軸線１３と一致している。
【００３２】
図１に示す円筒状仕切り壁の代わりに、円錐状仕切り壁１９も利用できる。この円錐状仕切り壁１９の広がり角は、ガス流出開口１１から流出する包被ガス流９の広がり角にほぼ相当するようにする。
【００３３】
図４は、バーナを火炎伝播方向に進めて円筒状仕切り壁の内部に設置した実施例を示す。ここで得られる効果は主に次のことに起因している。即ち、燃焼ガスの再循環が、燃焼ガス再循環流範囲１６において半径方向にバーナに向けられた流れ成分によって行われ、図４に示す実施例の場合、ガス流出開口１１が存在する平面内において燃焼ガス再循環流は、もはや顕著な半径方向成分を有さず、主にその軸方向流れによって特色づけられることに起因している。
【００３４】
図５は異なった実施例を示す。ここでは、二重壁構造の仕切り壁２０が設けられている。この仕切り壁２０は包被ガス流用のガスで貫流され、その前縁に、包被ガス流２２が流出するガス流出開口２１が設けられている。
【００３５】
ここでも、包被ガス流２２がガス流出開口２１から流出する範囲において、燃焼ガスの再循環流は半径方向流れ成分を有しておらず、包被ガス流２２は、ここでは半径方向に流入する燃焼ガスによって妨げられることなしに、環状渦の発生を防止する。この場合、上述したように火炎の外側部位において周期的な環状渦が生ずる範囲は、ガス流出開口２１の下流に位置すると仮定している。
【００３６】
図５に示す実施例において、二重壁構造の仕切り壁２０を通って流れるガスは、仕切り壁２０を冷却する作用もする。
【００３７】
仕切り壁２０は、それぞれ耐熱鋼あるいは適当なセラミックス材で作られる。
【００３８】
要約すれば、本発明に基づいた仕切り壁を利用することによって、燃焼ガス再循環流による包被ガス流への影響は制限され、従って、僅かなガス流量ないし衝撃ガス流で、環状渦の発生を十分に防止することができる。従って本発明によれば、特に環状燃焼室を備えたガスタービンにおいて、最善の運転が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 円筒状仕切り壁を装備した炉の縦断側面図。
【図２】 多数のバーナを備えた、図１に示す炉の縦断正面図。
【図３】 円錐状仕切り壁が装備された炉の縦断側面図。
【図４】 バーナ出口を包囲する仕切り壁が前に進めて配置された炉の縦断側面図。
【図５】 仕切り壁に包被ガス流の流出口が一体化されている炉の縦断側面図。
【符号の説明】
７ 火炎
９ 包被ガス流
１１ ガス流出開口
１３ 火炎伝播方向
１５ 仕切り壁
２０ 仕切り壁
２１ ガス流出開口

Claims (11)

1. 火炎（７）を発生する少なくとも１つのバーナと、この火炎が向けられる燃焼室（８）とを備えた炉における火炎・圧力振動の抑制装置であって、
   該炉が、火炎を包被状に取り囲むガス流（９）の流出する少なくとも１つのガス流出開口（１１、２１）を有し、その包被ガス流が、火炎の外側部位における流速より大きな火炎伝播方向（１３）の流速を有する炉における火炎・圧力振動の抑制装置において、
   バーナ出口の周りを取り囲み、半径方向に間隔を隔てて火炎出口の周りを延びる仕切り壁（１５、１９）を設け、この仕切り壁により、燃焼室につながる燃焼ガス再循環流範囲（１６）を、火炎を包被状に取り囲むガスから分離したことを特徴とする炉における火炎・圧力振動の抑制装置。
2. 仕切り壁（１５、１９）が単殻状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 仕切り壁（２０）が二重殻状に形成され、ガス流（２２）で貫流されることを特徴とする請求項１記載の装置。
4. 仕切り壁（１５、１９、２０）が火炎伝播方向（１３）に対して平行に延びていることを特徴とする請求項１記載の装置。
5. 仕切り壁（１５、２０）が円筒状をなし、バーナに対して同心的であることを特徴とする請求項１記載の装置。
6. 仕切り壁（１９）が円錐形状であることを特徴とする請求項１記載の装置。
7. 仕切り壁（１５）の前縁（１８）が、ガス流出開口（１１）に対して半径方向に間隔を有し、包被ガス流（９）が仕切り壁の先端ではじめて仕切り壁内側面に当たることを特徴とする請求項１記載の装置。
8. 仕切り壁が耐熱鋼で作られていることを特徴とする請求項１記載の装置。
9. 仕切り壁がセラミックス材で作られていることを特徴とする請求項１記載の装置。
10. 炉が複数のバーナを有していることを特徴とする請求項１記載の火炎・圧力振動の抑制装置を備えたガスタービン。
11. 火炎（７）が向けられる燃焼室（８）が、環状燃焼室であることを特徴とする請求項１０記載のガスタービン。

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