JP4172854B2 - プレナム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プレナム、特にガスタービンの燃焼器の空気プレナムであって、ガス流を当該プレナムに導入するための少なくとも２つの流入部が設けられており、ガス流が、主として当該プレナムの内壁に沿って案内されかつ、互いに接近する方向に向けられて、ガス流が互いに衝突した後に自由ガス流として内壁から離れる方向に向けられるようになっている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近のガスタービン設備のコンセプトでは、経済的および環境技術的な視点がますます重要となりつつある。これに関連して、ガスタービン設備の、エネルギが変換される個別コンポーネントのエネルギ変換特性を、天然資源の保護の点で特に高いエミッション値が回避されるように最適化することが努められている。
【０００３】
ガスタービン設備において、エネルギ変換の核心部分は燃焼器である。燃焼器では、気体燃料および／または液体燃料が、予め圧縮された空気と混合されて、点火される。空気中に噴霧された燃料の燃焼はできるだけ完全に行われて、できるだけ高い温度の発生下に燃料全体が燃焼することが望ましい。第１に、燃料のできるだけ完全な燃焼が最適なエネルギ変換のために役立つ。これにより、ガスタービン設備全体の効率が実質的に決定される。第２に、できるだけ高い燃焼温度において、エミッションガスであるＮＯ_ｘならびにＣＯ_２ガスを著しく低減させることができる。これにより、環境汚染に対して決定的に好都合な影響を与えることができる。
【０００４】
できるだけ均一な燃料噴霧を生ぜしめ、ひいては均一な燃焼を生ぜしめるようにバーナ装置を最適化すると共に、たとえば欧州特許第０３２１８０９号明細書に記載されているような特に最近のバーナ装置の運転時では、バーナ装置のプレナム内の圧縮された空気が、できるだけスムーズな空気流の形で、しかも乱流を有しずかつ所定の方向に方向付けられた状態で提供されることが重要となる。上記欧州特許明細書に開示されているような最近のバーナは円錐状の輪郭を有しており、この輪郭はその円錐外面に沿って長手方向に小幅の流入スリットを備えており、これらの流入スリットを通じて、燃料と空気との混合のために必要となる空気流が導入され得る。
【０００５】
図１および図２には、このような公知先行技術が図示されており、図１および図２につき、プレナム内部の流れの案内に関連した問題を明らかにする。この流れの案内には、プレナム内に設けられたバーナの流入開口において空気流ができるだけ乱流なしに所定の方向に方向付けられることが望ましい。
【０００６】
図１にはプレナムのハウジングＧが示されている。このハウジングＧには、流入開口４，５を介してガス流１，２が吹き込まれる。両ガス流１，２（以下、「部分噴流」と呼ぶ）の衝突点Ａにおいて、統計学的な平均の速度は消滅する。さらに、衝突点Ａを通って延びる両部分噴流１，２の境界流線はこの個所において、等しい静圧に達する。これらの理由から、両境界流線における全圧も等しくなければならない。一般に、両部分噴流１，２は圧縮機ディフューザから燃焼器の冷却システムを通って燃焼器の空気ドーム、つまりプレナムにまでの経路において、互いに異なる摩擦損失を受ける。なぜならば、燃焼器のプレナム６への流入速度が正確に等しいわけではないからである。この理由から、両部分噴流１，２は互いに異なる全圧を有している。両部分噴流１，２の全圧差に基づき、両部分噴流の衝突点Ａは図２に示したように必然的に、より小さな全圧を有する方の部分噴流の流入開口のすぐ近くへずれる。
【０００７】
ハウジングの内部に導入される複数のガス流の混合もしくは合流のための、上で述べた流れ内在的な特性に基づき、プレナム６の内部に配置されたバーナ９への、図２に理想的な事例で図示した空気供給は著しく損なわれる。
【０００８】
プレナム６はハウジングＧの壁によって取り囲まれていて、図面で見て左側に２つのガス流１，２のための２つの流入開口４，５を有している。両ガス流１，２はハウジング内壁３に沿ってプレナム６の内部に導入される。両ガス流１，２は、衝突点Ａの周囲に位置する範囲で合流し、この範囲からプレナム６の内部へ共通の自由ガス流７が生ぜしめられる。理想的な事例では、共通の自由ガス流７が、バーナ９に設けられたギャップ状の流入開口８に流入し、バーナ９内で気体燃料および／または液体燃料と混合されて、燃焼器１５において点火されることが望ましい。
【０００９】
しかし、前で述べた流れ効果に基づき、共通の自由ガス流はスムーズな単一の流れとなるのではなく、バーナの流入開口８に対して相対的に横方向の不安定な運動を受け、しかも極めて強力な乱流成分を有している。このことは一般に、バーナ９の空気力学的特性を著しく損ない、このように損なわれた空気力学的特性は、もちろん悪い燃焼に作用する。これにより、バーナのエミッション値はかなり悪化される。同じく、流入する共通の自由ガス流７によって生ぜしめられる、バーナの内部における乱流効果と相まって、逆火効果が生じる恐れもあり、このような逆火効果は燃焼火炎の消滅または過熱をもたらす恐れがある。
【００１０】
【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プレナムを改良して、構成上および製作技術上の大きな手間なしに、形成される自由ガス流ができるだけ均一に形成されて、バーナへの流入空気の供給を、燃焼過程にとって適正に、しかも前で述べた天然資源の保護や排ガス値の低減が得られるように実施することのできるようなプレナムを提供することである。また、採用される手段は既に使用されている既存の設備にも後装備可能となることが望ましい。
【００１１】
【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、内壁に沿って案内されるガス流の流れ方向に干渉するように方向付けられた少なくとも１つの流れ障害物が、内壁に設けられているようにした。
【００１２】
【発明の効果】
本発明によれば、構成上および製作技術上の大きな手間をかけることなく、形成される自由ガス流ができるだけ均一に形成されて、バーナへの流入空気の供給を、燃焼過程にとって適正に、しかも天然資源の保護や排ガス値の低減が得られるように実施することができる。
【００１３】
流れ障害物は、内壁に沿って案内されるガス流の流れ方向に対してほぼ直交する方向に向けられていると有利である。
【００１４】
流れ障害物は、内壁から直角に隆起させられた複数のリブ列から形成されていて、しかもリブの幅と高さとが互いにほぼ等しい大きさに形成されていると有利である。この流れ障害物は、内壁に接触したガス流を、この内壁から剥離させようとするので、ガス流に与えられる内壁の大きな影響が減じられる。
【００１５】
さらに、ガス流に対向して位置する流れ障害物は流れの運動エネルギを奪う。実験により、約７０ｍ／ｓの流速でプレナムに流入した空気流はバーナの極めて大きな作動不良を招く恐れのあることが判った。このような作動不良は、ガス流が案内される壁の影響が原因である。流速が２０ｍ／ｓよりも低い速度値にまで減じられると、作動不良は著しく減少するので、プレナム内に案内された空気流を、均一な自由流が形成されるように良好に合流させることができる。本発明による流れ障害物により、ガス流の運動エネルギを減少させるための有効な手段が得られる。
【００１６】
プレナム内に流入したガス流の運動エネルギを、前述の２０ｍ／ｓよりも低い速度にまで減少させるための別の手段は、ガス流がプレナムの内部に流入する流入範囲に所定の形状を付与することにより得られる。
【００１７】
すなわち、本発明の別の有利な構成では、内壁の、流入部の位置する範囲が、内壁の円周を拡張する段部高さｂを有する段部として形成されており、この段部にハウジング内部で向かい合って位置するように、プレナムに流入するガス流を制限する長さｌのガイドウェブが設けられている。
【００１８】
プレナムへのガス流の流入範囲をこのように改良することにより、同じくプレナム内部での乱流効果を減少させることができるが、ただしこのような改良のためには、構成上および技術上の比較的高い手間が伴う。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面につき詳しく説明する。
【００２０】
図３に示した本発明の実施例では、プレナム６の内部に２つの別個のガス流１，２が流入開口４，５を通じて流入する。ガス流１，２はそれぞれハウジング内壁３に沿って案内されている。拡散するガス流１，２の流速を減少させ、かつ各ガス流に与えるハウジング壁Ｇの影響を減少させる目的で、本発明によれば、流れ方向およびハウジング内壁３に対して直交する方向でリブ１１が設けられている。このリブ１１に衝突する流れ成分は、ハウジング内壁３に対してほぼ直角にプレナム６の内部へバーナ９の方向に向かって、自由ガス流７として変向される。バーナ９は少なくとも１つのギャップ状の流入開口８を有している。この流入開口８を通じて自由ガス流７はバーナ９の内部に流入することができる。図３に図示した図面を理解し易くするために付言しておくと、液体燃料および／または気体燃料は図面で見て右側から到来してバーナ９に導入され、徐々に拡張した円錐状のバーナ区分の内部で流入空気と混合される。
【００２１】
プレナム６は唯一つのリブ１１しか有していない。このリブ１１は両ガス流１，２によって両側で対称的に負荷される。流れ方向に対して直交する方向に向けられたこの単純なリブを用いて、バーナへの流入空気の、コントロールされていない流入を回避することができる。図３に矢印で示したように、均一な流れ循環路が形成され、これらの流れ循環路は流入開口８を通じてバーナ９に流入空気を連続的に供給する。たしかに、このような手段を用いると、ガス流内にまだ極めて多くの流れエネルギが残るが、しかし障害物、つまりウェブをガス流によって両側で対称的に負荷することに基づき、プレナム内部でのコントロールされた循環が得られる。
【００２２】
図４には、プレナム６内にガス流をコントロールして流入させるための本発明による別の実施例が示されている。流れ横断面ａを有する両流入開口４，５の範囲には、ハウジング内壁３が、それぞれ横断面を拡張する段部１２を備えており、この段部１２は流れ横断面ｂを有している。この段部１２に向かい合って位置するように、長さｌを有するガイドウェブ１３が設けられている。図４の実施例において形成された流入部の輪郭により、流速を２０ｍ／ｓよりも低い値にまで有効に減少させることができる。このためには、特に次の寸法設定が規定されていなければならない：ｂ／ａ〜２ならびにｌ／ｂ≧３。
【００２３】
図６には、個々のリブ１１の形の流れ障害物の有利な配置形式が示されている。これらのリブ１１はいわば自体公知の「雪崩止め」（Ｌａｗｉｎｅｎ−Ｖｅｒｂａｕｕｎｇ）の配置形式に似ている。図６の左側の配置は個々のリブ１１を平面図で示している。この平面図から判るように、リブ１１は互いに違いにずらされて相前後して配置されているので、これらのリブ１１は、これらのリブに直角に衝突するガス流（矢印参照）に対して完全な障害物を成している。図６に示した配置形式により、流速の極めて有効な減少や、ハウジング内壁からの流れの剥離が生ぜしめられる。リブの高さと幅とが互いにほぼ等しくなるような寸法設定が特に適当である。図６の右側には、図５に示したリブの配置形式の側面図が示されている。
【００２４】
長手方向の全延在長さでガス流に対向する唯一つのリブ列しか使用されない場合には、ガス流が障害物であるリブを単に乗り越えて、リブの下流側でハウジング内壁に再び付着してしまうことが判った。このような現象は「コアンダ効果」とも呼ばれる。
【００２５】
図６に示した、個々の長さがその高さよりもそれほど大きくならないように形成されている個々の流れ障害物、つまり個々のリブの配置は、上記コアンダ効果を有効に抑制することができるので、１つのリブ列を通過したガス流はもはやハウジング内壁に付着しなくなる。本発明により形成された流れ障害物に基づき、ハウジング内壁に沿った面状の流れ形状が阻止され、これにより流れ障害物の両側においてガス流には等しい静圧が生じる。
【００２６】
ハウジング内壁に沿って「雪崩止め状」に配置された複数のリブ列を使用する本発明による手段により、ガス流は決定的に制動されて、均一な自由ガス流７を形成することができる。こうして、バーナに流入空気を一層均一にかつ良好に供給することが可能となる。
【００２７】
図７には、１つのリブ１１で適宜に変向される２つのガス流１，２の原理的な流れ経過が示されている。図７に示した横断面図は、環状燃焼器（図示しない）のプレナムの断面図に相当する。しかし、こうして形成されたリブは別の任意のプレナムにも配置することができる。
【００２８】
当然ながら、本発明は図示の実施例に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】ハウジング内に案内された２つのガス流の拡散挙動を示す原理図である。
【図２】理想的な流れ挙動を有するプレナムの横断面図である。
【図３】本発明の第１実施例によるプレナムの横断面図である。
【図４】本発明の第２実施例によるプレナムの横断面図である。
【図５】本発明の第３実施例によるプレナムの横断面図である。
【図６】図５に示したリブの配置を示す平面図および側面図である。
【図７】環状燃焼器に設けられた、本発明によるプレナムの断面図である。
【符号の説明】
１，２ ガス流（部分噴流）、 ３ ハウジング内壁、 ４，５ 流入開口、６ プレナム、 ７ 自由ガス流、 ８ 流入開口、 ９ バーナ、 １１ リブ、 １２ 段部、 １３ ガイドウェブ、 １５ 燃焼器、 Ａ 衝突点、
Ｇ ハウジング、 ａ，ｂ 流れ横断面、 ｌ ガイドウェブの長さ

Claims (9)

1. プレナム（６）であって、ガス流（１，２）を当該プレナム（６）に導入するための少なくとも２つの流入部（４，５）が設けられており、ガス流（１，２）が、主として当該プレナム（６）の内壁（３）に沿って案内されかつ、互いに接近する方向に向けられて、ガス流（１，２）が互いに衝突した後に自由ガス流（７）として内壁（３）から離れる方向に向けられるようになっている形式のものにおいて、内壁（３）に沿って案内されるガス流（１，２）の流れ方向に干渉するように方向付けられた少なくとも１つの流れ障害物（１１）が、内壁（３）に設けられており、当該プレナム（６）に、燃焼器（１５）の方向に作用するバーナ（９）が配置されており、該バーナ（９）が、バーナ内部に開口した少なくとも１つのギャップ状の流入開口（８）を有しており、しかも前記流れ障害物（１１）は、前記自由ガス流（７）が、バーナ（９）の前記ギャップ状の流入開口（８）に連続的にガスを供給するように方向付けられていることを特徴とするプレナム。
2. 流れ障害物（１１）が、内壁（３）に沿って案内されるガス流（１，２）の流れ方向に対してほぼ直交する方向に向けられている、請求項１記載のプレナム。
3. 各ガス流（１，２）のために少なくとも１つの流れ障害物（１１）が設けられている、請求項１または２記載のプレナム。
4. 流れ障害物（１１）が、内壁（３）から直角に隆起させられたリブとして形成されており、該リブの幅と高さとが、互いにほぼ等しい大きさを有している、請求項１から３までのいずれか１項記載のプレナム。
5. 前記リブ（１１）が、内壁（３）に、ガス流（１，２）の流れ方向で少なくとも２列で交互に相前後して配置されており、しかも前記リブ（１１）が、流れ方向で相並んで配置されている、請求項３または４記載のプレナム。
6. 当該プレナム（６）にバーナ（９）が設けられていて、該バーナ（９）が流入開口（８）を有しており、該流入開口（８）に自由ガス流（７）が導入可能である、請求項１から５までのいずれか１項記載のプレナム。
7. 内壁（３）の、流入部（４，５）の位置する範囲に、流入したガス流（１，２）の流速を減少させるための手段が設けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載のプレナム。
8. 内壁（３）の、流入部（４，５）の位置する範囲が、内壁（３）の円周を拡張する段部（１２）として形成されている、請求項７記載のプレナム。
9. 前記段部（１２）にハウジング内部で向かい合って位置するように、当該プレナム（６）に流入したガス流（１，２）を制限するガイドウェブ（１３）が設けられている、請求項８記載のプレナム。

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