JP4191298B2

JP4191298B2 - 燃焼装置のための燃料／空気混合装置

Info

Publication number: JP4191298B2
Application number: JP35709798A
Authority: JP
Inventors: サルマンアルカビーヒシャーム
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1998-12-16
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2018-12-16
Also published as: US6311496B1; FR2772890B1; GB9726847D0; ITTO981054A1; GB2332509A; FR2772890A1; ITTO981054A0; IT1303589B1; JPH11264543A; DE19859210A1; GB2332509B

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンエンジンのバーナーのような燃焼装置のための燃料／空気混合装置に関し、特に、ガス燃料式ガスタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
効率と環境への配慮の両方から、燃焼装置からの汚染物放出量を可能な限り低く抑えることが肝要であり、その目的のために従来からいろいろな対策が提案されている。例えば、ガスタービンエンジンの分野においては、「過薄混合気燃焼」システムが知られている。過薄混合気燃焼システムでは、空燃比が化学量論比又はそれに近い値とされ、特に、エンジンが全負荷又は近全負荷（全負荷に近い負荷）で運転されているときは、有害な排気汚染物、特にＣＯ、ＮＯｘ、未燃焼炭化水素の発生量は比較的少ない。しかしながら、低負荷での運転中は、従来の過薄混合気燃焼装置は、なかんずく、混合気の燃料含量が低いことと流速が低いことによりフレームアウト（消炎）（燃料の不完全燃焼不足などの燃料供給の障害や燃焼不全のため、特にジェットエンジンのようなエンジン内の火炎が突然消えること）が生じないように火炎の安定を維持することが困難であるという点で、不利である。
【０００３】
このような問題を克服するための従来の提案は、一般に、低負荷時の性能を向上させるようにエンジンの作動を調節するための複雑な構成を用いるものであった。なかんずく、エンジンの作動負荷の高低に応じて燃料を多段式に噴射させるようにし、エンジンの負荷が増大するにつれて順次に追加の段を作動させるようにした多段式燃料供給方式が提案されている。その他の方式としては、火炎安定性の高い燃料の豊富な中央帯域を創生するように燃料を渦流形成手段内へ直接軸線方向に噴射することによってパイロット炎を維持する構成が提案されている。しかしながら、パイロット炎方式は、通常、低負荷での作動時に高いレベルの汚染物を放出する。しかも、これらの構成は、いずれも、適正な時点で適正な部位へ適正な量の燃料を確実に噴射するためのかなり複雑な制御装置を必要とする。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、能率的な燃焼を保証し、かつ、有害な排気汚染物の放出を低レベルに抑えるように噴射される燃料の流量に順応する簡単な、能率的な空燃混合装置を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃焼帯域を有する燃焼室を備えた、ガスタービンエンジンのための燃焼装置において、該燃焼装置の燃焼帯域へ空燃混合気を供給するための中心軸線の周りにほぼ円筒形の燃料／空気混合装置であって、
（ａ）流れ方向の順に、半径方向外方の空気取り入れ口と、燃料噴射手段（２５）と、半径方向内方の空燃混合気出口とを有し、空気と燃料を混合して半径方向に流入する空燃混合気を創生するための輻流型一次渦流通路手段（２２）と、
（ｂ）前記一次渦流通路手段（２２）の半径方向内側に同心関係に配置されており、該一次渦流通路手段（２２）の前記空燃混合気出口から流出する前記空燃混合気のうちの第１部分を受容するために該一次渦流通路手段（２２）の前記空燃混合気出口に連通する第１端と、該空燃混合気の第１部分を前記燃焼室（１０）内の前記燃焼帯域の半径方向外側領域へ送給するために該燃焼室（１０）に連通する第２端を有する軸線方向に延長した環状の第１導管（３１ａ）と、
（ｃ）前記一次渦流通路手段（２２）の半径方向内側に同心関係に配置されており、流れ方向の順に、該一次渦流通路手段（２２）の前記空燃混合気出口から流出する前記空燃混合気の第２部分（４４）を受容するために該一次渦流通路手段（２２）の前記空燃混合気出口に連通する半径方向外方の空燃混合気取り入れ口と、半径方向内方の空燃混合気出口とを有する輻流型二次渦流通路手段（４０）と、
（ｄ）前記環状の第１導管（３１ａ）及び前記二次渦流通路手段（４０）の半径方向内側に同心関係に配置されており、該二次渦流通路手段（４０）の前記空燃混合気出口から流出する空燃混合気の前記第２部分（４４）を受容するために該二次渦流通路手段（４０）の該空燃混合気出口に連通する第１端と、空燃混合気の該第２部分を前記燃焼帯域の半径方向内側領域へ送給するために前記燃焼室（１０）に連通する第２端を有する軸線方向に延長した中央第２導管（４２）と、
から成ることを特徴とする空燃混合装置を提供する。
【０００８】
前記輻流型一次渦流通路手段（「一次渦流通路手段」又は単に「一次渦流器」とも称する）は、混合気の、半径方向流れ（輻流）成分を有する流れを創生するように配列され、間に通路を画定する複数の羽根によって構成することが好ましい。前記輻流型二次渦流通路手段（「二次渦流通路手段」又は単に「二次渦流器」とも称する）は、前記混合気の第２部分の、半径方向流れ成分を有する流れを創生するように配列され、間に通路を画定する複数の羽根によって構成することが好ましい。
【０００９】
前記一次渦流通路手段の各通路には、該通路へ燃料を供給するための少なくとも１つの燃料噴射オリフィスを設けることが好ましい。一次渦流通路手段の各通路に空気流が流入するの防止するために該少なくとも１つの燃料噴射オリフィスを空気流から遮蔽するための遮蔽手段を設けることができる。
【００１０】
本発明の装置は、燃料が前記一次渦流通路手段に流入する流量が増大するにつれて前記混合気の第１部分が増大するように作動することができる。
【００１１】
前記第２導管は、その上流端を前記二次渦流通路手段と一体とされた、又は、それに取り付けられたチューブによって構成することができる。
【００１２】
前記二次渦流通路手段は、前記一次渦流通路手段の有効容積より小さい有効容積を有するものとすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図を参照して本発明の実施形態を説明する。
まず、図１を参照して従来の空燃混合装置を説明する。図１に示されるように、燃焼装置１は、主燃焼室（以下、単に「燃焼室」とも称する）１０と、従来慣用の空燃混合装置２０から成る。
図１の燃焼装置１は、長手中心軸線Ｉ−Ｉを有し、例えば、ガスタービン組立体の環状に配列された複数の燃焼装置の１つとすることができる。
【００１４】
図１は、燃焼室１０の上流部分を示す。燃焼室１０は、円筒状の壁１１と、壁１１の上流端、即ち、図１でみて左端から上流方向（左方）へテーパした壁１２とによって画定される。テーパ壁１２の小径端は、慣用の空燃混合装置２０の円筒壁３０に連接する。空燃混合装置２０は、燃焼室１０の上流端に配置されており、渦流通路手段（渦流器）２２の形とした混合手段と、予燃焼室３１の形とした（第１）導管手段とから成る。
【００１５】
燃料と空気は、空燃混合装置２０内で混合されて可燃混合気となり、燃焼室１０内で燃焼される。圧縮機からの空気は、壁１１の外表面を被って流れ、壁１１を囲繞する通路内を慣用の態様で流れる間に壁１１を冷却する。次いで、空気は、渦流器２２内の通路の半径方向の外端（通路の半径方向外方の空気取り入れ口）を通って空燃混合装置２０に流入する。渦流器２２は、壁３０から半径方向外方へ延長した壁２３と端壁２４との間に円周方向に配列された羽根又はブレード２６の環状配列体から成る。これらの羽根２６は、それらの間に空気をほぼ接線方向に流入させて半径方向内向きの運動成分（半径方向流れ成分）を有する渦流運動を付与するように傾けられた通路を画定する。羽根２６は、別個の部品として形成して所定位置に固定してもよく、あるいは、肉厚の筒状部材に複数の通路を刻設又は穿設して羽根２６を形成してもよい。
【００１６】
端壁２４には、燃料噴射オリフィス又はノズル２５から成る複数の燃料噴射手段が形成されている。これらの燃料噴射オリフィス２５は、通常、渦流器２２の各通路に１つづつ設けられ、各通路の半径方向外端寄りに配置される。燃料は、図２に符号２８で示されるように、発散（末広）流れパターンを呈するように噴射される。端壁２４には、電気火花点火器（図示せず）を突設することができる。
【００１７】
渦流器２２を取り巻く領域から渦流器２２内の通路を通って流入した空気は、オリフィス２５から噴射された燃料と混合し、そのようにして生成された半径方向に流入する空燃混合気は、渦流器２２内の通路の半径方向内端（半径方向内方の空燃混合気出口）を通って予燃焼室３１を構成する導管に流入する。矢印３２で示されるように予燃焼室３１内を通る渦流状の空燃混合気は、予燃焼室即ち導管３１から主燃焼室１０内へ流入して燃焼する。図１の符号１３は、火炎帯域を示し、１４は、エンジンが全負荷又は近全負荷で作動しているときの火炎の境界線を示す。
【００１８】
図１及び２に示されるこの従来の装置は、全負荷条件下では良好に機能するが、エンジン負荷及び燃料供給量が低下するにつれて、火炎１３のサイズが減小し、ＣＯ等の汚染物の量が増大し、「過薄混合気燃焼」状態が継続すると、フレームアウトの危険が著しく増大する。この混合装置の作動においては、渦流器の通路及び予燃焼室を通る空気、燃料及び空燃混合気の運動が複雑であり、なかんずく、渦流器の出口において半径方向及び軸線方向の運動成分を有する速度勾配が存在し、壁２４に近接した上流側の半径方向の運動成分は、壁２３に近接した下流側の軸線方向の運動成分より強い。更に、低負荷条件においては、ノズル２５から渦流器に噴射された燃料は、混合装置を通って半径方向内方へ移動する間、壁２４に近接したままに留まろうとする傾向がある。以下に説明する本発明の実施形態ではこの流れ特性を利用する。
【００１９】
図３及び４は、本発明の好ましい実施形態による空燃混合装置２０ａを示す。この実施形態では、追加の二次渦流器（二次渦流通路手段）４０の形とした流れ分割手段（分流手段）が設けられる。二次渦流器４０（以下、単に「渦流器」とも称する）は、渦流器２２の半径方向内側に配置される。本発明においては、半径方向外側の渦流器２２は、一次渦流器（一次渦流通路手段）を構成する。図に示されるように、二次渦流器４０は、一次渦流器２２より軸線方向の長さ（即ち、燃焼装置の長手中心軸線Ｉ−Ｉに平行な方向で測定して）が短く、いずれにしても、二次渦流器４０は、一次渦流器２２よりも、それを通る流体流のための有効容積が小さくなるように寸法づけされている。渦流器４０は、その半径方向内端において、予燃焼室３１を貫通して延設されたチューブ４２に取り付けられている。チューブ４２は、二次渦流器４０から燃焼室１０にまで延長する中央第２導管を構成する。壁３０とチューブ４２の外表面との間の環状通路３１ａは、一次渦流器２２の半径方向内側に同心関係に配置され、一次渦流器２２の出口（半径方向内方の空燃混合気出口）から軸線方向に燃焼室１０にまで延長する環状の第１導管を構成する。この環状第１導管３１ａは、一次渦流器２２の前記空燃混合気出口から流出する空燃混合気のうちの第１部分を受容するために該一次渦流器の該空燃混合気出口に連通する第１端と、空燃混合気の第１部分を燃焼室１０内の燃焼帯域の半径方向外側領域へ送給するために燃焼室１０に連通する第２端を有する。軸線方向に延長した中央第２導管４２は、環状の第１導管３１ａ及び二次渦流器４０の半径方向内側に同心関係に配置されており、二次渦流器４０の前記空燃混合気出口から流出する空燃混合気の第２部分４４を受容するために該二次渦流器の該空燃混合気出口に連通する第１端と、空燃混合気の該第２部分を前記燃焼帯域の半径方向内側領域へ送給するために燃焼室１０に連通する第２端を有する。この空燃混合装置２０ａは、壁２４から軸線方向にチューブ４２とは反対の方向に延長する電気点火器を配置するためのチューブ６０を有する。
【００２０】
二次渦流器４０の羽根及び通路の数は、一次渦流器２２の羽根及び通路より少なくすることができる。渦流器の羽根及び通路の数及び配置を単に例として示す図５にみられるように、半径方向外側の一次渦流器２２は、１２枚の羽根２６と、隣接する各１対の羽根の間に画定された１２の一次通路２７を有し、二次渦流器４０は、８枚の羽根４６と、隣接する各１対の羽根の間に画定された８つの二次通路４７を有する。もちろん、他の構成も可能であり、例えば、一次渦流器２２と二次渦流器４０に同数の通路を形成し、それらの通路を軸線方向に整列させることができる。
【００２１】
先に説明したように、全負荷状態におけるより燃料圧が低い低負荷状態においては、ノズル２５を通して混合装置に流入した燃料は、壁２４に比較的近接したままに留まる。従って、空気流２１が一次渦流器２２に流入して燃料と混合すると、その空燃混合気も、やはり、壁２４に比較的近接したままに留まり、図４に矢印４４によって示されるその一部分（第２部分）は、強い半径方向の速度成分の作用を受けて二次渦流器４０に流入し、混合気の他の一部分（第１部分）は第１導管３１ａを通って燃焼室１０へ流入する。二次渦流器４０に流入した混合気は、渦流器４０内の通路４７に沿ってチューブ４２に流入する。二次渦流器４０チューブ４２の相対寸法は、チューブ４２内に、全負荷状態においてより大きい予燃焼室３１ａ内に生じるのと同様な空燃混合気を囲う動的領域が形成されるように定められている。このチューブ４２内での空燃混合気の燃焼特性は、全負荷状態における予燃焼室３１内での空燃混合気の燃焼特性と類似したものとなり、従って、汚染物の発生量が比較的少ない良好な燃焼が達成される。低負荷条件下で作動する場合、空燃混合気のうち内側の二次渦流器４０を通らない第１部分（第１導管３１ａを通る部分）は、その分だけ（二次渦流器４０を通る分だけ）燃料搬送量が少なく、チューブ４２の外側の予燃焼室３１を通って燃焼室１０に流入し、燃焼室１０内で優勢な循環流体流れによってチューブ４２から流出する混合気に接触せしめられる。これらの２つの流れ（予燃焼室３１を通って燃焼室１０へ噴射される混合気の流れと、チューブ４２から燃焼室１０へ噴射される混合気の流れ）が混合して化学量論比に相当する空燃比を有する混合気となるが、その燃焼によって生じる火炎５１は、内側二次渦流器４０及びチューブ４２がない場合に比べて小さく、従って、燃料密度が高く、火炎の安定性が良好となる。
【００２２】
全負荷条件において外側一次渦流器２２内を通る空燃混合気の流れの質量は、低負荷時よりも何倍も大きく、内側二次渦流器４０の質量容量は小さいので、負荷が増大すればするほど、二次渦流器４０が混合気全体の流れに及ぼす作用が小さくなる。即ち、チューブ４２の外側に沿って第１導管３１ａ内を通る空燃混合気の量が増大すればするほど、それに比例してチューブ４２即ち第２導管を通る混合気の量が減少するので、全負荷時においては内側二次渦流器４０はほとんど影響を及ぼすことがなく、この燃焼システムは、単純な過薄混合気燃焼システムとほぼ同様な態様で作動する。以上の説明から分かるように、エンジン負荷の変化に対応する調節が上記の構造の混合装置によって自動的になされ、そのような調節を行うための複雑な制御装置を必要としない。
【００２３】
図６に示される本発明の別の好ましい実施形態においては、一次渦流器２２の通路への入口の近傍に１つ又は複数の遮蔽部材７０を設けることによって一次渦流器２２に遮蔽帯域が形成されている。例えば、遮蔽部材７０は、環形状とし、一次渦流器２２の外周の周りに延設することができる。遮蔽部材７０は、燃料噴射ノズル２５及びそれから噴射される供給燃料を一次渦流器２２の各通路に流入してくる空気２１から遮蔽する働きをし、それによって、少なくとも燃焼装置が低圧で作動しているときは、端壁２４の近傍に燃料の豊富な流体ポケットを形成することができ、その結果として、低負荷条件下において二次渦流器４０を通る混合気を比較的燃料の豊富な混合気とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、燃焼室に関連して設けられた慣用の空燃混合装置を備えたガスタービンの燃焼装置の概略断面図である。
【図２】図２は、図１の細部Ａの拡大図であり、混合装置の渦流創生手段の一部、空気の供給、燃料の噴射、及び渦流創生手段内での空気と燃料との混合態様を示す。
【図３】図３は、本発明の一実施形態による空燃混合装置を備えたガ燃焼装置の概略断面図であり、ガスタービンの燃焼室の上流端をも示す。
【図４】図４は、図３の細部Ｂの拡大図である。
【図５】図５は、図３の右側からみた混合装置の拡大詳細図である。
【図６】図６は、図３〜５の実施形態の変型例であり、燃料噴射手段を遮蔽するための遮蔽装置を示す。
【符号の説明】
１：燃焼装置
１０：燃焼室
２０ａ：空燃混合装置
２１：空気流
２２：一次渦流器
２４：端壁
２５：燃料噴射オリフィス、ノズル
２６：羽根
３１ａ：環状通路、導管
４０：二次渦流器
４２：チューブ
４６：羽根
４７：通路
５１：火炎、燃焼帯域
６０：チューブ
７０：遮蔽部材

Claims

燃焼帯域を有する燃焼室を備えた、ガスタービンエンジンのための燃焼装置において、該燃焼装置の燃焼帯域へ空燃混合気を供給するための中心軸線の周りにほぼ円筒形の燃料／空気混合装置であって、
（ａ）流れ方向の順に、半径方向外方の空気取り入れ口と、燃料噴射手段（２５）と、半径方向内方の空燃混合気出口とを有し、空気と燃料を混合して半径方向に流入する空燃混合気を創生するための輻流型一次渦流通路手段（２２）と、
（ｂ）前記一次渦流通路手段（２２）の半径方向内側に同心関係に配置されており、該一次渦流通路手段（２２）の前記空燃混合気出口から流出する前記空燃混合気のうちの第１部分を受容するために該一次渦流通路手段（２２）の前記空燃混合気出口に連通する第１端と、該空燃混合気の第１部分を前記燃焼室（１０）内の前記燃焼帯域の半径方向外側領域へ送給するために該燃焼室（１０）に連通する第２端を有する軸線方向に延長した環状の第１導管（３１ａ）と、
（ｃ）前記一次渦流通路手段（２２）の半径方向内側に同心関係に配置されており、流れ方向の順に、該一次渦流通路手段（２２）の前記空燃混合気出口から流出する前記空燃混合気の第２部分（４４）を受容するために該一次渦流通路手段（２２）の前記空燃混合気出口に連通する半径方向外方の空燃混合気取り入れ口と、半径方向内方の空燃混合気出口とを有する輻流型二次渦流通路手段（４０）と、
（ｄ）前記環状の第１導管（３１ａ）及び前記二次渦流通路手段（４０）の半径方向内側に同心関係に配置されており、該二次渦流通路手段（４０）の前記空燃混合気出口から流出する空燃混合気の前記第２部分（４４）を受容するために該二次渦流通路手段（４０）の該空燃混合気出口に連通する第１端と、空燃混合気の該第２部分を前記燃焼帯域の半径方向内側領域へ送給するために前記燃焼室（１０）に連通する第２端を有する軸線方向に延長した中央第２導管（４２）と、
から成ることを特徴とする空燃混合装置。
前記一次渦流通路手段（２２）は、前記混合気の、半径方向流れ成分を有する流れを創生するように配列され、間に通路（２７）を画定する複数の羽根（２６）によって構成されている請求項１に記載の空燃混合装置。
前記一次渦流通路手段の各通路（２７）には、該通路へ燃料を供給するための少なくとも１つの燃料噴射オリフィス（２５）が設けられている請求項２に記載の空燃混合装置。
前記一次渦流通路手段（２２）の各通路（２７）に空気流が流入するの防止するために前記少なくとも１つの燃料噴射オリフィス（２５）を空気流から遮蔽するための遮蔽手段（７０）を含む請求項３に記載の空燃混合装置。
前記二次渦流通路手段（４０）は、前記混合気の第２部分（４４）の、半径方向流れ成分を有する流れを創生するように配列され、間に通路（４７）を画定する複数の羽根（４６）によって構成されている請求項１に記載の空燃混合装置。
燃料が前記一次渦流通路手段（２２）に流入する流量が増大するにつれて前記混合気の第１部分が増大する請求項１に記載の空燃混合装置。
前記第２導管は、その上流端を前記二次渦流通路手段と一体とされた、又は、それに取り付けられたチューブ（４２）によって構成されている請求項１に記載の空燃混合装置。
前記二次渦流通路手段（４０）は、前記一次渦流通路手段（２２）の有効容積より小さい有効容積を有する請求項１に記載の空燃混合装置。