JP4347643B2 - 予混合バーナとガスタービン及び燃料を燃焼させる方法 - Google Patents

Description

本発明は、空気中で燃料を燃焼させると共に予混合炎を安定化するための予混合バーナに関し、特に燃焼タービン用の予混合バーナに関する。この装置は、燃料の燃焼に先立って、燃料と空気を予混合する予混合室を含む。

「予混合バーナ」と称されるバーナ装置は、当業者には公知であって、当該技術分野では広く使用されている。燃料は、燃焼のために供給される空気との相互混合後にある時間間隔でのみ燃焼するという特徴を備えている。

従来の予混合バーナの動作時、燃料のバーナへの供給が増加すると、燃焼が不安定になり、バーナを取付けたプラントでしばしば音響振動が生ずる。この振動は「燃焼振動」として知られている。その振動は非常に大きく、予混合バーナと該バーナが一体物の一部であるプラントの動作を危険にする。燃焼前に予混合バーナで形成される燃料と空気の混合物がより均質であればある程、予混合バーナが不安定な燃焼を起こす傾向が益々大きくなる。しかし、混合気が均質であればある程、燃焼中の窒素酸化物の生成が低くなるという事実に鑑み、混合気は可能な限り均質であることが望ましい。混合気が完全に均質なら、混合気の燃焼中に生じる最大温度は最小となり、それは、窒素酸化物の生成が特に減少するという効果を伴う。特許文献１と２は、かかる燃焼が可能な装置を開示している。

予混合バーナの燃焼を安定化するため、特許文献３と４（Buechner等）は、バーナから流れる点火混合気を空気のベールで包み、混合気の周辺領域に渦が生成するのを防止することを提案する。これら渦は、渦燃焼プロセスを発生し、燃焼を不安定にするように実質的に働くと考えられる。これは、混合気を包み込む空気を実際の燃焼動作から抽出し、窒素酸化物の形成を著しく増加するという不利益を伴って初めて達成される。

特許文献６に対応する特許文献５は、燃料を空気中で燃焼させる装置を開示する。この装置は、軸を有する本体とこの軸に関して空気をメリジオナル流れに向けるように本体内に形成された環状通路と、この本体に接続されて渦流をその流れに与える渦流要素列と、本体に接続され、流れの一部を、その流れの他の部分に対する軸に関して外側にある部分を遅延させる流れ遅延器と、本体に接続され、実質的に均質な空気／燃料の混合気を形成すべく燃料をその流れと相互混合するミキサとを含む。この流れが装置から流出する時の速度は、その軸に関し半径方向に不均一に構成される。これは、環状通路の適切な点に配置した、スクリーン等の形態の適切な障害物により環状通路で流れを局所的に乱すことで行える。しかし、同時に、流れの中の空気と燃料の混合気の均質性が保持される。

特許文献７は、燃焼装置のためのバーナ装置に関し、特に予混合バーナである主バーナと、主及び副パイロットバーナを有する燃焼タービンに関する。主パイロットバーナは、主バーナにより取り囲まれると共に、主バーナの主軸に対し中心に位置する。副パイロットバーナは、燃料と空気の混合気が燃焼室に入る主バーナの出口に配置される。副パイロットバーナは、主バーナの出口での流体の不均一の要因となる、主バーナの出口の多くの開口部を経て追加の燃料を供給する。その達成には、流体を供給する追加のパイプと、更なる機械的機能とを要し、その結果バーナ装置はより複雑になり広い場所を必要とする。

特許文献８は、燃焼タービンプラントでの燃焼振動を抑制する能動的方法に関する。燃焼室における燃焼振動の能動的な減衰のためのこの方法は、少なくとも２つの制御要素を使用しており、そこでは、制御要素の操作レバーは、限られた数の点でのみ燃焼発振を測定することが必要である。これは、主に燃焼室内の自己励起により発生する音響振動の対称性を使い達成できる。燃焼振動を抑制し制御するための全ての能動的方法は、追加の電気的制御装置並びに熱い燃焼ガスに曝されるセンサを必要とする。
欧州特許第０１９３８３８号明細書 欧州特許第０５８９５２０号明細書 米国特許第５７５８５８７号明細書 米国特許第６０５６５３８号明細書 米国特許第６１５２７２４号明細書 欧州特許第０９２５４７０号明細書 独国特許第１９８３９０８５号明細書 国際公開第９８／３５１８６号パンフレット

従って本発明の目的は、この一般的タイプの従来技術の装置と方法の上述の不利益を克服した、空気中で燃料を燃焼するための予混合バーナを提供することにある。特に、ここでは予混合バーナでの燃焼プロセスを安定化するための対策を提供する。本発明の他の目的は、広い動作範囲に亘り、高い安定性の燃焼プロセスを可能にするガスタービンを提供することである。本発明の更に他の目的は、燃焼プロセスが動作条件の広い範囲に亘って安定したままで、空気中で燃料を燃焼するための方法を提供することである。

上述及び他の目的に鑑み、本発明に従い、燃焼空気を流れ方向に沿って案内する環状空気流路と、燃料を前記燃焼空気に送るための燃料入口とを備える予混合バーナであって、輪郭付け手段は、流れ方向に対し垂直方向に燃焼空気の質量流を輪郭付けすべく、前記空気流路内の燃料入口の上流に配置され、且つ前記輪郭に従って燃料入口の下流の燃料密度が環状空気流路を通って全ての半径方向に沿って変化するバーナを提供する。

本発明に従い、空気中に燃料が不均一に分布した燃料／空気の混合気を発生させる。この分布は、環状空気流路を経て半径方向に沿って変化する。この結果、バーナの正常動作のための好適な範囲のみならず全動作範囲内で炎の安定化が達成され、その正常な動作では、共振器に依存する他のシステムが働く。予混合炎の安定化は、環状流路回りで周方向へは均質であるが、上述の如く半径方向では非均質に分布した燃料リッチ空気の領域によって達成される。これは、局部的により高い燃料／空気比（ＦＡＲ）を伴う。燃料／空気比は、化学量論的燃料／空気質量比で割った実際の燃料／空気質量比として定義される。（欧州で使用される）空気数ラムダλは燃料／空気比の逆数として定義される。従って、阻止部材により、空気に対し局所的に燃料リッチな混合気となり、予混合室内の平均混合気（燃料／空気の混合気）に比べて燃料／空気比はなお１未満である（これは、ラムダλ数がなお１よりも大きいことを意味する）。この局所的に燃料リッチ混合気は、燃焼室内でより高い燃焼温度で燃焼し、従って、燃焼室内で、局所的に且つ離散的に燃焼温度が上昇し、他方予混合炎を安定化すると共に炎を消すための下限を低燃料／空気比へシフトする（これは、より高い空気数への移行を意味する）。

好ましくは、輪郭付け手段は孔あき環状金属板であり、該板の全ての孔は各孔領域を有し、その結果金属板の孔領域密度を形成し、且つこの孔領域密度は半径方向に変化する。一層好適には、孔領域密度は、半径方向外方に向かい増加する。かかる孔あき金属板は、空気質量流を輪郭付けするための手段の製造を容易にする。この板は、円錐状、即ち平らでない表面を持つものでよいが、むしろ円錐形の一部であってもよい。勿論、輪郭付け手段をメッシュサイズが変化する格子や篩等の、金属板とは異なる形態にしてもよい。

好適な実施形態では、輪郭付けを、燃焼空気の質量流が半径方向外方に向かい増加するように行う。バーナの中心から外方への、空気流路手段の外側エッジに向かう空気質量流の増加は、炎安定化に関し特に効果が期待できる、バーナの中心に燃料リッチ領域があることを意味する。バーナでは、環状空気流路が中心拡散バーナを取り囲むとよい。拡散バーナにおいて、燃料を空気と混合する領域は、多少なりとも燃焼領域に一致する。即ち燃料と空気の予混合は行わない。従って、予混合バーナは拡散燃焼を可能とする。

バーナは、更に、予混合室に入り空気の流れを局所的に阻止することでバーナ予混合炎を安定化すべく、空気入口に位置する少なくとも１つの空気阻止部材を更に備えると好ましい。その結果、前述の出口の下流で、局所的に不均一な燃料濃度に伴い、平均炎温度より熱い燃焼ガスの局所的に熱い流れが発生する。しかしこの阻止部材は、周方向に沿う不均質な分布を生ずる。

付随する特徴によれば、阻止部材を輪郭付け手段で固定する。この阻止部材は、孔あき板の下流又は上流で溶接や他の適切な方法で孔あき板に固定してもよい。また、この部材は、板と共に製造してもよく、且つ板の一部であってもよい。

本発明は、上述の設計に従うバーナを備えたガスタービンをも提供する。該バーナは、燃焼室を含むガスタービンの一部である。バーナは、燃焼室と流体的に接続しており、その結果、空気と燃料の混合気が燃焼室内を流れ、燃料が燃焼室内で燃焼する。ガスタービンは、コンプレッサと回転刃とガイド羽根等の構成要素を更に備え、これら要素は、当業者には公知なので、更に詳細な説明は省略する。

更に、本発明は、空気中で燃料を燃焼するための次の工程を含む方法を提供する。
予混合バーナの環状流路を通過するように空気を案内する工程、
前記空気の質量流を、この質量流が前記環状空気流路を介して全ての半径方向に沿って変化するよう輪郭付けする工程、
燃料を燃料入口位置で前記輪郭付けされた空気流に送給し、前記環状空気流路を介して全ての半径方向に沿って燃料濃度を変化する燃料／空気混合気を発生する工程、および
前記燃料／空気の混合気を点火し且つ燃焼する工程。

使用する燃料は流体、例えば天然ガスのようなガスや油のような液体であると特に好ましい。バーナの燃料入口と全ての他の燃料ガイド部品は、流動する、例えばガス状又は液体状の燃料用に設計するのが好ましい。

予混合室を持つバーナで安定化効果を得るには、空気流れのみが濃縮燃料／空気の混合気を発生すべく影響を受けるので、燃料を噴射する方法の本質的変更は必要ない。

ある動作条件で燃焼誘導振動を起こす傾向があるバーナに対し、本発明に従う適切な輪郭付け手段を使用すると、燃焼誘導振動の発生を更に大きく抑制し、且つ結果としてまだ現れるこれら燃焼誘導振動の最大圧の振幅を減少させられる。最大圧の振幅は、４分の１以下に減少できる。更に、燃焼誘導振動を起こす傾向のあるバーナ設計及びこれら振動のない設計の何れにおいても、適切な輪郭付け手段を使用することで、燃焼プロセス中、特により高い空気数で、生成する一酸化炭素（ＣＯ）の量を劇的に減少できる。

予混合バーナは、ガスタービン、即ち燃焼タービン、暖房設備、炉或いは予混合室を有するバーナを使用する他の点火設備のために使用できる。

更なる特徴によれば、バーナは、空気の流れに運動、即ち渦流を起こすため、環状流路に配された渦流要素を備える。この要素は、更に、空気流に燃料を送るように働く。渦流要素は、個々のケースに従って、軸方向や半径方向や対角方向の渦流要素列として構成できる。輪郭付け手段によって引き起こされた非均質性を有する部分を除いて、略均質混合気を維持すべく、渦流要素に設けた多数の孔によって燃料を空気流れ中に噴射することが好ましい。原理的には、燃料は、例えば渦流要素列のガイド羽根のノズル又は渦流要素列の前又は背後で別個の混合装置を経て、任意の方法で送出することが可能である。

付随的な特徴によれば、環状流路は、予混合バーナの主軸に対して傾斜される。即ち、断面領域に垂直な軸がバーナの主軸に対し９０°未満の角度をなす。実際上、断面領域上の多数の垂直軸（法線軸）は、９０°未満の開き角度を有すると共に、中心軸としてのバーナの主軸を有する円錐の表面を形成する。

また、追加の特徴に従い、バーナは流動燃料、特に天然ガス等のガス状燃料や油等の液体燃料で動作すべく設計される。これら燃料は、電力を発生する固定ガスタービンに特に広く使用される。ジェットエンジンに用いる燃料も使用可能である。これら燃料の場合、排ガス中のＮＯ_x濃度は、より厳格な環境保護基準を満たす程度に低濃度である。

ここでは、本発明を予混合バーナにおいて燃料を空気中で燃焼するガスタービンと方法を具体化したものとして図示しかつ説明するが、本発明を開示の内容に限定することは意図していない。本発明の精神から逸脱することなく、且つ本願の請求項の範囲及びそれに均等な範囲内で種々の変更及び構造的変更が可能だからである。

しかしながら、本発明の構成並びに本発明の追加の目的及び効果は、添付の図面に関連して読まれると、指定の実施形態の以下の記述からよりよく理解されよう。

各図において、例示の実施形態中の互いに対応する構成要素は、同じ参照番号を有する。

図面は、実際に実現される例示の実施形態の代表であると考えるべきではなく、幾つかの特徴を強調すべく単純化している。図面から直接的に得られる情報は、この情報に先行する説明に十分配慮し、当該技術に熟練した及び活動している人の自由意志で、知識と能力の範囲内で実際の構造が補充されても良い。

最初に図１を参照すると、本発明に従う予混合バーナ１の例示の実施形態を、この装置１の主軸７に沿って切断した断面図で示している。

予混合バーナ１は主軸７に沿って延び、環状の空気流路３を備えている。該流路３は、環体空気入口８を持つ。この入口８で、環体断面領域９は、９０°未満の角度だけ主軸７に対し傾斜している。環状空気流路３は、主軸７を中心とする円形出口１２を有する。空気入口８と出口１２の間に、多数の渦流要素１８を有する渦流要素列がある。各渦流要素１８は、環状流路３を横切るように延出する。明瞭化のため、２つの渦流要素１８のみを示す。これら各要素は、環状空気流路３に燃料５を送出すべく、特にノズルとして形成した多数の燃料入口１１を持つ。環状空気流路３は、主軸７に沿って延び、主軸７を中心とする拡散バーナ１６を取り囲む。拡散バーナ１６の構造的特徴は当業者に公知であり、詳細には説明しない。拡散バーナ１６は、特に渦流要素、即ち混合要素では一般的な空気入口と、燃料パイプ及び環状空気流路３内の出口を有する。

予混合バーナ１は、燃焼室の壁２２に取着されている。この燃焼室２０は、環状室や缶状の室であってもよく、且つ電力発生用の固定ガスタービン、ジェットエンジン、暖房装置、炉或いは他の点火装置の一部であってもよい。

空気入口８の領域に、空気輪郭付け手段２が設けられる。この輪郭付け手段２は、空気入口８の外周部１４に配置される。

予混合バーナ１の動作中に、空気４が空気入口８へ供給される。この空気４は、環状流路３を通過して流れ、渦流要素１８の燃料入口１１を通過して供給される燃料５と混合される。環状空気流路３を通過する間に、空気４と燃料５は、略均質空気／燃料の混合気を形成するように混合される。この結果、輪郭付け手段２は空気４の流れに影響を及ぼさない、出口１２の領域（図１に示す出口１２の右側部分）に亘って略一定な出口１２で、この混合気中の燃料が濃縮される。空気輪郭付け手段２によって、空気質量流は、半径方向外方で増加する。比較のため、予混合バーナ１の右側には、輪郭付け手段２を備えない従来の技術に従って設計されたものを示し、この場合は、均質半径方向空気質量流分布、従って均質半径方向燃料／空気の混合気となる。しかしながら、図１の左側は、半径方向外方での質量流量比率２３を増加して、矢印２５で示すのと同じ方向に燃料密度を減少する輪郭付け手段の影響を示している。濃縮された燃料濃度を有する領域２３において、空気／燃料混合気の流れの輪郭２４が影響を及ぼされ、速度成分２５が減少したことを示している。領域２３で混合気の燃料の濃度が高まったことで、より高い燃焼温度が半径方向内方領域２３で得られる。

渦流要素１８の下流に、出口１２に向かって拡大する予混合ゾーン１５がある。

図２は、燃焼室２０への挿入に先立つ予混合バーナ１を斜視図で示す。空気入口８に、輪郭付け手段２を形成する孔あき環状板が配置される。この板２は、空気４が環状空気流路３に入るのを許容する孔１３を有する。その更なる詳細は、図３を参照して後で説明する。二つの阻止部材１９は板２に溶接され、各部材１９は三角形である。三角形の阻止部材１９のベース辺は、幅Ｄを有する。阻止部材１９は、ベース側が空気入口８の外周部１４に位置するようにして孔あき板２上に配置される。阻止部材１９は、空気流を遅延させることで周方向に非均質空気／燃料の混合気を発生する。この結果、燃焼を更に安定化する個別の高温ガス流が得られる。

図３は、図２と同様に孔１３を有する孔あき板として設計された輪郭付け手段を部分的に示す。半径方向外方Ｒにおいて、各孔１３の直径Ｈは、半径方向内端の最小値Ｈ２から半径方向エッジでの最大値Ｈ１まで略連続的に増加する。従って、板２の表面に亘る孔領域密度は、一定ではない。換言すれば、孔領域密度は、半径方向Ｒに沿って増加する。これによって、空気流の、従って燃料／空気混合気の上述の輪郭が得られる。

本発明の全実施例は、コンプレッサから供給された圧縮空気流を、燃料を燃焼させることで加熱すべくガスタービンで使用する上で特に重要である。この加熱されたガスは、タービン内で膨張する。図４は、コンプレッサ１００と環状燃焼室１０２とタービン部品１０４とを有するガスタービン（１１０）を概略的に示し、これら全部材は、単一軸１０６上に取付けられている。空気４は、コンプレッサ１００で圧縮され、予混合バーナ１により上述の如く燃料と共に燃焼室１０２に導入される。引き続き、生成した高温ガスがタービン部品１０４を通過すべく案内され、軸１０６を回転させる。特に、環状燃焼室は、燃焼不安定となり易く、本発明は、これら不安定に対応する設計ために特に価値がある。

本発明は、一方で燃焼安定化のための受動的対策を提供するばかりか、他方でその燃焼に利用可能な空気からの空気の分岐を必要としない特徴を有する。

本発明に従う予混合バーナの長手方向断面図である。 予混合バーナの斜視図である。 輪郭付け手段の部分図である。 ガスタービンの概略構成図である。

符号の説明

１ 予混合バーナ、２ 輪郭付け手段、３ 空気流路、４ 空気、５ 燃料、７ 主軸、８ 空気入口、９ 断面領域、１１ 燃料入口、１２ 出口、１３ 孔、１４ 外周部、１５ 予混合ゾーン、１６ 拡散バーナ、１８ 渦流要素、１９ 阻止部材、２０、１０２ 燃焼室、２２ 燃焼室の壁、２３ 質量流分布、２４ 流れ輪郭、２５ 減少流れ輪郭部分、１００ コンプレッサ、１０４ タービン部分、１０６ 軸、１１０ ガスタービン、Ｄ 阻止部材の幅、Ｈ、Ｈ１、Ｈ２ 孔直径、Ｒ 半径方向

Claims (8)

1. 燃焼空気（４）を流れ方向に沿って案内するための環状空気流路（３）と、燃料（５）を前記燃焼空気（４）に送るための燃料入口（１１）とを備える予混合バーナ（１）であって、前記流れ方向に対して垂直方向に前記燃焼空気（４）の質量流を輪郭付けるために、前記空気流路（３）内の前記燃料入口（１１）の上流に輪郭付け手段（２）が配置され、この輪郭付け手段（２）は、前記燃焼空気（４）の質量流が半径方向外方（Ｒ）に向かって増加するように構成され、且つ前記輪郭に従って前記燃料入口（１１）の下流の燃料密度が前記環状空気流路（３）を経て全半径方向（Ｒ）に沿って変化する予混合バーナ。
2. 前記輪郭付け手段（２）が環状に形成された孔あき金属板であり、該板の全ての孔（１３）が各孔領域を有していて前記金属板の孔領域密度を形成し、且つ前記孔領域密度が半径方向（Ｒ）に沿って変化する請求項１記載のバーナ。
3. 前記孔領域密度が半径方向（Ｒ）外方に向かって増加する請求項２記載のバーナ。
4. 前記輪郭付け手段（２）が格子である請求項１記載のバーナ。
5. 前記輪郭付け手段（２）が篩である請求項１記載のバーナ。
6. 前記環状空気流路（３）が中央拡散バーナ（１６）を囲む請求項１記載のバーナ。
7. 請求項１から６の一つに記載のバーナ（１）を備えるガスタービン。
8. 空気（４）中で燃料（５）を燃焼するための次の工程を含む方法。
   予混合バーナ（１）の環状空気流路（３）を通過するように空気を案内する工程、
   前記空気（４）の質量流を、この質量流が前記環状空気流路（３）を介して全ての半径方向（Ｒ）に沿って変化し、半径方向外方（Ｒ）に向かって増加するように輪郭付けする工程、
   燃料（５）を燃料入口（１１）で前記輪郭付けされた空気流に送給して、前記環状空気流路（３）を介して全ての半径方向（Ｒ）に沿って燃料濃度を変化する燃料／空気の混合気を発生する工程、および
   前記燃料／空気の混合気を点火し且つ燃焼する工程。
   

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