JP4440378B2 - 燃焼器バッフル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
本発明は一般的には発電用燃焼器、より詳しくは燃焼器バッフルに係わる。
【０００２】
工業発電用ガスタービンエンジンは空気を圧縮するために圧縮機を含んでおり、圧縮された空気は燃料と混合され、燃焼器で点火されて燃焼ガスを発生する。燃焼ガスはタービンに流れ、ここでシャフトを駆動して圧縮機に動力を与えるためにエネルギーが抽出され、そして例えば発電機に動力を与えるために出力が生成される。タービンは典型的には発電機を駆動して例えば商用電力網へ電力を発生するために比較的に高いベース負荷で長時間にわたり運転される。燃焼ガスからの排気放出物はそれ故に関心事であり指令による制限を受けている。
【０００３】
ＮＯｘ（窒素酸化物）のようなガスの放出物を減少するために希薄予混合燃焼を使ったガスタービン燃焼器が開発されている。一つのこのような燃焼器は単一の燃焼チャンバに取り付けられた複数のバーナーを含んでいる。各バーナーは中心に燃料ノズルを配置された流管を含んでいて、ノズルの中心ハブが燃料噴射器および旋回羽根を支持している。運転中、燃料は燃料噴射器から噴射されて流管内の旋回する空気と混合され、バーナーの出口で火炎が発生される。燃焼火炎は中心ハブの背後におけるブラッフボディ再循環および旋回誘発再循環の組み合わせによって安定化される。希薄化学量論のため、希薄予混合燃焼では比較的に低い火炎温度が達成されるので発生されるＮＯｘ放出物は比較的に少ない。
【０００４】
しかしながら、これらの予混合系は普通”フラッシュバック”と呼ばれる予期できない現象を受けやすい。フラッシュバックは燃料中の不純物の点火あるいは火炎が過渡状態の相にあるときのモード変換の際の点火を含めた多くの事象のいずれかによって起きる。フラッシュバックが起きると、火炎は燃焼器チャンバの火炎を含むように設計されていない帯域または空胴に入る。フラッシュバックが懸念される一つのこのような領域は燃料ノズル間のエンドカバーに向かって上側の領域である。この領域の再循環する空気流のパターンおよび燃料の存在の可能性がこの領域をフラッシュバックが起こりやすくしている。この領域でのフラッシュバックは燃焼制御の損失をもたらすことがあり、更に過度な加熱を受けるように設計されていない例えば燃料ノズルのような燃焼器部品の加熱および融解を引き起こしかねない。
【０００５】
更にまた、改善された熱力学的効率を持ったタービンに対する増大してやまない要求はより高いタービン入口温度をもたらしている。このより高いタービン入口温度はこれに応じて圧縮機放出温度および圧力比の上昇をもたらしている。これらの条件の組み合わせは燃料の自己点火の可能性をより大きくしている。
【０００６】
従って、当業界ではフラッシュバックの発生を減少するためにエンドカバー領域内の再循環を改善することが必要とされている。
【０００７】
【発明の要約】
燃焼器アセンブリは円周方向に配列された複数の燃料ノズルを含んでおり、これらの燃料ノズルの第一端部は燃焼チャンバのエンドカバーに結合され、そして第二端部はエンドプレートに取り付けられている。これら複数の燃料ノズルはそれらの間に中心領域を区画している。この中心領域内にバッフルが配置される。バッフルは、エンドカバーに隣接した上流ベース部分、および上流ベース部分の幅に比較してより小さい幅を有する輪郭を付けられた下流部分を有し、これにより再循環流を下流流れに転移して中心領域内のフラッシュバックの発生を最小にしている。
【０００８】
【発明の詳細な記述】
工業用タービンエンジン１０は図１に示されているように燃焼器アセンブリ１４および単段または多段タービン１６と連続した流れ流通関係で配列された圧縮機１２を含んでいる。タービン１６は駆動シャフト１８によって圧縮機１２に連結されており、駆動シャフト１８の一部は電力を発生するために発電機（図示せず）を駆動するために延びている。運転に際しては、圧縮機１２が圧縮空気２０を燃焼器アセンブリ１４内に放出し、ここで圧縮空気２０が燃料２２と混合されてから点火されて燃焼チャンバ２６内に燃焼ガス２４を発生し、タービン１６によって燃焼ガス２４からエネルギーが抽出されてシャフト１８を回転して圧縮機１２に動力を与え、並びに発電機またはその他の外部負荷を駆動するために出力を発生する。
【０００９】
各燃焼器アセンブリ１４は図２の概略平面図に示されているように、同心的および円周方向に配列された複数例えば５つの上流ノズル５０を有する。各ノズル５０は円周方向に配列された隣接する一対のノズル５０に結合されて円周方向に隣接するノズル５０の同心ノズル配列を形成している。このノズルの同心的配列はそれらの間に中心領域５２を区画する。各ノズル５０の外側部分５４は中心領域５２の外側最端部を区画している。一実施の態様では、各ノズル５０の外側部分５４は弧状をしており、これによって中心領域５２に対して星形の外側最端幾何学形状を区画している。
【００１０】
各ノズル５０は図３に示されているように、エンドカバー６２に結合された第一端部６０および燃焼器アセンブリ１４（図１）に結合された第二端部６４を含んでおり、予混合燃料２２および空気２０を燃焼チャンバ２６に供給して燃焼させている。エンドプレート６６が典型的にはノズル５０の第二端部６４に隣接して配置されて、円周方向に隣接する各ノズル５０を相互接続し、そして第二端部６４を出るいかなる燃料空気混合物の望ましからざる中心領域５２内への逆流を防いでいる。従って、中心領域５２は典型的にはエンドカバー６２、ノズル５０の隣接する外側部分５４およびエンドプレート６６によって区画された室である。
【００１１】
上記に論じたように、再循環空気６８は中心領域５２内に典型的に見られる。中心領域５２内の燃料の存在と再循環空気６８が組合わさると、フラッシュバックが起きる最適な領域が提供される。
【００１２】
本発明の一実施の態様によれば、図４に示されているように中心領域５２内にバッフル１００が配置されてそこでの空気の再循環が最小にされる。一実施の態様では、エンドカバー６２内に配置された穴１０４にねじ切りで係合されているファスナー１０２によってバッフル１００がエンドカバー６２に固定される。一実施の態様では、ファスナー１０２は５／８″×２．５″減径軸ＵＮＣボルトである。別の実施の態様では、バッフル１００はエンドカバー６２と一体であり、製造工程中に適当な寸法に機械加工される。
【００１３】
バッフル１００は図５に最も良く示されているように、エンドカバー６２に隣接した上流ベース部分１１０および上流ベース部分１１０の幅に比較してより小さい幅を有する輪郭を付けられた下流部分１１２からなる。一実施の態様では、バッフル１００はハステロイ（Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ）Ｘで作られている。
【００１４】
バッフル１００は再循環空気流６８（図３）を非−再循環流７０（図４）に転移する。従って、非−再循環流７０は燃料および空気を燃焼チャンバ２６（図１）に向け下流に移動するので、中心領域５２（図４）内のフラッシュバックの発生は最小にされそして排除すらされる。
【００１５】
上流ベース部分１１０はノズル５０のそれぞれの外側部分の間にはめ合うよう配置されるように形状づけられる（図４）。一実施の態様では、ベース部分１１０の高さ（ｈ）は約０．２５インチ乃至約１．１２５インチの範囲である（図５）。一実施の態様では、バッフル１００は約１．５インチ乃至約２．５インチの範囲の高さ（ｈ′）を有する。
【００１６】
一実施の態様では、輪郭を付けられた下流部分１１２は上流部分における約３．０インチ乃至約４．０インチの範囲の幅（ｗ′）から下流部分における約０．７５インチ乃至約１．３０インチの範囲の幅（ｗ）に狭まって円錐形の輪郭を形成している。
【００１７】
本発明の一実施の態様では、輪郭を付けられた下流部分１１２はより広い上流ベース部分１１０から、基準線１２４を基準にして約３５°乃至約５５°の範囲、典型的には４５°の角度（α）で狭まっている。基準線１２４は典型的にはエンドカバー６２に対し垂直に傾斜されている。
【００１８】
一実施の態様では、５つのノズルが５カ所で尖った星の幾何学形状を有する中心領域５２を区画している。従って、この実施の態様では、図６に最も良く示されているようにバッフル１００は５つのノズルの各々と均一にはめ合わさるように概して星形の幾何学形状を有している。
【００１９】
図７に示されているような別の実施の態様２００では、輪郭を付けられた下流部分１１２は準−円錐形の輪郭を形成するようにより広いベース部分からより狭い下流部分に狭まっている。その外側表面は約１．２５インチ乃至約１．３７５インチの範囲の軸方向長さ（図７におけるｈ′−ｈ）および約２．２インチの曲率半径によって定義される弧として輪郭づけられる。このバッフルの設計は形状がより空気力学的であって流れに対してより少ない妨害（抵抗）しか与えないので流体の流れにより順応した形をとる。それ故このバッフル設計はより小さな圧力降下の要件に従うことが期待される。圧力降下が低いほどポンピング費用が低下する利益がもたらされる。
【００２０】
図８はバッフルのない中心領域内における速度の大きさで着色された速度ベクトルの例示のパターンを描いている。エンドカバープレート付近の中心領域における大きな再循環帯域が見られる。比較的に弱い再循環帯域もノズルの軸方向下流のデッド領域に存在する。エンドカバー付近の比較的強い再循環帯域は燃料の存在下でフラッシュバックへの部位を提供するので中心領域での火炎−保持を回避するため排除されるべきである。中心領域での燃料の存在はより良い燃焼および火炎安定性を得るため設計によって意図的に図られるかあるいは意図的ではなしに燃料の漏洩に原因している可能性がある。
【００２１】
図９はバッフル１００が備えられた中心領域内における速度の大きさで着色された速度ベクトルの例示のパターンを描いている。図９では、エンドカバー付近の中心領域における強い再循環帯域（図８にみられる）が排除されている。従って、バッフル１００は万一フラッシュバックが中心領域に発生したときの火炎保持に対する潜在的な部位を排除している。しかし、この形状は下流のデッド領域に”弱い”再循環の存在を示している。
【００２２】
図１０は別のバッフル設計２００が備えられた中心領域内における速度の大きさで着色された速度ベクトルの例示のパターンを描いている。エンドカバー付近の中心領域における強い再循環帯域（図８にみられる）は図１０でも排除されている。従って、この設計もまた万一フラッシュバックが中心領域に発生したときの火炎保持に対する潜在的な部位を排除している。加えてこのバッフル設計では”弱い”下流の再循環も排除している。
【００２３】
以上本発明の或特徴についてのみが例示され記載されたが、当業者には多くの改良および変更が思い当たろう。それ故、特許請求の範囲には本発明の真の精神に入るこうした改良および変更の全てが網羅されていると理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の工業用タービンエンジンの概略図である。
【図２】例示的な燃焼器ノズル配列の一端の概略平面図である。
【図３】部品の一部を取り除いた、例示的な燃焼器ノズル配列の概略側部立面図である。
【図４】部品の一部を取り除いた、本発明の一実施の態様に従った燃焼器ノズル配列の概略側部立面図である。
【図５】本発明の一実施の態様に従った燃焼器バッフルの概略の側部断面立面図である。
【図６】図４の燃焼器ノズル配列の一端の概略平面図である。
【図７】本発明の別の実施の態様に従った燃焼器バッフルの概略の側部断面立面図である。
【図８】バッフルのない中心領域内における速度の大きさで着色された速度ベクトルの例示のパターンを描いた着色図である。
【図９】本発明の一実施の態様に従ったバッフルが備えられた中心領域内における速度の大きさで着色された速度ベクトルの例示のパターンを描いた着色図である。
【図１０】本発明の別の実施の態様に従った別のバッフルが備えられた中心領域内における速度の大きさで着色された速度ベクトルの例示のパターンを描いた着色図である。

Claims (12)

1. 燃焼器アセンブリ（１４）であって、
   円周方向に配列された複数の燃料ノズル（５０）であって、燃焼チャンバ（２６）のエンドカバー（６２）に結合された第一の端部（６０）とエンドプレート（６６）に取り付けられた第二の端部（６４）とを有し、それらの間に中心領域（５２）を区画している、複数の燃料ノズル（５０）、および
   前記中心領域（５２）内に配置されていて、前記エンドカバー（６２）に固定された上流ベース部分（１１０）と該上流ベース部分（１１０）の幅に比較してより小さい幅を有する輪郭を付けられた下流部分（１１２）とを有しており、これにより再循環流（６８）を下流流れ（７０）に転移して前記中心領域（５２）内のフラッシュバックの発生を最小にするバッフル（１００）
   を含む燃焼器アセンブリ（１４）。
2. 前記複数の燃料ノズル（５０）の数が５である、請求項１の燃焼器アセンブリ（１４）。
3. 前記バッフル（１００）が、前記エンドカバー（６２）内に配置された穴（１０４）にねじ切りで係合しているファスナー（１０２）によって前記エンドカバー（６２）に結合されている、請求項１の燃焼器アセンブリ（１４）。
4. 前記バッフル（１００）がハステロイＸで作られている、請求項１の燃焼器アセンブリ（１４）。
5. 前記バッフル（１００）の前記上流ベース部分（１１０）が前記複数の燃料ノズル（５０）のそれぞれの外側表面（５４）にはめ合うよう配置されるように形状づけられている、請求項１の燃焼器アセンブリ（１４）。
6. 前記バッフル（１００）の前記上流ベース部分（１１０）が０．２５インチ（６．３５ｍｍ）乃至１．１２５インチ（２８．５８ｍｍ）の範囲の高さをしている、請求項１の燃焼器アセンブリ（１４）。
7. 前記輪郭を付けられた下流部分（１１２）が１．２５インチ（３１．７５ｍｍ）乃至１．３７５インチ（３４．９３ｍｍ）の範囲の軸方向長さおよび２．２インチ（５５．９ｍｍ）の曲率半径によって定義される弧として輪郭づけられている、請求項１の燃焼器アセンブリ（１４）。
8. 前記上流ベース部分（１１０）が前記５つの燃料ノズル（５０）のそれぞれの外側表面（５４）にはめ合うよう配置されるように概して星形の形状に形状づけられている、請求項２の燃焼器アセンブリ（１４）。
9. 前記輪郭を付けられた下流部分（１１２）が円錐状に形づけられている、請求項１の燃焼器アセンブリ（１４）。
10. 前記バッフル（１００）が１．５インチ（３８．１ｍｍ）乃至２．５インチ（６３．５ｍｍ）の範囲の高さをしている、請求項１の燃焼器アセンブリ（１４）。
11. 工業用タービンエンジン（１０）であって、
    円周方向に配列された複数の燃料ノズル（５０）であって、燃焼チャンバ（２６）のエンドカバー（６２）に結合された第一の端部（６０）とエンドプレート（６６）に取り付けられた第二の端部（６４）とを有し、それらの間に中心領域（５２）を区画している、複数の燃料ノズル（５０）、および
    前記中心領域（５２）内に配置されていて、前記エンドカバー（６２）に固定された上流ベース部分（１１０）と該上流ベース部分（１１０）の幅に比較してより小さい幅を有する輪郭を付けられた下流部分（１１２）とを有しており、これにより再循環流（６８）を下流流れ（７０）に転移して前記中心領域（５２）内のフラッシュバックの発生を最小にするバッフル（１００）
    を含む燃焼器アセンブリ（１４）を有する工業用タービンエンジン（１０）。
12. 前記バッフル（１００）の前記上流ベース部分（１１０）が前記複数の燃料ノズル（５０）のそれぞれの外側表面（５４）にはめ合うよう配置されるように形状づけられている、請求項１１記載の工業用タービンエンジン（１０）。

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