JP4610708B2 - ガスタービン用予混合チャンバ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービン用予混合チャンバに関する。
【０００２】
【従来の技術】
公知のように、ガスタービンは、圧縮機と、１つまたは２つ以上の段を持つタービンとから成り、これらの構成部材が回転軸によって互いに連結されており、圧縮機とタービンとの間に燃焼室が設けられている機械である。
【０００３】
外部環境から圧縮機に空気が供給され、圧縮機が加圧される。
【０００４】
圧縮された空気は、ノズルまたは収束部で終わる一連の予混合室を通過し、各予混合室には、気体燃料の場合は燃焼すべき空気燃料混合物を形成するように空気と混合される燃料が供給される。
【０００５】
このように、ガスの温度およびエンタルピーを高くするように構成された燃焼を起こすために必要な燃料が、加圧網によって供給される１つまたは２つ以上のバーナによって燃料室に導入される。
【０００６】
既知のバーナユニットは、気体燃料の場合は、内部にオジーブの形の部材が存在しており、この部材は、現在の専門用語では一般に囲い板として知られており対応する口部に連結されている収束部で終わる本体内部に含まれており、この口部が囲い板と燃焼室の連結を可能にしている複雑な構造を有している。
【０００７】
圧縮機から得られる圧縮空気の流れにおける対応する乱流は、従来技術では一般に旋回翼として知られている部材に各バーナを結合することによって、オジーブの形の部材の下流で生成される。旋回翼は、圧縮機から得られる空気の流れを妨害し、互いに逆方向に向けられすべての翼がこの乱流を生成するように構成された２連の翼から成る複雑な形状を備えている。
【０００８】
このように生成された乱流は、特に、燃焼室内での空気自体と燃料の対応する混合を可能にする。
【０００９】
火炎の安定性を向上させるために、気体燃料の場合、一般に、バーナの出力口の近傍でパイロット炎を生成することのできる並列燃料供給系も設けられる。
【００１０】
これらの部材で構成される組立体は、ほぼ環状の炎を生成することを可能にし、燃焼室内部の燃焼室のドームの近傍に位置決めされる。
【００１１】
最後に、高温高圧ガスは、対応する配管を介してタービンの様々な段に到達し、タービンは、ガスのエンタルピーを、ユーザが利用できる機械的エネルギーに変換する。
【００１２】
燃焼が起こる領域を詳しく観察した場合、通常、予混合室に対して前方の位置で動的つりあいが生成され、それによって、予混合室の収束部から適切な距離だけ離れた位置に炎を位置決めできることがわかる。
【００１３】
この動的つりあいは様々なパラメータに依存し、そのうちで、燃焼すべき混合物の固有の空気／燃料比が特に重要である。
【００１４】
実際、混合物の量が過剰である場合、反応がより高速になるが、炎のさか火が生じる可能性があり、それによって、ガスタービンのユニットが破壊するか、あるいは損傷する恐れがある。
【００１５】
また、混合物が多量に存在すると、汚染二次燃焼生成物が増加し、特に酸化窒素（ＮＯｘ）が増加するので望ましくない。
【００１６】
しかし、一般に、空気／燃料比をあるしきい値よりも高くすることは不可能である。というのは、この場合、反応速度が低下し、炎がバーナから引き込み、最終的に混合物の望ましくない消火が起こるからである。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、必要とされる追加の燃料を大幅に削減し、それによって汚染物質放出量を最小限に抑えることを可能にし、同時に主炎をある期間にわたって安定させるガスタービン用予混合室を提供することによって、従来技術の欠点を解消することである。
【００１８】
本発明の他の目的は、安全で信頼性があり、従来技術と比べてエネルギーを大幅に節約するようにも構成されたガスタービン用予混合室を提供することである。
【００１９】
本発明の他の目的は、得られる利点の結果として生産するのが比較的簡単で経済的であるガスタービン用予混合室を提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
これらの目的は、ガスタービンが、タービンに連結された少なくとも１つの圧縮機を有し、かつ燃焼室を有する種類のガスタービンであり、予混合室が、内部で燃焼を生じさせるように位置決めされた収束部を有しており、予混合室が、燃焼室内部に準備される主炎を安定させるように適切に調節される一連のパイロット炎を生成するために、予混合室の前部で燃焼室に通ずる穴を備える複数の配管を有しているガスタービン用予混合室において、予混合室の収束部が前部領域に、配管に属する穴に設けられた少なくとも１つの円形溝を有していることを特徴とするガスタービン用予混合室によって達成される。
【００２１】
本発明の好ましい実施態様によれば、円形溝は、ほぼ「Ｖ」字状の断面を有している。
【００２２】
本発明の他の好ましい実施態様によれば、収束部に属する少なくとも１つの第１の表面は部分的な保護コーティングを有しており、それに対して収束部の第２の表面はＶ字形溝も備えており、全面的な保護コーティングによって処理されている。
【００２３】
本発明の他の好ましい実施態様によれば、配管に属する穴は、予混合室のケーシングに対して環状方向に互いに等しい距離だけ離れた位置に配設されている。
【００２４】
本発明の他の好ましい実施態様によれば、予混合室の収束部は、予混合室自体のケーシングに取外し可能に連結されている。
【００２５】
他の好ましい特徴は、説明を簡潔にするために参照される、本特許出願に添付された従属請求項に記載されている。
【００２６】
【発明の実施の形態】
ガスタービン用の、本発明による予混合室の特徴および利点は、添付の概略図を参照しながら非制限的な例を介して与えられる典型的な実施形態についての以下の説明から明らかになろう。
【００２７】
特に図を参照するとわかるように、参照符号１０は、本発明による予混合室全体を示している。
【００２８】
予混合室１０は、ガスタービンの燃焼室（簡単のために図示されていない）と向かい合う収束部１２に連結されたケーシング１１から成っている。
【００２９】
予混合室１０は、気体燃料を予混合室１０に導入する第１のダクト２２も内部に存在する支持柱２９によって支持されている。
【００３０】
より詳しく説明すると、収束部１２は、収束部１２をケーシング１１と一体化するように、第１に、収束部１２をクラスプ止めして取外し不能に保持し、第２に、予混合室１０のケーシング１１に取外し可能に連結されたフランジ１３によって、ケーシング１１に連結されている。
【００３１】
フランジ１３は、収束部１２が挿入されており、端部が第１に収束部１２に連結され第２にケーシング１１に連結されたブッシュ部材によって作られている。
【００３２】
フランジ１３のブッシュ部材の第１の端部は、収束部１２の突出部１５が当接する肩部を形成するようにブッシュ部材自体の内側の方へ突き出る縁部１４を備えている。
【００３３】
また、ブッシュ部材の第２の端部は、ブッシュ部材の外側の方へ突き出てケーシング１１の前部に当接するプレート型延長部１６を支持している。
【００３４】
ケーシング１１に設けられた同数の貫通穴と位置合わせされた３つの貫通穴がブッシュ部材１３の上に設けられており、これらの貫通穴には、収束部１２と予混合室１０のケーシング１２との間に取外し可能な連結部を形成するようにねじ付きロック部材としてねじ１７が設けられている。
【００３５】
収束部１２は、ブッシュ部材１３が重ね合わされる環状キャビティも有している。
【００３６】
環状キャビティは、ブッシュ部材１３によってこのように閉じられ、予混合室１０内の柱型支持体２９に設けられた第２のダクト１８と連通する分配室２７を形成している。
【００３７】
分配室２７は、収束部１２の本体自体の内側に設けられた他の配管１９とも連通している。
【００３８】
配管１９は、予混合室１０の本体の前部で、燃焼室へ開くように設けられた穴２０で終わっている。
【００３９】
ダクト１８は分配室２７内部に燃料を供給し、燃料は、通常は環状形状を有し、燃料を燃焼させることによって形成される主炎を囲むパイロット炎を供給するように、分配室２７から配管１９を通して燃焼室内に分配される。
【００４０】
非制限的な例によって示されているこの実施形態では、収束部１２の本体の内側の円周上の、互いに等しい距離だけ離れた位置に配管１９が８本設けられている。
【００４１】
しかし、本発明の趣旨から逸脱せずに、穴２０および配管１９用に対する他の構成も可能である。
【００４２】
収束部１２を取り外すことができるので、特に、この収束部を、異なる構成を有する他の収束部で置き換えることが可能である。
【００４３】
ダクト１８は２つの部分を有しており、すなわち、柱型支持体２９内に第１の部分が設けられており、それに対して反対側の端部は、ダクト１８の第１の部分とブッシュ部材１３上に設けられた第２の部分との間にシーリング「Ｅｌｉｃｏｆｌｅｘ」２１が収容されるシートを構成する拡大部で終わっている。
【００４４】
当該技術では一般に旋回翼として知られており、圧縮機から得られる空気の流れを妨害するために使用され、互いに逆方向を向いた２つの翼組立体から成る複雑な形状を有しており、空気自体とダクト２２を通して得られる気体燃料との然るべき混合を可能にするために空気の乱流を生成するように構成された部材、すなわち回転ユニット２３も予混合室１０に結合されている。
【００４５】
予混合室１０は、その内部に、第１のほぼ筒状の部分２４と収束部１２にある第２の収束部２５とを有している。
【００４６】
予混合室１０内部には、旋回翼２３にしっかりと固定されたオジーブ２６も存在している。
【００４７】
予混合室１０の収束部１２を図１の図による前方から観察すると、配管１９の穴２０に対応しほぼ「Ｖ」字形の断面を有するように設けられた円形溝２８があることがわかる。
【００４８】
溝２８のこの「Ｖ」字形断面の細部は、１本の配管１９および対応する穴２０も示している図４を見るとよくわかる。
【００４９】
しかし、円形溝２８は、それ自体の断面の異なる形状を有することもでき、たとえば、「Ｕ」字形または「Ｃ」字形の断面、あるいは半円形断面などを有することもできる。
【００５０】
具体的には、溝２８は、かなり傾斜させられており、すなわち、円錐状であり、頂点Ｔに少なくとも１つの角度を有する、配管１９との連結用の領域を有している。
【００５１】
頂点Ｔでの角度は、その値の好ましいが非制限的な間隔内、具体的には６０進法１１５度ないし６０進法８５度の任意の角度でよい。
【００５２】
この図４では、収束部１２に属する第１の表面３０が部分的なコーティングを有しており、それに対して、収束部１２に属しており溝２８も備えている第２の表面が、全面的な保護コーティング３１によって処理されていることもわかる。
【００５３】
これらの保護コーティング３０および３１は、高温条件で耐磨耗耐腐食機能を有する特に堅い材料から成っている。
【００５４】
次に、ガスタービン用の本発明による予混合室１０の機能を詳しく例示する。
【００５５】
予混合室１０の収束部１２は、燃焼室（不図示）内部で燃焼を開始するように位置決めされている。
【００５６】
予混合室１０は、加圧網から圧力を供給され、ガスの温度およびエンタルピーを高める燃焼を起こすのに必要な気体燃料を受け取る。
【００５７】
具体的には、ダクト２２を通過させられた燃料は、対応する穴（不図示）を介して吐出され、圧縮機から得られ旋回翼２３を通過する空気との空気／燃料混合物を形成するように混合される。
【００５８】
前述のように形成された空気／燃料混合物は、予混合室１０から収束部１２を通過し、燃焼室に下流側から入る。
【００５９】
主炎を安定させるために使用されるパイロット炎を生成するようにダクト１８を介してさらに気体燃料が供給される。
【００６０】
炎は、燃焼室内部でこのように生成され、燃焼室自体のドームの近傍に維持されることが好ましい。
【００６１】
配管１９の穴２０に対応するように収束部１２の前部に円形溝２８が存在するので、他のどの条件も変更せずに炎の安定性を向上させることができる。
【００６２】
特に、この円形溝２８を設けることによって、混合物の濃度が従来技術によって得られる限界よりも明らかに低い状態で、タービンが消火する限界点を変位させることが可能になることに留意されたい。
【００６３】
この現象によって、汚染二次燃焼生成物の放出量、特に酸化窒素（ＮＯｘ）の放出量を大幅に削減することが可能になる。
【００６４】
このことは、円形溝２８によって与えられる特性のために、特に過渡状態のときと、低負荷で作動しているときに機械の運転性が大幅に向上することを意味する。
【００６５】
円形溝２８の機能の１つは、円形溝２８が、燃焼させられた粒子または混合物、および燃焼させられたガスの再循環を可能にし、混合物の自己点火と同様な作動を有する固定点として働くことであると考えられる。
【００６６】
前述の実施形態は、気体燃料が供給されるタービンに関する実施形態であるが、Ｖ字形溝２８を備える本発明による予混合室が有利には、液体燃料が供給されるタービンにも使用できることが理解されよう。
【００６７】
この実施形態によれば、オジーブ２６を、対応する配管から燃料を供給される液体燃料噴射器で置き換えなければならない。
【００６８】
前述の修正例および変形例以外の本発明の修正例および変形例が可能であり、たとえば、ケーシング１１と収束部が単一の部片として作られた予混合室１０にＶ字形溝２８を設けることが可能であることが理解されよう。
【００６９】
また、前述のように、円形溝２８は、たとえば、「Ｕ」字形または「Ｃ」字形、あるいは半円形などそれ自体の断面の異なる形状を有することもできる。
【００７０】
本発明の他の重要な変形例は、気体燃料を使用するタービン、または混焼型のタービンだけでなく、液体燃料を使用するタービンにも前述の思想を適用できることから実現される。
【００７１】
この場合、オジーブ２６の代わりに、適切な配管から燃料を供給される液体燃料噴射器（図示せず）が存在し、配管１９および対応する穴２０は存在しない。
【００７２】
しかし、この場合も、前述の目的のために、予混合室１０の収束部１２の前部領域に円形溝２８を設けることが可能である。
【００７３】
本発明の主題である予混合室の特徴および利点は、与えられた説明から明らかである。
【００７４】
特に、利点は、従来は可能でなかった状態を含めて、燃焼室内の炎を安定させ、それにより、機械の全体的な機能に関する重大な欠点と、故障、停止、遅延、修理、例外的なメンテナンス、および追加のコストを生じさせる可能性のある不安定な炎、顕著な乱流、または炎のさか火を防止することにある。
【００７５】
しかし、本発明の思想に固有の新規性の原則から逸脱せずに、本発明の主題である予混合室に様々な変形を加えられることが明らかである。
【００７６】
本発明の実際的な実施形態では、要件に従って、任意の材料、形状、および寸法を有する例示された部材を使用することができ、このような部材を技術的に均等な他の部材で置き換えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による予混合室を有する予混合ユニットの正面立面図である。
【図２】図１の予混合ユニットの断面図である。
【図３】図１に示されている予混合室に属する収束部の部分横断面図である。
【図４】本発明による予混合ユニットの収束部に属する細部を示す断面図である。
【符号の説明】
１０ 予混合室
１１ ケーシング
１２ 収束部
１３ ブッシュ部材
１７ ねじ
１９ 配管
２０ 穴
２１ シーリング
２２ ダクト
２３ 旋回翼
２４ ほぼ筒状の部分
２５ 収束部
２６ オジーブ
２８ 円形溝
２９ 柱型支持体
３０ 第１の表面
３１ 全面的な保護コーティング

Claims (11)

1. ガスタービン用予混合室（１０）であって、前記ガスタービンが、前記タービンに連結された少なくとも１つの圧縮機を有し、かつ燃焼室を有する種類のガスタービンであり、前記予混合室（１０）が、内部で燃焼を生じさせるように位置決めされた収束部（１２）を有しており、前記予混合室（１０）が、前記燃焼室内部に準備される主炎を安定させるように適切に調節される一連のパイロット炎を生成するために、前記予混合室（１０）の下流端部で前記燃焼室に通ずる穴（２０）をそれぞれが備える複数の配管（１９）を有しているガスタービン用予混合室において、
   前記予混合室（１０）の前記収束部（１２）は、該予混合室の前記下流端部に１つの溝（２８）を有し、該１つの溝（２８）は、前記複数の配管（１９）に属する前記複数の穴（２０）とつながり、前記収束部の中心を中心とする環状の溝（２８）である
   ことを特徴とするガスタービン用予混合室。
2. 前記溝（２８）は、ほぼ「Ｖ」字状の断面を有している、請求項１に記載の予混合室。
3. 前記各配管（１９）が、前記「Ｖ」字形断面の先端を備える領域で終わっている、請求項２に記載の予混合室。
4. 前記収束部（１２）に属する少なくとも１つの第１の表面（３０）は部分的な保護コーティングを有しており、それに対して前記収束部（１２）の第２の表面（３１）は前記溝（２８）も備えており、全面的な保護コーティングによって処理されている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の予混合室。
5. 前記第１の表面（３０）は、前記溝（２８）から相対的に間隔をおいた位置に位置決めされている、請求項４に記載の予混合室。
6. 前記収束部（１２）は、前記予混合室（１０）の前記ケーシング（１１）に取外し可能に連結されている、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の予混合室。
7. 気体燃料を前記予混合室（１０）に導入するダクト（２２）が内部に存在する柱型支持体（２９）を備えている、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の予混合室。
8. 前記配管（１９）と連通する分配チャンバ（２７）で終わる、パイロット燃料を導入する第２のダクト（１８）が、前記柱型支持体（２９）の内部に存在する、請求項７に記載の予混合室。
9. 前記収束部（１２）内部で、後で生じる燃焼に最適な混合物流が生成され、前記混合物流は、前記流体混合物に適切な乱流を加えることのできる少なくとも１つのロータ（２３）によって生成される、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の予混合室。
10. 前記配管（１９）に属する前記穴（２０）は、前記予混合室（１０）の前記ケーシング（１１）に対して環状方向に互いに等しい距離だけ離れた位置に配設されている、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の予混合室。
11. 前記溝（２０）は、傾斜されて前記収束部の中心を中心とする環の半径方向における断面が「Ｖ」字形となっており、６０進法１１５度ないし６０進法８５度から選択された少なくとも１つの角度を頂点（Ｔ）に有する、前記配管（１９）との連結領域を有している、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の予混合室。

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