JP5064562B2 - ガスタービン用バーナ - Google Patents

Description

本発明は、それぞれメインスワーラ（主旋回流発生器）の端縁で形成された流入開口を有する複数のメインスワーラを備えたガスタービン用バーナに関する。

ガスタービンにおいて通常、燃焼空気は多段圧縮機で圧縮され、例えばタービン軸線の周りに環状に配列された１つの燃焼管にそれぞれ配置された複数のガスタービン用バーナに供給される。ガスタービンにおいて窒素酸化物（ＮＯｘ）発生ができるだけ少ない燃焼を実施する試みの結果いわゆるＤＬＮ−システム（dry low NOx）が実証されている。かかるシステムの場合、各ガスタービン用バーナに主旋回流発生器とも呼ばれる複数のメインスワーラがパイロットバーナスカートの周りに配置されている。安定したパイロット火炎を発生するために、各メインスワーラ内で燃料（通常は天然ガス）が空気と共に強く旋回される。圧縮空気はメインスワーラを通って流れ、メインスワーラ内で燃料と混合され、その混合気は下流においてメインスワーラの外側で燃焼管内において燃焼される。その燃焼によって発生された高温燃焼ガスは膨張により仕事をするためにタービンに導かれる。

ガスタービンのバーナ部分をコンパクトにするために、圧縮機で圧縮された燃焼空気は通常、かなり半径方向外側に位置するガスタービン用バーナに、圧縮空気がメインスワーラ内における流れ方向と逆向きにメインスワーラ外側をガスタービン用バーナないしそのメインバーナ内筒に沿って導かれるようにして供給される。その圧縮燃焼空気流は、これがメインスワーラの流入開口に流入するようにするために方向転換部を通って流れ、その際、メインバーナ内筒および／又はメインスワーラの燃焼管とは反対側の転向縁を巡って流れねばならない。

その方向転換および転向縁の巡り流はメインスワーラとメインバーナ内筒との間に逆流を生じさせ、その逆流は場合によってはメインスワーラ内部の小さな区域まで続く。転向縁における流れ剥離は同じ作用を生じさせる。このために、メインスワーラ内における流れ分布が不均一となり、その際に最も問題となる領域はメインスワーラの（半径方向内側に位置するパイロットバーナスカートに関する）半径方向外側区域である。その問題領域における不均一な空気質量流量およびそれにより生ずる低い流速によって、燃料の注入時にその区域に非常に濃厚な燃料混合気が生じ、この混合気は逆火発生の危険性が高い。常に過渡状態も伴って生ずる逆流域によって、燃焼器における熱音響振動の発生傾向が高められる。
なお、米国特許第４６８９９６１号明細書には、複数のスワーラおよび杯状の孔付きバランサを備えた燃焼器が開示されており、この孔にインジェクタ、スワーラおよび流入材が取り付けられることが開示されている。また、米国特許出願公開第２００３／０１１０７７４号明細書には、流入開口を有する複数のスワーラを備えたガスタービンが開示されている。

この問題を解決するために、メインスワーラの内部における問題領域に、濃厚な燃料混合気を希釈するために、燃焼空気を多量に供給することが試みられた。しかし同様に、問題領域に低い燃料含有率のみが生じ、これはより悪い混合状態を生じさせ、そのために、ＮＯｘ発生量が増大してしまう。

本発明の課題は、メインスワーラ内に一様な空気流を有するガスタービン用バーナを提供することにある。

この課題は、冒頭に述べた形式のガスタービン用バーナにおいて、ガスタービン用バーナが或る流入開口からその隣の流入開口まで延びる流れ案内面を備えた流入案内手段を有し、その流れ案内面が流入開口を形成するメインスワーラ端縁に続き、そこから半径方向外側に広げられていることによって解決される。

複数の流入開口に続く流れ案内面によって、圧縮燃焼空気の反転流がこれらの流入開口の上流で流れ案内面に沿って導かれ、これによって、そこでの渦流発生が減少される。これによって、メインスワーラの内部における逆流を助長する負圧域が小さくなる。これはメインスワーラ内における流れ分布をより一様化し、これによって、逆流が著しく減少されるか、それどころか全く回避される。またその一様な流れによって、予混合孔の配列パターンにおける大きな柔軟性が得られ、少量の洗浄空気しか必要とされず、メインスワーラおよび流れ方向転換部における圧力損失が低減される。

流入案内手段の流れ案内面は流入開口を形成するメインスワーラ端縁に続き、そのために、メインスワーラ端縁への直接的な接続は不要であり、むしろ、ガスタービン用バーナにメインスワーラおよび流入案内手段を順次組み立てるために小さな組立隙間を残存させることができる。或る流入開口からその隣の流入開口までの流入案内手段の形状によって、特にその連続的形状によって、メインスワーラ間における燃焼空気の渦流が防止される。流れ案内面の半径方向広がりによって、メインスワーラの半径方向外側における領域が、渦流を減少あるいは防止するために閉じられる。なおその半径方向は複数のメインスワーラが円環状に配置された円の中心を基準としている。

目的に適って、この流れ案内面はこれを巡って流れる燃焼空気の方向に凸面状に湾曲され、これによって、その湾曲部で戻って流入開口に向けて流れる燃焼空気は湾曲流れ案内面に沿って導かれる。

流れ案内面がメインスワーラの囲い筒の形状に平行にそのメインスワーラ筒に続いていることが有利である。その結合部の平行性によって、流れ案内面とメインスワーラ筒との境界部における空気案内中の突然の方向変化が防止される。その結合部はメインスワーラ最外側縁に在る必要はなく、むしろ、メインスワーラ端縁の半径方向内部に位置することもできる。

複数のメインスワーラが１つのパイロットバーナの周りに中心対称的に配置され、流れ案内面がメインスワーラの半径方向外側を延びている。ガスタービン用バーナのメインスワーラに半径方向外側から流入する燃焼空気流は、メインスワーラの半径方向外側の境界領域において低乱流で導かれる。この中心対称性は円対称であり、その円に沿って複数のメインスワーラが円環状に配置されている。例えば中心対称的な多角形やロゼット（円形の花飾り）形も考えられる。

本発明の他の有利な実施態様において、流れ案内面はその半径方向外側部位に中心対称軸線を有し、流れ案内面の半径方向内側に位置する部位が中心対称軸線からずれ、メインスワーラ端縁の形状に合わされている。この中心対称軸線と個々のメインスワーラやメインスワーラ端縁の対称軸線のずれによって、すべてのメインスワーラ端縁の周りで少なくとも低乱流の流れが得られる。

目的に適って、流れ案内面は全メインスワーラの周りに円環状に連続して導かれ、これによって、ガスタービン用バーナへの全ての面からの一様な流入が達成される。

方向転換の領域における燃焼空気の低乱流案内を得るために、流れ案内面は流入方向においてメインスワーラの上流に膨出状に配置されていると有利である。その膨出部は（メインスワーラへの流れ方向に関して）下流に配置された脚部を備えたＵ状湾曲体の形態に形成することができる。

本発明の有利な実施態様において、流れ案内面はその半径方向外側に向いた部位から半径方向内側に向き流入開口に接する部位まで延びている。そのようにして、流れは方向全転換中にわたり流れ案内面によって案内される。

流れ案内面の半径方向外側に向いた部位が中心対称面を形成し、半径方向内側に向いた部位がメインスワーラの環状形に合わされた面を有することによって、メインスワーラの周りを環状に低乱流で案内される流れが得られる。

目的に適って、流れ案内面はその半径方向外側に向いた部位から半径方向内側に向いた部位まで少なくともほぼ一様な曲率で延びている。これによって燃焼空気はほぼ全てが、メインスワーラの半径方向外側を流れる方向からメインスワーラの半径方向内側を流れる方向に、逆向きにされて案内される。この場合、一様な曲率は流れ案内面と半径方向に延びる平面との円形交線によって与えられ、その半径方向は複数のメインスワーラが円環状に配置されている円の中心を基準にしている。一様な曲率は半径方向における各平面に存在する必要はない。その曲率は半径方向に延びる唯一の平面で実現されるだけで十分であり、例えば前記中心を通り複数のメインスワーラの間を通って延びる平面で実現されるだけで済む。複数のメインスワーラの間を通って延びる各平面における曲率が一様であることが目的に適っている。

本発明の他の有利な実施態様において、流入案内手段はメインスワーラの周りのメインバーナ内筒を複数のメインスワーラに結合している。メインバーナ内筒に沿ったガスタービン用バーナの半径方向外側における燃焼空気の流れによって、この範囲における流れはほとんど渦流がない。メインバーナ内筒とメインスワーラとの流入案内手段特に流れ案内面による結合によって、少なくともほぼメインスワーラまで渦流のない状態が維持できる。その結合部がメインスワーラ端縁に直接存在し、ないし流入開口にあるいはそのすぐ近くに存在すると有利である。

流入案内手段が、メインスワーラとその周りを延びるメインバーナ内筒との間の隙間を閉鎖していることによって、メインバーナ内筒とメインスワーラとの間における望ましくない逆流は避けられる。この場合、メインバーナ内筒と複数のメインスワーラとの間に、隙間幅が例えば２ｍｍまでの小さな組立隙間を残存することができる。

流れ案内面が複数のメインスワーラ間を導かれていることが有利である。このようにして、複数のメインスワーラ間ないし複数のメインスワーラ端縁間の隙間も少なくとも部分的に閉じられる。

複数のメインスワーラ間の領域でも、流れ案内面の曲率はその半径方向外側に向いた部位から半径方向内側に向いた部位まで一様である。

流れ案内面がメインスワーラのメインスワーラ軸線の半径方向深さ位置までメインスワーラ間を導かれることが有利である。これによって、複数のメインスワーラ間の隙間は完全に（場合によっては組立隙間を残して）閉鎖される。

流入案内手段の半径方向内側部位がメインスワーラ端縁の半径方向外側のそばを導かれていることによって、流入案内手段およびメインスワーラの簡単な組立性が得られる。目的に適って、流入案内手段はメインスワーラ端縁のすぐ近隣において軸方向に延び、これによって、メインスワーラないし流入案内手段が組立のために簡単に軸方向に挿入できる。

またガスタービン用バーナがメインスワーラを取り囲む１つの外壁と１つの内壁を有し、この内外壁にそれぞれ流入案内手段がメインバーナ内筒方向に続いていることを提案する。このような流入案内手段の形成によって得られる大きな強度に加えて、燃焼空気が流れ案内面の大きな曲率半径に沿って導かれ、これによって、この流れ沿って大きな負圧が防止される。ここでのメインバーナ内筒方向とは、結合部の箇所におけるメインバーナ内筒の方向であり、特にガスタービン用バーナの軸方向であり、これによって、結合部における流れ案内面は二重壁形メインバーナ内筒の少なくとも外壁で軸方向に延びており、また、その内外両壁で軸方向に延びていると目的に適っている。

流入案内手段が流入方向に向いた２つの脚部を有し、この両脚部が流入開口の下流側で特に平行に集合結合されていることによって、流入案内手段の強固な構造および簡単な組立性が得られる。

ガスタービン用バーナの支持部が簡単に流入案内手段を通して導けるようにするために、流入案内手段が流れ案内面の範囲において目的に適って接線方向において多分割に形成され、これによって、流入案内手段の製造および組立が単純化される。

以下図に示した実施例を参照して本発明を詳細に説明する。

中央パイロットバーナスカートの周りに８個のメインスワーラが分布して配置されたガスタービン用バーナの一部縦断面図。 流入案内手段が僅かに変更されたガスタービン用バーナの一部縦断面図。 膨出体状に形成された流入案内手段の詳細斜視図。 ガスタービン用バーナにおける図３の流入案内手段の全体斜視図。 （図４）の流入案内手段の縦断面図。 （図４）流入案内手段の流れ案内面の一部正面図。

図１はガスタービン用バーナ２における燃焼管４を縦断面図で示している。ガスタービン用バーナ２はパイロットバーナスカート８を備えたパイロットバーナを有し、このパイロットバーナの周りに８個のメインスワーラ１０が環状に分布して配置されている。各メインスワーラ１０はメインスワーラ筒１２を有し、その内部に半径方向外側に向いた複数の羽根から成る予混合翼１４が配置されている。燃料を案内する予混合気路１６がそれらの各羽根の中を延び、その予混合気路１６は予混合孔（図示せず）に接続されている。その予混合孔を通して燃料がメインスワーラ筒１２の内室に噴射注入される。燃料が各メインスワーラ１０に供給管１８を通して導入され、メインスワーラ筒１２の内部で圧縮燃焼空気と混合される。

ガスタービン用バーナ２のメインバーナ内外筒間を流れる燃焼空気の流れ経過は実線矢印２０で示されている。燃焼空気はまずガスタービン用バーナ２の周りを、メインスワーラ１０の内部における予混合流に関する流入方向２２と逆向きに流れる。燃焼空気はガスタービン用バーナ２の全メインスワーラ１０を取り囲むメインバーナ内筒２４に沿って流れ、このメインバーナ内筒２４の端縁２６の外周面における湾曲部で各メインスワーラ１０の流入開口２８の方向に転向して導かれる。この流入開口２８はメインスワーラ１０の燃焼管４とは反対側のメインスワーラ端縁３０で取り囲まれている。

燃焼空気流の方向転換によって、メインスワーラ端縁３０におけるパイロットバーナスカート８に関して半径方向外側に位置する部分領域に負圧域が生じ、この負圧域によって吸込み作用が発生され、これによって、メインスワーラ１０とバーナ内筒２４との間に破線矢印で示された（外側）逆流３２が発生される。この逆流３２は場合によってはメインスワーラ１０の内部における継続（内側）逆流３４まで続き、この継続逆流３４はそこで燃焼空気供給量を減少させ、このために、濃厚な燃料混合気を生じさせる。

これらの内外逆流３２、３４に対抗して作用するために、本発明の単純な実施例において、ガスタービン用バーナ２は流入案内手段３６が設けられている。この流入案内手段３６はメインバーナ内筒２４の内部において全メインスワーラ１０の周りに環状に設けられ、メインスワーラ１０の端縁３０にほぼ平行に接している。これによって、外側逆流３２が少なくとも十分に消滅され、これにより、内側逆流３４も大きく減少され、従って、メインスワーラ１０を通る流れは一様化される。

本発明の効果的な形態が図２に示されている。以下において図１の形態との相違点についてのみ説明するが、同一の特徴および機能については前述の説明を参照されたい。基本的にほぼ同じ部品に同一符号が付されている。

流入案内手段３８は凸面状に湾曲した流れ案内面４０を有し、この流れ案内面４０は流入開口２８の領域においてメインスワーラ筒１２にほぼ平行に続いている。流れ案内面４０は半径方向外側に広がり、メインバーナ内筒２４に接し、そのようにして、メインスワーラ１０はメインバーナ内筒２４に結合されている。流れ案内面４０はまた、この流れ案内面４０がメインバーナ内筒２４部において半径方向に向き、流入開口２８においてほぼ軸方向に向くように湾曲されている。さらに流入案内手段３８はメインスワーラ１０とメインバーナ内筒２４との間の隙間４２を閉鎖し、そのために、（図３〜図６における実施例で詳述するように）メインスワーラ１０間ないしそのメインスワーラ端縁３０間を導かれている。しかし組立を簡単にするために、流入案内手段３８とメインスワーラ筒１２との間に小さな隙間が残されていてもよい。

図３〜図６に非常に有効な流入案内手段４６を備えた異なったガスタービン用バーナ４４が示されている。図４はガスタービン用バーナ４４と流入案内手段４６を正面斜視図で示し、図３と図５は流入案内手段４６をガスタービン用バーナ４４の軸方向に沿った一部破断斜視図ないし縦断面図でそれぞれ示し、図６は流入案内手段４６の一部を軸方向ないし流入方向２２に向いた正面図で示している。

流入案内手段４６は流入方向２２においてメインスワーラ１０の上流に配置された膨出状流れ案内面４８を有している。その流れ案内面４８はメインスワーラ１０の端縁３０を、これもメインスワーラ１０を取り囲んでいる外壁５０に結合している。この外壁５０は燃焼空気を内壁（メインバーナ内筒）２４の外側で少し遠回りに案内し、過度に小さな曲率の流れが生じないようにするために用いられる。軸方向に延びる外壁５０への流れ案内面４８の結合部はメインバーナ内筒方向すなわち軸方向に延び、これによって、流れは外壁５０から案内面４８にほぼ円滑に移行している。燃焼空気はその後の流れ経路において、流れ案内面４８における半径方向外側に向いた部位５２から流入開口２８で終えている半径方向内側に向いた部位５４まで、この流れ経路において流入開口２８までほぼ同じ湾曲度で形成された流れ案内面４８によって渦流なしに導かれる。

その流入案内手段４６は、図４に示されているように、全メインスワーラ１０の周りに環状に設けられ、外壁５０とメインスワーラ筒１２との間の隙間５８並びに内壁２４とメインスワーラ筒１２との間の隙間４２を閉鎖するために、メインスワーラ１０間にないしそのメインスワーラ端縁３０間に半径方向内側に入り込んでいる。これによって、それらの隙間４２、５８を通して燃焼空気が流入開口２８に逆流することが少なくとも十分に防止されるが、その場合、メインスワーラ筒１２と流入案内手段４６との間に小さな組立隙間が残されていてもよい。

図３、図４および図６から理解できるように、メインスワーラ１０間における燃焼空気の流れを阻止するために、流れ案内面４８は半径方向内側にメインスワーラ１０間に引き込まれ、すなわち、メインスワーラ１０の軸線５６の高さ位置まで半径方向に引き込まれている。

組立を容易にするために、流入案内手段４６はその半径方向内側部位５４がメインスワーラ端縁３０の半径方向外側近くに導かれ、そこで軸方向に延び、これによって、メインスワーラ１０はガスタービン用バーナ４４に組み立てるために軸方向に挿入できる。同様に、その半径方向外側部位５２は外壁５０の半径方向内部をそこで同様にメインバーナ内筒方向ないし軸方向に導かれ、これによって、流入案内手段４６は外壁５０に挿入できる。流入案内手段４６は引続いて内側脚部６２と外側脚部６４を有し、これらの両脚部６２、６４は流入方向２２においてメインバーナ内筒（内壁）２４に平行に集合され、メインバーナ内筒２４に固定されている。

ガスタービンにおいてガスタービン用バーナ４４を固定するために、ガスタービン用バーナ４４は、流れ案内面４８で貫通されメインバーナ内筒２４、５０に固定された保持要素６８を備えたホルダ６６を有している。流入案内手段４６の製造・組立を容易にするために、流入案内手段４６は複数のセグメント７０に分割され、それぞれのセグメント７０間を保持要素６８が通されている。

２ ガスタービン用バーナ
１０ メインスワーラ
２２ 流れ方向
２４ メインバーナ内筒（内壁）
２８ 流入開口
３０ メインスワーラ端縁
３６ 流入案内手段
３８ 流入案内手段
４０ 流れ案内面
４４ ガスタービン用バーナ
４８ 流れ案内面
５０ メインバーナ内筒（外壁）
５２ 流れ案内面の半径方向外側部位
５４ 流れ案内面の半径方向内側部位

Claims (11)

1. それぞれメインスワーラ端縁（３０）で形成された流入開口（２８）を有する複数のメインスワーラ（１０）を備えたガスタービン用バーナ（２、４４）であって、
   流れ案内面（４０、４８）を備えた流入案内手段（３６、３８、４６）を有し、前記流れ案内面（４０、４８）が或る流入開口（２８）からその隣の流入開口（２８）まで延び、流入開口（２８）を形成するメインスワーラ端縁（３０）に続き、そこから半径方向外側に広げられているものにおいて、
   前記複数のメインスワーラ（１０）がパイロットバーナ（８）の周りに中心対称的に配置され、前記流れ案内面（４０、４８）がメインスワーラ（１０）の半径方向外側に設けられており、前記流入案内手段（３６、３８、４６）が、複数のメインスワーラ（１０）とその周りのメインバーナ内筒（２４、５０）との間の隙間（４２、５８）を閉鎖しており、さらに、前記流れ案内面（４０、４８）がその半径方向外側に向いた部位（５２）から半径方向内側に向いた部位（５４）まで少なくともほぼ一様な曲率で延びていることを特徴とするガスタービン用バーナ。
2. 流れ案内面（４０、４８）がその半径方向外側部位に中心対称軸線を有し、流れ案内面（４０、４８）の半径方向内側に位置する部位が中心対称軸線からずれ、メインスワーラ端縁（３０）の形状に合わされていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン用バーナ。
3. 流れ案内面（４０、４８）が全メインスワーラ（１０）の周りを環状に連続して導かれていることを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービン用バーナ。
4. 流れ案内面（４８）が流入方向（２２）においてメインスワーラ（１０）の上流に膨出状に配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のガスタービン用バーナ。
5. 半径方向外側に向いた部位（５２）が中心対称面を形成し、半径方向内側に向いた部位（５４）がメインスワーラ（１０）の環状形に合わされた面を有していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のガスタービン用バーナ。
6. 流入案内手段（３６、３８、４６）が、複数のメインスワーラ（１０）の周りのメインバーナ内筒（２４、５０）を複数のメインスワーラ（１０）に結合していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のガスタービン用バーナ。
7. 流れ案内面（４０、４８）が複数のメインスワーラ（１０）間を導かれていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載のガスタービン用バーナ。
8. 流入案内手段（４６）の半径方向内側部位（５４）がメインスワーラ端縁（３０）の半径方向外側のそばを導かれていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載のガスタービン用バーナ。
9. １つの外壁と１つの内壁から成り前記メインスワーラを取り囲むメインバーナ内筒（２４、５０）を有し、該メインバーナ内筒（２４、５０）の内外壁にそれぞれ流入案内手段（４６）がメインバーナ内筒方向に続いていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載のガスタービン用バーナ。
10. 流入案内手段（４６）が流入方向（２２）に向いた２つの脚部（６２、６４）を有し、該両脚部（６２、６４）が流入開口（２８）の下流側で特に互いに平行に集合結合されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載のガスタービン用バーナ。
11. 流入案内手段（４６）が流れ案内面（４８）の範囲において接線方向に多分割に形成されていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載のガスタービン用バーナ。

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