JP5558870B2 - バーナーを通過する高温ガス流を部分的に冷却するためのガスタービン用バーナー及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、バーナーを通過する熱ガス流を部分的に冷却するためのガスタービン用バーナー及び方法に関する。

特に、本発明は、連続燃焼ガスタービン、つまり、第１のバーナーに供給される主要な気流を圧縮する圧縮器を備えたガスタービンに関し、この第１のバーナーでは、第１の燃焼室で燃焼し、高圧タービンで拡張する燃料が、第１の混合を形成するために主要な気流に注入されている。

その後、高圧タービンから生じた高温ガスは、第２の混合を形成するために更なる燃料が注入される第２のバーナーに供給される。この第２の混合は、燃焼し、低圧タービンで燃焼する第２の燃料室に供給される。

本発明は、特に、連続燃焼ガスタービンの第２のバーナーに関する。

従来のバーナーは、通常４つの渦発生器（ボーテックス・ジェネレーター）、及び、燃料を注入するノズルを備えたランスを備えたダクトを備えている。

動作中、高温ガス流は、このダクトを通りながら、燃焼するために混合を形成するために、高温ガスと混合するように注入される。

さらに、ダクトに流れる高温ガスの高温度のため、ダクト、渦発生器（ボーテックス・ジェネレーター）、ランス等の壁に、複数の小さな、密集し、均一に配置された、冷却ガス注入される穴を備えている。

この冷却ガスは、ダクト、渦発生器（ボーテックス・ジェネレーター）、ランス等の壁を、信頼性を保証するために冷却している。

これらのバーナー（連続燃焼ガスタービンの第２のバーナー）では、燃焼が自然に起きる、つまり、いわゆる点火遅れ時間後、注入器から高温ガス流に注入される燃料が自然発火する。

正確な運転を保つために、遅れ時間は、燃料が高温ガスと混合し、バーナーを通過し燃焼室に入るのに十分に長ければならない。

けれども、ガスタービンの効率を向上させるためには、第２の燃料室の火炎温度、及び、高圧タービンから第２のバーナーに入る高温ガスの温度を増加すべきである。

これは、遅れ時間を減少させ、フラッシュバック（後炎）の危険を増加させている。

存在するバーナーは、（ある限度内で、フラッシュバックが起きることなく、点火遅れを減少することを可能にする）火炎温度と注入温度を増加させるフラッシュバック余裕を持っている。しかしながら、（流れが非常に低い軸速度を持ち、燃料がバーナーでより長い滞在時間である）渦の中心領域では、フラッシュバック余裕は、部分的に、安全で信頼性のあるガスタービンの運転を保証するには、あまりにも小さくなる。

本発明の技術的目的は、従来技術の前記問題を排除できるバーナー及び方法を提供することである。

技術的な目的の範囲内で、本発明の目的は、フラッシュバックの危険を減少させるバーナー及び方法を提供することである。

他の本発明の目的は、渦の中心で（この領域で、フラッシュバックの危険がより大きい）、フラッシュバックの危険を減少させるバーナー及び方法を提供することである。

更なる本発明の目的は、安全で信頼性のあるバーナーを提供することである。

特に、本発明によると、冷却用空気が、高温ガスの温度が、フラッシュバックの危険がより大きい（渦の中心領域）領域で、局所的に減少させるように注入させることである。これは、燃料が、自然発火が起きる前に、混合し、かつ、ダクトを流れるためにより多くの時間をかけるように、点火遅れ時間を局所的に減少させる。

これらの及び更なる目的と共に、技術的目的は、本発明により、添付の請求項と一致したバーナー及び方法を提供することによって達成される。

本発明の更なる特徴や効果は、添付した図面の限定されない例示によって図示された本発明によるバーナー及び方法の好ましいが限定されない実施例の記述からより明白である。

本発明によるバーナーの概略図である。 本発明による渦発生器の概略図である。 渦発生器と渦を発生する渦発生器に沿って流れる高温ガスとの概略図である。 本発明による渦発生器の一部の断面図である。

図面を参照して、参照記号１によって示された全体のガスタービンのバーナーを示している。バーナーは、連続燃焼ガスタービンの第２のバーナーである。

バーナー１は、台形又は長方形の断面図を備え、かつ、燃料を注入し燃焼させるための複数の四面体形状の渦発生器３およびランス４を収容するダクト２を備えている。

渦発生器３は、全部で４つあり、それらのいずれもが、ダクト２の壁の１つから延在している。図１は、１つの渦発生器のみを示している。

ランス４は、渦発生器３の下流に配置され、かつ、燃料が注入されるノズル６を備えている。

ダクト２の壁、渦発生器３の壁、及び、ランス４の表面には、ダクト内に冷却用空気を注入するための複数の冷却穴９を備えている。

実際、ダクト２は、圧縮機から送られる空気が供給されるプレナム１０内に収容されており、圧縮機からの送られる空気は、プレナム１０内で、大きな圧力を持っているため、空気は、冷却穴を通過し、ダクト２に流入する。

特に、冷却穴９は、渦発生器３の上部壁１１と側壁１２に備えられている。

好ましくは、冷却穴９は、通過エリア（つまり、空気が通過可能なエリア）を形成し、冷却穴９は、渦発生器３の上壁１１に不均一に配置されている。

この点において、第１の実施例では、冷却穴９は、渦発生器の上壁１１上に不均一に配置されており、そのため、穴の密集度が大きい（つまり、同じ表面の穴の数が多い）ほど、より多くの通過エリアとなる。

他の実施例では、冷却穴９は、互いに異なった直径を備えているため、冷却穴９のより大きな直径は、より多くの通過エリアとなっている。

当然、記述した実施例の組合せである異なる実施例も可能である。

通過エリアの（冷却穴９の）分布は、高温ガス流の所定の流れ方向Ｆに対して、渦発生器３の上壁１１の下流領域１１ｂより、上壁１１の上流領域１１aの方が密集している。

さらに、通過エリアの（冷却穴９の）分布は、渦発生器３の中央より、渦発生器３の上壁１１の反対側１ｃ（上流領域１１a）での方が密集している。

通過エリアの（冷却穴９の）分布は、渦発生器３の上壁１１と側壁１２の間の境界１４に沿って不均一である。

通過エリアの（冷却穴９の）分布は、高温ガス流の所定の流れ方向Ｆに対して、渦発生器３の上壁１１と側壁１２の間の境界１４の下流領域１４bよりも、境界１４の上流領域１４aの方が密集している。

一方で、通過エリアの（冷却穴９の）分布は、渦発生器の側壁１２上でほぼ均一であり、かつ、上壁１１の下流領域１１aの分布とほぼ同一である。

図４で示したように、冷却穴９は、上壁１１に対して傾いており、かつ、渦発生器３が延在するダクト２の壁１５に対しても傾いている。

これらの冷却穴９は、ダクト２の壁１５に垂直な軸１７に対して、５０°以下、好ましくは３０−４０°、さらに好ましくは約３５°傾いた軸１６を備えている。

さらに、いずれの渦発生器３は、ダクト２の軸２１にほぼ垂直であり、ダクト２の壁上に配置されている前端部２０と、ダクト２の壁とほぼ垂直に配置されており、ダクト２の軸２１を含む面に配置されている後端部２５とを備えている。

本発明のバーナーの動作は、記載かつ図示したものから明白であり、ほぼ次のようである。

高温ガスは、入口を通ってダクト２に入り、かつ、ダクト２に沿って伝播する渦３０を生成する渦発生器３を通過する。

圧縮空気の流れは、圧縮器から導かれ、プレナム１０に送られる。プレナム１０からこの圧縮空気は、ダクト２、渦発生器３、及び、ランス４の穴９を通過してダクト２に入る（プレナム１０の圧力は、ダクト２の圧力より高い）。

通過エリアは、渦発生器３の上壁１１上に不均一に配置されているため、その通過エリアを通って注入された新しい圧縮空気の流れは、渦発生器の壁を冷却し、加えて、渦３０の中心にまでも流入し、渦３０の中心の高温ガスが部分的に冷却される。

特に、いずれの渦発生器３の上流領域１１a及び１４aの冷却穴９は、下流領域１１b及び１４bよりも密集しているため、上流領域１１a及び１４aから注入される新しい圧縮空気の流れが、下流領域１１b及び１４bの冷却穴９を介して注入される空気の流れより大きくなっている。

このように、上流領域１１a及び１４aからの空気は、渦発生器の壁を冷却し、渦３０の中心にまで流入する。

渦の中心の高温ガスは部分的に冷却されるため、燃料の自然発火遅れ時間が増加する。その結果、注入後に渦に入り込み、それらの渦の中心に留まる燃料は、混合しバーナー１のダクトを通り、かつ、燃焼することなしに燃焼室３２に入るのに十分な時間がある。

実験では、本発明のバーナーを用いると、渦の中心内の温度が、空気が均一に注入される場合（従来のバーナーに対して増加した空気の流れでもある）よりも減少することを示している。

同じ実験では、冷却空気の均一の注入と不均一の注入の間で、混合領域の終わりの温度分布に目立った違いがみられないことを示している。これは、NOx排出が増加する危険がない。

好ましくは、ランスを冷却させるために、ランスの先端の領域を通過する空気の密度が、従来のバーナーに対して増加されるべきである。

本発明は、バーナーを通過する高温ガス流を部分的に冷却するための方法にも関する。
（連続燃焼ガスタービンの第２のバーナーである）バーナーは、複数の四面体形状の渦発生器３と、燃料を注入するためのランス４とを収容するダクトを備え、渦発生器３は、ダクト２内に冷却空気を注入するための複数の冷却穴９を備えている。

この方法は、渦発生器３の上壁１１の冷却穴９から冷却空気を不均一に注入することも含んでいる。

特に、高温ガス流の所定の流れ方向Ｆに対して、渦発生器３の上壁１１の下流領域１１bよりも、上壁１１の上流領域１１から多くの冷却空気が注入されている。

図で示したように、より大きな冷却空気の流れが、渦発生器３の上壁１１の反対側１１cから注入される。

加えて、冷却空気は、上部表面１１と側壁１２の間の境界１４上に配置されている冷却穴９から不均一に注入されもする。

特に、高温ガス流の所定の流れ方向Ｆに対して、渦発生器３の上壁１１及び側壁１２の間の境界１４の下流領域１４bからよりも、境界１４の上流領域１４aから多く注入される。
冷却空気は、ダクト２の壁１５に垂直な軸１７に対して、５０°以下、好ましくは３０−４０°、さらに好ましくは約３５°傾いた軸１６に注入される。
このように考え出されたバーナー及び方法は、発明の概念の範囲から逸脱することなく、様々な変更及び改良を許容し、さらに、すべての構成は、技術的に等しい素子と置き換えすることが可能である。

実際に使用される材料及び尺度は、必要性及び技術常識に応じて選択される。

１ バーナー
２ ダクト
３ 渦発生器
４ ランス
５ ノズル
９ 冷却穴
１０ プレナム
１１ 渦発生器の上壁
１１a 上壁１１の上流領域
１１b 上壁１１の下流領域
１２ 渦発生器の側壁
１４ 渦発生器の境界
１４a 境界１４の上流領域
１４b 境界１４の下流領域
１５ ダクト壁
１６ 冷却穴９の軸
１７ ダクト壁１５に垂直な軸
２０ 渦発生器の前端部
２１ ダクトの軸
２５ 渦発生器の後端部
３０ 渦
３２ 燃焼室
Ｆ 流れ方向

Claims (13)

1. 複数の四面体形状の渦発生器（３）と、燃焼させる燃料を注入するためのランス（４）とを備えるダクト（２）を含むガスタービンのためのバーナー（１）であって、
   少なくとも１つの渦発生器（３）に、ダクト（２）内の冷却空気を注入するための複数の冷却穴（９）を備えるバーナー（１）において、
   前記冷却穴（９）は、前記渦発生器（３）の上壁（１１）に不均一に配置されている通過エリアを形成し、
   前記通過エリアの分布は、渦発生器（３）の中央より、渦発生器（３）の上壁（１１）の反対側（１１ｃ）で密集していることを特徴とするバーナー（１）。
2. 複数の四面体形状の渦発生器（３）と、燃焼させる燃料を注入するためのランス（４）とを備えるダクト（２）を含むガスタービンのためのバーナー（１）であって、
   少なくとも１つの渦発生器（３）に、ダクト（２）内の冷却空気を注入するための複数の冷却穴（９）を備えるバーナー（１）において、
   前記冷却穴（９）は、前記渦発生器（３）の上壁（１１）に不均一に配置されている通過エリアを形成し、
   前記通過エリアの分布は、上壁（１１）と側壁（１２）との間の境界（１４）に沿って不均一であることを特徴とするバーナー（１）。
3. 複数の四面体形状の渦発生器（３）と、燃焼させる燃料を注入するためのランス（４）とを備えるダクト（２）を含むガスタービンのためのバーナー（１）であって、
   少なくとも１つの渦発生器（３）に、ダクト（２）内の冷却空気を注入するための複数の冷却穴（９）を備えるバーナー（１）において、
   前記冷却穴（９）は、前記渦発生器（３）の上壁（１１）に不均一に配置されている通過エリアを形成し、
   前記通過エリアの分布は、高温ガス流の所定の流れ方向（Ｆ）に対して、上壁（１１）と側壁（１２）の間の境界（１４）の下流領域（１４b）より、境界（１４）の上流領域（１４a）の方が密集していることを特徴とするバーナー（１）。
4. 複数の四面体形状の渦発生器（３）と、燃焼させる燃料を注入するためのランス（４）とを備えるダクト（２）を含むガスタービンのためのバーナー（１）であって、
   少なくとも１つの渦発生器（３）に、ダクト（２）内の冷却空気を注入するための複数の冷却穴（９）を備えるバーナー（１）において、
   前記冷却穴（９）は、前記渦発生器（３）の上壁（１１）に不均一に配置されている通過エリアを形成し、
   不均一に配置された通過エリアを形成するために、冷却穴（９）が上壁（１１）に不均一に配置されていることを特徴とするバーナー（１）。
5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載のバーナー（１）において、
   前記通過エリアは、高温ガス流の所定の流れ方向（Ｆ）に対して、渦発生器（３）の上
   壁（１１）の下流領域（１１ｂ）より、上壁（１１）の上流領域（１１a）の方が密集していることを特徴とするバーナー（１）。
6. 請求項１から４までのいずれか１項に記載のバーナー（１）において、
   不均一に配置された通過エリアを形成するために、冷却穴（９）が互いに異なる直径で
   あることを特徴とするバーナー（１）。
7. 請求項１から４までのいずれか１項に記載のバーナー（１）において、
   前記冷却穴（９）は、ダクト（２）の壁（１５）に垂直な軸（１７）に対して、５０°以下、好ましくは３０−４０°、さらに好ましくは約３５°傾いた軸（１６）を備えていることを特徴とするバーナー（１）。
8. 請求項１から４までのいずれか１項に記載のバーナー（１）において、
   前記渦発生器（３）は、ダクト（２）の軸（２１）にほぼ垂直であり、ダクト（２）の壁上に配置されている前端部（２０）と、ダクト（２）の壁とほぼ垂直に配置されており、ダクト（２）の軸（２１）を含む平面に配置されている後端部（２５）とを備えていることを特徴とするバーナー（１）。
9. 複数の四面体形状の渦発生器（３）と、燃焼させる燃料を注入するためのランス（４）とを備えるダクトを含むバーナー（１）を通過する高温ガスを部分的に冷却する方法であって、
   少なくとも１つの渦発生器（３）に、ダクト（２）内の冷却空気を注入するための複数の冷却穴（９）を備えられ、
   少なくとも１つの渦発生器（３）の上壁（１１）で、冷却穴（９）から不均一に冷却空気を注入するものであり、
   上壁（１１）の反対側（１１ｃ）から、より多くの冷却空気流を注入することを特徴とする方法。
10. 複数の四面体形状の渦発生器（３）と、燃焼させる燃料を注入するためのランス（４）とを備えるダクトを含むバーナー（１）を通過する高温ガスを部分的に冷却する方法であって、
    少なくとも１つの渦発生器（３）に、ダクト（２）内の冷却空気を注入するための複数の冷却穴（９）を備えられ、
    少なくとも１つの渦発生器（３）の上壁（１１）で、冷却穴（９）から不均一に冷却空気を注入するものであり、
    上壁（１１）と側壁（１２）との間の境界（１４）に配置されている冷却穴（９）から冷却空気流を不均一に注入することを特徴とする方法。
11. 複数の四面体形状の渦発生器（３）と、燃焼させる燃料を注入するためのランス（４）とを備えるダクトを含むバーナー（１）を通過する高温ガスを部分的に冷却する方法であって、
    少なくとも１つの渦発生器（３）に、ダクト（２）内の冷却空気を注入するための複数の冷却穴（９）を備えられ、
    少なくとも１つの渦発生器（３）の上壁（１１）で、冷却穴（９）から不均一に冷却空気を注入するものであり、
    高温ガス流の所定の流れ方向（Ｆ）に対して、上壁（１１）と側壁（１２）の間の境界（１４）の下流領域（１４b）からよりも、境界（１４）の上流領域（１４a）からより多くの冷却空気流を注入することを特徴とする方法。
12. 請求項９から１１までのいずれか１項に記載の方法において、
    高温ガス流の所定の流れ方向（Ｆ）に対して、上壁（１１）の下流領域（１１ｂ）からよりも、上壁（１１）の上流領域（１１a）からの方が、より多くの冷却空気流を注入することを特徴とする方法。
13. 請求項９から１１までのいずれか１項に記載の方法において、
    ダクト（２）の壁（１５）に垂直な軸（１７）に対して、５０°以下、好ましくは３０−４０°、さらに好ましくは約３５°傾いた角で冷却空気を注入することを特徴とする方法。