JP5734358B2 - ガスタービン用のマルチコーン型の予混合バーナ - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンの技術に関する。本発明は、請求項１の上位概念部に記載の、ガスタービン用のマルチコーン型の予混合バーナに関する。

過去２０年以上にわたって、短い、しかし効果的な予混合領域を備えるバーナ（いわゆるＥＶバーナ：環境負荷の少ないＶ字形バーナ）は、出願人による幾つかのガスタービンにおいて、極めて低いＮＯｘ水準で実施されている。これに加えて３つの種類の予混合技術が成功裏に発展し、これらのガスタービンエンジンに配備されている。すなわち、順次ＥＶバーナ（第１の高圧タービンの排ガスを再熱するために、高温の排気流に天然ガスおよび油を予混合することを可能にする技術）；ＭＢｔｕ ＥＶバーナ（予混合火炎で合成ガスを低いＮＯｘ排出で燃焼するために使用される）；先進ＥＶバーナ（ＡＥＶ）（燃焼前に液体燃料を予蒸発させ予混合し、水噴射を伴わずに極めて低いＮＯｘ排出で燃焼することを可能にする）である。

欧州特許出願公開第０８５１１７２号明細書は、液状および／またはガス状の燃料で燃焼室を運転するためのダブルコーン型の例示的なＥＶバーナを開示している。この目的のために要求される燃焼空気は、接線方向の空気流入ダクトを通じてバーナの内部空間内へと方向付けられている。流れの方向付けは、内部空間における渦流を形成する。この渦流は、バーナ出口における逆流領域を誘発する。この逆流領域で形成される火炎前面を安定させるために、バーナを形成する各部分ボディにおいて、渦流に補助空気を噴射するために流入開口が設けられている少なくとも１つの領域が設けられている。この噴射によって、部分ボディの内壁に膜が形成される。この膜は、火炎が部分ボディの内壁に沿ってバーナの内部空間内にフラッシュバックすることを阻止する。

欧州特許出願公開第２４２３５９７号明細書は、ダブルコーン型のバーナの形態の別の例示的なＥＶバーナを示している。このダブルコーン型のバーナは、２つの部分コーン（円錐）シェルを有しており、これらの部分コーンシェルは、互いに内外に重なって配置されており、その間に空気流入ダクトを形成している。この空気流入ダクトを通じて、外部からの燃焼空気が、予混合バーナの円錐形の内部空間に流入する。燃焼空気の流れ方向に対して横方向に延びる、噴射開口の線状の孔列は、空気流入ダクトの外壁に配置されていて、これらの噴射開口を通じて、ガス状の燃料が燃焼空気内に噴射される。燃焼空気は、これらの噴射開口に対して横方向に流過する。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５４５３１０号明細書は、さらに、外側のコーンケーシング壁と内側のコーンケーシング壁とを有する中空コーンから構成された別の予混合バーナを開示している。少なくとも２つの流入ダクトは、内側のコーンケーシング壁に対して接線方向に延びていて、かつ真っ直ぐなコーンケーシング壁の線に沿って位置決めされている。これにより形成された複数の部分シェルの部分円錐軸線は、共通の円錐軸線上にあり、予混合バーナは、流入ダクトを含む少なくとも２つ、たとえば４つの部分に分けられており、これにより燃焼空気を旋回させる。燃料ノズルは、液体燃料を噴射するためにコーンの先端に位置決めされている。

国際公開第２００９／０１９１１３号明細書は、渦流発生器、混合器およびランスを含むバーナを開示している。渦流発生器は、バーナ内部の流入側部分を取り囲み、バーナの長手方向の中心軸線に対して接線方向に延びる少なくとも１つの空気流入部を有している。渦流発生器は、円錐状に設計されている。各空気流入部は、コーンの形成された表面に沿って長手方向のスロットを形成している。複数のこのような空気流入部は、有利には周方向に分配されるように配置されている。その結果、空気は、バーナ内室に接線方向に進入することができ、その結果、空気に回転が与えられる。渦流発生器は、さらに燃料流入部を有している。この燃料流入部を介して、ガス状の燃料がバーナ内室に導入される。燃料流入部は、個別の流入絞りの複数の列を有している。これらの流入絞りは、円錐形の渦流発生器の表面ラインに沿って延びている。流入絞りを通じて、燃料ガスはバーナ内室に進入することができる。混合器は、バーナ内室の出口側部分を取り囲んでいて、流出開口を有している。この流出開口は、燃焼室の燃焼スペースに向かって開口している。混合器は、管状ボディを有し、この管状ボディは、管状の移行部材を介して渦流発生器に接続されており、出口開口を有する出口フランジを支持している。出口フランジを介して、バーナは、燃焼室に接続することができる。混合器は、有利には円筒形に形成されている。

原理的には、より少ないＮＯｘ形成に対して、燃料と空気との混合は、バーナの出口において、燃焼室内に進入する急激な面積拡張部の手前で、混合管を使用することにより増大され得る。燃焼室では火炎が再循環流により安定化されている。現在のＥＶ型の円錐形バーナの空気スロットおよびガス通路は、下流部分で、バーナ軸線に対して直交する交差面により画定されている。したがって、バーナのスワラ出口は、円形ではなく、特別な移行部材をスワラと円筒形の混合管との間で必要とする。この移行部材は、フラッシュバックを起こす傾向にあり、再循環領域における流れの剥離と火炎の安定化を阻止するために複雑な三次元形状を適用する必要がある。

したがって、バーナの下流部分における燃料と空気との混合をさらに促進するために混合管を使用した場合、問題は、フラッシュバックをもたらし得る再循環領域が形成されないように、スワラと混合管との間で移行部材を規定することにある。

欧州特許出願公開第０８５１１７２号明細書 欧州特許出願公開第２４２３５９７号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５４５３１０号明細書 国際公開第２００９／０１９１１３号明細書

本発明の課題は、公知のバーナの欠点を阻止し、単純な設計とフラッシュバックの回避とを組合せた、マルチコーン型の予混合バーナを提供することである。

上記および別の課題は、請求項１に記載の予混合バーナにより解決される。

本発明に係るガスタービン用のマルチコーン型の予混合バーナは、複数のシェルを有している。これらのシェルは、中心バーナ軸線の周りに配置されており、下流に向かう方向で開放する、軸方向に延びる仮想の共通のコーンの部分である。この場合、これらの部分は、隣り合うシェルの各対の間で接線方向のスロットが形成されるように、前記バーナ軸線に対して垂直方向に変位されている。

本発明に係るガスタービン用のマルチコーン型の予混合バーナは、シェルの下流側の端部が、当該シェルと、所定の半径を有する同軸的な仮想の円筒体との交差により形成される交差面により画成されていることを特徴としている。

本発明の態様によれば、シェルのそれぞれは、各シェルの軸方向に方向付けられたエッジに沿って延びる予混合ガス通路を備え、これによりガスは、予混合ガス通路からガス噴出孔を通じて、隣接するスロットを通じてシェル配列の内部に流入する空気流内に噴射される。予混合ガス通路の下流側の端部は、予混合ガス通路と、所定の半径を有する同軸的な前記仮想の円筒体との交差により形成される交差面により画成されている。

本発明の別の態様によれば、前記所定の半径に近似した内側半径を備える円筒形のバーナリングが、交差面の領域において、前記シェル配列と、予混合ガス通路とにそれぞれ取り付けられている。

特に、取り付けられたバーナリングを備える予混合バーナは、同軸的なバーナスリーブ内に軸方向にスライド可能に取り付けられている。

特に前記バーナスリーブの下流側の端部は、燃焼室の正面パネル内に取り付けられている。

本発明を異なる態様で添付の図面を参照しながらより詳しく説明する。

本発明の態様による予混合バーナの斜視図である。 スワラ装置を取り囲む付加的なバーナリングを備え、バーナスリーブ内に可動に取り付けられた図１の予混合バーナを示す図である。

公知の先進ＥＶバーナ（ＡＥＶバーナ）設計構想では、スワラ出口における鎌状の断面を、混合管の円筒形の断面に適合させるために、移行部材が必要である（たとえば上掲の国際公開２００９／０１９１１３号を参照）。この移行部材は、流れの剥離と、その結果生じるフラッシュバック（逆火）とを避けるために、注意深い空力学的な配置を必要とする。

本発明は、移行部材の必要性をなくす。コーン形シェルの下流側の端部は、バーナリングの円筒形状に切り込むように形成されている。バーナリングは引き出し可能なバーナの不可欠な部分である。図１および図２に示した態様は、本解決手段の基本原理を示している。

図１に示した予混合バーナ１０は、中心バーナ軸線１１に沿って延びている。予混合バーナ１０は、４つの同一のシェル１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを有している。これらのシェル１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄは、（図面において左から右に延びる）下流方向に開放する仮想のコーン（円錐体）の部分である。これらのシェルは、前記仮想のコーンにおける本来の位置から、バーナ軸線に対して垂直方向にずらされていて、これにより隣接するシェルの各対の間に接線方向のスロット１４を形成することができる。これらのスロット１４を通じて、空気が円錐形シェル配列の内部に旋回するように進入する。各スロット１４には、隣り合うシェルの軸方向のエッジに沿って延びる予混合ガス通路１３ａ，１３ｂ，１３ｃが設けられていて、ガス状の燃料を穴（図示せず）を通じて、流入する空気流内に噴射する。

ところで、バーナシェル１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄは延長され、所定の半径Ｒを有する同軸的な仮想の円筒体と必然的に交差する（図１の破線を参照）。この半径Ｒは、後続の混合管の円筒形状に適合されている。これにより、特別な移行部材の必要性は排除される。この交差により、シェル１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの下流側の端部と、予混合ガス通路１３ａ，１３ｂ，１３ｃの下流側の端部とは、円筒状の交差面１６，１７により画成されている、この円筒状の交差面１６，１７は、シェル１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの下流側の端部を位置固定するために、円筒状バーナリング１８をシェル配列（図２）でスライドさせることを可能にする。

取り付けられたバーナリング１８を備える予混合バーナ１０は、ほぼ円筒状の同軸バーナスリーブ１９内に導入され得る。バーナスリーブ１９は、その下流側の端部で燃焼室２１の正面パネル２０内に組み込まれ得る。取り付けられたバーナリング１８を備える予混合バーナ１０は、当該予混合バーナ１０を燃焼室２１または並列に作用する他のバーナに関連して調整するために、軸方向に移動され得る（図２の双方向矢印を参照）。さらに、シール手段がバーナリング１８とバーナスリーブ１９との間に設けられていてよく、同様にバーナリング１８とバーナスリーブ１９との間のギャップにパージ空気を導入するための穴が設けられていてよい。

１０ 予混合バーナ
１１ バーナ軸線
１２ａ−１２ｄ シェル（円筒状）
１３ａ−１３ｃ 予混合ガス通路
１４ スロット
１５ バーナランス
１６，１７ 交差面
１８ バーナリング
１９ バーナスリーブ
２０ 正面パネル

Claims (5)

1. 複数のシェル（１２ａ〜１２ｄ）を備え、該複数のシェル（１２ａ〜１２ｄ）は、中心バーナ軸線（１１）の周りに配置されており、かつ下流に向かう方向に開放する、軸方向に延びる仮想の共通のコーンの部分であり、該部分は、隣接する前記シェル（１２ａ−１２ｄ）の各対の間に接線方向のスロット（１４）が形成されるように、前記バーナ軸線（１１）に対して垂直方向に変位されている、ガスタービン用のマルチコーン型の予混合バーナ（１０）であって、
   前記シェル（１２ａ〜１２ｄ）の下流側の端部は、前記シェル（１２ａ〜１２ｄ）と、所定の半径（Ｒ）を備える同軸的な仮想の円筒体との交差により形成される交差面（１７）によって画成されていることを特徴とする、ガスタービン用のマルチコーン型の予混合バーナ。
2. 前記シェル（１２ａ〜１２ｄ）のそれぞれは、各シェル（１２ａ〜１２ｄ）の軸方向に方向付けられたエッジに沿って延びる予混合ガス通路（１３ａ−１３ｃ）を備え、これによりガスは、前記予混合ガス通路（１３ａ−１３ｃ）からガス噴射孔を通じて、隣接する前記スロット（１４）を通じて前記シェル（１２ａ〜１２ｄ）配列の内部に流入する空気流内に噴射され、
   前記予混合ガス通路（１３ａ−１３ｃ）の下流側の端部は、前記予混合ガス通路（１３ａ−１３ｃ）と、前記所定の半径（Ｒ）を備えた同軸的な仮想の円筒体との交差によって形成される交差面（１６）により画成されている、請求項１記載の予混合バーナ。
3. 前記所定の半径（Ｒ）に近似した内側半径を備える円筒形のバーナリング（１８）が、前記シェル（１２ａ〜１２ｄ）配列と、予混合ガス通路とに、それぞれ前記交差面（１６，１７）の領域において配置されている、請求項１または２記載の予混合バーナ。
4. 取り付けられた前記バーナリングを備える前記予混合バーナ（１０）は、同軸的なバーナスリーブ（１９）内に軸方向にスライド可能に取り付けられている、請求項３記載の予混合バーナ。
5. 前記バーナスリーブ（１９）の下流側の端部は、燃焼室（２１）のフロントパネル（２０）内に取り付けられている、請求項４記載の予混合バーナ。

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