JPH0320524A - ガスタービンの燃焼室 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は請求項１の上位概念に記載の燃焼室に関する． ［従来の技術］ ガスタービンの運転に際してＮＯｘ−エミッションを非
常に低く抑えるように規定されていることを考慮して、
多くの製造業者は予備混合バーナーの使用に移行しつつ
ある．予備混合バーナーの１つの欠点は、空気量が非常
に少ない場合には既に、ガスタービンの圧縮機後の温度
にしたがって約２分の１が消火する点にある．この理由
から、ガスタービンの部分負荷運転中では、この種の予
備混合バーナーを１つ又は複数のパイロッドバーナーに
よって補助しなければならない．通常はこのために拡散
バーナーが使用される．この技術は全負荷領域において
確かに非常に低いＮＯＸ−エミッションを実現する．こ
れに対して、前記補助バーナーシステムは．部分ｎ荷運
転に際して本質的に比較的高いＮＯｘ−エミッションを
結果的に生ぜしめる．拡散一補助バーナーを比較的稀薄
な状態で運転したり、比較的小さな補助バーナーを使用
しようとする、公知になった種々の試みは必ず失敗して
いる．何故ならば燃焼状態が悪化し、Ｃｏ／ＩＩＨｃ−
エミッションが急激に上昇するからである．専門用語に
よれば、この状態は、Ｃｏ／υＨＣ−ＮＯｘシェーレと
いう名称で知られている． ［発明が解決しようとする課題］ ここにおいて本発明が解決策を提供する．請求項におい
て特徴づけられているように、本発明の基礎とする課題
は、〜パターンファクターという専門用語で知られてい
るタービン入口の温度プロフィールについての品質ファ
クターを最適化しつつ、最小の排ガスエミッションにお
いて広い運転領域を実現するところの燃焼室を提供する
ことにある． ［課題を解決するための手段］ このために燃焼室の前聖全体に沿って、太きな予備混合
バーナーと小さな予備混合バーナーを交互に配置するこ
と（即ち２つの大きな予備混合バーナーの間にその都度
１つの小さな予備混合バーナーが見出されることになる
．〉が意図される．更に大きな予備混合バーナーと小さ
な予備混合バーナーの間にはその都度空気ノズルが備え
られており、同空気ノズルは一定の配分量の空気を燃焼
空間内に送り込む．このような配列は環状燃焼室にとっ
て最適であり、この場合それに応じて前壁は環状になっ
ている．大きい予備混合バーナー（以下において主バー
ナーと言う）と小さい予備混合バーナー（以下において
パイロッドバーナーと言う）の大きさの割合（場合によ
り確定される．）は、そこを貫流する燃焼空気の割合に
対応している．燃焼室の負荷領域全体において、パイロ
ッドバーナーは自立的な予備混合バーナーとして動作す
る．この場合空気量はほとんど一定である．今やパイロ
ッドバーナーを負荷領域全体においてＦｌ想的な混合状
態《予備混合バーナー）で運転することができるので、
ＮＯＸ−エミッションは部分負荷においても非常に少な
い．その上、比較的高いタービン流入温度を伴うガスタ
ービンの“改良″の可能性を意図すれば、バーナーによ
って形成することのできない（稀薄噴射限界．Ｃｏ／Ｉ
ＩＨＣ　）空気配分を、パターンファクターのために、
もっぱら冷却目的に利用するべきでないことは明らかで
ある．ここに設けられた空気ノズルを介して、ある一定
の空気配分が特に燃焼室の一次燃焼域の後ろに持ち込ま
れ、そこにおいて同空気配分が、完全な混合の実現に寄
与する．これは、“改良″を保証しそれ故二次燃焼域内
に直接吹き込まれるところの空気配分が、望ましくない
一次域の″稀薄化“を阻止するという利点を伴う．前記
空気ノズルは、非常に小さな空気速度を伴っており、そ
していずれにせよ前壁の制限された幅しか占有していな
いので、一次領域内の主な流れへの影響は非常に少ない
．特に、空気ノズルは結果として一次バーナーと主バー
ナー間のクロス点火を妨害しない．前記空気ノズルのそ
の他の利点は、前壁におけるその位置から明らかである
．そこでは空気ノズルの冷却作用がなければ，その区域
は非常に高温になろう．それにも拘らず、空気ノズルの
主な利点は、主バーナーとパイロッドバーナー間に発生
する剪断層が安定化する点に認められるべきである．こ
の理由から、パイロッドバーナーだけが自立的に燃焼す
る場合の燃焼室の〜稀薄安定限界一が、前記空気ノズル
によって決定的に改善される． 本発明の有利な構成は、主バーナーとパイロッドバーナ
ーが、異なる大きさのいわゆる二重円錐バーナーによっ
て構成され、そして同バーナーが環状燃焼室内に統合さ
れている場合に達成される．このような状況において、
環状燃焼室内の循環する流線はパイロッドバーナーの渦
中心に極めて接近するので、点火は同パイロッドバーナ
ーを用いるだけで可能である．加速する場合には、パイ
ロッドバーナーを介して供給される燃料は、パイロッド
バーナーが運転されるまで、即ち燃料の全部を使用する
ことができるまで，増量せしめられる．ｆｌ成の配置は
、ガスタービンの負荷減少条件に一致するように選定さ
れる．この場合主バーナーによって一層の効率向上が行
われる．装置のピーク負荷に際して、主バーナーも完全
に運転される．大きな比較的低温の渦中心（主バーナー
〉間の〜小さな“熱い渦中心（パイロッドバーナー）と
いう配置は極めて不安定であるので、部分負荷領域にお
いて主バーナーを稀薄運転する場合でも、低いＣｏ／Ｕ
｝ＩＣ−エミッションを伴う非常に良好な燃焼が達成さ
れる．即ちパイロッドバーナーの熱い渦は、主バーナー
の冷たい渦の中に直ちに侵入するのである． 本発明の課題の解決手段の利点及び有利な改良は、その
他の従属請求項において特徴づけられている． 以下において本発明の実施例が図面に基づいてより詳細
に説明される．本発明の直接的な理解に必要のない全て
の要素は省略されている．幾つかの図面において、同一
の要素にはそれぞれ同一の参照符号が付与されている．
媒体の流れ方向は矢印で示されている． ［実施例］ 第１図は前壁１０の領域のｌ部分を示す．これから個々
の主バーナーＢとパイロッドバーナーＣの配置が明らか
である．これらのバーナーは環状燃焼室Ａの周囲に一様
にかつ交互に配分されている．図示された主バーナーＢ
とパイロッドバーナーＣの大きさの相違は単に定性的な
ものにすぎない．個々のバーナーの有効な大きさ並びに
環状燃焼室Ａの前壁ｌＯの周囲への同バーナーの配分及
び個数は，既に冒顕に明示したように、燃焼室自体の能
力及び大きさに左右される．交互に配置された主バーナ
ーＢとパイロッドバーナーＣは、環状燃焼室Ａの流入面
を楕成する一体のリング状の前壁１０内に、すべて同じ
高さにおいて連通している．個々のバーナーＢ，Ｃの中
間にはその都度若干の空気ノズルＤ（ここでは概略的に
示す．）が備えられており、同空気ノズルは半径方向に
おいて前壁１０のほぼ半幅を占めている．主バーナーＢ
とパイロッドバーナーＣが同期的な渦流を形成する場合
、その上流及び下流に、バーナーＢ，Ｃを取り囲む循環
流が発生する．この状態を説明するために、例として同
一のローラによって移動せしめられるエンドレスの搬送
ベルトについて言及する．ここでは各々のローラは同期
的なバーナーによって受け継がれる．さらに各々のバー
ナーの回りに渦中心が発生ずる．パイロッドバーナーＣ
の回りでは渦中心は小さく高温であり、かつそれ自体は
不安定である．これらの渦中心は、主バーナーＢに由来
する比較的低温の大きな渦中心の間に位置するようにな
る．小さな高温の渦中心と大きな低温の渦中心との間の
領域において空気ノズルＦが作用する．同空気ノズルは
、既に冒頭において評価したように、両漫の安定性を決
定的に改善する．主バーナーＢが稀薄的に運転される場
合でさえ（部分負荷運転の場合のように）　、Ｃｏ／旧
ＩＣ−エミッションの低い非常に良好な燃焼が予期され
る．第２．３図は、それぞれパイロッドバーナーＣ及び
主バーナーＢの平面における環状燃焼室Ａの概略的断面
図を示す．ここに示された環状燃焼室Ａは、同環状燃焼
室Ａの図示の中心軸線Ｅから明らかなように，タービン
人口Ｄの方向に円錐状に延びている．各々のバーナーＢ
，Ｃには個別のノズル３が割り当てられている．この概
略図から既に明らかなように、バーナーＢ，Ｃは同時に
予備混合バーナーである．つまり別の普通の予備混合域
を必要としない．勿論、これらの予備混合バーナーＢ．
Ｃは、その都度の前壁１０を介した予備混合域へのさか
火を恐れる必要がないように、この特有のコンセプトに
無関係に設計されなければならない．この条件を有利に
満足する予備混合バーナーは第６〜９図に包括的に示さ
れ、かつそこにおいてより詳細に説明される．この場合
、両バーナー（主バーナーＢ／パイロッドバーナーＣ）
の椙成は同一であり、単にその大きさが相違しているだ
けである．環状燃焼室Ａが中間の大きさの場合、主バー
ナーＢとパイロッドバーナーＣの大きさの割合は、燃焼
空気の約２３％がパイロッドバーナーＣを流れ、約７７
％が主バーナーＢを流れるように選択される． 第４，５図は、主バーナーＢ及び空気ノズルＦの、第１
図の切断線ＩＶ−ＩＶ及びｖ−ｖに沿った位置的に並列
された軸線方向の断面図を概略的に示している．これに
関して注意すべきことは、関係する前壁１０が、燃焼室
内にはるがに突入する空気ノズルＦの構成を有している
ことである．この空気ノズルは、バーナーＢ，Ｃの火炎
面よりも更に下流の燃焼室内に空気Ｇが作用するように
寄与するものである． バーナーＢ．Ｃの構造を一層良く理解するには、第６図
と同時に第７〜９図の断面図を参照すると有利である．
さらに第６図を不必要に複雑化させないために、同図に
おいて、第７〜９図に概略的に示されたそらせ板２１ａ
．２ｌｂは単に示唆的に記栽されている．以下において
は第６図を説明している場合でも、必要に応じて選択的
に残りの第７〜９図についても言及される． 第６図のバーナーＢ，Ｃ（その構造からパイロッドバー
ナーＣでも主バーナーＢでもあり得る．）は、２つの半
分の中空の部分円錐体１．２によって構成されており、
同部分円錐体は互いに位置をずらして上下に位置してい
る．部分円錐体１，２相互の各中心軸線１ｂ，２ｂの位
置ずれは、鏡像的な配置の両側部においてそれぞれ１つ
の接線方向の空気流入スリット１９２０を提供しており
（第７〜９図）、同スリットを経て、燃焼空気１５がバ
ーナーの内部室、即ち円錐中空室１４内に流れ込む．両
部分円錐体１．２はそれぞれ１つのシリンダ状の始端部
分１ａ，２ａを有しており、同始端部分は同様に部分円
錐体１．２に類似して互いに位置をずらして延びている
．したがって接線方向の空気流入スリット１９．２０は
始端から存在している．前記シリンダ状の始端部分１ａ
，２ａにはノズル３が取り付けられており、同ノズルの
燃料噴霧口４は、２つの部分円錐体１，２によって構成
された円錐状の中空室１４の最小横断面と一致する．ノ
ズル３の大きさは、バーナーの形式、即ちパイロッドバ
ーナーＣであるか又は主バーナーＢであるかによって左
右される．勿論、バーナーを純粋に円錐状に、つまりシ
リンダ状の始端部分！ａ，２ａを設けずに構戒すること
もできる．両部分円錐体１．２は選択的にそれぞれ１つ
の燃料通路８，９を有しており、同燃料通路には開口１
７が設けられており、同開口を通して，ガス状燃料１３
が、接線方向の空気流入スリット１９．２０を経て流入
する燃焼空気１５に混入せしめられる．燃料通路８．９
の位置は接線方向の空気流入スリット１９．２０の端部
に設けられており、その結果その位置において、流入す
る燃焼空気１５と燃料１３との混合１６も行われること
になる．バーナーＢ／Ｃは，燃焼空間側２２において、
前壁１０を形成するプレートを有している．ノズル３を
経て流入する液状燃料１２は、バーナーの流出面におい
て可能な限り均一な円錐状の燃料噴霧が生ずるように、
円錐中空室１４内に鋭角度で噴射せしめられる．燃料噴
霧口４については、エアアシスト形ノズル又は圧力噴霧
器が対象となる．勿論、燃焼室のある一定の運転方式の
場合に、例えば欧州特許出願公開第２１０４６２号明４
Ｉ書に記載されているように、ガス状燃料と液状燃料が
供給される二重バーナーを対象にすることもできる．ノ
ズル３から出る液体燃料の円錐形の輪郭５は、接線方向
に流入する回転する燃焼空気流１５によって包囲される
．液体燃料１２の濃度は燃焼空気ｌ５の混入により、軸
線方向に沿って連続的に低下する．ガス状燃料１　３／
１　６を燃焼させる場合、燃焼空気１５との混合気形成
が空気流入スリット１９．２０の端部において直ちに行
われる．液状燃料１２を噴霧する場合に、渦がほころび
る領域、つまり還流域６の範囲において、最適な均一の
燃料濃度が横断面にわたって達成される．点火は還流域
６の頂点において行われる．この位置において初めて安
定した火炎面７が生じる．ここでは、公知の予備混合路
においては潜在的な問題になっており、そのための対策
が複雑な保炎器を用いて試みられるところの、バーナー
内部への火炎の後退を懇念する必要はない．燃焼空気１
５が予熱される場合、混合気の点火が行われるところの
バーナーの出口位置に到達する前に、液状燃Ｆｌ１２の
気化が自然に発生する．勿論、気化の程度は、バーナー
の大きさ、液状燃料の場合の液滴量の配分そして燃焼空
気１５の温度に依存する．しかしなから、低温の燃焼空
気１５による液滴の均一な混合のほかに、あるいは追加
的に、予熱された燃焼空気１５によって液滴の気化が単
に部分的にのみ達成されるか又は全体的に達成されるか
には無関係に、空気過剰が少なくとも６０％に達した時
には酸化窒素及び一酸化炭素の排出量が低下する．それ
によってここでは、追加的な安全対策が、ＮＯｘの排出
を最小化するために自由に講じられる．燃ｂｔ　＋４に
入る前に完全に蒸発する場合には、有害物質の排出量は
最小である．過剰空気が再循環する排気によって代用さ
れる時には、準化学量的運転に対しても同様のことが当
てはまる．部分円錐体１，２を設計する場合、火炎を安
定化するべく空気の所望の流れ領域がバーナーロの領域
における空気の還流域６に関して生ずるためには、円錐
の傾斜及び接線方向の空気流入スリット１９．２０の幅
に関して、狭い限度幅が守られなければならない．一般
的には、空気流入スリット１９．２０を縮小させると還
流域６がさらに上流へ移動し、それによって確かに混合
気がより早く点火せしめられるであろうと考えられる．
螺旋回数はバーナーの円錐形状領域において流れ方向に
沿って増加するので、少なくともここでは、一度幾何学
的に固定された還流域６はそれ自体としては位置的に安
定していると考えられる．バーナーの全長が予め定めら
れている場合、バーナーの前記構造は、部分円錐体１．
２が終端板１０との解放可能な結合に基づいて囚定され
ているために、接線方向の空気流入スリット１９．２０
の大きさを変更せしめることにもっぱら適している．第
７〜９図から特に明らかなように，両部分円錐体１．２
が互いに接近又は離隔するように半径方向に移動するこ
とによって、両中心軸！１ｌｂ，２ｂの間隔が縮小又は
増大し、それにしたがって接線方向の空気流入スリット
１９．２０の隙間の大きさが変化する．勿論、部分円錐
体１．２は他の平面においても互いに移動可能であり、
これによって更に部分円錐体のオーバーラップも！１１
ｍ！可能である．そればかりか部分円錐体１．２を、逆
向きに回転する運動によって互いに螺旋状に移動させる
ことも可能である．こうして接線方向の空気流入スリッ
ト１９．２０の形状及び大きさを任意に変化させること
が可能であり，それによってバーナーをその全長を変更
することなく個別的に適合させることができる． 第７〜９図からそらせ板２１ａ．２ｌｂの位置も明らか
である．それせ板は流れ導入８！能を有しており，この
場合同そらせ板は、その長さに対応して，部分円錐体１
．２のその時々の端部を燃焼空気１５の流入方向に沿っ
て延長せしめる．円錐中空室１４への燃焼空気１５の通
路形成は、そらせ板２１ａ，２ｌｂを回動中心２３の回
りで開閉することによって最適化することができる．こ
れは、接線方向の空気流入スリット１９．２０の隙間の
本来の大きさが変更される場合には特に必要である．勿
論、バーナーはそらせ板がなくても運転可能である．

【図面の簡単な説明】

第１図は、同様に概略的に示された一次バーナー、主バ
ーナー並びに空気ノズルを備える、環状燃焼室の，前壁
の一部分の概略平面図、第２図は、主バーナーの平面に
おける環状燃焼室の概略断面図，第３図は、パイロッド
バーナーの平面における現状燃焼室の別の断面図、第４
図は、バーナーの概略的な軸線断面図、第５図は，空気
ノズルの領域の概略的な軸線断面図，第６図は，二重円
錐バーナーとして梢成されたバーナーの適当に切開され
た斜視図、第７図．第８図，第９図は、第６図の二重円
錐バーナーを概略的に簡略化して表示するところの、各
平面ＶＩｉＶＩＩ　（第７図）　、Ｖｌｌｌ−ＶＩＴ［
　（第８図），ＩＸ−ｒＸ　　（第９図）に沿った相応
の断面図を示している． Ａ・・・燃焼室，環状燃焼室、Ｂ・・・主バーナーＣ・
・・パイロッドバーナー、Ｄ−・・タービン入口、Ｅ・
・・燃焼室の中心軸線、Ｆ・・・空気ノズル、Ｇ・・・
空気、１，２・・・部分円錐体、ｌａ，２ａ・・・円筒
状の始端部分、ｌｂ，２ｂ・・・部分円錐体の中心軸線
，３・・・燃料ノズル、４・・・燃料噴霧口、５・・・
噴霧燃料の輪郭、６・・・還流域〈渦の減衰）、７・・
・火炎面、８，９・・・ガス状の燃料の通路、１０・・
・前壁、１２・・・液状燃料、１３・・・ガス状燃料，
１４・・・円錐中空室、１５・・・燃焼空気、１６・・
・ガス状燃料の噴霧部あるいは混入部、１７・・・開口
、１９．２０・・・接線方向の空気流入スリット、２ｌ
ａ，２ｌｂ・・・そらせ板、２２・・・燃焼空間、２３
・・・回動中心 ＦＩＧ．２ Ｅ 一２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃焼室（Ａ）の燃焼空気流入側に、若干数の予備混
   合バーナー（Ｂ、Ｃ）が備えられており、該予備混合バ
   ーナーは、互いに隣接して配置されるとともに、燃焼空
   気の貫流に関しては異なる大きさであり、この場合大き
   い方の前記予備混合バーナー（Ｂ）と小さい方の前記予
   備混合バーナー（Ｃ）は交互に連続しており、そして個
   々の該予備混合バーナー（Ｂ、Ｃ）の間には空気ノズル
   （Ｆ）が位置付けられていることを特徴とする、ガスタ
   ービンの燃焼室。 ２、前記大きい方の予備混合バーナー（Ｂ）と前記小さ
   い方の予備混合バーナー（Ｃ）は同一旋回方向に向けら
   れている、請求項１記載の燃焼室。 ３、前記大きい方の予備混合バーナー（Ｂ）は前記燃焼
   室（Ａ）の主バーナーであり、前記小さい方の予備混合
   バーナー（Ｃ）は前記燃焼室（Ａ）のパイロッドバーナ
   ーである、請求項１記載の燃焼室。 ４、空気ノズル（Ｄ）を介した空気の噴射が、前記燃焼
   室（Ａ）の燃焼空間（２２）内に方向付けされるととも
   に、前記予備混合バーナー（Ｂ、Ｃ）の前壁（１０）よ
   りも更に下流で行われる、請求項１記載の燃焼室。 ５、前記予備混合バーナー（Ｂ、Ｃ）は、流れ方向に沿
   つて増加する円錐勾配を有する、少なくとも２つの重ね
   合わされた中空の部分円錐体（１、２）によって構成さ
   れ、該部分円錐体の中心軸線（１ｂ、２ｂ）は互いに位
   置を異にして該部分円錐体（１、２）の縦方向に沿って
   延びており、この場合前記部分円錐体（１、２）によっ
   て構成された中空円錐状の内部空間（１４）内の流入側
   には少なくとも１つの燃料ノズル（３）が位置決めされ
   ており、該燃料ノズルの燃料噴霧口は、前記部分円錐体
   （１、２）の前記互いに位置を異にした中心軸線（１ｂ
   、２ｂ）の中間に位置しており、そしてこの場合前記中
   心軸線（１ｂ、２ｂ）の相互の変位量は、前記部分円錐
   体（１、２）の間の接線方向の空気流入スリット（１９
   、２０）の大きさの基準になる、請求項１記載の燃焼室
   。 ６、前記燃料ノズル（３）は液状燃料に関して動作し得
   る、請求項５記載の燃焼室。 ７、前記接線方向の空気流入スリット（１９、２０）の
   近傍に別の複数の燃料ノズル（１７）が存在する、請求
   項５記載の燃焼室。 ８、前記複数の燃料ノズル（１７）はガス状燃料に関し
   て動作し得る、請求項７記載の燃焼室。 ９、前記燃焼室（Ａ）は環状燃焼室であり、該燃焼室の
   環状の前壁（１０）には、前記大きい方の予備混合バー
   ナー（Ｂ）と前記小さい方の予備混合バーナー（Ｃ）と
   前記空気ノズル（Ｄ）が接続している、請求項１から８
   までのいずれか１項記載の燃焼室。