JPH0335986Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、燃焼タービン及びそれに使用される
燃焼器に関するものであり、特に予混合及び予気
化を行う燃焼器のための改善された燃料混合区域
構造に関するものである。 一般に、典型的な従来技術の燃焼タービンは圧
縮機部、燃焼器部、及びタービン部の３つの部分
を備えている。圧縮機部に吸い込まれた空気は圧
縮され、その温度及び密度が増加する。圧縮機部
からの圧縮空気は燃焼器部を通つて流れ、そこで
更に温度が上げられる。燃焼器部からの高温圧縮
ガスはタービン部に流れ込み、そこで膨張するガ
スのエネルギがタービンロータの回転運動に変換
される。 典型的な燃焼器部は燃焼タービンの周囲に環状
に配列して配置された複数の燃焼器を備える。従
来の燃焼器技術においては圧縮機部から流れ出た
圧縮ガスは、タービン部に送られる前に、拡散炎
によつて燃焼器の中で加熱される。拡散炎技術に
おいては、燃料はノズルによつて燃焼器の上流端
に噴射される。拡散炎は強い空気力学的再循環に
よつてノズルの直後に維持される。燃料が完全に
混合されないと、燃料濃度が高くまたそれに応じ
て、約2220℃（4500〓）程度の高い燃焼反応温度
の部分が生ずる。反応温度は高いので、燃焼反応
温度からの高温ガスは、下流に位置するタービン
装置への損傷を与えないように約120℃（700〓）
の冷たい空気によつて下流で希釈されなければな
らない。更に、炎拡散技術ではNOx（窒素酸化
物）とCO（一酸化炭素）を含む好ましくない化合
物を相当量排出する。 環境保護意識の高まりにつれて、NOxとCOの
排出基準がより厳しくなつている。このより厳し
い基準のため改善された燃焼器技術が開発されて
いる。このような改善のうちの一つは、予混合、
予気化を行う燃焼器である。このような型の燃焼
器では、燃料は燃料調整区域に放出され、ここで
燃料はどこの濃度も設定した濃度の限られた限界
内にあるような均一濃度に達するように十分に混
合される。更にある量の燃料は燃料混合区域の中
で気化される。燃料の燃焼は燃料調整区域より下
流で行なわれる。燃料調整区域において十分に均
一になつた燃料濃度により反応温度が均一にな
り、約1100℃〜1650℃（2000〓〜3000〓）に制限
され得る。均一かつ完全な燃焼のために、予混
合、予気化を行う燃焼器は同量の燃料を使つた従
来の燃焼器よりNOx及びCOのレベルが低くな
る。 予混合、予気化を行う燃焼器の一つの問題はフ
ラツシユバツク即ち燃焼位置から燃料調整区域内
への炎の急激な逆伝播による破損の可能性であ
る。もし適切な処置が採られないままであるなら
ば、燃料調整区域中の炎の存在はタービンが止ま
つてしまい燃焼器を修繕するかもしくは取り替え
なければならない程に燃焼器に損害を与える。こ
の現象は昔から、可燃性ガスの流速と炎の速度の
間の張り合う関係に関係しているとされている。
炎の速度は通常使用される燃料の性質によるもの
であるので、流速は設計者によつてよりたやすく
制御できる。フラツシユバツクの古くからの研究
の詳細についてはＢ・ルーイス・Ｇ・ヴオンエル
ベ（B.Lewis， G.von Elbe）の「ガスの燃焼、
炎及び爆発（Combustion Flames and
Explosions of Gases）」［ニユーヨークのアカデ
ミツクプレス社（Academic Press）より1961年
に発行］を参照されたい。 燃焼器中の炎の安定については、後にＳ・Ｌ・
プリー（S.L.Plee）及びＡ・Ｍ・メラー（A.M.
Mellor）によつてある程度定量化されている。
これは、「燃焼器と炎（Combustion and
Flame）」32，193−203（1978）の「予気化／予混
合を行う燃焼器で報告されたフラツシユバツクの
研究（Review Of FlashbackReported In
Prevaporizing／Premixing Combustors）」に見
られる。プリーとメラーが提案した安定性の公式
は下記に示すものである。 １／θ＝m〓／（P^aAD^bexp（Ｔ／Ｃ）） 但し、 m〓：燃料調整区域内の可燃性ガスの質量流量 Ｐ：燃料調整区域内の絶対圧力 Ａ：燃料調整区域の断面積 Ｄ：燃料調整区域の断面直径 Ｔ：燃料調整区域内の絶対温度 ａ，ｂ，ｃ：定数（零より大） 燃料調整区域の１／θの値は燃焼炎の安定性を
示すものであることが報告されている。 １／θ
が大きい値の燃料調整区域はフラツシユバツクの
起こる傾向が少ない。この式より、炎の安定性は
燃料調整区域の断面寸法を小さくすることにより
増大されることが分かる。 しかし、断面積を小さくすることは、燃料ノズ
ルの選択範囲をより小さなノズルに限定するので
設計者に厳しい制限を与えることになる。一般に
は小さいノズルは、入手容易性が限られること、
そして大きなノズルと比べるとノズルでの圧力降
下が大きいという問題がある。燃焼器中の圧力降
下は燃焼タービンの運転効率を維持するように最
小限にすべきである。 燃料濃厚の燃料調整の場合のように、燃料調整
区域内の燃料濃度が高い場合には、フラツシユバ
ツクの危険性は特に大きくなる。燃料濃厚状態で
燃焼器を運転すると、通常は窒素と化合して
NOxを形成する酸素を効果的に減らすことによ
りNOxの放出を減らすことができる。フラツシ
ユバツクを防止するための特別な安全策なしに、
燃料濃度の高い燃料調整区域を使用することは予
混合、予気化を行う燃焼器では不可能である。 このように、従来装置は、燃料調整区域の断面
積を減らすことなく予混合、予気化を行う燃焼器
内のフラツシユバツクを防止するための要求を満
足しない。 従つて、本考案の目的は、従来技術の上述の欠
点を解消すべく、燃料調整区域の断面積を減らす
ことなく予混合、予気化を行う燃焼器内のフラツ
シユバツクを防止するように改善された燃焼ター
ビン装置の燃焼器を提供することである。 この目的から本考案は、タービンを駆動するた
め圧縮機吐出ガスを加熱する燃焼器を有する燃焼
タービン装置において、上記燃焼器は：燃焼反応
を閉じ込めるための実質的に円筒形の囲いであつ
て、圧縮機吐出ガスを流入させる複数の貫通開口
を上流端に向けて有し、該圧縮機吐出ガスが、上
記囲い内に流入し該囲いの開放された下流端から
出て、タービン入口へ導く遷移ダクトに入る、囲
いと；上記囲い内のガス流に燃料を噴射すべく、
該囲いにある上記貫通開口の少なくとも１つの下
流測で上記囲い内に配置された燃料噴射装置と；
該燃料噴射装置の下流に設けられた燃料調整区域
であつて、該燃料調整区域の下流測に設けられた
燃焼区域の上流で均一のガス状燃料混合気を得る
ために燃料を混合し気化する静止混合構造を内部
に有する燃料調整区域と；を備え、上記燃焼区域
は、燃料混合気の燃焼を開始させかつ維持する装
置を内部に有し、上記燃焼区域を通る燃料混合気
の流速を増加させるための流速増加装置である上
記静止混合構造は、複数の屈曲通路を形成するよ
うに配列された横置きの複数の部材を備えてい
て、実質的に圧力の損失なしに燃料を混合し気化
するように該屈曲通路を通る燃料混合気に流速増
加という流れ特性を惹起せしめると共に、上記静
止混合構造は、上記囲いの内部横断面積を実質的
に減少させる横断面積を有していて、フラツシユ
バツクを防止するように、下流測の上記燃焼区域
における流速を所定の流速まで増加する、燃焼器
を有する燃焼タービン装置を提供するものであ
る。 静止混合構造は、燃焼区域を通る燃料混合気の
加速が行なわれるように構成されていて燃料調整
区域内で高濃度の燃料を使用でき、しかもフラツ
シユバツクの危険性を無くすようにしてある。燃
焼手段は炎もしくは触媒によるものであり、どち
らの場合においても、混合構造の構成による燃焼
区域内の流速の増加がフラツシユバツクを防止す
る作用をしている。 本考案は以下に述べる好ましい一実施例の説明
によつて容易に明確になろう。 第１図には燃焼タービンの燃焼器及び燃焼制御
装置の一般的な概略図が示されている。略々円筒
形をした触媒燃焼器１０は、複数の同じような燃
焼器（図示せず）と組み合わせられて、高温駆動
ガスを矢印１２で示すようにタービンの入口（図
示せず）へ供給する。燃焼器１０は、同燃焼器１
０を流れる燃料と空気との混合物の触媒燃焼（酸
化作用）を維持する触媒装置即ち燃焼区域１４を
含んでいる。 燃焼器１０は燃料調整区域１１を有し、この中
には２次燃料バルブ１７からオイルのような燃料
が、燃料噴射装置であるノズル装置１６によつて
送り込まれ、燃焼区域１４へ送り込むための燃料
と空気の混合が行なわれる。一般的には触媒反応
に必要な燃料と空気の混合物の温度［例えば約
430℃（800〓）］は、燃焼器の外殻の外側の囲ま
れた区域から燃焼器に供給される圧縮機吐出空気
の温度［例えば、370℃（700〓）］より高い。一
般的には空気供給温度の不足は始動時と低負荷運
転時に最も大きい。 従つて、一次燃焼区域１８が燃焼器１０の燃料
調整区域１１よりも上流に設けられる。ノズル装
置２０は一次燃料バルブ２２から一次燃焼区域１
８の中に燃料を送り込むために設けられ、この一
次燃焼区域１８でつくられた炎の燃焼は燃焼器壁
の開口を通してタービンケースの中の空間から一
次燃焼区域１８に入つてくる一次空気によつて維
持される。一次及び二次燃料バルブ２２，１７
は、それぞれ一次及び二次燃料制御部２３，２４
によつて制御され、更に、これ等の燃料制御部２
３，２４は、速度・負荷制御部２５によつて制御
されている。 この結果、高温ガスの流れは、燃料調整区域１
１に供給され、ここで完全な触媒装置の運転がで
きるような十分に高い温度に加熱された燃料混合
を行うために、燃料と空気の混合物に混合され得
る。この構成において、触媒装置の中での燃焼の
ためにノズル装置１６によつて送り込まれた燃料
は二次燃料流れである。二次燃料流れは圧縮機２
７からの二次空気流れ２６及び一次燃焼の生成物
と混合され、混合物の温度を触媒装置の中に送る
のに必要な温度に上げるために必要な予熱が行な
われる。 本考案の好ましい実施例に従つて構成される燃
焼器は上述した触媒装置に限定されるものではな
い。他の燃焼器の例には、ガス流れを予熱するた
めの一次燃焼区域のない触媒燃焼器或は触媒なし
の燃焼器等がある。触媒なしの燃焼器（図示せ
ず）は燃料と空気の混合のための燃料調整区域に
燃料を送り込むノズル装置を備える。燃料と空気
の混合物の燃焼は保炎器もしくは燃料調整区域の
下流の燃焼区域の開放されている所で行なわれ、
タービンの入口に供給される高温ガスの流れを発
生させる。以下の説明は特に触媒燃焼器に関する
ものであるが、触媒のない燃焼器についても同様
である。 第２図には、第１図の燃焼器１０について説明
した原理を具体化した燃焼器即ち、触媒燃焼装置
３０の構造が詳細に示されている。触媒燃焼装置
３０は高温燃焼生成物を生み、これ等はタービン
の動翼（図示せず）を動かすために静翼３１を通
過する。この触媒燃焼装置３０が複数個、タービ
ンケース３２内のロータ軸心の回りに備えられ、
タービンを駆動するのに必要な総合的な高温ガス
の流れを供給する。 本考案の好ましい一実施例によると、触媒燃焼
装置３０は燃焼器の囲い即ちバスケツト４０、触
媒装置３６、及びタービンの羽根に向けられるよ
うに高温ガスを環状部分に導く遷移ダクト３８を
含む。触媒燃焼装置３０は更に燃焼器の囲い４０
の符号３４で示される部分の内部に燃料調整区域
を備えている。 第２図の触媒燃焼装置３０の燃料調整区域の長
手方向の断面が第３図に示されている。燃料調整
区域は、燃料の送り込まれてくる少なくとも１つ
のノズル装置即ち燃料噴射装置４２、予備段階の
混合を行う予混合領域４４、及び静止混合構造で
ある静止混合器４６を備える。最初の燃料と空気
の混合は噴出された圧縮機吐出空気の流れに燃料
が吹き込まれる予混合領域４４で生ずる。この混
合された燃料を均一濃度にするための燃料と空気
の完全な混合は、この混合気が静止混合器４６を
通つて流れる時に行なわれる。静止混合器４６は
効果的な燃料混合をするように工夫されており、
同時に静止混合器４６を通る時の圧力の減少を少
なくしてある。 静止混合器４６の構造は、ガス混合物の流速の
制御のための手段として用いられ、燃焼の横断面
寸法の選択による制御を補足している。この制御
要素の意味は、以下に示す流速の式によつて示さ
れる。 Ｖ＝m〓／dKA 但し、 Ｖ：燃料調整区域内の可燃性ガスの流速 m〓：可燃性ガスの質量流量 ｄ：燃料調整区域内の可燃性ガスの濃度 Ｋ：燃料調整区域の透き間割合 Ａ：燃料調整区域の横断面積 透き間割合Ｋは燃料調整区域の全横断面積に対
する遮られていない横断面積の割合である。つま
り障害物のない燃料調整区域の透き間割合は1.0
である。上式から明らかな通りガス状混合気の流
速は燃料調整区域の透き間割合を小さくすると増
加できる。静止混合器４６は、燃料調整区域の透
き間割合を減少することによつて燃料調整区域の
断面の寸法を小さくすることなしにガス状混合気
の流速を増加させる便利な装置である。この意味
で静止混合器４６は流速増加装置でもある。この
方法で静止混合器４６を使用すれば燃焼器の寸法
にとられることなく高燃料濃度の燃料調整区域が
可能となる。 第４図には第３図に示された静止混合器４６の
線−に沿つた断面が示されている。静止混合
器４６の内部構造は合金等の波形材料でできた横
置きの複数の層状部材を備え、これ等は複数の屈
曲通路５０に限定するように配列されている。 また、第４図では、波形材料の各層はその波形
の方向が同一方向に指向するように配置されてい
るが、このような配置に限定されるものではな
い。例えば、図示しないが、各層の波形方向が交
互に90°のような角度でずれた関係に配置されて
いてもよい。即ち、ある層の波形が燃焼器の軸方
向即ちガス流の方向に延びていたら、それに隣接
する層の波形は、上述のある層の波形に対して
90°の角度で延びるように配置されていてもよい。
このように配置すると、隣接する各層の波形材料
により画成される通路同士が連通すると共に同通
路間において横方向の流れが生じ、その結果、燃
焼器における軸方向の流れに優乱が生ずるので、
静止混合器での燃料と空気の混合が一層促進され
ることになる。波形材料の厚さは上述の式に従つ
て要求された流速になるように選択される。 このように、本考案による予混合、予気化を行
う燃焼器はフラツシユバツクの可能性を最小限に
するように構成され、これによつて濃い燃料で運
転することが可能になる。静止混合器の適切な設
計によつて、燃焼区域を通過する燃料と空気の混
合気の流速は増加し、燃料調整区域の断面の寸法
を変えることなくフラツシユバツクの危険は減少
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ガスタービンを駆動させるように配
置された本考案の好ましい一実施例による触媒燃
焼器の原理を図解した概略図、第２図は、第１図
に示した触媒燃焼器の原理を具体化した触媒燃焼
器の詳細構造を一部断面で示す立面図、第３図
は、第２図に示した燃焼器の燃料調整区域の長手
方向の断面図、第４図は、第３図の線−に沿
つて見た静止混合器の断面図である。 １０……燃焼器、１１……燃料調整区域、１４
……燃焼区域、４０……囲い、１６，４２……燃
料噴射装置（ノズル装置）、４６……流速増加装
置（静止混合器）、５０……屈曲通路。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 タービンを駆動するため圧縮機吐出ガスを加熱
   する燃焼器を有する燃焼タービン装置において、
   上記燃焼器は： 燃焼反応を閉じ込めるための実質的に円筒形の
   囲いであつて、圧縮機吐出ガスを流入させる複数
   の貫通開口を上流端に向けて有し、該圧縮機吐出
   ガスが、上記囲い内に流入し該囲いの開放された
   下流端から出て、タービン入口へ導く遷移ダクト
   に入る、囲いと； 上記囲い内のガス流に燃料を噴射すべく、該囲
   いにある上記貫通開口の少なくとも一つの下流測
   で上記囲い内に配置された燃料噴射装置と； 該燃料噴射装置の下流に設けられた燃料調整区
   域であつて、該燃料調整区域の下流測に設けられ
   た燃焼区域の上流で均一のガス状燃料混合気を得
   るために燃料を混合し気化する静止混合構造を内
   部に有する燃料調整区域と； を備え、 上記燃焼区域は、燃料混合気の燃焼を開始させ
   かつ維持する装置を内部に有し、上記燃焼区域を
   通る燃料混合気の流速を増加させるための流速増
   加装置である上記静止混合構造は、複数の屈曲通
   路を形成するように配列された横置きの複数の部
   材を備えていて、実質的に圧力の損失なしに燃料
   を混合し気化するように該屈曲通路を通る燃料混
   合気に流速増加という流れ特性を惹起せしめると
   共に、上記静止混合構造は、上記囲いの内部横断
   面積実質的に減少させる横断面積を有していて、
   フラツシユバツクを防止するように、下流測の上
   記燃料区域における流速を所定の流速まで増加す
   る、 燃焼器を有する燃焼タービン装置。