JPH07260147A - 自己点火式燃焼室の冷却法 - Google Patents

自己点火式燃焼室の冷却法

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JPH07260147A
JPH07260147A JP7026830A JP2683095A JPH07260147A JP H07260147 A JPH07260147 A JP H07260147A JP 7026830 A JP7026830 A JP 7026830A JP 2683095 A JP2683095 A JP 2683095A JP H07260147 A JPH07260147 A JP H07260147A
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 主として流入区域１と燃焼区域２とから成る
燃焼室で、高温でこの燃焼室内へ流入する作動ガスが燃
料と混合されてこの燃料の自己点火をレリーズする。流
入区域１内ではしみ出し冷却により冷却が行われ、燃焼
区域２では接触冷却が行われ、その際、接触冷却のため
の冷却空気１０がしみ出し冷却のための冷却空気１２と
しても使用される。 【効果】 ガスターボ装置団の効率低下と比出力の低下
とが軽減されるように燃焼室の冷却が行われる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は主として流入区域と燃焼
区域とから成り燃焼室内に高温の作動ガスを流入せし
め、燃料の混入により混合物の自己点火をレリーズする
形式の、ガスターボ装置団の自己点火式燃焼室の冷却法
に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来ガスタービンプラントで使用される
燃焼室では、燃焼室壁の冷却のために、高い材料温度を
回避すべくほぼ圧縮機の全空気質量流れが使用される。
この空気質量流れのわずかな部分が、それ以前に冷却に
使用されることなく燃焼室内に達する。この種の冷却法
によれば、冷却区域に沿って可能な限りわずかな圧力損
失で作動し、これによりガスタービンプラントの効率を
少しも失わないことが、冷却の最適化の要点となってい
る。
【０００３】これに対して、有利には第１のタービンの
下流で作動する自己点火式燃焼室では、その煙道ガス
を、前もって高い温度が生じるために冷却の目的で使用
することができないのは当然である。他面において、こ
の種の燃焼室はすでに流入区域内でカロリー的に著しく
負荷されており、それゆえ、すでにその箇所で冷却が著
しく効果的であらねばならない。ましてや、つぎの燃焼
区域ではさらに高い熱負荷が生じるために、冷却はさら
に効果的であらねばならない。それゆえ、この種の自己
点火式燃焼室の冷却のためには、低温の大量の空気質量
流れがプロセスから取り出されなければならない。その
場合に考慮されるべきことは、高出力の現代のガスター
ボ装置団では一般的に、冷却の目的にわずかな空気しか
自由に使用できないことである。それというのは、さも
ないと効率及び比出力が著しく低下してしまうからであ
る。それゆえ、カロリー的に高負荷にさらされる装置団
の冷却を外部からの他の媒体により行うことが繰り返し
提案されている。その主立った提案は、冷却を蒸気によ
り行うというものである。ガスターボ装置団を蒸気回路
を備えた組合わせ装置に統合すれば、この種の提案はた
しかに試みるに値する。しかし、蒸気又は冷却に適した
その他の媒体が得られないところでは、自己点火式燃焼
室の冷却は効率の低下を甘受して行われなければならな
い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は冒頭に
述べた冷却法において、内的なわずかな空気質量流れに
よって効果的な冷却を提案することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の構成では、流入区域をしみ出し冷却により冷
却し、かつ燃焼区域を接触冷却により冷却するようにな
っている。
【０００６】この冷却法は燃焼室の内部でのそのつどの
燃焼特性に適合され、かつ使用された冷却空気質量流れ
が作動後に適当形式で当該燃焼室の熱ガスの成分となる
ように実施される。
【０００７】自己点火式燃焼室が流入区域と燃焼区域と
から成る場合には、流入区域ではしみ出し冷却が、燃焼
区域では接触冷却が選択される。燃焼区域内での害の少
ない所期の前混合燃焼を保証するために、この燃焼区域
内への制御された空気供給に基づく冷却技術は使用され
ない。
【０００８】しみ出し冷却を行うために、バーナ壁に互
いに密に列状に並んだ孔が設けられ、これらの孔を通っ
て冷却空気が燃焼室の内部へ達し、これにより燃焼室壁
を冷却する。燃焼室の内側では、この冷却空気が熱的な
薄い絶縁層を形成し、この絶縁層が燃焼室壁の熱負荷を
軽減し、主質量流れ内へ冷却空気が大きな面で供給され
て良好な混合度が保証される。さらに、このしみ出し冷
却によれば、火炎フロントが燃焼区域から上流へフラッ
シュバックすることがない。このフラッシュバックは、
特に流入区域のインナライナにおける壁境界層内の燃焼
空気の流れ速度が最小値を有し、その箇所では燃焼区域
からの前混合火炎のクリーピングバックが潜在的なリス
クとなるために、容易に生じる可能性があるものであ
る。
【０００９】燃焼区域のために使用される接触冷却は有
利には向流原理で設計されるが、しかしその場合、並流
冷却又は向流と並流との組合わせも可能であることは勿
論である。この冷却のために特徴的なことはその設計に
あり、これによれば、外側の燃焼室壁の周囲に燃焼区域
の縦方向で密に互いに順次に配置された貫流路が形成さ
れ、その半径方向の深さが冷却通路の高さと同じであ
り、このことが、熱的に高い負荷を受ける燃焼室壁の効
果的な冷却を生ぜしめる。
【００１０】向流原理による燃焼区域の接触冷却では、
この冷却空気が流体技術的に最適に流入区域の前室内に
搬送され、この場所から上述のしみ出し冷却を行うこと
ができる。
【００１１】このようにして冷却される自己点火式燃焼
室では、冷却すべき区域に沿った圧力損失に基づく燃焼
室壁の大きすぎる機械的な負荷の発生という危険なし
に、燃焼室を貫流する質量流れに対する所要の冷却空気
の比を１０％以下まで低下させることができる。
【００１２】本発明の有利かつ効果的な構成が請求項２
以下に記載されている。
【００１３】
【実施例】つぎに図面に基づいて本発明の実施例を詳し
く説明する。本発明の直接的な理解にとって不必要なす
べての要素は省かれている。媒体の流れ方向は矢印で示
されている。
【００１４】図面に示された燃焼室は例えばガスターボ
装置団の第２の燃焼室として使用可能であり、自己点火
原理で機能する。この燃焼室は有利には大体において、
連続した環状のアキシャル又はセミアキシャルなシリン
ダの形状を有しており、このことは、図示された中央軸
線１４から看取され、かつ主として流入区域１と、これ
に続く燃焼区域とから成っている。この燃焼室はアキシ
ャル、セミアキシャル又は螺旋状に配置された閉鎖され
た多数の燃焼室から成っていてもよい。この燃焼室が自
己点火式に設計されている場合、上流で作用する図示さ
れていないタービンは作動ガス８が部分膨張するように
設計され、これにより作動ガスは極めて高い温度を有す
ることができる。このような運転形式及び燃焼室の環状
の構成では、燃焼室を形成する環状のシリンダの周方向
に複数の燃料ノズル６が配置され、これらの燃料ノズル
は燃料供給に関して、例えば図示されていない環状導管
を介して互いに接続される。それゆえ、この燃焼室はバ
ーナを備えていない。作動ガス８が自己点火をレリーズ
することのできる温度を有しているかぎりにおいて、燃
料ノズル６により作動ガス８内に噴入される燃料が自己
点火をレリーズする。燃焼室がガス状の燃料により運転
される場合、上流に位置するタービンからの作動ガス８
の、自己点火に要する温度は、一般的には１０００℃と
みなされる。自己点火式に設計されたこの種の燃焼室の
運転確実性及び高い効率を保証するために、全運転範囲
にわたり火炎フロント１３が位置的に安定していること
が重要である。この目的のために、一面では燃料ノズル
６の上流で流入区域の内壁３の内側の周方向に、一列の
渦発生部材７が設けられており、これらの渦発生部材は
火炎フロント１３の領域内にバックフロー区域を誘発す
る。他面においては、火炎フロント１３に対する半径方
向の平面内に、流入区域１の横断面に対して対称的な横
断面跳躍１５が設けられており、これの大きさが燃焼区
域２の流れ横断面をも形成している。この横断面跳躍１
５の内部には、運転中にバックフロー区域が形成され、
このバックフロー区域は火炎フロント１３の環状安定性
をもたらす。この種の燃焼室は、その軸方向の構成及び
極めて短い全長に基づき、高速度燃焼室を形成し、この
燃焼室の平均速度が６０ｍ／ｓと大きいために、渦発生
部材７は流れと合致する形状で形成されなければならな
い。この燃焼室のカロリー的な負荷が極めて高いため
に、冷却は著しく効果的に行われなければならない。す
でに述べたように、その場合に考慮しなければならない
ことは、高出力段のガスターボ装置団では、効率及び比
出力を著しく低下させないためには、一般的には冷却目
的のためにわずかな空気しか自由に使用できないことで
ある。本燃焼室の冷却は、流入区域１と燃焼区域２との
間で互いに異なる冷却形式が使用されるように行われ
る。まず、燃焼室２の冷却が向流原理で行われる。冷却
空気１０は、燃焼区域２の内壁５と外壁４とにより形成
された冷却空気通路１８に沿って流入区域１へ流れて、
燃焼区域２のカロリー的に高負荷される内壁５を接触冷
却により冷却する。燃焼区域２の領域内での冷却の最適
化は冷却空気通路１８の高さの適当な適合、冷却すべき
内壁５の所定の表面あらさ、冷却すべき区域に沿った種
々のひだ付けなどにより行われ、その場合、すでに述べ
たように、内壁５の周方向に軸方向の貫流路を設ければ
良い結果が得られる。燃焼区域２の接触冷却はインパク
ト冷却により補完されることができる。その場合、これ
に関して注意されなければならないことは、冷却空気１
０の圧力が低下しすぎないことである。第１の冷却が行
われた後、いまやカロリー的に部分負荷された冷却空気
１１が前室１７内に流入する。この前室は軸方向で流入
区域１に対して平行に延びていて、流入区域１の内壁３
とすでに説明した外壁４とによって形成されている。こ
の冷却空気１１はいまや大きな冷却ポテンシャルを有し
ており、その結果、燃焼区域２に対比してカロリー的に
わずかにしか負荷されていない流入区域１が同様に最適
に冷却されることができる。流入区域１のための冷却
は、前述の冷却空気１１の流れの大部分が内壁３に設け
た著しく多数の開口１６を介して流入区域１の内部へ流
入するようにして行われる。冷却空気１１の流れのわず
かな一部が半径方向の壁２０に設けた別の開口１９を介
して直接に横断面跳躍１５内へ流入する。この場所には
火炎フロントの環状安定化があらかじめ生じている。さ
らにこの場所は必要に応じて冷却並びに強化に役立てら
れる。流入区域１の軸方向及び周方向で分配されている
前述の開口１６は要するに流入区域１全体をカバーし、
内壁３をわずかな空気消費量で冷却することができる。
さらに、流入区域１の内側、要するに内壁３のインナラ
イナに沿って流れるこの冷却空気１２は薄い熱的な絶縁
層を形成し、この絶縁層が内壁３の熱負荷を著しく軽減
し、冷却のための空気が大きな面積で作動ガス８の主質
量流れ内へよい混合状態で混入するのを保証する。さら
に、不所望に前混合火炎が壁の流れ境界層内で上流へ燃
料噴入箇所まで伝播すると、この火炎は拡散的に燃焼し
てしまうことになるが、燃料噴入箇所までの火炎の伝播
がこの絶縁層により回避される。これらのことにより、
自己点火式の、有害物質の少ない燃焼を行う燃焼室のコ
ンセプトが効果的に助成される。初めの冷却空気１０の
大部分が火炎フロント１３の上流で比較的高い温度で作
動ガスの質量流れ内へ混入されるので、この冷却空気は
同じ質量で燃焼区域２内で熱ガス９への準備に参加し、
これにより、自己点火の、特に部分負荷運転において問
題となる温度不均一性が回避される。横断面跳躍１５内
へ噴入されるわずかな冷却空気量は温度不均一性に関与
しないが、しかしその反面、冷却空気通路１８と前室１
７との間の流れの偏向及び横断面拡大に基づき冷却が特
に弱くなっている領域で燃焼区域２の接触冷却を助成す
る。このように冷却される自己点火式燃焼室では、冷却
空気通路１８内での圧力損失に基づき内壁３，５の著し
い機械的な負荷を生じることなく、燃焼室を貫流する質
量流れ８に対する所要の全冷却空気１０の比を１０％以
下に軽減することができる。渦形成部材７のカロリー的
な負荷を軽減するために、この渦発生部材が図面に変化
実施例として示されているように流入区域１の内壁３の
延長として中空に形成されていると有利である。渦発生
部材を形成する流れ側の屈曲部は同様に規則的に開口１
６を備えており、これらの開口を通して冷却空気１１が
流入区域１の内部へ流入し、その場所で同様にしみ出し
冷却作用を生じる。内壁３に設けられ冷却空気を流入区
域１内へ流入せしめるこれらの開口１６は、所定の流れ
比では、流れ方向で見て斜めに設けられ、これにより、
すでに説明したインナライナでの冷却空気による絶縁層
の形成は著しい付着性を示す。開口１６の斜めの位置は
冷却空気の流れに依存する剥離現象の強さに適合させら
れる。
【００１５】
【発明の効果】以上説明したとおり、本発明により得ら
れる著しい利点は、ガスターボ装置団の効率低下と比出
力の低下とが軽減されるように燃焼室の冷却が行われる
ことにある。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスターボ装置団の後燃焼室として形成され、
自己点火式に燃焼が行われる冷却される燃焼室を示す図
である。
【符号の説明】
１ 流入区域、 ２ 燃焼区域、 ３ 内壁、 ４ 外
壁、 ５ 内壁、 ６燃料ノズル、 ７ 渦発生部材、
８ 作動ガス、 ９ 熱ガス、 １０ 冷却空気、
１１ 接触冷却後の冷却空気、 １２ しみ出し冷却後
の冷却空気、１３ 火炎フロント、 １４ 中央軸線、
１５ 横断面跳躍、 １６ 開口、 １７ 前室、
１８ 冷却空気通路、 １９ 開口、 ２０ 半径方向
の壁

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 主として流入区域と燃焼区域とから成り
    燃焼室内に高温の作動ガスを流入せしめ、燃料の混入に
    より混合物の自己点火をレリーズする形式の、ガスター
    ボ装置団の自己点火式燃焼室の冷却法であって、流入区
    域（１）をしみ出し冷却により冷却し、かつ燃焼区域
    （２）を接触冷却により冷却することを特徴とする自己
    点火式燃焼室の冷却法。
  2. 【請求項２】 はじめに、燃焼区域（２）を向流原理で
    冷却し、次いで、この同じ冷却空気（１０）を流入区域
    （１）のしみ出し冷却のために使用する請求項１記載の
    冷却法。
  3. 【請求項３】 燃料と作動ガス（８）との混合を流入区
    域（１）内で行い、流入区域（１）と燃焼区域（２）と
    の移行領域に火炎フロント（１３）を生ぜしめ、この火
    炎フロント（１３）を流入区域（１）の横断面に対する
    燃焼区域（２）の横断面跳躍（１５）により安定させる
    請求項１記載の冷却法。
  4. 【請求項４】 流入区域（１）内で燃料噴入箇所の上流
    に多数の渦発生部材（７）を設けることにより火炎フロ
    ント（１３）の領域内にバックフロー区域を生ぜしめる
    請求項１記載の冷却法。
  5. 【請求項５】 渦発生部材（７）をしみ出し冷却により
    冷却する請求項４記載の冷却法。
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