JPH08226647A - 燃焼室 - Google Patents

燃焼室

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JPH08226647A
JPH08226647A JP7331851A JP33185195A JPH08226647A JP H08226647 A JPH08226647 A JP H08226647A JP 7331851 A JP7331851 A JP 7331851A JP 33185195 A JP33185195 A JP 33185195A JP H08226647 A JPH08226647 A JP H08226647A
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combustion chamber
vortex generator
fuel
inflow passage
downstream
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Abstract

(57)【要約】 【解決手段】 混合物の燃焼により生成された熱ガスが
温度段階を有する熱ガスフロントを形成し、その最低の
温度が、流れに関連して、下流に接続されたタービン2
の負荷されるべき羽根基部に対応させられる。燃料11
は補助空気により補助されることができる。 【効果】 タービンの羽基部を平均熱ガス温度より低い
温度で負荷することができ、タービンの羽根の耐用寿命
を増大させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は主として流入通路
と、その下流に接続された予混合燃焼区域とから成る燃
焼室であって、燃焼室がそれぞれ下流及び上流に流体機
械を備えている形式のものに関する。本発明はさらにこ
の種の燃焼室の運転法にも関する。
【0002】
【従来の技術】燃焼室、特に広い負荷範囲を有する環状
燃焼室でいつも繰り返される問題点は、熱ガスの温度が
高い場合に、燃焼により生成される有害物質エミッショ
ンを軽減せしめると共に、環状燃焼室のすぐ下流に接続
されたタービンの羽根の耐用寿命を最大にすることであ
る。一般的にはタービンの羽根は一様に熱いガスにより
負荷されるが、しかし、自己着火式に運転される環状燃
焼室ではタービンの羽根がさらに大きな熱量的な負荷に
さらされることに留意されなければならない。大きな熱
量的な負荷にさらされる理由は、タービンの上流で行わ
れる自己着火のためには火炎の消火に対する安全マージ
ンを有する温度が要求され、これにより羽根は一般の燃
焼室の場合に比して高い温度で負荷されるからである。
その際に考慮されなければならないことは、羽根がその
半径方向の全長にわたり一様な強度を有しておらず、従
って羽根の若干の部分はより強く冷却される必要があ
り、他の部分はそれほど強く冷却される必要がないため
に、一般的な羽根冷却が限界に遭遇することである。こ
の問題は従来満足に解決されていない。熱的に強く負荷
される羽根基部は流体機械の効率に直接関与しておら
ず、従って羽根基部の温度を比較的低くしても効率に不
利な影響の生じるおそれはない。その場合、熱的な効率
の獲得には熱ガスの平均温度が妥当であることが周知の
こととして前提される。従来知られている限りでは、効
率に不利に影響することなく、かつ有害物質エミッショ
ン、とくにNoxエミッションの低い状態で、羽根の目
標箇所を種々の温度で負荷するための解決手段は知られ
ていない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は冒頭に
記載した形式の燃焼室において熱ガス流の内部に温度段
階を生ぜしめることにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決した本発
明に基づく燃焼室は、請求項1に記載したように、流入
通路内に渦発生器が配置されており、かつ、渦発生器の
下流に燃焼空気内に燃料を噴入する少なくとも1つの燃
料ノズルが配置されており、かつ、燃料の噴入方向と燃
料量とが渦発生器と作用的に結合されていることを特徴
としている。
【0005】熱ガス流の内部の温度段階は有利には環状
燃焼室の周方向に作用する多数の燃料ノズルを介して燃
料を噴入することにより得られる。各燃料ノズルは複数
の種々異なる方向に向けられたノズル口を備えており、
これらのノズル口を介して燃料が環状燃焼室の流れ横断
面内へ供給され、これにより、まず燃料混合物の局部的
な富化が達成される。このような構成は有利には燃料混
合物の局部的に種々異なる富化に適しており、その場
合、噴入された燃料はこれに面した局部の範囲内で有利
に分配され、これにより、燃料混合物を介して温度分布
に影響を与えることができる。これにより、負荷すべき
羽根のためのプロフィール流れを示す半径方向での温度
段階が得られる。
【0006】燃料による富化に先立つ燃焼空気の渦形成
は、燃料ノズルの上流に設けた渦発生器により得られ
る。この手段の著しい利点とするところは、渦発生器が
燃料噴入に対応して局部的に配置され、その箇所で個別
の作用を生じることができることにある。
【0007】本発明の別の主たる利点は、温度段階が半
径方向で良好に適合されることにある。有利には、熱ガ
スの平均温度より低い温度で羽根基部が負荷されるよう
に燃料の供給が行われる。羽根基部の領域での熱ガスの
温度が平均温度に比して低いにもかかわらず、その他の
羽根プロフィールの領域に沿って熱ガスの若干高い温度
が作用することにより、この不都合は容易に補償され
る。ウイークポイントの存在する領域内での熱量的な負
荷が基本的に低下すると、羽根車の冷却は相応して軽減
されるが、このことは結果的には効率の改善をもたら
す。
【0008】さらに、タービンの入口温度が予め規定さ
れており、かつ材料のデータが予め規定されている場合
には、羽根の耐用寿命が増加する。要するに、耐用寿命
を同じにするならば、タービンの入口温度を相応して高
くすることができ、このことが機械の効率及び出力の増
大をもたらす。
【0009】本発明のさらに別の利点は、特に遷移的な
負荷範囲内では、得られた温度段階により、ロータの遷
移的な振舞いが良好となり、このことにより、ステータ
とロータとの間の遊びを著しく小さくすることができる
ことにある。
【0010】富化を種々異なって行うことにより、富化
された領域に火炎を安定する効果が生じ、その結果、こ
の範囲がパイロット段として機能することができ、これ
により、パイロットバーナと主バーナとの結合体の組込
みが不要となる。
【0011】実験により明らかとなった本発明の予期せ
ぬ利点とするところは、このようにして得られた温度段
階が音響減衰効果を有していることである。
【0012】本発明の有利な実施例及び効果的な実施例
はその他の請求項に記載されている通りである。
【0013】
【発明の実施の形態】次に本発明の実施例を図面に即し
て詳しく説明する。本発明の直接的な理解にとって不必
要なエレメントは省かれている。同じエレメントは異な
る図面においても同じ符号で示されている。媒体の流れ
方向は矢印で示されている。
【0014】図1は軸の軸線10から判るように、環状
燃焼室を示し、この環状燃焼室1は大体におい組み合わ
された環状又はほぼ環状の円筒形を有している。この種
の燃焼室が単一の1つの円筒体から成ることができるの
は勿論である。さらに、軸方向、ほぼ軸方向又は螺旋状
に延びる多数の円筒体から燃焼室を形成することも可能
であり、その場合、この円筒体は下流で作動するタービ
ンに対して周方向に配置される。図1は環状燃焼室1の
重要な一部、すなわち温度段階を生ぜしめる燃料ノズル
と、下流に接続されていて負荷されるべきタービンに至
る渦形成部だけが示されている。主流4は常に燃焼空気
流であり、その温度及び組成は著しく種々異なることが
できる。この環状燃焼室1の上流で圧縮機が作動する
と、主流4は圧縮された空気から成り、この空気が燃焼
空気を形成する。これに対して環状燃焼室1が上流で作
動する第1の燃焼室と第1のタービンとに接続されてい
れば、この主流はこの燃焼室1内に噴入される燃料の自
己着火を生じる温度を有する比較的熱い排ガスから成
る。要するに燃焼空気4は流入通路5内に流入する。こ
の流入通路5はその内側に通路壁6の周方向で一列の渦
発生器200を備えている。この渦発生器については後
でさらに詳しく説明する。燃焼空気4は渦発生器200
の下流に循環区域が生じないように、後続の予混合燃焼
区域5a内でこの渦発生器により渦を形成される。この
予混合燃焼区域5aの周方向に複数の燃料ノズル3が配
置されており、この燃料ノズルは燃料11及び補助空気
12の供給を行う。個々の燃料ノズル3への燃料11及
び補助空気12の供給は例えば図示されていない環状導
管により行われる。渦発生器200により生じたそれぞ
れの渦流は、局部的に噴入された燃料7a,7bと作用
的に結合して、局部的に噴入された燃料を介して燃料量
を制御することにより、渦発生器200の作用で生じた
個々の燃焼空気部分流の種々異なる大きさの富化を生ぜ
しめ、これにより、次いで行われる燃焼時に種々異なる
温度段階を生ぜしめる。流れ横断面にわたるこの種の温
度段階は図面にグラフィクにかつ量的に示されている。
この図示から容易に判るように、この温度段階的な熱ガ
スフロント8は対応する案内羽根9を介してタービンの
回転羽根2を負荷する。羽根基部は温度段階8に対応し
て熱量的に少なく負荷され、その反面、その他の羽根面
は若干高い温度で負荷され、その結果、効率及び出力の
尺度となる平均熱ガス温度が維持される。
【0015】図2に示すように、渦発生器200の領域
内でそれぞれの燃料ノズル3に環状燃焼室1のための典
型的な室が形成されていると、側方にも渦発生器200
を配置することができる。燃焼室が複数の個々の管から
成っている場合には、この種の区分は不要である。それ
というのは、その場合、管は室をも形成するからであ
る。要するに燃料ノズル3は向流側で渦発生器200に
より囲まれることになる。局部的な燃料の噴入7a,7
bは上流に位置する渦発生器200の位置に依存して行
われる。その場合、この噴入は有利には渦発生器200
の個々の側面の間で温度段階が保証されるように、かつ
これにより、その箇所に生じる渦が対応する燃料量と良
好に混合されるように行われる。勿論、燃料噴入7a,
7bは多数のノズルを介して行われてもよく、このこと
は所期の温度段階に依存し、かつ環状燃焼室1内の流れ
横断面の範囲内の個々の渦発生器200の位置に関連し
て行われる。この環状燃焼室1は半径方向では複数の上
下に位置する室列から成ることができ、その場合、1つ
の室列がその他の同軸的に配置された室列に対してパイ
ロット段として形成されることができる。
【0016】次に図3から図13までについて渦発生器
の原理を詳しく説明する。
【0017】図3,図4,図5には本来の意味での流入
通路5は示されていない。矢印で示されているのは燃焼
空気4の流れであり、この燃焼空気は以下には主流と呼
ばれることもある。これらの図から判るように、渦発生
器200は主として流れに覆われる3つの三角形の面か
ら成っている。これらの3つの三角形の面は1つの頂面
210と2つの側面211,213である。これらの面
はその縦方向で流れ方向に対して所定の角を成して延び
ている。渦発生器200,201,202の有利には直
角三角形から成る側面はその縦側ですでに述べた通路壁
6上に有利には気密に固定されている。これらの側面は
流出側で互いに後退角αを成して交わっており、その交
わった尖端が鋭い結合縁216を形成しており、この結
合縁は側面と合致しているそれぞれの通路壁6に対して
垂直に位置している。後退角αを挟む両方の側面21
1,213は図3ではその形状、大きさ及び向きに関し
て互いに対称的であり、かつ軸の軸線10と同方向に向
いた対称軸の両側にそれぞれ位置している。
【0018】頂面210は流入通路に対して横方向に延
びていて著しく狭く形成された縁215により、側面2
11,213が位置しているのと同じ通路壁6上に位置
している。その縦向きの縁212,214は、側面21
1,213の、流入通路内に突入した縦方向の縁をも形
成している。頂面210は通路壁6に対して迎え角θを
成して延びており、その縦向きの縁212,214は結
合縁216と共に1つの尖端218を形成している。勿
論、渦発生器200,201,202は底面を備え、こ
の底面により適当形式で通路壁6上に固定されてもよ
い。この種の底面はエレメントの作用に全く無関係であ
る。
【0019】渦発生器200,201,202の作用は
次ぎの通りである。すなわち、縦向きの縁212,21
4が流れにより覆われると、図面に示したように、主流
は互いに反対向きの1対の渦に変換される。渦の軸線は
主流の軸内に位置している。スワール数及び所望ならば
渦の崩壊(Vortex Breakdown)の箇所
は迎え角θと後退角αとを適当に選ぶことにより規定さ
れる。角度の増加に伴い渦の強さもしくはスワール数が
増大し、かつ渦の崩壊箇所が上流へ向かって渦発生器2
00,201,202自体まで移動する。使用例に応じ
て、これらの迎え角θ及び後退角αは構造条件によりか
つプロセス自体により予め規定される。これらの渦発生
器は長さ及び高さに関連して適合されなければならな
い。このことについては図6に基づいてさらに詳しく説
明する。
【0020】図3では両方の側面211,213の結合
縁216が渦発生器200の流出側の縁を形成してい
る。従って、流入通路に対して横方向に延びる、頂面2
10の縁215は通路の流れにより最初に負荷される縁
である。
【0021】図4では図6の渦発生器に基づくいわゆる
半分の「渦発生器」が示されている。この渦発生器20
1では、両方の側面のうち一方の側面だけが後退角α/
2を有している。他方の側面は直線的に流れ方向に向け
られている。対称的な渦発生器に対比してこの場合には
図面から判るように、後退角を付した側だけに渦が発生
する。この渦発生器の下流には渦中立フイールド(vo
rtex−neutral field)が存在せず、
流れにはスワールが強制的に生じる。
【0022】図5の実施例は、この場合には渦発生器2
02の鋭い結合縁216が通路の流れにより最初に負荷
される箇所を成している点で図3の実施例と異なってい
る。要するにエレメントが角180°回転させられてい
る。図示から判るように、互いに反対向きの両方の渦が
その回転方向を異にしている。
【0023】図6は流入通路5内に組み込まれた渦発生
器200の基本的なジオメトリを示す。一般的には、発
生される渦が渦発生器200のすぐ下流ですでに通路全
高Hを満たすような大きさに達するように、結合縁21
6の高さhと、通路の高さH又は渦発生器に対応する通
路部分の高さとが互いに規定される。このようにすれ
ば、負荷される横断面内での均一な速度分布が生じる。
選択されるべき両方の高さの比h/Hへ影響する別の判
定基準は、流れが渦発生器200を覆って流れる際に生
じる圧力低下である。周知のように、比h/Hの値が大
きいと圧力損失係数も大きい。
【0024】渦発生器200,201,202は、2つ
の流れを互いに混合すべき箇所に挿入されのが一般的で
ある。例えば熱ガスとしての主流4は矢印の示す方向で
横向きの縁215もしくは結合縁216を攻撃する。ガ
ス状又は液状の燃料の形態の二次流れはいずれにしろ補
助空気により富化されるが(図1参照)、この二次流れ
は主流に比して著しくわずかな質量流れしか有していな
い。この二次流れは本発明では図1から特に判るように
渦発生器の下流で主流内へ導入される。
【0025】図1に示す実施例では、渦発生器200が
相互間隔をおいて流入通路5の室の周囲に分配されてい
る。勿論、渦発生器は通路壁6に中間スペースが残され
ないように周方向で互いに列を成して配置されていても
よい。最終的には渦発生器の数及び配置の選択にとっ
て、発生させられるべき渦が決定的な役割を果たす。
【0026】図7〜図13は主流4内へ燃料を導入する
ための別の可能な形態を示す。これらの実施態様は極め
て種々の形式で、例えば図1から判るように、互いにか
つ中央の燃料噴入と組み合わされることができる。
【0027】図7では、渦発生器の下流で通路壁に設け
られた孔220と、これに対して付加的に、側面21
1,213の極めて近くに設けられていて、その縦方向
で、渦発生器を配置すべき同じ通路壁6内で延びる壁孔
221とを介して燃料が噴入される。壁孔221を通し
て燃料を導入することにより、発生する渦に付加的な衝
撃が与えられ、このことが渦発生器の耐用寿命を増大せ
しめる。
【0028】図8及び図9では、燃料がスリット222
又は壁孔223を介して噴入され、その際、スリット及
び壁孔は頂面210の、流入通路に対して横方向に延び
ている縁215のすぐ手前で、その縦方向で、渦発生器
を配置すべき同じ通路壁6内に配置されている。壁孔2
23及びスリット222のジオメトリは、規定された噴
入角で燃料が主流4内へ噴入され、かつ保護幕として下
流の渦発生器を覆うように流れてこの渦発生器を熱ガス
としての主流4から著しく遮蔽するように選択されてい
る。
【0029】次に記載する実施例では、二次流れ(上を
参照)はまず、図示されていない案内を介して通路壁6
を通して渦発生器の中空な内部へ導入される。これによ
り、別の手段を講じる必要なく、渦発生器のための内的
な冷却の可能性を生じる。
【0030】図10では、頂面210の範囲内で流入通
路に対して横方向に延びている縁215のすぐ後方でこ
の縁に沿って設けられた壁孔224を介して燃料が噴入
される。渦発生器の冷却はこの場合には内的よりむしろ
外的に行われる。流出した二次流れは頂面210を覆っ
て流れる際にこの頂面を熱ガスとしての主流4から遮蔽
する保護層を形成する。
【0031】図11では、頂面210の範囲内で対称軸
217に沿って配置された壁孔225を介して燃料が噴
入される。この実施例では、燃料がまず渦発生器の外周
に導入されるので、通路壁6が熱ガスとしての主流4か
ら良好に保護される。
【0032】図12では頂面210の縦向きの縁21
2,214のところに設けられた壁孔226を介して燃
料が噴入される。この手段によれば、燃料が頂面末端で
流出することによりエレメントの内壁が完全に燃料によ
り覆われるので、渦発生器の良好な冷却が保証される。
この場合二次流れは、発生した渦内へ直に供給され、こ
れにより、規定された流れ比が得られる。
【0033】図13では、縦向きの縁212,214の
領域でも、結合縁216の領域でも、側面211,21
3に設けられた壁孔227を介して燃料の噴入が行われ
る。この実施例は図7の実施例(壁孔221参照)及び
図12の実施例(壁孔226参照)と同様に作用する。
【0034】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
熱ガス流内に温度段階を生ぜしめることにより、タービ
ンの羽基部を平均熱ガス温度より低い温度で負荷するこ
とができ、タービンの羽根の耐用寿命を増大させること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】温度段階を有する本発明の環状燃焼室の部分略
示図である。
【図2】個々の燃料ノズルの作用範囲を図示した環状燃
焼室の部分図である。
【図3】渦発生器に関連した流れ及び燃料供給の1実施
例を示す図である。
【図4】渦発生器に関連した流れ及び燃料供給の別の1
実施例を示す図である。
【図5】渦発生器に関連した流れ及び燃料供給のさらに
別の1実施例を示す図である。
【図6】渦発生器に関連した流れ及び燃料供給のさらに
別の1実施例を示す図である。
【図7】渦発生器に関連した流れ及び燃料供給のさらに
別の1実施例を示す図である。
【図8】渦発生器に関連した流れ及び燃料供給のさらに
別の1実施例を示す図である。
【図9】渦発生器に関連した流れ及び燃料供給のさらに
別の1実施例を示す図である。
【図10】渦発生器に関連した流れ及び燃料供給のさら
に別の1実施例を示す図である。
【図11】渦発生器に関連した流れ及び燃料供給のさら
に別の1実施例を示す図である。
【図12】渦発生器に関連した流れ及び燃料供給のさら
に別の1実施例を示す図である。
【図13】渦発生器に関連した流れ及び燃料供給のさら
に別の1実施例を示す図である。
【符号の説明】
1 環状燃焼室、 2 タービン(タービンの羽根)、
3 燃料ノズル、4 主流(燃焼空気)、 5 流入
通路、 5a 予混合燃焼区域、 6 通路壁、 7
a,7b 燃料噴入、 8 温度段階フロント(熱ガス
フロント)、9 案内羽根、 10 軸の軸線、 11
燃料、 12 補助空気、 200,201,202
渦発生器、 210 頂面、 211,213 側
面、 212,214 縦向きの縁、 215 横に延
びる縁、 216 結合縁、 217 対称軸、 21
8 尖端、 220〜227 燃料噴入孔、 L,h
渦発生器の寸法、 H 通路の全高、 α 後退角、
θ 迎え角

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 主として流入通路(5)と、その下流に
    接続された予混合燃焼区域(5a)とから成る燃焼室で
    あって、燃焼室(1)がそれぞれ下流及び上流に流体機
    械を備えている形式のものにおいて、流入通路(5)内
    に渦発生器(200,201,202)が配置されてお
    り、かつ、渦発生器(200,201,202)の下流
    に燃焼空気(4)内に燃料(11)を噴入する少なくと
    も1つの燃料ノズル(3)が配置されており、かつ、燃
    料(11)の噴入方向(7a,7b)と燃料量とが渦発
    生器(200,201,202)と作用的に結合されて
    いることを特徴とする燃焼室。
  2. 【請求項2】 燃焼室(1)が環状燃焼室から成る請求項
    1記載の燃焼室。
  3. 【請求項3】 渦発生器(200)が流れ方向に延びて
    いて流れに覆われる3つの面を備えており、その1つの
    面が頂面(210)を形成しており、かつその他の両方
    の面が側面(211、213)を形成しており、これら
    の側面(211,213)が流入通路(5)の1つの同
    じ壁セグメントに合致しており、かつ互いに後退角
    (α)を挟んでおり、かつ、頂面(210)の、流入通
    路(5)に対して横方向に延びる縁(215)が、側面
    (211,213)と同様に通路壁(6)の同じ壁セグ
    メントに接しており、かつ、頂面(210)の縦向きの
    縁(212,214)が、側面(211,213)の、
    流入通路(5)内へ突入した縦方向の縁と合致してお
    り、かつ流入通路(5)の壁セグメントに対して迎え角
    (θ)を成して延びている請求項1記載の燃焼室。
  4. 【請求項4】 渦発生器(200)の後退角(α)を挟
    んだ両方の側面(211,213)が対称軸(217)
    に関して対称的に配置されている請求項3記載の燃焼
    室。
  5. 【請求項5】 後退角(α,α/2)を挟んだ両方の側
    面(211,213)が共通の1つの結合縁(116)
    を備えており、この結合縁が頂面(210)の両方の縦
    向きの縁(212,214)と共に1つの尖端(21
    8)を形成しており、かつ、結合縁(216)が円形の
    流入通路(5)の半径方向に延びている請求項3記載の
    燃焼室。
  6. 【請求項6】 結合縁(216)及び又は頂面(21
    0)の縦向きの縁(212,214)が少なくともほぼ
    鋭く形成されている請求項5記載の燃焼室。
  7. 【請求項7】 渦発生器(200)の対称軸(217)
    が流入通路の軸線に対して平行に延びており、かつ、両
    方の側面(211,213)の結合縁(216)が渦発
    生器(200)の下流側の縁を形成しており、かつ、頂
    面(210)の、流入通路(5)に対して横方向に延び
    る縁(215)が、主流(4)により最初に負荷される
    縁を形成している請求項1,3,4,5のいずれか1項
    記載の燃焼室。
  8. 【請求項8】 渦発生器(200)のすぐ下流で発生し
    た渦が流入通路(5)の全高(H)と、渦発生器(20
    0)に相応する通路部分の全高(h)を満たすように流
    入通路(5)の高さ(H)に対する渦発生器(200)
    の高さ(h)の比が選択されている請求項1記載の燃焼
    室。
  9. 【請求項9】 主として流入通路(5)と、その下流に
    接続された予混合燃焼区域(5a)とから成り、それぞ
    れ下流及び上流に流体機械を備えている燃焼室の運転法
    において、上流で作動する流体機械から到来した燃焼空
    気(4)を渦発生器(200)を介して案内し、この燃
    焼空気(4)を渦発生器の下流で燃料と混合せしめ、か
    つ予混合燃焼区域(5a)内への燃料の噴入(7a,7
    b)を異なる方向及び異なる燃料量で行い、これによ
    り、この混合物の燃焼から生成された熱ガスにより温度
    段階を有するフロント(8)を形成せしめ、その最低の
    温度を、流れに関連して、下流に接続された流体機械
    (2)の負荷されるべき羽根の基部に対応せしめること
    を特徴する、燃焼室の運転法。
  10. 【請求項10】 燃料(11)を補助空気(12)によ
    り補助する請求項9記載の運転法。
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