JPH08246900A - ガス又は液体燃料タービンのための燃焼器及びタービン操作方法 - Google Patents

ガス又は液体燃料タービンのための燃焼器及びタービン操作方法

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JPH08246900A
JPH08246900A JP8075133A JP7513396A JPH08246900A JP H08246900 A JPH08246900 A JP H08246900A JP 8075133 A JP8075133 A JP 8075133A JP 7513396 A JP7513396 A JP 7513396A JP H08246900 A JPH08246900 A JP H08246900A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 汚染物質の発生量を抑制し、かつ、効率的な
冷却機構を有する燃焼器及びガス又は液体燃料タービン
を提供すること。 【解決手段】 圧縮機によって燃焼器１に供給された空
気をの少くとも５０％を用いて燃料と混合させて希薄空
燃混合物を生成し、残りの空気を衝撃冷却のために利用
し、その使用済みの衝撃冷却空気を壁２に形成されたパ
ーホレーション６を通して後一次燃焼帯域１７内へ半径
方向のジェットとして噴射する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガス又は液体燃料
タービンのための燃焼器及びそのようなタービンを操作
方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガス又は液体燃料タービンプラントは、
通常、空気圧縮機と、燃焼器とタービンを備えている。
圧縮機は、加圧空気を燃焼器に供給し、その空気の一部
分が燃焼器の混合帯域内で燃料と混合され、その空燃混
合物（以下、単に「混合物」とも称する）が一次燃焼帯
域内で燃焼されてタービンを駆動するための燃焼ガスを
創生する。圧縮機によって供給された空気の他の一部分
は、通常、燃焼器の高熱表面を冷却するのに用いられ
る。
【０００３】燃料に混合される空気の割合が、燃焼が起
る温度範囲を決定し、燃焼によって生じる汚染物質、特
にＮＯｘ及びＣＯの量に影響する。即ち、燃料豊富混合
物（即ち、空気の割合が比較的低い混合物）は、比較的
高い温度で燃焼し、比較的多量のＮＯｘ及びＣＯを発生
する。高い温度は、部品の寿命にとって有害であるか
ら、一次燃焼帯域の下流の温度を低くするために多量の
冷却空気が必要とされる。
【０００４】燃料に混合する空気の量を多くすると、比
較的低い温度で燃焼し、汚染物質の発生量の少ない希薄
混合物（燃料が希薄な空燃混合物）を生成するが、燃料
と混合する空気が多くなる分、適度の部品寿命を維持す
るのに要する冷却を達成するのに利用することができる
空気が少なくなる。従って、希薄混合物を燃焼させるこ
とは、その結果として減少する利用可能な冷却空気の使
用を効率的にしなければならないことを意味する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、使用
において汚染物質の発生量を抑制し、しかも、効率的な
冷却機構を有する燃焼器、及び、ガス又は液体燃料ター
ビンを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の一側面によれば、燃焼及び冷却のために空
気を燃焼器に供給するための圧縮機を有するガス又は液
体燃料タービンのための燃焼器であって、燃料を該燃焼
器に供給された空気の一部分と混合させる混合帯域と、
該混合帯域の下流に設けられた一次燃焼帯域と、該一次
燃焼帯域の下流に設けられた後一次燃焼帯域を含み、該
一次燃焼帯域と後一次燃焼帯域とは、共に、衝撃（衝
突）冷却によって冷却される壁の内側に形成されてお
り、該後一次燃焼帯域は、燃焼ガスの流れに対して横断
方向に複数の冷却空気ジェットを噴射するための手段を
有し、空気の前記一部分が該燃焼器に供給された空気の
少くとも５０％を占めるように構成されていることを特
徴とする燃焼器が提供される。
【０００７】好ましい実施形態においては、前記壁は、
前記後一次燃焼帯域を囲包するように延長しており、使
用済みの衝撃冷却空気を前記冷却空気ジェットとして使
用することを可能にする複数の孔を有している。この壁
の、前記後一次燃焼帯域を画定する領域に、該後一次燃
焼帯域内へ空気を差し向けるための複数のパーホレーシ
ョン（一連の穿孔）を形成することができる。後一次燃
焼帯域内へ向けられる空気は、前記燃焼器の長手軸線に
対して半径方向に後一次燃焼帯域内へ流れるようにする
ことが好ましい。前記各孔にテーパリップ（先細唇部）
を形成することができる。
【０００８】好ましい実施形態においては、前記後一次
燃焼帯域に流入する空気は少くとも７００°Ｃとし、状
況によっては少くとも８００°Ｃとする。前記後一次燃
焼帯域に流入する使用済みの衝撃冷却空気の前記ジェッ
トを該後一次燃焼帯域内の燃焼ガスと混合させて該後一
次燃焼帯域内に実質的に均一な半径方向の温度分布を設
定するように構成することが好ましい。
【０００９】本発明の別の側面によれば、ガス又は液体
燃料タービンを操作する方法であって、圧縮空気を燃焼
及び冷却のために燃焼器に供給し、燃焼器に供給された
空気の一部分を燃焼器の混合帯域内で燃料と混合させ、
燃焼器に供給された空気の他の一部分を衝撃冷却によっ
て燃焼器の一次燃焼帯域の壁を冷却するのに使用し、次
いで、使用済み衝撃冷却空気を一次燃焼帯域の下流の後
一次燃焼帯域内へ燃焼ガスの流れに対して横断方向に複
数の冷却空気ジェットとして差向け、空気の前記一部分
が該燃焼器に供給された空気の少くとも５０％を占める
ようにすることを特徴とする方法が提供される。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下に、添付図を参照して本発明
の実施形態を説明する。一般に、燃焼器のサイズ及び形
態は、タービンの全体設計及びパワー要件によって決定
される。通常、タービンの軸線の周りに複数の燃焼器が
配置される。例として図示された燃焼器１は、長手軸線
１００を有する総体的に円筒形又は「缶」型であり、タ
ービンケーシング内に開口する圧縮空気囲い体内に取り
付けられ、タービンの周りに等間隔に配置された４又は
それ以上の燃焼器のうちの１つである。
【００１１】空気圧縮機（以下、単に「圧縮機」とも称
する）（図示せず）は、各燃焼器１の内部に露出され燃
焼ガスによって駆動される圧縮機タービンによって駆動
される。圧縮機タービンは、圧縮空気を燃焼及び冷却の
ために燃焼器へ供給する圧縮機の各段に軸連結されてい
る。
【００１２】詳述すれば、各燃焼器１は、同心の内側円
筒壁２と外側円筒壁３から成る。壁２と３とは、それら
の間に環状の空間又は通路３０を画定するように互いに
離隔されている。内側壁２は、図示の実施例では環状に
配列された複数の孔又はパーホレーション６を除いて
は、総体的に無孔である。各孔６には、後述するように
冷却空気をジェットの形に形成するのを助成するため
に、かつ、壁２を補剛する（剛性を高める）ためにテー
パリップ３６が形成されている。
【００１３】外側壁３は、その表面全体に環状に又はら
せん状に分布された多数のパーホレーション７，２７を
有している。これらのパーホレーションは、圧縮空気
（即ち、高圧空気）の細いジェットを内側壁２に衝突さ
せることによって内側壁２に衝撃冷却を与える。図に示
されるように、パーホレーション７は（後述するよう
に）稀釈孔６の上流に配置されており、パーホレーショ
ン２７は稀釈孔６の下流に配置されている。
【００１４】壁２、３の左端（即ち、下流端）には、円
錐形ダクト８を介して燃料噴射組立体１１が取り付けら
れている。燃料噴射組立体１１は、空気流１３に半径方
向速度成分と円周方向速度成分の両方を付与する多数の
ダクト１０を有する空気渦流創生器１２を備えている。
領域１５は、ダクト１０を通って流入した空気が燃料噴
射器１１によって軸方向に噴射された燃料と混合する混
合帯域である。燃料噴出口自体は、特に図示されていな
いが、通常、後板に付設されたリングに設けられてい
る。混合帯域１５の直ぐ下流に先一次燃焼帯域２５が形
成される。両帯域１５と２５の間の境界は画然としてい
ないが、波状線で示されている。
【００１５】先に述べたように、燃焼器は、その全体が
圧縮空気囲い体内に密閉されているので、空気は、燃焼
器のそれぞれの孔又はダクトを通って燃焼器内に流入
し、その孔又はダクトの位置に応じて燃焼又は冷却機能
を果たす。代表的な従来技術の衝撃冷却式燃焼器におい
ては、燃焼器に供給される全空気のうちのほぼ２０％が
渦流創生器を通して搬入され、残りが冷却のために用い
られる。
【００１６】これに対して本発明の構成においては、利
用し得る空気の相当に高い割合の一部分が空燃混合物を
生成するのに用いられるので、混合帯域１５内に非常に
希薄な空燃混合物が生成される。本発明においては、燃
焼器に供給される空気の少くとも５０％が燃料噴射器１
１からの燃料との直接混合に用いられることが企図され
ており、ある種の状況下では燃料に直接混合される空気
の量を全空気のうちの５７％した場合に非常に有利な結
果が得られることが認められた。
【００１７】利用し得る空気のうちのそのような高い割
合の空気を用いて空燃混合物を生成することにより、従
来の燃焼器におけるより低い温度で燃焼が行われるの
で、汚染物質、即ちＣＯ及びＮＯｘの発生量を抑制する
ことができる。もちろん、初期空燃混合物のためにその
ような高い割合の空気が使用されると、燃焼器を冷却す
るのに利用することができる空気の割合がそれだけ少な
くなる。しかしながら、燃焼が低い温度で行われるの
で、そのこと自体が冷却用に使用される空気の量の減少
分を一部埋め合わせる。更に、本発明の燃焼器は、後述
するように利用可能な冷却空気の利用するのに特に効率
的な冷却機構を有する。しかも、その冷却空気は、後述
するように燃焼ガス中のＣＯを焼却する（焼き尽くす）
のに利用される。
【００１８】先一次燃焼帯域２５より下流の燃焼器１の
内部は、下流から順に、混合帯域１５から延長した一次
燃焼帯域１６と、後一次燃焼帯域１７と、ほとんど燃焼
が行われない遷移帯域１８を構成する。遷移帯域１８
は、燃焼器出口１９に通じており、出口１９は、燃焼器
１内に創出された燃焼ガスによって駆動されるタービン
への入口に連通している。
【００１９】先に述べたように、圧縮器によって供給さ
れる空気の少くとも５０％が各燃焼器１の混合帯域１５
内で燃料と直接混合される。残りの空気は、以下に述べ
るように特別な流れ態様を示す。即ち、外側壁３に沿っ
てその周りを流れる空気は、矢印２０によって示される
ようにパーホレーション７，２７を通って内側壁３に衝
突し、それによって、燃焼器１に、より特定的にいえ
ば、内側壁２の一次燃焼帯域１６及び後一次燃焼帯域１
７を囲繞する部分に衝撃冷却を施す。壁２と３の間の環
状空間３０に流入した空気は、矢印２１，３１によって
示されるように内側壁２に沿って流れ内側壁に穿設され
た比較的大きい孔６に到達する。矢印２２が示すよう
に、使用済み衝撃冷却空気は、軸線１００に対して実施
例に半径方向に、即ち、一次燃焼帯域１６からの燃焼ガ
スの流れに対して横断方向に一連のジェットの形で高速
度でかなりの力をもって後一次燃焼帯域１７に流入し、
燃焼ガスと混合する。この空気（高速度でかなりの力を
もって吹き込まれる空気）と帯域１６から帯域１７へ流
れてきた燃焼ガス（燃焼生成物）との混合は、実質的に
均一な半径方向の温度分布を与える働きをし、かつ、燃
焼過程で発生した汚染物質ＣＯを減少させる、即ち、焼
却するのに十分な帯域１７での滞留時間を与え、遷移帯
域１８でも帯域１７におけるほど長くはないが、汚染物
質ＣＯを減少させる滞留時間を与える。
【００２０】使用済み衝撃冷却剤（空気）の後一次燃焼
帯域１７内へ噴出される部位での温度は、燃焼生成物の
急冷（即ち、過度の冷却）が起らないようにするような
温度となるように構成する必要がある。さもないと（燃
焼生成物の過度の冷却が起ると）、ＣＯがそれ以上焼却
されないからである。この温度は、７００°Ｃより低く
ならないようにすべきであり、理想的には少くとも８０
０°Ｃにすべきであることが判明している。使用済み衝
撃冷却空気を十分な力/ 速度及び適当な温度で後一次燃
焼帯域１７内に流入させるには、壁２，３及びパーホレ
ーション６，７，２７を慎重に設計することが要求され
る。
【００２１】従って、所望の結果を得るには、即ち発生
する汚染物質の量を少なくするように制御された燃焼、
燃焼器の効果的な冷却、及び一次燃焼帯域１６の下流の
燃焼生成物の均一な半径方向の温度分布を達成するに
は、外側壁３のパーホレーション７及び内側壁２の導入
孔６の数、サイズ及び位置を、燃焼器が作動される特定
の環境条件に適合し、かつ、孔６を通って流入する空気
の必要な量及び速度を確保するように選定する。
【００２２】ここに開示した本発明の衝撃冷却は、使用
済み冷却剤を燃焼帯域の壁２の内面に沿って軸方向に噴
射させる通常の冷却構造とは基本的に異なる。遷移帯域
１８を画定する壁２，３には、必要ならば、追加の冷却
手段を組み入れることができる。例えば、それらの壁は
単一の壁として示されているが、二重壁とするか、その
他の構造とすることもできる。その場合、薄膜（フィル
ム）式又は衝撃（衝突）冷却を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明によるガスタービンの燃焼器の
軸方向断面図である。
【符号の説明】
１：燃焼器 ２：内側円筒壁 ３：外側円筒壁 ６：孔又はパーホレーション ７：孔又はパーホレーション １１：燃焼噴射器 １２：空気渦流創世記 １５：混合帯域 １６：一次燃焼帯域 １７：後一次燃焼帯域 １８：遷移一次燃焼帯域 ２５：先燃焼帯域 ２７：孔又はパーホレーション ３０：環状空間又は通路 ３６：テーパリップ １００：長手軸線

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃焼及び冷却のために空気を燃焼器に供
    給するための圧縮機を有するガス又は液体燃料タービン
    のための燃焼器であって、 燃料を該燃焼器に供給された空気の一部分と混合させる
    混合帯域と、該混合帯域の下流に設けられた一次燃焼帯
    域と、該一次燃焼帯域の下流に設けられた後一次燃焼帯
    域を含み、該一次燃焼帯域と後一次燃焼帯域とは、共
    に、衝撃冷却によって冷却される壁の内側に形成されて
    おり、該後一次燃焼帯域は、燃焼ガスの流れに対して横
    断方向に複数の冷却空気ジェットを噴射するための手段
    を有し、空気の前記一部分が前記燃焼器に供給された空
    気の少くとも５０％を占めるように構成されていること
    を特徴とする燃焼器。
  2. 【請求項２】 前記壁は、前記後一次燃焼帯域を囲包す
    るように延長しており、使用済みの衝撃冷却空気を前記
    冷却空気ジェットとして使用することを可能にする複数
    の孔を有していることを特徴とする請求項１に記載の燃
    焼器。
  3. 【請求項３】 前記壁の、前記後一次燃焼帯域を画定す
    る領域に、該後一次燃焼帯域内へ空気を差し向けるため
    の複数のパーホレーションがを形成されていることを特
    徴とする請求項１又は２に記載の燃焼器。
  4. 【請求項４】 前記後一次燃焼帯域内へ向けられる空気
    は、該燃焼器の長手軸線に対して半径方向に該後一次燃
    焼帯域内へ流れるようになされていることを特徴とする
    請求項２又は３に記載の燃焼器。
  5. 【請求項５】 前記各孔にテーパリップが形成されてい
    ることを特徴とする請求項２、３又は４に記載の燃焼
    器。
  6. 【請求項６】 前記後一次燃焼帯域に流入する空気を少
    くとも７００°Ｃとするように構成されていることを特
    徴とする請求項２〜５のいずれか１つに記載の燃焼器。
  7. 【請求項７】 前記後一次燃焼帯域に流入する空気を少
    くとも８００°Ｃとするように構成されていることを特
    徴とする請求項６に記載の燃焼器。
  8. 【請求項８】 前記後一次燃焼帯域に流入する使用済み
    の衝撃冷却空気の前記ジェットを該後一次燃焼帯域内の
    燃焼ガスと混合させて該後一次燃焼帯域内に実質的に均
    一な半径方向の温度分布を設定するように構成されてい
    ることを特徴とする請求項２〜７のいずれか１つに記載
    の燃焼器。
  9. 【請求項９】 ガス又は液体燃料タービンを操作する方
    法であって、 圧縮空気を燃焼及び冷却のために燃焼器に供給し、該燃
    焼器に供給された空気の一部分を該燃焼器の混合帯域内
    で燃料と混合させ、該燃焼器に供給された空気の他の一
    部分を衝撃冷却によって該燃焼器の一次燃焼帯域の壁を
    冷却するのに使用し、次いで、その使用済み衝撃冷却空
    気を該一次燃焼帯域の下流の後一次燃焼帯域内へ燃焼ガ
    スの流れに対して横断方向に複数の冷却空気ジェットと
    して差向け、空気の前記一部分が該燃焼器に供給された
    空気の少くとも５０％を占めるようにすることを特徴と
    する方法。
  10. 【請求項１０】 前記後一次燃焼帯域に流入する空気を
    少くとも７００°Ｃとすることを特徴とする請求項９に
    記載の方法。
  11. 【請求項１１】 前記後一次燃焼帯域に流入する空気を
    少くとも８００°Ｃとすることを特徴とする請求項１０
    に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記後一次燃焼帯域に流入する使用済
    みの衝撃冷却空気の前記ジェットを該後一次燃焼帯域内
    の燃焼ガスと混合させて該後一次燃焼帯域内に実質的に
    均一な半径方向の温度分布を設定することを特徴とする
    請求項９〜１１のいずれか１つに記載の方法。
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