JPH08247419A

JPH08247419A - ２段燃焼式燃焼室

Info

Publication number: JPH08247419A
Application number: JP8032464A
Authority: JP
Inventors: Arutohausu Rorufu; アルトハウスロルフ; Jakob J Keller; ヨットケラーヤーコブ
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Management AG
Priority date: 1995-02-20
Filing date: 1996-02-20
Publication date: 1996-09-27
Also published as: EP0727611A1; DE19510743A1

Abstract

(57)【要約】【課題】従来技術の欠点をすべて除去し、低ＮＯX値
を達成し、排ガス量の少ない２次燃焼を実現することで
ある。【解決手段】１次バーナ１１０を、機械式保炎板なし
の、火炎が安定化される予混合式バーナとして構成し、
このバーナの予混合室１３０内へ、少なくともほぼ接線
方向に燃焼用空気が流入するようにし、更に、２次バー
ナ１５０が、非自己着火式の予混合式バーナであるよう
にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、２段燃焼式燃焼室
であって、予混合形式の少なくとも１つの１次バーナ、
それも、ノズルを介して噴射される燃料が予混合室内で
点火前に燃焼用空気と集中的に混合される１次バーナ
と、予燃焼室の下流に配置された少なくとも１つの２次
バーナとを有する形式のものに関する。

【０００２】

【従来の技術】火炎が実際に燃焼する一方で、過剰なＣ
Ｏを発生させることのない最大可能な過剰空気係数での
燃焼によって、有害なＮＯ_X量が低減されるのみでな
く、他の有害物質、すなわちＣＯ及び未燃炭化水素も、
低い値に維持できる。大きい値の過剰空気係数が選ばれ
るのは、そうした事情による。その場合、はじめはＣＯ
値が高くなるが、更に反応してＣＯ₂を生成できるの
で、最終的にはＣＯの放出を僅かに抑えられる。他方、
多量の過剰空気のため、付加的なＮＯは、ほとんど生成
されない。例えばガスタービン用の燃焼室内には、通
例、比較的多数のバーナが配置されているので、負荷調
整時には、その時々の作動段階（始動、部分負荷、全負
荷）に対して最適の過剰空気係数が得られるバーナだけ
に、燃料が供給される。

【０００３】後置された燃焼室内の混合気の確実な点火
と十分な完全燃焼を達成するためには、燃料と空気との
十分な混合が必要である。十分な混合によって、燃焼室
内のいわゆる“ホットスポット”も防止される。ホット
スポットは、とりわけ、望ましくないＮＯ_Xを発生させ
る。このような理由から、冒頭で述べた形式の予混合式
バーナを有する２段燃焼室が、次第に多用されるように
なってきた。

【０００４】これは、予混合式バーナを有する１段燃焼
室には、次のような欠点があるからである。すなわち、
少なくとも、複数バーナのうちの一部だけに燃料が供給
されるか、又は個々のバーナへの供給燃料が減少される
ような作動状態では、火炎の安定性の限界に近くなると
いう点である。実際、極めて希薄な混合気及びそれによ
る低い火炎温度の場合、典型的なガスタービン条件下で
は、約２．０の過剰空気係数で既に、吹き消え限界に到
達する。

【０００５】こうした事情のため、燃焼室の操作形式は
比較的複雑となり、それに相応して調整も複雑となる。
予混合式バーナの稼動範囲を拡張する別の可能な措置
は、小さい拡散炎によってバーナを補助することであ
る。このパイロット炎には、純燃料、又は少なくとも僅
かだけ予混合された燃料を供給する。こうすることによ
り、一方では、安定的な火炎は得られるが、他方では、
拡散燃焼時に通例の、高い値のＮＯ_Xが発生する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、これらの欠
点をすべて除去しようとするものである。本発明の、特
に根底をなす課題は、排ガス量の少ない２次燃焼を実現
することである。

【０００７】

【課題を解決する手段】この課題は、次ぎのようにする
ことによって解決された。すなわち、１次バーナを、機
械式保炎板なしの、火炎が安定化される予混合式バーナ
として構成し、予混合室内へは、少なくともほぼ接線方
向に燃焼用空気が流入するようにし、更に、２次バーナ
が、非自己着火式の（nicht selbstgaengig）予混合式
バーナであるようにしたのである。

【０００８】この種のフレームリテンション予混合式バ
ーナは、例えば、ヨーロッパ特許第０３２１８０９号明
細書により公知のいわゆるダブルコーン型のバーナでよ
く、これについては、図１〜図３の（Ｂ）の説明のとこ
ろで触れる。燃料は、この場合はガスだが、接線方向に
延びる入口ギャップのところから一連の噴射ノズルを介
して、圧縮機からの燃焼用空気内へ噴射される。これら
の噴射ノズルは、通例、全ギャップにわたって均等に分
配されている。

【０００９】

【発明の効果】本発明の効果は、特に、２次燃焼がＮＯ
_Xについては中立である点にある。

【００１０】また、バーナが、極めて希薄な混合気でも
作動不能とはならないため、調整も次の点で簡単化され
る。すなわち、燃焼室の負荷及び負荷除去時に、従来の
予混合燃焼では、通常、包含し得なかった過剰空気係数
範囲をも利用することができ、しかも、別の手段を講じ
て火炎の吹き消えを防止する必要もなくなったからであ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下で、図面に略示したガスター
ビンのリング状燃焼室について、本発明の一実施例を説
明する。

【００１２】図面には、本発明の理解に必要な、重要な
要素以外は示されていない。例えば、完全な燃焼室、ガ
スタービン設備への燃焼室配属部、燃料の準備供給部、
調整装置等々は、示されていない。作動媒体の流れ方向
は、矢印で示してある。

【００１３】図１に符号５０で示した密閉充気室は、通
例、圧縮機（図示せず）からの燃焼用空気を受容し、リ
ング状の燃焼室６０へ供給する。この燃焼室は、２段に
構成され、実質的に、予燃焼室６１と、下流に位置する
主燃焼室６２とから成り、双方が燃焼室壁６３によって
取囲まれている。燃焼室６０の頭部に位置し、燃焼空間
をフロントプレート５４によって仕切られている予燃焼
室６１には、リング状のドーム５５が取付けられてい
る。このドーム内には、バーナ１１０の出口がフロント
プレート５４と少なくともほぼ同一平面上に位置するよ
うに、バーナ１１０が配置されている。１次バーナ１１
０の縦軸線５１は、燃焼室６０の縦軸線５２と同軸的に
延びている。リング状フロントプレート５４には、これ
ら複数の１次バーナ１１０が全周にわたって分配並置さ
れている（図２）。ドーム壁の外端部には穴が形成さ
れ、これらの穴を介して、充気室５０から燃焼用空気が
ドーム内部に流入し、バーナに供給される。燃料は、ド
ーム壁及び充気室壁を貫通する燃料ランス１２０を介し
て、バーナに供給される。

【００１４】予燃焼室６１が主燃焼室６２へ移行する平
面内に、複数の２次バーナ１５０が配置されている。こ
れらは、同じく予混合式バーナである。これらのバーナ
１５０の縦軸線５３は、１次バーナ１１０の縦軸線に対
して直角に延びている。

【００１５】これら２次バーナ１５０も、フロントプレ
ート７４に配置され、リング状のドーム７５に取囲まれ
ている。このドーム内には、バーナ出口が、フロントプ
レート７４と少なくともほぼ同一平面上に位置するよう
に、バーナ１５０が配置されている。このリング状フロ
ントプレート７４には、その全周にわたって複数バーナ
１５０が分配並置されている（図２）。ドーム壁の外端
部には穴が形成されており、これらの穴を介して、燃焼
用空気が、充気室からドーム内へ流入し、バーナに供給
される。燃料は、ドーム壁及び充気室壁を貫通する燃料
ランス１２１を介してバーナに供給される。

【００１６】１次バーナの出口平面１１８から２次バー
ナ１５０までの間隔は、ほぼ１バーナ直径に等しい。２
次バーナの出口平面１５８は、燃焼室壁６３より引っ込
められている。

【００１７】図２に示した例では、それぞれ同数の、こ
の場合は各３０の１次バーナ１１０と２次バーナ１５０
とが、全周にわたって配置されている。しかも、双方の
バーナの軸線は、周方向に半ピッチだけ相互にずらされ
て位置せしめられている。この個数及び配置は、しか
し、強制的なものではない。

【００１８】図１、図２、図３のＡ及びＢに略示した予
混合式バーナ１１０，１５０の場合、それぞれが、既述
のような、いわゆるダブルコーン型バーナであり、例え
ばヨーロッパ特許第０３２１８０９号明細書により公知
のものである。この型のバーナは、実質的に、２つの中
空のバーナコーン部分体１１１，１１２から成り、これ
らの部分体が、互いに流れ方向に入り組み合っている。
その場合、双方の部分体の中心軸線１１３，１１４は、
互いにずらされた位置にある。双方の部分体の隣接壁部
は、その縦方向延びによって、燃焼用空気のための接線
方向スリット１１９を形成している。燃焼用空気は、こ
れらのスリットからバーナ内部へ流入する。内部には、
液状燃料用の第１燃料ノズル１１６が配置されている。
燃料は、鋭角をなして中空円錐体内へ噴射される。それ
により発生する円錐形の燃料の輪郭が、流入する燃焼用
空気によって取囲まれる。燃料濃度は、燃焼用空気と混
合されることによって、軸方向に次第に減じてゆく。図
示の例の場合、バーナは、同じようにガス状燃料によっ
ても作動する。その場合には、接線方向スリット１１９
の区域の、双方の部分体壁部に、縦方向にガス流入口１
１７を分配配置しておく。ガスによる作動の場合には、
したがって、流入スリット１１９の区域で既に、燃焼用
空気との混合気生成が始まる。このようにして、２種類
の燃料による混焼式作動も可能であることは言うまでも
ない。１次バーナ１１０のバーナ出口１１８のところに
は、燃料が供給される円形横断面全面にわたって出来る
だけ均一な燃料濃度が生じるようにする。バーナ出口の
ところには、一定の球欠形の再循環区域が発生し、この
区域の先端で点火が行われる。火炎自体は、バーナ前方
の再循環区域により安定化され、機械式の保炎板の必要
がない。

【００１９】本発明によれば、２次バーナ１５０は、非
自己着火式の予混合式バーナとして構成されている。そ
の意味は、２次バーナの混合気燃焼には、永続的な点火
を行う必要があるということである。この永続的な点火
は、この場合、予燃焼室の出口のところの火炎を介して
行われる。

【００２０】ここで使用したダブルコーン型バーナ１５
０の場合に、火炎安定化区域を設けないようにするため
には、バーナの接線方向ギャップ１５９を１次バーナ１
１０の場合のギャップ幅より広くする。バーナ１５０の
この特殊な形式により、その予混合室には、バーナ出口
のところに既述の再循環区域を発生させるには不十分な
周速度の燃料・空気混合気が生成される。この混合気
は、渦流をなしてバーナコーンを出て、予燃焼室からの
火炎内へ入る。そのさい、双方の渦流の衝突によって、
極めて短い距離で十分な混合が行われる。

【００２１】バーナ内の接線方向ギャップ１１９，１５
９は、燃焼用空気と燃料とから成る全体積流量の、例え
ば約２５％が、１次バーナに、約７５％が、２次バーナ
に供給されるように、寸法設定されている。

【００２２】この燃焼室の作業は次ぎのように行われ
る：燃焼室の始動には、１次バーナ１１０だけが作動
せしめられ、負荷範囲全体にわたって作動状態におかれ
る。約１０％の負荷から全負荷まで、燃料が順次に２次
バーナ１５０に供給される。

【００２３】次ぎに作用形式を述べる：図５は、燃焼室
の延びに沿った温度の推移を示した、説明するまでもな
い線図である。符号６４は、第１タービン案内羽根列を
示している。

【００２４】線図の上方と図１の下方とに記載された符
号の意味は、以下の通りである：ＰＭ１次バーナ１１０の予混合区域ＰＣ予燃焼区域Ｍ混合区域ＢＯ主燃焼室６２内の完全燃焼（burn out)区域ＺＴタービン入口１７３への移行部更に、別の符号の意味は次のとおり：ＳＭＦ２次バーナ１５０の第２予混合区域と燃料噴射
区域ＥＩ１次バーナの外部点火箇所ＳＩ混合区域Ｍ内の自己点火箇所横座標には次の温度が記載されている：Ｔ_F 火炎温度Ｔ_T タービン入口温度Ｔ_SI 自己点火温度Ｔ_IN 燃料／空気混合気温度更に、別の符号の意味： δＴ_1C 燃焼による温度上昇 δＴ_1m 混合による温度低下 δＴ_2m 混合による温度上昇 δＴ_2C 燃焼による温度上昇新たな措置の効果は次のとおりである：予燃焼の間、
全体積流量が１次バーナと２次バーナとに分配される結
果、体積流量の一部にのみ、温度上昇δＴ_1Cによって窒
素が生成される。この部分流量は、２次バーナからの混
合気との混合まで、僅かな時間だけ予燃焼室６１に滞留
するだけである。このため、ＮＯ_Xの生成が抑制され
る。

【００２５】予燃焼室６１からの高温煙道ガスと、２次
バーナからの燃料／空気混合気との混合のさい、混合温
度は、自己点火温度Ｔ_SIを下回ってはならない。

【００２６】自己点火後、かなりの量のＮＯ_Xが生成さ
れるには、全体積流量の温度上昇δＴ_2Cは僅かすぎ、ま
た、完全燃焼区域での完全燃焼までの時間も短すぎる。

【００２７】こうしたことすべてから、この希薄／希薄
‐コンセプトの場合、平均体積流量が、古典的な１段予
混合燃焼と比較すると、短時間しか高い火炎温度にさら
されないことが、分かる。

【００２８】原則として、本発明は、図示のダブルコー
ン型予混合式バーナの使用に限定されるものではない。
本発明は、むしろ、優勢な速度域によって火炎が安定化
されるすべての燃焼室区域に適用可能である。その場合
の別の例として、図４に示したバーナが挙げられる。機
能の等しい構成要素には、この図４でも、図１〜図３の
Ａの場合と同じ符号を用いてある。構造は異なるもの
の、機能の等しい点は、特に図４の例の場合、円筒形に
延びる接線方向の流入ギャップ１１９に当てはまる。こ
のバーナ場合、直円錐形状の挿入体１３１を中央に配置
することによって、流れが通過する予混合室１３０の面
積が、バーナ出口方向へ増大するように構成されてい
る。この場合、円錐の頂点は、フロントプレート平面の
区域に位置している。言うまでもなく、この円錐の外套
面は湾曲していてもよい。このことは、また、図１〜図
３のＢに示したバーナの部分体１１１，１１２の面の延
びについても妥当する。

【００２９】言うまでもなく、本発明は、以上に説明し
た、図示の２段燃焼形式のほかに、２段以上の燃焼形式
にも適用可能である。燃焼段の数、及び複数段への燃料
と空気の分配形式は、最終的には、燃焼室の所望性能に
応じて決定される。

【図面の簡単な説明】

【図１】燃焼室の部分縦断面図である。

【図２】燃焼室の部分横断面図である。

【図３】Ａはダブルコーン型予混合式バーナの出口区域
の横断面図であり、Ｂは同じバーナのコーン頂部区域の
横断面図である。

【図４】燃焼室の変化形の部分縦断面図である。

【図５】燃焼室の延びに沿った温度を示した線図であ
る。

【符号の説明】

５０充気室５１１次バーナの縦軸線５２燃焼室の縦軸線５３２次バーナの縦軸線５４予燃焼室のフロントプレート５５ドーム６０燃焼室６１予燃焼室６２主燃焼室６３燃焼室壁６４タービン入口７４フロントプレート７５ドーム１１０１次バーナ１５０２次バーナ１１１，１１２部分体１１３，１１４中心軸線１１６燃料ノズル１１７ガス流入口１１８，１５８バーナ出口１１９，１５９接線方向ギャップ１２０，１２１燃料ランス１２２球欠形の最循環流１３０予混合室１３１円錐形挿入体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２段燃焼式燃焼室であって、予混合形式
の少なくとも１つの１次バーナ、それも、ノズル（１１
７）を介して噴射される燃料が予混合室（１３０）内で
点火前に燃焼用空気と集中的に混合される１次バーナ
（１１０）と、予燃焼室（６１）の下流に配置された少
なくとも１つの２次バーナ（１５０）とを有する形式の
ものにおいて、１次バーナ（１１０）が、機械式保炎板なしの火炎安定
化予混合バーナとして構成され、予混合室（１３０）内
へは、少なくともほぼ接線方向に燃焼用空気が流入する
ようにされており、更に、２次バーナ（１５０）が、非
自己着火式の予混合バーナであることを特徴とする、２
段燃焼式燃焼室。
【請求項２】１次バーナ（１１０）及び２次バーナ
（１５０）の双方が、ダブルコーン原理に従って、実質
的に２つの、流れ方向に互いのなかへ入り込んだ中空で
円錐形の部分体（１１１，１１２）を介して作業し、こ
れら部分体の中心軸線が互いにずらされて位置してお
り、しかも、これら両部分体の隣接壁部が、その縦方向
の延びによって、燃焼用空気のための接線方向ギャップ
（１１９）を形成しており、更に、この接線方向ギャッ
プの区域には、両部分体の壁部内に縦方向に分配された
複数のガス流入口（１１７）が設けられていることを特
徴とする、請求項１記載の燃焼室。
【請求項３】燃焼用空気と燃料とから成る全体積流量
の約２０〜５０％が、１次バーナに、約５０〜７５％
が、２次バーナに流入し得るように、バーナ内の接線方
向ギャップ（１１９，１５９）が寸法設定されているこ
とを特徴とする、請求項２記載の燃焼室。
【請求項４】リング状燃焼室の場合に、１次バーナ
（１１０）の縦軸線（５１）が、燃焼室（６０）の縦軸
線（５２）と少なくともほぼ平行に延びており、また、
２次バーナ（１５０）の縦軸線（５３）が、１次バーナ
（１１０）の縦軸線に対して、少なくともほぼ直角に延
びていることを特徴とする、請求項１記載の燃焼室。
【請求項５】予燃焼室（６１）の後方で主燃焼室（６
２）内に開口する２次バーナと、１次バーナの出口平面
（１１８）との間隔が、ほぼ１バーナ直径に等しいこと
を特徴とする、請求項４記載の燃焼室。
【請求項６】２次バーナの出口平面（１５８）が、燃
焼室壁部（６３）より引っ込められていることを特徴と
する、請求項４記載の燃焼室。