JPS5878015A - 燃焼タ−ビン装置の燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は燃焼タービンおよびそれに使用てれる燃焼器
に関するもめてＴｏシ、特に予備混合および予備気化を
おこなう一焼器のための改善。

さｎた燃料混合区域に関するものである。

一般的に、典型的な従来技術の燃焼タービンは圧ｌＩＡ
＠区間、燃焼器区間、およびメービン区間の３つの区間
を備えている。圧縮機区間に吸い込まれた空気は゛圧縮
され、その温ｊ［訃よび密匿が増加する。圧縮機区間か
らの圧ｍ空気は燃焼器区間を通って泳法そこでさらに温
度が上げらｎる。燃焼器区間からの高温圧縮ガスはメー
ビン区間に流れ込み、そこで膨張するガスのエネルギー
が！−ビン回転子の回転運動に変換される。

典製的な燃焼器区間は燃焼タービンの周囲に環状に配列
さ、せて配置された複数の燃ｍ器を備える。従来の燃焼
器技術においては圧縮機区間から流れ出た圧縮ガスは、
メービン区間に送られる前に、拡散炎によって燃！Ｓ器
の中で加熱される。拡散炎技術においては、燃料はノズ
ルによって燃焼器の上流端に噴射逼れる。拡散炎は強い
空気力学的再循環によってノズルの直後に維持さ扛る。

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、約コ、コＪ７７℃（ダ、２００ＯＲ）１！度
の高い燃焼反応温度の部分が生ずる。反応温良は高いの
で、燃焼反応からの高温ガスは、下流に位置、する！−
ビン装置への損傷を与えないように冷えい空気（約ｔ２
０℃（７００ＯＲ））によって下流で希薄されなけなけ
ればならない。場らに、炎拡散技術ではＮＯｘ　（テラ
素線化物）とＣ０（−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−意識の高まりにつれ、ＮＯｘとＣＯの排出基準
がよ〕厳しくなっている。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、予備混合、予備気化をおζなう燃焼
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、とこで燃料はどこの濃度も設定し九ｔ
ａ度の限られ次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。式らにめる量の燃料は燃料混合
区域の中で気化さｎる。―料の燃焼は燃料調整区域より
下流のところでおこなわれる。燃料調整区域において十
分に均一になった燃料濃度により反応温度が均一になり
、約／、　／　００℃〜ｉ、ｂｓｏ℃（１，０００°Ｆ
〜３，０００°Ｆ）に制限石れ得る。均一かつ完全な燃
焼のために、予備混合、−予備気化をおこなう燃焼器は
同量の燃料を使った従来の燃焼器よりＮＯｘおよび００
のレベルが低くなる。

予備混合、予備気化をおこなう燃ｍ器の一つの問題は７
２ンシ二バンク即ち燃焼位置から燃料調整区域内への突
然の炎の伝播による破損の可能性である。もし適切な処
置がと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、ってしまい燃焼器を修繕するか
もしくは堰り換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
度の間の張シ合う関係に関係しているとされている。炎
の速度は通常使用てれる燃料の性質によるものであるの
で、流速は設計者によってよりたやすく制御できる。フ
ラッシュバンクの古くからの研究の詳細についてはＢ、
ルーイスＧ、ヴオンエルペの「ガスのｍｓ、Ａおよび爆
発」（アカデミツクプレス、二ニーＮ−ク（ｌり４／）
を参照され丸い。

燃焼器中の炎の安定については後に８．Ｌ、プリーとム
０Ｍ・プリーによって成るｌ！［定量化されている。こ
れは「予備気化／予備混合をおこなう燃焼器で報告名ｎ
九フラッシュバンクの研究」Ｊ−燃焼器と−ｌデＪ−コ
ｏＪ（ｉデフ１）にみられる。グリ−とプリーが提案し
た安定性の公式は下記に示すものでるる。

／　／ａ　−ＩＩ　ｍ　／　（Ｐ″ＡＤｂｅ！ｐ（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 ム：燃料調整区域の断面積 Ｄ：燃料調整区域の断面直径 丁：燃料調整区域内の絶対温度 ａ、ｂおよびＣ：定数（零よシ大） 燃料調整区域のｌ／θの値は燃焼炎の安定性を示すもの
でめることが報告石れている。ｌ／＃が大きい値の燃料
調整区域はフラッシュバンクの起る傾向が少ない。この
式より、炎の安定性は燃料１１１１区域の断面寸法を小
ざくすることによｐ増大されることがわかる。

しかしながら断面積を小名くすることは、燃料ノズルの
選択範囲をよｐ小名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
、入手容易性が績られること、費用がかかること、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
の動作効率を維持するように最小限にすべきである。

燃料の濃い燃料調整に於ける如く、燃料調整区域内の燃
料のＩＩＩ度が高い場合には、フラッシュバックの危険
性は特に大きくなる。燃料の濃い状態で燃焼器を運転す
ると１通常はテラ素と化合してＮＯｘを形成する酸素を
効果的に減らすことによｐ　ＮＯＸの放出を減らすこと
ができる。

７ラツシユバンクを防止するための特別な安全策なしに
、燃料１［の高い燃料調整区域を使用することは予備混
合、予備気化をおこなう燃焼器では不可能である。

このように、公知の従来装置は、燃料調整区域の断面積
を減らすことなく予備混合、予備気化をおこなう燃焼器
内のフラッシュバックを防止するための要求を満足しな
い。

この発明の目的は、従来技術の上述の欠点を解消した、
改善ｇｎた燃焼タービン装置の燃焼器を提供することで
るる。

この発明は燃焼反応を収容するための囲いと、上記囲い
中のガス流れ中に燃料を噴射する燃料噴射装置と上記燃
料噴射装置の下流に設けられた燃料調整区域と、上記燃
料ｗ４整区域の下流に設けられ九ａ焼区域と、上記燃料
調整区域内に設けられて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とを備え、上記
囲いは、略々円筒形で、圧縮機吐出ガスを流入させる開
口を上流端の近くに有し、この圧縮機吐出ガスはこの開
口を通って上記囲い円に流入しこの囲いの開放式ｎ九下
流端を通ってタービン入口へ導く遷移ダクトの中にＲ出
し、上記燃料調整区域内では、均一のガス状燃料混合気
を得るために燃料が混合され気化１れ、上記燃焼区域は
燃料混合気の燃焼を開始させかつ維持しこれによって上
記遷移ダクト円に流れ込むガスの温度を上げるもので６
る＊ａｍ！−ビン装置の燃焼器に関するものである。

混合構造は、燃焼区域を通って燃料混合気の加速がおこ
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、しかもフラッシュバックの危険性を
無くすようにしである。燃焼中１段は炎もしくは触媒に
よるものでＴｏｖ、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ッシュバッ
クを防止する作用をしている。

この発明は以下に述べる好ましい一実施例の説明によっ
て容易に明確になる。

第１図には燃焼タービンの燃焼器および燃焼制御装装置
の一般的な概略図が示されている。タービン即ち略々円
筒形をした触媒燃焼−ｉｏは複数の同じような燃焼器（
図示しない）ζ組み合わせられ高温駆動ガスを矢印ｌコ
で示すようにタービンの流入口（図示しない）へ供給す
ム燃焼器ｉｏはこの燃焼器１０ｔ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ルち
燃焼区域ｌダを含んでいる。

燃焼器ｉｏは燃料調整区域／／を有し、この中には第２
の燃料パルプ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／４によって送シ込まｎ、燃焼区
域／４（へ送シ込む、ための燃料と空気の混合゛がおこ
なわれる。一般的に触媒反応に必要な燃料と空気の混合
物の温［（たとえば約４１３０℃（１００°Ｆ））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
れる圧縮器吐出空気の温度（たとえば約ＪｔＯ’０＜ｔ
ｏｏｏＦ））よシ高い。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。

従って、−火燃焼区域／ｌが燃焼器ＩＯの燃料調整区域
／Ｉよりも上流に備えられる。ノズル装置２０は一次燃
料パルプココから一次燃焼区域１ｇの中に燃料を送シ込
むために備えらｎ。

この−火燃焼区域ｌざでつくらｎ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甲の空間から＝次燃焼
竪域ｔｇに入ってくる一次空気によって維持される。−
次および二次燃料パルプＪコ、１７は、それぞれ−次お
門び二次燃料制御部コ３．コダによって制御ｉｎ、ｇら
に、これらの燃料制御部コ３．コダは速匿・負荷制御部
２３によって制御されている。

この結果、高温ガスの流れは、燃料調整区域／Ｉに供給
てれ、こと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嘔れた燃料混合をおこなうために、
燃料と空気の°混合物に混合店れ得る。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／４１１
Ｃよって送シ込まれた燃料は二次燃料流れである。二次
燃料流れは圧縮機コクからの二次空気流れコロおよび一
次燃焼の生成物と混合でれ、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お
ζなわれる。

この発明の好ましい実施例によ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
あるいは触媒なしの燃焼器等である。触媒なしの燃焼器
（図示しない）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お仁なわれ、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るる。

第一図には、＃Ｉ１図の燃焼器１０ｉＣついて説明した
原理を具体化した触媒燃焼装置ＪＯの構造が詳細に示て
れている。触媒燃焼装置３０は高温燃焼生成物を生み、
これらはタービンの羽根（図示しない）を動かすために
固定子ベーン、？／を通る。この触媒燃焼装置３０が複
数個、タービンケース３コの中の回転子軸の周りに備え
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。

この発゛明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ットＷＯ１触媒装置３４
そして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Ｊｇを含む。触媒ａｍシステム
ＪＯはさらに燃焼器の囲いＩＩｏの、７ダで示される部
分の内部に燃料１４１１区域を備えている。

第一図の触媒燃焼装置ＪＯの燃料調整区域の長手方向の
断面図が第３図に示されている。燃料調整区域唸燃料が
送９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４１コ、予備段階の混合をおこなう予備混合領
域参りおよび静止混合構造である静止混合器４１４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ｎる予備混合領域参で生ずる。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、仁の混合気が静止混合器４１６を通って
流れる時におこなわれる。静止混食器用６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
ダ６を通る時の圧力の減少を少なくしである。

静止混合ｆ）＄４の構造は、ガス混合物の流速Ｏ制御の
だめの手段として用いられ、燃焼器の横断面寸法の選択
による制御な補足している。

ヒの制御要素の意味は、以下に示す流速の式によって示
される。

ｖ！ＩＫ／ｄＫム 但し、Ｖ：燃料調整区域内の可燃性ガスの流速止：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Ｘ：燃料調整区
域の透き間割合 ム：燃料調整区域の横断面積 透き間割合に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６る。

つまシ障害物のない燃料調整区域の透き間＠合鉱／、０
である。上式から明らかな通シ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
止混合器ダルは、燃料調整区域の透き間割合を減小する
ことによっ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。この意味で靜止汎合績４４４は流速増加装置でも
める。戸の方法下静止混合器１を使用すれば燃焼器の寸
法にとられれることな（高燃料線度の燃料調整区域が可
能となる。

＃Ｉダ図にはＪｉＪ図に示ざｎた静止混合器ダ６の断面
図が示されている。静止混合器４Ｉ＆の内部構造は合金
等の波形にされた材料でできた複数０層を備尺、これら
は複数の通路ＳＯを限定するように配列式れている。波
形材料の層は幾つかの継げられた区分（図示しない）と
して配置石れ得るので、これらの区分を通して連続し九
複数の通路を形成するようにこの区分の端と端を継ぐと
、隣接したλつの区分の通路は互いに９０１１あるいは
そｎ以上の回転角匿を有する。

波形材料の４避は上述の式に従って要求された流速にな
るように選択さｎる。

第５図は第３図の静止混合器４（４のだめの別の構造の
立面図を示している。この構造は、本質的には二重の通
路を限定す７る螺旋を形成するように３６０度ねじらｎ
た平らな棒でめる。この構造は単独で作用できるが、静
止混合器ｌｌ＆の甲の混合の度合を増すために反対方間
に３４０度ねじらｎｆｃものと組み合わせて４良い。ど
ちらの場合も、金属棒の４畜は上述の式に従って適切次
透き間割酋ｖｃなるように選ばれる。

このように、この発明による予備混合、予備気化をおこ
なう燃焼器はフラッシュバックの可能性を最小限にする
ように＃ＩＩ成され、これによって議い燃料で運転する
ことが可能になる。静止混合器の適切な設計によって、
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ッシ
ュバンクの危験は減少する。

【図面の簡単な説明】

第１図はガスクービンを駆動させるように配置されたこ
の発明の好ましい一実施例による触媒燃焼器の概略図、
第一図は触媒燃焼器の立面図、第３図はこの発明の好ま
しい一実施例による燃焼器の燃料調整区域の長手方向の
断面図、１ｓ４１図は第３図の線Ｎ−Ｗからみ九靜止混
合器ｏｖｒｒ面図、第５図は他の実施例による第３図の
静止混食器用の同部構造の立面図でるる。 ｔｏＨ燃焼器、ｌｌ：燃料調整区域、１４１：燃焼区域
、Ｉ４（ｌコ）：燃料噴射装置（ノズル装置）、ｗｏ；
囲い、ｌＩ４：ｆｉ速増加装置（静止混合器）、３０：
通路。 （２）上記流速増加装置は静止混合構造を備え、この混
合構造は、これを通って流れる燃料混合気に圧力を大き
く減少させることなく、燃料を混合し気化するような流
れ特性をもたらすように構成された複数の曲った通路を
有し、さらにこの混合構造は、下流の上記燃焼区域内の
流速を所定の流速にまで増加させるように、上記燃焼器
の遮ぎるもののない横断面積を減らす横断面積を有する
特許請求の範囲第１項記載の燃焼タービン装置の燃焼器
。 （３）　　上記燃焼区域が上記静止混合構造の下流に保
炎器を有する特許請求の範囲第一項記載の一■−−−−
−■− 燃焼タービン装置の燃焼器。 （４）上記燃焼区域が上記静止混合構造の下、流に触媒
燃焼要素を有す、る特許請求の範囲第一項記載の燃焼タ
ービン装置の燃焼器。 （６）上記静止混合構造は、複数の水平な区分をそなえ
、上記区分はそれぞれ垂直に積み重ねられた波形の複数
の層を有し、上記層は、所望の流れの加速を得るように
選択された厚みを持ち、層間に水平の通路を限定するよ
うに隣接する層がオフセットした状態になっておル、ｔ
た上記区分は、組み合わされた区分を通る連ｉしたーっ
た通路を形成するように端と端とが整列さし、各区分の
通路は隣接した区分に対して角度を有する方向にされて
お）、これによって静止混合構造に流れ込む燃料および
ガスが自った通路を通って流れて均一の燃料混合気の流
れをつ３るように混合され加速される特許請求の範囲第
１項ないし第参項のいずれか記載の燃焼タービン装置Ｏ
燃焼器。 （６）上記静止混合構造は金属棒で形成した螺旋状構造
を有し、上記層は、所望の流れの加速を得るように選択
された厚さを持ち、二重の通路を形成するように一端が
他端に対して３４０度回転されている特許請求Ｏｌｌ！
ＩＩｊｌＪ項ないし第参項のいずれか記載の燃焼タービ
ン装置の燃焼器０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １１）　　燃焼反応、を収容するための囲いと、上記囲
   い中のガス流れ中に燃料を噴射する燃料噴射装置と、上
   記燃料噴射装置の下流に設けられた燃料調整区域と、上
   記燃料調整区域の下流に設けられた燃料区域と、上記燃
   料調整区域内に設けられて上記燃焼区域を通る燃料混合
   気の流速を増加畜せるための流速増加装置と゛を備え、 上記囲いは、略々円筒形で、圧縮機吐出ガスを流入させ
   る開口を上記端の近くに有し、この圧縮機吐出ガスはこ
   の開口を通って上記囲い内に流入しこの囲いの開放され
   た下流端を通ってタービン入口へ導く遷移ダクトの中に
   流出し、上記燃料調整区域内で紘、均一のガス状燃料混
   合気を得るために燃料が混合され気化基孔、上記燃焼区
   域嬬燃料混合気の燃焼を開始させかつ維持しこれによっ
   て上記遷移ダクト内に流れ込むガスの温！ｉＩＬ番上げ
   るものである燃焼タービン装置の燃焼器。 （２）　　上記流速増加装置は靜止混゛合構造を備え、
   仁の混合構造は、これを通って流れる燃料混合気に圧力
   を大きく減少させることなく、燃料を混合し気化するよ
   うな流れ特性をもたらすように構成された複数の曲った
   通路を有し、さらにこの混合構造は、下流の上記燃焼区
   域内の流速を所定の流速に菫で増加させるように、上記
   燃焼器の鐘ぎるもののない横断面積を減らす横断面積を
   有する特許請求の範囲第１項記載の燃焼タービン装置の
   燃焼器。 （３）上記燃焼区域が上記静止混合構造の下流に保炎器
   を有する特許請求の範囲第１項菫たは１１４２項記載の
   燃焼タービン装置の燃焼器。 （４上記燃焼区域が上記静止混合構造の下ＲＫ触媒燃焼
   要素を有する特許請求の範囲第７項または第１項記載の
   燃焼タービン装置の燃焼器。 （５）　上記静止混合構造は、複数の水平な区分をそな
   え、上記区分はそれぞれ垂直に積み重ねられた波形の複
   数の層を有し、上記層は、所望の流れや加速を得るよう
   に′選択式れた厚みを持ち、層間に水平の通−を限定す
   るように隣接する層がオフセットした状態になっており
   （また上記区分は１組み合わされ大区分を通る連続した
   曲った通路を形成するように端と端とが整列され、各区
   分の通路は隣接した区分に対して角度を有する方向にさ
   れており、これによって静止混合構造に流れ込む燃料お
   よびガスが曲った通路を通って流れて均一の燃料混合気
   の流れをつくるように混合、され加速式れる特許請求の
   範囲第一項ないし第参項のいずれか記載の燃焼タービン
   装置の燃焼器。 （６）　上記静止混合構造は金属°俸で形成した螺旋状
   構造を有し、上記層は、所望の流れの加速を得るように
   選択された厚ざを持ち、二重の通路を形成するように一
   端が他端に対して３４０置回転されている特許請求の範
   囲第一項ないし第９項のいずれか記載の燃焼！−ビン装
   置の燃焼器。 の螺旋状構造を有し隣接する螺旋状構造は互に逆方向に
   螺旋状になっている特許請求の範囲第４項記載の燃焼タ
   ービン装置の燃焼器。