JPS5880422A - 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】 る燃焼器に関し、より詳細には、予混合・予気化式燃焼
器のための改良された燃焼調製領域の構造に関するもの
である。

従来技術による典型的な燃焼タービンは、一般に、３つ
の部分即ち圧縮機部分と、燃焼器部分と、タービン部分
とから成っている。圧縮機部分に導かれた空気は圧縮さ
れてその温度及び密度が上昇する。圧縮機からの圧縮さ
れた空気は、燃焼器部分を通つ【流れ、そこで更に昇温
する。加圧された高温のガスは燃焼器部分からタービン
部分に流入し、そこで膨張するガスのエネルギーがター
ビン回転子の回転連動に変えられる。

実温的な圧縮機部分は、燃焼タービンの円周の回りに環
状列に配設された複数の燃焼器を備えている。従来の燃
焼器技術によれば、圧縮機部分から流れる加圧ガスは、
タービン部分に移行する前に、燃焼器中において拡散炎
により加熱される。拡散炎技術によれば、燃料は、燃焼
器の上流側端部にノズルにより噴射される。火炎は強力
な空力的再循環によりノズルの直ぐ下流側のところで保
持される。燃料が充分に混合されないと、高燃料濃度の
ポケットが発生し、これらのポケットでは、それに対応
した約弘！　００’Ｒという高温の燃焼反応が行なわれ
る。

反応温度が高いため、燃焼反応からの高温ガスを下流＠
において、約７０００Ｈの冷めたい空気により希釈し、
下流側にあるタービン部分の諸装置に対する損傷を防止
することが必要になる。

また入夫拡散技術は、ＮＯＸ及びＣｏ　　を含む望まし
くない化合物な＾レベルで含有する排出物を発生させる
。

環境についての関心が高まると共に、ＮＯｘ及びＣｏ　
　Ｋ対する排出基準はより厳しくなりＣＪｊす、それに
対応して、改良された燃焼器技術の開発が進められてい
る。その１つは予混合士気化緩の燃焼器である。この型
式の燃焼ｌＢｋよれば、燃料は、燃料調製領域に噴射さ
れてそこで充分に混合され、あらゆる箇所で平均濃度の
明確な限度内にある均質な濃度にされる。また成る量の
燃料は燃料調製領域において気化される。

燃料の燃焼は燃料調製領域の下流＠において生ずる。燃
料調製領域において燃料浸度が実質的に一様な値になる
ため、ｔｏｖ＊　Ｃ（コｏｏｏＦ）からｔｂｓｔＣ（３
ｏｏｏＦ）の範囲に限定された一様な反応温度が得られ
る。燃焼が一様に且つ完全になされるため、予混合士気
化製の燃焼器によって発生するＮＯｘ及びＣｏ　　のレ
ベルは、同じ量の燃料を用いた従来の燃焼器に比べ低下
する。

□ 今日まで、予混合士気化層の燃焼器は、一般に重油燃料
ではなく、ムコ燃料油のようなきれいな燃料油を燃料と
して用いている。きれ〜翫な燃料油の特徴は、灰分及び
窒素の含有量が少なく、沸点も低いため、常温において
作動する燃料調製領域において容易に気化されることで
ある。重油はその使用に通常付随する問題のために一般
には用いられない。

重油の４１黴は、その比較的長い炭化水素鎖の自己点火
時間が短かいことであり、そのためぎれいな油に比べて
逆火が重油の場合により大きな問題となる。逆火とは燃
焼箇所から燃料調製領域への燃料の逆伝播である。燃料
調製領域の火炎の存在を是正しないままにしておくと、
タービンの運転を止めて燃焼器の修理又は交換を行なわ
ねばならない１度に、燃焼器が損傷を受けるであろう。

重油を完全に気化させることは重油の沸点が高いため、
屡々非実用的である。

また燃焼前に重油を充分に混合させると、燃料調製領域
の周壁上に多量のコークスが通常付着する。燃焼器壁に
コークスが付着すると、流れが妨害され、燃焼器内のガ
ス流の様式が不整になり、燃焼器の作動が不能になる。

他方では、燃焼前に重油を混合させなかった場合、燃料
濃度が不均一になり、その結果として反応温度が非常に
高くなり、燃焼器のｍｕ素％に触媒燃焼器の場合にはそ
の触媒９！累ないし触媒エニットが時に損傷を受ける。

このように、従来技術による燃焼器は、重油燃料を巧妙
に利用し得る予混合士気化型の燃焼器に対する要求を満
たしていないと考えられる。

上述した問題のために従来は広く用いられなかった重油
燃料は、別のエネルキー源として有用である。

本発明による燃焼タービン装置のための燃焼器は、圧縮
機排ガスの流入を許すための複数の通孔を有する囲いな
いしはバスケットと、燃焼開始前に燃料を混合させ気化
させるために少なくとも１つの上記通孔の下流側に配設
された混合領域と、該混合領域の下流側端部において上
記囲い中に配設された燃料噴射装置と、燃料混合物の燃
焼を維持する燃焼維持装置を有する燃焼領域とを備え【
いる。燃料噴射装置を下流側に配設したことＫより、燃
焼器壁へのコークスの付着が減少し、燃焼開始前におい
て燃料混合物が燃焼器中に滞留する時間が短くなる。多
重噴射ポイントの燃料噴射装置を用いることにより、そ
のために用意された短い間隔においての燃料混合が最大
になる。燃焼は火炎によっても触媒によってもよく、燃
焼を触媒によって行なわせる場合には、触媒ユニットは
、燃料濃度の不均衡による損傷の可能性を少なくするた
めＫ。

好ましくは一つの部分により形成される。

第１図には、燃焼タービン装置の燃焼器及びその制御装
置が暗示されている。タービン燃焼装置即ち一般に円筒
状の触媒燃焼＠Ｒ１０は、検数の同様の燃焼器（図示し
ない）と組み合わされ、図示しないタービン入口に矢印
ｌコにより示すように高温の動力ガスを供給する。燃焼
器ｉｏは、それを通って流れる燃料空気混合物の触媒燃
焼（酸化）を維持する燃焼維持装置、即ち触媒エニツ）
／４Ｉを備えている。

燃焼器１０は、コ次燃焼弁１７から燃料例えば燃料油が
ノズル／ＡＫより噴射される領域である燃料調製領域／
ｌを有し、ここは、触媒工；ツ）／ｆに流入するととに
備えた燃料と空気との混合が行なわれる混合領域である
。触媒反応のために必要とされる燃料空気混合物の温度
、例えばゲコクＣ＜ｔ００Ｆ’）は、具部的には、燃焼
置網の外部の囲まれたスペースから燃焼器ｉｏＫ供給さ
れる圧縮機排ガスの温度例えばＪ７コＨ（７００Ｆ）よ
りも高い。供給空気温度の不足は典型的な場合には始動
時及び低負荷運転時において最大になる。

１火燃焼領域ｉｔはそのために燃焼器ｉｏの内部の燃料
調製領域／／の上ｖ１．側に配設されている。ノズル装
置−〇は１次燃料弁ココから１火燃焼領域ｉｔに燃料を
噴射するために配設されており、との１次燃焼領域では
、燃焼器壁部の通孔を介しＪ−インケーシング中の９所
から領域１ｔｒ１ｃ入る１次空気によって普通の火炎燃
焼が維゛持される。

そのため高温ガス流が燃料１ｌｉＩ製領域／／に供給さ
れ、そこで燃料空気混合物と混合され、適切な触媒ユニ
ットの作動を可能にするに足る高温に加熱された燃料混
合物が形成される。この構成によれば、触媒ユニットに
おいて燃焼するようにノズル装置１６により噴射される
燃料は、２次燃料流である。この２次燃料流は２次空気
及び１次燃焼生成物と混合される。これらは触媒ユニッ
トに入るために必要なレベルまで混合物の温度を高める
のに必要な予熱を与える。

なお、本発明の原理に従５＃＃成を有する燃焼器は、こ
こに説明する触媒構造に限定されない。

本発明の原理に従う構成を有する他の燃焼器には、ガス
流を予熱するための１次燃焼領域をもたない触媒燃焼器
及び非触媒燃焼器が含まれる。

本発明の原理に適合した構成の非触媒燃焼器は、燃料−
空気混合のために燃料を燃料調製領域に噴射するための
ノズル装置を備えている。燃料−空気混合物の燃焼は、
保炎器又は燃料調製領域の下流＠にある燃焼領域中の開
放部分において生じ、高温のガス流が形成され、タービ
ン入口に供給される。以下の説明は明らかに触媒燃焼器
に向けられるが、非触媒製の燃焼器にも同様に適用され
る。

第７図の燃焼器ＩＯについて説明した原理を具体化する
触媒燃焼器３０の詳細な構造を第一図に示す。燃焼器３
０は高温の燃焼生成物を生成させ、その生成物は固定子
羽根３１を通過してタービン羽根（図示しない）を駆動
する。複数の燃焼器３ＱはタービンケーシングＪ２中１
１Ｃおいて回転子軸の回りに配設され、タービンの駆動
に必要な高温の全ガス流を供給する。

燃焼器３０は、本発明の原理に従って、燃焼バスケット
ｌθと、触媒ユニット３番と、移行ダクトＪｔとを備え
ており、高温ガスはその移行ダクト３ｇより環状スペー
スに向けられ、更にその環状スペースを通り、タービン
羽根の方に向けられる。燃焼器ＪＯはバスケット参〇の
内部に、符号３４！により示すように、燃料調製領域を
更に備えている。

燃焼器１０の燃料調製領域をｗ＆３図に断１１により示
す。燃料調製領域Ｊｌはその下流側端に燃料噴射装置４
Ｉりを備えている。従来の燃焼器の場合のように燃料調
製領域Ｊ亭の上流側端部にでなくその下流側端部に燃料
噴射装置ダダを配設したことにより、重油を燃料とした
燃焼器においてその性能及び信頼性が改善される。

予混合部分は、燃料噴射装置と固定の混合構造体との間
の開放スペースであり、混合構造体は保炎器でも、触媒
要素でも、また別の混食−ａｗｅ体でもよい。重油−料
を予混合部分に導くと、燃料調製領域の壁に多量のコー
クスが付着してガス流を阻害し、燃焼器の作動を不能に
する。

噴射装置４Ｉダを下流側に配設すると、燃料調製領域、
？４Ｉに燃料混合物が滞留する時間が短くなる。滞留時
間が短くなると重油燃料によるコークスの付着が少なく
なり、更に燃料の噴射と点火との間の期間が短くなるた
め、自己点火又は逆火の可能性も減少する。

燃料噴射装置４Ｉりを下流＠に配設すると、燃焼前の燃
料混合物の混合度が低下するため、燃料濃度の不平衡に
関連した問題が起こり得る。

この問題を最小にする一つのアプローチは、噴射直後に
実質的な燃料の混合が得られるよ５　Ｋ。

多重噴射ポイント式の燃料噴射装置参参を用いることで
ある。多重噴射ゼイント雛の一形式の燃料噴射装置の構
造を第Ｊ、参図に示す、スプレーパー麗として知られる
別の形式の多重噴射ポイント瀝の燃料噴射装置は、本出
願人の係属中の米国特許願に記載されている。

第３、参図に示すように、燃料噴射装置４Ｉ亭は、燃焼
器における流れ！−の軸と平行に配設された複数の切願
円錐形構造体グーを備えている。燃料は、各構造体参６
の小径端面の通孔ｊ。

を経て突出する給送管ｌｆを通って噴射され、その際に
、通孔！Ｏを通る空気流ｊＪＫより１□ 化される。空気流は通孔ｊＯにより加速されるため、給
送管ａｔにより噴射される燃料は実質的に気化されると
共に混合される。

燃料を給送する給送管４Ｉｇは、燃料マニフオルド例え
ば外部燃料マニフオルド１＋及び内部燃料！ニフオルド
ｊ６（これらのマ二フオルドは互に同心状に配設される
）からの燃料を供給する。単一の燃料供給配管！ｔは燃
料弁（１１７図のλ次燃料弁／？）から二重のマニフオ
ルドｓ４Ｉ、ｓｂに燃料を供給する。このように噴射装
置＄４１１の構造を適切に定めることＫより、噴射装置
ダ亭を下流側に配したこと−の潜在的に有害な作用が低
減され、予混合−士気化燃焼器においズ重油燃料を使用
できるようになる。

噴射装置４Ｉダの下流側に配設した触媒ユニツ）、７４
（＃ｉ−図）Ｋも、燃料空気混合物の不完全な混合によ
る問題が起こり得る。不完全な燃料混合による高燃料濃
度のポケットは、その温度に対応する比較的＾い温度に
反応する傾向を示し、その温度は、従来技術による典型
的な燃焼器の拳−の触媒ｌ！素が損傷なく耐え得る最高
温度を超過することがある。

本発明の燃焼器の触媒ユニットは、触媒二ニットの損傷
のリスクを最小にするために、２つの部分に分けた構造
になっている。この構造においては燃料空気混合物は第
１触媒部分６０では単に部分的に反応するに過ぎないた
め、反応温度は、触媒ユニットの限度内にとどまってい
る。第７触媒部分６０と第コ触媒部分４Ｉｌとのλ 間のスペース６撫は、第コ触媒部分４学中におい【燃焼
が完了する前に燃料の完全な混合を可能にする。触媒ユ
ニットを＃１ノ、第コ触１ｓ部分から成る複式構造とし
たことにより、燃料の不完全混合に対する触媒ユニット
の感度が低下し、重油を燃料ｄ　る予混金子気化燃焼器
の性能が更に改善される。触媒ユニットの評細な構造及
び性質は従来技術においてよく知られており、と 本発明による燃焼器の作動に怠って重要ではない。

触媒ユニットを第１．第コ触媒部分から成る構造とする
代りに、触媒ユニットの外ｌ１ｉｌＲ状部を、それを通
る燃料空気混合物に乱流を誘起させる構造としてもよい
。これは乱流及びそれによる燃料の混合を確保するよう
に触媒ユニットの直径をその長さに沿い変化させること
により達成される。

非触媒燃焼器においては、第５図に立面図で示した保炎
エニン）７ｏを触媒ユニットＪ６の代りに燃焼維持装置
として用いてもよい。保炎ユニット１０は、球形などの
任意の形状の保炎器７．２と、タービン制御部（図示し
ない）からの指令に応答して燃焼反応を開始させるため
の点火装置クダと、点火装置７４１と保炎器７コとを連
通させ且つ保炎器り一を構造的に支持するための点火管
り６とを備えている。以上に一般的に説明した保炎エニ
ン）７ｏの構造は従来技術において周知である。なお保
炎ユニット１０は、以上に説明した本発明の燃焼器の特
性に適合したものとする。

不完全に混合された燃料空気混合物が保炎ユニット７０
に流入した場合、触媒ユニット３４の場合のような保炎
ユニット７０に対する損傷のおそれは存在しない。適切
な構造の保炎器は本来流れを妨害するもので、その空力
特性により、充分にかき混ぜられた反応領域が形成され
る。そのため高燃料濃度のポケットは、保炎器ツーによ
り充分Ｋかき混ぜられる。更に保炎器７コの上流側にお
いての低レベルの混合度は、逆火を防止することにより
燃焼反応を安定化させるように作用する。従って本発明
の原理は、触媒燃焼器だけでなく、非触媒燃焼器にも適
用され、これらの両方の燃焼器のどちらをも重油燃焼に
より稼動され得るようにする。

【図面の簡単な説明】

第７図は本発明の原理に従いガスタービンを作動させる
ようにした触媒燃焼器を示すブロック線図、第一図は第
１図のブロック線図に示すように配列した触媒燃焼器を
示す立面図、第３　　　　′図は本発明の原理に従って
配列した触媒燃焼器を示す断面図、第′−図は第３図の
燃焼器のＩＶ　−■線断面図、第３図は第３図の燃焼器
の一部の変形を示す部分的な配列図である。 １０．３０・・・燃焼器、／／、Ｊ４Ｉ・・・燃料調製
領域維持装置）、Ｊト・・移行ダクト、亭０・・・燃焼
ノ（スケット（囲い）、参ダ・・・燃料噴射装置、７０
・・・保炎ユニット（燃焼維持装置）。 出願人　　　　ウエスチングハウス・エレクトリック・
コーポレーション

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 タービンを駆動するべく圧縮機排ガスを加熱するために
   用いる燃焼タービン装置の燃焼器であって、 燃焼反応を閉じこめるための囲いを有し、該囲いは大体
   円筒形であり、上流側端部の方に貫通する複数の通孔を
   備え、該囲い中に流入し皺囲いの下流＠開放端部な経て
   タービン入口への移行ダクト中に排出される圧ａｉｍ排
   ガスがそれらの通孔を介して流入し得るようにし、該囲
   いの少なくとも１つの上記通孔の下流側Ｋｊｄいて、上
   記囲い中に配設された、燃焼前に燃料を上記排ガスに混
   合させて気化させるための混合領域と、 上記囲い中のガス流に燃料を噴射して燃料混合物を形成
   するために上記混合領域の下流側端部に配設された燃料
   噴射装置と、 上記混合領域の下流＠において上記囲いの中に配設され
   、上記燃料混合物の燃焼を開始させ維持するための装置
   を備え、上記移行ダクトに流入するガスの温度を上昇さ
   せる燃焼領域と、を有し【成る燃焼タービン装置の燃焼
   器。