JPS6042290Y2 - 定置型ガスタ−ビンの触媒燃焼装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は定置型燃焼タービンに関し、特に、タービン運
転がＮｏ、放出物が少量であることを特徴とするように
かかるタービンにおいて触媒燃焼を行なう技術に関する
ものである。

ＮＯ８放出物の限界を超えずに発電を行なったり或は工
業プロセスを遂行する燃焼タービンを提供するため、幾
多の計画が今まで開発されてきた。

触媒燃焼は約１２６０℃〜１３７１°Ｃ（２３００°Ｆ
〜２５００°Ｆ）で起きて、窒素と酸素間の反応により
何ら実質的に付帯的なＮＯｘ発生作用を伴うことなく、
あるタービン運転効率についてタービン入口温度を高く
することができるので、触媒燃焼の使用は有望な解決手
段である。

反対に、約２５９３°Ｃ（４５００’Ｆ）での通常の火
炎燃焼によると、ＮＯ８の発生がカリフォルニア州や日
本のように規制の厳しい地域で設定された限界を一般に
超えてしまう結果になる。

通常のタービン燃焼プロセスにおいては、多数の燃焼器
バスケットの上流側にある１つ又はそれ以上のノズルか
ら供給される燃料の燃焼を維持するために、圧縮機の排
出空気を高温度で供給する。

燃焼生成物はダクトを経てタービンブレードに導かれる
。

触媒燃焼を起こすには、燃料及び空気を混合し、その混
合物を、触媒ユニットで用いた触媒の化学的特性によっ
て決まる高温度で前記触媒ユニットの１次側に供給しな
ければならない。

また、燃料と空気の混合に使用される圧縮機排出空気の
温度は、全てのタービン設計の要因に基づいて決定され
る圧縮機の圧縮比に依拠している。

どんな特定の圧縮機設計についても、圧縮機の排気温度
は始動モード及び負荷運転モード中のタービンの動作点
にも依拠している。

一般に、タービン速度又は負荷が増大する時、圧縮機の
排出空気温度は上昇する。

従って、触媒燃焼プロセスを燃焼タービンに適用するに
際しては、圧縮機の排出空気が触媒反応に必要な最低温
度よりも低い温度で供給されるようにタービン装置を機
能させる必要がある。

既知の先行技術のうちでは、米国特許第３９２８９６１
号及び第４１１２６７５号明細書が種々限界はあるがこ
の必要性に注目しているようである。

従って、本考案の目的は、この先行技術の欠点を超克す
ることを狙った定置型ガスタービンの新規な触媒燃焼装
置を提供することである。

この目的から、本考案による触媒燃焼装置は、管状の側
壁を有すると共に、１次燃焼領域、及び該１次燃焼領域
の下流側の２次領域を画定する燃焼器バスケットと、１
次燃焼領域における燃焼のため燃料を供給する１次ノズ
ル装置と、触媒反応を受けるのに十分なように混合され
且つ加熱された燃料と空気の混合物を燃焼器バスケット
の出口に供給するべく、１次燃焼生戒物の流れと混じる
ように燃料及び空気を２次領域に噴射する２次噴射装置
とを備え、前記燃焼器バスケットの側壁は、１次燃焼領
域の出口の横断面が１次燃焼領域出口より上流の１次燃
焼領域における横断面と少なくとも同じ程度の大きさを
持つように、１次燃焼領域に沿って形成されており、前
記燃焼器バスケットは下流側にディフューザ端部を有し
、このディフューザ端部の側壁が燃料噴射面からバスケ
ット出口までの全２次領域での燃料と空気の混合のため
の拡開通路を画定しており、また、触媒ユニットと、前
記燃焼器バスケットから出口流を受けるため前記ディフ
ューザ端部に対して前記触媒ユニットを支持する装置と
、前記１次ノズル装置及び２次噴射装置に所定の同調方
法で燃料を供給する装置とを備え、ディフューザ端部の
下流側壁端部分は外側に開く朝顔形の形状を有していて
、該形状により、前記触媒ユニット及び前記側壁端部分
をタービン設計運転条件下で協働させて高温ガス流に触
媒ユニットからの背圧を加え、その結果生ずる流力によ
り該ガス流を朝顔形の前記形の前記側壁端部分に向かっ
て流して、乱流層の生皮を防いでおり、前記２次噴射装
置が、２次燃料噴射面において前記燃焼器バスケットの
側壁回りに円周方向に隔置された複数の２次ノズル装置
と、前記２次ノズル装置の各々に接続され２次燃料組体
を形成する燃料通路と、前記２次燃料組体の各々をター
ビンのケーシングに対して装着する装着装置と、関連し
た装着装置がケーシングから外されたときに、各２次燃
料組体がケーシングから取り外せるように、前記２次燃
料組体の各々を前記燃焼器バスケットに関して解放可能
に支持する装置とから構成されている。

次に、本考案の好適な実施例を添付図面について説明す
ると、第１図に示されたタービン即ち大体円筒形の触媒
燃焼装置１０が複数の同様の燃焼装置（図示しない）と
関連していて、高温動力ガスを符号１２で示すようにタ
ービン（第１図には示していない）の入口に供給する。

燃焼装置１０が有する触媒ユニット１４は、同ユニット
を流れる燃料と空気の混合物が触媒燃焼（酸化）するの
を効果的に支持するよう確実に分布した触媒表面積を持
つ慣用の一体的触媒構造を含むのが好適である。

一般的には、触媒構造はガスの流れ方向に通路があるハ
ニカム構造である。

燃焼装置１０には、燃料弁１７からの油のような燃料を
ノズル１６により噴射される領域１１があり、触媒ユニ
ット１４に入る前にこの領域で燃料と空気との混合を生
じさせる。

効率的且つ効果的な触媒反応のためには、噴射燃料の好
ましくは８０％〜９０％の気化を伴うのが適切な混合で
ある。

一般に、触媒反応に必要な燃料と空気の混合温度（例え
ば４２ＴＣ＝ ８００°Ｆ）は燃焼装置外側の囲繞空間
から燃焼装置に供給される圧縮機排出空気の温度（例え
は３７２′Ｃ＝７００′Ｆ）より高い。

代表的な場合の空気供給温度の不足は始動時及び低負荷
運転時に最も多い。

従って、燃焼装置１０内の燃料調整領域１１（２次領域
）の上流に１次燃焼領域１８が設けられている。

ノズル２０によって１次燃料弁２２からの燃料が１次燃
焼領域１８に噴射され、燃焼装置壁にある開口を経てタ
ービンケーシング内の空間から１次燃焼領域１８に入る
１次空気によって通常の火炎燃焼が維持される。

その結果、高温のガス流が燃料調整領域１１に流れて、
その中の燃料及び空気の混合物と混じり、十分に高温の
加熱燃料混合物を造って、触媒ユニット１４の適切な作
動を可能にする。

上記の配列において、触媒ユニットにおける燃焼のため
ノズル１６から噴射される燃料は２次燃料流であって、
これが２次空気と、そして、触媒ユニットに入れるのに
必要なレベルまで混合物の温度を上昇させる予熱を行な
う１次燃焼生皮物と混合される。

この触媒燃焼装置は一般に慣用のアナログ又はデジタル
コンピュータ、即ちデジタル／アナログ式速度及び負荷
制御器２４によって制御される。

この制御器２４が、慣用の電子空気式１次、２次燃料制
御器２６．２８を介して１次燃料弁２２及び２次燃料弁
１７をそれぞれ操作する。

制御器２４は、１次燃料系を操作するように配置して、
始動の際に並びに、同期の後、所定の負荷レベルまでの
負荷上昇の際にだけ１次燃焼を通じてタービンの作動を
開始させるのが好ましい。

従って、制御器２４により２次燃料流が開始されるとき
に、１次燃料が削減されて１次燃焼が弱まり、主に触媒
燃焼によりタービンの付勢が行なわれる。

高負荷触媒燃焼の運転モード中、１次燃焼は低レベルで
起こり、前述したように２次燃料と空気の混合物の予熱
を行なう。

更に、触媒作用がタービンの運転時間の経過に伴って低
下するので、これを補償する１次燃焼の増加が制御器２
６及び２８における適切なオフセット調節を通じて開始
される。

■次燃料弁及び２次燃料弁の同調操作については後から
説明する。

始動／低負荷の運転モード中、１次燃焼は、触媒燃焼運
転を持続するのに十分な動力ガス温度となる点までター
ビン運転を行なうのに必要な付勢力をタービンに与える
。

高負荷の運転モード中、燃料の流量は増加するが、総燃
料の若干部分だけが１次燃焼の燃料として供給され、残
りの燃料は触媒燃焼の２次燃料として供給される。

また、２次燃料と空気の混合物の予熱を行なうのに使用
した比較的少量の１次燃料の燃焼による高負荷運転モー
ド中のＮＯ８の放出量は従って最も制限的な放出量限界
より十分に低い。

第２図及び第３図において、第１図の燃焼器１０につい
て説明した原理を具体化した触媒燃焼装置３０が構造的
に詳細に示されている。

従って、燃焼装置３０は高温燃焼生成物を発生し、これ
が固定子羽根３１を通過してタービン回転子羽根（図示
しない）を駆動する。

このような燃焼装置３０がタービンケーシング３２内で
回転子軸の回りに複数配置されていて、タービンを駆動
するのに必要とされる全高温ガス流量を供給する。

燃焼装置３０は燃焼器バスケット４０と、触媒ユニット
３６と、中間ダクト３８とを含み、この中間ダクト３８
によって高温ガスが環状の空間に案内され、高温ガスは
この環状空間を通過してり−ビン回転子羽根に向けられ
る。

ボルト４２によりケーシング３２に装着された燃焼器バ
スケット４０は１次燃料ノズル４４及び複数（６個）の
２次側壁燃料ノズル４６を備えるのが好ましい。

１次燃料ノズル４４（保修のため容易に脱着可能）から
供給された燃料は、側壁にある開口４８からバスケット
４０に入って１次燃焼を支持する空気と混合され、１次
燃焼領域５０において燃焼器タービンを駆動するか或は
下流側にある燃料と空気の混合物を触媒反応に要求され
るレベルまで予熱する高温ガスを供給する。

この実施例では、１次燃焼を支持する空気は１次燃料ノ
ズル４４を取り囲んで同心に配置された過流器５２を通
ってバスケット４０に入る。

希薄空気は主に開口４９から１次燃焼領域５０に入る。

従って、１次燃焼領域５０の長さは、１次燃焼生皮物を
希薄空気と混合するのに必要とされる空間の前にある、
１次燃焼に必要な空間を提供するのに十分なものである
。

１次燃焼領域の側壁は、段の付いたスペーサバンドによ
って伸縮自在に互いにしつかり保持された複数の側壁リ
ングから通常のように構成されている。

従って、スペーサバンドは隣接する側壁リング間に環状
のスロットをもたら腰このスロットを空気が通って側壁
リングの内面を冷却する。

その結果、１次燃焼領域の横断面積は下流方向において
若干増大する。

１次点火は１つ又はそれ以上の燃焼装置３０にある管３
５内のスパーク点火器によって行なわれる。

符号３７で示す横断方向の火炎管接続具はその他の燃焼
装置３０を点火するために用いられている。

燃焼装置３０における全燃料燃焼の一部を起すのに通常
のバーナーを補完的に使用することによって、タービン
運転時間の経過に伴う触媒作用の衰えに対して補償する
ことができる。

前述したように、触媒燃焼に対する通常の燃焼の割合は
、全ての高出力運転条件の下で、許容されないＮＯ８ペ
ナルティ−を生ずることなく燃焼に要求される助成を行
なうのに十分になっている。

ガスは燃焼器バスケット４０内を１次燃焼領域５０から
２次（燃焼）領域５４の入口へと下流に流れ、この２次
領域において、２次燃料ノズル４６が１次ガス流との混
合のため、燃料を、好ましくはそれを囲む各空気噴流と
共に側壁の開口５５から噴射面に沿って噴射する。

その結果、バスケット４０の端部を形成する外側に朝顔
形に開いたディフューザ５６を通過する時に、混合物が
膨張する。

次に、混合物は触媒ユニット３６にある触媒反応要素に
入る。

燃焼器への２次空気噴流の適切な貫入は、２次燃料が噴
流によって運ばれるので、燃料の空気の混合の見地から
重要である。

もし貫入が過剰なら、触媒反応要素の中央が余りにも多
くの燃料を受は取り、貫入が少な過ぎると、触媒反応要
素の縁が多過ぎる燃料を受は取る。

最適の混合のためには、最大の貫入を管状燃焼器の直径
の３３％にすべきである。

噴流の適切な貫入があれば、２次燃料の良好な微粒子化
（例えば３０ミクロンの小滴）が燃料の気化を迅速に行
なうための鍵になる。

４２７°Ｃ（８００°Ｆ）まで予熱すれば、３０ミクロ
ンの燃料小滴は噴射面の数ｃｍ（２〜３インチ）以内で
大体完全に気化するが、一般に非常に少ない９０ミクロ
ン位の小滴であっても、触媒反応要素の入口で９９％以
上気化すべきである。

燃焼器バスケット４０における満足すべき混合のために
は、触媒燃焼に必要な通路直径に比較してより小さい通
路直径が要求されるので、ディフューザ５６が採用され
ている。

従って、より小径のバスケットへの２次燃料の噴射によ
って、触媒面を横断する燃料と空気の混合が改良され、
均一性が良好になる。

他方、大径バスケットの使用によって大径触媒反応要素
の使用が可能になり、その結果、触媒反応要素の入口速
度が低下し、圧力降下が減じると共に燃焼効率が改善さ
れる。

ディフューザ５６の形状は高温ガス流の分離を防止する
（即ち、ディフューザ壁近くでの攪流層の形成を防止す
る）ように形成されている。

触媒構造からの背圧はガスの流線をディフユーザ壁まで
拡げると共に攪流層の成長を防止するのに必要な力を与
える。

換言すれば、ディフューザ端部の下流側壁端部分は外側
に開く朝顔形の形状を有していて、該形状により、前記
触媒ユニット３６及び前記側壁端部分をタービン設計運
転条件下で協働させて高温ガス流に触媒ユニットからの
背圧を加え、その結果上ずる流力により該ガス流を朝顔
形の前記側壁端部分に向かって流して、乱流層の生皮を
防いでいる。

触媒反応要素及び燃焼器バスケット４０を保護するため
、燃焼装置は、２次燃焼領域即ち２次燃料調整領域５４
におけるガス状混合物（この場合４２７’Ｃ＝ ８００
°Ｆまで予熱される）の滞留時間が１次燃焼領域５０か
らの点火遅延時間より短いように作動する。

このようにして、火炎は触媒反応要素から離れた１次燃
焼領域５０に閉じ込められる。

従って、２次燃料噴射面は、適切な燃料混合（触媒面に
交叉する方向に実質的に一様）と触媒の調整とを可能に
するのに十分ではあるが、燃料と空気の混合物が２次燃
焼領域５４を横断して触媒反応要素に入る前に自動点火
するのを可能にする臨界距離より小さい成る距離だけ、
触媒面から離れている。

通常、自動点火を避けるため燃料と空気の混合物は数ミ
リ秒以内に２次燃焼領域５４を横断する。

２次燃料ノズル４６は燃焼器の側壁から外側へ所定の間
隔をもって支持されるのが好ましい。

この場合、２次燃料ノズルには角度が付いていて、所定
の拡がり角度を持つ燃料噴射を横断方向に向けるように
なっている。

各ノズル４６は、外側の管状空気通路６２内に同心に支
持された管状の燃料供給通路６０に接続する（第５図参
照）。

空気通路６２は、燃焼器バスケット４０の側壁に取り付
けたブラケット６５を含む滑動レール装置６４により支
持する（第４図参照）。

可撓性の接続具６９（第３図）は燃料ノズル組体を長手
方向に延長さける。

空気通路６２はそのケーシング入口側端部で装着板６６
により支持されており、スリーブ７０のフランジにこの
装着板６６を符号６８で示すようにボルトで締め付ける
。

スリーブ７０はタービンケーシング３２に適当に固定さ
れており、従って、スリーブ７０は燃料ノズル組体をケ
ーシング３２内の空間に延入させる開口を提供する。

従って、装着体６３がレール装置のブラケット６５を自
由に滑動できるように単にボルト６８を外し、最初に管
状の組体を滑動させ、次に該組体がタービンケーシング
から外れるまでこの組体を滑動し続けることによって、
全ての２次燃料組体を補修のため容易に取外すことがで
きる。

空気通路６２を燃料供給通路６０の周りに設けたことに
よって、燃料が下流の２次燃料噴射ノズルへ運ばれる時
にこの燃料を空気冷却することができる。

空気冷却を行わない場合よりも低い温度で２次燃料噴射
ノズルに２次燃料を供給することによって、自動点火温
度まで噴射燃料を昇温させるのに要する時間が長くなる
結果、２次燃焼領域５４における自動点火に対する保護
を増すことができる。

また、冷却空気は開口５５を通って２次燃焼領域５４に
噴射される時に、燃料を燃料霧の状態まで微粒子化する
。

付加的な空気噴流は開口５５においてノズル流と一緒に
なり、２次燃焼領域５４における燃料と空気の所望の割
合（希薄であることが好ましい）を遠戚するのに必要な
空気を与える。

このような空気噴流の量を変えるために開口の大きさと
ノズルの配置とを変えることができる。

触媒反応要素の直径は、受入れ可能な圧力損失での放出
物の完全バーンアウトに対する最大許容基準ガス速度に
よって主に決定できる。

ガス速度が大きくなればなる程、触媒層を長くする必要
があり、放出物が多くなる。

放出物の完全バーンアウトに必要な物質移動単位は層流
における規準速度の平方根に逆比例するが、物質移動速
度に対する規準速度の影響はチャンネルにおけるレイノ
ズル数の増大に連れて減少する。

従って、乱流においては、最大許容規準速度は圧力損失
の制限によって限界が定められる。

しかし、作動可能領域についての規準速度の低限界を規
定する境界は燃料調整領域における逆火の問題を考慮す
ることによって決定しうる。

触媒反応要素は容器を有し、その中に触媒ハニカム構造
が適当な手段によって通常通りに支持される。

触媒の特性は次の通りである。前述した態様で触媒燃焼
装置３０を作動させれば、高温動力ガスは実質的に窒素
の酸化物なしに且つ１２０４℃（２２００°Ｆ）を超え
る効率的な作動温度でタービン入口に供給される。

次表に示すように、始動モードで１次燃焼が起こり、そ
して初期負荷の間に４７％までの負荷に達する。

このとき、制御器は２次燃料弁を作動させ、１次燃料の
供給を削減させる。

更に負荷が増大した場合には２次燃料の増大によって対
処する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の好適な実施例に従って定置型ガスター
ビンを運転するように配設された触媒燃焼装置のブ冶ツ
ク図、第２図は第１図に示した触媒燃焼装置の立面図、
第３図Ａ及びＢは第１図の触媒燃焼装置の拡大図、第４
図は第３図Ａの線■−ＩＶに沿って示す２次燃料ノズル
取付構造の拡大断面図、第５図は第３図Ａに示した２次
燃料ノズルを通る垂直断面の一部を示す図である。 １０・・・・・・燃焼器（燃焼装置）、１１・・・・・
・２次領域、１４・・・・・・触媒ユニット、１６・・
・・・・２次ノズル、１８・・・・・・１次燃焼領域、
２０・・・・・・１次ノズル、３０・・・・・・燃焼装
置、３２・・・・・・ケーシング、３６・・・・・・触
媒ユニット、４０・・・・・・燃焼器バスケット、４４
・・・・・・１次ノズル、４６・・・・・・２次ノズル
、５０・・・・・・１次燃焼領域、５４・・・・・・２
次領域、５６・・・・・・ディフューザ、６０・・・・
・・燃料通路、６４・・・・・・滑動レール装置、６６
・・・・・・装着板。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 管状の側壁を有すると共に、１次燃焼領域、及び該１次
   燃焼領域の下流側の２次領域を画定する燃焼器バスケッ
   トと、１次燃焼領域における燃焼のため燃料を供給する
   １次ノズル装置と、触媒反応を受けるのに十分なように
   混合され且つ加熱された燃料と空気の混合物を燃焼器バ
   スケットの出口に供結するべく、１次燃焼生戊物の流れ
   と混じるように燃料及び空気を２次領域に噴射する２次
   噴射装置とを備え、前記燃焼器バスケットの側壁は、１
   次燃焼領域の出口の横断面が１次燃焼領域出口より上流
   の１次燃焼領域における横断面と少なくとも同じ程度の
   大きさを持つように、１次燃焼領域に沿って形成されて
   おり、前記燃焼器バスケットは下流側にディフューザ端
   部を有し、このディフューザ端部の側壁が燃料噴射面か
   らバスケット出口までの全２次領域での燃料と空気の混
   合のための拡開通路を画定しており、また、触媒ユニッ
   トと、前記燃焼器バスケットから出口流を受けるため前
   記ディフューザ端部に対して前記触媒ユニットを支持す
   る装置と、前記１次ノズル装置及び２次噴射装置に所定
   の同調方法で燃料を供結する装置とを備え、ディフュー
   ザ端部の下流側壁端部分は外側に開く朝顔型の形状を有
   しており、前記２次噴射装置が、２次燃料噴射面におい
   て前記燃焼器バスケットの側壁回りに円周方向に隔置さ
   れた複数の２次ノズル装置と、前記２次ノズル装置の各
   々に接続され２次燃料組体を形成する燃料通路と、前記
   ２次燃料組体の各々をタービンのケーシングに対して装
   着する装着装置と、関連した装着装置がケーシングから
   外されたときに、各２次燃料組体がケーシングから取り
   外せるように、前記２次燃料組体の各々を前記燃焼器バ
   スケットに関して着脱可能に支持する装置とから構成さ
   れている、定置型ガスタービンの触媒燃焼装置。