JPS62147222A

JPS62147222A - ガスタ−ビン

Info

Publication number: JPS62147222A
Application number: JP61299817A
Authority: JP
Inventors: ピーター・ジョン・デーヴィッドソン; エイオン・ターンブル; デーヴィッド・トーマス・グレイ
Original assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Current assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Priority date: 1985-12-17
Filing date: 1986-12-16
Publication date: 1987-07-01
Also published as: GB2184226A; GB2184226B; GB8628820D0; GB8530984D0

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】本発明は、ガスタービンに関し、特に燃料と遊離酸素す
なわち空気とから成るガス混合気が触媒燃焼室の中で燃
焼し、その結果として熱ガス蒸気がタービンを駆動する
型式のガスタービンニ関するものである。このようなガ
スタービンにおいて、燃焼触媒は、燃焼温度に耐えるこ
とのできる不活性の支持部材上に配置された白金のよう
な活性金属から成っている。その支持部材は通常モノリ
シックセラミックのハニカムまたは蜂の梁構造である０ガス混合気は、触媒を運ぶ峰の梁構造の通路を介して貫
通し、燃焼反応が生じ、その結果としてガス蒸気の温度
や蜂の梁構造の温度が上昇する。

与えられた構成のガス混合気や入口温度のために、蜂の
梁構造を介するある距離において温度の急上昇は、ピー
ク温度に達するまで生じる。そのうちガス混合気の温度
は、近似的に一定あるいはわずかに下るところ、でとど
まる。モノリシックな蜂の梁構造の通路を貫通する長さ
は、要求される最大のガス流量比において、通路の出口
にガスが到達する前にピーク温度の範囲に確実に達する
ように設計される。この方法において、触媒の活性が年
月とともに低下するにつれて、ピーク温度範囲は、通路
出口の方に移動する。ガスの入口温度が高くなれば勿論
通路入口はピーク温度範囲に近づくことになる。ガス混
合気の１つまたはそれ以上の要素は、触媒燃焼室の中で
予め完全に圧縮され、このような圧縮は入口温度を加熱
するのに効果的である。この場合、タービンより放出さ
れる流出ガスと熱交換することによって、圧縮の前後に
、ガス混合気または一以上の要素を予熱することも好結
果につながるかもしれない。

直面する１つの問題は、要求された燃焼とタービンの満
足な運転を得る１こめの必要な温度全実現するために、
タービンが始動する時不充分な反応が蜂の巣構造内に生
ずることにより充分なガス流量比金剛いられな（なるこ
とである。それ故に、減じられたガス流量比でタービン
を始動することが必要であり、しかも峰の梁構造の加熱
につれて要求されたレベルにガス流量比金体々に上昇さ
せることが必要である。しかしこのことは、急速な始動
を要求するには不便である。代替的または付加的なもの
として、入口温度が上昇するように、ガス混合気の付加
的な予熱を用意することが必要である。

我々は、要求される通常の運転比に近づくガス流量比で
タービンが始動するような蜂の巣構造全考え出し１こ〇本発明によれば、燃料及び遊離酸素を含むガスから成る
予熱されたガス混合気の燃焼のための燃焼室と、該燃焼
室が、均一な断面構造の通路を介して主要な配列を備え
、しかも上記ガス混合物のための燃焼触媒をその表面に
運ぶモノリシックセラミックから成る蜂の巣構造全有し
ており、該蜂の梁構造が、燃焼触媒金運ぶ補助通路金有
し、６各の補助通路が、主要通路よりも断面積が小さい
ことを特徴とするガスタービンを提供することである。

補助通路全通って通過するガス混合気の比率及びその反
応の結果として、隣接する主要通路を通って通過するガ
ス混合気は、より急速な燃焼音ひきおこすように加熱さ
れる。その結果として、燃焼は、増加したガス混合気の
初期の流量比で始動することができる。

代替または付加的なものとして、補助通路の用意は、一
体的またはモノリシックな蜂の梁構造の全体の量全軽減
することが可能である。補助通路内のガス混合気の燃焼
は、蜂の柔構造の入口範囲に接近する位置において、こ
れらの通路内に実現されるピーク温度を生じさせる。ガ
ス混合気が多（なれば、原則的に通路は、予熱され、蜂
の柔構造の入口に接近する位置においてピーク温度を実
現する。その結果として、蜂の柔構造の長さ及び占有す
る空間量は軽減することができる。

本発明によって要求される補助通路は、主要通路よりも
断面が小さいモノリシックな蜂の柔構造の周囲に生じる
付加的ないくつかの通路である。

このような小さい周囲の通路は蜂の柔構造の結果として
生じ、それは、より小さい断面の通路が、その表面にお
いて、要求された全体的な断面構造全作るような形状や
寸法の主要通路を有する全体的な断面構造として作られ
ている。例えば、蜂の柔構造の全体的な断面構造は円形
であり、これを貫通する主要通路は、例えば蜂の柔構造
の表面においてより小さい通路の正方形の断面であり、
その小さい通路は、円形表面の弓形を有する正方形の主
要通路の交点により生じる。本発明によって要求される
補助通路は、表面の小さい断面の通路の付加的なもので
ある０また本発明の補助通路は、主要通路より小さい断
面金もったい（つかの表面通路の中央に位置している。

蜂の柔構造は、ガス混合気内の燃料の充分な完全燃焼を
生じるような寸法のものである０上記の１充分な完全燃
焼”とは、燃料の燃焼が少なくとも９０％、好ましくは
９５％のものを意味している。多くの場合は、燃料の９
８チの燃焼が要求される。燃焼は蜂の柔構造の内部だけ
でおこる必要はない。例えば燃料の約１０％以上が燃焼
するある種の燃焼は、ガス混合気の温度が蜂の巣構造内
で充分に上昇するならば、蜂の柔構造の下流においても
生じる０軽減された断面積のいくつかの通路全もつ蜂の柔構造は
、自動車が触媒コンバーターを用いているというような
全体的に異なる適用のためではあるが、米国特許第４５
２１５３２号明細書によって提案されている。異なる通
路サイズは、蜂の柔構造の溶融を導くことのできるホッ
トスポラトラ避けるための蜂の柔構造を介して、最大温
度の位置を広げるために使用される。本発明は、小さい
断面の通路を有する補路通路金用意するという原則が、
ガスタービンの早期始動を導くものであるという認識に
もとづくものでいる。

本発明に使用されている蜂の柔構造の中には、異なる断
面寸法のものがある。主要通路と名づけられた大きい通
路あるいは最も大きい通路は、必要な大きさにされ、始
動した後で、タービンが計画されたガス流量比で動作す
る時に、主要通路を通るガス混合気の燃焼は、ガス混合
気が主要通路を通過する前に生じる。一方、寸法は、計
画されたガス流量比における蜂の柔構造を介して圧力の
低下を最小にするように選択される。主要通路よりも断
面の小さい補助通路の提供は、圧力低下全促進し、蜂の
柔構造の長さを軽減するのに効果があり、本発明の結果
として反対に、圧力低下の全体的な減少金ひきおこす補
償的な効果もある。

主要通路に加えて、その主要通路の断面積よりも小さい
断面積の補助通路がある。以下に述べるように、異なる
寸法の補助通路があるが、しかし簡略化のために補助通
路がすべて同じ寸法であるということが、本発明の作用
における以下の記載の中でわかるはずである。

主要通路と比較すると、補助通路は、より大きな表面積
全有し、そのために単一の通過量当りより多くの活性触
媒を有することとなる。ま、た、蜂の柔構造の通路の入
口と出口との間の与えられた圧力差のために、ガスの直
線速度は、主要通路内よりも補助通路内の方が小さく、
ガス混合気は、補助通路内の滞留時間よりも太きい。始
動時の高いガス流量比において、補助通路内のガス混合
気のより大きい滞留時間と、補助通路内の単−通過量当
りの活囲触媒のより大きな量とは、その中で生じるため
の触媒燃焼反応を可能にする。この反応中に生じる熱は
隣接する通路内のガスを加熱する。補助通路は、計画さ
れた動作ガス流量比において、ピーク温度が補助通路内
で達するような必要な大きさにされ、しかもそのピーク
温度が補助通路内の入口に充分近いところで達し、また
そのピーク温度が隣接する主な通路内で実現される範囲
において、隣接する主要通路を通って流れるガス混合気
の予熱効果金もつような大きさのものである。

蜂の巣構造を加熱するにつれて隣接する主要通路内のピ
ーク温度地点は通路の入口の方に移り、このことは、こ
れらの主要通路から隣接する補助通路によって加熱され
ないいくつかの隣接する主要通路に熱が移動すること全
可能にする。燃焼は、たった１つの補助通路の位置にお
いて始まったにもかかわらず蜂の巣状配列を介して広が
ることができる。

しかし、補助通路は位置決された間隔金有し、好ましく
は規則的で、全体的に蜂の巣状配列がよい。補助通路は
、隣接する補助通路の各々のグループが、より大きな熱
源として作用するように、隣接する補助通路のグループ
内で分離されている。

この方法において、補助通路のグループに隣接する主要
通路のより急速な加熱は、各々の補助通路が１つの隣接
する主要通路を有するならば実現される〇補助通路は、１０個の隣接する補助通路より少ないグル
ープ内で分離されており、主要通路に対する補助通路の
寸法と数量は、好ましくは２％と５０チとの間がよく、
特に、補助通路を介して流れるガス混合気の５チと３３
チの間がよい。

補助通路は、隣接する補助通路よりも多くのグループ内
にあり、それらの寸法と数量は、補助通路全弁して流れ
る全ガスのより小さい比率にすることができる。そのよ
うな場合、補助通路を介して流れる比率は全ガス流量の
０．１％以上好ましくは０．１％と３０％との間がよい
。

通路は、円形断面を有し、好ましくは多角形の断面を有
するのがよい。ここに記載されている通路の有効直径と
は、以下に定義されるような水力学的な有効直径を意味
している。

、通路の断面積の周囲長さ円形の断面通路に対しては、実際の断面直径に等しい有
効直径が与えられ、一方規則的な多角形　゛に対する有
効直径は内接円の直径である。

補助通路はすべて同じ寸法であり、好ましくは、主要通
路の有効直径の２０％と７５％の間の有効直径？有し、
特に、３０チと６０％の間の有効直径金有する。異なる
サイズの補助通路のあるものにおいては、その補助通路
の３０％〜７０％が、主要通路の有効直径の５０％と８
０チの間の有効直径を有し、その補助通路の残りは、主
要通路の有効直径の２０％と５０条の間の有効直径？有
する０好ましくは、主要通路は、１問〜５Ｂの範囲の有効直径
金有する。また、主要通路と補助通路の両方とも同じで
あるその１ｍ路の長さは、５０ｍ＋ａ〜６００間の範囲
であるのがよい。

峰の巣構造は、例えば英国特許第１，３８５．９０７号
明細書に記載されているような、はぼサイコロ配列の適
当なセラミック材料の押出し成形により形成することが
できる。好ましくは、その蜂の巣構造）ま、アルミナで
形成され、特に適当な押出し成形のアルミナ＃４造物は
、欧州特許ｇ１３４．１３８号明細書に記載されている
。

触媒材料は、好ましくは、白金系金属で、特に白金、ロ
ジウム、パラジウム、あるいはコバルト。

クロム酸化物のような遷移金属酸化物がよ（、セラミッ
ク支持体上に直接一体化されているか、あるいはセラミ
ック支持体に適用されるメッキ皮膜中に存在するのがよ
い。

本発明の利点は、ガスタービンが、相対的に高い点火温
度を有する天然ガスのような燃料によって動力が供給さ
れることである。このような燃料で、もし触媒が特に活
性的でないと、ガス混合気が４５０°Ｃ〜５００’Ｃの
温度に達した後に温度の急速な上昇が生じ、そのような
急速な始動は、主要通路しか有しない蜂の巣構造を用い
る時には可能ではなく、それは予備燃焼圧カによって与
えられた加熱が、約３００’Ｃ〜４００　’Ｃ以上には
ならないからである。このような燃料で、ピーク温度は
１２００　’Ｃ以上Ｋｆ、Ｃす、通常１１２５０’Ｃ〜
１５５０　’Ｇの範囲内である。

いくつかの適用において、始動中あるいは始動後に危険
があり、モノリス（ｍｏｎｏｌ　ｉｔｈ　）が充分に高
温に達する時、そのモノ゛リスの上流ガスは自動点火温
度に達し、その結果、燃焼触媒の上流位置で燃焼のフラ
ッシュバックが生じる。このような早まった燃焼が好ま
しくない場所で、火炎逆行引火防止装置、すなわちワイ
ヤーメツシュは、燃焼触媒の上流に配置されている。こ
のようなワイヤーメツシュは、モノリスからの放射によ
ってメツシュの上流ガスの加熱を軽減するための放射シ
ールドとして作用する。

第１図及び第２図において、ガス混合気の温度Ｔは、通
路の入口と出口のそれぞれの位置ｋｄ１ｔｃｔｏで示す
ように距離ｄに対してプロットされているｏ　　Ｔｌは
、ガス混合気に対する点火温度を示しており、すなわち
、急速な反応音生じる温度である。

第１図において、曲線Ａは、ガス流量化工が始動時にお
いてあまりにも高くなるならば、温度がどのように上昇
するかを示すもので、急速な反応がおこる前にガスが蜂
の巣構造金通りすぎることがわかり、この場合完全燃焼
は生じないＯ軽減されたガス流量比Ｈにおける始動によ
れば、曲線已により示されているような温度の急上昇が
蜂の巣構造内で実現される。燃焼が曲線已に相当するガ
ス流量比で実現したのち、そのガス流量比は徐々に増加
し、蜂の柔構造は低流量比での反応により加熱されるの
で充分なガス流量化工における実質的な完全燃焼が実現
される。このことは曲線Ｃに示されている。

第２図は、本発明に対応する主要及び補助通路を有する
蜂の巣構造内の一定の全流量比における温度時ａｔ示し
ており、曲線り及びＥは、主要通路における温度特囲全
示し、曲線Ｆ及びＧは、補助通路における温度特注ヲ示
している。

曲線り及びＦは、もし補助通路が、主要通路における影
響金受けないから、その時補助通路？介する直線の流量
比は主要通路を介するものよりも少なくなり、曲線り及
びＦは第１図の曲線Ａ及びＢの状況に相当している。し
かしながら、補助通路と主要通路とは、曲線Ｅ及びＧに
よって示されているように、お互いに影響し合っている
Ｏ曲線Ｇに示されるように、補助通路は、急速には加熱
されない。それは隣接する主要通路全通るガスが、補助
通路から熱を取り出すからである。しかしながら、十分
な加熱は、曲線Ｅによって示されているように、補助通
路から主要通路へ伝達され、隣接する主要通路における
ガスは、点火温度により急速に加熱され、その急速な温
度上昇は、ガスが蜂の巣状部材の出口に達する前に主要
通路に生じる。

第３図には、主要及び補助通路の配列の１つの形態が示
されている。ここで主要通路は、規則正しい８角形金し
ており、補助通路は４つの主要通路の各々のグループの
中心において正方形をしている。この場合、補助通路の
各々の有効直径は、主要通路の有効直径の約４０係であ
り、ガスタービン燃焼室の通常のガス流量比では、その
約１０係が補助通路４通って流れる。上記のパーセンテ
ージの正確な数値は、もちろん有効直径のパーセンテー
ジに対する蜂の柔構造の壁の厚さと、ガス流量比のパー
センテージに対する壁の厚さ及び正確なガス流量比に依
存している０第４図の実施例において、各々の主要通路は正方形構造
であり、補助通路は、主要通路を横切る対角線の仕切に
より４つに分割されたものから成る。この場合も、補助
通路の有効直径は、主要通路の有効直径の４０チである
。補助通路は主要通路の４倍あるけれども、全ガス混合
気の約３１％が補助通路を通って流れる。

第５図において、渠４図と同様な配列が示されているが
、補助通路は２個の異なる大きさ？有している。主要通
路は、正方形構造で、中間の補助通路は、主要通路全対
角線の仕切により２分割したものに相当し、小さな補助
通路は！、ｇ４図に示されているように、主要通路を２
個の対角線の仕切により４個に分割されたものに相当し
ている。そこには４個の小さな補助通路と４個の中間の
補助通路と、５個の主要通路とがあることがわかる。

５個の主要通路の各々のグループにおいて、中央の主要
通路は、補助通路とは隣接せずに、また他の４個の主要
通路の各々は、１個の小さな補助通路と隣接し、しかも
２個の中間の補助通路に隣接している（この中間の補助
通路は、４個の主要通路のうちの２個に隣接している）
。小さな補助通路の有効直径は、第４図に示すように、
主要通路の約４０チであり、中間の補助通路の有効直径
は主要通路のそれの約６０％である。ガス混合気の約１
６チが中間の補助通路を通って流れ、約７チが小さな補
助通路を通って流れる。

第３図及び第５図に示された配列は規則正しいものであ
るが、この配列の規則正しさは強いられたものではなく
、むしろ望まれたものである。

第６図の実施例において、主要通路は、その断面が正確
な二等辺三角形であり、一方補助通路は、隣接する１０
０個の補助通路が正方形の中にグループ化されている。

第７図の実施例において、主要通路は、正方形構造で、
その主要通路の対角バンドは、対角ウェブによって隣接
する中間の補助通路のバンドを分割する。中間の補助通
路を横切る２個の対角バンドは、隣接する小さな補助通
路の束を形成するために各々２個に分割する。

代表的な例として、燃焼触媒の蜂の柔構造の全体の直径
は約４５Ｃｒｎであり、また約１．３胴の有効直径を有
する正確な二等辺三角形？している主要通路と、第６図
に示されているような正方形全形成するために、グルー
プ化された約１００個の補助通路の１つあるいはそれ以
上の束の中の補助通路とはともにその長さ全豹１５ｃｍ
としている。

代表的な動作条件空気／天然ガス　　　４０：１（量）空気流量比　　　　２３　′Ｋｇ／Ｓｅｃ入り温度　　
　　　３００°Ｃ〜４００℃例えば３６０°Ｃ入ロ王力
　　　　　１０　ｂａｒ　ａｂｓ

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、蜂の柔構造全貫通するガス混合気
の温度時ａｔ示す図である。第１図は、通路がすべて同一の寸法の従来の配列のもの
の説明図であり、一方ＷＪ２図は、本発明の説明図であ
る。第３図ないし第７図は、蜂の柔構造の各種の断面図であ
り、蜂の巣状ウェブの厚さは簡単化のために無視しであ
る。（外５名）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）燃料及び遊離酸素を含むガスから成る予熱された
ガス混合気の燃焼のための燃焼室と、該燃焼室が、均一
な断面構造の通路を介して主要な配列を備え、しかも上
記ガス混合気のための燃焼触媒をその表面に運ぶモノリ
シックセラミックから成る蜂の巣構造を有しており、該
蜂の巣構造が、燃焼触媒を運ぶ補助通路を有し、各々の
該補助通路が、主要通路よりも断面積を小さくしてなる
ことを特徴とするガスタービン。
（２）上記補助通路が、蜂の巣構造配列全体にわたつて
、規則的な間隔で配置されていることを特徴とする特許
請求の範囲第１項記載のガスタービン。
（３）上記補助通路が、隣接する補助通路のグループ内
に配置されていることを特徴とする特許請求の範囲第１
項または第２項記載のガスタービン。
（４）上記補助通路が、１０個の補助通路よりも多いグ
ループ内に配置され、該補助通路を通るガス混合気の比
率が、主要通路に関して、全ガス流量の０．１％〜３０
％であるような寸法と数量とを有することを特徴とする
特許請求の範囲第３項記載のガスタービン。
（５）上記補助通路が、１０個の隣接する補助通路より
も少ないグループ内に配置され、該補助通路を通るガス
混合気の比率が、主要通路に関して、全ガス流量の２％
〜５０％の間であるような寸法と数量とを有することを
特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれ
かに記載のガスタービン。
（６）上記補助通路が、すべて同一の寸法で、主要通路
の有効直径の２０％〜７５％の間の有効直径を有するこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第５項のい
ずれかに記載のガスタービン。
（７）一以上の寸法の多くの寸法を備えた補助通路を有
することを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第５
項のいずれかに記載のガスタービン。
（８）上記補助通路の３０％〜７０％が、主要通路の直
径の５０％と８０％の間の有効直径を有し、補助通路の
残部が、主要通路の直径の２０％〜５０％の間の有効直
径を有することを特徴とする特許請求の範囲第７項記載
のガスタービン。
（９）上記補助通路が、一以上の仕切により主要通路を
分割するような断面配列を有することを特徴とする特許
請求の範囲第１項ないし第８項のいずれかに記載のガス
タービン。
（１０）上記主要通路が、１ｍｍないし５ｍｍの範囲の
有効直径を有することを特徴とする特許請求の範囲第１
項ないし第９項のいずれかに記載のガスタービン。