JPS622649B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、定置型燃焼タービンで使用される燃
焼器に関し、特に、燃料及び空気の混合物を燃焼
領域、即ち触媒燃焼器においては触媒領域に入れ
る前に、燃焼器の混合領域における燃料及び空気
の混合が実質的に一様であることを要する燃焼器
に関するものである。 予混合燃焼器における燃料及び空気の予混合
は、適切な燃焼運転温度及び化学的作用を通じ
て、長燃焼器寿命、高燃焼器効率及び低放出物を
可能にするために必要である。触媒燃焼器は、発
電プラントその他の定置利用について低公害物
（特に低NO_x）の燃焼タービン運転を可能にす
る、実際的な商用解決手段である。即ち、適切な
触媒燃焼のためには、燃焼器混合領域内における
燃料及び空気の予混合が実質的に一様であること
が特に必要である。 大抵のエンジン構造における圧縮機排出側運転
温度では、燃料を幾分予熱することが適切な触媒
燃焼のために必要である。従つて、触媒燃焼器は
１次燃焼領域を有し、その後に順番に２次燃料噴
射、混合領域及び触媒が続くほぼ筒状の囲いを備
えている。１次燃焼領域は、運転温度が触媒燃焼
を適切に支持しない始動中に、例えば作動する。
運転が触媒燃焼段階である間は、２次燃料を混合
領域に噴射し、該領域において２次燃料を空気と
混合し、触媒を通る流路に輸送する。 一般的に、２次燃料噴射装置は混合領域を取り
巻いて円周方向に配設されていて、燃料を燃焼器
混合領域内へ半径方向内向きに90゜その他の角度
で噴射しうる。さらに、燃料は触媒領域に入る前
に実質的に完全に気化しなければならず、このこ
とは燃料ノズルが迅速に気化しうる微粒子をつく
ることを必要とする。微粒子は、燃料ノズルの圧
力降下を非常に高くしたり（圧力噴霧）、小量の
高エネルギー霧化空気を使用したり（空気助
成）、比較的に多量の低エネルギー霧化空気を使
用したり（空気噴射）することによつて得ること
ができるが、いずれの場合も、その結果できる燃
料スプレーの運動量は非常に大きい。実際に、燃
焼器内部を横断して流れる空気の運動量に対して
燃料スプレーの運動量は非常に大きいので、燃料
は燃焼器の中心（軸心）まで進んでしまい勝ちで
ある。この作用によつて濃厚燃料の芯ができる、
即ち、燃空比のプロフイールは燃焼器混合領域の
横断面の基準直径に沿つて中心にただ一つのピー
クを持つ形状である。 燃空比は燃料噴射面又は領域において最も高
く、半径方向外方に向かつて減少する。混合物が
混合領域を通つて下流へ流れるとき、付加的な混
合作用により燃空比プロフイールは若干平坦にな
る。しかし、一般に、噴射領域における燃料進入
範囲は軸方向燃料濃度を大き過ぎる結果にしてお
り、下流での混合が触媒入口面において実質的に
一様な燃空比をつくる。 広義の形態の本発明は、下流での燃焼のため燃
料及び空気の混合物が広がる下流側の混合領域を
囲む筒状の側壁を備え、該側壁は更に、下流で噴
射される燃料との混合のため軸方向の空気流を発
生させるように前記側壁にある開口からの空気が
入る、上流側の１次領域を囲んでおり、また、前
記空気流との混合のため、前記１次領域及び前記
混合領域の間の場所で、燃料を気化しうる微粒子
にして、前記側壁で囲まれた空間内に実質的に半
径方向内方へ該側壁から直接噴射することに特徴
のある仕方で燃料を噴射する燃料噴射装置を備
え、該燃料噴射装置は、前記混合領域の出口にお
ける燃料及び空気の混合物の一様性を向上すべく
燃料及び空気の混合を促進するように、実質的に
下流に向けてある角度で配向された複数のノズル
を含む、定置型タービンの燃焼器に存する。 後述するように、燃焼の起きる領域の直ぐ上流
にある混合領域においてもつと一様な燃料及び空
気の混合を促進する構造によつて、燃焼器、特に
触媒燃焼器において改良された作動が得られる。
該構造は、燃料スプレーを下流に向かつてある角
度で噴射するべく傾斜した複数の燃料噴射ノズル
と、混合促進のため燃料スプレーを遠心力により
撹拌しより広範囲に拡げるスワラー即ち旋回翼と
を有することが好ましい。従つて、触媒入口面に
おける燃空比プロフイールはより一様になる。 本発明は、添付図面に例示したその好適な実施
例に関する以下の記載から、もつと詳細に理解し
うる。 第１図において、燃焼器１０はほぼ筒状の側壁
１２を有し、該側壁には、燃焼工程で使用する空
気流入用のスコツプ型孔又は開口１４，１６が円
周方向の列になつて順次設けられている。燃焼器
１０の頭端１８において、１次燃料ノズル２０が
１次領域２２で燃焼させるため燃料を導入し、運
転条件が触媒燃焼を支持するようになるまでの始
動に必要なエネルギーを発生させる。また、１次
燃料ノズル２０は、触媒入口面２４におけるガス
温度を効率的な触媒燃焼に必要な値（即ち、約
1800〜1950〓）に維持するのに要求される何らか
の予熱を行なうべく、触媒運転中の１次燃焼のた
めに幾分燃料を供給する。燃焼器の全運転が含む
１次燃料燃焼の量は、NO_x発生量が環境規制値よ
り十分に低いようになつている。 側壁１２の出口端２６は外側に朝顔形に開くと
共に、ハニカム構造を有する通常の触媒ユニツト
２８に接続されている。また、触媒出口３０は、
高温ガスを図示しないタービンに向ける中間ダク
ト（図示しない）に接続されている。 ２次燃料は、１次燃焼領域２２の下流端におい
て円周方向に隔置された１組の噴射装置３２によ
つて、運転の触媒燃焼段階中に燃焼器１０内に噴
射される。噴射装置３２の位置で空気を燃焼器１
０に入れてもよいし入れなくてもよい。１次領域
及び触媒ユニツト２８間の燃焼器領域３４は、触
媒ユニツト２８に流入する前の２次燃料と空気と
の混合に備えている。該燃焼器領域３４は混合領
域と呼ばれており、フラツシユバツク（逆火）が
燃焼器乃至触媒ユニツト２８を損傷させうるの
で、この領域では燃焼が起きない。 一般に、２次燃料噴射装置を構成する方法及び
同装置を燃焼器壁に関して配設する態様によつ
て、燃料及び空気の分配が制御され且つ中央にピ
ークのある燃料及び空気の混合が回避される。 特に、各２次燃料噴射装置３２は符号３３（第
７図）で示すように下流方向に向かつて傾斜した
一つのノズル３７（第７図）を含んでいて、燃料
スプレーについて大きな軸方向速度成分を直接生
じさせると共に、燃焼器軸心に向かう燃料の進入
を減少させる。噴射装置角度は燃焼器の形状寸法
及び運転条件に従つて設定されており、触媒ユニ
ツト２８の入口面２４に沿つてもつと一様な燃料
及び空気の混合物ができるように、燃料ピークが
生じる半径方向位置をシフトする。 極く小さい微粒子霧化を可能にするため、図示
のノズル３７について空気連続霧化ノズルを使用
してもよい。また、簡単な圧力噴霧ノズルを用い
てもよいし、就中、天然ガス噴射装置を用いても
よい。 更に、軸流旋回翼３５及び指向シユラウド３９
が各２次燃料噴射ノズル３７の周りに同心に設け
られていて（第７図）、強い渦流成分を有する補
助空気を、噴射された燃料スプレーとの密接な接
触状態で与えている。燃料スプレーに空気の渦流
作用が働いて、燃料及び空気の混合が促進され
る。また、空気の遠心作用によつて燃料スプレー
がもつと広範囲に拡がり、更に燃料及び空気の混
合が強められる。 燃焼器外側の燃焼器側壁での空気は燃焼器内部
の空気より高圧であるから、空気は旋回翼を通つ
て燃焼器内に急激に流入する。流入空気は各ノズ
ルの燃料スプレーを囲む渦になつて流れ、微粒子
を捕えてそれを遠心力により外側へ運び、ノズル
自身で可能であるよりも広いスプレー角度をもた
らす。シユラウド３９は旋回翼の空気渦流と燃料
スプレーとをもつと密接に接触させる。 第３図は、第１図の燃焼器のものと同様の側壁
及び頭端を有する燃焼器について、寸法情報、孔
及びノズルの情報を記入した傾斜ノズル３７及び
旋回翼３５を示している。第４図は旋回翼のない
２次燃料噴射装置３２についての同様の配列を示
す。燃焼器空気の約10.6％が６個結合した２次燃
料ノズル旋回翼（第５図）を通過しうる。 同様に、第５図は第３図の組合せについての空
気流量のパーセンテージ情報を示し、第６図は第
４図の燃焼器についての空気流量のパーセンテー
ジ情報を示している。 総計６個の２次燃料噴射装置を使用するものと
して示してあるが、その数はもつと多くても少な
くてもよい。例えば、噴射装置８個の燃焼器を試
験した。考慮すべき主要な問題がコストであり、
そして特定の燃焼器構造について混合があまり悪
影響を受けなければ、例えば４個のようなもつと
少ない２次燃料噴射ノズルを使用してもよい。一
般に、第３図に示した複雑且つ高コストの傾斜旋
回翼噴射装置の実施例は、第４図の傾斜ノズルの
実施例よりも若干良好な混合を与える。また、匹
敵可能な若しくはより良好な混合結果を得なが
ら、第３図の実施例においてより少数の噴射装置
を使用しうる。 第９〜１１図の別の実施例においては、燃焼器
４０は、４個のノズルを有する環状の１次燃料源
４２と、軸方向の霧化空気及び燃料供給ライン４
６から供給を受け、１次領域の端において燃料混
合領域の前端に配置される２次燃料噴射装置組体
４４とを備える。２次燃料噴射装置組体４４は、
適当な半径方向位置にある燃焼器スペースの周り
に均等に配設される６個の燃料ノズル５０の付い
た燃料マニホルド４８を有する。燃料ノズル５０
は下流方向及び燃焼器外壁に向かつて角度が付い
ている。燃焼器軸心に沿つて燃料を直接スプレー
するために、軸方向ノズル５２は設けられてい
る。 この実施例の場合、各ノズルからの燃料スプレ
ーは空気ジエツトによつて指向される。半径方向
の横行流用支柱５４は、空気ジエツトのため及び
２次燃料噴射装置組体ライナー用冷却空気のた
め、空気マニホルド５６に空気を供給する。２次
ノズル用の霧化空気はライン４６によつて供給さ
れる。フイルム冷却又はしみ出し冷却装置のよう
な適当な冷却構造が２次噴射ライナー及び空気支
柱に設けられている。 第８図に試験結果を示すように、触媒入口の燃
空比プロフイールを反映する触媒出口温度は、先
行技術のように中央にピークがある分布と比較し
て、本発明の実施例においては一様性が改良され
ている、即ちほぼ平坦な形になつている。試験に
使用したのは、先行技術が第２図のもの、本本発
明が第１図のものである。実施例のケースでは
傾斜燃料ノズルを用い、ケースでは傾斜燃料ノ
ズル及び軸流旋回翼を用いた。改良が得られた主
な理由は、本発明の構造において傾斜ノズル及
び／又は旋回翼を設けたことにある。 次の表は第８図の試験に適用しうる諸条件であ
る。 【表】

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に従つて構成された触
媒燃焼器の断面図、第２図は比較試験を得るのに
用いた先行技術の燃焼器構造の概略図、第３図
は、第１図と同様の本発明の実施例について、燃
焼器諸元と、スコツプ型孔及びノズルの位置とを
示す概略図、第４図は旋回翼なしに傾斜２次ノズ
ルを使用した第３図の変形例の概略図、第５図は
第３図に示したものと同様の燃焼器についての空
気流分配パーセンテージを示す概略図、第６図は
旋回翼なしに傾斜２次ノズルを用いた第５図の変
形例の概略図、第７図は第１，３，５図に示した
ような燃焼器で用いられるノズル及び軸流旋回翼
構造の拡大図、第８図は本発明を実施して得た試
験結果を先行技術の試験結果と比較してグラフで
示す図、第９図は、燃焼器がその混合領域近くに
複数の環状１次領域ノズルと軸方向の２次燃料噴
射装置組体とを備えている別の実施例の断面図、
第１０図及び第１１図は第９図の―線及びXI
―XI線断面図である。 図中、１０及び４０は燃焼器、１２は側壁、１
４及び１６は側壁開口（孔）、２２は１次領域、
３２及び４４は２次燃料噴射装置、３４は混合領
域、３５は旋回翼、３７及び５０はノズル、３９
は指向シユラウドである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 下流での燃焼のため燃料及び空気の混合物が
   広がる下流側の混合領域を囲む筒状の側壁を備
   え、該側壁は更に、下流で噴射される燃料との混
   合のため軸方向の空気流を発生させるように前記
   側壁にある開口からの空気が入る、上流側の１次
   領域を囲んでおり、また、前記空気流との混合の
   ため、前記１次領域及び前記混合領域の間の場所
   で、燃料を気化しうる微粒子にして、前記側壁で
   囲まれた空間内に実質的に半径方向内方へ該側壁
   から直接噴射することに特徴のある仕方で燃料を
   噴射する燃料噴射装置を備え、該燃料噴射装置
   は、前記混合領域の出口における燃料及び空気の
   混合物の一様性を向上すべく燃料及び空気の混合
   を促進するように、実質的に下流に向けてある角
   度で配向された複数のノズルを含む、定置型ター
   ビンの燃焼器。