JPWO2013099916A1

JPWO2013099916A1 - 流速分布均一化装置

Info

Publication number: JPWO2013099916A1
Application number: JP2013551722A
Authority: JP
Inventors: 康司堂浦; 正裕緒方; 航介棚木
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2015-05-07
Also published as: US20140305126A1; WO2013099916A1; AU2012361659A1; RU2014129293A; CN104024738A; UA109245C2

Abstract

大形化を招くことなく、小さい圧力損失で触媒燃焼器の入口の速度分布を均一化することができる流速分布均一化装置(10)であって、触媒燃焼器(2)の入口室(8)に設けられた整流ベーン(12)と整流板(13)とを備える。入口室(8)は横断面円形であって、その径方向から燃料ガス(G2)を流入させる流入口(80)と燃料ガス(G2)を軸方向に流出させる流出口(82)とを有する。整流ベーン(12)は、先端縁(12a) が流入口(80)に向き、先端縁(12q)が二又に分かれて入口室(8)の円筒形内壁面に向かって延びて、入口室(8)に流入した燃料ガス(G2)に円筒形内壁面に沿って流入口(80)へ向かう旋回流を生成する整流面(12b)を有する。整流板(13)は、流出口(82)に配置されて、燃料ガス(G2)を通過させる多数の開口(13a,13b)を有する。

Description

関連出願

本出願は、２０１１年１２月２８日出願の特願２０１１−２８８０１９の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。

本発明は、ガスタービンエンジンの触媒燃焼器に流入するガスの流速分布を均一化する装置に関するものである。

背景技術および発明が解決しようとする課題

ガスタービンエンジンに搭載される触媒燃焼器は、流入ガスを触媒反応により燃焼させたときにＮＯX を殆ど排出しないうえに、通常燃焼できないことから大気放出されている低濃度メタンを酸化することができるといった、従来技術に対するアドバンテージがあり、低公害性や温暖化対策といった環境問題に対応することができる利点がある。一方、触媒燃焼器は、高価である、寿命が短い等の欠点がある。

特に、ガスタービンエンジンのような高圧での触媒燃焼では、触媒燃焼器の入口における燃料を含んだ圧縮ガスの流速分布のばらつきが大きい場合、触媒内部に温度不均一が生じて、触媒の寿命が短くなる。したがって、触媒燃焼器入口における流速分布の均一化が重要な設計事項となる。この流速分布の均一化を図るために、触媒燃焼器の入口付近に設けた長い直線距離を有する流路内に圧縮ガスを流動させることにより流速の均一化を図る方法が知られている。また、触媒を用いないガスタービン燃焼器では、流速分布の均一化を図るために、燃焼室の入口付近にパンチングメタルのような整流板を設ける方法が採用されている（特許文献１参照）。

しかしながら、長い直線距離を有する流路を設ける場合は、広い配管スペースが必要となって大型化を招く。他方、整流板を用いて触媒燃焼器の流速分布の均一化については事例がない。また、整流板を使用する場合は、圧力損失が大きくなるうえに、整流板の上流での流速分布が大きく変化すると、固定の絞り手段である整流板では対応することができない。

特開２００９−５２７６８号公報

本発明は、大形化を招くことなく、小さい圧力損失で触媒燃焼器の入口の速度分布を均一化することができる流速分布均一化装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る流速分布均一化装置は、触媒燃焼器に流入する燃料ガスの流速分布を均一化する装置であって、前記触媒燃焼器の入口室に設けられた整流ベーンと整流板とを備えている。前記入口室は横断面円形であって、その径方向から前記燃料ガスを流入させる流入口と、前記燃料ガスを軸方向に流出させる流出口とを有する。前記整流ベーンは、先端縁が前記流入口に向き、前記先端縁から二又に分かれて前記入口室の円筒形内壁面に向かって延びて、前記入口室に流入した燃料ガスに前記円筒形内壁面に沿って前記流入口へ向かう旋回流を生成する整流面を有し、前記整流板は前記流出口に配置されて燃料ガスを通過させる多数の開口を有する。

この流速分布均一化装置によれば、触媒燃焼器の入口室に流入口から流入した燃料ガスは、整流ベーンにおける先端縁から二又に分かれた両側の整流面に沿って流れたのちに入口室の円筒型内壁面に沿いながら流入口に向けて流れるようにガイドされて、旋回流が生成される。このように、燃料ガスを、整流ベーンによって入口室内で混ぜ返すように流動させるので、流速分布の均一化が促進される。この整流ベーンによって流速分布を予め均一化された燃料ガスは、横断面円形の入口室の円筒形壁面に沿って流動しながら、流動方向を直角に変更するように導かれて、流出口に配置された整流板の多数の開口を通過することにより流速分布がさらに均一化される。このように、この流速均一化装置は、燃料ガスの流量の変化などに起因して流速分布が変化した場合であっても、整流ベーンと整流板とによる２段階の整流作用を行うことによって、燃料ガスの流速分布を効果的に均一化することができる。

しかも、この流速均一化装置は、触媒燃焼器の入口室に流入口から径方向に向け流入された燃料ガスが流動方向を直角に変更されて流出口に導かれるので、長い直線距離の流路を設ける場合とは異なり、装置全体が大型化することがない。また、触媒燃焼器の入口室に流入した燃料ガスは、整流ベーンによりガイドされて旋回しながら流動方向を軸方向に変更されて、軸方向の整流板に導かれるので、従来装置のように流入したガスの全てを燃焼容器の内壁面に直接当てて流動方向を直交方向に強制的に変更させる場合と比較して、流動方向を変更することによる燃料ガスの圧力損失が小さい。

本発明において、前記整流ベーンの先端縁が、前記入口室の軸方向における前記流入口の全体に対して、径方向から対向していることが好ましい。これにより、入口室内に流入口から径方向に流入した燃料ガスは、整流ベーンの両外面にそれぞれ沿う方向に流入するようにガイドされる。

本発明において、前記整流ベーンは横断面形状が二等辺三角形であることが好ましく、特に二等辺三角形の頂角を１０〜４０°とするのが好ましい。これにより、入口室に流入口から径方向に向け流入した燃料ガスは、２等分されて整流ベーンの両外面に沿って流れるように導かれるので、流速分布の均一化を促進できる旋回流を生成できる。

本発明において、前記整流板は、前記流入口から遠い領域に円形の大径孔が形成され、前記流入口に近い領域に前記大径孔よりも小径の円形の小径孔が形成されていることが好ましい。これにより、整流ベーンから送られてくる燃料ガスのうちの流入口から遠い領域を流れる燃料ガスは、入口室の内壁面に強く当たって流速が比較的小さくなった状態で整流板の大径孔を通過するとともに、流入口に近い領域を流れる流速が比較的大きい燃料ガスは、整流板の小径孔を通過することによって流速が低下する。これにより、整流ベーンによる整流作用によって流速分布を予め均一化された燃料ガスの流速分布がさらに均一化される。しかも、大径孔および小径孔は円形であるから、容易に形成できる。

本発明において、前記入口室の内径が前記流入口の直径の１．５〜２．０倍であることが好ましい。これにより、流入口から入口室に流入した燃料ガスは、入口室の内径が流入口の直径よりも大きいのに伴って減速されたのちに、整流ベーンに向け円滑に導かれる。

本発明において、前記触媒燃焼器の燃焼触媒を収容した燃焼容器の上流部の内側に前記入口室が形成されていることが好ましい。これにより、燃焼容器を流速分布均一化装置のハウジングとして共用できる。

本発明の流速分布均一化装置は、ガスタービンエンジンに好適に使用できる。具体例として、低カロリーの燃料ガスを圧縮機で圧縮して触媒燃焼器で燃焼させる希薄燃料型のものに適用できる。例えば、ＶＡＭとＣＭＭを混合して圧縮した低カロリーの燃料ガスとして用いるガスタービンエンジンに装着した場合には、燃料ガスの混合を促進するとともに、流速分布を均一化できる。

請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。

本発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、本発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。本発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
本発明の一実施形態に係る流速分布均一化装置を備えたガスタービンエンジンの概略構成を示すブロック図である。同上のガスタービンエンジンの流速分布均一化装置を示す縦断面図である。同上の流速分布均一化装置を示す横断面図である。同上の流速分布均一化装置が備えている整流板を示す平面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る流速分布均一化装置を備えたガスタービンエンジンＧＴの概略構成を示すブロック図であり、この実施形態では、後述するような希薄燃料を用いたガスタービンエンジンＧＴを例示してある。このガスタービンエンジンＧＴは、圧縮機１、白金やパラジウムなどの触媒を含む触媒燃焼器２およびタービン３を有している。このガスタービンエンジンＧＴの出力により、発電機４が駆動される。

このガスタービンエンジンＧＴで用いる低カロリーの燃料ガスとして、以下のようなものが用いられている。ＶＡＮ供給源１１からは、例えば、炭鉱で発生するＶＡＭ（Ventilation Air Methane ；炭鉱通気メタン）が供給され、このＶＡＭよりも可燃成分（メタン）濃度が高いＣＭＭ（Coal Mine Methane ；炭鉱メタン）がＣＭＭ供給源１５から供給され、これら燃料濃度が相異なるＶＡＭとＣＭＭの２種類の燃料ガスが混合器２３で混合されて作動ガスＧ１が生成され、この低カロリーガスである作動ガスＧ１が圧縮機１の吸気入口を介してガスタービンエンジンＧＴ内に供給される。この作動ガスＧ１は圧縮機１内では自然着火しない可燃成分濃度である。

作動ガスＧ１は、圧縮機１で圧縮され、その高圧の圧縮ガスＧ２が燃料ガスとして触媒燃焼器２に送給される。この圧縮ガスＧ２が触媒燃焼器２の白金やパラジウムなどの触媒による触媒反応によって燃焼され、これにより発生する高温・高圧の燃焼ガスＧ３がタービン３に供給されて、タービン３を駆動する。タービン３は回転軸５を介して圧縮機１に連結され、このタービン３により圧縮機１が駆動される。

ガスタービンエンジンＧＴは、さらに、圧縮機１から触媒燃焼器２に供給される圧縮ガスＧ２を、タービン３から供給される排ガスＧ４よって加熱する熱交換器６を備えている。熱交換器６から流出した排ガスＧ５は、サイレンサ（図示せず）を通って消音されたのち、外部に放出される。また、ＶＡＭ供給源１１およびＣＭＭ供給源１５からガスタービンエンジンＧＴへの燃料供給路には、複数の燃料制御弁およびメタン濃度計などが適所に配設されており、これらの燃料制御弁は、メタン濃度計が検出する燃料濃度値に基づいてコントローラ４１により制御され、これにより、作動ガスＧ１が定格出力を発生するのに必要な燃料濃度に制御されて圧縮機１に供給される。

図１の触媒燃焼器２は本発明の一実施形態に係る流速分布均一化装置を具備している。図２および図３はそれぞれ、前記流速分布均一化装置１０の縦断面図および横断面図を示す。この流速分布均一化装置１０は、図２に示す整流ベーン１２とその下流の整流板１３とを備えている。触媒燃焼器２は、ほぼ鉛直方向に軸方向を持つ有頭円筒状の燃焼容器１８の内部に白金やパラジウムのような燃焼触媒１４が収容されている。

流速分布均一化装置１０は、燃焼容器１８における燃焼触媒１４の収容箇所の上流側、つまり燃焼容器１８における燃焼触媒１４の上方箇所に配置されている。つまり、燃焼容器１８の上流部の内側に、燃焼触媒１４への入口室８が形成されており、この入口室８内に前記整流ベーン１２および整流板１３が配置されている。入口室８は横断面円形であり、その周壁における上端よりも若干下方に設けられた流入口８０に、熱交換器６（図１）からの圧縮ガスＧ２を供給するガス供給管１９が接続されている。ガス供給管１９は、流入口８０から圧縮ガスＧ２を流速分布均一化装置１０に対して、燃焼容器１８の径方向、つまり入口室８の径方向に流入させる。

図３に示すように、整流ベーン１２は、二等辺三角形状の横断面形状を有し、その二等辺三角形状の頂点が圧縮ガスＧ２の流動方向と逆方向に向いた配置で、燃焼容器１８における圧縮ガス（燃料ガス）Ｇ２の流入口８０、つまりガス供給管１９の出口１９ａと対向する内壁面に固定されている。この二等辺三角形の外形を有する整流ベーン１２は、頂角θが１０〜４０°の角度範囲に設定されるのが好ましく、さらに好ましくは１５〜３５°の角度範囲に設定される。この実施形態では、整流ベーン１２の頂角θが３０°に設定されている。

こうして、整流ベーン１２の頂点を形成する先端縁１２ａから二又に分岐した整流面１２ｂが形成され、この整流面１２ｂが入口室８の円筒形内壁面に延びて、基端部１２ｃがこの内壁面に連結されている。整流ベーン１２は、基端部１２ｃを除いて、その大部分が二等辺三角形である。

また、図２に示す整流ベーン１２の上端は、入口室８の上端面、つまり燃焼容器１８の上部の端壁１８ａの内面に接しており、その長さ寸法ｂ、つまり燃焼容器１８の軸方向に沿った寸法ｂは、ガス供給管１９の内径ｄ、つまり流入口８０の直径ｄよりも若干大きく設定されている。整流ベーン１２の上端は、ガス供給管１９内の通路の上端１９ｂよりも若干上方に位置しているが、この上端１９ｂと同一高さであってもよい。整流ベーン１２の下端はガス供給管１９内の通路の下端１９ｃと同一高さ、またはこの下端１９ｃよりも若干下方に位置している。つまり、整流ベーン１２は、入口室８の軸方向において、流入口８０の全体に対して、径方向から対向している。

さらに、整流ベーン１２には、図３に示す燃焼容器１８への両側の固定部位となる基端部１２ｃの近傍箇所を、燃焼容器１８の内壁面に滑らかに連ねるフレアーとして形成されている。なお、燃焼容器１８の内径Ｄは、ガス供給管１９の内径ｄ、つまり流入口８０の直径ｄの１．５〜２．０倍の範囲内に設定される。

一方、整流板１３は、入口室８の流出口８２に取り付けられて、燃焼容器１８の内壁面における燃焼触媒１４の上流側で、その入口近傍箇所に位置している。この整流板１３は、図４に示すように、燃焼容器１８内に嵌合される円板に多数の開口、例えば円形孔からなる多数の大径孔１３ａおよび小径孔１３ｂがそれぞれ穿設されたパンチングメタルからなる。大径孔１３ａおよび小径孔１３ｂは、整流板１３の半分ずつの領域に、共に同数で同じ配置で形成されている。

具体的には、整流板１３における、ガス供給管１９内の圧縮ガスＧ２の流動方向と直交する中心線Ｃに対して、ガス供給管１９の出口１９ｂ（流入口８０）から遠い半円の領域に大径孔１３ａが形成され、前記中心線Ｃに対して、出口１９ｂ（流入口８０）に近い半円の領域に小径孔１３ｂ形成されている。大径孔１３ａは、小径孔１３ｂの孔径の１．２倍程度の孔径に設定される。大径孔１３ａおよび小径孔１３ｂは円形に限定されるものではなく、楕円形、長円形またはスリット形状でもよいが、円形孔であれば、容易に形成できる。

図３に示すように、この流速分布均一化装置１０では、ガス供給管１９から燃焼容器１８内に流入した圧縮ガスＧ２は、燃焼容器１８の内径Ｄがガス供給管１９の内径ｄよりも大きいのに伴って減速されるとともに、図２の整流ベーン１２の長さ寸法ｂがガス供給管１９の出口１９ｂの全体に対向していることから、図３に示す二等辺三角形の整流ベーン１２の両外面にそれぞれ沿う方向に流動するようにガイドされる。このとき、圧縮ガスＧ２は、整流ベーン１２の両側のフレアー状の基端部１２ｃとそれに続く燃焼容器１８の内壁面に沿って流入口８０に向かうように旋回しながら、図２に示すように、整流板１３に向けて流れる。

この流速分布均一化装置１０は、ガス供給管１９からほぼ水平方向に流入した圧縮ガスＧ２を有頭円筒状の燃焼容器１８によって流入方向に対し直角方向（図の真下方向）に導く。したがって、長い直線距離の流路を設ける場合とは異なり、装置全体が大形化することがない。

しかも、径方向から入口室８に流入した圧縮ガスＧ２が、整流ベーン１２によってガイドされて旋回しながら、流動方向を入口室８の軸方向に変更されて、下流側の燃焼触媒１４に導かれる。したがって、従来装置のように流入したガスの全てを燃焼容器の内壁面に直接当てて流動方向を直交方向に強制的に変更させる場合と比較して、流動方向を変更することによる圧縮ガスＧ２の圧力損失が極めて小さい。また、整流ベーン１２は、圧縮ガスＧ１を混ぜ返すように流動させるので、流速分布を効果的に均一化して整流板１３に送ることができる。

整流ベーン１２によって流速分布を予め均一化された圧縮ガスＧ２は、整流板１３を通過することによってさらに均一化される。その際、ガス供給管１９の出口１９ａから遠い領域を流れる圧縮ガスＧ２ａは、燃焼容器１８の内壁面に強く当たって流速が比較的小さくなっており、この圧縮ガスＧ２ａが、整流板１３の大径孔１３ａを通過する。これに対し、ガス供給管１９の出口１９ｂに近い領域を流れる流速が比較的大きい圧縮ガスＧ２ｂは、整流板１３の小径孔１３ｂを通過することで、流速が低下する。これにより、圧縮ガスＧ２の流速分布がさらに均一化される。このように、流速分布均一化装置１０は、圧縮ガスＧ２の流量の変化などに起因して流速分布が変化した場合であっても、整流ベーン１２と整流板１３とによる２段階の整流作用を行うことにより、圧縮ガスＧ２の速度分布を効果的に均一化して燃焼触媒１４に送ることができる。

また、この流速分布均一化装置１０では、触媒燃焼器２の燃焼触媒１４を収容した燃焼容器１８の上流部の内側に入口室８が形成されているから、燃焼容器１８を流速分布均一化装置１０のハウジングとして共用できる。したがって、それだけ装置の構造が簡略化される。

なお、この実施形態では、ＶＡＭとＣＭＭを混合して圧縮した圧縮ガスＧ２をガスタービンエンジンＧＴの低カロリーガスとして使用する場合について説明したが、本発明は、天然ガスや灯油を燃料とするガスタービンエンジンにも適用することができる。また、ガスタ−ビンエンジン以外でも、気体通路内の流速分布を均一化する装置として利用できる。

以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、請求の範囲から定まる発明の範囲内のものと解釈される。

２触媒燃焼器
８入口室
１０流速分布均一化装置
１２整流ベ−ン
１２ａ先端縁
１２ｂ整流面
１３整流板
１３ａ大径孔（開口）
１３ｂ小径孔（開口）
１４燃焼触媒
１８燃焼容器
１９ガス供給管
Ｇ２，Ｇ２ａ，Ｇ２ｂ圧縮ガス（燃料ガス）
ＧＴガスタービンエンジン
Ｄ入口室の内径
ｄ流入口の直径

このガスタービンエンジンＧＴで用いる低カロリーの燃料ガスとして、以下のようなものが用いられている。ＶＡＭ供給源１１からは、例えば、炭鉱で発生するＶＡＭ（Ventilation Air Methane ；炭鉱通気メタン）が供給され、このＶＡＭよりも可燃成分（メタン）濃度が高いＣＭＭ（Coal Mine Methane ；炭鉱メタン）がＣＭＭ供給源１５から供給され、これら燃料濃度が相異なるＶＡＭとＣＭＭの２種類の燃料ガスが混合器２３で混合されて作動ガスＧ１が生成され、この低カロリーガスである作動ガスＧ１が圧縮機１の吸気入口を介してガスタービンエンジンＧＴ内に供給される。この作動ガスＧ１は圧縮機１内では自然着火しない可燃成分濃度である。

さらに、整流ベーン１２では、図３に示す燃焼容器１８への両側の固定部位となる基端部１２ｃの近傍箇所が、燃焼容器１８の内壁面に滑らかに連ねるフレアーとして形成されている。なお、燃焼容器１８の内径Ｄは、ガス供給管１９の内径ｄ、つまり流入口８０の直径ｄの１．５〜２．０倍の範囲内に設定される。

具体的には、整流板１３における、ガス供給管１９内の圧縮ガスＧ２の流動方向と直交する中心線Ｃに対して、ガス供給管１９の出口１９ａ（流入口８０）から遠い半円の領域に大径孔１３ａが形成され、前記中心線Ｃに対して、出口１９ａ（流入口８０）に近い半円の領域に小径孔１３ｂ形成されている。大径孔１３ａは、小径孔１３ｂの孔径の１．２倍程度の孔径に設定される。大径孔１３ａおよび小径孔１３ｂは円形に限定されるものではなく、楕円形、長円形またはスリット形状でもよいが、円形孔であれば、容易に形成できる。

しかも、径方向から入口室８に流入した圧縮ガスＧ２が、整流ベーン１２によってガイドされて旋回しながら、流動方向を入口室８の軸方向に変更されて、下流側の燃焼触媒１４に導かれる。したがって、従来装置のように流入したガスの全てを燃焼容器の内壁面に直接当てて流動方向を直交方向に強制的に変更させる場合と比較して、流動方向を変更することによる圧縮ガスＧ１の圧力損失が極めて小さい。また、整流ベーン１２は、圧縮ガスＧ１を混ぜ返すように流動させるので、流速分布を効果的に均一化して整流板１３に送ることができる。

Claims

触媒燃焼器に流入する燃料ガスの流速分布を均一化する装置であって、
前記触媒燃焼器の入口室に設けられた整流ベーンと整流板とを有し、
前記入口室は横断面円形であって、その径方向から前記燃料ガスを流入させる流入口と、前記燃料ガスを軸方向に流出させる流出口とを備え、
前記整流ベーンは、先端縁が前記流入口に向き、前記先端縁から二又に分かれて前記入口室の円筒形内壁面に向かって延びて、前記入口室に流入した燃料ガスに前記円筒形内壁面に沿って前記流入口へ向かう旋回流を生成する整流面を有し、
前記整流板は前記流出口に配置されて燃料ガスを通過させる多数の開口を有する流速分布均一化装置。
請求項１に記載の流速分布均一化装置において、前記整流ベーンの先端縁が、前記入口室の軸方向における前記流入口の全体に対して、径方向から対向している流速分布均一化装置。
請求項１または２に記載の流速分布均一化装置において、前記整流ベーンは横断面形状が二等辺三角形である流速分布均一化装置。
請求項３に記載の流速分布均一化装置において、前記二等辺三角形の頂角が１０〜４０°である流速分布均一化装置。
請求項１から４の何れか一項に記載の流速分布均一化装置において、前記整流板は、前記流入口から遠い領域に円形の大径孔が形成され、前記流入口に近い領域に前記大径孔よりも小径の円形の小径孔が形成されている流速分布均一化装置。
請求項１から５の何れか一項に記載の流速分布均一化装置において、前記入口室の内径が前記流入口の直径の１．５〜２．０倍である流速分布均一化装置。
請求項１から６の何れか一項に記載の流速分布均一化装置において、前記触媒燃焼器の燃焼触媒を収容した燃焼容器の上流部の内側に前記入口室が形成されている流速分布均一化装置。
請求項１から７の何れか一項に記載の流速分布均一化装置であって、ガスタービンエンジンに装着される流速分布均一化装置。
請求項８に記載のガスタービンエンジンが、低カロリーの燃料ガスを圧縮機で圧縮して前記触媒燃焼器で燃焼させる希薄燃料型である流速分布均一化装置。