JP3907779B2 - ガスタービン群の燃焼室 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、ガスタービン群の燃焼室であって、実質的に、空気・燃料混合気の予混合のための混合区間と、後置された燃焼室とから成り、しかも、混合区間と燃焼スペースとの移行部に横断面の急変部が設けられており、この急変部によって燃焼スペースの流れ横断面が生ぜしめられ、かつまた、この横断面の急変部が、混合区間の流れ横断面に対して、外側再循環域を形成している形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンの現在の燃焼室内には、希薄操作可能な予混合バーナを用い、それによって、燃焼により発生する有害物質成分、特にＮＯｘ及びＣＯを最小値に制限するようにされている。原則として、現在、前提とされるのは、火炎温度が極めて高い場合にも、極めて低いＮＯｘ排出値、すなわち１５％Ｏ2で１０ｖｐｐｍを下回ることが保証されねばならない。約４０〜１００％の負荷域にわたるガスタービンの運転時に、そのような低い有害物質排出値を達成するには、典型的には約１６５０〜１８５０°Ｋの広い温度域にわたって、完全に予混合されたバーナが確保されねばならない。このようなバーナの特徴は、従来の空気・燃料予熱区間の後に燃焼室が続き、燃焼室の流れ横断面が、事実上直接の横断面の急変の結果として、混合区間の出口横断面を数倍上回る点にある。このような構成の結果、燃焼室内には、この移行部の平面区域に、自体予混合火炎を安定化する外側再循環域が形成される。しかし、予混合火炎に対する、言い換えると、混合区間の出口横断面の平面内に生じる逆流域に対する、この再循環域の安定化作用は、作動過程での燃焼から生じる高温ガスが、この再循環域へ逆流し、そこで自己着火燃焼域、又は少なくとも安定的に燃焼する燃焼域を維持し得る程度に、大幅に依存している。特に過渡的な域、起動、停止、運転パラメータの変化等々では、再循環域への高温ガスの逆流が、往々にして不規則に生じる結果、流出混合気に対する影響が妨害される。そうした状況では、再循環域による流出混合気への安定化作用は失われ、極めて有害な火炎消失や爆燃が生じ得る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、これに対する解決策を提供するものである。請求項に記載の本発明の根底をなす課題は、冒頭に述べた形式の燃焼室について、あらゆる負荷域にわたり、どのような運転経過においても、予混合火炎の燃焼が効果的に安定化されされるようにすることである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
混合区間の端部で、そこに形成される混合気の一部を分岐させて、外側再循環域内へ混入する。この混入箇所は、次のように選択する。すなわち、分岐させた混合気部分が、外側再循環域内で、そこに再循環してくる燃焼室内部の燃焼による高温ガスと、先ず完全に混合され、その後で、外側再循環区域が、混合区間からの残りの空気・燃料混合気部分と接触し得るように、選択する。こうすることによって、再循環域での空気・燃料混合気と高温ガスとの有利な混合比が得られ、分岐された空気・燃料混合気が、自己着火性のパイロット火炎の形式で、火炎面の安定性を大幅に改善する。
【０００５】
混合区間からの空気・燃料混合気を、主流と、小さい分流に分けられた副流とに分割することによって、燃焼室内での、空気・燃料混合気と再循環高温ガスとの接触面積が、著しく拡大する。
【０００６】
一般に、空気・燃料混合気の速度をほぼ一定に維持するためには、また火炎のフラッシュバックを防止するためには、空気・燃料混合気の主流及び副流の全横断面積を、ほぼ一定に維持するようにする。その目的のためには、混合区間の端部を少し縮小すればよい。加えて、そのためには、分流のための分岐管の数、各流過横断面、流れの方向に、相応の程度の影響が与えられる。
【０００７】
【発明の効果】
本発明の重要な利点は次の点にある。すなわち、
ａ） より低い、希薄な火炎消失限界（Loeschgrenzen）が得られ、それによって希薄予混合バーナの運転範囲が拡張された点。
【０００８】
ｂ） 火炎安定性が改善され、言い換えると、結果的に圧力脈動が低減された点。
【０００９】
ｃ） バーンアウト長さの短縮が、外側反応前面を強化することによって達成された点。
【００１０】
ａ）に記載の利点の原因は次の点にある。すなわち、空気・燃料混合気と再循環高温ガスとの間のせん断層（Scherschichten）による従来式の混合では、これら双方の媒体間の体積比の確率密度分布の最大値が約５０％となるが、これに対し、本発明により、外側再循環域内へ空気・燃料混合気を混入する措置の場合、約３０％の分布が保証される。異なる媒体ごとに確率密度分布が異なる場合に、相関的な自己着火時間について測定したことにより、次の点が明らかになった。すなわち、外側再循環域での空気・燃料混合気分布最大値が３０％の場合、着火の遅れ時間が、５０％の分布最大値の場合よりも、１オーダーだけ小さくなるという点である。
【００１１】
本発明による課題の解決策の、このほかの有利かつ効果的な構成は、請求項２以下の各項に記載されている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下で、本発明の一実施例を図面につき詳説する。図面からは、本発明の理解に直接必要ない部材は、すべて除去してある。媒体の流れ方向は、矢印で示してある。
【００１３】
略示した軸線から分かるように、図面には、リング形燃焼室１として構成された燃焼室が示されている。この燃焼室は、実質的に、１つの関連した環状又は準環状のシリンダから成っている。燃焼室は、しかしまた、軸方向に、又は準軸方向に、又は前記軸線を中心としてら旋状に配置された複数の、個別に自蔵式の燃焼スペースから成るようにしてもよい。図示の形式の単一の燃焼スペースから成る燃焼室も、可能である。この環状の燃焼室１は、混合区間の下流に配置されている。この場合、混合区間２は、そのまま、例えばヨーロッパ特許第０３２１８０９号明細書に記載されている形式の予混合バーナの構成要素とすることができる。このヨーロッパ特許は、したがって、本明細書に統合された構成要素とされる。旋回流を生じさせる図示の混合区間２は、例えばいわゆる予混合バーナの下流で作業する混合管の一部とすることができる。原則として、この狭義又は広義の混合区間２内部で、後に続く燃焼のための空気・燃料混合気が生成され、それによって、燃焼時には、有害物質、特にＮＯｘの排出が最少化される。燃焼スペース３は、混合区間２の端部に接続され、それによって、双方の流れ区間の移行部が、半径方向の横断面急変部５により形成され、この急変部が、先ず燃焼スペース３の流れ横断面を形成する。この場合、この流れ横断面は、混合区間２の出口横断面の２〜１０倍の値とする。この横断面急変部５の平面内で、前述の旋回流の崩壊により火炎面が出現する。この火炎面は逆流域１２をなすことが特徴である。この逆流域は、それ自体で無体の保炎部を形成し、この保炎部が、外側再循環域に加えて、火炎面の安定化に役立つ。横断面急変部の区域では、運転中に、流動的な外側再循環域１０が形成され、この再循環域内に、この域を支配する負圧によって渦流の剥離が発生する。この剥離自体が、逆流域１２の、したがってまた火炎面の環状の安定化を保証するのに適している、したがって、渦流の剥離が、全運転時間にわたって安定していることが、極めて重要となる。この目的のために、混合区間の移行部のところで、全空気・燃料混合気の一部９が、燃焼スペース３内へ分岐され、外側再循環域１０内へ混入される。全混合気８の、有利には１０〜３０に当たる一部の混合気９、すなわち副流は、貫流路４を介して、前記外側再循環域内へ導入される。その場合、導入箇所は、次のように選ばれる。すなわち、混合気と再循環高温ガス１７との完全な混合が、渦流の剥離区域１１で行われ、その後で、外側再循環域１０が空気・燃料混合気８の主流１６と接触するように、選ばれる。これによって、空気・燃料混合気と高温ガスとの有利な混合比が、おおむね外側再循環域１０内で得られ、副流９は、自己着火パイロット火炎の形式で、火炎面２０、つまり予混合火炎の安定性を、著しく改善する。全空気・燃料混合気８を、主流１６と、小さい部分流に分割された副流９とに分割することによって、混合気と再循環高温ガスとの接触面積が、著しく増大する。混合気の速度をほぼ一定に維持し、かつ逆火（フラッシュバック）を防止するために、主流１６と副流９との全横断面積をも、ほぼ一定に維持しなければならない。このことは、混合区域の端部に、相応に大きい流れ狭窄部７を設けることで調整される。軸線１５に対して約３０°〜６０°、有利には４５°の角度で延びる貫流路４の直径は、貫流路４が、旋回流の壁流線（Wandstromlinien）とほぼ平行に延びるようにするためには、混合区域２の液力直径（hydraulischer Durchmesser）の３〜８％、有利には５％の値とする。貫流路４の数は、混合気の主流と副流との質量流量比に応じて決められる。その場合、質量流量比は、主流と副流とのほぼ面積比に合致する。貫流路４と混合区間との間隔は、混合区間２の液力直径の、有利には約１０％である。貫流路４を通過する混合気に対しては、追加燃料６を添加できる。この添加は、例えば孔１８を備えた環状導管１９を介して、各貫流路４内へ前記燃料６を導入することで可能になる。それにより、外側再循環域１０内に、より強力かつ確実なパイロット火炎が作用する。これによって、移行区域でも、有害物質放出が最少化され、低い、希薄な火炎消失限界を目指すことができる。したがって、希薄予混合バーナーの運転範囲が、４０％以下の負荷領域にも拡張できる。さらに言及せねばならいない点は、高温ガス１３が、図示されていない後置のタービン１４に負荷され、そのさい、図示の燃焼室１は、順次燃焼用に構成されたカスタービン群の低圧側に直接に配置でき、自己着火法にしたがって操作可能な点である。
【図面の簡単な説明】
【図１】混合区間の終端部とこれに続く燃焼室とを示した図である。
【符号の説明】
１ 燃焼室
２ 混合区間
３ 燃焼スペース
４ 貫流路
５ 横断面急変部
６ 燃料
７ 狭窄部
８ 全空気・燃料混合気
９ 空気・燃料混合気部分流
１０ 外側再循環域
１１ 渦流の剥離域
１２ 逆流、予混合火炎、火炎面
１３ 高温ガス
１４ タービン
１５ ロータ軸軸線
１６ 空気・燃料混合気の主流
１７ 再循環高温ガス
１８ 孔
１９ 環状導管
２０ 火炎面

Claims (10)

1. ガスタービン群の燃焼室であって、実質的に、空気・燃料混合気の予混合のための混合区間と、後置された燃焼室とから成り、しかも、混合区間と燃焼室との移行部に横断面の急変部が設けられており、この急変部によって燃焼スペースの流れ横断面が生ぜしめられ、かつまた、この横断面の急変部が、混合区間の流れ横断面に対して、外側の再循環域を形成する形式のものにおいて、
   混合区間（２）の最終段階において、全空気・燃料混合気（８）の一部（９）を貫流させるための複数貫流路（４）が分岐し、かつこれらの貫流路（４）が、外側再循環域（１０）に開口していることを特徴とする、ガスタービン群の燃焼室。
2. 燃焼室(１)が環状燃焼室である、請求項１記載の燃焼室。
3. 混合区間（２）と外側再循環域（１０）との間の貫流路（４）が、燃焼室の軸線（１５）に対し３０°〜６０°の角度で延びている、請求項１記載の燃焼室。
4. 貫流路（４）を流れる、空気・燃料混合気の一部（９）が、全混合気（８）の１０〜３０％である、請求項１記載の燃焼室。
5. 貫流路（４）を流れる、空気・燃料混合気の一部（９）に対し、追加燃料（６）が供給可能である、請求項１記載の燃焼室。
6. 追加燃料（６）が、孔（１８）を備えた環状導管（１９）を介して供給可能である、請求項５記載の燃焼室。
7. 混合区間（２）の端部の横断面急変部（５）によって、混合区間（２）の流れ横断面より、２〜１０倍大きい燃焼スペース（３）の流れ横断面が生ぜしめられる、請求項１記載の燃焼室。
8. 貫流路（４）の直径が、混合区間（２）の液力直径の、それぞれ３〜８％である、請求項１記載の燃焼室。
9. 混合区間（２）の端部が、燃焼スペース（３）への移行部のところに横断面縮小部（７）を有する、請求項１記載の燃焼室。
10. 貫流路（４）が横断面縮小部（７）から分岐している、請求項１又は９記載の燃焼室。

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