JP4106098B2 - ガスタービンの燃焼室の運転法及びガスタービンの燃焼室 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料が供給される前混合バーナを備えた、ガスタービンの燃焼室の運転法であって、前記前混合バーナを、燃料流れ方向で互いに側方にずれて向かい合って配置された少なくとも２つの中空の部分円錐体より形成し、これら中空の部分円錐体によって形成された中空室の横断面が燃料流れ方向で増大するようにし、前記部分円錐体の各中央軸線を互いにずらして、隣接し合う部分円錐体の壁部が、前記部分円錐体によって形成された内室内に燃焼空気を流入させるための、接線方向のスリット又は通路を形成するようにし、前記燃焼室を、主バーナの機能を有する少なくとも１つの前混合バーナと、点火バーナの機能を有する少なくとも１つの前混合バーナとによって駆動する方法、並びにガスタービンの燃焼室に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＥＰ−Ｂ１−０３２１８０９号特許明細書によれば、二重円錐構造の前混合バーナが公知であり、この前混合バーナは互いにずれた中央軸線を備えた２つの部分円錐体から成っている。バーナの両側には接線方向の空気流入スリットが形成されており、この空気流入スリット内で、半径方向で供給されたガス状の燃料若しくは軸方向で供給された液状の燃料が、圧縮機から到来した燃焼空気と混合される。極めて高い周速度を有するこの燃料空気混合物のいわゆる渦の崩壊が生じた際に、バーナ口部の領域に最適で均一な燃料濃度が生じる。 部分円錐体を互いに半径方向にずらすことにより、それらの間に形成された空気流入スリットの大きさ、ひいては燃料空気混合物の周速度を変化させることができ、その結果、使用条件に応じて常に渦の崩壊の発生のための最適な条件を得ることができる。
【０００３】
ＥＰ−Ａ１−０３８７５３２号特許明細書から公知のように、この種の複数の二重円錐形バーナがガスタービンの燃焼室の向流側に配置される。その場合、これらの二重円錐形バーナはこれらを通流する燃焼空気の量に応じて点火バーナ又は主バーナとして機能する。この両種のバーナは１列を成してかつそれぞれ交互に燃焼室内に配置される。これにより、比較的小さな点火バーナが全負荷範囲内で理想的な混合で運転され、従って部分負荷時でもＮＯｘ拡散物を比較的わずかにすることができる。
【０００４】
環境保護の観点から、ＮＯｘ拡散物を著しく軽減することが課題となっているが、しかし、このことは公知燃焼室では不可能である。この種の燃焼室の欠点として二重円錐形バーナにおける比較的大きな圧力損失が挙げられている。このことは、大きな燃料要求と出力の減少ひいてはガスタービンの効率の減少を招く原因となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記欠点をすべて排除するために、その課題とするところは、タービンの効率の改善並びにＮＯｘ拡散物の軽減が得られるように、燃焼室の運転のための方法と装置を改良することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決した本発明方法によれば、主バーナを燃料空気混合物の調製のための混合器としてのみ駆動し、主バーナを点火バーナにより点火し、主バーナを駆動することによって主バーナの流出部の領域に火炎フロントを形成し、この主バーナの火炎フロントを燃焼室の運転中に常に点火バーナの火炎フロントにより安定化させ、主バーナ内へ導入される燃焼空気のスワール数が、点火バーナ内へ導入される燃焼空気のスワール数よりも低く維持されるように、異なるスワール数を有する燃焼空気で主バーナ及び点火バーナを負荷し、点火バーナの燃焼空気のスワール数を０．７より大きくするようにした。
また前記課題を解決した、ガスタービンの燃焼室によれば、主バーナの端部の流出部横断面に対する、空気流入スリットにおける流入部横断面の比が、点火バーナにおける対応する比よりも大きくなるようにした。
【０００７】
渦の崩壊の発生のための限界がスワール数０．７にあることは公知であるので、燃焼空気をこの限界値より低いスワール数で主バーナへ導入し、この限界値より高いスワール数で点火バーナへ導入するのである。従って、主バーナは全負荷運転でも部分負荷運転でも点火バーナなしでは点火不可能である。これに対して従来公知の方法における主バーナは、全負荷運転では消火することはないが部分負荷運転では点火バーナにより助成されなければ点火されない程度に希薄に運転される。
【０００８】
主バーナのスワール数の所要の軽減は、有利には、主バーナの流出部横断面に対する空気流入スリットの比が点火バーナにおける対応する比に比して大きく形成されることにより達成される。このことのために、主バーナの流入スリットが拡大されるか又はその流出部横断面が減少させられる。同じ目的が主バーナの開角の減少によっても達成される。
【０００９】
本発明の有利な解決手段によれば、主バーナの流入スリットの拡大により圧力損失の削減が得られる。これにより、タービンの出力並びに効率が増大する。
【００１０】
主バーナと点火バーナとを少なくとも２列に間隔をおいて配置することにより、燃焼室が良好に点火されるようになり、その運転が確実となり、部分負荷時の温度分布が、１列だけのバーナの場合よりも効果的となる。各列に同じ構造の二重円錐形バーナが配置されることにより、点火バーナの良好な横方向点火が保証される。これに対して、二重円錐形バーナの各列が主バーナと点火バーナとを交互に有している場合には、主バーナの良好な点火性と燃焼室内での半径方向の均一な温度分布とが可能となる。
【００１１】
主バーナがＮＯｘを生じない負荷で運転され、点火バーナの火炎温度が、すべての運転状態で燃焼室の安定性を保証するまで高められると特に効果的である。
【００１２】
本発明の別の実施態様によれば、燃焼室が環状燃焼室として形成されており、二重円錐形バーナが３列を成して配置されかつ公知形式で共通の１垂直平面内で円状に配置されている。この場合、１列の点火バーナが２列の主バーナの間に配置されている。この配置によれば、主バーナに対する点火バーナの特別効果的な比率が達成され、これによれば、点火バーナの数が比較的わずかであるため、ＮＯｘ拡散物が一層削減される。主バーナの両方の列が共通して又は別々に接続若しくは遮断されるように配置されていれば、半径方向の温度分布を所期の通り制御することができ、その結果、タービンを翼端部のところで相応して強く負荷することができる。
【００１３】
点火バーナの火炎温度の増大により、ＮＯｘ拡散物を著しく増大させることなく燃焼室の消火の挙動を改善することができる。
【００１４】
次に本発明の複数の実施例を図面に示し、サイロ燃焼室若しくは環状燃焼室及びそれぞれのバーナについて以下に説明する。
【００１５】
【実施例】
ガスタービンのサイロ燃焼室１内に複数の二重円錐形バーナが点火バーナ２若しくは主バーナ３として共通の１平面内で円状に配置される。その場合、外側から内側へ交互に１列の主バーナ３に１列の点火バーナ２が続いて配置されている（図１参照）。
【００１６】
従来の二重円錐形バーナとして形成された点火バーナ２は半割された中空な２つの部分円錐体４，５から成り、これらの部分円錐体は互いに側方へずれて互いに向かい合って位置している（図２参照）。これに相応して、部分円錐体４，５の中央軸線６，７は同様に互いに側方へずれて互いに並んで位置している（図４参照）。このようにして、点火バーナ２の両側には鏡面対称的にそれぞれ１つの接線方向の空気流入スリット８，９が形成されている。これらの空気流入スリット８，９を通って燃焼空気１０が点火バーナ２の内室内へ、換言すれば円錐形中空室１１内へ流入する（図２参照）。
【００１７】
両方の部分円錐体４，５はそれぞれ１つの円筒形の始端部１２，１３を備えており、これらの円筒形の始端部は部分円錐体４，５と同様に互いにずれて互いに向かい合って配置されている。これにより、接線方向の空気流入スリット８，９は向流側で点火バーナ２の全長にわたり形成されている。円筒形の始端部１２，１３にはノズル１４が配置されており、その燃料噴入１５は、２つの部分円錐体１４，１５により形成された円錐形中空室１１の最も狭い横断面のところで行われる。勿論、点火バーナ２は純粋に円錐形に、要するに円筒形の始端部１２，１３なしに形成されることもできる。
【００１８】
両方の部分円錐体４，５にはその接線方向の空気流入スリット８，９の外端部のところに、それぞれ１つの燃料導管１６，１７が配置されている。これらの燃料導管１６，１７は開口１８を備えており、この開口を通ってガス状の燃料１９が点火バーナ２の円錐形中空室１１内へ達する。その際、このガス状の燃料１９は接線方向の空気流入スリット８，９を通って流入する燃焼空気１０と混合される。この混合は接線方向の空気流入スリット８，９の領域内で行われる。両方の部分円錐体４，５はフラットな開角２０を有している。点火バーナ２は燃焼室側２１に部分円錐体４，５の固定のために役立つカラー状の閉鎖板２２を備えている。
【００１９】
ノズル１４を通って流れる液状の燃料２３は鋭角で円錐形中空室１１内へ噴入され、その結果、点火バーナ２の流出部横断面２４の平面内には可能な限り均一な燃料スプレーが調製される。この円錐形の液状燃料プロフィール２５は接線方向で流入して回転流、要するにスワールを成す燃焼空気１０により囲まれる。液状の燃料２３の濃度は軸方向で順次、混入される燃焼空気１０により希薄となる。横断面にわたる均一な最適の燃焼濃度が、渦の崩壊の領域、換言すれば逆流ゾーン２６の領域内で得られる。この逆流ゾーン２６の先端のところで点火が行われる。この箇所ではじめて安定な火炎フロント２７が生じる。
【００２０】
ガス状の燃料１９が燃焼すると、それと燃焼空気との混合が接線方向の空気流入スリット８，９の外端部のところで行われ、その結果、その場所に同様に燃料空気混合物２８が形成される。
【００２１】
主バーナ３としては同様に従来の二重円錐形バーナが配置されており、それの部分円錐体４′，５′は、点火バーナ２の場合に比して著しくずれて互いに向かい合わせに配置されている。これにより、それの中央軸線６′，７′は点火バーナ２の中央軸線６，７の場合に比して一層大きな側方向の相互間隔を有している（図４、図５参照）。これにより、接線方向の主バーナ３の空気流入スリット８′，９′のギャップ幅が増大しており、従って燃焼空気１０′のスワール数が減少する。このようにして、渦の崩壊の発生が排除され、換言すれば主バーナ３は混合器としてのみ作用し、自体では点火もせず、安定な火炎フロントを形成もしない。
【００２２】
ガスタービンのサイロ燃焼室１内には燃焼空気１０′が低いスワール数で主バーナ３に導入され、若しくは燃焼空気１０が高いスワール数で点火バーナ２内に導入される。これにより、点火バーナ２についてすでに説明した安定な火炎フロント２７を形成することができる。主バーナ３の燃料空気混合物２５′，２８′は隣合った点火バーナ２により点火される。主バーナ３の火炎フロント２７′はサイロ燃焼室１の運転中には常に点火バーナ２の火炎フロント２７により安定化される（図１から図３までを参照）。
【００２３】
第２実施例では、ガスタービンの燃焼室が環状燃焼室として形成されていて、２列の二重円錐形バーナを備えており、これらの二重円錐形バーナは共通の垂直平面内で円状に配置されている。各列は同じ構造の二重円錐形バーナだけを備えており、その場合、点火バーナ２の列が外側に、主バーナ３の列が内側に配置されている（図６参照）。両方のバーナ列は逆の順序で配置されてもよい。さらにまた、二重円錐形バーナの各列内に、点火バーナ２並びに主バーナ３を配置することも可能であり、その場合には、これらのバーナが列の内部で交互にかつそれぞれ隣合う列に関して間隔をおいて配置される（図７参照）。
【００２４】
さらに別の実施例では、ガスタービンの環状燃焼室２９が共通の１垂直平面内で円状に配置された３列の二重円錐形バーナを備えており、その場合、１列の点火バーナ２が２列の主バーナ３の間に配置されている（図８参照）。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の利点とするところは、特に、従来主バーナにより発生させられていたＮＯｘ拡散物をほぼ完全に回避することができることにある。しかし、このようなほとんどＮＯｘの発生のない燃焼を実現するためには、主バーナ内での燃料空気混合物の滞留時間を比較的短くしなければならない。それゆえ、渦の崩壊をもはや生じることができない程度まで主バーナへ流入する燃焼空気のスワール数が減少させられる。これにより、主バーナが不安定となり、たんに混合器としてしか作用しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ガスタービンのサイロ燃焼室が種々の二重円錐形バーナを備えている実施例の略示図である。
【図２】 二重円錐形バーナとして形成された点火バーナの部分破断斜視図である。
【図３】 二重円錐形バーナとして形成された主バーナの部分破断斜視図である。
【図４】 図２のＩＶ−ＩＶ線に沿った略示断面図である。
【図５】 図３のＶ−Ｖ線に沿った略示断面図である。
【図６】 ガスタービンの環状燃焼室に種々の二重円錐形バーナを備えている実施例の部分略示図である。
【図７】 さらに別の実施例の図６同様の略示図である。
【図８】 さらに別の実施例の図６同様の略示図である。
【符号の説明】
１ サイロ燃焼室、 ２ 点火バーナ、 ３ 主バーナ、 ４，４′５，５′ 部分円錐体、 ６，６′，７，７′ 中央軸線、 ８，８′，９，９′ 空気流入スリット、 １０，１０′ 燃焼空気、 １１ 円錐形中空室、 １２，１３ 始端部、 １４ ノズル、 １５ 燃料噴入、 １６，１７ 燃料導管、 １８ 開口、 １９，１９′ ガス状の燃料、 ２０，２０′ 開角、 ２１ 燃焼室、 ２２ 閉鎖板、 ２３ 液状の燃料、 ２４，２４′ 流出部横断面、 ２５，２５′ 液状燃料プロフィール、 ２６ 逆流ゾーン、 ２７，２７′ 火炎フロント、 ２８，２８′ 燃料空気混合物、 ２９ 環状燃焼室

Claims (13)

1. 燃料が供給される前混合バーナを備えた、ガスタービンの燃焼室の運転法であって、前記前混合バーナを、燃料流れ方向で互いに側方にずれて向かい合って配置された少なくとも２つの中空の部分円錐体より形成し、これら中空の部分円錐体によって形成された中空室の横断面が燃料流れ方向で増大するようにし、前記部分円錐体の各中央軸線を互いにずらして、隣接し合う部分円錐体の壁部が、前記部分円錐体によって形成された内室内に燃焼空気を流入させるための、接線方向のスリット又は通路を形成するようにし、前記燃焼室を、主バーナの機能を有する少なくとも１つの前混合バーナと、点火バーナの機能を有する少なくとも１つの前混合バーナとによって駆動する方法において、
   主バーナ（３）を燃料空気混合物（２５′，２８′）の調製のための混合器としてのみ駆動し、主バーナを点火バーナ（２）により点火し、主バーナ（３）を駆動することによって主バーナの流出部の領域に火炎フロント（２７′）を形成し、この主バーナの火炎フロント（２７′）を燃焼室（１，２９）の運転中に常に点火バーナ（２）の火炎フロント（２７）により安定化させ、主バーナ（３）内へ導入される燃焼空気（１０′）のスワール数が、点火バーナ（２）内へ導入される燃焼空気のスワール数よりも低く維持されるように、異なるスワール数を有する燃焼空気（１０′）で主バーナ（３）及び点火バーナ（２）を負荷し、点火バーナ（２）の燃焼空気（１０）のスワール数を０．７より大きくする、ことを特徴とするガスタービンの燃焼室の運転のための方法。
2. ガス状及び／又は液状の燃料より成る、燃焼室の運転のために使用される燃料の大部分を主バーナ（３）を介して燃焼させ、点火バーナ（２）の火炎温度を、燃焼室（１，２９）の安定が保証されるまで上昇させる請求項１記載の方法。
3. 燃焼室を、互いに隣合った少なくとも２列に配置された主バーナ（３）及び点火バーナ（２）で駆動する、請求項２記載の方法。
4. １列の点火バーナ（２）を、この点火バーナ（２）の列に隣合った２列の主バーナ（３）で駆動し、かつ、主バーナ（３）の両方の列を共通に又は別々に接続若しくは遮断する請求項１記載の方法。
5. 主バーナ（３）を、点火バーナ（２）に比して半分までの少ない、燃焼空気装入量で運転する請求項１記載の方法。
6. 燃料が供給される前混合バーナを備えた、ガスタービンの燃焼室であって、前記前混合バーナが、燃料流れ方向で互いに側方へずれて向かい合って配置された少なくとも２つの中空の部分円錐体より成っており、これら中空の部分円錐体によって形成された中空室の横断面が燃料流れ方向で増大しており、前記部分円錐体の各中央軸線が互いにずらされていて、隣接し合う部分円錐体の壁部が、前記部分円錐体によって形成された内室内に燃焼空気を流入させるための、接線方向のスリット又は通路を形成しており、前記燃焼室が、主バーナの機能を有する少なくとも１つの前混合バーナと、点火バーナの機能を有する少なくとも１つの前混合バーナとを備えている形式のものにおいて、
   主バーナ（３）を燃料空気混合物（２５′，２８′）の調製のための混合器としてのみ駆動するものであって、主バーナを点火バーナ（２）により点火し、主バーナ（３）を駆動することによって主バーナの流出部の領域に火炎フロント（２７′）を形成し、この主バーナの火炎フロント（２７′）を燃焼室（１，２９）の運転中に常に点火バーナ（２）の火炎フロント（２７）により安定化させており、主バーナ（３）内へ導入される燃焼空気（１０′）のスワール数が、点火バーナ（２）内へ導入される燃焼空気のスワール数よりも低く維持されるように、主バーナ（３）の端部の流出部横断面（２４′）に対する、空気流入スリット（８′，９′）における流入部横断面の比が、点火バーナ（２）における対応する比よりも大きくなっていることを特徴とする、ガスタービンの燃焼室。
7. 主バーナ（３）の空気流入スリット（８′，９′）が点火バーナ（２）の空気流入スリットに対して拡大されて形成されている請求項６記載の燃焼室。
8. 主バーナ（３）の流出部横断面（２４′）が点火バーナ（２）の流出横断面に対して減少して形成されている請求項６記載の燃焼室。
9. 中空室の横断面を燃料流れ方向で増大させることによって形成された、主バーナ（３）の開角（２０′）が点火バーナ（２）の開角（２０）に比して小さく形成されている請求項６記載の燃焼室。
10. 主バーナ（３）と点火バーナ（２）とが、少なくとも２列のそれぞれの列にそれぞれ間隔をおいて配置されている請求項６から９までのいずれか１項記載の燃焼室。
11. 各列に構造的に同じ主バーナ（３）又は点火バーナ（２）が配置されている請求項１０記載の燃焼室。
12. 主バーナ（３）と点火バーナ（２）とが１列内に交互に配置されている請求項１０記載の燃焼室。
13. 燃焼室が環状燃焼室（２９）である請求項６から１２までのいずれか１項記載の燃焼室。

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