JP2000111049A - 燃焼器バッフル - Google Patents

燃焼器バッフル

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JP2000111049A JP11234872A JP23487299A JP2000111049A JP 2000111049 A JP2000111049 A JP 2000111049A JP 11234872 A JP11234872 A JP 11234872A JP 23487299 A JP23487299 A JP 23487299A JP 2000111049 A JP2000111049 A JP 2000111049A
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 円周方向に配列された複数の燃料ノズルを含
む希薄予混合燃焼器アセンブリにおいて、中心領域内の
フラッシュバック発生を減少すること。 【解決手段】 燃焼器アセンブリは円周方向に配列され
た複数の燃料ノズル５０を含んでおり、これらの燃料ノ
ズル５０は燃焼チャンバに結合された第一の端部６４お
よびエンドカバー６２に取り付けられた第二の端部６０
を有している。これらの複数の燃料ノズル５０はそれら
の間に中心領域５２を区画している。バッフル１００が
中心領域５２内に配置されている。バッフル１００はエ
ンドカバー６２に隣接した上流ベース部分および上流ベ
ース部分の幅に比較してより小さい幅を有する輪郭を付
けられた下流部分を有しており、これにより再循環流を
下流流れ７０に転移して中心領域５２内のフラッシュバ
ックの発生を最小にする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】本発明は一般的には発電用燃焼器、より
詳しくは燃焼器バッフルに係わる。
【０００２】工業発電用ガスタービンエンジンは空気を
圧縮するために圧縮機を含んでおり、圧縮された空気は
燃料と混合され、燃焼器で点火されて燃焼ガスを発生す
る。燃焼ガスはタービンに流れ、ここでシャフトを駆動
して圧縮機に動力を与えるためにエネルギーが抽出さ
れ、そして例えば発電機に動力を与えるために出力が生
成される。タービンは典型的には発電機を駆動して例え
ば商用電力網へ電力を発生するために比較的に高いベー
ス負荷で長時間にわたり運転される。燃焼ガスからの排
気放出物はそれ故に関心事であり指令による制限を受け
ている。
【０００３】ＮＯｘ（窒素酸化物）のようなガスの放出
物を減少するために希薄予混合燃焼を使ったガスタービ
ン燃焼器が開発されている。一つのこのような燃焼器は
単一の燃焼チャンバに取り付けられた複数のバーナーを
含んでいる。各バーナーは中心に燃料ノズルを配置され
た流管を含んでいて、ノズルの中心ハブが燃料噴射器お
よび旋回羽根を支持している。運転中、燃料は燃料噴射
器から噴射されて流管内の旋回する空気と混合され、バ
ーナーの出口で火炎が発生される。燃焼火炎は中心ハブ
の背後におけるブラッフボディ再循環および旋回誘発再
循環の組み合わせによって安定化される。希薄化学量論
のため、希薄予混合燃焼では比較的に低い火炎温度が達
成されるので発生されるＮＯｘ放出物は比較的に少な
い。
【０００４】しかしながら、これらの予混合系は普通”
フラッシュバック”と呼ばれる予期できない現象を受け
やすい。フラッシュバックは燃料中の不純物の点火ある
いは火炎が過渡状態の相にあるときのモード変換の際の
点火を含めた多くの事象のいずれかによって起きる。フ
ラッシュバックが起きると、火炎は燃焼器チャンバの火
炎を含むように設計されていない帯域または空胴に入
る。フラッシュバックが懸念される一つのこのような領
域は燃料ノズル間のエンドカバーに向かって上側の領域
である。この領域の再循環する空気流のパターンおよび
燃料の存在の可能性がこの領域をフラッシュバックが起
こりやすくしている。この領域でのフラッシュバックは
燃焼制御の損失をもたらすことがあり、更に過度な加熱
を受けるように設計されていない例えば燃料ノズルのよ
うな燃焼器部品の加熱および融解を引き起こしかねな
い。
【０００５】更にまた、改善された熱力学的効率を持っ
たタービンに対する増大してやまない要求はより高いタ
ービン入口温度をもたらしている。このより高いタービ
ン入口温度はこれに応じて圧縮機放出温度および圧力比
の上昇をもたらしている。これらの条件の組み合わせは
燃料の自己点火の可能性をより大きくしている。
【０００６】従って、当業界ではフラッシュバックの発
生を減少するためにエンドカバー領域内の再循環を改善
することが必要とされている。
【０００７】
【発明の要約】燃焼器アセンブリは円周方向に配列され
た複数の燃料ノズルを含んでおり、これらの燃料ノズル
の第一端部は燃焼チャンバに結合され、そして第二端部
はエンドカバーに取り付けられている。これら複数の燃
料ノズルはそれらの間に中心領域を区画している。この
中心領域内にバッフルが配置される。バッフルは、エン
ドカバーに隣接した上流ベース部分、および上流ベース
部分の幅に比較してより小さい幅を有する輪郭を付けら
れた下流部分を有し、これにより再循環流を下流流れに
転移して中心領域内のフラッシュバックの発生を最小に
している。
【０００８】
【発明の詳細な記述】工業用タービンエンジン１０は図
１に示されているように燃焼器アセンブリ１４および単
段または多段タービン１６と連続した流れ流通関係で配
列された圧縮機１２を含んでいる。タービン１６は駆動
シャフト１８によって圧縮機１２に連結されており、駆
動シャフト１８の一部は電力を発生するために発電機
（図示せず）を駆動するために延びている。運転に際し
ては、圧縮機１２が圧縮空気２０を燃焼器アセンブリ１
４内に放出し、ここで圧縮空気２０が燃料２２と混合さ
れてから点火されて燃焼チャンバ２６内に燃焼ガス２４
を発生し、タービン１６によって燃焼ガス２４からエネ
ルギーが抽出されてシャフト１８を回転して圧縮機１２
に動力を与え、並びに発電機またはその他の外部負荷を
駆動するために出力を発生する。
【０００９】各燃焼器アセンブリ１４は図２の概略平面
図に示されているように、同心的および円周方向に配列
された複数例えば５つの上流ノズル５０を有する。各ノ
ズル５０は円周方向に配列された隣接する一対のノズル
５０に結合されて円周方向に隣接するノズル５０の同心
ノズル配列を形成している。このノズルの同心的配列は
それらの間に中心領域５２を区画する。各ノズル５０の
外側部分５４は中心領域５２の外側最端部を区画してい
る。一実施の態様では、各ノズル５０の外側部分５４は
弧状をしており、これによって中心領域５２に対して星
形の外側最端幾何学形状を区画している。
【００１０】各ノズル５０は図３に示されているよう
に、エンドカバー６２に結合された第一端部６０および
燃焼器アセンブリ１４（図１）に結合された第二端部６
４を含んでおり、予混合燃料２２および空気２０を燃焼
チャンバ２６に供給して燃焼させている。エンドプレー
ト６６が典型的にはノズル５０の第二端部６４に隣接し
て配置されて、円周方向に隣接する各ノズル５０を相互
接続し、そして第二端部６４を出るいかなる燃料空気混
合物の望ましからざる中心領域５２内への逆流を防いで
いる。従って、中心領域５２は典型的にはエンドカバー
６２、ノズル５０の隣接する外側部分５４およびエンド
プレート６６によって区画された室である。
【００１１】上記に論じたように、再循環空気６８は中
心領域５２内に典型的に見られる。中心領域５２内の燃
料の存在と再循環空気６８が組合わさると、フラッシュ
バックが起きる最適な領域が提供される。
【００１２】本発明の一実施の態様によれば、図４に示
されているように中心領域５２内にバッフル１００が配
置されてそこでの空気の再循環が最小にされる。一実施
の態様では、エンドカバー６２内に配置された穴１０４
にねじ切りで係合されているファスナー１０２によって
バッフル１００がエンドカバー６２に固定される。一実
施の態様では、ファスナー１０２は５／８″×２．５″
減径軸ＵＮＣボルトである。別の実施の態様では、バッ
フル１００はエンドカバー６２と一体であり、製造工程
中に適当な寸法に機械加工される。
【００１３】バッフル１００は図５に最も良く示されて
いるように、エンドカバー６２に隣接した上流ベース部
分１１０および上流ベース部分１１０の幅に比較してよ
り小さい幅を有する輪郭を付けられた下流部分１１２か
らなる。一実施の態様では、バッフル１００はハステロ
イ（Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ）Ｘで作られている。
【００１４】バッフル１００は再循環空気流６８（図
３）を非−再循環流７０（図４）に転移する。従って、
非−再循環流７０は燃料および空気を燃焼チャンバ２６
（図１）に向け下流に移動するので、中心領域５２（図
４）内のフラッシュバックの発生は最小にされそして排
除すらされる。
【００１５】上流ベース部分１１０はノズル５０のそれ
ぞれの外側部分の間にはめ合うよう配置されるように形
状づけられる（図４）。一実施の態様では、ベース部分
１１０の高さ（ｈ）は約０．２５インチ乃至約１．１２
５インチの範囲である（図５）。一実施の態様では、バ
ッフル１００は約１．５インチ乃至約２．５インチの範
囲の高さ（ｈ′）を有する。
【００１６】一実施の態様では、輪郭を付けられた下流
部分１１２は上流部分における約３．０インチ乃至約
４．０インチの範囲の幅（ｗ′）から下流部分における
約０．７５インチ乃至約１．３０インチの範囲の幅
（ｗ）に狭まって円錐形の輪郭を形成している。
【００１７】本発明の一実施の態様では、輪郭を付けら
れた下流部分１１２はより広い上流ベース部分１１０か
ら、基準線１２４を基準にして約３５°乃至約５５°の
範囲、典型的には４５°の角度（α）で狭まっている。
基準線１２４は典型的にはエンドカバー６２に対し垂直
に傾斜されている。
【００１８】一実施の態様では、５つのノズルが５カ所
で尖った星の幾何学形状を有する中心領域５２を区画し
ている。従って、この実施の態様では、図６に最も良く
示されているようにバッフル１００は５つのノズルの各
々と均一にはめ合わさるように概して星形の幾何学形状
を有している。
【００１９】図７に示されているような別の実施の態様
２００では、輪郭を付けられた下流部分１１２は準−円
錐形の輪郭を形成するようにより広いベース部分からよ
り狭い下流部分に狭まっている。その外側表面は約１．
２５インチ乃至約１．３７５インチの範囲の軸方向長さ
（図７におけるｈ′−ｈ）および約２．２インチの曲率
半径によって定義される弧として輪郭づけられる。この
バッフルの設計は形状がより空気力学的であって流れに
対してより少ない妨害（抵抗）しか与えないので流体の
流れにより順応した形をとる。それ故このバッフル設計
はより小さな圧力降下の要件に従うことが期待される。
圧力降下が低いほどポンピング費用が低下する利益がも
たらされる。
【００２０】図８はバッフルのない中心領域内における
速度の大きさで着色された速度ベクトルの例示のパター
ンを描いている。エンドカバープレート付近の中心領域
における大きな再循環帯域が見られる。比較的に弱い再
循環帯域もノズルの軸方向下流のデッド領域に存在す
る。エンドカバー付近の比較的強い再循環帯域は燃料の
存在下でフラッシュバックへの部位を提供するので中心
領域での火炎−保持を回避するため排除されるべきであ
る。中心領域での燃料の存在はより良い燃焼および火炎
安定性を得るため設計によって意図的に図られるかある
いは意図的ではなしに燃料の漏洩に原因している可能性
がある。
【００２１】図９はバッフル１００が備えられた中心領
域内における速度の大きさで着色された速度ベクトルの
例示のパターンを描いている。図９では、エンドカバー
付近の中心領域における強い再循環帯域（図８にみられ
る）が排除されている。従って、バッフル１００は万一
フラッシュバックが中心領域に発生したときの火炎保持
に対する潜在的な部位を排除している。しかし、この形
状は下流のデッド領域に”弱い”再循環の存在を示して
いる。
【００２２】図１０は別のバッフル設計２００が備えら
れた中心領域内における速度の大きさで着色された速度
ベクトルの例示のパターンを描いている。エンドカバー
付近の中心領域における強い再循環帯域（図８にみられ
る）は図１０でも排除されている。従って、この設計も
また万一フラッシュバックが中心領域に発生したときの
火炎保持に対する潜在的な部位を排除している。加えて
このバッフル設計では”弱い”下流の再循環も排除して
いる。
【００２３】以上本発明の或特徴についてのみが例示さ
れ記載されたが、当業者には多くの改良および変更が思
い当たろう。それ故、特許請求の範囲には本発明の真の
精神に入るこうした改良および変更の全てが網羅されて
いると理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の工業用タービンエンジンの概略図であ
る。
【図２】例示的な燃焼器ノズル配列の一端の概略平面図
である。
【図３】部品の一部を取り除いた、例示的な燃焼器ノズ
ル配列の概略側部立面図である。
【図４】部品の一部を取り除いた、本発明の一実施の態
様に従った燃焼器ノズル配列の概略側部立面図である。
【図５】本発明の一実施の態様に従った燃焼器バッフル
の概略の側部断面立面図である。
【図６】図４の燃焼器ノズル配列の一端の概略平面図で
ある。
【図７】本発明の別の実施の態様に従った燃焼器バッフ
ルの概略の側部断面立面図である。
【図８】バッフルのない中心領域内における速度の大き
さで着色された速度ベクトルの例示のパターンを描いた
着色図である。
【図９】本発明の一実施の態様に従ったバッフルが備え
られた中心領域内における速度の大きさで着色された速
度ベクトルの例示のパターンを描いた着色図である。
【図１０】本発明の別の実施の態様に従った別のバッフ
ルが備えられた中心領域内における速度の大きさで着色
された速度ベクトルの例示のパターンを描いた着色図で
ある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ルイス・バークレー・デイヴィス，ジュニ ア アメリカ合衆国、ニューヨーク州、ニスカ ユナ、ウィンザー・ドライブ、4020番 (72)発明者 ウォーレン・ジェイムズ・ミック アメリカ合衆国、ニューヨーク州、スケネ クタデイ、カリー・ロード・イーエックス ティ、5762番

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃焼チャンバ（２６）に結合された第一
    の端部（６４）およびエンドカバー（６２）に取り付け
    られた第二の端部（６０）を有し、円周方向に配列され
    てそれらの間に中心領域（５２）を区画している、複数
    の燃料ノズル（５０）および前記中心領域（５２）内に
    配置されていて、前記エンドカバー（６２）に隣接した
    上流ベース部分（１１０）および該上流ベース部分（１
    １０）の幅に比較してより小さい幅を有する輪郭を付け
    られた下流部分（１１２）を有しており、これにより再
    循環流（６８）を下流流れ（７０）に転移して前記中心
    領域（５２）内のフラッシュバックの発生を最小にす
    る、バッフル（１００）を含む燃焼器アセンブリ（１
    ４）。
  2. 【請求項２】 前記複数の燃料ノズル（５０）の数が５
    である、請求項１の燃焼器アセンブリ（１４）。
  3. 【請求項３】 前記バッフル（１００）が、前記エンド
    カバー（６２）内に配置された穴（１０４）にねじ切り
    で係合しているファスナー（１０２）によって前記エン
    ドカバー（６２）に結合されている、請求項１の燃焼器
    アセンブリ（１４）。
  4. 【請求項４】 前記バッフル（１００）がハステロイＸ
    で作られている、請求項１の燃焼器アセンブリ（１
    ４）。
  5. 【請求項５】 前記バッフル（１００）の前記ベース部
    分（１１０）が前記複数のノズル（５０）のそれぞれの
    外側表面（５４）にはめ合うよう配置されるように形状
    づけられている、請求項１の燃焼器アセンブリ（１
    ４）。
  6. 【請求項６】 前記バッフル（１００）の前記ベース部
    分（１１０）が０．２５インチ乃至約１．１２５インチ
    の範囲の高さをしている、請求項１の燃焼器アセンブリ
    （１４）。
  7. 【請求項７】 前記輪郭を付けられた下流部分（１１
    ２）が約１．２５インチ乃至約１．３７５インチの範囲
    の軸方向長さおよび約２．２インチの曲率半径によって
    定義される弧として輪郭づけられている、請求項１の燃
    焼器アセンブリ（１４）。
  8. 【請求項８】 前記ベース部分（１１０）が前記５つの
    燃料ノズル（５０）のそれぞれの外側表面（５４）には
    め合うよう配置されるように概して星形の形状に形状づ
    けられている、請求項２の燃焼器アセンブリ（１４）。
  9. 【請求項９】 前記輪郭を付けられた下流部分（１１
    ２）が円錐状に形づけられている、請求項１の燃焼器ア
    センブリ（１４）。
  10. 【請求項１０】 前記バッフル（１００）が約１．５イ
    ンチ乃至約２．５インチの範囲の高さをしている、請求
    項１の燃焼器アセンブリ（１４）。
  11. 【請求項１１】 燃焼チャンバ（２６）に結合された第
    一の端部（６４）およびエンドカバー（６２）に取り付
    けられた第二の端部（６０）を有し、円周方向に配列さ
    れてそれらの間に中心領域（５２）を区画している、複
    数の燃料ノズル（５０）および前記中心領域（５２）内
    に配置されていて、前記エンドカバー（６２）に隣接し
    た上流ベース部分（１１０）および該上流ベース部分
    （１１０）の幅に比較してより小さい幅を有する輪郭を
    付けられた下流部分（１１２）を有しており、これによ
    り再循環流（６８）を下流流れ（７０）に転移して前記
    中心領域（５２）内のフラッシュバックの発生を最小に
    する、バッフル（１００）を含む燃焼器アセンブリ（１
    ４）を有する工業用タービンエンジン（１０）。
  12. 【請求項１２】 前記バッフル（１００）の前記ベース
    部分（１１０）が前記複数のノズル（５０）のそれぞれ
    の外側表面（５４）にはめ合うよう配置されるように形
    状づけられている、請求項１１記載の工業用タービンエ
    ンジン（１０）。
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