JP2000512723A - 特にガスタービン用のバーナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、軸心（１）および外側ケーシング（２）とこれに対して同軸的な内側ケーシング（３）とから成る軸線（１）に関して回転対称な流れ案内構造物を備えたバーナに関する。この流れ案内構造物は酸素を含むガスの流れ（７）を案内するための入口（５）から出口（６）まで延びる環状間隙（４）を規定している。環状間隙（４）内に燃料を流れ（７）に導入するための多数のノズル（９）および旋回流発生格子（８）が配置されている。外側ケーシング（２）と内側ケーシング（３）から成る流れ案内構造物は、流れ（７）が環状間隙（４）を旋回流発生格子（８）と出口（６）との間でほぼ一定した子午線速度で貫流するように形成されている。バーナは特にガスタービン（１５、１６、１７）に利用するために適用される。

Description

【発明の詳細な説明】 特にガスタービン用のバーナ 本発明は、軸心、外側ケーシングとこれに対して同軸的な内側ケーシングとか ら成り酸素を含むガスの流れを案内するための入口から出口まで延びる環状間隙 を規定する軸線に関して回転対称な流れ案内構造物、燃料を流れに導入するため の環状間隙内に配置された多数のノズルおよび環状間隙内に配置された旋回流発 生格子を備えたバーナに関する。 本発明は特にガスタービンに利用するための上述の形式のバーナに関する。 この種のバーナはヨーロッパ特許第０１９３８３８号Ｂ１明細書並びに雑誌フ ァウゲーベー・クラフトウェルクステヒニク（ＶＧＢ Kraftwerkstechnik）６８ （１９８８年）の第７９９頁に掲載のマグホン（H.Maghon）著の論文「ガスター ビンにおけるＮＯｘ問題の経済的解決法（Eine wirkschaftliche Loesung des N Ox-Problems bei Gasturbinen）」で知られている。このバーナの改良形は国際 出願公表第９２／１９９１３Ａ１号明細書で知られている。 ヨーロッパ特許出願公開第０５８９５２０Ａ１号明細書並びに米国特許第５１ ６５２４１号明細書、同第５２５１４４７号明細書、同第５３２３６０４号明細 書もこれに関係している。またジーイー・インダストリアル・アンド・パワーシ ステムズ（ＧＥ Industrial and Power Systems）米国ニューヨーク、シェネク タティの説明書、ＧＥＲ−３５６８Ｃに掲載のデーヴィス（L.B.Davis）著の論 文「ＧＥ大形ガスタービンの乾燥低ＮＯｘ燃焼システム（Dry Low NOx-Combusti on Systems for GE Heavy-Duty Gas Turbinens）」も参照されたい。これらの全 文献からバーナないしガスタービン用のバーナ付き燃焼器を理解することができ る。 この関係において重要な流体力学の専門書については、文献「送風機（Ventil atoren）」、エック（B.Eck）著、シュプリンガー（Springer）出版（ベルリン 、ハイデルベルク、ニューヨーク）、第５版、Ｃ章、第２８３〜２８５頁並びに 文献「軸流圧縮機（Axialkompressoren）」、ホル・ロック（J.H.Hor1ock）著、 ブラウン（G.Braun）出版（ドイツ国カールスルーエ）、１９６７年、増補４を 参照されたい。 これら両文献は送風機に関するもので、特にガスの流れを無旋回流の形で軸線 に沿って吸い込み、加速された旋回流の形で軸線に沿って排出する回転形旋回流 発生格子を特徴とした軸流形送風機に関している。上述の形式のバーナには、他 の方法で加速された無旋回流で洗流され、この流れがそこから旋回しながら或る 圧力損失をもって排出される固定形旋回流発生格子が儲けられている。従ってバ ーナの形状は送風機の形状に様々な点で類似し、送風機の基本理論を直接応用で きる。この場合特に重要な点は、旋回しながら軸線に沿って移動するガス流に対 しこの流れがどのようにして用意されたかに無関係に現れる作用である。この作 用は流れの内部に渦芯を形成することであり、即ち旋回しながら移動する流れは 円環の形を形成する性質を有し、従って流れを案内する円筒状管の軸線の周りの 中央範囲にはもはや流れの方向における流れは生じない。 任意に種々に選定できる制限装置特にバーナを通過して流れるガスの流れは数 値学的な手段によって計算でき、そのために既に対応したコンピュータプログラ ムが市販されている。そのようなコンピュータプログラムは熟知した専門化にお いてＴＡＳＣＦＬＯＷおよびＦＬＵＥＮＴの名前で知られている。 冒頭に述べた形式のバーナは一般に、燃料を酸素含有ガス特に圧縮空気の流れ の中で有害物の発生を少なくして確実に燃焼する目的を有している。窒素酸化物 および一酸化炭素のような有害物の発生を防止するために、予混合燃焼方式が有 利であることが判明している。そのためにまず燃料と酸素含有ガスとができるだ け均質に混合された混合気が形成され、次いでこの混合気が点火される。このよ うな混合気に対して一般に、特にガスタービンにおいて予期される条件のもとで 早すぎる点火が生ずる可能性があり、これは特に比較的発火し易い燃料を利用し ようとするとき、あるいはそのような燃料を高い火炎速度で利用しようとすると きに問題となる。この種の燃料は、例えば天然水素を含むガス、例えば石炭のガ ス化で得られたガス並びにメタンの発火温度よりかなり低い発火温度の長鎖状炭 化水素分を多く含む天然ガスである。 上述の幾つかの文献、特にヨーロッパ特許第０１９３８３８Ｂ１号明細書並び に国際出願公表第９２／１９９１３Ａ１号明細書に記載されているこのような予 混合燃焼が実現されるバーナにおいては、バーナが理想的に洗流されず、このた めに酸素含有ガスと燃料との混合が劣化するときに別の問題が現れる。このよう な場合、その混合気が燃焼する際に温度分布が非均一となり、従って窒素酸化物 が多量に発生し、更に非均一な混合気が早すぎる点火を助長する。このために発 火し易い燃料を燃焼しようとするガスタービンにおいて、予混合燃焼方式の実現 が阻まれる。またこれは、従来実現できていた予混合燃焼方式には特に燃料と酸 素含有ガスとの混合気の早すぎる点火がそのバーナに大きな損傷を比較的容易に 引き起こすおそれがあるので問題があることを示している。 本発明の課題は、バーナの中を貫流する酸素含有ガスの流れにできるだけ異常 が生ぜず、これによって流れ内の燃料の早すぎる点火の危険が避けられるような バーナを提供することにある。 本発明によればこの課題は、軸心、外側ケーシングとこれに対して同軸的な内 側ケーシングとから成り酸素を含むガスの流れを案内するための入口から出口ま で延びる環状間隙を規定する軸線に関して回転対称な流れ案内構造物、燃料を流 れに導入するための環状間隙内に配置された多数のノズルおよび環状間隙内に配 置された旋回流発生格子を備えたバーナにおいて、外側ケーシングと内側ケーシ ングから成る構造物が、流れが環状間隙を旋回流発生格子と出口との間でほぼ一 定した子午線速度で貫流するように形成されることによって解決される。 ここで「ほぼ一定した子午線速度」とは、流れで貫流される構造物が流れに対 しほぼ一定した子午線流れ断面を形成しなければならないことを意味する。この 流れ断面はしばしば例えば流れ案内構造物の対称軸に対して垂直に位置せずに、 流れを描くベクトル場に相応して対称軸に対して高度をもって且つベクトル場に 対して横方向に測定しなければならない。 この関係において、流れを明白に考慮する必要がない単純な計算モデルが、流 れ案内構造物に沿った流れ断面を得るための良好な近似を提供する。この流れ案 内構造物に外側ケーシングの表面並びに内側ケーシングの表面が接線方向に接す るトーラス（円環面）が書き込まれる。その際トーラスが外側ケーシングあるい は内側ケーシングに接する点は、外側ケーシングにおける円ないし内側ケーシン グにおける円の上に位置している。これらの両方の円の間に裁頭円錐面が形成さ れ、この裁頭円錐面はその場所における有効流れ断面に良好に近似して相応して いる面積を有する。 更に、実際に任意に形成された流れ案内構造物を通る流れを計算できるコンピ ュータプログラムが商業ベースで利用される。熟知した専門家において例えばコ ンピュータプログラムＴＡＳＣＦＬＯＷおよびＦＬＵＥＮＴが知られている。特 に上述の単純な計算モデルを利用して得られた流れ案内構造物を最適化するため に、そのようなコンピュータプログラムが採用される。なおこの場合、案内構造 物は回転対称である理由から基本的に二次元モデルの枠内で処理できるが、この 場合三次元モデルで処理することも勿論基本的に問題はない。 本発明は、旋回流発生格子の下流における流れに対して一定した子午線速度を 保証すること、即ち軸線に沿った流れないし軸線に関してラジアル・アキシャル 平面における流れの一定した伝播速度を保証することが、流れおよびこの流れ内 に形成すべき酸素含有ガスと燃料との混合気を特に安定化させるという認識から 出発している。特にこれによってバーナの非理想的な洗流に基づく乱れは確実に 抑えられる。バーナにわたって発生させなけばならない必要な圧力勾配は入口と 旋回流発生格子との間の重要部分に縮小される。これによって旋回流発生格子の 下流で流れに乱れが生ずるおそれも防止される。 本発明の有利な実施態様において、外側ケーシングと内側ケーシングから成る 構造物は、環状間隙が入口と旋回流発生格子との間で狭まっているように形成さ れている。そのために外側ケーシングは特にこれが入口において唇又は丸味のあ る漏斗の形に開いているように形成され、内側ケーシングは入口に丸味のある縁 を備えている。これはバーナを貫流する流れを均質化することに貢献し、バーナ の手前で流れ内に形成されていた乱れがバーナの中に伝播することが避けられる 。 また特に、環状間隙内に配置された燃料導入用のノズルが旋回流発生格子に配 置されていると有利である。そのために旋回流発生格子は特に中空羽根から成り 、その中にノズルが形成されている。このようにして特に流れの中に燃料を均質 に混入することができ、これは燃焼中において流れ内における一様な温度分布を 保証し、これによって窒素酸化物の過剰な発生を有効に防止する。 特に有利なバーナは、旋回流発生格子、出口における外側ケーシングの半径お よび内側ケーシングの半径によって規定された旋回数、即ち旋回パルスを分子と し子午線パルスと外側ケーシングの半径との積を分母とする商として計算できる 旋回数が、上述の半径によって規定される臨界旋回数より小さいように形成され ている。なお上述の旋回パルスおよび子午線パルスは、流れが入口を旋回なしに 洗流するときに出口における流れを特徴づけるものである。バーナをこのように 形成する基礎となっている要件は「シュトゥルヒレツキーのボス基準（Nabenkri terium von Strcheletzky）」として知られている。 さしあたり、旋回数は流れの特徴的大きさ、即ちそのパルスの子午線成分の大 きさ並びに主に旋回流発生格子で規定される旋回パルスの大きさから計算できる が、それでもなおこの旋回数はバーナ自体の特徴的な特性値でもあることを言及 しておく。これは流体力学的な類似式から生ずる。 用語「臨界旋回数」は、旋回しながら軸線に沿って動く流れの軸線に近くにい わゆる渦芯が形成され、即ち流れが殆ど排除されている領域が形成されるという 観察を基礎として造語したものである。渦芯の原因は例えば遠心力である。この 渦芯の直径は計算で求められ、このために上述の本を参照されたい。基本的には 渦芯の直径は旋回数の増加に伴って増大する。いま流れが外側半径がバーナの外 側ケーシングの半径によって内側半径が内側ケーシングの半径によって規定され ている円環リング内を動こうとするとき、与えられた外側半径および与えられた 旋回数で生ずる渦芯の半径が内側半径より小さいときにしか、流れが内側ケーシ ングに接触することが保証されない。渦芯の半径が内側半径より大きくなると、 これは流れが内側ケーシングから剥離することを意味し、そのような剥離に伴っ て明らかに、バーナへの逆流が生じ、流れ内における燃料が早すぎて点火する危 険が生ずる。この関係において臨界旋回数は、流れの渦芯の半径が精確に内側半 径に、即ち内側ケーシングの半径に相応する旋回数として規定されている。 上述のように規定されたバーナの旋回数は特に臨界旋回数より明らかに小さく 選定され、即ちバーナの旋回数は臨界旋回数の７５〜９７％であり、特に好適に は臨界旋回数の約９０％である。これによってバーナの実際の幾何学的形状と「 限界」と見なされる幾何学的形状との間に或る安全間隔が与えられ、従ってあ る程度内側ケーシングからの流れの剥離に対する数量的な安全性が与えられる。 あらゆる形状のバーナは好適にはパイロット燃焼装置を備えている。このパイ ロット燃焼装置は特に内側ケーシング内に配置されたパイロットバーナを有して いる。このパイロットバーナはバーナ自体で形成した酸素含有ガスと燃料との混 合気を点火させる安定して燃焼する小さな火炎を提供する。これは燃料供給の調 整および従ってバーナの発熱の調整が望まれるときに価値がある。安定化なしで の予混合燃焼は、比較的精確に維持すべき化学的組成によって特徴づけられる比 較的狭い運転範囲でしか安定しないことが確認されている。そのようなパイロッ ト燃焼装置により補助的に安定化されるとき、実際運転にとって価値がある運転 範囲の拡大が達成される。 本発明に基づくバーナは特にガスタービンの燃焼装置に有利に採用され、特に 比較的発火し易い燃料が燃焼されるガスタービンに対して有効に採用される。そ の際バーナはガス状燃料の燃焼に限定されるものではなく、基本的には本発明に 基づくバーナはあらゆる流動性の燃料、特に重油などでも運転できる。 本発明の実施例は図面から明らかである。 図１はバーナの縦断面図、および 図２はガスタービンの概略構成図である。 図１に示されているバーナは軸線１に関して回転対称形をしている。これは外 側ケーシング２とこれに対して同軸的な内側ケーシング３を有している。外側ケ ーシング２も内側ケーシング３もそれぞれ単一部品で形成する必要はなく、例え ば合理的に製造する理由から外側ケーシング２および／又は内側ケーシング３を 図示のように複数の部品から構成することが有利である。外側ケーシング２およ び内側ケーシング３は、入口５から出口６に向けて酸素を含むガスの流れ７（矢 印で示されている）で貫流される環状間隙４を境界づけている。この環状間隙４ の中に流れ７に旋回を与える多数の案内羽根８から成っている旋回流発生格子８ が配置されている。これは流れ７が旋回流発生格子８の下流で軸線１を中心とし てスパイラル運動をすることを意味する。即ちそれに応じて流れ７は、軸線１に 関してラジアル・アキシャル平面内に位置し従って専門用語で子午線方向に向け られている速度ベクトルを有するだけでなく、速度ベクトルは旋回流発生格子８ の下流で、軸線１に対して接線方向にないしは中心が軸線１上に位置し軸線１に 対して垂直な平面内に位置する円に対して接線方向に向けられた成分も有してい る。そのような接線成分は専門用語で「周速成分」とも呼ばれる。 案内羽根８は流れ７に燃料特に可燃性ガスを導入するノズル９を有している。 燃料はさしあたり点火せずに流れ７と混合され、形成された混合気は出口６の範 囲ではじめて点火される。従ってバーナは予混合バーナである。 このバーナの主な特徴は、外側ケーシング２と内側ケーシング３から成る構造 物が、流れ７が環状間隙４を旋回流発生格子８と出口６との間をほぼ一定した子 午線速度で貫流するように形成されていることである。これは流れ７がその伝播 方向に即ち軸線１に関して子午線方向に加速も減速もしないことを意味する。こ のために流れ７が軸線１に対して単純に平行に流れるだけでなく、部分的に半径 方向内側に軸線１に向けられた運動を生ずることが望まれ、これが図示の実施例 において実現されるように、特に外側ケーシング２および内側ケーシング３を入 念に設計する必要がある。この内側に向いた運動は外側ケーシング２と内側ケー シング３との間の間隔を相応して拡大することによって補正しなければならず、 これを図から明らかに理解できる。 環状間隙４は旋回流発生格子８の前で明らかに狭まり、この狭窄は主に流れ７ が部分的に半径方向内側に軸線１に向けて導かれることによって生ずるので、外 側ケーシング２と内側ケーシング３との間にほぼ一定間隔を維持することで十分 である。補助的に外側ケーシング２は入口５の範囲がほぼ漏斗状に広げられてい るので、これは入口５において丸みのある漏斗あるいは唇の形で開き、内側ケー シング３は入口５に丸味のある縁１０を有している。 燃料を供給するために使用されるノズル９については既に述べた。流れ７が案 内羽根８から離れることなしに燃料を流れ７に特に均一に混入することを保証す るために、ノズル９は案内羽根８内に配置されている。ノズル９への燃料の供給 は燃料管１１および内側ケーシング３の内側に配置されている環状の燃料分配室 １２を通して行われる。燃料はこの燃料分配室１２から内側ケーシング３および 案内羽根８にある通路（図示せず）を通してノズル９に向けて流れる。 旋回流発生格子８、外側ケーシング２および内側ケーシング３から成る構造物 の幾何学的形状は既に上述したように、流れ７が子午線方向に環状間隙４におけ る入口５に流入するときの流れ７の主な特性係数を規定する旋回数が、出口６に おける外側ケーシング２の半径と内側ケーシング３の半径から生ずる臨界旋回数 より小さいように選定されている。その臨界旋回数は、外側ケーシング２の上述 の半径をした通路を通って軸線１に沿って流れる円筒状流れが渦芯を、即ち出口 ６における内側ケーシング３の半径に相応した半径を有する流れが排除されてい る軸線１を包囲する領域を形成するように規定されている。環状間隙４内におけ る流れが臨界旋回数を超過する旋回数を有するとき、これは出口６において流れ の中に出口６の範囲における内側ケーシング３の半径よりも大きな半径をした渦 芯が生ずることを意味する。このような場合において出口６の範囲における流れ ７は内側ケーシング３にもはや接せずに、そこから離れてしまう。その場合内側 ケーシング３には恐らく逆流域が生じてしまい、環状間隙４の中にガスが逆流し てしまう。これによって流れ７内における可燃性の混合気が早期に点火してしま う危険が高い。そのためにバーナはこの危険が防止されるように設計されている 。 バーナの幾何学的な構造を周知の数学的モデルの助けを借りて設計した。その 場合まずは、外側ケーシング２と内側ケーシング３との間に構造物における流れ 断面積に対する近似値を決定するトーラス（円環面）が書き入れられた上述の単 純な計算モデルを採用した。その構造物の設計条件は、流れ断面積が全環状間隙 ４にわたって一定していなければならないとしている。この単純な計算モデルで 設計した構造物を続いて、環状間隙４にわたる所望の一定の流れ断面積に関して 商業上有用なコンピュータプログラムＴＡＳＣＦＬＯＷを利用して最適化した。 流れ７における可燃性混合気の点火はバーナの外側で行われる。このために内 側ケーシング３の内部に配置されているパイロットバーナ１３を備えたパイロッ ト燃焼装置が設けられている。このパイロットバーナ１３は流れ７における可燃 性混合気が点火することを保証する小さな火炎を供給する。パイロットバーナ１ ３において火炎を点火して維持するために点火器１４が設けられている。特別な パイロット燃焼装置１３、１４は別として勿論、混合気を点火するために変更さ れた点火器を設けることもできる。 図２には空気を吸い込み圧縮する圧縮機１５、圧縮空気を供給され燃焼用の燃 料を供給される燃焼器１６および圧縮機１５で圧縮され燃焼器１６で補助的に加 熱された流れが機械的な仕事をするために膨張されるタービン１７を備えたガス タービンが概略的に示されている。図１に示されているバーナは同形の多数のバ ーナと一緒に燃焼器１６に組み込むために用意されている。 本発明に基づくバーナは、これを貫流するガス流に目的に沿った特に良好な影 響を与えるという特長を有する。このバーナは特に安定運転によって特徴づけら れ、特に非理想的な洗流あるいは逆火による運転障害を回避する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シユトレープ、ホルガー ドイツ連邦共和国 デー−40223 デユツ セルドルフ クラーカンプヴエーク 108 アー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．軸心（１）、外側ケーシング（２）とこれに対して同軸的な内側ケーシング （３）とから成り酸素を含むガスの流れ（７）を案内するための入口（５）から 出口（６）まで延びる環状間隙（４）を規定する軸線（１）に関して回転対称な 流れ案内構造物、燃料を流れ（７）に導入するための環状間隙（４）内に配置さ れた多数のノズル（９）および環状間隙（４）内に配置された旋回流発生格子（ ８）を備えたバーナにおいて、外側ケーシング（２）と内側ケーシング（３）か ら成る流れ案内構造物が、流れ（７）が環状間隙（４）を旋回流発生格子（８） と出口（６）との間でほぼ一定した子午線速度で貫流するように形成されている バーナ。 ２．外側ケーシング（２）と内側ケーシング（３）から成る流れ案内構造物が、 環状間隙（４）が入口（５）と旋回流発生格子（８）との間で狭まっているよう に形成されている請求項１記載のバーナ。 ３．外側ケーシング（２）が入口（５）において唇の形に開いている請求項２記 載のバーナ。 ４．内側ケーシング（３）が入口（５）に丸味のある縁（１０）を有している請 求項２記載のバーナ。 ５．ノズル（９）が旋回流発生格子（８）に配置されている請求項１ないし４の いずれか１つに記載のバーナ。 ６．旋回流発生格子（８）が案内羽根（８）から成り、ノズル（９）が案内羽根 （８）に配置されている請求項５記載のバーナ。 ７．ａ） 旋回流発生格子（８）、出口（６）における外側ケーシング（２）の 半径および内側ケーシング（３）の半径が、旋回パルスを分子とし子午線パルス と外側ケーシング（２）の半径との積を分母とする商である旋回数を規定し 、その旋回パルスおよび子午線パルスは流れ（７）が入口（５）を旋回なし に流れるときに出口（６）における流れ（７）を特徴づけるものであり、 ｂ） その旋回数が外側ケーシング（２）の半径および内側ケーシング（３）の 半径によって規定される臨界旋回数より小さい、 請求項１ないし６のいずれか１つに記載のバーナ。 ８．旋回数が臨界旋回数の７５〜９７％である請求項７記載のバーナ。 ９．旋回数が臨界旋回数の約９０％である請求項８記載のバーナ。 １０．パイロット燃焼装置（１３、１４）を有している請求項１ないし９のいず れか１つに記載のバーナ。 １１．パイロット燃焼装置（１３、１４）が内側ケーシング（３）内に配置され たパイロットバーナ（１３）を有している請求項１０記載のバーナ。 １２．ガスタービン（１５、１６、１７）の燃焼器（１６）に設置されている請 求項１ないし１１のいずれか１つに記載のバーナ。