JP2014016150A - 特にガスタービン用の燃焼器配列 - Google Patents

Abstract

【課題】バーナの広範囲な軸方向ばらつきを、火炎における酸化プロセスに対する漏れ空気流の最小限の影響と組み合わせる、燃焼器配列を提供する。
【解決手段】フロントパネル２３を備えた燃焼室２２と、マルチコーンタイプの予混合バーナ２１とを備え、予混合バーナ２１は、シールされた滑り継手２４，２６，３２によって、軸方向に可動な形式で、細長い混合ゾーン２４，２６を介してフロントパネル２３に結合されている、特にガスタービン用の燃焼器配列３０において、シールされた滑り継手２４，２６，３２は、混合ゾーン２４，２６の上流に配置されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃焼技術に関する。本発明は、請求項１の前提部による、特にガスタービン用の燃焼器配列に関する。

過去２０年以上の間、短いが有効な予混合ゾーンを備えるバーナ（いわゆるＥＶバーナ：環境的に優しいＶ字形バーナ）が、極めて低いＮＯｘレベルで、本出願人の複数のガスタービンにおいて提供されてきた。これに加え、予混合技術の３つの態様の開発が成功しており、これらの態様は、以下のようなガスタービン機関に展開させられてきた。すなわち、シーケンシャルＥＶバーナ、すなわち、第１の高圧タービンの排ガスを再熱するために高温排出流への天然ガス及び油の予混合を提供する技術と、低いＮＯｘエミッションで予混合火炎において合成ガスを燃焼させるために使用されるＭＢｔｕ ＥＶバーナと、燃焼前に液体燃料を予備蒸発および予混合させ、水を噴射せずに極めて低いＮＯｘエミッションでこの液体燃料を燃焼させることができるアドバンスドＥＶバーナ（ＡＥＶ）と、である。

欧州特許出願公開第０８５１１７２号明細書は、液体燃料および／または気体燃料で燃焼室を作動させるための、ダブルコーン（２つの円錐）タイプの典型的なＥＶバーナを開示しており、この場合、この目的のために必要とされる燃焼用空気は、接線方向空気入口ダクトを通ってバーナの内部空間に方向付けられる。流れのこの方向付けは、内部空間において旋回流を生じ、この旋回流は、バーナの出口において逆流ゾーンを生ぜしめる。そこに形成される火炎前面を安定させるために、バーナを形成するそれぞれの区分ボディには、少なくとも１つのゾーンが設けられており、このゾーンには、旋回流内へ補足空気を噴射するための入口開口が設けられている。この噴射により、区分ボディの内壁には膜が形成され、この膜は、火炎が区分ボディの内壁に沿ってバーナの内部空間へ逆火し得るのを防止する。

欧州特許出願公開第２４２３５９７号明細書は、ダブルコーンバーナの形式の別の典型的なＥＶバーナを示しており、このＥＶバーナは、他方の中に一方がはめ込まれて配置された２つの部分円錐のシェルを有し、これらのシェルは、これらのシェルの間に空気入口ダクトを形成しており、この空気入口ダクトを通って外部からの燃焼用空気が予混合バーナの円錐形の内部空間に流入する。燃焼用空気の流れ方向に対して横方向に延びた噴射開口の穴の直線的な列が、空気入口ダクトの外壁に配置されおり、これらの穴を通じて、気体燃料が、気体燃料に対して横方向に流れる燃焼用空気内へ噴射される。

独国特許出願公開第１９５４５３１０号明細書は、外側円錐ケーシングおよび内側円錐ケーシングを備えた中空の円錐体から成る別の予混合バーナを開示している。少なくとも２つの入口ダクトは、内側円錐ケーシングに対して接線方向に延びており、直線的な円錐ケーシング線に沿って位置決めされている。形成された部分シェルの部分円錐軸線は、同じ円錐軸線に位置している。予混合バーナは、燃焼用空気を旋回させるための入口ダクトを含む少なくとも２つ、たとえば４つの部分に分割されている。燃料ノズルは、液体燃料を噴射するために円錐先端部に配置されている。

欧州特許出願公開第０７０４６５７号明細書には、図１に示された燃焼器配列が記載されている。燃焼器配列は、スワーラ１５および混合管１４を備えた予混合バーナ１１を有する。スワーラ１５は、接線方向に進入する燃焼用空気流１９によって繰り返し作用される円錐形の構造を有する。ここで形成される流れは、スワーラ１５の下流に設けられた移行ジオメトリの補助により、滑らかに移行片１６内へ通過し、そこで分離領域が生じ得ないようになっている。移行片１６は、移行ジオメトリの流出側において混合管１４によって延長されており、移行片１６と管１４とはバーナの実際の混合ゾーンを形成している。移行片１６および混合管１４はリング１８によって結合されている。さらに、移行通路は、横断面の違いをブリッジしており、この場合、形成される流れに同時に不利な影響を与えることはない。

燃焼室１２は混合管１４の端部に隣接しており、流れの２つの横断面の間に横断面の急変が存在する。ここにだけ中央逆流ゾーンが形成され、この中央逆流ゾーンは火炎保持バッフルの特性を有する。燃焼室１２は、混合管１４の端部を収容するための開口を備えたフロントパネル１３を有する。

図１に示したように、原則的に、ＮＯｘ形成を低下させるために、燃料・空気混合物は、急激な面積拡大の前にスワーラ１５の出口においてこのような混合管１４を使用することによって混合管流２０において延長させられ、混合管流２０は燃焼室１２に進入し、そこで火炎は再循環流によって安定化される。スワーラ１５の空気スロットおよびガスチャネルは、バーナ軸線に対して直交する交差平面によって下流部分に制限されている。したがって、スワーラ出口は円形ではなく、スワーラ１５と円筒状の混合管１４との間に特別な移行片１６を必要とする。この移行片は、再循環ゾーンにおける流れ分離および火炎安定化を回避するために複雑な三次元形状を適用しなければならないので、逆火を生じやすい。

ガスタービンバーナは、通常、熱膨張を補償するために軸方向に移動することができるように燃焼室に取り付けられている。バーナと燃焼室のフロントパネルとの間に適用されたシールを通る漏れは、火炎に近く、酸化プロセスに対して妨害を生じる。付加的な問題は、燃焼器フード内の狭い空間による流れ妨害を受ける、バーナへのアプローチ流によって生ぜしめられる。

つまり、現在の従来技術は、燃焼室１２のフロントパネル１３とバーナ１１とを区別している。空気漏れを最小限に減じるために、シールが用いられるが、このシールは密閉されていない。なぜならば、バーナ１１と燃焼室１２とは、大きな温度変化に曝され、バーナはフロントパネル１３に関して軸方向に可動でなければならないからである。このシールは、バーナの出口において火炎の近くに位置するので、漏れ空気は、局所的な火炎消滅効果によって火炎の酸化プロセスを妨害する。アプローチ流を均一化するために、現在では、バーナの周囲をふるいで包囲するが、空気流に対して圧力降下を生じる。

欧州特許出願公開第０８５１１７２号明細書 欧州特許出願公開第２４２３５９７号明細書 独国特許出願公開第１９５４５３１０号明細書 欧州特許出願公開第０７０４６５７号明細書

本発明の課題は、公知の配列の欠点を回避し、かつバーナの広範囲な軸方向ばらつきを、火炎における酸化プロセスに対する漏れ空気流の最小限の影響と組み合わせる、燃焼器配列を提供することである。

この課題およびその他の課題は、請求項１による燃焼器配列によって達成される。

本発明による燃焼器配列は、フロントパネルを備えた燃焼室と、マルチコーンタイプの予混合バーナとを有し、予混合バーナは、前記フロントパネルに、細長い混合ゾーンを介して、軸方向に可動な形式で、シールされた滑り継手によって結合されている。

本発明は、前記シールされた滑り継手が前記混合ゾーンの上流に配置されていることを特徴とする。

発明の１つの実施の形態によれば、シールされた滑り継手は、円筒状のバーナリングと実質的に円筒状のバーナスリーブとの同軸の滑り配列によって構成されており、前記バーナリングは前記バーナに固定されており、前記バーナスリーブは前記フロントパネルの一部分に固定されており、シールは前記バーナリングとバーナスリーブとの間に設けられている。

特に、前記バーナリングは前記バーナスリーブによって包囲されている。

より特に、前記バーナリングは、バーナの下流端部の上流に延びており、シールは、バーナリングの上流端部に配置されている。

発明の別の実施の形態によれば、バーナスリーブは、前記燃焼室への移行部において、円錐状に拡開したバーナ出口を有する。

発明の別の実施の形態によれば、バーナリングとバーナスリーブとの間の間隙に空気をパージするために、シールの上流においてバーナスリーブにパージ空気穴が設けられている。

発明の別の実施の形態によれば、前記予混合バーナは、複数のバーナシェルを有し、これらのバーナシェルは、中心バーナ軸線を中心にして配置されておりかつ、下流方向に開放した、仮想の、軸方向に延びた共通の円錐の部分であり、前記部分は、隣接するシェルの各対の間に接線方向スロットが形成されるように、前記バーナ軸線に対して垂直方向にずらされており、各シェルには、それぞれのシェルの軸方向に向けられたエッジに沿って延びた予混合ガスチャネルが設けられており、これにより、ガスを前記予混合ガスチャネルからガス噴射孔を通じて、隣接するスロットを通じてシェルの配列の内部に進入する空気の流れに噴射することができ、シェルおよび予混合ガスチャネルの下流端部は、前記シェルおよび予混合ガスチャネルを所定の半径の仮想同軸円柱と交差させることによって規定される交差平面によって境界を定められており、前記バーナリングは、前記所定の半径と同じ内側半径を有する。

ここで添付の図面を参照しながら複数の異なる実施の形態によって発明をより詳細に説明する。

欧州特許出願公開第０７０４６５７号明細書による公知の燃焼器配列を示す。 本発明による燃焼器配列において有利に用いることができるバーナを斜視図で示す。 発明の１つの実施の形態による滑り継手が設けられた図２のバーナを示す。 図３に示された滑り継手を備えた、発明の１つの実施の形態による燃焼器配列を断面図で示す。

導入部分において説明したように、既存のＥＶおよびＡＥＶバーナのフロントパネルシールを通過する空気漏れ流は、最初の火炎ゾーンを迂回し、前もって燃料と予混合されることなく、後で高温ガス内へ混合される。したがって、これはＮＯｘおよびＣＯ生成の両方にとって不利である。

対照的に、その１つの実施の形態が図４に示されている、本発明による燃焼器配列において、抜取り可能なバーナ部分およびスリーブを通過する空気漏れは、まずスリーブとバーナリングとの間の間隙をパージし、これにより、バーナリングの出口境界における火炎安定化を防止するために、意図的に用いられる。次いで、空気は、スリーブの混合ゾーン内へ排出される。スリーブの混合ゾーンにおいて、空気は、バーナスリーブのディフューザタイプ出口において安定化された火炎ゾーンに達する前に他の燃料・空気混合物と予混合するための十分な時間を有する。

図４によれば、燃焼器配列３０は予混合バーナ２１を有する。予混合バーナ２１は、中心バーナ軸線３４に沿って延びており、図２に示された燃料ランス２７およびスワーラ構成が設けられている。

図２のスワーラ構成はバーナシェル２５から成る。バーナシェル２５は、中心バーナ軸線３４を中心として配置されており、下流方向に開放した、仮想の、軸方向に延びた共通の円錐（図示せず）の部分である。前記部分もしくはシェル２５は、隣接するシェル２５の各対の間に接線方向スロット３６が形成されるように、前記バーナ軸線３４に対して垂直方向にずらされている。

各シェル２５には、それぞれのシェルの軸方向のエッジに沿って延びた予混合ガスチャネル３５が設けられており、これにより、燃料ガスを前記予混合ガスチャネル３５からガス噴射孔(図示せず)を通じて、隣接するスロット３６を通ってシェル２５の配列の内部に進入する空気の流れへ噴射することができる。

シェル２５および予混合ガスチャネル３５の下流端部は、前記シェル２５および予混合ガスチャネル３５を所定の半径の仮想同軸円柱と交差させることによって形成される交差平面Ｐ１およびＰ２によって境界を定められている。

図３および図４に示したように、スワーラ配列は、前記仮想円柱の前記所定の半径と同じ内側半径を有する円筒状のバーナリング２６によって包囲されている。バーナリング２６は、スワーラ配列に固定されており、バーナ２１またはスワーラ配列それぞれの下流端部の上流に延びている。スワーラ配列の中央には、予混合オイルおよび／またはパイロットガスを噴射するための燃料インジェクタ２８が設けられている。

バーナリング２６を備えたバーナ２１は、同軸のバーナスリーブ２４に摺動可能に取り付けられている。ラビリンスタイプのシール３２が、バーナリング２６と、包囲するバーナスリーブ２４との間において、バーナリング２６の上流端部に配置されている。バーナスリーブ２４は、下流端部において、円錐状に拡開したバーナ出口２９を有し、円形のフランジ３７によって、燃焼室２２のフロントパネル２３に固定されている（図４）。さらに、バーナスリーブ２４は、スワーラ配列内へ燃焼用空気を案内するために、上流端部においてベル状の空気入口３１を有する。

シール３２の下流において、バーナスリーブ２４には、環状に並んだパージ空気穴３３が設けられており、これらのパージ空気穴３３を通じて、パージ空気は、バーナリング２６とバーナスリーブ２４との間の間隙に進入し、この間隙をパージすることができる。

燃焼室２２のフロントパネル２３に取り付けられたバーナスリーブ２４の使用は、ガスタービンバーナ２１の軸方向位置を軸方向で調節可能にする。このことは、空気入口３１によって空気アプローチ流を軸方向に方向付けることによってバーナスロット３６に沿った空気速度分布を改良し、かつ漏れ空気が火炎に対して十分に上流において燃料と混合される混合管を形成する。バーナスリーブ２４は、バーナ混合管の機能を果たすが、フロントパネル２３の一部分として導入され、上述の漏れの問題を回避する。バーナ２１はスリーブ２４内で摺動するので、この場合もまた漏れが生じるが、この漏れは、不都合ではない。なぜならば、漏れ空気は、混合管の上流において付加され、火炎の上流における混合プロセスに関与するからである。

要するに、バーナ２１を包囲する長い円筒状のスリーブ２４は、燃焼器フロントパネル２３の一部分である。これらのスリーブ２４は、強い軸方向成分を備えた空気流をバーナスリット３６内へ案内するためのベル状の口もしくは空気入口を有する。スリーブ２４は、スリーブ２４とバーナリング２６との間の半径方向間隙をパージし、かつバーナリング出口における火炎安定化を防止するために、半径方向空気入口もしくはパージ空気穴３３を有する。既存のＡＥＶバーナとは対照的に、混合ゾーンは、抜取り可能なバーナ２１の一部分ではない。なぜならば、スリーブ２４自体が、燃焼室２２への出口の前のバーナ混合ゾーンを形成しているからである。出口において、スリーブは、火炎をさらに安定させるためにディフューザ形状（バーナ出口２９）を有する。

１０，３０ 燃焼器配列
１１，２１ 予混合バーナ
１２，２２ 燃焼室
１３，２３ フロントパネル
１４ 混合管
１５ スワーラ
１６ 移行片
１７ 移行通路
１８ リング
１９ 燃焼用空気
２０ 混合管流
２４ バーナスリーブ
２５ バーナシェル
２６ バーナリング
２７ 燃料ランス
２８ 燃料インジェクタ（中央）
２９ バーナ出口（円錐状）
３１ 空気入口（ベル状）
３２ シール（ラビリンス）
３３ パージ空気穴
３４ バーナ軸線
３５ 予混合ガスチャネル
３６ スロット（接線方向）
３７ フランジ
Ｐ１，Ｐ２ 交差する平面

Claims (7)

1. 特にガスタービン用の燃焼器配列（３０）であって、フロントパネル（２３）を備えた燃焼室（２２）と、マルチコーンタイプの予混合バーナ（２１）とを備え、該予混合バーナ（２１）は、シールされた滑り継手（２４，２６，３２）によって、軸方向に可動な形式で、細長い混合ゾーン（２４，２６）を介して前記フロントパネル（２３）に結合されている、特にガスタービン用の燃焼器配列（３０）において、前記シールされた滑り継手（２４，２６，３２）は、前記混合ゾーン（２４，２６）の上流に配置されていることを特徴とする、特にガスタービン用の燃焼器配列（３０）。
2. 前記シールされた滑り継手（２４，２６，３２）は、円筒状のバーナリング（２６）と、実質的に円筒状のバーナスリーブ（２４）との同軸の滑り配列によって構成されており、前記バーナリング（２６）は、前記バーナ（２１）に固定されており、前記バーナスリーブ（２４）は、前記フロントパネル（２３）に固定されておりかつ該フロントパネル（２３）の一部分であり、前記バーナリング（２６）と前記バーナスリーブ（２４）との間にシール（３２）が設けられている、請求項１記載の燃焼器配列。
3. 前記バーナリング（２６）は、前記バーナスリーブ（２４）によって包囲されている、請求項２記載の燃焼器配列。
4. 前記バーナリング（２６）は、前記バーナ（２１）の下流端部の上流に延びており、前記シール（３２）は、前記バーナリング（２６）の上流端部に配置されている、請求項３記載の燃焼器配列。
5. 前記バーナスリーブ（２４）は、前記燃焼室（２２）への移行部において、円錐状に拡開したバーナ出口（２９）を有する、請求項２から４までのいずれか１項記載の燃焼器配列。
6. 前記バーナリング（２６）と前記バーナスリーブ（２４）との間の間隙を空気でパージするために、前記シール（３２）の上流において前記バーナスリーブ（２４）にパージ空気穴（３３）が設けられている、請求項４記載の燃焼器配列。
7. 前記予混合バーナ（２１）が、複数のバーナシェル（２５）を有し、該バーナシェル（２５）は、中心バーナ軸線（３４）を中心にして配置されており、かつ下流方向へ開放した仮想の、軸方向に延びた、共通の円錐の部分であり、該部分は、隣接するシェル（２５）の各対の間に接線方向スロット（３６）が形成されるように、前記バーナ軸線（３４）に対して垂直方向にずらされており、各シェル（２５）には、それぞれのシェルの軸方向のエッジに沿って延びた予混合ガスチャネル（３５）が設けられており、これにより、ガスを前記予混合ガスチャネル（３５）からガス噴射穴を通じて、隣接するスロット（３６）を通ってシェル（２５）の配列の内部に進入する空気の流れへ噴射することができ、前記シェル（２５）および前記予混合ガスチャネル（３５）の下流端部は、前記シェル（２５）および前記予混合ガスチャネル（３５）を所定の半径の仮想同軸円柱と交差させることによって規定される交差平面（Ｐ１，Ｐ２）によって境界を定められており、前記バーナリング（２６）は、前記所定の半径と同じ内側半径を有する、請求項２から６までのいずれか１項記載の燃焼器配列。