JP3312152B2 - 低NOx燃焼 - Google Patents
低NOx燃焼Info
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
- F23R3/16—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration with devices inside the flame tube or the combustion chamber to influence the air or gas flow
- F23R3/18—Flame stabilising means, e.g. flame holders for after-burners of jet-propulsion plants
- F23R3/20—Flame stabilising means, e.g. flame holders for after-burners of jet-propulsion plants incorporating fuel injection means
-
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- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
- F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
- F23R3/34—Feeding into different combustion zones
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23D—BURNERS
- F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
- F23D2900/00008—Burner assemblies with diffusion and premix modes, i.e. dual mode burners
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- Engineering & Computer Science (AREA)
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- Gas Burners (AREA)
Description
関し、特に希薄混合気バーナの安定性及び燃焼効率の改
良に関する。
化学スモッグ生成の一因となる。そして、燃焼器で発生
するNOxを低減する効果的な方法は、混合気全体が燃料
希薄となるような割合で(燃焼前に)燃料と空気とを混
合することにより、火炎の温度を低くすることである。
もし燃焼器が全出力状態で希薄混合気でもって作動する
ように設計され、それから燃料の流量が部分出力状態に
減少されると、予混合空気システムは安定燃焼を支持す
ることが非常に難しくなってくる。その結果、燃焼を支
持するための方法を採らなければならない。このため、
従来は、例えば、燃焼区域の一部分を閉じて他の残りの
燃焼区域を濃厚区域とする方法が採られたり、又は可変
幾何学的空気通路を用い、これにより通常は燃焼器に入
る空気の一部分を燃焼室の周囲にバイパスして燃焼室の
混合気を濃厚とする方法が採られている。
し、何らかの問題を残すものである。例えば、上述した
前者の方法は、制御システムを複雑にし、また2つの燃
焼区域を分離する冷却燃焼器壁を追加して設けることを
必要とさせる。また、上述した後者の方法すなわち可変
幾何学的空気通路を使用する方法では、コストを重視す
るか又は信頼性を重視するか、どこかで妥協しなければ
ならない。したがって、本発明は発生する問題を最小に
する方法を提供するためになされたものである。
一部分に噴射されて小さい度合の濃厚区域を生成し、こ
れにより増大作動範囲における火炎の安定性を増大する
に加えて、低出力燃焼効率を大きく増大することができ
る。雑誌“エネルギジャーナル(Journal of Energ
y)”(1980年,4巻)に著者ジョンマクヴェー(John Mc
Vey)及びジョン ビー・ケネディー(John B.Kenned
y)により記載されている論文“予混合、予気化燃焼器
のための希薄安定性の増大(Lean Stability Augmentat
ion for Premixing,Prevaporizing Combustors)”に
は、多孔板から成る保炎板を使用している液体燃料希
薄、予混合燃焼システムが述べられている。そして、そ
の中には、中央に配置された85゜の円すいオイルスプレ
イを使用して燃焼器効率を大幅に改良することが示され
ている。
バーナに適用するようにしたものである。すなわち、本
発明によれば、空気及びガス状燃料が予混合管の配列体
において完全に混合される。この主燃料を空気流れに導
入する方法は、導入点から燃焼点までの距離が完全な混
合を大体達成するのに十分でなければならないことを除
いては、重大ではない。乱流発生器又は他の適当な装置
を使用して混合を増す方法を用いてもよいものである。
間は、自己点火時間よりも短くなければならない。した
がって、高い圧縮機排出温度を生じさせる高圧比エンジ
ンの早すぎる自己点火を除去するには、多少の困難が予
想される。
壁の底部区域に排出される。多数の管は、それらの管内
に形成される循環区域の各々の寸法が小さくなるように
して、使用される。循環区域の寸法を小さくすることに
より、循環区域に燃焼生成物が滞留する時間を短くする
ことができる。これは、また、一酸化窒素の低放出を達
成するために有益である。燃焼器隔壁の総面積に対する
開口面積の割合は、適度の燃焼器圧力損失でもって良好
な安定性を達成するために、ほぼ0.2としなければなら
ない。
ともに、全てが希薄混合気バーナのために過剰の酸素を
含む。このような循環区域にパイロット燃料を導入する
ことにより、熱い酸素の存在の下でパイロット燃料が燃
焼を開始することができる。この場合、パイロット燃料
は、それぞれ独立する循環区域の各々に滞留している循
環ガスと混合するような方法で、隔壁の面と平行にして
導入される。このようなパイロット燃料の平行導入によ
り、ガス噴流は低い運動量の循環区域を貫くように横切
ることができる。ガス噴流の数及び方位は、循環流れの
ほとんど又は全てがパイロットガス噴流によって貫かれ
るように選定される。
示す断面図である。
る。
を説明するための図である。
示す断面図であって、図5の4−4線に沿う断面図であ
る。
る。
す。ガスタービンエンジンの圧縮機からの空気流れ10は
プリナム12に流入する。そして、このプリナム12から、
空気流れ10の一部分例えば35%の空気流れ14が、冷却及
び希薄用空気18として、燃焼器ライナ16の壁のまわりを
通して流れる。空気流れ10の残り、例えば65%の空気流
れ20は、複数のガス状燃料予混合管22を通して燃焼器24
内に流れる。
る。
り、これらの各穴を通して予混合管22が延びている。そ
して、これらの燃料予混合管22は保炎板26の面28で終っ
ている開口端30を有する。
36内に流入する。そして、このヘッダ36から、燃料流れ
32は開口38を通して燃料予混合管22内に流れ37となって
流れる。燃料は、各燃料予混合管22の長さに沿って流れ
るにつれて空気と混合する。これにより、希薄の空気・
燃料混合気39がこれら予混合管22を出て、燃焼器24内に
流れる。この混合気は、それから、通常の適当な方法に
よって点火され、これにより保炎板26の正面の燃焼器24
内に複数の独立する火炎が形成される。
40は、管路44を通してパイロット管46に流入する。この
パイロット管46は、保炎板26の面28を多少過ぎて延びて
いると共に、パイロット燃料50を保炎板26の面28と実質
的に平行にして向ける複数のパイロットジェット開口48
を有する。
ている。パイロット燃料50の噴流は、各パイロット開口
48にそれぞれ最も近い2つの予混合管52(これら予混合
管52は図1に示した予混合管22のうち内周側に配置され
ている予混合管であって、説明の便宜上符号52で示され
ている)の想像延長部分間を通るように向けられる。こ
れにより、パイロット燃料(ガス)の一部分は、各パイ
ロット開口48から一層遠く離れている予混合管54(これ
ら予混合管54は図1に示した予混合管22のうち外周側に
配置されている予混合管であって、説明の便宜上符号54
で示されている)に隣接する区域に連続して流れること
ができる。
約5%のガス状燃料がパイロット噴流として噴射され
る。このような時には、空気温度が上昇し、例えば圧力
比が20:1のエンジンの場合には約455℃となる。そし
て、負荷が減少された運転時には、燃料は空気流れより
も一層減少されるものであり、これにより予混合管を出
る希薄混合気は一層希薄な混合気となる。更に、空気温
度が無負荷運転時の減少レベルまで、典型的には適度の
圧力比エンジンの場合には205℃まで降下する。
燃料の量は、負荷が減少しても弁42を調節しないことに
より、実質的に一定に維持される。すべての負荷減少
は、弁34を調節することにより行われる。空気が低い温
度のために、NOxを増加することなしに、パイロット区
域での燃料・空気比を高くすることができる。更に、希
薄火炎の安定性が増大され、燃焼効率が増大される。
料混合気は実質的に火炎エンベロープ58内で燃焼し、そ
の燃焼生成物及び酸素が流れ60で示すように循環する。
この循環流れ60は、比較的酸素の豊富な熱いガスであ
る。輻射によりまた循環ガスとの接触により加熱された
パイロット燃料50は、火炎の基部近くに着火点62を形成
する。通常、着火は、入来する希薄の空気・燃料混合気
39による搬送により供給される燃料によって、着火点64
で開始する。そして、パイロット燃料50の噴射でもって
生じた加熱局部濃厚ガスにより、燃料が豊富で非常に集
中された局部区域で着火及び燃焼が確立される。この結
果、火炎の安定性が得られ、燃焼効率が改良される。そ
の燃焼ガスは少量の高温ガスであるので、パイロットの
NOxの増大は使用上無視してもよいものである。
示す。環状保炎板26の正面28は多少折り曲げられて、予
混合管22に対して実質的に垂直な中央面部分70と、この
中央面部分から45゜、好適には50゜よりも小さい角度で
延びて続く周囲面部分72とを形成している。そして、幾
つかの予混合管74がこの周囲面部分72を通して延びてい
る。
からのガスを受け入れる環状リング76を有する。
72と衝突するように向けられ、これによりパイロット燃
料を図4に示されている折り曲げられた保炎板26の中央
面部分70と実質的に平行にして導入するようにしてい
る。
が二重燃料(油とガス)を供給する目的のために設けら
れている。
予混合管の想像延長部分間を通るパイロット噴流80の方
位を示している。この場合において、パイロット燃料の
噴射は一層遠く離れた仮定の延長部分上に衝突するよう
に行われる。
Claims (5)
- 【請求項1】ガスタービンの燃焼器用の低NOxバーナに
おいて、燃焼器に面する面を有する保炎板と、この保炎
板を貫通する複数の軸方向穴と、これらの各穴を通して
延び、前記保炎板の面で管端が開口して終っているガス
状燃料予混合管と、前記保炎板を通して軸方向に延びて
いると共に前記保炎板の面を通して延び、前記複数の燃
料予混合管に囲まれて配置されている少なくとも1つの
ガスパイロット管と、このガスパイロット管の燃焼器側
端に設けられ、燃料の噴流を前記ガスパイロット管に最
も接近する前記燃料予混合管の想像延長部分間の区域に
前記保炎板の面と実質的に平行にして向ける複数のパイ
ロットジェット開口と、ガスタービン空気流れの一部分
を前記予混合管に向ける空気通路とを包含してなる低NO
xバーナ。 - 【請求項2】請求項1記載の低NOxバーナにおいて、更
に、前記予混合管への主燃料流れの量を変える第1の調
節手段と、燃料を前記パイロット管に供給するパイロッ
ト燃料供給手段とを包含してなる低NOxバーナ。 - 【請求項3】請求項2記載の低NOxバーナにおいて、更
に、前記第1の調節手段とは別に、パイロット燃料の量
を変える第2の調節手段を包含してなる低NOxバーナ。 - 【請求項4】請求項1記載の低NOxバーナにおいて、環
状の配列に配置された複数の前記保炎板を包含し、各保
炎板は、その燃焼器と面する面が前記予混合管に対して
実質的に垂直な中央面部分と、この中央面部分から50゜
よりも小さい角度で延びて連続する2つの周囲面部分と
を形成するように折り曲げられた形に形成され、これら
周囲面部分を通して前記予混合管の幾つかが延び、また
前記パイロットジェット開口はその流れを前記保炎板の
面と実質的に平行にして向け、この保炎板の面はパイロ
ット燃料流れの一部分を前記周囲面部分に衝突するよう
に向けるパイロット管を具備してなる低NOxバーナ。 - 【請求項5】請求項3記載の低NOxバーナにおいて、環
状の配列に配置された複数の前記保炎板を包含し、各保
炎板は、その燃焼器と面する面が前記予混合管に対して
実質的に垂直な中央面部分と、この中央面部分から50゜
よりも小さい角度で延びて連続する2つの周囲面部分と
を形成するように折り曲げられた形に形成され、これら
周囲面部分を通して前記予混合管の幾つかが延び、また
前記パイロット燃料はその流れを前記保炎板の面と実質
的に平行にして向けられ、この保炎板の面はパイロット
燃料流れの一部分を前記周囲面部分に衝突するように向
けるパイロット管を具備してなる低NOxバーナ。
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