JP3628747B2 - タービン用燃焼器において拡散モード燃焼及び予混合モード燃焼を行うノズル並びにタービン用燃焼器を運転する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、拡散燃焼及び予混合燃焼の２つのモードを単一ノズルに組み込んだタービン用燃料ノズルに関し、特に、供給空気を分割して、拡散燃焼には供給空気の一部のみを利用していると共に予混合燃焼には供給空気の全量を利用している燃焼器用ノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、通常の炭化水素燃料を燃焼させるガスタービンが生成する大気汚染排出物の主たるものは、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び未燃焼炭化水素（ＵＨＣ）である。又、空気取り込みエンジンにおける分子状窒素の酸化が、燃焼系反応領域内の高熱ガスの最高温度に大きく依存することもよく知られている。例えば、燃焼器内で温度が上昇するにつれて、窒素酸化物を形成する化学反応の速度が指数関数的に増加する。しかしながら、燃焼室の高温ガスの温度を低いレベルに制御すれば、熱的（サーマル）ＮＯ_ｘ は極めて低い速度で生成される。
【０００３】
燃焼器の反応領域の温度を、熱的ＮＯ_ｘ の生成が最小になるレベルに制御する方法として、燃焼前に、燃料と空気とを予混合してリーン（希薄）混合物を形成する方法がある。リーン予混合燃焼器の反応領域に存在している過剰な空気の熱的質量は、熱を吸収し、燃焼生成物の温度上昇を、ＮＯ_ｘ の生成が最小になるレベルに抑える。予混合燃焼に付随して、ほとんどの炭化水素燃料について、燃料／空気混合物強度をリーン可燃限界に近いレベルまで下げなければならないという問題がある。その結果、リーン予混合燃焼器は、通常の拡散炎燃焼器と比較して、不安定になりがちであり、タービンの全負荷範囲にわたっての運転でのターンダウン比が適正でない。点火から拡散炎で燃焼する中間負荷まで、そして中間負荷から予混合炎で燃焼する全負荷まで、ガスタービンの全運転範囲にわたって得られる排気性能を最良にすることが強く望まれている。
【０００４】
強力な工業ガスタービン用の拡散及び予混合の両方の可能なバーナが知られている。例えば、この形式の従来の燃焼器では、予混合室に流入した空気のすべてが拡散及び予混合燃焼モードの両方に用いられている。従って、空気供給は予混合燃焼モードには最適であるが、拡散燃焼モードで燃料を、予混合室に供給された同じ全量の空気に噴射すると、それだけで拡散炎の性能が最適でなくなり、例えば、火炎の安定性が失われる。他の従来の燃焼器では、予混合及び拡散燃焼モードで空気を供給するのに２つの別個の通路を用いている。本発明者が知る限りでは、スワラを用いた場合、これらのスワラは空気力学的ベーンを有しているスワラではなく、平坦なベーンを有しており、これらの平坦なベーンは拡散及び予混合燃焼モードに、適切に空気を空気通路に流すのに用いることができない。従って、従来は、予混合モード及び拡散燃焼モード用に２つの全く異なる別々の通路が用いられており、従って、予混合モードでは燃料／空気比がリッチに（濃く）なり、ＮＯ_ｘ が多くなった。更に、従来の燃焼器では、燃焼器に沿った軸線方向に離れた位置に２つの別個の空気入口を設けて、拡散及び予混合燃焼モードを達成している。
【０００５】
【発明の概要】
本発明によれば、拡散燃焼モード用の液体及びガス燃料ノズルを、予混合モードでの排気レベルの低い燃焼を行うために燃料と空気とを予混合する燃料インジェクタと組み合わせる。従って、拡散燃焼モード用の燃料インジェクタは、スプリッタ・ベーンによって包囲されている内側スワラを含んでおり、内側スワラは、燃料／空気比を制御すると共に、拡散ガス噴射ポートのすぐ下流に保護領域を形成しており、しかもスワラの空気力学的設計と、スプリッタ・ベーンの存在とにより、流れ通路を予混合保炎器の一部として適当なものにしている。外側スワラが内側スワラを包囲しており、両スワラとも、供給源からの空気、例えばタービン圧縮機の吐出し空気が供給される上流の室と連通している。スプリッタ・ベーンは、内側拡散スワラに供給する空気を、室に供給されて内側及び外側スワラを通過する全空気の一部のみに減少させる。従って、内側スワラを通過する空気中に燃料を噴射するとき、内側スワラ内に形成されるガス／空気混合物は、スワラの下流の拡散混合カップに安定化された拡散炎を確立する。専用の拡散通路、即ち内側スワラを設けることにより、そしてその通路は予混合バーナそれ自体としては不適当であるので、内側スワラで予混合用に用いられる全空気の量は制限され、その結果、拡散燃焼モードで燃焼器から得られるＮＯ_ｘ 、ＣＯ及びＵＨＣの排出レベルは最適となる。
【０００６】
タービンに負荷を加えるにつれて、安定な予混合炎を支持することができる。そのとき、ガス燃料供給を、内側スワラを通過する空気流に直接にガス燃料を供給する方式から、室の上流部分にガス燃料を供給する方式に切り換える。その結果、空気と燃料とを室内で予混合し、その燃料／空気混合物を内側スワラ及び外側スワラの両方を通して供給し、下流の再循環域内の予混合カップで安定化を図る。
【０００７】
その結果、予混合燃焼モードでは、室に供給される空気の全量が燃料と混合され、その燃料／空気混合物が内側スワラ及び外側スワラの両方に流れる。拡散燃焼モードでは、室を通る全空気流の一部のみ、即ち、内側スワラに流れる部分のみが燃料と混合され、拡散炎を安定化するのに適当な燃料／空気比が得られる。室を通る空気の残り、即ち外側スワラを通る空気が拡散炎に影響するのを、スプリッタ・ベーンによって防止する。
【０００８】
本発明による好適な実施例では、タービン用燃焼器において拡散モード燃焼及び予混合モード燃焼を行うノズルが提供される。ノズルは、軸線を有していると共にその軸線の周りに室を画定しているノズル本体を含んでおり、このノズル本体の室は、上流の空気源から空気を受け取る上流部と、ノズル本体の軸線を中心として、半径方向に離間された環状の内側スワラ及び外側スワラを含んでいる下流部とを含んでいる。各スワラは、空気力学的に成形された複数のベーンを有しており、前述の室に流れて空気力学的ベーンを通過する空気に渦流を与える作用を成す。全体的に環状のベーンが、内側スワラと外側スワラとの間に配設されており、両スワラを通過する流れを分離する。第１の燃料供給配管が燃料を供給し、この燃料を実質的に内側スワラに流れる空気とのみ混合して、拡散燃焼用の燃料／空気混合物を形成する。第２の燃料供給配管が、両スワラの上流で前述の室に燃料を供給し、この燃料を室内で空気と混合して室内に燃料／空気混合物を形成し、この燃料／空気混合物を予混合燃焼のために内側スワラ及び外側スワラに流す。
【０００９】
本発明による他の好適な実施例では、軸線を有しているノズル本体と、軸線の周りに設けられている室と、この室の下流部に隣接して内側スワラ及び外側スワラとを含んでいるタービン用燃焼器を運転する方法が提供される。この方法では、空気を前述のノズル本体の室に供給し、下流に前述の両スワラに流し、両スワラを通る空気流を、第１及び第２の別々の流れに、即ち、内側スワラを通る第１の流れと、外側スワラを通る第２の流れとに分離し、燃料を供給し、この燃料を実質的に内側スワラを通る第１の空気流とのみ混合して燃料／空気混合物を形成し、こうして前述の室に供給される空気の一部のみを利用することにより、両スワラの下流で拡散燃焼を安定化し、燃料を前述の室に供給し、その室を通る空気流と混合して燃料／空気混合物を形成し、こうして前述の室に供給される空気のすべてを利用することにより、予混合燃焼モードでの運転を行う。
【００１０】
従って、本発明の主要な目的は、拡散炎燃焼器の運転特性を、リーン予混合燃焼器の低排気特性と組み合わせることにあり、又、これにより予混合及び拡散燃焼の二重機能を有しており、従って、タービンの全運転範囲にわたって機能し、しかも、ガスタービン運転範囲にわたってガスタービン排気ガス中の大気汚染物の排出量が極めて低い、燃焼システムを提供することにある。得られる空気を燃料との混合に適切に用いることにより、燃焼器の排気性能を全運転範囲にわたって最適化する。
【００１１】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。
図１において、参照番号１０で全体的に示されている燃焼器は、内管１２と、中心管１４とを含んでいるノズル本体を備えている。内管１２は、中心管１４から内側に離間していると共に中心管１４で囲まれている高圧液体燃料ノズルとして作用しており、内管１２と、中心管１４とは、内管１２と中心管１４との間に環状室１６を画定している。ノズル本体は更に、外側ハウジング１７を含んでおり、又、中心管１４の先端に隣接して中心管１４とハウジング１７との間に、内側スワラ１８と、外側スワラ２０とを含んでいる。以下に説明する理由で、内側スワラ１８と、外側スワラ２０とは、円周方向に延在している連続な円筒形スプリッタ・ベーン２２で分離されている。スワラ・ベーン１８及び２０の上流且つ中心管１４とハウジング１７との間に、環状室２３が設けられており、環状室２３にはその上流端で、圧縮機からの排気のような適当な供給源から空気が供給されている。こうして、室２３に流れる空気はベーン２２によって、内側スワラ１８に流れる部分と、外側スワラ２０に流れる残りの部分とに分割される。尚、外側スワラ２０は、ノズルの下流部分に向かって軸線方向に延長されており、スプリッタ・ベーンも外側スワラ２０と同じ軸線方向長さだけ延在している。
【００１２】
本発明によれば、内側スワラ１８及び外側スワラ２０はそれぞれ、全体的に半径方向に延在している空気力学的に成形された複数のベーン２４及び２６を円周方向に間隔をあけて配置した構成である。即ち、スワラ・ベーンは、通常のスワラの場合のように平坦ではなく、ベーンに沿って流れる空気流又は燃料／空気混合物に回転が与えられても、空気流又は燃料／空気混合物がベーンから剥離しないような形状に成形されている（空気流又は燃料／空気混合物のいずれであるかは以下の説明から明らかになる）。即ち、ベーンに沿った軸線方向位置にはベーンからの流れ剥離の領域がない。その結果、空気力学的ベーンの軸線方向長さに沿って再循環域が形成されることが予防され、スワラ・ベーンの下流では何らかの渦分離又は破壊が起こる。円筒形ベーン２２の内面は、内側スワラ・ベーン２４の後縁と共に、拡散混合カップを画定している。又、外側スワラ・ベーン２０及びスプリッタ・ベーン２２の下流で、ハウジング１７が予混合（プレミックス）カップ２８を画定している。
【００１３】
内管１２と中心管１４との間には、環状室１６によって形成されている高圧ガス燃料拡散マニホールドが設けられており、このマニホールドに供給源２９から弁３０及びガス供給ライン３２を通してガスが供給されている。中心管１４の先端付近に開口３４が形成されており、気体燃料を内側スワラ１８のベーン２４の間を流れる空気に流入させる。更に、ガス燃料を供給源２９から弁３０及び供給ライン３６を介して予混合マニホールド３８に供給し、円周方向に離間した複数のスポーク４０に流入させる。スポーク４０は室２３の上流部分に、且つ圧縮機からの吐出し空気の通路内に配置されている。スポーク４０の各々には、半径方向開口４２若しくは軸線方向開口４４、又は半径方向開口４２及び軸線方向開口４４の両方が設けられており、開口を通してマニホールド３８からの燃料を室２３内に供給し、室２３で燃料と空気とを混合する。尚、弁３０は、気体燃料を供給ライン３２及び３６のいずれか又は同時に両方に供給する。従って、燃料をノズルに供給するためには、拡散燃焼モードでは、開口３４を通して内側スワラ１８に送り、空気と混合するか、予混合燃焼モードでは、スポーク４０の開口を通して室２３に送り、室２３で空気と混合することができる。又は、燃料を開口３４と、スポーク４０の開口との両方に同時に供給することもできる。
【００１４】
このノズルを使用するに当たっては、始動時に弁３０を回して燃料ガスを供給ライン３２、マニホールド１６及び開口３４を通して、内側スワラ１８に流れる空気中に供給する。尚、空気は空気源から室２３を介して供給され、従って、室２３内の空気の一部のみが内側スワラ１８に供給されて、開口３４から供給される燃料ガスと混合する。こうして生じた拡散燃料／空気混合物は拡散スワラ１８を出て、拡散混合カップ２２に入る。渦流れにより、拡散炎混合カップ２２の中心線に沿って再循環域が生成され、この再循環域が高温ガスを燃焼器反応領域から引き戻し、火炎面を拡散炎混合カップ２２内に係留する。外側スワラ２０に流れる空気の部分は、スプリッタ・ベーン２２によって内側スワラ１８から出る燃料／空気混合物から分離されている。従って、少量の空気、即ち、室２３に供給された全空気の一部が内側スワラ１８に供給される。このことは、拡散燃焼モードに最適であり、炎から生じるＮＯ_ｘ 、ＣＯ及びＵＨＣ排出レベルは、このモードで達成できる最適なレベルとなる。
【００１５】
予混合燃焼モードでは、弁３０を回してライン３２を通してのガス燃料の供給を遮断し、ガス燃料をライン３６を介してスポーク４０に、そしてその開口を通して室２３内の空気中に供給する。こうして、燃料をスポーク４０によって分配し、室２３に供給された空気のすべてと混合する。予混合燃焼モードの燃料／空気混合物は、内側スワラ１８及び外側スワラ２０の両方に入る。内側スワラ１８及び外側スワラ２０の空気力学的ベーンが流れを高速度渦に加速し、この高速渦は、燃焼が反応領域から室２３（予混合室として作用している）に逆流する、即ち、逆火が生じるのを防止する。両スワラから出る予混合流の回転により、燃焼室から予混合カップ２８への高温ガスの中心再循環流れが生じ、従って、予混合火炎面が予混合カップ２８内で安定する。その結果、圧縮機の排気から室２３に流入する空気の全量がスポーク４０から出てくる燃料との混合に用いられることがわかる。従って、予混合燃焼モードでのリーン（希薄）燃料／空気比が得られ、こうしてタービンの中間から高負荷運転範囲でのＮＯ_ｘ 排気量レベルを減少させる。
【００１６】
以上、本発明を現在最も実用的且つ好適と考えられる実施例について説明したが、本発明は、それに限定されず、本発明の要旨の範囲内に含まれる種々の変更及び均等構成を包含している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による拡散及び予混合燃焼モード兼用燃焼器を一部破断して示す線図である。
【図２】図１の２−２線方向に見た断面図である。
【図３】図１の３−３線方向に見た断面図である。
【符号の説明】
１０ 燃焼器
１２ 内管
１４ 中心管
１７ 外側ハウジング
１８ 内側スワラ
２０ 外側スワラ
２２ スプリッタ・ベーン
２３ 環状室
２４、２６ 空気力学的ベーン
２８ 予混合カップ
２９ 燃料源
３４ 中心管の孔
３８ マニホールド
４０ スポーク

Claims (15)

1. タービン用燃焼器において拡散モード燃焼及び予混合モード燃焼を行うノズルであって、
   軸線を有していると共に該軸線の周りに室を画定しているノズル本体であって、前記室は、上流の空気源から空気を受け取る上流部と、前記軸線を中心として半径方向に離間している環状の内側スワラ及び外側スワラを含んでいる下流部とを有しており、前記スワラの各々は、空気力学的に成形されている複数のベーンであって、前記室を流れて該空気力学的ベーンを通過する空気に渦流を与える複数のベーンを有している、ノズル本体と、
   前記内側スワラと前記外側スワラとの間に設けられており、該内側スワラ及び該外側スワラを通過する流れを分離する全体的に環状のベーンと、
   燃料を供給し、該燃料を実質的に前記内側スワラに流れる空気とのみ混合して拡散燃焼用の燃料／空気混合物を形成する第１の燃料供給配管と、
   前記内側スワラ及び前記外側スワラの上流で前記室に燃料を供給し、該燃料を該室内で空気と混合して該室内に燃料／空気混合物を形成し、該燃料／空気混合物を予混合燃焼のために前記内側スワラ及び前記外側スワラに流す第２の燃料供給配管とを備えたタービン用燃焼器において拡散モード燃焼及び予混合モード燃焼を行うノズル。
2. 前記第２の燃料供給配管は、前記室内に円周方向に隔設された全体的に半径方向に延在している複数のスポークを含んでおり、該スポークの各々は、燃料を前記室に供給する少なくとも１つの開口を有している請求項１に記載のノズル。
3. 前記ノズル本体は、中心管を含んでおり、前記内側スワラは、前記中心管によりその端部付近で担持されていると共に、そこから半径方向外方に延在しており、前記中心管は、前記第１の燃料供給配管の一部を形成している開口であって、燃料を前記内側スワラに供給する開口を含んでいる請求項１に記載のノズル。
4. 前記内側スワラのベーンの下流端は、前記外側スワラのベーンの下流端より手前で終端しており、前記環状のベーンは、前記内側スワラのベーンより下流に延在していると共に、前記外側スワラのベーンの下流端と実質的に同じ範囲で終端している請求項１に記載のノズル。
5. 前記内側スワラ及び前記室に燃料を交互に供給する前記第１及び第２の燃料供給配管に燃料を供給する手段を含んでいる請求項１に記載のノズル。
6. 前記内側スワラの下流に拡散炎カップを含んでいる請求項１に記載のノズル。
7. 前記外側スワラの下流に予混合炎カップを含んでいる請求項１に記載のノズル。
8. 前記第２の燃料供給配管は、前記室内に円周方向に隔設された全体的に半径方向に延在している複数のスポークを含んでおり、該スポークの各々は、燃料を前記室に供給する少なくとも１つの開口を有しており、
   前記ノズル本体は、中心管を含んでおり、前記内側スワラは、前記中心管によりその端部付近で担持されていると共に、そこから半径方向外方に延在しており、前記中心管は、前記第１の燃料供給配管の一部を形成している開口であって、燃料を前記内側スワラに供給する開口を含んでいる請求項１に記載のノズル。
9. 前記内側スワラのベーンの下流端は、前記外側スワラのベーンの下流端より手前で終端しており、前記環状のベーンは、前記内側スワラのベーンより下流に延在していると共に、前記外側スワラのベーンの下流端と実質的に同じ範囲で終端している請求項８に記載のノズル。
10. 前記内側スワラ及び前記室に燃料を交互に供給する前記第１及び第２の燃料供給配管に燃料を供給する手段と、
    前記内側スワラの下流に設けられている拡散炎カップと、
    前記外側スワラの下流に設けられている予混合炎カップとを含んでいる請求項９に記載のノズル。
11. 軸線と、該軸線の周りに設けられている室と、該室の下流部に隣接している内側スワラ及び外側スワラとを有しているノズル本体を含んでいるタービン用燃焼器を運転する方法であって、
    前記室に空気を供給し、下流へ前記内側スワラ及び前記外側スワラに流す工程と、
    前記内側スワラ及び前記外側スワラを通る空気流を、別々の前記内側スワラを通る第１の流れと、前記外側スワラを通る第２の流れとに分離する工程と、
    燃料を供給し、該燃料を実質的に前記内側スワラを通る第１の空気の流れとのみ混合して燃料／空気混合物を形成し、こうして前記室に供給される空気の一部のみを利用することにより前記内側スワラ及び前記外側スワラの下流で拡散燃焼を安定化する工程と、
    燃料を前記室に供給し、該室を通る空気流と混合して燃料／空気混合物を形成し、こうして前記室に供給される空気のすべてを利用することにより予混合燃焼モードでの運転を行う工程とを備えたタービン用燃焼器を運転する方法。
12. 拡散及び予混合燃焼モードを切り換えるように前記内側スワラ及び前記室への燃料の供給を切り換える工程を含んでいる請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１の空気の流れとのみ混合するように燃料を供給する工程は、燃料を前記内側スワラに直接に供給する工程を含んでいる請求項１１に記載の方法。
14. 前記燃料を室に供給する工程は、先ず燃料を半径方向外方へ向け、前記室を軸線方向に流れる空気と該燃料を混合する工程を含んでいる請求項１１に記載の方法。
15. 拡散及び予混合燃焼モードを切り換えるように、燃料の前記内側スワラ及び前記室への供給を切り換える工程と含んでおり、
    前記第１の空気の流れとのみ混合するように燃料を供給する工程は、燃料を前記内側スワラに直接に供給する工程を含んでおり、
    前記燃料を室に供給する工程は、先ず燃料を半径方向外方へ向け、前記室を軸線方向に流れる空気と該燃料を混合する工程を含んでいる請求項１１に記載の方法。

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