JP4115389B2 - サイクロン燃焼器 - Google Patents

Description

本発明はガスタービンエンジンに関し、特に、ガスタービン燃焼システムに関する。さらに具体的には、本発明は、燃焼器内に、予混合の燃料空気混合気が接線方向に吹き込まれることを特徴とするサイクロン燃焼器に関する。

産業用ガスタービンエンジンは、ますます厳しい排出基準のもとで運転する必要がある。商品価値のある発電用製品を作り出すには、可能な限り低排出なエンジンであることが重要となる。窒素酸化物ＮＯｘや一酸化炭素（ＣＯ）の排出は、所定のエンジン運転範囲において最小限に抑えなければならない。低排出レベルを達成するには、低温度下で燃料と空気の完全燃焼を行う燃焼システムが必要となる。

低ＮＯｘを実現する現行技術では、燃料と空気とが燃焼器に流入する前に予混合されていることが必要とされる。水噴射せずにＮＯｘの低排出を実現する燃焼器は、乾式低排出燃焼器（ｄｒｙ−ｌｏｗ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ）（ＤＬＥ）として知られており、高エンジン効率と同時にクリーンな排出性能を与えるものとして有望視されている。この技術は、燃料／空気の混合気内における高い空気成分に依存している。

ＤＬＥシステムにおいては、燃料と空気は、燃焼器に吹き込まれる前に希薄予混合の状態とされる。しかしながら、２つの問題が認められている。この第１の問題は、最終的に騒音問題に帰着する、燃焼不安定性つまり不安定なエンジン動作性に関わるものであり、また、第２の問題は、上記問題と関連したＣＯの排出に関わるものである。希薄な状況において、燃焼プロセスの安定性は急速に減退し、そして、化学反応は温度に指数関数的に依存するために、燃焼器は火炎限界の寸前で運転している可能性がある。上記の状況は、また、局所的な燃焼の不安定性をもたらし、燃焼プロセスの動的な挙動を変化させかつガスタービンエンジン全体の化学的な完全性を危うくする。これは、燃料空気混合気の均一性において、幾つかの制約があることに起因する、すなわち、平均より希薄な混合気のポケットは、燃焼安定性に関わる問題の原因となり、また、平均より濃い混合気のポケットは、容認できない程の高ＮＯｘ排出の問題の原因となるのである。同時に、燃焼器に対してより希薄な混合気になると、指数関数的に化学反応速度が減少し、燃焼効率の指標となるＣＯや未燃焼炭化水素（ＵＨＣ）の排出が実質的に増加する。従って、新しい燃料の混合・燃焼手段の開発に向けて努力が払われている。

燃焼器内に燃料空気混合気を接線方向に噴射することにより、燃焼器内に、燃焼器の寿命と火炎安定性とを改善する燃料空気混合気の最適な循環が与えられることが一般的に知られている。サイクロン型もしくは渦流型の燃焼室の実施例が、Ｐｒｏｂｅｒｔらによる１９５７年７月２日付の米国特許第２，７９７，５４９号に開示されている。Ｐｒｏｂｅｒｔらにより開示されたサイクロン型もしくは渦流型の燃焼室は、燃焼室に対し接線方向に配置された３つの燃料予混合室を備えている。流入空気は、燃焼室内のらせん状の渦流に向けて噴射される前に、上記接線方向の予混合室に導かれ、そこで供給燃料と混合する。

それでもなお、燃料空気混合気は、一般的に、可燃性であるため、上記予混合部に望ましくない逆火が起こる可能性がある。さらに、希薄予混合式燃焼を使用したガスタービン燃焼器は、ターンダウン条件において安定した火炎を保持するために、通常、予混合式の運転から予混合のない（拡散）運転にする所定の転換が必要とされる。かかる転換を可能にさせようとすると、望ましくない複雑な設計の原因となり、また、通常、コストもかさむ。かかる予混合式の欠点は当産業分野において認識されており、従って、上記課題を克服しうる、燃料空気予混合気を使用した新しい燃焼システムが求められている。

本発明の１つの目的は、燃焼器内において予混合の燃料空気混合気の最適な循環が行われるガスタービンエンジン用のサイクロン燃焼器を提供することである。

また、本発明の１つの目的は、予混合器部内への望ましくない逆火を抑制しつつ予混合の燃料空気混合気を使用できる燃焼器を提供することである。

本発明の１つの態様によれば、ほぼ円筒状の燃焼器缶と複数の燃料空気予混合管とを含む、ガスタービンエンジン用の燃焼器が開示されている。この燃焼器缶は、中心軸を有し、かつ、エンジンの燃焼生成物を発生させる燃料と空気とを収容するための、上流端壁および上記中心軸回りに連続した側壁を有する。上記それぞれの予混合管は、燃焼器缶の上記側壁に取り付けられており、該燃焼器缶と流体的に連通している。これらの予混合管は、上流端壁に隣接するように位置決めがなされ、かつ、互いに周方向に、間隔をおいて設けられている。上記それぞれの予混合管は、燃料空気混合気を発生させる管主要部と、燃焼のために燃焼器缶内に燃料空気混合気の噴射を行う出口部と、を有する。上記管主要部は、燃焼器の上記中心軸にほぼ平行に延びた中心軸を有する。また、上記管出口部は、上記管主要部の中心軸にほぼ垂直に延び、かつ、燃焼器缶に対し半径方向に向きかつ接線方向にオフセットした方向に配設されている。

燃焼器缶に対する各予混合管の接線方向のオフセット量は、パラメータＴにより定められ、望ましくは、Ｄ／２４＜Ｔ＜Ｄ／６の範囲である。ここで、Ｄは、燃焼器缶の直径であり、Ｔは、上記予混合管の出口部中心軸と、この出口部中心軸と平行に延びた、燃焼器缶の直径方向の直線と、の間の距離である。上記予混合管の少なくとも１つが、所定の混合比を有した燃料空気混合気を発生させるように、もしくは、混合されない空気のまま供給できるように、独立に機能し得るように適合していることが望ましい。

本発明のサイクロン燃焼器は、性能を最適化する新しい予混合の方式を採用している。上記予混合管の接線方向のオフセットは、燃焼ノイズの低減と低排出レベルとともに、ライナの寿命と、火炎安定性と、最小限の消炎燃空比が要求されるエンジンターンダウン時の運転と、に対して燃焼器缶内の最適な循環が生じるように設計がされる。点火とパイロット燃料のシステムは、上記予混合管入口の配置と、上記混合気流の運動量の方向と、を有効に利用するように配設される。さらに、互いに平行な軸上にある、上記燃料燃焼器缶と上記予混合管とが所定の方法で接続されることにより、各予混合管における上記出口部と上記管主要部とが直角をなすことになり、これにより、予混合管内への逆火は効果的に抑制される。

本発明のサイクロン燃焼器は、現行の排出基準、すなわち、ＮＯｘ排出：１０ｐｐｍ未満およびＣＯ排出：１０ｐｐｍ未満、を達成し得るものである。

本発明の他の長所や特徴については、以下に記載された本発明の好適な態様を参照することにより、一層明らかとなろう。

本発明のサイクロン燃焼器は、添付図面において、符号１０により示される。このサイクロン燃焼器１０は、中心軸１４と、環状の側壁２０により区分された、上流端１６と下流端１８とを備えた、円筒状の燃焼器缶１２を備える。上流端１６は上流端壁２２により閉構造をなしており、下流端１８はエンジンのガスタービン部（図示せず）と流体的に連通している。３つの入口開口部２４（２つのみ図示）が、燃焼器缶１２内に予混合の燃料空気混合気を導入するように、環状の側壁２０上でかつ上流端壁２２に隣接したところに設けられる。予混合の燃料空気混合気の燃焼プロセスは、通常、燃焼器缶１２の上流部領域内に定義された一次燃焼領域２６において行われる。燃焼生成物はこの一次燃焼領域２６内で発生するが、未反応の燃料と空気とにより、燃焼器缶１２の一次燃焼領域２６の下流側の部分における二次燃焼領域２８において、燃焼プロセスが完了する。その後、最終的な燃焼生成物が下流端１８から燃焼器移行ダクトに排出される。

３つの燃料空気予混合管３０、例えば予混合ベンチュリ管、が燃焼器缶１２の側壁２０に取り付けられ、かつ上流端壁２２に隣接して位置決めされる。上記予混合管３０は、互いに周方向に等間隔に配設され、上記側壁２０上の各々の入口開口部２４を介して燃焼器缶１２と流体的に連通している。

それぞれの予混合管３０は、燃料空気混合気を生成するための管主要部３２と、燃焼に必要な燃料空気混合気を燃焼器缶１２に噴射させるための出口部３４とを有する。上記管主要部３２は、燃焼器缶１２の中心軸１４にほぼ平行に延びた中心軸３６を有する。上記出口部３４は、上記管主要部３２の中心軸３６に対しほぼ垂直に延びた中心軸３８を有し、かつ、燃焼器缶１２に対し半径方向に向かうとともに、Ｔで示されるように接線方向にオフセットするように配設されている。

燃焼器缶１２に対する各予混合管３０における接線方向のオフセット量Ｔは、上記予混合管３０の出口部中心軸３８と、この出口部中心軸３８と平行に延びた、燃焼器缶１２の直径方向の直線４０と、の間の距離である。この接線方向のオフセット量Ｔは、燃焼器缶１２の直径Ｄの１／２４よりも大きく、かつ、該直径Ｄの１／６未満である。Ｔは、Ｄの１／１２に等しいことが望ましい。これにより、上記側壁の各入口開口部２４から噴射された燃料空気混合気流は、予混合管３０の出口部３４から燃料空気混合気の流れがそれぞれ接線方向にオフセットされて流出するために、燃焼器缶１２の一次燃焼領域２６内にらせん状のスワール流を形成する。一次燃焼領域２６内でらせん状のスワール流を伴った燃料空気混合気を燃焼させることにより、燃焼器缶１２内において最適な循環を起こすことができ、これにより、燃焼器缶１２のライナの寿命を延ばし、燃焼プロセスやエンジンのターンダウン時での火炎安定性を向上し、併せて、燃焼による騒音や排出レベルを一層低減できる。

火炎安定性を向上するには、高温の燃焼生成物を燃焼器缶１２の一次燃焼領域２６内で再循環させることが重要となる。上記一次燃焼領域２６内での燃焼生成物の滞留時間は、上記予混合管３０のオフセット量によって制御できる。これにより、火炎安定性と排出性能が制御可能となる。

従って、上記の接線方向のオフセット量Ｔは、火炎安定性とライナの高寿命化の双方における要求のバランスにより定まる。この接線方向のオフセット量Ｔが増大すると、らせん状にスワール流の燃焼を行う燃料空気の混合気流が強まり、燃焼器缶１２の側壁２０に、より接近することになる。これにより、火炎安定性は向上するが、上記側壁２０がより高温にさらされるため、燃焼器缶１２のライナの寿命が短くなってしまう。一方、上記接線方向のオフセット量Ｔが減少すると、らせん状にスワール流の燃焼を行う燃料空気の混合気流は弱まり、該混合気流は燃焼器缶１２の中心線１４に近づくことになる。これにより、燃焼器缶１２の側壁２０は、比較的、より低い温度に保持されるため、燃焼器缶１２のライナ寿命が向上することとなる。しかしながら、燃焼器缶１２内で、らせん状にスワール流の燃焼を行う燃料空気の混合気流が弱まると、火炎安定性を減退させることは明らかである。

上記予混合管は逆火を抑えるように寸法決めされる。ほぼ一定の断面を有した円筒状の管によって直角をなすように確保することにより、管内の流れが分流しないために、逆火基準を満足する。

１つの燃料パイロットライン４２が、燃焼器缶１２の上流端壁２２に設けられた入口４４に接続されている。この入口４４は、予混合管３０の出口部中心軸３８がそれぞれ延びることになる、長手方向の両平面の間にほぼ位置決めされる。２つの点火装置４６が、上記上流端壁２２に隣接するように、燃焼器缶１２の側壁２０に取り付けられる。上記点火装置４６の双方とも、図２において点火装置４６の端部を破線で示すように、燃焼器缶１２の内側に位置決めされる。両点火装置４６は、上記入口４４と隣接した予混合管３０との間に位置決めされ、該入口４４に対し周方向に下流に位置する。上記入口４４と上記点火装置４６の配置は、図２において明示されている。このように、この点火とパイロット燃料のシステムは、入口開口部２４の配置と、上記予混合管３０の接線方向のオフセットにより発生する燃料空気混合気流の接線方向の運動量と、を有効に利用するように配設されている。

このサイクロン燃焼器１０は、さらに、多孔５０を有した巻き付け加工（ラップアラウンド）の板金からなるスキン４８を備えることとなり、該スキンは、半径方向に所定の間隔をおいて燃焼器缶１２の環状の側壁２０を取り囲むように位置決めされるインピンジメント冷却用スキンを構成する。このインピンジメント冷却用スキンは、よく知られたものであるため、ここでは詳細な説明を省略する。また、インピンジメント冷却用スキン４８が、燃焼器缶１２の上流端壁２２から軸方向に所定の間隔をおいて位置決めされた多孔状のスキン端部４９を有することは任意である。圧縮空気は、上記スキン４８，４９の孔５０内に噴射されると、上記側壁２０と上流端壁２２に吹き付けられることとなり、燃焼器壁（ライナ）から熱を奪う。本発明によるサイクロン燃焼器１０の燃焼器壁について、少なくとも上記一次燃焼領域２６を定義する上流部分は、インピンジメント空気のみにより冷却される。冷却空気は、燃焼器缶１２、主として上記燃焼領域２６に、直接導入されないため、上記壁部分における燃焼反応は抑制されず、また、ＣＯの排出も低いままに保持される。

上記３つの予混合管３０は、独立に制御可能であり、所定の混合比を有した燃料空気混合気を発生させるように、もしくは、混合されない状態の空気のまま供給するように、適合したものである。運転に際しては、上記予混合管３０の１つを第１段階の混合器として、その他２つの予混合管３０を第２段階の予混合器として、機能させてもよく、これにより、例えば、出力が大きな懸念事項であるが目標排出レベルについてはそれ程気にならないエンジン運転目的の場合には、全空気質量流量を変化させることなく、濃い燃料混合気を、第１段階の予混合管から燃焼器缶１２に噴射させ、純粋な圧縮空気をその他２つの予混合管３０から噴射させるようにすることができる。

当業者であれば、上述した本発明の実施例に基づいた改良や変更を容易に想到し得るだろう。上述の説明は、例示的であって制限的なものではない。したがって、本発明の内容は、添付の特許請求の範囲に基づいて定められる。

燃焼器用のインピンジメントスキンの孔を示す側面断面図を含んだ、本発明の好適な実施例を取り入れたガスタービン燃焼器の断面図 燃焼器缶に対して接線方向にオフセットされた予混合管を示す図１の実施例の平面図（視認性のためインピンジメント冷却用スキンとパイロット燃料ラインを除外したもの）

Claims (5)

1. 中心軸を有し、かつエンジンの燃焼生成物を発生させる燃料および空気を収容するように、上流端壁と、上記中心軸回りに連続した側壁と、を有する概ね円筒状の燃焼器缶と、
   上記燃焼器缶と流体的に連通し、かつ、上記上流端壁に隣接して上記燃焼器缶の上記側壁に取り付けられるとともに、互いに周方向に間隔をおいて配置された複数の燃料空気予混合管と、
   を備え、
   上記予混合管は、内部で燃料空気混合気を生じさせる管主要部と、該燃料空気混合気を燃焼させるように燃焼器缶へ噴射する出口部と、を有し、
   上記管主要部は、上記燃焼器缶の中心軸とほぼ平行に延びた中心軸を有し、
   上記出口部は、上記管主要部の中心軸とほぼ垂直に延びた中心軸を有し、かつ接線方向にオフセットして上記燃焼器缶に対して半径方向に配設され、
   上記燃焼器缶の上記上流端壁における入口に接続されるとともに、上記予混合管の上記出口部の上記中心軸を各々に含む複数の長手方向の平面の間に配設された少なくとも１つのパイロット燃料ラインと、
   上記上流端壁に隣接するように上記燃焼器缶の側壁に取り付けられた少なくとも１つの点火装置と、
   をさらに備え、
   上記点火装置は、上記パイロット入口から周方向に下流に位置し、かつ該パイロット入口と、隣接の予混合管との間に位置するように燃焼器缶内側に配設されることを特徴とするガスタービンエンジン用の燃焼器。
2. 上記燃焼器缶に対する各予混合管の接線方向のオフセット量がＤ／２４より大きくかつＤ／６未満となるパラメータＴにより特定されることとなり、ここで、上記Ｄは、燃焼器缶の直径であり、かつ、上記Ｔは、上記予混合管の上記出口部中心軸と、該出口部中心軸と平行な上記燃焼器缶における直径方向の直線と、の間の距離であることを特徴とする、請求項１に記載のガスタービンエンジン用の燃焼器。
3. 上記ＴはＤ／１２に等しいことを特徴とする請求項２に記載のガスタービンエンジン用の燃焼器。
4. 上記予混合管の少なくとも１つが、所定の混合比を有した燃料空気混合気を発生させるように、もしくは、純空気のまま供給するように、独立に機能するよう適合していることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン用の燃焼器。
5. 一次燃焼領域を定義する上記燃焼器缶の上流部分がインピンジメント空気のみにより冷却されることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン用の燃焼器。

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