JP4440378B2 - 燃焼器バッフル - Google Patents
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Description
【発明の背景】
本発明は一般的には発電用燃焼器、より詳しくは燃焼器バッフルに係わる。
【0002】
工業発電用ガスタービンエンジンは空気を圧縮するために圧縮機を含んでおり、圧縮された空気は燃料と混合され、燃焼器で点火されて燃焼ガスを発生する。燃焼ガスはタービンに流れ、ここでシャフトを駆動して圧縮機に動力を与えるためにエネルギーが抽出され、そして例えば発電機に動力を与えるために出力が生成される。タービンは典型的には発電機を駆動して例えば商用電力網へ電力を発生するために比較的に高いベース負荷で長時間にわたり運転される。燃焼ガスからの排気放出物はそれ故に関心事であり指令による制限を受けている。
【0003】
NOx(窒素酸化物)のようなガスの放出物を減少するために希薄予混合燃焼を使ったガスタービン燃焼器が開発されている。一つのこのような燃焼器は単一の燃焼チャンバに取り付けられた複数のバーナーを含んでいる。各バーナーは中心に燃料ノズルを配置された流管を含んでいて、ノズルの中心ハブが燃料噴射器および旋回羽根を支持している。運転中、燃料は燃料噴射器から噴射されて流管内の旋回する空気と混合され、バーナーの出口で火炎が発生される。燃焼火炎は中心ハブの背後におけるブラッフボディ再循環および旋回誘発再循環の組み合わせによって安定化される。希薄化学量論のため、希薄予混合燃焼では比較的に低い火炎温度が達成されるので発生されるNOx放出物は比較的に少ない。
【0004】
しかしながら、これらの予混合系は普通”フラッシュバック”と呼ばれる予期できない現象を受けやすい。フラッシュバックは燃料中の不純物の点火あるいは火炎が過渡状態の相にあるときのモード変換の際の点火を含めた多くの事象のいずれかによって起きる。フラッシュバックが起きると、火炎は燃焼器チャンバの火炎を含むように設計されていない帯域または空胴に入る。フラッシュバックが懸念される一つのこのような領域は燃料ノズル間のエンドカバーに向かって上側の領域である。この領域の再循環する空気流のパターンおよび燃料の存在の可能性がこの領域をフラッシュバックが起こりやすくしている。この領域でのフラッシュバックは燃焼制御の損失をもたらすことがあり、更に過度な加熱を受けるように設計されていない例えば燃料ノズルのような燃焼器部品の加熱および融解を引き起こしかねない。
【0005】
更にまた、改善された熱力学的効率を持ったタービンに対する増大してやまない要求はより高いタービン入口温度をもたらしている。このより高いタービン入口温度はこれに応じて圧縮機放出温度および圧力比の上昇をもたらしている。これらの条件の組み合わせは燃料の自己点火の可能性をより大きくしている。
【0006】
従って、当業界ではフラッシュバックの発生を減少するためにエンドカバー領域内の再循環を改善することが必要とされている。
【0007】
【発明の要約】
燃焼器アセンブリは円周方向に配列された複数の燃料ノズルを含んでおり、これらの燃料ノズルの第一端部は燃焼チャンバのエンドカバーに結合され、そして第二端部はエンドプレートに取り付けられている。これら複数の燃料ノズルはそれらの間に中心領域を区画している。この中心領域内にバッフルが配置される。バッフルは、エンドカバーに隣接した上流ベース部分、および上流ベース部分の幅に比較してより小さい幅を有する輪郭を付けられた下流部分を有し、これにより再循環流を下流流れに転移して中心領域内のフラッシュバックの発生を最小にしている。
【0008】
【発明の詳細な記述】
工業用タービンエンジン10は図1に示されているように燃焼器アセンブリ14および単段または多段タービン16と連続した流れ流通関係で配列された圧縮機12を含んでいる。タービン16は駆動シャフト18によって圧縮機12に連結されており、駆動シャフト18の一部は電力を発生するために発電機(図示せず)を駆動するために延びている。運転に際しては、圧縮機12が圧縮空気20を燃焼器アセンブリ14内に放出し、ここで圧縮空気20が燃料22と混合されてから点火されて燃焼チャンバ26内に燃焼ガス24を発生し、タービン16によって燃焼ガス24からエネルギーが抽出されてシャフト18を回転して圧縮機12に動力を与え、並びに発電機またはその他の外部負荷を駆動するために出力を発生する。
【0009】
各燃焼器アセンブリ14は図2の概略平面図に示されているように、同心的および円周方向に配列された複数例えば5つの上流ノズル50を有する。各ノズル50は円周方向に配列された隣接する一対のノズル50に結合されて円周方向に隣接するノズル50の同心ノズル配列を形成している。このノズルの同心的配列はそれらの間に中心領域52を区画する。各ノズル50の外側部分54は中心領域52の外側最端部を区画している。一実施の態様では、各ノズル50の外側部分54は弧状をしており、これによって中心領域52に対して星形の外側最端幾何学形状を区画している。
【0010】
各ノズル50は図3に示されているように、エンドカバー62に結合された第一端部60および燃焼器アセンブリ14(図1)に結合された第二端部64を含んでおり、予混合燃料22および空気20を燃焼チャンバ26に供給して燃焼させている。エンドプレート66が典型的にはノズル50の第二端部64に隣接して配置されて、円周方向に隣接する各ノズル50を相互接続し、そして第二端部64を出るいかなる燃料空気混合物の望ましからざる中心領域52内への逆流を防いでいる。従って、中心領域52は典型的にはエンドカバー62、ノズル50の隣接する外側部分54およびエンドプレート66によって区画された室である。
【0011】
上記に論じたように、再循環空気68は中心領域52内に典型的に見られる。中心領域52内の燃料の存在と再循環空気68が組合わさると、フラッシュバックが起きる最適な領域が提供される。
【0012】
本発明の一実施の態様によれば、図4に示されているように中心領域52内にバッフル100が配置されてそこでの空気の再循環が最小にされる。一実施の態様では、エンドカバー62内に配置された穴104にねじ切りで係合されているファスナー102によってバッフル100がエンドカバー62に固定される。一実施の態様では、ファスナー102は5/8″×2.5″減径軸UNCボルトである。別の実施の態様では、バッフル100はエンドカバー62と一体であり、製造工程中に適当な寸法に機械加工される。
【0013】
バッフル100は図5に最も良く示されているように、エンドカバー62に隣接した上流ベース部分110および上流ベース部分110の幅に比較してより小さい幅を有する輪郭を付けられた下流部分112からなる。一実施の態様では、バッフル100はハステロイ(Hastelloy)Xで作られている。
【0014】
バッフル100は再循環空気流68(図3)を非−再循環流70(図4)に転移する。従って、非−再循環流70は燃料および空気を燃焼チャンバ26(図1)に向け下流に移動するので、中心領域52(図4)内のフラッシュバックの発生は最小にされそして排除すらされる。
【0015】
上流ベース部分110はノズル50のそれぞれの外側部分の間にはめ合うよう配置されるように形状づけられる(図4)。一実施の態様では、ベース部分110の高さ(h)は約0.25インチ乃至約1.125インチの範囲である(図5)。一実施の態様では、バッフル100は約1.5インチ乃至約2.5インチの範囲の高さ(h′)を有する。
【0016】
一実施の態様では、輪郭を付けられた下流部分112は上流部分における約3.0インチ乃至約4.0インチの範囲の幅(w′)から下流部分における約0.75インチ乃至約1.30インチの範囲の幅(w)に狭まって円錐形の輪郭を形成している。
【0017】
本発明の一実施の態様では、輪郭を付けられた下流部分112はより広い上流ベース部分110から、基準線124を基準にして約35°乃至約55°の範囲、典型的には45°の角度(α)で狭まっている。基準線124は典型的にはエンドカバー62に対し垂直に傾斜されている。
【0018】
一実施の態様では、5つのノズルが5カ所で尖った星の幾何学形状を有する中心領域52を区画している。従って、この実施の態様では、図6に最も良く示されているようにバッフル100は5つのノズルの各々と均一にはめ合わさるように概して星形の幾何学形状を有している。
【0019】
図7に示されているような別の実施の態様200では、輪郭を付けられた下流部分112は準−円錐形の輪郭を形成するようにより広いベース部分からより狭い下流部分に狭まっている。その外側表面は約1.25インチ乃至約1.375インチの範囲の軸方向長さ(図7におけるh′−h)および約2.2インチの曲率半径によって定義される弧として輪郭づけられる。このバッフルの設計は形状がより空気力学的であって流れに対してより少ない妨害(抵抗)しか与えないので流体の流れにより順応した形をとる。それ故このバッフル設計はより小さな圧力降下の要件に従うことが期待される。圧力降下が低いほどポンピング費用が低下する利益がもたらされる。
【0020】
図8はバッフルのない中心領域内における速度の大きさで着色された速度ベクトルの例示のパターンを描いている。エンドカバープレート付近の中心領域における大きな再循環帯域が見られる。比較的に弱い再循環帯域もノズルの軸方向下流のデッド領域に存在する。エンドカバー付近の比較的強い再循環帯域は燃料の存在下でフラッシュバックへの部位を提供するので中心領域での火炎−保持を回避するため排除されるべきである。中心領域での燃料の存在はより良い燃焼および火炎安定性を得るため設計によって意図的に図られるかあるいは意図的ではなしに燃料の漏洩に原因している可能性がある。
【0021】
図9はバッフル100が備えられた中心領域内における速度の大きさで着色された速度ベクトルの例示のパターンを描いている。図9では、エンドカバー付近の中心領域における強い再循環帯域(図8にみられる)が排除されている。従って、バッフル100は万一フラッシュバックが中心領域に発生したときの火炎保持に対する潜在的な部位を排除している。しかし、この形状は下流のデッド領域に”弱い”再循環の存在を示している。
【0022】
図10は別のバッフル設計200が備えられた中心領域内における速度の大きさで着色された速度ベクトルの例示のパターンを描いている。エンドカバー付近の中心領域における強い再循環帯域(図8にみられる)は図10でも排除されている。従って、この設計もまた万一フラッシュバックが中心領域に発生したときの火炎保持に対する潜在的な部位を排除している。加えてこのバッフル設計では”弱い”下流の再循環も排除している。
【0023】
以上本発明の或特徴についてのみが例示され記載されたが、当業者には多くの改良および変更が思い当たろう。それ故、特許請求の範囲には本発明の真の精神に入るこうした改良および変更の全てが網羅されていると理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の工業用タービンエンジンの概略図である。
【図2】例示的な燃焼器ノズル配列の一端の概略平面図である。
【図3】部品の一部を取り除いた、例示的な燃焼器ノズル配列の概略側部立面図である。
【図4】部品の一部を取り除いた、本発明の一実施の態様に従った燃焼器ノズル配列の概略側部立面図である。
【図5】本発明の一実施の態様に従った燃焼器バッフルの概略の側部断面立面図である。
【図6】図4の燃焼器ノズル配列の一端の概略平面図である。
【図7】本発明の別の実施の態様に従った燃焼器バッフルの概略の側部断面立面図である。
【図8】バッフルのない中心領域内における速度の大きさで着色された速度ベクトルの例示のパターンを描いた着色図である。
【図9】本発明の一実施の態様に従ったバッフルが備えられた中心領域内における速度の大きさで着色された速度ベクトルの例示のパターンを描いた着色図である。
【図10】本発明の別の実施の態様に従った別のバッフルが備えられた中心領域内における速度の大きさで着色された速度ベクトルの例示のパターンを描いた着色図である。
Claims (12)
- 燃焼器アセンブリ(14)であって、
円周方向に配列された複数の燃料ノズル(50)であって、燃焼チャンバ(26)のエンドカバー(62)に結合された第一の端部(60)とエンドプレート(66)に取り付けられた第二の端部(64)とを有し、それらの間に中心領域(52)を区画している、複数の燃料ノズル(50)、および
前記中心領域(52)内に配置されていて、前記エンドカバー(62)に固定された上流ベース部分(110)と該上流ベース部分(110)の幅に比較してより小さい幅を有する輪郭を付けられた下流部分(112)とを有しており、これにより再循環流(68)を下流流れ(70)に転移して前記中心領域(52)内のフラッシュバックの発生を最小にするバッフル(100)
を含む燃焼器アセンブリ(14)。 - 前記複数の燃料ノズル(50)の数が5である、請求項1の燃焼器アセンブリ(14)。
- 前記バッフル(100)が、前記エンドカバー(62)内に配置された穴(104)にねじ切りで係合しているファスナー(102)によって前記エンドカバー(62)に結合されている、請求項1の燃焼器アセンブリ(14)。
- 前記バッフル(100)がハステロイXで作られている、請求項1の燃焼器アセンブリ(14)。
- 前記バッフル(100)の前記上流ベース部分(110)が前記複数の燃料ノズル(50)のそれぞれの外側表面(54)にはめ合うよう配置されるように形状づけられている、請求項1の燃焼器アセンブリ(14)。
- 前記バッフル(100)の前記上流ベース部分(110)が0.25インチ(6.35mm)乃至1.125インチ(28.58mm)の範囲の高さをしている、請求項1の燃焼器アセンブリ(14)。
- 前記輪郭を付けられた下流部分(112)が1.25インチ(31.75mm)乃至1.375インチ(34.93mm)の範囲の軸方向長さおよび2.2インチ(55.9mm)の曲率半径によって定義される弧として輪郭づけられている、請求項1の燃焼器アセンブリ(14)。
- 前記上流ベース部分(110)が前記5つの燃料ノズル(50)のそれぞれの外側表面(54)にはめ合うよう配置されるように概して星形の形状に形状づけられている、請求項2の燃焼器アセンブリ(14)。
- 前記輪郭を付けられた下流部分(112)が円錐状に形づけられている、請求項1の燃焼器アセンブリ(14)。
- 前記バッフル(100)が1.5インチ(38.1mm)乃至2.5インチ(63.5mm)の範囲の高さをしている、請求項1の燃焼器アセンブリ(14)。
- 工業用タービンエンジン(10)であって、
円周方向に配列された複数の燃料ノズル(50)であって、燃焼チャンバ(26)のエンドカバー(62)に結合された第一の端部(60)とエンドプレート(66)に取り付けられた第二の端部(64)とを有し、それらの間に中心領域(52)を区画している、複数の燃料ノズル(50)、および
前記中心領域(52)内に配置されていて、前記エンドカバー(62)に固定された上流ベース部分(110)と該上流ベース部分(110)の幅に比較してより小さい幅を有する輪郭を付けられた下流部分(112)とを有しており、これにより再循環流(68)を下流流れ(70)に転移して前記中心領域(52)内のフラッシュバックの発生を最小にするバッフル(100)
を含む燃焼器アセンブリ(14)を有する工業用タービンエンジン(10)。 - 前記バッフル(100)の前記上流ベース部分(110)が前記複数の燃料ノズル(50)のそれぞれの外側表面(54)にはめ合うよう配置されるように形状づけられている、請求項11記載の工業用タービンエンジン(10)。
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