JPH0130055B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、燃焼器内に、特に燃焼器筒形体内部
に燃焼器内での作業空気流れ方向でみて空気分配
室と燃焼室とがスペース的に互いに仕切られて配
置されている、ガスタービンの燃焼器に関する。

ガスタービンは排ガス組成に関してますます多
くの国の厳しい環境保護基準を満せなくなつてい
る。ガスタービンの運転の内でも特に許容される
最大の窒素酸化物排出量に関して前記環境保護基
準を守ることは極めて困難である。従つて現在法
律上有効な環境保護基準は特にアメリカ合衆国に
おいて施行されており、これによれば窒素酸化物
の排出量は容積百分率15％の酸素で75ppmを越え
てはならない。類似の環境保護基準は大多数の工
業国においても存在する。このばあいむしろ、将
来は許容される排出量が一段と厳しく押えられる
ということが予想される。前記環境保護基準はこ
れまで燃焼室内に多量の水又は蒸気を噴射するこ
とによつてのみ守られた。しかし排出量を減少さ
せるために使用される補助媒体、つまり水又は蒸
気は若干の重大な欠点をもたらす。水が燃焼室内
に噴射される場合には、効率の低下が予期され
る。更にこのために使用できる量の水がいつでも
どこでも、例えば降水量の少ない国では、存在す
るとは限らない。更に水はその使用前に前処理さ
れねばならない。何故ならば水内に含まれる多量
の鉱物、例えばナトリウム、食塩等がそれに接触
するものを著しく腐食させるからである。前記前
処理は費用がかかりしかも多量のエネルギを必要
とする。

これに対して蒸気が燃焼室に供給されるばあい
には、上述の効率の低下は回避される。しかし蒸
気を発生させるには水を必要としかつこのように
蒸気を発生させることはエネルギの必要性を減少
させるものではない。

本発明の課題は、燃焼によつて発生する有害成
分が排出基準によつて許容される値以下に減少さ
せられるような冒頭に述べた形式のガスタービン
の燃焼器を提供することにある。

前記課題は特許請求の範囲第１項並びに第１１
項に記載の本発明の構成によつて解決された。

上記本発明の構成によつて初めて、燃焼器の本
来の燃焼室の前で作用する前混合・前気化手段を
備えた燃焼器が得られた。従つて本発明の利点は
特に、有害成分の排出量が、燃焼室内に費用のか
かる補助媒体を噴射することなしに、排出基準に
よつて許容された値以下に減少されるということ
にある。このことは本来の燃焼プロセスの前に前
混合プロセスおよび前気化プロセスが行なわれる
ことによつて達成される。

このために前混合および前気化は多数の管状部
材内において実施され、このばあい燃料は圧縮機
からの空気と大きな空気過剰率で前混合および前
気化される。必要最大の空気過剰率（一方ではま
だ炎燃焼しかつ他方では多量の一酸化炭素を発生
させない）で燃焼させることは有害な窒素酸化物
量を減少させるばかりでなく、更に別の有害成
分、即ち一酸化炭素および未燃の炭化水素の発生
を押える。本発明の燃焼器のばあいには、燃焼お
よび後反応のためのスペースが本来の燃焼のため
に必要とされよりも著しく長く維持されることに
よつて窒素酸化物量の発生を押えることができ
る。このように燃焼および後反応のためのスペー
スが本来の燃焼のために必要とされるよりも長く
されていることによつて大きな空気過剰率を選択
することができ、このばあい当初多量の一酸化炭
素が発生するけれどもしかし、この一酸化炭素は
更に反応して炭酸ガスになるので、結局一酸化炭
素の排出量はわずかに維持されしかも他面では、
大きな空気過剰率にもかかわらず一酸化窒素は極
めてわずかにしか生じない。

多数の管状部材が前混合および前気化のために
用いられるため、負荷調整時にそれぞれ、その都
度の運転段階（始動、部分負荷等）のために最良
の空気過剰率を生ぜしめるような数の管状部材だ
けが燃料を供給されるという利点が得られる。

多数のパイロツト部材が使用されるばあい、パ
イロツト部材が使用される管状部材の下側に幾何
学的に均一に分配されると有利である。パイロツ
ト部材が点火装置によつて運転されるばあい、こ
のような点火装置を遅れて運転される管状部材の
ために設ける必要はない。何故ならばパイロツト
部材から炎が周辺の管状部材に転移するからであ
る。このことはパイロツト部材の閉鎖板（以後保
炎板と呼ぶ）が拡散する炎先端を生ぜしめるよう
なら旋体又は傾斜した穴を備えていることによつ
て促進される。前記ら旋体又は傾斜した穴によつ
て付加的に申し分のない熱的およびエアジエツト
式の混合が促進され、これによつて燃焼室に対す
る均一な温度分配および速度分配が得られる。

保炎板内の斜めの開口並びに保炎板の軸線に対
して平行な穴が穴直径の少なくとも1.5倍の長さ
を有していると有利である。前記穴を介して空
気・燃料油混合気もしくは空気・燃料ガス混合気
が高速で燃焼室に向つて流れ、これによつて逆火
が阻止される。

逆火を阻止するために別の実施態様では、保炎
板内の開口がインゼクタとして形成されていて、
この結果、空気が開口の境界層内に導入されるよ
うになつている。

保炎板内の開口の別の実施態様では、前記開口
がデイフユーザとして形成されている。前記構成
によつて同じ圧力損失で高速を得ることができ
る。高速が得られることによつてより確実に燃焼
室からの逆火が阻止される。デイフユーザを確実
に機能させるため必ず孔直径の少なくとも1.5倍
の長さを有する円筒状区分が後接続されている。

燃料が空気流入方向とは逆向きに供給されると
有利である。それというのも向流における両媒体
の相対速度は最大となり、これによつて著しい渦
流が生ぜしめられるからである。このような燃料
供給形式に基づき前混合プロセスおよび前気化プ
ロセスが促進されると同時に、管状部材の長さを
別の燃料供給形式に比して著しく短く形成でき、
これによつて管状部材内での混合気の停滞時間が
短縮されかつ自己点火の危険が除かれる。

管状部材の空気取入れ口でボルダの流出口を使
用することによつて前記範囲で、前混合プロセス
および霧化プロセスおよび前気化プロセスを付加
的に強める渦流が生ぜしめられる。

保炎板縁部の外周面が多角形として形成されて
いると有利であり、この結果管状部材はスペース
を節約されて組み合わされる。

保炎板縁部内で、管状部材の外周面の周囲に多
数の開口が切欠かれていると有利であり、この開
口を介して圧縮空気量の一部が貫流しかつこのよ
うにして保炎板縁部が冷却される。

次に図示の実施例につき本発明を説明する。

第１図は概略的にこのような燃焼器の構想を示
している。燃焼器筒形体１の上側範囲内には多数
の管状部材２が配置されており、該管状部材２は
与えられたスペースを申し分なく満している。こ
のような配置形式の１実施例は第２図から明らか
にされており、この第２図では37個の管状部材２
が配置されているけれども必ずしも管状部材を37
個設ける必要はない。何故ならば管状部材の数は
燃焼器のサイズに関連しているからであり、該燃
焼器のサイズは更に所望の燃焼効率に関連してい
る。管状部材２が閉鎖ナツト５を介して結合され
ている支持ブリツジ２７は支持リブ２３に固定さ
れている。管状部材２を支持ブリツジ２７と結合
するために、別の結合形式を利用することもでき
る。管状部材２は下側の範囲で安内板６を介して
側方で案内されている。自体支持ブリツジ２７と
固定的に結合されている多数の支持部材２２は案
内板６を支持している。管状部材２を、第１６図
から明らかなように、個々に案内することもで
き、このばあい最早案内板は使用されず、個々の
案内リング２５が管状部材２を側方で案内する。
案内リング２５はこのばあいにも支持ブリツジ２
７と固定的に結合されている支持部材２２によつ
て支持される。管状部材２を図示の支持ブリツジ
２７によるのとは別の形式で固定することもでき
るがしかし、このような場合には常に、熱膨張が
不都合な作用を生ぜしめないようにするために、
選ばれた固定個所が燃焼室７からできるだけ遠く
に離れて設けられることを考慮する必要がある。

図示されてない圧縮機から供給される作業空気
としての圧縮空気の大部分は開口９を介して燃焼
器筒形体内に設けられた空気分配室内に流入す
る。この空気分配室は下方で支持ブリツジ２７に
よつてかつ上方でフランジリブ３８にフランジ結
合されたカバー３５によつてかつ側方で開口９を
備えた燃焼器筒形体部分によつて取り囲まれてい
る。更に空気分配室１９から圧縮空気はホツパ状
の空気取入れ口１４を介して個々の管状部材２内
に流入する。燃料は管状部材２毎に燃料導管４を
介して供給され、このばあい管状部材２内に突入
しかつ図示されてない単数又は複数の燃料開口を
有する燃料ノズル１５は空気流入方向とは逆向き
に燃料を噴射するのに用いられる。しかし燃料を
必ず空気流入方向とは逆向きに噴射する必要はな
い。例えば燃料ガス（天然ガス）を使用したばあ
いには前記ガスは空気流入方向に吹き込まれる。
更に燃料油と燃料ガスとを同時に供給して燃焼さ
せることもできる。

更に燃料油を使用するばあい燃料油をできるだ
け細かく霧化するために有利には、圧縮空気より
も高い圧力のできるだけわずかな量の補助空気を
燃料ノズル１５を介して供給できる。従つて燃料
は、管状部材２内で前混合プロセスおよび前気化
プロセスが行なわれるように、流入する圧縮空気
と混合される。このような前混合および前気化プ
ロセスは、第１６図から明らかなように、管状部
材の空気取入れ口でボルダの流出口３４を使用す
ることによつて、発生する渦流に基づいて促進す
ることができる。このばあい燃料は燃料ノズル１
５を介して、発生する渦流範囲でしかもボルダの
流出口３４から最良の間隔をおいて噴射もしくは
噴出されねばならない。

管状部材を介して混合気が保炎板３内に切欠か
れた開口８を介して流出するまでの時間中には、
燃料は気化されかつ空気と混合される。気化の程
度は、温度が高くなりかつ停滞持間が長くなりか
つ霧化された燃料の液摘サイズが小さくなればな
る程高められる。しかしながら圧力および温度が
増大するにつれて混合気が自己点火するまでの危
険な時間が短縮されるので、管状部材の長さは、
できるだけ短かい時間の間にできるだけ有利な気
化が行なわれるように合わされている。燃料ガス
のばあい気化は行なわれない。つまり燃料ガスと
空気とは一様に分配されればよい。

圧縮空気の余分量は空気分配室１９内に流入す
るのではなく、開口２６を介して燃焼器筒形体１
内に流入して、管状部材２の間に分配されて、保
炎板縁部１３内に切欠かれた開口１８（第２図参
照）を介して燃焼室７に流入する。これによつて
保炎板３の外側部分は、特に拡散する炎先端が発
生したばあいに潜在している焼き付きの危険が防
止されるように冷却される。

混合気の燃焼は、すでに述べたように、必要最
大の空気過剰率で行ないたい。前記の必要最大の
空気過剰率は一方ではまだ炎燃焼しかつ他方では
多量の一酸化炭素を発生させないことによつて与
えられる。例えば、混合気の空気の割合が理論的
な値の1.8倍に維持されるばあいには、最も有利
である。下側の閉鎖リブ２４は燃焼室７からの加
熱空気の自由な対流を阻止する。このばあい隣接
する保炎板縁部１３の開口１８を介して燃焼室７
に流れ込む、開口２６を介して流入する同じ残余
空気によつて閉鎖リブ２４は一緒に冷却される。

管状部材の下流に位置する部分の閉鎖体を成す
保炎板３は、燃焼室７から管状部材内部への逆火
を阻止する。燃焼器筒形体１の内壁は燃焼室７の
範囲で、つまり保炎板３の下で、図示されてない
冷却機構を備えている。

第３図から明らかなように、図示の保炎板３は
管状部材の軸線に対して平行にのびる多数の円筒
状の穴２１を有している。付加的に拡散する炎先
端を生ぜしめようとするばあいには、第４図およ
び第５図から明らかなように、保炎板３内の穴３
０は中心の穴を除いて保炎板３の半径方向の平面
内で斜めに配置されており、このばあい傾斜角３
６は保炎板の中央から外周面に向つて連続的に増
大するか又は不変である。第６図、第７図、第８
図から明らかなように、保炎板３内の穴３１は中
心の穴を除いて保炎板３の接線方向の平面内で斜
めに設けられており、このばあい傾斜角３７は、
上述のように、保炎板の中央から外周面に向つて
連続的に増大するか又は不変である。平行な穴２
１並びに斜めの穴３０，３１は穴直径の少なくと
も1.5倍の長さを有していなければならない。こ
れによつて生ぜしめられる高められた、穴２１，
３０，３１内での混合気速度および穴の長さによ
つて、燃焼室７からの逆火が阻止される。穴２
１，３０，３１の数はそれぞれ所定の状態に合わ
される。第７図の図示の実施例では例えば21個の
穴３１が配置されている。

第１１図で図示された配置形式では保炎板３は
上側板３ａと下側板３ｂとから形成されており、
この上側板３ａと下側板３ｂとの間には開口８と
接続されている通路１０がのびている。保炎板３
内に設けられた開口８はわずかに円錐形のそれぞ
れ２つのブシユ１１，１２によつて被覆されてお
り、このばあい前記ブシユ１１，１２は通路１０
の範囲でテレスコープ式にかつ遊び１６を以つて
オーバーラツプされている。特にブシユ１２の壁
に沿つた境界層において燃焼室７からの逆火は、
通路１０を介して圧縮空気が供給されることによ
つて阻止され、この圧縮空気は遊び１６を介し
て、ブシユ１２の危険にさらされる壁に沿つて、
混合気と共に流出する。逆火を助成するであろう
流れ剥離は開口８の円錐形形状によつて防止され
る。

第１５図から明らかなように、第１１図で図示
された保炎板３は16個の開口８を有しており、該
開口８は２本の通路１０から対称的に圧縮空気を
供給される。保炎板３内に設けられた開口８に圧
縮空気を供給することは別の通路構成によつても
満すことができる。

第１４図で図示されているように、保炎板３内
の開口８はデイフユーザ３９として形成されてい
る。燃焼室７に向かう混合気の流れ方向では円筒
状の入口孔３２に続いてデイフユーザ４０として
の区分が形成されており、該デイフユーザ４０に
は入口孔３２よりも大きな直径の円筒状の孔３３
が続いており、このばあい前記孔３３は孔直径の
少なくとも1.5倍の長さを有している。前記構成
によつて同じ圧力損失で極めて狭い個所で高速を
得ることができ、これによつてより確実に燃焼室
７からの逆火が阻止される。円筒状の孔３３によ
つて燃焼室７内において炎先端はデイフユーザ４
０に対して適当な距離をおいて生ぜしめられる。
これによつてデイフユーザ４０内で瞬間的な流れ
剥離が生じたばあい流れは後続の円筒状の孔３３
内で再び壁に接触する。

第９図および第１０図から明らかなように、保
炎板３はら旋体２８を備えることができ、このば
あい前記ら旋体２８の14個の開口４１を介して混
合気はら旋状に燃焼室７に導びかれる。ら旋体２
８は燃料空気混合気の申し分のないエアジエツト
式の混合および申し分のない熱分配を促進し、こ
れによつて更に燃焼室７に対する均一な温度分配
および速度分配が生ぜしめられ、この結果図示さ
れてないタービンが均一に負荷される。

当然管状部材２および個々の保炎板３自体を第
３図又は第４図および第５図又は第６図、第７図
および第８図又は第９図および第１０図又は第１
１図および第１５図又は第１４図による実施例を
組合わせて構成することもできる。

すでに述べた様に、燃焼器筒形体１は多数の管
状部材２によつて申し分なく満されている。第２
図で図示されているように、使用される37個の管
状部材２の下側には13個のパイロツト部材１７が
幾何学的に均一に分配されている。燃焼器の始動
時にはまずパイロツト部材１７が図示されてない
点火ユニツトたよつて運転される。負荷が増大し
たばあいには炎はたつた今運転させられたパイロ
ツト部材１７から周辺の管状部材に転移する。

パイロツト部材１７の保炎板３内の開口８は選
択的に保炎板の半径方向の平面内で斜めにのびる
穴３０（第４図、第５図参照）および（または）
接線方向の平面内で斜めにのびる穴３４（第６
図、第７図、第８図参照）により形成することが
できる。パイロツト部材１７のためにら旋体２８
を使用することもでき、該ら旋体２８は穴３０，
３１と同様に拡散した炎先端を生ぜしめかつこの
ようにして周辺の管状部材の点火を促進する。

第１２図および第１３図から明らかなような配
置形式、つまりら旋体２８を有する配置形式はパ
イロツト部材１７のための別の変化実施例として
考えられている。このばあい燃料ノズル１５は燃
焼室７内に突入しているので、管状部材内では前
混合プロセスおよび前気化プロセスは行なわれな
い。従つてこの変化実施例は始動補助部材として
のみ役立ち、それ故このような構成による若干の
パイロツト部材を設ければよい。

第２図、第５図、第７図、第１０図、第１３図
および第１５図から明らかなように、保炎板３は
六角形の外周面２０を有している。更にこれらの
図面から明らかなように、保炎板縁部１３内に設
けられた開口１８は六角形の外周面２０と管状部
材２との間で均一に分配されている。六角形の外
周面間の遊び２９は熱膨張を前記範囲で受け止め
る。

更に第１６図から明らかなように、管状部材２
の空気取入れ口には、ホツパ状の空気取入れ口１
４の後ろで、ボルダの流出口３４が使用されてお
り、該ボルダの流出口３４は前記範囲で、つまり
燃料ノズル１５のすぐ周囲で渦流を生ぜしめ、こ
の渦流は、前混合プロセスおよび霧化プロセスお
よび前気化プロセスを、上述の別の措置を加えて
つまり特に空気流入方向とは逆向きに燃料を細か
く噴射することによつて強めるのに役立つ。当然
ボルダの流出口３４の代りに別の渦流増大器を使
用することもできる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示すものであつて、第
１図は燃焼器の断面図、第２図は燃焼器における
管状部材の配置形式を示す図、第３図は平行な穴
を有する保炎板の断面図、第４図は斜めの穴を有
する保炎板の断面図、第５図は第４図の平面図、
第６図は斜めの穴を有する別の保炎板の断面図、
第７図は第６図の平面図、第８図は第７図−
線に沿つた断面図、第９図はら旋体を有する別の
保炎板の断面図、第１０図は第９図の平面図、第
１１図はインゼクタとして開口を有する別の保炎
板の断面図、第１２図はパイロツト部材のための
変化実施例の断面図、第１３図は第１２図の平面
図、第１４図はデイフユーザとしての開口を有す
る別の保炎板の断面図、第１５図は第１１図によ
る開口を16個備えた保炎板の平面図、第１６図は
ボルダの流出口を有する、管状部材がリングを介
して案内されている配置形式を示す図である。 １……燃焼器筒形体、２……管状部材、３……
保炎板、３ａ……上側板、３ｂ……下側板、４…
…燃料導管、５……閉鎖ナツト、６……案内板、
７……燃焼室、８，９，１８，２６，４１……開
口、１０……通路、１１，１２……ブシユ、１３
……保炎板縁部、１４……ホツパ状の空気取入れ
口、１５……燃料ノズル、１６……遊び、１７…
…パイロツト部材、１９……空気分配室、２０…
…外周面、２１，３０，３１……穴、２２……支
持部材、２３……支持リブ、２４……閉鎖リブ、
２５……案内リング、２７……支持ブリツジ、２
８……ら旋体、２９……遊び、３２……入口孔、
３３……孔、３４……ボルダの流出口、３５……
カバー、３６，３７……傾斜角、３８……フラン
ジリブ、３９，４０……デイフユーザ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 燃焼器内に、燃焼器内での作業空気流れ方向
   でみて空気分配室と燃焼器とがスペース的に互い
   に仕切られて配置されている、ガスタービンの燃
   焼器において、空気分配室１７と燃焼室７との間
   に、燃焼器内での作業空気流れ方向にのびる多数
   の管状部材２が配置されていて、これら管状部材
   が少なくともそれぞれ１つの燃料ノズル１５を備
   えており、各管状部材２の燃焼室側の端部が貫通
   した開口８，１８，２１，３０，３１，３３，４
   ０を備えた閉鎖板３によつて閉じられており、管
   状部材２の間に、パイロツト部材として用いられ
   る単数又は複数の別の管状部材１７が設けられて
   いることを特徴とする、ガスタービンの燃焼器。 ２ 燃料ノズル１５から燃料が空気流入方向とは
   逆向きに供給されるようになつている特許請求の
   範囲第１項記載のガスタービンの燃焼器。 ３ 閉鎖板３内の開口８が管状部材２の軸線に対
   して平行にのびる円筒状の穴２１から成つてい
   て、これら穴２１が穴直径の少なくとも1.5倍の
   長さを有している特許請求の範囲第１項記載のガ
   スタービンの燃焼器。 ４ 閉鎖板３内の開口８が閉鎖板３の半径方向の
   平面内で斜めにのびる穴３０から成つていて、こ
   れら穴の傾斜角３６が閉鎖板３の中央から外周面
   に向かつて連続的に増大するか又は不変でありか
   つ前記穴３０が穴直径の少なくとも1.5倍の長さ
   を有している特許請求の範囲第１項記載のガスタ
   ービンの燃焼器。 ５ 閉鎖板３内の開口８が閉鎖板３の接線方向の
   平面内で斜めにのびる穴３１から成つていて、こ
   れら穴の傾斜角３７が閉鎖板３の中央から外周面
   に向かつて連続的に増大するか又は不変でありか
   つ前記穴３１が穴直径の少なくとも1.5倍の長さ
   を有している特許請求の範囲第１項記載のガスタ
   ービンの燃焼器。 ６ 閉鎖板３が上側板３ａと下側板３ｂとから形
   成されていてかつこれら上側板３ａと下側板３ｂ
   との中央部に開口８に対して横方向にのびる通路
   １０が設けられており、上側板および下側板の前
   記開口８がそれぞれ１つの円錐形のブツシユ１
   １，１２によつて被覆されていて、該ブシユ１
   １，１２が通路１０の範囲でテレスコープ式にか
   つ遊び１６を以てオーバーラツプされている特許
   請求の範囲第１項記載のガスタービンの燃焼器。 ７ 閉鎖板３内の開口８が後続する円筒状の孔３
   ３を有するデイフユーザ４０として形成されてい
   て、前記孔３３の孔直径の少なくとも1.5倍の長
   さを有している特許請求の範囲第１項記載のガス
   タービンの燃焼器。 ８ 閉鎖板３が管状部材２の外周面の周囲に、多
   数の開口１８を備えた縁部１３を有している特許
   請求の範囲第１項記載のガスタービンの燃焼器。 ９ 閉鎖板３の縁部１３が多角形２０として形成
   されている特許請求の範囲第１項記載のガスター
   ビンの燃焼器。 １０ 各管状部材２が空気分配室側でホツパ状の
   空気取入れ口１４とこれに後続するボルダの流出
   口３４とを備えている特許請求の範囲第１項記載
   のガスタービンの燃焼器。 １１ 燃焼器内に、燃焼器内での作業空気流れ方
   向でみて空気分配室と燃焼室とがスペース的に互
   いに仕切られて配置されている、ガスタービンの
   燃焼器において、空気分配室１９と燃焼室７との
   間に、燃焼器内での作業空気流れ方向でのびる多
   数の管状部材２が配置されていて、これら管状部
   材が少なくともそれぞれ１つの燃料ノズル１５を
   備えており、各管状部材２の燃焼室側の端部が貫
   通した開口８を備えた閉鎖板３によつて閉じられ
   ており、閉鎖板３の開口８内にら旋体２８が組込
   まれていることを特徴とする、ガスタービンの燃
   焼器。 １２ 燃料ノズル１５がら旋体２８の範囲に位置
   している特許請求の範囲第２項記載のガスタービ
   ンの燃焼器。