JPH07293886A - ガスタービンの燃焼室の運転のための方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 タービンの効率を改善しかつそのＮＯｘ拡散
物を削減する。 【構成】 主バーナ及び点火バーナとして形成されてい
てガス状若しくは液状の燃料により運転される前混合バ
ーナを備えたガスタービンの燃焼室の運転法において、
主バーナを燃料空気混合物の調製のための混合器として
のみ機能せしめ、主バーナを点火バーナにより点火し、
かつ、主バーナの火炎フロントを燃焼室の運転中に常に
点火バーナの火炎フロントにより安定化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は主バーナ及び点火バーナ
として形成されていてガス状若しくは液状の燃料により
運転される前混合バーナを備えたガスタービンの燃焼室
の運転法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＥＰ−Ｂ１−０３２１８０９号特許明細
書によれば、二重円錐構造の前混合バーナが公知であ
り、この前混合バーナは互いにずれた中央軸線を備えた
２つの部分円錐体から成っている。バーナの両側には接
線方向の空気流入スリットが形成されており、この空気
流入スリット内で、半径方向で供給されたガス状の燃料
若しくは軸方向で供給された液状の燃料が、圧縮機から
到来した燃焼空気と混合される。極めて高い周速度を有
するこの燃料空気混合物のいわゆる渦の崩壊が生じた際
に、バーナ口部の領域に最適で均一な燃料濃度が生じ
る。 部分円錐体を互いに半径方向にずらすことによ
り、それらの間に形成された空気流入スリットの大き
さ、ひいては燃料空気混合物の周速度を変化させること
ができ、その結果、使用条件に応じて常に渦の崩壊の発
生のための最適な条件を得ることができる。

【０００３】ＥＰ−Ａ１−０３８７５３２号特許明細書
から公知のように、この種の複数の二重円錐形バーナが
ガスタービンの燃焼室の向流側に配置される。その場
合、これらの二重円錐形バーナはこれらを通流する燃焼
空気の量に応じて点火バーナ又は主バーナとして機能す
る。この両種のバーナは１列を成してかつそれぞれ交互
に燃焼室内に配置される。これにより、比較的小さな点
火バーナが全負荷範囲内で理想的な混合で運転され、従
って部分負荷時でもＮＯｘ拡散物を比較的わずかにする
ことができる。

【０００４】環境保護の観点から、ＮＯｘ拡散物を著し
く軽減することが課題となっているが、しかし、このこ
とは公知燃焼室では不可能である。この種の燃焼室の欠
点として二重円錐形バーナにおける比較的大きな圧力損
失が挙げられている。このことは、大きな燃料要求と出
力の減少ひいてはガスタービンの効率の減少を招く原因
となっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記欠点をす
べて排除するために、その課題とするところは、タービ
ンの効率の改善並びにＮＯｘ拡散物の軽減が得られるよ
うに、燃焼室の運転のための方法と装置を改良すること
にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この課題を解決した本発
明方法によれば、請求項１に記載のように、主バーナ及
び点火バーナとして形成されていてガス状若しくは液状
の燃料により運転される前混合バーナを備えた、ガスタ
ービンの燃焼室の運転法において、ａ）主バーナを燃料
空気混合物の調製のための混合器としてのみ機能せし
め、ｂ）主バーナを点火バーナにより点火し、かつ、
ｃ）主バーナの火炎フロントを燃焼室の運転中に常に点
火バーナの火炎フロントにより安定化する。このことの
ために、燃焼空気は低いスワール数で主バーナへ導入さ
れ、かつ高いスワール数で点火バーナへ導入される。

【０００７】渦の崩壊の発生のための限界がスワール数
０．７にあることは公知であるので、燃焼空気をこの限
界値より低いスワール数で主バーナへ導入し、この限界
値より高いスワール数で点火バーナへ導入するのであ
る。従って、主バーナは全負荷運転でも部分負荷運転で
も点火バーナなしでは点火不可能である。これに対して
従来公知の方法における主バーナは、全負荷運転では消
火することはないが部分負荷運転では点火バーナにより
助成されなければ点火されない程度に希薄に運転され
る。

【０００８】主バーナのスワール数の所要の軽減は、有
利には、主バーナの流出面に対する空気流入スリットの
比が点火バーナにおける対応する比に比して大きく形成
されることにより達成される。このことのために、主バ
ーナの流入スリットが拡大されるか又はその流出面が減
少させられる。同じ目的が主バーナの開角の減少によっ
ても達成される。

【０００９】本発明の有利な解決手段によれば、主バー
ナの流入スリットの拡大により圧力損失の削減が得られ
る。これにより、タービンの出力並びに効率が増大す
る。

【００１０】主バーナと点火バーナとを少なくとも２列
に間隔をおいて配置することにより、燃焼室が良好に点
火されるようになり、その運転が確実となり、部分負荷
時の温度分布が、１列だけのバーナの場合よりも効果的
となる。各列に同じ構造の二重円錐形バーナが配置され
ることにより、点火バーナの良好な横方向点火が保証さ
れる。これに対して、二重円錐形バーナの各列が主バー
ナと点火バーナとを交互に有している場合には、主バー
ナの良好な点火性と燃焼室内での半径方向の均一な温度
分布とが可能となる。

【００１１】主バーナがＮＯｘを生じない負荷で運転さ
れ、点火バーナの火炎温度が、すべての運転状態で燃焼
室の安定性を保証するまで高められると特に効果的であ
る。

【００１２】本発明の別の実施態様によれば、燃焼室が
環状燃焼室として形成されており、二重円錐形バーナが
３列を成して配置されかつ公知形式で共通の１垂直平面
内で円状に配置されている。この場合、１列の点火バー
ナが２列の主バーナの間に配置されている。この配置に
よれば、主バーナに対する点火バーナの特別効果的な比
率が達成され、これによれば、点火バーナの数が比較的
わずかであるため、ＮＯｘ拡散物が一層削減される。主
バーナの両方の列が共通して又は別々に接続若しくは遮
断されるように配置されていれば、半径方向の温度分布
を所期の通り制御することができ、その結果、タービン
を翼端部のところで相応して強く負荷することができ
る。

【００１３】点火バーナの火炎温度の増大により、ＮＯ
ｘ拡散物を著しく増大させることなく燃焼室の消火の挙
動を改善することができる。

【００１４】次に本発明の複数の実施例を図面に示し、
サイロ燃焼室若しくは環状燃焼室及びそれぞれのバーナ
について以下に説明する。

【００１５】

【実施例】ガスタービンのサイロ燃焼室１内に複数の二
重円錐形バーナが点火バーナ２若しくは主バーナ３とし
て共通の１平面内で円状に配置される。その場合、外側
から内側へ交互に１列の主バーナ３に１列の点火バーナ
２が続いて配置されている（図１参照）。

【００１６】従来の二重円錐形バーナとして形成された
点火バーナ２は半割された中空な２つの部分円錐体４，
５から成り、これらの部分円錐体は互いに側方へずれて
互いに向かい合って位置している（図２参照）。これに
相応して、部分円錐体４，５の中央軸線６，７は同様に
互いに側方へずれて互いに並んで位置している（図４参
照）。このようにして、点火バーナ２の両側には鏡面対
称的にそれぞれ１つの接線方向の空気流入スリット８，
９が形成されている。これらの空気流入スリット８，９
を通って燃焼空気１０が点火バーナ２の内室内へ、換言
すれば円錐形中空室１１内へ流入する（図２参照）。

【００１７】両方の部分円錐体４，５はそれぞれ１つの
円筒形の始端部１２，１３を備えており、これらの円筒
形の始端部は部分円錐体４，５と同様に互いにずれて互
いに向かい合って配置されている。これにより、接線方
向の空気流入スリット８，９は向流側で点火バーナ２の
全長にわたり形成されている。円筒形の始端部１２，１
３にはノズル１４が配置されており、その燃料噴入１５
は、２つの部分円錐体１４，１５により形成された円錐
形中空室１１の最も狭い横断面のところで行われる。勿
論、点火バーナ２は純粋に円錐形に、要するに円筒形の
始端部１２，１３なしに形成されることもできる。

【００１８】両方の部分円錐体４，５にはその接線方向
の空気流入スリット８，９の外端部のところに、それぞ
れ１つの燃料導管１６，１７が配置されている。これら
の燃料導管１６，１７は開口１８を備えており、この開
口を通ってガス状の燃料１９が点火バーナ２の円錐形中
空室１１内へ達する。その際、このガス状の燃料１９は
接線方向の空気流入スリット８，９を通って流入する燃
焼空気１０と混合される。この混合は接線方向の空気流
入スリット８，９の領域内で行われる。両方の部分円錐
体４，５はフラットな開角２０を有している。点火バー
ナ２は燃焼室側２１に部分円錐体４，５の固定のために
役立つカラー状の閉鎖板２２を備えている。

【００１９】ノズル１４を通って流れる液状の燃料２３
は鋭角で円錐形中空室１１内へ噴入され、その結果、点
火バーナ２の流出面２４の平面内には可能な限り均一な
燃料スプレーが調製される。この円錐形の液状燃料プロ
フィール２５は接線方向で流入して回転流、要するにス
ワールを成す燃焼空気１０により囲まれる。液状の燃料
２３の濃度は軸方向で順次、混入される燃焼空気１０に
より希薄となる。横断面にわたる均一な最適の燃焼濃度
が、渦の崩壊の領域、換言すれば逆流ゾーン２６の領域
内で得られる。この逆流ゾーン２６の先端のところで点
火が行われる。この箇所ではじめて安定な火炎フロント
２７が生じる。

【００２０】ガス状の燃料１９が燃焼すると、それと燃
焼空気との混合が接線方向の空気流入スリット８，９の
外端部のところで行われ、その結果、その場所に同様に
燃料空気混合物２８が形成される。

【００２１】主バーナ３としては同様に従来の二重円錐
形バーナが配置されており、それの部分円錐体４′，
５′は、点火バーナ２の場合に比して著しくずれて互い
に向かい合わせに配置されている。これにより、それの
中央軸線６′，７′は点火バーナ２の中央軸線６，７の
場合に比して一層大きな側方向の相互間隔を有している
（図４、図５参照）。これにより、接線方向の主バーナ
３の空気流入スリット８′，９′のギャップ幅が増大し
ており、従って燃焼空気１０′のスワール数が減少す
る。このようにして、渦の崩壊の発生が排除され、換言
すれば主バーナ３は混合器としてのみ作用し、自体では
点火もせず、安定な火炎フロントを形成もしない。

【００２２】ガスタービンのサイロ燃焼室１内には燃焼
空気１０′が低いスワール数で主バーナ３に導入され、
若しくは燃焼空気１０が高いスワール数で点火バーナ２
内に導入される。これにより、点火バーナ２についてす
でに説明した安定な火炎フロント２７を形成することが
できる。主バーナ３の燃料空気混合物２５′，２８′は
隣合った点火バーナ２により点火される。主バーナ３の
火炎フロント２７′はサイロ燃焼室１の運転中には常に
点火バーナ２の火炎フロント２７により安定化される
（図１から図３までを参照）。

【００２３】第２実施例では、ガスタービンの燃焼室が
環状燃焼室として形成されていて、２列の二重円錐形バ
ーナを備えており、これらの二重円錐形バーナは共通の
垂直平面内で円状に配置されている。各列は同じ構造の
二重円錐形バーナだけを備えており、その場合、点火バ
ーナ２の列が外側に、主バーナ３の列が内側に配置され
ている（図６参照）。両方のバーナ列は逆の順序で配置
されてもよい。さらにまた、二重円錐形バーナの各列内
に、点火バーナ２並びに主バーナ３を配置することも可
能であり、その場合には、これらのバーナが列の内部で
交互にかつそれぞれ隣合う列に関して間隔をおいて配置
される（図７参照）。

【００２４】さらに別の実施例では、ガスタービンの環
状燃焼室２９が共通の１垂直平面内で円状に配置された
３列の二重円錐形バーナを備えており、その場合、１列
の点火バーナ２が２列の主バーナ３の間に配置されてい
る（図８参照）。

【００２５】

【発明の効果】本発明の利点とするところは、特に、従
来主バーナにより発生させられていたＮＯｘ拡散物をほ
ぼ完全に回避することができることにある。しかし、こ
のようなほとんどＮＯｘの発生のない燃焼を実現するた
めには、主バーナ内での燃料空気混合物の滞留時間を比
較的短くしなければならない。それゆえ、渦の崩壊をも
はや生じることができない程度まで主バーナへ流入する
燃焼空気のスワール数が減少させられる。これにより、
主バーナが不安定となり、たんに混合器としてしか作用
しない。

【図面の簡単な説明】

【図１】ガスタービンのサイロ燃焼室が種々の二重円錐
形バーナを備えている実施例の略示図である。

【図２】二重円錐形バーナとして形成された点火バーナ
の部分破断斜視図である。

【図３】二重円錐形バーナとして形成された主バーナの
部分破断斜視図である。

【図４】図２のＩＶ−ＩＶ線に沿った略示断面図であ
る。

【図５】図３のＶ−Ｖ線に沿った略示断面図である。

【図６】ガスタービンの環状燃焼室に種々の二重円錐形
バーナを備えている実施例の部分略示図である。

【図７】さらに別の実施例の図６同様の略示図である。

【図８】さらに別の実施例の図６同様の略示図である。

【符号の説明】

１ サイロ燃焼室、 ２ 点火バーナ、 ３ 主バー
ナ、 ４，４′５，５′部分円錐体、 ６，６′，７，
７′ 中央軸線、 ８，８′，９，９′ 空気流入スリ
ット、 １０，１０′ 燃焼空気、 １１ 円錐形中空
室、 １２，１３ 始端部、 １４ ノズル、 １５
燃料噴入、 １６，１７ 燃料導管、１８ 開口、 １
９，１９′ ガス状の燃料、 ２０，２０′ 開角、
２１燃焼室、 ２２ 閉鎖板、 ２３ 液状の燃料、
２４，２４′ 流出面、 ２５，２５′ 液状燃料プロ
フィール、 ２６ 逆流ゾーン、 ２７，２７′ 火炎
フロント、 ２８，２８′ 燃料空気混合物、 ２９
環状燃焼室

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主バーナ及び点火バーナとして形成され
   ていてガス状若しくは液状の燃料により運転される前混
   合バーナを備えた、ガスタービンの燃焼室の運転法にお
   いて、 ａ） 主バーナ（３）を燃料空気混合物（２５′，２
   ８′）の調製のための混合器としてのみ機能せしめ、 ｂ） 主バーナ（３）を点火バーナ（２）により点火
   し、かつ、 ｃ） 主バーナ（３）の火炎フロント（２７′）を燃焼
   室（１，２９）の運転中に常に点火バーナ（２）の火炎
   フロント（２７）により安定化することを特徴とするガ
   スタービンの燃焼室の運転のための方法。
2. 【請求項２】 燃焼空気（１０′）を低いスワール数で
   主バーナ（３）内へ導入し、かつ、燃焼空気（１０）を
   高いスワール数で点火バーナ（２）内へ導入する請求項
   １記載の方法。
3. 【請求項３】 主バーナ（３）の燃焼空気（１０′）の
   スワール数を０．７より小さくし、点火バーナ（２）の
   燃焼空気（１０）のスワール数を０．７より大きくする
   請求項２記載の方法。
4. 【請求項４】 ガス状若しくは液状の燃料（１９，２
   ３）の大部分を主バーナ（３）を介して燃焼させ、点火
   バーナ（２）の火炎温度を、燃焼室（１，２９）の安定
   が保証されるまで上昇させる請求項３記載の方法。
5. 【請求項５】 二重円錐形バーナの少なくとも２つの互
   いに隣合った列を協働させる請求項４記載の方法。
6. 【請求項６】 点火バーナ（２）の１列を主バーナ
   （３）の隣合った２列と協働させ、かつ、主バーナ
   （３）の両方の列を共通に又は別々に遮断する請求項３
   記載の方法。
7. 【請求項７】 主バーナ（３）を、点火バーナ（２）に
   比して半分までの少ない装入量で運転する請求項６記載
   の方法。
8. 【請求項８】 請求項１に記載の方法を実施するための
   ガスタービンの燃焼室であって、点火バーナとして機能
   するか又は主バーナとして機能する複数の二重円錐形バ
   ーナが配置されている形式のものにおいて、主バーナ
   （３）の流出面（２４′）に対する空気流入スリット
   （８′，９′）の比が点火バーナ（２）における対応す
   る比に比して大きく形成されていることを特徴とするガ
   スタービンの燃焼室の運転のための燃焼室。
9. 【請求項９】 主バーナ（３）の空気流入スリット
   （８′，９′）が点火バーナ（２）の空気流入スリット
   に対して拡大されて形成されている請求項８記載の燃焼
   室。
10. 【請求項１０】 主バーナ（３）の流出面（２４′）が
    点火バーナ（２）の流出面に対して減少して形成されて
    いる請求項８記載の燃焼室。
11. 【請求項１１】 主バーナ（３）の開角（２０′）が点
    火バーナ（２）の開角（２０）に比して小さく形成され
    ている請求項８記載の燃焼室。
12. 【請求項１２】 主バーナ（３）と点火バーナ（２）と
    が少なくとも２列にそれぞれ間隔をおいて配置されてい
    る請求項８から１１までのいずれか１項記載の燃焼室。
13. 【請求項１３】 各列に構造的に同じ二重円錐形バーナ
    だけが配置されている請求項１２記載の燃焼室。
14. 【請求項１４】 二重円錐形バーナの各列が、列内で交
    互に配置された主バーナ（３）と点火バーナ（２）とを
    備えている請求項１２記載の燃焼室。
15. 【請求項１５】 燃焼室が環状燃焼室（２９）として形
    成されており、二重円錐形バーナが３列を成して共通の
    １垂直平面内で円形に配置されており、その場合、点火
    バーナ（２）の１列が主バーナの２列の間に配置されて
    いる請求項８から１２までのいずれか１項記載の燃焼
    室。