JPH10502727A - ガスタービンエンジン用低排気ガス燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ガスタービンエンジン用低排気ガス燃焼器は、パイロット燃料噴射装置(4)を具える上流端部壁(22)をもつ外側ケーシング(21)、第一フロースワーラ(1)、パイロットゾーン(5)内での安定な拡散炎を開始するための点火手段(7)、少なくとも一の第二の同軸上のスワーラ(2)、主燃料噴射装置(13)、２次空気インレット手段、及び主燃焼ゾーン(6)を有する。主として窒素酸化物の排気ガスをより一層減少させるため、この発明は、パイロットゾーン(5)が、周囲壁(23)によって半径方向外方に制限され、周囲壁(23)は、前記第二スワーラ(2)内で半径方向の気化チャネル(9)の軸線方向のアウトレット部分(11)の半径方向内側の制限を構成し、そして、第三の半径流式スワーラ(3)は、燃料と空気のメイン流れとは反対の回転運動の前記２次空気を供給するため適合させることを提唱する。

Description

【発明の詳細な説明】 ガスタービンエンジン用低排気ガス燃焼器 この発明は、閉鎖した上流端部壁をもつ外側ケーシングを有し、端部壁にパイ ロット燃料噴射装置を取り付け、この噴射装置の噴射口の周りに同軸上に間隔を おいて半径流式の第一スワーラを取り付け、この第一スワーラは、空気を、燃焼 器の長手方向軸線の周りに回転させるため、かつ噴射したパイロット燃料と、パ イロットゾーン内で安定な拡散炎を生じさせるための点火手段によって点火され るための混合気とを混合するため、第一スワーラを通じて空気が半径方向に入る ようにすることができ、少なくとも１個の同軸上の第二スワーラは、１次空気を 、長手方向軸線の周りに回転させるため、かつ第二スワーラの周りの円周上に間 隔をおいた主燃料噴射装置からの燃料と混合するため、第二スワーラを通じて半 径方向に入るようにし、かつ主燃焼を意図するため、パイロットゾーンの半径方 向外方に配置し、そして第二スワーラに対し、燃料−空気混合気に、次いで起こ る主燃焼ゾーン内での燃焼を終了させるための２次空気が加えられる、ガスター ビンエンジン用低排気ガス燃焼器に関するものである。 ガスタービンエンジン燃焼器は、例えば国際公開第92/07221号公報及びアメリ カ国特許第4 069 029号公報から既知である。最近、燃焼エンジンからの一酸化 炭素及び未燃の炭化水素の排気ガスを減少させるばかりでなく、窒素酸化物の排 気ガスを減少させることがより一層重要になってきた。特に、先に述べた排気ガ スを減少させるには、燃焼器内における全燃焼プロセスの非常に正確でかつ感度 のよい制御が必要とされる。エンジンの有害な排出物質の大幅な削減を目指して 、多くの様々な方法や設計改良が提案されているが、近い将来、前記排気ガスの 規制はより一層段階的に厳しくなる傾向にあり、従って、現時点では、燃焼プロ セスのためのより一層精密な制御方法を必要とする。現在既知の技術では、これ を提供することはできず、よって更なる改良が必要である。 従って、この発明の目的は、より一層改良した燃焼プロセスを得ることによっ て、特に、望ましくない窒素酸化物の排気ガスをより一層減少させることができ る、言及したこの種の低排気ガスガスタービン燃焼室を提案するものである。 この発明の目的は、パイロットゾーンは、周囲壁によって半径方向外方に制限 され、周囲壁は、同時に半径方向の気化チャネルの軸線方向のアウトレット部分 の半径方向内側の制限を構成し、気化チャネルは、第二スワーラの内方に位置し 、かつ噴射した主燃料の気化を付与するため適合させてなり、また、半径流式の 第三スワーラは、パイロットゾーン壁の下流端縁のほぼレベル位置の軸線上に位 置し、かつ混合ゾーン内で長手方向軸線の周りに燃料と空気のメイン流れとは反 対方向の回転運動状態にある前記２次空気を供給するため適合させるという事実 によって達成することが可能になる。 従属クレームにおいては、主発明の概念の好適実施例として記載した。 ２つの上述した特許明細書においては、特にNO_xの排気ガスを減少させるため の基本的な方法として、ステップは、燃焼プロセスを軸線方向に互いの後に続く いくつかのステージに区分するようにした。各単一ステップの精密な制御によっ て、燃焼をより良く制御できることを考慮し、これによって、有害成分の排気ガ スを減少させることができる。幾つかのステップでの燃焼に必要とされる空気入 りラジアルタイヤを供給することによって、燃焼温度は、窒素酸化物の低排気ガ スのための基本的な必要条件である比較的低温に維持しつづけることができる。 しかしながら、この発明は、燃焼室内のできるかぎり上流に、パイロットゾー ンで正確に制御した燃焼プロセスによって点火された燃料と空気のそのように完 全で均一な混合気を供給することであり、燃焼プロセスを、幾つかの軸線方向に 分離したステージに区分することなしに主燃焼ゾーン内で比較的低い燃焼温度で うまく終了し静めるという概念に基づいている。 この発明を、さらに添付図面を参照しながら以下に説明する。 図１はこの発明の燃焼器の縦断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線上の燃焼器 の断面図である。 図面から明らかなように、この発明に従う低排気ガスの燃焼器は、パイロット 燃料噴射装置４を有し、この装置４は、周囲外側ケーシング21の上流端部を閉鎖 する壁22の中央に取り付けられている。前記ケーシング21は、円筒形状又は環状 缶形にすることができ、環状缶形では、多数の燃焼器を中心軸線の周りの円周上 に間隔をおいて配置する。パイロット燃料噴射装置４の噴射口の周りに間隔をお いて第一スワーラ１を同軸上に取り付け、このスワーラ１は、燃焼器の長手方向 軸線Ｘの周りに回転させるため、ケーシング21及び端部壁22の内側に最も近接す る周囲領域からそれを通じて半径方向内方に流れる空気を導くように適合させる 。噴射装置４を通じてそれ自体知られているように噴射したパイロット燃料は、 前記回転空気と混合され、パイロットゾーン５内で安定な拡散炎を開始するため の点火手段７によって点火される。 前記パイロットゾーン５の半径方向外方に、少なくとも１個の同軸半径流式の 第二スワーラ２を配置し、このスワーラ２を通じて主燃焼のための１次空気を導 入し、そのとき、導入した１次空気はまた、燃焼器の長手方向軸線Ｘの周りに回 転することになる。前記スワーラ２位置に主燃料噴射装置13を取り付け、従って 、そのとき得られた燃料−空気混合気に対して２次空気が加えられ、燃焼は、続 いて起こる主燃焼ゾーン６で終了する。 この発明によれば、パイロットゾーン５は、この図では周囲壁23によって半径 方向外方から制限し、周囲壁23は、同時に半径方向の気化チャネル９の軸方向の アウトレット部分11を半径方向内側から制限するように構成する。前記チャネル ９は、第二スワーラ２の内方に位置し、噴射装置13からの主燃料の気化を提供す るため適合させる。さらに、この発明によれば、第三スワーラ３が、外側ケーシ ング21及び端部壁22の内側に最も近接する周囲領域からの２次空気を供給するた め適合させる。前記スワーラ３は、パイロットゾーン壁23の下流端縁と軸方向に ほぼ同レベル位置にあり、その羽根は、２次空気の流れに混合ゾーン12内の長手 方向軸線Ｘの周りに燃料と空気のメイン流れとは反対の回転動作が付与されるよ うに配置する。好ましくは、第３のスワーラ３は火炎管24の環状端部壁25上に取 り付けられ、火炎管24は主燃焼ゾーン６を取り囲む。図２から明らかなように、 第２スワーラ２の羽根は、各々がくさび形か、又は前記スワーラの外側周縁輪郭 上に位置する一つの辺と、内側にとがった端縁内で突出する二つの辺とをもつ三 角形の断面形状を有する。 第２スワーラ２の羽根を担持する半径方向に延びる壁26の一方又は双方に位置 する境界層内に空気を導入して、それに対するフロー摩擦の減少のため、空気を 導入するための前記壁に小さな孔15を形成してもよい。 主燃焼ゾーン６での燃焼終了後、排気ガスは図の外方へ連続的に移動し、ター ビン内に入る。 前記燃焼器やその作動方法の利点について、以下に説明する。パイロットゾー ン５は、作動中の主燃焼ゾーン６での燃焼を開始し安定させることができるよう にする。パイロット火炎は、主燃焼ゾーン内での燃焼を安定させるためには、そ れ自体必要ではないけれども、前記燃焼を比較的燃料分の少ない条件下で形成す ることができ、これは、当然の成り行きとして、排気ガスの観点から多くの場合 に有利である。パイロットゾーン５の別の利点は、確実な点火が燃料−空気比の 合計が低いときでさえ達成できることであり、これは、一定のエンジン適用にお いて極めて重要である。さらに、燃焼器内でのパイロットゾーン５の位置は、点 火手段又はスパークプラグ７が、燃料噴射装置をもつケースでもある端部壁から 取り付けてよいことを意味し、これによって、良好な接近性が付与され、それ故 にメンテナンスを簡単にすることができる。必要とあらば、パイロットゾーン５ を制限する壁23に、冷却ギャップ30を通じて空気を導入することによって冷却し たフィルムを設けることができる。 気化チャネル９は３つの部分からなり、即ち、第一の半径方向部分10と、それ と共に連結した軸線方向部分11と、第三スワーラ３から空気を導入するための第 三部分12とからなっている。半径方向部分10内に、主燃料噴射装置13から液体燃 料を噴射する。半径方向部分10内で、空気は、スワーラ３の羽根からの動力衝撃 によって激しく回転し、燃料小滴を搬送し、それ自体既知の前記激しい回転は、 小滴を中央から外方に向かって連続的な加速に服従させ、中央の方向に導かれた 空力的な力によって釣り合わせる。選択した臨界の小滴直径で、完全なバランス が得られる。小滴は臨界直径よりも小さくすべきであり、小滴は気化チャネルの 軸線方向部分11内で半径方向内外に移動することになるであろう。小滴は比較的 大きくすべきであり、慣性力が支配的であり、従って、小滴は半径方向外方に移 動し、最終的にはスワーラ２の羽根の端縁14にぶつかるであろう。その点で、液 体燃料の点火を遅らせるように調整し、液体燃料は、前記羽根の端縁に対して外 方に連続的に移動する液体のフィルムを形成するであろう。燃料フィルムが前記 端縁に到達すると、前記羽根間の空気の速い流れに対する激しい剪断力によって 小さな小滴に再度分解するであろう。この理由のため、燃料小滴は、臨界直径よ りも小さい直径に気化し又は分解が完了するまで、気化チャネルの半径方向部分 10内に止まるようになるであろう。その結果、低温及び高温の空気のそれぞれで 、燃料−空気混合気のガス部分のための短い滞留時間中に燃料を気化させること ができ、これは、燃料をさらに気化させるため処理しなければならない場合に、 同時に混合気の自発的な点火を避けることが重要であるので有利になる。従って 、この予備混合気は、燃料分を少なくすることができる。 次いで、次の気化チャネルの軸線方向部分11内で、臨界的な小滴直径よりも小 さいそのような小滴の気化が終了する。前記部分11内のガス流れはまた、仕切り 壁23をパイロットゾーン５から冷却するのを手伝う。 最後に、燃料−空気混合気は、スワーラ３からの空気の供給によって正確な化 学量論値で混合され、前記空気は、混合気を希薄にするばかりでなく、チャネル の軸線方向部分11の出口から燃料−空気分配の起こりうる不均一性が均等になる ような激しい動きを同時に付与する。 上述したところでは、燃焼器を液体燃料の使用と関連させて説明してきた。し かしながら、ガス燃料とディーゼル燃料の双方のための低排気ガス燃焼器の使用 に関し、作動中、これらの間で連続的な相互交換を具備する、天然ガスのような ガス燃料用の噴射装置又はスプレッダーを使用することも可能である。均等化効 果は二相流れによって得ることができないので、従って、ガスの主燃料は、かな り多くのスプレッダーによってのみ、液体燃料に関する限りにおいて、スワーラ ２の位置とほぼ同じ位置で噴射される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ルングレン ソニー スウェーデン国 213 63 マルメ アイ ライアヴェーゲン ５ベー (72)発明者 ガブリエルソン ロルフ スウェーデン国 462 33 ヴェネルスボ ルイ サンスガタン 16

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．閉鎖した上流端部壁(22)をもつ外側ケーシング(21)を有し、端部壁(22)にパ イロット燃料噴射装置(4)を取り付け、この噴射装置(4)の噴射口の周りに同軸上 に間隔をおいて半径流式の第一スワーラ(1)を取り付け、この第一スワーラ(1)は 、空気を、燃焼器の長手方向軸線(X)の周りに回転させるため、かつ噴射したパ イロット燃料と、パイロットゾーン(5)内で安定な拡散炎を生じさせるための点 火手段(7)によって点火されるための混合気とを混合するため、第一スワーラ(1) を通じて空気が半径方向に入るようにすることができ、少なくとも１個の同軸上 の第二スワーラ(2)は、１次空気を、長手方向軸線(X)の周りに回転させるため、 かつ第二スワーラ(2)の周りの円周上に間隔をおいた主燃料噴射装置(13)からの 燃料と混合するため、第二スワーラ(2)を通じて半径方向に入るようにし、かつ 主燃焼を意図するため、パイロットゾーン(5)の半径方向外方に配置し、そして 第二スワーラ(2)に対し、燃料−空気混合気に、次いで起こる主燃焼ゾーン(6)内 での燃焼を終了させるための２次空気が加えられる、ガスタービンエンジン用低 排気ガス燃焼器において、 パイロットゾーン(5)は、周囲壁(23)によって半径方向外方に制限され、周 囲壁(23)は、同時に半径方向の気化チャネル(9)の軸線方向のアウトレット部分( 11)の半径方向内側の制限を構成し、気化チャネル(9)は、第二スワーラ(2)の内 方に位置し、かつ噴射した主燃料の気化を付与するため適合させてなり、また、 半径流式の第三スワーラ(3)は、パイロットゾーン壁(23)の下流端縁のほぼレベ ル位置の軸線上に位置し、かつ混合ゾーン(12)内で長手方向軸線(X)の周りに燃 料と空気のメイン流れとは反対方向の回転運動状態にある前記２次空気を供給す るため適合させてなることを特徴とするガスタービンエンジン用低排気ガス燃焼 器。 ２．第二スワーラ(2)の羽根が、各々、くさび状、又は外側円周輪郭位置にある 一方の辺と、鋭角端縁を形成する他方の辺とをもつ三角形の断面形状を有する請 求項１記載の燃焼器。 ３．第三スワーラ(3)が、主燃焼ゾーン(6)を包囲する火炎管(24)の環状端部壁 (25)の上流側に位置する請求項２記載の燃焼器。 ４．第二スワーラ(2)の羽根を支持する２つの半径方向に延びる壁(26)の少なく とも一方に、壁の境界層内に空気を導入し、それ故、そこに対する摩擦を減少す るための小さな孔(15)を配置してなる請求項１〜３のいずれか１項記載の燃焼器 。