JPH11270852A - 液体燃料で作動するガスタ―ビンの燃焼室 - Google Patents

液体燃料で作動するガスタ―ビンの燃焼室

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JPH11270852A
JPH11270852A JP11020214A JP2021499A JPH11270852A JP H11270852 A JPH11270852 A JP H11270852A JP 11020214 A JP11020214 A JP 11020214A JP 2021499 A JP2021499 A JP 2021499A JP H11270852 A JPH11270852 A JP H11270852A
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combustion chamber
air
fuel
inlet
injection means
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JP11020214A
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Gal Jean-Herve Le
ル ガル ジャン−エルヴェイ
Patrick Flament
フラマン パトリック
Gerard Martin
マルタン ジェイラール
Guy Grienche
グリエンシュ ジュイ
Gerard Schott
ソット ジェイラール
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
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    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/42Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • F23R3/44Combustion chambers comprising a single tubular flame tube within a tubular casing
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 窒素酸化物の生成を減少させることのでき
る、液体燃料により作動するガスタービンの燃料室を提
供する。 【解決手段】 空気入口を有する筒状囲繞体2と、この
囲繞体の長手方向軸XX’の上又はその近傍に配置され
た液体燃料注入手段6と、タービンへの出口と、2つの
型の加圧空気入口とを含み、第1の入口7は空気をその
燃焼室の長手方向軸の周りに螺旋状に取り入れ、第2の
入口8は空気を囲繞体2に対して接線方向へ取り入れて
燃料ジェット流の周りに空気と上記燃料との混合を改善
するように逆回転の流れを作り出す、液体燃料で作動す
るガスタービンの燃焼室において、燃料注入手段6が、
30°と60°との間の頂部角を有する円錐の母線に沿
って配置される個別の燃料ジェット流を作り出すように
配置された一連のオリフィスを含むことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は液体燃料で作動する
ガスタービンの燃焼室に関する。
【0002】このようなガスタービンは図3に示す系に
より説明することができる。この全装置は、圧縮機20
を含み、その出口は燃焼室1の入口に連結されていて、
ここに液体燃料(燃料油又は灯油)が注入される。この
燃焼室の中で燃焼したガスは次にタービン30の中で膨
張し、これがそのようにして主軸駆動圧縮機20に所望
の動力を供給する。
【0003】
【従来の技術】この型のガスタービンにおける燃焼が種
々の起源の窒素酸化物の形成をもたらすことはよく知ら
れている。
【0004】「速生NO」がその燃料と空気中窒素との
間の複雑な迅速反応よりもたらされる。これは非常に短
い時間間隔、一般に1ミリ秒よりもかなり短い時間の間
に形成される。
【0005】「燃料NO」はN型の燃料の中に含まれて
いる窒素と空気中酸素との間の反応により形成される。
この型の酸化窒素は、主として空気が燃料よりも過剰で
ある不足媒質において形成される。
【0006】「熱的」酸化窒素は、空気中窒素から高温
度において形成される。酸化窒素は一般に、この場合は
数十ミリ秒のオーダーであるその燃焼室の中での滞留時
間のために、1500℃以上の温度において形成され
る。熱的酸化窒素に導く種々の反応の速度は温度の関数
として指数関数的に上昇する。
【0007】種々の問題をもたらす窒素は、以下に説明
するように最後にあげた型の窒素である。
【0008】ガスタービンの燃焼室の中では火炎の水準
における燃焼が、これが良好な火炎の安定性を与えるの
でほぼ化学量論的に達成される。しかしながら機械の熱
力学的サイクルの種々の条件により加えられる総合的な
燃料/空気比は非常に低くて、運転条件により0.15
ないし0.3のオーダーである。圧縮機により予熱され
た空気を用いる富化条件又はほぼ化学量論的な条件のも
とでの局部的な運転はその燃焼室の中で局部的に非常に
高い温度に導く(2000ないし2500Kのオーダ
ー)。種々の測定値は、そのような条件のもとで形成さ
れるほとんどの窒素酸化物が「熱的NO」であることを
示している。
【0009】窒素酸化物の放出を減少させるいくつかの
技術手段が公知である。それらは総合的に下記の2つの
主な型に分けることができる: ○燃焼室の中に水蒸気又は水を注入することに基づく湿
式過程。 ○燃焼条件の改善に基づく乾式過程。
【0010】技術的な観点からは、湿式過程がむしろ満
足な結果を与えるが、けれどもこれは乾式過程よりも実
施がしばしばより複雑であり、そしてより困難である。
【0011】さらに、これは液相又は気相の形で注入さ
れることの必要な水蒸気のために乾式過程よりもより高
経費である。
【0012】乾式過程は一般に、前に得られた空気と燃
料との貧化(lean)予備混合気の燃焼を達成しよう
とするものである。ヨーロッパ特許出願EP−A2−
0,769,657はこの型の系を示している。その主
予備混合気の燃焼の安定性及び点火が低出力のパイロッ
ト火炎によって与えられているが、このものは空運転速
度での機械の運転を確実にすることをも目的としてい
る。燃焼室の中での混合気の濃度は予備混合される空気
と燃料とのそれぞれの比率によって決定されるので、火
炎温度を制限することが可能であり、それゆえ熱的窒素
酸化物を制限することができる。
【0013】この技術はガス状燃料を用いるときは非常
に容易に実施することができる。液体燃料の場合にはこ
れを空気と混合するに先立って気化させることが必要な
ために問題はより複雑である。蒸発は液膜を熱い壁面の
上で蒸発させるか、又はパイプの中でスプレーする形で
燃料を注入してここで空気と混合することにより達成す
ることができるが、これが前述のヨーロッパ特許の技術
に該当する。
【0014】予備混合を用いる現在の燃焼技術は、液体
燃料を用いる場合には、満足な結果を与えない。その上
に、この方法は火炎の安定性を、中でも貧化条件のもと
で確実にすることを許容するパイロットバーナを必要と
する。このバーナは空運転期間の間の機械の作動を保証
するもので、全流量の殆ど3分の1に達し得る燃料の流
れがそれを通過する。ある実用例についてはこれは化学
量論に近い運転条件、したがって窒素酸化物の形成の観
点からは望ましくない条件のもとで作動する。
【0015】ガスタービンの燃焼室と異なる他の技術分
野において拡散火炎は既に存在している。例えばフラン
ス特許FR−2,656,676に記述されているよう
なボイラのバーナは拡散火炎を作り出すことを許容す
る。同様に、米国特許US5,562.437は、ボイ
ラのバーナに取付けられているものではあるけれども、
この型の構造を開示している。
【0016】しかしながらこの型の燃焼においては運転
条件が基本的に異なっている。 ○混合気はタービンにおけるよりもバーナにおいて大い
に富化的(rich)である。多くのバーナは化学量論
的割合の近傍で運転されるか、又は空気の若干過剰を用
いて運転されるが、一方、タービン室の中での総合的混
合気濃度は通常、0.15と0.35との間である。 ○燃焼は圧力(圧縮機出口のそれ)のもとで実施される
が、一方、バーナは大気圧で運転される。 ○その外に、熱密度はタービンの燃焼室においては著し
く高く、通常は数十倍高い。
【0017】油井の試験バーナの分野においてもいくつ
かの基本的な火炎技術がよく知られている。ここでも、
運転条件は非常に異なっており、中でも圧力はここでは
大気圧である。フランス特許出願FR−2,741,7
42はこの型のバーナを記述している。
【0018】このような異なった運転条件は種々の制限
を与え、また、したがってこれらの特別な機能に適合し
た特定の構造を与える。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、とくに上述
した全ての問題の解決しようとするものである。これは
予備混合を用いる燃焼室や上述した湿式過程に替わる解
決方法である。本発明は、特定的な空気及び液体燃料の
注入条件の組み合わせによる拡散火炎を達成しようとす
るものである。
【0020】
【課題を解決するための手段】本発明の対象は、液体燃
料で作動するガスタービンの燃焼室であり、これは、少
なくとも1つの空気入口を有する筒状囲繞体(2)と、
この筒状囲繞体の長手方向軸XX’の上又はその近傍に
配置された液体燃料注入手段(6)と、タービンへの出
口と、及び互いに接近して配置された少なくとも2つの
型の加圧空気入口とを含み、その際その第1の入口
(7)は空気をその燃焼室の長手方向軸の周りに螺旋状
に取り入れ、そしてその第2の入口(8)は空気を囲繞
体(2)に対して接線方向へ取り入れて燃料ジェット流
の周りに空気と上記燃料との混合を改善するように逆回
転の流れを作り出す、液体燃料で作動するガスタービン
の燃焼室である。
【0021】本発明においては、上記燃料注入手段は、
30°と60°との間の頂部角を有する円錐の母線に沿
って配置される個別の燃料ジェット流を作り出すように
配置された一連のオリフィスを含み、この全装置は2バ
ールと30バールとの間の圧力において作動し、燃料/
空気比は約0.4と0.8との間であって、流体の囲繞
体の中での滞留時間は50ミリ秒よりも少ない。
【0022】とくに、第1空気入口は燃焼室に進入する
加圧空気の全量の30ないし70%を導入することを許
容し、残余は第2の加圧空気入口を通して注入される。
【0023】本発明によれば、上記注入手段は液体燃料
を注入するための5ないし12個、好ましくは6ないし
10個のオリフィスを有する。
【0024】さらに、各空気入口及び注入手段は、下記
式によって定義される渦巻き比Nが0.2と0.4との
間となるような位置に配置される:
【0025】
【数2】 この式においてR1 とR2 とはそれぞれ、メートルで表
わした空気入口7の内側半径と外側半径とを表わし、ρ
は空気のkg/cm3 で表わした密度であり、Vaxは入
口7の出口におけるその流体の軸方向速度であり、Vtg
は入口7の出口におけるその流体の接線方向速度であ
り、これら速度はm/秒で表わされる。
【0026】本発明の特別な特徴事項の1つによれば、
注入手段がが筒状囲繞体の長手方向軸XX’の上に配置
された中央ディスクを含み、これを取巻いて上記各オリ
フィスにより貫かれた環状体が設けられていて、この環
状体の表面は截頭円錐状である。
【0027】特に、接線方向入口は、囲繞体の周縁上に
配列された一連の挿入体を含み、これが空気を、囲繞体
の壁に対して接線方向に主流の方向と反対の回転方向へ
導くようになっている。
【0028】各空気入口は、燃焼室内の空気の速度が2
0m/秒と120m/秒との間となるように設計されて
る。
【0029】さらに、注入円錐体の頂角は好ましくは3
5°と45°との間の範囲である。
【0030】本発明の他の諸特徴、詳細及び各進歩性
は、以下に添付の図面の参照のもとにあげる非制限的な
実施例の記述より明らかとなるであろう。
【0031】
【発明の実施の形態】図1に図式的に示してある本発明
に従う燃焼室は、筒状の外側ハウジング1、及びこのハ
ウジング1と共軸の内側の囲繞体2を含む。
【0032】これら両方のケーシングは一方の端部にお
いて閉じられており、ここでこれらは機能空間3を画定
している。さらに、各ケーシング1及び2は互いに、加
圧空気が本来の燃焼室の中へ進入するに先立って循環す
るための環状空間4を画定している。
【0033】本来の燃焼室5は囲繞体2の内側容積によ
り画定される。
【0034】燃焼室5の底部は燃料注入手段6を含む
が、これは好ましくは囲繞体2の長手方向軸XX’の上
に、又はごく近傍に配置された中央ディスク61を含
む。さらに、注入手段6は截頭円錐状の環の上に配置さ
れた一連のオリフィス62を含む。有利には5ないし1
2個、そして好ましくは6ないし10個のジェット流を
作り出すことができる。これらのジェット流は互いに隔
てられていて、30°と60°との間、好ましくは35
°と45°との間の範囲の頂角αを有する円錐体の母線
に沿って配置されている。
【0035】注入手段6は追加的な空気の補助と共に作
動することができる。この場合に、50マイクロメート
ルよりも小さな平均直径を有する液滴が得られる。
【0036】個別ジェット流の火炎は多くの観点から有
利である。この火炎はいくつかの独立の軸方向の火炎の
ようには挙動しない。まず第1に、各ジェット流の間の
流れの変化、また、したがって局部的な化学量論的条件
の変化を含む熱的な型の相互作用がそれら異なったジェ
ット流の間に存在する。これらの条件はもちろんそれら
ジェット流の間に存在する角度に依存する。
【0037】この角度が小さければ小さい程、その火炎
は軸方向の拡散火炎に近付くが、その挙動はNOx の放
出の観点から、燃料が空気とあまりよく混合しないため
に良好でないことが知られている。
【0038】もしこの角度が開きすぎると、液滴がそれ
らの壁に沿って投げ出される危険があり、これはコーク
スの形成又はそれらの壁が冷却され、また、したがって
その温度が低い場合には、未燃焼生成物及びCOの形成
をもたらすことがある。
【0039】ジェット流の数も重要である。もしこれが
多すぎると、各燃料噴流による流れの阻止効果が観測さ
れる。したがって空気の枯渇した帯域がそれら噴流の背
後に作り出され、これが富化燃焼条件に導き、したがっ
て高温度に導く。もしジェット流の数が少なすぎると、
各ジェット流の間の相互作用が減少し、そしてついには
n個の独立した軸方向の火炎を有することになる。
【0040】さらに、2つの型の加圧空気入口が設けら
れ、それら両者は機能空間3の近傍に配置されている。
【0041】第1の型のものは囲繞体2の中に、この囲
繞体の長手方向軸を取り巻いて螺旋状に空気を取り入れ
る。この入口7はここでは注入手段6の周りの環状体で
ある。この空気は「渦巻き軸方向空気」と呼ぶ。傾斜し
た羽根71をこの環状体の中に配置してこの空気に接線
方向の運動量を与えることができる。
【0042】第2の型の空気入口はいくつかの外周縁入
口8を含み、これらが空気を囲繞体2の壁に対して接線
方向へ注入することを許容する。したがって図2に示さ
れているようないくつかの挿入体81を設けることがで
きる。
【0043】それらの挿入体81は空気を接線方向へ、
そして第1型の流れに対して反対方向へ導く。これがそ
れら2つの流れの間の剪断力を上昇させ、それゆえ空気
と燃料液滴との間の混合を促進することを許容する。
【0044】良好な混合気濃度条件のもとに安定な火炎
を得るためには、入口7の水準のところの空気の流れが
燃焼に用いられる空気の30%と70%との間、好まし
くは40%と50%との間の範囲である。もちろん、そ
れら接線方向入口8を通過する空気の流れは100%の
残りである。必要の場合、この稀釈空気は燃焼帯域5か
らの下流において囲繞体2の中に設けられている各オリ
フィスを通して導入される。
【0045】燃焼火炎の安定性のために、注入手段6は
有利には中央ディスク61を含む。このものはその流れ
の回転運動との組み合わせにおいて、注入手段6のノズ
ルの近傍において図1に矢印Aで示す方向へ短い内部的
再循環を作り出すことを許容する。この再循環により画
定される帯域10は燃料がむしろ富化しており、そして
燃焼安定性を部分的に保証する。しかしながら、上述し
たように、燃料のほとんどは、この燃焼室の中の総合的
な混合気濃度が0.4と0.8との間の範囲であるため
に不足条件のもとで燃焼する。個別の火炎のバーナがほ
ぼ化学量論的に、又は僅かに過剰の空気により運転され
ることを指摘することができよう。
【0046】空気入口7、8及び注入手段6は、下記式
により定義される渦巻き比Nが好ましくは0.2と0.
4との間となるような位置に配置される:
【0047】
【数3】 この式においてR1 とR2 とはそれぞれ、メートルで表
わした空気入口7の内側半径と外側半径とを表わし、ρ
は空気のkg/cm3 で表わした密度であり、Vaxは入
口7の出口におけるその流体の軸方向速度であり、Vtg
は、入口7の出口におけるその流体の接線方向速度であ
り、これら速度はm/秒で表わす。
【0048】
【発明の効果】本発明に従う燃焼室5は、タービンを運
転するのに適しており、このものの熱力学的サイクルは
約2バールから約30バールまでの範囲となり得る圧力
における作動を与える。
【0049】大気圧のもとで運転されるバーナについて
はこれは空気の密度を変化させ、それゆえ空気と燃料と
の間の、10倍することができるような密度比を変化さ
せる。したがって混合及び蒸発条件が著るしく異なって
いる。
【0050】さらに、本発明に従う燃焼室5の中での滞
留時間は通常、50ミリ秒よりも短く、これは50ない
し200MW/m3 の範囲の熱密度に導く。比較のため
に述べると、種々のボイラのバーナの分野における熱密
度は1/2のオーダーの滞留時間と共に1MW/m3
りも低い。本発明の特殊な運転条件はその第1及び第2
の空気入口の寸法が与えられたときに、20m/秒と1
20m/秒との間の空気流速に導く。本発明の好ましい
適用をよりよく説明するために、図3は本発明を実施で
きるターボ圧縮機の長手方向断面を示すが、この図面は
本文の頭書に説明した。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に従う燃焼室の単純化した長手方向断面
図である。
【図2】図1に従う本発明の燃焼室を説明するI−I断
面図である。
【図3】本発明を適用したターボ圧縮機の一部断面を含
む単純化した外観図である。
【符号の説明】
1 ハウジング 2 囲繞体 3 機能空間 4 環状空間 5 燃焼室 6 注入手段 7 第1の空気入口 8 第2の空気入口 10 帯域 20 圧縮機 30 タービン 61 中央ディスク 62 オリフィス 71 羽根 81 挿入体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 パトリック フラマン フランス国 78610 オウファルジ アレ ー デ ラ フォーレ 37 (72)発明者 ジェイラール マルタン フランス国 92500 リュエーユ−マルメ ゾン アヴニュ デ コルマー 34ビス (72)発明者 ジュイ グリエンシュ フランス国 64800 コウアラゼ ルート デ セント ヴィンセント (番地な し) (72)発明者 ジェイラール ソット フランス国 64110 ロンティノン リュ デュ ヴィウー ブール 20

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも1つの空気入口を有する筒状
    囲繞体(2)と、この筒状囲繞体の長手方向軸XX’の
    上又はその近傍に配置された液体燃料注入手段(6)
    と、タービンへの出口と、及び互いに接近して配置され
    た少なくとも2つの型の加圧空気入口とを含み、その際
    その第1の入口(7)は空気をその燃焼室の長手方向軸
    の周りに螺旋状に取り入れ、そしてその第2の入口
    (8)は空気を囲繞体(2)に対して接線方向へ取り入
    れて燃料ジェット流の周りに空気と上記燃料との混合を
    改善するように逆回転の流れを作り出す、液体燃料で作
    動するガスタービンの燃焼室において、上記燃料注入手
    段(6)が、30°と60°との間の頂部角を有する円
    錐の母線に沿って配置される個別の燃料ジェット流を作
    り出すように配置された一連のオリフィスを含むこと、
    この全装置が2バールと30バールとの間の圧力におい
    て作動し、燃料/空気比が約0.4と0.8との間であ
    ること、及び流体の囲繞体(2)の中での滞留時間が5
    0ミリ秒よりも少ないことを特徴とする、上記燃焼室。
  2. 【請求項2】 第1空気入口(7)が、燃焼に使用され
    る加圧空気の全量の30%ないし70%を導入すること
    を許容する、請求項1に記載の燃焼室。
  3. 【請求項3】 上記注入手段が、液体燃料を注入するた
    めの5ないし12個のオリフィス(62)を有する、請
    求項1又は2に記載の燃焼室。
  4. 【請求項4】 上記オリフィスが6〜10個である請求
    項3に記載の燃料室。
  5. 【請求項5】 空気入口(7、8)及び注入手段(6)
    が、下記式により定義される渦巻き比Nが0.2と0.
    4との間になるように配置されている、請求項1ないし
    4のいずれか1項に記載の燃焼室 【数1】 但しこの式においてR1 とR2 とはそれぞれ、メートル
    で表わした空気入口(7)の内側半径と外側半径とを表
    わし、ρは空気のkg/cm3 で表わした密度であり、
    Vaxは入口(7)の出口におけるその流体の軸方向速度
    であり、Vtgは入口(7)の出口におけるその流体の接
    線方向速度であり、これら速度はm/秒で表わす。
  6. 【請求項6】 注入手段(6)が筒状囲繞体の長手方向
    軸XX’の上に配置された中央ディスク(61)を含
    み、これを取巻いて上記各オリフィス(62)により貫
    かれた環状体が設けられていて、この環状体の表面が截
    頭円錐状である、請求項3または4に記載の燃焼室。
  7. 【請求項7】 接線方向入口(8)が囲繞体(2)の周
    縁上に配列された一連の挿入体を含み、これが空気を、
    囲繞体(2)の壁に対して接線方向に主流の方向と反対
    の回転方向へ導く、請求項1ないし6のいずれか1項に
    記載の燃焼室。
  8. 【請求項8】 各空気入口が、この燃焼室の中の空気の
    速度が20m/秒と120m/秒との間になるような形
    状寸法になっている、請求項1ないし7のいずれか1項
    に記載の燃焼室。
  9. 【請求項9】 注入円錐体の頂角が35°と45°との
    間である、請求項1に記載の燃焼室。
JP11020214A 1998-01-28 1999-01-28 液体燃料で作動するガスタ―ビンの燃焼室 Pending JPH11270852A (ja)

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