JP3904685B2 - 予混合バーナ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、旋回流安定化される内室と、燃料を供給するための手段とを備えた予混合バーナであって、内室が、流れ方向に円錐状に延びた内部体を有しており、内室を取り囲む周壁が、軸線方向に延びかつ接線方向に配置された少なくとも１つの空気流入通路によって貫通されており、該接線方向の空気流入通路を通じて燃焼空気が内室に流入するようになっている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
希薄な予混合された燃焼は、低含量の窒素化合物を有する燃料の燃焼時に、有害物質、特に窒素酸化物の低い放出量を達成するために普及した方法である。比較的新しい世代のガスタービンの場合にそうであるように特に高い圧力での燃焼時に、実験バーナを用いて空気と燃料との混合品質を改良することによって、窒素酸化物の放出を一層低減させることが可能であることは種々の文献より知られている。しかしながら、このような実験バーナを機械テクノロジへ転用することは容易に可能ではない。なぜならば、この場合には火炎安定化および逆火安全性に関する厳しい要求が課せられるからである。旋回流安定化される、機械に有効な汎用の予混合バーナは、火炎域の直前しか燃料を燃焼空気に混入しない。
【０００３】
この関連における研究によれば、このような手段を用いると火炎域までは空気と燃料との均一な混合を達成することができないことが判った。混合時間を延長させ、ひいては混合品質を改善するために燃料供給部を上流側にずらすことは、これに伴う逆火危険性の理由から、機械に有効なバーナにおいては不可能である。
【０００４】
国際公開第９３／１７２７９号パンフレットから、主として円筒状のチャンバから成るバーナが公知であり、このバーナ自体は、接線方向に配置された複数のスリットを有しており、このスリットを通じて燃焼空気がチャンバ内部に流入する。これらのスリットの領域においては、チャンバ内部への移行部で軸方向に一列の燃料ノズルが作用し、これらの燃料ノズルを通じて有利には気体燃料が、スリットを通流する燃焼空気に混加される。さらに、チャンバの内室には円錐体が設けられており、この円錐体は流れ方向にテーパしており、この円錐体の先端部の領域には有利には液体燃料のための別の燃料ノズルが設けられている。この円錐体の先端部の下流側で燃焼空気が着火される。バーナの予混合区間の外側で火炎を安定状態に保持するためには、チャンバもしくは予混合区間における流れ自体が臨界超過でなければならない。つまり、渦崩壊が生じないようにスワール数が小さく形成されなければならない。臨界的なスワール数は３つのパラメータ、すなわち、接線方向スリットの幅を変化させること、チャンバの内室における円錐体の角度を調整すること、ならびに旋回流を付与しても、しなくとも中央の補助空気を添加することによって適正な場所で達成することができる。しかしながら、スリットの領域において燃料供給を行うことにより、スリット自体の構成が著しく制限される。その上、空気と燃料との最適な均一な混合を直接に達成することができない。このことは、特にバーナの端部に位置しひいては火炎面の直接的な領域に位置し、その上これによってこの近接のために潜在的な逆火危険性が存在するような燃料供給部の場合に当てはまる。さらに、供給部から火炎までの距離が短いために気体燃料も液体燃料も空気と十分に混合されず、これにより火炎内に局部的な濃厚領域が生じ、この領域が高いＮＯｘ放出およびより高い脈動を招く。
【０００５】
つまり、このようなバーナの場合には以下のような問題が生じる。
【０００６】
ａ）火炎逆火の危険性の増大
ｂ）最適な火炎位置を有する運転領域が小さい
ｃ）ＮＯｘ放出の増大
ｄ）高い脈動
ｅ）不十分な完全燃焼
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明の課題は、冒頭で述べたような形式の予混合バーナにおいて前記不都合を排除することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の構成では、内室の下流側に、旋回流によって貫流される混合管が接続されており、この混合管が、横断面飛躍部を介して燃焼室に移行しており、前記横断面飛躍部が、正面壁によって形成されており、前記横断面飛躍部の平面の領域で逆流域が作用可能であるようにした。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、従来技術に所属するバーナの構成はいまや旋回流発生器の唯一の機能を果たし、この場合、この旋回流発生器の下流に混合管が配置されている。この混合管の出口で初めて火炎域が形成される。
【００１０】
本発明の主な利点は、旋回流発生器の出口における流れが、渦崩壊を生じないように選択されることにある。旋回流発生器の下流に配置された混合管により、火炎域がより下流へ移動させられ、空気／燃料混合気がより良く混合される。次いで、旋回流発生器によって誘発された渦流は、燃焼器への混合管の出口において崩壊する。したがって、この箇所で逆流泡もしくは逆流域が形成され、この逆流泡もしくは逆流域が火炎面の安定を生ぜしめる。混合管の壁付近の領域（壁境界層）における火炎逆火を阻止するために、混合管には膜形成孔もしくはスリットが設けられており、これらの膜形成孔もしくはスリットは境界層を吹き流して希薄化する。バーナの中心部では、中心で補助空気が供給されることによって火炎逆火が阻止される。この補助空気は、全体的に軸線方向に向けられていても、旋回を付与されていてもよい。
【００１１】
剥離縁部を備えた流出半径は、バーナフロントにおいて燃焼器側に形成されており、逆流泡の拡大によって火炎域の増幅と火炎の安定性の向上とを生ぜしめる。半径のサイズは、混合管内の流れに依存する。半径のサイズは、流れが壁に接触し、これによりスワール数が著しく増加されるように選択されている。半径を有しない流れに比べていまや逆流泡は著しく拡大され、このことが火炎面の最大限の安定性を生ぜしめる。
【００１２】
本発明の別の利点は、逆流泡の拡大が、バーナフロント内の別の手段によって、有利にはバーナフロントにおけるトーラス状の切欠きよって達することもできることにある。
【００１３】
本発明による解決手段の有利かつ有効な別の構成は請求項２以下に示されている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面につき詳しく説明する。
【００１５】
本発明を直接に理解するために必要ないものは全て省略した。媒体の流れ方向は矢印で示されている。図面中、同一の部材は同一の符号で示されている。
【００１６】
予混合バーナの構成をより良く理解するためには、図１と図２とを同時に参照すると有利である。さらに、図１を不必要に分かりにくくしないようにするために、接線方向の空気流入通路は概略的にしか示されていない。図１の説明では必要に応じて図２をも引用する。
【００１７】
図１に示した予混合バーナは、旋回流発生器１０と、この旋回流発生器１０の下流側に配置された混合区間２０と、混合区間２０に続いて働く燃焼器３０とから成っている。旋回流発生器１０は、２つの中空の部分シェル１１，１２から成っており、これらの部分シェル１１，１２は、互いにずらされかつ互いに内外に入り組まれている（図２参照）。各中心軸線または各長手方向対称軸線１１ｂ，１２ｂの相対的なずれ（図２参照）に基づき、両側で鏡像対称的な配置で接線方向の各１つの空気流入通路１１ａ，１２ａが開放される。この空気流入通路を通じて燃焼空気もしくは燃料／空気混合物１６が、両部分シェル１１，１２によって形成された中空室１８に流入する。前記長手方向対称軸線１１ｂ，１２ｂは互いに平行に延びていて、これにより接線方向の両空気流入通路１１ａ，１２ａが一定の流過横断面を有していると有利である。この流過横断面は、必要に応じて長手方向対称軸線の適宜な経過によって軸方向で互いに規則的または不規則に減少または増大するように構成されていてもよい。両部分シェル１１，１２自体は、流れ方向で有利には円筒状に延びている。しかしながら、両部分シェルは、中空室１８の流過横断面を直接的に誘発する別のジオメトリ上の構成をとることができる。たとえば、部分シェル１１，１２をベンチュリ管として形成することができる。これらの実施態様は当業者にとって容易に推考し得るので図面には示していない。旋回流発生器１０を形成する部分シェルの数に関して言えば、実施例から認められるような２つの部分シェルに限定されるものではない。接線方向に配置された２つよりも多い空気流入通路が運転に応じて容易に可能である。互いにずらされて配置された個々の部分シェルの代わりに、１つのまとまった管も問題なく使用され得る。この管の管壁には、接線方向に配置されたスリットが設けられており、このスリットが接線方向の空気流入通路を形成する。さらに、複数部分シェルを形成する場合には、必要に応じて個々のシェルを螺旋状に互いに入り組ませることも可能である。
【００１８】
中空室１８には円錐状の内部体１３が配置されており、この内部体１３は、流れ方向にテーパしており、十分に尖った端部を有している。ほぼ接線方向の空気流入通路とほぼ同じ長さを有する、この内部体１３の円錐形の構成は、図示した形状に限定されるものではない。すなわち、この内部体１３の外形状をディフューザまたはコンフューザとして形成することも可能である。接線方向で流入する燃焼空気１６に関連して、この内部体１３の形成するための尺度は、旋回流発生器の出口で規定のスワール数を得ることである。内部体１３は中心に孔１９を有しており、この孔１９を貫くように燃料ランス１４が引き通される。この燃料ランス１４自体は、内部体のほぼ先端にまで延びている。この燃料ランス１４を通じて有利には液体燃料が案内される。この液体燃料の、中空室１８への供給は、燃料ノズル１７を介して行われ、この燃料ノズル１７は、運転のために適当な燃料噴射角度を形成する。したがって、この燃料ノズル１７は、予混合バーナの実質的なヘッド段を形成している。燃料ランス１４は補助空気１５で取り囲まれる。この補助空気１５は、燃焼器３０で形成される火炎面を安定化させるための、軸線方向の少なくとも１つの脈動を生ぜしめる。さらに、この補助空気１５は、予混合プロセスの最適化、特に火炎面の局部的な安定化を高めるために役立つ。この場合この補助空気は、戻された排ガスの部分量によって濃厚にされていてもよい。さらにこの補助空気を、別の空気／燃料混合物によって代えることもできる。既に旋回流発生器１０の端部で逆流泡が形成され得ないようにするためには、接線方向の流れによって形成される旋回流が臨界未満のままであることが重要である。このことは様々の手段により達成することができるが、そのうちの１つの手段は接線方向の空気流入通路１１ａ，１２ａの流過横断面に関するものであり、別の１つの手段はこの空気流入通路の数に関するものである。この場合、内部体１３の円錐状の経過は、前記手段に対して相互依存的な役割を果たす。
【００１９】
空気／燃料混合物から成る旋回流２３はこの後、逆流域を形成することなしに、旋回流発生器１０の流出側に接続された混合区間２０に流入する。この混合区間２０は、主として混合管２１から成っている。この混合管２１は、旋回流発生器１０の下流側で、規定された混合を実施する、つまり種々様々の燃料の完全な予混合を得る、という条件を満たす。さらに、混合管２１、すなわち混合管２１の長さは、損失のない流れ案内を可能にし、この場合、この混合管２１は、軸線２４に沿って軸線方向速度分布の明瞭な最大値を有しており、これにより燃焼器３０からの火炎の逆火は不可能となる。ただし、このような配置構成の場合には、軸線方向速度が混合管２１の壁に向かって減少することを見落としてはならない。逆火をこの領域においても阻止するために、混合管２１は、流れ方向および周方向で規則的にまたは不規則に分配された複数の通流開口２２を備えており、これらの通流開口２２は、横断面および流れ方向の点で種々様々に形成されている。これらの通流開口２２を通じて空気量が混合管の内部に流入し、内壁に沿って膜を設置しながら、この場所に生ぜしめられる軸線方向速度の増大を誘発し、かつこの領域における混合物を希薄させる。同様の作用を得るための別の構成は、混合管２１の横断面に狭窄部を設け、これによりこの流れ区間内の全体的な速度レベルを高めることにある。図示したように、通流開口２２は孔として形成されており、これらの孔２２は、バーナ軸線２４に対して鋭角の角度で延びている。選択された手段の１つが、混合管２１に沿って旋回流２３を案内する場合に許容できない圧力損失を生ぜしめる場合には、混合管２１の端部にディフューザ（図示せず）を設けることによってこのような不都合を排除することができる。
【００２０】
混合管２１の端部には燃焼器３０が続いており、この燃焼器３０は、火炎管３１によって概略的に示されている。この場合、両流過横断面の間の移行部は、横断面飛躍部により特徴付けられている。さらにこの移行部は正面壁２５によって形成され、この正面壁２５は、端面側で燃焼室に向くように配置されていて、複数の開口を有しており、これらの開口を通じて空気量が直接に横断面飛躍部の縁部領域に流入する。横断面飛躍部の平面内で初めて中央の逆流域３２が形成され、この逆流域３２は、実体のない保炎器の特性を発揮する。運転中に横断面飛躍部内で、この場所に生ぜしめられる負圧に基づき渦流剥離が起きる流れ縁部域が形成されると、このことは逆流域３２のリング安定化を増幅させる。逆流域３２の別の増幅は、バーナフロントを介して導入された空気２６の供給によって達成される。さらに、逆流域３２の別の増幅は、バーナ正面壁に燃焼器側でいわゆる剥離縁部（図３参照）またはトーラス状の切欠きを設けることによって達成される。
【００２１】
横断面飛躍部の領域では、この場所に形成される臨界未満の旋回流に基づき渦崩壊が形成され、この渦崩壊が逆流域３２を誘発する。着火はこの逆流域３２の先端部において行われる。つまり、この箇所においてしか安定した火炎面は形成され得ない。予混合バーナの混合管２１へ火炎が逆流する危険（公知先行技術による予混合区間においては常に潜在的に存在しているが、公知先行技術では複雑な実体のある保炎器を用いてこの危険を排除しようとしている）は、上で述べた理由から懸念する必要はない。燃焼空気１６が予熱されているか、または選択された媒体の１つ、有利には戻された排ガスで濃度増加されていると、このことはヘッド段を介して供給される液体燃料の蒸発を助成する。
【００２２】
図２には、互いに内外に入り組まれた両部分シェル１１，１２の配置構成が概略的に示されている。当然ながら、両部分シェル１１，１２はこの平面に沿って互いに相対的に移動可能でもある。すなわち、両接線方向の空気流入通路１１ａ，１２ａの領域で両部分シェルのオーバラップを実施することが容易に可能である。さらに、両部分シェル１１，１２を、互いに逆向きに回転する運動によって螺旋状に互いに内外に入り組ませることも可能である。したがって、接線方向の空気流入通路１１ａ，１２ａの形状および大きさを、旋回流発生器１０からのスワール数およびスワール強度がその都度の状況に適合され得るように変化させることができる。接線方向の空気流入通路１１ａ，１２ａは、それぞれ供給通路（図示せず）の流出開口を形成している。接線方向の空気流入通路の領域には別の燃料ノズルが設けられており、この燃料ノズルを通じて有利には気体燃料１６が供給される。このような燃料供給部の構成は、ヨーロッパ特許第０３２１８０９号明細書から明らかであるので、詳しい説明は省略する。
【００２３】
図３には、正面壁２５に形成される、既に説明した剥離縁部Ａが示されている。混合管２１の流過横断面の端部には、正面壁２５に移行する移行半径Ｒが設けられており、この移行半径Ｒの大きさは、原則的に混合管２１内の流れに関連している。この移行半径Ｒは、流れが壁に接触して、スワール数を著しく増大させるように設定される。量的には、移行半径Ｒの大きさは、混合管２１の流過直径ｄの＞１０％になるように設定することができる。曲率半径を有しない流れに比べて、逆流域は著しく増大する。この移行半径は混合管２１の流出平面にまで延びており、この場合、曲率半径の始端部と終端部との間の円弧角度βは＜９０゜である。円弧角度βの一方の辺に沿って、剥離縁部Ａは混合管２１の内部へ引き込まれており、これによって剥離縁部Ａの前方の点に対して剥離段Ｓを形成しており、この剥離段Ｓの深さは＞３ｍｍである。当然ながら、この場合に混合管２１の流出平面に対して平行に延びる縁部を、湾曲させられた所定の経過によって再び流出平面段にもたらすこともできる。剥離縁部Ａの接線と、混合管２１の流出平面に対する垂線との間に形成される角度β′は、円弧角度βと同じ大きさである。正面壁２５におけるこのような構成の利点は、既に説明した通りである。逆流域の安定化のための剥離縁部は、正面壁に燃焼室側の凹状の切欠きを設けることによっても達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】旋回流発生器と、混合区間と、燃焼器とから成る予混合バーナを示す縦断面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った横断面図である。
【図３】正面壁の構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１０ 旋回流発生器、 １１，１２ 部分シェル、 １１ａ，１２ａ 空気流入通路、 １１ｂ，１２ｂ 長手方向対称軸線、 １３ 内部体、 １４ 燃料ランス、 １５ 補助空気、 １６ 燃焼空気または燃料／空気混合気、 １７燃料ノズル、 １８ 中空室、 ２０ 混合区間、 ２１ 混合管、 ２２ 通流開口、 ２３ 旋回流、 ２４ 軸線、 ２５ 正面壁、 ２６ 空気、 ３０ 燃焼器、 ３１ 火炎管、 ３２ 逆流域、 Ａ 剥離縁部、 Ｒ 移行半径、 ｄ 流過直径、 β 円弧角度、 Ｓ 剥離段、 β′ 角度

Claims (15)

1. 旋回流安定化される内室と、燃料を供給するための手段とを備えた予混合バーナであって、内室が、流れ方向に円錐状に延びた内部体を有しており、内室を取り囲む周壁が、軸線方向に延びかつ接線方向に配置された少なくとも１つの空気流入通路によって貫通されており、該接線方向の空気流入通路を通じて燃焼空気が内室に流入するようになっている形式のものにおいて、内室（１８）の下流側に、旋回流（２３）によって貫流される混合管（２１）が接続されており、該混合管（２１）が、横断面飛躍部を介して燃焼室（３１）に移行しており、前記横断面飛躍部が、正面壁（２５）によって形成されており、燃焼空気と燃料とが混合バーナ内を流れると、横断面飛躍部の平面の領域において逆流域（３２）が形成され、正面壁（２５）が混合管（２１）の流過横断面の端部において剥離縁部（Ａ）を有しており、該剥離縁部（Ａ）が、混合管（２１）から混合管（２１）の流出平面まで延びた移行半径（Ｒ）と、混合管（２１）の流出平面から半径方向外方に配置された剥離段（Ｓ）とを有することを特徴とする、予混合バーナ。
2. 内部体（１３）が、少なくとも１つの燃料ランス（１４）によって貫通されており、該燃料ランスの燃料ノズル（１７）が、内部体（１３）の先端領域に配置されている、請求項１記載の予混合バーナ。
3. 燃料ランス（１４）が、内部体（１３）に同心的に配置されている、請求項２記載の予混合バーナ。
4. 燃料ランス（１４）が、空気流（１５）によって取り囲まれている、請求項２記載の予混合バーナ。
5. 内部体（１３）が、ディフューザの形状を有している、請求項１記載の予混合バーナ。
6. 内部体（１３）が、コンフューザの形状を有している、請求項１記載の予混合バーナ。
7. 内室（１８）を取り囲む周壁が、円筒状またはほぼ円筒状である、請求項１記載の予混合バーナ。
8. 内室（１８）を取り囲む周壁によって形成された流過横断面が、流れ方向にベンチュリ区間の形状を有している、請求項１記載の予混合バーナ。
9. 内室（１８）を取り囲む周壁が、相互にずらされて互いに内外に入り組まれた少なくとも２つの部分シェル（１１，１２）から成っており、該部分シェル（１１，１２）の互いに隣接した壁が、その長手方向延在長さに沿って、燃焼空気を貫流させるための接線方向の空気流入通路（１１ａ，１２ａ）を形成している、請求項１記載の予混合バーナ。
10. 部分シェル（１１，１２）が、螺旋状に互いに内外に入り組まれている、請求項９記載の予混合バーナ。
11. 接線方向の空気流入通路（１１ａ，１２ａ）の領域で、該空気流入通路の延在長さに沿って、別の燃料ノズル（１８）が配置されている、請求項９記載の予混合バーナ。
12. 混合管（２１）が、流れ方向および周方向に該混合管（２１）の内部に空気流を供給するための通流開口（２２）を備えている、請求項１記載の予混合バーナ。
13. 通流開口（２２）が、バーナ軸線（２４）に対して鋭角の角度で延びている、請求項１２記載の予混合バーナ。
14. 正面壁（２５）が、剥離縁部（Ａ）を有しており、該剥離縁部（Ａ）が、混合管（２１）の流出平面の領域に位置する移行半径（Ｒ）と、混合管（２１）の流出平面から半径方向で段付けされた剥離段（Ｓ）とから成っている、請求項１記載の予混合バーナ。
15. 移行半径（Ｒ）が、混合管（２１）の内径の＞１０％であり、剥離段（Ｓ）が、＞３ｍｍの深さを有している、請求項１４記載の予混合バーナ。

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