JP2001059602A - 燃焼システムにおけるハイロドダイナミックな不安定性を積極的に抑制する方法及び該方法を実施するための燃焼システム - Google Patents

燃焼システムにおけるハイロドダイナミックな不安定性を積極的に抑制する方法及び該方法を実施するための燃焼システム

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JP2001059602A
JP2001059602A JP2000221198A JP2000221198A JP2001059602A JP 2001059602 A JP2001059602 A JP 2001059602A JP 2000221198 A JP2000221198 A JP 2000221198A JP 2000221198 A JP2000221198 A JP 2000221198A JP 2001059602 A JP2001059602 A JP 2001059602A
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エログル アドナン
Christian Oliver Paschereit
オリヴァー パシェライト クリスティアン
Wolfgang Dr Polifke
ポリフケ ヴォルフガング
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 液状又はガス状の燃料が燃焼空気と前混合さ
れ、燃料−空気−混合物が燃焼させられる燃焼システム
（１０，２０，３０）におけるハイロドダイナミックな
不安定性を積極的に抑制するために、供給された燃料の
質量流を、選択された時間関数にしたがって変調する方
法を簡易化しかつその機能確実性を高めること。 【解決手段】 前記変調をフルイディック部材を用いて
行うこと。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は燃焼技術の分野に関
する。本発明は請求項１の上位概念による燃焼システム
におけるハイロドダイナミックな不安定性を積極的に抑
制する方法に関する。さらに本発明は前記方法を実施す
るための燃焼システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】熱音響的な振動はあらゆる形式の燃焼の
応用に対し危険をもたらす。熱音響的な振動は周波数の
高い圧力変動、運転領域の制限及び不都合なエミッショ
ンの増大をもたらす。これは特に音響的な減衰のわずか
な燃焼システム、例えばガスタービンにて使用される燃
焼システムに当嵌まる。脈動及びエミッションに関し高
い出力を広い運転範囲に亘って保証するためには燃焼振
動の積極的なコントロールが必要である。
【０００３】積極的なコントロールシステムを用いて燃
焼不安定性をコントロールするか又は抑制するためには
種々の技術が既に公知であり、これら技術においては開
いた又は閉じられた調整ループで、燃料及び／又は燃焼
空気のバーナへの供給が規定された形式で制御もしくは
変調される。したがって出願人の非公開の先願は、例え
ばＥＰ−Ｂ１−０３２１８０９号明細書の第１図に示さ
れているような前混合バーナにおける不安定性の積極的
なコントロールに関している。開いたループで、このよ
うな前混合バーナにおいては両方の外の燃料導管（ＥＰ
−Ｂ１−０３２１８０９号明細書の第１図における８．
９参照）における燃焼流が非対称的に０．３Ｈｚと５ｋ
Ｈｚとの間、有利には５Ｈｚと２００Ｈｚとの間の周波
数で変調される。変調は燃料導管に接続された２つの燃
料弁を用いて行われる。
【０００４】機械的に移動させられる、電気的に駆動さ
れた燃料弁を使用した場合には、機械的に動かされる部
分が存在しかつ該部分が、使用された変調周波数で高い
摩滅に晒され、機能確実性に関し、制限されるという欠
点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、燃焼
不安定性を積極的にコントロールする方法であって、簡
単でかつ機能的に確実で装置的な前提条件に関しわずか
な要求しか課されない方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の課題は、請求項
１の特徴全体によって解決された。本発明の核心は、燃
料の供給の変調のために、機械的に作動される故障しや
すい弁の代わりに、フルイディック法を使用することで
ある。つまり、燃料流は流動技術的な手段によって、動
かされる部分なしで変化させられる。この場合にはフル
イディックスイッチもしくはフルイディック素子（純流
体素子）が使用される。
【０００７】本発明による方法の有利な実施例によれ
ば、燃焼システムの内部で燃料が分離した２つの燃料導
管内で前混合装置に導かれ、供給された燃料の変調のた
めに、燃料質量流がフルイディック手段を用いて交互に
種々異なる形式で両方の燃料導管に分配されることが特
徴となっている。このような交互の分配は、特に上記形
式の前混合バーナに適している。何故ならばこれによっ
て有利な形式で燃焼火炎の軸方向の対称性が破壊され、
この軸方向の対称に係わる軸方向で対称的な渦流構造と
圧力振動が抑えられるかもしくはその発生が妨げられる
からである。
【０００８】交互の分配は、例えば両方の燃料導管を介
して同じ程度で、変調されていない第１の燃料部分質量
流が供給されるのに対し、第２の燃料部分質量流が交互
に、両方の燃料導管の一方を介して付加的に供給される
ことで生じることができる。この場合には燃料供給にお
いて一杯の変調深さが活用されない。
【０００９】しかしながら、該実施例の有利な構成によ
れば燃料質量流（全）を交互に前記両燃料導管の一方を
介して導くことも考えられる（一杯の変調深さ）。
【００１０】変調は有利には周期的な時間関数で規定さ
れた周波数と振幅とで行われる。この場合、周波数は燃
焼システムの幾何学的な形状と運転形式に合わせられ、
通常は公知技術と関連してすでに先に述べた範囲よりも
高い範囲に位置している。
【００１１】この場合には振動発生を助ける火炎もしく
は燃料室の対称性の破壊は一方では、燃料が両方の燃料
導管を介して唯一の前混合装置へ導かれかつそこで種々
異なる個所にてノズル噴射されることで達成される。
【００１２】しかしながら燃料を両方の燃料導管を介し
て同じ燃焼システム内の異なる前混合装置に導き、そこ
にノズル噴射することも考えられる。これは全システム
内での複数の前混合装置の対称抑制をもたらす。
【００１３】燃料と燃焼空気とを混合するための前混合
装置と、燃料を前混合装置へ供給する少なくとも１つの
燃料導管並びに供給された燃料の質量流を変調するため
の手段を備えた本発明による燃焼システムの特徴は、変
調手段がフルイディック素子を有していることである。
【００１４】本発明による燃焼システムの有利な実施例
の特徴は、燃料が２つの燃料導管を介し供給され、変調
に際して供給された燃料質量流の少なくとも１部が交互
に両方の燃料導管の一方に切換えされるようにフルイデ
ィック部材が構成されかつ両方の燃料導管と結合されて
いることである。特に両方の燃料導管は同じ前混合装置
に通じ、燃料導管の各々から燃料が前混合装置の他の個
所でノズル噴射されるように前混合装置が構成されてい
る。
【００１５】有利には使用されたフルイディック部材は
１つの燃料入口と、該燃料入口からＹ字形に分岐する、
燃料導管と接続された２つの燃料出口と、燃料入口に対
して横方向に延びる、互いに向き合って配置された２つ
の制御通路を有し、該制御通路が燃料出口の分岐領域で
燃料入口に開口し、正圧又は負圧を用いた負荷で、燃料
入口を通って流入した燃料質量流を一方の燃料出口から
他方の燃料出口へ変向させることを特徴としている。
【００１６】特に簡単に、所望される変調は、両方の制
御通路がフルイディック部材の外を延びる、所定長さの
結合管によって閉じられた回路を成して互いに結合され
ていると前記フルイディック部材によって達成される。
【００１７】別の実施例は従属請求項に記載されてい
る。
【００１８】
【実施例】図１には本発明による燃焼システムの第１実
施例が示されている。燃焼システム１０は前混合バーナ
１７（概略的に図示）を有し、該混合バーナ１７はＥＰ
−Ｂ１−０３２１８０９号明細書に示したように例えば
ダブルコーンバーナとして構成されている。前混合バー
ナ１７の場合にはガス状の燃料が２つの向き合った側に
てノズル噴射され、必要な燃焼空気と混合される。前混
合バーナ１７のための燃料はこのためには２つの分離し
た燃料導管１５，１６で供給される。該燃料導管１５，
１６には共通の燃料入口１２からフルイディック部材１
１を介して燃料が供給される。
【００１９】フルイディック部材１１は図４に示された
（略示された）内部構造を有している。燃料入口１２は
狭窄部を経たあと、フルイディック部材１１内でＹ字形
を成す２つの燃料出口３１と３２に分岐する。この燃料
出口３１と３２とには燃料導管１５，１６が接続されて
いる。さらにフルイディック部材の内部には燃料入口１
２に対して横方向に延びる、互いに向き合った２つの制
御通路２７と２８とが設けられている。この制御通路２
７，２８は燃料出口３１，３２の分岐領域で燃料入口１
２に開口している。フルイディック部材１１の働きはプ
ラントル−ディフューザ及びコアンダー効果の原理に基
づいている。燃料入口１２から流入する質量流はコアン
ダ効果に基づき前記燃料出口３１，３２の一方を通して
流出しようとする傾向を持つ（図４では矢印により流れ
がこの場合には上方の燃料出口３１を通って流出するこ
とが示されている）。一方の制御通路（図４の２７）を
正圧で負荷するか又は他方の制御通路（図４の２８）を
負圧で負荷することにより燃料入口１２を通って流入す
る燃料質量流を一方の燃料出口３１から他方の燃料出口
３２へかつその反対に変向させることができる。
【００２０】すなわち、図１のフルイディック部材１１
が制御装置１４から制御導管１３を介してフルイディッ
ク部材１１の制御通路２７，２８に対する適当な周期的
な圧力衝撃で制御されると、フルイディック部材は周期
的に切換り変わって、燃料入口１２における燃料質量流
を両方の燃料出口３１，３２の一方に、ひいては両方の
燃料導管１５，１６の一方に分配する。この場合、燃料
供給の切換え周波数ひいては変調周波数は制御装置１４
によって前もって定められる。
【００２１】制御導管１３を含めて制御装置（破線で図
示）が完全に省かれると変調装置は特に簡単になる。こ
の場合には図５に示したように、両方の制御通路は外部
にて結合管９により互いに結合されかつ閉じた回路を形
成している。フルイディック部材のこのような構想では
流れを燃料出口３１と３２との間で周期的に切換える自
動的な傾き振動が生じる。この場合、回路の幾何学的な
形状、特に結合管の有効長さは傾き周波数を決定し、燃
焼振動を抑制するために最適な変調周波数が生じるよう
に選択されることができる。この配置の特別な利点は、
変調のための補給又は制御装置が必要とされないことで
ある。
【００２２】図１の実施例では前混合バーナ１７への全
燃料供給が変調される（１００％変調）。しかしなが
ら、先にすでに述べたように、本発明の枠内では、部分
流だけを両方の燃料導管１５，１６の間で周期的に切換
え、他の燃料流を変わらず両方の導管を通って流すこと
も考えられかつ有意義である。相応して図１には燃料入
口１２から燃料導管１５，１６へ、フルイディック部材
１１を橋絡するバイパス導管を設けることができるであ
ろう。
【００２３】さらに図１の実施例においては、両方の燃
料導管１５，１６の間の周期的な往復切換えによる燃料
供給の変調は、接続された前混合バーナ１７自体におけ
る対称性を破壊するのに対し、図２によれば複数の前混
合バーナ１８，１９が燃焼室にて並列に働く燃焼システ
ム２０において、所望される対称性の破壊を達成するこ
とはフルイディック部材１１から来る（変調された）両
方の燃料導管１５，１６を別個に異なる前混合バーナ１
８，１９に接続することでも達成することができる。こ
の場合には両方の前混合バーナ１８，１９の間の相互作
用は熱音響的な不安定性の構成を阻止する。
【００２４】最後に本発明の枠内では図３に示したよう
に前混合バーナの代わりに混合管２１を変調することが
できる。この混合管２１においては燃料導管１５，１６
はフルイディック部材１１から来て２つの向き合って位
置するノズル噴射装置２３，２４に接続され、これを介
して混合管２１の内部に配置された渦流形成部材の範囲
に燃料がノズル噴射され、空気入口２２を介して流入す
る燃焼空気と渦流混合させられる。フルイディック部材
１１の適当な変調によって出口２６を通って流出する空
気−燃料−混合物における不安定性が抑制される。この
場合、渦流形成部材はＵＳ−Ａ−４２２６．０８３号明
細書に記述されている形式と似た形式で構成されてい
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】２つの異なる燃料導管を介して、フルイディッ
ク部材を用いて変調されて燃料が供給される前混合バー
ナを有する本発明による燃焼システムの第１実施例を示
した図。
【図２】それぞれ１つの燃料導管を介してフルイディッ
ク部材を用いて変調されて燃料が供給される、並列的に
働く２つの前混合バーナを有する、本発明による燃焼シ
ステムの第２実施例を示した図。
【図３】渦流形成部材の範囲にて２つの向き合った個所
にて燃料がノズル噴射される混合管を有し、燃料が２つ
の燃料導管を介してフルイディック部材を用いて変調さ
れて燃料が供給される、本発明による燃焼システム第３
実施例を示した図。
【図４】図１から図３の実施例に有利な形式で用いられ
るフルイディック部材の内部構造を示した図。
【図５】自動的にスイングする傾倒部材としての、図４
のフルイディック部材の有利な構成を示した図。
【符号の説明】
１０，２０，３０ 燃焼システム、 １１ フルイディ
ック部材、 １２ 燃料入口、 １３ 制御導管、 １
４ 制御装置、 １５，１６ 燃料導管、 １７，１
８，１９ 前混合バーナ（ダブルコーン形又はＥＶ−バ
ーナ）、 ２１混合管、 ２２ 空気入口、 ２３，２
４ ノズル装置、 ２５ 渦流形成部材、 ２６ 出
口、 ２７，２８ 制御通路、 ２９ 結合管、 ３
１，３２ 燃料出口
フロントページの続き (72)発明者 クリスティアン オリヴァー パシェライ ト スイス国 バーデン イム イファング 23 (72)発明者 ヴォルフガング ポリフケ ドイツ連邦共和国 フライジング フリュ ーリングシュトラーセ 39

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 液状又はガス状の燃料が燃焼空気と前混
    合され、次いで燃料−空気−混合物が燃焼させられる燃
    焼システム（１０，２０，３０）において、ハイロドダ
    イナミックな不安定性を積極的に抑制する方法であっ
    て、該方法において供給された燃料の質量流を、選び出
    された時間関数にしたがって変調する方法において、前
    記変調をフルイディック手段（１１）で行うことを特徴
    とする、燃焼システムにおけるハイロドダイナミックな
    不安定性を積極的に抑制する方法。
  2. 【請求項２】 燃焼システム（１０，２０，３０）の内
    部で燃料を、２つの分離した燃料導管（１５，１６）内
    で前混合のために導き、供給される燃料を変調するため
    に燃料質量流をフルイディック手段（１１）を用いて異
    なる形式で交互に両方の前記燃料導管（１５，１６）に
    振り分ける、請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 燃料質量流を交互に前記両燃料導管（１
    ５，１６）の一方を介して導く、請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記変調を周期的な時間関数で決められ
    た周波数と振幅とで行う、請求項１から３までのいずれ
    か１項記載の方法。
  5. 【請求項５】 燃料を前記両燃料導管（１５，１６）を
    介し唯一の前混合装置（１７，２１）に導き、該前混合
    装置（１７，２１）に異なる個所にてノズル噴射する、
    請求項２又は３記載の方法。
  6. 【請求項６】 燃料を前記両燃料導管（１５，１６）を
    介し、同一燃焼システム（２０）内の異なる前混合装置
    （１８，１９）へ導きかつそこへノズル噴射する、請求
    項２又は３記載の方法。
  7. 【請求項７】 請求項１から６までの方法を実施する燃
    焼システム（１０，２０，３０）であって、該燃焼シス
    テムが燃料と燃焼空気とを前混合するための前混合装置
    （１７，１８，１９，２１）と、燃料を前混合装置（１
    ７，１８，１９，２１）へ供給するための少なくとも１
    つの燃料導管（１５，１６）と、供給された燃料の質量
    流を変調する手段とを有する形式のものにおいて、変調
    手段がフルイディック素子（１１）を有していることを
    特徴とする、燃焼システム。
  8. 【請求項８】 燃料が１つの燃料導管（１５，１６）を
    介して供給され、変調に際して供給された燃料質量流の
    少なくとも１部分が交互に前記両燃料導管（１５，１
    ６）の一方に切換えられるように、前記フルイディック
    素子が構成されたかつ前記両燃料導管（１５，１６）に
    接続されている、請求項７記載の燃焼システム。
  9. 【請求項９】 前記両燃料導管（１５，１６）が当該燃
    焼システム（２０）内の異なる前混合装置（１８，１
    ９）に通じている、請求項８記載の燃焼システム。
  10. 【請求項１０】 前記前混合装置が前混合バーナ（１
    ８，１９）である、請求項９記載の燃焼システム。
  11. 【請求項１１】 両方の前記燃料導管（１５，１６）が
    同一の前混合装置（１７，２１）に通じ、前記燃料導管
    （１５，１６）の各々からの燃料が前記前混合装置（１
    ７，２１）の別の個所にてノズル噴射されるように、該
    前混合装置（１７，２１）が構成されている、請求項８
    記載の燃焼システム。
  12. 【請求項１２】 前記前混合装置（１７，２１）が燃料
    −空気−混合物のために１つの主流動方向を有し、前記
    両燃料導管（１５，１６）を介して送られてきた燃料が
    前記主流動方向に対し横方向で、互いに対向して位置す
    る個所（２３，２４）にてノズル噴射される、請求項１
    １記載の燃焼システム。
  13. 【請求項１３】 前記前混合装置が前混合バーナ（１
    ７）である、請求項１１又は１２記載の燃焼システム。
  14. 【請求項１４】 前記前混合装置が混合管（２１）であ
    る、請求項１１又は１２記載の燃焼システム。
  15. 【請求項１５】 混合管（１２）が内部に渦流形成部材
    （２５）を有し、該渦流形成部材（２５）の領域に、混
    合管（２１）の管軸線に対し横方向に向けられた、互い
    に向き合った２つのノズル装置（２３，２４）が配置さ
    れている、請求項１４記載の燃焼システム。
  16. 【請求項１６】 前記フルイディック素子（１１）が１
    つの燃料入口（１２）に、該燃料入口（１２）からＹ字
    形に分岐しかつ前記燃料導管（１５，１６）と接続され
    た２つの燃料出口（３１，３２）とを有し、前記燃料入
    口（１２）に対して横に延びる、互いに向き合った２つ
    の制御通路（２７，２８）が設けられており、該制御通
    路（２７，２８）が前記燃料出口（３１，３２）の分岐
    領域に開口しており、正又は負圧で負荷されていること
    により、前記燃料入口（１２）を通って流入する燃料質
    量流を前記一方の燃料出口（３１）から他方の燃料出口
    （３２）へ変向させることができるようになっている、
    請求項８からま１５でのいずれか１項記載の燃焼システ
    ム。
  17. 【請求項１７】 両方の制御通路（２７，２８）がフル
    イディック素子（１１）の外を延びる、所定長さの接続
    管（２９）によって閉じた回路を成して互いに接続され
    ている、請求項１６記載の燃焼システム。
JP2000221198A 1999-07-23 2000-07-21 燃焼システムにおけるハイロドダイナミックな不安定性を積極的に抑制する方法及び該方法を実施するための燃焼システム Pending JP2001059602A (ja)

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