JP2003240242A - 燃焼装置の燃焼による振動を低減する方法とこの方法を実施するための予混合バーナ - Google Patents

燃焼装置の燃焼による振動を低減する方法とこの方法を実施するための予混合バーナ

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JP2003240242A
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Ephraim Gutmark
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Christian Oliver Paschereit
クリスチャン・オリバー・パシェライト
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    • F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators

Abstract

(57)【要約】 【課題】 バーナ出口における干渉性流れ不安定の発
生を充分に防止する、燃焼装置内の燃焼によって生じ
る、特に音響的な減衰作用の小さな振動を低減するため
の方法と装置を提供する。 【解決手段】 本発明は、燃焼装置を備えたターボ機
械の燃焼による振動を制御減衰するための方法と装置に
関する。この燃焼装置はバーナを備え、このバーナに
は、その中央に配置されたバーナノズルから燃料が供給
される。この燃料はバーナ内に流れる燃焼空気と混合さ
れて、燃料と空気の混合気を形成する。この混合気は燃
焼装置に接続された燃焼器内で点火される。燃料ノズル
がバーナランス３の形に形成され、このバーナランス端
部においてバーナへの燃料供給が行われる。バーナラン
スはバーナの軸方向長さの少なくとも３分の１だけバー
ナ内に挿入されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ターボ機械の燃焼
室内でしばしば発生するような、燃焼装置内の燃焼によ
って生じる、特に音響的な減衰作用の小さな振動を低減
するための方法と、この方法を実施するための予混合バ
ーナに関する。
【０００２】
【従来の技術】例えばガスタービン装置のようなターボ
機械を運転する際に、しばしば燃焼による熱音響的な振
動が燃焼室内に発生する。この振動はバーナで流体機械
的な不安定波として発生し、流れを渦を生じることにな
る。この渦は、燃焼過程全体に大きな影響を与え、燃焼
室内で不所望な周期的熱放出を生じる。その結果、大き
な振幅の圧力変動が生じ、この圧力変動は、燃焼室ケー
シングの大きな機械的負荷、不均一な燃焼によるＮＯｘ
エミッションの増大または燃焼室内の火炎の消失のよう
なのような不所望な作用を生じることになる。
【０００３】熱音響的な振動は少なくとも一部が、流れ
の干渉構造で変化するバーナ流れの不安定性に基づいて
おり、そして空気と燃料の混合に悪影響を及ぼす。
【０００４】例えば燃焼室壁上を案内される冷却空気フ
ィルムによってあるいは燃焼室の範囲または冷却空気供
給部の範囲におけるいわゆるヘルムホルツ減衰器の音響
的な結合によって、熱音響的な振動を抑制する一連の技
術が知られている。
【０００５】更に、燃料を付加的に噴射することによっ
て燃料火炎を安定させることにより、バーナ内で発生す
る燃焼の不安定を生じないようにすることが知られてい
る。このような付加的な燃料の噴射は、バーナのヘッド
ステージから行われる。このヘッドステージでは、バー
ナ軸線上に位置するパイロット燃料ガス供給のためのノ
ズルが設けられている。これは中央の火炎安定領域の混
合気を濃くすることになる。しかし、熱音響的な振幅を
小さくするこの方法は、ヘッドステージでの燃料の噴射
がＮＯｘのエミッションを増大させるという欠点があ
る。
【０００６】熱音響的な振動の発生に関する調査から、
流れの不安定が往々にして上記燃焼の不安定を生じると
いうことが判った。この場合、２つの混合流れの間で形
成される剪断層が特に重要である。この剪断層は流れ方
向に対して垂直に延びる波を生じる（ケビン−ヘルムホ
ルツ−波）。進行する燃焼プロセスと組み合わせられる
剪断層のこの不安定性は、応答速度変化によって生じる
熱音響的な振動にとって重要である。この干渉波は上記
種類のバーナの場合、典型的な運転条件で、約１００Ｈ
ｚの範囲の振動数の振動を生じることになる。この振動
数がガスタービン装置の多数の環状バーナの代表的な基
本固有モードと一致するので、熱音響的な振動は問題で
ある。これに近い実施形は公知である（例えば非特許文
献１，２，３参照）。
【０００７】上記の刊行物から明らかなように、剪断層
内に形成される干渉構造に対して、音響的な励起を適切
に行うことによって、このような渦の発生を防止するよ
うに影響を与えることができる。それによって、熱放出
の変動が阻止され、圧力変動が低減される。
【０００８】予混合火炎は安定させるために低速領域を
必要とする。逆流領域が火炎を安定させる働きをする。
この逆流領域は、後側の妨害体の後流によってあるいは
空気力学的な方法（渦破壊）によって生じる。逆流領域
の安定性は燃焼の安定性および熱音響的な不安定性の回
避のための他の判断基準である。
【０００９】
【非特許文献１】オスター＆ヴィグナンスキー（Oster
＆ Wygnanski）1982年“平行流の間の強制混合”、流体
機械ジャーナル第123 巻第91〜130 頁
【００１０】
【非特許文献２】パッシェライト(Paschereit)等1995年
“非対称ジェットにおける分周振動の経験的な研究”流
体機械ジャーナル第283 巻第365 〜407 頁
【００１１】
【非特許文献３】パッシェライト(Paschereit)等1998年
“ガスタービンバーナの熱音響的な不安定性の構造と制
御”燃料、科学＆テクノロジ第138 巻第213 〜232 頁
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】本発明の根底をなす課
題は、バーナ出口における干渉性流れ不安定の発生を充
分に防止する、燃焼装置内の燃焼によって生じる、特に
音響的な減衰作用の小さな振動を低減するための方法
と、少ない装置コストで製作可能である、上記方法を実
施するための予混合バーナを提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】この課題は本発明に従
い、独立請求項に記載した種類の方法と予混合バーナに
よって解決される。
【００１４】本発明思想の他の発展形態の特徴は、従属
請求項と次の説明の対象である。
【００１５】例えば欧州特許第０３２１８０９号明細書
に記載された種類の予混合バーナを含む燃焼装置から出
発して、本発明の基本思想は、バーナ内でバーナ出口の
下流で形成される、燃料と空気の混合気を点火する中央
の逆流領域を安定させることにある。逆流領域を安定さ
せ、バーナ出口における干渉渦構造の形成を低減するこ
とによって、熱音響的な振動を発生する、燃焼室内での
周期的な熱放出が充分に阻止される。
【００１６】逆流領域の流れ技術的な安定化は本発明に
従い、一般的にパイロットガス供給のために使用される
ようなバーナランスの形をした中央の燃料ノズルを設け
ることによって行われる。この場合、バーナランスは、
バーナヘッドの側からバーナ内の下流へ少なくともバー
ナ軸方向長さの３分の１だけ挿入されるような長さを有
する。バーナランスは好ましくはバーナの軸方向長さの
６０〜８０％の長さを有し、バーナ軸線に沿って中央に
配置されている。
【００１７】燃料供給は好ましくは、ランス端部に設け
られた少なくとも１つの燃料ノズル口から行われ、その
際バーナの内室に供給される燃料が微細に分配されて供
給空気と混合し、同時に渦流化される。特にランス端部
の後流によって、空気力学的に発生した逆流領域が更に
安定させられる。特に本発明による燃料入口をバーナ内
室内で下流に移動させた位置に設けることによって、逆
流領域内に形成される火炎が周期的にバーナの中および
バーナの外に移動することが防止される。燃料出口を燃
焼室内に形成される逆流領域に空間的に近づけることに
より、流れ方向に広がる渦流化された燃料と空気の混合
気によって、渦の破壊が補助される。それによって、逆
流領域およびそれに伴い火炎が安定させられる。
【００１８】更に、いろいろなランス形状によって、干
渉構造の発生に影響を与えることができることが判っ
た。次の実施形において、一連の有利なランス形状が提
案される。この形状は、渦運動を扇状にすることによっ
て干渉構造の発生を付加的に阻止することが共通してい
る。
【００１９】他の実施形では、ランスは２つの液状媒体
の独立した供給を可能にする手段を備えている。このよ
うな実施形は、燃料噴射のほかに、追加空気をバーナ室
内に供給することを可能にする。この追加空気のそれ自
体公知の供給によって、燃焼室振動を更に抑えることが
できる。
【００２０】特に、燃料が外周壁に沿って配置されたノ
ズルから、バーナ室内に接線方向に入る燃焼空気に供給
される予混合バーナの運転方法では、バーナ室内に挿入
された中央の燃料ランスを介しての部分的な燃料噴射を
行う本発明による手段は、逆流領域内に形成される火炎
を安定させるために寄与する。
【００２１】
【発明の実施の形態】次に、図を参照して、実施の形態
に基づき、そして本発明思想を限定することなく、本発
明を例示的に説明する。
【００２２】図１には、例えば欧州特許第０３２１８０
９号明細書から基本構造が明らかなような予混合バーナ
１の縦断面が示してある。この予混合バーナ１は、円錐
状に広がる２個の半割り部材１ａ，１ｂを備えている。
この半割り部材は、互いに鏡像的に向き合う２つのオー
バーラップ範囲において接線方向の隙間を形成するよう
に、軸線平行にかつ互いにずらして配置されている。半
割り部材１ａ，１ｂの縦軸線をずらすことによって生じ
る隙間は、流入通路としての働きをし、バーナ運転時に
燃焼空気７がこの流入通路を経てバーナ内室２に接線方
向に流入する。この流入通路に沿って噴射口が設けられ
ている。好ましくはガス状の燃料８がこの噴射口を通っ
て、そのそばを流れる燃焼空気７に噴射される。上記種
類のバーナはバーナ外周壁に設けられたこの燃料噴射口
８のほかに、バーナ内室２の始端範囲の中央に配置され
た、他の燃料、好ましくは液体燃料を供給するためのノ
ズルを備えている。燃焼空気７と燃料８は渦流６を形成
して強く混合されながらバーナ内室２を通過する。バー
ナ出口において、渦流６はそこで作用する火炎面に対し
て安定化作用を有する逆流領域５を形成しながら消え
る。このバーナ１の構造と作用の他の詳細は上記の欧州
特許文献と、専門家に知られている他の情報源から明ら
かである。
【００２３】本発明では、上記の中央の燃料ノズルが延
長されて、バーナランス３がバーナ軸線に対して平行に
バーナ内室２の中に達している。このランス３は好まし
くはバーナ１の軸方向長さの約２／３の範囲にある長さ
を有する。ランスは中央に配置された燃料通路３１を備
えている。この燃料通路の端部はランス端部の下流で燃
料ノズル３２を形成している。
【００２４】図１に示した実施の形態では、ランス端部
の範囲において更に、半径方向に向いたノズル３３が開
口している。このノズルから、燃焼装置で生じる熱音響
的な振動を付加的に減衰するために、空気がバーナ内室
２に供給される。この空気は燃料と同様に調節して供給
可能である。渦流６をなしてバーナ内室２を通って燃焼
室（燃焼器）４内に達する燃料と空気の混合気は、燃焼
室４内で形成される逆流領域５を安定させることができ
る。特に点火の前または点火中の燃料と空気の混合気の
渦の強さが、燃焼室４内での渦の消滅を良好にする。そ
れによって、逆流領域５が安定する。これによって、逆
流領域５がその位置を周期的に変えることを防止するこ
とができる。この周期的な変化は、燃焼装置内で広がる
熱音響的な振動の原因である。
【００２５】図２は、１２０Ｈｚ範囲の圧力振動の形態
の不安定性の抑制に関する、本発明に従って形成された
バーナランス３の作用を示すグラフである。図２の縦軸
に沿って圧力値（Ｐａ）を記入した脈動は、バーナ１内
でのランス端部の位置の関数として記入されている。横
軸に沿って、比ｌ／Ｌ、すなわちバーナの軸方向全長Ｌ
に対するバーナランス３の長さｌの比が記入されてい
る。その際、位置ｌ／Ｌ＝０は前述のような中央燃料ノ
ズルの元の位置に対応している。
【００２６】グラフに示した異なる機能変化は、図２の
凡例から明らかであるような次の測定条件に一致してい
る。
【００２７】水平に記入された実線は基本線である。こ
の基本線に従って、所定の運転条件のときに、本発明に
従って形成されたランスを備えていないそれ自体公知の
バーナ装置が振動する。正方形を混ぜて示した機能変化
は、中央のバーナランスだけが設けられたバーナの予混
合運転中の振動状態を示している。しかし、この中央の
バーナランスによって、バーナへの燃料の供給は行われ
ない。黒塗りの菱形をまぜた線は本発明に従って形成さ
れたバーナランス３を使用した運転を示している。この
場合、バーナランス３による燃料追加供給として、時間
あたり２ｋｇの燃料が供給される。三角形を混ぜた一点
鎖線は、本発明に従って形成されたバーナランス３の使
用下での、菱形を混ぜた線と同様なケースを示す。しか
し、燃料は時間あたり５ｋｇ追加供給される。
【００２８】図２から明らかなように、予混合運転中発
生する不安定性は、図１に示したバーナの場合、ｌ／Ｌ
＝0.6 〜0.8 のランス位置で最も良好に抑制することが
できる。その際、有利なランス位置はｌ／Ｌ＝0.7 であ
る。
【００２９】実質的に改善された火炎安定性と干渉構造
の破壊によって保証可能である、バーナ運転中の不安定
性の抑制は、渦の強さを流れ方向に生じるために、ラン
ス端部を妨害体１０，１１，１３として形成することに
よって改善することができる。これに関するいろいろな
妨害体形状が図５〜８から明らかである。この妨害体形
状に従って、ランス端部を形成することができる。これ
らの図に示した妨害体形状に依存して、図３に示した、
不安定性を抑制する作用を示すための特性曲線が得られ
る。
【００３０】図３に示したグラフは図２のグラフと比較
可能である。異なるように形成された妨害体形状に対す
る個々の機能変化の関連性は同様に、図の凡例から直接
推測することができる。不安定性の抑制がｌ／Ｌ＝0.6
〜0.8 のバーナランス長さで最もはっきり現れることが
示してある。すべて妨害体形状のうち、円錐形に形成さ
れたバーナランス（図７）が、不安定性を抑制するため
に特に適していることが判った（これについては、図３
におけるさかさまの三角形を混ぜた破線参照）。
【００３１】図４には、窒素酸化物エミッションに関す
る個々の妨害体形状の評価が示してある。この場合、図
５に示した、多数の燃料出口を有するバーナランスが特
に有利であることが判った。図５に示した妨害体形状
と、後続の図に示した妨害体の形状は、例えばねじを有
するねじアタッチメントとして形成可能である。このね
じアタッチメントはバーナヘッドにねじ込み可能であ
り、特に試験のために容易に交換可能である。
【００３２】図５に示したバーナランス３は、外周壁を
側方に貫通する多数の燃料出口９を備えている。噴射燃
料を軸方向に扇状に広げることにより、燃料と燃焼空気
の均一な混合が保証される。その際、噴射は好ましく
は、流れ方向に見てランスの後側半部の範囲内で行われ
る。図６は星形に形成されたランス端部形状を示し、図
７は円錐形に形成されたランス端部形状を示している。
この場合、ランス３からの燃料排出は、図８のランス形
状と同様に、軸方向に向いた出口１２，３２によって行
われる。図８は板１３を取り付けたバーナランスを示し
ている。
【００３３】妨害体形状は、図３に基づいて説明したよ
うに、予混合に対して決定的な影響を及ぼすことができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】延長したバーナランスを有する、円錐形に形成
されたバーナの概略的な縦断面図である 。
【図２】音響的な減衰作用に対するバーナランスの長さ
の関係を示すグラフである。
【図３】いろいろなランス形状についての、音響的な減
衰作用に対するバーナランスの長さの関係を示すグラフ
である。
【図４】いろいろなランス形状についての、ＮＯｘエミ
ッションに対するバーナランスの長さの関係を示すグラ
フである。
【図５】バーナランスの形状を示す図である。
【図６】バーナランスの他の形状を示す図である。
【図７】バーナランスの他の形状を示す図である。
【図８】バーナランスの他の形状を示す図である。
【符号の説明】
１ バーナ １ａ，１ｂ 半割り部材 ２ バーナ内室 ３ バーナランス ３１ 燃料管 ３２ ランス３の軸方向燃料出口 ３３ 半径方向空気噴射部 ４ 燃焼室 ５ 逆流領域 ６ 渦流 ７ 燃焼空気 ８ 燃料 ９ ランス３の燃料出口 １０ 星形のランス端部形状 １１ 円錐形のランス端部形状 １２ ランス３の燃料出口 １３ ランス端部の板 ｌ バーナランスの長さ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クリスチャン・オリバー・パシェライト スイス国、バーデン、イム・イファング、 23

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも１個のバーナを備え、少なく
    とも１つ燃焼空気流が接線方向からバーナ内室に供給さ
    れ、バーナ軸線に対して同軸に配向された渦流を形成し
    ながら、噴射されたガス状およびまたは液状の燃料と強
    く混合され、この渦流がバーナ出口の急激な横断面変化
    部で、そこで作用する火炎面を安定化させる逆流領域を
    誘起する、燃焼装置、特にターボ機械の燃焼室内の燃焼
    によって生じる振動を低減するための方法において、逆
    流領域を流体機械的に安定させるために、妨害体（３）
    が渦流（６）の回転軸線に沿って配置され、この中央の
    妨害体（３）から燃料が渦流（６）に付加的に供給され
    ることを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 妨害体（３）がバーナ内室（２）の軸方
    向長さの少なくとも５０％、好ましくは６０〜８０％の
    範囲を占めることを特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 渦流（６）への付加的な燃料供給が少な
    くとも、バーナ内室の軸方向長さの５０％以上の範囲に
    わたって行われることを特徴とする請求項２記載の方
    法。
  4. 【請求項４】 均一に混合した燃料と空気の混合気が下
    流に形成されるように、燃料供給が行われることを特徴
    とする請求項１記載の方法。
  5. 【請求項５】 燃料と燃焼空気が妨害体から渦流に噴射
    されることを特徴とする請求項１記載の方法。
  6. 【請求項６】 中央の妨害体が流れ方向に向かって増大
    する横断面を有することを特徴とする請求項４または５
    記載の方法。
  7. 【請求項７】 ターボ機械としてガスタービン装置が使
    用されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つ
    に記載の方法。
  8. 【請求項８】 渦発生器を備え、この渦発生器が円錐状
    に広がる２個の半割り部材（１ａ．１ｂ）からなり、こ
    の半割り部材が、鏡像対称的に向き合う２つのオーバー
    ラップ範囲内に接線方向の隙間を形成するように、軸線
    平行にかつずらして配置され、この隙間がバーナ内室
    （２）への燃焼空気（７）の流入通路としての働きを
    し、更に、半割り部材（１ａ．１ｂ）によって取り囲ま
    れたバーナ内室（２）内に少なくとも１個の中央の燃料
    ノズルを備えている、燃焼装置、特にターボ機械の燃焼
    室（４）内の燃焼によって生じる振動を低減するための
    予混合バーナにおいて、中央の燃料ノズルが同軸に配向
    されたバーナランス（３）の形に形成され、かつバーナ
    内室の軸方向長さの少なくとも３分の１までバーナ内室
    （２）内に達し、バーナランス（３）が少なくともその
    下流側の端部範囲に、少なくとも１つの流体をバーナ内
    室（２）に排出するための手段を備えていることを特徴
    とする予混合バーナ。
  9. 【請求項９】 バーナランス（３）の端部がバーナ内室
    （２）の軸方向長さの６０〜８０％の範囲に位置してい
    ることを特徴とする請求項８記載の予混合バーナ。
  10. 【請求項１０】 ランス（３）がほぼ円筒形に形成され
    ていることを特徴とする請求項８記載の予混合バーナ。
  11. 【請求項１１】 ランス（３）が少なくともその下流側
    の端範囲に、広がる横断面を有することを特徴とする請
    求項８記載の予混合バーナ。
  12. 【請求項１２】 ランス（３）が流れ方向に円錐形に広
    がる端範囲を備えていることを特徴とする請求項１１記
    載の予混合バーナ。
  13. 【請求項１３】 ランス（３）が流れ方向に星形に広が
    る端範囲を備えていることを特徴とする請求項１１記載
    の予混合バーナ。
  14. 【請求項１４】 ランス（３）がその端範囲に、流れ方
    向に対して垂直な板（１３）を備えていることを特徴と
    する請求項１１記載の予混合バーナ。
  15. 【請求項１５】 バーナランス（３）の端範囲が燃料出
    口（３２）を備えていることを特徴とする請求項８記載
    の予混合バーナ。
  16. 【請求項１６】 バーナランス（３）の端範囲が燃料と
    燃焼空気のための出口（３２，３３）を備えていること
    を特徴とする請求項８記載の予混合バーナ。
  17. 【請求項１７】 バーナランス（３）の外周壁が燃料用
    出口（９）を備えていることを特徴とする請求項８記載
    の予混合バーナ。
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