JP2006507466A

JP2006507466A - バーナ

Info

Publication number: JP2006507466A
Application number: JP2004535115A
Authority: JP
Inventors: ベーレンブリンク、ペーター; ブロマイヤー、マルテ; クレプス、ヴェルナー; プラーデ、ベルント; シュトレープ、ホルガー
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-09-02
Filing date: 2003-08-20
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2023-08-20
Also published as: JP4369370B2; WO2004025183A2; CN1678871A; JP4841587B2; CN100432531C; US20060035188A1; ES2550096T3; US7753677B2; EP1534997B1; EP1394471A1; JP2008256357A; EP1534997A2; WO2004025183A3

Abstract

従来のバーナは、所定の運転範囲において燃焼が安定していない。この不安定燃焼のため、バーナの運転範囲が制限されている。本発明のバーナ（１）では、燃料（７）の濃度を従来行われていた如くバーナ内で一定とするのではなくて、濃度分布を生じさせる。燃料（７）の濃度を半径方向（５５）において内側から外側に向けて減少させるとよく、このために燃料ノズルからの流出角を場所的に変えたり、旋回翼を用いて燃料流を旋回させたりできる。

Description

本発明は、請求項１および請求項２の前文に記載のバーナに関する。

特にガスタービンの予混合バーナの運転範囲は、火炎自励振動のために制限される。かかる不安定燃焼は、例えばパイロット火炎の出力の増大により積極的に抑えるか、例えば共振装置によって受動的に抑えている。

本発明の課題は、簡単な改良で安定燃焼範囲を拡大したバーナを提供することにある。

この課題は、請求項１および請求項２に記載のバーナによって解決される。本発明に基づくバーナの有利な実施態様は従属請求項に記載してある。

図１は、特にガスタービンのバーナ１、特に予混合バーナ１を示す。このバーナ１はバーナ長手軸線４６を有する。その中央に、バーナ長手軸線４６に沿って、例えば拡散バーナ或いはパイロットバーナ４３が配置されている。該バーナ４３は、予混合運転中、バーナ１を支援すべく運転される。

拡散バーナ４３の半径方向先端４９で、例えば長手軸線４６を中心とする環状通路１３（図６参照）を経て、燃料７および／又は空気４が、予混合領域１０および／又は燃焼空間１９に供給される。なお、空気の代えて、燃料７と燃料・ガス可燃性混合気を生ずる酸素や他のガスも供給できる。例えば、まず空気４を、続いて燃料７を、通路１３に供給する。空気４は通路１３内で、例えば少なくとも旋回翼１６に沿って流れる。該旋回翼１６は、例えば燃料７を通路１３に供給する。旋回翼１６は、例えばバーナ長手軸線４６の周りに環状に、特に等間隔で配置されている（図６参照）。空気４と燃料７は、破線で示す予混合領域１０で混合する。

また、先ず燃料７を、続いて空気４を通路１３に供給するようにしてもよい。

図２は、環状通路１３を持つ拡散／パイロットバーナ４３の半径方向先端４９を示す。燃料７は少なくとも２つの燃料ノズル３１を経て通路１３に供給され、そこで、流れ方向８８に流れる。燃料は、旋回翼１６内に配置された燃料ノズル３１を介して供給できる。燃料７を他の分配装置を経て通路１３に供給するようにしてもよい。

従来、燃料濃度分布５８のために不安定燃焼が生ずる。該燃料濃度は、半径方向５５、即ち長手軸線４６に対し垂直な方向において、ほぼ同じ大きさを有している。

バーナ運転中の少なくとも或る時点で、半径方向５５において一定していない本発明に基づく燃料濃度分布５２により、燃焼振動の強さが減少する。この結果、バーナ１の運転範囲を拡大できる。燃料濃度分布は、例えば半径方向５５に見て中心、即ち長手軸線４６から外側に向けて変化し、特に燃料濃度が、例えば線形に増大ないし減少している。しかし、非線形の減少ないし増大でもよい。図３は、これ実現する旋回翼１６を示す。

媒体の流出角α、即ち、例えば空気４と燃料７の混合気の合成速度と周速との角度（図５参照）が、燃料７の濃度と類似した分布を有し、即ちバーナ長手軸線４６から見て流出角αが、例えば半径方向５５において最大値から最小値迄減少し、又はその逆になっていることでも、運転範囲を拡大できる。これは、例えば図４に示す旋回翼１６のねじりにより可能となる。流出角αは、通路内を流れる媒体（空気、酸素、燃料、その混合気）の流れ方向と長手軸線４６に対し直角な平面との角度でもある。

バーナ１の運転範囲を拡大し改善すべく、燃料濃度分布５２と流出角αの分布を、同時に組み合わせてもよい。

図３は、本発明に基づくバーナ１の旋回翼１６を示す。該翼１６は前縁（流入縁）６７と後縁（流出縁）７０を持つ。通路１３内で、媒体が流れ方向８８に沿って流れ、まず前縁６７に当たり、後縁７０から流れ出る。前縁６７の範囲に中実軸部７３があり、その中に燃料７の供給路６４が存在している。供給路６４は例えば盲孔である。供給路６４に、半径方向５５に見て後縁７０に対し平行な列を成して複数の孔があり、これら孔は燃料ノズル３１となっている。燃料７はこれらノズル３１を経て通路１３に達する。バーナに組み込まれた旋回翼１の燃料ノズル３１の孔径は、燃料濃度分布５２に応じて半径方向５５に変化し、例えば半径方向５５において内側から外側に減少している。旋回翼１６に沿って流れる媒体は流出角αをもって流出する。

図４は、本発明に基づくバーナ１の旋回翼１６の異なる実施例を示す。旋回翼１６は、例えば燃料ノズル３１の大きさと分布に関し、図３の旋回翼と同様に形成されている。更に、旋回翼１６はねじれ軸線７６を中心としてねじられている。この軸線７６は、流れ方向８８と、零とは違う交差角を成し、特にほぼ９０°である。旋回翼１６に沿って前縁６７から後縁７０迄流れるガス又は燃料・空気混合気は、半径方向５５に見て、種々の流出角αを成す。即ち供給路６４の長手軸線の方向に見て、後縁７０の範囲における旋回翼１６の一端での流出角α１は、他端での流出角α２と異なっている（α１≠α２）。特に、流出角αは線形に減少している。非線形の増大又は減少も可能である。

この半径方向５５での流出角αの分布は、同様に燃焼不安定を抑制し、この結果バーナ１の運転範囲を拡大できる。

通路１３内で、旋回翼１６に沿って流れる媒体は、通路１３内の流れ方向８８と流出角αを成している。旋回翼１６は、ねじったり、種々のノズル直径にしたりできる。

図５は、通路１３内を流れるガスの種々の流れベクトルを示す。このベクトル７９は子午線速度成分を表す。ベクトル８２は周速を表し、従って、合成速度ベクトル８５が生ずる。合成速度ベクトル８５と周速ベクトル８２の成す角度が流出角αである。角度９０°−αは補角である。流出角αは、流れ媒体の流れ方向と、バーナ長手軸線４６に対し垂直な平面との角度でもある。

バーナの縦断面図。図１におけるバーナの部分拡大図。本発明に基づいて形成されたバーナにおける旋回翼。本発明に基づいて形成されたバーナにおける旋回翼。流れる燃料・空気・混合気の速度ベクトル。図２のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図。

符号の説明

１バーナ、４空気、７燃料、１３通路、１６旋回翼、３１燃料ノズル、４３パイロットバーナ、４６バーナ長手軸線、５２燃料濃度分布、５５半径方向、６１羽根、８８流れ方向、α 流出角

Claims

少なくとも燃料（７）が供給されて流れ方向（８８）に流れ、その燃料（７）が流れ方向（８８）に対して垂直な平面内において濃度分布（５８）を有しているバーナ（１）において、バーナ（１）の運転中に不安定燃焼を防止するために、燃料濃度分布（５２）が一定にされていないことを特徴とするバーナ。
空気および／又は酸素（４）が供給され、流れ方向（８８）に流れ、該空気および／又は酸素（４）が流れ方向（８８）に対し垂直な平面内において流出角分布を有するバーナ（１）において、バーナ（１）運転中の不安定燃焼を防止すべく、流出角分布が一定にされていないことを特徴とするバーナ。
バーナ（１）がバーナ長手軸線（４６）と、該軸線（４６）に対し垂直に向いた半径方向（５５）を有し、燃料（７）の濃度分布（５２）が半径方向（５５）において変化していることを特徴とする請求項１又は２記載のバーナ。
バーナ（１）がその内部範囲を表すバーナ長手軸線（４６）を有し、燃料（７）の濃度が内側から外側に向けて減少することを特徴とする請求項３記載のバーナ。
燃料（７）が通路（１３）に供給され、空気（４）および／又は酸素が通路（１３）に供給されることを特徴とする請求項１記載のバーナ。
空気（４）および／又は酸素が通路（１３）に供給され、燃料（７）が通路（１３）に供給されることを特徴とする請求項２記載のバーナ。
バーナ（１）がバーナ長手軸線（４６）を有し、燃料（７）或いは空気（４）或いは酸素が通路（１３）に供給され、通路（１３）がバーナ長手軸線（４６）の周りに環状に形成されたことを特徴とする請求項１又は２記載のバーナ。
バーナ（１）がバーナ長手軸線（４６）と、該長手軸線（４６）に対し垂直に向いた半径方向（５５）を有し、かつバーナ（１）が媒体の流れる通路（１３）を有し、流れ媒体が、その流れ方向とバーナ長手軸線（４６）に対して垂直な平面との間に流出角（α）をなし、この流出角（α）が半径方向（５５）において変化していることを特徴とする請求項１又は２記載のバーナ。
バーナ（１）がバーナ（１）の内部範囲を表すバーナ長手軸線（４６）を有し、流出角（α）が半径方向（５５）において内側から外側に向けて減少していることを特徴とする請求項８記載のバーナ。
通路（１３）内を燃料・ガス混合気が流れることを特徴とする請求項５又は６記載のバーナ。
ガスタービン用のバーナであることを特徴とする請求項１又は２記載のバーナ。
拡散又はパイロットバーナであることを特徴とする請求項１又は２記載のバーナ。
予混合バーナであることを特徴とする請求項１又は２記載のバーナ。
バーナ（１）が通路（１３）を有し、該通路（１３）内に少なくとも１つの旋回翼（１６）が配置されたことを特徴とする請求項１又は２記載のバーナ。
燃料（７）が、旋回翼（１６）に存在する少なくとも１つの燃料ノズル（３１）を介して通路（１３）に供給されることを特徴とする請求項１４記載のバーナ。
旋回翼（１６）が多数の燃料ノズル（３１）を有し、該ノズル（３１）の直径が、燃料（７）の濃度分布（５２）が一定していないように、相互に異なっていることを特徴とする請求項１５記載のバーナ。
バーナ（１）がバーナ（１）の内部範囲を表すバーナ長手軸線（４６）と、該軸線（４６）に対し垂直に向いた半径方向（５５）とを有し、組み込まれた旋回翼（１６）に存在する燃料ノズル（３１）の直径が、半径方向（５５）において内側から外側に向けて減少されていることを特徴とする請求項１６記載のバーナ。
バーナ（１）が少なくとも１つの旋回翼（１６）を有し、該旋回翼（１６）が羽根（６１）を持ち、流れ方向（８８）に旋回翼（１６）に沿って流れるガスが、流れ方向（８８）と零と違う交差角を有する羽根（６１）の後縁に沿って異なった流出角（α）を有するように、該羽根（６１）がねじれ軸線（７６）を中心にねじられていることを特徴とする請求項１又は２記載のバーナ。
バーナ（１）がバーナ（１）の内部範囲を表すバーナ長手軸線（４６）と、バーナ長手軸線（４６）に対し垂直に向いた半径方向（５５）を有し、旋回翼（１６）に沿って流れるガスが、半径方向（５５）において旋回翼（１６）に種々の流出角（α）を有し、該流出角（α）が半径方向（５５）において内側から外側に向けて減少していることを特徴とする請求項１８記載のバーナ。