JP2011515642A - バーナ装置並びにバーナ装置の使用 - Google Patents

Abstract

バーナ装置（１０）が、燃料と空気とを混合するために、軸線（１５）に沿って流れ方向に延在している、燃焼室（１４）内に通じる管状の混合装置（１３）を有しており、混合装置（１３）内にある燃料の逆火を防止するための第１の手段（１６）が混合装置（１３）内に設けられており、第１の手段（１６）は、壁付近の空気膜の形成若しくは補強のために、軸線（１５）に対して同心的に配置されたフィルムエアリング（１６）を有している。このようなバーナ装置において、高反応性の燃料であっても逆火を、フィルムエアリング（１６）が空気の噴入のために、軸線（１５）に対して同心的な少なくとも１つの環状ギャップ（２１）を有していることにより確実に回避される。

Description

本発明は燃焼技術の分野に関するものであり、請求項１の上位概念部記載のバーナ装置に関する。

背景技術
定置式のガスタービンプラントにおいて、ＡＥＶ型の予混合バーナが使用される（ＡＥＶ＝Advanced Environmental Vortex）。このような予混合バーナはＥＰ０７０４６５７Ａ２から明らかになっており、この刊行物は本願の不可欠な構成要素を形成する。これ以降に出願された、予混合バーナのさらなる改良形である、例えばＥＰ０９１３６３０Ａ１、ＵＳ６０４５３５１、ＷＯＡ１２００６／０４８４０５も同様である。より理解しやすくするために、本願の図１に記載の状況の説明は符号を付して行う。図１から明らかな予混合バーナ１１はヘッド側において渦発生器を装備しており、下流側に、自体燃焼室１４に通じている混合管１３を有している。バーナ装置１０は軸線１５に沿って延在している。予混合バーナ１１において形成された空気／燃料混合気１２は複数の部分円錐シェルの間に接線方向に噴入され、渦流が形成される。渦流は次いで後続の混合管１３において供給された燃料Ｆと完全に混合される。燃料２５を渦発生器に案内できるだけでなく、必要に応じて燃料Ｆの部分量２５′が混合管１３に供給される。

上記バーナ装置１０の付加的な構成部材は混合管１３に配置されたフィルムエアリング（Filmluftring）１６（図１においては箱形鎖線により記載）である。フィルムエアリング１６の役割は、混合管内の壁付近の流れの層を、この領域にあるか又は混合管に付着している燃料が逆火を引き起こすことがないように効果的に充填することである。

上記刊行物（の図１参照）から看取可能であるように、公知のフィルムエアリングにおいて二列の環状の複数の孔が軸線方向に相前後して配置されている。これらの孔は、数、直径及び空間的な方向性において規定の基準を満たしている。これらの孔の列によって、バーナの全空気量の約１％の規定の空気量が達成される。

天然ガスとは別の燃料が上記バーナ装置において燃やされる場合、燃料は低い流速の範囲において混合管１３の壁付近に頻繁に集結する。このことは予混合バーナ１１への逆火の原因になる。
・乾燥した油の場合：高圧燃焼テストは所定の運転条件において、油が混合管の壁に衝突することを示した。
・Ｈ２リッチ燃料の場合：１ａｔｍの場合のＬＩＦテスト及び燃焼テストは、（特に典型的には１５０〜３５０℃の比較的高温にあるので）上記燃料の比較的小さな密度は、小さな侵入深さ、及び燃料が再び混合管の壁に付着するという高いリスクを意味することを確認した。

乾燥した油及びＨ２リッチ燃料のためのバーナの改良時の経験は、壁付近の境界層を効果的にさらに充填して（つまり、局地的な流速を高め）逆火のリスクを回避するために、フィルムエアの量を高めることが有効であり得るということを示唆してきた。さらに、壁付近の燃料濃度を減じることにより回避される。このことは一般的に、フィルムエアリング１６の孔の横断面を拡大する（つまり比較的大きな直径の孔を穿孔する）ことにより達成することができる。しかしこのことは混合管内の主流を突き抜け、もはや壁付近のフィルムを形成しない強力な空気噴流に繋がる。このことは２つの理由から逆効果である。
・壁付近の境界層がもはや効率的に充填されないので、これにより発生する局地的な低速により逆火の発生が促進されてしまう。
・比較的強力な空気噴流は主流を突き抜け、強力な乱流及び後流（Wirbelschleppe）を形成する。渦中に集結した燃料は渦中に存在する局地的な低速により、混合管における滞在時間は著しく延ばされ、それに応じて簡単に着火することになり、逆火に繋がることがある。

発明の開示
したがって本発明の目的は、公知のバーナ装置の欠点を回避し、特に簡単に高反応性の、有利にはＨ２リッチの燃料の使用時に逆火を確実に防ぐ混合装置を備えたバーナ装置を提供することである。

上記目的は、請求項１の特徴全体により達成される。壁付近の空気膜の形成若しくは補強のために混合装置内に配置されているフィルムエアリングは本発明にとって不可欠である。フィルムエアリングは空気の噴入のための軸線に対して同心的な少なくとも１つの環状ギャップを有していることを特徴とする。環状ギャップの使用により、複数の孔により形成された円形の空気噴流に比べて主流内に小さな侵入深さしか有さず、混合管の壁に簡単に密着する広幅で平坦な空気噴流が形成される。

本発明に係る構成は、軸線方向において複数の同心的な環状ギャップが相前後して配置されていることを特徴とする。これにより侵入深さが増すことなく、噴入される空気の流量を増大することができる。別の構成においては、環状ギャップは軸線方向に互いに同等に離間されており、全てが同じギャップ幅（スリット幅）を有している。当然ながらこのことは、スリット間の間隔が一定である必要はないので、絶対的なものと理解する必要はない。バーナの内部において、局所的に所望のフィルムエア層を達成するために、スリット幅を可変に形成することができる。

混合装置内の境界層への、噴入される空気の作用は、本発明のさらに別の構成によれば、環状ギャップが流れ方向において傾けて構成されていることにより高められる。

フィルムエアリングが軸線方向に相前後して配置されている複数の環状部材から構成されていると特に構造は簡単である。複数の環状部材は、周面にわたって分配されて配置されている支持部材により間隔を保持して環状ギャップを形成する。

本発明のさらに別の構成は、１つ若しくは複数の環状ギャップに、環状ギャップを通って混合装置内へ流出する空気流に接線方向の流れ成分を形成するための第２の手段が設けられていることを特徴とする。有利には第２の手段は斜めに延在する溝を、環状ギャップを画成する壁に有している。これにより噴入される空気に簡単に渦を付与することができる。渦は流れの境界層へ有利に作用する。

有利には、混合装置は円筒状の混合管として構成されており、バーナ装置は、特にダブルコーンバーナの形式の予混合バーナを有している。混合管は予混合バーナの出口に配置されている。

予混合バーナの構成に関しては、渦発生器と混合管との間において働く移行区分のない予混合バーナを設けることも容易に可能である。このような予混合バーナはＥＰ−Ａ１−０３２１８０９において明らかである。この刊行物からの開示内容、及び上記バーナ技術に続くさらなる改良形は、渦発生器の構造に関して本願の不可欠な構成を明確に適切に構成する。

予混合バーナのさらに別の構成は、渦発生器と混合管との間に移行通路が設けられているようになっている。移行通路は、渦発生器において形成される渦流の、移行通路の下流側に接続されている混合管の貫流横断面への移送を担う。このような構成はＥＰ０７０４６５７Ａ１から明らかである。この刊行物からの開示内容は同様に本願の不可欠な構成要素を形成する。

予混合バーナのさらに別の構成は、円筒状又はほぼ円筒状の管が設けられているようになっている。円筒状又はほぼ円筒状の管は部分シェルから成っていて、円筒状又はほぼ円筒状の管内に燃焼空気流が接線方向に配置された空気流入スリット又は通路を介して内室内に流入する。適切な箇所に噴入された少なくとも１つの燃料との求められる最大限の混合のために、燃焼空気流の所望の渦形成は、流れ方向において円錐状又はほぼ円錐状に延在する内部ボディにより達成されるか又は促進される。このような構成は、例えばＥＰ０７７７０８１Ａ１から明らかである。この刊行物からの開示内容は本願の不可欠な構成要素を形成する。

本発明に係るバーナ装置は、有利には少なくとも１つの燃焼室を備えたガスタービンプラントの運転のために使用される。

本発明に係るバーナ装置は、特に有利には、特に高反応性の燃料を使って運転されるガスタービンにおいて使用することができる。

予混合バーナと、フィルムエアリングを有する後続の混合管とを備えた公知のバーナ装置を極めて簡略的に示した図である。 本発明の有利な実施の形態に係る、環状ギャップと共に働くフィルムエアリングの構成を示した図である。

本発明の実施の形態の説明
以下に、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。本発明を直接的に理解するために重要でない特徴は全て省かれている。異なる図面において同じ部材には同じ符号が付されている。異なる媒体の流れ方向は矢印で示されている。

図２には、図１に記載のバーナ装置１０のためのフィルムエアリング１６の、新たに提案する構造の有利な実施の形態が示されている。新たな構造は比較的大きく強力なフィルムエア層を混合管１３の壁付近に形成するようになっている。平坦な噴流は円形の噴流よりも小さな侵入深さを有しているという認識において（実際に平坦な噴流は交差する流れにおいて壁に比較的迅速に付着する傾向にある）、図２に記載の混合管１３における、ＷＯ−Ａ１−２００６／０４８４０５において公知の孔列は１つ又は複数の環状ギャップ２１と交換される。１つ又は複数の環状ギャップ２１は軸線１５に対して同心的又はほぼ同心的に配置されている。環状ギャップ２１を通って、環状噴流２３として空気が混合管１３の内部へ噴入され、空気噴流２３は比較的容易に混合管の壁に当たる。

全横断面、ギャップ２１の数、ギャップ幅及び個々のギャップの間隔を、噴入される空気の流量を変更するために容易に変更することができる。ギャップ幅の変更は特に簡単である。さらにギャップ２１は、混合管１３の壁への空気噴流２３の当接をさらに改良するために、流れ方向において選択可能な角度だけ傾動させることができる。

ギャップ２１の壁に適切に斜めに構成された複数の溝２４（図２においては単に１つの溝２４を例示した）を加工することにより、接線方向の成分（渦）を環状の空気噴流２３に強制することもできる。

図２の実施の形態において、３つのギャップ２１が相前後して等間隔で及び同じギャップ幅を持って設けられている。ギャップ２１はギャップ幅の間隔に軸線方向に相前後して配置された４つの環状部材１７，１８，１９，２０により形成される。有利には、環状部材１７〜２０の互いに隣り合う面が、ギャップ２１が均一のギャップ幅を持って壁厚全体にわたってもたらされるように形成されておりかつ互いに合されている。個々の環状部材１７〜２０は局所的な支持部材２２により間隔を保持される。支持部材２２は周面にわたって分配されて隣り合う環状部材の間に配置されている。当然ながら他の製造方法も可能である。

このようなバーナ装置を使った大気中の燃焼テストから、環状ギャップ（比較可能な孔に比べて１５０％以上の空気を噴入する）によって、広幅な運転領域にわたって逆火を完全に回避することができる、ということが明らかになった。このことは高圧テストによっても確認されている。

本発明に係る新しい形式のフィルムエアリングは、あらゆる燃料の場合にも使用することができる。しかしフィルムエアリングは、定置のガスタービンプラントにおいて燃焼される反応性の燃料（例えばオイル又はＨ２リッチ燃料）に対して特に有利である。しかし上記技術はＡＥＶバーナに限定されるものではなく、他のバーナの混合装置においても有効に使用することができる。

１０ バーナ装置、 １１ 予混合バーナ、 １２ 空気／燃料混合物、 １３ 混合管、 １４ 燃焼室、 １５ 軸線、 １６ フィルムエアリング、 １７〜２０ 環状部材、 ２１ 環状ギャップ、 ２２ 支持部材、 ２３ 空気噴流、 ２４ 溝、 ２５ 燃料噴入、 ２５′ 燃料噴入、 Ｆ 燃料

Claims (17)

1. バーナ装置（１０）であって、燃料と空気とを混合するために、軸線（１５）に沿って流れ方向に延在している、燃焼室（１４）内に通じる管状の混合装置（１３）を有しており、該混合装置（１３）内にある燃料の逆火を防止するための第１の手段（１６）が混合装置（１３）内に設けられており、第１の手段（１６）は壁付近の空気膜の形成若しくは補強のために、軸線（１５）に対して同心的に配置されたフィルムエアリング（１６）を有しているバーナ装置において、
   フィルムエアリング（１６）は空気の噴入のために、軸線（１５）に対して同心的又はほぼ同心的な少なくとも１つの環状ギャップ（２１）を有していることを特徴とする、バーナ装置。
2. 同心的又はほぼ同心的な複数の環状ギャップ（２１）は軸線（１５）の方向に相前後して配置されていることを特徴とする、請求項１記載のバーナ装置。
3. 複数の環状ギャップ（２１）は軸線方向において互いに同じ間隔だけ離間されていることを特徴とする、請求項２記載のバーナ装置。
4. 前記複数の環状ギャップは軸線方向において不同に及び／又は可変に離間されていることを特徴とする、請求項２記載のバーナ装置。
5. 複数の環状ギャップ（２１）は全て同じギャップ幅を有していることを特徴とする、請求項２から４までのいずれか一項記載のバーナ装置。
6. 複数の環状ギャップ（２１）は種々異なるギャップ幅を有していることを特徴とする、請求項２から４までのいずれか一項記載のバーナ装置。
7. 複数の環状ギャップ（２１）は流れ方向に傾いて形成されていることを特徴とする、請求項２から６までのいずれか一項記載のバーナ装置。
8. フィルムエアリング（１６）は軸線方向に相前後して配置されている複数の環状部材（１７〜２０）から構成されており、該複数の環状部材（１７〜２０）は環状ギャップ（２１）の形成のために周面にわたって分配して配置された支持部材（２２）を介して、間隔を置いて保持されることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一項記載のバーナ装置。
9. 環状ギャップ（２１）を通って混合装置（１３）内に進出する空気流に接線方向の成分を形成するための第２の手段（２４）が、１つの若しくは複数の環状ギャップ（２１）に設けられていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか一項記載のバーナ装置。
10. 前記第２の手段は環状ギャップ（２１）を画成する壁に、斜めに延在している溝（２４）を有していることを特徴とする、請求項９記載のバーナ装置。
11. 予混合バーナ（１１）は主に渦発生器から成っており、該渦発生器は互いに補完し合って１つのボディを形成する、流れ方向に互いに入り込んでいる少なくとも２つの中空の部分円錐シェルから成っており、該中空の部分円錐シェルにより形成される内室の横断面は流れ方向において増大し、前記部分円錐シェルの長手延在方向において前記部分円錐シェルの隣り合う壁が、前記部分円錐シェルによって形成された内室内への燃焼空気流の流入のために接線方向の空気流入スリット又は通路を形成するように、前記部分円錐シェルの各長手方向対称軸線が互いにずらされて延在していることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか一項記載のバーナ装置。
12. 渦発生器は互いに補完し合って１つのボディを形成する、流れ方向に互いに入り込んでいる少なくとも２つの中空の部分シェルから成っており、前記中空の部分シェルにより形成される前記内室の横断面は、流れ方向において円筒状又はほぼ円筒状に延在しており、前記部分シェルの長手延在方向において前記部分シェルの隣り合う壁が、前記部分シェルによって形成された内室内への燃焼空気の流入のための接線方向の空気流入スリット又は通路を形成するように、前記部分シェルの各長手方向対称軸線は互いにずらされて延在しており、前記内室は、流れ方向において円錐形又はほとんど円錐形に減少する横断面を有する内部ボディを有していることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか一項記載のバーナ装置。
13. 液状の燃料が中央の燃料ノズル（５）を介して前記内室内に噴入される、及び／又は、他の燃料Ｆが前記各渦発生器の接線方向の前記空気流入スリットを介して前記混合管内に噴入される、及び／又は、他の燃料Ｆは前記混合管内に噴入されることを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか一項記載のバーナ装置。
14. 前記渦発生器と混合管（１３）との間の移行領域に移行通路が設けられており、該移行通路は、前記渦発生器内に形成された燃焼空気流を前記移行通路の下流側に接続されている混合管（１３）の通流横断面へと移送するために働くことを特徴とする、請求項１から１３までのいずれか一項記載のバーナ装置。
15. 少なくとも１つの燃焼室によって加熱されるガスタービンプラントにおける、請求項１から１４までのいずれか一項記載のバーナ装置の使用。
16. 逐次加熱されるガスタービンプラントにおける、請求項１から１５までのいずれか一項記載のバーナ装置の使用。
17. 複合プラントにおける、請求項１から１６までのいずれか一項記載のバーナ装置の使用。

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