JP2013536397A - バーナ装置 - Google Patents

Abstract

本発明は１つの支持体とこの支持体に流れ方向に取付けられた少なくとも２個のバーナ（２、２ａ、２ｂ）とを備えるバーナ装置に関するものであり、それぞれのバーナ（２、２ａ、２ｂ）が１つの円筒形のハウジング（１２）を含み、このハウジングの中央部には１つの燃料流路（３）を有する１つのランスが設置され、このランスは複数の旋回用羽根（４）を介してハウジング（１２）に支持されており、このランスの燃焼室側には１つのキャップ（１０）が配置され、少なくとも１つの燃料ノズル（３）がこのキャップ（１０）内に、好ましくは複数の旋回用羽根（４）の下流側に配置され、前記燃料流路（３）と接続されており、少なくとも２個の前記バーナ（２、２ａ、２ｂ）の少なくとも２つの前記燃料ノズル（１）が異なる機能特性および／またはスプレー形状を有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、請求項１の前文に記載したバーナ装置に関する。

ガスタービンの運転中、燃焼室には圧縮空気が導入される。この圧縮空気は燃料、例えば油またはガス、と混合され、この混合気が燃焼室内で燃焼される。この高温の燃焼排ガスは次に作動媒体として燃焼室出口を通ってガスタービンに供給され、そこで膨張し冷却されながら動翼に衝撃を伝達し、こうして仕事をする。

バーナ装置は少なくとも２つのバーナを備えた１つの支持体を有し、これらのバーナは流れ方向にこの支持体に取り付けられている。それぞれのバーナは１つの円筒形のハウジングを含み、このハウジングの中央部には１つの燃料流路を有する１つのランスが設置され、このランスは複数の旋回用羽根を介してハウジングに支持されている。ここでランスの燃焼室側には１つのキャップが配置され、このキャップ内に少なくとも１つの燃料ノズルが好ましくは旋回用羽根の下流側に配置され、前記燃料流路と接続されている。ガスタービン、特に２種類の異なる燃料で運転されるガスタービンでは、例えば燃料である油の注入は旋回流発生領域で行なわれ、この領域で油は空気と混合される。油と空気をより良好に混合するために、油は複数の注入用ノズルの内部で旋回運動を受ける。この油ノズルは圧力旋回ノズルとも呼ばれる。

特に、２種類の異なる燃料で運転されるガスタービンでは、これらの油ノズルを、燃料と空気との混合が圧力脈動に関して最適となるように配置することはできない。

そこで本発明の課題は、上述した問題点を解決するバーナ装置を提供することにある。

この課題は本願請求項１に記載のバーナ装置により解決される。従属請求項は本発明の有利な形態を含む。

本発明によればこのようなバーナ装置において、少なくとも２つのバーナの少なくとも２つの燃料ノズルが異なる機能特性および／またはスプレー形状を有する。これにより、それぞれのバーナにおいて、複数の燃料ノズルを通って噴射された燃料の例えば圧縮空気への侵入深さが異なる。その結果、それぞれのバーナの火焔ゾーンが異なる安定点を有し、従って安定状態も異なる。これによって燃焼システム全体として見れば、複数の燃焼ゾーンの重なり（Verschmierung）が生じる。ここで「重なり」とは、火焔ゾーンの拡大、対称的なパターンの回避、および、温度の異なる複数のゾーンの生成を意味する。これにより熱音響的な挙動が改善される。

本発明の更なる利点、特徴および特性を以下の複数の実施形態について添付した図に基づき詳細に説明する。

本発明によるバーナ装置の１個のバーナの断面概略図である。 ８個のバーナを備えた本発明による第１のバーナ装置の燃料分布を 示す。 ８個のバーナを備えた本発明による第２のバーナ装置の燃料分布を 示す。 ８個のバーナを備えた本発明による第３のバーナ装置の燃料分布を 示す。

図１は本発明によるバーナ装置の１個のバーナ２を示す。本発明によるバーナ２のハウジング１２の内部に１つのランスの周囲に複数の旋回用羽根４が配置されている。これらの旋回用羽根４はこのランスの周囲に沿ってハウジング１２の内部に配置されている。圧縮空気流７がこれらの旋回用羽根４を通ってバーナ２の燃焼室（図示せず）導入部へ案内される。この空気はこれらの旋回用羽根４により旋回運動を受ける。また、このランスは１つの燃料流路３を有する。バーナ２はさらにその燃焼室側に１つのキャップ１０を備えている。このキャップ１０はランスと例えば溶接、ねじ止め、あるいは、直接に一体鋳造することができる。通常、多数の燃料ノズル１がキャップ１０の内部に、好ましくは旋回用羽根４の下流側に配置され、流体技術的に、ここでは油流路として表示されている燃料流路３と接続されている。８個のこのようなバーナ２が１つの支持体（図示せず）に円環状に配置されているのが有利である。これら複数のバーナ２はパイロットコーンを有する１つのパイロットバーナ（図示せず）の周りに配置されている。さらに、これらの旋回用羽根４もここでは表示されていない複数の追加燃料流路を備えることができる。

少なくとも２個のバーナ２が、本発明によるそれぞれ異なる機能特性および／またはスプレー形状を備えた複数の燃料ノズル１を有する。すなわち、１つのバーナ２の複数の燃料ノズル１の機能特性および／またはスプレー形状は他のバーナ２の複数の燃料ノズル１とは異なる。この替わりに、３個以上のバーナ２が、本発明によるそれぞれ異なる機能特性および／またはスプレー形状を備えた複数の燃料ノズル１を有することもできる。すなわち、それぞれ異なる機能特性および／またはスプレー形状を備えたバーナ２の個数、ならびに、燃料ノズル１の個数は固定されていない。

ここで燃料ノズル１の機能特性は少なくとも、ノズルの大きさ、噴出角度、液体分布および噴霧特性により特徴付けられる。ノズルの大きさは与えられた差圧下における燃料質量流量を実質的に定める。噴霧特性は少なくとも液滴の大きさの分布を含む。こうして例えば、簡単な加圧噴霧器、旋回ノズル、または、空気保護式噴霧器を使用することが可能である。スプレー形状に関しても異なったものとすることができ、燃料ノズル１は例えば、フルジェットスプレー、ホローコーンスプレー、フルコーンスプレー、またはフラットスプレーを形成することができる。これ以外のスプレー形状も可能である。それぞれのバーナ２の複数の燃料ノズル１は異なる機能特性および／またはスプレー形状によって圧縮空気流７の中への燃料の異なる分布挙動および異なる侵入深さ挙動を有する。例えば、圧縮空気流７の中への燃料の進入深さを著しく大きくすれば、キャップ１０の周囲の燃料分布がより狭くなる。この異なる分布・侵入深さ挙動により、それぞれのバーナ２の火焔ゾーンの安定性が異なる。これによって燃焼システム全体における複数の燃焼ゾーンの重なりが生じる。こうして特定の周波数におけるフィードバックに影響を及ぼすそれぞれのエネルギ量が減少し、臨界値よりも低くなる。これによって熱音響挙動が改善される。

図２は２ａ、２ｂタイプの８個のバーナを備えた本発明による第１のバーナ装置の燃料分布を示す。しかし、本発明は２ａ、２ｂタイプの８個のバーナに限定されるものではなく、バーナの個数を変えても良い。ここでバーナ２ａは、半径方向での中間的な侵入深さとキャップ１０の周りの幅広の燃料分布とを生じさせる機能特性およびスプレー形状を備えた複数の燃料ノズル１（図１）を有している。すなわち、このバーナ２ａはキャップ１０の周りに幅広の燃料分布リング１９ａを有する。この燃料分布リング１９ａはキャップ１０から半径方向に大きく離れている。

これとは異なりバーナ２ｂは、半径方向の侵入深さが非常に小さく、且つ、キャップ１０の周りの燃料分布が狭くなるような機能特性とスプレー形状を備えた複数の燃料ノズル１(図１)を有している。すなわち、このバーナ２ｂはキャップ１０の周りに幅狭の燃料分布リング１９ｂを有する。この燃料分布リング１９ｂのキャップ１０からの半径方向離間距離は小さい。図２は複数のバーナ２ａと２ｂの対称的な配置を示している。ここでは同一の機能特性およびスプレー形状を備えた４個のバーナ２ａがそれぞれ対向して配置されている。この配置はバーナ２ｂについても同様である。しかし、これ以外の配置も可能である。

図３は２ａ、２ｂタイプの８個のバーナを備えた本発明による第２のバーナ装置の燃料分布を示す。この実施例では複数のバーナ２ａと２ｂが交互に配置されている。

図２と図３には、燃料ノズル１（図１）においてそれぞれ異なる機能特性および／またはスプレー形状を備えた２種類のバーナ２ａ、２ｂを有するバーナ装置が示されている。しかし、燃料ノズル１（図１）において異なる機能特性および／またはスプレー形状を備えたより多数のバーナ２を１つのバーナ装置に備えることもできる。

図４は２ａ、２ｂタイプの８個のバーナを備えた本発明による第３のバーナ装置の燃料分布を示す。この実施例では６個のバーナ２ａが同一の機能特性およびスプレー形状を備えた複数の燃料ノズル１(図１)を有し、他の２つのバーナ２ｂがこれとは異なる機能特性およびスプレー形状を備えた複数の燃料ノズル１(図１)を有している。ここでバーナ２ｂの複数の燃料ノズル１(図１)の機能特性およびスプレー形状は互いに同一である。これはバーナ２ａと２ｂの非対称的な配置に対応している。熱音響的な観点からは、このような非対称的な配置は、燃焼システム全体における複数の周辺モードを防ぐのに、特に有効である。

２、２ａ、２ｂ バーナ
３ 燃料流路
４ 旋回用羽根
７ 圧縮空気流
１０ キャップ
１２ ハウジング
１９ａ、１９ｂ 燃料分布リング

本発明によるバーナ装置の１個のバーナの断面概略図である。 ８個のバーナを備えた本発明による第１のバーナ装置の燃料分布を示す。 ８個のバーナを備えた本発明による第２のバーナ装置の燃料分布を示す。 ８個のバーナを備えた本発明による第３のバーナ装置の燃料分布を示す。

ここで燃料ノズル１の機能特性は少なくとも、ノズルの大きさ、噴出角度、液体分布および噴霧特性により特徴付けられる。ノズルの大きさは与えられた差圧下における燃料質量流量を実質的に定める。噴霧特性は少なくとも液滴の大きさの分布を含む。こうして例えば、簡単な加圧噴霧器、旋回ノズル、または、空気保護式噴霧器を使用することが可能である。スプレー形状に関しても異なったものとすることができ、燃料ノズル１は例えば、フルジェットスプレー、ホローコーンスプレー、フルコーンスプレー、またはフラットスプレーを形成することができる。これ以外のスプレー形状も可能である。それぞれのバーナ２の複数の燃料ノズル１は異なる機能特性および／またはスプレー形状によって圧縮空気流７の中への燃料の異なる分布挙動および異なる侵入深さ挙動を有する。例えば、圧縮空気流７の中への燃料の進入深さを著しく大きくすれば、キャップ１０の周囲の燃料分布がより広くなる。この異なる分布・侵入深さ挙動により、それぞれのバーナ２の火焔ゾーンの安定性が異なる。これによって燃焼システム全体における複数の燃焼ゾーンの重なりが生じる。こうして特定の周波数におけるフィードバックに影響を及ぼすそれぞれのエネルギ量が減少し、臨界値よりも低くなる。これによって熱音響挙動が改善される。

Claims (11)

1. １つの支持体と、この支持体に流れ方向に取付けられた少なくとも２個のバーナ（２、２ａ、２ｂ）とを備えるバーナ装置であって、
   それぞれのバーナ（２、２ａ、２ｂ）が１つの円筒形のハウジング（１２）を含み、１つの燃料流路（３）を有する１つのランスがこのハウジングの中央部に設置され、このランスは複数の旋回用羽根（４）を介してハウジング（１２）に支持されており、このランスの燃焼室側には１つのキャップ（１０）が配置され、少なくとも１つの燃料ノズル（３）がこのキャップ（１０）内に、好ましくは複数の旋回用羽根（４）の下流側に配置され、前記燃料流路（３）と接続されているバーナ装置において、
   少なくとも２個の前記バーナ（２、２ａ、２ｂ）の少なくとも２つの前記燃料ノズル（１）が異なる機能特性および／またはスプレー形状を有することを特徴とするバーナ装置。
2. 異なる機能特性を備えた前記複数の燃料ノズル（１）が少なくとも、ノズルの大きさ、または噴射角度、または液体分布、または噴霧特性において互いに相違することを特徴とする請求項１に記載のバーナ装置。
3. 前記複数の燃料ノズルの異なる噴霧特性において、少なくとも液滴の大きさの分布が互いに異なっていることを特徴とする請求項１または２に記載のバーナ装置。
4. 異なるスプレー形状を備えた前記複数の燃料ノズルがフルジェットスプレー、ホールコーンスプレー、フルコーンスプレー、またはフラットスプレーを形成していることを特徴とする請求項１から３の１つに記載のバーナ装置。
5. 異なる機能特性および／またはスプレー形状を備えた少なくとも２個の前記バーナ（２、２ａ、２ｂ）の少なくとも２つの前記燃料ノズル（１）が少なくとも１つのフルジェットノズルと少なくとも１つの圧力旋回ノズルとを含むことを特徴とする請求項１から４の１つに記載のバーナ装置。
6. 前記複数の燃料ノズル（１）が油ノズルであることを特徴とする請求項１から５の１つに記載のバーナ装置。
7. 偶数個のバーナ（２ａ、２ｂ）が備えられ、これらが前記支持体に円環状に取付けられていることを特徴とする請求項１から６の１つに記載のバーナ装置。
8. ８個、１０個、または１２個のバーナ（２ａ、２ｂ）が備えられていることを特徴とする請求項７に記載のバーナ装置。
9. 少なくとも４個のバーナ（２ａ、２ｂ）が備えられ、すべての対向して配置されているバーナ（２ａ、２ｂ）が同一の機能特性およびスプレー形状を備えた複数の燃料ノズル（１）を有していることを特徴とする請求項７または８に記載のバーナ装置。
10. 少なくとも４個のバーナ（２ａ、２ｂ）が備えられ、少なくとも2個の対向して配置されているバーナ（２ａ、２ｂ）が異なる機能特性および／またはスプレー形状を備えた複数の燃料ノズル（１）を有していることを特徴とする請求項７または８に記載のバーナ装置。
11. 奇数個のバーナ（２ａ、２ｂ）が備えられていることを特徴とする請求項１から６の１つに記載のバーナ装置。

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