JP3527279B2 - 混合室 - Google Patents
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- F02K—JET-PROPULSION PLANTS
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- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
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-
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- F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
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Description
されたガス状の主流内に噴射させる混合室であって、二
次流が主流よりも著しく小さい質量流であるものに関す
る。
の例えば冷却空気の導入に基づき束状の冷たい空気流が
生じる。このような束状の冷たい空気流は燃焼区域内で
の燃焼を不十分なものにする。従って、燃焼空気と冷却
空気とを十分に混合する手段が講じられねばならない。
常は流過通路内への二次流の半径方向の噴射によって行
われている。二次流のパルスは、ほぼ完全な混合が通路
高さのほぼ100倍の距離を経た後にようやく生じる程
度に小さい。
aengswirbel)を再循環領域なしに形成できる装置を備え
た前記形式の混合室を提供することである。
では、主流が渦流・発生器を介して案内されるようにな
っており、渦流・発生器が、主流によって貫流される流
過通路の幅若しくは周囲に亙って互いに有利には隙間な
しに並べて配置されていて、かつそれぞれ、主流によっ
て自由に貫流される3つの面を有しており、これらの面
が流れ方向に延びており、これらの1つの面が屋根面を
形成し、かつ別の両方の面が側面を形成しており、両方
の側面が流過通路の同じ1つの通路壁に当接していて、
互いに楔角を成しており、屋根面が流過通路に対して横
方向に延びる縁部で以て前記通路壁に接触しており、側
面の、流過通路内に突出する長手方向の縁部と合致す
る、屋根面の長手方向の縁部が前記通路壁に対して仰角
を成して延びており、渦流・発生器の屋根面の、前記通
路壁からの最大の距離(頂点)としての高さが、流過通
路の高さ、若しくは渦流・発生器に配設された流過通路
部分の全高さの少なくとも50%であり、二次流が渦流
・発生器の範囲で流過通路内に導入されるようになって
いる。
れた新規なスタチックな混合器(statischer Mischer)を
用いて、混合室内において混合距離を著しく短くすると
同時に圧力損失を少なくすることが可能である。1回の
渦流回転の後にすでに主流と二次流との大まかな混合が
行われるのに対して、通路高さの数倍の距離を経た後に
は乱流に基づき密な混合が生じている。
特に簡単な構造にある。主流によって貫流される3つの
壁、即ち面から成る本発明に基づく部材、即ち渦流・発
生器は製作技術的に全く問題がない。流過通路の平らな
若しくは湾曲した通路壁への渦流・発生器の固定は、溶
接可能な材料の場合には簡単な溶接継目によって行われ
る。流体力学的な観点から、本発明に基づく渦流・発生
器においては貫流に際して圧力損失が著しく小さく、渦
流が死水領域なしに形成される。さらに、本発明に基づ
く渦流・発生器は通常中空の内室によって種々の形式で
さまざまな媒体を用いて冷却できる。
さと通路高さとの高さ比が、形成される渦流を、渦流・
発生器のすぐ下流で流過通路の通路高さ全体に亙って、
若しくは渦流・発生器に配設された流過通路部分の通路
高さ全体に亙って生ぜしめるように選ばれている。これ
によって、渦流・発生器の下流側においてすべての平面
で一様な分布が得られる。
渦流・発生器を隙間なしに、即ち互いに接近させて並べ
て配置してあることによって、渦流・発生器のすぐ下流
で既に全通路横断面が渦流によって完全に負荷される。
の側面が対称軸線を中心として対称的に配置されてい
る。これによって、旋回強さの同じ渦流が形成される。
緒に鋭角な1つの結合縁部を形成しており、該結合縁部
が屋根面の長手方向の縁部と一緒に頂点を形成している
と、流過横断面がほとんど閉鎖されない。
渦流・発生器の下流側の縁部を成していて、流過通路の
通路壁に対して垂直に延びている場合には、後流領域の
発生が避けられる。渦流・発生器の側面が通路壁に対し
て垂直に延びている場合には、渦流・発生器が簡単に製
作できる。
対して平行に延びており、渦流・発生器の両方の側面間
の結合縁部が渦流・発生器の下流側の縁部を成してお
り、屋根面の、流過通路に対して横方向に延びる縁部が
主流によって最初に負荷される縁部である場合には、1
つの渦流・発生器に逆向きの同じ2つの渦流が形成され
る。両方の渦流の旋回運動力は結合縁部の範囲で増大し
ている。
生器の屋根面の仰角及び又は両方の側面間の楔角が、流
れによって形成された渦流を渦流・発生器の範囲ですで
に崩壊させるように選ばれている。このような構成によ
って、空力的な簡単な安定媒体が流過通路の横断面形状
(幅、高さ、通路壁の形)に無関係に使用できる。
作用形式に重要な渦流・発生器について述べる。
流によって貫流される本来の流過通路は示されていな
い。図面に示すように、渦流・発生器は主流によって自
由に貫流される三角形の3つの面から成っている。三角
形の面は、1つの屋根面10と2つの側面11,13で
ある。屋根面及び側面は流れ方向で所定の角度を成して
延びている。
1,13は流過通路の通路壁21に対して垂直に位置し
ているが、このことは必須条件ではない。直角三角形か
ら成る側面11,13は、長辺で通路壁21に有利には
ガス密に固定されている。側面11,13は短辺で楔角
αを成して突き合わせ部を形成するように方向付けられ
ている。突き合わせ部は鋭角な結合縁部16として構成
されていて、同じく通路壁21に対して垂直に位置して
いる。楔角αを成す両方の側面11,13は形、大きさ
及び方向に関して対称的に対称軸線17の両側に配置さ
れている(図3b,図4b)。対称軸線17は流過通路
の通路軸線と同じ方向に向けられている。
過通路に対して横方向に延びて著しく鋭角に構成された
縁部15で以て、側面11,13の固定された通路壁2
1に接している。屋根面10の長手方向の縁部12,1
4は側面11,13の流過通路内に突出する長手方向の
縁部と同列を成し、即ち側面の長手方向の縁部と合致し
ている。屋根面10は通路壁21に対して仰角Θを成し
て延びている。屋根面10の長手方向の縁部12,14
は結合縁部16と一緒に頂点18を形成している。
路壁に取り付けられる底面を備えていてよい。このよう
な底面は渦流・発生器の作用に影響を及ぼすものではな
い。
16は渦流・発生器の下流側の縁部を形成している。従
って屋根面10の、流過通路に対して横方向に延びる縁
部15が通路流、即ち主流によって最初に負荷される縁
部である。
る:主流が縁部12,14の周囲を流れる際に互いに逆
向きの一対の渦流に変換される。渦流の渦流軸線は主流
の軸線内に位置している。旋回数及び渦流崩壊(Wirbela
ufplatzen:vortex breakdown)の箇所は仰角Θ及び楔角
αの適当な選択によって規定される。仰角及び楔角の増
大に伴って渦流強さ若しくは旋回数が高められ、渦流崩
壊の位置が上流側へ渦流・発生器自体の範囲内まで移動
する。使用例に応じて仰角Θ及び楔角αは構造的な条件
及びプロセス自体によって設定されている。結合縁部1
6の高さh(図3a)だけが適合させられねばならな
い。
流・発生器は流過通路20の通路高さHに対して異なる
高さを有していてよい。一般的には結合縁部16の高さ
hは通路高さHに対して、形成される渦流が渦流・発生
器のすぐ下流で既に通路高さHの全体に亙って生じ、負
荷された横断面内で一様な速度分布を生ぜしめるように
規定されている。選ぼうとする高さ比h/Hに影響を及
ぼそうとする別の基準が、渦流・発生器の貫流に際して
生じる圧力降下にある。高さ比h/Hの増大に伴って圧
力損失値も高まる。
6が通路流に最初に負荷される位置にある。即ち、渦流
・発生器は図1に対して180°回動させられている。
図面から明らかなように、逆向きの両方の渦流は旋回方
向を変えている。
数、ここでは3つの渦流・発生器が中間室なしに、即ち
隙間なしに並べて配置されている。流過通路20はここ
では方形を成しているが、このことは本発明にとって必
須ではない。
隣接する半分の2つの渦流・発生器を備えた実施例が、
図4に示してある。通路高さH及び屋根面10の仰角Θ
は図3の実施例のものと同じであるのに対して、渦流・
発生器の高さhが大きくなっている。従って、同じ仰角
では必然的に渦流・発生器の長さLが大きくなり、さら
に同じピッチでは楔角αが小さくなる。図3の実施例と
比較して、形成される渦流は小さな渦流強さであるもの
の、短い距離で通路横断面を完全に満たす。図4の渦流
・発生器の渦流崩壊は図3の渦流・発生器の渦流崩壊よ
りも遅く生じる。
室を形成している。流過通路のこの形は本発明の作用に
とって必須ではない。図示した方形の流過通路の代わり
に、リングセグメントの形の流過通路が用いられてよ
く、即ち流過通路の通路壁が湾曲している。渦流・発生
器の側面が通路壁に垂直に位置しているという前記表現
は、流過通路の通路壁の湾曲している場合には相対的に
理解されたい。重要なことは、対称軸線17上にある結
合縁部16が、対応する通路壁に対して垂直に位置し、
即ち、湾曲した通路壁においては図5に示してあるよう
に、半径方向に向けられていることである。
から成る混合室を概略的に示している。この混合室は、
例えばガスタービンの燃焼室である。両方の通路壁21
a,21bには同じ数の渦流・発生器が周方向に並べて
配置されており、相対する2つの渦流・発生器の結合縁
部16が同じ半径線上に位置している。相対する渦流・
発生器の高さhが同じである場合には、内側の通路壁2
1bの渦流・発生器の楔角αが小さくなっている。縦断
面を示す図6から明らかなように、楔角は、内側の通路
壁の渦流・発生器及び外側の通路壁の渦流・発生器にお
いて旋回強さの同じ渦流が望まれる場合には大きな仰角
Θによって補償できる。図5に示してあるように、小さ
な渦流の2つの渦流対が形成され、これによって混合長
さが短くなる。二次流、例えば冷却空気が後で述べる手
段に基づき主流内に噴射される。
発生器9を用いて2つの流れが互いに混合される。燃焼
空気若しくは燃焼ガスの形の主流は燃焼室タイプに応じ
て矢印方向に入口側の縁部15にアタックする。冷却空
気の形の二次流は主流よりも著しく小さい質量流であ
り、渦流・発生器の直ぐ近くの範囲で垂直に主流内に導
入される。
形成された壁孔22aを介して行われる。通路壁21a
は渦流・発生器の配置された壁である。壁孔22aは対
称軸線17上で各渦流・発生器の結合縁部16の下流側
に配置されている。この場合、二次流は既に生じている
スカラーの大きな渦流(gross-skalige Wirbel)内に供給
される。
て噴射する別の実施例の混合室を示している。壁孔22
bは渦流・発生器の下流側で、渦流・発生器の配置され
ていない通路壁21aに形成されている。壁孔22bは
それぞれ、図4から明らかなように隣接する2つの渦流
・発生器の結合縁部16間の中間に配置されている。こ
のようにして、二次流、即ち冷却空気が図3の実施例に
おけると同じように渦流内に達する。しかしながら図4
の実施例の場合には、二次流は図3の実施例と異なって
1つの渦流・発生器によって形成された渦流対の渦流内
にではなく、隣接する両方の渦流・発生器によって形成
された渦流内に混合される。渦流・発生器は隙間なしに
隣接して配置されていて、旋回方向の同じ渦流対を形成
するので、噴射は図3及び図4の実施例において同じ作
用で行われる。
通路20を示しており、外側のリング壁、即ち通路壁2
1aにも内側のリング壁、即ち通路壁21bにも同じ数
の渦流・発生器が周方向に並べて配置されている。この
場合、相対する2つの渦流・発生器の結合縁部が二分の
一ピッチだけずらされている。このような配置によっ
て、渦流・発生器の高さhが大きくできる。渦流・発生
器の下流側で形成された渦流が互いにコンビネーション
され、これによって混合質が改善され、かつ渦流の寿命
が長くなる。
する種々の実施例を示している。二次流は熱い燃焼空気
若しくは燃焼ガスと混合する冷たい冷却空気である。
流・発生器の下流側の既に述べた壁孔22aに加えて−
側面11,13の直ぐ横で通路壁21aに配置された壁
孔22cを介して噴射される。壁孔22cを介した冷却
空気、即ち二次流の導入によって渦流に、渦流の寿命を
長くする付加的なパルスが与えられる。
空気が屋根面10の、貫流される通路に対して横方向に
延びる縁部15のすぐ前で、該縁部に沿って通路壁21
aに配置されたスリット22e若しくは壁孔22fを介
して噴射される。壁孔22f及びスリット22eの幾何
学形状は、冷却空気が所定の噴射角下で主流内に噴射さ
れて、後続の渦流・発生器の周囲を熱い主流の保護膜と
して流れるように選ばれている。
ない手段を介して通路壁21aを通して渦流・発生器の
中空の内部に導入される。
根面10内で該屋根面の、流過通路に対して横方向に延
びる縁部15のすぐ後方で該縁部に沿って配置された孔
22gを介して噴射される。この場合には、渦流・発生
器の冷却が内部よりも外部でより強く行われる。流出す
る冷却空気は渦流・発生器の周囲を流れて、熱い主流に
対する遮蔽的な保護層を形成する。
屋根面10内で対称軸線17に沿って階段状に配置され
た孔22hを介して噴射される。このような実施例によ
って、通路壁が熱い主流に対して特に良好に保護され、
それというのは冷却空気がまず渦流の外周に沿って案内
されるからである。
屋根面10の長手方向の縁部12,14内に配置された
孔22jを介して噴射される。このような構成は渦流・
発生器の良好な冷却を保証する。それというのは冷却空
気が末端から流出するようになっていて、完全に渦流・
発生器の内壁に沿って流れるからである。この場合に
は、冷却空気、即ち二次流が直接に渦流内に供給され、
その結果、規定された流動状態が得られる。
器の側面内で屋根面の長手方向の縁部12,14及び結
合縁部16に沿って配置された孔22dを介して行われ
る。このような実施例の作用は、図8の壁孔22c及び
図11の孔22gによって生ぜしめられる作用に類似し
ている。
図6に示すように、燃料、通常は油が中央の燃料ランス
(Brennstofflanze)24を介して噴射されるようになっ
ており、燃料ランスの開口が渦流・発生器9の下流側で
渦流・発生器の頂点18の範囲に配置されている。この
実施例では、冷却空気の噴射が二重に行われる。一方で
は矢印で示すように、冷却空気が渦流・発生器自体内の
孔を介して図11乃至図14の方法で噴射され、かつ他
方では冷却空気が通路壁21b内の壁孔22aを介して
噴射され、該壁孔はリング管路を介して供給されるよう
になっている。
て燃料を中央で噴射するようになっている場合には、渦
流・発生器が再循環をほぼ避けるように構成されてい
る。これによって、熱い区域での燃料粒子の滞留時間が
著しく短くなり、その結果、NOxの生成が効果的に減
少せしめられる。噴射された燃料は渦流によって連行さ
れて、主流と混合される。燃料は渦流のコイル状の経過
に沿って流れて、渦流の下流で混合室内に均一に分布さ
れる。
渦流・発生器の楔角αを成す両方の側面が互いに異なる
長さを有していてよい。この場合には屋根面は、流過通
路に対して斜めに延びる縁部で以て通路壁に接触してい
て、かつ渦流・発生器の幅に亙って異なる仰角を有して
いる。このような変化例においては、渦流が異なる強さ
で形成される。これによって、主流に付随する回転運動
(捩れ運動:Drall)に影響を及ぼすことができる。ある
いは、強さの異なる渦流によって、ほんらい回転運動の
ない主流に渦流・発生器の下流で回転運動を与えること
ができる。このような構成はコンパクトな独立の燃焼器
ユニットとして適している。このような複数の燃焼器ユ
ニットを、例えば1つのガスタービン・リング形燃焼室
内に使用する場合には、主流に与えられる回転運動が活
用されて、例えば部分負荷において燃焼器の横着火特性
が改善される。
渦流・発生器の縦断面図、図3bは渦流・発生器の平面
図、及び図3cは渦流・発生器の背面図
別の実施例の渦流・発生器の縦断面図、図4bは渦流・
発生器の平面図、及び図4cは渦流・発生器の背面図
13 側面、 14,15 縁部、 16 結合縁
部、 17 対称軸線、 18 頂点、20 流過
通路、 21,21a,21b 通路壁、 22
a,22b,22c 壁孔、 22d 孔、 22
e スリット、 22f 壁孔、22g,22h,2
2j 孔、 24 燃焼室ランス
Claims (18)
- 【請求項1】 ガス状の二次流を規定されたガス状の主
流内に噴射させる混合室であって、二次流が主流よりも
著しく小さい質量流であるものにおいて、主流が渦流・
発生器(9)を介して案内されるようになっており、渦
流・発生器(9)が、主流によって貫流される流過通路
(20)の幅若しくは周囲に亙って互いに並べて配置さ
れていて、かつそれぞれ、主流によって自由に貫流され
る3つの面を有しており、これらの面が流れ方向に延び
ており、これらの1つの面が屋根面(10)を形成し、
かつ別の両方の面が側面(11,13)を形成してお
り、両方の側面(11,13)が流過通路(20)の同
じ1つの通路壁(21)に当接していて、互いに楔角
(α)を成しており、屋根面(10)が流過通路(2
0)に対して横方向に延びる縁部(15)で以て前記通
路壁(21)に接触しており、側面の、流過通路内に突
出する長手方向の縁部と合致する、屋根面の長手方向の
縁部(12,14)が前記通路壁(21)に対して仰角
(Θ)を成して延びており、渦流・発生器(9)の屋根
面(10)の、前記通路壁(21)からの最大の距離と
しての高さ(h)が、流過通路の高さ(H)、若しくは
渦流・発生器に配設された流過通路部分の全高さの少な
くとも50%であり、二次流が渦流・発生器(9)の範
囲で流過通路(20)内に導入されるようになっている
ことを特徴とする混合室。 - 【請求項2】 渦流・発生器の高さ(h)と通路高さ
(H)との高さ比が、形成される渦流を渦流・発生器の
直ぐ下流で通路高さ全体に亙って生ぜしめるように選ば
れている請求項1記載の混合室。 - 【請求項3】 渦流・発生器(9)の楔角(α)を成す
両方の側面(11,13)が対称軸線(17)を中心と
して対称的に配置されている請求項1記載の混合室。 - 【請求項4】 渦流・発生器(9)の楔角(α)を成す
両方の側面(11,13)が異なる長さ(L)を有して
おり、これによって屋根面(10)が流過通路(20)
に対して斜めに延びる縁部(15)で以て通路壁(2
1)に接していて、かつ渦流・発生器の幅に亙って異な
る仰角(Θ)を有している請求項1記載の混合室。 - 【請求項5】 楔角(α)を成す両方の側面(11,1
3)が一緒に1つの結合縁部(16)を形成しており、
該結合縁部が屋根面(10)の長手方向の縁部(12,
14)と一緒に頂点(18)を形成しており、前記結合
縁部(16)が通路壁(21)に対して垂直に延びてい
る請求項3記載の混合室。 - 【請求項6】 両方の側面間の結合縁部(16)若しく
は屋根面(10)の長手方向の縁部(12,14)が少
なくともほぼ鋭角に構成されている請求項5記載の混合
室。 - 【請求項7】 渦流・発生器(9)の対称軸線(17)
が流過通路軸線に対して平行に延びており、渦流・発生
器の両方の側面(11,13)間の結合縁部(16)が
渦流・発生器(9)の下流側の縁部を成しており、屋根
面(10)の、流過通路(20)に対して横方向に延び
る縁部(15)が主流によって最初に負荷される縁部で
ある請求項3又は5記載の混合室。 - 【請求項8】 渦流・発生器の屋根面(10)の仰角
(Θ)若しくは両方の側面(11,13)間の楔角
(α)が、流れによって形成された渦流を渦流・発生器
の範囲で崩壊させるように選ばれている請求項1記載の
混合室。 - 【請求項9】 流過通路(20)がリング状に構成され
ており、外側のリング壁(21a)にも内側のリング壁
(21b)にも同じ数の渦流・発生器(9)を周方向に
並べて配置してあり、相対するそれぞれ2つの渦流・発
生器の両方の側面間の結合縁部(16)が同じ半径線上
に位置している請求項1記載の混合室。 - 【請求項10】 流過通路(20)がリング状に構成さ
れており、外側のリング壁(21a)にも内側のリング
壁(21b)にも同じ数の渦流・発生器(9)を周方向
に並べて配置してあり、相対するそれぞれ2つの渦流・
発生器の両方の側面間の結合縁部(16)が互いに二分
の一ピッチだけずらされている請求項1記載の混合室。 - 【請求項11】 流過通路(20)がリング状に構成さ
れており、外側のリング壁(21a)にも内側のリング
壁(21b)にも同じ数の渦流・発生器(9)を周方向に
並べて配置してあり、二次流がリング壁(21a,21
b)の壁孔(22a)を介して噴射されるようになって
おり、壁孔が渦流・発生器の両方の側面間の結合縁部
(16)の直ぐ下流に配置されている請求項1記載の混
合室。 - 【請求項12】 二次流が、渦流・発生器の側面(1
1,13)のすぐ横で該側面の長手方向に並べて通路壁
に配置された壁孔(22c)を介して噴射されるように
なっている請求項1記載の混合室。 - 【請求項13】 二次流が、渦流・発生器の屋根面(1
0)の、貫流される通路に対して横方向に延びる縁部
(15)の直ぐ前で該縁部に沿って通路壁に配置された
スリット(22e)若しくは壁孔(22f)を介して噴
射されるようになっている請求項1記載の混合室。 - 【請求項14】 二次流が、渦流・発生器の屋根面(1
0)内で該屋根面の、流過通路に対して横方向に延びる
縁部(15)のすぐ後方で該縁部に沿って配置された孔
(22g)を介して噴射されるようになっている請求項
1記載の混合室。 - 【請求項15】 二次流が、渦流・発生器の屋根面(1
0)内で対称軸線(17)に沿って配置された孔(22
h)を介して噴射されるようになっている請求項3記載
の噴射室。 - 【請求項16】 二次流が、渦流・発生器の屋根面(1
0)の長手方向の縁部(12,14)内に配置された孔
(22j)を介して噴射されるようになっている請求項
3記載の混合室。 - 【請求項17】 二次流が、渦流・発生器の側面(1
1,13)内で屋根面(10)の長手方向の縁部(1
2,14)に沿って若しくは結合縁部(16)に沿って
配置された孔(22d)を介して噴射されるようになっ
ている請求項5記載の混合室。 - 【請求項18】 自動着火式の後燃焼室として用いら
れ、燃料が燃料ランス(24)を介して噴射されるよう
になっており、燃料ランスの開口が渦流・発生器(9)
の下流側で渦流・発生器の頂点(18)の範囲に配置さ
れている請求項2記載の混合室。
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