JP3850881B2 - 流体燃料バーナーの燃料ノズル装置、この燃料ノズル装置の使用方法並びに流体燃料バーナーの燃料供給調節方法 - Google Patents

Description

この発明は、主軸と還流領域、流入領域と燃料ノズルを備え、流入領域に燃料の回転流が作られ得る流体燃料バーナーの燃料ノズル装置に関する。この発明は、さらに、このような燃料ノズル装置の使用方法並びに流体燃料バーナーの燃料供給調節方法に関する。
特にガスタービンにおける流体燃料バーナーにおいて、流体燃料は燃料ノズル装置を介して燃焼室に送り込まれる。発生されるべき熱出力並びに流体燃料の燃焼によって発達する高温ガス量に関係して、供給されるべき燃料量の制御が必要である。この燃料量の調節は、燃料ノズル装置に供給される燃料量が一定の場合、燃料ノズル装置から燃料の一部を燃焼室へ導入することなく還流させることによって達成される。
東独特許第２２０７６号明経書には、例えばガスタービン設備に対する、液体燃料の還流調節機構を備えた噴霧装置が記載されている。この装置ではその出口開口の閉成過程の改善を達成しようとするものである。この噴霧装置には接線方向の供給通路を介して燃料が渦流室に供給される。この渦流室の底には詳しくは特定されていないが貫通口が設けられ、これを通して還流されるべき燃料量が１つ或いは複数の還流通路及び１つの還流路を介して燃料タンクに還流される。ドイツ連邦共和国特許出願公開第３２３５０８０号明細書には同様に噴霧ノズルの出口開口の構成が詳述されている。この記載されたガスタービンバーナーの還流噴霧ノズルは流体還流部に円筒状の還流針状体を備えている。
この発明の課題は、簡単に製作可能でかつ機械的及び熱的負荷を受ける場合ですら比較的長い期間にわたって形状的に正確に固定されている、燃料を還流させるための還流領域を備えた燃料ノズル装置を提示することにある。さらに、この発明の課題は、このような燃料ノズル装置の使用方法並びにこのような燃料ノズル装置を使用した流体燃料バーナーの燃料供給を調節する方法を提示することにある。
この発明によれば、流体燃料バーナーの燃料ノズル装置に関する課題は、主軸を備え、この主軸に沿って還流領域、燃料ノズル及び流入領域が配置され、この流入領域は燃料ノズルと還流領域との間にあり、流入領域には燃料の回転流が作られることが可能で、還流領域は流入領域に接する環状間隙を備え、この間隙が流入領域から離れる方向に先細に形成されて還流路に移行している燃料ノズル装置により解決される。
先細に形成されて還流路に移行している環状間隙を備えた還流領域は、例えば旋盤加工及び／又はドリル加工によって機械的に簡単に製作することができ、燃料ノズル装置において形状的に正確に配置することができ、また簡単な配置と製作性により熱機械的に大きい負荷を受ける場合でもその形状的配置に固定することができる。環状間隙により、特に主軸に沿って整列され針の形を持つ芯部が形成される。この芯部は同様に形状的に固定され、燃料ノズルから導かれる燃料の渦流を安定化させる作用をする。この渦流は例えば燃料が流入領域に接線方向に流入することによって得られ、その際この流入は主軸に対して垂直に延びる円に接線方向に行われる。供給された燃料流は流入領域で分割され、その一部は環状間隙及び還流路を介して燃料タンクに還流される。環状間隙においてはこの場合燃料流の回転流が解消されるので、還流路には実質的に回転流のない或いは少なくとも回転流の減少された燃料流が存在する。還流路における流れ抵抗はそれ故小さな値となる。環状間隙を主軸の方向に貫流する際に先細構成に応じて流れ内の支配的な回転流が相応して強く解消され、燃料ノズルにおける燃料流の回転対称への逆作用が回避される。その上簡単な形状的構造により環状間隙によって形成される芯部の形状の安定性が保証される。また還流領域における流れ損失も小さい。還流領域における回転流の解消はかなり上流側で、即ち流入領域の近くで始まり、先細の度合いに応じて多かれ少なかれ長さの異なる軸方向範囲で行われる。その上回転流の解消は始めは弱い作用で行われ、これにより燃料ノズルにおける渦流を伴う燃料流の回転対称性は妨げられることがない。
さらに、特に有利なのは、還流領域が最大２つの部分から、特に唯一の部材から構成されるということである。環状間隙は特にほぼ円形であり、主軸に対して対称に構成されているので、これにより燃料ノズルにおける渦流の回転対称の影響が確実に回避される。
還流領域における燃料流の回転流を低減するために環状間隙は交互に狭い部分と広い部分からなる断面を持っている。この交互の狭い部分と広い部分とは、特に、環状間隙が連続的に多数の流れ通路に移行し、この流れ通路が少なくとも１つの還流路に注いでいることによって実現される。各流れ通路は、特に軸方向に見て一定であり、従って環状間隙の一定の先細度から環状間隙の断面において広い部分を形成する直径を持つ特に円形の断面を持つ。流れ通路は特に主軸に対して軸方向に向いている孔であるのがよい。その場合、流れ通路並びに環状間隙は旋盤加工及び／又はドリル加工により簡単に機械的に作られ、しかも還流領域はそれ故唯一の、特に金属部村から僅かな作業工程で作ることができる。
流れ通路は特に対称的に、主軸上に中心点を持つ円の上に配置されるのがよい。環状間隙から還流路にできるだけ抵抗のない流れを作るために、好ましくは、３個或いはそれ以上の数の、特に５乃至１０個の流れ通路が設けられている。
流れ通路は、好ましくは、軸方向の孔として作られ得る還流路と軸方向に重なっている。還流路は約２ｃｍの直径を持つことができる。流れ通路が還流路と重なることによって燃料は還流路に小さな流れ抵抗で流入することができる。特に軸方向の孔として構成された流れ通路の中心線はこのために特に還流路の外周の上にあるのがよい。
燃料ノズル装置の還流領域は、好ましくは、旋盤加工及び／又はドリル加工によって作られている。これはその簡単な形状により唯一の部材から作ることができる。同様に還流領域は複数個の部分で構成することも可能であることは自明である。還流路を含む構造部に還流領域は好ましくは溶接により結合される。他の固定方法、例えばピンを介して固定することも同様に考えられる。また、唯一の部材から作られた還流領域に還流路を統合する、特に孔空けにより設けることも可能である。
主軸と還流領域、流入領域と燃料ノズルを備え、これらが主軸に沿ってこの順番で配置され、この流入領域には燃料の回転流を作ることが可能で、還流領域は流入領域に接する環状間隙を備え、この間隙が流入領域から離れる方向に先細に形成されて還流路に移行している燃料ノズル装置のこの発明による使用方法は、特にガスタービンの油バーナーにおいて行われる。油バーナーにおいて使用することは、特に還流領域が正確に再現できる形状であり、正確に中心に配置することができることに基づき、また安定的な、特に燃料流が脈動する場合でも堅牢な構成とすることができることにより利点がある。特に比較的大きい部分が脱落することがあり得ず、その結果燃料ノズルにおける燃料流の乱れが排除され、これにより油バーナーの特に効果的な運転が保証される。また、保守のためのコストも還流領域における磨耗が僅かであることにより同様に僅少である。
流体燃料バーナーの燃料供給の調節方法に関する課題は、この発明によれば、燃料ノズル装置に一定の燃料量が送り込まれ、還流路を介して還流される燃料量が還流路に設けられた調節弁により制御されることにより解決される。これにより同様に燃料ノズルを通して流れる燃料量が調節される。燃料ノズル装置はこのために、好ましくは、主軸、還流領域、流入領域及び燃料ノズルを備え、これらが主軸に沿ってこの順番で配置され、流入領域には特に燃料が接線方向に流入することにより回転流が作られることができる。還流領域は流入領域に接する環状間隙を備え、この環状間隙は流入領域から離れる方向に先細に形成されて還流路に移行している。この方法により還流路を通して導かれる燃料量と燃料ノズルを通して導かれる燃料量の比が１対４０、特に１対３０に制御可能である。
図面に示された実施例により燃料ノズル装置並びにその燃料僕給の調節方法を詳しく説明する。図面において、
図１は燃料ノズル装置の縦断面を、
図２乃至４はそれぞれ図１の燃料ノズル装置の断面を、概略的にかつ正確な尺度でなく示す。
図１において燃料ノズル装置１は縦断面で示され、このノズル装置は主軸５に沿って配置され、ほぼこの主軸５に対して回転対称である。燃料ノズル装置１は主軸５に沿って図面の右端から始まって燃料ノズル３、これに続く流入領域２並びにさらに続く還流領域４を備えている。還流領域４は円環状の間隙６を備え、これは先細領域（回転流解消領域）Ｄ１、Ｄ２において流れの下流側に先細に形成されている。図１はこの先細領域の２つの異なる変形例を、即ち主軸５の上側に、環状間隙６の短い区間で先細に形成されている先細領域Ｄ１を、主軸５の下側に、環状間隙６が長い区間にわたって先細に形成されている先細領域Ｄ２を示している。環状間隙６は連続的に、孔として形成されている流れ通路１１に移行している。環状間隙６はその流入領域２に向いた側に、主軸５に対して同心的に配置された還流領域４の金属の芯部１３を形成している。流れ通路１１は主軸に対して軸方向に延び主軸５に対して同心的に配置された還流路７に注いでいる。この還流路７は同様に孔として形成されている。流れ通路１１は、それぞれ還流路７の外周１５に配置されているそれぞれの中心点１６を持っている。流れ通路１１の下流側において還流路７には調節弁１２が配置されている。
図２は燃料ノズル装置１の還流路７と流れ通路１１とが軸方向に重複する範囲Ｋにおいて主軸５に対して垂直に切断した断面を示す。流れ通路１１の中心点１６は還流路７の円形の外周１５の上にある。
図３は重複範囲Ｋと回転流解消範囲Ｄ１、Ｄ２との間の、円形の断面を持つ６個の流れ通路１１を備えた範囲において、主軸５に対して垂直に切断した断面を示す。この流れ通路の中心点１６は主軸５に対して同心の円の上にある。
図４は還流領域４を主軸に対して垂直に切断した断面を示す。先細の環状間隙６は、交互に狭い領域９と広い領域１０を有する断面８を備えている。広い範囲１０は流れ通路１１により形成されている。環状間隙６は主軸５に対して同心的に形成された芯部１３を包囲している。
燃料ノズル装置１に供給された燃料は流入領域２に流入通路１７を介して接線方向に流入する。これによって流入領域２には主軸５に対して回転対称である、回転流を伴った渦流が形成される。この流れの一部は流れの矢１４に従って還流領域４に導かれる。他の一部は渦の形で燃料ノズル３から図示されてない燃焼室に流出する。この渦流を伴った流れは芯部１３によって安定化されるので、燃料が確実に燃焼室に均一に流入する。還流領域４の熱機械的な安定した形状に固定されることにより、この均一な流入は比較的長期間にわたって高い熱機械的負荷にも係わらず行われる。同様に回転流を伴った流れの、環状間隙６に流入する成分は先細範囲Ｄ１もしくはＤ２においてその回転流の減少を受ける。これによって軸方向の重複範囲Ｋにおいて燃料は殆ど回転流を伴うことなく還流路７へ流入する。調節弁１２によって還流路７の流路断面は変えることができる。還流路７の流れ断面の設定に感じて燃料の還流量は調節される。流入領域２に導かれる燃料の質量流量が一定である場合には、従って、還流路７の流れ断面を調整することによって自動的に燃料ノズル３を通って供給される燃料量の調節が行われる。燃料ノズル装置１により還流路７を通って案内される燃料量と燃料ノズル３に流入する燃料量との比が１対３０の間で設定可能である。これは無負荷運転から最大出力運転まで制御すべきガスタービンの油バーナーの要件に一致する。
この発明は、特にガスタービンの油バーナーに対して、燃料ノズル装置の還流領域が特に堅牢にかつ簡単に製作可能であるという点で優れている。還流領域は環状間隙を有し、この環状間隙は燃料ノズル装置の主軸に対して同心的でかつ回転対称の、燃料ノズルの流入を安定化させる芯部（中心体）を形成する。環状間隙は還流路の方面に常に先細に形成され、連続的に流れ通路に移行している。この流れ通路は特に主軸に対して軸方向に形成され、同様に主軸に対して軸方向にかつ同心的に延びる還流路と重なっている。全体の還流領域は旋盤及び／又はドリル加工により単一の部材から作ることができる。これにより低い製作コスト及び製作が簡単であるにも係わらず正確に再現可能な配置、特に中心的な配置が保証される。還流領域は流れが脈動的で高い熱機械的負荷を受ける場合ですらその形状的な状態に安定して固定される。燃料ノズルにおける流れに影響する、比較的大きな及び小さな部片の剥がれ或いは脱落は確実に回避される。

Claims (12)

1. 主軸（５）と、還流領域（４）と、流入通路（１７）を経て燃料が流入する流入領域（２）と、燃料ノズル（３）とを備えた液体燃料バーナーの燃料ノズル装置（１）において、
   流入領域（２）において燃料ノズル（３）に流入する空気と前記燃料との混合に伴い回転流が生じて混合気が作られ、前記流入領域（２）は主軸（５）に沿って燃料ノズル（３）と還流領域（４）との間に配置され、還流領域（４）は流入領域（２）に接する環状間隙（６）を備え、この環状間隙（６）は流入領域（２）から離れる方向に先細に形成されて還流路（７）に移行している燃料ノズル装置（１）。
2. 環状間隙（６）がほぼ円環状で主軸（５）に対して対称的である請求項１に記載の燃料ノズル装置（１）。
3. 環状間隙（６）が交互に狭い領域（９）と広い領域（１０）を備えた断面（８）を持っている請求項１又は２記載の燃料ノズル装置（１）。
4. 環状間隙（６）が連続的に多数の流れ通路（１１）に移行し、この流れ通路（１１）が少なくとも１つの還流路（７）に移行している請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料ノズル装置（１）。
5. 流れ通路（１１）が特に主軸（５）に対して軸方向に延びる孔である請求項４記載の燃料ノズル装置（１）。
6. 流れ通路（１１）が主軸（５）に対して対称に配置されている請求項４又は５記載の燃料ノズル装置（１）。
7. ３乃至６個の流れ通路（１１）が設けられている請求項４乃至６のいずれか１つに記載の燃料ノズル装置（１）。
8. 流れ通路（１１）が軸方向に還流路（７）と重なっている請求項４乃至７のいずれか１つに記載の燃料ノズル装置（１）。
9. 少なくとも還流領域（４）が旋盤加工及び／又はドリル加工で作られている請求項１〜８のいずれかの１つに記載の燃料ノズル装置（１）。
10. 少なくとも還流領域（４）が一体に作られている請求項１〜９のいずれか１つに記載の燃料ノズル装置（１）。
11. 主軸（５）と、流入通路（１７）を経て燃料が流入する流入領域（２）と、還流領域（４）と、燃料ノズル（３）とを備え、流入領域（２）において燃料ノズル（３）に流入する空気と前記燃料との混合に伴い回転流が生じて混合気が作られ、前記流入領域（２）は主軸（５）に沿って燃料ノズル（３）と還流領域（４）との間に配置され、還流領域（４）は流入領域（２）に接する環状間隙（６）を備え、この環状間隙（６）は流入領域（２）から離れる方向に先細に形成されて還流路（７）に移行している液体燃料バーナーの燃料ノズル装置（１）を、特にガスタービンの油バーナーおいて使用する方法。
12. 主軸（５）と、流入通路（１７）を経て燃料が流入する流入領域（２）と、還流領域（４）と、燃料ノズル（３）とを備え、流入領域（２）において燃料ノズル（３）に流入する空気と前記燃料との混合に伴い回転流が生じて混合気が作られ、前記流入領域（２）は主軸（５）に沿って燃料ノズル（３）と還流領域（４）との間に配置され、還流領域（４）は流入領域（２）に接する環状間隙（１６）を備え、この環状間隙（１６）は流入領域（２）から離れる方向に先細に形成されて還流路（７）に移行している燃料ノズル装置（１）に一定の燃料量が供給され、還流路（７）に設けられた調節弁（１２）により還流燃料量が、これにより燃料ノズル（３）を通して流れる燃料量が制御される流体燃料バーナーの燃料供給の調節方法。

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