JP4127858B2 - 液体燃料用バーナ - Google Patents

Description

本発明は、特にガスタービン設備に採用するための液体燃料用バーナ並びにガスタービン設備に採用された液体燃料用バーナの運転方法に関する。また本発明は激しく乱れた空気流を発生するための旋回要素に関する。
特にガスタービン設備に採用されるような液体燃料用バーナは、ドイツ特許出願公開第４２１２８１０号明細書で知られている。このドイツ特許明細書で、空気が空気供給環状通路系を通して、燃料が別の環状通路系を通してそれぞれ燃焼部に導かれることが明らかとなっている。その場合燃料は燃料通路から空気通路の中に、直接あるいは中空羽根として形成されたねじれ羽根から噴射される。
燃焼の際における窒素酸化物の発生を少なくするために、特に燃料と空気とをできるだけ均質に混合しようとしている。窒素酸化物の発生をできるだけ少なくすることは、環境保護および有害物発生に対する法規制の理由から、燃焼特に発電所のガスタービン設備における燃焼についての重要な要件である。窒素酸化物の発生量は燃焼の火炎温度に応じて指数関数的に増加する。燃料と空気の混合が非均質である場合、燃焼領域内においてある火炎温度分布が生ずる。そのような火炎温度分布の最高温度は、上述の窒素酸化物発生と火炎温度の指数関数的関係に応じて、窒素酸化物の発生量に決定的な影響を与える。従って均質な燃料・空気混合物を燃焼することによって、平均火炎温度が同じである場合に非均質な混合物を燃焼する場合よりも、窒素酸化物の発生量を少なくすることができる。上述のドイツ特許明細書におけるバーナの場合、空気と燃料は空間的に良好に混合される。
ヨーロッパ特許出願公開第５６１５９１号明細書に、バーナ特にガスタービンの予混合バーナに採用するための乱流発生用回転格子が開示されている。その回転格子は互いに逆向きに回転する二つの同心的な流れを発生するために使われ、これによりガスタービンの部分負荷運転中にその内側流れの中において、減少された燃料が二つの空気部分流に分割された空気流のうち少量の空気流内で燃焼され、これによって部分負荷運転中でも安定した燃焼を維持することができる。更にその回転格子は、それに直接隣接し安定燃焼に対する燃焼領域となる逆流領域を発生する。
ヨーロッパ特許出願公開第６１９１３４号明細書に、例えば化学物質、食品あるいは薬品を製造する際に物質を混合するための混合室が開示されている。その混合すべき物質は別個の通路においてうず発生機によって旋回され、その後一緒にされる。うず発生機は細長い半角錐体として形成された偏向要素によって形成されている。
ドイツ特許出願公開第４４１５９１６号明細書に、特にガスタービンのバーナにおいて液体燃料を燃焼する方法とその装置が記載されている。そのバーナの空気通路内に、燃焼空気が旋回されるように乱流発生装置が設置されている。その旋回された燃焼空気の中に燃料が入れられて、燃料と燃焼空気が特に良好に混合される。その旋回は鈍い（尖っていない）多数の流れ障害物、特に棒あるいはディスクによって達成される。
静止形混合器と呼ばれる旋回要素はドイツ特許出願公開第４１２３１６１号明細書で知られている。その旋回要素は、それが設置される配管あるいは流れ通路の直径に対して小さな多数の偏向要素を有し、これらの偏向要素は流れ通路あるいは配管の中心軸に対して傾けられている。列を成して配置された偏向要素の傾きは、一つの列の中では同じ方向を向き、列ごとに逆に向いている。そのような偏向要素は単一につながっている面、例えば円形面あるいは矩形面を覆っている。この偏向要素は配管あるいは流れ通路を通って流れる媒体の流れを旋回するために使われ、これによってその媒体の中に入れられた物質は良好に混合される。それに匹敵する大きさの旋回要素は、ヨーロッパ特許出願公告第０６３４２０７号明細書および国際特許出願公表第ＷＯ９５／２６２２６号明細書にも記載されている。その旋回要素の主な用途は、代表的には数ｍ²の横断面積の流れ通路にアンモニアを混入することによって燃焼ガス内の窒素酸化物を減少することにある。
本発明の課題は、燃焼空気と燃料とを良好に混合するが、燃焼の他のパラメータをほとんど害さないような液体燃料用バーナを提供することにある。また本発明の課題は、その液体燃料用バーナの運転方法を提供することにある。更にまた本発明の課題は、激しく乱れた空気流を発生するための旋回要素を提供することにある。
バーナに向けられた課題は本発明に基づいて、燃焼空気を案内する空気通路と燃料を案内する燃料通路とを備えた、特にガスタービン設備に採用される液体燃料用バーナにおいて、激しく乱れた燃焼空気を発生するための旋回要素および燃料通路からの燃料を旋回要素の下流で空気通路の中に入れる燃料注入口が設けられ、旋回要素が、この旋回要素によって生ずる圧力損失が５％より小さく、特に２％より小さくなるように形成されていることによって解決される。
本発明の大きな利点は、燃焼空気の乱れた流れによって燃焼空気と燃料との特に良好な混合が達成できることおよびそれと同時に旋回要素によって引き起こされる圧力損失が小さいということにある。その乱流内において燃料と燃焼空気とが混合されることによって、混合物の空間的な均質性が向上される。更に膨大な実験においてはじめて混合比の時間的変動が検出された。局所的に生ずる混合比の時間的変動は、空間的な非均質性と同じく、上述したように窒素酸化物発生について不利に作用する火炎温度分布を生ずる。実験の結果、本発明に基づくバーナで発生した燃料／空気・混合物は、混合比が時間的に僅かしか変動しないことが確認された。即ち燃料と空気との空間的および時間的に十分均質な混合が得られ、従って窒素酸化物の発生が減少される。圧力損失がほんの僅かしか生じないためにバーナの効率はほとんど低下しない。これは鈍い（尖っていない）流れ障害物として形成され、従来利用されていた旋回要素に比べてかなりの改善である。従来のそのような流れ障害物はかなり大きな圧力損失を生ずるので、燃料と燃焼空気との改善された混合はバーナの効率を著しく低下するという犠牲を支払わざるを得なかった。
旋回要素の近くで火炎が安定することを防止するために、燃料の注入は旋回要素の下流で行われる。これによって旋回要素は燃焼空気でしか貫流されず、旋回要素を損傷する恐れがある旋回要素の範囲における燃焼の危険が減少される。
好適には、旋回要素は発生した燃焼空気の乱流が旋回要素の近くに燃焼空気の逆流領域を持たないように形成されている。これによって、発火性の燃料・空気混合物が旋回要素に向かって逆流することはなくなり、従って旋回要素を損傷させてしまうような燃焼が旋回要素の近くにおいて安定的に生じることはない。
更に、発生される燃焼空気の乱流が空気通路の幅にほぼ匹敵する直径、特に空気通路の幅の２０〜８０％にあたる直径を持つうずを生ずるように旋回要素が形成されていることが有利である。この実施形態によれば、燃料注入口の範囲がうずで完全に覆われ且つ乱流が燃料注入口の範囲を越えて広がっているので、燃料注入口におけるうずの中、並びに燃料注入口の後ろの乱流の中で特に激しく混合が行われる。
好適にはバーナは、旋回要素の下流においてねじれ羽根が空気通路内に配置されているように形成されている。これによって、上述したように燃料と燃焼空気との混合の均質性について有利に作用する旋回要素を、燃焼の安定に良い影響を及ぼすねじれ羽根と組み合わせて設置することができる。
好適には少なくとも一つのねじれ羽根が、燃料をそこから注入する中空羽根として形成されている。この実施形態によれば、中空羽根として形成されたねじれ羽根から燃料を一様に噴射することによって、上述の利点と組み合わせて燃料・空気混合物をより一層均質にすることができる。
更に、ガスタービン設備に採用される予混合バーナあるいはハイブリッドバーナとして形成され、空気案内通路、特に先細になっている環状通路を備え、この環状通路が流れ媒体を案内するための、特にこれに対して同心的に配置された別の少なくとも三つの環状通路を包囲し、そのうちの二つの環状通路が燃焼を維持するためのパイロット火炎を発生するパイロットバーナに供給するために使われることが有利である。
好適には、バーナはその旋回要素が、
ａ） 対称軸を持った第１の境界リングと、
ｂ） 対称軸上に中心がある第２の大きな境界リングと、
ｃ） 両境界リングを結んで形成される結合面と、
ｄ） 結合面上に位置し対称軸上にそれぞれの中心が位置している円に沿って、結合面の垂線に対して傾斜されて配置された多数の平らな偏向要素と、
を有していることが有利である。
このような旋回要素を備えたバーナは、それによって引き起こされる圧力損失が特に小さい。更にこの旋回要素は環状流れ通路に採用するために適用される。これは少なくとも二つ好適には三つの円を備えている。
好適には旋回要素の結合面は、大きな境界リングによって包囲された円の面積の半分より小さな面積を有している。更に好適には、旋回要素の大きな境界リングの直径は１ｍより小さく、特に４０〜６０ｃｍである。これによってその旋回要素は、例えばガスタービン用バーナの空気通路のような小さな流れ通路に採用するために適用される。
他の有利な実施形態においては、円に付属された旋回要素の偏向要素は等間隔に配置されている。これによって結合面全体にわたって一様なうずが得られる。
更に各偏向要素がうずを発生するために結合面から出口縁（後縁）に向けて先細になっていることが有利である。特にそれはほぼ台形あるいは三角形をしている。この実施形態によって特に強い旋回が得られる。
好適には、各円に付属された偏向要素が同じ向きに傾けられている。好適には、互いに隣り合う円に配置された偏向要素は逆向きに傾けられている。偏向要素をこのように配置することによって、旋回による局所的に良好な混合が得られることに加えて、流れの大きな範囲にわたって均質化が行われる。
バーナ燃焼方法に向けられた課題は、本発明に基づいて、燃焼空気が空気通路内にそして燃料がバーナ燃料通路内に導入される、特にガスタービン設備に採用される液体燃料用バーナの運転方法において、燃焼空気が空気通路内において５％より小さな、特に２％より小さな圧力損失で激しく乱された流れによって旋回され、続いて燃料通路からの燃料がその旋回された燃焼空気の中に入れられて、旋回された燃料／空気混合物が発生されることによって解決される。
この混合物は旋回によって特に均質にされ、この結果、序文での説明ならびにバーナに係わる本発明の利点の説明に従って、窒素酸化物の発生の少ない燃焼をもたらす。圧力損失が小さいことによってバーナの効率は本質的に維持される。
旋回要素に向けられた課題は本発明に基づいて、旋回要素が、
ａ） 対称軸を持った第１の境界リングと、
ｂ） 対称軸上に中心がある第２の大きな境界リングと、
ｃ） 両境界リングを結んで形成される結合面と、
ｄ） 結合面上に位置し対称軸上にそれぞれの中心が位置している円に沿って結合面の垂線に対して傾斜されて配置された多数の平らな偏向要素と、
を有していることによって解決される。
このような旋回要素の利点は、特に上述の形態を持つバーナにおいて燃焼空気を旋回するために利用される場合に生ずる。
以下図に示した実施例を参照して本発明を詳細に説明する。
図１はハイブリッドバーナの断面図、
図２は旋回要素の平面図、
図３は旋回要素の側面図である。
図１には中心軸線１２に関してほぼ回転対称であるハイブリッドバーナ１が示されている。中心軸線１２に沿って延び燃料案内通路８と、これを同心的に包囲している空気案内環状通路７とを備えたパイロットバーナ９は、燃料環状通路３によって同心的に包囲されている。この燃料環状通路３は、空気案内環状通路２によって下側が、即ち部分的に同心的に包囲されている。この空気案内環状通路２の中に、概略的に図示されたねじれ羽根５の羽根輪が組み込まれている。この羽根輪の少なくとも一つのねじれ羽根５は、中空羽根５ａとして形成されている。これは燃料注入用の多数の開口として形成された注入口６を有している。燃料環状通路３はこの中空羽根５ａの内部に連通している。ねじれ羽根５の流入側において、空気通路２内に概略的に図示された旋回要素４が組み込まれている。
ハイブリッドバーナ１はパイロットバーナ９を介して拡散バーナとして運転される。しかし通常これは予混合バーナとして採用され、即ち燃料および空気はまずはじめ混合され、それから燃焼部に導かれる。その場合、パイロットバーナ９は予混合バーナの運転中に場合によって空燃比が変動した際に、燃焼を安定させるパイロット火炎を維持するために使われる。本来の燃焼のために燃焼空気１０および燃料１１は空気通路２内で混合され、それから燃焼部に導かれる。図示した実施例において、燃料１１は燃料通路３からねじれ羽根５の中空羽根５ａの中に送られ、そこから注入口６を通して空気通路２内の燃焼空気１０の中に入れられる。
既に述べたように燃焼の際における窒素酸化物の発生を少なくするために、燃焼空気１０と燃料１１とをできるだけ均質に混合することが重要である。これは燃焼空気１０の流れを乱流にする旋回要素４によって達成できる。乱れた燃焼空気１０に入れられた燃料１１は、旋回によって特に良好に燃焼空気１０と混合される。これによって燃焼空気１０と燃料１１の空間的および時間的に均質な混合が達成される。それと同時に旋回要素４によって引き起こされる圧力損失は小さく、従ってバーナ１の効率は低下しない。
図２には旋回要素４が平面図で示され、図３にはこの旋回要素４が同一符号を付して側面図で示されている。内側境界リング５２から外側境界リング５３まで多数のクロスピース５４がリング円周にわたって一様に分布して延びている。外側境界リング５３の中心は内側境界リング５２の対称軸５９上に位置し、クロスピース５４は内側境界リング５２に垂直に向けられている。結合面５６は内側境界リング５２と外側境界リング５３とを結んで形成された裁頭円錐形の外周面である。各クロスピース５４に裁頭円錐形の内部に向いた台形状の平らな偏向要素５１が配置されている。各偏向要素５１の幅広縁５１ａがクロスピース５４に結合されている。偏向要素５１は対称軸５９に対して同心的な三つの円５５ａ、５５ｂ、５５ｃに沿って等間隔に配置されている。偏向要素５１は結合面５６の垂線に対して傾斜され、偏向要素５１はそれぞれ円５５ａ、５５ｂ、５５ｃにおいて同じ向きに傾けられ、隣り合う円５５ａ、５５ｂ、５５ｃごとに逆向きに傾けられている。
燃焼空気１０が結合面５６に対して垂直に裁頭円錐形の内部に向けて旋回要素４を貫流する結果、偏向要素５１の幅狭縁５１ｂにうず５７が生ずる。流れ媒体に導入された燃料１１は、このうずによって燃焼空気１０と激しく混合される。偏向要素５１の傾きは主流れに二次流れ５８を生じさせ、この二次流れ５８は旋回に伴う局所的に良好な混合作用に加えて、旋回要素４が組み込まれている空気案内環状通路の全横断面にわたって混合物を均質にすることができる。この本発明に基づく旋回要素４の形態は、同時に旋回によって引き起こされる圧力損失が小さいという利点を有する。

Claims (11)

1. 燃焼空気（１０）を案内する空気通路（２）と、燃料（１１）を案内する燃料通路（３）とを備えた液体燃料用バーナ（１）であって、激しく乱れた燃焼空気（１０）を発生するための旋回要素（４）および燃料通路（３）からの燃料（１１）を旋回要素（４）の下流で空気通路（２）の中に入れる燃料注入口（６）が設けられた液体燃料用バーナにおいて、
   前記旋回要素（４）が、
   ａ） 対称軸（５９）を持った第１の境界リング（５２）と、
   ｂ） 対称軸（５９）上に中心がある第２の大きな境界リング（５３）と、
   ｃ） 両境界リング（５２、５３）を結んで形成される結合面（５６）と、
   ｄ） 結合面（５６）上に位置し対称軸（５９）上にそれぞれの中心が位置している円（５５ａ、５５ｂ、５５ｃ）に沿って結合面（５６）の垂線に対して傾斜して配置された多数の平らな偏向要素（５１）と、
   を有していることを特徴とする液体燃料用バーナ。
2. 旋回要素（４）が、発生される燃焼空気（１０）の乱流が旋回要素（４）の近くに燃焼空気（１０）の逆流領域を持たないように形成されていることを特徴とする請求項１記載のバーナ。
3. 旋回要素（４）の下流において、ねじれ羽根（５）が空気通路（２）内に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のバーナ。
4. 少なくとも一つのねじれ羽根（５）が、燃料（１１）をそこから注入できる中空羽根（５ａ）として形成されていることを特徴とする請求項３記載のバーナ。
5. ガスタービン設備に採用される予混合バーナあるいはハイブリッドバーナとして形成され、空気案内通路（２）、特に先細りになっている環状通路を備え、この環状通路が流れ媒体を案内するための、特にこれに対して同心的に配置された別の少なくとも三つの環状通路を包囲し、そのうちの二つの環状通路が燃焼を維持するためのパイロット火炎を発生するパイロットバーナ（９）に供給するために使用されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のバーナ。
6. 旋回要素（４）の結合面（５６）が、大きな境界リング（５３）によって包囲された円の面積の半分より小さな面積を有していることを特徴とする請求項１記載のバーナ。
7. 旋回要素（４）の大きな境界リング（５３）の直径が１ｍより小さいことを特徴とする請求項１又は６記載のバーナ。
8. 円（５５ａ、５５ｂ、５５ｃ）に付属された旋回要素（４）の偏向要素（５１）が等間隔に配置されていることを特徴とする請求項１，６，７のいずれか１つに記載のバーナ。
9. 旋回要素（４）の各偏向要素（５１）がうず（５７）を発生するために出口縁（５１ｂ）に向けて先細くなっており、特にほぼ台形あるいは三角形をしていることを特徴とする請求項１，６，７，８のいずれか１つに記載のバーナ。
10. 円（５５ａ、５５ｂ、５５ｃ）に付属された旋回要素（４）の偏向要素（５１）が同じ向きに傾けられていることを特徴とする請求項１，６，７，８，９のいずれか１つに記載のバーナ。
11. 旋回要素（４）の隣り合う円（５５ａ、５５ｂ、５５ｃ）に配置された偏向要素（５１）が互いに逆向きに傾けられていることを特徴とする請求項１０に記載のバーナ。

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