JP4130475B2 - 空気内で燃料を燃焼する装置とその方法 - Google Patents

Description

本発明は、空気を軸線に関して環状に流入させ軸線と平行な方向に流出させるように案内するための環状通路、流れに旋回を与えるための旋回装置および流れに燃料を混入してほぼ均質な混合気を形成するための手段を有する空気内で燃料を燃焼する装置に関する。
更に本発明は、空気が軸線に関して子午線的に軸線を取り巻いて流れ且つ旋回をもって流れ続ける流れの形で準備され、燃料とほぼ均質に混合されて燃料を燃焼するために点火される混合気が形成されるようにした空気内で燃料を燃焼する方法に関する。
かかる装置は当該専門家において「予混合バーナ」の名称で知られ、その名称は燃料が燃焼空気に混合された後で或る時間を置いてはじめて燃焼されることを指している。またかかる方法も当該専門家において通常の予混合バーナの運転中に進行する方法として知られている。
通常の予混合バーナの運転中にそのバーナへの燃料の導入量が増大した場合にしばしば、燃焼が不安定となりこのバーナが組み込まれた設備の中に音響振動が引き起こされるような状態が生ずる。その音響振動は「燃焼振動」と云う用語で知られている。燃焼振動は予混合バーナの運転およびこの予混合バーナがその構成部品の一部を成す設備の運転を粗害してしまうほどに強まることがある。予混合バーナが不安定燃焼を生ずる傾向は燃焼前に予混合バーナ内に形成された燃料と空気とから成る混合気が均質になればなるほど強くなる。しかし混合気が均質であればあるほど燃焼の際における窒素酸化物の発生が僅かであることを考えれば、できるだけ均質な混合気が望まれる。混合気が完全に均質であるとき、混合気の燃焼の際に生ずる最大温度は最小となり、これがまさに窒素酸化物の発生を僅かにする効果を生ずる。
かかる装置および方法はヨーロッパ特許出願公告第０１９３８３８号明細書あるいは同第０５８９５２０号明細書で知られている。
予混合バーナの燃焼を安定化するために、後述する図２に示すように、空気を軸線に関して環状に流入させ軸線と平行な方向に流出させるように案内するための環状通路を備えるものにおいて、バーナから流出する発火性混合気を空気ヴェールで包囲すること、およびこれによって混合気が燃焼室に流出した後に、混合気の縁部に生ずる渦流、即ち燃焼の不安定化に影響すると思われる渦流が生ずることを防止することが既に提案されている。しかしこの処置は混合気を包囲するために使用される空気が本来の燃焼過程から遠ざける必要があるという欠点を有する。予混合バーナで発生される熱出力が一定であれば、その際に使用される燃料の量もほぼ一定し、燃焼を安定化するために空気を抽出することは、本来の燃焼が少ない空気量のもとで行われることを意味し、またこれは、一般に特にガスタービン設備において燃焼が過剰空気のもとで行われることを考えると、著しく高められた最大温度で従ってかなり多量の窒素酸化物を発生しながら燃焼が進行することが余儀なくされることを意味する。
本発明の課題は、提供される空気の一部を燃焼過程から遠ざける必要がないように予混合バーナにおける燃焼過程を安定化するための処置を講じることにある。またこの処置を装置並びに方法において具現化することにある。
この課題を解決するために装置については本発明によれば、空気が軸線に関して子午線的に軸線を取り巻いて流れ且つ旋回をもって流れ続ける流れの形で準備され、燃料とほぼ均質に混合されて燃料を燃焼するために点火される混合気が形成されるようにした空気内で燃料を燃焼する装置であって、軸線（１）に関して同心的に配置された内側体（２）と、前記軸線に関して同心的に配置され、前記内側体を包囲する外側体（３）と、前記内側体と外側体との間に形成され、空気を前記軸線に関して子午線的な流れで案内するように設計された環状通路（４）と、前記外側体（３）に取り付けられ前記軸線に関して半径方向外側に位置する子午線的な流れ（５）の部分を他の流れ部分に比べて減速するための絞りリング（１３、１７、１８）からなる空気流減速手段であって、前記環状通路（４）の半径方向外側に位置する部分の前記外側体上に、前記軸線に関して円対称形に配設され、かつ、前記環状通路（４）内において、前記外側体上から前記内側体に向けて延長して設けてなる空気流減速手段（１３、１７、１８）と、前記子午線的な流れに燃料を供給するための複数のノズル（１１、１２，１６）であって、当該ノズル寸法は、前記流れ内に燃料が均質に分布されるように定めた複数のノズルと、前記絞りリングの下流に取り付けられ、実質的に均質な空気／燃料の混合気を形成するために前記子午線的な流れ（５）に燃料（６）を混入するための旋回装置とを備えるものとする。
本発明によれば、流れが装置から流出するときの流れ内における速度分布は軸線に関して半径方向において不均一にされているが、流れ内における空気と燃料とから成る混合気の均質性は実質的に保たれている。均質性が実質的に保たれるので、流れ内における混合気の空気と燃料の比（空燃比）は、実質的にほぼ同一である。流れ内における速度分布の不均一性は速度の子午線成分、速度の接線成分あるいは速度の両成分に関している。これは環状通路内における流れがこの環状通路内における適当な個所に配置されているふるいなどの形をした障害物によって局所的に乱されることによって生ずる。
そのような装置として個々の場合に具現化された予混合バーナが上述の公知文献で知られているようないわゆるパイロット火炎によって安定化する必要があるか否か、このパイロット火炎が流れの中心にあるいは外周に配置されるか否か、予混合バーナが全くパイロット火炎なしに済まされるか否かは、本発明においては従属的なことである。このことは旋回装置に対しても当てはまり、これは個々の要件に応じてアキシャル形、ラジアル形あるいは子午線形旋回装置にされる。燃料の導入の詳細もここでは従属的なことであり、基本的には燃料の導入は任意の方式で行われ、例えば旋回装置の案内羽根あるいは旋回装置の前又は後ろにおける別個の混合装置におけるノズルを介して行われる。
流れの軸線に関して半径方向外側に位置する流れ部分を他の流れ部分に比べて減速するための手段は、流れ内にこの手段の後ろがこの手段に影響されない流れ部分におけるより小さな流速となるように作用する局所的な圧力損失を発生させる。勿論、流れ内に燃料を混入するための手段は必ず均質な混合気が発生されるように設計されなければならず、減速された流れ部分への燃料の導入は他の流れ部分への燃料の導入に比べて減少する必要がある。
流れ内における不均一な速度分布によって、混合気は流れのすべての個所で同時に点火されなくなる。従って燃焼によって混合気内に引き起こされる膨張は衝撃的に生ぜず、或る時間にわたって分配される。これによって不安定傾向は著しく減少される。
一方、流れがその外側部位では内側部位におけるよりゆっくりしているので、環状通路から燃焼室へ流出する混合気を包囲して形成される渦硫の形成傾向が減少され、これは同時に燃焼の安定化に貢献する。しかも提供される全空気が燃料の燃焼に対して利用されるので、燃焼の際における最高温度は高められない。
本発明の特に有利な第１の実施態様は、軸線に関して半径方向外側に位置する流れ部分を減速するための手段が軸線に関して円対称形をしており、従ってこの手段によって減速される流れ部分も軸線に関して円対称形をしていることによって特徴づけられる。これによって全流れは他の流れ部分に比べてかなり減速された流れ部分によって覆われる。従ってこの減速された流れ部分は装置から流出した流れと無燃料空気との境界面における空力特性状態に影響を及ぼし、これは減速に伴った小さな速度勾配に基づいて混合気を包囲する渦流形成を抑制し、これによって流れ内で生じさせられた燃焼を音響的に安定化する。
減速するための円対称形の手段は好適には、環状通路内に配置され軸線に関して環状通路の半径方向外側部分を占め特に旋回装置の上流側に配置された絞りリングである。ここで、「絞りリング」とは、環状に形成され流体抵抗となる装置（所謂、流体的な絞り）を意味する。この絞りリングは更に好適には環状通路内に配置され軸線の周りに均等に分布された絞り要素特に棒で形成されている。絞りリングはこれが占める環状通路部分を完全に覆わず、流れがこの環状通路部分によって絞られるだけにしなければならない。従っていずれの場合も絞りリングは機能的にふるいのように形成しなければならない。
本発明の変形例として特に優れた実施態様は、減速するための手段が軸線に関して分散した対称形に特に不連続的な対称形に形成されることによって特徴づけられる。ここで分散した対称形とは、円対称形と本質的に異なり、特にこれが（連続的な）円対称ではなく、せいぜいのところ不連続の対称形例えば有限対称群で描かれた対称形をしていることを意味する。即ちこの分散された対称形手段は、流れが上述の第１の特に有利な実施態様の場合に生ずるように全体的に一様に減速された流れ部分によって包囲されることがないようにしている。従って流れは外側部位に他の流れ部分に比べて減速されている流れ束を有している。このゆっくりした流れ束も同様に、流れをそれが装置から流出した後に包囲してしまう渦流の形成を防止するために適している。つまりゆっくりした流れ束は流れの速度域に局所的な乱れを形成し、これが混合気を包囲する渦流の形成を阻止し、上述したように流れ内で発生した火炎を所望のように音響的に安定させる。
減速するための分散した対称形の手段は好適には、軸線の周りに不均一に分布された絞り要素特に棒から成る配置構造物である。
燃料を混入するための手段は好適にはノズルであり、そのノズルは旋回装置に配置され、特にノズルは旋回装置の案内羽根に存在するように配置される。
方法に関して本発明の課題を解決するために本発明の空気内で燃料を燃焼する方法によれば、空気が軸線に関して子午線的に軸線を取り巻いて流れ且つ旋回をもって流れ続ける流れの形で準備され、燃料とほぼ均質に混合されて燃料を燃焼するために点火される混合気が形成されるようにした空気内で燃料を燃焼する方法であって、前記軸線に関して同心的に配置された内側体と外側体とにより形成される環状通路（４）に空気を流すことにより、軸線に関して子午線的に軸線を取り巻いて流れる空気流を形成し、前記空気流の一部であって、軸線に関して半径方向外側に位置し、かつ不連続的に軸線に関して対称形の部分の空気流を、他の空気流部分に比べて減速し、複数のノズルを介して前記空気流に燃料を導入し、前記複数のノズルの寸法は、前記流れ内に燃料が均質に分布されるように定めたものとし、実質的に均質な空気／燃料の混合気を形成するために前記空気流を燃料と共に旋回および混合させ、前記空気／燃料の混合気を点火して燃焼させることとする。
この方法の利点は本発明に基づく装置およびその形成についての説明から理解でき、従ってその説明を参照されたい。
流れの半径方向外側に位置する流れ部分の減速は軸線に関して円対称形で行われ、あるいはまた、軸線に関して分散された対称形で減速することもできる。その詳細は本発明に基づく装置の特に有利な二つの実施態様の上述の説明から理解でき、従ってその説明を参照されたい。
以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
図１は本発明に基づく予混合バーナの一実施例の縦断面図、
図２は従来技術における予混合バーナの縦断面図、
図３、図４および図５はそれぞれ予混合バーナの異なった実施例の図である。
各図においてそれぞれ図示された実施例の互いに一致する構成要素には同一符号が付されている。
図は具体的に実施された例を表示するものではなく、一定の特徴を強調するために簡略化して示されている。実際的な実施に対して、図から直接推察できる示唆は、この示唆に先立つ実行を考慮に入れて当該専門家が利用できる知識と能力の枠内で補完される。
図１は本発明に基づく装置の実施例を示し、これに対比して図２はこの明細書の序文で述べた従来における実施例を示している。これらの両実施形態には多くの構成要素が存在しており、これらの構成要素についてまず図１および図２を参照して説明する。
図１および図２はそれぞれ軸線１に関して同心的に配置された内側体２と同様に軸線１に関して同心的に配置され内側体２を包囲する外側体３とを備えた予混合バーナを示している。内側体２と外側体３との間に空気の流れ５が貫流する環状通路４が存在している。環状通路４内で空気に燃料６が混入されて混合気が形成され、この混合気は燃焼室７に流入してそこで燃焼する。混合気を点火するための点火装置は簡略化のために図示されていない。燃焼室７に対して複数の予混合バーナの設置が好まれる通常の実施の枠内においては、各バーナにほぼ一つの点火装置は必要とされず、全バーナに対して共通の唯一つの点火装置で済ますことができる。この意味において点火装置は個々の予混合バーナの構成部品ではなく、それが点火装置を図示しない理由でもある。予混合バーナは流れ５の上流側で燃焼室７を閉じている燃焼室壁８の中にはめ込まれている。環状通路４の中に流れ５に旋回１０を与える作用をする案内羽根９から成っている旋回装置が配置されている。流れ５に燃料６を導入するために案内羽根９にはノズル１１、１２が設けられている。燃料６をこれらのノズル１１、１２に導入するための手段は簡略化のために図示されていない。また予混合バーナの運転にとって場合によって有用あるいは必要なパイロットバーナも示されていない。そのパイロットバーナは空気と燃料とから成る混合気の燃焼を安定化するために貢献する特別な火炎を提供する。予混合バーナを空気と燃料との混合比が変動する状態で運転しなければならないとき、燃料が比較的少ない混合気は場合によっては支援を受けないと確実に点火しないので、そのようなパイロットバーナが必要とされる。パイロットバーナを使用するか使用しないかは既に述べたように当該専門家の判断に任される。
図１には本発明の実施例が示されている。この実施例では旋回装置９の手前に外側体３に設けられ環状通路４の中に突出する個々の棒から成る絞りリング１３が設けられている。これらの棒は流れ５内に局所的な圧力損失を生じさせ、流れ５の外側体３の近くを通過する部分が他の流れ部分に対して減速させられるか遅延させられるように作用する。この減速は環状通路４全体を通って続き、燃焼室７の中に流出する混合気における速度分布が不均一となるように作用する。これは既に述べたように燃焼室７内で行われる燃焼を安定させる働きをし、これについては上述の説明を参照されたい。流れ５への燃料６の導入は流れ５における不均一な速度分布を考慮に入れる必要があり、従ってほとんど影響を受けない流れ部分には燃料を導入するために大きなノズル１１が設けられ、減速された流れ部分には燃料６を導入するために小さなノズル１２が設けられている。これらのノズル１１、１２の寸法は、流れ内に燃料が非常に均質に分布され、これによって窒素酸化物の極めて少ない発生を保証するように定められなければならない。当該専門家は装置をそのように設計するために、流れ５を数値モデル化するための計算プログラムを利用し、ノズル１１、１２を相応に設計することができる。
図２は環状通路４が絞り組物を有していない装置を示している。従って燃料６を導入するために異なった大きさのノズルは用いられず、大きなノズル１１しか設けられていない。この装置で生じさせられる燃焼を安定化するために、外側体３を包囲する環状ノズル１４が設けられている。装置に導入される空気の一部はこの環状ノズル１４から環状通路４および旋回装置９を迂回して直接燃焼室７に導かれる。この空気は空気と燃料とから成る混合気を覆うヴェールを形成し、燃焼を不安定にさせる渦流の形成を阻止する。図２における実施例の欠点は、提供される空気の一部が燃料との混合に利用されないことにある。これは結局は装置が多量の窒素酸化物の発生を余儀なくされることを意味し、いずれにしても好ましくない。
図３は図１における装置の変形例を一部軸断面図で示している。この装置の多くの構成要素は図１における装置の構成要素と一致しており、従ってあらためて説明しない。図３において重要なことは、燃料６を導入するために案内羽根９は利用されず、そのために燃料６を流れ５に導入するためのノズル１６を有する別個のノズル管１５が設けられていることである。燃料をノズル管１５に導入する手段は簡略化のために図示されていない。ノズル１６はすべて互いに同じ大きさであってはならず、この点については図１におけるノズル１１、１２に対する実施例を参照されたい。
図４は流れの一部を減速するための手段に対する種々の例を示す有利な実施形態を横断面図で示している。ここには上述した棒１３の外側にある孔明き板１７並びに線などから成る織物１８（その本来の織物は一部しか示されていない）がある。これらの手段１３、１７、１８の下側に内側体２と外側体３との間を延びている案内羽根９が見えている。図４の実施例において重要なことは、半径方向外側に位置する流れ５の部分（図１参照）の減速が軸線１に関して円対称形に行われることである。即ち図４における装置から出る流れは他の流れ部分に比べて一様に減速されている半径方向外側の流れ部分を有している。このことおよびこれによって得られる作用は既に詳述したので、その説明を参照されたい。
なお図４において、減速するための図示の手段特に棒１３は勿論厳密な数学的意味において円対称形の構造物を形成しておらず、即ち連続的な対称群を有していることに注意されたい。しかし各棒１３が流れ５内にそれぞれの棒１３の後ろでむしろ短い距離で弱められる或る局所的な乱れ特に乱流を発生することに注意しなければならない。棒１３の後ろ（下流）で或る距離をおいて流れ５は一層均質となり、軸線１に関して有効に円対称に分布される特性だけを維持する。本発明を図４における実施例のように棒１３によって実際に実施する場合、棒１３の数および幾何学形状は実現すべき装置の空力特性状態を基にして当該専門家の知識および能力により選定しなければならない（これは勿論孔明き板１７およびふるい１８を適用する場合にも当てはまる）。
図５は、減速手段が図４における実施例と異なって軸線１に関して円対称形をしておらず、分散対称形にされている第２の有利な実施態様を横断面図で示している。図５の実施例において対称は不連続の即ち４個の対称が存在するように分散されている。図５における棒１３の配置は、それが流れ５内に不均一性を発生し、この不均一性が棒１３および旋回装置９の後ろまで続き、装置から出た後もなお存在するように考慮されている。それに応じて装置から出た後も流れ５内に有効な不均一な速度域が存在し、これは同様に流れ５を包囲してしまう渦流の形成を抑え、従って流れ５内に発生された火炎を所望のように音響的に安定化する働きをする。
本発明の上述のすべての実施例は特に、ガスタービンにおいて圧縮機で用意された圧縮空気流を燃料の燃焼によって加熱するために利用するのに価値があり、その加熱されたガス流はタービン内で膨張される。本発明は特に、一方では燃焼を安定化するための受動的な処置を予め施し、他方ではさもなければ燃焼のために提供される空気を分岐する必要がないことによって特徴づけられる。

Claims (10)

1. 空気が軸線に関して子午線的に軸線を取り巻いて流れ且つ旋回をもって流れ続ける流れの形で準備され、燃料とほぼ均質に混合されて燃料を燃焼するために点火される混合気が形成されるようにした空気内で燃料を燃焼する装置であって、
   軸線（１）に関して同心的に配置された内側体（２）と、
   前記軸線に関して同心的に配置され、前記内側体を包囲する外側体（３）と、
   前記内側体と外側体との間に形成され、空気を前記軸線に関して子午線的な流れで案内するように設計された環状通路（４）と、
   前記外側体（３）に取り付けられ前記軸線に関して半径方向外側に位置する子午線的な流れ（５）の部分を他の流れ部分に比べて減速するための絞りリング（１３、１７、１８）からなる空気流減速手段であって、前記環状通路（４）の半径方向外側に位置する部分の前記外側体上に、前記軸線に関して円対称形に配設され、かつ、前記環状通路（４）内において、前記外側体上から前記内側体に向けて延長して設けてなる空気流減速手段（１３、１７、１８）と、
   前記子午線的な流れに燃料を供給するための複数のノズル（１１、１２，１６）であって、当該ノズル寸法は、前記流れ内に燃料が均質に分布されるように定めた複数のノズルと、
   前記絞りリングの下流に取り付けられ、実質的に均質な空気／燃料の混合気を形成するために前記子午線的な流れ（５）に燃料（６）を混入するための旋回装置（９）と、
   を備えることを特徴とする空気内で燃料を燃焼する装置。
2. 絞りリング（１３、１７、１８）が、一様に分布された絞り要素（１３、１７、１８）を備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 絞りリング（１３、１７、１８）が、前記外側体（３）上に配設され環状通路（４）内に延長して設けた複数の棒（１３）で形成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
4. 空気流減速手段（１３、１７、１８）が、不連続的に軸線（１）に関して対称形に配置されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
5. 空気流減速手段（１３、１７、１８）が、軸線（１）の周りに不均一に分布された絞り要素（１３、１７、１８）から形成されていることを特徴とする請求項４記載の装置。
6. 空気流減速手段が、軸線（１）の周りに不均一に分布された複数の棒（１３）から形成されていることを特徴とする請求項４記載の装置。
7. 空気流減速手段が、軸線（１）に関して分散した対称形に配置されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
8. 複数のノズル（１１、１２）が旋回装置（９）に形成されていることを特徴とする請求項８記載の装置。
9. 旋回装置（９）は複数の案内羽根を備え、前記複数のノズル（１１、１２）が前記案内羽根に形成されていることを特徴とする請求項８記載の装置。
10. 空気が軸線に関して子午線的に軸線を取り巻いて流れ且つ旋回をもって流れ続ける流れの形で準備され、燃料とほぼ均質に混合されて燃料を燃焼するために点火される混合気が形成されるようにした空気内で燃料を燃焼する方法であって、
    前記軸線に関して同心的に配置された内側体と外側体とにより形成される環状通路（４）に空気を流すことにより、軸線に関して子午線的に軸線を取り巻いて流れる空気流を形成し、
    前記空気流の一部であって、軸線に関して半径方向外側に位置し、かつ不連続的に軸線に関して対称形の部分の空気流を、他の空気流部分に比べて減速し、
    複数のノズルを介して前記空気流に燃料を導入し、前記複数のノズルの寸法は、前記流れ内に燃料が均質に分布されるように定めたものとし、
    実質的に均質な空気／燃料の混合気を形成するために前記空気流を燃料と共に旋回および混合させ、
    前記空気／燃料の混合気を点火して燃焼させる
    ことを特徴とする空気内で燃料を燃焼する方法。

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