JP4898004B2 - 流体動力機械内部の渦流を抑制するための方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体動力機械内部の渦流を抑制するための方法及び装置であって、バーナ内で燃料／空気混合物が点火されかつ加熱ガスが形成され、該加熱ガスが、バーナ流出部でバーナから流出しかつ加熱ガスの流れ方向でみてバーナの下流側に配置された燃焼室内に流入する形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばガスタービン装置のような流体動力機械を稼働する場合には、燃焼室内で頻繁に不所望のいわゆるサーモアコースティック（thermoakustisch）な振動が生じ、該振動は、バーナのところでフルイディク（stroemungsmechanisch）な不安定波として生じかつ渦流を生ぜしめる。前記渦流は、燃焼プロセス全体に相当の影響を及ぼしかつ燃焼室内部で、著しい圧力変動を伴う不所望の周期的な熱放出を生ぜしめる。高い圧力変動に伴って高い振動振幅が生じ、該振動振幅によって不所望の効果、例えば燃焼室ケーシングの高い機械的な負荷、不均質な燃焼による増大したＮＯｘ・エミッション及び燃焼室内部でのフレームの消炎が生ぜしめられる。
【０００３】
サーモアコースティックな振動は、少なくとも部分的にバーナ流体の流れ不安定性に起因し、該流れ不安定性は、コヒーレントな流れ構造で現れかつ空気と燃料との混合プロセスに影響を及ぼす。従来の燃焼室においては、冷却空気は冷却空気薄膜の形式で燃焼室壁を介して案内される。冷却効果以外に冷却空気薄膜は、消音作用を発揮しかつサーモアコースティックな振動を減少するのに役立つ。高効率、低エミッション及びタービン流入部におけるコンスタントの温度分布を伴う最新のガスタービン燃焼室においては、燃焼室内への冷却空気流が著しく減少されかつ全空気がバーナを介して案内される。しかしながら同時に、消音作用を発揮する冷却空気薄膜も減少され、これによって、消音作用が低下しかつ不所望の振動に関連した問題点が増強されて生ずる。
【０００４】
消音の別の可能性は、燃焼室領域又は冷却空気供給部領域におけるいわゆるヘルムホルツ・ダンパの連結にある。しかしながら、最新の燃焼室構造の場合にはこのようなヘルムホルツ・ダンパを設けることは、狭いスペース状態に基づき著しい困難性を生ぜしめる。
【０００５】
更に、燃料の付加的な噴射により燃料フレームを安定させることによって、バーナ内で生ずるフルイディクな不安定性及びこれに関連した圧力変動を阻止することが公知である。付加的な燃料のこのような噴射は、バーナのヘッド段を介して行われ、該ヘッド段においては、パイロット・燃料ガス供給のためにバーナ軸線上に位置するノズルが設けられている。しかしながらこれによって、中央のフレーム安定化ゾーンの油着（Anfettung）が生ぜしめられる。サーモアコースティックな振動振幅を減少する前記方法の欠点は、ヘッド段における燃料の噴射によりＮＯｘ・エミッションが増大せしめられることにある。
【０００６】
サーモアコースティックな振動を発生させるための詳細な実験により、混合プロセスにおいてこのような不所望のコヒーレントな構造が生ずることが明らかとなった。この場合、２つの混合される流体の間で生ずる剪断層が特に重要であり、該剪断層内部ではコヒーレントな構造が形成される。このための詳細は次の文献、即ち、「Oster & Wygnanski 1982 “The forced mixing layer between parallel streams“, Journal of Fluid mechanics, Vol. 123, 91-130 ; Paschereit et al. 1995, “Experimental investigation of subharmonic resonance in an axisymmetric jet“, Journal of Fluid mechanics, Vol. 283, 365-407」 から明らかである。
【０００７】
前記文献から明らかなように、音響励起又は音響刺激を合目的に投入することによって剪断層内部で生ずるコヒーレントな構造に、コヒーレントな構造の発生が阻止されるように、影響を及ぼすことができる。別の方法は音響的な対抗音響フィールドの投入にあり、これにより、存在する不所望の音響フィールドは合目的に投入された位相をずらされた音響フィールドによって規定通り消滅せしめられる。このようなアンチ音響技術又は吸音技術は、比較的多量のエネルギを必要とし、該エネルギは、外部からバーナ機構に供給されねばならないか又は別の個所で全機構から分岐されるが、このことは、僅かであるとはいえ効率損害をもたらす。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、バーナ内で燃料／空気混合物が点火されかつ加熱ガスが形成され、該加熱ガスが、バーナ流出部でバーナから流出しかつ加熱ガスの流れ方向でみてバーナの下流側に配置された燃焼室内に流入する形式の流体動力機械、特にガスタービン装置内部の渦流を抑制するための方法を改良して、コヒーレントな圧力変動構造として生ずる不所望の渦流を効果的にしかも多量の付加的なエネルギを消費することなしに消滅できるようにし、更に、このために必要な措置が僅かな構成費用で得られしかも安価に実現できるようにすることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題は本発明によれば、請求項１の特徴部分に記載の方法、並びに、請求項１５の特徴部分に記載の装置により解決された。本発明の思想を実現する別の有利な構成は、その他の請求項並びに明細書及び実施例の説明から明らかである。
【００１０】
【発明の効果】
本発明によれば、請求項１の上位概念に記載の形式の方法は、バーナ流出部個所に直接隣接して、バーナ内部で発生する加熱ガス内に質量流を合目的に混入することを特徴としている。
【００１１】
本発明は、バーナ流出部に直接隣接してコヒーレントな構造の発生個所、境界層もしくは剪断層があるという認識に基づいている。存在する音響フィールドが同じエネルギの位相をずらされた音響フィールドの投入によって消滅させられるアンチ音響原理とは異なって、本発明の思想は、サーモアコースティックな振動が発生し始める剪断層自体に直接影響を及ぼすことを基礎としている。質量流、有利にはガス状の質量流、例えば空気、窒素又は天然ガスの合目的な注入の形式で、剪断層自体に直接影響を及ぼすことによって、合目的に不所望の圧力変動を消滅するために、剪断層内で作用する圧力変動を増強するメカニズムを利用できる。従って、合目的な質量流供給の形式で、外部から剪断層内に投入される最少の外乱ですら増強され、該外乱によって、剪断層内部で発生する不所望のサーモアコースティックな振動を消滅できる。このようにして、外部から誘発される小さな外乱信号によってサーモアコースティックな振動を完全に抑制することができる。アンチ音響技術から公知の付加的なエネルギ源は、本発明による方法では不要である。
【００１２】
従って、本発明による方法によって、剪断層発生個所で、即ち、バーナ流出部で剪断層を直接刺激することができる。
【００１３】
通常バーナは、中央軸線が互いにずれて延びる、加熱ガスの流れ方向で互いに内外に差し嵌められる少なくとも２つの中空の分割部材を有しているので、分割部材の隣接する壁部は、分割部材によって予め規定された内室内に燃焼空気を流入させるための接線方向の空気流入通路を形成し、この場合、バーナは少なくとも１つの燃料ノズルを有している。円錐バーナとも呼ばれるこのような形式のバーナは、その燃料流出部に円形に形成された引剥し縁部を有していて、該引剥し縁部にバーナ側で直接隣接して流出通路が設けられていて、該流出通路を介して質量流が、引剥し縁部において生ずる剪断層内に注入される。有利には、流出通路はバーナ流出部の内側で引剥し縁部に直接隣接して設けられている。
【００１４】
前述のようなガス状の質量流を使用する以外に、液状の質量流を、例えば液状の燃料の形式で加熱ガスに混入することもできる。
【００１５】
バーナ流出部で剪断層内部に生ずるサーモアコースティックな振動を合目的に抑制するために、供給質量流はコンスタントに又は有利には脈動的に剪断層内に供給され、これに次いで加熱ガスと混合される。振動減衰に関し最良の成果を得るために、質量流の脈動周波数は剪断層内部で生ずる不所望の渦流もしくはサーモアコースティックな振動の発生挙動に適合させることができる。経験により明らかなように、不所望の渦流の効果的な抑制は、１ｋＨｚ乃至５ｋＨｚ、有利には５０Ｈｚ乃至３００Ｈｚの脈動周波数の場合に得られる。
【００１６】
特に、質量流が剪断層内部で生ずるサーモアコースティックな振動に対する応答信号として供給されると、有利である。このことは、剪断層内部の渦流の発生挙動が検出されかつこれに関連して対応する応答信号もしくは励起又は刺激信号が発生されることを、前提とする。このことは有利には、閉じられた調整回路内部で行われ、該調整回路には、サーモアコースティックな振動の発生を特徴付ける信号が供給されかつこれに関連して調整回路は励起又は刺激信号を発生し、該信号によって、境界層内に供給される質量流が調節される。自体公知の技術によって、境界層内部でのサーモアコースティックな振動の発生を特徴付ける信号を検出し、相応に濾過ししかも相回転しかつ増強して別の調整ユニット、つまり前述の閉じられた調整回路に準拠して作業する別の調整ユニットに供給することができる。
【００１７】
これに対して費用を僅かにするという理由から、質量流供給を規定する励起又は刺激信号を、剪断層内部で生ずるサーモアコースティックな振動に対して規定の位相関係にない制御ユニットから供給することもできる。これにも拘わらず前記形式で最も効率的な振動抑制作用を得ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に図示の実施例に基づき本発明を説明する。
【００１９】
第１図では、バーナ機構内部のサーモアコースティックな振動を合目的に抑制するための装置が概略的に図示されていて、この場合第１図では、流れ方向で直接接続された燃焼室２を備えた円錐バーナ１が概略的に図示されている。円錐バーナ１は、円形に形成されたバーナ流出部３を有していて、該バーナ流出部３は、特にシャープな引剥し縁部として形成されている。バーナ流出部３の内側には、引剥し縁部を環状に取り囲んで、流出通路４が開口していて、該流出通路を介して、質量流、有利には空気又は窒素が合目的に流出する（矢印参照）。流れ方向でみてバーナ流出部３に直接続いて、境界層もしくは剪断層５が生じ、該層の内部では不所望のサーモアコースティックな振動が発生する。サーモアコースティックな振動を効果的に抑制するために、流出通路４を介して剪断層５内への合目的な質量流注入が行われ、該剪断層内部では、渦流を増強するメカニズムが作用し、かつ、渦流に基づき質量流によって剪断層内に誘発される外乱も相応に増強される。制御可能な弁６は、質量流を連続的に並びに脈動的に剪断層５内に供給するのに、用いられる。
【００２０】
基本的には、不変に予め規定された脈動周波数を選択することができ、該脈動周波数は、剪断層５内部で生ずるサーモアコースティックな振動に対して不変の位相関係にはない。しかしながら、弁６は閉じられた調整回路範囲内で、剪断層５内部のサーモアコースティックな振動の発生挙動に対して所定の比にある脈動周波数を予め規定することができる。従って、剪断層内部のサーモアコースティックな振動を特徴付ける測定される励起又は刺激信号の脈動並びに質量流の脈動の間の正確な位相差の選択によって、発生する不安定波のコヒーレンスを妨害でき、これによって、脈動振幅が著しく減少される。アンチ音響技術を使用した音響励起又は音響刺激とは異なって、本発明による励起又は刺激メカニズムには高い要求は課せられず、特に熱的な限界条件も減衰メカニズムの機能性を著しく損なうことはない。
【００２１】
流体動力機械内部の渦流を抑制するための本発明による方法の作用形式は、第２図による線図から明らかである。減衰された流れケース（実線）に対する減衰されない流れケース（鎖線）の対比のために、１００ｈｚ範囲で圧力振動を抑制する場合に受容される第２図による線図が用いられる。質量流の励起又は刺激は、剪断層内部で生ずるサーモアコースティックな振動に対して逆対称的に行われる。質量流としては窒素が使用された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明により形成された励起又は刺激装置の概略図。
【図２】閉じられた調整回路を用いた効率的な抑制のための線図。
【符号の説明】
１ バーナ、 ２ 燃焼室、 ３ バーナ流出部、 ４ 流出通路、 ５ 剪断層、 ６ 弁

Claims (20)

1. 流体動力機械内部の渦流を抑制するための方法であって、バーナ（１）内で燃料／空気混合物が点火されかつ加熱ガスが形成され、該加熱ガスが、バーナ流出部でバーナから流出しかつ加熱ガスの流れ方向でみてバーナの下流側に配置された燃焼室（２）内に流入する形式のものにおいて、前記加熱ガスの渦流を抑制するために、バーナ流出部（３）個所に直接隣接して加熱ガスに質量流が混入され、前記加熱ガスを前記バーナ流出部（３）において剪断層内部で前記バーナ（１）から剥離し、前記剪断層内部に合目的に前記質量流を供給することを特徴とする、流体動力機械内部の渦流を抑制するための方法。
2. 加熱ガスを発生させるためにバーナ（１）を使用し、該バーナが、中央軸線が互いにずれて延びる、加熱ガスの流れ方向で互いに内外に差し嵌められる少なくとも２つの中空の分割部材から形成され、これにより、分割部材の隣接する壁部が分割部材によって予め規定された内室内に燃焼空気を流入させるための接線方向の空気流入通路を形成し、バーナが少なくとも１つの燃料ノズルを有している、請求項１記載の方法。
3. バーナ流出部（３）の内側で質量流を加熱ガス流内に混入する、請求項１又は２記載の方法。
4. 質量流としてガス流、有利には、空気、窒素又は天然ガスを使用する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. バーナ流出部（３）の少なくとも一部を介して質量流を燃料／ガス混合物内に供給する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 質量流を連続的に燃料／空気混合物内に混入する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 質量流を脈動的に燃料／空気混合物内に混入する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
8. 質量流を、渦流の発生挙動に同調した脈動周波数で脈動させ、これにより、渦流の発生を減少する、請求項７記載の方法。
9. 質量流の混入を、合目的に制御される制御ユニット（６）を用いて行う、請求項８記載の方法。
10. 質量流を、１ｋＨｚ乃至５ｋＨｚ、有利には５０Ｈｚ乃至３００Ｈｚの脈動周波数で加熱ガス内に混入する、請求項７から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 制御ユニット（６）を、開放された調整回路又は閉じられた調整回路によって作動する、請求項９又は１０記載の方法。
12. 開放された調整回路が、流体動力機械内部で生ずる渦流を特徴付ける測定される信号に対して規定の位相関係にない励起信号を発生する、請求項１１記載の方法。
13. 閉じられた調整回路に、流体動力機械内部で生ずる渦流によって特徴付けられていてかつ脈動する質量流用の励起信号として使用される信号を供給する、請求項１１記載の方法。
14. 閉じられた調整回路に供給される信号を、測定し、濾過し、相回転しかつ増強する、請求項１３記載の方法。
15. 流体動力機械内部の渦流を抑制するための装置であって、バーナ（１）内で燃料／空気混合物が点火されかつ加熱ガスが形成され、該加熱ガスが、バーナ流出部（３）でバーナ（１）から流出しかつ加熱ガスの流れ方向でみてバーナ（１）の下流側に配置された燃焼室（２）内に流入する形式のものにおいて、引き剥し縁部として形成されているバーナ流出部（３）に少なくとも１つの流出通路（４）が連通していて、該流出通路を介して、前記加熱ガスの渦流を抑制するために、バーナ（１）から流出する加熱ガス内に質量流が供給可能であり、前記バーナ流出部に直接続いて生じる剪断層（５）内に合目的に前記質量流を供給することを特徴とする、流体動力機械内部の渦流を抑制するための装置。
16. バーナ（１）が、バーナ流出部（３）がほぼ円環状の輪郭を有する円錐バーナとして構成されていて、前記輪郭に沿って、少なくとも部分的に流出通路が開口している、請求項１５記載の装置。
17. 質量流がバーナから流出する加熱ガスの流れ方向に対してほぼ垂直に向けられるように、流出通路がバーナ流出部に設けられている、請求項１５又は１６記載の装置。
18. 流出通路の供給領域に調整ユニットが設けられていて、該調整ユニットを介して、質量流が脈動的に加熱ガスに混入可能である、請求項１５から１７までのいずれか１項記載の装置。
19. 調整ユニットが弁である、請求項１８記載の装置。
20. 流体動力機械が、ガスタービン装置、ボイラ又は加熱装置である、請求項１５から１９までのいずれか１項記載の装置。

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