JPH0694227A - 二次バーナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱音響的に生ぜしめられる振動を緩衝するこ
とができる二次バーナを提供する。 【構成】 燃焼器室１に配置された燃料供給部２，３が
環状の空気通路４によって取り囲まれている形式の二次
バーナであって、空気通路４が少なくとも１つの供給管
５を介して、貫流されるヘルムホルツ共鳴器６と連通さ
れており、この場合ヘルムホルツ共鳴器の少なくとも１
つの緩衝管７の出口が、二次燃焼室９へのバーナ開口８
の範囲に位置している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃焼器室に配置された
燃料供給部が環状の空気通路によって取り囲まれている
形式の二次バーナ、例えばガスタービン燃焼器用の二次
バーナに関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービン燃焼器における二次バーナ
の使用は、極めてエミッションの少ないオイル燃焼又は
ガス燃焼が望まれている場合に有利である。一次源から
既に燃料を導入されている通常のバーナの下流における
ガス流は、この場合約８５０゜Ｃの中位の温度を有して
いる。このような環境において、二次バーナを介して噴
霧される燃料は十分な速さで点火されることができる。
そしてこの場合における点火遅延時間は、例えば２〜１
０ｃｍの有用な距離の後で二次燃焼過程が導入されるよ
うな短さである。

【０００３】しかしながら通常のバーナとは異なり、二
次バーナは自立的に稼働しない。そしてこの場合意図的
に炎安定化ゾーンは回避される。従って二次バーナは、
速度が極めて高い場合でもつまり極めて短い時間におい
て、極めて多くの燃料を変換することができる。これに
よって次のような利点、すなわち、完全には前混合され
ていないゾーンにおける滞在時間をほとんど任意に短く
保つことができるという利点が得られる。つまり、速度
が高い場合でも迅速な混合を達成することが可能であ
る。

【０００４】このために燃料又は空気・燃料混合体は二
次バーナから通常横方向噴流で二次燃焼室に吹き込ま
れ、この二次燃焼室において迅速かつ均一な混合が行わ
れる。汎用のバーナではこのことは不可能である。それ
というのは、さもないと当該箇所において必要な炎安定
化が不可能になるからである。

【０００５】二次バーナにおける大きな問題は、二次バ
ーナが振動に対して極めて小さな抵抗力しか有していな
いことにある。このことは、二次バーナには、通常バー
ナにおけるような明確に規定された反応ゾーンが存在し
ていないことに基づいている。反応ゾーンが圧力変動に
よって容易に影響されてしまうことに基づいて、このよ
うな圧力変動によって燃焼室においては反応の大きなず
れが生じてしまい、この結果極めて強い振動が発生する
ことになる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ゆえに本発明の課題
は、冒頭に述べた形式の二次バーナを改良して、熱音響
的に生ぜしめられる振動を緩衝することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明の構成では、燃焼器室に配置された燃料供給部
が環状の空気通路によって取り囲まれている形式の二次
バーナにおいて、空気通路が少なくとも１つの供給管を
介して、貫流されるヘルムホルツ共鳴器と連通されてお
り、この場合ヘルムホルツ共鳴器の少なくとも１つの緩
衝管の出口が、二次燃焼室へのバーナ開口の範囲に位置
している。

【０００８】

【発明の効果】緩衝系が二次バーナに一体に組み込まれ
ていると効果的であり、この場合二次バーナの単純な構
造形式に基づいて、二次バーナ自体又はその一部を緩衝
器として構成することが可能である。

【０００９】本発明の有利な構成では、緩衝管が環状通
路として構成されている。このように構成されている
と、二次バーナは、ヘルムホルツ共鳴器から流出した空
気のカーテンによってもう一度取り囲まれることにな
る。これによって、緩衝管から流出して二次燃焼室の中
に環状に流入する緩衝媒体は、二次燃焼空気の一部であ
る。従って、緩衝のために使用される空気はなんら損失
にはならない。

【００１０】

【実施例】次に図面につき本発明の実施例を説明する。

【００１１】図面には本発明を理解するのに重要なエレ
メントだけが示されている。また図面において作業媒体
の流れ方向は矢印で示されている。

【００１２】図１には、燃焼器壁１に配置された二次バ
ーナが簡単化されて示されている。燃料は、バーナの中
央に配置されたオイル導管２を介して及び／又は、オイ
ル導管２を取り囲んでいる環状のガス・ランス３を介し
て二次燃焼室９に噴霧される。この構成の目的は、一方
では燃料を存在しているガス量に迅速に混入することで
あり、かつ他方では反応を可能な限り長く遅延させるこ
とである。これによって、混合過程が終了する前に、比
較的長い時間にわたって極めて高温のゾーンが存在する
ことが回避される。そして、直接バーナ開口８において
反応が行われることを回避するために、噴霧される燃料
流は空気のカーテンによって取り囲まれる。この空気の
カーテンは空気通路４を介してバーナ開口８に導かれ
る。空気通路４は、図示されていないコンプレッサの下
流における集合室１０から供給され、燃料供給部２，３
を環状に取り囲んでいる。通常必要な二次燃焼空気を燃
焼室９に導くこの空気のカーテンは、燃料供給部２，３
を冷却するためにも働く。

【００１３】上に述べた形式の二次バーナは公知であ
る。本発明では消音を目的として、ヘルムホルツ共鳴器
を使用することが望まれている。このために燃焼器壁１
には、空気通路４を取り囲む室が配置されており、これ
によって二次バーナとヘルムホルツ共鳴器とは一体の構
造エレメントを形成している。ヘルムホルツ室６への空
気入口開口は複数の供給管５として構成されており、こ
れらの供給管５は、全周にわたって分配されて空気通路
４の外壁を起点としてヘルムホルツ室６の中に突入して
いる。ヘルムホルツ共鳴器の緩衝管７は、環状通路とし
て構成されている。供給管５は有利には緩衝管７と同じ
長さを有している。ヘルムホルツ共鳴器の効果を高める
ために、緩衝管の端部は入口と出口とにおいて丸く面取
りされている。環状の緩衝管の出口は、バーナ開口８に
隣接した範囲に位置しており、この結果バーナ開口８は
環状の別の空気カーテンによって取り囲まれている。

【００１４】熱音響的な振動を安定化させるために重要
なことは、緩衝の位置である。反応率と圧力変動とが同
位相において振動する場合に、最も強い増幅が生じる。
最も強い反応率は、通常、燃焼ゾーンの中央の近傍にお
いて生じる。従って当該箇所において最も高い反応率変
動が、このような反応率変動が生じるとするならば、発
生することになる。ゆえに二次バーナの開口の範囲に緩
衝管を環状に配置することによって、最適な箇所におけ
る緩衝作用が得られることになる。

【００１５】ヘルムホルツ共鳴器の機能を高めるために
供給管５は、該供給管５が流入する空気のために比較的
高い圧力降下を生ぜしめるように、寸法設定されてい
る。これに対して緩衝管７を通しては空気は、低い残留
圧降下で二次燃焼室９に達する。緩衝管における圧力降
下の制限は次の要求、すなわち、燃焼器壁の内側におい
て不均一な圧力分布が生じている場合でも常に二次燃焼
室への十分な空気の流入を保証するという要求に基づい
ている。もちろん高温ガスが逆方向でヘルムホルツ共鳴
器に進入することは絶対に許されないことである。

【００１６】緩衝管における中位の流れ速度は、図示の
ガスタービン燃焼器の場合、理想的な設計では典型的に
２〜４ｍ／ｓである。つまり中位の流れ速度は、振動の
振幅に比べて極めて小さい。このことは、空気粒子が緩
衝管の中で脈動しながら前進・後進運動することを意味
している。しかしながら、共鳴器のかなり大きな過熱を
回避することができるような量の空気だけが貫流させら
れる。なぜならば、空気量の増大に連れて共鳴ひいては
緩衝が弱くなるからである。

【００１７】従ってヘルムホルツ共鳴器は、十分な貫流
が保証されるように寸法設定される。そしてこのように
寸法設定されていることによって、緩衝器の過熱及びこ
れによって生ぜしめられる緩衝周波数のドリフトを回避
することができる。

【００１８】ヘルムホルツ共鳴器６の寸法の選択は次の
要求、すなわち、供給管を通る緩衝空気質量流の変動と
緩衝管を通る緩衝空気質量流の変動との間における位相
角が、π／２と同じか又はそれ以上であるようにしたい
という要求に基づいて決定される。燃焼器壁の内側にお
ける所定の周波数をもつ均一な振動に対してこの要求
は、次のことを意味している。すなわち室容積は少なく
とも次のような大きさ、つまり、ヘルムホルツ共鳴器６
と開口５，７とによって形成される共鳴器のヘルムホル
ツ周波数が、少なくとも緩衝すべき燃焼器振動の周波数
に達するような大きさであることが望まれている。この
結果、使用されるヘルムホルツ共鳴器の室容積は有利に
は、二次燃焼室の最も深い固有周波数に対して設計され
る。さらにまた、さらに大きな室容積を選択することも
可能である。これによって、二次燃焼室の内側における
圧力変動によって、空気質量流の強い逆位相の変動が生
ぜしめられる。なぜならば、いまや、供給管を通る緩衝
空気質量流の変動と緩衝管を通る緩衝空気質量流の変動
とはもはや同位相ではないからである。

【００１９】燃焼器において使用することができる、し
かしながらまた至るところで使用することができる、貫
流されるヘルムホルツ共鳴器の基本的な特徴は、図２に
示されている。共鳴器は主として、供給管５ａと共鳴器
室６ａと緩衝管７ａとから成っている。供給管５ａは圧
力降下を規定する。供給管の端部における速度は、噴流
の動的な圧力が損失と共に燃焼器における圧力降下に相
当するように、調節される。そして、緩衝器内部が過熱
しないような量の空気が供給される。もし燃焼器の範囲
からの噴流によって過熱が生じると、周波数を安定化さ
せることが不可能である。従って貫流によっては、単
に、流入する熱量が連行排出されることだけが望まれて
いる。以上述べたことに関してはヘルムホルツ共鳴器は
公知である。

【００２０】ヘルムホルツ共鳴器の出力を著しく上昇さ
せるためには、緩衝管７ａの両端部を鋭角的に構成しな
い方が有利であるということが判明している。この場合
以下に記載の条件を満たすような曲率半径をもつ丸み部
が選択される：

【００２１】

【数１】

【００２２】式中、Ｓｔｒはストルーハル数、Ｒは丸み
部の曲率半径、ｆは周波数、ｕは緩衝管における流れの
変動速度である。

【００２３】このような処置によって特に次のことが達
成される。すなわちこれによって、流れが緩衝管の入口
及び出口において、入口及び出口が鋭角的に構成されて
いる場合におけるように、完全に分断されることはなく
なる。そして入口損失及び出口損失は小さくなり、これ
によって脈動する流れの損失は著しく小さくなる。この
損失の少ない構成によって振動振幅は極めて大きくな
り、この結果、緩衝管の端部における所望の大きな噴流
損失がさらに高められる。言い換えれば、振幅の増大は
損失係数の減少を過補償する。この結果として、自体公
知の貫流される共鳴器に比べて、２倍〜３倍の緩衝出力
を有するヘルムホルツ共鳴器を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】二次バーナの部分縦断面図である。

【図２】ヘルムホルツ共鳴器の原理を示す図である。

【符号の説明】

１ 燃焼器壁、 ２ 燃料供給部、 ３ 燃料供給部、
４ 空気通路、 ５，５ａ 供給管、 ６，６ａ ヘ
ルムホルツ共鳴器、 ７，７ａ 緩衝管、 ８バーナ開
口、 ９ 二次燃焼室、 １０ 集合室

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼器室（１）に配置された燃料供給部
   （２，３）が環状の空気通路（４）によって取り囲まれ
   ている形式の二次バーナであって、空気通路（４）が少
   なくとも１つの供給管（５）を介して、貫流されるヘル
   ムホルツ共鳴器（６）と連通されており、この場合ヘル
   ムホルツ共鳴器の少なくとも１つの緩衝管（７）の出口
   が、二次燃焼室（９）へのバーナ開口（８）の範囲に位
   置していることを特徴とする二次バーナ。
2. 【請求項２】 緩衝管（７）が環状通路として構成され
   ている、請求項１記載の二次バーナ。
3. 【請求項３】 燃焼室における二次バーナのための貫流
   されるヘルムホルツ共鳴器であって、主として供給管
   （５ａ）と共鳴室（６ａ）と緩衝管（７ａ）とから成っ
   ている形式のものにおいて、緩衝管（７ａ）が入口側及
   び出口側において丸く面取りされていることを特徴とす
   るヘルムホルツ共鳴器。