JPH07310909A - 自己着火式の燃焼室 - Google Patents
自己着火式の燃焼室Info
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- JPH07310909A JPH07310909A JP7116205A JP11620595A JPH07310909A JP H07310909 A JPH07310909 A JP H07310909A JP 7116205 A JP7116205 A JP 7116205A JP 11620595 A JP11620595 A JP 11620595A JP H07310909 A JPH07310909 A JP H07310909A
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Abstract
導し、かつ有害物質の発生を最少にするための手段を提
案する。 【構成】 流入ゾーン(5)が渦誘起装置を備えてお
り、複数の渦誘起装置が流過流路の周部に互いに並置さ
れており、流入ゾーン(5)の下流側に予混合ゾーン
(7)が続いており、予混合ゾーン内へガス状およびま
たは液状の燃料(9)が噴射可能であり、予混合ゾーン
(7)と燃焼ゾーン(11)との間に横断面の突出部
(12)が設けられており、該突出部が燃焼ゾーン(1
1)の最初の流過横断面を誘導するようになっている。
Description
よる燃焼室に関する。
方向に自由な出口とを備えたバーナー構成では、極めて
低いN0x−、CO−、およびUHC−(=不飽和炭化
水素)発生で同時に安定的な火炎前面をいかにして簡単
な形式で形成するかという問題がしばしば存在する。こ
の点で既に種々の提案が知られているが、これらは満足
の行くものではない。EP−A1−0321809で開
示された発明がこの関連で公知となったものの中の例外
であり、該発明の提案は火炎安定化、効率および有害物
質発生に関し、特にNOx−発生については品質の向上
が見られた。しかし種々の理由から上記の発明の対象を
使用することができない燃焼装置があり、このような場
合には拡散バーナーを使用するにしろ、予混合ゾーンが
火炎前面の領域内に渦誘起装置または火炎保持部材で補
完されているにしろ、相変わらず旧式の技術で操作する
ことを余儀なくされる。1番目の例では常に高いNOx
−発生を考慮しなければならず、その排出量はきわめて
重要な市場を提供する国々の最近の法的規制にもはや合
致しない;2番目の例では提案された手段の組込みにも
かかわらず常に火炎ゾーンから予混合ゾーン内部への火
炎の逆流が、特に内壁面(ここでは当然ながら燃焼空気
の流速が比較的小さい)に沿って生じる可能性がある。
火炎の逆流を防止する上記の技術が役立たない代表的な
燃焼装置は着火式に設計された燃焼室に関する。これは
一般に十分に円筒形の管または環状燃焼室であり、この
中へ作業ガスが比較的高温で流入し、かつここで噴射さ
れた燃料と一緒に混合気を形成し、燃料が自己着火を開
始する。作業ガスを熱ガスにするための熱的な処理は専
らこの管またはこの環状燃焼室の内部で行われる。これ
が高圧タービンと低圧タービンとの間で働く後燃焼室で
ある場合には予燃焼室を組込むのは、または火炎の逆流
を防止する補助手段を設けるのはすでにスペースの問題
で不可能であり、そのためにこれまではこのきわめて魅
力的な燃焼技術は断念されざるを得なかった。仮に環状
燃焼室を軸に取付けられたガスターボ群の第2の燃焼室
として設けた場合には、この燃焼室の長さを最小にする
ことに関して火炎安定化と結合した付加的な問題が生じ
る。
に記載された形式の燃焼室において、火炎の安定化を誘
導し、かつ有害物質の発生を最少にするための手段を提
案することである。
よれば請求項1の特徴によって解決される。
誘起装置(渦誘起装置)を介して、予混合区間内の該渦
誘起装置の後流内に再循環域が生じないように渦流化さ
れる。燃料はこの大スペースのスワール構造内へ導入さ
れる。そのためには流路内へ突出した槍状燃料供給管が
好適である。
を出たスワール流が導入燃料の大スペースにわたる分配
を配慮し、他方ではこの乱流が燃焼空気と燃料との混合
気形成に際して均質化を行うことにある。
般に自己着火する傾向、したがって火炎が逆流する傾向
がある。本発明の利点は、燃料が予混合流路内の狭まっ
た箇所の後方で噴射されることにある。この狭窄部は、
乱流が軸方向速度の増大によって減じられ、このことが
乱流の火炎速度の変化による逆流の危険を最少にすると
いう利点を提供する。
しめられる。
保証される、それというのも渦流の周方向成分が阻害さ
れないからである。
はここに生じた開口によって再び減少せしめられる:こ
の利点は、今やより強力になった乱流が均質な混合を配
慮することに見られる。
じ、その寸法が燃焼室または燃焼ゾーンの本来の流過横
断面を与える。この横断面拡大部内に運転中境界ゾーン
が形成され、境界ゾーン内でここの流れによって生じる
負圧によって渦分離(Wirbel−abloesungen)が、すなわ
ち渦リングが生じ、これがまた火炎前面の安定化に寄与
する。この構造は特に燃焼室が自己着火式に設計されて
いる場合に有利である。このような燃焼室はすなわち有
利には環状又はリング状の燃焼室の形状を有し、これは
短い軸方向構造長さを有し、かつ高温・高速の作業ガス
によって貫流される。上記の周部の渦分離は、火炎の逆
流を防止するために付加的な措置がもはや不要であるよ
うに火炎前面を安定化させる。
引用形式請求項に記載されている。
る。本発明の直接的な理解に不要な部材はすべて省略さ
れている。異なる図面において同一の部材には同じ符号
が付けられている。媒体の流れ方向は矢印で示されてい
る。
燃焼室1を示す。環状燃焼室はおよそ連続した環状、ま
たは準環状のシリンダの形状を有している。さらにこの
ような燃焼室はまた多数の、軸方向に、準軸方向に、ま
たは螺旋状に配置され、個々に独立した燃焼空間から成
っている。このような環状燃焼室は有利には自己着火式
燃焼室として運転されるのに好適であり、流れ方向でみ
て軸に支承された2つのタービン間に配置される。この
ような環状燃焼室1が自己着火式で運転される場合には
上流側で働くタービン2は熱ガス3の部分的な膨張に対
してのみ設計されており、これにより排ガス4はこのタ
ービン2の下流側で依然としてかなり高い温度で環状燃
焼室1の流入ゾーン5内へ流入する。この流入ゾーン5
は流路壁6の内面に周方向に1列の渦流を誘起させる部
材100(以下渦誘起装置と称す)を備えている。渦誘
起装置については詳細は後述される。排ガス4は渦誘起
装置100によって、引続く予混合ゾーン7内に上記の
渦誘起装置100の後流内に再循環域が生じないように
渦流化される。ベンチュリ流路として構成されたこの予
混合ゾーン7の周方向に複数の槍状燃料供給管8が配置
されており、これらは燃料9および補助空気10の供給
を行う。槍状燃料供給管8については詳しくは後述され
る。各槍状燃料供給管8への媒体の供給は例えば図示さ
れていない環状管路を介して行うことができる。渦誘起
装置100によって生ぜしめられたスワール流は導入さ
れた燃料9と添加混合された補助空気10共々の大スペ
ースにわたる分配を配慮する。さらにスワール流は燃焼
空気と燃料の混合気の均質化を配慮する。槍状燃料供給
管8から排ガス4中へ噴射された燃料9は、排ガス4が
燃料に依存した自己着火を開始し得る特別な温度を持っ
ている場合に自己着火を開始する。環状燃焼室1がガス
状の燃料で運転される場合には着火の開始には排ガスは
850℃よりも高い温度を持っていなければならない。
既に上記で認められたようにこのような燃焼では火炎の
逆流の危険がある。この問題は、一方では予混合ゾーン
7がベンチュリ流路として構成されており、他方では燃
料9の噴射が予混合ゾーン7の最大のくびれ部の領域内
に設けられていることによって解決される。予混合ゾー
ン7内の狭窄部により乱流が軸方向速度の増大によって
減少せしめられ、これは乱流の火炎速度の減少によって
逆流の危険を最少にする。他方で燃料9の大スペースに
及ぶ分配はさらに保証される、それというのも渦誘起装
置100から出たスワール流の周方向成分は阻害されな
いからである。比較的短く保たれた予混合ゾーン7の後
方には燃焼ゾーン11が続いている。両ゾーン間の移行
部は横断面の半径方向の突出部12によって形成されて
おり、該突出部は先ず燃焼ゾーン11の流過横断面を導
く(induziert)。火炎前面もこの横断面の突出部12
の平面内に出現する。予混合ゾーン7の内部への火炎の
逆流を阻止するためには火炎前面が安定的に保持されな
ければならない。そのためには渦誘起装置100は、予
混合ゾーン7内で再循環が起こらないように設計され
る;横断面の急激な拡大部の後方で初めてスワール流の
破壊が起こるのが望ましい。スワール流は横断面の突出
部12の後方において流れを迅速に形成するのを助ける
ので、燃焼ゾーン11の容積のできる限り完全な利用に
よって短い構造長さで高い消尽が達成される。この横断
面の突出部12内に運転中境界流れゾーンが形成され、
このゾーン内でここで支配的な負圧によって渦分離が生
じ、渦分離は火炎前面の安定化をもたらす。燃焼ゾーン
11内で熱ガスを形成するように準備された排ガス4は
引続きもう1つの下流側で作用するタービン14に負荷
する。排ガス15は次いで蒸気循環路の運転に使用する
ことができ、後者の場合装置は組合せ装置である。
ン5は示されていない。排ガス4の流れが矢印によって
示されており、これでもって流れ方向も与えられてい
る。これらの図によれば渦誘起装置100,101,1
02は主に3つの3角形の表面から成り、これらは自由
に流過される。これらは上面110と2つの側面11
1,113である。これらの面はこれらの長手方向にお
いて一定の角度を有して流れ方向に延びている。有利に
は直角3角形からなる渦誘起装置100,101,10
2の側壁は長手側でもって上記の流路壁6に有利には気
密に固定されている。渦誘起装置は、狭幅側でαで示さ
れた角度の形成下に衝突面を形成している。衝突面は鋭
い結合縁116として構成されており、かつ側面に整列
した各流路壁6に対して垂直である。角度αを形成する
両側面111,113は図4では形状、寸法および配向
において対称的であり、両側面は流路軸線と同方向の対
称軸線117の両側に配置されている。
びていてきわめて狭く構成された縁115でもって側面
111,113と同じ流路壁6に位置している。長手方
向の縁112,114は側面111,113の流路内に
突入した長手方向の縁と整列している。上面110は流
路壁6に対して入射角(Anstellwinkel)θの下に延びて
おり、その長手縁112,114は結合縁116と一緒
に先端部118を形成している。もちろん渦誘起装置1
00,101,102は底面を持っていてもよく、底面
でもって渦誘起装置は好適な形式で流路壁6に固定され
ている。しかしかかる底面は装置の作用形式には無関係
である。
形式は以下のようである:図面に略示されているよう
に、縁112,114を回る流れでは主流は1対の反対
方向の渦流に変換される。渦流の軸線は主流の軸線内に
ある。スワール数および渦破壊(後者が意図されている
限りにおいて)の場所は入射角θおよび角度αの適切な
選択によって決定される。角度の増大と共に渦の強さお
よびスワール数は増大し、かつ渦破壊の場所は上流側へ
渦誘起装置100,101,102自体の領域内にまで
ずれる。用途に応じて2つの角度θとαは構造上の条件
およびプロセス自体によって与えられる。下記で図5に
関連してさらに詳述されるように、これらの渦誘起装置
は全長と高さに関して適合せしめられなければならな
い。
縁116は渦誘起装置100の下流側の縁を形成してい
る。したがって流過流路に対して横方向に延びた上面1
10の縁115は流路の流れによって最初に負荷される
縁である。
いわゆる半分の“渦誘起装置”が示されている。ここに
示された渦誘起装置101では2つの側面の1つのみが
角度α/2を有している。他方の側面は直線であり、流
れ方向に整列している。対称的な渦誘起装置とは異なり
この場合には象徴的に図面に示されているように1つの
渦のみが矢印の側に誘起せしめられる。したがってこの
渦誘起装置の下流側には渦中和フィールドは存在せず、
流れには1つのスワールが付与されている。
ず負荷される箇所が渦誘起装置102の鋭角の結合縁1
16である点で図面2とは異なっている。したがって該
装置は180°回転せしめられている。図面から判るよ
うに2つの対向した渦は回転方向が変わっている。
00の基本的なジオメトリを示す。通常結合縁116の
高さhは流路の、またはこの渦誘起装置に配設された流
路部分の高さHに対して、発生された渦が渦誘起装置1
00の直ぐ下流において既に全流路高さHがこの渦によ
って満たされるような大きさを持つように調和せしめら
れている。このことは負荷された横断面内で均一な速度
分布をもたらす。選択すべき両高さの比h/Hに影響を
与え得るもう1つの規準は、渦誘起装置100を流れる
時に起こる圧力降下である。比h/Hが大きければ大き
い程圧力損失係数も上昇する。
2つの流れを互いに混合することが肝心である場合に使
用される。燃焼空気の形の主流4は横方向の縁115ま
たは結合縁116をそれぞれ矢印で示された方向に作用
する。ガス状およびまたは液状の燃料(必要により補助
空気分で富化されている(図13参照))の形の副流は
主流よりも著しく小さな質量流を有する。この副流は、
図1から特に良く判るように本例では渦誘起装置の下流
側で主流中へ導入される。
100が流路5の全周にわたって相互間隔を置いて分配
されている。もちろん渦誘起装置は周方向に互いに接触
して流路壁6に隙間なく配列することもできる。最終的
には生成すべき渦が渦誘起装置の数と配置の選択には決
定的である。
るためのもう1つの可能な形を示す。この変更形は有利
には相互に、かつ例えば図1から得られる中央の燃料噴
射と組合せることができる。
流路壁孔120に加えて、側面111,113の直ぐ隣
りで、かつ渦誘起装置が配置された同じ流路壁6内の該
側面の方向に設けられた壁孔121からも噴射される。
壁孔121からの燃料の導入は誘起された渦に付加的な
パルスを与え、これは渦誘起装置の寿命を延ばす。
または壁孔123を介して噴射され、2つの手段は、流
過流路に対して横方向に延びた上面110の縁115の
直前で、かつ渦誘起装置が配置された同じ流路壁6内の
上記縁の方向にある。壁孔123またはスリット122
のジオメトリは、燃料が所定の噴射角度で主流4内へ装
入され、かつ後方の渦誘起装置をこの周囲を流れて熱い
主流4から守る保護膜として遮蔽するように選択され
る。
照)は先ず図示されていないガイドを介して流路壁6か
ら渦誘起装置の中空内部へ導入される。したがって渦誘
起装置のための内部冷却手段が配慮され、他の手段を設
ける必要がない。
る。壁孔は上面110内の、流過流路に対して横方向に
延びた縁115の直後にこの縁に沿って配置されてい
る。この例では渦誘起装置の冷却は内部的によりもむし
ろ外部的に行われる。流出した副流は上面110を流過
する際に上面を熱い主流4から遮蔽する保護膜を形成す
る。
17に沿って梯子状に配置されている。この変更形でも
って流路壁6は特に良好に熱い主流4から保護される、
それというのも燃料は先ず渦の外郭部に導入されるから
である。
2,114内にある壁孔126から噴射される。この手
段は渦誘起装置の良好な冷却を保証する、それというの
も燃料は渦誘起装置の外端部から出て、したがってこの
部材の内壁を完全に流過するからである。副流はこの例
では直接発生した渦内へ流入せしめられ、これは所定の
流れ関係を与える。
一方は縦縁112,114の領域内に、かつ他方は結合
縁116の領域内にある壁孔127を介して噴射が行わ
れる。この変更形では作用的には図6からのもの(孔1
21)および図11からのもの(孔126)に似てい
る。
向4で見た図と前方から見た図である。この槍状燃料供
給管は燃料の中央噴射用に設計されている。槍状燃料供
給管は流路を流れる全容積流の10%位に設計されてお
り、燃料9は流れ方向に対して横方向に噴射される。も
ちろん燃料は流れ方向に見て縦方向噴射を考えることも
できる。この例では噴射衝撃は主流のそれにほぼ相当す
る。噴射された燃料9は補助空気10分と一緒に複数の
半径方向の開口を介して上流で誘起された渦によって連
行され、かつ主流4と混合する。噴射された燃料9は渦
のコイル状の経過に従って(図2−4参照)、かつ室内
の渦の下流で均一に微細に分配される。これによって対
向流路壁における衝撃ジェットの危険が減少し、並びに
いわゆる渦流化されない流れの場合のような“ホットス
ポット”の形成が減少する。主要な混合過程は渦内で行
われ、かつ副流の噴射衝撃に対して十分に鈍感なので、
燃料の噴射については融通性が保持され、かつ他の限界
条件に適合せしめることができる。
衝撃を維持することができ、これについては完璧を期す
るために図14に基づいた説明が示される。したがって
混合品質は大部分は渦誘起装置のジオメトリによって決
定されるので、単に過度的な範囲においてのみ燃料噴射
への介入がなされればよい。燃料9の着火遅れ時間を渦
の混合時間に適合させることによって燃焼過程が最適化
され、有害物質発生の全般的な最少化が保証される。さ
らに図2から図4に基づいた渦誘起装置の説明に関連し
ていえば、強力な混合が全流過横断面にわたる良好な温
度プロフィールを与え、このことは熱音響的な不安定さ
の発現が低下せしめられる。したがって渦誘起装置はこ
れ自体熱音響的な振動の減衰手段として働く。さらに槍
状燃料供給管8は既に少し触れたように補助空気10の
供給部を備えている。以下でこの作用形式について詳説
される。
に関する図表が示されており、これにしたがって記述の
燃焼室が始動される。始動時には主流に対する噴射燃料
の最適な混合、すなわち最適な着火挙動および燃焼室の
全負荷までの過度的な範囲における最適な燃焼を保証す
る条件を作ることが重要である。縦座標Yは噴射された
媒体相互の量を表し、横座標Xは装置の負荷を表す。始
動時には補助空気10の量が最大であり、一方噴射燃料
量は徐々に増大することが判る。全負荷時に燃料9はな
お補助空気10を割合Zで有している。この方法形式の
利点は、補助空気10が混合の劣悪化をもたらす燃料衝
撃の屈曲を吸収するのに好適であることである。燃料衝
撃の別の急激な変化は燃焼室内の熱音響的な不安定性を
招く。これは最小分Zの補助空気10のコンスタントな
供給によって回避される。
の図である。
図である。
図である。
図である。
図である。
た図である。
た図である。
た図である。
料供給管の構成を流れ方向で見た図と前方から見た図で
ある。
の始動図である。
ス、 4,15 排ガス、 5 流入ゾーン、 6 流
路壁、 7 予混合ゾーン、 8 槍状燃料供給管、
9 燃料、 10 補助空気、 11 燃焼ゾーン、
12 突出部、13 熱ガス、 16 軸の軸線、 1
7 開口、100,101,102 渦誘起装置、 1
10 上面、 111,113 側面、 112,11
4 縁、115 縁、 116 結合縁、 117 対
称軸線、 120−127 孔
Claims (10)
- 【請求項1】 自己着火式の燃焼室であって、主に流入
ゾーンと燃焼ゾーンとを有しており、両ゾーンが前後に
配置されており、かつ同一の流れ方向を有している形式
のものにおいて、流入ゾーン(5)が渦誘起装置を備え
ており、複数の渦誘起装置が流過流路の周部に互いに並
置されており、流入ゾーン(5)の下流側に予混合ゾー
ン(7)が続いており、予混合ゾーン内へガス状および
または液状の燃料(9)が噴射可能であり、予混合ゾー
ン(7)と燃焼ゾーン(11)との間に横断面の突出部
(12)が設けられており、該突出部が燃焼ゾーン(1
1)の最初の流過横断面を誘導するようになっているこ
とを特徴とする、自己着火式の燃焼室。 - 【請求項2】 燃料(9)が補助空気(10)分を有し
ている、請求項1記載の燃焼室。 - 【請求項3】 予混合ゾーン(7)がベンチュリ形状の
流路であり、かつ燃料(9)がこのベンチュリ形状の流
路の最大くびれ部の領域内で燃料ノズル(8)を介して
主流(4)に沿って、または主流に対して横方向に噴射
可能である、請求項1または2記載の燃焼室。 - 【請求項4】 燃焼室が環状燃焼室(1)である、請求項
1記載の燃焼室。 - 【請求項5】 渦誘起装置(100)が3つの自由に流
過される面を有しており、これらの面が流れ方向に延び
ており、かつこれらの面の1つが上面(110)を、か
つ他の2つの面が側面(111,113)を形成してお
り、側面(111,113)が流路(5)の同一の壁区
分に接しており、かつ互いに角度(α)を形成してお
り、上面(110)が流過流路(5)に対して横方向に
延びた縁(115)でもって側面(111,113)と
同一の流路(5)の壁区分に当接しており、上面(11
0)の縦方向の縁(112,114)が側面(111,
113)の、流路(5)内へ突出した縦方向の縁と接し
ており、かつ流路(5)の壁区分に対して入射角(θ)
を成して延びている、請求項1記載の燃焼室。 - 【請求項6】 渦誘起装置(100)の角度(α)を形
成する2つの側面(111,113)が対称軸線(11
7)を中心にして対称的である、請求項5記載の燃焼
室。 - 【請求項7】 角度(α,α/2)を形成する側面が互
いに結合縁(116)を形成しており、上面(116)
の縦方向の縁(112、114)と一緒に先端部(11
8)を形成しており、かつ結合縁(116)が円形の流
路(5)の半径方向に位置している、請求項5記載の燃
焼室。 - 【請求項8】 結合縁(116)およびまたは上面(1
10)の縦方向の縁(112,114)が少なくとも多
少鋭角に構成されている、請求項7記載の燃焼室。 - 【請求項9】 渦誘起装置(100)の対称軸線(11
7)が流路軸線に平行に延びており、両側面(111,
113)の結合縁(116)が渦誘起装置(100)の
下流側の縁を形成しており、かつ流過流路(5)に対し
て横方向に延びた上面(110)の縁(115)が先ず
主流(4)によって負荷される縁である、請求項1,
5,6,7のいずれか1項に記載の燃焼室。 - 【請求項10】 渦誘起装置(5)の高さ(h)と流路
(5)の高さ(H)の比が、生起せしめられた渦が渦誘
起装置(100)の直ぐ下流で流路(5)の全高(H)
および渦誘起装置(100)に配設された流路部分の全
高を満たすように選択されている、請求項1記載の燃焼
室。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4417538A DE4417538A1 (de) | 1994-05-19 | 1994-05-19 | Brennkammer mit Selbstzündung |
DE4417538.8 | 1994-05-19 |
Publications (2)
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