JPH11248111A - バーナの燃焼器内に燃料／液体混合物を噴射する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 完成したガスタービンプラントにおけるコス
トの高い改造手段を必要とすることなしに燃焼器内の集
中的な低周波振動の発生を広範囲に排除することができ
るような、噴霧ノズルを備えたバーナの燃焼器内に燃料
／液体混合物を噴射するための方法及び装置を発展させ
る。 【解決手段】 液体に、燃料の混合前又は混合される間
に渦流を形成する。渦流発生部材１０が、少なくとも１
つの液体供給部８に設けられている又は液体供給部８
が、液体流が燃料との混合前又は混合中に渦流を形成さ
れるように配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、少なくとも１つの
液体のための供給領域と、この供給領域から分離された
少なくとも１つの燃料のための供給領域と、噴霧ノズル
オリフィスの上流に設けられた少なくとも１つの容量領
域であってこの容量領域において液体が燃料と混合され
るものとを備えた噴霧ノズルを用いてバーナの燃焼器に
燃料／液体混合物を噴射するための方法及び装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】エネルギ発生のために使用され、特に後
置のガスタービンプラントと相俟って化石燃料を電気的
エネルギに転換することを可能にする燃焼器の燃焼にお
いて、使用される燃料の完全燃焼及び燃焼により発生す
る放出物の低減の観点から燃焼プロセスを最適化するた
めの不断の努力がなされている。

【０００３】例えば、燃焼器内に導入される燃料の不完
全燃料は増加したＮＯｘ放出値をもたらし、このＮＯｘ
放出値は、燃料を水と混合することによって著しく低減
することができる。

【０００４】ガスタービンプラントのバーナは、増大し
たＮＯｘ放出値を回避するために燃料／水混合物を用い
て運転され、ガスタービンプラントの運転時、集中的な
低周波振動がバーナユニット内に生ぜしめられ、これら
の振動の振幅は、燃料／水混合物内の水の占有量が増大
するに従って大きくなることが分かる。バーナユニット
のサイズ及び形状に応じて、様々な周波数において複数
の離散した共振が形成される。

【０００５】このように強く発生する、低周波を備えた
振動現象の原因は、極めて確実に、流れ方向で見て燃焼
器の下流に配置されたタービン入口におけるエントロピ
波の回析効果によって生ぜしめられるようである。した
がって、エントロピ波は、主として、燃焼器内の炎全体
に亘る温度比が明らかに２よりも高くなったときに生じ
る。これにより、このような振動は、しばしば、点火と
バーナのアイドリングモードとの間に生ぜしめられ、特
に、燃焼器に流入する空気が、炎温度と比較して比較的
低い温度を有し、これにより、炎全体に亘る温度比が極
めて高くなることにより生じる。

【０００６】生ぜしめられる低周波振動を抑制するため
に、燃焼器とこの燃焼器のタービン入口オリフィスへの
接続部とに適切な変更を加えることができ、これらの変
更により、この容量領域の共振動作は変化又は対応して
調整されることができる。例えば、このためには、適切
なバイパスラインを燃焼器領域に又は高圧タービン領域
にも設け、これにより、適切な振動減衰を達成すること
ができる。しかしながら、このような変更は、既存のガ
スタービンプラントにおける高価な改造手段を必要とす
るが、このような手段は、この改造手段に伴うコスト及
びプラントの長期に亘る運転停止のために魅力的ではな
い。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
課題は、既存のプラント部材、特に完成したガスタービ
ンプラントにおけるコストの高い改造手段なしに燃焼器
内の集中的な低周波振動の発生を広範囲に排除すること
ができるような、噴霧ノズルを備えたバーナの燃焼器内
に燃料／液体混合物を噴射するための方法及び装置を発
展させることである。

【０００８】

【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、冒頭で述べたような方法におい
て、液体に、燃料との混合前又は混合される間に渦流を
形成するようにした。

【０００９】さらに上記課題を解決するために本発明の
構成では、冒頭で述べた形式の装置において、渦流発生
部材が、少なくとも１つの液体のための供給領域に設け
られている又は液体のための供給領域が、液体流が燃料
との混合前又は混合中に渦流を形成されるように配置さ
れているようにした。

【００１０】さらに上記課題を解決するために本発明の
構成では、冒頭で述べた、ガスタービンを運転するため
の装置の使用法において、液体の占有量と液体の渦の強
さとの適切な調整によって、予め設定し得る点火時点、
すなわち噴霧ノズルオリフィスからの燃料／液体混合物
の流出と点火との間の時間の長さが調整されるようにし
た。

【００１１】

【発明の効果】本発明の基礎となる課題を達成する手段
は、本発明による方法を記載した請求項１に開示されて
いる。請求項４は、本発明による装置を対象にしてお
り、請求項１５は、装置の本発明による使用法を対象に
している。有利には本発明の思想を発展させる特徴は、
従属請求項の主題である。

【００１２】本発明は、エントロピ波の発生によって燃
焼器内に生ぜしめられる低周波振動の共振動作は、実質
的に、継続時間τによって決定され、この継続時間τ
は、噴霧ノズルからの燃料／液体混合物の流出と燃焼器
内での点火との間の時間間隔に相当するという認識に基
づく。

【００１３】バーナには、燃焼器の入口の上流に、燃料
／液体混合物の供給に適した噴霧ノズルが設けられてお
り、バーナの共振動作はバーナを振動させるラウドスピ
ーカシステムを用いて測定される。バーナのモデル構成
の調査が示しているように、特にバーナ形状とバーナ容
量とのジオメトリの結果として生じる音響的なフレーム
条件に応じて所定の共振周波数が形成され、この共振周
波数のうちの１つが、音響システムのヘルムホルツ共振
周波数にほぼ対応している。ラウドスピーカによって提
供される、バーナ装置によって吸収される音響エネルギ
の測定が示しているように、τが０に近い極めて小さな
値又は対応する共振周波数の逆数に近い値を占めるなら
ば、バーナ装置は、共振動作の場合に、加えられた音響
エネルギを最も強く吸収する。つまり、継続時間τの適
切な選択により、エントロピ波のモードを特に強く励起
することが可能である。逆に、このことは、パラメータ
τの適切な選択により、大きさが分かり、その大きさの
適切な選択により低周波振動の発生を生ぜしめるエント
ロピ波の励起を広範囲に抑制することができるような、
バーナの運転状況を設定することができる。したがっ
て、燃料／水混合物の噴射と燃焼との間の継続時間を示
すパラメータτは、低周波振動の抑制において決定的な
役割を果たす。

【００１４】別の調査は、燃料に混合される液体占有量
が増大する場合には、時間長さτも増大することを示し
ている。これに対して燃料に混合される液体の量に依存
したままであるにも拘わらず時間長さτを適切な値に調
整することができるために、この場合、バーナ装置全体
の振動発生ができるだけ抑制されることができ、本発明
によれば、燃料に混合される液体、有利には水の適切な
渦流により時間長さτは短縮されることができ、これに
より、燃料との混合前又は混合の間における液体流への
渦流の適切な形成によって、時間長さτが広範囲で任意
となり、燃料／液体混合物内の液体占有分に応じて調整
することができる。

【００１５】本発明によれば、噴霧ノズルと、少なくと
も１つの液体のための供給領域と、この液体のための供
給領域から分離された少なくとも１つの燃料のための供
給領域と、液体が燃料と混合されるための、噴霧ノズル
オリフィスの上流に設けられた少なくとも１つの容量と
備えたバーナの燃焼器内に燃料／液体混合物を噴射する
方法は、液体が、燃料との混合前又は混合中に渦流を形
成するように提供される。

【００１６】前記のように継続時間τは燃料／液体混合
物内の液体部分が増大するに従って増大するので、流入
する液体流内の渦流の形成を増大することによってτの
増大を補償することが可能である。流入する液体流、又
は燃料と混合したい液体流内への適切な渦流の導入によ
り、点火時間又は継続時間τは、混合したい液体占有分
に依存して個々に調整することができるので、可能なら
ばエントロピ波の発生を回避することができる。

【００１７】本発明による前記方法を実施するための、
噴霧ノズルを備えたバーナの燃焼器内に燃料／液体混合
物を噴射するための本発明による装置は、少なくとも１
つの液体のための供給領域に渦流発生部材が設けられて
いるか、液体のための供給領域が、液体流が燃料との混
合前又は混合中に渦流を形成されるように配置されてい
るように構成されている。

【００１８】渦流の程度は、流体のための供給領域内の
対応する構造的な手段、例えば、流体の流れ方向に対す
る変向板の傾斜によって、又は、流体のための供給領域
と燃料のための供給領域との間に位置した対応して形成
された通路オリフィスによって調整されることができ
る。

【００１９】自体公知の噴霧ノズルは、噴霧したい燃料
のためのノズル出口オリフィスに対して軸線方向に供給
領域を有している。ノズルオリフィスからの燃料、有利
には燃料オイルの通過後、この燃料は極めて微細な燃料
粒として噴霧される。本発明による装置では、ノズル出
口オリフィスからの燃料の流出前に、液体、有利には水
が燃料と混合され、この水は、燃料がノズル出口オリフ
ィスから流出する前に、渦流を形成しながら燃料と混合
される。

【００２０】このためには、液体のための供給領域と、
燃料のための供給領域との間に設けられた通路オリフィ
スを有していると有利であり、この通路オリフィスを通
って液体が燃料の流れに対して垂直に導入される。この
ように、燃料流に合流する液体がほぼらせん状に拡開し
た渦を形成しながら流入し、この渦により液体が燃料と
混合される。

【００２１】択一的なノズル配置では、ノズル出口オリ
フィスに対して軸線方向に方向付けられた燃料流を取り
囲むように設けられた中間壁によって分離された、同軸
的な液体流が提供され、この液体流は、液体のための供
給領域の内部における渦流発生部材によって、燃料の供
給領域を同軸的に取り囲みながら旋回する渦流に形成さ
れる。噴霧ノズル出口オリフィスの直ぐ上流では、両流
れが合流し、渦流を形成しながらノズル出口オリフィス
に到達する。

【００２２】燃料と混合したい液体の占有分に応じて、
燃料流中の渦流の強さは対応して決定されることができ
る。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
につきさらに詳しく説明する。

【００２４】図１（ａ）〜（ｃ）は、バーナ装置の概略
的な縦断面を示しており、前記バーナ装置は、それぞれ
の場合に、噴霧ノズル１と、燃焼器２と、この燃焼器２
に続く、図示されていないガスタービンのための結合領
域３とから成っている。図１（ａ）に示したように、燃
料のみが噴霧ノズル１から噴霧され、前記燃料は所定の
時間の間隔τで点火され、燃焼器２内に様式化して示さ
れた燃焼炎４を形成する。

【００２５】図１（ｂ）は、未だ燃料が噴霧ノズル１か
ら流出する前に、より少ない液体占有分が燃料に混合さ
れる場合を示している。本発明による手段、特に液体流
を渦流の形式で燃料と混合することを用いないと、冒頭
に述べたように、噴霧ノズルと燃焼炎との間の時間の間
隔τがより大きくなるが、図１（ａ）による場合におけ
るように、時間の間隔τは、燃料と混合したい液体内の
適切な渦流の付与によって維持されることができる。

【００２６】噴霧ノズル１内で燃料と混合される液体の
量がより多い場合にも時間の間隔τを一定に維持するた
めに、燃料と混合したい液体は、より強く旋回させられ
なければならない。これらの手段により、バーナの振動
動作は、燃料が液体と混合されるにも拘わらず図１
（ａ）による純粋な燃料燃焼の場合のように維持される
ことができる。なぜならば、液体の占有量に応じて、燃
料と混合したい液体は、対応して強く旋回させられるか
らである。

【００２７】図２には、噴霧ノズルの有利な構成が縦断
面図（左側の図）で示されている。ノズル出口オリフィ
ス５に対して軸線方向に燃料供給領域６が設けられてい
る。選択的に、既に、水である液体が燃料のための供給
領域６内で燃料に混合されていることができる。中間壁
７によって分離されて、水のための供給領域８が設けら
れており、この水のための供給領域８は、燃料のための
供給領域６を同心的に取り囲むように配置されている。
横断面図（右側の図）から推測されるように、相互に向
き合った２つの通路オリフィス９が設けられており、こ
れらの通路オリフィスは、液体が燃料のための供給領域
６の内壁に対してほぼ接線方向に流れるように中間壁７
を貫通している。このように、燃料のための供給領域６
において燃料内に液体渦流が形成され、その後に燃料／
液体混合物としてノズル出口オリフィス５から流出す
る。

【００２８】図２による典型的な実施例のように、燃料
に進入する液体の渦流形成又は渦流効果は、中間壁７に
設けられた通路オリフィス９の形状及び配置によって生
ぜしめられる。この場合、これらは２つのボアであり、
これらのボアのボア軸線はほぼ平行に延びている。この
場合、これらのボアを通って燃料のための供給領域に進
入する燃料は、まず同じ流れ方向で、燃料の流れ方向に
対して垂直に供給領域の内壁に衝突する。

【００２９】図３は、渦流を形成しながら燃料と液体と
を混合するための別の可能性を示しており、この場合、
ノズル出口オリフィス５に対して軸線方向に延びた燃料
のための供給領域は、同軸的な液体のための供給領域８
によって取り囲まれている。液体のための供給領域８に
は渦流発生部材１０が設けられており、この渦流発生部
材１０は、液体流に、中心に配置された燃料のための供
給領域を取り囲むような旋回運動を付与する。ノズル出
口オリフィス５の直ぐ上流に混合容量１１が設けられて
おり、この混合容量１１において液体と燃料とが混合さ
れる。

【００３０】図４（ａ）及び図４（ｂ）は、噴霧ノズル
１の択一的な横断面図を示している。

【００３１】図４（ａ）に示したように、燃料は、供給
ダクト６を介して鉛直方向に混合容量１１に流入する。
供給ダクト８を介して液体が混合容量１１に流入し、前
記供給ダクト８は、この場合、液体が混合容量に流入し
たときに液体が混合容量の内壁に対して接線方向に方向
付けられるように配置されている。このように、混合容
量１１の内壁に衝突する液体に、内壁の円形の輪郭によ
り渦流が形成され、この渦流と共に液体は燃料と混合さ
れる。

【００３２】液体の占有量に応じて、混合容量１１に液
体のための複数の供給ダクトが設けられていてよい。図
４（ｂ）には、液体のための２つの供給ダクトと燃料の
ための１つの供給ダクトとが設けられている。図４
（ｂ）によれば液体が混合容量１１に流入する流入速度
の適切な調整により、混合容量１１内の渦流の程度を調
整することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】３つの異なる条件のための概略的なバーナ図で
あり、ａは、純粋燃料の噴霧、ｂは液体占有量が少ない
燃料／液体混合物の噴霧、ｃは液体占有量が多い燃料／
液体混合物の噴霧を示している。

【図２】通路オリフィスを備えた噴霧ノズルを示す図で
ある。

【図３】液体のための供給領域内に渦流発生部材を備え
た噴霧ノズルを示す縦断面図である。

【図４】ノズル出口オリフィスに対して垂直な燃料及び
液体のための供給領域を備えた噴霧ノズルを示す横断面
図である。

【符号の説明】

１ 噴霧ノズル、 ２ 燃焼器、 ３ 結合領域、 ４
燃焼炎、 ５ ノズル出口オリフィス、 ６ 燃料の
ための供給領域、 ７ 中間壁、 ８ 水のための供給
領域、 ９ 通路オリフィス、 １０ 渦流発生部材、
１１ 混合容量

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも１つの液体のための供給領域
   （８）と、該液体のための供給領域から分離させられた
   少なくとも１つの燃料のための供給領域（６）と、噴霧
   ノズルオリフィス（５）の上流に設けられた少なくとも
   １つの容量（１１）であって、該容量において液体が燃
   料と混合されるようになっている容量とを備えた噴霧ノ
   ズル（１）を備えたバーナの燃焼器（２）に燃料／液体
   混合物を噴射する方法であって、 液体に、燃料との混合前又は混合される間に渦流を形成
   することを特徴とする、バーナの燃焼器内に燃料／液体
   混合物を噴射する方法。
2. 【請求項２】 燃料と混合するための液体として水を使
   用する、請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 噴霧ノズル（１）を通過する間に液体の
   占有量が大きくなるに従って、液体に渦がより強く形成
   されるように、渦流の形成を生ぜしめる、請求項１又は
   ２記載の方法。
4. 【請求項４】 バーナの燃焼器（２）内に燃料／液体混
   合物を噴射するための装置であって、少なくとも１つの
   液体のための供給領域（８）と該液体のための供給領域
   から分離させられた少なくとも１つの燃料のための供給
   領域とを有する噴霧ノズル（１）と、噴霧ノズルオリフ
   ィス（５）の上流に設けられた少なくとも１つの容量領
   域（１１）とを備えており、該容量領域において液体が
   燃料と混合可能である形式のものにおいて、 渦流発生部材（１０）が、少なくとも１つの液体のため
   の供給領域（８）に設けられている又は液体のための供
   給領域（８）が、液体流が燃料との混合前又は混合中に
   渦流を形成されるように配置されていることを特徴とす
   る、バーナの燃焼器内に燃料／液体混合物を噴射するた
   めの装置。
5. 【請求項５】 前記燃料のための供給領域（６）が、噴
   霧ノズルオリフィス（５）に対して軸線方向に設けられ
   ており、前記燃料のための供給領域が、液体のための供
   給領域（８）によって同軸的に取り囲まれており、２つ
   の供給領域の間に中間壁（７）が設けられており、該中
   間壁が、噴霧ノズルオリフィス（５）近傍の領域におい
   てオリフィス（９）を有しており、該オリフィスを通っ
   て液体が、渦流を形成しながら燃料のための供給領域
   （６）に流入し、該領域において、噴霧ノズルオリフィ
   ス（５）から流出する前に燃料と混合されるようになっ
   ている請求項４記載の装置。
6. 【請求項６】 オリフィス（９）が、該オリフィスの輪
   郭と該オリフィス（９）の相対的な配置が燃料の供給領
   域（６）においてノズル軸線を中心として回転する流れ
   を生ぜしめるように、中間壁（７）に形成されている、
   請求項５記載の装置。
7. 【請求項７】 ２つのオリフィス（９）が、互いに向き
   合って形成されておりかつ互いに平行に延びたオリフィ
   ス壁を有している、請求項５又は６記載の装置。
8. 【請求項８】 噴霧ノズルオリフィス（５）に対して軸
   線方向に燃料のための供給領域（６）が設けられてお
   り、前記燃料のための供給領域が、液体のための供給領
   域（８）によって同軸的に取り囲まれており、液体供給
   部（８）において噴霧ノズルオリフィス（５）から間隔
   を置いて少なくとも１つの渦流発生部材（１０）が設け
   られており、噴霧ノズルオリフィス（５）から流出する
   前に、渦流を形成された液体流が、噴霧ノズルオリフィ
   ス（５）に向けられた燃料流を取り囲みかつ該燃料流と
   混合されるようになっている、請求項４記載の装置。
9. 【請求項９】 渦流発生部材（１０）が液体に渦流を形
   成し、これにより、液体流が燃料のための供給領域
   （６）を取り囲んでらせん状に流れるようになってい
   る、請求項８記載の装置。
10. 【請求項１０】 渦流発生部材（１０）が、適切に成形
    された変向板である、請求項８又は９記載の装置。
11. 【請求項１１】 少なくとも１つの液体のための供給領
    域（８）が容量領域（１１）内へ開放しており、該容量
    領域において液体と燃料との混合が生じるようになって
    おり、これにより、液体が燃料と一緒に渦流を形成する
    ようになっている、請求項４記載の装置。
12. 【請求項１２】 液体のための供給領域（８）が容量領
    域（１１）の内壁に対して接線方向に開放しており、こ
    れにより、液体が燃料の流れ方向に対してほぼ垂直に容
    量（１１）内に流入するようになっている、請求項１１
    記載の装置。
13. 【請求項１３】 液体のための別の供給領域が、容量領
    域（１１）内に開放しており、前記液体のための供給領
    域を介して燃料／液体混合物内の液体の占有量が調整可
    能である、請求項１１又は１２記載の装置。
14. 【請求項１４】 燃焼器（２）の下流にガスタービンの
    高圧段の入口領域が設けられている、請求項４から１３
    までのいずれか１項記載の装置。
15. 【請求項１５】 ガスタービンを運転するための装置の
    使用法であって、液体の占有量と液体の渦の強さとの適
    切な調整によって、予め設定し得る点火時点、すなわち
    噴霧ノズルオリフィスからの燃料／液体混合物の流出と
    点火との間の時間の長さが調整されることを特徴とす
    る、ガスタービンを運転するための装置の使用法。