JP2002130676A - 予混合バーナの流体力学的な安定性を高めるための方法並びにこの方法を実施するための予混合バーナ - Google Patents

予混合バーナの流体力学的な安定性を高めるための方法並びにこの方法を実施するための予混合バーナ

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 少なくとも１つの燃焼空気流５をバーナ中空
室６内に接線方向でガイドし、バーナ軸線４に対して同
軸的に配列されたねじれ流９を形成しながら、噴霧され
たガス状及び／又は液状の燃料７；８と混合し、バーナ
開口１４における横断面急変箇所で逆流ゾーン１５を生
ぜしめ、この逆流ゾーンを、バーナの運転中に火炎を安
定化させるために用いる、予混合バーナを流体力学的に
安定化させるための方法を改良して、干渉性の圧力振動
構造を形成する不都合な運動渦を、効果的にしかも付加
的なエネルギー消費なしで抑圧することができるように
する。 【解決手段】 ねじれ流９を、バーナ中空室６内でバー
ナ開口１４に向かって次第に大きく変形させて、非回転
対称的な流過横断面で燃焼室内に侵入させ、この際に、
自由な流過横断面１８を犠牲にして変形を生ぜしめる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、予混合バーナを流
体力学的に安定化させるための方法であって、少なくと
も１つの燃焼空気流をバーナ中空室内に接線方向でガイ
ドし、バーナ軸線に対して同軸的に配列されたねじれ流
を形成しながら、噴霧されたガス状及び／又は液状の燃
料と混合し、バーナ開口における横断面急変箇所で逆流
ゾーンを生ぜしめ、この逆流ゾーンを、バーナの運転中
に火炎を安定化させるために用いる方法に関する。また
本発明は、この方法を実施するための予混合バーナに関
する。本発明の有利な使用領域は、ガスタービン設備の
駆動部である。
【０００２】
【従来の技術】ＥＰ０３２１８０９号明細書及びＥＰ０
７８０６２９号明細書によれば、上記形式の予混合バー
ナが公知である。有害物質発生が非常に少ない、このよ
うなバーナは、高熱ガス発生のためのガスタービン設備
の燃焼室内に多く用いられている。
【０００３】例えばガスタービン設備を運転する場合、
燃焼室内にしばしば熱音響振動が発生する。バーナにお
いて発生する流体力学的な不安定波は、流動渦を生ぜし
め、この流動渦は、燃焼過程全体に強く影響して、燃焼
室内で不都合な周期的な熱解放をもたらし、この熱解放
は、強い圧力振動が発生する原因となっている。強い圧
力変動は大きい振動振幅を生ぜしめる原因となり、この
大きい振動振幅は、例えば燃焼室ケーシングの大きな機
械的な負荷、不均質な燃焼によるＮＯｘの高められた放
出のような不都合な効果及びそれどころか燃焼室内部で
の火炎の消滅をもたらすことがある。
【０００４】熱音響振動は少なくとも部分的にバーナ流
動の流動不安定性に基づいており、この流動不安定性は
干渉性の流れ構造として表れ、空気と燃料との間の混合
過程に影響を及ぼす。従来の燃焼室においては、冷却空
気が冷却空気膜の形式で燃焼室壁面上に導かれる。冷却
効果のほかに、冷却空気膜は消音の作用もし、熱音響振
動の減少に寄与する。大きな効率、低い放出及びタービ
ン入口におけるコンスタントな温度分配を有する現在の
ガスタービン燃焼室内では、燃焼室内への冷却空気流が
著しく減少せしめられており、ほぼ空気全体はバーナを
通して導かれる。しかしながら同時に消音冷却空気膜も
減少し、これによって消音作用が減少せしめられ、不所
望な振動と結び付いている問題が再び強められて生じ
る。
【０００５】消音の別の可能性は、いわゆるヘルムホル
ツのダンパを燃焼室又は冷却空気供給部の範囲に連結す
ることに存している。しかしながら現在の燃焼室構造に
おいては、このようなヘルムホルツのダンパを設けるこ
とは、狭いスペース条件に基づいて大きな困難と結びつ
いている。
【０００６】このほかに、バーナ内で生じる流体力学的
な不安定性及びこれと結びついている圧力変動に対処し
得るようにするために、燃料炎を燃料の付加的な噴射に
よって安定化することが公知である。燃料のこのような
噴射は、バーナ軸線上に位置しているノズルがパイロッ
ト燃料ガス供給のために設けられているところのバーナ
のヘッド段を介して行われる。このことはしかしながら
中央の炎安定化区域のグリース付着をもたらす。熱音響
振動の振幅を減少させるこの方法はしかしながら、ヘッ
ド段における燃料の噴射がＮＯｘの放出を高めることに
なるという欠点と結びついている。
【０００７】熱音響振動の形成についてのより詳細な実
験の示したところでは、このような不都合な干渉性の構
造は混合過程において生じる。特に重要なことはこの場
合、２つの混合する流動の間に生じるせん断層であっ
て、このせん断層の内部に干渉性の構造が形成される。
これについての詳細な説明は次の印刷物から取り出すこ
とができる（ Oster & Wygnanski 1982, "The forced m
ixing layer bet-ween parallel streams", Jounal of
Fluid Mechanics, Vol. 123, 91-130;Paschereit et a
l. 1995, "Experimental investigation of subharmoni
cresonance in an axisymmetric jet", Journal of Flu
id Mechanics, Vol.283, 365-407）。
【０００８】これらの論文から明らかなように、せん断
層の内部に形成される干渉性の構造は、音響的な励起を
意図的に入れることによって、その生成が阻止されるよ
うに、影響を及ぼすことができる。別の方法は音響的な
対向音場を入れることであり、これにより存在する不都
合な音場が、位相をずらされた音場を意図的に入れるこ
とによって、本格的に消滅せしめられる。やはり記載さ
れるような抗音技術はしかしながら比較的に多くのエネ
ルギを必要とし、このエネルギは外部からバーナ系に供
給しなければならないか、あるいは系全体から別の箇所
で分岐させなければならず、このことはしかしながら、
たとえわずかではあれ、存在する効率減少をもたらす。
【０００９】バーナの内部において形成される干渉性の
構造を減少させるために意図的に影響を及ぼす前述の能
動的な可能性のほかに、特に受動的な手段によりバーナ
流動内のこのような障害に対処することが可能である。
バーナの運転範囲を脈動及び放出に関して拡大する受動
的な手段は特に魅力的である。それは受動的な手段は一
度セットされると、それ以上の保守を必要としないから
である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、干渉
性の圧力振動構造を形成する不都合な運動渦を、効果的
にしかも付加的なエネルギー消費なしで抑圧することが
できるような、予混合バーナの流体力学的な安定性を高
めるための方法を提供することである。このために必要
な予混合バーナにおける手段は、わずかな構造的手間
で、安価に実現できるものでなければならない。さらに
使用された手段は、完全に整備不要でなければならな
い。
【００１１】
【課題を解決するための手段】この課題を解決した本発
明の予混合バーナを流体力学的に安定化させるための方
法によれば、ねじれ流を、バーナ中空室内でバーナ開口
に向かって次第に大きく変形させて、非回転対称的な流
過横断面で燃焼室内に侵入させ、この際に、自由な流過
横断面を犠牲にして変形を生ぜしめるようにした。
【００１２】またこの課題を解決した本発明による、熱
発生装置内で使用するための予混合バーナは、主とし
て、燃焼空気流を接線方向でねじれ発生器の中空室内に
流入させるための手段を備えたねじれ発生器と、少なく
とも１つのガス状及び／又は液状燃料を、バーナ開口に
向かう軸方向の運動成分を有するねじれ流を形成しなが
ら燃焼空気流内に流入させる手段とから成っている形式
のものにおいて、周方向で見て中空室壁の少なくとも１
つの区分が、下流側の端部領域内で、上流側の領域と比
較して、バーナ長手方向軸線に関連して緩い（小さい）
傾斜勾配を有するように構成されていることによって、
中空室輪郭形状が、流れ方向で十分に回転対称的な横断
面形状から非回転対称的な横断面形状に移行するように
なっている。
【００１３】
【発明の効果】本発明による予混合バーナを流体力学的
に安定化させるための方法は、少なくとも１つの燃焼空
気流をバーナ中空室内に接線方向でガイドし、バーナ軸
線に対して同軸的に配列されたねじれ流を形成しなが
ら、噴霧されたガス状及び／又は液状の燃料と混合し、
バーナ開口における横断面急変箇所で逆流ゾーン（１
５）を生ぜしめ、この逆流ゾーンを、バーナの運転中に
火炎を安定化させるために用いる方法において、ねじれ
流を、バーナ中空室内でバーナ開口に向かって次第に大
きく変形させて、非回転対称的な流過横断面で燃焼室内
に侵入させ、この際に、自由な流過横断面を犠牲にして
変形を生ぜしめるという基本的な考え方に基づいてい
る。
【００１４】干渉性の渦流構造の形成は、バーナ中空室
内で流過横断面が、回転対称からずれた形状を与えられ
ていることによって、燃焼室内に流入する際に妨害を受
ける。所定の運転時点で、従来技術による予混合バーナ
においては、噴霧箇所から火炎まで燃料の時間的な遅延
が一定である。本発明に従って流過横断面を変形させる
ことによって、遅延時間が広く分布される。バーナ出口
において渦流構造の発生を阻止することによって、及び
時間的な遅延が均されることによって、熱音響振動が発
生する原因となる周期的な熱解放も抑制される。別の箇
所で説明したように、中空室輪郭形状の狭くなった区分
によってねじれ流の変形が強制的に生ぜしめれることに
よって、逆流ゾーンを安定化するように作用する、流れ
の加速が得られる。
【００１５】本発明による予混合バーナは、熱発生装置
内で使用するための予混合バーナであって、この予混合
バーナは、主として、燃焼空気流を接線方向でねじれ発
生器の中空室内に流入させるための手段を備えたねじれ
発生器と、少なくとも１つのガス状及び／又は液状燃料
を、バーナ開口に向かう軸方向の運動成分を有するねじ
れ流を形成しながら燃焼空気流内に流入させる手段とか
ら成っており、前記バーナ開口にねじれ流が逆流ゾーン
を誘導しながらぶつかる。高熱ガスの流れ方向で互いに
入れ子式に入り込み、かつ円錐形に広がる少なくとも２
つの中空の部分体（これらの部分体の中心軸線は互いに
ずらされて延びている）より成っている、冒頭に述べた
形式のバーナは、ＥＰ０３２１８０９号明細書に記載さ
れており、これらの部分体は、この公知のバーナの組み
込まれた構成部を成している。このような形式の、円錐
形バーナ又はダブルコーン形バーナと称呼される型式の
バーナは、そのバーナ出口で破断縁部を有しており、こ
の破断縁部の縁部形状は、互いにずらして配置された２
つの半円より成っていて、これらの半円の閉じられた縁
部形状は、ほぼ円形で、ひいてはバーナ軸線を中心にし
てほぼ回転対称に構成されている。バーナ中空室内に形
成された燃料／空気混合気は、バーナ開口に向かう軸方
向の成分を有する回転対称的なねじれ流の形状で広がる
ようになっている。このようなすべての公知のバーナ
は、干渉性の構造、及びこれに関連して熱音響的な圧力
変動が生じるという欠点を有している。
【００１６】これに対し、意図的な非対称が、バーナに
沿って形成されかつ流れる燃料空気混合物の流動流れ内
に入れられ、したがって流動横断面が線対称の流動の流
動横断面と異なっているようにすると、この形式で干渉
性の構造の形成を効果的に阻止することができる。
【００１７】幾何学的な影響に対してこのような影響を
及ぼすことは、中空室壁部の少なくとも１つの区分によ
って行われる。この壁部区分は、バーナ中空室の下流側
の端部領域内で、上流側の領域におけるよりも緩い傾斜
勾配を有している。これによって、このような少なくと
も１つの区分は、このような特性を有していない、同じ
軸方向高さの壁区分に対して、円形からバーナ軸線方向
に向かって半径方向でずれを生ぜしめる。またバーナ中
空室内及び出口縁における円形からそれた部分輪郭形
状、若しくは直線状又は非球面に湾曲せしめられた、周
方向での壁部区分は、流動渦を減少させるために寄与す
る。
【００１８】バーナ出口縁の形成に対する基本的な設計
規則として考慮すべきことは、円形の幾何学形状からの
幾何学的偏差が少なくとも、バーナを貫流する流動の境
界層厚よりも大きいように、することである。
【００１９】
【発明の実施の形態】図１ａ及び図１ｂは、本発明の出
発点であるところの予混合バーナの構造及び作用形式を
示す概略図である。
【００２０】予混合バーナは、円錐形に広がる中空の２
つの部分体１及び２より成っており、これらの部分体
１，２は、鏡像対称的に互いに向き合う２つのオーバー
ラップ領域で接線方向のギャップ（３）を形成するよう
に、互いにずらして配置されている。図１ａ及び図１ｂ
では、円錐形に広がる２つの部分体１，２が例示されて
いるが、その他の構成も勿論考えられる。例えばこのよ
うなバーナは、２つの部分体１，２の配置に限定される
ものではなく、またその円錐形の構造に限定されるもの
でもない。このことは専門家にとって周知のことであ
る。長手方向軸線をずらすことによって得られるギャッ
プ３は流入通路として用いられる。この流入通路を通っ
てバーナ運転中に燃焼空気５が接線方向でバーナ中空室
６内に流入する。接線方向の流入通路３に沿って噴霧開
口７が設けられており、これらの噴霧開口７を通って、
有利にはガス状の燃料が、流入通路３に沿って流れる燃
焼空気５内に噴霧される。良好な混合のために、燃料噴
霧は有利な形式でギャップ３内においてバーナ中空室６
内に流入する直前で行われる。円筒形に構成することも
できる（図示せず）バーナの始端部領域内には、液状の
燃料をスプレーするための中央のノズル８が設けられて
おり、これらのノズル８のキャパシタンス及び運転形式
はバーナのパラメータに関連している。液状の燃料は、
ノズル８から鋭角で噴出され、バーナ中空室６内で円錐
形の燃料プロフィールを形成する。この燃料プロフィー
ルは、接線方向で流入してねじれ流９内に移行する燃焼
空気５によって取り囲まれ、連続的に混合気を形成する
ようになっており、この過程は、予加熱された燃焼空気
又は戻し案内された排ガスを添加することによって補助
される。選択的に、ノズル８をガス状の燃料によって負
荷することも可能である。燃焼室側で、予混合バーナ
は、部分体１及び２を固定するために用いられるフロン
トプレート１０を有しており、このフロントプレート
は、燃焼室１２内に空気を流入させるための多数の孔１
１を有している。ねじれ流９でバーナ中空室６を横切る
燃料／空気混合気は、バーナ開口１４における予混合区
間１３の下流側の端部で、横断面に亘って最適な燃料集
中を得る。バーナから出る際にねじれ流９は、逆流ゾー
ン１５を形成しながら、ここで作用する火炎フロント１
７を安定化させる作用を有している。このような空気力
学的な火炎安定化は、いわば火炎ホルダの機能を行う。
これによって、過熱に基づく機械的な火炎ホルダが働く
なる恐れ、また次いで場合によっては機械ユニットが重
大な故障を引き起こす恐れはなくなる。さらにまた、火
炎が、輻射による以外に冷たい壁部で熱を失うことはな
い。このことは付加的に火炎温度の均一化、及びひいて
はわずかな有害物質放出及び良好な燃焼安定性に寄与す
る。
【００２１】本発明によれば、ねじれ流９を、予混合区
間１３内において半径方向で次第に大きく変形させる手
段が設けられている。有利な形式でこの変形は対称的に
行われるが、必ずしもそうでなくてもよい。この場合、
自由な流過横断面１８にとって不利となるこのような変
形を得ることが重要な特徴である。中空室６の壁部２１
は、過流側の領域２０内で少なくとも１つの区分２２を
有しており、この区分２２は、上流側の領域１９に対し
て、バーナ軸線４を基準として緩やかな傾斜勾配を有し
ている。つまり、横断面に亘って見てほぼ円形の、バー
ナ中空室６の輪郭２１が、図２ａ〜図２ｄの縦断面図で
概略的に示されているように、周方向に亘って、中空室
輪郭２１の円形から中心軸線４に向かってずれた、つま
り中空室６を狭くする区分２２を有しているということ
である。つまりこの関連性において、流れの変形によっ
て同時に流れの加速が得られるということが有利に証明
された。この手段は、特にバーナの安定性に良好に作用
する。従って一方では、回転対称からずれた、バーナか
ら出る流れ９の横断面形状が、可干渉性の渦流構造の形
成を妨害するように作用し、ひいては熱音響振動の発生
を抑制する。また他方では、流過横断面１８の絶対的な
又は相対的な狭窄部によって生ぜしめられる、バーナ出
口１４におけるねじれ流９の加速によって、逆流ゾーン
１５の安定化が生ぜしめられ、これによって逆流ゾーン
１５の変動、この変動に関連した周期的な熱解放及びひ
いては熱音響振動の発生が再び抑制される。同じような
効果の組み合わせによる組み合わせ効果から、特に有利
な形式で、非常に安価な技術的な費用で、予混合バーナ
の流体力学的な安定性を高めることができる。図２ａ〜
図２ｄでは、著しく概略的な図面を用いて本発明の考え
方を説明する。図２ａは、本発明を所望の形式で実現す
ることができる公知のねじれ発生器幾何学形状が示され
ており、この場合、別のところでも説明したように、ね
じれ流発生器１３の円錐形の構造はこれに限定されるも
のではない。
【００２２】図２ａ〜図２ｄでは本発明の考え方が象徴
的に示されている。本発明の考え方は、流れプロフィー
ルの変形を得るために、バーナ中空室６の壁部２１を、
自由な流過横断面１８にとって不利となる少なくとも１
つの周方向区分２２内でバーナ軸線４に向かう方向に曲
げるという点にある。これは対称的に又は非対称的に、
少なくとも１つのこのような流過横断面を狭める区分２
２によって行われる。中空室６の過流側の領域２０（こ
の領域２０は軸方向長さの例えば２／３に設けることが
できる）内では、少なくとも１つの周方向区分２２内で
中空室壁２１が２゜〜４５゜有利には５゜〜１５゜の範
囲の角度内で、バーナ軸線４に向かって曲げられてい
る。これらの概略図から、専門家は同時に本発明の別の
利点を見いだすことができる。つまり、存在するバーナ
に安価な費用で後取付けすることができる可能性であ
る。流過横断面１８を狭くする区分２２は、後で取り付
けられる、流れをガイドする組み込み部材２８によって
実現することができる。図３〜図７には、本発明に従っ
て構成されたバーナの実施例が示されている。
【００２３】図３には本発明による有利な変化実施例が
示されている。この変化実施例によれば、バーナ開口１
４は、多角形の出口輪郭１６を有している。図２の概略
図でよくわかるように、バーナ中空室６の円錐形の広が
った輪郭２３は、過流側の端部領域２０内で破断されて
いて、先行する領域１９と比較して緩い（小さい）傾斜
勾配で長手方向軸線４に沿って延びている。緩い傾斜勾
配とは、長手方向軸線４に対して平行に延びているか、
又は図２に示されているように収れんする形状のことで
ある。このような提案を実現するために、専門家は多く
の手段を提供している。有利な実施例によれば、シェル
状の部分体１及び２内に、従来技術に従って構成された
バーナに応じて構成されたプレート２８が溶接され、こ
のプレート２８は、平面幾何学的に見て、バーナ中空室
６の自由な流過横断面１８から円形セグメントを切り抜
いた弦（Ｓｅｈｎｅｎ）を成している。各部分体１又は
２毎に有利な形式で１つ〜４つのこのようなプレート２
８が、内壁２１に溶接されている。新規なバーナにおい
ては、壁輪郭形状の形状付与は製造プロセスで行われ
る。図２ｃに関連して図４に示した別の実施例によれ
ば、バーナは、上流側の領域１９内で公知の形式で、互
いにずらして入れ子式に組み込まれた２つの部分体１と
２とから、ほぼ円形横断面で構成されている。軸方向長
さのほぼ２／３の移行領域内で、内壁２１は、そのほぼ
円形の輪郭形状から多角形の輪郭形状に移行している。
この多角形の輪郭形状は、バーナ１４に向かって次第に
明瞭になっていく。このような、流過横断面１８を、弦
状に狭める、中空室壁部２１の区分２２は、中空室壁部
６の上流側の領域１９に対して、長手方向軸線４に関連
してわずかに広がっている。この場合、わずかに広がっ
ているとは、長手方向軸線４に対して平行又は収れんす
る可能性も含んでいる。横断面で見て狭くなる区分２２
は一般的に直線状の輪郭を有している。やや凸状又は凹
状の形状も同様に可能である。凸状の形状は特にこの区
分２２の１つ又は２つ或いは少数の配置において有利で
ある。
【００２４】図示していないその他の実施例では、バー
ナ中空室６は、その上流側の領域１９内でも円形横断面
を有しているのではなく、バーナがもっぱら非回転対称
的に連続する中空室６を備えているという点にある。こ
のような実施例は、特に中空室１８の多角形の輪郭２３
のために提供される。
【００２５】従来技術によれば、バーナに、前述のよう
に、困難な燃料において混合及び火炎位置決めを改善す
るためにノズル２４又は混合管２５を備えるようになっ
ており、このノズル又は混合管はねじれ発生器１３に後
置接続されている。このような形式のバーナ変化実施例
のためにも本発明は、流動不安定性の妨害によって、及
び、噴霧箇所から火炎までの燃料の時間的な遅れを均す
ことによって、バーナの流体力学的な安定性を高めるこ
とができる。図５及び図６には、燃焼空気流５のための
ねじれ発生器１３と、少なくとも燃料７を噴霧するため
の手段とから成る予混合バーナが示されている。この場
合、ねじれ発生器１３の下流側に混合区間２５が配置さ
れている。この混合区間２５を包囲するケーシング２６
内には、周方向で均一に分配されて、長手方向軸線４に
向かって鋭角に延びる、付加的な燃焼空気量を噴霧する
ための流入開口２７が配置されている。有利な形式で、
流入開口２７の下流側の領域内では、混合区間２５の回
転対称的な流過横断面が、自由な横断面２９によって狭
められた区分２２によって変向されて、半径方向で変形
される。出口開口１６は、多角形の横断面形状を有して
おり、多数の直線的な区分２２から組み立てられてい
る。有利には出口輪郭形状１６は、規則的な又は不規則
的な（図５）多角形の形状を有している。出口縁部２７
の個別の直線的な区分２２は、バーナの出口開口１６を
包囲している。また、この直線性は、その他の箇所でも
述べたように、強制されるものではなく、区分２２は、
凸状又は凹状に構成されていてもよい。図６には、凸状
に構成された壁区分２２が非対称的に配置されている実
施例が示されている。
【００２６】図７は、下流側のバーナ端部で円筒形の又
は収れんするノズル区分２４を備えた変化実施例が示さ
れている。従来技術によれば、この後置接続されたノズ
ル２４は、もっぱらバーナ出口において流れを加速し、
これによって逆流ゾーン１５の安定化のために用いられ
る。本発明の１実施例によれば、このような所望の加速
は、流れ方向で次第に減少する横断面減少によって、こ
のノズル区分２４が流れ方向でほぼ円形な横断面形状か
らその他の横断面形状に狭められ、例えば規則的な又は
不規則的な多角形又は楕円形が得られるように構成され
ている。
【００２７】図８に示したグラフの横軸には、図３に示
したバーナの燃焼出力がプロットされている。縦軸に
は、バーナ内の流動流れの内部における干渉性の構造の
結果として生じる熱音響振動の形成が表されている。観
察される熱音響振動は１００Ｈｚの範囲である。通常の
バーナ出口を有するバーナ（四角の表示点を有する線を
見よ）を図３の実施例による本発明により構成されたバ
ーナ出口（円形の表示点を有する線を見よ）と比較する
と、後者の場合熱音響振動が著しくわずかであることが
明らかである。
【００２８】以上説明した実施例は、本発明をこれに限
定するものではない。以上の実施例は、請求項に記載し
た本発明の可能な実施例の多様性を教訓的に及び概略的
に示すものである。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】従来技術による予混合バーナの斜視図であ
る。
【図１ｂ】別の従来技術による予混合バーナの概略図で
ある。
【図２ａ】本発明によるねじり発生器の形状を示す概略
図である。
【図２ｂ】本発明の別のねじり発生器の形状を示す概略
図である。
【図２ｃ】本発明の別のねじり発生器の形状を示す概略
図である。
【図２ｄ】本発明の別のねじり発生器の形状を示す概略
図である。
【図３】本発明の変化実施例によるバーナの概略図であ
る。
【図４】本発明の選択的な変化実施例によるバーナの概
略図である。
【図５】本発明の選択的な変化実施例によるバーナの概
略図である。
【図６】本発明の選択的な変化実施例によるバーナの概
略図である。
【図７】本発明の選択的な変化実施例によるバーナの概
略図である。
【図８】バーナの流動渦の抑制による燃焼振動の抑制を
示すグラフである。
【符号の説明】
１，２ 部分体、 ３ 接線方向の燃焼空気流入通路、
４ バーナ軸線、５ 燃焼空気、 ６ バーナ中空
室、 ７ 燃料のための噴霧開口、 ８ 中央の燃料ノ
ズル、 ９ ねじれ流、 １０ フロントプレート、
１１ 冷却空気孔、 １２ 燃焼室、 １３ ねじれ発
生器、 予混合区間、 １４ バーナ開口、 １５ 逆
流ゾーン、 １６ 燃焼室内へいの出口横断面、 １７
火炎フロント、 １８ バーナ中空室の流過横断面、
１９ バーナ中空室の上流側の領域、 ２０ バーナ
中空室の下流側の領域、 ２１ バーナ中空室の壁部、
２２ 壁区分、 ２３ バーナ中空室の内側輪郭形状、
２４ バーナノズル、２５ 混合区間、 ２６ 混合
区間ケーシング、 ２７ 出口縁、流入開口、２８ 組
み込み部材、２９ 混合区間の流過横断面、 ３０ 混
合区間の壁部、 ３１ 混合区間の上流側の領域、 ３
２ 混合区間の下流側の領域、 ３３バーナノズルの流
過横断面、 ３４ ノズルの壁部、 ３５ ノズルの上
流側の領域、 ３６ ノズルの下流側の領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クリスティアン オリヴァー パーシェラ イト スイス国 バーデン イム イファング 23 (72)発明者 ヴォルフガング ヴァイゼンシュタイン スイス国 レメッチュヴィル マテッヒャ ー ５アー

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 予混合バーナを流体力学的に安定化させ
    るための方法であって、少なくとも１つの燃焼空気流
    （５）をバーナ中空室（６）内に接線方向でガイドし、
    バーナ軸線（４）に対して同軸的に配列されたねじれ流
    （９）を形成しながら、噴霧されたガス状及び／又は液
    状の燃料（７；８）と混合し、バーナ開口（１４）にお
    ける横断面急変箇所で逆流ゾーン（１５）を生ぜしめ、
    この逆流ゾーン（１５）を、バーナの運転中に火炎を安
    定化させるために用いる方法において、 ねじれ流（９）を、バーナ中空室（６）内でバーナ開口
    （１４）に向かって次第に大きく変形させて、非回転対
    称的な流過横断面で燃焼室（１２）内に侵入させ、この
    際に、自由な流過横断面（１８）を犠牲にして変形を生
    ぜしめることを特徴とする、予混合バーナの流体力学的
    な安定性を高めるための方法。
  2. 【請求項２】 ねじれ流（９）の変形を、流過速度が高
    まるのに伴って生ぜしめるようにする、請求項１記載の
    方法。
  3. 【請求項３】 ねじれ流（９）の変形を、バーナ中空室
    （６）の自由な流過横断面（１８）が狭まくなるのに伴
    って生ぜしめるようにする、請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】 中空室壁（２１）の少なくとも１つの周
    方向区分（２２）が、バーナ中空室（６）の下流側の領
    域（２０）内で、上流側の領域（１９）におけるよりも
    緩い傾斜勾配を有するようにして、前記変形を行う、請
    求項１記載の方法。
  5. 【請求項５】 変形した流れプロフィールを、少なくと
    も１つの軸線に関連して対称的にする、請求項１記載の
    方法。
  6. 【請求項６】 流れプロフィールが多角形の輪郭形状を
    とるようにする、請求項４記載の方法。
  7. 【請求項７】 ガスタービン装置の希薄燃料で予混合さ
    れたバーナを運転するために使用する、請求項１記載の
    方法。
  8. 【請求項８】 熱発生装置内で使用するための予混合バ
    ーナであって、主として、燃焼空気流（５）を接線方向
    でねじれ発生器（１３）の中空室（６）内に流入させる
    ための手段を備えたねじれ発生器（１３）と、少なくと
    も１つのガス状及び／又は液状燃料を、バーナ開口（１
    ４）に向かう軸方向の運動成分を有するねじれ流（９）
    を形成しながら燃焼空気流（５）内に流入させる手段
    （７；８）とから成っている形式のものにおいて、周方
    向で見て中空室壁（２１）の少なくとも１つの区分（２
    ２）が、下流側の端部領域（２０）内で、上流側の領域
    （１９）と比較して、バーナ長手方向軸線（４）に関連
    して緩い傾斜勾配を有するように構成されていることに
    よって、中空室輪郭形状（２１）が、流れ方向で十分に
    回転対称的な横断面形状から非回転対称的な横断面形状
    に移行するようになっていることを特徴とする、予混合
    バーナ。
  9. 【請求項９】 長手方向軸線（４）に対して同心的で、
    かつ円錐形に広がった、互いに入れ子式に入り込む少な
    くとも２つの中空の部分体（１）及び（２）が設けられ
    ており、これらの部分体（１）及び（２）の中心軸線が
    互いにずらされて延びていて、その壁部（２１）がオー
    バーラップ領域で、燃焼空気（５）のための接線方向の
    流入通路（３）を形成しており、前記部分体（１）及び
    （２）を形成する中空室（６）内に少なくとも１つの燃
    料ノズル（８）が設けられており、少なくとも１つの部
    分体（１）又は（２）の、流れを制限する壁部（２１）
    が、下流側の端部領域（２０）内で少なくとも１つの周
    方向区分（２２）を有しており、該周方向区分（２２）
    が、上流側の領域（１９）と比較して、バーナ長手方向
    軸線（４）に関連してやや緩い傾斜勾配を有している、
    請求項８記載の予混合バーナ。
  10. 【請求項１０】 前記周方向区分（２２）が、周方向に
    亘って、多数有利には２つ〜８つ設けられている、請求
    項８又は９記載の予混合バーナ。
  11. 【請求項１１】 バーナが、バーナ開口（１４）を含む
    端部領域（２０）内で多角形の輪郭形状を有している、
    請求項１０記載の予混合バーナ。
  12. 【請求項１２】 バーナが、規則的な多角形の輪郭形状
    を有している、請求項１１記載の予混合バーナ。
  13. 【請求項１３】 バーナが不規則的な多角形の輪郭形状
    を有している、請求項１１記載の予混合バーナ。
  14. 【請求項１４】 少なくとも一方の部分体（１）又は
    （２）が、円形とは異なる凸状の出口横断面（１６）を
    制限している、請求項９記載の予混合バーナ。
  15. 【請求項１５】 少なくともほぼ対称的な吐出横断面
    （１６）が設けられている、請求項１４記載の予混合バ
    ーナ。
  16. 【請求項１６】 バーナ中空室（６）の流れを制限する
    壁部（２７）が、上流側の領域（１９）と下流側の端部
    領域（２０）との間で、常に１つの傾斜勾配から他の傾
    斜勾配に移行するか、又は１つ或いは多数の段階で１つ
    の傾斜勾配から他の傾斜勾配に移行する、請求項８記載
    の予混合バーナ。
  17. 【請求項１７】 下流側の端部領域（２０）が、バーナ
    中空室（６）の長さのほぼ１／３の長さである、請求項
    ８記載の予混合バーナ。
  18. 【請求項１８】 下流側の領域（２０）でバーナ中空室
    （６）内において壁部（２１）に、自由な流過横断面
    （１８）を制限するプレート（８）が溶接されているか
    又は、その他の形式で固定されている、請求項８記載の
    予混合バーナ。
  19. 【請求項１９】 長手方向軸線（４）に対して同心的
    で、かつ円錐形に広がった、互いに入れ子式に入り込む
    少なくとも２つの中空の部分体（１）及び（２）が設け
    られており、これらの部分体（１）及び（２）の中心軸
    線が互いにずらされて延びていて、その壁部（２１）が
    オーバーラップ領域で、燃焼空気（５）のための接線方
    向の流入通路（３）を形成しており、前記部分体（１）
    及び（２）を形成する中空室（６）内に少なくとも１つ
    の燃料ノズル（８）が設けられており、さらに、部分体
    （１）又は（２）によって形成されたねじれ発生器（１
    ３）の下流側に混合区間（２５）が設けられており、該
    混合区間（２５）が、第１の始端部領域内で流れ方向に
    延びる、中空室（６）内に形成されたねじれ流（９）の
    ための移行通路を有していて、出口縁（２７）において
    燃焼室（１２）内に開口しており、前記混合区間を制限
    する壁部（３０）の少なくとも１つの周方向区分（２
    ２）が下流側の領域（３２）内で、上流側の領域（３
    １）に比較して、ノズル長手方向軸線（４）にから小さ
    い間隔を有することによって、前記混合区間（２５）の
    自由な流過横断面（２９）が流れ方向で、十分に回転対
    称的な横断面形状から非回転対称的な横断面形状への移
    行部を同時に形成しながら狭くなっていることを特徴と
    する、請求項９記載の予混合バーナ。
  20. 【請求項２０】 燃焼空気流（５）をねじれ発生器（１
    ３）の中空室（６）内に接線方向で流入させるための手
    段（３）を備えたねじれ発生器と、バーナ開口（１４）
    に向かう軸方向の運動成分を有するねじれ流（９）を形
    成しながら、少なくとも１つのガス状及び／又は液状の
    燃料を燃焼空気流（５）内に流入させるための手段
    （７；８）と、燃焼室側の端部にバーナノズル（２４）
    とを有しており、ノズル壁部（３４）の少なくとも１つ
    の周方向区分（２２）が下流側の領域（３６）内で、上
    流側の領域（３５）に比較して、ノズル長手方向軸線
    （４）から小さい間隔を有することによって、ノズル
    （２４）の自由な流過横断面（３３）が、流れ方向で、
    十分に回転対称的な横断面形状から非回転対称的な横断
    面形状への移行部を同時に形成しながら狭くなってい
    る、請求項８記載の予混合バーナ。
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