JP4664451B2 - 予混合バーナを運転するための装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内室と、中央でこの内室内に開口している液体燃料ノズルとを備えた予混合バーナを液体燃料と水とにより運転する方法、及びこの方法を実施する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来久しく発電所の定置ガスタービンのためにはいわゆる二重円錐バーナとして形成された予混合バーナを備えた燃焼器が適しているとされており、これらの予混合バーナでは燃料が差込み可能な燃料ランスにより外から供給される。この燃料ランスは多くの場合、２燃料ランスとして形成されており、要するにガス状燃料例えばパイロットガス又は液状燃料例えばオイル・水エマルジョンを選択的に供給することができる。そのことのために、燃料ランス内には液体燃料管と、噴霧空気管と、パイロットガス管が同軸的に配置されている。それらの管はそれぞれ液体燃料、噴霧空気及びパイロットガスのための１つの通路を形成しており、これらの通路はランスヘッドのところで燃料ノズル内で終わっている。燃料ランスはランスヘッドにより二重円錐バーナの対応する内側管内に差し込まれており、その結果、流出する燃料は、燃料ノズルを介して、内側管に接続されたバーナ内室内に達する（ドイツ連邦共和国特許公開第４３０６９５６号明細書参照）。
【０００３】
ヨーロッパ特許第０３２１８０９号明細書からは同様に二重円錐バーナが公知であり、この二重円錐バーナはガスタービンに結合された燃焼器内での使用のために設けられている。このバーナは、二重円錐バーナに補完される中空な２つの部分円錐体から成り、これらの部分円錐体は半径方向で互いにオフセットして配置されている。この二重円錐バーナは接線方向の空気入口スリットを備えていて流れ方向で拡大した中空円錐形の内室を有している。この二重円錐バーナの燃料供給は外から燃料ランスを介して行われ、この燃料ランスは液体燃料ノズル内に開口している。液体燃料ノズルはバーナ内室内で液体燃料と空気とから成る中空コーン形状の燃料スプレーを形成する。この燃料スプレーでは大部分の燃料滴がコーンスプレーパターンの外側の端部に集中的に存在している。ほぼ３０°の大きな噴射角度と、中央における軸方向のインパルスの欠乏とにより、この燃料スプレーはバーナ内部の渦流により生じる遠心力に極めて影響されやすい。これにより、燃料滴は遠心力により比較的迅速に外側へ運ばれ、このことは、所定の運転条件では少なからぬ量の液体燃料がバーナ内壁に衝突する結果を招くことがある。
【０００４】
Ａ．Ｌｅｆｅｂｖｒｅ著、教科書“Ａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｐｒａｙｓ”（噴霧化とスプレー），Ｗｅｓｔ Ｌａｆｅｙｅｔｔｅ，Ｉｎｄｉａｎａ １９８９，第１０６／１０７，２３８〜２４０頁からは液状燃料の噴霧化のために、いわゆるフルジェットアトマイザ（ｐｌａｉｎ ｊｅｔ ｏｒｉｆｉｃｅ）が公知である。この種の噴霧ノズルでは、液状燃料が予備室から所定の案内長さを有する少なくとも１つの円形の噴口を通して高圧下で、それも５から１５°までの円錐角で噴出される。個々の滴への燃料噴流の分解は流れ速度が高くなると促進される。その理由は、そのことにより、流出する噴流内の渦化のレベルのみならず取り囲む媒体により作用される空気力学的な引張力が上昇するからである。上述のフルジェットアトマイザにより水と一緒に液体燃料を噴入することも実現され、従って、同様に燃料分配における前述の問題が生じる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記欠点を回避すべく本発明の課題とするところは、所定の運転形式での燃料供給を改善せしめるような、予混合バーナを運転するための方法と装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題は本発明によれば、冒頭に記載した方法において、液体燃料と水とを別個に液体燃料ノズルへ搬送し、この液体燃料ノズルにおいて混合して液体燃料・水・混合物を形成し、次いで、この液体燃料・水・混合物をフルジェットの形態で１０°より小さな噴射角で予混合バーナの内室内へ噴入することにより解決される。そのことのために、液体燃料ノズルは単純な噴口を備えている。噴口の上流には混合ゾーンが配置されており、この混合ゾーン内には液体燃料導管のみならず水供給導管も開口している。液体燃料導管並びに水供給導管は一緒に１つの燃料ランス内に配置されており、その場合、燃料ランスは液体燃料ノズルを形成しているエンドピースを備えている。噴口のみならず混合ゾーンも燃料ランスのこのエンドピース内に配置されている。
【０００７】
燃料ランスのエンドピース内の圧力損失により、液体燃料及び水並びにそれらの対応する供給導管は混合ゾーンまで、要するに液体燃料・水・混合物の形成の直前まで互いに分離されている。このことにより、良好な流れ制御が保証され、かつ、使用可能な圧力損失のほぼ全部が液体燃料ノズルを通る関与した流体の噴入のために使用されることができる。このようにして、液体燃料は大きな速度で、かつ水の噴入に無関係に噴入され、このことにより良好な噴霧化が可能である。さらに、混合ゾーン内に形成された液体燃料・水混合物は液体燃料導管又は水供給導管内に上流へ侵入せず、このことにより、火炎の逆火が阻止される。
【０００８】
本発明の別の構成では水が液体燃料内に導入される。そのことのために、水供給導管は半径方向で液体燃料導管の外側に、かつ液体燃料導管に対して同軸的に形成されている。混合ゾーンは板により液体燃料導管から仕切られており、その場合、この板は液体燃料導管と混合ゾーンとの間に軸方向の接続開口を、かつ水導管は混合ゾーンへの少なくとも１つの半径方向の貫通口を備えている。混合ゾーンは有利には噴口へのホッパ状に形成された移行部を備えており、このことにより、噴口への液体燃料・水・混合物の流れに関して有利な供給が実現される。その場合、水が垂直に液体燃料内へ導入されると特に有利である。これにより、比較的短い混合ゾーン内で著しく均一な混合物が形成される。
【０００９】
本発明のさらに別の構成では、択一的に、液体燃料導管が軸方向で、水供給導管が円錐形で混合ゾーン内に開口するように、又は水供給導管が軸方向で、液体燃料導管が円錐形で混合ゾーン内へ開口するように配置される。それゆえ、燃料ランスの設計に応じて、液体燃料・水・混合物の調製のために水が液体燃料内に導入されるか、又は液体燃料が水内に導入される。このようにして、混合ゾーンへの移行時の圧力損失が阻止され、かつこれにより、使用可能な全圧力損失が、予混合バーナの内室内への、噴口を介した液体燃料・水・混合物の噴入のために利用されることができる。液体燃料及び水を高い速度で混合ゾーン内へ噴入する際に、両方の流体の迅速かつ良好な混合を促進する著しい乱流が発生する。
【００１０】
さらに噴口は、直径ｄに対する案内長さｌの比が２≦ｌ／ｄ≦２０に維持されるような案内長さｌと直径ｄとを有している。このような比では、燃料混合物の特別に良好な噴霧化が得られる。
【００１１】
本発明のさらに別の構成では、予混合バーナの内室内で流れ方向に拡大していて液体燃料・水・混合物から成るフルジェットが、接線方向でバーナ内に流入する回転する燃焼空気流により囲まれる。形成される燃焼混合物の点火はバーナ口部で行われ、その際、火炎フロントがこの領域内で逆流ゾーンにより安定化される。そのことのために、予混合バーナは半径方向で互いにオフセットして配置された中空な２つの部分円錐体から成り、かつ接線方向の空気入口スリットと、流れ方向で拡大する中空円錐形の内室とを備えている。液体燃料ノズルはやはり燃料供給に役立つ燃料ランスに結合されている。
【００１２】
特に本方法は小さな噴射角を有していて予混合バーナの小さな開角と最適に相互作用する液体スプレーの形状を実現する。このことにより、このように形成された予混合バーナによる液体燃料の燃焼のための理想的な前提が創出される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、ガスタービンプラントの燃焼器内で使用される予混合バーナにつき本発明の複数の実施例を図面もとづき以下に説明する。
【００１４】
本発明の理解にとって重要なエレメントだけが図示されている。ガスタービンプラントのうち例えば圧縮機及びガスタービンは図示されていない。作動媒体の流れ方向は矢印で示されている。
【００１５】
図示されていないガスタービンプラントは圧縮機と、ガスタービンと、燃焼器１とから成る。この燃焼器１内には液体燃料２並びにガス状の燃料３により運転されるのに適していて二重円錐バーナとして形成された複数の予混合バーナ４が配置されている。この予混合バーナ４はそれぞれ１つの内壁７，８を備えたそれぞれ半分の２つの中空円錐体５，６から成る。両方の内壁７，８は、流れ方向で拡大した中空円錐形の１つの内室９を閉じている（図１）。部分円錐体５，６は互いに他方に対してオフセットして配置されたそれぞれ１つの中央軸線１０，１１を有している（図２）。このことにより、これらの部分円錐体は半径方向で互いにオフセットして並んで位置していて、予混合バーナ４の両側に接線方向の空気入口スリット１２，１３を形成せしめており、これらの空気入口スリットを通して燃焼空気１４が内室９内に流入する。両方の部分円錐体５，６はそれぞれ１つの円筒形の始端部１５，１６を備えている。これらの始端部１５，１６は部分円錐体５，６と同様に互いにオフセットして配置されている（図１）。始端部１５，１６内及び内室９内に突入するように、予混合バーナ４の燃料供給に役立つ燃料ランス１８の、中央の液体燃料ノズル１７として形成されたエンドピースが配置されている。この液体燃料ノズル１７は円形の噴口１９を有している（図２）。
【００１６】
第１実施例では燃料ランス１８は中央の液体燃料導管２０と、これの半径方向外側に、かつこれに対して同軸的に配置された水供給導管２１とから成る。噴口１９の上流には混合ゾーン２２が形成されており、かつ垂直に配置された円形の板２３により液体燃料導管２０から仕切られている。板２３は液体燃料導管２０と混合ゾーン２２との間に複数の接続開口２４を有しており、かつ水供給導管２１は混合ゾーンへ向かって半径方向の貫通口２５を備えている。混合ゾーン２２は噴口１９へのホッパ状の移行部２６を有している。噴口は案内長さｌと直径ｄとを有しており、かつ直径に対する案内長さの比が４となるように形成されている（図３）。
【００１７】
この予混合バーナ４には燃料導管２０を介して液体燃料２として使用される燃料オイルと、水供給導管２１を介して水２７とが供給される。その場合、燃料オイル２と水２７は別個に液体燃料ノズル１７へ搬送される。混合ゾーン２２内ではじめて、燃料オイル２内へ水２７が噴入されることにより燃料オイル２と水２７との混合が行われる。しかしこの場合には、燃料オイルとして液体燃料２が使用されるため、正規の混合物は形成されず、むしろ液体燃料・水・エマルジョン２８が形成される。液体燃料・水・エマルジョン２８は中央の噴口１９を通して、１０°より小さい噴射角αで内室９内へ噴入される（図１）。この狭い噴射角にもとづいて予混合バーナ４の内室９内に、はじめは極めてコンパクトなフルジェット２９が形成され、このフルジェットが下流ではじめて拡開し、かつその際、燃料滴は均一に全横断面にわたり分配されている。しかし、従来技術において使用される中空コーン状の燃料スプレーに対して、このようなフルジェット２９はその中央に十分に軸方向のインパルスを有しており、その結果、燃料滴は部分円錐体５，６の内壁７，８に付着しない。その上、この作用は燃料オイル２と水２７との比較的高い噴入速度により強化される。水２７と混合可能な液体燃料２を勿論同様に使用することができるが、その場合には、混合ゾーン２２内に液体燃料２と水２７とのエマルジョンは形成されず、むしろ相応する液体燃料・水・混合物２８が形成される。
【００１８】
フルジェット２９は予混合バーナ４の内室９内で流れ方向に一様に拡大し、かつこれにより最終的には円錐形となる。その際、フルジェット２９は、接線方向の空気入口スリット１２，１３を通して流入する回転する燃焼空気１４により囲まれる。形成された燃料混合物の点火はバーナ口部の領域内で行われ、その際、火炎フロント３０が形成され、この火炎フロントはバーナ口部の領域内で逆流ゾーン３１により安定化される。
【００１９】
第２実施例では、噴口の案内長さｌを直径ｄで割った商がｌ／ｄ＝１０であり、これにより、液体燃料・水・エマルジョン２８内に内在する乱流が静粛となる。その上、液体燃料導管１０は軸方向で、かつ水供給導管２１は円錐形で、混合ゾーン２２内に開口するように配置されている（図４）。このことにより、水２７は斜めに液体燃料２内に導入され、その結果、混合ゾーン２２への移行時の圧力損失が排除されることができる。これにより、噴口１９を介した、予混合バーナ４の内室９内への液体燃料・水・エマルジョン２８の噴入のために、使用できる全圧力損失が使用され、このことは、小さな噴射角ひいてはフルジェット２９の形成につながる。すべてのその他の経緯は第１実施例と同様に行われる。
【００２０】
さらに別の１実施例では、ほぼ同様な作用を有する択一的な解決手段が示されており、この解決手段では、第２実施例に対比して燃料ランス１８内での液体燃料導管２０と水供給導管２１の配置が異なるに過ぎない（図５）。これにより、水２７なしでの運転時でも良好な噴霧化が得られる。
【００２１】
勿論、噴口１９が予混合バーナ４の具体的な使用条件に応じてその他の適した形状を、かつ前述の案内長さｌを直径ｄで割った商が別の値、例えばほぼ２から２０までを有することができる。勿論、予混合バーナ４は純円錐形に、要するに円筒形の始端部１５，１６を備えずに形成されることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】予混合バーナの縦断面図である。
【図２】図１の矢印ＩＩ−ＩＩに沿って予混合バーナを端面した図である。
【図３】図１の液体燃料ノズルの領域の本発明にもとづく１実施例を拡大して示す縦断面図である。
【図４】図３に示した領域の本発明にもとづく第２実施例を示す縦断面図である。
【図５】図４に示した予混合バーナのさらに別の１実施例を図３と同様に縦断面して示す図である。
【符号の説明】
１ 燃焼器、 ２ 液体燃料（燃料オイル）、 ３ ガス状燃料、 ４ 予混合バーナ（二重円錐バーナ）、 ５，６ 部分円錐体、 ７，８ 内壁、 ９ 内室、 １０，１１ 中央軸線、 １２，１３ 空気入口スリット、 １４ 燃焼空気（燃焼空気流）、 １５，１６ 円筒形の始端部、 １７ 液体燃料ノズル（エンドピース）、 １８ 燃料ランス、 １９ 噴口、 ２０ 液体燃料導管、 ２１ 水供給導管、 ２２ 混合ゾーン、 ２３ 板、 ２４ 接続開口、 ２５ 貫通口、 ２６ 移行部、 ２７ 水、 ２８ 液体燃料・水・混合物（液体燃料・水・エマルジョン）、 ２９ フルジェット、 ３０ 火炎フロント、 ３１ 逆流ゾーン、 ｌ 案内長さ、 ｄ 直径

Claims (2)

1. 予混合バーナを運転するための装置であって、予混合バーナ（４）が、主として、流れ方向において互いに内外に配置されていて一体にまとめられた少なくとも２つの中空の部分円錐体（５，６）から成っており、該中空の部分円錐体（５，６）によって形成された内室（９）の横断面が、流れ方向において増大しており、部分円錐体（５，６）のそれぞれの長手方向対称軸線（１０，１１）が互いにオフセットされて延びていて、部分円錐体（５，６）の互いに隣接する壁がその長手方向に、部分円錐体（５，６）によって形成された内室（９）への燃焼空気（１４）の流入のために働く接線方向の空気流入スリット（１２，１３）を形成しており、内室（９）に流入する燃焼空気が、少なくとも１つの燃料と混合させられるようになっており、内室（９）内においてヘッド側に液体燃料（２）によって運転可能な液体燃料ノズル（１７）が配置されている形式のものにおいて、
   内室（９）内への液体燃料（２）の噴入が、フルジェット（２９）の形態で１０°より小さな噴射角（α）で行われるようになっており、液体燃料ノズル（１７）の終端形態が、噴口（１９）を備えた横断面円形の均一な案内長さ（ｌ）を有しており、該案内長さ（ｌ）の上流に、本来の横断面に比べて横断面を連続的に狭められて圧力を高める移行部（２６）が配置されており、案内長さ（ｌ）の上流側に、液体燃料（２）と水（２７）とから成る混合物を生ぜしめる画成された混合ゾーン（２２）が、形成されており、
   混合ゾーン（２２）が少なくとも１つの液体燃料導管（２０）によって形成されていて、該液体燃料導管（２０）が、少なくとも１つの水供給導管（２１）に進入しており、
   水供給導管（２１）が液体燃料導管（２０）の半径方向外側に、かつこの液体燃料導管に対して同軸的に形成されており、かつ、混合ゾーン（２２）が板（２３）により液体燃料導管（２０）から仕切られており、その場合、板（２３）が液体燃料導管（２０）と混合ゾーン（２２）との間に少なくとも１つの軸方向の接続開口（２４）を有しており、かつ、水供給導管（２１）が混合ゾーン（２２）へ向けて少なくとも１つの半径方向の貫通口（２５）を備えていることを特徴とする予混合バーナを運転するための装置。
2. 液体燃料導管（２０）が軸方向で、かつ、水供給導管（２１）が円錐状で、混合ゾーン（２２）内に開口するように配置されている、請求項１記載の装置。

Images