JP6084138B2 - 予混合バーナ - Google Patents

Description

本発明は、熱発生器を運転するための予混合バーナに関する。このバーナは少なくとも、渦流発生器と、渦流発生器の下流に配置された混合区間と、渦流発生器から混合区間へ渦流を移動させる移行区間部材とを有している。本発明はさらに、この種の予混合バーナのための移行区間部材にも関する。

上述の一般的な形式のタイプの予混合バーナは、EP 704657, EP 780629など多数の刊行物から知られている。この種の予混合バーナは、燃焼空気と気体燃料及び／又は液体燃料を円錐形にデザインされた渦流発生器へ注入し、その中で混合し、燃料と空気の混合物から成る渦流を発生させる、という共通の動作原理に基づいている。この場合、渦流発生器は、燃料と空気のための接線方向の吸気スロットを形成するため相互にオーバラップさせて組み立てられた少なくとも２つの円錐形のシェル半部を備えている。渦流発生器の下流に、点火を行う前に燃料と空気を均質に混合させるための混合領域が配置されている。混合物の点火と燃焼は、予混合火炎により燃焼室内で発生する。バーナ吹き出し口のところでバーナから燃焼室へ非連続的な移行が生じるために渦流が不安定になり、前方部分で予混合火炎が形成される中央の再循環領域によって、最終的に渦流が分解されて環状流となる。予混合火炎の空間ポジションは、混合領域出口における渦流の空力的挙動によって決定される。渦流発生器からの流れは、移行区間を介して混合領域へと配向される。

移行部分については、EP 1714081あるいはWO 2006094939に開示されている。図２は、EP 1714081の図７の複製である。予混合バーナの中心を通るバーナ軸Ａに対し、渦流発生器１の複数の円錐型シェルセグメント４が配置されている。流れ方向に円錐状に広がっている１つの渦スペースが、これらの円錐型シェル４によって区切られている。それぞれ互いに隣り合って配置された２つのシェルセグメント４により吸気スロット５が取り囲まれており、このスロットを通って空気流が渦スペースへ進入する。個々の円錐型シェルセグメント４は、吸気スロット５を通過して到来する空気流に燃料を混合させるために、燃料供給ライン６を有している。個々の円錐型シェルセグメント４は、移行区間２の内壁上の下流端部で開放された状態にある。個々の円錐型シェル４は、交差ライン８に沿って移行区間２の内壁７と接続されている。この内壁７は、下流に向かって円錐状にテーパ形状を成す円錐切頭形部分を有することができる。

現行の移行区間に共通する問題点は、角のある吐出横断面から環状の横断面へ渦流を案内するために鋭角が含まれてしまうことである。これらの移行区間はこれまで、低速気味になったり局所的な再循環領域の形成による早期の自己点火が生じがちであったりすることに起因する火炎の逆流のリスクの主たる要因であることが判明している。渦流発生器の端部領域の形状および特性は、バーナ全体の堅牢性に対する重要なパラメータである。

EP 1714081 WO 2006094939

本発明は、公知の移行区間の上述の欠点を回避するための、渦流発生器と混合領域との間の移行部分の最適化に係わるものである。本発明の課題は、渦流発生器から混合領域に入る流れを規定する輪郭を円滑に移行させることである。

本発明によれば上記の課題ならびにその他の課題は、独立請求項に記載された特徴によって解決される。従属請求項には有利な実施形態が示されている。

本発明の主要なコンセプトは、鋭角の移行区間部材（例えばEP 1714081の図５参照）によって、混合ゾーンに突き出たシェルの後縁を延長した渦流発生器下流端部を、旋回翼直径の増大及び半径方向の移行区間の追加によって置き換えることにある。この場合、半径方向の移行区間が加えられる目的は、スロット下流端部に到来する流れに対し半径方向の速度成分を与えること、および混合チューブ内壁への円滑な移行を生じさせることにある。

本発明の重要な観点は、熱発生器のための予混合バーナに関するものであって、これは実質的に以下の構成を有する。すなわち、
渦流発生器と、該渦流発生器の下流に配置された混合チューブと、前記渦流発生器と前記混合チューブとの間に配置された移行区間とを有している。
・前記渦流発生器は少なくとも２つのバーナシェルを有しており、該少なくとも２つのバーナシェルはそれぞれ補完し合って、軸線方向に円錐状に広がる渦流スペースを成しており、該少なくとも２つのバーナシェルは、軸線に沿って円錐縦方向に、タンジェンシャルスロットを相互に規定し、該タンジェンシャルスロットを通って前記渦流スペースへ燃焼空気が供給され、該少なくとも２つのバーナシェルは、少なくとも該タンジェンシャルスロットに沿った区間に配置され燃料を燃焼空気流へ供給するための手段を有し、
・前記混合チューブは、点火が発生する燃焼室へ燃料空気混合物を供給する前に、燃料と燃焼空気を均質に混合するためのものである。
・前記移行区間は、燃焼空気と燃料の流れを前記渦流発生器から前記混合チューブへ移動させるためのものである。この場合、前記移行区間は、前記渦流発生器に接続された入口と、前記混合チューブに接続された出口と、前記入口と前記出口との間に位置し連続的な流れを規定する内部輪郭とを有する。
・該内部輪郭は少なくとも入口区間において、前記混合チューブの内径に近づくように半径方向で内向きに湾曲しており、該内部輪郭は前記出口において、流れを規定する前記混合チューブの内壁と同一面を成す。

本発明の別の観点は、予混合バーナのための移行区間部材に関するものであって、この予混合バーナは実質的に以下の構成を有している。すなわち、
・渦流発生器が設けられており、該渦流発生器は、少なくとも２つのバーナシェルを有しており、該少なくとも２つのバーナシェルはそれぞれ補完し合って、軸線方向に円錐状に広がる渦流スペースを成しており、該少なくとも２つのバーナシェルは、軸線に沿って円錐縦方向に、タンジェンシャルスロットを相互に規定し、該タンジェンシャルスロットを通って前記渦流スペースへ燃焼空気が供給され、該少なくとも２つのバーナシェルは、少なくとも該タンジェンシャルスロットに沿った区間に配置され燃料を燃焼空気流へ供給するための手段を有している。
・前記移行区間部材は、前記予混合バーナの渦流発生器の出口に接続されるように設計されている。
・該移行区間部材は、内部通路と、入口と、出口と、前記入口と前記出口との間で連続的な流れを規定する内部輪郭とを備えたケーシングを少なくとも有する。
・前記内部輪郭は少なくとも前記入口区間において、半径方向で内向きに湾曲している。

半径方向で内向きに湾曲した前記移行区間部材の入口区間は、前記渦流発生器の下流端部で前記スロットの先端からスタートしている。

この構成によれば、燃焼空気と燃料の到来する流れに対し、半径方向の速度成分が加えられる。

本発明の１つの有利な実施形態によれば、移行区間部材の入口において内部輪郭は凹形状を有している。

本発明のとりわけ有利な実施形態によれば、移行区間部材の入口において内部輪郭は円弧プロファイルを有している。

このように構成したことの利点は、デザインがシンプルなことである。

本発明の１つの観点によれば、流れを規定する内部輪郭において半径方向で内向きに湾曲した区間は、移行区間部材の出口まで延在しており、混合チューブの入口直径と同一面を成す。

本発明の１つの択一的な観点によれば、内部輪郭において半径方向で内向きに湾曲した区間は、出口の上流区間で終端しており、この上流区間から、内部輪郭は出口に向かって一定の直径のまま続いている。

本発明はバーナの改善に着目し、局所的な再循環と流路中の低速領域を回避し、これによって逆流のリスクを低減しようというものである。ここで重要な点は、移行区間部材の内部輪郭が、急峻な凹凸が生じるポイントがなく延在することであり、したがって流れが分離してしまうリスクが回避されることである。このことは重要な利点であり、とりわけバーナを中程度あるいは高度に反応性のある燃料によって稼動させる場合に、重要な利点となる。

ここで開示している移行区間のジオメトリによって、混合チューブの中央に向かって軸線方向の速度プロファイルが増加し、その結果、早すぎる点火のリスクが最小化される。

本発明は、円錐角の公称直径にかかわらず、どのようなタイプの「円錐形バーナ」に対しても適用可能である。本発明で一般的に考察するのは、直径が１８０ｍｍよりも小さく円錐角の直径が２０°よりも小さいバーナであるが、本発明はこのようなバーナの寸法に限定されるものではない。

当業者にとって、「円錐形バーナ」は一般的な技術用語である。円錐形バーナは、例えばEP 321809, EP 704657またはEP 780629に開示されている。

以下、例示として、添付の図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。

一般的な予混合バーナの断面図 従来技術による移行区間の斜視図 本発明による移行区間の斜視図 本発明による移行部分の２つの実施形態を示す部分側面図

全体を通じて同様の部材には同様の参照符号を用いながら、図面に基づき本発明の実施例を説明する。以下では説明の目的で、本願の開示内容を正確に理解できるよう、多くの特定の詳細な事項を挙げて述べるが、本発明はそれらの詳細な事項が伴わなくても実施可能であり、ここで開示した実施形態に限定されるものではない。

図１及び図２には、熱発生器の一般的な予混合バーナの基本デザインが略示されている。この種のバーナの利用分野は据え置き型のガスタービンである。このバーナは、少なくとも２つの円錐形中空シェル４を備えた円錐形の渦流発生器１によって構成されている。円錐形中空シェル４は、一方が他方の内側に入れ子状態に配置されており、これによって円錐形に延在する渦流内部スペース９が規定されるとともに縦長のスロット５が形成され、このスロット５を通して燃焼空気が接線方向で渦流内部スペース９内に注入される。渦流発生器９の最初の部分に、有利には液体燃料を噴射するための中央燃料ランス１０が配置されている。円錐形の組み合わせ式シェル４の各々は、接線方向の吸気スロット５に沿って配置された開口部を備えた燃料導管６を有しており、有利には気体燃料がそこを流れる燃焼空気へ噴射される。接線方向で渦流スペース９に供給される燃焼空気と燃料によって、このスペースで渦流が形成される。渦流は、渦流発生器１から混合チューブ３へそのまま向かうが、これは移行区間２を介して行われ、移行区間２はその流れを混合チューブ３の隣接断面部へ供給する。渦流発生器１と混合チューブ３との間で損失のない円滑な流れを生じさせることによって、逆流ゾーンがすぐに形成されてしまうのが回避される。

図３及び図４には、移行区間内の流れを規定する内部輪郭に関するデザインの詳細が示されている。この内部輪郭の特徴は、渦流発生器１から混合チューブ３への移行が円滑な点にある。移行区間２によって、入口から出口までの間で急峻な凹凸が生じることなく、流れを連続的に規定する内部輪郭１２が得られる。移行区間２は、渦流発生器１内でスロット５の下流端部に位置するシェル４の先端からスタートする。このポイントで、流れを規定する輪郭１２は半径方向で内向きに湾曲した区間に入る。円錐形シェル４の下流端部は、この半径方向で内向きに湾曲したこの区間で内部輪郭１２と隣接する。湾曲区間のうち最大の勾配１３はスタートポイントに位置している。下流に向かうにつれて、勾配１３は均等に減少していく。勾配１３がゼロに近づくと、混合チューブ３の実効直径に達する。

内部輪郭１２が半径方向で内向きに湾曲して延在する構成に関する１つの実施形態によれば、輪郭は円弧状のプロファイルを有する。このようなプロファイルをもたせる利点とは、その設計が簡単なことにある。

１つの有利な実施形態によれば、流れを規定する内部輪郭１２において半径方向で内向きに湾曲した上述の区間１２は、移行区間２の出口１５まで及んでいる。

別の実施形態によれば、内部輪郭１２において半径方向で内向きに湾曲した区間は、出口の上流区間で終端しており、この上流区間から、内部輪郭１２は出口１５に向かって一定の直径のまま続いている。

いずれの事例においても、移行区間２の内部輪郭１２はその出口のところでは、混合チューブ３の内部輪郭１６と同一面を成しており、つまり鋭角が生じていたり横断面が跳躍的に変化することなく移行している。

１ 渦流発生器
２ 移行区間
３ 混合チューブ
４ 円錐形シェルセグメント
５ スロット
６ 燃料供給ライン
７ 移行区間の内壁
８ 交差ライン
９ 内部スペース
１０ 燃料ランス
１１ 燃料
１２ 移行区間の内部輪郭
１３ 勾配
１４ 移行区間の入口
１５ 移行区間の出口
１６ 混合チューブの内部輪郭／実効直径

Claims (10)

1. 熱発生器のための予混合バーナであって、該予混合バーナは、
   渦流発生器（１）と、
   該渦流発生器（１）の下流に配置された、点火が発生する燃焼室へ燃料空気混合物を供給する前に燃料と燃焼空気を均質に混合するための混合チューブ（３）と、
   前記渦流発生器（１）と前記混合チューブ（３）との間に配置された、燃焼空気と燃料の流れを前記渦流発生器（１）から前記混合チューブ（３）へ移動させるための移行区間（２）とを有しており、
   前記渦流発生器（１）は、少なくとも２つのバーナシェル（４）を有しており、該少なくとも２つのバーナシェル（４）はそれぞれ補完し合って、軸線方向に円錐状に広がる渦流スペース（９）を成しており、かつ該少なくとも２つのバーナシェル（４）は相互に、軸線に沿って円錐縦方向に、タンジェンシャルスロット（５）を規定し、該タンジェンシャルスロット（５）を通って前記渦流スペース（９）へ燃焼空気が供給され、該少なくとも２つのバーナシェル（４）は、少なくとも該タンジェンシャルスロット（５）に沿った区間に配置された、燃料を燃焼空気流へ供給するための手段（６）を有する、
   予混合バーナにおいて、
   前記移行区間（２）は、前記渦流発生器（１）に接続された入口（１４）と、前記混合チューブ（３）に接続された出口（１５）と、前記入口（１４）と前記出口（１５）との間で連続的に流れを規定する内部輪郭（１２）とを有しており、
   該内部輪郭（１２）は少なくとも入口区間において、前記混合チューブ（３）の内径に近づくように半径方向で内向きに湾曲しており、
   該内部輪郭（１２）は前記出口（１５）において、前記混合チューブ（３）の流れを規定する内部輪郭と同一面を成し、
   半径方向で内向きに湾曲した、前記移行区間（２）の内部輪郭（１２）は、前記渦流発生器（１）の下流端部において前記スロット（５）の先端からスタートしており、
   半径方向で内向きに湾曲した前記内部輪郭（１２）は、下流に向かうにつれて減少する勾配（１３）を有し、
   前記スタートするポイントにおいて、前記勾配（１３）は最大である、
   ことを特徴とする、
   予混合バーナ。
2. 前記移行区間（２）の入口区間における内部輪郭（１２）は凹形状を有する、請求項１記載の予混合バーナ。
3. 前記移行区間（２）の入口区間における内部輪郭（１２）は円弧プロファイルを有する、請求項１記載の予混合バーナ。
4. 前記円弧プロファイルを有する区間は中心角μを有する、ただしμ≦９０゜である、請求項３記載の予混合バーナ。
5. 前記中心角μ≦４５゜である、請求項４記載の予混合バーナ。
6. 半径方向で内向きに湾曲した前記内部輪郭（１２）の区間は、前記移行区間（２）の入口（１４）から該移行区間（２）の出口（１５）まで延在している、請求項１記載の予混合バーナ。
7. 半径方向で内向きに湾曲した前記内部輪郭（１２）の区間は、前記出口（１５）の上流で終端している、請求項１記載の予混合バーナ。
8. 前記移行区間（２）は、半径方向で内向きに湾曲した入口区間と円筒形の出口区間とを備えた、流れを規定する内部輪郭（１２）を有する、請求項７記載の予混合バーナ。
9. 前記円筒形の出口区間は、前記混合チューブ（３）の内部輪郭と同一面を成す、請求項８記載の予混合バーナ。
10. 前記移行区間（２）は前記渦流発生器（１）の一体的な部品である、請求項１記載の予混合バーナ。