JPH11201412A - 予混合バーナを運転するための方法と装置 - Google Patents

予混合バーナを運転するための方法と装置

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JPH11201412A
JPH11201412A JP10303863A JP30386398A JPH11201412A JP H11201412 A JPH11201412 A JP H11201412A JP 10303863 A JP10303863 A JP 10303863A JP 30386398 A JP30386398 A JP 30386398A JP H11201412 A JPH11201412 A JP H11201412A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 所定の運転形式における燃料供給を改善する
ような、予混合バーナを運転するため方法及び装置を提
供する。 【解決手段】 液体燃料２と水２７とが別個に液体燃料
ノズル１７へ搬送され、そのところで初めて液体燃料・
水・混合物２８が形成され、次いで、この混合物がフル
ジェット２９の形態で１０°より小さな噴射角αで予混
合バーナ４の内室９内へ噴入される。そのことのため
に、中央で内室９内に開口した液体燃料ノズル１７は単
純な噴口１９を備えている。この噴口１９の上流に混合
ゾーン２２が配置されており、この混合ゾーン内に液体
燃料導管２０と水供給導管２１とが開口している。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、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“Ａｔｏ
ｍｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｐｒａｙｓ”（噴霧化と
スプレー），Ｗｅｓｔ Ｌａｆｅｙｅｔｔｅ，Ｉｎｄｉ
ａｎａ 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 ｏｒｉｆｉｃ
ｅ）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１
５，１６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１
９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、 １
０，１１ 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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロビン マックミラン イギリス国 リンカンシャー バードニー ステイション ロード 42 (72)発明者 イェンス ポリッケ スイス国 ヴェッティゲン ウンテレ ガ イスヴィースシュトラーセ 26

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内室（９）と、中央でこの内室内に開口
    している液体燃料ノズル（１７）とを備えた予混合バー
    ナ（４）を液体燃料（２）と水（２７）とにより運転す
    る方法において、 液体燃料（２）と水（２７）とを別個に液体燃料ノズル
    （１９）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（２８）を形成し、次いで、こ
    の液体燃料・水・混合物をフルジェット（２９）の形態
    で１０°より小さな噴射角（α）で予混合バーナ（４）
    の内室（９）内へ噴入することを特徴とする、予混合バ
    ーナを運転するための方法。
  2. 【請求項２】 水（２７）を液体燃料（２）内へ導入す
    る、請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 液体燃料（２）内への水（２７）の導入
    を垂直に行う、請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】 液体燃料（２）を水（２７）内へ導入す
    る、請求項１記載の方法。
  5. 【請求項５】 予混合バーナ（４）の内室（９）内で流
    れ方向に拡大するフルジェット（２９）を、接線方向で
    予混合バーナ（４）内に流入する回転する燃焼空気流
    （１４）により取り囲み、混合物の点火をバーナ口部の
    領域内で行い、かつ火炎フロント（３０）をこの領域内
    で逆流ゾーン（３１）により安定化させる、請求項１か
    ら４までのいずれか１項記載の方法。
  6. 【請求項６】 請求項１から５までのいずれか１項記載
    の方法を実施するための、液体燃料（２）と水（２７）
    とにより予混合バーナを運転するための装置において、 ａ） 中央で内室（９）内に開口した液体燃料ノズル
    （１７）が単純な噴口（１９）を備えており、 ｂ） この噴口（１９）の上流に混合ゾーン（２２）が
    形成されており、 ｃ） 液体燃料導管（２０）と水供給導管（２１）とが
    この混合ゾーン（２２）内に開口し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。
  7. 【請求項７】 液体燃料導管（２０）と水供給導管（２
    １）とが一緒に１つの燃料ランス（１８）内に配置され
    ており、この燃料ランス（１８）が液体燃料ノズル（１
    ７）として形成されたエンドピースを備えており、か
    つ、このエンドピース内に噴口（１９）並びに混合ゾー
    ン（２２）が配置されている、請求項６記載の装置。
  8. 【請求項８】 水供給導管（２１）が液体燃料導管（２
    ０）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（２
    １）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、請求項７記載の
    装置。
  9. 【請求項９】 混合ゾーン（２２）が、噴口（１９）へ
    のホッパ状に形成された移行部（２６）を備えている、
    請求項８記載の装置。
  10. 【請求項１０】 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（２
    ２）内に開口するように配置されている、請求項７記載
    の装置。
  11. 【請求項１１】 水供給導管（２１）が軸方向で、か
    つ、液体燃料導管（２０）が円錐状で、混合ゾーン（２
    ２）内へ開口するように配置されている、請求項７記載
    の装置。
  12. 【請求項１２】 噴口（１９）が案内長さ（ｌ）と直径
    （ｄ）とを有しており、かつ直径ｄに対する案内長さｌ
    の比が２≦ｌ／ｄ≦２０である、請求項６から１１まで
    のいずれか１項記載の装置。
  13. 【請求項１３】 予混合バーナ（４）が、半径方向で互
    いにオフセットした少なくとも２つの中空な部分円錐体
    （５，６）から成り、流れ方向で拡大する中空円錐形の
    内室（９）を備えており、接線方向の空気入口スリット
    （１２，１３）を有しており、かつ、液体燃料ノズル
    （１７）が燃料供給に役立つ燃料ランス（１８）に結合
    されている、請求項６から１２までのいずれか１項記載
    の装置。
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