(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱器であって、該発熱器に運転時に流路を通って媒体が流入するようになっており、この場合、流路が主流の方向で少なくとも１つの非連続的な横断面拡大部を有しており、これにより、流路を仕切った少なくとも１つの壁部が、主流方向に対して横方向に延びた段部を有している形式のものにおいて、
該段部の上流に多数の渦発生エレメントが配置されており、該渦発生エレメントが主流方向に対して横方向に延びた線上に互いに横方向の区分寸法だけ間隔をおいて配置されており、コヒーレントな周期的な剥離渦であって該剥離渦の剥離振動数が最高振動数よりも低いものを妨害するために、横方向の区分寸法が、段部の下流において主流での最高振動数に関連する波長の半分よりも小さいので、条件ｔ≦ｕｃ／２ｆＧが満たされ、この関係においてｔが渦発生エレメントの配置の横方向の区分寸法を、ｕｃが段部の下流における主流速度を、ｆＧが最高振動数を示していることを特徴とする、発熱器。
【請求項２】
前記渦発生エレメントの下流側縁部が、横方向の区分寸法の２０％よりも小さい分だけ段部の上流に配置されている、請求項１記載の発熱器。
【請求項３】
前記渦発生エレメントの高さが、横方向の区分寸法の２０％よりも小さい、請求項１記載の発熱器。
【請求項４】
前記渦発生エレメントが、横方向の区分寸法の２０％よりも小さい寸法だけ主流方向に互いにずらされて配置されている、請求項１記載の発熱器。
【請求項５】
段部の箇所に渦発生エレメントを生ぜしめるために、特定数のフライス削りされた凹所が、流路を仕切った壁部に加工されており、この場合溝の間隔を互いに横方向の区分寸法に対応している、請求項１記載の発熱器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発熱器であって、この発熱器には運転中に媒体が流路を通って流入し、この場合、流路が主流方向で見て少なくとも１つの非連続的な横断面拡大部を有しており、これにより、流路を仕切った少なくとも１つの壁部が、主流方向に対してほぼ横方向に延びた段部を有している形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼技術においては、広範囲の様々な流速を用いて働くことがしばしば必要である。火炎を安定させるために発熱器自体における流速はかなり低い値に制限されているが、様々な理由から発熱器への流入流は高い流速で提供することがしばしば必要である。据付サイズに課せられる要求により、発熱器の流入流を連続的に遅くすることは通常不可能である。したがって、非連続的な横断面拡大部を備えた、急激に拡開するディフューザが装着され、このことは確かに著しい全体圧力の損失を生ぜしめるが、極めてコンパクトな構成を提供する。さらに、ディフューザにおいて生ぜしめられる戻り流は、特に発熱器における火炎安定のために極めて望ましい。
【０００３】
しかしながら、ディフューザにおいて生じる渦構造は、所定の環境下において、特にディフューザが単に流路の不連続な横断面拡大部として構成されているならば、極めて不利な結果をもたらすおそれもある。この場合、流路には主流に対してほぼ横方向に延びた段部が存在しており、この段部は、流れの剥離縁部として働く。この縁部への流速が十分に大きい場合、この縁部に対して平行に延びる周期的な剥離渦が形成される。このように発生するコヒーレントな渦構造は、流れ方向でほとんど減衰されずに伝播することができる。この周期的な渦構造が熱供給箇所、通常は火炎に到達すると、周期的な圧力変動が、結果的な大きな容量増大に基づき増大される。前記圧力変動においては、渦が明らかになる。その結果、高い振幅の熱音響的振動が生じ、この振動は、高い振動エネルギを狭い振動数帯域に集中させ、発熱器の構造に永久に損傷を与えるおそれがある。
【０００４】
局所的に高い流速、高い発熱率及び高い圧力が存在する現代のガスタービン技術においては、この熱音響的振動が燃焼器の確実な運転において決定的な役割を果たし、熱音響的振動が制御可能であることは、ガスタービン発電所及び複合発電所の建設にとって重要な前提条件である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の１つの課題は、発熱器であって、この発熱器において運転時に流路を通って媒体が流入し、この場合流路が主流の方向で見て少なくとも１つの非連続的な横断面拡大部を有しており、流路を仕切った少なくとも１つの壁部が、主流方向に対してほぼ横方向に延びた段部を有しているような発熱器において、上記のような狭い振動数帯域における上記の高い圧力変動の発生を回避することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば前記課題は、以下のような装置によって解決された。すなわち、この装置においては、段部の上流に多数の渦発生エレメントが配置されており、この場合、渦発生エレメントは主流れ方向に対して横方向に延びた線に沿って横方向の区分寸法だけ互いに間隔をおいて配置されており、また、その剥離振動数が最高振動数よりも低い周期的な剥離渦を妨害するために、横方向の区分寸法が、段部の下流の主流における最高振動数に関連した波長の半分よりも小さく、これにより、条件ｔ≦ｕｃ／２ｆＧが満たされて、この関係においてｔは渦発生エレメントの配置の横方向区分寸法であり、ｕｃは段部の下流における主流の速度であり、ｆＧは最高振動数を示している。
【０００７】
【発明の効果】
前記エレメントが流入流に導入する揺動により、段部には均一な流れ場が存在しないので、段部にはもはや、段部の横方向の距離全体に亘って一定の位相位置を有する剥離渦が発現することができない。これにより、主流方向に対して横方向に流れ場の勾配が引き起こされ、これにより一方では剥離渦は極めて迅速に消散される。さらに、同相の剥離渦がもはや火炎に到達せず、これにより冒頭に述べた不利な熱音響振動の発生が効果的に回避される。
【０００８】
さらに、渦発生エレメントが段部の上流に横方向区分寸法の２０％より離れずに配置されているならば、これにより、これらの渦は、段部に達する前に自ら消散されることがないので有利である。
【０００９】
さらに、過剰な圧力損失を生ぜしめないために渦発生エレメントの高さが区分寸法の２０％以下であることが望ましい。つまり、意図した効果を達成するには、境界層に渦を付与するだけで十分である。
【００１０】
さらに、渦の位相を互いに対してずらすために及び減衰を改善するために渦発生エレメントを僅かな距離だけ流れ方向で互いにずらすことも有利である。
【００１１】
渦発生装置の有利な構成は欧州特許出願第０７４５８０９号明細書に記載されており、この明細書は、本願明細書に組み込まれた構成部分を示している。
【００１２】
【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更に詳しく説明する。
【００１３】
複数の図面を通じて同じ参照符合が同一の又は対応する部材を示している。図面を参照すると、流路が図１に示されており、この流路を通って、矢印Ｕの方向に流れが生じる。図１には、流路の壁部８が示されており、この流路は、Ｕで示された矢印の方向の流れによって流過される。主流Ｕの方向に対してほぼ横方向に延びた、壁部８の段部１０から、流路の非連続的な横断面の拡大が生じており、この拡大部において流れ剥離が生じる。この場合、垂直な段部として図示したジオメトリは強制ではない。つまり、段部が負又は正のアンダカット部を有することは全く可能であり、この場合、特に負のアンダカット部の場合には、構成長さが制限ファクタである。
【００１４】
高速の流れがこのような段部を流過する場合、周期的な剥離が生じる。特に流入流に対して横方向の平滑な段部上でコヒーレントな剥離渦が生じ、この剥離渦の位相位置は横方向距離全体に亘ってほぼ一定であり、またコヒーレントな剥離渦は、冒頭に示したようにほとんど減衰されずに主流の方向に伝播する。剥離渦が熱供給箇所において衝突すると、これらの剥離渦に関連した圧力変動が増大され、冒頭に述べた熱音響振動が生じる。
【００１５】
段部の上流に渦発生エレメント２０を主流に対して横方向に延びた線上に配置することによって、コヒーレントな剥離渦の形成を回避することができる。横方向の区分寸法ｔをおいて配置された渦発生エレメント２０の先端２１８において剥離渦が生ぜしめられ、この剥離渦はコヒーレントな剥離渦の発生を回避し、段部の下流での主流における剥離渦の互いの間隔は、区分寸法ｔの２倍よりも大きい。これにより、最高振動数ｆＧよりも大きな剥離振動数は効果的に減衰される。この場合、ｆＧは、ｆＧ＝ｕｃ／２ｔの関係により得られる。ｕｃは、この方程式においては剥離渦の対流速度、つまり段部の下流における主流の速度である。
【００１６】
物理的な関係から容易に分かるように、前記区分寸法に対してはかなり大きな公差を選択することができる。つまり、本発明にとって渦発生エレメントの間に均等な間隔を設けることは不可欠ではない。
【００１７】
渦発生エレメントの高さｈは、小さな望ましくない圧力損失を生ぜしめないようにかなり小さく選択されていると有利である。寸法ｈ＝０．２ｔで全く十分である。なぜならば、段部における剥離渦を妨害しかつその横方向のコヒーレントを破壊するような小さな渦のみが生ぜしめられる限り、本発明によれば主流には渦が誘発されないのが望ましいからである。したがって、本発明の本発明による機能のためには、境界層の一部に影響すれば十分である。当然ながら、渦発生エレメントの大きさの範囲は広くてよく、課題を達成するためには必ずしも上に示した条件を満たさなくてもよい。しかしながら、そうすると渦発生エレメントは効率が悪くなる。
【００１８】
図２には、渦発生エレメントの択一的な配置が示されている。渦発生エレメントは、図１に示したように段部に直接に配置されている必要はなく、渦発生エレメントの先端２１８は、段部から長さｓだけ上流に配置されることができ、この場合この長さｓは常に同じ大きさでなくてもよい。様々な渦発生エレメントは、主流方向で見て様々な位置を占めることができる。しかしながら、最も上流に位置した渦発生エレメントのための長さｓは、区分寸法ｔの２０％以下であると有利である。
【００１９】
図２に示したように、渦発生エレメントのジオメトリも同様に本発明において最も重要であるわけではない。したがって、図３には、製造技術上特に簡単な変化実施例が示されており、この場合、深さｈの切欠き若しくは凹所が横方向の区分寸法ｔをおいて段部にフライス削りされている。
【００２０】
これに対して渦発生エレメントが突出するように形成されているならば、欧州特許出願第０７４５８０９号明細書より公知の、有利には図４に示した変化実施例を参照することができる。前記刊行物は、本願の組み込まれた構成部分を示している。この場合、渦発生エレメントは、３つの面２１２，２１３，２１４を有しており、この面の周囲を流れが自由に流過するようになっている。前記面のうち２つが側面２１３，２１４を、１つが屋根面２１４を形成している。流路の壁８からの側面２１３，２１４の距離は流れ方向で見て増大しており、これに対し側壁の間隔は減少しており、高さは、側壁が交わる下流箇所において最大に達する。これに対応して、屋根面２１２は三角形であり、この屋根面２１２は、流れ方向で壁８から離れていく斜面を形成している。３つの全ての面２１２，２１３，２１４が交わる箇所において、壁８からの渦発生エレメントの最も大きな距離ｈが存在し、この箇所に先端２１８が形成されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】段部と渦発生エレメントとを備えた流路の壁の本発明による実施例を示す図である。
【図２】渦発生エレメントの択一的な配置を示す図である。
【図３】渦発生エレメントの択一的な配置を示す図である。
【図４】渦発生エレメントの有利なジオメトリを示す図である。
【符号の説明】
８  流路の壁、  １０  段部、  ２０  渦発生エレメント、  ２１２  屋根面、  ２１３，２１４  側面、  ２１８  先端、  ｆＧ  最高振動数、  ｈ  渦発生エレメントの高さ、  ｓ  段部からの距離、  ｔ  区分寸法、  ｕｃ  対流速度、  Ｕ  主流
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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