(57)【要約】【解決手段】本発明は、段付された燃料噴射部を有するバーナーに関し、このバーナーにおいて、燃料噴射部のための、少なくとも２つの分離された段部４ａ、４ｂが、渦形成体１に沿って設けられている。このバーナーは、第１の段部４ａと第２の段部４ｂとの間に分離部材８が設けられており、この分離部材が燃焼室３の方向に延在し、且つこの第１の段部４ａの領域において流入する燃焼用空気流を第２の段部４ｂの領域において流入する燃焼用空気流から分離する、ことによって特徴付けられる。この提案されたバーナーは、同様に低いバーナー出力の際にも、僅かの燃焼脈動でもって作動され得る。
2004514867.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
段付された燃料噴射部を有する、基本的に、燃焼用空気流のための渦発生器（１）、およびこの燃焼用空気流内へと燃料を導入するための手段から構成されているバーナーであって、このバーナーが、その際、
この燃焼用空気流内へと燃料を導入するための手段が、少なくとも、１つの第１の燃料流出開口部（２ａ）のグループを有する第１の燃料供給部（４ａ）、および、これら燃料流出開口部（２ａ）の第１のグループの下流側に、１つの第２の燃料流出開口部（２ｂ）のグループを有する第２の燃料供給部（４ｂ）を備えており、且つ、
これら燃焼用空気流のための燃料流出開口部（２ａ、２ｂ）並びに流入開口部の第１および第２のグループが、この渦発生器（１）によって形成された渦空間（１ａ）に沿って、配設されており、且つその際、
燃料流出開口部（２ａ、２ｂ）の、第１グループと第２のグループとの間の移行領域において、分離部材（８）が、渦空間（１ａ）内において設けられており、この分離部材が、これら燃料流出開口部（２ａ）の第１のグループの領域において、この渦空間（１ａ）内へと流入する第１の燃焼用空気流を、少なくとも、バーナーの長手方向軸線（７）の部分にわたって、これら燃料流出開口部（２ｂ）の第２のグループの領域において、この渦空間（１ａ）内へと流入する第２の燃焼用空気流から分離するように構成されていることを特徴とするバーナー。
【請求項２】
分離部材（８）は、一つまたは多数の分離壁によって形成されており、これら分離壁が、バーナーの長手方向軸線（７）を囲繞するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のバーナー。
【請求項３】
分離部材（８）は、基本的に、円筒形、もしくはつぼ形に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のバーナー。
【請求項４】
分離部材（８）は、冷却管路（１１）でもって貫通されているように構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のバーナーシステム。
【請求項５】
冷却管路（１１）は、流出開口部を、燃焼室（３）に向かって有していることを特徴とする請求項４に記載のバーナーシステム。
【請求項６】
バーナーは、中央の燃料ランス（５）を有しており、この燃料ランスが、分離部材（８）によって形成された容積内に至るまで延在しているように構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載のバーナーシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、段付された燃料噴射部を有する、燃焼用空気流のための渦発生器、およびこの燃焼用空気流内へと燃料を導入するための手段から構成されているバーナーに関し、その際、
この燃焼用空気流内へと燃料を導入するための手段が、少なくとも、１つの第１の燃料流出開口部のグループを有する第１の燃料供給部、および、これら燃料流出開口部の第１のグループの下流側に、１つの第２の燃料流出開口部のグループを有する第２の燃料供給部を備えており、且つ、
これら燃焼用空気流のための燃料流出開口部並びに流入開口部の第１および第２のグループが、この渦発生器によって形成された渦空間に沿って、配設されている。この様式のバーナーに関する有利な使用分野は、蒸気およびガスタービン技術における使用である。
【０００２】
【従来の技術】
ヨーロッパ特許第３２１　８０９号明細書から、多数のシェルから成る円錐形のバーナー、いわゆる二重円錐バーナーが公知である。円錐形の、多数のシェルから構成される、渦空間を内部において形成する渦発生器によって、閉鎖された渦流動が円錐頭部において形成され、この渦流動が、増大する渦（Ｄｒａｌｌｓ）に基づいて、円錐尖端部に沿って不安定になり、且つ、逆流を有する環状の渦流動へと、核心内において移行する。これら渦発生器のシェルは、バーナー軸線に沿って、燃焼用空気のための接線方向の空気流入スリットが、形成されるように構成されている。このことによって形成する、円錐シェルの流入エッジ部において、供給部が、予備混合ガス、即ちガス状の燃料のために設けられており、この供給部は、バーナー軸線の方向で、渦空間に沿って分配された流出開口部を、この予備混合ガスのために有している。このガスは、これら流出開口部、もしくは穿孔を通って、空気流入スリットに対して横方向に、噴射される。この噴射は、渦空間内において形成される、燃焼用空気−燃焼ガス−流動の渦との関連状態において、良好な燃焼ガス、もしくは予備混合ガスの燃焼用空気との混ぜ合わせを誘起する。良好な混ぜ合わせは、この様式の予備混合バーナーの場合、燃焼工程の際の低いＮＯｘ値のための前提条件である。
【０００３】
この様式のバーナーの更なる改良として、ヨーロッパ特許公開第２８０　６２９号明細書から、熱発生器のためのバーナーが公知であり、このバーナーは、渦発生器に引き続いて、燃料と燃焼用空気の、更なる混合のための付加的な混合区間を有している。この混合区間は、例えば、後置された管体として構成されており、この管体内へと、この渦発生器から流出した流動が、取り立てて言うほどの流量損失無しに、移送される。この付加的な混合区間によって、混合度は、更に続けて向上し、且つ従って、有害物質放出が低減される。
【０００４】
図１は、概略的に、この様式のバーナーのための一例を示しており、これらバーナーの場合、燃料が、流出開口部を通って、バーナー軸線に沿って渦形成体１内において設けられた供給通路内において、流入した燃焼用空気と混合される。この図において、この場合、その渦形成体によって囲繞された渦空間１ａを有する、バーナーの円錐形の渦形成体１が図示されており、この渦形成体に沿って、流出開口部２　−この図において、噴射される燃料に関して矢印によって示されている−　を有する燃料供給部が延在している。これら燃料供給部は、一般的に、個別の通路として形成されており、これら通路が、これら燃料流出開口部２の不動の分配部を、このバーナー軸線に沿って有している。更に、この図１において、パイロットランス（Ｐｉｌｏｔｉｅｒｕｎｇｓｌａｎｚｅ）５が認識可能であり、このパイロットランスを介して、バーナーの始動の際、この燃料は、直接的にこの渦空間１ａ内へと噴射される。次いで、負荷が増大した際、このパイロット段（Ｐｉｌｏｔｉｅｒｕｎｇｓｓｔｕｆｅ）から予備混合作動状態への切替えが行われ、この予備混合作動状態において、この燃料は、これら上記の燃料流出開口部２を通って、流れ込む燃焼用空気と混合される。
【０００５】
更に周知された予備混合バーナーのバーナー幾何学的形状は、国際出願公開第９３／１７２７９号明細書から公知である。この配設の場合、付加的な円錐形の内側体を有する円筒形の渦発生器が使用される。予備混合ガスは、同様に、軸線方向に指向する空気流入スリットに沿って設けられている適当な燃料流出開口部を有する供給部を介して、渦空間内へと噴射される。このバーナーのパイロット供給部（Ｐｉｌｏｔｉｅｒｕｎｇｓｚｕｆｕｅｈｒｕｎｇ）は、この円錐形の内側体の端部に設けられている。このパイロット装置（Ｐｉｌｏｔｉｅｒｕｎｇ）は、しかしながら、増大されたＮＯｘ放出を誘起する。何故ならば、この作動方法の場合、ただ不十分な燃焼用空気との混合が行われるだけだからである。
【０００６】
全ての公知のバーナーシステムの場合、燃料の１段式の供給部が、予備混合作動状態において設けられている。バーナー軸線に沿っての燃料供給部材の流出開口部の大きさ、分配状態、配設状態、間隔、並びに数量は、この場合に、僅かの排気ガス放出に対する諸要件、消火限界、逆火限界、並びに燃焼の安定性に対する諸用件を満たすために、最適化されねばならない。この場合、これら全ての諸要件を、これら流出開口部の固定の分配でもって、同様に変化する作動諸条件および周囲諸条件のもとでも満たすことは、ほぼ不可能である。
【０００７】
予備混合バーナーの作動のための公知の方法の更なる欠点は、これら予備混合バーナーが、低い排気ガス放出および低い燃焼振動のために、全負荷状況のもとで最適化されていることにある。このバーナーを始動するため、およびガスタービンをスタートさせるために、付加的なパイロット段が必要とされ、このパイロット段が、しかしながら、排気ガス放出値を著しく上昇させる。
【０００８】
出願人の平行して同時に行われている特許出願において、この問題点を解決するために、バーナー装置が提案され、このバーナー装置の場合、燃焼用空気流内へと燃料を導入するための手段は、少なくとも１つの、第１の予備混合燃料量のための燃料流出開口部の第１のグループを有する第１の燃料供給部、および第２の予備混合燃料量のための、これら燃料流出開口部の第１のグループの下流側の燃料流出開口部の第２のグループを有する第２の燃料供給部を備えている。これら燃料流出開口部を有する燃料供給部は、この場合、渦空間に沿った渦形成体に、このバーナーの長手方向に配設されており、且つ、少なくとも２つの相互に依存しない、燃料のための通路に分割されている。段付された燃料噴射部を有するこの様式のバーナーシステムの使用によって、１段式のバーナーシステムに比べて明確に拡大された作動領域が可能になる。特に、このバーナーの作動方法は、排気ガス放出に関して、最適に、その都度の作動負荷に適合される。更に、パイロットランスを介しての燃料供給部は、もはや必要ではない。何故ならば、唯一の作動が、第１段（例えば、図２における２ａ）のこれら燃料流出開口部でもって、十分に高い局部的な温度をこのバーナー軸線上で誘起し、これに対して、全断熱温度（ｇｅｓａｍｔａｄｉａｂａｔｉｓｃｈｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒ）は、更に引き続き低いからである。
【０００９】
完全に予備混合された燃料−空気混合物でもっての、バーナーの消炎限界は、１６００Ｋ以上の消炎限界を有する。最新式のＡＡＰガスタービンは、無負荷運転状態において、および低い負荷の場合に、燃焼の際に９００から１６００ケルビンまでの断熱的な温度を発生する、燃料−空気混合物でもって作動される。従って、燃料を全ての使用可能な燃焼用空気内において燃焼させることは不可能であり、従って、このバーナー内における核心空気の富化が、パイロット装置によってバーナーネック部の領域において必要である。このことは、特に、１段式の燃料噴射部を有する従来技術の上記のバーナーに関連している。
【００１０】
２つの分離された領域へと燃料供給部を分配することによる、多段式の燃料噴射部を有する、出願人によって開発されたバーナーは、特に、ＮＯｘ放出、および燃焼脈動の強度の減少を、１６５０Ｋ以上の比較的に高い火炎温度において示す。第１の段が基本的に単独に作動され、且つ従ってパイロット段と同じような機能を満たす場合、この脈動の問題は、しかしながら、更に常に１５００Ｋ以下の温度の場合にも発生する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の課題は、１６００Ｋ以下の比較的に低い燃焼温度の場合にも、脈動の僅かの程度を発生するバーナーを供給することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この課題は、特許請求項１によるバーナーでもって解決される。このバーナーの有利な実施形態は、従属請求項の対象である。
【００１３】
段付された燃料噴射部を有する本発明のバーナーは、基本的に、燃焼用空気流のための渦発生器、および、この燃焼用空気流内へと燃料を導入するための手段から構成されている。この燃焼用空気流内へと燃料を導入するための手段は、少なくとも１つの、燃料流出開口部の第１のグループを有する第１の燃料供給部を備えており、且つ、燃料流出開口部の第２のグループを有する第２の燃料供給部が、これら燃料流出開口部の第１のグループからオフセットされている。これら燃料流出開口部の両方のグループ、並びに燃焼用空気のための流入開口部、通常、空気流入スリットは、この場合、そのことが同様に冒頭に記載した様式の１段式のバーナーシステムの場合の事柄でもあるように、渦形成体によって形成された渦空間に沿って配設されている。このことは、強制的に、この燃料を、流入スリットを通って流入する燃焼用空気内へと噴射するため、およびこの方法で可能な限り良好な混合を達成するために必要である。本発明のバーナーは、これら燃料流出開口部の、第１のグループと第２のグループとの間の移行領域において、分離部材が、渦空間内において設けられており、この分離部材が、燃焼室の方向に延在し、且つこの分離部材が、この第１のグループの領域において空気流入スリットを通って流入する燃焼用空気流を、これら燃料流出開口部の第２のグループの領域において流入する燃焼用空気流から分離することによって特徴付けられている。この分離は、この場合、少なくとも、渦空間の１つの領域にわたって、即ち、移行領域を出発点として燃焼室の方向に渦空間の領域内にまで行われ、この渦空間内において、これら燃料流出開口部の第２のグループが設けられている。
【００１４】
分離部材は、１つの部材から成るように、および多数の部材から成るように構成され得る。この分離部材は、有利には、バーナー軸線を囲繞する分離壁から構成される。この分離壁は、この場合、渦発生器の幾何学的な形状への適合状態で、有利には、少なくとも１つの部分領域にわたって、円筒形に形成されている。この渦空間の内部での分離部材、即ち分離壁によって、第１段のための一種の縮小された燃焼室、即ち、燃料流出開口部の第１のグループを通って渦空間内へと流入する燃料、およびこのことから結果として生じる燃料−空気混合を形成する、別個の容積が得られる。
【００１５】
このバーナーの作動方法　−この作動方法において、基本的に、燃料がこの第１段を介して供給される−　の場合、このことが始動時に、無負荷運転状態において、およびこのバーナーによって作動される設備、特にガスタービンの低い負荷の際に、パイロット装置の様式においての事柄であるように、火炎は、既に、この分離部材によって形成された容積の内部で形成される。
【００１６】
本発明のバーナーのこの実施形態によって、比較的に強い脈動は、同様に設備の低い負荷の場合にも、即ち、低い燃焼出力および低い全ての断熱的な燃焼温度においても可能とされる。発明者は、この場合、この様式の分離部材の無い第１段部の作動の際に、火炎が、一方では、相対的に自由な軸線方向の脈動を形成可能であること、および他方では、この脈動が、第２段部の領域において空気流入開口部を通って流入する燃焼用空気の冷却作用に基づいて支援されることを認識した。第１の段部の領域において渦空間内へと流入する空気流と、第２の段部の領域において流入する空気流との間の分離部材の挿入によって、低いバーナー出力の際のこれら空気流の間の相互作用は防止される。このことは、他方また、有利な方法で、燃焼脈動の減少を誘起する。
【００１７】
有利な実施形態において、バーナーは、燃料ランスを備えており、この燃料ランスが、分離部材の、即ちこの分離部材によって形成された容積の領域内に至るまで延在している。この燃料ランスは、従って、従来技術から１段式の燃料噴射部を有するバーナーとの関連において公知の、燃料ランスまたはパイロットランスに比べて延長されている。この分離部材の容積内に至るこの燃料ランスの延長によって、燃料−空気混合のための付加的な安定点が、「段飛躍」によって、第１段部のランススリットを介して形成され、且つ、燃焼の軸線方向の脈動が、更に減少される。
【００１８】
有利には、分離部材の壁部が冷却管路を有しており、これら冷却管路に、燃焼用空気が、渦発生器の上流側から供給される。これら冷却管路は、この場合、燃焼室の方向に延在している。この冷却空気は、分離部材の燃焼室側の端部における相応する開口部を通って、渦空間内へと流出する。
【００１９】
分離部材は、有利には、渦発生器、もしくはこの渦発生器を形成するシェルと共に一体的に形成されており、または、この渦発生器に固定されている。バーナーの本発明の実施形態は、既に存在するバーナー構造を、費用と労力を要する新しい構造を設けること無しに、分離部材を備えることを可能にする。
【００２０】
次に、本発明のバーナーを、実施例に基づいて、図と関連して再度短く説明する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は、そのことが従来技術から公知されており、且つ明細書導入部において既に説明したような１段式のバーナーシステムを示している。
【００２２】
本実施例において、原理的に、冒頭に記載した様式の従来技術、特にヨーロッパ特許第３２１　８０９号明細書から公知であるような、バーナーの幾何学的形状が使用されている。このバーナーは、渦形成体１から成り、この渦形成体が、この渦形成体１内において空気流入スリットを通して流入する燃焼用空気（矢印によって示されている）と、燃料を混合するための渦空間１ａを囲繞している。接続部において渦空間１ａに、燃焼室３が接続している。この渦発生器１は、公知の方法で、円錐形に形成されており、且つ多数の部分シェルから成っている。これら部分シェル内において、管路状の供給部４ａもしくは４ｂが、渦空間１ａ内へと燃料を噴射するために設けられている。本発明のバーナーシステムの場合、２段式の燃料噴射部が使用され、この燃料噴射部において、燃料供給部４ａによる第１段部、および燃料供給部４ｂによる第２段部が形成されている。図において、この場合概略的に、第１段の燃料通路４ａ内における燃料流出開口部２ａの第１のグループ、並びに第２段の燃料通路４ｂ内における燃料流出開口部２ｂの第２のグループが、認識可能である。
【００２３】
もちろん、これら流出開口部２ａ、２ｂは、本実施例において、ただ概略的に図示されているだけであり、その際、これら流出開口部の数、分配、および幾何学的形状は、その都度の状況に適合されている。
【００２４】
第２段部４ｂへの燃料の供給導管６は、この実施例において、渦形成体１の外側壁に沿って案内される。第１段部４ａのための供給部は、この実施例において、明確に示されていない。
【００２５】
渦発生器１の中央の領域に、燃料ランス５が認識され、この燃料ランスは、バーナーの長手方向軸線７上で指向している。
【００２６】
この本発明によるバーナーの実施例の場合、分離部材８が設けられており、この分離部材は、バーナーの長手方向軸線７を、渦空間１ａ内において囲繞しており、且つ、基本的に、円筒形、もしくはつぼ形に形成されている。この分離部材８は、空気流入スリットを通って第１段部４ａの領域内において流入する燃焼用空気流を、第２段部４ｂの領域内において、この渦空間１ａの外側の区域内へと流入する燃焼用空気流から分離する。流入する燃焼用空気の流動過程は、両方の矢印によって認識可能である。この分離部材８は、この場合、燃焼室３へと開いている小容器状体の様式を形成している。燃料ランス５は、この実施例において、公知の配設に比して延長されており、且つ、ほぼ半分の高さに至るまで、この分離部材８によって形成された容積内へと延在している。この配設によって、両方の段部４ａおよび４ｂの領域において流入する燃焼用空気流の分離が達成され、従って、両方の流動の間で、如何なる相互作用も行われない。この分離部材８は、この場合、渦発生器１の燃焼室側の縁部に至るまでではなくて、むしろただ部分領域にわたってだけ延在している。
【００２７】
バーナーの低い負荷、もしくは低い出力において、燃料は、主として、第１段部４ａの燃料流出開口部２ａを通って、渦空間１ａの内部区域内へと、即ち、この渦空間内へと領域内において流入した燃焼用空気内へと噴射される。このことによって、参照符号９でもって図内において概略的に図示されている燃焼区域は、分離部材８の燃焼室側の縁部において形成する。この上記の作動方法での第１段部４ａの燃料の燃焼区域は、第２段部４ｂの領域内において流入する燃焼用空気流によって、妨害されない。何故ならば、火炎ルート（Ｆｌａｍｍｅｎｗｕｒｚｅｌ）が、この分離部材８の内部に存在するからである。燃焼の可能な脈動は、このことによって明確に回避され、且つこの火炎の安定性が、特に、段飛躍（Ｓｔｕｆｅｎｓｐｒｕｎｇ）（バックワーズ・フェーシング・ステップｂａｃｋｗａｒｄｓ ｆａｃｉｎｇ ｓｔｅｐ）を形成する延長された燃料ランス５によって改善される。
【００２８】
この場合、ガス状の燃料を、ランスを介して導入することは、意図されていない。両方の、図２でこのランス内において認識可能な管路は、ランス−冷却空気のため、および、中央に設けられたフラットジェットノズルを介しての二重燃料作動用の液状の燃料導入の可能性のためのものである。
【００２９】
より高いバーナー出力の場合、付加的に、第２段部４ｂを通って、より多くの燃料量が噴射され、このことによって、最終的に、燃焼区域は、参照符号１０でもって概略的に示された領域内へと移動する。この作動方法において、既に生じたより高い燃焼温度において、脈動の問題は、もはや、低い出力の際に存在する程度においては生じない。分離壁によって、同様に、第２段部４ｂを通って導入された燃料によって形成された火炎の火炎根元も、依然として、分離壁出口内における、もしくは分離壁出口における燃焼区域９でもって固定されている。
【００３０】
図において、同様に非常に良好に、冷却管路１１の様式における分離部材８のための冷却システムも、認識される。これら冷却管路１１は、第２段部の上流側で、渦発生器１内へと流入する燃焼用空気と結合されており、且つ、この冷却管路の流出開口部を、分離部材８の壁の燃焼室側の端部において有している。この流出する燃焼用空気は、この領域内において、矢印によって示されている。
【００３１】
本発明が同様に、少なくとも２段式の燃料の噴射部を介して燃焼用空気内へと作動される他のバーナー幾何学的形状に対して、使用可能であることは、自明のことである。この基本的な部材は、この場合、両方の段部の領域内において流入する燃焼用空気流を、相互に分離する分離部材である。この分離部は、少なくとも、渦空間の部分領域内において必要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来技術による、１段式のバーナーの図である。
【図２】
概略的な図示における、本発明のバーナーのための一例の図である。
【符号の説明】
１　　渦発生器
１ａ　渦空間
２　　燃料流出開口部
２ａ　第１段の燃料流出開口部
２ｂ　第２段の燃料流出開口部
３　　燃焼室
４ａ　第１段の燃料供給部
４ｂ　第２段の燃料供給部
５　　燃料ランス
６　　燃料導管
７　　バーナーの長手方向軸線
８　　分離部材
９　　燃焼区域１
１０　燃焼区域２
１１　冷却管路
【国際公開パンフレット】
2004514867.tif 000003
2004514867.tif 000004
2004514867.tif 000005
2004514867.tif 000006
2004514867.tif 000007
2004514867.tif 000008
2004514867.tif 000009
2004514867.tif 000010
2004514867.tif 000011
2004514867.tif 000012
2004514867.tif 000013
2004514867.tif 000014
2004514867.tif 000015
2004514867.tif 000016
2004514867.tif 000017
2004514867.tif 000018
2004514867.tif 000019
2004514867.tif 000020
2004514867.tif 000021
【国際調査報告】
2004514867.tif 000022
2004514867.tif 000023
2004514867.tif 000024
2004514867.tif 000025
2004514867.tif 000026
2004514867.tif 000027