(57)【要約】      （修正有）【課題】空気／燃料混合気流が生成されて燃焼領域に入る前に旋回されることにより渦流を形成して、定置用燃焼機関のバーナシステムにおいて保炎するための方法および装置を提供する。【解決手段】渦流９についてスワール数を求めることができ、燃焼領域内において空気／燃料混合気の渦流９が点火されて、渦崩壊により引き起こされた逆流領域（ＣＲＺ）内において火炎１０を形成する。定置用燃焼機関は有利には定置用ガスタービンである。バーナシステムについての火炎伝達関数（ＦＴＦ）の変化に基づき、火炎伝達関数（ＦＴＦ）の脈動振幅を最小限にすべく、燃焼領域内に入る前に渦流９に積極的に影響を及ぼすことにより、バーナシステム内部の熱音響振動によって引き起こされたスワール数摂動を制御する。【選択図】図１ａ
2016166727.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有利には定置用ガスタービンである定置用燃焼機関のバーナシステムにおいて保炎する方法であって、
空気燃料混合気流を生成し、燃焼領域に入る前に当該空気燃料混合気流を旋回させて、スワール数を適用できる渦流（９）を形成し、前記燃焼領域内において前記空気燃料混合気の渦流（９）を点火して、渦崩壊により引き起こされる逆流領域（ＣＲＺ）内において火炎（１０）を形成する、方法において、
前記バーナシステムについての火炎伝達関数（ＦＴＦ）の脈動振幅を最小限にすべく、前記火炎伝達関数（ＦＴＦ）の変化に基づき、前記燃焼領域内に入る前に前記渦流（９）に積極的に影響を及ぼすことにより、前記バーナシステム内部の熱音響振動によって引き起こされたスワール数摂動を制御する
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
スワラ入口部（７．１）およびスワラ出口部（７．２）を有するスワラ（７）において、前記空気燃料混合気流の旋回を行い、
前記スワラ出口部（７．２）において、前記渦流（９）の流動力学的特性に影響を及ぼすことにより、当該渦流（９）に積極的に影響を及ぼす、
請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記火炎伝達関数（ＦＴＦ）の振幅が最大になる少なくとも１つの周波数位置において、前記渦流（９）における位相および振幅によって表される速度ゆらぎの位相が当該火炎伝達関数（ＦＴＦ）の位相に対して変化するように、前記速度ゆらぎを前記渦流（９）に形成することにより、当該渦流（９）に積極的に影響を及ぼす、
請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記スワラ出口部（７．２）において前記渦流（９）の接線方向速度摂動の振幅および位相に影響を及ぼすことにより、当該渦流（９）に速度ゆらぎを形成する、
請求項２および３記載の方法。
【請求項５】
前記バーナシステムの製造中に求められた情報に基づき、オープンループで、前記渦流（９）に積極的に影響を及ぼす、
請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
センサ測定された情報に基づき、好適には、前記燃焼領域内に存在する圧力に基づき、クローズドループで、前記渦流（９）に積極的に影響を及ぼす、
請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
ａ）前記スワラ（７）の形状および／または位置をハーモニック変調することにより、
および／または、
ｂ）前記スワラ（７）から流出する渦流（９）を制御するために、
ｂ１）前記渦流（９）中への少なくとも１つの別個の流体流の噴射を変調しながら行い、
ｂ２）前記スワラの輪郭表面付近の前記渦流（９）の流速の変化を変調しながら行う
ことにより、
前記渦流（９）に積極的に影響を及ぼす、
請求項２から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記スワラ（７）の形状および／または位置の変調は、無摩擦の磁気浮上を利用して実現される、
請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも１つの別個の流体流の噴射は、制御可能な流体装置またはロータリバルブを用いて前記渦流（９）中に、空気流、燃料流および／または空気燃料混合気流の少なくともいずれか１つを噴射することにより実現される、
請求項７記載の方法。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの別個の流体流の噴射は、着火性の反応生成物流のハーモニック点火によって前記渦流（９）中へ燃焼生成物流を噴射することにより実現される、
請求項７記載の方法。
【請求項１１】
前記スワラの輪郭表面付近の前記渦流（９）の流速の変化は、当該スワラの輪郭表面上の少なくとも１つの一部領域において誘電体バリア放電（ＤＢＤ）を利用して流体流を導入することにより実現される、
請求項７記載の方法。
【請求項１２】
前記スワラの輪郭表面付近の前記渦流（９）の流速の変化は、圧電または高温プラズマ生成を利用して合成ジェットを噴射することにより実現される、
請求項７記載の方法。
【請求項１３】
好適には定置用ガスタービンである定置用燃焼機関のバーナシステムにおいて保炎を行うための装置であって、
前記装置は、
空気燃料混合気流を生成するための予混合バーナと、
前記予混合バーナ（４）内または当該予混合バーナより下流に配置された、スワール数を適用可能な渦流（９）を形成するためのスワラ（７）と、
前記スワラ（７）の下流に直接、または、混合管（８）によって離隔されて配置されている燃焼器と
を有し、
前記燃焼器は、前記空気燃料混合気の渦流（９）が点火されることにより、渦崩壊により引き起こされる逆流領域（ＣＲＺ）内において火炎（１０）が形成される、燃焼領域を有する、
装置において、
前記スワラ（７）は、前記燃焼領域に入る前に前記渦流（９）に積極的に影響を及ぼすための手段を備えており、
前記手段は、前記バーナシステムについての火炎伝達関数（ＦＴＦ）の脈動振幅を最小限にすべく、当該火炎伝達関数（ＦＴＦ）を変化させる
ことを特徴とする装置。
【請求項１４】
前記スワラ（７）は、それぞれ後縁（１５）を有する複数の旋回翼（１２）を備えたアキシャルスワラであり、
前記手段は前記後縁（１５）に、および／または、当該後縁（１５）付近に配置されており、
前記手段は、前記アキシャルスワラ（７）から流出する渦流（９）の接線方向速度摂動に及ぼす流体力学的な衝撃を生成するように構成されている、
請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
前記スワラ（７）は、１つの共通の回転軸を中心としてアジマス方向に配置された複数の旋回翼（１２）を備えたアキシャルスワラであり、
前記手段は、前記回転軸を中心として、回転方向を交互に反転させて前記アキシャルスワラを回転させる、積極的に制御される無摩擦磁気浮上手段である、
請求項１３記載の装置。
【請求項１６】
前記予混合バーナ（４）は、円錐形状の複数のバーナ胴部（３３）を備えた円錐形の予混合バーナであり、前記複数のバーナ胴部（３３）は、接線方向の複数のスロット（３４）を区切っており、前記円錐形の予混合バーナ（４）において渦流（９）を生成するために、空気、燃料および／または燃焼生成物が前記接線方向の複数のスロット（３４）を通って送られる、かつ、
前記渦流（９）に影響を及ぼす前記手段は、前記接線方向の複数のスロット（３４）に沿って、前記複数のバーナ胴部（３３）に配置されている、
請求項１３記載の装置。
【請求項１７】
前記スワラ（７）はラジアルスワラであり、
前記ラジアルスワラは、対となって流路（３１）を区切る複数の流れ部材（３０）を備えており、
前記渦流（９）に影響を及ぼす前記手段は、前記流れ部材（３０）に、前記流路（３１）に沿って配置されている、
請求項１３記載の装置。
【請求項１８】
前記渦流（９）に積極的に影響を及ぼす前記手段は、
・空気、燃料および／または燃焼生成物の流体ジェットがロータリバルブまたは流体装置の制御下で前記渦流（９）中に流出するときに通過する出口部開口（１６．１，１６．２）と、
・前記スワラ（７）の表面に取り付けられる誘電体バリア放電ユニット（ＤＢＤ）と、
・前記スワラ内に空洞を有する合成ジェット発生器であって、当該空洞の開口（２５）を介して前記渦流（９）中に合成ジェットを発生させるために当該空洞に圧電ドライバまたは高温プラズマ発生器を備える、合成ジェット発生器と
のうち少なくともいずれか１つを有する、
請求項１３から１７までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１９】
前記渦流（９）に積極的に影響を及ぼす前記手段は、制御ユニットによって制御され、
ａ）前記制御ユニットは、前記バーナシステムの製造中に求められた、当該バーナシステム内部の熱音響振動により引き起こされるスワール数摂動の情報を備えており、当該情報は好適にはルックアップテーブルに記憶されている、
または、
ｂ）前記制御ユニットは、少なくとも１つのセンサによって測定された情報を、好適には、前記バーナシステムの燃焼領域内に存在する圧力値を測定する圧力センサによって測定された情報を備えている、
請求項１３から１８までのいずれか１項記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気／燃料混合気流が生成されて燃焼領域に入る前に旋回されることにより渦流を形成して、定置用燃焼機関のバーナシステムにおいて保炎するための方法および装置に関し、当該渦流についてスワール数を求めることができ、当該燃焼領域内において当該空気／燃料混合気の渦流が点火されて、渦崩壊により引き起こされた逆流領域内において火炎を形成する。前記定置用燃焼機関は有利には定置用ガスタービンである。
【０００２】
現在、熱音響振動は、ガスタービン製造において重大な関心事項の１つである。火炎からの熱放出が燃焼室の音響と結合すると、非常に高い摂動振幅が生じ、これは、少なくとも燃焼器の寿命に悪影響を及ぼす。熱音響振動は効率を大きく制限し、また、機関のエミッション値を著しく悪化させることが非常に多く、これにより、低ＮＯｘ動作が更に困難になる。
【背景技術】
【０００３】
動作中には、燃焼室に機械的損傷を生じさせて動作域を制限する原因となり得る圧力振動が発生することがある。しかし、この圧力振動の周波数はガスタービンごとに僅かに変わり得るものであり、その上、同じガスタービンでもガスタービン動作中に、たとえば部分負荷と、ベース負荷と、過渡中等とで僅かに変化し得る。
【０００４】
大半のガスタービンは、汚染エミッションに関する法令遵守のため、希薄モードで動作しなければならない。かかるモードでの動作中のバーナ火炎は、流れの摂動に非常に影響を受けやすく、また燃焼室の音響と結合しやすく、これにより、熱音響的に不安定な状態となり得る。それゆえ、通常はバーナシステムに減衰装置が備えつけられている。この減衰装置は、アクティブ減衰方式とパッシブ減衰方式とに分けることができる。一般的にバーナシステムに実装されるのは、ヘルムホルツ減衰器等のパッシブ減衰方式であるが、これは若干の欠点を有し、たとえば、低周波数に対しては大きな減衰容積を要し、これは、コストと使用可能なスペースとに関して問題となる。その上、ヘルムホルツ減衰器の吸収帯域幅は典型的には狭幅であり、それゆえ、かかる減衰方式は離調の影響を受けやすい。更に、高温ガスの吸い込みに関しても予防措置をとらなければならない。
【０００５】
アクティブ減衰技術は、燃料質量流量の制御と、燃焼室内への燃料分散とに基づいていることが多い。
【０００６】
たとえば米国特許出願公開第３７４８８５２号明細書には、２つの出口部を有する流体振動子を備えた自己安定化圧力補償インジェクタが記載されており、これらの出口部は双方とも、１つの燃焼室内へ吐出する。燃料流はこれらの出口部間にて振動し、その際の流れは、燃焼空間内の圧力変動に応答する。
【０００７】
欧州特許出願公開第１０７０９１７号明細書にも、２つの出口部を有する流体振動子が記載されており、これらの出口部は双方とも、１つの燃焼室内または混合管内に吐出する旨が記載されている。制御入口部における圧力ゆらぎによって、燃料流はこれらの出口部間にて切り替えられる。この圧力ゆらぎは、別個のコントローラによって、または、各制御入口部間の閉回路フィードバックによって規定されるものである。
【０００８】
欧州特許第１３３１４４７号明細書にも、２つの出口部を有する同様の流体振動子が記載されているが、これらの出口部のうち１つは、フィードバック管路によって流体制御システムに結合されている。
【０００９】
定置用ガスタービンエンジンのバーナシステムにおいて熱音響振動の発生を低減または防止するための公知の技術的手段は全て、複数のヘルムホルツ共振器を音響的結合したものによって燃焼室の共振特性を変化させることにより、または、燃焼室内へ直接流入する変調した質量流量の反周期的衝撃により燃焼室内部の圧力振動を積極的に操作することにより、燃焼室内部の圧力振動を操作することに限られている。
【００１０】
大部分のバーナシステムでは、いわゆる予混合バーナが用いられる。この予混合バーナは、着火性の空気燃料混合気の渦流を生成してからその後に燃焼器内に流入させ、当該燃焼器内において当該渦流が崩壊し、予混合火炎の安定化を可能にする中心逆流領域（ＣＲＺ）を形成するものである。渦生成については、様々な種類の予混合バーナ構成が存在する。少なくとも２つの部分円錐体を有する円錐形状の予混合バーナについて、たとえば欧州特許第０３２１８０９号明細書を参照されたい。当該部分円錐体は、円錐状に拡がるバーナ容積を包囲し、空気燃料混合気の渦流を生成するための接線方向空気入口スロットと、気体または液体の燃料のための供給流路とを区切り、同刊行物では、円錐形バーナ構成が燃焼領域に直接連通している旨が記載されている。
【００１１】
欧州特許第０７０４６５７号明細書に、予混合バーナと燃焼器との間に更に混合管を有する円錐形予混合バーナ構成が記載されている。渦流のスワール強度は、空気入口スロット数と、空気入口スロットと、対応する円錐角とを配列したものから得られるスワール数によって表すことができる。
【００１２】
円錐形状の予混合バーナに代えて択一的に、またはこれと併用して、別個のスワールユニットによって空気燃料混合気の渦流を形成または増強させることができる。以下、この別個のスワールユニットを単にスワラという。たとえば欧州特許出願公開第２７２８２６０号明細書または欧州特許出願公開第２６８５１４６号明細書に記載のようなアキシャルスワラや、回転スワラが存在する。回転スワラについては、たとえば欧州特許出願公開第１３５９３７７号明細書を参照されたい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許出願公開第３７４８８５２号明細書
【特許文献２】欧州特許出願公開第１０７０９１７号明細書
【特許文献３】欧州特許第１３３１４４７号明細書
【特許文献４】欧州特許第０３２１８０９号明細書
【特許文献５】欧州特許第０７０４６５７号明細書
【特許文献６】欧州特許出願公開第２７２８２６０号明細書
【特許文献７】欧州特許出願公開第２６８５１４６号明細書
【特許文献８】欧州特許出願公開第１３５９３７７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
空気燃料混合気流を生成して旋回させることにより渦流を形成する定置用燃焼機関のバーナシステムであって、当該渦流を点火することにより、渦崩壊によって引き起こされた逆流領域内にて火炎を形成するバーナシステムを背景として、本発明の課題は、コストを最低限にした構成を用いて保炎を格段に向上させることである。前記定置用燃焼機関は、好適には定置用ガスタービンである。好適には、小さい手間を追加するだけで、かかる構成を既存のバーナシステムにおいて増備可能であり、かつ、新規のバーナシステムにも組み込むことが可能でなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記課題は、定置用燃焼機関のバーナシステムにおける保炎方法に関する請求項１の特徴を総合したものにより解決される。請求項１３に係る発明は、バーナシステムの保炎装置に関する。本発明は、従属請求項に記載の特徴や、特に有利な実施形態に関する以下の説明における特徴のいずれによっても、有利に改良することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１ａ】渦流摂動に影響を及ぼすための積極的に制御される手段を備えた予混合バーナを有する定置用ガスタービンを動作させるためのバーナシステムの概略図である。
【図１ｂ】スワラ出口部におけるスワール数摂動の位相の変化がＦＴＦ振幅に及ぼす影響を示すグラフである。
【図２】正圧側と負圧側とに流れ開口を有する旋回翼であって、当該正圧側と負圧側との間で流れのハーモニック変調を行うための旋回翼の断面図である。
【図３】旋回翼の正圧側と負圧側との間の流量の積極的制御の変調を行う実施形態を示す図である。
【図４】旋回翼の正圧側と負圧側との間の流量の積極的制御の変調を行うためのロータリバルブを示す図である。
【図５】後縁ジェットを用いて主流の方向変化を行うための流れ剥離手段の概略的な断面図である。
【図６】誘電バリア放電を用いた流れ剥離の積極的制御を示す図である。
【図７】旋回翼の後縁の領域に配置された圧電方式の高温プラズマ発生器を示す図である。
【図８】流路面積を動的に変調する手段を設けた円錐形状の予混合バーナの概略的な断面図である。
【図９】動的に変調される流路面積を備えたラジアルスワラの流れ部材の各断面の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明は、最新の定置用ガスタービン燃焼器における保炎は、基本的に、旋回式バーナを使用することによって実現されるとの考察に基づいている。かかる公知のバーナシステムは、強い旋回成分をリアクタンスの流れに伝え、これにより、公知の渦崩壊メカニズムによってＣＲＺの生成が引き起こされる。ＣＲＺ付近の流速は、乱流火炎速度と同等に低速であり、火炎安定化には非常に好適な条件となっている。かかる安定化特性が与えられている場合、火炎振動特性は主に、ＣＲＺの振動応答特性によって誘引され、このＣＲＺの振動応答特性は主に、バーナシステムにおける熱音響振動の形成に影響を受ける。
【００１８】
公開されている文献から、スワールバーナによるスワール数摂動が火炎伝達関数に大きな影響を与えることが知られている。この火炎伝達関数を、略してＦＴＦという。スワール数が、渦流のスワールの程度を表す。スワール数は、接線方向速度成分の運動量と、軸方向速度成分の運動量との比によって定義される。ＦＴＦは、入口流の摂動に応答して生じる、熱放出速度の変化を、周波数に依存して表すものである。すなわちＦＴＦは、外乱に対する燃焼の影響の受けやすさを定量的に評価するものである。
【００１９】
特にＦＴＦによって、最大振幅と最小振幅が分かる。この最大振幅と最小振幅とは、スワール数摂動における１８０°に等しい位相シフトだけ離隔している。ＦＴＦの最大値と最小値との間の周波数差Δｆは、スワラとＣＲＺとの間の渦流のバルク速度と、当該スワラとＣＲＺとの間の距離の２倍との比によって与えられる。典型的な産業用ガスタービンの場合、大抵の場合には混合管の長さによって定義される、スワラとＣＲＺとの間の測定距離は０．２ｍであり、渦流のバルク速度は約６０ｍ／ｓであるから、周波数差Δｆ＝６０÷（２×０．２）＝１５０Ｈｚとなる。熱音響振動が生じてバーナシステム全体に主として影響を及ぼす関心対象の周波数範囲は０Ｈｚから３００Ｈｚまでであるから、上述の最大値および最小値の系列については、通常、最小値より前の最大値は、約１５０Ｈｚにおける１つの最大値にのみ限られてしまう。しかし、混合管内における滞留時間をより長くすれば、上述の系列を明確に観察することができるが、この滞留時間範囲は１２ｍｓから１５ｍｓまでであり（すなわち、Δｆ＝１÷０．０２４＝４０Ｈｚ）、これは非現実的な時間である。
【００２０】
しかし、混合管長が約０．２ｍと短く現実的な長さである場合にスワール数摂動の位相を積極的に制御した場合、どうなるかというと、コンピュータ流体力学評価（ＣＦＤ）を用いることにより、スワラ出口部における接線方向速度摂動の振幅および位相を意図的に変化させることによってＦＴＦ振幅のピークを有意に低下し得るという結果が得られた。つまり、バーナシステム内における熱音響振動に対する火炎の受動的応答である火炎振動の振幅を、顕著に低減することができ、これにより、バーナ効率およびバーナエミッションを更に最適化することができる。
【００２１】
図１ｂに示されているＣＦＤの数値結果によって、スワール数摂動を積極的に制御することによりＦＴＦ振幅に強い影響が及ぼされることが分かる。結果（ｙ軸）は、スワラ出口部とＣＲＺの頂点との間の滞留時間の逆数によって無次元化された周波数（ｘ軸）に対して得られたものである。ガスタービンにおける関心対象の最大周波数が、典型的な３００Ｈｚに等しく、かつ、滞留時間が４〜５ｍｓであると仮定すると、１．２〜１．５に等しい無次元化された最大値が得られる。しかし、学術的に興味深いのは、より高い最大周波数および／またはより長い混合区域に対応した、より高い値の無次元周波数であり、これにより、当該問題をより良好に理解することができる。
【００２２】
図１ｂの上方のグラフはＦＴＦ振幅（ｙ値）を示しており、これに対して下方のグラフは、ＣＲＺの頂点（混合区域の終端）におけるスワール数摂動の位相（ｙ値）を示している。関数１は、スワール数摂動の制御が無い場合の事例（消極的挙動）に係るものであり、関数２は、当該消極的事例と対比させて、周波数に対する、スワール数摂動を積極的に適用させた事例に係るものである。このように位相を変化させることにより、消極的事例におけるＦＴＦの振幅の最大値（スワール位相＝−１．１ｒａｄにおいて生じる。下方のグラフを参照のこと）は最小値に変換され、かつ、最小値（スワール位相＝２ｒａｄにおいて生じる。よって、最大値に対してπだけシフトしている）は最大値に変換されるという、注目すべき結果が得られた。
【００２３】
それに対し、スワールの位相を２ｒａｄの最適値に積極的に変化させると、周波数範囲全体にわたってＦＴＦ振幅の最小値が得られる（関数３）。よって、スワール数摂動を制御することにより、火炎振動応答の振幅を有意に低減させることができる。２ｒａｄの最適位相は汎用値ではないが、保炎およびＣＲＺの特性に依存するものであることに留意すべきである。
【００２４】
上記の認識により、スワールバーナの出口部において発生する速度ゆらぎは、制御下に置かれた場合、ガスタービン燃焼器における火炎振動を緩和させるのに強力な機構となることが分かる。よって本発明の思想は、スワールバーナの出口部においてスワール数摂動を積極的に制御することにより燃焼振動を縮小できる、定置用燃焼機関のバーナシステム、好適には定置用ガスタービンのバーナシステムの動作構想に立脚するものである。
【００２５】
よって、請求項１のプレアンブルに記載の特徴を備えた本発明のバーナシステムの保炎方法、好適には定置用ガスタービンの保炎方法の特徴は、当該バーナシステム内における熱音響振動によって誘引されるスワール数摂動を制御するために、当該バーナシステムの火炎伝達関数の変化に基づき、当該火炎伝達関数の脈動振幅を最小限にすべく、燃焼領域に流入する前の渦流に積極的に影響を及ぼすことである。
【００２６】
基本的には、いかなる種類のスワールバーナ構成にも本発明を適用することができ、なおかつ、その適用に際しては、スワール数摂動に影響を及ぼすために使用可能な制御法または制御メカニズムの数は膨大であり、かつその種類は種々存在する。
【００２７】
典型的には、スワラは空気燃料混合気流を所与の旋回強度で旋回させ、この所与の旋回速度は、スワラ自体の構造的構成に依存するスワール数によって表される。上記にて述べたように、スワラには円錐型、アキシャル型およびラジアル型があり、これらはいずれも、入口部および出口部を設けている。好適な実施形態では、スワラの出口部において、渦流の流動ダイナミクスに影響を及ぼすことにより、渦流の上述の積極的制御を行う。有利には、渦流に積極的に影響を及ぼして、位相および振幅によって表される速度ゆらぎの位相が少なくとも変化するように、有利には、ＦＴＦの振幅が最大になる少なくとも１つの位相位置におけるＦＴＦの位相に対して当該速度ゆらぎの位相が逆になるように、渦流に当該速度ゆらぎを形成する。好適には、少なくともスワラより下流における摂動の位相および接線方向速度ゆらぎの位相を、その本来的な値から偏差させることにより、スワラの出口部領域における渦流に影響を及ぼす。当該本来的な値は、Ｌ＝スワラ出口部とＣＲＺとの間の距離、Ｕ＝スワラとＣＲＺとの間における渦流のバルク速度、かつｆを周波数とすると、φ＝−２πｆＬ／ＵＢで与えられる。
【００２８】
スワラの端部において渦流摂動を積極的に操作することは、バーナシステムの製造中に求められた情報に基づいてオープンループでも実施することができ、またはセンサ測定された情報に基づき、好適には、バーナシステムの燃焼領域に生じている圧力に基づき、クローズドループ条件で実施することも可能である。
【００２９】
渦流を積極的に操作するための技術的手段は複数存在し、たとえば、バーナシステム内部におけるスワラの位置ならびに／もしくは形状をハーモニック変調することにより、および／または、少なくとも１つの別個の流体流を変調しながら渦流中に噴射するか、もしくは、スワラ輪郭表面付近の渦流の流速の変化を変調しながら行うことによって、スワラから離れる渦流を制御することにより、渦流を操作することができる。
【００３０】
後で説明するように、スワラの形状および／または位置のハーモニック変調は、無摩擦の磁気浮上を利用して実現することができる。この磁気浮上では、スワラは複数の剛性の旋回体セグメントを有し、これらの旋回体セグメントを少なくとも、無摩擦の磁気浮上方式により周期的に傾斜および／または前後運動させることができる。かかる構想により、渦流中へ送られる流体流を追加する必要が無くなる。
【００３１】
また、スワラ出口端部における渦流摂動の積極的制御は、制御可能な流体装置またはロータリバルブを用いて、渦流中に少なくとも１つの別個の流体流を噴射することによって、たとえば少なくとも１つの空気流、燃料流、空気燃料混合気流または燃焼生成物流を噴射することによっても実現することができる。複数の旋回翼または旋回体が配置されているアキシャルスワラまたはラジアルスワラであって、各旋回翼または旋回体がそれぞれ後縁を有する場合、少量の燃料と空気とを混合して燃焼させることにより得られる燃焼生成物または少量の割合の空気または燃料を、後縁において又は後縁付近において渦流中に噴射することにより、スワラから放出される渦流の接線方向速度摂動に及ぼされる流体力学的な衝撃を生成することができる。１つの好適な実施形態では、翼の両側において放出される流体流が、流体装置または外部のロータリバルブを介して動作できる変調によって、互いにハーモニック同調されるように、旋回翼表面の後縁の領域に設けられる出口部開口が正圧側と負圧側とに設けられる。これについては、以下図面を参照して詳細に説明する。
【００３２】
スワラ出口部において渦流の力学的特性を操作するための他の択一的な方法は、たとえば誘電体バリア放電を用いて、または、圧電もしくは高温ガスプラズマ発生によって合成ジェットを噴射することにより、スワラ輪郭表面付近の渦流の流速を変化させることである。上述の技術については、図面に示された実施形態を参照して詳細に説明する。
【００３３】
渦流の力学的特性の操作は、制御ユニットによって積極的に制御される。この制御ユニットは、バーナシステム内部の熱音響振動によって引き起こされるスワール数摂動の情報を有する。この情報は、バーナシステムの製造中に求められたものであって、好適にはルックアップテーブルに記憶されたものであるか、または、少なくとも１つのセンサによって測定されたセンサ信号であって、好適には、バーナシステムの燃焼領域内における圧力値を測定する圧力センサによって測定されたセンサ信号である。
【００３４】
制御ユニットは、渦流に影響を及ぼすための手段を積極的に制御する。かかる手段はスワラに組み込まれており、その組込態様は、スワラの型式と、当該手段の技術的機能とに依存して異なる。
それぞれ後縁を有する複数の旋回翼を備えたアキシャルスワラの場合、１つの好適な実施形態では、前記手段は後縁に及び／または後縁付近に配置されており、かつ、アキシャルスワラから放出される渦流の接線方向速度摂動に及ぼされる流体力学的な衝撃を生成するように構成されている。
上記手段に代わる択一的な手段は電磁的システムに関するものであり、これもアキシャルスワラに適用可能である。かかる手段では、複数の旋回翼は１つの共通の回転軸を中心として回転するように配置されており、当該手段は、当該回転軸を中心として回転方向を交互に反転させてアキシャルスワラ翼を回転させる、積極的に制御される無摩擦磁気浮上手段である。
【００３５】
対ごとに１つの流路を区切る複数の流れ部材を備えたラジアルスワラの場合、前記渦流に影響を及ぼす手段は当該流れ部材において当該流路に沿って配置されるが、必ずしも、当該流れ部材の下流側端部に位置する必要はない。
【００３６】
以下詳細に説明するように、前記渦流に積極的に影響を及ぼす他の可能な手段は、以下のユニットのうち少なくとも１つを含み得る：
・空気、燃料および／または燃焼生成物の流体ジェットがロータリバルブまたは流体装置の制御下で渦流中に放出されるときに通過する出口部開口
・スワラの表面に取り付けられる誘電体バリア放電ユニット
・上記スワラ内に空洞を有する合成ジェット発生器であって、当該空洞の開口を介して渦流中に合成ジェットを発生させるために当該空洞に圧電ドライバまたは高温プラズマ発生器を備える、合成ジェット発生器。
【００３７】
上掲の手段はいずれも、スワラに個別に、または組み合わせて組み込むことが可能である。
【実施例】
【００３８】
以下、図面を参照して実施例に基づき、本発明の詳細について説明する。
【００３９】
図１ａに、有利には定置用ガスタービンを動作させるためのバーナシステムを概略的に示す。当該バーナシステムは予混合バーナ４を有し、当該予混合バーナ４内には空気流５と燃料流６とが送られ、当該予混合バーナ４において両流が混合されることにより、均質な空気燃料混合気が得られる。かかる空気燃料混合気流は、円錐形状の予混合バーナの場合には予混合バーナ４自体によって、および／または、スワラ入口部７．１およびスワラ出口部７．２を備えた付加的なスワラ７によって旋回される。典型的には、スワラ７より下流に混合管８が配置されており、この混合管８に沿って渦流９が確立され、その後、当該渦流９は燃焼器１０に流入することによって崩壊して、火炎が生じる中心逆流領域ＣＲＺを形成する。図１ｂを参照して既に説明したＦＴＦは、スワラ７とＣＲＺとの間の距離Ｌ、および、混合管８の方向における渦流９のバルク速度Ｕの双方に依存する。
【００４０】
好適にはスワラ出口部７．２において、燃焼器１０に流入する前に渦流９を積極的に操作するため、スワラは、火炎伝達関数の脈動振幅を最小限にすべくバーナシステムについてのＦＴＦを変化させる手段を、好適にはスワラ出口部７．２に備えている。こうするためには制御ユニットＣが、記憶された情報に基づいて、および／または、バーナシステムの実測された最新の動作値に基づいて、好適には、燃焼器１０内部の圧力センサＳのセンサ信号に基づいて、前記手段１１を積極的に制御する。
【００４１】
図２に、渦流に積極的に影響を及ぼすための手段の一実施形態を示している。図２の場合、スワラ７は、回転軸Ｒを中心として周方向に配置されている旋回翼１２を設けたアキシャルスワラである。上述の配置の旋回翼１２は、電磁極１４を備えた電磁的システム１３内に非接触に配置されており、これらの電磁極１４は、当該電磁極１４間の電磁界が旋回翼１２の配列体と相互作用して、これにより、±Θmax に設定された角度範囲内において当該旋回翼１２が周期的に時計回りまたは反時計回りに旋回できるように作動される。上記角度範囲の大きさおよび往復旋回運動の周波数は、ＦＴＦの振幅の有意な低減を達成できるように調整されている。
【００４２】
図３は、後縁１５を設けた旋回翼１２の断面図である。後縁１５の領域における旋回翼１２の内部には、２つの別個のチャンバ１６．１および１６．２が設けられている。チャンバ１６．１は、旋回翼１２の負圧側の方を向いている少なくとも１つの流れ開口１６．１１を有し、チャンバ１６．２は、当該旋回翼の正圧側に少なくとも１つの流れ開口１６．２２を有する。好適には両チャンバは、旋回翼１２の軸方向寸法に沿って少なくとも局所的に分布されている複数の開口を有する。
【００４３】
両チャンバ１６．１および１６．２は双方とも、流体によって加圧され、この流体は、チャンバ開口１６．１１，１６．２２を通って制御下で放出することができる。この流体はたとえば、空気、燃料または空気燃料混合気等である。その両流れ方向は、多かれ少なかれ、スワラ７を通過する主渦流９に対して垂直の向きになっている。チャンバ開口１６．１１，１６．２２を通って放出される流体流が追加されると、その流体流が渦流９に及ぼす衝撃が、接線方向速度摂動に有意に影響を及ぼす。好適には、両チャンバ開口１６．１１，１６．２２を通過して放出される流体流は、全てのチャンバ開口を通過して放出される流体流の総和が一定となるように、互いに同調されている。旋回翼１２の正圧側に向かう流体流と、当該旋回翼１２の負圧側に向かう流体流とは、これに関連して渦流９に及ぼされる衝撃によって生じる渦流９の速度ゆらぎの位相が少なくとも、ＦＴＦの振幅が最大になる１つの位置において、当該ＦＴＦの位相とは逆になるように、当該渦流９の速度ゆらぎを生じさせるべく、ハーモニック変調される。
【００４４】
各チャンバ１６．１，１６．２からチャンバ開口を通って渦流に流入する流体流のハーモニック変調は、図４に示されたロータリバルブ１７によって実現することができる。このロータリバルブ１７は、加圧される流れチャンバ１７．１を備えており、この流れチャンバ１７．１内には孔アパーチャ部材１７．２が、２つの出口ポート１７．３，１７．４の一方を交互に開放するように回転可能であるように設けられている。
【００４５】
図３ｂは、旋回翼１２の概略的な断面図であり、この旋回翼１２は流体チャンバ１２．１を包囲しており、この流体チャンバ１２．１は、後縁１５に設けられたスリット１８に沿った方向に開放している。このスリット１８を通って、加圧された流体が、通常は偏向しない主流１９となる。後縁１５に２つの対向するアクチュエータ２０．１および２０．２が配置されており、これらのアクチュエータ２０．１，２０．２は、制御ユニットによって作動されたときに主流１９の力学的特性に影響を及ぼすものである。両アクチュエータ２０．１および２０．２は、主流１９が旋回翼１２の正圧側または負圧側のいずれかに向かって偏向するようにハーモニックに作動される。主流１９のハーモニック変調の大きさおよび力学的特性が、上述のように、火炎伝達関数の脈動振幅を最小限にするように、渦流９に衝撃を及ぼす。
【００４６】
図５ａに、旋回翼１２の後縁において真っ直ぐに放出する主流１９の流量の操作の一例を示す。２つの分離した流路２３．１，２３．２に分流する１つの出口ポート２２を備えた加圧される流体チャンバ２１を起点として、各流路２３．１および２３．２を通る流体流の量は、上方から又は下方から又は双方からの流れ方向に対して垂直に出口ポート２２に流入する小さい制御用流２４によって制御することができる。制御用流が上側から来る場合、図５ａに示されているように、主流１９は下方の出口ポート２３．２の後に来る。このメカニズムは、「コアンダ効果」との呼称でも知られている。このコアンダ効果に基づき、図３ｂに示された流体装置２０．１，２０．２を実現することができる。
【００４７】
上記構成に代わる、流量の積極的制御の変調を行うための択一的な流体装置を、図５ｂに示す。同図中には、旋回翼１２の断面を示している。旋回翼１２内部に、加圧される流体チャンバ２１が設けられており、この流体チャンバ２１は、３つの別個の流路２３．１，２３．２および２３．３に分流する出口ポート２２を有する。さらに、出口ポート２２の領域に制御用流装置２４が配置されている。この制御用流装置２４が作動されていない場合、主流は、旋回翼１２の後縁１５において開放している流路２３．３を介して流出していく。制御用流装置２４の作動に依存して、各個別の流路２３．１，２３．２，２３．３に流れる各流れ配分を個別に設定することができる。制御用流装置２４は、パルスジェットを生成する圧力装置またはプラズマ装置または圧電装置によって実現することができる。これについては以下詳細に説明する。
【００４８】
図５ｃに、図３ａにて示された実施例と同様、出口部開口１６．１１または１６．２２から生じた一次流１９への流れ操作の一実施形態を示す。アクチュエータ２０．１／２０．２は、主流１９の伝播性能に影響を及ぼす合成ジェットを生成する。ジェット生成の場合、ジェットの領域において局所乱流に起因して流れ抵抗が生じ、これにより、主流１９がジェットの方向に偏向される。図５ｃを参照されたい。
【００４９】
図６ａに、誘電体バリア放電装置ＤＢＤを示す。これは、各旋回翼１２の端から端まで通過する渦流９を操作するために、当該旋回翼１２の後縁１５の領域に配置できるものである。図６ｂを参照されたい。ＤＢＤは第１の電極ｅ１を備えており、これは、旋回翼１２の、主流９と接触する表面上に配置されている。翼１２には第２の電極ｅ２が埋め込まれており、誘電体材料ｄによって第１の電極ｅ１から分離されている。ＤＢＤが作動すると、両電極ｅ１，ｅ２間に高電圧ＨＶが印加され、これによりプラズマが生成され、このプラズマは抗力作用によって、主流９に更に速度を増加させる。ＤＢＤが作動されると、更なるスワール作用が形成されて加わることにより、主流９は、旋回翼１２の、後縁１５付近の表面から分離する。ＤＢＤの作動に依存して、翼表面からの主流９の分離と翼表面への再付着との間で、主流９をハーモニック変調することができる。
【００５０】
図７ａ，７ｂ，７ｃに、他の１つの択一的態様の流れ装置を示しており、これは、図３ａに示されたのと同様に流れ分離器として主流１９に作用するか、または、渦流に直接作用するものである。
【００５１】
図７ａに関しては、旋回翼１２の表面下方に直に、少なくとも１つの閉じたチャンバ２４が設けられており、この閉じたチャンバ２４は、旋回翼１２の後縁付近の表面に出口部開口２５を有している構成を前提としている。この出口部開口２５と反対側に、金属ディスク２６がチャンバ壁の一部として取り付けられている。この金属ディスク２６を出口部開口２５に向かう方向および逆方向に偏向できるように、当該金属ディスク２６は圧電ドライバ（図示されていない）によって駆動される。この圧電ドライバを作動させることによりジェットパルス２８が出口部開口２５を通って放出され、このジェットパルス２８が渦流に衝撃を与える。
【００５２】
図７ｂに、他の択一的な装置を示す。この装置は、旋回翼１２の表面下方に閉じたチャンバ２４も備えており、この閉じたチャンバ２４内にプラズマ発生装置２９が配置されている。このプラズマ発生器を作動させると（第１段階参照）、ジェットパルス２８が出口部開口２５を通って渦流の領域内に放出される（第２段階参照）。圧力均衡化に起因して、第３段階にて示された放電ステップの後、逆流が生じる。図７ａおよび７ｂに示された装置は、旋回翼１２の後縁１５に沿って、図７ｃに示されているように後縁１５に沿って軸方向に分布させて配置することができる。
【００５３】
図８は、ラジアルスワラの部分図であり、このラジアルスワラでは、２つの流れ部材３０が１つの流路３１を挟むように区切っているのが示されている。この２つの互いに隣接する流れ部材３０間に流れる主流１９に及ぼされるスワラの作用は、主流方向に対して相対的な部材側縁面の向きと、長さｌと幅ｗとに依存する。ラジアルスワラから流出する渦流の流れ性能を操作するため、流れ部材３０のうち少なくとも１つに、渦流１９に影響を及ぼすための手段３２が流路３１に沿って配置されている。この渦流に影響を及ぼすための手段３２は、各流路３１を通る流れの流動ダイナミクスに影響を及ぼすものである。たとえば、図７ａにて説明したような圧電駆動ユニットや図７ｂにて説明したようなプラズマ発生器等の合成ジェット発生器を設けることにより、流路３１を通過する主流１９に力学的衝撃を及ぼすことができる。実際には、渦流に影響を及ぼすためのかかる手段３２を作動させることにより、流路３１上における２つの互いに隣接する流れ部材３０間の流路面積の動的な変調を実現することができる。
【００５４】
上述の圧電ドライバまたは高温ガスプラズマ発生器の形態の合成ジェット発生器に代えて択一的に、またはこれと併用して、図６にて説明したような誘電体バリア放電ユニットを、図８に示されたラジアルスワラユニットのスワラ本体の表面上に取り付けることも可能である。また、図３ａに示された実施形態を参照して説明したように、流体流を流路３１内に噴射するときに通過させることができる出口部開口を設けることも可能である。
【００５５】
図９ａは、４つの円錐形の胴部３３を備えた円錐形の予混合バーナの断面図であり、これらの胴部３３は対ごとにいわゆる入口スロット３４を包囲し、この入口スロット３４を介して空気および／または燃料および／または空気燃料混合気を円錐状のバーナ空間３５内に噴射し、この円錐状バーナ空間３５内において渦流が確立する。図９ｂは、１つの入口スロット３４を区切る２つの互いに隣接するバーナ胴部３３の断面細部図である。これら２つのバーナ胴部３３の一方は、その表面に、渦流に影響を及ぼすための手段３２を備えている。当該手段３２は、入口スロット３４に沿った流路面積内における流れ性能に影響を及ぼす。上記にて説明したように、手段３２は、流体流を入口スロット内に噴射するための出口部開口または合成ジェット発生器によって実現することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１          火炎伝達関数ＦＴＦ
２          修正された火炎伝達関数
３          修正された火炎伝達関数
４          予混合バーナ
５          空気流
６          燃料流
７          スワラ
７．１      スワラ入口部
７．２      スワラ出口部
８          混合管
９          渦流
１０        火炎、ＣＲＺ
１１        渦流に積極的に影響を及ぼすための手段
１２        旋回翼
１３        電磁的システム
１４        電磁パルス
１５        後縁
１６．１，１６．２  チャンバ
１６．１１，１６．２２  開口
１７        比例弁
１７．１    流れチャンバ
１７．２    出口ポート
１７．３    出口ポート
１８        スリット
１９        主流
２０．１，２０．２  アクチュエータ
２１        加圧される流体チャンバ
２２        出口ポート
２３．１，２３．２，２３．３  流路
２４        制御用流装置
２５        出口部開口
２６        金属ディスク
２７        圧電ドライバ
２８        ジェットパルス
２９        プラズマ発生器
３０        流れ部材
３１        流路
３２        渦流に影響を及ぼすための手段
３３        バーナ胴部
３４        入口スロット
３５        円錐形のバーナ空間
ＤＢＤ      誘電体バリア放電
ｅ１，ｅ２  第１および第２の電極
Ｓ          追加的なスワール
Ｄ          誘電体材料
ＨＶ        高電圧
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【外国語明細書】
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