(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料（１２）と気体燃料（１６）とを燃焼させるためのバーナであって、該バーナが主として、相補って１つの円錐体を形成する少なくとも２つの中空の部分円錐体（１，２）から成っており、該部分円錐体（１，２）が、接線方向の空気流入スリット（５，６）と、気体燃料（１６）および液体燃料（１２）のための供給部（１３，１４）とを備えており、中空の前記部分円錐体（１，２）の中心軸線（３，４）が、流れ方向に拡開する円錐傾斜を有していて、長手方向で互いにずらされて延びており、前記部分円錐体（１，２）によって形成された円錐状のバーナ内室（８）内で、バーナヘッドに液体燃料（１２）のための燃料ノズル（１１）が配置されており、気体燃料（１６）のための供給部（１３，１４）が、複数の燃料インジェクタ（１５）を備えており、燃焼室側に前記部分円錐体（１，２）のための固定装置としてフロントプレート（１８）が配置されており、前記部分円錐体（１，２）が、種々異なる熱負荷を受けることに基づき、バーナ軸線（２２）の方向に熱膨張差を有しており、特にフロントプレート（１８）が、バーナ出口で周期的に負荷されている形式のものにおいて、フロントプレート（１８）に、軸方向の熱膨張が互いに異なる範囲の間で局所的に少なくとも１つの負荷軽減スリット（３０）が、フレキシブル性を増大させる目的で配置されており、該負荷軽減スリット（３０）が、前記部分円錐体（１，２）を完全に互いに分離しているのではなく、前記部分円錐体（１，２）の間にまだ材料ブリッジが残されていることを特徴とするバーナ。
【請求項２】
前記負荷軽減スリット（３０）が、唯一つの部分から成る一体のフロントプレート（１８）内に組み込まれて配置されている、請求項１記載のバーナ。
【請求項３】
前記負荷軽減スリット（３０）が、フロントプレート（１８）を完全に分断していて、前記負荷軽減スリット（３０）が、軽度の円弧を描いてフロントプレート（１８）の縁部にまで延びており、分断された両部分を結合する材料ブリッジが、フロントプレート（１８）と溶接された付加的な部分（３１）によって形成されている、請求項１記載のバーナ。
【請求項４】
フロントプレート（１８）に設けられた前記負荷軽減スリット（３０）が、前記部分円錐体（１，２）の重なり合った範囲から出発して、各部分円錐体（１；２）に対してほぼ平行に延びており、前記負荷軽減スリット（３０）の終端部が、前記部分円錐体（１，２）の方向へ湾曲させられている、請求項２記載のバーナ。
【請求項５】
前記負荷軽減スリット（３０）の先端部（３２）が、前記負荷軽減スリット（３０）の主延在方向に対して少なくとも約１８０゜だけ変向されており、該変向が、ノッチ・破壊メカニズムの観点から余裕を持って大きく寸法設定された湾曲部（３３）で行われており、最大曲率半径（ｒ）が、フロントプレート（１８）における最大応力の個所に設置されており、前記湾曲部（３３）の内部に位置する壁部分が、十分に寸法設定された材料ブリッジ（３６）を介して、残りの壁部分に結合されている、請求項４記載のバーナ。
【請求項６】
前記負荷軽減スリット（３０）の湾曲部（３３）が、半円〜３／４円の形状を有している、請求項５記載のバーナ。
【請求項７】
前記負荷軽減スリット（３０）の湾曲部（３３）が、半楕円〜３／４楕円またはこれに類似の曲線の形状を有している、請求項５記載のバーナ。
【請求項８】
前記負荷軽減スリット（３０）の湾曲部（３３）が、螺旋の形状を有している、請求項５記載のバーナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼技術の分野に関するものであって、二重円錐構造のバーナ、すなわち液体燃料と気体燃料とを燃焼させるためのバーナであって、該バーナが主として、相補って１つの円錐体を形成する少なくとも２つの中空の部分円錐体から成っており、該部分円錐体が、接線方向の空気流入スリットと、気体燃料および液体燃料のための供給部とを備えており、中空の前記部分円錐体の中心軸線が、流れ方向に拡開する円錐傾斜に対応しており、長手方向で互いにずらされて延びており、前記部分円錐体によって形成された円錐状のバーナ内室内で、バーナヘッドに液体燃料のための燃料ノズルが配置されており、気体燃料のための供給部が、複数の燃料インジェクタを備えており、燃焼室側に前記部分円錐体のための固定装置としてフロントプレートが配置されており、前記部分円錐体が、種々異なる熱負荷を受けることに基づき、バーナ軸線の方向に種々異なる熱膨張を受けていて、つまりバーナ軸線の方向に熱膨張差を有しており、特にフロントプレートが、バーナ出口で周期的に負荷されている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
欧州特許第０３２１８０９号明細書には、二重円錐構造の予混合バーナの原理的な構造が記載されている。このバーナは主として、相補って１つの円錐体を形成する少なくとも２つの中空の部分円錐体から成っており、両部分円錐体が、接線方向の空気流入スリットと、気体燃料および液体燃料のための供給部とを備えており、両中空の部分円錐体の中心軸線が、流れ方向に拡開する円錐傾斜を有していて、長手方向で互いにずらされて延びている。両部分円錐体によって形成された円錐状のバーナ内室では、バーナヘッドに燃料ノズルが配置されている。気体燃料は、バーナ内室に流入する前に、流入スリットに沿って配置されたガスインジェクタを介して燃焼空気流に供給される。したがって、燃料／空気混合物の形成は、直接に、接線方向の空気流入スリットの端部で行われる。
【０００３】
この予混合バーナは燃焼室側に、両部分円錐体のための固定装置として働くフロントプレートを有している。
【０００４】
熱機械の他の多くの構成部分と同様に、二重円錐構造のバーナも、種々異なる温度の媒体で負荷されることに基づき、大きな熱応力を有している。
【０００５】
すなわち、このような予混合バーナでは、部分円錐体における外側に位置する部分が、内側に位置する部分よりも低い温度を有することに基づき、極めて大きな熱負荷差が生じる。なぜならば、外側の部分は内側の部分に比べてそれほど強力に放射線負荷されておらず、また流入する空気と、同じ範囲で通路を介して供給される冷たい気体燃料とによって、内側の部分よりも強力に冷却されるからである。このことは、とりわけ両部分円錐体およびこれらの部分円錐体に結合されたガス供給通路の熱膨張に差異を生ぜしめ、このように互いに異なる熱膨張が特に、両部分円錐体を結合するフロントプレートを周期的に負荷する。このことは、疲労亀裂の発生を招き、ひいてはバーナの寿命を減少させるという不都合を招く。
【０００６】
このような熱負荷はシステム固有のものであり、バーナ軸線の方向における異なる熱膨張に関しては熱負荷を不十分な程度にしか変えることができない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、冒頭で述べた形式の二重円錐構造のバーナを簡単な構造上の手段によって、当該バーナの熱応力による負荷が十分に軽減されるように改良することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の構成では、フロントプレートに、軸方向の熱膨張が互いに異なる範囲の間で局所的に少なくとも１つの負荷軽減スリットが、フレキシブル性、つまり可撓性を増大させる目的で配置されており、該負荷軽減スリットが、前記部分円錐体を完全に互いに分離しているのではなく、前記部分円錐体の間にまだ材料ブリッジが残されているようにした。
【０００９】
【発明の効果】
本発明の利点は、バーナ出口における、軸方向の膨張が互いに異なる範囲の結合部をフレキシブルに形成することにより、過度に高い熱応力が回避され、ひいてはバーナの寿命が高められる点にある。
【００１０】
部分円錐体１つ当たり少なくとも１つの負荷軽減スリットは、唯一つの部分から成る一体のフロントプレート内に組み込まれて配置されていてよく、この場合、必要となる材料ブリッジはフロントプレート自体の外側に位置する範囲によって形成される。また、部分円錐体１つ当たり少なくとも１つの負荷軽減スリットは、フロントプレートと溶接された付加的な部分によって形成することもできる。
【００１１】
フロントプレートに設けられた前記負荷軽減スリットが、前記部分円錐体の重なり合った範囲から出発して、各部分円錐体に対してほぼ平行に延びており、しかも前記負荷軽減スリットの終端部が、前記部分円錐体の方向へ湾曲させられていると有利である。
【００１２】
さらに、フロントプレート内に組み込まれて配置された負荷軽減スリットにおいては、負荷軽減スリットの先端部が、負荷軽減スリットの主延在方向に対して少なくとも約１８０゜だけ変向されており、該変向が、ノッチ・破壊メカニズムを考慮して余裕を持って大きく寸法設定された湾曲部で行われており、最大曲率半径が、フロントプレートにおける最大応力の個所に設置されており、前記湾曲部の内部に位置する壁部分が、十分に寸法設定された材料ブリッジ（前記部分円錐体の間の材料ブリッジとは異なる）を介して、残りの壁部分に結合されていると有利である。
【００１３】
さらに、負荷軽減スリット終端部の湾曲部が、半円（１／２円）〜３／４円の形状、半楕円〜３／４楕円、半螺旋〜３／４螺旋の形状またはこれに類似の曲線の形状を有していると有利である。なぜならば、これらの形状は、亀裂増大を阻止するために特に好適であるからである。
【００１４】
【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詳しく説明する。図１〜図５には、たとえばガスタービンを運転するために使用される二重円錐構造の予混合バーナが示されているが、ただし、本発明を理解する上で重要となる構成部分しか図示されていない。種々の媒体の流れ方向は矢印で示されている。
【００１５】
図１には、二重円錐構造の予混合バーナの斜視図が示されている。理解し易くするために、図１の斜視図と共に図２に示した断面図を参照すると有利である。
【００１６】
この予混合バーナは中空の２つの部分円錐体１，２から成っており、両部分円錐体１，２は互いにずらされて重なり合って位置している。部分円錐体１，２の各中心軸線３，４は互いにかつバーナ軸線２２に対してずらされており、これにより、両側で鏡像対称的な配置において、接線方向の各１つの空気流入スリット５，６が形成されている。これらの空気流入スリット５，６を通じて、燃焼空気７がバーナ内室８に流入する。両部分円錐体１，２は各１つの円筒状の始端部分９，１０を有しており、両始端部分９，１０はやはり互いにずらされて延びているので、この範囲にも接線方向の空気流入スリット５，６が存在している。この円筒状の始端部分９，１０には、液体燃料１２を噴霧するための燃料ノズル１１が収納されている。この予混合バーナは円筒状の始端部分９，１０なしに形成されていてもよい。その場合、予混合バーナは純然たる円錐状に形成されている。その場合、液体燃料のための燃料ノズル１１は直接に円錐先端部に収納されている。両部分円錐体１，２は各１つの燃料管路１３，１４を有している。これらの燃料管路１３，１４は複数の開口１５を備えており、これらの開口１５は燃料インジェクタを成している。これらの開口もしくは燃料インジェクタ１５を通じて、気体燃料１６が、接線方向の空気流入スリット５，６を通じて流れる燃焼空気７に混加される。
【００１７】
燃焼室１７の側において、予混合バーナは部分円錐体１，２のための固定装置として働くフロントプレート１８を有している。
【００１８】
バーナを運転するために液体燃料１２が使用されると、この液体燃料１２は燃料ノズル１１を通じて鋭角の角度でバーナ内室８に供給され、この場合、均一な燃料スプレが生じる。円錐状の液体燃料輪郭２３は、接線方向で流入する燃焼空気７の回転する流れによって取り囲まれる。軸方向では、液体燃料１２の濃度が、混入された燃焼空気７によって連続的に減じられる。横断面にわたって最適となる燃料濃度は渦流崩壊の範囲、つまり内側の再循環領域２４の範囲で、はじめて達成される。点火は、内側の再循環領域２４の先端部で行われる。この個所で、はじめて安定した火炎面２５が生じる。火炎安定化は、円錐体軸線に沿った流れ方向でスワール数が増大することによって得られる。バーナ内部への火炎の戻り、つまり逆火は、標準の運転条件では生じない。
【００１９】
気体燃料１６が燃焼されると、燃焼空気７との混合物形成が、空気流入スリット５，６において、つまりバーナ内室８への流入前に、行われる。
【００２０】
この限りでは、二重円錐構造のバーナは公知である。このようなバーナにとって典型的であるのは、バーナ出口において熱応力が発生することである。っそれというのは、バーナ出口では、部分円錐体１，２の、軸方向の熱膨張が互いに異なる範囲が衝突し合っているからである。なぜならば、両部分円錐体１，２において外側に位置する部分は、第１に、それほど強力に放射線負荷されておらず、第２に、流入する燃焼空気７と、同じ範囲に供給される気体燃料１６とによって、より高い運転温度を有する内側の部分よりも強力に冷却されているからである。
【００２１】
ところで本発明によれば、バーナ出口における軸方向膨張が互いに異なる範囲の間に、少なくとも１つの負荷軽減スリット３０を配置することが提案される。この場合、この負荷軽減スリット３０は、たとえば唯一つの部分から成る一体のフロントプレート１８内に組み込まれて配置されていてよく（図３および図４参照）、これにより、フロントプレート１８において外側に位置する範囲が、分断された両部分を結合する材料ブリッジを形成する。また別の実施例では、負荷軽減スリット３０が半径方向でフロントプレート１８の縁部にまで比較的短い距離で延びていて、分断された両部分を結合する材料ブリッジが、フロントプレート１８に溶接された付加的な部分３１によって形成される（図５参照）。
【００２２】
図３もしくは図４に示したバーナ出口範囲の一部の斜視図から判るように、１つの部分から成るフロントプレート１８に意図的に導入された負荷軽減スリット３０は、両部分円錐体１，２が重なり合った範囲から出発して、各部分円錐体１；２に対してほぼ平行に延びており、そして終端部は両部分円錐体１，２の方向へ湾曲させられている。
【００２３】
負荷軽減スリット３０の先端部３２は、負荷軽減スリット３０の主延在方向に対して少なくとも約１８０゜だけ変向されており、この場合、この変向は、ノッチ・破壊メカニズムの観点から余裕を持って大きく寸法設定された湾曲部３３で行われ、最大曲率半径ｒはフロントプレート１８における最大応力の個所に設置され、湾曲部３３の内部に位置する壁部分は、十分に寸法設定された材料横断面もしくは材料ブリッジ３６を介して残りの壁部分に結合されている。湾曲部３３はこの場合、半円〜３／４円の形状（図３）、半楕円〜３／４楕円の形状（図４）または半螺旋〜３／４螺旋の形状あるいはこれに類する曲線の形状（図示しない）を有していてよい。
【００２４】
図５に示した実施例は上記２つの実施例とは異なる。負荷軽減スリット３０は同じく両部分円錐体１，２が重なり合った範囲から出発しているが、この場合、負荷軽減スリット３０は軽度の円弧を描いてフロントプレート１８の縁部にまで比較的直接的な軌道で案内されており、これにより、両部分円錐体ならびにそれぞれフロントプレートの半部は、一部を残して互いに切り離されている。これらの部分の間の結合は、この実施例では、付加的な部分としてあらかじめ被せられたリング３１によって形成される。このリング３１はフロントプレートに部分的に存在する「つば」３７と溶接される。
【００２５】
この実施例では、負荷軽減スリットの終端部が完全に負荷されなくなる。それゆえに、形状は重要にならない。それに比べて、フロントプレート１８の「つば」３７と、被せられたリング３１との間の溶接シーム３４の端部が、過度に高い負荷を受けた場合に亀裂増大の危険にさらされる恐れがある。しかし、このような危険は、溶接シーム端部３５を取り囲む領域を好都合に形成することによって容易に阻止することができる。
【００２６】
本発明により、バーナ出口における軸方向での熱膨張が互いに異なる範囲の直接的な結合が、よりフレキシブルに、つまりより可撓性に形成される。これにより、過度に高い熱応力は回避される。したがって、予混合バーナを、より長い時間にわたり使用することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】二重円錐構造の予混合バーナの斜視図である。
【図２】図１のＩＩ―ＩＩ線に沿って断面したバーナの横断面図である。
【図３】本発明の第１実施例によるバーナ出口範囲の斜視図である。
【図４】本発明の第２実施例によるバーナ出口範囲の斜視図である。
【図５】本発明の第３実施例によるバーナ出口範囲の斜視図である。
【符号の説明】
１，２  部分円錐体、  ３，４  中心軸線、  ５，６  空気流入スリット、  ７  燃焼空気、  ８  バーナ内室、  ９，１０  始端部分、  １１  燃料ノズル、  １２  液体燃料、  １３，１４  燃料管路、  １５  開口／燃料インジェクタ、  １６  気体燃料、  １７  燃焼室、  １８  フロントプレート、  ２２  バーナ軸線、  ２３  液体燃料輪郭、  ２４  再循環領域、  ２５  火炎面、  ３０  負荷軽減スリット、  ３１  付加的な部分／リング、  ３２  先端部、  ３３  湾曲部、  ３４  溶接シーム、  ３５  溶接シーム端部、  ３６  材料横断面／材料ブリッジ、  ３７  つば、  ｒ  最大曲率半径
【図１】
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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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