JPH0771758A - 燃焼室のための燃料供給システム - Google Patents
燃焼室のための燃料供給システムInfo
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- JPH0771758A JPH0771758A JP6069750A JP6975094A JPH0771758A JP H0771758 A JPH0771758 A JP H0771758A JP 6069750 A JP6069750 A JP 6069750A JP 6975094 A JP6975094 A JP 6975094A JP H0771758 A JPH0771758 A JP H0771758A
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Abstract
焼空気と燃料との完全混和が最短距離で達成される方策
を提供する。 【構成】 予混合燃焼を有する燃料供給システムにおい
て、気体燃料および/または液体燃料が二次流として、
誘導された気相の一次流に送入される。二次流が一次流
よりはるかに小さい質量流を有する。一次流が渦発生器
9を通って案内され、これらの渦発生器9の幾つかが、
貫流管路20の外周にわたって少なくとも1つの管路壁
に並置されている。二次流が渦発生器9のすぐ近傍の区
域で管路20に導入される。渦発生器9が自由に周流さ
れる3つの面を有し、これらの面が流動方向に延びてお
り、これらの面のうち1つが屋根面10をなし、他の2
つの面が側面11、13をなす。燃料は、ノズルから渦
発生器の前、後ろまたは中にある管路に送入される。
Description
料供給システムであって、この予混合燃焼では気体燃料
および/または液体燃料が二次流として、誘導された気
相一次流に送入されるようになっており、二次流が一次
流よりはるかに小さい質量流を有し、しかも貫流予混合
管路が湾曲した壁を有するものに関する。
焼の混入は、通常は横放射混合器を用いて燃焼を管路に
半径方向に送入することによって行われる。しかしなが
ら、燃料のパルスは非常に小さいので、ほぼ完全な混合
は管路高の約100倍の距離の後で初めて行われた。ベ
ンチュリミキサも用いられる。格子配置構成による燃料
の送入も知られている。さらに、特別のデフレクタの手
前での送入も用いられる。
は、混合距離が非常に長くなるか、または高い噴射パル
スを必要とする。高圧での予混合および理論量を下回る
混合比のもとでは、炎のはね返り、さらには混合気の自
己着火の危険がある。予混合管内の流動剥離および死水
区域、壁における厚い境界層または貫流断面にわたって
発生するかも知れない極端な速度特性が、管内における
自己着火の原因となったり、炎が下流側にある燃焼区域
から予混合管に逆流する経路を作ったりすることがあ
る。したがって、予混合区間の形状には最大の注意を払
わなければならない。
合燃焼を有する燃焼室において、混合区域で均一な速度
分布を保ちながら、燃焼空気と燃料との完全混和が最短
距離で達成される方策を提供することである。この方策
は、既存の予混合燃焼室に増備するのに適している。
い、一次流が渦発生器を通って案内され、これらの渦発
生器の幾つかが、貫流管路の外周にわたって少なくとも
1つの管路壁に並置されていること、前記二次流が渦発
生器のすぐ近くの区域で管路に導入されること、渦発生
器が3つの自由に周流される面を有し、これらの面が流
動方向に延びており、これらの面のうち1つが屋根面を
なし、他の2つの面が側面をなすこと、側面が同一の管
路壁と同一平面上にあって互いに後退角αを作ること、
貫流管路に対して横断方向に延びている屋根面の縁が、
前記側壁と同様に管路壁に接していること、および屋根
面の縦方向に向いた縁が、管路内に突き出している縦方
向に向いた側面の縁と同一平面上にあって、管路壁に対
して仰角θで延びていることによって達成される。
的混合機により、燃焼室において極めて短い混合距離
を、わずかな圧力損失のもとで実現することが可能であ
る。再循環区域のない縦渦を作ることによって、完全な
1渦回転の後ですでに2つの流動の粗大な混和が行われ
るが、微細混合は乱流および分子拡散プロセスのため
に、管路高の数倍の距離の後で行われる。
点で非常に簡単なことである。周流される3つの壁から
なる部材は、製造技術上まったく問題がない。屋根面は
2つの側面と極めて様々な方法で結合できる。平坦な、
または湾曲した管路壁への固定も、溶接可能な材料の場
合は簡単な溶接継手で行うことができる。流動技術上の
観点から、この部材は周流の際に圧力損失が非常に少な
く、死水区域のない渦を作る。さらに、この部材は通常
中空の内部を通して極めて種々の仕方および様々な手段
で冷却できる。
路高または渦発生器に付属している管路部分の全高を満
たすように、渦発生器の高さhと管路高Hとの比が選択
されていることが好都合である。
の側面が、対称軸を中心にして対称的に配置されている
ことが有効である。それによって等旋回の渦が作られ
る。
に少なくともほぼ鋭角の結合縁を形成しており、これら
の側面が縦方向に向いた縁と一緒に先端部を形成してい
ると、貫流断面積は遮断によって妨害されない。
て、側面と同一平面上にある管路壁に対して直角に延び
ていると、後流区域を形成しない点が長所である。
り、2つの側面の結合縁が渦発生器の下流側縁を形成
し、したがって貫流管路に対して横断方向に延びている
屋根面の縁が、最初に一次流に当たる縁であると、1つ
の渦発生器で2つの等しい渦が作られる。2つの渦の回
転方向が結合縁の区域で上昇している、等旋回の流動形
態が生じる。
入と組み合わせた本発明のその他の長所は、従属請求項
から明らかである。
細に説明する。
る。種々の図で、等しい部材はそれぞれ同じ参照符号が
付いている。ケーシング、固定具、管用開口部など、発
明にとって本質的でない部材は省略してある。
に本発明にとって本質的な渦発生器の動作について説明
する。
した一次流によって貫流本来の管路は図示されていな
い。これらの図に従えば、渦発生器は本質的に自由に周
流される3つの三角形の面からなる。これらは1つの屋
根面10と2つの側面11および13である。これらの
面は、縦方向において所定の角度で流動方向に延びてい
る。
辺が管路壁21に、好ましくは気密に固定されている。
これらの側壁は、短辺が後退角αを包囲して衝撃部を形
成するように配置されている。衝撃部は鋭角の結合縁1
6として形成されており、側面と同一平面上にある管路
壁21に対して直角である。後退角αを包囲している側
面11、13は、図1では形状、大きさおよび配列が対
称的になっており、対称軸17の両側に配置されてい
る。この対称軸17は管路軸と同じ方向に向いている。
に延びて非常に細く形成されている縁15が、側壁1
1、13と同様に管路壁21に接している。これらの側
壁の縦方向に向いた縁12、14が、管路内に突き出し
ている縦方向に向いた側面の縁と同一平面上にあって、
管路壁21に対して仰角θで延びている。この管路壁の
縦縁12、14は、結合縁16と一緒に先端部18を形
成している。
よって渦発生器を管路壁21に適当な仕方で固定するこ
ともできる。しかし、そのような底面は、部材の動作と
は関係ない。
16は渦発生器の下流側の縁を形成している。したがっ
て、貫流管路に対して横断方向に延びている、屋根面1
0の縁15は、最初に当たる縁である。
12および14を周流する際に、一次流は反対方向に流
れる1対の渦に変換される。これらの渦軸は一次流の軸
上にある。旋回数と渦崩壊(vortex break
down)の地点は、後者を所望する場合は、仰角θ
および後退角αを対応して選択することによって決定さ
れる。角度が増加するのに伴い、渦の強さもしくは旋回
数は増し、渦崩壊の地点は上流側に向かって、渦発生器
自体の区域にまで移行する。用途に応じて、これら2つ
の角度θおよびαは構造上の条件およびプロセスそれ自
体によってあらかじめ決まっている。この場合、部材の
長さLおよび結合縁16の高さhのみを適合させればよ
い(図4)。
いわゆる半「渦発生器」が示されている。ここでは、渦
発生器9aの2つの側面の1つのみに後退角α/2が設
けられている。他の側面は直線状であって流動方向に向
いている。対称的な渦発生器とは異なり、ここでは矢印
で示した側に渦が1つのみ発生する。したがって、渦発
生器の下流側には等旋回区域は生じず、流動に対して1
つの旋回が強制される。
混合器として使用されている。燃焼空気としての一次流
は、横断方向に向いた流入縁15に矢印方向に当たる。
気体燃料および/または液体燃料としての二次流は、一
次流よりはるかに小さい質量流を有する。二次流は、渦
発生器のすぐ近傍の区域で一次流に導入される。
び/または液体燃料の流路への導入は、図5に従い多様
な仕方で形成できる。
縦縁12および14(または少なくともそのすぐ近傍)
に階段状に配置された壁細孔22eを通して行うことが
できる。燃料は、最初に図示されない手段を介して管路
壁21を通って渦発生器の中空内部に導入される。した
がって、燃料は壁通し穴22cから発生する渦に直接到
達する。この渦は噴射区域で上昇している。ここには、
所定の流動状況が生じている。 燃料は、渦発生器の縁
15に沿って管路壁21に設けられている壁通し穴22
aからも送入できる。この場合、噴射角は、燃料が混入
前に渦発生器の屋根面の周囲を膜となって流れるように
選択されている。この「冷たい」膜は、屋根面のために
厚い一次流に対する保護層を形成する。この解決は、特
に気体燃料も液体燃料も一次流に混入されて、後に燃焼
されるデュアル運転に適している。この場合、液体燃
料、ここでは油は、直接縁15で開口している個別穴
(図示せず)を通して、好ましくは気体と同じ噴射角で
送入される。この油も、渦内で噴霧化する前に保護膜と
して屋根面上に分布する。壁通し穴22bの代わりに、
ここでは図示されない細穴を用いることもできよう。
られている。この渦発生器を通して燃料は上昇渦に送入
される。
の先端部18の区域に設けられた個別穴からも送入でき
る。この場合、媒体は完全に形成された渦に直接送入さ
れ、しかも上昇する分岐にも送入される。
に互いに結合できる。
り付ける種々の可能性について説明する。
して示す。2つの管路壁21aおよび21bでは、それ
ぞれ同数の図1に従う渦発生器が周方向に隙間なしに並
置されているので、結合縁16は向き合う渦発生器と同
じ半径上にある。向き合う渦発生器に対して等しい高さ
hを前提とすると、図3に、渦発生器が内側管路リング
21bに小さい後退角αを有することが示されている。
このことは、図4の縦断面図から、内側リング断面およ
び外側断面で等旋回の渦が所望される場合は、より大き
い仰角θによって補償され得るであろうことが分かる。
図3に暗示されているように、この解決では、それぞれ
小さい渦を有する2つの渦対が作られ、混合距離が短く
なる。
スリーブ管24を通して送入される。中央スリーブ管2
4の開口は渦発生器9の下流側で先端部18の区域にあ
る。この例では、気体燃料の送入は、図5に記載された
方法に従って行われる。この装入は、矢印で暗示されて
いるように、一方では壁通し穴を通して渦発生器それ自
体に、他方では壁通し穴22bを通して渦発生器の後ろ
の管路壁21bに行われる。これらの壁通し穴にはリン
グ管を通して供給することができる。
次流と混合される。燃料は、渦の螺旋状の経過に従い、
渦の下流側で室に均一に微細に分配される。それによっ
て、冒頭に記載したように渦のない流動に燃料を半径方
向に送入する際に、向き合う壁における衝突区域の危険
と、いわゆる「ホットスポット」の生成が減少する。
の送入パルスに対してほぼ鈍感なので、燃料噴射をフレ
キシブルに保ち、他の境界条件に適合させることができ
る。たとえば、同じ送入パルスの全負荷区域で維持でき
る。混合は渦発生器の形状によって規定され、機械負
荷、この例の場合はガスタービン負荷によって規定され
ないので、このように構成されたバーナは部分負荷条件
のもとでも最適に作動する。燃焼プロセスは、燃料の着
火遅延時間と混合時間を適合させることによって最適化
され、その結果として排出の削減が保証される。
にわたって良好な温度特性が達成され、その上熱音響的
な不安定性が生じる可能性が減少する。渦発生器が存在
するだけで、熱音響的振動に対する減衰措置として働
く。
料は壁通し穴を通して送入できる。これらの壁通し穴は
管路壁の内部に取り付けられたリング管から供給されて
いる。もちろん、図4に示されている半径方向に導入さ
れたスリーブ管とは異なり、このほかに液体燃料のため
に中央スリーブ管も設けることができる。これらの中央
スリーブ管の幾つかはリング状管路の外周に分布してい
る。
壁の半径はより小さく管路高は大きい。そうすることに
よって、互いに向き合う渦発生器の高さは、著しく異な
る。原則として、結合縁16の高さhは、管路高Hまた
は渦発生器に付属している管路部分の高さと一致してい
るので、発生した渦は、すでに渦発生器のすぐ下流側で
全管路高Hが満たされる大きさに達す、その結果として
作用断面において均等な速度分布が得られる。選択すべ
きh/H比に影響できるもう1つの規準は、渦発生器の
周流において発生する圧力降下である。h/Hが増すの
に伴い圧力損失係数も増加することは言うまでもない。
は2つの向き合う渦発生器から半分のピッチだけずれて
いる。そうすることによって、渦発生器の下流側で渦構
造が変化して、発生した等側の渦が等しい回転方向を有
し、場合によって1つの大きい渦に融合し、これが対応
する扇形で全管路断面を満たす。そうすることによっ
て、一方では混合品質がさらに改善され、他方では渦の
大きい寿命を達成できる。この解決により、内側渦発生
器の高さを増して、その先端部が向き合う2つの渦発生
器の側壁の間に係合できる、図示されない可能性が提供
される。
「半」渦発生器9aが周方向に並置されている。矢印で
分かるように、等しい回転方向を有する個々の渦が結合
して、管路全体に作用する1つの大きい回転渦となる。
規組立または貫流管路20の円形断面を有する予混合室
における「レトロフィット」措置に適している。気体燃
料のための従来のノズル格子または混合管は、予混合室
の内部に配置されたリング管によって簡単に置き換える
ことができ、このリング管25から渦発生器の前で細穴
または通し穴22eが供給される。この合成体におい
て、中央スリーブ管も配置できるであろう。
9が、管路壁に隙間が生じないように、周方向に並置さ
れている。この合成体におけるこれらの部材は、図3の
外側の渦発生器の部材に対応している。
成で、対称軸17が管路軸に対して斜めに延びている。
したがって、2つの側面は一次流に対して種々の後退角
を有する。それによって渦発生器の両側に、旋回数の異
なる渦が発生する。その結果として、これらの部材の下
流側で流動に旋回が付随している。
が旋回する。この配置構成は、図2に従う、それぞれ3
つの4群の渦発生器9aからなる。1つの群では、3つ
の渦発生器が次第に高くなっている。発生するすべての
渦は同方向に回転する。
に配置されている。しかしながら、図9に示された位置
とは異なり、ここでは各々の結合縁16は、管路流動に
最初に当たる箇所である。これらの部材は図9と比較し
て180°回転している。図から分かるように、反対方
向に進む2つの渦は回転方向を変えた。これらは渦発生
器の屋根面の上方で回転しながら、渦発生器が取り付け
られている壁に向かう。この解決は、燃料を渦発生器の
対称軸が延びている半径方向に送入する中央スリーブ管
24に取り付けるのに本来適している。燃料は、壁に向
かって回転する渦に直接到達する。
変形例が示されている。これは特に円筒形予混合室内の
交換ユニットとして適している。さらに、これはデュア
ル運転用に設計されている。つまり、液体燃料も気体燃
料も燃焼空気に送入できる。図示されない予混合管に軸
方向に導入できるユニットは、端部に渦発生器9を備え
た中央スリーブ管24からできている。気体燃料は中央
スリーブ管24に配置されたオイル導管26を通して噴
射ヘッドに到達し、そこからノズルを通して管路内に噴
射される。これらのノズルは矢印方向に従って渦発生器
の対称線に向けられている。燃料は、上昇渦によって捕
獲される。やはり気体管29を介して中央スリーブ管で
案内される気体燃料は、中空リブ27を通して気体リン
グ28に達する。気体リング28によってシステムは管
内で心出しされて固定される。この気体リング28から
燃料が一次流に混入される。
限定されるものではない。合成体における渦発生器の配
置構成に関して、本発明の枠を越えることなく多くの組
み合わせが可能である。二次流の一次流への導入も、様
々な仕方で可能である。もちろん、たとえば図9に従う
変形例は、「can」原理の燃焼室にも適している。
のリング形バーナ室である。
ある。
発生器の第2の配置構成である。
発生器の第3の配置構成である。
ける図2に従う渦発生器の第4の配置構成である。
構成を有する円筒形燃焼室である。
置構成を有する円筒形燃焼室である。
の配置構成を有する円筒形燃焼室である。
る、図9に従う配置構成である。
燃料スリーブ管である。
Claims (16)
- 【請求項1】 予混合燃焼を有する燃料供給システムで
あって、この予混合燃焼では気体燃料および/または液
体燃料が二次流として、誘導された気相一次流に送入さ
れるようになっており、二次流が一次流よりはるかに小
さい質量流を有し、しかも貫流予混合管路が湾曲した壁
を有するものにおいて、前記一次流が渦発生器(9)を
通って案内され、これらの渦発生器(9)の幾つかが、
貫流管路(20)の外周にわたって少なくとも1つの管
路壁に並置されていること、前記二次流が渦発生器
(9)のすぐ近くの区域で管路(20)に導入されるこ
と、渦発生器(9)が自由に周流される3つの面を有
し、これらの面が流動方向に延びており、これらの面の
うち1つが屋根面(10)をなし、他の2つの面が側面
(11、13)をなすこと、側面(11、13)が同一
の管路壁(21)と同一平面上にあって互いに後退角
(α)を包囲していること、貫流管路(20)に対して
横断方向に延びている、屋根面(10)の縁(15)
が、前記側壁と同様に管路壁(21)に接しているこ
と、および屋根面の縦方向に向いた縁(12、14)
が、管路内に突き出している縦方向に向いた側面の縁
(11、13)と同一平面上にあって、管路壁(21)
に対して仰角(θ)で延びていることを特徴とする、燃
料供給システム。 - 【請求項2】 燃料が壁通し穴または細穴(22e)を通
して送入され、これらの穴が前記渦発生器の上流側に配
置されており、管路壁の内部に取り付けられたリング状
管路(25)から供給される、請求項1記載の燃料供給
システム。 - 【請求項3】 燃料が壁通し穴(22a、22b)を通
って管路壁(21)に送入される、請求項1記載の燃料
供給システム。 - 【請求項4】 燃料が、渦発生器(9)の1つ以上の面
(10、11、13)内にある壁通し穴(22c)を通
して送入される、請求項1記載の燃料供給システム。 - 【請求項5】 燃料が中央スリーブ管(24)を通して
送入され、このスリーブ管の開口が渦発生器(9)の下
流側の縁の平面上にある、請求項1記載の燃料供給シス
テム。 - 【請求項6】 燃料配分手段および渦発生器が交換ユニ
ットとして設計されている、請求項1記載の燃料供給シ
ステム。 - 【請求項7】 後退角(α)を包囲している、渦発生器
(9)の2つの側面(11、13)が、対称軸(17)
を中心にして対称的に配置されている、請求項1記載の
燃料供給システム。 - 【請求項8】 渦発生器(9)の2つの側面の1つのみ
に、後退角(α、αh)が設けられており、他の側面は
直線状であって流動方向に向いている、請求項1記載の
燃料供給システム。 - 【請求項9】 後退角(α、αh)を包囲している2つ
の側面(11、13)が互いに結合縁(16)を包含し
ており、これらの側面が縦方向に向いた屋根面(10)
の縁(12、14)と一緒に先端部(18)を形成して
いること、および結合縁が湾曲した壁の半径方向に延び
ていることを特徴とする、請求項1記載の燃料供給シス
テム。 - 【請求項10】 結合縁(16)および/または屋根面
(10)の縦方向に向いた縁(12、14)が少なくと
もほぼ鋭角に形成されている、請求項9記載の燃料供給
システム。 - 【請求項11】 渦発生器(9)の対称軸(17)が管
路軸に対して平行に延びており、2つの側面(11、1
3)の結合縁(16)が渦発生器(9)の下流側縁を形
成し、しかも貫流管路(20)に対して横断方向に延び
ている屋根面(10)の縁(15)が、最初に一次流に
当たる縁である、請求項9記載の燃料供給システム。 - 【請求項12】 発生した渦が渦発生器(9)のすぐ下
流側で全管路高または前記渦発生器に付属している管路
部分の全高を満たすように、前記渦発生器の高さ(h)
と管路高(H)との比が選択されている、請求項1記載
の燃料供給システム。 - 【請求項13】 管路(20)がリング状であること、
および外側リング壁(21a)と内側リング壁(21
b)の両方に同数の渦発生器(9)が周方向に並置され
ていて、向き合うそれぞれ2つの渦発生器(9)の結合縁
(16)が同じ半径上にあることを特徴とする、請求項
7または8記載の燃料供給システム。 - 【請求項14】 管路(20)がリング状であること、
および外側リング壁(21a)と内側リング壁(21
b)の両方に同数の渦発生器(9)が周方向に並置され
ていて、向き合うそれぞれ2つの渦発生器(9)の結合
縁(16)が互いに半分のピッチだけずれていることを
特徴とする、請求項7または8記載の燃料供給システ
ム。 - 【請求項15】 管路(20)が円形であること、およ
び壁(21a)に幾つかの渦発生器(9、9a)が周方
向に、好ましくは隙間なく並置されていることを特徴と
する、請求項7から8のいずれか1記載の燃料供給シス
テム。 - 【請求項16】 前記渦発生器の対称軸(17)が管路
軸に対して斜めに延びている、請求項14記載の燃料供
給システム。
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