特許 5871881 缶形燃焼器用のバーナ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5871881

(24)【登録日】2016年1月22日

(45)【発行日】2016年3月1日

(54)【発明の名称】缶形燃焼器用のバーナ

(51)【国際特許分類】

   F23R 3/28 20060101AFI20160216BHJP

   F23R 3/10 20060101ALI20160216BHJP

   F02C 7/22 20060101ALI20160216BHJP

【ＦＩ】

   F23R3/28 D

   F23R3/10

   F02C7/22 C

【請求項の数】15

【外国語出願】

【全頁数】27

(21)【出願番号】特願2013-219566(P2013-219566)

(22)【出願日】2013年10月22日

(65)【公開番号】特開2014-85106(P2014-85106A)

(43)【公開日】2014年5月12日

【審査請求日】2014年2月20日

(31)【優先権主張番号】12189606.2

(32)【優先日】2012年10月23日

(33)【優先権主張国】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】503416353

【氏名又は名称】アルストム テクノロジー リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＡＬＳＴＯＭ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｔｄ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100099483

【弁理士】

【氏名又は名称】久野 琢也

(72)【発明者】

【氏名】アンドレア チアーニ

(72)【発明者】

【氏名】ジョン フィリップ ウッド

(72)【発明者】

【氏名】ダグラス アンソニー ペネル

(72)【発明者】

【氏名】エーヴァルト フライターク

(72)【発明者】

【氏名】ウアス ベンツ

(72)【発明者】

【氏名】アンドレ トイアー

【審査官】 米澤 篤

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１１／０５４７６６（ＷＯ，Ａ２）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２３Ｒ ３／２８

Ｆ０２Ｃ ７／２２

Ｆ２３Ｒ ３／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

混合及び噴射装置（４３）を備えたガスタービンの燃焼室用のバーナ（１）であって、前記混合及び噴射装置（４３）は、
制限壁（４４）であって、長手方向軸線（４７）を備えたガス流チャネル（４４０）と、入口領域（４５）と、主流れ方向（１４）において入口領域の下流における出口領域（４６）とを規定する、制限壁（４４）と、
少なくとも２つの流線形ボディ（２２）であって、各流線形ボディは、前記主流れ方向（１４）に対して垂直に又は傾斜して前記制限壁（４４）の第１の領域（４４１）から前記ガス流チャネル内（４４０）へ第１の横方向（４９）に延びている、流線形ボディ（２２）と、を備え、
各流線形ボディ（２２）は、前記主流れ方向（１４）に対して実質的に平行に配置された２つの側面（３３）を有し、該側面の間に中央平面（３５）を備え、前記側面（３３）は、ボディ（２２）の前縁（２５）を形成するようにそれらの上流側において互いに接合されており、かつボディ（２２）の後縁（２４）を形成するようにそれらの下流側において接合されており、
各流線形ボディ（２２）は、流線形輪郭（４８）として成形された、第１の横方向（４９）に対して垂直な断面を有しており、
前記流線形ボディ（２２）のうちの少なくとも１つには、混合構造（２８，２９；６０）と、少なくとも１つの燃料を実質的に前記主流れ方向（１４）に対して平行に前記ガス流チャネル（４４０）内へ導入するための、前記後縁（２４）に配置された少なくとも１つの燃料ノズル（１５）と、が設けられている、混合及び噴射装置（４３）を備えたガスタービンの燃焼室用のバーナ（１）において、
前記流線形ボディ（２２）のうちの少なくとも２つは、前記第１の横方向（４９）に沿ってそれぞれ異なる長さを有することを特徴とする、混合及び噴射装置（４３）を備えたガスタービンの燃焼室用のバーナ（１）。

【請求項2】

前記ガス流チャネル（４４０）の断面は、実質的に半径方向外側へ凸状に湾曲している、請求項１記載のバーナ（１）。

【請求項3】

前記流線形ボディ（２２）のうちの少なくとも１つには、前記ボディ（２２）の前記後縁（２４）に配置された複数のひだ（２８，２９）の形態の混合構造が設けられており、前記ひだ（２８，２９）は、実質的に前記中央平面（３５）に対して垂直に第２の横方向（３０）又は第３の横方向（３１）に延びており、前記第２の横方向及び前記第３の横方向（３０，３１）は互いに反対方向に延びており、前縁領域から前記ひだ（２８，２９）への下流方向への移行は、連続的な１次導関数をもつ関数により表される表面曲率を備えて滑らかである、請求項１又は２記載のバーナ。

【請求項4】

ひだ状の後縁（２４）には、その全長に亘ってひだ（２８，２９）が設けられており、該ひだ（２８，２９）は、前記後縁（２４）に沿って互いに隣接して連続的に配置されており、かつ２つの反対の第２及び第３の横方向（３０，３１）で交互にひだになっている、請求項３記載のバーナ（１）。

【請求項5】

前記流線形輪郭（４８）は、第２又は第３の横方向（３０，３１）において幅（ｗ）を有し、前記ボディ（２２）の後縁（２４）よりも前縁（２５）により近い位置に最大幅（Ｗ）を備え、前記幅（ｗ）は、前記後縁（２４）に向かって実質的に連続的に減少しており、同じボディ（２２）の隣接するひだ（２８，２９）の頂点（３２）の間の、前記中央平面（３５）に対して垂直な距離として規定されるひだ高さ（ｈ₁）は、５ｍｍ〜６０ｍｍである、請求項３又は４記載のバーナ（１）。

【請求項6】

前記ガス流チャネル（４４０）の断面が実質的に円形である場合に、前記ガス流チャネル（４４０）の最小直径に対する前記ひだ高さ（ｈ₁）の比は、１：４〜１：２０である、請求項５記載のバーナ。

【請求項7】

ひだ状の後縁（２４）は、７０°〜１１０°の進入角（γ）で制限壁（４４）に当接している、請求項１から６までのいずれか１項記載のバーナ（１）。

【請求項8】

前記流線形ボディ（２２）のうちの少なくとも１つには、前記前縁（２５）と前記後縁（２４）との間において、少なくともその側面（３３）のうちの１つに配置された少なくとも２つの渦発生器（６０）の形態の混合構造が設けられており、各渦発生器は、前記中央平面（３５）に対して実質的に垂直に延びる渦発生器高さ（ｈ₂）を有する、請求項１から７までのいずれか１項記載のバーナ（１）。

【請求項9】

前記渦発生器高さ（ｈ₂）は、１０ｍｍ〜５０ｍｍである、請求項８記載のバーナ（１）。

【請求項10】

前記渦発生器（６０）から制限壁（４４）又は別の流線形ボディ（２２）の渦発生器までの最小横方向距離は、前記渦発生器高さ（ｈ₂）の２０％〜４０％である、請求項８又は９記載のバーナ（１）。

【請求項11】

前記流線形ボディ（２２）は、前記制限壁（４４）の前記第１の領域（４４１）からガス流チャネル（４４０）を通って前記制限壁（４４）の第２の領域（４４２）まで延びており、少なくとも１つの流線形ボディ（２２）の長さ方向は、前記第１の横方向（４９）に沿っていて、実質的に直線的であり、前記制限壁（４４）の前記第１の領域（４４１）及び／又は前記第２の領域（４４２）に対する接平面と、前記第１の横方向（４９）に沿った前記流線形ボディ（２２）の長さ方向とは、互いに対して傾斜させられている、請求項１から１０までのいずれか１項記載のバーナ（１）。

【請求項12】

前記流線形ボディ（２２）は、それらの長さ方向が前記第１の横方向（４９）に沿っていて、実質的に互いに平行であるように配置されており、最も近くに隣接する流線形ボディ（２２）のひだ（２８，２９）は、同位相で又は位相がずれてひだ状になっている、請求項３から１１までのいずれか１項記載のバーナ（１）。

【請求項13】

混合及び噴射装置（４３）は、前縁位置において生じる主流れ方向（１４）に対して平行に向けられた輪郭を備えながら各流線形ボディ（２２）の前縁（２５）に設けられることにより、流れストレートナとして作用する、請求項１から１２までのいずれか１項記載のバーナ。

【請求項14】

燃料ノズルであって、該燃料ノズルを通じて燃料が噴射される燃料ノズルの数は、合計の噴射される燃料流量に関して決定される、請求項１から１３までのいずれか１項記載のバーナ（１）を作動させる方法。

【請求項15】

高い反応度条件下における燃焼のための、及び／又は高いバーナ入口温度における燃焼のための、及び／又は水素濃度が高い燃料の燃焼のための、請求項１から１３までのいずれか１項記載のバーナ（１）の使用。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、凸面状に湾曲した、好適には円筒形の燃焼室を備えるガスタービン用のバーナであって、組み合わされた混合及び噴射装置を有する、ガスタービン用のバーナに関する。

【背景技術】

【0002】

混合装置は、ガスタービン用の環境的にフレンドリーな基本的部分である。混合装置は、後続の燃焼室における予混合された燃焼のためのバーナにおいて、燃料の連続的な流れを、空気などの酸化流体と混合する。現代のガスタービンにおいて、燃料及び酸化流体の良好な混合は、低エミッションを生ずる完全燃焼のための前提条件である。混合装置の最適化は、所定程度の均質性を得るために必要とされるエネルギを減じることを目的とする。連続流混合プロセスにおいて、混合装置における圧力降下は、混合作業のエネルギコストのための手段である。さらに、所定程度の均質性を得るために必要とされる時間及び空間は、混合装置又は混合エレメントを評価するための重要なパラメータである。

【0003】

高いタービン入口温度は、標準的なガスタービンにおける効率を高める。高い入口温度の結果、高い酸化窒素エミッションレベル及びより高いライフサイクルコストを生ずる。これらの問題は、連続的な燃焼サイクルによって緩和させることができ、圧縮機は、慣用のものの圧力比のほぼ２倍を供給する。主流は第１の燃焼室を通過し（例えば欧州特許第１２５７８０９号明細書に開示されているような又は米国特許第４９３２８６１号明細書に開示されているような、"ＥＶ"燃焼器とも称される一般的なタイプのバーナを使用し、ＥＶは「環境的」を意味する）、燃料の一部が燃焼させられる。高圧タービン段における膨張の後、さらに燃料が加えられ、燃焼させられる（例えば米国特許第５４３１０１８号明細書又は米国特許第５６２６０１７号明細書又は米国特許出願公開第２００２／０１８７４４８号明細書に開示されているようなタイプの、ＳＥＶ燃焼器とも称されるバーナを使用し、"Ｓ"は「連続」を意味する）。低酸化窒素エミッションは燃料及び酸化剤の高い混合品質を必要とするので、両燃焼器は、予混合バーナを含む。

【0004】

第２の燃焼器は、第１の燃焼器の膨張させられた排出ガスが供給されるので、作動条件は、付加的なエネルギが混合物に供給されることなく燃料・空気混合物の自己点火（同時着火又は自動着火）を許容する。混合領域における燃料・空気混合物の点火を防止するために、混合領域における滞留時間は、自己点火遅延時間を超えるべきではない。この判定基準は、バーナ内の無火炎領域を確保する。しかしながら、この判定基準は、バーナ出口領域における燃料の適切な分配を得ることにおいて課題を生ずる。ＳＥＶバーナは、現在では天然ガス及びオイルを用いた作動のためだけに設計されている。したがって、燃料の運動量フラックスは、渦に突入するように主流の運動量フラックスに関して調節される。これは、最後の圧縮機段からの空気（高圧キャリヤ空気）を使用することによって行われる。高圧キャリヤ空気は、高圧タービンをバイパスしている。混合領域の出口における燃料及び酸化剤のその後の混合は、低酸化窒素エミッション（混合品質）を許容し、かつ混合領域における燃料・空気混合物の自動点火によって生ぜしめられることがある逆火（滞留時間）を回避するために十分であるだけである。

【0005】

円筒形ジオメトリを備える缶燃焼器を取り付けるための、アルストム社のＧＴ２４又はＧＴ２６のようなガスタービンのために現在使用されているような公知のＳＥＶジオメトリのアップスケールは、さらなる適応なしには行うことができない。なぜならば、滞留時間と流体ダイナミック構造とを同時に維持することができず、すなわち、上述のような公知のＳＥＶ概念は缶燃焼器のために機能しない。

【0006】

国際公開第２０１１／０５４７６０号及び国際公開第２０１１／０５４７６６号には、環状又は矩形断面を備えたバーナのための組み合わされた混合及び噴射装置を備えたガスタービンバーナが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】欧州特許第１２５７８０９号明細書

【特許文献2】米国特許第４９３２８６１号明細書

【特許文献3】米国特許第５４３１０１８号明細書

【特許文献4】米国特許第５６２６０１７号明細書

【特許文献5】米国特許出願公開第２００２／０１８７４４８号明細書

【特許文献6】国際公開第２０１１／０５４７６０号

【特許文献7】国際公開第２０１１／０５４７６６号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明の課題は、実質的に円筒形の燃焼器、例えば缶燃焼器用のバーナであって、燃料及びガスの均質な混合を提供しつつ低いガス圧力降下を生ずるバーナを提供することである。このようなバーナは、高反応度条件、すなわちバーナの入口温度が高い条件、及び／又は高反応度燃料、特に高い水素成分又はＭＢｔｕ燃料が燃焼させられる条件のために、特に有利である。

【課題を解決するための手段】

【0009】

この場合、特定のジオメトリと、組み合わされた混合及び噴射装置とを備えたバーナが提案され、このバーナは、ガス、例えば空気、及び燃料を高い均質性を有する混合物に混合するときに最小限の圧力降下のみを生ずる。特定の缶ジオメトリは、低速ポケットを回避することを助ける。このバーナは、実質的に非矩形の燃焼室、例えば缶燃焼器を備えたガスタービン機関の効率を高めるために提案される。さらに、本発明によるバーナは、燃料能力を高めかつ設計を単純化しようとするものである。

【0010】

これらの課題及びその他の課題は、混合及び噴射装置を備えたガスタービンの燃焼室用のバーナであって、前記混合及び噴射装置は、
制限壁であって、長手方向軸線を備えたガス流チャネルと、入口領域と、主流れ方向において入口領域の下流における出口領域とを規定する、制限壁と、
少なくとも２つの流線形ボディであって、各流線形ボディは、前記主流れ方向に対して垂直に又は傾斜して前記制限壁の第１の領域から前記ガス流チャネル内へ第１の横方向に延びている、流線形ボディと、を備え、
各流線形ボディは、前記主流れ方向に対して実質的に平行に配置された２つの側面を有し、該側面の間に中央平面を備え、前記側面は、ボディの前縁を形成するようにそれらの上流側において互いに接合されており、かつボディの後縁を形成するようにそれらの下流側において接合されており、
各流線形ボディは、流線形輪郭として成形された、第１の横方向に対して垂直な断面を有しており、
前記流線形ボディのうちの少なくとも１つには、混合構造と、少なくとも１つの燃料を実質的に前記主流れ方向に対して平行に前記流れチャネル内へ導入するための、前記後縁に配置された少なくとも１つの燃料ノズルと、が設けられており、
前記バーナは、前記第１の横方向に沿ってそれぞれ異なる長さを備えた、流線形ボディのうちの少なくとも２つを含んでいる、燃焼室用のバーナを提供することによって達成される。

【0011】

特に、流線形ボディは、主流れチャネルを通って第１の横方向に沿って異なる長さに亘って延びている。これは、以下のテキストが第１の横方向におけるボディの長さに言及し、かつ文脈がこの解釈と矛盾しないならば、意味される長さである。第１の横方向は、流線形ボディの長さ方向であり、この長さ方向に沿って流線形ボディはガス流チャネル内へ延びている。

【0012】

好適な実施の形態によれば、制限壁は、実質的に凸状に湾曲した断面を有するガス流チャネルを形成しており、このガス流チャネルの断面は、好適には凸状計量空間（convex metric space）、好適には厳格凸状計量空間（strict convex metric space）、すなわち直線部分を有さない、最も好適には実質的に円形、楕円形又はレンソイド形状である。断面は、特に実質的に非矩形及び非環状である。混合及び噴射装置は、特定の長さの２つ以上の流線形ボディ、例えば特定の長さの２つのボディ及び２つのより短いボディを含んでよいことが理解されるべきである。ガス流チャネルが凸状に湾曲させられているので、第１の横方向に沿ってより長い長さを有するボディは、少なくとも配置のために、より短いボディよりもチャネルの中央により近く配置されており、この場合、ボディは、実質的に直線的でありかつ第１の横方向に対して互いに実質的に平行である。

【0013】

凸状に湾曲させられた断面、特に実質的に円形、楕円形又はレンソイド（lensoid）の断面は有利である。なぜならば、この断面は混合及び噴射装置の機械的一体性を高め、この装置において角が有効に回避されるからである。矩形又は実質的に矩形の断面の角における高温ガス及び燃料の混合は、角における不均一な混合につながる恐れがある。これにより、凸状に、すなわち外方へ湾曲したガス流チャネルを使用することが有利である。

【0014】

流線形ボディの切断面であって、該切断面は第１の横方向に対して実質的に垂直方向である、すなわち実質的に主流れ方向に沿っている切断面によって与えられる、ボディの流線形輪郭は、一般的に、丸みづけられた前縁領域を備える前縁を有しかつ側面によって後縁まで延びている空気力学的輪郭である。前記輪郭の幅分布、すなわちその輪郭の２つの側面の間の最小距離は、好適には前記ボディの後縁よりも前縁により近く配置されている最大幅を有する。この幅は、最大幅の下流において、後縁に向かって実質的に連続的に減少している。しかしながら、この輪郭の幾つかの部分が一定の幅を有していてもよい。後縁は、鋭い縁部又は丸みづけられた縁部を形成している。

【0015】

１つの実施の形態では、リアセクション、すなわち流線形ボディの下流部分は、一定の厚さ分布を有する。一定の厚さ分布を有するリアセクションは、例えば、後縁から、（主流れ方向に沿った）輪郭長さの少なくとも３０％に亘って延びている。別の実施の形態において、一定の厚さ分布を有するリアセクションは、輪郭長さの５０％に亘って、又はさらに８０％までに亘って延びている。

【0016】

別の好適な実施の形態は、流線形ボディが実質的に直線的な前縁を有することを特徴とする。しかしながら、前縁は、丸み付けられているか、曲げられているか、又は僅かにねじられていてよい。

【0017】

好適な実施の形態によれば、複数の流線形ボディのそれぞれには、燃料ジェットの一列噴射のために、後縁において複数のノズルが設けられている。これにより、マルチポイント噴射が提案される。このマルチポイント噴射は、ＳＥＶ概念を、例えば缶燃焼器の円筒対称性にアップスケールするために有利である。基本的概念は、利用できる混合長さにおける所要の混合を保証する独立した流体動力学的構造（ひだ及び／又は渦発生器、以下参照）を備えた各インジェクタ若しくはボディを有することから成る。次いで、これらのエレメントは、第１の横方向において、同じボディにおける別のひだ及び／又は渦発生器によって、また、第２及び／又は第３の横方向（以下参照）において、円筒形状に最もよく適合するように、流線形ボディに横方向で隣接することによって、繰り返されることができる。したがって、マルチポイント噴射システムにより、新たな横断面領域／形状に適合するように、噴射エレメントを"意図的に"加えることができる。バーナ又はガス流チャネルの丸い横断面は、よりよい機械的一体性（例えばクリープ抵抗）、製造可能性のために、また、シーケンシャルライナ内へ膨張する均一な流れ構造を維持するために特に有利である。

【0018】

特に好適な実施の形態によれば、前記流線形ボディのうちの少なくとも１つには、前記ボディの後縁に配置された複数のひだの形態の混合構造が設けられている。ひだは、側面の間の前記中央平面に対して実質的に垂直に延びており、すなわち、ひだは、いずれの側面に設けられているかに応じて、側面から横方向に第２の横方向又は第３の横方向に延びている。第２及び第３の横方向は、実質的に互いに反対に、第１の横方向に対して垂直に延びている。

【0019】

好適な実施の形態によれば、前縁領域からひだへの下流方向への移行は滑らかであり、表面曲率は、連続的な１次導関数をもつ関数（a function with a continuous first derivative）により表される。この場合、好適には、ひだを形成する流線形ボディの横方向変位は、多くともボディの長さの下流側の３分の２のみ、より好適にはボディの長さの下流側半分のみに存在する。同じ後縁における隣接するひだは、中央平面から、すなわち中央平面に対して横方向に交互に延びている。その形状は、半円又は円弧の連続であってよく、湾曲状若しくはシヌソイド状であってよい。その形状は、円弧若しくはシヌソイド曲線と、付随する直線的なセクションとの組合せの形状であってもよく、この場合、直線的なセクションは、曲線又は円弧に漸近である。好適には、全てのひだは、後縁に沿って実質的に同じ形状のものである。

【0020】

ひだは、相互接続された後縁ラインを形成するように互いに隣接して配置されている。ひだ角度は、流体はく離が回避されるように選択されるべきである。１つの実施の形態によれば、ひだ角度は、流体はく離を回避するために１５°〜４５°、好適には２５°〜３５°である。

【0021】

好適な実施の形態によれば、ひだ状の後縁には、実質的にその長さ全体に亘ってひだが設けられており、ひだは、後縁に沿って互いに隣接して連続的に配置されている。ひだは、好適には、２０ｍｍ〜１００ｍｍ、好適には３０ｍｍ〜６０ｍｍの範囲のひだ波長で、第２及び第３の横方向に交互に突出している。混合及び噴射装置の全ての流線形ボディには、１つの同じひだ波長が設けられているのが好ましい。

【0022】

流れチャネルの横断面の形状に応じて、ひだ状のボディの（第１の横方向における）長さは、より長いボディの長さの約１０％〜約５０％以上だけ互いに異なってよく、すなわち、１つのボディは、より長いボディの長さの半分の長さであってよい。

【0023】

好適な実施の形態によれば、同じボディの隣接するひだの頂点の間の、中央平面に対して垂直な距離として規定されるひだ高さは、５ｍｍ〜６０ｍｍであり、例えば約１０、２５又は５０ｍｍである。ひだの高さは、ひだ状の後縁のピークからピークまでの振幅である。

【0024】

ひだ高さは、好適には、流線形輪郭の最大幅の少なくとも半分である。１つの特に好適な実施の形態によれば、この高さは、流線形ボディの最大幅とほぼ同じである。別の特に好適な実施の形態によれば、ひだ高さは、流線形ボディの最大幅の２倍である。概して、好適には、高さは、少なくとも最大幅と同じであり、好適には最大幅の３倍以下である。

【0025】

特に好適な実施の形態によれば、ガス流チャネルの最小直径に対するひだ高さの比は、１：４〜１：２０、好適には１：５〜１：１０である。

【0026】

別の好適な実施の形態によれば、ひだを形成する流線形ボディの横方向変位は、多くとも流線形ボディの（主流れ方向に沿って測定された）長さの下流側の３分の２のみに存在する。これは、流線形ボディの上流部分が中央平面に対して実質的に対称的な形状を有することを意味する。その下流において、ひだは、それぞれの横方向へ連続的かつ滑らかに成長しており、流線形ボディの側壁の波形を形成しており、この波形の振幅は、後縁における最大値まで増大している。

【0027】

さらに別の好適な実施の形態によれば、ひだ状の後縁は、７０°〜１１０°、より好適には８０°〜１００°、特に約９０°又は正確に９０°である進入角で制限壁に当接している。入口角は、後縁に対する接平面と、制限壁に対する接平面との間に形成された角度であり、両平面は、壁と後縁とが互いにぶつかる箇所にあり、両平面は、流れチャネルの長手方向軸線に対して平行である。進入角は、制限壁に当接するひだの周囲における渦の形成を許容するために重要である。好適には、ひだが制限壁とぶつかる箇所における、制限壁に向かう突出、すなわち中央平面に対して垂直な距離は、ひだ高さの少なくとも１５％であり、好適には、ひだ高さの２０〜５０％である。

【0028】

別の特に好適な実施の形態によれば、前記流線形ボディのうちの少なくとも１つには、前縁と後縁との間において、側面のうちの少なくとも一方に配置された少なくとも２つの渦発生器の形態の混合構造が設けられている。各渦発生器は、前記中央平面に対して実質的に垂直な渦発生器高さに亘って延びている。したがって、渦発生器高さは、中央平面から渦発生器の頂点まで測定される。

【0029】

好適には、このような渦発生器は、１５〜２０°の迎え角及び／又は５５〜６５°のスイープ角を有する。

【0030】

渦発生器の迎え角は、ひだ高さのように、燃焼室の実際の直径及び流線形ボディの数に依存してよい。好適には、渦発生器は、燃料ノズルと交互に２つの側面に配置されており、好適には、各渦発生器の下流に、前記燃料ノズルのうちの少なくとも２つが配置されている。好適な実施の形態によれば、渦発生器から制限壁までの最小横方向距離は、前記渦発生器高さの２０％〜４０％であり、前記距離は好適には渦高さの３分の１である。隣接するフルート、すなわち流線形ボディの間の距離は、好適には、壁までの渦発生器の前記最小横方向距離の約２倍であるか、又はボディと、平行なボディ配列における最も外側のボディの壁との間の平均距離の約２倍である。好適には、隣接するボディの間の距離は、バーナ直径、すなわちガス流チャネルの最大直径の少なくとも１００分の１、より好適には少なくとも１５分の１である。

【0031】

本発明の特定の課題は、改良された混合を行う実質的に円筒形のバーナを提供することである。この課題は、第１及び第２の燃焼室を有する、特にシーケンシャル燃焼を行うガスタービンの二次燃焼室用の（しかしながら排他的ではない）バーナであって、バーナへの少なくとも１つの気体及び／又は液体燃料の導入のための噴射装置を備え、該噴射装置は、バーナに少なくとも１つの燃料を導入するための少なくとも１つのノズルを備えたバーナに配置された少なくとも２つのボディを有するバーナを提供することによって達成される。少なくとも１つのボディは、流線形ボディとして構成されており、この流線形ボディは、流線形の横断面輪郭を有し、かつバーナにおいて生じる主流れ方向に対して垂直に又は傾斜して長手方向に延びている。少なくとも１つのノズルは、流線形ボディの後縁（又は後縁の僅かに下流）において出口オリフィスを有する。

【0032】

１つの実施の形態によれば、このような流線形ボディは、流線形ボディの中央平面に関して、後縁において、互いに反対の横方向に少なくとも２つのひだが設けられるように形成されている。言い換えれば、後縁は、直線を形成しているのではなく、波線又はシヌソイド状の線を形成しており、この線は、中心平面を中心にして往復している。

【0033】

別の実施の形態によれば、流線形ボディには、上述のように、その側面において渦発生器が設けられており、後縁は、直線的な縁部であっても、上述のようにひだ状であってもよい。

【0034】

本発明は、インジェクタの後縁における燃料の噴射を含む。燃料噴射は、好適には軸方向に沿っており、これは、高圧キャリヤ空気（ＭＢＨ７０空気）の必要性を排除する。本発明は、運動量フラックス比（キャリヤ空気又は燃料の速度）の広い範囲に亘って頑強であり、低い運動量フラックス比での燃料・空気混合を可能にする。一列燃料噴射システムは、複数のひだ状フルート、渦発生器を備えたフルート、又は渦発生器を備えたひだ状フルートを有し、フルートは、好適には平行な構成において、互い違いに配置されている。実質的に主流れ方向における燃料の噴射は、燃料可能性のために有利である。なぜならば、様々な燃料タイプは、クロス噴射の場合には様々な噴射速度を必要とするからである。これは、良好な混合のために、燃料ジェットが、燃料噴射の前に生ぜしめられたガスの渦に突入することが保証されなければならないからである。これは、クロス噴射のための高圧キャリヤ空気を必要とする。本発明によれば、渦は、燃料ジェットと一緒に又は燃料ジェットの周囲に形成されるので、燃料ジェットは、次第に形成される渦に一体化される。これにより、燃料は、高圧キャリヤ空気を必要とするのではなく、低圧キャリヤ空気によって噴射されてよい。したがって、この低圧キャリヤ空気はさらに燃料の冷却目的のために働く。したがって、バーナは、燃料・空気混合のために、及び閉鎖型又は準閉鎖型ガスタービンにおいて使用されるあらゆる種類のガス、又は第１の燃焼段の燃焼ガスとの燃料の混合のために使用することができる。

【0035】

バーナは、１つの圧縮機、１つの燃焼器及び１つのタービンを含むガスタービンのために、及び１つ又は複数の圧縮機、少なくとも２つの燃焼器及び少なくとも２つのタービンを備えるガスタービンのために使用することができる。バーナは、例えば、１つの燃焼器を備えるガスタービンにおける予混合バーナとして使用することができるか、又は、バーナへの少なくとも１つの気体及び／又は液体燃料の導入のための噴射装置を備えた、第１及び第２の燃焼室を有するシーケンシャル燃焼を行うガスタービンの二次燃焼室のための再熱燃焼器として使用することもできる。

【0036】

ひだ周期性（"波長"）は、好適には、直径の５％〜５０％である。好適には、最も長い流線形ボディの後縁に沿って等間隔で分配された少なくとも５〜８個のひだが設けられており、好適には、ひだの数は、より短い流線形ボディのための長さの減少に従って比例して減じられる。第１の横方向に沿った様々な長さの流線形ボディは、異なる数のひだを有してよい。

【0037】

さらに別の好適な実施の形態によれば、複数の燃料ノズルは、後縁に沿って（又は後縁において）配置されており、好適には等間隔で分配されている。様々な長さのボディは、異なる数の燃料ノズルを有してよい。

【0038】

さらに別の好適な実施の形態によれば、燃料ノズルは、実質的に流線形ボディの中央平面に配置されている（したがって通常は後縁の飛騨上部分には配置されていない）。この場合、燃料ノズルは、ひだ状の後縁が中央平面と交差する、後縁に沿った各位置又は１つおきの位置に配置されている。

【0039】

さらに別の実施の形態によれば、燃料ノズルは、実質的にひだの頂点に配置されており、好適には、燃料ノズルは、後縁に沿って各頂点又は１つおきの頂点に配置されている。

【0040】

これにより、ノズル間の距離は、ひだ波長と等しいか、又はその整数倍又は分数になる。

【0041】

ノズルの間の距離は、５ｍｍ〜１５０ｍｍ、好適には１０ｍｍ〜１２０ｍｍであり、ノズルは、好適には、２つのノズルの間の距離の約３０％〜１００％、好適には約５０％である、制限壁までの距離を有してよい。

【0042】

ノズル、特に制限壁に近いノズルは、燃料ジェットを壁から離れる方向に、近い渦に向かって噴射するように僅かに傾斜させられていてよい。したがって、ノズルは、主流れ方向に対して０〜３０°の傾斜角で燃料及び／又はキャリヤガスを噴射してよい。６０°までの傾斜角も可能である。

【0043】

ひだを有さないが、複数の渦発生器を有するボディのためのノズルの間の距離は、ひだ状の後縁に関して説明したものと同じであってよい。

【0044】

通常、制限壁は、出口側に向かって集束していることができる実質的に平坦な壁構造である。特に（しかしながらそれだけではないが）制限壁はひだ状であるか又は渦発生器が設けられており、すなわち、制限壁は、ガス流チャネルに面した波形面を有することができる。この波形は、さらにより好適には、インジェクタのうちの１つと同じ特徴を有することができ、すなわち、波形は、特に、隣接する流線形ボディの波形に対して反転させられていることができ、すなわち、インジェクタの波形（すなわちひだ及び／又は渦発生器）と移相がずれて配置されていてよい。波形は、インジェクタのひだ又は渦発生器の高さと実質的に同じ波形の高さを有してもよい。波形の制限壁の横断面の円周は、ひだ又は渦発生器の波長の倍数であってよい。

【0045】

上述のように渦発生器及び／又はひだを有する１つの実施の形態によれば、複数の燃料ノズルは後縁に沿って分配されており、燃料ノズルは、円形である及び／又は流線形ボディの後縁に沿って延びた延在したスロットノズルである及び／又は液体燃料の噴射用の第１のノズル、及び／又は第１のノズル及び／又は第２のノズルを包囲する、気体燃料の噴射のための第２のノズル及びキャリヤ空気の噴射のための第３のノズルを有する。

【0046】

別の好適な実施の形態によれば、少なくとも２つのノズルは、流線形ボディの後縁の下流にそれらの出口オリフィスを有し、好適には、主流れ方向に沿って測定された、ノズルの位置における実質的に直線的な後縁と、前記ノズルの出口オリフィスとの間の距離は、少なくとも２ｍｍ、好適には少なくとも３ｍｍ、より好適には約４ｍｍ〜約１０ｍｍである。

【0047】

別の好適な実施の形態によれば、少なくとも２つの燃料ノズルは、後縁に配置されておりかつ後縁に沿って分配されており、燃料ノズルは、実質的に、流線形ボディの中央平面に配置されており、好適には、ひだ状の後縁が中央平面と交差する各位置において、燃料ノズルが配置されている。

【0048】

好適な実施の形態によれば、流線形ボディは、制限壁の第１の領域からガス流チャネルを通って制限壁の第２の領域まで延びており、すなわち、流線形ボディは、バーナの互いに反対側の壁部の間において流れチャネル断面全体を横切って延びている。好適には、流線形ボディは、チャネルを通って領域の間に実質的に直線的に延びている。好適には、制限壁の第１の領域及び／又は第２の領域に対する接平面と、第１の横方向に沿ったボディの長さ方向とは、互いに対して傾斜させられている。

【0049】

特に好適な実施の形態によれば、流線形ボディは、第１の横方向に沿ったそれらの長さ方向延びが実質的に互いに対して平行になるように配置されており、あるとすれば、最も近い隣接する流線形ボディのひだ発生器は、同位相で（すなわち最も近い横方向の隣接するひだ発生器の頂点が同じ方向を指している）又は位相がずれて（すなわち前記頂点は互いに逆を指している）配置されている。別の特に好適な実施の形態によれば、流線形ボディは、第１の横方向に沿ったそれらの長さ方向延びが実質的に互いに対して平行になるように配置されており、あるとすれば、最も近い隣接する流線形ボディの渦発生器は、同位相からずれて配置されている（すなわち最も近い横方向の隣接する渦発生器の頂点が同じ方向を指している）。

【0050】

ひだを形成する、２つの隣接するひだ状ボディの中央平面からの横方向逸れを互いに反転させることは、効率的かつ迅速な混合のために特に有利であることが分かった。言い換えれば、２つの隣接する流線形ボディからの周期的な逸れは、位相がずれており、長手方向で見て同じ位置において、各ボディの振れは、同じ絶対値を有するが、反対向きになっている。さらに、圧力降下を最小限に抑制しかつあらゆる伴流を回避するために、平坦な前縁領域から逸れへの移行部は、滑らかであり、連続的な１次導関数をもつ関数により表される表面曲率を有する。

【0051】

好適には、前記ボディの下流（通常は例えば同じバーナ内に配置されたこのようなボディのうちの３つ又は４つのグループの下流）に混合領域が配置されており、前記ボディにおいて及び／又は前記ボディの下流において、前記混合領域の横断面積は減じられており、好適には、この減少は、前記ボディの上流における流過横断面と比較して、少なくとも１０％、より好適には少なくとも２０％、さらにより好適には少なくとも３０％又は５０％〜７５％以上である。通常、少なくとも１つ、好適には複数のノズルは、主流れ方向に対して平行に燃料（液体又は気体）及び／又はキャリヤガスを噴射する。しかしながら、少なくとも１つのノズルは、主流れ方向に対して通常は３０°以下の傾斜角度で燃料及び／又はキャリヤガスを噴射してもよい。

【0052】

さらに、好適には、バーナは、少なくとも２つ、好適には少なくとも３つ又は４つの流線形ボディを含むバーナであり、その長手方向軸線は、実質的に互いに平行に配置されている。流線形ボディは、後縁を前縁に接続する直線がバーナの主流れ方向に対して平行に延びるようにバーナに配置することができる。好適には、しかしながら、流線形ボディは主流れ方向に対して僅かに傾斜させられており、すなわち、主流れ方向に対して完全に平行に配置されているのではなく、下流に続く混合領域に向かって集束している。ガス流チャネルの中心から離れるほど、流線形ボディはより傾斜させられていてよい。これは特に、混合ゾーンが同じ集束形状を有している場合である。

【0053】

好適な実施の形態によれば、ボディには冷却エレメントが設けられており、好適には、これらの冷却エレメントは、ボディの側壁に沿った冷却媒体の内部循環によって（すなわち二重壁構造を備えたボディを提供することによって）及び／又は好適には後縁の近くに配置されたフィルム冷却穴によって提供され、最も好適には、冷却エレメントには、燃料噴射のためにも使用されるキャリヤガス供給から空気が供給される。シーケンシャル燃焼を備えるガスタービンの場合、好適には、燃料は、キャリヤガス流と一緒にノズルから噴射され、キャリヤガス空気は、１０ｂａｒ〜３５ｂａｒ、好適には１６ｂａｒ〜２５ｂａｒの圧力を有する低圧空気である。

【0054】

上述のように、流線形ボディが、ひだ状でない部分において、軸方向流入を伴う用途のためにボディの中央平面に関して鏡面対称的であるような横断面輪郭を有すると有利である。

【0055】

複数のノズルの複数の別個の出口オリフィスを、互いに隣接して配置することができ、後縁に配置することができる。少なくとも１つのスリット状出口オリフィスは、ノズルの形態で、後縁に配置することができる。スプリット状の又は延在したスロットノズルは、通常、流線形ボディの後縁に沿って延びるように配置されている。ノズルは、様々な燃料タイプ及びキャリヤ空気のための複数の出口オリフィスを含むことができる。１つの実施の形態において、液体燃料又は気体燃料の噴射用の第１のノズルと、第１のノズルを包囲する、キャリヤ空気の噴射用の第２のノズルとは、後縁に配置されている。別の実施の形態において、液体燃料の噴射用の第１のノズルと、第１のノズルを包囲する、気体燃料の噴射用の第２のノズルと、第１のノズル及び第２のノズルを包囲する、キャリヤ空気の噴射用の第３のノズルとが、後縁に配置されている。

【0056】

本発明は、革新的なインジェクタ設計により圧力損失を低減する。ひだ及び／又は渦発生器は、渦などの適切な流れ構造を生ぜしめるように成形することができ、この流れ構造内に、燃料が、燃料のための冷却媒体としても作用する低圧キャリヤ空気と一緒に噴射される。渦における強いせん断は、迅速な混合及び低速ポケットの回避を助成する。凸状に湾曲した制限壁は、さらに、このようなポケットのリスクを低減する。空力的に好ましい噴射及び混合システムは、圧力降下をさらに低減する。（ｉ）バーナの入口における大型の混合装置、（ｉｉ）インジェクタにおける渦発生器、及び（ｉｉｉ）インジェクタ、などの別個のエレメントではなく、１つの装置（インジェクタ）のみを有することにより、圧力が蓄えられる。この蓄えは、主流れ速度を高めるために利用することができ、これは、高い反応度を備える燃料・空気混合物の場合有利であるか、又はガスタービン性能を高めるために利用することができる。

【0057】

さらに、ちょうど渦が発生させられる位置における一列燃料噴射の概念により、冷却空気通路の設計が単純化される。なぜならば、燃料は、高圧キャリヤ空気からの運動量をもはや必要としないからである。

【0058】

上述の冷却が使用されると、ガスタービン全体の効率が高まる。冷却空気は高圧タービンをバイパスするが、通常必要な高圧キャリヤ空気と比較してより低い圧力レベルに圧縮され、より冷却を必要としないか、又は冷却を必要としない。

【0059】

ここでの発明の要旨のうちの１つは、ひだ又は渦発生器による渦発生態様と、例えば別個のエレメント（別個の燃料噴射装置の上流における別個の構造的な渦発生器エレメント）として従来技術による缶燃焼器において慣用的に使用されるような燃料噴射装置とを、１つの組み合わされた渦発生及び燃料噴射装置に統合することである。こうすることによって、酸化空気との燃料の混合、及び渦発生は、空間的に極めて隣接して、極めて効率的に生じるので、より迅速な混合が可能であり、混合ゾーンの長さを減じるとができる。幾つかの場合、酸化空気経路におけるボディの対応する設計及び向き付けにより、流れ調整エレメント（タービン出口ガイドベーン）を省略することも可能である。なぜならば、ボディが流れ調整も引き受けるからである。全てこれは、噴射装置に沿った深刻な圧力降下なしに可能であり、これにより、プロセスの全体的な効率を維持又は改善することができる。本発明は、円筒形横断面を有するバーナにおける短い混合長さの範囲内で燃料・空気混合を達成することを目標としており、短い点火遅れ時間での燃料・空気混合物の燃焼を目標とする。

【0060】

別の好適な実施の形態によれば、混合及び噴射装置は、前縁位置において生じる主流れ方向に対して平行に向けられた輪郭を備えた各流線形ボディの前縁に設けられることにより、流れストレートナとして作用する。流れ直線化のための空力的輪郭を備えた前縁領域と、混合のためのひだ状後縁との組合せを備えた流線形ボディは、入口領域における不均一な流れ分布を有する流れの混合のために特に有利である。流れ直線化なしでは、ひだによって形成された乱流消散パターンは妨害され、部分的な混合のみが生じる。

【0061】

流線形ボディのひだ付きセクションの中央平面と整合させられた、流れチャネルの長手方向軸線に対して実質的に平行な流れは、混合のための流れ条件を最適化するために有利である。流れを平行な方向に案内するために、流線形ボディの前縁領域は、流れストレートナ及び混合装置の長手方向軸線に対して傾斜した向きから、流れストレートナ及び混合装置の長手方向軸線に対して平行な向きに回転する空力的輪郭を有する。この向きの変化は、好適には、流線形ボディの上流半分において生じる。

【0062】

極めて反応性の燃料のための能力を許容するために、インジェクタは、缶燃焼器において流れ調整（少なくとも部分的）、噴射、及び混合を同時に行うように設計されている。その結果、インジェクタは、流路に沿った様々な装置において現在利用されているバーナ圧力損失を蓄えることができる。流れ調整装置、渦発生器及びインジェクタの慣用の組合せが、提案された発明によって置き換えられると、混合ゾーンにおける燃料・空気混合物の短い滞留時間を達成するために主流の速度を高めることができる。

【0063】

混合及び噴射装置を含む改良されたバーナの他に、このようなバーナの作動のための方法が本発明の目的である。ガスタービンの運転条件及び負荷点に応じて、バーナによって噴射される燃料流は、広範囲で変化する。流れが全てのバーナノズルに等しく分配されかつ各ノズルを通る流れは合計流れに比例する単純な作動は、個々のノズルにおける極めて小さな流速につながる恐れがあり、噴射品質、及び空気流内への燃料の突入深さを損なう。

【0064】

本発明による作動方法の１つの好適な実施の形態によれば、それを通じて燃料が噴射される燃料噴射ノズルの数は、合計の噴射される燃料流に関して決定され、好適には、しきい値燃料流よりも低いときは、燃料流は流線形ボディの１つおきの燃料ノズルを通じてのみ噴射される及び／又は燃料はバーナの１つおき又は２つおきの流線形ボディの燃料ノズルを通じてのみ噴射される。

【0065】

作動方法の別の実施の形態によれば、それを通じて燃料が噴射される燃料噴射ノズルの数は、作動ノズルにおける最小流れを保証するために、合計の噴射される燃料流に関して決定される。

【0066】

さらに別の実施の形態において、燃料は、ベーンの１つおきの燃料ノズルを通じて低い燃料流量で噴射される。これに代えて、燃料は、バーナの１つおき又は２つおきのベーンの燃料ノズルを通じてのみ噴射される。さらに、燃料噴射を減じるために両方法の組合せが提案される：低い燃料質量流量の場合、燃料は、ベーンの１つおき又は２つおきの燃料ノズルを通じて、及びバーナの１つおき又は２つおきのベーンの燃料ノズルを通じてのみ噴射されることが提案される。増大した質量流量において、燃料噴射のために使用されるベーンの数、ひいてはベーンごとの燃料噴射のために使用されるノズルの数を増加することができる。これに代えて、増大した質量流量において、ベーンごとの燃料噴射のために使用されるノズルの数、ひいては燃料噴射のために使用されるベーンの数を増加することができる。ノズルの作動及び作動停止は、例えば、対応するしきい値燃料流に基づいて決定することができる。

【0067】

本発明によるバーナは、アルストム社のＧＴ２４及びＧＴ２６、及び独国特許出願公開第１０３１２９７１号明細書又は例えば国際公開第２０１２／１３６７８７号に記載された配列において使用されてよい。これらは、あらゆるその他のガスタービン配列において使用することができる。

【0068】

発明の別の実施の形態は、従属請求項に示されている。

【0069】

図面の簡単な説明
発明の好適な実施の形態は図面を参照して以下に説明され、図面は、発明の現時点で好適な実施の形態を示すためのものであり、発明を限定するものではない。

【図面の簡単な説明】

【0070】

【図1】別個の混合及び噴射エレメントを備えた公知のＳＥＶバーナを示す図である。

【図2】バーナの出口において燃料質量分数輪郭（右側）と一緒に、高圧タービンの下流に配置された公知のＳＥＶバーナを示す図である。

【図3】円筒形の燃焼室と、本発明による円形の制限壁を備えた混合及び噴射装置とを備えた、ＳＥＶバーナを示す図である。

【図4】図３による混合及び噴射装置を示す図である。

【図5】ひだ付きフルートを示しており、ａ）には、長手方向軸線に対して垂直な断面が示されており、ｂ）には側面図が示されており、ｃ）には、後縁における、主流れに対して垂直な図が示されておりｄ）には斜視図が示されている。

【図6】ａ）において、ひだ付き流線形ボディと、その両側においてかつ後縁において生ぜしめられた流路における概略的な斜視図を示しており、ｂ）においてその側面図を示している。

【図7】図３によるバーナの複数のボディの正面図をａ）において、斜視図をｂ）において示しており、ボディは、ひだを有するのではなく、渦発生器が設けられており、ｃ）においては、渦発生器の迎え角及びスイープ角がどのように規定されるかの概略図が示されており、上側の図において、側面図が提供されており、下側の図において、渦発生器が取り付けられた平面に対して垂直な方向で渦発生器を見た図が示されている。

【図8】異なるノズル及びひだ配列を備えたひだ状フルートの後縁を示す図である。

【図9】流れストレートナとして機能する、図３による混合及び噴射装置の図を示している。

【発明を実施するための形態】

【0071】

好適な実施の形態の説明
図１及び図２は、慣用の二次バーナ１１１を示す。環状のバーナであるバーナ１１１は、両側の壁部３によって取り囲まれている。これらの両側の壁部３は、主流れ方向１４における酸化媒体の主ガス流のための流れ空間を形成している。この流れは、高圧タービンからの、すなわち第１の燃焼器の下流に配置された高圧タービンの回転ブレードの最後の列の背後からのガス流８として進入する。このガス流８は、入口側６においてバーナに進入する。まず、ガス流８は、流れを適切な向きにもたらす、通常は定置のタービン出口ガイドベーンである流れ調整エレメント９を通過する。これらの流れ調整エレメント９の下流には、その後の混合ステップのためにガスを準備するために、大きな予混合渦発生器１０が配置されている。予混合渦発生器１０の下流には、通常はステム若しくはフット１６及び軸方向シャフト１７を備える噴射装置若しくは燃料ランス７が設けられている。シャフト１７の最も下流の部分において燃料噴射が生じる。燃料噴射は、主流れ方向に対して垂直に燃料を噴射するノズル１５を介して生じる（クロスフロー噴射）。

【0072】

燃料ランス７の下流には混合ゾーン２が設けられており、この混合ゾーン２において、２つの壁部３によって取り囲まれた空気は、滞留時間ｔ₁の間に燃料と混合され、次いで、出口側５において、燃焼空間４ａ内へ出て、この燃焼空間４ａにおいて、自己点火時間ｔ₂の後、自己点火が生じる。自己点火時間ｔ₂は、燃料噴射から自己点火までにかかる時間である。燃焼するガス混合物は、反応時間ｔ₃の間に反応する。

【0073】

混合ゾーン２から燃焼空間４ａへの移行部において、移行部１３が設けられており、この移行部１３は、段部（図１）又は丸いエッジ（図２）の形態であってよく、流れのための失速エレメントをも備える。移行部１３及び燃焼プロセスは、高温ガスの一部を再循環ゾーン４ｂにおいて再循環させる。燃焼空間は、燃焼チャンバ壁部１２によって取り囲まれている。図２によるバーナ１１１の場合、これは、図２の右側に示されたようなバーナ出口５における燃料質量分数輪郭（fuel mass fraction contour）１１につながる。

【0074】

図３は、混合及び噴射装置４３を備えた、本発明によるバーナ１を示す。噴射装置４３は、ガス流チャネル４４０を形成する実質的に円形の制限壁４４を有する。前記円筒形のチャネル４４０は、長手方向軸線４７と、入口領域４５と、流れ方向１４でその下流における、出口領域４６とを有する。主流れ方向１４は、長手方向軸線４７に沿っている。図３は、提案されたバーナ領域が主流れ方向１４で著しく減じられている構成を示している。この場合、減じられた出口領域４６は、入口領域４５の約７５％である。これは、方向１４で増大したガス速度を生ぜしめ、これは、バーナ１を高い反応条件において安全に作動させることを助ける。重要であるのは、図３によるバーナ１が、図１及び図２に示されたような予混合渦発生器１０を必要としないことである。ボディ２２の下流に続く混合ゾーンにおいて燃料及びガスを混合するための渦が、燃料噴射装置４３によって直接的に生ぜしめられる。

【0075】

図４は、図３による混合及びインジェクタ装置４３自体を示している。ボディ２２は、それぞれ、壁４４の第１の領域４４１（図３及び図４における上側部分）から壁４４の第２の領域４４２（図３及び図４における下側部分）までガス流チャネル４４０を横切って直線的に延びていることが分かる。この場合、２つの内側のボディ２２は、（第１の横方向４９に沿って）同じ長さを有し、外側のボディ２２は、内側のボディ２２の長さの約３分の２の長さを有する。

【0076】

ボディ２２は、制限壁４４を貫通しており、噴射装置４３の外面を超えて部分的に突出している。ボディ２２のこれらの突出した部分であって、これらの部分はいかなるひだ又は渦発生器も有さない部分を通って、燃料及びキャリヤガスは、バーナ１内へ供給されてよい。図４から分かるように、流線形ボディ２２の後縁２４にはひだ２８，２９が設けられている。横方向で隣接するボディ２２のひだ２８，２９は、位相がずれてロービングしており、すなわち、第２及び第３の横方向３０，３１を向いたひだ２８，２９の頂点は、それぞれ互いに向き合っている又は互いに反対の横方向を向いている。第２及び第３の横方向３０，３１は、主流れ方向１４に対して垂直であり、第１の横方向４９に対して垂直であり、かつ互いに逆平行である。図４において、各ノズル１５の周囲の渦が示されている（半円形の矢印として）。制限壁４４に近い渦は、実線で示されており、制限壁４４によって影響されないバーナにおける渦は、点線で示されている。この図から、制限壁に隣接した渦形成を許容するために、十分な進入角γが必要とされることが明らかになる。さらに、渦形成を許容するために、制限壁４との当接部におけるひだの十分な高さが必要とされる。

【0077】

各ボディ２２のひだ状の後縁２４は、９０°の進入角γで、領域４４１及び４４２において制限壁４４に当接している。

【0078】

図５は、フルート状インジェクタ、すなわちひだ付き流線形ボディ２２を生じる基本的設計を示す。ボディ２２は、他のところで既に説明したように、バーナ１の一部であってよい。主流れは、ひだ付きミキサ４３を通過し、速度勾配を生じる。これらは、せん断層の強い発生を生じ、このせん断層に燃料を噴射することができる。ひだの角度α₁及びα₂（図６参照）は、流体はく離を回避するように選択される。

【0079】

特に、流線形ボディ２２は、図５ａにおける断面図、図５ｂにおける側面図、図５ｃにおける後縁における、主流れ方向１４に対して垂直な図、及び図５ｄにおける斜視図に示された、フルート２２として構成されている。

【0080】

流線形ボディ２２は、前縁２５及び後縁２４を有する。前縁２５は、直線を規定しており、形状の前縁部分において、形状は実質的に対称的であり、したがって上流部分において、ボディは丸みづけられた前縁を有し、ひだを有さない。

【0081】

前縁２５は、フルート２２の長手方向軸線４９に沿って延びている。この上流セクションの下流において、ひだが次第にかつ滑らかに形成され、後縁２４に向かって下流にさらに進むに従って成長している。この場合、ひだは、特に図５ｃに容易に見られるように、後縁２４に沿って、２つの反対方向で交互に、互いに隣接して連続して配置された半円形として提供されている。

【0082】

中央平面３５にも配置されたそれぞれの方向転換点２７には、燃料ノズルが配置されており、この燃料ノズルは、燃料を一列に、つまり実質的に主流れ方向１４に沿って噴射する。この場合、後縁は、鋭い縁部ではなく、例えば５ｍｍ〜１０ｍｍの幅Ｗを有する。ボディ２２の最大幅Ｗは、２５ｍｍ〜３５ｍｍであり、ひだの全高ｈは、この幅Ｗよりも僅かに大きいだけである。

【0083】

この場合における典型的なバーナのための流線形ボディは、１００ｍｍ〜２００ｍｍの高さＨを有する。周期（ひだ波長λ）は、約４０ｍｍ〜６０ｍｍである。

【0084】

ひだ式混合概念が図６を参照して説明され、図６は、流線形ボディ２２の側面３３に沿った流れ状態を示す。流線形ボディの中央平面３５は、実質的に主流れ方向１４に対して平行に配置されており、この流れは、直線的な前縁３８と、ひだ付きの後縁３９とを有する。前縁３８におけるガス流１４は、矢印によって概略的に示されているように、流れプロフィル（速度分布）４０を形成する。

【0085】

後縁３９におけるひだ状構造４２は、前縁３８の下流において次第に波形に発展しており、ひだは、中央平面３５及び主流れ方向１４に対して横方向である第２の横方向３０に延びている。第２の横方向３０に延びるひだは、符号２８によって示されている。第３の横方向３１、すなわち第２の横方向３０とは反対方向に延びたひだは、符号２９によって示されている。ひだは、２つの横方向３０，３１に交互に延びている。ひだ、又は後縁を形成する線／平面が中心平面３５を通るところに、方向転換点２７が設けられている。

【0086】

図６ａに示された矢印から分かるように、上面におけるチャネル状構造において流れる空気流と、下面におけるチャネルにおける空気流とは、合流し、後縁３９の下流に渦４１を発生し始め、これは強い混合につながる。

【0087】

ひだ状構造４２は、以下のパラメータ、すなわち、ｉ）周期（すなわちひだ波長λ）は主流れ方向１４に対して垂直な方向におけるひだの１つの周期の幅を与える、ｉｉ）ひだ高さｈ、すなわち主流れ方向１４に対して垂直な方向における、ひいては方向３０及び３１に沿った、図６ｂに規定されたような隣接するひだの隣接する頂点の間の距離、及びｉｉｉ）ひだ２８の第１の方向への変位を規定する第１のひだ角度α₁（第１の仰角）と、方向３１へのひだ２９の変位を規定する第２のひだ角度α₂（第２の仰角）、によって規定される。通常はα₁はα₂と同じである。

【0088】

良好な混合を保証するために、流路に２つ以上の流線形ボディ２２を配置することにより、乱流消散を伴う流れ場が流路の横断面全体に亘って誘発される。位相がずれて配置された（ひだ周期の位相は１８０°ずれている）横方向で隣接するボディ２２のひだは、同位相で配置されたひだと比較して、さらに改良された混合につながる。

【0089】

渦発生器混合概念は、かなり同様に機能する。

【0090】

図７は、本発明による混合及びインジェクタ装置４３の別の実施の形態を、ａ）正面図及びｂ）斜視図において概略的に示している。図７ａと図７ｂとの違いは、渦発生器６０及びノズル１５の配置である。図７ａにおいて、制限壁４４は、実質的に楕円形の断面を有するガス流チャネル４４０を形成している。主流れ方向１４が示されている。噴射装置４３は、それぞれ第１の横方向４９に沿って制限壁４４の第１の領域４４１から壁４４の第２の領域４４２まで直線的に延びた、３つの、平行に整合させられた流線形ボディ２２を収容している。ボディには、その側面３３において渦発生器６０が設けられている。図７ａにおいて、燃料ノズル１５は各渦発生器６０に割り当てられており、ノズル１５は、直線的な後縁２４に設けられており、渦発生器６０は、ボディ２２の側面３３に交互に設けられている。

【0091】

渦発生器６０の迎え角及びスイープ角は、最小限の圧力降下で最も高い循環率を生じるように選択されている。通常、このような渦発生器は、１５〜２０°の迎え角α及び／又は５５〜６５°のスイープ角βを有し、これらの角度の定義のために、図７ｃ）が参照され、図７ｃ）において、図７ａ）に示されたガス流１４における渦発生器の向きの場合に、迎え角αの定義は、立面図である上側の図に示されており、スイープ角βの定義は、渦発生器の平面図である下側の図に示されている。

【0092】

図８は、それぞれ異なるノズル配列を備えたひだ付きフルート若しくはボディ２２の後縁２４を、主流に逆らう方向で見た図である。図８ａは、液体燃料の噴射用の第１のノズル５１が、気体燃料の噴射用の第２のノズル５２によって包囲されており、第２のノズル自体は、キャリヤ空気の噴射用の第３のノズル５３によって包囲されている構成を示している。ノズル５１，５２，５３は、後縁において同心状に配置されている。各ノズル配列は、ひだ付き後縁が中央平面３５と交差するところに配置されている。

【0093】

図８ｂは、燃料ガス噴射用の第２のノズル５２が、それぞれひだの各頂点セクションにおいて後縁に沿って延びたスリット状ノズルとして構成されている配列を示している。加えて、液体燃料噴射用の第１のノズル５１は、ひだ付き後縁が中央平面３５と交差する各位置に配置されている。第１及び第２のノズル５１，５２は全て、キャリヤ空気の噴射用の第３のノズル５３によって包囲されている。

【0094】

図８ｃは、燃料ガス噴射用の第２のノズル５２が、後縁に沿った少なくとも１つのひだに沿って延びた１つのスリット状ノズルとして構成されている配列を示している。液体燃料噴射のために、オリフィスの形式の付加的な第１のノズル５１が第２のノズル５２内に配置されている。

【0095】

図８ｄ及び図８ｅは、ひだ側壁が直線的なセクションを有する配列を示している。図８ｄは、液体燃料の噴射用の第１のノズル５１が、気体燃料の噴射用の第２のノズル５２によって包囲されており、第２のノズル自体は、キャリヤ空気の噴射用の第３のノズル５３によって包囲されている配列を示している。ノズル５１，５２，５３は、後縁において同心状に配置されている。各ノズル配列は、ひだ付き後縁が中央平面３５と交差するところに配置されている。

【0096】

図８ｅは、燃料ガス噴射用の第２のノズル５２が、後縁に沿って延びたスリット状ノズルとして構成されている配列を示している。各ノズルは、キャリヤの噴射用の第３のノズル５３によって包囲されている。第１及び第２のノズル５２，５３は全て、キャリヤ空気の噴射用の第３のノズル５３によって包囲されている。液体燃料噴射用の付加的な第１のノズルを設けることができるが、この例には示されていない。

【0097】

図９は、上述のようにひだ及び／又は渦発生器が設けられており、さらに前縁においてストレートナが設けられた２つのボディ２２を備えた混合及び噴射装置４３の１つの実施の形態を概略的に示している。噴射装置４３は、流れストレートナ輪郭としてのこれらのストレートナ輪郭によって作用する。主流れは、入口流５０として、ガス流チャネル４４０の入口領域４５に、長手方向軸線４７に対して流入角βで進入する。流入エリアの領域において、入口流５０は、その上流部分において実質的に入口流方向に対して平行に向けられたストレートナ輪郭によって滑らかに受け取られる。次いで、ストレートナプロフィルは、主流を下流へ案内し、この主流を、実質的に長手方向軸線４７に対して平行な方向へ滑らかに変向させ、これにより、流れは、流れストレートナ及びミキサ４３のボディの側面に沿って案内され、そこでガス渦が生ぜしめられる。

【符号の説明】

【0098】

１ バーナ
２ 混合空間、混合ゾーン
３ バーナ壁
４ａ 燃焼空間
４ｂ 再循環空間
５ 出口側、バーナ出口
６ 入口側
７ 噴射装置、燃料ランス
８ 高圧タービンからの流れ
９ タービン出口ガイドベーン
１０ 一次渦発生器
１１ ５における燃料質量分数輪郭
１２ 燃焼室壁
１３ ３と１２との間の移行部
１４ 酸化媒体の流れ
１５ 燃料ノズル
１６ ７のフット
１７ ７のシャフト
２２ 流線形ボディ、フルート
２４ ２２の後縁
２５ ２２の前縁
２７ 方向転換点
２８ 第２の横方向３０におけるひだ
２９ 第３の横方向３１におけるひだ
３０ 第２の横方向
３１ 第３の横方向
３２ ２８，２９の頂点
３３ ２２の側面
３４ 排出方向
３５ ２２の中央平面
３８ ２４の前縁
３９ ２３の後縁
４０ 流れプロフィル
４１ 渦
４２ ひだ
４３ 混合及び噴射装置
４４ 制限壁
４４０ ガス流チャネル
４４１ ４４の第１の領域
４４２ ４４の第２の領域
４５ 入口領域
４６ 出口領域
４７ ４４０の長手方向軸線
４８ 流線形輪郭
４９ 第１の横方向
５０ 入口流
５１ 第１のノズル
５２ 第２のノズル
５３ 第３のノズル
５４ スロットノズル
６０ 渦発生器
１１１ 公知のバーナ
λ ４２の周期
ｈ₁ ４２の高さ
ｈ₂ ６０の高さ
α₁ 第１のひだ角度
α₂ 第２のひだ角度
β 流入角
γ 進入角
ｌ ２２の長さ
Ｈ ２２の高さ
ｔ₁ 滞留時間
ｔ₂ 点火時間
ｔ₃ 反応時間
ｗ 後縁２４における幅
Ｗ ２２の最大幅

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】