JP3817625B2

JP3817625B2 - バーナ装置

Info

Publication number: JP3817625B2
Application number: JP25005798A
Authority: JP
Inventors: 和雄鈴木; 一雄下平; 努若林; 浩二守家; 裕司中村
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd; Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd; Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 1998-09-03
Filing date: 1998-09-03
Publication date: 2006-09-06
Anticipated expiration: 2018-09-03
Also published as: JP2000074371A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンおよび加熱炉などで好適に用いられる燃料ガスを燃焼するためのバーナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地域発電、地域暖房などを行うために種々のコージェネレーションシステムが提案され実用に供されている。このようなコージェネレーションシステムの代表的な１つのシステムは、燃料ガスを燃焼するためのバーナ装置と、バーナ装置によって燃焼された燃焼ガスによって回転駆動されるガスタービンとを備え、ガスタービンの回転を利用して発電が行われる。
【０００３】
このようなコージェネレーションシステムにおけるバーナ装置は、第１のガス供給手段からの燃料ガスが供給される１次ノズル手段と、第２のガス供給手段からの燃料ガスが供給される２次ノズル手段とを備えたものがある。１次ノズル手段は第１の流路を規定し、第１の流路を流れる空気流に第１のガス供給手段からの燃料ガスが噴出され、これによって可燃性の混合ガスが生成される。また２次ノズル手段は第２の流路を規定し、第２の流路を流れる空気流に第２のガス供給手段からの燃料ガスが噴出され、これによって１次ノズル手段の混合ガスよりもガス濃度の低い可燃性の混合ガスが生成される。このようなバーナ装置では、１次ノズル手段の混合ガスのガス濃度が２次ノズル手段の混合ガスのガス濃度よりも高いので、１次ノズル手段の混合ガスが燃焼され、そしてこの１次ノズル手段の燃焼ガスを利用して２次ノズル手段の混合ガスが燃焼される。燃料ガスをこのように燃焼することによって希薄燃焼が可能となり、また燃焼ガスの燃焼温度を低くすることができ、これによって窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を抑えた高効率な燃焼が可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このようなバーナ装置では第２の流路に噴出される燃料ガスの噴出量を制御することによって、バーナ装置の燃焼出力を制御する。燃焼出力を下げるために燃料ガスの噴出量を少なくすると、燃料ガスに対して空気が過大となって２次ノズル手段からの燃焼火炎が消えたり、燃料ガスの噴出制御が追付かなくなる。したがって低負荷では、２次ノズル手段の燃焼状態が不安定となり、不完全燃焼が発生しやすくなるという問題がある。
【０００５】
また１次ノズル手段からの燃料ガスを燃焼させながら２次ノズル手段からの燃焼火炎を消したりつけたりすると、燃焼ガスの温度変動を引起こし、この燃焼ガスが送給されるガスタービンでは負荷変動の原因となる。
【０００６】
本発明の目的は、燃料ガスの供給流量にかかわらず燃料ガスを安定して燃焼させることができ、燃料ガスを完全燃焼させることのできるバーナ装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料ガスを噴出する主ノズル孔およびパイロットノズル孔を有するノズル体と、
ノズル体を外囲して設けられ、内流路を規定する内筒体であって、ノズル体と内筒体との間には内流路につらなる導入流路が規定されており、さらに内筒体の周壁にガス導入流孔が主ノズル孔に対向して前記導入流路を挟んで形成される内筒体と、
内筒体の半径方向外方に間隔をあけて設けられ、外流路を規定する外筒体と、
内筒体と外筒体との間に設けられ、ガス流れ方向上流側の一端部が主ノズル孔およびガス導入孔の軸線よりも前記ガス流れ方向下流側に設けられ、外流路を半径方向に複数の流路に仕切る円筒状の仕切筒体と、
ノズル体に燃料ガスを供給するガス供給手段と、
導入流路および外流路に空気を供給する空気供給手段とを含むことを特徴とするバーナ装置である。
【０００８】
本発明に従えば、内流路を規定する内筒体はノズル体を外囲して設けられ、内筒体とノズル体との間に内流路につらなる導入流路が形成されており、導入流路と外流路に空気が供給される。導入流路は内筒体とノズル体との隙間に形成されるので、外流路よりも断面積が小さく、導入流路を介して内流路に流入する空気流量は外流路に比べて小さくなる。また主ノズル孔とガス導入孔とは前記導入流路を挟んで対向して設けられているので、燃料ガスは主ノズル孔から前記導入流路を介してガス導入孔に向けて噴出される。これによって、主ノズル孔からの燃料ガスの噴出量が少ないとき、すなわち燃料ガスの噴出速度が低いとき、主ノズル孔からの燃料ガスは導入流路を流れる空気流の作用を受けて空気流とともにガス流れ方向下流側の内流路に向かって流れる。主ノズル孔からの燃料ガスの噴出量が多くなると、すなわち燃料ガスの噴出速度が速くなると、主ノズル孔からの燃料ガスは導入流路を流れる空気流に打勝って、導入流路を横切ってガス導入孔に流入して外流路に向かって流れる。外流路に流入した燃料ガスは、流入量が少ないと仕切筒体によって仕切られた内側の流路内に主として流入し、流入量が多くなると外側の流路内に主として流入する。このように主ノズル孔からの燃料ガスの噴出量が少ないとき、燃料ガスが空気流入量の少ない内流路に主に流入するので、混合ガスの当量比（空気比の逆数）が燃焼可能範囲よりも過小になることが防止され、燃焼火炎は消炎することなく安定的に燃焼を続けることができる。また外流路に流入する燃料ガスの流入量の増減につれて、燃料ガスの主として流入する流路が切換わるので、各流路の断面積を燃料ガスの流入量に見合った空気供給量が得られるように設定すれば、混合ガスの当量比が適正に保たれる。これによって、外流路に流入する燃料ガスの流量が少ないときでも、当量比は燃焼可能範囲よりも過小になることが防止されるので、外流路における燃焼火炎の消炎が防止される。したがって、本発明のバーナ装置は燃料ガスの供給流量にかかわらず安定した燃焼状態で燃焼することができ、燃料ガスの不完全燃焼を防止することができる。
【０００９】
また本発明の前記主ノズル孔およびガス導入孔の軸線は、共通の一直線上に存在し、ガス導入孔の内径は主ノズル孔の内径よりも大きく、前記主ノズル孔の軸線と内筒体の軸線との成す角度θは１０度≦θ≦９０度の範囲の値であることを特徴とする。
【００１０】
本発明に従えば、主ノズル孔およびガス導入孔の軸線は共通の一直線上に存在し、ガス導入孔の内径は主ノズル孔の内径よりも大きく、前記主ノズル孔の軸線と内筒体の軸線との成す角度が適正に設定されているので、主ノズル孔から噴出された燃料ガスは、吐出量が多いとき確実にガス導入孔に導かれ、外流路に流入することができる。
【００１１】
また本発明の前記仕切筒体の燃料ガス流れ方向上流側の一端部は、前記主ノズル孔の軸線よりも下流側にずらして取付けられており、前記ずれの大きさの仕切筒体の全長に対する比率Ｒは０≦Ｒ≦８０％の範囲の値であることを特徴とする。
【００１２】
本発明に従えば、仕切筒体の一端部は前記主ノズル孔の軸線よりも下流側にずらして取付けられており、かつずれの大きさが適正に設定されているので、外流路に流入した燃料ガスを流入量に応じて所望の流路に確実に導くことができる。
【００１３】
また本発明の前記仕切筒体の一端部の外径は、それ以外の部分の外径よりも小さいことを特徴とする。
【００１４】
本発明に従えば、仕切筒体の一端部の外径はそれ以外の部分の外径よりも小さく絞られているので、外流路の内側の流路における入側断面積が小さくなり、外流路の内側の流路に流入する空気量を減少させることができる。また外流路に流入する燃料ガスの流入量が少ないとき、流入した燃料ガスは空気流の作用で外流路の内側の流路に流入するので、外流路の内側の流路では、燃料ガスの流入量と空気量とが見合い、混合ガスの当量比は燃焼可能範囲よりも過小になることが防止される。
【００１５】
また本発明の前記外流路の空気の流速は、内流路の空気の流速よりも高速であることを特徴とする。
【００１６】
本発明に従えば、内流路に流入する空気は、導入流路を介して供給されるので、内流路の空気流量は導入流路の入口部分の断面積によって定まる。導入流路はノズル体と内筒体との間に形成されるので、その入口部分の断面積は小さく、外流路の入口部分の断面積よりも小さい。したがって、内流路に流入する空気流量は外流路に流入する空気流量よりも小流量である。また内流路では、空気が断面積の小さい導入流路から相対的に断面積の大きい内流路に流入するので、内流路の空気の流速が断面積の拡大によって低下し、外流路の空気の流速よりも低速になる。このように、内流路における空気の流速および流量が外流路におけるそれらよりも低速で、かつ小流量であるので、内流路に流入する燃料ガスの流量が少ないときでも燃料ガスと空気との混合ガスの当量比が燃焼可能範囲よりも過小になることが防止され、内流路における燃焼火炎の消炎が防止される。
【００１７】
また本発明は、複数の前記仕切筒体が半径方向に間隔をあけて同軸に設けられ、複数の仕切筒体によって仕切られる各流路の断面積が半径方向外方になるほど大きいことを特徴とする。
【００１８】
本発明に従えば、仕切筒体が半径方向に間隔をあけて複数同軸に設けられているので、ガス導入孔を介して外流路に流入した燃料ガスは流入量が少ないときには空気流の作用によって最も内側の流路に主として流入し、流入量が増加するにつれて順次外側の流路に主として流入する。また複数の仕切筒体によって仕切られる各流路の断面積が半径方向外方になるほど大きくなるように設定されているので、外側の流路に供給される空気流量は内側の流路に供給される空気流量よりも多くなる。これによって、きめ細かく主流入流路を切換えることができるとともに、各流路に供給される空気流量に見合った燃料ガスを流入させることができる。したがって、各流路における混合ガスの当量比が燃焼可能範囲よりも過小になることが確実に防止され、燃焼火炎の消炎が防止される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の一形態であるバーナ装置の主要部の構成を簡略化して示す断面図であり、図２は図１に示すバーナ装置の全体構成を簡略化して示す断面図である。バーナ装置１はディフューザ２を備え、このディフューザ２に円筒状の保持ケース４がフランジ５を介して取付けられている。保持ケース４内には、燃焼ケース６が配設されており、燃焼ケース６の一端部はディフューザ２に装着されている。ディフューザ２には、空気流路８が形成され、この空気流路８を介して燃焼用空気が燃焼ケース６の一端部に供給される。燃焼用空気（以後、空気と略称する）は、空気圧縮機９によって圧縮された状態で送給される。
【００２０】
ディフューザ２には、取付支持ブロック１６が装着され、取付支持ブロック１６に外ガス送給管１８の一端部が装着されている。外ガス送給管１８の他端部には、ノズル体２０が装着されている。ノズル体２０は内部に空間２２が形成され、この内部空間２２を軸線方向に貫通して仕切スリーブ２４が装着されている。前記内部空間２２は、仕切スリーブ２４によって内側の第１空間２２ａと、第１空間２２ａの外側の第２空間２２ｂとに仕切られている。外ガス送給管１８の他端部は、噴射ノズル体２０の第２空間２２ｂに連通されている。外ガス送給管１８の内側には内ガス送給管２６が配設され、その一端部が取付支持ブロック１６に装着され、その他端部がノズル体２０に装着されている。内ガス送給管２６は、ノズル体２０の第１空間２２ａに連通されている。
【００２１】
内ガス送給管２６および外ガス送給管１８には、燃料ガスを供給するためのガス供給手段であるガス供給装置２７が接続されている。ガス供給装置２７は、燃料ガスが蓄えられたガス供給源２５、ガス供給源２５から内ガスおよび外ガス送給管２６，１８に燃料ガスを個別に導く第１および第２ガス送給管２８，３０およびガス供給源２５から供給されるガスの流量を制御する流量制御弁２９ａ，２９ｂを含む。燃料ガスとしては、たとえば都市ガスを好適に用いることができる。
【００２２】
ノズル体２０の外側には内筒体１０が装着されている。内筒体１０は、ステンレス鋼製の略円筒状部材であり、その内部空間は内流路４５（以後、第１流路と呼ぶ）を規定する。内筒体１０の一端部には外向き突部１１が形成されており、外向き突部１１は空気を内流路である第１流路４５内に流入しやすくする。内筒体１０の一端部における周壁の内周面には、周方向に間隔をあけて半径方向内方に突出する内突起３４が一体的に設けられている。内筒体１０は、複数個（本実施の形態では８個）の内突起３４を介してノズル体２０に同軸に支持されている。
【００２３】
図３は図１に示すバーナ装置の主要部を拡大して示す断面図であり、図４は図３の切断面線ＩＶ−ＩＶから見た断面図であり、図５は図解の便宜のために図４からノズル体を取外した状態の断面図である。ノズル体２０は、外径が大きい大径部３１と、半径方向内方にテーパ状に延びる中間テーパ部３３と、外径が小さい小径部３５と先端テーパ部３７とを有し、これらが先端側に向けてこの順序で設けられている。ノズル体２０は、先端部をガス流れ方向下流側（以後、下流側と呼ぶ）に向けて取付けられている。またこれに関連して、内筒体１０の各内突起３４は、先端面が軸線方向に延びる支持部３４ａと、この支持部３４ａから半径方向内方に傾斜して延びる傾斜部３４ｂとを有し、支持部３４ａにノズル体２０の大径部３１が装着されている。このような装着状態においては、ノズル体２０の中間テーパ部３３に対向して内突起３４の傾斜部３４ｂが位置し、中間テーパ部３３と内突起３４の傾斜部３４ｂとの間にはわずかの間隙３９が存在する。また内筒体１０とノズル体２０との間には、図４および図５に示すように周方向の所定範囲にわたって、換言すると内突起３４の支持部３４ａが存在する領域を除く領域に略環状の間隙３８が存在する。これらの間隙３８および中間テーパ部３３と傾斜部３４ｂとの間隙３９は、導入流路を形成する。空気流路８からの空気は、導入流路の入口部分から流入し、導入流路を通過して内筒体１０内の第１流路４５に導かれる。
【００２４】
ノズル体２０の小径部３５と内筒体１０の一端部との間には、インナスワラ３６が配設されている。インナスワラ３６は、図６に示すように周方向に間隔をあけて配設された複数個（本実施の形態では８個）の旋回羽根３２から構成され、本実施の形態では、内突起３４の傾斜部３４ｂの下流側に隣接して内筒体１０の内周面に一体的に設けられている。したがって、導入流路であるノズル体２０と内筒体１０との間隙３８を通過して流れる空気は、このインナスワラ３６によって旋回流と成り、旋回流の状態で第１流路４５内を図１および図２において下流側に流れる。インナスワラ３６は、内筒体１０と別体に形成して両者の間に介在させるようにしてもよい。
【００２５】
再び図１および図２を参照して、内筒体１０の半径方向外方には間隔をあけて外筒体１２が装着されている。外筒体１２は、ステンレス鋼製の略円筒状部材であり、内筒体１０との間に外流路４７を規定する。外筒体１２の一端部の内周面、すなわち外流路４７の入口部分には、アウタスワラ４０が一体的に設けられており、外筒体１２はアウタスワラ４０を介して内筒体１０の外周面に同軸に装着されている。アウタスワラ４０は、インナスワラ３６と同様に周方向に間隔をあけて配設された複数個（本実施の形態では１２個）の旋回羽根から構成される。このようにアウタスワラ４０が設けられているので、外流路４７の入口部分から導入される空気は、アウタスワラ４０の作用によって旋回流と成り、旋回流の状態で外流路４７を図１および図２において下流側に流れる。このアウタスワラ４０は、外筒体１２と別体に形成して内筒体１０および外筒体１２の間に介在させてもよい。
【００２６】
外筒体１２の一端部には、半径方向外方に突出する環状フランジ４２が一体的に設けられ、この環状フランジ４２の先端部に燃焼筒１４の一端部が取付ねじによって取付けられている。燃焼筒１４は、内筒体１０および外筒体１２に同軸に配設され、燃焼ケース６との間には略環状の空間５１が存在する。外筒体１２の長さ方向中央部には、略直円筒状の筒部４１が設けられており、外筒体１２の他端部には、わん曲部４３を介してリング板状の外向き突部４４が形成されている。
【００２７】
本実施の形態では、図３および図４に示すようにノズル体２０の先端テーパ部３７には周方向に間隔をあけて複数個（本実施の形態では８個）のパイロットノズル孔４６が形成され、これらパイロットノズル孔４６がノズル体２０の第１空間２２ａに連通されている。またノズル体２０の中間テーパ部３３には略半径方向に延びる主ノズル孔４８が周方向に間隔をあけて複数個（本実施の形態では８個）形成されている。これら主ノズル孔４８は、ノズル体２０の第２空間２２ｂに連通されている。さらに主ノズル孔４８の各々に対応して、内筒体１０の内突起３４の傾斜部３４ｂにはガス導入孔５０が内筒体１０の周壁を貫通して形成され、主ノズル孔４８とガス導入孔５０とが間隙３９を挟んで相互に対向して配置されている。
【００２８】
主ノズル孔４８およびガス導入孔５０の軸線は、内筒体１０の軸線１０ａを含む仮想平面内に存在し、かつ仮想平面内における共通の一直線上に存在する。前記共通の軸線４９は、下流側に向かうにつれて内筒体１０の軸線１０ａから離れるように延び、前記軸線４９と軸線１０ａとの成す角度θ（以後、主ノズル孔噴出角度と呼ぶ）は１０度≦θ≦９０度の範囲の値に設定される。主ノズル孔噴出角度θの上限値が９０度に限定されるのは、上限値を超える角度では、主ノズル孔４８およびガス導入孔５０をノズル体２０の中間テーパ部３３および内突起３４の傾斜部３４ｂに形成することが物理的に困難であるためである。主ノズル孔噴出角度θの下限値の限定理由については後述する。前記ガス導入孔５０の内径Ｄ１は、ノズル体２０の主ノズル孔４８の内径Ｄ２と実質上等しくまたはこれよりも大きく設定することが望ましい。これによって、主ノズル孔４８から噴出された燃料ガスはガス導入孔５０に流入しやすくなる。
【００２９】
内筒体１０と外筒体１２との間には、仕切筒体５４が設けられている。仕切筒体５４は、ステンレス鋼製の略円筒状部材であり、外流路４７を半径方向に仕切る。仕切筒体５４によって仕切られた内側の流路５５（以後、第２流路と呼ぶ）の断面積は、外側の流路５６（以後、第３流路と呼ぶ）の断面積よりも小さくなるように形成される。この理由は後述する。仕切筒体５４のガス流れ方向上流側一端部は、図３に示すように前記軸線４９よりも下流側にずらして取付けられている。前記ずれの大きさは、軸線４９と仕切筒体５４の延長との交点をＫとすると交点Ｋから仕切筒体の一端部までの距離Ｌ２によって表される。本実施の形態では前記ずれの大きさＬ２の仕切筒体５４の全長Ｌ１に対する比率Ｒ（＝Ｌ２／Ｌ１×１００）は０≦Ｒ≦８０％の範囲の値に設定されることが好ましい。この理由についても後述する。
【００３０】
このように構成されているので、ガス送給管２８を介して供給される燃料ガスは、内ガス送給管２６を介してノズル体２０の第１空間２２ａに送給され、パイロットノズル孔４６を介して噴出される。内筒体１０は、図１および図２に示すように第１流路４５を規定し、この第１流路４５の一端部、すなわち上流側部はノズル体２０と内筒体１０との間に延びて前記導入流路を形成する。空気流路８を流れる空気の一部は、前記導入流路を通過して下流側の第１流路４５に流入する。パイロットノズル孔４６から噴出される燃料ガスは、インナスワラ３６によって旋回流を形成している空気流に向けて噴出され、旋回流の作用によって実質状均一に混合されて希薄な混合ガスとなる。パイロットノズル孔４６から噴出される燃料ガスの噴出量は、ガス供給装置２７の流量制御弁２９ａを操作することによって制御することができる。
【００３１】
ガス送給管３０を介して供給される燃料ガスは、外ガス送給管１８を介してノズル体２０の第２空間２２ｂに供給され、主ノズル孔４８から噴出される。外筒体１２および仕切筒体５４は、図１〜図３に示すように、略環状の第２および第３流路５５，５６を規定し、空気流路８を流れる空気の一部はアウタスワラ４０を介して第２および第３流路５５，５６に流入して下流側に流れる。主ノズル孔４８から噴出される燃料ガスは、後述するように間隙３９を通過して第１流路４５に、また間隙３９を横断してガス導入孔５０を介して外流路４７に噴出される。外流路４７に噴出された燃料ガスは、アウタスワラ４０によって旋回流を形成している空気流に向けて噴出され、旋回流の作用によって均一に混合されて希薄な混合ガスとなる。主ノズル孔４８から噴出される燃料ガスの噴出量は、ガス供給装置２７の流量制御弁２９ｂを操作することによって制御することができる。
【００３２】
空気流路８を介して流れる空気の残部は、燃焼筒１４と燃焼ケース６との間の空間５１を通過して流れる。本実施の形態では、燃焼筒１４には周方向および軸線方向に間隔をあけて複数個の空気孔５２が形成されており、空間５１を介して流れる空気はこれら空気孔５２を通過して燃焼筒１４内に導入される。空気孔５２を通過して導入される空気は、燃焼筒１４の内周面に沿って流れる空気層を形成し、この空気層によって燃焼筒１４が冷却される。また燃焼筒１４には希釈孔５３が設けられており、空間５１を流れる空気が希釈孔５３を通過して燃焼筒１４内に導入され、導入した空気によって燃焼ガスの温度が異常に上昇しないように低下される。
【００３３】
内筒体１０、仕切筒体５４および外筒体１２の他端部（以後、先端部と呼ぶことがある）は、図１および図２に示すように実質上同じ位置またはほぼ同じ位置まで下流側に延びており、燃焼筒１４の他端部はそれらよりもさらに下流側に延びている。したがって、第１流路４５を流れる混合ガスによる燃焼火炎は、内筒体１０の内部もしくは先端部から下流側に生成され、第２および第３流路５５，５６を流れる混合ガスによる燃焼火炎は仕切筒体５４および外筒体１２の先端部から下流側に生成される。
【００３４】
本実施の形態では、第１流路４５を流れる混合ガスのガス濃度は第２および第３流路５５，５６を流れる混合ガスのガス濃度よりも濃くなるように設定されている。そして、このことに関連して混合ガスを点火するための点火プラグ５８が第１流路４５内に突出して設けられている。点火プラグ５８は、その基部が保持ケース４に装着され、その先端部が燃焼ケース６、燃焼筒１４、外筒体１２、仕切筒体５４および内筒体１０を貫通して第１流路４５内に突出している。点火プラグ５８の先端点火部は、第１流路４５を流れる混合ガスに向けて火花を発生し、この火花によって第１流路４５の混合ガスが点火燃焼される。さらに第１流路４５において発生した燃焼ガスの火炎が第２および第３流路５５，５６を流れる混合ガスに伝播され、この火炎の伝播によって第２および第３流路５５，５６の混合ガスが燃焼される。
【００３５】
前記導入流路を規定するノズル体２０と内筒体１０との間隙は、内筒体１０と仕切筒体５４との間隙および仕切筒体５４と外筒体１２との間隙よりも小さく設定されている。これによって、導入流路の入口部分の断面積は外流路４７の入口部分の断面積よりも小さくなるので、導入流路を介して内流路である第１流路４５に流入する空気流量は、外流路４７に流入する空気流量よりも小流量になる。また導入流路の入口部分から流入した空気は、導入流路の狭い間隙を通過した後、下流側の相対的に広い断面積を有する第１流路４５内に流入するので、第１流路４５を流れる空気流の流速は比較的遅くなる。これに対して外流路４７を形成する第２および第３流路５５，５６を流れる空気流の流速は比較的速くなる。すなわち本実施の形態では、外流路４７における空気の流速は、第１流路４５における空気の流速よりも高速になるように構成されている。このように、第１流路４５における空気の流速および流量が外流路４７におけるそれらよりも低速で、かつ小流量であるので、第１流路４５に流入する燃料ガスの流量が少ないときでも、燃料ガスと空気との混合ガスの当量比が燃焼可能範囲よりも過小になることが防止される。したがって、第１流路４５における燃焼火炎の消炎が防止され、混合ガスを安定して燃焼させることができる。
【００３６】
燃焼筒１４の先端部には、さらに筒状の導出筒６０が設けられている。導出筒６０は、下流側に延び、その先端部は先細に形成されている。導出筒６０の先端部は、燃焼ケース６の先端部に装着された支持プレート６４によって支持されている。燃焼筒１４から導出筒６０の一端部に導かれた燃焼ガスは、導出筒６０内を通って先細の先端部に集められて下流側に流れる。導出筒６０の先端側にはガスタービン６２が配設されており、燃焼筒１４内で燃焼された燃焼ガスは導出筒６０を通過してガスタービン６２に送給される。このようなバーナ装置１は、図７に示すようにガスタービン６２の翼に対して仮想円６３の周方向に間隔をあけて複数基、たとえば６基配設される。ガスタービン６２は、各バーナ装置１からの燃焼ガスによって回転駆動される。
【００３７】
このようなバーナ装置１では、点火時ガス供給装置２７からの燃料ガスが内ガス送給管２８を介してノズル体２０の第１空間２２ａに送給され、第１空間２２ａからパイロットノズル孔４６を介して燃料ガスが噴出される。したがって、第１流路４５を流れる空気流に向けて燃料ガスが噴出され、比較的濃い濃度の混合ガスが第１流路４５を通過して流れる。前記混合ガス流に向けて点火プラグ５８から火花が発生すると、この火花によって混合ガスが燃焼し、第１流路４５を流れる混合ガスが燃焼して燃焼ガスと成る。
【００３８】
点火後、ガス供給装置２７からの燃料ガスが外ガス送給管１８を介してノズル体２０の第２空間２２ｂに送給され、第２空間２２ｂから主ノズル孔４８を介して燃料ガスが噴出される。燃料ガスの噴出量は、たとえば燃料ガスがノズル体２０の中間テーパ部３３と内筒体１０の内突起３４の傾斜部３４ｂとの間隙３９を横断し、ガス導入孔５０を経て第２流路５５内に流入できるように設定される。これによって、第２流路５５を流れる空気流に向けて燃料ガスが噴出され、第１流路４５を流れる混合ガスのガス濃度よりも薄い濃度の混合ガスが第２流路５５を介して流れる。第２流路５５を流れる混合ガスは、第１流路４５からの火炎が第２流路５５に伝播することによって、燃焼して燃焼ガスと成る。
【００３９】
このように、第２流路５５を流れる混合ガスが燃焼を開始すると、ガス供給装置２７から内ガス送給管２６を介してパイロットノズル孔４６に供給される燃料ガスの供給が停止される。このような燃焼状態において、バーナ装置１の燃焼出力を下げるためにガス供給装置２７からの燃料ガスの供給量を少なくすると、ノズル体２０の主ノズル孔４８から噴出される燃料ガスの噴出量が少なくなってその噴出速度も遅くなる。噴出速度が遅くなると、図３から明らかなように、主ノズル孔４８から噴出される燃料ガスは、ノズル体２０の大径部３１と内筒体１０との間を通り中間テーパ部３３と内突起３４の傾斜部３４ｂとの間隙３９を流れる空気流の作用を大きく受け、空気流とともに第１流路４５に向かって流れるようになる。これによって、主ノズル孔４８から噴出される燃料ガスの大部分は、第１流路４５を通って流れ、ガス導入孔５０を通って第２流路５５に噴出される量は少なくなる。したがって、空気の流れが比較的遅く、かつ空気流量が少ない第１流路４５において生成される混合ガスのガス濃度が濃くなり、燃料ガスの供給量が少ないにもかかわらず第１流路４５において混合ガスが安定して燃焼する。
【００４０】
これに対して、バーナ装置１の燃焼出力を上げるためにガス供給装置２７からの燃料ガスの供給量を多くすると、ノズル体２０の主ノズル孔４８から噴出される燃料ガスの噴出量が多くなって、その噴出速度も速くなる。燃料ガスの噴出速度が速くなると、図３から明らかなように主ノズル孔４８から噴出される燃料ガスはノズル体２０の中間テーパ部３３と内突起３４の傾斜部３４ｂとの間隙３９を流れる空気流の作用に打勝って、間隙３９を横断して内筒体１０の傾斜部３４ｂのガス導入孔５０に流れるようになる。またガス導入孔５０を介して供給される供給量は、燃料ガスの供給量が多くなるに従って多くなる。
【００４１】
本実施の形態では、ガス導入孔５０を介して外流路４７に流入する燃料ガスは流入量によって主流入流路が切換わるように構成されている。すなわち燃料ガスの流入量が少なくて流入速度が遅いときには、燃料ガスはアウタスワラ４０からの空気流の作用によって第２流路５５に主として流入し、燃料ガスの流入量が多くて流入速度が速いときには、燃料ガスはアウタスワラ４０からの空気流に打勝って第３流路５６に主として流入にする。これによって、燃料ガスの流入量の多いときには断面積が大きくて空気流量の多い第３流路５６に燃料ガスが主として流入し、燃料ガスの流入量の少ないときには断面積が小さくて空気量の少ない第２流路５５に燃料ガスが主として流入するので、混合ガスの当量比が過小になることが防止され、各流路出側における燃焼火炎の消炎が防止される。したがって安定した燃焼状態を維持することができるとともに、消炎による不完全燃焼の発生を防止することができる。前述のように、第３流路５６の断面積を第２流路５５の断面積よりも大きく形成しているのはこの理由によるものである。
【００４２】
このような外流路４７における流入流路の切換えを円滑に行うためには、前述のように主ノズル孔噴出角度θを１０度≦θ≦９０度の範囲の値に設定することが好ましい。主ノズル孔噴出角度θの下限値を１０度に限定したのは、下限値未満の角度では外流路４７に流入した燃料ガスが内筒体１０の外周面に沿って下流側に流れるので、その大半が第２流路５５内に流入し、流入流量が増加しても第３流路５６内に流入しにくくなるからである。したがって燃料ガスの流量に応じて主流入流路を円滑に切換えることができなくなる。主ノズル孔噴出角度θは、３０度≦θ≦６０度であることがさらに好ましく、θ＝４５度であることが最も好ましい。
【００４３】
また前記流入流路の切換えを円滑に行うためには、前述のように仕切筒体５４に関する前記ずれの大きさＬ２の仕切筒体５４の全長Ｌ１に対する比率Ｒ（＝Ｌ２／Ｌ１×１００）を０≦Ｒ≦８０％の範囲の値に設定することが好ましい。比率Ｒの下限値を零に限定したのは、下限値未満の比率Ｒでは仕切筒体５４の一端部が前記交点Ｋよりも上流側、換言すれば主ノズル孔４８の軸線４９よりも上流側に設けられることとなり、主ノズル孔４８から軸線４９に沿って噴出される燃料ガスが第３流路５６内に流入しにくくなるからである。比率Ｒの上限値を８０％に限定したのは、上限値を超える比率Ｒでは仕切筒体５４の位置が下流側に離れているので、外流路４７に流入した燃料ガスが空気と均一に混合された後、第２および第３流路に供給されることとなり、仕切筒体５４の仕切効果が発揮できなくなるからである。前記比率Ｒは５％≦Ｒ≦５０％の範囲の値であることが特に好ましい。
【００４４】
前述のように本実施の形態では、燃料ガスの供給量を多くして燃焼出力を増大させるときに、燃料ガスが外流路４７の第２および第３流路５５，５６に流入し、燃料ガスの供給量を少なくして燃焼出力を低下させるときに、燃料ガスが第１流路４５に流入するように構成されている。また外流路４７に供給される空気流量は、内流路である第１流路４５に供給される空気流量よりも大きくなるように構成されている。したがって、各流路において空気流量に見合った燃料ガスが供給され、燃焼火炎の消炎などの不具合を生ずることなく、混合ガスを安定して燃焼させることができる。
【００４５】
このように、ノズル体２０の主ノズル孔４８から噴出される燃料ガスをその噴出量に応じて第１流路４５および外流路４７に流入するようにするには、第１流路４５を流れる空気流の流速、主ノズル孔４８の大きさおよびノズル体２０の中間テーパ部３３と内筒体１０の傾斜部３４ｂとの間の間隙３９を適正に設定する必要がある。これらはバーナ装置１に要求される燃焼出力に基づいて設定され、たとえば前記間隙３９は０．１〜１．０ｍｍ程度に設定することができる。またノズル体２０の主ノズル孔４８から噴出される燃料ガスを前記間隙３９を流れる空気流に打勝って外流路４７に充分噴出するためには、主ノズル孔４８からの燃料ガスの最大噴出速度を１〜１０００ｍ／ｓの範囲にするのが望ましい。
【００４６】
以上述べたように、本実施の形態のバーナ装置１では表１に示すように燃料ガスはその供給量が少ないときには、比較的濃い混合ガスとなって主として第１流路４５において燃焼され、燃料ガスの供給量が中位のときには、比較的薄い混合ガスとなって主として第２流路５５の出側において燃焼され、燃料ガスの供給量が多いときには、比較的薄い混合ガスとなって主として第３流路５６の出側において燃焼される。これによってガス供給装置２７からの燃料ガス供給量が大きく変わっても燃料ガスを安定して燃焼することができる。表１中の○印は燃料ガスが主に供給される流路を表す。
【００４７】
【表１】

【００４８】
本実施の形態では、点火後にパイロットノズル孔４６の燃料ガスの供給を停止しているけれども、これに限定されるものではなく、点火後も常時パイロットノズル孔４６へ燃料ガスを供給して燃焼するようにしてもよい。また燃料ガスを外流路４７に導くガス導入孔５０は、内筒体１０の内突起３４に形成されているけれども、管状体を内筒体１０の内周面に設けるように構成してもよい。また主ノズル孔４８およびガス導入孔５０の軸線は、同一であり、内筒体１０の軸線１０ａを含む仮想平面内に存在するように構成されているけれども、アウタスワラ４０からの空気の旋回流に沿って仮想平面に対して交差するように傾斜させてもよい。
【００４９】
図８は、本発明の他の実施の形態であるバーナ装置の主要部の構成を簡略化して示す断面図である。本実施の形態のバーナ装置６５の構成は、図１〜３に示すバーナ装置１の構成と類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して説明を省略する。注目すべきは、仕切筒体６６の上流側一端部の外径が絞られており、その他の部分の外径よりも小さくなるように形成されている点である。これによって、第２流路５５に流入する空気流量が減少するので、ガス導入孔５０を介して外流路４７に流入する燃料ガス流量が少ないとき、燃料ガスの主流路となる第２流路５５内において少ない燃料ガスとそれに見合う減少した空気とを混合させることができる。したがって混合ガスの当量比が燃焼可能範囲よりも過小になることが防止され、燃焼火炎の消炎を防止することができる。その結果、混合ガスを安定して燃焼させることができ、燃料ガスを完全燃焼させることが可能となる。
【００５０】
図９は、本発明のさらに他の実施の形態であるバーナ装置の主要部の構成を簡略化して示す断面図である。本実施の形態のバーナ装置６８の構成は、前記バーナ装置１の構成と類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して説明を省略する。注目すべきは、本実施の形態では仕切筒体が３個設けられている点である。第１〜第３仕切筒体６９，７０，７１は、内筒体１０と外筒体１２との間に内側からこの順序で設けられ、外流路４７を４つに仕切って第２〜第５流路５５，５６，７３，７４を内側からこの順序で規定する。また各流路の断面積は、外側になるほど大きくなるように形成されており、第５流路７４の断面積が最も大きい。このため、外側の流路になるほど供給される空気流量が多くなる。
【００５１】
第３仕切筒体７１の一端部は、主ノズル孔４８の軸線４９よりも下流側にずらして取付けられている。前記ずれの大きさは、前記軸線４９と第３仕切筒体７１の延長との交点をＰとすると、交点Ｐから第３仕切筒体７１の一端部までの距離Ｌ３によって表される。前記ずれの大きさＬ３の第３仕切筒体７１の全長Ｌ４に対する比率Ｒ１（＝Ｌ３／Ｌ４×１００）は、前記バーナ装置１の場合と同様に０≦Ｒ１≦８０％の範囲の値であることが好ましく、５％≦Ｒ１≦５０％の範囲であることが特に好ましい。第１および第２仕切筒体６９，７０のガス流れ方向設置位置および全長は第３仕切筒体７１と同一である。
【００５２】
ガス導入孔５０を介して外流路４７に流入した燃料ガスは、流入量が少ないときには第２流路５５に主として流入し、流入量が増大するにつれて順次外側の流路に主として流入する。これによって、本実施の形態では前記バーナ装置１に比べてさらにきめ細かく主流入流路を切換えることができるので、各流路に供給される空気流量に見合った燃料ガスを流入させることができ、各流路における混合ガスの当量比は燃焼可能範囲よりも過小になることがさらに確実に防止される。
【００５３】
以上述べたように、本発明はガスタービンの燃焼器のバーナ装置として好適に用いることができる。しかしながら、本発明の用途はガスタービンのみに限定されるものではなく加熱炉のバーナ装置など広範囲な用途に好適に用いることが可能である。
【００５４】
実施例
本発明のバーナ装置の効果を確認するために、実施例として図１〜図３に示すバーナ装置１を用いて燃料ガスの燃焼実験を行った。用いたバーナ装置１における各部材の寸法などは表２に示す通りであった。内筒体１０の内突起３４の傾斜部３４ｂと、ノズル体２０の中間テーパ部３３との間隙３９は０．５ｍｍに設定した。仕切筒体５４の一端部と、主ノズル孔４８の軸線４９とのずれＬ２の仕切筒体５４の長さＬ１に対する比率Ｒ（＝Ｌ２／Ｌ１×１００）は１０％に設定した。これに対して比較例として、仕切筒体を省略した点を除いて実施例と同一の構成を有するバーナ装置を用いて燃料ガスの燃焼実験を行った。
【００５５】
【表２】

【００５６】
このようなバーナ装置を用いた燃焼実験では、空気流路８を介して温度３５０℃の空気を流量７００Ｎｍ³ ／ｈで供給した。供給された空気は、第１流路４５、外流路４７および燃焼筒１４の外側の流路５１を介して下流側に流れた。この燃焼筒１４の外側の流路５１を流れる空気は、燃焼筒１４の空気孔５２を介して燃焼筒１４内に流入した。燃料ガスとしてメタンを用い、流量１Ｎｍ³／ｈでノズル体２０のパイロットノズル孔から噴出させるとともに、流量２４．７Ｎｍ³／ｈでノズル体２０の主ノズル孔から噴出させた。供給した空気とメタンとを混合して混合ガスとし、点火プラグ５８で点火させて混合ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成した。点火後、パイロットノズル孔４６からのメタンの噴出を停止し、主ノズル孔４８から噴出されるメタンの噴出流量を２５．７Ｎｍ³／ｈにした。このときの混合ガスの当量比は０．３５であった。その後メタン供給量を漸減して、換言すれば当量比を漸減して燃焼状態の変化を調べた。燃焼状態の評価は、燃焼効率と排出ガス中のＮＯｘ含有率で行った。その結果を図１０および図１１に示す。
【００５７】
図１０は混合ガスの当量比と燃焼効率との関係を示すグラフであり、図１１は混合ガスの当量比と排ガス中のＮＯｘ含有率との関係を示すグラフである。燃焼効率は、混合ガス中の燃料ガスの完全燃焼の程度を表す指標であり、排ガス中の不完全燃焼生成物であるＣＯおよびＨＣの含有率（％）を測定することによって算出される。これらの成分は、燃焼火炎の消炎などによって不完全燃焼が生じていることを表す。したがって、排ガス中にＣＯおよびＨＣが含まれないとき燃焼効率は１００％となる。図１０および図１１中において、実施例の実験結果を参照符７５で表し、比較例の実験結果を参照符７６で表す。図１０中における参照符７７は、実施例の第１流路４５に燃料ガスが主として流入する当量比範囲を表しており、参照符７８は実施例の第２流路５５に燃料ガスが主として流入する当量比範囲を表しており、参照符７９は実施例の第３流路５６に燃料ガスが主として流入する当量比範囲を表している。また図１０中における参照符８０は、比較例の第１流路すなわち内筒体１０内に燃料ガスが主として流入する当量比範囲を表しており、参照符８１は比較例の第２流路すなわち外流路に燃料ガスが主として流入する当量比範囲を表している。
【００５８】
図１０から、当量比０．３０〜０．３５の範囲では実施例７５および比較例７６とも燃焼効率が１００％であること、当量比０．３０未満では実施例および比較例とも当量比が低くなるほど燃焼効率が低下すること、実施例７５は比較例７６に比べて当量比の低下に対する燃焼効率の低下度合いが小さいこと、したがって同一の当量比で比較すると実施例７５は比較例７６に比べて燃焼効率が良好であること、この傾向は特に当量比０．１〜０．２５において、すなわち実施例のバーナ装置１の第２流路５５に主として燃料ガスが流入しているときに顕著であることなどが判る。また図１１から、排ガス中のＮＯｘ含有率は実施例７５および比較例７６ともほぼ同一であること、排ガス中のＮＯｘ含有率はともに低水準であることなどが判る。このように実施例のバーナ装置１は、当量比を低くしてもすなわちメタンの供給量を少なくしても低ＮＯｘ性を保ったまま良好な燃焼効率を維持することができる。
【００５９】
【発明の効果】
以上のように請求項１記載の本発明によれば、主ノズル孔からの燃料ガスの噴出量が少ないとき、燃料ガスが空気流入量の少ない内流路に主に流入するので、混合ガスの当量比が燃焼可能範囲よりも過小になることが防止され、燃焼火炎は消炎することなく安定的に燃焼を続けることができる。また外流路に流入する燃料ガスの流入量の増減につれて燃料ガスの主に流入する流路が切換わるので、各流路における混合ガスの当量比が適正に保たれる。これによって、外流路に流入する燃料ガスの流量が少ないときでも当量比が燃焼可能範囲よりも過小になることが防止されるので、外流路における燃焼火炎の消炎が防止される。したがって、燃料ガスの供給流量にかかわらず、混合ガスを安定して燃焼させることができ、燃料ガスの不完全燃焼を防止することができる。
【００６０】
また請求項２記載の本発明によれば、主ノズル孔およびガス導入孔の軸線は共通の一直線上に存在し、ガス導入孔の内径は主ノズル孔の内径よりも大きく、かつ前記主ノズル孔の軸線と内筒体の軸線とのなす角度が適正に設定されているので、主ノズル孔から噴出された燃料ガスは、噴出量が多いとき確実にガス導入孔に導かれ外流路に流入することができる。
【００６１】
また請求項３記載の本発明によれば、仕切筒体の一端部は前記主ノズル孔の軸線よりも下流側にずらして取付けられており、かつずれの大きさが適正に設定されているので、外流路に流入した燃料ガスを流入量に応じて所望の流路に確実に導くことができる。
【００６２】
また請求項４記載の本発明によれば、仕切筒体の一端部の外径はそれ以外の部分の外径よりも小さく設定されているので、外流路の内側の流路における入側断面積が小さくなり、外流路の内側の流路に流入する空気量を減少させることができる。また外流路に流入する燃料ガスの流入量が少ないとき、流入した燃料ガスは外流路の内側の流路に流入するので、外流路の内側の流路では燃料ガスの流入量と空気量とが見合い、混合ガスの当量比が燃焼可能範囲よりも過小になることが防止される。
【００６３】
また請求項５記載の本発明によれば、内流路の空気の流速は、外流路の空気の流速よりも低速である。また内流路に流入する空気流量は、外流路に流入する空気流量よりも小流量である。したがって、内流路に流入する燃料ガスの流量が少ないときでも、混合ガスの当量比が燃焼可能範囲よりも過小になることが防止され、内流路における燃焼火炎の消炎が防止される。
【００６４】
また請求項６記載の本発明によれば、仕切筒体が半径方向に間隔をあけて複数同軸に設けられているのでガス導入孔を介して外流路に流入した燃料ガスは流入量が少ないときには最も内側の流路に主として流入し、流入量が増大するにつれて順次外側の流路に主として流入する。また複数の仕切筒体によって仕切られる各流路の断面積が半径方向外方になるほど大きくなるように設定されているので、外側の流路に供給される空気流量は内側の流路に供給される空気流路よりも多くなる。これによって、きめ細かく主流入流路を切換えることができるとともに、各流路に供給される空気流量に見合った燃料ガスを流入させることができる。したがって、各流路における混合ガスの当量比が燃焼可能範囲よりも過小になることが確実に防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態であるバーナ装置の主要部の構成を簡略化して示す断面図である。
【図２】図１に示すバーナ装置の全体構成を簡略化して示す断面図である。
【図３】図１に示すバーナ装置の主要部を拡大して示す断面図である。
【図４】図３の切断面線ＩＶ−ＩＶから見た断面図である。
【図５】図４からノズル体を取外した状態の断面図である。
【図６】インナスワラの構成を簡略化して示す斜視図である。
【図７】ガスタービンに対するバーナ装置の配置状況を示す斜視図である。
【図８】本発明の他の実施の形態であるバーナ装置の主要部の構成を簡略化して示す断面図である。
【図９】本発明のさらに他の実施の形態であるバーナ装置の主要部の構成を簡略化して示す断面図である。
【図１０】混合ガスの当量比と燃焼効率との関係を示すグラフである。
【図１１】混合ガスの当量比と排ガス中のＮＯｘ含有率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１，６５，６８バーナ装置
８空気流路
１０内筒体
１２外筒体
１４燃焼筒
２０ノズル体
２７ガス供給装置
２９流量制御弁
３４内突起
３６インナスワラ
４０アウタスワラ
４５第１流路
４６パイロットノズル孔
４７外流路
４８主ノズル孔
５０ガス導入孔
５２空気孔
５４仕切筒体
５５第２流路
５６第３流路
５８点火プラグ
６０導出筒

Claims

燃料ガスを噴出する主ノズル孔およびパイロットノズル孔を有するノズル体と、
ノズル体を外囲して設けられ、内流路を規定する内筒体であって、ノズル体と内筒体との間には内流路につらなる導入流路が規定されており、さらに内筒体の周壁にガス導入流孔が主ノズル孔に対向して前記導入流路を挟んで形成される内筒体と、
内筒体の半径方向外方に間隔をあけて設けられ、外流路を規定する外筒体と、
内筒体と外筒体との間に設けられ、ガス流れ方向上流側の一端部が主ノズル孔およびガス導入孔の軸線よりも前記ガス流れ方向下流側に設けられ、外流路を半径方向に複数の流路に仕切る円筒状の仕切筒体と、
ノズル体に燃料ガスを供給するガス供給手段と、
導入流路および外流路に空気を供給する空気供給手段とを含むことを特徴とするバーナ装置。
前記主ノズル孔およびガス導入孔の軸線は、共通の一直線上に存在し、ガス導入孔の内径は主ノズル孔の内径よりも大きく、前記主ノズル孔の軸線と内筒体の軸線との成す角度θは１０度≦θ≦９０度の範囲の値であることを特徴とする請求項１記載のバーナ装置。
前記仕切筒体の燃料ガス流れ方向上流側の一端部は、前記主ノズル孔の軸線よりも下流側にずらして取付けられており、前記ずれの大きさの仕切筒体の全長に対する比率Ｒは０≦Ｒ≦８０％の範囲の値であることを特徴とする請求項１または２記載のバーナ装置。
前記仕切筒体の一端部の外径は、それ以外の部分の外径よりも小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のバーナ装置。
前記外流路の空気の流速は、内流路の空気の流速よりも高速であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のバーナ装置。
複数の前記仕切筒体が半径方向に間隔をあけて同軸に設けられ、複数の仕切筒体によって仕切られる各流路の断面積が半径方向外方になるほど大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のバーナ装置。