JP3828969B2 - 予混合バーナ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、旋回流を安定化させる内室を有し、該内室がその流動方向で円錐状に延びるインナボディを備えており、前記内室の外套が、内室内への燃焼媒体の通流のために長手延在方向で接線方向に配置された少なくとも１つの空気流入スリットによって中断されている形式の予混合バーナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料を希薄に予混合された混合気を燃焼させることは、窒素化合物含有量の僅少な燃料の燃焼時における有害物質放出、特に窒素酸化物放出を低減させるために汎用されている方法である。実験用バーナを用いての空気と燃料との混合特質の改善によって窒素酸化物放出、特にガスタービンの場合のような高圧燃焼時の窒素酸化物の更なる低減が可能になることは、刊行文献に基づいて公知になっている。しかし、この種の実験用バーナをメカニカルテクノロジへ転用することは必ずしも容易なことではない。それというのは、その場合には火炎安定化とバックファイヤ防止に関して高い要求が課されるからである。従来慣用の旋回流を安定化させた機械適性の予混合バーナは、火炎区域の直前で初めて燃料を燃焼空気内へ混入する。この点に関する実験の結果、かかる予混合バーナによっては火炎区域に至るまでに空気と燃料との均一な混合は到底得られないことが判った。混合時間を延長させるために、ひいては混合特質を改善するために上流側へ燃料噴入点をずらすことは、これに伴つてバックファイヤが生ぜしめるリスクがあるために、機械適性の予混合バーナでは許容することができない。
【０００３】
国際特許出願公開第９３／１７２７９号明細書に基づいて公知になっているバーナは主として１つの円筒室から成り、該円筒室自体は、接線方向に配置された複数のスリットを有しており、該スリットを通して燃焼空気が円筒室の内部に流入するようになっている。前記スリットの領域では円筒室の内部への移行部で１列の燃料ノズルが軸方向に作用しており、該燃料ノズルを介して有利にはガス状燃料が、スリットを通流する燃焼空気に混加される。円筒室の内部には更に、流動方向で先細になった円錐体が配置されており、該円錐体の尖端領域内には、有利には液状燃料のための別の燃料ノズルが複数設けられている。この円錐体の尖端の下流で燃焼空気は着火される。バーナの予混合区域の外部で火炎を安定化させるために、円筒室内の流れ自体がサブクリティカル（臨界未満）でなければならず、つまりこの場合は、渦崩壊を生ぜしめない程度に旋動（スワール）係数が小さくなければならない。臨界旋動係数は適正部位における３つのパラメータによって得られ、すなわち接線方向のスリットのギャップ幅の変化と、円筒室の内部の円錐体の角度の適合と、旋回流の有無に関わらず中央の支援空気の添加とによって得られる。スリット領域内で燃料を噴入することに基づいて、該スリットの設計は著しく制約を受ける。その上、バーナの端部に位置し、従って火炎前面の平面に直接近傍した領域内に位置しているような燃料ノズルの場合には特に、空気と燃料との最適な均一混合を直接的に得ることはできない。更に又、燃料ノズルが火炎前面の平面近傍に位置していることによって、潜在的なバックファイヤ発生リスクが存在している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題とするところは、上述の不都合に対処すべく、冒頭に記載した形式の予混合バーナにおいて、混合特質を改善し、かつ全運転中にわたるバックファイヤ発生リスクを排除することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明の構成手段は、請求項１に記載したように、接線方向の空気流入スリットの上流側に供給通路が延在しており、該供給通路が、空気流に渦を発生させる手段と燃料を導入する手段とを備えており、燃料の導入が、前記空気流の渦の発生のための手段（渦発生器）の下流側で行われるようになっている点にある。
【０００６】
【作用】
本発明の格別顕著な利点は、上述の改善が、旋回流を安定化させるすべての予混合バーナにおいて適応可能であり、特に２つ又は複数の互いにオフセットされた部分シェルの原理に基づいて構成されていて、互いにオフセットされた該部分シェルによって開放的又は閉鎖的にバーナ軸線に対して平行に延びる空気流入スリットを形成する形式の、逆流区域の形成のために臨界的な旋動係数の要求下で機能するような予混合バーナにおいて適応可能であることである。
【０００７】
同等ことは、外側のシェルが管の形状に一体的に成形されていると共に、内部への空気流入を、接線方向に配置された所定数の通路により行う形式のバーナについても当て嵌まる。
【０００８】
本発明に基づく解決手段の別の有利にして効果的な実施形態は請求項２以降に記載した通りである。
【０００９】
【実施例】
次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説する。但し本発明を理解する上で直接には必要と認められないような構造エレメントは全て省かれている。なお流動媒体の流動方向は矢印によって示した。すべての図面において同一の構成エレメントには同一符号を付して、これを示した。
【００１０】
予混合バーナ１の構造を一層良く理解するためには、図１及び図２又は図３を同時に参照するのが有利である。更に、図１を必要以上に見難くしないように、図２又は図３に記載した供給通路１１ｃ，１２ｃは図１では図示を省いた。以下において図１に関する説明でも必要に応じて図２及び図３が参照される。
【００１１】
図１に示した予混合バーナ１は２つの中空な部分シェル１１，１２から成り、両部分シェルは互いにオフセツトされて互いに内外に入り込んでいる（図２を参照）。それぞれの中央軸線又は縦対称軸線１１ｂ，１２ｂ（図２参照）相互のオフセツトにより、両側に、鏡面対称的な配置でそれぞれ１つの接線方向の空気流入スリット１１ａ，１２ａが開かれており、これらの空気流入スリットを通して、予混合バーナの部分シェル１１，１２により形成された内室２０内へ燃焼混合気１５が流入する。以下に、この空気流入スリット１１ａ，１２ａの構成について詳しく説明する。前記の両部分シェル１１，１２は流動方向で円筒状に延びている。
【００１２】
内室２０によって形成される流過横断面は、使用目的に応じて規則的又は不規則的に流動方向に減少又は増大するように構成することができる。その場合は１例として流動方向でベンチュリ管として形成された、内室２０の流過横断面が使用されることになる。前述のその他の可能な実施例は当業者にとって容易に推考可能であるため詳細な図示は省いた。内室２０内には、流動方向に先細になる円錐状のインナボディ１３が配置されており、該インナボディ１３は内室２０内へ充分に深く突入しており、かつ尖頭状端部で終わっている。このインナボディ１３の円錐状の構成は図示の形状に制約されるものではない。インナボディ１３の別の形態はディフューザ又はコンフューザとしても実施可能である。インナボディ１３は少なくとも１つの孔１４により貫通されており、この孔を通して有利には液状燃料１６が前方領域内へ導入される。インナボディ１３の尖端の領域内での液状燃料１６の噴入は予混合バーナ１のヘッド段を形成する。この領域内ではインナボディ１３は、噴入された液状燃料１６の混合を促進させる（図示を省いた）旋回流発生器により容易に補完される。内室２０の流過横断面は燃焼室２２側でフロント壁１７を介して突発的に拡張されており、この横断面突発拡張部の横断面は次いで火炎管（内筒）２１の流過横断面を形成している。この平面内では、火炎安定化を生ぜしめる逆流区域又は逆流バブル１８が形成されている。フロント壁１７は所定数の孔を有しており、該孔を介して必要に応じて希釈空気又は冷却空気１９が燃焼室２２の前部領域内に供給される。火炎の濃密性を半径方向の扁平化により促進せしめる場合には火炎安定化が重要であり、このことはヘッド段を通しての燃料噴入に関しても重要である。燃焼混合気１５は空気と燃料とから成る（図２参照）。燃焼混合気１５は戻し案内された排ガス又は蒸気量の一部を含んでいてもよいのは勿論である。一般に、フロント壁１７の領域内の横断面突発拡張部の範囲内に流れの境界層が形成され、この境界層内にはその箇所に生じる負圧により渦の剥離が生じ、このことが同様に火炎安定化を促進する。その促進度に応じて、すでに説明した希釈空気又は冷却空気１９が混入される。接線方向で内室２０内へ流入する燃焼混合気１５により、インナボディ１３の回りに媒体の旋回流が生じる。フロント壁１７の平面の領域内にはその箇所に発生する超臨界的な旋回流に基づいて渦の崩壊が生じる。その場合、均一な燃料濃度は接線方向の空気流入スリットの構成如何又は該空気流入スリットの領域内への渦発生器の組込み如何に関連している。着火は逆流区域１８の尖端で行われる。この部位で初めて安定的な火炎前面（着火面）が生じる。公知の予混合区域では常に潜在的に存在していて複雑な保炎器によって対処されるべき、予混合バーナ１の内室２０内へのバックファイヤは、ここでは上述の理由で発生する虞れはない。燃焼空気が付加的に予熱され又は前述の媒体により富化されると、これにより、インナボディ１３を介して導入された液状燃料１６の蒸発が促進される。インナボディ１３の構成においては、円錐状の形態並びに接線方向の空気流入スリット１１ａ，１２ａのギャップ幅に関連して、内室２０の出口における燃焼混合気１５の所望の流れの場、換言すれは臨界的な旋動係数を設定することができるように、狭い限度範囲が維持されなければならない。一般的には、接線方向の空気流入スリット１１ａ，１２ａの流過横断面の減少が逆流区域１８を更に上流へ移動せしめ、これにより、燃焼混合気は早期に着火される。このことは、インナボディ１３が著しく深く内室２０内に突入している場合にインナボディ１３の尖端との抵触の虞れを排除することができる。インナボディ１３の円錐形の領域内では旋動係数が流動方向で増大するため、一度固定された逆流区域１８が位置安定であることが常に確定される。接線方向の空気流入スリット１１ａ，１２ａの流過横断面を、流動方向で変化可能に、例えば内室２０の出口において逆流区域１８を安定に形成するために流動方向に減少させるように、形成できるのは勿論である。予混合バーナ１の内室２０の内部での燃焼混合気１５の軸方向速度は、図示されていないが軸方向の燃焼空気流の供給により変化させられる。更に、予混合バーナ１のこの構造は、接線方向の空気流入スリット１１ａ，１２ａの大きさを変化させるのに適しており、これにより、予混合バーナ１の全長を変化させることなしに比較的広い運転範囲を得ることができる。
【００１３】
図２は互いに内外に入り込んだ部分シェル１１，１２の形状を示す。これらの部分シェルはそれらの平面を超えて互いに移動可能であり、換言すれば接線方向の空気流入スリット１１ａ，１２ａの領域内で容易にオーバラップすることができるのは勿論である。さらに、両方の部分シェル１１ａ，１２ａを互いに逆方向の回転により螺旋状に互いに内外に入り込ませることも可能である。これにより、接線方向の流入スリット１１ａ，１２ａの形状及び大きさを変化させて、予混合バーナ１内での旋回流発生をその都度の状況に適合させることができる。接線方向の空気流入スリット１１ａ，１２ａはそれぞれ供給通路１１ｃ，１２ｃの出口を形成している。この供給通路内では燃焼混合気１５が内室２０内へ流入する前に内室２０から遠く離れて形成される。接線方向の空気流入スリット１１ａ，１２ａから充分な間隔をおいた上流に供給通路１１ｃ，１２ｃは渦発生器１１ｄ，１２ｄを備えており、該渦発生器はそこへ流入する空気２３に旋回流を付与する。この渦発生器１１ｄ，１２ｄから所定間隔をおいた下流で有利にはガス状燃料２４の噴入が行われ、これにより、供給通路１１ｃ，１２ｃの残りの区間にわたり所期の空気・燃料混合気を形成することができる。この空気・燃料混合気は次いで燃焼混合気１５として接線方向の空気流入スリット１１ａ，１２ａの全長にわたり同じ濃度で内室２０内へ流入する。ここに図示した供給通路１１ｃ，１２ｃはほぼ円筒状の形状を有しており、その長さ及び流過横断面は最適の空気・燃料予混合気を生ぜしめるように設計することができる。供給通路１１ｃ，１２ｃの内部に形成すべき流れは、火炎フロントの不安定が生じた場合に内室２０からのバックファイヤ発生リスクが生じないように設計されなければならない。燃料噴入２４に対する渦発生器１１ｄ，１２ｄの図示の配置によれば、バックファイヤ発生リスクは生じない。中央軸線１１ｂ，１２ｂのオフセットについてはすでに図１で説明した通りである。
【００１４】
図３は、図２と異なり、接線方向の空気流入スリット１１ａ，１２ａから所定間隔離れたところにベンチュリ混合器２５ａ，２５ｄを備えた供給通路を示すものである。燃料噴入２４は最狭部で行われる。該部位では流れも最大速度を有しており、これにより、同様にバックファイヤ発生リスクなしに最大可能な混合気形成が保証される。その他の点では図３の構造は図２と同様である。
【００１５】
図４はほぼ図１と同じであるが、しかし、この場合にはインナボディ１３が支援空気２６の流れの存在により拡大されており、該支援空気は適正部位における臨界的な旋動係数を得るための更なる手段として役立っている。
【００１６】
部分シェルの個数は２つに限定されるものではない。比較的大きな個数の部分シェルを容易に使用することができる。内室２０内への燃焼混合気１５の螺旋状の流入が望まれる場合には、接線方向の空気流入スリットを１つだけ設けることにより、このことを容易に達成することができる。
【００１７】
部分シェルにより構成されるべき予混合バーナ１が組合わされた１つの管から成っている場合には、内室内への接線方向の噴入は管の壁厚を貫通した通路状の貫通孔により行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】オフセットされた部分シェルと円錐状のインナボディとを備えた本発明の１実施例の予混合バーナの略示図である。
【図２】空気流入スリットの上流側に渦発生器を備えていて延長された供給通路を有する本発明の１実施例の予混合バーナを図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って断面した図である。
【図３】ベンチュリ混合器を備えていて延長された供給通路を有する本発明の別の実施例に基づく予混合バーナの図２相当断面図である。
【図４】中央で支援空気を供給する別の実施例による予混合バーナの図１相当略示図である。
【符号の説明】
１ 予混合バーナ、 １１ 部分シェル、 １１ａ 接線方向の空気流入スリット、 １１ｂ 中央軸線（縦対称軸線）、 １１ｃ 供給通路、 １１ｄ 渦発生器、 １２ 部分シェル、 １２ａ 接線方向の空気流入スリット、 １２ｃ 供給通路、 １２ｄ 渦発生器、 １３ インナボディ、 １４ 燃料供給のためにインナボディを貫通した孔、 １５ 空気と燃料とから成る燃焼混合気、 １６ 液体燃料、 １７ フロント壁、 １８ 逆流区域（逆流バブル）、１９ 希釈空気（冷却空気）、 ２０ 予混合バーナの内室、 ２１ 火炎管（燃焼室の流過横断面）、 ２２ 燃焼室、 ２３ 空気、 ２４ ガス状燃料、 ２５ａ，２５ｄ ベンチュリ混合器、 ２６ 中央の支援空気

Claims (13)

1. 旋回流を安定化させる内室（２０）を有し、該内室（２０）がその流動方向で円錐状に延びるインナボディ（１３）を備えており、前記内室（２０）の外套が、内室（２０）内への燃焼媒体（１５）の通流のために長手延在方向で接線方向に配置された少なくとも１つの空気流入スリットによって中断されている形式の予混合バーナにおいて、接線方向の空気流入スリット（１１ａ，１２ａ）の上流側に供給通路（１１ｃ，１２ｃ）が延在しており、該供給通路が、空気流（２３）に渦を発生させる手段と燃料（２４）を導入する手段とを備えており、燃料の導入が、前記空気流の渦の発生のための手段（１１ｄ、１２ｄ）の下流側で行われるようになっていることを特徴とする、予混合バーナ。
2. 内室（２０）の外套によって形成される流過横断面が、流動方向で円筒状に延びている、請求項１記載の予混合バーナ。
3. 内室（２０）によって形成される流過横断面が、流動方向でベンチュリ区域の形状を有している、請求項１記載の予混合バーナ。
4. 内室（２０）の外套が、互いにオフセットして互いに内外に入り込んだ少なくとも２つの部分シェル（１１，１２）から成っており、かつ、両方の部分シェルの互いに隣り合った壁が部分シェル長手延在方向で、内室（２０）へ燃焼媒体（１５）を通流させるための接線方向の空気流入スリット（１１ａ，１２ａ）を形成している、請求項１記載の予混合バーナ。
5. 供給通路（１１ｃ，１２ｃ）内で空気（２３）と燃料（２４）との混合特質を最適にするための手段が渦発生器（１１ｄ，１２ｄ）として構成されている、請求項１記載の予混合バーナ。
6. 供給通路（１１ｃ，１２ｃ）内に形成されたベンチュリ混合器（２５ａ，２５ｂ）の最狭部位で燃料（２４）が導入可能である、請求項１記載の予混合バーナ。
7. 内室（２０）の下流側に燃焼室（２２）が配置されており、前記の内室と燃焼室との間にフロント壁（１７）を介して横断面突発拡張部（２１）が設けられており、かつ、該横断面突発拡張部（２１）の平面の領域内に逆流区域が作用可能である、請求項１記載の予混合バーナ。
8. フロント壁(１７)が、燃焼室（２２）内へ空気流（１９）を供給するために所定数の開口を有している、請求項７記載の予混合バーナ。
9. インナボディ（１３）が少なくとも１つの燃料導管（１４）を備えており、該燃料導管を介して、燃料（１６）及び／又は支援空気（２６）が内室（２０）内へ供給される、請求項１記載の予混合バーナ。
10. インナボディ（１３）がその尖端領域に、少なくとも１つの旋回流発生器を備えている、請求項１記載の予混合バーナ。
11. 接線方向の空気流入スリット（１１ａ，１２ａ）が、予混合バーナ（１）の長手方向に減少する流過横断面を有している、請求項４記載の予混合バーナ。
12. 円錐状に延びるインナボディ（１３）がディフューザの形状に形成されている、請求項１記載の予混合バーナ。
13. 円錐状に延びるインナボディ（１３）がコンフューザの形状を有している、請求項１記載の予混合バーナ。

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