JP3889079B2 - バーナ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱発生器のためのバーナであって、燃焼空気のための渦流発生器と、該渦流発生器と作用接続している混合管と、燃料を噴射するための手段とから主として成っている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヨーロッパ特許第０３２１８０９号明細書によれば、多数のシェルより成る円錐形の予混合バーナが公知である。この予混合バーナは、円錐形ヘッド内で閉鎖された渦流を生ぜしめる。この渦流は、渦が次第に大きくなるのに基づいて円錐形先端部に沿って不安定になり、環状の渦流に移行する。この渦流は、この箇所に存在する突然の横断面拡大部に関連して、バーナ軸線における逆流を引き起こすことになる。形体のない保炎部材として作用を満たす、逆流ゾーン又は逆流バブル"backflow bubble"のせき止めポイントにおいて点火させることによって燃焼させる前に、ガス状の燃料は、各シェルによって形成された接線方向の通路（空気インレットスリットとも呼ばれている）に沿って、噴射され、ここに流入する燃焼空気と均質に混合される。このようなガス状の燃料のための最後のノズルは、流れ方向で、バーナ吐出付近の非常に近くでしかも炎の近くに位置している。それにも拘わらず、これらのノズルによってもたらされた燃料は、空気と最適に混合されず、高いＮＯｘ-エミッション（ＮＯｘ排出）を生じる傾向がある。ＮＯｘ-エミッションを最小に維持するために、予混合区分を延長すれば、これはバーナ本体とそれに続く部分との間の移行部材の構成が複雑になる。予混合バーナが下流で発生する流過フィールドによって、後続の管内の縁部又は中央部に、軸方向の低い速度に基づいて問題が生じる。これによって、バックファイヤー（逆火）が生じ、このような形式で予混合バーナは、過渡的な領域内では最適な駆動が行われない。液状の燃料は有利な形式で、燃料ヘッドに設けられた中央のノズルを介して供給され、次いで円錐形の中空室内で気化される。ガスタービン固有の条件下において、この液状の燃料の点火は比較的早期に、従って常に燃料ノズルの近くで行われる。これによって、この最適ではない混合に基づいてＮＯｘ-エミッションが上昇する危険性を避けることができず、これに対する対抗手段として、例えば水噴射(water injection）に頼らなければならない。液状の燃料による運転における別の問題は、比較的小さい貫流横断面に関連していて、またそのために可能な、燃料ノズルの噴霧角度の領域における小さい円錐形角度に関連している。これは、常に円錐形シェルを濡らすことになり、ひいては、例えば圧力差が調節されると直ちに、有害物質エミッションに関連した有害なクラッキングプロセス(cracking process)を引き起こす。さらにまた、水素を含有するガス(ＭＢＴＵ-又はＬＢＴＵガス）に類似した天然ガスを使用し、接線方向の通路に沿ってガス状の燃料のためのノズルにおいて早期点火させる試みがなされている。またこれに対して、燃料出口において、このようなガス状の燃料のための特別な噴射方式を導入することよって解決しようとする試みがなされているが、勿論その結果は満足のいくものではない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の課題は、冒頭に述べた形式のバーナにおいて、前記のような欠点を取り除くことができる手段を講じることである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決した本発明によれば、渦流発生器が、流れ方向で少なくとも部分的に中空円錐形に先細りする形状を有しており、前記渦流発生器が、中空室から混合管内に燃焼空気を貫流させるための、流れ方向で見て接線方向の開口を有している。
【０００５】
本発明による予混合バーナは、円錐形の渦流発生器より成っており、この渦流発生器は、接線方向に配置された少なくとも２つのスリットを備えている。燃焼空気は、軸方向で渦流発生器内に流入し、次いで接線方向のすべてのスリット又は通路を介して外に流出し、この円錐形の渦流発生器は、有利には管として構成された外壁体によって取り囲まれている。この外壁体の形状は、渦流発生器の下流及び外側で、流れに対して大きな影響を与えるので、この流れは、渦流発生器の後ろ側で適当な手段によってさらに変えることができる。この渦流発生器を取り囲む外壁体の横断面は、流れ方向で例えば円錐形又ヴェンチュリ(venturi)によって減少されている。ガス状の燃料を供給することは、この実施例では、スリットの領域内に配置されたノズルによって得られる。バーナが液状の燃料によって駆動されると、燃料は、円錐形の渦流発生器の先端部領域内で、渦流発生器を取り囲む本体の横断面内に供給される。ＭＴＢＵガス又はＬＢＴＵガスが使用されている場合には、この燃料の比較的多くの量が、外部から直接、渦流発生器を取り囲む外壁体の横断面内に供給される。これによって、ここで形成された渦流との混合が同様に保証される。
【０００６】
【発明の効果】
本発明の主な利点は、渦流発生器の後ろ側の流れフィールド(flow field)を自由に変えることができるという点にある。また、液状の燃料の噴霧は、渦流発生器を取り囲む本体の流過壁を濡らすことはない、という特徴を有している。何故ならば、丁度この平面内において流過横断面は最大になるからである。これによって、可能な噴射角度が大きいことに基づいて、渦状にされた燃料空気との最適な混合が得られる。こうして可能となる、渦流発生器の下流側での長い混合区分は、次いで行われる燃焼からのＮＯ_ｘエミッションを最小にする。ＭＢＴＵガス又はＬＢＴＵガスのための良好なアクセス可能性は、上方から得られる。また、本発明によるバーナは、その先端部を冷却する必要はもはやない。予混合段とヘッド段との間のシールに関する問題はもはや生じない。
【０００７】
本発明によるバーナは、その幾何学的形状が簡単であることによって、高い費用をかけることなしに、空気を渦流発生器の先端部内に導入することができる。この空気は、バーナ軸線において軸方向の噴流を生ぜしめるか又は混合気を薄めるために使用される。バーナが液状の燃料によって駆動される場合は、空気は、従来技術における混合バーナに対して簡単な形式で、霧化を促進するためにも使用される。本発明によるバーナを、渦流発生器に関連して、従来技術のものに対して逆に配置すれば、液状の燃料の霧化を改善する。この場合、渦流発生器のシェルの領域内に配置することはできない。外側領域内の流れを、純粋に軸方向に向けるか又は薄めたい場合には、渦流発生器本体が、これを取り囲む外壁体の全横断面を覆わないようにすることによって得られる。
【０００８】
本発明の有利な構成要件は、請求項２以下に記載されている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に示した実施例について説明する。本発明を直接理解するために必要でない部材は省いた。媒体の流れ方向は矢印で示されている。種々異なる図面において同じ部材には同じ符号を記した。
【００１０】
図示の実施例を分かり易くするために、図面はそれぞれ部分的な縦断面図と正面図とを示している。
【００１１】
図１には、管状の混合管２と、該混合管２内に組み込まれた中空円錐形の渦流発生器３とから成る予混合バーナ１が示されている。渦流発生器３は、流れ方向で円錐形状に小さくなる輪郭形状を有している。渦流発生器内に流入する空気４は、まず軸方向に流れ、次いで、矢印５で示されているように接線方向又はほぼ接線方向で、内から外へ流れる。このために接線方向の開口若しくは通路６，７が設けられており、これらの通路６，７は、互いに入れ子式に入り込む少なくとも２つの中空の円錐形の部分体８，９より成っており、これらの部分体８，９の中心軸線は互いにずらして延びている。所定の運転状態においては、渦流発生器３が個別の螺旋状部から成っていてもよい。前述のように、円錐形の部分体８，９の各中心軸線又は長手方向左右対称軸線を互いにずらして配置したことによって、隣接する壁部においてそれぞれ接線方向の通路６，７が形成され、この通路６，７を通って燃焼空気５が渦流発生器３の内室１６から混合管２内に流入する。
【００１２】
図示の部分体８，９の円錐形状は、流れ方向で所定の固定角度を有している。もちろん、運転使用状態に応じて、部分体８，９は流れ方向で次第に大きく又は小さくなる円錐形の傾斜を有している。つまり、部分体８，９は、ディフューザ(diffuser)若しくはコンフューザ(confuser)として構成することができる。これら２つの形状は当業者がよく知っているので、その形状については詳しく図示していない。２つの円錐形の部分体８，９は、それぞれ１つの燃焼ライン１０，１１を有しており、これらの燃焼ライン１０，１１は、接線方向の通路６，７に沿って配置されていて、噴射開口１２，１３を備えており、これらの噴射開口１２，１３を通して有利にはガス状の燃料１４が、これらの噴射開口１２，１３内を貫流する燃焼空気５に、矢印で示されているように噴射される。これらの燃料ライン１０，１１は、有利には、通路６，７によって形成された接線方向の、渦流発生器３からの流出部及び混合管２内への流入部の領域内に配置されている。これは最適な空気／燃料混合気１５を得るためである。燃料空気５が付加的に前加熱されるか又は、例えば戻し案内された煙道ガス或いは排ガスが増加すると、一般的に、特に液状の燃料（その噴射は前記燃料ライン１０，１１を介して行うこともできる）が使用されている場合には、装入された燃料１４の気化が持続して行われる。円錐形の部分体８，９の構造においては、渦流発生器３の入口における燃料空気５若しくは混合気１５の所望の流れフィールドを調節することができるようにするために、接線方向の通路６，７の幅及び円錐角度に関連して、狭い限界を維持しなければならない。一般的に、接線方向の通路６，７の幅を小さくすると、戻り流ゾーンを形成する可能性のある渦数の形成が、場所的に促進されるということが言える。この場合、これに関連した修正は、渦流発生器３の領域内での軸方向速度に影響を与えることによっても可能である。これについては図５に詳しく説明されている。危険な渦数は、接線方向の通路６，７の幅が流過方向で可変に構成されていることによっても影響される。通路６，７の幅が流過方向で小さくなると、逆流ゾーンの形成箇所は下流に移動する。逆流ゾーンの形成は次のようにして行われる。混合管２の流出側に本来の燃焼室（図示していない）が配置されている。混合管２は次のような混合作用を行う。つまり、渦流発生器３の下流に所定の混合区域が形成され、この混合区域で、噴射された燃料とは無関係に、完全な予混合が行われるような混合管としての作用を行う。混合区域はさらに、損失のない流れガイドを行うので、調節された存在する移行部幾何学形状と作用接続して、まず逆流ゾーンが形成されないようにし、これによって混合管２の全長に亙って、それぞれの燃料のための混合物に影響を与えることができる。この混合管２はさらに、混合管２内での軸方向速度プロフィールが軸線において最大となるという別の特性を有しているので、燃焼室からの炎のバックファイヤ（逆火）は不可能である。勿論、このような構成においては、軸方向速度は壁部に向かって低下する可能性があることは事実である。この領域においてもバックファイヤを避けるために、混合管２は流過方向及び周方向で、種々異なる横断面及び方向の多数の孔（図示せず）を備えることができる。これらの孔を通って、所定量の空気が混合管２内部に流入し、壁部に沿って速度が上昇せしめられる。同じ作用を得るための別の可能性は、混合管２の流過横断面に、渦流発生器３の下流側で同様に詳しく図示していない狭窄部を設け、これによって混合管２内での全体的な速度レベルが上昇せしめられる。混合管２内での流れのガイドにおいて、選択された処置が、許容できない圧力損失を生ぜしめる場合には、これに対する手段として、混合管２の端部に図示していないディフューザを設けることができる。混合管２の端部には、前述のように燃焼室が接続されており、この場合、２つの流過横断面間には横断面段差が存在する。これによって、保炎部材の特性を有する中央のバックファイヤゾーンが形成される。この保炎部材は、もちろん形体のないものである。前述のように、安定したバックファイヤゾーンの形成は、混合管２内での充分に高い渦数が形成されているということが前提となる。運転中に、前記横断面段差内で、この箇所に生じる負圧によって渦流を破壊する、流れを調節する縁部ゾーンが形成されると、バックファイヤゾーンの環状安定性が増大される。初めにおいて高い渦数が望まれない場合には、安定した逆流ゾーンが、混合管端部にややねじられた空気流が供給されることによって（例えば接線方向の開口によって）生ぜしめられる。この場合、必要な空気量は全空気量の約５〜２０％である。このような渦流発生器３の構成はもっぱら、接線方向の通路６，７の幅を可変に構成するために適している。これによって渦流発生器３の構造長さに影響を与えずに、比較的大きい運転範囲をカバーすることができる。勿論、円錐形の部分体８，９は、別の平面内で互いに摺動可能であって、これによってこれらの部分体同士が重なり合うことも可能である。さらにまた、円錐形の部分体８，９は、互いに逆方向に運動することによって互いに螺旋状に、入れ子式に入り込ませることも可能である。これによって、接線方向の通路６，７の形状、大きさ及び構成を任意に変えることができ、ひいては、渦流発生器３は、その構造長さを変えることなしに、幅の広い適用可能性を有している。
【００１３】
図２には、渦流発生器３の内室１６から混合管２への、燃焼空気５の流出状態が示されている。この場合、接線方向６，７の領域内では、燃料１４が燃焼空気流５内に噴射されている。有利には、接線方向の通路６、７の領域内にはガス状の燃料が噴射される。
【００１４】
図３及び図４は、図１及び図２とは、渦流発生器３の内室を貫通してロッド形燃料供給部１７が延びていて、このロッド形燃料供給部１７から、渦流発生器３の先端部領域で、混合管２内への燃料噴射１８が行われる。有利にはノズル１９は液状の燃料２０によって駆動されるが、別の燃料によって駆動されることも排除されない。液状の燃料を噴射する際には、図示されているように、燃料スプレー円錐形２１が、混合管２の壁部を濡らすことなしに、幅広に構成することができる限りは、この平面における自由な横断面が有利である。それ以外では、予混合バーナ１の構成は前記図面に示したものと同様である。
【００１５】
図５及び図６は、図１及び図２に示した構成とは、渦流発生器３が付加的に環状の軸方向の空気流２２を許容するという点が異なっている。このような空気流の最終的な目的は、図１に関する説明により明らかなように、正しい箇所で危険な渦数を形成することが、空気流を軸方向で噴射することによって調節することができるように構成されているということから出発している。
【００１６】
図７及び図８は図３及び図４に基づいているが、ＭＢＴＵ-若しくはＬＢＴＵ-ガスを混合管２内に噴射するための手段２３が設けられている点が異なっている。このような噴射形式は、主として、このようなガスを必要な量だけ、渦流発生器３における噴射を介して供給することは殆どないという事実に基づいている。
【００１７】
図９及び図１０に示した予混合バーナは、図１及び図２に示した実施例のものとほぼ対応するが、この図９及び図１０に示したものは、渦流発生器３の軸方向のインレット横断面２５が最大に、つまり渦流発生器３のインレット横断面２５が混合管２の横断面に相当している。接線方向の通路６，７を貫流する空気流５の最初の可能な流れは、インレット横断面２５の下流に位置している。この構成は特に、流れが外側領域内で純粋に軸方向に整列されるか又は減少されるべき箇所において有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例による予混合バーナを、軸方向で部分的に断面した図である。
【図２】図１に示した予混合バーナの正面図である。
【図３】液状の燃料を噴射するためのヘッドノズルを備えた予混合バーナの軸方向で部分的に断面した図である。
【図４】図３に示した予混合バーナの正面図である。
【図５】軸方向の縁部流を備えた、概略的に示された予混合バーナの概略図である。
【図６】図５に示した予混合バーナを正面から見た概略図である。
【図７】水素を含有するガスを噴射するための手段を備えた変化実施例による予混合バーナの、軸方向で部分的に断面した図である。
【図８】図７に示した予混合バーナの正面図である。
【図９】渦流発生器が取り囲み体の全横断面を覆っていない、本発明の別の実施例による予混合バーナの概略図である。
【図１０】図９に示した前混合バーナの正面図である。
【符号の説明】
１ 予混合バーナ、 ２ 混合管、 ３ 渦流発生器、 ４ 流入空気、 ５燃焼空気の流出流、 ６，７ 接線方向の通路、 ８，９ 円錐形の部分体、１０，１１ 燃料ライン、 １２，１３ 噴射開口、 １４ 燃料、 １５ 空気／燃料混合気、 １６ 渦流発生器の内室、 １７ ロッド状の燃料供給部材、 １８ 燃料噴射、 １９ 燃料噴射ノズル、 ２０ 燃料、 ２１ 燃料スプレー円錐形体、 ２２ 軸方向の空気流、 ２３ ガス状の燃料のための噴射部材、 ２４ 低カロリーの燃焼ガス、 ２５ 渦流発生器のインレット横断面

Claims (10)

1. 熱発生器のためのバーナであって、燃焼空気のための渦流発生器と、該渦流発生器と作用接続している混合管と、燃料を噴射するための手段とから主として成っている形式のものにおいて、
   渦流発生器（３）が、流れ方向で少なくとも部分的に中空円錐形に先細りする形状を有しており、前記渦流発生器（３）が、中空室（１６）から混合管（２）内に燃焼空気（５）を貫流させるための、流れ方向で見て接線方向の開口（６，７）を有していることを特徴とする、バーナ。
2. 燃料（１４）を噴射するための手段がノズル（１２，１３）であって、これらのノズルが、接線方向の開口（６，７）の領域内に配置されている、請求項１記載のバーナ。
3. 燃料（２０）を噴射するための手段が、渦流発生器（３）の先端部の領域内で燃料噴射（１８）を行う少なくとも１つのノズル（１９）より成っている、請求項１記載のバーナ。
4. 燃料（１４，２０）を噴射するための手段が、接線方向の開口（６，７）の領域内に配置されたノズル（１２，１３）と、渦流発生器（３）の先端部の領域内に配置された中央のノズル（１９）とから成っている、請求項１から３までのいずれか１項記載のバーナ。
5. 混合管（２）の下流に燃焼室が配置されている、請求項１記載のバーナ。
6. 渦流発生器（３）が、流れ方向で互いに入れ子式に入り込む中空で円錐形の少なくとも２つの部分体（８，９）より成っており、これらの部分体（８，９）のそれぞれの長手方向左右対称軸線が互いにずらして配置されていて、これによって部分体（８，９）の隣接し合う壁部が、その長手方向区分で、燃料空気流（５）を貫流させるための接線方向の開口（６，７）を形成している、請求項１記載のバーナ。
7. 渦流発生器（３）が流れ方向で、円錐形に次第に小さくなる横断面を有している、請求項１記載のバーナ。
8. 渦流発生器（３）が流れ方向で見てコンフューザ(confuser)の形状を有している、請求項１記載のバーナ。
9. 渦流発生器（３）が流れ方向で見て少なくとも１区分に亙ってディフューザ(diffuser)の形状を有している、請求項１記載のバーナ。
10. 混合管（２）が円筒形の形状である、請求項１記載のバーナ。

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