JP4155635B2 - 熱発生器を稼働させるためのバーナ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は請求項1の上位概念として記載した熱発生器を稼働させるためのバーナに関する。
【0002】
【従来の技術】
EP−0780629A2号明細書によれば、流入側が渦流発生器から成り、この渦流発生器において形成された流れがスムーズに混合区間に流入するバーナが公知である。このような流れは、混合区間の始端に、この目的のために形成された流れ幾何学的形状により達成される。前記流れ幾何学的形状は渦流発生器の作用する部分体の数に相応してセクション的に混合区間の端面を捉えかつ螺旋状に延びる移行通路により与えられている。この移行通路の流出側に混合区間は多数の膜形成孔を有している。この膜形成孔は管壁に沿った流動速度の上昇を保証する。移行通路には燃焼室が続いている。この場合、混合区間と燃焼室との間の移行部は飛躍的な横断面拡大部によって形成されている。この横断面拡大平面において逆流ゾーン又は逆流気泡が形成される。
【0003】
渦流発生器における渦流強さは、渦流の壊滅が混合区間内ではなく、さらに下流で、すでに述べたように横断面拡大部の範囲で行われるように選択されている。混合区間の長さはあらゆる燃料種に十分な混合質が保証されるように設計されている。
【0004】
このバーナは先行する公知技術に較べて火炎安定性強化、有害物質の低いエミッション、わずかな脈動、完全な燃焼、大きな稼働範囲、異なるバーナの間の良好な横点火、コンパクトな構造形式、改善された混合等に関し有意義な改善をもたらすにも拘わらず火炎安定性を一層強化すること並びに燃焼室の所定の幾何学的な形状に火炎を一層適合させることは、前混合燃焼で最高のレベルで問題なく稼働させるために、特に脈動を排除するために新しい時代によって必要とされる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は前記要求に応えることであり、本発明の課題は冒頭に述べた形式のバーナにおいて、このバーナの他の利点を何らかの形式で減ずることなく、火炎安定性の強化と燃焼室の幾何学的な形状に対する火炎の適合とが得られる手段を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
このためにはヘッド側で働く、バーナの渦流発生器に所属する燃料バーナ、有利には渦流発生器もしくはバーナの軸の上に配置されかつ通常は液状の燃料が供給される燃料ノズルが、リング状に間隔をおいた外套によって取囲まれ、該外套に周方向に複数の孔が取付けられ、これらの孔を通って燃料ノズルの周囲を擦過する空気量が流れるようになっている。これらの孔と作用的に結合されて、有利にはガス状の燃料で稼働させられる付加的なインゼクタが働く。小量の燃料はこのインゼクタによって燃料ノズルを擦過する空気流にノズル噴射され、火炎の安定に重要なバーナ流の中心に常に正しい燃料量が供給される。これによってバーナの流れ横断面に亘って均一な燃料濃度が得られ、燃焼室の振動が抑えられる。流れ横断面に亘る前述の一様な燃料濃度は、経験によれば不均一な燃料濃厚化に基づき火炎フロントにおける振動を発生させ、それが脈動につながるバーナ軸の上で特に確認される。さらに燃焼室の振動が抑えられることで、バーナの稼働範囲が著しく拡大される。何故ならばこの場合には消火限界の劣化をもたらす火炎不安定性は惧れる必要がなくなるからである。
【0007】
本発明による別の利点は燃料ノズルの範囲において前述の孔を通る掃気流が、円錐状の渦流発生器の内壁がノズル噴射された液状燃料で濡らされることを阻止することである。
【0008】
本発明の課題の解決策の有利な、合目的的な別の構成は請求項2以下に示されている。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施例を詳細に説明する。本発明の直接的な理解に重要でない特徴は省略してある。異なる図面における同じ部材には同じ符号がつけられている。媒体の流れ方向は矢印で示されている。
【0010】
図1にはバーナの全体構造が示されている。当初、渦流発生器100が作用する。この渦流発生器100の構成についてはあとで図3〜6に基づき詳しく説明する。渦流発生器100は円錐状の構造物であって、この構造物は接線方向で何度も、接線方向に流入する燃焼空気流115で負荷される。渦流発生器内で形成される流れは、渦流発生器100の下流に設けられた移行幾何学的形状部に基づきスムースに移行片200に、そこで剥離が生じないように導かれる。この移行幾何学的形状部の構成については図6に基づき詳細に説明する。移行片200は移行幾何学的形状部の下流側に混合管20により延長されている。この場合、両方の部分は本来の混合区間220を形成する。もちろん混合区間220は唯一の構成部分から成っていることもできる。つまりこの場合には、各部分の特性は維持された状態で移行片200と混合管20は唯一の連続した構造物に融合されていることができる。移行片200と混合管20とが2つの部分から成っていると、これらの部分はブッシュリング10で互いに結合される。この場合、同じブッシュリング10はヘッド側で渦流発生器100のための係留面として用いられる。さらにこのようなブッシュリング10は種々異なる混合管を使用できるという利点を有している。混合管20の流出側には本来の燃焼室30がある。この燃焼室30は火炎管だけによって示されている。混合区間220は渦流発生器100の下流に、種々の燃料の完全な前混合を達成する規定された混合区間を準備するという課題をほぼ充たす。この混合区間、すなわち表面的には混合管20は、さらに損失のない流れの案内を可能にするので、移行幾何学的形状との作用結合によっても当初逆流ゾーン又は逆流気泡を形成することはない。これによって混合区間220の長さに亘ってあらゆる種類の燃料の混合質によい影響を及ぼすことができる。しかしながらこの混合区間220はさらに別の特性を有している。この特性は、この混合区間220自体の内部で軸方向速度プロフィールがその軸線の上に顕著な最高を有し、燃焼室からの火炎のフラッシュバックが可能ではないことである。もちろんこのような構成ではこの軸方向の速度が壁に向って落ちることは正しい。この範囲でもフラッシュバックを回避するためには、混合管20は流れ方向及び周方向で多数の、規則的に又は不規則的に分配された、種々異なる横断面と方向の孔21を備えており、これらの孔21を通って所定の空気量が混合管20内に流入しかつ壁に沿って膜を形成して流過速度の上昇を誘発する。これらの孔21は、混合管20の内壁に沿って少なくとも付加的に噴出冷却が得られるようにも設計することができる。混合管20内で混合物の速度を高める別の可能性は、既に述べた移行幾何学的形状を形成する移行通路201の流出側の流過横断面が狭められ、これにより混合管20内の全体的な速度レベルが高められることである。図面においてはこれらの孔21はバーナ軸線60に対して鋭角を成して延びている。さらに移行通路201の出口は混合管20のもっとも狭い流過横断面に相応する。従って前述の移行通路201は形成された流れに負の影響を及ぼすことなくそのつどの横断面差を橋絡する。選択された前記手段が混合管20に沿った管流40を案内する場合に許容可能でない圧力損失を生ぜしめると、これに対し、この混合管の端部に図示されていないディフューザを設けることで対抗することができる。この場合には混合管の端部に燃焼室30が接続する。この場合、両方の流過横断面の間にはバーナフロント70によって形成された飛躍的な横断面拡大部が存在している。ここではじめて、火炎フロントに対し、物体のない火炎保持体の特性を有する逆流ゾーン50を備えた中央の火炎フロントが形成される。稼働中にこの飛躍的な横断面拡大部内に、支配している負圧によって渦流剥離が生じる流動的な縁部ゾーンが形成されると、これは逆流ゾーン50のリング安定度の強化をもたらす。端面側に燃焼室30は多数の開口31を有している。この開口31を通って所定空気量が直接的に飛躍的な横断面拡大部に流入し、なかんずく逆流ゾーン50のリング安定度を強化する。さらに忘れてはならないことは、安定した逆流ゾーン50を生ぜしめることは、管において十分に高い渦流数も必要である。このような渦流数が当初望まれないと、安定した逆流ゾーンは強い渦流の与えられた空気流を管端において、例えば接線方向の開口を通して供給することで発生させることができる。この場合には、このために必要な空気量は総空気量のほぼ5〜20%である。逆流ゾーン又は逆流気泡50を安定化するための混合管20の端部におけるバーナフロント70の構成に関しては図8の記述を参照されたい。
【0011】
図2には図1のバーナが概略的に示されている。特に図2においては中央に配置された燃料ノズル103を巡って流れる混合気と燃料インゼクタ170の作用とが示されている。バーナの残った主要部分、すなわち渦流発生器100と移行片200との作用形式は以下の図面で詳細に記述する。燃料ノズル103は間隔をおいたリング190で取囲まれている。このリング190には周方向に配置された多数の孔161が設けられている。これらの孔161を通って、空気量160がリング状の室180に流入し、そこで燃料の周囲を擦過する。これらの孔161は斜め先方へ向けられ、バーナ軸線60に所定の軸方向の成分が発生させられるようになっている。これらの孔161と作用的に結合させられた状態で付加的な燃料インゼクタ170が設けられている。この燃料インゼクタ170は有利にはガス状である燃料の所定量をそのつどの空気量160に供給し、混合管20内に、図面に略示したように、流れ横断面に亘って均一な燃料濃度150をもたらす。まさにこの均一な燃料濃度150、特にバーナ軸線60における強い濃度は、火炎フロントをバーナの出口で安定化し、燃焼室脈動を回避する。
【0012】
渦流発生器100の構造がより判るためには、図3と同時に少なくとも図4を参照することが有利である。以下図3の記述では必要に応じて他の図番を参考に記載する。
【0013】
図1のバーナの第1の部分は図3に示した渦流発生器100を形成する。これは2つの中空の円錐状の部分体101,102から成っている。これらの部分体101,102は互いにずらされて内外に嵌合させられている。もちろん、円錐状の部分体の数は図5と6に示すように2つよりも大きくてもよく、さらに後で説明するようにバーナ全体の稼働形式に関連する。所定の稼働形式では唯一の螺旋体から形成された渦流発生器の使用も排除されない。円錐状の部分体101,102相互の中心軸又は長手対称軸101b,102b(図4参照)ずれは、隣接する壁において、鏡像的な配置で、それぞれ1つの接線方向の通路、つまり空気流入スリット119,120(図4参照)をもたらす。この空気流入スリット119,120を通って燃焼空気115は渦流発生器100の内室へ、つまりその円錐中空室114へ流入する。図示の部分体101,102の円錐形は流動方向で所定の不変の角度を有している。もちろん使用稼働状態に応じて、部分体101,102は流動方向で増加するか減少する円錐傾斜を、トランペットもしくはチューリップのように有していることができる。後に述べた両方の形は、当業者なら容易に想到できるので図面には示していない。両方の円錐状の部体101,102はそれぞれ1つの円筒状のリング状の始端部101aを有している。この円筒状の始端部101aの範囲においてはすでに図2で述べた燃料ノズル103が配置されている。この燃料ノズル103は有利には液状の燃料112で稼働させられる。この燃料112のノズル噴射は、円錐状の部分体101,102によって形成された円錐中空室114のもっとも狭い横断面とほぼ合致する。この燃料ノズル103のノズル噴射キャパシティと形式は各バーナのパラメータに合わせられる。さらに円錐状の部分体101,102はそれぞれ1つの燃料導管108,109を有している。これらの燃料導管108,109は接線方向の空気流入スリット119,120に沿って配置されかつノズル噴射開口117を備え、このノズル噴射開口117を通ってガス状の燃料113が、そこを流過する燃焼空気115に、矢印116で示したようにノズル噴射される。この燃料導管108,109は有利には円錐中空室114内に最適な空気/燃料混合物を得るために遅くても接線方向のノズル噴射の終わりにおいて、円錐中空室114の入口の前に配置されている。燃料ノズル103を通って供給される燃料112は、すでに述べたように通常は液状の燃料である。もちろん他の媒体、例えば戻された煙ガスとの混合物の形成も問題なく可能である。この燃料112は有利にはきわめて鋭角を成して円錐中空室内へノズル噴射される。燃料ノズル103からはしたがって円錐状の燃料スプレー105が形成される。この燃料スプレー105は接線方向に流入する、回転する燃焼空気流115により取囲まれかつ解消される。次いで軸方向でノズル噴射された燃料112の濃度は流入する燃焼空気流115で気化されてこれに混合される。ガス状の燃料113が開口ノズル117から供給されると、燃料/空気混合物の形成は直接空気流入スリット119,120の端部で行われる。燃焼空気流115が付加的に予熱されるかこれに例えば戻された煙ガス又は排ガスが混入されていると、これはこの混合物が後続の段階に流入する前に、この場合には移行片200(図1と7を参照)に流入する前に、液状の燃料112の気化を助ける。これと同じ考えは、導管108,109を介して液状の燃料を供給したい場合にも当嵌まる。円錐状の部分体101,102の円錐角及び接線方向の空気流入スリット119,120の幅に関する構成それ自体は狭い公差が保たれ、渦流発生器100の出口に燃焼空気115の所望の流域が形成される。
【0014】
一般的に言えることは接線方向の空気流入スリット119,120の縮小はすでに渦流発生器の範囲における逆流ゾーンの早期形成を助ける。渦流発生器100内の軸方向速度は図2(位置160)で詳細に記述した空気量の供給で高められるか又は安定化される。適当な渦流の発生は後続の移行片200(図1と7)との作用結合で、渦流発生器100の後ろに接続された混合管において流れの剥離が形成されることを阻止する。さらに渦流発生器100の前述の構成はとりわけ、接線方向の空気流入スリット119,120を変化させ、渦流発生器100の構成長さを変えることなく比較的に大きな稼働帯域幅をカバーするのに適している。もちろん部分体101,102は他の平面において互いに移動可能で、これによって部分体101,102をオーバラップさせることすらできる。さらに部分体101,102を逆向きに回転する運動で螺旋状に互いに内外に嵌合させることもできる。これにより、接線方向の空気流入スリット119,120の形、大きさ及び構成を任意に変化させ、渦流発生器100をその構成長さを変えることなく多様に使用できるようにすることができる。
【0015】
図4には選択的に設けられる案内板121a,121bの幾何学的な形態が示されている。これらの案内板121a,121bは流れ導入機能を有しており、その長さに応じて、円錐状の部分体101,102の各端部を燃焼空気流115の流れて来る方向に延長する。燃焼空気115を円錐中空室114内へ通路を介して案内することはこの通路が円錐中空室114へ接続される入口の範囲に配置された回転点123を中心として案内板121a,121bが開放されるかもしくは閉鎖されることで最適化される。これは接線方向の空気流入スリット119,120の本来のギャップの大きさを動的に変化させ、例えば燃焼空気115の速度を変化させるために必要である。もちろんこの動的な処置は、必要な案内板が円錐状の部分体101,102と共に不動の構成部分を形成することで静的に設けることも可能である。
【0016】
図5には図4とは異なって渦流発生器100が4つの部分体130,131,132,133から構成できることが示されている。各部分体に所属する長手対称軸線はアルファベットaで示されている。この構成については、この構成で生ぜしめられたわずかな渦流強度に基づきかつ適当に拡大されたスリット幅と協働して、渦流が渦流発生器の流出側で混合管において消去させられることを阻止し、混合管がそれに期待された働きをもっとも果たすのにもっとも適していると言える。
【0017】
図6は、部分体140,141,142,143が所定の流れを準備するために設けられた羽根プロフィールを有している点で図5とは異なっている。その他の点では渦流発生器の運転形式は図5と変わらない。燃焼空気115への燃料116の添加は羽根プロフィールの内部から行われる。つまり燃料導管108はいまや個々の羽根に統合されている。この場合にも個々の部分体の長手対称軸線はアルファベットaで示されている。
【0018】
図7には移行片200が3次元的に示されている。移行幾何学的形状は図5又は6に相応する、4つの部分体を有する渦流発生器100のために構成されている。これに相応して移行幾何学的形状は上流側で作用する部分体の自然の延長として4つの移行通路201を有している。これによって前記部分体の1/4円錐面はそれが混合管の壁と交わるまで延長される。これと同じ考えは渦流発生器が図3に示されたのとは別の原理で構成されている場合にも当嵌まる。個々の移行通路201の流れ方向で下方へ延びる面は流れ方向に螺旋状に延びる形を有している。この形はこの場合には移行片200の流過横断面が流れ方向で円錐状に拡大するという事実に相応して鎌形の経過を呈する。移行通路201の渦流角は流れ方向で、管流が引き続き、燃焼室入口における飛躍的な横断面拡大部まで十分な距離を有し、ノズル噴射された燃料との完全な予備混合が得られるように選ばれている。さらに前述の処置により渦流発生器の下流で混合管壁に沿った軸方向速度も高められる。移行幾何学的形状と混合管の範囲における処置とは混合管の中心点に対し軸方向速度プロフィールを著しく上昇させるので、早期点火の惧れはきわめて少なくなる。
【0019】
図8にはすでに述べたようにバーナ出口に形成されたブレークアウエイエッジが示されている。管20の流過横断面はこの範囲に、大きさが原則的に管20内の根に関連する移行半径Rを有している。この移行半径Rは、流れが壁に沿いかつ渦流数が強く上昇させられるように選択されている。数量的にはこの半径Rの大きさはこれが管20の内径dの10%よりも大きくなるように規定されている。この半径の拡大のない流れに較べて逆流気泡50は著しく増大する。この半径Rは管20の出口平面まで延在している。この場合、湾曲の始端と終端との間の角度βは90゜よりも小さい。角度βの一方の脚に沿ってブレークアウエイエッジAが管20内に延び、これによって深さが3mmよりも小さいブレークアウエイステージSをブレークアウエイエッジAの前方点に対して形成する。もちろんこの場合には管20の出口平面に対して平行に延びる縁を湾曲した経過に基づき再び出口平面にもたらすこともできる。ブレークアウエイエッジAの接線と管20の出口平面に対する垂線との間に拡がる角度β′は角度βと同じ大きさである。このブレークアウエイエッジの構成の利点はEP−0780629A2号明細書において発明の開示という項目に記載してある。同じ目的のためのブレークアウエイエッジの別の構成は燃焼室側のトルソに似た切欠きによって達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】渦流発生器の下流に混合区間を有する、前混合バーナとして構成されたバーナを示した図。
【図2】付加的な燃料インゼクタが外された、図1によるバーナの概略図。
【図3】複数のシェル体から成る渦流発生器を適当に切り開いた斜視図。
【図4】ツウシェル構造の渦流発生器の横断面図。
【図5】フォーシェル構造の渦流発生器の横断面図。
【図6】シェル体が羽根状のプロフィールを有する渦流発生器を示した図。
【図7】渦流発生器と混合区間との間の移行部幾何学的形状を示した図。
【図8】逆流ゾーンを空間的に安定化させるためのブレークアウエイエッジを示した図。
【符号の説明】
10 ブッシュリング、 20 混合管、 21 孔、 30 燃焼室、 40 流れ、 50 逆流ゾーン、 60 バーナ軸、 100 渦流発生器、 101,102 部分体、 103 燃料ノズル、 104 燃料ノズル噴射、105 燃料スプレー、 108,109 燃料導管、 112 液状燃料、113 ガス状燃料、 114 円錐中空室、 115 燃焼空気、 116燃料導管からの燃料噴射、 117 燃料ノズル、 119,120 空気流入スリット、 121a,121b 案内板、 123 回転点、 130,131,132,133 部分体、 140,141,142,143 羽根プロフィール、 150 燃料濃度、 160 空気量、 161 孔、 170 燃料インゼクタ、 180 リング状の空気室、 190 リング、 200 移行片、 201 移行通路、 220 混合区間
Claims (15)
- 熱発生器を稼働させるためのバーナであって、バーナが主として、燃焼空気流のための渦流発生器と、少なくとも1種の燃料を燃焼空気流内へノズル噴射する手段とから成り、渦流発生器の下流に混合区間が配置されており、該混合区間が流れ方向で見て第1の混合区間部分内に多数の移行通路を有し、該移行通路が渦流発生器にて形成された流れを、この移行通路の下流に設置された、バーナフロントに移行する混合管へ移送する形式のものにおいて、渦流発生器(100)が少なくとも混合管(20)の流れ横断面に亘って燃料濃度(150)を均質化する手段(160,161,170,190)を有しており、前記手段が渦流発生器(100)のヘッド側にかつ燃料ノズル(103)と作用的に結合させられて配置されたリング(190)から成り、このリング(190)が周方向に配置された多数の孔(161)を有しており、該孔(161)を通って流れる空気量(160)に燃料(170)がノズル噴射可能であることを特徴とする、熱発生器を稼働させるためのバーナ。
- 前記孔(161)が斜め前方へ向けられている、請求項1記載のバーナ。
- 燃料ノズル(103)がリング状の空気室(180)により取囲まれている、請求項1記載のバーナ。
- 混合管(20)のバーナフロントが、後置された燃焼室(30)に対しブレークアウエイエッジ(A)をもって構成されている、請求項1記載のバーナ。
- 混合区間(220)における移行通路(201)の数が渦流発生器(100)により形成された部分流の数に相当している、請求項1記載のバーナ。
- 移行通路(201)に後置された混合管(20)が流れ方向および周方向に、空気流を混合管(20)の内部にノズル噴射する開口(21)を備えている、請求項1記載のバーナ。
- 前記開口(21)が混合管(20)のバーナ軸線(60)に対し、鋭角を成して延びている、請求項6記載のバーナ。
- 混合管(20)の流過横断面が移行通路(201)の下流で、渦流発生器(100,100a)において形成された流れ(40)の横断面と同じ大きさであるか又はこれよりも大きい、請求項1記載のバーナ。
- 混合区間(220)の下流に燃焼室(30)が配置されており、混合区間(220)と燃焼室(30)との間に飛躍的な横断面拡大部が設けられており、この横断面拡大部が燃焼室の始めの流れ横断面を規定しており、この横断面拡大部の範囲において逆流ゾーンが作用可能である、請求項1記載のバーナ。
- バーナフロント(70)の上流側にディフューザ及び/又はベンチュリー区間が存在している、請求項1記載のバーナ。
- 渦流発生器(100)が少なくとも2つの、中空の、円錐形の、流れ方向で互いに内外に嵌合させられた部分体(101,102;130,131,132,133;140,141,142,143)から成っており、これらの部分体のそれぞれの長手対称軸線(101b,102b;130a,131a,133a;140a,141a,142a,143a)がずらされて延び、部分体の隣接する壁部がその長手延在範囲において、燃焼空気流(115)のために接線方向の通路(119,120)を形成しており、部分体により形成された内室(114)内に少なくとも1つの燃焼ノズル(103)が作用可能である、請求項1記載のバーナ。
- 接線方向の通路(119,120)の範囲において該通路(119,120)の長手延在範囲に別の燃料ノズル(117)が配置されている、請求項11記載のバーナ。
- 部分体(140,141,142,143)が横断面で見て羽根状のプロフィールを有している、請求項11記載のバーナ。
- 部分体が流れ方向で見て、不変の円錐角又は増大する円錐傾斜又は減小する円錐傾斜を有している、請求項11記載のバーナ。
- 部分体が互いに螺旋状に内外に嵌合させられている、請求項11記載のバーナ。
Applications Claiming Priority (2)
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