JPH11223305A - 熱発生器を運転するためのバーナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【解決手段】 燃焼器のバーナにおいて、主としてスワ
ール発生器１００と、これの下流に配置された遷移部材
２００と、混合管２０とから成る。スワール発生器自体
は互いに入り込んで流れ方向に配置された中空円錐状の
少なくとも２つの部分体１４０〜１４３から成り、これ
ら部分体のそれぞれの中央軸線は、これら部分体の隣合
う壁が接線方向の入口通路１２０を形成するように互い
にオフセットして延びている。スワール発生器内への燃
焼空気流１１５の流入領域内に流入縁の両側に沿って燃
料インジェクタ１１６，１１６ａが配置されており、こ
れら燃料インジェクタは入口通路の流入横断面が完全に
燃料により覆われて最大の予備混合が得られるように互
いにオフセットして作用する。 【効果】 燃焼空気流内への燃料の浸透深さが改善さ
れ、このことが燃料と燃焼空気との予備混合の改善につ
ながる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は熱発生器を運転する
ためのバーナであって、バーナが主として、燃焼空気流
のためのスワール発生器と、燃焼空気流内へ少なくとも
１つの燃料を噴入するための手段とから成り、その場
合、スワール発生器の下流に混合区域が配置されてお
り、この混合区域が第１の区域部分の内部に流れ方向で
多数の移行通と若しくは遷移通路(transition passage)
を、スワール発生器内で形成された流れをこれらの遷移
通路の下流に配置された１つの混合管内へ移送するため
に備えている形式のものに関する。

【０００２】

【従来の技術】ヨーロッパ特許公開第０７８０６２９号
明細書からは入射流側でスワール発生器を成すバーナが
公知であり、この場合、このスワール発生器内に形成さ
れた流れはスムーズに混合区域へ移送される。このこと
は、この目的のために混合区域の始端部に形成された流
れジオメトリにもとづき行われる。この流れジオメトリ
は、スワール発生器の作用的な部分体の数に応じて混合
区域の端面をセクタ状に覆っていて流れ方向で螺旋状に
延びる遷移通路から成る。混合区域はこの遷移通路の流
出側に、管壁に沿った流れ速度の増大を確実ならしめる
多数の膜形成孔を備えている。混合区域に続いて燃焼器
が設けられており、その場合、混合区域と燃焼器との間
の遷移部は横断面急変部により形成されており、この横
断面急変部の平面内に逆流区域又は逆流バブルが形成さ
れる。スワール発生器内のスワールの大きさは、渦の崩
壊が混合区域の内部では行われれずに著しく下流で、す
でに述べたように横断面急変部の領域内で行われるよう
に選択される。このバーナが、従来技術にもとづくバー
ナに対比して、火炎安定性の強化、低い有害物質放出、
わずかな脈動、完璧な完全燃焼、広い運転領域、種々の
バーナ相互間の良好なクロスイグニション、コンパクト
な構造、改善された混合などに関して著しい改善を保証
するにもかかわらず、バーナ技術へのたえまざる要求に
より、燃料と燃焼空気との十分な混合に関して常に問題
が生じ、これにより有害物質放出の最小化がいつでも所
望通りに達成されない。これに関して、このことに対処
するためには、燃料インジェクタと火炎フロントとの間
隔を極めて長くしなければならないが、しかしこのこと
は熱発生器を運転するためのバーナではスペースと運転
要件との理由により不可能である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、冒頭
に記載した形式のバーナにおいて燃料空気混合物の混合
品位を改善することのできる手段を提案することにあ
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題は本発明によれ
ば、請求項１に記載のように、スワール発生器が、スワ
ールを発生するそれぞれの入口通路の両側に燃料インジ
ェクタ(fuel injector）を備えていることにより解決さ
れる。

【０００５】要するに本発明によれは、前記目的の達成
のために、スワール発生器内の燃料が、燃焼空気を内室
内へ通流せしめる入口通路に沿ってその両側から噴入さ
れる。

【０００６】

【発明の効果】本発明の著しい利点とするところは、入
口通路に沿ってその両側から行われる燃料噴入により、
燃焼空気流内への燃料の浸透深さが改善され、このこと
が燃料と燃焼空気との予備混合の改善につながることに
ある。

【０００７】本発明によればさらに、スワール発生器の
内室への遷移部のところに配置された両方の燃料インジ
ェクタ列の噴入平面が、スワール発生器の先端から出口
まで増大している。このことにより、著しく下流に位置
する燃料インジェクタの、スワール発生器内への入口ま
での区域が増大し、このことが、噴入された燃料の予備
混合の改善につながる。

【０００８】本発明にもとづく対象物は有利には、スワ
ール発生器がバーナの予備混合区域をも形成しているそ
の他のバーナでの使用にも適している。特にこのことに
関しては、本発明明細書の記載の肝要な部分を成すヨー
ロッパ特許第０３２１８０９号明細書を参照されたい。

【０００９】本発明にもとづく解決手段の有利かつ好適
な構成がその他の請求項に記載されている。

【００１０】

【発明の実施の形態】次に、図面につき本発明の実施例
を詳細に説明する。本発明の直接的な理解のために不必
要な事項は省略されている。同一部分は種々の図面にお
いて同一符号で示されている。媒体の流れ方向は矢印を
もって示されている。

【００１１】図１はバーナの全体構造を示す。バーナの
ヘッド側ではスワール発生器１００が作用しており、そ
の構成が図２及び図３に詳細に示されかつ説明されてい
る。この場合、スワール発生器は円錐状のボデイから成
り、このボデイには接線方向で多重に、流入する燃焼空
気流１１５が周方向で供給され、その際、この燃焼空気
流１１５の流入領域内には、ガス燃料及び又は液体燃料
の種々のインジェクタ１１６，１１６ａが配置されてい
る。このことについては図２及び図３を参照されたい。
さらに別の燃料噴入が、ヘッド側の中央に配置された燃
料ノズル１０３によって行われる。この場合も、液体燃
料及び又はガス燃料による運転が可能である。この場合
に形成されるスワール流は、スワール発生器１００の下
流に設けた遷移ジオメトリにもとづき遷移部材２００内
へ、このゾーン内に剥離領域を生じることができないよ
うにスムーズに移送される。この遷移ジオメトリの形態
について図４で詳細に説明する。この遷移部材２００の
流出側では、遷移部材により形成された遷移ジオメトリ
が混合管２０により延長され、その際、遷移部材と混合
管とがバーナの本来の混合区域２２０を形成する。勿
論、この混合区域２２０は１つの部材から成ることもで
き、その場合には遷移部材２００と混合管２０とが溶着
により１つの組合せ体を成すが、その際、それぞれの部
材の特性は維持される。遷移部材２００と混合管２０が
２つの部材として製作されている場合、これらの部材は
ブシュリング１０により互いに結合され、その場合には
同ブシュリング１０がヘッド側でスワール発生器１００
のための取付け面として役立てられる。この種のブシュ
リング１０はさらに、バーナの基本形状に少しも変向を
加える必要なしに種々の混合管を使用することができる
という利点を有する。混合管２０の流出側に燃焼器の本
来の燃焼室３０が位置している。ここでは燃焼器は火炎
管によってのみ示されている。混合区域２２０は、種々
異なる種類の燃料の完全な予備混合を内部で行うことの
できる規定された区域をスワール発生器１００の下流に
形成せしめるという役割を十分に果たしている。この混
合区域、要するに実際には混合管２０はさらに損失のな
い流れの案内を可能にし、その結果、遷移ジオメトリと
の相互作用によりまず最初は逆流ゾーン又は逆流バブル
が形成されず、これにより、混合区域２２０の長さにわ
たりあらゆる種類の燃料のための混合品位に影響を与え
ることができる。さらにまた、この混合区域２２０は、
それ自体の内部で軸方向速度プロフィールが軸線上に際
立った最大値を有するというさらに別の特性を有してお
り、その結果、燃焼器からの火炎の逆火が不可能とな
る。しかし、この種の構成ではこの軸方向速度が壁へ向
かって減少するのは当然である。この壁領域内でも逆火
を阻止するために、混合管２０は流れ方向及び周方向で
規則的又は不規則的に分配されていて種々異なる横断面
と方向とを有する多数の孔２１を備えており、これらの
孔を通して空気量が混合管２０の内部へ流入し、かつ壁
に沿って膜を形成することで流れ速度の増大をうなが
す。これらの孔２１は混合管２０の内壁に少なくとも付
加的に滲み出し冷却をも形成するように設計されること
ができる。混合管２０の内部で混合物の速度を増大させ
る別の可能性は、すでに述べた遷移ジオメトリを形成す
る遷移通路２０１の下流で混合管の流れ横断面に狭窄部
を設け、これにより混合管２０の内部の速度レベルを全
体的に高めることにある。図面においてこの孔２１はバ
ーナ軸線６０に対して鋭角を成している。さらに、遷移
通路２０１の出口は混合管２０の最も狭い流れ横断面に
相応している。それゆえ、上記の遷移通路２０１は、形
成される流れにネガティブな影響を与えることなしにそ
れぞれの横断面差を架橋する。混合管２０に沿った管流
れ４０の案内に際して前述の手段が許容できない圧力損
失を招く場合には、これに対する救済手段として、この
混合管の端部に図示されていないディフューザが設けら
れる。混合管２０の端部には次いで燃焼器（燃焼室３
０）が接続され、その際、両方の流れ横断面の間に、バ
ーナフロントにより形成された横断面急変部が設けられ
ている。この箇所で初めて、火炎フロントに対して実体
のない保炎器の特性を備えた逆流ゾーン５０を有する中
央の火炎フロントが形成される。運転中この横断面急変
部の内部に、その箇所に生じる負圧により渦の剥離を生
ぜしめる流体的な境界層が形成されると、このことが逆
流ゾーン５０の強いリングスタビリゼーションを生ぜし
める。燃焼室３０は端面側に、この箇所が他の手段例え
ばパイロットバーナを備えていない限りにおいて、多数
の開口３１を有しており、これらの開口を通して空気量
が直に横断面急変部内へ流入して、その場所で特に逆流
ゾーン５０のリングスタビリゼーションを強化するのに
役立てられる。さらにまた、安定な逆流ゾーン５０の形
成のためには混合管内のスワール係数が十分に高いこと
が必要であることを指摘しなければならない。このよう
な高いスワール係数が不所望ならば、混合管の端部で例
えば接線方向の開口を通して、強くスワールを与えられ
た少量の空気流を供給することにより、安定な逆流ゾー
ンを形成することができる。その場合、このことのため
に必要な空気量が全空気量のほぼ５〜２０％であること
が前提される。逆流ゾーン又は逆流バブル５０の安定化
のための、混合管２０の端部におけるバーナフロント７
０の構成に関しては図５についての説明を参照された
い。

【００１２】図２は４つの部分体１４０，１４１，１４
２，１４３から構成されたスワール発生器１００を示
し、その場合、これらの部分体は羽根プロフィール形状
を有しており、これにより、それぞれの入口通路１２０
を通して内室１１４内へ流入する燃焼空気流１１５のた
めの所期の流れが得られる。これらの入口通路１２０の
流れ横断面は、図２から特に明瞭に看取されるように、
部分体のそれぞれの中央軸線１４１ａ，１４２ａ，１４
３ａ，１４４ａが互いにオフセットしていることにより
得られる。スワール発生器内の燃料１１６，１１６ａは
入口通路１２０に沿ってその両側から噴入される。噴入
の詳細は図３から明瞭に理解される。

【００１３】図３は４スリット式スワール発生器１００
の斜視図を示す。この場合、燃焼空気流１１５内への混
合のための燃料１１６，１１６ａの供給は、ヨーロッパ
特許公開第０７８０６２９号明細書にもとづく燃料供給
形式と異なり、部分体１４０〜１４３内に組み込まれた
燃料導管により行われる。入口通路１２０に沿ってその
両側から燃料を供給するために、対向して位置する個々
のインジェクタが軸方向で互いにオフセットして配置さ
れている。このことにより、一方の側のそれぞれ２つの
インジェクタの間の中間スペースが、他方の側で対向し
て位置していてオフセットされたインジェクタにより充
たされる。このことはその結果として、噴入された燃料
が燃焼空気流１１５により捕獲され、バブル状のスプレ
ーを形成するので重要である。互いに対向して位置して
互いにオフセットして形成された燃料バブルは入口通路
１２０の全横断面に充満することができ、供給された燃
料の貫徹深さが大きく、このことが燃料燃焼空気混合物
形成にポジティブに作用する。混合物形成を最適にする
別の手段はスワール発生器１００の軸方向で燃料１１
６，１１６ａの噴入平面Ｈを形成することにある。この
平面はスワール発生器１００の先端からスワール発生器
出口へ向かって増大する。このことにより、スワール発
生器先端から著しく下流に位置する燃料インジェクタの
予備混合区域が相対的に増大し、このことが予備混合プ
ロセスの強化につながる。図３からは、噴入平面Ｈの軸
方向のジオメトリ的な延び１４４，１４５による上述の
変化が明瞭に理解される。勿論、スワール発生器は他面
において本発明明細書の記載の肝要な部分を成すヨーロ
ッパ特許公開第０７８０６２９号明細書にもとづき形成
されることができる。別の数の入口通路１２０を備えた
スワール発生器も可能である。

【００１４】図４は遷移部材２００を３次元的に示した
図である。４つの部分体を備えたスワール発生器１００
ための遷移ジオメトリは図２及び図３に相応して構成さ
れている。従って、この遷移ジオメトリは、上流で作用
する部分体の必然的な延長部として４つの遷移通路２０
１を備えており、これにより、前述の部分体の円錐四分
面は混合管の壁と交差するまで延長される。同じ要件
は、スワール発生器が図３で説明したのとは異なる他の
原理で構成されている場合でも当てはめられる。個々の
遷移通路２０１の流れ方向で下方へ延びる面は流れ方向
でスパイラル状に延びる形状を有しており、この形状
は、この場合には遷移部材２００の流れ横断面が流れ方
向で円錐状に拡張していることとあいまって、三日月形
の延びを描いている。流れ方向での遷移通路２０１のね
じれ角は、管流れに続いて燃焼器入口のところの横断面
急変部まで十分大きな区域が残されることで、噴入され
た燃料との完璧な予備混合が行われるように選択され
る。さらに、前述の手段により、スワール発生器の下流
の混合管壁における軸方向速度も増大する。混合管の領
域内でのこの遷移ジオメトリ及び措置は混合管の中心点
へ向けて軸方向速度プロフィールの著しい上昇を生ぜし
め、その結果、早期点火の危険が著しく抑制される。

【００１５】図５はバーナ出口に形成されたすでに述べ
た剥離縁を示す。混合管２０の流れ横断面はこの領域内
で遷移曲率半径Ｒを有しており、その大きさは基本的に
混合管２０の内部の流れに依存している。この曲率半径
Ｒは流れが壁に接するように、かつスワール係数が著し
く上昇するように選択される。曲率半径Ｒの大きさは定
量的には混合管２０の内径の＞１０％に決定される。曲
率半径なしの流れに対比してこの場合には逆流バブル５
０が爆発的に増大する。この曲率半径Ｒは混合管２０の
出口平面まで延びており、その場合、湾曲の始めと終わ
りとの間の角度βは＜９０°である。剥離縁Ａは角βの
一方の辺に沿って混合管２０の内部へ延びており、かつ
これにより、剥離縁Ａの前方の点に対して剥離段Ｓを形
成しており、その深さは＞３ｍｍである。勿論、ここで
は混合管２０の出口平面に対して平行に延びる縁は湾曲
した延びで再び出口平面段上にもたらされることができ
る。剥離縁Ａの接線と、混合管２０の出口平面に対する
垂線との挟角β′は角度βと同じである。この剥離縁の
構成の利点はヨーロッパ特許公開第０７８０６２９号明
細書において“発明の開示”の欄に明らかに記載されて
いる。同じ目的で剥離縁の別の構成が燃焼器側のトーラ
ス状(torus）の切欠によって形成されている。前記文献
はその請求の範囲を含めて剥離縁に関して本発明明細書
の肝要な部分を成している。

【図面の簡単な説明】

【図１】スワール発生器の下流に混合区域を備えていて
予備混合バーナとして形成されたバーナの略示断面図で
ある。

【図２】４つのシェルから成るスワール発生器の略示横
断面図である。

【図３】４つのシェルから成るスワール発生器の斜視図
である。

【図４】スワール発生器と混合区域との間の遷移ジオメ
トリの１構成を示す図である。

【図５】図１の符号Ｆｉｇ．５で示す一点鎖線の円で囲
った部分内の逆流ゾーン安定化のための剥離縁を拡大し
て示す断面図である。

【符号の説明】

１０ ブシュリング、 ２０ 混合管（混合区域２２０
の部分）、 ２１ 孔（開口）、 ３０ （燃焼器の）
燃焼室、 ３１ 開口、 ４０ 流れ（混合管内の管流
れ、主流）、 ５０ 逆流ゾーン（逆流バブル）、 ６
０ バーナ軸線、 １００ スワール発生器、 １０３
燃料ノズル、 １１４ 円錐状中空室、 １１５ 燃
焼空気（燃焼空気流）、 １１６，１１６ａ （燃料）
インジェクタ（導管１０８，１０９，ガスインジェク
タ）からの燃料、 １４０，１４１，１４２，１４３
羽根プロフィール形状の部分体、 Ｈ，１４４，１４５
噴入平面、 ２００ 遷移部材、 ２０１ 遷移通
路、 ２２０ 混合区域、 ｄ混合管の内径、 Ａ 剥
離縁、 Ｒ 遷移曲率半径、 Ｓ 剥離段（出口平面
段）、 Ｔ 剥離縁の接線、 β Ｒの遷移角、 β′
ＴとＡとの挟角

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱発生器を運転す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スワール発
   生器と、燃焼空気流内へ少なくとも１つの燃料を噴入す
   るための手段とから成り、その場合、スワール発生器の
   下流に混合区域が配置されており、この混合区域が第１
   の区域部分の内部に流れ方向で多数の遷移通路を、スワ
   ール発生器内で形成された流れをこれらの遷移通路の下
   流に配置された１つの混合管内へ移送するために備えて
   いる形式のものにおいて、 スワール発生器（１００）が、スワールを発生するそれ
   ぞれの入口通路（１２０）の両側に燃料インジェクタ
   （１１６，１１６ａ）を備えていることを特徴とする熱
   発生器を運転するためのバーナ。
2. 【請求項２】 両側で作用する燃料インジェクタ（１１
   ６，１１６ａ）が軸方向に互いにオフセットして配置さ
   れている請求項１記載のバーナ。
3. 【請求項３】 燃料インジェクタ（１１６，１１６ａ）
   の両方の列が噴入平面（Ｈ）を形成しており、かつ、こ
   の噴入平面（Ｈ）がスワール発生器（１００）の先端か
   ら出口まで増大している請求項１記載のバーナ。
4. 【請求項４】 スワール発生器（１００）が、流れ方向
   に互いに入り込んで配置された少なくとも２つの中空円
   錐状の部分体（１４０，１４１，１４２，１４３）から
   成り、これら部分体のそれぞれの中央軸線（１４０ａ，
   １４１ａ，１４２ａ，１４３ａ）は、部分体の隣合う壁
   がそれらの長手方向の延びにおいて燃焼空気流（１１
   ５）のための接線方向の入口通路（１２０）を形成する
   ように互いにオフセットして延びており、かつ、部分体
   により形成された内室（１１４）内で予備混合区域が作
   用可能である請求項１記載のバーナ。
5. 【請求項５】 スワール発生器（１００）のヘッド側に
   燃料ノズル（１０３）が配置されている請求項４記載の
   バーナ。
6. 【請求項６】 部分体（１４０，１４１，１４２，１４
   ３）の横断面が羽根状のプロフィールを有している請求
   項４記載のバーナ。
7. 【請求項７】 部分体が、固定の円錐角又は増大する円
   錐度又は減少する円錐度を流れ方向に有している請求項
   ４記載のバーナ。
8. 【請求項８】 部分体がスパイラル状に互いに入り込ん
   で配置されている請求項４記載のバーナ。
9. 【請求項９】 混合区域（２２０）内の遷移通路（２０
   １）の数が、スワール発生器（１００）により形成され
   る部分流の数に対応している請求項１記載のバーナ。
10. 【請求項１０】 遷移通路（２０１）の下流に配置され
    た混合管（２０）が流れ方向かつ周方向に、混合管（２
    ０）の内部への空気流の噴入のための開口（２１）を備
    えている請求項１記載のバーナ。
11. 【請求項１１】 開口（２１）が混合管（２０）のバー
    ナ軸線（６０）に対して鋭角を成して延びている請求項
    １０記載のバーナ。
12. 【請求項１２】 遷移通路（２０１）の下流における混
    合管（２０）の流れ横断面が、スワール発生器（１０
    ０，１００ａ）内に形成される流れ（４０）の横断面に
    比して小さいか、等しいか又は大きい請求項１記載のバ
    ーナ。
13. 【請求項１３】 混合区域（２２０）の下流に燃焼室
    （３０）が配置されており、かつ、混合区域（２２０）
    と燃焼室（３０）との間に、燃焼室（３０）の初めの流
    れ横断面を誘引する横断面急変部が存在しており、か
    つ、この横断面急変部の領域内で逆流ゾーン（５０）が
    作用可能である請求項１記載のバーナ。
14. 【請求項１４】 逆流ゾーン（５０）の上流にディフュ
    ーザ及び又はベンチュリ区域が存在している請求項１３
    記載のバーナ。
15. 【請求項１５】 混合管（２０）が燃焼室側（３０）に
    剥離縁（Ａ）を備えている請求項１記載のバーナ。