JP2000283422A - バーナ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 バーナ装置における燃焼の片寄りを防止し、
これによって燃焼ガスの平均温度を高めることができる
とともに、安定して燃焼を継続できるバーナ装置を提供
すること。 【解決手段】 第１の円筒状部材で構成され、第１の流
路４５を規定する第１のノズル手段と、第１の円筒状部
材の外側に同心状に配置される第２の円筒状部材から構
成される第２の流路４７を規定する第２のノズル手段１
２と、第１の流路４５に安定して燃焼できる燃焼用ガス
を供給するための第１のガス供給手段と、第２の流路４
７に第１の流路に供給される燃焼ガスよりも希薄な燃焼
用ガスを供給するための第２のガス供給手段と、第１お
よび第２の流路４５，４７に空気を供給するための空気
流路と、第１の流路４５と第２の流路４７との間に第２
の流路４７の希薄混合ガスの一部を第１の流路４５に導
くため、開口部８２と閉口部８４とから成る断続したリ
ング状の混合ガス導入口を具備するバーナ装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼用ガスを燃焼
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
ムの代表的な一つのシステムは、燃焼用ガスを燃焼する
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】このようなガスタービンに用いられるバー
ナ装置は、第１のガス供給手段からの燃焼用ガスが供給
される一次ノズル手段と、第２のガス供給手段からの燃
焼用ガスが供給される二次ノズル手段とを備えている。
一次ノズル手段は第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焼用ガスが噴
出され、これによって安定して燃焼する希薄混合ガスが
生成される。また、二次ノズル手段は第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
らの燃焼用ガスが噴出され、これによって一次ノズル手
段の希薄混合ガスよりもガス濃度の低い希薄混合ガスが
生成される。このようなバーナ装置では、一次ノズル手
段の混合ガスのガス濃度が二次ノズル手段の混合ガスの
ガス濃度よりも高いので、一次ノズル手段の混合ガスが
安定して燃焼し、そしてこの一次ノズル手段の燃焼ガス
を利用して二次ノズル手段の混合ガスが燃焼される。燃
焼用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、これによって酸化窒素（ＮＯｘ）の発生を抑え
た高効率な燃焼が可能となる。

【０００４】しかしながら、上述したバーナ装置では、
次のとおりの解決すべき問題が存在する。第１のノズル
手段を流れる希薄混合ガスのガス濃度は第２のノズル手
段の希薄混合ガスのガス濃度よりも濃いので、その燃焼
ガスの燃焼温度は高く、一方第２のノズル手段を流れる
希薄混合ガスの燃焼温度は第１のノズル手段の燃焼ガス
の燃焼温度よりも低くなる傾向にある。一般的に、バー
ナ装置からの燃焼ガスをガスタービンに送給する場合、
送給される燃焼ガスの最高温度がガスタービンの耐熱温
度を超えないようにする必要がある。それ故に、上述し
たバーナ装置においては、燃焼ガスの中心付近の最高温
度をガスタービンの耐熱温度、たとえば１２００℃以下
に設定する必要があり、このようにしたとき、中心付近
から離れた部位の燃焼ガスの燃焼温度が低くなる。その
結果、ガスタービンに送給される燃焼ガスの平均温度が
低くなり、バーナ装置を含むシステムの熱効率が悪くな
る。

【０００５】これを解決するために、第１のノズル手段
を有する第１の流路を第１の円筒状に形成し、これより
も外側に同心に、第２のノズル手段を有する第２の流路
を第２の円筒状に配置し第２の流路から第１の流路に、
連続したリング状の混合ガス導入口を設けたバーナ装置
が考えられる。このバーナ装置は前記バーナ装置よりも
燃焼の片寄りが少なくなるが、まだ混合ガス導入口から
導入された混合ガスが充分に第１の流路の混合ガスと混
合しない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、バー
ナ装置における燃焼の片寄りを防止し、燃焼ガスの燃焼
温度を均一にして、これによって燃焼ガスの平均温度を
高めることができるとともに、安定して燃焼を継続でき
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、第１の円筒状
部材から構成され、第１の流路を規定する第１のノズル
手段と、前記第１の円筒状部材の外側に同心状に配置さ
れる第２の円筒状部材から構成され、第２の流路を規定
する第２のノズル手段と、前記第１の流路に燃焼用ガス
を供給するための第１のガス供給手段と、前記第２の流
路に燃焼用ガスを供給するための第２のガス供給手段
と、前記第１および第２の流路に空気を供給するための
空気流路とを備え、前記第１のガス供給手段からの燃焼
用ガスは前記空気流路から前記第１の流路を通して流れ
る空気流に向けて噴出され、これによって安定に燃焼で
きる希薄混合ガスが第１の流路で生成され、前記第２の
ガス供給手段からの燃焼用ガスは前記空気流路から前記
第２の流路を通して流れる空気流に向けて噴出され、こ
れによって前記第１の流路の希薄混合ガスよりもさらに
ガス濃度の低い希薄混合ガスが第２の流路で生成され、
前記第１の流路と前記第２の流路との間には、さらに、
前記第２の流路の希薄混合ガスの一部を前記第１の流路
に導くための断続したリング状の混合ガス導入口が設け
られていることを特徴とするバーナ装置である。

【０００８】本発明者らは、混合ガス導入口の形状を種
々実験で検討した結果、断続したリング状にすれば、混
合ガス導入口から導入された混合ガスが第１の流路の混
合ガスと充分に混合することを確認し、本発明を完成す
るに至った。

【０００９】本発明に従えば、第１の円筒状部材から構
成される第１の流路を流れる空気流には第１のガス供給
手段からの燃焼用ガスが噴出され、これによって安定し
て燃焼する希薄混合ガスが生成される。また、第１の円
筒状部材の外側に同心状に配置される第２の円筒状部材
から構成される第２の流路を流れる空気流には第２のガ
ス供給手段からの燃焼用ガスが噴出され、これによって
第１のノズル手段の混合ガスよりもガス濃度の薄い希薄
混合ガスが生成される。さらに、第１の流路と第２の流
路との間には断続したリング状の混合ガス導入口が設け
られているので、第２の流路にて生成された混合ガスの
一部が第１の流路に導入され、これによって第１の流路
の混合ガスと第１の流路に導入された第２の流路の混合
ガスとの混合が充分に行われ、ガス濃度が均一化して燃
焼状態の片寄りが非常に少なくなる。その結果、第１の
ノズル手段からの燃焼ガスの燃焼温度と第２のノズル手
段からの燃焼ガスの燃焼温度がほぼ等しくなり、燃焼ガ
スをガスタービンに送給する場合、燃焼ガスの平均温度
をガスタービンの耐熱温度に近づけることができ、バー
ナ装置を含むシステムの効率を高めることができる。

【００１０】また本発明は、前記第２の流路を流れる空
気流の流速は、前記第１の流路を流れる空気流の流速よ
りも速いことを特徴とする。

【００１１】本発明に従えば、第２の流路を流れる空気
流の流速は第１の流路を流れる空気流の流速よりも速い
ので、第２の流路の希薄な混合ガスの一部が混合ガス導
入手段を介して第１の流路に導入され、第１の流路を流
れる混合ガスの濃度が薄められ、これにより高温となる
混合ガスが減少する。

【００１２】また本発明は、前記第２の流路の半径方向
断面積Ｓ２と前記第１の流路の半径方向断面積Ｓ１との
比（Ｓ２／Ｓ１）は２．０〜１０．０であり、前記混合
ガス導入口は３〜１６個の等面積の開口部と閉口部とを
有する断続したリング状であり、前記第２の流路の半径
方向断面積Ｓ２と前記混合ガス導入口の開口部の半径方
向断面積Ｓ３との比（Ｓ２／Ｓ３）は１．０〜３０．０
であることを特徴とする。

【００１３】本発明に従えば、第２の流路の断面積Ｓ２
と第１の流路の断面積Ｓ１との比（Ｓ２／Ｓ１）が２．
０〜１０．０である。前記断面積比が２．０未満では、
第１の流路の中央部における燃焼ガスの燃焼温度は部分
的に高温となり、排出ガス中のＮＯｘ値を減少させるこ
とができない。またこれが１０．０を超えると、第２の
流路のガスが吹き消されるおそれがある。第２の流路の
混合ガスは、それのみでは安定して燃焼できない程度に
希薄な混合ガスであり、第１の流路の混合ガスはそれの
みで安定して燃焼できる混合ガスであり、第２の流路の
混合ガスは第１の流路の混合ガスによってその燃焼が助
けられる。すなわち第２の流路の混合ガスは、第１の流
路の混合ガスによって保炎されている。したがって前記
断面積比が大きくなる程、保炎効果が少なくなり、これ
が１０．０を超えると、安定して燃焼を継続できなくな
るおそれがある。この断面積比（Ｓ２／Ｓ１）の範囲
は、次に述べる断面積比（Ｓ２／Ｓ３）の範囲とともに
本発明者が実験的に求めたものである。

【００１４】また本発明に従えば、第２の流路の断面積
Ｓ２と混合ガス導入手段の導入開口の断面積Ｓ３との比
（Ｓ２／Ｓ３）が１．０〜３０．０である。前記断面積
比が１．０未満では、第２の流路の混合ガスが導入手段
を介して大量に第１の流路に流れ、第２の流路の混合ガ
スの量が減少し、燃焼が第１の流路で主として生じ、燃
焼器出口の温度が不均一になる。またこれが３０．０を
超えると、第２の流路の混合ガスがほとんど第１の流路
に導入されず、第１の流路の燃焼ガスが高温となり、排
出ガス中のＮＯｘ値を減少させることができない。

【００１５】さらに本発明に従えば、混合ガス導入口
は、３〜１６個の等面積の開口部と閉口部とを有する断
続したリング状である。開口部と閉口部との個数を各２
以下にすると、先に述べた連続したリング状に近い構造
となり、混合ガス導入口から導入された混合ガスが充分
に第１の流路の混合ガスと混合しない。開口部と閉口部
との個数は多くする程、導入口から導入された混合ガス
がよく第１の流路の混合ガスと混合されるが、この個数
を１７個以上に増加しても、混合状態は大きく改善され
ない上に、製作に手間がかかる。

【００１６】また本発明は、前記第１の円筒状部材は、
円筒状のノズル本体と先端ノズルとから構成され、前記
先端ノズルは、内径が大きい大径部と、前記大径部より
も内径が小さい小径部と、前記大径部と前記小径部とを
接続するテーパ部とを有し、前記先端ノズルの前記大径
部が前記ノズル本体の先端部に装着され、前記混合ガス
導入口の前記開口部は、前記ノズル本体と前記先端ノズ
ルの前記大径部との間に断続して形成され、前記先端ノ
ズルの前記テーパ部は、前記大径部から半径方向内方に
延び、前記テーパ部の前記先端ノズルとのテーパ角度が
２０〜１２０度に設定されていることを特徴とする。

【００１７】本発明に従えば、第１のノズル手段はノズ
ル本体と先端ノズルから構成され、ノズル本体と先端ノ
ズルの大径部との間に混合ガス導入開口が規定されてい
るので、第２の流路を流れる混合ガスはこの混合ガス導
入開口を通して第１の流路に所要のとおりに導入され
る。また、先端ノズルにはテーパ角度が２０〜１２０度
であるテーパ部が設けられているので、混合ガス導入開
口を通して導入された混合ガスはこのテーパ部に案内さ
れて半径方向内方に案内され、これによって第２の流路
から導入された混合ガスは半径方向内方に流れて第１の
流路を流れる混合ガスに実質上均一に混合される。この
テーパ角度が２０度未満では、テーパ部の長さが長くな
り好ましくない。また１２０度を超えると、混合ガス導
入開口を通して導入される混合ガス流に抵抗を生じ、円
滑に導入されない。このテーパ角度の範囲は、本発明者
が実験的に求めたものである。

【００１８】さらに本発明は、前記第１の流路を流れる
希薄混合ガスを点火するための点火手段が設けられ、前
記混合ガス導入手段の前記導入開口は前記点火手段の配
設部位よりも下流側に設けられていることを特徴とす
る。

【００１９】本発明に従えば、混合ガス導入手段は点火
手段の配設部位の下流側に配設されているので、点火手
段には第１の流路を通して流れる混合ガス、すなわち第
２の流路からの混合ガスが含まれていない安定して燃焼
できる混合ガスが送給され、したがって点火手段によっ
て第１の流路の混合ガスを確実に点火することができ
る。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、本発
明に従うバーナ装置の一実施形態について説明する。図
１は、本発明に従うバーナ装置の一実施形態を簡略的に
示す断面図であり、図２は、図１に示すバーナ装置の一
部を拡大して示す断面図であり、図３は、図２における
ＩＩＩ−ＩＩＩ線による断面図である。

【００２１】図１を参照して、図示のバーナ装置は、番
号２で示すバーナテスト用ケースのディフューザ部を備
え、このディフューザ部２に円筒状のテストケース４が
装着され、テストケース４は図１において右方に延びて
いる。テストケース４内には燃焼ケース６が配設されて
いる。燃焼ケース６は円筒状で、テストケース４に同心
状に配設されている。燃焼ケース６の一端部（図１にお
いて左端部）はディフューザ部２に装着され、その他端
部は図１において右方に延びている。ディフューザ部２
には、また、空気流路８が形成され、この空気流路８を
通して燃焼用空気が燃焼ケース６の一端部に供給され
る。この燃焼用空気は、たとえば、コンプレッサ（図示
せず）によって圧縮された状態にて送給される。

【００２２】この実施形態では、燃焼ケース６の一端部
内に第１のノズル手段１０、第２のノズル手段１２およ
び燃焼筒１４が配設されている。図２をも参照して、デ
ィフューザ部２の一部には取付支持ブロック１６が装着
され、この取付支持ブロック１６に外ガス送給管１８の
一端部が装着され、この外ガス送給管１８の他端部に噴
射ノズル体２０が装着されている。噴射ノズル体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、この仕切ス
リーブ２４によって上記内部空間２２が内側の第１空間
２２ａとこの第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。ま
た、外ガス送給管１８の内側には内ガス送給管２６が同
心状に配設され、その一端部が取付支持ブロック１６に
装着され、その他端部が噴射ノズル体２０に装着されて
いる。この内ガス送給管２６は、噴射ノズル体２０の第
１空間２２ａに連通されている。

【００２３】内ガス送給管２６には、これに燃焼用ガス
を供給するための第１のガス供給手段が接続されてい
る。第１のガス供給手段は、燃焼用ガスが蓄えられたガ
ス供給源（図示せず）、ガス供給源から燃焼用ガスを導
くガス送給管２８およびガス送給管２８を通して送給さ
れるガスの流量を制御する流量制御手段、たとえば流量
制御弁（図示せず）を含み、ガス送給管２８が内ガス送
給管２６に連通されている。また、外ガス送給管１８に
は、これに燃焼用ガスを供給するための第２のガス供給
手段が接続されている。第２のガス供給手段は、燃焼用
ガスが蓄えられたガス供給源（図示せず）、ガス供給源
から燃焼用ガスを導くガス送給管３０およびガス送給管
３０を通して送給されるガスの流量を制御する流量制御
手段、たとえば流量制御弁（図示せず）を含み、ガス送
給管３０が外ガス送給管１８に連通されている。なお、
燃焼用ガスとしては、たとえば、都市ガスを好都合に用
いることができる。

【００２４】第１のノズル手段１０は、噴射ノズル体２
０の外側に装着されている。図示の第１のノズル手段１
０は第１の円筒状部材３２から構成され、この第１の円
筒状部材３２の一端部には周方向に間隔を置いて半径方
向内方に突出する内突起３４が一体的に設けられ、複数
個の内突起３４を介して第１の円筒状部材３２が噴射ノ
ズル体２０に同心状に支持されている。このように構成
されているので、第１の円筒状部材３２と噴射ノズル体
２０との間には、周方向のほぼ全域に渡って環状の間隙
が存在し、空気流路８からの空気はかかる間隙を通して
第１の円筒状部材３２内に導かれる。

【００２５】噴射ノズル体２０の先端部と第１の円筒状
部材３２の一端部との間には、第１のスワラ３６が配設
されている。第１のスワラ３６は、周方向に間隔を置い
て配設された複数個のフィンから構成され、噴射ノズル
体２０と第１の円筒状部材３２との間隙を通して流れる
空気は、かかる第１のスワラ３６によって旋回流とな
り、旋回流の状態で第１の円筒状部材３２内を図１およ
び図２において右方に流れる。第１のスワラ３６は第１
の円筒状部材３２と一体的に形成してもよく、また別体
に形成して両者の間に介在させてもよい。

【００２６】第２のノズル手段１２は、第１のノズル手
段１０の外側に装着されている。図示の第２のノズル手
段１２は第２の円筒状部材３８から構成され、この第２
の円筒状部材３８の一端部が第２のスワラ４０を介して
第１の円筒状部材３２の外側にこれに同心状に装着され
ている。第２のスワラ４０は、周方向に間隔を置いて配
設された複数個のフィンから構成され、第１の円筒状部
材３２と第２の円筒状部材３８との間に導かれる空気
は、かかる第２のスワラ４０の作用によって旋回流とな
り、旋回流の状態で第２の円筒状部材３８内を図１およ
び図２において右方に流れる。この第２のスワラ４０
は、第２の円筒状部材３８と一体的に形成してもよく、
また別体に形成して第１および第２の円筒状部材３２，
３８の間に介在させてもよい。

【００２７】第２の円筒状部材３８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４４によって取付けられている。燃焼筒１
４は円筒状部材から構成され、第１および第２の円筒状
部材３２，３８に同心状に配設され、この燃焼筒１４と
燃焼ケース６との間にも環状の外空間が存在する。

【００２８】この実施形態では、噴射ノズル体２０先端
部には周方向に間隔を置いて複数個の第１噴出孔４６が
形成され、これら第１噴出孔４６が噴射ノズル体２０の
第１空間２２ａに連通している。また、噴射ノズル体２
０の中間部には半径方向に延びる第２噴出孔４８が周方
向に間隔を置いて形成され、これら第２噴出孔４８が噴
射ノズル体２０の第２空間２２ｂに連通している。さら
に、第１円筒状部材３２の内突起３４には貫通孔５０が
形成され、かかる貫通孔５０が対応する第２噴出孔４８
に接続されている。

【００２９】このように構成されているので、ガス送給
管２８を通して供給される燃焼用ガスは、内ガス送給管
２６を通して噴射ノズル体２０の第１空間２２ａに送給
され、第１噴出孔４６を通して噴出される。第１のノズ
ル手段１０は、図１および図２に示すとおり、第１の円
筒状部材３２によって第１の流路４５を規定し、空気流
路８を流れる空気の一部は噴射ノズル体２０と第１の円
筒状部材３２との間を通して第１の流路４５に導かれ、
第１噴出孔４６から噴出される燃焼用ガスは、第１のス
ワラ３６によって旋回流となって流れる空気流に向けて
噴出され、旋回流の作用によって実質上均一に混合され
て混合ガス（燃焼用ガスと空気との希薄混合ガス）とな
る。この第１の流路４５の混合ガスの空気比は、たとえ
ば１．４〜１．９程度の安定して燃焼する範囲に設定さ
れる。なお、第１のガス供給手段の流量制御手段（図示
せず）を操作することによって、第１噴出孔４６から噴
出される燃焼用ガスの噴出量を制御することができる。
また、ガス送給管３０を通して供給される燃焼用ガス
は、外ガス送給管１８を通して噴射ノズル体２０の第２
空間２２ｂに送給され、第２噴出孔４８および第１の円
筒状部材３２の貫通孔５０を通して第１の円筒状部材３
２の外側に噴出される。第２のノズル手段１２は、図１
および図２に示すとおり、第１の円筒状部材３２の外側
に第２の円筒状部材３８によって環状の第２の流路４７
を規定し、空気流路８を流れる空気の残りの一部は第１
の円筒状部材３２と第２の円筒状部材３８との間を通し
て第２の流路４７に導かれ、第２噴出孔４８から貫通孔
５０を通して噴出される燃焼用ガスは、第２のスワラ４
０によって旋回流となって流れる空気流に向けて噴出さ
れ、旋回流の作用によって実質上均一に混合されて混合
ガス（燃焼用ガスと空気との希薄混合ガス）となる。こ
の第２の流路４７の混合ガスの空気比は、たとえば２．
０程度に設定される。なお、第２のガス供給手段の流量
制御手段（図示せず）を操作することによって、第２噴
出孔４８から噴出される燃焼用混合ガスの噴出量を制御
することができる。

【００３０】空気流路８を通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を通して流れ
る。この実施形態では、燃焼筒１４には周方向および軸
線方向に間隔を置いて複数個の空気孔５２が形成されて
おり、空間５１を通して流れる空気はこれら空気孔５２
を通して燃焼筒１４内に導入される。空気孔５２を通し
て導入される空気は燃焼筒１４の内周面に沿って流れる
空気層を生成し、かかる空気層によって燃焼筒１４が冷
却される。これら空気孔５２は、燃焼筒１４の一部を半
径方向外方に折曲することによって形成することができ
る。また、後述する如くして燃焼して燃焼筒１４内を流
れる燃焼ガスの温度が異常に上昇しないように、必要に
応じて、燃焼筒１４に希釈孔（図示せず）を設けること
ができ、このように希釈孔を設けた場合、空間５１を流
れる空気が希釈孔を通して燃焼筒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低下される。な
お、燃焼筒１４が異常高温に上昇しない場合、空気孔５
２を省略することもできる。

【００３１】この実施形態では、図１に示すとおり、第
１のノズル手段１０の先端部、すなわち第１の円筒状部
材３２の他端部と、第２のノズル手段１２の先端部、す
なわち第２の円筒状部材３８の他端部とは、実質上同じ
位置またはほぼ同じ位置まで延びており、また燃焼筒１
４の先端部は第１および第２のノズル手段１０，１２を
越えてさらに図１において右方に延びている。したがっ
て、第１の流路４５の混合ガスによる燃焼火炎は第１の
円筒状部材３２の内部もしくは先端部から図１において
右方に生成され、また第２の流路４７の混合ガスによる
燃焼火炎は第２の円筒状部材３８の先端部から図１にお
いて右方に発生し、これら燃焼火炎は燃焼筒１４内にて
所要のとおりに燃焼される。

【００３２】この実施形態では、第１の流路４５を流れ
る希薄混合ガスのガス濃度は第２の流路４７を流れる希
薄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
るための点火手段５６の点火部が第１の流路４５内に突
出している。点火手段５６は細長い点火部材５８を備
え、その基部がテストケース４に装着され、その先端部
が燃焼ケース６、燃焼筒１４、第２の円筒状部材３８お
よび第１の円筒状部材３２を貫通して第１の流路４５に
突出している。点火部材５８の先端点火部は、第１の流
路４５を流れる混合ガスに向けて火花を発生し、かかる
火花によって第１の流路４５の安定して燃焼できる混合
ガスが点火燃焼される。そして、第１の流路４５にて発
生した燃焼ガスの火炎が第２の流路４７を流れる混合ガ
スに伝播され、かかる火炎の伝播によって第２の流路４
７の混合ガスが燃焼される。なお、第１および第２のノ
ズル手段１０，１２として流量制御を行うことができる
ものを採用する場合、この点火手段５６を第１および第
２の流路４５，４７からの混合ガスが混合される領域の
下流側に設けることができる。

【００３３】また、噴射ノズル体２０と第１の円筒状部
材３２との間隙は、第１の円筒状部材３２と第２の円筒
状部材３８との間隙よりも小さく設定されており、した
がって第１の流路４５に流入する空気は、第１の流路４
５の入口部において絞られ、その後下流側において第１
の流路の断面積が大きく増大するので、この第１の流路
４５を流れる空気流の流速は比較的遅く、これに対し
て、第２の流路４７を流れる空気流の流速は比較的速く
なる。

【００３４】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、図１におい
て右方に延び、その先端部は先細に形成されており、燃
焼筒１４から導出筒６０の一端部に導かれた燃焼ガスは
この導出筒６０内を流れてその先細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、燃焼筒１４内で燃焼された燃焼ガスは
導出筒６０を通してガスタービン６２に送給され、ガス
タービン６２はバーナ装置からの燃焼ガスによって回転
駆動される。なお、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。

【００３５】この実施形態では、第２の流路４７の希薄
混合ガスの一部が第１の流路４５の希薄混合ガスに混合
されるように構成されている。図１および図２ともに図
３を参照してさらに説明すると、この実施形態では、第
１のノズル手段１０の第１の円筒状部材３２に混合ガス
導入手段が設けられている。図示の第１の円筒状部材３
２は、円筒状のノズル本体７２とこのノズル本体７２の
先端部に装着される先端ノズル７４から構成され、ノズ
ル本体７２の一端部（図１および図２において左端部）
が噴射ノズル体２０に装着されている。ノズル体７２は
一端部近傍から他端部まで実質上同じ内径であり、その
一端部は半径方向外方に幾分湾曲されており、これによ
って空気流路８を流れる空気は、かかる湾曲一端部に案
内されて噴射ノズル体２０とノズル本体７２との間隙に
導かれる。先端ノズル７４は、内径が大きい大径部７６
と、内径が小さい小径部７８と、大径部７６および小径
部７８を接続するテーパ部８０とから構成され、テーパ
部８０は半径方向内方に向けてテーパ状に延びている。
本実施の形態では、小径部７８の内径はノズル本体７２
の内径と実質上等しく、大径部７６の内径は小径部７８
およびノズル本体７２の内径よりも大きく設定されてい
る。

【００３６】本実施形態では、ノズル本体７２の他端部
に先端ノズル７４の大径部７６が６個の等面積の開口部
８２と閉口部８４とを介して装着されている。このよう
に先端ノズル７４が装着されているので、図３に示すと
おり、ノズル本体７２の他端部外周面と先端ノズル７４
の大径部７６の内周面との間に扇形の６個の開口部８２
が形成され、この開口部８２が混合ガス導入口として機
能する。このように導入開口が設けられているので、第
２の流路４７を流れる希薄混合ガスはこの導入口を通し
て第１の流路４５に導入され、第１の流路４５を流れる
希薄混合ガスに充分混合される。したがって、第２の流
路４７からの混合ガスによって第１の流路４５の混合ガ
スのガス濃度が薄められ、これによって第１の流路４５
の混合ガスと第２の流路４７の混合ガスとのガス濃度の
均一化が図られる。また、第２の流路４７からの混合ガ
スは６個の開口部８２と６個の閉口部８４とが交互に設
けられた断続したリング状の導入口を通して第１の流路
４５に導入されるので、第１の流路４５の実質上全周に
渡って第２の流路４７からの混合ガスを導入することが
でき、導入混合ガスの片寄りを防止することができる。

【００３７】このような先端ノズル７４を用いた場合、
テーパ部８０の先端ノズル７４とのテーパ角度θ（図
２）、すなわちテーパ部８０の半径方向内方への傾斜角
度を２０〜１２０度に設定するのが望ましい。このよう
に設定することによって、導入口を通して導入された混
合ガスは先端ノズル７４のテーパ部８０に案内されて半
径方向内方に流れ、第１の流路４５を流れる混合ガスに
一層均一に混合されるようになる。なお、この実施形態
では、ノズル本体７２と先端ノズル７４とを閉口部８４
で塞ぎ溶接によって固着している。また、この実施形態
では、テーパ部８０は直線状に延びているが、必ずしも
直線状である必要はなく、所定形状の曲線状に形成する
ことができる。

【００３８】このようなバーナ装置では、図３に示すよ
うに、６個の開口部８２および６個の閉口部８４を含む
図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面において、第２の
流路４７の半径方向断面積Ｓ２と第１の流路４５の半径
方向断面積Ｓ１との比（Ｓ２／Ｓ１）を２．０〜１０．
０に設定するのが望ましい。このように設定することに
よって、第２の流路４７の断面積Ｓ２が第１の流路４５
の断面積Ｓ１より２倍以上大きくなり、これによって第
１の流路４５を通して流れる混合ガス（この混合ガスの
ガ濃度は、第２の流路４７を流れる混合ガスのガス濃度
よりも濃い）の流量が少なくなり、燃焼筒１４の中央
部、換言すると第１の流路４５に対応する燃焼領域の燃
焼ガスの燃焼温度が抑えられ、ＮＯｘの発生を少なくす
ることができる。また、第２の流路４７の断面積Ｓ２が
第１の流路４５の断面積Ｓ１の１０倍以下とされ、これ
によって第１の流路４５を通して流れる混合ガスの流量
が第２の流路４７を通して流れる混合ガスの量に対し過
小とならず、安定して燃焼する第１の流路４５を流れる
ガスによって、さらに希薄な第２の流路４７を流れるガ
スの燃焼を助け、全体として安定した燃焼が継続でき
る。

【００３９】図２において、第２の流路４７の半径方向
断面積Ｓ２と導入口の半径方向断面積（６個の開口部８
２の合計断面積）Ｓ３との比（Ｓ２／Ｓ３）を１．０〜
３０．０に設定するのが望ましい。このように設定する
ことによって、第２の流路４７の断面積Ｓ２が導入口の
断面積Ｓ３よりも大きくなり、これによって第２の流路
４７から導入口を通して第１の流路４５に導入される混
合ガスの導入量が過剰に多くなることがなく、第１の流
路４７を流れる混合ガスのガス濃度が薄くなることを防
止することができる。また、第２の流路４７の断面積Ｓ
２が導入口の断面積Ｓ３よりも３０倍を超えて大きくな
らず、これによって第２の流路４７から導入口を通して
第１の流路４５に導入される混合ガスの導入量が過小に
ならず、第１の流路４５に第２の流路４７のガスを混合
する効果を損なわない。

【００４０】この実施形態では、また、点火手段５６の
点火部材５８は、第１のノズル手段１０のノズル本体７
２の他端部近傍、具体的には混合ガスの流れ方向に見て
導入開口８４の上流側に配設される。このように構成す
ることによって、第１の流路４５を流れる混合ガス、す
なわち第２の流路４７からの混合ガスが導入される前の
安定して燃焼するガス濃度の混合ガスが点火部材５８に
送給されるようになり、点火手段５６による点火性能が
低下することが回避できる。

【００４１】このようなバーナ装置では、第１の流路４
５を流れる混合ガスに第２の流路４７を流れる混合ガス
の一部が送給され、これによって点火手段５６の下流側
にて第１の流路４５の混合ガスが第２の流路４７からの
混合ガスによって薄められ、第１の流路４５と第２の流
路４７の混合ガスのガス濃度をほぼ均一化し、燃焼ガス
の燃焼温度を燃焼筒１４の半径方向断面のほぼ全域にお
いて実質上均一にすることができる。このように燃焼ガ
スの燃焼温度を平均化することによって、燃焼ガスをガ
スタービン６２に送給する場合、燃焼温度の平均値をガ
スタービン６２の耐熱温度により近づけることができ、
バーナ装置を含むガスタービンシステムの効率の向上を
図ることができる。

【００４２】〔実施例および比較例〕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
に示す実施形態のバーナ装置を用いて燃焼ガスの燃焼実
験を行った。用いたバーナ装置における各部材の寸法な
どは、次のとおりであった。噴射ノズル体については、
直径１．３ｍｍの第１噴出孔を周方向に実質上等間隔を
置いて８個設け、また直径２．６ｍｍの第２噴出孔を周
方向に実質上等間隔をおいて８個設けた。また、第１の
ノズル手段については、内径３６ｍｍ、長さ１０２ｍｍ
のノズル本体と、内径４６ｍｍ、長さ１１ｍｍの大径
部、内径３６ｍｍ、長さ１６ｍｍの小径部およびこれら
両者を接続する長さ５ｍｍのテーパ部を有し、テーパ部
のテーパ角度が４５度である先端ノズルとを用い、先端
ノズルの大径部を８個の閉口部によってノズル本体に取
付けて第１の円筒状部材を構成した。また、第２のノズ
ル手段については、内径７０ｍｍ、長さ１００ｍｍの第
２の円筒状部材を用いた。このような第１および第２の
円筒状部材を用いることによって、それらの肉厚を考慮
し、第１の流路の半径方向断面積を１０１８ｍｍ²に、
第２の流路の半径方向断面積を２０３８ｍｍ²に、また
導入口の半径方向断面積を２０２ｍｍ²に設定した。さ
らに、燃焼筒１４として内径１４３ｍｍ、長さ３５８ｍ
ｍの円筒状部材を用いた。この円筒状部材には、口元部
（図１および図２において左端部）に周方向に実質上等
間隔を置いて直径６ｍｍの空気孔を８個設け、またこの
口元部より先端側に、周方向に実質上等間隔を置いて直
径１．２ｍｍの空気孔を３６個設けた空気孔組を長手方
向に８組設けた。

【００４３】このようなバーナ装置を用い、燃焼実験に
おいて、空気流路を通して温度３５０℃の空気を流量７
００Ｎｍ³／Ｈの割合で送給した。送給された空気は、
その約４％が第１の流路を通して、その約５５％が第２
の流路を通して、またその約４１％が燃焼筒の外側を通
して流れ、この燃焼筒の外側を流れる空気は、燃焼筒の
空気孔を通して燃焼筒内に流入した。燃焼用ガスとして
メタンを用い、１．０Ｎｍ³／Ｈの割合で噴射ノズル体
の第１噴出孔を通して第１の流路に噴出させるととも
に、２４．７Ｎｍ³／Ｈの割合で噴射ノズル体の第２噴
出孔を通して第２の流路に噴出させた。送給した空気お
よびメタンを混合して混合ガスとし、点火部材で点火さ
せて混合ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成した。

【００４４】そして、このように混合ガスを燃焼して燃
焼筒の先端における燃焼ガスの温度を測定したところ平
均燃焼温度が１０３７℃であり、このときの燃焼温度の
温度差が±２６℃であった。また酸素濃度０％に換算し
た排出ＮＯｘ濃度は１５ｐｐｍであった。この結果か
ら、燃焼筒のほぼ全域における燃焼温度がほぼ均一であ
ることが確認できた。なお、燃焼温度の測定個所は、燃
焼筒の先端にて直径方向に実質上等間隔を置いて７個の
温度センサを設けて各測定個所の燃焼温度を測定した。
またＮＯｘ濃度は温度センサを外した状態で各測定箇所
から燃焼排ガスを混合採取し、その混合ガスのを分析し
て求めた。

【００４５】この実施例において、さらに、第２の流路
に送給される燃焼ガスの送給量を制御してその送給量を
絞ったところ、送給量を１０％まで絞ったところでバー
ナ装置の燃焼が消え、ターンダウンレシオ（送給量１０
０％を基準にして、燃焼ガスの送給量をどこまで絞れる
かを示す割合）は１：１０であった。

【００４６】比較例として、図２における切断線ＩＩＩ
−ＩＩＩによる断面図が図４の構成のバーナ装置を用
い、また空気および燃焼ガスの送給条件も実施例と同様
にして燃焼実験を行い、燃焼ガスの温度を実施例と同様
にして測定した。なお、先端ノズル７４９の形状は、実
施例と同じであるが、先端ノズルの大径部を４個のピン
８６によってノズル本体７２に溶接した。導入口８２ａ
は、リング状に形成され、その断面積は４０５ｍｍ²で
あった。このときの平均燃焼温度は、１０４０℃、燃焼
温度の温度差は±４０℃、酸素濃度０％に換算したＮＯ
ｘ濃度は３５ｐｐｍであった。また実施例と同一の方法
で測定したターンダウンレシオは１：４であった。

【００４７】

【発明の効果】本発明の請求項１記載のバーナ装置によ
れば、第１の円筒状部材から構成される第１のノズル手
段の第１の流路を流れる空気流には第１のガス供給手段
からの燃焼用ガスが噴出され、これによって安定して燃
焼できる希薄混合ガスが生成される。また、第１の円筒
状部材の外側に同心状に配置される第２の円筒状部材か
ら構成される第２のノズル手段の第２の流路を流れる空
気流には第２のガス供給手段からの燃焼用ガスが噴出さ
れ、これによって第１のノズル手段の混合ガスよりもガ
ス濃度の薄い希薄混合ガスが生成される。さらに、第１
の流路と第２の流路との間には断続したリング状の混合
ガス導入口が設けられているので、第２の流路にて生成
された混合ガスの一部が第１の流路に導入され、これに
よって第１の流路の混合ガスと第２の流路の混合ガスの
ガス濃度が均一化して燃焼状態の片寄りが非常に少なく
なる。その結果、第１のノズル手段からの燃焼ガスの燃
焼温度と第２のノズル手段からの燃焼ガスの燃焼温度が
ほぼ等しくなり、燃焼ガスをガスタービンに送給する場
合、燃焼ガスの平均温度をガスタービンの耐熱温度に近
づけることができ、バーナ装置を含むシステムの効率を
高めることができる。

【００４８】また本発明の請求項２記載のバーナ装置に
よれば、第２の流路を流れる空気流の流速は第１の流路
を流れる空気流の流速よりも速いので、第２の流路の希
薄な混合ガスの一部が混合ガス導入手段を介して第１の
流路に導入され、第１の流路を流れる混合ガスの濃度が
薄められ、これにより高温となる混合ガスが減少する。

【００４９】また本発明の請求項３記載のバーナ装置に
よれば、第２の流路の断面積Ｓ２と第１の流路の断面積
Ｓ１との比が２．０〜１０．０であるので、第１の流路
の中央部における燃焼ガスの燃焼温度が部分的に高くな
ることを抑えること、および第２流路の希薄混合ガスを
安定して燃焼させることができる。また、第２の流路の
断面積と混合ガス導入口の断面積との比が１．０〜３
０．０であるので、第２の流路の混合ガスが適量第１の
流路に導入され、第１の流路の混合ガスのガス濃度が最
適に保持され、燃焼器出口の温度分布を均一にできる。
さらに前記混合ガス導入口は、３〜１６個の等面積の開
口部と閉口部とを有し、これによって第２の流路から導
入された混合ガスは第１の流路の混合ガスと均一に混合
される。

【００５０】また本発明の請求項４記載のバーナ装置に
よれば、第１のノズル手段はノズル本体と先端ノズルか
ら構成され、ノズル本体と先端ノズルの大径部との間に
混合ガス導入開口が規定されているので、第２の流路を
流れる混合ガスはこの混合ガス導入開口を通して第１の
流路に所要のとおりに導入される。また、先端ノズルに
はテーパ角度が２０〜１２０度であるテーパ部が設けら
れているので、混合ガス導入開口を通して導入された混
合ガスはこのテーパ部に案内されて半径方向内方に案内
され、これによって第２の流路から導入された混合ガス
は半径方向内方に流れて第１の流路を流れる混合ガスに
実質上均一に混合される。

【００５１】さらに本発明の請求項５記載のバーナ装置
によれば、混合ガス導入手段は点火手段の配設部位の下
流側に配設されているので、点火手段には第１の流路を
通して流れる混合ガス、すなわち第２の流路からの混合
ガスが含まれていない混合ガスが送給され、したがって
点火手段によって安定に燃焼できる第１の流路の混合ガ
スを確実に点火することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従うバーナ装置の一実施形態を簡略的
に示す断面図である。

【図２】図１のバーナ装置の要部を簡略的に示す拡大断
面図である。

【図３】図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線による断面図で
ある。

【図４】従来技術における図３に相当する断面図であ
る。

【符号の説明】

２ ディフューザ部 ４ テストケース ６ バーナケース ８ 空気流路 １０ 第１のノズル手段 １２ 第２のノズル手段 １４ 燃焼筒 １８ 外ガス送給管 ２０ 噴射ノズル体 ２６ 内ガス送給管 ３２ 第１の円筒状部材 ３８ 第２の円筒状部材 ４５ 第１の流路 ４６ 第１噴出孔 ４７ 第２の流路 ４８ 第２噴出孔 ５６ 点火手段 ６２ ガスタービン ７２ ノズル本体 ７４ 先端ノズル ７６ 大径部８４ ７８ 小径部 ８０ テーパ部 ８２ 開口部 ８４ 閉口部

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の円筒状部材から構成され、第１の
   流路を規定する第１のノズル手段と、 前記第１の円筒状部材の外側に同心状に配置される第２
   の円筒状部材から構成され、第２の流路を規定する第２
   のノズル手段と、 前記第１の流路に燃焼用ガスを供給するための第１のガ
   ス供給手段と、 前記第２の流路に燃焼用ガスを供給するための第２のガ
   ス供給手段と、 前記第１および第２の流路に空気を供給するための空気
   流路とを備え、 前記第１のガス供給手段からの燃焼用ガスは前記空気流
   路から前記第１の流路を通して流れる空気流に向けて噴
   出され、これによって安定に燃焼できる希薄混合ガスが
   第１の流路で生成され、 前記第２のガス供給手段からの燃焼用ガスは前記空気流
   路から前記第２の流路を通して流れる空気流に向けて噴
   出され、これによって前記第１の流路の希薄混合ガスよ
   りもさらにガス濃度の低い希薄混合ガスが第２の流路で
   生成され、 前記第１の流路と前記第２の流路との間には、さらに、
   前記第２の流路の希薄混合ガスの一部を前記第１の流路
   に導くための断続したリング状の混合ガス導入口が設け
   られていることを特徴とするバーナ装置。
2. 【請求項２】 前記第２の流路を流れる空気流の流速
   は、前記第１の流路を流れる空気流の流速よりも速いこ
   とを特徴とする請求項１記載のバーナ装置。
3. 【請求項３】 前記第２の流路の半径方向断面積Ｓ２と
   前記第１の流路の半径方向断面積Ｓ１との比（Ｓ２／Ｓ
   １）は２．０〜１０．０であり、前記混合ガス導入口は
   ３〜１６個の等面積の開口部と閉口部とを有する断続し
   たリング状であり、前記第２の流路の半径方向断面積Ｓ
   ２と前記混合ガス導入口の開口部の半径方向断面積Ｓ３
   との比（Ｓ２／Ｓ３）は１．０〜３０．０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。
4. 【請求項４】 前記第１の円筒状部材は、円筒状のノズ
   ル本体と先端ノズルとから構成され、前記先端ノズル
   は、内径が大きい大径部と、前記大径部よりも内径が小
   さい小径部と、前記大径部と前記小径部とを接続するテ
   ーパ部とを有し、前記先端ノズルの前記大径部が前記ノ
   ズル本体の先端部に装着され、前記混合ガス導入口の前
   記開口部は、前記ノズル本体と前記先端ノズルの前記大
   径部との間に断続して形成され、前記先端ノズルの前記
   テーパ部は、前記大径部から半径方向内方に延び、前記
   テーパ部の前記先端ノズルとのテーパ角度が２０〜１２
   ０度に設定されていることを特徴とする請求項３記載の
   バーナ装置。
5. 【請求項５】 前記第１の流路を流れる希薄混合ガスを
   点火するための点火手段が設けられ、前記混合ガス導入
   手段の前記導入開口は前記点火手段の配設部位よりも下
   流側に設けられていることを特徴とする請求項３または
   ４記載のバーナ装置。