JP2006057923A - バーナーノズル - Google Patents

Abstract

【課題】 バーナーノズルにおいて、熱膨張差に起因する応力をより低減し、さらには、ノズル取り付けのボルトの焼き付きを防止すること。
【解決手段】 縦幅よりも横幅が大きい内径を有する内筒と外筒とからなるバーナーノズルにおいて、一次ノズル８と二次ノズル９とを所定間隔を空けて連結支持する横リブ１０Ｂを備え、横リブ１０Ｂは、一次ノズル８及び二次ノズル９の横方向に対する変形の許容度が縦方向よりも大きく設定されている。これにより、熱膨張差が大きい横方向の変形を許容して、横方向の熱応力を軽減することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば、発電用ボイラやガス化炉における燃焼装置のバーナーノズルに関する。

例えば、発電用ボイラの火炉には燃焼装置が設けられ、該燃焼装置には火炉を臨むバーナーノズルが備えられている。例えば、ガス焚きのボイラのバーナーノズルとしては、内筒から一次空気、外筒から二次空気を火炉に送給すると共に燃料ノズルから燃料を火炉に送給し、火炉に所定の状態の火炎を発生させるようになっている。液体燃料焚きのバーナーノズルや微粉炭焚きのバーナーノズルも、燃料の種類が異なるだけで略同様な構成となっている。

上記バーナーノズルでは、その先端が火炎や炉内の輻射熱により高温になる。内筒と外筒との間はリブでつながっているが、バーナーノズルの先端と後端との間には長手方向で温度差が生じ、かつ、内筒は燃料等の流体により冷却される状態となって、外筒に対して相対的に温度が低くなり、内筒と外筒との間で温度差が生じる。この温度差のため、バーナーノズルの先端部位には熱応力が発生し、変形や亀裂（クリープ損傷）が発生するおそれがあった。したがって、定期的な点検を行って、変形や亀裂に対する対策又は交換等を高じる必要があった。

このため、熱応力に対して損傷が生じにくい構造として、前部ノズル（二重環部材）と後部ノズル（本体部）とを連結するボルトの穴に隙間を設けることで前後ノズルの熱膨張差を吸収する構造を採用したバーナーノズルが、特許文献１に提案されている。
また、この特許文献１には、二重環となっている前部ノズルの内筒（一次ノズル）及び外筒（二次ノズル）の両方にそれぞれ放熱フィンが設けられ、放熱フィンによって温度を低下させ発生応力の低減を図る技術が提案されている。
なお、この特許文献１における後部ノズルは、サイドリブ及び中央リブを設けて前部ノズルの内筒（一次ノズル）及び外筒（二次ノズル）を固定している。

特開２００２−２５０５０９号公報（特許請求の範囲、図４）

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、従来のバーナーノズルでは、上記技術によって熱膨張差に起因する応力の緩和を図っているが、さらなる応力の低減が要望されている。また、従来のバーナーノズルでは、ボルト穴の隙間で前後ノズルの熱伸び差を吸収しているが、ボルトの締め付け力の管理が必要であると共に、ボルトが高温条件下に晒されて焼き付いてしまい、取り替えが困難であるという不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、熱膨張差に起因する応力をより低減し、さらには、ノズル取り付けのボルトの焼き付きを防止することができるバーナーノズルを提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、 本発明のバーナーノズルは、縦幅よりも横幅が大きい内径を有する内筒と外筒とからなるバーナーノズルにおいて、内筒と外筒とを所定間隔を空けて連結支持する支持機構を備え、支持機構は、内筒及び外筒の横方向に対する変形の許容度が縦方向よりも大きく設定されていることを特徴とする。
すなわち、このバーナーノズルでは、内筒及び外筒の横方向に対する変形の許容度が縦方向よりも大きいので、横長の内筒及び外筒において熱膨張差が大きい横方向の変形を許容して、熱応力に起因する変形や割れ等を防止することが可能になる。

また、本発明のバーナーノズルは、支持機構が、内筒と外筒とを縦方向で連結する縦リブと、内筒と外筒とを横方向で連結する横リブと、を備え、横リブには、スリットが形成されていることを特徴とする。
すなわち、このバーナーノズルでは、横リブにスリットが形成されているので、熱膨張差が大きい横方向の拘束をスリットで緩和して変形可能にし、熱応力を軽減することができる。

また、本発明のバーナーノズルは、支持機構が、内筒と外筒とを連結する複数のリブで構成され、これらのリブが、全て内筒と外筒とを縦方向で連結する縦リブであることを特徴とする。
すなわち、このバーナーノズルでは、内筒と外筒とが縦リブだけで連結固定されているので、縦方向では内筒及び外筒を拘束しているが、熱伸び差が大きい横方向では変形がしやすく、横方向における熱応力を軽減することができる。

本発明のバーナーノズルは、縦リブの固定位置が、内筒側に対して外筒側がノズル後方寄りに設定されていることを特徴とする。
すなわち、このバーナーノズルでは、内筒より高温となる外筒において縦リブの固定位置が低温のノズル後方寄りに配されることで、内筒と外筒との熱膨張差による熱応力を低減することができると共に、変形や割れ等を防ぐことができる。

本発明のバーナーノズルは、内筒及び外筒が、前部ノズル及び後部ノズルに分割され、前部ノズル及び後部ノズルには、互いに中心軸を同一としたボルト用貫通孔がそれぞれ形成され、これらのボルト用貫通孔に前部ノズル側から挿通された通しボルトと該通しボルトの先端に取り付けたナットとで、前部ノズルと後部ノズルとが連結されていることを特徴とする。
すなわち、このバーナーノズルでは、前部ノズル側から通しボルトを差し込んでナット位置を後方に下げることで、温度が比較的低い部分で支持することができ、ボルトの焼き付きを防ぐことができる。また、荷重拡散により応力を低減することができる。さらに、通しボルトを採用することにより、ボルトの取り替えも容易になる。

本発明のバーナーノズルは、外筒の内側にのみ放熱フィンが設けられている、又は、内筒の外側に放熱フィンが外筒の内側よりも少なく設けられていることを特徴とする。すなわち、このバーナーノズルでは、外筒の内側にのみ放熱フィンを設けて内筒に放熱フィンを設けない、又は、内筒の放熱フィンを外筒側より少なくし、より高温に晒される外筒の内側に多く放熱フィンを設けることにより、外筒側の冷却を積極的に促進し、内筒−外筒間の温度差を少なくすることができ、両者の取り合い部に発生する熱応力を低減することができる。

以下、本発明に係るバーナーノズルの第１実施形態を、図１から図４を参照しながら説明する。

本実施形態のバーナーノズル７は、図１及び図２に示すように、ボイラ本体１のバーナー風箱２内に設けられたバーナー３のノズルであって、火炉４の炉壁５の所定位置に設けられた開口６に臨んで配置されている。バーナー３は内筒としての一次ノズル（内筒）８と、外筒としての二次ノズル（外筒）９と、で構成され、一次ノズル８内には燃料を送給する燃料ノズル２０が配置されている。なお、一次ノズル８及び二次ノズル９は、縦幅よりも横幅が大きい内径を有している。

バーナー風箱２内には、図示しない送風装置から燃焼用空気が送られ、燃焼用空気は一次ノズル８及び二次ノズル９に送られる。一次ノズル８に送られた燃焼用空気（１次空気）は別途送り込まれる所定の混合気と混合されて燃料ノズル２０先端外周から火炉４内に噴出され、二次ノズル９に送られた燃料用空気（２次空気）は別途送り込まれる所定の混合気と混合されて一次ノズル８の先端外周から火炉４内に噴出される。また、燃料ノズル２０の先端からは、所定状態の燃料が火炉４内に噴出され、所定状態の火炎を火炉４内に発生させる。

バーナー３のバーナーノズル７の周方向には、一次ノズル８と二次ノズル９とを所定間隔を空けて連結固定する複数のリブ１０（支持機構）が配されている。バーナーノズル７は、先端部１１が分割されてそれぞれにリブ１０が設けられた本体部（後部ノズル）１２と二重環部材（前部ノズル）１３とされ、本体部１２と二重環部材１３とはリブ１０の部位で連結されている。すなわち、一次ノズル８及び二次ノズル９とは、本体部１２及び二重環部材１３に分割されている。また、二重環部材１３は、一次ノズル８を形成する内筒部１３Ａと、二次ノズル９を形成する外筒部１３Ｂとに分割されている。

複数のリブ１０は、一次ノズル８と二次ノズル９とを縦方向で連結する縦リブ１０Ａと、一次ノズル８と二次ノズル９とを横方向で連結する横リブ１０Ｂと、で構成されている。横リブ１０Ｂには、図３に示すように、一次ノズル８と二次ノズル９との軸方向に沿ったスリットＳが形成されている。なお、スリットＳの底部は、亀裂発生防止用に略円形状のアールを付けた形状としている。

本体部１２と二重環部材１３とは、図４に示すように、連結部材として通しボルト１４とナット１４ａとで連結されている。
すなわち、本体部１２と二重環部材１３の内筒部１３Ａ及び外筒部１３Ｂとには、リブ１０の部分に対応して、互いに中心軸を同一とした第１ボルト用貫通孔１５ａ、第２ボルト用貫通孔１５ｂ及び第３ボルト用貫通孔１５ｃがそれぞれ形成されている。これらのボルト用貫通孔１５ａ、１５ｂ、１５ｃに内筒部１３Ａ側から挿通された通しボルト１４と該通しボルト１４の先端に取り付けたナット１４ａとで、本体部１２と二重環部材１３とが連結されている。

縦リブ１０Ａは、二次ノズル９側でかつ二重環部材１３側の一部がカットされ、一次ノズル８側より二次ノズル９側の軸方向長さ（奥行き方向長さ）が短くされ、その二次ノズル９側の固定位置が、一次ノズル８側よりノズル後方寄りに設定されている。すなわち、縦リブ１０Ａでは、一次ノズル８よりも二次ノズル９との取り合い位置を相対的に後方に移動させている。
なお、縦リブ１０Ａ及び横リブ１０Ｂの全てのコーナー部には、アールを設けており、応力集中を低減し、その部分での変形・割れ等を防止している。

このように本実施形態では、横リブ１０Ｂに一次ノズル８と二次ノズル９との軸方向に沿ったスリットＳが形成されているので、横長の一次ノズル８及び二次ノズル９において、熱膨張差が大きい横方向の拘束をスリットＳで緩和し、横方向の変形許容度を縦方向より大きくすることで、熱応力を軽減することができる。したがって、熱応力に起因する変形や割れ等を防止することが可能になる。

さらに、一次ノズル８より高温となる二次ノズル９において、縦リブ１０Ａの固定位置が低温のノズル後方寄りに配されることで、一次ノズル８と二次ノズル９との熱膨張差による熱応力を低減することができると共に、変形や割れ等を防ぐことができる。
なお、上記のように、縦リブ１０Ａの軸方向長さに差を設けるのではなく、二次ノズル９との溶接位置を、一次ノズル８側に対してノズル後方寄りにずらすことでも、二次ノズル９側の固定位置が一次ノズル８側よりノズル後方寄りになって、同様の効果を得ることができる。

内筒部１３Ａ側から通しボルト１４を差し込んでナット１４ａの位置を後方に下げることで、温度が比較的低い部分で支持することができ、通しボルト１４の焼き付きを防ぐことができる。また、荷重拡散により応力を低減することができる。さらに、通しボルト１４を採用することにより、ボルト取り替えも容易になる。

次に、本発明の第２実施形態について、図５を参照して説明する。
第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では一次ノズル８と二次ノズル９とが縦リブ１０Ａ及び横リブ１０Ｂで連結固定されているのに対し、第２実施形態では、図５に示すように、一次ノズル８と二次ノズル９とを連結固定するリブが全て縦リブ１０Ａで構成されている点である。また、第２実施形態では、二重環部材１３の内周（内側）に二次ノズル９の内側のみ多数の放熱フィン１６が設けられている点でも第１実施形態と異なっている。

すなわち、第２実施形態では、一次ノズル８と二次ノズル９とが縦リブ１０Ａのみで連結固定されているので、熱伸び差が大きい横方向の変形を拘束する横リブ１０Ｂが無く、横方向の熱応力を軽減することができる。
また、二次ノズル９の内側にのみ放熱フィン１６を設けて一次ノズル８に放熱フィン１６を設けないことで、より高温に晒される二次ノズル９側の冷却を積極的に促進し、一次ノズル８−二次ノズル９間の温度差を少なくすることができ、両者の取り合い部に発生する熱応力を低減することができる。なお、本実施形態では、二次ノズル９の内側のみ多数の放熱フィン１６が設けられているが、一次ノズル８の外側にも放熱フィン１６を設ける場合、二次ノズル９の内側よりも少なく放熱フィン１６を設けることで、同様に、冷却差を設けることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、本発明は、ガス燃料焚き、液体燃料焚き、微粉炭焚きの燃焼装置や、ガス化炉における燃焼装置のバーナーノズルに適用することができる。
また、一次ノズル８と二次ノズル９との連結固定する支持機構として、横リブ１０ＢにスリットＳを設ける手段以外を採用しても構わない。例えば、横方向の変形許容度を縦方向より高めるために、横方向に変形可能な蛇腹構造等を横リブに設けても構わない。

本発明に係る第１実施形態のバーナーノズルを示す分解斜視図である。 本発明に係る第１実施形態において、バーナーノズルを備えた燃焼装置（バーナー）の要部断面図である。 本発明に係る第１実施形態において、横リブ部分の要部斜視図及び水平断面図である。 本発明に係る第１実施形態において、縦リブでの一次ノズルと二次ノズルとの取り合い構造及び通しボルトによる本体部と二重環部材との固定構造を示す要部断面図である。 本発明に係る第２実施形態において、放熱フィンの配置を示す正面図である。

符号の説明

７…バーナーノズル、８…一次ノズル（内筒）、９…二次ノズル（外筒）、１０…リブ（支持機構）、１０Ａ…縦リブ、１０Ｂ…横リブ、１２…本体部（後部ノズル）、１３…二重環部材（前部ノズル）、１４…通しボルト、１４ａ…ナット、１５ａ…第１ボルト用貫通孔、１５ｂ…第２ボルト用貫通孔、１５ｃ…第３ボルト用貫通孔、１６…放熱フィン、Ｓ…スリット

Claims (6)

1. 縦幅よりも横幅が大きい内径を有する内筒と外筒とからなるバーナーノズルにおいて、
   前記内筒と前記外筒とを所定間隔を空けて連結支持する支持機構を備え、
   前記支持機構は、前記内筒及び前記外筒の横方向に対する変形の許容度が縦方向よりも大きく設定されていることを特徴とするバーナーノズル。
2. 前記支持機構が、前記内筒と前記外筒とを縦方向で連結する縦リブと、前記内筒と前記外筒とを横方向で連結する横リブと、を備え、
   前記横リブには、スリットが形成されていることを特徴とする請求項１に記載のバーナーノズル。
3. 前記支持機構が、前記内筒と前記外筒とを連結する複数のリブで構成され、
   これらのリブが、全て前記内筒と前記外筒とを縦方向で連結する縦リブであることを特徴とする請求項１に記載のバーナーノズル。
4. 前記縦リブの固定位置が、前記内筒側に対して前記外筒側がノズル後方寄りに設定されていることを特徴とする請求項２又は３に記載のバーナーノズル。
5. 前記内筒及び前記外筒が、前部ノズル及び後部ノズルに分割され、
   前記前部ノズル及び前記後部ノズルには、互いに中心軸を同一としたボルト用貫通孔がそれぞれ形成され、
   これらのボルト用貫通孔に前記前部ノズル側から挿通された通しボルトと該通しボルトの先端に取り付けたナットとで、前記前部ノズルと前記後部ノズルとが連結されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のバーナーノズル。
6. 前記外筒の内側にのみ放熱フィンが設けられている、又は、前記内筒の外側に放熱フィンが前記外筒の内側よりも少なく設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のバーナーノズル。

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