JP2009041852A - ジェットバーナー - Google Patents

Abstract

【課題】加熱冷却サイクルによって生じる、構成部材の劣化を低減可能なジェットバーナーを提供する。
【解決手段】本発明のジェットバーナーは、内部に燃焼室を有する内筒１０と、その基端側に取り付けられ、燃料注入用インジェクタ４２、インジェクタ４２より噴射された燃料との渦状混合気体を発生させる渦流発生部４３及び混合気体の点火プラグ４４が取付けられた基端部材４０と、点火された混合気体を更に旋回させて空気を攪拌しつつ先端側に送り込む傾斜開口部１５と、内筒１０内において燃焼した燃料を高圧噴出する噴出口５１が設けられた先端部材５０と、内筒１０の外周を覆うことにより内筒１０との間に冷却媒体用の流路を形成する外筒２０と、を備え、外筒２０の基端が内筒１０の基端側に対し、外筒２０の先端が内筒１０の基端側に対し、長手方向に伸縮可能な蛇腹部材６０を介して固定されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、衝撃波を生成するジェットバーナーに関する。

従来、液体燃料を燃料注入口から燃焼室内に高温高速で注入してガス化し、そのガス化された燃料に点火して、高温高圧状態で噴出口から衝撃波として噴出させるジェットバーナーが存在する。このようなジェットバーナーにおいて燃焼筒は燃料の燃焼により高温になる。このため、燃焼筒を多筒構成とし、外筒と内筒との間に冷却水や冷却空気等の冷却媒体用流路を設け、これらの冷却媒体をその流路に流すことにより燃焼筒を冷却している（例えば、非特許文献１参照）。
島田 荘平 "フレームジェット・エンジニアリング入門"、初版、産業図書株式会社 １９９５年４月３日 ｐ．２−３

しかし、外筒と内筒との温度差が存在することから、燃焼時において内筒の膨張が外筒よりも大きくなる。このため、加熱と冷却とが繰り返されると、内筒と外筒との接合部に亀裂が生じたり、また歪みを生じたりする場合がある。

本発明の課題は、加熱と冷却とが繰り返されることによって生じる、構成部材の劣化を低減することのできるジェットバーナーを提供することである。

本発明は、上記課題を解決するために、内部に燃焼室を有する内筒と、前記内筒の一端に取り付けられるとともに、前記燃焼室に燃料を注入する燃料注入手段、該燃料注入手段により注入された燃料に空気を混合して渦状の混合気体を発生させる渦流発生手段、及び前記渦状の混合気体に点火する点火手段が取り付けられる基端部材と、前記点火された混合気体を更に旋回させて空気を攪拌しつつ前記内筒の他端側に送り出す旋回流発生手段と、前記内筒の前記他端に取り付けられるとともに、前記内筒内において燃焼した燃料を高圧噴出する噴出口が設けられた先端部材と、前記内筒の外周を一定の隙間を設けて覆うとともに、一端が前記内筒の前記一端に対して取り付けられ、他端が前記内筒の前記他端に対して取り付けられて、前記隙間が冷却媒体用の流路を構成する外筒と、を備え、前記外筒の前記一端と前記内筒の前記一端との間、前記外筒の前記他端と前記内筒の前記他端との間の少なくとも一方に長手方向に伸縮可能な伸縮部材が配置されていることを特徴とするジェットバーナーを提供する。

燃焼室において燃料の燃焼が行われると、内筒が高温になって内筒と外筒との間に温度差が生じる。この場合、長手方向において、内筒の伸びが外筒の伸びより大きくなる。しかし、本発明によると、外筒の一端と内筒の一端との間又は外筒の他端と内筒の他端との間の少なくとも一方に長手方向に伸縮可能な伸縮部材が配置されている。したがって内筒の伸びと外筒の伸びの差が、伸縮部材が伸びることによって吸収され、外筒と内筒との固定部に過度の応力が加わることなく、劣化や破損が防止される。なお、このジェットバーナーにおいて、前記伸縮部材は、蛇腹状部材であってもよい。

更に、前記内筒と前記外筒との間において前記内筒の外周を覆うようにして配置され、前記流路を２層に分離する中間筒を備え、前記内筒の外周面には螺旋状に形成された羽根部が設けられ、前記内筒と前記中間筒が同温の状態において、該羽根部の径方向端部が前記中間筒の内面と非接触状態で、且つ前記羽根部の前記内筒の外周面から前記径方向端部までの長さが、前記内筒の前記外周面と前記中間筒の内周面との間の距離の半分以上であってもよい。

内筒内において燃焼が行われると、内筒が高温になるため、内筒は中間筒に比べて径方向に大きく膨張する。ここで、内筒と中間筒と温度差が小さく両者の膨張の割合の差が小さい場合は、内筒の羽根部と中間筒の内周面とは非接触状態である。しかし、内筒と中間筒と温度差が大きくなり、両者の膨張の割合の差が大きくなってくると、羽根部の内筒の外周面から径方向端部までの長さが、内筒の外周面と中間筒の内周面との間の距離の半分以上であるので、羽根部と中間筒の内周面とが当接する。これにより、内筒が中間筒によって外側から押圧され内筒の過度の変形等が防止される。

また、前記内筒と、前記基端部材と、前記先端部材と、前記外筒とが、互いに対して交換可能に組み立てられていてもよい。これによると、一つの構成部材が破損した場合であっても、その部分だけ交換することができ、破損時の修理コストが安価になる。

本発明によれば、加熱と冷却とが繰り返されることによって生じる、構成部材の劣化を低減することのできるジェットバーナーを提供することができる。

以下、図面等を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、本明細書の説明において、ジェットバーナー１における燃料注入側を基端側、衝撃波を噴出する側を先端側という。

図１は、本実施形態のジェットバーナー１の断面図である。図示するように、ジェットバーナー１は、多筒構造を有し、最も内側に配置される内筒１０と、最も外側に配置される外筒２０と、内筒１０と外筒２０との間に配置される中間筒３０とを備える。

ジェットバーナー１は、更に、内筒１０における基端側に取り付けられるとともに、軸線上にインジェクタ用開口部４１が設けられた基端部材４０と、内筒１０の内周面に開口し、点火された混合気体を更に旋回させて空気を攪拌しつつ先端側に送り込む旋回流発生手段である傾斜開口部１５と、内筒１０の先端側に取り付けられるとともに内筒１０内において燃焼した燃料を高圧噴出する噴出口５１が設けられた先端部材５０と、を備える。

図２は内筒１０の側面図である。図１及び図２に示すように、内筒１０は、その外周面より径方向外方に延びる所定高さの帯状部材を外周面において螺旋状に巻回してなる羽根部１１を有する。羽根部１１は、内筒１０と中間筒３０との間を流れる空気を螺旋状に旋回させるためのものである。羽根部１１は、その高さ（内筒１０の外周面から羽根部１１の径方向における端部までの長さ）が、内筒１０と中間筒３０とが同温の場合において、内筒１０の外周面から中間筒３０の内周面までの距離の１／２以上であって、且つ中間筒３０の内周面と羽根部１１の端部とが当接しない高さに形成されている。

ここで、中間筒３０の内周面と羽根部１１の端部とが同温において当接しない高さにするのは以下の理由による。内筒１０内を燃焼気体が通る際に、内筒１０が過熱されて内筒１０と中間筒３０との間に温度差が生じ、内筒１０が中間筒３０と比べて大きく膨張する。この際、中間筒３０の内周面と羽根部１１の端部とが当初より当接していると、羽根部１１が直ちに中間筒３０の押圧を開始し、温度差が上昇するのにつれて押圧力が強くなり、力が強すぎて中間筒３０が破損する可能性があるからである。

また、羽根部１１の高さを中間筒３０の内周面と内筒１０の外周面との間の距離の１／２以上にするのは以下の理由による。上述のように同温において羽根部１１の先端と中間筒３０の内周面との間に隙間が存在するが、この隙間を大きくしすぎると、内筒１０と中間筒３０との間の温度差が大きくなるにつれて内筒１０が膨張し続け、内筒１０と中間筒３０との膨張の差が大きくなりすぎて、両者の接続部に変形や破損が生じたり、また内筒１０自身も変形する可能性がある。このため、内筒１０と中間筒３０とが同温の場合において、内筒１０の外周面から中間筒３０の内周面までの距離の１／２以上とし、膨張の差が一定以上になった場合には、中間筒３０の内周面と羽根部１１の先端とが当接して、内筒１０を中間筒３０が外部より押圧、内筒１０の膨張を抑えるようにするためである。

内筒１０の基端側には、径方向に延在するフランジ部１２が設けられている。また、傾斜開口部１５は、内筒１０における基端側であって、フランジ部１２よりもわずかに先端よりの部分に内筒１０を貫通して設けられている。傾斜開口部１５は、図１及び図２（ａ）に示すように、内筒１０の長手方向断面において内筒１０の外周面から内周面へ向かう方向において基端側から先端側へと傾いている。また、図２（ｂ）に示すように、内筒１０の軸線と垂直な断面においても、径方向に対して一定の角度傾いて形成されている。これは、内筒１０内部を通過する後述の混合気体を、旋回させて空気を攪拌しつつ先端側に送り込むためである。

基端部材４０は、円柱状の部材に各種開口部が設けられた部材である。図３は基端部材４０を基端側から見た図である。図示するように基端部材４０は、後述するインジェクタ４２（図１に図示）が配置されるインジェクタ用開口部４１、インジェクタ４２より注入される燃料に少量の高圧空気を混合して渦状の混合気体を発生させる渦流発生部４３及びその渦状の混合気体に点火する点火プラグ４４（図１に図示）が配置される点火プラグ用開口部４５を備える。また、図１に示すように、基端部材４０の先端側にはフランジ部４６が設けられ、フランジ部４６と前述の内筒１０のフランジ部１２とは、ボルトによって接続されている。

インジェクタ用開口部４１は、図１及び図３に示すように基端側から、燃料供給用ノズルを取り付けるためのインジェクタ４２のフランジ部４２ａが挿入される第１開口部４１ａと、第１開口部４１ａよりも径の小さな第２開口部４１ｂと、第２開口部４１ｂより径の大きな第３開口部４１ｃと、第３開口部４１ｃの先端から徐々に径が広がる円錐形の内面を有する第４開口部４１ｄとを備える。なお、この第４開口部４１ｄの内部は第１燃焼室４７となり、また内筒１０の内部は第２燃焼室１３となる。

また、点火プラグ用開口部４５は、基端部材４０の外周面から第１燃焼室４７に向かって斜めに点火プラグが取り付けられるように設けられている。渦流発生部４３は、基端部材４０の外周面から第３開口部に開口するように設けられており、この渦流発生部４３には、コンプレッサに接続されて少量の高圧空気が渦流発生部４３より第３開口部４１ｃに流入される。渦流発生部４３は、図３に示すように軸線方向に対して垂直な断面において、径方向に対して傾いて配置されている。このように配置することにより、渦流発生部４３より高圧空気を流入すると、噴霧化された燃料と空気が混合されて渦状の混合気体流が発生される。

更に基端部材４０には、長手方向沿って、例えばウルトラビジョン４９（図１に図示）が取り付けられる第１センサ用開口部４８ａ、圧力計が挿入される第２センサ用開口部４８ｂ及び温度計が取り付けられる第３センサ用開口部４８ｃが設けられている。

中間筒３０は、内筒１０の外側に内筒１０と同軸状に配置される筒体である。上述のように、内筒１０と中間筒３０とが同温の場合に、羽根部１１の先端は中間筒３０と非接触で、且つ羽根部１１の高さは内筒１０の外周面から中間筒３０の内周面までの距離の１／２以上である。

なお、中間筒３０の基端側には、第１フランジ部３１と、第１フランジ部３１よりも若干先端側に位置するとともに後述する蛇腹部材６０と接続される第２フランジ部３２とが設けられている。第１フランジ部３１は内筒１０のフランジ部１２とボルトにより接続されている。

更に、第１フランジ部３１と第２フランジ部３２との間には、圧縮空気を流入するための圧縮空気流入口３５が設けられ、その圧縮空気流入口３５からはコンプレッサ配管部３６が延びている。また、第２フランジ部３２における中間筒３０外周面近傍には、圧縮空気流入口３５からコンプレッサにより送り込まれた圧縮空気を外筒２０と内筒１０との間の隙間に流入させる流入口３７が設けられている。

外筒２０は内筒１０及び中間筒３０と同軸且つその外側に配置される筒状体である。その先端側には先端部材５０のフランジ部５２との接続される円環部材２１が内周側に向かって設けられている。また外筒２０の基端側には、後述の蛇腹部材６０と接続される外筒フランジ部２４が設けられている。また、外筒２０の先端部は中間筒３０の先端部よりも更に先端側に延び、内筒１０の先端側の外周においては、中間筒３０が存在せずに外筒２０のみ存在する部分が設けられている。この部分は後述する冷却空気が方向転換する転換部２３となる。

中間筒３０の第２フランジ部３２と、外筒２０の外筒フランジ部２４との間には、外筒２０と略同径の蛇腹部材６０が配置されている。この蛇腹部材６０は、筒状蛇腹体の基端側にフランジ部６１ａ、先端側にフランジ部６１ｂが取り付けられた部材であり、フランジ部６１ａと中間筒３０の第２フランジ部３２とはボルトにより接続され、フランジ部６１ｂは外筒２０の外筒フランジ部２４にボルトにより接続されている。

先端部材５０は円柱状部材で、その中央部に内筒１０の内径から漸次径を縮小してなる所定径の噴出口５１が設けられている。また先端部材５０の外周にはフランジ部５２が設けられている。

次に、本実施形態のジェットバーナー１の動作について説明する。まず、灯油等の液体燃料がインジェクタ４２より第１燃焼室４７内に高圧状態で噴出されて噴霧化される。なお燃料は液体燃料に限定されず、プロパンガス等の空気燃料でもよい。

噴霧化された燃料に対し、渦流発生部４３を介して少量の高圧空気が混入される。この際、渦流発生部４３は、軸線方向に対して垂直な断面において径方向に対して傾いて配置されているので、混合された気体は、第１燃焼室において高速な渦流となる。

この高速渦状の混合気体は、点火プラグ４４より点火されるとともに、傾斜開口部１５から吐出される高温高圧空気によって高速攪拌されて第２燃焼室１３に送り込まれ、第２燃焼室１３において高熱火炎が生成される。

高熱火炎は第２燃焼室１３内において爆発膨張して先端部材５０の噴出口５１より外部に噴出される。その際、爆発により高速火炎の速度は音速を超え、音速を超えるとノズルからは衝撃波となって噴出される。

内筒１０内においては、高熱火炎が生成されるので、内筒１０は高温になる。この内筒１０を冷却するために、コンプレッサ配管部３６に接続されたコンプレッサより常温圧縮空気を圧縮空気流入口３５、及び流入口３７を通して外筒２０と中間筒３０との間の隙間に送り込む。常温圧縮空気は外筒２０と内筒１０との間の隙間を基端側から先端側に向かって流れる。そして、先端側の転換部２３において空気は方向を１８０度転換して、中間筒３０と内筒１０との間の羽根部１１が設けられている空間内を流れる。この場合、空気は螺旋状に設けられた羽根部１１によって流れが導かれ、中間筒３０と内筒１０との間を螺旋状に旋回しつつ内筒１０の熱を吸収し、内筒１０は冷却される。

一方、中間筒３０と内筒１０との間を流れる高圧空気は、内筒１０の冷却に伴い、温度が上昇する。この温度が上昇した高温高圧空気は、中間筒３０と内筒１０の基端部において傾斜開口部１５から内筒１０の内部に突出されて、上述したように燃料ガスを攪拌するために用いられる。

このように、コンプレッサより送出される常温高圧空気は、内筒１０を冷却するとともに温度が上昇して内筒１０内部におけるガスとの混合用に用いられる。したがって、熱損失が少なく熱効率がよい。

また、この場合、内筒１０が高温になるため、中間筒３０に比べて大きく膨張する。この際、内筒１０と中間筒３０と温度差が小さく両者の膨張の割合の差も小さい場合、内筒１０の羽根部１１と中間筒３０の内周面とは当接していない状態にある。しかし、内筒１０と中間筒３０と温度差が大きくなり、両者の膨張の割合の差が大きくなると、内筒１０の羽根部１１が中間筒３０の内周面と当接し、内筒１０が中間筒３０によって外側から押されて内筒１０の変形等が防止される。

また、内筒１０が高温になると、長手方向において、内筒１０の伸びが外筒２０の伸びより大きくなるが、本実施形態では、外筒２０の基端側と、中間筒３０のフランジ部との間に蛇腹部材６０が取り付けられている。したがって内筒１０の伸びが大きくて外筒２０の伸びが小さい場合、この蛇腹部材６０が伸びてその差を吸収する。蛇腹部材６０が設けられていない場合、外筒２０と内筒１０との伸びが異なることにより両者間の接合部が破損したりする場合があるが、本実施形態では、蛇腹部材６０が設けられているため、この伸びの差が蛇腹部材６０により吸収される。したがって、外筒２０と内筒１０とに接続部に過度の応力が加わることなく、劣化や破損が防止される。

またジェットバーナー１の各構成部材が、それぞれ、溶接ではなくボルトにより接続されている。したがって、一つの構成部材が破損した場合であっても、その部分だけ交換することができ、破損時の修理コストが安価になる。

本実施形態においては、ジェットバーナーにおいて空冷式構造とした。空冷式では、火炎が高速マッハ衝撃に変わって先端部材が冷却されても、先端部材は結露温度まで下がることがない。したがって煤が付着しにくい。

燃料と燃焼空気との圧力が高いため、燃焼の点火と同時に火炎の伝播が速くなり、燃焼火炎が短くなる。

熱伝導係数が大きいため、狭いスペースで多量の燃料を燃焼させることができ、廃棄物の燃焼に用いた場合処理能力が高い。よって小規模のプラントで多量の処理が可能であり、敷地も狭くてすむ。

以上、本発明は説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の範囲内である。例えば、本実施形態では空冷式のジェットバーナーにおいて蛇腹構造を設ける構成としたが、本発明はこれに限定されず、水冷式のジェットバーナーおいて蛇腹構造を取り入れることができる。
また、本実施形態では、伸縮構造として蛇腹構造を用いたが、本発明はこれに限定されず、他の伸縮構造であってもよい。

本実施形態のジェットバーナーの断面図である。 内筒の側面図である。 基端部材を基端側から見た図である。

符号の説明

１：ジェットバーナー、１０：内筒、１１：羽根部、２０：外筒、３０：中間筒、４０：基端部材、４２：インジェクタ、４４：点火プラグ、５０：先端部材、５１：噴出口

Claims (4)

1. 内部に燃焼室を有する内筒と、
   前記内筒の一端に取り付けられるとともに、前記燃焼室に燃料を注入する燃料注入手段、該燃料注入手段により注入された燃料に空気を混合して渦状の混合気体を発生させる渦流発生手段、及び前記渦状の混合気体に点火する点火手段が取り付けられる基端部材と、
   前記点火された混合気体を更に旋回させて空気を攪拌しつつ前記内筒の他端側に送り出す旋回流発生手段と、
   前記内筒の前記他端に取り付けられるとともに、前記内筒内において燃焼した燃料を高圧噴出する噴出口が設けられた先端部材と、
   前記内筒の外周を一定の隙間を設けて覆うとともに、一端が前記内筒の前記一端に対して取り付けられ、他端が前記内筒の前記他端に対して取り付けられて、前記隙間が冷却媒体用の流路を構成する外筒と、を備え、
   前記外筒の前記一端と前記内筒の前記一端との間又は前記外筒の前記他端と前記内筒の前記他端との間の少なくとも一方に長手方向に伸縮可能な伸縮部材が配置されていることを特徴とするジェットバーナー。
2. 前記伸縮部材が蛇腹状部材であることを特徴とする請求項１に記載のジェットバーナー。
3. 前記内筒と前記外筒との間において前記内筒の外周を覆うようにして配置され、前記流路を２層に分離する中間筒を備え、
   前記内筒の外周面には螺旋状に形成された羽根部が設けられ、
   前記内筒と前記中間筒が同温の状態において、該羽根部の径方向端部が前記中間筒の内面と非接触状態で、且つ前記羽根部の前記内筒の外周面から前記径方向端部までの長さが、前記内筒の前記外周面と前記中間筒の内周面との間の距離の半分以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のジェットバーナー。
4. 前記内筒と、前記基端部材と、前記先端部材と、前記外筒とが、互いに対して交換可能に組み立てられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のジェットバーナー。

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