JP2009287888A

JP2009287888A - バーナ

Info

Publication number: JP2009287888A
Application number: JP2008143328A
Authority: JP
Inventors: Atsuyuki Fujii; 篤之藤井; Eicho Hiromitsu; 永兆廣光; Dirk Riechelmann; リーヒェルマンディアク; Tsukasa Saito; 司斎藤
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2009-12-10
Anticipated expiration: 2028-05-30
Also published as: JP5176695B2

Abstract

【課題】バーナにおいて酸化剤と燃料との混合をより促進させると共に燃焼を安定化させる。
【解決手段】火炎の形成方向に中心軸Ｌが向きかつ一端側が上記火炎の形成方向に開口されると共に、内部にて酸化剤と燃料とを混合する筒状の混合部１と、該混合部１の他端側に配されて上記混合部１に上記燃料を噴射する燃料噴射部２と、上記酸化剤を上記混合部１に接線方向から導入して上記混合部１の内部に旋回流を形成する旋回流形成部３と、上記混合部１の内部に形成された旋回流の上記中心軸Ｌ方向の流れ成分を増加させることなく上記旋回流を部分的に壊すことによって上記酸化剤と上記燃料との混合を促進させる混合促進部４とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、酸化剤と燃料とが混合された混合気を燃焼させるバーナに関するものである。

従来から、例えばガスタービンの燃焼器等に設置されるバーナでは、筒状の混合部の内部にて酸化剤を旋回させながら燃料と混合し、この結果生成される混合気を燃焼させることによって火炎を形成する場合がある。
このようなバーナでは、酸化剤が旋回されていることによって、酸化剤と燃料との混合を促進し、また、循環流を形成する。これによって火炎を安定化させ、かつ、燃焼ガス中の窒素酸化物を低減させることができる。

また、特許文献１には、筒状の混合部の内部に形成される旋回流に対して、混合部の中心軸に沿う方向に酸化剤を噴出して衝突させることによって、旋回流を部分的に壊し、これによって旋回流のみの場合よりもさらに強い乱流状態を作り出すバーナが提案されている。
このようなバーナによれば、混合部に旋回流のみを形成する場合よりもさらに強い乱流状態を作り出されるため、酸化剤と燃料との混合をより促進させることが可能となる。
特開２００７−２５５７９５号公報

しかしながら、特許文献１に示すように、混合部の中心軸に沿う方向に酸化剤を噴出して衝突させることによって、旋回流を部分的に壊した場合には、旋回流に衝突させられる酸化剤の方向に影響されて、混合気からなる旋回流に中心軸方向の流れ成分が多く含まれることとなる。
このような混合気からなる旋回流が混合部の中心軸方向の流れ成分を多く含む場合には、旋回方向の流れ成分に対する、混合部の中心軸方向の流れ成分の比が大きくなり、いわゆるスワール数の小さい流れ場となるため、燃焼が不安定となる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、バーナにおいて酸化剤と燃料との混合をより促進させると共に燃焼を安定化させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、火炎の形成方向に中心軸が向きかつ一端側が上記火炎の形成方向に開口されると共に、内部にて酸化剤と燃料とを混合する筒状の混合部と、該混合部の他端側に配されて上記混合部に上記燃料を噴射する燃料噴射部と、上記酸化剤を上記混合部に接線方向から導入して上記混合部の内部に旋回流を形成する旋回流形成部と、上記混合部の内部に形成された旋回流の上記中心軸方向の流れ成分を増加させることなく上記旋回流を部分的に壊すことによって上記酸化剤と上記燃料との混合を促進させる混合促進部とを備えることを特徴とする。

このような特徴を有する本発明によれば、混合促進部によって、混合部の内部に形成された旋回流の中心軸方向の流れ成分が増加することなく旋回流を部分的に壊すことによって酸化剤と燃料との混合が促進される。

また、本発明においては、上記混合促進部は、上記混合部の内壁に開口される開口部を有すると共に上記混合部の半径方向から上記混合部に上記酸化剤を導入する導入部であるという構成を採用する。

また、本発明においては、上記混合促進部は、上記混合部の内部に配置されると共に上記旋回流と衝突される突出部であるという構成を採用する。

また、本発明においては、上記混合促進部を複数備えるという構成を採用する。

また、本発明においては、上記混合促進部は、上記中心軸方向を除いた方向から上記混合部に上記酸化剤を導入するスワーラであるという構成を採用する。

本発明によれば、混合部の内部に形成された旋回流の中心軸方向の流れ成分が増加することなく旋回流を部分的に壊すことによって酸化剤と燃料との混合が促進される。このため、酸化剤と燃料とが混合されて生成される混合気の旋回流において、旋回方向の流れ成分に対する、混合部の中心軸方向の流れ成分の比が小さくなり、いわゆるスワール数が大きい流れ場となるため、燃焼が安定する。
したがって、本発明によれば、バーナにおいて酸化剤と燃料との混合をより促進させると共に燃焼を安定化させることが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明に係るバーナの一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

（第１実施形態）
図１及び図２は、本実施形態のバーナの概略構成図であり、図１が後述する混合部１の中心軸Ｌと直交する面での断面概略構成図であり、図２が図１に示すＡ−Ａ線断面概略構成図である。
これらの図に示すように、本実施形態のバーナＢ１は、混合部１と、噴射ノズル２（燃料噴射部）と、旋回流形成流路３（旋回流形成部）と、導入流路４（混合促進部、導入部）とを備える。

混合部１は、火炎の形成方向に中心軸Ｌが向きかつ一端１１側が火炎の形成方向に開口された筒形状を有している。
そして、混合部１は、内部にて酸化剤である燃焼用空気と燃料とを混合してこの混合気を火炎に供給するように構成されている。

噴射ノズル２は、混合部１の他端１２側に配置されており、燃料を霧状にして混合部１の内部に供給するように構成されている。
なお、噴射ノズル２は、図２に示すように混合部１の中心部分に配置されており、図２に示すように放射状に霧状の燃料を噴射する。

旋回流形成流路３は、燃焼用空気を混合部１に接線方向から導入して混合部１の内部に旋回流を形成するものである。そして、本実施形態においては、旋回流形成流路３は、図１に示すように、混合部１の接線方向に延在すると共に混合部１の内壁に開口された開口部３１を備える流路とされている。また、本実施形態においては、旋回流形成流路３は、混合部１の周方向に所定の間隔で複数（本実施形態においては４つ）形成されている。

導入流路４は、混合部１の内部に形成された旋回流の中心軸方向の流れ成分を増加させることなく旋回流を部分的に壊すために、燃焼用空気を混合部１の半径方向から混合部１の内部に導入するものである。そして、本実施形態においては、導入流路４は、図１に示すように、中心軸Ｌに向かう混合部１の半径方向に延在すると共に混合部１の内壁に開口された開口部４１を備える流路とされている。また、本実施形態においては、導入流路４は、混合部１の周方向に所定の間隔で複数（本実施形態においては４つ）形成されている。

このような構成を有する本実施形態のバーナＢ１においては、噴射ノズル２から混合部１の内部に霧状の燃料が噴射されると共に、旋回流形成流路３から燃焼用空気が接線方向から混合部１の内部に導入される。
ここで、接線方向から混合部１の内部に導入された燃焼用空気は、混合部１の内部において旋回され、これによって旋回流を発生させる。このような旋回流が形成されることによって、混合部１の内部が乱流状態となり、燃焼用空気と燃料との混合が促進される。そして、燃焼用空気と燃料とが混合された混合気は、旋回しながら混合部１の外部に押し出されて火炎に供給される。

また、本実施形態のバーナＢ１においては、導入流路４によって半径方向から中心軸Ｌに向けて混合部１の内部に導入される燃焼用空気によって、混合部１の内部に形成された旋回流の一部が壊される。このため、混合部１の内部は、より強い乱流状態となり、燃焼用空気と燃料との混合がより促進される。

そして、本実施形態のバーナＢ１においては、導入流路４によって混合部１の内部に供給される燃焼用空気が、半径方向から中心軸Ｌに向けて混合部１の内部に導入されるため、混合部１の内部に形成された旋回流の中心軸方向の流れ成分を増加させることなく、混合部１の内部に形成された旋回流の一部を壊すことが可能となる。
このため、混合部１から押し出される混合気の旋回流に含まれる中心軸方向の流れ成分を増大させることなく、混合部１における燃焼用空気と燃料との混合をより促進させることが可能となる。そして、混合部１から押し出される混合気の旋回流に含まれる中心軸方向の流れ成分を増大させないことによって、混合気からなる旋回流における旋回方向の流れ成分に対する、混合部の中心軸方向の流れ成分の比を小さいままとすることができる。よって、いわゆるスワール数の大きい流れ場とすることができ、混合気の燃焼は安定される。

以上のような本実施形態のバーナＢ１によれば、混合部１の内部に形成された旋回流の中心軸方向の流れ成分が増加することなく旋回流を部分的に壊すことによって燃焼用空気と燃料との混合が促進される。このため、燃焼用空気と燃料とが混合されて生成される混合気の旋回流において、旋回方向の流れ成分に対する、混合部の中心軸方向の流れ成分の比が小さくなり、いわゆるスワール数が大きい流れ場となるため、燃焼が安定する。
したがって、本実施形態のバーナＢ１によれば、バーナにおいて燃焼用空気と燃料との混合をより促進させると共に燃焼を安定化させることが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本第２実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図３及び図４は、本実施形態のバーナの概略構成図であり、図３が混合部１の中心軸Ｌと直交する面での断面概略構成図であり、図４が図３に示すＢ−Ｂ線断面概略構成図である。
これらの図に示すように、本実施形態のバーナＢ２は、上記第１実施形態のバーナＢ１が備える導入流路４に代えて、突出部５（混合促進部）を備える。

突出部５は、混合部１の内部に配置されると共に混合部１の内部に形成される旋回流と衝突されるものであり、混合部１の周方向に所定の間隔で複数（本実施形態においては４つ）形成されている。
なお、突出部５の形状は、混合部１の内部に形成された旋回流と衝突した場合に、旋回流の中心軸方向の流れ成分を増加させることがないように設定されている。

そして、このような突出部５が混合部１の内部に形成された旋回流と衝突することによって、混合部１の内部に形成された旋回流の一部が壊される。このため、混合部１の内部は、より強い乱流状態となり、燃焼用空気と燃料との混合がより促進される。
そして、本実施形態のバーナＢ２においては、突出部５が混合部１の内部に形成された旋回流と衝突した場合に、旋回流の中心軸方向の流れ成分を増加させることがないように形状設定されているため、混合部１の内部に形成された旋回流の中心軸方向の流れ成分を増加させることなく、混合部１の内部に形成された旋回流の一部を壊すことが可能となる。
このため、混合部１から押し出される混合気の旋回流に含まれる中心軸方向の流れ成分を増大させることなく、混合部１における燃焼用空気と燃料との混合をより促進させることが可能となる。そして、混合部１から押し出される混合気の旋回流に含まれる中心軸方向の流れ成分を増大させないことによって、混合気からなる旋回流における旋回方向の流れ成分に対する、混合部の中心軸方向の流れ成分の比を小さいままとすることができる。よって、いわゆるスワール数の大きい流れ場とすることができ、混合気の燃焼は安定される。

したがって、本実施形態のバーナＢ２においても、上記第１実施形態のバーナＢ１と同様に、バーナにおいて燃焼用空気と燃料との混合をより促進させると共に燃焼を安定化させることが可能となる。

（第３実施形態）
次時、本発明の第３実施形態について説明する。なお、本第３実施形態の説明においても、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図５は、本実施形態のバーナの概略構成図であり、混合部１の中心軸Ｌと直交する面での断面概略構成図である。
この図に示すように、本実施形態のバーナＢ３は、上記第１実施形態のバーナＢ１が備える導入流路４に代えて、スワーラ６（混合促進部）が設置されている。

スワーラ６は、混合部１の中心軸方向を除いた方向から混合部１に燃焼用空気を導入するものであり、羽根角の異なる複数の翼６１によって構成されている。

そして、本実施形態のバーナＢ３においては、スワーラ６を介して混合部１に導入される燃焼用空気によって、混合部１の内部に形成された旋回流の一部が壊される。このため、混合部１の内部は、より強い乱流状態となり、燃焼用空気と燃料との混合がより促進される。

そして、本実施形態のバーナＢ３においては、スワーラ６によって混合部１の内部に供給される燃焼用空気が、混合部１の中心軸方向を除いた方向から混合部１の内部に導入されるため、混合部１の内部に形成された旋回流の中心軸方向の流れ成分を増加させることなく、混合部１の内部に形成された旋回流の一部を壊すことが可能となる。
このため、混合部１から押し出される混合気の旋回流に含まれる中心軸方向の流れ成分を増大させることなく、混合部１における燃焼用空気と燃料との混合をより促進させることが可能となる。そして、混合部１から押し出される混合気の旋回流に含まれる中心軸方向の流れ成分を増大させないことによって、混合気からなる旋回流における旋回方向の流れ成分に対する、混合部の中心軸方向の流れ成分の比を小さいままとすることができる。よって、いわゆるスワール数の大きい流れ場とすることができ、混合気の燃焼は安定される。

したがって、本実施形態のバーナＢ３においても、上記第１実施形態のバーナＢ１と同様に、バーナにおいて燃焼用空気と燃料との混合をより促進させると共に燃焼を安定化させることが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係るバーナの好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、本発明の酸化剤として燃焼用空気を用いる構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば酸化剤として酸素等を用いても良い。

本発明の第１実施形態におけるバーナの概略構成を示す図であり、バーナが備える混合部の中心軸と直交する面での断面概略構成図である。図１に示すＡ−Ａ線断面概略構成図である。本発明の第２実施形態におけるバーナの概略構成を示す図であり、バーナが備える混合部の中心軸と直交する面での断面概略構成図である。図３に示すＢ−Ｂ線断面概略構成図である。本発明の第３実施形態におけるバーナの概略構成を示す図であり、バーナが備える混合部の中心軸と直交する面での断面概略構成図である。

符号の説明

Ｂ１〜Ｂ３……バーナ、１……混合部、１１……一端、１２……他端、２……噴射ノズル（燃料噴射部）、３……旋回流形成流路（旋回流形成部）、４……導入流路（混合促進部、導入部）、５……突出部（混合促進部）、６……スワーラ（混合促進部）、Ｌ……中心軸

Claims

火炎の形成方向に中心軸が向きかつ一端側が前記火炎の形成方向に開口されると共に、内部にて酸化剤と燃料とを混合する筒状の混合部と、
該混合部の他端側に配されて前記混合部に前記燃料を噴射する燃料噴射部と、
前記酸化剤を前記混合部に接線方向から導入して前記混合部の内部に旋回流を形成する旋回流形成部と、
前記混合部の内部に形成された旋回流の前記中心軸方向の流れ成分を増加させることなく前記旋回流を部分的に壊すことによって前記酸化剤と前記燃料との混合を促進させる混合促進部と
を備えることを特徴とするバーナ。
前記混合促進部は、前記混合部の内壁に開口される開口部を有すると共に前記混合部の半径方向から前記混合部に前記酸化剤を導入する導入部であることを特徴とする請求項１記載のバーナ。
前記混合促進部は、前記混合部の内部に配置されると共に前記旋回流と衝突される突出部であることを特徴とする請求項１記載のバーナ。
前記混合促進部を複数備えることを特徴とする請求項２または３記載のバーナ。
前記混合促進部は、前記中心軸方向を除いた方向から前記混合部に前記酸化剤を導入するスワーラであることを特徴とする請求項１記載のバーナ。