JP3649785B2 - 熱発生器用のバーナー - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱発生器用のバーナーであって、主として、燃焼空気流のための渦流発生器と燃料を点火するための手段とから成っている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヨーロッパ公開特許第０３２１８０９号明細書によれば、多数の翼から成る円錐形のバーナー、つまり円錐形ヘッド内で閉じた渦流を発生させるためのいわゆるダブルコーン形バーナー(doubule-cone burner）が公知である。この公知のバーナーは、円錐形先端部に沿って渦が次第に大きく成ることによって不安定になり、中心部内で逆流を伴なう環状の渦流に移行する。燃料、例えばこのようなガス状の燃料は、それぞれ隣接する翼によって形成された通路（空気流入スリットとも呼ばれている）に沿って噴射されて、逆流ゾーン又は逆流気泡のせき止め箇所（炎維持手段；flame retention baffleとして使用される）における点火によって燃焼が行なわれる前に、空気と均等に混合される。液体状の燃料は、有利には中央のノズルを介してバーナーヘッドに噴射され、次いで円錐形中空室内で気化される。ガスタービン型の条件下においては、このような液体状の燃料の点火は、燃料ノズルの付近で早期に行なわれ、これによって、このような不完全な混合に基づいてＮＯｘ値が著しく上昇することを避けることができず、このことによって例えば水を噴射させることが必要となる。また、水分を含有するガスを天然ガスと同様に燃焼させると、ガス孔において早期点火するという問題が生じ、次いでそれに伴なってバーナーが過熱されることになる。これに対する対抗手段が、バーナー出口において、このようなガス状の燃料のためのな噴射方法を開発することによって講じられているが、満足する結果は得られていない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の課題は、冒頭に述べた形式のバーナーにおいて、種々異なる燃料を完全に混合させることができるような手段を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決した本発明によれば、渦流発生器の下流に混合区間が配置されており、該混合区間が、渦流発生器の下流で、渦流発生器内に形成された流れを、移行通路の下流側に後置接続された、混合区間の貫流横断面に移行させるための、第１の部分内で流れ方向に延びる移行通路を有している。
【０００５】
【発明の効果】
本発明のバーナーによれば、混合区間のヘッド側及び上流側に渦流発生器を有しており、該渦流発生器は有利には、ヨーロッパ公開特許第０３２１８０９号明細書による、ダブルコーン形の空気力学的な基本原理が利用されている。しかしながら基本的には、軸方向又は半径方向の渦流発生器を使用することも可能である。混合区間自体は、有利には管状の混合部材より成っており、以下では混合管と呼ぶことにする。この混合管は、種々異なる燃料を完全に混合させることができる。
【０００６】
渦流発生器からの流れは、混合管内に継ぎ目なしで導入される。これは、移行通路より成る移行部幾何学形状によって得られる。この移行通路は、混合管の始端部領域から延びていて、次いで混合管の効果的な貫流横断面に移行している。渦流発生器と混合管との間のこのような損失のない流れ導入によってまず、渦流発生器の始端部において逆流ゾーンが直接形成されることが避けられる。
【０００７】
渦流発生器内でその幾何学的形状に亘っての渦の強さは、渦の崩壊が混合管内ではなく、さらに燃料流入部の下流において行なわれるように選定されており、この場合に、混合管の長さは、すべての種類の燃料のためにな混合管が得られるような寸法に選定されている。例えば組み込まれた渦流発生器がダブルコーン形の基本的特徴に従って構成されていれば、渦の強さは、相応の円錐形角度の設定、空気流入スリットの構成及びその数に基づいて得られる。
【０００８】
混合管内には、軸方向速度のプロフィールが、軸線において最大であって、これによってこの領域内での逆火が避けられるようになっている。軸方向速度は、壁に向かって低下する。この領域においても逆火を避けることができるようにするために、種々の手段が講じられている。例えば、十分に小さい直径を有する混合管を使用することによって全体の速度レベルを上昇させることができる。また別の可能性は、少量の燃焼空気を環状ギャップ又は膜流形成用孔（prefilming bore）を通じて移行通路の下流で混合管内に流入させることによって、混合管の出口領域内での速度だけを高めることができる。
【０００９】
場合によっては生じる圧力損失の一部を、混合管の端部にディフューザを設けることによって補償することができる。
【００１０】
混合管の端部には、混合管に対して横断面の拡大された燃焼室が接続されている。ここでは、の逆流ゾーンが形成され、この逆流ゾーンは、炎維持手段の特性を有している。
【００１１】
安定した逆流ゾーンを発生させることは、管内で十分に多い渦の量を必要とする。しかしながら多量の渦量が望ましくない場合には、全空気量の５〜２０％の強い渦流を有する非常に少量の空気量を供給することによって、管端部において安定した逆流ゾーンを発生させることができる。
【００１２】
管端部において所望の横断面拡大部を設けることによって、炎を安定化させるために特に適した、スペース的な高い安定性を有する逆流ゾーンが得られる。
【００１３】
渦流発生器から混合管内へ流れを導入させるための前記移行通路に関しては、この移行通路は、混合管の効果的に接続された貫流横断面に応じて、螺旋状に狭くなるか又は広くなって延びている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に示した実施例について説明する。図面には、本発明を理解するために重要ではない部分については省略されている。また同一の部材は、それぞれ異なる図面内では同一の符号が記されている。媒体の流れ方向は矢印で示されている。
【００１５】
図１には、バーナーの全体構造が示されている。渦流発生器１００の構成については、図２〜図５に詳しく説明されている。この渦流発生器１００は、接線方向で燃焼空気流によって何重にも負荷される円錐形の形状を有している。ここで形成される流れは、渦流発生器１００の下流に設けられた移行部の幾何学的な形状によって、ここで渦流の分離領域が生じないように、移行部材２００にスムーズに移行するようになっている。この移行部の幾何学的な形状は、図６に詳しく説明されている。移行部材２００は、移行部の幾何学的な形状の下流側で管（貫流横断面）２０によって延長されている。この場合、バーナーの本来の混合管（混合区間）２２０の２つの部分が形成される。勿論、混合管２２０は１つの部材より成っている。つまり、移行部材２００と管２０とは、１つの関連し合う構成体に溶融結合されているが、これらの各部分の特性は維持されている。移行部材２００と管２０とが２つの部分より製造されていれば、これら２つの部分は、スリーブリング１０によって結合されており、このスリーブリング１０はヘッド側で渦流発生器１００のための固定面としても用いられている。さらにまた、このようなスリーブリング１０は、種々異なる混合管を使用することができるという利点を有している。管２０の下流側には本来の燃焼室３０が位置しており、この燃焼室３０は、炎管によって略示されているだけである。混合管２２０は、渦流発生器１００の下流側に所定の混合区間が準備され、この混合区間内で、種々異なる形式の燃料の完全な混合が得られるという条件を満たす。混合区間つまり混合管２２０はさらに、流れを損失無しでガイドすることを可能にするので、移行部の幾何学形状と作用接続して、まず逆流ゾーンが形成されず、これによって混合管２２０の全長に亘って、すべての種類の燃料のために混合の質に良好な影響を与えることができる。しかしながらこの混合管２２０は、次のような別の特性も有している。つまり、混合管２２０内での軸方向速度のプロフィール自体が、軸線方向で顕著な最大値を有しているので、燃焼室からの炎の逆火(flashback)は不可能である。勿論、このような形状において軸方向速度は壁に向かっては低下するので、この領域においても逆火を避けるために、混合管２２０は、流れ方向及び周方向で、規則的にまた不規則的に分配された、種々異なる横断面及び方向を有する複数の孔２１を備えており、これらの孔２１によって、空気量が混合管２２０の内部に流入し、壁に沿って速度が上昇する。これと同様の作用を得るための別の可能性は、混合管２２０の流過横断面が、前記移行部の幾何学形状を形成するところの移行通路２０１の下流側に、狭窄部を設け、これによって混合管２２０内の全体の速度レベルが上昇せしめられる。図面では、移行通路２０１の出口は混合管２２０の最も狭い流過横断面に相当する。従って、前記移行通路２０１はそれぞれの横断面差をカバーし、この際に、形成された流れが不都合な影響を及ぼすことはない。前記手段が、混合管２２０に沿った混合管内の流れ４０をガイドする際に、許容できない圧力損失を生ぜしめる場合には、これに対する対抗手段として、混合管の端部に、図示していないディフューザを設けられる。混合管２２０の端部には燃焼室３０が接続されており、この場合、２つの流過横断面の間には横断面拡大部が設けられている。ここではまず、炎を維持させる手段(flame retention baffle)としての特性を有する中央の逆流ゾーン５０が形成されている。運転中にこの横断面拡大部内で、ここに生じる低圧に基づいて渦流の分離が生じる流れの量が多い縁部ゾーンが形成されると、これは逆流ゾーン５０の環状の安定化を促進することになる。燃焼室３０は端面側で多数の開口３１を有しており、これらの開口３１を通って空気量が横断面拡大部に直接流入し、ここで逆流ゾーン５０の環状の安定化が増大される。また、安定化された逆流ゾーン５０を生ぜしめるためには、管内で十分に高い回転数が必要であることを指摘しておかなければならない。これが不都合であれば、安定化された逆流ゾーンは、管端部における強くねじられた少量の空気量を、例えば接線方向の開口部を介して供給することによって生ぜしめられる。この少量の空気量は、このために必要な空気量が全空気量の約５〜２０％である。
【００１６】
渦流発生器１００の構成をよく分かるようにするために、図２と共に図３も参照すれば有利である。また、図２を分かりやすくするために、この図２では、図３に概略的に示されたそらせ板１２１ａ，１２１ｂが略示されている。以下には、図１及び図３〜図５を参照しながら、図２に示した構成を説明する。
【００１７】
図１に示したバーナーの第１の部分は、図２に示した渦流発生器１００を形成している。この渦流発生器１００は、互いにずらしてはめ込まれている２つの円錐形の中空の部分体１０１，１０２より成っている。円錐形の部分体の数は、図４及び図５に示されているように２つ以上であってもよい。これは、以下に詳しく説明されているように、それぞれのバーナー全体の構造形式に基づいている。所定の運転状況においては、１つの螺旋より成る渦流発生器を設けてもよい。円錐形の部分体１０１，１０２のそれぞれの中心軸線又は長手方向左右対称軸線１０１ｂ，１０２ｂを互いにずらせることによって、壁部が隣接し合っていれば、鏡面対称的な配置で、それぞれ１つの接線方向の通路つまり空気流入スリット１１９，１２０（図３）が形成される。この空気流入スリット１１９，１２０を通って燃焼空気１１５が渦流発生器１００の内室内つまり円錐形中空室１１４内に流入する。図示の部分体１０１，１０２の円錐形は流れ方向で見て一定の角度を有している。勿論、運転状態に応じて、部分体１０１、１０２が流れ方向で次第に増大又は減少する円錐形の傾斜形状、つまりトランペット形若しくはチューリップ形の傾斜形状を有していてよい。トランペット形若しくはチューリップ形の形状は、専門家にとっては容易に理解することができるので、図面に示されていない。２つの円錐形の部分体１０１，１０２は、それぞれ１つの円筒形の始端部１０１ａ，１０２ａを有しており、これらの始端部は、円錐形の部分体１０１，１０２と同様に、互いにずらして構成されているので、接線方向の空気流入スリット１１９，１２０は渦流発生器１００の全長に亘って設けられている。円筒形の始端部の領域内には、有利には液体状の燃料１１２のための燃料ノズル１０３が設けられている。この燃料ノズルの燃料噴射口１０４は、円錐形の部分体１０１，１０２によって形成された円錐形中空室１１４の最も狭い横断面部とほぼ合致している。このノズル１０３の噴射能力及び形式は、それぞれのバーナーの所定のパラメータに基づいている。勿論、渦流発生器１００は、円筒形の始端部１０１ａ，１０２ａ無しで純粋に円錐形に構成してもよい。円錐器の部分体１０１，１０２は、それぞれ１つの燃料ライン１０８，１０９を有している。これらの燃料ラインは、接線方向の空気流入スリット１１９，１２０に沿って配置されていて、噴射開口１１７を備えている。これらの噴射開口１１７を通って有利にはガス状の燃料１１３が、ここを貫流する燃焼空気流１１５に噴射される（矢印１１６で示されている）。最適な空気／燃料混合気を得るために、これらの燃料ライン１０８，１０９は有利には、円錐形中空室１１４内への流入部の手前で、遅くとも接線方向の流入部の端部に配置されている。この燃料ノズル１０３を通って案内された燃料１１２は、前述のように、普通の場合は液体状の燃料であって、この場合、別の媒体との混合気形成も直ちに可能である。この燃料１１２は、所定の角度で円錐形中空室１１４内に噴射される。次いで、この燃料ノズル１０３から、円錐形の燃料噴射プロフィール１０５が形成される。この燃料噴射プロフィール１０５は、接線方向に流入する、回転する燃焼空気流１１５によって取り囲まれる。軸方向での、噴射された燃料１１２の集中は、混合させるために流入する燃焼空気流１１５によって連続的に、蒸発されることによって減少される。ガス状の燃料１１３が噴射開口１１７を介して噴射されると、空気流入スリット１１９，１２０の端部において燃料／空気混合気が直接形成される。燃焼空気流１１５が付加的に加熱されるか又は、例えば逆流された煙道あるいは排ガスによって富化されると、これは、この混合気が後置接続された段部内に流入する前に、液体状の燃料１１２を持続的に気化させる作用を促進させる。前記ライン１０８，１１９を介して液体状の燃料を供給する場合にも同じ効果が得られる。円錐形の部分体１０１，１０２の形状における、接線方向の空気流入スリット１１９，１２０の幅及び円錐角度は、狭い範囲で維持されており、これによって、渦流発生器１００の終端部における燃焼空気流１１５の所望の流れ範囲（flow field)を調節することができる。一般的には、接線方向の空気流入スリット１１９，１２０を小さくすることによって、渦流発生器の領域内で既に逆流ゾーンを迅速に形成するのに好都合である。渦流発生器１００内での軸方向速度は、軸方向の燃料空気流を相応に供給することによって（図示せず）変えられる。渦流が相応に発生することによって、渦流発生器１００に後置接続された混合管内で流れの分離が形成されることは避けられる。渦流発生器１００の構成は、接線方向の空気流入スリット１１９，１２０の大きさを変えるのに適している。これによって渦流発生器１００の構造長さを変えることなしに、比較的大きい作業幅を得ることができる。勿論、部分体１０１，１０２は、別の平面内でも互いに摺動可能であり、これによってこれらの部分体１０１，１０２を互いにオーバーラップさせることも可能である。また、部分体１０１，１０２を、互いに逆方向に移動させることによって螺旋状に互いに入れ子式に重ね合わせることも可能である。これによって、接線方向の空気流入スリット１１９，１２０の形状、大きさ及び構成を任意に変えることができる、ひいては渦流発生器１００を、その構造長さを変えることなしにユニバーサルに使用することができる。
【００１８】
図３には、そらせ板１２１ａ，１２１ｂの幾何学的な構造が示されている。そらせ板１２１ａ，１２１ｂは、流れを流入させる機能を有しており、これらのそらせ板は、その長さに応じて、円錐形の部分体１０１，１０２のそれぞれの端部を流れ方向で燃焼空気流１１５に対して延長する。円錐形中空室１１４内に燃焼空気流１１５を通路によってガイドして向けることは、この通路の流入部の領域で円錐形中空室１１４内に配置された回転中心点１２３を中心にしてそらせ板１２１ａ、１２１ｂを開放若しくは閉鎖することによって最適に行なわれる。これは特に、接線方向の空気流入スリット１１９，１２０の最初のギャップの大きさをダイナミックに変えたい場合に必要である。勿論、そらせ板が円錐形の部分体１０１，１０２と共に定置の構成部分を形成するようにして、このダイナミックな手段を静力学的に行なうこともできる。同様に、渦流発生器１００はそらせ板なしで駆動させるか、又はこのために別の補助手段を設けることもできる。
【００１９】
図４に示した実施例においては、図３の実施例に対して、渦流発生器１００が４つの部分体１３０，１３１，１３２，１３３から構成されている。各部分体の長手方向左右対称軸線はそれぞれ符号ａを付けて示されている。この図４に示した構成においては、これによって生ぜしめらるわずかな渦流強さに基づいて及び相応に大きく構成されたスリット幅と協働して、混合管内において渦流が渦流発生器の下流側で破壊されることを避けるために最も適しており、これによって混合管は、その役割を最適に満たすことができる。
【００２０】
図５に示した実施例は、図４に示した実施例とは異なり、部分体１４０，１４１，１４２，１４３が、所定の流れを形成するための翼状プロフィールを有している。その他の点では、渦流発生器の構造形式は同じである。燃料１１６を燃料空気流１１５内に混合させることは、翼状のプロフィールの内部から行なわれる。つまりこの実施例では燃料ライン１０８が各翼内に組み込まれている。この実施例においても、各部分体の長手方向左右対称軸線には符号ａが付されている。
【００２１】
図６には、移行部材２００が三次元で示されている。移行部材の幾何学的な形状は、図４又は図５に従って、４つの部分体を備えた渦流発生器１００のために構成されている。それに応じて、移行部の幾何学的な形状は、上流側で作用する部分体の自然の延長部として４つの移行通路２０１を有している。これによって、前記部分体の円錐形１／４面は、これが管２０若しくは混合管２２０の壁と交差するまで、延長される。これと同じことは、渦流発生器が、図２に示した実施例とは別の原理で構成されている場合にもあてはまる。各移行通路２０１の、流れ方向で下方に延びる面は、流れ方向で螺旋状に延びる形状を有しており、この形状は、移行部材２００の流過横断面が流れ方向で円錐形に拡張されていることに基づいて、鎌形を描いて延びている。噴射された燃料との完全な混合を得るために、移行通路２０１の渦角度は流れ方向で、管内の流れのために燃焼室入口における横断面の拡大部まで十分大きな区分が残るように選択されている。また、上記手段によって、混合管壁部における軸方向速度も、渦流発生器の下流で高められる。移行部の幾何学的形状及び混合管の領域における手段によって、混合管の中心点までの軸方向速度プロフィールが明らかに増大するので、早期点火の危険性は確実に避けられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】バーナーとそれに続く燃焼室とを示す概略的な部分断面図である。
【図２】渦流発生器の一部破断した概略的な斜視図である。
【図３】図２に示した２つのシェルを有する渦流発生器の概略的な断面図である。
【図４】４つのシェルを有する渦流発生器の概略的な断面図である。
【図５】翼状のプロフィールを有するシェルを備えた渦流発生器の概略的な断面図である。
【図６】渦流発生器と混合管との間の移行部の幾何学的形状を示す概略的な斜視図である。
【符号の説明】
１０ スリーブリング、 ２０ 管、 ２１ 孔又は開口、 ３０ 燃焼室、３１ 開口、 ４０ 混合管内の流れ、 ５０ 逆流ゾーン、 １００ 渦流発生器、 １０１，１０２ 部分体、 １０１ａ，１０２ａ 円筒形の始端部、１０１ｂ，１０２ｂ 長手方向左右対称軸線、 １０３ 燃焼ノズル、 １０４ 燃料噴射口、 １０５ 燃料噴射プロフィール、 １０８，１０９ 燃料ライン、 １１２ 液体状の燃料、 １１３ ガス状の燃料、 １１４ 円錐形中空室、 １１５ 燃焼空気流、 １１６ ライン１０８，１０９からの燃料噴射、 １１７ 噴射開口、 １１９，１２０ 接線方向の空気流入スリット、 １２１ａ，１２１ｂ そらせ板、 １２３ そらせ板の回転中心点、 １３０，１３１，１３２，１３３ 部分体、 １３０ａ，１３２ａ，１３３ａ 長手方向左右対称軸線、 １４０，１４１，１４２，１４３ 翼状の部分体、 １４０ａ，１４１ａ，１４２ａ，１４３ａ 長手方向左右対称軸線、 ２００ 移行部材、２０１ 移行通路、 ２２０ 混合管

Claims (14)

1. 熱発生器用のバーナーであって、主として、燃焼空気流のための渦流発生器と燃料を点火するための手段とから成っている形式のものにおいて、
   渦流発生器（１００）の下流に混合区間（２２０）が配置されており、該混合区間（２２０）が、渦流発生器（１００）の下流で、渦流発生器（１００）内に形成された流れ（４０）を、移行通路（２０１）の下流側に後置接続された、混合区間（２２０）の貫流横断面（２０）に移行させるための、第１の部分（２００）内で流れ方向に延びる移行通路（２０１）を有していることを特徴とする、熱発生器用のバーナー。
2. 混合区間（２２０）が管状の混合部材として構成されている、請求項１記載のバーナー。
3. 混合区間（２２０）内の移行通路（２０１）の数が、渦流発生器（１００）の部分体の数に相当する、請求項１記載のバーナー。
4. 混合区間（２２０）が移行通路（２０１）の下流で、流れ方向及び周方向で、空気流を噴射するための膜流形成用孔(prefilming bore)としての開口（２１）を備えている、請求項１記載のバーナー。
5. 混合区間（２２０）が移行通路（２０１）の下流で、空気流を噴射させるための接線方向の開口を備えている、請求項１記載のバーナー。
6. 混合区間（２２０）の貫流横断面（２０）が、渦流発生器（１００）内に形成された流れ（４０）の横断面よりも小さいか、同じか又はそれよりも大きい、請求項１記載のバーナー。
7. 移行通路（２０１）が、混合区間（２２０）の端面をカバーしていて、流れ方向で渦状に延びている、請求項１記載のバーナー。
8. 混合区間（２２０）の端部にディフューザが設けられている、請求項１記載のバーナー。
9. 混合区間（２２０）の下流に燃焼室（３０）が配置されており、混合区間（２２０）と燃焼室（３０）との間に、燃焼室（３０）の流入側の流過横断面を形成する横断面拡大部が設けられており、この横断面拡大部の領域内に逆流ゾーン（５０）が作用するようになっている、請求項１記載のバーナー。
10. 渦流発生器(１００)が、流れ方向で互いに入り込む円錐形で中空の２つの部分体（１０１，１０２；１３０，１３１，１３２，１３３；１４０，１４１，１４２，１４３）より成っており、これらの部分体の各長手方向左右対称軸線（１０１ｂ，１０２ｂ；１３０ａ，１３１ａ，１３２ａ，１３３ａ；１４０ａ，１４１ａ，１４２ａ，１４３ａ）が、互いにずらされて延びていて、部分体の互いに隣接し合う壁部が、これらの部分体の長手方向の延長部で、燃料空気流（１１５）のための接線方向の通路（１１９，１２０）を形成するようになっており、部分体によって形成された円錐形中空室（１１４）内に少なくとも１つの燃料ノズル（１０３）が配置されている、請求項１記載のバーナー。
11. 接線方向の通路（１１９，１２０）の長手方向の延長部の領域内に別の燃料ノズル（１１７）が配置されている、請求項１０記載のバーナー。
12. 部分体（１４０，１４１，１４２，１４３）の横断面が、翼状のプロフィールを有している、請求項１０記載のバーナー。
13. 部分体が、流れ方向で一定の円錐形角度又は次第に増大する円錐形角度、あるいは次第に減少する円錐形角度を有している、請求項１０記載のバーナー。
14. 部分体が螺旋状に互いに入り込んでいる、請求項１０記載のバーナー。

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