JP3702021B2 - バーナ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流れ方向において互いに内外に配置された少なくとも２つの中空円錐形の部分体を、主たる構成要素とするバーナであって、部分体の長手方向対称軸線が互いにずらされて延びていて、部分体の隣り合う壁がその長手方向において、バーナの内室に流入する燃焼空気のための接線方向の空気案内通路を形成している形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼製造時に２次製品として、低い発熱量（２〜４ＭＪ／ｋｇ）をもつ燃焼ガスが発生する。このいわゆるＬＢＴＵガスは、従来、シングルバーナを備えた３００ＭＷまでの熱出力をもつガスタービンにおいて燃焼される。例えばリング燃焼室を備えている今日のガスタービンにおいてこのガスを燃焼させるためには、２０ＭＷよりも小さな値の熱出力を有するシングルバーナが必要である。 ＬＢＴＵガスによって運転可能なバーナを実現する場合における困難性は、空気に対する燃料の質量比が１：１の値にあることに基づくものであり、この値は、３０：１の比で運転される天然ガス燃焼式のバーナとは異なっている。
【０００３】
ヨーロッパ特許第０３２１８０９号明細書に基づいて公知のバーナは、前混合式の燃焼を可能にし、かつ該明細書において詳しく記載されている一連の利点を有している。この公知のバーナは、流れ方向において互いに内外に配置された少なくとも２つの中空円錐形の部分体から成っており、これらの部分体のそれぞれの長手方向対称軸線は互いにずらされて延びていて、部分体の隣り合う壁はその長手方向において、燃焼空気流のための接線方向の空気案内通路を形成している。この公知のバーナでは有利な形式において、部分体によって形成された中空室において中央のノズルを介して液体燃料が吹き込まれ、接線方向の通路の範囲において長手方向に設けられた別のノズルを介してガス状の燃料がもたらされるようになっている。
【０００４】
このようなバーナにおいて、全体的に設けられた燃料ノズルを介してＬＢＴＵガスがもたらされる場合でも、ＬＢＴＵガスによる運転のために必要な空気と燃料との質量比を得ることは不可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ゆえに本発明の課題は、冒頭に述べた形式のバーナを改良して、ＬＢＴＵガスによる運転が可能であり、しかもそれ自体が本来持つ利点を失うことないバーナを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の構成では、冒頭に述べた形式のバーナにおいて、接線方向に延びる空気案内通路と少なくとも作用結合して、該空気案内通路に対して平行に又はほぼ平行に第２の通路が配置されており、該通路を通して燃料がバーナの内室に導入可能であるようにした。
【０００７】
【発明の効果】
本発明のように構成されたバーナには主として次のような利点がある。すなわち本発明によるバーナは、ＬＢＴＵガスによる運転が可能であり、最適な混合物形成を行う準備があり、そして燃焼は相変わらず、バーナの出口において逆流領域を形成しながらかつ有害物質の放出を最小限に抑えしかも最大限の効率で行われる。
【０００８】
本発明のその他の有利な構成は、請求項２以下に記載されている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に図面につき本発明の実施の形態を説明する。
【００１０】
図面には、本発明の直接的な理解のために不必要なすべての構成部材は省かれている。また図１〜図３において等しい構成部材には同一符号が付けられている。さらにまた媒体の流れ方向は矢印で示されている。
【００１１】
バーナ１の構造を良好に理解するために、図１と同時に図３を参照すると有利である。また、図１を分かりやすくするために、図３において詳しく示されているガイドプレート１９，２０は、図１においては概略的に示されている。以下においては図１を参照しながら記載するが、この場合必要に応じて図３についても言及する。
【００１２】
図１に示されたバーナ１は、２つの円錐形で中空の部分体２，３から成っており、両部分体２，３は互いにずらされて内外に配置されている。円錐形の部分体２，３のそれぞれの中心軸線又は長手方向対称軸線２ａ，３ａが相対的にずらされていることによって（図３参照）、鏡像的な配置形式で両側において、各１つの接線方向の空気進入スロット（空気案内通路）２ｂ，３ｂが開放形成され、この空気進入スロット２ｂ，３ｂを通して燃焼空気４がバーナ１の内室に、つまり円錐中空室５に流入する。図示された部分体２，３の流れ方向における円錐形状は、規定された一定の角度を有している。もちろん、運転使用形式に応じて、部分体２，３は流れ方向において、トランペットのように増大する円錐傾斜を有することも又はチューリップのように減少する円錐傾斜を有することもできる。このような形状は、当業者ならば容易に理解することができるので、図面には示されていない。円錐形の両部分体２，３は各１つの円筒形の始端部分２ｃ，３ｃを有しており、両始端部分２ｃ，３ｃは、円錐形の部分体２，３と同様に、互いにずらされて延びているので、接線方向の空気進入スロット２ｂ，３ｂをバーナ１の全長にわたって得ることができる。もちろんバーナ１を純然たる円錐形に、つまり円筒形の始端部分２ｃ，３ｃなしに構成することも可能である。円錐形の２つの部分体２，３は、内方に向かってずらされかつ同様に接線方向に延ばされた各１つの通路６，７（図３も参照）を有しており、これらの通路６，７を通してガス状の燃料８が円錐中空室５に案内される。両方の流れつまり燃焼空気４及びガス状の燃料８は、接線方向の空気進入スロット２ｂ，３ｂの範囲にまで、隔壁６ａ，７ａ（図３参照）によって別個に案内される。このことは、連続した接線方向の開口を前記空気流入スロット２ｂ，３ｂの範囲に有している、燃料を案内する室を、各部分体２，３に装着することによって、構造的に達成することができる。このように構成されていると、平行な２つの流れが同時に円錐中空室５に流入することが可能になる。円錐中空室５に向かって開放する両通路の貫流開口は、次のように、すなわちバーナ１がＬＢＴＵガスによって運転される場合、常に必要なほぼ等しい質量流の貫流を可能にするように、構成されている。図示の実施例ではガスを案内する通路６，７は、燃焼空気４の流れに比べて円錐中空室側において延びている。もちろん媒体４，８の流れ案内形式を互いに逆転させることも可能である。円錐中空室５における両媒体４，８の混合は、隔壁６ａ，７ａによって案内される円錐中空室５への流入時に、そこで交互に形成される剪断力によって、極めて強力に行われる。このようにして燃焼空気４とＬＢＴＵガス８との混合が行われると、バーナ１の端部において、最適かつ均一な混合物９が横断面全体にわたって得られる。燃焼空気４が付加的に予加熱されるか又は、燃焼空気４に再循環された排ガスが加えられると、このことは両媒体４，８の混合率を持続的に助成する。円錐形の部分体２，３をその円錐角及び接線方向の流入スロット２ｂ，３ｂの幅に関して構成する場合には、混合物９の所望の流れ領域がバーナ１の出口において生じることを可能にするために、狭い限界範囲が維持されねばならない。この流れ領域は、バーナ１自体において生じる渦巻き数（Drallzahl）に関連している。この構成における目的は、臨界的な渦巻き数をバーナ１の出口において生ぜしめたいということである。すなわち臨界的な渦巻き数の平面においては、逆流領域（Vortex- Breakdown）１０も形成され、この逆流領域は炎前面１１に対して安定化作用を生ぜしめ、この場合そこで与えられる燃焼室１２とバーナ１の流過横断面との間における横断面拡大は、周囲における渦流剥離(Wirbelabloesung)を生ぜしめ、この渦流剥離によって炎前面１１はさらに安定化され、逆流領域１０が半径方向において平らになること及びバーナ１の内部に向かって炎１１がフラッシュバックすることが回避される。一般的に言えることであるが、部分体２，３に円錐形の輪郭が与えられている場合における臨界的な渦巻き数は、接線方向の空気進入スロット２ｂ，３ｂが小さくなることによってより速く生ぜしめられ、この結果、臨界的な渦巻き数と合致する逆流領域１０は、場合によっては既にバーナ１の出口の前において生ぜしめられる。バーナ１の内部における軸方向速度は、この結果、軸方向の燃焼空気流４ａの相応に大きな供給によって変化させることができる。バーナ１の構造はさらに、接線方向における空気進入スロット２ｂ，３ｂの寸法を変えるの有利に適しており、したがってバーナ１の構造長さを変えることなしに、比較的大きな運転領域を得ることができる。もちろん部分体２，３はまた別の平面において互いにシフト可能であり、これによって両部分体２，３のオーバラップを導入することが可能である。さらにまた、部分体２，３を互いに逆向きに回転する運動によって互いに内外に配置することも可能である。これによって、接線方向の空気進入スロット２ｂ，３ｂの形状、寸法及び輪郭を任意に変化させることが可能であり、これによりバーナ１はまたその構造長さを変えることなしに幅広い運転条件をカバーすることができる。接線方向の空気進入スロット２ｂ，３ｂの形状もしくは輪郭に関して言えば、これらの空気進入スロット２ｂ，３ｂは、流れ方向における臨界的な渦巻き数にさらに影響を与えるために、円錐形に減少するつまり先細の流過形状又は円錐形に増大するつまり末広がりの流過形状を、難無く有することができる。良好な理解を得るために例えば空気進入スロットが流れ方向において先細になる構成について説明すると、この場合には軸方向において増大する質量流が発生し、これによって軸方向成分が半径方向成分よりも大きくなる。渦巻き数に関して言えば、このことは、流れ方向において先細になるスロット幅が逆流領域１０を上流に向かってシフトさせるという作用を有する。燃焼空気４を流入させるための接線方向の空気進入スロット２ｂ，３ｂとＬＢＴＵガス８をもたらすための燃料案内通路６，７との間においては、貫流量に関しては、相互依存の関係が存在するので、各スロットもしくは通路の形状及び寸法は相互に相応に合わせられねばならない。ほぼ逆流領域１０の平面において、バーナ１の出口開口は、複数の孔１４が設けられている前壁１３に移行する。これらの孔１４は必要とあらば、希釈空気または冷却空気４ｂを燃焼室１２の始端領域に供給するために働く。異なった空気流４，４ａ，４ｂは必ずしも等しい圧力、等しい温度又は等しい組成を有する必要がない。
【００１３】
図２には図１に示されたのと同じ燃焼構造が示されており、この場合このバーナ１ａは、該バーナのヘッドステージとして働く中央の燃料ノズル１５を備えている。この燃料ノズル１５はガス状の燃料によっても運転することができる。この燃料ノズル１５は液体の燃料１６によっても運転することができ、この場合このバーナ１ａの運転は前記燃料ノズル１５だけを介して行うことも、又はガス状の燃料８との共働において行うこともでき、後者の場合ガス状の燃料８は、そのために接線方向に設けられたスロットを介してもたらされる（図１及び図３参照）。燃料ノズル１５を介して液状の燃料１６をもたらす場合には、円錐中空室５において、そこで生ぜしめられる鋭角１７に基づいて、円錐形の燃料輪郭１８が形成され、この燃料輪郭１８は、渦を巻きながら接線方向に流入する燃焼空気４によって取り囲まれる。燃料１６のコンセントレーションは、流入する燃焼空気４によって軸方向において連続的に減じられて、最終的には燃料と燃焼空気との混合物が形成される。前記燃料ノズル１５を介して液体燃料１６が進入する場合でさえも、バーナ１ａの出口においては、横断面全体にわたって最適かつ均一なコンセントレーションが得られる。燃焼空気４が予加熱されている場合、又は該燃焼空気４に再循環された排ガスが加えられている場合には、液体燃料１６の気化が著しく高められ、これによってバーナ１ａの出口においては、既に図１との関連において記載したように、逆流領域１０及び炎前面１１が形成される。特に貧ガス（Magergas）の場合には、ただ１つのノズルを通して燃料をもたらすことは、このために必要な大きな燃料質量に基づいて、実現することが困難である。したがってこのような場合には図１に示された構成が利用される。
【００１４】
図３にはまたガイドプレート１９，２０の輪郭形状とバーナの残りの輪郭形状とが示されている。これらのガイドプレート１９，２０は流れ導入機能を有しており、種々異なった構成を有することができる。円錐中空室５内への燃焼空気４の流入は、例えば接線方向の空気進入スロット２ｂ，３ｂの範囲における図示されていない旋回ポイントを中心とした該ガイドプレート１９，２０の開閉によって、相応に最適化されることができる。もちろんこの動的な処置は静的に行うことも可能であり、この場合には、必要に応じたガイドプレートが円錐形の部分体２，３と共に不動の構成部材を形成する。同様にバーナをガイドプレートなしに運転することも可能であるし、そのために他の補助手段を設けることも可能である。さらに図３からは、ガス状の燃料８が燃焼空気４の内側において流入する様子が分かる。両方の媒体４，８のためのそれぞれの通路を形成する、図１との関連において述べた隔壁６ａ，７ａは、図３にはっきりと示されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のよるバーナを適当に破断して示す斜視図である。
【図２】中央に燃料ノズルを備えた別の実施例によるバーナを示す斜視図である。
【図３】図１に示されたバーナを概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
１，１ａ バーナ、 ２，３ 部分体、 ２ａ，３ａ 長手方向対称軸線、 ２ｂ，３ｂ 空気進入スロット（空気案内通路）、 ４ 燃焼空気、 ５ 円錐中空室（内室）、 ６，７ 燃料案内通路、 ６ａ，７ａ 隔壁、 ８ 燃料、９ 混合物、 １０ 逆流領域、 １２ 燃焼室、 １３ 前壁、 １５ 燃料ノズル、 １６ 液体燃料、 １７ 鋭角、 １８ 燃料輪郭、 １９，２０ガイドプレート

Claims (10)

1. 流れ方向において互いに内外に配置された少なくとも２つの中空円錐形の部分体（２，３）を、主たる構成要素とするバーナであって、部分体（２，３）の長手方向対称軸線（２ａ，３ａ）が互いにずらされて延びていて、部分体（２，３）の隣り合う壁がその長手方向において、バーナ（１，１ａ）の内室（５）に流入する燃焼空気（４）のための接線方向の空気案内通路（２ｂ，３ｂ）を形成している形式のものにおいて、接線方向に延びる空気案内通路（２ｂ，３ｂ）と少なくとも作用結合して、該空気案内通路に対して平行に又はほぼ平行に第２の通路（６，７）が配置されており、該通路（６，７）を通して燃料（８）がバーナ（１，１ａ）の内室（５）に導入可能であることを特徴とするバーナ。
2. 燃料案内通路（６，７）を通して、ガス状の燃料（８）がバーナ（１，１ａ）の内室（５）に導入可能である、請求項１記載のバーナ。
3. 空気案内通路（２ｂ，３ｂ）の流過横断面の寸法に対する、燃料案内通路（６，７）の流過横断面の寸法が、吹き込まれる燃料（８）の発熱量に基づいて設定されている、請求項１又は２記載のバーナ。
4. バーナ（１，１ａ）が、ヘッドステージとして少なくとも１つの別の燃料ノズル（１５）を有している、請求項１記載のバーナ。
5. 燃料ノズル（１５）が液体燃料（１６）によって運転可能である、請求項４記載のバーナ。
6. 燃料案内通路（６，７）が燃焼空気案内通路（２ｂ，３ｂ）に比べて、円錐中空室側に配置されている、請求項１記載のバーナ。
7. 部分体（２，３）が螺旋状に互いに内外に配置されている、請求項１記載のバーナ。
8. 部分体（２，３）が流れ方向において一定の角度を有している、請求項１記載のバーナ。
9. バーナ（１，１ａ）の流過横断面が流れ方向において増大している、請求項１記載のバーナ。
10. バーナ（１，１ａ）の流過横断面が流れ方向において減少している、請求項１記載のバーナ。

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