JP3842357B2 - 熱発生器のための前混合バーナ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱発生器のための前混合バーナであって、主として、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、これらの部分体の各長手方向対称軸線が互いにずらされて延びていて、部分体の隣接した壁がその長手方向において、部分体によって形成された円錐中空室内に燃焼空気を貫流させるための接線方向の空気流入スロットを形成しており、しかも円錐中空室内に少なくとも１つの燃焼ノズルが配置されている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばヨーロッパ特許第３２１８０９号明細書に前混合バーナ（Vormischbrenner）として記載されている渦流安定化されたバーナにおいて、バーナ軸線に沿って液体燃料が噴射される場合、燃料ノズルから下流に形成される液体ピラーは、前混合バーナの内室に接線方向で流入する燃焼空気流に対して、特に噴射部の下流における第１の範囲において、固体のように作用する。液体燃料噴射なしの流れに対して、バーナヘッドにおける燃焼空気流入は阻止され、これによって、形成される渦流（Drallstroemung）の接線方向成分は強化される。これによって炎ポジションは変化し、炎ポジションはさらに上流に移動する。接線方向の空気流入スロットに沿ってさらに燃料が噴射されると、このような燃料噴射の運転は最高に危険になる。なぜならば、この範囲において作用する炎前面は、無条件にシステムへのフラッシュバックを生ぜしめるからである。さらに炎中心が富もしくはリッチになり、これによって、このような前混合バーナの運転には種々様々な不都合が生じる。このような運転では、種々様々な欠点を見出すことができる。これらの欠点は、完全に数え上げたわけではないが、以下のように把握することができる：
ａ） フラッシュバックのおそれが増大し、これによって、前混合バーナの部分が容易に燃え尽きてしまうことになる。そしてこのようなことが起きると、燃えてぼろぼろに崩れる部分が機械の重大な故障を引き起こすほどの危険ポテンシャルが発生する；
ｂ） 液体燃料を用いた最適な炎ポジションにおける運転は、安全性の理由から幅広く設計することが許されず、したがって前混合バーナは小さな運転範囲しか有することができない；
ｃ） 上に述べた理由から、スプレイ円錐と燃焼空気流との間における一体的な完全な混合を最初から得ることは不可能であり、これによって無条件に、ＮＯｘ放出が高まる；
ｄ） 不均一な混合物分布によってさらに、高められた有害物質放出と脈動の発生という別の欠点が発生する；
ｅ） 確実かつ効果的な燃焼のための最適な流れ条件からの大きな偏差が見出される。
【０００３】
【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前混合バーナを改良して、炎を安定化させることができ、しかも最大の効率と最小の有害物質放出とを兼ね備えた前混合バーナを提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の構成では、燃料ノズルが、前混合バーナの部分体によって生ぜしめられた円錐始端部に対して、所定の区間だけ上流に向かってずらされているようにした。
【０００５】
【発明の効果】
本発明の主要な処置は、ヘッド側の燃料ノズルの箇所に対するものであり、この燃料ノズルは、燃焼空気の流入部に対して規定された区間だけ上流に向かって後退させられ、この場合この区間は選択されたスプレイ角度に依存している。燃料ノズルがこのように後方にもしくは上流にずらされていることによって、燃料ノズルの開口は、不動の周壁の範囲に位置することになり、これによってこの範囲において同時に半径方向にノズル開口の周囲に複数の開口を設けることが可能になり、これらの開口を通してフラッシング空気が、燃料ノズルから噴射された燃料横断面に流入する。これらの開口の流過横断面は次のように、すなわち気体燃料運転において、これらの開口を通って流れる空気質量流が、逆流ゾーンをさらに下流にシフトさせるのに十分ではないように、選択される。液体燃料運転では、燃料スプレイは事実上噴流ポンプとして作用し、これによって前記開口を通る空気質量流は高められる。このことによって、逆流ゾーンをさらに下流にシフトさせる軸方向におけるより大きなインパルスが生ぜしめられる。
【０００６】
本発明の別の利点としては次のことが挙げられる。すなわち本発明のように構成されていると、燃料ノズルの後退によって、大きな円錐半径を備えた燃料スプレイが主流に、つまり、接線方向の空気流入スロットを通って流れる燃焼空気に進入するようになる。燃料スプレイはこの平面において既にフィルムから液滴に分解しており、この燃料スプレイの円錐周面は、接線方向の空気流入スロットから到来する燃焼空気の範囲への進入時に、３倍大きくなる。これによって燃料スプレイの拡散が改善され、燃焼空気の流入が損なわれることはなくなる。
【０００７】
さらにまた、燃料ノズルの範囲において開口を通して吸い込まれる空気質量流は、円錐内先端（Kegelinnenspitze）の濡れもしくはウエッティングを阻止する。それというのはこの空気質量流は、燃料スプレイと壁との間におけるフィルムとして存在し、特に燃料スプレイの開放角度を規定するからである。そしてこの燃料スプレイの開放角度は、大きな負荷範囲にわたってコンスタントである。
【０００８】
本発明のさらに別の大きな利点としては次のことが挙げられる。すなわち本発明の構成によれば、燃料ノズルの範囲における空気質量流のための開口横断面を変化させることによって、逆流ゾーン、ひいては炎ポジションに対して運転中に直接影響を与えることができる。
【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】
なお図面及び以下の説明において、本発明の直接的な理解のために必要でないエレメントはすべて省かれている。また同一部材に対しては、すべての図面において同一符号が付けられており、また媒体の流れ方向は、矢印で示されている。
【００１１】
図１には、後で図２〜図５を参照しながらさらに詳しく述べる前混合バーナが概略的に示されている。主として図１には、中央に配置された燃料ノズル１０３が示されており、この燃料ノズル１０３は、円錐形の流過横断面の始端部１２５に対して上流側に後退させられており、この場合区間１２６は、選択されたスプレイ角度１０５に依存している。燃料ノズル１０３が上述のように後退させられていることによって、燃料ノズル１０３の開口１０４は、ヘッド側の固定の周壁１０１ａ，１０２ａの範囲に位置することになる。燃料ノズル１０３の後退によって発生する燃料スプレイ１０５は、比較的大きな円錐半径で、前混合バーナの内室１１４に流入する燃焼空気の主流によって覆われた範囲に進入し、この結果燃料スプレイ１０５はこの範囲において、もはや固定のコンパクトな物体としての特性を失い、既に液滴へと分解しており、したがって燃焼空気流によって容易に貫通されることができる。燃料スプレイ１０５への燃焼空気１１５の流入は、したがって燃料噴射（Brennstoffeinduesung）のコンパクトさによってもはや妨げられず、このことは混合品質に対してポジティブに作用する。それというのはこの場合、燃料スプレイ１０５は燃焼空気によってより容易に貫通されることができるからである。さらに燃料スプレイ-開口１０４の平面の範囲においては、半径方向又はほぼ半径方向に配置された複数の開口１２４が設けられており、これらの開口１２４を通してフラッシング空気（Spuelluft）が、燃料ノズル１０３のサイズによって噴射された横断面に流入する。これらの開口１２４の流過横断面は次のように、すなわち、これらの開口１２４を通って流れる空気質量流が気体燃料運転において、逆流ゾーン（図２の符号１０６参照）をさらに下流にシフトさせるのに十分ではないように、選択される。液体燃料運転においては燃料スプレイ１０５は、事実上噴流ポンプとして作用し、これによって前記開口１２４を通る空気質量流は、高められる。このことはより大きな軸方向インパルスを生ぜしめ、このインパルスは逆流ゾーンをさらに下流にシフトさせ、これは火炎のフラッシュバックに対する良好な処置として作用する。略示された円錐形の部分体１０１，１０２については、図２〜図５を参照しながら説明する。図２〜図５においては、接線方向の空気流入スロット１１９，１２０の輪郭及び作用形式についてもより詳しく述べる。
【００１２】
前混合バーナ１００の構造をよりよく理解するために、図２と同時に図３〜図５に示された個々の断面図を参照すると有利である。さらに図２を分かり易くするために、図２においては図３〜図５に示されたガイドプレート１２１ａ，１２１ｂは単に略示されている。以下においては図２について記載しながら、必要に応じて残りの図面つまり図３〜図５を参照する。
【００１３】
図２に示された前混合バーナ１００は、互いに内外にずらされて配置された中空円錐形の２つの部分体１０１，１０２から成っている。円錐形の部分体１０１，１０２の各中心軸線もしくは長手方向対称軸線１０１ｂ，１０２ｂ相互のずれは、鏡像的な配置形式で両側において、各１つの接線方向の通路又は空気流入スロット１１９，１２０を開放形成し（特に図３〜図５参照）、これらの空気流入スロット１１９，１２０を通して燃焼空気１１５が前混合バーナ１００の内室につまり円錐中空室１１４に流入する。図示された部分体１０１，１０２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１０１，１０２は流れ方向において、トランペットもしくはディフューザ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もしくはコンフューザのように減少する円錐傾斜を有することもできる。このような両方の形状は、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１０１，１０２は各１つの円筒形の始端部分１０１ａ，１０２ａを有しており、両始端部分１０１ａ，１０２ａは、円錐形の部分体１０１，１０２と同様に、互いにずらされて延びているので、接線方向の空気流入スロット１１９，１２０を前混合バーナ１００の全長にわたって得ることができる。円筒形の始端部分の範囲には燃料ノズル１０３が設けられており、この燃料ノズル１０３は、図１を参照しながら既に詳しく述べたように、円錐内先端（Kegelinnenspitze）に対して後退させられている。この燃料ノズル１０３の噴射容量及び形式は、各前混合バーナ１００の所定されたパラメータに基づいて、設定されている。もちろん前混合バーナを純然たる円錐形に、つまり円筒形の始端部分１０１ａ，１０２ａなしに、ただ１つの接線方向の空気流入スロットを備えたただ１つの部分体から構成することも、又は２つよりも多くの部分体から構成することも可能である。円錐形の部分体１０１，１０２はさらに各１つの燃料導管１０８，１０９を有しており、これらの燃料導管１０８，１０９は、接線方向の空気流入スロット１１９，１２０に沿って配置されており、かつ複数の噴射開口１１７を備えている。そしてこれらの噴射開口１１７を通して、気体燃料１１３が、そこを貫流する燃焼空気１１５内に噴射される（矢印１１６参照）。これらの燃料導管１０８，１０９は有利には、遅くとも接線方向の流入部の端部に、つまり円錐中空室１１４の入口の前に配置されており、このようになっていると、最適な空気／燃料混合物を得ることができる。燃焼室１２２の側において前混合バーナ１００の出口開口は、複数の孔１１０ａが設けられている前壁１１０に移行する。この前壁１１０におけるこれらの孔１１０ａは、必要とあらば、希釈空気又は冷却空気１１０ｂを燃焼室１２２の前方部分に供給するために働く。さらに、この空気供給は前混合バーナ１００の出口における炎の安定化のためにも役立つ。このような炎の安定化は、半径方向における扁平化に基づいて炎のコンパクトさを支持することが問題であるような場合に、重要である。燃料ノズル１０３を通してもたらされる燃料は、有利には液体燃料１１２であるが、この場合気体燃料を使用することも可能である。また必要とあらば、これらの燃料に再循環された排ガスを加えて富の状態（リッチ）にすることも可能である。燃料ノズル１０３から噴射された液体燃料１１２は、はっきりとした円錐形の燃料スプレイ１０５を形成し、この燃料スプレイ１０５は、接線方向に流入する回転する燃焼空気１１５によって取り囲まれる。軸方向において、燃料１１２のコンセントレーションは、既に述べた燃料ノズル１０３のずれによっても、迅速にかつ連続的に、流入する燃焼空気１１５によって分解され、最適な混合物が形成される。前混合バーナ１００が気体燃料１１３によって運転される場合には、これは有利にはノズル１１７を介して行われ、この場合この燃料／空気混合物の形成は、円錐中空室１１４への空気流入スロット１１９，１２０の移行部において即座に達成される。燃料ノズル１０３を介して行われる液体燃料１１２の噴射は、ヘッドステージの機能を果たす。すなわちこれは通常、始動運転時及び部分負荷運転時に行われる。もちろん、このヘッドステージを介して、液体燃料による基本負荷運転も可能である。前混合バーナ１００の端部においては、一方では横断面にわたって最適かつ均一な燃料コンセントレーションが調節され、かつ他方では臨界的な渦巻き数（Drallzahl）が調節される。次いでこの臨界的な渦巻き数は、そこにおける横断面の拡大と共働して、渦流破裂（Wirbelaufplatzen）を生ぜしめ、かつ同時にまたそこにおいて逆流ゾーン１０６をも形成する。点火はこの逆流ゾーン１０６の先端において行われる。この箇所において初めて、安定した炎前面１０７が生じる。前混合バーナ１００の内部への炎のフラッシュバック（このようなフラッシュバックは公知の前混合区間においても潜在的に存在しており、公知の前混合区間では複雑な保炎バッフル（Flammenhalter）を用いてこのようなフラッシュバックを阻止することが試みられている）は、ここでは生じるおそれがない。燃焼空気１１５が付加的に予加熱されるか、又は再循環された排ガスが加えられると、このことは、燃焼ゾーンに達する前において、使用される液体燃料１１２の気化を持続的に助成する。同様なことは、導管１０８，１０９を介して気体燃料の代わりに液体燃料が供給される場合においても言える。円錐形の部分体１０１，１０２をその円錐角や接線方向の空気流入スロット１１９，１２０の幅に関して構成する場合には、逆流ゾーン１０６を備えた燃焼空気１１５の所望の流れ領域が前混合バーナ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。一般的には次のように言うことができる。すなわちこの場合、接線方向の空気流入スロット１１９，１２０を小さくすると、逆流ゾーン１０６はさらに上流に向かってシフトされ、これによっていずれにせよ混合物は早期に点火されることになる。いずれにせよ明らかなのは、一度固定された逆流ゾーン１０６はそれ自体位置安定的であるということである。それというのは、渦巻き数は流れ方向において前混合バーナ１００の円錐形の範囲において増大するからである。前混合バーナ１００の内部における軸方向速度は、軸方向の燃焼空気流の図示されていない相応な供給によって変化可能である。前混合バーナ１００の構造はさらに、接線方向の空気流入スロット１１９，１２０のサイズを変えるのに有利に適しており、これによって前混合バーナ１００の構造長さを変化させることなしに、比較的大きな運転領域を得ることができる。さらにまた、円錐形の部分体１０１，１０２を螺旋状に互いに内外に配置することも可能である。
【００１４】
図３〜図５には、ガイドプレート１２１ａ，１２１ｂの幾何学的な輪郭形状が示されている。これらのガイドプレート１２１ａ，１２１ｂは、流れ導入機能を有しており、ガイドプレート１２１ａ，１２１ｂ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燃焼空気１１５に対する流れ方向において延長している。円錐中空室１１４への燃焼空気１１５の導入は、円錐中空室１１４内への通路の入口範囲における旋回ポイント１２３を中心にした、ガイドプレート１２１ａ，１２１ｂの開閉によって最適化することができる。このような構成は特に、接線方向の空気流入スロット１１９，１２０の元々の間隙寸法が変えられる場合に、必要である。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１０１，１０２と共に不動の構成部分を形成する。同様に前混合バーナ１００をガイドプレートなしに運転することも可能であるし、又はそのために別の補助手段を設けることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料スプレイの位置が示された本発明による前混合バーナを示す概略図である。
【図２】本発明による前混合バーナを一部破断して示す斜視図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った前混合バーナの断面図である。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶ線に沿った前混合バーナの断面図である。
【図５】図２のＶ−Ｖ線に沿った前混合バーナの断面図である。
【符号の説明】
１００ 前混合バーナ、 １０１，１０２ 部分体、 １０１ａ，１０２ａ 始端部分、 １０１ｂ，１０２ｂ 長手方向対称軸線、 １０３ 燃料ノズル、１０４ 燃料スプレイ-開口、 １０５ スプレイ角度（燃料スプレイ）、 １０６ 逆流ゾーン、 １０７ 炎前面、 １０８，１０９ 燃料導管、 １１０ 前壁、 １１０ａ 孔、 １１２ 液体燃料、 １１３ 気体燃料、 １１４ 円錐中空室、 １１５ 燃焼空気、 １１７ 噴射開口、 １１９，１２０空気流入スロット、 １２１ａ，１２１ｂ ガイドプレート、 １２２ 燃焼室、 １２３ 旋回ポイント、 １２４ 開口、 １２５ 始端部、 １２６ 区間

Claims (10)

1. 熱発生器のための前混合バーナであって、主として、それぞれ円筒形の始端部分（１０１ａ , １０２ａ）を備えていて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（１０１ , １０２）から成っており、これらの部分体（１０１ , １０２）の各長手方向対称軸線（１０１ｂ , １０２ｂ）が互いにずらされて延びていて、部分体（１０１ , １０２）の隣接した壁がその長手方向において、部分体（１０１ , １０２）によって形成された円錐中空室（１１４）内に燃焼空気を貫流させるための接線方向の空気流入スロット（１１９ , １２０）を形成しており、しかも円錐中空室（１１４）内に燃料を噴射するために少なくとも１つの燃料ノズル（１０３）が配置されている形式のものにおいて、燃料ノズル（１０３）が、円錐中空室（１１４）の上流側に位置していて部分体（１０１ , １０２）の円筒形の始端部分（１０１ａ , １０２ａ）によって取り囲まれた範囲の内部において、所定の区間（１２６）だけ上流に向かってずらされていることを特徴とする、熱発生器のための前混合バーナ。
2. 接線方向の空気流入スロット（１１９，１２０）の範囲において、該空気流入スロットの長手方向に、別の燃料ノズル（１１７）が配置されている、請求項１記載の前混合バーナ。
3. 円錐中空室内に配置された燃料ノズル（１０３）が液体燃料（１１２）によって運転可能であり、かつ接線方向の空気流入スロット（１１９，１２０）の範囲に配置された燃料ノズル（１１７）が気体燃料（１１３）によって運転可能である、請求項１又は２記載の前混合バーナ。
4. 部分体（１０１，１０２）が流れ方向において、均一に増大する流れ横断面を形成している、請求項１記載の前混合バーナ。
5. 部分体（１０１，１０２）が流れ方向において、増大する円錐傾斜を有している、請求項１記載の前混合バーナ。
6. 部分体（１０１，１０２）が流れ方向において、減少する円錐傾斜を有している、請求項１記載の前混合バーナ。
7. 部分体（１０１，１０２）が螺旋状に互いに内外に配置されている、請求項１記載の前混合バーナ。
8. 円錐中空室内に配置された燃料ノズル（１０３）がバーナ軸線上に配置されている、請求項１記載の前混合バーナ。
9. 接線方向の空気流入スロット（１１９，１２０）の流過横断面が、バーナ（１００）の長手方向において減少している、請求項１記載の前混合バーナ。
10. 円錐中空室内に配置された燃料ノズル（１０３）の一部である噴射開口（１０４）の範囲において、半径方向又はほぼ半径方向に配置された開口（１２４）が設けられており、該開口（１２４）を通して空気質量流が、該燃料ノズル（１０３）の下流に形成された流過横断面に流入可能である、請求項１記載の前混合バーナ。

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