JP3863608B2 - 予混合式バーナー - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、予混合式バーナーであって、主に、流れ方向で見て互いに重ねられた（ineinandergeschachtelt）少なくとも２つの円錐部分体を備えており、これらの各円錐軸線が中心軸線に対してずらされており、これにより燃焼空気のために接線方向のスリットが形成されている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の予混合式バーナーは例えばヨーロッパ特許第０３２１８０９号公報から公知である。燃焼空気は、主に２つの円錐形半シェルから成るスワールバーナーとして構成された予混合式バーナーによって回転せしめられる。燃料は回転する空気内へ吹込まれ、かつここで空気と混合される。バーナーの出口に所定の帽子形の再循環ゾーンが現れ、その先端で添加が行われる。火炎自体は再循環ゾーンによってバーナーの前で安定化され、機械的な保炎器は不要である。このようなバーナーの熱音響的な挙動は通常安定しており、かつ単純でコスト上有利な構造を特徴とする。
【０００３】
バーナーがガス状の燃料で運転される場合には、そのために２つの部分体の壁内の縦方向に分配されたガス流入開口が、２つの円錐半シェルによって形成された接線方向のスリットの領域内に設けられる。したがってガスでの運転では燃焼空気との混合気形成が既に入口スリットのゾーン内で始る。
【０００４】
円錐半シェルの先端部には液体燃料のための燃料ノズルが配置されている。燃料は鋭角を成して中空円錐内へ噴射される。生じる円錐状の燃料プロフィールは接線方向に流入する空気によって包囲される。燃料濃度は圧縮空気と混合する結果軸方向に連続的に減少する。燃料の噴射角度は予混合式バーナーの開角によって規定される。しかし液体燃料とガス状燃料との良好な混合は小さな開角によって困難にされ、このことが有害物質の排出の増大に導くことがある。
【０００５】
接線方向のスリットの領域内でのガス状燃料の噴射による予混合式バーナーの運転がもはや保証されない部分負荷では、ガス状燃料は円錐半シェルの先端部に配置された燃料ノズルを介して噴射される。しかし逆流ゾーンと燃料ノズルとの間の軸方向距離が大きいことにより火炎の軸方向位置が変化し、これにより脈動が生じる危険がある。さらに逆流ゾーンと燃料ノズルとの間の軸方向距離が大きいことにより所要燃料量が増大し、これが有害排出物の増大を導きかねない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、冒頭に記載の形式の予混合式バーナーにおいて有害排出物を低減し、かつ逆流ゾーンを安定化することである。
【０００７】
【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、円錐部分体の先端部を基点にして下流側に予混合式バーナーの内部へ延びた槍状供給装置が配置されており、該槍状供給装置が中心軸線に対してほぼ対称的に延びており、槍状供給装置の下流側端部に少なくとも１つの燃料ノズルが配置されており、槍状供給装置が主に槍状管とその内部に配置された燃料導管とを備えており、燃料導管の下流側端部に燃料ノズルが配置されており、燃料導管内に内側の燃料供給通路および外側の燃料供給通路が配置されており、槍状管の下流側端部に空気で吹飛ばされる霧化ノズルが配置されていて、外側の燃料供給通路に接続されているようにした。
【０００８】
【発明の効果】
本発明の利点は、特に、逆流ゾーンと燃料ノズルとの間の軸方向の距離がバーナー内部空間内へ突入した槍状供給装置によって短縮されることにある。これによって逆流ゾーンは各負荷範囲において軸方向で安定化され、脈動は回避される。燃料の噴射が燃料ノズルによって逆流ゾーン近傍で行われることによりさらに火炎の安定化に必要な燃料は少なくて済む。したがって部分負荷運転においても、予混合式バーナーを僅かな窒素酸化物排出で運転することが可能である。さらに槍状供給装置の外面が剪断面として働き、剪断面はガス状燃料と燃焼空気との緊密な混合を助成し、したがって有害排出物を低減する。燃料ノズルを逆流ゾーンの近くに位置決めしたことによって液体燃料の燃料ノズルの噴射角を大きくすることができる。これによって液体燃料使用時の予混合が改善され、かつ酸化窒素排出は低減される。
【０００９】
槍状供給装置が下流側に少なくとも予混合バーナーの下から３分の１の所まで延びていると、特に有利である。これは火炎の前面のバーナー内部へのバックファイアを阻止する。
【００１０】
さらに、槍状供給装置が槍状管とその内部に配置された燃料導管とから構成されていると有利である。これにより燃焼空気の１部を槍状管を通して吹込むことができ、このために燃料と空気との緊密な混合が助成される。さらに火炎が槍状供給装置の端部に滞留するのが防止される。
【００１１】
槍状管と燃料導管との間にスワール体を配置すると有利である。これによって槍状管から吹込まれる空気に任意のスワールを付与することができ、その結果緊密な混合がさらに最適化される。
【００１２】
さらに、槍状管の下流側端部に空気で吹飛ばされる霧化ノズル(luftuterstuetzte Zerstaeubungsduese、英語ではairblast atmizer)を配置すると有利である。これは液体燃料の僅かな有害物排出での燃焼を許す。
【００１３】
予混合式バーナーが少なくともバーナー出口の領域内に円形の横断面を有していると有利である。円形のバーナー出口は中心軸線に対して軸対称な流れを生じる。これによって円錐部分体の軸線によって惹起される脈動は回避され、かつ逆流ゾーンは一層安定化される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図面には発明の理解に必要な部材のみが示されている。作業媒体の流れ方向は矢印によって示されている。
【００１５】
図１および図２には予混合式バーナー１１が略示されている。これは主に既出のヨーロッパ特許０３２１８０９号公報から公知である、いわゆる二重円錐形バーナーである。予混合式バーナーは、例えばガスタービン群で燃焼空気と燃料との混合のために燃焼の前に使用される。このような予混合式バーナー１１は２つの中空の半円錐部分体１２，１３を備え、半円錐部分体は流れ方向に互いに重ね合わされている。２つの半円錐部分体の各円錐軸線１４と１５は予混合式バーナー１１の中心軸線１０に対してずらされている。２つの半円錐部分体の隣合った壁はこれらの縦方向に延在した部分に圧縮燃焼空気のための接線方向のスリット１６を形成しており、燃焼空気はこのようにしてバーナー内部へ入る。
【００１６】
接線方向のスリット１６の領域における２つの半円錐部分体の壁には縦方向に延びたガス供給導管１８が設けられている。ガス状燃料の噴射はガス供給導管１８から分岐した、図示されないガス流入開口を介して行われる。
【００１７】
半円錐部分体１２，１３によって形成された先端部を基点にして、下流側に延びた槍状供給装置１が予混合式バーナー１１の中心軸線１０に対して対称的に配置されている。槍状供給装置は槍状管２とこの内部に配置された燃料導管３とを備えている。槍状供給装置１の下流側端部の軸方向位置は有利には少なくとも予混合式バーナー１１の下から３分の１の所にある、すなわち槍状供給装置は予混合式バーナー１１から突出していてもよい。例えば槍状供給装置１は予混合式バーナーの軸方向の高さの２０％まで予混合式バーナー１１から突出していてよい。スワール体６が槍状管２の内部、有利には下流側端部の近くに配置されている。
【００１８】
図３および図４によれば、スワール体６は変向体７を備え、変向体は槍状管の内壁と燃料導管３との間に配置されている。燃料導管３の内部には環状の外側の燃料供給通路５と内側の燃料供給通路４が配置されている。内側の燃料供給通路４によって燃料導管３の下流側端部にある燃料ノズル８へ燃料が供給される。この燃料ノズル８は液体燃料とガス状燃料の噴射のための二重のノズルとして設計されている。外側の燃料供給通路５は変向体７を介して槍状管２の下流側端部の内部の外側の燃料供給通路５ａへ分岐している。これを通って外側の燃料供給通路５によって運ばれた液体燃料３０は槍状管の下流側端部へ導かれる。槍状管２の下流側端部の槍状管の外縁は霧化エッジ１７として働く。
【００１９】
図示されない圧縮機内で得られた燃焼空気９は接線方向のスリット１６から予混合式バーナー１１の内部へ入る。燃焼空気９は予混合式バーナー１１の構成によって回転せしめられ、スワール係数は流れ方向で増大する。ガスでの運転中は、燃焼空気９との混合気形成は入口スリット１６のゾーン内で始る。槍状管２の外壁は付加的な剪断面として作用して、さらに燃焼空気９とガス状燃料の混合を助成する。バーナー出口２０においてできる限り均質な燃料濃度が負荷横断面にわたって調節される。燃焼室壁１９によって形成された燃焼室内のバーナー出口２０の所に所定の帽子状の逆流ゾーン２１が生じ、この逆流ゾーンの先端で着火が行われる。逆流ゾーン２１の軸方向位置は槍状供給装置１の下流側端部の軸方向位置によって決められる。これにより逆流ゾーンの軸方向の移動、ひいては脈動が阻止される。
【００２０】
接線方向のスリット１６の領域内でのガス状燃料３１の噴射による予混合バーナー１１の運転がもはや保証されない部分負荷では、ガス状の燃料は燃料ノズル８を介して噴射される。ガス状燃料はこれによって逆流ゾーン２１の近くで噴射され、これにより全負荷運転と部分負荷運転との間の脈動が回避される。さらに燃料ノズル８から噴射されるべき燃料の必要量は減少せしめられる、それというのも燃料は直接逆流ゾーン２１内へ噴射されるからである。
【００２１】
槍状管２と燃料導管３との間の中空室を通って燃焼空気９ａも運ばれる。槍状管２を通って運ばれる燃焼空気９ａの割合は全空気流の２５％までであってよい。スワール体６によって燃焼空気９ａは回転せしめられる。この場合スワールの形式および強さは予混合式バーナーのその都度の状況に適合せしめられなければならない。例えばスワール体５は、これによって発生されるスワールが予混合式バーナー１１のスワールとは逆に延びるように設計することができる。これは燃焼空気９，９ａと燃料との混合を高め、かつ付加的に逆流ゾーン２１の、したがって槍状供給装置１の下流側端部の火炎のバックファイアを阻止する。
【００２２】
予混合式バーナー１１が液体燃料で運転される場合には、燃料は槍状供給装置１を用いて噴射される。噴射は外側の燃料供給通路５を用いて行われ、この燃料供給通路を介して液体燃料３０は霧化エッジ１７へ送られる。これによって槍状管２を通って運ばれる燃焼空気９ａを用いて空気吹飛ばし形の霧化ノズル２２が形成される。霧化を改善するためには場合により燃焼空気９ａは燃焼空気９に比較してより圧縮されなければならない。
【００２３】
さらに液体燃料は燃料ノズル８を介して噴射することができる。予混合式バーナー１１の内部における燃料ノズル８の軸方向一のためにこの燃料のずる８の噴射閣はきわめて大きく選択することができる。これによって燃焼空気９，９ａと燃料との緊密な混合が改善される。
【００２４】
図５によれば予混合バーナーは少なくともバーナー出口２０に円形の出口を備えることができる。そのためには半円錐部分体１２，１３の２つの円錐軸線１４，１５が例えば中心軸線１０上に集められなければならない。円形の出口によって逆流ゾーン２１は一層安定化され、かつ脈動は回避される。
【００２５】
図６および図７によれば、予混合バーナー１１の横断面を下流側端部における円形の横断面へ移行させるためにアダプタ３９を取付けることができる。アダプタ３９への移行部における、２つの半円錐部分体１２，１３の内径Ｒ_ｉはアダプタ３９の出口の半径Ｒ_ａよりも大きい。アダプタ３９の高さｈと角度αの大きさはアダプタ３９への入口の形状によって左右される。角度αは平均流れ角度（Stroemungswinkel）に相当し、したがって分離は起らない。アダプタ３９の貫流可能な自由面積はアダプタ３９の入口から出口へ向って減少し、したがってここで流れはアダプタによって付加的に加速される。
【００２６】
もちろん本発明は図示の説明された実施例に限定されない。予混合式バーナーに複数の接線方向の入口スリットを備えてもよい。槍状供給装置はまた二重円錐形バーナーとは異なるバーナーで使用することもできる。二重ノズルも２つのノズルから構成されていてよく、この場合内側の燃料供給通路が相応して適合せしめられなければならない。外側の燃料供給通路は燃料導管によって槍状管内へ設けることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】予混合式バーナーの部分縦断面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った予混合式バーナーの部分横断面図である。
【図３】図１のＩＩＩの部分の拡大図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った部分横断面図である。
【図５】図１のＶ−Ｖ線に沿った予混合式バーナーの部分横断面図である。
【図６】アダプタの部分横断面図である。
【図７】アダプタの略示斜視図である。
【符号の説明】
１ 槍状供給装置、 ８ 燃料ノズル、 ９ 燃焼空気、 １０ 中心軸線、１１ 予混合式バーナー、 １２，１３ 半円錐部分体、 １４，１５ 軸線、 １６ スリット

Claims (7)

1. 予混合式バーナー（１１）であって、主に、流れ方向で見て互いに重ねられた少なくとも２つの円錐部分体（１２，１３）を備えており、これらの各円錐軸線（１４，１５）が中心軸線（１０）に対してずらされており、これにより燃焼空気のために接線方向のスリット（１６）が形成されている形式のものにおいて、円錐部分体（１２，１３）の先端部を基点にして下流側に予混合式バーナー（１１）の内部へ延びた槍状供給装置（１）が配置されており、該槍状供給装置が中心軸線（１０）に対してほぼ対称的に延びており、槍状供給装置（１）の下流側端部に少なくとも１つの燃料ノズル（８）が配置されており、槍状供給装置（１）が主に槍状管（２）とその内部に配置された燃料導管（３）とを備えており、燃料導管（３）の下流側端部に燃料ノズル（８）が配置されており、燃料導管（３）内に内側の燃料供給通路（４）および外側の燃料供給通路（５）が配置されており、槍状管（２）の下流側端部に空気で吹飛ばされる霧化ノズル（２２）が配置されていて、外側の燃料供給通路（５）に接続されていることを特徴とする、予混合式バーナー。
2. 槍状供給装置（１）が下流側に少なくとも予混合式バーナー（１１）の下から３分の１の所まで延びている、請求項１記載の予混合式バーナー。
3. 槍状管（２）と燃料導管（３）との間にスワール体が配置されている、請求項１または２記載の予混合式バーナー。
4. スワール体が複数の変向体（７）から成っている、請求項３記載の予混合式バーナー。
5. 予混合式バーナー（１１）が少なくともバーナー出口（２０）の領域内に円形の横断面を有している、請求項１または２記載の予混合式バーナー。
6. 予混合式バーナー（１１）の下流側端部にアダプタ（３９）が配置されており、該アダプタの下流側端部が円形の横断面を有している、請求項１または２記載の予混合式バーナー。
7. 予混合式バーナー（１１）の円錐部分体（１２，１３）のアダプタ（３９）への移行部における内径（Ｒ_ｉ）がアダプタ（３９）の出口半径（Ｒ_ａ）よりも大きい、請求項６記載の予混合式バーナー。

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