JP4263278B2 - 熱発生器を運転するためのバーナ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱発生器を運転するためのバーナであって、バーナが主として、燃焼空気流のためのスワール発生器と、燃焼空気流内へ少なくとも１つの燃料を噴入するための手段とから成り、スワール発生器が、流れ方向に互いに入り込んで配置された少なくとも２つの中空円錐状の部分体から成り、これら部分体のそれぞれの中央軸線は、部分体の隣合う壁がそれらの長手方向の延びにおいて燃焼空気流のための接線方向の入口通路を形成するように互いにオフセットして延びており、かつ、部分体により形成された内室内で予備混合区域が作用可能であって、その場合、スワール発生器の下流に混合区域が配置されており、この混合区域が第１の区域部分の内部に流れ方向で多数の移行通と若しくは遷移通路(transition passage)を、スワール発生器内で形成された流れをこれらの遷移通路の下流に配置された１つの混合管内へ移送するために備えている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヨーロッパ特許公開第０７８０６２９号明細書からは入射流側でスワール発生器を成すバーナが公知であり、この場合、このスワール発生器内に形成された流れはスムーズに混合区域へ移送される。このことは、この目的のために混合区域の始端部に形成された流れジオメトリにもとづき行われる。この流れジオメトリは、スワール発生器の作用的な部分体の数に応じて混合区域の端面をセクタ状に覆っていて流れ方向で螺旋状に延びる遷移通路から成る。混合区域はこの遷移通路の流出側に、管壁に沿った流れ速度の増大を確実ならしめる多数の膜形成孔を備えている。混合区域に続いて燃焼器が設けられており、その場合、混合区域と燃焼器との間の遷移部は横断面急変部により形成されており、この横断面急変部の平面内に逆流区域又は逆流バブルが形成される。スワール発生器内のスワールの大きさは、渦の崩壊が混合区域の内部では行われずに著しく下流で、すでに述べたように横断面急変部の領域内で行われるように選択される。このバーナが、従来技術にもとづくバーナに対比して、火炎安定性の強化、低い有害物質放出、わずかな脈動、完璧な完全燃焼、広い運転領域、種々のバーナ相互間の良好なクロスイグニション、コンパクトな構造、改善された混合などに関して著しい改善を保証するにもかかわらず、バーナ技術へのたえまざる要求により、燃料と燃焼空気との十分な混合に関して常に問題が生じ、これにより有害物質放出の最小化がいつでも所望通りに達成されない。これに関して、このことに対処するためには、燃料インジェクタと火炎フロントとの間隔を極めて長くしなければならないが、しかしこのことは熱発生器を運転するためのバーナではスペースと運転要件との理由により不可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、冒頭に記載した形式のバーナにおいて燃料空気混合物の混合品位を改善することのできる手段を提案することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題は本発明によれば、請求項１に記載のように、スワール発生器の部分体が、スワールを発生するそれぞれの入口通路の両側に、前記部分体の壁部の軸方向で燃料インジェクタ(fuel injector）を備えていることにより解決される。
【０００５】
要するに本発明によれは、前記目的の達成のために、スワール発生器内の燃料が、燃焼空気を内室内へ通流せしめる入口通路に沿ってその両側から噴入される。
【０００６】
【発明の効果】
本発明の著しい利点とするところは、入口通路に沿ってその両側から行われる燃料噴入により、燃焼空気流内への燃料の浸透深さが改善され、このことが燃料と燃焼空気との予備混合の改善につながることにある。
【０００７】
本発明によればさらに、スワール発生器の内室への遷移部のところに配置された両方の燃料インジェクタ列の噴入平面が、スワール発生器の先端から出口まで増大している。このことにより、著しく下流に位置する燃料インジェクタの、スワール発生器内への入口までの区域が増大し、このことが、噴入された燃料の予備混合の改善につながる。
【０００８】
本発明にもとづく対象物は有利には、スワール発生器がバーナの予備混合区域をも形成しているその他のバーナでの使用にも適している。特にこのことに関しては、本発明明細書の記載の肝要な部分を成すヨーロッパ特許第０３２１８０９号明細書を参照されたい。
【０００９】
本発明にもとづく解決手段の有利かつ好適な構成がその他の請求項に記載されている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、図面につき本発明の実施例を詳細に説明する。本発明の直接的な理解のために不必要な事項は省略されている。同一部分は種々の図面において同一符号で示されている。媒体の流れ方向は矢印をもって示されている。
【００１１】
図１はバーナの全体構造を示す。バーナのヘッド側ではスワール発生器１００が作用しており、その構成が図２及び図３に詳細に示されかつ説明されている。この場合、スワール発生器は円錐状のボデイから成り、このボデイには接線方向で多重に、流入する燃焼空気流１１５が周方向で供給され、その際、この燃焼空気流１１５の流入領域内には、ガス燃料及び又は液体燃料の種々のインジェクタ１１６，１１６ａが配置されている。このことについては図２及び図３を参照されたい。さらに別の燃料噴入が、ヘッド側の中央に配置された燃料ノズル１０３によって行われる。この場合も、液体燃料及び又はガス燃料による運転が可能である。この場合に形成されるスワール流は、スワール発生器１００の下流に設けた遷移ジオメトリにもとづき遷移部材２００内へ、このゾーン内に剥離領域を生じることができないようにスムーズに移送される。この遷移ジオメトリの形態について図４で詳細に説明する。この遷移部材２００の流出側では、遷移部材により形成された遷移ジオメトリが混合管２０により延長され、その際、遷移部材と混合管とがバーナの本来の混合区域２２０を形成する。勿論、この混合区域２２０は１つの部材から成ることもでき、その場合には遷移部材２００と混合管２０とが溶着により１つの組合せ体を成すが、その際、それぞれの部材の特性は維持される。遷移部材２００と混合管２０が２つの部材として製作されている場合、これらの部材はブシュリング１０により互いに結合され、その場合には同ブシュリング１０がヘッド側でスワール発生器１００のための取付け面として役立てられる。この種のブシュリング１０はさらに、バーナの基本形状に少しも変向を加える必要なしに種々の混合管を使用することができるという利点を有する。混合管２０の流出側に燃焼器の本来の燃焼室３０が位置している。ここでは燃焼器は火炎管によってのみ示されている。混合区域２２０は、種々異なる種類の燃料の完全な予備混合を内部で行うことのできる規定された区域をスワール発生器１００の下流に形成せしめるという役割を十分に果たしている。この混合区域、要するに実際には混合管２０はさらに損失のない流れの案内を可能にし、その結果、遷移ジオメトリとの相互作用によりまず最初は逆流ゾーン又は逆流バブルが形成されず、これにより、混合区域２２０の長さにわたりあらゆる種類の燃料のための混合品位に影響を与えることができる。さらにまた、この混合区域２２０は、それ自体の内部で軸方向速度プロフィールが軸線上に際立った最大値を有するというさらに別の特性を有しており、その結果、燃焼器からの火炎の逆火が不可能となる。しかし、この種の構成ではこの軸方向速度が壁へ向かって減少するのは当然である。この壁領域内でも逆火を阻止するために、混合管２０は流れ方向及び周方向で規則的又は不規則的に分配されていて種々異なる横断面と方向とを有する多数の孔２１を備えており、これらの孔を通して空気量が混合管２０の内部へ流入し、かつ壁に沿って膜を形成することで流れ速度の増大をうながす。これらの孔２１は混合管２０の内壁に少なくとも付加的に滲み出し冷却をも形成するように設計されることができる。混合管２０の内部で混合物の速度を増大させる別の可能性は、すでに述べた遷移ジオメトリを形成する遷移通路２０１の下流で混合管の流れ横断面に狭窄部を設け、これにより混合管２０の内部の速度レベルを全体的に高めることにある。図面においてこの孔２１はバーナ軸線６０に対して鋭角を成している。さらに、遷移通路２０１の出口は混合管２０の最も狭い流れ横断面に相応している。それゆえ、上記の遷移通路２０１は、形成される流れにネガティブな影響を与えることなしにそれぞれの横断面差を架橋する。混合管２０に沿った管流れ４０の案内に際して前述の手段が許容できない圧力損失を招く場合には、これに対する救済手段として、この混合管の端部に図示されていないディフューザが設けられる。混合管２０の端部には次いで燃焼器（燃焼室３０）が接続され、その際、両方の流れ横断面の間に、バーナフロントにより形成された横断面急変部が設けられている。この箇所で初めて、火炎フロントに対して実体のない保炎器の特性を備えた逆流ゾーン５０を有する中央の火炎フロントが形成される。運転中この横断面急変部の内部に、その箇所に生じる負圧により渦の剥離を生ぜしめる流体的な境界層が形成されると、このことが逆流ゾーン５０の強いリングスタビリゼーションを生ぜしめる。燃焼室３０は端面側に、この箇所が他の手段例えばパイロットバーナを備えていない限りにおいて、多数の開口３１を有しており、これらの開口を通して空気量が直に横断面急変部内へ流入して、その場所で特に逆流ゾーン５０のリングスタビリゼーションを強化するのに役立てられる。さらにまた、安定な逆流ゾーン５０の形成のためには混合管内のスワール係数が十分に高いことが必要であることを指摘しなければならない。このような高いスワール係数が不所望ならば、混合管の端部で例えば接線方向の開口を通して、強くスワールを与えられた少量の空気流を供給することにより、安定な逆流ゾーンを形成することができる。その場合、このことのために必要な空気量が全空気量のほぼ５〜２０％であることが前提される。逆流ゾーン又は逆流バブル５０の安定化のための、混合管２０の端部におけるバーナフロント７０の構成に関しては図５についての説明を参照されたい。
【００１２】
図２は４つの部分体１４０，１４１，１４２，１４３から構成されたスワール発生器１００を示し、その場合、これらの部分体は羽根プロフィール形状を有しており、これにより、それぞれの入口通路１２０を通して内室１１４内へ流入する燃焼空気流１１５のための所期の流れが得られる。これらの入口通路１２０の流れ横断面は、図２から特に明瞭に看取されるように、部分体のそれぞれの中央軸線１４１ａ，１４２ａ，１４３ａ，１４４ａが互いにオフセットしていることにより得られる。スワール発生器内の燃料１１６，１１６ａは入口通路１２０に沿ってその両側から噴入される。噴入の詳細は図３から明瞭に理解される。
【００１３】
図３は４スリット式スワール発生器１００の斜視図を示す。この場合、燃焼空気流１１５内への混合のための燃料１１６，１１６ａの供給は、ヨーロッパ特許公開第０７８０６２９号明細書にもとづく燃料供給形式と異なり、部分体１４０〜１４３内に組み込まれた燃料導管により行われる。入口通路１２０に沿ってその両側から燃料を供給するために、対向して位置する個々のインジェクタが軸方向で互いにオフセットして配置されている。このことにより、一方の側のそれぞれ２つのインジェクタの間の中間スペースが、他方の側で対向して位置していてオフセットされたインジェクタにより充たされる。このことはその結果として、噴入された燃料が燃焼空気流１１５により捕獲され、バブル状のスプレーを形成するので重要である。互いに対向して位置して互いにオフセットして形成された燃料バブルは入口通路１２０の全横断面に充満することができ、供給された燃料の貫徹深さが大きく、このことが燃料燃焼空気混合物形成にポジティブに作用する。混合物形成を最適にする別の手段はスワール発生器１００の軸方向で燃料１１６，１１６ａの噴入平面Ｈを形成することにある。この平面はスワール発生器１００の先端からスワール発生器出口へ向かって増大する。このことにより、スワール発生器先端から著しく下流に位置する燃料インジェクタの予備混合区域が相対的に増大し、このことが予備混合プロセスの強化につながる。図３からは、噴入平面Ｈの軸方向のジオメトリ的な延び１４４，１４５による上述の変化が明瞭に理解される。勿論、スワール発生器は他面において本発明明細書の記載の肝要な部分を成すヨーロッパ特許公開第０７８０６２９号明細書にもとづき形成されることができる。別の数の入口通路１２０を備えたスワール発生器も可能である。
【００１４】
図４は遷移部材２００を３次元的に示した図である。４つの部分体を備えたスワール発生器１００ための遷移ジオメトリは図２及び図３に相応して構成されている。従って、この遷移ジオメトリは、上流で作用する部分体の必然的な延長部として４つの遷移通路２０１を備えており、これにより、前述の部分体の円錐四分面は混合管の壁と交差するまで延長される。同じ要件は、スワール発生器が図３で説明したのとは異なる他の原理で構成されている場合でも当てはめられる。個々の遷移通路２０１の流れ方向で下方へ延びる面は流れ方向でスパイラル状に延びる形状を有しており、この形状は、この場合には遷移部材２００の流れ横断面が流れ方向で円錐状に拡張していることとあいまって、三日月形の延びを描いている。流れ方向での遷移通路２０１のねじれ角は、管流れに続いて燃焼器入口のところの横断面急変部まで十分大きな区域が残されることで、噴入された燃料との完璧な予備混合が行われるように選択される。さらに、前述の手段により、スワール発生器の下流の混合管壁における軸方向速度も増大する。混合管の領域内でのこの遷移ジオメトリ及び措置は混合管の中心点へ向けて軸方向速度プロフィールの著しい上昇を生ぜしめ、その結果、早期点火の危険が著しく抑制される。
【００１５】
図５はバーナ出口に形成されたすでに述べた剥離縁を示す。混合管２０の流れ横断面はこの領域内で遷移曲率半径Ｒを有しており、その大きさは基本的に混合管２０の内部の流れに依存している。この曲率半径Ｒは流れが壁に接するように、かつスワール係数が著しく上昇するように選択される。曲率半径Ｒの大きさは定量的には混合管２０の内径の＞１０％に決定される。曲率半径なしの流れに対比してこの場合には逆流バブル５０が爆発的に増大する。この曲率半径Ｒは混合管２０の出口平面まで延びており、その場合、湾曲の始めと終わりとの間の角度βは＜９０°である。剥離縁Ａは角βの一方の辺に沿って混合管２０の内部へ延びており、かつこれにより、剥離縁Ａの前方の点に対して剥離段Ｓを形成しており、その深さは＞３ｍｍである。勿論、ここでは混合管２０の出口平面に対して平行に延びる縁は湾曲した延びで再び出口平面段上にもたらされることができる。剥離縁Ａの接線と、混合管２０の出口平面に対する垂線との挟角β′は角度βと同じである。この剥離縁の構成の利点はヨーロッパ特許公開第０７８０６２９号明細書において“発明の開示”の欄に明らかに記載されている。同じ目的で剥離縁の別の構成が燃焼器側のトーラス状(torus）の切欠によって形成されている。前記文献はその請求の範囲を含めて剥離縁に関して本発明明細書の肝要な部分を成している。
【図面の簡単な説明】
【図１】スワール発生器の下流に混合区域を備えていて予備混合バーナとして形成されたバーナの略示断面図である。
【図２】４つのシェルから成るスワール発生器の略示横断面図である。
【図３】４つのシェルから成るスワール発生器の斜視図である。
【図４】スワール発生器と混合区域との間の遷移ジオメトリの１構成を示す図である。
【図５】図１の符号Ｆｉｇ．５で示す一点鎖線の円で囲った部分内の逆流ゾーン安定化のための剥離縁を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
１０ ブシュリング、 ２０ 混合管（混合区域２２０の部分）、 ２１ 孔（開口）、 ３０ （燃焼器の）燃焼室、 ３１ 開口、 ４０ 流れ（混合管内の管流れ、主流）、 ５０ 逆流ゾーン（逆流バブル）、 ６０ バーナ軸線、 １００ スワール発生器、 １０３ 燃料ノズル、 １１４ 円錐状中空室、 １１５ 燃焼空気（燃焼空気流）、 １１６，１１６ａ （燃料）インジェクタ（導管１０８，１０９，ガスインジェクタ）からの燃料、 １４０，１４１，１４２，１４３ 羽根プロフィール形状の部分体、 Ｈ，１４４，１４５ 噴入平面、 ２００ 遷移部材、 ２０１ 遷移通路、 ２２０ 混合区域、 ｄ混合管の内径、 Ａ 剥離縁、 Ｒ 遷移曲率半径、 Ｓ 剥離段（出口平面段）、 Ｔ 剥離縁の接線、 β Ｒの遷移角、 β′ ＴとＡとの挟角

Claims (14)

1. 熱発生器を運転するためのバーナであって、バーナが主として、燃焼空気流のためのスワール発生器と、燃焼空気流内へ少なくとも１つの燃料を噴入するための手段とから成り、スワール発生器（１００）が、流れ方向に互いに入り込んで配置された少なくとも２つの中空円錐状の部分体（１４０，１４１，１４２，１４３）から成り、これら部分体のそれぞれの中央軸線（１４０ａ，１４１ａ，１４２ａ，１４３ａ）は、部分体の隣合う壁がそれらの長手方向の延びにおいて燃焼空気流（１１５）のための接線方向の入口通路（１２０）を形成するように互いにオフセットして延びており、かつ、部分体により形成された内室（１１４）内で予備混合区域が作用可能であって、その場合、スワール発生器の下流に混合区域（２２０）が配置されており、この混合区域（２２０）が第１の区域部分の内部に流れ方向で多数の遷移通路（２０１）を、スワール発生器内で形成された流れをこれらの遷移通路の下流に配置された１つの混合管内へ移送するために備えている形式のものにおいて、
   スワール発生器（１００）の部分体（１４０，１４１，１４２，１４３）が、スワールを発生するそれぞれの入口通路（１２０）の両側に、前記部分体の壁部の軸方向で燃料インジェクタ（１１６，１１６ａ）を備えていることを特徴とする熱発生器を運転するためのバーナ。
2. 両側で作用する燃料インジェクタ（１１６，１１６ａ）が軸方向に互いにオフセットして配置されている請求項１記載のバーナ。
3. 燃料インジェクタ（１１６，１１６ａ）の両方の列が噴入平面（Ｈ）を形成しており、かつ、この噴入平面（Ｈ）がスワール発生器（１００）の先端から出口まで増大している請求項１記載のバーナ。
4. スワール発生器（１００）のヘッド側に燃料ノズル（１０３）が配置されている請求項１記載のバーナ。
5. 部分体（１４０，１４１，１４２，１４３）の横断面が羽根状のプロフィールを有している請求項１記載のバーナ。
6. 部分体が、固定の円錐角又は増大する円錐度又は減少する円錐度を流れ方向に有している請求項１記載のバーナ。
7. 部分体がスパイラル状に互いに入り込んで配置されている請求項１記載のバーナ。
8. 混合区域（２２０）内の遷移通路（２０１）の数が、スワール発生器（１００）により形成される部分流の数に対応している請求項１記載のバーナ。
9. 遷移通路（２０１）の下流に配置された混合管（２０）が流れ方向かつ周方向に、混合管（２０）の内部への空気流の噴入のための開口（２１）を備えている請求項１記載のバーナ。
10. 開口（２１）が混合管（２０）のバーナ軸線（６０）に対して鋭角を成して延びている請求項９記載のバーナ。
11. 遷移通路（２０１）の下流における混合管（２０）の流れ横断面が、スワール発生器（１００，１００ａ）内に形成される流れ（４０）の横断面に比して小さいか、等しいか又は大きい請求項１記載のバーナ。
12. 混合区域（２２０）の下流に燃焼室（３０）が配置されており、かつ、混合区域（２２０）と燃焼室（３０）との間に、燃焼室（３０）の初めの流れ横断面を誘引する横断面急変部が存在しており、かつ、この横断面急変部の領域内で逆流ゾーン（５０）が作用可能である請求項１記載のバーナ。
13. 逆流ゾーン（５０）の上流にディフューザ及び又はベンチュリ区域が存在している請求項１２記載のバーナ。
14. 混合管（２０）が燃焼室側（３０）に剥離縁（Ａ）を備えている請求項１記載のバーナ。

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