JP5023526B2 - 燃焼器用バーナ及び燃焼方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料及び空気といった酸化剤を急速に混合して燃焼する燃焼器用バーナ及びその燃焼方法に関する。

近年、環境保護の要求からガスタービン等の燃焼排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）の低減要求が高まっている。そのため、燃料と空気等の酸化剤とを良好に混合させるため、燃焼器用バーナの筒状の混合部内に、噴霧状の燃料と混合部の断面接線方向から燃焼用空気とをそれぞれ導入し、強い旋回流を形成して乱流状態とするものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この燃焼器用バーナによれば、燃料と燃焼用空気とを急速混合して、低ＮＯｘを実現させることができる。
特開２００５−７６９８９号公報

しかしながら、上記従来の燃焼器用バーナ及び燃焼方法では、強旋回流によって火炎伸張を起こす混合部内壁面側の強せん断領域と、中心軸線側の剛体渦領域とが混合部内に形成されるので、強旋回流の影響が大きい場合には、強旋回流と剛体渦とが膜を介して分断されてしまう。特に、航空エンジンのように燃焼器の負荷範囲が広い場合には、低負荷時に上述した分断状態が発生するので、剛体渦領域でのみ火炎が形成され、燃料と空気との混合が不十分となって、燃焼安定性及び燃焼効率が悪化してしまう。このような場合には、着火性能が低下してしまい、低温時での着火が困難となる。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、低負荷時においても燃焼効率を向上させて燃焼器用バーナの中心軸線方向への火炎長を短くすることができ、燃焼器用バーナの中心軸線方向の全長を短くすることができる燃焼器用バーナ及び燃焼方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る第１の解決手段として、一端が燃焼部に開口して酸化剤と燃料とを内部で混合する筒状の混合部と、該混合部の他端側に配されて前記混合部に燃料を噴射する燃料噴射部と、前記混合部の内壁に開口して配され、前記酸化剤を前記混合部に導入して前記燃料とともに旋回流を形成させる第一噴出口と、該第一噴出口とは異なる方向に向けて開口して前記旋回流よりも前記混合部の他端側に配され、前記酸化剤を前記混合部にさらに導入する第二噴出口とを備えていることを特徴とする燃焼器用バーナを採用する。

この発明は、燃料噴射部から噴射させた燃料と、第一噴出口から混合部内に導入した酸化剤とが混合した混合気の強旋回流を混合部内に形成することができる。また、第二噴出口から混合部内に酸化剤を導入することによって、強旋回流に衝突させることができ、強旋回流を部分的に破壊して渦崩壊を生じさせることができる。従って、強旋回流単独の場合よりもさらに強い乱流状態を形成することができ、燃料と酸化剤との混合を促進させることができる。この際、残留した適度な旋回と大きな乱れによって、混合部の一端側の燃焼部における可燃領域を径方向に大きく拡大させることができる。その結果、燃焼部と混合部との距離を短くすることができる。

また、本発明に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記第一噴出口が、前記混合部の周方向に開口し、前記第二噴出口が、前記混合部の中心軸線方向に開口して設けられ、前記第一噴出口よりも前記混合部の径方向内方に配されていることを特徴とする燃焼器用バーナを採用する。

この発明は、第一噴出口と第二噴出口とが直交する方向に開口しているので、両方から酸化剤を導入した場合、混合部内で大きな乱れを有する混合気を形成することができるとともに、すぐに燃焼部に混合気を移動させることができる。従って、混合部内での逆火や自着火の発生を好適に抑えることができる。

また、第３の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記燃料噴射部の先端が、前記混合部の中心軸線に沿って前記第一噴出口の配設位置まで突出して配されていることを特徴とする燃焼器用バーナを採用する。

この発明は、第一噴出口から導入された酸化剤による強旋回流が燃料噴射部の先端に衝突することによって、燃料噴射部回りに強いせん断流を形成させることができる。従って、乱れをより大きくすることができ、急速な混合を促進することができる。

また、第４の解決手段として、一端が燃焼部に開口した筒状の混合部内で、他端側から前記混合部内に噴射した燃料と、前記混合部の壁面から内部に導入した酸化剤とを混合した旋回流を形成するとともに、前記旋回流とは異なる方向に向けて、前記旋回流よりも前記混合部の他端側から前記酸化剤をさらに前記混合部に導入することを特徴とする燃焼方法を採用する。

本発明によれば、低負荷時においても燃焼効率を向上させて燃焼器用バーナの中心軸線方向への火炎長を短くすることができ、燃焼器用バーナの中心軸線方向の全長を短くすることができる。

本発明の第１の実施形態について、図１から図３を参照して説明する。
本発明の第１の実施形態に係る燃焼器用バーナ１は、一端３ａが燃焼部２に開口して燃焼用空気（酸化剤）と燃料とを内部で混合する円筒状の混合部３と、混合部３の他端３ｂ側に配されて混合部３に燃料を噴射する噴射ノズル（燃料噴射部）５と、混合部３の内壁に開口して配され、燃焼用空気を混合部３に導入して燃料と燃焼用空気とが混合した混合気の旋回流を形成させる複数の第一噴出口６と、旋回流の流れとは異なる方向に向けて開口して第一噴出口６よりも混合部３の他端３ｂ側に配され、燃焼用空気をさらに混合部３に導入する複数の第二噴出口７とを備えている。

混合部３の内径は、燃焼部２の内径よりも小さく形成されている。
第一噴出口６は、混合部３の中心軸線Ｃと直交する方向に、かつ、混合部３の周方向に対して径方向に傾きながら混合部３の壁面を斜めに貫通して混合部３の内部に開口して設けられ、混合部３の周方向に略等間隔に離間して配されている。

第二噴出口７は、中心軸線Ｃと平行な中心軸線Ｃ２に沿って延びて設けられており、混合部３の中心軸線Ｃの周りの同一円周上を互いに略等間隔に離間した位置に、かつ、第一噴出口６よりも混合部３の径方向内方側にあって、中心軸線Ｃ２が第一噴出口６の中心軸線Ｃ１と交差する位置に、一つの第一噴出口６に対して一つずつ配されている。第二噴出口７は、混合部３の一端３ａ及び他端３ｂにともに開口して形成されている。

次に、本実施形態に係る燃焼器用バーナ１による燃焼方法、及び作用・効果について説明する。
まず、第一噴出口６及び第二噴出口７から燃焼用空気を混合部３内にそれぞれ導入するとともに、噴射ノズル５から噴霧状の燃料を混合部３内に噴射する。

このとき、第一噴出口６から導入された燃焼用空気は、混合部３の内壁面を周方向、かつ、径方向内方に向かって流れ、混合部３内で強い旋回流が形成される。しかし、第二噴出口７から導入された燃焼用空気は、中心軸線Ｃに並行して燃焼部２に向って流れて強旋回流に衝突する。このとき、旋回流が部分的に破壊されて渦崩壊を生じ、下流側に大きな乱流が発生する。

この際、大きな乱流によって燃焼用空気と燃料との混合が急速に行われて希薄混合気となって燃焼部２に移動する。ここで、旋回流が完全には破壊されていないので、燃焼部２内で希薄混合気が急激に拡径する。こうして、希薄混合気が広い可燃領域を有することになり、着火によって大きな火炎８が発生する。

この燃焼器用バーナ１及び燃焼方法によれば、強旋回流のみを混合部内に形成する場合よりもさらに強い乱流状態を形成することができ、燃料と燃焼用空気との混合を急速に促進することができる。この際、残留した適度な旋回と大きな乱れとによって、下流側となる混合部３の一端３ａ側に配された燃焼部２における可燃領域を径方向に大きく拡大させることができる。従って、燃焼部２と混合部３との距離を短くすることができる。
そして、燃焼効率を向上させて混合部３の中心軸線Ｃ方向への火炎長を短くすることができ、燃焼器用バーナ１全体の中心軸線Ｃ方向の全長を短くすることができる。

また、第一噴出口６と第二噴出口７とが互いに直交する方向に開口しているので、両方から燃焼用空気を導入した場合、混合部３内で大きな乱れを有する希薄混合気を形成することができるとともに、すぐに燃焼部２に希薄混合気を移動させることができる。従って、混合部３内での逆火や自着火の発生を好適に抑えることができる。

次に、第２の実施形態について図４を参照して説明する。
なお、上述した第１の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る燃焼器用バーナ１０の噴射ノズル５の先端５ａが、混合部１１の中心軸線Ｃに沿って第一噴出口６の配設位置まで、他端１１ｂから先端１１ａ側に突出して配されているとした点である。

この燃焼器用バーナ１０による燃焼方法、及び作用・効果について説明する。
まず、第一噴出口６及び第二噴出口７から燃焼用空気を混合部１１内に導入するとともに、噴射ノズル５から噴霧状の燃料を混合部１１内に噴射する。
このとき、第一噴出口６から導入された燃焼用空気による強い旋回流が噴射ノズル５の先端５ａに衝突して、混合部１１内に強いせん断層が生成される。

このせん断流及び第一噴出口６から導入された燃焼用空気による強旋回流に対し、第二噴出口７から導入された燃焼用空気が衝突するため、第一噴出口６よりも下流側では、第１の実施形態よりも大きな乱流が発生する。
こうして、燃焼用空気と燃料との混合が急速に行われる。この際、第１の実施形態と同様に旋回流が完全には破壊されていないので、燃焼部２内で希薄混合気が急激に拡径する。

この燃焼器用バーナ１０及び燃焼方法によれば、第１の実施形態に係る燃焼器用バーナ１０及び燃焼方法よりも、強旋回流をより多く破壊して燃料と燃焼用空気とを急速に混合することができ、低温時、かつ、低負荷時においても安定して着火させることができる。

次に、第３の実施形態について図５を参照して説明する。
なお、上述した他の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第３の実施形態と第２の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る燃焼器用バーナ１５の第二噴出口１６が、円環スリット状に形成されているとした点である。

この第二噴出口１６の幅は、第１及び第２の実施形態に係る第二噴出口７の内径と略同一とされており、第二噴出口７を周方向に連通させたようにして設けられている。
噴射ノズル１７及び混合部１８の外径は、第１及び第２の実施形態に係る噴射ノズル５及び混合部３，１１よりもそれぞれ小径に形成されている。

この燃焼器用バーナ１５によれば、上記他の実施形態と同様の作用・効果を奏することができる。特に、第二噴出口１６が上記他の実施形態に係る第二噴出口７よりも容積が大きいので、混合部１８に導入される燃焼用空気の流量を上記他の実施形態よりも大きくすることができ、径方向の流れよりも軸方向の流れの流量配分を大きくとることができる。従って、噴射ノズル１７及び混合部１８の外径を小さくでき、軽量化を図ることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、噴射ノズル５の先端５ａは、第一噴出口６から導入された燃焼用空気が衝突する位置であれば上記実施形態に限定されない。

また、図６に示すように、燃焼器用バーナ２０の第二噴出口２１が、混合部２２の一端２２ａ側に開口し、他端２２ｂ側ではなく混合部２２の外周面に開口して形成されていても構わない。この場合、噴射ノズル５の応力逃げを考慮した混合部とすることができる。

さらに、第二噴出口の大きさは可変式としてもよく、第１噴出口は、中心軸線Ｃと平行する中心軸線を有するのではなく、所定の角度で交差する中心軸線を有するように傾斜して形成されていても構わない。

従来の燃焼器用バーナと第２の実施形態に係る燃焼器用バーナ１０とを実際に燃焼して燃焼効率を確認したところ、燃焼部２において発生した火炎の長さを、可視領域で直径比約三倍に拡大させることができた。また、これに伴い、燃焼効率を数％程度向上させることができた。

本発明の第１の実施形態に係る燃焼器用バーナを示す（ａ）混合部の側面図、（ｂ）正面図、（ｃ）背面図である。 （ａ）図１のＡ−Ａ断面図、（ｂ）（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る燃焼器用バーナを示す一部断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃焼器用バーナを示す（ａ）図１のＡ−Ａ断面に相当する位置の断面図、（ｂ）（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃焼器用バーナを示す（ａ）図１のＡ−Ａ断面に相当する位置の断面図、（ｂ）（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃焼器用バーナの変形例を示す図１のＡ−Ａ断面に相当する位置の断面図である。

符号の説明

１，１０，１５，２０ 燃焼器用バーナ、２ 燃焼部、３，１１，１８，２２ 混合部、５，１７ 噴射ノズル（燃料噴射部）、６ 第一噴出口、７，１６，２１ 第二噴出口

Claims (4)

1. 一端が燃焼部に開口して酸化剤と燃料とを内部で混合する筒状の混合部と、
   該混合部の他端側に配されて前記混合部に燃料を噴射する燃料噴射部と、
   前記混合部の内壁に開口して配され、前記酸化剤を前記混合部に導入して前記燃料とともに旋回流を形成させる複数の第一噴出口と、
   前記複数の第一噴出口と一対一で、且つ、中心軸線が、対応する第一噴出口の中心軸線と直交する方向に向けて開口して前記旋回流よりも前記混合部の他端側に配され、前記酸化剤を前記混合部にさらに導入して前記旋回流と衝突させ、前記旋回流を部分的に破壊して渦崩壊を生じさせて乱流を形成する複数の第二噴出口とを備え、
   前記破壊されていない前記旋回流の残部と前記乱流とを前記燃焼部に導入することを特徴とする燃焼器用バーナ。
2. 前記第一噴出口が、前記混合部の周方向に開口し、
   前記第二噴出口が、前記混合部の中心軸線方向に開口して設けられ、前記第一噴出口よりも前記混合部の径方向内方に配されていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器用バーナ。
3. 前記燃料噴射部の先端が、前記混合部の中心軸線に沿って前記第一噴出口の配設位置まで突出して配されていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼器用バーナ。
4. 一端が燃焼部に開口した筒状の混合部内で、他端側から前記混合部内に噴射した燃料と、前記混合部の壁面を貫通して内部に開口して配された複数の第一噴射口から内部に導入した酸化剤とを混合した旋回流を形成するとともに、
   前記複数の第一噴出口と一対一で、且つ、中心軸線が、対応する第一噴出口の中心軸線と直交して配された複数の第二噴射口によって、前記旋回流とは異なる方向に向けて、前記旋回流よりも前記混合部の他端側から前記酸化剤をさらに前記混合部に導入して前記旋回流と衝突させ、前記旋回流を部分的に破壊して渦崩壊を生じさせて乱流を形成すると共に、前記破壊されていない前記旋回流の残部と前記乱流とを前記燃焼部に導入することを特徴とする燃焼方法。

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