JP5546487B2

JP5546487B2 - バーナ

Info

Publication number: JP5546487B2
Application number: JP2011064774A
Authority: JP
Inventors: 隆一冨永; 純小宮; 敦子瀬尾
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2031-03-23
Also published as: JP2012202561A

Description

本発明は、可燃性ガスと支燃性ガスとを燃焼室において燃焼させる形式のバーナに関する。

バーナとして、可燃性ガスと支燃性ガスのいずれか一方が流れる内管と、前記内管を包囲しており内管外表面との間の空間を可燃性ガスと支燃性ガスの他方が流れる外側管と、前記内管と外管の先端に可燃性ガスと支燃性ガスによる燃焼火炎が形成される燃焼室とを備えるバーナは知られている。その形式のバーナにおいて、燃焼室に至るよりも上流側で可燃性ガスと支燃性ガスの一部を混合させて予混合ガスとし、その予混合ガスを燃焼室内で着火させることにより着火性を良好とし、その燃焼火炎にさらに支燃性ガスを供給することで燃焼性を安定させることも知られている。

特許文献１には上記形式のバーナが記載されており、そのバーナは、内部が可燃性ガス流路である内管と、前記内管を包囲しており内管外周面との間に支燃性ガス流路を形成する外管と、前記内管と外管の先端に可燃性ガスと支燃性ガスによる燃焼火炎が形成される燃焼室とを備えており、前記内管の後端側である可燃性ガス供給口に寄った位置には、前記外管内に供給される支燃性ガスの一部が流入する支燃性ガス流入口が形成されている。

上記したような従来の予混合式バーナでは、支燃性ガス流入口の開口面積は一定のものであり、燃焼負荷に応じて予混合ガスにおける可燃性ガスと支燃性ガスの混合比率を調整することは想定されていない。

一方、予混合型のガスタービン燃焼器において、燃焼負荷に応じて予混合ガスにおける可燃性ガスと一次空気との混合比率を調整できるようにしたものが、特許文献２に記載されている。そこでは、一次空気導入孔とほぼ同一面積の孔が設けられた回転可能なリングを設置し、リングを回転することにより一次空気導入孔の開口面積を変えて、空気流入量を制御するようにしている。

特開２０１０−３２１８４号公報特開平０４−１４８１１３号公報

前記特許文献１に記載されるような予混合式バーナにおいて、バーナの使用環境によっては、燃焼負荷に応じて予混合ガスにおける可燃性ガスと支燃性ガスの混合比率を調整することが望ましい場合がある。例えば、高空気比側での燃焼範囲を広げるために、燃焼負荷が小さいときは一次空気の予混合度合いを小さくし、燃焼負荷が大きいときは一次空気の予混合度合いを大きくすることが求められる場合もあり、また反対に、燃焼負荷が小さいときは一次空気の予混合度合いを大きくし、燃焼負荷が大きいときは一次空気の予混合度合いを小さくすることで、着火性を良好にして低負荷での燃焼を安定化することが求められる場合もある。前記したように、特許文献１に記載される形態の予混合式バーナにおいては、これに答えることはできない。

特許文献２に記載される形態の予混合型のガスタービン燃焼器では、一次空気の予混合度合いを変化させることができ、燃焼負荷に応じた安定燃焼が得られるものと期待できるが、回転可能なリングを設置するとともに、リングを回転させる機構と動力が必要となり、ガスタービン燃焼装置が大がかりかつ複雑となるのを避けられない。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、特別な設備や補機を付加することなしに、予混合ガスにおける可燃性ガスと支燃性ガスとの混合比率を燃焼負荷に応じて自動的に調整できるようにし、それにより広い燃焼負荷範囲で高い燃焼安定性を確保できるようにしたバーナを開示することを課題とする。

本発明によるバーナは、可燃性ガスと支燃性ガスのいずれか一方が流れる内管と、前記内管を包囲しており内管外表面との間の空間を可燃性ガスと支燃性ガスの他方が流れる外管と、前記内管と外管の先端に可燃性ガスと支燃性ガスによる燃焼火炎が形成される燃焼室とを少なくとも備えるバーナであって、少なくとも前記内管は金属製であって前記燃焼室側の端部が自由端とされた第１の内管と前記燃焼室とは反対側の端部が自由端とされた第２の内管とで構成されており、前記第１の内管と第２の内管の自由端同士は軸心線を同じにして相互に摺動自在に嵌入し合う領域を有しており、前記第１の内管における前記嵌入領域には第１の孔が形成され、前記第２の内管における前記嵌入領域には第２の孔が形成されており、前記第１の孔と第２の孔はバーナの燃焼熱による少なくとも前記第２の内管の熱膨張量の変化によって相互に重なり合う面積を変化させることができる位置にそれぞれ形成されていることを特徴とする。

本発明によるバーナでは、内管に形成された前記第１の孔と第２の孔の重なり合っている部分を通して、支燃性ガスの一部が外管から内管にあるいは内管が外管に流入し、流入した箇所で可燃性ガスと混合して予混合ガスとなる。支燃性ガスの流入量は第１の孔と第２の孔の重なり合っている部分の面積に比例し、該面積は燃焼室内での燃焼熱によって前記第２の内管に生じる熱膨張量に少なくとも依存する。すなわち、燃焼負荷に応じて、支燃性ガスと可燃性ガスとが混合する割合を、０から最大値までの間で、または最大値から０までの間で、連続的に変化させることができる。変化のパターンは、第１の孔と第２の孔の形状を適宜選択することで、任意に設定することができる。それにより広い燃焼負荷範囲で高い燃焼安定性を確保することが可能となる。

そして、本発明によるバーナでは、従来知られたバーナにおける内管の部分を第１の内管と第２の内管とに分離して、そこに上記の構成を備えるように作り替えるだけでよく、構成的にも容易であり、格別に大型化することもない。

本発明によるバーナにおいて、前記第１の孔と第２の孔の対は一対であってもよい。バーナが、可燃性ガスにより多くの支燃性ガスが混合した予混合ガスを必要とする場合には、前記第１の孔と第２の孔の対を前記嵌入領域の軸心線方向に多段に設けるようにしてもよく、あるいは、前記第１の孔と第２の孔の複数対を前記嵌入領域の周方向に並列に設けるようにしてもよい。

本発明において、前記内管を構成する材料には熱によって膨張する金属材料が用いられる。具体的には、亜鉛、アルミ、ジュラルミン、真鍮、銅、ステンレス、鉄などを挙げることができる。第１の内管と第２の内管は同一の金属材料で作られていてもよく、異なった金属材料で作られていてもよい。いずれにおいても、どの金属材料を選択するかは、当該バーナの燃焼熱による第１の内管と第２の内管の熱膨張量（軸心線方向の膨張量）によって所望の第１の孔と第２の孔の重なり面積および重なり面積の変化が得られるように、それら金属材料の線膨張率を考慮して行えばよい。

本発明によれば、特別な設備や補機を付加することなしに、予混合ガスにおける可燃性ガスと支燃性ガスとの混合比率を燃焼負荷に応じて自動的に調整でき、それにより広い燃焼負荷範囲で高い燃焼安定性を確保できるようにしたバーナが得られる。

本発明によるバーナの一実施の形態を示す概略断面図。本発明によるバーナにおける内管の嵌入部を示す斜視図。内管に形成した第１の孔と第２の孔が長方形である場合での両孔が重なり合うことで形成される開口面積が変化する状態を説明するための模式図。他の形態の第１の孔と第２の孔とが重なり合うとき開口面積が変化する状態を説明するための図。さらに他の形態の第１の孔と第２の孔とが重なり合うとき開口面積が変化する状態を説明するための図。さらに他の形態の第１の孔と第２の孔とが重なり合うとき開口面積が変化する状態を説明するための図。さらに他の形態の第１の孔と第２の孔とが重なり合うとき開口面積が変化する状態を説明するための図。さらに他の形態の第１の孔と第２の孔とが重なり合うとき開口面積が変化する状態を説明するための図。さらに他の形態の第１の孔と第２の孔とが重なり合うとき開口面積が変化する状態を説明するための図。さらに他の形態の第１の孔と第２の孔とが重なり合うとき開口面積が変化する状態を説明するための図。第１の孔と第２の孔の対が嵌入領域の軸親線方向に２段に設けられている状態を説明する図。第１の孔と第２の孔の複数対が嵌入領域の周方向に並列に設けられている状態を説明する図。

以下、本発明によるバーナの実施の形態を図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明によるバーナの一実施の形態を示す概略断面図である。図示されるものはコーン状のバーナであって、図において、１１は金属製の内管であり、後に詳細に説明するように第１の内管３０と第２の内管４０とで構成される。内管１１の根元側には例えば都市ガスである可燃性ガス供給口１２が設けられる。１３は、内管１１の外側に内管１１と同軸に配置された外管であり、１４は外管１３に設けられた例えば空気である支燃性ガス供給口である。可燃性ガス供給口１２と支燃性ガス供給口１４には、図示しないバーナ燃焼制御装置を介して、可燃性ガスと支燃性ガスとが、それぞれの流量をコントロールされた状態で供給される。

内管１１の先端には、燃焼室を形成する先広がり状のバーナコーン１５が取り付けられており、その先端は外管１３に固定されている。１６はスパークプラグであり、内管１１の内側に、内管１１と同軸に配置されており、その先端部１７はバーナコーン１５内に達していて、一部が着火用の電極として機能している。バーナコーン１５には、支燃性ガスを燃焼室に供給するための孔１８が適数形成されており、バーナコーン１５の先端と外管１３の内周面との間にも、図示されないが、所要の支燃性ガス流路が形成されている。

上記の構成は、内管１１の構成を除き、例えば特許文献１に記載されるような従来知られた予混合型バーナと同じであってよく、詳細な説明は省略する。また、内管１１内に可燃性ガスが供給され、外管１３内に支燃性ガスが供給されるとしたが、逆であっても差し支えない。さらに、バーナの形状がコーン状バーナに限ることもなく、バーナの形状は任意である。コーン状バーナの場合に、バーナコーンの形状は、下流側に向けて次第に拡開する形状であればよく、例として、円錐形、角錐形等が挙げられる。

図２および図３を参照して、内管１１の構成を説明する。前記したように、内管１１は第１の内管３０と第２の内管４０とで構成されており、両者は自由端同士が差し込み式とされている。詳細には、第１の内管３０は、その可燃性ガス供給口１２側が外管１３の支燃性ガス供給口１４側と一体に固定されていて固定端３１となっており、該固定端３１と反対側、すなわち、第１の内管３０の燃焼室を形成するバーナコーン１５側は自由端３２となっている。一方、第２の内管４０は、一方端が外管１３に先端を固定したバーナコーン１５の後端側に固定されていて固定端４１となっており、他端側は自由端４２となっている。そして、第１の内管３０の自由端３２側と第２の内管４０の自由端４２側とは、軸心線を同じにして相互に摺動自在に嵌入した状態、すなわち差し込み状に入り込んだ状態となっていて、そこに嵌入領域５０を形成している。

第１の内管３０の前記嵌入領域５０における部分には第１の孔Ａが形成されており、第２の内管４０の前記嵌入領域５０における部分であって、前記第１の孔Ａに対向する部分には第２の孔Ｂが形成されている。それにより、第１の孔Ａと第２の孔Ｂとが相互に重なり合う領域には、嵌入状態にある第１の内管３０と第２の内管４０の双方の周壁面を貫通する貫通孔Ｃが形成される。なお、図１〜図３に示す例において、第１の孔Ａと第２の孔Ｂは同じ形状の長方形である。

第１の内管３０と第２の内管４０とを分離した状態が図３（ａ）に示されており、バーナ１として組み立てた状態の一例が図３（ｂ）（ｃ）に、また他の例が図３（ｄ）（ｅ）に示される。いずれにおいても、バーナ１が燃焼していない状態では、金属製である第１の内管３０と第２の内管４０は格別の熱膨張を受けていない。バーナ１が燃焼すると、火炎によって燃焼室を形成するバーナコーン１５およびその近傍が最初に加熱され、その熱は第２の内管４０の固定端４１側から自由端４２側へ伝熱する。バーナ１の燃焼熱量および燃焼時間に応じて、その熱はさらに第１の内管３０の自由端３２側から固定端３１側へも伝熱する。

その熱膨張により、第２の内管４０はその自由端４２側をバーナコーン１５とは反対方向（矢印Ｔ１方向）に軸芯線方向に線膨張する。一方、第１の内管３０はその自由端３２側をバーナコーン１５側に向けて（矢印Ｔ２方向）軸芯線方向に線膨張する。すなわち、第１の内管３０と第２の内管４０とは、前記した嵌入領域５０において、軸芯線方向に互いに逆向きに線膨張する。もちろん、第２の内管４０と第１の内管３０は径方向にも膨張するが、軸芯線方向での線膨張量に比べて、径方向の膨張量は小さい。また、実際のバーナにおいては、第２の内管４０の自由端４２側まで、さらに第１の内管３０にまで、燃焼熱が伝熱することはなく、あるとしてもごくわずかであることから、第２の内管４０のバーナコーン１５に近接した領域に生じた熱膨張が、そのまま前記嵌入領域５０における第２の内管４０の矢印Ｔ１方向である軸芯線方向の挙動となる。

図３（ｂ）に示す状態は、燃焼量が小さく第２の内管４０および第１の内管３０の熱膨張量がわずかである場合を示しており、その時の、前記嵌入領域５０に形成される貫通孔Ｃの面積Ｓは小さい。その状態からバーナの燃焼量がさらに大きくなったときの状態が図３（ｃ）に示される。この例では、嵌入領域５０において、第２の内管４０は矢印Ｔ１方向に距離ｐだけ軸芯線方向に熱膨張したことにより、前記貫通孔Ｃの面積Ｓは距離ｐに比例した分だけ大きくなっている。すなわち、この例のバーナでは、バーナの燃焼負荷の増大につれて第１の孔Ａと第２の孔Ｂの相互に重なり合う面積が次第に増加するように、第１の孔Ａと第２の孔Ｂとが形成されている。そして、その貫通孔Ｃの面積Ｓの応じた量の支燃性ガスを混合した予混合ガスがバーナコーン１５に送られ、そこで燃焼する。図示しないが、バーナが燃焼していない状態では貫通孔Ｃが形成されない、すなわち貫通孔Ｃの面積Ｓが０であるように、第１の孔Ａと第２の孔Ｂとを形成することもできる。

図３（ｄ）（ｅ）に示されるバーナでは、燃焼量が小さい時に、図３（ｄ）に示すように、嵌入領域５０に形成される貫通孔Ｃの面積Ｓが大きく、その状態からバーナの燃焼量がさらに大きくなったときに、図３（ｄ）に示すように、貫通孔Ｃの面積Ｓは距離ｐに比例した分だけ小さくなるように、第１の孔Ａと第２の孔Ｂとが形成されている。すなわち、このバーナでは、バーナの燃焼負荷の増大につれて第１の孔Ａと第２の孔Ｂの相互に重なり合う面積が次第に減少するように、第１の孔Ａと第２の孔Ｂとが形成されている。この場合でも、燃焼負荷が最大のときに貫通孔Ｃが形成されない、すなわち貫通孔Ｃの面積Ｓが０であるように、第１の孔Ａと第２の孔Ｂとを形成することもできる。

図１〜図３に示す形態のバーナでは、第１の孔Ａと第２の孔Ｂとがともに同じ形状の長方形であることから、熱膨張に伴う前記貫通孔Ｃの開口面積Ｓの変化は、増加方向および減少方向において、直線的に変化する。しかし、本発明によるバーナにおいて、第１の孔Ａと第２の孔Ｂの形状に特に制限はなく、当該バーナに求められる燃焼負荷に応じた支燃性ガスと可燃性ガスとの混合割合の変化態様に応じて、適宜の形状を適宜選択することができる。そして、それにより所望の広い燃焼負荷範囲で、所望の高い燃焼安定性を確保することが可能となる。以下、第１の孔Ａと第２の孔Ｂの他の形状例と、そのときの貫通孔Ｃの面積Ｓの変化状態を、図４〜図１０を参照して説明する。なお、図４〜図１０では、単に図示の都合から、第１の孔Ａと第２の孔Ｂを並置して示しているが、バーナとしての形態は、図１〜図３に示したものと同様に、それぞれ第１の内管３０（あるいは第２の内管４０）と第２の内管４０（あるいは第１の内管３０）とにそれぞれ形成される。また、孔の重なり合う軸心線方向距離を示す高さＨとともに開口面積Ｓが増大するものを示したが、配置関係を逆転することにより、高さＨとともに開口面積Ｓが減少する態様も当然に採用することができる。

図４は、第１の孔Ａが二等辺三角形、第２の孔Ｂが長方形の場合であって、図４（ａ）は第２の孔Ｂが横幅よりも軸芯線方向長さが長い場合であり、図４（ｂ）は第２の孔Ｂが横幅よりも軸芯線方向長さが短い場合である。また、図４（ａ）（ｂ）のグラフにおいて、それぞれ３本の線は、三角形の第１の孔Ａの頂角の広がり角度が異なる場合を示している。図示のように、この場合には、長方形である第２の孔Ｂの形状に応じて、面積Ｓは曲線的または直線的に変化する。

図５（ａ）（ｂ）は、第１の孔Ａが円形である場合での、図４（ａ）（ｂ）に相当する図である。図示のように、図５（ａ）の場合には、高さＨの増加とともに面積Ｓも比例して増加し、図５（ｂ）の場合には、面積Ｓは、高さＨの増加とともに、増加した後に減少する。

図６（ａ）（ｂ）は、第１の孔Ａが２つの辺が内側湾曲した曲線である二等辺三角形状の場合での、図４（ａ）（ｂ）に相当する図である。この場合には、曲線である２つの辺の形状を適宜調整することで、長方形である第２の孔Ｂの形状にかかわらす、ほぼ同じような開口面積Ｓの変化を得ることができる。

図７（ａ）（ｂ）は、第１の孔Ａが２つの辺が外側湾曲した曲線である二等辺三角形状の場合での、図４（ａ）（ｂ）に相当する図である。図示のように、図７（ａ）の場合には、高さＨの増加とともに面積Ｓも比例して増加し、図７（ｂ）の場合には、高さＨの初期の増加時において、面積Ｓの増加量はより大きなものとなる。

図８（ａ）（ｂ）は、第１の孔Ａが中間部において最も小さい面積とされた形状の場合での、図４（ａ）（ｂ）に相当する図である。図示のように、図８（ａ）の場合には、中間に面積変化の少なくなって領域を持つ面積Ｓの変化パターンが得られ、図８（ｂ）の場合には、中間に面積が減少した後、再度増加する面積Ｓの変化パターンが得られる。

図９（ａ）（ｂ）は、第１の孔Ａが下に凸の形状である場合での、図４（ａ）（ｂ）に相当する図である。図示のように、図９（ａ）の場合には、増加量が途中で増加方向に変化する形態の面積Ｓの変化パターンが得られ、図９（ｂ）の場合には、中間で一度増加量のない状態となり、その後に再度増加し、再度増加量のない状態となる面積Ｓの変化パターンが得られる。

図１０（ａ）（ｂ）は、第１の孔Ａが上に凸の形状である場合での、図４（ａ）（ｂ）に相当する図である。図示のように、図１０（ａ）の場合には、増加量が途中で減少方向に変化する形態の面積Ｓの変化パターンが得られ、図１０（ｂ）の場合には、途中で最大の開口面積Ｓとなり、その状態で増加量のない状態となり、その後に面積Ｓが減少し、再度増加量のない状態となる面積Ｓの変化パターンが得られる。

以上の説明では、第１の内管３０に１つの第１の孔Ａを形成し、第２の内管４０に１つの第２の孔Ｂを形成することで、一対の第１の孔Ａと第２の孔Ｂを備えた内管１１を持つバーナ１を説明したが、可燃性ガスにより多くの支燃性ガスが混合した予混合ガスを必要とする場合には、第１の孔Ａと第２の孔Ｂの対を、嵌入領域５０に複数個形成してもよい。図１１はその例を示しており、図１１では、２対の第１の孔Ａと第２の孔Ｂの組み合わせを、嵌入領域５０の軸親線方向に２段に形成しており、図１２では、２対の第１の孔Ａと第２の孔Ｂの組み合わせを、嵌入領域５０の周方向に並列に設けている。なお、図１１および図１２においても、単に図示の都合から、第１の孔Ａの群と第２の孔Ｂの群とを並置して示しているが、バーナとしての形態は、図１〜図３に示したものと同様に、それぞれ第１の内管３０（あるいは第２の内管４０）と第２の内管４０（あるいは第１の内管３０）とにそれぞれ形成される。また、この場合でも、図示した第１の孔Ａと第２の孔Ｂの形状は一つの例であって、図１〜図１０に示した第１の孔Ａと第２の孔Ｂの形状のものを適宜組み合わせて用いるようにしてもよい。

また、図１〜図３に示した例では、第１の内管３０に対して第２の内管４０が外嵌合しているが、第１の内管３０に対して第２の内管４０が内嵌合している形態であっても、本発明のバーナは支障なく所期の目的を達成することができる。

１…バーナ、
１１…金属製の内管、
１２…可燃性ガス供給口、
１３…外管、
１４…支燃性ガス供給口、
１５…燃焼室を形成する先広がり状のバーナコーン、
３０…第１の内管、
３１…第１の内管の固定端、
３２…第１の内管の自由端、
４０…第２の内管、
４１…第２の内管の固定端、
４２…第２の内管の自由端、
５０…嵌入領域、
Ａ…第１の内管に形成した第１の孔、
Ｂ…第２の内管に形成した第２の孔、
Ｃ…第１の孔と第２の孔とが重なり合う領域に形成される貫通孔、
Ｓ…貫通孔の面積、
ｐ…熱膨張により第２の内管が軸芯線方向に膨張した距離。

Claims

可燃性ガスと支燃性ガスのいずれか一方が流れる内管と、前記内管を包囲しており内管外表面との間の空間を可燃性ガスと支燃性ガスの他方が流れる外管と、前記内管と外管の先端に可燃性ガスと支燃性ガスによる燃焼火炎が形成される燃焼室とを少なくとも備えるバーナであって、
少なくとも前記内管は金属製であって前記燃焼室側の端部が自由端とされた第１の内管と前記燃焼室とは反対側の端部が自由端とされた第２の内管とで構成されており、前記第１の内管と第２の内管の自由端同士は軸心線を同じにして相互に摺動自在に嵌入し合う領域を有しており、前記第１の内管における前記嵌入領域には第１の孔が形成され、前記第２の内管における前記嵌入領域には第２の孔が形成されており、前記第１の孔と第２の孔はバーナの燃焼熱による少なくとも前記第２の内管の熱膨張量の変化によって相互に重なり合う面積を変化させることができる位置にそれぞれ形成されており、
前記第１の孔の形状と第２の孔の形状は、燃焼負荷の増大につれて前記第１の孔と第２の孔の相互に重なり合う面積が次第に増加していく区域とその後の次第に減少していく区域とを含む重なり面積の変化が得られる形状とされていることを特徴とするバーナ。
前記第１の孔と第２の孔の対は前記嵌入領域の軸芯線方向に多段に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のバーナ。
前記第１の孔と第２の孔の複数対が前記嵌入領域の周方向に並列に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のバーナ。