JP7404586B1 - ガスバーナ及びこれを備えたボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】バーナ本体が風箱を貫通する貫通孔におけるシール性を維持するとともに熱伸び差による変形を許容することができるガスバーナを提供する。【解決手段】ガスバーナ１は、風箱３と、ボイラの火炉７にガス燃料を供給するバーナ本体５と、を備え、バーナ本体５は、火炉７に向かう第１水平軸線Ｌ１の方向に延在するとともに風箱３に固定された先端部１０と、風箱３の後壁部３ａに設けた貫通孔２２を貫通する基端部１２と、を備え後壁部３ａは、第１水平軸線Ｌ１の方向に位置するとともに取り外し可能な取外し壁部３ａ１と、取外し壁部３ａ１に対して第１水平軸線Ｌ１から離間した位置に設けられるとともに貫通孔２２が形成された固定壁部３ａ２と、を備え、貫通孔２２には、貫通孔２２を気密にシールするとともに後壁部３ａに対する基端部１２の相対移動を許容する弾性変形部３０が設けられている。【選択図】図１

Description

本開示は、ガスバーナ及びこれを備えたボイラに関するものである。

ボイラにガス燃料を供給して火炎を形成するガスバーナが知られている（特許文献１）。特許文献１では、複数のバーナノズルが収容された風箱とバーナパネルとを接続するフランジ部に対して、熱伸び差によって生じるガス漏れの低減に関する発明が開示されている。

特開平１０－１１０８２９号公報

特許文献１に示されているように、ガスバーナではガスの漏洩を防ぐために風箱の漏洩対策が必要となる。特許文献１では火炉壁（バーナパネル）と風箱との間の漏洩対策が検討されているが、バーナ本体が、風箱から炉外に貫通する貫通孔におけるシール性についても検討する必要がある。また、上記貫通孔におけるバーナ本体と風箱との熱伸び差による変形についても考慮する必要がある。

本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、バーナ本体が風箱を貫通する貫通孔におけるシール性を維持するとともに熱伸び差による変形を許容することができるガスバーナ及びこれを備えたボイラを提供することを目的とする。

本開示の一態様に係るガスバーナは、燃焼用空気が供給される風箱と、前記風箱の内部に設けられてボイラの火炉にガス燃料を供給するバーナ本体と、を備え、前記バーナ本体は、前記火炉に向かう軸線の方向に延在するとともに前記風箱に対して固定された先端部と、該先端部に接続されるとともに基端側に延在して前記風箱の後壁部に設けた貫通孔を貫通する基端部と、を備え前記後壁部は、前記軸線の方向に位置するとともに取り外し可能な第１壁部と、該第１壁部に対して前記軸線から離間した位置に設けられるとともに前記貫通孔が形成された第２壁部と、を備え、前記貫通孔には、該貫通孔を気密にシールするとともに前記後壁部に対する前記基端部の相対移動を許容する弾性変形部が設けられている。

本開示の一態様に係るボイラは、ボイラ本体と、前記ボイラ本体に対して設けられた上記のガスバーナと、を備えている。

バーナ本体が風箱を貫通する貫通孔におけるシール性を維持するとともに熱伸び差による変形を許容することができる。

本開示の一実施形態に係るガスバーナを水平面で切断して示した断面図である。 図１のガスバーナを鉛直面で切断して示した断面図である。 図１の弾性変形部の周囲を拡大して示した断面図である。 図３のガスバーナから調整用ボルトを取り外した状態を示した断面図である。 ガスバーナの据付時を説明した概略構成断面図である。 ガスバーナのエクスパンション部の伸縮状態を示した概略構成断面図である。

以下に、本開示に係る実施形態について、図面を参照して説明する。

図１には、ボイラに設けられるガスバーナ１が示されている。図１は、ガスバーナ１を水平面で切断して平面視した断面を示している。

ガスバーナ１は、燃焼用空気が導かれる風箱３と、内部をガス燃料が流通するバーナ本体５とを備えている。同図において、ガスバーナ１の左側がボイラの火炉７となる。火炉７側がガスバーナ１の先端側となり、その反対側（同図において右側）がガスバーナ１の基端側となる。

風箱３は、ボイラの壁部に取り付けられ、バーナ本体５を内部に収容する。風箱３の内部には、ボイラの火炉内に供給される燃焼用空気が供給される。燃焼用空気は、ボイラで生成された燃焼ガスと熱交換することによって昇温されており、約３００℃程度の温度とされている。

バーナ本体５は、先端側に位置する先端部１０と先端部に接続されて基端側（図において右側）に延在する基端部１２とを備えている。

先端部１０には、ノズル１４が設けられている。ノズル１４は、回動軸線Ｌ０回りに回動する。具体的には、図２に示すように、ノズル１４は、回動軸線Ｌ０を中心（支点）として矢印Ａ１で示すように上下方向に回動する。なお、図２は、ガスバーナ１を鉛直面で切断して示した断面図である。図１に示すように、ノズル１４は、リンクを備えた回動機構１６によって駆動される。

先端部１０は、ノズル１４の基端側に設けられた偏平部１８を備えている。偏平部１８は、図１に示すように、基端側から先端側に向けて幅広となり、かつ図２に示すように高さ方向の寸法（厚さ）が基端側から先端側に向けて漸次減少する形状となっている。偏平部１８の先端側には噴出部２０が接続されており、噴出部２０から偏平部１８から導かれたガス燃料が火炉７へ向けて噴射される。

図１に示すように、偏平部１８の左右両側は、風箱３に対して、固定片１８ａを介して固定されている。これにより、バーナ本体５の先端部１０が風箱３に対して固定される。

図１に示すように、先端部１０は、第１水平軸線（軸線）Ｌ１方向に延在している。したがって、バーナ本体５の基端部１２の先端側１２ａは、偏平部１８の基端側に固定されており、第１水平軸線Ｌ１方向に延在している。一方で、基端部１２の基端側１２ｂは、第１水平軸線Ｌ１に対して離間した第２水平軸線Ｌ２方向に延在している。基端部１２の基端側１２ｂは、風箱３の後壁部３ａに形成された貫通孔２２に挿通されている。

基端部１２は、例えば円形横断面を有する管状体とされており、水平面内において所定の曲率で略９０°曲げられた第１曲げ部１２ｃと第２曲げ部１２ｄとを有している。第１曲げ部１２ｃと第２曲げ部１２ｄとによって、基端部１２がクランク形状に形成されている。曲げ部１２ｃ，１２ｄの曲率は、ガスバーナ１の熱延びを考慮して変形時に応力集中が発生せず、かつ所定値以下の曲げ応力となるように決定されている。

貫通孔２２は、風箱３の後壁部３ａを構成する固定壁部（第２壁部）３ａ２に形成されている。固定壁部３ａ２は、風箱３から取り外されることがなく溶接等によって隣接する壁部に対して固定されている。固定壁部３ａ２の隣には取外し壁部３ａ１（第１壁部）が設けられている。

取外し壁部３ａ１は、風箱３の後壁部３ａを構成するとともに、バーナ本体５の先端部１０の基端側（後方側）で、第１水平軸線Ｌ１の延長線上に位置している。取外し壁部３ａ１は、外周縁に取り付けられる固定ボルトナット２４によって風箱３に対して固定され、かつ固定ボルトナット２４を外すことで風箱３から取り外すことができるようになっている。取外し壁部３ａ１を取り外すことによって、作業者は第１水平軸線Ｌ１方向にバーナ本体５の先端部１０等の風箱３内に収容された部位を視認し、かつ作業できるようになる。

風箱３の後壁部３ａすなわち取外し壁部３ａ１及び固定壁部３ａ２の内側（風箱３の内部側）には、断熱材２６が設けられている。

貫通孔２２には、風箱３の内側と外側を気密にシールするとともに、バーナ本体５の基端部１２と風箱３の固定壁部３ａ２との相対移動を許容する弾性変形部３０が設けられている。

図３に拡大して示すように、弾性変形部３０は、風箱３の固定壁部３ａ２の内壁３ｂに固定された風箱側固定部３２と、バーナ本体５の基端部１２の基端側１２ｂに固定された基端部側固定部３４と、これら固定部３２，３４の間に延在するエクスパンション部３６とを備えている。

風箱側固定部３２は、内壁３ｂに溶接等によって固定されるフランジ部３２ａとフランジ部３２ａに対して基端側（図３において右側）に延在するように固定された円筒部３２ｂとを備えている。

基端部側固定部３４は、バーナ本体５の基端部１２に対して固定されたフランジ部３４ａとフランジ部３４ａに対して先端側（図３において左側）に延在するように固定された円筒部３４ｂとを備えている。フランジ部３４ａは、円環部３４ｃを介して基端部１２に対して溶接によって固定されている。円筒部３４ｂの先端側には、半径方向に突出するストッパリング３４ｄが固定されている。

円筒部３４ｂの基端側には、半径方向に突出する調整用円板３４ｅが固定されている。調整用円板３４ｅには、調整用ボルト３８が挿通可能となっている。調整用ボルト３８の先端は、固定ナット２２ｃに対して螺合する。固定ナット２２ｃは、貫通孔２２を規定する貫通孔壁部２２ａの基端側（図３において右側）から内径方向に突出する調整用円板２２ｂに固定されている。

調整用ボルト３８には、一対の調整用ナット４０が螺合されている。一対の調整用ナット４０で調整用円板３４ｅを挟み込んで固定することによって、調整用ボルト３８に対する基端部側固定部３４の位置が一時的に固定することができる。後述するが、これによりエクスパンション部３６の予圧（プリセット）の調整が行われる。

エクスパンション部３６は、蛇腹状とされた円筒形とされており、第２水平軸線Ｌ２の伸縮および曲げ方向の変形を許容する。エクスパンション部３６の内側にバーナ本体５の基端部１２が挿通する。

半径方向に突出するストッパリング３４ｄと内径方向に突出する調整用円板２２ｂとによってラビリンス形状の流路を形成することで、万が一エクスパンション部３６等から風箱３内の気体が漏れた場合であっても、ガス流出を抑制することができるようになっている。

なお、調整用ボルト３８及び調整用ナット４０は、現地で据え付けて、エクスパンション部３６の予圧を調整した後は取り外される。図４には、調整用ボルト３８及び調整用ナット４０が取り外された状態が示されている。したがって、ガスバーナ１の運用中は調整用ボルト３８及び調整用ナット４０は、図４のように取り外されている。調整用ボルト３８は、工場から現地への運搬中にも使用され、運搬中にエクスパンション部３６に負荷がかからないように輸送時の固定用ボルトとして用いることもできる。

次に、図５を用いて、エクスパンション部３６に予圧を与えてプリセットを実施する工程について説明する。図５（ａ）に示すように、現地に運搬し、バーナ本体５の基端部１２を貫通孔２２に対して挿通した状態とする。このとき、基端部１２と基端部側固定部３４とは固定されていない。

そして、図５（ｂ）に示すように、エクスパンション部３６の長さが短くなるように圧縮力を与えて所定の長さとなる位置でプリセットを実施し、基端部１２と基端部側固定部３４とを溶接することによって固定する。具体的には、図３に示すように、調整用ボルト３８に対して調整用ナット４０を回転させて相対位置を変化させる。所定の予圧を与えた位置で調整用ナット４０によって調整用円板３４ｅを固定する。そして、円環部３４ｃを基端部１２の外周に対して隅肉溶接Ｗを行って固定する。これにより、冷態状態（ボイラが停止され周囲温度程度とされている状態）においてエクスパンション部３６の伸縮量が所定値として与えられる。

そして、図５（ｃ）に示すように、基端部１２と基端部側固定部３４とを固定した後は、調整用ボルト３８及び調整用ナット４０を取り外し、エクスパンション部３６が熱変形に応じて変形できるようにする。

図６には、エクスパンション部３６の伸縮状態が示されている。図６（ａ）はプリセット前の状態時（エクスパンション部３６に与圧なし）、図６（ｂ）は冷態時（ブリセット後のボイラ停止中）、図６（ｃ）はボイラ起動時（ボイラ運転中、ガスバーナ非点火時）、図６（ｄ）はガスバーナ１の点火時を示す。同図から分かるように、プリセット前の状態時（図６（ａ））は基端部側固定部３４の円筒部３４ｂの先端部（エクスパンション部３６側）が位置（１）にありエクスパンション部３６に応力がない状態である。冷態時（図６（ｂ））から、ボイラ起動時（ガスバーナ非点火時：図６（ｃ））には位置（３）となり、ガスバーナ点火時（図６（ｄ））には、ガス燃料がバーナ本体５内を流通するのでボイラ起動時よりもバーナ本体５が冷却されて位置（２）となる。基本的には、ボイラ起動回数よりもバーナ点消火回数の方が多いため、位置（２）と位置（３）との間の伸縮を最も多く繰り返す。図６（ａ）はプリセット前の状態つまりエクスパンション部３６に応力がない状態の基端部側固定部３４の位置（１）であり、ガスバーナ点火時の基端部側固定部３４の位置（２）とボイラ起動時の基端部側固定部３４の位置（３）との間になるように調整されている。つまり、ガスバーナ点火時の基端部側固定部３４の位置（２）とボイラ起動時の基端部側固定部３４の位置（３）との間で繰り返す伸縮によりエクスパンション部３６にかかる応力を低減させるようにプリセットを実施している（図５（ｂ）におけるエクスパンション部３６が所定の長さとなる位置にセットしている）ため、ガスバーナ点火時の基端部側固定部３４の位置（２）とボイラ起動時の基端部側固定部３４の位置（３）で繰り返し伸縮する際の平均応力を下げることができ、エクスパンション部３６の疲労寿命を向上させることができる。

次に、エクスパンション部３６にプリセットを実施しない場合との比較効果を説明する。
プリセットを行わない場合は、冷態時において、エクスパンション部３６に予圧による応力が発生していない状態となる。冷態時と比較してボイラ起動およびガスバーナ点火時にはエクスパンション部３６が伸びる状態となり応力が生じる。ボイラ起動およびスバーナ点火時との間で繰り返す伸縮は、エクスパンション部３６の伸縮が伸び側のみで行われるため、応力が高い状態で伸縮を繰り返すことになる。そのため、プリセットしない場合のボイラ起動およびガスバーナ点火時との間で繰り返す伸縮によるエクスパンション部３６の平均応力は、プリセットした場合の平均応力よりも上がることになる。

以上説明した本実施形態の作用効果は以下の通りである。
バーナ本体５の先端部１０が延在する第１水平軸線Ｌ１方向に位置する取外し壁部３ａ１を取り外し可能とすることとした。そして、バーナ本体５の基端部１２は、第１水平軸線Ｌ１から離間した位置に設けられた固定壁部３ａ２の貫通孔２２を貫通するようにした。これにより、メンテナンス等の作業時に取外し壁部３ａ１を取り外すことによって、バーナ本体５の先端部１０へ容易にアクセスすることができる。

貫通孔２２と基端部１２との間には、これらを気密にシールするとともに相対移動を許容する弾性変形部３０を設けることとしたので、風箱３とバーナ本体５との温度差に基づく熱伸び差が生じても、気密にシールした上で弾性変形部３０によって風箱３とバーナ本体５との相対移動を許容することができる。これにより、ガスバーナ１の寿命を向上させることができる。

基端部１２に所定の曲率で曲げられた曲げ部１２ｃ，１２ｄを設けることによって、第１水平軸線Ｌ１の方向に位置する先端部１０と第１水平軸線Ｌ１から離れた第２水平軸線Ｌ２上に設けられた貫通孔２２との間に延在する基端部１２を無理のない形状とすることができる。また、熱伸びによって基端部１２が変形する場合であっても曲げ部１２ｃ，１２ｄで変形を吸収することで、基端部１２に発生する応力集中を可及的に小さくすることができる。

先端部１０に回動軸線Ｌ０回りに回動するノズル１４が設けられているので、ノズル１４の回動機構１６のメンテナンスが必要となる。このメンテナンスの際に、取り外し可能な取外し壁部３ａ１を用いることができる。

蛇腹状とされたエクスパンション部３６を用いることで、気密にかつ相対変形を許容する弾性変形部３０を実現することができる。

ガスバーナ１が点火されると、風箱３とバーナ本体５との間に温度差による熱延び差が生じる。具体的には、予熱された燃焼用空気が供給される風箱３は温度上昇によって熱膨張し、ガスバーナ１は常温とされたガス燃料が供給されるので風箱３ほど熱膨張しない。このため、風箱３の後壁部はガスバーナの基端部１２に対して相対移動する。そこで、冷態時に、エクスパンション部３６に所定の圧縮力を与えておくことで、ガスバーナ１の点火後に熱伸び差が生じても、エクスパンション部３６は伸び側で伸縮を繰り返すようにする。これにより、エクスパンション部３６の寿命を向上させることができる。

以上説明した各実施形態に記載のガスバーナ及びこれを備えたボイラは、例えば以下のように把握される。

本開示の第１態様に係るガスバーナ（１）は、燃焼用空気が供給される風箱（３）と、前記風箱（３）の内部に設けられてボイラの火炉（７）にガス燃料を供給するバーナ本体（５）と、を備え、前記バーナ本体（５）は、前記火炉（７）に向かう軸線（Ｌ１）の方向に延在するとともに前記風箱（３）に対して固定された先端部（１０）と、該先端部（１０）に接続されるとともに基端側に延在して前記風箱（３）の後壁部（３ａ）に設けた貫通孔（２２）を貫通する基端部（１２）と、を備え前記後壁部（３ａ）は、前記軸線（Ｌ１）の方向に位置するとともに取り外し可能な第１壁部（３ａ１）と、該第１壁部（３ａ１）に対して前記軸線（Ｌ１）から離間した位置に設けられるとともに前記貫通孔（２２）が形成された第２壁部（３ａ２）と、を備え、前記貫通孔（２２）には、該貫通孔（２２）を気密にシールするとともに前記後壁部（３ａ）に対する前記基端部（１２）の相対移動を許容する弾性変形部（３０）が設けられている。

バーナ本体の先端部が延在する軸線方向に位置する第１壁部を取り外し可能とすることとした。そして、バーナ本体の基端部は、軸線から離間した位置に設けられた第２壁部の貫通孔を貫通するようにした。これにより、メンテナンス等の作業時に第１壁部を取り外すことによって、バーナ本体の先端部へ容易にアクセスすることができる。
貫通孔と基端部との間には、これらを気密にシールするとともに相対移動を許容する弾性変形部を設けることとしたので、風箱とバーナ本体との温度差に基づく熱伸び差が生じても、気密にシールした上で弾性変形部によって風箱とバーナ本体との相対移動を許容することができる。これにより、ガスバーナの寿命を向上させることができる。

本開示の第２態様に係るガスバーナは、上記第１態様において、前記基端部（１２）は、所定の曲率で曲げられた曲げ部（１２ｃ，１２ｄ）を有している。

基端部に所定の曲率で曲げられた曲げ部を設けることによって、軸線方向に位置する先端部と軸線から離れた位置に設けられた貫通孔との間に延在する基端部を無理のない形状とすることができる。また、熱伸びによって基端部が変形する場合であっても曲げ部で変形を吸収することで、基端部に発生する応力集中を可及的に小さくすることができる。

本開示の第３態様に係るガスバーナは、上記第１態様又は上記第２態様において、前記先端部（１０）には、前記火炉（７）に向けて開口するとともに支点回りに回動するノズル（１４）が設けられている。

先端部に支点回りに回動するノズルが設けられているので、ノズルの回動機構のメンテナンスが必要となる。このメンテナンスの際に、取り外し可能な第１壁部を用いることができる。

本開示の第４態様に係るガスバーナは、上記第１態様から上記第３態様のいずれかにおいて、前記弾性変形部（３０）は、前記風箱（３）に固定された風箱側固定部（３２）と、前記基端部（１２）に固定された基端部側固定部（３４）と、一端が前記風箱側固定部（３２）に固定されかつ他端が前記基端部側固定部（３４）に固定され内部に前記基端部（１２）が挿通するエクスパンション部（３６）と、を備えている。

エクスパンション部を用いることで、気密にかつ相対変形を許容する弾性変形部を実現することができる。

本開示の第５態様に係るガスバーナは、上記第４態様において、前記エクスパンション部（３６）は、冷態時に、所定の圧縮力を与えられている。

ガスバーナが点火されると、風箱とバーナ本体との間に温度差による熱延び差が生じる。具体的には、予熱された燃焼用空気が供給される風箱は温度上昇によって熱膨張し、ガスバーナは常温とされたガス燃料が供給されるので風箱ほど熱膨張しない。このため、風箱の後壁部はガスバーナの基端部に対して相対移動する。そこで、冷態時に、エクスパンション部に所定の圧縮力を与えておくことで、ガスバーナの点火後に熱伸び差が生じても、エクスパンションは伸び側で伸縮を繰り返すようにする。これにより、エクスパンション部の寿命を向上させることができる。

本開示の第６態様に係るガスバーナは、上記第５態様において、前記所定の圧縮力は、エクスパンション部（３６）に応力がない状態の前記基端部側固定部（３４）の位置（１）が、ガスバーナ点火時の前記基端部側固定部（３４）の位置（２）とガスバーナ非点火時の前記基端部側固定部（３４）の位置（３）との間になるように調整されている。

エクスパンション部に応力がない状態の位置が、ガスバーナ点火時の位置とボイラ起動時の位置との間になるように、冷態時にエクスパンション部に所定の圧縮力を付与して調整することとした。これにより、エクスパンション部に加わる平均応力を下げることができ、エクスパンション部の疲労寿命を向上させることができる。

本開示の第１態様に係るボイラは、ボイラ本体と、前記ボイラ本体に対して設けられた上記第１態様から上記第６態様のいずれかのガスバーナ（１）と、を備えている。

１ ガスバーナ
３ 風箱
３ａ 後壁部
３ａ１ 取外し壁部（第１壁部）
３ａ２ 固定壁部（第２壁部）
３ｂ 内壁
５ バーナ本体
７ 火炉
１０ 先端部
１２ 基端部
１２ａ 先端側
１２ｂ 基端側
１２ｃ 第１曲げ部
１２ｄ 第２曲げ部
１４ ノズル
１６ 回動機構
１８ 偏平部
１８ａ 固定片
２０ 噴出部
２２ 貫通孔
２２ａ 貫通孔壁部
２２ｂ 調整用円板
２２ｃ 固定ナット
２４ 固定ボルトナット
２６ 断熱材
３０ 弾性変形部
３２ 風箱側固定部
３２ａ フランジ部
３２ｂ 円筒部
３４ 基端部側固定部
３４ａ フランジ部
３４ｂ 円筒部
３４ｃ 円環部
３４ｄ ストッパリング
３４ｅ 調整用円板
３６ エクスパンション部
３８ 調整用ボルト
４０ 調整用ナット
Ｌ０ 回動軸線
Ｌ１ 第１水平軸線（軸線）
Ｌ２ 第２水平軸線

Claims (7)

1. 燃焼用空気が供給される風箱と、
   前記風箱の内部に設けられてボイラの火炉にガス燃料を供給するバーナ本体と、
   を備え、
   前記バーナ本体は、前記火炉に向かう軸線の方向に延在するとともに前記風箱に対して固定された先端部と、該先端部に接続されるとともに基端側に延在して前記風箱の後壁部に設けた貫通孔を貫通する基端部と、を備え
   前記後壁部は、前記軸線の方向に位置するとともに取り外し可能な第１壁部と、該第１壁部に対して前記軸線から離間した位置に設けられるとともに前記貫通孔が形成された第２壁部と、を備え、
   前記貫通孔には、該貫通孔を気密にシールするとともに前記後壁部に対する前記基端部の相対移動を許容する弾性変形部が設けられているガスバーナ。
2. 前記基端部は、所定の曲率で曲げられた曲げ部を有している請求項１に記載のガスバーナ。
3. 前記先端部には、前記火炉に向けて開口するとともに支点回りに回動するノズルが設けられている請求項１に記載のガスバーナ。
4. 前記弾性変形部は、前記風箱に固定された風箱側固定部と、前記基端部に固定された基端部側固定部と、一端が前記風箱側固定部に固定されかつ他端が前記基端部側固定部に固定され内部に前記基端部が挿通するエクスパンション部と、を備えている請求項１に記載のガスバーナ。
5. 前記エクスパンション部は、冷態時に、所定の圧縮力を与えられている請求項４に記載のガスバーナ。
6. 前記所定の圧縮力は、エクスパンション部に応力がない状態の前記基端部側固定部の位置が、ガスバーナ点火時の前記基端部側固定部の位置とガスバーナ非点火時の前記基端部側固定部の位置との間になるように調整されている請求項５に記載のガスバーナ。
7. ボイラ本体と、
   前記ボイラ本体に対して設けられた請求項１に記載のガスバーナと、
   を備えているボイラ。