JPH03221703A - 蒸気発生器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は蒸気発生器、とくに、吹込みヘッドを有してい
て、前記ヘッドを通して、酸化剤と燃料を吹込みヘッド
に隣接している燃焼室に吹込み、また、燃焼室に通じて
いる水の注入装置を有する水素／酸素の反応による蒸気
発生器に関する。

〔従来の技術および発明が解決しようとする課題〕その
ような蒸気発生器の問題点は、酸化剤と燃料を最適にな
るように燃焼室に吹込んで完全燃焼させることである。

酸化剤と燃料は、完全燃焼を実現するという立場で、好
ましくは、化学量論的比率で吹込まれる。それゆえ、本
発明の根本的目的は、燃焼室内で最適の燃焼状態を生じ
るような包括的な蒸気発生器を製作することである。

二課題を解決するための手段： この目的は、酸化剤と燃料を共に燃焼室ｊこ吹込み、こ
れる２物質の一方を内側円筒流にし、他方を内側円筒流
をかこむ環状流にするいくつかの吹込みエレメントを有
する吹込みヘッドによって、始めに述べた種類の蒸気発
生器とする本発明によって達成される。

本発明による解決策の利点は、この酸化剤と燃料の吹込
み法の信頼性が高く、とくに、酸素を酸化剤として用い
、水素を燃料とするときに、絶対に必要なこれら２物質
の化学量論的燃焼を行える。

吹込みエレメントによって、環状流と円筒流を直接燃焼
室に吹込むという解決策は、とくに好都合である。

さらに、吹込みエレメント内の平行方向の流れの中で環
状流と円筒流を形成し、燃焼室に吹込むことには利点が
ある。

これと関連して、環状流を内側円筒流と同軸的に拡大す
ることがとくに好ましいことが証明されている。

さらに、酸化剤を内側円筒流にし、燃料を外側環状流に
するための本発明の吹込みヘッドの設計に関連して、酸
化剤の流れを燃料の流れが囲んでいることは好都合であ
ることが証明されている。

始めに述べたように、好ましくは、酸化剤が酸素であり
、燃料は水素であって、両者が化学量論的比率の質量流
量で導入される。

本発明の吹込みヘッドの設計と関連して、吹込みエレメ
ントを吹込みヘッドの底板の内側領域に配設し、底板に
は吹込みエレメントに拘束されないエツジ領域があって
、かつ、内側領域をかこんでいる。そして、このエツジ
領域は好ましくは、燃焼室をかこむ壁面まで延びている
。とくに、このエツジ領域が吹込みエレメントに拘束さ
れないという条件により、吹込みエレメントから下流で
のエネルギ変換を改善し、燃焼室の壁面の熱応力を低下
させる。

底板の全表面積が内側領域とエツジ領域の表面積の和に
なって５）で、内側領域の表面積が底板の全表面積の０
．６倍を超えないことによって、内側領域とエツジ領域
の間に、とくに有利な関係が得られる。

好ましい実施例では、底板を円形の設計にするように構
成されている。従って、内側領域を円形の設計にし、エ
ツジ領域は内側領域をかこむ円形環状領域にするのが好
都合である。

吹込みエレメントの設計に関連して、さらに、円筒流の
断面積が環状流の断面積より大きいことが、とくに、燃
料と酸化剤の良好な混合を達成するために有利なことが
証明されている。

また、円筒流と環状流を発生する個々のパイプの間に特
定の関係を与えることによって、吹込みエレメントの燃
焼特性が有利になる。

円筒流を発生する吹込みエレメントの内側パイプの長さ
がその直径の少なくとも３倍であると、とくに有利であ
る。

同様に、上記の代替として、または追加として、環状流
を発生する吹込みエレメントの周囲の長さが環状流の“
同等”直径ないし“水力”直径の少なくとも３倍である
ことが、とくに好都合であることが証明されている。

これまでの実施例の説明では、蒸気発生器の運転中に酸
化剤と燃料を供給する吹込みエレメントの配置について
のみ詳細説明を行っていて、酸化剤と燃料の混合体にど
のように点火するかについては述べていない。

とくに好ましい実施例では、１個の点火チャンバの１個
のオリフィス、または、いくつかの点火チャンバのオリ
フィスを底板のエツジ領域に配設するように構成されて
いる。結果として、蒸気発生器の運転のために吹込みエ
レメントが配置されている領域の外側に点火チャンバが
置かれる。それゆえ、点火チマンバを配慮せずに、吹込
みエレメントの最適配置が行える。

均一点火を実現するために、いくつかの点火チャンバが
好ましく設けられている。

吹込みエレメントの場合、酸化剤と燃料が燃焼室内で完
全混合するようにのみ、吹込みエレメントが酸化剤と燃
料を燃焼室に吹込むように構成されているが、これとは
対照的に、点火チャンバの場合、酸化剤と燃料が、その
中で点火可能な混合状態に混合するようｊ＝構構成れて
いる。

点火チャンバは、内側円筒流内に導入された酸化剤と内
側円筒流をかこむ環状流に導入された燃料が底板から流
出する前に点火領域内で完全に混合されているように、
好ましく設計されている。

内側円筒流を発生する内側円筒パイプに隣接するように
点火領域を配設するのが好ましい。

さらに、環状流部分の外側の区画になっている連続的円
周面によって点火領域が区画されるように配設されるの
が好ましい。

酸化剤と燃料の混合体に点火するために、点火エレメン
トを点火領域内に好ましく設けている。

とくに、点火エレメントはオリフィス直前に配設される
。

〔実施例： 本発明のこれ以上の特徴と利点は実施例についての以下
の説明と添付図で示されている。

本発明の蒸気発生器の実施例は、第１図に示されでいる
ように、吹込みヘッド１０と、それに隣接している燃焼
室１２、それをかこんでいる燃焼室ハウジング１４から
戊っている。この燃焼室）＼ウジング１４内に、吹込み
ヘッド１０に対して間隔を置いて、数個−少なくとも１
個−の注入用リング１６が配設されていて、それによっ
て、水が燃焼室に注入され、吹込みヘッド１０と反対側
の端部で蒸気流１８が発生し、出口開口部２０を通って
蒸気発生器から流出する。本発・明の実施例は水素／酸
素の蒸気発生器として好ましく運転される。この蒸気発
生器では、酸素の流れＧＯ２と水素の流れＧＨ２が化学
量論的比率で吹込みヘッド１０に供給され、つぎに燃焼
室１２に両方の流れが流入する。

第２図に示されるように、全体的に１０として示された
吹込みヘッドが燃焼室１２を締切って、底板２２を形成
している。底板２２は、燃焼室ハウジング１４の端部フ
ランジ２６上に外側支持端２４で支持されていて、燃焼
室ハウジング１４の縦軸２８に垂直な平面内に延びてい
る。

縦軸２８まわりに同心的に好ましく延びている円形の内
側領域■内で、底板２２には、全体として３０として示
されている複数の吹込みエレメントが設けられている。

吹込みエレメント３０は燃焼室ハウジング１４の縦軸２
８に平行な縦軸３２に配設されている。好ましくは、吹
込みエレメント３０は内側領域■内に規則的パターンで
配置され、お互いに、実質的に一定間隔になっている。

これらの吹込みエレメント３０のそれぞれが、孔３４か
ら或っていて、孔３４は、燃焼室１２に面している底板
３２の前側３６から底板２２を通って、燃焼室１２の反
対側にある水素分配領域３８に通じている。吹込みエレ
メント３０は、また、以下に示す内側パイプ５０を有す
る。水素分配領域３８は底板２２と中間底４０の間の空
間によって形成されている。中間底４０は、底板２２に
対して、平行で、燃焼室１２の反対側で、底板２２に対
して間隔を設けて配設されている。

水素の質量流量ＧＨ２は、縦軸２８に対して半径方向に
延びていて水素分配領域３８に通じている水素供給管４
２を通じて、水素分配領域３８の外側領域に好ましく供
給されている。

中間底４０の水素分配領域３８の反対側に、酸素分配領
域４４が、一方は中間底４０によって、他方は吹込みヘ
ッド１０の後カバー４６によって形成されている。酸素
供給管４８が、この酸素分配領域４４に通じている。

孔３４に加えて、吹込みエレメント３０は、中間底４０
を貫通している内側パイプ５０から或っている。

内側パイプ５０は酸素分配領域４４から燃焼室１２の方
向に延びていて、その前端５２の開口部が孔３４内で、
底板２２の前側面３６より、ある距離だけ後方に位置し
ている。

内側パイプ５０は、それぞれの吹込みエレメント３０の
縦軸と同軸上に配設されていて、その外径は、孔３４の
内径より小さい。そのため、第３図に示すように、内側
パイプ５０と孔３４の間には環状ギャップ５４が残され
ている。

内側パイプ５０が酸素分配領域４４から延びているので
、酸素ガスの円筒流５６がこの内側パイプ５０を通って
、この内側パイプ５０の前端５２かＳ流出する。

孔３４は、水素分配領域３８まで延びているが、水素分
配領域３８を内側パイプ５０が完全に貫通しているので
、水素ガスの環状流５８が、内側パイプ５０と孔３４の
間の環状ギ丁ツブ５４内を、そして、内側パイプ５０の
前端５２までは円筒流５６のまわりを、それとは分離的
に流れる。従って、吹込みエレメント３０内の両方の流
れは、内側パイプ５０の前端５２の前方でのみ混合を行
える。前端５２は底板２２の前側面３６からある距離だ
け後退しているので、環状流５８と円筒流５６の混合は
、底板２２の前側面より僅かな距離手前で、すでに始ま
っていて、燃焼室１２に入って、ある範囲まで続いてか
ら、完全混合状態になる。

本発明によれば、円筒流が流れる断面積ＦＺは環状流が
流れる断面積ＦＲより大きい。さらに、酸素と水素は共
に化学量論的比率で流入するという条件を常に満さなけ
ればな与ない。

さらに、本発明によれば、内側パイプ５０の長さＬｌが
内側パイプの直径の３倍より大きい。

さらに、本発明によれば、孔３４の周囲の面の長さＬＢ
が、環状流５８の“′同等”直径、す’ｅｆｆｉわち“
水力”直径の３倍より大きくなるように選定されている
。この“同等”直径、すなわち“水力”直径は公式Ｄ＝
４Ｆ’Ｒ／Ｕにもとすいて計算されている。ここでＵは
、環状流５８の流路断面の周囲の長さである。

底板２２の内側領域工には、吹込みエレメント３０が設
けられていて、エツジ領域Ｒによってかこまれている。

エツジ領域Ｒは円形リングの形状で内側リングエを囲ん
でいる。そして、燃焼室ハウジング１４の内側壁面６０
まで延びている。本発明によれば、このエツジ領域Ｒに
は、吹込みエレメント３０が設けられていない。

好ましくは、エツジ領域Ｒは点火チャンバ６２から或っ
ている。点火チャンバ６２は底板２２の燃焼室１２の反
対側から延びていて、底板２２の前側面３６内に前オリ
フィス６４で開いている。

点火チャンバ６２は外側パイプ本体の外壁を形成してい
る外側パイプ６６とこの外側パイプ６６内に同軸的に配
設されているシリンダバイブロ８から戊っている。シリ
ンダバイブロ８は外側パイプ６６の内側壁面とそれ自体
の外側壁面の間で環状領域７ｏを形成している。シリン
ダバイブロ８の後端は酸素供給管７２に接続されている
。その一方で環状領域７０の後端は水素供給管７４に接
続されている。このため、同様に酸素の円筒流が水素の
環状流でかこまれている。

好ましくは、シリンダバイブロ８の先端は、オリフィス
６４から間隔２だけ引込んでいる。それで、水素の環状
流が酸素の円筒流と点火チャンバ６２内で完全に混合で
きる。好ましくは、電気点火装置７６がシリンダバイブ
ロ８の先端とオリフィス６４の間に設けられていて、オ
リフィス６４の前で、水素の環状流と酸素の円筒流の混
合体に点火する。それから水素と酸素の燃焼噴流７８が
底板２２内のオリフィス６４から流出する。それで、底
板２２の内側領域■から流出する水素と酸素の流れに点
火できる。

この目的のために、シリンダバイブロ８の前端とオリフ
ィス６４の間に長さ２で示されている点火領域８０が好
ましく形成されている。点火領域８０はシリンダバイブ
ロ８の前端とオリフィス６４の間に延びている。点火領
域は外側パイプ６６の内側円周面８２によって好ましく
区切られている。同様に、内側円周面８２が外側パイプ
６６とシリンダバイブロ８の間の領域内の環状流形成に
寄与し、オリフィス６４まで延びている。点火エレメン
ト７６の点火ヘッド８４がこの内側円周面から好ましく
突出していて、酸化剤と燃料が完全混合する領域内で、
好ましくはオリフィス６４の直前に配設されている。

点火プラグまたはグロー・プラグが点火エレメントとし
て好ましく配設されている。

本発明の吹込みヘッドでは、内側領域の表面積ＦＩは表
面積ＦＩ＋ＦＲａ、すなわち、内側領域の表面積ＦＩと
エツジ領域の表面積ＦＲａの和の０．６倍以下になるよ
うに好ましく選定されている。

本開示例は１９８９年１１月４日のドイツ国出願第Ｐ　
３９３６８０６．８号内に開示されている対象事項に関
連していて、その全内容が参考文献として、本明細書に
含まれている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の蒸気発生器を概略的に示した実施例の
部分的で長手方向の断面図、 第２図は吹込みヘッドの拡大図、 第３図は第２図の切断線３−３に沿った断面図である。 １０・・・吹込みヘッド、 １６・・・注入用リング、 ５６・・・円筒流、 １２・・・燃焼室、 ３０・・・吹込みエレメント、 ５８・・・環状流。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃焼室に水を導入するための注入装置と、吹込みヘ
   ッドとを具備し、該吹込みヘッドに隣接する燃焼室内に
   前記吹込みヘッドを介して酸化剤と燃料が吹込まれる蒸
   気発生器において、前記吹込みヘッド（１０）は数個の
   吹込みエレメント（３０）を有し、該吹込みエレメント
   は、前記酸化剤（Ｏ＿２）と前記燃料（Ｈ＿２）を一緒
   に前記燃焼室（１２）内に吹込むと共に酸化剤および燃
   料の一方を内側円筒流（５６）とし、他方を前記内側円
   筒流（５６）を囲む環状流（５８）とすることを特徴と
   する蒸気発生器。 ２、前記環状流（５８）が前記円筒流（５６）と同軸的
   に延びていることを特徴とする請求項１記載の蒸気発生
   器。 ３、前記酸化剤（Ｏ＿２）が前記内側円筒流（５６）と
   され、かつ前記燃料（Ｈ＿２）が前記環状流（５８）と
   されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の
   蒸気発生器。 ４、前記吹込みエレメント　（３０）が前記吹込みヘッ
   ド（１０）の底板（２２）の内側領域（Ｉ）内に配設さ
   れており、前記底板はエッジ領域（Ｒ）を有し、該エッ
   ジ領域は吹込みエレメントを有さずかつ前記内側領域（
   Ｉ）をかこんでいることを特徴とする請求項１から請求
   項３までのいずれか一項に記載の蒸気発生器。 ５、前記内側領域の表面積（ＦＩ）は、前記内側領域の
   表面積（ＦＩ）と前記エッジ領域の表面積（ＦＲａ）の
   和によって表わされる前記底板（２２）の全表面積の０
   ．６倍より少いことを特徴とする請求項４記載の蒸気発
   生器。 ６、前記円筒流の断面積（ＦＺ）が前記環状流の断面積
   （ＦＲ）より大きいことを特徴とする請求項１から請求
   項５までのいずれか一項に記載の蒸気発生器。 ７、前記円筒流（５６）を発生する前記吹込みエレメン
   ト（３０）の内側パイプ（５０）の長さ（ＬＩ）がその
   直径の少なくとも約３倍であることを特徴とする請求項
   １から請求項６までのいずれか一項に記載の蒸気発生器
   。 ８、前記環状流（５８）を発生する前記吹込みエレメン
   ト（３０）の周辺面（３４）の長さ（ＬＢ）が前記環状
   流（５８）の“同等”または“水力”直径の少なくとも
   約３倍であることを特徴とする請求項１から請求項７ま
   でのいずれか一項に記載の蒸気発生器。 ９、点火チャンバ（６２）のオリフィス（６４）が前記
   底板（２２）の前記エッジ領域（Ｒ）に配設されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか
   一項に記載の蒸気発生器。 １０、数個の点火チャンバ（６２）が設けられているこ
   とを特徴とする請求項９記載の蒸気発生器。 １１、前記点火チャンバ（６２）が、前記酸化剤（Ｏ＿
   ２）および前記燃料（Ｈ＿２）が点火可能な混合体にな
   るように混合されるように設計されていることを特徴と
   する請求項９または請求項１０記載の蒸気発生器。 １２、前記点火チャンバ（６２）は、内側円筒流内に導
   入された前記酸化剤（Ｏ＿２）と、前記内側円筒流をか
   こむ環状流内に導入された前記燃料（Ｈ＿２）とが、前
   記底板（２２）から流出する前に点火領域（８０）内で
   混合されるように設計されていることを特徴とする請求
   項１１記載の蒸気発生器。 １３、前記点火領域（８０）が前記内側円筒流を発生す
   る内側シリンダパイプ（６８）に隣接していることを特
   徴とする請求項１２記載の蒸気発生器。 １４、前記点火領域（８０）が、前記環状流の外側境界
   になっている連続的周辺面（８２）によって画定されて
   いることを特徴とする請求項１２または請求項１３記載
   の蒸気発生器。 １５、点火エレメント（６６）が前記点火領域（８０）
   内に配設されていることを特徴とする請求項９から請求
   項１４までのいずれか一項に記載の蒸気発生器。 １６、前記点火エレメント（６６）が前記オリフィス（
   ６４）の直前に配設されていることを特徴とする請求項
   １５記載の蒸気発生器。