JPH08210606A - 予混合式バーナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ２重円錐型の低公害予混合式バーナが、構造
の簡単な、液状燃料を霧化する高圧噴霧ノズルを有する
ようにし、更に、このノズルにより、極めて高い霧化特
性を得ると同時に、高い燃料衝動力が得られるようにす
る。 【解決手段】 高圧噴霧ノズル３のノズル孔１８が、バ
ーナ内の高速空気域へ向けられるようにし、かつまた、
バーナ縦軸線５に対する噴霧燃料粒子４の角度が、バ
ーナの円錐半角αと少なくとも等角度となるようにし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関、ガスタ
ービン群の燃焼室、燃焼設備を稼働させる低有害物質の
２重円錐型予混合バーナ、それも、円錐形中空室の先端
に、液状燃料を霧化する高圧噴霧ノズルが配置されてお
り、このノズルが、乱流室付きに、又は乱流室なしに構
成され、かつ少なくとも２つのノズル孔を介してバーナ
内室と連通している形式の予混合バーナに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】公知の噴霧ノズルの場合、燃焼させる燃
料は機械式に微細にされ分配される。燃料は霧化され、
直径約１０〜４００μｍの微細な油粒子（オイルミス
ト）となる。これらの油粒子が、燃焼用空気と混合さ
れ、火炎内で蒸発し、燃焼する。圧力噴霧器（リューガ
ー編『技術辞典』、１９６５年、第７巻、６００ペー
ジ、ドイッチェ・フェアラークス‐アンシュタルト刊参
照）内では、油が、油ポンプを介して約４〜２５バール
の圧力で噴霧ノズルへ供給される。油は、事実上接線方
向に延びるスリットを介して乱流室に達し、ノズル孔か
ら噴霧される。これにより、油粒子は２つの運動方向成
分、すなわち軸方向と半径方向との成分を含むことにな
る。回転する中空円筒体形状でノズル孔から噴射される
油膜は、遠心力により中空円錐形となり、その縁部に
は、不安定な振動が生じ、霧化されて微細な油粒子とな
る。霧化された油は、多少の差はあれ大きな開角を生じ
る。

【０００３】従来のバーナ、例えば、ヨーロッパ特許第
０３２１８０９号明細書に基本構造が記載された２重円
錐型の予混合式バーナを用いて鉱物燃料を低公害燃焼さ
せる場合、液状燃料の霧化には特別の要求が課せられ
る。その要求とは、とりわけ次のようなものである： １． 油滴の寸法を微小にして、燃焼前に油滴が完全蒸
発できるようにしなければならない。

【０００４】２． オイルミストの開角（広がり角度）
は、小さくなければならない。

【０００５】３． 燃料用圧縮空気質量流内へ十分に深
く進入できるように、油滴を高速かつ高衝動力にし、そ
れにより燃料蒸気が、火炎の前面に達する前に、燃料用
空気と完全混合されるようにしなければならない。

【０００６】最大約１００バールの圧力を有する公知型
式の旋回ノズル（圧力噴霧器）や空気補助噴霧器では、
前記要求にはほとんど応えられない。なぜなら、小さい
広がり角度は不可能であり、霧化特性が制限されてお
り、噴霧粒子の衝動力が僅かだからである。

【０００７】このように燃料の気化と予混合が不十分な
結果、火炎温度降下のための水の添加が避けられず、し
たがってＮＯｘの生成が避けられない。火炎区域は、そ
れ自体ではほとんどＮＯｘを発生させないが、火炎の安
定性にとっては極めて重要である。添加された水は、こ
の火炎区域の妨害になることも多いため、火炎の脈動及
び又は不完全燃焼等の不安定現象が頻発する結果、ＣＯ
排出量が増大する。

【０００８】こうした点は、ヨーロッパ特許公開第０４
９６０１６号明細書に開示された高圧噴霧ノズルによっ
て改善されている。この高圧噴霧ノズルは、内部に乱流
室が形成されたノズル体からなり、この乱流室が、少な
くとも１つのノズル孔を介して外室と連通し、かつ圧力
下で供給可能な被噴霧液体用の少なくとも１つの供給通
路を有している。この高圧噴霧ノズルの特徴は、乱流室
に開口している供給通路の横断面が、ノズル孔横断面の
２〜１０倍の値である点にある。この構成によって、乱
流室内には高レベルの乱流が発生し、この乱流は、ノズ
ルから噴霧されるまでの道程で衰退することがない。液
体噴流は、ノズル孔前方に生ぜしめられる乱流により、
外室内で、したがってまたノズル孔を出た後に、急激に
霧化される。そのさい、２０度以下の小さい広がり角度
が生じる。油粒子寸法も極めて小さい。欠点は、ただ乱
流室内で燃料の衝動力が失われ、方向性をもった導入が
不可能な点である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、これらの欠
点をすべて除去することを試みるものである。本発明の
根底をなす課題は、２重円錐型の低公害予混合式バーナ
が、構造の簡単な、液状燃料を霧化する高圧噴霧ノズル
を有するようにし、更に、このノズルにより、極めて高
い霧化特性を得ると同時に、高い燃料衝動力が達成され
るようにすることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、この課
題は、特許請求の範囲第１項上位概念部分に記載の２重
円錐型の予混合式バーナの場合に、次のようにすること
により解決された。すなわち、高圧噴霧ノズルのノズル
孔が、バーナ内の高速空気域へ向けられるようにし、か
つまた、 バーナ縦軸線に対する噴霧燃料の角度が、バ
ーナの円錐半角と少なくとも等角度となるようにしたの
である。

【００１１】本発明の利点は、とりわけ次の点にある。
すなわち、燃料の微細な霧化が高い燃料衝動力により実
現され、それにより、燃料の迅速な気化に加えて、噴霧
燃料と燃焼用空気との良好な予混合が達成される点であ
る。本発明による高圧噴霧ノズルは、構造が簡単であ
り、バーナ内部で接近しやすく、バーナ先端内で僅かな
スペースしか必要としない点が特徴である。燃料は、高
速空気域を目指して噴射可能である。ＮＯｘ放出量低減
のための水の添加は不要である。なぜなら、前記の微細
な霧化、迅速な燃料気化、燃焼用空気と噴霧燃料の良好
な予混合によって、ＮＯｘ放出量が極めて僅かとなるか
らである。

【００１２】特に有利な構成は、ノズル孔を部分円錐体
の空気流入スリットへ向けるようにする構成である。こ
のようにすることにより、噴霧燃料と流入する燃焼用空
気との予混合が、極めて集中的に行われる。

【００１３】更に、高圧噴霧ノズルは、ノズル孔前方に
乱流室を有する乱流補助式高圧ノズルとして構成するの
が有利である。その場合、乱流室は、管と、ノズル孔が
設けられている円錐形管端壁と、有利には中央に少なく
とも１個の供給孔を有する中間片とによって形成してお
く。ノズル孔前方に発生せしめられる乱流によって、燃
料噴流は急速に崩壊し、特に微細な噴霧粒子が得られ
る。この微細な噴霧粒子は、広がり角度が小さいことが
特徴である。

【００１４】更に、また、高圧霧化ノズルとして、管
と、円錐形管端壁とからなる高圧オリフィスノズルを用
いるのが有利である。この場合には、極めて高い燃料衝
動力が得られるので、噴霧燃料が燃焼用空気内へ深く進
入できる。

【００１５】更に、ノズル孔は、管側壁寄りの円錐形管
端壁の３分の１のところに設けて置くのが有利である。
その場合、極めて良好な霧化特性が得られる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下で、本発明を図１〜図９に示
した実施例につき詳説する。

【００１７】図１は、予混合式バーナの略示断面図であ
る。この予混合式バーナは、実質的に２つの部分円錐体
１，２からなり、その基本構造はヨーロッパ特許第０３
２１９０８号明細書に記載されている。バーナの構造を
より良く理解するには、同時に、図２と、断面を示した
図３及び図５とを参照するとよい。

【００１８】図２は、予混合域が設けられた２重円錐型
バーナの斜視図である。２つの部分円錐体１，２は、そ
れらの縦対称軸線１ｂ，２ｂが半径方向に互いにずらさ
れて配置されている。こうすることにより、部分円錐体
１，２の両側に逆の流入方向でそれぞれ接線方向の空気
流入スリット１９，２０が形成される。これらのスリッ
トを介して、燃焼用空気が、バーナ内室１４、すなわち
２つの部分円錐体１，２により形成された円錐形中空室
へ流入する。部分円錐体１，２は、流れ方向で直線的に
末広がりになっており、言い換えると、バーナ縦軸線と
一定の角度αをなしている。双方の部分円錐体１，２
は、同じく互いにずらされて位置するそれぞれ１つの円
筒形始端部１ａ，２ａを有している。これら始端部内に
は、少なくとも２つのノズル孔１１を有する高圧噴霧ノ
ズル３が配置されている。これらノズル孔１１は、バー
ナ円錐形内室１４のほぼ最小横断面個所に配置されてい
る。言うまでもなく、バーナは、円筒形始端部なしに構
成することもできる。

【００１９】双方の部分円錐体１，２は、空気流入スリ
ット１９，２０に沿って各１つの燃料供給路８，９を有
している。これら燃料供給路８，９には、長手側に別の
燃料（気体状又は液状）１３の供給口１７が設けられて
いる。燃料１３は、接線方向の空気流入スリット１９，
２０を介してバーナ内室へ流入する燃焼用空気１５に添
加される。燃料１３の方向は、矢印１６で示してある。
ノズル３と燃料供給路８，９とを介して、バーナの混合
作業が可能になる。

【００２０】燃焼室側には、供給口１１を有する前面板
１０が配置されている。必要とあれば、これらの供給口
１１を介して、希釈空気又は冷却空気を燃焼室に供給で
きる。加えて、この空気供給は、バーナ出口での火炎の
安定化に役立つ。この出口には、逆流域を有する安定的
な火炎前面７が現れる。

【００２１】図３、図４、図５からは、そらせ板２１
ａ，２１ｂの配置を知ることができる。これらのそらせ
板は、例えば旋回点２３を中心として開閉可能なので、
接線方向の空気流入スリット１９，２０の当初の間隙幅
の変更も可能である。言うまでもなく、バーナは、これ
らのそらせ板２１ａ，２１ｂなしでも作動可能である。
図６のノズルは、図１及び図２に示されている乱流によ
り補助される高圧噴霧ノズル３であり、バーナの円錐形
先端に配置されている。このノズルは、供給通路２４と
乱流室２５とを取囲む管２６から成っている。管２６
は、円錐形端壁２７よって閉じられ、端壁には管側壁寄
りの３分の１のところに２つのノズル孔１８が設けられ
ている。ノズル孔１８は、乱流室２５とバーナ内室（円
錐形中空室）１４とを連通させている。乱流室２５は、
管２６のほかに、中間片２８と端壁２７とにより制限さ
れている。中間片２８の中央には、噴霧される燃料１２
の供給口２９が設けられている。言うまでもなく、供給
口２９は、中央に設けなくともよいし、また複数の供給
口を設けてもよい。供給口２９は、図６に示したよう
に、流れ方向に先細になる断面を有するようにするのが
有利である。

【００２２】噴霧される燃料１２は、１００バールを超
える圧力下で供給通路２４と供給口２９とを介して乱流
室２５へ流入する。乱流室２５の横断面は、供給口２９
から急激に拡大する。燃料噴流は、円錐形端壁２７の円
錐形先端に衝突する。噴流の激しい突っ切り運動と端壁
からの跳ね返りとにより、高レベルの乱流が発生する。
この乱流は、ノズルから出るまでの短い距離の間、衰え
ることがない。燃料噴流は、２つのノズル孔１８の前方
で発生せしめられた乱流のため、バーナ内室１４内で急
激に崩壊する。そのさいの広がり角度は極めて小さい。

【００２３】燃料１２は、その高い衝動力と、空気に対
する高い相対速度とにより良好に霧化される。燃料１２
は、進入深さが大きいので、混合特性も高い。

【００２４】接線方向の空気流入スリット１９，２０
へ、つまり極めて空気速度の高い区域へノズル孔１８を
向けることにより、微細な噴霧粒子４の形態の燃料１２
を直接に混入することができる。燃料は、バーナ壁部に
沿って、極めて良好に燃焼用空気流１５内に分配され
る。燃料は、また、円錐面に沿ってバーナ端部のところ
で、新気に極めて良好に混入されるので、申し分のない
予混合が達成される。このことが、また、有害物質放出
値を低い値にする上で好影響を与えている。

【００２５】図７は、第２実施例を示したものである。
この場合、高圧噴霧ノズル３は、多孔高圧オリフィスノ
ズルである。その構造は、既述の乱流補助式のノズルと
変わらないが、言うまでもなく乱流室は設けられていな
い。オリフィスノズルの場合、比較可能な条件下で、第
１実施例に比較すると、達成可能な燃料粒径は幾分大き
いが（図８参照）、その代わり、より高い燃料衝動力が
得られる。この高い衝動力により、高い空気速度の区域
への所期の噴入が可能になり、第１実施例と同様の利点
が得られる。

【００２６】ノズル３の横断面、ノズル位置、噴射方向
は、ノズル孔１８内で十分に高いレイノルズ数が得られ
るように考慮した上で、所望処理量（供給圧に依存す
る）に応じて決められる。

【００２７】図８に示した線図は、乱流補助式の高圧噴
霧ノズルの場合に、供給圧ｐに対する噴霧粒径ｄTの依
存関係を、噴霧粒子質量分布の種々の限界粒径について
示した図である。Ｄｘは、全粒子の質量百分率ｘ％の最
大粒径を表す。ＳＭＤは、ザウタ粒径であり、したがっ
て全噴霧に等しい表面積対体積比を有する粒子の粒径で
ある。線図８の基礎とした高圧噴霧ノズルの場合、水を
負荷され、次のパラメータを有するものであった： ノズル直径 １０．０ｍｍ 供給通路直径 ８．０ｍｍ 中間片の供給口直径 １．８ｍｍ ノズル孔直径 ０．６ｍｍ 乱流室長さ ７．０ｍｍ 図９には、火炎温度と液状燃料噴霧に使用したノズル型
式とに対する大気中へのＮＯｘ排出値の依存関係が示さ
れている。乱流補助式の２孔高圧ノズルを、燃料噴射方
向とバーナ軸線との角度（β）を種々に変更して（１１
度、１５度、２０度）試験した。バーナの円錐半角α
は、いずれの場合も１０．９５度とした。圧力噴霧ノズ
ル（旋回ノズル）と比較すると、空気流入スリット１
９，２０に向けられた２つのノズル孔１８を有する本発
明の高圧噴霧ノズル３を用いた場合、２重円錐型の予混
合式バーナ内で著しくＮＯｘ排出値が低減せしめられ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】２重円錐型のバーナの略示図である。

【図２】図１のバーナの斜視図である。

【ず３】図２のＩＩＩ‐ＩＩＩ線に沿った略示断面図で
ある。

【図４】図２のＩＶ‐ＩＶ線に沿った略示断面図であ
る。

【図５】図２のＶ‐Ｖ線に沿った略示断面図である。

【図６】乱流補助式の高圧噴霧ノズルをノズル孔の平面
で切断して示した縦断面図である。

【図７】ノズル孔の平面で高圧オリフィスノズルを切断
して示した縦断面図である。

【図８】図６ないし図７の高圧噴霧ノズルの圧力に対す
る粒径の依存関係を示した線図である。

【図９】２重円錐型のバーナの火炎温度に対するＮＯｘ
排出値を、異なるノズルの場合について示した線図であ
る。

【符号の説明】

１，２ 部分円錐体 １ａ，２ａ 円筒形始端部 １ｂ，２ｂ 部分円錐体の中心軸線 ３ 高圧噴霧ノズル ４ 噴霧燃料粒子 ５ バーナ軸線 ６ 逆流域 ７ 火炎前面 ８，９ 燃料供給路 １０ 前面板 １１ 供給口 １２ 液状燃料 １３ 別の液状又は気体状燃料 １４ バーナ内室 １５ 燃焼用空気流 １６ 噴射燃料 １７ 供給口 １８ ノズル孔 １９，２０ 接線方向空気流入スリット ２１ａ，２１ｂ そらせ板 ２２ バーナ出口側の燃焼室 ２３ 旋回点 ２４ 供給通路 ２５ 乱流室 ２６ 管 ２７ 管端壁 ２８ 中間片 ２９ 供給口 α 円錐半角 β 噴霧粒子とバーナ縦軸線との角度 ｄT 粒径 ｐ 供給圧 Ｄｘ 全粒子の質量百分率ｘ％の最大粒径 ＳＭＤ ザウタ粒径

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関、ガスタービン群の燃焼室、燃
   焼設備を稼働させる２重円錐型の予混合式バーナであっ
   て、バーナが、実質的に、少なくとも２個の中空部分円
   錐体（１，２）から成り、流れ方向で一定の円錐半角
   （α）を有するこの部分円錐体が、流れ方向で向かい合
   って位置し、その縦対称軸線（１ａ，１ｂ）が半径方向
   で互いにずらされており、これによって、燃焼用空気流
   （１５）の、流れ方向で逆の接線方向流入スリット（１
   ９，２０）が形成され、また、部分円錐体（１，２）に
   より形成される円錐形中空区域（１４）の最小横断面部
   には、液状燃料（１２）の噴霧ノズル（３）が配置さ
   れ、かつ噴射燃料がバーナ縦軸線（５）と鋭角（β）を
   なすようにされており、更に、空気流入スリット（１
   ９，２０）の区域では、部分円錐体（１，２）が、添加
   手段（８，９，１７）を用いて、もしくは添加手段を用
   いることなしに、別の液状又は気体状の燃料（１３）を
   補充されるようにされており、かつまた、ノズルが高圧
   噴霧ノズル（３）であり、この高圧噴霧ノズルが、１０
   ０バール以上の圧力下で霧化される液状燃料（１２）用
   の少なくとも１つの供給通路（２４）を有するノズル体
   から成り、乱流室付き又は乱流室なしのこの供給通路
   （２４）が、少なくとも２つのノズル孔（１８）を介し
   てバーナ内室（１４）と連通している形式のものにおい
   て、これらノズル孔（１８）がバーナ内の高速空気域へ
   向けられており、噴霧燃料粒子（４） とバーナ縦軸線
   （５）との角度（β）が、部分円錐体（１，２）とバー
   ナ（５）との円錐半角（α）と、少なくとも等角度であ
   ることを特徴とする、２重円錐型の予混合式バーナ。
2. 【請求項２】 高圧噴霧ノズル（３）のノズル孔（１
   ８）が、部分円錐体（１，２）の空気流入スリット（１
   ９，２０）に向けられていることを特徴とする、請求項
   １記載の予混合式バーナ。
3. 【請求項３】 高圧噴霧ノズル（３）が、流れ方向でノ
   ズル孔（１８）前方に乱流室（２５）の配置された乱流
   補助高圧ノズルであり、しかも、乱流室（２５）が、管
   （２６）と、ノズル孔（１８）が設けられている円錐形
   管端壁（２７）と、少なくとも１個の供給孔（２９）を
   有する中間片（２８）とによって形成されていることを
   特徴とする、請求項１記載の予混合式バーナ。
4. 【請求項４】 高圧噴霧ノズル（３）が高圧オリフィス
   ノズルであり、このノズルが、管（２６）と、ノズル孔
   （１８）が設けられている円錐形管端壁（２７）とから
   成ることを特徴とする、請求項１記載の予混合式バー
   ナ。
5. 【請求項５】 ノズル孔（１８）が、管側壁に近い管端
   壁（２７）外方３分の１のところに設けられていること
   を特徴とする、請求項３又は４記載の予混合式バーナ。
6. 【請求項６】 供給孔（２９）が、中間片（２８）の中
   央に設けられていることを特徴とする、請求項３記載の
   予混合式バーナ。