JPH08303776A - 軸方向空気流入式又は半径方向空気流入式の予混合式バーナー - Google Patents

軸方向空気流入式又は半径方向空気流入式の予混合式バーナー

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JPH08303776A
JPH08303776A JP8111760A JP11176096A JPH08303776A JP H08303776 A JPH08303776 A JP H08303776A JP 8111760 A JP8111760 A JP 8111760A JP 11176096 A JP11176096 A JP 11176096A JP H08303776 A JPH08303776 A JP H08303776A
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burner
air
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flow
ratio
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JP8111760A
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Tino-Martin Marling
マーリング ティノ−マルティン
Burkhard Schulte-Werning
シュルテ−ヴェルニング ブルクハルト
Thomas Zierer
ツィーラー トーマス
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    • F23R3/04—Air inlet arrangements
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
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    • F15D1/00—Influencing flow of fluids
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners

Abstract

(57)【要約】 【課題】 流入する燃焼空気の流動プロフィールを均等
にし、乱流度を高めかつ空気流をバーナーに適合させ
て、空気と燃料の均質な混和を得させることのできる気
流整流装置を提供する。 【解決手段】 通流する燃焼空気１５を複数の細い規定
のジェット噴流に分流して所定の流走長ｌを経た後に該
分流ジェット噴流を再び合流させる壁厚ｓの穿穴構成部
材２４が、プレナム室とバーナーとの間に配置されてお
り、前記穿穴構成部材２４に穿設された複数の穴２５が
夫々穴径ｄを有しかつ相互間隔ｔで配設されており、し
かも前記穿穴構成部材２４の壁厚ｓと前記穴２５の穴径
ｄとの比が≧１であり、かつ前記穿穴構成部材２４の通
流面積と、バーナー型式に関連して可能な前記バーナー
内への流入面積との比が≧１である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、プレナム室から燃
焼空気をバーナー内へ流入させ、かつ該バーナーを通流
する途上で該燃焼空気に燃料を混加する形式の、ガスタ
ービン運転用の軸方向空気流入式又は半径方向空気流入
式の予混合式バーナーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービン設備において使用される最
新式バーナー系は、環境保護の理由から、予混合式バー
ナーとして構成される。それというのは、バーナーをこ
のように予混合式バーナーとして構成することによっ
て、有害物質の放出値が拡散式バーナーに対比して著し
く低下されるからである。予混合式バーナーでは燃焼空
気は概ね軸方向又は半径方向に流入させられる。
【０００３】バーナーを通流する途上で該燃焼空気流に
燃料が混加される。燃焼時に低いＮＯｘ放出値及び低い
ＣＯ放出値を得るためには、燃料と燃焼空気との均質な
混和が必要であり、つまり燃料添加量は空気分布量に適
合されねばならない。この要件の維持を如何なる場合に
も保証するためには空気供給が制御可能でなければなら
ない。しかしながら予混合式バーナー系の場合には、こ
の空気供給の制御をうまく行うことができない。
【０００４】欧州特許第０３２１８０９号明細書に基づ
いて公知になっているダブルコーン型の予混合式バーナ
ーの場合には燃焼空気は、フードによって包囲されたプ
レナム室から、接線方向の空気流入スロットを介してバ
ーナー内室へ流入する。ガス状の燃料が燃焼される場合
には、前記空気流入スロットの終端部で混合気が直接生
成される。バーナーの始端部分の中央に配置されたノズ
ルを通して液状燃料を噴入する場合には、バーナーの内
室に円錐形状の液体燃料柱が形成され、該液体燃料柱
は、バーナー内へ接線方向に流入する燃焼空気流によっ
て包囲される。混合気の着火はバーナーの出口で生じ、
その場合火炎は、バーナー火口領域の逆流ゾーンによっ
て安定化される。フード内へ、燃焼室を冷却した冷却空
気が流入すると共にバイパスを介して付加的な空気が流
入することに起因してフード内には複雑な流動状況が生
じ、ひいては渦流が惹起されることに基づいて、バーナ
ーに対する均等な空気供給が生じない。燃焼空気の供給
を正確に制御することができない以上、当然のことなが
ら燃料と空気との完全に均質な混和が得られる訳がな
い。その結果、燃焼時の有害物質放出値は必然的に高く
なる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、予混
合バーナーにおける前記の全ての欠点を回避することは
元よりのこと、流入する燃焼空気の流動プロフィールを
均等にし、乱流度を高めかつ空気流をバーナーに適合さ
せて、空気と燃料の均質な混和を得させることのできる
気流整流装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の本発明の構成手段は、燃焼空気の流動方向で見てバー
ナーの手前に配置されたプレナム室からか又は該バーナ
ーをめぐって配置されたプレナム室から燃焼空気を前記
バーナー内へ流入させ、かつ該バーナーを通流する途上
で該燃焼空気に燃料を混加する形式の、軸方向空気流入
式又は半径方向空気流入式の予混合式バーナーにおい
て、通流する燃焼空気を複数の細い規定のジェット噴流
に分流して所定の流走長ｌを経た後に該分流ジェット噴
流を再び合流させる壁厚ｓの穿穴構成部材が、プレナム
室とバーナーとの間に配置されており、前記穿穴構成部
材に穿設された複数の穴が夫々穴径ｄを有しかつ相互間
隔ｔで配設されており、しかも前記穿穴構成部材の壁厚
ｓと前記穴の穴径ｄとの比が≧１、殊に有利には１．５
であり、かつ前記穿穴構成部材の通流面積と、バーナー
型式に関連して可能な前記バーナー内への流入面積との
比が同じく≧１である点にある。
【０００７】
【作用】本発明の顕著な利点は、穿穴構成部材の後方で
は、バーナーのための流入体として高い乱流レベルを伴
った均等な速度プロフィールが得られることである。こ
れによって燃料と燃焼空気との混合が改善されかつ強化
されるので、ＣＯ放出値及びＮＯｘ放出値が著しく低下
される。従って予混合式バーナーは、今や好ましくない
流入条件下においても良好に稼働できるので、予混合式
バーナーの利用可能性は一層拡張される。
【０００８】
【発明の実施の形態】半径方向空気流入式の予混合式バ
ーナーの場合には前記穿穴構成部材が、バーナーをめぐ
って配置された穿穴バスケットとして構成され、また軸
方向空気流入式の予混合式バーナーの場合には前記穿穴
構成部材が、バーナーの手前で燃焼空気の流動方向に対
して垂直に配置された穿穴壁として、特に穴あき板とし
て構成されているのが有利である。
【０００９】流走長と穴の相互間隔との比は≧５である
のが特に有利である。
【００１０】また軸方向空気流入式の予混合式バーナー
の場合には穿穴壁の通流面積と、バーナー内への流入面
積との比が１に等しいのが有利である。
【００１１】更にまた、接線方向の空気流入スロットを
介して燃焼空気をバーナー内へ流入させる欧州特許第０
３２１８０９号に基づくダブルコーン型の予混合式バー
ナーの場合には、穿穴バスケットの通流面積と、バーナ
ー内への流入面積との比が１より大であり、殊に４であ
るのが有利である。この構成に基づいて、バーナーの流
走長に沿った不均等な空気流分布を、質量分布に関して
も流動プロフィールに関しても整流することができるこ
とが保証される。これによって空気流入スロットに沿っ
た燃料量を最適に設計することができるので、燃料と空
気との混合が改善されかつ燃焼時のＮＯｘ放出値も低減
される。
【００１２】
【実施例】次に図面に基づいて本発明の２つの実施例を
詳説する。
【００１３】先ず図１の（ａ）には空気１５が理想的に
均等に流入する場合の、気流整流器のように作用する穿
穴構成部材（以下、簡単に穿穴壁２４と呼ぶ）の作用態
様が略示されているのに対して、図１の（ｂ）には空気
１５が不均等に流入する場合の穿穴壁２４の作用態様が
示されている。
【００１４】壁厚ｓを有する穿穴壁２４は、夫々穴径ｄ
を有する所定数の穴２５を備えている。該穴２５は一定
の相互間隔ｔで配置されている。図１の（ａ）及び
（ｂ）によれば、穿穴壁２４の穴２５を通流する空気つ
まり燃焼空気１５は、細い規定のジェット噴流に分流さ
れ、これらのジェット噴流は、穴２５から所定の流走長
ｌを経た後に再び合流する。その場合の流走長ｌは穴２
５の相互間隔ｔと穴径ｄ並びにジェット噴流の発散に関
連している。図１の（ｂ）から良く判るように、不均等
な流入の場合にはジェット噴流の拡張はすでに穿穴壁の
手前で生じる。穿穴壁を通流すると、小スケールの高い
乱流レベルを伴った均等な速度プロフィールが得られ、
ひいてはバーナー（図１には図示せず）にとって好まし
い流入挙動が得られることになる。
【００１５】更にまた、湾曲した穿穴壁の場合、例えば
バーナーをめぐって配置された穿穴バスケットの場合に
は、該穿穴バスケットからの気流の流出角度を一定に規
定して、これによってバーナーに適合させることが可能
である。
【００１６】図１の（ｃ）では、気流が穿穴壁２４に斜
向して到達する場合の流入空気の速度関数が略示されて
いる。空気１５が穿穴壁２４に衝突する以前には該空気
の速度は、垂直速度成分Ｖ1と水平速度成分Ｕ1とから合
成されており、その場合、速度合力と垂直速度成分Ｖ1
とは角度β1を成している。壁厚ｓと穴径ｄとの固定比
を最小値に確定された穿穴壁２４を通流すると、水平速
度成分Ｕ2 及び角度β2は零になるので、垂直速度成分
Ｖ2だけが存在するにすぎず、この場合Ｖ1＜Ｖ2が成立
する。これに対して壁厚の著しく薄い穿穴壁２４を使用
する場合には水平速度成分Ｕ1が維持され、かつＵ2 ＝
Ｕ1及びβ2＜β1が成り立つが、穿穴壁２４を通流した
後の垂直速度成分Ｖ2はやはり垂直速度成分Ｖ1よりも大
である。この場合は気流の整流は生じない。
【００１７】穿穴壁２４を設計する場合、該穿穴壁の通
流面積と予混合式バーナーへの流入面積との間の固定面
積比が維持されねばならない。つまり穿穴壁２４に関す
る圧力損失は前記の両面積によって決定される。同じく
又、穴２５の穴径ｄと壁厚ｓとの間の固定比を下回るよ
うなことがあってはならない。それというのは該固定比
も圧力損失のレベルを決定するからである。この比率
ｄ：ｓは≧１〜１．５でなければならない。この要件に
よって穴２５の相互間隔ｔが確定され、該相互間隔自体
は、穿穴壁２４の後方における流動プロフィールを決定
する。その場合、比率ｌ：ｔは≧５でなければならな
い。それというのは、ジェット噴流の発散に基づいて個
々のジェット噴流は再び合流されて速度プロフィールは
著しく均等に成るからである。
【００１８】図２の斜視図には本発明の１実施例とし
て、予混合ゾーンを組込んだダブルコーン形のバーナー
１８が図示されており、該バーナーの原理的な構成は、
欧州特許第０３２１９０８号明細書に記載されている。
当該バーナー構造をより良く理解するためには、図２と
同時に、図２の断面図である図３〜図５を併用するのが
有利である。
【００１９】バーナー１８は、対称縦軸線１ｂと２ｂと
を互いに半径方向にずらして配置された２つの部分円錐
体１と２から成っている。このずらし配置に基づいて、
部分円錐体１，２の両側では、互いに逆向きに流入する
ように配置された夫々接線方向の空気流入スロット１
９，２０が生じ、該空気流入スロットを通って空気つま
り燃焼空気１５は、バーナー１８の円錐形状の内室１４
内へ、つまり両方の部分円錐体１，２によって形成され
た円錐中空室内へ流入する。両部分円錐体１，２は共に
流動方向に直線的に拡張しており、すなわち両部分円錐
体はバーナー軸線に対して一定の角度を有している。両
部分円錐体１，２は夫々円筒形始端部分１ａ，２ａを有
し、両円筒形始端部分も同じく互いにずらされて延びて
いる。該円筒形始端部分１ａ，２ａ内には噴霧ノズル３
が位置し、該噴霧ノズルのオリフィスは、バーナー１８
の円錐形状の内室１４のほぼ最狭横断面内に配置されて
いる。勿論またバーナー１８は、前記の円筒形始端部分
を付設せずに、つまり純然たる円錐形に構成されていて
もよい。噴霧ノズル３を通って液状燃料１２が噴入され
るので、バーナー１８の円錐形状の内室１４では燃料霧
滴スプレー４が形成される。
【００２０】両部分円錐体１，２は接線方向の空気流入
スロット１９，２０に沿って夫々１本の燃料供給導管
８，９を有し、該燃料供給導管は長手方向側面に複数の
ポート１７を有し、該ポートを通って別の燃料１３（大
抵はガス状燃料）が流入する。該ガス状燃料１３は、接
線方向の空気流入スロット１９，２０を通ってバーナー
１８の円錐形状の内室１４へ流入する燃焼空気１５に混
加され、この混加の状態は図面では矢印１６で表されて
いる。噴霧ノズル３と燃料供給導管８，９とを介してバ
ーナー１８の混合動作が可能になる。更にまた、この空
気供給は、バーナー出口において火炎を安定化させるこ
とを保証する。バーナー出口では、逆流ゾーン６を伴う
安定した着火面（前炎）７が生じる。
【００２１】燃焼室２２寄りには、複数のポート１１を
有するフロントプレート１０が配置されており、必要に
応じて稀薄空気又は冷却空気が前記ポート１１を介して
燃焼室２２に供給される。
【００２２】図３乃至図５に基づいてバッフルプレート
２１ａ，２１ｂの配置形式は明らかである。該バッフル
プレートは例えば旋回支点２３を中心として開閉するこ
とができるので、この開閉によって、接線方向の空気流
入スロット１９，２０の初期ギャップサイズが変更され
る。しかし該バッフルプレート２１ａ，２１ｂを用いな
くてもバーナーを稼働できるのは勿論のことである。
【００２３】図６によれば、前記のバーナー１８はフー
ド２６によって包囲されており、該フードは、バーナー
１８に流入する燃焼空気１５のめたのプレナム室２７を
形成している。その場合、燃焼空気１５は、先に燃焼室
５の壁を対流冷却した冷却空気１５ａと、バイパス導管
（図示せず）を介して同じくプレナム室２７内へ流入す
る空気１５ｂとから成っているので、付加的な渦流が発
生する。従ってフード２６内には、極めて複雑な流動状
況が存在している。これによって従来技術では、接線方
向の空気流入スロット１９，２０を通って燃焼空気１５
をバーナー１８内へ均等に流入させることは保証されて
いず、従ってガス状の燃料１３と燃焼空気１５とを最適
に混合させることは不可能になり、これは、好ましくな
い流入条件下でのバーナーの使用を不可能にし、或い
は、より好ましい流出条件下でＮＯｘ値を申し分なく低
下させることも不可能になる。
【００２４】そこで本発明では図６、図７及び図８に示
したように、気流が半径方向に到来するバーナー１８を
めぐって、気流を整流する穿穴バスケット２４が配置さ
れる。穿穴バスケット２４の輪郭を適合させることによ
って、バーナーへの最適の流入が可能になる。バーナー
への流れは本発明によって、フード２６内における複雑
な流動状況から解放される。
【００２５】穿穴バスケット２４の通流面積とバーナー
１８の流入面積（空気流入スロット１９，２０）との間
の面積比は図示の実施例では４である。従って、穿穴バ
スケット２４における圧力損失はほぼ動圧に等しい。そ
の他の条件を一定にして、通流面積つまり穿穴バスケッ
ト２４における穴２５の面積を著しく小さくした場合に
は、過度に高い圧力損失が発生することになる。
【００２６】壁厚ｓと穴径ｄとの比は≧１、殊に有利に
は１．５でなければならないので、該必要条件によって
前記の面積比以外に穴２５の相互間隔ｔが確定され、該
相互間隔自体は、穿穴バスケット２４の後方の流動プロ
フィールを決定する。すでに述べたように燃焼空気１５
は、穿穴バスケット２４の通流時に細い規定のジェット
噴流に分流され、これらのジェット噴流は、穴２５から
所定の流走長ｌを経た後に再び合流する。従って共通の
流動プロフィールを正確に確定してバーナーの各要件に
調和させることが可能である。これによって得られる利
点は、バーナー１８の流入長に沿った不均等な空気分布
を、質量分布の点でも流動プロフィールの点でも共に整
流することができる点にある。これによってバーナー１
８における空気取入れ口に沿って燃料比を最適に設計す
ることが可能になり、その結果、空気の乱流増大化以外
に、燃料と燃焼空気との混合が改善され、ひいては有害
物質の放出量が減少される。従ってバーナーは、好まし
くない流入条件下においても使用することができる。更
に又、穿穴バスケット２４の輪郭を適合させることによ
って、バーナーへの局部的な流入を最適化することも可
能になる。
【００２７】本発明は勿論、以上説明した実施例のみに
限定されるものではない。従って図９には、軸方向に流
入する予混合式バーナー１８に関する別の実施例が図示
されている。この場合は燃焼空気１５はプレナム室２７
から、バーナー１８の手前で流動方向に対して垂直に配
置された穿穴壁２４の複数の穴２５を通ってバーナー１
８内へ流入し、前記穿穴壁はこの場合は例えば穴あき板
から成ることができる。該バーナーでは燃料１３は半径
方向にずらされて旋回流発生体２８の手前で混入され
る。バーナー系を安定化させるために、中央の供給管を
介してパイロット燃料２９がバーナー内へ導入される。
空気流は穿穴壁２４によって均等化されるばかりでな
く、該穿穴壁２４の後方における小スケールの乱流レベ
ルが高められるので、燃料と燃焼空気との均質な混合が
生じ、ひいては前述の利点が得られることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】空気が穿穴壁を介して均等に流入する場合
（ａ）と穿穴壁を介して不均等に流入する場合（ｂ）の
流動プロフィール並びに気流が斜向して到達する場合の
流入空気の速度関数を表す概略図（ｃ）である。
【図２】ダブルコーン形予混合式バーナーの斜視図であ
る。
【図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】本発明による気流整流器を備えた図２の予混合
式バーナーの部分縦断面図である。
【図７】図６に示した半径方向から流れが到達する場合
の気流整流器の作用態様の詳細図である。
【図８】図６のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った断面図で
ある。
【図９】気流整流器を備えた軸方向から流れが到達する
予混合式バーナーの部分縦断面図である。
【符号の説明】
１，２ 部分円錐体、 １ａ，２ａ 円筒形始端部
分、 １ｂ，２ｂ部分円錐体の対称縦軸線、 ３ 噴
霧ノズル、 ４ 燃料霧滴スプレー、５ 燃焼室、
６ 逆流ゾーン（渦流崩壊）、 ７ 着火面（前
炎）、８，９ 燃料供給導管、 １０ フロントプ
レート、 １１ フロントプレート内のポート、 １
２ 液状燃料、 １３ 別の燃料（大抵はガス状燃
料）、 １４ バーナーの内室、 １５ 空気又は
燃焼空気、 １６ 燃焼空気にガス状燃料を混加する
状態を表す矢印、 １７ ポート、 １８バーナーつ
まり予混合式バーナー、 １９，２０ 接線方向の空
気流入スロット、 ２１ａ，２１ｂ バッフルプレー
ト、 ２２ バーナー下流側の燃焼室、 ２３ 旋
回支点、 ２４ 穿穴バスケット又は穿穴壁、 ２５
穴、 ２６ フード、 ２７ プレナム室、
２８ 旋回流発生体、 ２９パイロット燃料、 ｄ
穴径、 ｔ 相互間隔、 ｓ 壁厚、 ｌ流走
長、 Ｖ1 穿穴壁前の垂直速度成分、 Ｖ2 穿穴
壁通流後の垂直速度成分、 Ｕ1 穿穴壁前の水平速
度成分、 Ｕ2 穿穴壁通流後の水平速度成分、 β1
穿穴壁前の垂直速度成分と速度合力との成す角度、
β2 穿穴壁通流後の垂直速度成分と速度合力との
成す角度
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トーマス ツィーラー スイス国 エンネトバーデン リューテネ ンヴェーク 52

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃焼空気（１５）の流動方向で見てバー
    ナー（１８）の手前に配置されたプレナム室（２７）か
    らか又は該バーナーをめぐって配置されたプレナム室
    （２７）から燃焼空気（１５）を前記バーナー（１８）
    内へ流入させ、かつ該バーナー（１８）を通流する途上
    で該燃焼空気に燃料（１２，１３）を混加する形式の、
    軸方向空気流入式又は半径方向空気流入式の予混合式バ
    ーナーにおいて、通流する燃焼空気（１５）を複数の細
    い規定のジェット噴流に分流して所定の流走長（ｌ）を
    経た後に該分流ジェット噴流を再び合流させる壁厚
    （ｓ）の穿穴構成部材（２４）が、プレナム室（２７）
    とバーナー（１８）との間に配置されており、前記穿穴
    構成部材（２４）に穿設された複数の穴（２５）が夫々
    穴径（ｄ）を有しかつ相互間隔（ｔ）で配設されてお
    り、しかも前記穿穴構成部材（２４）の壁厚（ｓ）と前
    記穴（２５）の穴径（ｄ）との比が≧１であり、かつ前
    記穿穴構成部材（２４）の通流面積と、バーナー型式に
    関連して可能な前記バーナー（１８）内への流入面積と
    の比が≧１であることを特徴とする、軸方向空気流入式
    又は半径方向空気流入式の予混合式バーナー。
  2. 【請求項２】 穿穴構成部材（２４）が、バーナー（１
    ８）をめぐって配置された穿穴バスケットである、請求
    項１記載の半径方向空気流入式の予混合式バーナー。
  3. 【請求項３】 穿穴構成部材（２４）が、バーナー（１
    ８）の手前で燃焼空気（１５）の流動方向に対して垂直
    に配置された穴あき板から成る穿穴壁である、請求項１
    記載の軸方向空気流入式の予混合式バーナー。
  4. 【請求項４】 流走長（ｌ）と穴（２５）の相互間隔
    （ｔ）との比が≧５である、請求項１から３までのいず
    れか１項記載の予混合式バーナー。
  5. 【請求項５】 壁厚（ｓ）と穴（２５）の穴径（ｄ）と
    の比が１．５である、請求項１から３までのいずれか１
    項記載の予混合式バーナー。
  6. 【請求項６】 穿穴構成部材（２４）の通流面積と、バ
    ーナー（１８）内への流入面積との比が１に等しい、請
    求項３記載の予混合式バーナー。
  7. 【請求項７】 接線方向の空気流入スロット（１９，２
    ０）を介して燃焼空気（１５）をバーナー（１８）内へ
    流入させる欧州特許第０３２１８０９号のダブルコーン
    型の予混合式バーナーであって、穿穴バスケット（２
    ４）の通流面積と、前記バーナー（１８）内への流入面
    積との比が１より大である、請求項２記載の予混合式バ
    ーナー。
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