JPH09184605A - 熱発生器のための前混合バーナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 炎を安定化させることができ、しかも最大の
効率と最小の有害物質放出とを兼ね備えた前混合バーナ
を提供する。 【解決手段】 熱発生器のための前混合バーナであっ
て、主として、流れ方向において互いに内外に配置され
た少なくとも２つの中空円錐形の部分体から成ってお
り、これらの部分体の各長手方向対称軸線が互いにずら
されて延びていて、部分体の隣接した壁がその長手方向
において、部分体によって形成された円錐中空室内に燃
焼空気を貫流させるための接線方向の空気流入スロット
を形成しており、しかも円錐中空室内に少なくとも１つ
の燃焼ノズルが配置されている形式のものにおいて、燃
料ノズル１０３が、前混合バーナ１００の部分体１０
１，１０２によって生ぜしめられた円錐始端部１２５に
対して、所定の区間１２６だけ上流に向かってずらされ
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱発生器のための
前混合バーナであって、主として、流れ方向において互
いに内外に配置された少なくとも２つの中空円錐形の部
分体から成っており、これらの部分体の各長手方向対称
軸線が互いにずらされて延びていて、部分体の隣接した
壁がその長手方向において、部分体によって形成された
円錐中空室内に燃焼空気を貫流させるための接線方向の
空気流入スロットを形成しており、しかも円錐中空室内
に少なくとも１つの燃焼ノズルが配置されている形式の
ものに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えばヨーロッパ特許第３２１８０９号
明細書に前混合バーナ（Vormischbrenner）として記載
されている渦流安定化されたバーナにおいて、バーナ軸
線に沿って液体燃料が噴射される場合、燃料ノズルから
下流に形成される液体ピラーは、前混合バーナの内室に
接線方向で流入する燃焼空気流に対して、特に噴射部の
下流における第１の範囲において、固体のように作用す
る。液体燃料噴射なしの流れに対して、バーナヘッドに
おける燃焼空気流入は阻止され、これによって、形成さ
れる渦流（Drallstroemung）の接線方向成分は強化され
る。これによって炎ポジションは変化し、炎ポジション
はさらに上流に移動する。接線方向の空気流入スロット
に沿ってさらに燃料が噴射されると、このような燃料噴
射の運転は最高に危険になる。なぜならば、この範囲に
おいて作用する炎前面は、無条件にシステムへのフラッ
シュバックを生ぜしめるからである。さらに炎中心が富
もしくはリッチになり、これによって、このような前混
合バーナの運転には種々様々な不都合が生じる。このよ
うな運転では、種々様々な欠点を見出すことができる。
これらの欠点は、完全に数え上げたわけではないが、以
下のように把握することができる： ａ） フラッシュバックのおそれが増大し、これによっ
て、前混合バーナの部分が容易に燃え尽きてしまうこと
になる。そしてこのようなことが起きると、燃えてぼろ
ぼろに崩れる部分が機械の重大な故障を引き起こすほど
の危険ポテンシャルが発生する； ｂ） 液体燃料を用いた最適な炎ポジションにおける運
転は、安全性の理由から幅広く設計することが許され
ず、したがって前混合バーナは小さな運転範囲しか有す
ることができない； ｃ） 上に述べた理由から、スプレイ円錐と燃焼空気流
との間における一体的な完全な混合を最初から得ること
は不可能であり、これによって無条件に、ＮＯｘ放出が
高まる； ｄ） 不均一な混合物分布によってさらに、高められた
有害物質放出と脈動の発生という別の欠点が発生する； ｅ） 確実かつ効果的な燃焼のための最適な流れ条件か
らの大きな偏差が見出される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ゆえに本発明の課題
は、冒頭に述べた形式の前混合バーナを改良して、炎を
安定化させることができ、しかも最大の効率と最小の有
害物質放出とを兼ね備えた前混合バーナを提供すること
である。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明の構成では、燃料ノズルが、前混合バーナの部
分体によって生ぜしめられた円錐始端部に対して、所定
の区間だけ上流に向かってずらされているようにした。

【０００５】

【発明の効果】本発明の主要な処置は、ヘッド側の燃料
ノズルの箇所に対するものであり、この燃料ノズルは、
燃焼空気の流入部に対して規定された区間だけ上流に向
かって後退させられ、この場合この区間は選択されたス
プレイ角度に依存している。燃料ノズルがこのように後
方にもしくは上流にずらされていることによって、燃料
ノズルの開口は、不動の周壁の範囲に位置することにな
り、これによってこの範囲において同時に半径方向にノ
ズル開口の周囲に複数の開口を設けることが可能にな
り、これらの開口を通してフラッシング空気が、燃料ノ
ズルから噴射された燃料横断面に流入する。これらの開
口の流過横断面は次のように、すなわち気体燃料運転に
おいて、これらの開口を通って流れる空気質量流が、逆
流ゾーンをさらに下流にシフトさせるのに十分ではない
ように、選択される。液体燃料運転では、燃料スプレイ
は事実上噴流ポンプとして作用し、これによって前記開
口を通る空気質量流は高められる。このことによって、
逆流ゾーンをさらに下流にシフトさせる軸方向における
より大きなインパルスが生ぜしめられる。

【０００６】本発明の別の利点としては次のことが挙げ
られる。すなわち本発明のように構成されていると、燃
料ノズルの後退によって、大きな円錐半径を備えた燃料
スプレイが主流に、つまり、接線方向の空気流入スロッ
トを通って流れる燃焼空気に進入するようになる。燃料
スプレイはこの平面において既にフィルムから液滴に分
解しており、この燃料スプレイの円錐周面は、接線方向
の空気流入スロットから到来する燃焼空気の範囲への進
入時に、３倍大きくなる。これによって燃料スプレイの
拡散が改善され、燃焼空気の流入が損なわれることはな
くなる。

【０００７】さらにまた、燃料ノズルの範囲において開
口を通して吸い込まれる空気質量流は、円錐内先端（Ke
gelinnenspitze）の濡れもしくはウエッティングを阻止
する。それというのはこの空気質量流は、燃料スプレイ
と壁との間におけるフィルムとして存在し、特に燃料ス
プレイの開放角度を規定するからである。そしてこの燃
料スプレイの開放角度は、大きな負荷範囲にわたってコ
ンスタントである。

【０００８】本発明のさらに別の大きな利点としては次
のことが挙げられる。すなわち本発明の構成によれば、
燃料ノズルの範囲における空気質量流のための開口横断
面を変化させることによって、逆流ゾーン、ひいては炎
ポジションに対して運転中に直接影響を与えることがで
きる。

【０００９】

【発明の実施の形態】次に図面につき本発明の実施の形
態を説明する。

【００１０】なお図面及び以下の説明において、本発明
の直接的な理解のために必要でないエレメントはすべて
省かれている。また同一部材に対しては、すべての図面
において同一符号が付けられており、また媒体の流れ方
向は、矢印で示されている。

【００１１】図１には、後で図２〜図５を参照しながら
さらに詳しく述べる前混合バーナが概略的に示されてい
る。主として図１には、中央に配置された燃料ノズル１
０３が示されており、この燃料ノズル１０３は、円錐形
の流過横断面の始端部１２５に対して上流側に後退させ
られており、この場合区間１２６は、選択されたスプレ
イ角度１０５に依存している。燃料ノズル１０３が上述
のように後退させられていることによって、燃料ノズル
１０３の開口１０４は、ヘッド側の固定の周壁１０１
ａ，１０２ａの範囲に位置することになる。燃料ノズル
１０３の後退によって発生する燃料スプレイ１０５は、
比較的大きな円錐半径で、前混合バーナの内室１１４に
流入する燃焼空気の主流によって覆われた範囲に進入
し、この結果燃料スプレイ１０５はこの範囲において、
もはや固定のコンパクトな物体としての特性を失い、既
に液滴へと分解しており、したがって燃焼空気流によっ
て容易に貫通されることができる。燃料スプレイ１０５
への燃焼空気１１５の流入は、したがって燃料噴射（Br
ennstoffeinduesung）のコンパクトさによってもはや妨
げられず、このことは混合品質に対してポジティブに作
用する。それというのはこの場合、燃料スプレイ１０５
は燃焼空気によってより容易に貫通されることができる
からである。さらに燃料スプレイ-開口１０４の平面の
範囲においては、半径方向又はほぼ半径方向に配置され
た複数の開口１２４が設けられており、これらの開口１
２４を通してフラッシング空気（Spuelluft）が、燃料
ノズル１０３のサイズによって噴射された横断面に流入
する。これらの開口１２４の流過横断面は次のように、
すなわち、これらの開口１２４を通って流れる空気質量
流が気体燃料運転において、逆流ゾーン（図２の符号１
０６参照）をさらに下流にシフトさせるのに十分ではな
いように、選択される。液体燃料運転においては燃料ス
プレイ１０５は、事実上噴流ポンプとして作用し、これ
によって前記開口１２４を通る空気質量流は、高められ
る。このことはより大きな軸方向インパルスを生ぜし
め、このインパルスは逆流ゾーンをさらに下流にシフト
させ、これは火炎のフラッシュバックに対する良好な処
置として作用する。略示された円錐形の部分体１０１，
１０２については、図２〜図５を参照しながら説明す
る。図２〜図５においては、接線方向の空気流入スロッ
ト１１９，１２０の輪郭及び作用形式についてもより詳
しく述べる。

【００１２】前混合バーナ１００の構造をよりよく理解
するために、図２と同時に図３〜図５に示された個々の
断面図を参照すると有利である。さらに図２を分かり易
くするために、図２においては図３〜図５に示されたガ
イドプレート１２１ａ，１２１ｂは単に略示されてい
る。以下においては図２について記載しながら、必要に
応じて残りの図面つまり図３〜図５を参照する。

【００１３】図２に示された前混合バーナ１００は、互
いに内外にずらされて配置された中空円錐形の２つの部
分体１０１，１０２から成っている。円錐形の部分体１
０１，１０２の各中心軸線もしくは長手方向対称軸線１
０１ｂ，１０２ｂ相互のずれは、鏡像的な配置形式で両
側において、各１つの接線方向の通路又は空気流入スロ
ット１１９，１２０を開放形成し（特に図３〜図５参
照）、これらの空気流入スロット１１９，１２０を通し
て燃焼空気１１５が前混合バーナ１００の内室につまり
円錐中空室１１４に流入する。図示された部分体１０
１，１０２の流れ方向における円錐形状は、規定された
一定の角度を有している。もちろん、運転使用形式に応
じて、部分体１０１，１０２は流れ方向において、トラ
ンペットもしくはディフューザのように増大する円錐傾
斜を有することも又はチューリップもしくはコンフュー
ザのように減少する円錐傾斜を有することもできる。こ
のような両方の形状は、当業者ならば容易に理解するこ
とができるので、図面には示されていない。円錐形の両
部分体１０１，１０２は各１つの円筒形の始端部分１０
１ａ，１０２ａを有しており、両始端部分１０１ａ，１
０２ａは、円錐形の部分体１０１，１０２と同様に、互
いにずらされて延びているので、接線方向の空気流入ス
ロット１１９，１２０を前混合バーナ１００の全長にわ
たって得ることができる。円筒形の始端部分の範囲には
燃料ノズル１０３が設けられており、この燃料ノズル１
０３は、図１を参照しながら既に詳しく述べたように、
円錐内先端（Kegelinnenspitze）に対して後退させられ
ている。この燃料ノズル１０３の噴射容量及び形式は、
各前混合バーナ１００の所定されたパラメータに基づい
て、設定されている。もちろん前混合バーナを純然たる
円錐形に、つまり円筒形の始端部分１０１ａ，１０２ａ
なしに、ただ１つの接線方向の空気流入スロットを備え
たただ１つの部分体から構成することも、又は２つより
も多くの部分体から構成することも可能である。円錐形
の部分体１０１，１０２はさらに各１つの燃料導管１０
８，１０９を有しており、これらの燃料導管１０８，１
０９は、接線方向の空気流入スロット１１９，１２０に
沿って配置されており、かつ複数の噴射開口１１７を備
えている。そしてこれらの噴射開口１１７を通して、気
体燃料１１３が、そこを貫流する燃焼空気１１５内に噴
射される（矢印１１６参照）。これらの燃料導管１０
８，１０９は有利には、遅くとも接線方向の流入部の端
部に、つまり円錐中空室１１４の入口の前に配置されて
おり、このようになっていると、最適な空気／燃料混合
物を得ることができる。燃焼室１２２の側において前混
合バーナ１００の出口開口は、複数の孔１１０ａが設け
られている前壁１１０に移行する。この前壁１１０にお
けるこれらの孔１１０ａは、必要とあらば、希釈空気又
は冷却空気１１０ｂを燃焼室１２２の前方部分に供給す
るために働く。さらに、この空気供給は前混合バーナ１
００の出口における炎の安定化のためにも役立つ。この
ような炎の安定化は、半径方向における扁平化に基づい
て炎のコンパクトさを支持することが問題であるような
場合に、重要である。燃料ノズル１０３を通してもたら
される燃料は、有利には液体燃料１１２であるが、この
場合気体燃料を使用することも可能である。また必要と
あらば、これらの燃料に再循環された排ガスを加えて富
の状態（リッチ）にすることも可能である。燃料ノズル
１０３から噴射された液体燃料１１２は、はっきりとし
た円錐形の燃料スプレイ１０５を形成し、この燃料スプ
レイ１０５は、接線方向に流入する回転する燃焼空気１
１５によって取り囲まれる。軸方向において、燃料１１
２のコンセントレーションは、既に述べた燃料ノズル１
０３のずれによっても、迅速にかつ連続的に、流入する
燃焼空気１１５によって分解され、最適な混合物が形成
される。前混合バーナ１００が気体燃料１１３によって
運転される場合には、これは有利にはノズル１１７を介
して行われ、この場合この燃料／空気混合物の形成は、
円錐中空室１１４への空気流入スロット１１９，１２０
の移行部において即座に達成される。燃料ノズル１０３
を介して行われる液体燃料１１２の噴射は、ヘッドステ
ージの機能を果たす。すなわちこれは通常、始動運転時
及び部分負荷運転時に行われる。もちろん、このヘッド
ステージを介して、液体燃料による基本負荷運転も可能
である。前混合バーナ１００の端部においては、一方で
は横断面にわたって最適かつ均一な燃料コンセントレー
ションが調節され、かつ他方では臨界的な渦巻き数（Dr
allzahl）が調節される。次いでこの臨界的な渦巻き数
は、そこにおける横断面の拡大と共働して、渦流破裂
（Wirbelaufplatzen）を生ぜしめ、かつ同時にまたそこ
において逆流ゾーン１０６をも形成する。点火はこの逆
流ゾーン１０６の先端において行われる。この箇所にお
いて初めて、安定した炎前面１０７が生じる。前混合バ
ーナ１００の内部への炎のフラッシュバック（このよう
なフラッシュバックは公知の前混合区間においても潜在
的に存在しており、公知の前混合区間では複雑な保炎バ
ッフル（Flammenhalter）を用いてこのようなフラッシ
ュバックを阻止することが試みられている）は、ここで
は生じるおそれがない。燃焼空気１１５が付加的に予加
熱されるか、又は再循環された排ガスが加えられると、
このことは、燃焼ゾーンに達する前において、使用され
る液体燃料１１２の気化を持続的に助成する。同様なこ
とは、導管１０８，１０９を介して気体燃料の代わりに
液体燃料が供給される場合においても言える。円錐形の
部分体１０１，１０２をその円錐角や接線方向の空気流
入スロット１１９，１２０の幅に関して構成する場合に
は、逆流ゾーン１０６を備えた燃焼空気１１５の所望の
流れ領域が前混合バーナの出口において生じることを可
能にするために、狭い限界範囲が維持されねばならな
い。一般的には次のように言うことができる。すなわち
この場合、接線方向の空気流入スロット１１９，１２０
を小さくすると、逆流ゾーン１０６はさらに上流に向か
ってシフトされ、これによっていずれにせよ混合物は早
期に点火されることになる。いずれにせよ明らかなの
は、一度固定された逆流ゾーン１０６はそれ自体位置安
定的であるということである。それというのは、渦巻き
数は流れ方向において前混合バーナ１００の円錐形の範
囲において増大するからである。前混合バーナ１００の
内部における軸方向速度は、軸方向の燃焼空気流の図示
されていない相応な供給によって変化可能である。前混
合バーナ１００の構造はさらに、接線方向の空気流入ス
ロット１１９，１２０のサイズを変えるのに有利に適し
ており、これによって前混合バーナ１００の構造長さを
変化させることなしに、比較的大きな運転領域を得るこ
とができる。さらにまた、円錐形の部分体１０１，１０
２を螺旋状に互いに内外に配置することも可能である。

【００１４】図３〜図５には、ガイドプレート１２１
ａ，１２１ｂの幾何学的な輪郭形状が示されている。こ
れらのガイドプレート１２１ａ，１２１ｂは、流れ導入
機能を有しており、ガイドプレート１２１ａ，１２１ｂ
はその長さに応じて、円錐形の部分体１０１，１０２の
それぞれの端部を燃焼空気１１５に対する流れ方向にお
いて延長している。円錐中空室１１４への燃焼空気１１
５の導入は、円錐中空室１１４内への通路の入口範囲に
おける旋回ポイント１２３を中心にした、ガイドプレー
ト１２１ａ，１２１ｂの開閉によって最適化することが
できる。このような構成は特に、接線方向の空気流入ス
ロット１１９，１２０の元々の間隙寸法が変えられる場
合に、必要である。もちろんこの動的な処置は静的に行
うことも可能であり、この場合には、必要に応じたガイ
ドプレートが円錐形の部分体１０１，１０２と共に不動
の構成部分を形成する。同様に前混合バーナ１００をガ
イドプレートなしに運転することも可能であるし、又は
そのために別の補助手段を設けることも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】燃料スプレイの位置が示された本発明による前
混合バーナを示す概略図である。

【図２】本発明による前混合バーナを一部破断して示す
斜視図である。

【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った前混合バーナ
の断面図である。

【図４】図２のＩＶ−ＩＶ線に沿った前混合バーナの断
面図である。

【図５】図２のＶ−Ｖ線に沿った前混合バーナの断面図
である。

【符号の説明】

１００ 前混合バーナ、 １０１，１０２ 部分体、
１０１ａ，１０２ａ始端部分、 １０１ｂ，１０２ｂ
長手方向対称軸線、 １０３ 燃料ノズル、１０４ 燃
料スプレイ-開口、 １０５ スプレイ角度（燃料スプ
レイ）、１０６ 逆流ゾーン、 １０７ 炎前面、 １
０８，１０９ 燃料導管、 １１０ 前壁、 １１０ａ
孔、 １１２ 液体燃料、 １１３ 気体燃料、 １
１４ 円錐中空室、 １１５ 燃焼空気、 １１７ 噴
射開口、 １１９，１２０空気流入スロット、 １２１
ａ，１２１ｂ ガイドプレート、 １２２ 燃焼室、
１２３ 旋回ポイント、 １２４ 開口、 １２５ 始
端部、 １２６区間

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱発生器のための前混合バーナであっ
   て、主として、流れ方向において互いに内外に配置され
   た少なくとも２つの中空円錐形の部分体から成ってお
   り、これらの部分体の各長手方向対称軸線が互いにずら
   されて延びていて、部分体の隣接した壁がその長手方向
   において、部分体によって形成された円錐中空室内に燃
   焼空気を貫流させるための接線方向の空気流入スロット
   を形成しており、しかも円錐中空室内に少なくとも１つ
   の燃焼ノズルが配置されている形式のものにおいて、燃
   料ノズル（１０３）が、前混合バーナ（１００）の部分
   体（１０１，１０２）によって生ぜしめられた円錐始端
   部（１２５）に対して、所定の区間（１２６）だけ上流
   に向かってずらされていることを特徴とする、熱発生器
   のための前混合バーナ。
2. 【請求項２】 接線方向の空気流入スロット（１１９，
   １２０）の範囲において、該空気流入スロットの長手方
   向に、別の燃料ノズル（１１７）が配置されている、請
   求項１記載の前混合バーナ。
3. 【請求項３】 円錐中空室内に配置された燃料ノズル
   （１０３）が液体燃料（１１２）によって運転可能であ
   り、かつ接線方向の空気流入スロット（１１９，１２
   ０）の範囲に配置された燃料ノズル（１１７）が気体燃
   料（１１３）によって運転可能である、請求項１又は２
   記載の前混合バーナ。
4. 【請求項４】 部分体（１０１，１０２）が流れ方向に
   おいて、均一に増大する流れ横断面を形成している、請
   求項１記載の前混合バーナ。
5. 【請求項５】 部分体（１０１，１０２）が流れ方向に
   おいて、増大する円錐傾斜を有している、請求項１記載
   の前混合バーナ。
6. 【請求項６】 部分体（１０１，１０２）が流れ方向に
   おいて、減少する円錐傾斜を有している、請求項１記載
   の前混合バーナ。
7. 【請求項７】 部分体（１０１，１０２）が螺旋状に互
   いに内外に配置されている、請求項１記載の前混合バー
   ナ。
8. 【請求項８】 円錐中空室内に配置された燃料ノズル
   （１０３）がバーナ軸線上に配置されている、請求項１
   記載の前混合バーナ。
9. 【請求項９】 接線方向の空気流入スロット（１１９，
   １２０）の流過横断面が、バーナ（１００）の長手方向
   において減少している、請求項１記載の前混合バーナ。
10. 【請求項１０】 円錐中空室内に配置された燃料ノズル
    （１０３）の一部である噴射開口（１０４）の範囲にお
    いて、半径方向又はほぼ半径方向に配置された開口（１
    ２４）が設けられており、該開口（１２４）を通して空
    気質量流が、該燃料ノズル（１０３）の下流に形成され
    た流過横断面に流入可能である、請求項１記載の前混合
    バーナ。