JPH10110912A - 予混合バーナ - Google Patents
予混合バーナInfo
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- JPH10110912A JPH10110912A JP9266036A JP26603697A JPH10110912A JP H10110912 A JPH10110912 A JP H10110912A JP 9266036 A JP9266036 A JP 9266036A JP 26603697 A JP26603697 A JP 26603697A JP H10110912 A JPH10110912 A JP H10110912A
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23D—BURNERS
- F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
- F23D11/36—Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
- F23D11/40—Mixing tubes or chambers; Burner heads
- F23D11/402—Mixing chambers downstream of the nozzle
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN A CARRIER GAS OR AIR
- F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
- F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23D—BURNERS
- F23D17/00—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel
- F23D17/002—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel gaseous or liquid fuel
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- 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
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23D—BURNERS
- F23D2209/00—Safety arrangements
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- Gas Burners (AREA)
- Spray-Type Burners (AREA)
- Pressure-Spray And Ultrasonic-Wave- Spray Burners (AREA)
Abstract
出を抑制し、逆火の危険性を排除する予混合バーナを提
供する。 【解決手段】 内室18の下流側に、旋回流23によっ
て貫流される混合管21が接続されており、該混合管2
1が、横断面飛躍部を介して燃焼室31に移行してお
り、前記横断面飛躍部が、正面壁25によって形成され
ており、前記横断面飛躍部の平面の領域で逆流域32が
作用可能である。
Description
る内室と、燃料を供給するための手段とを備えた予混合
バーナであって、内室が、流れ方向に円錐状に延びた内
部体を有しており、内室を取り囲む周壁が、軸線方向に
延びかつ接線方向に配置された少なくとも1つの空気流
入通路によって貫通されており、該接線方向の空気流入
通路を通じて燃焼空気が内室に流入するようになってい
る形式のものに関する。
素化合物を有する燃料の燃焼時に、有害物質、特に窒素
酸化物の低い放出量を達成するために普及した方法であ
る。比較的新しい世代のガスタービンの場合にそうであ
るように特に高い圧力での燃焼時に、実験バーナを用い
て空気と燃料との混合品質を改良することによって、窒
素酸化物の放出を一層低減させることが可能であること
は種々の文献より知られている。しかしながら、このよ
うな実験バーナを機械テクノロジへ転用することは容易
に可能ではない。なぜならば、この場合には火炎安定化
および逆火安全性に関する厳しい要求が課せられるから
である。旋回流安定化される、機械に有効な汎用の予混
合バーナは、火炎域の直前しか燃料を燃焼空気に混入し
ない。
な手段を用いると火炎域までは空気と燃料との均一な混
合を達成することができないことが判った。混合時間を
延長させ、ひいては混合品質を改善するために燃料供給
部を上流側にずらすことは、これに伴う逆火危険性の理
由から、機械に有効なバーナにおいては不可能である。
トから、主として円筒状のチャンバから成るバーナが公
知であり、このバーナ自体は、接線方向に配置された複
数のスリットを有しており、このスリットを通じて燃焼
空気がチャンバ内部に流入する。これらのスリットの領
域においては、チャンバ内部への移行部で軸方向に一列
の燃料ノズルが作用し、これらの燃料ノズルを通じて有
利には気体燃料が、スリットを通流する燃焼空気に混加
される。さらに、チャンバの内室には円錐体が設けられ
ており、この円錐体は流れ方向にテーパしており、この
円錐体の先端部の領域には有利には液体燃料のための別
の燃料ノズルが設けられている。この円錐体の先端部の
下流側で燃焼空気が着火される。バーナの予混合区間の
外側で火炎を安定状態に保持するためには、チャンバも
しくは予混合区間における流れ自体が臨界超過でなけれ
ばならない。つまり、渦崩壊が生じないようにスワール
数が小さく形成されなければならない。臨界的なスワー
ル数は3つのパラメータ、すなわち、接線方向スリット
の幅を変化させること、チャンバの内室における円錐体
の角度を調整すること、ならびに旋回流を付与しても、
しなくとも中央の補助空気を添加することによって適正
な場所で達成することができる。しかしながら、スリッ
トの領域において燃料供給を行うことにより、スリット
自体の構成が著しく制限される。その上、空気と燃料と
の最適な均一な混合を直接に達成することができない。
このことは、特にバーナの端部に位置しひいては火炎面
の直接的な領域に位置し、その上これによってこの近接
のために潜在的な逆火危険性が存在するような燃料供給
部の場合に当てはまる。さらに、供給部から火炎までの
距離が短いために気体燃料も液体燃料も空気と十分に混
合されず、これにより火炎内に局部的な濃厚領域が生
じ、この領域が高いNOx放出およびより高い脈動を招
く。
のような問題が生じる。
題は、冒頭で述べたような形式の予混合バーナにおいて
前記不都合を排除することである。
に本発明の構成では、内室の下流側に、旋回流によって
貫流される混合管が接続されており、この混合管が、横
断面飛躍部を介して燃焼室に移行しており、前記横断面
飛躍部が、正面壁によって形成されており、前記横断面
飛躍部の平面の領域で逆流域が作用可能であるようにし
た。
ーナの構成はいまや旋回流発生器の唯一の機能を果た
し、この場合、この旋回流発生器の下流に混合管が配置
されている。この混合管の出口で初めて火炎域が形成さ
れる。
における流れが、渦崩壊を生じないように選択されるこ
とにある。旋回流発生器の下流に配置された混合管によ
り、火炎域がより下流へ移動させられ、空気/燃料混合
気がより良く混合される。次いで、旋回流発生器によっ
て誘発された渦流は、燃焼器への混合管の出口において
崩壊する。したがって、この箇所で逆流泡もしくは逆流
域が形成され、この逆流泡もしくは逆流域が火炎面の安
定を生ぜしめる。混合管の壁付近の領域(壁境界層)に
おける火炎逆火を阻止するために、混合管には膜形成孔
もしくはスリットが設けられており、これらの膜形成孔
もしくはスリットは境界層を吹き流して希薄化する。バ
ーナの中心部では、中心で補助空気が供給されることに
よって火炎逆火が阻止される。この補助空気は、全体的
に軸線方向に向けられていても、旋回を付与されていて
もよい。
ントにおいて燃焼器側に形成されており、逆流泡の拡大
によって火炎域の増幅と火炎の安定性の向上とを生ぜし
める。半径のサイズは、混合管内の流れに依存する。半
径のサイズは、流れが壁に接触し、これによりスワール
数が著しく増加されるように選択されている。半径を有
しない流れに比べていまや逆流泡は著しく拡大され、こ
のことが火炎面の最大限の安定性を生ぜしめる。
ーナフロント内の別の手段によって、有利にはバーナフ
ロントにおけるトーラス状の切欠きよって達することも
できることにある。
の構成は請求項2以下に示されている。
につき詳しく説明する。
のは全て省略した。媒体の流れ方向は矢印で示されてい
る。図面中、同一の部材は同一の符号で示されている。
めには、図1と図2とを同時に参照すると有利である。
さらに、図1を不必要に分かりにくくしないようにする
ために、接線方向の空気流入通路は概略的にしか示され
ていない。図1の説明では必要に応じて図2をも引用す
る。
器10と、この旋回流発生器10の下流側に配置された
混合区間20と、混合区間20に続いて働く燃焼器30
とから成っている。旋回流発生器10は、2つの中空の
部分シェル11,12から成っており、これらの部分シ
ェル11,12は、互いにずらされかつ互いに内外に入
り組まれている(図2参照)。各中心軸線または各長手
方向対称軸線11b,12bの相対的なずれ(図2参
照)に基づき、両側で鏡像対称的な配置で接線方向の各
1つの空気流入通路11a,12aが開放される。この
空気流入通路を通じて燃焼空気もしくは燃料/空気混合
物16が、両部分シェル11,12によって形成された
中空室18に流入する。前記長手方向対称軸線11b,
12bは互いに平行に延びていて、これにより接線方向
の両空気流入通路11a,12aが一定の流過横断面を
有していると有利である。この流過横断面は、必要に応
じて長手方向対称軸線の適宜な経過によって軸方向で互
いに規則的または不規則に減少または増大するように構
成されていてもよい。両部分シェル11,12自体は、
流れ方向で有利には円筒状に延びている。しかしなが
ら、両部分シェルは、中空室18の流過横断面を直接的
に誘発する別のジオメトリ上の構成をとることができ
る。たとえば、部分シェル11,12をベンチュリ管と
して形成することができる。これらの実施態様は当業者
にとって容易に推考し得るので図面には示していない。
旋回流発生器10を形成する部分シェルの数に関して言
えば、実施例から認められるような2つの部分シェルに
限定されるものではない。接線方向に配置された2つよ
りも多い空気流入通路が運転に応じて容易に可能であ
る。互いにずらされて配置された個々の部分シェルの代
わりに、1つのまとまった管も問題なく使用され得る。
この管の管壁には、接線方向に配置されたスリットが設
けられており、このスリットが接線方向の空気流入通路
を形成する。さらに、複数部分シェルを形成する場合に
は、必要に応じて個々のシェルを螺旋状に互いに入り組
ませることも可能である。
されており、この内部体13は、流れ方向にテーパして
おり、十分に尖った端部を有している。ほぼ接線方向の
空気流入通路とほぼ同じ長さを有する、この内部体13
の円錐形の構成は、図示した形状に限定されるものでは
ない。すなわち、この内部体13の外形状をディフュー
ザまたはコンフューザとして形成することも可能であ
る。接線方向で流入する燃焼空気16に関連して、この
内部体13の形成するための尺度は、旋回流発生器の出
口で規定のスワール数を得ることである。内部体13は
中心に孔19を有しており、この孔19を貫くように燃
料ランス14が引き通される。この燃料ランス14自体
は、内部体のほぼ先端にまで延びている。この燃料ラン
ス14を通じて有利には液体燃料が案内される。この液
体燃料の、中空室18への供給は、燃料ノズル17を介
して行われ、この燃料ノズル17は、運転のために適当
な燃料噴射角度を形成する。したがって、この燃料ノズ
ル17は、予混合バーナの実質的なヘッド段を形成して
いる。燃料ランス14は補助空気15で取り囲まれる。
この補助空気15は、燃焼器30で形成される火炎面を
安定化させるための、軸線方向の少なくとも1つの脈動
を生ぜしめる。さらに、この補助空気15は、予混合プ
ロセスの最適化、特に火炎面の局部的な安定化を高める
ために役立つ。この場合この補助空気は、戻された排ガ
スの部分量によって濃厚にされていてもよい。さらにこ
の補助空気を、別の空気/燃料混合物によって代えるこ
ともできる。既に旋回流発生器10の端部で逆流泡が形
成され得ないようにするためには、接線方向の流れによ
って形成される旋回流が臨界未満のままであることが重
要である。このことは様々の手段により達成することが
できるが、そのうちの1つの手段は接線方向の空気流入
通路11a,12aの流過横断面に関するものであり、
別の1つの手段はこの空気流入通路の数に関するもので
ある。この場合、内部体13の円錐状の経過は、前記手
段に対して相互依存的な役割を果たす。
の後、逆流域を形成することなしに、旋回流発生器10
の流出側に接続された混合区間20に流入する。この混
合区間20は、主として混合管21から成っている。こ
の混合管21は、旋回流発生器10の下流側で、規定さ
れた混合を実施する、つまり種々様々の燃料の完全な予
混合を得る、という条件を満たす。さらに、混合管2
1、すなわち混合管21の長さは、損失のない流れ案内
を可能にし、この場合、この混合管21は、軸線24に
沿って軸線方向速度分布の明瞭な最大値を有しており、
これにより燃焼器30からの火炎の逆火は不可能とな
る。ただし、このような配置構成の場合には、軸線方向
速度が混合管21の壁に向かって減少することを見落と
してはならない。逆火をこの領域においても阻止するた
めに、混合管21は、流れ方向および周方向で規則的に
または不規則に分配された複数の通流開口22を備えて
おり、これらの通流開口22は、横断面および流れ方向
の点で種々様々に形成されている。これらの通流開口2
2を通じて空気量が混合管の内部に流入し、内壁に沿っ
て膜を設置しながら、この場所に生ぜしめられる軸線方
向速度の増大を誘発し、かつこの領域における混合物を
希薄させる。同様の作用を得るための別の構成は、混合
管21の横断面に狭窄部を設け、これによりこの流れ区
間内の全体的な速度レベルを高めることにある。図示し
たように、通流開口22は孔として形成されており、こ
れらの孔22は、バーナ軸線24に対して鋭角の角度で
延びている。選択された手段の1つが、混合管21に沿
って旋回流23を案内する場合に許容できない圧力損失
を生ぜしめる場合には、混合管21の端部にディフュー
ザ(図示せず)を設けることによってこのような不都合
を排除することができる。
おり、この燃焼器30は、火炎管31によって概略的に
示されている。この場合、両流過横断面の間の移行部
は、横断面飛躍部により特徴付けられている。さらにこ
の移行部は正面壁25によって形成され、この正面壁2
5は、端面側で燃焼室に向くように配置されていて、複
数の開口を有しており、これらの開口を通じて空気量が
直接に横断面飛躍部の縁部領域に流入する。横断面飛躍
部の平面内で初めて中央の逆流域32が形成され、この
逆流域32は、実体のない保炎器の特性を発揮する。運
転中に横断面飛躍部内で、この場所に生ぜしめられる負
圧に基づき渦流剥離が起きる流れ縁部域が形成される
と、このことは逆流域32のリング安定化を増幅させ
る。逆流域32の別の増幅は、バーナフロントを介して
導入された空気26の供給によって達成される。さら
に、逆流域32の別の増幅は、バーナ正面壁に燃焼器側
でいわゆる剥離縁部(図3参照)またはトーラス状の切
欠きを設けることによって達成される。
される臨界未満の旋回流に基づき渦崩壊が形成され、こ
の渦崩壊が逆流域32を誘発する。着火はこの逆流域3
2の先端部において行われる。つまり、この箇所におい
てしか安定した火炎面は形成され得ない。予混合バーナ
の混合管21へ火炎が逆流する危険(公知先行技術によ
る予混合区間においては常に潜在的に存在しているが、
公知先行技術では複雑な実体のある保炎器を用いてこの
危険を排除しようとしている)は、上で述べた理由から
懸念する必要はない。燃焼空気16が予熱されている
か、または選択された媒体の1つ、有利には戻された排
ガスで濃度増加されていると、このことはヘッド段を介
して供給される液体燃料の蒸発を助成する。
分シェル11,12の配置構成が概略的に示されてい
る。当然ながら、両部分シェル11,12はこの平面に
沿って互いに相対的に移動可能でもある。すなわち、両
接線方向の空気流入通路11a,12aの領域で両部分
シェルのオーバラップを実施することが容易に可能であ
る。さらに、両部分シェル11,12を、互いに逆向き
に回転する運動によって螺旋状に互いに内外に入り組ま
せることも可能である。したがって、接線方向の空気流
入通路11a,12aの形状および大きさを、旋回流発
生器10からのスワール数およびスワール強度がその都
度の状況に適合され得るように変化させることができ
る。接線方向の空気流入通路11a,12aは、それぞ
れ供給通路(図示せず)の流出開口を形成している。接
線方向の空気流入通路の領域には別の燃料ノズルが設け
られており、この燃料ノズルを通じて有利には気体燃料
16が供給される。このような燃料供給部の構成は、ヨ
ーロッパ特許第0321809号明細書から明らかであ
るので、詳しい説明は省略する。
説明した剥離縁部Aが示されている。混合管21の流過
横断面の端部には、正面壁25に移行する移行半径Rが
設けられており、この移行半径Rの大きさは、原則的に
混合管21内の流れに関連している。この移行半径R
は、流れが壁に接触して、スワール数を著しく増大させ
るように設定される。量的には、移行半径Rの大きさ
は、混合管21の流過直径dの>10%になるように設
定することができる。曲率半径を有しない流れに比べ
て、逆流域は著しく増大する。この移行半径は混合管2
1の流出平面にまで延びており、この場合、曲率半径の
始端部と終端部との間の円弧角度βは<90゜である。
円弧角度βの一方の辺に沿って、剥離縁部Aは混合管2
1の内部へ引き込まれており、これによって剥離縁部A
の前方の点に対して剥離段Sを形成しており、この剥離
段Sの深さは>3mmである。当然ながら、この場合に
混合管21の流出平面に対して平行に延びる縁部を、湾
曲させられた所定の経過によって再び流出平面段にもた
らすこともできる。剥離縁部Aの接線と、混合管21の
流出平面に対する垂線との間に形成される角度β′は、
円弧角度βと同じ大きさである。正面壁25におけるこ
のような構成の利点は、既に説明した通りである。逆流
域の安定化のための剥離縁部は、正面壁に燃焼室側の凹
状の切欠きを設けることによっても達成することができ
る。
る予混合バーナを示す縦断面図である。
1a,12a 空気流入通路、 11b,12b 長手
方向対称軸線、 13 内部体、 14 燃料ランス、
15 補助空気、 16 燃焼空気または燃料/空気
混合気、 17燃料ノズル、 18 中空室、 20
混合区間、 21 混合管、 22通流開口、 23
旋回流、 24 軸線、 25 正面壁、 26 空
気、30 燃焼器、 31 火炎管、 32 逆流域、
A 剥離縁部、 R 移行半径、 d 流過直径、
β 円弧角度、 S 剥離段、 β′ 角度
Claims (15)
- 【請求項1】 旋回流安定化される内室と、燃料を供給
するための手段とを備えた予混合バーナであって、内室
が、流れ方向に円錐状に延びた内部体を有しており、内
室を取り囲む周壁が、軸線方向に延びかつ接線方向に配
置された少なくとも1つの空気流入通路によって貫通さ
れており、該接線方向の空気流入通路を通じて燃焼空気
が内室に流入するようになっている形式のものにおい
て、内室(18)の下流側に、旋回流(23)によって
貫流される混合管(21)が接続されており、該混合管
(21)が、横断面飛躍部を介して燃焼室(31)に移
行しており、前記横断面飛躍部が、正面壁(25)によ
って形成されており、前記横断面飛躍部の平面の領域で
逆流域(32)が作用可能であることを特徴とする、予
混合バーナ。 - 【請求項2】 内部体(13)が、少なくとも1つの燃
料ランス(14)によって貫通されており、該燃料ラン
スの燃料ノズル(17)が、内部体(13)の先端領域
に配置されている、請求項1記載の予混合バーナ。 - 【請求項3】 燃料ランス(14)が、内部体(13)
に同心的に配置されている、請求項2記載の予混合バー
ナ。 - 【請求項4】 燃料ランス(14)が、空気流(15)
によって取り囲まれている、請求項2記載の予混合バー
ナ。 - 【請求項5】 内部体(13)が、ディフューザの形状
を有している、請求項1記載の予混合バーナ。 - 【請求項6】 内部体(13)が、コンフューザの形状
を有している、請求項1記載の予混合バーナ。 - 【請求項7】 内室(18)を取り囲む周壁が、円筒状
またはほぼ円筒状である、請求項1記載の予混合バー
ナ。 - 【請求項8】 内室(18)を取り囲む周壁によって形
成された流過横断面が、流れ方向にベンチュリ区間の形
状を有している、請求項1記載の予混合バーナ。 - 【請求項9】 内室(18)を取り囲む周壁が、相互に
ずらされて互いに内外に入り組まれた少なくとも2つの
部分シェル(11,12)から成っており、該部分シェ
ル(11,12)の互いに隣接した壁が、その長手方向
延在長さに沿って、燃焼空気を貫流させるための接線方
向の空気流入通路(11a,12a)を形成している、
請求項1記載の予混合バーナ。 - 【請求項10】 部分シェル(11,12)が、螺旋状
に互いに内外に入り組まれている、請求項9記載の予混
合バーナ。 - 【請求項11】 接線方向の空気流入通路(11a,1
2a)の領域で、該空気流入通路の延在長さに沿って、
別の燃料ノズル(18)が配置されている、請求項9記
載の予混合バーナ。 - 【請求項12】 混合管(21)が、流れ方向および周
方向に該混合管(21)の内部に空気流を供給するため
の通流開口(22)を備えている、請求項1記載の予混
合バーナ。 - 【請求項13】 通流開口(22)が、バーナ軸線(2
4)に対して鋭角の角度で延びている、請求項12記載
の予混合バーナ。 - 【請求項14】 正面壁(25)が、剥離縁部(A)を
有しており、該剥離縁部(A)が、混合管(21)の流
出平面の領域に位置する移行半径(R)と、混合管(2
1)の流出平面から半径方向で段付けされた剥離段
(S)とから成っている、請求項1記載の予混合バー
ナ。 - 【請求項15】 移行半径(R)が、混合管(21)の
内径の>10%であり、剥離段(S)が、>3mmの深
さを有している、請求項14記載の予混合バーナ。
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