(57)【要約】      （修正有）【課題】材料変更や断熱処置をせずに、熱応力を低減することのできる保炎器を提供する。【解決手段】燃料を炉内に供給するためのバーナガンを収納する内筒、外筒、それらを連結するリブ、リブ先端に結合される截頭円錐形部分（コーン）からなる構造であり、耐熱合金鋼を材料として作られた保炎器において、コーンをリブ結合部の中間位置で切断して適当な間隙を設ける。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を炉内に供給するためのバーナガンを収納する内筒、外筒、それらを連結するリブ、リブ先端に結合される截頭円錐形部分（以下、コーンと略称）からなる構造であり、耐熱合金鋼を材料として作られた保炎器において、コーンをリブ結合部の中間位置で切断して適当な間隙を設けたことを特徴とする保炎器。
【請求項２】
燃料を炉内に供給するためのバーナガンを収納する内筒、外筒、それらを連結するリブ、リブ先端に結合されるコーンからなる構造であり、耐熱合金鋼を材料として作られた保炎器において、コーンをリブ結合部の中間位置で切断して適当な間隙を設け、かつ、コーン部分のリブ結合際内周寄り位置に１個あるいは２個の円孔を設けたことを特徴とする保炎器。
【請求項３】
燃料を炉内に供給するためのバーナガンを収納する内筒、外筒、それらを連結するリブ、リブ先端に結合されるコーンからなる構造であり、耐熱合金鋼を材料として作られた保炎器において、リブをコーンとの結合際内縁から外縁内部方向に向けてリブ幅の１／３〜２／３相当深さと幅の切り込みを入れたことを特徴とする保炎器。
【請求項４】
コーンの切断部分の間隔がコーン底面半径の０．００５〜０．０２倍相当である請求項１の保炎器。
【請求項５】
コーンの切断部分の間隔がコーン底面半径の０．００５〜０．０２倍、円孔の直径がコーン斜面距離の０．０５〜０．２倍相当、円孔のコーン内縁からの離間距離およびリブからの離間距離および円孔相互の離間距離が円孔直径の０．５〜２．０倍相当である請求項２の保炎器
【請求項６】
コーン表面を耐高温酸化性に優れた合金あるいはセラミックで被覆した請求項１ないし５のいずれかの保炎器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は事業用、産業用ボイラーのバーナに適用される保炎器に関し、詳しくは、点消火に伴う熱疲労破壊を防止し、長期利用を可能にした保炎器のリブ先端に結合される截頭円錐形部分（コーンと略称する）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の保炎器は図４に示すように、内筒、外筒、それらを連結するリブ、リブ先端に結合されるコーンからなり、図に記載されていないガンが内筒に挿入され、燃料ガスあるいは霧化された石油が内筒中心から噴出され、燃焼を助ける空気は内筒と外筒の間を高速で通過し、外部に位置するコーンに衝突し、迂回する。コーンの先には気流の渦ができ、火炎がその位置に安定して保たれる。
【０００３】
コーンは火炎から強い輻射を受け、７００℃以上に加熱され、図５のように熱膨張しょうとする。一方、コーンを保持するリブ（通常は４〜６個）は内筒と外筒に連結され、概ね４００℃以下に保たれ、熱膨張は小さい。コーンの膨張あるいは収縮がリブによって抑制されるため、熱応力が発生し、図６のように高温で軟化したコーン側に集中して異常変形やき裂を生じる。
【０００４】
このため、
▲１▼特許文献１においては、図７のように７００℃の高温においても降伏しないセラミックを素材として分割したコーンをリブにボルト締結する方法を提案している。しかしながらボルト締結構造の高価格および緩みのため実用化されていない。
▲２▼特許文献２において、基材は従来と同じ耐熱合金としつつ、コーンを火炎輻射から遮蔽するために図８のようにセラミックスの溶射被覆を提案している。あわせてコーンを分割することも提案しているが、分割方法の詳細記述、効果の記述はない。同一人が約１０年後に剥離しにくい金属の溶射被覆を提案しているので、セラミック溶射被覆は剥離トラブルがあったと推察される。これは未だ実用化されていない。
▲３▼特許文献３では図９のようにコーンにクロム系の合金を溶射して高温酸化耐性を増すことおよび円周方向に溝を付け溶射材が剥離しない方法を提案している。試験用ボイラーで剥離の無いことを確認しているが、延命効果が少ないためか実用化されていない。
【０００５】
【特許文献１】
実公昭５９−１０８０１７号公報
【特許文献２】
実公昭６０−８１４４２号公報
【特許文献３】
特開平９−１６６３０５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
保炎器の変形とひび割れは、コーン部の過熱とリブの拘束の組み合わせが、材料に作用して軟化と熱応力の組み合わせを生じ、変形と疲労き裂となって機能を喪失するものである。従来技術▲１▼では軟化しない材料への変更、従来技術▲２▼では過熱防止、従来技術▲３▼では酸化防止を試みたが、それぞれ価格、性能、性能の点で問題を解決できなかった。
【０００７】
そこで、本発明は、材料変更や断熱処置をせずに、熱応力を低減することを課題としてなされたものである。
【０００８】
まず、現状の問題点を詳細に記述する。取り付けられた保炎器を炉内側から（正面から）から見ると、図４のようにコーンはその内表面が見える。例示した４枚リブの保炎器ではコーンの背後の０°位置や９０°位置などにリブがあり、コーンと結合されている。リブは幅が数十ｍｍ、厚さが約十ｍｍ、長さが数十ｍｍの４枚の板であり、その端面を正面に向けている。コーンを透かして見ると、端面が９０°毎に放射状に位置している。内外筒間に空気が流れるので、内外筒に結合されているリブは点火時にも昇温しない。一方、コーンは輻射熱が大きく、点火時に昇温する。
【０００９】
昇温時にコーンを拘束しなければ、図５のようにコーンは外側に（半径方向に）向けて拡大し、かつ、コーンの高さをます方向に（軸方向に）変形しようとする。実際には半径方向の移動がリブによって阻止され、コーンは昇温前の小さい半径のままで周方向に膨張するので、リブの中間地点（図中のＡ）でコーンを局部的に太らす方向に変形する。高温下で降伏し，永久変形となる。消火時には逆の応力が発生し、コーンを元来の形状に復帰させる（細らす）方向に変形するが、低温下で降伏しがたく，永久変形は少ない。点消火の繰り返しでコーンは局部的に太る方向に（背中を丸めるように）変形を増大してゆき、また、き裂を生じる。
【００１０】
詳細に見ると、コーンの高さを増す方向の変形もリブで阻止され、コーン上でリブに接する線に沿ってせん断応力が発生する。消火時には逆の応力が発生し、点消火に伴って繰返されるので、比較的小さいき裂が発生する。
そこで、本発明は、周方向伸縮の開放を第一の課題とし、軸方向（コーン斜面方向）の伸縮の開放を第二の課題とした。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
コーンが四枚のリブで保持された保炎器を例として大きい応力が発生しないようにするためにまず、広範囲の変形の齟齬を解消するための第一の手段について述べる。現状の保炎器を炉内側（正面）から見ると、コーンが同心円状に見え、背後にあるリブ（例えば０°位置のリブや９０°位置のリブなど）と結合されている。このような保炎器のコーンを結合の中間位置（例えば４５°位置など）で切断する。すなわちコーンを４片に分断し、切断部分に必要な間隙を設ける。すなわち、本発明は、燃料を炉内に供給するためのバーナガンを収納する内筒、外筒、それらを連結するリブ、コーンからなる構造であり、耐熱合金鋼を材料として作られた保炎器において、コーンをリブ結合部の中間位置で切断して適当な間隙を設けたことを特徴とする保炎器を要旨とする。
【００１２】
高温のより過酷な使用条件に適合させるためにはコーンとリブとの結合部分の局部的な応力の低減も必要であり、そのための第二の手段について述べる。コーン部分のリブ結合際内周寄り位置に円孔を設けることである。すなわち、本発明は、燃料を炉内に供給するためのバーナガンを収納する内筒、外筒、それらを連結するリブ、コーンからなる構造であり、耐熱合金鋼を材料として作られた保炎器において、コーンをリブ結合部の中間位置で切断して適当な間隙を設け、かつ、コーン部分のリブ結合際内周寄り位置に円孔を設けたことを特徴とする保炎器を要旨とする。
【００１３】
コーンを分断せずに広範囲の変形の齟齬を半減するための第三の手段について述べる。リブをコーンとの結合際内縁から外縁内部方向に向けてリブ幅の１／３〜２／３相当深さと幅の切り込みを入れることである。すなわち、本発明は、燃料を炉内に供給するためのバーナガンを収納する内筒、外筒、それらを連結するリブ、リブ先端に結合される截頭円錐形部分、以下コーンと略称、からなる構造であり、耐熱合金鋼を材料として作られた保炎器において、リブをコーンとの結合際内縁から外縁内部方向に向けてリブ幅の１／３〜２／３相当深さと幅の切り込みを入れたことを特徴とする保炎器を要旨とする。
【００１４】
【作用】
第一の手段によって、コーンの円周方向への膨張は開放される作用を以下で説明する。コーンはリブの中間位置で切断され、必要な間隙を持っている。本発明による保炎器の点火前の状態を、ギャップを誇張して図１０の上段に示す。０°位置のリブや９０°位置のリブに結合されたコーン片に着目する。
点火後の状態を図の下段に示す。リブは点火時にも昇温しないので、リブに結合されたコーン片の中心位置は変わらない。コーン片そのものは点火時に昇温膨張するため、コーン片の縁はそれぞれ４５°＋α、４５°−αの方向にせり出すが、予め十分な間隙が設けられているため、衝突しない。したがって、従来のような圧縮応力を発生しない。また、当該部分は屈曲自由であるから曲げ応力も発生しない。コーンの内周側および外周側の間の温度差に起因する熱応力は残留するが、降伏点よりも小さい応力である。
【００１５】
第二の手段によって結合部およびリブに生じる応力を半減する作用を以下で説明する。第一の手段によって四分断されたコーン上には点火時に図１１に示すように、リブの中心より部分を谷とするような温度分布が生じている。この状態では図１２（ａ）に示すように、リブの中心より部分の近傍に温度の等高線に直交する方向に圧縮応力を生じる。この応力は直下のリブにも大きい圧縮応力を生じる。この値はコーン外縁部分の温度が７００℃を超える使用条件では２００ＭＰａに達し、塑性ひずみを生じ、コーンを炉内側に向けて（コーンを内表面に向けて）変形させるようになる。１０００回以上の点消火の繰返しによりこの変形はミリオーダーとなり、気流の乱れを生じ、保炎器の効用を喪失させる可能性がある。コーン部分のリブ結合際内周寄り位置に円孔を設けると、熱応力（ひずみ起因の応力）が分断され、低減する。結果として直下のリブに生じていた引張り応力を低減し、塑性ひずみの発生を抑止する。
【００１６】
第三の手段によって、コーンの半径方向および円周方向への膨張を不十分ながら開放される作用を以下で説明する。図１３にダブルハッチングで示すように、リブにはコーンとの結合際内縁から外縁内部方向に向けてリブ幅の１／３〜２／３相当深さと幅の切り込みが入れられている。
リブは点火時にも昇温しないので最初の形状を保とうとするが、切り込みによって低剛性であり、コーンの底面方向に向かう膨張に不完全ながら追従する事ができる。コーンには若干の拘束による応力が発生するが、従来よりも小さい応力となる。
【００１７】
【実施例】
本発明の詳細を実施例で説明する。本発明は、これらの実施例によってなんら限定されるものではない。
【００１８】
実施例１
３０万ｋＷ級発電用ボイラーに本発明の保炎器を適用したところ、従来のような異常変形やき裂発生が抑止され、寿命が約５倍延伸されることをコンピュータシミュレーションで確認した経過を以下に述べる。本実施例の保炎器の外観スケッチを図１に示す。
保炎器は図１４に示すように、外径が１９１ｍｍ、内径が９１ｍｍ、傾きが６０°のコーンを持ち、４枚のリブで内外筒に接続されたものである。請求項１に従ってリブ中間位置を切断し、１ｍｍ（コーン底面半径の０．０１倍相当）のギャップを設けている。本実施例の材料特性を表１に示す。に材料は従来製品に用いられていたものと同じ耐熱合金鋼（商品名Ｕ５０Ｈ）である。表１に示すように、線膨張率、ヤング率は通常の鋼と同じであるが、降伏点は５００℃で１４８Ｎ／ｍｍ２と、高温でも硬い材料である。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
発電を開始して、約５分で３５０ＭＷの最大発電量に達し、１０時間後に停止するＤＳＳ運転時のバーナの温度が計測されている。最大出力発電の期間を５分に短縮してコンピュータシミュレーションを以下のように行った。
隣接バーナが一つ点火され（計測時刻９０秒）、点火が追加され（１８５秒）、自バーナが点火され（２６５秒）、終には消火される経過を反映するようにコーンに輻射熱を注入したところ、コーン部の表面の温度および裏面の温度は図１５のように経過した。この温度波形は実際の保炎器で測定した温度波形によく一致した。自バーナを点火して１０秒後（２７５秒）に最高温度に達している。
２７５秒経過時の温度分布は図１６に示すように、コーン上でリブから最も遠い位置で７３０℃、リブ直上位置で６４０℃、円筒に近いリブで３９０℃であった。
【００２１】
点消火１サイクルを経過する間に受けた相当塑性ひずみ累積値の分布を図１７に示す。従来品では図１８のようにコーン中央で大きいひずみが発生していたが、実施例１の保炎器はコーンが分断されているため、ひずみは殆ど発生しない。むしろコーンの内縁に接するリブ部分でやや大きく、塑性ひずみは０．１２％（従来は０．６７％）であった。疲労データを参照すると、このひずみがき裂を発生するのは１０００回後と判定された。従来保炎器では図１９のように２００回の点消火の後にき裂と異常変形を生じている。実施例１における保炎器のき裂限界寿命は従来品の５倍に延伸されたと言える。
【００２２】
なお、この点火時のコーン片は当該のリブを固定点として円周方向に０．４ｍｍ広がる。隣接のコーン片も同様に０．４ｍｍ広がるが、当初ギャップを１．０ｍｍとしているので、残余ギャップは０．２ｍｍある。すなわち衝突しない。なお、図２０のように１サイクル終了後にスリット面に１μｍ程度の開きが見られるが、繰り返しによる変形の増加は確認されなかった。よって従来の保炎器の変形限界は２００回であったので，実施例１の保炎器の変形限界寿命は５倍に延伸されている。
【００２３】
なお、０．５ｍｍ／年の高温酸化によりコーン肉厚１０ｍｍが半減する期間は１０年である。保炎器としてはき裂発生、異常変形、および肉厚半減のいずれもが使用制限となるので、実施例１の保炎器の寿命は点消火１０００回（従来の５倍）あるいは連続使用１０年と言える。
【００２４】
実施例２
３０万ｋＷ級発電用ボイラーのような過酷な使用条件（材料の耐熱性の限界に近い高温での利用）の下では実施例１における保炎器の寿命は従来品の５倍に留まった。さらに、寿命を延伸させるために，実施例２ではやや複雑な形状変更を加えた保炎器を試作し，適用した。その結果、従来のような異常変形やき裂発生がほとんどなく、寿命が約１０倍延伸されることをコンピュータシミュレーションで確認した経過を以下に述べる。
【００２５】
実施例２における保炎器の構造の大部分は実施例１（図１３）と同じである。ただし、図２に示したように、コーン部分のリブ結合際内縁近傍に直径１０ｍｍの円孔を付与している。材料は従来製品に用いられていたものと同じ耐熱合金鋼（商品名Ｕ５０Ｈ）で、材料特性は既に表１に示している。
【００２６】
隣接バーナが点火され、自バーナが点火され、強火から中火に調節される経過を反映するように輻射熱を加えたところ、実施例１と同じ温度波形（図１４）を得た。自バーナを点火１０秒後（計時開始後２７５秒）の温度分布も実施例１と同じ（図１５）である。
【００２７】
１サイクル終了後の相当塑性ひずみの累積値の分布を図２１に示す。実施例１と同じくコーンの内縁に接するリブ部分でひずみを生じるが、塑性ひずみの値は０．０８％（実施例１では０．１２％）と小さかった。疲労データを参照すると、このひずみがき裂を発生するのは１，６００回後と判定された。従来保炎器では２００回であるから、実施例の保炎器のき裂限界寿命は８倍に延伸されたと言える。
【００２８】
保炎器としてはき裂発生、異常変形、および肉厚半減のいずれもが使用制限となるので、実施例１の保炎器の寿命は点消火１６００回（従来の８倍）あるいは連続使用１０年と言える。
【００２９】
実施例３
３０万ｋＷ級発電用ボイラーに本発明の保炎器を適用したところ、従来のような異常変形やき裂発生が抑止され、寿命が約２倍延伸されることをコンピュータシミュレーションで確認した経過を以下に述べる。
【００３０】
図３に本実施例の保炎器の保炎器の断面図を示す。外観は先の図１４に示したように、外径が１９１ｍｍ、内径が９１ｍｍ、傾きが６０°のコーンを持ち、４枚のリブで内外筒に接続されたものであるが、請求項３に従って図３のようにリブをコーンとの結合際内縁から外縁内部方向に向けてリブ幅の２／３相当深さと幅の切り込みを入れている。材料は従来製品に用いられていたものと同じ耐熱合金鋼（商品名Ｕ５０Ｈ）である。
【００３１】
隣接バーナが点火され、自バーナが点火され、強火から中火に調節される経過を反映するように輻射熱を加えたところ、コーン部の温度波形および温度分布は実施例１（図１５、図１６）とほとんど同様であった。
【００３２】
１サイクル終了後の塑性相当ひずみ累積値の分布を図２２に示す。従来品では図１８のようにコーン中央で大きいひずみが発生していたが、実施例３の保炎器はリブが柔らかいため、塑性ひずみは０．３６％（従来は０．６７％）と半減した。疲労データを参照すると、このひずみがき裂を発生するのは４００回後と判定された。すなわち、実施例３における保炎器のき裂限界寿命は従来品の２倍に延伸されたと言える。
保炎器としてはき裂発生、異常変形、および肉厚半減のいずれもが使用制限となるので、実施例１の保炎器の寿命は点消火４００回（従来の２倍）あるいは連続使用１０年と言える。
【００３３】
【発明の効果】
以上，具体的に説明したように、本発明は燃料を炉内に供給するためのバーナガンを収納する内筒、外筒、それらを連結するリブ、リブ先端に結合される截頭円錐形部分、以下コーンと略称、からなる構造であり、耐熱合金鋼を材料として作られた保炎器において、
請求項１の発明では、コーンをリブ結合部の中間位置で切断して適当な間隙を設けたことにより、コーンのひずみは１／１００以下となり，リブ結合際のひずみは０．２倍となり，  亀裂発生や異常変形までの期間を５倍にすることができた。
請求項２の発明では、コーン部分のリブ結合際内周寄り位置に１個あるいは２個の円孔を設けたことにより、リブ結合際のひずみは０．１２倍となり、亀裂発生や異常変形までの期間を８倍にすることができた。
請求項３の発明では、リブをコーンとの結合際内縁から外縁内部方向に向けてリブ幅の１／３〜２／３相当深さと幅の切り込みを入れたことによりコーン部分のリブ結合際のひずみは０．５倍となり、亀裂発生や異常変形までの期間を２倍にすることができた。
請求項６の発明では請求項１ないし５の保炎器のコーン表面を耐高温酸化性に優れた合金あるいはセラミックで被覆したことにより、累積使用時間を延伸できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明（実施例１）の保炎器の外観スケッチの説明図である。
【図２】本発明（実施例２）の保炎器の正面図の説明図である。
【図３】本発明（実施例３）の保炎器の断面図の説明図である。
【図４】従来の保炎器の外観の説明図である。
【図５】従来の代表的な保炎器における熱ひずみの発生過程の説明図である。
【図６】従来の代表的な保炎器における熱ひずみによる変形とき裂発生の説明図である。
【図７】従来の保炎器試作品Ａの説明図である。
【図８】従来の保炎器試作品Ｂの説明図である。
【図９】従来の保炎器試作品Ｃの説明図である。
【図１０】本発明における四等分コーンの効果の説明図（２片を強調、リブとはピン結合を仮定）である。
【図１１】点火時のコーン上の温度分布の説明図である。
【図１２】円孔導入による応力開放の説明図である。
【図１３】本発明におけるリブ巾減少の効果の説明図である。
【図１４】実施例１の形状の説明図である。
【図１５】使用中の温度経過の説明図である。
【図１６】バーナ点火時の温度分布の説明図である。
【図１７】実施例１における１サイクル後の相当塑性ひずみ累積値の分布の説明図である。
【図１８】従来型保炎器における１サイクル後の相当塑性ひずみ累積値の分布の説明図である。
【図１９】従来型保炎器で点消火２００回後の変形とき裂発生状況の説明図である。
【図２０】実施例１、２における１サイクル後のスリット面の変位状況の説明図である。
【図２１】実施例２における１サイクル後の相当塑性ひずみ累積値の分布の説明図である。
【図２２】実施例３における１サイクル後の相当塑性ひずみ累積値の分布の説明図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年9月30日(2003.9.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
燃料を炉内に供給するためのバーナーガンを収納する内筒および外筒と、それらを連結するリブと、リブ先端に結合されるコーンとを、耐熱合金鋼で一体的に作製した保炎器において、コーンをリブ結合部間の中間位置で切断することにより間隙を設けたことを特徴とする保炎器。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２】
燃料を炉内に供給するためのバーナーガンを収納する内筒および外筒と、それらを連結するリブと、リブ先端に結合されるコーンとを、耐熱合金鋼で一体的に作製した保炎器において、コーンをリブ結合部間の中間位置で切断することにより間隙を設け、かつ、コーン部分のリブ結合際内周寄り位置に１個あるいは２個の円孔を設けたことを特徴とする保炎器。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項３】
燃料を炉内に供給するためのバーナーガンを収納する内筒および外筒と、それらを連結するリブと、リブ先端に結合されるコーンとを、耐熱合金鋼で一体的に作製した保炎器において、リブの、コーンとの結合部に、結合部の内縁から外縁内部方向に向けてリブの幅の１／３〜２／３相当深さと幅の切り込みを入れたことを特徴とする保炎器。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
【課題を解決するための手段】
コーンが四枚のリブで保持された保炎器を例として大きい応力が発生しないようにするためにまず、広範囲の変形の齟齬を解消するための第一の手段について述べる。現状の保炎器を炉内側（正面）から見ると、コーンが同心円状に見え、背後にあるリブ（例えば0°位置のリブや90°位置のリブなど）と結合されている。このような保炎器のコーンを結合の中間位置（例えば45°位置など）で切断して４片に分断し、切断部分に必要な間隙を設ける。すなわち、本発明は、燃料を炉内に供給するためのバーナーガンを収納する内筒および外筒と、それらを連結するリブと、リブ先端に結合されるコーンとを、耐熱合金鋼で一体的に作製した保炎器において、コーンをリブ結合部間の中間位置で切断することにより間隙を設けたことを特徴とする。