(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の流路を規定する第１のノズル手段と、第２の流路を規定する第２のノズル手段と、前記第１の流路に燃焼用ガスを供給するための第１のガス供給手段と、前記第２の流路に燃焼用ガスを供給するための第２のガス供給手段と、前記第１および前記第２の流路に空気を供給するための空気流路とを備え、
前記第１のガス供給手段からの燃焼用ガスは前記空気流路から前記第１の流路を通して流れる空気流に向けて噴出され、これによって希薄混合ガスが生成され、
前記第２のガス供給手段からの燃焼用ガスは前記空気流路から前記第２の流路を通して流れる空気流に向けて噴出され、これによって前記第１の流路の希薄混合ガスよりもさらにガス濃度の低い希薄混合ガスが生成され、
前記第１の流路と前記第２の流路との間には、さらに、前記第２の流路の希薄混合ガスの一部を前記第１の流路に導くための混合ガス導入手段が設けられていることを特徴とするバーナ装置。
【請求項２】
前記第２の流路を流れる空気流の流速は、前記第１の流路を流れる空気流の流速よりも速いことを特徴とする請求項１記載のバーナ装置。
【請求項３】
前記第１のノズル手段は第１の円筒状部材から構成され、前記第２のノズル手段は前記第１の円筒状部材よりも内径が大きい第２の円筒状部材から構成され、前記第２の円筒状部材は前記第１の円筒状部材の外側に同心状に配置され、前記混合ガス導入手段は前記第１の円筒状部材に設けられた導入開口を備えていることを特徴とする請求項１または２記載のバーナ装置。
【請求項４】
前記第２の流路の半径方向断面積Ｓ２と前記第１の流路の半径方向断面積Ｓ１との断面積比（Ｓ２／Ｓ１）は２．０以上であり、また前記第２の流路の半径方向断面積Ｓ２と前記混合ガス導入手段の前記導入開口の半径方向断面積Ｓ３との断面積比（Ｓ２／Ｓ３）は１．０以上であることを特徴とする請求項３記載のバーナ装置。
【請求項５】
前記第１の円筒状部材は、円筒状のノズル本体と先端ノズルから構成され、前記先端ノズルは、内径が大きい大径部と、前記大径部よりも内径が小さい小径部と、前記大径部と前記小径部とを接続するテーパ部とを有し、前記先端ノズルの前記大径部が前記ノズル本体の先端部に装着され、前記混合ガス導入手段の前記導入開口は、前記ノズル本体と前記先端ノズルの前記大径部との間に形成され、前記先端ノズルの前記テーパ部は、前記大径部から半径方向内方に延び、前記テーパ部の前記先端ノズルとのテーパ角度が２０〜１２０度に設定されていることを特徴とする請求項３または４記載のバーナ装置。
【請求項６】
前記第１の流路を流れる希薄混合ガスを点火するための点火手段が設けられ、前記混合ガス導入手段の前記導入開口は前記点火手段の配設部位よりも下流側に設けられていることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載のバーナ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼用ガスを燃焼するためのバーナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地域発電、地域暖房などを行うために、種々のコージェネレーションシステムが提案され実用に供されている。このようなコージェネレーションシステムの代表的な一つのシステムは、燃焼用ガスを燃焼するためのバーナ装置と、バーナ装置によって燃焼された燃焼ガスによって回転駆動されるガスタービンとを備え、ガスタービンの回転を利用して発電が行われる。
【０００３】
このようなガスタービンに用いられるバーナ装置は、第１のガス供給手段からの燃焼用ガスが供給される一次ノズル手段と、第２のガス供給手段からの燃焼用ガスが供給される二次ノズル手段とを備えている。一次ノズル手段は第１の流路を規定し、第１の流路を流れる空気流に第１のガス供給手段からの燃焼用ガスが噴出され、これによって希薄混合ガスが生成される。また、二次ノズル手段は第２の流路を規定し、第２の流路を流れる空気流に第２のガス供給手段からの燃焼用ガスが噴出され、これによって一次ノズル手段の希薄混合ガスよりもガス濃度の低い希薄混合ガスが生成される。このようなバーナ装置では、一次ノズル手段の混合ガスのガス濃度が二次ノズル手段の混合ガスのガス濃度よりも高いので、一次ノズル手段の混合ガスが燃焼され、そしてこの一次ノズル手段の燃焼ガスを利用して二次ノズル手段の混合ガスが燃焼される。燃焼用ガスをこのように燃焼することによって、希薄燃焼が可能となり、また燃焼ガスの燃焼温度を低くすることができ、これによって酸化窒素（ＮＯｘ）の発生を抑えた高効率な燃焼が可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したバーナ装置では、次のとおりの解決すべき問題が存在する。第１のノズル手段を流れる希薄混合ガスのガス濃度は第２のノズル手段の希薄混合ガスのガス濃度よりも濃いので、その燃焼ガスの燃焼温度は高く、一方第２のノズル手段を流れる希薄混合ガスの燃焼温度は第１のノズル手段の燃焼ガスの燃焼温度よりも低くなる傾向にある。一般的に、バーナ装置からの燃焼ガスをガスタービンに送給する場合、送給される燃焼ガスの最高温度がガスタービンの耐熱温度を超えないようにする必要がある。それ故に、上述したバーナ装置においては、燃焼ガスの中心付近の最高温度をガスタービンの耐熱温度、たとえば１２００℃以下に設定する必要があり、このようにしたとき、中心付近から離れた部位の燃焼ガスの燃焼温度が低くなる。その結果、ガスタービンに送給される燃焼ガスの平均温度が低くなり、バーナ装置を含むシステムの熱効率が悪くなる。
【０００５】
本発明の目的は、バーナ装置における燃焼の片寄りを防止し、これによって燃焼ガスの平均温度を高めることができるバーナ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】
本発明は、第１の流路を規定する第１のノズル手段と、第２の流路を規定する第２のノズル手段と、前記第１の流路に燃焼用ガスを供給するための第１のガス供給手段と、前記第２の流路に燃焼用ガスを供給するための第２のガス供給手段と、前記第１および前記第２の流路に空気を供給するための空気流路とを備え、前記第１のガス供給手段からの燃焼用ガスは前記空気流路から前記第１の流路を通して流れる空気流に向けて噴出され、これによって希薄混合ガスが生成され、
前記第２のガス供給手段からの燃焼用ガスは前記空気流路から前記第２の流路を通して流れる空気流に向けて噴出され、これによって前記第１の流路の希薄混合ガスよりもさらにガス濃度の低い希薄混合ガスが生成され、
前記第１の流路と前記第２の流路との間には、さらに、前記第２の流路の希薄混合ガスの一部を前記第１の流路に導くための混合ガス導入手段が設けられていることを特徴とするバーナ装置である。
【０００７】
本発明に従えば、第１のノズル手段の第１の流路を流れる空気流には第１のガス供給手段からの燃焼用ガスが噴出され、これによって希薄混合ガスが生成される。また、第２のノズル手段の第２の流路を流れる空気流には第２のガス供給手段からの燃焼用ガスが噴出され、これによって第１のノズル手段の混合ガスよりもガス濃度の薄い希薄混合ガスが生成される。さらに、第１の流路と第２の流路との間には混合ガス導入手段が設けられているので、第２の流路にて生成された混合ガスの一部が第１の流路に導入され、これによって第１の流路の混合ガスと第２の流路の混合ガスのガス濃度が均一化して燃焼状態の片寄りが非常に少なくなる。その結果、第１のノズル手段からの燃焼ガスの燃焼温度と第２のノズル手段からの燃焼ガスの燃焼温度がほぼ等しくなり、燃焼ガスをガスタービンに送給する場合、燃焼ガスの平均温度をガスタービンの耐熱温度に近づけることができ、バーナ装置を含むシステムの効率を高めることができる。
【０００８】
また本発明は、前記第２の流路を流れる空気流の流速は、前記第１の流路を流れる空気流の流速よりも速いことを特徴とする。
【０００９】
本発明に従えば、第２の流路を流れる空気流の流速は第１の流路を流れる空気流の流速よりも速いので、第２の流路の希薄な混合ガスの一部が混合ガス導入手段を介して第１の流路に導入され、第１の流路を流れる混合ガスの濃度が薄められ、これにより高温となる混合ガスが減少する。
【００１０】
また本発明は、前記第１のノズル手段は第１の円筒状部材から構成され、前記第２のノズル手段は前記第１の円筒状部材よりも内径が大きい第２の円筒状部材から構成され、前記第２の円筒状部材は前記第１の円筒状部材の外側に同心状に配置され、前記混合ガス導入手段は前記第１の円筒状部材に設けられた導入開口を備えていることを特徴とする。
【００１１】
本発明に従えば、第２の流路を規定する第２の円筒状部材は第１の流路を規定する第１の円筒状部材の半径方向外側に同心状に配置されているので、第２の流路を流れる混合ガスは第１の円筒状部材に形成された導入開口を通して第１の流路に導入される。そして、かく導入される混合ガスは第１の流路の周囲から半径方向内方に向けて送給され混合されるので、第１の流路を流れる混合ガスにほぼ均一に送給することができる。
【００１２】
また本発明は、前記第２の流路の半径方向断面積Ｓ２と前記第１の流路の半径方向断面積Ｓ１との断面積比（Ｓ２／Ｓ１）は２．０以上であり、また前記第２の流路の半径方向断面積Ｓ２と前記混合ガス導入手段の前記導入開口の半径方向断面積Ｓ３との断面積比（Ｓ２／Ｓ３）が１．０以上であることを特徴とする。
【００１３】
本発明に従えば、第２の流路の断面積Ｓ２と第１の流路の断面積Ｓ１との断面積比が２．０以上であるので、第１の流路の断面積が第２の流路の断面積に比して大きくなりすぎず、これによって第１の流路の中央部における燃焼ガスの燃焼温度が部分的に高くなることを抑えることができる。また、第２の流路の断面積と混合ガス導入手段の導入開口の断面積との断面積比が１．０以上であるので、第２の流路の混合ガスが大量に第１の流路に導入されることがなく、これによって第１の流路の混合ガスのガス濃度が著しく低下することが防止することができる。
【００１４】
また本発明は、前記第１の円筒状部材は、円筒状のノズル本体と先端ノズルから構成され、前記先端ノズルは、内径が大きい大径部と、前記大径部よりも内径が小さい小径部と、前記大径部と前記小径部とを接続するテーパ部とを有し、前記先端ノズルの前記大径部が前記ノズル本体の先端部に装着され、前記混合ガス導入手段の前記導入開口は、前記ノズル本体と前記先端ノズルの前記大径部との間に形成され、前記先端ノズルの前記テーパ部は、前記大径部から半径方向内方に延び、前記テーパ部の前記先端ノズルとのテーパ角度が２０〜１２０度に設定されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明に従えば、第１のノズル手段はノズル本体と先端ノズルから構成され、ノズル本体と先端ノズルの大径部との間に混合ガス導入開口が規定されているので、第２の流路を流れる混合ガスはこの混合ガス導入開口を通して第１の流路に所要のとおりに導入される。また、先端ノズルにはテーパ角度が２０〜１２０度であるテーパ部が設けられているので、混合ガス導入開口を通して導入された混合ガスはこのテーパ部に案内されて半径方向内方に案内され、これによって第２の流路から導入された混合ガスは半径方向内方に流れて第１の流路を流れる混合ガスに実質上均一に混合される。
【００１６】
さらに本発明は、前記第１の流路を流れる希薄混合ガスを点火するための点火手段が設けられ、前記混合ガス導入手段の前記導入開口は前記点火手段の配設部位よりも下流側に設けられていることを特徴とする。
【００１７】
本発明に従えば、混合ガス導入手段は点火手段の配設部位の下流側に配設されているので、点火手段には第１の流路を通して流れる混合ガス、すなわち第２の流路からの混合ガスが含まれていない混合ガスが送給され、したがって点火手段によって第１の流路の混合ガスを確実に点火することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明に従うバーナ装置の一実施形態について説明する。図１は、本発明に従うバーナ装置の一実施形態を簡略的に示す断面図であり、図２は、図１に示すバーナ装置の一部を拡大して示す断面図であり、図３は、図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線による断面図である。
【００１９】
図１を参照して、図示のバーナ装置は、番号２で示すバーナテスト用ケースのディフューザ部を備え、このディフューザ部２に円筒状のテストケース４が装着され、テストケース４は図１において右方に延びている。テストケース４内には燃焼ケース６が配設されている。燃焼ケース６は円筒状で、テストケース４に同心状に配設されている。燃焼ケース６の一端部（図１において左端部）はディフューザ部２に装着され、その他端部は図１において右方に延びている。ディフューザ部２には、また、空気流路８が形成され、この空気流路８を通して燃焼用空気が燃焼ケース６の一端部に供給される。この燃焼用空気は、たとえば、コンプレッサ（図示せず）によって圧縮された状態にて送給される。
【００２０】
この実施形態では、燃焼ケース６の一端部内に第１のノズル手段１０、第２のノズル手段１２および燃焼筒１４が配設されている。図２をも参照して、ディフューザ部２の一部には取付支持ブロック１６が装着され、この取付支持ブロック１６に外ガス送給管１８の一端部が装着され、この外ガス送給管１８の他端部に噴射ノズル体２０が装着されている。噴射ノズル体２０は内部に空間２２が形成され、この内部空間２２を軸線方向に貫通して仕切スリーブ２４が装着され、この仕切スリーブ２４によって上記内部空間２２が内側の第１空間２２ａとこの第１空間２２ａの外側の第２空間２２ｂとに仕切られている。外ガス送給管１８の他端部は、噴射ノズル体２０の第２空間２２ｂに連通されている。また、外ガス送給管１８の内側には内ガス送給管２６が同心状に配設され、その一端部が取付支持ブロック１６に装着され、その他端部が噴射ノズル体２０に装着されている。この内ガス送給管２６は、噴射ノズル体２０の第１空間２２ａに連通されている。
【００２１】
内ガス送給管２６には、これに燃焼用ガスを供給するための第１のガス供給手段が接続されている。第１のガス供給手段は、燃焼用ガスが蓄えられたガス供給源（図示せず）、ガス供給源から燃焼用ガスを導くガス送給管２８およびガス送給管２８を通して送給されるガスの流量を制御する流量制御手段、たとえば流量制御弁（図示せず）を含み、ガス送給管２８が内ガス送給管２６に連通されている。また、外ガス送給管１８には、これに燃焼用ガスを供給するための第２のガス供給手段が接続されている。第２のガス供給手段は、燃焼用ガスが蓄えられたガス供給源（図示せず）、ガス供給源から燃焼用ガスを導くガス送給管３０およびガス送給管３０を通して送給されるガスの流量を制御する流量制御手段、たとえば流量制御弁（図示せず）を含み、ガス送給管３０が外ガス送給管１８に連通されている。なお、燃焼用ガスとしては、たとえば、都市ガスを好都合に用いることができる。
【００２２】
第１のノズル手段１０は、噴射ノズル体２０の外側に装着されている。図示の第１のノズル手段１０は第１の円筒状部材３２から構成され、この第１の円筒状部材３２の一端部には周方向に間隔を置いて半径方向内方に突出する内突起３４が一体的に設けられ、複数個の内突起３４を介して第１の円筒状部材３２が噴射ノズル体２０に同心状に支持されている。このように構成されているので、第１の円筒状部材３２と噴射ノズル体２０との間には、周方向のほぼ全域に渡って環状の間隙が存在し、空気流路８からの空気はかかる間隙を通して第１の円筒状部材３２内に導かれる。
【００２３】
噴射ノズル体２０の先端部と第１の円筒状部材３２の一端部との間には、第１のスワラ３６が配設されている。第１のスワラ３６は、周方向に間隔を置いて配設された複数個のフィンから構成され、噴射ノズル体２０と第１の円筒状部材３２との間隙を通して流れる空気は、かかる第１のスワラ３６によって旋回流となり、旋回流の状態で第１の円筒状部材３２内を図１および図２において右方に流れる。第１のスワラ３６は第１の円筒状部材３２と一体的に形成してもよく、また別体に形成して両者の間に介在させてもよい。
【００２４】
第２のノズル手段１２は、第１のノズル手段１０の外側に装着されている。図示の第２のノズル手段１２は第２の円筒状部材３８から構成され、この第２の円筒状部材３８の一端部が第２のスワラ４０を介して第１の円筒状部材３２の外側にこれに同心状に装着されている。第２のスワラ４０は、周方向に間隔を置いて配設された複数個のフィンから構成され、第１の円筒状部材３２と第２の円筒状部材３８との間に導かれる空気は、かかる第２のスワラ４０の作用によって旋回流となり、旋回流の状態で第２の円筒状部材３８内を図１および図２において右方に流れる。この第２のスワラ４０は、第２の円筒状部材３８と一体的に形成してもよく、また別体に形成して第１および第２の円筒状部材３２，３８の間に介在させてもよい。
【００２５】
第２の円筒状部材３８の一端部には半径方向外方に突出する環状フランジ４２が一体的に設けられ、この環状フランジ４２の先端部に燃焼筒１４の一端部が取付ねじ４４によって取付けられている。燃焼筒１４は円筒状部材から構成され、第１および第２の円筒状部材３２，３８に同心状に配設され、この燃焼筒１４と燃焼ケース６との間にも環状の外空間が存在する。
【００２６】
この実施形態では、噴射ノズル体２０先端部には周方向に間隔を置いて複数個の第１噴出孔４６が形成され、これら第１噴出孔４６が噴射ノズル体２０の第１空間２２ａに連通している。また、噴射ノズル体２０の中間部には半径方向に延びる第２噴出孔４８が周方向に間隔を置いて形成され、これら第２噴出孔４８が噴射ノズル体２０の第２空間２２ｂに連通している。さらに、第１円筒状部材３２の内突起３４には貫通孔５０が形成され、かかる貫通孔５０が対応する第２噴出孔４８に接続されている。
【００２７】
このように構成されているので、ガス送給管２８を通して供給される燃焼用ガスは、内ガス送給管２６を通して噴射ノズル体２０の第１空間２２ａに送給され、第１噴出孔４６を通して噴出される。第１のノズル手段１０は、図１および図２に示すとおり、第１の円筒状部材３２によって第１の流路４５を規定し、空気流路８を流れる空気の一部は噴射ノズル体２０と第１の円筒状部材３２との間を通して第１の流路４５に導かれ、第１噴出孔４６から噴出される燃焼用ガスは、第１のスワラ３６によって旋回流となって流れる空気流に向けて噴出され、旋回流の作用によって実質上均一に混合されて混合ガス（燃焼用ガスと空気との希薄混合ガス）となる。この第１の流路４５の混合ガスの空気比は、たとえば１．４〜１．９程度に設定される。なお、第１のガス供給手段の流量制御手段（図示せず）を操作することによって、第１噴出孔４６から噴出される燃焼用ガスの噴出量を制御することができる。また、ガス送給管３０を通して供給される燃焼用ガスは、外ガス送給管１８を通して噴射ノズル体２０の第２空間２２ｂに送給され、第２噴出孔４８および第１の円筒状部材３２の貫通孔５０を通して第１の円筒状部材３２の外側に噴出される。第２のノズル手段１２は、図１および図２に示すとおり、第１の円筒状部材３２の外側に第２の円筒状部材３８によって環状の第２の流路４７を規定し、空気流路８を流れる空気の残りの一部は第１の円筒状部材３２と第２の円筒状部材３８との間を通して第２の流路４７に導かれ、第２噴出孔４８から貫通孔５０を通して噴出される燃焼用ガスは、第２のスワラ４０によって旋回流となって流れる空気流に向けて噴出され、旋回流の作用によって実質上均一に混合されて混合ガス（燃焼用ガスと空気との希薄混合ガス）となる。この第２の流路４７の混合ガスの空気比は、たとえば２．０程度に設定される。なお、第２のガス供給手段の流量制御手段（図示せず）を操作することによって、第２噴出孔４８から噴出される燃焼用混合ガスの噴出量を制御することができる。
【００２８】
空気流路８を通して流れる空気の残部は燃焼筒１４と燃焼ケース６との間の空間５１を通して流れる。この実施形態では、燃焼筒１４には周方向および軸線方向に間隔を置いて複数個の空気孔５２が形成されており、空間５１を通して流れる空気はこれら空気孔５２を通して燃焼筒１４内に導入される。空気孔５２を通して導入される空気は燃焼筒１４の内周面に沿って流れる空気層を生成し、かかる空気層によって燃焼筒１４が冷却される。これら空気孔５２は、燃焼筒１４の一部を半径方向外方に折曲することによって形成することができる。また、後述する如くして燃焼して燃焼筒１４内を流れる燃焼ガスの温度が異常に上昇しないように、必要に応じて、燃焼筒１４に希釈孔（図示せず）を設けることができ、このように希釈孔を設けた場合、空間５１を流れる空気が希釈孔を通して燃焼筒１４内に導入され、導入した空気によって燃焼ガスの温度が低下される。なお、燃焼筒１４が異常高温に上昇しない場合、空気孔５２を省略することもできる。
【００２９】
この実施形態では、図１に示すとおり、第１のノズル手段１０の先端部、すなわち第１の円筒状部材３２の他端部と、第２のノズル手段１２の先端部、すなわち第２の円筒状部材３８の他端部とは、実質上同じ位置またはほぼ同じ位置まで延びており、また燃焼筒１４の先端部は第１および第２のノズル手段１０，１２を越えてさらに図１において右方に延びている。したがって、第１の流路４５の混合ガスによる燃焼火炎は第１の円筒状部材３２の内部もしくは先端部から図１において右方に生成され、また第２の流路４７の混合ガスによる燃焼火炎は第２の円筒状部材３８の先端部から図１において右方に発生し、これら燃焼火炎は燃焼筒１４内にて所要のとおりに燃焼される。
【００３０】
この形態では、第１の流路４５を流れる希薄混合ガスのガス濃度は第２の流路４７を流れる希薄混合ガスのガス濃度よりも濃くなるように設定されている。そして、このことに関連して、混合ガスを点火するための点火手段５６の点火部が第１の流路４５内に突出している。点火手段５６は細長い点火部材５８を備え、その基部がテストケース４に装着され、その先端部が燃焼ケース６、燃焼筒１４、第２の円筒状部材３８および第１の円筒状部材３２を貫通して第１の流路４５に突出している。点火部材５８の先端点火部は、第１の流路４５を流れる混合ガスに向けて火花を発生し、かかる火花によって第１の流路４５の混合ガスが点火燃焼される。そして、第１の流路４５にて発生した燃焼ガスの火炎が第２の流路４７を流れる混合ガスに伝播され、かかる火炎の伝播によって第２の流路４７の混合ガスが燃焼される。なお、第１および第２のノズル手段１０，１２として流量制御を行うことができるものを採用する場合、この点火手段５６を第１および第２の流路４５，４７からの混合ガスが混合される領域の下流側に設けることができる。
【００３１】
また、噴射ノズル体２０と第１の円筒状部材３２との間隙は、第１の円筒状部材３２と第２の円筒状部材３８との間隙よりも小さく設定されており、したがって第１の流路４５に流入する空気は、第１の流路４５の入口部において絞られ、その後下流側において第１の流路の断面積が大きく増大するので、この第１の流路４５を流れる空気流の流速は比較的遅く、これに対して、第２の流路４７を流れる空気流の流速は比較的速くなる。
【００３２】
燃焼筒１４の先端部には、さらに筒状の導出筒６０が設けられている。導出筒６０は、図１において右方に延び、その先端部は先細に形成されており、燃焼筒１４から導出筒６０の一端部に導かれた燃焼ガスはこの導出筒６０内を流れてその先細先端部に集められて下流側に流れる。導出筒６０の先端側にはガスタービン６２が配設され、燃焼筒１４内で燃焼された燃焼ガスは導出筒６０を通してガスタービン６２に送給され、ガスタービン６２はバーナ装置からの燃焼ガスによって回転駆動される。なお、導出筒６０の先端部は、燃焼ケース６の先端部に装着された支持プレート６４によって支持されている。
【００３３】
この実施形態では、第２の流路４７の希薄混合ガスの一部が第１の流路４５の希薄混合ガスに混合されるように構成されている。図１および図２ともに図３を参照してさらに説明すると、この実施形態では、第１のノズル手段１０の第１の円筒状部材３２に混合ガス導入手段が設けられている。図示の第１の円筒状部材３２は、円筒状のノズル本体７２とこのノズル本体７２の先端部に装着される先端ノズル７４から構成され、ノズル本体７２の一端部（図１および図２において左端部）が噴射ノズル体２０に装着されている。ノズル体７２は一端部近傍から他端部まで実質上同じ内径であり、その一端部は半径方向外方に幾分湾曲されており、これによって空気流路８を流れる空気は、かかる湾曲一端部に案内されて噴射ノズル体２０とノズル本体７２との間隙に導かれる。先端ノズル７４は、内径が大きい大径部７６と、内径が小さい小径部７８と、大径部７６および小径部７８を接続するテーパ部８０から構成され、テーパ部８０は半径方向内方に向けてテーパ状に延びている。この形態では、小径部７８の内径はノズル本体７２の内径と実質上等しく、大径部７６の内径は小径部７８およびノズル本体７２の内径よりも大きく設定されている。
【００３４】
この実施形態では、ノズル本体７２の他端部に先端ノズル７４の大径部７６が装着されている。ノズル本体７２の他端部には周方向に実質上等間隔を置いて４個のピン８２が溶接により固着され、これらピン８２の先端に先端ノズル７４が溶接により固定されている。このように先端ノズル７４が装着されているので、図３に示すとおり、ノズル本体７２の他端部外周面と先端ノズル７４の大径部７６の内周面との間に環状の導入開口８４が形成され、この導入開口８４が混合ガス導入手段として機能する。このように導入開口８４が設けられているので、第２の流路４７を流れる希釈混合ガスはこの導入開口８４を通して第１の流路４５に導入され、第１の流路４５を流れる希釈混合ガスに混合される。したがって、第２の流路４７からの混合ガスによって第１の流路４５の混合ガスのガス濃度が薄められ、これによって第１の流路４５の混合ガスと第２の流路４７の混合ガスとのガス濃度の均一化が図られる。また、第２の流路４７からの混合ガスは環状の導入開口８４を通して第１の流路４５に導入されるので、第１の流路４５の実質上全周に渡って第２の流路４７からの混合ガスを導入することができ、導入混合ガスの片寄りを防止することができる。
【００３５】
このような先端ノズル７４を用いた場合、テーパ部８０の先端ノズル７４とのテーパ角度Θ（図２）、すなわちテーパ部８０の半径方向内方への傾斜角度を２０〜１２０度に設定するのが望ましい。かく設定することによって、導入開口８４を通して導入された混合ガスは先端ノズル７４のテーパ部８０に案内されて半径方向内方に流れ、第１の流路４５を流れる混合ガスに一層均一に混合されるようになる。なお、この実施形態では、ノズル本体７２と先端ノズル７４とをピン８２を介して溶接により固着しているが、これに代えて、ノズル本体７２と先端ノズル７４とを、たとえば固定用ねじとスペーサ（図示せず）を用いて固定することもできる。また、この実施形態では、テーパ部８０は直線状に延びているが、必ずしも直線状である必要はなく、所定形状の曲線状に形成することができる。
【００３６】
このようなバーナ装置では、図３に示すように、導入開口４５およびピン８２を含む図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面において、第２の流路４７の半径方向断面積Ｓ２と第１の流路４５の半径方向断面積Ｓ１との断面積比（Ｓ２／Ｓ１）を２．０以上に設定するのが望ましい。かく設定することにより、第２の流路４７の断面積Ｓ２が第１の流路４５の断面積Ｓ１より２倍以上大きくなり、これによって第１の流路４５を通して流れる混合ガス（この混合ガスのガ濃度は、第２の流路４７を流れる混合ガスのガス濃度よりも濃い）の流量が少なくなり、燃焼筒１４の中央部、換言すると第１の流路４５に対応する燃焼領域の燃焼ガスの燃焼温度が抑えられ、ＮＯｘの発生を少なくすることができる。また、第２の流路４７の半径方向断面積Ｓ２と導入開口８４の半径方向断面積Ｓ３との断面積比（Ｓ２／Ｓ３）を１．０以上に設定するのが望ましい。かく設定することにより、第２の流路４７の断面積Ｓ２が導入開口８４の断面積Ｓ３よりも大きくなり、これによって第２の流路４７から導入開口８４を通して第１の流路４５に導入される混合ガスの導入量が過剰に多くなることがなく、第１の流路４７を流れる混合ガスのガス濃度が薄くなることを防止することができる。
【００３７】
この実施形態では、また、点火手段５６の点火部材５８は、第１のノズル手段１０のノズル本体７２の他端部近傍、具体的には混合ガスの流れ方向に見て導入開口８４の上流側に配設される。このように構成することによって、第１の流路４５を流れる混合ガス、すなわち第２の流路４７からの混合ガスが導入される前の比較的濃いガス濃度の混合ガスが点火部材５８に送給されるようになり、点火手段５６による点火性能が低下することが回避できる。
【００３８】
このようなバーナ装置では、第１の流路４５を流れる混合ガスに第２の流路４７を流れる混合ガスの一部が送給され、これによって点火手段５６の下流側にて第１の流路４５の混合ガスが第２の流路４７からの混合ガスによって薄められ、かくして第１の流路４５と第２の流路４７の混合ガスのガス濃度をほぼ均一化し、燃焼ガスの燃焼温度を燃焼筒１４の半径方向断面のほぼ全域において実質上均一にすることができる。このように燃焼ガスの燃焼温度を平均化することによって、燃焼ガスをガスタービン６２に送給する場合、燃焼温度の平均値をガスタービン６２の耐熱温度により近づけることができ、バーナ装置を含むガスタービンシステムの効率の向上を図ることができる。
【００３９】
上述した実施形態では、第１のノズル手段の第１の円筒状部材をノズル本体と、このノズル本体に装着される先端ノズルから構成し、ノズル本体と先端ノズルとの間に混合ガス導入手段の導入開口を設けているが、これに代えて、第１の円筒状部材を単なる円筒状部材から構成し、この円筒状部材にたとえば折曲部を形成して上記導入開口を設けるようにすることもできる。
【００４０】
また、たとえば、図示の実施形態では、内側に第１のノズル手段を設け、その半径方向外側に第２のノズル手段を設けているが、これとは反対に、内側に第２のノズル手段を設け、その半径方向外側に第１のノズル手段を設けるようにすることもできる。
【００４１】
〔実施例および比較例〕
本発明のバーナ装置の効果を確認するために、実施例として、図１〜図３に示す実施形態のバーナ装置を用いて燃焼ガスの燃焼実験を行った。用いたバーナ装置における各部材の寸法などは、次のとおりであった。噴射ノズル体については、直径１．３ｍｍの第１噴出孔を周方向に実質上等間隔を置いて８個設け、また直径２．６ｍｍの第２噴出孔を周方向に実質上等間隔をおいて８個設けた。また、第１のノズル手段については、内径３６ｍｍ、長さ１０２ｍｍのノズル本体と、内径４６ｍｍ、長さ１１ｍｍの大径部、内径３６ｍｍ、長さ１６ｍｍの小径部およびこれら両者を接続する長さ５ｍｍのテーパ部を有し、テーパ部のテーパ角度が４５度である先端ノズルとを用い、先端ノズルの大径部をノズル本体に取付けて第１の円筒状部材を構成した。また、第２のノズル手段については、内径７０ｍｍ、長さ１００ｍｍの第２の円筒状部材を用いた。このような第１および第２の円筒状部材を用いることによって、それらの肉厚を考慮し、第１の流路の半径方向断面積を１０１８ｍｍ2に、第２の流路の半径方向断面積を２０３８ｍｍ2に、また導入開口の半径方向断面積を４０５ｍｍ2に設定した。さらに、燃焼筒１４として内径１４３ｍｍ、長さ３５８ｍｍの円筒状部材を用いた。この円筒状部材には、口元部（図１および図２において左端部）に周方向に実質上等間隔を置いて直径６ｍｍの空気孔を８個設け、またこの口元部より先端側に、周方向に実質上等間隔を置いて直径１．２ｍｍの空気孔を３６個設けた空気孔組を長手方向に８組設けた。
【００４２】
このようなバーナ装置を用い、燃焼実験において、空気流路を通して温度３５０℃の空気を流量７００Ｎｍ3／Ｈの割合で送給した。送給された空気は、その約４％が第１の流路を通して、その約５５％が第２の流路を通して、またその約４１％が燃焼筒の外側を通して流れ、この燃焼筒の外側を流れる空気は、燃焼筒の空気孔を通して燃焼筒内に流入した。燃焼用ガスとしてメタンを用い、５Ｎｍ3／Ｈの割合で噴射ノズル体の第１噴出孔を通して第１の流路に噴出させるとともに、２０Ｎｍ3／Ｈの割合で噴射ノズル体の第２噴出孔を通して第２の流路に噴出させた。送給した空気およびメタンを混合して混合ガスとし、点火部材で点火させて混合ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成した。
【００４３】
そして、このように混合ガスを燃焼して燃焼筒の先端における燃焼ガスの温度を測定したところ最高燃焼温度が１０００℃であり、このときの燃焼温度の温度差が±３℃であった。この結果から、燃焼筒のほぼ全域における燃焼温度がほぼ均一であることが確認できた。なお、燃焼温度の測定個所は、燃焼筒の先端にて直径方向に実質上等間隔を置いて７個の温度センサを設けて各測定個所の燃焼温度を測定した。
【００４４】
この実施例において、さらに、第２の流路に送給される燃焼ガスの送給量を制御してその送給量を絞ったところ、送給量を１０％まで絞ったところでバーナ装置の燃焼が消え、ターンダウンレシオ（送給量１００％を基準にして、燃焼ガスの送給量をどこまで絞れるかを示す割合）は１：１０であった。
【００４５】
比較例として、第１のノズル手段として従来のノズル手段を用いた以外は実施例と実質上同一の構成のバーナ装置を用い、また空気および燃焼ガスの送給条件も実施例と同様にして燃焼実験を行い、燃焼ガスの温度を実施例と同様にして測定した。なお、用いた第１のノズル手段は、内径３６ｍｍ、長さ１２０ｍｍであった。
【００４６】
比較例の燃焼実験では、その燃焼ガスの最高燃焼温度が１０００℃であり、このときの燃焼温度の誤差は±３８℃であった。この結果から、第２の流路から混合ガスの一部を第１の流路に導入しない場合、燃焼筒内の混合ガスの片寄りが生じ、これによって燃焼温度の充分な均一化が達成できないことが判る。
【００４７】
この比較例においても、さらに、第２の流路に送給される燃焼ガスの送給量を制御してその送給量を絞ったところ、送給量を２５％まで絞ったところでバーナ装置の燃焼が消え、ターンダウンレシオは１：４であった。
【００４８】
上述したことから、実施例のバーナ装置では、ターンダウンレシオが大きく、バーナ装置の保炎能力も著しく向上し、バーナ装置を含むシステムのより効率のよい運転が可能であることも確認できた。
【００４９】
【発明の効果】
本発明の請求項１記載のバーナ装置によれば、第１のノズル手段の第１の流路を流れる空気流には第１のガス供給手段からの燃焼用ガスが噴出され、これによって希薄混合ガスが生成される。また、第２のノズル手段の第２の流路を流れる空気流には第２のガス供給手段からの燃焼用ガスが噴出され、これによって第１のノズル手段の混合ガスよりもガス濃度の薄い希薄混合ガスが生成される。さらに、第１の流路と第２の流路との間には混合ガス導入手段が設けられているので、第２の流路にて生成された混合ガスの一部が第１の流路に導入され、これによって第１の流路の混合ガスと第２の流路の混合ガスのガス濃度が均一化して燃焼状態の片寄りが非常に少なくなる。その結果、第１のノズル手段からの燃焼ガスの燃焼温度と第２のノズル手段からの燃焼ガスの燃焼温度がほぼ等しくなり、燃焼ガスをガスタービンに送給する場合、燃焼ガスの平均温度をガスタービンの耐熱温度に近づけることができ、バーナ装置を含むシステムの効率を高めることができる。
【００５０】
また本発明の請求項２記載のバーナ装置によれば、第２の流路を流れる空気流の流速は第１の流路を流れる空気流の流速よりも速いので、第２の流路の希薄な混合ガスの一部が混合ガス導入手段を介して第１の流路に導入され、第１の流路を流れる混合ガスの濃度が薄められ、これにより高温となる混合ガスが減少する。
【００５１】
また本発明の請求項３記載のバーナ装置によれば、第２の流路を規定する第２の円筒状部材は第１の流路を規定する第１の円筒状部材の半径方向外側に同心状に配置されているので、第２の流路を流れる混合ガスは第１の円筒状部材に形成された導入開口を通して第１の流路に導入される。そして、かく導入される混合ガスは第１の流路の周囲から半径方向内方に向けて送給され混合されるので、第１の流路を流れる混合ガスにほぼ均一に送給することができる。
【００５２】
また本発明の請求項４記載のバーナ装置によれば、第２の流路の断面積Ｓ２と第１の流路の断面積Ｓ１との断面積比が２．０以上であるので、第１の流路の断面積が第２の流路の断面積に比して大きくなりすぎず、これによって第１の流路の中央部における燃焼ガスの燃焼温度が部分的に高くなることを抑えることができる。また、第２の流路の断面積と混合ガス導入手段の導入開口の断面積との断面積比が１．０以上であるので、第２の流路の混合ガスが大量に第１の流路に導入されることがなく、これによって第１の流路の混合ガスのガス濃度が著しく低下することが防止することができる。
【００５３】
また本発明の請求項５記載のバーナ装置によれば、第１のノズル手段はノズル本体と先端ノズルから構成され、ノズル本体と先端ノズルの大径部との間に混合ガス導入開口が規定されているので、第２の流路を流れる混合ガスはこの混合ガス導入開口を通して第１の流路に所要のとおりに導入される。また、先端ノズルにはテーパ角度が２０〜１２０度であるテーパ部が設けられているので、混合ガス導入開口を通して導入された混合ガスはこのテーパ部に案内されて半径方向内方に案内され、これによって第２の流路から導入された混合ガスは半径方向内方に流れて第１の流路を流れる混合ガスに実質上均一に混合される。
【００５４】
さらに本発明の請求項６記載のバーナ装置によれば、混合ガス導入手段は点火手段の配設部位の下流側に配設されているので、点火手段には第１の流路を通して流れる混合ガス、すなわち第２の流路からの混合ガスが含まれていない混合ガスが送給され、したがって点火手段によって第１の流路の混合ガスを確実に点火することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従うバーナ装置の一実施形態を簡略的に示す断面図である。
【図２】図１のバーナ装置の要部を簡略的に示す拡大断面図である。
【図３】図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線による断面図である。
【符号の説明】
２  ディフューザ部
４  テストケース
６  バーナケース
８  空気流路
１０  第１のノズル手段
１２  第２のノズル手段
１４  燃焼筒
１８  外ガス送給管
２０  噴射ノズル体
２６  内ガス送給管
３２  第１の円筒状部材
３８  第２の円筒状部材
４５  第１の流路
４６  第１噴出孔
４７  第２の流路
４８  第２噴出孔
５６  点火手段
６２  ガスタービン
７２  ノズル本体
７４  先端ノズル
７６  大径部８４
７８  小径部
８０  テーパ部
８４  導入開口
【図１】
0003869111.tif 000002
【図２】
0003869111.tif 000003
【図３】
0003869111.tif 000004