(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流体が流れる第１流路と、第２流体が流れる前記第１流路に並行した第２流路との間に設けられて、前記第２流路内の第２流体を第１流路内の第１流体に分散供給する流体混合器であって、前記第２流路から離間する方向である第１流路幅方向に分散する状態で前記第１流路内に配置される複数の供給口を備えるとともに、前記第２流路からそれぞれ独立に前記複数の供給口に前記第２流体を導く複数の供給路を備え、
前記第１流路内に前記第１流体の流れる方向に沿わせて配設される板状体を備え、前記複数の供給路を前記板状体内に、かつ、前記複数の供給口を前記板状体の端面にそれぞれ形成してある流体混合器。
【請求項２】
前記複数の供給口を同一方向に開口させてある請求項１記載の流体混合器。
【請求項３】
前記複数の供給口が形成された前記板状体の端面を、前記第１流体の流れる方向下流側の部分ほど前記第２流路側に接近位置する姿勢に配置してある請求項１記載の流体混合器。
【請求項４】
第１流体が流れる第１流路と、第２流体が流れる前記第１流路に並行した第２流路との間に設けられて、前記第２流路内の第２流体を第１流路内の第１流体に分散供給する流体混合器であって、前記第２流路から離間する方向である第１流路幅方向に分散する状態で前記第１流路内に配置される複数の供給口を備えるとともに、前記第２流路からそれぞれ独立に前記複数の供給口に前記第２流体を導く複数の供給路を備え、
前記第１流路内に前記第１流体の流れる方向に沿わせて配設される板状体を備え、前記複数の供給路を前記板状体内に、かつ、前記複数の供給口を前記板状体の板面にそれぞれ形成してある流体混合器。
【請求項５】
前記複数の供給口を同一方向に開口させてある請求項４記載の流体混合器。
【請求項６】
第２流路を規定する内筒と、前記内筒を外囲する第３流路を規定する中間筒と、前記中間筒を外囲する第１流路を規定する外筒と、前記第１流路及び第３流路に空気を供給するための空気供給手段と、前記第２流路に燃料ガスを供給するための第１ガス供給手段と、前記第３流路に燃料ガスを供給するための第２ガス供給手段とを設け、請求項１〜５のいずれか一項に記載の流体混合器の複数個を周方向に分散配置してあるバーナ装置。
【請求項７】
前記第１流路の流体混合器よりも下流側の部位に、前記空気と前記燃料ガスとの混合気に旋回力を付与するスワラーを配置してある請求項６記載のバーナ装置。
【請求項８】
前記流体混合器として請求項５記載の流体混合器を設け、前記流体混合器の板状体を、それらの板面を第１流路の螺旋方向に沿わせる姿勢で配置して、第１流路に供給される空気に旋回力を付与するスワラーのフィンを前記板状体から構成してある請求項６又は７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、地域暖房などを行うためのコージェネレーションシステムにおけるガスタービンエンジンのバーナ装置や、焼却炉のバーナ装置などにおいて空気と燃料ガスとを混合する場合に用いられるもの、詳しくは、第１流体が流れる第１流路と、第２流体が流れる前記第１流路に並行した第２流路との間に設けられて、前記第２流路内の第２流体を第１流路内の第１流体に分散供給する流体混合器と、この流体混合器を用いたガスタービンエンジン用や焼却炉用などのバーナ装置とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記流体混合器、例えば、バーナ装置用のものとしては、先に本発明者が開発したものが知られている。
つまり、第１流路幅方向のうち第２流路から離間する方向に沿って一端で第２流路内に連通する管材を配置し、この管材に複数の供給口を管材長さ方向（第１流路幅方向）に適宜間隔を隔てて形成し、管材内部空間を供給路として第２流路内の第２流体を各供給口に供給することにより第２流体を第１流路内に分散供給して第２流体を第１流体に混合させるようにしていた。
また、バーナ装置は、第２流路を規定する内筒と、この内筒を外囲する第３流路を規定する中間筒と、この中間筒を外囲する第１流路を規定する外筒と、前記第１流路及び第３流路に空気を供給するための空気供給手段と、第２流路に燃料ガスを供給するための第１ガス供給手段と、前記第３流路に燃料ガスを供給するための第２ガス供給手段とを設け、前記流体混合器の複数個を周方向に分散配置したものである。つまり、第３流路からの空気と燃料ガスとの混合気をパイロット燃焼させ、第１流路からの空気と燃料ガスとの混合気をメイン燃焼させるようになっている。
そして、上記流体混合器によるときは、第１流路内に燃料ガスを供給する供給口が第１流路の幅方向に分散配置するから、燃料ガスを第１流路内に分散供給させることができて、第１流路内の空気と燃料ガスとの混合性を良好なものにできる利点を有する。
また、上記バーナ装置によるときは、流体混合器を周方向に分散配置させてあるから、第１流路に燃料ガスを周方向にも分散供給させることができることにより第１流路内での空気と燃料ガスとの混合性を良好なものにできて、燃焼性を高いものにできる利点がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の技術によるときは、管材長さ方向に間隔を隔てて形成されることにより第１流路幅方向に分散配置する複数の供給口に対して、管材内部空間から構成される一つの供給路を介して燃料ガスなどの第２流体を供給するから、複数の各供給口から燃料ガスを均一に供給しようとすると圧力損失が大きくなっていた。
【０００４】
本発明の目的は、第２流体の第１流路内への分散供給による所期の良好な混合性を確保しながらも、圧力損失を低減できる流体混合器を提供する一方、そのことを有効利用して、所期の良好な燃焼性を確保しながらも、圧力損失を低減できるバーナ装置を提供する点にある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る本発明の流体混合器の特徴・作用・効果は次の通りである。
【０００６】
〔特徴〕
第１流体が流れる第１流路と、第２流体が流れる前記第１流路に並行した第２流路との間に設けられて、前記第２流路内の第２流体を第１流路内の第１流体に分散供給する流体混合器であって、前記第２流路から離間する方向である第１流路幅方向に分散する状態で前記第１流路内に配置される複数の供給口を備えるとともに、前記第２流路からそれぞれ独立に前記複数の供給口に前記第２流体を導く複数の供給路を備え、前記第１流路内に前記第１流体の流れる方向に沿わせて配設される板状体を備え、前記複数の供給路を前記板状体内に、かつ、前記複数の供給口を前記板状体の端面にそれぞれ形成した点にある。
【０００７】
〔作用〕
複数の供給口を第１流路幅方向に分散させてあるから、複数の供給口それぞれからの第２流体の供給により、第１流路内に第２流体を第１流路幅方向で良好に分散させることができる。
しかも、第２流路から複数の供給口に第２流体を導くに、第２流路からそれぞれ独立して複数の各供給口に第２流体を導く複数の供給路を設けてあるから、一つの供給路で第２流路の第２流体を複数の供給口に一括的に導く従来の場合に比較して、複数の供給口から燃料ガスを均一に供給しながらも、圧力損失を少なくすることができる。
さらに、第１流体の流れる方向に沿わせて第１流路内に配設される板状体内に複数の供給路を形成するとともに、その板状体の端面に複数の供給口を形成してあって、供給路及び供給口を形成する板状体が第１流体の流れ方向に沿うものであるから、複数の供給路及び供給口を設けながらも、そのために、第１流体の流れを阻害することが少ない。
しかも、板状体に複数の供給路及び供給口を形成して、ユニット化してあるから、組み付けなどの取り扱いが容易である。
【０００８】
〔効果〕
従って、第２流体を良好に分散できることで第１流体と第２流体との混合性を良好に確保しながらも、圧力損失を低減できるようになった。
さらに、第１流路での第１流体の流れ性能を良好に維持した状態で第２流体を第１流体に分散供給することができ、しかも、複数の供給路及び供給口を設けながらも、保管や組み付けなどの取り扱い性を優れたものにできるようになった。
【０００９】
請求項２に係る本発明の流体混合器の特徴・作用・効果は次の通りである。
【００１０】
〔特徴〕
上記請求項１に係る本発明の流体混合器において、前記複数の供給口を同一方向に開口させてある点にある。
【００１１】
〔作用〕
複数の供給口を同一方向に開口させて各供給口から第１流路内に供給された第２流体の流れ方向を同じにしてあるから、例えば各供給口からまちまちの方向に第２流体を供給する場合に比較して第２流体を第１流路内に均一に分散させやすい。
【００１２】
〔効果〕
従って、複数の供給口を分散配置して第２流体を分散できることと、供給口からの供給に伴い第２流体を均一に分散できることとの相乗により、優れた分散性を発揮できるようになった。
【００１３】
請求項３に係る本発明の流体混合器の特徴・作用・効果は次の通りである。
【００１４】
〔特徴〕
上記請求項１に係る本発明の流体混合器において、前記複数の供給口が形成された前記板状体の端面を、前記第１流体の流れる方向下流側の部分ほど前記第２流路側に接近位置する姿勢に配置してある点にある。
【００１５】
〔作用〕
複数の供給口が形成された板状体の端面を、第１流体の流れる方向下流側の部分ほど第２流路側に接近位置する姿勢に配置してあるから、端面に沿って適宜間隔を隔てて複数の供給口を形成することにより、複数の供給口を第１流路幅方向に分散配置することができる。換言すれば、板状体に、第１流路幅方向に沿った直線状の複数の貫通孔を端面に沿って適宜間隔を隔てて形成することにより、第１流路幅方向に分散配置する複数の供給口と、それらそれぞれに対応した複数の供給路とを形成することができる。
【００１６】
〔効果〕
従って、構造簡単・安価に構成できるようになった。
【００１７】
請求項４に係る本発明の流体混合器の特徴・作用・効果は次の通りである。
【００１８】
〔特徴〕
第１流体が流れる第１流路と、第２流体が流れる前記第１流路に並行した第２流路との間に設けられて、前記第２流路内の第２流体を第１流路内の第１流体に分散供給する流体混合器であって、前記第２流路から離間する方向である第１流路幅方向に分散する状態で前記第１流路内に配置される複数の供給口を備えるとともに、前記第２流路からそれぞれ独立に前記複数の供給口に前記第２流体を導く複数の供給路を備え、前記第１流路内に前記第１流体の流れる方向に沿わせて配設される板状体を備え、前記複数の供給路を前記板状体内に、かつ、前記複数の供給口を前記板状体の板面にそれぞれ形成してある点にある。
【００１９】
〔作用〕
複数の供給口を第１流路幅方向に分散させてあるから、複数の供給口それぞれからの第２流体の供給により、第１流路内に第２流体を第１流路幅方向で良好に分散させることができる。
しかも、第２流路から複数の供給口に第２流体を導くに、第２流路からそれぞれ独立して複数の各供給口に第２流体を導く複数の供給路を設けてあるから、一つの供給路で第２流路の第２流体を複数の供給口に一括的に導く従来の場合に比較して、複数の供給口から燃料ガスを均一に供給しながらも、圧力損失を少なくすることができる。
さらに、第１流体の流れる方向に沿わせて第１流路内に配設される板状体内に複数の供給路を形成するとともに、その板状体の板面に複数の供給口を形成してあって、供給路及び供給口を形成する板状体が第１流体の流れ方向に沿うものであるから、複数の供給路及び供給口を設けながらも、そのために、第１流体の流れを阻害することが少ない。
しかも、板状体に複数の供給路及び供給口を形成して、ユニット化してあるから、組み付けなどの取り扱いが容易である。
その上、板状体の板面に供給口を形成してあって、その板面に沿って流れる高速の第１流体により、第２流体を供給口から第１流路に吸い出そうとする吸引力が作用するから、供給口から第１流路内への第２流体の供給が助長される。
【００２０】
〔効果〕
従って、第２流体を良好に分散できることで第１流体と第２流体との混合性を良好に確保しながらも、圧力損失を低減できるようになった。
さらに、第１流路での第１流体の流れ性能を良好に維持した状態で第２流体を第１流体に分散供給することができ、しかも、複数の供給路及び供給口を設けながらも、保管や組み付けなどの取り扱い性を優れたのにでき、その上、一層圧力損失を低減できるようになった。
【００２１】
請求項５に係る本発明の流体混合器の特徴・作用・効果は次の通りである。
【００２２】
〔特徴〕
上記請求項４に係る本発明の流体混合器において、前記複数の供給口を同一方向に開口させてある点にある。
【００２３】
〔作用〕
複数の供給口を同一方向に開口させて各供給口から第１流路内に供給された第２流体の流れ方向を同じにしてあるから、例えば各供給口からまちまちの方向に第２流体を供給する場合に比較して第２流体を第１流路内に均一に分散させやすい。
【００２４】
〔効果〕
従って、複数の供給口を分散配置して第２流体を分散できることと、供給口からの供給に伴い第２流体を均一に分散できることとの相乗により、優れた分散性を発揮できるようになった。
【００２５】
請求項６に係る本発明のバーナ装置の特徴・作用・効果は次の通りである。
【００２６】
〔特徴〕
第２流路を規定する内筒と、前記内筒を外囲する第３流路を規定する中間筒と、前記中間筒を外囲する第１流路を規定する外筒と、前記第１流路及び第３流路に空気を供給するための空気供給手段と、前記第２流路に燃料ガスを供給するための第１ガス供給手段と、前記第３流路に燃料ガスを供給するための第２ガス供給手段とを設け、請求項１〜５のいずれか一項に記載の流体混合器の複数個を周方向に分散配置してある点にある。
【００２７】
〔作用〕
第１流路には、空気供給手段により空気が供給されるとともに、流体混合器を介して第２流路内の燃料ガスが供給されることにより、空気と燃料ガスとの混合気が生成されて、この混合気に点火すると着火して混合気が燃焼する。他方、第３流路には、空気供給手段により空気が供給されるとともに、第２ガス供給手段により燃料ガスが供給されることにより、空気と燃料ガスとの混合気が生成されて、この混合気に点火すると着火して混合気が燃焼する。
そして、第１流路径方向（第１流路幅方向）に分散させる状態で燃料ガスを第１流路内に供給する流体混合器の複数個を周方向に分散配置してあるから、第１流路内に周方向でも燃料ガスを分散供給して第１流路内での空気と燃料ガスとの混合性を良好なものにできることで混合気を均一化できる。このことは、空気比を大きくして希薄燃焼による低ＮＯｘ化を図る場合、希薄燃焼を安定させることができる。
【００２８】
〔効果〕
従って、低ＮＯｘ性能を維持したままで、燃料ガス供給に伴う圧力損失を低減できるようになった。
【００２９】
請求項７に係る本発明のバーナ装置の特徴・作用・効果は次の通りである。
【００３０】
〔特徴〕
上記請求項６に係る本発明のバーナ装置において、前記第１流路の流体混合器よりも下流側の部位に、前記空気と前記燃料ガスとの混合気に旋回力を付与するスワラーを配置してある点にある。
【００３１】
〔作用〕
第１流路の流体混合器よりも下流側の部位にスワラーを配置して、空気と燃料ガスとの混合気に旋回力を付与するようにしてあるから、混合気の旋回で燃焼の安定性を高めることができる。
【００３２】
〔効果〕
従って、希薄燃焼性を優れたものにできるようになった。
【００３３】
請求項８に係る本発明のバーナ装置の特徴・作用・効果は次の通りである。
【００３４】
〔特徴〕
上記請求項６や７に係る本発明のバーナ装置において、前記流体混合器として請求項５記載の流体混合器を設け、前記流体混合器の板状体を、それらの板面を第１流路の螺旋方向に沿わせる姿勢で配置して、第１流路に供給される空気に旋回力を付与するスワラーのフィンを前記板状体から構成してある点にある。
【００３５】
〔作用〕
スワラーを設けて第１流路に供給される空気に旋回力を付与して、燃焼の安定性を高めることで希薄燃焼性を良好化するのであるが、第２流路内の燃料ガスを第１流路内に分散供給するための流体混合器が供給口及び供給路を形成する板状体を備えていることに着目して、板状体を第１流路の螺旋方向に沿わせる姿勢に配置することでこの板状体でスワラーのフィンを構成させてあるから、流体混合器とスワラーとの間で部材の兼用化を図ることができる。
しかも、板状体の板面に供給口を形成してあって、その板面に沿って流れる空気によるエゼクタにより、供給口には、燃料ガスを第１流路に吸い出そうとする吸引力が作用するから、供給口から第１流路内への燃料ガスの供給が助長される。
【００３６】
〔効果〕
従って、燃焼の安定性を優れたものにしながらも、構造の簡素化及びコストダウンを図ることができ、しかも、より一層圧力損失を低減できるようになった。
【００３７】
【発明の実施の形態】
ガスタービンエンジンや焼却炉などに用いられるバーナ装置は、図１、図２に示すように、第２流路Ａ２を規定する内筒１と、この内筒１を外囲する第３流路Ａ３を規定する中間筒２と、この中間筒２を外囲する第１流路Ａ１を規定する外筒３と、前記第１流路Ａ１及び第３流路Ａ３に空気を供給するための空気供給手段と、前記第２流路Ａ２に燃料ガスを供給するための第１ガス供給手段と、前記第３流路Ａ３に燃料ガスを供給するための第２ガス供給手段と、前記第２流路Ａ２内の燃料ガスを前記第１流路Ａ１内の空気に分散供給する流体混合手段とを設けて構成されている。
【００３８】
前記内筒１と中間筒２と外筒３とは同心状に配置されている。
【００３９】
前記空気供給手段は、図示しないコンプレッサーなどにより、第１流路Ａ１及び第３流路Ａ３に一端開口から空気を押し込む手段である。
【００４０】
前記第１ガス供給手段は、燃料ガスを蓄えた図示しないガス供給源から図示しない導管を介して第２流路Ａ２に燃料ガスを供給する手段である。
【００４１】
前記第２ガス供給手段は、前記内筒１のうち前記中間筒２内に挿入する側の端部に、周方向に適宜間隔を隔てて複数の噴出口４を形成したノズル５を装着して、第２流路Ａ２内の燃料ガスを噴出口４から第３流路Ａ３内に噴出供給する手段である。
【００４２】
前記流体混合手段は、前記第１流路Ａ１と第２流路Ａ２との間に、第２流路Ａ２内の燃料ガスを第１流路Ａ１内の空気に分散供給する複数の流体混合器６を周方向に分散配置する状態で設けて構成されている。
【００４３】
前記流体混合器６は、図３、図４にも示すように、前記第１流路Ａ１に空気の流れる方向に沿わせて板状体７を配設し、この板状体７のうち第１流路Ａ１内に位置する端面に、同一方向に開口する複数の供給口８を端面の長さ方向に適宜間隔を隔てて形成し、前記第２流路Ａ２からそれぞれ独立に前記複数の供給口８に燃料ガスを導く複数の供給路９を前記板状体７内に形成して構成されている。
【００４４】
前記板状体７の端面は、空気の流れる方向で下流側ほど第２流路Ａ２側に接近位置する姿勢に配置されている。つまり、前記複数の供給口８は、第２流路Ａ２から離間する方向である第１流路幅方向（径方向）に分散配置していることになる。
【００４５】
従って、この流体混合手段によるときは、複数の流体混合器６が周方向に分散配置するとともに、各流体混合器６の複数の供給口８が第１流路幅方向に分散配置していることにより、燃料ガスを第１流路Ａ１内に第１流路幅方向及び周方向に分散させて供給することができるのである。
【００４６】
そして、前記第１流路Ａ１の流体混合器６よりも下流側の部位には、前記空気と燃料ガスとの混合気に、旋回力を付与する第１のスワラー１０が配置されている。
【００４７】
また、前記第３流路Ａ３のうち流れ方向の中間部位には、この第３流路Ａ３内を流れてきた空気と燃料ガスとの混合気に旋回力を付与する第２のスワラー１１が配置されている。
【００４８】
更に、前記中間筒２の下流側端部近くには、第１流路Ａ１を流れてきた混合気の一部を、第３流路Ａ３を流れてきた混合気に合流混合させるエアステージリング１２が配置されている。図中Ｓは、周方向に分散位置して外筒３に中間筒２を支持させるストラットである。
【００４９】
上記構成のバーナ装置では、第２のスワラー１１で旋回力を付与されると同時に混合された混合気に図示しない点火装置で点火することにより、この混合気が着火燃焼して、パイロット燃焼が起こり、このパイロット燃焼の炎が、第１流路Ａ１を流れてきた混合気に火移りすることで混合気が着火燃焼して、メイン燃焼が起こる。
【００５０】
〔別実施形態〕
上記実施の形態において、前記流体混合器６を次のように改変したものである。
すなわち、図５〜図８に示すように、板状体７の端面に供給口８を形成するのではなく、両板面のうち一方に、板面に対して直交する方向に燃料ガスを噴出するための複数の供給口８を第１流路幅方向及び空気流れ方向に分散形成し、他方の板面のうち各供給口８に板厚方向で対向する部分のそれぞれにも板面に対して直交する方向に燃料ガスを噴出するための供給口８を形成し、前記第２流路Ａ２からの距離が同じで対向する二つの供給口８に対して一つ割合で第２流路Ａ２からそれぞれ独立に複数の供給口８に燃料ガスを導く複数の供給路９を板状体７内に形成してある。つまり、供給口８が複数であっても、第２流路Ａ２からの距離が同じで共通の供給路９から燃料ガスが供給される複数の供給口８は、本発明では、一つの供給口８であると定義する。
【００５１】
そして、複数の板状体７を、それらの板面を第１流路Ａ１の螺旋方向に沿わせる姿勢で配置して、第１流路Ａ１に供給される空気に旋回力を付与するスワラー１３のフィン１３ａのうち周方向で一つ置きに位置するものを前記板状体７から構成してある。
【００５２】
【実施例】
因みに、本発明の効果を確認するために本発明者が行った実験を次に示す。
本発明のバーナ装置として、上記実施の形態で示した構造の第１バーナ装置と、上記別実施形態で示した構造の第２バーナ装置との二種を用意し、比較対象バーナ装置として、上記従来の技術で説明したバーナ装置を用意した。
前記第１バーナ装置は、直径が１．４ｍｍの供給口８を５個形成した８つの流体混合器６を備えた仕様のものであり、第２バーナ装置は、直径が１．０ｍｍの供給口８（供給路９の直径は２．０ｍｍである。）を２×５個形成した８つの流体混合器６を備えた仕様のものである。
そして、それぞれのバーナ装置について、定格（Φ（当量比）＝０．３５、メイン燃料流量１７．５ｍ３／ｈ（標準状態）、パイロット燃料流量１．９ｍ３／ｈ  （標準状態），ＴＩＴ（燃焼器出口平均温度）＝１０００℃）での大気開放燃焼試験を行った。
第１バーナ装置では、ＮＯｘ１３ｐｐｍ（酸素０％換算）以下、燃焼効率９９％以上、燃料最大圧力損失３２ｋＰａの結果を得た。
第２バーナ装置では、ＮＯｘ１０ｐｐｍ（酸素０％換算）以下、燃焼効率９９％以上、燃料最大圧力損失３０ｋＰａの結果を得た。
従来バーナ装置では、ＮＯｘ１３ｐｐｍ（酸素０％換算）以下、燃焼効率９９％以上、燃料最大圧力損失２９４ｋＰａの結果を得た。
【図面の簡単な説明】
【図１】  縦断側面図
【図２】  横断正面図
【図３】  要部（流体混合器）の縦断側面図
【図４】  要部（流体混合器）の斜視図
【図５】  別実施形態を示す縦断側面図
【図６】  別実施形態を示す横断正面図
【図７】  別実施形態を示す要部（流体混合器）の縦断側面図
【図８】  別実施形態を示す要部（流体混合器）の横断正面図
【符号の説明】
Ａ１        第１流路
Ａ２        第２流路
１          内筒
２          中間筒
３          外筒
６          流体混合器
８          供給口
９          供給路
１０        スワラー
１３        スワラー
１３ａ      フィン
【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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