(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
火炎を発生させるバーナと、その内部に前記火炎が向けられる燃焼室とを備えた火炉における、火炎脈動と圧力脈動を制御する方法であって、火炎の伝搬方向において、前記火炎の外側領域の流速よりも高速で、前記火炎の中心軸芯に対して平行な流れ方向に流出させたガスエンベロープ流によって前記火炎を包囲して、燃料含有バーナ流の端部領域の巻上がりによって発生する環状渦の発生を防止する工程を有する火炉の火炎・圧力脈動制御方法。
【請求項２】
前記ガスエンベロープ流のガスに、燃料を含有させない請求項１の火炉の火炎・圧力脈動抑制方法。
【請求項３】
前記ガスエンベロープ流のガスに、燃料を含有している請求項１の火炉の火炎・圧力脈動抑制方法。
【請求項４】
前記ガスは、発火限界外の濃度の燃料−空気混合物である請求項３の火炉の火炎・圧力脈動抑制方法。
【請求項５】
前記ガスは、発火限界内の濃度の燃料−空気混合物である請求項３の火炉の火炎・圧力脈動抑制方法。
【請求項６】
前記ガスエンベロープ流のガスは空気である請求項１の火炉の火炎・圧力脈動抑制方法。
【請求項７】
前記ガスエンベロープ流のガスは不活性ガスである請求項１の火炉の火炎・圧力脈動抑制方法。
【請求項８】
前記不活性ガスは、窒素、水蒸気、バーナからの廃棄ガスのいずれかである請求項７の火炉の火炎・圧力脈動抑制方法。
【請求項９】
前記ガス流は、実質的に筒状のエンベロープを形成する請求項１の火炉の火炎・圧力脈動抑制方法。
【請求項１０】
前記ガスエンベロープ流は、前記火炎の外側領域の近傍に位置する請求項１の火炉の火炎・圧力脈動抑制方法。
【請求項１１】
請求項１記載の方法を実施するための火炉であって、火炎を形成するためバーナと、前記火炎が向けられる燃焼室とを備えていて、前記火炎を包囲するエンベロープ形状でガスを排出する少なくとも１つのガス排出口（９）を有する火炉。
【請求項１２】
前記ガス排出口（９）はスロット形状をなし、前記バーナ排出口に近接し包囲している請求項１１の火炉。
【請求項１３】
前記バーナ排出口は軸芯に対して対称形状をなしており、前記スロットは環状スロットである請求項１２の火炉。
【請求項１４】
前記バーナ排出口と前記環状スロットとは同心状に配置されている請求項１３の火炉。
【請求項１５】
前記バーナ排出口は、このバーナ排出口の近傍でかつ互い近接配置された複数のガス排出口によって包囲され、これら複数のガス排出口は前記火炎を完全に包囲するガスエンベロープ流を形成する請求項１１の火炉。
【請求項１６】
前記バーナ排出口と前記複数のガス排出口（９）の全体が、同心状に配置されている請求項１５の火炉。
【請求項１７】
少なくとも１つの前記ガス排出口（９）は、ジエット部材（１０）として構成されている請求項１１の火炉。
【請求項１８】
前記ガス排出口（９）の流出方向は、前記バーナの中心軸芯に対してほぼ平行である請求項１１の火炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火炎を発生させるバーナと、その内部に前記火炎が向けられる燃焼室とを備えた火炉において、火炎脈動と圧力脈動の抑制方法と、この方法を実施するのに適した火炉とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービン燃焼室、熱風炉、残留物焼却炉、産業用火炉などの産業用の燃焼設備、及びガスボイラや加熱ボイラ等の家庭用の小型火炉において、例えば、熱出力や空気比などの火炉の技術的な運転パラメータによって決まるある種の条件下で、火炎の周期的時間変化によって特徴づけられる不安定な運転状態が発生する。これらの不安定な状態は、特に、燃焼室内および、この燃焼室の前後に接続された諸装置内における靜圧の変化に伴って発生する。このような不安定状態は、更に、渦流やバッフルバリア等の公知の手段によって火炎が十分に安定化された火炉においても発生する。
そして、このような不安定な燃焼状態が発生すると、安定した設備運転下におけるものとは異なった挙動が誘発されることが多く、又、騒音が増大するのに加えて、その燃焼室または燃焼室のライニングに過度な機械的および／又は熱的応力が加わる。この火炎と圧力との脈動によって、最悪の場合には、設備が破壊されることもあることから、この種の火炎および圧力脈動を避けるために多大なコストが費やされている。例えば、燃焼室の形状を改善することが行われているが、その手段によれば、単に脈動の周波数がシフトするにすぎないことが多く、従って、問題を根本的に解決することはできていない。これ以外には、火炎・圧力脈動が発生したとき、その状況に応じて経験に基づくなんらかの特別の手段が講じられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の課題は、上述したような許容圧力範囲を越える火炎・圧力脈動を抑制できる方法およびこれを行うに適した火炉を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題は請求項記載の発明により達成される。
即ち、本発明の特徴構成は、火炎の伝搬方向において、火炎の外側または周部領域または前記バーナの燃料含有主流よりも高速で、火炎の軸芯に対して平行なガス流によって、バーナの火炎をその可能な限り近傍において包囲する点にある。
これによって、火炎の外側領域、又は燃料含有バーナ流に対して、軸芯方向のインパルスの伝搬が行われる。
本発明は、前記脈動が、基本的に、火炎の端部領域において形成される環状渦（ｒｉｎｇ  ｖｏｒｔｉｃｅｓ）によって発生または増幅されるものであるという原理の認識に基づくものである。
前記燃料含有バーナ流の端部領域の巻上がり（ｒｏｌｌｉｎｇ  ｕｐ）によって発生するこれらの環状渦は、それが形成される際に、高温燃料ガスを取り込み、この環状渦にも同様に含有される燃料空気混合物を急速に加熱する。これによって燃料のインパルス状反応が誘発され、その結果、圧力脈動が発生するのである。
本発明においては、環状渦の形成を防ぐため、ガスを、火炎またはバーナの主流に対して可能な限り近接した位置において、火炎の伝搬方向において火炎の外側または周部領域よりも高速で、火炎の軸芯に対して平行なガスエンベロープ流によって包囲する。これによって、エンベロープ流と火炎または燃料ガス−空気流との間に、軸芯方向のインパルスの交換が起こり、これが前記自由火炎または前記燃料−空気混合物の境界層流を加速し、この領域における渦の形成を効果的に抑制するのである。
【０００５】
尚、前記ガスエンベロープ流とその周囲の媒体（一般の煙道ガスの場合も含む）との間において、やはり対応の環状渦が発生することから、前記ガスエンベロープ流には燃料が全く含まれていないことが最も望ましい。というのは、このようにすれば、燃料を含有する渦が前記（無燃料）エンベロープ流からは形成されることがないからである。もしもそのような燃料を含んだ渦が形成されると、燃料が周期的に反応して、エンベロープされていない火炎や燃料−空気流において発生するのと同様に、火炎または圧力の脈動が誘発されることがあり得る。
【０００６】
前記無燃料ガスは、空気であることが好ましい。どのような場所においても豊富に入手可能だからである。しかし、窒素、水蒸気、またはバーナからの廃棄ガス、アルゴンのような不活性ガスを使用することも可能である。但し、窒素、水蒸気、アルゴン等を用いる場合、ある程度コスト的には不利になる。
【０００７】
さらに、前記ガスエンベロープ流に燃料が含まれている場合においても、本発明によるバーナ流出流の外側領域（あるいは、火炎を形成する主流）の加速という効果は達成可能である。この点に関して、前記ガスエンベロープ流を形成する媒体によって下記のような様々なケースが可能である。
ガスエンベロープ流がガスと燃料との非発火性混合物から構成される場合、このガスエンベロープ流は、基本的に、環状渦の形成の抑制作用について燃料を含有していないかのごとく挙動する。即ち、このガスエンベロープ流とその周囲の媒体との間の境界層において渦が発生しても、火炎と圧力の脈動が誘発されることはない。
ガスと燃料とのこの非発火性混合物の場合、そのガスとして、不活性ガス（例えば、窒素、水蒸気またはバーナからの廃棄ガス）や空気などを使用することができる。
前者の場合、そのガス濃度はどのようなものであってもよい。なぜならば、不活性ガスは反応することがなく、どのような混合比においても燃料と燃焼されることがないからである。これに対して、後者の場合、燃料の濃度をこの燃料の発火限度外にして、ガスエンベロープ流から環状渦が発生しても、これが反応することができないようにする。
【０００８】
基本的には、ガスエンベロープ流として、燃料の種類によっては、この燃料の発火限界内の燃料濃度を有する燃料−空気混合物も使用することが可能である。但し、この場合、軸芯方向のインパルスの十分な伝搬が確実に行われて、火炎の外側領域またはバーナ主流が十分に加速され、かつ、ガスエンベロープ流からの自立安定火炎（あるいは、ガスエンベロープ流が複数の排出口から形成される場合には、複数の火炎）の形成が防止されるように、この原理的には可燃性のガスエンベロープ流の実質的に軸芯方向の流出速度を、前記バーナ主流の流速よりも十分に速いものとする。即ち、前記ガスエンベロープ流の排出速度を、火炎の臨界排出速度よりも十分に高いものとする。
【０００９】
前記ガスエンベロープ流は、火炎の中心軸芯に対して平行に流れることが好ましい。しかし、前記臨界領域において断面が変化するが、それでも前述したような円錐形状の火炎を形成するバーナもあるということを考慮して、この火炎または前記燃料−空気流の主流方向に対して、径方向または接線方向の成分をも有して、ここからガスエンベロープが火炎の方向に沿ってある程度膨張する構成とすることも可能である。但し、ガスエンベロープ流が、エンベロープされない火炎または燃料−空気流と比較して、十分に高い軸芯方向のインパルスを有することが常に重要である。
【００１０】
火炉における火炎と圧力の脈動を抑制するこの方法を実施するため、本発明に係る火炉の特徴構成は、火炎を形成するためバーナと、前記火炎が向けられる燃焼室とを備えたものにおいて、前記火炎を包囲するエンベロープ形状でガスを排出する少なくとも１つのガス排出口を有している点にある。
前記ガス排出口と、前記燃料−空気混合物が排出される燃料排出口のエッジとの間の距離は、可能な限り小さくすることが好ましい。
【００１１】
上述した本発明の方法は、予混合燃焼制御だけでなく、拡散燃焼、特に液体または気体燃料の拡散燃焼においても使用可能であるので、この方法を実施するに当たって、前記バーナも、その公知の方式に適するように構成される。
前記ガスエンベロープ流を発生するための前記ガス排出口は、スロット又は開口ノズルとして構成されることが好ましい。これが、前記バーナ排出口を近接して包囲する。したがって、前記バーナ排出口を軸芯方向において対称で、かつ、長手方向の断面形状を備えるような構成となりえる。
上記軸芯方向対称状バーナ排出口の場合、前記スロットは、前記バーナ排出口に対して同心状態で、かつ、この排出口の近傍周囲に形成される環状開口ノズルとして構成される。
【００１２】
単数のスロット又は単数の開口ノズルに代えて、前記バーナ排出口の周りに複数の小型のガス排出口を、互いに近接させて形成してもよい。この点に関して、前記バーナ排出口と、好ましくはノズルとして構成される前記複数のガス排出口との全体の配置構成を同芯配置とし、前記バーナの火炎を完全に包囲するガスエンベロープ流が、前記複数のガス排出口とノズルとによって形成され、このエンベロープ流によって環状渦の発生を抑制できる。
もちろん、この点に関して、火炎の周囲を流れるガスエンベロープ流が前記境界領域の火炎の周部領域の十分な加速を誘発させて渦の形成を防ぐことが可能な限り、前記バーナ排出口とノズル（又は複数のノズル）とは必ずしも同一平面内に配置される必要はない。
これは、特に、前記ノズルの流出方向を前記バーナ軸芯に対してほぼ平行にすることによって達成される。但し、ノズルから流出して火炎の周部領域を包囲するガス流は、これらのノズルをバーナ軸芯に対して適当な角度で配置することによっても達成可能である。
【００１３】
【発明の効果】
以上の結果、火炎と圧力の脈動を抑制して、火炉設備の運転の安全性を高めることができる単純、かつ効果的な方法およびこれを用いるに適した火炉が提供された。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施形態の方法を実施するためのバーナの断面を示す。この実施形態においては、一例としてスワールバーナを使用する。このスワールバーナに、バーナ管２を介して予混合燃料ガス−空気混合物１を供給する。前記バーナ管２の終端部には、スワール発生用クロスピース３が配設されていて、これは軸芯方向に対称形状をなしており、かつ、その外周部に複数の傾斜案内ベーン４を有している。これらの案内ベーン４は、約３０゜の傾斜角を有し、これによってここから排出される燃料ガス−空気混合物が偏向され、それと共にスワールが発生するようになっている。
更に、前記案内ベーン４の内側には前記スワール発生用クロスピース３を貫通する複数の孔５が形成されていて、これらの孔５を通じて、前記燃料ガス−空気混合物の部分流が流れることができ、パイロット火炎の形成による火炎の安定化に寄与している。前記スワール形成用クロスピース３の外側６で、バーナから流出する前記燃料ガス−空気混合物が発火されて火炎１２を形成する。そして、この火炎１２は、図１に示されていない燃焼室に入り込むようになる。
【００１５】
前記バーナの火炎１２の周囲には、ガスエンベロープ流が流れている。このエンベロープは、前記バーナ管２に対して平行な環状カナル７を通じてバーナ内を搬送され、前記スワール発生用クロスピース３を近接して包囲する、ガス排出口としての環状スロット９を通じて、バーナから排出されるガス流８によって誘発されるものである。前記環状カナル７からの排出前に前記ガス流８を加速するため、この環状カナル７の端部領域に複数の四分（４分割）ジェット部材（ｑｕａｄｒａｎｔ  ｊｅｔｓ）１０が配設されている。これらジェット部材１０により、特に前記ガスエンベロープ流の外側領域に対して強力な軸芯方向（即ち、前記バーナ軸芯１１に対して平行に）の加速作用が付与される。
【００１６】
前記環状スロット９から流出する前記ガスエンベロープ流の流速は、前記四分ジェット部材１０によって加速され、その軸芯１１方向の流速は、前記スワール形成用クロスピース３の後方の火炎方向における燃焼している燃料ガス−空気混合物の流速よりも遥かに高速となる。これによって、前記火炎として燃焼している燃料ガス−空気混合物とそれを近接包囲している前記ガスエンベロープ流との間の領域において、燃焼中の燃料ガス−空気混合物の境界層の加速が誘起される。その結果、相内エネルギ伝導によってその内部に含まれる燃料の急速な反応による火炎および圧力の脈動を誘発増幅する、燃料ガス−空気混合物のエッジ領域１３において発生する周期的で干渉性の、環状渦構造の形成が、効果的に抑制される。
これにより、火炎と圧力の脈動を抑制して、火炉設備の運転の安全性を高めることができる単純、かつ効果的な方法が提供された。
尚、火炎の外側領域の流速よりもガスエンベロープ流を高速にする方法として、バーナ管２に入る前に、夫々の流速を変えるようにしてもよい。
【００１７】
尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構造に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いるバーナの断面図
【符号の説明】
２      バーナ管
８      ガス流
９      ガス排出口
１０    ジェット部材
１２    火炎
【図１】
0003755934.tif 000002