(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス状及び又は液状の燃料（１１，２１）のための円錐バーナであって、
ａ）  １つの円錐体（２６）を補完する少なくとも２つの中空な部分円錐体（１，２）を備えており、これらの部分円錐体の中央軸線（４，５）が流れ方向（３）で互いにオフセットして配置されており、
ｂ）  部分円錐体（１，２）間に配置された接線方向の空気流入スリット（７，８）を備えており、
ｃ）  空気流入スリット（７，８）の全領域内に均一に分配された複数の燃料供給部（１２）をガス状の燃料（１１）のために備えており、
ｄ）  流れ方向（３）で円錐状に拡大したバーナ内室（６）を備えており、
ｅ）  円錐バーナの上流側端部に配置されてバーナ内室（６）内に開口した中央の液体燃料ノズル（１５）を備えている形式のものにおいて、
ｆ）  部分円錐体（１，２）がその下流側の端部に共通の１つの出口ディフューザ（２７）を備えており、
ｇ）  部分円錐体（１，２）が出口ディフューザ（２７）への移行領域（２８）を備えており、この移行領域内で空気流入スリット（７，８）の大きさが流れ方向（３）に連続的に減少しており、かつ
ｈ）  出口ディフューザ（２７）が、空気流入スリット（７，８）なしに円環状に形成されていることを特徴とする円錐バーナ。
【請求項２】
燃料供給部（１２）の直径が部分円錐体（１，２）の移行領域（２８）内で流れ方向（３）に減少している請求項１記載の円錐バーナ。
【請求項３】
出口ディフューザ（２７）が円錐バーナの全長（３０）のほぼ１０ないし２５％の長さ（２９）を有しており、かつ円錐体（２６）の、移行領域（２８）の始端部に形成された横断面（３２）の１．３倍より大きくない流出面（３１）を備えている請求項２記載の円錐バーナ。
【請求項４】
出口ディフューザ（２７）がバーナの円錐角（１６）に等しい開角（３２）を有している請求項３記載の円錐バーナ。
【請求項５】
出口ディフューザ（２７）が始端部ではバーナの円錐角（１６）に等しい開角（３３）を有しており、この開角が流れ方向（３）に連続的に増大している請求項３記載の円錐バーナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガス状及び又は液状の燃料のための円錐バーナであって、１つの円錐体を補完する少なくとも２つの中空な部分円錐体を備えており、これらの部分円錐体の中央軸線が流れ方向で互いにオフセットして配置されており、部分円錐体間に配置された接線方向の空気流入スリットを備えており、空気流入スリットの全領域内に均一に分配された複数の燃料供給部をガス状の燃料のために備えており、流れ方向で円錐状に拡大したバーナ内室を備えており、円錐バーナの上流側端部に配置されてバーナ内室内に開口した中央の液体燃料ノズルを備えている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヨーロッパ特許第０３２１８０９号明細書により、ガス状及び又は液状の燃料の燃焼のために適した二重円錐バーナが公知である。このバーナは１つの円錐体を補完する２つの中空な部分円錐体から成っており、これらの部分円錐体は接線方向の空気流入スリットを備えている。各空気流入スリットの半径方向の端部にはガス状の燃料のための導管が配置されている。従って、接線方向で流入する燃焼空気内へのガス状の燃料の混入はこの空気流入スリットの内部で、それもバーナの内室全体で行われる。液状の燃料を使用する場合は、液状の燃料が中央に配置されたノズルを介してバーナ内室内へ噴入される。
【０００３】
この種の二重円錐バーナのバーナ端部では中央に燃焼混合物の逆流区域が形成される。この領域内ではすでに、時間的な平均でバーナ横断面にわたり均一な燃料プロフィールが得られている。燃焼混合物の点火はこの逆流区域の尖端で行われ、従って、この場所には安定した火炎フロントが生じる。その上、燃焼器へ至る突然の面積拡大により、外側の再循環領域も形成され、この再循環領域が同様に火炎安定化に貢献する。
【０００４】
液状の燃料の使用時には、接線方向で導入される燃焼空気により燃料濃度が軸方向に減少させられ、その結果、良好に予混合された燃焼混合物が生じる。しかし、ガス状の燃料が使用される場合には、少なくとも、バーナの下流側領域内に位置する燃料混入箇所から火炎までの間隔が極めてわずかである。それゆえ、時間的にも位置的にもいまだ完全には均一化されていない状態でその場所に存在する燃焼混合物は窒素酸化物及び一酸化炭素の生成を増大せしめる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題とするところは、これらすべての欠点を排除すべく、わずかなＮＯｘ及びＣＯ放出しか生じないような、ガス状及び又は液状の燃料のための円錐バーナを製作することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題は本発明によれば、請求項１の上位概念に記載された形式の装置において、部分円錐体がその下流側の端部に共通の１つの出口ディフューザを備えており、部分円錐体が出口ディフューザへの移行領域を備えており、この移行領域内で空気流入スリットの大きさが流れ方向に連続的に減少しており、かつ出口ディフューザが空気流入スリットなしに円環状に形成されていることにより解決される。
【０００７】
円錐バーナのこの構成に基づき、スリット幅を適当に選択することにより、渦の崩壊ひいては燃焼混合物の点火が著しく下流へ出口ディフューザの近くまでずらされる。このことにより、バーナ端部のところで供用される混合区域並びに混合時間が著しく延長される。それゆえ、良好に均一化された燃焼混合物が生じ、このことがＮＯｘ及びＣＯ放出の明らかな軽減へつながる。このことは、液状の燃料の使用時でも、かつガス状の燃料の使用時でも当てはまるが、後者における利点が著しく大きい。空気流入スリットの大きさの連続的な減少により、円錐バーナジオメトリ(Kegelbrennergeometrie; cone-burner geometry)から円環状の出口ディフューザへの移行領域内の突然の横断面跳躍(Querschnittsprung; jump in cross section)が阻止される。このようにして、新鮮燃焼混合物の流れの剥離帯域が回避され、ひいてはその場所の不所望な保炎現象(Flammenhaltung; flame retention)が回避される。いまや円錐バーナは燃焼室へ至る円環状の流出横断面を有しており、それゆえ、公知の二重円錐バーナに対比して、その場所に使用されるシールドのための冷却空気要求が不要となる。付加的な利点として、出口ディフューザは隣合うバーナに対して反応区域の著しい遮蔽効果を生ぜしめ、これにより火炎安定性が高められる。
【０００８】
部分円錐体から出口ディフューザへの移行領域では燃料供給部の直径が流れ方向に減少していると特別効果的である。これにより、移行領域内のガスホールパターンが局所的なスリット幅に相応して適合され、かつ、燃焼空気内でのガス状燃料の均一な分布が得られる。
【０００９】
さらに、出口ディフューザが、円錐バーナの全長のほぼ１０ないし２５％の長さを有し、かつ部分円錐体により形成された二重円錐部分の、移行領域の始端部に形成された横断面の１．３倍より大きくない流出面を備えていると有利である。このような比較的短いディフューザは結果的にはわずかな厚さの境界層しか有しておらず、その結果、境界層内での火炎のフラッシュバック(Rueckschlagen; flaschback)が阻止される。
【００１０】
第２の実施態様では、出口ディフューザが、始めはバーナの円錐角に等しくかつその下流では円錐角より連続的に大きくなるように流れ方向で連続的に増大した開角を有している。このことにより、壁境界層が安定化され、流れの剥離のリスクが減少する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次ぎに、燃焼器に結合された二重円錐バーナに基づき本発明の２つの実施例を図面に即して説明する。
【００１２】
図面には本発明の理解のために重要なエレメントだけが示されている。作動媒体の流れ方向は矢印で示されている。
【００１３】
図１には公知技術から公知の二重円錐バーナが示されている。この二重円錐バーナは半割された２つの中空な部分円錐体１，２から成っており、これらの部分円錐体は互いに側方へオフセットしていて互いに上下に位置しており、かつ１つの円錐体を補完している。それゆえ、部分円錐体１，２は互いにオフセットして流れ方向３に向けられた中央軸線４，５（図２）を有している。この二重円錐バーナは流れ方向３で円錐状に拡大されたバーナ内室６を備えている。両方の部分円錐体１，２間に接線方向の空気流入スリット７，８が形成されている。
【００１４】
両方の部分円錐体１，２には空気流入スリット７，８の外側端部のところにそれぞれガス燃料１１のための燃料導管９，１０が配置されている（図１）。この燃料導管９，１０は空気流入スリット７，８の全域に均一に分配されていて開口として形成された複数の燃料供給部１２を備えている。両方の部分円錐体１，２は、同様に互いにオフセットして配置されたそれぞれ１つの円筒状の始端部１３，１４を備えている。これにより、接線方向の空気流入スリット７，８は向流側では二重円錐バーナの全長にわたり形成されている。二重円錐バーナの上流側の端部、換言すれば、その円筒状の始端部１３，１４には、バーナ内室６内に開口した中央の液体燃料ノズル１５が配置されている。両方の部分円錐体１，２は１０°ないし３０°の範囲で形成された円錐角１６を有している。燃焼器１７側では二重円錐バーナに、部分円錐体１，２のための固定部材として役立つフランジ状の閉鎖板１８が配置されている。この閉鎖板１８には多数の孔１９が形成されており、この孔を通して、この閉鎖板１８のすぐ上流に位置する、部分円錐体１，２の三日月状端部のための冷却空気２０が燃焼器１７へ誘導される。
【００１５】
液体燃料２１を使用する場合には、その噴入は鋭角でバーナ内室６の最狭横断面のところで行われる。このことにより、コーン状の燃料プロフィール２２が形成され、この燃料プロフィールは接線方向の空気流入スリット７，８を介して流入する回転する燃焼空気２３により囲まれる。液体燃料２１の濃度は噴入された燃焼空気２３により軸方向に連続的に減少する。二重円錐バーナの下流側の端部では中央に燃焼混合物の逆流区域２４が形成され、これがコーン状の燃料プロフィール２２を崩壊（渦崩壊）せしめる。このことにより、この領域内ではバーナ横断面にわたり良好な燃料濃度が得られる。燃焼混合物の点火はこの逆流区域２４の尖端のところで行われる。この箇所でのみ安定した火炎フロント２５が生じる。
【００１６】
ガス燃料１１が燃焼させられる場合には、ガス燃料は開口として形成された燃料供給部１２を通してバーナ内室６内へ到達する。その場合、このガス燃料１１は燃焼空気２３と混合される。その際、バーナ内室６内には同様にコーン状の燃料プロフィール２２が形成される。
【００１７】
図３には本発明に基づく二重円錐バーナが略示されている。図面を見やすくするため、重要な部分もしくは図１及び図２に示された従来技術に対比して異なった構成部分だけが示されている。
【００１８】
バーナの半割された両方の中空な部分円錐体１，２は二重円錐部分２６として形成された１つの円錐体を補完しており、この円錐体は下流で１つの共通の円環状の出口ディフューザ２７へ移行している。この出口ディフューザ２７のすぐ上流には二重円錐部分２６から出口ディフューザ２７への移行領域２８が形成されている。この移行領域２８内では空気流入スリット７，８の大きさが流れ方向３に連続して減少している。しかし、その場合、バーナ横断面は連続的に拡大されており、このことにより、この移行領域２８内でも燃焼混合物により貫流される面は同様に増大するか、又は少なくともコンスタントに留まる。
【００１９】
出口ディフューザ２７は二重円錐バーナの全長３０のほぼ１５％の長さ２９を有している。その流出面３１は移行領域２８の始端部の横断面３２のほぼ１．３倍に相応している。出口ディフューザ２７は、まずバーナの円錐角１６に等しく、次いで流れ方向３に連続的に増大する開角３３を有している。
【００２０】
図４には出口ディフューザ２７への移行領域２８が拡大図示されており、これにより、移行領域２８の下流側の端部で終わっている燃料導管９の配置及び構成が明らかになっている。
【００２１】
図５から図７までには、二重円錐部分２６の３つの部分横断面が移行領域２８内で示されている。図５には移行領域２８の始端部が、図６には中央部が、かつ図７には終端部が示されている。これから判るように、移行領域２８内では燃料導管９並びに燃料供給部１２としての開口の直径が流れ方向に減少している。移行領域２８の終端部ではすでに空気流入スリット７，８及び開口１２が完全に閉鎖されている。下流側に接続された円環状の出口ディフューザ２７には空気流入スリット７，８も燃料導管９，１０（図３）も配置されていない。
【００２２】
公知の二重円錐バーナのすでに説明した機能と相違して、出口ディフューザ２７の配置により付加的に、二重円錐部分２６の下流側の領域内ではじめて導入されたガス燃料１１の混入のための時間及びスペースが得られる。このようにして、バーナ横断面にわたり最適な燃料濃度が得られる。このように均一化された燃焼混合物の燃焼時にはＮＯｘ及びＣＯ放出が著しく削減される。液体燃料を使用した場合でも、これらの放出の削減が得られるが、しかし、この場合の利点はそれほど大きくない。
【００２３】
出口ディフューザ２７内では燃焼混合物の流れが若干減速し、これにより流れの中央部が不安定となる。このことにより、まず出口ディフューザ２７の下流側の端部の近くでは中央に燃焼混合物の逆流区域が生じ、従ってコーン状の燃料プロフィールの渦崩壊が生じる。出口ディフューザ２７がトランペット状に形成されているために、燃焼器１７内へ燃焼混合物が流入するまで移行領域２８の表面は常に滑らかに経過する。これに応じて、移行領域の内部では境界層が剥離せず、従って、二重円錐バーナの下流ではじめて安定な火炎フロントが形成される。二重円錐部分２６の長さと、空気流入スリット７，８のスリット幅、開角及び数の変化により、渦崩壊の場所が具体的な条件に相応して影響される。
【００２４】
二重円錐部分２６から出口ディフューザ２７への移行領域２８内で連続的に空気流入スリット７，８の大きさが減少することにより、二重円錐バーナのジオメトリから円環状の出口ディフューザ２７への移行が流れに関して効果的となる。これにより、突然の横断面跳躍が回避される。空気流入スリット７，８の局所的な大きさへのガスホールパターンの適合は開口（燃料供給部）直径の適当な減少により行われる。開口１２の相互間隔を大きくしてもよい。トランペット状に形成された出口ディフューザ２７の付加的な利点はその凸に湾曲した壁が安定化作用を有することにある。
【００２５】
第２の実施例では、出口ディフューザ２７はバーナの円錐角１６に等しい開角３４を有している（図８）。出口ディフューザ２７が簡単な直な形状を有していることにより、この二重円錐バーナは著しく簡単かつ安価に製作される。その上、燃焼器壁３５の外部に冷却空気案内板３６が配置されており、この冷却空気案内板は上流へ出口ディフューザ２７まで達しており、かつ空気流入スリット７，８の下流側端部のところで終わっている。この出口ディフューザ２７は燃焼器壁３５と冷却空気案内板３６との間のスペース内で逆流する冷却空気により外側から冷却され、その際、冷却空気案内板３６は最終的にはバーナの上流に形成されたプレナム３７内へ開口している。出口ディフューザ２７のこの対流冷却に基づき、第１実施例に対比して運転確実性が著しく改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】公知技術に基づく二重円錐バーナを部分的に破断して示す斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った略示断面図である。
【図３】本発明に基づく第１実施例の二重円錐バーナの略示側面図である。
【図４】図３に示す二重円錐バーナの移行領域を部分的に拡大して示す側面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿って移行領域を部分的に断面した図である。
【図６】図４のＶＩ−ＶＩ線に沿って移行領域を部分的に断面した図である。
【図７】図４のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿って移行領域を部分的に断面した図である。
【図８】本発明の第２実施例の二重円錐バーナの略示側面図である。
【符号の説明】
１，２  部分円錐体、    ３  流れ方向、    ４，５  中央軸線、    ６  バーナ内室、    ７，８  空気流入スリット、    ９，１０  燃料導管、    １１ガス燃料、    １２  開口（燃料供給部）、    １３，１４  始端部、    １５  液体燃料ノズル、    １６  円錐角、    １７  燃焼器、    １８  閉鎖板、    １９  孔、    ２０  冷却空気、    ２１  液体燃料、    ２２  コーン状の燃料プロフィール、    ２３  燃焼空気、    ２４  逆流区域、    ２５  火炎フロント、    ２６  二重円錐部分（円錐体）、    ２７  出口ディフューザ、    ２８  移行領域、    ２９  出口ディフューザの長さ、    ３０  二重円錐部分と出口ディフューザとの全長、    ３１  出口ディフューザの流出面、３２  横断面、    ３３，３４  出口ディフューザの開角、    ３５  燃焼器壁、    ３６  冷却空気案内板、    ３７  プレナム
【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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