JP2002206742A - 予混合燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 比較的簡単な構造で、広い負荷運転範囲で良
好な予混合気を形成し、低NOx、低CO燃焼を実現可能な
予混合燃焼器を提供する。 【解決手段】 燃料を空気通路に噴射することで予め燃
料と空気を混合させたうえで燃焼室内で燃焼させる予混
合燃焼器であって、この空気通路の入口部に同心円状か
つ径方向に傾きをつけて配置されて空気流を旋回させる
複数の旋回羽根２２ａ、２２ｂと、これらのうち一つお
きの旋回羽根２２ａに対応してその上流側で近接して配
置され、該旋回羽根２２ａの両翼面方向のそれぞれに対
応して開口している噴孔６１から燃料を噴射する燃料ノ
ズル６と、を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービン等の
燃焼器として好適な予混合燃焼器に関し、特にその予混
合部分に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンに作動ガスを供給するため
の燃焼器として予混合燃焼器が知られている。こうした
予混合燃焼器において、予混合気が不均質であると、NO
xあるいはCOが過剰に排出されたり、また、火炎が予混
合通路内に逆火したりする可能性があるため、均質な予
混合気を形成するための燃料噴射装置や噴射装置の配置
が検討されている。

【０００３】燃料と空気を速やかに混合させるために
は、多数の噴射ノズルを配置することが好ましいが、噴
射ノズルが多すぎると、構成が複雑になると同時に、噴
射ノズルが空気通路を閉塞して空気抵抗が大きくなり、
所望の空気分配割合を達成するのが難しくなる。また、
何らかの原因で例えば逆火した場合には、噴射ノズルが
多いと、火炎が保持されるという不具合がある。噴射ノ
ズルを減らせば、構成が簡単になり、製造コストも削減
できるが、噴射ノズル当たりの燃料噴射量が多くなるた
め、速やかな混合を達成するのが難しく、予混合のため
の大きな領域が必要になってしまう。

【０００４】特許2794939号の技術は、燃焼用空気を燃
焼室内に導く際に、空気流を旋回させる旋回器の壁面に
燃料噴射ノズルを形成することで、旋回器の通路を通過
する空気流に向けて燃料を噴射することで、狭い空間内
で速やかに燃料と空気を混合させるものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この技
術によれば、定格運転状態のように燃料噴射量が比較的
多い場合には、燃料の噴射速度も速いため、比較的良好
な混合気が得られるが、負荷が少なく燃料噴射量が少な
い場合には、噴射速度が遅いため、旋回器の壁面から噴
射された燃料は空気流に押されて旋回器の壁面に沿って
流れてしまい、燃料と空気の混合が阻害されて良好な混
合気が得られない。また、旋回器の壁面に燃料噴射ノズ
ルを形成することは旋回器の構造を複雑にし、製造コス
トアップの要因となるほか、ノズルのつまりに対する余
裕が少なく、メンテナンス的にも不利になる。さらに、
例えガスタービンのサージング等が発生して、火炎が予
混合通路を逆火したとしても噴射ノズル等に火炎が保持
されにくい構成が必要である。

【０００６】そこで本発明は、比較的簡単な構造で、広
い負荷運転範囲で良好な予混合気を形成し、低NOx、低C
O燃焼を実現可能な予混合燃焼器を提供することを課題
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係る予混合燃焼器は、燃料を空気通路に噴
射することで予め燃料と空気を混合させたうえで燃焼室
内で燃焼させる予混合燃焼器であって、この空気通路の
入口部に同心円状かつ径方向に傾きをつけて配置されて
空気流を旋回させる複数の旋回羽根と、これらの旋回羽
根の一つおきに対応してその上流側に配置され、該旋回
羽根の両翼面方向のそれぞれに対応して開口している噴
孔から燃料を噴射する燃料ノズルと、を備えていること
を特徴とする。

【０００８】このように燃料ノズルを配置することで、
それぞれの噴孔から噴射された燃料は旋回羽根の両方の
翼面方向に振り分けられる。旋回羽根を通過する際に、
空気流は加速するが、空気と燃料とはこの速度勾配の大
きな流れ領域で速やかに乱流混合するため、比較的単純
な構成で予混合気を均質に形成することができ、低NO
x、低CO燃焼を維持できる。

【０００９】この噴孔の開口方向は、空気通路の入口方
向に対して直交する方向に形成されていてもよい。噴孔
をこの位置に形成すると、旋回羽根の両翼面方向のそれ
ぞれに対応した開口部の一方は燃料ノズルより空気流れ
方向の上流側に位置し、他方が下流側に位置することに
なる。その結果、負荷が少なく燃料供給量が少ない場
合、上流側に位置する噴孔には比較的高い空気圧がかか
る一方、下流側に位置する噴孔には比較的低い空気圧が
かかるため、下流側に位置する噴孔からの噴射量が相対
的に増加する。この結果、乱れが大きな後流側に噴射さ
れる燃料量が相対的に増えることで、混合が促進される
効果が得られる。

【００１０】あるいは、本発明に係る予混合燃焼器は、
空気通路の入口から燃料の噴射位置までの距離をＤ、空
気通路の高さをＨとすると、Ｈ≦Ｄ＜２Ｈの関係を満た
す位置に噴孔を有する燃料ノズルが設けられていること
を特徴とする。

【００１１】空気通路の入口から上記の関係を満たす位
置においては、空気流が加速しながら流れているため、
その加速空気流中に燃料を噴射することで、燃料と空気
の混合を促進することができる。また、噴射した燃料が
空気通路の入口側から外側へと漏洩することがないた
め、段階的な燃焼を行う場合に、各段階への燃料供給量
を適正に維持することが可能であり、低NOx、低CO燃焼
を維持できる。さらに、たとえ逆火したとしても、火炎
は流速の高い領域に保持されないので安全である。

【００１２】空気通路を複数段備え、その各々に燃料ノ
ズルが配置されているとともに、各燃料ノズルは、各空
気通路に配置される旋回羽根の上流側延長に近接して配
置されていてもよい。複数段の予混合空気通路を有する
場合に、比較的簡便な構造でそれぞれの段で良好な予混
合気を形成することが可能となる。

【００１３】この場合、一次予混合燃料の空気通路と二
次予混合燃料の空気通路の一方に配置されている燃料ノ
ズルは、軸中心からみて他方に配置されている燃料ノズ
ルの間に配置されていることが好ましい。このように軸
中心に対して互い違いに燃料ノズルを配置することで、
各空気通路に流入する空気の流れがこの燃料ノズルに邪
魔されにくくなり、空気の流れを最適化できるととも
に、流れのよどみ領域がなく、スムースに流れる。ま
た、各予混合気に不均一な分布ができたとしても、１次
と２次とで周方向の燃料濃度の不均一さを軽減する効果
が得られる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理
解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に
対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説
明は省略する。

【００１５】図１は、本発明に係る予混合燃焼器の好適
な第一の実施形態を示す縦断面図であり、図２はこの燃
焼器のII−II線断面図であり、図３は燃焼ノズルと旋回
羽根部分の拡大図である。

【００１６】燃焼器１００は、略円筒状の外筒１内に同
じく略円筒状の内筒２が配置された缶型燃焼器であり、
燃焼用の空気を図の右端から外筒１と内筒２の間の空間
５０に導いて、他端付近で流れを反転させて内筒２内へ
燃料とともに導いて、燃焼させた後に右端から流出させ
る逆流型の燃焼器である。

【００１７】図１において外筒２内の左端を構成する部
材３には３系統の燃料供給配管が接続され、それぞれパ
イロットノズル４、一次燃料ノズル５、二次燃料ノズル
６へと連通している。ここで、パイロットノズル４は内
筒２の上流側（図の左側を指す）中央に出口４１を有
し、出口４１近傍に点火装置４２が配置されている。そ
の下流側がパイロット燃焼部４３となる。このパイロッ
ト燃焼部４３に空気を導く通路には、旋回羽根４４が配
置されている。

【００１８】一次燃料ノズル５は、パイロットノズル４
の外周に設けられた環状通路（以下、一次予混合通路と
呼ぶ）１３内の入口１１近傍に複数配置されており、そ
の下流には、複数の旋回羽根１２が配置される。この一
次予混合通路１３の出口１４は、パイロットノズル４の
出口４１より流れ方向下流に配置されている。この出口
１４の下流近傍が一次予混合燃焼室１５となる。

【００１９】また、二次燃料ノズル６は、一次燃料ノズ
ル５のさらに外周に設けられた環状通路（以下、二次予
混合通路と呼ぶ）２３内の入口２１近傍に複数配置され
ており、その下流には、複数の旋回羽根２２が配置され
る。この二次予混合通路２３の出口２４は、一次予混合
通路１３の出口１４よりさらに流れ方向下流に配置され
ている。この出口２４の下流近傍が二次予混合燃焼室２
５となる。

【００２０】以下、図２を用いて二次燃料ノズル６と旋
回羽根２２を例にその配置関係を説明するが、一次燃料
ノズル５と旋回羽根１２の配置関係についても同様の関
係が成立する。

【００２１】旋回羽根２２は、長さの異なる二種類の旋
回羽根２２ａ、２２ｂそれぞれ８枚ずつで構成されてお
り、長い旋回羽根２２ｂの間に短い旋回羽根２２ａがそ
れぞれ等間隔に配置されている。各旋回羽根２２ａ、２
２ｂは二次予混合通路２３の円盤状のスワール部に配置
されており、半径方向に対して傾けて配置されており、
その後端（円盤の中心側端部）の径方向位置は同一であ
る。したがって、長い旋回羽根２２ｂの先端は、短い旋
回羽根２２ａの先端より径方向で二次予混合通路２３の
入口２１側に位置することになる。

【００２２】二次燃料ノズル６はそれぞれ旋回羽根２２
ａを入口側に延長した位置で、近接して配置される。こ
の二次燃料ノズル６の側面には180度対向する位置に噴
孔６１が設けられており、管状の燃料ノズル６の中心の
孔６０を介して送られてきた燃料を二次予混合通路２３
内に噴射する機能を有する。これらの噴孔６１は、それ
ぞれ半径方向に直交する方向に開口している。

【００２３】ここで、二次燃料ノズル６の中心の二次予
混合通路２３の入口２１からの距離Ｄ₂は、二次予混合
通路２３の入口２１部の高さをＨ₂とすると、Ｈ₂≦Ｄ₂
＜２Ｈ ₂なる関係を満たす位置に配置されていることが
好ましい。二次予混合通路２３の入口２１近くでは、通
路５０を経て流入してくる空気の流れがいまだ不均一で
あり、流れが安定していないこと、そのために噴出した
燃料が入口２１から漏洩する可能性もあるため、良好な
混合を達成するためには、入口２１からＨ₂以上二次予
混合通路２３内に入った位置で燃料を噴射することが好
ましい。さらに、たとえ、サージング等で火炎が逆火し
ても流速が高い領域に噴射ノズルがあるため、火炎が保
持されず、焼損等のトラブルを防止できる。一方、燃料
噴射位置を入口２３から２Ｈ₂以上奥にすると、燃料と
空気の混合空間が短くなるほか、流れに直交する方向で
の空気の混合が進まなくなるため良好な混合を行うこと
が困難になるという問題が生ずる。

【００２４】本実施形態において、通路５０から二次予
混合通路２３内に導入された空気は、入口２１近くから
配置されている長い８枚の旋回羽根２２ｂに沿って流れ
ることで加速され、その途中でこの空気流中に二次燃料
ノズル６の噴孔６１から燃料が噴射される。そして二次
燃料ノズル６の下流に配置された短い旋回羽根２２ａの
左右に導かれた空気流はさらに加速されるため、旋回羽
根２２ａの左右には、大きな速度勾配や乱れが形成され
る。この乱れを利用して燃料と空気の混合を促進するこ
とができる。

【００２５】ここで、噴孔６１のうち、図３で左側に配
置されている噴孔６１Ｌは、燃料ノズル６からみて空気
流れ方向の上流側に位置し、右側に配置されている噴孔
６１Ｒが下流側に位置することになる。その結果、負荷
が少なく燃料供給量が少ない場合、噴孔６１Ｌには比較
的高い空気圧がかかる一方、噴孔６１Ｒには比較的低い
空気圧がかかるため、噴孔６１Ｒからの噴射量が相対的
に増加する。この結果、乱れが大きな後流側に噴射され
る燃料量が相対的に増えることで、混合が促進される効
果が得られる。さらに、燃料ノズル６が旋回羽根２２ｄ
の延長上に近接して配置されているので、燃料ノズル６
に火炎が保持されにくい効果もある。

【００２６】こうして良好に混合された予混合気は内筒
２内の二次予混合燃焼室２５へと導かれ、パイロット燃
焼部４３、一次予混合燃焼室１５のそれぞれに形成され
ているパイロット拡散火炎、一次予混合火炎によって燃
焼し、二次予混合火炎を形成する。

【００２７】本発明によれば、比較的コンパクトで短い
空間で予混合気を広い運転範囲で均質に混合することが
できるため、所望の当量比の予混合気を確実に得ること
ができ、広い運転範囲で低NOx、低CO燃焼を実現でき
る。

【００２８】ここで、一次燃料ノズル５と二次燃料ノズ
ル６は、軸中心から見てそれぞれが他方のノズルの間、
すなわち周方向で互い違いに配置されていることが好ま
しい。このように配置すると、一次予混合気、二次予混
合気のそれぞれに周方向で当量比の不均一分布が発生し
たとしても、その燃料濃度の濃淡位置を周方向でずらす
ことができ、不均一性の影響を軽減することができる。

【００２９】以上の説明では、予混合気を二段階燃焼さ
せる実施形態について説明してきたが、３段以上の段階
で予混合気を燃焼させてもよく、予混合気を単段燃焼さ
せる場合についても本発明は好適に適用可能である。

【００３０】続いて、本発明に係る予混合燃焼器の第二
の実施形態について説明する。この第二の実施形態は基
本構成は図１に示される第一の実施形態と同様であり、
燃料ノズルと旋回羽根の配置が第一の実施形態とは異な
る。

【００３１】図４は、第二の実施形態における二次予混
合通路２３の円盤部の断面図、図５は、そのノズル、旋
回羽根の関係を示す拡大図であり、それぞれ図２、図３
に対応する。

【００３２】本実施形態においては、旋回羽根２２は、
１６枚の同一形状の短い旋回羽根２２ａのみで構成され
ている。これら半径方向に対して傾けて等間隔で配置さ
れており、その先端、後端それぞれの径方向位置は同一
となるよう配置されている。

【００３３】二次燃料ノズル６はそれぞれ一つおきの旋
回羽根２２ａを入口側に延長した位置で近接して配置さ
れる。この二次燃料ノズル６の側面には対応する旋回羽
根２２ａの左右それぞれに向かって開口する噴孔６３が
設けられている。

【００３４】本実施形態においては、二次予混合通路２
３の入口まで旋回羽根２２ａが延長されていないため、
二次予混合通路２３の空気流動がその外空間内の空気流
動の変動や偏りに対して影響を受けにくい。また、旋回
羽根２２ａを短く揃えることで製作コストをさらに低減
し得る。そして、旋回羽根２２ａの左右に向かって開口
している噴孔６２からそれぞれ燃料を旋回羽根２２ａの
左右に向かって噴射することで、旋回羽根２２ａの左右
に形成される大きな速度勾配や乱れを利用して燃料と空
気の混合を促進することができる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
簡単な構成で広い負荷範囲で均質な予混合気を得ること
ができるので、低NOx、低CO燃焼が実現できる。また、
構成が簡単なので、製造が容易で、製造コストを低減
し、メンテナンス性も向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る予混合燃焼器の第一の実施形態を
示す断面図である。

【図２】第一の実施形態の空気通路の断面図である。

【図３】図２の一部拡大図である。

【図４】第二の実施形態の空気通路の断面図である。

【図５】図４の一部拡大図である。

【符号の説明】

１…外筒、２…内筒、５…一次燃料ノズル、６…二次燃
料ノズル、１２、２２…旋回羽根、１３…一次予混合通
路、２３…二次予混合通路、６１、６３…噴孔１００…
予混合燃焼器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 畦上 修 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 井戸田 芳典 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 長谷川 雅一 愛知県豊田市元町１番地 トヨタ自動車株 式会社元町工場内 Ｆターム(参考） 3K065 TA01 TA04 TB01 TC08 TD02 TF03 TJ03 TJ06 TM05

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料を空気通路に噴射することで予め混
   合させたうえで燃焼室内で燃焼させる予混合燃焼器であ
   って、 前記空気通路の入口部に同心円状かつ径方向に傾きをつ
   けて配置されて空気流を旋回させる複数の旋回羽根と、 前記旋回羽根の一つおきに対応してその上流側に配置さ
   れ、該旋回羽根の両翼面方向のそれぞれに対応して開口
   している噴孔から燃料を噴射する燃料ノズルと、 を備えている予混合燃焼器。
2. 【請求項２】 前記噴孔の開口方向は、前記空気通路の
   入口方向に対して直交する方向に形成されている請求項
   １記載の予混合燃焼器。
3. 【請求項３】 燃料を空気通路に噴射することで予め混
   合させたうえで燃焼室内で燃焼させる予混合燃焼器であ
   って、 前記空気通路の入口から燃料の噴射位置までの距離を
   Ｄ、空気通路の高さをＨとすると、Ｈ≦Ｄ＜２Ｈの関係
   を満たす位置に噴孔を有する燃料ノズルが設けられてい
   る予混合燃焼器。
4. 【請求項４】 前記空気通路を複数段備え、その各々に
   燃料ノズルが配置されているとともに、各燃料ノズル
   は、各空気通路に配置される旋回羽根の上流側延長に近
   接して配置されている請求項１〜３のいずれかに記載の
   予混合燃焼器。
5. 【請求項５】 一次予混合燃料の空気通路と二次予混合
   燃料の空気通路の一方に配置されている燃料ノズルは、
   軸中心からみて他方に配置されている燃料ノズルの間に
   配置されている請求項４記載の予混合燃焼器