JP2002206743A - 予混合燃焼器 - Google Patents

予混合燃焼器

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JP2002206743A
JP2002206743A JP2000401772A JP2000401772A JP2002206743A JP 2002206743 A JP2002206743 A JP 2002206743A JP 2000401772 A JP2000401772 A JP 2000401772A JP 2000401772 A JP2000401772 A JP 2000401772A JP 2002206743 A JP2002206743 A JP 2002206743A
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fuel
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flame
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JP2000401772A
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Yoichiro Okubo
陽一郎 大久保
Osamu Azegami
修 畦上
Yoshinori Idota
芳典 井戸田
Masakazu Hasegawa
雅一 長谷川
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Toyota Central R&D Labs Inc
Toyota Turbine and Systems Inc
Original Assignee
Toyota Central R&D Labs Inc
Toyota Turbine and Systems Inc
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 予混合燃焼器の特徴である低NOx性を阻害す
ることなく、確実な着火と安定した火炎形成を行うこと
が可能な点火装置を有する予混合燃焼器を提供する 【解決手段】 パイロット燃料と予混合燃料とを略同軸
上に噴射し、この軸中心に配置されている火花点火装置
42によりパイロット燃料への着火を行う予混合燃焼器
であって、この点火装置42の上流側からその側面に沿
って先端部を経て燃焼器の軸中心へと空気を導入する空
気通路45、45a、42c、42d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、特にその点火
装置付近の構成に関する。
【0002】
【従来の技術】予混合燃焼器では、燃焼室内で希薄混合
気を燃焼させるため、側壁での着火は困難であることか
ら、点火装置をパイロットバーナーとともに燃焼室の軸
中央に配置している。
【0003】しかしながら、パイロットバーナーの中央
領域は、噴射された燃料が内部の循環流れに沿って軸中
心上に存在する点火装置先端方向に向かって逆流してい
るため、火花点火領域が燃料過濃になりやすく、その結
果、点火装置を間欠的に発火させた場合に、火炎核自体
が形成されないか、パイロットバーナ内に広がらなかっ
たり、広がっても火炎が確実かつ連続的に保持されない
ため、着火に至らないことがある。
【0004】そこで、従来は、最適な着火タイミングと
燃料流量を選定してそれらを制御することにより着火・
起動を行っていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】だが、この制御の余裕
度が少ないため、限られた着火・起動条件から外れて起
動に失敗してしまうトラブルが多かった。このように、
パイロットバーナの着火と火炎安定性が不十分である
と、燃料を多めにして拡散燃焼させる必要があるため、
サーマルNOxの生成が増加して、予混合燃焼器の特徴で
ある低NOx性を阻害してしまう。
【0006】また、点火装置の先端がパイロットバーナ
の軸中心上に配置されているため、着火後はパイロット
バーナ火炎が点火装置の先端に接触することになり、点
火装置の耐久性が良くないという欠点があった。
【0007】そこで本発明は、予混合燃焼器の特徴であ
る低NOx性を阻害することなく、確実な着火と安定した
火炎形成を行うことが可能な点火装置を有する予混合燃
焼器を提供することを課題とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記課題を達成するた
め、本発明に係る予混合燃焼器は、パイロット燃料と予
混合燃料とを略同軸上に噴射し、該軸中心に配置されて
いる火花点火装置によりパイロット燃料への着火を行う
予混合燃焼器であって、この点火装置の上流側から該点
火装置の側面に沿って点火装置の先端部を経てこの軸中
心へと空気を導入する空気通路を備えていることを特徴
とする。
【0009】この空気通路を介して、点火装置の側面に
沿ってその先端部を経て燃焼器の軸中心へと空気を導入
することで、火花点火領域に空気を導入してその領域の
燃料濃度を低下させることで、点火による火炎核形成を
容易にする。さらに、形成された火炎核が導入された空
気流により下流側へと流されることで、火炎を広げ、安
定した大きな火炎をパイロットバーナ内に形成すること
が可能である。これにより、広い当量比で確実な着火が
行える。
【0010】この点火装置の先端部は、中心電極と、そ
の周囲に形成された側壁電極とで構成されており、側壁
電極の側面には、この空気通路に連通する空気導入口が
設けられていることが好ましい。
【0011】側壁電極の側面に空気導入口を設けること
で、側壁電極の壁面に沿って点火装置の先端部へと流れ
る空気流を確実に形成することができる。
【0012】この点火装置の中心電極の先端は、パイロ
ット燃料の燃焼室内への導入端面より軸方向に対して同
等かそれより上流側に後退して配置されていることが好
ましい。
【0013】本発明によれば、火花点火による確実な着
火が実現できるので、中心電極の先端を燃焼室内から引
き込んで配置することができる。これにより、パイロッ
トバーナ火炎と中心電極の先端部とを離隔させることが
でき、点火装置の熱的な損傷を防止し、耐久性を向上さ
せることが可能である。
【0014】点火装置の先端部へと導入される空気流に
旋回を付与する旋回手段をさらに備えていることが好ま
しい。点火装置の先端部へ導入される空気流を旋回させ
ることで、少ない燃料量で拡散火炎であるパイロットバ
ーナ火炎を安定して形成することが可能となる。その結
果、パイロットバーナ火炎で生成されるサーマルNOxを
低減させて、燃焼器全体としての排出NOx量を低減する
ことができる。
【0015】パイロット燃料の燃料室内への導入端面
は、点火装置の先端部の端面よりも大きな断面積を有し
ていることが好ましい。このようにすると、パイロット
燃料の燃料室内への導入部に確実に火炎起部が形成され
るため、火炎安定性が高くなる。しかも、点火装置先端
には、火炎起部が形成されず、点火装置の火炎による熱
損傷も効果的に防止できる。
【0016】
【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。
【0017】図1は、本発明に係る予混合燃焼器の好適
な実施形態を示す縦断面図であり、図2はこの燃焼器の
パイロット部の拡大図であり、図3は点火装置部分のII
I−III線断面図である。
【0018】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。
【0019】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
イロットバーナ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。
【0020】ここで、図2、図3を参照してパイロット
バーナ4を含むパイロット部の構成を説明する。パイロ
ットバーナ4を構成する部材4aは先端が略筒状の部材
であり、先端部は燃焼器内に突出している。その下流側
がパイロット燃焼部46を形成している。
【0021】この筒状部材には環状の燃料通路41が設
けられている。部材4aの筒部の外側には、外部を流れ
る空気流の上流側から、まず筒部の外側から内側へとそ
の軸に対して空気流の流れ方向に斜めに貫通している空
気流入孔45が周方向に3個等間隔で配置されている。
その下流側には、筒部の外側を流れる空気流を筒部の軸
中心に対して旋回させる12枚の旋回板43が配置され
る。そしてその下流の筒部の先端部には、6本のスポー
ク44が等間隔で放射状に配置される。そして、各スポ
ーク44の間に6個の燃料噴射孔41bが配置されると
ともに、各スポーク44の左右にも燃料噴射孔44aが
配置されており、それらはパイロットノズル4へと連通
している。
【0022】パイロットバーナ4の内側には、点火プラ
グ42が配置されており、その先端部は、中心電極42
aとそれを包囲する側壁電極42bとで構成される。側
壁電極42bには、180度対向する位置に2個の空気導
入口42cが設けられている。こうして、中心電極42
aと側壁電極42bの間および側壁電極42bとパイロ
ットバーナ4との間のそれぞれが空気通路42d、45
aを形成している。
【0023】一次燃料ノズル5は、パイロットバーナ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、パイロットバーナ4の先端
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。
【0024】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25と
なる。
【0025】次に、このパイロット部を有する予混合燃
焼器の着火時の動作について説明する。図示していない
エキサイターを利用して点火プラグ42から間欠的に火
花発火させながら、パイロットバーナ4に所定の流量の
パイロット燃料を供給するとともに、図示していない圧
縮機から通路50を介して圧縮された燃焼用空気を供給
する。
【0026】通路50を介して導かれた空気流は、図1
の左端部で向きを変え、空気通路40を介してパイロッ
ト部へと導入される。このとき、その一部が空気流入孔
45を介して点火プラグの周辺へと導かれる。パイロッ
トバーナ4の筒部の外側を通る空気流は旋回板43によ
って旋回させられる。この旋回空気流とともに、パイロ
ットバーナ4の燃料通路41を介して各スポーク44に
設けられた12個の燃料噴射孔44aと、各スポーク44
の間に設けられた6個の燃料噴射孔41bから噴射され
たパイロット燃料がパイロット燃焼部46へと流れ込
む。
【0027】ここで、パイロット燃焼部46の流路面積
が急拡大しているために、比較的燃料濃度の高い混合気
が軸中央領域に形成される循環渦に巻き込まれる。こう
して燃料過濃な混合気が点火プラグ42の先端に向かっ
て逆流する。しかし、空気流入孔45を経て、空気通路
45aあるいは、さらに空気導入口42cを介して空気
通路42dを通過して、点火プラグ42の先端から下流
側へとこの逆流と対向して流れる空気と混合することに
より、最適な当量比の予混合気が形成される。点火プラ
グから間欠的に発火された火花によって、この最適な当
量比の予混合気に効果的に火炎核が形成され、こうして
形成された火炎核が空気通路42d、45cから送られ
る空気流に沿って軸中心を下流側へと流れることによっ
てパイロット燃焼部46の中心領域に広がって、安定し
た連続火炎を形成することができ、確実な着火が実現で
きる。パイロット燃焼部46内で安定化された連続火炎
の起部は、点火プラグ42の先端面の電極ではなく、パ
イロットバーナ4の端面である47に形成されており、
端面47から火炎がパイロット燃焼部46内へと拡がる
ことになる。
【0028】また、点火プラグ42の先端部から発火し
た火花を先端部の周囲を流れる気流にのせて予混合気の
内部へと導いて着火させるので、点火プラグ42の先端
部を火炎から離隔させることが可能である。すなわち、
着火したパイロット拡散火炎は、パイロットバーナ4先
端の端面47に火炎起部が安定に形成されて、点火プラ
グ42先端の端面には、火炎起部がない。したがって、
点火プラグ42が火炎にさらされることがなく、熱損傷
を効果的に防止でき、その耐久性が向上する。
【0029】そして、パイロットバーナ4先端の環状の
端面47の断面積を、点火プラグ42先端の端面の断面
積より大きくすることにより、パイロットバーナ4先端
に確実に火炎起部が形成されるため、火炎安定性が高く
なる。しかも、点火プラグ42先端には、前述したよう
に火炎起部がないので、点火プラグ42が火炎によって
熱損傷することがない。
【0030】さらに、点火プラグ42の電極先端部をパ
イロットバーナ4の先端面より上流側に後退させて配置
することも可能になる。このようにすると、さらに熱損
傷を効果的に防止でき、耐久性を向上させることができ
る。
【0031】こうして形成されたパイロット火炎の周囲
に、一次予混合気、さらにその外周に二次予混合気を導
入することで、パイロット火炎の周囲に一次予混合火
炎、その周囲に二次予混合火炎を安定して生成すること
が可能となる。本発明によれば、少ないパイロット燃料
でもパイロット火炎を安定して形成することができるの
で、パイロット火炎で生成されるサーマルNOxを低減す
ることができる。さらに、一次予混合火炎、二次予混合
火炎は通常より低い当量比で燃焼させることが可能とな
るので、全体として低NOx、低CO燃焼が可能となり、燃
焼効率の高い燃焼を行うことができる。燃焼器全体で
は、排ガス中のNOxレベルを10ppmレベルに抑制すること
ができる。
【0032】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、燃
焼室の上流側軸中心に配置された点火装置の先端を通
り、軸中心に沿って流れる空気流を形成することができ
るので、パイロット燃料がこの軸中心領域に形成される
循環渦に巻き込まれても、この領域の当量比を過濃とす
ることなく、最適な当量比に維持できるので、確実な着
火が可能となり、安定したパイロット火炎を大きく形成
できる。そのため、低NOx、低CO燃焼が実現でき、燃焼
効率の高い燃焼を行うことができるとともに、点火装置
の耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る予混合燃焼器を示す縦断面図であ
る。
【図2】図1の装置のパイロット部の拡大図である。
【図3】図2のIII−III線断面図である。
【符号の説明】
1…外筒、2…内筒、4…パイロットバーナ、42…点
火プラグ、43…旋回板、44…スポーク、45…空気
流入孔、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 TA08 TA11 TA13 TB08 TC08 TF02 TH19 TJ03 TJ06

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 パイロット燃料と予混合燃料とを略同軸
    上に噴射し、該軸中心に配置されている火花点火装置に
    よりパイロット燃料への着火を行う予混合燃焼器であっ
    て、 前記点火装置の上流側から該点火装置の側面に沿って前
    記点火装置の先端部を経て前記軸中心へと空気を導入す
    る空気通路を備えている予混合燃焼器。
  2. 【請求項2】 前記点火装置の先端部は、中心電極と、
    その周囲に形成された側壁電極とで構成されており、前
    記側壁電極の側面には、前記空気通路に連通する空気導
    入口が設けられている請求項1記載の予混合燃焼器。
  3. 【請求項3】 前記点火装置の中心電極の先端は、パイ
    ロット燃料の燃焼室内への導入端面より前記軸方向に対
    して同等かそれより上流側に後退して配置されている請
    求項1あるいは2に記載の予混合燃焼器。
  4. 【請求項4】 前記点火装置の先端部へと導入される空
    気流に旋回を付与する旋回手段をさらに備えている請求
    項1あるいは2に記載の予混合燃焼器。
  5. 【請求項5】 前記パイロット燃料の燃料室内への導入
    端面は、前記点火装置の先端部の端面よりも大きな断面
    積を有する請求項1、2あるいは4に記載の予混合燃焼
    器。
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