JP2003262336A

JP2003262336A - ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JP2003262336A
Application number: JP2002064302A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Hayashi; 茂林; Shuji Yamada; 秀志山田
Original assignee: National Aerospace Laboratory of Japan
Current assignee: National Aerospace Laboratory of Japan
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2002-03-08
Publication date: 2003-09-19
Anticipated expiration: 2022-03-08
Also published as: US6889495B2; EP1342956B1; JP4134311B2; EP1342956A2; US20030167771A1; DE60323417D1; EP1342956A3

Abstract

(57)【要約】【課題】高温の既燃ガスを利用して希薄混合気を燃焼
させることにより、燃焼用空気流量の可変機構等を用い
ることなく、広い出力範囲にわたって高い燃焼効率と低
ＮＯｘ排出濃度性を両立し得るガスタービン燃焼器を提
供する。【解決手段】ガスタービン燃焼器１０は、燃料と空気
との混合気を燃焼室１１内に導く予混合気噴射管１６と
を備え、予混合気噴射管１６からの混合気を、排出口１
５ａが燃焼室１１内に開口するバーナ１５から噴射され
た火炎１９の下流に存在する既燃ガス１９ａに向かって
噴射し、既燃ガス１９ａと混合させる。希薄可燃限界外
の混合気であっても、既燃ガス１９ａ中の活性基が燃焼
反応に効果的であり、混合気の燃焼反応を起こすことが
できる。混合気は空気中よりも酸素濃度が低く且つ空間
に分散されるので、ＮＯｘの生成を抑制することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ジェットエンジ
ンやガスタービンエンジン等のタービンエンジンに備わ
る燃焼器（以下、「ガスタービン燃焼器」という）に関
し、特に、燃焼室内に開口するバーナ、及び燃料と空気
等の酸素を含む流体との可燃性の混合流体を燃焼室内に
導く予混合気噴射管を備えた燃焼器に関する。

【０００２】

【従来技術】ターボファンエンジン、ターボジェットエ
ンジン、ラムジェットエンジンのような航空機用のジェ
ットエンジン、或いは航空機又は産業用のガスタービン
エンジンにおいては、従来、ガスタービン燃焼室に繋が
る通路を流れる空気流に燃料を供給することで空気と燃
料の混合気を予め形成し、その混合気をガスタービン燃
焼器内で燃焼させており、そうした燃焼方法は予混合燃
焼と呼ばれる。噴射される燃料が液体の場合には、そう
した燃焼形態は、特に、予混合予蒸発燃焼と呼ばれる。
この場合、燃料が完全に蒸発しないで、粒子の状態で残
存することも含まれる。更に、燃料と混合される空気量
がその燃料を完全燃焼させるのに必要な量よりもかなり
多い（空気温度等によって異なるが、通常、約１．５倍
以上）場合には、その燃焼形態は、希薄予混合燃焼と呼
ばれている。

【０００３】燃焼によって生成するＮＯｘの生成速度は
高温ほど多量に生成されるという温度依存性が非常に強
いが、希薄予混合燃焼は、空気が燃料に対して過剰に存
在している燃焼形態であるため平均燃焼温度が制御さ
れ、更に燃料と空気がよく混合されているため局所的な
高温領域の形成が排除されると共に燃焼温度が空間的に
一様に近いので、ＮＯｘの生成抑制にとって極めて効果
的である。ガスタービンで燃焼に費やされる空気量はタ
ービン材料の耐熱温度の制約から全空気量の５０％以下
であるので、希薄燃焼は、余剰空気が存在しているとい
う点では、ガスタービンに適した低ＮＯｘ燃焼技術であ
ると言える。

【０００４】混合気を希薄にするほどＮＯｘの発生は抑
制できるが、反面、燃焼温度が抑制されるので一酸化炭
素等の未燃焼成分の酸化速度も遅くなる。その結果、未
燃焼成分の排出量も増加しやすくなり、限界を超えると
まったく燃焼が維持されない状態となる。未燃焼成分の
排出量の増大は、燃焼効率の低下（燃費の悪化）に他な
らないので、歓迎されないのみならず、現在では、大気
汚染防止の点から許容されない。

【０００５】完全燃焼と低ＮＯｘ排出とを両立するため
には、ＮＯｘの生成を支配する燃焼ガス温度の関係する
燃料と空気の混合比を最適値を含むかなり狭い範囲に維
持する必要がある。混合比の最適値は、燃焼器へ供給さ
れる空気の温度、燃焼領域での滞留時間等のエンジンの
作動条件はもちろん、大気の温度や湿度によっても影響
を受けることに注意しなければならない。ガスタービン
やジェットエンジンでは、出力や推力の制御は燃料流量
の変更に依存しているので、燃焼に必要な空気流量を燃
料流量に対応させて制御することが必要であり、そのた
めには空気通路に弁等の流量調節機構を採用することが
不可欠である。

【０００６】流量調節機構を用いた燃焼器の一例とし
て、燃焼用空気と希釈空気の流量をバタフライ弁で調節
する方式の燃焼器が図１４に示されている。図１４は、
空気配分制御ガスタービン燃焼器の一例を示す概念図で
あり、エンジンは一定回転数で運転される。空気配分制
御ガスタービン燃焼器１３０において、拡散火炎或いは
部分予混合火炎のパイロットバーナ１３３により、火炎
が消えるのが防がれている。燃料ノズル１３１から噴射
された燃料は、パイロットバーナ１３３のための空気通
路の入り口に設けられたスワーラ１３４によって旋回流
とされた空気と混合されて燃焼する。燃焼器への空気
は、始動時から作動するパイロットバーナ１３３のスワ
ーラ１３４、負荷運転時において作動するメインバーナ
１３２への予混合気用空気通路１３５、希釈空気通路１
３６、固定希釈空気孔１３７、及び燃焼器ライナ１３８
の冷却孔１３９から、燃焼器内に流入する。予混合気用
空気通路１３５には、燃料噴射孔１４０が設けられ、案
内翼等で旋回流とされた空気中に燃料が噴射混合され、
メインバーナ１３２から燃焼室内に噴射される。予混合
気用空気通路１３５と希釈空気通路１３６とには、空気
流量を可変とするバタフライ弁１４１が設けられてい
る。バタフライ弁１４１は、例えば、サーボモータであ
る駆動装置１４２に繋がるリンク機構１４３によって開
度が変更可能であり、一方のバタフライ弁１４１がほぼ
全開のとき他方のバタフライ弁１４１はほぼ全閉になる
ように連結されている。

【０００７】出力制御で制御対象となる液体燃料と空気
とでは、気体である空気のボリュームが遥かに大きいの
で、空気流量の制御は、燃料流量の制御に比べ大きな機
構や動力を要すると共に、製作コストも嵩む。この方式
では、混合気の流速は、燃料流量のターンダウン比（最
大流量と最小流量の比）で増減することになるが、高流
速側では火炎の吹き飛びにより、また低流速側では予混
合管内への火炎の逆火により制限されるため、最適な制
御を行うことができる範囲は限定されるという本質的な
問題がある。そのため、要求範囲が広い場合には、ＮＯ
ｘ排出レベルは限界まで減らすことができない。

【０００８】非常に低いＮＯｘ排出を狙わないまでも、
希薄予混合燃焼のターンダウンはエンジンの要求する範
囲よりもかなり狭い。この問題を空気流量の制御に基づ
く燃料空気比制御によることなく解決する方法として、
複数のバーナを用い、出力、即ち全燃料流量に応じて作
動するバーナの本数を順次変化させる方法がある。多数
のバーナを幾つかのグループに分け、作動するグループ
の数を増減するのも同じ原理である。これは、多くの拡
散火炎方式あるいは部分予混合方式の燃焼装置に古くか
ら使用されている方法であるが、燃料空気比制御が燃料
流量の制御（切替えを含む）だけで済むという簡易さの
ために、ＮＯｘの排出規制が導入されてまもなく希薄予
混合燃焼方式の産業用ガスタービンでも実用になり、最
近では一部の航空用ガスタービンの燃焼器にも採用され
るに至っている。

【０００９】この方式の燃焼器の一例として、拡散火炎
方式のパイロットバーナの周囲に８本の希薄予混合燃焼
バーナを備えたマルチバーナ方式のガス焚きガスタービ
ンの燃焼器の構造が、図１５に縦断面図として示されて
いる。図１５に示すマルチバーナ方式の燃焼器１５０で
は、図１４に示すスワーラ１３４を備えた複数（８本）
のメインバーナ１３２が保炎用のパイロットバーナ１３
３の周りに隔置して配置して構成されている。燃焼器１
５０の壁部ライナ１５１には、点火プラグ１５２と、そ
の後流側において希釈空気孔１３６が開口している。燃
焼器１５０では、各メインバーナ１３２における燃料の
制御が容易なことに着目して、出力に応じて順次点火す
るバーナの本数を増やしていく方法、あるいは多数のバ
ーナをいくつかのグループに分け、点火するグループ数
を増やしていく方法が提案されている。

【００１０】この方式は、可変機構による燃焼空気の流
量制御と異なり、バーナ或いはバーナグループへの燃料
の切り替えが必要であるため、すべてが常に最適な燃料
空気比を維持できることはない。出力増加のために新た
に燃料が供給され始めたバーナやバーナグループでは、
混合気が希薄過ぎて点火しない。あるいは点火しても燃
焼が不完全な状態を必ず経過する。また、一部のバーナ
のみが作動状態にあるとき、これらのバーナの火炎や燃
焼途中のガスが隣接する非作動状態のバーナからの温度
の低い空気によって冷やされるために、未燃焼成分の排
出が増加しやすい。この干渉による悪影響をバーナ間の
距離を取ることによって回避しようとすると、バーナ間
の火移り（隣接する作動中のバーナの火炎により燃料を
供給し始めたバーナに点火すること）に障害が起きやす
い。

【００１１】図１５に示したマルチバーナ方式の燃焼器
１５０のエンジン試験によるＮＯｘ排出濃度と燃焼効率
の負荷に対する変化の様子の一例が、図１６に示されて
いる。図１６は、保炎用パイロットバーナ１本と同一の
８本の希薄予混合燃焼バーナを備えた回転数一定のガス
タービンを例に取ったときの、横軸を出力とし、縦軸を
ＮＯｘ排出濃度（ｐｐｍ）と燃焼効率（η）としたグラ
フである。図１６に示すように、約５０％の負荷までは
パイロットと８本のうちの２本のメインバーナで運転さ
れ、その後、負荷の増加と共にメインバーナを２本ずつ
増やし、約９０％から１００％の負荷においてはすべて
のメインバーナが点火するように運転されている。図
中、Ｐ＋２Ｍはパイロットバーナと２本のメインバーナ
で運転されていることを表す。同様に、Ｐ＋６Ｍはパイ
ロットバーナと６本のメインバーナで運転されているこ
とを表す。燃焼効率が鋸歯状に変化するのは、作動され
るメインバーナが追加され、メインバーナへの総燃料が
負荷の増大に合わせて増加されると、初めは混合気が希
薄過ぎるために未燃焼のまま排出され、やがて部分的な
燃焼が始まり、最終的に完全燃焼することに起因してい
る。ＮＯｘ排出濃度（ここでは、酸素濃度１５％換算値
で表示されている。）も、負荷に対して鋸歯状に変化す
るが、これは、パイロットバーナに比べてメインバーナ
からのＮＯｘ排出が少ないことの他、追加されたメイン
バーナからの混合気が部分燃焼の状態ではＮＯｘの発生
は更に少ないために、追加時に急激に下がり、燃焼効率
の改善による温度上昇により急激に増えることによる。
この例のように、マルチバーナ方式の燃焼器では、燃料
効率の低下が負荷の高いところ（例えば、５０％以上）
においても避けられないという問題がある。燃焼効率を
優先すれば、ＮＯｘのレベルは急に高くなる。バーナの
本数を増やせば、追加時の燃焼効率の落ち込みはそれだ
け小さくなるが、バーナ１本当たりの燃料流量が少なく
なり、微小流量の制御が不可欠になる。

【００１２】以上述べたように、エンジンで希薄予混合
燃焼を実現しようとする場合、より広い作動範囲にわた
って十分高い燃焼効率を維持しながら希薄予混合燃焼の
低ＮＯｘ排出濃度性を発揮させるためには、弁などの可
変機構による燃焼用空気流量の制御やマルチバーナ間の
燃料ステージングが不可欠である。可変機構について
は、作動の信頼性やコストの点で問題があり、燃料ステ
ージングについては、部分出力時において非最適燃料空
気比で作動するバーナからの未燃焼成分の排出が増加す
る、あるいは極めて複雑な燃料制御が不可欠であるとい
う問題がある。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】そこで、このような問
題が存在することを考慮してガスタービン燃焼器におい
て、点火すら困難な希薄な混合気であっても高温の既燃
ガスを利用して混合気の燃焼反応を起こさせることによ
り、完全燃焼を図ると共に温度上昇を小さくしてＮＯｘ
の生成量を少なくすることを可能にし、更に、出力時の
空気燃料制御を、バタフライ弁の弁開度を変更するとい
うような可変機構を用いた燃焼用空気流量の複雑な制御
で行うことなく、燃料供給量という簡単化な制御で行う
ことを可能にする点で解決すべき課題がある。

【００１４】この発明の目的は、上記の課題を解決する
ことであり、点火すら困難な希薄な混合気であっても高
温の既燃ガスを利用して燃料と空気との混合気の燃焼反
応を起こさせることにより、燃焼用空気流量の可変機構
や、マルチバーナ方式での燃料ステージングを採用する
ことなく、広い出力範囲にわたって高い燃焼効率と低Ｎ
Ｏｘ排出濃度性を両立し得るガスタービン燃焼器を提供
することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するため、以下の手段を採用した。即ち、この発
明によるガスタービン燃焼器は、排出口が燃焼室内に開
口するバーナと、燃料と空気との混合気を前記燃焼室内
に導く予混合気噴射管とを備え、前記予混合気噴射管か
らの前記混合気は、前記バーナから噴射された既燃ガス
に向かって噴射されて前記既燃ガスと混合されることか
ら成っている。

【００１６】このガスタービン燃焼器によれば、バーナ
の排出口からは燃焼ガスが既燃ガスとして燃焼室内に排
出され、予混合気噴射管から燃焼室内に噴射された混合
気は既燃ガスの中へと噴射されてこの既燃ガスと混合さ
れる。予混合気噴射管から噴射される混合気が希薄可燃
限界の外にある、即ち、通常の温度ではいくら大きなエ
ネルギーを用いても点火すらできないほど希薄な混合気
であっても、既燃ガスは高温であって既燃ガス中の活性
基が燃焼反応に効果的であるので、混合気の燃焼反応を
起こさせることができる。また、高温で活性基を含む既
燃ガスとの混合は、従来の予混合燃焼において希薄側で
起きやすい火炎の不安定性に起因する低周波の燃焼振動
の抑制にも効果がある。混合気と既燃ガスとが混合した
状態での滞留時間を充分に取ることができれば、完全燃
焼も可能である。一方、やや燃料濃度が高くなっても、
混合気は酸素濃度が空気中よりも低い既燃ガス中に分散
されて混合され、混合後の酸素濃度は混合しない場合よ
りも下がるので、ＮＯｘの生成を抑制することができ
る。更に、混合気を直接着火させて燃焼させる予混合燃
焼の場合、燃焼室形状によっては燃料濃度が高くなると
局所的な急激な発熱により圧力振動が非常に大きくなる
ことがあるが、混合気を既燃ガスと更に混合させて混合
気中の燃料を燃焼させているので、通常の火炎と異な
り、混合気中の燃料濃度が高い場合でも、急激な発熱が
抑制され、圧力振動が抑制されることが確認されてい
る。この燃焼器は、特に空気流量が一定のガスタービン
に適用した場合に、始動から無負荷運転状態までの間は
バーナで作動させ、その後は予混合気噴射管への燃料流
量だけを増減させることで出力を制御することができ
る。なお、予混合気を構成する燃料は、ガス燃料又は液
体燃料であって、液体燃料の場合には燃料粒子が混合流
体の中に分散されたもので、液体粒子が一部又は全部が
蒸発して燃料蒸気になっていてもよく、未蒸発で燃料粒
子のままであってもよい。また、燃料と混合される気体
は、通常の空気である場合は勿論のこと、一旦燃焼に利
用されて酸素濃度が減少して二酸化炭素を多量に含むガ
ス、石炭ガス化炉から発生するガスであってもよい。

【００１７】このガスタービン燃焼器において、前記予
混合気噴射管は、前記混合気を前記既燃ガスに向かって
噴射するため、前記予混合気噴射管の出口に前記混合気
を側方に曲げる偏流体を備えることができる。予混合気
噴射管の出口に偏流体を設けることにより、予混合気噴
射管の出口から噴射される混合気の流れは偏流体によっ
て側方に曲げられて、既燃ガスの中に噴射され、混合気
は短い距離でバーナからの既燃ガスと混合させることが
できる。

【００１８】偏流体を備えるガスタービン燃焼器におい
て、前記偏流体は、前記予混合気噴射管を横断して設け
られた架橋体であり、前記架橋体は、前記混合気を分割
すると同時に側方に曲げるため、横断面形状が尖端を上
流側に向けたＵ字状又はＶ字状である壁面を有すること
ができる。偏流体を予混合気噴射管の出口において横断
して設けられる架橋体とすることにより、予混合気噴射
管の出口が架橋体によって分割され、架橋体によって分
割された混合気の流れは、予混合気噴射管の軸の方向か
ら側方に曲げられた状態で噴射される。架橋体は、横断
面形状がＵ字状あるいはＶ字状であり、その尖端が上流
側に向けた置かれた壁面を有しているので、分割された
混合気の流れはその壁面に沿う状態で側方に曲げられ
る。従って、予混合気噴射管は、単純な管で構成した場
合に比べ、短い距離でバーナの排出口から排出される既
燃ガス中に混合気を噴射・混合させることができる。ま
た、架橋体は、予混合気噴射管の管壁に繋がっている。
架橋体の上流側表面にはそれに沿って混合気あるいは空
気が高速で流れるので、冷却されるという利点や、バー
ナでは保炎を確実にするために混合気の流速は制限され
るのに対し、予混合気噴射管では混合気流速はどれほど
大きくても構わないので、管内への逆火が起きにくいと
いう利点がある。

【００１９】上記架橋体を備えるガスタービン燃焼器に
おいて、前記架橋体の前記壁面は、前記予混合気噴射管
を横断する方向に延びる直線を母線とする平面又は滑ら
かな曲面に形成することができる。架橋体の壁面を直線
を母線とした平面又は曲面に形成しているので、架橋体
の壁面はプレスによる板材の加工面として形成され、架
橋体の製作が容易になり、且つ製作コストを低減させる
ことが可能となる。

【００２０】上記架橋体を備えるガスタービン燃焼器に
おいて、前記予混合気噴射管は、ストレート管部と前記
ストレート管部から湾曲して延びて前記出口に至る湾曲
口部とを備えており、前記架橋体は前記湾曲口部の湾曲
内側から湾曲外側へと前記湾曲口部を横断して設けられ
且つ前記湾曲外側へ至るに従って幅広に形成することが
できる。予混合気噴射管の出口の湾曲形成は、例えば、
ストレート管部の管端壁をその断面形状を実質的に保っ
た状態で管端壁に接する接線に回りに回動して延ばすこ
とにより形成することができる。湾曲部の一部壁部分は
平板状であっても曲面板状であってもよい。また、出口
となる湾曲口部の開口縁は、必ずしも同じ面内にある必
要はなく、滑らかに形成されていれば前方に進出又は後
方に後退して形成されていてもよい。予混合気噴射管の
出口を湾曲形状に形成することにより、比較的大きな角
度に混合気を曲げて噴射できるという利点がある。

【００２１】上記架橋体を備えるガスタービン燃焼器に
おいて、前記予混合気噴射管は、前記架橋体に対向した
両側において、前記架橋体との接続部分から離れるに従
って前記予混合気噴射管の軸方向に後退した開口縁を有
することができる。予混合気噴射管の出口の開口縁をこ
のように形成しても、より広い角度に予混合気の噴流を
曲げることができ、短い距離で既燃ガスとの混合を促進
できる。予混合気噴射管の出口において、予混合気噴射
管の軸方向に後退した開口縁部を得るには、予混合気噴
射管の出口を架橋体の両側で予混合気噴射管の軸方向後
側に傾斜した平面で切断するのみで良く、製作が容易で
あり、且つ製作コストも安価である。

【００２２】上記架橋体を備えるガスタービン燃焼器に
おいて、前記予混合気噴射管は、前記架橋体に対向した
両側において、前記出口の開口縁に至るに従って側方に
広がって開口する湾曲側壁部を備えることができる。予
混合気噴射管の出口近傍の側壁面を外側に拡がる湾曲側
壁部に形成することにより、混合気の噴流の方向を一層
スムーズに変化させることができ、短距離で既燃ガスと
の混合を促進し、良好な燃焼と低ＮＯｘ排出を実現する
ことが可能となる。

【００２３】上記架橋体を備えるガスタービン燃焼器に
おいて、前記架橋体には、幅方向中央において架橋方向
に延びるスリットを形成することができる。このように
架橋体を構成することにより、左右側方に曲げられる混
合気流れと、中央のスリットを通じて流れる混合気流れ
に分割し、左右側方に曲げられた混合気を既燃ガスに混
合させることができる。前記スリットからの混合気の噴
出は、架橋体背後の逆流を小さくし、そこに保炎しにく
くする効果がある。その結果、流出速度が保炎限界流速
以上になるように設計すれば、曲げられた予混合気を既
燃ガスと混合してから反応するようにできる。

【００２４】上記架橋体を備えるガスタービン燃焼器に
おいて、前記架橋体については、前記予混合気噴射管の
前記出口断面の中心から放射状に延びる少なくとも三本
の架橋枝部から構成することができる。予混合気噴射管
の周囲に少なくとも三つのバーナが分布して配置されて
いる場合には、予混合気噴射管の出口にその中心から放
射状に延びる少なくとも三本の架橋枝部を備える架橋体
を設けることにより、各バーナから排出される既燃ガス
に対して一本の予混合気噴射管から混合気を分割して混
合させることができる

【００２５】このガスタービン燃焼器において、前記偏
流体は、前記予混合気噴射管の前記出口にリブを介して
取り付けられ且つ尖端側が上流を向いた錐面を有する皿
状体とすることができる。偏流体を皿状体とすることに
より、混合気は、予混合気噴射管の出口に取り付けられ
た皿状体によって予混合気噴射管の全周囲において側方
に曲げられて、バーナから排出される既燃ガスの中に噴
射されて既燃ガスに混合される。リブは断面積を小さく
しておくことにより、混合気の噴射に対する影響を小さ
くすることができる。

【００２６】偏流体として皿状体を有するガスタービン
燃焼器において、前記予混合気噴射管は、前記皿状体を
取り囲み且つ前記出口の開口縁に至るに従って次第に拡
大したスカート部を備えることができる。予混合気噴射
管の出口にスカート部を備えることにより、予混合気噴
射管内を流れる混合気は、予混合気噴射管の出口におい
て、内側における皿状体のみならず外側においてもスカ
ート部でガイドされてスムーズに側方に曲げられて、既
燃ガスと混合される。

【００２７】このガスタービン燃焼器において、前記燃
焼室を前記バーナが取り付けられるドーム壁部と前記ド
ーム壁部から下流側に延びる筒状壁部とを有する構成と
し、前記予混合気噴射管を、前記ドーム壁部において、
前記バーナと実質的に平行に且つ前記出口が前記バーナ
の前記排出口よりも下流で開口する状態に取り付けるこ
とができる。予混合気噴射管を、燃焼室内において、そ
の出口がバーナの排出口よりも下流の位置で開口させる
ことにより、混合気をバーナから排出される既燃ガス中
に確実に噴射することができる。また、予混合気噴射管
が既燃ガスによって加熱されるので、液体燃料の場合、
燃料噴霧の蒸発が促進され、より均質な混合気を形成す
ることもできる。筒型燃焼器の場合には、側壁面に取り
付けた場合よりも径方向寸法を著しくコンパクトにで
き、ケーシングの直径を小さくできる。なお、予混合気
噴射管は高温の既燃ガスに晒されるが、その内部には常
に混合気が高速で流れているので予混合気噴射管の管壁
が過度に加熱されることはなく、耐久性に関しても空気
によって冷却されている燃焼器ライナと同様に問題はな
い。予混合気噴射管は、燃焼室の上流側に端壁面をほぼ
平面として形成されているドーム壁部に、開口に挿通し
て燃焼室内に突出して配置するのが好ましい。

【００２８】このガスタービン燃焼器において、前記燃
焼室を前記バーナが取り付けられるドーム壁部と前記ド
ーム壁部から下流側に延びる筒状壁部とを有する構成と
し、前記予混合気噴射管を、前記筒状部において、前記
バーナに対して傾斜し且つ前記出口が前記バーナの前記
排出口よりも下流で開口する状態に取り付けることがで
きる。予混合気噴射管を筒状部においてバーナに対して
傾斜して配置することにより、このガスタービン燃焼器
を小型エンジンで高さが小さい環状燃焼器ライナにも適
用することが可能となる。また、複数の予混合気噴射管
を軸方向位置を変えて筒状部に配置すれば、混合気を複
数段階に噴射することができ、より広い範囲で低ＮＯｘ
と完全燃焼とを実現することができる。

【００２９】このガスタービン燃焼器において、前記燃
焼室を基端部分及びその上流側の張出部分を備えたドー
ム壁部と前記ドーム壁部から下流側に延びる筒状壁部と
を備える構成とし、前記バーナを前記張出部分に取り付
け、前記予混合気噴射管を前記基端部分において前記出
口が前記バーナの排出口よりも下流で開口する状態に取
り付けることができる。ダブルアニュラー形態の燃焼器
ライナのように、燃焼室のドーム壁部が基端部分及び基
端部分から一部が上流側に張り出した張出部分を備えて
いる場合には、張出部分に前記バーナを取り付け、予混
合気噴射管を基端部分に取り付けることにより、予混合
気噴射管の燃焼室内への突出長さを短くしても、予混合
気噴射管の出口がバーナの排出口よりも下流で開口する
状態となり、バーナからの既燃ガスとの混合を効果的に
行うことができる。この場合の予混合気噴射管として、
出口を湾曲形成して混合気の側方への曲がりを大きくす
ることができる予混合気噴射管を用いるのが好ましい。

【００３０】このガスタービン燃焼器において、前記バ
ーナを周方向に隔置して配置し、単一又は複数の前記予
混合気噴射管を隣接する前記バーナ間に配置することが
できる。バーナについては、燃焼室のライナドーム壁部
に周方向に配置し、隣接するバーナの間に予混合気噴射
管がライナドーム壁部を貫通してその出口がバーナの排
出口よりも下流に開口するように配置してもよい。予混
合気噴射管を隣接するバーナの中心を結ぶ線分の２等分
点に配置する場合には、架橋体の幅を実質的に等幅とし
両側に分割した混合気をバーナからの既燃ガス中に噴射
できるものが適しており、予混合気噴射管が隣接するバ
ーナの中心を結ぶ線分から径方向に内側、あるいは外側
に配置される場合には、架橋体の幅を変えて、混合気の
両噴流間のなす角度がより小さものを用いるのがよい。

【００３１】このガスタービン燃焼器において、前記混
合気を、前記予混合気噴射管の軸の回りで旋回する旋回
混合気流とし、前記出口から噴射されるときに旋回に基
づいて側方に曲げることができる。即ち、偏流を生じさ
せる手段を、予混合気噴射管内を流れる混合気を予混合
気噴射管の軸の回りで旋回させる旋回手段とすることが
できる。旋回混合気流は、予混合気噴射管の出口から噴
射されるときに、自身の遠心力で外側に広がろうとし、
バーナから排出される高温の既燃ガスの中に入り込んで
既燃ガスと急速に混合される。

【００３２】偏流手段として旋回手段を有するガスター
ビン燃焼器において、前記予混合気噴射管は、少なくと
も前記出口側の一部が前記バーナからの前記既燃ガスに
囲まれた状態で前記既燃ガスに中に延びて配置されると
いう構成とすることができる。このように構成されたガ
スタービン燃焼器においては、予混合気噴射管の出口と
その近傍はバーナから排出される高温の既燃ガスに晒さ
れているので、混合気内の燃料噴霧の蒸発が促進され、
より均質な混合気を形成することができる。予混合気噴
射管の内部には常に旋回混合気流が高速で流れているの
で、予混合気噴射管の管壁が過度に加熱されることはな
く、耐久性についても良好である。

【００３３】偏流手段として旋回手段を有するガスター
ビン燃焼器において、前記予混合気噴射管は、前記出口
が前記バーナからの前記既燃ガスよりも上流側で開口す
る状態に配置されるという構成とすることができる。こ
のように構成されたガスタービン燃焼器においては、予
混合気噴射管は、高温の既燃ガスから受ける熱的影響を
少なくすることができると共に、予混合気噴射管の出口
から噴射される旋回混合気流を、既燃ガスと十分な滞留
時間を以て混合させることが可能である。この配置に
は、予混合気が出口からある程度軸方向に離れた位置に
おいて径方向に広がることが望ましく、軸方向運動量が
角運動量よりも大きくなるような旋回手段を用いるのが
よい。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
によるガスタービン燃焼器の実施例について説明する。
図１はこの発明によるガスタービン燃焼器を液体燃料焚
き小型発電用ガスタービンに用いられる缶型燃焼器とし
て適用した実施例を示す図であり、（ａ）は（ｂ）にお
ける平面Ａ−Ａで切断した縦断面、（ｂ）は（ａ）にお
ける平面Ｂ−Ｂで切断した横断面図である。

【００３５】図１に示すガスタービン燃焼器１０（以
下、「燃焼器１０」と略す。）において、缶形形状の燃
焼室１１を形成する燃焼器ライナ１２は、上流側の端壁
を構成するライナドーム壁部１３と、ライナドーム壁部
１３から下流側に延びる筒壁部１４とから構成されてい
る。ライナドーム壁部１３には、燃焼器１０の軸線に対
して径方向に対称な位置において、同一構造を有する２
本のバーナ１５が燃焼器１０の軸線に平行に延びる状態
に貫通して取り付けられている。バーナ１５は、燃料噴
射器と火炎安定化手段とを備えた予混合予蒸発方式とす
ることができる。同じくライナドーム壁部１３には、同
一構造を有する２本の予混合気噴射管１６が、燃焼器１
０の軸線に平行に延びる状態に貫通して取り付けられて
いる。燃焼室１１内において、各予混合気噴射管１６の
出口１７は、バーナ１５の排出口１５ａよりも下流の位
置、好ましくは、バーナ１５から排出される混合気の燃
焼が完了する位置で開口している。各予混合気噴射管１
６の出口１７は、後述する図４に示す構造の偏流体（架
橋体４３）を備えており、各予混合気噴射管１６から噴
流１８となって噴射される混合気は、偏流体によって向
きを変更され、隣接するバーナ１５，１５による各火炎
１９の下流に存在する既燃ガス１９ａの塊の中へと噴射
されて、既燃ガス１９ａと混合される。

【００３６】無負荷時に、燃料の供給をバーナ１５にの
みとし、各予混合気噴射管１６からの噴射を空気のみと
し、更に各バーナ１５からの既燃ガス１９ａと各予混合
気噴射管１６からの空気との混合領域Ｍの温度を、例え
ば１２００℃以上にしておけば、出力時に各予混合気噴
射管１６にも燃料を供給するときでも、噴射される予混
合気は燃料空気比が極めて小さい希薄混合気であるの
で、温度低下があっても混合領域Ｍの温度は十分高い。
従って、従来の予混合燃焼ではいかなる大きなエネルギ
ーを用いても点火すらできないほど希薄な可燃限界以下
の混合気であっても、既燃ガス中の活性基が燃焼反応に
効果的であるので、予混合気内の燃料の燃焼反応を起こ
させることができる。混合気と既燃ガスとが混合した状
態での滞留時間を充分に取ることができれば、完全燃焼
が可能である。エンジン出力は、予混合気噴射管１６に
供給される燃料流量の増減により制御することができ、
燃料空気比制御が極めて容易になる。出力開始後、燃料
流量を増加したときには、燃焼効率を１００％近くに到
達させることが可能である。更に、混合気を既燃ガスと
更に混合させて混合気中の燃料を燃焼させているので、
通常の火炎と異なり、混合気中の燃料濃度が高い場合で
も、急激な発熱が抑制され、圧力振動が抑制されること
が確認されている。

【００３７】図１に示すバーナ１５と予混合気噴射管１
６とをそれぞれ２本備えた燃焼器１０において、各予混
合気噴射管１６の出口１７の位置を燃焼室１１の軸方向
に変えて配置し、それぞれへの燃料供給を独立に行うこ
ともできる。そうした場合、燃料を含む混合気は二段階
に軸方向に距離を置いて分けて噴射されるので、混合後
のガス温度の低下を抑制することができ、更に広いエン
ジンの出力範囲にわたって排気中のＮＯｘ濃度を低く保
ったまま燃焼効率の落ち込みを一層小さくすることがで
きる。更に、予混合気噴射管１６の空気流量を増加させ
ると、高い燃焼効率と低ＮＯｘの範囲をより広げること
ができる。

【００３８】燃焼器１０について、以下に、エンジン作
動条件との関係を詳述する。エンジンの始動から無負荷
運転状態までの間は、上記の各バーナ１５に燃料が等配
分され、各予混合気噴射管１６からは空気だけが噴出す
る。燃焼器１０を吸込み空気量が一定（燃焼器１０への
全空気量も一定）のエンジンに用いた場合には、部分負
荷時の出力は、バーナ１５の燃料流量を無負荷時と同じ
流量に保ち、予混合気噴射管１６に供給する燃料流量を
増減するだけで制御することができるので、エンジンの
出力制御は極めて容易となる。燃焼器１０を吸込み空気
量が出力と共に増大するエンジンに用いた場合には、燃
焼器１０への空気の温度、圧力も変化するので、バーナ
１５への燃料流量も出力と共に増加させることが必要で
あるが、空気温度も上昇するので、空気流量の変化の比
率ほど燃料流量の比率を変化させなくても安定燃焼が可
能である。

【００３９】図１３は、図１に示した燃焼器を回転数一
定のガスタービンの作動を模擬して試験したときに得ら
れた排気中のＮＯｘ濃度及び燃焼効率と負荷との関係を
示すグラフである。図１３から、無負荷付近を除くほぼ
エンジンの全負荷範囲で、排気中の極めて低いＮＯｘ濃
度とほぼ１００％の燃焼効率ηとが達成されていること
が分かる。この燃焼器では、予混合気の噴流１８と火炎
１９の下流に存在する既燃ガス１９ａとの混合領域Ｍで
のガス温度が１２００℃になるように、各バーナ１５及
び各予混合気噴射管１６への空気配分が設計されてい
る。予混合気噴射管１６からの噴出空気の温度は、液体
燃料が混合気から蒸発熱を奪うことに起因した混合気の
温度低下が大きいことを考慮して、高めに設定されてい
る。試験における燃焼器１０の運転状況については、上
記したように、始動から無負荷までは２本の予混合燃焼
バーナ１５により運転し、その後定格負荷までは予混合
気噴射管１６への燃料供給量を増大させて運転した。試
験結果としては、ＮＯｘ濃度は全負荷範囲にわたりほぼ
１０ｐｐｍと低く、燃焼効率ηも３０％以上の負荷では
ほぼ１００％で、実質的に完全燃焼と言うことができ
る。ＮＯｘ濃度は、予混合気噴射管１６からの燃料噴射
開始後は下降するが、その後、燃料流量を増加するに従
ってもほとんど増えず定格出力に至る。燃焼効率ηにつ
いても、予混合気噴射管１６に燃料供給開始直後に若干
の低下が見られるが、そのような条件の元で燃焼器１０
を長時間運転することはないので、実用上の問題はな
い。

【００４０】比較のために、本実施例に使用したバーナ
１５（予混合燃焼バーナ）と同一仕様の４本のバーナを
備えた燃焼器（以下、マルチバーナ方式と呼ぶ）のＮＯ
ｘ濃度と燃焼効率ηの出力に対するシミュレーション結
果も示してある。運転パターンは、始動から無負荷まで
は２本のバーナで、無負荷から１／２負荷までは他の１
本のバーナを追加して作動させ、１／２負荷から定格負
荷までは４本目のバーナを追加して作動させるパターン
である。この場合、燃料の制御系統は、本発明の燃焼器
１０では２系統であるのに対し、３系統必要なことに注
意しなければならない。どのバーナも一旦その定格状態
（エンジン定格燃料流量の１／４での運転）に達した後
は、その状態を保って運転することとした。これは、実
用上、重要な定格運転を含む高負荷時のＮＯｘ排出量を
最も少なくする燃料配分制御である。３本目と４本目の
バーナの燃焼量負担に差をつけると、燃焼量の少ない方
のバーナのＮＯｘ排出の減少量を多い方のバーナの増加
量が上回ってしまうことは明らかである。更に、燃焼効
率ηの落ち込みが大きくなるか、落ち込みが小さくなる
ものの１／２負荷よりも高負荷側に移動するという問題
が生じる。

【００４１】上記のシミュレーションにおいて、負荷条
件でのＮＯｘ濃度及び燃焼効率は、予混合バーナの燃料
空気比に対するＮＯｘの生成と燃焼効率の変化に基づい
て予測している。このマルチバーナ方式は、すべてのバ
ーナが希薄予混合燃焼であると仮定しているので、無負
荷時のＮＯｘ濃度は本発明による燃焼器１０のものと同
一であり、部分負荷での値もほぼ同じである。一方、燃
焼効率には、顕著な違いがある。３本目のバーナを追加
すると、しばらくは未燃焼状態のために燃焼効率は下が
り、やがて部分的燃焼によって回復しだし、このバーナ
の設計点では１００％に達する。４本目のバーナを追加
するときにも、相対的には小さくなるが、燃焼効率の同
様の落ち込みが起きる。落ち込みを小さくするには、バ
ーナの本数を増やすか、あるいは３、４本目のメインバ
ーナの空気流量を減らし、同一燃料流量での燃料空気比
を大きくすることであるが、後者の場合、３、４本目の
メインバーナの燃料流量が定格に近づくにつれて、ＮＯ
ｘ濃度が急増することは避けられない。

【００４２】燃焼器１０によれば、エンジンを部分負荷
で使用する場合に、排出ガスをクリーンにすることがで
きる。ガスタービンの出力は大気温度の影響を強く受け
る（気温が高いほど出力は小さく効率も低くなる）の
で、燃料空気比に対するＮＯｘ濃度レベルの変化が大き
い従来の希薄予混合燃焼では、気温が高い条件で同一出
力を出そうとすると、エンジン運転の燃料空気比はＮＯ
ｘ濃度が急増する燃料空気比となる。従って、ＮＯｘ規
制を遵守するには、従来ではエンジン出力を落とさざる
を得なかったが、本発明による燃焼器１０であれば、混
合気は空気中よりも酸素濃度が低く且つ空間に分散され
るのでＮＯｘの生成を抑制することができ、燃料空気比
に対するＮＯｘ濃度レベルの変化が小さい領域が広いの
で、設計によってその問題を回避することができる。

【００４３】図２は、この発明によるガスタービン燃焼
器の別の実施例を示す図であり、（ａ）はその一部縦断
面図であって（ｃ）に示す平面Ｃ−Ｃで切断した図、
（ｂ）は（ｃ）に示す平面Ｄ−Ｄで切断した一部縦断面
図、（ｃ）は一部横断面図である。図２に示すガスター
ビン燃焼器２０（以下、「燃焼器２０」と略す。）は環
状燃焼器として構成されており、図１に示す燃焼器１０
の構成要素と同じ機能を有する要素には同じ符号が付さ
れている。今日では、航空用エンジンには、ほぼ例外な
くこの環状構造をした燃焼器が用いられている。燃焼器
２０においては、内部に環状燃焼室２１を形成している
燃焼器ライナ２２は、環状ドーム壁部２３と、環状ドー
ム壁部２３から延びる内側筒壁部２４及び外側筒壁部２
５とから構成されている。環状ドーム壁部２３には、複
数のバーナ１５と予混合気噴射管１６とが燃焼器２０の
軸線方向に平行に延びる状態に交互に隔置して配置され
ている。予混合気噴射管１６は、その出口１７が、図１
に示した缶形の燃焼器１０の場合と同様に、環状燃焼室
２１において、バーナ１５の排出口１５ａよりも下流の
位置で開口するように配置され、好ましくは、各予混合
気噴射管１６の出口１７は、バーナ１５から排出される
混合気の燃焼が完了する位置より下流で開口する状態に
配置される。各予混合気噴射管１６の出口１７の構造
は、後述する図４又は図５に示す構造を備えるのが好ま
しい。各予混合気噴射管１６から二つに分割されて噴射
される混合気の噴流１８は、バーナ１５からの火炎１９
の下流に存在する既燃ガスの塊の中に入り込み、この既
燃ガスと混合される。

【００４４】図２に示す環状の燃焼器において、図２
（ｄ）に示す燃焼器２０ａのように、予混合気噴射管１
６を内側筒壁部２４と外側筒壁部２５とにそれぞれ沿う
位置に寄せて１本ずつ配置することもできる。この場
合、内周側と外周側の予混合気噴射管１６の出口１７の
位置を燃焼器２０の軸方向に互いにずらせて配置し、各
予混合気噴射管１６から噴射される混合気に含まれる燃
料流量を独立して制御することができる。例えば、内周
側に配置される予混合気噴射管１６の出口１７は、外周
側のそれよりも下流側に配置される。そうした配置によ
り、既燃ガスから受ける熱的影響を軽減しながら、一層
広いエンジンの燃料空気比の範囲において、低ＮＯｘ濃
度と完全燃焼とを両立させることができる。

【００４５】図３は、この発明によるガスタービン燃焼
器の他の実施例を示す図であり、（ａ）は（ｂ）におけ
る平面Ｅ−Ｅについての一部縦断面図、（ｂ）は（ａ）
における平面Ｆ−Ｆについての一部横断面図である。図
３に示すガスタービン燃焼器３０（以下、「燃焼器３
０」と略す。）では、燃焼器ライナ３２は、環状の空間
に形成されている燃焼室３１の一部が上流側に張り出し
た二重環状構造に形成されている。バーナ１５は燃焼器
ライナ３２の環状の基端部３３において周方向に隔置し
て配置されている。また、予混合気噴射管１６は、燃焼
器ライナ３２の一部として基端部３３の外周側に形成さ
れる張出し部３４において互いに周方向に隔置し、バー
ナ１５に対しても周方向にずれて配置されている。その
結果、予混合気噴射管１６の燃焼室３１内への突出量が
少なくなり、予混合気噴射管１６は十分燃焼し切った後
の既燃ガス中に混合気を噴流１８として噴射し、既燃ガ
スと混合させることができる。予混合気噴射管１６が燃
焼室３１から受ける熱的影響を軽減することができる。
予混合気噴射管１６は、環状の燃焼器ライナ３２の内側
と外側に接するように配置することもできる。この場
合、燃焼器２０の場合と同様に、予混合噴射器１６の出
口１７の位置を燃焼室３１の流れ方向にずらせて配置
し、それぞれへの燃料流量を独立に制御するようにすれ
ば、より広いエンジンの燃料空気比の範囲において低Ｎ
Ｏｘ性能と完全燃焼とを両立することができる。燃焼器
３０においては、予混合気噴射管１６の出口１７の構造
として、図４に示す構造を採用するのが好ましい。

【００４６】図４は、図１及び図３に示す型式のガスタ
ービン燃焼器において採用することができる予混合気噴
射管の出口形状の例を示す拡大図であり、（ａ）はその
一例の側面図、（ｂ）はその端面図、（ｃ）は別の例の
側面図、（ｄ）はその端面図である。図４（ａ）及び
（ｂ）に示すように、予混合気噴射管４０は、ストレー
ト管部４１とストレート管部４１から湾曲して延びて出
口１７に至る湾曲口部４２とを備えている。出口１７
は、湾曲口部４２の構造によって、ストレート管部４１
の軸線４１ａに対して傾斜した状態で開口している。湾
曲口部４２は、例えば、ストレート管部４１の管端壁を
その断面形状を実質的に保った状態で管端壁に接する接
線４１ｂに回りに回動して延ばすことにより形成するこ
とができる。湾曲口部４２の湾曲壁部分は（ａ）及び
（ｂ）に示すように平板状壁部分４４ａであっても、ま
た（ｃ）及び（ｄ）に示すように曲面板状壁部分４４ｂ
であってもよい。平板状壁部分４４ａは、湾曲口部４２
の一部を内側に平面４４ｃでカットした状態に傾斜して
形成することができる。また、出口１７となる湾曲口部
４２の開口縁４６は、必ずしも同じ面内にある必要はな
く、滑らかに形成されていれば前方に進出又は後方に後
退して形成されていてもよい。

【００４７】予混合気を分割すると共に側方に曲げて噴
射するため、偏流体としての架橋体４３が、湾曲口部４
２の湾曲内側から湾曲外側へと湾曲口部４２を横断する
状態で設けられている。架橋体４３は、例えば、管端に
おける端壁の切断・塑性加工によって形成可能である。
架橋体４３は、横断面の形状が尖端を上流に向けたＶ字
状の壁面４７を有しており、両端が接続部分４５ａ，４
５ｂとなって出口１７の開口縁４６に繋がっている。架
橋体４３の幅は、湾曲内側の接続部分４５ａで狭いが、
湾曲外側の接続部分４５ｂに至るに従って次第に広くさ
れている。架橋体４３の壁面４７は、予混合気噴射管４
０を横断する方向に延びる直線状の母線４７ａに基づい
て平面又は滑らかな曲面に形成されているので、架橋体
４３の製作が容易になり製作コストを低減させることが
できる。

【００４８】予混合気噴射管４０においては、架橋体４
３は出口１７を二つの出口部分４９に分割しているの
で、予混合気は、各出口部分４９から噴射管４０の軸線
に対して側方で且つ斜めの成分を持って互いに遠ざかる
二つの噴流４８にて噴射される。特に、各バーナ１５が
予混合気噴射管４０と斜めに離間した位置に設けられる
場合には、単純な管に比べて、短い距離で各バーナ１５
からの既燃ガス中に予混合気を噴射し混合させることが
できる。予混合気噴射管１６の出口１７を湾曲口部４２
に形成し且つ湾曲口部４２の幅を湾曲外側で広くするこ
とにより、比較的大きな角度に混合気を曲げて噴射でき
る。この構造は、燃焼器１０の筒壁部１４に沿って予混
合気噴射管４０を配置する場合に見られるように、大き
く曲がった噴流４８が必要とされるときに都合が良い。
なお、同じ作用を期待して、湾曲口部４２に代えて湾曲
内外共に曲がり長さが存在する曲がり管を用いると、内
側曲がり部に流れの剥離が起きるため、火炎が侵入しや
すかったり、高温・高圧では、その部分で反応が進んで
自然発火が起きる危険性がある等の問題がある。

【００４９】図５は、図２に示す実施例において採用さ
れる予混合気噴射管５０の出口形状の一例を示す拡大図
であり、（ａ）は（ｂ）の平面Ｇ−Ｇで切断した縦断面
図、（ｂ）は（ａ）の端面図である。図５に示すよう
に、予混合気噴射管５０を構成するストレート管５１の
出口５２において、予混合気を分割すると同時に側方に
曲げるため、出口５２を横断する態様で偏流体としての
架橋体５３が設けられている。架橋体５３は、横断面の
形状が尖端を上流に向けたＶ字状の壁面５４を有してお
り、且つ幅が一様であって両端が接続部分５５，５５と
なってストレート管５１の管端に繋がっている。出口５
２は、架橋体５３によって二つの出口部分５７，５７に
分割されている。架橋体５３の壁面５４は、予混合気噴
射管５０を横断する方向に延びる直線状の母線５４ａに
基づいて平面又は滑らかな曲面に形成されているので、
架橋体５３の製作が容易になり且つ製作コストを低減さ
せることができる。

【００５０】出口５２を定める開口縁５６は、架橋体５
３に対向した両側において、架橋体５３との接続部分５
５，５５から離れるに従って予混合気噴射管５０の軸方
向に後退して斜めに延び、出口５２を斜めに開口させて
いる。このような出口５２を形成するには、架橋体５３
の両側で予混合気噴射管５０の管端を軸方向後側に傾斜
した平面で切断するのみで良く、製作が容易であり、且
つ製作コストも安価である。出口５２をこのように構成
した予混合気噴射管５０は、ストレート管５１を流れる
混合気を分割すると同時に、分割された各混合気を出口
５２から側方、即ち、ストレート管５１の軸線に沿う方
向から壁面５４に沿うように互いに遠ざかる方向に曲げ
て噴流５８として噴射する。従って、単純な開口を有す
る従来の管に比べ短い距離で各バーナ１５からの既燃ガ
ス中に混合気を噴射し既燃ガスと混合させることができ
る。管端を斜めに切断して形成した出口５２であって
も、架橋体５３の偏流作用によって、広い角度に予混合
気を側方に曲げて各噴流５８として噴射させることがで
き、短い距離で既燃ガスとの混合を促進させることがで
きる。

【００５１】図６は、図２に示す実施例において採用す
ることができる予混合気噴射管６０の出口形状の別の例
を示す拡大図であり、（ａ）は（ｂ）の平面Ｈ−Ｈで切
断した側面図、（ｂ）は（ａ）の端面図である。図６に
示す予混合気噴射管６０は、ストレート管６１の管端に
設けられる出口６２において、偏流体としての架橋体６
３に対向した両側で、開口縁６６に至るに従って側方に
広がった湾曲側壁部６９を備えている。架橋体６３は、
横断面の形状が尖端を上流に向けたＶ字状の壁面６４を
有しており、且つ幅が一様であって両端が接続部分６
５，６５となってストレート管６１の管端に繋がって、
出口６２を二つの出口部分６７，６７に分割している。
架橋体６３と湾曲側壁部６９とが開口端側で形成する開
口縁６６は、噴流６８に対して実質的に直交した面内に
位置している。架橋体６３と湾曲側壁部６９とは、互い
に協働して、混合気の流れを一層スムーズに側方に曲げ
て、噴流６８として噴射するので、短距離で既燃ガスと
の混合を促進し、良好な燃焼と低排出を実現することが
可能となる。

【００５２】架橋体４３，５３，６３の壁面４７，５
４，６４の断面形状は、Ｖ字状に代えてＵ字状であって
もよい。架橋部４３，５３，６３は、基本的には、希薄
側可燃限界よりも薄い混合気を反応させるため、予混合
気の噴流４８，５８，６８を既燃ガスの塊に噴射するこ
とを作用としており、それにより火炎を保炎しようとす
るものではない。予混合気噴射管４０，５０，６０内の
流速は、予混合気の火炎を架橋体によって保炎せずに、
既燃ガスと混合してから反応させるという目的から、速
い方が好ましい。混合気又は空気の速度を高速とするこ
とにより、予混合気噴射管４０，５０，６０や架橋部４
３，５３，６３の上流側表面は、それに沿って流れる混
合気又は空気によって冷却されるという利点や、高燃焼
負荷時における圧力変動を抑制したり、管内への逆火が
起きにくいという利点もある。

【００５３】図７は、図２に示す実施例において採用す
ることができる予混合気噴射管の出口形状の更に別の例
を示す拡大図であり、（ａ）は（ｂ）の平面Ｊ−Ｊで切
断した側面図、（ｂ）は（ａ）の端面図である。図７に
示す予混合気噴射管７０では、ストレート管７１の先端
に形成される出口７２に設けられた偏流体としての架橋
体７３に、幅方向中央において架橋方向に延びるスリッ
ト７４を形成したものである。架橋体７３にスリット７
４を構成することにより、混合気は、左右に分割された
出口７７，７７から側方に曲げられる噴流７８ａ，７８
ａと、中央のスリット７４を通じて流れる噴流７８ｂと
に分割され、左右側方に曲げられた噴流７８ａ，７８ａ
を既燃ガスに混合させることができる。前記スリットか
らの混合気の噴出は、架橋体背後の逆流を小さくし、そ
こに保炎しにくくする効果がある。その結果、流出速度
が保炎限界流速以上になるように設計すれば、曲げられ
た予混合気を既燃ガスと混合してから反応するようにで
きる。その他の構造は、図５に示す予混合気噴射管５０
と同様であるので、再度の詳細な説明を省略する。

【００５４】図８は、予混合気噴射管がその周囲を複数
のバーナに囲まれた配置、あるいは単一のバーナからの
環状既燃ガスによって囲まれた配置のガスタービン燃焼
器に採用することができる予混合気噴射管の出口形状の
一例を示す端面図である。図８に示す予混合気噴射管８
０では、偏流体としての架橋体８３は、予混合気噴射管
８０の出口８２において、その断面の中心８４から放射
状に延びる少なくとも三本の架橋枝部８５から構成する
ことができる。予混合気噴射管８０の周囲に少なくとも
三つのバーナが分布して配置されている場合には、予混
合気噴射管８０の出口８２に架橋体８３を設けることに
より、予混合気噴射管８０に流れる混合気は、隣接する
架橋枝部８５，８５間に形成される三つの出口部分８７
から、それぞれ、対応したバーナから排出される既燃ガ
スに対して分割された噴流８８として噴射されて、既燃
ガスと混合させることができる。

【００５５】図９は、予混合気噴射管がその周囲を複数
のバーナに囲まれた配置、あるいは単一のバーナからの
環状既燃ガスによって囲まれた配置のガスタービン燃焼
器に採用することができる予混合気噴射管の出口形状の
別の例を示す図であり、（ａ）は（ｂ）の平面Ｍ−Ｍで
切断した側面図、（ｂ）は（ａ）の端面図である。図９
に示す予混合気噴射管９０においては、偏流体は、予混
合気噴射管９０の出口９２にリブ９７を介して取り付け
られ且つ尖端側が上流を向いた錐面を有する皿状体９３
である。予混合気噴射管９０は、ストレート管９１の先
端部に、皿状体９３を取り囲み且つ皿状体９３の円錐面
９４に対応して出口９２の開口縁９６に至るに従って次
第に拡大したスカート部９５を備えることができる。偏
流体を皿状体９３とし、皿状体９３に対応してスカート
部９５を備えることにより、予混合気噴射管９０内を流
れる混合気は、内側における皿状体９３のみならず外側
においてもスカート部９５でガイドされ、予混合気噴射
管９０の全周囲においてスムーズに側方に曲げられて、
出口９２から噴流９８として噴出し、バーナ１５から排
出される既燃ガスと混合される。リブ９７は断面積を小
さくしておくことにより、混合気の噴射に対する影響を
小さくすることができる。

【００５６】図１０は予混合気噴射管の一例を示す図で
あって、予混合気噴射管内を流れる混合気を噴流として
噴出する際に側方へ曲げる偏流手段を、予混合気噴射管
の軸の回りで旋回させる旋回器とした例である。図１０
に示す予混合気噴射管１００は、ストレート状の噴射管
本体１０１の基端側に燃料を先端から噴霧状に噴射する
噴射器１０２が配置されており、噴射管本体１０１と噴
射器１０２との間には、空気の流れに旋回を与える旋回
器１０３が設けられている。予混合気噴射管１００を備
えるガスタービン燃焼器においては、予混合気噴射管１
００の周囲を複数のバーナで取り囲んで配置させること
ができる。噴射管本体１０１の先端には偏流体は設けら
れておらず、出口１０４も曲げられておらず、噴射管本
体１０１がそのまま開口している。旋回器１０３で旋回
を与えられた状態で噴射管本体１０１に流れ込んだ空気
流は噴射器１０２からの燃料の噴霧を含んだ旋回流１０
６となり、旋回流１０６は、噴射管本体１０１の先端か
ら外側に広がる噴流１０８となって、バーナからの既燃
ガス１０８の中に噴射される。

【００５７】図１１は、予混合気噴射の周囲を旋回バー
ナからの既燃ガスで囲んだガスタービン燃焼器の更に別
の例を示す図であって、（ａ）は（ｂ）における平面Ｎ
−Ｎについての縦断面図、（ｂ）は横断面図である。ガ
スタービン燃焼器１１０（以下、「燃焼器１１０」と略
す。）の基端部には、主混合気が接線方向に流入される
バーナ１１１と、図１０に示した予混合気噴射管１００
とが配設されている。バーナ１１１からの火炎１０９
は、予混合気噴射管１００の噴射管本体１０１の外側を
下流方向に流れる。予混合気噴射管１００の出口１０４
は、バーナ１１１の主混合気が燃焼した火炎１０９の位
置において開口している。予混合気噴射管１００から旋
回流１０６が噴流１０８となって出口１０４から噴射さ
れるときに、噴流１０８は旋回による自身の遠心力に基
づいて側方に広がって噴射され、バーナ１１１から排出
される火炎１０９の下流に存在する高温の既燃ガス１０
９ａの中に入り込んで既燃ガス１０９ａと急速に混合さ
れる。このように構成されたガスタービン燃焼器１１０
においては、予混合気噴射管１００から噴射される噴流
１０８は、既燃ガス１０９ａと十分な滞留時間を以て混
合される。また、予混合気噴射管１００の出口１０４と
その近傍はバーナ１１１から排出される高温の火炎１０
９に晒されているので、混合気内の燃料噴霧の蒸発が促
進され、より均質な混合気を形成することができる。更
に、予混合気噴射管１００の内部には常に旋回流１０６
が高速で流れているので予混合気噴射管１００の管壁が
過度に加熱されることはなく、耐久性についても良好で
ある。

【００５８】図１２は、予混合気噴射管の周囲を旋回バ
ーナからの既燃ガスで囲んだガスタービン燃焼器の更に
別の例を示す図であって、（ａ）は（ｂ）における平面
Ｏ−Ｏについての縦断面図、（ｂ）は横断面図である。
図１２に示すガスタービン燃焼器１２０は、図１１に示
すガスタービン燃焼器１１０と比較して、予混合気噴射
管１００をバーナ１１１の火炎１０９に晒していない状
態に配置している。このように構成されたガスタービン
燃焼器においては、予混合気噴射管１００が高温の火炎
１０９に晒されないので、耐熱の観点からすると、材料
的、機械的に有利である。

【００５９】

【発明の効果】この発明であるガスタービン燃焼器は、
燃焼器ライナと、その壁面に取り付けられたバーナと、
予混合気噴射管とで構成され、この予混合気噴射管は、
燃料と空気との混合気を形成し、出口開口からその混合
気をバーナによる既燃ガス中に噴射・混合されるように
なっている。既燃ガスは高温でしかも活性基を多量に含
有しているので、従来の火炎としての燃焼が不可能な非
常に希薄な燃料の混合気でも反応させることができ、温
度と時間を適切にすることにより完全燃焼をさせること
ができる。したがって、非常に希薄な混合気でも反応さ
せることができ、このガスタービン燃焼器をジェットエ
ンジンやガスタービンに用いた場合には、予混合気噴射
管を流れる燃料流量制御のみによって、比較的容易に且
つ従来のガスタービン燃焼器では不可能であった広い出
力範囲にわたって完全燃焼（高い燃焼効）と非常に低い
低ＮＯｘ濃度との両立を容易に実現できるガスタービン
燃焼器を提供することができる。混合気をバーナからの
既燃ガス中に噴射する手段の一つとして、予混合気噴射
管の出口において、上流側が尖端となり下流側が末広が
り状の壁面を有する架橋体を配置し、混合気が予混合気
噴射管の軸方向に対して大きな角度で曲げて側方に噴射
させる構造を採用することができる。また、別の構造と
して、予混合気噴射管に空気用の旋回器を備え、予混合
気噴射管内に噴射された燃料を旋回流とされた空気流と
共に出口から噴射することで、混合気はその遠心力によ
って出口を出たときに側方に広がる噴流とする構造を採
用することもできる。予混合気噴射管から噴流となって
噴射された混合気は、短い距離で既燃ガスと効果的に混
合し、完全燃焼（高い燃焼効）と非常に低い低ＮＯｘ濃
度とを達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明によるガスタービン燃焼器の一実施例
を示す図である。

【図２】この発明によるガスタービン燃焼器の別の実施
例を示す図である。

【図３】この発明によるガスタービン燃焼器の他の実施
例を示す図である。

【図４】この発明によるガスタービン燃焼器の特に燃料
噴射管の一実施例を示す図である。

【図５】図２に示す実施例において採用される予混合気
噴射管の出口形状の一例を示す拡大図である。

【図６】図２に示す実施例において採用される予混合気
噴射管の出口形状の別の例を示す拡大図である。

【図７】図２に示す実施例において採用される予混合気
噴射管の出口形状の更に別の例を示す拡大図である。

【図８】予混合気噴射管の周囲を複数のバーナで囲んだ
ガスタービン燃焼器に採用される予混合気噴射管の出口
形状の一例を示す端面図である。

【図９】予混合気噴射管の周囲を複数のバーナで囲んだ
ガスタービン燃焼器に採用される予混合気噴射管の出口
形状の別の例を示す図である。

【図１０】この発明によるガスタービン燃焼器に用いら
れ、予混合気噴射管からの噴流を側方へ曲げる偏流手段
を旋回器としたる予混合気噴射管の一例を示す図であ
る。

【図１１】図１０に示す予混合気噴射管の周囲をバーナ
で囲んだガスタービン燃焼器の更に別の例を示す図であ
る。

【図１２】図１０に示す予混合気噴射管の周囲を複数の
バーナで囲んだガスタービン燃焼器の更に別の例を示す
図であって、

【図１３】この発明によるガスタービン燃焼器の排気ガ
ス中のＮＯｘ濃度及び燃焼効率と出力との関係を、従来
のマルチバーナ方式の燃焼器の特性と共に示すグラフで
ある。

【図１４】燃焼用空気と希釈空気との流量を調節する流
量調節機構を用いた従来の空気配分制御式ガスタービン
燃焼器の一例を示す概念図である。

【図１５】従来のマルチバーナ方式のガス焚きガスター
ビンの燃焼器の一例を示す縦断面図である。

【図１６】従来のマルチバーナ方式の燃焼器のエンジン
試験によるＮＯｘ排出濃度と燃焼効率の負荷に対する変
化の様子の一例を示すグラフである。

【符号の説明】

１０，２０，３０，１１０，１２０ガスタービン燃焼
器１１，３１燃焼室２１環状燃焼室１２，２２，３２燃焼器ライナ１３ライナドーム壁部２３環状ド
ーム壁部１４筒壁部２４内側筒壁部２５外側筒
壁部１５，１１１バーナ１６，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００
予混合気噴射管１７，５２，６２，７２，８２，９２，１０４出口１８，４８，５８，６８，７８ａ，７８ｂ，８８，９
８，１０８噴流１９，１０９火炎１９ａ，１０９ａ
既燃ガス３３基端部３４張出し部４１，５１，６１，７１，９１ストレート管４２湾曲口部４３，５３，６３，７３，８３架橋体（偏流体）９３皿状体（偏流体）１０３旋回器４７，５４，６４壁面４５，５５，６５
接続部分４６，５６，６６開口縁４９，５７，６７
出口部分６９湾曲側壁部７４スリット８５架橋枝部９４円錐面９５
スカート部９７リブ１０１噴射管本体１０２噴射器Ｍ混合領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】排出口が燃焼室内に開口するバーナと、
燃料と空気との混合気を前記燃焼室内に導く予混合気噴
射管とを備え、前記予混合気噴射管からの前記混合気
は、前記バーナから噴射された既燃ガスに向かって噴射
されて前記既燃ガスと混合されることから成るガスター
ビン燃焼器。
【請求項２】前記予混合気噴射管は、前記混合気を前
記既燃ガスに向かって噴射するため、前記予混合気噴射
管の出口に前記混合気を側方に曲げる偏流体を備えてい
ることから成る請求項１に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項３】前記偏流体は、前記予混合気噴射管を横
断して設けられた架橋体であり、前記架橋体は、前記混
合気を分割すると同時に側方に曲げるため、横断面形状
が尖端を上流側に向けたＵ字状又はＶ字状である壁面を
有することから成る請求項２に記載のガスタービン燃焼
器。
【請求項４】前記架橋体の前記壁面は、前記予混合気
噴射管を横断する方向に延びる直線を母線とする平面又
は滑らかな曲面に形成されていることから成る請求項３
に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項５】前記予混合気噴射管は、ストレート管部
と前記ストレート管部から湾曲して延びて前記出口に至
る湾曲口部とを備えており、前記架橋体は前記湾曲口部
の湾曲内側から湾曲外側へと前記湾曲口部を横断して設
けられ且つ前記湾曲外側へ至るに従って幅広に形成され
ていることから成る請求項３又は４に記載のガスタービ
ン燃焼器。
【請求項６】前記予混合気噴射管は、前記架橋体に対
向した両側において、前記架橋体との接続部分から離れ
るに従って前記予混合気噴射管の軸方向に後退した開口
縁を有することから成る請求項３又は４に記載のガスタ
ービン燃焼器。
【請求項７】前記予混合気噴射管は、前記架橋体に対
向した両側において、前記出口の開口縁に至るに従って
側方に広がって開口する湾曲側壁部を備えていることか
ら成る請求項３又は４に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項８】前記架橋体には、幅方向中央において架
橋方向に延びるスリットが形成されていることから成る
請求項３又は４に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項９】前記架橋体は、前記予混合気噴射管の前
記出口断面の中心から放射状に延びる少なくとも三本の
架橋枝部から構成されていることから成る請求項３又は
４に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項１０】前記偏流体は、前記予混合気噴射管の
前記出口にリブを介して取り付けられ且つ尖端側が上流
を向いた錐面を有する皿状体であることから成る請求項
２に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項１１】前記予混合気噴射管は、前記皿状体を
取り囲み且つ前記出口の開口縁に至るに従って次第に拡
大したスカート部を備えていることから成る請求項１０
に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項１２】前記燃焼室は前記バーナが取り付けら
れるドーム壁部と前記ドーム壁部から下流側に延びる筒
状壁部とを有して成り、前記予混合気噴射管は、前記ド
ーム壁部において、前記バーナと実質的に平行に且つ前
記出口が前記バーナの前記排出口よりも下流で開口する
状態に取り付けられていることから成る請求項１〜１１
のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項１３】前記燃焼室は前記バーナが取り付けら
れるドーム壁部と前記ドーム壁部から下流側に延びる筒
状壁部とを有して成り、前記予混合気噴射管は、前記筒
状部において、前記バーナに対して傾斜し且つ前記出口
が前記バーナの前記排出口よりも下流で開口する状態に
取り付けられていることから成る請求項１〜１１のいず
れか１項に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項１４】前記燃焼室は基端部分及びその上流側
の張出部分を備えたドーム壁部と前記ドーム壁部から下
流側に延びる筒状部とを有して成り、前記バーナは前記
張出部分に取り付けられ、前記予混合気噴射管は前記基
端部分において前記出口が前記バーナの排出口よりも下
流で開口する状態に取り付けられていることから成る請
求項１〜１１のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼
器。
【請求項１５】前記バーナは周方向に隔置して配置さ
れ、単一又は複数の前記予混合気噴射管が隣接する前記
バーナ間に配置されていることから成る請求項１〜１４
のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項１６】前記混合気は、前記予混合気噴射管の
軸の回りで旋回する旋回混合気流とされ、前記出口から
噴射されるときに旋回に基づいて側方に曲げられること
から成る請求項２に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項１７】前記予混合気噴射管は、少なくとも前
記出口側の一部が前記バーナからの前記既燃ガスに囲ま
れた状態で前記既燃ガスに中に延びて配置されているこ
とから成る請求項１６に記載のガスタービン燃焼器。
【請求項１８】前記予混合気噴射管は、前記出口が前
記バーナからの前記既燃ガスよりも上流側で開口する状
態に配置されていることから成る請求項１６に記載のガ
スタービン燃焼器。