JP4937158B2 - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン燃焼器に関し、特に燃焼筒の基部に接続連通された予混合管によって空気の旋回流を生じさせるとともに、予混合管に設けた燃料供給手段によって燃料を均一に微粒化して噴射することにより、燃焼筒内の基部から離れた位置に火炎を安定的に保持して該基部の熱による耐久性悪化を防止し、同時に燃焼の安定化や低エミッション等をも実現したガスタービン燃焼器の構造に係るものである。

図１０は、本願発明者等が本願発明の前に発明したガスタービン燃焼器の断面図である。このガスタービン燃焼器１００は、頂部が閉塞され、下部開口が図示しないガスタービンの排気側に連通された大略円筒形状の燃焼筒１０１と、燃焼筒１０１の頂部中心位置に配置され、その下部開口を燃焼筒１０１内に向けた予混合管１０２と、燃焼筒１０１及び予混合管１０２を包囲するとともに、下部開口が図示しないターボ圧縮機で発生する圧縮空気取入口に連通した空気取入用の外筒体１０３と、外筒体１０３の頂部を貫通して前記予混合管１０２の上部に接続・連通した燃料噴射弁１０４を備えている。そして、予混合管１０２の頂部には、燃料噴射弁１０４を取り囲んで複数のスワーラ（旋回羽根）１０５が同心円状に設けられている。

燃焼筒１０１は冷却構造を有しており、その頂部には、予混合管１０２の周囲に遮熱プレート１０６が設けられるとともに、所定間隔をおいてその上方に冷却プレート１０７が設けられ、冷却プレート１０７に形成された多数の孔から内部の空間に空気を流入させて遮熱プレート１０６に衝突させてインピンジメント冷却を行うようになっている。また、燃焼筒１０１の周壁には、内部に空気を流入させるための孔が形成されるとともに、周壁の内面には孔に対面してガイド１０８が設けられ、孔から流入した空気を周壁の内面に沿って送り出してフィルム冷却を行うようになっている。

このガスタービン燃焼器１００の運転時には、図示しないターボ圧縮機から圧縮空気が外筒体１０３に送り込まれ、圧縮空気は予混合管１０２の頂部からスワーラ１０５により旋回されて予混合管１０２に入り、予混合管１０２の内部で空気に強い旋回流を生じさせる。燃料噴射弁１０４から噴射された燃料は、予混合管１０２内でこの強い旋回流により微粒化されて空気と十分に混合されるものとされており、この混合された燃料と空気は予混合管１０２の開口付近、すなわち燃焼筒１０１の頂部で燃焼して火炎Ｆを生じる。燃焼によって生じた高温の燃焼ガスは、燃焼筒１０１の下端の開口からガスタービンに供給されることとなる。

上述した本願発明者による先の発明は公知のものではなく、従来技術ではないが、この発明において使用された旋回羽根式のスワーラ１０５のように、燃料を燃焼させるために空気に旋回流を発生させるための手段としてのスワーラについては、いくつかの文献で公知となっている。例えば、次の特許文献１及び２には、燃料を燃焼させるバーナーにおいて、空気に旋回流を発生させて燃料と空気を十分に混合させ、燃焼の安定化や低エミッションを実現しうる手段として、スワーラが記載されている。
特に、特許文献１では、バーナー本体の混合領域内に燃料と空気をそれぞれの供給管から直接噴射することにより同領域で混合気を作り、次にこの混合気の流れにスワーラを用いて旋回を与えることにより、バーナー本体の出口の先方に火炎領域を保持しようとする構造である。
米国特許第５７３５６８１号公報 米国特許第５８７９１４８号公報

前述したような空気に強い旋回流を発生させる旋回羽根式のスワーラ１０５を用いたガスタービン燃焼器１００によれば、予混合管１０２が開口している燃焼筒１０１の上部（遮熱プレート１０６の部分）に火炎が接した状態にあるため、冷却プレート１０７による遮熱プレート１０６に対する冷却効果にもかかわらず、遮熱プレート１０６は燃焼ガスに曝されて熱劣化を生じやすく、耐久性の点で問題があった。このように、旋回羽根式のスワーラ１０５を用いたガスタービン燃焼器１００において、火炎が燃焼筒１０１の上部（遮熱プレート１０６の部分）に接した位置にある原因は、本願発明者等の研究によれば、図１０中に矢印で示したように、スワーラ１０５による強い旋回流により燃焼筒１０１の内側に向かう再循環流が燃焼領域に形成されるため、火炎Ｆが燃焼筒１０１の頂部に保炎されてしまうからであると考えられる。

また、本願発明者の先の発明に係るガスタービン燃焼器１００のような旋回羽根式のスワーラ１０５を用いたガスタービン燃焼器によれば、冷却プレート１０７に供給されて遮熱プレート１０６を冷却した冷却空気は、燃焼筒１０１の燃焼領域近傍に流出するので、燃焼筒１０１内の燃焼を阻害する原因になるという問題もあった。

さらに、このような旋回羽根式のスワーラ１０５を用いたガスタービン燃焼器１００によれば、前述したように、火炎Ｆは、スワーラ１０５による強い旋回流により燃焼領域に形成される再循環流によって保炎されているが、その強い乱流を伴う流れにより、燃焼振動等のような機器の破壊に至る不安定な燃焼挙動を示す場合があった。

さらに、このような旋回羽根式のスワーラ１０５を用いた再循環流によるガスタービン燃焼器１００によれば、近年においてはさらに厳しくなった低エミッション化の要求に対して、十分に対応することが困難であるという問題もあった。

そこで本発明は、以上の課題を解決するものであり、最も高温に晒されると考えられる遮熱プレートの温度低下を達成することにより燃焼筒等の熱劣化を防止できるため耐久性に優れ、エミッション特性も良好であり、さらには冷却空気による燃焼の阻害がなく、燃焼が安定しているガスタービン燃焼器を提供することを目的としている。

請求項１に記載されたガスタービン燃焼器は、タービンに燃焼ガスを供給するために燃料と空気の混合気が燃焼する燃焼筒と、前記燃焼筒に開口して設けられ供給された燃料と空気が混合される予混合管と、前記予混合管に設けられて前記予混合管に燃料を供給する燃料供給手段とを有するガスタービン燃焼器において、
前記燃料供給手段は、環状の燃料通路と、前記燃料通路の接線方向に沿って前記燃料通路に燃料を供給する供給通路と、前記燃料通路に連通し前記予混合管内に燃料を噴射する環状のノズル部と、前記燃料通路及び前記ノズル部の近傍に構成されて前記予混合管内に供給される空気が通過する周状の空気通路とを有し、
前記予混合管は、周壁面の接線方向に沿って内部に空気が流入するように前記周壁面に形成された複数の孔を有することを特徴としている。

請求項２に記載されたガスタービン燃焼器によれば、請求項１記載のガスタービン燃焼器において、
前記燃料供給手段が、前記燃料通路と、前記供給通路と、前記ノズル部と、前記燃料通路と前記ノズル部を連通する供給孔を一体に構成した環状部材であり、
径の異なる複数の前記燃料供給手段が同心状に配置されることにより、少なくとも隣接する前記燃料供給手段の隙間が前記周状の空気通路となることを特徴としている。

請求項３に記載されたガスタービン燃焼器によれば、請求項２記載のガスタービン燃焼器において、
最も小径の前記燃料供給手段の中心に起動用圧力噴射ノズルが設けられて、最も小径の前記燃料供給手段と前記起動用圧力噴射ノズルの間の隙間が前記周状の空気通路となり、
最も大径の前記燃料供給手段の外周に環状のガイド部材が設けられて、最も大径の前記燃料供給手段と前記ガイド部材の間の隙間が前記周状の空気通路となることを特徴としている。

請求項１に記載されたガスタービン燃焼器によれば、燃料供給手段では、燃料は供給通路から環状の燃料通路の接線方向に向けて供給されるので、燃料通路の周方向に移動して分布が均一化される。そして、この燃料は環状の燃料通路から環状のノズル部に移行し、ノズル部の全周において燃焼筒に向けて噴射される。噴射された燃料は、周状の空気通路から燃焼筒に向かう空気の流れと混合され、予混合管から燃焼筒に向かう燃焼筒の軸方向に平行な混合気の一様な流れが形成される。他方、予混合管では、周壁面の孔から空気が周壁面の接線方向に沿って内部に流入し、予混合管内に旋回流が形成されるので、燃焼筒の上部には前記一様な流れの周りを旋回する混合気の旋回流が生じる。このように、混合気は、燃焼筒の中心部における旋回のない均一な流れと、その周りを旋回する旋回流の２種類の流れを形成するので、火炎は燃焼筒内において予混合管が開口した燃焼筒の上部から離れた位置に保炎される。従って、予混合管が開口した燃焼筒の上部が炎によって高温に晒されることはなく、燃焼筒の耐久性に問題が生じることはない。特に、芳香族系燃料の場合には輝炎からの輻射熱の影響を緩和することができる。さらに、従来に比べて排気中のＮＯ_X 成分等を低下させることができ、未燃成分の排出も抑えることができる。さらに、スワーラを必要としないため、従来よりも安定した燃焼が得られ、価格も従来より低く抑えることができる。
なお背景技術で説明した特許文献１、２では、混合領域に燃料管と空気管を接続してそれぞれ燃料と空気を吹き込んで混合気を作り、次にスワーラを用いて混合気に旋回流を形成していたが、上述のように本発明は、この構造とは異なり、環状のノズル部によって燃料を環状に噴射するとともに、これに近接して設けられた環状の空気通路で空気を環状に噴射することにより全体として筒型のパターンで予混合管から燃焼筒に向かう燃焼筒の軸方向に平行な混合気の一様な流れを形成し、さらに予混合管の壁面に接線方向を向けて形成された孔によって該混合気に旋回流を形成し、もって燃焼筒の上部から離れた位置に火炎を確実に保持できるようにした燃焼器の構造である。

請求項２に記載されたガスタービン燃焼器によれば、請求項１記載のガスタービン燃焼器の効果において、さらに、燃料供給手段において径の異なる複数の環状部材を同心状に配置することにより、隣接する環状部材の周状のノズル部の隙間を周状の空気通路とすることができ、隣接する環状のノズル部の全周から燃焼筒に向けて噴射される燃料を、その間を吹き抜ける空気の流れによってより効果的に微粒化することができる。

請求項３に記載されたガスタービン燃焼器によれば、請求項２記載のガスタービン燃焼器における効果において、さらに、最も小径の燃料供給手段と起動用圧力噴射ノズルの間と、最も大径の燃料供給手段とガイド部材の間を、共に周状の空気通路として空気を噴出すことにより、環状のノズル部の全周から燃焼筒に向けて噴射される燃料を、さらに効果的に微粒化することができる。
なお、背景技術で説明した特許文献１、２において適用される燃料はガス化されたものであるが、本発明では、これとは異なり、上述したように燃料と空気を特殊な環状の態様で噴射して燃料を確実に微粒化し、混合気とすることができる燃料供給手段を備えているので、燃料としては液体燃料にも対応することができる。

以下本発明の最良の実施の形態につき、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１〜図９は本発明の実施形態を示し、図１は本実施形態のガスタービン燃焼器の縦断面図、図２は本実施形態における燃料供給手段の拡大縦断面図、図３（ａ）は図２のＣ−Ｃ切断線における横断面図、図３（ｂ）は同図（ａ）の燃料通路の部分拡大図、図４は図１のＢ−Ｂ切断線における拡大横断面図、図５は本実施形態のガスタービン燃焼器において予混合管の周壁面の孔を塞いだ場合の混合気の流れと火炎の位置を示す縦断面図、図６は本実施形態のガスタービン燃焼器において予混合管の孔による旋回流がない場合の燃料供給手段のノズル部における均一な液膜となった燃料噴射状態を示す図、図７は本実施形態のガスタービン燃焼器において予混合管の孔による旋回流がある場合の燃料供給手段のノズル部における均一な微粒化が達成された燃料噴射状態を示す図、図８はガスタービン燃焼器における全体当量比とＮＯ_X 排出量との関係を本実施形態と従来例とで比較して示す図、図９はガスタービン燃焼器における全体当量比とＣＯ排出量との関係を本実施形態と従来例とで比較して示す図である。

まず、本例のガスタービン燃焼器１の構造を説明する。
図１に示すように、このガスタービン燃焼器１は、頂部が閉塞され、下部開口が図示しないガスタービンの排気側に連通された大略円筒形状の燃焼筒２と、燃焼筒２の頂部中心位置に同軸で配置され、その下部開口を燃焼筒２に連通させた燃焼筒２より小径の予混合管３と、燃焼筒２及び予混合管３を包囲するとともに、下部開口が図示しないターボ圧縮機で発生する圧縮空気取入口に連通した空気取入用の外筒体４と、予混合管３の頂部に設けられ、燃料供給系の一部が外筒体４の頂部を貫通して外部に導かれている燃料供給手段５を備えている。

なお、燃焼筒２は図１０に示した背景技術のガスタービン燃焼器１００と同様、冷却構造を有している。図１中、拡大図Ｙに示すように、燃焼筒２の頂部には、予混合管３の周囲に遮熱プレート６が設けられるとともに、所定間隔をおいてその上方に冷却プレート７が設けられ、冷却プレート７に形成された多数の孔８から矢印で示すように内部の空間に空気を流入させて遮熱プレート６に衝突させ、インピンジメント冷却を行うようになっている。また、図１中、拡大図Ｚに示すように、燃焼筒２の周壁には、内部に空気を流入させるための孔９が形成されるとともに、周壁の内面には孔９に対面してガイド１０が設けられ、矢印で示すように孔９から流入した空気を周壁の内面沿いに送り出してフィルム冷却を行うようになっている。

本例のガスタービン燃焼器１の燃料供給手段５は、背景技術のものと異なり、図２の中心線から右側に図示した構造例のように、スワーラを有しない構造を基本タイプとする（スワーラ無しの場合）。図２又は図３に示すように、燃料供給手段５は、最も大径である環状のガイド部材１１と、燃料噴射構造を内蔵した大径及び小径の２つの環状部材１２，１３とを周状の隙間を置いて同心円状に配置し、さらに小径の環状部材１３の中心の孔には周状の隙間を置いて起動用圧力噴射ノズル１４を設け、同心円の径方向に沿って配置した複数本のステー１５によってこれらガイド部材１１、２つの環状部材１２，１３及び起動用圧力噴射ノズル１４を互いに連結して一体に構成したものである。

２つの環状部材１２，１３の構造は寸法等の具体的な寸法等の設計事項を除けば略同一である。すなわち、図２又は図３に示すように、環状部材１２，１３は、その上部に密閉された環状の燃料通路１６（１６ａ，１６ｂ）を有している。この燃料通路１６には、燃料通路１６の接線方向に沿って内部に燃料を供給する供給通路１７（１７ａ，１７ｂ）が接続連通されており、燃料通路１６の周方向について燃料を均一に分布させることができる。各燃料通路１６にそれぞれ接続された各供給通路１７は、それぞれ環状部材１２，１３の外部において上方に向けて屈曲され、外筒体４の頂部のフランジ１８を貫通して図示しない外部の燃料供給源に導かれている。

図２又は図３に示すように、各環状部材１２，１３の下部には、後述する予混合管３内に燃料を噴射するために、環状に連続して開口したノズル部１９（１９ａ，１９ｂ）が形成されている。環状部材１２，１３の上側にある前記燃料通路１６ａ，１６ｂと、その下側にある周状に連続したこのノズル部１９ａ，１９ｂとは、周方向について均等に分布して形成された多数の供給孔２０によって連通している。この供給孔２０は、図２及び図３に示すように、平面視においては概ね燃料通路１６及びノズル部１９の周方向（接線方向）に沿った方向に向けられて全周にわたって設けられており、軸線方向に対しては所定の角度で所定方向に傾斜した姿勢で形成されており、燃料通路１６内で均一に分布した燃料を、周方向について旋回速度を与えてノズル部１９に送り込むことができる。なお、本例の供給孔２０は、一例ではあるが燃料通路１６又はノズル部１９の１周（３６０°）について等配分に形成されている。

図２又は図３に示すように、前記ノズル部１９の開口部には、外側の壁体が長く下方に突出するとともに、内方に向けて縮径するように傾斜したフィルマ２１が設けられており、ノズル部１９から噴射される燃料の液膜を形成するようになっている。

図２又は図３に示すように、本例のガスタービン燃焼器１の燃料供給手段５では外側から環状のガイド部材１１と、大径の環状部材１２と、小径の環状部材１３と、起動用圧力噴射ノズル１４をそれぞれ間隔をおいて同心状に配置したので、各部材の間には合計３つの周状の隙間が構成されており、この隙間が、外筒体４内に取り入れられた空気が予混合管３内に供給される際に通過する周状の空気通路２２（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）となっている。

本例のガスタービン燃焼器１の燃料供給手段５は、以上のように構成されてそれぞれ単独で燃料を均一に噴射できる環状部材１２，１３を、径が異なるように２系統以上（図２中では、一例としてＭ１，Ｍ２の２系統）配しており、各系統ごとに供給通路１７ａ，１７ｂが設けられて燃料の供給を行えるようになっているので、１系統の場合に比べて噴射時の燃料分布をより一層均一化させて噴射することができる。また両環状部材１２，１３は、いずれも周状の空気通路２２ａ，２２ｂ，２２ｃで挟まれた構造になっているので、均一に噴射された燃料が空気の流れによって微粒化されやすい。

次に、図１（特に図１中、拡大図Ｙ参照）及び図４に示すように、本例のガスタービン燃焼器１の予混合管３は、背景技術のものと異なり、その周壁面に複数の孔２５が形成されている。この孔２５は横長の楕円形であり、その軸方向は、予混合管３の周壁面の接線方向に沿って内部に空気が流入するように構成されている。従って、外筒体４内に取り入れられた空気は、これらの孔２５から予混合管３内に供給されて予混合管３内に周方向の旋回流を形成する。なお、図１では、予混合管３の軸方向（縦方向）の３つの領域に分かれてそれぞれ多数の孔２５が形成されているように図示されているが、孔２５の形成方向が予混合管３の内部に旋回流を形成するようなものであることを除き、その他の孔２５の条件、例えば孔２５の個数、配置、径等は、本例のガスタービン燃焼器１の種々の条件に応じて定められるものである。

次に、本例のガスタービン燃焼器１の作用効果を説明する。
本例のガスタービン燃焼器１の運転時には、図示しないターボ圧縮機から圧縮空気が外筒体４に送り込まれ、圧縮空気は予混合管３の頂部に設けられた燃料供給手段５の空気通路２２から予混合管３内に入る。起動時には燃料供給手段５の起動用圧力噴射ノズル１４から燃料が噴射されて空気通路２２からの空気と混合され、この混合気に図示しない点火装置が点火して燃焼が始まる。

燃料供給手段５の環状部材１２，１３では、燃料が供給通路１７ａ，１７ｂから送られて燃料通路１６ａ，１６ｂに対して接線方向に沿って送り込まれるので、燃料は燃料通路１６ａ，１６ｂ内の周方向に均一に分布する。さらに燃料は、燃料通路１６ａ，１６ｂの周方向に均一な分布で形成された供給孔２０を通ることにより、所要の旋回速度を与えられてノズル部１９ａ，１９ｂ内に送られ、環状のノズル部１９ａ，１９ｂからフィルマ２１を経て吹き出される。環状のノズル部１９ａ，１９ｂは内側及び外側が周状の空気通路２２ａ，２２ｂ，２２ｃに囲まれているので、２つのノズル部１９ａ，１９ｂからそれぞれ均一に吹き出された燃料は、空気通路２２ａ，２２ｂ，２２ｃからの空気流により微粒化されて均一な混合気となり、予混合管３から燃焼筒２内に吹き出され、図１中に白抜きの矢印で示すように燃焼筒２内に軸方向の一様な混合気の流れを作る。

他方、この予混合管３内には、周壁面に形成された複数の孔２５から接線方向に空気が吹き込まれており、この空気の流れが、図１中に実線の矢印で示すように、燃焼筒２内の予混合管３の開口付近に、前述した軸方向の一様な混合気の流れを取り巻くような混合気の旋回流を形成している。

図５は、本実施形態のガスタービン燃焼器１において、予混合管３の外側に予混合管３の外径よりも内径が若干大きく、高さが同程度である閉止筒体３０を配置し、予混合管３の壁体を覆って周壁面の孔２５を塞いだ状態を示しており、さらにこの状態で燃料を噴射して燃焼させた場合における混合気の流れと火炎の位置を示している。図６は、図５に示したように、閉止筒体３０で予混合管３の孔２５を塞いで予混合管３内に空気の旋回流が発生しない状態とし、燃料供給手段５から燃料を噴射した時のノズル部１９付近における燃料噴射状態の写真を示している。図６に示すように、ノズル部１９から噴射される燃料は均一な液膜となっているが、微粒化はされておらず、均一な混合気にはなっていない。このような状態で燃焼を行うと、図５中に実線の矢印で示すように、混合気は燃焼筒２内において予混合管３の開口の周縁部において逆流域を形成し、このために火炎Ｆは燃焼筒２の頂部（予混合管３が開口している付近）に保炎されてしまい、燃焼筒２の頂部が火炎Ｆに直接晒されてしまう。図５では、予混合管３の周壁面には軸方向に異なる３つの領域にそれぞれ複数の孔２５の群が形成されているが、軸方向の長さ（高さ）の異なる３種類の閉止筒体３０を順次用いて３つの群（領域）の孔２５を閉止する実験を行なった結果、すべての孔２５を閉止した時に火炎が燃焼筒２の頂部に付着した状態となった。

図７は本実施形態のガスタービン燃焼器１において予混合管３の孔２５によって予混合管３の内部に旋回流が生じている状態とし、燃料供給手段５から燃料を噴射した時のノズル部１９付近における燃料噴射状態の写真を示している。図７に示すように、この燃料供給手段５のノズル部１９では、均一に噴射された燃料が空気の旋回流と混合して微粒化が達成されている。このように、予混合管３の内部に旋回流を形成するための孔２５を予混合管３の周壁に設けることは、図１に示すように燃焼筒２の頂部から離れた位置に火炎Ｆを保持する効果を得るための必須の条件である。軸方向の長さ（高さ）の異なる３種類の閉止筒体３０を順次用いて予混合管３の３つの領域の孔２５を閉止する前記実験の結果によれば、予混合管３の壁体の高さ方向のいずれかの部分の全周に旋回流を生じる孔２５が形成されていれば、火炎Ｆは燃焼筒２の頂部から離れた下方の位置に保持され、遮熱プレート６が過熱する問題は解決された。

このように、本例のガスタービン燃焼器１では、混合気は、燃焼筒２の中心部における旋回のない均一な軸方向の流れと、その周りを旋回する旋回流の２種類の流れを形成するので、燃焼筒２内で混合気の流れに乱れが発生することはなく、火炎Ｆは燃焼筒２内において予混合管３が開口した燃焼筒２の上部から離れた位置に安定した状態で保炎される。従って、予混合管３が開口した燃焼筒２の上部が火炎Ｆによって高温に晒されることはなく、燃焼筒２の頂部（遮熱プレート６等）の温度を下げ、製品の耐久性を向上させることができる。

特に、芳香族系燃料が燃焼する場合には、燃料が分解して生じた微細な炭素粒が発光する輝炎を生じるが、この輝炎は強い輻射熱を伴うため燃焼筒２の遮熱プレート６にとって大きな熱負荷となる。しかし、本例によれば遮熱プレート６から離れた位置に保炎することができるので、輝炎からの輻射熱の影響を大幅に緩和することができる。

従って、燃焼筒２の頂部（遮熱プレート６等）から離れた位置に安定して保炎できる本例のガスタービン燃焼器１によれば、輝炎が生じるような燃料でも使用することができる。輝炎の強さは、Ｃ／Ｈ比が大きいほど強くなり、灯油が約５．５であるのに対し、例えばトルエンは１０．５、キシレンは９．６であるように、芳香族Ｃ_n Ｈ_2n-6はＣ／Ｈ比が大きく燃焼時には強い輻射熱を伴う輝炎が発生するが、本例のガスタービン燃焼器１であれば、このような芳香族系の燃料でも安全に使用することができる。

さらに、本例のガスタービン燃焼器１によれば、従来に比べて排気中のＮＯ_X 成分やＣＯ成分等を低下させることができ、未燃成分の排出も抑えることができる。
図８は、大気圧燃焼試験で排出された燃焼ガスにおける全体当量比とＮＯ_X 濃度との関係を、本例のガスタービン燃焼器１（実施形態１は灯油を燃焼、実施形態２は溶剤を燃焼）と従来例（スワーラを用いたタイプ）とで比較して示す図である。ガスタービン燃焼器の運転ポイントは通常横軸の全体当量比で０．２５付近であり、このポイントで比較すると、この図から理解されるように、本実施形態のガスタービン燃焼器１は、従来例に比べて排出されるＮＯ_X 濃度が低い。

図９は、大気圧燃焼試験で排出された燃焼ガスにおける全体当量比とＣＯ濃度との関係を、本例のガスタービン燃焼器１（実施形態１は灯油を燃焼、実施形態２は溶剤を燃焼）と従来例（スワーラを用いたタイプ）とで比較して示す図である。ガスタービン燃焼器の運転ポイント（全体当量比で０．２５付近）で比較すると、この図から理解されるように、本実施形態のガスタービン燃焼器１は、排出されるＣＯ濃度が従来例と同等以下である。

図８及び図９に結果を示した実験において、実施形態２で使用した溶剤は芳香族燃料であるトルエンを主成分とするものであり、この実験結果から理解されるように、前述した如く本例のガスタービン燃焼器１によれば、燃焼器の遮熱プレート６の過熱防止の点だけでなく、エミッション低下の効果の点においても、芳香族系の燃料を使用できることが明らかになった。

さらに、本例のガスタービン燃焼器１によれば、スワーラを必要としないため前述したように従来よりも安定した燃焼が得られ、価格も従来より低く抑えることができる。

次に、本実施形態の変形例について説明する。
本例では、図２に示すように、外側から環状のガイド部材１１と、大径の環状部材１２と、小径の環状部材１３と、起動用圧力噴射ノズル１４をそれぞれ間隔をおいて同心状に配置することにより、各部材の間に合計３つの周状の空気通路２２（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）を構成し、外筒体４内に取り入れられた空気が予混合管３内に供給される際に通過するように構成している。

しかしながら、図２の中心線から左側に図示した構造例のように、前記空気通路２２（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）を構成する隙間の部分に、径の異なる旋回羽根を備えたスワーラ２６，２７，２８をそれぞれ設けることとしてもよい（スワーラ有りの場合）。

このように、スワーラ２６，２７，２８を設けることにより、予混合管３内に供給される空気は、環状に軸方向の勢いを与えられるとともに、旋回も与えられて筒状のパターンで噴射されるので、スワーラが無い場合に比べて環状のノズル部から環状に噴射される燃料と一層均一に混合される効果があり、また筒型のパターンで予混合管から燃焼筒に向かう燃焼筒の軸方向に平行な混合気の一様な流れを形成できる点では同様の効果が得られる。従って、この変形例によれば、予混合管の壁面に接線方向を向けて形成された孔によって該混合気にさらに強い旋回流を形成することができるので、燃焼筒の上部から離れた位置に火炎をより確実に保持できる効果が得られる。

さらに、図２の中心線の左側に図示した前述した変形例では、空気通路２２（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）を構成する各隙間のすべてに、径の異なる旋回羽根を備えたスワーラ２６，２７，２８をそれぞれ設けることとしたが（スワーラ有りの場合）、空気通路の一部にスワーラを設け、一部の空気通路は周状の隙間として残しておくこととしてもよい。このような変形例の場合には、周状の空気通路からは、筒状のパターンで軸方向に向けられた強い空気の噴射が得られ、スワーラからは、環状に軸方向の勢いを与えられるとともに旋回も与えられた筒状のパターンで空気が噴射されるので、全体として空気と燃料（特に液体燃料）の混合がより一層確実に行なわれるとともに、予混合管の壁面に接線方向を向けて形成された孔によって該混合気にさらに強い旋回流を形成することにより、燃焼筒の上部から離れた位置に火炎をより一層確実に保持できる効果が得られる。

図１は本発明の実施形態に係るガスタービン燃焼器の縦断面図である。 図２は本実施形態における燃料供給手段の拡大縦断面図である。 図３（ａ）は図２のＣ−Ｃ切断線における横断面図であり、図３（ｂ）は同図（ａ）の燃料通路１６の部分拡大図である。 図４は図１のＢ−Ｂ切断線における拡大横断面図である。 図５は本実施形態のガスタービン燃焼器において予混合管の周壁面の孔を塞いだ場合の混合気の流れと火炎の位置を示す縦断面図である。 図６は本実施形態のガスタービン燃焼器において予混合管の孔による旋回流がない場合の燃料供給手段のノズル部における均一な液膜となった燃料噴射状態を示す図である。 図７は本実施形態のガスタービン燃焼器において予混合管の孔による旋回流がある場合の燃料供給手段のノズル部における均一な微粒化が達成された燃料噴射状態を示す図である。 図８はガスタービン燃焼器における全体当量比とＮＯ_X 排出量との関係を本実施形態と従来例とで比較して示す図である。 図９はガスタービン燃焼器における全体当量比とＣＯ排出量との関係を本実施形態と従来例とで比較して示す図である。 図１０は本願発明者が本願出願前に案出したガスタービン燃焼器の縦断面図である。

符号の説明

１…ガスタービン燃焼器
２…燃焼筒
３…予混合管
５…燃料供給手段
６…遮熱プレート
７…冷却プレート
１１…ガイド部材
１２，１３…環状部材
１４…起動用圧力噴射ノズル
１６…燃料通路
１７…供給通路
１９…ノズル部
２０…供給孔
２１…フィルマ
２２…空気通路
２５…予混合管の孔
２６〜２８…スワーラ
Ｆ…火炎

Claims (3)

1. タービンに燃焼ガスを供給するために燃料と空気の混合気が燃焼する燃焼筒と、前記燃焼筒に開口して設けられ供給された燃料と空気が混合される予混合管と、前記予混合管に設けられて前記予混合管に燃料を供給する燃料供給手段とを有するガスタービン燃焼器において、
   前記燃料供給手段は、環状の燃料通路と、前記燃料通路の接線方向に沿って前記燃料通路に燃料を供給する供給通路と、前記燃料通路に連通し前記予混合管内に燃料を噴射する環状のノズル部と、前記燃料通路及び前記ノズル部の近傍に構成されて前記予混合管内に供給される空気が通過する周状の空気通路とを有し、
   前記予混合管は、周壁面の接線方向に沿って内部に空気が流入するように前記周壁面に形成された複数の孔を有することを特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 前記燃料供給手段が、前記燃料通路と、前記供給通路と、前記ノズル部と、前記燃料通路と前記ノズル部を連通する供給孔を一体に構成した環状部材であり、
   径の異なる複数の前記燃料供給手段が同心状に配置されることにより、少なくとも隣接する前記燃料供給手段の隙間が前記周状の空気通路となることを特徴とする請求項１記載のガスタービン燃焼器。
3. 最も小径の前記燃料供給手段の中心に起動用圧力噴射ノズルが設けられて、最も小径の前記燃料供給手段と前記起動用圧力噴射ノズルの間の隙間が前記周状の空気通路となり、
   最も大径の前記燃料供給手段の外周に環状のガイド部材が設けられて、最も大径の前記燃料供給手段と前記ガイド部材の間の隙間が前記周状の空気通路となることを特徴とする請求項２記載のガスタービン燃焼器。