JP2005226850A - 燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼ガス再循環の効果により、液体燃料の予蒸発、気体燃料／液体燃料の予混合燃焼、及び低酸素濃度における緩慢燃焼を実現して、ＮＯｘの生成を抑制した燃焼を実現すること。
【解決手段】一端が閉じられ内筒部１ｉと外筒部１ｏとで２重管に構成された環状容器１を燃焼室とし、前記環状容器１の外周側面（外筒部１ｏ）を貫通して前記環状容器１の開放端１ｘから閉鎖端部１ｔに向う速度成分を持って流入する空気の流れを形成する流入流路５と、前記環状容器閉鎖端部１ｔの内側に、前記流入流路５をめがけて前記環状容器１の中心軸Ｊに対して径方向外側に広がり角度αを持って前記環状容器１の閉鎖端部１ｔから開放端１ｘに向う向き（空気の流れと対向する向き）に燃料を噴射する燃料ノズル４とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼室に燃焼用空気及び燃料を流入し、燃焼用空気及び燃料を混合して燃焼する燃焼装置に関する。

燃焼装置から排出される大気汚染物質、特に窒素酸化物（ＮＯｘ）に対する規制はますます強化されており、ＮＯｘの排出を低減する技術が求められている。
ＮＯｘの生成機構は、サーマルＮＯｘ、プロンプトＮＯｘ、そしてフューエルＮＯｘの３つに大別される。サーマルＮＯｘは高温において空気中の窒素が酸素と反応して生成されるもので、温度に強く依存する。プロンプトＮＯｘは、特に燃料過剰の火炎帯で生成される。フューエルＮＯｘは燃料中に含まれる窒素化合物が関与して生成される。

最近では窒素化合物を含まないクリーン燃料が使用されることが多く、その場合、フューエルＮＯｘは殆ど生成しない。
プロンプトＮＯｘを低減するには、燃料過剰の設計を改め、希薄燃焼とすることにより、その生成を抑えることが出来る。
上述したフューエルＮＯｘ及びサーマルＮＯｘの低減に比較して、サーマルＮＯｘの低減は最も難しく、近年のＮＯｘ低減技術の鍵である。ここで、サーマルＮＯｘを低減するには、燃焼温度を低下させることが重要である。

燃焼温度を低下させるための技術としては、予混合燃焼、特に希薄予混合燃焼、予蒸発、濃淡燃焼、２段燃焼、燃焼ガス再循環などがある。
ガス燃料の場合、燃料を予め空気と良く混合してから着火、燃焼する予混合燃焼により、燃料濃度分布を均一化し、特に希薄燃焼の予混合燃焼では、燃焼温度を低減することが出来る。
しかし、予混合燃焼は安定燃焼範囲が狭く、逆火や吹飛びが起こり易いという問題がある。また、液体燃料に対しては、予め蒸発（予蒸発）しないと予混合出来ないことが欠点である。
液体燃料の場合、燃料が流路断面積が小さいノズルを通過する際に微粒化して噴射するが、通常は着火時に燃料の液滴が残り、液滴が蒸発しながら燃焼するため、理論空気比となる位置が必ず存在し、局所的に高温となってしまう。そのため、サーマルＮＯｘの低減には限界がある。
それを解決する技術として、予蒸発がある。予蒸発は、燃焼器内部又は外部で予蒸発部を設け、そこで噴霧した燃料を他からの加熱により蒸発させた後に燃焼させる技術である。予蒸発によれば、気体燃料と同等のサーマルＮＯｘ低減が期待出来る反面、予蒸発部の分だけ、燃焼器のサイズが大きくなってしまうという欠点を有している。

その他の技術として、燃料又は空気を数段に分割して燃焼装置内に供給して空気比を燃焼室内の各領域毎に制御することが行われている。この場合には、理論空気比よりも燃料濃度の濃い部分と燃料濃度の薄い部分が意図的に作られ、理論空気比となる混合状態の領域を避けることでサーマルＮＯｘの低減が図られている。
しかし、係る技術では、燃料又は空気の供給系が複雑になるため、大型の燃焼炉では多くの実績があるが、小型の燃焼装置では適用できない。また、燃料や空気の供給位置や分割割合の最適値を見出すことや、負荷に対応して制御することは難しいとされている。

燃焼ガス再循環（Ｂｕｒｎｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）は、高温かつ酸素濃度が低い既燃焼ガスを燃焼前の空気と混合することによって、緩慢で均一な燃焼を実現して、燃焼温度を低下させると共に、不活性ガスを増加して熱容量を増加せしめ、平均火炎温度を低下させ、以って、サーマルＮＯｘを低減する技術である。主にボイラ、工業炉の燃焼装置及びエンジンに適用事例がある。
燃焼ガス再循環を起こす手法としては、保炎器によるもの、外部再循環、内部再循環が挙げられる。
なお、煙道ガス再循環（ＦＧR：Ｆｌｕｅ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）及び排ガス再循環（ＥＧＲ：Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）と呼ばれる燃焼方式もあるが、燃焼ガス再循環と基本的に同一の技術である。

燃焼ガス再循環を利用した公知技術の例として、気体燃料に対する技術（例えば特許文献１参照）と、気体燃料の予混合燃焼に対する技術（例えば特許文献２参照）とが存在する。何れも保炎板の下流中央に形成される再循環領域と、燃焼室内に突設した燃焼装置と燃焼室壁との間の空間において燃焼ガスが再循環するものである。
しかし、保炎板の下流中央での燃焼ガス再循環は着火前の燃料と空気が混合している部分には及ばず、その作用は単に着火を安定させることである。
また、燃焼装置と燃焼室壁との間の空間からの燃焼ガス再循環は、実際には燃焼装置近傍のみの循環に止まるので、十分に燃焼して高温、低酸素濃度となった燃焼ガスは再循環せず、且つ循環量が少ないためサーマルＮＯｘの低減効果は小さい。
さらに、これらの燃焼装置では、燃焼ガス再循環が燃焼装置の外側から中心軸方向へ吸引されるようにするため、燃焼室の寸法を燃焼装置の径よりも十分大きくする必要があり、ガスタービンの燃焼装置など燃焼室の寸法をなるべく小さくする必要がある用途には適していない。また、液体燃料に適用するのは難しい。

気体燃料に対する技術（例えば特許文献３参照）は、保炎板による保炎板後方中央からの燃焼ガス再循環とともに、火炎を分割浮き上がり火炎として、火炎側方からも燃焼ガスを再循環させるものである。
係る技術によれば、燃焼ガス再循環の量は大きくすることが出来るが、分割化炎としたためにバーナの構造が複雑になり、バーナ断面積に対して火炎のない部分があるため、バーナの寸法が大きくなってしまう（容積あたりの燃焼負荷が低い）、という問題を有している。
また、液体燃料に適用するのは難しいと考えられる。

ボイラ用バーナにおけるガス燃料の予混合燃焼に関する技術（例えば特許文献４参照）では、燃焼室壁に複数の予混合気噴射孔を設け、一つの予混合気が燃焼ガスとなって隣の予混合気噴射孔めがけて噴射されるようになっている。
しかし、予め燃量と空気が混合されているので着火時に燃焼に関与する空気は新鮮空気であり、燃焼開始後に燃焼ガスと始めて混合するため、燃焼を緩慢にする効果が少ないという問題がある。
また、ガス燃料の予混合燃焼に対する技術であり、予混合気が次の噴射孔に到達するまでの時間が短く、液体燃料に適用するのは難しいと考えられる。

ボイラ用バーナに関する技術（例えば特許文献５参照）は、主に液体燃料に対して、燃料ノズル周りを流れる燃焼用空気の運動エネルギにより低圧部を作り、炉内の燃焼ガスを吸引して燃焼用空気に燃焼ガスを混合するものである。
しかし、燃焼用空気の外側で燃焼ガスを混合するので、燃焼用空気の内側には殆ど混合せず、燃料は先ず燃焼用空気と混合した後に、徐々に燃焼ガスと混合する。従って、燃焼現象を支配するのは通常と同じ酸素濃度をもつ燃焼用空気であり、実際には低酸素濃度下での緩慢な着火、燃焼という狙いを十分に実現できない。
また、燃焼ガスを吸引するための構造が複雑である。
さらに、分割火炎を採用しているので、バーナの構造が複雑になり、バーナ断面積に対して火炎の無い部分があるためバーナの寸法は大きくなってしまう（容積当りの燃焼負荷が低い）、という問題点が存在する。

円筒状の燃焼装置内で旋回流を誘起し、その旋回流の中心部は静圧が低下するため、旋回面の法線方向から別の気体を旋回中心に吸引する技術（例えば特許文献６参照）が開示されており、係る技術は円筒状燃焼装置における二次燃焼領域での燃焼ガス再循環に応用されている。
燃焼用の一次空気と二次空気、それ以外に燃料供給にも夫々旋回流を誘起させる作用を持たせているが、旋回によって導入される燃焼ガスの再循環の効果は二次燃焼領域の燃焼制御に止まっていて、火炎の根元近くの燃料濃度の高い領域を燃焼ガス再循環の対象領域としていない。従って、ＮＯｘ低減効果も火炎末端部の温度制御だけの限定した効果となっている。

次に、図２３〜図２６に基づいて、従来技術の具体的な構成及びその問題点を更に詳しく説明する。

従来の汎用の燃焼装置の１例を図２３に示す。
図２３に示す燃焼装置は、筒型の燃焼装置であって、筒状容器１と流入ケーシング３ｃと仕切り筒４１から成る流入流路と燃料ノズル４と燃料ノズル４の下流に燃料ノズルと同軸に配置された保炎板４２とから構成される。
燃焼用空気２０は図示しない送風機又は圧縮機によって流入ケーシング３ｃに流入し、仕切り筒４１と燃料ノズル４の間の空間４ｓを通った後、保炎板４２をよぎって環状容器１に流入する。
一方、燃料２１は図示しない燃料ポンプ又はブロワ、或いは圧縮機によって燃料ノズル４を介して環状容器１内に噴射される。燃料２１と燃焼用空気２０とが混合して燃焼し、発生した燃焼ガス２２が環状容器１の開口端１ｘから流出する。
ここで、保炎板４２は安定した着火をもたらすための構成である。

前記保炎板４２は、図示の例では開口端１ｘ側が拡径するような円錐状であり、空気を仕切り筒４１と燃料ノズル４の間の空間４ｓを流過させることで、燃料ノズル４の先端において空気の流速を低下させるとともに、保炎板４２の後方に下流から逆流する流れ領域４３を形成する。その逆流４３は、高温の燃焼ガスを燃料ノズル４の先端の至近下流の着火領域に戻す。
しかし、これらの燃焼ガスの逆流は燃料航跡２１の内側２１ａのみであり、燃料２１と空気２０が混合している部分には及ばない。従って、その作用は単に着火を安定させることである。

図２３に示した燃焼装置をそのまま環状の燃焼装置に応用する従来技術の１例を、図２４に基づいて説明する。上述したように、燃焼装置が筒型の場合（図２３）は保炎板４２が円錐状であったが、環状燃焼装置（図２４）の場合には、図２４（Ｂ）で示す様に、保炎板も環状の保炎板４２ｂとなる。
燃料ノズル４は図２４に示すように筒状のものを複数個保炎板４２ｂに取り付けてもよいし、図示しないが燃料ノズルも環状としてもよい。その作用は筒型の場合と同様である。

燃焼ガス再循環に注目した従来の燃焼装置の１例を図３４に基づいて説明する。
図２５に示す燃焼装置は、ボイラや工業炉に適用される筒型の燃焼装置で、図２３に示した従来の燃焼装置に対して、燃焼用空気が流過する導入路２と、環状容器１の外側に第２の導入路２ａと外筒４５を加えて構成されている。

図２５の燃焼装置では、燃焼用空気２０が流れることによる誘引作用で、燃焼室壁４６から離れている第２の導入路２ａを介して、燃焼室内の燃焼ガス２２が吸引され、燃焼用空気２０と混合して燃焼が起こる。

これが従来技術による燃焼ガスの再循環の代表的な例であるが、燃焼ガス２２が燃焼用空気２０の流れの外側から導入されているので、燃焼用空気２０の内側には殆ど混合せず、燃料２１は先ず燃焼用空気２０と混合した後に徐々に燃焼ガス２２と混合する。よって燃焼現象を支配するのは通常と同じ酸素濃度を持つ燃焼用空気２０であり、実際には低酸素濃度下での着火、燃焼を実現出来ていない。

また、図２５で示す装置では、燃焼ガス再循環が外筒４５の外側から吸引されるために、燃焼室の寸法が外筒４５の径よりも十分大きい必要があり、ガスタービンの燃焼装置など、燃焼室の寸法を極力小さくする必要がある用途には適していない。また、上述した従来技術は、環状の燃焼装置に適用するには適していない。

従来技術による環状のガスタービン燃焼装置の構成、作用及び問題点について図２６を参照して説明する。

従来技術によるガスタービンの燃焼装置は、目的とする温度が理論空気量、すなわち、燃料の燃焼に丁度必要な酸素量を含む空気量による燃焼での火炎温度よりかなり低いためにトータル空気比が非常に希薄であり、通常の炭化水素系の燃料を用いる場合、１段で燃焼させることは困難である。
そのため、燃焼用空気を数段に分割して、先ずその一部（以下１次空気１７という）のみに燃料を混合して燃焼させ、その後に残りの空気を加えることによって所望の出口温度に対して完全燃焼を実現している。

容器１ｆの内部で１段目の燃焼用空気が燃料と混合する位置から２段目の空気流入部までを１次燃焼領域１６と言う。ガスタービンの燃焼において、燃焼効率が低下して未燃成分が排出されたり、ＮＯｘ生成が増加したりしないように１次燃焼領域１６の下流で空気を加えるための技術的工夫は、多く公知となっている。
尚、図２６において、符号１４は容器１ｆに形成した空気孔を、符号１８はその空気孔１４から容器１ｆ内に流入する２次及び希釈空気を示す。

上述したように、燃焼ガス再循環による低酸素濃度下の燃焼が、サーマルＮＯｘの低減に有効である。
しかし、燃焼ガス再循環による低酸素濃度下の燃焼を目的とする従来技術では、環状燃焼装置に適用でき、且つ十分な燃焼ガス再循環の量とＮＯｘ低減効果があり、さらに液体燃料でも予蒸発燃焼を実現し、気体燃料と同様に予混合燃焼を実現できる装置は、未だに提案されていない。
特開２００２−３６４８１２号公報 特許３１３９９７８号 特開平９−１３３３１０号公報 特開平１１−１５３３０６号公報 特許３１７１１４７号 特開２０００−１７９８３７号公報

本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、単純な構成で、燃焼ガス再循環の効果を最大限に発揮して、液体燃料の予蒸発、気体燃料／液体燃料の予混合燃焼、及び低酸素濃度における緩慢燃焼を実現して、ＮＯｘの生成を抑制した燃焼を実現出来る燃焼装置の提供を目的としている。
また本発明は、耐高温を目指したセラミック化を低コストで実現するのに適した燃焼装置の提供を目的としている。

本発明の燃焼装置は、内周側面を構成する内筒部（１ｉ）と、外周側面を構成する外筒部（１ｏ）と、開放端部（１ｘ）及び閉鎖端部（１ｔ）を有する環状容器（１）が燃焼室を構成しており、前記外筒部（１ｏ）の閉鎖端部（１ｔ）より中心軸（Ｊ）方向に離隔した位置には流入流路（５）が形成されており、該流入流路（５）は、環状容器（１）の中心軸（Ｊ）方向を開放端部（１ｘ）から閉鎖端部（１ｔ）へ向う速度成分を有するが旋回する速度成分は有しない空気流（２２ｂ）を形成する様に構成されており、環状容器（１）の閉鎖端部（１ｔ）の内側には燃料ノズル（４）が設けられ、該燃料ノズル（４）は、前記流入流路（５）に向けて、中心軸（Ｊ）方向を閉鎖端部（１ｔ）から開放端部（１ｘ）に向う速度成分及び半径方向外方へ向う速度成分を有して燃料（２３ａ）を噴射する様に構成されている（請求項１）。

また、本発明の燃焼装置は、内周側面を構成する内筒部（１ａｉ）と、外周側面を構成する外筒部（１ａｏ）と、開放端部（１ｘ）及び閉鎖端部（１ａｔ）を有する環状容器（１ａ）を備え、前記外筒部（１ａｏ）は閉鎖端部（１ａｔ）から中心軸（Ｊ）方向へ離隔した位置（断面変化部１ａｄ）で断面積が減少しており、該断面積が減少する部分（断面変化部１ａｄ）には流入流路（５）が形成されており、該流入流路（５）は、環状容器（１ａ）の中心軸（Ｊ）方向を開放端部（１ｘ）から閉鎖端部（１ａｔ）へ向う速度成分を有するが旋回する速度成分は有しない空気流（２２ｂ）を形成する様に構成されており、環状容器（１ａ）の閉鎖端部（１ａｔ）の内側には燃料ノズル（４）が設けられ、該燃料ノズル（４）は、前記流入流路（５）に向けて、中心軸方（Ｊ）向を閉鎖端部（１ａｔ）から開放端部（１ｘ）に向う速度成分及び半径方向外方へ向う速度成分を有して燃料（２３ａ）を噴射する様に構成されている（請求項２）。

また、本発明の燃焼装置は、内周側面を構成する内筒部（１ｂｉ）と、外周側面を構成する外筒部（１ｂｏ）と、開放端部（１ｘ）及び閉鎖端部（１ｂｔ）を有する環状容器（１ｂ１）を備え、該環状容器（１ｂ１）の中心軸（Ｊ）と同軸に且つ外筒部の開放端部（１ｘ）側に配置された筒状部材（３２）とを有し、筒状部材（３２）の断面積は外筒部（１ｂｏ）の断面積よりも小さく、外筒部（１ｂｏ）の端部（１ｂｏｔ）と筒状部材（３２）の端部（３２ｔ）とを接続する環状の接続部材（７）を設け、該接続部材（７）には流入流路（５）が形成され、該流入流路（５）は、環状容器（１ｂ１）の中心軸（Ｊ）方向を開放端部（１ｘ）から閉鎖端部（１ｂｔ）に向う速度成分を有するが旋回する速度成分は有しない空気流（２２ｂ）を形成する様に構成されており、環状容器（１ｂ１）の閉鎖端部（１ｂｔ）内側には燃料ノズル（４）が設けられ、該燃料ノズル（４）は、前記流入流路に（５）向けて、中心軸方向（Ｊ）を閉鎖端部（１ｂｔ）から開放端部（１ｘ）に向う速度成分及び半径方向外方へ向う速度成分を有して燃料（２３ａ）を噴射する様に構成されている（請求項３）。

さらに、本発明の燃焼装置は、内周側面を構成する内筒部（１ｂｉ）と、外周側面を構成する外筒部（１ｂｏ）と、開放端部（１ｘ）及び閉鎖端部（１ｂｔ）を有する環状容器（１ｂ２）を備え、該環状容器（１ｂ２）の中心軸（Ｊ）と同軸で開放端部（１ｘ）側に配置された環状部材（６）とを有し、該環状部材（６）は内周側面を構成する内筒部（６ｉ）及び外周側面を構成する外筒部（６ｏ）を備え、環状部材外筒部（６ｏ）の断面積は環状容器外筒部（１ｂｏ）の断面積よりも小さく、環状容器外筒部（１ｂｏ）の開放端部（１ｘ）側端面と環状部材外筒部（６ｏ）の閉鎖端部（１ｂｔ）側端面とを接続する環状の第１の接続部材（７）と、環状容器内筒部（１ｂｉ）の開放端部（１ｘ）側端面と環状部材内筒部（６ｉ）の閉鎖端部（１ｂｔ）側端面とを接続する第２の接続部材（３３）とを設け、第１の接続部材（７）には流入流路（５）が形成され、該流入流路（５）は、環状容器（１ｂ２）の中心軸（Ｊ）方向を開放端部（１ｘ）から閉鎖端部（１ｂｔ）に向う速度成分を有するが旋回する速度成分は有しない空気流（２２ｂ）を形成する様に構成されており、環状容器（１ｂ２）の閉鎖端部（１ｂｔ）内側には燃料ノズル（４）が設けられ、該燃料ノズル（４）は、前記流入流路（５）に向けて、中心軸（Ｊ）方向を閉鎖端部（１ｂｔ）から開放端部（１ｘ）に向う速度成分及び半径方向外方へ向う速度成分を有して燃料（２３ａ）を噴射する様に構成されている（請求項４）。

本発明において、前記環状容器（１、１ａ、１ｂ１、１ｂ２）の内筒部（１ｉ、１ａｉ、１ｂｉ）に、空気を流入するための付加的な流入流路（５ａ）が設けられているのが好ましい（請求項５）。

また、前記環状容器（１、１ａ、１ｂ１、１ｂ２）の閉鎖端部（１ｂｔ）の内筒部（１ｂｉ）近傍で且つ前記燃料ノズル（４）の半径方向内方に付加的な流入流路（７１）を設け、前記環状容器（１、１ａ、１ｂ１、１ｂ２）の中心軸（Ｊ）方向に空気が流れる様に構成するのが好ましい（請求項６）。

そして、前記環状容器（１ｄ）の外筒部（１ｄｏ）に、前記環状容器（１ｄ）の半径方向内方へ空気を流入するための付加的な流入流路（１９）を設けることが好ましい（請求項７）。

さらに、環状容器（１ｅ）の外筒部（１ｅｏ）の、中心軸（Ｊ）方向について流入流路（７）より閉鎖端部（１ｅｔ）側の範囲に、付加的な燃料ノズル（補助燃料ノズル１２）を設けることが好ましい（請求項８）。

上述した様な構成を具備する本発明によれば、環状容器（１、１ａ、１ｂ１、１ｂ２）の中心軸（Ｊ）方向を開放端部（１ｘ）から閉鎖端部（１ｔ、１ａｔ、１ｂｔ）に向う速度成分を有するが旋回する速度成分は有しない空気流（２２ｂ）を形成すると共に、燃焼用空気が流入する流入流路（５）に向けて、中心軸方向（Ｊ）を閉鎖端部（１ｔ、１ａｔ、１ｂｔ）から開放端部（１ｘ）に向う速度成分及び半径方向外方へ向う速度成分を有して燃料（２３ａ）を噴射する様に構成されているので、断面が環状の燃焼室で、燃料供給手段から離隔した領域で供給された空気の流れが供給された燃料の航跡と最初に交わり、燃料供給手段近傍の領域で供給された燃料の航跡と再び交わる。その結果、単純な構造でありながら、燃焼ガス再循環を積極的に発生させることが出来る。
そのため、本発明を汎用の燃焼装置に適用した場合には、安定性が高く、且つ燃焼ガス再循環の作用を最大限に発揮することが出来る。

そして、高い安定性で燃焼ガス再循環の作用を最大限に発揮することが出来るため、高温且つ低酸素濃度の燃焼ガスで燃焼させることが出来る。そのため、従来の技術では低ＮＯｘ化が困難であった液体燃料の場合であっても、安定的な蒸発挙動を持った予蒸発燃焼、気体燃料・液体燃料を問わない予混合燃焼、緩慢な燃焼を行い、均一で最高火炎温度の低い燃焼、燃焼ガス中の不活性ガスの許容量による平均火炎温度の低い燃焼を実現することが出来る。従って、従来技術では困難であったサーマルＮＯｘの抑制を、実現することが出来るのである。

そして本発明では、空気供給手段（流入流路５）から燃焼室内に供給された空気の流れの一部が低温の燃焼ガス（２２ａ）或いは燃焼ガスとはならない空気流（２０ｅ）として、燃焼室内壁面に沿って流れる。その結果、燃焼装置の内壁は、低温の燃焼ガス（２２ａ）或いは燃焼ガスとはならない空気流（２０ｅ）によって、燃焼装置内部の熱から保護される。その結果、燃焼熱に対する耐久性の高い燃焼装置の提供が実現する。

上述した様に、本発明によれば、燃焼ガス再循環を積極的に発生させることが出来る単純な構造が提供されるので、セラミックス等の耐熱材料の使用が容易で、分解及び部品交換が容易で、しかも、整備性に優れた燃焼装置が実現する。
また、補助燃料ノズル（付加燃料ノズル１２：請求項８）を設けた場合は、気体燃料／液体燃料の混焼や、低発熱量の燃料や廃液の燃焼においても、サーマルＮＯｘの生成を抑制できる。

上述したような構成を具備する本発明を、１次燃焼領域としてガスタービン燃焼装置に適用した場合には、単純な構造で燃焼ガス再循環を積極的に発生させることが出来るので、ガスタービン燃焼装置の１次燃焼領域において、安定性が高く、且つ燃焼ガス再循環の作用を最大限に発揮することが出来る。
そして、高い安定性を有することに起因して、本発明を適用したガスタービン燃焼装置においては、１次燃焼領域をより希薄に設計できるので、平均燃焼温度を低く抑えて、サーマルＮＯｘの生成をさらに抑制できるという作用効果を奏する。

また、本発明の燃焼装置を適用したガスタービン燃焼装置では、高い安定性で燃焼ガス再循環の作用を最大限に発揮することが出来るため、例えば従来の技術では低ＮＯｘ化が困難であった液体燃料の場合であっても、サーマルＮＯｘの生成を抑制できる。
また、上述した通り、本発明の燃焼装置では、内壁が好適に低温の空気流によって冷却されるため、耐久性の高いガスタービン燃焼装置を提供出来る。
さらに、本発明の燃焼装置では構造が簡単であることに起因して、セラミックス等の耐熱材料の使用が容易で、且つ分解、交換が容易になされるため、整備性に優れたガスタービン燃焼装置の提供が実現する。

これに加えて、本発明の燃焼装置を適用したガスタービンでは、１次燃焼領域の外側に空気が流れず、ライナを露出させた構造とすることが出来るため、燃料ノズルや点火装置等を単純な構造で配置でき、コストダウンが可能である。
これに加えて、ケーシングに対するライナの熱膨張を低減出来るため構造が単純になり、更なるコストダウンが可能である。
そして、補助燃料ノズル（付加燃料ノズル１２：請求項８）を設けた本発明の燃焼装置でガスタービンを構成すれば、気体燃料／液体燃料の混焼や低発熱量の燃料や廃液の燃焼においてもサーマルＮＯｘの生成を抑制できる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
尚、各実施形態において同一部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
先ず、図１及び図２を参照して、第一実施形態を説明する。
図１において、第１実施形態の燃焼装置は、上端（閉鎖端部）１ｔが閉じられた環状容器１と、その環状容器１の外周側面（後述の外筒部１ｏ）に形成され、燃焼用空気２０を環状容器１内に流入させる図示の例では共通ピッチの複数の空気流入部５と流入ケーシング３及び導入路２から成る流入流路と、前記環状容器１の上端（閉鎖端部）１ｔの裏面に設けた燃料ノズル４から構成されている。

前記環状容器１は、図２に詳細を示すように、内筒部１ｉと、外筒部１ｏとを有し、その内筒部１ｉ及び外筒部１ｏとが、前記閉鎖端部１ｔによって閉塞するように構成されている。尚、環状容器１の下端は開放された燃焼ガスの出口１ｘとなる。
尚、環状容器１の内筒部１ｉにおいて、前記外筒部１ｏに形成された空気流入部５よりも上方側（閉鎖端部１ｔ側）の位置には複数の内側空気流入部５ａが複数形成されている。

前記ケーシング３は、環状容器１の内筒部１ｉの内側に所定の隙間部Ｓｉが形成されるように配置された内筒３ｉと、環状容器１の外筒部１ｏの外側に所定の隙間部Ｓｏが形成されるように配置された外筒３ｏと、前記内筒３ｉの下端と環状容器１の内筒部１ｉの下端を接続する内側底部材３ｂｉと、前記外筒３ｏの下端と環状容器１の外筒部１ｏの下端を接続する外側底部材３ｂｏとで構成されている。

前記ノズル４は、図示では明確に描かれていないが、例えば、中空材で作成された単一の環に多数の孔（噴孔）を穿孔したり、多数のノズルチップを取り付けることによって実現出来る。また、複雑な構造ではあるが、微粒化特性のよいノズルチップを利用してもよい。

上述したように構成された第１実施形態では、燃焼用空気２０は、図示しない送風機又は圧縮機によって前記流入ケーシング３の外筒３ｏと環状容器１の外筒部１ｏとで形成された前記隙間Ｓｏに流入し、導入路２を経由して空気流入部５から斜め上方向き（開放端部１ｘから閉鎖端部１ｔへの向き）に環状容器１に流入する。

一方、燃料２１は図示しない燃料ポンプ、又はブロア、或いは圧縮機によって燃料ノズル４を介して、環状容器１の閉鎖端部１ｔから出口１ｘ方向に向けて環状容器１の中心軸Ｊに対して径方向外側に広がり角度αを持って、且つ、前記燃焼用空気の流入部５をめがけて噴射される。
環状容器１内では、燃料２１と燃焼用空気２０が混合して燃焼し、燃焼して出来た燃焼ガス２２が環状容器１の開口端１ｘから排出される。

第１実施形態の特徴は、図２に示すように、燃焼用空気２０が環状容器１の閉鎖端部１ｔから環状容器１の軸方向に所定距離だけ離れた位置において、環状容器１の閉鎖端部１ｔから開放端１ｘに向う向き（以下、出口方向とする）に対して逆向きの速度成分を持って（前記空気流入部５から斜め上方に向って）環状容器１内に流入するとともに、燃料２３が環状容器１の閉鎖端部１ｔから出口１ｘ方向に向けて、環状容器１の中心軸Ｊに対して半径方向に広がり角度αを持って、且つ、燃焼用空気２０の流入部５をめがけて噴射されることである。換言すれば、空気流入部５から容器１内に流入する燃焼用空気は、環状容器１の中心軸Ｊ方向を開放端部１ｘから閉鎖端部１ｔへ向う速度成分を有するが旋回する速度成分は有しない空気流２２ｂを形成する。一方、燃料ノズル４から噴射される燃料は、空気流入部５（流入流路）に向けて、中心軸Ｊ方向を閉鎖端部１ｔから開放端部１ｘに向う速度成分及び半径方向外方へ向う速度成分を有して、噴射される。

さらに、前記内側空気流入部５ａからは環状容器１内において斜め下方に向って、空気２０ａが流入するので、環状容器１の内筒部１ｉの内壁を好適に冷却する。

図示はしないが、空気流入部５の環状容器１側面に対する開口割合や形状及びピッチは任意に設定出来る。また、図示しないが燃焼用空気２０の環状容器１への流入部５において、流入する燃焼用空気２０の流れを、出口１ｘと逆向き（開放端部１ｘから閉鎖端部１ｔに向う向き）の速度成分を持つ限りにおいて偏向する構造を設けてもよい。
尚、図２において、符号２２ｂは空気流入部５から流入した燃焼用空気２０と、燃料が混合、燃焼して発生した燃焼ガスの出口１ｘと逆方向に大きな速度成分を有するが、旋回する速度成分は有しない空気流を示す。

次に、図３及び図４を参照して第２実施形態を説明する。
図３及び図４の第２実施形態の燃焼装置では、図１及び図２の第１実施形態における環状容器１に対して、環状容器１ａの外筒部１ａｏを、図示の例では軸方向の略中央で絞った構造（段付構造）とした実施形態である。
その段付部１ａｄ、すなわち環状容器１ａの外筒部１ａｏの外径が不連続に変化する部分に空気流入部５が形成されている。

この第２実施形態においても、空気流入部５ａから容器１ａ内に流入する燃焼用空気は、環状容器１ａの中心軸Ｊ方向を開放端部１ｘから閉鎖端部１ａｔへ向う速度成分を有するが旋回する速度成分は有しない空気流２２ｂを形成する。一方、燃料ノズル４から噴射される燃料は、空気流入部５ａ（流入流路）に向けて、中心軸Ｊ方向を閉鎖端部１ｔから開放端部１ｘに向う速度成分及び半径方向外方へ向う速度成分を有して、噴射される。
ケーシング３については後述の図７および図８の第４実施形態と概略同様であり、詳細説明は第４実施形態の説明の際に行う。

そのように構成された第２実施形態によれば、前記空気流入部５から環状容器１ａに流入する燃焼用空気２０と、燃料が混合、燃焼して発生した燃焼ガスの出口１ｘと逆方向に大きな速度成分を有するが、旋回する速度成分は有しない空気流２２ｂを形成するように、環状容器１ａ内に流入する。

図３、４において、環状容器１ａの外筒部１ａｏの断面変化部１ａｄは環状容器１ａの軸方向に直交して描かれているが、角度は任意である。また、図示しないが、空気流入部５の開口割合や形状及びピッチに関しても任意に設定出来る。
さらに、図示はしないが、空気流入部５において流入する燃焼用空気２０の流れを径方向外側に偏向させる構造を設けてもよい。
また、図３，４の第２実施形態では、燃焼用空気２０に出口と逆向きの速度成分を持たせられる限りにおいて導入路２はなくてもよい。
尚、図４において、符号１ａｉは環状容器１ａの内筒部を、符号１ａｔは環状容器１ａの閉鎖端部を示す。

次に、図５、図６を参照して、本発明の第３実施形態について説明する。
図３及び図４の第２実施形態における環状容器１ａに対して、図５、図６の第３実施形態では、環状容器１ｂ１の外周側側面（外筒部）１ｂｏと同軸に、開放端部１ｘ側に２次筒（筒状部材）３２を配置している。
ここで、２次筒３２の断面積は、外周側側面１ｂｏの断面積よりも小さい。そして、２次筒３２の上方（閉鎖端部１ｂｔ側）端部３２ｔと、外周側側面１ｂｏの下方（開放端部１ｘ側）端部１ｂｏｔとは、接続部材７により接続されている。
接続部材７には、空気流入部５（流入流路）が形成されている。

図５、図６において、接続部材７は２次筒３２及び外周側側面１ｂｏと軸方向（符号Ｊ）に直交する部材として描かれているが、接続部材７の中心軸Ｊに対する角度は任意である。
また、図示はしないが空気流入部５の開口割合、形状及びピッチは任意に設定出来る。或いは、空気流入部５において流入する燃焼用空気２０の流れを径方向外側に偏向させる構造を設けてもよい（図示せず）。
さらに、空気流入部５は、燃焼用空気２０に対して、出口１ｘ（開放端部）から閉鎖噴部１ｂｔへ向う速度成分を持たせられる限りにおいて、導入路２はなくてもよい。
図５、図６の実施形態においても、空気流入部５から容器１ｂ１内に流入する燃焼用空気は、環状容器１ｂ１の中心軸Ｊ方向を開放端部１ｘから閉鎖端部１ｂｔへ向う速度成分を有するが旋回する速度成分は有しない空気流２２ｂを形成する。一方、燃料ノズル４から噴射される燃料は、空気流入部５（流入流路）に向けて、中心軸Ｊ方向を閉鎖端部１ｂｔから開放端部１ｘに向う速度成分及び半径方向外方へ向う速度成分を有して、噴射される。

図５、図６の第３実施形態では、特に図６で示す様に、閉鎖端部１ｂｔの内側であって、内筒部１ｂｉ近傍で且つ前記燃料ノズル４の半径方向内方に、補助空気流入口７１（付加的な流入流路）を設け、環状容器１ｂ１の中心軸Ｊ方向へ空気が流れる様に（矢印７２で示す）構成されている。これにより、内筒部１ｂｉの内壁面１ｂｉｓに沿って空気７２が流れることとなり、内筒部１ｂｉの内壁面１ｂｉｓが効率的に冷却される。ここで、補助空気流入口７１は、図５では矢印で示されている。
この補助空気流入口７１については、図５、図６の第３実施形態のみならず、図１〜図４の第１実施形態及び第２実施形態でも適用することが出来る。同様に、図７以下で後述するその他の実施形態についても、補助空気流入口７１から空気流７１を噴射して内筒部内壁面１ｂｉｓを冷却する構成を適用することが可能である。

次に、図７、図８を参照して第４実施形態を説明する。
図７、図８の第４実施形態の燃焼装置では、環状容器１ｂ２が、製作上の要請に応じて断面変化部分（段付部）１ｂｄで２次環状容器６と、第１の接続部材７と、第２の接続部材３３とに分割された構成に置き換えられた実施形態である。
図８において、符号６ｉは２次環状容器６の内筒を、６ｏは同じく外筒を示す。
その他の構成については、図５、図６で示す第３実施形態と同様である。
なお、第３実施形態と第４実施形態では、燃焼室が環状容器１ｂ１と２次筒３２に分割されているため（第３実施形態）、或いは、環状容器１ｂ２と下流の構造（２次環状容器６）に分割されているため（第４実施形態）、環状容器１ｂ１、１ｂ２を容易に取り出すことが出来、従来例と比較して燃焼装置の分解、交換、整備がし易く、整備性が向上する。

ここで、環状容器の形状について触れる。
第１〜第４実施形態において、容器１、１ａ、１ｂ１、１ｂ２の断面形状は円環形（環状）であるが、任意の形状に変更することも可能である。
また、一方が他方を完全に包含する二つの多角形で構成される環状であってもよい。
また、容器１、１ａ、１ｂ１、１ｂ２の断面形状は空気流入部５が形成された（軸方向）位置以外で軸方向に変化していてもよい。
さらに、環状容器１、１ａ、１ｂ１、１ｂ２の内筒部１ｉ、１ａｉ、１ｂｉと、２次環状容器６の内周側（内筒）６ｉには、任意の空気流入口５ａを設けてもよい。これは主に環状容器１、１ａ、１ｂ１、１ｂ２及び２次環状容器６の壁面の冷却のためである。
環状容器１、１ａ、１ｂ１、１ｂ２の内筒部１ｉ、１ａｉ、１ｂｉや、２次環状容器６の内筒６ｉが耐熱性で構成されている場合は係る空気流入口５ａは無くてもよい。また、空気流入部５よりも下流においては、これらの空気孔から燃焼に必要な燃焼用空気を供給してもよい。
以上の容器１に関する等価な構造は、上述した全ての実施形態に適用出来る。

第１〜第４実施形態において、導入路２の形状は空気流入部５から出口１ｘと逆向きの速度成分を持つように吹き込む限りにおいて形状は自由である。環状容器１、１ａ、１ｂ１、１ｂ２の全周にあってもよいし、空気流入部５が分割されている場合は導入路２も分割されてよい。
また、第１〜第４実施形態におけるケーシング３の形状は任意に偏向出来る。例えば、図示はしないが、実施形態においては軸方向の閉鎖端部１ｔ、１ａｔ、１ｂｔ側からの流入となっている流入ケーシング３を、スクロール形状で周方向からの流入としたり、環状容器１、１ａ、１ｂ１、１ｂ２や２次環状容器６の出口周囲から逆向きに流入する形状としても良い。
また図９の様に、遠心圧縮機、タービンに適した所謂逆流方の流入ケーシング３ａとしてもよい。

また、環状容器１、１ａ、１ｂ１、１ｂ２の内周側が耐熱性材料で形成されている場合で環状容器１、１ａ、１ｂ１、１ｂ２の内周側に空気流入孔５ａがなくてもよい場合は、図１０、図１１に示すように、流入ケーシング３ｂは環状容器１ｂ２の外周側（外筒部）１ｂｏで環状容器１ｂ２と一体化してもよい。その場合の流入ケーシング３ｃは環状容器１ｂ２の空気流入部５よりも閉鎖端部１ｂｔ側、又は環状容器１ｂ２全体をケーシング３ｂで包囲して２重構造とする必要がなくなるので、燃料ノズル４や図示しない点火装置を、ケーシング３ｂを介さずに取り付けることが出来、構造が簡単になるためコストダウン出来る。その場合、露出した環状容器１ｂ２は断熱材で断熱することが望ましい。

また、図示はしないが分割された空気流入部５である場合、導入路２に延長管を接続して延長管を合流させた流入管を設けて、流入ケーシングに変えてもよい。他の空気流入部がある場合も同様である。
以上の流入ケーシング３に関する等価な構造は、以降の全ての実施形態においても同様に適用出来る。

燃料ノズルの構成方法としては、単一の環型燃料ノズル４（図１〜図８）に変えて、図１２及び図１３に示すように、複数のノズル４ａを同心円状に配置してもよい。
この場合も、燃料が環状容器１ｂ２の閉鎖端部１ｂｔから出口１ｘ方向に向けて、環状容器１ｂ２の中心軸に対して径方向外方に角度を持って噴流状、又は扇状に、且つ、燃焼用空気の燃焼用空気流入部５をめがけて噴射される限りにおいて、単一のノズルと同様の作用が実現出来る。ノズル４ａを複数とすることで、特に大型の燃焼装置で単一のノズルが適用しにくい場合に有効である。
以上の燃料ノズルに関する同様な構造は第１実施形態〜第４実施形態、及び以降の全ての実施形態においても適用可能である。

本発明に係る実施形態の作用について、図７、図８の第４実施形態を例にとり、以下に更に詳しく説明する。
図１４において、燃料２１は燃料ノズル４から環状容器１ｂ２の中心軸Ｊに対して径方向外側に広がり角度αを持って噴射される（図１５参照）。換言すれば、燃料は、空気流入部５に向けて、中心軸Ｊ方向を閉鎖端部１ｂｔから開放端部１ｘに向う速度成分及び半径方向外方へ向う速度成分を有して噴射される。
環状容器１ｂ２の軸方向に対して広がり角度αを持って噴射された燃料のいくつかの燃料航跡２３ａを考える。
燃料航跡２３ａと同一面にある位置から環状容器１ｂ２に流入した燃料用空気２０ｂは、環状容器１ｂ２内を出口１ｘとは逆方向に溯上し、一つの航跡２３ａと位置２５で交わる。

液体燃料の場合を考えたとき、位置２５において燃料航跡２３ａを経由してきた燃料２１は幾分蒸発して粒子の径が小さくなっており、且つ空気流の中を進んできたためにノズル４の出口近傍と比べて速度が遅く、且つ燃料２１と燃料用空気２０の速度が対向する向きになっているため、燃料２１は燃焼用空気２０ｂの流れに乗り、着火して火炎を形成して燃焼する。
ここで、燃焼用空気２０は、空気流入部５から容器１ｂ２内へ流入し、環状容器１ｂ２の中心軸Ｊ方向を、開放端部１ｘから閉鎖端部１ｂｔに向う速度成分を有するが、旋回する速度成分は有しない空気流２２ｂを形成する。
燃焼用空気２０ｂは環状容器１ｂ２を出口１ｘと逆方向に、更に遡上しつつ、高温低酸素濃度の燃焼ガス２２ｂとなる。

そして環状容器１ｂ２の閉鎖端部１ｂｔに近づくに連れて環状容器１ｂ２の中心軸Ｊ寄りに向きを変え、環状容器１ｂ２の内筒１ｂｉ寄りにおいて出口１ｘ方向に向きを変え位置２６において燃料航跡２３ａを横切る。即ち、燃焼ガス再循環が起こる。

位置２６において、高温、低酸素濃度の燃焼ガス２２ｂは燃料を着火させずに予蒸発させる。蒸発した燃料は燃焼ガス２２ｂに伴流し、燃焼ガス２２ｂが高温ではあるが、低酸素濃度であるので燃焼速度を抑制するため、蒸発した燃料はすぐには着火せず予混合される。そして、所定時間経過の後、着火して燃焼し、燃焼ガス２２ｂは更に高温、低酸素濃度の燃焼ガス２２となって出口１ｘから排出される。

図示の実施形態においては、大部分の燃料が燃焼用空気２０と最初に接触することなく、最初に燃焼ガス２２ｂと接触することで、実際に低酸素濃度下で着火、燃焼が実現できる。
また、図示の実施形態においては、仮に燃料航跡２３の根元近くでの燃料の蒸発が少ない場合には、より多くの燃料が燃料航跡２３の先端で燃焼用空気２０ｂと混合して燃焼ガス２２ｂの温度が高くなることにより、燃料航跡２３の根元での蒸発が促進される。即ち、蒸発量に対してフィードバック作用を持っている。よって、燃料噴射の条件が変化しても安定して本実施形態の作用が実現するような性質を持っている。

気体燃料の場合も、噴流状に燃料が空気の流れを突き抜け、周辺部が部分的に空気と混合しながら（燃料噴流がその運動量を失う前に）位置２５まで届くように噴射することによって、液体燃料の場合と同様に燃料用空気２０ｂが環状容器１ｂ２を出口１ｘと逆方向に遡上しつつ燃料航跡２３ａと交わって燃料２１と混合し、高温、低酸素濃度の燃料ガス２２ａとなる。

そして、環状容器１ｂ２の閉鎖端部１ｂｔに近づくにつれて、環状容器１ｂ２の中心軸寄りに向きを変え、内筒部１ｂｉ寄りにおいて反転して、位置２６において燃料航跡２３ａを横切り、燃焼ガス再循環が起こる。
燃焼ガス２２ａは高温ではあるが低酸素濃度なので燃焼速度を抑制するため、直ぐに着火せず予混合となり、所定時間経過の後、着火して燃焼する。

図示の実施形態の最も基本的な作用は、空気が当該燃焼装置内で流れの向きを変えられて、燃焼装置内における燃焼用の空気と燃料のそれぞれの航跡が同一ではなく、空気の航跡と燃料の航跡とが２回交わり、且つ、空気にとって最初の交わりが燃料航跡の先端近傍で、２回目の交わりが燃料航跡の根元から先端近傍までの領域で起こるように燃料と空気とを混合することにより、燃焼ガス再循環を積極的に制御して起こすことである。

実施形態の作用のために例示された第４実施形態に係る燃焼装置内の流れを、環状容器１ｂ２の中心軸Ｊを通る断面内でより詳しく示すと、図１５に示すようになっている。
環状容器１ｂ２に流入する燃焼用空気２０を位置に応じて模式的に２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅに分けて図示してある。環状容器１ｂ２に流入する燃焼用空気２０の大半２０ｂ、２０ｃ、２０ｄは夫々燃料航跡２３と衝突して燃焼ガス２２ｂ、２２ｃ、２２ｄとなり、環状容器１ｂ２内を深く遡上して再度燃料航跡２３を横切る。燃焼用空気の流入位置が環状容器１ｂ２の外筒部１ｂｏから離れるほど燃焼用空気はより浅い位置までしか遡上せずに反転する。環状容器１ｂ２に流入する燃焼用空気２０のうち、容器１ｂの外筒１ｂｏ内面に最も近い位置から流入した燃料用空気２０ａは燃料２１と衝突しないまま容器１ｂ内を最も深く溯上する。そして、溯上につれて燃焼ガス２２ｂと混合して燃焼ガス２２ａとなる。よって、燃料航跡２３に沿って満遍なく燃焼ガス２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄが横切ることとなり、燃焼ガス再循環の作用が最大限に発揮される。

図示の実施形態におけるその他の本質的な作用は、燃料の航跡に沿って満遍なく燃焼ガスが横切ることである。
これらの作用により、図示の実施形態に係る燃焼装置においては、図１５に示すように、環状容器１ｂ２の内筒部１ｂｉよりの第２の環状火炎２８と、外筒部１ｂｏ寄りの、しかし環状容器１ｂ２の外筒１ｂｏの内壁からは離れた第１の環状火炎２７の二つが形成される。
第１の環状火炎２７は、燃焼用空気２０と燃料２１が対向する形に成っていること、そして、第２の環状火炎２８から燃料と出会う前の燃焼用空気に高温の燃焼ガスが乱流拡散によって供給されることによる燃焼用空気の温度上昇と酸素濃度の低下が、燃料の着火を抑制しつつ蒸発を促進するため、火炎の安定度が高まる。

また、第２の環状火炎２８は第１の環状火炎２７の燃焼ガス２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄが燃料航跡２３を横切ることにより、第１の環状火炎２７が確実な着火源となって安定性が高くなるとともに、高温且つ低酸素濃度の燃焼ガスで燃焼するために、予蒸発燃焼、予混合燃焼、且つ緩慢な燃焼となって、通常の拡散燃焼のように局所的に理論混合比となって、局所的に高温な箇所が存在する燃焼ではなく、均一で最高火炎温度の低い、且つ燃焼ガス中の不活性ガスの熱容量により平均火炎温度が低い燃焼となるため、サーマルＮＯｘの生成が抑制される。

また、冷却上の利点として、図１５に示す様な環状容器１ｂ２に流入する燃焼用空気２０のうち、環状容器１ｂ２の外筒部１ｂｏの内周面に最も近い位置から流入した燃料用空気２０ａは（燃料２１或いは）燃料航跡２３と衝突しないまま環状容器１ｂ２内を最も深く溯上して、遡上するにつれて燃焼ガス２２ｂと混合して燃焼ガス２２ａとなる。燃焼ガス２２ａは比較的低温であるので環状容器１ｂ２の内面を過熱から保護する。
一方、環状容器１ｂ２の外筒部１ｂｏの内面から最も離れた位置で環状容器１ｂ２に流入した燃焼用空気２０ｅは、燃焼量２１の到達点よりも出口１ｘ側で反転して出口１ｘ方向に流れるため、燃焼ガスとはならないで２次環状容器６の外筒６ｏの内周面６ｏｆ寄りから次第に主火炎（第２の環状火炎）２８の燃焼ガスと混合する。

しかし、この反転した燃焼用空気２０ｅのうち、最も２次環状容器６の外筒６ｏの内周面６ｏｆに近い部分は比較的低温であり、主火炎２８の高温から２次環状容器６の外筒６ｏの内周面６ｏｆを保護する。環状容器１ｂ２の内周側及び２次環状容器６の内周側（内筒６ｉ）内面は、高温の燃焼ガスが近傍を通過する。従って、必要に応じて環状容器１ｂ２の内周側及び２次環状容器６の内筒６ｉの内周面６ｉｆには空気孔５ａを設けて、冷却用の空気を噴流状に、若しくは壁面に沿うように噴出して冷却してもよい。
環状容器１ｂ２の内周側及び２次環状容器６の内筒６ｉの内周面６ｉｆが耐熱性材料で構成される場合は、環状容器１ｂ２の内周側及び２次環状容器６の内筒６ｉの内周面６ｉｆに空気流入孔は無くても良い。

上述した作用は、第１〜第３実施形態、及び以降説明する実施形態でも同様に起こる。

次に、前述の第４実施形態と等価、すなわち互換性のある第５実施形態について、図１６を参照して説明する。

図１６において、第５実施形態の燃焼装置は、環状容器の閉鎖端部１ｃｔが前述した第１〜第４実施形態とは異なって、断面曲線Ｌｒが一様でない極率の自由円弧からなる曲面で構成された環状容器１ｃを有する実施形態である。

尚、図示の例では、当該環状容器１ｃは、大部分が曲面の閉鎖端部１ｃｔから成り、その環状容器１ｃの極めて短い内筒部１ｃｉには第２の接続部材３３を介して、及び外筒部１ｃｏには接続部材７を介して２次環状容器６が接続されている。

第５実施形態の燃焼装置の場合も、前記第４実施形態で説明したと同様の作用が実現出来る。環状容器１ｃの閉鎖端部１ｃｔが曲面で構成されていることにより、特に燃焼温度が高温になる用途において、環状容器１ｃをセラッミク等の耐熱材料で構成する場合、製作がより容易になり、コストダウン出来る。
また、燃焼室が環状容器１ｃと下流の構造（２次環状容器６）に分割されているため、環状容器１ｃを容易に取り外すことが出来、従来と比較して燃焼装置の分解、交換、整備がし易く、整備性が向上する。
第５実施形態の一部曲面で構成された環状容器１ｃを第１〜第４実施形態に適用してもよい。

次に、図１７を参照して第６実施形態を説明する。図１７の第６実施形態は、図７、図８の第４実施形態の応用型、即ち、第４実施形態に対して、環状容器の外筒部に補助空気孔を形成した実施形態である。

図１７において、第６実施形態の燃焼装置は、環状容器１ｄが閉鎖端部１ｄｔ近くの外筒部１ｄｏの周囲に複数の補助空気孔１９を形成した実施形態である。
そのように閉鎖端部１ｄｔ近くの外筒部１ｄｏの周囲に形成された複数の補助空気孔１９から流入した燃焼用空気２０ｄは向心方向にジェット状に環状容器１ｄ内に流入するので、周囲の燃焼ガス２２ｂを誘引して、容器１ｄの閉鎖端部１ｄｔ近くで全体として環状容器１ｄの外周（外筒部）１ｄｏから内周（内筒部）１ｄｉへ向う方向に流れを促進する。
これによって旋回して流れてきた燃焼ガス２２ｂを環状容器１ｄの閉鎖端部１ｄｔ近くにおいて環状容器１ｄの内周（内筒部）１ｄｉ寄りに導き、燃料航跡２３に向って再循環させることが出来る。
第６実施形態の補助空気孔１９を第１〜第２実施形態に適用してもよい。

次に、図１８を参照して、第４実施形態の応用例である第７実施形態を説明する。
当該燃焼装置は、内筒部１ｅｉ及び外筒部１ｅｏを有する環状容器１ｅの外筒部１ｅｏの内面で、燃焼用空気２０の流入部５のやや閉鎖端部１ｅｔ寄りに補助的に燃料を噴射する補助燃料ノズル１２を設けた実施形態である。

補助燃料ノズル１２から噴射される燃料は主燃料ノズル４から噴射する燃料と同一であっても、異なる燃料であってもよい。燃焼装置が大型である場合や、気体燃料で噴射圧力が限られていて、燃料２１を燃焼用空気２０の流入部５（図示せず）まで到達させるのが難しい場合でも、補助燃料ノズル１２から同一燃料を噴射すると、第３の実施例と同様に燃焼ガス再循環により、サーマルＮＯｘの再生を抑えた燃焼を実現出来る。

また、燃料ノズル４から液体燃料を、補助燃料ノズル１２から気体燃料を噴射することによって、液／ガス混焼を単純な構成で実現出来る。
また、補助燃料ノズル１２によってターンダウン性能をより向上させることが出来る。

更に、低発熱量で安定燃焼が難しい燃料を使用する場合、特に発熱量を有しているものの、その熱量が少ない廃液を燃焼処理するような場合には、燃料ノズル４から低発熱量燃料又は廃液を噴射し、補助燃料ノズル１２から燃焼性のよい燃料を噴射することによって、第２の実施例と同様に、燃焼ガス再循環により、予蒸発、予混合した燃料となり、サーマルＮＯｘの生成を抑制した燃焼を実現出来る。

尚、図１８において補助燃料ノズル１２は環状容器１ｅの外周に沿って複数のノズルを設けたものであるが、別の構成としては、（図示はしないが）多数の噴射孔を開けた単一の環を環状容器１ｅの外筒部１ｅｏの内面に配置してもよい。
第１２実施形態の補助燃料ノズル１２は、第１〜第３実施形態、第５実施形態、第６実施形態にも適用可能である。

本発明をガスタービンの燃焼装置に適用する場合、上述してきたような実施形態（第１実施形態〜第７実施形態）を１次燃焼領域と見做して、出口１ｘの下流に更に空気流入部を設ければよい。一方、ガスタービンの燃焼装置において、燃焼効率が低下して未燃焼成分が排出されたり、ＮＯｘ生成が増加したりしないように１次燃焼領域の下流で空気を加えるための技術的工夫は、多く公知になっている。従って、本発明をガスタービンに適用する場合、これまで説明してきた実施形態に公知の技術を適用することで実現できるため、本発明の本質を保ったまま多くの応用的実施形態が可能となる。その全てを記すことは出来ないが１部の例について以下に説明する。

図１９及び図２０を参照して、第８実施形態に係るガスタービンの燃焼装置を説明する。
図１９及び図２０の第８実施形態は、前述の第４実施形態の燃焼装置をガスタービン燃焼装置に適用した実施形態である。

図２０において、当該ガスタービン燃焼装置は、前記第４実施形態と比較すると、２次環状容器が出口１ｘ側に延長され２次環状容器６ｂの内筒６ｂｉの適切な位置に空気孔１４が開口された２次環状容器６ｂに置き換えられている。また、２次環状容器６ｂは下流で断面が拡張（６ｂｄ）されているが、これは任意に設定出来る。また、２次環状容器６ｂは出口１ｘまで一体で構成されているが、製作上の要請に応じて分割されてもよい。
２次環状容器６ｂの内筒６ｂｉに複数段にわたって形成された空気孔１４から２次及び希釈空気１８が流入する。

第４実施形態と同様に１次燃焼領域１６では、燃料航跡２３に沿って満遍なく燃焼ガス再循環が起こることにより、高温且つ低酸素濃度の燃焼ガスで燃焼するために、液体燃料の場合には予蒸発燃焼、さらに気体燃料であっても液体燃料であっても予混合燃焼、且つ緩慢な燃焼となって、（通常の拡散燃焼のように局所的に理論混合比となって局所的に高温な箇所が存在する燃焼ではなく）均一で最高火炎温度の低い、且つ燃焼ガス中の不活性ガスの熱容量により平均火炎温度が低い燃焼となるため、サーマルＮＯｘの生成が抑制される。２次環状容器６ｂの最も上流側の２次空気孔１４までの外筒部１ｂｏの内壁面は第４の実施形態と同様に１次空気１７の一部で冷却される。

尚、２次環状容器６ｂの外筒６ｂｏの壁面には任意に冷却空気孔１４ｏを開けてもよい。環状容器１ｂ２及び２次環状容器６ｂの内筒６ｂｉの内面は高温のガスが近傍を通過する。従って必要に応じて環状容器１ｂ２及び２次環状容器６ｂの内筒６ｂｉには空気孔を設けて、冷却用の空気を噴流状に、若しくは壁面に沿うように噴出して冷却してもよい。
環状容器１ｂ２及び２次環状容器６ｂの内筒６ｂｉが耐熱材料で作られている場合、環状容器１ｂ２及び２次環状容器６ｂの内筒６ｂｉには空気流入孔は設けなくてもよい。

更に１次燃焼領域１６の安定性が高いため、全空気流量に対する１次空気１７の流量比率を高めて、より希薄な1次燃焼として燃焼温度を低くすることが出来るため、さらにサーマルＮＯｘの生成を抑制出来る。
また、燃焼室が環状容器１ｂ２と下流の構造（２次環状容器６ｂ）に分割されているため、環状容器１ｂ２を容易に取り出すことが出来、従来例と比較して燃焼装置の分解、交換、整備がし易く、整備性が向上する。

第４の実施形態に代えて、第１〜第３、第６、第７実施形態をガスタービン燃焼装置に適用した場合についても、第１３実施形態の作用、効果が同様に実現出来る。また、その際、第１〜第３、第６、第７実施形態夫々の作用、効果はそのまま発揮される。

次に、図２１を参照して第９実施形態に係るガスタービン燃焼装置について説明する。
図２１の第９実施形態は、前述の第５実施形態の燃焼装置をガスタービン燃焼装置に適用した実施形態である。
図２１において、当該ガスタービン燃焼装置は、前記第５実施形態と比較すると、２次環状容器が出口１ｘ側に延長され２次環状容器６ｂの内筒６ｂｉの適切な位置に空気孔１４が開口された２次環状容器６ｂに置き換えられている。なお、２次環状容器６ｂは下流で断面が拡張されているが、これは任意に設定出来る。また、２次環状容器６ｂは出口１ｘまで一体で構成されているが、製作上の要請に応じて分割されてもよい。２次環状容器６ｂの内筒６ｂｉに複数段にわたって形成された空気孔１４から２次及び希釈空気１８が流入する。

第５実施形態と同様に１次燃焼領域１６では、燃料航跡２３に沿って満遍なく燃焼ガス再循環が起こることにより、高温且つ低酸素濃度の燃焼ガスで燃焼するために、液体燃料の場合には予蒸発燃焼、更に気体燃焼であっても液体燃料であっても予混合燃焼、且つ緩慢な燃焼となって、（通常の拡散燃焼のように局所的に理論混合比となって局所的に高温な箇所が存在する燃焼ではなく）均一で最高火炎温度の低い、且つ燃焼ガス中の不活性ガスの熱容量により平均火炎温度が低い燃焼となるため、サーマルＮＯｘの生成が抑制される。２次環状容器６ｂの最も上流側の２次空気孔１４までの外筒部１ｃｏの内壁面は第５実施形態と同様に１次空気１７の一部で冷却される。

尚、２次環状容器６ｂの外筒６ｂｏの壁面には図示のように、任意に冷却空気孔１４ｏを開けてもよい。環状容器１ｃ及び２次環状容器６ｂの内筒６ｂｉ内面は高温の燃焼ガスが近傍を通過する。従って、必要に応じて、環状容器１ｃの内周側及び２次環状容器６ｂの内筒６ｂｉ内面には空気孔１４を設けて、冷却用の空気を噴流状に、若しくは壁面に沿うように噴出して冷却してもよい。
環状容器１ｃ及び２次環状容器６ｂの内筒６ｂｉが耐熱材料で作られている場合、環状容器１ｃ及び２次環状容器６ｂの内筒６ｂｉには空気流入孔は設けなくてもよい。

更に１次燃焼領域１６の安定性が高いため、全空気流量に対する１次空気１７の流量比率を高めて、より希薄な1次燃焼として燃焼温度を低くすることが出来るため、さらにサーマルＮＯｘの生成を抑制出来る。
また、燃焼室が環状容器１ｃの閉鎖端部１ｃｔが曲面でドーム状に構成されていることにより、特に温度が高温になる用途において環状容器１ｃをセラミック等の耐熱材料で形成する場合、製作がより容易になり、コストダウンが可能となる。
また、燃焼室が環状容器１ｃと下流の構造（２次環状容器６ｂ）に分割されているため、環状容器１ｃを容易に取り出すことが出来、従来例と比較して燃焼装置の分解、交換、整備がし易く、整備性が向上する。

次に、図２２を参照して第１０実施形態に係るガスタービン燃焼装置について説明する。
図２２の第１０実施形態は、前述の図２０の第８実施形態の応用例である。
即ち、図２０の第８実施形態の燃焼装置における２次空気１８の混合部の空気孔１４に変えて、旋回器１５を用いた実施形態である。
但し、２次環状容器６ｂの内筒６ｂｉには空気孔１４が、外筒６ｂｏには空気孔１４ｏが設けてある。

旋回器１５で２次空気１８を旋回流とすることにより、２次領域での混合を促進することが可能となる。そのように１次燃焼領域の下流で空気を加えるに当たって、燃焼効率が低下して未燃成分が排出されたり、ＮＯｘ生成が増加したりしないための公知の技術的工夫を用いることにより、本発明の本質を保ったまま、様々な形の応用的実施例を得ることが出来る。

以上説明したように、本発明に係る燃焼装置をガスタービンに適用した場合、単純な構造で、燃焼ガス再循環を積極的に発生せしめることにより、１次燃焼領域において、安定性が高く、且つ燃焼ガス再循環の作用を最大限に発揮することが出来る。
また、高い安定性で燃焼ガス再循環の作用を最大限に発揮することが出来るため、高温且つ低酸素濃度の燃焼ガスで燃焼させて、従来の技術では低ＮＯｘ化が困難であった液体燃料の場合の安定的な蒸発挙動を持った予蒸発燃焼、気体燃料・液体燃料を問わない予混合燃焼、緩慢な燃焼となって均一で最高火炎温度の低い燃焼、燃焼ガス中の不活性ガスの熱容量による平均火炎温度の低い燃焼を実現して、より１次燃焼領域を希薄に設計できる。そして、１次燃焼領域を希薄に出来ることにより、更に燃焼温度を低く抑えて、サーマルＮＯｘの生成を抑制できるガスタービン燃焼装置の提供が実現出来る。

また、燃焼装置の内壁が好適に低温の空気流によって冷却されるため、耐久性の高いガスタービン燃焼装置の提供が実現する。
さらに、セラミックス等の耐熱材料の使用が容易な燃焼装置の提供が実現する。また、分解、交換が容易になされるため、整備性に優れたガスタービン燃焼装置の提供が実現する。
これに加えて、補助燃料ノズルを設けた場合は、気体燃料／液体燃料の混焼や低発熱量の燃料や廃液の燃焼においてもサーマルＮＯｘの生成を抑制できるガスタービン燃焼装置の提供が実現する。

尚、以上説明してきた実施形態は、発明の本質を保つ範囲で任意に変形できるものであり、発明の技術的外延はあくまで請求項の記述によって判断されなければならない。
すなわち、図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではないことを付記する。

本発明の第１実施形態の斜視図。 本発明の第１実施形態の断面図。 本発明の第２実施形態の斜視図。 本発明の第２実施形態の断面図。 本発明の第３実施形態の斜視図。 本発明の第３実施形態の断面図。 本発明の第４実施形態の斜視図。 本発明の第４実施形態の断面図。 本発明で用いられる流入ケーシングの第２の形状例を示す断面図。 本発明で用いられる流入ケーシングの第３の形状例を示す斜視図。 本発明で用いられる流入ケーシングの第３の形状例を示す断面図。 本発明で用いられる燃料ノズルの第２の構成例を示す斜視図。 本発明で用いられる燃料ノズルの第２の構成例を示す断面図。 本発明の作用を示す斜視透視図。 本発明の作用を示す断面図。 本発明の第５実施形態の断面図。 本発明の第６実施形態の断面図。 本発明の第７実施形態の断面図。 本発明の第８実施形態の斜視図。 本発明の第８実施形態の断面図。 本発明の第９実施形態の断面図。 本発明の第１０実施形態の断面図。 従来の筒状燃焼装置の断面図。 従来の環状燃焼装置の断面図及び正面図。 別の従来の筒状燃焼装置の断面図。 従来のガスタービン用環状燃焼装置の断面図。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ・・・環状容器
２、２ａ・・・導入路
３、３ａ、３ｂ、・・・流入ケーシング
４、４ａ・・・燃料ノズル
５・・・空気流入部
７・・・接続部材
１２・・・補助燃料ノズル
１４・・・空気孔
１５・・・旋回器
１６・・・１次燃焼領域
１７・・・１次空気
１８・・・２次及び希釈空気
１９・・・補助空気孔
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ・・・燃焼用空気
２１・・・燃料
２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ・・・燃焼ガス
２３、２３ａ、２３ｂ・・・燃料の航跡
２５・・・燃焼用空気と燃料との最初の衝突点
２６・・・燃焼用空気と燃料との２回目の衝突点（燃焼ガスと燃料との衝突点）
２７・・・第１の環状火炎
２８・・・第２の環状火炎
３２・・・２次筒
３３・・・第２接続部材
４１・・・内筒（仕切り筒）
４２・・・保炎板
４３・・・保炎板による逆流
４４・・・旋回流れによる中心逆流
４５・・・外筒
４６・・・燃焼室壁

Claims (8)

1. 内周側面を構成する内筒部と、外周側面を構成する外筒部と、開放端部及び閉鎖端部を有する環状容器が燃焼室を構成しており、前記外筒部の閉鎖端部より中心軸方向に離隔した位置には流入流路が形成されており、該流入流路は、環状容器の中心軸方向を開放端部から閉鎖端部へ向う速度成分を有するが旋回する速度成分は有しない空気流を形成する様に構成されており、環状容器の閉鎖端部の内側には燃料ノズルが設けられ、該燃料ノズルは、前記流入流路に向けて、中心軸方向を閉鎖端部から開放端部に向う速度成分及び半径方向外方へ向う速度成分を有して燃料を噴射する様に構成されていることを特徴とする燃焼装置。
2. 内周側面を構成する内筒部と、外周側面を構成する外筒部と、開放端部及び閉鎖端部を有する環状容器を備え、前記外筒部は閉鎖端部から中心軸方向へ離隔した位置で断面積が減少しており、該断面積が減少する部分には流入流路が形成されており、該流入流路は、環状容器の中心軸方向を開放端部から閉鎖端部へ向う速度成分を有するが旋回する速度成分は有しない空気流を形成する様に構成されており、環状容器の閉鎖端部の内側には燃料ノズルが設けられ、該燃料ノズルは、前記流入流路に向けて、中心軸方向を閉鎖端部から開放端部に向う速度成分及び半径方向外方へ向う速度成分を有して燃料を噴射する様に構成されていることを特徴とする燃焼装置。
3. 内周側面を構成する内筒部と、外周側面を構成する外筒部と、開放端部及び閉鎖端部を有する環状容器を備え、該環状容器の中心軸と同軸に且つ外筒部の開放端部側に配置された筒状部材とを有し、筒状部材の断面積は外筒部の断面積よりも小さく、外筒部の端部と筒状部材の端部とを接続する環状の接続部材を設け、該接続部材には流入流路が形成され、該流入流路は、環状容器の中心軸方向を開放端部から閉鎖端部に向う速度成分を有するが旋回する速度成分は有しない空気流を形成する様に構成されており、環状容器の閉鎖端部内側には燃料ノズルが設けられ、該燃料ノズルは、前記流入流路に向けて、中心軸方向を閉鎖端部から開放端部に向う速度成分及び半径方向外方へ向う速度成分を有して燃料を噴射する様に構成されていることを特徴とする燃焼装置。
4. 内周側面を構成する内筒部と、外周側面を構成する外筒部と、開放端部及び閉鎖端部を有する環状容器を備え、該環状容器の中心軸と同軸で開放端部側に配置された環状部材とを有し、該環状部材は内周側面を構成する内筒部及び外周側面を構成する外筒部を備え、環状部材外筒部の断面積は環状容器外筒部の断面積よりも小さく、環状容器外筒部の開放端部側端面と環状部材外筒部の閉鎖端部側端面とを接続する環状の第１の接続部材と、環状容器内筒部の開放端部側端面と環状部材内筒部の閉鎖端部側端面とを接続する第２の接続部材とを設け、第１の接続部材には流入流路が形成され、該流入流路は、環状容器の中心軸方向を開放端部から閉鎖端部に向う速度成分を有するが旋回する速度成分は有しない空気流を形成する様に構成されており、環状容器の閉鎖端部内側には燃料ノズルが設けられ、該燃料ノズルは、前記流入流路に向けて、中心軸方向を閉鎖端部から開放端部に向う速度成分及び半径方向外方へ向う速度成分を有して燃料を噴射する様に構成されていることを特徴とする燃焼装置。
5. 前記環状容器の内筒部に、空気を流入するための付加的な流入流路が設けられている請求項１〜４の何れか１項の燃焼装置。
6. 前記環状容器の閉鎖端部の内筒部近傍で且つ前記燃料ノズルの半径方向内方に付加的な流入流路を設け、前記環状容器の中心軸方向に空気が流れる様に構成した請求項１〜５の何れか１項の燃焼装置。
7. 前記環状容器の外筒部に、前記環状容器の半径方向内方へ空気を流入するための付加的な流入流路を設けたことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項の燃焼装置。
8. 環状容器の外筒部の、中心軸方向について流入流路より閉鎖端部側の範囲に、付加的な燃料ノズルを設けた請求項１〜７の何れか１項の燃焼装置。

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