JP2009281688A - Burner of combustion device, and combustion device equipped with the same - Google Patents

Burner of combustion device, and combustion device equipped with the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a burner of a combustion device capable of realizing low NO<SB>x</SB>combustion using lean premixed air and fuel while simplifying the structure by only decreasing a flow velocity of a premixed air and fuel flow without using a swirler and without generating a backflow area for allowing formation of a flame holding area, and a combustion device equipped with the burner. <P>SOLUTION: The burner for injecting premixed air and fuel to a combustion chamber formed inside a combustion cylinder is equipped with a premixing tube part for introducing fuel and air to form the premixed air and fuel and a premixed air/fuel deriving part positioned on the downstream side of the premixing tube part for deriving the premixed air/fuel to the combustion chamber. In a premixed air/fuel flow passage formed of the premixing tube part and the premixed air/fuel deriving part, at least a part from a downstream end of the premixing tube part to a deriving port facing to the combustion chamber of the premixed air/fuel deriving part is formed as an enlarging passage in which a sectional area of the premixed air/fuel flow passage vertical to an axis of the burner gradually increases toward the downstream side. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、ガスタービンエンジン,ボイラ等、高温ガスの供給を必要とする機器に使用する燃焼装置のバーナ、およびこのバーナを備えた燃焼装置に関する。   The present invention relates to a burner for a combustion apparatus used for a device that requires supply of high-temperature gas, such as a gas turbine engine and a boiler, and a combustion apparatus including the burner.

ガスタービンエンジンにおいては、環境保全への配慮から、燃焼により排出される排ガスの組成に関して厳しい環境基準が設けられており、窒素酸化物(以下、NOxという)などの有害物質を低減することが求められている。一方、大型の地上設備用ガスタービンエンジンや航空機用ガスタービンエンジンでは、低燃費化および高出力化の要請から、圧力比が高く設定される傾向にあり、それに伴って燃焼装置入口における高温・高圧化が進み、この燃焼装置の入口温度の高温化によって燃焼温度が高くなり易いことから、NOxをむしろ増加させる要因になることが懸念されている。   Gas turbine engines have strict environmental standards regarding the composition of exhaust gas emitted by combustion, considering environmental conservation, and it is required to reduce harmful substances such as nitrogen oxides (hereinafter referred to as NOx). It has been. On the other hand, large-scale gas turbine engines for ground facilities and aircraft gas turbine engines tend to have a high pressure ratio due to demands for low fuel consumption and high output. The combustion temperature tends to increase as the inlet temperature of the combustion apparatus increases, and there is a concern that it may be a factor that rather increases NOx.

そこで、近年では、NOx発生量を効果的に低減させる希薄予混合燃焼方式を採り入れた燃焼方式、例えば、希薄予混合燃焼方式と拡散燃焼方式とを組み合わせた複合燃焼方式が提案されている(特許文献1,2)。希薄予混合燃焼方式は、空気と燃料とを予め混合して燃料濃度を均一化した混合気として燃焼させるので、局所的に火炎温度が高温となる燃焼領域が存在せず、かつ燃料の希薄化により全体的にも火炎温度を低くできることから、NOx発生量を効果的に低減できる利点がある一方、低負荷燃焼時に吹き消えが起こりやすい。また、拡散燃焼方式は、燃料と空気とを拡散・混合しながら燃焼させることから、低負荷時にも吹き消えが起こり難く、保炎性能に優れている利点がある一方、NOx発生量の低減に課題がある。したがって、複合燃焼方式によれば、始動時および低負荷時の拡散燃焼により燃焼安定性を確保しながら、高負荷時の予混合燃焼によりNOx発生量の低減を図ることができる。   Therefore, in recent years, a combustion method that adopts a lean premixed combustion method that effectively reduces the amount of NOx generated, for example, a combined combustion method that combines a lean premixed combustion method and a diffusion combustion method has been proposed (patents). References 1, 2). In the lean premix combustion method, air and fuel are premixed and burned as an air-fuel mixture with a uniform fuel concentration, so there is no combustion region where the flame temperature is locally high, and the fuel is diluted. As a result, the flame temperature can be lowered as a whole, so that there is an advantage that the amount of NOx generated can be effectively reduced, but blowout tends to occur during low load combustion. In addition, the diffusion combustion method burns fuel and air while diffusing and mixing them, so it is difficult to blow out even at low loads and has the advantage of excellent flame holding performance, while reducing the amount of NOx generated. There are challenges. Therefore, according to the combined combustion method, it is possible to reduce the amount of NOx generated by premixed combustion at high load while ensuring combustion stability by diffusion combustion at start-up and low load.

ところで、従来の複合燃焼方式の燃焼装置では、例えば図6に示すように、燃焼装置80の燃焼筒81の頂部81aに配置された拡散燃焼バーナ(パイロットバーナ)82の外側を囲むようにして、スワーラ83を備える予混合燃焼バーナ(メインバーナ)84を配置し、予混合気Pを旋回流として燃焼室に噴射するバーナユニット85を採用している。   By the way, in the conventional combined combustion type combustion apparatus, as shown in FIG. 6, for example, a swirler 83 is provided so as to surround the outside of a diffusion combustion burner (pilot burner) 82 disposed at the top 81a of the combustion cylinder 81 of the combustion apparatus 80. A premixed combustion burner (main burner) 84 having the above is disposed, and a burner unit 85 that injects the premixed gas P as a swirling flow into the combustion chamber is employed.

スワーラ83を有する予混合燃料バーナ84を用いて、予混合気Pを燃焼室内に旋回流として噴射した場合、負圧となった旋回流の内側に、燃焼筒81の頂部81aに向かう予混合気Pの逆流領域Rが生じる。従来の燃焼装置80では、このように逆流領域Rを形成させ、高温の燃焼ガスを逆流によって循環させて着火源として利用することにより火炎を保持している。
特開平8−28871号公報 特開平8−210641号公報
When the premixed fuel P is injected into the combustion chamber as a swirling flow using the premixed fuel burner 84 having the swirler 83, the premixed gas toward the top 81a of the combustion cylinder 81 is inside the swirling flow that has become negative pressure. A reverse flow region R of P is generated. In the conventional combustion apparatus 80, the backflow region R is formed in this way, and a high temperature combustion gas is circulated by the backflow and used as an ignition source to hold the flame.
JP-A-8-28871 Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-210441

しかし、スワーラを用いて逆流領域Rを発生させて高温の燃焼ガスを着火源として利用する保炎機構では、予混合気の燃料濃度をさらに希薄にすると、燃焼温度が低下する。燃焼温度が低下すれば、循環する燃焼ガスの温度が低下して着火源として機能しなくなるので、保炎が困難になる。すなわち、従来の、スワーラを用いて予混合気の旋回流を生じさせて火炎を保持するバーナでは、予混合気の燃料濃度を希薄にしてさらなる低NOx化を図ることが難しいという課題があった。さらには、スワーラを用いることによりバーナの構造が複雑化するという課題もあった。   However, in the flame holding mechanism that uses the swirler to generate the reverse flow region R and uses the high-temperature combustion gas as the ignition source, the combustion temperature decreases when the fuel concentration of the premixed gas is further diluted. If the combustion temperature decreases, the temperature of the circulated combustion gas decreases and it does not function as an ignition source, so flame holding becomes difficult. That is, the conventional burner that generates a swirling flow of the premixed gas using a swirler to hold the flame has a problem that it is difficult to further reduce NOx by diluting the fuel concentration of the premixed gas. . Furthermore, there is a problem that the structure of the burner is complicated by using a swirler.

本発明は、スワーラなどの旋回機構を用いないことにより逆流領域を生じさせず、予混合気流の流速を低下させることのみによって保炎領域の形成を可能にすることにより、構造を簡素化しながら希薄な予混合気を用いて低NOx燃焼を実現することのできる燃焼装置のバーナ、および、このバーナを備えた燃焼装置を提供することを目的とする。   The present invention does not generate a backflow region by not using a swirling mechanism such as a swirler, and enables the formation of a flame holding region by only reducing the flow velocity of the premixed airflow, thereby simplifying the structure while simplifying the structure. It is an object of the present invention to provide a burner for a combustion apparatus capable of realizing low NOx combustion using a simple premixed gas and a combustion apparatus equipped with the burner.

前記した目的を達成するために、本発明に係る燃焼装置のバーナは、円筒形状の燃焼筒の内側に形成される燃焼室に、燃料と空気との予混合気を噴射する円筒形状のバーナであって、燃料と空気とが導入されて予混合気を形成する予混合管部と、前記予混合管部の下流側に位置して予混合気を前記燃焼室に導出する予混合気導出部とを備え、前記予混合管部および前記予混合気導出部によって形成される予混合気流路のうち、少なくとも前記予混合管部の下流端から前記予混合気導出部の前記燃焼室に臨む導出口までの部分が、予混合気流路の当該バーナの軸心に垂直な断面積が下流側に向かって漸増する拡大通路として形成されている。   In order to achieve the above-described object, a burner of a combustion apparatus according to the present invention is a cylindrical burner that injects a premixed mixture of fuel and air into a combustion chamber formed inside a cylindrical combustion cylinder. A premixing tube portion that forms a premixed gas by introducing fuel and air, and a premixed gas deriving portion that is located downstream of the premixing tube portion and leads the premixed gas to the combustion chamber A premixed gas flow path formed by the premixed pipe section and the premixed gas outlet section, and at least a downstream end of the premixed pipe section that leads to the combustion chamber of the premixed gas outlet section. A portion up to the outlet is formed as an enlarged passage in which a cross-sectional area perpendicular to the axis of the burner of the premixed air channel gradually increases toward the downstream side.

この構成によれば、予混合管部から噴出された予混合気流が、下流側に向かって漸増する断面積を有する拡大通路を通ることにより、その流速が次第に減速される。拡大通路によって徐々に減速された予混合気流は、その流速が火炎の伝播速度とつりあう位置に保炎領域を形成させる。すなわち、上記のバーナによれば、予混合気の流速と火炎伝播速度とをつり合わせることによって火炎を保持できるので、希薄な予混合気を用いて燃焼温度が低下しても、火炎を保持することが可能となる。また、拡大通路内における予混合気流の流速の低下に伴いさらに予混合が促進されるので、濃度分布の均一な予混合気を形成することができる。したがって、希薄な予混合気を用いて燃焼時のNOxの発生を大幅に抑制することができる。保炎領域は、燃焼室内またはバーナの拡大通路内に形成されている。   According to this configuration, the flow velocity of the premixed air flow ejected from the premixing tube portion is gradually reduced by passing through the enlarged passage having a cross-sectional area that gradually increases toward the downstream side. The premixed air flow that has been gradually decelerated by the expansion passage forms a flame holding region at a position where the flow velocity balances with the propagation speed of the flame. That is, according to the burner described above, the flame can be held by balancing the flow velocity of the premixed gas and the flame propagation speed, so that the flame is held even if the combustion temperature is lowered using a lean premixed gas. It becomes possible. In addition, since premixing is further promoted with a decrease in the flow velocity of the premixed air flow in the enlarged passage, a premixed gas having a uniform concentration distribution can be formed. Therefore, generation of NOx at the time of combustion can be significantly suppressed using a lean premixed gas. The flame holding region is formed in the combustion chamber or in the enlarged passage of the burner.

換言すれば、上記のバーナは、予混合気の旋回流を形成させる旋回機構を備えておらず、予混合気を無旋回で前記燃焼室内に噴射する。したがって、上記のような、希薄な予混合気を用いても火炎を安定的に保持して低NOx燃焼を実現できるという効果を、スワーラなどの旋回機構を備えない簡易な構造のバーナによって得ることができる。   In other words, the burner does not include a swirling mechanism that forms a swirling flow of the premixed gas, and injects the premixed gas into the combustion chamber without swirling. Therefore, an effect that a low NOx combustion can be realized by stably holding a flame even when a lean premixed gas as described above is used is obtained by a burner having a simple structure not provided with a swirling mechanism such as a swirler. Can do.

本発明において、前記予混合管部がベンチュリミキサとして形成されていることが好ましい。この構成によれば、予混合管部が、軸心方向のほぼ中央部に位置する最小径部と、最小径部から上流側および下流側にそれぞれ延びる拡径部とを有するベンチュリ管形状に形成されるので、予混合管部の前記最小径部から下流側の拡径部が、前記拡大通路の一部として機能する。その結果、予混合気流の減速による予混合促進効果が一層顕著となり、より希薄な予混合気を用いて効果的にNOx発生を抑制できる。   In this invention, it is preferable that the said premixing pipe part is formed as a venturi mixer. According to this configuration, the premixing tube portion is formed into a Venturi tube shape having a minimum diameter portion located substantially at the center in the axial direction and a diameter expanding portion extending from the minimum diameter portion to the upstream side and the downstream side, respectively. Therefore, the diameter-enlarged portion downstream of the minimum diameter portion of the premixing tube portion functions as a part of the expansion passage. As a result, the effect of promoting premixing due to the deceleration of the premixed airflow becomes more prominent, and NOx generation can be effectively suppressed using a leaner premixed gas.

また、前記予混合管部に燃料を供給する燃料供給管は、前記予混合管部と同心状に配置されていることが好ましい。燃料供給管をこのように配置することで、場所的に均一な燃料濃度の予混合気が得られ易くなる。   Moreover, it is preferable that the fuel supply pipe for supplying fuel to the premixing pipe section is disposed concentrically with the premixing pipe section. By disposing the fuel supply pipe in this way, it becomes easy to obtain a premixed gas having a uniform fuel concentration in a location.

また、本発明のバーナを、複数の前記予混合管部を有するものとしてもよい。このような構成とすることにより、多量の燃料を噴射して高負荷燃焼をする場合でも、燃料濃度の均一な予混合気を形成することができる。   The burner of the present invention may have a plurality of the premixing tube portions. By adopting such a configuration, even when a large amount of fuel is injected and high-load combustion is performed, a premixed gas with a uniform fuel concentration can be formed.

また、本発明に係るバーナは、前記拡大通路内で点火する点火装置を備えていてもよい。この場合、例えば、点火装置を前記予混合気導出部に設けてもよく、前記予混合管部を形成する予混合管体の径方向中心部に設けてもよい。拡大通路として形成した予混合気流路内では、予混合気の流速が減速されるので、拡大通路内で点火することにより、吹き消えを防止して確実に着火することができる。   The burner according to the present invention may include an ignition device that ignites in the enlarged passage. In this case, for example, an ignition device may be provided in the premixed gas outlet portion, or may be provided in a central portion in the radial direction of the premixed tube forming the premixed tube portion. Since the flow velocity of the premixed gas is decelerated in the premixed air flow passage formed as the enlarged passage, it is possible to prevent ignition and prevent ignition by igniting in the enlarged passage.

本発明に係る燃焼装置は、上記したバーナを備え、前記燃焼筒の頂部が、前記バーナの導出部の内周壁から滑らかに繋がるテーパ形状を有して、前記拡大通路の一部を形成している。   A combustion apparatus according to the present invention includes the above-described burner, and a top portion of the combustion cylinder has a tapered shape that is smoothly connected to an inner peripheral wall of the lead-out portion of the burner, and forms a part of the enlarged passage. Yes.

一般に、予混合気の燃料濃度を低下させると、予混合気の流速と火炎伝播速度がつり合う位置は下流側にシフトする。上記の構成を有する燃焼装置では、燃焼筒の頂部も拡大通路の一部を形成しているので、予混合気の流速を長い距離にわたって緩やかに低下させることができる。その結果、混合が十分になされるので、より低濃度の予混合気を用いて、保炎領域を燃焼室内に形成させることが可能となる。すなわち、より低濃度の予混合気を用いることができるので、さらに効果的にNOx発生を抑制することが可能となる。   Generally, when the fuel concentration of the premixed gas is lowered, the position where the flow velocity of the premixed gas and the flame propagation speed are balanced shifts to the downstream side. In the combustion apparatus having the above configuration, the top portion of the combustion cylinder also forms a part of the enlarged passage, so that the flow rate of the premixed gas can be gradually reduced over a long distance. As a result, since the mixing is sufficiently performed, it becomes possible to form a flame holding region in the combustion chamber using a premixed gas having a lower concentration. That is, since a lower concentration premixed gas can be used, generation of NOx can be more effectively suppressed.

以上のように、本発明に係る燃焼装置のバーナおよび燃焼装置によれば、逆流領域を生じさせることなく、予混合気流の流速を低下させることのみによって保炎領域を形成することができるので、希薄な予混合気を用いた低NOx燃焼を実現することが可能となる。   As described above, according to the burner and the combustion device of the combustion device according to the present invention, the flame holding region can be formed only by reducing the flow velocity of the premixed air flow without causing a back flow region. Low NOx combustion using a lean premixed gas can be realized.

以下、本発明に係る実施形態を図面に従って詳細に説明する。図1は本発明の一実施形態に係る燃焼装置が適用されるガスタービンエンジンを示す簡略構成図である。ガスタービンエンジンGTは圧縮機1、燃焼装置2およびタービン3を主構成要素として構成されており、圧縮機1から供給される圧縮空気を燃焼装置2で燃焼させ、それにより発生する高圧の燃焼ガスをタービン3に供給する。圧縮機1は回転軸5を介してタービン3に連結されて、このタービン3により駆動される。このガスタービンエンジンGTの出力により、航空機のロータまたは発電機のような負荷4を駆動する。燃焼装置2には、燃料供給装置9から送給される燃料Fが、燃料制御装置8を介して供給される。   Embodiments according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a simplified configuration diagram showing a gas turbine engine to which a combustion apparatus according to an embodiment of the present invention is applied. The gas turbine engine GT includes a compressor 1, a combustion device 2, and a turbine 3 as main components. The compressed air supplied from the compressor 1 is combusted by the combustion device 2, and high-pressure combustion gas generated thereby. Is supplied to the turbine 3. The compressor 1 is connected to the turbine 3 via the rotating shaft 5 and is driven by the turbine 3. The load 4 such as an aircraft rotor or generator is driven by the output of the gas turbine engine GT. The fuel F fed from the fuel supply device 9 is supplied to the combustion device 2 via the fuel control device 8.

図2は燃焼装置2を示す断面図である。この燃焼装置2は、エンジン回転軸心の周りに環状に複数個配置されるキャン型であり、内側に燃焼室10を形成する燃焼筒12と、燃焼筒12のテーパ状の頂部12aに取り付けられて燃焼室10に燃料と空気の予混合気を噴射するバーナ14とを備え、予混合気に軸心回りの旋回を与えるスワーラのような旋回機構を備えない簡易な構造を有している。これら燃焼筒12およびバーナ14は、燃焼装置2の外筒となるほぼ円筒状のハウジングHに同心状に収容されている。ハウジングHの先端にはエンドカバー18がボルト20により固定されている。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing the combustion apparatus 2. This combustion apparatus 2 is a can type that is arranged in a ring shape around the engine rotation axis, and is attached to a combustion cylinder 12 that forms a combustion chamber 10 inside, and a tapered top portion 12 a of the combustion cylinder 12. The combustion chamber 10 is provided with a burner 14 for injecting a premixed mixture of fuel and air, and has a simple structure without a swirling mechanism such as a swirler that gives the premixed gas a swirl around an axis. The combustion cylinder 12 and the burner 14 are concentrically accommodated in a substantially cylindrical housing H that is an outer cylinder of the combustion apparatus 2. An end cover 18 is fixed to the front end of the housing H with bolts 20.

ハウジングHの先端近傍の内周壁に、環状の内側フランジ24が形成されており、この内側フランジ24に、燃焼筒12から筒状に延びる支持筒26がボルト28で連結固定されることにより、燃焼筒12の頂部がハウジングHに取り付けられている。ハウジングHと燃焼筒12との間に、圧縮機1からの圧縮空気Aを矢印で示すように燃焼筒12の頂部方向に導く空気通路30が形成されている。さらに、この空気通路30に面して、支持筒28の周壁に複数の空気導入孔32が周方向に並んで設けられており、空気通路30を通って送られてきた圧縮空気Aが、この空気導入孔32を通って、ハウジングH,支持筒26,およびエンドカバー18によって形成された空気導入空間34に導入される。   An annular inner flange 24 is formed on the inner peripheral wall in the vicinity of the tip of the housing H, and a support cylinder 26 extending in a cylindrical shape from the combustion cylinder 12 is connected and fixed to the inner flange 24 with a bolt 28, so that combustion occurs. The top of the cylinder 12 is attached to the housing H. An air passage 30 is formed between the housing H and the combustion cylinder 12 to guide the compressed air A from the compressor 1 toward the top of the combustion cylinder 12 as indicated by an arrow. Furthermore, facing the air passage 30, a plurality of air introduction holes 32 are arranged in the circumferential direction on the peripheral wall of the support cylinder 28, and the compressed air A sent through the air passage 30 is The air is introduced into the air introduction space 34 formed by the housing H, the support cylinder 26, and the end cover 18 through the air introduction hole 32.

図3は、図2の燃焼装置2のバーナ14の要部を示す縦断面図である。バーナ14は、バーナ14の外周壁を形成する、燃焼筒12と同一の軸心C1を有する円筒状のバーナ筒40と、バーナ筒40の内側に嵌合する単一の予混合管体42と、予混合管体42に燃料Fを供給する複数の燃料供給管44とを備えている。予混合管体42は、予混合気Pを形成するための、予混合管体42の軸心方向の貫通孔である複数の予混合管部46を有しており、各1本の燃料供給管44が、一つの予混合管部46内に臨んで予混合管部46に燃料Fを噴射するように配置されている。   FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing a main part of the burner 14 of the combustion device 2 of FIG. The burner 14 has a cylindrical burner cylinder 40 having the same axis C1 as the combustion cylinder 12 and forming a peripheral wall of the burner 14, and a single premixing tube 42 fitted inside the burner cylinder 40. And a plurality of fuel supply pipes 44 for supplying the fuel F to the premixing pipe body 42. The premixing tube body 42 has a plurality of premixing tube portions 46 which are through-holes in the axial direction of the premixing tube body 42 for forming the premixed gas P, and each supply one fuel. The pipe 44 is arranged so as to face the inside of one premixing pipe portion 46 and inject the fuel F into the premixing pipe portion 46.

バーナ筒40の下流側端部近傍の内周面40aは、下流側に向かって拡径となるテーパ状に形成された円錐面となっている。このテーパ状の内周面40aの上流側端には、軸心方向上流側を向く環状の鍔面40bが設けられており、この鍔面40bに円筒形状の予混合管体42の下流側端面42aが当接している。一方、バーナ筒40の下流側端40cは、燃焼筒12の頂部12aの上流側端に連結されている。すなわち、バーナ筒40下流側のテーパ状内周面40aを有する部分は、予混合管部46からの予混合気Pを燃焼室10内に導出する予混合気導出部48として機能する。なお、それぞれ下流側に向かって拡径となるテーパ状に形成されている燃焼筒12の頂部12aと、予混合気導出部48の内周面40aとは、本実施形態のように、両テーパ形状がなめらかに繋がるように設定されていることが好ましい。   The inner peripheral surface 40a in the vicinity of the downstream end of the burner tube 40 is a conical surface formed in a tapered shape with a diameter increasing toward the downstream side. At the upstream end of the tapered inner peripheral surface 40a, an annular flange surface 40b facing the upstream side in the axial direction is provided, and on the flange surface 40b, the downstream end face of the cylindrical premixing tube 42 is provided. 42a is in contact. On the other hand, the downstream end 40 c of the burner cylinder 40 is connected to the upstream end of the top portion 12 a of the combustion cylinder 12. That is, the portion having the tapered inner peripheral surface 40 a on the downstream side of the burner cylinder 40 functions as a premixed gas derivation section 48 that guides the premixed gas P from the premixing pipe section 46 into the combustion chamber 10. Note that the top 12a of the combustion cylinder 12 and the inner peripheral surface 40a of the premixed gas derivation section 48, both of which are tapered so as to increase in diameter toward the downstream side, are both tapered as in this embodiment. It is preferable that the shape is set so as to be smoothly connected.

予混合管部46には、燃料供給管44から噴射される燃料Fとともに、バーナ筒40の上流端開口40dから圧縮空気Aが導入されて、燃料Fと空気Aとの予混合気Pが形成される。複数の予混合管部46のそれぞれは、ベンチュリ管形状を有するベンチュリミキサとして形成されている。つまり、予混合管部46における軸心方向中央付近に、最も小さい通路径を有する最小径部46aが設けられ、その下流側及び上流側が、それぞれ下流側拡径部46bおよび上流側拡径部46cとして形成されている。   In the premixing pipe portion 46, together with the fuel F injected from the fuel supply pipe 44, compressed air A is introduced from the upstream end opening 40d of the burner cylinder 40, so that a premixed gas P of the fuel F and air A is formed. Is done. Each of the plurality of premixing tube portions 46 is formed as a venturi mixer having a venturi tube shape. That is, the minimum diameter portion 46a having the smallest passage diameter is provided near the center in the axial direction of the premixing pipe portion 46, and the downstream side and the upstream side thereof are the downstream side enlarged portion 46b and the upstream side enlarged portion 46c, respectively. It is formed as.

図3の予混合管体42を下流側から見た背面図である図4に示すように、予混合管体42には、その円径断面の中心部に位置する1つの予混合管部46、および、この中心部の予混合管部46の周りに均等に配置された6つの予混合管部46の、計7つの予混合管部46が設けられている。各予混合管部46は、互いに、それぞれの下流側端の開口46d同士がほぼ外接するように近接して配置されている。さらに、図4に一点鎖線で示す6つの予混合管部46の外接円Qが、図3に示す予混合気導出部48の内周面40aの上流端の形状にほぼ合致するように設定されている。   As shown in FIG. 4, which is a rear view of the premixing tube body 42 of FIG. 3 as viewed from the downstream side, the premixing tube body 42 has one premixing tube portion 46 located at the center of the circular cross section. A total of seven premixing tube portions 46 are provided, including six premixing tube portions 46 arranged uniformly around the central premixing tube portion 46. The premixing tube portions 46 are arranged close to each other so that the openings 46d at the downstream ends thereof are substantially circumscribed. Further, the circumscribed circle Q of the six premixing pipe portions 46 indicated by the alternate long and short dash line in FIG. 4 is set so as to substantially match the shape of the upstream end of the inner peripheral surface 40a of the premixed gas outlet portion 48 shown in FIG. ing.

したがって、予混合管部46および予混合気導出部48によって形成される予混合気流路52のうち、予混合管部46の下流側拡径部46bと、テーパ状の予混合気導出部48とによって形成される部分は、バーナ14の軸心C1に垂直な断面積が下流側に向かって漸増する拡大通路Eとして形成されている。予混合管部46の下流付近から予混合気導出部48の上流付近にかけて、予混合気流路52の通路面積である全予混合気管部46の総横断面積と予混合導出部48の横断面積とを比較して増加している。   Therefore, in the premixed gas flow path 52 formed by the premixed tube section 46 and the premixed gas outlet section 48, the downstream-side enlarged diameter section 46b of the premixed pipe section 46, the tapered premixed gas outlet section 48, and Is formed as an enlarged passage E in which the cross-sectional area perpendicular to the axis C1 of the burner 14 gradually increases toward the downstream side. From the vicinity of the downstream of the premixing pipe section 46 to the vicinity of the upstream of the premixed gas outlet section 48, the total cross sectional area of all the premixed gas pipe sections 46 and the cross sectional area of the premixed gas outlet section 48 as the passage area of the premixed gas flow path 52 Compared to the increase.

なお、予混合管部46は、図5に示すように、円筒状の内周面を有する直管部46eと、テーパ状の内周面を有する下流側テーパ部46fおよび上流側テーパ部46gとからなるベンチュリミキサ構造としてもよい。下流側テーパ部46fおよび上流側テーパ部46gは、それぞれ、直管部46eの下流端および上流端から拡径となるテーパ状に形成されている。この場合には、予混合管部46の下流側テーパ部46fと予混合気導出部48とが拡大通路Eを形成する。   As shown in FIG. 5, the premixing tube portion 46 includes a straight tube portion 46e having a cylindrical inner peripheral surface, a downstream tapered portion 46f and an upstream tapered portion 46g having tapered inner peripheral surfaces. It is good also as a venturi mixer structure which consists of. The downstream taper portion 46f and the upstream taper portion 46g are each formed in a tapered shape whose diameter increases from the downstream end and the upstream end of the straight pipe portion 46e. In this case, the downstream tapered portion 46 f of the premixing tube portion 46 and the premixed gas outlet portion 48 form an enlarged passage E.

図3に示す燃料供給管44は、径方向には、各予混合管部46の軸心C2(代表として1つのみ図示)上に配置されることが好ましい。また、軸心方向には、燃料Fを噴射する先端部44aが、予混合管部46の最小径部46aよりも上流側の上流側拡径部46c内に位置するように配置されている。   The fuel supply pipe 44 shown in FIG. 3 is preferably arranged on the axis C2 (only one representative is shown) of each premixing pipe section 46 in the radial direction. Further, in the axial direction, the tip end portion 44 a for injecting the fuel F is disposed so as to be positioned in the upstream side enlarged diameter portion 46 c upstream of the minimum diameter portion 46 a of the premixing tube portion 46.

また、本実施形態においては、図3および5に示すように、予混合気Pに点火する点火装置である点火プラグ50を、予混合気導出部48の内周面40aに臨むように設置して、拡大通路E内で点火できるように設定している。   In the present embodiment, as shown in FIGS. 3 and 5, the spark plug 50, which is an ignition device for igniting the premixed gas P, is installed so as to face the inner peripheral surface 40 a of the premixed gas outlet 48. Thus, ignition is set in the enlarged passage E.

点火プラグ50は、本実施形態のように、予混合気導出部48に設置する代わりに、例えば、予混合管体42の中心部の予混合管部46の位置に、予混合管部46に代えて設置してもよく、あるいは、従来のように燃焼筒12に設置してもよい。   Instead of installing the spark plug 50 in the premixed gas outlet 48 as in the present embodiment, for example, the spark plug 50 is connected to the premixing pipe 46 at the position of the premixing pipe 46 in the center of the premixed pipe 42. It may replace and may install in the combustion cylinder 12 like the past.

予混合気Pの濃度、および、拡大通路Eを構成する各部分の長さやテーパ角度を調整することにより、予混合気Pの流速と火炎の伝播速度がつり合った位置に形成される保炎領域Bの位置を調整することができる。本実施形態においては、保炎領域Bを予混合気導出部48内から燃焼筒12の燃焼室10内とにわたって形成させるように設定している。   By adjusting the concentration of the premixed gas P and the length and taper angle of each part constituting the enlarged passage E, the flame holding formed at a position where the flow velocity of the premixed gas P and the propagation speed of the flame are balanced. The position of the region B can be adjusted. In the present embodiment, the flame holding region B is set so as to extend from the premixed gas outlet 48 to the combustion chamber 10 of the combustion cylinder 12.

次に、上記のように構成した燃焼装置2およびバーナ14の動作を説明する。   Next, operations of the combustion device 2 and the burner 14 configured as described above will be described.

図3に示すように、燃料供給管44から予混合管部46内に噴射された燃料Fは、バーナ筒40の上流端開口40dから予混合管部46内に導入された空気Aと混合され、予混合気Pとして、ベンチュリミキサである予混合管部46の最小径部46aを通過する。最小径部46aを通過した予混合気Pは、ベンチュリミキサである予混合管部46および予混合気導出部48によって形成されている予混合気流路52を燃焼室10に向かって流れる。   As shown in FIG. 3, the fuel F injected from the fuel supply pipe 44 into the premixing pipe section 46 is mixed with the air A introduced into the premixing pipe section 46 from the upstream end opening 40 d of the burner cylinder 40. The premixed gas P passes through the minimum diameter portion 46a of the premixing tube portion 46, which is a venturi mixer. The premixed gas P that has passed through the minimum diameter portion 46a flows toward the combustion chamber 10 through a premixed gas flow path 52 formed by a premixed tube portion 46 and a premixed gas outlet portion 48 that are venturi mixers.

予混合気流路52のうち、予混合管部46の最小径部46aよりも下流側の部分は、予混合気流路52のバーナ14の軸心C1に垂直な断面積が下流側に向かって、すなわち、予混合気Pの流れに沿って次第に増加する拡大通路Eとして構成されている。したがって予混合気Pがこの拡大通路Eを流れるにつれて、予混合気Pの流速は次第に低下する。この予混合気Pの流速の変化によって、予混合気Pの流れに乱れが生じ、予混合が促進される。さらに、予混合気Pの流れが次第に減速して、火炎の伝播速度とつり合う速度になった位置に、保炎領域Bが形成される。   In the premixed gas flow channel 52, a portion of the premixed gas flow channel 52 on the downstream side of the minimum diameter portion 46a has a cross-sectional area perpendicular to the axis C1 of the burner 14 of the premixed gas flow channel 52 toward the downstream side. That is, it is configured as an enlarged passage E that gradually increases along the flow of the premixed gas P. Therefore, as the premixed gas P flows through the enlarged passage E, the flow velocity of the premixed gas P gradually decreases. Due to the change in the flow rate of the premixed gas P, the flow of the premixed gas P is disturbed, and premixing is promoted. Further, the flame holding region B is formed at a position where the flow of the premixed gas P is gradually decelerated and reaches a speed that matches the propagation speed of the flame.

本実施形態の燃焼装置2において、予混合気Pは、ほぼ軸心に沿った方向にのみ流れる。すなわち、本実施形態のバーナ14は、予混合気Pの旋回流を生じさせるスワーラなどの機構を有していないので、予混合気Pが燃焼室10内で旋回流を形成することがなく、その結果、燃焼室10内で予混合気Pの逆流領域が形成されることがない。換言すれば、本実施形態において、保炎領域Bは、逆流領域によって循環された燃焼ガスを利用することなく、ほぼ軸心方向に沿って流れる予混合気Pの流速と火炎の伝播速度とがつり合うことによってのみ形成されている。   In the combustion apparatus 2 of the present embodiment, the premixed gas P flows only in a direction substantially along the axis. That is, the burner 14 of the present embodiment does not have a mechanism such as a swirler that generates a swirling flow of the premixed gas P, so that the premixed gas P does not form a swirling flow in the combustion chamber 10. As a result, the backflow region of the premixed gas P is not formed in the combustion chamber 10. In other words, in the present embodiment, the flame holding region B has a flow velocity of the premixed gas P flowing substantially along the axial direction and a flame propagation velocity without using the combustion gas circulated by the reverse flow region. It is formed only by balancing.

このように、本実施形態のバーナ14においては、予混合気Pの流速と火炎伝播速度とをつり合わせることによって火炎を保持しているので、希薄な予混合気Pを用いて燃焼温度が低下しても、火炎を保持することが可能となる。また、拡大通路E内において、予混合気流の流速が低下することによりさらに予混合気Pの予混合が促進されるので、燃料濃度分布の均一な予混合気Pを形成することができる。したがって、希薄な予混合気Pを用いて燃焼時のNOx発生を大幅に抑制することができる。しかも、このような効果を、スワーラなどの旋回機構を要しない簡易な構造のバーナ14によって得ることができる。   As described above, in the burner 14 of the present embodiment, the flame is held by balancing the flow velocity of the premixed gas P and the flame propagation velocity, so that the combustion temperature is lowered using the lean premixed gas P. Even so, it is possible to hold the flame. Further, since the premixing of the premixed gas P is further promoted in the expansion passage E by reducing the flow velocity of the premixed airflow, the premixed gas P having a uniform fuel concentration distribution can be formed. Therefore, generation of NOx during combustion can be significantly suppressed using the lean premixed gas P. Moreover, such an effect can be obtained by the burner 14 having a simple structure that does not require a swirling mechanism such as a swirler.

特に、図3の実施形態においては、予混合管部46の最小径部46aよりも下流の下流側拡径部46bが拡大通路Eの一部として機能するので、予混合促進の効果が顕著である。   In particular, in the embodiment of FIG. 3, the downstream side enlarged diameter portion 46 b downstream of the minimum diameter portion 46 a of the premixing tube portion 46 functions as a part of the enlarged passage E, so that the effect of promoting premixing is significant. is there.

また、予混合管部46を、図3または図5に示すようにベンチュリミキサとして構成した場合には、予混合管部46から噴射する予混合気Pの流速を、火炎伝播速度よりも十分大きく設定することにより、予混合管部46内への逆火を防止することができる。   When the premixing pipe portion 46 is configured as a venturi mixer as shown in FIG. 3 or FIG. 5, the flow velocity of the premixed gas P injected from the premixing pipe portion 46 is sufficiently larger than the flame propagation speed. By setting, backfire into the premixing pipe portion 46 can be prevented.

また、燃料供給管44を予混合管部46と同心状に配置しているので、場所的に均一な燃料濃度の予混合気が得られ易くなる。   Further, since the fuel supply pipe 44 is arranged concentrically with the premixing pipe section 46, it becomes easy to obtain a premixed gas having a uniform fuel concentration in a location.

また、本実施形態においては、図4に示すように、予混合気Pに点火する点火装置である点火プラグ50を、予混合気導出部48の内周面40aに臨むように設置して、拡大通路E内で点火する。したがって、流速が十分に低下した状態の予混合気Pに点火することが可能となり、容易かつ確実に点火することができる。   Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 4, an ignition plug 50 that is an ignition device for igniting the premixed gas P is installed so as to face the inner peripheral surface 40 a of the premixed gas derivation section 48. Ignite in expanded passage E. Therefore, it becomes possible to ignite the premixed gas P in a state where the flow velocity is sufficiently lowered, and it is possible to ignite easily and reliably.

さらに、本実施形態に係る燃焼装置2では、バーナ14に形成されている拡大通路Eから滑らかに繋がる頂部12aを有しているので、この頂部12aも拡大通路Eの一部として機能する。一般に、予混合気Pの燃料濃度を低下させると、予混合気Pの流速と火炎伝播速度がつり合う位置は下流側にシフトする。この場合、本実施形態に係る燃焼装置2では、燃焼筒12の頂部12aも拡大通路Eの一部を形成しているので、予混合気Pの流速を長い距離にわたって緩やかに低下させることができる。その結果、混合が十分になされるので、より低濃度の予混合気Pを用いて、保炎領域Bを燃焼室10内に形成させることが可能となる。したがって、より低濃度の予混合気Pを用いて、さらに効果的にNOx発生を抑制することが可能となる。   Furthermore, since the combustion apparatus 2 according to the present embodiment has the top portion 12a that is smoothly connected to the enlarged passage E formed in the burner 14, the top portion 12a also functions as a part of the enlarged passage E. Generally, when the fuel concentration of the premixed gas P is lowered, the position where the flow velocity of the premixed gas P and the flame propagation speed are balanced shifts to the downstream side. In this case, in the combustion apparatus 2 according to the present embodiment, the top portion 12a of the combustion cylinder 12 also forms a part of the enlarged passage E, so that the flow rate of the premixed gas P can be gradually reduced over a long distance. . As a result, the mixing is sufficiently performed, so that the flame holding region B can be formed in the combustion chamber 10 using the premixed gas P having a lower concentration. Therefore, it becomes possible to more effectively suppress the generation of NOx by using the premixed gas P having a lower concentration.

なお、拡大通路Eのうち、燃焼室10内に形成される部分には、主として火炎を保持する保炎領域Bが形成される。このため、燃焼室10内で拡大通路Eの一部を形成する燃焼筒12の頂部12aは、耐熱・耐火構造を有することが好ましい。一方、拡大通路Eのうち、バーナ14内に形成される部分は、主として予混合気Pの流速を減速させる領域を形成するので、バーナ14内で拡大通路Eの一部を形成する部材である予混合管体42および予混合気導出部48は、必ずしも耐熱・耐火構造を有することを要しない。もっとも、拡大通路Eの形状や燃料Fの流量などの条件を調整することにより、保炎領域Bの一部または全部をバーナ14の予混合気導出部48内に形成させることもできる。その場合には、バーナ14内の予混合管体42および予混合気導出部48を耐熱・耐火構造とすることが望ましい。   A flame holding region B that mainly holds a flame is formed in a portion of the enlarged passage E formed in the combustion chamber 10. For this reason, it is preferable that the top part 12a of the combustion cylinder 12 which forms a part of the enlarged passage E in the combustion chamber 10 has a heat and fire resistant structure. On the other hand, the portion formed in the burner 14 in the enlarged passage E is a member that forms a part of the enlarged passage E in the burner 14 because it mainly forms a region where the flow rate of the premixed gas P is decelerated. The premixed tube body 42 and the premixed gas outlet 48 need not necessarily have a heat and fire resistant structure. However, by adjusting conditions such as the shape of the enlarged passage E and the flow rate of the fuel F, part or all of the flame holding region B can be formed in the premixed gas outlet portion 48 of the burner 14. In that case, it is desirable that the premixed tube body 42 and the premixed gas outlet 48 in the burner 14 have a heat-resistant and fireproof structure.

なお、本実施形態のバーナ14において、燃料供給管44からの燃料Fの噴射量が十分に多い場合には、予混合気導出部48内においても燃料リッチな状態となる。この場合、バーナ14は拡散燃焼バーナと同様に機能し、高負荷運転に対応することが可能である。   Note that, in the burner 14 of the present embodiment, when the injection amount of the fuel F from the fuel supply pipe 44 is sufficiently large, the fuel rich state is also obtained in the premixed gas derivation unit 48. In this case, the burner 14 functions in the same manner as the diffusion combustion burner, and can cope with high-load operation.

なお、本実施形態において、複数の予混合管部46を設けたが、1つの予混合管部46のみを設けてもよい。複数の予混合管部46を設ける場合には、予混合管部46の数及び配置は適宜設定することができる。また、予混合管部46は、燃料と空気を予混合することができ、燃焼室10内において旋回流を生じさせないものであれば、上記で説明した構造に限らず、任意の構造を採用することができる。   In the present embodiment, a plurality of premixing tube portions 46 are provided, but only one premixing tube portion 46 may be provided. When a plurality of premixing tube portions 46 are provided, the number and arrangement of the premixing tube portions 46 can be set as appropriate. In addition, the premixing pipe portion 46 is not limited to the above-described structure, and may employ any structure as long as it can premix fuel and air and does not generate a swirling flow in the combustion chamber 10. be able to.

また、上記実施形態においては、燃焼装置2をガスタービンエンジンGTに適用した例を説明したが、本発明に係る燃焼装置は、ガスタービンエンジンに限らず、ボイラなど高温ガスの供給を必要とする他の機器に適用することが可能である。   Moreover, in the said embodiment, although the example which applied the combustion apparatus 2 to gas turbine engine GT was demonstrated, the combustion apparatus which concerns on this invention requires supply of high temperature gas, such as a boiler, not only a gas turbine engine. It can be applied to other devices.

本発明の一実施形態に係る燃焼装置が適用されるガスタービンエンジンを示す概略図である。1 is a schematic view showing a gas turbine engine to which a combustion apparatus according to an embodiment of the present invention is applied. 図1の燃焼装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the combustion apparatus of FIG. 図2の燃焼装置に用いられるバーナの要部を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows the principal part of the burner used for the combustion apparatus of FIG. 図3のバーナの予混合管部を下流方向からみた背面図である。It is the rear view which looked at the premixing pipe part of the burner of FIG. 3 from the downstream direction. 図3のバーナの予混合管部の変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the modification of the premixing pipe part of the burner of FIG. 従来の燃焼装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the conventional combustion apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

2 燃焼装置
10 燃焼室
12 燃焼筒
12a 頂部
14 バーナ
44 燃料噴射管
46 予混合管部
48 予混合気導出部
50 点火プラグ
52 予混合気流路
F 燃料
A 空気
P 予混合気
E 拡大通路
B 保炎領域
C1 バーナ軸心
C2 予混合管部軸心
2 Combustion device 10 Combustion chamber 12 Combustion cylinder 12a Top 14 Burner 44 Fuel injection pipe 46 Premixing pipe section 48 Premixed gas outlet section 50 Spark plug 52 Premixed gas flow path F Fuel A Air P Premixed gas E Expanded path B Flame holding Region C1 Burner axis C2 Premix tube axis

Claims (10)

燃焼筒の内側に形成される燃焼室に、燃料と空気との予混合気を噴射するバーナであって、
燃料と空気とが導入されて予混合気を形成する予混合管部と、
前記予混合管部の下流側に位置して予混合気を前記燃焼室に導出する予混合気導出部とを備え、
前記予混合管部および前記予混合気導出部によって形成される予混合気流路のうち、少なくとも前記予混合管部の下流端から前記予混合気導出部の前記燃焼室に臨む導出口までの部分が、予混合気流路の当該バーナの軸心に垂直な断面積が下流側に向かって漸増する拡大通路として形成されている燃焼装置のバーナ。
A burner for injecting a premixed mixture of fuel and air into a combustion chamber formed inside a combustion cylinder,
A premixing tube section in which fuel and air are introduced to form a premixed gas;
A premixed gas derivation section that is located downstream of the premixing pipe section and leads the premixed gas to the combustion chamber;
Of the premixed gas flow path formed by the premixed tube section and the premixed gas outlet section, at least a portion from the downstream end of the premixed pipe section to the outlet port facing the combustion chamber of the premixed gas outlet section However, the burner of the combustion apparatus in which the cross-sectional area perpendicular to the axis of the burner in the premixed air flow path is formed as an enlarged passage gradually increasing toward the downstream side.
請求項1において、前記拡大通路が火炎の伝播速度と同じ速度まで予混合気の流速を減速させることにより、予混合気の流速と火炎の伝播速度がつり合った位置に形成される保炎領域を前記拡大通路内または前記燃焼室内に形成させる燃焼装置のバーナ。   2. The flame-holding region according to claim 1, wherein the expansion passage reduces the flow velocity of the premixed gas to the same speed as the propagation velocity of the flame so that the flow velocity of the premixed gas and the propagation velocity of the flame are balanced. A burner for a combustion apparatus for forming a gas in the expansion passage or in the combustion chamber. 請求項1または2において、予混合気の旋回流を形成させる旋回機構を備えていない燃焼装置のバーナ。   The burner for a combustion apparatus according to claim 1 or 2, wherein the burner is not provided with a swirling mechanism for forming a swirling flow of the premixed gas. 請求項1から3のいずれか一項において、前記予混合管部がベンチュリミキサとして形成されている燃焼装置のバーナ。   The burner of a combustion apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the premixing tube portion is formed as a venturi mixer. 請求項1から4のいずれか一項において、前記予混合管部に燃料を供給する燃料供給管が、前記予混合管部と同心状に配置されている燃焼装置のバーナ。   The burner of a combustion apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein a fuel supply pipe that supplies fuel to the premixing pipe section is disposed concentrically with the premixing pipe section. 請求項1から5のいずれか一項において、複数の前記予混合管部を有する燃焼装置のバーナ。   The burner of a combustion apparatus according to any one of claims 1 to 5, comprising a plurality of the premixing tube portions. 請求項1から6のいずれか一項において、前記予混合気導出部に設けられて前記拡大通路内で点火する点火装置を備える燃焼装置のバーナ。   The burner of a combustion apparatus according to any one of claims 1 to 6, further comprising an ignition device that is provided in the premixed gas derivation portion and ignites in the expansion passage. 請求項1から6のいずれか一項において、前記予混合管部を形成する予混合管体の径方向中心部に設けられて、前記拡大通路内で点火する点火装置を備える燃焼装置のバーナ。   7. The burner of a combustion apparatus according to claim 1, wherein the burner is provided with an ignition device that is provided in a central portion in a radial direction of a premixing tube forming the premixing tube and ignites in the enlarged passage. 請求項1から8のいずれか一項に記載のバーナを備える燃焼装置であって、
前記燃焼筒の頂部が、前記バーナの予混合気導出部の内周壁から滑らかに繋がるテーパ形状を有して、前記拡大通路の一部を形成している燃焼装置。
A combustion apparatus comprising the burner according to any one of claims 1 to 8,
A combustion apparatus in which a top portion of the combustion cylinder has a tapered shape that is smoothly connected to an inner peripheral wall of a premixed gas outlet portion of the burner, and forms a part of the enlarged passage.
請求項9において、前記拡大通路が火炎の伝播速度と同じ速度まで予混合気の流速を減速させることにより、予混合気の流速と火炎の伝播速度がつり合った位置に形成される保炎領域を前記拡大通路内または前記燃焼室内に形成させる燃焼装置。   The flame holding region according to claim 9, wherein the enlarged passage reduces the flow rate of the premixed gas to the same speed as the propagation speed of the flame so that the flow velocity of the premixed gas and the propagation speed of the flame are balanced. Is formed in the enlarged passage or in the combustion chamber.
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