JP2013100934A - バーナ及び燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】バーナ７の保炎性を高いレベルまで向上させること。
【解決手段】燃焼器ライナ３の前側隔壁３ｂに燃焼室５側へ向かって燃料を微粒化して円錐状の噴霧流Ｓとして噴霧する燃料噴射弁９が設けられ、燃料噴射弁９の外周面９ａに複数の乱れ促進体１５が周方向に等間隔に設けられ、各乱れ促進体１５の先端部（爪部）１５ａは、燃料噴射弁９からの噴霧流Ｓによって生成される円錐状の伴走流Ａの一部に干渉するようになっていること。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料と空気との混合気を燃焼部で燃焼させて、火炎を形成するためのバーナに関する。

ガスタービン燃焼器等の燃焼器に用いられるバーナは、燃焼器の燃焼部側に向かって燃焼を噴霧流として噴霧する燃料噴射弁を主要な構成要素として備えている。また、バーナの保炎性等を確保するために、燃料噴射弁の周りには、燃焼部側に導入される空気の流れに旋回成分を与えるスワラ（軸流スワラ又は接線流スワラ）が設けられたり、燃料噴射弁の下流側近傍には、燃焼部側に導入される混合気の流れを絞る絞りが設けられたりしている。

従って、燃料噴射弁から燃焼器の燃焼部側に向かって燃料を噴霧流として噴霧すると共に、スワラ又は絞り等を経由して燃焼部側に空気を導入することにより、燃焼部側で燃料と空気との混合気を生成する。そして、燃焼器の点火栓によって混合気中の燃料を着火する。これにより、混合気を燃焼部で燃焼させて、火炎を形成しながら、燃焼ガスを生成することができる。

ここで、バーナの運転（燃焼器の運転）中、スワラによって空気の流れに旋回成分を与えて、燃焼部側で混合気の旋回流を形成したり、又は絞りによって混合気の流れを絞ったりすることにより、渦の回転方向がある面内で規定される二次元の定在渦をバーナの下流側近傍（燃料噴射弁の下流側近傍）に発生させて、混合気の循環領域を形成する。これにより、燃料と空気との混合を促進する他に、バーナの下流側近傍において、混合気の燃焼反応を促進して、混合気の燃焼速度を高めることができ、混合気の気流速度と燃焼速度の釣合う位置、換言すれば、火炎基部が形成される位置をバーナ（燃料噴射弁）に近づけて、バーナの保炎性を確保することができる。

なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１から特許文献５に示すものがある。

特開２０１０−２４３００９号公報 特開２００９−２８１６８８号公報 特開２００９−１４２９９号公報 特開２００７−２５５９５７号公報 特開２００６−３３６９９７号公報

ところで、バーナの下流側近傍に火炎及び燃料の噴霧等に対して有効な流れ場としての混合気の循環領域を形成するには、スワラ又は絞りを経由して燃焼室側に相当量の空気を導入する必要がある。そのため、バーナの下流側近傍における混合気の燃焼反応が抑えられ、混合気の燃焼速度を十分に高めることができず、バーナの保炎性を高いレベルまで向上させることが困難であるという問題がある。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成のバーナ等を提供することを目的とする。

本発明の第１の特徴は、燃料と空気との混合気を燃焼部で燃焼させて、火炎を形成するためのバーナにおいて、燃料を前記燃焼部側へ向かって円錐状の噴霧流として噴霧する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁からの前記噴霧流によって生成される伴走流（伴走流の一部）に干渉する乱れ促進体（干渉部材）と、を備えたことを要旨とする。

第１の特徴よると、前記燃料噴射弁から前記燃焼部側に向かって燃料を噴霧流として噴霧すると共に、前記燃焼部側に空気を導入することにより、前記燃焼部側で燃料と空気との混合気を生成する。そして、適宜の点火栓によって混合気中の燃料を着火する。これにより、混合気を前記燃焼部で燃焼させて、火炎を形成することができる。

ここで、前記バーナの運転中、前記乱れ促進体が前記伴走流に干渉することにより、渦の回転方向が決まった面で規定されない三次元渦を前記乱れ促進体の直下流側に発生させて、前記バーナの下流側近傍における混合気の流れの乱れを促進することができる。これにより、スワラ等によって形成される混合気の循環領域に依存しなくても、前記バーナの下流側近傍（前記燃料噴射弁の下流側近傍）において、混合気の燃焼反応を促進して、混合気の燃焼速度を十分に高めることができる。

なお、本願の明細書において、「下流側」とは、混合気の流れ方向から見て下流側のことである。

本発明の第２の特徴は、燃料と空気の混合気を燃焼させて、燃焼ガスを生成するガスタービン燃焼器において、第１の特徴からなるバーナを備えたことを要旨とする。

第２の特徴によると、第１の特徴による作用と同様の作用を奏する。

本発明によれば、前記スワラ等によって形成される混合気の循環領域に依存しなくても、前記バーナの下流側近傍において、混合気の燃焼速度を十分に高めることができるため、混合気の気流速度と燃焼速度の釣合う位置、換言すれば、火炎基部が形成される位置を前記バーナ（前記燃料噴射弁）により近づけて、前記バーナの保炎性を高いレベルまで向上させることができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係るガスタービン燃焼器の一部を示す断面図である。 図２（ａ）は、本発明の第１実施形態に係るバーナの周辺を示す断面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）における矢視部IIBを示す図である。 図３（ａ）は、本発明の第２実施形態に係るバーナの周辺を示す断面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）における矢視部IIIBを示す図である。 図４（ａ）は、本発明の第３実施形態に係るバーナの周辺を示す断面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）における矢視部IVBを示す図である。

（第１実施形態）
本発明の実施形態について図１及び図２を参照して説明する。なお、図面中、「ＦＦ」は、前方向、「ＦＲ」は、後方向をそれぞれ指してある。

図１に示すように、本発明の第１実施形態に係るガスタービン燃焼器１は、航空機エンジン又は発電用ガスタービン等のガスタービンに用いられるものであって、燃料と空気との混合気を燃焼させて、燃焼ガスを生成するアニュラ型又はカン型の燃焼器である。また、ガスタービン燃焼器１は、中空環状又は円筒状の燃焼器ケース（図示省略）をベースとして備えている。

燃焼器ケース内には、中空環状又は円筒状の燃焼器ライナ３が設けられており、この燃焼器ライナ３は、内側に、混合気を燃焼させるための燃焼部としての燃焼室５を有している。また、燃焼器ライナ３の外周面３ａには、燃焼室５内に空気（二次空気）を導入する複数の二次空気孔（図示省略）が形成されている。

燃焼器ライナ３の前側隔壁３ｂには、燃料と空気との混合気を燃焼室５で燃焼させて、火炎Ｆを形成するためのバーナ７が設けられている。そして、バーナ７の具体的な構成は、次のようになる。

図２（ａ）（ｂ）に示すように、燃焼器ライナ３の前側隔壁３ｂには、燃焼室５側へ向かって燃料（液体燃料）を微粒化して円錐状の噴霧流Ｓとして噴霧する燃料噴射弁９が設けられており、この燃料噴射弁９は、例えば、公知の構成からなる渦巻き噴射弁又はプレフィルミングノズルである。また、燃料噴射弁９は、中央（中心部）に、燃料を噴霧可能な燃料噴射孔（ノズル孔）１１を有しており、燃料噴射弁９の基部（前端部）には、燃料噴射孔１１に燃料を供給するための燃料配管１３が接続されている。なお、燃料を微粒化して噴霧する燃料噴射弁９の代わりに、燃料と空気を噴霧する別の燃料噴射弁（図示省略）を用いても構わない。

燃料噴射弁９の外周面９ａには、複数（本発明の第１実施形態にあっては４つ）の乱れ促進体（干渉部材）１５が周方向に等間隔に設けられており、各乱れ促進体１５の先端部（爪部）１５ａは、径方向内側に突出してあって、燃料噴射弁９からの噴霧流Ｓによって生成される円錐状の伴走流Ａの一部に干渉するようになっている。なお、乱れ促進体１５が燃料噴射弁９の外周面９ａに設けられる代わりに、燃焼器ライナ３の前側隔壁３ｂの適宜位置に設けられたり、乱れ促進体１５の個数又は形状等を変更したりしても構わない。

図１（ａ）（ｂ）に示すように、燃焼器ライナ３の前側隔壁３ｂにおける燃料噴射弁９の周りには、燃焼室５に導入される空気の流れに旋回成分を与えるスワラ（軸流スワラ又は接線流スワラ）１７が設けられている。ここで、スワラ１７は、ガスタービン燃焼器１の構成の一部であるが、バーナ７の構成の一部として捉えても構わない。また、燃焼器ケースの適宜位置には、混合気中の燃料に着火する１つ又は複数の点火栓（図示省略）が設けられており、各点火栓の先端部は、燃焼室５内に位置している。

続いて、本発明の第１実施形態の作用及び効果について説明する。

燃料噴射弁９から燃焼室５側に向かって燃料を噴霧流Ｓとして噴霧すると共に、スワラ１７等から燃焼室５側に空気を導入することにより、燃焼室５側で燃料と空気との混合気を生成する。そして、点火栓によって混合気中の燃料を着火する。これにより、混合気を燃焼室５で燃焼させて、火炎Ｆを形成しながら、燃焼ガスを生成することができる。

ここで、ガスタービン燃焼器１の運転中、スワラ１７によって空気の流れに旋回成分を与えて、燃焼室５内に混合気の旋回流を形成することにより、図１に示すように、渦の回転方向がある面内で規定される二次元の定在渦Ｇをバーナ７の下流側近傍（燃料噴射弁９の下流側近傍）に発生させて、混合気の循環領域を形成する。これにより、燃料と空気との混合を促進して、ＮＯｘ（窒素酸化物）の発生を低減することができる。

各乱れ促進体１５の先端部１５ａが伴走流Ａに干渉することにより、図２（ａ）（ｂ）に示すように、渦の回転方向が決まった面で規定されない三次元渦Ｖを各乱れ促進体１５の直下流側に発生させて、二次元渦に比べてバーナ７の下流側近傍における混合気の流れの乱れをより促進することができる。これにより、スワラ１７によって形成される混合気の前記循環領域に依存しなくても、バーナ７の下流側近傍において、混合気の燃焼反応を促進して、混合気の燃焼速度を十分に高めることができる。

従って、本発明の第１実施形態によれば、ＮＯｘの発生を低減した上で、混合気の前記循環領域に依存しなくても、バーナ７の下流側近傍において、混合気の燃焼速度を十分に高めることができるため、混合気の気流速度と燃焼速度の釣合う位置、換言すれば、火炎基部Ｆａが形成される位置をバーナ７（燃料噴射弁９）により近づけることができる。よって、スワラ１７及び複数の二次空気孔から燃焼室５側に導入される空気等の周囲空気による火炎Ｆに対する影響を極力小さくして、バーナ７の保炎性を高いレベルまで向上させることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について図３（ａ）（ｂ）を参照して説明する。なお、図面中、「ＦＦ」は、前方向、「ＦＲ」は、後方向をそれぞれ指してある。

図３（ａ）（ｂ）に示すように、本発明の第２実施形態に係るバーナ１９は、燃料と空気との混合気を燃焼部で燃焼させて、火炎Ｆを形成するためのものであって、本発明の第１実施形態に係るバーナ７と同様の構成を有している。以下、バーナ１９の構成のうち、バーナ７の構成と異なる部分についてのみ簡単に説明する。なお、バーナ１９における複数の構成要素のうち、バーナ７における構成要素と対応するものについては、図面中に同一番号を付してある。

即ち、本発明の第２実施形態にあっては、各乱れ促進体１５の先端部１５ａは、燃料噴射弁９からの噴霧流Ｓによって生成される円錐状の伴走流Ａの一部に干渉するだけでなく、燃料噴射弁９からの噴霧流Ｓの一部にも干渉するようになっている。これにより、バーナ７の下流側近傍における混合気の流れの乱れを大きくして、バーナ７の下流側近傍において、混合気の燃焼速度をより十分に高めることができる。

従って、本発明の第２実施形態によれば、本発明の第１実施形態の効果をより一層高めることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について図４（ａ）（ｂ）を参照して説明する。なお、図面中、「ＦＦ」は、前方向、「ＦＲ」は、後方向をそれぞれ指してある。

図４（ａ）（ｂ）に示すように、本発明の第３実施形態に係るバーナ２１は、燃料と空気との混合気を燃焼部で燃焼させて、火炎Ｆを形成するためのものであって、本発明の第１実施形態に係るバーナ７と同様の構成を有している。以下、バーナ２１の構成のうち、バーナ７の構成と異なる部分についてのみ簡単に説明する。なお、バーナ２１における複数の構成要素のうち、バーナ７における構成要素と対応するものについては、図面中に同一番号を付してある。

即ち、燃料噴射弁９には、噴霧流Ｓに沿って空気を導出する複数（本発明の第４実施形態にあっては４つ）の空気ポート（空気孔）２３が円周方向に等間隔に貫通して形成されており、各空気ポート２３は、燃料噴射弁９の先端側から見たときに、燃料噴射孔１１と対応する乱れ促進体１５の先端部との間に位置するようになっている。なお、空気ポート２３の個数又は配置位置等を変更しても構わない。これにより、各空気ポート２３から導出された空気によって円錐状の伴走流Ａを強化して、バーナ７の下流側近傍における混合気の流れの乱れを大きくすることができ、バーナ７の下流側近傍において、混合気の燃焼速度をより十分に高めることができる。

従って、本発明の第３実施形態によれば、本発明の第１実施形態の効果をより一層高めることができる。

Ｓ 噴霧流
Ａ 伴走流
Ｆ 火炎
Ｆａ 火炎基部
Ｇ 二次元の定在渦
Ｖ 三次元渦
１ ガスタービン燃焼器
３ 燃焼器ライナ
３ａ 燃焼器ライナの外周面
３ｂ 燃焼器ライナの前側隔壁
５ 燃焼室
７ バーナ
９ 燃料噴射弁
９ａ 燃料噴射弁の外周面
１１ 燃料噴射孔
１３ 燃料配管
１５ 乱れ促進体
１５ａ 乱れ促進体の先端部
１７ スワラ
１９ バーナ
２１ バーナ
２３ 空気ポート

Claims (5)

1. 燃料と空気との混合気を燃焼部で燃焼させて、火炎を形成するためのバーナにおいて、
   前記燃焼部側へ向かって燃料を円錐状の噴霧流として噴霧する燃料噴射弁と、
   前記燃料噴射弁からの前記噴霧流によって生成される伴走流に干渉する乱れ促進体と、を備えたことを特徴とするバーナ。
2. 前記乱れ促進体が前記燃料噴射弁からの前記噴霧流に干渉するようになっていることを特徴とする請求項１に記載のバーナ。
3. 前記燃料噴射弁に前記噴霧流に沿って空気を導出する空気ポートが貫通して形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のバーナ。
4. 前記乱れ促進体の個数が複数であって、複数の前記乱れ促進体が前記燃料噴射弁の外周面に周方向に等間隔に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかの請求項に記載のバーナ。
5. 燃料と空気の混合気を燃焼させて、燃焼ガスを生成するガスタービン燃焼器において、
   請求項１から請求項４のうちのいずれかのバーナを備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。

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