JP2023182235A - 水素燃焼器、水素燃焼器システム、ジェットエンジン、及び発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】幅広い運転範囲で水素火炎を維持することが可能な水素燃焼器、水素燃焼器システム、ジェットエンジン、及び発電装置を提供すること。【解決手段】本発明の一形態に係る水素燃焼器は、少なくとも１つの燃料噴射器モジュールと、水素供給管とを具備する。前記少なくとも１つの燃料噴射器モジュールは、各々が、空気を旋回させる旋回器を有する空気導入管と、前記空気導入管の内壁に衝突するように前記旋回器を通って旋回する空気に対して略垂直に気体の水素を噴射する水素噴射管と、前記空気と前記水素との混合気体の流路をステップ状に広げる保炎部とを有する複数の燃料噴射器をモジュール化して構成される。前記水素供給管は、前記燃料噴射器モジュールを構成する前記複数の燃料噴射器の前記水素噴射管に複数の供給系統を分けて水素を供給する。【選択図】図７

Description

本発明は、水素を燃料に用いた水素燃焼器、水素燃焼器システム、ジェットエンジン、及び発電装置に関する。

水素燃焼器は、燃焼時に二酸化炭素を排出しないため、温暖化等を抑止することが可能な技術として注目されている。一方で水素は、炭化水素系燃料等と比べて燃えやすい燃料であり、局所的な高温燃焼に伴う窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を抑えることや、逆化現象等を防止するための技術が開発されている。

例えば特許文献１には、微小な水素火炎を多点で発生させ、局所的な高温燃焼を防止してＮＯｘの排出量を低減する燃焼装置について記載されている。非特許文献１には、水素を含む燃料と空気を同じ貫通孔に導入することで生じる渦を利用して急速混合を実現し、ＮＯｘの排出量が少ない浮き上がり火炎を発生させる燃焼器について記載されている。非特許文献２には、水素と空気とを混合して噴射する燃料噴射器の噴射孔を微細化して、逆火等の発生を防止する燃焼器について記載されている。

特開２００５－２８３１９１号公報

SATOSCHI DODO, et al. "Dry low-NOx combustion technology for novel clean coal power generation aiming at the realization of a low carbon society." Mitsubishi Heavy Industries Technical Review，2015，Vol. 52 No. 2 p24-31． C. John Marek, et al. "Low Emission Hydrogen Combustors for Gas Turbines Using Lean Direct Injection." 41st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit 2005, AIAA-2005-3776

水素燃焼器は、運転する状況によっては、水素火炎を維持することが難しい場合がある。例えば航空機等に水素燃焼器を搭載する場合には、気圧や温度等が変化し、水素火炎が不安定になる可能性がある。このため、幅広い運転範囲で水素火炎を維持することが可能な技術が求められている。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、幅広い運転範囲で水素火炎を維持することが可能な水素燃焼器、水素燃焼器システム、ジェットエンジン、及び発電装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る水素燃焼器は、少なくとも１つの燃料噴射器モジュールと、水素供給管とを具備する。
前記少なくとも１つの燃料噴射器モジュールは、各々が、空気を旋回させる旋回器を有する空気導入管と、前記空気導入管の内壁に衝突するように前記旋回器を通って旋回する空気に対して略垂直に気体の水素を噴射する水素噴射管と、前記空気と前記水素との混合気体の流路をステップ状に広げる保炎部とを有する複数の燃料噴射器をモジュール化して構成される。
前記水素供給管は、前記燃料噴射器モジュールを構成する前記複数の燃料噴射器の前記水素噴射管に複数の供給系統を分けて水素を供給する。

この水素燃焼器では、複数の燃料噴射器をモジュール化した燃料噴射器モジュールが設けられる。各燃料噴射器では、空気導入管の内壁と衝突するように旋回空気に対して略垂直に水素が噴射され、空気と水素とが十分に混合される。混合気体は、ステップ状の保炎部から噴射される。これにより各燃料噴射器は、幅広い運転範囲での動作が可能となる。また燃料噴射器モジュールの各燃料噴射器には、複数の供給系統にわけて水素が供給される。これにより、燃焼器全体での燃料の噴射や混合の制御パターンが広がり、幅広い運転範囲で水素火炎を維持することが可能となる。

前記少なくとも１つの燃料噴射器モジュールは、複数の燃料噴射器モジュールを含んでもよい。この場合、前記水素供給管は、前記複数の燃料噴射器モジュールの各々について供給系統を分けて前記水素を供給してもよい。

前記複数の燃料噴射器モジュールは、円環状に配置されてもよい。

前記水素燃焼器は、前記複数の燃料噴射器モジュールを支持するライナヘッドと、前記ライナヘッドに接続され、前記複数の燃料噴射器モジュールの下流に形成される燃焼領域を囲む燃焼器ライナとを有してもよい。

前記ライナヘッド及び前記燃焼器ライナの少なくとも一方は、互いに隣接した前記燃料噴射器モジュールの間に設けられた複数の第１の空気孔を有してもよい。

前記燃焼器ライナは、前記燃焼領域における水素火炎の流れに対して略垂直に前記空気を流入させる複数の第２の空気孔を有してもよい。

本発明の一形態に係る水素燃焼器システムは、水素燃焼器と、制御部とを具備する。
前記水素燃焼器は、
各々が、空気を旋回させる旋回器を有する空気導入管と、前記空気導入管の内壁に衝突するように前記旋回器を通って旋回する空気に対して略垂直に気体の水素を噴射する水素噴射管と、前記空気と前記水素との混合気体の流路をステップ状に広げる保炎部とを有する複数の燃料噴射器をモジュール化した少なくとも１つの燃料噴射器モジュールと、
前記燃料噴射器モジュールを構成する前記複数の燃料噴射器の前記水素噴射管に複数の供給系統を分けて水素を供給する水素供給管とを有する。
前記制御部は、前記水素燃焼器の運転に関する運転情報に基づいて、前記複数の供給系統における前記水素の供給量を制御する。

前記複数の燃料噴射器は、少なくとも１つの第１の燃料噴射器と、前記第１の燃料噴射器とは異なる供給系統に接続される複数の第２の燃料噴射器とを含んでもよい。この場合、前記燃料噴射器モジュールは、前記第１の燃料噴射器を中央に配置し、前記第２の燃料噴射器を前記第１の燃料噴射器を囲むように環状に配置して構成されてもよい。

前記制御部は、前記第１の燃料噴射器又は前記第２の燃料噴射器のどちらか一方にのみに前記水素を供給してもよい。

前記制御部は、前記水素燃焼器の始動時に、前記第１の燃料噴射器にのみ前記水素を供給して、前記第１の燃料噴射器をパイロット噴射器として動作させてもよい。

前記制御部は、前記水素燃焼器の運転中に、前記第１の燃料噴射器への前記水素の供給量を前記第２の燃料噴射器への前記水素の供給量よりも小さくしてもよい。

前記制御部は、大気圧が所定のレベルよりも低い状態で水素火炎が消えた場合、前記第１の燃料噴射器への前記水素の供給量を前記第２の燃料噴射器への供給量よりも大きくしてもよい。

前記制御部は、前記燃料噴射器における燃焼において形成される火炎形態が拡散火炎又は予混合火炎のどちらか一方が支配的となるように前記水素の供給量を制御してもよい。

前記制御部は、燃焼振動の予兆が検出された場合に、前記燃焼振動が抑制されるように前記水素の供給量を制御してもよい。

本発明の一形態に係るジェットエンジンは、圧縮機と、水素燃焼器と、タービンとを具備する。
前記圧縮機は、空気を圧縮する。
前記水素燃焼器は、
各々が、前記圧縮機からの空気を旋回させる旋回器を有する空気導入管と、前記空気導入管の内壁に衝突するように前記旋回器を通って旋回する空気に対して略垂直に気体の水素を噴射する水素噴射管と、前記空気と前記水素との混合気体の流路をステップ状に広げる保炎部とを有する複数の燃料噴射器をモジュール化した少なくとも１つの燃料噴射器モジュールと、
前記燃料噴射器モジュールを構成する前記複数の燃料噴射器の前記水素噴射管に複数の供給系統を分けて水素を供給する水素供給管とを有する。
前記タービンは、前記水素燃焼器からの燃焼ガスを駆動源として前記圧縮機を駆動するとともに前記燃焼ガスを排出して推力を発生させる。

本発明の一形態に係る発電装置は、圧縮機と、水素燃焼器と、タービンとを具備する。
前記圧縮機は、空気を圧縮する。
前記水素燃焼器は、
各々が、前記圧縮機からの空気を旋回させる旋回器を有する空気導入管と、前記空気導入管の内壁に衝突するように前記旋回器を通って旋回する空気に対して略垂直に気体の水素を噴射する水素噴射管と、前記空気と前記水素との混合気体の流路をステップ状に広げる保炎部とを有する複数の燃料噴射器をモジュール化した少なくとも１つの燃料噴射器モジュールと、
前記燃料噴射器モジュールを構成する前記複数の燃料噴射器の前記水素噴射管に複数の供給系統を分けて水素を供給する水素供給管とを有する。
前記タービンは、前記水素燃焼器からの燃焼ガスを駆動源として前記圧縮機及び発電機を駆動する。

以上のように、本発明によれば、幅広い運転範囲で水素火炎を維持することが可能となる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

本発明の一実施形態に係る水素燃焼器システムを含むジェットエンジンを搭載した航空機の一例を示す模式図である。 水素燃焼器システムを含むジェットエンジンの構成例を示すブロック図である。 燃料噴射器の構成例を示す模式的な断面図である。 燃料噴射器モジュールの構成例を示す平面図である。 水素燃焼器における燃料噴射器モジュールの配置例を示す平面図である。 水素燃焼器を構成する燃焼器ライナの一例を示す斜視図である。 水素燃焼器における燃料噴射器モジュールの構成例を示す断面図である。 第１の空気孔の構成例を示す模式図である。 第２の空気孔の構成例を示す模式図である。 水素供給ラインの一例を示す模式図である。 他の実施形態に係る水素供給ラインの一例を示す模式図である。

以下、本発明に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。
［水素燃焼器システムを含むジェットエンジン］
図１は、本発明の一実施形態に係る水素燃焼器システムを含むジェットエンジンを搭載した航空機の一例を示す模式図である。航空機１０は、胴体１１、主翼１２、垂直尾翼１３、水平尾翼１４などから構成される。左右の主翼１２には、それぞれエンジンナセル１５が配置されている。各エンジンナセル１５には、水素を燃料とする水素燃焼器システム１００を含むジェットエンジン２０が搭載されている。

図２は、水素燃焼器システム１００を含むジェットエンジン２０の構成例を示すブロック図である。ジェットエンジン２０は、圧縮機２１と、水素燃焼器２２と、タービン２３とを有する。また、ジェットエンジン２０を搭載する航空機１０には、水素タンク２４と、水素供給ライン２５と、制御部２６とが搭載される。このうち、水素タンク２４と、水素供給ライン２５と、水素燃焼器２２と、制御部２６とにより、水素燃焼器システム１００が構成される。

ジェットエンジン２０は、水素燃焼器２２において空気中の酸素と水素タンク２４に貯蔵された水素１とを燃焼させて燃焼ガスの噴流（ジェット）により推進力を得る推進エンジンである。ジェットエンジン２０は、典型的にはターボファンエンジンとして構成され、水素燃焼器２２はターボファンエンジンに搭載された高圧燃焼器として機能する。
ジェットエンジン２０の規模は特に限定されないが、例えば５０席以上の旅客機用のターボファンエンジン等に本発明を適用することが可能である。なお、本発明に係るジェットエンジン２０には、噴流を生成し、タービンを用いて回転力を生成しプロペラやファンの揚力に変換し推進力として用いる場合も含まれる。

近年では、航空機を運航による温暖化への影響を抑制するための有力な手段として、燃焼時に二酸化炭素を一切排出しない水素航空機技術が注目されている。本実施形態に係る水素燃焼器２２は、二酸化炭素を一切排出しない水素を燃料とした燃焼器であり、ジェットエンジン２０のように幅広い運転範囲での動作を想定したものである。

圧縮機２１は、ジェットエンジン２０に取り込まれた空気を圧縮する。圧縮機２１は、回転軸２７を介して後述するタービン２３と接続され、タービン２３（回転軸２７）の回転によって駆動される圧縮機である。圧縮機２１の具体的な構成は限定されず、例えば軸流式圧縮機、遠心式圧縮機、斜流圧縮機等の任意の形式の圧縮機が用いられてよい。

水素燃焼器２２は、圧縮機２１により圧縮された空気と、燃料である水素とを燃焼させて、高圧の燃焼ガスを噴出する。燃焼ガスは、水素燃焼器２２の下流に配置されたタービン２３に送り込まれる。本実施形態では、水素燃焼器２２は、複数の燃料噴射器をモジュール化した燃料噴射器モジュールを複数配置して構成される。水素燃焼器２２の具体的な構成については、後に詳しく説明する。

タービン２３は、水素燃焼器２２からの燃焼ガスを駆動源として圧縮機２１を駆動するとともに燃焼ガスを排出して推力を発生させる。燃焼ガスを受けたタービン２３は回転軸２７とともに回転し、回転軸２７により圧縮機２１が回転駆動される。またタービン２３を通過した燃焼ガスは、エンジンナセル１５の後方のメインノズルから排出され、推進力を発生させる。

水素タンク２４は、水素燃焼器２２の燃料となる水素を貯蔵するタンクである。水素タンク２４としては、例えば液化水素を貯蔵可能なように構成された断熱容器等が用いられる。

水素供給ライン２５は、水素タンク２４に貯蔵された水素を水素燃焼器２２に供給する供給ラインである。水素供給ライン２５は、水素ポンプ、遮断弁（安全弁）、分配弁、流量調整弁、及び各部を接続する配管等を用いて構成される。後述するように、本実施形態では、水素供給ライン２５には、水素の供給量を独立に調整可能な複数の供給系統が設けられる（図１０及び図１１等参照）。

制御部２６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリを有するコンピュータを用いて構成される。制御部２６は、水素供給ライン２５を制御することで、水素燃焼器２２の運転を制御する。制御部２６としては、燃料の供給量（流量指示）を出力するＦＡＤＥＣ（Full Authority Digital Engine Control）等が用いられる。制御部２６では、例えば航空機１０のパイロットが操作するスロットルの操作量や、ジェットエンジン２０の動作状況等に応じて、燃料の供給量が設定される。

本実施形態では、制御部２６は、水素燃焼器２２の運転に関する運転情報に基づいて、水素供給ライン２５の複数の供給系統における水素の供給量を制御する。
運転情報とは、水素燃焼器２２の運転に関係のある情報である。運転情報には、スロットルレバー、燃料遮断レバー、点火スイッチ、防氷スイッチ等の操作情報が含まれてもよい。また運転情報には、エンジンの各部（エンジン入口、圧縮機入口、圧縮機出口、水素燃焼器、タービン入口、タービン出口等）における温度や圧力、排気温度、回転軸の回転数等を所定のセンサで検出したセンシング情報が含まれてもよい。また運転情報には、外気の温度や圧力等の水素燃焼器２２の運転環境に関する環境情報が含まれてもよい。

制御部２６は、これらの運転情報をもとに、水素燃焼器２２を適正に運転することが可能となる供給量を供給系統ごとに設定する。

［燃料噴射器の構成］
図３は、燃料噴射器の構成例を示す模式的な断面図である。
燃料噴射器３０は、気体となった水素１を空気２とともに噴射するノズルである。燃料噴射器３０は、空気導入管３１と、水素噴射管３２と、保炎部３３とを有する。また図３に示す燃料噴射器３０には、燃焼筒３４が設けられる。

空気導入管３１及び水素噴射管３２は、一方向に延びる円管状の部材である。水素噴射管３２の外径は、空気導入管３１の内径よりも小さく、水素噴射管３２は、空気導入管３１の内側に各々の中心軸が一致するように配置される。
ここでは、互いに直交する３軸方向を、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向と記載し、空気供給管 及び水素供給管５６が延在する方向をＸ方向とする。図３には、空気導入管３１（水素噴射管３２）の中心軸を通るＸＹ面で切断した燃料噴射器３０の断面図が示されている。

空気導入管３１は、圧縮機２１により圧縮された空気２を導入する管であり、両端が開口した円管部材が用いられる。上記したように、空気導入管３１の内側には、水素噴射管３２が同軸に配置され、空気導入管３１の内壁３１ｂと水素噴射管３２の外壁３２ａとの間の空間が、空気２の流路となる。なお、空気導入管３１の断面形状は円形に限定されず、例えば多角形状や楕円形状等の任意の断面形状を持つ管状部材が用いられてよい。

空気導入管３１は、入射端３５と、出射端３６と、旋回器３７とを有する。
入射端３５は、圧縮された空気２が流入する開口端である。出射端３６は、入射端３５とは反対側の開口端である。出射端３６からは、圧縮された空気２と水素噴射管３２からの水素１との混合気体が噴射される。

旋回器３７は、入射端３５から流入した空気２を旋回させる機構（スワラー）である。旋回器３７は、例えば空気導入管３１の内壁３１ｂと水素噴射管３２の外壁３２aとの間の流路に対して斜めに板部材（固定翼）を配置して構成される。旋回器３７を通過した空気２は、旋回空気となって出射端３６に送り込まれる。なお、旋回器３７と出射端３６との間には、水素１を噴射するためのスペース（噴射領域４０）が設けられる。従って旋回器３７は、出射端３６から所定の距離だけ奥まった位置に配置される。

水素噴射管３２は、所定の供給系統から供給される水素１を噴射する管であり、一端が開口し他端が閉じた円管部材に噴射孔４１を設けて構成される。水素噴射管３２の長さは、空気導入管３１よりも長く設定される。なお、水素噴射管３２の断面形状は円形に限定されず、例えば多角形状や楕円形状等の任意の断面形状を持つ管状部材が用いられてよい。

水素噴射管３２は、開口端４２と、閉塞端４３と、噴射孔４１とを有する。
開口端４２は、後述する水素供給管に接続され、水素噴射管３２の中で気体の水素１が供給される供給口として機能する。閉塞端４３は、開口端４２とは反対側に配置される閉じられた端部である。水素供給管５６は、閉塞端４３が空気導入管３１の出射端３６と同じ側になるように、空気導入管３１の内側に配置される。このとき、閉塞端４３の端面のＸ方向の位置と、出射端３６の端面のＸ方向の位置とは同じ位置に設定される。従って、水素噴射管３２は、閉塞端４３及び出射端３６は端面が一致しており、開口端４２が空気導入管３１の入射端３５側から突出している。閉塞端４３は、ドリル等を用いて貫通しないように切削された一体的な構造でもよいし、蓋部材を用いて開口部分を閉じた構造でもよい。

噴射孔４１は、水素噴射管３２の側面のうち閉塞端４３の近傍に設けられ、水素噴射管３２の内壁３２ｂと外壁３２aとを貫通する貫通孔である。噴射孔４１は、空気導入管３１の旋回器３７と出射端３６との間の噴射領域４０に面する位置に設けられる。水素噴射管３２の周方向に沿って等間隔で複数の噴射孔４１が設けられる。

開口端４２から供給された水素１は、閉塞端４３の内面に遮られ、噴射孔４１から噴射される。ここでは、閉塞端４３の内面に円錐状の凹部が形成され、水素１が噴射孔４１に流れやすくなっている。なお閉塞端４３の内面は平面でもよい。
噴射孔４１が設けられる位置（噴射領域４０）には、旋回器３７を通過して旋回した空気２が送り込まれる。この旋回した空気２に対して略垂直に水素１が噴射される。また、噴射孔４１に対向する位置には、空気導入管３１の内壁３１ｂが存在する。従って噴射孔４１から噴射された水素１は、内壁３１ｂに衝突することになる。

このように、水素噴射管３２は、空気導入管３１の内壁３１ｂに衝突するように旋回器３７を通って旋回する空気２に対して略垂直に気体の水素１を噴射する。旋回する空気２と内壁３１ｂへの衝突とを利用することで、水素１と空気２とを十分に拡散混合することが可能となる。すなわち、燃料噴射器３０は、水素１及び空気２を混合する混合器としても機能する。これにより、シンプルな構成でありながら安定した予混合火炎を実現することが可能となる。

燃焼筒３４は、水素火炎４が発生する燃焼領域を包む部材である。図３に示す例では、空気導入管３１の外壁３１ａを囲うスペーサ部材３８に円筒型の燃焼筒３４が嵌め込まれる。またスペーサ部材３８には、空気の整流効果や燃料噴射器３０に対する冷却効果が得られるように、空気を供給するための空気孔等が設けられてもよい。
燃焼筒３４は、後述する水素燃焼器２２の構成のうち燃焼器ライナ５１（図６及び図７等参照）に対応するものである。なお、燃料噴射器３０をモジュール化した燃料噴射器モジュールでは、各燃料噴射器３０に燃焼筒３４を設ける必要はない。

保炎部３３は、水素火炎４を保持する部分である。燃料噴射器３０では、空気導入管３１と水素噴射管３２とにより保炎部３３が構成される。上記したように、空気導入管３１の出射端３６と水素噴射管３２の閉塞端４３とは、各々の端面が同一面上に配置される。従って、噴射領域４０で混合された混合気体の流路は、出射端３６（閉塞端４３）の端面を境に急激に広がる。
すなわち、燃料噴射器３０には、空気２と水素１との混合気体の流路をステップ状に広げる保炎部３３が設けられる。これにより、混合気体の流速を急激に変化させることが可能となり、水素火炎４の分布を適正な範囲に収めることが可能となる。

このように、水素燃焼器２２は、旋回空気流に垂直に噴射される水素燃料が、内壁３１ｂへの衝突によって拡散混合が促進され、ステップ上の円筒出口の保炎部３３をもつ燃料噴射器３０を用いて構成される。本発明者は、このように構成された燃料噴射器３０について、地上での定置運転や空気流が音速を超えるような環境での運転といった様々な運転範囲において、運転条件を適宜設定することで燃焼動作が可能であることを確認した。
従って、本実施形態に係る燃料噴射器３０を用いることで、幅広い運転範囲での動作が可能な水素燃焼器２２を実現することが可能となる。

燃料噴射器３０の各部の形状、サイズ、材質等は、想定される出力や重量の規定等に応じて適宜設定することが可能である。
空気導入管３１の内径は、好ましくは４ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲に設定される。このうち、空気導入管３１の内径は、より好ましくは、６ｍｍ以下に設定される。これにより適正な拡散混合を実現することが可能である。また４ｍｍ以上とすることで、十分な空気流入量を確保することが可能である。
水素噴射管３２の外径は、空気導入管３１の内径以下であり、好ましくは２ｍｍ以上６ｍｍ以下の範囲に設定される。このうち、水素噴射管３２の外径は、より好ましくは、４ｍｍ以下に設定される。これにより空気流路を確保しつつ噴射器のサイズをコンパクトにすることが可能である。また２ｍｍ以上とすることで十分な水素流入量を確保することが可能であり、また適正な精度で噴射孔４１等の加工を行うことが可能である。
水素噴射管３２に設けられる噴射孔４１の直径は、好ましくは０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲に設定される。このうち、１．５ｍｍ以下とすることで、水素の噴射時の運動量流速を所定量に確保した状態で水素を局所的に噴射することが可能となる。この結果、空気導入管３１の内壁３１ｂに設計点の近傍で水素を衝突させることが可能となり、旋回空気との拡散混合を効果的に実現することが可能となる。また噴射孔４１の直径を１ｍｍ以下とすることで、燃料噴射孔を通じた水素噴射管への逆流や逆火を十分に防ぐことが可能となる。
水素噴射管３２の水素噴出量は、噴射孔４１のサイズと、噴射孔４１の数によって調整可能である。例えば噴射孔４１の直径に合わせて、適切な水素噴射量が実現されるように、周上に配置される噴射孔４１の数が設定される。噴射孔４１の数は、円周上に配置可能な個数であり噴射される水素の均一性を確保するといった観点から、典型的には４～１０個程度に設定される。この他、噴射孔４１の数は限定されず、例えば所望の水素噴射量を確保可能なように任意に設定されてよい。

［燃料噴射器モジュールの構成］
図４は、燃料噴射器モジュールの構成例を示す平面図である。
水素燃焼器２２には、複数の燃料噴射器３０をモジュール化した少なくとも１つの燃料噴射器モジュール４５が設けられる。本実施形態では、水素燃焼器２２には、複数の燃料噴射器モジュール４５が設けられる（図５及び図６等参照）。
図４には、混合気体が噴射される出射側（燃料噴射器３０の出射端３６及び閉塞端４３が配置される側）から見た燃料噴射器モジュール４５の平面構成例が図示されている。燃料噴射器モジュール４５は、複数の燃料噴射器３０と、各燃料噴射器３０を保持する保持部４６とを有する。

図４に示す燃料噴射器モジュール４５では、複数の燃料噴射器３０は、中心に１基、その周囲に円環状に複数並んで配置される。以下では、中心に配置された燃料噴射器３０を中央燃料噴射器３０ａと記載し、円環状に配置された燃料噴射器３０を周辺燃料噴射器３０ｂと記載する。
つまり、燃料噴射器モジュール４５は、中央燃料噴射器３０ａを中央に配置し、周辺燃料噴射器３０ｂを中央燃料噴射器３０ａを囲むように環状に配置して構成される。

また、中央燃料噴射器３０ａと、複数の周辺燃料噴射器３０ｂとは、互いに異なる供給系統に接続される。すなわち、モジュール中心の中央燃料噴射器３０ａは、周囲の噴射器群とは独立な燃料配管から燃料供給される。なお複数の周辺燃料噴射器３０ｂは、それぞれが共通の供給系統に接続されるため、各周辺燃料噴射器３０ｂに供給される水素１の供給量は互いに略等しくなる。
本実施形態では、中央燃料噴射器３０ａは、第１の燃料噴射器に相当する。また複数の周辺燃料噴射器３０ｂは、第１の燃料噴射器とは異なる供給系統に接続される複数の第２の燃料噴射器に相当する。

このように、中央燃料噴射器３０ａの供給系統を独立させることで、モジュールの中心部及び周辺部における水素燃料と空気との流量比を変化させることが可能となる。また例えば２種類の供給量をパラメータとして燃料噴射器モジュール４５の制御を行うことになり、制御のバリエーションを広げることが可能となる。この結果、ジェットエンジン２０（水素燃焼器２２）の運転状況に応じた様々な燃焼パターンを実現するといったことが可能となる。

保持部４６は、中央燃料噴射器３０ａ及び複数の周辺燃料噴射器３０ｂをそれぞれ保持する。ここでは、各燃料噴射器３０を挿入する挿入孔が設けられた平面形状が円形の部材が保持部４６として用いられる。保持部４６の構成は限定されず、中抜き構造や架橋構造等の保持部４６が用いられてもよい。また中央燃料噴射器３０ａを独立して取り外すことが可能なように、中央部分と周辺部分とが分離するような構造が用いられてもよい。

［水素燃焼器の構成］
図５は、水素燃焼器における燃料噴射器モジュールの配置例を示す平面図である。図６は、水素燃焼器を構成する燃焼器ライナの一例を示す斜視図である。
ここでは、複数の燃料噴射器モジュール４５を用いて構成される水素燃焼器２２について、燃料噴射器モジュール４５の配置について説明する。
水素燃焼器２２は、複数の燃料噴射器モジュール４５と、ライナヘッド５０と、燃焼器ライナ５１とを有する。

ライナヘッド５０は、複数の燃料噴射器モジュール４５を支持する部材である。
本実施形態では、複数の燃料噴射器モジュール４５は、円環状に配置される。これらの燃料噴射器モジュール４５が、ライナヘッド５０により支持される。
図５に示すように、ライナヘッド５０は、平面形状が円環形状となる部材である。ここでは、円環の部分に、１６個の燃料噴射器モジュール４５が円環状に等間隔で配置される。なお、燃料噴射器モジュール４５の数は限定されない。また各燃料噴射器モジュール４５（燃料噴射器３０）の噴射方向は互いに平行に設定されるが、例えば各噴射方向が収束又は発散するように配置されてもよい。

燃焼器ライナ５１は、ライナヘッド５０に接続され、複数の燃料噴射器モジュール４５の下流に形成される燃焼領域５を囲む部材である。すなわち、燃焼器ライナ５１の内部が燃焼領域５として用いられるともいえる。
図６に示すように、燃焼器ライナ５１は、内側ライナ５２と、外側ライナ５３と、燃焼ガス排出口５４とを有する。内側ライナ５２は、円環形状のライナヘッド５０の内周に接続される筒型の部材である。また外側ライナ５３は、円環形状のライナヘッド５０の外周に接続され、内側ライナ５２を囲む筒型の部材である。また燃焼ガス排出口５４は、ライナヘッド５０とは反対側に形成される内側ライナ５２及び外側ライナ５３で挟まれた円環状の開口部分である。

このように燃焼器ライナ５１の内側ライナ５２及び外側ライナ５３で囲まれた領域が、水素燃焼器２２の燃焼領域５となる。なお、内側ライナ５２（ライナヘッド５０の内周）で囲まれた空間には、例えばジェットエンジン２０の回転軸２７が通される。

図７は、水素燃焼器２２における燃料噴射器モジュール４５の構成例を示す断面図である。図７には、図６において１つの燃料噴射器モジュール４５の中心を通るＡＡ線で切断した水素燃焼器２２の断面図が模式的に図示されている。また図７では、空気２の流れ及び水素１の流れが、それぞれ白抜きの矢印及び黒い矢印を用いて模式的に図示されている。

水素燃焼器２２には、複数の燃料噴射器モジュール４５に水素を供給する水素供給管５６が設けられる。水素供給管５６は、燃料噴射器モジュール４５を構成する複数の燃料噴射器３０の水素噴射管３２に複数の供給系統を分けて水素を供給する。
具体的には、水素供給管５６には、水素１の供給量を独立して調整可能な複数の供給系統に接続される複数の供給管が含まれる。異なる供給系統につながる供給管に接続された燃料噴射器３０は、水素１の供給量が別々に調整される。一方、同じ供給系統につながる供給管に接続された燃料噴射器３０は、水素１の供給量が同様の値に調整される。

本実施形態では、水素供給管５６は、第１の供給管５７ａと、第２の供給管５７ｂとを有する。また、水素供給管５６は、第１の供給母管５８ａと、第２の供給母管５８ｂとを有する。
第１の供給管５７ａは、燃料噴射器モジュール４５のうち、中央燃料噴射器３０ａの水素噴射管３２に接続される。第１の供給管５７ａは、水素燃焼器２２の外側から挿入され、所定のジョイント５９を介して中央燃料噴射器３０ａの水素噴射管３２に接続される。
第２の供給管５７ｂは、燃料噴射器モジュール４５のうち、複数の周辺燃料噴射器３０ｂの各水素噴射管３２に接続される。第２の供給管５７ｂは、水素燃焼器２２の外側から挿入され、その先端には分岐部６０が設けられる。分岐部６０は円環状のパイプであり、第２の供給管５７ｂは、分岐部６０を介して複数の周辺燃料噴射器３０ｂの各水素噴射管３２にそれぞれ接続される。なお分岐部６０の中心部分には、中央燃料噴射器３０ａの水素噴射管３２が通される。

第１の供給母管５８ａ及び第２の供給母管５８ｂは、各燃料噴射器モジュール４５に接続される第１の供給管５７ａ及び第２の供給管５７ｂに水素を供給する配管である。第１の供給母管５８ａ及び第２の供給母管５８ｂは、例えば水素燃焼器２２の外側に沿って配置された円環状のパイプとして構成される。
第１の供給母管５８ａ及び第２の供給母管５８ｂは、互いに異なる供給系統に接続される。従って、第１の供給母管５８ａ及び第２の供給母管５８ｂ（第１の供給管５７ａ及び第２の供給管５７ｂ）では、水素１の供給量が独立に調整可能である。これにより、燃料噴射器モジュール４５ごとに複数の供給系統を接続することが可能となる。
このように、水素供給管５６は、複数の燃料噴射器モジュール４５の各々について供給系統を分けて水素１を供給する。

図７に示すように、水素燃焼器２２は、上記した複数の燃料噴射器モジュール４５を支持するライナヘッド５０と、燃焼領域５を囲む燃焼器ライナ５１とを有する。また水素燃焼器２２は、ライナヘッド５０及び燃焼器ライナ５１を収容するケーシング６５と、燃料噴射器モジュール４５に着火するための着火部（図示省略）とを有する。
着火部は、例えば燃焼器ライナ５１の内部に設けられ、水素１と空気２との混合気体に着火する。なお、着火部の個数や配置は限定されない。
ケーシング６５は、ライナヘッド５０及び燃焼器ライナ５１の周りで圧縮された空気２の流路を構成する。以下では、図中の左側を上流側と記載し、右側を下流側と記載する。

ケーシング６５は、内側ケース６６と、外側ケース６７と、圧縮空気導入口６８とを有する。
内側ケース６６は、ケーシング６５の内側の壁面を形成する筒状の部材である。内側ケース６６の下流側は、燃焼器ライナ５１（内側ライナ）の中心部分に挿入される。また内側ケース６６の上流側には、圧縮された空気２を導入するための円環状の開口部分（圧縮空気導入口６８）が形成される。
外側ケース６７は、ケーシング６５の外側の壁面を形成する筒状の部材である。上記した第１の供給管５７ａと、第２の供給管５７ｂは、外側ケース６７を貫通して配置され、第１の供給母管５８ａ及び第２の供給母管５８ｂは、外側ケース６７を囲むように配置される。
内側ケース６６及び内側ライナ５２の間と、外側ケース６７及び外側ライナ５３の間には、空気２の流路が形成される。

圧縮空気導入口６８は、圧縮機２１から出力された圧縮された空気２をケーシング６５の内部に導入する。図７に示す例では、燃料噴射器モジュール４５の中心部の上流側に圧縮空気導入口６８が形成される。圧縮空気導入口６８から導入された空気２の一部は、水素供給管５６の間を抜けて燃料噴射器モジュール４５の空気導入管３１に流入し、他の一部は、ケーシング６５と燃焼器ライナ５１との間に形成された流路に沿って流れる。
圧縮空気導入口６８の具体的な構成は限定されず、例えば空気２を旋回させるスワラー等が設けられてもよい。

［空気孔］
以下では、ライナヘッド５０及び燃焼器ライナ５１により囲まれた燃焼領域５に空気２を導入するための空気孔について説明する。

図８は、第１の空気孔の構成例を示す模式図である。
第１の空気孔７１は、互いに隣接した燃料噴射器モジュール４５の間に設けられた空気孔である。より詳しくは、第１の空気孔７１は、各モジュールの間に多数設けられた微小空気孔である。例えば第１の空気孔７１の直径は、各燃料噴射器３０の直径（空気導入管３１の直径）よりも十分に小さく設定される。第１の空気孔７１は、燃焼領域５の上流に設けられた一次空気孔であると言える。

図８に示す例では、ライナヘッド５０において、隣接する燃料噴射器モジュール４５の間に微小な第１の空気孔７１が多数設けられる。これにより、各燃料噴射器モジュール４５が作る水素火炎４に対して、比較的穏やかにかつ安定して空気２を供給することが可能となる。また空気流は、燃料噴射器３０からの混合気体の噴射方向に沿って発生するため、水素火炎４をコンパクトにまとめるとともに、逆火等の発生を抑制することが可能となる。この結果、水素火炎４の安定化を図ることが可能となる。
なお図８に示すように、第１の空気孔７１は、隣接する燃料噴射器モジュール４５の間だけではなく、各燃料噴射器モジュール４５の内側や外側に沿って設けられてもよい。これにより、個々の燃料噴射器モジュール４５を囲うように空気が導入され、水素火炎４を十分に安定化
させることが可能となる。

第１の空気孔７１を設ける箇所は、ライナヘッド５０に限定されない。図７では、燃焼器ライナ５１に複数の第１の空気孔７１が設けられる。なお図７に示す例では、燃料噴射器モジュール４５の内側や外側（図中の下側や上側）に設けられた第１の空気孔７１が図示されており、第１の空気孔７１を通過して燃焼領域５に供給される空気２が細かい点線の矢印で図示されている。もちろん、燃焼器ライナ５１において各燃料噴射器モジュール４５の間となる部分に、第１の空気孔７１が設けられてもよい。
このように、ライナヘッド５０及び燃焼器ライナ５１の少なくとも一方は、互いに隣接した燃料噴射器モジュールの間に設けられた複数の第１の空気孔７１を有する。

図９は、第２の空気孔の構成例を示す模式図である。
第２の空気孔７２は、燃焼領域５における水素火炎４の流れに対して略垂直に空気を流入させる空気孔である。第２の空気孔７２は、典型的には、燃焼器ライナ５１において、ライナヘッド５０と燃焼ガス排出口５４との中間部分に設けられる。第２の空気孔７２の直径は限定されず、例えば第１の空気孔７１の直径と同程度でもよいし、燃料噴射器３０の直径（空気導入管３１の直径）よりも大きくてもよい。第２の空気孔７２は、垂直流入型の二次空気孔であると言える。

図７等に示すように、燃焼器ライナ５１の中間部分では、混合気体が噴射されるＸ方向（水素火炎４の流れの方向）と平行に側面が構成される。このように、水素火炎４の流れに沿った側面に対して、直交するように第２の空気孔７２が形成される。これにより、水素火炎４に対して略垂直に空気を導入することが可能となる。
図９に示す例では、第２の空気孔７２として比較的な小さな貫通孔が多数形成される。なお図９では、燃焼器ライナ５１の概形を点線で図示している。ここでは、燃料噴射器モジュール４５の間となる位置に第２の空気孔７２が形成されているが、これに限定されず、各燃料噴射器モジュール４５と重なる位置に第２の空気孔７２が形成されてもよい。

また図７には、水素火炎４の流れに沿った側面に設けられた、直径が比較的大きな第２の空気孔７２が図示されており、第２の空気孔７２を通過して燃焼領域５に供給される空気２が粗い点線の矢印で図示されている。ここでは、空気２をガイドするためのハトメ状のガイド管が用いられる。このガイド管を用いることで、燃焼器ライナ５１の側面の形状に関わらず、水素火炎４に対して略垂直に空気を導入することが可能である。

複数の第２の空気孔７２を設けて、各燃料噴射器モジュール４５が作る水素火炎４に対して、略垂直に空気２を流入させることで、保炎部３３の後方に形成される温度の高い燃焼ガスを含む再循環保炎領域（還流領域）を短縮化させることが可能となる。これにより、局所的に高温となる領域を減少させ、低ＮＯｘでコンパクトな安定火炎を実現することが可能となる。また例えば水素燃焼器２２の運転状態等が変化した場合でも、水素火炎４の拡大を十分に抑制することが可能である。

なお、図７に示す燃焼器ライナ５１には、第１の空気孔７１や第２の空気孔７２の他にも空気２を流入させる各種の空気孔が設けられる。例えば、側面に設けられた貫通孔やスリット、燃焼器ライナを貫通するガイド管等が、空気孔として適宜設けられてよい。図７には、このような各種の空気孔から流入する空気が実線の矢印により模式的に図示されている。

このように、水素燃焼器２２は、図３を参照して説明した燃料噴射器３０をモジュール化し、中心部と周辺部との２段階に燃料供給系統を区分させて、水素燃料の噴射・混合のパターンの制御範囲を拡大している。
また、２段階の燃料噴射器モジュールを１単位にしたものを環状に多数配置することで、微細で安定した水素火炎４を分布の少ない温度場として実現させている。
さらに、広い運転範囲にて水素火炎４を小さな容積内で完結させるために、燃料噴射器３０の周囲ならびに燃焼器ライナ５１の側面に空気流入孔（第１の空気孔７１や第２の空気孔７２）を設けている。これらの空気孔から流入する空気２流れの分布設計を幅広い運転範囲を満たすよう設計することにより、水素火炎４の十分な安定化を図ることが可能となる。

［水素供給ラインの構成］
図１０は、水素供給ラインの一例を示す模式図である。
水素供給ライン２５は、水素ポンプ８０と、第１の遮断弁８１と、第２の遮断弁８２と、分配弁８３と、複数の流量調整弁８４とを有する。これら水素供給ライン２５の各部は、図２を参照して説明した制御部２６により制御される。なお、図１０では、燃料噴射器モジュール４５を１つの中央燃料噴射器３０ａと２つの周辺燃料噴射器３０ｂとを用いて模式的に図示している。

水素ポンプ８０は、水素タンク２４に貯蔵された水素１を、下流に設けられたラインに送り出す。ここでは、水素ポンプ８０が水素タンク２４に直接接続されているが、バッファタンクやバッファ容器等が設けられてもよい。極低温の液化水素は冷却に用いることが可能なため、バッファタンクやバッファ容器等に必要量以上をプールし、そこから必要な量の水素が下流に送り出される。

また、水素供給ライン２５では、燃焼器入口（水素噴射管３２の開口端４２）においては水素１がガス（気体）の状態で供給されることが前提となるが、極低温の液化水素を供給し管理する観点から、水素ポンプ８０は超臨界状態の水素１を上流からポンプ圧送するように構成される。超臨界状態の水素１は、燃焼器入口に到達するまでに気体に変化する。例えば、流量調整弁８４の下流に、液体水素蒸発器等が設けられ、流量調整後に水素１が気化する。

第１の遮断弁８１及び第２の遮断弁８２は、ともに水素１の流れを遮断し、水素１の供給を停止する弁であり、例えば２方向電磁弁等が用いられる。水素ポンプ８０の下流側には、第１の遮断弁８１及び第２の遮断弁８２がこの順番で設けられる。このように水素供給ライン２５には、水素ポンプ８０の下流においては、緊急時に燃料を遮断する２重の遮断弁が設置される。

分配弁８３は、第２の遮断弁８２の下流側に接続され、水素１の供給系統を分ける弁である。ここでは、分配弁８３により、２つの供給系統（第１の供給系統８５ａ及び第２の供給系統８５ｂ）が形成される。第１の供給系統８５ａは、各燃料噴射器モジュール４５のうち中央燃料噴射器３０ａに水素１を供給する系統である。第２の供給系統８５ａは、各燃料噴射器モジュール４５のうち周辺燃料噴射器３０ｂに水素１を供給する系統である。
分配弁８３は、例えば分岐用のパイプでもよいし、分岐用のパイプに電磁弁を組み合わせて各供給系統への水素供給をカットできるような構成にしてもよい。

複数の流量調整弁８４は、分配弁で分けられた各供給系統を構成する配管に接続され、各供給系統の水素１の供給量（流量）を調整する。流量調整弁８４としては、例えば極低温用の電磁流量調整弁等が用いられる。

図１０に示す例では、複数の流量調整弁８４として、第１の供給系統８５ａに接続される第１の流量調整弁８４ａと、第２の供給系統８５ａに接続される第２の流量調整弁８４ｂとが設けられる。また第１の流量調整弁８４ａ及び第２の流量調整弁８４ｂは、図７を参照して説明した第１の供給母管５８ａ及び第２の供給母管５８ｂにそれぞれ接続される。
各流量調整弁８４は、接続される供給系統８５における水素の総量を調整する。この２つの流量調整弁８４により、全ての燃料噴射器モジュール４５について２段階の燃料供給が可能となる。

また水素供給ライン２５では、流量調整弁８４による水素１の供給量の調整のほかに、水素ポンプ８０の圧力を調整して水素１の供給量を調整することも可能である。例えば、水素ポンプ８０による圧送時の圧力を調整することで、燃料噴射器３０に供給される水素１の供給量が調整される。また例えば、各供給系統に圧力調整弁等が設けられ、配管内の圧力が調整されてもよい。

なお、図１０に示す構成において、複数の燃料噴射器モジュール４５をグループに分けて、グループごとに水素の供給量や燃焼パターンが制御されてもよい。例えば、グループごとに、分配弁８３と、２つの流量調整弁８４（第１の流量調整弁８４ａ及び第２の流量調整弁８４ｂ）とが設けられる。また例えば、グループごとに２つの供給系統を形成する分配弁８３が用いられてもよい。この場合、グループの数をＮとすると、Ｎ×２の供給系統を形成する分配弁８３が用いられる。
これにより、一部の燃料噴射器モジュール４５のみを使用するといったことが可能となり、低燃費な運転等を実現することが可能となる。

［水素燃焼器システムの動作］
図２を参照して説明した制御部２６は、上記した水素ポンプ８０、流量調整弁８４、分配弁８３等を制御して、水素燃焼器２２に設けられた複数の燃料噴射器３０（燃料噴射器モジュール４５）の動作を制御する。以下では、制御部２６による水素燃焼器２２の制御について説明する。

制御部２６は、中央燃料噴射器３０ａ又は周辺燃料噴射器３０ｂのどちらか一方にのみに水素１を供給してもよい。例えば、制御部２６により、中央燃料噴射器３０ａに接続される第１の供給系統８５ａ又は周辺燃料噴射器３０ｂに接続される第２の供給系統８５ｂのどちらか一方に水素１が供給されるように、分配弁８３が制御される。また例えば、制御部２６により、中央燃料噴射器３０ａに接続される第１の流量調整弁８４ａ又は周辺燃料噴射器３０ｂに接続される第２の流量調整弁８４ｂのどちらか一方の流量がゼロとなるように制御される。

これにより、例えば燃料である水素１の残量が少ない場合や、供給可能な水素１が少ない場合等には、中央燃料噴射器３０ａ又は周辺燃料噴射器３０ｂのどちらか一方を使用するといった運転が可能となる。
例えば燃料噴射器３０への水素１の供給量が低下することで燃焼が不安定になる場合がある。そこで燃料噴射器３０の使用数を限定することで、実際に使用する燃料噴射器３０への水素１の供給量を確保し、不安定燃焼を抑止することが可能となる。

＜始動時の制御＞
制御部２６は、水素燃焼器２２の始動時に、中央燃料噴射器３０ａにのみ水素１を供給して、中央燃料噴射器３０ａをパイロット噴射器として動作させてもよい。
水素燃焼器２２の始動時とは、それまで停止していた水素燃焼器２２において水素火炎４を生成する燃焼動作を開始するタイミングである。例えば航空機１０のジェットエンジン２０の始動時に、水素燃焼器２２が始動される。制御部２６は、例えばエンジンの始動スイッチがＯＮになった場合、第１の供給系統８５ａから中央燃料噴射器３０ａに水素を供給する。なお、第２の供給系統８５ｂから周辺燃料噴射器３０ｂへの水素１の供給は行わない。

ジェットエンジン２０の始動時には、水素燃焼器２２に供給される空気流量が少ない。このような状態では、全ての燃料噴射器３０を適正に作動させることが難しい。また推力が不要な状態で全ての燃料噴射器３０を作動させると、水素１を不必要に消費することになる。
そこで、ジェットエンジン２０の始動時に、燃料噴射器モジュール４５のうち中央燃料噴射器３０ａにだけ水素１を供給することで、中央燃料噴射器３０ａを唯一作動するパイロット噴射器として機能させることが可能である。なお、水素１が供給されない周辺燃料噴射器３０ｂは、中央燃料噴射器３０ａに空気２を供給する空気孔として機能する。これにより、ジェットエンジン２０の始動時に安定した水素火炎４を確実に発生させることが可能となる。

なお、ジェットエンジン２０（水素燃焼器２２）の運転中に、周辺燃料噴射器３０ｂにのみ水素１を供給し、中央燃料噴射器３０ａを作動させないといった制御も可能である。この場合には、中央燃料噴射器３０ａは、水素１を噴射しない旋回空気の供給孔として機能し、周辺燃料噴射器３０ｂにより形成される水素火炎４の安定化に寄与する。

＜運転中の制御＞
制御部２６は、水素燃焼器２２の運転中に、中央燃料噴射器３０ａへの水素１の供給量を周辺燃料噴射器３０ｂへの水素１の供給量よりも小さくしてもよい。
水素燃焼器２２の運転中とは、例えば水素燃焼器２２において所定の出力範囲で水素火炎４を継続して発生させている期間を意味し、典型的には水素燃焼器２２を通常運転している期間である。このような期間には、中央燃料噴射器３０ａへの水素１の供給量が周辺燃料噴射器３０ｂよりも小さく設定される。この制御動作は、動作モードの選択によりＯＮ／ＯＦＦが切り換えられてもよい。

本実施形態に係る水素燃焼器２２では、個々の燃料噴射器３０が部分予混合燃焼器として、急速混合と燃焼を行う構成となっている。すなわち水素１の供給量を制御することで、各燃料噴射器３０における水素１と空気２との流量比を制御することが可能であり、水素火炎４の分布や特性を個別に制御することが可能である。
具体的には、中央燃料噴射器３０ａ及び周辺燃料噴射器３０ｂの２種類の燃料噴射器３０により形成される水素火炎４が制御される。

例えば、燃料噴射器モジュール４５を構成する全ての燃料噴射器３０に対して同様の供給量で水素１を供給した場合、各燃料噴射器３０が近接して配置されていることもあり、局所的に高温となる水素火炎４が形成される可能性がある。これに対し、中央燃料噴射器３０ａへの水素１の供給量を周辺燃料噴射器３０ｂよりも小さくした場合、各燃料噴射器モジュール４５により形成される水素火炎４の中央部分が薄くなる。これにより、局所的な高温燃焼部を排除することが可能となり、有害ガスである窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を抑制すことが可能となる。

上記した動作では、各燃料噴射器３０への水素１の供給量は、中央燃料噴射器３０ａへの水素１の供給量が周辺燃料噴射器３０ｂよりも小さくなるように、要求されるエンジン出力等に応じて適宜設定される。
なお、中央燃料噴射器３０ａの配置数は、周辺燃料噴射器３０ｂの配置数よりも十分に少ない。このため、中央燃料噴射器３０ａへの水素１の供給量を下げても、余裕をもって全体の出力を制御することが可能である。

＜逆火を防止する制御＞
制御部２６は、水素火炎４の逆火が発生しないように、燃料噴射器３０に対する水素１の供給量を制御してもよい。
航空機１０に搭載された水素燃焼器２２では、幅広い燃焼器入口条件（圧力・温度・風速）での動作が求められる。これらの各条件に対して、適切な燃料流量と燃料噴射器３０（水素噴射管３２）内部の流速を維持することで、燃焼速度の速い水素燃料を用いても逆火を起こさない水素火炎４を形成することが可能となる。

例えば、水素１の供給量を大きくして流速を増大させることで、逆火を回避することがでできる。また例えば、空気２の流速（風速）が十分に高い場合には、水素１の流速を多少低下させても逆火を回避することができる。この他、圧力や温度の条件によって、逆火が発生する条件が異なる。

制御部２６では、このような条件のパラメータ（圧力、温度、風速）を各種のセンサから取得し、取得した情報をもとに水素火炎４の逆火が発生しないような水素１の供給量を設定する。なお、水素１の供給量は、例えば第１の供給系統８５ａ及び第２の供給系統８５ｂの両方についてそれぞれ設定される。
これにより、幅広い運転条件で逆火を起こさない安定した水素火炎４を形成することが可能となる。

＜燃焼方式を切り替える制御＞
制御部２６は、燃料噴射器３０における燃焼において形成される火炎形態が拡散火炎又は予混合火炎のどちらか一方が支配的となるように水素１の供給量を制御してもよい。
上記したように、部分予混合燃焼器として機能する燃料噴射器３０では、空気２と水素１との混合のさせかたによって、拡散火炎又は予混合火炎の一方が支配的になる火炎形態を実現すること可能である。制御部２６は、水素１の供給量を調整することで、拡散火炎又は予混合火炎を切り替える。

拡散火炎は、空気２（酸素）が水素１の火炎の外側から拡散により供給される燃焼形態（拡散燃焼）で形成される火炎である。例えば燃料噴射器３０に対する水素１の供給量を絞り、水素１の流量・流速が低い状態では、空気２と水素１とが十分に混合されないまま火炎が形成される。このような状態で発生する火炎は、拡散燃焼に伴う拡散火炎であり、比較的広がりの少ない安全な火炎となる。

予混合火炎は、空気２と水素１との混合気体が燃焼して火炎を形成する燃焼形態（予混合燃焼）で形成される火炎である。例えば燃料噴射器３０に対する水素１の供給量を増大し、水素１の流量・流速が十分に高い状態では、空気２と水素１との急速混合が実現する。急速混合により生成された混合気体が燃焼して火炎が形成される。このような状態で発生する火炎は、予混合燃焼に伴う予混合火炎であり、例えば拡散火炎よりも広がりのある高温な火炎となる。

例えば拡散火炎が支配的な火炎を形成する場合には、燃焼器入口条件等に応じて水素１の供給量を低下させる制御が行われる。また予混合火炎が支配的な火炎を形成する場合には、燃焼器入口条件等に応じて水素１の供給量を増加させる制御が行われる。なお、水素燃焼器２２の通常運転時には、基本的に予混合火炎が支配的な水素火炎４が形成される。このように、各燃料噴射器３０が形成する微小火炎構造を拡散火炎・予混合火炎のいずれにも任意に変化させる制御が行われてもよい。

＜高空着火時の制御＞
航空機１０に搭載された水素燃焼器２２では、大気圧が十分に低くなる高度（例えば高度１０００ｍ付近）での再着火（高空着火）が必要になる。
このような高空着火を実現するための制御として、制御部２６は、大気圧が所定のレベルよりも低い状態で水素火炎４が消えた場合、中央燃料噴射器３０ａへの水素１の供給量を周辺燃料噴射器３０ｂへの供給量よりも大きくしてもよい。

具体的には、大気圧センサ等を用いて検出した大気圧が所定の閾値以下であり、水素火炎４が消失した場合には、中央燃料噴射器３０ａへの水素１の供給量が周辺燃料噴射器３０ｂよりも大きく設定する。
典型的には、周辺燃料噴射器３０ｂへの水素１の供給がカットされ、中央燃料噴射器３０ａへの水素１の供給量が増大される。

高空着火を行う場合、地上や比較的低い高度と比べて、燃焼器ライナ５１に流入する希釈空気が相対的に少なくなるため、再着火が難しくなることがある。
このように、希釈空気が相対的に少ない時には、上記したように、中央燃料噴射器３０ａに対して多量の燃料供給を行うことで、中央燃料噴射器３０ａにより相対的に空気の少ない環境で燃料過濃の燃料噴射機能を実現することができる。

また、周囲のノズル（周辺燃料噴射器３０ｂ）は、燃料供給がカットされた状態、又は燃料供給が相対的に少ない状態となる。この結果、周辺燃料噴射器３０ｂにより、強い旋回空気で中央燃料噴射器３０ａからの燃料流を包む構造が構成される。
これにより、全体的に燃焼器ライナ５１に流入する空気量が少ない条件であっても、適切に限られた領域で着火・保炎を計ることが可能となる。

＜燃焼振動の発生を抑制する制御＞
燃焼振動は、例えば燃焼領域５（燃焼器ライナ５１）内で圧力と火炎とが互いに変動を強めあうように働くことで発生する圧力振動である。水素燃焼器２２の運転状態や、外部環境の気圧・温度・風速等の各種の条件が揃うと、燃焼振動が発生する。
このような燃焼振動を抑制するための制御として、制御部２６は、燃焼振動の予兆が検出された場合に、燃料振動が抑制されるように水素１の供給量を制御してもよい。

例えば、水素燃焼器２２の各部（ケーシング６５や燃焼器ライナ５１）の圧力や温度等をモニタリングされる。このモニタリング結果に対して、機械学習等を用いた燃焼振動の予測処理を実行して、燃焼振動の発生を予測することが可能である。そのほか、燃焼振動の初期に発生する振動等を検出してもよい。
制御部２６は、このような燃焼振動の予兆が検出された場合に、各供給系統への水素１の供給量を変化させ、燃焼振動の発生を事前に回避する。

例えば、中央燃料噴射器３０ａ又は周辺燃料噴射器３０ｂの少なくとも一方について、上記した拡散火炎が支配的になるように水素１の供給量が絞られる。これにより、燃焼状態が変化して、燃焼振動の発生を回避することが可能となる。また、中央燃料噴射器３０ａ又は周辺燃料噴射器３０ｂの少なくとも一方について、水素１の供給をカットしてもよい。
このように、燃料噴射器モジュール４５ごとの燃料配分を変化させることで、燃焼振動の発生をおさえることが可能となる。

以上、本実施形態に係る水素燃焼器２２では、複数の燃料噴射器３０をモジュール化した燃料噴射器モジュール４５が設けられる。各燃料噴射器３０では、空気導入管３１の内壁３１ｂと衝突するように旋回空気２に対して略垂直に水素１が噴射され、空気２と水素１とが十分に混合される。混合気体は、ステップ状の保炎部３３から噴射される。これにより各燃料噴射器３０は、幅広い運転範囲での動作が可能となる。また燃料噴射器モジュール４５の各燃料噴射器３０には、複数の供給系統にわけて水素１が供給される。これにより、燃焼器全体での燃料の噴射や混合の制御パターンが広がり、幅広い運転範囲で水素火炎４を維持することが可能となる。

灯油に似た炭化水素系燃料からなるジェット燃料を使用した航空用エンジンでは、幅広い運転範囲を満足する運転が実現されている。一方で、水素を燃料とする場合、従来と同じ設計基準では、ＮＯｘ等の排出量を抑制しつつ水素の安定火炎を実現することが難しい。

例えばろうそくに似た拡散火炎を多点で形成して低ＮＯｘ化を図る方法（特許文献１参照）では、拡散火炎を多点で形成する燃焼場は、主に燃焼器の形状によって実現されており運転制御項目が少ない。このため幅広い運転範囲に適用することが難しい。
また流体的な渦を利用して水素燃料と空気とを急速混合させた後に浮き上がり火炎を形成して低ＮＯｘ化を図る方法（非特許文献１参照）では、急速混合が流体の構造に依存しており、幅広い運転範囲で適正な浮き上がり火炎を形成することが難しい。
また水素と空気とを混合して噴射する噴射器において噴射孔を微細化して、逆火等の発生を防止する方法（非特許文献２参照）では、噴射孔を微細な一体化構造とする必要があり、製作性・構造安定性が低下する可能性がある。

本実施形態では、各々が比較的小さな火炎帯を維持する燃料噴射器３０を多段化したモジュールを環状に配して水素燃焼器２２が構成される。
各燃料噴射器３０では、空気導入管３１の内側に水素噴射管３２が配置される。水素噴射管３２に設けられた噴射孔４１からは、空気導入管３１の旋回器３７を通過した旋回空気に対して、略垂直に水素１が噴射される。この時、水素１は空気導入管３１の内壁に衝突することで、空気２との急速混合が促される。

このように、各燃料噴射器３０では、機械的な構造により急速混合を実現しており、運転範囲が変化した場合でも水素１の供給量等を変えることで容易に安定火炎を実現可能である。また、水素１の供給量を絞ることで、予混合火炎と拡散火炎とを切り替えることが可能であり、状況に応じて燃焼形態を変化させることが可能である。

また複数の燃料噴射器３０を多段化した燃料噴射器モジュール４５では、中央燃料噴射器３０ａ及び複数の周辺燃料噴射器３０ｂが、それぞれ異なる供給系統に接続される。
これにより、２つの供給系統についての供給量を適宜設定することで、燃料噴射器モジュール４５ごとに、様々な燃焼パターンを実現することが可能となる。

例えば、定常運転時に、局所的な高温部が形成されないような燃焼パターンにより、ＮＯｘの排出量を低減することが可能である。また例えば、流入空気が少ない状況でも、中央燃料噴射器３０ａを選択的に作動させることで、安定した火炎を形成することが可能である。
このように、供給系統を分けて燃料噴射器３０を制御することで、幅広い運転範囲で安定した水素火炎４を維持することが可能となる。

また本実施形態に係る水素燃焼器２２は、比較的単純な設計単位（燃料噴射器３０）を複数組み合わせることで全体初期設計が可能である。これにより、製作性や構造安定性を十分に向上することが可能となる。また各燃料噴射器３０の取付や交換等を容易に行うことが可能であり、メンテナンス性を向上することが可能となる。

＜その他の実施形態＞
本発明は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。

図１１は、他の実施形態に係る水素供給ラインの一例を示す模式図である。
図１１に示す水素供給ライン１２５では、第１の遮断弁８１及び第２の遮断弁８２の下流で、燃料噴射器モジュール４５ごとに供給系統が分けられ、供給系統ごとに流量調整弁８４と分配弁８３とがこの順番で設けられる。

ここでは、分配弁８３により、中央燃料噴射器３０ａ及び周辺燃料噴射器３０ｂへの分配パターンが制御される。これにより、例えば中央燃料噴射器３０ａ及び周辺燃料噴射器３０ｂのどちらか一方に燃料を分配するパターン、両方に燃料を分配するパターン、及び両方に燃料を分配しないパターン等が実現される。
また、流量調整弁８４により、各燃料噴射器モジュール４５に対する水素１の供給量の総量が調整される。

これにより、複数の燃料噴射器モジュール４５ごとに水素燃料の供給量を制御することが可能となる。また各燃料噴射器モジュール４５において中央燃料噴射器３０ａ及び周辺燃料噴射器３０ｂの燃焼パターンを制御することが可能となる。

上記の実施形態では、燃料噴射器モジュールに中央燃料噴射器が１つだけ設けられた。これに限定されず、１つの燃料噴射器モジュールに、複数の中央燃料噴射器が設けられてもよい。この場合、複数の中央燃料噴射器がモジュールの中央に配置され、それを囲むように複数の周辺燃料噴射器が配置される。また複数の中央燃料噴射器は第１の供給系統に接続され、複数の周辺燃料噴射器は第２の供給系統に接続される。

水素燃焼器における燃料噴射器モジュール（ノズルモジュール）の配置は、任意に設定されてよい。例えば図５～図７等では、燃料噴射器モジュールを単位として、環状型（annular type）の水素燃焼器が構成された。例えば各燃料噴射器モジュールに円筒型の燃焼缶（燃焼器ライナ）を設け、それらを個別に配置した缶型（can type）の水素燃焼器２２が構成されてもよい。また燃焼缶が付いた燃料噴射器モジュールを円環状に配置して環状缶型（cannular type）の水素燃焼器２２が構成されてもよい。

また燃料噴射器モジュールが１つだけ設けられてもよい。例えば内側と外側にそれぞれ複数の燃料噴射器を円環状に配置した燃料噴射器モジュールが構成されてもよい。この場合、内側の燃料噴射器と外側の燃料噴射器とが別々の供給系統に接続される。この他、燃料噴射器モジュールの数や、構成は限定されない。

上記では、推力を発生させるジェットエンジンに水素燃焼器が搭載された。これに限定されず、ガスタービン用燃焼器として水素燃焼器が構成されてもよい。例えば推進系が電動化された航空機に搭載される電力供給用の発電装置向けのガスタービン燃焼器に本発明が適用される。
発電装置には、空気を圧縮する圧縮機と、水素燃焼器と、水素燃焼器からの燃焼ガスを駆動源として圧縮機及び発電機を駆動するタービンとが設けられる。これは、例えば図２を参照して説明したジェットエンジンの回転軸を用いて発電機を駆動して、電力を発生させる装置である。

航空機に搭載される発電装置では、電力抽出要求が高く、また航空運転時の条件範囲（空気の圧力・温度等）が広い。このため、定置用の発電用ガスタービンに比べ幅広い運転範囲でロバストに安定火炎を維持する必要がある。このような発電装置に本発明を適用することで、幅広い運転範囲で安定した電力供給を行うことが可能となる。

また定置型の発電装置に対して本発明が用いられてもよい。例えば工場や家庭に設けられる発電装置のガスタービン燃焼器として、本発明に係る水素燃焼器が用いられる。これにより、例えば電力需要の急激な変化により、発電装置の負荷が変動するような場合であっても、ＮＯ排出量が抑制された安定した水素火炎を実現し、クリーンな運転を維持することが可能となる。

以上説明した本発明に係る特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。すなわち各実施形態で説明した種々の特徴部分は、各実施形態の区別なく、任意に組み合わされてもよい。また上記で記載した種々の効果は、あくまで例示であって限定されるものではなく、また他の効果が発揮されてもよい。

４…水素火炎
５…燃焼領域
１０…航空機
２０…ジェットエンジン
２１…圧縮機
２２…水素燃焼器
２３…タービン
２６…制御部
３０…燃料噴射器
３０ａ…中央燃料噴射器
３０ｂ…周辺燃料噴射器
３１…空気導入管
３２…水素噴射管
３３…保炎部
３７…旋回器
４５…燃料噴射器モジュール
５０…ライナヘッド
５１…燃焼器ライナ
５６…水素供給管
７１…第１の空気孔
７２…第２の空気孔
１００…水素燃焼器システム

Claims (16)

1. 各々が、空気を旋回させる旋回器を有する空気導入管と、前記空気導入管の内壁に衝突するように前記旋回器を通って旋回する空気に対して略垂直に気体の水素を噴射する水素噴射管と、前記空気と前記水素との混合気体の流路をステップ状に広げる保炎部とを有する複数の燃料噴射器をモジュール化した少なくとも１つの燃料噴射器モジュールと、
   前記燃料噴射器モジュールを構成する前記複数の燃料噴射器の前記水素噴射管に複数の供給系統を分けて水素を供給する水素供給管と
   を具備する水素燃焼器。
2. 請求項１に記載の水素燃焼器であって、
   前記少なくとも１つの燃料噴射器モジュールは、複数の燃料噴射器モジュールを含み、
   前記水素供給管は、前記複数の燃料噴射器モジュールの各々について供給系統を分けて前記水素を供給する
   水素燃焼器。
3. 請求項２に記載の水素燃焼器であって、
   前記複数の燃料噴射器モジュールは、円環状に配置される
   を具備する水素燃焼器。
4. 請求項２又は３に記載の水素燃焼器であって、
   前記水素燃焼器は、
   前記複数の燃料噴射器モジュールを支持するライナヘッドと、
   前記ライナヘッドに接続され、前記複数の燃料噴射器モジュールの下流に形成される燃焼領域を囲む燃焼器ライナとを有する
   水素燃焼器。
5. 請求項４に記載の水素燃焼器であって、
   前記ライナヘッド及び前記燃焼器ライナの少なくとも一方は、互いに隣接した前記燃料噴射器モジュールの間に設けられた複数の第１の空気孔を有する
   水素燃焼器。
6. 請求項４に記載の水素燃焼器であって、
   前記燃焼器ライナは、前記燃焼領域における水素火炎の流れに対して略垂直に前記空気を流入させる複数の第２の空気孔を有する
   水素燃焼器。
7. 各々が、空気を旋回させる旋回器を有する空気導入管と、前記空気導入管の内壁に衝突するように前記旋回器を通って旋回する空気に対して略垂直に気体の水素を噴射する水素噴射管と、前記空気と前記水素との混合気体の流路をステップ状に広げる保炎部とを有する複数の燃料噴射器をモジュール化した少なくとも１つの燃料噴射器モジュールと、
   前記燃料噴射器モジュールを構成する前記複数の燃料噴射器の前記水素噴射管に複数の供給系統を分けて水素を供給する水素供給管と
   を有する水素燃焼器と、
   前記水素燃焼器の運転に関する運転情報に基づいて、前記複数の供給系統における前記水素の供給量を制御する制御部と
   を具備する水素燃焼器システム。
8. 請求項７に記載の水素燃焼器システムであって、
   前記複数の燃料噴射器は、少なくとも１つの第１の燃料噴射器と、前記第１の燃料噴射器とは異なる供給系統に接続される複数の第２の燃料噴射器とを含み、
   前記燃料噴射器モジュールは、前記第１の燃料噴射器を中央に配置し、前記第２の燃料噴射器を前記第１の燃料噴射器を囲むように環状に配置して構成される
   水素燃焼器システム。
9. 請求項８に記載の水素燃焼器システムであって、
   前記制御部は、前記第１の燃料噴射器又は前記第２の燃料噴射器のどちらか一方にのみに前記水素を供給する
   水素燃焼器システム。
10. 請求項８に記載の水素燃焼器システムであって、
    前記制御部は、前記水素燃焼器の始動時に、前記第１の燃料噴射器にのみ前記水素を供給して、前記第１の燃料噴射器をパイロット噴射器として動作させる
    水素燃焼器システム。
11. 請求項８に記載の水素燃焼器システムであって、
    前記制御部は、前記水素燃焼器の運転中に、前記第１の燃料噴射器への前記水素の供給量を前記第２の燃料噴射器への前記水素の供給量よりも小さくする
    水素燃焼器システム。
12. 請求項８に記載の水素燃焼器システムであって、
    前記制御部は、大気圧が所定のレベルよりも低い状態で水素火炎が消えた場合、前記第１の燃料噴射器への前記水素の供給量を前記第２の燃料噴射器への供給量よりも大きくする
    水素燃焼器システム。
13. 請求項７から１２のうちいずれか一項に記載の水素燃焼器システムであって、
    前記制御部は、前記燃料噴射器における燃焼において形成される火炎形態が拡散火炎又は予混合火炎のどちらか一方が支配的となるように前記水素の供給量を制御する
    水素燃焼器システム。
14. 請求項７から１２のうちいずれか一項に記載の水素燃焼器システムであって、
    前記制御部は、燃焼振動の予兆が検出された場合に、前記燃焼振動が抑制されるように前記水素の供給量を制御する
    水素燃焼器システム。
15. 空気を圧縮する圧縮機と、
    各々が、前記圧縮機からの空気を旋回させる旋回器を有する空気導入管と、前記空気導入管の内壁に衝突するように前記旋回器を通って旋回する空気に対して略垂直に気体の水素を噴射する水素噴射管と、前記空気と前記水素との混合気体の流路をステップ状に広げる保炎部とを有する複数の燃料噴射器をモジュール化した少なくとも１つの燃料噴射器モジュールと、
    前記燃料噴射器モジュールを構成する前記複数の燃料噴射器の前記水素噴射管に複数の供給系統を分けて水素を供給する水素供給管と
    を有する水素燃焼器と、
    前記水素燃焼器からの燃焼ガスを駆動源として前記圧縮機を駆動するとともに前記燃焼ガスを排出して推力を発生させるタービンと
    を具備するジェットエンジン。
16. 空気を圧縮する圧縮機と、
    各々が、前記圧縮機からの空気を旋回させる旋回器を有する空気導入管と、前記空気導入管の内壁に衝突するように前記旋回器を通って旋回する空気に対して略垂直に気体の水素を噴射する水素噴射管と、前記空気と前記水素との混合気体の流路をステップ状に広げる保炎部とを有する複数の燃料噴射器をモジュール化した少なくとも１つの燃料噴射器モジュールと、
    前記燃料噴射器モジュールを構成する前記複数の燃料噴射器の前記水素噴射管に複数の供給系統を分けて水素を供給する水素供給管と
    を有する水素燃焼器と、
    前記水素燃焼器からの燃焼ガスを駆動源として前記圧縮機及び発電機を駆動するタービンと
    を具備する発電装置。

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