JP2024090698A - Burner and combustor having the same - Google Patents

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Abstract

To prevent occurrence of backfire and suppress generation of nitrogen compound NOx during combustion.SOLUTION: A burner burns a mixture of air and fuel in a combustion chamber. The burner includes: a first supply pipe having a flow passage for supplying the air toward the combustion chamber; a second supply pipe inserted in the flow passage of the first supply pipe to supply the fuel; a restriction formation part that is provided at a tip part of the second supply pipe and forms a restriction part for restricting the flow passage with respect to an inner wall surface of the first supply pipe; a body part having an ejection hole for ejecting the fuel toward the upstream side of the flow passage; and a tubular part for sending the fuel to be supplied by the second supply pipe to the body part. The body part includes: a fuel ejection part disposed in the vicinity of the combustion chamber; and a diffusion part that is provided at a connecting portion between the first supply pipe and the combustion chamber and diffuses the air flowing from the flow passage into the combustion chamber in the combustion chamber.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、ガスタービンなどに用いられるバーナ及び当該バーナを有する燃焼器に関する。 The present invention relates to a burner used in a gas turbine or the like, and a combustor having the burner.

ガスタービン燃焼器において、水素などの燃焼速度が速いガスの燃焼の場合、燃焼範囲が広く、燃焼温度も高いため大量の窒素化合物NOxが発生する。対策として燃焼器に水蒸気や水を噴射することで、非常に高い脱硝効果を達成できるが、一般的にはガスタービンの排熱を利用した排熱ボイラの蒸気を使用するため、ガスタービンの総合熱効率が低下する。一方、ドライ低NOx燃焼方式は総合熱効率を維持できる。 When burning gases with a fast combustion speed, such as hydrogen, in a gas turbine combustor, the combustion range is wide and the combustion temperature is high, resulting in the generation of large amounts of the nitrogen compound NOx. As a countermeasure, extremely high denitrification effects can be achieved by injecting steam or water into the combustor, but this generally involves using steam from a waste heat boiler that utilizes the exhaust heat of the gas turbine, which reduces the overall thermal efficiency of the gas turbine. On the other hand, the dry low NOx combustion method can maintain the overall thermal efficiency.

特開2021-196073号公報JP 2021-196073 A

しかしながら、天然ガスなど燃焼速度が比較的遅い燃料は希薄予混合でドライ低NOx燃焼を達成できるが、水素などのガスは燃焼速度が速く、希薄予混合の場合は逆火のリスクがある。 However, while fuels with a relatively slow burning speed, such as natural gas, can achieve dry low NOx combustion with lean premixing, gases such as hydrogen have a fast burning speed and there is a risk of flashback when using lean premixing.

本発明は、上記に記載した課題を解決するために発明されたものであり、本燃焼器により、燃焼時の窒素化合物(NOx)の発生を抑制するとともに、逆火の発生を抑制するようにしたバーナ及び当該バーナを有する燃焼器を提供することを目的としている。 The present invention was invented to solve the problems described above, and aims to provide a burner and a combustor having the burner that suppresses the generation of nitrogen compounds (NOx) during combustion and suppresses the occurrence of flashbacks.

上記に記載した課題を解決するために、本発明の一側面のバーナは、燃料及び空気の混合気を燃焼室にて燃焼させるバーナであって、空気を燃焼室に向けて供給する流路を有する第1の供給管と、第1の供給管の流路に挿入されて、燃料の供給を行う第2の供給管と、第2の供給管の先端部に設けられて、第1の供給管の内壁面との間で流路を絞る絞り部を形成する絞り形成部と、流路の上流側に向けて燃料を噴出する噴出孔を有する本体部と、第2の供給管にて供給される燃料を本体部に送る管状部と、を含み、本体部が燃焼室の近傍に配置される燃料噴出部と、第1の供給管と燃焼室との接続部分に設けられて、流路から燃焼室に流入する空気を燃焼室内で拡散させる拡散部と、を有することを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, one aspect of the burner of the present invention is a burner that burns a mixture of fuel and air in a combustion chamber, and is characterized in that it includes a first supply pipe having a flow path that supplies air toward the combustion chamber, a second supply pipe that is inserted into the flow path of the first supply pipe and supplies fuel, a constriction forming section that is provided at the tip of the second supply pipe and forms a constriction section that constricts the flow path between the inner wall surface of the first supply pipe, a main body section having an ejection hole that ejects fuel toward the upstream side of the flow path, and a tubular section that sends the fuel supplied by the second supply pipe to the main body section, the main body section having a fuel ejection section that is located near the combustion chamber, and a diffusion section that is provided at the connection between the first supply pipe and the combustion chamber and that diffuses the air flowing into the combustion chamber from the flow path within the combustion chamber.

また、第1の供給管の内径をD1、絞り形成部の外径をD2、管状部の外径をD3としたとき、第1の供給管の内径D1に対する、絞り形成部の外径D2の比率は0.75から0.9に設定され、第1の供給管の内径D1に対する、管状部の外径D3の比率は0.05から0.2に設定されるものである。 In addition, when the inner diameter of the first supply pipe is D1, the outer diameter of the constriction forming portion is D2, and the outer diameter of the tubular portion is D3, the ratio of the outer diameter D2 of the constriction forming portion to the inner diameter D1 of the first supply pipe is set to 0.75 to 0.9, and the ratio of the outer diameter D3 of the tubular portion to the inner diameter D1 of the first supply pipe is set to 0.05 to 0.2.

また、第1の供給管の内径をD1、本体部から燃焼室までの距離をH1としたとき、第1の供給管の内径D1に対する、本体部から燃焼室までの距離H1の比率は0.15から0.45に設定されるものである。 In addition, when the inner diameter of the first supply pipe is D1 and the distance from the main body to the combustion chamber is H1, the ratio of the inner diameter D1 of the first supply pipe to the distance H1 from the main body to the combustion chamber is set to 0.15 to 0.45.

また、拡散部は、第1の供給管と燃焼室との接続部分に設けた円弧状の曲面であり、第1の供給管の内径をD1、拡散部の半径をR1としたとき、第1の供給管の内径D1に対する、拡散部の半径R1の比率は0.2以上に設定されるものである。 The diffusion section is an arc-shaped curved surface provided at the connection between the first supply pipe and the combustion chamber, and when the inner diameter of the first supply pipe is D1 and the radius of the diffusion section is R1, the ratio of the inner diameter D1 of the first supply pipe to the radius R1 of the diffusion section is set to 0.2 or more.

また、本発明の一側面の燃焼器は、上記記載のバーナと、前記バーナから送り込まれる混合気を燃焼させる燃焼室を内部に有する内筒と、前記内筒が収納されるとともに、収納される前記内筒との間に、前記予混合管に空気を供給する空間を有する外筒と、を備えることを特徴とする。 The combustor of one aspect of the present invention is characterized by comprising the burner described above, an inner cylinder having an internal combustion chamber for burning the mixture sent from the burner, and an outer cylinder in which the inner cylinder is housed and having a space between the inner cylinder and the outer cylinder for supplying air to the premixing tube.

また、本発明の一側面の燃焼方法は、バーナを構成する第1の供給管の内部に流れ込まれる空気により、前記第1の供給管の内部に第1の渦を生成する工程と、前記第1の供給管の内部に挿入された第2の供給管により供給される燃料を、前記第2の供給管の先端に設けたノズルを用いて、前記第1の供給管の上流側に向けて噴出させる工程と、前記第1の供給管の内部に流れ込む前記空気と、前記ノズルから噴出される前記燃料と、を、前記第1の渦により、当該燃料が燃料過多となる状態に混合する工程と、前記第1の渦により混合される前記空気と前記燃料との混合気を、前記燃焼室の内部で一次燃焼させる工程と、前記第1の供給管と前記燃焼室との接続部分に設けられた拡散部により、前記第1の供給管から前記燃焼室に送り込まれる空気を前記燃焼室の内部で拡散させて、前記燃焼室の内部に第2の渦を生成する工程と、前記一次燃焼により未燃焼となる燃料と、前記燃焼室に送り込まれる前記空気とを、前記第2の渦により混合する工程と、前記第2の渦により混合された前記燃料と前記空気との混合気を前記燃焼室の内部で二次燃焼させる工程と、を有することを特徴とする。 In addition, a combustion method according to one aspect of the present invention includes the steps of: generating a first vortex inside a first supply pipe constituting a burner by air flowing into the first supply pipe; ejecting fuel supplied by a second supply pipe inserted into the first supply pipe toward the upstream side of the first supply pipe using a nozzle provided at the tip of the second supply pipe; mixing the air flowing into the first supply pipe and the fuel ejected from the nozzle by the first vortex so that the fuel is in a fuel-rich state; and The method includes the steps of: performing primary combustion of the mixture of air and the fuel inside the combustion chamber; diffusing the air sent from the first supply pipe to the combustion chamber inside the combustion chamber by a diffusion section provided at the connection between the first supply pipe and the combustion chamber to generate a second vortex inside the combustion chamber; mixing the fuel that is unburned by the primary combustion with the air sent to the combustion chamber by the second vortex; and performing secondary combustion of the mixture of the fuel and the air mixed by the second vortex inside the combustion chamber.

本発明によると、逆火の発生を防止し、同時に、燃焼時の窒素化合物(NOx)の発生を抑制することができる。 This invention makes it possible to prevent flashbacks and at the same time suppress the generation of nitrogen compounds (NOx) during combustion.

図1は、燃焼器の一構成を示す図である。FIG. 1 illustrates one configuration of a combustor. 図2は、バーナの構成を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the burner. 図3は、バーナ及び燃焼室を流れる空気の流れを示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the air flow through the burner and the combustion chamber. 図4は、燃焼室内における温度分布を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the temperature distribution in the combustion chamber. 図5は、燃焼室内における窒素化合物(NOx)の分布を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the distribution of nitrogen compounds (NOx) in the combustion chamber. 図6は、絞り形成部の他の実施形態を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing another embodiment of the throttle forming portion. 図7は、ノズルの他の実施形態を示す図である。FIG. 7 shows another embodiment of the nozzle.

以下、本発明における燃焼器の一実施形態について、図面を用いて説明する。図1は、燃焼器10の概略構成を示す断面図である。燃焼器10は、詳細は後述するが、流入する空気により渦を発生させて、燃料と空気とを燃料過多の状態となるように混合させて、その混合気を燃焼室内で一次燃焼させる。また、燃焼器10は、燃焼室に流入する空気により燃焼室内に渦を発生させて、一次燃焼により未燃焼の燃料と空気とを混合して、その混合気を二次燃焼させる。この構成により、燃料である水素の逆火の発生を抑制することができる。なお、以下では、燃料として水素などの燃焼速度が速いガスを例に挙げているが、例えば天然ガスを燃料として用いることも可能である。 An embodiment of the combustor of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the schematic configuration of a combustor 10. The combustor 10, which will be described in detail later, generates a vortex with the incoming air, mixes the fuel and air so that the fuel is in an excess state, and burns the mixture in the combustion chamber for the primary combustion. The combustor 10 also generates a vortex in the combustion chamber with the air that flows into the combustion chamber, mixes the unburned fuel and air in the primary combustion, and burns the mixture in the secondary combustion. This configuration makes it possible to suppress the occurrence of flashback of the hydrogen fuel. Note that, in the following, a gas with a high combustion speed such as hydrogen is given as an example of the fuel, but it is also possible to use, for example, natural gas as the fuel.

燃焼器10は、例えば不図示のガスタービンなどに設けられ、燃焼にて生成される燃焼ガスを不図示のタービンに送ることで、当該タービンを回転させるものである。燃焼器10は、図1に示すように、内筒20と、外筒30と、バーナ40と、を有している。なお、燃焼室21において燃焼を開始する際に点火を行うバーナをパイロットバーナと称し、燃焼に必要となる燃料及び空気を燃焼室21に送り込むバーナ40をメインバーナと称する場合もある。 The combustor 10 is provided, for example, in a gas turbine (not shown) and rotates the turbine (not shown) by sending the combustion gas generated by combustion to the turbine. As shown in FIG. 1, the combustor 10 has an inner cylinder 20, an outer cylinder 30, and a burner 40. Note that the burner that ignites the combustion chamber 21 when combustion begins is sometimes called a pilot burner, and the burner 40 that sends the fuel and air required for combustion to the combustion chamber 21 is sometimes called a main burner.

内筒20は、不図示のパイロットバーナにより点火した火炎を用いて、或いは、プラグから直接着火させることで、バーナ40により生成された混合気を燃焼させる燃焼室21を内部に有する。内筒20は、中心軸L方向における上端部が天蓋22により閉口された、例えば円筒状などの筒形状の部材である。天蓋22は、例えば、その中心部23が外周縁部24に対して、上方に突出した形状となっている。 The inner cylinder 20 has a combustion chamber 21 inside that burns the mixture generated by the burner 40 using a flame ignited by a pilot burner (not shown) or by direct ignition from a plug. The inner cylinder 20 is a tubular member, for example, cylindrical, whose upper end in the direction of the central axis L is closed by a canopy 22. The canopy 22 has a shape such that, for example, its center portion 23 protrudes upward relative to the outer peripheral edge portion 24.

図示は省略するが、天蓋22の中心部23には、パイロットバーナが設置されている。また、天蓋22の中心部23には、燃焼器10の平面視においてパイロットバーナを取り囲むように、バーナ40が、内筒20の中心軸(L)方向を中心として所定角度間隔で、複数設けられている。また、天蓋22の外周縁部24にも、バーナ40が、内筒20の中心軸(L)方向を中心として所定角度間隔で、複数設けられている。なお、バーナ40の構成については、後述する。 Although not shown, a pilot burner is installed in the center 23 of the canopy 22. In addition, in the center 23 of the canopy 22, multiple burners 40 are provided at predetermined angular intervals centered on the central axis (L) direction of the inner cylinder 20 so as to surround the pilot burner in a plan view of the combustor 10. In addition, multiple burners 40 are also provided on the outer peripheral edge portion 24 of the canopy 22 at predetermined angular intervals centered on the central axis (L) direction of the inner cylinder 20. The configuration of the burners 40 will be described later.

外筒30は、内筒20と同様に、中心軸(L)方向における上端部が閉口した、例えば円筒状などの筒形状の部材である。外筒30は、内筒20を収納した状態で保持される。なお、外筒30は、内筒20が同軸となる状態で、内筒20を収納している。外筒30の内部に内筒20を収納した状態では、収納した内筒20との間に空間31が形成されている。空間31は、外筒30の中心軸(L)方向における下端部から外筒30の内部へと供給される空気を、天蓋22に設けたパイロットバーナや、バーナ40の空気供給管41に向けて流す供給空間(以下、供給空間31と称する)として機能する。 The outer cylinder 30, like the inner cylinder 20, is a cylindrical member with a closed upper end in the direction of the central axis (L). The outer cylinder 30 is held in a state in which the inner cylinder 20 is housed. The outer cylinder 30 houses the inner cylinder 20 in a state in which the inner cylinder 20 is coaxial with the outer cylinder 30. When the inner cylinder 20 is housed inside the outer cylinder 30, a space 31 is formed between the housed inner cylinder 20. The space 31 functions as a supply space (hereinafter referred to as the supply space 31) that flows air supplied from the lower end of the outer cylinder 30 in the direction of the central axis (L) to the inside of the outer cylinder 30 toward the pilot burner provided in the canopy 22 and the air supply pipe 41 of the burner 40.

図示は省略するが、パイロットバーナは、内筒20が有する燃焼室21に向けて、燃料及び空気を各々噴出させて、燃料及び空気を燃焼室21の内部で拡散混合させて、拡散混合される燃料を点火ロッドによる点火により燃焼させる。この燃焼により、バーナ40から燃焼室21に流入する混合気が燃焼される。 Although not shown in the figure, the pilot burner ejects fuel and air toward the combustion chamber 21 of the inner cylinder 20, diffusing and mixing the fuel and air inside the combustion chamber 21, and ignites the diffused and mixed fuel with an ignition rod to burn. This combustion burns the air-fuel mixture that flows from the burner 40 into the combustion chamber 21.

バーナ40は、燃料及び空気を混合させて混合気を生成し、当該混合気を燃焼室21に供給する。なお、詳細は後述するが、図2に示すように、バーナ40は、空気供給管41と、燃料供給管42とから構成されている。なお、バーナ40の空気供給管41は、請求項に記載の第1の供給管に、燃料供給管42は請求項に記載の第2の供給管にそれぞれ相当する。 The burner 40 mixes fuel and air to generate a mixture, and supplies the mixture to the combustion chamber 21. As shown in FIG. 2, the burner 40 is composed of an air supply pipe 41 and a fuel supply pipe 42, which will be described in detail later. The air supply pipe 41 of the burner 40 corresponds to the first supply pipe described in the claims, and the fuel supply pipe 42 corresponds to the second supply pipe described in the claims.

空気供給管41は、各々の中心軸(L2)方向が内筒20の中心軸(L)方向と水平となるように、内筒20の天蓋22の中心部及び外周縁部に設けられている。空気供給管41には、その上端部に空気が流入する流入口41aと、当該流入口41aから流入する空気を燃焼室21に供給する流路51とを有している。 The air supply pipes 41 are provided at the center and outer periphery of the canopy 22 of the inner cylinder 20 so that the direction of their respective central axes (L2) is horizontal to the direction of the central axis (L) of the inner cylinder 20. The air supply pipe 41 has an inlet 41a at its upper end through which air flows in, and a flow path 51 that supplies the air flowing in from the inlet 41a to the combustion chamber 21.

また、空気供給管41の下端部と内筒20の天蓋22との接続部分には拡散部56が設けられる。拡散部56は、例えば円弧状の曲面である。拡散部56を設けることで、空気が空気供給管41の流路51から燃焼室21へと流れ込むときに、当該空気が拡散部56に沿って流れることで、燃焼室21への流入時に拡散される。 A diffusion section 56 is provided at the connection between the lower end of the air supply pipe 41 and the canopy 22 of the inner cylinder 20. The diffusion section 56 is, for example, an arc-shaped curved surface. By providing the diffusion section 56, when air flows from the flow path 51 of the air supply pipe 41 into the combustion chamber 21, the air flows along the diffusion section 56 and is diffused when it enters the combustion chamber 21.

燃料供給管42は、燃料を空気供給管41の流路51に向けて供給する。燃料供給管42は、外筒30の上端面から内筒20の天蓋22に向けて延出され(図1参照)、内筒20の天蓋22に設けられた空気供給管41のそれぞれに挿入された状態で保持されている。 The fuel supply pipe 42 supplies fuel to the flow path 51 of the air supply pipe 41. The fuel supply pipe 42 extends from the upper end surface of the outer cylinder 30 toward the lid 22 of the inner cylinder 20 (see FIG. 1) and is held in a state inserted into each of the air supply pipes 41 provided on the lid 22 of the inner cylinder 20.

燃料供給管42は、当該燃料供給管42の先端部に絞り形成部42aを有する。絞り形成部42aは、燃料供給管42の外周面から当該燃料供給管42の径方向に突出している。なお、絞り形成部42aの形状としては、例えば燃料供給管42の先端に向けて、外径が拡径された円錐形状である。例えば、燃料供給管42が空気供給管41の内部に挿入された状態で保持されると、絞り形成部42aは、空気供給管41の下流側において、空気供給管41の内壁面41bとの間に絞り部52を形成する。絞り部52を空気供給管41の内部に設けることで、絞り部52を通過する前後の空気の流速が変化して、絞り部52を通過した空気の一部が絞り部52の下流側で渦71を形成する。なお、絞り部52を通過する空気の流速は、例えば80~100m/sに設定されることが好ましい。これにより、絞り部52を通過した空気の一部が絞り部52の下流側で、燃料と空気とを当該燃料が過多となる状態で混合させるのに適した強さの渦71を形成することができる。ここで、渦71が請求項に記載の第1の渦に相当する。 The fuel supply pipe 42 has a throttle forming portion 42a at the tip of the fuel supply pipe 42. The throttle forming portion 42a protrudes from the outer circumferential surface of the fuel supply pipe 42 in the radial direction of the fuel supply pipe 42. The throttle forming portion 42a is, for example, a cone shape with an outer diameter enlarged toward the tip of the fuel supply pipe 42. For example, when the fuel supply pipe 42 is inserted and held inside the air supply pipe 41, the throttle forming portion 42a forms a throttle portion 52 between the inner wall surface 41b of the air supply pipe 41 on the downstream side of the air supply pipe 41. By providing the throttle portion 52 inside the air supply pipe 41, the flow speed of the air before and after passing through the throttle portion 52 changes, and a part of the air that has passed through the throttle portion 52 forms a vortex 71 downstream of the throttle portion 52. It is preferable that the flow speed of the air passing through the throttle portion 52 is set to, for example, 80 to 100 m/s. As a result, a portion of the air that has passed through the throttling section 52 can form a vortex 71 downstream of the throttling section 52 that is strong enough to mix the fuel and air in an excess of fuel. Here, the vortex 71 corresponds to the first vortex described in the claims.

燃料供給管42の先端には、ノズル53が設けられている。ノズル53は請求項に記載の燃料噴出部に相当する。ノズル53は、燃料供給管42の先端面42bから、燃焼室21に向けて延出されている。ノズル53は、本体部61と、管状部62とを有する。本体部61は、燃料供給管42の先端面42b側に燃料を噴出する噴出孔63を複数有している。複数の噴出孔63は、中心軸(L2)方向を中心として、所定の角度間隔を空けて複数設けられている。 A nozzle 53 is provided at the tip of the fuel supply pipe 42. The nozzle 53 corresponds to the fuel ejection portion described in the claims. The nozzle 53 extends from the tip surface 42b of the fuel supply pipe 42 toward the combustion chamber 21. The nozzle 53 has a main body portion 61 and a tubular portion 62. The main body portion 61 has a plurality of ejection holes 63 that eject fuel toward the tip surface 42b side of the fuel supply pipe 42. The multiple ejection holes 63 are provided at predetermined angular intervals centered on the central axis (L2) direction.

(バーナ40内での空気及び燃料の混合から、燃焼までの流れの説明)
次に、バーナ40内での空気及び燃料の混合から、燃焼までの流れについて、主に図3を参照して説明する。ガスタービンの駆動に伴って、燃焼器10には、空気や燃料が供給される。燃焼器10に供給される空気は、燃焼器10の内筒20と外筒30との間に設けられた供給空間31に流入する。供給空間31に流入した空気は、空気供給管41の上端部に設けた流入口41aから当該空気供給管41の内部に流入する。空気供給管41の内部に流入した空気は、空気供給管41と燃料供給管42との間の流路51を、燃焼室21に向けて流れる。
(Explanation of the flow from mixing of air and fuel in the burner 40 to combustion)
Next, the flow from mixing of air and fuel in the burner 40 to combustion will be described mainly with reference to Fig. 3. As the gas turbine is driven, air and fuel are supplied to the combustor 10. The air supplied to the combustor 10 flows into a supply space 31 provided between the inner cylinder 20 and the outer cylinder 30 of the combustor 10. The air that has flowed into the supply space 31 flows into the air supply pipe 41 from an inlet 41a provided at the upper end of the air supply pipe 41. The air that has flowed into the air supply pipe 41 flows through a flow path 51 between the air supply pipe 41 and the fuel supply pipe 42 toward the combustion chamber 21.

上述したように、燃料供給管42は、その先端部に絞り形成部42aを有している。したがって、空気供給管41と燃料供給管42との間の流路51には、空気供給管41の内壁面と、燃料供給管42の絞り形成部42aにより、絞り部52が形成されている。 As described above, the fuel supply pipe 42 has a constriction forming portion 42a at its tip. Therefore, in the flow path 51 between the air supply pipe 41 and the fuel supply pipe 42, a constriction portion 52 is formed by the inner wall surface of the air supply pipe 41 and the constriction forming portion 42a of the fuel supply pipe 42.

燃焼室21に向けて流れる空気が絞り部52を通過するとき、空気の流速が変化する。例えば、空気供給管41の内壁面41bの近傍を流れる空気は、そのまま、空気供給管41の内壁面41bの近傍を流れる。一方、燃料供給管42の絞り形成部42aに沿って流れる空気は、絞り部52を通過すると、燃料供給管42の絞り形成部42aの下流側で、空気供給管41の中心軸L2方向側に向けた渦71を形成する。 When air flowing toward the combustion chamber 21 passes through the throttling section 52, the flow speed of the air changes. For example, air flowing near the inner wall surface 41b of the air supply pipe 41 continues to flow near the inner wall surface 41b of the air supply pipe 41. On the other hand, when air flowing along the throttling section 42a of the fuel supply pipe 42 passes through the throttling section 52, it forms a vortex 71 toward the central axis L2 direction of the air supply pipe 41 downstream of the throttling section 42a of the fuel supply pipe 42.

一方、燃焼器10に供給される燃料(水素などの燃焼速度が速いガス)は、燃料供給管42を流れた後、ノズル53に到達する。そして、ノズル53に到達した燃料は、ノズル53に設けた噴出孔63から、燃料供給管42の先端面42bに向けて、すなわち、空気供給管41の上流側に向けて噴出される。上述したように、空気供給管41の内部では、絞り部52を通過する空気によって、燃料供給管42の絞り形成部42aの下流側に渦71が形成される。したがって、燃料供給管42の絞り形成部42aの先端面42bに向けて噴出される燃料の一部は、渦71によって、空気と急速混合(予混合)される。なお、絞り部52を通過して渦71を形成する空気と当該渦71に向けて噴出される燃料とは、空気に対する燃料の当量比が1以上の状態で、すなわち、燃料過多の状態で混合される。なお、燃料過多の状態で混合される混合気は、一部が完全に混合(予混合)されるが、噴出される燃料が全て完全に混合されずに燃焼室21に向けて流れる過程で空気と拡散混合される。 On the other hand, the fuel (gas with a high combustion speed such as hydrogen) supplied to the combustor 10 flows through the fuel supply pipe 42 and then reaches the nozzle 53. The fuel that reaches the nozzle 53 is then ejected from the ejection hole 63 provided in the nozzle 53 toward the tip surface 42b of the fuel supply pipe 42, i.e., toward the upstream side of the air supply pipe 41. As described above, inside the air supply pipe 41, a vortex 71 is formed downstream of the throttle forming portion 42a of the fuel supply pipe 42 by the air passing through the throttle portion 52. Therefore, a portion of the fuel ejected toward the tip surface 42b of the throttle forming portion 42a of the fuel supply pipe 42 is rapidly mixed (premixed) with the air by the vortex 71. The air that passes through the throttle portion 52 to form the vortex 71 and the fuel ejected toward the vortex 71 are mixed in a state where the equivalence ratio of fuel to air is 1 or more, i.e., in a state of excess fuel. In addition, when an air-fuel mixture is mixed in an excess fuel state, some of the mixture is completely mixed (premixed), but not all of the injected fuel is completely mixed and is diffused and mixed with the air as it flows toward the combustion chamber 21.

ガスタービンが駆動すると、パイロットバーナによって点火される。したがって、バーナ40から燃焼室21へと供給される混合気は、拡散部56の近傍の領域76において燃焼される(一次燃焼)。すなわち、一次燃焼では、バーナ40の内部における空気と燃料との予混合により生成された混合気の燃焼(予混合燃焼)と、燃焼室21へと流れる空気と燃料との拡散混合により生成される混合気の燃焼(拡散燃焼)とが同時に行われる。上述したように、バーナ40の内部における空気と燃料との予混合により生成された混合気は、燃料過多の状態である。したがって、一次燃焼の一部である予混合燃焼では、混合気に含まれる空気濃度に応じた燃料のみが燃焼されて、未燃焼の燃料は、一次燃焼により生成されるガスや水蒸気とともに、燃焼室21の内部へと流れる。 When the gas turbine is driven, it is ignited by the pilot burner. Therefore, the mixture supplied from the burner 40 to the combustion chamber 21 is burned in the area 76 near the diffusion section 56 (primary combustion). That is, in the primary combustion, the mixture generated by premixing air and fuel inside the burner 40 (premixed combustion) and the mixture generated by diffusing the air and fuel flowing to the combustion chamber 21 (diffusion combustion) are simultaneously burned. As described above, the mixture generated by premixing air and fuel inside the burner 40 is in a state of excess fuel. Therefore, in the premixed combustion, which is part of the primary combustion, only the fuel corresponding to the air concentration contained in the mixture is burned, and the unburned fuel flows into the inside of the combustion chamber 21 together with the gas and steam generated by the primary combustion.

ところで、絞り部52を通過した空気のうち、空気供給管41の内壁面41bに沿って流れる空気は、燃焼室21へと流れ込んだときに燃焼室21の内部に拡散される。このとき、燃焼室21では、渦71によって混合された空気と燃料との混合気が燃焼室21に流れ込んでおり燃焼室21の内部で燃焼されている。したがって、空気供給管41の流路51から燃焼室21の内部に拡散された空気は、燃焼室21の内部で拡散した後、混合気が一次燃焼する領域76に向けて流れる。その結果、燃焼室21の内部において、渦72が生成される。なお、渦72は、例えば空気供給管41の内径以上の大きさとなる。なお、渦72は、請求項に記載の第2の渦に相当する。燃焼室21への空気の流入により渦72が形成されると、一次燃焼において未燃焼の燃料は、混合気の燃焼により生成される水蒸気とともに、渦72により再び空気と急速混合される。この急速混合された混合気は、一次燃焼により発生する火炎により、一次燃焼が行われる領域76よりも下方となる領域77で燃焼される(二次燃焼)。この二次燃焼により、一次燃焼において未燃焼となる燃料が燃焼される。そして、二次燃焼によって生成されるガスは、一次燃焼によって生成されるガスとともに、内筒20(図1参照)の下方へと流れて、不図示のタービンを回転させる。 By the way, the air that has passed through the narrowing section 52 and flows along the inner wall surface 41b of the air supply pipe 41 is diffused inside the combustion chamber 21 when it flows into the combustion chamber 21. At this time, in the combustion chamber 21, the mixture of air and fuel mixed by the vortex 71 flows into the combustion chamber 21 and is burned inside the combustion chamber 21. Therefore, the air diffused from the flow path 51 of the air supply pipe 41 into the combustion chamber 21 diffuses inside the combustion chamber 21 and then flows toward the area 76 where the mixture undergoes primary combustion. As a result, a vortex 72 is generated inside the combustion chamber 21. The vortex 72 is, for example, larger than the inner diameter of the air supply pipe 41. The vortex 72 corresponds to the second vortex described in the claims. When the vortex 72 is formed by the inflow of air into the combustion chamber 21, the unburned fuel in the primary combustion is rapidly mixed with the air again by the vortex 72, together with the water vapor generated by the combustion of the mixture. This rapidly mixed mixture is burned by the flame generated by the primary combustion in region 77 below region 76 where the primary combustion takes place (secondary combustion). This secondary combustion burns the fuel that is unburned in the primary combustion. The gas generated by the secondary combustion flows downwards in the inner cylinder 20 (see FIG. 1) together with the gas generated by the primary combustion, and rotates a turbine (not shown).

一次燃焼が行われる領域76では、温度が上昇して、混合気に含まれる空気が化学反応して窒素化合物NOxを生成する。しかしながら、混合気に含まれる空気のほとんどが燃料の燃焼に使用されるため、空気が化学反応することによる窒素化合物NOxの生成量は抑制される。 In the region 76 where the primary combustion takes place, the temperature rises and the air contained in the mixture reacts chemically to produce the nitrogen compound NOx. However, because most of the air contained in the mixture is used to burn the fuel, the amount of nitrogen compound NOx produced by the chemical reaction of the air is suppressed.

また、二次燃焼では、燃料の燃焼により二次燃焼が行われる領域77における温度が上昇するが、一次燃焼によって生成される水蒸気が気化することで、二次燃焼が行われる領域77において、温度が過度に上昇することを防止している。したがって、二次燃焼において、混合気に含まれる空気が化学反応しにくくなり、窒素化合物NOxの生成量は抑制される。なおかつ、渦72により再び空気と急速混合されることで、高温の燃焼ガスが希釈され、高温によるサーマル窒素化合物NOxの生成過程を止める。例えば、二次燃焼により生成されたガスは高温のままになると、高温によるサーマル窒素化合物NOxは生成し続ける。したがって、燃焼室21の全域で生成される窒素化合物NOxの生成量は抑制される。 In addition, in the secondary combustion, the temperature in the region 77 where the secondary combustion is performed rises due to the combustion of fuel, but the water vapor generated by the primary combustion vaporizes, preventing the temperature from rising excessively in the region 77 where the secondary combustion is performed. Therefore, in the secondary combustion, the air contained in the mixture is less likely to undergo chemical reactions, and the amount of nitrogen compound NOx produced is suppressed. Furthermore, the high-temperature combustion gas is diluted by being rapidly mixed with the air again by the vortex 72, and the process of generating thermal nitrogen compound NOx due to high temperature is stopped. For example, if the gas generated by the secondary combustion remains at a high temperature, thermal nitrogen compound NOx due to high temperature will continue to be generated. Therefore, the amount of nitrogen compound NOx generated throughout the entire combustion chamber 21 is suppressed.

(燃料供給管42の絞り形成部42aの外径や、ノズル53の管状部62の外径について)
上述したバーナ40の構成において、絞り部52を通過した空気により、絞り部52の下流側に渦71を生成して、空気と燃料とは、例えば空気に対する燃料の当量比が燃料過多、すなわち、当量比が1以上となるように混合される。図2に示すように、空気供給管41の内径D1、燃料供給管42の絞り形成部42aの外径の最大値D2、ノズル53の管状部62の外径D3は、以下の(1)式、(2)式を満足することが好ましい。
(Regarding the outer diameter of the constriction forming portion 42a of the fuel supply pipe 42 and the outer diameter of the tubular portion 62 of the nozzle 53)
In the configuration of the burner 40 described above, air passing through the throttle portion 52 generates a vortex 71 downstream of the throttle portion 52, and the air and fuel are mixed, for example, such that the equivalence ratio of fuel to air is in excess of fuel, that is, the equivalence ratio is equal to or greater than 1. As shown in Fig. 2, it is preferable that the inner diameter D1 of the air supply pipe 41, the maximum outer diameter D2 of the throttle-forming portion 42a of the fuel supply pipe 42, and the outer diameter D3 of the tubular portion 62 of the nozzle 53 satisfy the following formulas (1) and (2).

D2/D1=0.75~0.9・・・(1)
D3/D1=0.05~0.2・・・(2)
D2/D1=0.75 to 0.9 (1)
D3/D1=0.05 to 0.2 (2)

また、燃焼室21内に流れ込む空気を拡散して、混合気が燃焼される領域76に空気が流れることで生成される渦72の大きさを空気供給管41の内径の1倍以上とするためには、拡散部56における半径R1は、空気供給管41の内径D1に対して、以下の(3)式を満足することが好ましい。 In addition, in order to diffuse the air flowing into the combustion chamber 21 and to make the size of the vortex 72 generated by the air flowing into the region 76 where the mixture is burned at least one time the inner diameter of the air supply pipe 41, it is preferable that the radius R1 of the diffusion section 56 satisfies the following formula (3) relative to the inner diameter D1 of the air supply pipe 41.

R1/D1≧0.2・・・(3) R1/D1 ≧ 0.2 ... (3)

さらに、燃焼室21に送り込まれる混合気を燃焼させる際に、バーナ40の内部での燃焼を防止する、すなわち、逆火の発生を防止するために、ノズル53の先端から燃焼室21までの距離H1は、空気供給管41の内径D1に対して、以下の(4)式を満足することが好ましい。 Furthermore, when combusting the mixture sent to the combustion chamber 21, in order to prevent combustion inside the burner 40, i.e., to prevent the occurrence of flashback, it is preferable that the distance H1 from the tip of the nozzle 53 to the combustion chamber 21 with respect to the inner diameter D1 of the air supply pipe 41 satisfies the following formula (4).

H1/D1=0.15~0.45・・・(4) H1/D1 = 0.15 to 0.45... (4)

(実験)
最後に、上記構成の燃焼器において、燃料を燃焼室21で燃焼させたときの燃焼室21内の温度分布や、生成される窒素化合物NOxの分布について説明する。図4に示すように、燃焼室21の内部で燃料を燃焼させると、図3に示す一次燃焼が行われる領域76や、二次燃焼が行われる領域77において高温となるものの局地的に高温となる領域が少ないことが分かった。また、図5に示すように、燃焼室21の内部において、二次燃焼が行われる領域77では窒素化合物NOxの濃度は高くなるが、燃焼室21における窒素化合物NOxの濃度は全体的に少なくなることが分かった。したがって、本発明における燃焼器10を用いた燃焼室21内での燃焼において、窒素化合物NOxの発生を抑えることができることが分かった。
(experiment)
Finally, the temperature distribution in the combustion chamber 21 and the distribution of the nitrogen compound NOx generated when fuel is burned in the combustion chamber 21 in the combustor having the above configuration will be described. As shown in Fig. 4, it was found that when fuel is burned in the combustion chamber 21, the temperature becomes high in the region 76 where the primary combustion is performed and the region 77 where the secondary combustion is performed as shown in Fig. 3, but there are few regions where the temperature becomes high locally. In addition, as shown in Fig. 5, it was found that the concentration of the nitrogen compound NOx is high in the region 77 where the secondary combustion is performed inside the combustion chamber 21, but the concentration of the nitrogen compound NOx in the combustion chamber 21 is generally low. Therefore, it was found that the generation of the nitrogen compound NOx can be suppressed in the combustion in the combustion chamber 21 using the combustor 10 of the present invention.

本実施の形態において、空気供給管41の内壁面41bとの間で絞り部52を形成するため、燃料供給管42に絞り形成部42aを設けているが、絞り形成部42aの形状は、図2に示すように、円錐形状からなる絞り形成部42aに限定されるものではない。例えば、図6に示すように、例えば、燃料供給管80の先端に、燃料供給管80の外径よりも大きい外径を有する円板状のフランジ部81を設け、このフランジ部81を絞り形成部として機能させることも可能である。 In this embodiment, the fuel supply pipe 42 is provided with a throttle forming portion 42a to form a throttle portion 52 between the inner wall surface 41b of the air supply pipe 41, but the shape of the throttle forming portion 42a is not limited to the conical throttle forming portion 42a as shown in FIG. 2. For example, as shown in FIG. 6, a disk-shaped flange portion 81 having an outer diameter larger than the outer diameter of the fuel supply pipe 80 can be provided at the tip of the fuel supply pipe 80, and this flange portion 81 can function as the throttle forming portion.

また、本発明の実施の形態において、燃料供給管42の先端に設けられるノズル53の形状の詳細については説明を省略しているが、燃料を燃料供給管42の先端面42bに向けて噴出できれば、図2に示すノズル53の本体部61の形状に限定する必要はない。図7に示すように、例えば、燃料供給管42の先端面42bに対峙し、噴出孔82が形成される面83を斜面とした本体部84を有するノズル85としてもよい。 In addition, in the embodiment of the present invention, the detailed description of the shape of the nozzle 53 provided at the tip of the fuel supply pipe 42 is omitted, but as long as the fuel can be sprayed toward the tip surface 42b of the fuel supply pipe 42, there is no need to limit the shape of the main body 61 of the nozzle 53 to that shown in FIG. 2. As shown in FIG. 7, for example, a nozzle 85 may be used that faces the tip surface 42b of the fuel supply pipe 42 and has a main body 84 with a sloped surface 83 on which the spray holes 82 are formed.

(効果のまとめ)
上述したように、バーナ40によれば、燃料及び空気の混合気を燃焼室21に送り込むバーナ40であって、空気を燃焼室21に向けて供給する流路51を有する空気供給管41と、空気供給管41の流路51に挿入されて、燃料の供給を行う燃料供給管42と、燃料供給管42の先端部に設けられて、空気供給管41の内壁面41bとの間で流路51を絞る絞り部52を形成する絞り形成部42aと、流路51の上流側に向けて燃料を噴出する噴出孔63を有する本体部61と、燃料供給管42にて供給される燃料を本体部61に送る管状部62と、を含み、本体部61が燃焼室21の近傍に配置されるノズル53と、空気供給管41と燃焼室21との接続部分に設けられて、流路51から燃焼室21に流入する空気を燃焼室21内で拡散させる拡散部56と、を有することを特徴とする。
(Summary of effects)
As described above, the burner 40 is a burner 40 that sends a mixture of fuel and air to the combustion chamber 21, and is characterized in that it includes an air supply pipe 41 having a flow path 51 that supplies air toward the combustion chamber 21, a fuel supply pipe 42 that is inserted into the flow path 51 of the air supply pipe 41 and supplies fuel, a constriction forming portion 42a that is provided at the tip of the fuel supply pipe 42 and forms a constriction portion 52 that constricts the flow path 51 between the air supply pipe 41 and the inner wall surface 41b of the air supply pipe 41, a main body portion 61 having an ejection hole 63 that ejects fuel toward the upstream side of the flow path 51, and a tubular portion 62 that sends the fuel supplied by the fuel supply pipe 42 to the main body portion 61, and the main body portion 61 includes a nozzle 53 that is arranged in the vicinity of the combustion chamber 21, and a diffusion portion 56 that is provided at the connection portion between the air supply pipe 41 and the combustion chamber 21 and diffuses the air flowing from the flow path 51 into the combustion chamber 21 within the combustion chamber 21.

これによれば、燃料が過多となる状態で予混合された混合気と、燃焼室21に向けて流れる燃料が空気と拡散混合された混合気とが燃焼室21の内部に送り込まれて、当該混合気が一次燃焼される。この一次燃焼では、混合気に含まれる空気は、ほとんどが燃焼により使用され、一次燃焼による温度上昇に伴った化学反応により生成される窒素化合物NOxの生成量が低減される。この一次燃焼においては、混合気に含まれる燃料の一部は未燃となるが、未燃となる燃料は、一次燃焼時に生成される水蒸気とともに流れて燃焼室21の内部で拡散される空気と混合されて二次燃焼される。この二次燃焼では、水蒸気を含んだ混合気を燃焼するため、燃料の燃焼することでの温度上昇が抑制される。その結果、二次燃焼に伴なった化学反応による窒素化合物NOxの生成が抑制される。なおかつ、渦72により再び空気と急速混合されることで、高温の燃焼ガスが希釈され、高温によるサーマル窒素化合物NOxの生成過程を止める。したがって、燃焼室21の内部において燃料を燃焼させたときに生成される窒素化合物NOxの総生成量が低減される。 According to this, a premixed mixture with an excess of fuel and a mixture in which the fuel flowing toward the combustion chamber 21 is diffused and mixed with air are sent into the combustion chamber 21, and the mixture is subjected to primary combustion. In this primary combustion, most of the air contained in the mixture is used for combustion, and the amount of nitrogen compounds NOx generated by chemical reactions accompanying the temperature rise due to the primary combustion is reduced. In this primary combustion, some of the fuel contained in the mixture is unburned, but the unburned fuel flows with the water vapor generated during the primary combustion and is mixed with air diffused inside the combustion chamber 21 for secondary combustion. In this secondary combustion, the mixture containing water vapor is burned, so the temperature rise due to the combustion of the fuel is suppressed. As a result, the generation of nitrogen compounds NOx due to chemical reactions accompanying the secondary combustion is suppressed. In addition, the high-temperature combustion gas is diluted by being rapidly mixed with air again by the vortex 72, and the process of generating thermal nitrogen compounds NOx due to high temperatures is stopped. Therefore, the total amount of nitrogen compounds NOx generated when fuel is burned inside the combustion chamber 21 is reduced.

また、バーナ40では、燃焼室21の内部で拡散された空気と、一次燃焼において未燃焼となる燃料とが混合された混合気を、一次燃焼により生成される火炎を利用して二次燃焼を行うものであるから、例えばドライ燃焼方式の燃焼器で用いられるように、追い炊き燃焼用のバーナや、二次燃焼時に必要となる空気を供給する空気噴射ノズルなどの構成を、内筒20の下流側に配置する必要がなく、燃焼器10の全体の構成を簡素化することができ、また、燃焼器10を小型化できるという利点がある。また、空気噴射ノズルを用いた場合には、一次燃焼領域から流れる未燃焼の燃料と空気とを急速混合できない領域が発生する。しかしながら、バーナ40では、燃焼室21の内部に流れ込む空気によって燃焼室21の内部に渦72を発生させ、当該渦72により一次燃焼時に未燃焼となる燃料と空気とを、確実に、急速混合させることが可能となる。 In addition, the burner 40 uses the flame generated by the primary combustion to perform secondary combustion of the mixture of air diffused inside the combustion chamber 21 and fuel that is unburned in the primary combustion. Therefore, there is no need to place components such as a burner for reheating combustion or an air injection nozzle that supplies air required during secondary combustion downstream of the inner tube 20, as is used in dry combustion type combustors, and the overall configuration of the combustor 10 can be simplified and the combustor 10 can be made smaller. In addition, when an air injection nozzle is used, a region is generated in which the unburned fuel flowing from the primary combustion region and the air cannot be rapidly mixed. However, in the burner 40, a vortex 72 is generated inside the combustion chamber 21 by the air flowing into the inside of the combustion chamber 21, and the vortex 72 makes it possible to reliably and rapidly mix the fuel and air that are unburned during primary combustion.

また、燃料供給管42に設けられるノズル53は、燃料を空気供給管41の流路51に対して、空気供給管41の上流側に噴出して、絞り部52を通過した空気により生成される渦によって空気と混合される。従来の予混合管では、当該予混合管の上流側で燃料及び空気の混合を行うため、燃焼室21における燃焼による火炎がバーナ40の内部に入り込んで、バーナ40の上流側まで到達する、所謂、逆火が発生する。しかしながら、本発明のバーナでは、空気供給管41の内部を流れる空気を利用して、バーナ40の下流側で燃料と混合させるので、燃焼室21における燃焼による火炎がバーナ40の内部に入り込んで、バーナ40の上流側まで到達する、所謂、逆火の発生を防止することができる。 The nozzle 53 provided on the fuel supply pipe 42 ejects fuel into the flow passage 51 of the air supply pipe 41, and the fuel is mixed with the air by a vortex generated by the air that has passed through the narrowing section 52. In a conventional premixing pipe, the fuel and air are mixed upstream of the premixing pipe, so that the flame caused by the combustion in the combustion chamber 21 penetrates the inside of the burner 40 and reaches the upstream side of the burner 40, which is called a flashback. However, in the burner of the present invention, the air flowing inside the air supply pipe 41 is used to mix with the fuel downstream of the burner 40, so that the flame caused by the combustion in the combustion chamber 21 penetrates the inside of the burner 40 and reaches the upstream side of the burner 40, which is called a flashback, can be prevented.

また、空気供給管41の内径をD1、絞り形成部42aの外径の最大値をD2、管状部62の外径をD3としたとき、空気供給管41の内径D1に対する、絞り形成部42aの外径D2の比率は0.75から0.9に設定され、空気供給管41の内径D1に対する、管状部62の外径D3の比率は0.05から0.2に設定されるものである。 In addition, when the inner diameter of the air supply pipe 41 is D1, the maximum outer diameter of the constriction forming portion 42a is D2, and the outer diameter of the tubular portion 62 is D3, the ratio of the outer diameter D2 of the constriction forming portion 42a to the inner diameter D1 of the air supply pipe 41 is set to 0.75 to 0.9, and the ratio of the outer diameter D3 of the tubular portion 62 to the inner diameter D1 of the air supply pipe 41 is set to 0.05 to 0.2.

例えば、空気供給管41の内径D1に対する、絞り形成部42aの外径D2の比率は0.75未満となる場合、絞り部52の下流側に生成される渦71によって、空気と燃料とが混合されると、混合時の空気が少なくなり、一次燃焼時に未燃焼となる燃料が多く発生する。また、空気が燃焼室21の内部に流れ込んだときに、燃焼室21の内部で生成される渦72において、一次燃焼により未燃となる燃料と急速混合されなくなる。その結果、燃焼室21における二次燃焼における燃焼温度が上昇してしまうので、二次燃焼に伴なった窒素化合物NOxの発生量が増加する。 For example, if the ratio of the outer diameter D2 of the constriction forming portion 42a to the inner diameter D1 of the air supply pipe 41 is less than 0.75, when the air and fuel are mixed by the vortex 71 generated downstream of the constriction portion 52, the amount of air mixed is reduced, and a lot of fuel is generated that is unburned during primary combustion. Also, when air flows into the inside of the combustion chamber 21, the vortex 72 generated inside the combustion chamber 21 prevents the air from being rapidly mixed with the fuel that is unburned during primary combustion. As a result, the combustion temperature during secondary combustion in the combustion chamber 21 rises, and the amount of nitrogen compound NOx generated by secondary combustion increases.

一方、空気供給管41の内径D1に対する、絞り形成部42aの外径D2の比率を0.75から0.9に設定することで、一次燃焼時に未燃焼となる燃料の発生を抑え、また、一次燃焼により未燃となる燃料と空気とを急速混合させることが可能となる。その結果、二次燃焼に伴なった窒素化合物NOxの発生量を抑制することが可能となる。 On the other hand, by setting the ratio of the outer diameter D2 of the constriction forming portion 42a to the inner diameter D1 of the air supply pipe 41 to 0.75 to 0.9, it is possible to suppress the generation of unburned fuel during primary combustion and to rapidly mix the unburned fuel and air caused by primary combustion. As a result, it is possible to suppress the generation of the nitrogen compound NOx associated with secondary combustion.

また、空気供給管41の内径をD1、本体部61から燃焼室21までの距離をH1としたとき、空気供給管41の内径D1に対する、本体部61から燃焼室21までの距離H1の比率は0.15から0.45に設定されるものである。 In addition, when the inner diameter of the air supply pipe 41 is D1 and the distance from the main body 61 to the combustion chamber 21 is H1, the ratio of the inner diameter D1 of the air supply pipe 41 to the distance H1 from the main body 61 to the combustion chamber 21 is set to 0.15 to 0.45.

これによれば、燃料が過多の状態で空気と混合された混合気を燃焼室21の内部にすぐに送り込むことができる。これにより、燃焼室21における混合気の燃焼による火炎がバーナ40の内部に入り込んで、バーナ40の内部で混合気を燃焼させる、所謂、逆火の発生を防止することができる。 This allows the mixture of air and fuel in an excess state to be sent immediately into the combustion chamber 21. This prevents the flame from burning the mixture in the combustion chamber 21 from penetrating the inside of the burner 40 and burning the mixture inside the burner 40, which is known as backfiring.

また、拡散部56は、空気供給管41と燃焼室21との接続部分に設けた円弧状の曲面であり、空気供給管41の内径をD1、拡散部56の半径をR1としたとき、空気供給管41の内径D1に対する、拡散部56の半径R1の比率は0.2以上に設定されるものである。 The diffusion section 56 is an arc-shaped curved surface provided at the connection between the air supply pipe 41 and the combustion chamber 21, and when the inner diameter of the air supply pipe 41 is D1 and the radius of the diffusion section 56 is R1, the ratio of the radius R1 of the diffusion section 56 to the inner diameter D1 of the air supply pipe 41 is set to 0.2 or more.

これによれば、燃焼室21に流れ込む空気は、燃焼室21の内部で拡散される。このとき、空気供給管41の内径D1に対する、拡散部56の半径R1の比率が0.2未満となる時、燃焼室21の内部では、燃焼室21に流れ込む空気は、燃焼室21の内部で渦72を生成することはない。したがって、燃焼室21での一次燃焼により発生する高熱の燃焼ガスは、そのまま燃焼室21の下流側に流れる。その結果、高熱のガスの影響を受けて、燃焼室21の内部の空気が化学反応して、窒素化合物NOxが生成され続ける。一方、本発明では、空気供給管41の内径D1に対する、拡散部56の半径R1の比率を0.2以上とすることで、燃焼室21に流れ込む空気によって燃焼室21の内部に渦72を生成する。この渦72の生成により、一次燃焼時に未燃焼となる燃料及び一次燃焼により生成される水蒸気が空気と急速混合され、また、この急速混合により、燃焼室21での一次燃焼により発生する高熱の燃焼ガスは希釈され、高温によるサーマル窒素化合物NOxの生成過程を止める。 According to this, the air flowing into the combustion chamber 21 is diffused inside the combustion chamber 21. At this time, when the ratio of the radius R1 of the diffusion section 56 to the inner diameter D1 of the air supply pipe 41 is less than 0.2, the air flowing into the combustion chamber 21 does not generate a vortex 72 inside the combustion chamber 21. Therefore, the high-temperature combustion gas generated by the primary combustion in the combustion chamber 21 flows directly downstream of the combustion chamber 21. As a result, the air inside the combustion chamber 21 chemically reacts with the high-temperature gas and continues to generate nitrogen compounds NOx. On the other hand, in the present invention, the ratio of the radius R1 of the diffusion section 56 to the inner diameter D1 of the air supply pipe 41 is set to 0.2 or more, so that the air flowing into the combustion chamber 21 generates a vortex 72 inside the combustion chamber 21. The generation of this vortex 72 causes the fuel that is not burned during primary combustion and the water vapor generated by primary combustion to be rapidly mixed with the air. This rapid mixing also dilutes the high-temperature combustion gas generated by the primary combustion in the combustion chamber 21, stopping the process of generating thermal nitrogen compounds (NOx) due to high temperatures.

また、燃焼器10は、上記に記載のバーナ40と、バーナ40から送り込まれる混合気を燃焼させる燃焼室21を内部に有する内筒20と、内筒20の外側に配置されるとともに、内筒20との間にバーナ40に空気を供給する空間31を形成する外筒30と、を備えたことを特徴とする。 The combustor 10 is characterized by comprising the burner 40 described above, an inner cylinder 20 having a combustion chamber 21 therein for burning the air-fuel mixture sent from the burner 40, and an outer cylinder 30 that is disposed outside the inner cylinder 20 and forms a space 31 between the inner cylinder 20 and the outer cylinder 30 for supplying air to the burner 40.

これによれば、燃料が過多となる混合気が燃焼室21の内部に送り込まれて、当該混合気が一次燃焼される。この一次燃焼では、混合気に含まれる空気は、ほとんどが燃焼により使用され、一次燃焼による温度上昇に伴った化学反応により生成される窒素化合物NOxの生成量が低減される。この一次燃焼においては、混合気に含まれる燃料の一部は未燃となるが、未燃となる燃料は、一次燃焼時に生成される水蒸気とともに流れて燃焼室21の内部で拡散される空気と混合されて二次燃焼される。この二次燃焼では、水蒸気を含んだ混合気を燃焼するため、燃料の燃焼することでの温度上昇が抑制される。なおかつ、渦72により再び空気と急速混合されることで、高温の燃焼ガスが希釈され、高温によるサーマル窒素化合物NOxの生成過程を止める。その結果、二次燃焼に伴なった化学反応による窒素化合物NOxの生成が抑制される。したがって、燃焼室21の内部において燃料を燃焼させたときに生成される窒素化合物NOxの総生成量が低減される。 According to this, a fuel-rich mixture is sent into the combustion chamber 21, and the mixture is subjected to primary combustion. In this primary combustion, most of the air contained in the mixture is used for combustion, and the amount of nitrogen compounds NOx generated by chemical reactions accompanying the temperature rise due to the primary combustion is reduced. In this primary combustion, some of the fuel contained in the mixture is unburned, but the unburned fuel flows with the water vapor generated during the primary combustion and is mixed with air that is diffused inside the combustion chamber 21 and is subjected to secondary combustion. In this secondary combustion, the mixture containing water vapor is burned, so the temperature rise due to the combustion of fuel is suppressed. Furthermore, the high-temperature combustion gas is diluted by being rapidly mixed with air again by the vortex 72, and the process of generating thermal nitrogen compounds NOx due to high temperatures is stopped. As a result, the generation of nitrogen compounds NOx due to chemical reactions accompanying secondary combustion is suppressed. Therefore, the total generation amount of nitrogen compounds NOx generated when fuel is burned inside the combustion chamber 21 is reduced.

また、上述したように、燃焼方法として、バーナ40を構成する空気供給管41の内部に流れ込まれる空気により、空気供給管41の内部に渦71を生成する工程と、空気供給管41の内部に挿入された燃料供給管42により供給される燃料を、燃料供給管42の先端に設けたノズル53を用いて、空気供給管41の上流側に向けて噴出させる工程と、空気供給管41の内部に流れ込む空気と、ノズル53から噴出される燃料と、を、渦71により、当該燃料が燃料過多となる状態に混合する工程と、渦71により混合される空気と燃料との混合気を、燃焼室21の内部で一次燃焼させる工程と、空気供給管41と燃焼室21との接続部分に設けられた拡散部56により、空気供給管41から燃焼室21に送り込まれる空気を燃焼室21の内部で拡散させて、燃焼室21の内部に渦72を生成する工程と、一次燃焼により未燃焼となる燃料と、燃焼室21に送り込まれる空気とを、渦72により混合する工程と、渦72により混合された燃料と空気との混合気を燃焼室21の内部で二次燃焼させる工程と、を有することを特徴とする。 As described above, the combustion method includes the steps of: generating a vortex 71 inside the air supply pipe 41 by air flowing into the air supply pipe 41 that constitutes the burner 40; ejecting fuel supplied by a fuel supply pipe 42 inserted into the air supply pipe 41 toward the upstream side of the air supply pipe 41 using a nozzle 53 provided at the tip of the fuel supply pipe 42; mixing the air flowing into the air supply pipe 41 and the fuel ejected from the nozzle 53 by the vortex 71 to a state in which the fuel is in an excess of fuel; and mixing the air flowing into the air supply pipe 41 and the fuel ejected from the nozzle 53 by the vortex 71. The method is characterized by having a process of performing primary combustion of the mixture of air and fuel inside the combustion chamber 21, a process of diffusing the air sent from the air supply pipe 41 to the combustion chamber 21 inside the combustion chamber 21 by a diffusion section 56 provided at the connection between the air supply pipe 41 and the combustion chamber 21, a process of mixing the fuel that is unburned by the primary combustion with the air sent to the combustion chamber 21 by the vortex 72, and a process of performing secondary combustion of the mixture of fuel and air mixed by the vortex 72 inside the combustion chamber 21.

これによれば、燃料が過多となる混合気が燃焼室21の内部に送り込まれて、当該混合気が一次燃焼される。この一次燃焼では、混合気に含まれる空気は、ほとんどが燃焼により使用され、一次燃焼による温度上昇に伴った化学反応により生成される窒素化合物NOxの生成量が低減される。この一次燃焼においては、混合気に含まれる燃料の一部は未燃となるが、未燃となる燃料は、一次燃焼時に生成される水蒸気とともに流れて燃焼室21の内部で拡散される空気と混合されて二次燃焼される。この二次燃焼では、水蒸気を含んだ混合気を燃焼するため、燃料の燃焼することでの温度上昇が抑制される。その結果、二次燃焼に伴なった化学反応による窒素化合物NOxの生成が抑制される。なおかつ、渦72により再び空気と急速混合されることで、高温の燃焼ガスが希釈され、高温によるサーマル窒素化合物NOxの生成過程を止める。したがって、燃焼室21の内部において燃料を燃焼させたときに生成される窒素化合物NOxの総生成量が低減される。 According to this, a fuel-rich mixture is sent into the combustion chamber 21, and the mixture is subjected to primary combustion. In this primary combustion, most of the air contained in the mixture is used for combustion, and the amount of nitrogen compounds NOx generated by chemical reactions accompanying the temperature rise due to the primary combustion is reduced. In this primary combustion, some of the fuel contained in the mixture is unburned, but the unburned fuel flows together with the water vapor generated during the primary combustion and is mixed with the air that is diffused inside the combustion chamber 21 and is subjected to secondary combustion. In this secondary combustion, the mixture containing water vapor is burned, so the temperature rise caused by the combustion of the fuel is suppressed. As a result, the generation of nitrogen compounds NOx due to chemical reactions accompanying the secondary combustion is suppressed. Furthermore, the high-temperature combustion gas is diluted by being rapidly mixed with air again by the vortex 72, and the process of generating thermal nitrogen compounds NOx due to high temperatures is stopped. Therefore, the total amount of nitrogen compounds NOx generated when fuel is burned inside the combustion chamber 21 is reduced.

10…燃焼器
20…内筒
30…外筒
40…バーナ
41…空気供給管
42…燃料供給管
42a…絞り形成部
53…ノズル
61…本体部
62…管状部
63…噴出孔
71…渦
72…渦
76…一次燃焼が行われる領域
77…二次燃焼が行われる領域
REFERENCE SIGNS LIST 10 combustor 20 inner cylinder 30 outer cylinder 40 burner 41 air supply pipe 42 fuel supply pipe 42a throttle forming portion 53 nozzle 61 main body portion 62 tubular portion 63 ejection hole 71 vortex 72 vortex 76 region where primary combustion takes place 77 region where secondary combustion takes place

Claims (6)

燃料及び空気の混合気を燃焼室にて燃焼させるバーナであって、
前記空気を前記燃焼室に向けて供給する流路を有する第1の供給管と、
前記第1の供給管の前記流路に挿入されて、前記燃料の供給を行う第2の供給管と、
前記第2の供給管の先端部に設けられて、前記第1の供給管の内壁面との間で前記流路を絞る絞り部を形成する絞り形成部と、
前記流路の上流側に向けて前記燃料を噴出する噴出孔を有する本体部と、前記第2の供給管にて供給される前記燃料を前記本体部に送る管状部と、を含み、前記本体部が前記燃焼室の近傍に配置される燃料噴出部と、
前記第1の供給管と前記燃焼室との接続部分に設けられて、前記流路から前記燃焼室に流入する前記空気を前記燃焼室内で拡散させる拡散部と、
を有することを特徴とするバーナ。
A burner that burns a mixture of fuel and air in a combustion chamber,
a first supply pipe having a flow path for supplying the air toward the combustion chamber;
a second supply pipe that is inserted into the flow path of the first supply pipe and supplies the fuel;
a constriction forming portion provided at a tip end of the second supply pipe and forming a constriction portion that constricts the flow path between the tip end and an inner wall surface of the first supply pipe;
a fuel ejection section including a main body section having an ejection hole for ejecting the fuel toward an upstream side of the flow path, and a tubular section for sending the fuel supplied by the second supply pipe to the main body section, the main body section being disposed in the vicinity of the combustion chamber;
a diffusion section provided at a connection between the first supply pipe and the combustion chamber, diffusing the air flowing into the combustion chamber from the flow path within the combustion chamber;
A burner comprising:
請求項1に記載のバーナにおいて、
前記第1の供給管の内径をD1、前記絞り形成部の外径をD2、前記管状部の外径をD3としたとき、
前記第1の供給管の内径D1に対する、前記絞り形成部の外径D2の比率は0.75から0.9に設定され、
前記第1の供給管の内径D1に対する、前記管状部の外径D3の比率は0.05から0.2に設定される
ことを特徴とするバーナ。
2. The burner according to claim 1,
When the inner diameter of the first supply pipe is D1, the outer diameter of the throttle forming portion is D2, and the outer diameter of the tubular portion is D3,
a ratio of an outer diameter D2 of the throttle forming portion to an inner diameter D1 of the first supply pipe is set to 0.75 to 0.9;
A burner, characterized in that a ratio of an outer diameter D3 of the tubular portion to an inner diameter D1 of the first supply pipe is set to be 0.05 to 0.2.
請求項1に記載のバーナにおいて、
前記第1の供給管の内径をD1、前記本体部から前記燃焼室までの距離をH1としたとき、
前記第1の供給管の内径D1に対する、前記本体部から前記燃焼室までの距離H1の比率は0.15から0.45に設定される
ことを特徴とするバーナ。
2. The burner according to claim 1,
When the inner diameter of the first supply pipe is D1 and the distance from the main body to the combustion chamber is H1,
A burner, characterized in that a ratio of a distance H1 from said main body to said combustion chamber to an inner diameter D1 of said first supply pipe is set to be 0.15 to 0.45.
請求項1に記載のバーナにおいて、
前記拡散部は、前記第1の供給管と前記燃焼室との接続部分に設けた円弧状の曲面であり、
前記第1の供給管の内径をD1、前記拡散部の半径をR1としたとき、
前記第1の供給管の内径D1に対する、前記拡散部の半径R1の比率は0.2以上に設定される
ことを特徴とするバーナ。
2. The burner according to claim 1,
the diffusion portion is an arc-shaped curved surface provided at a connection portion between the first supply pipe and the combustion chamber,
When the inner diameter of the first supply pipe is D1 and the radius of the diffusion portion is R1,
a ratio of a radius R1 of the diffusion portion to an inner diameter D1 of the first supply pipe is set to 0.2 or more.
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のバーナと、
前記バーナから送り込まれる混合気を燃焼させる燃焼室を内部に有する内筒と、
前記内筒の外側に配置されるとともに、前記内筒との間に前記バーナに前記空気を供給する空間を形成する外筒と、
を備えたことを特徴とする燃焼器。
A burner according to any one of claims 1 to 4;
an inner cylinder having a combustion chamber therein for combusting the air-fuel mixture sent from the burner;
an outer cylinder disposed outside the inner cylinder and forming a space between the outer cylinder and the inner cylinder for supplying the air to the burner;
A combustor comprising:
バーナを構成する第1の供給管の内部に流れ込まれる空気により、前記第1の供給管の内部に第1の渦を生成する工程と、
前記第1の供給管の内部に挿入された第2の供給管により供給される燃料を、前記第2の供給管の先端に設けたノズルを用いて、前記第1の供給管の上流側に向けて噴出させる工程と、
前記第1の供給管の内部に流れ込む前記空気と、前記ノズルから噴出される前記燃料と、を、前記第1の渦により、当該燃料が燃料過多となる状態に混合する工程と、
前記第1の渦により混合される前記空気と前記燃料との混合気を、燃焼室の内部で一次燃焼させる工程と、
前記第1の供給管と前記燃焼室との接続部分に設けられた拡散部により、前記第1の供給管から前記燃焼室に送り込まれる前記空気を前記燃焼室の内部で拡散させて、前記燃焼室の内部に第2の渦を生成する工程と、
前記一次燃焼により未燃焼となる前記燃料と、前記燃焼室に送り込まれる前記空気とを、前記第2の渦により混合する工程と、
前記第2の渦により混合された前記燃料と前記空気との混合気を前記燃焼室の内部で二次燃焼させる工程と、
を有することを特徴とする燃焼方法。

generating a first vortex inside a first supply pipe constituting a burner by air flowing into the first supply pipe;
a step of ejecting fuel supplied from a second supply pipe inserted into the first supply pipe toward an upstream side of the first supply pipe using a nozzle provided at a tip of the second supply pipe;
mixing the air flowing into the first supply pipe and the fuel ejected from the nozzle by the first vortex so that the fuel is in an excess fuel state;
a step of primarily combusting the mixture of the air and the fuel mixed by the first vortex inside a combustion chamber;
a step of diffusing the air sent from the first supply pipe to the combustion chamber inside the combustion chamber by a diffusion section provided at a connection portion between the first supply pipe and the combustion chamber to generate a second vortex inside the combustion chamber;
mixing the fuel that is uncombusted by the primary combustion and the air that is sent into the combustion chamber by the second vortex;
a step of subjecting the mixture of the fuel and the air mixed by the second vortex to secondary combustion inside the combustion chamber;
A combustion method comprising the steps of:

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