JP4007124B2

JP4007124B2 - ガスタービン用燃焼器

Info

Publication number: JP4007124B2
Application number: JP2002248553A
Authority: JP
Inventors: 陽一郎大久保; 芳典井戸田
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2002-08-28
Filing date: 2002-08-28
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2022-08-28
Also published as: JP2004085123A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、気体燃料あるいは液体燃料を燃焼させるガスタービン用燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
気体燃料あるいは液体燃料を燃焼させるガスタービン用の燃焼器が知られている。ここで、このような燃焼器において、近年、環境面への配慮から、燃焼時に発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）と一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）などの未燃燃料の排出が大きな問題となっている。
【０００３】
この種の燃焼器においては、安定した燃焼が得られる拡散燃焼が通常に用いられていたが、このような拡散燃焼では、断熱火炎温度が約２０００℃前後にも達するため、一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）などの未燃燃料の排出は比較的少ない反面、この高温により空気中の窒素が酸化される所謂「サーマルＮＯｘ」が大量に発生するというデメリットがあった。
【０００４】
一方、この「サーマルＮＯｘ」は、火炎温度を下げることにより低減できることが知られており、従来の拡散燃焼に代えて、希薄予混合燃焼を採用し、燃料と燃焼空気を予混合して燃料の希薄な混合ガスとし、これを比較的低温で燃焼させてＮＯｘの発生を抑制する手段が既に試みられている。
【０００５】
しかし、予混合燃焼において例えば当量比０．５程度の希薄予混合気になると一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）などの未燃燃料の排出が多くなるばかりでなく、燃焼安定範囲が狭くなり、確実な着火スタートや安定したガスタービン運転が困難になる問題があった。
【０００６】
このため、着火用ガス噴出孔とその周囲に設けられた一次及び二次の燃焼用予混合ガス噴出孔とによって３系統の燃料供給系統を構成し、これら３系統の燃料供給制御を行うことにより、比較的広い運転条件で予混合気の当量比が希薄になり過ぎないようにして低ＮＯｘ化を実現する技術が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２）。
【０００７】
しかしながら、前記特許文献に示される如き多数の燃料供給系をもつ燃焼器の場合、燃焼室内の空間的な当量比を理想的な当量比分布に制御して運転できるメリットがある反面、燃料制御などの機器構成が複雑になったり燃料制御が複雑で構成機器の信頼性やコスト等に課題が残存していた。
【０００８】
そこで、燃焼器の燃料供給系を２系統で構成し、この２系統の燃料供給制御で希薄予混合燃焼させるガスタービン用燃焼器を、既に本出願人が提案している（特願２００１−３９４６１５）。
【０００９】
ところが、前記提案した構造の燃焼器では、構造が簡便で安価であるものの、着火性を確実に確保すると同時に広い運転条件で希薄予混合火炎の安定性を確保するという点においては、未だ改善の余地があった。
【００１０】
また、前記提案した構造の燃焼器では、燃料噴射ノズルが燃焼用空気通路の空間内または燃焼室内に対面しているため、特に燃焼用空気が６００℃以上に加熱される条件においては、熱的耐久性がない、カーボン付着がある、あるいは加熱空気の粘性が上昇するため噴射燃料と空気の混合が悪い、といった問題が発生することがある。
【００１１】
特に、例えば、シンプルサイクルガスタービンの熱効率を改善した再生式マイクロガスタービンでは、圧縮機出口の空気をタービン出口排出ガスの排熱回収用熱交換器により加熱して、例えば６００℃程度以上に加熱して燃焼器に供給される構成となっているため、予混合燃焼器に組み込まれた燃料噴射ノズルは６００℃以上の空気に常時曝されると共に燃焼室からの燃焼熱によっても加熱されることになる。このため、燃料噴射ノズルの熱的耐久性を向上させたり、あるいは燃料のカーボン化やデポジットの付着を防止する対策や工夫が必要である。
【００１２】
さらに、排熱回収用熱交換器で加熱された６００℃程度以上の空気は、圧縮機出口の空気（例えば２００℃程度）に比較して粘性が３倍も大きく、加熱空気と燃料の混合は相対的に悪化する。このため、限られた通路内の空間で均一な希薄予混合気を形成することが難しくなり、従来と同等の空間寸法で充分に均一な予混合気を得るためには工夫が必要である。一方、加熱空気は未燃炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）の排出を抑制する可能性がある一方で、予混合度の悪化による燃焼温度の不均一の結果として「サーマルＮＯｘ」の排出が助長される可能性も大きくなる。現実的には、例えば分散電源に使用されるマイクロガスタービン等の場合には、ＮＯｘとＣＯ・ＨＣを同時に１０ｐｐｍ未満に低減することが要求されている。
【００１３】
この場合、２００℃程度の圧縮機出口空気で予混合燃焼器の燃料噴射ノズルを冷却することが考えられるが、その空気を単に冷却だけに使用したのでは、希薄予混合火炎あるいは拡散火炎に悪影響がでることになり、ＮＯｘとＣＯ・ＨＣを同時に低減すると共に耐久性を向上しつつ、着火始動性と火炎安定性を共に確保することは困難である。
【００１４】
【特許文献１】
特開平５−３４０２７３号公報
【特許文献２】
特開平８−１２８６３６号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の相反する諸問題に対して創案されたものであり、確実な着火始動性及び強固な予混合火炎の安定性を確保できると共に、広い運転範囲（運転条件）で低ＮＯｘ及び高燃焼効率（低ＣＯ・低ＨＣ）で運転することができ、かつこれを簡便で低コストにより実現できるガスタービン用燃焼器を得ることが目的である。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明のガスタービン用燃焼器は、燃焼室の軸心部分に位置し、前記燃焼室へ向けて拡散燃料を噴射する拡散燃料噴射ノズルと、前記燃焼室に連通して前記拡散燃料噴射ノズルの周囲に環状に設けられ、予混合気を供給するための予混合通路と、前記予混合通路内に予混合燃料を噴射する予混合燃料噴射ノズルと、前記拡散燃料噴射ノズルと前記予混合通路の間に配置され、前記燃焼室へ向けて旋回気流を噴出するための旋回装置と、前記拡散燃料噴射ノズルに連通し、前記拡散燃料噴射ノズルに燃料を供給するための拡散燃料通路と、前記旋回装置に連通すると共に、前記予混合通路よりも前記燃焼室の軸心側であって前記拡散燃料通路の周囲に環状に設けられ、前記旋回装置に前記予混合気と異なる温度の空気を供給するための旋回気流通路と、前記燃焼室の外筒内壁から前記拡散燃料噴射ノズルの先端位置に設けられた保炎器まで至り、前記予混合通路と前記旋回気流通路とを分離する隔壁と、を備え、前記旋回気流通路を通って供給された空気が前記旋回装置によって旋回速度を付与されて噴出し前記燃焼室に旋回気流を形成する構成において、前記拡散燃料噴射ノズル及び前記予混合燃料噴射ノズルを前記旋回気流通路に配置したことを特徴としている。
【００３１】
請求項１記載のガスタービン用燃焼器では、拡散燃料噴射ノズルから燃焼室へ向けて拡散燃焼用の燃料が噴射されると共に、予混合燃料噴射ノズルから予混合通路内に予混合気のための燃料が噴射され、この予混合通路で形成された予混合気が燃焼室へ供給される。
さらにこの際に、旋回装置によって旋回気流が燃焼室へ向けて噴出される。これにより、拡散燃料噴射ノズルにより燃焼室内の中央領域に形成される拡散火炎とその外周領域に形成される予混合火炎を旋回気流で乱流混合させることができる。
したがって、拡散燃料噴射ノズルからの燃料による拡散火炎と、予混合通路（予混合燃料噴射ノズル）からの燃料による予混合火炎との燃焼促進が図られ、このため、燃焼効率が高まると共に燃焼室内温度の空間分布を比較的一様にすることができる。これにより、結果として「サーマルＮＯx」の排出が低減されると同時に、ＣＯ・ＨＣの排出も低く抑えることができる。
一般的に、予混合燃料噴射ノズルから噴射した燃料を予混合通路の比較的短い空間寸法内（平均通過時間・約１ｍｓｅｃ以内）で燃料と空気を予混合し、予混合通路の出口（燃焼室の入口）で円周方向と半径方向の空間的分布がなく、しかも時間的に空気流量も燃料流量も変動するために均一な予混合気を形成することは現実的にはかなり難しい。
この点、請求項１記載のガスタービン用燃焼器では、拡散燃料通路の周囲に環状に設けられた旋回気流通路を備えており、旋回気流通路を通って供給された空気が旋回装置によって旋回速度を付与されて噴出されて燃焼室に旋回気流を形成し、しかもこの旋回気流は予混合通路よりも軸心側（内方側）に噴出形成されるため、予混合通路の出口に存在し燃料濃度の不均一がある予混合気流で形成される予混合火炎は、その内側に形成された旋回気流によって燃焼室内の下流側に引き延ばされる（旋回気流によって予混合火炎を燃焼室の下流側まで引き延ばすことができる）。このため、燃焼室内の「サーマルＮＯx」の生成が抑制されて、例えば５ｐｐｍ以下の低ＮＯx燃焼が可能となる。
また、燃焼室の外筒内壁から拡散燃料噴射ノズルの先端位置に設けられた保炎器まで至る隔壁によって、旋回気流通路と予混合通路とを分離している。更に、予混合通路より低い温度の空気が供給される旋回気流通路に、拡散燃料噴射ノズル及び予混合燃料噴射ノズルを配置してある。このため、予混合通路を通る、例えば６００℃の高温に加熱された予混合空気に、拡散燃料噴射ノズル及び予混合燃料噴射ノズルが曝されることがなくなる。この結果、拡散燃料噴射ノズル及び予混合燃料噴射ノズル自体を効果的に遮熱することができ、燃料のカーボン化またはデポジット化等の不具合の発生を防止することができる。
【００３２】
請求項２に係る発明のガスタービン用燃焼器は、請求項１に記載のガスタービン用燃焼器において、前記予混合燃料噴射ノズルは、複数の噴孔を有して前記予混合通路へ燃料噴射すると供に、その周囲から前記予混合通路へ空気又は空気及び水蒸気の混合気を噴出することを特徴としている。
【００３３】
請求項２記載のガスタービン用燃焼器では、予混合燃料噴射ノズルは、複数の噴孔から構成されており、しかも各噴孔の周囲から空気又は空気及び水蒸気の混合気を噴出することにより、予混合通路への燃料を効果的に分散させて気体燃料を予混合、あるいは液体燃料を予蒸発予混合することができる。
【００３４】
請求項３に係る発明のガスタービン用燃焼器は、請求項１乃至２の何れか１項に記載のガスタービン用燃焼器において、前記旋回気流通路に高圧源から直接に空気又は空気及び水蒸気の混合気を供給することを特徴としている。
【００３５】
例えば、ガスタービンの排熱を回収して熱効率を高めることができる再生式ガスタービンでは、圧縮機出口の空気は熱交換器で排熱を回収して例えば６００℃に加熱して燃焼器に供給するので、例えば液体燃料用の噴射ノズルは熱的耐久性がなかったり、あるいは燃料のカーボン化またはデポジット化が問題になる場合がある。
【００３６】
この点、請求項３記載のガスタービン用燃焼器では、再生式ガスタービンに適用した場合であっても、旋回気流通路に高圧源から直接に空気又は空気及び水蒸気の混合気を供給する構成であるため、例えば熱交換する前の圧縮機出口空気（比較的温度の低い空気：例えば２００℃）を旋回気流通路に供給して旋回気流を燃焼室に噴出することで、効果的に空気と燃料を混合できる（温度の低い空気の方が粘性が低いためより混合し易い）。したがって、予混合火炎が一様に形成されやすく、燃焼室内温度をほぼ一様にすることができる。
【００３７】
なお、高圧源としてはボイラでもよく、この場合には気流としては水蒸気（例えば、１８０℃程度）となり、同様の効果が期待できる。
【００３８】
また、旋回気流通路（すなわち、拡散燃料噴射ノズルに連通する拡散燃料通路の周囲）に空気を供給するので、拡散燃料噴射ノズル自体を効果的に遮熱すると共に冷却することができ、燃料のカーボン化またはデポジット化等の不具合を防止することができる。さらに、空気が拡散燃料通路を冷却することになり、拡散燃料噴射ノズル周囲の例えば保炎器壁面の温度上昇を抑制することができ、噴射ノズルや保炎器の焼損等を予防することができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
図１には、本発明の第１の実施の形態に係るガスタービン用燃焼器１０の全体構成が断面図にて示されている。
【００４０】
この燃焼器１０は、略円筒状の外筒１２とこの外筒１２内に配置された内筒１４とを備えた所謂缶型燃焼器とされており、内筒１４が燃焼室１６を構成する燃焼室ライナとなっている。この燃焼室１６（内筒１４）には、空気を内部へと導き燃焼ガスを希釈する希釈孔１８が設けられている。
【００４１】
外筒１２と内筒１４との間には、後述する圧縮機５６で圧縮された燃焼用空気を外筒１２の末端（図１において右端）から流入させるための空気流入路２０が形成されており、さらに、空気流入路２０には予混合通路２２が連続して形成されている。予混合通路２２は、内筒１４の端部内側に環状に形成されると共に燃焼室１６に連通しており、後述する予混合燃料噴射ノズル２４による燃料及び空気流入路２０からの空気を導きながら流れを反転させて燃焼室１６へと供給するように構成されている。予混合通路２２から燃焼室１６へ供給された予混合気は、燃焼室１６内で燃焼した後に燃焼室１６後端側（図１において右端）から流出して後述するタービン５２へ供給される構成となっている。
【００４２】
予混合通路２２の通路中には、予混合燃料噴射ノズル２４が配置されており、さらにその下流にはスワーラ羽根２６が設けられている。予混合燃料噴射ノズル２４は、予混合通路２２内へ燃料（予混合燃料）を噴射することができ、これにより、空気流入路２０からの空気と混合されて予混合気が形成され、スワーラ羽根２６によって当該予混合気に旋回速度が付与されて燃焼室１６へ供給される構成である。
【００４３】
一方、装置の一端側（図１において左端側）の燃焼室１６の軸心部分には、拡散燃料噴射ノズル２８及びこの拡散燃料噴射ノズル２８に連通する拡散燃料通路３０が配置されている。図２（Ａ）乃至図２（Ｃ）にも詳細に示す如く、拡散燃料噴射ノズル２８は、複数の噴孔３２Ａ、３２Ｂを備えている。これらの各噴孔３２Ａ、３２Ｂは、それぞれ、燃焼室１６に対面するノズル先端の円周上等分位置に設けられており、各噴孔３２Ａ、３２Ｂからは、拡散燃料通路３０から送給された燃料（拡散燃料）を８０度から１００度の挟み角度で（本第１の実施の形態においては、挟み角度９０度で）燃焼室１６内に噴射することができる。さらに、この拡散燃料噴射ノズル２８から噴射された燃料は、燃焼室１６側方に配置された点火プラグ３４先端に到達するように設定されている。
【００４４】
また、拡散燃料噴射ノズル２８（拡散燃料通路３０）と予混合通路２２の間には、旋回装置３６及び旋回気流通路３８が設けられている。図２（Ａ）乃至図２（Ｃ）にも詳細に示す如く、旋回装置３６は、拡散燃料噴射ノズル２８の噴孔３２Ａ、３２Ｂの直近に位置し、部材を凹溝状に形成することで設けられており、送給された空気に旋回速度を付与できるように構成されている。なお、この場合、噴孔３２Ａ、３２Ｂに対して旋回気流がほぼ３０度から４５度で噴出するように設定されている。一方、旋回気流通路３８は、旋回装置３６の上流に位置して旋回装置３６に連通すると共に、予混合通路２２よりも軸心側であって拡散燃料通路３０の周囲に環状に設けられている。この旋回気流通路３８は、後述する圧縮機５６に接続されており、空気が供給される構成である。これにより、旋回気流通路３８を通って供給された空気は、旋回装置３６によって旋回速度を付与され、噴孔３２Ａ、３２Ｂから燃焼室１６に噴射された燃料と交わる方向に燃焼室１６へ向けて噴出されて燃焼室１６に旋回気流を形成し、当該燃料と衝突混合するように構成されている。
【００４５】
またさらに、予混合通路２２の出口と旋回装置３６との間（拡散燃料噴射ノズル２８先端部及び旋回装置３６の周囲）には、保炎器４０が設けられている。この保炎器４０は、燃焼室１６に対面して設けられた円環状の端面４２を有しており、止水領域を形成して端面４２下流に円環状の火炎起部を形成する役目を有している。
【００４６】
以上の構成の燃焼器１０は、図３に示す如く、例えば、タービン５２の排熱を回収して熱効率を高めることができる再生式マイクロガスタービン５０に適用される。
【００４７】
すなわち、この再生式マイクロガスタービン５０では、タービン５２の出口排出ガスは排熱回収用熱交換器５４に送給されるように構成されると共に、圧縮機５６の出口空気は排熱回収用熱交換器５４に送給されて加熱（例えば６００℃程度以上）された後に燃焼器１０の空気流入路２０に供給される構成となっている。さらに、圧縮機５６の出口空気の一部は、すなわち熱交換する前の圧縮機５６出口空気（比較的温度の低い空気：例えば２００℃）の一部は、排熱回収用熱交換器５４に送給されることなく、そのまま直接に燃焼器１０の旋回気流通路３８に供給される構成となっている。
【００４８】
次に、本第１の実施の形態の作用を説明する。
【００４９】
上記構成の燃焼器１０が適用された再生式マイクロガスタービン５０の始動時には、燃焼器１０の拡散燃料噴射ノズル２８から燃料が燃焼室１６に噴射され、ガスタービン回転速度がまだ低いために、燃焼用空気の流量は微少量であり、燃料は旋回気流の影響をほとんど受けずに燃焼室１６側壁上の点火プラグ３４先端まで到達する。
【００５０】
そこで火花点火すると、点火プラグ３４先端に形成された火炎核が燃焼室１６内に燃え広がると共に、保炎器４０近傍の再循環領域に到達することで火炎が保持されることになる。この間に、ガスタービン回転速度は上昇して燃焼用空気の流量が増加し、旋回気流も形成されてくるので、燃料はもはや点火プラグ３４先端に到達する前に旋回気流と混合して燃焼が完結するようになる。
【００５１】
さらに、ガスタービン回転速度が上昇してタービン５２が出力を発生する負荷領域になると、予混合燃料噴射ノズル２４から燃料を噴射すると共に拡散燃料噴射ノズル２８からの燃料を減少し、ほぼ全体の燃料供給量の１／１０から１／２０以下の微少流量のみが拡散燃料噴射ノズル２８から直接噴射されて燃焼室１６にパイロット火炎を形成する。さらに、例えば５０％負荷以上の高負荷運転では拡散燃料噴射ノズル２８からの燃料噴射を停止し、全燃料が予混合燃料噴射ノズル２４から噴射されて、完全な予混合燃焼で運転することになる。
【００５２】
ここで、本第１の実施の形態に係る燃焼器１０では、前述の如く、拡散燃料噴射ノズル２８から燃焼室１６へ向けて拡散燃焼用の燃料が噴射されると共に、予混合燃料噴射ノズル２４から予混合通路２２内に予混合気のための燃料が噴射され、この予混合通路２２で形成された予混合気が燃焼室１６へ供給される。さらにこの際に、旋回装置３６によって旋回気流が燃焼室１６へ向けて噴出される。これにより、拡散燃料噴射ノズル２８により燃焼室１６内の中央領域に形成される拡散火炎とその外周領域に形成される予混合火炎を旋回気流で乱流混合させることができる。
【００５３】
したがって、拡散燃料噴射ノズル２８からの燃料による拡散火炎と、予混合通路２２（予混合燃料噴射ノズル２４）からの燃料による予混合火炎との燃焼促進が図られ、このため、燃焼効率が高まると共に燃焼室１６内温度の空間分布を比較的一様にすることができる。これにより、結果として「サーマルＮＯｘ」の排出が低減されると同時に、ＣＯ・ＨＣの排出も低く抑えることができる。
【００５４】
また、一般的に、予混合燃料噴射ノズル２４から噴射した燃料を予混合通路２２の比較的短い空間寸法内で燃料と空気を予混合し、予混合通路２２の出口（燃焼室１６の入口）で円周方向と半径方向の空間的分布がなく、しかも時間的にも均一な予混合気を形成することは現実的にはかなり難しい。
【００５５】
この点、本燃焼器１０では、拡散燃料通路３０の周囲に環状に設けられ旋回気流通路３８を備えており、旋回気流通路３８を通って供給された空気が旋回装置３６によって旋回速度を付与されて噴出されて燃焼室１６に旋回気流を形成し、しかもこの旋回気流は予混合通路２２よりも軸心側（内方側）に噴出形成されるため、予混合通路２２の出口に存在し燃料濃度の不均一がある予混合気流で形成される予混合火炎は、その内側に形成された旋回気流によって燃焼室１６内の下流側に引き延ばされる（旋回気流によって予混合火炎を燃焼室１６の右側中央付近まで引き延ばすことができる）。このため、燃焼室１６内の「サーマルＮＯｘ」の生成が抑制されて、例えば５ｐｐｍ以下の低ＮＯｘ燃焼が可能となる。
【００５６】
さらに、前述の如く予混合火炎を旋回気流で燃焼室１６内に引き延ばすと、火炎を保持する火炎起部が不安定になり、吹き消えの確率が上昇することがある。
【００５７】
この点、本燃焼器１０では、保炎器４０を予混合通路２２の出口と旋回装置３６との間に配置し、その円環状の端面４２を燃焼室１６に対面して設けたため、この端面４２付近が止水領域を形成して、この端面４２下流に円環状に火炎起部が形成されることになり、火炎を引き延ばしても火炎起部の保持力を増強することができる。
【００５８】
また、この燃焼器１０では、拡散燃料噴射ノズル２８の噴孔３２Ａ、３２Ｂから燃料が８０度から１００度の挟み角度で（本第１の実施の形態においては、挟み角度９０度で）燃焼室１６に噴射されるため、燃焼室１６に形成された旋回気流が例えば燃焼室１６軸線に対し４５度の角度で旋回しているとすると、前記噴射された燃料噴流と前記旋回気流とは相対的にほぼ横から衝突する位置関係になる。これにより、拡散燃料と空気が素早く混合することになり、拡散燃料噴射ノズル２８近傍領域の空気不足によるススの生成が抑制されると共に燃焼が促進される。このため、火炎保持力が高まり、結果として少ない燃料で火炎保持ができるので、低ＮＯｘでかつ高燃焼効率（低ＣＯ・低ＨＣ）で燃焼することが可能になる。また、スス付着による拡散燃料噴射ノズルの不具合の発生を防止することもできる。
【００５９】
ここで、図４には、拡散燃料噴射ノズル２８（複数の噴孔３２Ａ、３２Ｂ）から燃焼室１６へ向けて噴射する拡散燃料の噴射角度（挟み角度）の燃焼効率に対する影響を比較した線図が示されている。この図４にて明らかなように、例えば燃料が４５度あるいは６０度の挟み角度で燃焼室１６に噴射される場合に比べて、燃料が８０度あるいは９０度の挟み角度で燃焼室１６に噴射される場合は、大幅に燃焼効率が向上することが解る。
【００６０】
なお、ガスタービン５０の着火スタート時には供給される空気が少ないので、拡散燃料噴射ノズル２８の噴孔３２Ａ、３２Ｂから噴射される燃料は、燃焼室１６側壁に設置した点火プラグ３４先端まで直接に確実に到達することができ、着火が素早く行われる。その後に、ガスタービン５０が加速するに連れて空気が大量に供給される状況では、拡散燃料噴射ノズル２８から噴射された燃料は旋回気流と充分に混合するため、拡散燃料はもはや燃焼室１６側壁面に到達することがなく、このため、燃焼室１６壁面が加熱されて昇温されることが無くなり、燃焼室１６（燃焼室ライナ）の耐久性が向上する。
【００６１】
またさらに、本燃焼器１０では、噴孔３２Ａ、３２Ｂが燃焼室１６に対面するノズル先端の円周上等分位置に設けられているため、これらの噴孔３２Ａ、３２Ｂから噴出した燃料によって火炎を効果的に保持することができると共に、旋回装置３６が各噴孔３２Ａ、３２Ｂの直近に配置されるため、各噴孔３２Ａ、３２Ｂからの燃料の分散と混合が良好になり、低ＮＯｘでかつ低ＣＯ・低ＨＣ燃焼が可能となる。
【００６２】
さらにここで、本第１の実施の形態の如く、例えば、タービン５２の排熱を回収して熱効率を高めることができる再生式マイクロガスタービン５０では、圧縮機５６の出口の空気は廃熱回収用熱交換器５４で排熱を回収して例えば６００℃に加熱して燃焼器１０に供給するので、例えば液体燃料用の噴射ノズルは熱的耐久性がなかったり、あるいは燃料のカーボン化またはデポジット化が問題になる場合がある。
【００６３】
この点、本燃焼器１０では、再生式マイクロガスタービン５０に適用した場合であっても、旋回気流通路３８に圧縮機５６（高圧空気源）から直接に空気を供給する構成であるため、熱交換する前の圧縮機５６出口空気（比較的温度の低い空気：例えば２００℃）を旋回気流通路３８に供給して旋回気流を燃焼室１６に噴出することで、効果的に空気と燃料を混合できる（温度の低い空気の方が粘性が低いためより混合し易い）。したがって、予混合火炎が一様に形成されやすく、燃焼室１６内温度をほぼ一様にすることができる。
【００６４】
また、旋回気流通路３８（すなわち、拡散燃料噴射ノズル２８に連通する拡散燃料通路３０の周囲）に空気を供給するので、拡散燃料噴射ノズル２８自体を効果的に遮熱すると共に冷却することができ、燃料のカーボン化またはデポジット化等の不具合を防止することができる。さらに、空気が拡散燃料通路３０を冷却することになり、拡散燃料噴射ノズル２８周囲の例えば保炎器４０の壁面の温度上昇を抑制することができ、保炎器４０の焼損等を予防することもできる。
【００６５】
ここで、本出願人がこの燃焼器１０の運転時における拡散燃焼火炎を観察した結果によれば、拡散燃料噴射ノズル２８（保炎器４０の中央部分）から噴射される燃料は噴射付近で火炎を形成せず（燃焼室１６の中央領域には火炎はない）、予混合通路２２の内側に設けられた保炎器４０の円環状の端面４２上にリング状となって火炎が形成されることが判明した。従来の燃焼器では、保炎器４０の端面４２から釣り鐘状（または、チューリップ状）の火炎柱が燃焼室１６中央領域に黄輝となって形成されることが判っているが、これに対し、本第１の実施の形態に係る燃焼器１０では、黄炎はなく外周領域に形成された中空状の青炎が形成されており、燃焼が良好であることが解る。これは、保炎器４０の端面４２直近の旋回気流通路３８から空気が約４５度の傾きの旋回気流となって噴出するため、噴孔３２Ａ、３２Ｂから挟み角度９０度で噴射されて放射状に拡がった燃料にほぼ横方向から旋回気流が衝突して混合が短時間で促進されることになり、比較的短い空間で燃焼が完結するためである。つまり、従来の燃焼器では中実の釣り鐘状火炎となり燃焼室１６の下流部分で先絞りになるため、火炎柱の内部は燃料リッチ（過濃）でススの生成が活発であるのに対し、本燃焼器１０では、保炎器４０の端面４２（旋回気流通路３８）から噴出する旋回気流との混合促進により、その火炎起部が保炎器４０の端面４２上にリング状に形成されつつ火炎表面が中空スカート状に拡大されて形成され、拡散火炎の長さは短縮される。この結果として、タービン５２入口のガス温度が空間的にも時間的にも均一になり、エンジン回転速度の時間的な変動を助長する要因が少なくなり、燃料制御の変動が少なく、より一層火炎安定性が良好になる。
【００６６】
さらに、予混合燃料噴射ノズル２４のみから全燃料を噴射して運転する完全な予混合燃焼を観察すると、従来の燃焼器では６００℃を越える燃焼用空気が予混合通路２２から燃焼室に供給されており、しかも燃焼室１６内の再循環領域の高温ガスが保炎器４０の端面４２に下流側から衝突するので拡散燃料噴射ノズル２８と保炎器４０自体が赤熱している。これに対し、本燃焼器１０では、圧縮機５６出口の比較的温度の低い（約２００℃）空気が旋回気流通路３８を介して送給されることで保炎器４０自体を冷却すると共に、旋回装置３６から噴出する旋回気流が再循環領域の高温ガスと素早く混合して壁面を加熱することを防止している。このとき、予混合火炎は旋回装置３６と予混合通路２２出口の間に設けられた保炎器４０の円環状の端面４２にリング状の火炎起部を形成して、火炎の安定性は損なわれない。さらに、従来の燃焼器では予混合火炎に輝度の濃淡があるのに対し、本燃焼器１０では旋回気流により燃焼室１６の内側から剪断気流により引き延ばされて、混合促進が図られるので濃淡は観測されず、一様な輝度の薄い青炎を形成する。結果として、排出されるＮＯｘ濃度は従来の燃焼器で約１０ｐｐｍ（酸素１６％換算値）に対し、本燃焼器１０では５ｐｐｍ程度に半減する。
【００６７】
また、従来の燃焼器では保炎器４０の端面４２の熱上昇が大きいためにアップダウンの頻繁な運転がある場合には特に耐久性がなかったが、本燃焼器１０では温度上昇が抑えられるので耐久性が向上する。
【００６８】
以上の如く、本第１の実施の形態に係る燃焼器１０は、確実な着火始動性及び強固な予混合火炎の安定性を確保できると共に、広い運転範囲（運転条件）で低ＮＯｘ及び高燃焼効率（低ＣＯ・低ＨＣ）で運転することができ、かつこれを簡便で低コストにより実現することができる。
【００６９】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。
【００７０】
なお、前記第１の実施の形態と基本的に同一の部品には前記第１の実施の形態と同一の符号を付与してその説明を省略する。
【００７１】
図５には、本発明の第２の実施の形態に係るガスタービン用燃焼器６０の全体構成が断面図にて示されている。
【００７２】
この燃焼器６０は、気体燃料を予混合してあるいは液体燃料を予蒸発予混合して希薄燃焼させる構成のものであり、旋回気流通路３８に予蒸発予混合燃料噴射ノズル６２が配置されている。予蒸発予混合燃料噴射ノズル６２は、複数の噴孔を有しており、予混合通路２２の上流側（スワーラ羽根２６の下流側）の隔壁６４に形成された透孔６６に対向して配置されている。これにより、予蒸発予混合燃料噴射ノズル６２は、透孔６６を介して予蒸発予混合燃料を空気と一緒に予混合通路２２へ噴出することができる構成である。
【００７３】
一方、燃焼器中央に配置された拡散燃料噴射ノズル６８は、保炎器４０の端面隔壁７０に形成された透孔７２に対向配置されており、さらに、この拡散燃料噴射ノズル６８の周囲には環状の旋回装置７４が配置されている。図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に詳細に示す如く、旋回装置７４は、拡散燃料噴射ノズル６８の周囲に位置し、部材を凹溝状に形成することで設けられており、送給された空気に旋回速度を付与できるように構成されている。また、図７に示す如く、保炎器４０の端面隔壁７０には透孔７２の周囲に複数の空気孔７６が形成されている。これにより、旋回気流通路３８を通って供給された空気は、旋回装置７４によって旋回速度を付与され、拡散燃料噴射ノズル６８から噴射された噴霧燃料と旋回気流とを一緒に透孔７２及び空気孔７６を介して燃焼室１６に噴射することができる構成である。
【００７４】
なお、この場合においても、各空気孔７６は、それぞれ、燃焼室１６に対面する保炎器４０の端面隔壁７０の円周上等分位置に設けられており、さらに、透孔７２から噴射される燃料は、８０度から１００度の挟み角度で（本第２の実施の形態においては、挟み角度８０度で）燃焼室１６内に噴射することができ、さらに、この噴射された燃料は、燃焼室１６側方に配置された点火プラグ３４先端に到達するように設定されている。
【００７５】
上記構成の燃焼器６０では、隔壁６４によって予混合通路２２から分離された旋回気流通路３８に予蒸発予混合燃料噴射ノズル６２が配置されると共に、保炎器４０（その端面隔壁７０）によって燃焼室１６から分離して拡散燃料噴射ノズル６８を配置したため、これらの噴射ノズルが例えば６００℃に加熱された空気に曝されることがなくなる。このため、拡散燃料噴射ノズル６８あるいは予蒸発予混合燃料噴射ノズル６２自体を効果的に遮熱することができ、燃料のカーボン化またはデポジット化等の不具合の発生を防止することができる。またさらに、旋回気流通路３８に供給された比較的温度の低い（約２００℃）空気で拡散燃料噴射ノズル６８及び予蒸発予混合燃料噴射ノズル６２を冷却すると共に旋回気流を形成して噴射するので、燃焼室１６内に形成される噴霧火炎からの輻射を低下することができ、これによっても熱上昇が抑制され、燃料の詰まりやデポジット付着の不具合を一層確実に回避することができる。
【００７６】
さらに、この燃焼器６０では、予蒸発予混合燃料噴射ノズル６２は複数の噴孔から構成されており、しかも旋回気流通路３８内の空気を予蒸発予混合燃料噴射ノズル６２の各噴孔の周囲から一緒に透孔６６を介して予混合通路２２へ噴出することにより、予混合通路２２内の燃料の蒸発と空気との混合が容易になり（予混合通路２２へ燃料を効果的に分散させることができ）、気体燃料を効果的に予混合することができ、あるいは液体燃料を効果的に予蒸発予混合することができる。
【００７７】
また、拡散燃料噴射ノズル６８から噴射された噴霧燃料と旋回気流とを一緒に透孔７２及び空気孔７６を介して燃焼室１６に噴射し、あるいは、予蒸発予混合燃料噴射ノズル６２から噴射された噴霧燃料を空気と一緒に透孔６６を介して予混合通路２２へ噴出するため、液体燃料の微粒化を促進する効果もあり、燃料の分散と混合がより素早く均一になる。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明した如く本発明に係るガスタービン用燃焼器は、確実な着火始動性及び強固な予混合火炎の安定性を確保できると共に、広い運転範囲（運転条件）で低ＮＯｘ及び高燃焼効率（低ＣＯ・低ＨＣ）で運転することができ、かつこれを簡便で低コストにより実現することができるという優れた効果を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃焼器の全体構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る燃焼器の拡散燃料噴射ノズル及び旋回装置の詳細を示し、（Ａ）は側面図であり、（Ｂ）は正面図であり、（Ｃ）は断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る燃焼器が適用された再生式マイクロガスタービンの全体構成を示す概略的なブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る燃焼器における拡散燃料噴射ノズルから燃焼室へ向けて噴射する拡散燃料の噴射角度（挟み角度）の燃焼効率に対する影響を比較した線図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る燃焼器の全体構成を示す断面図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る燃焼器の旋回装置の詳細を示し、（Ａ）は側面図であり、（Ｂ）は正面図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る燃焼器の保炎器に設けられた透孔及び複数の空気孔の詳細を示す正面図である。
【符号の説明】
１０燃焼器
１６燃焼室
２０空気流入路
２２予混合通路
２４予混合燃料噴射ノズル
２６スワーラ羽根
２８拡散燃料噴射ノズル
３０拡散燃料通路
３２Ａ噴孔
３２Ｂ噴孔
３４点火プラグ
３６旋回装置
３８旋回気流通路
４０保炎器
４２端面

Claims

燃焼室の軸心部分に位置し、前記燃焼室へ向けて拡散燃料を噴射する拡散燃料噴射ノズルと、
前記燃焼室に連通して前記拡散燃料噴射ノズルの周囲に環状に設けられ、予混合気を供給するための予混合通路と、
前記予混合通路内に予混合燃料を噴射する予混合燃料噴射ノズルと、
前記拡散燃料噴射ノズルと前記予混合通路の間に配置され、前記燃焼室へ向けて旋回気流を噴出するための旋回装置と、
前記拡散燃料噴射ノズルに連通し、前記拡散燃料噴射ノズルに燃料を供給するための拡散燃料通路と、
前記旋回装置に連通すると共に、前記予混合通路よりも前記燃焼室の軸心側であって前記拡散燃料通路の周囲に環状に設けられ、前記旋回装置に前記予混合気と異なる温度の空気を供給するための旋回気流通路と、
前記燃焼室の外筒内壁から前記拡散燃料噴射ノズルの先端位置に設けられた保炎器まで至り、前記予混合通路と前記旋回気流通路とを分離する隔壁と、
を備え、
前記旋回気流通路を通って供給された空気が前記旋回装置によって旋回速度を付与されて噴出し前記燃焼室に旋回気流を形成する構成において、
前記拡散燃料噴射ノズル及び前記予混合燃料噴射ノズルを前記旋回気流通路に配置したことを特徴とするガスタービン用燃焼器。
前記予混合燃料噴射ノズルは、複数の噴孔を有して前記予混合通路へ燃料噴射すると供に、その周囲から前記予混合通路へ空気又は空気及び水蒸気の混合気を噴出することを特徴とする請求項１に記載のガスタービン用燃焼器。
前記旋回気流通路に高圧源から直接に空気又は空気及び水蒸気の混合気を供給することを特徴とする請求項１乃至請求項２の何れか１項に記載のガスタービン用燃焼器。