JP6199466B2

JP6199466B2 - ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JP6199466B2
Application number: JP2016198187A
Authority: JP
Inventors: 正道小山
Original assignee: Niigata Power Systems Co Ltd
Current assignee: Niigata Power Systems Co Ltd
Priority date: 2016-10-06
Filing date: 2016-10-06
Publication date: 2017-09-20
Anticipated expiration: 2033-03-04
Also published as: JP2017015389A

Description

本発明は、円筒形の燃焼筒の内部で燃料と空気を燃焼させることによりタービンに供給する燃焼ガスを生成するガスタービン燃焼器に係り、特に、希釈用の空気を内部に供給するために燃焼筒の周壁に空気孔を設けてＲＱＬ燃焼を行なうガスタービン燃焼器において、空気孔の構造や配置を工夫することにより安定した確実なＲＱＬ燃焼を行なうことができるようにしたガスタービン燃焼器に関するものである。

燃焼ガスで駆動されるタービンと、空気を圧縮するコンプレッサとが共通の駆動軸に連結されており、コンプレッサからの圧縮空気と燃料を燃焼筒に導いて燃焼させ、生成した燃焼ガスをタービンに供給して駆動軸を回転させるガスタービン装置は、例えば定置形の発電装置等の用途で広く用いられている。この種のガスタービン装置としては、環境保護の面から低ＮＯ_X化が求められるようになっていることを背景として、部分過濃形態燃焼方式(Rich burn-Quick quench-Lean burn 、略してＲＱＬ) を用いたものが使用されるようになっている。例えば、下記特許文献１及び特許文献２には、このようなＲＱＬ燃焼技術を用いたガスタービン燃焼器の発明が開示されている。

特許文献１には、ＲＱＬ方式のガスタービン燃焼器において、二次燃焼領域での混合を促進して燃焼器をコンパクト化することを目的とした発明が開示されている。この発明によれば、図９に示すように、燃焼器１は、燃焼筒３と、燃焼筒３の上部の燃料噴射装置４及びスワラ５と、燃焼筒３の下方に設けられてクエンチ空気を導入する第１空気供給孔６を具備している。スワラ５による空気の旋回流で、燃焼筒３の上部空間には燃焼ガスが上下に再循環する一次燃焼領域Ａが生成される。一次燃焼領域Ａはリッチ燃焼領域であり、当量比（φ、理論空燃費／空燃費）が１以上に保持され、火炎温度が相対的に低く抑えられて混合気が燃焼しにくい状態にある。また、第１空気供給孔６により導入されたクエンチ空気の旋回流で、燃焼筒３の下部空間には燃焼ガスが上下に再循環する二次燃焼領域Ｂが生成される。二次燃焼領域Ｂはリーン燃焼領域であり、一次燃焼領域Ａを通過した燃焼ガスが、第１空気供給孔６から供給される多量のクエンチ空気で急速に希釈され、当量比が急速に１以下となり、火炎温度が低く、混合気が燃焼しにくい状態にあり、燃焼ガス中に含まれるＮＯ_Xの量が可及的に減少する効果が継続する。

特許文献２には、燃料と空気との混合を促進し、燃焼時間の確保を達成するＲＱＬ燃焼方式による低ＮＯｘ燃焼器の発明が開示されている。この発明の燃焼器３０は、図１０に示すように、フレームチューブ３１と、フレームチューブ３１の接線方向から１次空気を噴出してこれを燃焼室内で旋回させる１次空気噴出管３５と、燃焼室の軸方向に燃料を噴出する燃料供給管３６とを備えた旋回型低ＮＯｘ燃焼器であり、前記フレームチューブ３１には、前記上流端面の中心を軸方向に貫通して燃焼室内に突出し、２次空気すなわちクエンチ空気を燃焼室内に供給する円管状の２次空気供給管３８がさらに設けられている。２次空気供給管３８の外側とフレームチューブ３１内周面との間には１次空気と燃料とが混合した燃料ガスが旋回しながら酸素不足雰囲気下で１次燃焼（リッチ燃焼）を行うための１次燃焼空間３３が形成され、２次空気供給管３８の下流側には１次燃焼後の燃焼ガスとクエンチ空気との混合ガスが過剰酸素雰囲気下で２次燃焼（リーン燃焼）を行うための２次燃焼空間３４が形成される。

特開２０１１−１６３６２６号公報特開２００４−０１１９４７号公報

前記特許文献１に記載されたガスタービン燃焼器によれば、図９に示すように、燃焼筒３の周壁に形成された複数本の第１空気供給孔６は、いずれも燃焼筒３の半径方向と平行であり、すべて燃焼筒３の中心軸に向けられているため、導入されたクエンチ空気は燃焼筒３の中心軸の部分で衝突して向きを変え、図中矢印Ｒ１で示したように、リッチ燃焼領域である一次燃焼領域Ａにバックフローとして流入してしまうとともに、二次燃焼領域Ｂの中心に集中して流れ込んでいる。

また、前記特許文献２に記載された低ＮＯｘ燃焼器によれば、図１０に示すように、フレームチューブ３１の周壁に形成された複数本の２次空気供給管３８は、いずれもフレームチューブ３１の半径方向と平行であり、すなわちすべてフレームチューブ３１の中心軸に向けられているため、導入されたクエンチ空気はフレームチューブ３１の中心軸の部分で衝突して向きを変え、図中矢印Ｒ２で示したように、リッチ燃焼領域（Rich burn 領域）である１次燃焼空間３３にバックフローとして流入してしまうとともに、リーン燃料領域（Lean burn 領域）である２次燃焼空間３４の中心に集中して流れ込んでいる。

このように、前記特許文献１及び２に記載されたＲＱＬ燃焼器の発明によれば、クエンチ空気は燃焼器の中心軸方向へ向かう対向噴流によって導入され、燃焼器の中心部で衝突して上下両方向に向きを変えるため、リッチ燃焼領域とリーン燃焼領域の両方に流れ込んでいる。このため、バックフローとしてリッチ燃焼領域に流れ込んだクエンチ空気は、リッチ燃焼領域を希釈してしまい、本来燃料リッチで酸素不足の状態で燃焼するはずのリッチ燃焼領域において酸素量が増大して当量比が小さくなってしまい、ＮＯ_Xの量が増大するという不都合が発生してしまう。また、リーン燃焼領域に流れ込んだクエンチ空気は、燃焼器中心付近に集中して軸線方向の強い流れを生成するため、その影響によって燃焼器の内周面に沿って相対的に低速な領域ができてしまい、これにより燃料の混合が不均一、すなわち燃料が濃いところと薄いところが存在する状態となってしまう。このような状態は、リーン燃焼領域で均一な混合により燃焼を完結させるＲＱＬ燃焼のコンセプトからは外れたものと言える。

本発明は、以上説明した先行技術における課題を解決するためになされたものであり、ＲＱＬ燃焼方式を用いたガスタービン燃焼器において、クエンチ空気のリッチ燃焼領域へのバックフローを低減してリッチ燃焼領域の当量比を高い状態に維持するとともに、クエンチ空気の導入部よりも下流のリーン燃焼領域における空気流速分布を均一化することにより、局所的な燃料の過濃領域を作ることなく希薄状態で均一に燃焼を完結させることができるようにすることを目的としている。

前記の課題を解決するため、本発明の請求項１に記載されたガスタービン燃焼器は、
円筒形の燃焼筒の上流から空気と燃料を内部に供給して燃焼させるとともに、前記燃焼筒の周壁に形成された空気孔から希釈用の空気を内部に導入することにより、前記空気孔よりも上流の領域では相対的に高い当量比で燃焼を行い、前記空気孔よりも下流の領域では相対的に低い当量比で燃焼を行ってガスタービン装置を駆動するための燃焼ガスを生成するガスタービン燃焼器において、
前記空気孔として相対的に径の大きい大空気孔と相対的に径の小さい小空気孔を互いに軸線が一致するように向かい合わせた組を前記燃焼筒の中心軸線に直交する平面内において複数備えており、前記大空気孔と前記小空気孔の前記軸線が前記平面の中心を通過しないように前記各組を配置したことを特徴としている。

請求項２に記載されたガスタービン燃焼器は、請求項１記載のガスタービン燃焼器において、
前記大空気孔と前記小空気孔から流入する空気が衝突する衝突位置が、前記平面内において前記各組で互いに異なる位置とされていることを特徴としている。

請求項３に記載されたガスタービン燃焼器は、請求項２記載のガスタービン燃焼器において、
前記各組の前記各衝突位置を他の前記各組の前記大空気孔から流入した空気が通過するように前記各組を配置したことを特徴としている。

請求項１又は請求項２に記載された本発明のガスタービン燃焼器によれば、縦配置の燃焼筒の上端部から燃料と空気を供給して燃焼させるとともに、燃焼筒の周壁の空気孔からクエンチ空気を導入してＲＱＬ燃焼を行なわせることができる。

クエンチ空気を導入する空気孔は、軸線を一致させ、かつ対向するように組として配置された大空気孔と小空気孔からなる。そして、大空気孔と小空気孔の組において、大空気孔から噴射される空気の方が小空気孔から噴射される空気よりも勢いが強く、貫通力があるため、両空気孔からそれぞれ噴射される空気の衝突箇所は、軸線上において小空気孔に近い位置となる。

このような組を、燃焼筒の中心軸線に直交する平面内で複数配置する場合、各組の軸線が同平面内の中心を通過するように配置すると、複数の組の各大空気孔からの空気同士が燃焼筒の中心で衝突することとなり、従来の課題で指摘したように、クエンチ空気が衝突によって上下両方向に向きを変えてリッチ燃焼領域とリーン燃焼領域の両方に流れ込んで問題を生じさせてしまう。

しかし、本発明によれば、各組の軸線が前記平面の中心を通過しないように各組を配置しているため、大空気孔と小空気孔から流入する空気が衝突する衝突位置は、前記平面内において前記各組で互いに異なる位置となる。よって、各組におけるクエンチ用の空気の衝突位置では、クエンチ用の空気が特定箇所に集中して衝突し、リッチ燃焼領域とリーン燃焼領域の両方に大規模に流れ込むことは防止され、その結果、リッチ燃焼領域においては当量比を十分高い状態に維持でき、リーン燃焼領域においては空気流速分布を均一化して希薄状態で均一に燃焼を完結させることができる。

請求項３に記載された本発明のガスタービン燃焼器によれば、各組の空気孔の軸線が前記平面の中心を通過しないように各組を配置し、大空気孔と小空気孔から流入する空気が衝突する衝突位置が前記平面内において各組で互いに異なる位置となるよう構成したことに加え、さらに各組におけるクエンチ用の空気の衝突位置を、他の組の大空気孔から流入した空気が通過するように配置した。このため、各組におけるクエンチ用の空気の衝突位置に、他の組の大空気孔による貫通力の強い空気流が異なる向きから吹き付けられることとなり、衝突した空気が向きを変えてリッチ燃焼領域とリーン燃焼領域の両方に大規模に流れ込むことは一層確実に防止される。その結果、リッチ燃焼領域において当量比を十分高い状態に維持し、リーン燃焼領域において空気流速分布を均一化して希薄状態で均一に燃焼を完結させる効果は、さらに一層確実となる。

第１実施形態のガスタービン燃焼器の縦断面図である。図１のＸ−Ｘ切断線における同燃焼器の横断面図である。第１実施形態のガスタービン燃焼器による作用効果を示す図であって、内部の空気の絶対速度ベクトルをＣＦＤにより計算して得たシミュレーション結果を示す図である。第１実施形態のガスタービン燃焼器による作用効果を示す図であって、図３に示す横断面（クエンチ位置よりも下方５０ｍｍ）における空気の軸方向速度をＣＦＤにより計算して得たミュレーション結果をコンタで示す図である。従来のガスタービン燃焼器において、内部の空気の絶対速度ベクトルをＣＦＤにより計算して得たシミュレーション結果を示す図である。従来のガスタービン燃焼器において、図５に示す横断面（クエンチ位置よりも下方５０ｍｍ）における空気の軸方向速度をＣＦＤにより計算して得たシミュレーション結果をコンタで示す図である。第２実施形態のガスタービン燃焼器の中心軸線に直交する平面における空気孔の配置及びクエンチ用の空気の衝突位置を示す図である。第３実施形態のガスタービン燃焼器の中心軸線に直交する平面における空気孔の配置及びクエンチ用の空気の衝突位置を示す図である。特許文献１に開示された従来のガスタービン燃焼器の縦断面図である。特許文献２に開示された従来のガスタービン燃焼器の縦断面図である。

図１〜図６を参照して本発明の第１実施形態に係るガスタービン燃焼器（以下、単に燃焼器とも称する。）を説明する。
図１は本実施形態のガスタービン燃焼器１の縦断面図である。図１に示すように、燃焼器１は、図示しないコンプレッサから圧縮空気が供給される外筒２と、外筒２の内部に配置された燃焼筒３を本体としている。外筒２及び燃焼筒３は共に略円柱形であり、共に鉛直方向に平行な軸線を一致させた縦型で配置されており、両者の間には所定の間隔が設けられている。外筒２及び燃焼筒３の頂部の中央には、燃焼筒３内に燃料を供給するための燃料供給装置４が設けられており、外筒２の外側から燃焼筒３の内部に燃料を供給することができる。さらに燃焼筒３の頂部には、燃料供給装置４を囲んで旋回空気生成手段としてのスワラ５が設けられており、図示しないコンプレッサから外筒２内に供給された圧縮空気を燃焼筒３の頂部から内部に供給し、燃焼筒３の軸線に直交する面内で回転する旋回流を燃焼筒３内に起こすことができるようになっている。

従ってスワラ５が燃焼筒３内に旋回流を生成している状態で燃料供給装置４から燃料を供給して点火することにより、燃焼筒３内の上部に上下に循環する燃焼ガスの再循環流を生成して一次燃焼領域としてのリッチ燃焼領域Ｒを構成することができる。このリッチ燃焼領域Ｒでは、当量比を１以上に保持することによって火炎温度を必要な程度にまで下げ、燃料と空気の混合気が燃焼しにくい状態となり、これによって燃焼ガス中に含まれるＮＯ_Xの量が可及的に減少せしめられるようになっている。

図１に示すように、燃焼筒３のリッチ焼領域Ｒの最低位にあたる部分の下方、すなわち図１中に示した切断線Ｘ−Ｘよりも下方の位置には、クエンチ空気を導入するための空気孔Ｑが形成されている。燃焼時に、この空気孔Ｑから内部に空気を導入することにより、空気孔Ｑよりも下方には、二次燃焼領域としてのリーン燃焼領域Ｌを構成することができる。リーン燃焼領域Ｌでは、リッチ燃焼後の燃焼ガスとクエンチ空気との混合ガスが過剰酸素雰囲気下でリーン燃焼を行い、これによって所期の低ＮＯx 化が達成される他、完全燃焼により未燃ガスの排出が抑制される。

図２は、図１の切断線Ｘ−Ｘにおける断面図であり、縦に設置された燃焼筒の中心軸線Ｓに直交する仮想的な平面でリッチ焼領域Ｒの下方を切断した図である。この図２に示すように、燃焼筒３の周壁に形成された空気孔Ｑは、すべて前記平面内に現れており、縦配置された燃焼筒３の同一高さの位置に形成されている。これら空気孔Ｑは、相対的に径の大きい１個の大空気孔ＱＬと、相対的に径の小さい１個の小空気孔ＱＳの組によって構成されている。

大空気孔ＱＬと小空気孔ＱＳから燃焼筒３の内部に供給されるクエンチ用の空気は、コンプレッサから外筒２の内部に供給される圧縮空気である。従って、孔の内径の大小に関わらず空気を内部に導入する際の圧力は一定であるが、孔の内径の大小によって供給量には大小の差異が生じる。すなわち、大空気孔ＱＬからの空気の導入量は相対的に多く、空気流としての貫通力は相対的に大きい。これに対し、小空気孔ＱＳからの空気の導入量は相対的に少なく、空気流としての貫通力は相対的に小さい。

図２に示すように、この空気孔Ｑの各組では、両空気孔ＱＬ、ＱＳは互いに軸線Ｌが一致するように向かい合わせて燃焼筒３の周壁に形成されている。この空気孔Ｑの組は、本実施形態では複数設けられるものとなっており、本実施形態では４組の空気孔Ｑ（従って、大小同数で合計８個の空気孔ＱＬ、ＱＳ）が周壁に形成されている。このように向かい合わせで軸線Ｌを一致させて配置された大空気孔ＱＬと小空気孔ＱＳから空気を噴射すると、上述した貫通力の差異から、図２に示すように、大空気孔ＱＬと小空気孔ＱＳからの空気の噴流の衝突位置Ｐは、軸線Ｌ上の両孔ＱＬ、ＱＳの中間位置にはならず、貫通力が大きい大空気孔ＱＬから遠い位置、従って小空気孔ＱＳに近い位置となる。

図２に示すように、空気孔の各組は、大空気孔ＱＬと小空気孔ＱＳの軸線Ｌが前記平面の中心（すなわち燃焼筒３の中心軸線Ｓ）を通過しないように配置されている。この実施形態では、前記平面の中心（燃焼筒３の中心軸線Ｓ）を通過する互いに直交した２本の中心線Ｃ１、Ｃ２を想定し、これを基準とすると、空気孔の各組の軸線Ｌは各中心線Ｃ１、Ｃ２から偏芯した位置に配置されている。

さらに具体的に配置を説明すれば次の通りである。すなわち、第１の組の軸線Ｌ１は、一方の中心線Ｃ１に直交するとともに、他方の中心線Ｃ２で分割された前記平面の一方に存在する。第１の組の軸線Ｌ１に平行な第２の組の軸線Ｌ２は、一方の中心線Ｃ１に直交するとともに、他方の中心線Ｃ２で分割された前記平面の他方に存在する。第１の組の軸線Ｌ１に直交する第３の組の軸線Ｌ３は、他方の中心線Ｃ２に直交するとともに、一方の中心線ｃ１で分割された前記平面の一方に存在する。第３の組の軸線Ｌ３に平行なる第４の組の軸線Ｌ４は、他方の中心線Ｃ２に直交するとともに、一方の中心線Ｃ１で分割された前記平面の他方に存在する。

このように、空気孔Ｑの各組の各軸線Ｌが前記平面の中心Ｓを通過しないように配置されていれば、少なくとも各組の大空気孔ＱＬから流入する空気が前記平面内の中心Ｓで衝突して上下に向きを変え、リッチ燃焼領域Ｒとリーン燃焼領域Ｌの両方に大規模に流れ込む現象が発生することは防止される。

図２に示すように、空気孔Ｑの各組は、上述したように、各軸線Ｌが前記平面の中心を通過しないように配置されているとともに、さらに、互いに軸線Ｌが平行な２つの組の間では、大空気孔ＱＬと小空気孔ＱＳの向きが互いに反対となっている。又は、燃焼筒３の周壁には、周方向に沿って大空気孔ＱＬと小空気孔ＱＳが交互に形成された構造となっている。このため、各組において、大空気孔ＱＬと小空気孔ＱＳから流入する空気が衝突する衝突位置Ｐは、前記平面内では互いに異なる４つの位置に分かれるようになっている。ここでは、４つの組が井桁状に配置されているため、４つの衝突位置Ｐは略矩形の各頂点位置を占めるような配置となっている。

このため、４つの組における空気の衝突位置Ｐは互いに重なることがなく、クエンチ用の空気が特定箇所に集中して衝突し、リッチ燃焼領域Ｒとリーン燃焼領域Ｌの両方に流れ込むことも防止される。その結果、リッチ燃焼領域Ｒで当量比を十分高い状態に維持し、リーン燃焼領域Ｌで空気流速分布を均一化する効果はさらに確実になる。

また、図２に示すように、本実施形態では、空気孔Ｑの各組の配置を上述のように設定したので、その結果として、各組の各衝突位置Ｐには、他の組の大空気孔ＱＬから流入した空気が通過するようになっている。

このため、各組におけるクエンチ用の空気の衝突位置Ｐに、他の組の大空気孔ＱＬによる貫通力の強い空気流が異なる向きから吹き付けられることになる。その結果、各組において衝突した空気が向きを変えてリッチ燃焼領域Ｒとリーン燃焼領域Ｌの両方に流れ込む現象はさらに一層確実に防止される。その結果、上述した効果はさらに一層確実となる。

なお、図１に示すように、リーン燃焼領域Ｌの下方部分には、他の空気孔ＱＡが設けられているが、この空気孔ＱＡは、リーン燃焼領域Ｌの燃焼ガスを冷却するための希釈孔である。

次に、以上説明した本実施形態の燃焼器１における燃焼の基本的な態様について説明する。
タービンが始動してコンプレッサからの空気が外筒２の内部に供給され、この空気がスワラ５から燃焼筒３の上方内部に旋回流として供給されるとともに、燃料供給装置４から燃料が燃焼筒３内に供給されて所定のタイミングで点火が行なわれる。

図１において、燃料供給装置４からの燃料はスワラ５から供給された旋回する空気と混合されて燃焼しながら下方に向かうが、空気孔Ｑから水平方向へ供給されるクエンチ用の空気流の障壁によってストレートに燃焼筒３の下方に移動はせず、上下方向の再循環が促進されて燃焼筒３の上方内部にはリッチ燃焼領域Ｒが形成される。このリッチ燃焼領域Ｒでは、当量比が１以上に設定されているため、火炎温度は必要な程度に低く、燃料と空気の混合気は燃焼しにくい状態にある。このため、リッチ燃焼領域Ｒで燃焼ガス中に生じるＮＯ_Xの量は可及的に減少せしめられる。

図１において、リッチ燃焼領域Ｒを通過した燃焼ガスは、空気孔Ｑから供給される多量の空気で急速に希釈され、燃焼筒３の下方の領域に入る。このリーン燃焼領域Ｌでは、リッチ燃焼領域Ｒを通過した燃焼ガスが、空気孔Ｑから供給される多量の空気で急速に希釈されるので、当量比は急速に１以下となり、その結果リーン燃焼領域Ｌにおいても火炎温度は低い状態を維持し、リーン燃焼領域Ｌで燃焼ガス中に生じるＮＯ_Xの量も可及的に減少せしめられる。

次に、以上説明した本実施形態の燃焼器１における作用効果上の特徴について図３〜図６を参照して説明する。
図３及び図４は本実施形態における作用効果を示すためにＣＦＤ(Computational Fluid Dynamics)に基づいて行なったシミュレーションの計算結果を示す図である。これらの図は本来カラーであるが、特許出願手続上の都合から白黒で表されている。そこで、以下の説明では図中の要所を符号で指摘するとともに、当該要所の数値を示すことにより、説明と図と図中に示したスケールとを互いに照合できるように配慮した。

前述したように、この燃焼器１では、流入空気噴流の強い貫通度を持つ大空気孔ＱＬと、弱い貫通度を持つ小空気孔ＱＳの組を、前記平面の中心線Ｓから偏芯した位置で向かい合うように配置した。さらに、大空気孔ＱＬと小空気孔ＱＳからの噴流の衝突位置Ｐを、他の組の大空気孔ＱＬからの強い噴流が通過するように各組を配置した。これにより図３及び図４に示すように強い噴流の衝突によるリッチ燃焼領域Ｒへの空気のバックフローと、リーン燃焼領域Ｌの中心への強い空気の流入を共に抑えることができる。

図３は本実施形態の燃焼器の内部空気の絶対速度ベクトルを示している。この図から分かるように、リッチ燃焼領域Ｒの中心である箇所Ａ１では絶対速度ベクトルの大きさは２０ｍ／ｓ程度でほぼ一定であり、その向きは特定方向を向いておらず、空気孔Ｑから噴射される空気の衝突で上向きのバックフローが生じていないことが分かる。また、リーン燃焼領域Ｌでは、全体として絶対速度ベクトルの大きさが３０ｍ／ｓ程度でほぼ一定であり、その向きは概ね下方を向いている。すなわち、空気孔Ｑから噴射されて衝突した空気が均一な流れとなってリーン燃焼領域Ｌに流入しており、特に空気の速度が不均一になっているところがないことが分かる。

これに対し、図５に示した従来の燃焼器の場合には、リッチ燃焼領域Ｒでは、例えば中央部分の箇所Ｂ１では、絶対速度ベクトルの大きさは３０ｍ／ｓ程度で本実施形態よりもかなり強く、また、その向きは燃焼筒３の中心軸線を中心とした大きな渦巻きを生成するようになっており、空気孔Ｑから噴射される空気の衝突で上向きの強いバックフローが生じていることが分かる。また、リーン燃焼領域Ｌの中心である箇所Ｂ２では、絶対速度ベクトルの大きさが５０ｍ／ｓ程度で下向きの強い流れが生じている一方、リーン燃焼領域Ｌの周辺部、すなわち燃焼筒３の周壁に近い周領域の箇所Ｂ３では、絶対速度ベクトルの大きさが５ｍ／ｓ程度と極めて小さくなっている。すなわち、空気孔Ｑから噴射されて衝突した空気が中心に集中した偏った流れとなってリーン燃焼領域Ｌに流入しており、燃料の混合が不均一になっていることが分かる。

図４は本実施形態の燃焼器における空気の軸方向速度を、リーン燃焼領域Ｌの横切断面（図３に示すクエンチ位置から50ｍｍ下流の断面）におけるコンタで示した図である。この図から分かるように、リーン燃焼領域Ｌでは、前述した４個の衝突位置Ｐに対応する箇所Ａ２〜Ａ５にコンタの山が生成しているが、それぞれ速度は２５ｍ／ｓ程度と極めて小さくなっており、周壁の近傍の箇所Ａ６でも２０ｍ／ｓ程度であり、前述したように、特に空気の速度が不均一になっていないことが分かる。

これに対し、図６に示した従来の燃焼器の場合には、リーン燃焼領域Ｌの中心の箇所Ｂ４では、絶対速度ベクトルの大きさが６０ｍ／ｓ程度と非常に強い下向きの強い流れが生じている一方、リーン燃焼領域Ｌの周辺部、すなわち燃焼筒３の周壁に近い周領域の箇所Ｂ５では、絶対速度ベクトルの大きさが１５ｍ／ｓ程度と極めて小さくなっている。すなわち、図５を参照して説明した通り、空気孔Ｑから噴射されて衝突した空気が中心に集中した偏った流れとなってリーン燃焼領域Ｌに流入しており、燃料の混合が不均一になっていることが分かる。

以上説明したＣＦＤによる空気の流れの計算結果から、本実施形態によれば、リッチ燃焼領域Ｒへのバックフローを低減し、クエンチ空気下流の流れを均一化できることが確認された。これにより、リッチ燃焼領域Ｒでは確実に当量比を高くキープでき、クエンチ部では均一に急速混合でき、リーン燃焼領域Ｌでは均一な速度分布により燃焼を完結できるという効果が得られる。

次に、図７を参照して本発明の第２実施形態に係るガスタービン燃焼器（燃焼器）を説明する。図７は、第１実施形態の図２に対応するものであり、図７に示した構成以外の構成については第１実施形態の説明を援用して説明の繰り返しを避けるものとする。

図７に示すように、第２実施形態の燃焼器では、大空気孔ＱＬと小空気孔ＱＳの組が３組設けられている。第１実施形態と組の数は異なるが、次の点では第１実施形態と同一である。すなわち、空気孔Ｑの各組では、両空気孔ＱＬ、ＱＳは互いに軸線Ｌが一致するように向かい合わせて燃焼筒３の周壁に形成されている。また、空気孔Ｑの各組は、大空気孔ＱＬと小空気孔ＱＳの軸線Ｌが前記平面の中心（すなわち燃焼筒３の中心軸線Ｓ）を通過しないように配置されている。また、空気孔Ｑの各組は、燃焼筒３の周壁では、周方向に沿って大空気孔ＱＬと小空気孔ＱＳが交互に形成された構造となっている。このため、各組において、大空気孔ＱＬと小空気孔ＱＳから流入する空気が衝突する衝突位置Ｐは、前記平面内では互いに異なる３つの位置に分かれるようになっている。ここでは、３つの組が適当な角度を以て配置されているため、３つの衝突位置Ｐは三角形の各頂点位置を占めるような配置となっている。

このように、本実施形態によれば、３つの組における空気の衝突位置Ｐが互いに重なることがなく、クエンチ用の空気が特定箇所に集中して衝突し、リッチ燃焼領域Ｒとリーン燃焼領域Ｌの両方に流れ込むことも防止される。その結果、リッチ燃焼領域Ｒで当量比を十分高い状態に維持し、リーン燃焼領域Ｌで空気流速分布を均一化する効果が得られるのは第１実施形態と同じである。

次に、図８を参照して本発明の第３実施形態に係るガスタービン燃焼器（燃焼器）を説明する。図８は、第１実施形態の図２に対応するものであり、図８に示した構成以外の構成については第１実施形態の説明を援用して説明の繰り返しを避けるものとする。

図８に示すように、第３実施形態の燃焼器では、大空気孔ＱＬと小空気孔ＱＳの組が５組設けられている。第１実施形態と組の数は異なるが、次の点では第１実施形態と同一である。すなわち、空気孔Ｑの各組では、両空気孔ＱＬ、ＱＳは互いに軸線Ｌが一致するように向かい合わせて燃焼筒３の周壁に形成されている。また、空気孔Ｑの各組は、大空気孔ＱＬと小空気孔ＱＳの軸線Ｌが前記平面の中心（すなわち燃焼筒３の中心軸線Ｓ）を通過しないように配置されている。また、空気孔Ｑの各組は、燃焼筒３の周壁では、周方向に沿って大空気孔ＱＬと小空気孔ＱＳが交互に形成された構造となっている。このため、各組において、大空気孔ＱＬと小空気孔ＱＳから流入する空気が衝突する衝突位置Ｐは、前記平面内では互いに異なる５つの位置に分かれるようになっている。ここでは、５つの組が適当な角度を以て配置されているため、５つの衝突位置Ｐは五角形の各頂点位置を占めるような配置となっている。

このように、本実施形態によれば、５つの組における空気の衝突位置Ｐが互いに重なることがなく、クエンチ用の空気が特定箇所に集中して衝突し、リッチ燃焼領域Ｒとリーン燃焼領域Ｌの両方に流れ込むことも防止される。その結果、リッチ燃焼領域Ｒで当量比を十分高い状態に維持し、リーン燃焼領域Ｌで空気流速分布を均一化する効果が得られるのは第１実施形態と同じである。

以上説明した各実施形態では、大小の空気孔ＱＬ、ＱＳの組の数は、３〜５個であったが、２個でも可能であるし、６個以上としても各実施形態と同様の配置で構成でき、同様の効果を得ることができる。

以上説明したように、本発明の各実施形態によれば、次のような効果が得られる。
(1) ガスタービン用カン型燃焼器にＲＱＬ燃焼方式を用いた場合、クエンチ空気からリッチ燃焼領域Ｒへのバックフローを低減できる。これによりリッチ燃焼領域Ｒの当量比を高い状態で確実にキープすることができる。

(2) クエンチ空気下流の空気流速分布を均一にすることができる。これにより、リーン燃焼領域Ｌにおいて局所的な燃料過濃状態を作ることなく希薄状態で均一に燃焼を完結することができる。

(3) 上記２つの項目によりＲＱＬ燃焼においてリッチ燃焼領域Ｒでは確実に当量比を高く、空気孔Ｑの部分では燃焼筒の径全体にわたり均一に混合し、リーン燃焼領域Ｌにおいて希薄で均一な燃焼を実現でき、結果的に低ＮＯ_Xの排気エミッション特性を実現できる。

１…燃焼器
３…燃焼筒
Ｒ…リッチ燃焼領域
Ｌ…リーン燃焼領域
Ｑ…空気孔
ＱＬ…大空気孔
ＱＳ…小空気孔
Ｓ…燃焼筒の中心軸線
Ｌ，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４…空気孔の軸線
Ｐ，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４…空気の衝突位置

Claims

円筒形の燃焼筒の上流から空気と燃料を内部に供給して燃焼させるとともに、前記燃焼筒の周壁に形成された空気孔から希釈用の空気を内部に導入することにより、前記空気孔よりも上流の領域では相対的に高い当量比で燃焼を行い、前記空気孔よりも下流の領域では相対的に低い当量比で燃焼を行ってガスタービン装置を駆動するための燃焼ガスを生成するガスタービン燃焼器において、
前記空気孔として相対的に径の大きい大空気孔と相対的に径の小さい小空気孔を互いに軸線が一致するように向かい合わせた組を前記燃焼筒の中心軸線に直交する平面内において複数備えており、前記大空気孔と前記小空気孔の前記軸線が前記平面の中心を通過しないように前記各組を配置したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
前記大空気孔と前記小空気孔から流入する空気が衝突する衝突位置が、前記平面内において前記各組で互いに異なる位置とされていることを特徴とする請求項１記載のガスタービン燃焼器。
前記各組の前記各衝突位置を他の前記各組の前記大空気孔から流入した空気が通過するように前記各組を配置したことを特徴とする請求項２記載のガスタービン燃焼器。