JPH07133931A - 燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】予混合火炎を安定化させる。 【構成】１次燃焼室３０を形成する１次燃焼用内筒３１
の下流端に、予混合バーナ２３の噴出口２６が隣接して
設けられている。予混合バーナ噴出口２６近傍で且つ噴
出口２６よりも下流側の位置に、予混合バーナ２６から
噴出される予混合気体５の燃焼により生成される燃焼気
体の循環流５２を形成して、予混合火炎５１を保持する
保炎器５１が設けられている。１次燃焼用内筒３１の下
流端に、内筒３１の中心軸方向に突出し、一次燃焼ガス
６の流れに対して障害となる突出片４５が設けれてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、少なくとも一つが予混
合燃焼である多段燃焼方式の燃焼器に係り、低ＮＯｘ燃
焼と広い負荷範囲での安定燃焼とを両立させることがで
きる燃焼器に関する。本発明は、特にガスタービン燃焼
器として用いるのに好適である。

【０００２】

【従来の技術】近年におけるガスタービン燃焼器におい
て、低ＮＯｘ燃焼と広い負荷範囲での安定燃焼とを両立
させることは重要である。燃焼器で生成されるＮＯｘと
しては、燃料中に含まれる窒素分が燃焼して生成される
ＮＯｘ、いわゆるフューエルＮＯｘと、燃焼用空気中の
窒素が高温雰囲気により酸化されて生成されるＮＯｘ、
いわゆるサーマルＮＯｘとがある。フューエルＮＯｘの
生成量に関しては、燃料中に含まれる窒素分により影響
を受けるため、ＮＯｘ排出量を低減するためには、燃料
性状を変え、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）等の燃料
の中に窒素分を含まない気体燃料を用いる必要がある。
一方、サーマルＮＯｘの生成量に関しては、火炎温度に
依存するため、火炎温度の低下がＮＯｘ排出量の抑制の
ために重要である。

【０００３】ところで、燃料と空気をそれぞれ別個のノ
ズルから噴出して燃焼させる拡散燃焼では、局所的に空
気量に対して燃料量が多い領域が形成されるため、火炎
の安定性が良い反面、局所的に火炎温度の高くなる領域
が形成される結果、ＮＯｘ生成量が多くなってしまう。

【０００４】このような拡散燃焼に対し、燃料と空気を
予め混合した後、この予混合気体を燃焼させる予混合燃
焼では、燃焼室内において燃料と空気の混合が均一であ
り局所的に温度の高くなる領域が形成されないため、Ｎ
Ｏｘ排出量は低くなる。しかしながら予混合燃焼では実
用上の問題として、拡散燃焼と比べて安定燃焼範囲が狭
いという点がある。

【０００５】そこで、広い負荷範囲での安定燃焼と低Ｎ
Ｏｘ燃焼とを両立させるため、例えば、図１４及び図１
５に示すような燃焼器が提案されている。

【０００６】この燃焼器は、上流側に拡散燃焼室３０を
形成すると共に、その下流側に予混合燃焼室２０を形成
し、予混合バーナ２３の噴出口２６より僅かに下流の位
置に保炎器４０を設けたものである。すなわち、この燃
焼器では、燃料の一部２を拡散燃焼室３０で拡散燃焼さ
せて広い負荷範囲に対応できるようにすると共に、燃料
の残りの一部３を予混合燃焼室２０で予混合燃焼させ
て、ＮＯｘの低減を図っている。さらに、保炎器４０の
下流に高温の燃焼ガスによる循環流５２を形成し、ここ
を予混合気体５の着火源として燃焼させることで、予混
合火炎５１を保炎している。

【０００７】なお、この技術と同種のものとして、特開
平3−175211 号公報に記載されているものがある。ま
た、関連ある技術としては、例えば、特開昭64−54122
号公報や特開平3−207917 号公報に記載されているもの
がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】この従来技術では、確
かに、低ＮＯｘ燃焼と広い負荷範囲での安定燃焼とをあ
る程度両立できるものの、負荷変動時において、例え
ば、予混合バーナ２３から噴出される予混合気体５の圧
力（又は流速）と拡散燃焼室３０から予混合燃焼室２０
に流れ込む燃焼ガス６の圧力（又は流速）との関係が不
安定になると、予混合火炎５１が不安定になり、安定燃
焼を図ることができなってしまう。具体的には、予混合
燃焼の割合が多い高負荷時において予混合火炎５１が不
安定な状態になると、振動燃焼を発生し、逆に、予混合
燃焼の割合が少ない低負荷時において予混合火炎５１が
不安定な状態になると、吹き消え等が発生する。振動燃
焼は、局所的な高温領域を形成してＮＯｘ排出量の増加
をもたらすと共に、騒音の原因にもなる。また、振動燃
焼では、最悪の場合、失火による燃料滞留により、燃焼
器が爆破してしまうおそれもある。

【０００９】すなわち、従来技術では、低ＮＯｘ燃焼と
広い負荷範囲での安定燃焼とを十分に両立できていない
と言える。

【００１０】そこで、本発明の目的は、低ＮＯｘ燃焼と
広い負荷範囲での安定燃焼とを十分に両立できる燃焼器
を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の燃焼器は、次の(1）〜(9）からなる。

【００１２】(1）一次燃焼が行われる一次燃焼室が上流
側に形成され、燃料と空気とが予め混合された予混合気
体を噴出する予混合バーナが該一次燃焼室の外側に設け
られ、該予混合バーナの噴出口が該一次燃焼室の下流側
に隣接して設けられ、該予混合気体が燃焼する二次燃焼
室が該予混合バーナ及び該一次燃焼室の下流側に形成さ
れている燃焼器において、前記予混合バーナの噴出口近
傍で且つ該噴出口よりも下流側の位置に、該予混合バー
ナから噴出される前記予混合気体の燃焼により生成され
る燃焼気体の循環流を形成して、該予混合気体の燃焼に
よる予混合火炎を保持する手段と、前記一次燃焼室の下
流端で且つ該一次燃焼室の前記予混合バーナ側の縁に、
前記予混合火炎の形成位置よりも上流側から火炎が形成
できるようにする手段と、を備えていることを特徴とす
る燃焼器。

【００１３】(2）一次燃焼が行われる一次燃焼室が上流
側に形成され、燃料と空気とが予め混合された予混合気
体を噴出する予混合バーナが該一次燃焼室の外側に隣接
して設けられ、該予混合バーナの噴出口が該一次燃焼室
の下流端に隣接して設けられ、該予混合気体が燃焼する
二次燃焼室が該予混合バーナ及び該一次燃焼室の下流側
に形成されている燃焼器において、前記予混合バーナの
噴出口近傍で且つ該噴出口よりも下流側の位置に、該予
混合バーナから噴出される前記予混合気体の燃焼により
生成される燃焼気体の循環流を形成して、該予混合気体
の燃焼による予混合火炎を保持する保炎器と、前記一次
燃焼室の下流端で且つ該一次燃焼室の前記予混合バーナ
側の縁に、燃焼室の半径方向に突出し、該一次燃焼室に
おける燃焼で生成された燃焼気体の流れに対して障害と
なる突出片と、を備えていることを特徴とする燃焼器。

【００１４】(3）一次燃焼が行われる一次燃焼室が上流
側に形成され、燃料と空気とが予め混合された予混合気
体を噴出する予混合バーナが該一次燃焼室の外側に隣接
して設けられ、該予混合バーナの噴出口が該一次燃焼室
の下流端に隣接して設けられ、該予混合気体が燃焼する
二次燃焼室が該予混合バーナ及び該一次燃焼室の下流側
に形成されている燃焼器において、前記予混合バーナの
噴出口近傍で且つ該噴出口よりも下流側の位置に、該予
混合バーナから噴出される前記予混合気体の燃焼により
生成される燃焼気体の循環流を形成して、該予混合気体
の燃焼による予混合火炎を保持する保炎器と、前記一次
燃焼室の下流端で且つ該一次燃焼室の前記予混合バーナ
側の縁に、燃焼室の半径方向に突出し、該一次燃焼室に
おける燃焼で生成された燃焼気体の流れに対して障害と
なる突出片と、前記一次燃焼室の下流端で且つ該一次燃
焼室の前記予混合バーナ側の縁と該予混合バーナの噴出
口との間に、下流側へ燃料を噴出するノズルと、を備え
ていることを特徴とする燃焼器。

【００１５】(4）前記一次燃焼室は、円筒状を成し、前
記予混合バーナの噴出口は、前記一次燃焼室の下流端の
周囲に隣接して環状に設けられ、前記突出片は、前記一
次燃焼室の形状に対応して、環状に形成されていること
を特徴とする前記(1）〜(3）に記載の燃焼器。

【００１６】(5）前記一次燃焼室は、円筒状を成し、前
記予混合バーナの噴出口は、前記一次燃焼室の下流端の
周囲に隣接して環状に設けられ、前記突出片は、前記一
次燃焼室の前記予混合バーナ側の環状の縁に、不連続に
複数設けられていることを特徴とする前記(1）〜(3）に
記載の燃焼器。

【００１７】(6）一次燃焼が行われる一次燃焼室が上流
側に形成され、燃料と空気とが予め混合された予混合気
体を噴出する予混合バーナが該一次燃焼室の外側に隣接
して設けられ、該予混合バーナの噴出口が該一次燃焼室
の下流端に隣接して設けられ、該予混合気体が燃焼する
二次燃焼室が該予混合バーナ及び該一次燃焼室の下流側
に形成されている燃焼器において、前記予混合バーナの
噴出口近傍で且つ該噴出口よりも下流側の位置に、該予
混合バーナから噴出される前記予混合気体の燃焼により
生成される燃焼気体の循環流を形成して、該予混合気体
の燃焼による予混合火炎を保持する保炎器と、前記一次
燃焼室の下流端と前記予混合バーナの噴出口との間に、
下流側へ燃料を噴出するノズルと、を備えていることを
特徴とする燃焼器。

【００１８】(7）一次燃焼が行われる一次燃焼室が上流
側に形成され、燃料と空気とが予め混合された予混合気
体を噴出する予混合バーナが該一次燃焼室の外側に隣接
して設けられ、該予混合バーナの噴出口が該一次燃焼室
の下流端に隣接して設けられ、該予混合気体が燃焼する
二次燃焼室が該予混合バーナ及び該一次燃焼室の下流側
に形成されている燃焼器において、前記予混合バーナの
噴出口近傍で且つ該噴出口よりも下流側の位置に、該予
混合バーナから噴出される前記予混合気体の燃焼により
生成される燃焼気体の循環流を形成して、該予混合気体
の燃焼による予混合火炎を保持する保炎器を備え、前記
一次燃焼室の一部を構成すると共に、該一次燃焼室と前
記予混合バーナとの境界壁を成す一次燃焼室形成壁の下
流端に、上下流方向に凹凸が繰り返される凹凸部が形成
されていることを特徴とする燃焼器。

【００１９】(8）一次燃焼が行われる一次燃焼室が上流
側に形成され、燃料と空気とが予め混合された予混合気
体を噴出する予混合バーナが該一次燃焼室の外側に隣接
して設けられ、該予混合バーナの噴出口が該一次燃焼室
の下流端に隣接して設けられ、該予混合気体が燃焼する
二次燃焼室が該予混合バーナ及び該一次燃焼室の下流側
に形成されている燃焼器において、前記一次燃焼室の下
流端で且つ該一次燃焼室の前記予混合バーナ側の縁に、
燃焼室の半径方向に突出し、該一次燃焼室における燃焼
で生成された燃焼気体の流れに対して障害となる突出片
を備えていることを特徴とする燃焼器。

【００２０】(9）前記一次燃焼室の下流端部には、燃料
を噴出する燃料ノズルと該一次燃焼室内に空気を取り入
れる空気取入口とが設けられ、該一次燃焼室は、該燃料
ノズルから噴出する燃料と該空気取入口から流入する空
気とで拡散燃焼が行われる拡散燃焼室であることを特徴
とする前記(1）〜(8）に記載の燃焼器。

【００２１】

【作用】一次燃焼が行われる一次燃焼室が上流側に形成
され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を噴出
する予混合バーナが該一次燃焼室の周囲に設けられ、該
予混合バーナの噴出口が該一次燃焼室の下流端に隣接し
て設けられていると共に、該予混合気体が燃焼する二次
燃焼室が該予混合バーナ及び該一次燃焼室の下流側に形
成されている燃焼器では、予混合バーナと一次燃焼室と
の境界線上近傍に、一次燃焼により生じた燃焼ガスと予
混合バーナから噴出された予混合気体との混合層が形成
され、この中に混合層火炎が生じる。

【００２２】従来の燃焼器では、この混合層火炎に対す
る有効な保炎手段がなかったために、この混合層火炎は
非常に不安定であった。この混合層火炎の不安定性が、
一次燃焼ガスの流れや予混合気体の流れ、さらに混合層
火炎近傍に形成される予混合火炎に影響を及ぼすことに
なり、保炎器により保炎されている予混合火炎を不安定
にしていた。この結果、従来技術で述べたように、予混
合燃焼の割合が多い高負荷時において振動燃焼が発生す
る可能性が高まり、逆に、予混合燃焼の割合が少ない低
負荷時において吹き消え等が発生する可能性が高まって
いた。

【００２３】そこで、本発明では、予混合バーナと一次
燃焼室との境界部分に、突出片や燃料ノズル等を設け
て、予混合火炎の形成位置よりも上流側から混合層火炎
が形成できるようにし、不安定な混合層火炎を安定化さ
せている。ここで、該境界部分にできる混合層火炎が前
記予混合火炎よりも下流側に形成されると、該予混合火
炎の保炎部分を下流側に移動させる作用をし、該予混合
火炎を不安定にする。

【００２４】該混合層火炎を安定化する手段のうち、例
えば、一次燃焼室の下流端に、半径方向に突出する突出
片を有するものでは、この突出片の下流側に、循環流が
形成される。この循環流には、予混合バーナから噴出さ
れた予混合気体と一次燃焼室からの一次燃焼ガスとが流
入し、可燃性の予混合気体と高温の一次燃焼ガスとの混
合が促進される。この結果、突出片の下流側に混合層火
炎が保炎され、混合層火炎が安定化する。また、一次燃
焼室の下流端に、上下流方向に凹凸形状の凹凸部が形成
されているものでも、同様に、予混合気体と一次燃焼ガ
スとの混合が促進され、混合層火炎が安定化する。

【００２５】また、一次燃焼室の下流端で予混合バーナ
と一次燃焼室との間に、下流側へ燃料を噴射する燃料ノ
ズルを備えているものでは、この燃料ノズルから噴射さ
れる燃料により、燃料ノズルの下流側における燃料濃度
が高まり、ここに混合層火炎が安定して形成される。

【００２６】以上のように、混合層火炎が安定すると、
この混合層火炎近傍に形成される予混合火炎も安定す
る。このため、高負荷時における振動燃焼や低負荷時に
おける吹き消え等を防ぐことができる。このように低負
荷時から高負荷時まで予混合火炎を安定化させることが
できる結果、全燃焼量に対する予混合燃焼量の割合を高
めることができ、ＮＯｘの低減を図ることができる。

【００２７】

【実施例】以下、本発明に係る燃焼器の各種実施例につ
いて、図１〜図１３を用いて説明する。

【００２８】まず、本発明に係る燃焼器の第１の実施例
について、図１〜図５を用いて説明する。

【００２９】本実施例の燃焼器は、ガスタービン用のも
ので、図１〜図３に示すように、その燃焼器ケーシング
１０に、空気圧縮機（図示されていない。）からの燃焼
用空気１を取り入れる空気取入口（図示されていな
い。）と、燃焼により発生する燃焼ガス４を排出する燃
焼ガス排出口（図示されていない。）とが形成されてい
る。燃焼器ケーシング１０内には、１次燃焼室３０を形
成する１次燃焼用内筒３１と、２次燃焼室２０を形成す
る２次燃焼用内筒２１とが設けられている。

【００３０】１次燃焼用内筒３１は、燃焼器ケーシング
１０内の燃焼ガス排出口と相対する側（上流側）に設け
られている。１次燃焼用内筒３１内の上流端には、図２
に示すように、１次燃料２を噴出する複数の１次燃料ノ
ズル３４，３４，…が、同一円周上に等間隔で配設され
ている。この１次燃料ノズル３４，３４，…には、１次
燃料２が供給される。１次燃焼用内筒３１の上流側外周
には、燃焼用空気１を内筒３１内に流入させるための１
次空気取入口３３が形成されている。

【００３１】２次燃焼用内筒２１の径は、１次燃焼用内
筒３１の径よりも大きい。２次燃焼用内筒２１は、１次
燃焼用内筒３１の下流側に、１次燃焼用内筒３１と同軸
上に設けられている。２次燃焼用内筒２１の上流端に
は、燃焼用空気１と２次燃料３との予混合気体５を噴出
する予混合バーナ２３が、図２に示すように、環状に且
つ１次燃焼用内筒の外周に隣接するよう設けられてい
る。予混合バーナ２３は、燃焼用空気１と２次燃料３と
を混合する予混合室２４と、２次燃料３を噴出する２次
燃料ノズル２７，２７，…とを有して構成されている。
予混合室２４の上流側には、燃焼用空気１を取り入れる
２次空気取入口２５と、２次燃料ノズル２７，２７，…
とが設けられている。また、予混合室２４の下流端に
は、予混合気体噴出口２６が形成されている。この予混
合気体噴出口２６は、環状に形成され、且つ１次燃焼用
内筒３１の下流端の位置と一致している。なお、１次燃
料ノズル３４から噴出される１次燃料２と２次燃料ノズ
ル２７から噴出される２次燃料３とは、共に、同一の気
体燃料である。

【００３２】予混合バーナ２３の出口の下流側近傍に
は、混合気体５の燃焼により発生する燃焼ガスを循環さ
せて、予混合火炎５１を保炎するためのリセス形保炎器
４０が設けられている。保炎器４０は、図２及び図３に
示すように、環状の予混合気体噴出口２６に沿って環状
を成し、その断面は直角三角形を成している。断面が直
角三角形を成す保炎器４０は、その短辺に該当する部分
が下流側を向き、且つその短辺が予混合気体噴出口２６
よりも僅かに下流側に位置するよう配され、その長辺に
該当する部分で１次燃焼用内筒３１の内周面に固定され
ている。保炎器４０の短辺に該当する部分の放射方向の
幅は、予混合気体噴出口２６の放射方向の幅よりも小さ
く形成されている。

【００３３】１次燃焼用内筒３１の下流端には、図３に
示すように、予混合バーナ２３と反対側、つまり内筒３
１の中心軸側に突出する突出片４５が設けられている。
この突出片４５は、図２に示すように、円筒状の１次燃
焼用内筒３１の内周面に沿って、環状に形成されてい
る。突出片４５の突出量としては、突出片４５の効果を
得るために、３mm以上必要である。また、突出片４５
は、その上下流方向の投影面積が１次燃焼室３０の流路
面積に対して、１次燃焼ガスの圧力損失をできる限り少
なくするために極めて小さくなるよう形成されている。

【００３４】次に第１の実施例の燃焼器の作用について
説明する。

【００３５】燃焼用空気１は、１次燃焼用内筒３１の１
次空気取入口３３から１次燃焼用内筒３１内に流入する
と共に、予混合バーナ２３の２次空気取入口２５から予
混合室２４内に流入する。１次燃焼用内筒３１内に流入
した燃焼用空気１は、１次燃料ノズル３４，３４，…か
ら噴出された１次燃料２と反応して、一次燃焼室３０内
に拡散火炎５０を形成する。この燃焼用空気１と１次燃
料２との燃焼により生成された１次燃焼ガス６は、１次
燃焼室３０を下流側へ流れ、１次燃焼室３０の下流端か
ら２次燃焼室２０内に流れ込む。一方、予混合室２４内
に流入した燃焼用空気１は、予混合室２４内において、
２次燃料ノズル２７，２７，…から噴射された２次燃料
３と混合して、予混合気体５を形成する。予混合気体５
は、予混合バーナ２３の噴出口２６から下流側へ噴出さ
れ、２次燃焼室２０内に予混合火炎５１を形成する。と
ころで、保炎器４０の下流には、図３に示すように、循
環流が形成されるため、予混合燃焼で生成された高温の
２次燃焼ガスが、この循環流形成領域５２（同図におけ
る破線内の領域）内に流れ込む。このため、保炎器４０
の下流側は高温になり、保炎器４０の角近傍を基点とし
て、比較的安定した予混合火炎５１が形成される。

【００３６】２次燃焼室２０で、且つ予混合バーナ２３
と１次燃焼室３０との境界線上近傍には、予混合バーナ
２３から噴出された予混合気体５の一部と１次燃焼によ
り生じた高温の１次燃焼ガス６の一部が流れる。この予
混合バーナ２３と１次燃焼室３０との境界線上近傍に
は、予混合気体５と１次燃焼ガス６との互いの速度差に
より生じるせん断力で、予混合気体５と１次燃焼ガス６
との混合層５４を形成する。この混合層５４内では、予
混合気体１が着火して、混合層火炎５３が形成される。
本実施例では、１次燃焼用内筒３１の下流端に突出片４
５が設けられているため、この下流に循環流（この循環
流が形成される領域を循環流形成領域５５とする。）が
形成される。この循環流により、予混合気体５と１次燃
焼ガス６との混合が促進され、混合層５４は、１次燃焼
用内筒３１の下流端近傍に、比較的大きな領域を形成す
ると共に、この位置に安定に形成される。この結果、混
合層火炎５３も、突出片４５の下流に安定して形成され
る。

【００３７】ここで、本実施例の効果を説明するため
に、従来の燃焼器における燃焼状態について簡単に説明
する。

【００３８】図１４及び図１５に示す従来の燃焼器と本
実施例の燃焼器との構造的な差異は、突出片４５の有無
にある。図１５に示すように、従来の燃焼器において
も、保炎器４０の下流側に予混合火炎５１が形成される
と共に、予混合バーナ２３と１次燃焼室３０との境界線
上近傍に混合層火炎５３ａが形成される。なお、混合層
火炎５３ａが形成されることは、この燃焼器と同タイプ
の試験用燃焼器を用いた試験において、発明者自身が始
めて見出したものである。この混合層火炎５３ａについ
て、詳細に観察したところ、混合層火炎５３ａは、非常
に不安定で、その位置が上下流方向に常時移動し、その
大きさも常時変わることが判明した。これは、混合層５
４ａを形成する１次燃焼ガス６と予混合気体５の相対速
度が常時（定常運転時においても微妙に変化する。）微
妙に変化することに起因すると考えられる。このため、
予混合火炎５１が不安定な混合層火炎５３ａにより影響
を受けると、不安定な状態になり、高負荷時には振動燃
焼、低負荷時には吹き消え等の現象が起こるようにな
る。特に、高負荷時において予混合火炎５１の振動と混
合層火炎５３ａの振動とが共振してしまうと、非常に激
しい振動燃焼を招くことになる。

【００３９】このような従来技術に対して、本実施例で
は、突出片４５を設けることにより、混合層火炎５３を
予混合火炎５１の上流側に安定に形成しているため、予
混合火炎５１も安定し、振動燃焼や吹き消し等を防ぐこ
とができる。当然、予混合火炎５１の振動と混合層火炎
５３の振動とが共振して起こる激しい振動燃焼も防ぐこ
とができる。

【００４０】なお、従来技術においても、１次燃焼用内
筒３１の下流端に、非常に小さな循環流５５ａが形成さ
れるが、このように小さな循環流５５ａでは、混合層火
炎５３ａの安定性を確保できず、予混合火炎５１の安定
性を高めることはできない。

【００４１】一般的に、図４に示すように、起動時から
負荷の低い特定負荷（燃焼切替ポイント）ａまでは、１
次燃料２のみによる拡散燃焼が行われる。そして、燃焼
切替ポイントａを過ぎると、拡散燃焼量が少なくされる
一方で、２次燃料３の供給が開始され、予混合燃焼も行
われるようになる。また、燃焼切替ポイントａを過ぎる
と、拡散燃焼量は一定で、予混合燃焼量を増減させるこ
とで、負荷変化に対応している。従来技術においても述
べたように、予混合燃焼の割合を高めることは、ＮＯｘ
の低減につながる。具体的に、予混合燃焼の割合を高め
るということは、燃焼切替をより低負荷時から実行する
こと、及び、燃焼切替ポイントａ以降の拡散燃焼の割合
を少なくすることである。

【００４２】ところで、本実施例では、予混合火炎をき
わめて安定に形成できるため、拡散燃焼に対する予混合
燃焼の割合を高めることができる。すなわち、燃焼切替
をより低負荷時から実行することができると共に、燃焼
切替ポイントａ以降の拡散燃焼の割合を少なくすること
ができる。この結果、図５に示すように、従来技術より
も、遥かにＮＯｘの低減を図ることができる。

【００４３】次に、本発明に係る燃焼器の第２の実施例
について、図６及び図７を用いて説明する。

【００４４】本実施例の燃焼器は、第１の実施例におけ
るリセス形保炎器４０の替わりに、予混合気体５の流れ
を二分割し、自身の下流側に予混合気体５の燃焼により
生成される燃焼ガスの循環流を形成するブラフボディ形
保炎器４０ｂを用いたもので、その他の構成に関して
は、第１の実施例と同一である。

【００４５】本実施例の保炎器４０ｂは、断面が二等辺
三角形を成し、その頂点が上流側を向き、且つ上下流方
向の断面において予混合室２４をほぼ二等分割できる線
上に設けられているものである。なお、断面が二等辺三
角形の保炎器４０ｂの底辺に該当する部分は、予混合バ
ーナ２３の噴出口２６よりも下流側に位置していること
は言うまでもない。

【００４６】本実施例においても、第１の実施例と同様
に、突出片４５が設けられているので、混合層火炎５３
が予混合火炎５１ｂの上流側に安定して形成される結
果、保炎器４０ｂの下流側に保炎されている予混合火炎
５１ｂも安定させることができる。

【００４７】ここで、ブラフボディ形保炎器４０ｂによ
る燃焼振動の機構について詳細に説明する。

【００４８】第１の実施例のようなリセス形保炎器４０
の場合、混合層火炎５３の上下流方向の移動により、混
合層火炎５３及び予混合火炎５１の発熱量変動を招き、
これが振動燃焼の主要因になると考えられる。一方、本
実施例のようなブラフボディ形保炎器４０ｂの場合で
は、断面が二等辺三角形の保炎器４０ｂの２つの底点の
下流側にそれぞれ、循環流５２ｂが形成される。つまり
２つの循環流５２ｂが形成される。この２つの循環流５
２ｂからは、通常、交互に渦が下流側に放出されるが、
混合層火炎５３の移動により２つの循環流５２ｂから渦
が同時に放出される場合がある。このように、ブラフボ
ディ形保炎器４０ｂの場合では、混合層火炎５３の移動
及び２つの循環流５３ｂからの渦の同時放出という現象
により、前述した発熱量変動の他に、激しい圧力変動も
伴って、非常に激しい振動燃焼を起こす場合がある。つ
まり、ブラフボディ形保炎器４０ｂの場合、リセス形保
炎器４０の場合と比べて、激しい振動燃焼を起こす可能
性がある。

【００４９】本実施例では、突出片４５を設けたことに
より、前述したように、混合層火炎５３を安定に形成す
ることができる。従って、保炎器４０ｂの下流に形成さ
れる２つの循環流５２ｂからの渦の同時放出を防ぐこと
ができるので、激しい振動燃焼を抑えることができる。
すなわち、ブラフボディ形保炎器４０ｂを用いる場合
に、リセス形保炎器４０を用いる場合よりも、突出片４
５は、振動燃焼の抑制という点で非常に重要な要素であ
ると言える。

【００５０】次に、本発明に係る燃焼器の第３の実施例
について、図８及び図９を用いて説明する。

【００５１】本実施例の燃焼器は、第２の実施例におい
て１次燃焼用筒３１の下流端に突出片４５を設けた替わ
りに、１次燃焼用筒３１の下流端に凹凸部３６を形成し
たもので、その他の構成に関しては、第２の実施例と同
一である。この凹凸部３６は、上下流方向に設けられて
おり、且つ凹凸が繰り返されるよう形成したものであ
る。

【００５２】第１の実施例及び第２の実施例のように、
１次燃焼用内筒３１の内周面に沿って、この内筒３１の
中心軸方向に突出する突出片４５を設けた場合、この突
出片４５により形成される循環流５５は二次元的に形成
される。これに対して、本実施例では、図９に示すよう
に、１次燃焼用内筒３１の下流端には、三次元的に各種
方向に複雑な流れが生じるため、図１４及び図１５に示
す従来技術の燃焼器よりも、１次燃焼用内筒３１の下流
端の下流で予混合気体５と１次燃焼ガス６との混合が促
進される。従って、混合層火炎が安定して形成され、保
炎器４０ｂの下流側に保炎される予混合火炎も安定させ
ることができる。

【００５３】次に、本発明に係る燃焼器の第４の実施例
について、図１０を用いて説明する。

【００５４】第１の実施例は、円筒状の一次燃焼用内筒
３１の内周面に沿って１個の突出片４５を設けたもので
あるが、本実施例は、一次燃焼用内筒３１の内周面に沿
って不連続に複数の突出片４５ｃ，４５ｃ，…を設けた
もので、その他の構成に関しては第１の実施例と同様で
ある。

【００５５】このように、複数の突出片４５ｃ，４５
ｃ，…を設けた結果、第３の実施例のように、１次燃焼
用内筒３１の下流端に、三次元的に各種方向に複雑な流
れが生じ、１次燃焼用内筒３１の下流端の下流で予混合
気体５と１次燃焼ガス６との混合が促進される。従っ
て、本実施例においても、以上の実施例と同様に、混合
層火炎が安定して形成され、保炎器４０の下流側に保炎
される予混合火炎も安定させることができる。なお、本
実施例では、複数の突出片４５ｃ，４５ｃ，…を設けて
効果的に予混合気体５と１次燃焼ガス６との混合促進を
図っているため、第１の実施例と同程度の混合促進効果
を得ようとする場合、突出片４５ｃの突出量を少なくす
ることができる。

【００５６】次に、本発明に係る燃焼器の第５の実施例
について、図１１及び図１２を用いて説明する。

【００５７】本実施例の燃焼器は、第２の実施例の突出
片４５の替わりに、予混合バーナ２３と１次燃焼室３０
との境に燃料ノズル４１を設けたもので、その他の基本
的構成は第２の実施例と同様である。

【００５８】環状の予混合バーナ２３の予混合室２４
は、図１１に示すように、内周側予混合室形成壁２４ｂ
と外周側予混合室形成壁２４ａとで形成されている。環
状の予混合バーナ２３の内周側に設けられている１次燃
焼用内筒３１は、その下流端が内周側予混合室形成壁２
４ｂの下流端の位置と上下流方向において一致してい
る。内周側予混合室形成壁２４ｂと１次燃焼用内筒３１
との間には、燃料流路４２が形成されている。この流路
２４の下流端には、前述した燃料ノズル４１が設けられ
ている。この燃料ノズル４１は、図１２に示すように、
円筒状の１次燃焼用内筒３１の外周側に沿って、複数設
けられている。

【００５９】燃料ノズル４１からの火炎安定化用燃料８
は、予混合バーナ２３から噴出される予混合気体５と１
次燃焼室３０から流れ出る１次燃焼ガス６との境界部分
に噴出される。このため、この境界部分には、予混合気
体５と１次燃焼ガス６の他に、火炎安定化用燃料８が加
わった混合層５４ｂが形成される。この混合層５４ｂ
は、図１５に示す従来の燃焼器で見られる混合層５４ａ
よりも、燃料濃度が高くなっている。しかも、燃料濃度
が高い領域は、燃料ノズル４１から火炎安定化用燃料８
を噴出することで、この下流側に安定して形成される。
このため、以上の実施例と同様に、混合層火炎５３ｂが
予混合火炎５１の上流側に安定して形成され、保炎器４
０ｂの下流側に保炎される予混合火炎５１ｂも安定させ
ることができる。

【００６０】従来技術で述べたように、予混合火炎の安
定性が特に問題となるのは、予混合燃焼の割合が多い高
負荷時のように、振動燃焼が発生する可能性が高い場合
と、予混合燃焼の割合が少ない低負荷時のように、吹き
消えが発生する可能性が高い場合である。そこで、本実
施例では、予混合燃焼の割合が少ない、燃料切替時及び
この切替直後と、予混合燃焼の割合が多い高負荷時に、
火炎安定化用燃料８を噴出するようにして、その他の時
には、ノズル口を塞ぐようにしている。

【００６１】燃料ノズル４１からの火炎安定化用燃料８
の量は、燃焼器のサイズや予混合バーナの形状、保炎器
の種類等に応じて替わるので、一概に規定することがで
きないが、混合層火炎５３ｂは火炎安定化用燃料８が無
くても形成される点、及び火炎安定化用燃料８が予混合
火炎５１ｂよりも遥かに小さい混合層火炎５３ｂを単に
安定させるものである点を考慮すると、予混合燃焼に用
いられる燃料量よりも非常に少ない量で足りると言え
る。

【００６２】ところで、従来より、予混合火炎の保炎補
助手段として、保炎器の近傍に燃料を供給し、予混合火
炎の近傍に拡散火炎を形成するものがある(特開昭64−6
3721号公報、第３図）。このような方式でも、予混合火
炎の安定性を確保でき、振動燃焼等を防ぐことは可能で
ある。しかし、この方式では、予混合火炎の安定性を確
保する拡散火炎中に、局所的に火炎温度が高い領域が形
成され、ＮＯｘ濃度が高くなってしまう。これに対し
て、本実施例では、不燃性の１次燃焼ガス６が流入する
箇所に火炎安定化用燃料を噴射しているため、通常の拡
散燃焼よりも緩慢な燃焼となり、火炎温度があまり高く
ならない。しかも、前述したように、火炎安定化用燃料
は、極微流量で足りる。このため、混合層火炎５３ｂで
形成されるＮＯｘ生成量は従来の方式による拡散火炎で
形成されるＮＯｘ生成量よりも、遥かに少なくなる。

【００６３】次に、本発明に係る燃焼器の第６の実施例
について、図１３を用いて説明する。

【００６４】本実施例の燃焼器は、１次燃焼用内筒３１
の下流端に突出片４５ｂを設けると共に、予混合バーナ
２３と１次燃焼室３０との境に燃料ノズル４１を設けた
ものである。すなわち、本実施例の燃焼器は、第２の実
施例の燃焼器と第５の実施例の燃焼器とを組み合わせた
ものである。

【００６５】本実施例の突出片４５ｂは、第２の実施例
等の単なる板状の突出片４５と異なり、断面が直角三角
形状を成し、直角を挾む２辺に該当する部分が上下流方
向及び上下流方向に対して垂直な方向にそれぞれ平行に
なるよう設けられている。すなわち、直角三角形の斜辺
に該当する部分が１次燃焼ガス６の流れ方向に対して斜
めになるようにして、１次燃焼ガス６の流れに対する抵
抗を減らしたものである。

【００６６】本実施例のように、突出片４５ｂと燃料ノ
ズル４１とを組み合わせても、他の実施例と同様に、予
混合層火炎５３ｂが安定して形成され、保炎器４０ｂの
下流側に保炎される予混合火炎５１ｂも安定させること
ができる。

【００６７】また、突出片４５ｂと燃料ノズル４１とを
組み合わせた結果、第２の実施例等における突出片４５
よりも、その突出量を少なくすることができる、又は第
５の実施例における燃料ノズル４１よりも火炎安定化燃
料８の噴射量を少なくすることができる。

【００６８】次に、本発明に係る燃焼器の第７の実施例
について、図１６及び図１７を用いて説明する。

【００６９】本実施例の燃焼器は、１次燃焼用内筒３１
の下流端に、燃焼室の半径方向かつ中心軸から遠ざかる
方向に突出片４５が設けられている。この以外の点は、
第２の実施例と同様である。

【００７０】この実施例の燃焼器においても、予混合火
炎５１ｂの上流側に混合層火炎５３が安定して形成され
るので、予混合火炎５１ｂを安定させることができる。

【００７１】以上、本発明に係る燃焼器の各種実施例に
ついて説明してきたが、第２の実施例以降において、こ
れらの実施例で用いたブラフボディ形保炎器４０ｂの替
わりに、第１の実施例で用いたリセス形保炎器４０を用
いてもよい。また、以上の実施例では、２段燃焼方式を
採用し、２段目を予混合燃焼にしたが、３段以上の燃焼
方式を採用し、２段目と３段目の一方又は両方を予混合
燃焼にした場合でも、本発明を適用できることは言うま
でもない。

【００７２】

【発明の効果】予混合バーナと一次燃焼室との境界線上
近傍に、一次燃焼により生じた燃焼ガスと予混合バーナ
から噴出された予混合気体との混合層が形成され、この
中に混合層火炎が生じる。この混合層火炎が不安定な場
合、この混合層火炎の近傍に形成されている予混合火炎
も不安定になり、振動燃焼や吹き消え等の現象が発生し
てしまう。

【００７３】本発明によれば、混合層における一次燃焼
ガスと予混合気体との混合が促進され、又は混合層内の
燃料濃度が高まり、混合層火炎が安定化する。この結
果、保炎器により保炎されている予混合火炎も安定し、
振動燃焼や吹き消え等の現象を抑えることができる。ま
た、予混合火炎が安定する結果、全燃焼量に対する予混
合燃焼量の割合を高めることができ、ＮＯｘの低減を図
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１の実施例の燃焼器の要部縦断
面図である。

【図２】図１におけるII−II線断面図である。

【図３】図１の要部拡大図である。

【図４】本発明に係る第１の実施例の燃焼器の負荷と各
燃料量との関係を示すグラフである。

【図５】本発明に係る第１の実施例の燃焼器のＮＯｘ排
出量を示すグラフである。

【図６】本発明に係る第２の実施例の燃焼器の要部縦断
面図である。

【図７】図６の要部拡大図である。

【図８】本発明に係る第３の実施例の予混合バーナ噴出
口近傍の縦断面図である。

【図９】本発明に係る第３の実施例の１次燃焼用内筒の
下流端部の斜視図である。

【図１０】本発明に係る第４の実施例の燃焼器の横断面
図である。

【図１１】本発明に係る第５の実施例の予混合バーナ噴
出口近傍の縦断面図である。

【図１２】本発明に係る第５の実施例の燃焼器の横断面
図である。

【図１３】本発明に係る第６の実施例の予混合バーナ噴
出口近傍の縦断面図である。

【図１４】従来の燃焼器の要部縦断面図である。

【図１５】図１４における要部拡大図である。

【図１６】本発明に係る第７の実施例の燃焼器の要部断
面図である。

【図１７】図１６の要部拡大図である。

【符号の説明】

１…燃焼用空気、２…１次燃料、３…２次燃料、５…予
混合気体、６…１次燃焼ガス、８…火炎安定化燃料、１
０…燃焼器ケーシング、２０…２次燃焼室、２１…２次
燃焼用内筒、２３…予混合バーナ、２４…予混合室、２
４ａ…外周側予混合室形成壁、２４ｂ…内周側予混合室
形成壁、２５…２次空気取入口、２６…予混合気体噴出
口、２７…２次燃料ノズル、３０…１次燃焼室、３１…
１次燃焼用内筒、３３…１次空気取入口、３４…１次燃
料ノズル、３６…凹凸部、４０…リセス形保炎器、４０
ｂ…ブラフボディ形保炎器、４１…燃料ノズル、４２…
燃料流路、４５，４５ｃ，４５ｂ…突出片、５１，５１
ｂ…予混合火炎、５２，５２ｂ…循環流形成領域、５
３，５３ｂ…混合層火炎、５４，５４ｂ…混合層、５
５，５５ｂ…循環流形成領域。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成６年１１月８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項９

【補正方法】変更

【補正内容】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２０】(9）前記一次燃焼室の上流端部には、燃料
を噴出する燃料ノズルと該一次燃焼室内に空気を取り入
れる空気取入口とが設けられ、該一次燃焼室は、該燃料
ノズルから噴出する燃料と該空気取入口から流入する空
気とで拡散燃焼が行われる拡散燃焼室であることを特徴
とする前記(1）〜(8）に記載の燃焼器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 栖戸 清 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一次燃焼が行われる一次燃焼室が上流側に
   形成され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を
   噴出する予混合バーナが該一次燃焼室の外側に設けら
   れ、該予混合バーナの噴出口が該一次燃焼室の下流側に
   隣接して設けられ、該予混合気体が燃焼する二次燃焼室
   が該予混合バーナ及び該一次燃焼室の下流側に形成され
   ている燃焼器において、 前記予混合バーナの噴出口近傍で且つ該噴出口よりも下
   流側の位置に、該予混合バーナから噴出される前記予混
   合気体の燃焼により生成される燃焼気体の循環流を形成
   して、該予混合気体の燃焼による予混合火炎を保持する
   手段と、 前記一次燃焼室の下流端で且つ該一次燃焼室の前記予混
   合バーナ側の縁に、前記予混合火炎の形成位置よりも上
   流側から火炎が形成できるようにする手段と、を備えて
   いることを特徴とする燃焼器。
2. 【請求項２】一次燃焼が行われる一次燃焼室が上流側に
   形成され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を
   噴出する予混合バーナが該一次燃焼室の外側に隣接して
   設けられ、該予混合バーナの噴出口が該一次燃焼室の下
   流端に隣接して設けられ、該予混合気体が燃焼する二次
   燃焼室が該予混合バーナ及び該一次燃焼室の下流側に形
   成されている燃焼器において、 前記予混合バーナの噴出口近傍で且つ該噴出口よりも下
   流側の位置に、該予混合バーナから噴出される前記予混
   合気体の燃焼により生成される燃焼気体の循環流を形成
   して、該予混合気体の燃焼による予混合火炎を保持する
   保炎器と、 前記一次燃焼室の下流端で且つ該一次燃焼室の前記予混
   合バーナ側の縁に、燃焼室の半径方向に突出し、該一次
   燃焼室における燃焼で生成された燃焼気体の流れに対し
   て障害となる突出片と、を備えていることを特徴とする
   燃焼器。
3. 【請求項３】一次燃焼が行われる一次燃焼室が上流側に
   形成され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を
   噴出する予混合バーナが該一次燃焼室の外側に隣接して
   設けられ、該予混合バーナの噴出口が該一次燃焼室の下
   流端に隣接して設けられ、該予混合気体が燃焼する二次
   燃焼室が該予混合バーナ及び該一次燃焼室の下流側に形
   成されている燃焼器において、 前記予混合バーナの噴出口近傍で且つ該噴出口よりも下
   流側の位置に、該予混合バーナから噴出される前記予混
   合気体の燃焼により生成される燃焼気体の循環流を形成
   して、該予混合気体の燃焼による予混合火炎を保持する
   保炎器と、 前記一次燃焼室の下流端で且つ該一次燃焼室の前記予混
   合バーナ側の縁に、燃焼室の半径方向に突出し、該一次
   燃焼室における燃焼で生成された燃焼気体の流れに対し
   て障害となる突出片と、 前記一次燃焼室の下流端で且つ該一次燃焼室の前記予混
   合バーナ側の縁と該予混合バーナの噴出口との間に、下
   流側へ燃料を噴出するノズルと、を備えていることを特
   徴とする燃焼器。
4. 【請求項４】前記一次燃焼室は、円筒状を成し、 前記予混合バーナの噴出口は、前記一次燃焼室の下流端
   の周囲に隣接して環状に設けられ、 前記突出片は、前記一次燃焼室の形状に対応して、環状
   に形成されていることを特徴とする請求項１又は２又は
   ３記載の燃焼器。
5. 【請求項５】前記一次燃焼室は、円筒状を成し、 前記予混合バーナの噴出口は、前記一次燃焼室の下流端
   の周囲に隣接して環状に設けられ、 前記突出片は、前記一次燃焼室の前記予混合バーナ側の
   環状の縁に、不連続に複数設けられていることを特徴と
   する請求項１又は２又は３記載の燃焼器。
6. 【請求項６】一次燃焼が行われる一次燃焼室が上流側に
   形成され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を
   噴出する予混合バーナが該一次燃焼室の外側に隣接して
   設けられ、該予混合バーナの噴出口が該一次燃焼室の下
   流端に隣接して設けられ、該予混合気体が燃焼する二次
   燃焼室が該予混合バーナ及び該一次燃焼室の下流側に形
   成されている燃焼器において、 前記予混合バーナの噴出口近傍で且つ該噴出口よりも下
   流側の位置に、該予混合バーナから噴出される前記予混
   合気体の燃焼により生成される燃焼気体の循環流を形成
   して、該予混合気体の燃焼による予混合火炎を保持する
   保炎器と、 前記一次燃焼室の下流端と前記予混合バーナの噴出口と
   の間に、下流側へ燃料を噴出するノズルと、を備えてい
   ることを特徴とする燃焼器。
7. 【請求項７】一次燃焼が行われる一次燃焼室が上流側に
   形成され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を
   噴出する予混合バーナが該一次燃焼室の外側に隣接して
   設けられ、該予混合バーナの噴出口が該一次燃焼室の下
   流端に隣接して設けられ、該予混合気体が燃焼する二次
   燃焼室が該予混合バーナ及び該一次燃焼室の下流側に形
   成されている燃焼器において、 前記予混合バーナの噴出口近傍で且つ該噴出口よりも下
   流側の位置に、該予混合バーナから噴出される前記予混
   合気体の燃焼により生成される燃焼気体の循環流を形成
   して、該予混合気体の燃焼による予混合火炎を保持する
   保炎器を備え、 前記一次燃焼室の一部を構成すると共に、該一次燃焼室
   と前記予混合バーナとの境界壁を成す一次燃焼室形成壁
   の下流端に、上下流方向に凹凸が繰り返される凹凸部が
   形成されていることを特徴とする燃焼器。
8. 【請求項８】一次燃焼が行われる一次燃焼室が上流側に
   形成され、燃料と空気とが予め混合された予混合気体を
   噴出する予混合バーナが該一次燃焼室の外側に隣接して
   設けられ、該予混合バーナの噴出口が該一次燃焼室の下
   流端に隣接して設けられ、該予混合気体が燃焼する二次
   燃焼室が該予混合バーナ及び該一次燃焼室の下流側に形
   成されている燃焼器において、 前記一次燃焼室の下流端で且つ該一次燃焼室の前記予混
   合バーナ側の縁に、燃焼室の半径方向に突出し、該一次
   燃焼室における燃焼で生成された燃焼気体の流れに対し
   て障害となる突出片を備えていることを特徴とする燃焼
   器。
9. 【請求項９】前記一次燃焼室の下流端部には、燃料を噴
   出する燃料ノズルと該一次燃焼室内に空気を取り入れる
   空気取入口とが設けられ、該一次燃焼室は、該燃料ノズ
   ルから噴出する燃料と該空気取入口から流入する空気と
   で拡散燃焼が行われる拡散燃焼室であることを特徴とす
   る請求項１〜８のいずれかに記載の燃焼器。