JPH08226648A - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 希薄予混合気体を安定燃焼させて、ＮＯｘの
低減を図る。 【解決手段】 燃焼室の上流側の軸中心部に燃料を単独
で噴出するパイロットバーナ３４が設けられ、パイロッ
トバーナ３４の周囲に複数の予混合バーナ２３，２３，
…が同一円周上に設けられている。パイロットバーナ３
４の外周側であって、予混合バーナ２３の噴出口より下
流側に、同一円周上に設けられている複数の予混合バー
ナ２３，２３，…に沿って環状に形成され、予混合バー
ナ２３から噴出された予混合気体５の流路を狭める抵抗
体４０が設置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、気体燃料あるいは液体
燃料により予混合燃焼を行うガスタービン燃焼器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般的に、燃焼時に生成されるＮＯｘに
は、燃料中の窒素化合物から生成されるフューエルＮＯ
ｘと、空気中の窒素から生成されるサーマルＮＯｘとが
ある。フューエルＮＯｘを低減させるための技術には、
燃焼領域に還元領域を形成させてＮＯｘをＮ₂とＯ₂とに
還元する方法などがあるが、基本的には燃料中の窒素分
の低減、つまり燃料の改質を行うことが最も効果的であ
る。一方、サーマルＮＯｘを低減させる技術には、水噴
射法、排ガス再循環法、燃料稀薄燃焼法などがある。こ
れらは、主として火炎温度を低下させることにより、サ
ーマルＮＯxを低減させるものであるが、これらの手法
を用いると、火炎の安定性が低下しやすい。

【０００３】通常、燃焼器における燃焼方法として、燃
料と空気とをそれぞれ異なるノズルから噴出する、いわ
ゆる拡散燃焼が主に用いられてきたが、最近は、燃料と
空気とを予め混合し同一のバーナから噴出する予混合燃
焼が用いられつつある。

【０００４】予混合燃焼を用いることによる利点は、主
として次の２点である。ひとつは、予混合燃焼を用いる
と燃焼の反応領域を小さくすることができる。つまり、
バーナから噴出する気体がすでに燃料と空気との予混合
気体であるため、バーナの下流側に予混合気体を形成す
るための領域を要せず、火炎を短くすることができ、高
負荷燃焼することが可能な点である。もうひとつは、サ
ーマルＮＯxを低減できることである。燃焼室内に異な
るノズルから燃料と空気とを噴出する拡散燃焼では、た
とえ燃料を稀薄の条件で燃焼させても燃焼室内での燃料
と空気との混合過程において、空気比が１（理論混合
比）付近になる領域が必ず存在するため、ＮＯxの低減
が一般に困難であるとされる。これに対して、過剰の空
気と燃料とを予め混合して燃焼する燃料稀薄予混合燃焼
法では、全ての燃焼領域で燃料が稀薄な燃焼条件のもと
で燃焼するためＮＯxの低減が容易である。このような
稀薄予混合燃焼法は、例えば、特公昭62-35016号公報に
記載されているガスタービンの燃焼器などで採用されつ
つある。

【０００５】稀薄予混合燃焼は、空気過剰での燃焼であ
るため火炎温度が低なって、ＮＯｘの低減は図れるが、
予混合火炎の安定性が劣るのが欠点である。予混合火炎
の安定性を向上させるためには、理論混合比近傍で火炎
を形成する必要があるが、前述のように理論混合比付近
での燃焼は、ＮＯxの発生量が多い。

【０００６】このように、安定な火炎を形成し易い条件
とＮＯxの発生を抑制できる条件とは異なるため、過剰
空気比条件でも安定に火炎を形成する保炎技術、もしく
は理論混合比付近で燃焼させてもＮＯｘを低減できる燃
焼技術が必要になる。

【０００７】従来、予混合火炎の安定化技術として、例
えば、米国特許4,051,670号公報や米国特許4,150,539号
公報に記載されている燃焼器がある。前者の燃焼器は、
空気と燃料との混合気体を燃焼室内で旋回させる旋回手
段と、旋回流が形成されている領域内の一部を減圧する
減圧手段とを備えており、混合気体の旋回流内に高温の
燃焼気体を導くことにより、燃料の着火性が確保され、
火炎を安定させるというものである。また、後者の燃焼
器は、空気と燃料との混合気体の噴出口に抵抗板を設
け、この抵抗板の下流側に形成される高温の燃焼気体が
着火源となり、火炎を安定させるというものである。

【０００８】この他、特開昭59-74406号公報に記載され
ているもののように、パイロット火炎を用いるものや、
特開平64-54122号公報に記載されているもののように、
旋回流を形成させるものなど、火炎を安定させる多数の
技術がある。

【０００９】なお、これらの技術は、いずれも、燃焼室
形状や旋回流の影響等により、燃焼気体と予混合気体と
の混合領域はほとんど形成されていない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述のような火炎の安
定化技術を用いて、稀薄予混合燃焼を行うと、予混合火
炎は安定すると共に、ある程度のＮＯｘ低減も実現でき
る。しかしながら、近年、光化学スモッグの原因となる
ＮＯｘに対する排出規制が年々厳しくなってきており、
さらに、ＮＯｘを低減することができる技術が望まれて
いる。

【００１１】本発明の目的は、このような点について着
目してなされたもので、安定した火炎を得ることができ
ると共に、よりＮＯｘを低減することができるガスター
ビン燃焼器を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の第１のガスタービン燃焼器は、パイロットバーナと、
該パイロットバーナの周囲に複数個配置され、燃料と空
気とが予め混合されている予混合気体を噴出するメイン
バーナとを有するガスタービン燃焼器において、前記パ
イロットバーナの外周側に、前記メインバーナから噴出
される前記予混合気体の流路を狭める環状部材が突出し
て設置されていることを特徴とするものである。

【００１３】また、前記目的を達成するための第２のガ
スタービン燃焼器は、空気と別個に燃料を噴出するパイ
ロットバーナと、該パイロットバーナの周囲に複数個設
置され、燃料と空気とが予め混合されている予混合気体
を噴出するメインバーナとを有するガスタービン燃焼器
において、前記パイロットバーナの外周側であって、前
記メインバーナの噴出口より下流側に、該メインバーナ
から噴出された予混合気体の流路を狭める環状部材が設
置されていることを特徴とするものである。

【００１４】前記目的を達成するための第３のガスター
ビン燃焼器は、空気と別個に燃料を噴出するパイロット
バーナと、該パイロットバーナを中心として同一円周上
に複数個設置され、燃料と空気とが予め混合されている
予混合気体を噴出するメインバーナとを有するガスター
ビン燃焼器において、前記パイロットバーナの外周側で
あって、前記メインバーナの噴出口より下流側に、下流
側に向かうに連れて広がり、且つ複数の該メインバーナ
に沿って環状に形成されている環状部材が設置されてい
ることを特徴とするものである。

【００１５】前記目的を達成するための第４のガスター
ビン燃焼器は、空気と別個に燃料を噴出する第１のバー
ナと、該第１のバーナの周囲に複数個設置され、燃料と
空気とが予め混合されている予混合気体を噴出する第２
のバーナとを有するガスタービン燃焼器において、自身
の下流側に前記燃料の燃焼で生成される燃焼気体の循環
流を形成し、複数の前記第２のバーナに沿って環状の環
状部材を、該第２のバーナから噴出された前記予混合気
体の中に配置され、前記第１のバーナから噴出された前
記燃料の燃焼で形成される火炎の一部を前記循環流中に
移させることを特徴とするものである。

【００１６】前記目的を達成するための第５のガスター
ビン燃焼器は、燃料が燃焼する燃焼室と、該燃焼室の上
流側の軸中心部に配置され、空気と別個に燃料を該燃焼
室に噴出する第１のバーナと、該第１のバーナの周囲に
複数個設置され、燃料と空気とが予め混合されている予
混合気体を該燃焼室に噴出する第２のバーナとを有する
ガスタービン燃焼器において、前記第１のバーナ及び前
記第２のバーナの双方の下流側に位置する燃焼室内であ
って、前記第２のバーナから噴出される前記予混合気体
の流れの領域内に、複数の前記第２のバーナに沿って、
前記燃焼室の軸中心部と同芯の環状の環状部材が配置さ
れ、前記第１のバーナから噴出された前記燃料の燃焼で
形成される火炎の一部を、前記予混合気体へ火移りさせ
て、該予混合気体を燃焼させることを特徴とするもので
ある。

【００１７】さらに、前記目的を達成するための第６の
ガスタービン燃焼器は、燃料が燃焼する燃焼室と、該燃
焼室の上流側の軸中心部に配置され、空気と別個に燃料
を該燃焼室に噴出する第１のバーナと、該第１のバーナ
の周囲に複数個設置され、燃料と空気とが予め混合され
ている予混合気体を該燃焼室に噴出する第２のバーナと
を有するガスタービン燃焼器において、前記第１のバー
ナの下流に形成される循環流の領域を拡大し、前記第２
のバーナから噴出される予混合気体の流路を狭める環状
部材を有することを特徴とするものである。

【００１８】また、前記目的は、燃料と空気とが混合し
た予混合気体を噴出する予混合バーナを備えた燃焼器に
おいて、前記予混合バーナから噴出する予混合気体の内
部から周囲に向かって、該予混合気体の燃焼を進行させ
るさせる予混合気体燃焼手段と、前記予混合バーナから
噴出する予混合気体の外側から、該予混合気体に燃焼気
体を混入させる気体混入手段とを備えていることを特徴
とする燃焼器により達成することができる。

【００１９】前記目的は、燃料と空気とが混合した予混
合気体を噴出する予混合バーナを備えた燃焼器におい
て、前記予混合バーナから噴出する予混合気体の内部
に、該予混合気体の着火温度を越える高温領域を形成す
る高温領域形成手段と、前記予混合バーナから噴出する
予混合気体の外側に、燃焼気体を循環させる燃焼気体循
環手段とを備えていることを特徴とする燃焼器によって
も達成することができる。

【００２０】また、前記目的は、燃料と空気とが混合し
た予混合気体を噴出する予混合バーナを備えた燃焼器に
おいて、前記予混合バーナの出口近傍に、下流側の断面
積が急激に小さくなり、噴出する予混合気体の抵抗とな
る抵抗体を設け、前記予混合気体が燃焼する燃焼室を前
記予混合バーナの出口から急激に大きくなるよう形成し
たことを特徴とする燃焼器によっても達成することがで
きる。

【００２１】前記目的を達成することができると共に、
大型化に好適な燃焼器としては、所定の火炎が形成され
る第１の燃焼室と、予混合火炎が形成される第２の燃焼
室とを備えている燃焼器において、前記第２の燃焼室に
噴出される予混合気体の抵抗となり、予混合気体の燃焼
により発生する燃焼気体の循環流を下流側に形成する抵
抗体と、前記燃焼気体を前記予混合火炎に混入させる燃
焼気体混入手段とを備えていることを特徴とするもので
ある。

【００２２】ここで、前記第１の燃焼室に形成される火
炎は、拡散火炎でも予混合火炎でもよいが、第１の燃焼
室に形成される火炎が拡散火炎である場合には、第１の
燃焼室を第２の燃焼室の上流側に設けることが好まし
い。燃焼器の大型化のためには、前記２次燃焼室に予混
合気体を噴出する予混合バーナが、環状に形成されてい
ることが有効である。さらに大型化するためには、環状
に形成されている前記予混合バーナが、周方向に複数に
分割することが有効である。

【００２３】なお、予混合気体を噴出する予混合バーナ
が、環状に形成されている場合には、この予混合バーナ
に沿って、前記抵抗体も環状に形成することが好まし
い。また、燃焼器の起動を容易にするために、上流側の
燃焼室内にパイロットバーナを設けることが有効であ
る。また、第１の燃焼室と第２の燃焼室とのいずれか一
方を上流側に配し、他方を下流側に配した場合には、上
流側の燃焼室内で発生した燃焼気体を下流側の燃焼室で
形成される火炎に混入させることができるように、これ
らの燃焼室の形状および配置関係を定めることがよい。

【００２４】前記抵抗体は、この断面積が、予混合バー
ナの出口面積よりも小さくなるよう形成することが好ま
しい。また、前記抵抗体を冷却する冷却手段を備えてい
ることが好ましい。具体的には、抵抗体の内部に冷却用
の空気または水を供給することにより、実施される。

【００２５】予混合火炎が形成される燃焼室における、
予混合バーナ出口から急激に広がる幅は、できる限り大
きくすることが好ましい。しかしながら、この幅を大き
くすると、燃焼器の大型化しコストが嵩むので、予混合
バーナの出口幅に対して、1.5倍程度にすることが適当
であると思われる。

【００２６】なお、以上の燃焼器の構成は、ガスタービ
ン燃焼器に適用することができる。また、これらの燃焼
器は、燃焼器に、ガスタービンを接続し、このガスター
ビンに発電機を接続することにより、ガスタービン発電
機を構成することができる。

【００２７】また、前記目的は、燃料と空気とが混合し
た予混合気体を噴出するバーナにおいて、噴出する前記
予混合気体の抵抗となり、該予混合気体の燃焼により発
生する燃焼気体の循環流を下流側に形成する抵抗体と、
噴出する前記予混合気体の外側から前記燃焼気体を混入
させる燃焼気体混入手段とを備えていることを特徴とす
るバーナによっても達成することができる。

【００２８】また、前記目的は、燃料と空気とが混合し
た予混合気体を燃焼させる燃焼方法において、予混合気
体噴流の内部から外側に向かって、該予混合気体の燃焼
を進行させ、前記予混合気体噴流の外側から、該予混合
気体の燃焼により発生する燃焼気体を前記予混合気体内
に混入させることを特徴とする燃焼方法によっても達成
することができる。

【００２９】

【作用】予混合火炎でサーマルＮＯｘを低減させるに
は、先に述べたように、従来、過剰空気条件下で燃焼を
行うことが主流であるが、発明者らは、鋭意検討の結
果、予混合気体噴流のほぼ中心に高温の燃焼気体を循環
させるとともに、予混合気体が燃焼する前に、燃焼気体
の一部を予混合気体に混入させることにより、予混合火
炎を安定化させることができると共に、ＮＯｘを低減す
ることができることを明らかにした。

【００３０】本発明は、この知見に基づいてなされたも
のである。内側の予混合気体は、高温の燃焼気体という
着火源を得て、確実に着火し、外側に向かって火炎が伝
播して行く。一方、外側の予混合気体には、燃焼気体の
一部が混入し、予混合気体と燃焼気体とが混合して形成
された燃焼混合気体が、内側から伝播してきた火炎によ
り、着火して燃焼する。

【００３１】したがって、予混合気体の内側が確実に着
火するので、予混合火炎は、安定化する。また、単なる
予混合気体が燃焼する高温の燃焼領域が縮小されると共
に、酸素分圧の低い燃焼混合気体が燃焼するので、ＮＯ
ｘが著しく低減する。

【００３２】具体的に、本発明に係る燃焼器の作用につ
いて説明する。抵抗体と、予混合気体を噴出する予混合
バーナ出口から急激に広がる燃焼室とを備えているもの
では、抵抗体の下流側の断面積が急激に小さくなってい
るので、抵抗体の下流側に気体の第１の循環流領域が形
成される。また、燃焼室が予混合バーナ出口から急激に
広がっているので、予混合バーナ出口の外周側つまり噴
出する予混合気体の外側にも気体の第２の循環流領域が
形成される。

【００３３】第１の循環流領域には、高温の燃焼気体の
一部が流入し、第１の循環流領域の周囲の予混合気体
が、高温の燃焼気体により着火し、そこに比較的急激な
燃焼領域が確実に形成される。このように、比較的急激
な燃焼領域が確実に形成されるので、予混合火炎は安定
化する。

【００３４】第２の循環流領域にも、燃焼気体の一部が
流入する。これが、予混合バーナから噴出する予混合気
体と混合して燃焼混合気体を形成する。燃焼混合気体
は、噴流の内部に形成される比較的急激な燃焼領域から
外部に向かって伝播してくる火炎により、燃焼し、緩慢
な燃焼領域を形成する。緩慢な燃焼領域内では、酸素分
圧の低い燃焼混合気体が燃焼するので、ＮＯｘの発生量
が極めて少ない。また、比較的急激な燃焼領域は、緩慢
な燃焼領域が形成されるので、縮小され、ここで発生す
るＮＯｘの量も少なくなる。

【００３５】したがって、燃焼領域で発生するＮＯｘを
著しく低減することができる。なお、緩慢な燃焼領域を
形成するためには、このように、火炎が噴流の内部から
外部に向かって伝播してくることが必要である。これ
は、予混合気体噴流の外側から火炎が形成されると、予
混合気体が燃焼気体と混合する前に燃焼してしまい、燃
焼混合気体が形成されないからである。

【００３６】予混合火炎が形成される燃焼室における、
予混合バーナ出口から急激に広がる幅をより大きくした
ものでは、燃焼気体の一部が循環する第２の循環流領域
を広げることができて、予混合気体と燃焼気体とが混合
する量が増え、ＮＯｘをより低減することができる。な
お、予混合バーナ出口から急激に広がる幅を予混合バー
ナの出口幅の約1.5倍にすると、この幅の大きさに対す
るＮＯｘ低減効果を最もよくすることができる。

【００３７】また、所定の火炎が形成される第１の燃焼
室と予混合火炎が形成される第２の燃焼室とを備えてい
る燃焼器では、予混合火炎は、前述したように、抵抗体
の作用により、安定して燃焼する。また、２つの燃焼室
を有するので、それぞれの燃焼室内の負荷を変えること
により、負荷変動の許容範囲を広げることができる。し
たがって、このような構成が大型の燃焼器に好適であ
る。

【００３８】燃焼器の大型化のためには、予混合気体を
噴出する予混合バーナを環状に形成し、この予混合バー
ナから予混合気体を下流側に噴出するように構成するこ
とがよい。これは、火炎相互の干渉による燃焼振動を抑
えることができるからである。また、環状に形成した予
混合バーナを周方向に複数に分割すると、逆火を防ぐこ
とができると共に、予混合バーナ内で燃焼用空気と燃料
とを効率よく混合することができる。

【００３９】ここで、第１の燃焼室と第２の燃焼室との
いずれか一方を上流側に配し、他方を下流側に配した場
合には、上流側の燃焼室内で発生した燃焼気体を下流側
の燃焼室で形成される火炎に混入させることができるよ
う構成すると、下流側の燃焼室ででは、酸素分圧の低い
燃焼気体の混入により、火炎から発生するＮＯｘ量を少
なくすることができる。

【００４０】また、第１の燃焼室に拡散火炎を形成し、
これを第２の燃焼室より上流側に位置させることによ
り、燃焼器の起動を容易に行うことができる。起動時に
は、まず、第１の燃焼室に拡散火炎を形成する。拡散火
炎は、燃料に対する空気の量を容易に大きくすることが
できるので、簡単に形成することができる。したがっ
て、燃焼器の起動を容易に行うことができる。次に、第
２の燃焼室に予混合火炎を形成する。予混合バーナから
噴出する予混合気体は、既に形成されている拡散火炎の
熱により温められ、容易に燃焼する。拡散火炎は、ＮＯ
ｘの発生量が多いので、ＮＯｘの発生量を少なくするた
めに、予混合火炎が形成されると、同時に、拡散火炎を
小さくするか消火してしまうことがよい。

【００４１】また、予混合火炎を形成する燃焼室が上流
側に設けられている場合には、この燃焼室にパイロット
バーナを設けることにより、燃焼器の起動を容易に行う
ことができるようになる。

【００４２】第１の燃焼室および第２の燃焼室に予混合
火炎を形成するものでは、先の手段により、火炎を安定
させることができると共に、両方の燃焼室で形成される
火炎から発生するＮＯｘ量を少なくすることができるの
で、燃焼器から排出されるＮＯｘ量を極めて少なくする
ことができる。

【００４３】本発明に係る燃焼器をコジェネレーション
システムのガスタービン燃焼器に用いると、コジェネレ
ーションシステムを構成する廃熱回収ボイラ内の脱硝装
置で使用するアンモニアの量を少なくすることができ
る。アンモニアは、ガスタービンを介して送られてくる
燃焼気体中のＮＯｘと反応させて、燃焼気体中からＮＯ
ｘを取り除くものであるが、ＮＯｘの発生量が少なくな
るので、使用するアンモニアの量も少なくすることがで
きる。また、運転形態によっては、脱硝装置が無くても
環境規制値を満足することができる。

【００４４】

【実施例】以下、図１〜図３１に基づき本発明の各種実
施例について説明する。なお、各種実施例において同一
部位には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

【００４５】ガスタービン燃焼器の第１の実施例につい
て、図１〜図６に基づき説明する。ガスタービン燃焼器
１００には、図４に示すように、燃焼用空気１を加圧し
て燃焼器１００に送り込む空気圧縮機３０１と、燃焼器
１００内で発生した燃焼気体４により駆動するガスター
ビン３０３とが接続されている。ガスタービン３０３に
は発電機３０４が接続されている。

【００４６】ガスタービン燃焼器１００は、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３０１からの燃焼用空気１を取り入れる空気取入口１
１と、燃焼により発生する燃焼気体４を排出する燃焼気
体排出口１２とが形成されている。燃焼器ケーシング１
０内には、１次燃焼室３０を形成する１次燃焼用内筒３
１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。

【００４７】１次燃焼用内筒３１は、燃焼器ケーシング
１０内の燃焼気体排出口１２と相対する面に設けられて
いる。１次燃焼用内筒内３１には、第２図に示すよう
に、１次燃料２を噴出する複数のパイロットバーナ３
４，３４，…が、同一円周上に等間隔で配設されてい
る。このパイロットバーナ３４，３４，…には、１次燃
料２を受け入れる１次燃料受入ノズル３２が接続されて
いる。１次燃焼用内筒３１の側周には、空気取入口１１
から流入する燃焼用空気１を内筒３１内に流入させるた
めの１次空気供給口３３，３３，…が形成されており、
そこには、流入する燃焼用空気４量を調節するための１
次空気調節弁３５が設けられている。

【００４８】２次燃焼用内筒２１は、１次燃焼用内筒３
１の下流側に設けられており、その側周には内筒自身を
冷却するための冷却空気口２２が形成されている。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を噴出する複数の予混合バーナ２
３，２３，…が、図２に示すように、同一円周上に配さ
れ、環状の予混合バーナ群２４を形成している。バーナ
２３，２３，…の下流端には、燃焼用空気１をバーナ２
３，２３，…内に流入させる２次空気供給口２５，２
５，…と、２次燃料３を噴出する２次燃料ノズル２６，
２６，…とが、設けられている。この２次燃料ノズル２
６，２６，…には、２次燃料３を受け入れる２次燃料受
入ノズル２７，２７，…が接続されている。２次空気供
給口２５，２５，…には、流入する燃焼用空気１量を調
節するための２次空気調節弁２８，２８，…が設けられ
ている。

【００４９】環状の予混合バーナ群２４の外周の径は、
２次燃焼用内筒２１の内径よりも小さく、２次燃焼室２
０は、予混合バーナ２３の出口で急激に大きくなるよう
形成されている。

【００５０】予混合バーナ２３の出口近傍には、混合気
体５の燃焼により発生する燃焼気体４を循環させるため
の抵抗体４０が設けられている。抵抗体４０は、図２お
よび図３に示すように、予混合バーナ群２４に沿って環
状を成し、その断面はＶ字状を成している。環状の抵抗
体４０の半径方向の幅は予混合バーナ群２４の半径方向
の幅よりも小さく形成されている。断面がＶ字状の抵抗
体４０は、その頂点部が上流方向に向くように設けられ
ている。頂点部には、抵抗体４０を支持する支持部材４
１が設けられている。この支持部材４１は、複数の予混
合バーナ２３，２３，…間を仕切る仕切板２９上に設け
られている。

【００５１】２次燃焼用内筒２１の下流端には、燃焼気
体４を燃焼器ケーシング１０の燃焼気体排出口１２に導
くためのトランジッションピース１５が接続されてい
る。

【００５２】次に第１の実施例の燃焼器の作用について
説明する。

【００５３】空気圧縮機３０１で加圧された燃焼用空気
１は、空気取入口１１から燃焼器ケーシング１０内に流
入する。燃焼用空気１は、燃焼器ケーシング１０とトラ
ンジッションピース１５および２次燃焼用内筒２１との
間を通過して、１次空気供給口３３から１次燃焼用内筒
３１内へ、２次空気供給口２５から２次燃焼用内円筒２
１内へと流入する。燃焼用空気１の一部は、２次内円筒
２１の冷却空気口２２から壁面冷却のために、２次内円
筒２１内へ流入する。一方、燃料２，３は、１次燃料受
入ノズル３２および２次燃料受入ノズル２７から燃焼器
１００内に流入し、パイロットバーナ３４および２次燃
料ノズル２６から噴出する。

【００５４】本実施例で使用される燃料は、液化天然ガ
スである。液化天然ガスは、硫黄分や窒素化合物をほと
んど含まず、ＳＯｘやフューエルＮＯｘの発生量が少な
く、クリーンなエネルギーとして、近年その需要が伸び
ている燃料である。

【００５５】パイロットバーナ３４から噴出した１次燃
料２は、燃焼用空気１と反応して、１次燃焼室３０内に
拡散火炎を形成する。一方、２次燃料ノズル２６から噴
出した２次燃料３は、複数の予混合バーナ２３，２３，
…内で燃焼用空気１と混合して予混合気体５を形成して
から、２次燃焼室２０内に噴出する。

【００５６】２次燃焼室２０内に噴出した予混合気体５
は、抵抗体４０により分流される。抵抗体４０の下流側
には、気体が循環する第１の循環流領域５１が形成され
る。また、抵抗体４０の外周側、つまり２次燃焼室２１
内の上流端の外周側にも、気体が循環する第２の循環流
領域５２が形成される。この循環流は、２次燃焼室２０
が予混合バーナ２３の出口から急激に大きくなっている
ために形成される。

【００５７】第１の循環流領域５１には、予混合気体５
の燃焼により生成した2000℃前後の高温の燃焼気体４が
流れ込む。このため、第１の循環流領域５１は、予混合
気体５の着火温度である700〜800℃を越えて、1500℃以
上の高温な領域となり、第１の循環流領域５１に近接す
る予混合気体５は、確実に燃焼し、比較的急激な燃焼領
域５３が形成される。したがって、２次燃焼室２０内で
形成される予混合火炎は、高温の燃焼気体４という着火
源を得ることにより、安定化する。

【００５８】一方、円形状の抵抗体４０の外周側に形成
される第２の循環流領域５２には、燃焼気体４と予混合
気体５とが流れ込み、燃焼気体４と予混合気体５とが混
合して燃焼混合気体６が形成される。また、環状の抵抗
体４０の内周側にも、１次燃焼室３０で発生した燃焼気
体４と予混合気体５とが混合して酸素分圧の低い燃焼混
合気体６が形成される。

【００５９】この燃焼混合気体６は、比較的急激な燃焼
領域５３からの火炎が伝播して、燃焼し、比較的急激な
燃焼領域５３の外側に緩慢な燃焼領域５４を形成する。
緩慢な燃焼領域５４では、酸素分圧の低い燃焼混合気体
６が燃焼するため、燃焼温度も低く、この領域で生成さ
れるＮＯｘ量は、極めて少ない。

【００６０】燃焼混合気体６を形成するためには、火炎
が、予混合バーナ２３から噴出する予混合気体５の内部
から外側へ伝播して行くことが必要である。これは、仮
りに、外側から着火して火炎が内側へ伝播して行くと、
予混合気体５が、燃焼気体４と混合する前に燃焼してし
まい、燃焼混合気体６が形成されないからである。

【００６１】ここで、２次燃料３、燃焼用空気１、およ
び燃焼気体４を均一に混合した後、予混合バーナ２３か
ら噴出し、火炎を形成すると、緩慢な燃焼領域のみが形
成されるため、安定な火炎が形成されない。

【００６２】また、予混合バーナ２３は、本実施例のよ
うに、１次燃焼室３０の下流端に環状に配置することが
望ましい。このように予混合バーナ２３を配置すると、
１次燃焼室３０中で形成される拡散火炎から排出される
燃焼気体４の熱により、予混合バーナ２３から噴出され
る予混合気体５がより速やかに着火され、予混合火炎は
より安定化する。

【００６３】また、抵抗体４０の半径方向の幅に関して
も、本実施例のように、予混合バーナ２３出口の半径方
向の幅より小さくすることが望ましい。抵抗体４０の幅
が予混合バーナ２３出口の幅より大きいと、第１の循環
流領域５１が大きなものとなり、予混合火炎が抵抗体４
０の近傍に保持されず、火炎の安定性が低下する。

【００６４】燃焼器１００で発生した燃焼気体４は、燃
焼気体排出口１２から排出され、ガスタービン３０３に
供給される。ガスタービン３０３内では、高温高圧の燃
焼気体４が膨張する過程で、タービンが駆動される。ガ
スタービン３０３の動力は、発電機３０４に伝達され、
発電が行われる。

【００６５】一般に、近年のガスタービン発電設備で
は、ガスタービン３０３から排出される燃焼気体４が、
廃熱回収ボイラへ導かれ、水蒸気発生用の熱源として用
いられることが多い。廃熱回収ボイラ内には、脱硝装置
が設けられていることがある。この脱硝装置は、固体触
媒表面上でアンモニアと燃焼気体４とを反応させて、燃
焼気体４中のＮＯｘを取り除くものである。本実施例に
係る燃焼器１００を使用する場合、ＮＯｘの発生量が少
なくなるため、脱硝装置でのアンモニア使用量を低減す
ることができる、また、運転形態によっては、脱硝装置
が無くても環境規制値を満足することができる。

【００６６】なお、本実施例において、複数の予混合バ
ーナ２３，２３，…を形成するために、仕切板２９を設
けたが、抵抗体４０を他の方法で支持できる場合は、特
に仕切板２９を設けて複数の予混合バーナ２３，２３，
…を形成する必要がない。ただし、燃焼器が大型化して
予混合バーナが大きくなるような場合には、燃料２と燃
焼用空気１との混合を十分に行うために、また、逆火を
防ぐために、仕切板２９を設けて複数の予混合バーナ２
３，２３，…を形成する方がよい。

【００６７】次に、本実施例のガスタービン燃焼器１０
０の運転方法について図５および図６を用いて説明す
る。ガスタービン３０３の起動時には、図６に示すよう
に、燃焼器１００に１次燃料２のみを投入し、１次燃焼
室３０において拡散火炎を形成させる。ガスタービン３
０３の負荷がある一定の負荷Ｌ₀％に達した時点で、１
次燃料２量を減少させ、これに対応して２次燃料３量を
増加させ、２次燃焼室２０において予混合火炎を形成さ
せる。一定の負荷Ｌ₀％から最大負荷100％に達するまで
は、主として２次燃料量３を増加させることにより負荷
変化に対応させる。

【００６８】また、空気供給量は、ＮＯx発生量をある
範囲内に保つように、図５に示すように、燃料２，３の
増減に対応させて、１次空気量を減少させ、２次空気量
を増加させる。

【００６９】抵抗体４０が設けられていない燃焼器にお
いては、２次燃焼室２０において形成する予混合火炎の
安定性が、１次燃焼室３０において形成する拡散火炎で
の燃焼量および拡散火炎の空気比などにより影響を受け
るため、投入する１次燃料２量と２次燃料３量の比が一
定の範囲内に制限される。本実施例の燃焼器では、予混
合火炎を単独で安定化する機構を有するため、１次燃料
２量と２次燃料３量の比を任意に設定でき、負荷変動に
対する燃料供給の調整を容易に行うことができる。ま
た、負荷変動範囲を大きくすることができる。

【００７０】なお、本実施例の燃焼器１００では、燃料
切り替え後、１次燃料２の供給を停止しても良いが、１
次燃料２を常時１次燃焼室２０に投入し、拡散火炎を形
成しておくことにより、負荷増減の対応を素早く行うこ
とができる。

【００７１】次に、種々の燃焼器に関して検証を行った
ので、予混合火炎の安定化の原理およびＮＯxの低減効
果について、図７から図１３に基づき説明する。

【００７２】この検証には、５種類の検証用燃焼器を用
いている。第１の検証用燃焼器４１０は、図７に示すよ
うに、予混合バーナ４１１と、このバーナ４１１出口か
ら急激に大きくなる燃焼室４１２と、バーナ４１１出口
の周囲に配されているパイロットバーナ４１３，４１
３，…とを備えているものである。なお、パイロットバ
ーナ４１３からの気体噴出流量は、予混合バーナ４１１
からの気体噴出流量の1/1000以下に設定されている。

【００７３】パイロットバーナ４１３でパイロットフレ
ーム４１４を形成し、これを着火源として、予混合バー
ナ４１１から噴出する予混合気体４０１を燃焼させる。
予混合火炎４０２は、バーナ４１１の出口から円錐状に
形成される。予混合火炎４０２の外周には、燃焼気体４
０４による外部循環領域４０３が形成される。

【００７４】この燃焼では、パイロットフレーム４１４
という着火源があるので、予混合火炎４０２は安定化す
るが、予混合火炎４０２がバーナ４１１の出口から形成
され、先端が分離していないので、火炎４０２の周囲に
形成されている燃焼気体４０４の循環流と予混合気体４
０１とのが混合することがほとんど期待できない。した
がって、予混合気体４０１が燃焼気体４０４と混合した
状態で燃焼することはほとんど無く、ＮＯｘをあまり低
減できない。

【００７５】第２の検証用燃焼器４２０は、本発明に係
る燃焼器で、図８に示すように、予混合バーナ４１１
と、このバーナ４１１出口から急激に大きくなる燃焼室
４１２と、バーナ４１１出口近傍に配され平板状の抵抗
体４２１とを備えているものである。

【００７６】予混合気体４０１をバーナ４１１から噴出
する。予混合気体噴流の内部には、抵抗体４２１の作用
により、内部循環領域４２２が形成される。また、燃焼
室４１２がバーナ４１１出口から急激に大きくなってい
ることにより、外部循環流領域４２３が形成される。内
部循環流領域４２２と外部循環流領域４２３の形成に関
しては、燃焼室４１２内の温度分布、ガス組成分布、流
速分布、およびＯＨラジカル等の発光スペクトル分布を
測定することにより、確認している。

【００７７】内部循環流領域４２２には、高温の燃焼気
体４０４が流入し、内部循環流領域４２２の周囲に比較
的急激な燃焼領域４２４が確実に形成される。このよう
に、比較的急激な燃焼領域４２４が確実に形成されるの
で、予混合火炎は安定化する。また、比較的急激な燃焼
領域４２４、つまり、ラジカル濃度の高い領域が、特定
の狭い範囲内にしか形成されないので、燃焼用空気中の
窒素の分解および酸化が促進される領域が狭く、サーマ
ルＮＯｘの発生を抑制することができる。

【００７８】比較的急激な焼領域４２４の周囲には、外
部循環流領域４２３内の燃焼気体４０４とバーナ４１１
から噴出した予混合気体４０１とが混ざり合い燃焼混合
気体が形成される。燃焼混合気体は、噴流の内部に形成
される比較的急激な燃焼領域４２４から外部に向かって
い伝播してくる火炎により、燃焼し、緩慢な燃焼領域４
２５を形成する。緩慢な燃焼領域４２５内では、酸素分
圧の低い、つまりラジカル濃度の低い条件で燃焼が進行
するので、ＮＯｘの発生量を極めて低い値に抑えること
ができる。

【００７９】なお、この検証用燃焼器４２０では、ＮＯ
ｘの低減のため、予混合バーナ４１１から噴出した予混
合気体４０１自身の燃焼により発生した燃焼気体４０４
を用いているが、他のバーナから噴出した燃料の燃焼に
より発生した燃焼気体を用いても良い。

【００８０】第３の検証用燃焼器４３０は、図９に示す
ように、予混合バーナ４１１と、このバーナと同径の燃
焼室４３１と、平板状の抵抗体４２１とを備えている。
この検証用燃焼器４３０による燃焼では、第２の検証用
燃焼器４２０と同様に、抵抗体４２１の作用により、予
混合火炎４３２を安定化させることができるが、火炎４
３２の外側に燃焼気体４０４による外部循環領域を形成
することができないので、ＮＯｘをあまり低減させるこ
とができない。

【００８１】第４の検証用燃焼器４４０は、図１１に示
すように、第１の予混合バーナ４４１と、このバーナ４
４１の側周に沿った環状の噴出口を有する第２の予混合
バーナ４４２と、第１の予混合バーナ４４１近傍に配さ
れている平板状の抵抗体４２１と、第２の予混合バーナ
４４２出口から急激に大きくなる燃焼室４４３とを備え
ている。

【００８２】第１の予混合バーナ４４１から噴出する予
混合気体４０１は、抵抗体４２１の作用により、安定し
た第１の予混合火炎４４４を形成する。第２の予混合バ
ーナ４４２から噴出する予混合気体４０５は、第１の予
混合火炎４４４を着火源として第２の予混合火炎４４５
を形成する。第２の予混合火炎４４５は、第２の予混合
バーナ４４２の出口で第１の予混合バーナ４４１との境
目から、第１の予混合火炎４４４のほぼ先端まで形成さ
れる。この検証用燃焼器４４０による燃焼では、第１の
予混合バーナ４４１から噴出する予混合気体４０１が、
燃焼気体４０４と混合する前に燃焼してしまうので、Ｎ
Ｏｘをあまり低減することができない。

【００８３】図１０および図１２に、以上の検証用燃焼
器のＮＯｘ排出特性を示す。図１０に示すＮＯｘ排出特
定曲線４１９，４２９，４３９のうち、曲線４１９は第
１の検証用燃焼器４１０によるものを、曲線４２９は第
２の検証用燃焼器４２０によるものを、曲線４３９は第
３の検証用燃焼器４３０によるものを表している。

【００８４】また、図１２に示すＮＯｘ排出特性曲線４
２９，４４８，４４９のうち、曲線４２９は第２の検証
用燃焼器４２０によるものを、曲線４４９は第４の検証
用燃焼器４４０で２つのバーナからそれぞれ噴出する燃
料と空気との量変えたときに最もＮＯｘ発生量が少ない
条件下でのものを、曲線４４８は第４の燃焼器４４０で
最もＮＯｘ発生量が大い条件下でのものを表している。

【００８５】これらの図より、本発明に係る第２の検証
用燃焼器４２０を用いると、他の燃焼器を用いるより、
ＮＯx排出量を１／３以下に低減させることができるこ
とがわかる。

【００８６】サーマルＮＯｘは、ＮＯxが発生する領域
及びその生成速度の点から、ゼルドヴィッヒ機構による
ＮＯｘと、プロンプトＮＯｘとの二つに分類される。

【００８７】ゼルドヴィッヒ機構によるＮＯｘは、火炎
後流で比較的遅い速度で生成するもので、燃焼空気中の
窒素が酸素により酸化されて生成するＮＯxである。ゼ
ルドヴィッヒ機構によるＮＯxの生成は温度依存性が高
く、火炎温度が高くなると発生量が増加する。投入空気
量と燃料を完全燃焼するのに必要な空気量との比である
空気比を１付近、即ち当量比付近で燃焼すると火炎温度
は最も高くなり、ＮＯx濃度も最大になる。

【００８８】プロンプトＮＯｘは、炭化水素系燃料特有
のもので、火炎の反応領域中あるいはその近傍で比較的
早い速度で生成するＮＯxである。プロンプトＮＯxは、
燃料空気中の窒素が、火炎中に存在する反応活性の高い
炭化水素ラジカルなどにより分解され、さらに酸化され
て生成するＮＯxである。プロンプトＮＯxの生成は温度
依存性が比較的低く、反応活性の高いラジカルの濃度お
よび高濃度のラジカルが存在する領域の大きさにより支
配される。

【００８９】一般的に、燃焼用空気に対して、燃料量が
多いほどプロンプトＮＯxの発生量が増し、燃料量が少
ないほどゼルドヴィッヒ機構によるＮＯｘの発生量が増
す傾向にあるが、図１０および図１２より、本発明に係
る第２の検証用燃焼器を用いると、いずれのＮＯｘも低
減できることがわかる。したがって、本発明に係る燃焼
器では、空気比が大きい条件下での燃料の燃焼でも、空
気比の小さい条件下での燃料の燃焼でも、ＮＯｘを低減
することができ、稀薄予混合燃焼を行わなくても十分に
ＮＯｘを低減することができる。また、稀薄予混合燃焼
法を採用すると、よりＮＯｘを低減することができる。

【００９０】なお、第２の検証用燃焼器４２０におい
て、燃料をメタンとし、噴出する予混合気体の温度が約
２４０℃で、燃焼室中に空気比が1.0〜1.1で、燃焼用空
気と燃料の予混合気体のみを供給し完全燃焼させた際の
ＮＯxの排出濃度は、約６０ppm（０％Ｏ₂換算値）以下
であった。

【００９１】第５の検証用燃焼器４５０は、図１３に示
すように、環状に複数の噴出口を有する予混合バーナ４
５１，４５１，…と、このバーナに沿って設けられてい
る平板状の抵抗体４５２と、予混合バーナ４５１出口か
ら急激に大きくなる燃焼室４５３とを備えている。

【００９２】本検証用燃焼器４５０は、それぞれの予混
合バーナ４５１，４５１，…に対応させて、抵抗体４５
２を設けたものであるが、このように構成することで、
バーナ４５１，４５１，…から噴出する予混合気体４０
１と外部循環領域４５４内の燃焼気体４０４とを混合さ
せることができ、ＮＯｘを低減することができる。

【００９３】次に、ガスタービン燃焼器の第２の実施例
について図１４に基づき説明する。本実施例のガスター
ビン燃焼器１１０は、拡散火炎を形成する１次燃焼室３
０ａと、予混合火炎を形成する２次燃焼室２０ａとを備
え、第１の実施例の燃焼器１００とその基本構成がほぼ
同じものであるが、２次燃焼室２０ａにおける、予混合
バーナ２３の出口から急激に広がる幅Ｄを広げたもので
ある。

【００９４】２次燃焼用内筒２１ａの内径は、予混合バ
ーナ２３の出口から２次燃焼室２０ａが急激に広がる幅
Ｄが、予混合バーナ２３の出口幅ｄに対して、約1.5倍
になるよう設定されている。

【００９５】本実施例では、第１の実施例と同様に、抵
抗体４０の下流側に、燃焼気体４による第１の循環流領
域５１が形成されるので、安定した予混合火炎を得るこ
とができる。さらに、２次燃焼室２０ａにおける予混合
バーナ２３の出口から急激に広がる幅Ｄが広がったの
で、抵抗体４０の外周側に形成される第２の循環流領域
５２ａが広がり、バーナ２３から噴出する予混合気体５
と第２の循環流領域５２ａ内の燃焼気体４との混合率が
増える。したがって、予混合気体５と燃焼気体４とが混
合して形成される酸素分圧の低い燃焼混合気体が、単な
る予混合気体５が燃焼するよりも多く、燃焼することに
なるので、ＮＯｘをより低減することができる。

【００９６】また、予混合バーナ２３の出口から急激に
広がる幅Ｄを広げることにより、２次燃焼用内筒２２ａ
の冷却空気口２２から流入する燃焼用空気１が直接燃焼
領域内に流入して燃焼温度を下げることがないので、Ｃ
Ｏおよび未燃炭化水素の発生を抑制することができる。

【００９７】予混合火炎を形成する燃焼室において、予
混合バーナの出口から燃焼室が急激に広がる幅を変えた
場合における、ＮＯｘの低減効果について検証したの
で、これについて説明する。検証には、図１５に示すよ
うに、予混合バーナ４６２と、予混合火炎が形成される
燃焼室４６１と、抵抗体４６３とを備えている燃焼室４
６０を用いて行った。

【００９８】図１６に示すように、予混合バーナ４６２
の口径Ｄ₁と予混合バーナの出口から燃焼室４６１が急
激に広がる幅Ｄ₂との比（Ｄ₂／Ｄ₁）が、大きくなるに
つれて、ＮＯｘ発生量は小さくなる。これは、Ｄ₂が大
きくなると、予混合火炎の外側に形成される循環流４６
４が形成され易くなり、火炎中の酸素分圧が低くなるた
めである。

【００９９】なお、この検証結果によれば、Ｄ₂／Ｄ₁が
1.5以上になると、ＮＯｘの低減効果率が小さくなるの
で、実器の場合には、燃焼器の小型化を図るためにも、
Ｄ₂/D₁が1.5前後になるよう設計することが好ましいと
思われる。

【０１００】次に、図１７および図１８に基づき、ガス
タービン燃焼器の第３の実施例について説明する。この
燃焼器１２０は、予混合火炎を形成する燃焼器ケーシン
グ１２１と、環状に配されている複数の予混合バーナ１
２２，１２２，…と、複数の予混合バーナ１２２，１２
２，…へ予混合気体５を供給する予混合気体供給管１２
３と、複数の予混合バーナ１２２，１２２，…に沿って
設けられている抵抗体１２４とを備えている。

【０１０１】予混合気体供給管１２３の下流には、燃料
２を取り入れる燃料ノズル１２５，１２５と、燃焼用空
気１を取り入れる空気ノズル１２６とが設けられてい
る。抵抗体１２４は、平板状を成しており、複数の予混
合バーナ１２２，１２２相互間を仕切る仕切板１２７，
１２７，の上に、支持部材１２８，１２８，を介して、
設けられている。

【０１０２】本実施例は、先に説明した第５の検証用燃
焼器４５０を実機レベルにしたもので、第１の実施例お
よび第２の実施例と同様に、安定した予混合火炎を得る
ことができると共に、ＮＯｘの発生を抑制することがで
きる。なお、本実施例では、２つの燃焼室が設けられて
いないので、先の実施例と比べて、小型化の点では優れ
ているが、負荷変動に対する許容範囲が狭い点で劣って
いる。

【０１０３】抵抗体は、第１の実施例および第２の実施
例のように断面がＶ字形状である必要は無く、その下流
側に循環流を形成することができるものであれば、どの
ような形状のものでも良く、本実施例のように、平板状
のものでも良い。なお、実験によると、平板状の抵抗体
の場合、予混合気体の流れ方向に対して、抵抗体が約45
°以内の傾斜角で設けられていれば、火炎の安定性には
ほとんど影響がないことがわかっている。

【０１０４】また、抵抗体は、高温になるので、少なく
とも500℃以上の耐熱性を備えている材料で形成する必
要があるが、抵抗体を中空構造にしてその内に冷却用の
空気または水を供給することにより、耐熱性を確保する
ようにしてもよい。

【０１０５】次に、ガスタービン燃焼器の第４の実施例
について図１９および図２０に基づき説明する。本実施
例のガスタービン燃焼器１３０は、予混合火炎を形成す
る２つの燃焼室、１次燃焼室１３１と２次燃焼室１４１
とを備えている。

【０１０６】１次燃焼室１３１は、１次燃焼室用内筒１
３２により構成されており、その上流端には、環状に配
されている複数の１次予混合バーナ１３３，１３３，が
設けられている。予混合バーナ１３３，１３３，の上流
側には、１次燃料２を噴出する複数の１次燃料ノズル１
３４，１３４，…と、燃焼用空気１を内筒１３２内に流
入させるための１次空気供給口１３５，１３５，…とが
設けられている。１次燃焼室１３１は、１次予混合バー
ナ１３３の出口で急激に大きくなるよう形成されてい
る。

【０１０７】１次予混合バーナ１３３の出口近傍には、
予混合気体５の燃焼により発生する燃焼気体４を循環さ
せるための抵抗体１３６が設けられている。抵抗体１３
６は、複数の予混合バーナ１３３，１３３，…間を仕切
る仕切板１３７，１３７…上に、支持部材を介して設け
られている。２次燃焼室１４１は、２次燃焼用内筒１４
２により構成されており、１次燃焼用内筒１３２の下流
側に設けられている。２次燃焼用内筒１４２の上流端に
は、環状に配されている複数の２次予混合バーナ１４
３，１４３，が設けられている。バーナ１４３，１４
３，…の上流側には、燃焼用空気１をバーナ１４３，１
４３，…内に流入させる２次空気供給口１４５，１４
５，…と、２次燃料３を噴出する２次燃料ノズル１４
６，１４６，…とが、設けられている。

【０１０８】１次燃焼用内筒１３２および２次燃焼用内
筒１４２の側周には、内筒１３２，１４２自身を冷却す
るための冷却空気口１３８，１４８が形成されている。
燃焼用空気１は、空気圧縮器３０１により圧縮された
後、燃焼器１３０内に流入し、１次予混合バーナ１３３
および２次予混合バーナ１４３の混合部１３９，１４９
において燃料２，３と混合する。このよう形成された予
混合気体５は、１次燃焼室１３１および２次燃焼室１４
１内に噴出する。燃焼用空気１の一部は、内筒１３２，
１４２の冷却用として冷却空気口１３８，１４８から燃
焼室１３１，１４１内に流入する。

【０１０９】１次予混合バーナ１３３から噴出する予混
合気体５は、抵抗体１３６の作用により分割される。抵
抗体１３６の下流側には第１の循環流領域１５１が形成
され、第１の循環流領域１５１の周囲に予混合火炎が形
成される。予混合火炎の周囲には、燃焼気体４による第
２の循環流領域１５２が形成される。予混合火炎では、
予混合気体５と燃焼気体４とが混合して形成される燃焼
混合気体が燃焼することになるので、ＮＯｘが低減され
る。

【０１１０】１次燃焼室１３１で形成された燃焼気体４
は、ほぼ直進して、２次燃焼室１４１の中心部に流入す
る。この燃焼気体４の外周側に２次予混合バーナ１４３
からの予混合気体５が噴出される。２次予混合バーナ１
４３から噴出される予混合気体５は、１次燃焼室１３１
で形成された燃焼気体４により着火されて、予混合火炎
が形成される。

【０１１１】本実施例のように、２つの燃焼室を設ける
ことにより、負荷変動に対する許容範囲を大きくするこ
とができる。

【０１１２】次に、ガスタービン燃焼器の第５の実施例
について図２１および図２２に基づき説明する。本実施
例のガスタービン燃焼器１６０は、予混合火炎を形成す
る２つの燃焼室、１次燃焼室１３１と２次燃焼室１４１
とを備えており、それぞれの予混合バーナ１３３ａ，１
４３の出口に抵抗体１６１，１６３を設けたもので、そ
の他の構成に関しては、第４の実施例のガスタービン燃
焼器１３０と基本的な構成は同じである。なお、１次燃
焼用抵抗体１６１には、その下流側にパイロットフレー
ムを形成するパイロットバーナ１６２が設けられてい
る。

【０１１３】燃焼器１６０の起動時には、パイロットバ
ーナ１６２のみに燃料を供給し、１次燃焼用抵抗体１６
１の下流側にパイロットフレームを形成させる。

【０１１４】パイロットフレームが形成された後に、１
次予混合バーナ１３３ａから１次燃料２の供給を開始
し、予混合火炎を形成させる。この予混合火炎が安定に
形成された後、パイロットバーナ１６２への燃料供給を
停止する。このように運転することにより、燃焼器１６
０の起動を容易に行うことができる。また、本実施例で
は、いずれの予混合バーナ１３３ａ，１４３にも抵抗体
１６１，１６３が設けられているので、いずれの予混合
火炎も燃料の供給量等にあまり影響されること無く、常
に安定した予混合火炎を得ることができる。

【０１１５】次に、ガスタービン燃焼器の第６の実施例
について図２３に基づき説明する。本実施例の燃焼器１
７０は、第４の実施例の燃焼器１３０の１次燃焼室１３
１内に、予混合火炎を形成する予混合バーナ１３３を設
けると共に、拡散火炎１７２を形成するパイロットバー
ナ（拡散火炎形成バーナ）１７１を設けたものであり、
その他の基本的な構成は、第４の実施例とほぼ同じであ
る。

【０１１６】燃焼器１７０の起動時には、まず、パイロ
ットバーナ１７１から燃料２を噴出し、１次燃焼室１３
１内に拡散火炎１７２を形成させる。拡散火炎１７２が
形成されると、１次予混合バーナ１３３に１次燃料２を
供給し、１次予混合火炎を形成させる。１次燃焼室１３
１での負荷が所定の負荷になると、２次予混合バーナ１
４３に２次燃料３を供給し、２次予混合火炎を形成させ
ると共に、拡散火炎１７２を消化させる。このとき、２
次予混合火炎は、１次予混合火炎で発生する燃焼気体４
により着火する。これ以降は、１次予混合火炎と２次予
混合火炎の負荷を調節して、燃焼器１７０の負荷変動に
対応させる。

【０１１７】本実施例では、燃焼器１７０の起動を容易
に行うことができる。なお、拡散火炎１７２を形成させ
るための燃焼用空気１は、パイロットバーナ１７１の周
囲から供給されが、この燃焼用空気１は、１次予混合火
炎から排出される燃焼気体と混合するため、拡散火炎１
７２から排出されるＮＯxは少ない。

【０１１８】次に、ガスタービン燃焼器の第７の実施例
について図２４および図２５に基づき説明する。本実施
例の燃焼器１８０は、１次燃焼室１８１の上流側に、予
混合火炎を形成する複数の予混合バーナ１８３，１８
３，…と、複数の予混合バーナ１８３，１８３，…の出
口近傍に配されている抵抗体１８４と、１次燃焼室１８
１の上流端の中央にパイロットフレームを形成するパイ
ロットバーナ１８５とを設け、２次燃焼室２０、その他
の基本的な構成を第１の実施例の燃焼器１００とほぼ同
じに構成したものである。

【０１１９】複数の１次予混合バーナ１８３，１８３，
…は、相互間が仕切板１８６，１８６，…により仕切ら
れ、環状に配されている。抵抗体１８４は、断面がＶ字
形を成し、複数の１次予混合バーナ１８３，１８３，…
に沿って、その下流側に設けられている。１次燃焼室１
８１は、１次燃焼用内筒１８２により構成されており、
１次予混合バーナ１８３の出口から急激に広がるよう形
成されている。

【０１２０】起動時には、１次燃焼室１８１内にパイロ
ットバーナ１８５によりパイロットフレームを形成させ
る。次に１次燃焼室１８１内に予混合火炎を形成させ、
所定の負荷になった時点で、２次燃焼室２０内に予混合
火炎を形成させる。したがって、パイロットバーナ１８
５により燃焼器１８０を起動させるので、容易に起動を
行うことができる。

【０１２１】また、本実施例では、いずれの燃焼室１８
１，２０にも、予混合バーナ１８３，２３の出口に抵抗
体４０が設けられているので、安定した予混合火炎を得
ることができる。さらに、いずれの燃焼室１８１，２０
も、予混合バーナ１８３，２３の出口から急激に広がる
ように形成されているので、予混合火炎の周囲に燃焼気
体４による循環流領域１８７，５２が形成され、ＮＯｘ
の発生を抑制することができる。

【０１２２】以上の各種実施例において、複数の予混合
バーナを設ける場合、これを環状に連続的に配したもの
を示してきたが、複数の予混合バーナの配列は、これに
限定されるものではなく、例えば、図２６に示すよう
に、複数の予混合バーナ１９１，１９１，…を断続的に
放射状に配列してもよい。この際、火炎を安定させる抵
抗体１９２，１９２，…は、各予混合バーナ１９１，１
９１，…に対応させて、放射状に設けることが好まし
い。なお、同図に示す燃焼器１９０は、第７の実施例の
変形例である。

【０１２３】また、以上の各種実施例において、環状に
複数の予混合バーナが配されている場合、これに対し
て、環状の抵抗体を１つ設けたものを示してきたが、環
状の複数の予混合バーナに対する抵抗体は、これに限定
されるものではなく、例えば、図２７に示すように、複
数の予混合バーナ１８３，１８３，…相互間を仕切るそ
れぞれの仕切板１８６，１８６，…上に複数の抵抗体２
０１，２０１，…を設けるようにしてもよい。なお、同
図に示す燃焼器２００は、第７の実施例の変形例であ
る。

【０１２４】次に、ガスタービン燃焼器の第８の実施例
について図２８に基づき説明する。本実施例の燃焼器２
１０は、燃焼室２１１の上流端に、複数の１次予混合バ
ーナ２１２，２１２，…が環状に配されている１次予混
合バーナ群と、その外周に沿って、複数の２次予混合バ
ーナ２３，２３，…が環状に配されている２次予混合バ
ーナ群と、燃焼室２１１の上流端の中央にパイロットフ
レームを形成するパイロットバーナ１８５とが設けられ
ているものである。１次予混合バーナ２１２および２次
予混合バーナ２３の出口近傍には、抵抗体２１３，４０
が設けられている。

【０１２５】本実施例では、第７の実施例と同様に、安
定した予混合火炎を得ることができると共に、ＮＯｘを
低減することができる。なお、本実施例の場合、同一の
燃焼室２１１中に１次予混合火炎と２次予混合火炎とを
形成するので、第４の検証用燃焼器４４０のように、火
炎相互が重なることによるＮＯｘの低減効果の低下や振
動燃焼を防ぐために、１次予混合バーナ２１２と２次予
混合バーナ２３との配置関係に十分な考慮をはらって設
計する必要がある。

【０１２６】次に、ガスタービン燃焼器の第９の実施例
について図２８に基づき説明する。本実施例の燃焼器２
２０は、１次燃焼室２２１で拡散火炎を２次燃焼室２２
２で予混合火炎を形成する燃焼器において、複数の予混
合バーナ２２３，２２３，…を２次燃焼用内筒２４の壁
面に設置したものである。

【０１２７】複数の予混合バーナ２２３，２２３，…
は、２次燃焼用内筒２４の中心軸に向かって、予混合気
体が噴出されるよう設けられている。これら複数の予混
合バーナ２２３，２２３，…の出口近傍には、抵抗体２
２４，２２４，…がそれぞれ設けられている。

【０１２８】このような燃焼器２２０においても、抵抗
体２２４に対して内筒２４の中心軸側に燃焼気体４の循
環流領域が形成されると共に、予混合火炎の周囲にも燃
焼気体４による循環流領域が形成されるので、安定した
予混合火炎を得ることができると共にＮＯｘを低減する
ことができる。

【０１２９】ガスタービンに接続される以上の各種実施
例のガスタービン燃焼器１００，１１０，…は、図３０
に示すように、ガスタービン３０３と共に、ガスタービ
ン３０３からの燃焼気体４の熱により蒸気を発生させる
廃熱回収ボイラ３１２を設けることにより、いわゆるコ
ジェネレーションシステムを構築することができる。

【０１３０】このコジェネレーションシステムは、空気
圧縮機３０１とガスタービン燃焼器１００，１１０，…
とガスタービン３０３と発電機３０４とから構成される
ガスタービン発電設備３１０と、メインボイラ設備３１
３と、ガスタービン燃焼器１００，１１０，…とメイン
ボイラ３１３とに燃料２を供給する燃料供給設備３１５
と、廃熱回収ボイラ３１２と、ターボ冷却機３１４とを
備えている。

【０１３１】燃料２は、燃料供給設備３１５からガスタ
ービン燃焼器１００，１１０，…とメインボイラ３１３
とに供給される。ガスタービン燃焼器１００，１１０，
…に供給された燃料２は、燃焼器１００，１１０，…内
で燃焼した後、燃焼により発生した燃焼気体４がガスタ
ービン３０３に送られる。そして、燃焼気体２は、ター
ビンを駆動して発電が行われる。ガスタービン３０３か
らの燃焼気体４は、廃熱回収ボイラ３１２に送られて、
そこで、蒸気を発生させる。この蒸気は、夏季にはター
ボ冷却機３１４の駆動用に用いられ、冬期には暖房用に
用いられる。この蒸気が不足しているときは、メインボ
イラ３１３で発生した蒸気が用いられる。

【０１３２】このようなコジェネレーションシステム
は、ＮＯｘ排出規制の厳しい都市や都市近郊に設置され
ている場合が多いが、このような場合でも、ガスタービ
ン燃焼器内でのＮＯｘ排出量が少ないので、既に述べた
ように、廃熱回収ボイラ３１２内に脱硝装置を設けなく
ても、厳しい規制値を満足することができる場合があ
る。

【０１３３】なお、廃熱回収ボイラに蒸気タービンを接
続することにより、廃熱回収型のコンバインドサイクル
を構成することができる。

【０１３４】以上、ガスタービン燃焼器に関する実施例
を説明したが、本発明は、ガスタービン用に限るもので
はなく、燃料の燃焼によりサーマルＮＯｘが発生するも
のであれば、例えば、ボイラ、焼却器や化学プラント等
で反応器と呼ばれるものなど、あらゆる燃焼器に適用し
てもよい。

【０１３５】次に、バーナの一実施例について図３１に
基づき説明する。バーナ８０は、外筒８１と内筒８５と
を備えて構成されている。外筒８１の下流端側は、途中
から急激に拡径されている。外筒８１の上流端側には、
燃料２を受入る燃料ノズル８２と、燃焼用空気１を受入
る空気ノズル８３とが設けられている。内筒８５の下流
端には、下流側に循環流が形成されるよう抵抗体８６が
形成されている。内筒８５は、中空構造になっており、
中に冷却水９を供給する冷却水供給管８７が設けられて
いる。

【０１３６】このようなバーナ８０を燃焼器８８に取り
付け、予混合火炎８９を形成させると、先に述べたガス
タービン燃焼器と同様に、抵抗体８６の下流側に燃焼気
体４による第１の循環流領域９０が形成されると共に、
予混合火炎８９の周囲に燃焼気体４による第２の循環流
領域９１が形成されるので、安定した予混合火炎８９を
得ることができると共に、ＮＯｘを低減させることがで
きる。

【０１３７】

【発明の効果】本発明によれば、予混合気体噴流内に高
温の燃焼気体が循環し、これを着火源として予混合火炎
が確実に形成されるので、火炎を安定させることができ
る。

【０１３８】また、予混合気体内に燃焼気体が混入し、
これにより形成された酸素分圧の低い気体が燃焼するの
で、ＮＯｘを著しく低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１の実施例のガスタービン燃焼
器の全体断面図である。

【図２】図１におけるII−II線断面図である。

【図３】本発明に係る第１の実施例のガスタービン燃焼
器の要部断面図である。

【図４】本発明に係る第１の実施例のガスタービン発電
設備の系統図である。

【図５】本発明に係る第１の実施例のガスタービン燃焼
器を運転する際のガスタービン負荷と空気供給量との関
係を示すグラフである。

【図６】本発明に係る第１の実施例のガスタービン燃焼
器を運転する際のガスタービン負荷と燃料供給量との関
係を示すグラフである。

【図７】第１の検証用燃焼器の断面図である。

【図８】第２の検証用燃焼器の断面図である。

【図９】第３の検証用燃焼器の断面図である。

【図１０】第１、第２及び第３の検証用燃焼器のＮＯｘ
排出特性を示すグラフである。

【図１１】第４の検証用燃焼器の断面図である。

【図１２】第２及び第４の検証用燃焼器のＮＯｘ排出特
性を示すグラフである。

【図１３】第５の検証用燃焼器の断面図である。

【図１４】本発明に係る第２の実施例のガスタービン燃
焼器の全体断面図である。

【図１５】検証用燃焼器の断面図である。

【図１６】検証用燃焼器のＮＯｘ排出特性を示すグラフ
である。

【図１７】本発明に係る第３の実施例のガスタービン燃
焼器の要部断面図である。

【図１８】図１７におけるXVIII−XVIII線断面図であ
る。

【図１９】本発明に係る第４の実施例のガスタービン燃
焼器の要部断面図である。

【図２０】図１９におけるXX−XX線断面図である。

【図２１】本発明に係る第５の実施例のガスタービン燃
焼器の要部断面図である。

【図２２】図２１におけるXXII−XXII線断面図である。

【図２３】本発明に係る第６の実施例のガスタービン燃
焼器の要部断面図である。

【図２４】本発明に係る第７の実施例のガスタービン燃
焼器の全体断面図である。

【図２５】図２４におけるXXV−XXV線断面図である。

【図２６】第７の実施例の変形例のガスタービン燃焼器
の要部断面図である。

【図２７】第７の実施例のさらに他の変形例のガスター
ビン燃焼器の要部断面図である。

【図２８】本発明に係る第８の実施例のガスタービン燃
焼器の全体断面図である。

【図２９】本発明に係る第９の実施例のガスタービン燃
焼器の全体断面図である。

【図３０】本発明に係る一実施例のコジェネレーション
システムの系統図である。

【図３１】本発明に係る一実施例のバーナの全体断面図
である。

【符号の説明】

１…燃焼用空気、２…１次燃料、３…２次燃料、４…燃
焼気体、５…予混合気体、６…燃焼混合気体、１０…燃
焼器ケーシング、２０，２０ａ，１４１，２２２…２次
燃焼室、２１，２１ａ，１３２，１４２…２次燃焼用内
筒、２３，１３３，１３３ａ，１３６，１４３，１８
３，１９１，２１２，２２３…予混合バーナ、３０，３
０ａ，１３１，１８１，２２１…１次燃焼室、３１，１
３２，１８２…１次燃焼用内筒、３４，３４ａ，１６
２，１７１，１８５…パイロットバーナ、４０，８６，
１２４，１３６，１６１，１６３，１８４，１９２，２
０１，２１３，２２４…抵抗体、５１…第１の循環流領
域、５２，５２ａ…第２の循環流領域、５３…比較的急
激な燃焼領域、５４…緩慢な燃焼領域、８０…バーナ、
１００，１１０，１２０，１３０，１６０，１７０，１
８０，１９０，２００，２１０，２２０…ガスタービン
燃焼器、３０１…空気圧縮器、３０３…ガスタービン、
３１２…廃熱ボイラ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ２３Ｒ 3/28 Ｆ２３Ｒ 3/28 Ｂ (72)発明者 村上 忠孝 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 吉井 泰雄 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 相馬 憲一 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 小林 啓信 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 石橋 洋二 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 黒田 倫夫 茨城県日立市幸町一丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】パイロットバーナと、該パイロットバーナ
   の周囲に複数個配置され、燃料と空気とが予め混合され
   ている予混合気体を噴出するメインバーナとを有するガ
   スタービン燃焼器において、 前記パイロットバーナの外周側に、前記メインバーナか
   ら噴出される前記予混合気体の流路を狭める環状部材が
   突出して設置されていることを特徴とするガスタービン
   燃焼器。
2. 【請求項２】空気と別個に燃料を噴出するパイロットバ
   ーナと、該パイロットバーナの周囲に複数個設置され、
   燃料と空気とが予め混合されている予混合気体を噴出す
   るメインバーナとを有するガスタービン燃焼器におい
   て、 前記パイロットバーナの外周側であって、前記メインバ
   ーナの噴出口より下流側に、該メインバーナから噴出さ
   れた予混合気体の流路を狭める環状部材が設置されてい
   ることを特徴とするガスタービン燃焼器。
3. 【請求項３】空気と別個に燃料を噴出するパイロットバ
   ーナと、該パイロットバーナを中心として同一円周上に
   複数個設置され、燃料と空気とが予め混合されている予
   混合気体を噴出するメインバーナとを有するガスタービ
   ン燃焼器において、 前記パイロットバーナの外周側であって、前記メインバ
   ーナの噴出口より下流側に、下流側に向かうに連れて広
   がり、且つ複数の該メインバーナに沿って環状に形成さ
   れている環状部材が設置されていることを特徴とするガ
   スタービン燃焼器。
4. 【請求項４】空気と別個に燃料を噴出する第１のバーナ
   と、該第１のバーナの周囲に複数個設置され、燃料と空
   気とが予め混合されている予混合気体を噴出する第２の
   バーナとを有するガスタービン燃焼器において、 自身の下流側に前記燃料の燃焼で生成される燃焼気体の
   循環流を形成し、複数の前記第２のバーナに沿って環状
   の環状部材を、該第２のバーナから噴出された前記予混
   合気体の中に配置され、 前記第１のバーナから噴出された前記燃料の燃焼で形成
   される火炎の一部を前記循環流中に移させることを特徴
   とするガスタービン燃焼器。
5. 【請求項５】燃料が燃焼する燃焼室と、該燃焼室の上流
   側の軸中心部に配置され、空気と別個に燃料を該燃焼室
   に噴出する第１のバーナと、該第１のバーナの周囲に複
   数個設置され、燃料と空気とが予め混合されている予混
   合気体を該燃焼室に噴出する第２のバーナとを有するガ
   スタービン燃焼器において、 前記第１のバーナ及び前記第２のバーナの双方の下流側
   に位置する燃焼室内であって、前記第２のバーナから噴
   出される前記予混合気体の流れの領域内に、複数の前記
   第２のバーナに沿って、前記燃焼室の軸中心部と同芯の
   環状の環状部材が配置され、 前記第１のバーナから噴出された前記燃料の燃焼で形成
   される火炎の一部を、前記予混合気体へ火移りさせて、
   該予混合気体を燃焼させることを特徴とするガスタービ
   ン燃焼器。
6. 【請求項６】燃料が燃焼する燃焼室と、該燃焼室の上流
   側の軸中心部に配置され、空気と別個に燃料を該燃焼室
   に噴出する第１のバーナと、該第１のバーナの周囲に複
   数個設置され、燃料と空気とが予め混合されている予混
   合気体を該燃焼室に噴出する第２のバーナとを有するガ
   スタービン燃焼器において、 前記第１のバーナの下流に形成される循環流の領域を拡
   大し、前記第２のバーナから噴出される予混合気体の流
   路を狭める環状部材を有することを特徴とするガスター
   ビン燃焼器。