JPWO2008047825A1 - ガスタービン燃焼器 - Google Patents
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Abstract
【課題】小型燃焼室において、安定した高負荷燃焼、高い燃焼効率、低いＣＯ濃度及びＮＯｘを達成することはできるガスタービン燃焼器を提供する。【解決手段】互いに同心かつ円筒形のインナーライナ１２及びアウターライナ１４と、その上流側端部を塞ぐエンドライナ１６とを備え、内部に中空円筒形の燃焼室１８を形成する。さらに燃焼室１８のエンドライナ近傍に外部から燃焼用空気７ａを導入し旋回空気流を形成する旋回空気流形成装置２２と、旋回方向に向けて燃料８を噴射し予混合旋回流を形成する燃料噴射装置２４と、着火して管状火炎面１１を形成する着火装置２６とを備える。燃焼室１８は、エンドライナ側に設けられた１次燃焼室１８ａと、１次燃焼室の下流側に位置する２次燃焼室１８ｂとからなり、その間に１次燃焼室の外径を狭める円環状の絞り１９を有する。さらに、インナーライナ１２の絞り３０より下流側に、絞りを出た燃焼ガスの流れに沿うように希釈空気を供給する希釈空気穴３０を有する
Description
本発明は、発電装置および推進装置に適用するためのガスタービン燃焼器に関する。
分散型エネルギーシステムの１つとして、家庭用（例えば、車椅子の駆動電源）に小型発電装置が要望されており、その駆動源として小型ガスタービンが計画されている。
ガスタービン用燃焼器は、小型であるとともに、作動の安定性、排気の清浄性が重要であり、特許文献１〜３が既に提案されている。
また、本発明と関連する管状火炎が、非特許文献１に開示されている。
特許文献１の「マイクロガスタービン燃焼器」は、小型化、コンパクト化を目的とし、図１に示すように、燃焼器５０を、タービンの回転軸心の仮想延長線周りに環状に設ける一方、当該燃焼器５０には、圧縮空気を燃焼室５１内に吐出する複数の空気孔５２を設けるとともに、燃料ガスを燃焼室５１内に噴出するノズル５４が設けられた仕切り板としてのバッフル板５３を備えたものである。
特許文献２の「ガスタービン燃焼器」は、マイクロガスタービン用環状型燃焼器に関し、燃焼性能を落とすことなく、細長い構造を太短い構造にし、ガスタービン全体のより小型簡素化を可能にすることを目的とし、図２に示すように、アニュラー型燃焼器ライナー５６の子午断面において燃焼ガス上流部を半径方向内向きとし、燃焼ガス中流部においてＵターンし、燃焼ガス下流部を半径方向外向きとする凹状断面のライナー５６を有するものである。
特許文献３のガスタービン燃焼器は、排気の清浄化を目的とし、図３Ａ〜図３Ｃに示すように、アウターライナ６１、インナーライナ６２、閉じた上流端６３、および開いた排気端６４を備え、複数の接線方向燃料噴射器６５が上流端に近い第１平面内に周方向に間隔を隔てて設けられ、複数の接線方向燃料噴射器６６が第１平面と排気端６４の間の第２平面内に周方向に間隔を隔てて設けられ、複数の空気希釈孔６７がインナーライナとアウターライナに設けられたものである。
非特許文献１の燃焼器は、図４に示すように、ガラス管（直径１３．４ｍｍ、長さ１２０ｍｍ）と接線方向の入口管（幅３ｍｍ、長さ１２０ｍｍ）からなり、接線方向に予混合燃料を供給して、内部に安定した環状旋回火炎を形成したものである。
Ｓａｔｏｒｕ Ｉｓｈｉｚｕｋａ，"ＯＮ ＴＨＥ ＢＥＨＡＶＩＯＲ ＯＦ ＰＲＥＭＩＸＥＤ ＦＬＡＭＥＳ ＩＮ Ａ ＲＯＴＡＴＩＮＧ ＦＬＯＷ ＦＩＥＬＤ：ＥＳＴＡＢＬＩＳＨＭＥＮＴ ＯＦ ＴＵＢＵＬＡＲ ＦＬＡＭＥＳ"
上述したように、ガスタービン用燃焼器は、小型であるとともに、家庭等での使用のため作動の安定性、排気の清浄性が重要となる。
例えば、数百Ｗ容量の小型発電装置を想定した場合、炭化水素燃料を使う場合には、経験則から外挿すると、燃焼室容積は１００ｃｍ３程度となる。
しかし、従来このような小型燃焼室においては、安定した高負荷燃焼、高い燃焼効率、低いＣＯ濃度及びＮＯｘを達成することはできなかった。
例えば、数百Ｗ容量の小型発電装置を想定した場合、炭化水素燃料を使う場合には、経験則から外挿すると、燃焼室容積は１００ｃｍ３程度となる。
しかし、従来このような小型燃焼室においては、安定した高負荷燃焼、高い燃焼効率、低いＣＯ濃度及びＮＯｘを達成することはできなかった。
本発明は上述した問題点に鑑みて創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、小型燃焼室において、安定した高負荷燃焼、高い燃焼効率、低いＣＯ濃度及びＮＯｘを達成することができるガスタービン燃焼器を提供することにある。
本発明によれば、中心軸を囲み互いに同心かつ円筒形のインナーライナ及びアウターライナと、該インナーライナとアウターライナの上流側端部を塞ぐエンドライナとを備え、内部に中空円筒形の燃焼室を形成するガスタービン燃焼器であって、
前記燃焼室のエンドライナ近傍に外部から燃焼用空気を導入しかつ中心軸を囲む旋回空気流を形成する旋回空気流形成装置と、
前記旋回空気流の旋回方向に向けて燃料を噴射し予混合旋回流を形成する燃料噴射装置と、
前記予混合旋回流に着火して管状火炎面を形成する着火装置とを備えた、ことを特徴とするガスタービン燃焼器が提供される。
前記燃焼室のエンドライナ近傍に外部から燃焼用空気を導入しかつ中心軸を囲む旋回空気流を形成する旋回空気流形成装置と、
前記旋回空気流の旋回方向に向けて燃料を噴射し予混合旋回流を形成する燃料噴射装置と、
前記予混合旋回流に着火して管状火炎面を形成する着火装置とを備えた、ことを特徴とするガスタービン燃焼器が提供される。
本発明の好ましい実施形態によれば、前記燃焼室は、エンドライナ側に設けられ外径が相対的に小さい１次燃焼室と、
該１次燃焼室の下流側に位置し外径が相対的に大きい２次燃焼室とからなり、
前記１次燃焼室と２次燃焼室の間に、１次燃焼室の外径を狭める円環状の絞りを有する。
該１次燃焼室の下流側に位置し外径が相対的に大きい２次燃焼室とからなり、
前記１次燃焼室と２次燃焼室の間に、１次燃焼室の外径を狭める円環状の絞りを有する。
また、前記旋回空気流形成装置は、アウターライナ内面のエンドライナ側端部に設けられ、内側に前記１次燃焼室を形成するアニュラー型部材と、
該アニュラー型部材の外面から１次燃焼室内の前記旋回空気流の旋回方向に向けて貫通する燃焼用空気孔とを有する。
該アニュラー型部材の外面から１次燃焼室内の前記旋回空気流の旋回方向に向けて貫通する燃焼用空気孔とを有する。
また、前記燃料噴射装置は、前記燃焼用空気孔を通り前記１次燃焼室内の旋回空気流中に燃料を噴射する燃料噴射管を有する、ことが好ましい。
また、前記インナーライナの絞りより下流側に、絞りを出た燃焼ガスの流れに沿うように希釈空気を供給する希釈空気穴を有する。
上記本発明の構成によれば、アニュラー型の燃焼室が１００ｃｍ３程度の小型燃焼室の場合でも、安定した高負荷燃焼が可能であり、高い燃焼効率が得られ、かつ低いＣＯ濃度及びＮＯｘを達成することができることが、後述する実施例により確認された。
特に、１次燃焼室と２次燃焼室の間に絞りがある実施例の構成では、絞りの上流側（１次燃焼室内）に管状の火炎が形成され、火炎の拡がりを著しく小さく抑えることが可能となることが確認された。
これは旋回流が絞られることにより、絞り上流側の旋回混合が促進し、周方向にほぼ均一な混合が行われて、管状火炎を形成したためである。この火炎は管状の安定した反応帯を持ち、ほぼ完全燃焼が可能であった。
また、火炎は空間に浮いた状態で安定に形成されるため、過熱による「壁面の焼け」も発生しなかった。
これは旋回流が絞られることにより、絞り上流側の旋回混合が促進し、周方向にほぼ均一な混合が行われて、管状火炎を形成したためである。この火炎は管状の安定した反応帯を持ち、ほぼ完全燃焼が可能であった。
また、火炎は空間に浮いた状態で安定に形成されるため、過熱による「壁面の焼け」も発生しなかった。
また、インナーライナの絞りより下流側に、絞りを出た燃焼ガスの流れに沿うように希釈空気を供給する希釈空気穴を設けることにより、吹き飛び限界の当量比を半減し、絞り部内燃焼（絞り部内旋回火炎と絞り部内旋回・拡散火炎）の安定性を上昇させることができることが、後述した実施例により確認された。
以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図５は、本発明を適用する小型発電装置の一例を示す模式図である。
この図において、１は燃焼器、２はタービン、３は燃料噴射口、４は点火栓、５はケーシング、６は排気管である。燃焼器１は、ケーシング５と排気管６の間に位置し、好ましくは中空円筒形を有し、一端（図で上端）が閉じ、他端（図で下端）が開いている。
この図において、１は燃焼器、２はタービン、３は燃料噴射口、４は点火栓、５はケーシング、６は排気管である。燃焼器１は、ケーシング５と排気管６の間に位置し、好ましくは中空円筒形を有し、一端（図で上端）が閉じ、他端（図で下端）が開いている。
空気７（燃焼用空気７ａ）は、ケーシング５と燃焼器１の隙間を通って、燃焼器１の周囲に達し、図示しない開口を通って燃焼器１の内部（燃焼室）に流入する。燃焼器１内には、燃料噴射口３から燃料８が噴射されて燃焼用空気７ａと混合して予混合ガスが形成され、これに点火栓４で着火して燃焼火炎を内部に形成する。発生した燃焼排ガス９は、タービン２に導かれてこれを駆動し、排気管６の内側を通って外部に排気される。タービン２は図示しない発電機を駆動して必要な電力を発電するようになっている。
図６は、本発明の燃焼器の形状及び寸法を示す模式図である。
なお、この図で、７ａ，７ｂ，７ｃはそれぞれ燃焼用空気（一次空気）、希釈空気、冷却空気を示している。
なお、この図で、７ａ，７ｂ，７ｃはそれぞれ燃焼用空気（一次空気）、希釈空気、冷却空気を示している。
図７Ａおよび図７Ｂは、本発明によるガスタービン燃焼器の全体構造図であり、図７Ａは縦断面図、図７ＢはそのＡ−Ａ断面図である。
この図において、本発明のガスタービン燃焼器１０（以下、単に「燃焼器」と呼ぶ）は、インナーライナ１２、アウターライナ１４、及びエンドライナ１６を備える。
インナーライナ１２及びアウターライナ１４は、それぞれ円筒形であり、中心軸Ｚ−Ｚを囲み互いに同心に形成されている。
この図において、本発明のガスタービン燃焼器１０（以下、単に「燃焼器」と呼ぶ）は、インナーライナ１２、アウターライナ１４、及びエンドライナ１６を備える。
インナーライナ１２及びアウターライナ１４は、それぞれ円筒形であり、中心軸Ｚ−Ｚを囲み互いに同心に形成されている。
エンドライナ１６は、インナーライナ１２とアウターライナ１４の上流側端部（この図で下端）を塞ぐ円環状の円板である。インナーライナ１２とアウターライナ１４の下流側端部（この図で上端）は発生した燃焼排ガス９をタービン２と排気管６を介して外部に排気するために開口している。
この燃焼器１０の燃焼室１８は、インナーライナ１２、アウターライナ１４、及びエンドライナ１６で囲まれるほぼアニュラー型の領域である。
なお、インナーライナ１２の下流側端部１２ａ（この図で上端）は、半径方向外方にテーパ状に広がっており、後述する出口ノズルを形成している。
この燃焼器１０の燃焼室１８は、インナーライナ１２、アウターライナ１４、及びエンドライナ１６で囲まれるほぼアニュラー型の領域である。
なお、インナーライナ１２の下流側端部１２ａ（この図で上端）は、半径方向外方にテーパ状に広がっており、後述する出口ノズルを形成している。
図７Ａにおいて、燃焼器１０の燃焼室１８は、１次燃焼室１８ａと２次燃焼室１８ｂからなる。
１次燃焼室１８ａは、燃焼室１８のエンドライナ１２側に設けられ、外径Ｄ１が相対的に小さく形成されている。
また、２次燃焼室１８ｂは、１次燃焼室１８ａの下流側（図で上側）に位置し、外径Ｄ２が相対的に大きく形成されている。
本発明の燃焼器１０は、さらに１次燃焼室１８ａと２次燃焼室１８ｂの間に、１次燃焼室１８ａの外径Ｄ１を狭める円環状の絞り１９を有する。絞り１９は内径Ｄ３の中心孔を有する。
１次燃焼室１８ａは、燃焼室１８のエンドライナ１２側に設けられ、外径Ｄ１が相対的に小さく形成されている。
また、２次燃焼室１８ｂは、１次燃焼室１８ａの下流側（図で上側）に位置し、外径Ｄ２が相対的に大きく形成されている。
本発明の燃焼器１０は、さらに１次燃焼室１８ａと２次燃焼室１８ｂの間に、１次燃焼室１８ａの外径Ｄ１を狭める円環状の絞り１９を有する。絞り１９は内径Ｄ３の中心孔を有する。
後述する実施例１において、１次燃焼室１８ａの外径Ｄ１は４０ｍｍ、その長さＬ１は９．５ｍｍ、２次燃焼室１８ｂの外径Ｄ２は５４．５ｍｍ、その長さＬ２は５０ｍｍ、絞り１９の内径Ｄ３は３６ｍｍである。
従って、この例において、１次燃焼室１８ａと２次燃焼室１８ｂの直径比率は、１：１．３６であり、長さの比率は１：５．２６であり、容積比率は１：７．１５である。また、１次燃焼室１８ａの外径Ｄ１と絞り１９の内径Ｄ３の直径比率は、１：０．９である。
しかし、本発明はこれに限定されず、任意に変更することができる。
従って、この例において、１次燃焼室１８ａと２次燃焼室１８ｂの直径比率は、１：１．３６であり、長さの比率は１：５．２６であり、容積比率は１：７．１５である。また、１次燃焼室１８ａの外径Ｄ１と絞り１９の内径Ｄ３の直径比率は、１：０．９である。
しかし、本発明はこれに限定されず、任意に変更することができる。
本発明の燃焼器１０は、さらに旋回空気流形成装置２２、燃料噴射装置２４、及び着火装置２６を備える。
旋回空気流形成装置２２は、燃焼室１８のエンドライナ近傍（１次燃焼室１８ａ内）に外部から燃焼用空気７ａを導入し、中心軸Ｚ−Ｚを囲む旋回空気流を形成する。
燃料噴射装置２４は、形成された旋回空気流の旋回方向に向けて燃料８を噴射し予混合旋回流を形成する。
着火装置２６は、例えば周知の点火栓（例えばスパークプラグ）であり、形成された予混合旋回流に着火して管状火炎面１１を形成する。
旋回空気流形成装置２２は、燃焼室１８のエンドライナ近傍（１次燃焼室１８ａ内）に外部から燃焼用空気７ａを導入し、中心軸Ｚ−Ｚを囲む旋回空気流を形成する。
燃料噴射装置２４は、形成された旋回空気流の旋回方向に向けて燃料８を噴射し予混合旋回流を形成する。
着火装置２６は、例えば周知の点火栓（例えばスパークプラグ）であり、形成された予混合旋回流に着火して管状火炎面１１を形成する。
旋回空気流形成装置２２は、この例では、アニュラー型部材２３と燃焼用空気孔２３ａからなる。アニュラー型部材２３は、アウターライナ１４内面のエンドライナ側端部に設けられ、内側に１次燃焼室１８ａを形成する。燃焼用空気孔２３ａは、アニュラー型部材２３の外面から１次燃焼室１８ａ内の旋回空気流の旋回方向に向けて貫通する。
燃料噴射装置２４は、この例では、燃焼用空気孔２３ａを通り１次燃焼室１８ａ内の旋回空気流中に燃料８を噴射する燃料噴射管である。
この例において、燃焼用空気孔２３ａは、周方向に同一間隔で４箇所設けられ、それぞれ、幅３ｍｍ、高さ５ｍｍの矩形断面を有する。
また、燃料噴射管２４は、各燃焼用空気孔２３ａに計４本設けられ、それぞれ内径１ｍｍの貫通孔を有する。
この構成により、各燃焼用空気孔２３ａから燃焼室１８のエンドライナ近傍に外部から燃焼用空気７ａを導入して中心軸を囲む旋回空気流を形成することができる。
また、燃料噴射管２４から旋回空気流の旋回方向に向けて燃料８を噴射して予混合旋回流を形成することができる。
さらに、着火装置２６で予混合旋回流に着火して管状火炎面を形成することができる。
また、燃料噴射管２４は、各燃焼用空気孔２３ａに計４本設けられ、それぞれ内径１ｍｍの貫通孔を有する。
この構成により、各燃焼用空気孔２３ａから燃焼室１８のエンドライナ近傍に外部から燃焼用空気７ａを導入して中心軸を囲む旋回空気流を形成することができる。
また、燃料噴射管２４から旋回空気流の旋回方向に向けて燃料８を噴射して予混合旋回流を形成することができる。
さらに、着火装置２６で予混合旋回流に着火して管状火炎面を形成することができる。
なお、燃焼用空気孔２３ａは、周方向に４箇所に限定されず、１箇所以上であればよい。また、燃料噴射管２４も、周方向に４箇所に限定されず、１箇所以上であればよい。また、各寸法は、この実施例に限定されず、任意に変更することができる。
さらに、旋回空気流形成装置２２は、この例に限定されず、燃焼器入口にスワーラを設け、燃焼器周方向全体にわたり旋回する空気流を形成するようにしてもよい。
さらに、旋回空気流形成装置２２は、この例に限定されず、燃焼器入口にスワーラを設け、燃焼器周方向全体にわたり旋回する空気流を形成するようにしてもよい。
図８Ａおよび図８Ｂは、燃焼試験を実施した本発明によるガスタービン燃焼器（以下、試験燃焼器と呼ぶ）の全体構造図であり、図８Ａは縦断面図、図８ＢはそのＡ−Ａ断面図である。
この試験燃焼器は、図７Ａおよび図７Ｂのインナーライナ１２を中実棒１２’とし、その上部に着脱可能な出口ノズル２８を取り付けた。出口ノズル２８の下面は、４５°のテーパ面であり、その直径Ｄ４は４２ｍｍである。
また、アウターライナ１４を、耐熱性の高い石英ガラスで構成し、内部観察を可能とした。
その他の構成は、図７Ａおよび図７Ｂと同様である。
この試験燃焼器は、図７Ａおよび図７Ｂのインナーライナ１２を中実棒１２’とし、その上部に着脱可能な出口ノズル２８を取り付けた。出口ノズル２８の下面は、４５°のテーパ面であり、その直径Ｄ４は４２ｍｍである。
また、アウターライナ１４を、耐熱性の高い石英ガラスで構成し、内部観察を可能とした。
その他の構成は、図７Ａおよび図７Ｂと同様である。
この実施例において、１次燃焼室１８ａの外径Ｄ１は４０ｍｍ、その長さＬ１は９．５ｍｍ、２次燃焼室１８ｂの外径Ｄ２は５４．５ｍｍ、その長さＬ２は５０ｍｍ、絞り１９の内径Ｄ３は３６ｍｍである。
また、燃焼用空気孔２３ａは、周方向に同一間隔で４箇所設けられ、それぞれ、幅３ｍｍ、高さ５ｍｍの矩形断面を有する。
また、燃料噴射管２４は、各燃焼用空気孔２３ａに計４本設けられ、それぞれ内径１ｍｍの貫通孔を有する。
また、燃料噴射管２４は、各燃焼用空気孔２３ａに計４本設けられ、それぞれ内径１ｍｍの貫通孔を有する。
上述した試験燃焼器を用い、下記の条件で燃焼試験を実施した。
（１）燃料：プロパンガス
（２）空気予熱温度：１７０℃
（３）空気流量：０．５〜２．５ｇ／ｓ
（４）出口ノズル２８の有無
（５）燃料噴射管２４の数（２本と４本）
（６）測定項目：火炎安定限界、火炎形状
（１）燃料：プロパンガス
（２）空気予熱温度：１７０℃
（３）空気流量：０．５〜２．５ｇ／ｓ
（４）出口ノズル２８の有無
（５）燃料噴射管２４の数（２本と４本）
（６）測定項目：火炎安定限界、火炎形状
図９は、出口ノズル２８があり、かつ燃料噴射管２４が４本の場合の燃焼安定性に関する試験結果である。また、図１０Ａは、図９の条件における燃焼状態を示す画像（側面画像：上と斜視画像：下）である。
図９において、横軸は空気流量、縦軸は当量比である。なお、当量比とは、理論空燃比（燃料／必要空気量）を１．０とし、１以下は希薄燃焼を意味する。
また図中の○印は吹き飛び限界、□印は不安定燃焼限界、△印は絞り部内燃焼限界、◇印は内筒内燃焼限界を示す。
図９において、横軸は空気流量、縦軸は当量比である。なお、当量比とは、理論空燃比（燃料／必要空気量）を１．０とし、１以下は希薄燃焼を意味する。
また図中の○印は吹き飛び限界、□印は不安定燃焼限界、△印は絞り部内燃焼限界、◇印は内筒内燃焼限界を示す。
図９において、「絞り部内燃焼」とは、図１０Ａに示すように、絞り１９の上流側（１次燃焼室１８ａ内）に管状の火炎が形成される燃焼状態をいう。この絞り部内燃焼の場合、この例では、当量比０．８において、空気流量０〜１．２ｇ／ｓの非常に広い範囲で、安定燃焼が可能であり、かつ火炎の拡がりを著しく小さく抑えることが可能となることが実験により確認された。
また、この火炎は図１０Ａに示すように、円環状の安定した反応帯を持ち、ほぼ完全燃焼が可能であった。
さらに、火炎は空間に浮いた状態で安定に形成されるため、過熱による「壁面の焼け」も発生しなかった。
また、この火炎は図１０Ａに示すように、円環状の安定した反応帯を持ち、ほぼ完全燃焼が可能であった。
さらに、火炎は空間に浮いた状態で安定に形成されるため、過熱による「壁面の焼け」も発生しなかった。
また、図９において、「内筒内燃焼」とは、絞りの下流側（２次燃焼室１８ｂ内）に環状の火炎が形成される燃焼状態をいう。この内筒内燃焼の場合も、この例では、当量比０．８において、空気流量１．２〜２．５ｇ／ｓの非常に広い範囲で、安定燃焼が可能であることが実験により確認された。
また、この火炎も円環状の安定した反応帯を持ち、ほぼ完全燃焼が可能であった。
さらに、火炎は空間に浮いた状態で安定に形成されるため、過熱による「壁面の焼け」も発生しなかった。
また、この火炎も円環状の安定した反応帯を持ち、ほぼ完全燃焼が可能であった。
さらに、火炎は空間に浮いた状態で安定に形成されるため、過熱による「壁面の焼け」も発生しなかった。
従って、この結果から、上述した試験燃焼器は、当量比０．６〜０．９の範囲で変化させた場合でも、非常に広い燃焼領域において、安定燃焼が可能であることが確認された。
また、例えば、一次空気比を４０％とすると、図９において、空気流量１．６５ｇ／ｓ、当量比０．８の点は、一般のガスタービン燃焼器と同等の燃焼負荷率を達成できる条件である。従ってこの図から、本発明の構成により、中空円筒形の燃焼室が１００ｃｍ３程度の小型燃焼室の場合でも、一般のガスタービン燃焼器と同等の燃焼負荷率で、安定した高負荷燃焼が可能であり、高い燃焼効率が得られることが確認された。
特に、「絞り部内燃焼」の場合には、燃焼室は実質的に１次燃焼室１８ａのみであり、燃焼負荷率を約８倍にまで高めることが可能であることがわかる。
特に、「絞り部内燃焼」の場合には、燃焼室は実質的に１次燃焼室１８ａのみであり、燃焼負荷率を約８倍にまで高めることが可能であることがわかる。
さらに、出口ノズル２８がない場合、及び燃料噴射管２４が２本の場合でも、図９と同様の結果が得られ、非常に広い燃焼領域において、安定燃焼が可能であることが確認された。
また、これらの条件において、燃焼排ガスの測定結果から、安定燃焼が得られる場合には、排ガス中のＣＯ濃度及びＮＯｘも十分低いことが確認された。
なお絞り１９の断面形状は、平板、半円形、二等辺三角形などに変更しても同様の効果が得られる。
また、これらの条件において、燃焼排ガスの測定結果から、安定燃焼が得られる場合には、排ガス中のＣＯ濃度及びＮＯｘも十分低いことが確認された。
なお絞り１９の断面形状は、平板、半円形、二等辺三角形などに変更しても同様の効果が得られる。
図１０Ｂは、図９と同一条件において、絞り１９がない場合の燃焼状態を示す画像である。
図１０Ｂに示すように、１次燃焼室１８ａと２次燃焼室８ｂの間に絞り１９がない場合には、火炎がアウターライナ内面に沿って筋状に形成された。このため、燃焼器内全体に火炎が広がらず、また、火炎が燃焼器壁面に沿うため、壁面の過熱による焼けも発生した。
また、この場合には、燃焼排ガスのＣＯ濃度も高く、一部の混合気が火炎を通過していない結果となった。
図１０Ｂに示すように、１次燃焼室１８ａと２次燃焼室８ｂの間に絞り１９がない場合には、火炎がアウターライナ内面に沿って筋状に形成された。このため、燃焼器内全体に火炎が広がらず、また、火炎が燃焼器壁面に沿うため、壁面の過熱による焼けも発生した。
また、この場合には、燃焼排ガスのＣＯ濃度も高く、一部の混合気が火炎を通過していない結果となった。
上述したように、本発明の構成によれば、中空円筒形の燃焼室が１００ｃｍ３程度の小型燃焼室の場合でも、安定した高負荷燃焼が可能であり、高い燃焼効率が得られ、かつ低いＣＯ濃度及びＮＯｘを達成することができることが、実施例により確認された。
特に、１次燃焼室と２次燃焼室の間に絞りがある実施例の構成では、絞りの上流側（１次燃焼室内）に管状の火炎が形成され、火炎の拡がりを著しく小さく抑えることが可能となる。
またこの火炎は円環状の安定した反応帯を持ち、ほぼ完全燃焼が可能であった。
また、火炎は空間に浮いた状態で安定に形成されるため、過熱による「壁面の焼け」も発生しなかった。
またこの火炎は円環状の安定した反応帯を持ち、ほぼ完全燃焼が可能であった。
また、火炎は空間に浮いた状態で安定に形成されるため、過熱による「壁面の焼け」も発生しなかった。
なお上述した例では、１次燃焼室１８ａの外径Ｄ１と絞り１９の直径比率は、１：０．９である。しかし、本発明はこの比率に限定されず、任意に変更することができる。
また、上述した本発明の燃焼器は、アニュラー型燃焼器への適用に適しているが、本発明はこれに限定されず、カン型燃焼器にもバーナ部分を同様な構造とすることにより適用できる。
また、上述した本発明の燃焼器は、アニュラー型燃焼器への適用に適しているが、本発明はこれに限定されず、カン型燃焼器にもバーナ部分を同様な構造とすることにより適用できる。
図１１は、燃焼試験を実施したプロトタイプ燃焼器の全体縦断面図である。この実施例では、図９と同一条件において、出口ノズル２８がない場合である。また、火炎形状とライナーを観察するために、アウターライナ１４のエンドプレートは除去している。
また室温空気を空気チャンバ２９に供給し、ここからアウターライナ１４の外側に燃焼用空気を供給した。燃焼用空気の分配比率は、燃焼用空気７ａが４５％、希釈用空気７ｂが４５％、冷却用空気７ｃが１０％とした。
なおこの実施例では、インナーライナ１２の絞り１９より下流側に、絞り１９を出た燃焼ガスの流れに沿うように希釈空気を供給する希釈空気穴３０を設けている。またインナーライナ１２の容積は、実施例１と比較して半分の長さにした。
その他の基本構成と寸法は、図７と同様である。
以下、図１１において、絞り１９より下流側を「ａ領域」、絞り１９からインナーライナ１２の上端までを「ｂ領域」、インナーライナ１２より外側を「ｃ領域」と呼ぶ。
また室温空気を空気チャンバ２９に供給し、ここからアウターライナ１４の外側に燃焼用空気を供給した。燃焼用空気の分配比率は、燃焼用空気７ａが４５％、希釈用空気７ｂが４５％、冷却用空気７ｃが１０％とした。
なおこの実施例では、インナーライナ１２の絞り１９より下流側に、絞り１９を出た燃焼ガスの流れに沿うように希釈空気を供給する希釈空気穴３０を設けている。またインナーライナ１２の容積は、実施例１と比較して半分の長さにした。
その他の基本構成と寸法は、図７と同様である。
以下、図１１において、絞り１９より下流側を「ａ領域」、絞り１９からインナーライナ１２の上端までを「ｂ領域」、インナーライナ１２より外側を「ｃ領域」と呼ぶ。
図１２は、燃料噴射管が４本の場合の火炎安定限界を示す図であり、図１３は燃料噴射管が２本の場合の火炎安定限界を示す図である。燃料噴射管が２本の場合には、対向位置から燃料を供給し、４本の場合には９０度ずつの４方向から供給した。
図１２及び図１３において、横軸は設計空気量に対する比率、φｔは全空気量から計算した燃焼器全体の当量比、φｐは燃焼用空気量から計算した主燃焼部の当量比である。燃焼器の設計点は図に二重丸で示す。また、図中のａ，ｂは、図１１のａ領域とｂ領域に対応する
図１２及び図１３は、実施例２と比較して、吹き飛び限界の当量比は半減し、かつ絞り部内燃焼（ａ領域：絞り部内旋回火炎と絞り部内旋回・拡散火炎）の安定性が向上したことを示している。
すなわちインナーライナ１２の絞り１９より下流側に、絞り１９を出た燃焼ガスの流れに沿うように希釈空気を供給する希釈空気穴３０を設けたことにより、火炎の安定性が大幅に向上している。
この希釈空気穴３０の位置は、この例では、絞り１９から絞り部の隙間と同じ距離下流側であるが、絞り１９の直後から絞り部の隙間の２倍以内の範囲に設けるのがよい。また、希釈空気穴３０の個数は、この例では、周囲に１６個であったが、希釈用空気７ｂが３０〜６０％の範囲で、４個以上、３２個以内で設けるのがよい。
また、燃料噴射管が２本の場合と４本の場合とで、火炎安定は同等程度であり、いずれも燃焼器に対する要求を満足していた。
すなわちインナーライナ１２の絞り１９より下流側に、絞り１９を出た燃焼ガスの流れに沿うように希釈空気を供給する希釈空気穴３０を設けたことにより、火炎の安定性が大幅に向上している。
この希釈空気穴３０の位置は、この例では、絞り１９から絞り部の隙間と同じ距離下流側であるが、絞り１９の直後から絞り部の隙間の２倍以内の範囲に設けるのがよい。また、希釈空気穴３０の個数は、この例では、周囲に１６個であったが、希釈用空気７ｂが３０〜６０％の範囲で、４個以上、３２個以内で設けるのがよい。
また、燃料噴射管が２本の場合と４本の場合とで、火炎安定は同等程度であり、いずれも燃焼器に対する要求を満足していた。
図１２及び図１３の結果から、上述したプロトタイプ燃焼器は、燃料噴射管が４本および２本のいずれの場合でも、当量比φｔを０．２〜０．６の範囲で変化させた場合に、非常に広い燃焼領域において、安定燃焼が可能であることが確認された。
また、本発明の構成により、中空円筒形の燃焼室が１００ｃｍ３程度の小型燃焼室の場合でも、一般のガスタービン燃焼器と同等の燃焼負荷率で、安定した高負荷燃焼が可能であり、高い燃焼効率が得られることが確認された。
特に、「絞り部内燃焼」（ａ領域）の場合には、燃焼室は実質的に１次燃焼室１８ａのみであり、燃焼負荷率を約８倍にまで高めることが可能であることがわかる。
特に、「絞り部内燃焼」（ａ領域）の場合には、燃焼室は実質的に１次燃焼室１８ａのみであり、燃焼負荷率を約８倍にまで高めることが可能であることがわかる。
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。
Claims (5)
- 中心軸を囲み互いに同心かつ円筒形のインナーライナ及びアウターライナと、該インナーライナとアウターライナの上流側端部を塞ぐエンドライナとを備え、内部に中空円筒形の燃焼室を形成するガスタービン燃焼器であって、
前記燃焼室のエンドライナ近傍に外部から燃焼用空気を導入しかつ中心軸を囲む旋回空気流を形成する旋回空気流形成装置と、
前記旋回空気流の旋回方向に向けて燃料を噴射し予混合旋回流を形成する燃料噴射装置と、
前記予混合旋回流に着火して管状火炎面を形成する着火装置とを備えた、ことを特徴とするガスタービン燃焼器。 - 前記燃焼室は、エンドライナ側に設けられ外径が相対的に小さい１次燃焼室と、
該１次燃焼室の下流側に位置し外径が相対的に大きい２次燃焼室とからなり、
前記１次燃焼室と２次燃焼室の間に、１次燃焼室の外径を狭める円環状の絞りを有する、ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン燃焼器。 - 前記旋回空気流形成装置は、アウターライナ内面のエンドライナ側端部に設けられ、内側に前記１次燃焼室を形成するアニュラー型部材と、
該アニュラー型部材の外面から１次燃焼室内の前記旋回空気流の旋回方向に向けて貫通する燃焼用空気孔とを有する、ことを特徴とする請求項２に記載のガスタービン燃焼器。 - 前記燃料噴射装置は、前記燃焼用空気孔を通り前記１次燃焼室内の旋回空気流中に燃料を噴射する燃料噴射管を有する、ことを特徴とする請求項３に記載のガスタービン燃焼器。
- 前記インナーライナの絞りより下流側に、絞りを出た燃焼ガスの流れに沿うように希釈空気を供給する希釈空気穴を有する、ことを特徴とする請求項２に記載のガスタービン燃焼器。
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