WO2009142026A1 - 燃焼装置および燃焼装置の制御方法 - Google Patents

燃焼装置および燃焼装置の制御方法 Download PDF

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fuel
swirler
radial
air
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Inventor
柏原宏行
吉野泰
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川崎重工業株式会社
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    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/03343—Pilot burners operating in premixed mode

Definitions

  • the present invention relates to a combustion apparatus used for a device that requires a high-temperature gas supply, such as a gas turbine engine or a boiler, and a method for controlling the fuel concentration of the combustion apparatus, particularly in the radial direction of a premixed gas.
  • Gas turbine engines have strict environmental standards regarding the composition of exhaust gas emitted by combustion, considering environmental conservation, and it is required to reduce harmful substances such as nitrogen oxides (hereinafter referred to as NOx). It has been.
  • NOx nitrogen oxides
  • large-scale gas turbine engines for ground facilities and aircraft gas turbine engines tend to have a high pressure ratio due to demands for low fuel consumption and high output.
  • the combustion temperature tends to increase as the inlet temperature of the combustion apparatus increases, and there is a concern that it may be a factor that rather increases NOx.
  • the diffusion combustion method burns fuel and air while diffusing and mixing them, so it is difficult to blow out even at low loads and has the advantage of excellent flame holding performance, while reducing the amount of NOx generated.
  • the combined combustion method it is possible to reduce the amount of NOx generated by premixed combustion at high load while ensuring combustion stability by diffusion combustion at start-up and low load.
  • a fixed swirl vane is provided so as to surround the outside of a diffusion combustion burner (pilot burner) 82 disposed at the top 81 a of the combustion cylinder 81 of the combustion apparatus 80.
  • a swirl type burner unit 85 is provided, in which a premixed combustion burner (main burner) 84 having a radial swirler 83 is disposed, and the premixed gas P is injected into the combustion chamber as a swirling flow.
  • an air passage 86 from the gas turbine compressor is formed between the combustion cylinder 81 and the housing H covering the outside thereof, and the air A is generated. Some of them are introduced from the downstream end of the combustion cylinder 81 toward the top 81a which is the upstream end in the direction opposite to the combustion gas. In that case, the air A that has passed through the air passage 86 is introduced into the premixing passage from the inlet of the radial swirler 83 that opens radially outward, mixed with fuel, and in the direction opposite to the flow of compressed air as premixed air Is injected into the combustion cylinder.
  • the flow direction of the air A introduced into the radial swirler 83 from the air passage 86 is changed by approximately 90 °, so that the axial flow rate of the air in the upstream portion of the premixing passage is caused by the centrifugal force accompanying the direction change.
  • the distribution is biased.
  • the vane angle of the swirl vanes of the radial swirler is increased to stabilize the flame holding as described above, the axial dimension of the inlet portion is increased, so that the uneven flow distribution is further increased.
  • the fuel concentration distribution in the radial direction of the premixed gas injected into the combustion chamber from the premixing passage is also biased, so that the fuel concentration distribution in the radial direction is made uniform or intentionally adjusted to the fuel concentration. There was a problem that it was difficult to control the distribution.
  • the present invention maintains a large vane angle of the swirl vanes of the radial swirler and generates a strong back flow in the combustion chamber, thereby stabilizing the flame holding, and the radial direction of the premixed gas injected from the burner to the combustion chamber It is an object of the present invention to provide a combustion apparatus capable of easily controlling the concentration distribution and a control method of the combustion apparatus for easily controlling the radial fuel concentration distribution of the premixed gas in the combustion apparatus.
  • a combustion apparatus includes a combustion cylinder that forms a combustion chamber on the inside, a top portion of the combustion cylinder, and a fuel and air preliminarily disposed in the combustion chamber.
  • a main burner having a premixing passage for injecting air-fuel mixture, a radial swirler for introducing fuel and air into the premixing passage radially inward, and a fuel injection pipe for injecting fuel into the radial swirler from its inlet side;
  • the radial swirler includes a plurality of swirler stages divided in the axial direction by a dividing plate.
  • the radial swirler is divided into a plurality of swirler stages in the axial direction by the dividing plate, the flow rate of air introduced into the radial swirler can be prevented from being biased in the axial direction.
  • the fuel injection pipe includes a plurality of fuel injection ports corresponding to the respective swirler stages. According to this configuration, since the fuel injection pipe for injecting fuel to the radial swirler has the injection ports corresponding to the respective swirler stages, the radial direction of the premixed gas injected from the premixing passage into the combustion chamber is provided. It is possible to greatly suppress the deviation of the fuel concentration distribution.
  • the fuel flow rate supplied from the fuel injection pipe may be set for each swirler stage. According to this configuration, the control of making the fuel concentration distribution in the radial direction of the premixed gas injected from the premixing passage into the combustion chamber more uniform or forming the intended fuel concentration distribution becomes easy.
  • each of the plurality of fuel injection ports of the fuel injection pipe are configured to have different diameters. Also good.
  • each of the plurality of fuel injection ports may be configured to have an individually set diameter.
  • the radial length of the dividing plate may be shorter than the straight portion along the radial direction forming the upstream portion of the premixing passage.
  • the air that has passed through the air passage changes direction toward the radial swirler, it receives the largest centrifugal force at the inlet of the radial swirler, so that it only suppresses the deviation of the air flow rate in the axial direction at this portion.
  • a radial length is sufficient.
  • the premixing passage after exiting the radial swirler is lengthened by the short radial length of the radial swirler, so that premixing is promoted.
  • the diameter of the premixed gas injected from the main burner into the combustion chamber is controlled by controlling the flow rate of the fuel supplied for each swirler stage. Control the fuel concentration distribution in the direction.
  • the radial swirler is divided in the axial direction so that the flow distribution in the axial direction of the air is made uniform, so the flow rate of fuel supplied to each swirler stage is controlled. Only by this, the radial fuel concentration distribution of the premixed gas injected into the combustion chamber can be easily controlled.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a gas turbine engine to which a combustion apparatus according to an embodiment of the present invention is applied. It is sectional drawing which shows the combustion apparatus of FIG. It is sectional drawing which expands and shows the principal part of the combustion apparatus of FIG.
  • FIG. 4 is a sectional view taken along line IV-IV in FIG. 3. It is a schematic diagram for demonstrating the air flow of the combustion apparatus of FIG. It is a schematic diagram for demonstrating the air flow of the conventional combustion apparatus. It is sectional drawing which shows the conventional combustion apparatus.
  • FIG. 1 is a simplified configuration diagram showing a gas turbine engine to which a combustion apparatus according to an embodiment of the present invention is applied.
  • the gas turbine engine GT includes a compressor 1, a combustion device 2, and a turbine 3 as main components.
  • the compressed air supplied from the compressor 1 is combusted by the combustion device 2, and high-pressure combustion gas generated thereby. Is supplied to the turbine 3.
  • the compressor 1 is connected to the turbine 3 via the rotating shaft 5 and is driven by the turbine 3.
  • the load 4 such as an aircraft rotor or generator is driven by the output of the gas turbine engine GT.
  • the fuel F fed from the fuel supply device 9 is supplied to the combustion device 2 via the fuel control device 8.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the combustion apparatus 2.
  • This combustion apparatus 2 is a can type that is arranged in a ring shape around the engine rotation axis, and is attached to a combustion cylinder 12 that forms a combustion chamber 10 inside, and a top portion 12 a of the combustion cylinder 12.
  • a burner unit 14 for injecting a premixed fuel and air mixture.
  • the combustion cylinder 12 and the burner unit 14 are accommodated concentrically in a substantially cylindrical housing H that is an outer cylinder of the combustion apparatus 2.
  • An end cover 18 is fixed to the front end of the housing H with bolts 20.
  • This combustion device 2 is of a reverse flow type, and the compressed air A from the compressor 1 is directed between the housing H and the side wall 12b of the combustion cylinder 12 in the direction toward the burner unit 14 as indicated by the arrow, that is, the combustion chamber.
  • An air passage 30 that leads in the direction opposite to the flow direction of the combustion gas G in 10 is formed.
  • One or a plurality of spark plugs 36 are fixed to the housing H through the housing H and the combustion cylinder 12 on the upstream peripheral wall of the combustion cylinder 12, and are injected from a pilot burner 44 described later of the burner unit 14.
  • the premixed gas is ignited to form a combustion region S in the upstream portion of the combustion cylinder 12.
  • a plurality of dilution air holes (not shown) formed by penetrating short pipes are disposed on the downstream side of the combustion region S in the combustion cylinder 12.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a main part of the combustion apparatus 2 of FIG.
  • the burner unit 14 includes a main burner 42 that injects an annular premixed gas P ⁇ b> 1 that includes a swirling component, and a pilot burner 44 that is disposed inside the main burner 42.
  • the burner unit 14 includes an outer peripheral cylindrical portion 46a concentric with the axis O of the combustion cylinder 12, and an outer peripheral disc extending in a disc shape in a direction perpendicular to the axis O from the upstream end of the outer peripheral cylindrical portion 46a.
  • the inner peripheral cylindrical portion 48a located on the radially inner side of the outer peripheral cylindrical portion 46a, and the outer peripheral disc portion 46b from the vicinity of the upstream end of the inner peripheral cylindrical portion 48a. It has a burner inner cylinder 48 composed of an inner peripheral disc portion 48b extending parallel to the outer peripheral disc portion 46b on the upstream side.
  • the space between the burner outer cylinder 46 and the burner inner cylinder 48 forms an annular first premixing passage 42 a of the main burner 42, and the inner space of the burner inner cylinder 48 is the second premixed gas of the pilot burner 44.
  • a passage 44a is formed.
  • the first premixing passage 42a of the main burner 42 is L-shaped in a longitudinal section passing through the axis O (that is, a section including the axis O), and is upstream in the radial direction, that is, two disks.
  • a radial swirler 50 is attached between the outermost peripheral portions of the portions 46b and 48b. The downstream part of the first premixing passage 42a faces in the axial direction.
  • the radial outer end of the radial swirler 50 is formed as an inlet portion 50a for introducing the air A and the fuel F1 radially inward into the first premixing passage 42a, and further on the radially outer side of the inlet portion 50a.
  • a first fuel injection pipe 52 that forms a fuel passage for supplying the fuel F1 is disposed through the end cover 18.
  • a plurality of first fuel injection pipes 52 are provided side by side at equal intervals in the circumferential direction.
  • the radial swirler 50 is fixed to the main burner 42 by being fitted into a fitting portion 42b formed between the outermost peripheral portions of the two disc portions 46b and 48b.
  • FIG. 4 which is a cross-sectional view taken along the line IV-IV of FIG. 3, the radial swirler 50 includes fixed swirl vanes 54 that swirl the air A and the fuel F1 introduced into the first premixing passage 42a. Have. Further, the radial swirler 50 is provided with an annular dividing plate 56.
  • the radial swirler 50 is formed with a plurality of swirler stages 50b divided in the axis O direction by the dividing plate 56 as swirler portions.
  • the radial swirler 50 is divided into five swirler stages 50 b by four dividing plates 56. Therefore, the inlet portion of the first premixing passage 42 a is also divided into five in the axial direction by the dividing plate 56.
  • the fuel is injected into the combustion chamber 10 from an injection port 42c formed by an opening on the downstream side of the premix passage 42a.
  • the number of the dividing plates is 2 or more and 6 or less, preferably 3 or more and 5 or less, and the swirler 50 is divided into 3 to 7, preferably 4 to 6.
  • the dividing plate 56 has a radial length sufficient to deflect the compressed air A that has passed through the air passage 30 radially inward and introduce it into the first premixing passage 42a.
  • the preferred range of the radial length L1 of the dividing plate 56 that is, the radial length of the radial swirler 50, is 1/2 of the length L2 of the straight portion along the radial direction on the upstream side of the first premixing passage 42a. It is 6 to 2/3, and more preferably 1/4 to 1/2.
  • the radial length L1 of the dividing plate 56 is set to 1/3 of the radial straight portion length L2 of the first premixing passage 42a.
  • the ratio L1 / D between the radial length L1 of the dividing plate 56 and the interval in the axis O direction of each dividing plate 56 (that is, the dimension width in the axial direction of each swirler stage 50b) D is 2.0. However, 1.0 to 3.0 is preferable, and 1.5 to 2.5 is more preferable.
  • the ratio L1 / D is less than 1.0, the length L1 of the fixed swirl blade 54 with respect to the large-mouth passage area (circumferential length of the swirler inlet ⁇ D) is relatively shortened. The effect of suppressing the deviation of the air flow rate in the direction becomes small.
  • the same number of fuel injection ports 52a as the plurality of swirler stages 50b are arranged in the axial direction.
  • Each fuel injection port 52a is arranged to face each swirler stage 50b from the inlet side, and the fuel F1 is injected to each swirler stage 50b through each of the plurality of fuel injection ports 52a.
  • the diameters of the fuel injection ports 52a are the same, and the flow rate of the fuel F1 injected into each swirler stage 50b is set to be uniform.
  • the upstream portion of the second premixing passage 44a has an annular first passage plate 63 supported by the pilot burner 44 and a bolt 65 so as to face the first passage plate 63 in the axial direction through a spacer 64. It is formed between the disc-shaped second passage plate 66 attached in the above.
  • a second fuel injection pipe 67 for supplying fuel F2 is disposed through the end cover 18 on the radially outer side of the upstream end of the second premixed gas passage 44a.
  • the first fuel injection pipe 52 that supplies the fuel F1 to the main burner 42 and the second fuel supply passage 67 that supplies the fuel F2 to the pilot burner 44 are provided as fuel supply systems independent of each other. By individually controlling each, the fuel concentration (air-fuel ratio) of the air-fuel mixture can be adjusted independently.
  • the compressed air A from the compressor 1 passes through an air passage 30, which is a backflow passage formed between the side wall 12 b of the combustion cylinder 12 and the housing H, and passes through the air passage 30 of the main burner 42. 1 It guide
  • the flow rate of the air A has a large axial front end side (left side in FIG. 5B) due to the influence of centrifugal force.
  • a bias arises.
  • the air A is divided and introduced into a plurality of swirler stages 50 b divided in the axial direction by the dividing plate 56. Therefore, in each swirler stage 50b, a slight deviation in the axial flow rate occurs, but the deviation in the axial flow rate of the air A in the radial swirler 50 as a whole is greatly suppressed.
  • the flow rates of both the air A and the fuel F1 introduced into each swirler stage 50b divided in the axial direction by the dividing plate 56 are controlled almost uniformly. Therefore, the fuel concentration distribution in the axial direction of the premixed gas P1 formed in the upstream portion of the first premixing passage 42a is made uniform. As a result, the fuel concentration distribution in the radial direction of the premixed gas P1 injected from the first premixing passage 42a into the combustion chamber 10 can be made uniform.
  • the diameters of the plurality of fuel injection ports 52a of the first fuel injection pipe 52 may not be the same, but may be set individually. That is, the plurality of fuel injection ports 52a of the first fuel injection pipe 52 may have different diameters.
  • the optimal fuel concentration distribution of the premixed gas P1 injected into the combustion chamber 10 for realizing low NOx combustion is the shape of the combustion chamber 10, the structure of the pilot burner 44 used in combination with the main burner 42, etc. May vary due to various factors. That is, there is a case where the fuel concentration of the premixed gas P1 injected into the combustion chamber 10 is not necessarily uniform and should be controlled to have an intentionally distributed distribution.
  • the radial swirler 50 is divided in the axial direction, so that the flow distribution in the axial direction of the air A is made uniform. Only by controlling the flow rate of the supplied fuel F1, the radial fuel concentration distribution of the premixed gas P1 injected into the combustion chamber 10 can be easily controlled.
  • Control of the flow rate of the fuel supplied to each swirler stage 50b can be easily performed, for example, by individually setting the diameter of the fuel injection port 52a corresponding to each swirler stage 50b as described above.
  • the swirler 50 multi-staged in the axial direction can obtain a particularly great effect in the case of this embodiment.
  • the air A introduced into the radial swirler 50 receives a large centrifugal force when the flow direction is changed by 90 ° through the radial swirler 50, but the dividing plate 56 is provided on the radial swirler 50.
  • the deviation of the flow distribution in the axial direction of the air A introduced into the radial swirler 50 can be minimized. Therefore, while the combustion apparatus 2 has a compact configuration, low NOx combustion can be realized by optimizing the radial fuel concentration distribution of the premixed gas P1 in the combustion chamber 10.
  • the radial swirler 50 is divided into five swirler stages 50b by four dividing plates 56, but the number of swirler stages 50b provided separately is not limited to five. May be set as appropriate.
  • the fixed swirl vane 54 and the split plate 56 of the radial swirler 50 are configured to have substantially the same radial length, but the fixed swirl vane 54 and the split plate 56 have different radial lengths. You may have. Further, the radial length and the axial length of each swirler stage 50b may be different for each swirler stage.
  • the shape of the corner 42d on the inner diameter side connecting the upstream portion along the radial direction and the downstream portion along the axial direction of the first premixed gas passage 42a is an elliptical arc as shown by a two-dot chain line in FIG. It is good also as a shape.
  • the pilot burner 44 has been described as a burner that injects the premixed gas P2 into the combustion chamber 10. However, the pilot burner 44 separates the fuel F2 and the air A into the combustion chamber 10, respectively. It may be a diffusion combustion burner for injection.
  • the combustion apparatus which concerns on this invention requires supply of high temperature gas, such as a boiler, not only a gas turbine engine. It can be applied to other devices.

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Abstract

　燃焼装置は、内側に燃焼室を形成する燃焼筒と、前記燃焼筒の頂部に配置されて、前記燃焼室に環状に燃料と空気との予混合気を噴射する予混合通路、および該予混合通路に燃料と空気を径方向内方に導入するラジアルスワーラを有するメインバーナと、前記ラジアルスワーラにその入口側から燃料を噴射する燃料噴射管と、を備え、前記ラジアルスワーラが、分割板によって軸線方向に分割された複数のスワーラ段を有する。

Description

燃焼装置および燃焼装置の制御方法 関連出願
　本件出願は、２００８年５月２３日に日本特許庁に出願された特願２００８－１３６０６８の優先権を主張するものであり、その全体を参照することにより本件出願の一部となすものとして引用する。
　本発明は、ガスタービンエンジンやボイラ等、高温ガスの供給を必要とする機器に使用する燃焼装置、および、この燃焼装置の、特に予混合気の径方向の燃料濃度を制御する方法に関する。
　ガスタービンエンジンにおいては、環境保全への配慮から、燃焼により排出される排ガスの組成に関して厳しい環境基準が設けられており、窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）などの有害物質を低減することが求められている。一方、大型の地上設備用ガスタービンエンジンや航空機用ガスタービンエンジンでは、低燃費化および高出力化の要請から、圧力比が高く設定される傾向にあり、それに伴って燃焼装置入口における高温・高圧化が進み、この燃焼装置の入口温度の高温化によって燃焼温度が高くなり易いことから、ＮＯｘをむしろ増加させる要因になることが懸念されている。
　そこで、近年では、ＮＯｘ発生量を効果的に低減させる希薄予混合燃焼方式を採り入れた燃焼方式、例えば、希薄予混合燃焼方式と拡散燃焼方式とを組み合わせた複合燃焼方式が提案されている（特開平８－２８８７１号公報、特開平８－２１０６４１号公報参照）。希薄予混合燃焼方式は、空気と燃料とを予め混合して燃料濃度を均一化した混合気として燃焼させるので、局所的に火炎温度が高温となる燃焼領域が存在せず、かつ燃料の希薄化により全体的にも火炎温度を低くできることから、ＮＯｘ発生量を効果的に低減できる利点がある一方、低負荷燃焼時に吹き消えが起こりやすい。また、拡散燃焼方式は、燃料と空気とを拡散・混合しながら燃焼させることから、低負荷時にも吹き消えが起こり難く、保炎性能に優れている利点がある一方、ＮＯｘ発生量の低減に課題がある。したがって、複合燃焼方式によれば、始動時および低負荷時の拡散燃焼により燃焼安定性を確保しながら、高負荷時の予混合燃焼によりＮＯｘ発生量の低減を図ることができる。
　従来の複合燃焼方式の燃焼装置では、例えば図６に示すように、燃焼装置８０の燃焼筒８１の頂部８１ａに配置された拡散燃焼バーナ（パイロットバーナ）８２の外側を囲むようにして、固定旋回羽根を有するラジアルスワーラ８３を備える予混合燃焼バーナ（メインバーナ）８４を配置し、予混合気Ｐを旋回流として燃焼室に噴射する旋回型のバーナユニット８５を採用している。
　上記のようなラジアルスワーラ８３を備える旋回型のメインバーナ８４を使用した従来の燃焼装置８０においては、保炎を強化しようとするときには、予混合気の逆流Ｒを強めるために、予混合気の旋回が強くなるように設定する。そのためには、ラジアルスワーラ８３の固定旋回羽根のベーン角度を大きくする必要があるが、その場合、予混合気Ｐの通路面積を確保するために、同時に軸線方向のベーン高さを大きくする必要があり、ラジアルスワーラ８３の入口高さも大きくなる。これにより、空気及び燃料が導入される入口部の軸線方向寸法も大きくなる。
　ところで、従来の燃焼装置８０では、装置の小型化のために、ガスタービン圧縮機からの空気通路８６を、燃焼筒８１とその外方を覆うハウジングＨとの間に形成して、空気Ａを、燃焼筒８１の下流端から上流端である頂部８１ａへ向かって燃焼ガスと逆方向に導入するものがある。その場合、この空気通路８６を通過した空気Ａは、径方向外側に開口するラジアルスワーラ８３の入口から予混合通路に導入され、燃料と混合されて予混合気として圧縮空気の流れと反対の向きに燃焼筒に噴射される。
　すなわち、空気通路８６からラジアルスワーラ８３に導入される空気Ａは、ほぼ９０°流れ方向が転換されるので、その方向転換に伴う遠心力により、予混合通路の上流部における空気の軸線方向の流量分布に偏りが生じる。また、上記のようにラジアルスワーラの旋回羽根のベーン角度を大きくして保炎の安定化を図る場合には、前記入口部の軸線方向寸法が大きくなるので、流量分布の偏りがさらに大きくなる。その結果、予混合通路から燃焼室内へ噴射される予混合気の径方向の燃料濃度分布も偏ったものとなるので、径方向の燃料濃度分布を均一にする、または、燃料濃度に意図的に分布をつけるなどの制御が困難であるという課題があった。
　本発明は、ラジアルスワーラの旋回羽根のベーン角度を大きく維持して燃焼室内に強い逆流を生成することにより保炎の安定化を図りながら、バーナから燃焼室へ噴射される予混合気の径方向濃度分布を容易に制御することができる燃焼装置、および、この燃焼装置において予混合気の径方向燃料濃度分布を容易に制御する燃焼装置の制御方法を提供することを目的とする。
　前記した目的を達成するために、本発明に係る燃焼装置は、内側に燃焼室を形成する燃焼筒と、前記燃焼筒の頂部に配置されて、前記燃焼室に環状に燃料と空気との予混合気を噴射する予混合通路、および該予混合通路に燃料と空気を径方向内方に導入するラジアルスワーラを有するメインバーナと、前記ラジアルスワーラにその入口側から燃料を噴射する燃料噴射管と、を備え、前記ラジアルスワーラは、分割板によって軸線方向に分割された複数のスワーラ段を有している。
　この構成によれば、ラジアルスワーラが、分割板によって、軸線方向に複数のスワーラ段に分割されているので、ラジアルスワーラに導入される空気の流量が軸線方向に偏ることを抑制することができる。
　上記の燃焼装置において、前記燃料噴射管が、前記各スワーラ段に対応する複数の燃料噴射口を備えていることが好ましい。この構成によれば、ラジアルスワーラに燃料を噴射する燃料噴射管が、各スワーラ段に対応する噴射口を有しているので、予混合通路から燃焼室内に噴射される予混合気の径方向の燃料濃度分布の偏りを大幅に抑制することが可能になる。
　上記の燃焼装置において、前記燃料噴射管から供給される燃料流量を前記各スワーラ段ごとに設定可能としてもよい。この構成によれば、予混合通路から燃焼室内に噴射される予混合気の径方向の燃料濃度分布をより均一にしたり、または意図した燃料濃度分布を形成するなどの制御が容易になる。
　上記のように、各スワーラ段ごとに燃料流量を設定するために、例えば、前記燃料噴射管の前記複数の燃料噴射口のうち少なくとも一部のものは、互いに異なる口径を有するように構成してもよい。つまり、前記複数の燃料噴射口のそれぞれが、個別に設定された口径を有するように構成してもよい。このように構成することで、簡易な構造で、効果的に、予混合通路から燃焼室内に噴射される予混合気の径方向の燃料濃度分布を制御することができる。
　本発明に係る燃焼装置において、前記分割板の径方向長さを、予混合通路の上流部を形成する径方向に沿った直線部よりも短くしてもよい。空気通路を通過してきた空気は、ラジアルスワーラに向かって方向転換する際に、ラジアルスワーラの入口部で最も大きな遠心力を受けるので、この部分での軸線方向の空気流量の偏りを抑制するだけの径方向長さがあれば足りる。他方、ラジアルスワーラの径方向長さが短い分だけ、ラジアルスワーラを出た後の予混合通路が長くなるので、予混合が促進される。
　本発明に係る燃焼装置の制御方法では、上記の燃焼装置において、前記各スワーラ段ごとに供給する燃料の流量を制御することにより、前記メインバーナから前記燃焼室内に噴射される予混合気の径方向の燃料濃度分布を制御する。
　本発明に係る燃焼装置の制御方法においては、ラジアルスワーラを軸線方向に分割したことにより、空気の軸線方向の流量分布が均一化されているので、各スワーラ段に供給する燃料の流量を制御することのみによって、燃焼室内に噴射される予混合気の径方向燃料濃度分布を容易に制御することができる。
本発明の一実施形態に係る燃焼装置が適用されるガスタービンエンジンを示す概略図である。 図１の燃焼装置を示す断面図である。 図２の燃焼装置の要部を拡大して示す断面図である。 図３のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面図である。 図１の燃焼装置の空気流れを説明するための模式図である。 従来の燃焼装置の空気流れを説明するための模式図である。 従来の燃焼装置を示す断面図である。
　以下、本発明に係る実施形態を図面に従って詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る燃焼装置が適用されるガスタービンエンジンを示す簡略構成図である。ガスタービンエンジンＧＴは圧縮機１、燃焼装置２およびタービン３を主構成要素として構成されており、圧縮機１から供給される圧縮空気を燃焼装置２で燃焼させ、それにより発生する高圧の燃焼ガスをタービン３に供給する。圧縮機１は回転軸５を介してタービン３に連結されて、このタービン３により駆動される。このガスタービンエンジンＧＴの出力により、航空機のロータまたは発電機のような負荷４を駆動する。燃焼装置２には、燃料供給装置９から送給される燃料Ｆが、燃料制御装置８を介して供給される。
　図２は燃焼装置２を示す断面図である。この燃焼装置２は、エンジン回転軸線の周りに環状に複数個配置されるキャン型であり、内側に燃焼室１０を形成する燃焼筒１２と、燃焼筒１２の頂部１２ａに取り付けられて燃焼室１０に燃料と空気の予混合気を噴射するバーナユニット１４とを備えている。これら燃焼筒１２およびバーナユニット１４は、燃焼装置２の外筒となるほぼ円筒状のハウジングＨに同心状に収容されている。ハウジングＨの先端にはエンドカバー１８がボルト２０により固定されている。
　この燃焼装置２は逆流型であり、ハウジングＨと燃焼筒１２の側壁１２ｂとの間に、圧縮機１からの圧縮空気Ａを、矢印で示すようにバーナユニット１４に向かう方向、つまり、燃焼室１０内の燃焼ガスＧの流動方向と逆方向に導く空気通路３０が形成されている。
　燃焼筒１２の上流側の周壁には、１つ又は複数の点火プラグ３６が、ハウジングＨおよび燃焼筒１２を貫通してハウジングＨに固定されており、バーナユニット１４の後述するパイロットバーナ４４から噴射された予混合気に点火して、燃焼筒１２の上流部において燃焼領域Ｓを形成させる。また、燃焼筒１２における燃焼領域Ｓよりも下流側には、短いパイプを貫通させて形成された複数の希釈用空気孔（図示せず）が配設されている。
　図３は、図２の燃焼装置２の要部を示す断面図である。バーナユニット１４は、旋回成分を含む環状の予混合気Ｐ１を噴射するメインバーナ４２と、メインバーナ４２の内側に配置されたパイロットバーナ４４とを備えている。具体的には、バーナユニット１４は、燃焼筒１２の軸線Ｏと同心の外周円筒部４６ａと、この外周円筒部４６ａの上流側端から軸線Ｏに垂直な方向に円板状に延びる外周円板部４６ｂとからなるバーナ外筒４６を有し、さらに外周円筒部４６ａの径方向内側に位置する内周円筒部４８ａと、内周円筒部４８ａの上流側端部付近から外周円板部４６ｂの上流側で外周円板部４６ｂに対して平行に延びる内周円板部４８ｂとからなるバーナ内筒４８を有している。バーナ外筒４６とバーナ内筒４８との間の空間が、メインバーナ４２の環状の第１予混合通路４２ａを形成し、バーナ内筒４８の内方空間がパイロットバーナ４４の第２予混合気通路４４ａを形成している。
　メインバーナ４２の第１予混合通路４２ａは軸線Ｏを通る縦断面（即ち、軸線Ｏを含む面となる断面）においてＬ字形であり、その径方向外方に向く上流部、すなわち２つの円板部４６ｂおよび４８ｂの各最外周部間に、ラジアルスワーラ５０が取り付けられている。第１予混合通路４２ａの下流部は軸線方向に向いている。ラジアルスワーラ５０の径方向外端は、第１予混合通路４２ａに空気Ａおよび燃料Ｆ１を径方向内方に導入する入口部５０ａとして形成されており、この入口部５０ａのさらに径方向外側には、燃料Ｆ１を供給するための燃料通路を形成する第１燃料噴射管５２が、エンドカバー１８を貫通して配置されている。第１燃料噴射管５２は、周方向に等間隔に複数並んで設けられている。
　ラジアルスワーラ５０は、２つの円板部４６ｂおよび４８ｂの最外周部間に形成された嵌合部４２ｂに嵌め込まれることにより、メインバーナ４２に固定されている。図３のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面図である図４に示すように、ラジアルスワーラ５０は、第１予混合通路４２ａに導入される空気Ａおよび燃料Ｆ１に旋回を与える固定旋回羽根５４を有している。さらに、ラジアルスワーラ５０には、環状の分割板５６が設けられている。
　図３に示すように、ラジアルスワーラ５０には、この分割板５６によって軸線Ｏ方向に分割された複数のスワーラ段５０ｂがスワーラ部として形成されている。本実施形態において、ラジアルスワーラ５０は、４つの分割板５６によって５つのスワーラ段５０ｂに分割されている。したがって、第１予混合通路４２ａの入口部も、分割板５６によって軸線方向に５つに分割されている。ラジアルスワーラ５０の固定旋回羽根５４によって与えられる旋回により、第１予混合通路４２ａ内で混合が進んで予混合気Ｐ１が生成され、燃焼装置２の軸線Ｏを中心とする旋回流として、第１予混合通路４２ａの下流側の開口よりなる噴射口４２ｃから燃焼室１０へ噴射される。分割板の数は２つ以上かつ６つ以下、好ましくは３つ以上かつ５つ以下として、スワーラ５０を３～７分割、好ましくは４～６分割するとよい。
　分割板５６は、空気通路３０を通過してきた圧縮空気Ａを、径方向内方に偏向させて第１予混合通路４２ａに導入するのに十分な程度の径方向長さを有していればよく、分割板５６の径方向長さＬ１、つまりラジアルスワーラ５０の径方向長さの好ましい範囲は、第１予混合通路４２ａの上流側の径方向に沿った直線部の長さＬ２の１／６～２／３であり、より好ましくは１／４～１／２である。本実施形態においては、分割板５６の径方向長さＬ１は、第１予混合通路４２ａの径方向直線部長さＬ２の１／３に設定されている。
　分割板５６の径方向長さＬ１と、各分割板５６の軸線Ｏ方向の間隔（つまり、各スワーラ段５０ｂの軸線方向寸法幅）Ｄとの比Ｌ１／Ｄは、この実施形態では２．０となっているが、１．０～３．０が好ましく、１．５～２．５がさらに好ましい。前記比Ｌ１／Ｄが１．０未満であると、大口通路面積（スワーラ入口の円周長×Ｄ）に対する固定旋回羽根５４の長さＬ１が相対的に短くなる結果、各スワーラ段５０ｂにおける軸線方向の空気流量の偏りを抑制する効果が小さくなる。他方、前記比Ｌ１／Ｄが３．０を超えると、各スワーラ段５０ｂの大口通路面積に対する分割板５６の面積（分割板５６の円周長×Ｌ１）が相対的に大きくなる結果、分割板５６による空気Ａの摩擦抵抗が増大する。
　第１燃料噴射管５２には、複数のスワーラ段５０ｂと同数の燃料噴射口５２ａが、軸線方向に並べて設けられている。各燃料噴射口５２ａは、各スワーラ段５０ｂに入口側から対向するように配置されており、燃料Ｆ１は、複数の燃料噴射口５２ａのそれぞれを介して各スワーラ段５０ｂに噴射される。本実施形態においては、各燃料噴射口５２ａの口径を同一にして、各スワーラ段５０ｂに噴射される燃料Ｆ１の流量が均一になるように設定している。
　なお、第２予混合通路４４ａの上流部は、パイロットバーナ４４に支持された環状の第１通路板６３と、この第１通路板６３にスペーサ６４を介して軸線方向に対向するようにボルト６５で取り付けられた円板状の第２通路板６６との間に形成されている。第２予混合気通路４４ａの上流端の径方向外側に、燃料Ｆ２を供給するための第２燃料噴射管６７が、エンドカバー１８を貫通して配置されている。メインバーナ４２に燃料Ｆ１を供給する第１燃料噴射管５２と、パイロットバーナ４４に燃料Ｆ２を供給する第２燃料供給通路６７とは、互いに独立した燃料供給系として設けられており、燃料流量をそれぞれ個別に制御することにより混合気の燃料濃度（空燃比）を独立に調節することが可能となっている。
　次に、上記のように構成した燃焼装置２の動作について説明する。
　図３に示すように、圧縮機１からの圧縮空気Ａは、燃焼筒１２の側壁１２ｂとハウジングＨとの間に形成された逆流通路である空気通路３０を通過して、メインバーナ４２の第１予混合通路４２ａの上流部に取り付けられたラジアルスワーラ５０の入口部５０ａに導かれる。圧縮空気Ａは、径方向内方に９０°偏向され、さらに第１予混合通路４２ａの下流部に入るときに９０°偏向されるので、ラジアルスワーラ５０に導入されるときに、大きな遠心力を受ける。
　この場合、従来の、分割板を有しないラジアルスワーラ５０であれば、図５Ｂに示すように、空気Ａの流量には、遠心力の影響により、軸線方向先端側（図５Ｂの左側）が多くなるように偏りが生じる。しかしながら、本実施形態に係る燃焼装置２のラジアルスワーラ５０においては、図５Ａに示すように、空気Ａは分割板５６によって軸線方向に分割された複数のスワーラ段５０ｂに分かれて導入される。したがって、各スワーラ段５０ｂ内においては軸線方向の流量の僅かな偏りが生じるものの、ラジアルスワーラ５０全体における空気Ａの軸線方向の流量の偏りは大幅に抑制される。
　さらに、図３の各スワーラ段５０ｂに対応して設けられている第１燃料噴射管５２の燃料噴射口５２ａが、それぞれ同一の口径を有しているので、各スワーラ段５０ｂに噴射される燃料Ｆ１の流量もほぼ均一に制御される。
　つまり、本実施形態で使用されるラジアルスワーラ５０においては、分割板５６によって軸線方向に分割された各スワーラ段５０ｂ内に導入される空気Ａおよび燃料Ｆ１のいずれの流量も、ほぼ均一に制御されているので、第１予混合通路４２ａの上流部で形成される予混合気Ｐ１の軸線方向の燃料濃度分布が均一化される。その結果、第１予混合通路４２ａから燃焼室１０へ噴射される予混合気Ｐ１の径方向の燃料濃度分布を均一化することができる。
　また、本実施形態のように、第１燃料噴射管５２の複数の燃料噴射口５２ａの口径を同一とせずに、個別に設定してもよい。つまり、第１燃料噴射管５２の複数の燃料噴射口５２ａは、互いに異なる口径を有するようにしてもよい。低ＮＯｘ燃焼を実現するための、燃焼室１０に噴射される予混合気Ｐ１の最適な燃料濃度分布は、燃焼室１０の形状や、メインバーナ４２と組み合わせて使用されるパイロットバーナ４４の構造など、さまざまな要因により異なる場合がある。すなわち、燃焼室１０内に噴射される予混合気Ｐ１の燃料濃度を、必ずしも均一ではなく、意図的に偏った分布となるように制御するべき場合がある。
　そのような場合でも、本発明に係る燃焼装置２によれば、ラジアルスワーラ５０を軸線方向に分割したことにより、空気Ａの軸線方向の流量分布が均一化されているので、各スワーラ段５０ｂに供給する燃料Ｆ１の流量を制御することのみによって、燃焼室１０内に噴射される予混合気Ｐ１の径方向燃料濃度分布を容易に制御することができる。
　各スワーラ段５０ｂに供給する燃料の流量の制御は、例えば、上記のように、各スワーラ段５０ｂに対応する燃料噴射口５２ａの口径を個別に設定することで容易に行うことができる。
　また、軸線方向に多段化したスワーラ５０は、本実施形態のような場合に、特に大きな効果を得ることができる。つまり、燃焼装置２においては、ラジアルスワーラ５０に導入される空気Ａが、ラジアルスワーラ５０を介して流れ方向が９０°転換されることにより大きな遠心力を受けるが、ラジアルスワーラ５０に分割板５６を設けることにより、ラジアルスワーラ５０に導入される空気Ａの軸線方向の流量分布の偏りを最小限に抑えることができる。したがって、燃焼装置２をコンパクトな構成としながらも、燃焼室１０内での予混合気Ｐ１の径方向燃料濃度分布を最適化して低ＮＯｘ燃焼を実現することができる。
　なお、本実施形態においては、一例として、ラジアルスワーラ５０を、４つの分割板５６によって５つのスワーラ段５０ｂに分割した構成としたが、分割して設けるスワーラ段５０ｂの数は５つに限らず、適宜設定してよい。
　また、上記実施形態では、ラジアルスワーラ５０の固定旋回羽根５４と分割板５６とがほぼ同じ径方向長さを有するものとして構成したが、固定旋回羽根５４と分割板５６とが異なる径方向長さを有していてもよい。さらに、各スワーラ段５０ｂの径方向長さおよび軸方向長さは、それぞれ、スワーラ段ごとに異なっていてもよい。
　第１予混合気通路４２ａの、径方向に沿った上流部と軸線方向に沿った下流部とをつなぐ内径側の角部４２ｄの形状は、図３に二点鎖線で示すように、楕円円弧形状としてもよい。また、上記実施形態においては、パイロットバーナ４４を、予混合気Ｐ２を燃焼室１０内に噴射するバーナとして説明したが、パイロットバーナ４４は、燃料Ｆ２と空気Ａをそれぞれ別個に燃焼室１０内に噴射する拡散燃焼バーナであってもよい。また、上記実施形態においては、燃焼装置２をガスタービンエンジンＧＴに適用した例を説明したが、本発明に係る燃焼装置は、ガスタービンエンジンに限らず、ボイラなど高温ガスの供給を必要とする他の機器に適用することが可能である。
　以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施例を説明したが、当業者であれば、本願明細書を見て自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更及び修正は、請求の範囲から定まる発明の範囲内のものと解釈される。

Claims (8)

  1. 　内側に燃焼室を形成する燃焼筒と、
    　前記燃焼筒の頂部に配置されて、前記燃焼室に環状に燃料と空気との予混合気を噴射する予混合通路、および該予混合通路に燃料と空気を径方向内方に導入するラジアルスワーラを有するメインバーナと、
    　前記ラジアルスワーラにその入口側から燃料を噴射する燃料噴射管と、を備え、
    　前記ラジアルスワーラが、分割板によって軸線方向に分割された複数のスワーラ段を有する燃焼装置。
  2. 　請求項１において、前記燃料筒を収容するハウジングをさらに備え、前記ハウジングと前記燃焼筒の周壁との間に、空気を前記燃焼室内の燃焼ガスの流動方向と逆方向に導く空気通路が形成されている燃焼装置。
  3. 　請求項２において、前記予混合通路は、前記径方向に向く上流部と軸線方向に向く下流部とを有し、縦断面がＬ字形である燃焼装置。
  4. 　請求項１において、前記燃料噴射管が、前記各スワーラ段に対応する複数の燃料噴射口を備えている燃焼装置。
  5. 　請求項４において、前記燃料噴射管から供給される燃料流量を前記各スワーラ段ごとに設定可能な燃焼装置。
  6. 　請求項５において、前記燃料噴射管の前記複数の燃料噴射口のうち少なくとも一部のものは、互いに異なる口径を有する燃焼装置。
  7. 　請求項１において、前記分割板の径方向長さが予混合通路の上流部を形成する径方向に沿った直線部よりも短い燃焼装置。
  8. 　内側に燃焼室を形成する燃焼筒と、前記燃焼筒の頂部に配置されて、前記燃焼室に環状に燃料と空気との予混合気を噴射する予混合通路、および該予混合通路に燃料と空気を径方向内方に導入するラジアルスワーラを有するメインバーナと、前記ラジアルスワーラにその入口側から燃料を噴射する燃料噴射管と、を備え、前記ラジアルスワーラが、分割板によって軸線方向に分割された複数のスワーラ段を有する燃焼装置の制御方法であって、
    　前記各スワーラ段ごとに供給する燃料の流量を制御することにより、前記メインバーナから前記燃焼室内に噴射される予混合気の径方向の燃料濃度分布を制御する燃焼装置の制御方法。
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