WO2015182727A1 - ガスタービンエンジンの燃焼装置 - Google Patents

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combustion
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fuel injection
annular
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堀川敦史
餝雅英
岡田邦夫
北嶋潤一
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川崎重工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a combustion apparatus used for a gas turbine engine.
  • 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. Therefore, in recent years, a combustion method that adopts a premixed combustion method that effectively reduces the amount of NOx generated, for example, a combined combustion method that combines a lean premixed combustion method and a diffusion combustion method has been proposed (Patent Literature). 1).
  • the flame generated in the combustion chamber is maintained because a strong swirl flow is generated in the combustion chamber to form a backflow region in order to maintain the combustion with the lean fuel. Tends to cause a flashback phenomenon that propagates in the premixing passage.
  • gas turbine engines that use hydrogen as a fuel have been proposed. However, in a gas turbine engine that uses a highly reactive fuel containing hydrogen, a flashback phenomenon is particularly likely to occur.
  • an object of the present invention is to solve the above-described problems, and a gas turbine that can prevent local high-temperature combustion and suppress generation of NOx, and can prevent a flashback phenomenon and stably hold a flame. It is to provide an engine combustion apparatus.
  • a combustion apparatus includes a combustion cylinder that forms a combustion chamber inside, a fuel injection member that is provided at the top of the combustion cylinder and includes a plurality of annular portions for fuel injection, and An air guide member including a plurality of annular portions for combustion air for guiding combustion air, wherein the annular portions for fuel injection and the annular portions for combustion air are alternately arranged concentrically, and fuel is supplied to the combustion chamber; And a fuel injector for injecting air, and a reburning burner disposed in the downstream area of the combustion chamber and on the peripheral wall of the combustion cylinder, the annular portion for fuel injection is opened in the radial direction thereof
  • the combustion air annular portion has a plurality of air guide grooves that open in the axial center direction and guide air to the fuel injected from the fuel injection holes.
  • the reheating burner has a premixing chamber for mixing and stirring fuel and air, and is configured to inject premixed gas generated in the premixing chamber into the combustion chamber. It is preferable that According to this configuration, by providing a premixing type reburning burner in a region where the combustion reaction has progressed in the downstream region of the combustion chamber, it is possible to further reduce NOx while suppressing the occurrence of a backfire phenomenon in the reburning burner. Can be suppressed.
  • an air rectification mechanism is provided upstream of the fuel injector and rectifies air supplied to the air guide member. According to this configuration, since a uniform air flow is supplied to the combustion injection unit, the generation of NOx is suppressed by further uniforming the combustion, and the flashback phenomenon can be prevented more reliably.
  • the rectifying protrusion member includes a support part and a protrusion part protruding from the support part into the combustion chamber, and the rectifying protrusion member is formed in the support part to allow air to flow inside the rectifying protrusion member. It is preferable to have a cooling air introduction hole for introducing the air into the combustion chamber, and a cooling air exhaust hole formed in the protruding portion for discharging the air introduced into the rectifying protrusion member into the combustion chamber. According to the said structure, a protrusion can be cooled by convection cooling from the inside using a part of combustion air.
  • the annular portion for fuel injection is formed in a hollow shape, and the hollow space in the annular portion for fuel injection forms an annular fuel flow passage for circulating fuel in the circumferential direction.
  • the portion of the annular portion for fuel injection that faces the combustion chamber is exposed to a high temperature due to the flame in the combustion chamber.
  • an annular fuel flow passage through which fuel flows is formed inside the annular portion for fuel injection. Therefore, the portion exposed to the high temperature is efficiently cooled by the fuel flowing through the fuel flow passage.
  • the annular portion for fuel injection is located on the combustion chamber side, is located on the opposite side to the combustion chamber, and a first fuel flow passage communicating with the fuel injection hole, A second fuel flow path to which fuel injected from the fuel injection hole is supplied; and an injection nozzle for injecting fuel in the second fuel flow path to the wall surface of the first fuel flow path on the combustion chamber side. It is preferable to have.
  • the wall facing the combustion chamber of the annular part for fuel injection can be cooled from the inside by impingement cooling using fuel.
  • a fuel supply mother pipe having a multi-tube structure for supplying fuel to the fuel injection member is provided, and the fuel supply mother pipe is a first annular of the plurality of fuel injection annular portions. It is preferable to have a first supply passage for supplying fuel to the group and a second supply passage for supplying fuel to the second annular group of the plurality of annular portions for fuel injection.
  • the fuel injection member can be divided into a fuel injection annular portion that supplies fuel and a fuel injection annular portion that does not supply fuel. Corresponding operation (staging combustion) becomes possible.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of 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 which concerns on one Embodiment of this invention. It is sectional drawing which shows the combustion apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. It is a front view which shows the fuel injector used for the combustion apparatus of FIG.
  • FIG. 5A It is a front view which expands and shows a part of fuel injector used for the combustion apparatus of FIG. It is a front view which shows the modification of the fuel injector of FIG. 5A. It is a perspective view which shows an example of the air baffle plate used for the combustion apparatus of FIG. It is a perspective view which shows the other example of the air baffle plate used for the combustion apparatus of FIG. It is a perspective view which shows the other example of the air baffle plate used for the combustion apparatus of FIG. It is a perspective view which shows the other example of the air baffle plate used for the combustion apparatus of FIG. It is a perspective view which shows the modification of the air rectification mechanism of the combustion apparatus of FIG. FIG.
  • FIG. 10 is a perspective view showing another modification of the air rectifying mechanism of the combustion device of FIG. 2. It is a longitudinal cross-sectional view which shows the fuel injector used for the combustion apparatus of FIG. It is a longitudinal cross-sectional view which shows the modification of the fuel injector used for the combustion apparatus of FIG. It is a longitudinal cross-sectional view which shows the internal structure of the baffle protrusion member used for the combustion apparatus of FIG. It is sectional drawing which shows the combustion apparatus which concerns on one Embodiment which applied this invention to the annular type combustion apparatus. It is a partially broken perspective view of the combustion apparatus of FIG. It is sectional drawing which shows the combustion apparatus which concerns on other embodiment which applied this invention to the annular type combustion apparatus.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of a gas turbine engine (hereinafter simply referred to as a gas turbine) GT to which a combustion apparatus according to an embodiment of the present invention is applied.
  • a gas turbine engine hereinafter simply referred to as a gas turbine
  • the introduced air is compressed by the compressor 1 and guided to the combustion device 3
  • fuel is injected into the combustion device 3 and burned together with the air
  • the turbine 5 is driven by the obtained high-temperature and high-pressure combustion gas.
  • the turbine 5 is connected to the compressor 1 via the rotary shaft 7, and the compressor 1 is driven by the turbine 5.
  • a load L such as an aircraft rotor or a generator is driven by the output of the gas turbine GT.
  • hydrogen gas is used as the fuel injected into the combustion device 3.
  • the compressor 1 side in the axial direction of the gas turbine GT is referred to as “front side”
  • the turbine 5 side is referred to as “rear side”.
  • FIG. 2 is a partially broken perspective view showing the combustion device 3.
  • the combustion apparatus 3 is a can-type combustion apparatus that is arranged in a ring shape around the axis of the gas turbine GT.
  • the combustion device 3 includes a combustion cylinder 13 that forms a combustion chamber 11 inside, and a fuel injector 15 that is attached to the top 13 a of the combustion cylinder 13 and injects fuel and air into the combustion chamber 11.
  • a flame is formed in the combustion chamber 11 by igniting the fuel and air injected from the fuel injector 15 with a spark plug P provided in the combustion cylinder 13.
  • the combustion cylinder 13 and the fuel injector 15 are accommodated concentrically in a substantially cylindrical housing H that is an outer cylinder of the combustion apparatus 3.
  • An end cover 17 is fixed to the front end of the housing H with a bolt 19.
  • the top 13 a of the combustion cylinder 13 is attached to the housing H by connecting and fixing a support cylinder 21 extending in a cylindrical shape from the combustion cylinder 13 to the end cover 17 with a bolt or the like.
  • the combustion device 3 is configured as a reverse flow type in which the flow directions of the air A and the combustion gas G are opposite. That is, the combustion device 3 has an air introduction passage 25 formed between the housing H, the combustion cylinder 13 and the support cylinder 21, and this air introduction passage 25 is compressed by the compressor 1 (FIG. 1). The conducted air A is guided in a direction opposite to the flow direction of the combustion gas G in the combustion chamber 11.
  • the combustion device 3 may be an axial flow type in which the flow directions of the air A and the combustion gas G are the same.
  • a plurality of air introduction holes 27 are arranged in the circumferential direction at the front end portion of the peripheral wall of the support cylinder 21.
  • the air A sent through the air introduction passage 25 is introduced into the air supply passage 29 formed inside the support tube 21 through the air introduction hole 27.
  • the air A introduced into the air supply passage 29 is sent backward, that is, in the direction of the fuel injector 15.
  • a fuel supply mother pipe 31 extending along the axis C of the combustion device 3 is provided at the center of the air supply passage 29.
  • the fuel F is supplied from the fuel supply pipe 31 to the fuel injection annular portion 33 of the fuel injection member 34 described later.
  • the configurations of the air supply passage 29 and the fuel supply mother pipe 31 will be described in detail later.
  • the combustion apparatus 3 includes a premixed reheating burner 10 disposed in the downstream area of the combustion chamber 11 and on the peripheral wall of the combustion cylinder 13. A plurality (for example, four) of burner burners 10 are provided at equal intervals in the circumferential direction.
  • the air A sent from the compressor 1 (FIG. 1) through the air introduction passage 25 and the fuel F sent from the fuel supply system (reheating fuel supply passage 32) are sent to the reheating burner 10. be introduced.
  • the reheating burner 10 is a premixing type and has a premixing chamber 10a for mixing and stirring the air A and the fuel F. As shown in FIG.
  • the air A is introduced into the premixing chamber 10 a from the side peripheral surface of the reheating burner 10, and the fuel F is supplied from the fuel supply system via the reconditioning adjustment valve 72.
  • the fuel injection hole 10c may be provided as a fuel injection nozzle whose tip protrudes into the premixing chamber 10a.
  • the reheating burner 10 is operated in a state in which combustion by the fuel injector 15 that is a main burner is almost completed and high-temperature combustion gas G is generated, so that the reburning burner 10 is injected into the downstream region of the combustion chamber 11.
  • the premixed gas M is burned stably while suppressing generation of NOx by the high-temperature combustion gas G.
  • the reheating burner 10 according to the present embodiment does not require a swirl flow generating mechanism or the like (flame holding mechanism) for forming a backflow region for flame holding, and therefore has high resistance to backfire. Therefore, even hydrogen, which is normally difficult to use as premixed combustion, can be used as a fuel for the reheating burner 10 without fear of backfire.
  • the reheating burner 10 is not limited to the premixing type, but may be a diffusion combustion type.
  • the fuel injector 15 includes a fuel injection member 34 having a plurality of fuel injection annular portions 33 and an air guide member 36 having a plurality of combustion air annular portions 35.
  • the four fuel injection annular portions 33 having different diameters are arranged concentrically with each other and with the combustion device 3 (FIG. 2).
  • five combustion air annular portions 35 having different diameters are arranged concentrically with each other and with the combustion device 3 (FIG. 2).
  • the annular portions for fuel injection 33 and the annular portions for combustion air 35 are alternately arranged with the same central axis. That is, the annular portion for fuel injection 33 and the annular portion for combustion air 35 are alternately arranged concentrically.
  • the fuel injector 15 has four fuel injection annular portions 33 and five combustion air annular portions 35.
  • the number of these can be changed as appropriate, for example, 3 One annular portion 33 for fuel injection and four annular portions 35 for combustion air may be used.
  • the four fuel injection annular portions 33 and the five combustion air annular portions 35 are provided at the same axial position (FIG. 3).
  • the axial positions of the four fuel injection annular portions 33 and the five combustion air annular portions 35 may be shifted from each other.
  • the four fuel injection annular portions 33 may be arranged so that the axial direction positions of the four fuel injection annular portions 33 are sequentially shifted back and forth. You may arrange
  • the fuel injection annular portion 33 of the fuel injection member 34 is provided with a plurality of fuel injection holes 39 opened in the radial direction R in the circumferential direction Q. Fuel F is injected from each fuel injection hole 39.
  • the fuel injection annular portion 33 of the fuel injection member 34 has a substantially rectangular cross-sectional outer shape, and the rear wall 33 a facing the combustion chamber 11 is perpendicular to the axis C direction. It is arranged to become.
  • the fuel injection holes 39 are provided on both the outer diameter side and the inner diameter side of the fuel injection annular portion 33 of the fuel injection member 34.
  • the fuel injection hole 39 is provided in each of the outer peripheral wall and the inner peripheral wall of the fuel injection annular portion 33 as a through hole that penetrates the outer peripheral wall and the inner peripheral wall in the radial direction R.
  • the fuel injection holes 39 may be provided only on either the outer diameter side or the inner diameter side of the fuel injection member 34.
  • the fuel injection hole 39 may be inclined in the range from ⁇ 10 ° to + 80 ° in the axis C direction with respect to the radial direction R.
  • the inclination angle when the fuel injection hole 39 is inclined upstream of the radial direction R in the axial center C direction is a negative inclination angle
  • the fuel injection hole is downstream of the radial direction R in the axial center C direction.
  • the inclination angle when 39 is inclined is defined as a positive inclination angle.
  • the air guide member 36 guides the air A to the fuel F injected from the fuel injection hole 39 of the fuel injection member 34. More specifically, the air guide member 36 guides the air A in the direction of the axis C from the upstream side of the air supply passage 29 with respect to the fuel F.
  • the air guide member 36 has a plurality of annular portions 35 for combustion air in the shape of an annular plate.
  • the fuel injection annular portion 33 of the fuel injection member 34 and the combustion air annular portion 35 of the air guide member 36 are alternately arranged with the same central axis. As shown in FIG.
  • an air guide groove 41 that is recessed in the radial direction is formed at a circumferential position corresponding to each fuel injection hole 39 of the fuel injection member 34.
  • an air guide groove that is recessed radially outwardly on the inner diameter side of the combustion air annular portion 35 of the air guide member 36 located on the radially outer side of the fuel injection annular portion 33 of the fuel injection member 34. 41 is formed, and an air guide groove 41 that is recessed radially inward is formed on the outer diameter side of the combustion air annular portion 35 that is located on the radially inner side of the fuel injection annular portion 33.
  • the fuel injector 15 includes a fuel injection member 34 having four annular portions 33 for fuel injection and an air guide member 36 having five annular portions 35 for combustion air.
  • the combustion air annular portion 35 disposed on the outer peripheral side of the outermost peripheral fuel injection annular portion 33 and the three combustion air annular portions disposed between each of the four fuel injection annular portions 33.
  • An annular portion 35 for combustion air disposed on the inner peripheral side of the portion 35 and the innermost fuel injection annular portion 33 is provided.
  • the outer periphery of the combustion air annular portion 35 disposed on the outermost periphery is covered with an annular support ring member 43.
  • the fuel injector 15 is supported by the combustion cylinder 13 by connecting the support ring member 43 to the combustion cylinder 13.
  • the air guide member 36 is disposed on the front side of the fuel injection hole 39 of the fuel injection member 34, that is, on the upstream side in the air A flow direction. In this way, by providing the air guide member 36 so as to guide the air A in the direction of the axis C from the upstream with respect to the fuel F injected from each fuel injection hole 39, the fuel F and the air A are almost mutually connected.
  • the fuel F and the air A can be uniformly mixed outside the fuel injector 15.
  • a plurality of cooling holes 45 may be provided in each combustion air annular portion 35 of the air guide member 36.
  • the plurality of cooling holes 45 are arranged at equal intervals in the circumferential direction of the annular portion 35 for combustion air.
  • the cooling hole 45 is formed as a through hole having a substantially circular cross section that penetrates the combustion air annular portion 35 from the front side to the rear side.
  • each cooling hole 45 is formed to extend in the circumferential direction in the combustion air annular portion 35 while being inclined. Therefore, the shape of the opening of the cooling hole 45 on the surface of the annular portion 35 for combustion air is an elliptical shape that is long in the circumferential direction.
  • the cooling hole 45 when the cooling hole 45 is provided in the combustion air annular portion 35, the air A flowing through the air supply passage 29 (FIG. 3) passes through the cooling hole 45, and then the combustion air annular portion 35. It blows off to the combustion chamber side surface, forms a film layer of air along the circumferential direction, and this surface is effusion cooled.
  • the cooling hole 45 is preferably inclined in the circumferential direction, but the inclination direction is not limited to this. Further, the cooling hole 45 does not necessarily have to be inclined, and may be a through hole extending in parallel with the axial direction.
  • the air supply passage 29 has an air rectifying plate 47 as an air rectifying mechanism that rectifies the air A introduced into the air supply passage 29 from the air introduction hole 27 into a uniform flow toward the air guide member 36.
  • the air rectifying plate 47 is a disk-shaped member and has a plurality of through holes 49 penetrating in the axial direction.
  • the air rectifying plate 47 has an outer diameter that matches the inner diameter of the support cylinder 21 of FIG. 3 and a fitting hole 51 having an inner diameter that matches the outer diameter of the fuel supply mother pipe 31 at the center.
  • the air rectifying plate 47 is connected and fixed to the end cover 17 by a rectifying plate bolt 57 via a flange 55 provided at the front end of the fitting portion 53.
  • the air rectifying plate 47 has a plurality of circular through holes 49 having the same diameter. More specifically, the plurality of through-holes 49 are formed by arranging rows of annular through-holes 49 arranged at equal intervals along the circumferential direction at the same radial position of the air rectifying plate 47 at equal intervals in the radial direction. It is arranged in a state where a plurality of rows are provided. That is, the air rectifying plate 47 has a row of annular through holes 49 arranged at equal intervals on the same circumference, and a plurality of the rows are provided with the same center.
  • FIG. 6A shows an air rectifying mechanism including the air rectifying plate 47, the fitting portion 53, and the flange 55.
  • the shape, number, and arrangement of the plurality of through holes 49 in the air rectifying plate 47 are not limited to the mode of FIG. 6A and may be set as appropriate.
  • the inner circumferential edge and the outer circumferential edge of the air rectifying plate 47 are provided with a row of a large number of circular through-holes 49 having the same diameter, and intermediate between the inner circumferential edge and the outer circumferential edge.
  • a row of circular through holes 49 having a larger diameter may be provided in the part.
  • a row of a large number of circular through holes 49 having the same diameter is provided on the inner peripheral edge of the air rectifying plate 47, and the major axis direction is the radial direction of the air rectifying plate 47 on the outer peripheral side.
  • a row of oval through holes 49 may be provided.
  • only a row of oval through holes 49 whose major axis direction coincides with the radial direction of the air rectifying plate 47 may be provided.
  • the ratio of the total area of all the through holes 49 to the entire area of the air rectifying plate 47 (opening ratio) Considering the balance of pressure loss, it is preferably in the range of 20 to 50%, more preferably in the range of 30 to 40%.
  • FIG. 7A shows a flow straightening duct 61a extending from the upstream side of the air introduction hole 27 to the fuel injector 15 so as to reduce the diameter toward the downstream side, and a downstream side of the air introduction hole 27 to the fuel injector 15.
  • a rectifying duct 61 having a rectifying duct 61b extending so as to increase in diameter toward the downstream side is shown.
  • FIG. 7B shows a flow straightening duct 61a extending from the upstream side of the air introduction hole 27 to the fuel injector 15 so as to reduce the diameter toward the downstream side, and from the center position of the air introduction hole 27 to the fuel injector 15.
  • a rectifying duct 61c that extends toward the downstream side, and a rectifying duct 61d that extends from the downstream side of the air introduction hole 27 to the fuel injector 15 so that the diameter decreases toward the downstream side;
  • the rectifying duct 61 having By providing the air rectifying plate 47 and the rectifying duct 61 as the air rectifying mechanism, a uniform air flow is supplied to the fuel injector 15, so that the generation of NOx is suppressed by the uniform combustion and the flashback is ensured. The phenomenon can be prevented.
  • the combustion device 3 is provided with a rectifying protrusion member 63 that is located on the axis C thereof and that protrudes toward the combustion chamber 11 through the fuel injector 15.
  • the rectifying projection member 63 is located in the air supply passage 29 and includes a support portion 63 a having a cylindrical shape and a protruding portion 63 b located in the combustion chamber 11.
  • the rectifying protrusion member 63 is attached to the fuel injector 15, but may be attached to the fuel supply main pipe 31. In any case, the front end (end on the fuel supply mother pipe 31 side) of the support portion 63 a of the rectifying protrusion member 63 is located upstream of the fuel injector 15.
  • the protruding portion 63b has a substantially hemispherical tip.
  • the rectifying protrusion member 63 may be omitted, by providing the rectifying protrusion member 63, the fuel injection annular portion 33 located on the radially inner side of the fuel injector 15 in the vicinity of the position of the axis C in the combustion chamber 11. The flame formed by the fuel injected from the air and the air supplied from the combustion air annular portion 35 is stably held.
  • the fuel injection member 34, the air guide member 36, the support ring member 43, and the rectifying protrusion member 63 constituting the fuel injector 15 may be integrally formed. You may connect mutually by inserting a pin in a direction.
  • the combustion device 3 of the present embodiment has a plurality of fuel supply paths that can supply the fuel F independently to each fuel injection annular portion 33 of the fuel injection member 34.
  • the fuel supply main pipe 31 and each fuel injection annular portion 33 are connected by a plurality of branch fuel supply pipes 66 that branch independently from each other.
  • the fuel supply mother pipe 31 has a plurality of (two in the illustrated example) cylindrical pipes, that is, an inner first fuel supply pipe 64 and a second fuel supply pipe 65 arranged outside thereof concentrically. It has a multi-tube structure (double tube structure).
  • An inner space of the first fuel supply pipe 64 forms a first fuel supply path 67, and a space between the first fuel supply pipe 64 and the second fuel supply pipe 65 forms a second fuel supply path 69. is doing.
  • the fuel F introduced from the outside into the fuel supply passages 67 and 69 in the fuel supply pipe 31 passes through the fuel supply passages formed in the branch fuel supply pipes 66 to the fuel injection annular portions 33. Supplied.
  • the fuel F that has passed through the first fuel supply path 67 passes through the two branched fuel supply pipes 66 connected to the first fuel supply pipe 64, and is out of the plurality of fuel injection annular portions 33.
  • the fuel F supplied to two fuel injection annular portions 33 (hereinafter referred to as “first annular portion group”) disposed on the inner diameter side and passed through the second fuel supply passage 69 is supplied to the second fuel supply pipe 65.
  • Two fuel injection annular portions 33 (hereinafter referred to as “second annular portion group”) arranged on the outer diameter side of the plurality of fuel injection annular portions 33 via two branch fuel supply pipes 66 connected to ")".
  • the first fuel supply passage 67 has an upstream portion 67a extending outside the housing H, and the second fuel supply passage 69 and an upstream portion 69a extending outside the housing H, respectively, to adjust the fuel flow rate.
  • An adjustable control valve 71 is provided.
  • the flow rate of the fuel F supplied to each annular portion group of the fuel injection annular portion 33 can be controlled independently by adjusting the opening degree of the control valve 71 of each fuel supply path 67, 69.
  • the number of the fuel injection annular portions 33 constituting the annular portion group serving as a unit to which the fuel F is independently supplied is not limited to the above example.
  • one annular portion for fuel injection 33 may constitute one annular portion group (a total of four annular portion groups), and two annular portions for fuel injection on the inner diameter side constitute one annular portion.
  • the two fuel injection annular portions 33 on the outer diameter side may constitute one annular portion group (a total of three annular portion groups).
  • the number of fuel supply passages and the number of control valves are set in accordance with the number of configured annular portion groups.
  • the fuel supply amount to each fuel injection annular portion 33 of the fuel injection member 34 can be independently controlled according to the load of the gas turbine GT.
  • the fuel injection member 34 can be divided into the fuel injection annular portion 33 that supplies fuel and the fuel injection annular portion 33 that does not supply fuel, so that it can cope with output changes from rated load to partial load. Operation (staging combustion) is possible.
  • the fuel supply amount is changed from all the fuel injection annular portions 33 on average.
  • a plurality of fuel supply paths 67 and 69 are branched from one fuel supply source (not shown), and the fuel supply amount is independently controlled by the adjustment valve 71 provided in each fuel supply path 67 and 69.
  • the fuel F may be supplied to the fuel supply paths 67 and 68 independently from a plurality of fuel supply sources.
  • the number of branch fuel supply pipes 66 connected to each fuel injection annular portion 33 of the fuel injection member 34 may be appropriately set according to the fuel injection amount of each fuel injection annular portion 33. For example, the number of branch fuel supply pipes 66 connected to the fuel injection annular part 33 arranged on the inner diameter side is reduced, and the branch fuel supply pipes connected to the fuel injection annular part 33 arranged on the outer diameter side are reduced. It is preferable to increase the number of 66.
  • the connection positions in the fuel injection annular portion 33 are preferably equidistant in the circumferential direction.
  • the multi-tubular structure of the fuel supply mother pipe 31 is not limited to the example of FIG. 3 as long as a plurality of fuel supply paths independent of each other can be formed using a plurality of pipes.
  • a multi-tubular structure in which a plurality of fuel supply pipes having the same diameter smaller than this and extending in parallel in one large-diameter mother pipe may be used.
  • the fuel supply mother pipe 31 has a multi-tube structure in which a plurality of fuel supply pipes having different diameters are concentrically stacked, and the inner space of the innermost fuel supply pipe and each When the space between the pipes is used as a fuel supply passage, an outer diameter fuel supply passage (second fuel supply in the example of FIG.
  • the fuel supply passage (the first fuel supply passage 67 in the example of FIG. 3) that increases the flow passage area of the passage 69) and supplies it to the fuel injection annular portion 33 that requires a smaller amount of fuel. It becomes easy to set the flow path area small.
  • the rear wall 33a facing the combustion chamber 11 of the fuel injection member 34 is provided perpendicular to the direction of the axis C.
  • the air guide member 36 guides the air A supplied from the upstream side to the fuel F injected from the fuel injection hole 39 of the fuel injection member 34 in the direction of the axis C.
  • the annular portion 33 for fuel injection is formed in a hollow shape, and this hollow space forms an annular fuel flow passage 73 through which the fuel F flows in the circumferential direction in the annular portion for fuel injection 33.
  • the rear wall 33a of the fuel injection member 34 and a part of the inner wall of the annular fuel flow passage 73 are the same wall, the wall surface on the combustion chamber side is the rear wall surface 33ab, and the wall surface on the fuel flow passage side is the inner wall surface 33aa. It has become.
  • the branch fuel supply pipe 66 is connected so as to supply the fuel F from the front wall (wall on the air supply passage 29 side) 33b side of the fuel injection member 34 to the annular fuel flow passage 73a.
  • annular fuel flow passages 73 a and 73 b that are partitioned in the direction of the axis C of the combustion device 3 are formed.
  • a downstream fuel flow passage 73b (first fuel flow passage) that is located on the rear side (combustion chamber 11 side) and supplies fuel F to the fuel injection holes 39
  • An upstream fuel flow passage 73a (second fuel flow passage) that is positioned on the front side (air supply passage 29 side) and to which fuel F is directly supplied is formed.
  • the annular first partition wall 77 that divides the upstream fuel flow passage 73a and the downstream fuel flow passage 73b has a through hole that guides fuel from the upstream fuel flow passage 73a to the downstream fuel flow passage 73b in the circumferential direction. A plurality are provided side by side.
  • This through hole functions as a feed hole 79 that connects the two fuel flow passages 73a and 73b and feeds the fuel F from the upstream fuel flow passage 73a to the downstream fuel flow passage 73b.
  • the fuel F introduced into the upstream fuel flow passage 73a from the branch fuel supply pipe 66 flows into the downstream fuel flow passage 73b sequentially through the feed holes 79 while flowing in the circumferential direction in the upstream fuel flow passage 73a. To do.
  • the fuel F is divided by dividing the inside of the fuel injection annular portion 33 of the fuel injection member 34 into the upstream fuel flow passage 73a and the downstream fuel flow passage 73b in the direction of the axis C of the combustion device 3. It is supplied to the fuel injection holes 39 in a state of being uniformly distributed in the circumferential direction.
  • the fuel F flowing into the downstream fuel flow passage 73b collides with the inner wall surface 33aa of the rear wall 33a, so that the fuel F impinges on the rear wall 33a.
  • a nozzle wall 81 protruding rearward is provided on the first partition wall 77 in the circumferential direction, and a plurality of feed holes 79 are provided in the circumferential direction in the nozzle wall 81.
  • the nozzle wall 81 forms an injection nozzle that injects the fuel F in the upstream fuel flow passage portion 73a to the back surface 33aa that is the wall surface on the combustion chamber 11 side of the downstream fuel flow passage portion 73b.
  • the annular portion 33 for fuel injection is located on the combustion chamber 11 side, is located on the opposite side of the combustion chamber 11 from the downstream fuel flow passage 73b communicating with the fuel injection hole 39, and is injected from the fuel injection hole 39.
  • An upstream fuel flow passage 73a to which the fuel F to be supplied is supplied, and an injection nozzle that injects the fuel F in the upstream fuel flow passage 73a to the inner wall surface 33aa on the combustion chamber 11 side of the downstream fuel flow passage 73b.
  • the injection nozzle does not necessarily have the nozzle wall 81, and may be a throttle nozzle formed in the first partition wall 77.
  • a protruding wall 83 extending in the circumferential direction projects into the inner wall surface 33aa of the rear wall 33a in the middle of the flow path from the inner wall surface 33aa of the rear wall 33a to which the fuel F is injected from the feed hole 79.
  • the fuel F can be used to cool the rear wall 33a of the annular portion 33 for fuel injection facing the combustion chamber 11 by convection cooling from the inside (inner wall surface 33aa side).
  • the fuel F supplied from each branch fuel supply pipe 66 flows almost evenly in the fuel flow passage 73, and the fuel F is supplied from the fuel flow passage 73 to the fuel injection holes 39 so that the effect of convection cooling can be sufficiently exhibited.
  • You may provide the 2nd division wall 87 in the middle of being led to. That is, the annular fuel flow passage 73 may be divided into three annular spaces by the outer peripheral side partition wall 87a and the inner peripheral side partition wall 87b.
  • a heat shield plate 85 may be provided on the rear wall 33ab of the rear wall 33a.
  • the material for forming the heat shield plate 85 include Hastelloy-X (Haynes International. Inc .: registered trademark), HA188 (Haynes International. Inc .: registered trademark), which are alloys having corrosion resistance and heat resistance. Alternatively, a combination of these and a ceramic coating can be used. Also in the embodiment shown in FIG. 8, the heat shield plates 85 can be selectively combined.
  • the rectifying protrusion member 63 is formed in a hollow shape as a whole.
  • the support portion 63a of the rectifying projection member 63 is a bottomed cylindrical member, and a cooling air introduction hole 91 that is a radial through hole is provided on the peripheral wall of the front end (upstream end) thereof.
  • a plurality of cooling air introduction holes 91 are formed at equal intervals in the circumferential direction of the peripheral wall at the front end of the support portion 63a.
  • the protrusion 63 b of the rectifying projection member 63 has a double wall structure including a dome-shaped inner wall 93 and an outer wall 95 that are reduced in diameter toward the combustion chamber side (right side in FIG. 10).
  • the protrusion part 63b may not be a dome shape, and a cylinder shape may be sufficient as it. Further, the protruding portion 63b may not have a double wall structure, but may have a single wall structure having only an outer wall.
  • a first cooling air injection hole 97 which is a radial through hole, is provided on the peripheral wall of the inner wall 93 of the protrusion 63b. A plurality of first cooling air injection holes 97 are formed at equal intervals in the circumferential direction and the axial direction of the peripheral wall of the inner wall 93.
  • a plurality of second cooling air injection holes 98 that are through holes extending obliquely rearward with respect to the radial direction are provided in the peripheral wall of the outer wall 95 of the protruding portion 63b.
  • the plurality of second cooling air injection holes 98 are arranged at equal intervals in the circumferential direction and the axial direction of the peripheral wall of the outer wall 95.
  • a cooling air discharge hole 99 that is a through-hole in the axial direction is provided at the center of the tip of the outer wall 95 of the protruding portion 63b. That is, the rectifying projection member 63 is formed at the front end of the support portion 63a, and is formed in the cooling air introduction hole 91 for introducing the air A upstream from the fuel injector 15 into the inside thereof, and the protruding portion 63b thereof.
  • a cooling air discharge hole 99 for discharging the air A introduced into the combustion chamber 11 is provided.
  • the inner space S formed by the support portion 63a and the inner wall 93 of the protrusion 63b and the gap G formed by the inner wall 93 and the outer wall 95 of the protrusion 63b are the first cooling air injection of the inner wall 93. It communicates only through the hole 97.
  • a fitting projection wall 63aa projects from the opening edge of the support portion 63a, and the opening edge 93a of the inner wall 93 is fitted to the inner peripheral side of the fitting projection wall 63aa.
  • the opening edge portion 95a of the outer wall 95 is fitted to the outer peripheral side of the fitting protruding wall 63aa.
  • the protrusion 63b When the protrusion 63b has a single-wall structure with only the outer wall, a part of the air A in the air supply passage 29 flows into the inner space S of the rectifying protrusion member 63 from the cooling air introduction hole 91 and burns as a cooling medium.
  • the projecting portion 63b facing the chamber 11 is discharged from the cooling air discharge hole 99 to the combustion chamber 11 while cooling by convection from the inside.
  • the protruding portion 63b has a double wall structure including the inner wall 93 and the outer wall 95, a part of the air A flowing into the inner space S of the rectifying protrusion 63 from the cooling air introduction hole 91 is a cooling medium.
  • the air A collides with the inner peripheral surface of the outer wall 95, and burns from the cooling air discharge hole 99 through the cooling passage which is the gap G between the inner wall 93 and the outer wall 95 along the inner peripheral surface. It is discharged into the chamber 11.
  • the air A collides with the inner peripheral surface of the outer wall 95 and flows along the inner peripheral surface, whereby the outer wall 95 is impingement cooled from the inside.
  • a part of the air A flowing into the gap G between the inner wall 93 and the outer wall 95 is discharged to the combustion chamber 11 through the second cooling air injection hole 98 of the outer wall 95.
  • the air A blown out from the second cooling air injection hole 98 forms a film layer of air on the surface of the outer wall 95 and effusion cools the outer wall 95 from the outside. In this way, the burnout of the rectifying protrusion member 63 can be prevented. Note that the second cooling air injection hole 98 may be omitted.
  • the outer peripheral surface of the outer wall 95 may be coated with a heat insulating material 100.
  • a heat insulating material 100 ceramics, an alloy having corrosion resistance and heat resistance, Hastelloy-X (Haynes International. Inc .: registered trademark), HA188 (Haynes International. Inc .: registered trademark), or the like is used. Can do.
  • the fuel injector 15 includes the fuel injection member 34 having the plurality of annular portions 33 for fuel injection.
  • the injection annular portion 33 has a large number of fuel injection holes 39 on the outer peripheral surface thereof, so that the fuel F is uniformly injected from the entire surface of the fuel injector 15. Thereby, a fine flame is held at multiple points on the entire surface of the fuel injector 15. Thereby, the occurrence of local high-temperature combustion is prevented and low NOx combustion can be realized.
  • the configuration in which the air A is supplied from the upstream to the fuel F injected from the fuel injection hole 39 prevents the flame from entering the fuel injector 15, thereby suppressing the backfire phenomenon.
  • the combustion device 3 includes a premixing type burner 10 disposed in the downstream area of the combustion chamber 11 and on the peripheral wall of the combustion cylinder 13.
  • the reheating burner 10 is operated in a state in which combustion by the fuel injector 15 that is a main burner is almost completed and high-temperature combustion gas G is generated, so that the reburning burner 10 is injected into the downstream region of the combustion chamber 11.
  • the premixed gas M is burned stably while suppressing generation of NOx by the high-temperature combustion gas G.
  • the reheating burner 10 according to the present embodiment does not require a swirl flow generating mechanism or the like (flame holding mechanism) for forming a backflow region for flame holding, and therefore has high resistance to backfire. Therefore, even when a highly reactive fuel containing hydrogen is used as the fuel for the gas turbine GT, extremely stable combustion is maintained while suppressing the generation of NOx.
  • the fuel F used in the combustion device 3 of the present embodiment is not limited to hydrogen gas, and may be, for example, liquid hydrogen or a mixed fuel of hydrogen gas and other fuel gas (natural gas, CO, etc.). Furthermore, other fuel gas not containing hydrogen (natural gas, CO, etc.) may be used.
  • the can-type combustion apparatus 3 has been described as an example. However, the above-described configuration can also be applied to an annular-type combustion apparatus.
  • FIG. 11 and 12 show an embodiment in which the present invention is applied to a forward flow type annular combustion apparatus
  • FIG. 13 shows an embodiment in which the present invention is applied to a reverse flow type annular combustion apparatus.
  • the combustion apparatus 3 includes a combustion cylinder 13 that forms a combustion chamber 11 inside, a fuel injection member 34 that is provided at the top of the combustion cylinder 13 and includes a plurality of fuel injection annular portions 33, and combustion An air guide member 36 including a plurality of combustion air annular portions 35 for guiding air is provided, and the fuel injection annular portions 33 and the combustion air annular portions 35 are alternately arranged concentrically, and fuel is supplied to the combustion chamber 11.
  • the fuel injection annular portion 33 has a plurality of fuel injection holes 39 opened in the radial direction R, and the combustion air annular portion 35 extends in the axial direction.
  • a plurality of air guide grooves 41 that open and guide the air A to the fuel F injected from the fuel injection holes 39 are provided.
  • the combustion cylinder 13 is constituted by a cylindrical inner wall 101 and an outer wall 103 arranged concentrically with the inner wall on the outer side of the inner wall 101.
  • the space between the outer wall 103 and the outer wall 103 forms an annular combustion chamber 11.
  • Air A compressed by the compressor 1 (FIG. 1) is introduced into the annular combustor housing H from the front through the diffuser 105 and is further supplied to the fuel injector 15.
  • the front of the fuel injector 15 is covered with an air rectifying cowl 107 that is an air rectifying mechanism.
  • the air rectifying cowl 107 is an annular member having a cross-sectional shape that bulges forward, and a plurality of holes through which the air A passes are formed.
  • the combustion cylinder 13 is composed of a cylindrical inner wall 101 and an outer wall 103 arranged concentrically with the inner wall on the outer side of the inner wall 101. A space between 101 and the outer wall 103 forms an annular combustion chamber 11.
  • the air A compressed by the compressor 1 passes from the rear through the air introduction passage 25 formed between the housing H and the combustion cylinder 13 and then is supplied to the fuel injector 15.
  • the front of the fuel injector 15 is covered with an air rectifying cowl 107 that is an air rectifying mechanism.
  • the air rectifying cowl 107 is an annular member having a cross-sectional shape that bulges forward, as in the example shown in FIG. 12, and has a number of holes through which air passes.
  • Combustion device 10 Reheating burner 11 Combustion chamber 13 Combustion cylinder 15 Fuel injector 33 Fuel injection annular portion 34 Fuel injection member 35 Combustion air annular portion 36 Air guide member 39 Fuel injection hole 41 Air guide groove A Air C Combustor axis F Fuel

Landscapes

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Abstract

　当該燃焼装置は、内側に燃焼室（１１）を形成する燃焼筒（１３）と、前記燃焼筒の頂部に設けられ、複数の燃料噴射用環状部（３３）を含む燃料噴射部材（３４）および燃焼用の空気を案内する複数の燃焼空気用環状部（３５）を含む空気ガイド部材（３６）を有し、前記燃料噴射用環状部と前記燃焼空気用環状部とが同心状に交互に配置され、前記燃焼室に燃料（Ｆ）と空気（Ａ）を噴射する燃料噴射器（１５）と、前記燃焼室の下流域であって、前記燃焼筒の周壁に配置された追い焚きバーナ（１０）とを備え、前記燃料噴射用環状部は、その径方向に開口する複数の燃料噴射孔（３９）を有し、その軸心方向に開口し、前記燃焼噴射孔から噴射される燃料に対して空気を案内する複数の空気ガイド溝（４１）を有する。

Description

ガスタービンエンジンの燃焼装置 関連出願
　本出願は、２０１４年５月３０日出願の特願２０１４－１１３２６９の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部を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に使用される燃焼装置に関する。
　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。そこで、近年では、ＮＯｘ発生量を効果的に低減させる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（特許文献１）。
　予混合燃焼方式を採り入れた場合、空気と燃料とを予め混合して燃料濃度を均一化した希薄な予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。
特開平８－２１０６４１号公報
　一方で、予混合燃焼方式では、希薄な燃料による燃焼を保持するために、燃焼室内に強い旋回流を生じさせ逆流領域を形成することで保炎を行っているため、燃焼室で発生した火炎が予混合通路に伝播する逆火現象が生じやすい。近年、燃料に水素を利用するガスタービンエンジンが提案されているが、水素を含む反応性の高い燃料を使用するガスタービンエンジンでは、逆火現象が特に生じやすい。
　そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決するために、局所的な高温燃焼を防止してＮＯｘの発生を抑制し、かつ逆火現象を防止して安定的に火炎を保持できるガスタービンエンジンの燃焼装置を提供することにある。
　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設けられ、複数の燃料噴射用環状部を含む燃料噴射部材および燃焼用空気を案内する複数の燃焼空気用環状部を含む空気ガイド部材を有し、前記燃料噴射用環状部と前記燃焼空気用環状部とが同心状に交互に配置され、前記燃焼室に燃料と空気を噴射する燃料噴射器と、前記燃焼室の下流域であって、前記燃焼筒の周壁に配置された追い焚きバーナと、を備え、前記燃料噴射用環状部は、その径方向に開口する複数の燃料噴射孔を有し、前記燃焼空気用環状部は、その軸心方向に開口し、前記燃料噴射孔から噴射される燃料に対して空気を案内する複数の空気ガイド溝を有する。
　この構成によれば、燃料噴射部材に形成された多数の燃料噴射孔から燃料が噴射され、微細な火炎が多点で保持される。また、燃料噴射孔から径方向に噴射された燃料が軸心方向に流れる空気によって９０°偏向されるので、燃料噴射器外での混合が促進される。これにより、局所的な高温燃焼が防止され、低ＮＯｘ燃焼が実現できる。また、燃料噴射孔から噴射された燃料に対して上流から空気が供給されるという構成によって、火炎が燃料噴射器の内部に入り込むことがないため、逆火現象が抑制される。
　更に、燃焼室の下流域の燃焼反応が進んだ領域に、追い焚きバーナを設けることにより、負荷変動への対応を実現できる。
　したがって、ガスタービンエンジンの燃料として、例えば水素を含む反応性の高い燃料を使用する場合にも、ＮＯｘの発生を抑制しながら、極めて安定した燃焼が維持される。
　本発明の一実施形態において、前記追い焚きバーナは、燃料と空気とを混合撹拌する予混合室を有し、前記予混合室で生成された予混合気を前記燃焼室内へ噴射するように構成されていることが好ましい。この構成によれば、燃焼室の下流域の燃焼反応が進んだ領域に、予混合式の追い焚きバーナを設けることにより、追い焚きバーナにおける逆火現象の発生を抑制しつつ、ＮＯｘのより一層の発生抑制を実現できる。
　本発明の一実施形態において、さらに、前記燃料噴射器の上流に設けられ、前記空気ガイド部材に供給される空気を整流する空気整流機構を備えていることが好ましい。この構成によれば、燃焼噴射部に対して均一な空気流が供給されるので、さらに燃焼が均一化することによってＮＯｘ発生が抑制されるとともに、より確実に逆火現象を防止できる。
　本発明の一実施形態において、燃焼装置の軸心上に設けられ、前記燃料噴射器を貫通して前記燃焼室に向かって突出する整流突起部材をさらに備えていることが好ましい。この構成によれば、燃料噴射器の径方向内側部分から噴射される燃料と空気によって形成される火炎が安定化されるので、燃焼が安定的に保持される。
　本発明の一実施形態において、前記整流突起部材は、支持部と、この支持部から前記燃焼室内に突出する突出部とを含み、前記支持部に形成されて、空気を前記整流突起部材の内部に導入する冷却空気導入孔と、前記突出部に形成されて、前記整流突起部材の内部に導入された空気を前記燃焼室に排出する冷却空気排出孔とを有することが好ましい。上記構成によれば、燃焼用空気の一部を利用して、突出部を内方から対流冷却によって冷却することができる。
　本発明の一実施形態において、前記燃料噴射用環状部は中空状に形成されており、前記燃料噴射用環状部内の中空空間が、燃料を周方向に流通させる環状の燃料流通路を形成していることが好ましい。燃料噴射用環状部の燃焼室に面した部分は、燃焼室内の火炎による高温に曝されるが、上記構成によれば、燃料噴射用環状部の内部に燃料が流れる環状の燃料流通路が形成されるため、高温に曝される当該部分は燃料流通路を流れる燃料によって効率的に冷却される。
　本発明の一実施形態において、前記燃料噴射用環状部は、前記燃焼室側に位置し、前記燃料噴射孔と連通する第１燃料流通路と、前記燃焼室とは反対側に位置し、前記燃料噴射孔から噴射される燃料が供給される第２燃料流通路と、前記第２燃料流通路内の燃料を前記第１燃料流通路の前記燃焼室側の壁面へ噴射する噴射ノズルと、を有することが好ましい。上記構成によれば、燃料を利用して、燃料噴射用環状部の燃焼室に面した壁を内方からインピンジメント冷却によって冷却することができる。
　本発明の一実施形態において、前記燃料噴射部材に燃料を供給する、多管式構造の燃料供給母管を有し、この燃料供給母管は、前記複数の燃料噴射用環状部の第１環状群に燃料を供給する第１供給通路と、前記複数の燃料噴射用環状部の第２環状群に燃料を供給する第２供給通路とを有することが好ましい。この構成によれば、燃料噴射部材のうち、燃料供給を行う燃料噴射用環状部と燃料供給を行わない燃料噴射用環状部とに分けることができるので、定格負荷から部分負荷までの出力変化に対応した運転（ステージング燃焼）が可能となる。
　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。
　この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
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の概略構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る燃焼装置を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る燃焼装置を示す断面図である。 図２の燃焼装置に使用される燃料噴射器を示す正面図である。 図２の燃焼装置に使用される燃料噴射器の一部を拡大して示す正面図である。 図５Ａの燃料噴射器の一変形例を示す正面図である。 図２の燃焼装置に使用される空気整流板の一例を示す斜視図である。 図２の燃焼装置に使用される空気整流板の他の例を示す斜視図である。 図２の燃焼装置に使用される空気整流板の他の例を示す斜視図である。 図２の燃焼装置に使用される空気整流板の他の例を示す斜視図である。 図２の燃焼装置の空気整流機構の一変形例を示す斜視図である。 図２の燃焼装置の空気整流機構の他の変形例を示す斜視図である。 図２の燃焼装置に使用される燃料噴射器を示す縦断面図である。 図２の燃焼装置に使用される燃料噴射器の変形例を示す縦断面図である。 図２の燃焼装置に使用される整流突起部材の内部構造を示す縦断面図である。 本発明をアニュラー式燃焼装置に適用した一実施形態に係る燃焼装置を示す断面図である。 図１１の燃焼装置の部分破断斜視図である。 本発明をアニュラー式燃焼装置に適用した他の実施形態に係る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説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
　図１に、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（以下、単にガスタービンと称する。）ＧＴの概略構成を示す。ガスタービンＧＴでは、導入した空気を圧縮機１で圧縮して燃焼装置３に導き、燃料を燃焼装置３内に噴射して前記空気とともに燃焼させ、得られた高温高圧の燃焼ガスによりタービン５を駆動する。タービン５は圧縮機１に回転軸７を介して連結されており、タービン５によって圧縮機１が駆動される。このガスタービンＧＴの出力により、航空機のロータまたは発電機などの負荷Ｌを駆動する。本実施形態では、燃焼装置３に噴射される燃料として水素ガスを用いている。以下の説明において、ガスタービンＧＴの軸心方向における圧縮機１側を「前側」と呼び、タービン５側を「後側」と呼ぶ。
　図２は燃焼装置３を示す部分破断斜視図である。この燃焼装置３は、ガスタービンＧＴの軸心の周りに環状に複数個配置されるキャン型の燃焼装置である。燃焼装置３は、内側に燃焼室１１を形成する燃焼筒１３と、燃焼筒１３の頂部１３ａに取り付けられて燃焼室１１に燃料と空気を噴射する燃料噴射器１５とを備えている。燃料噴射器１５から噴射された燃料と空気に、燃焼筒１３に設けられた点火プラグＰで点火することにより、燃焼室１１内に火炎が形成される。これら燃焼筒１３および燃料噴射器１５は、燃焼装置３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の前端にはエンドカバー１７がボルト１９により固定されている。図３に示すように、エンドカバー１７に、燃焼筒１３から筒状に延びる支持筒２１がボルト等で連結固定されることにより、燃焼筒１３の頂部１３ａがハウジングＨに取り付けられている。
　本実施形態では、燃焼装置３は空気Ａと燃焼ガスＧとの流動方向が逆向きの逆流型として構成されている。すなわち、燃焼装置３は、ハウジングＨと燃焼筒１３および支持筒２１との間に形成された空気導入通路２５を有しており、この空気導入通路２５は、圧縮機１（図１）で圧縮された空気Ａを、燃焼室１１内の燃焼ガスＧの流動方向と逆方向に導く。なお、燃焼装置３は、空気Ａと燃焼ガスＧとの流動方向が同じ向きの軸流型であってもよい。支持筒２１の周壁の前端部には、複数の空気導入孔２７が周方向に並べて設けられている。空気導入通路２５を通って送られてきた空気Ａは、空気導入孔２７を通って、支持筒２１の内方に形成された空気供給通路２９に導入される。空気供給通路２９に導入された空気Ａは、後方、すなわち燃料噴射器１５の方向へ送られる。また、空気供給通路２９の中心部には、燃焼装置３の軸心Ｃに沿って延びる燃料供給母管３１が設けられている。燃料供給母管３１から、後述する燃料噴射部材３４の燃料噴射用環状部３３へと、燃料Ｆが供給される。空気供給通路２９および燃料供給母管３１の構成については後に詳述する。
　燃焼装置３は、燃焼室１１の下流域であって、燃焼筒１３の周壁に配置された、予混合式の追い焚きバーナ１０を備えている。追い焚きバーナ１０は、周方向に等間隔に複数（例えば４つ）設けられている。圧縮機１（図１）から空気導入通路２５を通って送られてきた空気Ａと、燃料供給系統（追い焚き用燃料供給路３２）から送られてくる燃料Ｆとが、追い焚きバーナ１０に導入される。本実施形態において、追い焚きバーナ１０は予混合式であり、空気Ａと燃料Ｆとを混合撹拌するための予混合室１０ａを有している。図３に示されるように、追い焚きバーナ１０においては、空気Ａは追い焚きバーナ１０の側周面から予混合室１０ａに導入され、燃料Ｆは燃料供給系統から追い焚き用調整弁７２を介して追い焚きバーナ１０内に形成された燃料室１０ｂに一時導入された後に、燃料噴射孔１０ｃから予混合室１０ａに導入される。燃料噴射孔１０ｃは、その先端が予混合室１０ａ内に突出する燃料噴射ノズルとして設けられてもよい。これにより、追い焚きバーナ１０の予混合室１０ａにおいて空気Ａと燃料Ｆとの予混合気Ｍが生成される。予混合室１０ａで生成された予混合気Ｍは、燃焼室１１の下流域に噴射される。
　追い焚きバーナ１０は、メインバーナである燃料噴射器１５による燃焼が概ね完了し高温の燃焼ガスＧが発生している状態で作動されるため、追い焚きバーナ１０から燃焼室１１の下流域に噴射される予混合気Ｍは、高温の燃焼ガスＧによって、ＮＯｘの発生を抑制しながら、安定して燃焼する。また、本実施形態における追い焚きバーナ１０は保炎用の逆流領域を形成するための旋回流発生機構等（保炎機構）を必要としないため、逆火に対する耐性が高い。そのため、通常では予混合燃焼としては利用が困難な水素であっても、逆火の心配なく、追い焚きバーナ１０の燃料として利用可能である。なお、追い焚きバーナ１０は予混合式に限らず、拡散燃焼式であってもよい。
　図４に示すように、燃料噴射器１５は、複数の燃料噴射用環状部３３を有する燃料噴射部材３４および複数の燃焼空気用環状部３５を有する空気ガイド部材３６を備えている。本実施形態では、径寸法が互いに異なる４つの燃料噴射用環状部３３が、互いに同心状に、かつ燃焼装置３（図２）と同心状に配置されている。また、径寸法が互いに異なる５つの燃焼空気用環状部３５が、互いに同心状に、かつ燃焼装置３（図２）と同心状に配置されている。更に、燃料噴射用環状部３３と燃焼空気用環状部３５とは、それぞれの中心軸を同一として交互に配置されている。つまり、燃料噴射用環状部３３と燃焼空気用環状部３５とは、同心状に交互に配置されている。また、本実施形態では、燃料噴射器１５は、４つの燃料噴射用環状部３３と５つの燃焼空気用環状部３５を有しているが、これらの数は適宜変更可能であり、例えば、３つの燃料噴射用環状部３３と４つの燃焼空気用環状部３５としても良い。
　本実施形態では、４つの燃料噴射用環状部３３および５つの燃焼空気用環状部３５は同一の軸心方向位置に設けられている（図３）。もっとも、４つの燃料噴射用環状部３３および５つの燃焼空気用環状部３５の軸心方向位置は互いにずれていてもよい。例えば、４つの燃料噴射用環状部３３の軸心方向位置が順に前後にずれるように配置してもよく、５つの燃焼空気用環状部３５の軸心方向位置は、対応する燃料噴射用環状部３３の軸心方向位置に合わせて、順に前後にずれるように配置してもよい。
　図５に示すように、燃料噴射部材３４の燃料噴射用環状部３３には、径方向Ｒに開口する燃料噴射孔３９が周方向Ｑに複数設けられている。各燃料噴射孔３９から燃料Ｆが噴射される。また、図８に示すように、燃料噴射部材３４の燃料噴射用環状部３３は、断面外形がほぼ矩形に形成されており、燃焼室１１に面する後壁３３ａが、軸心Ｃ方向に垂直となるよう配置されている。図示の例では、燃料噴射孔３９は、燃料噴射部材３４の燃料噴射用環状部３３の外径側および内径側のいずれにも設けられている。換言すれば、燃料噴射孔３９は、燃料噴射用環状部３３の外周壁および内周壁のそれぞれに、外周壁および内周壁を径方向Ｒに貫通する貫通孔として設けられている。もっとも、燃料噴射孔３９は、燃料噴射部材３４の外径側および内径側のいずれか一方のみに設けられていてもよい。また、燃料噴射孔３９は、径方向Ｒに対して軸心Ｃ方向に、－１０°から＋８０°までの範囲で傾斜していてもよい。ここで、径方向Ｒに対して軸心Ｃ方向上流側に燃料噴射孔３９が傾斜する場合の傾斜角をマイナスの傾斜角とし、径方向Ｒに対して軸心Ｃ方向下流側に燃料噴射孔３９が傾斜する場合の傾斜角をプラスの傾斜角とする。
　空気ガイド部材３６は、燃料噴射部材３４の燃料噴射孔３９から噴射された燃料Ｆに対して空気Ａを案内する。より具体的には、空気ガイド部材３６は、燃料Ｆに対して、空気Ａを空気供給通路２９の上流側から軸心Ｃ方向に案内する。空気ガイド部材３６は、円環板状の複数の燃焼空気用環状部３５を有している。燃料噴射部材３４の燃料噴射用環状部３３と空気ガイド部材３６の燃焼空気用環状部３５とは、それぞれの中心軸を同一として交互に配置されている。図５に示すように、各空気ガイド部材３６の燃焼空気用環状部３５には、燃料噴射部材３４の各燃料噴射孔３９に対応する周方向位置に、径方向に凹む空気ガイド溝４１が形成されている。すなわち、図示の例では、燃料噴射部材３４の燃料噴射用環状部３３の径方向外側に位置する空気ガイド部材３６の燃焼空気用環状部３５の内径側に、径方向外方に凹む空気ガイド溝４１が形成されており、燃料噴射用環状部３３の径方向内側に位置する燃焼空気用環状部３５の外径側に、径方向内方に凹む空気ガイド溝４１が形成されている。
　図４に示すように、本実施形態では、２つの燃料噴射用環状部３３の間に、１つの燃焼空気用環状部３５を配置し、この燃焼空気用環状部３５の外径側および内径側の両方に空気ガイド溝４１を設けている。したがって、燃料噴射器１５は、４つの燃料噴射用環状部３３を有する燃料噴射部材３４と、５つの燃焼空気用環状部３５を有する空気ガイド部材３６と、を備えている。具体的には、最外周側の燃料噴射用環状部３３の外周側に配置される燃焼空気用環状部３５，４つの燃料噴射用環状部３３の各間に配置される３つの燃焼空気用環状部３５および最内径側の燃料噴射用環状部３３の内周側に配置される燃焼空気用環状部３５が設けられている。空気ガイド部材３６のうち最外周に配置された燃焼空気用環状部３５の外周は、環状の支持リング部材４３によって覆われている。図２に示すように、支持リング部材４３を燃焼筒１３に連結することにより、燃料噴射器１５が燃焼筒１３に支持される。
　図８、９に示すように、空気ガイド部材３６は、燃料噴射部材３４の燃料噴射孔３９よりも前側、すなわち空気Ａの流れ方向における上流側に配置されている。このように、各燃料噴射孔３９から噴射される燃料Ｆに対して上流から空気Ａを軸心Ｃ方向に案内するように空気ガイド部材３６を設けることにより、燃料Ｆと空気Ａとが互いにほぼ直交する向きで交わることとなり、燃料噴射器１５外にて燃料Ｆと空気Ａを均一に混合させることができる。
　なお、図５Ｂに本実施形態の変形例として示すように、空気ガイド部材３６の各燃焼空気用環状部３５に、複数の冷却孔４５が設けられていてもよい。複数の冷却孔４５は、燃焼空気用環状部３５の周方向に等間隔に配置されている。冷却孔４５は、燃焼空気用環状部３５を前側から後側へ貫通する、断面がほぼ円形の貫通孔として形成されている。図示の例では、各冷却孔４５は、燃焼空気用環状部３５内を周方向に傾斜して延びるように形成されている。したがって、燃焼空気用環状部３５表面における冷却孔４５の開口の形状は、周方向に長い楕円形状となっている。このように、燃焼空気用環状部３５に冷却孔４５を設けた場合、空気供給通路２９（図３）を流れてきた空気Ａが、冷却孔４５を通った後に、燃焼空気用環状部３５の燃焼室側表面に吹き出して、周方向に沿って空気のフィルム層を形成し、この表面をエフュージョン冷却する。なお、冷却孔４５は、周方向に傾斜していることが好ましいが、傾斜方向はこれに限定されない。また、冷却孔４５は必ずしも傾斜していなくともよく、軸心方向に平行に延びる貫通孔であってもよい。
　図２に示すように、空気供給通路２９には、空気導入孔２７から空気供給通路２９に導入された空気Ａを空気ガイド部材３６へ向かう均一な流れに整流する空気整流機構として空気整流板４７が設けられている。空気整流板４７は、円板状の部材であり、軸心方向に貫通する貫通孔４９を複数有している。空気整流板４７は、図３の支持筒２１の内径に一致する外径を有するとともに、中心部に燃料供給母管３１の外径に一致する内径の嵌合孔５１を有している。本実施形態では、空気整流板４７の嵌合孔５１から、燃料供給母管３１の外周面に嵌合する筒状の嵌合部５３が軸心Ｃ方向前方に突設されている。空気整流板４７は、嵌合部５３の前端に設けられたフランジ５５を介してエンドカバー１７に整流板ボルト５７によって連結固定されている。
　図示の例では、空気整流板４７は、同一径の円形の貫通孔４９を複数有している。より詳細には、これら複数の貫通孔４９は、空気整流板４７の同一の径方向位置に周方向に沿って等間隔に配列された環状の貫通孔４９の列が、径方向に等間隔に複数列設けられた状態に配置されている。つまり、空気整流板４７は、同一円周上に等間隔に配置された環状の貫通孔４９の列を有し、その列はその中心を同一として複数設けられている。図６Ａに、前記空気整流板４７、嵌合部５３およびフランジ５５からなる空気整流機構を示す。
　もっとも、空気整流板４７における複数の貫通孔４９の形状、数および配置は図６Ａの態様に限定されず、適宜設定してよい。例えば、図６Ｂに示すように、空気整流板４７の内周縁部および外周縁部には、多数の同一径の円形の貫通孔４９からなる列を設け、内周縁部および外周縁部との中間部に、より大径の円形の貫通孔４９からなる列を設けてもよい。また、図６Ｃに示すように、空気整流板４７の内周縁部に多数の同一径の円形の貫通孔４９からなる列を設け、その外周側に、その長径方向が空気整流板４７の径方向と一致する長円形の貫通孔４９の列を設けてもよい。また、図６Ｄに示すように、その長径方向が空気整流板４７の径方向と一致する長円形の貫通孔４９の列のみを設けてもよい。
　空気整流板４７における貫通孔の形状、数および配置をどのように設定する場合にも、空気整流板４７全体の面積に対する全貫通孔４９の合計面積の割合（開孔率）は、整流効果と圧力損失のバランスを考慮して、２０～５０％の範囲にあることが好ましく、３０～４０％の範囲にあることがより好ましい。
　また、空気導入孔２７から空気供給通路２９に導入された空気Ａを燃料噴射器１５へ向かう均一な流れに整流する空気整流機構として、空気整流板４７の代わりに、図７Ａ，７Ｂに示すように、整流ダクト６１を設けてもよい。図７Ａは、空気導入孔２７の上流側から燃料噴射器１５まで、下流側に向かって縮径となるように延びた整流ダクト６１ａと、空気導入孔２７の下流側から燃料噴射器１５まで、下流側に向かって拡径となるように延びた整流ダクト６１ｂと、を有する整流ダクト６１を示している。図７Ｂは、空気導入孔２７の上流側から燃料噴射器１５まで、下流側に向かって縮径となるように延びた整流ダクト６１ａと、空気導入孔２７の中心位置から燃料噴射器１５まで、下流側に向かって縮径となるように延びた整流ダクト６１ｃと、空気導入孔２７の下流側から燃料噴射器１５まで、下流側に向かって縮径となるように延びた整流ダクト６１ｄと、を有する整流ダクト６１を示している。空気整流機構として空気整流板４７や整流ダクト６１を設けることにより、燃料噴射器１５に対して均一な空気流が供給されるので、均一な燃焼によってＮＯｘ発生が抑制されるとともに、確実に逆火現象を防止できる。
　また、図３に示すように、燃焼装置３には、その軸心Ｃ上に位置し、燃料噴射器１５を貫通して燃焼室１１に向かって突出する整流突起部材６３が設けられている。整流突起部材６３は、空気供給通路２９内に位置し、円筒形状を有する支持部６３ａと、燃焼室１１内に位置する突出部６３ｂとからなる。図示の例では、整流突起部材６３は燃料噴射器１５に取り付けられているが、燃料供給母管３１に取り付けられてもよい。いずれの場合も、整流突起部材６３の支持部６３ａの前端（燃料供給母管３１側の端部）は燃料噴射器１５よりも上流に位置している。突出部６３ｂは、その先端部がほぼ半球状に形成されている。整流突起部材６３は省略してもよいが、整流突起部材６３を設けることにより、燃焼室１１内の軸心Ｃ位置付近において、燃料噴射器１５の径方向内側に位置する燃料噴射用環状部３３から噴射される燃料と、燃焼空気用環状部３５から供給される空気とによって形成される火炎が安定的に保持される。
　なお、燃料噴射器１５を構成する燃料噴射部材３４、空気ガイド部材３６、支持リング部材４３および整流突起部材６３は、一体的に形成してもよく、それぞれ別体に形成したうえで、例えば径方向にピンを挿通することにより互いに連結してもよい。
　次に、燃焼装置３における燃料噴射部材３４への燃料供給構造について説明する。本実施形態の燃焼装置３は、燃料噴射部材３４の各燃料噴射用環状部３３に独立に燃料Ｆを供給可能な複数の燃料供給路を有している。具体的には、燃料供給母管３１と各燃料噴射用環状部３３とは、互いに独立に分岐する複数の分岐燃料供給管６６によって接続されている。燃料供給母管３１は、複数（図示の例では２つ）の円筒管、つまり内側の第１燃料供給管６４と、その外側に配置された第２燃料供給管６５とを同心状に重ねた多管式構造（二重管構造）を有している。第１燃料供給管６４の内方空間が、第１燃料供給路６７を形成し、第１燃料供給管６４と第２燃料供給管６５との間の空間が、第２燃料供給路６９を形成している。外部から、燃料供給母管３１内の各燃料供給路６７，６９に導入された燃料Ｆは、各分岐燃料供給管６６内に形成された燃料供給路を通って各燃料噴射用環状部３３へ供給される。本実施形態では、第１燃料供給路６７を通った燃料Ｆは、第１燃料供給管６４に接続された２つの分岐燃料供給管６６を介して、複数の燃料噴射用環状部３３のうちの内径側に配置された２つの燃料噴射用環状部３３（以下、「第１環状部群」という。）へ供給され、第２燃料供給路６９を通った燃料Ｆは、第２燃料供給管６５に接続された２つの分岐燃料供給管６６を介して、複数の燃料噴射用環状部３３のうちの外径側に配置された２つの燃料噴射用環状部３３（以下、「第２環状部群という。」）へ供給される。第１燃料供給路６７の、ハウジングＨの外部に延設された上流部６７ａと、第２燃料供給路６９、ハウジングＨの外部に延設された上流部６９ａには、それぞれ、燃料流量を調節できる調節弁７１が設けられている。各燃料供給路６７，６９の調節弁７１の開度を調節することにより、燃料噴射用環状部３３の各環状部群へ供給される燃料Ｆの流量を独立に制御することができる。
　なお、それぞれ独立に燃料Ｆが供給される単位となる環状部群を構成する燃料噴射用環状部３３の数は、上記の例に限定されない。例えば、１つの燃料噴射用環状部３３がそれぞれ１つの環状部群を構成（計４つの環状部群を構成）してもよく、内径側の２つの燃料噴射用環状部３３で１つの環状部群を構成し、外径側の２つの燃料噴射用環状部３３が、それぞれ１つの環状部群を構成（計３つの環状部群を構成）してもよい。構成される環状部群の数に対応して、燃料供給路の数および調節弁の数が設定される。
　このような燃料供給構造とすることにより、ガスタービンＧＴの負荷に応じて燃料噴射部材３４の各燃料噴射用環状部３３への燃料供給量を独立に制御できる。つまり、燃料噴射部材３４のうち、燃料供給を行う燃料噴射用環状部３３と燃料供給を行わない燃料噴射用環状部３３とに分けることができるので、定格負荷から部分負荷までの出力変化に対応した運転（ステージング燃焼）が可能となる。本実施形態のように、燃料Ｆを燃料噴射部材３４の多数の燃料噴射孔３９に分散させて噴射する場合には、すべての燃料噴射用環状部３３から平均的に燃料供給量を変化させるよりも、作動させる燃料噴射用環状部３３と作動しない燃料噴射用環状部３３を選択することによって負荷変動に対応することが、安定的かつ低ＮＯｘ燃焼のために効果的である。本実施形態では、１つの燃料供給源（図示せず）から複数の燃料供給路６７，６９を分岐させて、各燃料供給路６７，６９に設けた調節弁７１によって燃料供給量を独立に制御するが、複数の燃料供給源から独立に各燃料供給路６７，６８に燃料Ｆを供給するように構成してもよい。
　なお、燃料噴射部材３４の各燃料噴射用環状部３３に接続される分岐燃料供給管６６の数は、各燃料噴射用環状部３３の燃料噴射量に応じて適宜設定してよい。例えば、内径側に配置された燃料噴射用環状部３３に接続される分岐燃料供給管６６の数を少なくし、外径側に配置された燃料噴射用環状部３３に接続される分岐燃料供給管６６の数を多くすることが好ましい。一つの燃料噴射用環状部３３に複数の分岐燃料供給管６６を接続する場合、その燃料噴射用環状部３３における接続位置は、周方向に等間隔であることが好ましい。
　また、燃料供給母管３１の多管式構造は、複数の管を用いて互いに独立した複数の燃料供給路を形成できるのであれば、図３の例に限らない。例えば、１つの大径の母管の中に、これより小径の同一径の複数の燃料供給管を平行に延設した多管式構造でもよい。もっとも、本実施形態のように、燃料供給母管３１を互いに異なる径を有する複数の燃料供給管を同心状に重ねた多管式構造として、最内径側の燃料供給管の内方空間および各管の間の空間を燃料供給路とした場合は、より大量の燃料を要する外径側の燃料噴射用環状部３３に供給する外径側の燃料供給路（図３の例では第２燃料供給路６９）の流路面積を大きくし、より小量の燃料を要する内径側の燃料噴射用環状部３３に供給する内径側の燃料供給路（図３の例では第１燃料供給路６７）の流路面積を小さく設定することが容易となる。
　次に、燃焼室１１に面して燃焼室１１の高温に曝される部材である燃料噴射部材３４および整流突起部材６３の内部冷却構造、または防熱構造について説明する。
　燃料噴射部材３４については、上述のように、燃料噴射部材３４の燃焼室１１に面する後壁３３ａが、軸心Ｃ方向に垂直に設けられている。図８に示すように、空気ガイド部材３６は、燃料噴射部材３４の燃料噴射孔３９から噴射された燃料Ｆに対して上流側から供給される空気Ａを軸心Ｃ方向に案内する。燃料噴射用環状部３３は中空状に形成されており、この中空空間が、燃料噴射用環状部３３内に燃料Ｆを周方向に流通させる環状の燃料流通路７３を形成している。つまり、燃料噴射部材３４の後壁３３ａと環状の燃料流通路７３の内壁の一部とは同じ壁であって、燃焼室側の璧面が後壁面３３ａｂ、燃料流通路側の壁面が内壁面３３ａａとなっている。
　分岐燃料供給管６６は、燃料噴射部材３４の前壁（空気供給通路２９側の壁）３３ｂ側から環状の燃料流通路７３ａに、燃料Ｆを供給するように接続されている。燃料噴射部材３４の燃料噴射用環状部３３の内部には、燃焼装置３の軸心Ｃ方向に区画された２つの環状の燃料流通路７３ａ、７３ｂが形成されている。すなわち、燃料噴射用環状部３３の内部には、後側（燃焼室１１側）に位置して燃料噴射孔３９に燃料Ｆを供給する下流側燃料流通路７３ｂ（第１燃料流通路）と、前側（空気供給通路２９側）に位置して燃料Ｆが直接供給される上流側燃料流通路７３ａ（第２燃料流通路）とが形成されている。
　上流側燃料流通路７３ａと下流側燃料流通路７３ｂとを区画する環状の第１区画壁７７には、上流側燃料流通路７３ａから下流側燃料流通路７３ｂへと燃料を導く貫通孔が周方向に並んで複数設けられている。この貫通孔が、２つの燃料流通路７３ａ、７３ｂを連通させ、燃料Ｆを上流側燃料流通路７３ａから下流側燃料流通路７３ｂへ送給する送給孔７９として機能する。分岐燃料供給管６６から上流側燃料流通路７３ａへ導入された燃料Ｆは、上流側燃料流通路７３ａを周方向に流れながら、送給孔７９を通って順次下流側燃料流通路７３ｂ内へ流入する。送給孔７９から下流側燃料流通路７３ｂへ流入した燃料Ｆは、後壁３３ａの内壁面３３ａａに衝突して下流側燃料流通路７３ｂ内を周方向に流れながら、燃料噴射孔３９へ導かれる。このように、燃料噴射部材３４の燃料噴射用環状部３３内部を、燃焼装置３の軸心Ｃ方向に上流側燃料流通路７３ａと下流側燃料流通路７３ｂとに区画することにより、燃料Ｆが周方向に均一に分布した状態で燃料噴射孔３９へ供給される。
　また、下流側燃料流通路７３ｂへ流入した燃料Ｆが後壁３３ａの内壁面３３ａａに衝突することにより、燃料Ｆが後壁３３ａをインピンジメント冷却する。図示の例では、第１区画壁７７に、後方へ突出するノズル壁８１を周方向に延設し、このノズル壁８１内に、送給孔７９を周方向に複数設けている。ノズル壁８１は、上流側燃料流通路部７３ａ内の燃料Ｆを下流側燃料流通路部７３ｂの燃焼室１１側の壁面である背面３３ａａへ噴射する噴射ノズルを形成する。つまり、燃料噴射用環状部３３は、燃焼室１１側に位置し、燃料噴射孔３９と連通する下流側燃料流通路７３ｂと、燃焼室１１とは反対側に位置し、燃料噴射孔３９から噴射される燃料Ｆが供給される上流側燃料流通路７３ａと、上流側燃料流通路７３ａ内の燃料Ｆを下流側燃料流通路７３ｂの燃焼室１１側の内壁面３３ａａへ噴射する噴射ノズルと、を有する。これにより、燃料Ｆが下流側燃料流通路７３ｂの燃焼室１１側の内壁面３３ａａへ噴き付けられ、内壁面３３ａａがインピンジメント冷却によって冷却される、つまり、後壁３３ａが燃料Ｆによってきわめて効果的に冷却される。なお、噴射ノズルは、ノズル壁８１を必ずしも有さなくてもよく、第１区画壁７７内に形成された絞りノズルであってもよい。さらに、燃料Ｆが送給孔７９から噴射される後壁３３ａの内壁面３３ａａから燃料噴射孔３９までの流通経路の中途に、周方向に延びる突壁８３を後壁３３ａの内壁面３３ａａに突設することにより、燃料Ｆが下流側燃料流通路７３ｂ内を流れることによる対流冷却の効果を一層高めている。
　また、燃料噴射部材３４の燃料噴射用環状部３３内に設けられる燃料流通路７３の形状としては、図９に示す変形例のように、一つの燃料流通路７３のみを設けてもよい。この場合は、燃料Ｆを利用して、燃料噴射用環状部３３の燃焼室１１に面した後壁３３ａを内方（内壁面３３ａａ側）から対流冷却によって冷却することができる。
　また、各分岐燃料供給管６６から供給される燃料Ｆが燃料流通路７３内をほぼ均等に流れ、対流冷却の効果を十分に発揮できるように、燃料Ｆが燃料流通路７３から燃料噴射孔３９に導かれる途中に第２区画壁８７を設けてもよい。つまり、環状の燃料流通路７３は、外周側区画壁８７ａと内周側区画壁８７ｂとによって、３つの環状の空間に分割されていてもよい。
　更に、後壁３３ａの後壁面３３ａｂに遮熱板８５を設けてもよい。遮熱板８５を形成する材質としては、例えば、耐腐食性及び耐熱性を有する合金であるＨａｓｔｅｌｌｏｙ－Ｘ（Ｈａｙｎｅｓ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ．Ｉｎｃ．：登録商標）、ＨＡ１８８（Ｈａｙｎｅｓ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ．Ｉｎｃ．：登録商標）、若しくはこれらとセラミックコーティングとの組み合わせたもの等を使用することができる。また、図８に示す実施例においても、遮熱板８５を選択的に組み合わせることが可能である。
　図１０に示すように、整流突起部材６３は、全体として中空状に形成されている。整流突起部材６３の支持部６３ａは、有底の円筒状部材からなり、その前端（上流端）の周壁には、径方向の貫通孔である冷却空気導入孔９１が設けられている。冷却空気導入孔９１は、支持部６３ａの前端の周壁の周方向に等間隔に複数形成されている。整流突起部材６３の突出部６３ｂは、燃焼室側（図１０の右側）に向かって縮径となるドーム形状の内側壁９３と外側壁９５からなる二重壁構造を有している。なお、突出部６３ｂは、ドーム形状でなくてもよく、円柱形状であってもよい。また、突出部６３ｂは、二重壁構造でなくてもよく、外壁だけの単壁構造であってもよい。突出部６３ｂの内側壁９３の周壁には、径方向の貫通孔である第１冷却空気噴射孔９７が設けられている。第１冷却空気噴射孔９７は、内側壁９３の周壁の周方向及び軸心方向に等間隔に複数形成されている。さらに、突出部６３ｂの外側壁９５の周壁には、径方向に対して後方に傾斜して延びる貫通孔である第２冷却空気噴射孔９８が複数設けられている。複数の第２冷却空気噴射孔９８は、外側壁９５の周壁の周方向及び軸心方向に等間隔に配置されている。
　突出部６３ｂの外側壁９５の先端部中央には、軸心方向の貫通孔である冷却空気排出孔９９が設けられている。つまり、整流突起部材６３は、その支持部６３ａの前端に形成され、燃料噴射器１５よりも上流の空気Ａをその内部に導入する冷却空気導入孔９１と、その突出部６３ｂに形成され、その内部に導入された空気Ａを燃焼室１１に排出する冷却空気排出孔９９とを有している。
　支持部６３ａと突出部６３ｂの内側壁９３によって形成される内方空間Ｓと、突出部６３ｂの内側壁９３と外側壁９５によって形成される隙間Ｇとが、内側壁９３の第１冷却空気噴射孔９７のみを介して連通する。図示の例では、支持部６３ａの開口縁部には、嵌合突壁６３ａａが突設されており、この嵌合突壁６３ａａの内周側に内側壁９３の開口縁部９３ａが嵌合し、嵌合突壁６３ａａの外周側に外側壁９５の開口縁部９５ａが嵌合する。これにより、支持部６３ａと突出部６３ｂとが連結されている。
　突出部６３ｂが外壁だけの単壁構造の場合は、空気供給通路２９の空気Ａの一部は、冷却空気導入孔９１から整流突起部材６３の内方空間Ｓに流入し、冷却媒体として、燃焼室１１に面した突出部６３ｂを内方から対流による冷却を行いながら、冷却空気排出孔９９から燃焼室１１へ排出される。更に、突出部６３ｂが内側壁９３と外側壁９５からなる二重壁構造の場合は、冷却空気導入孔９１から整流突起部材６３の内方空間Ｓに流入した空気Ａの一部は、冷却媒体として、内側壁９３の第１冷却空気噴出孔９７から径方向に噴射される。この空気Ａは、外側壁９５の内周面に衝突し、この内周面に沿って内側壁９３と外側壁９５との間の隙間Ｇである冷却通路を通って冷却空気排出孔９９から燃焼室１１へ排出される。このように空気Ａが外側壁９５の内周面に衝突し、内周面に沿って流れることにより、外側壁９５が内部からインピンジメント冷却される。また、内側壁９３と外側壁９５との間の隙間Ｇに流入した空気Ａの一部は、外側壁９５の第２冷却空気噴射孔９８を通って燃焼室１１へ排出される。第２冷却空気噴射孔９８から吹き出された空気Ａは、外側壁９５の表面に空気のフィルム層を形成し、外側壁９５を外部からエフュージョン冷却する。このようにして、整流突起部材６３の焼損を防止できる。なお、第２冷却空気噴射孔９８は省略してもよい。
　さらに、外側壁９５の外周面は、断熱材１００によってコーティングされてもよい。断熱材１００としては、セラミックスや、耐腐食性及び耐熱性を有する合金であるＨａｓｔｅｌｌｏｙ－Ｘ（Ｈａｙｎｅｓ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ．Ｉｎｃ．：登録商標）、ＨＡ１８８（Ｈａｙｎｅｓ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ．Ｉｎｃ．：登録商標）等を使用することができる。断熱材１００によるコーティングを施すことにより、さらに確実に整流突起部材６３の焼損を防止することができる。
　以上説明したように、本実施形態に係る図２に示すガスタービンの燃焼装置３によれば、燃料噴射器１５は複数の燃料噴射用環状部３３を有する燃料噴射部材３４を備えており、燃料噴射用環状部３３はその外周面に多数の燃料噴射孔３９を有しているので、燃料噴射器１５の全面から均一に燃料Ｆが噴射されることになる。これにより、燃料噴射器１５の全面において微細な火炎が多点で保持される。これにより、局所的な高温燃焼の発生が防止され、低ＮＯｘ燃焼が実現できる。また、燃料噴射孔３９から噴射された燃料Ｆに対して上流から空気Ａが供給されるという構成によって、火炎が燃料噴射器１５の内部に入り込むことがないため、逆火現象が抑制される。
　さらに、燃焼装置３は、燃焼室１１の下流域であって、燃焼筒１３の周壁に配置された、予混合式の追い焚きバーナ１０を備えている。追い焚きバーナ１０は、メインバーナである燃料噴射器１５による燃焼が概ね完了し高温の燃焼ガスＧが発生している状態で作動されるため、追い焚きバーナ１０から燃焼室１１の下流域に噴射される予混合気Ｍは、高温の燃焼ガスＧによって、ＮＯｘの発生を抑制しながら、安定して燃焼する。また、本実施形態における追い焚きバーナ１０は保炎用の逆流領域を形成するための旋回流発生機構等（保炎機構）を必要としないため、逆火に対する耐性が高い。したがって、ガスタービンＧＴの燃料として、水素を含む反応性の高い燃料を使用する場合にも、ＮＯｘの発生を抑制しながら、極めて安定した燃焼が維持される。
　なお、本実施形態の燃焼装置３に利用される燃料Ｆは、水素ガスに限定されず、例えば、液体の水素でもよく、水素ガスと他の燃料ガス（天然ガス、ＣＯなど）の混合燃料でもよく、さらには水素を含まない他の燃料ガス（天然ガス、ＣＯなど）であってもよい。また、本実施形態では、キャン型の燃焼装置３を例として説明したが、アニュラー型の燃焼装置にも上記構成を適用することができる。
　本発明を順流式のアニュラー型燃焼装置に適用した実施形態を図１１，１２に、逆流式のアニュラー型燃焼装置に適用した実施形態を図１３に示す。これらの実施形態に係る燃焼装置３は、内側に燃焼室１１を形成する燃焼筒１３と、燃焼筒１３の頂部に設けられ、複数の燃料噴射用環状部３３を含む燃料噴射部材３４および燃焼用空気を案内する複数の燃焼空気用環状部３５を含む空気ガイド部材３６を有し、燃料噴射用環状部３３と燃焼空気用環状部３５とが同心状に交互に配置され、燃焼室１１に燃料と空気を噴射する燃料噴射器１５と、燃焼室１１の下流域であって、燃焼筒１３の周壁に配置された追い焚きバーナ１０とを備えている点で図２の実施形態と共通する。上記実施形態について図５とともに説明したように、燃料噴射用環状部３３は、その径方向Ｒに開口する複数の燃料噴射孔３９を有し、燃焼空気用環状部３５は、その軸心方向に開口し、燃料噴射孔３９から噴射される燃料Ｆに対して空気Ａを案内する複数の空気ガイド溝４１を有している。
　図１１に示す順流式アニュラー型の燃焼装置３では、燃焼筒１３が、筒状の内壁１０１と、内壁１０１の外側に内壁と同心状に配置された外壁１０３とによって構成されており、内壁１０１と外壁１０３の間の空間が環状の燃焼室１１を形成している。圧縮機１（図１）で圧縮された空気Ａは、前方からディフューザ１０５を介して環状の燃焼器ハウジングＨ内に導入され、さらに燃料噴射器１５へ供給される。燃料噴射器１５の前方は、空気整流機構である空気整流カウル１０７によって覆われている。図１２に示すように、空気整流カウル１０７は、前方に膨出する断面形状を有する環状の部材であり、空気Ａを通過させる多数の孔が形成されている。
　図１３に示す逆流式アニュラー型の燃焼装置３においても、燃焼筒１３は、筒状の内壁１０１と、内壁１０１の外側に内壁と同心状に配置された外壁１０３とによって構成されており、内壁１０１と外壁１０３の間の空間が環状の燃焼室１１を形成している。圧縮機１（図１）で圧縮された空気Ａは、後方から、ハウジングＨと燃焼筒１３との間に形成された空気導入通路２５を通った後、燃料噴射器１５へ供給される。燃料噴射器１５の前方は、空気整流機構である空気整流カウル１０７によって覆われている。空気整流カウル１０７は、図１２に示す例と同様、前方に膨出する断面形状を有する環状の部材であり、空気を通過させる多数の孔が形成されている。
　以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
３　燃焼装置
１０　追い焚きバーナ 
１１　燃焼室
１３　燃焼筒
１５　燃料噴射器
３３　燃料噴射用環状部
３４　燃料噴射部材
３５　燃焼空気用環状部
３６　空気ガイド部材
３９　燃料噴射孔
４１　空気ガイド溝
Ａ　空気
Ｃ　燃焼装置軸心
Ｆ　燃料

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設けられ、複数の燃料噴射用環状部を含む燃料噴射部材および燃焼用空気を案内する複数の燃焼空気用環状部を含む空気ガイド部材を有し、前記燃料噴射用環状部と前記燃焼空気用環状部とが同心状に交互に配置され、前記燃焼室に燃料と空気を噴射する燃料噴射器と、
    　前記燃焼室の下流域であって、前記燃焼筒の周壁に配置された追い焚きバーナと、
    を備え、
    　前記燃料噴射用環状部は、その径方向に開口する複数の燃料噴射孔を有し、
    　前記燃焼空気用環状部は、その軸心方向に開口し、前記燃料噴射孔から噴射される燃料に対して空気を案内する複数の空気ガイド溝を有する、燃焼装置。
  2. 　請求項１に記載の燃焼装置において、前記追い焚きバーナは、燃料と空気とを混合撹拌する予混合室を有し、前記予混合室で生成された予混合気を前記燃焼室内へ噴射する、
    燃焼装置。
  3. 　請求項１または２に記載の燃焼装置において、さらに、前記燃料噴射器の上流に設けられ、前記空気ガイド部材に供給される空気を整流する空気整流機構を備える燃焼装置。
  4. 　請求項１から３のいずれか一項に記載の燃焼装置において、燃焼装置の軸心上に設けられ、前記燃料噴射器を貫通して前記燃焼室に向かって突出する整流突起部材をさらに備える燃焼装置。
  5. 　請求項４に記載の燃焼装置において、前記整流突起部材は、支持部と、この支持部から前記燃焼室内に突出する突出部とを含み、前記支持部に形成されて、空気を前記整流突起部材の内部に導入する冷却空気導入孔と、前記突出部に形成されて、前記整流突起部材の内部に導入された空気を前記燃焼室に排出する冷却空気排出孔とを有する燃焼装置。
  6. 　請求項１から５のいずれか一項に記載の燃焼装置において、前記燃料噴射用環状部は中空状に形成されており、
    　前記燃料噴射用環状部内の中空空間が、燃料を周方向に流通させる環状の燃料流通路を形成している燃焼装置。
  7. 　請求項６に記載の燃焼装置において、前記燃料噴射用環状部は、前記燃焼室側に位置し、前記燃料噴射孔と連通する第１燃料流通路と、前記燃焼室とは反対側に位置し、前記燃料噴射孔から噴射される燃料が供給される第２燃料流通路と、前記第２燃料流通路内の燃料を前記第１燃料流通路の前記燃焼室側の壁面へ噴射する噴射ノズルと、を有する燃焼装置。
  8. 　請求項１から７のいずれか一項に記載の燃焼装置において、前記燃料噴射部材に燃料を供給する、多管式構造の燃料供給母管を有し、
    　この燃料供給母管は、前記複数の燃料噴射用環状部の第１環状群に燃料を供給する第１供給通路と、前記複数の燃料噴射用環状部の第２環状群に燃料を供給する第２供給通路とを有する燃焼装置。
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