(57)【要約】【課題】水素含有燃料を使用しても、火炎との一定の距離を保つことができ、燃焼安定性と低ＮＯｘ燃焼性能を両立することができるバーナを提供する。【解決手段】複数の空気孔５５を有する空気孔プレート５４と、上記空気孔プレート５４の空気の入口側に設けられ、対応する空気孔５５とそれぞれ同軸に配置された複数の燃料ノズル５６とを備えたバーナにおいて、各々の空気孔５５の断面を長方形状若しくは楕円形状等の長短の軸を有する扁平な形状とする。【選択図】  図２
2014122723.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の空気孔を有する空気孔プレートと、
前記空気孔プレートの空気の入口側に設けられ、対応する空気孔とそれぞれ同軸に配置された複数の燃料ノズルとを備え、
前記空気孔の断面が、長短の軸を有する扁平な形状をしていることを特徴とするバーナ。
【請求項２】
請求項１のバーナにおいて、前記空気孔は同心円状のピッチ円に沿って設置されていて、各空気孔の空気の出口の断面の長軸は前記ピッチ円の径方向に延びていることを特徴とするバーナ。
【請求項３】
請求項２のバーナにおいて、各空気孔の空気の入口の断面の長軸は前記ピッチ円の円周方向に延びていることを特徴とするバーナ。
【請求項４】
請求項３のバーナにおいて、
前記空気孔プレートが、前記燃料ノズル側の入口空気孔プレート、及び燃焼室側の空気孔旋回プレートを重ね合わせて構成されていて、
前記入口空気孔プレートの前記空気孔の断面形状は、入口側では長軸を前記ピッチ円の円周方向に延ばした扁平な形状をしていて、入口から出口に向かって長軸を前記ピッチ円の径方向に延ばした扁平な形状に変化し、
前記空気孔旋回プレートの前記空気孔は、前記入口空気孔プレートの対応する空気孔に連続し、前記燃焼室の軸心線に対して前記ピッチ円の円周方向に傾斜している
ことを特徴とするバーナ。
【請求項５】
請求項１のバーナにおいて、前記空気孔は断面が長方形状であることを特徴とするバーナ。
【請求項６】
請求項１のバーナにおいて、前記空気孔は断面が楕円形状であることを特徴とするバーナ。
【請求項７】
請求項１のバーナにおいて、水素を含む燃料を前記燃料ノズルに供給する燃料系統を備えていることを特徴とするバーナ。
【請求項８】
請求項１のバーナを複数設けるとともに、独立して制御可能な複数の燃料系統を接続したことを特徴とするバーナ。
【請求項９】
請求項１のバーナと、
前記空気孔プレートの空気の出口側に燃焼室を形成するライナと、
前記ライナとタービンのガスパスの入口とを接続する尾筒と
を備えたことを特徴とする燃焼器。
【請求項１０】
空気を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された圧縮空気を燃料とともに燃焼する請求項９の燃焼器と、
前記燃焼器で発生した燃焼ガスで駆動するタービンと
を備えたことを特徴とするガスタービン。
【請求項１１】
請求項１０のガスタービンと、
前記タービンと同軸上に連結された発電機と
を有することを特徴とするガスタービン発電プラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスタービン燃焼器に用いるバーナ等に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン燃焼器における燃焼の燃焼方式の一つに拡散燃焼方式がある。拡散燃焼方式とは、バーナから燃焼室に燃料のみを直接投入し、燃焼室内で燃料と空気を混合する方式をいう。但し、この燃焼方式では最も燃焼し易い状態で火炎が形成されるため、火炎温度が高くなり窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量が増大し易い。それに対し、ＮＯｘ排出量を抑える上では予混合燃焼方式が有効である。予混合燃焼方式とは、量論混合比よりも希薄となるように燃料と空気を予め混合してバーナから燃焼室に供給する方式をいう。但し、この予混合燃焼方式では拡散燃焼方式に比べて燃焼安定性が低く、また燃焼室に至る前に燃料が可燃範囲の混合気を形成するため火炎がバーナに接近しバーナが熱的影響を受け易い問題がある。
【０００３】
そこで、バーナへの熱的影響を抑制し燃焼安定性を確保しつつも低ＮＯｘ燃焼を実現する技術の一例として多孔同軸噴流バーナが提唱されている。多孔同副噴流バーナとは、燃料ノズルと空気ノズルとを同軸に配置した多数の同軸ノズルを集合化したバーナであり、燃料と空気を多孔に分散させて燃焼室に供給するものである（特許文献１等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１０６３０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、発電コスト低減や資源有効利用のほか地球温暖化防止の観点からも、石油精製所で発生するオフガスや製鉄プロセスで発生するコークス炉ガス（Coke Oven Gas：ＣＯＧ）等の水素（Ｈ２）を含む副生ガスを発電用ガスタービンの燃料として有効利用することが求められている。さらに、豊富な資源である石炭を酸素でガス化して発電する石炭ガス化複合発電（Integrated coal Gasification Combined Cycle：ＩＧＣＣ）プラントでは地球温暖化防止の観点より、石炭ガス化発電プラントのガスタービン燃焼器に供給されるガス化燃料中の炭素分を分離・回収するシステムにより、石炭の炭素分を水素に転換して二酸化炭素（ＣＯ２）排出を抑制する方策が国内外で検討されている。製油所オフガスやＣＯＧの燃料成分の３０％〜６０％、二酸化炭素分離回収付のＩＧＣＣプラントで使用する燃料の殆どの成分が水素である。ところが水素は燃焼速度が速く低エネルギで着火するため、ガスタービン燃焼器内で燃焼器構造物に火炎が接近し易い。また、燃焼室内で構造物に近接した位置で次々と位置を変えて着火及び消化が繰り返されると連鎖的に圧力波が発生し、圧力波によって局所的に燃料流量が変動して燃焼振動が発生し得る。
【０００６】
前述した燃焼器構造物への火炎の接近や燃焼振動は、バーナの端面付近において複数の燃料噴出孔の間で生じる微小な渦（後流）を伴う低流速領域に火炎が接近することで発生する。特許文献１のバーナで水素含有燃料を用いる場合、水素は燃焼に要する理論空気量が少ないため、低流速領域への火炎の接近を避けるために可燃範囲の混合気が低流速領域に侵入しないように燃料と空気の混合を抑制すると、燃料が空気と十分に混合しない状態で燃焼し局所的な高温部が発生してＮＯｘ排出量が増大してしまう。
【０００７】
本発明はこうした事情に鑑みなされたもので、水素含有燃料を使用しても、火炎との一定の距離を保つことができ、燃焼安定性と低ＮＯｘ燃焼性能を両立することができるバーナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、複数の空気孔を有する空気孔プレートと、前記空気孔プレートの空気の入口側に設けられ、対応する空気孔とそれぞれ同軸に配置された複数の燃料ノズルとを備え、前記空気孔の断面が、長短の軸を有する扁平な形状をしていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、水素含有燃料を使用しても、火炎との一定の距離を保つことができ、燃焼安定性と低ＮＯｘ燃焼性能を両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係るバーナを適用するガスタービン発電プラントの一構成例を示す概略図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る燃焼器の要部の概略構成図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る燃焼器の空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る燃焼器に備えられた入口空気孔プレートの入口側の面を燃料ノズル側から見た図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る燃焼器に備えられた入口空気孔プレートの出口側の面（空気孔旋回プレートとの対向面）を燃焼室側から見た図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る燃焼器に備えられた入口空気孔プレートの１つの空気孔の入口近傍の断面図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る燃焼器に備えられた入口空気孔プレートの１つの空気孔の出口近傍の断面図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る燃焼器の要部の概略構成図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る燃焼器に備えられた空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態に係る燃焼器に備えられた空気孔プレートの入口側の面を燃料ノズル側から見た図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態に係る燃焼器の要部の概略構成図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態に係る燃焼器に備えられた空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図である。
【図１３】比較例に係る燃焼器の概略構成図である。
【図１４】比較例に係る燃焼器に備えられた空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図である。
【図１５】図１４中のXV−XV線による矢視断面図であって比較例に係るバーナの一対の空気孔及び燃料ノズルを抜き出した図である。
【図１６】図１５中のXVI−XVI線による矢視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００１２】
（第１の実施の形態）
本発明のガスタービン燃焼器は、通常の気体燃料の他、水素を組成成分として含むガス燃料（以下、水素含有燃料と称する）を燃焼するのにも好適である。具体的には、例えば、石炭をガス化して得られる水素含有燃料を用いる石炭ガス化複合発電プラントの他、製鉄プラントから得られる副生ガスであるコークス炉ガス（ＣＯＧ：Coke Oven Gas）、高炉ガス（ＢＦＧ：Blast Furnace Gas）、転炉ガス（ＬＤＧ：Linzer Donawitz Gas）若しくはこれらの混合ガスを燃料として使用するガスタービン、又はナフサ分解プラント等から得られる副生ガス等といった水素を組成成分として含むガス燃料（水素含有燃料）を用いるガスタービンに、本発明のガスタービン燃焼器は好適に適用することができる。
【００１３】
１．ガスタービン発電プラント
図１は本発明に係るバーナを適用するガスタービン発電プラントの一構成例を示す概略図である。
【００１４】
図１に示したガスタービン発電プラントは、原動機であるガスタービン１０１、及びガスタービン１０１で駆動する発電機５０１を備えている。ガスタービン１０１は、圧縮機５、燃焼器９及びタービン６を備えている。圧縮機５、タービン６及び発電機５０１の各ロータは同軸上に連結されている。この水素含有燃料２２によって駆動されるガスタービン発電プラントは、圧縮機５において外気を吸入して圧縮した圧縮空気１０を燃焼用空気１２として車室７を介して燃焼器９に供給し、燃焼器９で燃焼用空気１２を水素含有燃料２２とともに燃焼し、燃焼器９で発生した高温高圧の燃焼ガス１３をタービン６に供給する。これによりタービン６が駆動し、タービン６の回転動力が発電機５０１で電気エネルギに変換されて発電出力が得られる。
【００１５】
２．燃焼器
燃焼器９は、外筒２、ライナ３、尾筒４、及びバーナ５３を備えている。外筒２はタービンケーシング（図示せず）の外周部に設けられた円筒状の部材である。外筒２のタービン６と反対側の端部（頭部）はエンドカバー８により閉止されている。ライナ３は内部に燃焼室１を形成する円筒状の燃焼器内筒であり、外筒２の内側に設置されていて外筒２との間に環状の空気流路を形成している。このライナ３には空気孔が多数穿設されている。燃焼室１はバーナ５３の空気孔プレート５４（後述）の空気の出口側に形成された空間であり、バーナ５３から噴出する水素含有燃料２２が燃焼用空気１２等とともにここで燃焼する。尾筒４はタービン６のガスパスの入口（初段静翼入口）とライナ３とを滑らかに接続する部材である。バーナ５３は、燃焼室１を挟んでタービン６と対向するようにエンドカバー８に設けられている。このバーナ５３は１つの燃焼器９に１つ設けられていて、その軸心線はライナ３の軸心線に実質的に一致している。エンドカバー８には、バーナ５３に燃料を分配する燃料分配器５７が設けられている。バーナ５３の燃料ノズル５６（後述）に水素含有燃料２２を供給する燃料系統には、燃料遮断弁１０３、燃料圧力調整弁１０７及び燃料流量調整弁１０８が設けてある。特に図示していないが、燃焼器９には燃焼室１内の混合気に着火する着火装置も備わっている。図１に示したガスタービン発電プラントにおいては、このように構成された燃焼器９がタービンケーシング（図示せず）の外周部に周方向に一定の間隔で複数設けられている。
【００１６】
上記構成の燃焼器９においては、圧縮機５からの圧縮空気１０が車室７を介して導かれる。この圧縮空気１０は外筒２とライナ３との間の空気流路を流通し、エンドカバー８で堰き止められてバーナ５３の空気孔プレート５４を介して燃焼用空気１２として燃焼室１に噴出する。また、圧縮空気１０の一部はライナ３の周胴部に設けた多数の空気孔から冷却空気１１として燃焼室１内に流入し、燃焼室１内で発生する燃焼ガス１３で過熱されないようにライナ３等の構造物を冷却する。
【００１７】
一方、水素含有燃料２２は、燃料遮断弁１０３、燃料圧力調整弁１０７及び燃料流量調整弁１０８を経由してガスタービン１０１の運転に必要な流量に制御され、燃料分配器５７によりバーナ５３の各燃料ノズル５６に分配される。各燃料ノズル５６に分配された水素含有燃料２２は、各燃料ノズル５６から空気孔プレート５４の対応する空気孔に向かって噴射され、空気孔を流れる燃焼用空気１２とともに空気孔を介して燃焼室１に噴出し、燃焼室１で燃焼用空気１２等とともに燃焼し燃焼ガス１３を生成する。
【００１８】
３．バーナ
図２は本発明の第１の実施の形態に係る燃焼器の要部の概略構成図、図３は当該燃焼器の空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図である。これらの図において既述した要素には既出図面と同符号を付して説明を省略する。
【００１９】
バーナ５３は、複数の空気孔５５を有する空気孔プレート５４、及び対応する空気孔５５とそれぞれ同軸に配置された複数の燃料ノズルと５６を備えた多孔同軸噴流バーナであり、水素含有燃料２２及び燃焼用空気１２の同軸噴流を多数形成するものである。このバーナ５３の場合、空気孔５５及び燃料ノズル５６の形状で水素含有燃料２２及び燃焼用空気１２の混合の度合いを調整することができる。
【００２０】
燃料ノズル５６は空気孔プレート５４の空気の入口側に位置し、燃料分配器５７からそれぞれ空気孔プレート５４の対応する空気孔５５に向かって延在している。燃料ノズル５６の軸心線は空気孔プレート５４の入口空気孔プレート５４Ａ（後述）の対応する空気孔５５の軸心線と実質的に一致している。本実施の形態における燃料ノズル５６は空気孔５５には挿入されておらず、燃料ノズル５６の先端部（燃料噴射孔の開口）は空気孔プレート５４の燃料分配器５７側の面よりも燃料分配器５７側に位置している。
【００２１】
空気孔プレート５４は、入口空気孔プレート５４Ａ、及び空気孔旋回プレート５４Ｂの２枚の壁状部材を重ね合わせて形成してある。燃焼用空気１２の入口側の壁状部材が入口空気孔プレート５４Ａであり、燃焼室１側の壁状部材が空気孔旋回プレート５４Ｂである。入口空気孔プレート５４Ａと空気孔旋回プレート５４Ｂの空気孔５５は各々対応するもの同士が連接している。
【００２２】
空気孔旋回プレート５４Ｂの各空気孔５５は、図３に示すように同心状のピッチ円（一点鎖線参照）に沿って配置されていて、燃焼室１の軸心線に対して各々が配置されたピッチ円の周方向一方側に同じピッチ円のもの同士等しい角度で傾斜している。なおかつ、空気孔旋回プレート５４Ｂの各空気孔５５は、図２に示したように燃焼室１に向かって燃焼室１の軸心線側に同じピッチ円のもの同士等しい角度で傾斜している。本願明細書で言うピッチ円とは、空気孔プレート５４の軸心線を中心にして環状に設置された複数の空気孔５５の所定箇所を通る円をいう。これにより、各々の空気孔５５から噴出した同軸噴流が、一旦合流したあと螺旋状に旋回しながら拡大する旋回流４６（図２参照）を形成する。この旋回流４６は下流ほど旋回半径が大きくなって旋回速度成分が低下するので旋回の中心軸（燃焼室１の軸心線）に誘導する静圧が大きくなり、旋回の中心軸上に逆圧力勾配を誘起して循環流４３（図２参照）を形成する。この循環流４３によって燃焼ガス１３の一部が旋回の中心軸近傍を逆流することで着火源が上流側に伝播し、安定した定常火炎４５が形成される。
【００２３】
なお、空気孔旋回プレート５４Ｂの空気孔５５は、入口空気孔プレート５４Ａの空気孔５の出口形状に合わせて上記ピッチ円の径方向に長軸を延ばした長方形状の断面をしているが、前述したように燃焼室１の軸心線に対して傾斜しているため、当該軸心線に直交する旋回空気孔プレート５４Ｂの表面上の開口形状は図３に示すように平行四辺形になっている。以降の説明において、最も内側のピッチ円に沿って配置された空気孔５５を１列目空気孔５５ａ、内側から２つ目のピット円に沿って配置された空気孔５５を２列目空気孔５５ｂ、最も外側のピッチ円に沿って配置された空気孔５５を３列目空気孔５５ｃと適宜称する。前述したように空気孔５５ａ−５５ｃの旋回角はそれぞれ異なる。本実施の形態では２列目及び３列目の空気孔５５ｂ，５５ｃにも旋回角を付けているが、水素含有燃料２２の水素濃度が特に高い場合等、保炎能力を必要以上に確保する必要がないときには、３列目空気孔５５ｃ、又は２列目及び３列目の空気孔５５ｂ，５５ｃには旋回角を付ける必要はない。
【００２４】
図４は入口空気孔プレート５４Ａの入口側の面を燃料ノズル５６側から見た図、図５は入口空気孔プレート５４Ａの出口側の面（空気孔旋回プレート５４Ｂとの対向面）を燃焼室１側から見た図である。これらの図において既述した部位には既出図面と同符号を付して説明を省略する。
【００２５】
これらの図に示すように、入口空気孔プレート５４Ａの空気孔５５は流路の少なくとも一部が扁平な断面形状をしており、本実施の形態においては入口及び出口の中間部を除いて扁平な断面形状をしている。ここで言う扁平な形状とは、長方形状、楕円形状等、長短の軸を有する形状であって短軸方向に採った寸法が長軸方向に採った寸法よりも短い形状をいう。
【００２６】
前述したように空気孔５５は同心円状のピッチ円に沿って設置されているが、入口空気孔プレート５４Ａにおいては空気孔５５の軸心線は燃焼室１の軸心線と平行に延在している。入口空気孔プレート５４Ａの各空気孔５５の空気の入口（燃料ノズル５６と対向する開口）の断面の長軸はピッチ円の周方向に延びている。本実施の形態では、入口空気孔プレート５４Ａの各空気孔５５の入口断面は周方向に長い長方形状をしている（図４参照）。一方、入口空気孔プレート５４Ａの各空気孔５５の空気の出口（空気孔旋回プレート５４Ｂの空気孔５５に接続する開口）の断面の長軸はピッチ円の径方向に延びている。本実施の形態では、入口空気孔プレート５４Ａの各空気孔５５の出口断面は径方向に長い長方形状をしている（図５参照）。すなわち、本実施の形態における入口空気孔プレート５４Ａの空気孔５５は入口側と出口側とで長短の軸が入れ替わる形状をしていて、入口から出口に向かうにつれて周方向に延びる長軸は短くなっていき、出入口の中間部で長軸の長さが短軸と同程度まで短くなる。したがって、入口空気孔プレート５４Ａの空気孔５５は、入口と出口の中間部では断面が正方形状である。そして、断面が正方形状のこの中間部から出口に向かうにつれて、入口側では短軸であった径方向に延びる辺が延びていき、空気孔５５の断面は長軸を径方向に延ばした長方形状に変化する。空気孔旋回プレート５４Ｂの空気孔５５は入口空気孔プレート５４Ａの出口に滑らかに接続し、長軸を径方向に延ばした長方形状の断面形状を保ったまま、前述したように燃焼室１に向かってピッチ円の周方向一方側に傾斜しつつ燃焼室１の中心軸線に近付いていく。
【００２７】
４．動作
バーナ５３から燃焼室１に噴出する水素含有燃料２２及び燃焼用空気１２の流れ、及び燃焼室１で発生する燃焼ガスの流れを図２で説明する。
【００２８】
図２に示したように、圧縮機５からの圧縮空気１０は外筒２とライナ３との間の空気流路を通って空気孔プレート５４の上流側に回り込む。空気孔５５には対応する燃料ノズル５６が対向して臨んでいるので、圧縮空気１０は燃料ノズル５６と空気孔プレート５４との間の狭隘な間隙を通過して、空気孔プレート５４の１−３列目空気孔５５ａ−５５ｃに燃焼用空気１２として吸い込まれ、１−３列目空気孔５５ａ−５５ｃを介して燃焼室１に噴出する。一方、水素含有燃料２２は各燃料ノズル５６から対応する空気孔５５に向けて噴射される。各空気孔５５に進入した水素含有燃料２２は空気孔５５の流路中央部を主に通過し、空気孔５５内で水素含有燃料２２の外周側を主に通過する環状の燃焼用空気１２の流れとともに同軸噴流４２を形成し燃焼室１に噴出する。１−３列目空気孔５５ａ−５５ｃに進入した水素含有燃料２２をそれぞれ１−３列目燃料４１ａ−４１ｃとし、１−３列目空気孔５５ａ−５５ｃから燃焼室１に噴出する同軸噴流４２をそれぞれ１−３列目同軸噴流４２ａ−４２ｃとする。
【００２９】
このとき、燃焼用空気１２は、空気孔プレート５４と燃料分配器５７と空気孔プレート５４の間の広い空間から、燃料ノズル５６と空気孔プレート５４の間の狭い間隙を通って狭隘な空気孔５５に流入するので、空気孔５５の内部を流れる水素含有燃料２２及び燃焼用空気１２の同軸噴流は、空気孔５５に進入した際の燃焼用空気１２の流れの急収縮による剥離渦、燃料ノズル５６の下流で生じる後流渦等の細かい乱れ構造を含むことになる。同軸噴流４２は空気孔５５で周囲を拘束された状態から解放されて燃焼室１に噴出し、狭隘な空気孔５５内で抑制されていた渦が燃焼室１に噴出して一気に拡大して崩壊することで、同軸噴流を形成する水素含有燃料２２と燃焼用空気１２とが燃焼室１に噴出した後、空気孔プレート５４から短距離を進行する間に急速に混合する。
【００３０】
そして、１列目空気孔５５ａは、図２に示すように燃焼室１の軸心線に対して周方向に傾斜しているので、１列目同軸噴流４２ａは燃焼室１の軸心線周りを螺旋状に旋回する旋回流４６となり、燃焼室１の内部で旋回径を拡大しながら下流側に流れる。この旋回流４６は燃焼室１の軸心線上に逆方向の圧力勾配を誘導するので、図２に示すように旋回流４６の中で火炎４５内の反応により生じた燃焼ガス１３の一部が循環ガス４３として燃焼室１の軸心線近傍を通って上流側に戻る。この循環ガス４３が、１列目空気孔５５ａから噴出する同軸噴流４２ａに活性化エネルギが与えて燃焼反応を維持する着火源として機能し、これにより燃焼室１の内部に安定な円錐状の定常火炎４５が形成される。また、２−３列目の同軸噴流４２ｂ，４２ｃも燃焼室１に噴出したあと速やかに水素含有燃料２２と燃焼用空気１２とが混合して定常火炎４５に到達して燃焼する。
【００３１】
５．比較例
上記の実施の形態において、空気孔プレート５４における例えば周方向や径方向に隣接する２つの空気孔５５の出口間の部位の近傍では、空気孔５５を流れる高速の同軸噴流４２が狭隘な空気孔５５から広い燃焼室１に噴出し空気孔５５による拘束を解かれて急拡大するため、後流と呼ばれる流速の遅い渦を伴う低流速領域４８が生じる。空気孔５５から噴出する高速の同軸噴流２２によって空気孔５５の周囲の流体が引きずられるように運動することで後流は生み出される。このため、空気孔５５から噴出する高速の同軸噴流４２ａ−４２ｃの周囲の流体を低流速領域４８に引き込む作用が後流にはある。したがって、同軸噴流４２ａ−４２ｃが燃焼室１に噴出した際に既に水素含有燃料２２と燃焼用空気１２との混合が進行してしまっていると、可燃範囲の混合気が低流速領域４８に引き込まれて空気孔プレート５４に過度に近接した火炎が形成される場合がある。特に本実施の形態では水素含有燃料２２を用いているため可能性は一層高い。
【００３２】
低流速領域４８に火炎が付着すると、空気孔プレート５４の極近傍で燃焼反応が起こるため、空気孔プレート５４が過熱される恐れが生じるのみならず、低流速領域４８に対する火炎の付着及び離脱が繰り返されることで圧力変動が発生し得る。各空気孔５５に対する水素含有燃料２２の供給流量が圧力変動に応じて変動すると圧力変動振幅がさらに増大し、自励振動的に圧力変動が成長する燃焼振動と呼ばれる不安定燃焼状態に陥る恐れがある。燃焼振動が発生すると燃焼器９の構造物に繰り返し圧力波による応力が作用するため、繰り返し疲労の寿命を消費する等の信頼性上の問題が発生する。
【００３３】
図１３は比較例に係る燃焼器の概略構成図、図１４は当該燃焼器の空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図である。これらの図の図示は図２及び図３に対応させてある。
【００３４】
比較例に係る燃焼器５３’では、空気孔プレート５４’における隣接する２つの空気孔５５’の出口間の部位の近傍に生じる低流速領域４８’に火炎が付着することを避けるため、図１３に示したように空気孔５５’の流路の途中に先端が位置するように燃料ノズル５６’を空気孔５５’に挿入してある。すなわち、燃料ノズル５６’の燃料噴射位置を燃焼室１’に近付けることにより、燃焼用空気１２’と水素含有燃料２２’が同軸噴流４２’として進行する距離を短くして両者の混合を抑制することにより、水素含有燃料２２’が燃焼用空気１２’と十分に混合した可燃範囲の混合気が低流速領域４８’に巻き込まれ難いように工夫してある。
【００３５】
図１５は図１４中のXV−XV線による矢視断面図であって比較例に係るバーナの一対の空気孔及び燃料ノズルを抜き出した図、図１６は図１５中のXVI−XVI線による矢視断面図である。
【００３６】
これらの図に示したように、比較例に係る燃焼器では、空気孔５５’に燃焼用空気１２’が流入する際の流れの急収縮に伴う剥離渦６１’や、燃料ノズル５６’の下流に燃焼用空気１２’が回り込む際に生じる燃料ノズル５６’の後流渦６２’等の微細な乱れが発生する。これら剥離渦６１’や後流渦６２’は、燃焼用空気１２’が空気孔５５’に流入する際の揺らぎや乱れによって時間的若しくは空間的な変動はあるものの、円形断面の空気孔５５’内においては同方向に旋回する同程度の大きさの複数の渦が空気孔５５’の軸心線周りに環状に発生する。このため、空気孔５５’の中央を流れる水素含有燃料２２’は、剥離渦６１’や後流渦６２’により空気孔５５’内で半径方向の外側に引き延ばされて概ね円形に拡散する。しかし、剥離渦６１’にしても後流渦６２’にしても隣接するもの同士が同方向に旋回する。空気孔５５’の断面が円形状であって断面に長軸方向及び短軸方向が存在せず、流通する流体の周囲が空気孔５５’の内壁面によって一様に拘束されるためでる。そのため、これら剥離渦６１’や後流渦６２’には水素含有燃料２２’が取り込まれ難く、燃焼用空気１２’中の水素含有燃料２２’の分布が一様になり難い。
【００３７】
また、剥離渦６１’と後流渦６２’は異なる原理で発生するため、少なくとも一方が相応に拡大成長しなければ干渉し合うこともない。剥離渦６１’と後流渦６２’が干渉し合わなければ、水素含有燃料２２’を燃焼用空気１２’中に取り込む作用をするような新たな渦の発生も期待できず、燃料ノズル５６’から噴出した水素含有燃料２２’は空気孔５５’内で燃焼用空気１２’内に十分に取り込まれないまま燃焼室１’に噴出することになる。その結果、空気孔５５’から燃焼室１’に噴出してから水素含有燃料２２’と燃焼用空気１２’との混合が十分に進行するのに距離を要する。
【００３８】
すなわち、比較例では空気孔５５’に燃料ノズル５６’を挿入して水素含有燃料２２’が燃焼用空気１２’との同軸噴流として進行する距離を短縮して水素含有燃料２２’と燃焼用機域１２’との混合を抑制することで低流速領域４８’における火炎の発生は抑制できる。しかし、水素含有燃料２２’と燃焼用空気１２’との混合を抑制した結果、水素含有燃料２２’が燃焼用空気１２’と均一に混合する前に定常火炎４５’に到達して燃焼ガス１３’が局所的に高温となり、多孔同軸噴流バーナの長所であるＮＯｘ排出量の抑制効果が幾分損なわれ得る。
【００３９】
また、比較例に係る燃焼器５３’の空気孔５５’は前述した実施の形態と同様に周方向に傾斜しているが、断面が円形であるため燃焼室１’に臨む出口開口は周方向に長軸を延ばした楕円形状となる。したがって、隣接する空気孔５５’の相互干渉を避けつつ高温環境に耐え得る空気孔プレート５４’の信頼性を担保するためには隣接する空気孔５５’の間隔を詰め難く、それだけ低流速領域４８’が発生し得る領域を狭め難い。低流速領域４８’が広がればそれだけ空気孔プレート５４’に火炎が付着し易くなる。
【００４０】
６．効果
（１）扁平断面の空気孔による効果
図６は入口空気孔プレート５４Ａの１つの空気孔５５の入口近傍の断面図である。この図では上下方向が図示した空気孔５５を配置したピッチ円の半径方向に相当し、左右方向がそのピッチ円の円周方向に相当する。
【００４１】
前述したように、空気孔５５は入口付近では長軸を空気孔プレート５４の周方向に延ばした長方形状をしている。断面が扁平な流路５５では、自由に流体が流下できる流路中央から流体の速度が０となる流路内壁面までの距離が流路断面の長軸方向（同図では左右方向）と短軸方向（同図では上下方向）とで異なるため、流路断面の長軸方向と短軸方向とで速度勾配及び圧力勾配に差が生じ、流路中心軸に平行な渦軸を持つ二次流れ渦と呼ばれる縦渦対が発生する。ここで言う渦対とは、流路断面の長軸方向或いは短軸方向に隣接する２つの二次流れ渦６３をいい、例えば同図の二次流れ渦６３ａ，６３ｂ、二次流れ渦６３ｂ，６３ｃ、二次流れ渦６３ｃ，６３ｄ、二次流れ渦６３ｄ，６３ｅ、二次流れ渦６３ａ，６３ｄ等がそれぞれ１組の渦対を構成する。渦対をなす２つの二次流れ渦６３は相互に逆向きに旋回しつつ空気孔５５の軸心線と平行に進行する特性があり、発生直後から相互に誘導し合いながら成長するため、これら渦対の作用によって流路中央を流れる水素含有燃料２２が流路断面の長軸方向に引き延ばされ、流路断面の四隅に搬送される。流路断面の四隅に搬送される水素含有燃料２２の流れを燃料拡散流束６４Ａとして同図に示す。
【００４２】
このように本実施の形態では空気孔５５を扁平な形状としたことによって空気孔５５の軸心線方向に長く滞留する燃料拡散機構を構築し、互いに逆方向に旋回する渦対の作用によって流路断面の長軸方向に水素含有燃料２２の分布を広げ水素含有燃料２２を燃焼用空気１２の二次流れ渦６３の中に取り込んでいく。この時点では同軸噴流４２はまだ可燃範囲の混合気を形成しない。そして、同軸噴流４２が燃焼室１に噴出すると流れの急拡大による二次流れ渦６３の解れによって水素含有燃料２２と燃焼用空気１２との混合が進行する。本実施の形態の場合、燃焼用空気１２中に水素含有燃料２２が取り込まれた状態で同軸噴流４２が燃焼室１に噴出し、なおかつ隣接する二次流れ渦６３が相互に逆方向に旋回しているため、燃焼室１に噴出してからの水素含有燃料２２と燃焼用空気１２との混合が急速に進行し、比較例よりも短距離で十分な混合状態となる。したがって、水素含有燃料２２が燃焼用空気１２と混合しておらず着火し難い状態で燃焼室１に噴出し、その後短距離で急速に混合が進行し定常火炎４５に到達する頃に水素含有燃料２２が燃焼用空気１２とが均一に混合する、という混合プロセスを実現し得る。したがって、本実施の形態によれば、水素含有燃料２２を使用しても空気孔プレート５４と火炎との一定の距離を保つことができ、燃焼安定性と低ＮＯｘ燃焼性能を両立することができる。
【００４３】
（２）空気孔の断面形状の変化による効果
図７は入口空気孔プレート５４Ａの１つの空気孔５５の出口近傍の断面図である。この図では上下方向が図示した空気孔５５を配置したピッチ円の半径方向に相当し、左右方向がそのピッチ円の円周方向に相当する。
【００４４】
前述したように空気孔５５は入口空気孔プレート５４Ａの厚みの範囲で長短の軸方向が入れ替わり、空気孔旋回プレート５４Ｂ側の出口では図７に示したように長軸が周方向に延びる長方形状に断面形状が変化する。空気孔５５の流路断面の長軸方向の変化に伴って二次流れ渦６３の大きさが強制的に変化させられるので二次流れ渦６３には流路方向に強い不安定性が与えられるが、空気孔５５の内部では壁面で流れを拘束することによって渦対構造が維持される。個々の二次流れ渦６３に注目すると、入口側では比較的小さかった二次流れ渦６３ｅ，６３ｆ等が拡大し、比較的大きかった二次流れ渦６３ｂ，６３ｃ等が収縮する。その結果として、図６に示した入口側の流路断面における渦形状を９０°回転したような様態となり、入口側で周方向に引き延ばされた水素含有燃料２２の分布が径方向に引き延ばされる。図７において流路断面の四隅に搬送される水素含有燃料２２の流れを燃料拡散流束６４Ｂとして同図に示す。
【００４５】
本実施の形態によれば、このように空気孔５４の断面の長軸方向が流路の途中で変化する構成とすることにより、燃焼用空気１２に対して水素含有燃料２２をより広範に取り込んだ状態で燃焼室１に噴出させることができる。したがって単に空気孔５５を扁平な形状とした構成（例えば空気孔５５の断面形状を入口から出口に至るまで周方向に長軸を延ばした長方形状とした構成）と比べて、燃焼室１に噴出してからより効率的に水素含有燃料２２と燃焼用空気１２とを混合することができる。但し、更なる効果を狙って空気孔５５の断面形状が流路の途中で変化する構成としたが、前述した基本的効果（１）を得る限りにおいては当該構成を省略することができる。
【００４６】
（３）空気孔の出口形状による効果
本実施の形態においては、空気孔５５の出口形状（空気孔旋回プレート５４Ｂにおける燃焼室１に臨む面上の開口形状）が当該空気孔５５を配置したピッチ円の半径方向に長軸を延ばした長方形状であるため、図３に示すように空気孔プレート５４の燃焼室１に臨む面において空気孔５５がそのピッチ円の円周方向に占有する面積を抑えることができる。そのため、空気孔５５の出口を配列するピッチ円の直径を小さく抑えることができ、比較例における空気孔５５’の出口（図１４参照）よりも図３に示したように空気孔５５の出口を稠密に配列することができる。これによって隣接する空気孔５５の出口間に発生する低流速領域４８を小さく抑えることができるので後流の成長を抑制することができ、空気孔プレート５４への火炎の付着を抑えることができる。したがって、空気孔プレート５４と火炎との距離を適正に保ち、水素含有燃料２２と燃焼用空気１２との混合距離を確保することによるＮＯｘの排出抑制に貢献することができる。
【００４７】
但し、前述した基本的効果（１）を得る限りにおいては、必ずしも空気孔５５の出口が空気孔プレート５４の径方向に延在している必要はなく、例えば周方向に長軸を延在させた出口形状とすることもできる。
【００４８】
（４）２枚構成の空気孔プレートによる効果
前述したように空気孔５５は、流路の途中で断面の長軸方向が変化し、かつ燃焼室１の軸心線に対して空気孔プレート５４の周方向及び径方向に傾斜した複雑な三次元形状である。そこで、本実施の形態では空気孔プレート５４を入口空気孔プレート５４Ａ及び空気孔旋回プレート５４Ｂの２枚構成とし、入口空気孔プレート５４Ａで空気孔５５の断面の長軸方向を変化させ、空気孔旋回プレート５４Ｂで空気孔５５を傾斜させている。このように別々に空気孔５５を形成した２枚のプレートで空気孔プレート５４を構成することにより、複雑な三次元形状の空気孔５５の製作難易度を抑えることができる。
【００４９】
（５）空気孔の円滑形状による効果
前述したように、入口空気孔プレート５４Ａの空気孔５５の断面は入口側及び出口側から流路中間部に向かって長軸が短くなっていき、流路中央部では正方形状となる。入口空気孔プレート５４Ａの空気孔５５の出口と空気孔旋回プレート５５Ｂの空気孔５５の入口は形状が一致していて滑らかに接続している。そのため、空気孔５５の流路は複雑な形状ながら段差のない滑らかな形状をしている。そのため、空気孔５５内で生じる圧力損失は実質的に渦対の生成に伴うものしかなく、空気孔５５内における圧力損失を抑えることができる。
【００５０】
（第２の実施の形態）
図８は本発明の第２の実施の形態に係る燃焼器の要部の概略構成図、図９は当該燃焼器の空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図、図１０は当該空気孔プレートの入口側の面を燃料ノズル側から見た図であり、それぞれ図２−図４に対応する図である。これらの図において既述した部位には既出図面と同符号を付して説明を省略する。
【００５１】
本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、第１の実施の形態のようにバーナ５３の空気孔プレート５４を２枚のプレートを重ね合わせて構成するのではなく、バーナ５３Ａの空気孔プレート５４Ｃを１枚の（一体の）プレートで構成している点である。また、空気孔プレート５４Ｃに設けた空気孔５５Ａ（第１−第３空気孔５５Ａａ−５５Ａｃ）の断面形状が楕円状である点も相違点である。
【００５２】
本実施の形態における空気孔プレート５４Ｃの空気孔５５Ａは、例えば断面がそのピッチ円の周方向に長軸を持つ楕円形状の孔５５ＡＵを燃料ノズル５６側から、断面がそのピッチ円の径方向に長軸を持つ楕円形状の孔５５ＡＤを燃焼室１側からそれぞれ加工し、それら孔５５ＡＵ，５５ＡＤを繋げることで形成する。燃料ノズル５６側から開けた孔５５ＡＵは燃焼室１の軸心線に平行に延び、燃料室１側から開けた孔５５ＡＤは、第１の実施の形態の旋回空気孔プレート５４Ｂを貫通する空気孔５５のように燃焼室１の軸心線に対してピッチ円の周方向及び径方向に傾斜している。空気孔プレート５４Ｃに対して燃料ノズル５６側及び燃焼室１側からそれぞれ加工した孔５５ＡＵ，５５ＡＤは各々断面形状（長軸の延在方向を含む）が変化しないため、両孔５５ＡＵ，５５ＡＤの接続部には段差５５Ａｄが付いている。
【００５３】
その他のバーナ構成は第１の実施の形態と同様であり、本実施の形態のバーナが第１の実施の形態で説明したようなガスタービンやガスタービン発電プラントに適用できることは言うまでもない。
【００５４】
本実施の形態のように、空気孔５５Ａの断面が楕円状であっても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、１枚構成の空気孔プレート５４Ｃであっても前述した効果（１）−（３）を得ることができる。
【００５５】
加えて、本実施の形態の場合、空気孔プレート５４Ｃを１枚構成としたことによって第１の実施の形態に比べて部品点数や制作工数を低減することができる。また、空気孔５５Ａは流路の途中に段差５５Ａｄを有しているので、この段差５５Ａｄにより局所的な渦を発生させることができ、空気孔５５Ａ内の流れの乱れを助長することによって水素含有燃料２２と燃焼用空気１２との混合を更なる促進の効果が期待できる。
【００５６】
（第３の実施の形態）
図１１は本発明の第３の実施の形態に係る燃焼器の要部の概略構成図、図１２は当該燃焼器の空気孔プレートを燃焼室側から見た正面図であり、それぞれ図２及び図３に対応する図である。これらの図において既述した部位には既出図面と同符号を付して説明を省略する。
【００５７】
本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、第１又は第２の実施の形態に係るバーナを複数配置した点である。本実施の形態に係るバーナ５３Ｂは、中央に１つのバーナ５３Ｂａを配置し、バーナ５３Ｂａの周囲に６つのバーナ５３Ｂｂ−５３Ｂｇを配置した構成を例示してある。これら複数のバーナ５３Ｂａ−Ｂｇの空気孔プレートは一枚の空気孔プレート５４Ｄで兼用してある。つまり、図１２において空気孔プレート５４Ｄの中央に位置する１つの空気孔群がバーナ５３Ｂａを構成し、バーナ５３Ｂａの周囲に位置する６つの空気孔群がそれぞれバーナ５３Ｂｂ−５３Ｂｇを構成する。
【００５８】
バーナ５３Ｂａ−５３Ｂｇの個々の基本的構成は第１又は第２の実施の形態に係るバーナと同様である。但し、本実施の形態に係るバーナ５３Ｂには３つの燃料系統２２Ａ−２２Ｃが接続しており、燃料系統２２Ａ−２２Ｃ毎に独立して燃料流量を制御できるようになっている。本実施の形態において、中央のバーナ５３Ｂａにはパイロットバーナ燃料系統２２Ａが接続している。バーナ５３Ｂａはパイロットバーナとして機能し、主にガスタービンの起動運転で使用されるとともに負荷運転時には燃焼器全体の燃焼安定性を確保するための火種を維持する。一方、周囲のバーナ５３Ｂｂ−５３Ｂｇにはメインバーナ内周燃料系統２２Ｂとメインバーナ外周燃料系統２２Ｃが接続している。バーナ５３Ｂｂ−５３Ｂｇはメインバーナとして機能する。前述したように、各バーナの１列目空気孔から噴出する同軸噴流が、循環流４３によってもたらされる着火源に最初に到達し定常火炎の基点を形成するので特に燃焼安定性に関係が深い。そこで本実の形態ではバーナ５３Ｂｂ−５３Ｂｇの１列目空気孔にはメインバーナ内周燃料系統２２Ｂ、２列目空気孔及び３列目空気孔にはメインバーナ外周燃料系統２２Ｃを接続してあり、２−３列目空気孔とは独立して１列目空気孔から噴出する水素含有燃料２２の流量を制御することができるようになっている。
【００５９】
その他のバーナ構成は第１又は第２の実施の形態と同様であり、本実施の形態のバーナが第１の実施の形態で説明したようなガスタービンやガスタービン発電プラントに適用できることは言うまでもない。
【００６０】
本実施の形態においては、複数の燃料系統２２Ａ−２２Ｃを制御してバーナ５３Ｂａ−５３Ｂｇを段階的に制御することにより、木目細かく燃料配分を制御して多様なガスタービン負荷に対応することができる。また、中央のバーナ５３Ｂａを起動用バーナとして独立して制御することができるので、安定した起動運転を実行することができる。また、バーナ５３Ｂｂ−５３Ｂｇの１列目空気孔を独立して制御することができるので、確実に火炎の基点を形成し広い負荷範囲で安定した燃焼状態を維持することができる。また、第１又は第２の実施の形態と比べても水素濃度のより高い水素含有燃料２２を用いることができ、また、より大出力、高圧力比、高負荷のガスタービン発電プラントに好適に適用できる。その他、本実施の形態においても第１又は第２の実施の形態と同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００６１】
なお、本実施の形態では７つのバーナ５３Ｂａ−５３Ｂｇで１つのバーナ５３Ｂを構成した場合を例に挙げて説明したが、２つ−６つ又は８つ以上のバーナで１つのバーナを適宜構成することも可能である。また、燃料系統も３系統に限らず、２系統又は４系統以上にして段階的に制御することができる。
【００６２】
（その他）
以上の各実施の形態では空気孔を同心円状に３列配置した場合を例に挙げて説明したが、空気孔列の数は限定されない。例えば１列又は２列とすることもできるし、４列以上とすることもできる。また、空気孔の断面形状を長方形状又は楕円形状としたが、空気孔の断面形状は長短の軸を持つ扁平な形状であれば長方形状又は楕円形状でなくても良い。また、各実施の形態においては水素含油燃料２２を用いる場合を例に挙げて説明したが、天然ガス等の他の気体燃料を用いることができることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００６３】
１                    燃焼室
３                    ライナ
４                    尾筒
５                    圧縮機
６                    タービン
９                    燃焼器
１０                  圧縮空気
２２                  水素含有燃料
２２Ａ−Ｃ            燃料系統
５３，５３Ａ，５３Ｂ  バーナ
５３Ｂａ−ｇ          バーナ
５４，５４Ｃ，５４Ｄ  空気孔プレート
５４Ａ                入口空気孔プレート
５４Ｂ                空気孔旋回プレート
５５，５５Ａ          空気孔
５５ａ，５５Ａａ      １列目空気孔
５５ｂ，５５Ａｂ      ２列目空気孔
５５ｃ，５５Ａｃ      ３列目空気孔
５６                  燃料ノズル
１０１                ガスタービン
５０１                発電機
【図１】
2014122723.tif 000003
【図２】
2014122723.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2014122723.tif 000007
【図６】
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【図７】
2014122723.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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