(57)【要約】【課題】気体燃料や液体燃料を燃焼させるガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器の着火・起動を的確にし、高効率化を実現する。【解決手段】燃焼室６に連通する環状の空気流路９の出口外径が２Ｒ１で、燃焼室６の内径が２Ｒ０とするときに、２Ｒ１≦Ｒ０となるように燃焼室６の内径を形成すると共に、点火栓１４の下流方向位置が燃料噴射ノズル７の噴孔先端から燃焼室６の軸下流方向にＲ０以内の位置に配置することにより、点火栓１４の先端で形成した放電火炎の火炎核により燃料と空気の混合気に火移りさせ燃焼室６内にその火炎を燃焼室６の中央領域に伝播させて燃焼室６内に自立火炎を形成し素早くかつ確実にガスタービンを着火・起動することができる。【選択図】　図２
2004132200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器の略中央に配置し、燃焼室に向けて燃料を噴射する燃料噴射ノズルと、燃焼室に連通して燃料噴射ノズルの周囲に環状に形成し、燃焼室に空気を供給する空気流路と、燃焼室の側壁に配置して、燃料と空気の混合気に着火しガスタービンを起動する点火栓と、を備え、
空気流路の環状通路において、燃焼室に流入する通路出口外径が２Ｒ１で、燃焼室の内径が２Ｒ０とするときに、２Ｒ１≦Ｒ０となるように燃焼室内径を形成すると共に、点火栓の下流方向位置が燃料噴射ノズルの噴孔先端から燃焼室の軸下流方向にＲ０以内の位置に配置されていることを特徴とするガスタービン用燃焼器の着火装置。
【請求項２】
点火栓の放電先端面は、燃焼室の内壁面と同等から点火栓の径の１／２以内の範囲で突き出してなることを特徴とする請求項１記載のガスタービン用燃焼器の着火装置。
【請求項３】
点火栓の先端には、燃焼室に導入される空気が点火栓の先端に導入される空気通路を設け、点火栓の先端に形成される火炎核が点火栓の先端から燃焼室内に飛び出るようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスタービン用燃焼器の着火装置。
【請求項４】
点火栓が設置されている上流側の燃焼室内面は、平滑面で形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一に記載のガスタービン用燃焼器の着火装置。
【請求項５】
ガスタービンの起動に際して、ガスタービンの出力軸に接続した発電機を起動用モータとして駆動し、ガスタービン軸の回転速度を徐々に増加してガスタービンを構成する圧縮機が空気を吸気して燃焼器に供給する空気流量を時間と共に増加するように構成し、ガスタービンが回転すると同時に点火栓を発火した後に燃料供給を開始する遮断弁を開いて燃料噴射ノズルから燃料噴流を燃焼室内に噴射して燃焼室内に燃料と空気の混合気を形成し、点火栓の先端で形成した放電火炎の火炎核により燃料と空気の混合気に火移りさせ燃焼室内にその火炎を燃焼室の中央領域に伝播させて燃焼室内に自立火炎を形成し着火・起動するようにしたことを特徴とするガスタービン用燃焼器の着火方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体燃料や液体燃料を燃焼させるガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器において、素早くしかも確実にガスタービンを着火・起動するためのガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器の着火装置とその着火方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境面への配慮から、燃焼時に発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）と一酸化炭素や炭化水素などの未燃燃料の排出を数ｐｐｍレベルまで低減する低ＮＯｘ燃焼器が実用化されている。この低ＮＯｘ燃焼器では例えば希薄予混合燃焼方式を採用し、燃料と燃焼用空気を予混合して燃料の希薄な混合ガスとし、これを比較的低温で燃焼させてサーマルＮＯｘの発生を抑制している。
【０００３】
しかし、例えばメタンを主成分とする都市ガス燃料では室温・大気圧下で当量比０．５程度以下の希薄予混合気に着火出来ないという欠点があり、当量比０．５から１．４程度のリッチ混合気にどの様にして確率１００％で着火するかが実用上の課題である。そのため、図１０に示すように、着火起動時のみ点火栓を燃焼室の内部に突き出す方式（特許第３３００７５８号）などが提案されている。
【０００４】
すなわち、従来の点火に最適な制御が出来るガスタービン燃焼器の点火方法とその点火栓２０は、背面側に設けられたピストン２１に受圧される空気圧とこれに抗する付勢力の作用により燃焼器２２の壁内に進退可能に構成されている。この点火栓２０本体により燃料の点火を行なうガスタービン燃焼器の点火方法においては、点火栓２０本体の挿入ストローク工程に、ガス燃料点火に最適な位置、液体燃料点火に最適な位置にくるように、そのストローク長を設定すると共に、点火栓２０先端で点火火花を飛ばしたまま、夫々の点火位置で着火が可能な着火時間を確保出来るように点火栓２０本体をストローク長位置まで燃焼器２２の壁内に緩速で挿入させた後、火炎で点火栓２０の先端が焼損するのを防止するため挿入速度よりも速い速度で元の位置に退避させることを特徴としている。
【０００５】
背面側に設けられたピストン２１に受圧される空気圧とこれに抗する付勢力の作用により燃焼器２２壁内に進退可能に構成された点火栓２０本体を備えたガスタービン用燃焼器の点火栓において、ピストン２１の空気圧受圧空間内への空気量供給速度を制御する制御手段を空気源より空気圧受圧空間までの空気系統に介装させ、該制御手段により点火栓２０本体の燃焼器２２の壁内の挿入速度を緩速に、又元の位置への退避速度を挿入速度よりも速い速度になるようにコントロール可能に構成している。
【０００６】
このように、従来の着火装置では、点火栓２０の出し入れの装置とその制御がかなり複雑な構成となり高コストとなり、さらに素早い着火・起動を繰り返すことは実用上出来ないという欠点がある。
【０００７】
さらに、点火栓２０の出し入れの機構が故障すると着火は不可能で、耐久・信頼性が低いという実用上のデメリットもある。
また、着火領域の当量比を確保するために、空気流量を可変機構等で制限する方法も使用されているが、これも可変機構の耐久・信頼性が低いという実用上のデメリットがある。
【特許文献１】
特許第３３００７５８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
一般的に、連続燃焼器では着火し易い位置は、着火後の火炎熱に曝されるので点火栓の耐久性がないというジレンマがある場合が多い。そこで、燃焼器の内部に点火装置を出し入れできるような可変機構を持つことが提示されている。この方法は、燃焼室内の空間的な当量比分布が大きい場合に特に有利になる。しかし、装置が複雑で構成機器の信頼性やコスト等に課題があり、コージェネレーションなどの小型分散動力に使用するマイクロガスタービン用燃焼器では実用的ではない。このようなマイクロガスタービン用燃焼器の着火方法は簡便で安価な方法が望まれている。この場合、燃焼器では広い運転条件で希薄燃焼の安定性を確保すると同時に必要な時に直ちに１００％の確率で着火・起動することが必須である。
【０００９】
また、特に都市ガスなどの気体燃料を燃焼させる場合には、爆燃を防止する観点から排気煙道のガスパージを実施する必要があり、実際の着火起動前にガスタービンを起動用モータ等でフリーランして空気置換を実施している。
そのため、実際のガスタービンでは規定の回転速度と時間のフリーランを実施した後にその回転速度のままで規定の燃料を供給して着火・起動と加速をしている場合が多い。
【００１０】
このため、空気流量に応じて最適な当量比になるように燃料を供給するので相対的に多くの燃料を燃焼室内に噴射することになる。さらに、このように燃焼室内に一定の空気が流れていると点火装置による火炎核の形成と火炎の伝播に悪影響がでることがあり、それを回避するため必要以上に多量の燃料を噴射することになる。このため、例えば着火ミスが発生した場合には多量の未燃燃料が排気されることになるし、あるいは最悪のときには爆燃の確率が増加するという危惧があり、ガスタービンの開発に際しては慎重に着火条件等を探ることになる。
【００１１】
本発明は、以上の課題を解決するために案出されたものである。すなわち、本発明の目的は、最少量の燃料で確実な着火・起動と安定な自立火炎を短時間に形成することを目的としたマイクロガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器の着火装置とその方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明のガスタービン用燃焼器の着火装置は、燃焼器の略中央に配置し、燃焼室に向けて燃料を噴射する燃料噴射ノズルと、燃焼室に連通して燃料噴射ノズルの周囲に環状に形成し、燃焼室に空気を供給する空気流路と、燃焼室の側壁に配置して、燃料と空気の混合気に着火しガスタービンを起動する点火栓と、を備え、空気流路の環状通路において、燃焼室に流入する通路出口外径が２Ｒ１で、燃焼室の内径が２Ｒ０とするときに、２Ｒ１≦Ｒ０となるように燃焼室内径を形成すると共に、点火栓の下流方向位置が燃料噴射ノズルの噴孔先端から燃焼室の軸下流方向にＲ０以内の位置に配置されていることを特徴としている。
【００１３】
請求項２に係るガスタービン用燃焼器の着火装置は、点火栓の放電先端面が燃焼室の内壁面と同等から点火栓の径の１／２以内の範囲で突き出してなることを特徴としている。
【００１４】
請求項３に係るガスタービン用燃焼器の着火装置は、点火栓の先端に、燃焼室に導入される空気が点火栓の先端に導入される空気通路を設け、点火栓の先端に形成される火炎核が点火栓の先端から燃焼室内に飛び出るようにしたことを特徴としている。
【００１５】
請求項４に係るガスタービン用燃焼器の着火装置は、点火栓が設置されている上流側の燃焼室内面は、平滑面で形成されていることを特徴としている。
【００１６】
請求項５に係るガスタービン用燃焼器の着火方法は、ガスタービンの起動に際して、ガスタービンの出力軸に接続した発電機を起動用モータとして駆動し、ガスタービン軸の回転速度を徐々に増加してガスタービンを構成する圧縮機が空気を吸気して燃焼器に供給する空気流量を時間と共に増加するように構成し、ガスタービンが回転すると同時に点火栓を発火した後に燃料供給を開始する遮断弁を開いて燃料噴射ノズルから燃料噴流を燃焼室内に噴射して燃焼室内に燃料と空気の混合気を形成し、点火栓の先端で形成した放電火炎の火炎核により燃料と空気の混合気に火移りさせ燃焼室内にその火炎を燃焼室の中央領域に伝播させて燃焼室内に自立火炎を形成し着火・起動するようにしたことを特徴としている。
【００１７】
【発明の作用・効果】
（１）ガスタービンの起動時に、回転速度が徐々に加速することによりガスタービンの圧縮機が吸気する空気流量が増加し、燃焼器に導入される空気流量は時間と共に増加する。ところで、都市ガス燃料と空気の混合気に火花放電で着火するには、火花放電エネルギーが十分であれば燃料成分によりほぼ決まり、例えばメタンでは室温・大気圧下の条件で当量比がほぼ０．５が希薄側の着火限界である。
【００１８】
したがって、当量比０．５以上の条件にするには、燃焼器に導入される空気流量が少ない程、より少ない燃料で着火可能な当量比になる。このため、ガスタービンの回転起動とほぼ同時で空気流量が最小の条件で、点火栓先端に燃料噴流を直接噴射する本着火方法は、点火栓の火花放電による火炎核の形成確率を高める。これは着火の第１のステップを確実なものとする効果がある。
【００１９】
（２）　火花放電による火炎核が１００％の確率で形成されても、この火炎核が燃焼室の下流に流されてはガスタービンの着火・起動は不成立である。つまり、火花放電による火炎核が燃料・空気の混合気に火移りして、さらにその火炎が燃焼室の上流に伝播して保炎器に到達することで安定な自立火炎が燃焼室のほぼ中央領域に形成されて、ガスタービン燃焼器への着火が成功したことになる。
【００２０】
火炎の伝播が第２のステップで、自立火炎が保炎器に形成される状態が第３のステップである。このような第１から第３のステップが素早く、しかも短時間内に１００％の確率で完結することが着火過程には必須である。　ところで、ガスタービン起動時には燃焼室内の空気流動として燃焼室上流のコーナー部に２次渦領域が形成（図３）される。この２次渦に載って火炎核が上流方向に流れて、第２のステップが助長され火炎伝播を確実に補助することになる。逆に、例えば、点火栓の先端の流れが、下流方向に流れる場合には、火炎核は燃焼室の下流に向かうのみで、その間に消炎することになる。従って、この２次渦領域をうまく形成させて、着火を確実にさせることができるように本発明の一つのねらいである。
【００２１】
さらに、保炎器は空気流路の内側にあり、上流に伝播した火炎はこの保炎器端面上に接地して火炎の起部が形成されることになり、この火炎起部から旋回気流により火炎柱が燃焼室内に形成されて自立火炎が安定化する。したがって、点火栓の設置場所としては、燃焼室に流入する通路出口外径が２Ｒ１で燃焼室の内径が２Ｒ０とするときに、２Ｒ１≦Ｒ０となるように燃焼室内径を形成すると共にさらに点火栓の設置位置が燃料噴射ノズルの噴孔先端から燃焼室の下流方向にＲ０以内の位置に配置する構成にすることが着火の第２ステップおよび第３ステップを効果的に助長することになる。
【００２２】
（３）　着火の第１ステップである火炎核の形成段階で、燃焼室外周領域に供給される空気の一部が点火栓側壁の途中から導入されて先端でその空気を噴出する構成にして、点火栓先端が燃焼室内壁面と同等の位置にあっても点火栓先端に形成される火花放電の火炎核が燃焼室壁面から例えば５ｍｍ〜１０ｍｍ程度も飛び出して形成される。つまり、燃焼室壁面から離れた比較的広い空間で火炎核が形成されることになり、これにより噴射燃料流量や空気流の変動により燃料・空気の混合状態が空間的に変化した場合でもその影響が少なくなり、着火の第１ステップの確率が向上する。
【００２３】
なお、点火栓の先端を燃焼室壁面から突き出せば同じような効果を得ると考えられるが、その場合には連続燃焼中に点火栓の先端が赤熱されて点火栓の耐久性がないという欠点があり実用的ではない。また、燃料濃度がリッチすぎれば着火はしないので内部に突き出しすぎるのは良くない。さらに、着火する前後では点火栓の先端近傍に燃料・空気の最適な混合気（当量比で０．５〜１．４程度）が必要であるが、一旦、着火した後は燃料ができるだけリーンになるようにしなければ点火栓と燃焼室壁面が赤熱することになる。つまり、連続燃焼中の自立火炎から離れた位置に点火栓先端があるように構成しないと実用化できない。
【００２４】
この点から、着火が成立した後には、点火栓の先端に空気が吹き出る構成にして冷却をかねることが効果的である。　なお、前記したように、着火する前の燃焼室内の空気流動では、図３に示すように、上流の壁面近傍領域に２次渦が比較的広い空間に形成される燃焼器構成であるが、着火した後はこの壁面近傍の２次渦領域が比較的小さな領域になると共に図４に示すように、燃焼室内部に双葉状の循環領域が形成され、これにより火炎が安定化する。このように、着火前後で燃焼室内部の流れパターンを変化させ得る燃焼器構成で、その特徴を利用した点火方法である。
【００２５】
（４）　燃焼室内面は滑らかでかつ壁面の冷却用空気導入や２次燃焼用空気導入などの穴がないので、点火栓先端の局所当量比を一様にしかも乱れなく確実に制御できることになり、火炎核の形成が容易である。
【００２６】
（５）　燃焼室側壁に配置した点火栓先端の燃料濃度を着火可能な当量比の０．５以上から１．４程度にするには、燃料濃度の減衰を考慮して燃焼室内の当量比が理論当量比の１以上である２ないしは４程度のリッチ状態にする必要がある。低ＮＯｘ燃焼器では、希薄燃焼方式によりサーマルＮＯｘの生成を抑制するために燃焼室上流の１次燃焼領域に多量の空気（例えば、圧縮機から供給される全空気流量の５０％程度）を導入するように設計するため、空気流量が多いとそれに比例して噴射すべき燃料流量が多くなり、都市ガス燃料などでは着火ミスによる爆燃などの危険性が増大することになる。
【００２７】
したがって、できるだけ少ない燃料流量で着火させて、しかも着火後のリッチ混合気による温度上昇による過熱を最小限におさえることも必要である。このためには、ガスタービンの回転起動直後の比較的少ない空気流量で着火し、着火後は速やかに加速して空気流量を増加し適正な当量比にすることが望ましい。つまり、起動初期の加速途中で着火させてそのまま回転速度を増加する本特許の着火装置および着火方法が最適である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態のガスタービン用燃焼器１は、図１に示すように構成されている。マイクロガスタービン２では、圧縮機３が空気を吸引して空気圧力を４気圧程度まで上昇し、その圧縮空気（２００℃程度）で排ガスの熱（６５０℃程度）を回収して、燃焼器１には比較的高い温度の空気（６００℃程度）を供給することにより燃料消費量を節約するタイプで、いわゆる再生式ガスタービンの構成を示す。ここでは、燃焼器１で生成した燃焼ガスでタービン２を駆動するが、このタービン軸４は圧縮機３および発電機５と１本の軸で連結されて、数万ｒｐｍで回転することで発電をするものである。このマイクロガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器１の断面構造を図２に示す。燃焼室６の中央に燃料噴射ノズル７があり、その先端の周囲には保炎器８が配置されている。
【００２９】
この燃料ノズル７から燃焼室６に噴射した燃料は、拡散燃焼するので、ここでは拡散燃料噴射ノズルと呼ぶことにする。保炎器８の外周には環状の空気流路９があり、この流路９の上流には、さらに別の燃料噴射ノズル１０が数本と旋回用スワーラ羽根１１が配置されている。この数本の燃料噴射ノズル１０から噴射した燃料は、空気と予混合した後に燃焼室６で希薄燃焼するので、ここでは予混合燃料噴射ノズルと呼ぶことにする。つまり、低ＮＯｘ燃焼運転時には、１次燃焼用空気が空気通路１２の入口から流入し、その通路１２中に予混合燃料噴射ノズル１０が配置されて、さらにその下流のスワーラ羽根１１により予混合気流に旋回速度を付与して、この旋回予混合気は環状の空気流路９から燃焼室６内に流入して希薄予混合燃焼する構成である。
【００３０】
ところで、拡散燃料噴射ノズル７は、先端の複数個の噴孔１３から燃焼室６内にガス燃料を噴射する。拡散燃料噴射ノズル７の先端にある複数の噴孔１３の中の１つの噴孔から噴射された燃料噴流が燃焼室６の側方に配置された点火栓１４の先端領域に到達するように構成されている。このため、ガスタービンの着火・始動時には、拡散燃料噴射ノズル７から燃料噴流が燃焼室６に噴出して、ガスタービンの回転速度がまだ低いために、１次燃焼用空気の流量は微少量であり、燃料噴流は旋回空気流の影響をほとんど受けずに側壁上の点火栓１４の先端まで確実に到達する。そこで、エキサイタからの高電圧により火花放電して火花火炎を点火栓１４の先端のキャップで発生する。
【００３１】
このときに、点火栓１４の側面から導入した空気は、点火栓１４の先端から燃焼室６内に流れ出るので、この火花火炎が燃焼室６のライナ壁面１５から１０ｍｍ程度飛び出て形成される。この火花火炎が火炎核となり、この火炎核が燃焼室６内の混合気に燃え移ると共に、上流領域に火炎伝播して、保炎器８の近傍の再循環領域に到達することで自立火炎が保炎器８の端面から燃焼室６内に形成される。この間に、ガスタービン回転速度は、上昇して１次燃焼用空気の流量が増加し、旋回空気流も形成されるので、拡散燃料噴流はもはや点火栓１４の先端および燃焼室６のライナ壁面１５に到達する前に旋回空気流と混合して燃焼が完結するようになる。
【００３２】
このように、気流の状況を合理的に利用することで点火栓１４の先端がライナ壁面１５と同等か、点火栓１４の径の１／２以内、例えば、多くても２ｍｍ以内の突き出し長さで確実な着火を確保できるのである。一旦着火した後に自立火炎が形成されるとこの火炎により点火栓１４の先端およびライナ壁面１５は赤熱されることがなく、耐久性が保証されることになる。このため、従来のような着火装置の出し入れ機構等を採用する必要がない。
【００３３】
なお、ここでは燃焼室６のライナ内壁面１５には、突起物がなく滑らかな面で構成され、さらにライナ壁面１５を空気冷却していないので、点火栓１４が配置されている位置より上流から供給される燃料・空気の混合気は乱されることなく点火栓１４の先端領域に到達できる構成である。
【００３４】
次に、ガスタービン回転速度が上昇してガスタービンが出力を発生する負荷運転状態になると、予混合燃料噴射ノズル１０から燃料を噴射すると同時に拡散燃料噴射ノズル７からの燃料を減少し、ほぼ全体の燃料供給量の１／１０から１／２０程度の微少流量のみが拡散燃料噴射ノズル７から直接噴射されて燃焼室６にパイロット火炎を形成する。このようなパイロット火炎の補助の下に希薄予混合燃焼を一定温度（１４００℃〜１５００℃一定）になるように制御することで、排ガス中のＮＯｘ濃度が１０ｐｐｍ（酸素１６％換算値）未満でＣＯ濃度や未燃炭化水素濃度が数〜数十ｐｐｍ以下の低エミッション燃焼が実現できることが特徴である。
【００３５】
なお、上記では燃料としてガス燃料の場合を説明したが、液体燃料でも同様のことである。以下では、着火前後における点火栓先端近傍領域における局所当量比の時間変化をもう少し詳細に説明する。
【００３６】
先ず、着火起動時の空気の流れを説明する。ガスタービン軸４が駆動されると圧縮機３により吸引された空気が燃焼室６に供給され、燃焼室６内には図３に示すような空気流動が形成される。つまり、環状の空気流路９から燃焼室６に流入した気流は半径方向に少し拡がりながら下流に流れる主流を形成し、燃焼室６の上流のコーナ部の壁面の流域には逆流領域（２次渦）を形成する。
【００３７】
環状の空気流路９の外径２Ｒ１に対して燃焼室６の内径２Ｒ０が、２Ｒ１≦Ｒ０の関係になるように構成した時に、図３で示したような明確な逆流領域が形成される。この逆流領域は３次元的に連続であり、ここの断面図では左右の壁面で大きさが異なっているが、これは燃焼室６に導入される際に空気の偏流によりこのような不均一が生じるからである。しかし、この逆流領域は環状の空気流路９の出口からの距離で、１．５Ｒ０から２．５Ｒ０の長さまで下流に伸びる。したがって、この逆流領域に点火栓１４の先端を配置すると、点火栓１４で形成された火炎核はこの２次渦の流れに載って上流側に伝播し易くなる効果がある。このため、点火栓１４を配置する位置は、環状の空気流路９の出口からの距離でＲ０以内の所が良好である。
【００３８】
詳述すれば、２Ｒ１＝Ｒ０　の場合は、空気流路から流入した空気流が燃焼室６中心と壁とのほぼ中央を流れ出て、下流で拡がりながら、燃焼室６の壁面まで広がっていく。このときの空気の利用率は比較的良い。しかし、２Ｒ１＞Ｒ０では空気流は燃焼室６の壁に近いところから下流に向かって広がっていくことになり燃焼室６の中央領域は空気が相対的に不足することになる。このため、火炎核の伝播（第２ステップ）と火炎の保持（第３ステップ）が不十分になる。２Ｒ１＜Ｒ０では燃焼室６の中央領域に主に空気流が流れることになるが、点火における火炎核の形成には流れがない方がむしろ良いのである。第２ステップと第３ステップも中央領域に空気流が多い方が良好となる。一旦、火炎が形成されてガスタービンが加速されると空気流は通路の上流にあるスワーラにより、旋回が強くかかるようになるので、燃焼室６内に流入する空気流は幾何形状以上に燃焼室６の外側領域、つまり壁のほうに拡大するようになるので、火炎の形成には最適である。
【００３９】
なお、一旦、着火して自立火炎が燃焼室６内に形成されると、図３に示すように、壁面近傍の逆流領域は縮小して、替わりに保炎器８の端面から双葉状の循環領域が燃焼室６の中央領域に形成される。一方、燃焼室６のライナ壁面１５の近傍は毎秒数メートルの速さの順流が形成される。
【００４０】
次に、起動時における図３の空気流動の中で、着火のために拡散燃料噴霧ノズル７から燃料噴流を噴射した場合に、点火栓１４の先端の近傍領域における局所の当量比を実時間で計測した結果を図５に示した。この図５では、拡散燃料噴射ノズル７から噴出する燃料流量を少ない場合と多い場合で６通りに変化したときの局所当量比がガスタービン回転速度の増速につれて時間と共に変化している様子を示す。ここでは、燃焼室６内の空気流量と噴射した燃料流量の割合を平均当量比として、この平均当量比が１．７から５．６程度まで増加させた場合を比較して示した。横軸には経過時間を示し、この時間が約１秒の時にガスタービン軸４が起動を始め、３秒の時に燃料遮断弁をオープンして燃料供給を開始する。
【００４１】
点火栓１４の先端には、約０．２秒の燃料噴射遅れ時間後に最初の燃料が到達することがわかる。ここで比較した燃料流量では、燃料噴射ノズル７の噴出速度が１００ｍ／Ｓ程度から２００ｍ／Ｓ程度の高速噴流である。したがって、図３に示した数ｍ／Ｓ〜１０ｍ／Ｓ程度の空気流動にはほとんど影響されずに直接点火栓１４の先端に到達し、遮断弁オープンから約１秒後には平均当量比と同等の濃度になる。平均当量比２．３から５．６ではこの時間に対する増加割合は同じである。
【００４２】
このため、噴射燃料流量の大小に関係なく、遮断弁オープンから約０．３秒以内（燃料到達遅れ時間である０．２秒を含む）に着火する。つまり、燃料噴流が安定に点火栓１４の先端に供給されて、その局所当量比が０．５を越えて、１．０前後になった瞬間に着火することがわかる。
図５に示した局所当量比は点火栓１４の先端が燃焼室６のライナ内壁面１５から１ｍｍ突き出た場合である。この突き出し長さＬｓが０ｍｍ、１ｍｍと２ｍｍの場合に点火栓１４の先端の局所当量比を比較した結果が図６である。この図６では、燃料噴射時における燃焼室６内の平均当量比が約３の場合である。燃料噴流が直接点火栓１４の先端領域に到達しているので０ｍｍから２ｍｍ程度の範囲では局所当量比はほぼ同等で大きな差は生じない。
【００４３】
なお、ガスタービン２の回転速度が増加して空気流量が増加すると、例えば、経過時間で約７秒には点火栓１４の先端の局所当量比は平均当量比よりかなりリーンになり、局所当量比で０．１程度になることがわかる。ここで示したのは、着火しない場合の当量比であり、実際に着火した場合には、図４に示したように、燃焼室６内に火炎が形成され、その燃焼により燃焼ガスが膨張して加速されるとともに空気流量も増加するため、燃料は空気と混合して燃焼しつつ減速し、燃料噴流はもはや点火栓１４の先端およびライナ壁面１５にはほとんど到達出来なくなることを現している。
【００４４】
一方、図６の拡散燃料噴射の場合と比較するために、予混合燃料噴射の場合を図７に示した。予混合燃料噴射の場合には、環状の空気流路１２の上流で予め空気と混合した後に燃焼室６内に予混合気が流入するため、燃焼室６内の予混合気の流動パターンは図３に示した空気流動と同じである。このため、経過時間３秒の時に燃料遮断弁をオープンして燃料供給を開始しても点火栓先端に燃料が到達するまでに約１秒近くの時間遅れが生じる。つまり、予混合気が燃焼室６の主流に載って下流に流れるが、点火栓１４の先端があるライナ壁面１５の近傍には２次渦領域が形成されているので、この領域に予混合気が取り込まれるには遅れ時間が１秒近く必要になるためである。
【００４５】
さらに、この２次渦流域内の燃料濃度は空間的あるいは時間的な分布が大きくなりさらに流速が遅いため外乱に影響されやすく、図７に示すように、点火栓１４の突き出し長さが０ｍｍ、１ｍｍと２ｍｍで大きく局所当量比が変化することになる。このため、予混合燃料噴射による着火では、着火遅れが燃料供給から２秒〜３秒程度もあることになり、しかも、点火栓１４の先端位置が１ｍｍ程度ずれただけでも着火しない可能性がある。このように、燃料供給からの着火遅れ時間を短縮したり着火の当量比を確保するため、噴射する燃料流量が多くなることは、爆燃の危険性が生じることになり、実用的ではない。
【００４６】
ところで、図８に示すように、点火栓１４は燃焼器ケーシングに固定されて、その先端は燃焼器１のライナ内壁面１５と同じかせいぜい２ｍｍ以内の突き出し位置に設置する。この時、ライナの外周は１次燃焼用空気が流れていて、この空気の一部が点火栓１４の側壁にある通路１６を通り、その先端から燃焼室６内に空気が流入するように構成している。このように構成することで、点火栓１４の先端に形成される火花火炎は燃焼室６内に数ｍｍから１０ｍｍ程度まで伸びて形成されることになる。
【００４７】
なお、上記では火花火炎による点火栓１４を例にして示したが、トーチ点火や、あるいはグロー点火等でも局所当量比の着火性については同様に扱うことができ、本発明を適用できる。
【００４８】
【その他の実施の形態】
本発明の実施の形態はガス燃料であるが、この他図９に示す液体燃料の燃焼器６２にも実施することができ、前記と同様な作用効果を奏する。図中６０は燃焼室、６１はスワーラ羽根、６７は液体燃料噴射ノズル、６２は空気通路をそらぞれ示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の代表的な実施の形態例を示す再生式マイクロガスタービンの概略構成図である。
【図２】本発明の実施例のマイクロガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器の構造を示す構成図である。
【図３】本発明の代表的な実施の形態例において着火直前の燃焼室内の空気流動パターンを示す線図である。
【図４】本発明の代表的な実施の形態例において着火後の自立火炎形成時における燃焼室内の流動パターンを示す線図である。
【図５】本発明の代表的な実施の形態例において着火時における燃焼室内平均当量比と点火栓先端の局所当量比の比較を示す線図である。
【図６】本発明の代表的な実施の形態例において拡散燃料噴射の場合における点火栓先端近傍の局所当量比の比較を示す線図である。
【図７】本発明の代表的な実施の形態例において予混合燃料噴射の場合における点火栓先端近傍の局所当量比の比較を示す線図である。
【図８】本発明の代表的な実施の形態例において点火栓の先端の空気導入の構成を示す構成図である。
【図９】本発明の代表的なその他の実施の形態例の液体燃料の燃焼器の構成を示す構成図である。
【図１０】従来の点火方法を示す構成図である。
【符号の説明】
１…燃焼器
２…ガスタービン
３…圧縮機
４…タービン軸
５…発電機
６…燃焼室
７…燃料噴射ノズル
８…保炎器
９…空気通路
１１…旋回用スワーラ羽根
１４…点火栓
１５…ライナ壁面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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