(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
拡散燃焼式のパイロットバーナー（１２）と、そのまわりに配置された複数の予混合燃焼式のメインバーナー（１４）とを備え、該メインバーナー（１４）は、主噴射弁（１５）と予混合管（１６）とからなり、該予混合管の出口形状がパイロットバーナーに隣接する扇形に形成されており、
前記予混合管（１６）は、主噴射弁（１５）に隣接する円筒部分（１６ａ）と、円筒部分に連結し断面形状が円形から扇形に変化する変形部分（１６ｂ）とからなる、ことを特徴とするガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器。
【請求項２】
前記変形部分（１６ｂ）は、予混合気が内向きに流れるように、外方壁が内方に傾斜している、ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン用の低ＮＯｘ燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、従来のガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器の全体構成図である。この図に示すように、従来の低ＮＯｘ燃焼器は、中央部に配置されたパイロットバーナー８と、そのまわりに配置された複数（図には１つのみを示す）のメインバーナー９とを備える。なお、この図において、１はスクロール部、２は燃焼器ライナ、３はケーシング、４は点火栓（イグナイタ）であり、空気６がケーシング３とライナ２の間を流れてバーナー８、９に達し、このバーナーとその他の部分を通ってライナ２内に流入して火炎７ａ，７ｂを形成し、発生した燃焼ガスがスクロール部１を通って図示しないガスタービンに導かれ、これを駆動するようになっている。
【０００３】
図６において、メインバーナー９は、互いに同軸に配置された主噴射弁９ａと予混合管９ｂとからなる。主噴射弁９ａには、ケーシング３を通して外部から燃料Ｆが供給される。この燃料には、例えばガス燃料又は液体燃料を用いる。予混合管９ｂは、この図で下端部が開口した円筒形の筒であり、内部で燃料と空気が互いに混合しやすくなっている。すなわち、メインバーナー９は、主噴射弁９ａと予混合管９ｂで構成された予混合希薄バーナーである。この構成により、主噴射弁９ａにより予混合管９ｂ内に燃料Ｆを噴射し、予混合管９ｂ内で燃料Ｆを十分な空気量と予混合しこれを希薄燃焼させることができる。
かかる予混合燃焼方式の燃焼器では、燃料を十分な空気量と予混合しこれを希薄燃焼させるものであり、このためホットスポットがなく、高温火炎の発生をなくし低ＮＯｘ化を実現することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上述した従来型の円筒形の予混合管９ｂでは、パイロット火炎７ａと予混合火炎７ｂは線でしか接していない。そのため、パイロット火炎７ａと希薄予混合気との混合が緩慢である問題点があった。このため熱量やラジカルといった火炎を安定させる因子のパイロット火炎７ａから希薄予混合気への供給が乏しく、燃焼安定性に欠ける希薄予混合火炎を保炎させることが難しかった。その結果、燃焼効率の低下を引き起こしていた。
【０００５】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、希薄予混合方式を用いた低ＮＯｘガスタービン燃焼器において希薄予混合火炎の燃焼安定性を高め、その保炎を確実に行い燃焼効率を高めることができるガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、拡散燃焼式のパイロットバーナー（１２）と、そのまわりに配置された複数の予混合燃焼式のメインバーナー（１４）とを備え、該メインバーナー（１４）は、主噴射弁（１５）と予混合管（１６）とからなり、該予混合管の出口形状がパイロットバーナーに隣接する扇形に形成されており、
前記予混合管（１６）は、主噴射弁（１５）に隣接する円筒部分（１６ａ）と、円筒部分に連結し断面形状が円形から扇形に変化する変形部分（１６ｂ）とからなる、ことを特徴とするガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器が提供される。
【０００７】
上記本発明の構成によれば、予混合管（１６）の内部で燃料と空気を予混合し、この予混合気を、扇形の予混合管出口からパイロット火炎に沿って燃料室内に流出させることができる。このため扇形のパイロットバーナーに隣接する面では、パイロット火炎と予混合気が面で接し、この界面で予混合管を出た直後から予混合気とパイロット火炎との混合が急速に進み、パイロット火炎で発生した熱量とラジカルが接触面を介してメインバーナーの希薄予混合気を加熱・活性化してその燃焼安定性を高め、燃焼効率を高めることができる。
また、前記予混合管（１６）は、主噴射弁（１５）に隣接する円筒部分（１６ａ）と、円筒部分に連結し断面形状が円形から扇形に変化する変形部分（１６ｂ）とからなるので、円筒部分（１６ａ）で主噴射弁（１５）から噴射された燃料と空気を強い旋回流で予混合することができる。また、変形部分（１６ｂ）で予混合気を扇形の流れに変えて、扇形の予混合管出口からパイロット火炎に沿って燃料室内に流出させることができる。
【０００９】
また、前記変形部分（１６ｂ）は、予混合気が内向きに流れるように、外方壁が内方に傾斜している。この構成により、扇形の予混合管出口からの予混合気の流れが内向きとなり、パイロット火炎との接触をより促進することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１１】
図１は本発明のガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器の第１実施形態を示す全体構成図である。この図において、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。
【００１２】
図１（Ａ）に示す低ＮＯｘ燃焼器１０は、中央部に配置されたパイロットバーナー１２と、そのまわりに配置された複数（例えば６つ）のメインバーナー１４とを備える。なお、この低ＮＯｘ燃焼器１０は単管式燃焼器であり、２は燃焼器ライナ、３はケーシング、４は点火栓（イグナイタ）である。
この構成により空気６がケーシング３とライナ２の間を流れてバーナー１２、１４に達し、このバーナーとその他の部分を通ってライナ２内に流入して火炎７ａ，７ｂを形成し、発生した燃焼ガスがスクロール部（図示せず）を通って図示しないガスタービンに導かれ、これを駆動するようになっている。
【００１３】
図１（Ａ）において、パイロットバーナー１２は、燃料を燃焼室１１内で拡散燃焼させる拡散バーナーである。また、メインバーナー１４は、燃料を空気を予混合して燃焼室内で燃焼させる予混合バーナーである。
【００１４】
予混合バーナー１４は、主噴射弁１５と予混合管１６とからなる。また、図１（Ｂ）に示すように、予混合管１６の出口形状がパイロットバーナーに隣接する扇形に形成されている。この扇形は、パイロットバーナー１２の円形の出口を囲むドーナツ形を複数（この例では６つ）の扇形で形成するように、扇形の短い円弧がパイロットバーナー１２の円形出口に近接して配置されている。
【００１５】
また、この予混合管１６は、主噴射弁１５に隣接する円筒部分１６ａと、円筒部分１６ａに連結し断面形状が円形から扇形に変化する変形部分１６ｂとからなる。円筒部分１６ａは、主噴射弁１５から噴射された燃料と空気をスワール等で形成された強い旋回流で予混合するように内面が円筒形に形成されている。また、変形部分１６ｂは、予混合した予混合気を扇形の流れに変えて、扇形の予混合管出口からパイロット火炎に沿って燃料室内に流出させるように内面が滑らかに形成されている。また、この変形部分１６ｂは、予混合気の流速が変化しないように一定の断面積に形成するのがよい。また、必要により流速を高めて燃焼室１１内に噴射できるように、断面積を徐々に小さくしてもよい。
【００１６】
更に、この変形部分１６ｂは、予混合気が内向きに流れるように、外方壁が内方に傾斜し、扇形の予混合管出口からの予混合気の流れを内向きにし、パイロット火炎との接触をより促進するようになっている。
【００１７】
図２は、本発明の低ＮＯｘ燃焼器の第２実施形態を示す構成図である。この図において、（Ａ）は側面図、（Ｂ）はそのＢ−Ｂ矢視図である。この例の低ＮＯｘ燃焼器１０は、アニュラー型であり、エンジンを囲むドーナツ形部分を複数（この例では４つ）に分割した扇形に全体が形成されている。また、この各低ＮＯｘ燃焼器１０は、複数（この例では３つ）の拡散燃焼式のパイロットバーナー１２と、そのまわりに配置された複数（それぞれ４つ）の予混合燃焼式のメインバーナー１４とからなる。その他の構成は、図１の第１実施形態と同様である。
【００１８】
図３は、本発明の低ＮＯｘ燃焼器の原理図である。この図において、（Ａ）は従来型、（Ｂ）は本発明を示している。
上述した本発明の構成によれば、予混合管１６の内部で燃料と空気を予混合し、この予混合気を、扇形の予混合管出口からパイロット火炎７ａに沿って燃料室内に流出させることができる。このため扇形のパイロットバーナー１２（パイロット噴射弁）に隣接する境界面では、パイロット火炎７ａと予混合気が面で接し、この界面で予混合管１６を出た直後から予混合気とパイロット火炎７ａとの混合が急速に進み、パイロット火炎７ａで発生した熱量とラジカルが接触面を介してメインバーナーの希薄予混合気を加熱・活性化してその燃焼安定性を高め、燃焼効率を高めることができる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を試験結果に基づき説明する。
【００２０】
図４は、本発明の低ＮＯｘ燃焼器の試験結果を示す図である。この試験では、扇形部１６ｂの出口のパイロットバーナー１２に隣接する円弧長Ｌと円筒部分１６ａの直径Ｄとの比率Ｌ／Ｄが、１．０、１．４、２．４の３種を製作し、それぞれをＡ，Ｂ，Ｃ型として試験した。また、予混合管出口近傍の燃焼室壁温を計測した。この出口近傍の燃焼室壁温は、予混合火炎が燃焼室内で直ぐさま着火し安定燃焼する場合に、その熱伝達と輻射で温度上昇しやすい場所に取り付けた。従って、この部分の燃焼室壁温の上昇は、着火・燃焼が安定している目安となる。
【００２１】
図４において、横軸は比率Ｌ／Ｄ、縦軸は予混合管出口近傍の燃焼室壁温上昇率である。この図から、燃焼室壁温が、比率Ｌ／Ｄ１以上で２０％以上上昇し、約１．５で約４０％上昇している。従って、比率Ｌ／Ｄは１以上であるのが好ましい。
【００２２】
図５は、本発明の低ＮＯｘ燃焼器の別の試験結果を示す図である。この図において、横軸は全体の空燃比、縦軸は燃焼効率である。また、図中の▲は本発明、●は従来技術の結果である。
この図から、本発明の低ＮＯｘ燃焼器は、従来に比較して、同一の空燃比では高い燃焼効率が得られ、同一の燃焼効率では空燃比を高められることがわかる。
【００２３】
なお本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００２４】
【発明の効果】
上述したように、本発明ではパイロットバーナーとの接触面積を広げた扇形予混合管を用いた。すなわち、予混合管の出口形状を扇形とし、希薄予混合火炎を保炎するために形成される拡散燃焼方式のパイロット火炎と希薄予混合火炎とが接触する面積を増やすことで両者の干渉を促進させ火炎を安定化させるものである。
【００２５】
この結果、予混合管内部で燃料と予混合された空気は燃焼室に供給させるが、予混合管出口が扇形をしているためパイロット火炎に沿うような流れとなって供給される（図３参照）。このためパイロット火炎と接する面では、予混合管を出た直後から予混合気とパイロット火炎との混合が急速に進む。パイロット火炎では熱量の発生とラジカルの生成が生じているが、接触面全体からこういった燃焼を促進する因子を多量と取り込めるため希薄予混合火炎が安定化される（図４、図５参照）。
【００２６】
すなわち、本発明のガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器は、希薄予混合方式を用いた低ＮＯｘガスタービン燃焼器において希薄予混合火炎の燃焼安定性を高め、その保炎を確実に行い燃焼効率を高めることができる等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器の第１実施形態図である。
【図２】本発明の低ＮＯｘ燃焼器の第２実施形態図である。
【図３】本発明の低ＮＯｘ燃焼器の原理図である。
【図４】本発明の低ＮＯｘ燃焼器の試験結果を示す図である。
【図５】本発明の低ＮＯｘ燃焼器の別の試験結果を示す図である。
【図６】従来のガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器の構成図である。
【符号の説明】
１  スクロール部、２  燃焼器ライナ、
３  ケーシング、４  点火栓（イグナイタ）、
６  空気、７  火炎、
７ａ  パイロット火炎（拡散火炎）、７ｂ  メイン火炎（予混合火炎）、
８  パイロットバーナー、９  メインバーナー、
９ａ  主噴射弁、９ｂ  予混合管、
１０  低ＮＯｘ燃焼器、１１  燃焼室、
１２  パイロットバーナー（拡散バーナー）、
１４  メインバーナー（予混合バーナー、
１５  主噴射弁、１６  予混合管、
１６ａ  円筒部分、１６ｂ  変形部分
【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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