(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室を形成する筒状の燃焼器ライナーと、この燃焼器ライナーの外周部側に隙間を介して設けた外筒と、前記燃焼器ライナーの一端に設けられ燃料と空気を前記燃焼室内に噴出する第１のバーナと、前記燃焼器ライナーの周壁に設けられ前記外筒との隙間から案内される燃焼用空気を前記燃焼室内に導入する空気導入孔と、この空気導入孔と対向する位置の前記外筒に設けられ前記空気導入孔から前記燃焼室内に燃料を直接噴射する第２のバーナとを備え、また前記第２のバーナは、前記燃焼室の中心部近傍で、燃料が空気の噴出流の外縁に位置するような燃料噴射ノズルを備えており、前記空気導入孔と第２のバーナを第１のバーナによる火炎の下流側に空気と燃料を噴出させる位置に設置し、前記空気導入孔から前記燃焼室内に噴射させる空気の流速を前記空気導入孔の周囲の燃焼ガスの流速より速くして、前記空気導入孔から噴射した空気を前記燃焼室内で互いに衝突させて循環噴流を形成し、前記空気導入孔から前記燃焼室内に導入された空気と燃料を前記燃焼ガスと混合させ、前記燃料を緩慢に酸化反応させるように構成したことを特徴とするガスタービン用燃焼器。
【請求項２】
燃焼室を形成する筒状の燃焼器ライナーと、この燃焼器ライナーの外周部側に隙間を介して設けた外筒と、前記燃焼器ライナーの一端に設けられ燃料と空気を前記燃焼室内に噴出する第１のバーナと、前記燃焼器ライナーの周壁に設けられ前記外筒との隙間から案内される燃焼用空気を前記燃焼室内に導入する空気導入孔と、この空気導入孔と対向する位置の前記外筒に設けられ前記空気導入孔から前記燃焼室内に燃料を直接噴射する第２のバーナとを備え、また前記第２のバーナは、前記燃焼室の中心部近傍で、燃料が空気の噴出流の外縁に位置するような燃料噴射ノズルを備えており、前記空気導入孔からの空気と第２のバーナからの燃料を第１のバーナによる火炎の下流側に交差するように噴出させ、前記空気導入孔から前記燃焼室内に噴射させる空気の流速を前記空気導入孔の周囲の燃焼ガスの流速より速くして、前記空気導入孔から噴射した空気を前記燃焼室内で互いに衝突させて循環噴流を形成し、前記空気導入孔から前記燃焼室内に導入された空気と燃料を前記燃焼ガスと混合させ、前記燃料を緩慢に酸化反応させるように構成したことを特徴とするガスタービン用燃焼器。
【請求項３】
燃焼室を形成する筒状の燃焼器ライナーと、この燃焼器ライナーの外周部側に隙間を介して設けた外筒と、前記燃焼器ライナーの一端に設けられ燃料と空気を前記燃焼室内に噴出する第１のバーナと、前記燃焼器ライナーの周壁に設けられ前記外筒との隙間から案内される燃焼用空気を前記燃焼室内に導入する空気導入孔と、この空気導入孔と対向する位置の前記外筒に設けられ前記空気導入孔から前記燃焼室内に燃料を直接噴射する第２のバーナとを備え、また前記第２のバーナは、前記燃焼室の中心部近傍で、燃料が空気の噴出流の外縁に位置するような燃料噴射ノズルを備えており、前記空気導入孔からの空気と第２のバーナからの燃料を第１のバーナによる火炎の流通方向に対して交差するように案内させ、前記空気導入孔から前記燃焼室内に噴射させる空気の流速を前記空気導入孔の周囲の燃焼ガスの流速より速くして、前記空気導入孔から噴射した空気を前記燃焼室内で互いに衝突させて循環噴流を形成し、前記空気導入孔から前記燃焼室内に導入された空気と燃料を前記燃焼ガスと混合させ、前記燃料を緩慢に酸化反応させるように構成したことを特徴とするガスタービン用燃焼器。
【請求項４】
前記第２のバーナは、前記燃焼室を形成する周壁を貫通して設けられていることを特徴とする請求項１，２又は３記載のガスタービン用燃焼器。
【請求項５】
前記第２のバーナは複数のバーナから構成され、これら複数のバーナは、燃料と空気が前記燃焼室の中心部近傍で衝突するように配置されていることを特徴とする請求項１，２又は３記載のガスタービン用燃焼器。
【請求項６】
前記第２のバーナは、前記燃焼室を形成する周壁に、燃料と空気を燃焼室中心部に案内する案内筒を設けており、この案内筒は前記燃焼室内に突出していることを特徴とする請求項１，２又は３記載のガスタービン用燃焼器。
【請求項７】
燃焼室を形成する筒状の燃焼器ライナーと、この燃焼器ライナーの外周部側に隙間を介して設けた外筒と、前記燃焼器ライナーの一端に設けられ燃料と空気を前記燃焼室内に噴出する第１のバーナと、前記燃焼器ライナーの周壁に設けられ前記外筒との隙間から案内される燃焼用空気を前記燃焼室内に導入する空気導入孔と、この空気導入孔と対向する位置の前記外筒に設けられ前記空気導入孔から前記燃焼室内に燃料を直接噴射する第２のバーナとを備え、また前記第２のバーナは、前記燃焼室の中心部近傍で、燃料が空気の噴出流の外縁に位置するような燃料噴射ノズルを備えており、前記空気導入孔と第２のバーナを第１のバーナによる火炎の下流側に空気と燃料を噴出させる位置に設置し、前記空気導入孔から前記燃焼室内に噴射させる空気の流速を前記空気導入孔の周囲の燃焼ガスの流速より速くして、前記空気導入孔から噴射した空気を前記燃焼室内で互いに衝突させて循環噴流を形成し、前記空気導入孔から前記燃焼室内に導入された空気と燃料を前記燃焼ガスと混合させ、前記燃料を緩慢に酸化反応させるように構成し、かつ、前記燃焼室内の反応領域の終端部近傍に、混合気の循環噴流を生じさせる第３のバーナを設けたことを特徴とするガスタービン用燃焼器。
【請求項８】
燃焼室を形成する筒状の燃焼器ライナーと、この燃焼器ライナーの外周部側に隙間を介して設けた外筒と、前記燃焼器ライナーの上流側に設けられ燃料と空気を前記燃焼室内に噴出して燃焼安定性を確保するパイロットバーナと、前記燃焼器ライナーの周壁に設けられ前記燃焼室内に燃料と空気を直接噴射する希薄混合気案内手段とを備え、また、この希薄混合気案内手段は、前記燃焼室の中心部近傍で、燃料が空気の噴出流の外縁に位置するような燃料噴射ノズルを備えており、前記希薄混合気案内手段から前記燃焼室内に噴射させる空気の流速を前記希薄混合気案内手段の周囲の燃焼ガスの流速より速くし、前記希薄混合気案内手段からの燃料と空気を前記パイロットバーナによる火炎の先端部に噴射させて希薄混合気の循環噴流を生じさせるように構成したことを特徴とするガスタービン用燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、ガスタービン用燃焼器に係り、特に、燃焼器入口の空気温度が高い場合に好適なガスタービン用燃焼器に関する。
【背景技術】  従来、燃焼器入口の空気温度が高くても安定した燃焼を可能としたガスタービン用燃焼器は、例えば特開２００２−２５７３４４号公報に開示されているように、既に提案されている。
上記従来の技術にガスタービン用燃焼器によれば、燃焼を緩慢に行わせることができ、その結果、高い温度の空気を用いても安定な燃焼を行わせることができる。
しかしながら、上記従来の技術によるガスタービン用燃焼器は、パイロットバーナによる燃料と空気の噴出方向と緩慢燃焼用バーナによる燃料と空気の噴出方向とがほぼ平行であるので、パイロットバーナの燃焼ガスと緩慢燃焼用バーナの混合気とが平行に流れて混合が遅くなり、その結果、安定な燃焼を行わせることは困難であった。
本発明の目的は、高い温度の空気を用いても安定な燃焼を行わせることができるガスタービン用燃焼器を提供することにある。
【発明の開示】
本発明は上記目的を達成するために、燃料と空気を燃焼室内に噴出する第１のバーナと、この第１のバーナによる火炎の先端部に対応した位置に、燃料と空気の循環噴流を生じさせる第２のバーナとを設けたのである。
以上説明したように本発明によれば、第２のバーナを、第１のバーナによる火炎の先端部に対応した位置に設けることにより、第２のバーナによる燃料と空気の混合気が第１のバーナによる燃焼ガスと広い接触面積で接触し、噴流衝突に起因する強い乱れによって混合するようになる。その結果、燃焼器入口側の空気温度が高くても燃焼器内に高温領域を局所的に発生させることのない緩慢な燃焼を行うことができ、逆火や自発火を発生させることなく安定した燃焼を行うことができるのである。
【図面の簡単な説明】  第１図は、本発明によるガスタービン用燃焼器の第１の実施の形態を示す縦断側面図である。
第２図は、図１に示すガスタービン用燃焼器の一酸化炭素濃度と燃焼ガス温度の反応計算による変化を示す線図である。
第３図は、図１に示すガスタービン用燃焼器の第２次燃焼領域での当量比と混合平均温度との関係を示す線図である。
第４図は、図１に示すガスタービン用燃焼器の第２次燃焼領域での第２燃料ノズルからの燃料の到達距離と噴射角との関係を示す線図である。
第５図は、本発明によるガスタービン用燃焼器の第２の実施の形態を示す縦断側面図である。
第６図は、図５に示すガスタービン用燃焼器の一酸化炭素濃度と燃焼ガス温度の反応計算による変化を示す線図である。
第７図は、本発明によるガスタービン用燃焼器の第３の実施の形態を示す縦断側面図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下本発明によるガスタービン用燃焼器の第１の実施の形態を、図１に示す逆流缶型再生式ガスタービン用燃焼器に基づいて説明する。本実施の形態は、燃焼器入口の空気温度が６５９℃、燃焼器出口断面の平均ガス温度が９８０℃、都市ガス「１３Ａ」を燃料とする仕様の燃焼器で、比較的小容量の発電を行い、負荷運転範囲の狭い再生式ガスタービン発電設備に好適なガスタービン用燃焼器である。そして、本実施の形態における燃焼器出口断面での燃焼ガス平均流速、燃焼器総括での当量比及び空気と燃料の配分を表１に示す。
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本実施の形態による燃焼器１は、燃焼室２を形成する断面円形をなす筒状の燃焼器ライナー３と、この燃焼器ライナー３の上流側を塞ぐライナーキャップ４と、このライナーキャップ４の中心に形成したパイロットバーナからなる第１のバーナ５と、この第１のバーナ５の上流側に設けたエンドカバー６と、このエンドカバー６に一端側が固定され他端側が前記燃焼器ライナー３の外周部側に隙間を介して延在する外筒７と、前記燃焼器ライナー３の周壁を貫通して形成された複数の第２のバーナ８とを有している。
前記第１のバーナ５は、燃焼器１の着火から起動・暖機運転及び例えば８０％までの部分負荷運転を負担するものである。この第１のバーナ５は、前記燃焼器ライナー３と同心的に形成され、その中央部には下流端が前記ライナーキャップ４の中央に位置し上流端が前記エンドカバー６の中心部を貫通して延在する第１燃料ノズル９を有している。この第１燃料ノズル９の下流端には、第１燃料噴出孔１０が設けられ、第１燃料ノズル９の外周には、この第１燃料ノズル９と同心の空気導入筒１１が隙間をもって形成され、この隙間に旋回翼１２が設けられている。この空気導入筒１１の下流側はライナーキャップ４から燃焼ライナー３内に開口し、上流側はエンドカバー６で塞がれている。そして、この空気導入筒１１のエンドカバー６側寄りに第１空気導入孔１３が設けられている。
前記燃焼器ライナー３は、下流側が弾性シール部材１４を介して図示しないトランジッションピースに連結されている。そして、この燃焼器ライナー３の下流には、出口側のガス温度分布を平滑化するために昇温された空気を導入するための希釈孔１５が例えば周方向６箇所に設けられている。この外、実際には、燃焼器ライナー３に位置を固定するストッパや、信頼性を確保するためのフィルム冷却スロットが設けられているが、煩雑になるので図示は省略した。
前記複数の第２のバーナ８は、前記燃焼器ライナー３の周壁に設けた第２空気導入孔１６と、この第２空気導入孔１６に夫々対向する前記外筒７の周壁を貫通するように設けた第２燃料ノズル１７とから構成されている。これら第２のバーナ８は、第１のバーナ５寄りに位置し、例えば周方向３箇所に設けられている。
上記構成の燃焼器１において、燃焼用空気は、図示しない圧縮機によって圧縮され、さらに図示しない再生熱交換器によって昇温された状態で、図中右側の燃焼器ライナー３と外筒７との隙間から図中左方向に案内される。この案内された燃焼用空気の一部は前記希釈孔１５及び前記第２空気導入孔１６を通過して燃焼器ライナー３内の燃焼室２に導入され、残りは前記第１空気導入孔１３から空気導入筒１１に入り旋回翼１２で旋回力を付与された後、ライナーキャップ４から燃焼室２内に噴出される。燃焼室２内に入って燃焼に寄与した後の燃焼ガスは、トランジションピースへ流出する。尚、前記第１空気導入孔１３から空気導入筒１１に入り旋回翼１２で旋回力を付与された高温高圧の空気は、燃焼室２に入って急速に膨脹するために、第１燃料ノズル９の下流側に循環流領域を形成する。
さらに、燃料は、第１燃料ノズル９及び第２燃料ノズル１７から燃焼室２内に噴射され、第１燃料ノズル９からの燃料は先に噴射された空気の循環流領域に対して噴射される。この第１燃料ノズル９からの燃料を含め、燃焼し打つ２内に噴射された燃料は先の燃焼用空気と混合されて希薄混合気となって燃焼される。燃料は燃焼室外で空気と混合することはないので、自発火や逆火は発生しない。
ところで、パイロットバーナ５は、燃焼器全体の燃焼安定性を左右する上、着火起動から８０％部分負荷までを担う広範囲で使用されるため、本実施の形態においては、拡散燃焼方式のバーナとしている。特に、窒素酸化物（以下ＮＯｘと称する）の排出量を低く抑制しなければならない場合には、第１燃料ノズル９の第１燃料噴出孔１０を小口径で多孔化することが有効である。さらに、低ＮＯｘとなる燃焼性能が要求される場合には、第１燃料噴出孔１０を第１燃料ノズル９の先端だけでなく、空気導入筒１１の出口近傍にも設けて燃料／空気の混合を促進することが有効である。ただし、第１燃料噴出孔１０を全て空気導入筒１１の出口近傍に設けると、着火性能及び耐吹き消え性能を損なうので、空気導入筒１１の出口近傍に設ける第１燃料噴出孔１０の数は、全体の半数程度に限定すべきである。
一方、第２空気導入孔１６から燃焼室２内に噴出する空気には、同位置に設置した第２燃料ノズル１７から放射状に燃料が噴射される。ただし、第２燃料ノズル１７から噴射された直後の燃料は、第２空気導入孔１６から噴射される空気の流速が大きく、また周囲の燃焼ガスとの剪断が強いため、燃焼反応が始まってもすぐに火炎が吹き消えてしまう。その結果、第２燃料ノズル１７の近傍では火炎が保持せず、そのため、第２燃料ノズル１７に近い燃焼器ライナー３の壁面には局所的な高温領域が現れないので信頼性確保の観点から有利である。また、周方向の３箇所の第２空気導入孔１６から噴出した空気は、パイロットバーナ５からの燃焼ガス燃焼器ライナー３の中心部近傍で互いに衝突して淀み領域を形成し、第２空気導入孔１６の上流側と下流側とに夫々循環流領域を形成する。これら循環流領域内では、空気の流速は低下しており、充分に伝播火炎が維持できる条件となるため、第２燃料ノズル１７から噴出された燃料は循環流内にて燃焼反応を開始する。この際、反応を開始する時点では燃料／空気は当量比０．４１と云う希薄混合気となっているため、混合気への熱の拡散に依存した緩慢な酸化反応に律速される反応形態をとり、局所高温部を生じない低ＮＯｘ燃焼を実現できる。このとき、第２空気導入孔１６と第２燃料ノズル１７との設置位置を、パイロットバーナ５による火炎の先端部近傍に対向させることにより、第２空気導入孔１６から導入された空気と第２燃料ノズル１７から噴射された燃料の混合気体が、第２空気導入孔１６から導入された空気噴流が衝突によって淀むことで生じる大きな乱れを利用し、パイロットバーナ５による火炎の燃焼ガスに対して広い接触面積をもって接触混合するので、速やかな混合効果を奏することができる。
次に、上述した希薄混合気の緩慢燃焼反応について化学反応シミュレーションを行った結果を、図２について説明する。図２において、横軸は第２空気導入孔から希釈孔１５までの距離を燃焼器ライナー３の全長で規格化したものであり、図１に示す燃焼器１では、希釈孔１５の位置が０．６６８にある。図２において下方の曲線は燃焼器内の燃焼ガス流通方向に沿う燃焼ガス温度の変化を示し、上方の曲線は燃焼ガス流通方向に沿う一酸化炭素濃度を反応の指標として示す。
第２のバーナ８からの燃料と空気により形成された当量比０．４１の希薄混合気は、燃焼器ライナー３の径方向中心部近傍の淀み領域でパイロットバーナ５からの１１５２℃の燃焼ガスと混合し、混合平均温度８６６℃の希薄混合気となる。この希薄混合気は、上述のように、緩慢に燃料が酸化されて一酸化炭素を発生しながら徐々に発熱して温度上昇して行き、一酸化炭素濃度が極大値に達した後に急速に熱発生が行われて一酸化炭素濃度が低下する。この間に必要な滞留時間は、図１に示す燃焼器１の混合気平均温度が８６６℃の場合で、約３０ｍｓ程度であり、未燃排出物抑制のために、３５ｍｓを確保できるように、希釈孔１５の位置を第２空気導入孔１６の下流に置いている。
図３は、第２空気導入孔１６から希釈孔１５までの領域（第２次燃焼領域）の滞留時間を３５ｍｓとしたときに、第２のバーナ８からの燃料と空気で定義される当量比と、第２のバーナ８からの燃料及び空気とパイロットバーナ５からの燃焼ガスの混合平均温度について、９９％以上の高燃焼効率が得られる条件を示す。図３に示す近似直線の右上側の条件、即ち、混合平均温度Ｔｍｉｘと当量費φについてφ≧０．００１０３４５６７＋Ｔｍｉｘ＋１．２７１８１であれば高燃焼効率が確保されるが、あまり混合平均温度を高くしたり当量比を大きくすると、反応が急速に進行して窒素酸化物の排出量が増加する。また、滞留時間を長く取れば、図３に示す上記条件より希薄な当量比でも高燃焼効率が得られるが、燃焼器１の長さの増大を招くことになる。
本実施の形態による燃焼器１においては、第２燃料ノズル１７から供給される燃料が噴射直後から拡散燃焼を行わないように、第２空気導入孔１６からの空気の噴出流速を５０ｍ／ｓ以上となるように確保することが低ＮＯｘ燃焼性能を実現するために重要である。また、第２空気導入孔１６からの空気の噴流が、パイロットバーナ５による燃焼ガス（火炎）の先端部で、燃焼器ライナー３の径方向中心部まで至り、そこで互いに衝突して淀み領域を形成し、その上流側及び下流側に循環流領域を形成することも燃焼安定性を確保する点から重要である。
第２空気導入孔１６からの空気を燃焼器ライナー３の径方向中心部まで噴出させるためには、燃焼器ライナー３の断面で定義する平均空気流速に対する第２空気導入孔１６からの空気の流速の比を３倍程度以上に設計することが適当であり、燃焼器ライナー３の表面積に対する開口部面積の比率を２０〜３０％、燃焼器１の全圧損失係数を４０〜５０に設計することが望ましい。
図１に示す実施の形態では、開口面積率が２１．０４％、全圧損失係数が４４．６であり、第２空気導入孔１６からの空気の噴出流速は６９．２ｍ／ｓである。ただし、開口面積率や全圧損失係数の選定には、燃焼器１に許容され得る圧力損失の制限との兼ね合いがあるため、一概に最適値を決定することはできない。第２空気導入孔１６からの空気の噴出流速としては、予熱による高温化と乱流による燃焼速度の増加を考慮すると、５０〜７０ｍ／ｓが適当である。
第２燃料ノズル１７から放射状に噴射される燃料は、上述のように、噴射流速が大きいために、すぐには燃焼せず、燃焼器ライナー３の径方向中心部近傍の淀み領域まで到達する間に第２空気導入孔１６からの空気と混合して混合気となる。このとき、燃焼の噴射角度が過小であると、燃料は一箇所に集中して空気と混合されない。その結果、燃焼器ライナー３の径方向中心部近傍の空気の淀み領域付近の循環流領域内に至ってから拡散混合して燃焼すると云う拡散燃焼となるので、局所高温部を発生し、高濃度のＮＯｘを排出することになる。そのため、本実施の形態においては、第２燃料ノズル１７の噴射角度を適正に選択することが低ＮＯｘ燃焼性能を実現するために重要である。
そこで、第２燃料ノズル１７の噴射角度について、第２空気導入孔１６からの空気噴流中での燃料到達距離を検討した結果を図４に示す。横軸は、第２空気導入孔１６からの空気噴流軸に沿った燃料移動距離を燃焼器ライナー３の半径で規格化した値であり、縦軸は、第２燃料ノズル１７からの燃料の到達距離を第２空気導入孔１６の半径で規格化した値である。
本実施の形態による燃焼器１では、第２空気導入孔１６からの空気噴流軸に沿って燃焼器ライナー３の径方向中心部まで進行したときに、燃料が第２空気導入孔１６からの空気噴流の外縁に到達するように、第２燃料ノズル１７の噴射角を３５°に選定している。
一般に、再生式ガスタービンは、燃焼器の入口空気温度が高いが、燃焼器の出口（ガスタービンの入口）の燃焼ガス温度は比較的低く、燃焼器での温度上昇が小さくなるため、燃焼器総括での当量比が小さく火炎の吹き消えに対して厳しい仕様となる。本実施の形態に示す燃焼器を適用する再生式ガスタービンは、特に、再生効率が高く、燃焼器入口の空気温度が高いにもかかわらず、燃焼器出口の燃焼ガス温度は一般の産業用ガスタービンに比べて極めて低いため、空気が過剰で吹き消えが生じやすい。このため、燃焼器出口での断面平均燃焼ガス流速を通常のガスタービンよりも低い２８ｍ／ｓとしている。本実施の形態による燃焼器を実用するに際し、吹き消えを防止し、燃焼効率を確保する観点から、燃焼器出口断面の平均燃焼ガス流速を２０〜５０ｍ／ｓとし、通常の燃焼器出口の燃焼ガス流速４０〜７０ｍ／ｓに比べて遅く設計することが望ましい。
次に、本発明によるガスタービン用燃焼器の第２の実施の形態を、図５に示す逆流缶型再生式ガスタービン用燃焼器に基づいて説明する。
本実施の形態による燃焼器１を適用する再生式ガスタービンは、燃焼器１の入口の空気温度が６５４℃、出口断面における平均燃焼ガス温度が９６０℃、都市ガス「１３Ａ」を燃料とする仕様の燃焼器である。また、本実施の形態における燃焼器出口断面での燃焼ガス平均流速、燃焼器総括での当量比及び空気と燃料の配分を表２に示す。そして、第１の実施の形態による燃焼器よりもやや大型ながら、比較的小容量の発電を行うのに適した再生式ガスタービンの燃焼器である。
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本実施の形態と第１の実施の形態と異なる部分は、低ＮＯｘ燃焼による運転範囲を、６０％負荷から定格負荷までの広範囲とするために、第１のバーナ５と第２のバーナ８の外に、前記第２のバーナ８の下流側に前記第２のバーナ８と同構成の第３のバーナ１９を設けた点である。したがって、図１と同符号は同一物を示すので、再度の説明は省略する。
図５に示す燃焼器１も図１の燃焼器と同じように、大きく分けて、燃焼室２を形成する断面円形をなす筒状の燃焼器ライナー３と、この燃焼器ライナー３の上流側を塞ぐライナーキャップ４と、このライナーキャップ４の中心に形成したパイロットバーナからなる第１のバーナ５と、この第１のバーナ５の上流側に設けたエンドカバー６と、このエンドカバー６に一端側が固定され他端側が前記燃焼器ライナー３の外周部側に隙間を介して延在する外筒７と、前記燃焼器ライナー３の周壁を貫通して形成された複数の第２のバーナ８とを有し、さらに第２のバーナ８の下流側に前記燃焼器ライナー３の周壁を貫通して形成された複数の第３のバーナを有している。
前記第１のバーナ５は、着火から起動・暖機及び６０％部分負荷運転を担い、第１燃料ノズル９の周囲で空気導入筒１１との間に旋回翼１２を有する旋回通路を設け、この旋回通路に通じる第１空気導入孔１３を空気導入筒１１に２列で周方向６箇所設けている。ライナーキャップ４には、第１のバーナ５からの熱を遮蔽するために、旋回翼４Ｗを有する遮熱用空気スロット４Ｓが設けられている。
前記燃焼器ライナー３には、希釈孔１５，トランジッションピースに対するスプリングシール１４及び第２のバーナ８のための第２空気導入孔１６が設けられているほか、第２空気導入孔１６より下流側に第３のバーナ１９用の第３空気導入孔２０が形成されている。そして第２空気導入孔１６と第３空気導入孔２０には、導入された空気が燃焼器ライナー３の径方向中心部に到達できるように、案内筒２１が燃焼室２内に突設されており、またこれら案内筒２１が燃焼ガスによって焼損することがないように、その上流側と下流側の近傍に保護空気孔２２を設けている。
前記複数の第２のバーナ８は、前記燃焼器ライナー３の周壁に設けた周方向６箇所の第２空気導入孔１６に夫々対向する前記外筒７の周壁を貫通するように設けた第２燃料ノズル１７とから構成されている。前記第３のバーナ１９は、前記第２のバーナ８と同様に、前記燃焼器ライナー３の周壁に設けた周方向６箇所の第３空気導入孔２０に夫々対向する前記外筒７の周壁を貫通するように設けた第３燃料ノズル２３とから構成されている。
上記構成の燃焼器１において、燃焼用空気は、図示しない圧縮機によって圧縮され、さらに図示しない再生熱交換器によって昇温された状態で、図中右側の燃焼器ライナー３と外筒７との隙間から図中左方向に案内される。この案内された燃焼用空気の一部は、周方向６箇所に設けた希釈孔１５，周方向６箇所に設けた第３空気導入孔２０及び周方向６箇所に設けた第２空気導入孔１６から燃焼室２内に導入され、さらに周方向６箇所に２列に設けた第１空気導入孔１３から空気導入筒１１を経由して燃焼室２内に導入され、トランジッションピースへ流出する。
一方、燃料は第１燃料ノズル９，第２燃料ノズル１７及び第３燃料ノズル２３から燃焼室２内に噴射される。全ての燃料は、直接燃焼室２内に噴射されており、燃焼室２外で空気と混合する予混合気のような構成部品が存在しないので、原理的には自発火あるいは逆火と云った事故が生じない点で第１の実施の形態と同じである。
本実施の形態に示す第１のバーナ５では、第１燃料ノズル９の噴射孔を小口径・多孔化し、噴射孔の半数を空気導入筒１１の出口近傍に設けて燃料と空気の混合を促進した構成としている。
本実施の形態の燃焼器１における希薄混合気の緩慢な燃焼反応について、化学反応シミュレーションを行った結果を図６に示す。図６において、横軸は第２空気導入孔１６から希釈孔１５までの距離を燃焼器ライナー３の全長で規格化したものであり、図５に示す燃焼器１では、希釈孔１５の位置が０．６０の位置にある。図６の下方の曲線は、燃焼器内の燃焼ガス流通方向に沿う燃焼ガス温度の変化を示し、上方の曲線は燃焼ガス流通方向に沿う一酸化炭素濃度を反応の指標として示す。
希薄混合気の緩慢な燃焼反応の進行は、図２に示す第１の実施の形態と同じであるが、本実施の形態では混合平均温度を第２のバーナ８について９３１℃、第３のバーナ１９について９６１℃と、第１の実施の形態よりも高く設計しているため、必要な滞留時間が短く、反応の進行が早い。左記の表２に示す通り、第３のバーナ１９の当量比のほうが第２のバーナ８よりも低いにもかかわらず反応が早く進行するのは、第３のバーナ１９に関して第１のバーナ５と第２のバーナ８との双方の燃料の発熱が寄与して混合平均温度が高くなるためである。
上述のように、第１のバーナ５による火炎の下流側に交差するように燃料と空気を噴出させるバーナを、第２のバーナ８及び第３のバーナ１９のように、多段化することにより、ここの段についての混合流量を減少させることができるので、各段のバーナにおける混合平均温度を高くすることができる。その上、燃焼ガスの下流側では、上流側の発熱を利用できるので、より高い混合平均温度が実現でき、一層希薄な混合器を燃焼させることが可能になる。尚、この際、各段におけるバーナ８，１９の空気導入孔１６，２０の周方向の配置は、燃焼器出口燃焼ガス温度の偏差を小さく抑制するために、千鳥状に配置することが望ましい。
本発明による第３の実施の形態を図７に基づいて説明する。図７に示す燃焼器１も、図１及び図５に示す燃焼器と同様に、逆流缶型燃焼器である。本実施の形態による燃焼器１は、先の二つの実施の形態に比べて極めて小規模な発電を行う再生式ガスタービン用燃焼器であり、燃焼器入口の空気温度は４７０℃、燃焼器出口の断面平均燃焼ガス温度が８６０℃で、灯油を燃料とする仕様の燃焼器である。
本実施の形態においては、燃料が液体燃料の灯油であるため、コーキング防止のために第１燃料ノズル２４の周囲に空気を流すようにフローガイド２５を設けた点や、第１燃料ノズル２４や第２燃料ノズル２６を液体燃料に合った構造にした点が異なる以外、第１の実施の形態による燃焼器１の構造や燃料及び空気の流通はほとんど同じである。
【産業上の利用可能性】  以上のように、本発明によるガスタービン用燃焼器は、燃焼器入口の空気温度が高いガスタービン用燃焼器に用いるのに適している。
【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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