(57)【要約】【課題】そこで本発明は、燃焼室に供給する前の燃料と空気との混合を促進させることで、ＮＯｘを更に抑制することにある。【解決手段】本発明は、燃料を噴出する燃料ノズルと、空気を噴出する空気孔とを備え、燃料ノズルから空気孔に燃料を噴出するように、燃料ノズルの中心軸と空気孔の中心軸とをほぼ同軸になるよう配置した燃焼装置であって、燃料ノズルから燃料を噴出する噴出口より上流側に燃料又は空気の流れを乱す手段を設けたことを特徴とする。【効果】本発明によれば、燃焼室に供給する前の燃料と空気との混合を促進させることで、ＮＯｘを更に抑制することができる。【選択図】図１
2007232234.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を噴出する燃料ノズルと、
空気を噴出する空気孔とを備え、
該燃料ノズルから該空気孔に燃料を噴出するように、該燃料ノズルの中心軸と該空気孔の中心軸とをほぼ同軸になるよう配置した燃焼装置であって、
前記燃料ノズルから燃料を噴出する噴出口より上流側に前記燃料又は空気の流れを乱す手段を設けたことを特徴とする燃焼装置。
【請求項２】
燃料を噴出する燃料ノズルと、
空気を噴出する空気孔とを備え、
該燃料ノズルの中心軸と該空気孔の中心軸とをほぼ同軸状に配置した燃焼装置であって、
前記空気孔の内部に燃料を噴出する前記燃料ノズルの噴出口を配置するとともに、
前記燃料ノズルの噴出口より上流側に前記燃料又は空気の流れを乱す手段を前記燃料ノズルに設けたことを特徴とする燃焼装置。
【請求項３】
燃料と空気を燃焼させる燃焼室と、
該燃焼室に燃料を供給する燃料ノズルと、
該燃料ノズルの中心軸と同軸状に配置され、空気を前記燃焼室に供給する空気孔とを備えた燃焼装置であって、
前記空気孔の内部に燃料を噴出する前記燃料ノズルの噴出口を配置するとともに、
前記燃料ノズルの噴出口より上流側であって、円筒形状の前記燃料ノズルの外周側で噴出口側に円環状部材を設けたことを特徴とする燃焼装置。
【請求項４】
請求項１の燃焼装置であって、
前記燃料又は空気の流れを乱す手段は、前記燃料ノズルの外周側に設けられた溝であることを特徴とする燃焼装置。
【請求項５】
請求項１の燃焼装置であって、
前記燃料又は空気の流れを乱す手段は、前記燃料ノズルの内周側に設けられた円環状部材であることを特徴とする燃焼装置。
【請求項６】
請求項１の燃焼装置であって、
前記燃料又は空気の流れを乱す手段は、前記燃料ノズルの外周側であって噴出口側に設けられたテーパであることを特徴とする燃焼装置。
【請求項７】
請求項１の燃焼装置であって、
前記燃料ノズルの噴出口を覆い被せる空気ガイドを前記空気孔に設けたことを特徴とする燃焼装置。
【請求項８】
燃料を燃料ノズルから噴出し、
該燃料ノズルの下流側であって、該燃料ノズルの中心軸と同軸状に配置した空気孔から空気を噴出する燃焼装置の燃焼方法であって、
前記燃料ノズルの噴出位置より上流側で流れを乱された燃料又は空気を前記空気孔に供給することを特徴とする燃焼装置の燃焼方法。
【請求項９】
燃料を燃料ノズルから噴出し、
該燃料ノズルの中心軸と同軸状に配置した空気孔から空気を噴出する燃焼装置の燃焼方法であって、
前記空気孔の内部で燃料を噴出するとともに、
前記燃料ノズルからの噴出位置より上流側で流れを乱された燃料若しくは空気を前記空気孔に供給することを特徴とする燃焼装置の燃焼方法。
【請求項１０】
燃料を噴出する燃料ノズルを複数備えた燃料ヘッダーと、
空気を噴出する空気孔とを備え、
該空気孔に対して燃料を噴出するように、該燃料ノズルの中心軸と該空気孔の中心軸とをほぼ同軸になるよう前記燃料ヘッダーを配置した燃焼装置の改造方法であって、
前記燃料ノズルから燃料を噴出する噴出口より上流側に前記燃料又は空気の流れを乱す手段を備えた複数の燃料ノズルを具備する燃料ヘッダーに交換することにより改造する燃焼装置の改造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼装置と燃焼装置の燃焼方法、及び燃焼装置の改造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃焼装置に対して大気汚染物質の排出に関する規制が厳しくなっている。例えば、ガスタービン燃焼器に於いては、排気ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を低減させるべく、様々な燃焼方式が研究されている。
【０００３】
その燃焼方式の一つとして、燃料ノズルの中心軸と空気孔の中心軸とを同軸状に配置して、燃料の周囲を包み込むように空気層を形成する同軸噴流として燃焼室に供給し燃焼させる同軸噴流燃焼方式がある。従来の予混合燃焼方式と比較して、非常に短い距離で効果的に燃料と空気の混合を促進させる事が可能であり、ＮＯｘの排出量を低く抑える事ができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１７００１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、地球環境的な観点から、ガスタービン等から排出されるＮＯｘ排出量の環境規制値は年々厳しくなってきており、将来的には現状より更なるＮＯｘ排出量の低減が要求される。
【０００６】
そこで本発明は、同軸噴流燃料方式で燃料と空気との混合を促進させ、更に低ＮＯｘ化を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、燃料ノズルから燃料を噴出する噴出口より上流側に燃料又は空気の流れを乱す手段を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、同軸噴流燃料方式で燃料と空気との混合を促進させ、更に低ＮＯｘ化を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
燃焼装置の一つであるガスタービン燃焼器に同軸噴流燃焼方式を適用した時の実施例を示す。以下では、同軸噴流燃焼方式を大幅に改造することなく、ＮＯｘ排出量を低減することが可能である。
【００１０】
図１５は、ガスタービンの全体概略図である。ガスタービンは、空気圧縮機１１０と、燃焼器と、タービン２００とを有する。
【００１１】
空気圧縮機１１０は、外部の空気を圧縮し高圧空気１２０を生成する。空気圧縮機110から導入された高圧空気１２０は、燃焼器のディフューザ１３０から車室１４０に導入される。そして、尾筒１５０と、その外周に設置された尾筒フロースリーブ１５１との間隙を流れた後に、ライナ１６０とライナ外周の同心円上に配置された外筒１６１との間隙を流れる。その後、高圧空気１２０は流れを反転させ、バーナプレート１７０に設けられた空気孔１７１から燃焼室１９０に導入される。
【００１２】
一方、燃料系統１８１では、燃料ポンプ１８０で昇圧されて流量調節弁１８５により流量を調節された燃料が、燃料ヘッダー１８２に設けられた燃料ノズル１８３から空気孔
１７１の中心に向かって噴出される。この時、燃料ノズル１８３の中心軸と空気孔１７１の中心軸は同軸状に配置されており、空気孔１７１の上流側に燃料ノズル１８３が設けられている。ここで同軸配置とは、燃料の周囲を空気が包み込むような同軸の噴流が空気孔１７１から供給されるように、燃料ノズル１８３の中心軸と空気孔１７１の中心軸を配置することを意味する。燃料ノズル１８３から噴出した燃料は、空気孔１７１を介して燃料と高圧空気が燃焼室１９０に供給される。ライナ１６０の内部に形成された燃焼室１９０で火炎を形成し、高温高圧の燃焼ガス１９１となる。
【００１３】
このように燃焼器で生成された燃焼ガス１９１は尾筒１５０からタービン２００に導入される。タービン２００は、高温高圧の燃焼ガス１９１による仕事量を軸回転力に転換する事により、発電機２１０から出力を得ている。空気圧縮機１１０と発電機２１０は、タービン２００と一つの軸で連結されている。但し、空気圧縮機、タービン、発電機は２軸の構成であってもよい。また、図１５では燃料系統１８１が１つの系統となっているが、燃料系統が複数の系統に分かれて複数の燃料ヘッダーに供給するマルチ燃焼器構造もある。例えば、火力発電所等で広く使用されているガスタービンは、タービン回転軸に対して燃焼器が放射状に複数缶配列されている。
【００１４】
ここで、ＮＯｘの生成量は燃焼室内の火炎温度に大きく依存しており、火炎温度の上昇に伴いＮＯｘ排出量は指数関数的に増大する。そのため、燃料と空気とを充分に混合されていない場合には、燃料と空気の混合流体において局所的に燃料濃度が濃い領域が形成される。その結果、局所的に火炎温度が高くなり、ＮＯｘ排出量が増加する。このため、更なるＮＯｘ低減を図るためには、燃料と空気を充分に混合させる必要がある。
【実施例１】
【００１５】
図１は、図１５のガスタービン全体概略図において、燃焼器の燃料ノズル１８３と空気孔１７１の周辺部位を拡大した概略図である。
【００１６】
本構造は、燃料系統１８１からの燃料を下流側の燃料ノズル１８３に分配する燃料ヘッダー１８２、燃料ヘッダー１８２に取り付けられた燃料ノズル１８３，空気孔１７１を備え燃焼室１９０の上流側に配置されたバーナプレート１７０，バーナプレート１７０に設けられ燃料と空気を燃焼室１９０に噴出する空気孔１７１，燃焼室１９０の上流側であって、バーナープレート１７０と接続されて燃料ヘッダー１８２をその中に収納するバーナー側板１７４、バーナー側板１７４に設けられ空気圧縮機１１０からの高圧空気１２０を燃焼用空気１１として空気孔１７１に供給するための空気供給孔１７５、下流側の尾筒
１５０に燃焼ガス１９１を導くライナ１６０、ライナ１６０の内部に形成され燃料と空気を燃焼させる燃焼室１９０を有する。燃料２１は燃料ノズル１８３から空気孔１７１の中心に向かって噴出され、燃料ノズル１８３の外周から供給された燃焼用空気１１は燃料
２１とともに空気孔１７１を通り燃焼室１９０に噴出される。燃焼室１９０に供給された燃料と空気は、燃焼室１９０で火炎を形成する。なお、燃焼室１９０において、尾筒150の方向を下流側とし、バーナプレート１７０の方向を上流側と規定する。
【００１７】
本実施例では、燃料ノズル１８３の噴出口１８４より上流側に燃料又は空気の流れを乱す手段であるリブ１を設けている。ここで、燃料ノズル１８３の噴出口１８４は、燃料ノズル１８３の内部に形成された燃料流路の下流側であって、燃料を噴出する位置である。図１では、燃料ノズル１８３から空気孔１７１に向かって燃料２１が噴出される。そして、ライナ１６０と外筒１６１の間隙を流れた高圧空気１２０は、燃焼用空気１１として燃料ノズル１８３の噴出口１８４よりも上流側に設けられた空気供給孔１７５を通り燃料ヘッダー１８２の周囲に流れ込む。燃料ヘッダー１８２の周囲の空気は、下流側の空気孔
１７１に流入するが、その際に、燃料ノズル１８３の噴出口１８４より上流側に設けられた燃料又は空気の流れを乱す手段であるリブ１によって、燃焼用空気１１に大きな乱れが与えられている。
【００１８】
ここで、燃料２１と燃焼用空気１１の混合境界層の流動形態は次のような現象であると考えられる。
【００１９】
図５は、同軸噴流燃焼方式の混合境界層の流動を模式的に示した図である。図５（ａ）は、本実施例の理解を容易にするために示した比較例であり、比較例では燃料ノズルの噴出口より上流側に燃料又は空気の流れを乱す手段であるリブ１は設けていない。比較例では、燃焼用空気１１が円筒形状である燃料ノズル１８３の外周面に沿って下流方向に乱れずに流れるため、燃料ノズル１８３を形成する部材の下流側に形成される淀み領域３１は小さく、燃料２１と空気１１との間の混合境界層の乱れは少ない。この淀み領域３１は、燃料ノズル１８３を形成する部材そのものに所定の肉厚が存在し、その肉厚部によってその肉厚部のすぐ下流側付近で生じるものである。また、混合境界層は、淀み領域３１の下流側に形成される。このように、比較例では、燃料噴流の軸中心とほぼ同軸状であって燃料を包み込むような空気の層を形成するとともに、燃料と空気との間の混合境界層の乱れは少ない。そのため、燃料ノズル１８３の噴出口１８４から燃焼室１９０に流入するまでに、燃料２１と燃焼用空気１１は均一に混合されない状態で燃焼室に供給される。
【００２０】
これに対して、図５（ｂ）に示す本実施例の構造では、燃料ノズル１８３の噴出口184より上流側に燃料又は空気の流れを乱す手段を設けたことで、燃料ノズル１８３の噴出口１８３より上流側で燃焼用空気１１に乱れを与えている。燃料ノズル１８３の噴出口184より上流側に設けられた空気供給孔１７５から供給された燃焼用空気１１は、燃料ノズル１８３の外周面を沿って空気孔１７１に流れ込む際に、燃料又は空気の流れを乱す手段によって乱れを与えられて、空気孔１７１に供給されると考えられる。そのため、燃料ノズル１８３の下流側に形成される淀み領域３１が比較例よりも拡大している。その結果、淀み領域３１の下流側の空間に燃料２１と燃焼用空気１１とが流れ込むため、両者の衝突・混合する流れが形成され、淀み領域３１の下流側に形成される混合境界層も比較例より大きくなると考えられる。
【００２１】
ここで、空気孔１７１の内部で形成されると考えられる混合境界層を示した図を示す。図１４は、図５（ｂ）のＡＡ断面において空気孔１７１の内部に形成されると考えられる各流体層を模式的に示す。空気孔１７１の内部では、その中心部に燃料２１の層が形成され、最外周側に燃焼用空気１１の層が形成されると考えられる。そして、燃料２１と燃焼用空気１１との間の層が混合境界層４１である。図１４では、各層が明確に分かれているが、実際には燃料濃度が連続的に分布しているものと考えられる。本実施例では、混合境界層４１の断面積を増加させることで、燃料２１及び燃焼用空気１１の層を相対的に減少させ、燃焼用空気と燃料との混合の程度を増加させることが可能である。
【００２２】
従って、燃料ノズル１８３の噴出口１８４から燃焼室１９０に流入するまでに、燃料
２１と燃焼用空気１１の混合を比較例よりも均一化することが出来る。このように、燃焼室に流入するまでに燃料と燃焼用空気の混合を均一化させることで、局所的な火炎温度の上昇を抑制することが可能となり、ＮＯｘ排出量を低減することができる。
【００２３】
図１３は、ＮＯｘ排出特性の燃焼試験結果を示す図である。横軸を燃焼ガス温度、縦軸をＮＯｘ排出量とし、燃料又は空気の流れを乱す手段として噴出口側にリブを設けた燃料ノズルと、リブ無し燃料ノズルの試験結果を示している。図１３に示すように、燃料ノズルにリブを設けることにより確実にＮＯｘ排出量が低減していることが確認できる。リブを設置することで燃料ノズル下流部の淀み領域が拡大し、燃料と燃焼用空気の間に形成される混合境界層が大きくなり、燃焼室に流入するまでの燃料と燃焼用空気との混合を比較例よりも均一にできるため、ＮＯｘ排出量が低減すると考えられる。
【００２４】
なお、燃料ノズル１８３の下流側に形成される淀み領域３１を拡大する手法として、円筒状の燃料ノズル１８３を形成する部材の肉厚を厚くすることも考えられる。しかし、多くのガスタービン燃焼器では空気温度が約４００℃であり、燃料温度は高くても１００℃以下である。そのため、燃料ノズル１８３の肉厚を燃料噴出方向で均一に厚くすると、燃料ノズル内外の温度差による熱応力が増大し、燃料ノズル１８３の部材が破損する可能性がある。また、燃料ノズル１８３の肉厚を厚くすることで、燃料ノズル間の空気流路が狭くなり、燃焼用空気１１が流れ難くなることも考えられるため、本実施例のように燃料ノズルの一部に燃料又は空気の流れを乱す手段であるリブ１を設けた方が望ましい。
【００２５】
また、リブ１の形状を工夫することで、容易に流れを乱すことが可能となる。更に、他の付属部品を新たに設けることなく、容易に流れを乱すことが出来る。
【００２６】
本実施例では、燃料又は空気の流れを乱す手段に、燃料ノズル１８３の外周側であって燃料ノズル１８３の中心軸に垂直なリング状部材を設けている。ここで、実施例において、噴出口側は燃料ノズル１８３から燃料を噴出する位置を設けた側とし、供給側は燃料ヘッダー１８２を備えた側と称している。例えばリブ１は、円筒状の燃料ノズル１８３の外周側に接して設けられた突起状の部材であり、所定の高さを有している。図１では、燃料ノズル１８３の噴出口側であり、燃料ノズル１８３の外周側であって燃料ノズル１８３の中心軸に垂直なリング状部材を設けている。燃料ノズル１８３に設けられたリブ１の半径方向の高さの程度は、燃焼用空気１１に乱れを与え、下流側の淀み領域３１が比較例よりも大きくなる現象が生じる程度が望ましい。このように燃料ノズル１８３の噴出口側であり外周部にリブ１を設けることで、燃料ノズル１８３の噴出口１８４における燃料と燃焼用空気との距離を比較例よりも引き離すため、淀み領域３１が大きくなる。従って、燃料２１と燃焼用空気１１との混合境界層を更に大きくし、燃焼室１９０に噴出される燃料と燃焼用空気の混合割合を大きくしている。その結果、混合境界層を大きくするほど燃料と燃焼用空気との混合を促進し、局所的な火炎温度の上昇を抑制することが可能となるため、ＮＯｘ排出量を低減させることができる。
【００２７】
また、リブ１は一つだけでなく、燃料ノズル１８３の燃料噴射方向で供給側に複数段設けることも可能である。即ち、燃料ノズル１８３の噴出口側だけではなく、燃料ノズル
１８３の噴出口側から供給側までの全面に複数段設置しても良い。
【００２８】
また、図９（ａ）に示すように燃料ノズルの噴出口側から供給側に向かってリブ高さが徐々に低くなる構造としても良い。リブ１の高さは全ての段で同一にした場合、淀み領域の形成に直接は寄与しない供給側のリブによって空気流れの流動圧損が増加する可能性があるためである。従って、空気流れの流動圧損の増加を抑制し、且つ、燃料と空気の混合境界層に効果的な乱れを付与するために、図９（ａ）の構造にすることも可能である。同様に図９の（ｂ）に示すように、リブの配置ピッチを噴出口側から供給側に向かって大きくしても同様の効果が見込まれる。
【００２９】
また、リブ１は燃料ノズル１８３の中心軸に直交する構造だけではなく、図１０に示すように燃料ノズルの中心軸に対して傾斜させた構造も考えられる。このように傾斜構造のリブを設けることにより、燃料と空気が燃焼室に供給される前に空気流れに旋回成分が付与され、燃料と空気の混合がより促進される。
【００３０】
更に、リブ形状は図１０に示すようなリング状だけではなく、図１１の（ａ）（ｂ）に示すように燃料ノズル１８３の周方向に対してスリット（切れ目）を入れて、歯車形状にしても良い。これにより、リブ下流に燃焼用空気の縦渦と横渦が形成されて大きな乱れが生じ、燃焼室に供給するまでに燃料と燃焼用空気の混合が更に促進され、ＮＯｘ排出量を低減させることが可能となる。
【００３１】
また、既存の燃焼装置が同軸噴流燃焼方式を採用している場合に、燃料ノズルの形状を変化するだけでＮＯｘ低減効果が期待できるため、燃料ノズルを改造することが望ましい。具体的には、燃料ノズルから燃料を噴出する噴出口より上流側に燃料又は空気の流れを乱す手段を備えた複数の燃料ノズルを具備する燃料ヘッダーを別途製作しておく。そして、既存の燃焼装置において燃料ヘッダーを交換するだけで、他の部位を改造することなく、燃料ヘッダー単位で容易に燃焼装置を改造することが可能である。
【実施例２】
【００３２】
図６は、本実施例における燃料ノズル周辺を拡大した図である。
【００３３】
本構造は、燃料ノズル１８３の噴出口側の外周に溝２を設けたこと以外は、実施例１と同様である。燃料２１は燃料ノズル１８３から空気孔１７１の中心に向かって噴出され、燃焼用空気１１は燃料２１の周囲を流れ、空気孔１７１から燃焼室１９０に噴出される。この燃料と燃焼用空気は燃焼室１９０で火炎を形成する。
【００３４】
本実施例では、燃料ノズル１８３の外周側に溝２を設けている。溝２は、燃料ノズル
１８３の部材の肉厚を円周方向に一定の深さで減少させるように、溝を切っている。このように、溝２を燃料ノズル１８３の外周面に設けても、実施例１と同様に、燃料ノズル
１８３の下流側に形成される燃料２１と燃焼用空気１１との混合境界層に大きな乱れを与え、燃焼室に供給するまでの混合を促進させることができる。その結果、局所的な火炎温度の上昇を抑制することが可能となり、ＮＯｘ排出量を低減することが可能である。
【００３５】
図６では、本実施例における燃料２１と燃焼用空気１１によって形成されると考えられる混合境界層の流動形態も示している。基本的な作用効果は実施例１と同様であり、燃料ノズル１８３の噴出口側であって外周部に溝２を設けて空気流１１に乱れを与えることで、燃料ノズル１８３の下流側に形成される淀み領域３１を比較例よりも拡大させている。更に、燃焼用空気１１が溝２と衝突することで、半径方向外側に燃料２１から引き離す流れが燃焼用空気１１に生じるため、淀み領域３１が拡大する。その結果、淀み領域３１の下流側に燃料２１と燃焼用空気１１とが衝突及び混合する流れが形成され、燃料と空気との混合が比較例よりも均一化する。従って、燃焼室に供給するまでに燃料と空気の混合を促進し、ＮＯｘを更に減少させることが可能となる。
【００３６】
尚、実施例２で示す溝２は、燃料ノズル１８３の噴出口側だけではなく、燃料ノズル
１８３の供給側に複数段を加工しても良い。
【００３７】
また、溝２の深さは全ての段で同一にしても良いが、空気流れの流動圧損の増加を抑制し、且つ、燃料と空気の混合境界層に効果的な乱れを付与するため、燃料ノズル１８３の噴出口側から供給側（即ち、燃料ノズル１８３の噴出方向に対して上流方向）に向かって溝深さが徐々に浅くなる構造としても良い。同様に、溝２の間隔を噴出口側から供給側に向かって大きくしても同様の効果が見込まれる。
【００３８】
更に、溝２は燃料ノズル１８３の中心軸に直交する構造だけではなく、燃料ノズル183の中心軸に対して傾斜する構造も考えられる。このように溝２を燃料ノズル１８３の中心軸に対して傾斜させることにより、空気流れに旋回成分が付与され、燃焼室に供給するまでの燃料と空気の混合がより促進される。
【実施例３】
【００３９】
図７は、本実施例における燃料ノズル周辺を拡大した図である。
【００４０】
本構造は、燃料ノズル１８３の噴出口側であって内周側に設けたリブ３以外は実施例１と同様である。燃料２１は燃料ノズル１８３から空気孔１７１の中心に向かって噴出され、空気１１は空気孔１７１から燃焼室１９０に噴出される。この燃料２１が燃焼室１９０で火炎を形成する。
【００４１】
本実施例では、燃料ノズル１８３の噴出口側であって、内周部に円環状状部材であるリブ３を設けることで、燃料ノズル１８３の下流部に形成される燃料２１と空気１１の混合境界層に大きな乱れを与え、混合を促進させている。その結果、局所的な火炎温度の上昇を抑制することが可能となり、ＮＯｘ排出量を低減させている。
【００４２】
燃料２１と燃焼用空気１１によって形成されると考えられる混合境界層の流動形態について図７で説明する。リブ３は、燃料ノズル１８３の内周側に接し、一定の高さを有したリング状部材である。そして、リブ３は燃料ノズル１８３の内部を流れる燃料２１の流れを妨げるように設けられているため、燃料２１の流れに乱れを与えることが出来る。このように、燃料２１に乱れを与えるとともに、燃料ノズル１８３の噴出口１８４において燃料２１を燃焼用空気１１から引き離すことで、燃料ノズル１８３の下流に形成される淀み領域３１を比較例よりも拡大させる。その結果、淀み領域３１の下流部に燃料２１と燃焼用空気１１とが流れ込み、両者が衝突及び混合する流れが形成され、燃焼室に供給するまでの燃料と空気の混合が比較例よりも均一化する。従って、局所的な火炎温度の上昇を抑制することが可能となり、ＮＯｘ排出量を低減させることが出来る。
【００４３】
尚、実施例３で示すリブ３は、燃料ノズル１８３の燃料噴射方向に沿って上流側に複数段を設けることも可能である。
【００４４】
リブ３の高さは全ての段で同一にしても良い。また、燃料流れの流動圧損の増加を抑制し、且つ、燃料と空気の混合境界層に効果的な乱れを付与するため、燃料ノズル１８３の噴出口側から供給側に向かってリブ高さが徐々に低くなる構造としても良い。同様に、リブ３の配置ピッチを噴出口側から供給側に向かって大きくしても同様の効果が見込まれる。
【００４５】
また、リブ３は燃料ノズル１８３の中心軸に直交する構造だけではなく、燃料ノズル
１８３の中心軸に対して傾斜する構造も考えられる。このようにリブ３を傾斜させることにより、燃料流れに旋回成分が付与され、燃焼室に供給するまでの燃料と空気の混合がより促進される。
【００４６】
更に、リブ３の周方向にスリット（切れ目）を入れると、リブ下流に燃料の縦渦と横渦が形成されて大きな乱れが生じ、燃料と空気の混合が更に促進され、ＮＯｘ排出量を低減させることが可能となる。
【実施例４】
【００４７】
図２は、本実施例における燃料ノズル周辺を拡大した図である。
【００４８】
本構造は、燃料ノズル１８３の噴出口側であって内周側に溝４を設ける点以外は、実施例１と同様である。燃料２１は燃料ノズル１８３から空気孔１７１の中心に向かって噴出され、燃焼用空気１１は空気孔１７１から燃焼室１９０に噴出される。そして、燃料２１が燃焼室１９０で火炎を形成する。
【００４９】
本実施例では、燃料ノズル１８３の噴出口側であって内周部に溝４を設けることで、燃料ノズル１８３の下流部に形成される燃料２１と燃焼用空気１１の混合境界層に大きな乱れを与え、燃焼室に供給するまでの混合を促進させている。その結果、局所的な火炎温度の上昇を抑制することが可能となり、ＮＯｘ排出量を低減させている。
【００５０】
尚、実施例４で示す溝は、燃料ノズル内周の噴出口側だけではなく、燃料噴射方向の上流側に向かって複数段を加工しても良い。
【００５１】
また溝の深さは全ての段で同一にしても良いが、燃料流れの流動圧損の増加を抑制し、且つ、燃料と空気の混合境界層に効果的な乱れを付与するため、燃料ノズルの噴出口側から供給側に向かって溝深さが徐々に浅くなる構造としても良い。同様に、溝の間隔を噴出口側から供給側に向かって大きくしても同様の効果が見込まれる。
【００５２】
更に、溝は燃料ノズルの中心軸に直交する構造だけではなく、燃料ノズルの中心軸に対して傾斜する構造も考えられる。このように溝を傾斜させることにより、燃料流れに旋回成分が付与され、燃料と空気の混合をより促進することができる。
【実施例５】
【００５３】
図３は、本実施例における燃料ノズル周辺を拡大した図である。
【００５４】
本構造は、燃料ノズル１８３の噴出口側にテーパ部５を設けた点以外は、実施例１と同様である。燃料２１は燃料ノズル１８３から空気孔１７１の中心に向かって噴出され、空気１１は空気孔１７１から燃焼室１９０に噴出される。そして、燃料２１が燃焼室１９０で火炎を形成する。
【００５５】
本実施例では、燃料ノズル１８３の噴出口側に燃料ノズル１８３の部材の肉厚が徐々に厚くなるテーパ状の拡大部を設けている。テーパ状の拡大部を設けることで、燃焼用空気１１が一旦燃料２１の流れから引き離され、淀み流域が拡大される。そして、燃料ノズル１８３の下流部に形成される燃料２１と空気１１の混合境界層に大きな乱れを与えて、燃焼室に供給するまでに混合を促進させることができる。その結果、局所的な火炎温度の上昇を抑制することが可能となり、ＮＯｘ排出量を低減させている。
【００５６】
尚、実施例５で示すテーパ部の周方向にスリット（切れ目）を入れると、テーパ下流に燃焼用空気の縦渦と横渦が形成されて大きな乱れが生じ、燃料と空気の混合が更に促進され、ＮＯｘ排出量を低減させることが可能となる。
【実施例６】
【００５７】
図４は、本実施例における燃料ノズル周辺を拡大した図である。
【００５８】
本構造は、実施例１から実施例５までに述べた燃焼装置に於いて、燃料ノズルの噴出口を空気孔の内部に挿入している。その他の構造は、実施例１と同様である。
【００５９】
図８は、本実施例における燃料２１と燃焼用空気１１によって形成されると考えられる混合境界層の流動形態を示す。図８に示すように、空気孔１７１の内部に燃料を噴出する燃料ノズル１８３の噴出口１８４を配置することで、燃料ノズル１８３に設けられたリブ１近傍の空気流速が増加するため、混合境界層の空気乱れが大きくなると考えられる。従って、燃料ノズル１８３の下流側に形成される淀み領域３１の大きさが拡大すると同時に、淀み領域３１の下流側に流れ込む燃料と燃焼用空気の流速も高速化されるため、燃料と空気の混合が更に促進され、ＮＯｘ排出量が低減する。
【００６０】
尚、図１２（ａ）に示す様に、空気孔１７１の入口部に、空気孔１７１の内径と同じ内径を有する部材である空気ガイド１７２を設置して、空気ガイド１７２で燃料ノズル183の噴出口１８４の近傍を覆い被せる構造としても、燃料ノズルを空気孔に挿入する場合と同様の効果を得る事ができる。また更に図１２（ｂ）に示す様に、空気孔ガイド１７３に、上流側の内径を大きくするように円錐状に形成しても良い。
【００６１】
以上、実施例１から実施例６に示した燃焼装置は、ガスタービン燃焼器だけではなく、燃料電池に搭載される燃料改質用燃焼器，ボイラ用燃焼器，温風暖房機や焼却炉など、メタン等のガスを燃料とする様々な燃焼装置にも適用する事が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本燃焼器構造はガスタービンだけに留まらず、ボイラの燃焼器や燃料電池の改質器用燃焼器など、気体燃料を燃焼させるあらゆる燃焼器にも対応することは可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】実施例１における燃料ノズル周辺を拡大した図である。
【図２】実施例４における燃料ノズル周辺を拡大した図である。
【図３】実施例５における燃料ノズル周辺を拡大した図である。
【図４】実施例６における燃料ノズル周辺を拡大した図である。
【図５】燃料ノズル周りの流動状態を表した図である。
【図６】実施例２における燃料ノズル周辺を拡大した図である。
【図７】実施例３における燃料ノズル周辺を拡大した図である。
【図８】実施例６における燃料ノズル周りの流動状態を表した図である。
【図９】実施例１におけるリブの高さや配置を変更した燃料ノズル周辺を拡大した図である。
【図１０】実施例１における傾斜リブ構造とした燃料ノズル周辺を拡大した図である。
【図１１】実施例１におけるリブを歯車形状とした場合の燃料ノズル断面図である。
【図１２】実施例６における空気ガイドを備えた燃料ノズル周辺を拡大した図である。
【図１３】リブを有した燃料ノズルと、リブを有さない燃料ノズルとを比較した燃焼試験結果を示す図である。
【図１４】空気孔の内部の混合境界層を模式的に示した図である。
【図１５】ガスタービン構成の概略図である。
【符号の説明】
【００６４】
１，３…リブ、２，４…溝、１１…燃焼用空気、２１…燃料、３１…淀み領域、１１０…空気圧縮機、１３０…ディフューザ、１４０…車室、１５０…尾筒、１５１…尾筒フロースリーブ、１６０…ライナ、１６１…外筒、１７０…バーナプレート、１７１…空気孔、１７２，１７３…空気ガイド、１８０…燃料ポンプ、１８２…燃料ヘッダー、１８３…燃料ノズル、１９０…燃焼室、１９１…燃焼ガス、２００…タービン、２１０…発電機。
【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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【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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