(57)【要約】【課題】マルチ噴孔ノズルによる燃料過濃領域の発生を抑制しＮＯｘ排出量を効果的に抑制することができる予混合燃焼バーナ、燃焼器及びガスタービンを提供する。【解決手段】燃焼器２の燃焼室２０に予混合燃料を噴射する予混合燃焼バーナ１１であって、予混合室１７と、予混合室１７の端壁２９に燃焼室２０に向けて設けた複数の液体燃料噴孔２２と、燃焼室２０から見てバーナ中心軸Ｏを含む面からオフセットして予混合室１７に接続した複数の空気導入孔１８と、予混合室１７の内壁面における空気導入孔１８の下流位置にそれぞれ設けられ、予混合室１７の内壁面から滑らかにバーナ中心軸Ｏに向かう曲面形状の複数のガイド部２５とを備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器の燃焼室に予混合燃料を噴射する予混合燃焼バーナであって、
予混合室と、
前記予混合室の前記燃焼室と反対側の端壁に前記燃焼室に向けて設けた複数の液体燃料噴孔と、
前記燃焼室側から見てバーナ中心軸を含む面からオフセットして前記予混合室に接続した複数の空気導入孔と、
前記予混合室の内壁面における前記空気導入孔の下流位置にそれぞれ設けられ、前記予混合室の内壁面から滑らかに当該予混合室の中心に向かう曲面形状の複数のガイド部と
を備えたことを特徴とする予混合燃焼バーナ。
【請求項２】
請求項１の予混合バーナにおいて、
前記複数の空気導入孔から前記予混合室に流入する旋回空気は、それぞれ前記ガイド部に沿って前記予混合室の中心に導かれ、前記複数の液体燃料噴孔から噴出する液体燃料の干渉領域に供給されることを特徴とする予混合燃焼バーナ。
【請求項３】
請求項１又は２の予混合燃焼バーナにおいて、
前記予混合室は、前記燃焼室側から見て、バーナ中心軸周りに形成した円筒状の複数の小混合室が一部重なり合った形状をしており、
前記複数の空気導入孔は、前記複数の小混合室にそれぞれ形成されており、
前記ガイド部は、各小混合室の内壁面における前記空気導入孔の下流側の部分である
ことを特徴とする予混合燃焼バーナ。
【請求項４】
請求項３の予混合燃焼バーナにおいて、
前記液体燃料噴孔と前記小混合室は同数であって、前記小混合室の中心は前記液体燃料噴孔の中心よりもバーナ径方向の外側に位置していて、対応する前記液体燃料噴孔及び前記小混合室の中心軸を含む面がバーナ中心軸を通るように形成されているたことを特徴とする予混合燃焼バーナ。
【請求項５】
請求項３の予混合燃焼バーナにおいて、
前記空気導入孔は、前記燃焼室側から見て、前記小混合室の中心軸を含む面からオフセットしていることを特徴とする予混合燃焼バーナ。
【請求項６】
請求項３の予混合燃焼バーナにおいて、
前記予混合室の前記燃焼室側の部分は、前記ガイド部のない円筒状に形成されていることを特徴とする予混合燃焼バーナ。
【請求項７】
タービンに燃焼ガスを供給する燃焼器であって、
燃料を燃焼させる燃焼室と、
当該燃焼室側から見て燃焼器中心に配置した拡散燃焼バーナと、
前記拡散燃焼バーナの径方向外側に配置した複数の予混合燃焼バーナとを備え、
前記予混合燃焼バーナは、
予混合室と、
前記予混合室の前記燃焼室と反対側の端壁に前記燃焼室に向けて設けた複数の液体燃料噴孔と、
前記燃焼室側から見てバーナ中心軸を含む面からオフセットして前記予混合室に接続した複数の空気導入孔と、
前記予混合室の内壁面における前記空気導入孔の下流位置にそれぞれ設けられ、前記予混合室の内壁面から滑らかに当該予混合室の中心に向かう曲面形状の複数のガイド部と
を備えていることを特徴とする燃焼器。
【請求項８】
請求項７の燃焼器において、
前記拡散燃焼バーナは、燃料と空気とを混合する混合室を有していることを特徴とする燃焼器。
【請求項９】
圧縮機と、
当該圧縮機で圧縮した空気を燃料とともに燃焼する燃焼器と、
当該燃焼器から供給される燃焼ガスで駆動するタービンとを備え、
前記燃焼器は、
燃料を燃焼させる燃焼室と、
当該燃焼室側から見て燃焼器中心に配置した拡散燃焼バーナと、
前記拡散燃焼バーナの径方向外側に配置した複数の予混合燃焼バーナとを備えており、
前記予混合燃焼バーナは、
予混合室と、
前記予混合室の前記燃焼室と反対側の端壁に前記燃焼室に向けて設けた複数の液体燃料噴孔と、
前記燃焼室側から見てバーナ中心軸を含む面からオフセットして前記予混合室に接続した複数の空気導入孔と、
前記予混合室の内壁面における前記空気導入孔の下流位置にそれぞれ設けられ、前記予混合室の内壁面から滑らかに当該予混合室の中心に向かう曲面形状の複数のガイド部と
を備えていることを特徴とするガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は予混合燃焼バーナ、燃焼器及びガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では様々な環境問題が取り上げられ、ガスタービン燃焼器においても環境保護の観点から窒素酸化物（以下、ＮＯｘ）の低減が重要視される中、液体燃料及び気体燃料のどちらでも燃焼することができて燃料の多様化に対応し得るデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器が注目されている。こうしたデュアル燃料対応のガスタービン燃焼器の中には、予混合燃焼方式を適用することで、燃焼室内の局部的な高温領域の発生を抑えてサーマルＮＯｘの発生量の低減を図ったものがある（特許文献１，２等参照）。
【０００３】
ここで、予混合燃焼方式は、燃料と空気を予め均一に混合してから燃焼させる方式であり、液体燃料を対象とする場合には、燃焼に先んじて燃料を蒸発させた上で空気と混合するために、予混合燃焼バーナの混合室に噴射する液体燃料を微粒化する必要がある。液体燃料の微粒化に関する技術としては、燃料ノズルに複数の液体燃料噴孔を設け、複数の液体燃料噴孔に燃料を分散して噴霧するマルチ噴孔ノズルと呼ばれるものがある（特許文献３等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２３６７３９号公報
【特許文献２】特開２００５−１４７４５９号公報
【特許文献３】特開２００８−２２４０８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、噴霧した液体燃料が混合室の壁面に付着すると、不揮発性の成分が固化し堆積するコーキングという現象が発生することがあるため、マルチ噴孔ノズルの各液体燃料噴孔は、噴霧した燃料が混合室の壁面に付着しないように混合室出口に向けて配置される。そのため、マルチ噴孔ノズルでは、複数の液体燃料噴孔の燃料噴霧領域が干渉し局所的に燃料過濃領域が形成され、燃料過濃領域における燃料の空気との混合が不十分となることでＮＯｘ抑制の効果が十分に発揮されない恐れがある。
【０００６】
本発明の目的は、マルチ噴孔ノズルによる燃料過濃領域の発生を抑制しＮＯｘ排出量を効果的に抑制することができる予混合燃焼バーナ、燃焼器及びガスタービンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、燃焼器の燃焼室に予混合燃料を噴射する予混合燃焼バーナであって、予混合室と、前記予混合室の前記燃焼室と反対側の端壁に前記燃焼室に向けて設けた複数の液体燃料噴孔と、前記燃焼室側から見てバーナ中心軸を含む面からオフセットして前記予混合室に接続した複数の空気導入孔と、前記予混合室の内壁面における前記空気導入孔の下流位置にそれぞれ設けられ、前記予混合室の内壁面から滑らかに当該予混合室の中心に向かう曲面形状の複数のガイド部とを備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、マルチ噴孔ノズルによる燃料過濃領域の発生を抑制しＮＯｘ排出量を効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るガスタービンの全体構成を表す概略図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る予混合燃焼バーナの軸方向断面図である。
【図３】図２中のIII−III線による断面矢視図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る予混合燃焼バーナにおける空気及び液体燃料の流れを表した図であって図２に対応する図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る予混合燃焼バーナにおける空気及び液体燃料の流れを表した図であって図３に対応する図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る予混合燃焼バーナにおける隣接する小混合室の境界領域における空気の流れを表した図である。
【図７】図６中のＡ−Ａ’断面における予混合燃焼空気の周方向速度分布を示す図である。
【図８】小混合室及びガイド部を省略した比較例を表す図であって図４に対応する図である。
【図９】小混合室及びガイド部を省略した比較例を表す図であって図５に対応する図である。
【図１０】図９中のＢ−Ｂ’断面における予混合燃焼空気の周方向速度分布を示す図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態に係る予混合燃焼バーナについて、気体燃料の混合距離、空気導入孔と予混合室の中心とのオフセット距離、予混合燃焼バーナの外径、及び気体燃料噴孔のピッチ円直径を図３に対応する図に示した図である。
【図１２】図８及び図９に示した比較例について、気体燃料の混合距離、空気導入孔と予混合室の中心とのオフセット距離、予混合燃焼バーナの外径、及び気体燃料噴孔のピッチ円直径を図９に対応する図に示した図である。
【図１３】第２の実施の形態における予混合燃焼バーナの軸方向断面図である。
【図１４】図１３中のXIV−XIV線による断面矢視図である。
【図１５】図１３中のXV−XV線による断面矢視図である。
【図１６】図１４中のＣ−Ｃ断面における軸方向流速分布を示す図である。
【図１７】図１５中のＤ−Ｄ断面における軸方向流速分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００１１】
〔第の実施の形態〕
図１は本発明の第１の実施の形態に係るガスタービンの全体構成を表す概略図である。
【００１２】
図１に示したガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機１、この圧縮機１で圧縮した圧縮空気１００を燃料とともに燃焼する燃焼器２、及びこの燃焼器２から供給される燃焼ガス１０６で駆動するタービン３を備えている。圧縮機１及びタービン３は同軸上に連結されている。また、タービン３には負荷機器として発電機４が接続され、タービン３によって圧縮機１とともに発電機４が駆動され、発電機４によって電気エネルギーが得られる。なお、発電機４は圧縮機１側に接続される場合もあり、また発電機４に代えてポンプ等の他の負荷機器が接続される場合もある。更には、タービン３には、圧縮機１及び発電機４と同軸に連結する一軸式タービンの他、互いに異なる回転数で回転可能な低圧タービン及び高圧タービンを有する二軸式タービンも適用し得る。この場合、低圧タービンは圧縮機１と連結され、高圧タービンが発電機４と連結される。
【００１３】
燃焼器２は、圧縮機１との接続流路であるディフューザー５、主要構成部品を格納する外筒６、内側に形成された燃焼室２０で気体燃料又は液体燃料を燃焼させて燃焼ガス１０６を生成する燃焼器ライナ７、外筒６と燃焼器ライナ７の一方側（燃焼室２０と反対側）の端部を密閉するように燃焼器上流側端部に設置したエンドカバー８、燃焼器ライナ７の下流側に接続され燃焼ガス１０６をタービン３に導くトランジションピース９、燃焼室２０側から見て燃焼器中心（燃焼器ライナ７の中心線上）に配置した拡散燃焼バーナ１０、及び拡散燃焼バーナ１０の拡散燃焼バーナ１０の周囲（径方向外側）に環状に配置した複数の予混合燃焼バーナ１１を備えている。
【００１４】
拡散燃焼バーナ１０は燃焼安定性の高い拡散燃焼をするためのものであり、燃焼器中心に配置した液体燃料ノズル１２、及び液体燃料ノズル１２の下流側で燃焼室２０の上流側に形成した中空円錐形状の混合室１３を備えている。混合室１３の壁面には拡散燃焼空気１０２を拡散燃焼バーナ混合室１３に導入するための複数の空気孔１４が形成されている。混合室１３の壁面の外周側（空気孔１４の上流側）には、各空気孔１４にそれぞれ対向する複数の気体燃料ノズル１５が設けられている。各気体燃料ノズル１５の燃料噴射方向は、空気孔１４の中心線と略同軸にしてある。
【００１５】
予混合燃焼バーナ１１は燃焼室２０に予混合燃料を噴射してＮＯｘ排出量低減に有効な予混合燃焼をするためのものであり、液体燃料を噴霧する液体燃料ノズル１６、液体燃料ノズル１６の下流側で燃焼室２０の上流側に形成した予混合室１７を備えている。液体燃料ノズル１６は、予混合室１７の上流側（燃焼室２０と反対側）の端壁２９に挿入されている。予混合室１７の径方向外側の壁面には、予混合燃焼空気１０４を予混合室１７に導入する空気導入孔１８が形成されている。空気導入孔１８は、予混合室１７の周方向に複数設けられ、かつ軸方向に複数列設けられている。また、空気導入孔１８の上流側壁面には、液体燃料ノズル１６の周囲を囲むようにして気体燃料ノズル２６が形成されている。この気体燃料ノズル２６は空気導入孔１８に接続しており、予混合燃焼空気１０４とともに予混合燃焼用の気体燃料が予混合室１７に供給されるようになっている。
【００１６】
本実施の形態において、圧縮機１で圧縮された圧縮空気１００はディフューザー５を通って燃焼器２に流入し、外筒６と燃焼器ライナ７の間を通過する。外筒６と燃焼器ライナ７との間を流通する圧縮空気１００の一部は燃焼器ライナ７の冷却空気１０１として燃焼室２０に流入し、他の圧縮空気１００は燃焼器２の上流側まで流れて拡散燃焼バーナ１０及び予混合燃焼バーナ１１に流入する。拡散燃焼バーナ１０に流入した圧縮空気１００は拡散燃焼空気１０２として拡散燃焼バーナ混合室１３に流入し、液体燃料ノズル１２から噴出する液体燃料又は気体燃料ノズル１５から噴出する気体燃料と反応し、燃焼室２０の軸中心の上流部に拡散火炎１０３を形成する。一方、予混合燃焼バーナ１１に流入した圧縮空気１００は予混合燃焼空気１０４として予混合室１７に流入し、液体燃料ノズル１６から噴射された液体燃料又は気体燃料流路１９から噴出される気体燃料と予混合して燃焼室２０に噴出して、拡散火炎１０３の周囲に予混合火炎１０５を形成する。拡散火炎１０３及び予混合火炎１０５によって燃焼室２０内で発生した高温の燃焼ガス１０６はトランジションピース９を通過してタービン３に流入し、タービン３を駆動した後、排気ダクト（図示せず）を介して排出される。
【００１７】
また、燃焼器２に関し、ガスタービンの起動から昇速までの低負荷運転条件においては、拡散燃焼バーナ１０にのみ燃料を供給し、拡散燃焼単独の運転とする。燃料流量の増加する高負荷運転条件においては、拡散燃焼バーナ１０及び予混合燃焼バーナ１１に燃料を供給し、拡散燃焼と予混合燃焼の混焼運転に移行する。このような運転方法により、燃料流量が少なく燃焼室２０内部の温度が低い低負荷条件においては拡散燃焼運転をして燃焼安定性を確保し、燃料流量が多く燃焼室２０内部の温度が高まる高負荷条件においては局所的な高温領域を低減し得る予混合燃焼を中心とすることでＮＯｘ排出量の低減を図る。
【００１８】
図２は予混合燃焼バーナ１１の軸方向断面図、図３は図２中のIII−III線による断面矢視図である。図２は図３中のII−II線による断面矢視図に相当する。
【００１９】
図２及び図３に示したように、各予混合バーナ１１は、複数（本例では３つ）の液体燃料噴孔２２、空気導入孔１８、気体燃料噴孔２７及びガイド部２５をそれぞれ複数（本例では３つずつ）備えている。
【００２０】
液体燃料噴孔２２は、予混合室１７の端壁２９に設けた上記液体燃料ノズル１６における液体燃料の噴射孔であって、燃料噴射方向を燃焼室２０に向けて設けられている。また、各液体燃料噴孔２２は、液体燃料ノズル１６の液体燃料流路２８に対してそれぞれ対応する旋回室２１を介して接続している。旋回室２１及び液体燃料噴孔２２は、それぞれ液体燃料ノズル１６の先端においてバーナ中心軸Ｏ周りに環状に配置されている。
【００２１】
なお、本実施の形態においては、液体燃料噴孔２２の中心軸Ｐはバーナ中心軸Ｏと平行にしてあるが、噴射した液体燃料が予混合室１７の壁面に衝突しない範囲においては、中心軸Ｐがバーナ中心軸Ｏに対して半径方向外側に傾斜するように液体燃料噴孔２２の向きを変えても良い。
【００２２】
空気導入孔１８は、予混合室１７に対して径方向外側から接続している。また図３に示したように、燃焼室２０側から見ると、空気導入孔１８の中心軸Ｌはバーナ中心軸Ｏを含む面Ｓから距離Ｘだけ径方向の一方側にオフセット（言い換えればバーナ中心軸Ｏに対して周方向の一方側に偏向）している。これにより、予混合室１７に流入する予混合燃焼空気１０４に旋回を付与され旋回流１０８が形成される。また、前述したように、空気導入孔１８は、図２に示したように軸方向に複数（本例では４列）設けられており、同図においては図の繁雑化を防止するため各列の空気導入孔１８を一様に図示しているが、厳密には各列で空気導入孔１８の位置は周方向にずれている。端壁２９側から１列目及び２列目の各空気導入孔１８には、その内壁面の端壁２９側の部分に気体燃料噴孔２７が開口している。各気体燃料噴孔２７は、上記気体燃料ノズル２６における気体燃料の噴射孔であって、端壁２９内に液体燃焼ノズル１６を囲うように環状形成した気体燃料流路１９からそれぞれ対応する空気導入孔１８に接続している。
【００２３】
ガイド部２５は、図３に示したように、予混合室１７の内壁面における各空気導入孔１８の下流位置（予混合燃焼空気１０４の流れ方向の下流側の位置）にそれぞれ設けられていて、予混合室１７の内壁面に連続して当該内壁面から滑らかに予混合室１７の中心（バーナ中心軸Ｏ）に向かうバーナ径方向に凸形状の曲面形状をしている。ここで、燃焼室２０側から見て、予混合室１７は、バーナ中心軸Ｏ周りに所定角度間隔（本例では１２０°間隔）で形成した複数（本例では３つ）の円筒状の小混合室２３が一部重なり合った形状（内壁面がベン図の外形線が描く形状）をしており、構成を限定する趣旨ではないが、本実施の形態においては各小混合室２３の内壁面の円弧軌跡の延長線がバーナ中心軸Ｏを通るように形成されている。各空気導入孔１８は、対応する小混合室２３に対してその接線方向からそれぞれ接続している。こうした構成であることから、周方向に隣接する小混合室２３の境界部３０の先端はバーナ中心軸Ｏを指しており、本実施の形態においては、各境界部３０の一方側の壁面であって、各小混合室２３の内壁面における対応する空気導入孔１８の下流側の部分が、ガイド部２５を構成している。
【００２４】
また、小混合室２３の軸中心Ｑは、液体燃料噴孔２２の軸中心Ｐよりもバーナ径方向の外側に位置している。本実施の形態では、バーナ中心軸Ｏを基準とした円柱座標系において液体燃料噴孔２２の軸中心Ｐと小混合室２３の軸中心Ｑとが角度方向に同位相αとなるように構成されている。したがって、液体燃料噴孔２２と小混合室２３は同数であって、対応する液体燃料噴孔２２及び小混合室２３の互いの中心Ｐ，Ｑを通る面がバーナ中心軸Ｏを通る構成である。
【００２５】
次に、図４及び図５を用いて予混合燃焼バーナ１１における空気及び液体燃料の流れを作用効果と併せて説明していく。図４及び図５はそれぞれ図２及び図３に対応する図である。
【００２６】
液体燃料は液体燃料ノズル１６の先端部において各旋回室２１に流入し、旋回成分を付与されて各液体燃料噴孔２２から噴射される。液体燃料噴孔２２から噴射されたそれぞれ液体燃料は、予混合室１７において複数の円錐状の液体燃料噴霧領域１０７を形成する。各液体燃料噴霧領域１０７はバーナ中心軸Ｏの付近で互いに干渉し、そのままでは局所的に燃料密度が高い燃料過濃領域１０９が形成され得る。予混合燃焼空気１０４は空気導入孔１８から各小混合室２３に流入し、予混合室１７内で旋回流１０８を形成する。このとき、旋回流１０８はガイド部２５に沿ってバーナ中心軸Ｏの方向に導かれ、燃料過濃領域１０９に流入する。各小混合室２３からの旋回流１０８はバーナ中心軸Ｏの辺りで衝突して強い乱流を形成し、一部はバーナ中心軸Ｃの辺りに滞留し、一部は燃料過濃領域１０９の液体燃料を巻き込みながら再度小混合室２３に流入する。このため、予混合燃焼空気１０４を燃料過濃領域１０９に積極的に供給すると同時に、燃料過濃領域１０９の液体燃料を各小混合室２３に分散させることができる。このようにして燃料過濃領域１０９の燃料密度を低下させて予混合室１７の全体に分散させることで、予混合燃焼バーナ１１の出口における燃料濃度分布の均一性を向上させることができ、予混合火炎１０５の局所的な高温領域の発生を抑制してＮＯｘ排出量を低減することができる。よって、液体燃料ノズル１６のようなマルチ噴孔ノズルによる燃料過濃領域の発生を抑制しＮＯｘ排出量を効果的に抑制することができる。
【００２７】
また、本実施の形態においては、予混合燃焼バーナ１１に設けた空気導入孔１８が予混合室１７内に形成される旋回流１０８の回転方向が同一方向となるように形成している。このため、図６に示したように、周方向に隣接する小混合室２３同士の境界の領域１１０においては互いに逆向きの旋回流１０８が対向して流れる。
【００２８】
図７は図６中のＡ−Ａ’断面における予混合燃焼空気１０４の周方向速度分布を示す図である。同図中の縦軸は予混合室１７における周方向流速であり、図６においてＡ−Ａ’断面を下から上に通過する方向を正、上から下に通過する方向を負としている。旋回流１０８同士が接触する上記領域１１０（図６参照）においては旋回方向が急激に変化するため、この領域１１０と重なる燃料過濃領域１０９（図４及び図５参照）には、図７に示すような強い速度勾配が形成される。このため、領域１１０を通過する液体燃料噴霧領域１０７の燃料液滴は、旋回流１０８により強いせん断力を受けるため、燃料液滴の微粒化を促進することができる。
【００２９】
また本実施の形態において、気体燃料は気体燃料ノズル２６の気体燃料噴孔２７から空気導入孔１８に噴出し、空気導入孔１８において予混合燃焼空気１０４と混合しながら各小混合室２３に流入し旋回流１０８になって空気とさらに混合される。このとき、旋回流１０８の角速度ωは、小混合室２３に流入する燃焼空気１０４の流速Ｖ及び小混合室２３の半径Ｒを用いて式（１）により表される。
ω=Ｖ／Ｒ・・・（１）
本実施の形態のように予混合室１７を小混合室２３に分割することで、予混合室１７に対して内径の小さな小混合室２３内において旋回流１０８の角速度ωを速めることができる。このため、気体燃料が予混合燃焼バーナ１１の出口に到達するまでに、小混合室２３の内部で気体燃料と予混合燃焼空気１０４をより高速に撹拌及び混合することができ、気体燃料と予混合燃焼空気１０４の混合を促進することができる。
【００３０】
ここで、図８及び図９は小混合室２３及びガイド部２５を省略した比較例を表す図であり、それぞれ図４及び図５に対応する図である。本実施の形態と対応する部分には既出図面と同符号を付して説明を省略する。
【００３１】
図８及び図９に示した構成においては、空気導入孔１８から流入する予混合燃焼空気１０４は予混合室１７内で旋回流１０８を形成するが、予混合室１７の中央の液体燃料噴霧領域１０７辺りでは周速が小さく、液体燃料過濃領域１０９には一部の予混合燃焼空気１０４が一様に供給されるのみであるため、燃料過濃領域１０９の噴霧燃料を分散させる作用はあまり得られず、予混合室１７の中央では局所的に燃料濃度が高くなる。このため、予混合燃焼バーナ１１の出口において燃料と予混合燃焼空気１０４の混合が不足し、予混合火炎１０５（図１参照）に局所的な高温領域が形成されてＮＯｘ排出量が増加する恐れがある。
【００３２】
また、図１０は図９中のＢ−Ｂ’断面における予混合燃焼空気１０４の周方向速度分布を示す図である。図８及び図９に示した比較例では、液体燃料噴霧領域１０７の燃料過濃領域１０９は、旋回流１０８により形成される渦の中心に位置するため、上記領域１１０（図６参照）における速度勾配は本実施の形態と比較して小さくなり、燃料液滴の微粒化特性が低下する恐れがある。
【００３３】
このように、比較例のような構成に対してマルチ噴孔ノズルである液体燃料ノズル１６を適用した場合、燃料濃度が局所的に高くなり微粒化特性が十分に得られない結果ＮＯｘ排出量が十分に抑えられない恐れがあった。
【００３４】
それに対し、本実施の形態では、予混合室１７にガイド部２５を設けて、液体燃料噴霧領域１０７が干渉する領域１１０に対して積極的に予混合燃焼空気１０４を供給することができるため、予混合バーナ１１の出口における燃料の濃度分布をより均一にすることができる。また、燃料過濃領域１０９において予混合燃焼空気１０４に強い速度勾配を形成することで、噴霧燃料の微粒化を促進し、液体燃料噴霧領域１０７の蒸発や混合を促進できる。したがって、予混合燃焼バーナ１１の出口における燃料の濃度分布を均一化し、ＮＯｘ排出量を低減することができる。
【００３５】
また、本実施の形態においては、気体燃料と燃焼空気１０４は空気導入孔１８の流路内と小混合室２３の内部の二段階で混合される。そのため、気体燃料の混合を促進するためには気体燃料噴孔２７の出口から空気導入孔１８の出口（小混合室２３の入口）までに十分な混合距離が必要である。
【００３６】
ここで、図１１は気体燃料の混合距離Ｌ’、空気導入孔１８と予混合室１７の中心とのオフセット距離Ｘ’、予混合燃焼バーナ１１の外径φＤ、気体燃料噴孔２７のピッチ円直径φＤｐを図３に対応する図に示した図、図１２は図８及び図９に示した比較例において同様に示した図である。図１２中のＬ”は、オフセット距離Ｘ’、予混合燃焼バーナ１１の外径φＤ、気体燃料噴孔２７のピッチ円直径φＤｐを本実施の形態（図１１）と同等とした場合の予混合室１７及び混合距離であり、本実施の形態における距離Ｌ’に対応する距離である。
【００３７】
図１１に示すように、本実施の形態においてはバーナ中心軸Ｏの辺りで部分的に重なるようにバーナ中心軸Ｏの周りに環状に複数の小混合室２３を配置しているため、周方向に隣り合う小混合室２３の間には予混合室１７の側壁に肉厚部２００が形成される。各空気導入孔１８が各々肉厚部２００を通過するよう構成することで、混合距離Ｌ’を長くとることができる。
【００３８】
それに対し比較例においては、図１２に示すように予混合室１７が円筒形状であるため、予混合室１７の肉厚は周方向位置によらず一定となり、混合距離Ｌ”は本実施の形態における混合距離Ｌ’よりも必然的に短くなる。
【００３９】
以上のように、本実施の形態によれば、比較例に対して、予混合バーナ１１の外径φＤやオフセット距離Ｘ’を同等に保ちつつ気体燃料の混合距離Ｌ’を延長することができる。したがって気体燃料と予混合燃焼空気１０４の混合を促進することができ、これによってもＮＯｘ排出量を低減することができる。
【００４０】
なお、本実施の形態では、１つの予混合燃焼バーナ１１が液体燃料噴孔２２、小混合室２３及びガイド部２５を３つずつ有する構成を例に挙げて説明したが、これらの数は予混合燃焼バーナ１１の大きさや予混合燃焼空気１０４、液体燃料及び気体燃料の流量に応じて適宜変更することができる。
【００４１】
〔第２の実施の形態〕
図１３は第２の実施の形態における予混合燃焼バーナの軸方向断面図、図１４は図１３中のXIV−XIV線による断面矢視図、図１５は図１３中のXV−XV線による断面矢視図である。第１の実施の形態と同様の部分には既出図面と同様の符号を付して説明を省略する。
【００４２】
本実施の形態が第１の実施の形態と相違する点は、予混合室１７の燃焼室２０側の部分が、ガイド部２５のない円筒状に形成されている点である。すなわち、本実施の形態の予混合燃焼バーナ１１’における空気導入孔１８ａを設けた上流側の部分は第１の実施の形態と同様の構成であり、複数の小混合室２３を有している。予混合燃焼バーナ１１’の下流側においては、予混合室１７を複数の小混合室２３に分けずに一つの円筒形状に形成してある。予混合室１７の上流側の部分において空気導入孔１８ａから流入する予混合燃焼空気１０４が形成する旋回流１０８ａと、予混合室１７の下流側の部分において空気導入孔１８ｂから流入する予混合燃焼空気１０４が形成する旋回流１０８ｂとは同方向に旋回するように構成されている。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。
【００４３】
本実施の形態の場合、予混合燃焼バーナ１１’の上流側においては第１の実施の形態と同様にガイド部２５によってバーナ中心軸Ｏに向かう旋回流１０８ａが形成される。一方、下流側においてはガイド部２５が省略されて予混合室１７の内壁が円筒形状をしているため、空気導入孔１８ｂから流入する予混合燃焼空気１０４は、予混合室１７の上流側で形成された旋回流１０８ａを巻き込んで予混合室１７の内壁面に沿って旋回流１０８ｂを形成する。このため、燃焼室２０における予混合燃焼バーナ１１の下流域では、旋回流１０８ｂの遠心力により予混合燃焼空気１０４が燃焼室２０の径方向外側に広がり逆流領域が形成される。この結果、予混合燃焼バーナ１１’の出口に循環流１１１が形成され、予混合火炎１０５の安定性をより向上させることができる。
【００４４】
図１６は図１４中のＣ−Ｃ断面における軸方向流速分布を示す図、図１７は図１５中のＤ−Ｄ断面における軸方向流速分布を示す図である。
【００４５】
予混合燃焼バーナ１１’の上流側の部分においては、第１の実施の形態と同じく、予混合燃焼空気１０４は各小混合室２３に流入して旋回流１０８ａを形成して予混合室１７の軸中心部に集中した後、一部は予混合室１７の軸中心部に留まり、残りは再度小混合室２３に流入する。このため、図１４中のＣ−Ｃ断面における軸方向流速は、図１６に示したように予混合室１７の内壁及び軸中心部（バーナ中心軸Ｏ）の近傍で速くなる。一方、図１５中のＤ−Ｄ断面における軸方向流速は、図１７に示したように予混合室１７の軸中心部近傍の流速がＣ−Ｃ断面の場合に比べて抑えられる。
【００４６】
このことによる第１の実施の形態と本実施の形態とのメリットの相違を説明する。第１の実施の形態の構成では、予混合燃焼バーナ１１の出口付近における軸方向流速は図１６のような分布を示し、軸方向流速の速い領域が形成される。その結果、第１の実施の形態においては、燃焼室２０内に形成される予混合火炎１０５が予混合燃焼バーナ１１の出口端面から離間して形成されるため、燃料と予混合燃焼空気１０４の混合距離が長くなる分だけ混合が促進されてＮＯｘ排出量の高い抑制効果が期待できる。それに対し、本実施の形態の場合、図１７のような軸方向流速の分布を示すため、旋回流１０８ｂによって燃焼室２０内において予混合燃焼バーナ１１’の出口付近に循環流１１１（図１３参照）が形成されるため、第１の実施の形態に比べて予混合火炎１０５の安定性が増す。したがって、ＮＯｘ低減効果と燃焼安定性を比較考量し、図１４のように構成された上流側の部分と図１５のように構成された下流側の部分との軸方向距離の割合を適正にすることにより、ＮＯｘ低減と燃焼安定の効果を効果的に得ることができる。
【００４７】
なお、以上の第１及び第２の実施の形態では、予混合室１７を複数の小混合室２３で構成し、小混合室２３の内壁面における空気導入孔１８の下流側の部分をガイド部２５とした場合を例に挙げて説明したが、旋回流１０８を偏向させてバーナ中心軸Ｏの方向に導く構成とする上では、予混合室１７を複数の小混合室２３で形成する必要はない。例えば、全体として円筒状の予混合室１７の内壁面において空気導入孔１８の下流側にのみ旋回流１０８をバーナ中心軸Ｏの方向に向かわせる曲面形状のガイド部を形成した構成であっても良い。
【符号の説明】
【００４８】
１                圧縮機
２                燃焼器
３                タービン
１０              拡散燃焼バーナ
１１，１１’      予混合燃焼バーナ
１３              混合室
１７              予混合室
１８−１８ｂ      空気導入孔
２０              燃焼室
２２              液体燃料噴孔
２３              小混合室
２５              ガイド部
２９              端壁
１０６            燃焼ガス
１０８−１０８ｂ  旋回流（旋回空気）
１０９            燃料過濃領域（干渉領域）
Ｏ                バーナ中心軸
Ｐ                液体燃料噴孔の中心
Ｑ                小混合室の中心
Ｓ                小混合室の中心軸を含む面
【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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【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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【図１７】
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