(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端を閉じ他端を開口する内部に燃焼空間を有する円筒形状のフレームチューブ（３）と、
該フレームチューブの上流側一端近傍の側面に連結された空気噴出管（４）と、
前記フレームチューブの上流側一端面に連結された燃料ガス供給管（６）と、からなり、
前記フレームチューブの内周面にはフレームチューブ内に向けて突起する突起部（８）が設けられ、該突起は、該内周面において、前記フレームチューブの周方向に複数設けられているとともに、前記フレームチューブの軸方向にも複数設けられており、
前記空気噴出管からは空気がフレームチューブの接線方向にフレームチューブ内部に噴出されるとともに、前記燃料ガス供給管からは燃料ガスがフレームチューブの軸方向にフレームチューブ内部に噴出されることで、フレームチューブの内周面に沿った空気および燃料ガスの旋回流（α）を形成し、
前記旋回流（α）となった空気および燃料ガスは、前記突起部の旋回流（α）下流側で巻き込みによる縦渦（β）を生じて攪拌される、ことを特徴とする混合促進燃焼器。
【請求項２】
前記フレームチューブ（３）との間に気体流路となる一定の空隙（１２）を有してこれを覆うエアケーシング（１４）をさらに備え、
前記各突起部（８）の付け根部分には前記空隙を通して送られた空気をフレームチューブ内に放出するガス放出口（１６）が穿孔されており、
該ガス放出口から放出された空気は燃料ガスの燃焼に用いられるとともに、前記フレームチューブの冷却を行う、ことを特徴とする請求項１に記載の混合促進燃焼器。
【請求項３】
一端を閉じ他端を開口する内部に燃焼空間を有する円筒形状のフレームチューブ（３）と、
該フレームチューブとの間に気体流路となる一定の空隙（１２）を有してこれを覆うエアケーシング（１４）と、
フレームチューブの上流側一端近傍の側面に連結された空気噴出管（４）と、からなり、
前記フレームチューブの内周面にはフレームチューブ内に向けて突起する突起部（８）が設けられ、該突起部は、該内周面において、前記フレームチューブの周方向に複数設けられているとともに、前記フレームチューブの軸方向にも複数設けられており、
該各突起部の付け根部分には前記空隙を通して送られた燃料ガスをフレームチューブ内に放出するガス放出口（１６）が穿孔されており、
前記空気噴出管からは空気がフレームチューブの接線方向にフレームチューブ内部に噴出されることで、フレームチューブの内周面に沿った空気および燃料ガスの旋回流（α）を形成し、
前記旋回流（α）となった空気および燃料ガスは、前記突起部の下流側で巻き込みによる縦渦（β）を生じて攪拌される、ことを特徴とする混合促進燃焼器。
【請求項４】
前記突起部（８）は、旋回流（α）の上流側からその高さが滑らかに漸増し、かつ、下流側でその高さを急減する形状を有する、ことを特徴とする請求項１乃至３に記載の混合促進燃焼器。
【請求項５】
前記突起部（８）は、上流側から下流側に向けて漸増する高さと幅を有する四面体形状を有し、かつ、その側壁を絶壁状とする形状を有する、ことを特徴とする請求項１乃至３に記載の混合促進燃焼器。
【請求項６】
前記突起部（８）は、フレームチューブ（３）の一部がフレームチューブ内に向けて屈曲されて形成され、旋回流（α）の上流側からその高さが滑らかに漸増する形状を有する、ことを特徴とする請求項２又は３に記載の混合促進燃焼器。
【請求項７】
前記各突起部（８）は、旋回流（α）の上流側端部と下流側端部を有するとともに、前記各突起部（８）の高さは、該上流側端部から該下流側端部にかけて滑らかに漸増する、ことを特徴とする請求項１又は３に記載の混合促進燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン等に用いられる混合促進燃焼器に係り、より詳細にはガスタービン等の燃焼室に供給される空気と燃料ガスとの混合を促進し、予混合気の均質度を向上させて低ＮＯｘ化を図ることができる混合促進燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７はガスタービンエンジンの模式的構成図であり、空気取入口５１、圧縮機５２、燃焼器５０、タービン５４、アフターバーナ５５、ジェットノズル５６、等を備えている。かかるガスタービンエンジンでは、空気を空気取入口５１から導入し、圧縮機５２でこの空気を圧縮し、燃焼器５０内で燃料を燃焼させて高温の燃焼ガスを発生させ、発生した燃焼ガスでガスタービン５４を駆動し、このガスタービン５４で圧縮機５２を駆動し、アフターバーナ５５でタービンを出た排ガスにより燃料を再度燃焼させ、高温の燃焼排ガスをジェットノズル５６で膨張させて後方に噴出し、推進力を発生するようになっている。
【０００３】
このガスタービンエンジンの燃焼器は、その縦断面図である図８に示したように、内部に燃焼空間を有するフレームチューブ５７と、フレームチューブとの間に一定の空隙を有してこれを覆うエアケーシング５８とを有している。また、フレームチューブ５７の上流端には、主流ガスである空気を燃焼器内に取り入れるためのスノート部６０が形成され、下流端には図示しないタービンに燃焼排ガスを送るための排気口５９が開口している。
【０００４】
圧縮機から主流ガス流路６３を通って送られる主流ガス（空気）の多くは、スノート部６０から燃焼室内に取り入れられ燃焼用に利用される。残りの空気はフレームチューブ５７とエアケーシング５８との間の空隙を通ってフレームチューブの冷却を行うとともに、フレームチューブ５７に設けられたセカンダリエアホール６１を通して燃焼室内に入り、再燃焼を促進するために用いられる。
【０００５】
この燃焼器５０は、内部に燃料ガス供給管６２を通した主流ガス管６３に連結され、燃料ガス供給管６２は主流ガス流路のほぼ中央にその流れに沿って配置されて燃焼室の入口にまでのび、その先端部には燃料ガスを広範囲に拡散して噴出するための噴出ノズル６４を備えている。
【０００６】
燃焼室内での燃焼効率を向上させ、また完全燃焼によるＮＯｘの低減を図るためには、主流ガスである空気と燃料ガスとが充分に混合されて燃焼が行われることが望ましい。しかしながら、圧縮された空気は高速で流れるため、軸方向長さの短いガスタービンでは混合ガスの生成時間が確保されず、単に燃焼室内に噴出した燃料ガスに主流ガスを流し込むだけでは、その混合が不充分となることがある。
【０００７】
そのため一般的なガスタービンエンジンでは、噴出ノズル６４の近傍の主流ガス流路に、軸方向に対して傾斜した状態で放射状に並べられ、翼列を構成する複数のベーンを有するスワールベーン（swirl vanes）６５を取り付けて、スノート６０から取り入れた主流ガスを周方向に旋回させていた。スワールベーンによって旋回流（α’）になった主流ガスは燃焼室内に導入され、同じく燃焼室内に向けて噴出ノズル６４から噴出された燃料ガスを巻き込むことで燃料ガスを攪拌してその混合を促進し、混合ガスの生成時間を短縮していた。燃料ガスと空気との混合が促進されると、燃焼室内に噴出した燃料ガスに主流ガス（空気）を単に流し込む場合と比してＮＯｘの発生も低減していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述した従来のスワールベーン６５による混合機構では、スワールベーンによる旋回流（α’）によってのみ混合を促進していたため未だその混合が不充分であり、急速混合を用いた予混合燃焼による燃焼排ガス中のＮＯｘの低減が充分に達成されているとはいえなかった。
また従来の燃焼器では、フレームチューブ５７とエアケーシング５８との間の空隙に空気を導入することでフレームチューブの冷却を行っていたが、未だその冷却効果が充分ではなかった。
【０００９】
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、本発明の第１の目的は、燃焼室内での空気と燃料ガスとの混合を促進することによって混合気の均質度を向上させ低ＮＯｘ化を図ることができる混合促進燃焼器を提供することにある。
【００１０】
また本発明の他の目的は、内部に燃焼空間を有するフレームチューブの冷却を効果的に達成することもできる混合促進燃焼器を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、  一端を閉じ他端を開口する内部に燃焼空間を有する円筒形状のフレームチューブ（３）と、該フレームチューブの上流側一端近傍の側面に連結された空気噴出管（４）と、前記フレームチューブの上流側一端面に連結された燃料ガス供給管（６）と、からなり、前記フレームチューブの内周面にはフレームチューブ内に向けて突起する突起部（８）が設けられ、該突起は、該内周面において、前記フレームチューブの周方向に複数設けられているとともに、前記フレームチューブの軸方向にも複数設けられており、前記空気噴出管からは空気がフレームチューブの接線方向にフレームチューブ内部に噴出されるとともに、前記燃料ガス供給管からは燃料ガスがフレームチューブの軸方向にフレームチューブ内部に噴出されることで、フレームチューブの内周面に沿った空気および燃料ガスの旋回流（α）を形成し、前記旋回流（α）となった空気および燃料ガスは、前記突起部の旋回流（α）下流側で巻き込みによる縦渦（β）を生じて攪拌される、ことを特徴とする混合促進燃焼器が提供される。
【００１２】
上記本発明の構成によれば、燃焼器の軸方向に噴出された燃料ガスが、接線方向に噴出された空気によってせん断された後に燃焼器の内周面に沿って旋回することで、空気と燃料ガスとの混合が促進される。
また気体が流れる表面、すなわち燃焼器の内周面が主流方向に凹面状に湾曲しているため、その表面の層流境界層には遠心力による不安定現象からテイラー渦に類似する渦（ゲルトラ渦）が発生し、この渦によって空気と燃料ガスとの混合が促進される。
さらに、燃焼器の内周面に設けられた突起部の下流側では巻き込みによる縦渦が発生し、この縦渦が空気と燃料ガスとの混合ガスを攪拌するため、均一混合がより一層促進される。
【００１３】
ここで、前記フレームチューブ（３）との間に気体流路となる一定の空隙（１２）を有してこれを覆うエアケーシング（１４）をさらに備え、前記各突起部（８）の付け根部分には前記空隙を通して送られた空気をフレームチューブ内に放出するガス放出口（１６）が穿孔されており、該ガス放出口から放出された空気は燃料ガスの燃焼に用いられるとともに、前記フレームチューブの冷却を行う、ことも好ましい。
【００１４】
突起部の付け根部分に穿孔されたガス放出口からフレームチューブ内に空気を放出することで、空気噴出管から供給される空気に加えガス放出口から供給される空気も燃料ガスの燃焼に利用することができる。また、突起部はフレームチューブ内周面のほぼ全面に設けることができるので、ガス放出口から放出された空気によりフレームチューブ内周面をフィルム状に覆うことでその冷却を行わせることができる。
なおガス放出口から放出される空気は、フレームチューブとこれを覆うエアケーシングとの間の空隙を流路として送られる。さらにフレームチューブは空隙を流れる空気により外周側からも冷却される。ガス放出口は混合ガス流の損失を少なくするために突起部の下流側に位置する付け根部分に穿孔されていることが好ましい。
【００１５】
また本発明は、一端を閉じ他端を開口する内部に燃焼空間を有する円筒形状のフレームチューブ（３）と、該フレームチューブとの間に気体流路となる一定の空隙（１２）を有してこれを覆うエアケーシング（１４）と、フレームチューブの上流側一端近傍の側面に連結された空気噴出管（４）と、からなり、前記フレームチューブの内周面にはフレームチューブ内に向けて突起する突起部（８）が設けられ、該突起部は、該内周面において、前記フレームチューブの周方向に複数設けられているとともに、前記フレームチューブの軸方向にも複数設けられており、該各突起部の付け根部分には前記空隙を通して送られた燃料ガスをフレームチューブ内に放出するガス放出口（１６）が穿孔されており、前記空気噴出管からは空気がフレームチューブの接線方向にフレームチューブ内部に噴出されることで、フレームチューブの内周面に沿った空気および燃料ガスの旋回流（α）を形成し、前記旋回流（α）となった空気および燃料ガスは、前記突起部の下流側で巻き込みによる縦渦（β）を生じて攪拌される、ことを特徴とする混合促進燃焼器を提供する。
【００１６】
本発明では、上述の燃焼器のようにフレームチューブの上流端に連結した燃料ガス供給管からフレームチューブの軸方向に燃料ガスを噴出して供給するのではなく、突起部の付け根に穿孔したガス放出口から燃料ガスを供給するものである。ガス放出口からフレームチューブ内に供給された燃料ガスは、フレームチューブ内周面に沿って流れる空気とともに旋回流となって混合され、また旋回流は突起部の下流側で巻き込みにより生じる縦渦によって攪拌され、その混合が促進される。
【００１７】
ここで好ましい実施例での前記突起部（８）の形状は、
（ａ）旋回流（α）の上流側からその高さが滑らかに漸増し、かつ、下流側でその高さを急減する形状
（ｂ）旋回流（α）の上流側から下流側に向けて漸増する高さと幅を有する四面体形状を有し、かつ、その側壁を絶壁状とする形状
（ｃ）フレームチューブ（３）の一部がフレームチューブ内に向けて屈曲されて形成され、旋回流（１２）の上流側からその高さが滑らかに漸増する形状、とする。
【００１８】
突起部の高さが旋回流の上流側から滑らかに漸増する形状とすることで、突起部による混合ガス流の損失を少なくすることができる。また突起部がその下流端でその高さを急減する形状とすることにより、突起部下流側に巻き込みによる縦渦を発生させ、その縦渦が空気と燃料ガスとを攪拌することで混合を促進し、混合ガスの生成時間を短縮させることができる。なお、上記（ｃ）の突起部はフレームチューブの一部に切れ込みを入れてこれを屈曲させるもので、屈曲によりフレームチューブに開口した孔をガス放出口として利用するものである。
【００１９】
【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て使用する。
【００２０】
図１は第１の実施例の燃焼器の模式的構成図であり、（ａ）は燃焼器の径方向断面図であり、（ｂ）は燃焼器の軸方向断面図である。
【００２１】
この燃焼器はガスタービンに用いられるものであって、上流側にはエンジン内部に取り入れた空気を圧縮する圧縮機が、下流側には燃焼ガスにより駆動されるガスタービンが配置されている（図示せず）。
燃焼器は、高速に流れる圧縮空気と燃料ガスとをその内部で急速に混合して燃焼させ、タービンの要求する高圧圧縮ガスを発生させるものであり、また予混合気の均質度の向上による燃焼ガスの低ＮＯｘ化を実現するものである。
【００２２】
この燃焼器１０は、図１に示したように、上流端を閉鎖し下流端に排気口１が形成された円筒形状のフレームチューブ３によりその外形が形成され、内部には空気と燃料ガスとの混合ガスの燃焼が行われる燃焼室２となる空間が設けられている。
フレームチューブ３の上流端側の側面には図示しない圧縮機で圧縮された空気を燃焼室２に向けて高速で噴出するための空気噴出管４が接続されている。またフレームチューブ３の上流端には、先端に噴出ノズル５を備え燃焼室２に燃料ガスを噴出する燃料ガス供給管６が接続されている。
【００２３】
ここでフレームチューブ３の内周面には、フレームチューブ内に向けて突起する複数の突起部８が設けられている。この突起部８はフレームチューブ３の内周面全面に千鳥状に設けられている。
【００２４】
図２に突起部の拡大図を示す。この突起部は、旋回流の上流側からその高さが滑らかに漸増し、かつ、下流側でその高さを急減する形状（図２（ａ））、または、上流側から下流側に向けて漸増する高さと幅を有する四面体形状であって、かつ、その側壁を絶壁状とする形状（図２（ｂ））をしている。
【００２５】
空気は空気噴出管４からフレームチューブの接線方向に噴出され、燃料ガスは燃料ガス供給管６の噴射ノズル５からフレームチューブの軸方向に噴射される。また燃料ガス供給管６の接続箇所はフレームチューブ上端の外周側から径方向内側に位置し、燃料ガスは空気噴出管４から高速で噴射される空気の層流境界層付近に噴出される。
【００２６】
燃料ガス供給管先端の噴出ノズル５からフレームチューブ３の軸方向に噴出された燃料ガスは、空気噴出管４からフレームチューブの接線方向に高速かつ大量に噴出された空気によってせん断され、燃焼室２の内周面に沿って大きく旋回ながら燃焼器１０下流側の排気口１に向かう。せん断された燃料ガスは攪拌されることで空気と一次的に混合され、また燃焼室２内を旋回することで、前述したゲルトラ渦によって一層その混合が促進される。
【００２７】
フレームチューブ３の内周面を螺旋状に流れる混合ガスは、突起部８によって図２の矢印に示すように突起部８の傾斜に沿って進行し、突起部下流端の絶壁状の部分の下流側に巻き込みによる小さな縦渦（β）を生じる。この縦渦が空気と燃料ガスとの混合ガスをさらに攪拌して二次的な混合を促進する。混合が促進されると混合気の均質度が向上するためＮＯｘの発生も低減することになる。
【００２８】
なお突起部はその高さを旋回流の上流側から滑らかに漸増するため混合ガス流に与える損失は少ない。
【００２９】
図３に第２の実施例の燃焼器の模式的構成図を示した。ここで図２（ａ）は径方向断面図であり、（ｂ）は軸方向断面図である。
【００３０】
この燃焼器２０は、第１の実施例の燃焼器１０に、フレームチューブ３との間に気体流路となる一定の空隙１２を有してこれを覆うエアケーシング１４をさらに備えたものであり、既述した形状の突起部８の付け根部分下流側には燃焼室内に空気を放出するガス放出口１６が穿孔されている（図４）。
【００３１】
この燃焼器２０では、第１の実施例の燃焼器と同様に空気は空気噴出管４からフレームチューブ３の接線方向に噴出され、燃料ガスは燃料ガス供給管６の噴射ノズル５からフレームチューブの軸方向にされる。また第１の実施例と同様に燃料ガスは空気噴出管４から高速で噴射される空気の層流境界層付近に噴出されてせん断される。
空気と燃料ガスの混合ガスは、フレームチューブ内で大きな旋回流（α）となるとともに、突起部の下流側に発生する小さな縦渦（β）によって攪拌されてその混合が促進されるがこの点は第１の実施例の燃焼器と同様である。
【００３２】
本実施例の燃焼器２０では、フレームチューブ３とこれを覆うエアケーシング１４との間の空隙１２を流路として、突起部８の付け根部分に穿孔したガス放出口１６へ空気を送り、ここから燃焼室２内にできるだけフレームチューブ３の内周面に沿って流れるように空気を放出し、フレームチューブ内周面をフィルム状に覆うことでその冷却を行う点を特徴とする。
なお、混合ガス流に与える損失を少なくするためガス放出口１６は図４に示したように突起部８の下流側に位置する付け根部分に穿孔されている。
さらに空隙１２を流れる空気によってフレームチューブ３はその外周側からも冷却される。なおガス放出口１６から放出される空気は燃料ガスの燃焼にも利用される。
【００３３】
図５に第３の実施例の燃焼器の模式的構成図を示す。本実施例の燃焼器３０は、第１の実施例の燃焼器１０で燃料ガス供給管４の噴射ノズル５からフレームチューブ３の軸方向に噴射していた燃料ガスの供給方法を変更したものである。
【００３４】
本実施例では第２の実施例と同様に突起部の付け根にガス放出口１６が穿孔されている。第２の実施例の燃焼器２０ではここから空気を放出していたが、本実施例の燃焼器３０ではここから燃料ガスが放出され燃焼室内に燃料ガスが供給される。なお燃料ガスの放出は、フレームチューブの中心軸方向に行われる。
ガス放出口１６から燃焼室内に供給される燃料ガスは、突起部の下流側に生じる縦渦（β）による乱れ渦領域に放出され、フレームチューブ内周面に沿って旋回する空気によりせん断・攪拌・旋回されて一次的に混合される。
また、旋回流となった空気と燃料ガスとの混合ガスは、複数の突起部８’の下流側で巻き込みによる小さな縦渦（β）を生じることで二次的に攪拌されてその混合が促進される。
【００３５】
ここで突起部８’は、図６に示したように円筒状のフレームチューブ３の壁面にＶ字型の切れ込みを設け、これを燃焼室内に向けて押し曲げることにより形成されている。このように形成された突起部８’は旋回流１２の上流側からその高さが滑らかに漸増し、突起部８’の付け根部分には燃料ガスを放出するガス放出口１６が開口している。この突起部８’はフレームチューブ３の内周面全面に千鳥状に設けられている。広範囲から燃料ガスが供給されると、空気と燃料ガスとの混合が一層容易化される。
なお、燃料ガスはフレームチューブ３を覆うエアケーシング１４との間の空隙１２を流路として突起部のガス放出口１６へ送り込まれる。なお突起部には図４に示した形状のものを用いることもできる。
【００３６】
以上本実施例による燃焼器によっても、燃料ガスと空気との混合を促進することができる。また、フレームチューブ３の内周面の全面から燃料ガスを噴出することで、フレームチューブの冷却効果も期待できる。
【００３７】
上述したように本発明は、空気と燃料ガスとの混合を促進し、混合気の均質度を向上させることによってＮＯｘの発生も低減ことができる。また、突起部の付け根部分から空気又は燃料ガスを噴出する場合にはフレームチューブの冷却をも行うことができる。
【００３８】
なお、本発明は上述した実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できることは勿論である。例えばボイラーや炉に用いられる燃焼器あるいは急速予混合器として本発明を適用することもできる。
【００３９】
【発明の効果】
上述したように、本発明の燃焼器によれば空気と燃料ガスの混合を促進し、燃焼器での燃焼効率を向上させ、燃焼ガス中に含まれるＮＯｘの低減を図ることができる。また、突起部の付け根部分から空気又は燃料ガスを放出する場合には、フレームチューブの冷却を同時に行うことも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例の燃焼器の概念図である。
【図２】第１の実施例にかかる突起部の拡大図である。
【図３】第２の実施例の燃焼器の概念図である。
【図４】第２の実施例にかかる突起部の拡大図である。
【図５】第３の実施例の燃焼器の概念図である。
【図６】第３の実施例にかかる突起部の拡大図である。
【図７】ガスタービンエンジンの模式的構成図である。
【図８】従来のガスタービンエンジンの燃焼器の縦断面図である。
【符号の説明】
１  排気口
２  燃焼室
３  フレームチューブ
４  空気噴出管
５  噴出ノズル
６  燃料ガス供給管
８  突起部
８’  突起部
１０  燃焼器
１２  空隙
１４  エアケーシング
１６  ガス放出口
２０  燃焼器
３０  燃焼器
５０  燃焼器
５１  空気取入口
５２  圧縮機
５４  タービン
５５  アフターバーナ
５６  ジェットノズル
５７  フレームチューブ
５８  エアケーシング
５９  排気口
６０  スノート部
６１  セカンダリエアホール
６２  燃料ガス供給管
６３  主流ガス管
６４  噴出ノズル
６５  スワールベーン
α  旋回流
β  縦渦
【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】
0003901581.tif 000008
【図８】
0003901581.tif 000009