(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下流側が開放されている筒状または環状の予混合燃焼器形成体を備え、
該形成体の頭部に、燃焼用空気に旋回力を付与し、前記予混合燃焼器形成体内に保炎のための循環流を生じせしめる複数の予混合管からなる予混合手段が配設され、前記頭部の前記複数の予混合管に囲まれている中央部にパイロット燃料噴射手段が備えられ、
前記複数の予混合管のそれぞれに燃料噴射手段が配設され、
前記複数の予混合管のそれぞれの傾斜角度が、筒状の予混合燃焼器形成体の中心軸または環状の予混合燃焼器形成体の中心軸に対して５度乃至８０度とされ、前記頭部の基準軸に対して５度乃至９０度とされている
ことを特徴とする予混合燃焼器。
【請求項２】
複数の予混合管のそれぞれの傾斜角度が、筒状の予混合燃焼器形成体の中心軸または環状の予混合燃焼器形成体の中心軸に対して２５度乃至５０度とされ、頭部の基準軸に対して２５度乃至５０度とされていることを特徴とする請求項１記載の予混合燃焼器。
【請求項３】
環状の予混合燃焼器形成体が環状筒体からなり、その頭部に複数の予混合部を有し、該予混合部の各々が前記頭部に複数の予混合管からなる予混合手段を有してなることを特徴とする請求項１記載の予混合燃焼器。
【請求項４】
複数の予混合管が、一重の同心円状に等間隔にて配設されてなることを特徴とする請求項１または３記載の予混合燃焼器。
【請求項５】
燃料噴射手段が燃料噴射ノズルとされ、該燃料噴射ノズルが、予混合管内に挿入されてなることを特徴とする請求項１、３または４記載の予混合燃焼器。
【請求項６】
燃料噴射ノズルの燃料噴射位置が予混合管の入口部とされていることを特徴とする請求項５記載の予混合燃焼器。
【請求項７】
燃料噴射ノズルの燃料噴射位置が予混合管の中央部とされていることを特徴とする請求項５記載の予混合燃焼器。
【請求項８】
燃料噴射ノズルの燃料噴射位置が予混合管の出口部とされていることを特徴とする請求項５記載の予混合燃焼器。
【請求項９】
燃料噴射手段が燃料噴射ノズルとされ、該燃料噴射ノズルが、予混合管の入口外方に配設されてなることを特徴とする請求項１、３または４記載の予混合燃焼器。
【請求項１０】
燃料噴射ノズルが、中空状の主材と、該主材の側面から突出されるとともに同主材と連通されている複数の突起部材とを備え、
前記突起部材に所要数の燃料噴射孔が所定配列により設けられてなることを特徴とする請求項５、６、７、８、または９記載の予混合燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はガスタービンやジェット・エンジンに用いられる予混合燃焼器に関する。さらに詳しくは、高燃焼効率を維持しながらＮＯＸの発生が低減されてなるガスタービンやジェット・エンジンに用いられる予混合燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ガスタービンやジェット・エンジン（以下、単にガスタービンという）の燃焼器により発生するＮＯＸを低減するために、予混合燃焼器が提案されている。この予混合燃焼器としては、例えば燃料噴射ノズルの下流側にスワラーを設けて、燃料と燃焼用空気との混合気をスワラーにより旋回させて予混合するものや、燃料と燃焼用空気とを旋回させることなく予混合管により予混合させるものが提案されている。
【０００３】
例えば、前者に属するものとして、例えば特開平４ー４３２２０号に提案されてなるものがある。すなわち、燃料を直接燃焼室内に噴出する１個の拡散燃焼式のパイロットバーナーを燃焼室の上流側の中心に設け、燃料を空気と混合させた後に燃焼室内に噴出する４個以上の予混合燃焼式のバーナーをパイロットバーナーの周囲にパイロットバーナーに近接して設け、着火させる予混合バーナーの数を負荷の変動に応じて変えるようにしたガスタービンの燃焼器において、予混合バーナーとして、燃焼室側の端部に旋回スワラーが設けられた空気流入管内に、分散型ノズルを有する燃料管が燃焼室とは反対側から挿入されて構成されており、分散型ノズルは燃料管の半径方向に放射状に延びかつ先端の閉じた複数のパイプに多数の噴孔が形成されており、分散型ノズルは旋回スワラーの近傍に位置させられているものが提案されている。
【０００４】
また、後者に属するものとして、例えば実公昭６３ー３００７０号に提案されてなるものがある。すなわち、パイロット部およびメイン部からなり、前記パイロット部を囲繞して予混通路を形成し、この予混通路は内外壁周面よりなる筒形のものとし、複数の予混ノズルを、前記筒形の予混通路の内壁周面に噴出方向を放射状として開口するように設けてなる予混合型燃焼器が提案されている。
【０００５】
しかしながら、従来の予混合燃焼器は次のような問題を有している。
【０００６】
例えば予混合気をスワラーで旋回させる前者のタイプでは、予混合気の逆火や自己着火を生ずるという問題がある。この傾向は、燃焼用空気が高圧・高温になるほど助長される。また、燃焼用空気を旋回させずに予混合管により予混合気を得る後者のタイプでは、火炎の安定性が悪いという問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来技術の問題点に鑑みなされたもので、火炎を安定させることができるとともに、予混合気の逆火や自己着火のおそれもなく、しかもＮＯＸの発生を低減しながら燃焼効率を向上できるガスタービン等の予混合燃焼器を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の予混合燃焼器は、下流側が開放されている筒状または環状の予混合燃焼器形成体を備え、該形成体の頭部に、燃焼用空気に旋回力を付与し、前記予混合燃焼器形成体内に保炎のための循環流を生じせしめる複数の予混合管からなる予混合手段が配設され、前記頭部の前記複数の予混合管に囲まれている中央部にパイロット燃料噴射手段が備えられ、前記複数の予混合管のそれぞれに燃料噴射手段が配設され、前記複数の予混合管のそれぞれの傾斜角度が、筒状の予混合燃焼器形成体の中心軸または環状の予混合燃焼器形成体の中心軸に対して５度乃至８０度とされ、前記頭部の基準軸に対して５度乃至９０度とされていることを特徴とするものである。
【００１２】
ここで、前記複数の予混合管のそれぞれの傾斜角度が、筒状の予混合燃焼器形成体の中心軸または環状の予混合燃焼器形成体の中心軸に対して２５度乃至５０度とされ、頭部の基準軸に対して２５度乃至５０度とされているのが好ましい。
【００１３】
また、本発明の予混合燃焼器においては、環状の予混合燃焼器形成体が環状筒体からなり、その頭部に複数の予混合部を有し、該予混合部の各々が前記頭部に複数の予混合管からなる予混合手段を有していたり、複数の予混合管が、一重の同心円状に等間隔にて配設されていたり、燃料噴射手段が燃料噴射ノズルとされ、該燃料噴射ノズルが、予混合管内に挿入されていたりするのが好ましい。
【００１４】
ここで、前記燃料噴射ノズルは、燃料噴射位置が前記予混合管の入口部、中央部または出口部となるように位置調整されていてもよく。あるいは、前記予混合管の入口外方に配設されていてもよい。
【００１５】
また、前記燃料噴射ノズルは、中空状の主材と、該主材の側面から突出されるとともに、同主材と連通されている複数の突起部材とを備え、前記突起部材に所要数の燃料噴射孔が所定配列により設けられてなるのが好ましい。
【００１７】
【作用】
本発明の予混合燃焼器においては、予混合空間を構成している形成体の予混合部に、燃焼用空気の旋回流を生じせしめる筒状体群からなる予混合手段が配設されているので、この予混合手段から噴出された燃焼用空気により予混合燃焼室内に循環流が形成される。そのため、火炎を安定させながら希薄混合燃焼させることができる。したがって、燃焼効率を高く維持しながら、ＮＯＸの発生を低減することができる。
【００１８】
【実施例】
以下、添付図面を参照しながら実施例に基づいて本発明を説明するが、本発明はかかる実施例のみに限定されるものではない。
【００１９】
本発明の予混合燃焼器の一実施例を図１に示し、本実施例においては、予混合燃焼器Ｃは、いわゆるカン型とされ、外筒１の内部に、一端に平板状の端板２１を有し、他端が開放されている円筒体２を、その端板２１を上流側に向けて構成してなるものである。すなわち、端板２１を頭部としてなるものである。この端板（頭部）２１には、外筒１から供給される燃焼用空気を旋回させて予混合燃焼器Ｃ内に導き入れるため、予混合管３が複数所定の配置および傾斜角にて取付けられている。
【００２０】
この予混合管３は、図２に示すように、端板２１に同心円状に等間隔で取付けられている。図２に示す例においては、予混合管３の本数は６本とされているが、これに限定されるものではなく、予混合燃焼器Ｃのサイズに応じて適宜選定される。この予混合管３は、図３に示すように、円筒体２の軸線（中心軸）Ｌ1に対して所定の傾斜角αにて取付けられ、また図２に示すように、端板２１の基準線（基準軸）Ｌ2に対して所定の傾斜角βにて取付けられている。この傾斜角αおよびβは、燃焼用空気に所望の旋回力を付与して予混合燃焼器Ｃ内に、保炎のための循環流が形成されるように、傾斜角αについては５度から８０度の範囲、好ましくは２５度から５０度の範囲とされ、また傾斜角βについては５度から９０度の範囲、好ましくは２５度から５０度の範囲とされている。
【００２１】
また、図３に分解して示すように、この予混合管３の内部には燃料噴射ノズル４が装着されている。この燃料噴射ノズル４の先端には、図４に示すように、複数の燃料噴射孔４１，４１・・・が同心円状に形成されている。この燃料噴射孔４１のサイズおよび個数は、噴射燃料量に応じて従来の手法を用いて適宜選定される。なお、燃料噴射ノズル４は、図３に示されるものに限定されるものではなく、図５に示すように、燃料噴射ノズル４の胴部４２に突起管４３を設けてそれに燃料噴射孔４１，４１・・・を形成してもよい。
【００２２】
この燃料噴射孔４１の位置は、予混合管３の入口部でもよく、中央部でもよく、あるいは出口部でもよい。ただし、通常の燃焼器においては予混合気の均一度向上の点から入口部とされるのが好ましく、高温、高圧条件で作動する燃焼器においては逆火防止の点から出口部とされるのが好ましい。
【００２３】
なお、燃料噴射ノズル５は、予混合管３の入口外方において、同入口を臨む位置に配設されてもよい。
【００２４】
端板２１の予混合管３に囲まれている部分は、火炎に曝されて焼損するおそれがあるので、図示はされていないが、その部分には、予混合管３と同一の傾斜角度を有する直径が１ｍｍ程度の透孔が所要数設けられて冷却が図られている。
【００２５】
また、図６に示すように、この頭部２１の予混合管３に囲まれている部分の中央部に、図７に示すような、先端部に所要数、例えば８個の燃料噴射孔５１が等間隔で形成されているパイロット燃料噴射ノズル５を設けてもよい。
【００２６】
この円筒体２の後部には、図１に示すように、二次空気供給用開口２２が設けられて、予混合燃焼器Ｃ内に二次空気が供給されるようにされている。これにより、燃焼ガスが冷却されるとともに希釈化されるので、ＮＯＸの発生が抑制される。この二次空気用開口２２は、図８に示すように、弁体２３により開口面積が調節されて、二次空気流量が制御されるようにされていてもよい。このようにすると、二次空気流量を最適流量とすることができる。
【００２７】
実施例および比較例
図１に示す構成にて、予混合燃焼器Ｃを作製して燃焼テストを行った。その結果を図９に実線で示す。なお、この実施例における予混合燃焼器Ｃの要目は、次のとおりである。すなわち、予混合管は内径が２５ｍｍ、本数は６本、傾斜角α、βはともに４５度であり、また円筒体は内径が１４０ｍｍ、長さが３５０ｍｍ、二次空気供給口は直径１８ｍｍのものが４個とされている。
【００２８】
比較のために、従来の拡散型燃焼器により燃焼テストを行った。その結果を図９に併せて点線で示す。
【００２９】
図９より明らかなように、実施例においては、燃焼効率が従来のものと略同様に高く維持されているにもかかわらず、ＮＯＸの発生量が減少しているのがわかる。
【００３０】
以上、本発明を実施例に基づてい説明してきたが、本発明は前記実施例のみに限定されるものではなく、種々改変が可能である。例えば、予混合管は円形のパイプのみに限定されるものではなく、例えば角パイプとすることもできる。
【００３１】
また、実施例においては燃焼器は、いわゆるカン型とされているが、マルチカン型、あるいは環状筒体に複数の予混合燃焼部が形成されているアンニュラ型とされてもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、予混合管により燃焼用空気に旋回力を付与して予混合燃焼器内に供給しているので、予混合燃焼器内に循環流を生じさせながら予混合燃焼させることができる。そのため、逆火や自己着火を生ずることなく、火炎安定させることができる。したがって、燃焼効率を従来と同様に維持しながら、ＮＯＸの発生量を低減できるという優れた効果が得られる。
【００３３】
さらに、本発明では、複数の予混合管により燃料とともに燃焼用空気を予混合燃焼器内に供給しているので、均一な予混合気を形成できるという効果も得られる。そのため、本発明の予混合燃焼器は、高温・高圧の燃焼器に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の予混合燃焼器の縦断面図である。
【図２】同実施例における予混合管の配置説明図である。
【図３】燃料噴射ノズルを分解して示している予混合管の縦断面図である。
【図４】図３に示す燃料噴射ノズルの縦断面図である。
【図５】燃料噴射ノズルの他の例の正面図である。
【図６】頭部にパイロット燃料噴射ノズルが設けられた予混合燃焼器の概略図である。
【図７】パイロット燃料噴射ノズルの概略図である。
【図８】開口面積が調整可能な二次空気用開口の説明図である。
【図９】実施例および比較例の燃焼特性のグラフである。
【符号の説明】
１        外筒
２        円筒体
２１      端板（頭部）
２２      二次空気用開口
２３      弁体
３        予混合管
４        燃料噴射ノズル
４１      燃料噴射孔
５        パイロット燃料噴射ノズル
５１      燃料噴射孔
Ｃ        予混合燃焼器
Ｌ1       円筒体の中心軸
Ｌ2       端板の基準軸
【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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