(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼用空気が供給される燃焼用空気流路を形成するケースと、
燃焼用空気流路内に配置され、燃料ガスが供給され、燃料ガスを噴出するノズル孔を有するノズル体と、
燃焼用空気流路内で、ノズル孔よりも燃焼用空気の流過方向下流側に配置される複数のスワラであって、各スワラは、ノズル孔の近傍の領域と、その近傍領域よりもノズル孔から遠去かった領域とに、燃焼用空気の流過方向に沿って延びる仕切部材によってそれぞれ仕切られて配置されるスワラとを含み、
前記ノズル体は、
周壁に間隔をあけて複数の第１ノズル孔が形成される大径部と、
大径部の燃焼用空気の下流側の端部に連なり、燃焼用空気の下流になるにつれて先細状に形成され、周壁に間隔をあけて複数の第２ノズル孔が形成される錐体部とを有し、
前記第２ノズル孔は、各スワラよりも燃焼用空気の流過方向上流側に形成され、この第２ノズル孔よりも前記燃焼用空気の流過方向上流側に、前記第１ノズル孔が形成されることを特徴とするバーナ。
【請求項２】
大径部が肉厚に形成され、これによって第１ノズル孔はチョーク状に形成されることを特徴とする請求項１記載のバーナ。
【請求項３】
第１ノズル孔の軸線は、ノズル体の軸線に対して８０〜１５０度の角度θ１を有することを特徴とする請求項１または２記載のバーナ。
【請求項４】
第２ノズル孔の軸線は、ノズル体の軸線に対して、１０〜８０度の角度θ２を有することを特徴とする請求項１〜３のうちの１つに記載のバーナ。
【請求項５】
ノズル体は、燃焼用空気の下流側の端部が閉塞された筒体の周壁に、周方向に間隔をあけて複数のノズル孔が形成されることを特徴とする請求項１記載のバーナ。
【請求項６】
筒体のノズル孔よりも燃焼用空気の下流側の部分が、燃焼用空気の下流になるにつれて先細状に形成されることを特徴とする請求項５記載のバーナ。
【請求項７】
ノズル孔の軸線はノズル体の軸線に対して８０〜１５０度の角度θ１を有することを特徴とする請求項５または６記載のバーナ。
【請求項８】
前記スワラは、
ノズル体の軸線の延長上に軸線を有して同心状に形成されることを特徴とする請求項１〜７のうちの１つに記載のバーナ。
【請求項９】
前記スワラは、
ノズル体の軸線の延長上に軸線を有する第１スワラと、
ノズル体の軸線の延長上に中心を有する仮想円上にそれぞれ軸線を有し、その仮想円の周方向に隣接して配置される複数の第２スワラとを有することを特徴とする請求項１〜７のうちに１つに記載のバーナ。
【請求項１０】
燃焼用空気は、予め定める一定の流量で供給され、
ノズル体に供給する燃料ガスの流量を制御する流量制御弁が設けられることを特徴とする請求項１〜９のうちに１つに記載のバーナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンの燃焼器として好適に用いられ、また加熱炉などに関連して好適に用いられる燃料ガスを燃焼するためのバーナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼負荷を変化して調節することができるようにした典型的な先行技術は、複数のバーナを設置し、これらの各バーナを選択的に運転し、燃焼量を変化する。
【０００３】
この先行技術では、各バーナを選択的に運転するので、排ガスの温度変動を引き起こし、したがってガスタービンでは、負荷変動を招く結果になる。
【０００４】
この問題を解決する或る提案されたバーナでは、中心部とその外側の周辺部とに隔壁で相互に仕切られた複数の空気導入孔が備えられ、中心部および周辺部に供給する燃料ガスの流量を制御し、中心部での空気比が周辺部の空気比に比べて小さくなるように構成される。このバーナの新たな問題は、低負荷時に、燃料ガスの流量制御を行う際、周辺部の炎が消えたり、燃焼が不安定になることであり、その流量制御が難しい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、燃焼負荷を円滑に変化させることができ、低負荷の安定な燃焼を達成することができるようにしたバーナを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃焼用空気が供給される燃焼用空気流路を形成するケースと、
燃焼用空気流路内に配置され、燃料ガスが供給され、燃料ガスを噴出するノズル孔を有するノズル体と、
燃焼用空気流路内で、ノズル孔よりも燃焼用空気の流過方向下流側に配置される複数のスワラであって、各スワラは、ノズル孔の近傍の領域と、その近傍領域よりもノズル孔から遠去かった領域とに、燃焼用空気の流過方向に沿って延びる仕切部材によってそれぞれ仕切られて配置されるスワラとを含み、
前記ノズル体は、
周壁に間隔をあけて複数の第１ノズル孔が形成される大径部と、
大径部の燃焼用空気の下流側の端部に連なり、燃焼用空気の下流になるにつれて先細状に形成され、周壁に間隔をあけて複数の第２ノズル孔が形成される錐体部とを有し、
前記第２ノズル孔は、各スワラよりも燃焼用空気の流過方向上流側に形成され、この第２ノズル孔よりも前記燃焼用空気の流過方向上流側に、前記第１ノズル孔が形成されることを特徴とするバーナである。
【０００７】
本発明に従えば、バーナのケース内に燃焼用空気流路が形成され、ここにたとえば予め定める一定の流量で燃焼用空気が供給される。この燃焼用空気流量内には、燃料ガスを噴出するノズル孔を有するノズル体が配置されるとともに、このノズル体のノズル孔よりも燃焼用空気の流過方向下流側に複数のスワラが配置される。スワラは、燃焼用空気と燃料ガスとを、たとえば各スワラの軸線まわりに旋回して混合する働きをする。これらの各スワラは、ノズル孔の近傍の領域と、ノズル孔から遠去かった領域とにそれぞれ配置される。各スワラは、仕切部材によって仕切られており、したがって燃焼用空気および燃料ガスを含むガスが、各スワラ相互間で混合してしまうことはない。
【０００８】
高負荷燃焼時に、ノズル体には大流量の燃料ガスが供給され、したがって前記近傍領域と前記遠去かった領域とにそれぞれ配置されるスワラには、燃焼用空気と燃料ガスとが供給される。こうしてスワラの下流側における燃焼室で、安定した燃焼が行われる。
【０００９】
燃料ガスの流量を小さく調節することによって、燃焼負荷を円滑に減少することができ、大きな負荷変動を生じることがない。このことは特に本発明がガスタービンの燃焼器として実施される場合、タービンの回転速度を一定に保つために重要である。
【００１０】
ノズル体に供給される燃料ガスの流量を小流量にしたとき、ノズル孔からの燃料ガスは、前記近傍領域に配置されたスワラに主として流れ、前記遠去かった領域に配置されたスワラには到達しない。近傍の領域のスワラでは、燃料ガスの濃度が高く、空気比が小さく保たれ、したがって安定した燃焼状態を保つことができる。こうして燃焼量の調節範囲を広くすることができ、可燃限界を拡げることができ、ターンダウン比を大きくすることが可能になる。
【００１２】
またノズル体は、たとえば直円筒状の大径部と、その大径部に連なるたとえば中空直円錐状の錐体部とを含み、これらの大径部と錐体部とに複数の第１および第２ノズル孔がそれぞれ形成される。燃焼負荷を大きくするために、ノズル体に供給する燃料ガスの流量を大きく設定した状態では、第１および第２ノズル孔の両者から噴出される燃料ガスは、前述のように近傍の領域と遠去かった領域とにそれぞれ配置されるスワラによって、燃焼用空気とともに旋回されて混合され、燃焼が行われる。
【００１３】
低負荷燃焼時には、ノズル体に供給される燃料ガスの流量が減少されることによって、第１ノズル孔から噴出される燃料ガスの流量は、高負荷燃焼時に比べて低下し、その第１ノズル孔からの燃料ガスは、ガス噴出速度が低下して、ノズル体の軸線寄りに、すなわち大径部の周壁表面付近に沿って流れるようになる。先細状の錐体部に形成されている第２ノズル孔からも、燃料ガスが噴出され、ノズル体の軸線寄りに流れる。したがって前記近傍の領域のスワラにおける燃料ガスの濃度を高く保って、空気比を小さくし、安定した燃焼状態を保つことができる。このようにしてケースのスワラよりも下流側で前記近傍領域のスワラからの燃焼用空気の濃度の低下が抑制された領域が保たれることになり、安定した低負荷燃焼を保つことができる。
【００１４】
また本発明は、大径部が肉厚に形成され、これによって第１ノズル孔はチョーク状に形成されることを特徴とする。
【００１５】
本発明に従えば、大径部を比較的肉厚に形成し、したがって第１ノズル孔をチョークとし、すなわち第１ノズル孔の流路断面積に比べて第１ノズル孔の流路を長くして第１ノズル孔を細長く形成することができる。これによって第１ノズル孔の出口端から噴出される燃料ガスは、ノズル体の半径方向外方に第１ノズル孔の軸線に沿って噴出され、高負荷燃焼時において燃料ガスが前記遠去かった領域のスワラにまで確実に到達し、スワラの下流側での燃焼室において、燃料ガスのできるだけ均一な濃度で、安定した燃焼を達成することができる。
【００１６】
また本発明は、第１ノズル孔の軸線は、ノズル体の軸線に対して８０〜１５０度の角度θ１を有することを特徴とする。
【００１７】
また本発明は、第２ノズル孔の軸線は、ノズル体の軸線に対して、１０〜８０度の角度θ２を有することを特徴とする。
【００１８】
本発明に従えば、第１および第２ノズル孔の軸線の角度θ１，θ２を上述のように設定し、これによって高負荷および低負荷の各燃焼状態で、安定した燃焼を維持することができる。第１ノズル孔の軸線の角度θ１を８０度未満および１５０度を超える値に選ぶと、高負荷燃焼時に燃料ガスが第１ノズル孔から前記遠去かった領域のスワラにまで到達することができず、スワラの下流側の燃焼室において燃焼用空気と燃料ガスとのできるだけ均一な分布を達成することができなくなる。
【００１９】
第２ノズル孔の軸線の角度θ２を１０度未満の値に選ぶと、第２ノズル孔からの燃料ガスが噴出される領域が前記近傍の領域において狭い範囲に存在する結果になり、前記近傍の領域におけるスワラによって燃焼用空気と燃料ガスとの均一な混合が困難になるおそれがある。第２ノズル孔の軸線の角度θ２が８０度を超えると、低負荷燃焼時における前記近傍の領域のみにおけるスワラへの燃料ガスの噴出が困難になり、安定な燃焼状態を維持することができなくなる。
【００２０】
また本発明は、ノズル体は、燃焼用空気の下流側の端部が閉塞された筒体の周壁に、周方向に間隔をあけて複数のノズル孔が形成されることを特徴とする。
【００２１】
本発明に従えば、ノズル体では、たとえば後述の図７に示されるように、前記筒体である大径部２１のみにノズル孔３４が形成され、錐体部２２は省略されてもよく、これによって構成の簡略化が図られる。ノズル体に供給される燃料ガスの流量を、負荷に応じて大小に調節したとき、ノズル孔３４からの燃料ガスの流量が変化し、低負荷燃焼時には、ノズル孔３４からの燃料ガスの流量が小さくなり、ノズル体の軸線寄りに流れ、前記近傍の領域に配置されたスワラの燃料ガス濃度を維持して、燃焼状態を安定に保つことができる。
【００２２】
また本発明は、筒体のノズル孔よりも燃焼用空気下流側の部分が、燃焼用空気の下流になるにつれて先細状に形成されることを特徴とする。
【００２３】
本発明に従えば、後述の図７のように、筒体２１のノズル孔３４よりも下流側の部分を先細状に形成して錐体部２２とするので、低負荷燃焼時に小流量の燃料ガスが、ノズル体の軸線寄りに流れ、したがってノズル孔３４から前記先細状の部分２２に流れ、これによって前記近傍領域におけるスワラで燃料ガスの濃度の低下を防ぎ、空気比を小さく保ち、低負荷時における安定な燃焼状態を維持することが容易に可能である。
【００２４】
また本発明は、ノズル孔の軸線はノズル体の軸線に対して８０〜１５０度の角度θ１を有することを特徴とする。
【００２５】
本発明に従えば、前述と同様に、ノズル孔の軸線の角度θ１を、８０〜１５０度の範囲に選び、これによって高負荷燃焼時に、近傍の領域だけでなく、遠去かった領域に配置されたスワラにも、燃焼用空気を到達させ、スワラの下流側の燃焼室において、燃焼用空気と燃料ガスとのできるだけ均一な燃焼状態を達成することができる。
【００２６】
また本発明は、前記スワラは、
ノズル体の軸線の延長上に軸線を有して同心状に形成されることを特徴とする。
【００２７】
本発明に従えば、図１〜図７に関連して後述されるように、スワラは、同心状に形成され、中央のスワラは、たとえば環状であってもよく、円形などの軸線に直角な断面形状を有していてもよく、その中央のスワラの半径方向外方に配置される周辺のスワラは、環状に形成される。このような同心状の各スワラは、たとえば環状の仕切部材によって仕切られ、各スワラ毎のガスが混合することがない。高負荷燃焼時には、中央のスワラだけでなく周辺のスワラに燃料ガスが到達し、また低負荷燃焼時には、中央のスワラの燃料ガス濃度が維持され、安定した燃焼状態を保つことができる。
【００２８】
また本発明は、前記スワラは、
ノズル体の軸線の延長上に軸線を有する第１スワラと、
ノズル体の軸線の延長上に中心を有する仮想円上にそれぞれ軸線を有し、その仮想円の周方向に隣接して配置される複数の第２スワラとを有することを特徴とする。
【００２９】
本発明に従えば、図８および図９に関連して後述されるように、中央の１つの第１スワラの半径方向外方で周方向に隣接して複数の第２スワラが配置される。高負荷燃焼時には、第１スワラだけでなく、第２スワラに燃料ガスが到達し、燃焼が行われ、低負荷燃焼時には、第１スワラにおける燃料ガスの濃度が低下されることなく、安定した燃焼状態を維持することができ、このとき第２スワラでは燃料ガスの濃度が低下している。
【００３０】
また本発明は、燃焼用空気は、予め定める一定の流量で供給され、
ノズル体に供給する燃料ガスの流量を制御する流量制御弁が設けられることを特徴とする。
【００３１】
本発明に従えば、燃焼用空気の流量を予め定める一定の値に保ち、燃料ガスの流量を流量制御弁によって制御し、これによって比較的簡単な操作で燃焼負荷を広範囲に制御することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態であるバーナ１の一部の構成を示す断面図であり、図２はそのバーナ１の全体の構成を示す断面図である。これらの図面を参照して、本件バーナ１は、たとえばガスタービンの燃焼器として用いられ、ガスタービンは、コージェネレーションシステムに関連して実施され、コージェネレーションシステムは、地域発電および地域冷暖房を行うために実用に供される。バーナ１の導出筒６０からの燃焼ガスは、タービン６２に送給されてタービン６２が駆動される。このタービン６２によって、空気圧縮機９が回転駆動される。
【００３３】
空気圧縮機９からの燃焼用空気は、ケース３内の燃焼用空気流路８に圧送されて供給される。ケース３は、デフューザ２と、デフューザ２における燃焼用空気の流過方向１１の下流側（図１および図２の右方）の端部に形成される直円筒状の燃焼ケース６とを有する。デフューザ２には、円筒状の保持ケース４がフランジ５によって取付けられる。保持ケース４内には燃焼ケース６が配置される。
【００３４】
ケース３の燃焼用空気流路８内には、ノズル体２０が配置される。このノズル体２０には、燃料ガス供給装置２７が、たとえば都市ガスなどの燃料ガスが供給される。燃料ガス供給装置２７は、ガス供給源２５と、ガス供給源２５からの燃料ガスの流量を制御する流量制御弁２９と、流量制御弁２９からの燃料ガスをノズル体２０にデフューザ２を貫通して供給する燃料ガス送給管２８とを含む。
【００３５】
ノズル体２０は基本的に、直円筒状の大径部２１と、大径部の燃焼用空気下流側端部に連なる中空の直円錐状の錐体部２２と、錐体部２２の燃焼用空気下流側端部に連なる取付け部２３とを含み、ノズル体２０の軸線と共通な軸線を有して構成される。錐体部２２は、燃焼用空気下流側になるにつれて先細状に形成される。取付け部２３は、スワラ装置２６に同軸に固定される。このスワラ装置２６の外周部は、筒体３０の内周面に固定される。筒体３０は、ノズル体２０を外囲し、ノズル体２０よりも燃焼用空気流過方向１１の上流側（図１および図２の左方）に延びる。筒体３０は、外向きフランジ４２に連なる。この外向きフランジ４２には、燃焼筒１４の基端部が固定される。ノズル体２０の軸線２４を含む直線状に、筒体３０、燃焼筒１４および燃焼ケース６の軸線が存在する。燃焼ケース６と燃焼筒１４との間には環状の空間５１が形成される。燃焼筒１４には、燃焼用空気の流過方向１１に間隔をあけて複数（たとえば６）列の空気孔５２が形成され、これらの空気孔５２の燃焼用空気下流側には、希釈孔５３が形成される。各列の空気孔５２は、周方向に間隔をあけて形成される。燃焼筒１４内には、燃焼室３１が形成される。燃焼筒１４のスワラ装置２６付近には、点火プラグ５８が設けられる。燃焼筒１４の先端部には、導出筒６０が設けられている。導出筒６０は先細状に形成されており、支持プレート６４によって支持される。
【００３６】
図３は、ノズル体２０の拡大断面図である。ノズル体２０には、同軸の燃料ガス流路３２が形成される。大径部２１には、その周壁３３に周方向に間隔をあけて複数の第１ノズル孔３４が形成される。この大径部２１の周壁３３は肉厚に形成される。したがって第１ノズル孔３４は、その流路断面積に比べて長く、チョーク状に形成される。したがって流路３２に供給される燃料ガスは、第１ノズル孔３４の軸線３５に沿って噴出される。この第１ノズル孔３４の軸線３５は、ノズル体２０の軸線２４に対して角度θ１を有する。角度θ１は、８０〜１５０度に選ばれる。軸線２４，３５は一平面内に存在してもよいけれども、軸線３５は軸線２４を含む平面に対して交差していてもよい。
【００３７】
ノズル体２０の大径部２１には、図１に示すように半径方向外方に延びる板状の衝突部材６７が設けられる。この衝突部材６７に燃焼用空気が衝突することによって、第１および第２ノズル孔３４，４０からの燃料ガスが燃焼用空気によって不所望に妨げられることなく、燃焼負荷に応じて適切な流量で噴出されることができる。本発明の実施の他の形態で、この衝突部材６７は、省略されてもよい。衝突部材６７の半径方向外方の周縁部６８は、燃焼用空気の流過方向１１の上流側に向かって突出する。これによって第１および第２ノズル孔３４，４０からの燃料ガスの噴出が、燃焼用空気の流れによって乱されることを、確実に防ぐことができる。
【００３８】
スワラ装置２６は、ノズル体２０の取付け部２３を外囲する中央の環状のスワラ３６と、そのスワラ３６の外周で環状に形成される周辺のスワラ３７とを有し、スワラ３６，３７間には、環状の仕切部材３８が介在される。こうしてスワラ３６，３７は、ノズル体２０の軸線２４の延長上に軸線を有して同心上に形成される。
【００３９】
第１ノズル孔３４の軸線３５の角度θ１が８０度未満では、高負荷燃焼時にその第１ノズル孔３４から噴出される燃料ガスが周辺のスワラ３７および仕切部材３８付近まで確実に到達して供給することができない。角度θ１が１５０度を超えると、このときにも同様に高負荷燃焼時に第１ノズル孔３４からの燃料ガスが周辺のスワラ３７および仕切部材３８付近まで確実に到達することができなくなる。第１ノズル孔３４の長さは、たとえば５〜１０ｍｍであってもよく、７ｍｍであってもよい。周壁３３が肉厚にされて第１ノズル孔３４が細長く形成されることによって、その第１ノズル孔３４から噴出される燃料ガスは、高負荷燃焼時に整流されて噴出され、前述のように周辺のスワラ３７付近にまで供給することが確実になる。
【００４０】
錐体部２２の周壁３９には、周方向に間隔をあけて複数の第２ノズル孔４０が形成される。第２ノズル孔４０の軸線４１は、ノズル体２０の軸線２４に対して角度θ２を有し、この角度θ２は、１０〜８０度に選ばれる。角度θ２が１０度未満では、第２ノズル孔４０から噴出される燃料ガスが中央のスワラ３６に燃焼用空気と均一に旋回、混合されるには不充分であり、低負荷燃焼時における安定な燃焼状態を保つことができなくなる。角度θ２が８０度を超えると、高負荷燃焼時および低負荷燃焼時に第２ノズル孔４０からの燃料ガスが中央のスワラ３６に導かれなくなり、中央のスワラ３６における燃料ガスの濃度が低下し、燃焼が不安定になってしまう。第２ノズル孔４０の軸線４１は、ノズル体２０の軸線２４を含む一平面内に存在してもよいけれども、この軸線４１は、前記平面に交差してもよい。錐体部２２の周壁３９は、前述の大径部２４の周壁３３と同様に肉厚であってもよいけれども、薄肉であってもよい。燃料ガス通路３２は、下流側で端部４３において閉塞されている。
【００４１】
図４はスワラ装置２６の正面図であり、図５は図４におけるスワラ装置２６の切断面線Ｖ−Ｖから見た一部の周方向展開図である。中央のスワラ３６は、仕切部材３８と筒部４４との間にわたって周方向に間隔をあけて配置されかつ半径方向に延びる複数の旋回羽根４５が固定されて構成される。筒部４４には、前述のノズル体２０の取付け部２３が嵌合して固定される。周辺のスワラ３７は、仕切部材３８と筒部４６との間に周方向に間隔をあけてかつ半径方向に延びる旋回羽根４７が固定されて構成される。旋回羽根４７は、前述の旋回羽根４５と同様に構成される。旋回羽根４５は、前記軸線２４に関してたとえば約４５度を有し、図５に示されるように湾曲されて形成される。
【００４２】
図６は、本発明の実施の他の形態における中央のスワラ３６の周方向展開図である。この実施の形態では旋回羽根４５ａは、平板状に構成され、このことは周辺のスワラ３７に関しても同様である。スワラ装置２６の軸線２４に沿う長さＬ１は、たとえば１０ｍｍであってもよい。ガスタービンの運転中、タービン６２は、ほぼ一定の回転速度で回転され、したがって空気圧縮機９から燃焼用空気流路８に供給される燃焼用空気の流量は、一定に保たれる。
【００４３】
ガスタービンの出力を上昇するために、バーナ１で高負荷燃焼を行うにあたっては、流量制御弁２９の開度を大きくし、燃料ガスの流量を増大する。これによってノズル体２０の第１ノズル孔３４から噴出される燃料ガスは、図１の参照符１５２で示されるように周辺のスワラ３７に到達し、また参照符１５３で示されるように仕切部材３８付近に到達する。さらに第２ノズル孔４０から噴出される燃料ガスは、参照符５４で示されるように、中央のスワラ３６に導かれる。こうしてスワラ３６，３７によって、燃焼用空気と燃料とが旋回されて混合され、スワラ装置２６の下流における燃焼筒１４内の燃焼室３１において安定した燃焼が行われる。
【００４４】
低負荷燃焼時には、流量制御弁２９によって供給される燃料ガスの流量を小さく絞る。これによってノズル体２０の第１ノズル孔３４から噴出される燃料ガスは、そのガス噴出速度が低下することによって、図１の参照符５６で示されるように、ノズル体２０の軸線２４寄りに流れるようになり、中央のスワラ３６付近にのみ到達し、周辺のスワラ３７には到達しない。また第２ノズル孔４０から噴出される燃料ガスは、参照符５７で示されるように、第１ノズル孔３４からの燃料ガスよりも軸線２４寄りに供給される。こうして中央のスワラ３６において燃料ガスの濃度が高負荷燃焼時と同様に維持され、空気比を小さく保つことができる。したがって低負荷燃焼時において、安定した燃焼状態を保つことができ、燃焼限界を拡げることができる。
【００４５】
図７は、本発明の実施の一形態の一部の断面図である。この図７は、前述の図１の構成に対応する。図７に示される実施の形態のそのほかの構成は、前述の実施の形態と同様であり、対応する部分には同一の参照符を付し、または添え字ａを付して示す。注目すべきはこの実施の形態では、ノズル体２０ａの大径部２１に周方向に間隔をあけて複数の第１ノズル孔３４が形成され、錐体部２２には、前述の実施の形態における第２ノズル孔４０は形成されない。ノズル体２０ａの大径部２１は、燃焼用空気の下流側の端部８３が閉塞された直円筒状の筒体である。この大径部２１のノズル孔３４よりも燃焼用空気下流側（図７の右方）の部分である錐体部２２が連なり、この錐体部２２は、前述のように燃焼用空気下流になるにつれて先細状に形成される。
【００４６】
高負荷燃焼時には、ノズル孔３４から噴出される燃料ガスは、参照符６５で示されるように、仕切部材３８付近到達するように供給される。したがってこの参照符６５で示される燃料ガスは、周辺のスワラ３７と中央のスワラ３６との両者にわたって導かれて旋回、混合される。
【００４７】
低負荷燃焼時には、ノズル孔３４からの燃料ガスは参照符６６で示されるように、中央のスワラ３６に供給される。これによって低負荷燃焼時においてスワラ３６における燃料ガスの濃度が低下することが防がれ、安定した燃焼状態を維持することができる。大径部２１の下流側に錐体部２２が設けられているので、ノズル孔３４から噴出される燃料ガスは、円滑に中央のスワラ３６に導かれることが可能になる。
【００４８】
図８は本発明の実施の他の形態のスワラ装置２６ｂの正面図であり、図９はその図８に示されるスワラ装置２６ｂの縦断面図である。この実施の形態は、前述の実施の形態に類似し、対応する部分には同一の参照符を付す。注目すべきはこの実施の形態では、スワラ装置２６ｂにおいてノズル体２０の軸線２４の延長上に軸線を有する第１スワラ４５ｂが設けられ、さらにその周辺に複数（この実施の形態では６）の第２スワラ４７ｂが配置される。第２スワラ４７ｂは、ノズル体２０の軸線２４の延長上に中心を有する仮想円６９上に軸線７０を有する。第２スワラ４７ｂは、仮想円６９の周方向に隣接して配置される。第１および第２の各スワラ４５ｂ，４７ｂは、直円筒状の仕切部材７１，７２によって個別的に仕切られており、したがって各スワラ４５ｂ，４７ｂのガスが相互に混合することはない。さらにこれらのスワラ４５ｂ，４７ｂ相互間の空間は、遮蔽板７３で塞がれる。スワラ装置２６ｂは、これらの第２スワラ４７ｂの外周部を囲む筒部７４に固定され、この筒部７４が、図１における筒体３０の内周面に固定される。図８および図９に示される実施の形態におけるそのほかの構成は、前述の実施の形態と同様である。
【００４９】
図１０は本発明の実施のさらに他の形態のスワラ装置２６ｃの正面図であり、図１１は図１０に示されるスワラ装置２６ｃのＸＩ−ＸＩから見た断面図である。この実施の形態では、ノズル体２０ｃのノズル孔３４ｃの近傍の領域には、スワラ７５が配置され、その近傍領域よりもノズル孔３４ｃから遠去かった領域には、スワラ７６〜７８が配置される。これらの各スワラ７５〜７８は、前述の実施の形態と同様に仕切部材７９，８０によって仕切られており、また遮蔽板８１によって塞がれる。高負荷燃焼時には、すべてのスワラ７５〜７８にノズル孔３４ｃから燃料ガスが供給される。低負荷燃焼時には、近傍の領域のスワラ７５にのみノズル孔３４ｃから燃料ガスが供給される。
【００５０】
本件発明者の実験によれば、図１〜図６の実施の形態において、燃焼用空気の流量７００ｍ3／Ｈ、３５０℃とし、燃料ガスとして都市ガスを用いたとき、ターンダウン比を２０：１にまで向上することができることが、確認された。
【００５１】
図１２は、本発明の実施の一形態のバーナ１が用いられたガスタービンの一部の斜視図である。導出筒６０からの燃焼ガスは、ガスタービンのタービン６２に噴射される。バーナ１は、仮想円６３の周方向に間隔をあけて複数（たとえば６）基配置される。タービン６２は、いわゆる軸流形タービンである。
【００５２】
図１３は、本発明の実施の他の形態の一部の断面図である。遠心形タービン８３には、単一基のバーナ１からの燃焼ガスが導出筒８４を経て供給される。そのほかの構成は、前述の実施の形態と同様である。
【００５３】
本発明は、ガスタービンに関連して実施されるだけでなく、加熱炉およびボイラなどに関連して広範囲に実施することができる。
【００５４】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、スワラは、ノズル孔の近傍の領域と、ノズル孔から遠去かった領域とにそれぞれ配置され、各スワラは、仕切部材によって仕切られており、したがって燃焼用空気および燃料ガスを含むガスが、各スワラ相互間で混合してしまうことはない。高負荷燃焼時には、燃料ガスの流速が大きく、この状態ではノズル孔の近傍領域に配置されたスワラだけでなく、前記遠去かった領域に配置されたスワラにも燃料ガスが供給され、こうしてスワラの下流側の燃焼室では、燃焼用空気と燃料ガスとの均一な予混合状態で安定した燃焼が行われる。こうして低ＮＯｘ燃焼を確保することができる。燃料ガスの流量を制御し、円滑な燃焼ガスの変化を行うことができる。
【００５５】
低負荷燃焼時には、燃料ガスの流量が小さく、ノズル孔からの燃料ガスはそのノズル孔の近傍の領域に配置されたスワラに主として集中して流れる。これによってその近傍領域のスワラの燃料ガスの濃度を維持し、こうして低負荷燃焼時における安定した燃焼を確保することができる。したがって燃焼量の調節範囲を広くすることができ、可燃限界を拡げることができ、ターンダウン比を大きくすることが可能になる。さらに負荷燃焼量に応じて燃料ガスの流量を変化して調整すればよく、制御操作が簡単である。
【００５６】
また大径部と錐体部とに複数の第１および第２ノズル孔がそれぞれ形成される。燃焼負荷を大きくするために、ノズル体に供給する燃料ガスの流量を大きく設定した状態では、第１ノズル孔から噴出される燃料ガスは、前記近傍の領域と前記遠去かった領域とにそれぞれ配置されるスワラに導かれ、また第２ノズル孔から噴出される燃料ガスは前記近傍の領域に導かれ、このようにしてスワラによって燃焼用空気とともに旋回されて混合され、燃焼が行われる。
【００５７】
ノズル体に供給する燃料ガスの流量を小さく調節した低負荷燃焼時には、第１ノズル孔から噴出される燃料ガスの流量は大きく低下し、その第１ノズル孔からの燃料ガスは、ノズル体の大径部の周壁表面付近に沿って流れるようになり、また錐体部に設けられている第２ノズル孔から噴出される燃料ガスとともに、ノズル体の軸線寄りに流れる。これによって前記近傍の領域のスワラにおける燃料ガスの濃度を高く保って、空気比を小さくし、安定した燃焼状態を保つことができる。
【００５８】
請求項２記載の本発明によれば、ノズル体の大径部が肉厚に形成され、第１ノズル孔はチョーク状に形成されるので、第１ノズル孔の流路断面積に比べて第１ノズル孔の流路を長くして第１ノズル孔を細長く形成することができる。これによって第１ノズル孔の出口端から噴出される燃料ガスは、ノズル体の半径方向外方に第１ノズル孔の軸線に沿って噴出され、高負荷燃焼時において燃料ガスが前記遠去かった領域のスワラにまで確実に到達し、スワラの下流側での燃焼室において、燃料ガスのできるだけ均一な濃度で、安定した燃焼を達成することができる。
【００５９】
請求項３および４記載の本発明によれば、第１および第２ノズル孔の軸線の角度θ１，θ２が適正に設定されるので、高負荷および低負荷の各燃焼状態で、安定した燃焼を維持することができる。
【００６０】
請求項５記載の本発明によれば、前述の図７のように、ノズル体は燃焼用空気の下流側の端部が閉塞された筒体２１の周壁に周方向に間隔をあけて複数のノズル孔３４が形成されるので、ノズル体に供給される燃料ガスの流量を、負荷に応じて大小に調節したとき、ノズル孔からの燃料ガスの流量が変化し、低負荷燃焼時には、ノズル孔からの燃料ガスの流量が小さくなり、前記近傍の領域に配置されたスワラの燃料ガス濃度を維持して、燃焼状態を安定に保つことができる。
【００６１】
請求項６記載の本発明によれば、前述の図７のように筒体２１のノズル孔３４よりも下流側の部分２２が先細状に形成されるので、低負荷燃焼時に小流量の燃料ガスが、ノズル孔３４から前記先細状の部分２２に流れ、これによって前記近傍領域におけるスワラで燃料ガスの濃度の低下を防ぎ、空気比を小さく保ち、低負荷時における安定な燃焼状態を維持することが容易に可能である。
【００６２】
請求項７記載の本発明によれば、ノズル孔３４の軸線の角度θ１が適正な範囲の値に選ばれるので、高負荷燃焼時に、近傍の領域だけでなく、遠去かった領域に配置されたスワラにも、燃焼用空気を到達させ、スワラの下流側の燃焼室において、燃焼用空気と燃料ガスとのできるだけ均一な燃焼状態を達成することができる。
【００６３】
請求項８記載の本発明によれば、スワラは同心状に形成されるので、高負荷燃焼時には、中央のスワラだけでなく周辺のスワラに燃料ガスが到達し、また低負荷燃焼時には、中央のスワラの燃料ガス濃度が維持され、安定した燃焼状態を保つことができる。
【００６４】
請求項９記載の本発明によれば、高負荷燃焼時には、第１スワラだけでなく、第２スワラに燃料ガスが到達し、燃焼が行われ、低負荷燃焼時には、第１スワラにおける燃料ガスの濃度が低下されることなく、安定した燃焼状態を維持することができる。
【００６５】
請求項１０記載の本発明によれば、燃焼用空気の流量を予め定める一定の値に保ち、燃料ガスの流量を流量制御弁によって制御し、これによって比較的簡単な操作で燃焼負荷を広範囲に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態であるバーナ１の一部の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示すバーナ１の全体の構成を示す断面図である。
【図３】ノズル体２０の拡大断面図である。
【図４】スワラ装置２６の正面図である。
【図５】図４におけるスワラ装置２６の切断面線Ｖ−Ｖから見た一部の周方向展開図である。
【図６】本発明の実施の他の形態における中央のスワラ３６の周方向展開図である。
【図７】本発明の実施の一形態の一部の断面図である。
【図８】本発明の実施の他の形態のスワラ装置２６ｂの正面図である。
【図９】図８に示すスワラ装置２６ｂの縦断面図である。
【図１０】本発明の実施のさらに他の形態のスワラ装置２６ｃの正面図である。
【図１１】図１０に示されるスワラ装置２６ｃのＸＩ−ＸＩから見た断面図である。
【図１２】本発明の実施の一形態のバーナ１が用いられたガスタービンの一部の斜視図である。
【図１３】本発明の実施の他の形態の一部の断面図である。
【符号の説明】
１  バーナ
２  デフューザ
３  ケース
４  保持ケース
５  フランジ
６  燃焼ケース
８  燃焼用空気流路
９  空気圧縮機
１４  燃焼筒
２０  ノズル体
２１  大径部
２２  錐体部
２３  取付け部
２４，３５，４１  軸線
２５  ガス供給源
２６  スワラ装置
２７  燃料ガス供給装置
２８  燃料ガス送給管
２９  流量制御弁
３０  筒体
３１  燃焼室
３２  燃料ガス流路
３３，３９  周壁
３４  第１ノズル孔
３６，３７  スワラ
３８  仕切部材
４０  第２ノズル孔
４２  外向きフランジ
４４  筒部
４５，４５ａ，４７  旋回羽根
５１  空間
５２  空気孔
５３  希釈孔
５８  点火プラグ
６０，８４  導出筒
６２  タービン
６４  支持プレート
６７  衝突部材
６８  周縁部
７１，７２，７９，８０  仕切部材
８３  遠心形タービン
【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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