燃焼装置および燃焼装置の制御方法
【課題】ラジアルスワーラを軸心方向に複数分割することにより、バーナから燃焼室へ噴射される予混合気の径方向濃度分布を容易に制御することができる燃焼装置、およびこの燃焼装置の制御方法を提供する。
【解決手段】内側に燃焼室を形成する燃焼筒（１２）と、前記燃焼筒の頂部に配置されて、前記燃焼室に環状に燃料と空気との予混合気を噴射する予混合通路（４２ａ）、および該予混合通路に燃料と空気を径方向内方に導入するラジアルスワーラ（５０）を有するメインバーナ（４２）とを備える燃焼装置（２）において、前記ラジアルスワーラ（５０）に、分割板（５６）によって軸心方向に分割された複数のスワーラ段（５０ｂ）を設け、前記分割板（５６）の径方向長さ（Ｌ１）を、前記予混合通路（４２ａ）の上流部を形成する径方向に沿った直線部の長さ（Ｌ２）よりも短く設定する。
【解決手段】内側に燃焼室を形成する燃焼筒（１２）と、前記燃焼筒の頂部に配置されて、前記燃焼室に環状に燃料と空気との予混合気を噴射する予混合通路（４２ａ）、および該予混合通路に燃料と空気を径方向内方に導入するラジアルスワーラ（５０）を有するメインバーナ（４２）とを備える燃焼装置（２）において、前記ラジアルスワーラ（５０）に、分割板（５６）によって軸心方向に分割された複数のスワーラ段（５０ｂ）を設け、前記分割板（５６）の径方向長さ（Ｌ１）を、前記予混合通路（４２ａ）の上流部を形成する径方向に沿った直線部の長さ（Ｌ２）よりも短く設定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジン，ボイラ等、高温ガスの供給を必要とする機器に使用する燃焼装置、および、この燃焼装置の、特に予混合気の径方向の燃料濃度を制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンにおいては、環境保全への配慮から、燃焼により排出される排ガスの組成に関して厳しい環境基準が設けられており、窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）などの有害物質を低減することが求められている。一方、大型の地上設備用ガスタービンエンジンや航空機用ガスタービンエンジンでは、低燃費化および高出力化の要請から、圧力比が高く設定される傾向にあり、それに伴って燃焼装置入口における高温・高圧化が進み、この燃焼装置の入口温度の高温化によって燃焼温度が高くなり易いことから、ＮＯｘをむしろ増加させる要因になることが懸念されている。
【０００３】
そこで、近年では、ＮＯｘ発生量を効果的に低減させる希薄予混合燃焼方式を採り入れた燃焼方式、例えば、希薄予混合燃焼方式と拡散燃焼方式とを組み合わせた複合燃焼方式が提案されている（特許文献１，２）。希薄予混合燃焼方式は、空気と燃料とを予め混合して燃料濃度を均一化した混合気として燃焼させるので、局所的に火炎温度が高温となる燃焼領域が存在せず、かつ燃料の希薄化により全体的にも火炎温度を低くできることから、ＮＯｘ発生量を効果的に低減できる利点がある一方、低負荷燃焼時に吹き消えが起こりやすい。また、拡散燃焼方式は、燃料と空気とを拡散・混合しながら燃焼させることから、低負荷時にも吹き消えが起こり難く、保炎性能に優れている利点がある一方、ＮＯｘ発生量の低減に課題がある。したがって、複合燃焼方式によれば、始動時および低負荷時の拡散燃焼により燃焼安定性を確保しながら、高負荷時の予混合燃焼によりＮＯｘ発生量の低減を図ることができる。
【０００４】
従来の複合燃焼方式の燃焼装置では、例えば図６に示すように、燃焼装置８０の燃焼筒８１の頂部８１ａに配置された拡散燃焼バーナ（パイロットバーナ）８２の外側を囲むようにして、固定旋回羽根を有するラジアルスワーラ８３を備える予混合燃焼バーナ（メインバーナ）８４を配置し、予混合気Ｐを旋回流として燃焼室に噴射する旋回型のバーナユニット８５を採用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２８８７１号公報
【特許文献２】特開平８−２１０６４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のようなラジアルスワーラ８３を備える旋回型のメインバーナ８４を使用した従来の燃焼装置８０においては、保炎を強化しようとするときには、予混合気の逆流Ｒを強めるために、予混合気の旋回が強くなるように設定する。そのためには、ラジアルスワーラ８３の固定旋回羽根のベーン角度を大きくする必要があるが、その場合、予混合気Ｐの通路面積を確保するために、同時に軸心方向のベーン高さを大きくする必要があり、ラジアルスワーラ８３の入口高さも大きくなる。これにより、空気及び燃料が導入される入口部の軸心方向寸法も大きくなる。
【０００７】
ところで、従来の燃焼装置８０では、装置の小型化のために、ガスタービン圧縮機からの空気通路８６を、燃焼筒８１とその外方を覆うハウジングＨとの間に形成して、空気Ａを、燃焼筒８１の下流端から上流端である頂部８１ａへ向かって燃焼ガスと逆方向に導入するものがある。その場合、この空気通路８６を通過した空気Ａは、径方向外側に開口するラジアルスワーラ８３の入口から予混合通路に導入され、燃料と混合されて予混合気として圧縮空気の流れと反対の向きに燃焼筒に噴射される。
【０００８】
すなわち、ラジアルスワーラ８３に導入される空気Ａは、ラジアルスワーラ８３を介してほぼ９０°流れ方向が転換されるので、その方向転換に伴う遠心力により、予混合通路の上流部における空気の軸心方向の流量分布に偏りが生じる。また、上記のようにラジアルスワーラの旋回羽根のベーン角度を大きくして保炎の安定化を図る場合には、前記入口部の軸心方向寸法が大きくなるので、流量分布の偏りがさらに大きくなる。その結果、予混合通路から燃焼室内へ噴射される予混合気の径方向の燃料濃度分布も偏ったものとなるので、径方向の燃料濃度分布を均一にする、または、燃料濃度に意図的に分布をつけるなどの制御が困難であるという課題があった。
【０００９】
本発明は、ラジアルスワーラの旋回羽根のベーン角度を大きく維持して燃焼室内に強い逆流を生成することにより保炎の安定化を図りながら、ラジアルスワーラを軸心方向に複数分割して空気及び燃料が導入される入口部を複数設けることにより、バーナから燃焼室へ噴射される予混合気の径方向濃度分布を容易に制御することができる燃焼装置、および、この燃焼装置において予混合気の径方向燃料濃度分布を容易に制御する燃焼装置の制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記した目的を達成するために、本発明に係る燃焼装置は、内側に燃焼室を形成する燃焼筒と、前記燃焼筒の頂部に配置されて、前記燃焼室に環状に燃料と空気との予混合気を噴射する予混合通路、および該予混合通路に燃料と空気を径方向内方に導入するラジアルスワーラを有するメインバーナと、前記ラジアルスワーラにその入口側から燃料を噴射する燃料噴射管とを備える燃焼装置であって、前記メインバーナは、前記燃焼筒と同心に配置された外周円筒部、および該外周円筒部の上流側端から径方向に円板状に延びる外周円板部からなるバーナ外筒と、前記外周円筒部の径方向内側に位置する内周円筒部、および該内周円筒部の上流側端部から前記外周円板部の上流側で径方向に延びる内周円板部からなるバーナ内筒とを備え、前記バーナ外筒と前記バーナ内筒との間の空間が前記予混合通路を形成しており、前記ラジアルスワーラが、前記バーナ外筒の円板部の最外周部と前記バーナ内筒の円板部の最外周部との間に設けられ、かつ分割板によって軸心方向に分割された複数のスワーラ段を有しており、前記分割板の径方向長さが、前記予混合通路の上流部を形成する径方向に沿った直線部よりも短い。
【００１１】
この構成によれば、ラジアルスワーラが、分割板によって、軸心方向に複数のスワーラ段として分割されているので、ラジアルスワーラに導入される空気の流量が軸心方向に偏ることを抑制することができる。しかも、空気通路を通過してきた空気は、ラジアルスワーラに向かって方向転換する際に、ラジアルスワーラの入口部で最も大きな遠心力を受けるので、この部分での軸心方向の空気流量の偏りを抑制するだけの径方向長さがあれば足り、ラジアルスワーラの径方向長さが短い分だけ、ラジアルスワーラを出た後の予混合通路が長くなるので、予混合が促進される。
【００１２】
本発明に係る燃焼装置の制御方法では、上記の燃焼装置において、前記各スワーラ段ごとに供給する燃料の流量を制御することにより、前記メインバーナから前記燃焼室内に噴射される予混合気の径方向の燃料濃度分布を制御する。
【００１３】
本発明に係る燃焼装置の制御方法においては、ラジアルスワーラを軸心方向に分割したことにより、空気の軸心方向の流量分布が均一化されているので、各スワーラ段に供給する燃料の流量を制御することのみによって、燃焼室内に噴射される予混合気の径方向燃料濃度分布を容易に制御することができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように、本発明に係る燃焼装置および燃焼装置の制御方法によれば、ラジアルスワーラを軸心方向に複数分割して空気及び燃料が導入される入口部を複数設けることにより、ラジアルスワーラの旋回羽根のベーン角度を大きく維持して保炎の安定化を図りながらも、バーナから燃焼室へ噴射される予混合気の径方向濃度分布を容易に制御して、燃焼時のＮＯｘを低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃焼装置が適用されるガスタービンエンジンを示す概略図である。
【図２】図１の燃焼装置を示す断面図である。
【図３】図２の燃焼装置の要部を拡大して示す断面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。
【図５】図１の燃焼装置の効果を説明するための模式図である。
【図６】従来の燃焼装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係る実施形態を図面に従って詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る燃焼装置が適用されるガスタービンエンジンを示す簡略構成図である。ガスタービンエンジンＧＴは圧縮機１、燃焼装置２およびタービン３を主構成要素として構成されており、圧縮機１から供給される圧縮空気を燃焼装置２で燃焼させ、それにより発生する高圧の燃焼ガスをタービン３に供給する。圧縮機１は回転軸５を介してタービン３に連結されて、このタービン３により駆動される。このガスタービンエンジンＧＴの出力により、航空機のロータまたは発電機のような負荷４を駆動する。燃焼装置２には、燃料供給装置９から送給される燃料Ｆが、燃料制御装置８を介して供給される。
【００１７】
図２は燃焼装置２を示す断面図である。この燃焼装置２は、エンジン回転軸心の周りに環状に複数個配置されるキャン型であり、内側に燃焼室１０を形成する燃焼筒１２と、燃焼筒１２の頂部１２ａに取り付けられて燃焼室１０に燃料と空気の予混合気を噴射するバーナユニット１４とを備えている。これら燃焼筒１２およびバーナユニット１４は、燃焼装置２の外筒となるほぼ円筒状のハウジングＨに同心状に収容されている。ハウジングＨの先端にはエンドカバー１８がボルト２０により固定されている。
【００１８】
この燃焼装置２は逆流型であり、ハウジングＨと燃焼筒１２の側壁１２ｂとの間に、圧縮機１からの圧縮空気Ａを、矢印で示すようにバーナユニット１４方向、つまり、燃焼室１０内の燃焼ガスＧの流動方向と逆方向に導く空気通路３０が形成されている。
【００１９】
燃焼筒１２の上流側の周壁には、１つ又は複数の点火プラグ３６が、ハウジングＨおよび燃焼筒１２を貫通してハウジングＨに固定されており、バーナユニット１４の後述するパイロットバーナ４４から噴射された予混合気に点火して、燃焼筒１２の上流部において燃焼領域Ｓを形成させる。また、燃焼筒１２における燃焼領域Ｓよりも下流側には、短いパイプを貫通させて形成された複数の希釈用空気孔３８が配設されている。
【００２０】
図３は、図２の燃焼装置２の要部を示す断面図である。バーナユニット１４は、旋回成分を含む環状の予混合気Ｐ１を噴射するメインバーナ４２と、メインバーナ４２の内側に配置されたパイロットバーナ４４とを備えている。具体的には、バーナユニット１４は、燃焼筒１２の軸心Ｏと同心の外周円筒部４６ａと、この外周円筒部４６ａの上流側端から軸心Ｏに垂直な方向に円板状に延びる外周円板部４６ｂとからなるバーナ外筒４６を有し、さらに外周円筒部４６ａの径方向内側に位置する内周円筒部４８ａと、内周円筒部４８ａの上流側端部付近から外周円板部４６ｂの上流側で外周円板部４６ｂに対して平行に延びる内周円板部４８ｂとからなるバーナ内筒４８を有している。バーナ外筒４６とバーナ内筒４８との間の空間が、メインバーナ４２の環状の第１予混合通路４２ａを形成し、バーナ内筒４８の内方空間がパイロットバーナ４４の第２予混合気通路４４ａを形成している。
【００２１】
メインバーナ４２の第１予混合通路４２ａの、径方向外方に向く上流部、すなわち２つの円板部４６ｂおよび４８ｂの各最外周部間に、ラジアルスワーラ５０が取り付けられている。ラジアルスワーラ５０の径方向外側は、第１予混合通路４２ａに空気Ａおよび燃料Ｆ１を径方向内方に導入する入口部５０ａとして形成されており、この入口部５０ａのさらに径方向外側には、燃料Ｆ１を供給するための燃料通路を形成する第１燃料噴射管５２が、エンドカバー１８を貫通して配置されている。第１燃料噴射管５２は、周方向に等間隔に複数並んで設けられている。
【００２２】
ラジアルスワーラ５０は、２つの円板部４６ｂおよび４８ｂの最外周部間に形成された嵌合部４２ｂに嵌め込まれることにより、メインバーナ４２に固定されている。ＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である図４に示すように、ラジアルスワーラ５０は、第１予混合通路４２ａに導入される空気Ａおよび燃料Ｆ１に旋回を与える固定旋回羽根５４を有している。さらに、ラジアルスワーラ５０には、環状の分割板５６が設けられている。
【００２３】
図３に示すように、ラジアルスワーラ５０には、この分割板５６によって軸心方向に分割された複数のスワーラ段５０ｂが形成されている。本実施形態において、ラジアルスワーラ５０は、４つの分割板５６によって５つのスワーラ段５０ｂに分割されている。ラジアルスワーラ５０の固定旋回羽根５４によって与えられる旋回により、第１予混合通路４２ａ内で混合が進んで予混合気Ｐ１が生成され、燃焼装置２の軸心Ｏを中心とする旋回流として、第１予混合通路４２ａの下流側の開口よりなる噴射口４２ｃから燃焼室１０へ噴射される。
【００２４】
分割板５６は、空気通路３０を通過してきた圧縮空気Ａを、径方向内方に偏向させて第１予混合通路４２ａに導入するのに十分な程度の径方向長さを有していればよく、分割板５６の径方向長さＬ１、つまりラジアルスワーラ５０の径方向長さの好ましい範囲は、第１予混合通路４２ａの上流側の径方向に沿った直線部の長さＬ２の１／６〜２／３であり、より好ましくは１／４〜１／２である。本実施形態においては、分割板５６の径方向長さＬ１は、第１予混合通路４２ａの径方向直線部長さＬ２の１／３に設定されている。
【００２５】
第１燃料噴射管５２には、複数のスワーラ段５０ｂと同数の燃料噴射口５２ａが、軸心方向に並べて設けられている。各燃料噴射口５２ａは、各スワーラ段５０ｂの入口側に対向するように配置されており、燃料Ｆ１は、複数の燃料噴射口５２ａのそれぞれを介して各スワーラ段５０ｂに噴射される。本実施形態においては、各燃料噴射口５２ａの口径を同一にして、各スワーラ段５０ｂに噴射される燃料Ｆ１の流量が均一になるように設定している。
【００２６】
なお、第２予混合通路４４ａの上流部は、パイロットバーナ４４に支持された環状の第１通路板６３と、この第１通路板６３にスペーサ６４を介して軸方向に対向するようにボルト６５で取り付けられた円板状の第２通路板６６との間に形成されている。第２予混合気通路４４ａの上流端の径方向外側に、燃料Ｆ２を供給するための第２燃料噴射管６７が、エンドカバー１８を貫通して配置されている。メインバーナ４２に燃料Ｆ１を供給する第１燃料噴射管５２と、パイロットバーナ４４に燃料Ｆ２を供給する第２燃料供給通路６７とは、互いに独立した燃料供給系として設けられており、燃料流量をそれぞれ個別に制御することにより混合気の燃料濃度（空燃比）を独立に調節することが可能となっている。
【００２７】
次に、上記のように構成した燃焼装置２の動作について説明する。
【００２８】
図３に示すように、圧縮機１からの圧縮空気Ａは、燃焼筒１２の側壁１２ｂとハウジングＨとの間に形成された逆流通路である空気通路３０を通過して、メインバーナ４２の第１予混合通路４２ａの上流部に取り付けられたラジアルスワーラ５０の入口部５０ａに導かれる。圧縮空気Ａは、径方向内方に９０°偏向され、さらに第１予混合通路４２ａの下流部に入るときに９０°偏向されるので、ラジアルスワーラ５０に導入されるときに、大きな遠心力を受ける。
【００２９】
この場合、従来の、分割板を有しないラジアルスワーラ５０であれば、図５（ａ）に示すように、空気Ａの流量には、遠心力の影響により、軸心方向先端側（図５の左側）が多くなるように偏りが生じる。しかしながら、本実施形態に係る燃焼装置２のラジアルスワーラ５０においては、図５（ｂ）に示すように、空気Ａは分割板５６によって軸心方向に分割された複数のスワーラ段５０ｂに導入される。したがって、各スワーラ段５０ｂ内においては軸心方向の流量の僅かな偏りが生じるものの、ラジアルスワーラ５０全体における空気Ａの軸心方向の流量の偏りは大幅に抑制される。
【００３０】
さらに、図３の各スワーラ段５０ｂに対応して設けられている第１燃料噴射管５２の燃料噴射口５２ａが、それぞれ同一の口径を有しているので、各スワーラ段５０ｂに噴射される燃料Ｆ１の流量もほぼ均一に制御される。
【００３１】
つまり、本実施形態で使用されるラジアルスワーラ５０においては、分割板５６によって軸心方向に分割された各スワーラ段５０ｂ内に導入される空気Ａおよび燃料Ｆ１のいずれの流量も、ほぼ均一に制御されているので、第１予混合通路４２ａの上流部で形成される予混合気Ｐ１の軸心方向の燃料濃度分布が均一化される。その結果、第１予混合通路４２ａから燃焼室１０へ噴射される予混合気Ｐ１の径方向の燃料濃度分布を均一化することができる。
【００３２】
また、本実施形態のように、第１燃料噴射管５２の燃料噴射口５２ａの口径を同一とせずに、個別に設定してもよい。低ＮＯｘ燃焼を実現するための、燃焼室１０に噴射される予混合気Ｐ１の最適な燃料濃度分布は、燃焼室１０の形状や、メインバーナ４２と組み合わせて使用されるパイロットバーナ４４の構造など、さまざまな要因により異なる場合がある。すなわち、燃焼室１０内に噴射される予混合気Ｐ１の燃料濃度を、必ずしも均一ではなく、意図的に偏った分布となるように制御するべき場合がある。
【００３３】
そのような場合でも、本発明に係る燃焼装置２によれば、ラジアルスワーラ５０を軸心方向に分割したことにより、空気Ａの軸心方向の流量分布が均一化されているので、各スワーラ段５０ｂに供給する燃料Ｆ１の流量を制御することのみによって、燃焼室１０内に噴射される予混合気Ｐ１の径方向燃料濃度分布を容易に制御することができる。
【００３４】
各スワーラ段５０ｂに供給する燃料の流量の制御は、例えば、上記のように、各スワーラ段５０ｂに対応する燃料噴射口５２ａの口径を個別に設定することで容易に行うことができる。
【００３５】
また、軸心方向に多段化したスワール５０は、本実施形態のような場合に、特に大きな効果を得ることができる。つまり、燃焼装置２においては、ラジアルスワーラ５０に導入される空気Ａが、ラジアルスワーラ５０を介して流れ方向が９０°転換されることにより大きな遠心力を受けるが、ラジアルスワーラ５０に分割板５６を設けることにより、ラジアルスワーラ５０に導入される空気Ａの軸心方向の流量分布の偏りを最小限に抑えることができる。したがって、燃焼装置２をコンパクトな構成としながらも、燃焼室１０内での予混合気Ｐ１の径方向燃料濃度分布を最適化して低ＮＯｘ燃焼を実現することができる。
【００３６】
なお、本実施形態においては、一例として、ラジアルスワーラ５０を、４つの分割板５６によって５つのスワーラ段５０ｂに分割した構成としたが、分割して設けるスワーラ段５０ｂの数は５つに限らず、適宜設定してよい。
【００３７】
また、上記実施形態では、ラジアルスワーラ５０の固定旋回羽根５４と分割板５６とがほぼ同じ径方向長さを有するものとして構成したが、固定旋回羽根５４と分割板５６とが異なる径方向長さを有していてもよい。さらに、各スワーラ段５０ｂの径方向長さおよび軸方向長さは、それぞれ、スワーラ段毎に異なっていてもよい。
【００３８】
第１予混合気通路４２ａの、径方向に沿った上流部と軸心方向に沿った下流部とをつなぐ内径側の角部４２ｄの形状は、図３に二点鎖線で示すように、楕円円弧形状としてもよい。また、上記実施形態においては、パイロットバーナ４４を、予混合気Ｐ２を燃焼室１０内に噴射するバーナとして説明したが、パーロットバーナ４４は、燃料Ｆ２と空気Ａをそれぞれ別個に燃焼室１０内に噴射する拡散燃焼バーナであってもよい。また、上記実施形態においては、燃焼装置２をガスタービンエンジンＧＴに適用した例を説明したが、本発明に係る燃焼装置は、ガスタービンエンジンに限らず、ボイラなど高温ガスの供給を必要とする他の機器に適用することが可能である。
【符号の説明】
【００３９】
２ 燃焼装置
１０ 燃焼室
１２ 燃焼筒
１２ａ 頂部
１４ バーナユニット
３０ 空気通路
４２ メインバーナ
４２ａ 第１予混合通路
５０ ラジアルスワーラ
５０ａ ラジアルスワーラの入口部
５０ｂ スワーラ段
５２ 燃料噴射管
５２ａ 燃料噴射口
５４ 固定旋回羽根
５６ 分割板
Ｆ１ 燃料
Ａ 空気
Ｌ１ 分割版の径方向長さ
Ｌ２ 第１予混合通路の径方向直線部長さ
Ｐ１ 予混合気
Ｏ 燃焼筒軸心
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジン，ボイラ等、高温ガスの供給を必要とする機器に使用する燃焼装置、および、この燃焼装置の、特に予混合気の径方向の燃料濃度を制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンにおいては、環境保全への配慮から、燃焼により排出される排ガスの組成に関して厳しい環境基準が設けられており、窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）などの有害物質を低減することが求められている。一方、大型の地上設備用ガスタービンエンジンや航空機用ガスタービンエンジンでは、低燃費化および高出力化の要請から、圧力比が高く設定される傾向にあり、それに伴って燃焼装置入口における高温・高圧化が進み、この燃焼装置の入口温度の高温化によって燃焼温度が高くなり易いことから、ＮＯｘをむしろ増加させる要因になることが懸念されている。
【０００３】
そこで、近年では、ＮＯｘ発生量を効果的に低減させる希薄予混合燃焼方式を採り入れた燃焼方式、例えば、希薄予混合燃焼方式と拡散燃焼方式とを組み合わせた複合燃焼方式が提案されている（特許文献１，２）。希薄予混合燃焼方式は、空気と燃料とを予め混合して燃料濃度を均一化した混合気として燃焼させるので、局所的に火炎温度が高温となる燃焼領域が存在せず、かつ燃料の希薄化により全体的にも火炎温度を低くできることから、ＮＯｘ発生量を効果的に低減できる利点がある一方、低負荷燃焼時に吹き消えが起こりやすい。また、拡散燃焼方式は、燃料と空気とを拡散・混合しながら燃焼させることから、低負荷時にも吹き消えが起こり難く、保炎性能に優れている利点がある一方、ＮＯｘ発生量の低減に課題がある。したがって、複合燃焼方式によれば、始動時および低負荷時の拡散燃焼により燃焼安定性を確保しながら、高負荷時の予混合燃焼によりＮＯｘ発生量の低減を図ることができる。
【０００４】
従来の複合燃焼方式の燃焼装置では、例えば図６に示すように、燃焼装置８０の燃焼筒８１の頂部８１ａに配置された拡散燃焼バーナ（パイロットバーナ）８２の外側を囲むようにして、固定旋回羽根を有するラジアルスワーラ８３を備える予混合燃焼バーナ（メインバーナ）８４を配置し、予混合気Ｐを旋回流として燃焼室に噴射する旋回型のバーナユニット８５を採用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２８８７１号公報
【特許文献２】特開平８−２１０６４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のようなラジアルスワーラ８３を備える旋回型のメインバーナ８４を使用した従来の燃焼装置８０においては、保炎を強化しようとするときには、予混合気の逆流Ｒを強めるために、予混合気の旋回が強くなるように設定する。そのためには、ラジアルスワーラ８３の固定旋回羽根のベーン角度を大きくする必要があるが、その場合、予混合気Ｐの通路面積を確保するために、同時に軸心方向のベーン高さを大きくする必要があり、ラジアルスワーラ８３の入口高さも大きくなる。これにより、空気及び燃料が導入される入口部の軸心方向寸法も大きくなる。
【０００７】
ところで、従来の燃焼装置８０では、装置の小型化のために、ガスタービン圧縮機からの空気通路８６を、燃焼筒８１とその外方を覆うハウジングＨとの間に形成して、空気Ａを、燃焼筒８１の下流端から上流端である頂部８１ａへ向かって燃焼ガスと逆方向に導入するものがある。その場合、この空気通路８６を通過した空気Ａは、径方向外側に開口するラジアルスワーラ８３の入口から予混合通路に導入され、燃料と混合されて予混合気として圧縮空気の流れと反対の向きに燃焼筒に噴射される。
【０００８】
すなわち、ラジアルスワーラ８３に導入される空気Ａは、ラジアルスワーラ８３を介してほぼ９０°流れ方向が転換されるので、その方向転換に伴う遠心力により、予混合通路の上流部における空気の軸心方向の流量分布に偏りが生じる。また、上記のようにラジアルスワーラの旋回羽根のベーン角度を大きくして保炎の安定化を図る場合には、前記入口部の軸心方向寸法が大きくなるので、流量分布の偏りがさらに大きくなる。その結果、予混合通路から燃焼室内へ噴射される予混合気の径方向の燃料濃度分布も偏ったものとなるので、径方向の燃料濃度分布を均一にする、または、燃料濃度に意図的に分布をつけるなどの制御が困難であるという課題があった。
【０００９】
本発明は、ラジアルスワーラの旋回羽根のベーン角度を大きく維持して燃焼室内に強い逆流を生成することにより保炎の安定化を図りながら、ラジアルスワーラを軸心方向に複数分割して空気及び燃料が導入される入口部を複数設けることにより、バーナから燃焼室へ噴射される予混合気の径方向濃度分布を容易に制御することができる燃焼装置、および、この燃焼装置において予混合気の径方向燃料濃度分布を容易に制御する燃焼装置の制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記した目的を達成するために、本発明に係る燃焼装置は、内側に燃焼室を形成する燃焼筒と、前記燃焼筒の頂部に配置されて、前記燃焼室に環状に燃料と空気との予混合気を噴射する予混合通路、および該予混合通路に燃料と空気を径方向内方に導入するラジアルスワーラを有するメインバーナと、前記ラジアルスワーラにその入口側から燃料を噴射する燃料噴射管とを備える燃焼装置であって、前記メインバーナは、前記燃焼筒と同心に配置された外周円筒部、および該外周円筒部の上流側端から径方向に円板状に延びる外周円板部からなるバーナ外筒と、前記外周円筒部の径方向内側に位置する内周円筒部、および該内周円筒部の上流側端部から前記外周円板部の上流側で径方向に延びる内周円板部からなるバーナ内筒とを備え、前記バーナ外筒と前記バーナ内筒との間の空間が前記予混合通路を形成しており、前記ラジアルスワーラが、前記バーナ外筒の円板部の最外周部と前記バーナ内筒の円板部の最外周部との間に設けられ、かつ分割板によって軸心方向に分割された複数のスワーラ段を有しており、前記分割板の径方向長さが、前記予混合通路の上流部を形成する径方向に沿った直線部よりも短い。
【００１１】
この構成によれば、ラジアルスワーラが、分割板によって、軸心方向に複数のスワーラ段として分割されているので、ラジアルスワーラに導入される空気の流量が軸心方向に偏ることを抑制することができる。しかも、空気通路を通過してきた空気は、ラジアルスワーラに向かって方向転換する際に、ラジアルスワーラの入口部で最も大きな遠心力を受けるので、この部分での軸心方向の空気流量の偏りを抑制するだけの径方向長さがあれば足り、ラジアルスワーラの径方向長さが短い分だけ、ラジアルスワーラを出た後の予混合通路が長くなるので、予混合が促進される。
【００１２】
本発明に係る燃焼装置の制御方法では、上記の燃焼装置において、前記各スワーラ段ごとに供給する燃料の流量を制御することにより、前記メインバーナから前記燃焼室内に噴射される予混合気の径方向の燃料濃度分布を制御する。
【００１３】
本発明に係る燃焼装置の制御方法においては、ラジアルスワーラを軸心方向に分割したことにより、空気の軸心方向の流量分布が均一化されているので、各スワーラ段に供給する燃料の流量を制御することのみによって、燃焼室内に噴射される予混合気の径方向燃料濃度分布を容易に制御することができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように、本発明に係る燃焼装置および燃焼装置の制御方法によれば、ラジアルスワーラを軸心方向に複数分割して空気及び燃料が導入される入口部を複数設けることにより、ラジアルスワーラの旋回羽根のベーン角度を大きく維持して保炎の安定化を図りながらも、バーナから燃焼室へ噴射される予混合気の径方向濃度分布を容易に制御して、燃焼時のＮＯｘを低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃焼装置が適用されるガスタービンエンジンを示す概略図である。
【図２】図１の燃焼装置を示す断面図である。
【図３】図２の燃焼装置の要部を拡大して示す断面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。
【図５】図１の燃焼装置の効果を説明するための模式図である。
【図６】従来の燃焼装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係る実施形態を図面に従って詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る燃焼装置が適用されるガスタービンエンジンを示す簡略構成図である。ガスタービンエンジンＧＴは圧縮機１、燃焼装置２およびタービン３を主構成要素として構成されており、圧縮機１から供給される圧縮空気を燃焼装置２で燃焼させ、それにより発生する高圧の燃焼ガスをタービン３に供給する。圧縮機１は回転軸５を介してタービン３に連結されて、このタービン３により駆動される。このガスタービンエンジンＧＴの出力により、航空機のロータまたは発電機のような負荷４を駆動する。燃焼装置２には、燃料供給装置９から送給される燃料Ｆが、燃料制御装置８を介して供給される。
【００１７】
図２は燃焼装置２を示す断面図である。この燃焼装置２は、エンジン回転軸心の周りに環状に複数個配置されるキャン型であり、内側に燃焼室１０を形成する燃焼筒１２と、燃焼筒１２の頂部１２ａに取り付けられて燃焼室１０に燃料と空気の予混合気を噴射するバーナユニット１４とを備えている。これら燃焼筒１２およびバーナユニット１４は、燃焼装置２の外筒となるほぼ円筒状のハウジングＨに同心状に収容されている。ハウジングＨの先端にはエンドカバー１８がボルト２０により固定されている。
【００１８】
この燃焼装置２は逆流型であり、ハウジングＨと燃焼筒１２の側壁１２ｂとの間に、圧縮機１からの圧縮空気Ａを、矢印で示すようにバーナユニット１４方向、つまり、燃焼室１０内の燃焼ガスＧの流動方向と逆方向に導く空気通路３０が形成されている。
【００１９】
燃焼筒１２の上流側の周壁には、１つ又は複数の点火プラグ３６が、ハウジングＨおよび燃焼筒１２を貫通してハウジングＨに固定されており、バーナユニット１４の後述するパイロットバーナ４４から噴射された予混合気に点火して、燃焼筒１２の上流部において燃焼領域Ｓを形成させる。また、燃焼筒１２における燃焼領域Ｓよりも下流側には、短いパイプを貫通させて形成された複数の希釈用空気孔３８が配設されている。
【００２０】
図３は、図２の燃焼装置２の要部を示す断面図である。バーナユニット１４は、旋回成分を含む環状の予混合気Ｐ１を噴射するメインバーナ４２と、メインバーナ４２の内側に配置されたパイロットバーナ４４とを備えている。具体的には、バーナユニット１４は、燃焼筒１２の軸心Ｏと同心の外周円筒部４６ａと、この外周円筒部４６ａの上流側端から軸心Ｏに垂直な方向に円板状に延びる外周円板部４６ｂとからなるバーナ外筒４６を有し、さらに外周円筒部４６ａの径方向内側に位置する内周円筒部４８ａと、内周円筒部４８ａの上流側端部付近から外周円板部４６ｂの上流側で外周円板部４６ｂに対して平行に延びる内周円板部４８ｂとからなるバーナ内筒４８を有している。バーナ外筒４６とバーナ内筒４８との間の空間が、メインバーナ４２の環状の第１予混合通路４２ａを形成し、バーナ内筒４８の内方空間がパイロットバーナ４４の第２予混合気通路４４ａを形成している。
【００２１】
メインバーナ４２の第１予混合通路４２ａの、径方向外方に向く上流部、すなわち２つの円板部４６ｂおよび４８ｂの各最外周部間に、ラジアルスワーラ５０が取り付けられている。ラジアルスワーラ５０の径方向外側は、第１予混合通路４２ａに空気Ａおよび燃料Ｆ１を径方向内方に導入する入口部５０ａとして形成されており、この入口部５０ａのさらに径方向外側には、燃料Ｆ１を供給するための燃料通路を形成する第１燃料噴射管５２が、エンドカバー１８を貫通して配置されている。第１燃料噴射管５２は、周方向に等間隔に複数並んで設けられている。
【００２２】
ラジアルスワーラ５０は、２つの円板部４６ｂおよび４８ｂの最外周部間に形成された嵌合部４２ｂに嵌め込まれることにより、メインバーナ４２に固定されている。ＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である図４に示すように、ラジアルスワーラ５０は、第１予混合通路４２ａに導入される空気Ａおよび燃料Ｆ１に旋回を与える固定旋回羽根５４を有している。さらに、ラジアルスワーラ５０には、環状の分割板５６が設けられている。
【００２３】
図３に示すように、ラジアルスワーラ５０には、この分割板５６によって軸心方向に分割された複数のスワーラ段５０ｂが形成されている。本実施形態において、ラジアルスワーラ５０は、４つの分割板５６によって５つのスワーラ段５０ｂに分割されている。ラジアルスワーラ５０の固定旋回羽根５４によって与えられる旋回により、第１予混合通路４２ａ内で混合が進んで予混合気Ｐ１が生成され、燃焼装置２の軸心Ｏを中心とする旋回流として、第１予混合通路４２ａの下流側の開口よりなる噴射口４２ｃから燃焼室１０へ噴射される。
【００２４】
分割板５６は、空気通路３０を通過してきた圧縮空気Ａを、径方向内方に偏向させて第１予混合通路４２ａに導入するのに十分な程度の径方向長さを有していればよく、分割板５６の径方向長さＬ１、つまりラジアルスワーラ５０の径方向長さの好ましい範囲は、第１予混合通路４２ａの上流側の径方向に沿った直線部の長さＬ２の１／６〜２／３であり、より好ましくは１／４〜１／２である。本実施形態においては、分割板５６の径方向長さＬ１は、第１予混合通路４２ａの径方向直線部長さＬ２の１／３に設定されている。
【００２５】
第１燃料噴射管５２には、複数のスワーラ段５０ｂと同数の燃料噴射口５２ａが、軸心方向に並べて設けられている。各燃料噴射口５２ａは、各スワーラ段５０ｂの入口側に対向するように配置されており、燃料Ｆ１は、複数の燃料噴射口５２ａのそれぞれを介して各スワーラ段５０ｂに噴射される。本実施形態においては、各燃料噴射口５２ａの口径を同一にして、各スワーラ段５０ｂに噴射される燃料Ｆ１の流量が均一になるように設定している。
【００２６】
なお、第２予混合通路４４ａの上流部は、パイロットバーナ４４に支持された環状の第１通路板６３と、この第１通路板６３にスペーサ６４を介して軸方向に対向するようにボルト６５で取り付けられた円板状の第２通路板６６との間に形成されている。第２予混合気通路４４ａの上流端の径方向外側に、燃料Ｆ２を供給するための第２燃料噴射管６７が、エンドカバー１８を貫通して配置されている。メインバーナ４２に燃料Ｆ１を供給する第１燃料噴射管５２と、パイロットバーナ４４に燃料Ｆ２を供給する第２燃料供給通路６７とは、互いに独立した燃料供給系として設けられており、燃料流量をそれぞれ個別に制御することにより混合気の燃料濃度（空燃比）を独立に調節することが可能となっている。
【００２７】
次に、上記のように構成した燃焼装置２の動作について説明する。
【００２８】
図３に示すように、圧縮機１からの圧縮空気Ａは、燃焼筒１２の側壁１２ｂとハウジングＨとの間に形成された逆流通路である空気通路３０を通過して、メインバーナ４２の第１予混合通路４２ａの上流部に取り付けられたラジアルスワーラ５０の入口部５０ａに導かれる。圧縮空気Ａは、径方向内方に９０°偏向され、さらに第１予混合通路４２ａの下流部に入るときに９０°偏向されるので、ラジアルスワーラ５０に導入されるときに、大きな遠心力を受ける。
【００２９】
この場合、従来の、分割板を有しないラジアルスワーラ５０であれば、図５（ａ）に示すように、空気Ａの流量には、遠心力の影響により、軸心方向先端側（図５の左側）が多くなるように偏りが生じる。しかしながら、本実施形態に係る燃焼装置２のラジアルスワーラ５０においては、図５（ｂ）に示すように、空気Ａは分割板５６によって軸心方向に分割された複数のスワーラ段５０ｂに導入される。したがって、各スワーラ段５０ｂ内においては軸心方向の流量の僅かな偏りが生じるものの、ラジアルスワーラ５０全体における空気Ａの軸心方向の流量の偏りは大幅に抑制される。
【００３０】
さらに、図３の各スワーラ段５０ｂに対応して設けられている第１燃料噴射管５２の燃料噴射口５２ａが、それぞれ同一の口径を有しているので、各スワーラ段５０ｂに噴射される燃料Ｆ１の流量もほぼ均一に制御される。
【００３１】
つまり、本実施形態で使用されるラジアルスワーラ５０においては、分割板５６によって軸心方向に分割された各スワーラ段５０ｂ内に導入される空気Ａおよび燃料Ｆ１のいずれの流量も、ほぼ均一に制御されているので、第１予混合通路４２ａの上流部で形成される予混合気Ｐ１の軸心方向の燃料濃度分布が均一化される。その結果、第１予混合通路４２ａから燃焼室１０へ噴射される予混合気Ｐ１の径方向の燃料濃度分布を均一化することができる。
【００３２】
また、本実施形態のように、第１燃料噴射管５２の燃料噴射口５２ａの口径を同一とせずに、個別に設定してもよい。低ＮＯｘ燃焼を実現するための、燃焼室１０に噴射される予混合気Ｐ１の最適な燃料濃度分布は、燃焼室１０の形状や、メインバーナ４２と組み合わせて使用されるパイロットバーナ４４の構造など、さまざまな要因により異なる場合がある。すなわち、燃焼室１０内に噴射される予混合気Ｐ１の燃料濃度を、必ずしも均一ではなく、意図的に偏った分布となるように制御するべき場合がある。
【００３３】
そのような場合でも、本発明に係る燃焼装置２によれば、ラジアルスワーラ５０を軸心方向に分割したことにより、空気Ａの軸心方向の流量分布が均一化されているので、各スワーラ段５０ｂに供給する燃料Ｆ１の流量を制御することのみによって、燃焼室１０内に噴射される予混合気Ｐ１の径方向燃料濃度分布を容易に制御することができる。
【００３４】
各スワーラ段５０ｂに供給する燃料の流量の制御は、例えば、上記のように、各スワーラ段５０ｂに対応する燃料噴射口５２ａの口径を個別に設定することで容易に行うことができる。
【００３５】
また、軸心方向に多段化したスワール５０は、本実施形態のような場合に、特に大きな効果を得ることができる。つまり、燃焼装置２においては、ラジアルスワーラ５０に導入される空気Ａが、ラジアルスワーラ５０を介して流れ方向が９０°転換されることにより大きな遠心力を受けるが、ラジアルスワーラ５０に分割板５６を設けることにより、ラジアルスワーラ５０に導入される空気Ａの軸心方向の流量分布の偏りを最小限に抑えることができる。したがって、燃焼装置２をコンパクトな構成としながらも、燃焼室１０内での予混合気Ｐ１の径方向燃料濃度分布を最適化して低ＮＯｘ燃焼を実現することができる。
【００３６】
なお、本実施形態においては、一例として、ラジアルスワーラ５０を、４つの分割板５６によって５つのスワーラ段５０ｂに分割した構成としたが、分割して設けるスワーラ段５０ｂの数は５つに限らず、適宜設定してよい。
【００３７】
また、上記実施形態では、ラジアルスワーラ５０の固定旋回羽根５４と分割板５６とがほぼ同じ径方向長さを有するものとして構成したが、固定旋回羽根５４と分割板５６とが異なる径方向長さを有していてもよい。さらに、各スワーラ段５０ｂの径方向長さおよび軸方向長さは、それぞれ、スワーラ段毎に異なっていてもよい。
【００３８】
第１予混合気通路４２ａの、径方向に沿った上流部と軸心方向に沿った下流部とをつなぐ内径側の角部４２ｄの形状は、図３に二点鎖線で示すように、楕円円弧形状としてもよい。また、上記実施形態においては、パイロットバーナ４４を、予混合気Ｐ２を燃焼室１０内に噴射するバーナとして説明したが、パーロットバーナ４４は、燃料Ｆ２と空気Ａをそれぞれ別個に燃焼室１０内に噴射する拡散燃焼バーナであってもよい。また、上記実施形態においては、燃焼装置２をガスタービンエンジンＧＴに適用した例を説明したが、本発明に係る燃焼装置は、ガスタービンエンジンに限らず、ボイラなど高温ガスの供給を必要とする他の機器に適用することが可能である。
【符号の説明】
【００３９】
２ 燃焼装置
１０ 燃焼室
１２ 燃焼筒
１２ａ 頂部
１４ バーナユニット
３０ 空気通路
４２ メインバーナ
４２ａ 第１予混合通路
５０ ラジアルスワーラ
５０ａ ラジアルスワーラの入口部
５０ｂ スワーラ段
５２ 燃料噴射管
５２ａ 燃料噴射口
５４ 固定旋回羽根
５６ 分割板
Ｆ１ 燃料
Ａ 空気
Ｌ１ 分割版の径方向長さ
Ｌ２ 第１予混合通路の径方向直線部長さ
Ｐ１ 予混合気
Ｏ 燃焼筒軸心
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側に燃焼室を形成する燃焼筒と、
前記燃焼筒の頂部に配置されて、前記燃焼室に環状に燃料と空気との予混合気を噴射する予混合通路、および該予混合通路に燃料と空気を径方向内方に導入するラジアルスワーラを有するメインバーナと、
前記ラジアルスワーラにその入口側から燃料を噴射する燃料噴射管と
を備える燃焼装置であって、
前記メインバーナは、前記燃焼筒と同心に配置された外周円筒部、および該外周円筒部の上流側端から径方向に円板状に延びる外周円板部からなるバーナ外筒と、前記外周円筒部の径方向内側に位置する内周円筒部、および該内周円筒部の上流側端部から前記外周円板部の上流側で径方向に延びる内周円板部からなるバーナ内筒とを備え、前記バーナ外筒と前記バーナ内筒との間の空間が前記予混合通路を形成しており、
前記ラジアルスワーラが、前記バーナ外筒の円板部の最外周部と前記バーナ内筒の円板部の最外周部との間に設けられ、かつ分割板によって軸心方向に分割された複数のスワーラ段を有しており、
前記分割板の径方向長さが、前記予混合通路の上流部を形成する径方向に沿った直線部よりも短い
燃焼装置。
【請求項２】
請求項１に記載された燃焼装置の制御方法であって、前記各スワーラ段ごとに供給する燃料の流量を制御することにより、前記メインバーナから前記燃焼室内に噴射される予混合気の径方向の燃料濃度分布を制御する燃焼装置の制御方法。
【請求項１】
内側に燃焼室を形成する燃焼筒と、
前記燃焼筒の頂部に配置されて、前記燃焼室に環状に燃料と空気との予混合気を噴射する予混合通路、および該予混合通路に燃料と空気を径方向内方に導入するラジアルスワーラを有するメインバーナと、
前記ラジアルスワーラにその入口側から燃料を噴射する燃料噴射管と
を備える燃焼装置であって、
前記メインバーナは、前記燃焼筒と同心に配置された外周円筒部、および該外周円筒部の上流側端から径方向に円板状に延びる外周円板部からなるバーナ外筒と、前記外周円筒部の径方向内側に位置する内周円筒部、および該内周円筒部の上流側端部から前記外周円板部の上流側で径方向に延びる内周円板部からなるバーナ内筒とを備え、前記バーナ外筒と前記バーナ内筒との間の空間が前記予混合通路を形成しており、
前記ラジアルスワーラが、前記バーナ外筒の円板部の最外周部と前記バーナ内筒の円板部の最外周部との間に設けられ、かつ分割板によって軸心方向に分割された複数のスワーラ段を有しており、
前記分割板の径方向長さが、前記予混合通路の上流部を形成する径方向に沿った直線部よりも短い
燃焼装置。
【請求項２】
請求項１に記載された燃焼装置の制御方法であって、前記各スワーラ段ごとに供給する燃料の流量を制御することにより、前記メインバーナから前記燃焼室内に噴射される予混合気の径方向の燃料濃度分布を制御する燃焼装置の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−５７５０５（Ｐ２０１３−５７５０５Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２８２５８７（Ｐ２０１２−２８２５８７）
【出願日】平成２４年１２月２６日（２０１２．１２．２６）
【分割の表示】特願２００８−１３６０６８（Ｐ２００８−１３６０６８）の分割
【原出願日】平成２０年５月２３日（２００８．５．２３）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１２月２６日（２０１２．１２．２６）
【分割の表示】特願２００８−１３６０６８（Ｐ２００８−１３６０６８）の分割
【原出願日】平成２０年５月２３日（２００８．５．２３）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
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