ＲＱＬ方式の低ＮＯｘ燃焼器
【課題】ＲＱＬ方式の低ＮＯｘ燃焼器１の運転中におけるＮＯｘ、ＣＯ、ＴＨＣの排出量の低減とスモークの排出量の低減を両立させること。
【解決手段】各二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ，２９ｈ，３１ｈの主流方向の位置Ｐは、非燃焼状態において平均流速で流れる流れが燃焼室１７内に滞留する滞留時間Ｔの１／３時間で到達する箇所からその上流側の位置に設定され、複数の二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ，２９ｈ，３１ｈの総開口面積は、燃焼室１７内に導入される全ての空気の流量に対する複数の二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ，２９ｈ，３１ｈから導入される二次空気の流量の比が２０〜７０％になるように設定されている。
【解決手段】各二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ，２９ｈ，３１ｈの主流方向の位置Ｐは、非燃焼状態において平均流速で流れる流れが燃焼室１７内に滞留する滞留時間Ｔの１／３時間で到達する箇所からその上流側の位置に設定され、複数の二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ，２９ｈ，３１ｈの総開口面積は、燃焼室１７内に導入される全ての空気の流量に対する複数の二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ，２９ｈ，３１ｈから導入される二次空気の流量の比が２０〜７０％になるように設定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量を低減しつつ、燃料と空気との混合気を燃焼させて、燃焼ガスを生成するＲＱＬ（Rich burn Quick quench Lean burn: 過濃燃焼急速混合希薄燃焼）方式の低ＮＯｘ燃焼器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ジェットエンジン等のガスタービンに用いられる燃焼器において、環境保護の観点からＮＯｘの排出量の低減化が求められており、その要請に応えるために、簡易な構成からなるＲＱＬ方式の低ＮＯｘ燃焼器が開発されている。このＲＱＬ方式の低ＮＯｘ燃焼器は、燃焼器ライナの燃焼室内における一次燃焼領域において燃料と一次空気との混合気を燃料過濃状態（酸素不足状態）で過濃燃焼（一次燃焼）させて、燃焼器ライナの燃焼室内における二次燃焼領域において一次燃料領域からの燃焼ガスと二次空気との混合気を酸素過剰状態（燃料希薄状態）で希薄燃焼（二次燃焼）させることにより、火炎温度を下げて、ＮＯｘの排出量の低減を図る燃焼方式である。
【０００３】
なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１から特許文献３に示すものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２０８９３８号公報
【特許文献２】特開２０１１−１６３６２６号公報
【特許文献３】特開２００９−７４７９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、一次燃焼領域における過濃燃焼によってＲＱＬ方式の低ＮＯｘ燃焼器の運転中におけるＮＯｘの排出量を低減するためには、燃焼室内において一次燃焼領域を十分に確保して、一次燃焼領域における混合気の均質性（混合度合い）を高める必要がある。一方、燃焼室内において一次燃焼領域を大きくすると、その分だけ二次燃焼領域が小さくなって、一次燃焼領域における過濃燃焼によって排出されたスモーク（煤煙）を二次燃焼領域において十分に燃焼（希薄燃焼）させることができず、低ＮＯｘ燃焼器の運転中におけるスモークの排出量が増大する。つまり、低ＮＯｘ燃焼器の運転中におけるＮＯｘの排出量の低減とスモークの排出量の低減を両立させることが困難であるという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成のＲＱＬ方式の低ＮＯｘ燃焼器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】
【０００７】
本発明の発明者は、前述の問題を解決するために、ＲＱＬ方式の低ＮＯｘ燃焼器を模擬した複数の試験品を試作し、二次空気導入孔の主流方向の位置、及び燃焼器ライナの燃焼室内に導入される全ての空気の流量に対する複数の二次空気導入孔から導入される二次空気の流量の比（二次空気の流量比）をパラメータとして変化させつつ、複数の試験品について燃焼試験を行った。そして、本発明の発明者は、その燃焼試験を行った結果、各二次空気導入孔を燃料噴射弁に近づけた場合でも、二次空気の流量比を２０〜７０％に設定することにより、低ＮＯｘ燃焼器の運転中におけるＮＯｘ（窒素酸化物）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＴＨＣ（未燃炭化水素）の排出量を低減できるという、新規な知見を得ることができ、本発明を完成するに至った。ここで、各二次空気導入孔を燃料噴射弁に近づけた場合とは、各二次空気導入孔の主流方向の位置を、非燃焼状態において平均流速（低ＮＯｘ燃焼器の運転時の平均流速）で流れる流れ（主流）が燃焼室内に滞留する滞留時間の１／３時間で到達する箇所からその上流側の位置に設定した場合のことをいう。
【０００８】
本発明の特徴は、ガスタービンに用いられ、ＮＯｘの排出量を低減しつつ、燃料と空気（一次空気、二次空気）との混合気を燃焼させて、燃焼ガスを生成するＲＱＬ方式の低ＮＯｘ燃焼器において、上流側に隔壁を備え、内側に混合気を燃焼させるための燃焼室を有した燃焼器ライナと、前記隔壁に設けられ、前記燃焼室内に燃料を噴射（噴霧）する燃料噴射弁と、前記隔壁に設けられ、前記燃焼室内に一次空気を導入する一次空気導入部材と、を具備し、前記燃焼器ライナの周面に二次空気を前記燃焼室内に導入する複数の二次空気導入孔が周方向に沿って間隔を置いて設けられ、前記燃焼室内における前記二次空気導入孔の上流側に燃料と一次空気との混合気を燃料過濃状態（酸素不足状態）で過濃燃焼（一次燃焼）させるための一次燃焼領域が形成されると共に、前記燃焼室内における前記二次空気導入孔の下流側に前記一次燃焼領域からの燃焼ガスと二次空気との混合気を酸素過剰状態（燃料希薄状態）で希薄燃焼（二次燃焼）させるための二次燃焼領域が形成されるようになっており、各二次空気導入孔の前記主流方向の位置は、非燃焼状態において平均流速（前記低ＮＯｘ燃焼器の運転時の平均流速）で流れる流れ（主流）が前記燃焼室内に滞留する滞留時間の１／３時間で到達する箇所（所定の箇所）からその上流側の位置に設定され、複数の前記二次空気導入孔の総開口面積は、前記燃焼室内に導入される全ての空気の流量に対する複数の前記二次空気導入孔から導入される二次空気の流量の比（二次空気の流量比）が２０〜７０％になるように設定されていることを要旨とする。
【０００９】
なお、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「設けられ」とは、直接的に設けられたことの他に、別部材を介して間接的に設けられたことを含む意である。また、「主流方向」とは、空気、混合気、又は燃焼ガスの主流の流れ方向のことをいい、「上流側」とは、主流方向から見て上流側のことをいい、「下流側」とは、主流方向から見て下流側のことをいう。
【００１０】
本発明の特徴によると、前記燃料噴射弁によって前記燃焼室内に燃料が噴射されると共に、前記一次空気導入部材から一次空気が前記燃焼室内に導入されることにより、前記一次燃焼領域において燃料と一次空気との混合気を燃料過濃状態で過濃燃焼させて、燃焼ガスを生成する。続いて、複数の前記二次空気導入孔から多量の二次空気が前記燃焼室内に導入されることにより、前記一次燃焼領域と前記二次燃焼領域の間で燃焼ガスと二次空気が急速に混合され、前記二次燃焼領域において燃焼ガスと二次空気との混合気を酸素過剰状態（燃料希薄状態）で希薄燃焼させて、燃焼ガスを生成して前記燃焼器ライナから排出する。そして、前記一次燃焼領域における過濃燃焼と前記二次燃焼領域における希薄燃焼が連続して行われることにより、前記低ＮＯｘ燃焼器の下流側に配設されたタービンを駆動することができる。
【００１１】
ここで、前記二次空気の流量比が２０〜７０％になるように複数の前記二次空気導入孔の総開口面積が設定されているため、各二次空気導入孔を前記燃料噴射弁に近づけることにより、具体的には、各二次空気導入孔の前記主流方向の位置が前記所定の箇所からその上流側の位置に設定されることにより、前記低ＮＯｘ燃焼器の運転中におけるＮＯｘ、ＣＯ、ＴＨＣの排出量を低減できる。換言すれば、前記一次燃焼領域により燃焼安定性を確保した上で、前記低ＮＯｘ燃焼器の運転中におけるＮＯｘ、ＣＯ、ＴＨＣの排出量の低減を図りつつ、前記燃焼室内において前記二次燃焼領域を十分に確保することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、前記一次燃焼領域により燃焼安定性を確保した上で、前記低ＮＯｘ燃焼器の運転中におけるＮＯｘ、ＣＯ、ＴＨＣの排出量の低減を図りつつ、前記燃焼室内において前記二次燃焼領域を十分に確保できるため、前記一次燃焼領域における過濃燃焼によって排出されたスモーク（煤煙）を前記二次燃焼領域において十分に燃焼（希薄燃焼）させて、前記低ＮＯｘ燃焼器の運転中におけるスモークの排出量を低減することができる。よって、前記低ＮＯｘ燃焼器の運転中におけるＮＯｘ、ＣＯ、ＴＨＣの排出量の低減とスモークの排出量の低減を両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係るＲＱＬ方式の低ＮＯｘ燃焼器の部分側断面図である。
【図２】図２は、図１におけるII-II線に沿った図である。
【図３】図３は、図２におけるIII-III線に沿った図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施形態について図１から図３を参照して説明する。なお、図面中、「Ｆ」は、前方向（上流側）、「Ｒ」は、後方向（下流側）をそれぞれ指してある。
【００１５】
図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係るＲＱＬ（Rich burn Quick quench Lean burn: 過濃燃焼急速混合希薄燃焼）方式の低ＮＯｘ燃焼器１は、ＮＯｘの排出量を低減しつつ、燃料と空気（一次空気、二次空気）との混合気を燃焼させて、燃焼ガスを生成するものである。また、低ＮＯｘ燃焼器１は、ジェットエンジン（図示省略）に用いられることの多い所謂アニュラ型の燃焼器である。
【００１６】
低ＮＯｘ燃焼器１は、中空環状の燃焼器ケース３を具備しており、この燃焼器ケース３は、環状のアウタケース５と、このアウタケース５の内側にジェットエンジンのエンジン軸心ＥＣを中心とした同心円状に設けられた環状のインナケース７とを備えている。また、燃焼器ケース３の入口側は、ジェットエンジンにおける圧縮機（図示省略）からの空気（圧縮空気）を導入可能である。
【００１７】
燃焼器ケース３内には、中空環状の燃焼器ライナ９が同心状に設けられており、この燃焼器ライナ９は、環状のアウタライナ１１と、このアウタライナ１１の内側に同心状に設けられた環状のインナライナ１３と、上流側（前側）にアウタライナ１１とインナライナ１３を連結するように設けられた環状の隔壁（前壁）１５とを備えている。また、燃焼器ケース３は、内側に、燃料と空気（一次空気、二次空気）との混合気を燃焼させるための環状の燃焼室１７を有しており、換言すれば、アウタライナ１１とインナライナ１３との間には、環状の燃焼室１７が区画形成されている。なお、アウタライナ１１、インナライナ１３、及び隔壁１５には、フィルム冷却等を行うための複数の冷却孔（図示省略）が形成されている。
【００１８】
隔壁１５には、燃焼室１７内に燃料を円錐状の噴霧流Ｓとして噴霧する複数の燃料噴射弁（燃料噴射ノズル）１９が周方向に沿って間隔を置いて設けられており、各燃料噴射弁１９は、例えば公知の構成からなる渦巻き噴射弁であって、中央（中心部）に、燃料を噴霧可能な噴射孔（ノズル孔）１９ｈを有している。また、アウタケース５には、燃料を供給可能な複数の燃料供給管２１が前記同心円の周方向に沿って間隔を置いて設けられており、各燃料供給管２１の先端部は、対応する燃料噴射弁１９の基部に接続されている。なお、アウタケース５の適宜位置には、燃焼室１７内で燃料に着火（点火）する複数の点火栓（図示省略）が燃焼室１７側へ突出して設けられている。
【００１９】
隔壁１５における各燃料噴射弁１９の周りには、燃焼室１７内に一次空気を旋回流として導入する一次空気導入部材としてのスワラ（軸流スワラ又は接線流スワラ）２３が設けられている。また、スワラ２３の総開口面積は、燃焼室１７内に導入される全ての空気の流量に対するスワラ２３から導入される一次空気の流量の比（一次空気の流量比）が２０％以下になるように設定されている。前記一次空気の流量比が２０％以下になるように設定されるようにしたのは、２０％を超えてされると、後述の二次空気の流量比を十分に確保することが困難になり、ＮＯｘの排出量の低減効果が小さくなるからである。
【００２０】
アウタライナ１１の周面（燃焼器ライナ９の外周面）には、アウタスリーブ２５とアウタスリーブ２７が燃焼室１７側へ突出しかつ周方向に沿って交互に設けられており、各アウタスリーブ２５は、内側に、二次空気を燃焼室１７内に導入するアウタ二次空気導入孔２５ｈを有してあって、各アウタスリーブ２７は、内側に、二次空気を燃焼室１７内に導入するアウタ二次空気導入孔２７ｈを有してある。換言すれば、アウタライナ１１の周面には、アウタ二次空気導入孔２５ｈとアウタ二次空気導入孔２７ｈが複数のアウタスリーブ２５，２７を介して周方向に沿って交互に設けられている。同様に、インナライナ１３の周面（燃焼器ライナ９の内周面）には、インナスリーブ２９とインナスリーブ３１が燃焼室１７側へ突出しかつ周方向に沿って交互に設けられており、各インナスリーブ２９は、内側に、二次空気を燃焼室１７内に導入するインナ二次空気導入孔２９ｈを有してあって、各インナスリーブ３１は、内側に、二次空気を燃焼室１７内に導入するインナ二次空気導入孔３１ｈを有してある。換言すれば、インナライナ１３の周面には、インナ二次空気導入孔２９ｈとインナ二次空気導入孔３１ｈが複数のインナスリーブ２９，３１を介して周方向に沿って交互に設けられている。
【００２１】
ここで、燃焼室１７内における二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ，２９ｈ，３１ｈの上流側（前側）には、燃料と一次空気との混合気を燃料過濃状態（酸素不足状態）で過濃燃焼（一次燃焼）させるための一次燃焼領域Ａ１が形成されようになっている。また、燃焼室１７内における二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ，２９ｈ，３１ｈの下流側（後側）には、一次燃焼領域Ａ１からの燃焼ガスと二次空気との混合気を酸素過剰状態（燃料希薄状態）で希薄燃焼（二次燃焼）させるための二次燃焼領域Ａ２が形成されるようになっている。
【００２２】
各二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ，２９ｈ，３１ｈの主流方向の位置（本発明の実施形態にあっては、燃焼器ライナ９の軸方向の位置）Ｐは、非燃焼状態において平均流速（低ＮＯｘ燃焼器１の運転時の平均流速）で流れる流れ（主流）が燃焼室１７内に滞留する滞留時間Ｔの１／３時間で到達する箇所、望ましくは、滞留時間Ｔの１／４時間で到達する箇所からその上流側の位置でかつ滞留時間Ｔの１／５時間で到達する箇所からその下流側の位置に設定されている。各二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ，２９ｈ，３１ｈの主流方向の位置Ｐが滞留時間Ｔの１／５時間で到達する箇所からその下流側の位置に設定されるようにしたのは、滞留時間Ｔの１／５時間で到達する箇所よりも上流側の位置に設定されると、低負荷時における燃焼安定性を十分に確保することが困難になるからである。なお、非燃焼状態において平均流速で流れる流れが燃焼室１７内に滞留する滞留時間Ｔで到達する箇所は、燃焼器ライナ９の出口端である。
【００２３】
複数の二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ，２９ｈ，３１ｈの総開口面積は、燃焼室１７内に導入される全ての空気の流量に対する複数の二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ，２９ｈ，３１ｈから導入される二次空気の流量の比（二次空気の流量比）が２０〜７０％、好ましくは３０〜５０％になるように設定されている。前記二次空気の流量比が２０％以上になるように設定されようにしたのは、２０％未満になるように設定されると、一次燃焼領域Ａ１からの燃焼ガスと二次空気との混合気の希薄化を促進できず、低ＮＯｘ燃焼器１の運転中におけるＮＯｘ（窒素酸化物）ＮＯｘを低減することが困難になるからである。一方、前記二次空気の流量比が７０％以下になるように設定されようにしたのは、７０％を超えるように設定されると、二次燃焼領域Ａ２における燃焼効果が十分に発揮されず、ＣＯ（一酸化炭素）、ＴＨＣ（未燃炭化水素）の排出量を低減することが困難になるからである。
【００２４】
複数のアウタ二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ及び複数のインナ二次空気導入孔２９ｈ，３１ｈは、非対向になるように周方向に沿って互い違いに配置されている。ただし、二次空気の流量比が４０％以下になるように設定された場合には、複数のアウタ二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ及び複数のインナ二次空気導入孔２９ｈ，３１ｈが対向になるように配置されてあっても構わない。また、アウタ二次空気導入孔２５ｈの開口面積は、アウタ二次空気導入孔２７ｈの開口面積よりも大きくなるように設定されており、インナ二次空気導入孔２９ｈの開口面積は、インナ二次空気導入孔３１ｈの開口面積よりも大きくなるように設定されている。換言すれば、燃料噴射弁１９に近い側の二次空気導入孔２５ｈ，２９ｈの開口面積は、燃料噴射弁１９に遠い側の二次空気導入孔２７ｈ，３１ｈの開口面積よりも大きくなるように設定されている。
【００２５】
続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。
【００２６】
複数の燃料噴射弁１９によって燃焼室１７内に燃料が円錐状の噴霧流Ｓとして噴射されると共に、複数のスワラ２３から一次空気が旋回流として導入される。これにより、一次燃焼領域Ａ１において燃料と一次空気との混合気を燃料過濃状態で過濃燃焼させて、燃焼ガスを生成する。なお、燃料と一次空気との混合気を燃焼させる直前に、点火栓によって混合気中の燃料を着火する。
【００２７】
続いて、複数のアウタ二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ及び複数のインナ二次空気導入孔２９ｈ，３１ｈから多量の二次空気が燃焼室１７内に高い貫通度（径方向の貫通度）で導入される。これにより、一次燃焼領域Ａ１と二次燃焼領域Ａ２の間で燃焼ガスと二次空気が急速に混合され、二次燃焼領域Ａ２において燃焼ガスと二次空気との混合気を酸素過剰状態で希薄燃焼させて、燃焼ガスを生成して燃焼器ライナ９から排出する。
【００２８】
ここで、複数のアウタ二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈがアウタライナ１１の外周面に複数のアウタスリーブ２５，２７を介して設けられかつ複数のインナ二次空気導入孔２９ｈ，３１ｈがインナライナ１３の内周面に複数のインナスリーブ２９，３１を介して設けられているため、前述のように、燃焼室１７内に導入される二次空気の貫通度を高く設定することができる。また、複数のアウタ二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ及び複数のインナ二次空気導入孔２９ｈ，３１ｈが非対向になるように周方向に沿って互い違いに配置されているため、複数のアウタ二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈから導入された二次空気と複数のインナ二次空気導入孔２９ｈ，３１ｈから導入された二次空気との衝突による強い逆流を阻止できる。更に、燃料噴射弁１９に近い側の二次空気導入孔２５ｈ，２９ｈの開口面積が燃料噴射弁１９に遠い側の二次空気導入孔２７ｈ，３１ｈの開口面積よりも大きくなるように設定されているため、燃焼室１７内における周方向の燃料の濃淡分布に応じて、燃焼室１７内に二次空気が導入されることになる。
【００２９】
前述の一次燃焼領域Ａ１における過濃燃焼と二次燃焼領域Ａ２における希薄燃焼が連続して行われることにより、低ＮＯｘ燃焼器１の下流側に配設されたタービン（図示省略）を駆動して、ジェットエンジンの稼動を継続することができる。
【００３０】
ここで、前記二次空気の流量比が２０〜７０％になるように複数の二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ，２９ｈ，３１ｈの総開口面積が設定されているため、各二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ，２９ｈ，３１ｈを燃料噴射弁１９に近づけることにより、具体的には、各二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ，２９ｈ，３１ｈの主流方向の位置Ｐが前記所定の箇所からその上流側の位置に設定されることにより、低ＮＯｘ燃焼器１の運転中におけるＮＯｘ、ＣＯ、ＴＨＣの排出量を低減できる。換言すれば、一次燃焼領域Ａ１により燃焼安定性を確保した上で、低ＮＯｘ燃焼器１の運転中におけるＮＯｘ、ＣＯ、ＴＨＣの排出量の低減を図りつつ、燃焼室１７内において二次燃焼領域Ａ２を十分に確保することができる。
【００３１】
従って、本発明の実施形態によれば、一次燃焼領域Ａ１により燃焼安定性を確保した上で、低ＮＯｘ燃焼器１の運転中におけるＮＯｘ、ＣＯ、ＴＨＣの排出量の低減を図りつつ、燃焼室１７内において二次燃焼領域Ａ２を十分に確保できるため、一次燃焼領域Ａ１における過濃燃焼によって排出されたスモーク（煤煙）を二次燃焼領域Ａ２において十分に燃焼（希薄燃焼）させて、低ＮＯｘ燃焼器１の運転中におけるスモークの排出量を低減することができる。よって、低ＮＯｘ燃焼器１の運転中におけるＮＯｘ、ＣＯ、ＴＨＣの排出量の低減とスモークの排出量の低減を両立させることができる。
【００３２】
特に、複数のアウタ二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈから導入された二次空気と複数のインナ二次空気導入孔２９ｈ，３１ｈから導入された二次空気との衝突による強い逆流を阻止できるため、一次燃焼領域Ａ１が希釈されて、一次燃焼領域Ａ１の火炎温度が局所的に高くなることを抑えることができる。また、燃焼室１７内における周方向の燃料の濃淡分布に応じて、燃焼室１７内に二次空気が導入されるため、二次燃焼領域Ａ２における混合気の均質性（混合度合い）を高めることができる。よって、低ＮＯｘ燃焼器１の運転中におけるＮＯｘの排出量を十分に低減することができる。
【００３３】
具体的には、燃焼試験の結果、低ＮＯｘ燃焼器１の運転中におけるＮＯｘの排出量及びスモークの排出量をＩＣＡＯ規制値（２００４年施行基準）の半分以下に低減できることが確認された。また、低ＮＯｘ燃焼器１の出口温度不均一率ＰＴＦ（ＰＴＦ＝（燃焼器出口最大温度−燃焼器出口平均温度）／燃焼器平均温度上昇）が０．２よりも小さくできることが確認された。
【００３４】
なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限るものでなく、例えばアニュラ型の低ＮＯｘ燃焼器１に適用した技術的思想をカン型の低ＮＯｘ燃焼器（図示省略）に適用する等、その他、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。
【符号の説明】
【００３５】
Ａ１ 一次燃焼領域
Ａ２ 二次燃焼領域
Ｇ 定在渦
Ｓ 噴霧流
１ 燃焼器
３ 燃焼器ケース
５ アウタケース
７ インナケース
９ 燃焼器ライナ
１１ アウタライナ
１３ インナライナ
１５ 隔壁
１７ 燃焼室
１９ 燃料噴射弁
２１ 燃料供給管
２３ スワラ
２５ アウタスリーブ
２５ｈ アウタ二次空気導入孔
２７ アウタスリーブ
２７ｈ アウタ二次空気導入孔
２９ インナスリーブ
２９ｈ インナ二次空気導入孔
３１ インナスリーブ
３１ｈ インナ二次空気導入孔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量を低減しつつ、燃料と空気との混合気を燃焼させて、燃焼ガスを生成するＲＱＬ（Rich burn Quick quench Lean burn: 過濃燃焼急速混合希薄燃焼）方式の低ＮＯｘ燃焼器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ジェットエンジン等のガスタービンに用いられる燃焼器において、環境保護の観点からＮＯｘの排出量の低減化が求められており、その要請に応えるために、簡易な構成からなるＲＱＬ方式の低ＮＯｘ燃焼器が開発されている。このＲＱＬ方式の低ＮＯｘ燃焼器は、燃焼器ライナの燃焼室内における一次燃焼領域において燃料と一次空気との混合気を燃料過濃状態（酸素不足状態）で過濃燃焼（一次燃焼）させて、燃焼器ライナの燃焼室内における二次燃焼領域において一次燃料領域からの燃焼ガスと二次空気との混合気を酸素過剰状態（燃料希薄状態）で希薄燃焼（二次燃焼）させることにより、火炎温度を下げて、ＮＯｘの排出量の低減を図る燃焼方式である。
【０００３】
なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１から特許文献３に示すものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２０８９３８号公報
【特許文献２】特開２０１１−１６３６２６号公報
【特許文献３】特開２００９−７４７９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、一次燃焼領域における過濃燃焼によってＲＱＬ方式の低ＮＯｘ燃焼器の運転中におけるＮＯｘの排出量を低減するためには、燃焼室内において一次燃焼領域を十分に確保して、一次燃焼領域における混合気の均質性（混合度合い）を高める必要がある。一方、燃焼室内において一次燃焼領域を大きくすると、その分だけ二次燃焼領域が小さくなって、一次燃焼領域における過濃燃焼によって排出されたスモーク（煤煙）を二次燃焼領域において十分に燃焼（希薄燃焼）させることができず、低ＮＯｘ燃焼器の運転中におけるスモークの排出量が増大する。つまり、低ＮＯｘ燃焼器の運転中におけるＮＯｘの排出量の低減とスモークの排出量の低減を両立させることが困難であるという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成のＲＱＬ方式の低ＮＯｘ燃焼器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】
【０００７】
本発明の発明者は、前述の問題を解決するために、ＲＱＬ方式の低ＮＯｘ燃焼器を模擬した複数の試験品を試作し、二次空気導入孔の主流方向の位置、及び燃焼器ライナの燃焼室内に導入される全ての空気の流量に対する複数の二次空気導入孔から導入される二次空気の流量の比（二次空気の流量比）をパラメータとして変化させつつ、複数の試験品について燃焼試験を行った。そして、本発明の発明者は、その燃焼試験を行った結果、各二次空気導入孔を燃料噴射弁に近づけた場合でも、二次空気の流量比を２０〜７０％に設定することにより、低ＮＯｘ燃焼器の運転中におけるＮＯｘ（窒素酸化物）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＴＨＣ（未燃炭化水素）の排出量を低減できるという、新規な知見を得ることができ、本発明を完成するに至った。ここで、各二次空気導入孔を燃料噴射弁に近づけた場合とは、各二次空気導入孔の主流方向の位置を、非燃焼状態において平均流速（低ＮＯｘ燃焼器の運転時の平均流速）で流れる流れ（主流）が燃焼室内に滞留する滞留時間の１／３時間で到達する箇所からその上流側の位置に設定した場合のことをいう。
【０００８】
本発明の特徴は、ガスタービンに用いられ、ＮＯｘの排出量を低減しつつ、燃料と空気（一次空気、二次空気）との混合気を燃焼させて、燃焼ガスを生成するＲＱＬ方式の低ＮＯｘ燃焼器において、上流側に隔壁を備え、内側に混合気を燃焼させるための燃焼室を有した燃焼器ライナと、前記隔壁に設けられ、前記燃焼室内に燃料を噴射（噴霧）する燃料噴射弁と、前記隔壁に設けられ、前記燃焼室内に一次空気を導入する一次空気導入部材と、を具備し、前記燃焼器ライナの周面に二次空気を前記燃焼室内に導入する複数の二次空気導入孔が周方向に沿って間隔を置いて設けられ、前記燃焼室内における前記二次空気導入孔の上流側に燃料と一次空気との混合気を燃料過濃状態（酸素不足状態）で過濃燃焼（一次燃焼）させるための一次燃焼領域が形成されると共に、前記燃焼室内における前記二次空気導入孔の下流側に前記一次燃焼領域からの燃焼ガスと二次空気との混合気を酸素過剰状態（燃料希薄状態）で希薄燃焼（二次燃焼）させるための二次燃焼領域が形成されるようになっており、各二次空気導入孔の前記主流方向の位置は、非燃焼状態において平均流速（前記低ＮＯｘ燃焼器の運転時の平均流速）で流れる流れ（主流）が前記燃焼室内に滞留する滞留時間の１／３時間で到達する箇所（所定の箇所）からその上流側の位置に設定され、複数の前記二次空気導入孔の総開口面積は、前記燃焼室内に導入される全ての空気の流量に対する複数の前記二次空気導入孔から導入される二次空気の流量の比（二次空気の流量比）が２０〜７０％になるように設定されていることを要旨とする。
【０００９】
なお、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「設けられ」とは、直接的に設けられたことの他に、別部材を介して間接的に設けられたことを含む意である。また、「主流方向」とは、空気、混合気、又は燃焼ガスの主流の流れ方向のことをいい、「上流側」とは、主流方向から見て上流側のことをいい、「下流側」とは、主流方向から見て下流側のことをいう。
【００１０】
本発明の特徴によると、前記燃料噴射弁によって前記燃焼室内に燃料が噴射されると共に、前記一次空気導入部材から一次空気が前記燃焼室内に導入されることにより、前記一次燃焼領域において燃料と一次空気との混合気を燃料過濃状態で過濃燃焼させて、燃焼ガスを生成する。続いて、複数の前記二次空気導入孔から多量の二次空気が前記燃焼室内に導入されることにより、前記一次燃焼領域と前記二次燃焼領域の間で燃焼ガスと二次空気が急速に混合され、前記二次燃焼領域において燃焼ガスと二次空気との混合気を酸素過剰状態（燃料希薄状態）で希薄燃焼させて、燃焼ガスを生成して前記燃焼器ライナから排出する。そして、前記一次燃焼領域における過濃燃焼と前記二次燃焼領域における希薄燃焼が連続して行われることにより、前記低ＮＯｘ燃焼器の下流側に配設されたタービンを駆動することができる。
【００１１】
ここで、前記二次空気の流量比が２０〜７０％になるように複数の前記二次空気導入孔の総開口面積が設定されているため、各二次空気導入孔を前記燃料噴射弁に近づけることにより、具体的には、各二次空気導入孔の前記主流方向の位置が前記所定の箇所からその上流側の位置に設定されることにより、前記低ＮＯｘ燃焼器の運転中におけるＮＯｘ、ＣＯ、ＴＨＣの排出量を低減できる。換言すれば、前記一次燃焼領域により燃焼安定性を確保した上で、前記低ＮＯｘ燃焼器の運転中におけるＮＯｘ、ＣＯ、ＴＨＣの排出量の低減を図りつつ、前記燃焼室内において前記二次燃焼領域を十分に確保することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、前記一次燃焼領域により燃焼安定性を確保した上で、前記低ＮＯｘ燃焼器の運転中におけるＮＯｘ、ＣＯ、ＴＨＣの排出量の低減を図りつつ、前記燃焼室内において前記二次燃焼領域を十分に確保できるため、前記一次燃焼領域における過濃燃焼によって排出されたスモーク（煤煙）を前記二次燃焼領域において十分に燃焼（希薄燃焼）させて、前記低ＮＯｘ燃焼器の運転中におけるスモークの排出量を低減することができる。よって、前記低ＮＯｘ燃焼器の運転中におけるＮＯｘ、ＣＯ、ＴＨＣの排出量の低減とスモークの排出量の低減を両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係るＲＱＬ方式の低ＮＯｘ燃焼器の部分側断面図である。
【図２】図２は、図１におけるII-II線に沿った図である。
【図３】図３は、図２におけるIII-III線に沿った図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施形態について図１から図３を参照して説明する。なお、図面中、「Ｆ」は、前方向（上流側）、「Ｒ」は、後方向（下流側）をそれぞれ指してある。
【００１５】
図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係るＲＱＬ（Rich burn Quick quench Lean burn: 過濃燃焼急速混合希薄燃焼）方式の低ＮＯｘ燃焼器１は、ＮＯｘの排出量を低減しつつ、燃料と空気（一次空気、二次空気）との混合気を燃焼させて、燃焼ガスを生成するものである。また、低ＮＯｘ燃焼器１は、ジェットエンジン（図示省略）に用いられることの多い所謂アニュラ型の燃焼器である。
【００１６】
低ＮＯｘ燃焼器１は、中空環状の燃焼器ケース３を具備しており、この燃焼器ケース３は、環状のアウタケース５と、このアウタケース５の内側にジェットエンジンのエンジン軸心ＥＣを中心とした同心円状に設けられた環状のインナケース７とを備えている。また、燃焼器ケース３の入口側は、ジェットエンジンにおける圧縮機（図示省略）からの空気（圧縮空気）を導入可能である。
【００１７】
燃焼器ケース３内には、中空環状の燃焼器ライナ９が同心状に設けられており、この燃焼器ライナ９は、環状のアウタライナ１１と、このアウタライナ１１の内側に同心状に設けられた環状のインナライナ１３と、上流側（前側）にアウタライナ１１とインナライナ１３を連結するように設けられた環状の隔壁（前壁）１５とを備えている。また、燃焼器ケース３は、内側に、燃料と空気（一次空気、二次空気）との混合気を燃焼させるための環状の燃焼室１７を有しており、換言すれば、アウタライナ１１とインナライナ１３との間には、環状の燃焼室１７が区画形成されている。なお、アウタライナ１１、インナライナ１３、及び隔壁１５には、フィルム冷却等を行うための複数の冷却孔（図示省略）が形成されている。
【００１８】
隔壁１５には、燃焼室１７内に燃料を円錐状の噴霧流Ｓとして噴霧する複数の燃料噴射弁（燃料噴射ノズル）１９が周方向に沿って間隔を置いて設けられており、各燃料噴射弁１９は、例えば公知の構成からなる渦巻き噴射弁であって、中央（中心部）に、燃料を噴霧可能な噴射孔（ノズル孔）１９ｈを有している。また、アウタケース５には、燃料を供給可能な複数の燃料供給管２１が前記同心円の周方向に沿って間隔を置いて設けられており、各燃料供給管２１の先端部は、対応する燃料噴射弁１９の基部に接続されている。なお、アウタケース５の適宜位置には、燃焼室１７内で燃料に着火（点火）する複数の点火栓（図示省略）が燃焼室１７側へ突出して設けられている。
【００１９】
隔壁１５における各燃料噴射弁１９の周りには、燃焼室１７内に一次空気を旋回流として導入する一次空気導入部材としてのスワラ（軸流スワラ又は接線流スワラ）２３が設けられている。また、スワラ２３の総開口面積は、燃焼室１７内に導入される全ての空気の流量に対するスワラ２３から導入される一次空気の流量の比（一次空気の流量比）が２０％以下になるように設定されている。前記一次空気の流量比が２０％以下になるように設定されるようにしたのは、２０％を超えてされると、後述の二次空気の流量比を十分に確保することが困難になり、ＮＯｘの排出量の低減効果が小さくなるからである。
【００２０】
アウタライナ１１の周面（燃焼器ライナ９の外周面）には、アウタスリーブ２５とアウタスリーブ２７が燃焼室１７側へ突出しかつ周方向に沿って交互に設けられており、各アウタスリーブ２５は、内側に、二次空気を燃焼室１７内に導入するアウタ二次空気導入孔２５ｈを有してあって、各アウタスリーブ２７は、内側に、二次空気を燃焼室１７内に導入するアウタ二次空気導入孔２７ｈを有してある。換言すれば、アウタライナ１１の周面には、アウタ二次空気導入孔２５ｈとアウタ二次空気導入孔２７ｈが複数のアウタスリーブ２５，２７を介して周方向に沿って交互に設けられている。同様に、インナライナ１３の周面（燃焼器ライナ９の内周面）には、インナスリーブ２９とインナスリーブ３１が燃焼室１７側へ突出しかつ周方向に沿って交互に設けられており、各インナスリーブ２９は、内側に、二次空気を燃焼室１７内に導入するインナ二次空気導入孔２９ｈを有してあって、各インナスリーブ３１は、内側に、二次空気を燃焼室１７内に導入するインナ二次空気導入孔３１ｈを有してある。換言すれば、インナライナ１３の周面には、インナ二次空気導入孔２９ｈとインナ二次空気導入孔３１ｈが複数のインナスリーブ２９，３１を介して周方向に沿って交互に設けられている。
【００２１】
ここで、燃焼室１７内における二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ，２９ｈ，３１ｈの上流側（前側）には、燃料と一次空気との混合気を燃料過濃状態（酸素不足状態）で過濃燃焼（一次燃焼）させるための一次燃焼領域Ａ１が形成されようになっている。また、燃焼室１７内における二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ，２９ｈ，３１ｈの下流側（後側）には、一次燃焼領域Ａ１からの燃焼ガスと二次空気との混合気を酸素過剰状態（燃料希薄状態）で希薄燃焼（二次燃焼）させるための二次燃焼領域Ａ２が形成されるようになっている。
【００２２】
各二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ，２９ｈ，３１ｈの主流方向の位置（本発明の実施形態にあっては、燃焼器ライナ９の軸方向の位置）Ｐは、非燃焼状態において平均流速（低ＮＯｘ燃焼器１の運転時の平均流速）で流れる流れ（主流）が燃焼室１７内に滞留する滞留時間Ｔの１／３時間で到達する箇所、望ましくは、滞留時間Ｔの１／４時間で到達する箇所からその上流側の位置でかつ滞留時間Ｔの１／５時間で到達する箇所からその下流側の位置に設定されている。各二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ，２９ｈ，３１ｈの主流方向の位置Ｐが滞留時間Ｔの１／５時間で到達する箇所からその下流側の位置に設定されるようにしたのは、滞留時間Ｔの１／５時間で到達する箇所よりも上流側の位置に設定されると、低負荷時における燃焼安定性を十分に確保することが困難になるからである。なお、非燃焼状態において平均流速で流れる流れが燃焼室１７内に滞留する滞留時間Ｔで到達する箇所は、燃焼器ライナ９の出口端である。
【００２３】
複数の二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ，２９ｈ，３１ｈの総開口面積は、燃焼室１７内に導入される全ての空気の流量に対する複数の二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ，２９ｈ，３１ｈから導入される二次空気の流量の比（二次空気の流量比）が２０〜７０％、好ましくは３０〜５０％になるように設定されている。前記二次空気の流量比が２０％以上になるように設定されようにしたのは、２０％未満になるように設定されると、一次燃焼領域Ａ１からの燃焼ガスと二次空気との混合気の希薄化を促進できず、低ＮＯｘ燃焼器１の運転中におけるＮＯｘ（窒素酸化物）ＮＯｘを低減することが困難になるからである。一方、前記二次空気の流量比が７０％以下になるように設定されようにしたのは、７０％を超えるように設定されると、二次燃焼領域Ａ２における燃焼効果が十分に発揮されず、ＣＯ（一酸化炭素）、ＴＨＣ（未燃炭化水素）の排出量を低減することが困難になるからである。
【００２４】
複数のアウタ二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ及び複数のインナ二次空気導入孔２９ｈ，３１ｈは、非対向になるように周方向に沿って互い違いに配置されている。ただし、二次空気の流量比が４０％以下になるように設定された場合には、複数のアウタ二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ及び複数のインナ二次空気導入孔２９ｈ，３１ｈが対向になるように配置されてあっても構わない。また、アウタ二次空気導入孔２５ｈの開口面積は、アウタ二次空気導入孔２７ｈの開口面積よりも大きくなるように設定されており、インナ二次空気導入孔２９ｈの開口面積は、インナ二次空気導入孔３１ｈの開口面積よりも大きくなるように設定されている。換言すれば、燃料噴射弁１９に近い側の二次空気導入孔２５ｈ，２９ｈの開口面積は、燃料噴射弁１９に遠い側の二次空気導入孔２７ｈ，３１ｈの開口面積よりも大きくなるように設定されている。
【００２５】
続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。
【００２６】
複数の燃料噴射弁１９によって燃焼室１７内に燃料が円錐状の噴霧流Ｓとして噴射されると共に、複数のスワラ２３から一次空気が旋回流として導入される。これにより、一次燃焼領域Ａ１において燃料と一次空気との混合気を燃料過濃状態で過濃燃焼させて、燃焼ガスを生成する。なお、燃料と一次空気との混合気を燃焼させる直前に、点火栓によって混合気中の燃料を着火する。
【００２７】
続いて、複数のアウタ二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ及び複数のインナ二次空気導入孔２９ｈ，３１ｈから多量の二次空気が燃焼室１７内に高い貫通度（径方向の貫通度）で導入される。これにより、一次燃焼領域Ａ１と二次燃焼領域Ａ２の間で燃焼ガスと二次空気が急速に混合され、二次燃焼領域Ａ２において燃焼ガスと二次空気との混合気を酸素過剰状態で希薄燃焼させて、燃焼ガスを生成して燃焼器ライナ９から排出する。
【００２８】
ここで、複数のアウタ二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈがアウタライナ１１の外周面に複数のアウタスリーブ２５，２７を介して設けられかつ複数のインナ二次空気導入孔２９ｈ，３１ｈがインナライナ１３の内周面に複数のインナスリーブ２９，３１を介して設けられているため、前述のように、燃焼室１７内に導入される二次空気の貫通度を高く設定することができる。また、複数のアウタ二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ及び複数のインナ二次空気導入孔２９ｈ，３１ｈが非対向になるように周方向に沿って互い違いに配置されているため、複数のアウタ二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈから導入された二次空気と複数のインナ二次空気導入孔２９ｈ，３１ｈから導入された二次空気との衝突による強い逆流を阻止できる。更に、燃料噴射弁１９に近い側の二次空気導入孔２５ｈ，２９ｈの開口面積が燃料噴射弁１９に遠い側の二次空気導入孔２７ｈ，３１ｈの開口面積よりも大きくなるように設定されているため、燃焼室１７内における周方向の燃料の濃淡分布に応じて、燃焼室１７内に二次空気が導入されることになる。
【００２９】
前述の一次燃焼領域Ａ１における過濃燃焼と二次燃焼領域Ａ２における希薄燃焼が連続して行われることにより、低ＮＯｘ燃焼器１の下流側に配設されたタービン（図示省略）を駆動して、ジェットエンジンの稼動を継続することができる。
【００３０】
ここで、前記二次空気の流量比が２０〜７０％になるように複数の二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ，２９ｈ，３１ｈの総開口面積が設定されているため、各二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ，２９ｈ，３１ｈを燃料噴射弁１９に近づけることにより、具体的には、各二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈ，２９ｈ，３１ｈの主流方向の位置Ｐが前記所定の箇所からその上流側の位置に設定されることにより、低ＮＯｘ燃焼器１の運転中におけるＮＯｘ、ＣＯ、ＴＨＣの排出量を低減できる。換言すれば、一次燃焼領域Ａ１により燃焼安定性を確保した上で、低ＮＯｘ燃焼器１の運転中におけるＮＯｘ、ＣＯ、ＴＨＣの排出量の低減を図りつつ、燃焼室１７内において二次燃焼領域Ａ２を十分に確保することができる。
【００３１】
従って、本発明の実施形態によれば、一次燃焼領域Ａ１により燃焼安定性を確保した上で、低ＮＯｘ燃焼器１の運転中におけるＮＯｘ、ＣＯ、ＴＨＣの排出量の低減を図りつつ、燃焼室１７内において二次燃焼領域Ａ２を十分に確保できるため、一次燃焼領域Ａ１における過濃燃焼によって排出されたスモーク（煤煙）を二次燃焼領域Ａ２において十分に燃焼（希薄燃焼）させて、低ＮＯｘ燃焼器１の運転中におけるスモークの排出量を低減することができる。よって、低ＮＯｘ燃焼器１の運転中におけるＮＯｘ、ＣＯ、ＴＨＣの排出量の低減とスモークの排出量の低減を両立させることができる。
【００３２】
特に、複数のアウタ二次空気導入孔２５ｈ，２７ｈから導入された二次空気と複数のインナ二次空気導入孔２９ｈ，３１ｈから導入された二次空気との衝突による強い逆流を阻止できるため、一次燃焼領域Ａ１が希釈されて、一次燃焼領域Ａ１の火炎温度が局所的に高くなることを抑えることができる。また、燃焼室１７内における周方向の燃料の濃淡分布に応じて、燃焼室１７内に二次空気が導入されるため、二次燃焼領域Ａ２における混合気の均質性（混合度合い）を高めることができる。よって、低ＮＯｘ燃焼器１の運転中におけるＮＯｘの排出量を十分に低減することができる。
【００３３】
具体的には、燃焼試験の結果、低ＮＯｘ燃焼器１の運転中におけるＮＯｘの排出量及びスモークの排出量をＩＣＡＯ規制値（２００４年施行基準）の半分以下に低減できることが確認された。また、低ＮＯｘ燃焼器１の出口温度不均一率ＰＴＦ（ＰＴＦ＝（燃焼器出口最大温度−燃焼器出口平均温度）／燃焼器平均温度上昇）が０．２よりも小さくできることが確認された。
【００３４】
なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限るものでなく、例えばアニュラ型の低ＮＯｘ燃焼器１に適用した技術的思想をカン型の低ＮＯｘ燃焼器（図示省略）に適用する等、その他、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。
【符号の説明】
【００３５】
Ａ１ 一次燃焼領域
Ａ２ 二次燃焼領域
Ｇ 定在渦
Ｓ 噴霧流
１ 燃焼器
３ 燃焼器ケース
５ アウタケース
７ インナケース
９ 燃焼器ライナ
１１ アウタライナ
１３ インナライナ
１５ 隔壁
１７ 燃焼室
１９ 燃料噴射弁
２１ 燃料供給管
２３ スワラ
２５ アウタスリーブ
２５ｈ アウタ二次空気導入孔
２７ アウタスリーブ
２７ｈ アウタ二次空気導入孔
２９ インナスリーブ
２９ｈ インナ二次空気導入孔
３１ インナスリーブ
３１ｈ インナ二次空気導入孔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンに用いられ、ＮＯｘの排出量を低減しつつ、燃料と空気との混合気を燃焼させて、燃焼ガスを生成するＲＱＬ方式の低ＮＯｘ燃焼器であって、
上流側に隔壁を備え、内側に混合気を燃焼させるための燃焼室を有した燃焼器ライナと、
前記隔壁に設けられ、前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記隔壁に設けられ、前記燃焼室内に一次空気を導入する一次空気導入部材と、を具備し、
前記燃焼器ライナの周面に二次空気を前記燃焼室内に導入する複数の二次空気導入孔が周方向に沿って間隔を置いて設けられ、前記燃焼室内における前記二次空気導入孔の上流側に燃料と一次空気との混合気を燃料過濃状態で過濃燃焼させるための一次燃焼領域が形成されると共に、前記燃焼室内における前記二次空気導入孔の下流側に前記一次燃焼領域からの燃焼ガスと二次空気との混合気を酸素過剰状態で希薄燃焼させるための二次燃焼領域が形成されるようになっており、
各二次空気導入孔の前記主流方向の位置は、非燃焼状態において平均流速で流れる流れが前記燃焼室内に滞留する滞留時間の１／３時間で到達する箇所からその上流側の位置に設定されていることを特徴とするＲＱＬ方式の低ＮＯｘ燃焼器。
【請求項２】
複数の前記二次空気導入孔の総開口面積は、前記燃焼室内に導入される全ての空気の流量に対する複数の前記二次空気導入孔から導入される二次空気の流量の比が２０〜７０％になるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載のＲＱＬ方式の低ＮＯｘ燃焼器。
【請求項３】
前記燃焼器ケース及び前記燃焼器ライナは中空環状を呈し、前記隔壁は環状を呈してあって、前記燃料噴射弁が前記隔壁に周方向に沿って間隔を複数設けられ、前記一次空気導入部材が前記隔壁における各燃料噴射弁の周囲に設けられ、
複数の前記二次空気導入孔は、前記燃焼器ライナの外周面に周方向に沿って間隔を置いて設けられた複数のアウタ二次空気導入孔と、前記燃焼器ライナの内周面に周方向に沿って間隔を置いて設けられた複数のインナ二次空気導入孔とからなり、複数の前記アウタ二次空気導入孔及び複数の前記インナ二次空気導入孔は、非対向になるように周方向に沿って互い違いに配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＲＱＬ方式の低ＮＯｘ燃焼器。
【請求項４】
前記燃料噴射弁に近い側の前記アウタ二次空気導入孔の開口面積は、前記燃料噴射弁に遠い側の前記アウタ二次空気導入孔の開口面積よりも大きくなるように設定され、前記燃料噴射弁に近い側の前記インナ二次空気導入孔の開口面積は、前記燃料噴射弁に遠い側の前記インナ二次空気導入孔の開口面積よりも大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項３に記載のＲＱＬ方式の低ＮＯｘ燃焼器。
【請求項５】
各二次空気導入孔は、前記燃焼器ライナに設けられたスリーブの内側に有していることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれかの請求項に記載のＲＱＬ方式の低ＮＯｘ燃焼器。
【請求項１】
ガスタービンに用いられ、ＮＯｘの排出量を低減しつつ、燃料と空気との混合気を燃焼させて、燃焼ガスを生成するＲＱＬ方式の低ＮＯｘ燃焼器であって、
上流側に隔壁を備え、内側に混合気を燃焼させるための燃焼室を有した燃焼器ライナと、
前記隔壁に設けられ、前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記隔壁に設けられ、前記燃焼室内に一次空気を導入する一次空気導入部材と、を具備し、
前記燃焼器ライナの周面に二次空気を前記燃焼室内に導入する複数の二次空気導入孔が周方向に沿って間隔を置いて設けられ、前記燃焼室内における前記二次空気導入孔の上流側に燃料と一次空気との混合気を燃料過濃状態で過濃燃焼させるための一次燃焼領域が形成されると共に、前記燃焼室内における前記二次空気導入孔の下流側に前記一次燃焼領域からの燃焼ガスと二次空気との混合気を酸素過剰状態で希薄燃焼させるための二次燃焼領域が形成されるようになっており、
各二次空気導入孔の前記主流方向の位置は、非燃焼状態において平均流速で流れる流れが前記燃焼室内に滞留する滞留時間の１／３時間で到達する箇所からその上流側の位置に設定されていることを特徴とするＲＱＬ方式の低ＮＯｘ燃焼器。
【請求項２】
複数の前記二次空気導入孔の総開口面積は、前記燃焼室内に導入される全ての空気の流量に対する複数の前記二次空気導入孔から導入される二次空気の流量の比が２０〜７０％になるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載のＲＱＬ方式の低ＮＯｘ燃焼器。
【請求項３】
前記燃焼器ケース及び前記燃焼器ライナは中空環状を呈し、前記隔壁は環状を呈してあって、前記燃料噴射弁が前記隔壁に周方向に沿って間隔を複数設けられ、前記一次空気導入部材が前記隔壁における各燃料噴射弁の周囲に設けられ、
複数の前記二次空気導入孔は、前記燃焼器ライナの外周面に周方向に沿って間隔を置いて設けられた複数のアウタ二次空気導入孔と、前記燃焼器ライナの内周面に周方向に沿って間隔を置いて設けられた複数のインナ二次空気導入孔とからなり、複数の前記アウタ二次空気導入孔及び複数の前記インナ二次空気導入孔は、非対向になるように周方向に沿って互い違いに配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＲＱＬ方式の低ＮＯｘ燃焼器。
【請求項４】
前記燃料噴射弁に近い側の前記アウタ二次空気導入孔の開口面積は、前記燃料噴射弁に遠い側の前記アウタ二次空気導入孔の開口面積よりも大きくなるように設定され、前記燃料噴射弁に近い側の前記インナ二次空気導入孔の開口面積は、前記燃料噴射弁に遠い側の前記インナ二次空気導入孔の開口面積よりも大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項３に記載のＲＱＬ方式の低ＮＯｘ燃焼器。
【請求項５】
各二次空気導入孔は、前記燃焼器ライナに設けられたスリーブの内側に有していることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれかの請求項に記載のＲＱＬ方式の低ＮＯｘ燃焼器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−１０４５９５（Ｐ２０１３−１０４５９５Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４７６１７（Ｐ２０１１−２４７６１７）
【出願日】平成２３年１１月１１日（２０１１．１１．１１）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１１日（２０１１．１１．１１）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
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