燃焼器及び燃焼器の改造方法
【課題】本発明の目的は、燃焼器の信頼性を維持することにある。
【解決手段】本発明は、下流側の燃焼室に燃料を噴出する燃料ノズルと、該燃焼室の上流側に面し、前記燃料ノズルと前記燃焼室との間に設置された平板状の空気孔プレートを備え、前記空気孔プレートは、燃料流及び該燃料流の外周側に形成された空気流が前記燃焼室に噴出する空気孔を、前記空気孔プレートの中心に対して円周方向に等間隔で複数個並べた燃焼器であって、独立に運用できる複数個のバーナと、円周方向に並ぶ前記空気孔のうち、前記空気孔から噴出した燃料流および空気流が前記燃焼室の内壁面にあたる位相、又は、隣接する２つの前記バーナと干渉する位相における前記空気孔同士の間隔が、前記位相以外の空気孔同士の間隔に比べて広いことを特徴とする。
【効果】本発明によれば、燃焼器の信頼性を維持できる。
【解決手段】本発明は、下流側の燃焼室に燃料を噴出する燃料ノズルと、該燃焼室の上流側に面し、前記燃料ノズルと前記燃焼室との間に設置された平板状の空気孔プレートを備え、前記空気孔プレートは、燃料流及び該燃料流の外周側に形成された空気流が前記燃焼室に噴出する空気孔を、前記空気孔プレートの中心に対して円周方向に等間隔で複数個並べた燃焼器であって、独立に運用できる複数個のバーナと、円周方向に並ぶ前記空気孔のうち、前記空気孔から噴出した燃料流および空気流が前記燃焼室の内壁面にあたる位相、又は、隣接する２つの前記バーナと干渉する位相における前記空気孔同士の間隔が、前記位相以外の空気孔同士の間隔に比べて広いことを特徴とする。
【効果】本発明によれば、燃焼器の信頼性を維持できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼器及び燃焼器の改造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用電力を支える発電プラントのひとつに、天然ガスや石油などの化石資源を燃料とするガスタービン発電プラントがある。このガスタービン発電プラントは化石資源を燃料とし、地球温暖化物質の二酸化炭素（ＣＯ2）を排出するため、これまで以上に発電効率の向上が求められている。発電効率を向上させる手段として、ガスタービン燃焼器から排出される燃焼ガスの高温化が挙げられる。しかし、燃焼ガスの高温化に伴い、燃焼ガス中に含まれる環境阻害物質である窒素酸化物（ＮＯｘ）が指数関数的に増加する。そのため、発電効率を高めながらＮＯｘを低減する対策が重要な技術課題となっている。
【０００３】
また、近年では地球温暖化防止の観点から、製鉄プロセスのコークス炉で発生するコークス炉ガス（ＣＯＧ）などの水素含有燃料でガスタービン発電プラントを運用する事例も増加しつつある。水素含有燃料としては、上に挙げたコークス炉ガスの他に、石油精製過程で発生するオフガスと呼ばれる副生ガスや、石炭ガス化発電プラント（ＩＧＣＣ）で用いられる石炭ガス化ガス等が挙げられる。燃料中に含まれる水素は可燃範囲が広く燃焼速度が速いため、燃焼装置の壁面近傍で高温の火炎を形成し、燃焼装置の信頼性を損なう場合がある。局所的に高温の火炎を作らないため、燃料を分散させ、燃焼器全体で均一に燃焼させることが有効な手段である。
【０００４】
そこで、特許文献１には、燃料ノズルと燃焼室との間に空気孔プレートを配置し、空気孔プレートに設けられた空気孔の内部において、燃料流及び燃料流の外周側に形成された空気流を燃焼室に噴出させる技術を開示する。この特許文献１の燃焼器によれば、空気に対する燃料の分散性を高めてＮＯｘを低減することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１４８７３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の空気孔プレートは、燃焼室側のプレート面に配置された空気孔出口が、空気孔プレートの中心部に対して周方向に並び、等間隔に配置されている。しかしながら水素含有燃料を使用する場合には、燃焼速度が速いために火炎温度が上昇する。そのため、火炎が燃焼器壁面に接する位置近傍で、燃焼器壁面の温度が上昇し、燃焼器の信頼性を損なう場合があった。また、複数の火炎が互いに接する領域は、隣接する火炎同士によって変形させられる。そのため、圧力変動などを引き起こし、燃焼器の信頼性を損なう場合があった。
【０００７】
本発明の目的は、燃焼器の信頼性を維持することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、独立に運用できる複数個のバーナと、円周方向に並ぶ空気孔のうち、空気孔から噴出した燃料流および空気流が燃焼室の内壁面にあたる位相、又は、隣接する２つのバーナと干渉する位相における空気孔同士の間隔が、前記位相以外の空気孔同士の間隔に比べて広いことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃焼器の信頼性を維持できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例１における空気孔プレートを示した構造図である。
【図２】燃焼器の概略構造と燃焼器内部における燃料流・空気流の流れ方向を示したものである。
【図３】燃料ノズルの先端部を拡大した図である。
【図４】実施例１に関する燃焼器を採用したガスタービンシステムの概略構成図である。
【図５】実施例１において隣接する外周バーナの火炎同士が互いに接するような燃焼器軸方向の位置における混合気噴流の位置を示した図である。
【図６】実施例１において外周バーナの火炎が燃焼器ライナーに接するような燃焼器軸方向の位置における混合気噴流の位置を示した図である。
【図７】実施例２における燃焼器の概略構造を示したものである。
【図８】実施例２における空気孔プレートを示した構造図である。
【図９】燃焼器の軸方向の位置を示す図である。
【図１０】図９に示すＸ−Ｘの断面における混合気噴流の断面内の位置を示す図である。
【図１１】図９に示したＹ−Ｙ断面における混合気噴流の断面内の位置を示す図である。
【図１２】空気孔出口から噴出した混合気の燃焼反応の進行状況を時間経過にしたがって示す図である。
【図１３】実施例１に示す空気孔プレート２０から噴出した混合気の燃焼室内での噴出軌跡を示す図である。
【図１４】燃焼器ライナー３の壁に最も早く到達する、空気孔の開口する位相ψ1を、最外周に位置する空気孔に与える旋回角に対して示す図である。
【図１５】燃焼反応完了時間τ2に燃焼器ライナー３壁に到達する空気孔の開口する位相ψ′1を示す図である。
【図１６】空気孔に旋回角θに加えて内傾角φを付与した場合の空気孔プレート２０から噴出した混合気の燃焼室内での噴出軌跡を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１２】
図４は、本実施例に関する燃焼器１００を採用したガスタービンシステムの概略構成図である。
【００１３】
圧縮機５によって生成された圧縮空気１０は、燃焼器１００の車室７に流入する。
【００１４】
燃焼器１００は、燃焼器外筒２の内部において、燃料と空気の混合気１９をその内部で燃焼させる燃焼器ライナー３と、燃焼器ライナー３の内部に形成された燃焼室１を備える。圧縮機５から供給された圧縮空気１０は、燃焼器外筒２と燃焼器ライナー３の間の空間を通り、一部の圧縮空気１０は燃焼器ライナー３を冷却する冷却空気１１となる。また、残る圧縮空気１０は燃焼用空気１２として、燃焼器エンドカバー８と空気孔プレート２０の間の空間に入る。
【００１５】
一方、燃料１４は燃焼器エンドカバー８外部から燃料分配器２３に流入し、空気孔プレート２０の上流側に配置された燃料ノズル２２から噴出される。本実施例に示す燃焼器１００は、独立に運用できる複数のバーナを備えており、特に燃焼器中心部に位置し着火から起動部分で運用される起動用バーナと、特に負荷運用を担う外周バーナとに分類できる。起動用バーナに供給される燃料（起動用燃料１７）は燃料圧力調整弁１５ａおよび燃料流量調整弁１５ｂを介して所定の流量に調整されて燃焼器１００に供給される。また、外周バーナに供給される燃料（外周バーナ燃料１８）は燃料圧力調整弁１６ａおよび燃料流量調整弁１６ｂを介して所定の流量に調整されて燃焼器１００に供給される。空気孔プレート２０には、空気孔プレートの中心軸に対して円周方向に複数の空気孔２１が、等間隔に配置されている。空気孔２１から噴出した燃料流・空気流は、燃焼室１で火炎を形成する。その後、燃焼ガス１３は燃焼器尾筒４を流れ、タービン６に流入し、発電機などを駆動する。
【００１６】
図３は、燃料ノズル２２の先端部を拡大した図である。平板状の空気孔プレート２０は、燃料ノズル２２と燃焼室１との間に配置されている。また、空気孔プレート２０の上流側には、圧縮機５からの圧縮空気１０が空気孔プレート２０より上流側に引き込まれている。燃料ノズル２２は空気孔２１の上流側に配置されている。そのため、燃料ノズル２２から噴出した燃料流１４が空気孔２１の内部に流入する。また、空気孔プレート２０の上流側から供給される燃焼用空気１２も、燃料ノズル２２の外周側から空気孔２１に流入する。この時、燃焼用空気１２は、空気孔プレート２０の上流側に形成された広い空間から、狭い空間の空気孔２１に流入する。従って、空気孔２１の内部では、燃料流及び燃料流の外周側に形成された環状の空気流が燃焼室１に向かって流れるものと考えられる。そして、空気孔２１を通過した燃料流及び空気流は、空気孔２１より広い空間の燃焼室１に一気に噴出するため、燃焼室１において燃料流と空気流が急速に混合する。
【００１７】
このように、空気孔プレートに複数の空気孔を配置し、空気孔の上流側に燃料ノズルを配置すると、燃焼室に流入した燃料は急速に分散するため、燃料と空気の混合度が増加し、短距離で急速に混合できる。このような構成では、空気孔内部において燃料流が中心部を流れ、燃料流の周囲を空気流が流れているため、燃料ノズルのごく近傍では可燃範囲の混合気が形成されない。また、空気孔内部の非常に狭い領域で混合が進行するため、空気孔の内部に燃焼ガスが進入しにくく、逆火しにくい特徴を持つ。
【００１８】
上記に示す燃料ノズル・空気孔の位置関係において、空気孔２１の中心軸は空気孔プレート２０の円周方向に傾斜している。従って、空気孔２１から噴出する燃料流及び空気流は、空気孔２１の中心軸に沿って燃焼室１に噴射される。このように、空気孔２１は空気孔プレート２０の円周方向に傾斜しているため、空気孔２１から噴射された燃料流と空気流は、燃焼室１の内部で螺旋状に旋回しながら下流側へ流れる旋回流となる。
【００１９】
図２は燃焼器１００の概略の構造と燃焼器内部における燃料流・空気流の流れ方向を示したものである。本実施例では、空気孔プレート２０から噴出した旋回流３１は螺旋状に旋回しながら旋回半径が拡大する。従って、燃焼室中心軸において下流側から上流側に向かって圧力が低下する逆圧力勾配領域が生成され、燃焼した混合気の一部は循環流３２となって空気孔プレート側に逆流する。この循環流３２のもたらす高温燃焼ガスの熱を用いて空気孔から供給される混合気に活性化エネルギーを与えることで燃焼反応が維持され、燃焼器内に円錐状の火炎が形成される。
【００２０】
前述のように本実施例に示す燃焼器１００は、独立に運用できる７本のバーナを備えている。特に、燃焼器中心部に位置し着火から起動時に運用される１本の起動用バーナと、負荷運用を担う６本の外周バーナとに分類できる。
【００２１】
図１は、空気孔プレート２０を示した図である。（ａ）は空気孔プレート２０を燃焼室１側から見た図、（ｂ）は空気孔プレートのうち１つの外周バーナに注目して抜き出した図を示す。空気孔プレート２０の破線で囲った中心部には、前述の起動用バーナ４０に対応する空気孔２１が設けられている。起動用バーナ４０の空気孔２１には、空気孔２１から噴出する燃料と空気の混合気が燃焼室側から見て時計回りに旋回するように旋回角が付与されている。空気孔に与える旋回角θは、空気孔の中心軸と、空気孔が配置された円周上の接線とのなす角である。
【００２２】
また本実施例には起動用バーナ４０の外周に、６本の外周バーナ５０に対応する空気孔２１が設けられている。外周バーナ５０の空気孔は同一のピッチ円を持つ３列の空気孔群からなり、１列目空気孔２１−１，２列目空気孔２１−２，３列目空気孔２１−３それぞれに、空気孔から噴出する燃料と空気の混合気が燃焼室側から見て反時計回りに旋回するよう旋回角が付与されている。
【００２３】
なお、前述の空気孔は、円形以外の形状（例えば矩形スロット）でも成立する。
【００２４】
図１（ａ）には、燃料ノズル側の空気孔プレート２０の下流外側に位置する燃焼器ライナー３の位置を破線で示す。また、図１（ｂ）において、外周バーナ５０の空気孔は同一のピッチ円を持つ３列の空気孔群、１列目空気孔２１−１，２列目空気孔２１−２，３列目空気孔２１−３からなる。１列目空気孔２１−１，２列目空気孔２１−２の空気孔は、空気孔プレートの中心に対して円周方向に等間隔で並べられている。一方、最外周に位置する３列目空気孔２１−３は、３列目ピッチ円半径５２の円周上に配置されているが、空気孔から噴出する混合気が始めて燃焼器壁面に到達する位相から、空気孔から噴出する混合気が隣接バーナから噴出する混合気と干渉を開始する位相に相当する干渉回避部分５４には空気孔が配置されていない。そのため、干渉回避部分５４は、他の空気孔同士の間隔に比べ、間隔が広くなっている。
【００２５】
前述のようにそれぞれのバーナにおいて、空気孔プレート２０から噴出した燃料と空気の混合気は螺旋状に旋回しながら拡大して円錐状の火炎を形成するので、干渉回避部分５４は燃焼器ライナー３および隣接するバーナと直面する位置から旋回方向を遡った（時計回りに回った）位相となっている。このため、干渉回避部分５４を持つことで、外周バーナ５０は起動用バーナ４０に向けてきり欠いたような３列目空気孔の配置を持つこととなる。即ち、３列目空気孔において、空気孔同士の間隔に広狭を設ける。
【００２６】
空気孔プレート２０近傍の領域では、起動用バーナ４０の火炎の燃焼ガス１３の一部が、上述の３列目空気孔配置の切り欠いた部分から外周バーナの領域に向けて流れ込むこととなる。外周バーナ５０は起動用バーナ４０と逆方向の旋回をなしているため、外周バーナ領域に流入した燃焼ガス１３は外周バーナ５０自身の旋回流によって、さらに巻き込まれる。そして、起動用バーナ４０の燃焼ガスの熱量が外周バーナの混合気に合流することで、外周バーナ５０の燃焼安定性を強化し、燃焼器の信頼性を維持することが可能になる。また、特に外周バーナ５０に点火を行う際には、起動用バーナ４０の燃焼ガスが効果的に外周バーナ５０側に受け渡されるので、火移りが良くなる効果がある。
【００２７】
図５は、隣接する外周バーナ５０の火炎同士が互いに接する燃焼器軸方向の下流位置において、空気孔２１から噴出した燃料と空気の混合気噴流を下流方向から見た図である。
前述のように、空気孔２１から噴出する燃料と空気の混合気は螺旋状に旋回半径を拡大しながら流れて円錐状の火炎を形成する。そのため、隣接する外周バーナ５０の火炎同士が互いに接するような燃焼器軸方向の下流位置においては、起動用バーナの混合気噴流は時計方向に、外周バーナの混合気噴流は反時計方向に回転する。
【００２８】
このため、空気孔プレート２０の付近において、干渉回避部分５４は外周バーナと起動用バーナ４０との間にある。そして、外周バーナ５０の火炎同士が互いに接するような燃焼器軸方向の下流位置（図５）では、干渉回避部分５４に相当する混合気噴流のない領域が外周バーナ間の空間に位置する。そのため、外周バーナ５０相互の火炎の干渉が回避できる。
【００２９】
次に、比較例１として、干渉回避部分がなく、本実施例の干渉回避部分にも混合気の噴流がある場合を検討する。比較例の場合、外周バーナ５０の間の空間では燃焼器ライナー３側から燃焼器中心に向かう速度成分を持つ混合気と、隣のバーナからの燃焼器中心から燃焼器ライナー３側に向かう混合気が大きな速度成分の差をもって隣り合うことになり、強い剪断を生じることになる。
【００３０】
火炎に強い剪断が作用すると火炎面が変形して火炎の表面積が増大することで見かけの燃焼速度が上がり、急激な熱発生を呈して圧力変動を生み出す場合がある。また剪断が極端に強くなると火炎面の変形に伴う表面積の増加に燃焼速度が追いつかなくなり、火炎がもみ消されるような現象が起きるため、急激な熱発生と火炎の消失が交互に繰り返される状況が生まれ、大きな圧力変動が発生する。
【００３１】
特に水素を燃料に含む場合には、元々の燃焼速度が速く可燃範囲が広いため、火炎が大きな剪断変形を受けても火炎がもみ消される限界が高くなり、上記のような圧力変動を生じると圧力変動振幅が非常に大きくなる可能性がある。したがって燃焼反応が活発に起きている領域では極力大きな剪断を生じさせないことが、水素を燃料に含む場合には重要である。干渉回避部分５４を設けることで隣接するバーナ間の空間で逆方向の速度成分を持つ混合気の噴流が干渉しあうことを回避でき、大きな剪断が生じない。
【００３２】
また干渉回避部分５４に相当する混合気噴流のない領域に起動用バーナからの燃焼ガス１３が流入するので、燃焼安定性が改善する。
【００３３】
図６は、外周バーナ５０の火炎が燃焼器ライナー３に接するような燃焼器軸方向の下流位置において、空気孔２１から噴出した燃料と空気の混合気噴流を下流側から見た図である。前述のように空気孔２１から噴出する燃料と空気の混合気は螺旋状に旋回半径を拡大しながら流れて円錐状の火炎を形成する。そのため、外周バーナ５０の火炎が燃焼器ライナー３に接するような燃焼器軸方向の位置においては、混合気噴流の位置が起動用バーナに関しては時計方向に、外周バーナに関しては反時計方向に回転している。
【００３４】
このため、空気孔プレート２０の位置では干渉回避部分５４は起動用バーナ４０との間にある。そして、図６に示す外周バーナ５０の火炎が燃焼器ライナー３に接するような燃焼器軸方向の下流位置は、干渉回避部分５４に相当する混合気噴流のない領域が燃焼器ライナー３に面している位置になっており、燃焼器壁面に高温の火炎が干渉して局所的な高温部分を生むことが回避できる。
【００３５】
本実施例に対し、干渉回避部分がなく、本実施例の干渉回避部分にも混合気の噴流がある比較例２の場合、燃焼器ライナー３に直接火炎が吹きつけて局所的に高温な領域を生み出す。特に水素を含む燃料を使用する場合、水素は消炎距離が非常に小さく金属壁の極近傍まで火炎が接近できる上、燃焼速度が速いために燃焼ガス温度が高温になる。そのため、火炎が燃焼器ライナー３に直接あたるとライナー壁面の温度上昇は他の燃料に比較して非常に大きくなる。したがって燃焼反応が活発に起きている領域では、火炎が直接に燃焼器ライナー３にあたらないことが、水素を燃料に含む場合には重要である。干渉回避部分５４を設けることで、燃焼器ライナー３に直接火炎があたることを回避でき、燃焼器ライナー３に局所的な高温領域を生じないことが可能になる。
【００３６】
次に図１において、干渉回避部分を設ける位相について説明する。ここで、外周バーナ５０の中心５１から燃焼器ライナー３内面までの距離６１をＬ1、隣接する外周バーナの中心５１を結んだ直線距離６２をＬ2とする。また、外周バーナ３列目空気孔のピッチ円の半径５２をｒとし、外周バーナ５０の中心５１から燃焼器ライナー３内面に下ろした垂線と隣接する外周バーナの中心５１を結んだ直線のなす角５３をαと表す。角度の開始位置は外周バーナ５０の中心５１から燃焼器ライナー３内面に下ろした垂線にとり、旋回方向を遡る方向（本実施例では時計回り方向）に角度の増加を定義し、角度の単位は全円を３６０度とする単位を使用する。また３列目空気孔に与える旋回角をθ°と定義する。さらに３列目空気孔の直径をｄとする。
【００３７】
空気孔から噴出する混合気が始めて燃焼器壁面に到達する位相ψ1は、次式（１）で近似できる。
【００３８】
【数１】
【００３９】
また、空気孔から噴出する混合気が隣接バーナから噴出する混合気と干渉する位相ψ2は次式（２）で近似できる。
【００４０】
【数２】
【００４１】
上式（１）および（２）により求められるψ1からψ2の角度範囲にあたる位相の領域を干渉回避部分５４とすれば良い。ただし、空気孔を配置する個数や角度のピッチの関係で干渉回避部分５４の開始位置ψ1および終了位置ψ2は多少前後しても同等の効果は確保できる。
【００４２】
実施例１では外周バーナが３列で構成される場合について示したが、２列で構成される場合には２列目、４列以上で構成される場合には最外周にあたる列に上記の構成を採用すれば同様の効果が得られる。
【００４３】
なお、既存の燃焼器が平板状の空気孔プレートを備えている場合には、本実施例の空気孔プレートに取り替えることにより、本実施例の効果を得ることもできる。
【実施例２】
【００４４】
図７は、実施例２における燃焼器１００の概略の構造と燃焼器内部における燃料流・空気流の流れ方向を示したものである。実施例１と異なる部分の構成について説明する。構成上で異なる点は、起動用燃料１７として油燃料を用いていることで、起動用バーナの中央には油燃料用の噴射ノズルが設けられている。また、油燃料噴射ノズルの周囲に、外周バーナ燃料１８を用いるバーナが構成されていて、両者を合わせて起動用バーナとしていることも実施例１と異なる。水素を含む燃料の場合には、ガスタービン起動時に着火に失敗すると、燃焼しないまま排出された燃料が下流側の機器内で燃焼する可能性がある。そのため、安全のために水素を含まない燃料で着火および途中までの起動を行い、起動過程で順次水素を含む燃料を投入していく場合もある。本実施例は上記のような事例に対する燃焼器である。
【００４５】
図８に実施例２における空気孔プレート２０を燃焼室側から見た正面図を示す。実施例１と異なる部分の構成について説明する。まず前述のように空気孔プレート２０の中央に起動用燃料１７の油燃料用噴射ノズル４１が設けられており、その周囲に外周バーナ燃料１８を用いる起動用バーナの空気孔２１が開口している。起動用バーナの空気孔は実施例１と同様に、空気孔から噴出する燃料と空気の混合気が時計周りに旋回するよう旋回角を与えられている。
【００４６】
一方、外周バーナ５０については６本の外周バーナのうち、３本に関しては空気孔から噴出する燃料と空気の混合気が反時計周りに旋回するよう旋回角を与え、残りの３本に関しては空気孔から噴出する燃料と空気の混合気が時計周りに旋回するよう旋回角を与えている。また、反時計回りの旋回を与えた外周バーナ５０と時計回りの旋回を与えた外周バーナ５０を交互に配置していることが、実施例１と異なっている。
【００４７】
また個別の外周バーナ５０に関しては、空気孔２１に旋回角θを付与するだけでなく、空気孔２１が外周バーナ中心５１に向かって内向きに傾斜するよう内傾角φを与えていることが実施例１と異なっている。
【００４８】
さらに外周バーナ５０の外側には、燃焼器ライナー３を保護するための冷却空気孔６０が配置されている。
【００４９】
本実施例では、実施例１と比較して次の効果がある。第１に、互いに逆回転の旋回を行う外周バーナ５０を交互に配置したことにより、隣接する外周バーナ５０の間の空間では空気孔から噴出した燃料と空気の混合気噴流の持つ速度成分が同じ方向に向かうので、隣接する外周バーナの火炎同士で干渉を引き起こさず、逆に互いの旋回を強め合って燃焼安定性が向上することである。
【００５０】
第２に、互いに逆回転の旋回を行う外周バーナを交互に配置したことにより、外周バーナ５０の干渉回避部分５４が２つの外周バーナ５０で連通するような配置になり、起動用バーナ４０からの燃焼ガス１３が外周バーナ５０の領域に流入しやすくなる。しかも連通した干渉回避部分５４の両側には、ともに燃焼器中心軸方向から燃焼器ライナー３の方向に向かう流れがあるため、起動用バーナ４０からの燃焼ガス１３を引き込む効果がより強くなり、起動用バーナ４０からの熱量が積極的に外周バーナ５０に渡される。このことにより火移り性能および燃焼安定性が改善する。
【００５１】
第３に、外周バーナ５０に関しては、空気孔２１に旋回角θを付与するだけでなく、空気孔２１が外周バーナ中心５１に向かって内向きに傾斜するよう内傾角φを与えていることで、空気孔２１から噴出した燃料と空気の混合気は、旋回半径を縮小しながら螺旋状に旋回した後、拡大に転じて流れるようになる。このような混合気の流れができるため、形成される火炎は実施例１に比較して空気孔プレート側の半径が小さくなるとともに、火炎径の拡大が遅くなる。そのため、外周バーナ５０の火炎が燃焼器ライナー３にあたる位置は下流側に移動する。そして、燃焼反応の活発な空気孔近傍の燃焼器ライナー３の冷却に裕度が増し、冷却が容易になる。
【００５２】
次に図８において、干渉回避部分を設ける位相について説明する。ここで、図１と同様に、外周バーナ５０の中心５１から燃焼器ライナー３内面までの距離６１をＬ1、隣接する外周バーナの中心５１を結んだ直線距離６２をＬ2とする。また外周バーナ３列目空気孔のピッチ円の半径５２をｒとし、外周バーナ５０の中心５１から燃焼器ライナー３内面に下ろした垂線と隣接する外周バーナの中心５１を結んだ直線のなす角５３をαと表す。
角度の開始位置は外周バーナ５０の中心５１から燃焼器ライナー３内面に下ろした垂線にとり、旋回方向を遡る方向（本実施例では時計回り方向）に角度の増加を定義し、角度の単位は全円を３６０度とする単位を使用する。また３列目空気孔に与える旋回角をθ°と定義する。また、３列目空気孔に与える内傾角をφ°とし、内傾角を空気孔２１−３入口（燃料ノズル側）でのピッチ円と空気孔２１−３出口（燃焼室側）でのピッチ円の半径の差Δと空気孔プレート２０の厚さｔで次式（３）で定義される角度とする。
【００５３】
【数３】
【００５４】
さらに３列目空気孔の直径をｄとする。
【００５５】
空気孔から噴出する混合気が始めて燃焼器壁面に到達する位相ψ1は、次式（４）で近似できる。
【００５６】
【数４】
【００５７】
また、空気孔から噴出する混合気が隣接バーナから噴出する混合気と干渉する位相ψ2は次式（５）で近似できる。
【００５８】
【数５】
【００５９】
上式（４）および（５）により求められるψ1からψ2の角度範囲にあたる位相の領域を干渉回避部分５４とすれば良い。ただし、空気孔を配置する個数や角度のピッチの関係で干渉回避部分５４の開始位置ψ1および終了位置ψ2は多少前後しても同等の効果は確保できる。
【００６０】
なお、既存の燃焼器が平板状の空気孔プレートを備えている場合には、本実施例の空気孔プレートに取り替えることにより、本実施例の効果を得ることもできる。
【００６１】
図９に、各バーナにおいて、燃料ノズル２２の先端が空気孔２１の内部に配置された例を示す。前述の各実施例では、燃料ノズル２２の先端が空気孔プレート２０よりも上流側に配置された例を示したが、図９で示すように空気孔プレート２０の内部に位置するようにしてもよい。空気孔プレート２０の下流側に位置するようにしても構わない。特に燃焼速度の速い水素含有燃料を用いる際には、図９のような配置とすることで、燃料と空気の混合具合を適切に設定することができる。
【００６２】
図９に、上記の燃焼器において外周バーナの火炎同士が互いに接するような燃焼器軸方向の位置（図９内に示すＸ−Ｘ）および外周バーナの火炎が燃焼器ライナーに接するような断面の軸方向上の位置（図９内に示すＹ−Ｙ）を明記した図を示す。また図１０に上記の燃焼器において外周バーナの火炎同士が互いに接するような燃焼器軸方向の位置、すなわち図９に示すＸ−Ｘの断面における混合気噴流の断面内の位置を示す。また同様に図１２に上記の燃焼器において外周バーナの火炎が燃焼器ライナーに接するような燃焼器軸方向の位置における混合気噴流の断面内の位置を示す。ここで、円状に記した矢印は、この軸方向位置での混合気１９の旋回方向を示し、その外側の網掛け領域はこの軸方向位置での混合気１９の存在範囲を示す。各矢印は完全な円ではなく、欠けている部分を有する。図１（ｂ）に示した干渉回避部分５４として空気孔及び燃料ノズル２２を配置していない部分が、この欠けている部分に相当する。この干渉回避部分５４からは、空気と燃料との混合気１９は噴出されない。そのためこの部分は、混合気１９の欠損部分となる。
【００６３】
各実施例の空気孔２１には旋回角が設けられており、混合気１９は旋回流として回転しながら燃焼室１へと供給される。そうすると、混合気１９の欠損部分は、下流へと流れるにしたがってその位相を変えながら存在し続けることとなる。この混合気１９の欠損部分を効果的に配置させることを目的として、空気孔プレート上に回避干渉部分５４を設けたことが、各実施例の燃焼器の特徴の一つである。
【００６４】
以上説明した各実施例の燃焼器を用いると、以下２点の大きな効果を得ることができる。一つは、燃焼器ライナー３への熱によるダメージを低減できることである。これは、燃焼器ライナー３への火炎の接近を抑制することで達成可能である。もう一つは、隣接するバーナから噴出される旋回流の相対速度が大きいことにより発生する圧力変動を抑制できることである。
【００６５】
各実施例では、燃料を噴出する複数の燃料ノズル２２と、燃料ノズル２２から噴出された燃料と空気とを燃焼室１に供給する、中心を同じくした複数の円のそれぞれに沿って複数ずつ配置された空気孔２１を有する空気孔群を複数単位備えた空気孔プレート２０とを有し、空気孔２２に、複数の空気孔群それぞれに対応して前記中心を中心に回転する旋回流が形成されるように旋回角が設けられた燃焼器を示している。
【００６６】
このような燃焼器は、複数のバーナが組み合わされたものと捉えることができる。すなわち図１に示した空気孔プレート２０には、同心円状に三列に並んだ空気孔を一単位の空気孔群として、７単位の空気孔群が配置されている。１単位の空気孔群と、この空気孔群に燃料を供給する燃料ノズル２２とを合わせたものを１単位のバーナとする。そうすると各実施例の燃焼器は、起動用バーナ４０が１つと外周バーナ５０が６つの計７つのバーナが組み合わされたものであるといえる。
【００６７】
各実施例の燃焼器では、例えば図１に示すように起動用バーナ４０の中心である第一の中心の周りに、外周バーナ５０の中心である第二の中心が複数配置されている。さらに、この第一の中心を中心とする円に沿って配置された第一の空気孔群により形成される旋回流と、第二の中心を中心とする円に沿って配置された第二の空気孔群により形成される旋回流とが逆回転になるように構成されている。すなわち起動用バーナ４０から噴出される旋回流と、その外周に配置された複数の外周バーナ５０のうちの少なくとも一つから噴出される旋回流とが逆回転になるように構成されている。旋回方向が逆である隣接するバーナで逆回転の旋回流が接近する領域では、両者の流れがほぼ同じ方向を向いており相対的な速度差が小さくなる。その結果、隣接バーナの旋回流による圧力変動の発生を抑制することが可能となる。
【００６８】
各実施例の燃焼器では、起動用バーナ４０の中心を中心とする円に沿って配置された第一の空気孔群の最外周円に沿って配置された空気孔２１の隣接空気孔間隔は等間隔である。また、外周バーナ５０の中心を中心とする円に沿って配置された第二の空気孔群の最外周円に沿って配置された空気孔２１−３の隣接空気孔間隔について、等間隔でない部分を有している。各実施例の燃焼器では、この等間隔でない部分以外では、空気孔２１−３を等間隔に設けている。等間隔でない部分には、空気孔２１−３を設けていない。この部分が、干渉回避部分５４に相当する。
【００６９】
各実施例の燃焼器では空気孔２１−３を設けていない干渉回避部分５４に相当する領域が図９に示したＹ−Ｙ断面位置において図１１に示すように燃焼器ライナー３と相対する状態となっているため、混合気１９は燃焼器ライナー３から離れた領域にのみ存在するので、混合気１９の反応によって形成される火炎も燃焼器ライナー３から離れた領域にのみ存在する。したがって火炎が燃焼器ライナー３に過度に接近することを抑制でき、燃焼器ライナー３への火炎による熱ダメージを低減することが可能となる。
【００７０】
燃焼反応が進行している途上の火炎には反応中間生成物として例えばＣ2ラジカルやＣＨラジカルなどの不安定な化合物が存在し、安定な二酸化炭素や水蒸気などの化合物に転換する過程にある。このような状態の火炎が燃焼室壁に接近すると、燃焼室を熱的に保護するために供給している冷却空気の一部を利用して反応中間生成物が酸化されて反応熱を開放するため、壁面ごく近傍で発熱が生じるうえ壁面を保護する冷却空気流が減衰する状態となり、壁面温度が局所的に急上昇することとなる。したがって、反応中間生成物が豊富に存在するような反応途上の状態の火炎が燃焼室壁に接近しないように火炎を形成させることが重要である。そのために燃焼反応が完結する時間内に火炎が壁面に到達する位置には空気孔を配置せず燃焼室壁面と火炎との干渉を回避することが各実施例の特徴の一つである。
【００７１】
このように外周バーナ５０から噴出された流体、すなわち第二の空気孔群の空気孔から供給された流体が、その燃焼反応が終わる前に燃焼室壁近傍、より正確に言えば燃焼室壁の消炎距離内へ到達することを抑制するようにすれば、信頼性の高い燃焼器管理が可能となる。
【００７２】
消炎距離とは、壁面に火炎が近づいたときに、壁の熱容量の影響で火炎が消える距離を意味する。換言すれば、火炎は消炎距離までは燃焼室壁面に近接することが可能である。この消炎距離は燃料の燃焼性によって異なり、比較的燃焼速度の遅い天然ガスの場合約２mmであるが、燃焼速度の速い水素リッチ燃料の場合０.４mm程度である。つまり、水素リッチ燃料を用いた方が、火炎が燃焼器ライナー３に与える熱によるダメージは深刻であるといえる。
【００７３】
各実施例の燃焼器で具体的には、第二の空気孔群の最外周円に沿って配置された複数の空気孔２１−３について、空気孔２１−３を設けない領域の起点が、１０度から３５度の範囲内にあり、領域の終点が６０度から８５度の範囲内にあるようにすればよい。なおこの角度は、第一の中心である起動用バーナ４０の中心と、第二の中心である外周バーナ５０の中心をつなぐ直線の、第二の中心から第一の中心とは逆方向に伸びる部分を基準とする。例えば、図１で６１として記載した直線がこの基準に相当する。またこの角度は、第二の空気孔群により形成される旋回流の回転方向の逆方向に数えるものとする。
【００７４】
図１２に空気孔出口から噴出した混合気の燃焼反応の進行状況を時間経過にしたがって示す。図１２には燃焼器に供給される混合気１９の温度Ｔmxからバーナ局所化炎温度Ｔｆまで温度が上昇する間に、燃料として供給された水素および一酸化炭素が消費される様子を示している。図１２では水素および一酸化炭素の濃度を、空気孔出口で供給した際の水素および一酸化炭素の濃度で規格化し水素に関しては点線で一酸化炭素に関しては破線で示している。燃料は水素，一酸化炭素，メタンなどを含む水素リッチ燃料である。
【００７５】
燃焼室１内部に噴出した混合気１９はメタンなどの熱分解により反応中間生成物を生じながら徐々に発熱して温度上昇し、熱分解が十分進行した後に反応中間生成物を酸化しながら急速に熱発生してガス温度が上昇する。一酸化炭素は燃料成分の一部であるがメタンの分解反応の中間生成物でもあり、この間の反応の進行を見る指標として好適である。すなわち空気孔から噴出した後、図１３に示す初期反応完了時間τ1までは主に燃料の熱分解により反応中間生成物が生成する期間であり熱発生は緩慢である。一方、初期反応完了時間τ1から図１３に示す燃焼反応完了時間τ2の間は生成した不安定な反応中間生成物が急速に酸化されて大きな熱発生を行う期間である。
【００７６】
初期反応完了時間τ1までの時間に火炎に過大な速度差が作用する干渉が生じると緩慢な熱発生しか行われていないため反応を維持できなくなるような条件が生まれ、圧力変動を伴う燃焼不安定を生じる危険がある。また初期反応完了時間τ1までの間に燃焼室壁近傍に火炎が侵入すると燃焼室壁に反応熱を奪われて円滑な燃焼反応が進行しなくなる恐れがある。一方、初期反応完了時間τ1から燃焼反応完了時間τ2までの間に燃焼室壁近傍に火炎が侵入すると、燃焼室を熱的に保護するために供給している冷却空気の一部を利用して反応中間生成物が酸化されて反応熱を開放するため、壁面ごく近傍で発熱が生じるうえ壁面を保護する冷却空気流が減衰する状態となり、壁面温度が局所的に急上昇することとなる。したがって初期反応完了時間τ1までの間は隣接する同一旋回方向を持つバーナとの干渉を回避する必要があり、また燃焼反応完了時間τ2までの間は燃焼室壁面への火炎の侵入を回避する必要がある。
【００７７】
図１３に例として実施例１に示す空気孔プレート２０から噴出した混合気の燃焼室内での噴出軌跡を示す。この軌跡（流線）は空気孔に与える旋回角θと空気孔のピッチ円の半径ｒを基にして、バーナ中心５１と空気孔中心軸の間の距離を各軸方向位置について算出することで求めることができる。混合気１９の噴流は徐々に拡散しながらこの軌跡に沿って噴出し燃焼室内１に流出する。図１３に示すように混合気１９−３の噴流軌跡は空気孔から軸方向にある程度進むと燃焼器ライナー３の壁面近傍に達する。この混合気１９−３の噴流が燃焼器ライナー３の壁面近傍に達する位置までの、噴流軌跡に沿った距離を混合気噴出流速で除算した値が、燃焼反応完了時間τ2より小さい場合には混合気１９−３が燃焼反応を完了する以前に燃焼器ライナー３の壁近傍に達するので、燃焼室を熱的に保護するために供給している冷却空気の一部を利用して反応中間生成物が酸化されて反応熱を開放するため、壁面ごく近傍で発熱が生じるうえ壁面を保護する冷却空気流が減衰する状態となり、壁面温度が局所的に急上昇することとなる。図１３には断面図を図示している関係で燃焼器中心軸を通り燃焼器ライナー３壁に直交する面に現れる空気孔のみからの軌跡を示しているが、実際にはピッチ円周上に複数の空気孔が開口しているため混合気１９−３の噴流が燃焼器ライナー３の壁面近傍に達する位置は空気孔２１−３が開口しているライナーに対する位相によって変化する。第一の中心である起動用バーナ４０の中心と、第二の中心である外周バーナ５０の中心をつなぐ直線の、第二の中心から第一の中心とは逆方向に伸びる部分を基準として、旋回方向の逆向きに角度ψ遡った位置に開口する空気孔からの噴流の軌跡は図１３に示す噴流の軌跡を第二の中心である外周バーナ５０の中心周りに角度ψだけ回転させた写像曲線となる。この写像曲線が燃焼器ライナー３近傍に達する位置を求め、その位置への写像曲線に沿った距離を混合気噴出流速で除算した値が、燃焼反応完了時間τ2より小さいような位置に空気孔が開口していると燃焼器ライナー３に局所的な高温領域が生じることになる。
【００７８】
図１４に、燃焼器ライナー３の壁に最も早く到達する、空気孔の開口する位相ψ1を、最外周に位置する空気孔に与える旋回角に対して示す。図１４に複数の線が存在するのは、燃焼器によって第二の中心である外周バーナ５０の中心と燃焼器ライナー３壁面までの距離Ｌ1、および最外周空気孔のピッチ円半径ｒが異なるためである。一方、ちょうど燃焼反応完了時間τ2に燃焼器ライナー３壁に到達する空気孔の開口する位相ψ′1を、同様にして図１５に示す。これらの位相角の関係は厳密には複雑な三角方程式となるが、例えば燃焼器ライナー３壁に最も早く到達する空気孔の開口する位相ψ1については工業的には式（１）により近似できる。
【００７９】
各実施例の燃焼器は一方で、空気孔２１−３を設けない領域を、第二の空気孔群の空気孔から供給された流体である外周バーナ５０からの流体が、他の外周バーナ５０や起動用バーナ４０から供給された流体と干渉することを抑制するようにも設定されている。このような空気孔プレートを備えた燃焼器を用いることで、隣接するバーナから噴出される旋回流同士の干渉を抑制することができ、旋回流どうしの相対速度が大きいことにより発生する圧力変動を抑制できる。さらに、隣接するバーナの旋回流同士の干渉を抑制するようにそれぞれのバーナに供給する燃料流量を制御する等の制御をすれば、圧力変動抑制効果を高めることができる。
【００８０】
具体的には、第二の空気孔群の最外周円に沿って配置された複数の空気孔２１−３について、空気孔２１−３を設けない領域の起点が１０度から３５度の範囲内にあり、領域の終点は起点から６０度から８５度にあるようにすればよい。なおこの角度は、隣接する第二の中心である外周バーナ５０どうしの中心をつなぐ直線を基準として、第二の空気孔群により形成される旋回流の回転方向の逆方向に数えるものとする。
【００８１】
この第二の空気孔群の空気孔から供給された流体である外周バーナ５０からの流体が、他の外周バーナ５０から供給された流体と干渉することを抑制するために空気孔２１−３を設けない領域を特定する方法は、前述の燃焼器ライナー３と火炎との干渉を回避するために空気孔２１−３を設けない領域を特定した方法と同様である。すなわち最外周のある位相に開口する空気孔から噴出する噴流の軌跡が隣接する外周バーナ５０との境界面に達する軸方向位置を幾何学的に求め、この位置に到達する時間を混合気１９の噴出流速から算出して、その時間が初期反応完了時間τ1、ないしより安全に考慮すれば燃焼反応完了時間τ2よりも小さければその位相の空気孔から噴出する混合気は隣接する外周バーナ５０の最外周から噴出する混合気１９と干渉する可能性が高い。
【００８２】
上記の思想に基いて第二の空気孔群の空気孔から供給された流体である外周バーナ５０からの流体が、他の外周バーナ５０から供給された流体と干渉することを抑制するために空気孔２１−３を設けない領域を求めると、最外周の空気孔から噴出する噴流の軌跡は壁面との干渉について説明した際の軌跡と同一であり、安全のため干渉を回避するべき時間を燃焼反応完了時間τ2より大きく考えると、位相を求める式は壁面との干渉を回避するために用いたものとほぼ等しくなり、干渉を回避する対象の位置のみが壁面との距離（Ｌ1−ｄ／２）ではなく隣接する外周バーナとの距離（Ｌ2＋ｄ）／２となる。したがって、外周バーナ５０の中心５１から燃焼器ライナー３内面に下ろした垂線と隣接する外周バーナの中心５１を結んだ直線のなす角（図１（ｂ）に示す５３の角度）をαとすれば空気孔２１−３を設けない領域の終点は式（２）で近似できる。
【００８３】
さらに、上記二つの作用効果を両立するような領域の選び方としては、起点を式（１）で示される点、終点を式（２）で示される点に設定すればよい。実用的な外周バーナの個数が４から８個であることを考えるとαは９０度から１３５度の範囲にある。このため、燃焼器ライナー３内壁と火炎の干渉を避けるために空気孔２１−３を設けない区間の終端と、隣接する外周バーナとの干渉を回避するために空気孔２１−３を設けない区間の始点との間の角度は４０度程度しかなく、配置する空気孔としては多くとも２個しか開口できない。１個ないし２個の孤立した空気孔から噴出する噴流火炎は周囲の空気流への熱放散が大きくなり、吹き消えたり着火と消炎を繰り返したりする不安定燃焼を起こすことがあるので、燃焼器ライナー３内壁と火炎の干渉を避けるために空気孔２１−３を設けない区間の終端と、隣接する外周バーナとの干渉を回避するために空気孔２１−３を設けない区間に挟まれた領域に孤立した空気孔を設けることは不安定燃焼の要因となる。
【００８４】
各実施例の燃焼器は上述の思想に基づき、少なくとも一つの空気孔群の最外周円に沿って配置された空気孔の隣接空気孔間隔について、等間隔でない部分を有するように設定している。起動用バーナ４０に等間隔でない部分を設定すれば、隣接するバーナから噴出する流体との干渉により生じる圧力変動の発生を抑制できる。外周バーナ５０に等間隔でない部分を設定すれば、さらに燃焼器ライナー３への火炎の接近を抑制することができる。
【００８５】
図１６に実施例において、空気孔に旋回角θに加えて内傾角φを付与した場合の空気孔プレート２０から噴出した混合気の燃焼室内での噴出軌跡を図１３と同様に示す。空気孔に旋回角θに加えて内傾角φを付与すると、空気孔プレート２０から噴出した混合気は一旦、旋回半径を縮小してから拡大するため、燃焼器ライナー３壁面や隣接する外周バーナ５０との境界に達する軸方向の位置が下流側に移動する。このため、燃焼器ライナー３内壁と火炎の干渉を避けるために空気孔２１−３を設けない区間や、隣接する外周バーナとの干渉を回避するために空気孔２１−３を設けない区間に関して、内傾角φによって噴流軌跡の拡大が遅くなる補正が必要となる。
【００８６】
内傾角φにより噴流の旋回半径が縮小し噴流が干渉を検討する対象の境界に達する軸方向位置が下流側に移動することを考慮する補正項は噴流の幾何学的特性によって求まる。補正項は厳密には複雑な三角関数式になるが工業的には下記の式（６）で近似できる。
【００８７】
【数６】
【００８８】
この補正項を導入して燃焼器ライナー３内壁と火炎の干渉を避けるために空気孔２１−３を設けない区間の始点を近似したものが式（４）であり、隣接する外周バーナとの干渉を回避するために空気孔２１−３を設けない区間の終点を近似した式が式（５）である。この補正項を導入すると、燃焼器ライナー３内壁と火炎の干渉を避けるためには各実施例の燃焼器で具体的には、第二の空気孔群の最外周円に沿って配置された複数の空気孔２１−３について、空気孔２１−３を設けない領域の起点が、１０度から１２０度の範囲内にあり、領域の終点が８０度から２１０度の範囲内にあるようにすればよい。なおこの角度は、第一の中心である起動用バーナ４０の中心と、第二の中心である外周バーナ５０の中心をつなぐ直線の、第二の中心から第一の中心とは逆方向に伸びる部分を基準とする。
【００８９】
同様に上記の補正項を導入した場合に、隣接する外周バーナとの干渉を回避するためには各実施例の燃焼器で具体的には、第二の空気孔群の最外周円に沿って配置された複数の空気孔２１−３について、空気孔２１−３を設けない領域の起点が、１０度から６５度の範囲内にあり、領域の終点が起点から４０度から６０度の範囲内にあるようにすればよい。なおこの角度は、隣接する第二の中心である外周バーナ５０どうしの中心をつなぐ直線を基準として、第二の空気孔群により形成される旋回流の回転方向の逆方向に数えるものとする。
【００９０】
外周バーナ５０の中心５１から燃焼器ライナー３内面に下ろした垂線と隣接する外周バーナの中心５１を結んだ直線のなす角５３をαとすれば、実用的な外周バーナの個数が４から８個であることを考えるとαは９０度から１３５度の範囲にある。このため、燃焼器ライナー３内壁と火炎の干渉を避けるために空気孔２１−３を設けない区間や、隣接する外周バーナとの干渉を回避するために空気孔２１−３を設けない区間は、前記第一の中心と前記第二の中心をつなぐ直線の、前記第二の中心から前記第一の中心とは逆方向に伸びる部分を基準として、旋回方向と逆方向に２１０度までの間に終点があることになる。言い換えれば前記第二の空気孔群の最外周円に沿って配置された複数の空気孔について、前記第一の中心と前記第二の中心をつなぐ直線の、前記第二の中心から前記第一の中心とは逆方向に伸びる部分を基準として、基準から旋回流の回転方向で少なくとも１５０度までには空気孔２１−３を設けない領域を設定する必要がない。
【００９１】
そのため、この領域の空気孔２１−３の隣接空気孔間隔を等間隔とすれば、個々の空気孔からの噴流火炎が隣接する噴流火炎と適切に合流して補助し合い、安定な伝播火炎を形成することができる燃焼器を提供することができる。
【００９２】
各実施例の燃焼器では、起動用バーナ４０と外周バーナ５０の燃料系統を独立に運用できる。構造的には、第一の空気孔群を介して燃焼室１に燃料を噴出する燃料ノズル２２に起動用燃料１７を供給する第一の燃料供給系統と、第二の空気孔群を介して燃焼室１に燃料を噴出する燃料ノズル２２に外周バーナ燃料１８を供給する第二の燃料供給系統とを有している。このようにすることで、ガスタービンを好適に起動させつつ、負荷運用時には低ＮＯｘ運転をさせることができる。加えて、燃焼器ライナー３への熱負荷や隣接バーナからの旋回流の干渉を抑えるような、最適な制御も可能な燃焼器とすることができる。
【００９３】
外周バーナ５０に干渉回避部分５４を設けることで、以下の副次的効果も得ることができる。各外周バーナ５０では、干渉回避部分５４の存在により混合気欠損部分が存在する。外周バーナ５０から噴出した混合気は、結果的にこの混合気欠損部分側に傾いた状態で下流へと流れていく。すなわち各外周バーナ５０から噴出される混合気に対して、旋回角が設けられているのと同じ効果を得ることができる。そうすると、空気孔２１の単位だけでなく外周バーナ５０の単位でも旋回作用が発揮されることになる。その結果、火炎の安定性がさらに高まるという効果も得ることができる。
【符号の説明】
【００９４】
１ 燃焼室
２ 燃焼器外筒
３ 燃焼器ライナー
４ 燃焼器尾筒
５ 圧縮機
６ タービン
７ 車室
８ 燃焼器エンドカバー
１０ 圧縮空気
１１ 冷却空気
１２ 燃焼用空気
１３ 燃焼ガス
１４ 燃料
１４ａ 燃料遮断弁
１５ａ，１６ａ 燃料圧力調整弁
１５ｂ，１６ｂ 燃料流量調節弁
１７ 起動用燃料
１８ 外周バーナ燃料
１９，１９−１，１９−２，１９−３ 混合気
２０ 空気孔プレート
２１，２１−１，２１−２，２１−３ 空気孔
２２ 燃料ノズル
２３ 燃料分配器
３０ 火炎
３１ 旋回流
３２ 循環流
４０ 起動用バーナ
４１ 油燃料用噴射ノズル
５０ 外周バーナ
５１ バーナ中心
５２ ３列目空気孔ピッチ円半径
５３ 外周バーナ中心から燃焼器ライナーに下ろした垂線と隣接する外周バーナ中心５１を結んだ直線のなす角
５４ 干渉回避部分
６０ 冷却空気孔
６１ 外周バーナ中心から燃焼器ライナー内面までの距離
６２ 隣接する外周バーナ中心を結んだ直線距離
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼器及び燃焼器の改造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用電力を支える発電プラントのひとつに、天然ガスや石油などの化石資源を燃料とするガスタービン発電プラントがある。このガスタービン発電プラントは化石資源を燃料とし、地球温暖化物質の二酸化炭素（ＣＯ2）を排出するため、これまで以上に発電効率の向上が求められている。発電効率を向上させる手段として、ガスタービン燃焼器から排出される燃焼ガスの高温化が挙げられる。しかし、燃焼ガスの高温化に伴い、燃焼ガス中に含まれる環境阻害物質である窒素酸化物（ＮＯｘ）が指数関数的に増加する。そのため、発電効率を高めながらＮＯｘを低減する対策が重要な技術課題となっている。
【０００３】
また、近年では地球温暖化防止の観点から、製鉄プロセスのコークス炉で発生するコークス炉ガス（ＣＯＧ）などの水素含有燃料でガスタービン発電プラントを運用する事例も増加しつつある。水素含有燃料としては、上に挙げたコークス炉ガスの他に、石油精製過程で発生するオフガスと呼ばれる副生ガスや、石炭ガス化発電プラント（ＩＧＣＣ）で用いられる石炭ガス化ガス等が挙げられる。燃料中に含まれる水素は可燃範囲が広く燃焼速度が速いため、燃焼装置の壁面近傍で高温の火炎を形成し、燃焼装置の信頼性を損なう場合がある。局所的に高温の火炎を作らないため、燃料を分散させ、燃焼器全体で均一に燃焼させることが有効な手段である。
【０００４】
そこで、特許文献１には、燃料ノズルと燃焼室との間に空気孔プレートを配置し、空気孔プレートに設けられた空気孔の内部において、燃料流及び燃料流の外周側に形成された空気流を燃焼室に噴出させる技術を開示する。この特許文献１の燃焼器によれば、空気に対する燃料の分散性を高めてＮＯｘを低減することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１４８７３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の空気孔プレートは、燃焼室側のプレート面に配置された空気孔出口が、空気孔プレートの中心部に対して周方向に並び、等間隔に配置されている。しかしながら水素含有燃料を使用する場合には、燃焼速度が速いために火炎温度が上昇する。そのため、火炎が燃焼器壁面に接する位置近傍で、燃焼器壁面の温度が上昇し、燃焼器の信頼性を損なう場合があった。また、複数の火炎が互いに接する領域は、隣接する火炎同士によって変形させられる。そのため、圧力変動などを引き起こし、燃焼器の信頼性を損なう場合があった。
【０００７】
本発明の目的は、燃焼器の信頼性を維持することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、独立に運用できる複数個のバーナと、円周方向に並ぶ空気孔のうち、空気孔から噴出した燃料流および空気流が燃焼室の内壁面にあたる位相、又は、隣接する２つのバーナと干渉する位相における空気孔同士の間隔が、前記位相以外の空気孔同士の間隔に比べて広いことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃焼器の信頼性を維持できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例１における空気孔プレートを示した構造図である。
【図２】燃焼器の概略構造と燃焼器内部における燃料流・空気流の流れ方向を示したものである。
【図３】燃料ノズルの先端部を拡大した図である。
【図４】実施例１に関する燃焼器を採用したガスタービンシステムの概略構成図である。
【図５】実施例１において隣接する外周バーナの火炎同士が互いに接するような燃焼器軸方向の位置における混合気噴流の位置を示した図である。
【図６】実施例１において外周バーナの火炎が燃焼器ライナーに接するような燃焼器軸方向の位置における混合気噴流の位置を示した図である。
【図７】実施例２における燃焼器の概略構造を示したものである。
【図８】実施例２における空気孔プレートを示した構造図である。
【図９】燃焼器の軸方向の位置を示す図である。
【図１０】図９に示すＸ−Ｘの断面における混合気噴流の断面内の位置を示す図である。
【図１１】図９に示したＹ−Ｙ断面における混合気噴流の断面内の位置を示す図である。
【図１２】空気孔出口から噴出した混合気の燃焼反応の進行状況を時間経過にしたがって示す図である。
【図１３】実施例１に示す空気孔プレート２０から噴出した混合気の燃焼室内での噴出軌跡を示す図である。
【図１４】燃焼器ライナー３の壁に最も早く到達する、空気孔の開口する位相ψ1を、最外周に位置する空気孔に与える旋回角に対して示す図である。
【図１５】燃焼反応完了時間τ2に燃焼器ライナー３壁に到達する空気孔の開口する位相ψ′1を示す図である。
【図１６】空気孔に旋回角θに加えて内傾角φを付与した場合の空気孔プレート２０から噴出した混合気の燃焼室内での噴出軌跡を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１２】
図４は、本実施例に関する燃焼器１００を採用したガスタービンシステムの概略構成図である。
【００１３】
圧縮機５によって生成された圧縮空気１０は、燃焼器１００の車室７に流入する。
【００１４】
燃焼器１００は、燃焼器外筒２の内部において、燃料と空気の混合気１９をその内部で燃焼させる燃焼器ライナー３と、燃焼器ライナー３の内部に形成された燃焼室１を備える。圧縮機５から供給された圧縮空気１０は、燃焼器外筒２と燃焼器ライナー３の間の空間を通り、一部の圧縮空気１０は燃焼器ライナー３を冷却する冷却空気１１となる。また、残る圧縮空気１０は燃焼用空気１２として、燃焼器エンドカバー８と空気孔プレート２０の間の空間に入る。
【００１５】
一方、燃料１４は燃焼器エンドカバー８外部から燃料分配器２３に流入し、空気孔プレート２０の上流側に配置された燃料ノズル２２から噴出される。本実施例に示す燃焼器１００は、独立に運用できる複数のバーナを備えており、特に燃焼器中心部に位置し着火から起動部分で運用される起動用バーナと、特に負荷運用を担う外周バーナとに分類できる。起動用バーナに供給される燃料（起動用燃料１７）は燃料圧力調整弁１５ａおよび燃料流量調整弁１５ｂを介して所定の流量に調整されて燃焼器１００に供給される。また、外周バーナに供給される燃料（外周バーナ燃料１８）は燃料圧力調整弁１６ａおよび燃料流量調整弁１６ｂを介して所定の流量に調整されて燃焼器１００に供給される。空気孔プレート２０には、空気孔プレートの中心軸に対して円周方向に複数の空気孔２１が、等間隔に配置されている。空気孔２１から噴出した燃料流・空気流は、燃焼室１で火炎を形成する。その後、燃焼ガス１３は燃焼器尾筒４を流れ、タービン６に流入し、発電機などを駆動する。
【００１６】
図３は、燃料ノズル２２の先端部を拡大した図である。平板状の空気孔プレート２０は、燃料ノズル２２と燃焼室１との間に配置されている。また、空気孔プレート２０の上流側には、圧縮機５からの圧縮空気１０が空気孔プレート２０より上流側に引き込まれている。燃料ノズル２２は空気孔２１の上流側に配置されている。そのため、燃料ノズル２２から噴出した燃料流１４が空気孔２１の内部に流入する。また、空気孔プレート２０の上流側から供給される燃焼用空気１２も、燃料ノズル２２の外周側から空気孔２１に流入する。この時、燃焼用空気１２は、空気孔プレート２０の上流側に形成された広い空間から、狭い空間の空気孔２１に流入する。従って、空気孔２１の内部では、燃料流及び燃料流の外周側に形成された環状の空気流が燃焼室１に向かって流れるものと考えられる。そして、空気孔２１を通過した燃料流及び空気流は、空気孔２１より広い空間の燃焼室１に一気に噴出するため、燃焼室１において燃料流と空気流が急速に混合する。
【００１７】
このように、空気孔プレートに複数の空気孔を配置し、空気孔の上流側に燃料ノズルを配置すると、燃焼室に流入した燃料は急速に分散するため、燃料と空気の混合度が増加し、短距離で急速に混合できる。このような構成では、空気孔内部において燃料流が中心部を流れ、燃料流の周囲を空気流が流れているため、燃料ノズルのごく近傍では可燃範囲の混合気が形成されない。また、空気孔内部の非常に狭い領域で混合が進行するため、空気孔の内部に燃焼ガスが進入しにくく、逆火しにくい特徴を持つ。
【００１８】
上記に示す燃料ノズル・空気孔の位置関係において、空気孔２１の中心軸は空気孔プレート２０の円周方向に傾斜している。従って、空気孔２１から噴出する燃料流及び空気流は、空気孔２１の中心軸に沿って燃焼室１に噴射される。このように、空気孔２１は空気孔プレート２０の円周方向に傾斜しているため、空気孔２１から噴射された燃料流と空気流は、燃焼室１の内部で螺旋状に旋回しながら下流側へ流れる旋回流となる。
【００１９】
図２は燃焼器１００の概略の構造と燃焼器内部における燃料流・空気流の流れ方向を示したものである。本実施例では、空気孔プレート２０から噴出した旋回流３１は螺旋状に旋回しながら旋回半径が拡大する。従って、燃焼室中心軸において下流側から上流側に向かって圧力が低下する逆圧力勾配領域が生成され、燃焼した混合気の一部は循環流３２となって空気孔プレート側に逆流する。この循環流３２のもたらす高温燃焼ガスの熱を用いて空気孔から供給される混合気に活性化エネルギーを与えることで燃焼反応が維持され、燃焼器内に円錐状の火炎が形成される。
【００２０】
前述のように本実施例に示す燃焼器１００は、独立に運用できる７本のバーナを備えている。特に、燃焼器中心部に位置し着火から起動時に運用される１本の起動用バーナと、負荷運用を担う６本の外周バーナとに分類できる。
【００２１】
図１は、空気孔プレート２０を示した図である。（ａ）は空気孔プレート２０を燃焼室１側から見た図、（ｂ）は空気孔プレートのうち１つの外周バーナに注目して抜き出した図を示す。空気孔プレート２０の破線で囲った中心部には、前述の起動用バーナ４０に対応する空気孔２１が設けられている。起動用バーナ４０の空気孔２１には、空気孔２１から噴出する燃料と空気の混合気が燃焼室側から見て時計回りに旋回するように旋回角が付与されている。空気孔に与える旋回角θは、空気孔の中心軸と、空気孔が配置された円周上の接線とのなす角である。
【００２２】
また本実施例には起動用バーナ４０の外周に、６本の外周バーナ５０に対応する空気孔２１が設けられている。外周バーナ５０の空気孔は同一のピッチ円を持つ３列の空気孔群からなり、１列目空気孔２１−１，２列目空気孔２１−２，３列目空気孔２１−３それぞれに、空気孔から噴出する燃料と空気の混合気が燃焼室側から見て反時計回りに旋回するよう旋回角が付与されている。
【００２３】
なお、前述の空気孔は、円形以外の形状（例えば矩形スロット）でも成立する。
【００２４】
図１（ａ）には、燃料ノズル側の空気孔プレート２０の下流外側に位置する燃焼器ライナー３の位置を破線で示す。また、図１（ｂ）において、外周バーナ５０の空気孔は同一のピッチ円を持つ３列の空気孔群、１列目空気孔２１−１，２列目空気孔２１−２，３列目空気孔２１−３からなる。１列目空気孔２１−１，２列目空気孔２１−２の空気孔は、空気孔プレートの中心に対して円周方向に等間隔で並べられている。一方、最外周に位置する３列目空気孔２１−３は、３列目ピッチ円半径５２の円周上に配置されているが、空気孔から噴出する混合気が始めて燃焼器壁面に到達する位相から、空気孔から噴出する混合気が隣接バーナから噴出する混合気と干渉を開始する位相に相当する干渉回避部分５４には空気孔が配置されていない。そのため、干渉回避部分５４は、他の空気孔同士の間隔に比べ、間隔が広くなっている。
【００２５】
前述のようにそれぞれのバーナにおいて、空気孔プレート２０から噴出した燃料と空気の混合気は螺旋状に旋回しながら拡大して円錐状の火炎を形成するので、干渉回避部分５４は燃焼器ライナー３および隣接するバーナと直面する位置から旋回方向を遡った（時計回りに回った）位相となっている。このため、干渉回避部分５４を持つことで、外周バーナ５０は起動用バーナ４０に向けてきり欠いたような３列目空気孔の配置を持つこととなる。即ち、３列目空気孔において、空気孔同士の間隔に広狭を設ける。
【００２６】
空気孔プレート２０近傍の領域では、起動用バーナ４０の火炎の燃焼ガス１３の一部が、上述の３列目空気孔配置の切り欠いた部分から外周バーナの領域に向けて流れ込むこととなる。外周バーナ５０は起動用バーナ４０と逆方向の旋回をなしているため、外周バーナ領域に流入した燃焼ガス１３は外周バーナ５０自身の旋回流によって、さらに巻き込まれる。そして、起動用バーナ４０の燃焼ガスの熱量が外周バーナの混合気に合流することで、外周バーナ５０の燃焼安定性を強化し、燃焼器の信頼性を維持することが可能になる。また、特に外周バーナ５０に点火を行う際には、起動用バーナ４０の燃焼ガスが効果的に外周バーナ５０側に受け渡されるので、火移りが良くなる効果がある。
【００２７】
図５は、隣接する外周バーナ５０の火炎同士が互いに接する燃焼器軸方向の下流位置において、空気孔２１から噴出した燃料と空気の混合気噴流を下流方向から見た図である。
前述のように、空気孔２１から噴出する燃料と空気の混合気は螺旋状に旋回半径を拡大しながら流れて円錐状の火炎を形成する。そのため、隣接する外周バーナ５０の火炎同士が互いに接するような燃焼器軸方向の下流位置においては、起動用バーナの混合気噴流は時計方向に、外周バーナの混合気噴流は反時計方向に回転する。
【００２８】
このため、空気孔プレート２０の付近において、干渉回避部分５４は外周バーナと起動用バーナ４０との間にある。そして、外周バーナ５０の火炎同士が互いに接するような燃焼器軸方向の下流位置（図５）では、干渉回避部分５４に相当する混合気噴流のない領域が外周バーナ間の空間に位置する。そのため、外周バーナ５０相互の火炎の干渉が回避できる。
【００２９】
次に、比較例１として、干渉回避部分がなく、本実施例の干渉回避部分にも混合気の噴流がある場合を検討する。比較例の場合、外周バーナ５０の間の空間では燃焼器ライナー３側から燃焼器中心に向かう速度成分を持つ混合気と、隣のバーナからの燃焼器中心から燃焼器ライナー３側に向かう混合気が大きな速度成分の差をもって隣り合うことになり、強い剪断を生じることになる。
【００３０】
火炎に強い剪断が作用すると火炎面が変形して火炎の表面積が増大することで見かけの燃焼速度が上がり、急激な熱発生を呈して圧力変動を生み出す場合がある。また剪断が極端に強くなると火炎面の変形に伴う表面積の増加に燃焼速度が追いつかなくなり、火炎がもみ消されるような現象が起きるため、急激な熱発生と火炎の消失が交互に繰り返される状況が生まれ、大きな圧力変動が発生する。
【００３１】
特に水素を燃料に含む場合には、元々の燃焼速度が速く可燃範囲が広いため、火炎が大きな剪断変形を受けても火炎がもみ消される限界が高くなり、上記のような圧力変動を生じると圧力変動振幅が非常に大きくなる可能性がある。したがって燃焼反応が活発に起きている領域では極力大きな剪断を生じさせないことが、水素を燃料に含む場合には重要である。干渉回避部分５４を設けることで隣接するバーナ間の空間で逆方向の速度成分を持つ混合気の噴流が干渉しあうことを回避でき、大きな剪断が生じない。
【００３２】
また干渉回避部分５４に相当する混合気噴流のない領域に起動用バーナからの燃焼ガス１３が流入するので、燃焼安定性が改善する。
【００３３】
図６は、外周バーナ５０の火炎が燃焼器ライナー３に接するような燃焼器軸方向の下流位置において、空気孔２１から噴出した燃料と空気の混合気噴流を下流側から見た図である。前述のように空気孔２１から噴出する燃料と空気の混合気は螺旋状に旋回半径を拡大しながら流れて円錐状の火炎を形成する。そのため、外周バーナ５０の火炎が燃焼器ライナー３に接するような燃焼器軸方向の位置においては、混合気噴流の位置が起動用バーナに関しては時計方向に、外周バーナに関しては反時計方向に回転している。
【００３４】
このため、空気孔プレート２０の位置では干渉回避部分５４は起動用バーナ４０との間にある。そして、図６に示す外周バーナ５０の火炎が燃焼器ライナー３に接するような燃焼器軸方向の下流位置は、干渉回避部分５４に相当する混合気噴流のない領域が燃焼器ライナー３に面している位置になっており、燃焼器壁面に高温の火炎が干渉して局所的な高温部分を生むことが回避できる。
【００３５】
本実施例に対し、干渉回避部分がなく、本実施例の干渉回避部分にも混合気の噴流がある比較例２の場合、燃焼器ライナー３に直接火炎が吹きつけて局所的に高温な領域を生み出す。特に水素を含む燃料を使用する場合、水素は消炎距離が非常に小さく金属壁の極近傍まで火炎が接近できる上、燃焼速度が速いために燃焼ガス温度が高温になる。そのため、火炎が燃焼器ライナー３に直接あたるとライナー壁面の温度上昇は他の燃料に比較して非常に大きくなる。したがって燃焼反応が活発に起きている領域では、火炎が直接に燃焼器ライナー３にあたらないことが、水素を燃料に含む場合には重要である。干渉回避部分５４を設けることで、燃焼器ライナー３に直接火炎があたることを回避でき、燃焼器ライナー３に局所的な高温領域を生じないことが可能になる。
【００３６】
次に図１において、干渉回避部分を設ける位相について説明する。ここで、外周バーナ５０の中心５１から燃焼器ライナー３内面までの距離６１をＬ1、隣接する外周バーナの中心５１を結んだ直線距離６２をＬ2とする。また、外周バーナ３列目空気孔のピッチ円の半径５２をｒとし、外周バーナ５０の中心５１から燃焼器ライナー３内面に下ろした垂線と隣接する外周バーナの中心５１を結んだ直線のなす角５３をαと表す。角度の開始位置は外周バーナ５０の中心５１から燃焼器ライナー３内面に下ろした垂線にとり、旋回方向を遡る方向（本実施例では時計回り方向）に角度の増加を定義し、角度の単位は全円を３６０度とする単位を使用する。また３列目空気孔に与える旋回角をθ°と定義する。さらに３列目空気孔の直径をｄとする。
【００３７】
空気孔から噴出する混合気が始めて燃焼器壁面に到達する位相ψ1は、次式（１）で近似できる。
【００３８】
【数１】
【００３９】
また、空気孔から噴出する混合気が隣接バーナから噴出する混合気と干渉する位相ψ2は次式（２）で近似できる。
【００４０】
【数２】
【００４１】
上式（１）および（２）により求められるψ1からψ2の角度範囲にあたる位相の領域を干渉回避部分５４とすれば良い。ただし、空気孔を配置する個数や角度のピッチの関係で干渉回避部分５４の開始位置ψ1および終了位置ψ2は多少前後しても同等の効果は確保できる。
【００４２】
実施例１では外周バーナが３列で構成される場合について示したが、２列で構成される場合には２列目、４列以上で構成される場合には最外周にあたる列に上記の構成を採用すれば同様の効果が得られる。
【００４３】
なお、既存の燃焼器が平板状の空気孔プレートを備えている場合には、本実施例の空気孔プレートに取り替えることにより、本実施例の効果を得ることもできる。
【実施例２】
【００４４】
図７は、実施例２における燃焼器１００の概略の構造と燃焼器内部における燃料流・空気流の流れ方向を示したものである。実施例１と異なる部分の構成について説明する。構成上で異なる点は、起動用燃料１７として油燃料を用いていることで、起動用バーナの中央には油燃料用の噴射ノズルが設けられている。また、油燃料噴射ノズルの周囲に、外周バーナ燃料１８を用いるバーナが構成されていて、両者を合わせて起動用バーナとしていることも実施例１と異なる。水素を含む燃料の場合には、ガスタービン起動時に着火に失敗すると、燃焼しないまま排出された燃料が下流側の機器内で燃焼する可能性がある。そのため、安全のために水素を含まない燃料で着火および途中までの起動を行い、起動過程で順次水素を含む燃料を投入していく場合もある。本実施例は上記のような事例に対する燃焼器である。
【００４５】
図８に実施例２における空気孔プレート２０を燃焼室側から見た正面図を示す。実施例１と異なる部分の構成について説明する。まず前述のように空気孔プレート２０の中央に起動用燃料１７の油燃料用噴射ノズル４１が設けられており、その周囲に外周バーナ燃料１８を用いる起動用バーナの空気孔２１が開口している。起動用バーナの空気孔は実施例１と同様に、空気孔から噴出する燃料と空気の混合気が時計周りに旋回するよう旋回角を与えられている。
【００４６】
一方、外周バーナ５０については６本の外周バーナのうち、３本に関しては空気孔から噴出する燃料と空気の混合気が反時計周りに旋回するよう旋回角を与え、残りの３本に関しては空気孔から噴出する燃料と空気の混合気が時計周りに旋回するよう旋回角を与えている。また、反時計回りの旋回を与えた外周バーナ５０と時計回りの旋回を与えた外周バーナ５０を交互に配置していることが、実施例１と異なっている。
【００４７】
また個別の外周バーナ５０に関しては、空気孔２１に旋回角θを付与するだけでなく、空気孔２１が外周バーナ中心５１に向かって内向きに傾斜するよう内傾角φを与えていることが実施例１と異なっている。
【００４８】
さらに外周バーナ５０の外側には、燃焼器ライナー３を保護するための冷却空気孔６０が配置されている。
【００４９】
本実施例では、実施例１と比較して次の効果がある。第１に、互いに逆回転の旋回を行う外周バーナ５０を交互に配置したことにより、隣接する外周バーナ５０の間の空間では空気孔から噴出した燃料と空気の混合気噴流の持つ速度成分が同じ方向に向かうので、隣接する外周バーナの火炎同士で干渉を引き起こさず、逆に互いの旋回を強め合って燃焼安定性が向上することである。
【００５０】
第２に、互いに逆回転の旋回を行う外周バーナを交互に配置したことにより、外周バーナ５０の干渉回避部分５４が２つの外周バーナ５０で連通するような配置になり、起動用バーナ４０からの燃焼ガス１３が外周バーナ５０の領域に流入しやすくなる。しかも連通した干渉回避部分５４の両側には、ともに燃焼器中心軸方向から燃焼器ライナー３の方向に向かう流れがあるため、起動用バーナ４０からの燃焼ガス１３を引き込む効果がより強くなり、起動用バーナ４０からの熱量が積極的に外周バーナ５０に渡される。このことにより火移り性能および燃焼安定性が改善する。
【００５１】
第３に、外周バーナ５０に関しては、空気孔２１に旋回角θを付与するだけでなく、空気孔２１が外周バーナ中心５１に向かって内向きに傾斜するよう内傾角φを与えていることで、空気孔２１から噴出した燃料と空気の混合気は、旋回半径を縮小しながら螺旋状に旋回した後、拡大に転じて流れるようになる。このような混合気の流れができるため、形成される火炎は実施例１に比較して空気孔プレート側の半径が小さくなるとともに、火炎径の拡大が遅くなる。そのため、外周バーナ５０の火炎が燃焼器ライナー３にあたる位置は下流側に移動する。そして、燃焼反応の活発な空気孔近傍の燃焼器ライナー３の冷却に裕度が増し、冷却が容易になる。
【００５２】
次に図８において、干渉回避部分を設ける位相について説明する。ここで、図１と同様に、外周バーナ５０の中心５１から燃焼器ライナー３内面までの距離６１をＬ1、隣接する外周バーナの中心５１を結んだ直線距離６２をＬ2とする。また外周バーナ３列目空気孔のピッチ円の半径５２をｒとし、外周バーナ５０の中心５１から燃焼器ライナー３内面に下ろした垂線と隣接する外周バーナの中心５１を結んだ直線のなす角５３をαと表す。
角度の開始位置は外周バーナ５０の中心５１から燃焼器ライナー３内面に下ろした垂線にとり、旋回方向を遡る方向（本実施例では時計回り方向）に角度の増加を定義し、角度の単位は全円を３６０度とする単位を使用する。また３列目空気孔に与える旋回角をθ°と定義する。また、３列目空気孔に与える内傾角をφ°とし、内傾角を空気孔２１−３入口（燃料ノズル側）でのピッチ円と空気孔２１−３出口（燃焼室側）でのピッチ円の半径の差Δと空気孔プレート２０の厚さｔで次式（３）で定義される角度とする。
【００５３】
【数３】
【００５４】
さらに３列目空気孔の直径をｄとする。
【００５５】
空気孔から噴出する混合気が始めて燃焼器壁面に到達する位相ψ1は、次式（４）で近似できる。
【００５６】
【数４】
【００５７】
また、空気孔から噴出する混合気が隣接バーナから噴出する混合気と干渉する位相ψ2は次式（５）で近似できる。
【００５８】
【数５】
【００５９】
上式（４）および（５）により求められるψ1からψ2の角度範囲にあたる位相の領域を干渉回避部分５４とすれば良い。ただし、空気孔を配置する個数や角度のピッチの関係で干渉回避部分５４の開始位置ψ1および終了位置ψ2は多少前後しても同等の効果は確保できる。
【００６０】
なお、既存の燃焼器が平板状の空気孔プレートを備えている場合には、本実施例の空気孔プレートに取り替えることにより、本実施例の効果を得ることもできる。
【００６１】
図９に、各バーナにおいて、燃料ノズル２２の先端が空気孔２１の内部に配置された例を示す。前述の各実施例では、燃料ノズル２２の先端が空気孔プレート２０よりも上流側に配置された例を示したが、図９で示すように空気孔プレート２０の内部に位置するようにしてもよい。空気孔プレート２０の下流側に位置するようにしても構わない。特に燃焼速度の速い水素含有燃料を用いる際には、図９のような配置とすることで、燃料と空気の混合具合を適切に設定することができる。
【００６２】
図９に、上記の燃焼器において外周バーナの火炎同士が互いに接するような燃焼器軸方向の位置（図９内に示すＸ−Ｘ）および外周バーナの火炎が燃焼器ライナーに接するような断面の軸方向上の位置（図９内に示すＹ−Ｙ）を明記した図を示す。また図１０に上記の燃焼器において外周バーナの火炎同士が互いに接するような燃焼器軸方向の位置、すなわち図９に示すＸ−Ｘの断面における混合気噴流の断面内の位置を示す。また同様に図１２に上記の燃焼器において外周バーナの火炎が燃焼器ライナーに接するような燃焼器軸方向の位置における混合気噴流の断面内の位置を示す。ここで、円状に記した矢印は、この軸方向位置での混合気１９の旋回方向を示し、その外側の網掛け領域はこの軸方向位置での混合気１９の存在範囲を示す。各矢印は完全な円ではなく、欠けている部分を有する。図１（ｂ）に示した干渉回避部分５４として空気孔及び燃料ノズル２２を配置していない部分が、この欠けている部分に相当する。この干渉回避部分５４からは、空気と燃料との混合気１９は噴出されない。そのためこの部分は、混合気１９の欠損部分となる。
【００６３】
各実施例の空気孔２１には旋回角が設けられており、混合気１９は旋回流として回転しながら燃焼室１へと供給される。そうすると、混合気１９の欠損部分は、下流へと流れるにしたがってその位相を変えながら存在し続けることとなる。この混合気１９の欠損部分を効果的に配置させることを目的として、空気孔プレート上に回避干渉部分５４を設けたことが、各実施例の燃焼器の特徴の一つである。
【００６４】
以上説明した各実施例の燃焼器を用いると、以下２点の大きな効果を得ることができる。一つは、燃焼器ライナー３への熱によるダメージを低減できることである。これは、燃焼器ライナー３への火炎の接近を抑制することで達成可能である。もう一つは、隣接するバーナから噴出される旋回流の相対速度が大きいことにより発生する圧力変動を抑制できることである。
【００６５】
各実施例では、燃料を噴出する複数の燃料ノズル２２と、燃料ノズル２２から噴出された燃料と空気とを燃焼室１に供給する、中心を同じくした複数の円のそれぞれに沿って複数ずつ配置された空気孔２１を有する空気孔群を複数単位備えた空気孔プレート２０とを有し、空気孔２２に、複数の空気孔群それぞれに対応して前記中心を中心に回転する旋回流が形成されるように旋回角が設けられた燃焼器を示している。
【００６６】
このような燃焼器は、複数のバーナが組み合わされたものと捉えることができる。すなわち図１に示した空気孔プレート２０には、同心円状に三列に並んだ空気孔を一単位の空気孔群として、７単位の空気孔群が配置されている。１単位の空気孔群と、この空気孔群に燃料を供給する燃料ノズル２２とを合わせたものを１単位のバーナとする。そうすると各実施例の燃焼器は、起動用バーナ４０が１つと外周バーナ５０が６つの計７つのバーナが組み合わされたものであるといえる。
【００６７】
各実施例の燃焼器では、例えば図１に示すように起動用バーナ４０の中心である第一の中心の周りに、外周バーナ５０の中心である第二の中心が複数配置されている。さらに、この第一の中心を中心とする円に沿って配置された第一の空気孔群により形成される旋回流と、第二の中心を中心とする円に沿って配置された第二の空気孔群により形成される旋回流とが逆回転になるように構成されている。すなわち起動用バーナ４０から噴出される旋回流と、その外周に配置された複数の外周バーナ５０のうちの少なくとも一つから噴出される旋回流とが逆回転になるように構成されている。旋回方向が逆である隣接するバーナで逆回転の旋回流が接近する領域では、両者の流れがほぼ同じ方向を向いており相対的な速度差が小さくなる。その結果、隣接バーナの旋回流による圧力変動の発生を抑制することが可能となる。
【００６８】
各実施例の燃焼器では、起動用バーナ４０の中心を中心とする円に沿って配置された第一の空気孔群の最外周円に沿って配置された空気孔２１の隣接空気孔間隔は等間隔である。また、外周バーナ５０の中心を中心とする円に沿って配置された第二の空気孔群の最外周円に沿って配置された空気孔２１−３の隣接空気孔間隔について、等間隔でない部分を有している。各実施例の燃焼器では、この等間隔でない部分以外では、空気孔２１−３を等間隔に設けている。等間隔でない部分には、空気孔２１−３を設けていない。この部分が、干渉回避部分５４に相当する。
【００６９】
各実施例の燃焼器では空気孔２１−３を設けていない干渉回避部分５４に相当する領域が図９に示したＹ−Ｙ断面位置において図１１に示すように燃焼器ライナー３と相対する状態となっているため、混合気１９は燃焼器ライナー３から離れた領域にのみ存在するので、混合気１９の反応によって形成される火炎も燃焼器ライナー３から離れた領域にのみ存在する。したがって火炎が燃焼器ライナー３に過度に接近することを抑制でき、燃焼器ライナー３への火炎による熱ダメージを低減することが可能となる。
【００７０】
燃焼反応が進行している途上の火炎には反応中間生成物として例えばＣ2ラジカルやＣＨラジカルなどの不安定な化合物が存在し、安定な二酸化炭素や水蒸気などの化合物に転換する過程にある。このような状態の火炎が燃焼室壁に接近すると、燃焼室を熱的に保護するために供給している冷却空気の一部を利用して反応中間生成物が酸化されて反応熱を開放するため、壁面ごく近傍で発熱が生じるうえ壁面を保護する冷却空気流が減衰する状態となり、壁面温度が局所的に急上昇することとなる。したがって、反応中間生成物が豊富に存在するような反応途上の状態の火炎が燃焼室壁に接近しないように火炎を形成させることが重要である。そのために燃焼反応が完結する時間内に火炎が壁面に到達する位置には空気孔を配置せず燃焼室壁面と火炎との干渉を回避することが各実施例の特徴の一つである。
【００７１】
このように外周バーナ５０から噴出された流体、すなわち第二の空気孔群の空気孔から供給された流体が、その燃焼反応が終わる前に燃焼室壁近傍、より正確に言えば燃焼室壁の消炎距離内へ到達することを抑制するようにすれば、信頼性の高い燃焼器管理が可能となる。
【００７２】
消炎距離とは、壁面に火炎が近づいたときに、壁の熱容量の影響で火炎が消える距離を意味する。換言すれば、火炎は消炎距離までは燃焼室壁面に近接することが可能である。この消炎距離は燃料の燃焼性によって異なり、比較的燃焼速度の遅い天然ガスの場合約２mmであるが、燃焼速度の速い水素リッチ燃料の場合０.４mm程度である。つまり、水素リッチ燃料を用いた方が、火炎が燃焼器ライナー３に与える熱によるダメージは深刻であるといえる。
【００７３】
各実施例の燃焼器で具体的には、第二の空気孔群の最外周円に沿って配置された複数の空気孔２１−３について、空気孔２１−３を設けない領域の起点が、１０度から３５度の範囲内にあり、領域の終点が６０度から８５度の範囲内にあるようにすればよい。なおこの角度は、第一の中心である起動用バーナ４０の中心と、第二の中心である外周バーナ５０の中心をつなぐ直線の、第二の中心から第一の中心とは逆方向に伸びる部分を基準とする。例えば、図１で６１として記載した直線がこの基準に相当する。またこの角度は、第二の空気孔群により形成される旋回流の回転方向の逆方向に数えるものとする。
【００７４】
図１２に空気孔出口から噴出した混合気の燃焼反応の進行状況を時間経過にしたがって示す。図１２には燃焼器に供給される混合気１９の温度Ｔmxからバーナ局所化炎温度Ｔｆまで温度が上昇する間に、燃料として供給された水素および一酸化炭素が消費される様子を示している。図１２では水素および一酸化炭素の濃度を、空気孔出口で供給した際の水素および一酸化炭素の濃度で規格化し水素に関しては点線で一酸化炭素に関しては破線で示している。燃料は水素，一酸化炭素，メタンなどを含む水素リッチ燃料である。
【００７５】
燃焼室１内部に噴出した混合気１９はメタンなどの熱分解により反応中間生成物を生じながら徐々に発熱して温度上昇し、熱分解が十分進行した後に反応中間生成物を酸化しながら急速に熱発生してガス温度が上昇する。一酸化炭素は燃料成分の一部であるがメタンの分解反応の中間生成物でもあり、この間の反応の進行を見る指標として好適である。すなわち空気孔から噴出した後、図１３に示す初期反応完了時間τ1までは主に燃料の熱分解により反応中間生成物が生成する期間であり熱発生は緩慢である。一方、初期反応完了時間τ1から図１３に示す燃焼反応完了時間τ2の間は生成した不安定な反応中間生成物が急速に酸化されて大きな熱発生を行う期間である。
【００７６】
初期反応完了時間τ1までの時間に火炎に過大な速度差が作用する干渉が生じると緩慢な熱発生しか行われていないため反応を維持できなくなるような条件が生まれ、圧力変動を伴う燃焼不安定を生じる危険がある。また初期反応完了時間τ1までの間に燃焼室壁近傍に火炎が侵入すると燃焼室壁に反応熱を奪われて円滑な燃焼反応が進行しなくなる恐れがある。一方、初期反応完了時間τ1から燃焼反応完了時間τ2までの間に燃焼室壁近傍に火炎が侵入すると、燃焼室を熱的に保護するために供給している冷却空気の一部を利用して反応中間生成物が酸化されて反応熱を開放するため、壁面ごく近傍で発熱が生じるうえ壁面を保護する冷却空気流が減衰する状態となり、壁面温度が局所的に急上昇することとなる。したがって初期反応完了時間τ1までの間は隣接する同一旋回方向を持つバーナとの干渉を回避する必要があり、また燃焼反応完了時間τ2までの間は燃焼室壁面への火炎の侵入を回避する必要がある。
【００７７】
図１３に例として実施例１に示す空気孔プレート２０から噴出した混合気の燃焼室内での噴出軌跡を示す。この軌跡（流線）は空気孔に与える旋回角θと空気孔のピッチ円の半径ｒを基にして、バーナ中心５１と空気孔中心軸の間の距離を各軸方向位置について算出することで求めることができる。混合気１９の噴流は徐々に拡散しながらこの軌跡に沿って噴出し燃焼室内１に流出する。図１３に示すように混合気１９−３の噴流軌跡は空気孔から軸方向にある程度進むと燃焼器ライナー３の壁面近傍に達する。この混合気１９−３の噴流が燃焼器ライナー３の壁面近傍に達する位置までの、噴流軌跡に沿った距離を混合気噴出流速で除算した値が、燃焼反応完了時間τ2より小さい場合には混合気１９−３が燃焼反応を完了する以前に燃焼器ライナー３の壁近傍に達するので、燃焼室を熱的に保護するために供給している冷却空気の一部を利用して反応中間生成物が酸化されて反応熱を開放するため、壁面ごく近傍で発熱が生じるうえ壁面を保護する冷却空気流が減衰する状態となり、壁面温度が局所的に急上昇することとなる。図１３には断面図を図示している関係で燃焼器中心軸を通り燃焼器ライナー３壁に直交する面に現れる空気孔のみからの軌跡を示しているが、実際にはピッチ円周上に複数の空気孔が開口しているため混合気１９−３の噴流が燃焼器ライナー３の壁面近傍に達する位置は空気孔２１−３が開口しているライナーに対する位相によって変化する。第一の中心である起動用バーナ４０の中心と、第二の中心である外周バーナ５０の中心をつなぐ直線の、第二の中心から第一の中心とは逆方向に伸びる部分を基準として、旋回方向の逆向きに角度ψ遡った位置に開口する空気孔からの噴流の軌跡は図１３に示す噴流の軌跡を第二の中心である外周バーナ５０の中心周りに角度ψだけ回転させた写像曲線となる。この写像曲線が燃焼器ライナー３近傍に達する位置を求め、その位置への写像曲線に沿った距離を混合気噴出流速で除算した値が、燃焼反応完了時間τ2より小さいような位置に空気孔が開口していると燃焼器ライナー３に局所的な高温領域が生じることになる。
【００７８】
図１４に、燃焼器ライナー３の壁に最も早く到達する、空気孔の開口する位相ψ1を、最外周に位置する空気孔に与える旋回角に対して示す。図１４に複数の線が存在するのは、燃焼器によって第二の中心である外周バーナ５０の中心と燃焼器ライナー３壁面までの距離Ｌ1、および最外周空気孔のピッチ円半径ｒが異なるためである。一方、ちょうど燃焼反応完了時間τ2に燃焼器ライナー３壁に到達する空気孔の開口する位相ψ′1を、同様にして図１５に示す。これらの位相角の関係は厳密には複雑な三角方程式となるが、例えば燃焼器ライナー３壁に最も早く到達する空気孔の開口する位相ψ1については工業的には式（１）により近似できる。
【００７９】
各実施例の燃焼器は一方で、空気孔２１−３を設けない領域を、第二の空気孔群の空気孔から供給された流体である外周バーナ５０からの流体が、他の外周バーナ５０や起動用バーナ４０から供給された流体と干渉することを抑制するようにも設定されている。このような空気孔プレートを備えた燃焼器を用いることで、隣接するバーナから噴出される旋回流同士の干渉を抑制することができ、旋回流どうしの相対速度が大きいことにより発生する圧力変動を抑制できる。さらに、隣接するバーナの旋回流同士の干渉を抑制するようにそれぞれのバーナに供給する燃料流量を制御する等の制御をすれば、圧力変動抑制効果を高めることができる。
【００８０】
具体的には、第二の空気孔群の最外周円に沿って配置された複数の空気孔２１−３について、空気孔２１−３を設けない領域の起点が１０度から３５度の範囲内にあり、領域の終点は起点から６０度から８５度にあるようにすればよい。なおこの角度は、隣接する第二の中心である外周バーナ５０どうしの中心をつなぐ直線を基準として、第二の空気孔群により形成される旋回流の回転方向の逆方向に数えるものとする。
【００８１】
この第二の空気孔群の空気孔から供給された流体である外周バーナ５０からの流体が、他の外周バーナ５０から供給された流体と干渉することを抑制するために空気孔２１−３を設けない領域を特定する方法は、前述の燃焼器ライナー３と火炎との干渉を回避するために空気孔２１−３を設けない領域を特定した方法と同様である。すなわち最外周のある位相に開口する空気孔から噴出する噴流の軌跡が隣接する外周バーナ５０との境界面に達する軸方向位置を幾何学的に求め、この位置に到達する時間を混合気１９の噴出流速から算出して、その時間が初期反応完了時間τ1、ないしより安全に考慮すれば燃焼反応完了時間τ2よりも小さければその位相の空気孔から噴出する混合気は隣接する外周バーナ５０の最外周から噴出する混合気１９と干渉する可能性が高い。
【００８２】
上記の思想に基いて第二の空気孔群の空気孔から供給された流体である外周バーナ５０からの流体が、他の外周バーナ５０から供給された流体と干渉することを抑制するために空気孔２１−３を設けない領域を求めると、最外周の空気孔から噴出する噴流の軌跡は壁面との干渉について説明した際の軌跡と同一であり、安全のため干渉を回避するべき時間を燃焼反応完了時間τ2より大きく考えると、位相を求める式は壁面との干渉を回避するために用いたものとほぼ等しくなり、干渉を回避する対象の位置のみが壁面との距離（Ｌ1−ｄ／２）ではなく隣接する外周バーナとの距離（Ｌ2＋ｄ）／２となる。したがって、外周バーナ５０の中心５１から燃焼器ライナー３内面に下ろした垂線と隣接する外周バーナの中心５１を結んだ直線のなす角（図１（ｂ）に示す５３の角度）をαとすれば空気孔２１−３を設けない領域の終点は式（２）で近似できる。
【００８３】
さらに、上記二つの作用効果を両立するような領域の選び方としては、起点を式（１）で示される点、終点を式（２）で示される点に設定すればよい。実用的な外周バーナの個数が４から８個であることを考えるとαは９０度から１３５度の範囲にある。このため、燃焼器ライナー３内壁と火炎の干渉を避けるために空気孔２１−３を設けない区間の終端と、隣接する外周バーナとの干渉を回避するために空気孔２１−３を設けない区間の始点との間の角度は４０度程度しかなく、配置する空気孔としては多くとも２個しか開口できない。１個ないし２個の孤立した空気孔から噴出する噴流火炎は周囲の空気流への熱放散が大きくなり、吹き消えたり着火と消炎を繰り返したりする不安定燃焼を起こすことがあるので、燃焼器ライナー３内壁と火炎の干渉を避けるために空気孔２１−３を設けない区間の終端と、隣接する外周バーナとの干渉を回避するために空気孔２１−３を設けない区間に挟まれた領域に孤立した空気孔を設けることは不安定燃焼の要因となる。
【００８４】
各実施例の燃焼器は上述の思想に基づき、少なくとも一つの空気孔群の最外周円に沿って配置された空気孔の隣接空気孔間隔について、等間隔でない部分を有するように設定している。起動用バーナ４０に等間隔でない部分を設定すれば、隣接するバーナから噴出する流体との干渉により生じる圧力変動の発生を抑制できる。外周バーナ５０に等間隔でない部分を設定すれば、さらに燃焼器ライナー３への火炎の接近を抑制することができる。
【００８５】
図１６に実施例において、空気孔に旋回角θに加えて内傾角φを付与した場合の空気孔プレート２０から噴出した混合気の燃焼室内での噴出軌跡を図１３と同様に示す。空気孔に旋回角θに加えて内傾角φを付与すると、空気孔プレート２０から噴出した混合気は一旦、旋回半径を縮小してから拡大するため、燃焼器ライナー３壁面や隣接する外周バーナ５０との境界に達する軸方向の位置が下流側に移動する。このため、燃焼器ライナー３内壁と火炎の干渉を避けるために空気孔２１−３を設けない区間や、隣接する外周バーナとの干渉を回避するために空気孔２１−３を設けない区間に関して、内傾角φによって噴流軌跡の拡大が遅くなる補正が必要となる。
【００８６】
内傾角φにより噴流の旋回半径が縮小し噴流が干渉を検討する対象の境界に達する軸方向位置が下流側に移動することを考慮する補正項は噴流の幾何学的特性によって求まる。補正項は厳密には複雑な三角関数式になるが工業的には下記の式（６）で近似できる。
【００８７】
【数６】
【００８８】
この補正項を導入して燃焼器ライナー３内壁と火炎の干渉を避けるために空気孔２１−３を設けない区間の始点を近似したものが式（４）であり、隣接する外周バーナとの干渉を回避するために空気孔２１−３を設けない区間の終点を近似した式が式（５）である。この補正項を導入すると、燃焼器ライナー３内壁と火炎の干渉を避けるためには各実施例の燃焼器で具体的には、第二の空気孔群の最外周円に沿って配置された複数の空気孔２１−３について、空気孔２１−３を設けない領域の起点が、１０度から１２０度の範囲内にあり、領域の終点が８０度から２１０度の範囲内にあるようにすればよい。なおこの角度は、第一の中心である起動用バーナ４０の中心と、第二の中心である外周バーナ５０の中心をつなぐ直線の、第二の中心から第一の中心とは逆方向に伸びる部分を基準とする。
【００８９】
同様に上記の補正項を導入した場合に、隣接する外周バーナとの干渉を回避するためには各実施例の燃焼器で具体的には、第二の空気孔群の最外周円に沿って配置された複数の空気孔２１−３について、空気孔２１−３を設けない領域の起点が、１０度から６５度の範囲内にあり、領域の終点が起点から４０度から６０度の範囲内にあるようにすればよい。なおこの角度は、隣接する第二の中心である外周バーナ５０どうしの中心をつなぐ直線を基準として、第二の空気孔群により形成される旋回流の回転方向の逆方向に数えるものとする。
【００９０】
外周バーナ５０の中心５１から燃焼器ライナー３内面に下ろした垂線と隣接する外周バーナの中心５１を結んだ直線のなす角５３をαとすれば、実用的な外周バーナの個数が４から８個であることを考えるとαは９０度から１３５度の範囲にある。このため、燃焼器ライナー３内壁と火炎の干渉を避けるために空気孔２１−３を設けない区間や、隣接する外周バーナとの干渉を回避するために空気孔２１−３を設けない区間は、前記第一の中心と前記第二の中心をつなぐ直線の、前記第二の中心から前記第一の中心とは逆方向に伸びる部分を基準として、旋回方向と逆方向に２１０度までの間に終点があることになる。言い換えれば前記第二の空気孔群の最外周円に沿って配置された複数の空気孔について、前記第一の中心と前記第二の中心をつなぐ直線の、前記第二の中心から前記第一の中心とは逆方向に伸びる部分を基準として、基準から旋回流の回転方向で少なくとも１５０度までには空気孔２１−３を設けない領域を設定する必要がない。
【００９１】
そのため、この領域の空気孔２１−３の隣接空気孔間隔を等間隔とすれば、個々の空気孔からの噴流火炎が隣接する噴流火炎と適切に合流して補助し合い、安定な伝播火炎を形成することができる燃焼器を提供することができる。
【００９２】
各実施例の燃焼器では、起動用バーナ４０と外周バーナ５０の燃料系統を独立に運用できる。構造的には、第一の空気孔群を介して燃焼室１に燃料を噴出する燃料ノズル２２に起動用燃料１７を供給する第一の燃料供給系統と、第二の空気孔群を介して燃焼室１に燃料を噴出する燃料ノズル２２に外周バーナ燃料１８を供給する第二の燃料供給系統とを有している。このようにすることで、ガスタービンを好適に起動させつつ、負荷運用時には低ＮＯｘ運転をさせることができる。加えて、燃焼器ライナー３への熱負荷や隣接バーナからの旋回流の干渉を抑えるような、最適な制御も可能な燃焼器とすることができる。
【００９３】
外周バーナ５０に干渉回避部分５４を設けることで、以下の副次的効果も得ることができる。各外周バーナ５０では、干渉回避部分５４の存在により混合気欠損部分が存在する。外周バーナ５０から噴出した混合気は、結果的にこの混合気欠損部分側に傾いた状態で下流へと流れていく。すなわち各外周バーナ５０から噴出される混合気に対して、旋回角が設けられているのと同じ効果を得ることができる。そうすると、空気孔２１の単位だけでなく外周バーナ５０の単位でも旋回作用が発揮されることになる。その結果、火炎の安定性がさらに高まるという効果も得ることができる。
【符号の説明】
【００９４】
１ 燃焼室
２ 燃焼器外筒
３ 燃焼器ライナー
４ 燃焼器尾筒
５ 圧縮機
６ タービン
７ 車室
８ 燃焼器エンドカバー
１０ 圧縮空気
１１ 冷却空気
１２ 燃焼用空気
１３ 燃焼ガス
１４ 燃料
１４ａ 燃料遮断弁
１５ａ，１６ａ 燃料圧力調整弁
１５ｂ，１６ｂ 燃料流量調節弁
１７ 起動用燃料
１８ 外周バーナ燃料
１９，１９−１，１９−２，１９−３ 混合気
２０ 空気孔プレート
２１，２１−１，２１−２，２１−３ 空気孔
２２ 燃料ノズル
２３ 燃料分配器
３０ 火炎
３１ 旋回流
３２ 循環流
４０ 起動用バーナ
４１ 油燃料用噴射ノズル
５０ 外周バーナ
５１ バーナ中心
５２ ３列目空気孔ピッチ円半径
５３ 外周バーナ中心から燃焼器ライナーに下ろした垂線と隣接する外周バーナ中心５１を結んだ直線のなす角
５４ 干渉回避部分
６０ 冷却空気孔
６１ 外周バーナ中心から燃焼器ライナー内面までの距離
６２ 隣接する外周バーナ中心を結んだ直線距離
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を噴出する複数の燃料ノズルと、
前記燃料ノズルから噴出された燃料と空気とを燃焼室に供給する、中心を同じくした複数の円のそれぞれに沿って複数ずつ配置された空気孔を有する空気孔群を複数単位備えた空気孔プレートとを有し、
前記空気孔に、前記複数の空気孔群それぞれに対応して前記中心を中心に回転する旋回流が形成されるように旋回角が設けられた燃焼器において、
第一の中心の周りに複数の第二の中心が配置され、
前記第一の中心を中心とする円に沿って配置された第一の空気孔群により形成される旋回流と、前記第二の中心を中心とする円に沿って配置された第二の空気孔群により形成される旋回流とが逆回転になるように構成されていることを特徴とする燃焼器。
【請求項２】
燃料を噴出する燃料ノズルと、
前記燃料ノズルから噴出された燃料と空気とを燃焼室に供給する、中心を同じくした複数の円のそれぞれに沿って複数ずつ配置された空気孔を有する空気孔群を複数単位備えた空気孔プレートとを有し、前記空気孔に旋回角が設けられた燃焼器において、
少なくとも一つの空気孔群の、最外周円に沿って配置された空気孔の隣接空気孔間隔について、等間隔でない部分を有することを特徴とする燃焼器。
【請求項３】
請求項１または２の燃焼器において、
第一の中心の周りに複数の第二の中心が配置され、
前記第一の中心を中心とする円に沿って配置された第一の空気孔群の最外周円に沿って配置された空気孔の隣接空気孔間隔は等間隔であり、
前記第二の中心を中心とする円に沿って配置された第二の空気孔群の最外周円に沿って配置された空気孔の隣接空気孔間隔について、等間隔でない部分を有することを特徴とする燃焼器。
【請求項４】
請求項１または３の燃焼器において、
前記第二の空気孔群の最外周円に沿って配置された複数の空気孔について、
前記第一の中心と前記第二の中心をつなぐ直線の、前記第二の中心から前記第一の中心とは逆方向に伸びる部分を基準として、前記第二の空気孔群により形成される旋回流の回転方向で少なくとも１５０度までに配置された空気孔の隣接空気孔間隔が等間隔であることを特徴とする燃焼器。
【請求項５】
請求項１，３，４の何れかの燃焼器において、
前記第二の空気孔群の空気孔から供給された燃料と空気とから生成された燃焼ガスによる燃焼室壁へのダメージを低減するように、前記第二の空気孔群の最外周円に沿って配置された複数の空気孔について、等間隔でない部分を有することを特徴とする燃焼器。
【請求項６】
請求項１，３〜５の何れかの燃焼器において、
前記第二の空気孔群の最外周円に沿って配置された複数の空気孔について、空気孔が設けられていない領域を有し、
前記第一の中心と前記第二の中心をつなぐ直線の、前記第二の中心から前記第一の中心とは逆方向に伸びる部分を基準として、前記第二の空気孔群により形成される旋回流の回転方向の逆方向で、
前記領域の起点が１０度から１２０度の範囲内にあり、前記領域の終点が８０度から２１０度にあることを特徴とする燃焼器。
【請求項７】
請求項１，３〜６の何れかの燃焼器において、
前記第二の空気孔群の空気孔から供給された流体が、他の空気孔群から供給された流体と干渉することを抑制するように、前記第二の空気孔群の最外周円に沿って配置された複数の空気孔について、等間隔でない部分を有することを特徴とする燃焼器。
【請求項８】
請求項１，３〜７の何れかの燃焼器において、
前記第二の空気孔群の最外周円に沿って配置された複数の空気孔について、空気孔が設けられていない領域を有し、
前記第二の中心と、前記第二の空気孔群と隣接する空気孔群の中心とをつなぐ直線を基準として、前記第二の空気孔群により形成される旋回流の回転方向の逆方向で、
前記領域の起点が１０度から６５度の範囲内にあり、前記領域の終点が起点から４０度から６０度にあることを特徴とする燃焼器。
【請求項９】
請求項１，３〜８の何れかの燃焼器において、
前記第二の空気孔群の最外周円に沿って配置された複数の空気孔について、
前記第一の中心と前記第二の中心をつなぐ直線の、前記第二の中心から前記第一の中心とは逆方向に伸びる部分を基準として、前記第二の空気孔群により形成される旋回流の回転方向の逆方向で、
起点が式（１）で示され終点が式（２）で表される範囲に空気孔を備えないことを特徴とする燃焼器。
【請求項１０】
請求項１，３〜９の何れかの燃焼器において、
前記第一の空気孔群を介して前記燃焼室に燃料を噴出する燃料ノズルに燃料を供給する第一の燃料供給系統と、前記第二の空気孔群を介して前記燃焼室に燃料を噴出する燃料ノズルに燃料を供給する第二の燃料供給系統とを有することを特徴とする燃焼器。
【請求項１１】
請求項１，３〜１０の何れかの燃焼器において、
前記第二の空気孔群の空気孔に、前記第二の中心に向かって内向きに傾斜するよう内傾角を設けていることを特徴とする燃焼器。
【請求項１２】
燃料を噴出する燃料ノズルと、
前記燃料ノズルから噴出された燃料と空気とを燃焼室に供給する、中心を同じくした複数の円のそれぞれに沿って複数ずつ配置された空気孔を有する空気孔群を複数単位備えた空気孔プレートとを有し、前記空気孔に旋回角が設けられた燃焼器の運転方法において、
前記空気孔プレートとして、前記第二の空気孔群の最外周円に沿って配置された空気孔の隣接空気孔間隔について、等間隔でない部分を有する空気孔プレートを用い、
前記第二の空気孔群の空気孔から供給された流体が、その燃焼反応が終わる前に燃焼室壁の消炎距離内へ到達することを抑制することを特徴とする燃焼器の運転方法。
【請求項１３】
燃料を噴出する燃料ノズルと、
前記燃料ノズルから噴出された燃料と空気とを燃焼室に供給する、中心を同じくした複数の円のそれぞれに沿って複数ずつ配置された空気孔を有する空気孔群を複数単位備えた空気孔プレートとを有し、前記空気孔に旋回角が設けられた燃焼器の運転方法において、
前記空気孔プレートとして、前記第二の空気孔群の最外周円に沿って配置された空気孔の隣接空気孔間隔について、等間隔でない部分を有する空気孔プレートを用い、
前記第二の空気孔群の空気孔から供給された流体が、他の空気孔群から供給された流体と干渉することを抑制することを特徴とする燃焼器の運転方法。
【請求項１】
燃料を噴出する複数の燃料ノズルと、
前記燃料ノズルから噴出された燃料と空気とを燃焼室に供給する、中心を同じくした複数の円のそれぞれに沿って複数ずつ配置された空気孔を有する空気孔群を複数単位備えた空気孔プレートとを有し、
前記空気孔に、前記複数の空気孔群それぞれに対応して前記中心を中心に回転する旋回流が形成されるように旋回角が設けられた燃焼器において、
第一の中心の周りに複数の第二の中心が配置され、
前記第一の中心を中心とする円に沿って配置された第一の空気孔群により形成される旋回流と、前記第二の中心を中心とする円に沿って配置された第二の空気孔群により形成される旋回流とが逆回転になるように構成されていることを特徴とする燃焼器。
【請求項２】
燃料を噴出する燃料ノズルと、
前記燃料ノズルから噴出された燃料と空気とを燃焼室に供給する、中心を同じくした複数の円のそれぞれに沿って複数ずつ配置された空気孔を有する空気孔群を複数単位備えた空気孔プレートとを有し、前記空気孔に旋回角が設けられた燃焼器において、
少なくとも一つの空気孔群の、最外周円に沿って配置された空気孔の隣接空気孔間隔について、等間隔でない部分を有することを特徴とする燃焼器。
【請求項３】
請求項１または２の燃焼器において、
第一の中心の周りに複数の第二の中心が配置され、
前記第一の中心を中心とする円に沿って配置された第一の空気孔群の最外周円に沿って配置された空気孔の隣接空気孔間隔は等間隔であり、
前記第二の中心を中心とする円に沿って配置された第二の空気孔群の最外周円に沿って配置された空気孔の隣接空気孔間隔について、等間隔でない部分を有することを特徴とする燃焼器。
【請求項４】
請求項１または３の燃焼器において、
前記第二の空気孔群の最外周円に沿って配置された複数の空気孔について、
前記第一の中心と前記第二の中心をつなぐ直線の、前記第二の中心から前記第一の中心とは逆方向に伸びる部分を基準として、前記第二の空気孔群により形成される旋回流の回転方向で少なくとも１５０度までに配置された空気孔の隣接空気孔間隔が等間隔であることを特徴とする燃焼器。
【請求項５】
請求項１，３，４の何れかの燃焼器において、
前記第二の空気孔群の空気孔から供給された燃料と空気とから生成された燃焼ガスによる燃焼室壁へのダメージを低減するように、前記第二の空気孔群の最外周円に沿って配置された複数の空気孔について、等間隔でない部分を有することを特徴とする燃焼器。
【請求項６】
請求項１，３〜５の何れかの燃焼器において、
前記第二の空気孔群の最外周円に沿って配置された複数の空気孔について、空気孔が設けられていない領域を有し、
前記第一の中心と前記第二の中心をつなぐ直線の、前記第二の中心から前記第一の中心とは逆方向に伸びる部分を基準として、前記第二の空気孔群により形成される旋回流の回転方向の逆方向で、
前記領域の起点が１０度から１２０度の範囲内にあり、前記領域の終点が８０度から２１０度にあることを特徴とする燃焼器。
【請求項７】
請求項１，３〜６の何れかの燃焼器において、
前記第二の空気孔群の空気孔から供給された流体が、他の空気孔群から供給された流体と干渉することを抑制するように、前記第二の空気孔群の最外周円に沿って配置された複数の空気孔について、等間隔でない部分を有することを特徴とする燃焼器。
【請求項８】
請求項１，３〜７の何れかの燃焼器において、
前記第二の空気孔群の最外周円に沿って配置された複数の空気孔について、空気孔が設けられていない領域を有し、
前記第二の中心と、前記第二の空気孔群と隣接する空気孔群の中心とをつなぐ直線を基準として、前記第二の空気孔群により形成される旋回流の回転方向の逆方向で、
前記領域の起点が１０度から６５度の範囲内にあり、前記領域の終点が起点から４０度から６０度にあることを特徴とする燃焼器。
【請求項９】
請求項１，３〜８の何れかの燃焼器において、
前記第二の空気孔群の最外周円に沿って配置された複数の空気孔について、
前記第一の中心と前記第二の中心をつなぐ直線の、前記第二の中心から前記第一の中心とは逆方向に伸びる部分を基準として、前記第二の空気孔群により形成される旋回流の回転方向の逆方向で、
起点が式（１）で示され終点が式（２）で表される範囲に空気孔を備えないことを特徴とする燃焼器。
【請求項１０】
請求項１，３〜９の何れかの燃焼器において、
前記第一の空気孔群を介して前記燃焼室に燃料を噴出する燃料ノズルに燃料を供給する第一の燃料供給系統と、前記第二の空気孔群を介して前記燃焼室に燃料を噴出する燃料ノズルに燃料を供給する第二の燃料供給系統とを有することを特徴とする燃焼器。
【請求項１１】
請求項１，３〜１０の何れかの燃焼器において、
前記第二の空気孔群の空気孔に、前記第二の中心に向かって内向きに傾斜するよう内傾角を設けていることを特徴とする燃焼器。
【請求項１２】
燃料を噴出する燃料ノズルと、
前記燃料ノズルから噴出された燃料と空気とを燃焼室に供給する、中心を同じくした複数の円のそれぞれに沿って複数ずつ配置された空気孔を有する空気孔群を複数単位備えた空気孔プレートとを有し、前記空気孔に旋回角が設けられた燃焼器の運転方法において、
前記空気孔プレートとして、前記第二の空気孔群の最外周円に沿って配置された空気孔の隣接空気孔間隔について、等間隔でない部分を有する空気孔プレートを用い、
前記第二の空気孔群の空気孔から供給された流体が、その燃焼反応が終わる前に燃焼室壁の消炎距離内へ到達することを抑制することを特徴とする燃焼器の運転方法。
【請求項１３】
燃料を噴出する燃料ノズルと、
前記燃料ノズルから噴出された燃料と空気とを燃焼室に供給する、中心を同じくした複数の円のそれぞれに沿って複数ずつ配置された空気孔を有する空気孔群を複数単位備えた空気孔プレートとを有し、前記空気孔に旋回角が設けられた燃焼器の運転方法において、
前記空気孔プレートとして、前記第二の空気孔群の最外周円に沿って配置された空気孔の隣接空気孔間隔について、等間隔でない部分を有する空気孔プレートを用い、
前記第二の空気孔群の空気孔から供給された流体が、他の空気孔群から供給された流体と干渉することを抑制することを特徴とする燃焼器の運転方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１０−２５６００３（Ｐ２０１０−２５６００３Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８５６３７（Ｐ２０１０−８５６３７）
【出願日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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