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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024090698
(43)【公開日】2024-07-04
(54)【発明の名称】バーナ及び当該バーナを有する燃焼器
(51)【国際特許分類】
F23D 14/22 20060101AFI20240627BHJP
F23D 14/48 20060101ALI20240627BHJP
F02C 7/232 20060101ALI20240627BHJP
F23R 3/28 20060101ALI20240627BHJP
F23R 3/32 20060101ALI20240627BHJP
F02C 7/22 20060101ALI20240627BHJP
【ＦＩ】
F23D14/22 G
F23D14/48 B
F02C7/232
F23R3/28 B
F23R3/32
F02C7/22 C
【審査請求】有
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022206757
(22)【出願日】2022-12-23
(71)【出願人】
【識別番号】000005902
【氏名又は名称】株式会社三井Ｅ＆Ｓ
(74)【代理人】
【識別番号】110000121
【氏名又は名称】ＩＡＴ弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】王 ▲路▼宇
(72)【発明者】
【氏名】高山 祐輔
(72)【発明者】
【氏名】西江 俊介
【テーマコード（参考）】
3K017
3K019
【Ｆターム（参考）】
3K017CA05
3K017CA06
3K017CB02
3K017CD02
3K019AA05
3K019AA06
(57)【要約】
【課題】逆火の発生を防止し、また、燃焼時の窒素化合物ＮＯｘの発生を抑制する。
【解決手段】本発明のバーナは、燃料及び空気の混合気を燃焼室にて燃焼させるバーナであって、前記空気を前記燃焼室に向けて供給する流路を有する第１の供給管と、前記第１の供給管の前記流路に挿入されて、前記燃料の供給を行う第２の供給管と、前記第２の供給管の先端部に設けられて、前記第１の供給管の内壁面との間で前記流路を絞る絞り部を形成する絞り形成部と、前記流路の上流側に向けて前記燃料を噴出する噴出孔を有する本体部と、前記第２の供給管にて供給される前記燃料を前記本体部に送る管状部と、を含み、前記本体部が前記燃焼室の近傍に配置される燃料噴出部と、前記第１の供給管と前記燃焼室との接続部分に設けられて、前記流路から前記燃焼室に流入する前記空気を前記燃焼室内で拡散させる拡散部と、を有することを特徴とする。
【選択図】図２
【解決手段】本発明のバーナは、燃料及び空気の混合気を燃焼室にて燃焼させるバーナであって、前記空気を前記燃焼室に向けて供給する流路を有する第１の供給管と、前記第１の供給管の前記流路に挿入されて、前記燃料の供給を行う第２の供給管と、前記第２の供給管の先端部に設けられて、前記第１の供給管の内壁面との間で前記流路を絞る絞り部を形成する絞り形成部と、前記流路の上流側に向けて前記燃料を噴出する噴出孔を有する本体部と、前記第２の供給管にて供給される前記燃料を前記本体部に送る管状部と、を含み、前記本体部が前記燃焼室の近傍に配置される燃料噴出部と、前記第１の供給管と前記燃焼室との接続部分に設けられて、前記流路から前記燃焼室に流入する前記空気を前記燃焼室内で拡散させる拡散部と、を有することを特徴とする。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料及び空気の混合気を燃焼室にて燃焼させるバーナであって、
前記空気を前記燃焼室に向けて供給する流路を有する第１の供給管と、
前記第１の供給管の前記流路に挿入されて、前記燃料の供給を行う第２の供給管と、
前記第２の供給管の先端部に設けられて、前記第１の供給管の内壁面との間で前記流路を絞る絞り部を形成する絞り形成部と、
前記流路の上流側に向けて前記燃料を噴出する噴出孔を有する本体部と、前記第２の供給管にて供給される前記燃料を前記本体部に送る管状部と、を含み、前記本体部が前記燃焼室の近傍に配置される燃料噴出部と、
前記第１の供給管と前記燃焼室との接続部分に設けられて、前記流路から前記燃焼室に流入する前記空気を前記燃焼室内で拡散させる拡散部と、
を有することを特徴とするバーナ。
前記空気を前記燃焼室に向けて供給する流路を有する第１の供給管と、
前記第１の供給管の前記流路に挿入されて、前記燃料の供給を行う第２の供給管と、
前記第２の供給管の先端部に設けられて、前記第１の供給管の内壁面との間で前記流路を絞る絞り部を形成する絞り形成部と、
前記流路の上流側に向けて前記燃料を噴出する噴出孔を有する本体部と、前記第２の供給管にて供給される前記燃料を前記本体部に送る管状部と、を含み、前記本体部が前記燃焼室の近傍に配置される燃料噴出部と、
前記第１の供給管と前記燃焼室との接続部分に設けられて、前記流路から前記燃焼室に流入する前記空気を前記燃焼室内で拡散させる拡散部と、
を有することを特徴とするバーナ。
【請求項2】
請求項１に記載のバーナにおいて、
前記第１の供給管の内径をＤ１、前記絞り形成部の外径をＤ２、前記管状部の外径をＤ３としたとき、
前記第１の供給管の内径Ｄ１に対する、前記絞り形成部の外径Ｄ２の比率は０．７５から０．９に設定され、
前記第１の供給管の内径Ｄ１に対する、前記管状部の外径Ｄ３の比率は０．０５から０．２に設定される
ことを特徴とするバーナ。
前記第１の供給管の内径をＤ１、前記絞り形成部の外径をＤ２、前記管状部の外径をＤ３としたとき、
前記第１の供給管の内径Ｄ１に対する、前記絞り形成部の外径Ｄ２の比率は０．７５から０．９に設定され、
前記第１の供給管の内径Ｄ１に対する、前記管状部の外径Ｄ３の比率は０．０５から０．２に設定される
ことを特徴とするバーナ。
【請求項3】
請求項１に記載のバーナにおいて、
前記第１の供給管の内径をＤ１、前記本体部から前記燃焼室までの距離をＨ１としたとき、
前記第１の供給管の内径Ｄ１に対する、前記本体部から前記燃焼室までの距離Ｈ１の比率は０．１５から０．４５に設定される
ことを特徴とするバーナ。
前記第１の供給管の内径をＤ１、前記本体部から前記燃焼室までの距離をＨ１としたとき、
前記第１の供給管の内径Ｄ１に対する、前記本体部から前記燃焼室までの距離Ｈ１の比率は０．１５から０．４５に設定される
ことを特徴とするバーナ。
【請求項4】
請求項１に記載のバーナにおいて、
前記拡散部は、前記第１の供給管と前記燃焼室との接続部分に設けた円弧状の曲面であり、
前記第１の供給管の内径をＤ１、前記拡散部の半径をＲ１としたとき、
前記第１の供給管の内径Ｄ１に対する、前記拡散部の半径Ｒ１の比率は０．２以上に設定される
ことを特徴とするバーナ。
前記拡散部は、前記第１の供給管と前記燃焼室との接続部分に設けた円弧状の曲面であり、
前記第１の供給管の内径をＤ１、前記拡散部の半径をＲ１としたとき、
前記第１の供給管の内径Ｄ１に対する、前記拡散部の半径Ｒ１の比率は０．２以上に設定される
ことを特徴とするバーナ。
【請求項5】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のバーナと、
前記バーナから送り込まれる混合気を燃焼させる燃焼室を内部に有する内筒と、
前記内筒の外側に配置されるとともに、前記内筒との間に前記バーナに前記空気を供給する空間を形成する外筒と、
を備えたことを特徴とする燃焼器。
前記バーナから送り込まれる混合気を燃焼させる燃焼室を内部に有する内筒と、
前記内筒の外側に配置されるとともに、前記内筒との間に前記バーナに前記空気を供給する空間を形成する外筒と、
を備えたことを特徴とする燃焼器。
【請求項6】
バーナを構成する第１の供給管の内部に流れ込まれる空気により、前記第１の供給管の内部に第１の渦を生成する工程と、
前記第１の供給管の内部に挿入された第２の供給管により供給される燃料を、前記第２の供給管の先端に設けたノズルを用いて、前記第１の供給管の上流側に向けて噴出させる工程と、
前記第１の供給管の内部に流れ込む前記空気と、前記ノズルから噴出される前記燃料と、を、前記第１の渦により、当該燃料が燃料過多となる状態に混合する工程と、
前記第１の渦により混合される前記空気と前記燃料との混合気を、燃焼室の内部で一次燃焼させる工程と、
前記第１の供給管と前記燃焼室との接続部分に設けられた拡散部により、前記第１の供給管から前記燃焼室に送り込まれる前記空気を前記燃焼室の内部で拡散させて、前記燃焼室の内部に第２の渦を生成する工程と、
前記一次燃焼により未燃焼となる前記燃料と、前記燃焼室に送り込まれる前記空気とを、前記第２の渦により混合する工程と、
前記第２の渦により混合された前記燃料と前記空気との混合気を前記燃焼室の内部で二次燃焼させる工程と、
を有することを特徴とする燃焼方法。
前記第１の供給管の内部に挿入された第２の供給管により供給される燃料を、前記第２の供給管の先端に設けたノズルを用いて、前記第１の供給管の上流側に向けて噴出させる工程と、
前記第１の供給管の内部に流れ込む前記空気と、前記ノズルから噴出される前記燃料と、を、前記第１の渦により、当該燃料が燃料過多となる状態に混合する工程と、
前記第１の渦により混合される前記空気と前記燃料との混合気を、燃焼室の内部で一次燃焼させる工程と、
前記第１の供給管と前記燃焼室との接続部分に設けられた拡散部により、前記第１の供給管から前記燃焼室に送り込まれる前記空気を前記燃焼室の内部で拡散させて、前記燃焼室の内部に第２の渦を生成する工程と、
前記一次燃焼により未燃焼となる前記燃料と、前記燃焼室に送り込まれる前記空気とを、前記第２の渦により混合する工程と、
前記第２の渦により混合された前記燃料と前記空気との混合気を前記燃焼室の内部で二次燃焼させる工程と、
を有することを特徴とする燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ガスタービンなどに用いられるバーナ及び当該バーナを有する燃焼器に関する。
【背景技術】
【0002】
ガスタービン燃焼器において、水素などの燃焼速度が速いガスの燃焼の場合、燃焼範囲が広く、燃焼温度も高いため大量の窒素化合物ＮＯｘが発生する。対策として燃焼器に水蒸気や水を噴射することで、非常に高い脱硝効果を達成できるが、一般的にはガスタービンの排熱を利用した排熱ボイラの蒸気を使用するため、ガスタービンの総合熱効率が低下する。一方、ドライ低ＮＯｘ燃焼方式は総合熱効率を維持できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０２１－１９６０７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、天然ガスなど燃焼速度が比較的遅い燃料は希薄予混合でドライ低ＮＯｘ燃焼を達成できるが、水素などのガスは燃焼速度が速く、希薄予混合の場合は逆火のリスクがある。
【0005】
本発明は、上記に記載した課題を解決するために発明されたものであり、本燃焼器により、燃焼時の窒素化合物（ＮＯｘ）の発生を抑制するとともに、逆火の発生を抑制するようにしたバーナ及び当該バーナを有する燃焼器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記に記載した課題を解決するために、本発明の一側面のバーナは、燃料及び空気の混合気を燃焼室にて燃焼させるバーナであって、空気を燃焼室に向けて供給する流路を有する第１の供給管と、第１の供給管の流路に挿入されて、燃料の供給を行う第２の供給管と、第２の供給管の先端部に設けられて、第１の供給管の内壁面との間で流路を絞る絞り部を形成する絞り形成部と、流路の上流側に向けて燃料を噴出する噴出孔を有する本体部と、第２の供給管にて供給される燃料を本体部に送る管状部と、を含み、本体部が燃焼室の近傍に配置される燃料噴出部と、第１の供給管と燃焼室との接続部分に設けられて、流路から燃焼室に流入する空気を燃焼室内で拡散させる拡散部と、を有することを特徴とする。
【0007】
また、第１の供給管の内径をＤ１、絞り形成部の外径をＤ２、管状部の外径をＤ３としたとき、第１の供給管の内径Ｄ１に対する、絞り形成部の外径Ｄ２の比率は０．７５から０．９に設定され、第１の供給管の内径Ｄ１に対する、管状部の外径Ｄ３の比率は０．０５から０．２に設定されるものである。
【0008】
また、第１の供給管の内径をＤ１、本体部から燃焼室までの距離をＨ１としたとき、第１の供給管の内径Ｄ１に対する、本体部から燃焼室までの距離Ｈ１の比率は０．１５から０．４５に設定されるものである。
【0009】
また、拡散部は、第１の供給管と燃焼室との接続部分に設けた円弧状の曲面であり、第１の供給管の内径をＤ１、拡散部の半径をＲ１としたとき、第１の供給管の内径Ｄ１に対する、拡散部の半径Ｒ１の比率は０．２以上に設定されるものである。
【0010】
また、本発明の一側面の燃焼器は、上記記載のバーナと、前記バーナから送り込まれる混合気を燃焼させる燃焼室を内部に有する内筒と、前記内筒が収納されるとともに、収納される前記内筒との間に、前記予混合管に空気を供給する空間を有する外筒と、を備えることを特徴とする。
【0011】
また、本発明の一側面の燃焼方法は、バーナを構成する第１の供給管の内部に流れ込まれる空気により、前記第１の供給管の内部に第１の渦を生成する工程と、前記第１の供給管の内部に挿入された第２の供給管により供給される燃料を、前記第２の供給管の先端に設けたノズルを用いて、前記第１の供給管の上流側に向けて噴出させる工程と、前記第１の供給管の内部に流れ込む前記空気と、前記ノズルから噴出される前記燃料と、を、前記第１の渦により、当該燃料が燃料過多となる状態に混合する工程と、前記第１の渦により混合される前記空気と前記燃料との混合気を、前記燃焼室の内部で一次燃焼させる工程と、前記第１の供給管と前記燃焼室との接続部分に設けられた拡散部により、前記第１の供給管から前記燃焼室に送り込まれる空気を前記燃焼室の内部で拡散させて、前記燃焼室の内部に第２の渦を生成する工程と、前記一次燃焼により未燃焼となる燃料と、前記燃焼室に送り込まれる前記空気とを、前記第２の渦により混合する工程と、前記第２の渦により混合された前記燃料と前記空気との混合気を前記燃焼室の内部で二次燃焼させる工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
本発明によると、逆火の発生を防止し、同時に、燃焼時の窒素化合物（ＮＯｘ）の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明における燃焼器の一実施形態について、図面を用いて説明する。図１は、燃焼器１０の概略構成を示す断面図である。燃焼器１０は、詳細は後述するが、流入する空気により渦を発生させて、燃料と空気とを燃料過多の状態となるように混合させて、その混合気を燃焼室内で一次燃焼させる。また、燃焼器１０は、燃焼室に流入する空気により燃焼室内に渦を発生させて、一次燃焼により未燃焼の燃料と空気とを混合して、その混合気を二次燃焼させる。この構成により、燃料である水素の逆火の発生を抑制することができる。なお、以下では、燃料として水素などの燃焼速度が速いガスを例に挙げているが、例えば天然ガスを燃料として用いることも可能である。
【0015】
燃焼器１０は、例えば不図示のガスタービンなどに設けられ、燃焼にて生成される燃焼ガスを不図示のタービンに送ることで、当該タービンを回転させるものである。燃焼器１０は、図１に示すように、内筒２０と、外筒３０と、バーナ４０と、を有している。なお、燃焼室２１において燃焼を開始する際に点火を行うバーナをパイロットバーナと称し、燃焼に必要となる燃料及び空気を燃焼室２１に送り込むバーナ４０をメインバーナと称する場合もある。
【0016】
内筒２０は、不図示のパイロットバーナにより点火した火炎を用いて、或いは、プラグから直接着火させることで、バーナ４０により生成された混合気を燃焼させる燃焼室２１を内部に有する。内筒２０は、中心軸Ｌ方向における上端部が天蓋２２により閉口された、例えば円筒状などの筒形状の部材である。天蓋２２は、例えば、その中心部２３が外周縁部２４に対して、上方に突出した形状となっている。
【0017】
図示は省略するが、天蓋２２の中心部２３には、パイロットバーナが設置されている。また、天蓋２２の中心部２３には、燃焼器１０の平面視においてパイロットバーナを取り囲むように、バーナ４０が、内筒２０の中心軸（Ｌ）方向を中心として所定角度間隔で、複数設けられている。また、天蓋２２の外周縁部２４にも、バーナ４０が、内筒２０の中心軸（Ｌ）方向を中心として所定角度間隔で、複数設けられている。なお、バーナ４０の構成については、後述する。
【0018】
外筒３０は、内筒２０と同様に、中心軸（Ｌ）方向における上端部が閉口した、例えば円筒状などの筒形状の部材である。外筒３０は、内筒２０を収納した状態で保持される。なお、外筒３０は、内筒２０が同軸となる状態で、内筒２０を収納している。外筒３０の内部に内筒２０を収納した状態では、収納した内筒２０との間に空間３１が形成されている。空間３１は、外筒３０の中心軸（Ｌ）方向における下端部から外筒３０の内部へと供給される空気を、天蓋２２に設けたパイロットバーナや、バーナ４０の空気供給管４１に向けて流す供給空間（以下、供給空間３１と称する）として機能する。
【0019】
図示は省略するが、パイロットバーナは、内筒２０が有する燃焼室２１に向けて、燃料及び空気を各々噴出させて、燃料及び空気を燃焼室２１の内部で拡散混合させて、拡散混合される燃料を点火ロッドによる点火により燃焼させる。この燃焼により、バーナ４０から燃焼室２１に流入する混合気が燃焼される。
【0020】
バーナ４０は、燃料及び空気を混合させて混合気を生成し、当該混合気を燃焼室２１に供給する。なお、詳細は後述するが、図２に示すように、バーナ４０は、空気供給管４１と、燃料供給管４２とから構成されている。なお、バーナ４０の空気供給管４１は、請求項に記載の第１の供給管に、燃料供給管４２は請求項に記載の第２の供給管にそれぞれ相当する。
【0021】
空気供給管４１は、各々の中心軸（Ｌ２）方向が内筒２０の中心軸（Ｌ）方向と水平となるように、内筒２０の天蓋２２の中心部及び外周縁部に設けられている。空気供給管４１には、その上端部に空気が流入する流入口４１ａと、当該流入口４１ａから流入する空気を燃焼室２１に供給する流路５１とを有している。
【0022】
また、空気供給管４１の下端部と内筒２０の天蓋２２との接続部分には拡散部５６が設けられる。拡散部５６は、例えば円弧状の曲面である。拡散部５６を設けることで、空気が空気供給管４１の流路５１から燃焼室２１へと流れ込むときに、当該空気が拡散部５６に沿って流れることで、燃焼室２１への流入時に拡散される。
【0023】
燃料供給管４２は、燃料を空気供給管４１の流路５１に向けて供給する。燃料供給管４２は、外筒３０の上端面から内筒２０の天蓋２２に向けて延出され（図１参照）、内筒２０の天蓋２２に設けられた空気供給管４１のそれぞれに挿入された状態で保持されている。
【0024】
燃料供給管４２は、当該燃料供給管４２の先端部に絞り形成部４２ａを有する。絞り形成部４２ａは、燃料供給管４２の外周面から当該燃料供給管４２の径方向に突出している。なお、絞り形成部４２ａの形状としては、例えば燃料供給管４２の先端に向けて、外径が拡径された円錐形状である。例えば、燃料供給管４２が空気供給管４１の内部に挿入された状態で保持されると、絞り形成部４２ａは、空気供給管４１の下流側において、空気供給管４１の内壁面４１ｂとの間に絞り部５２を形成する。絞り部５２を空気供給管４１の内部に設けることで、絞り部５２を通過する前後の空気の流速が変化して、絞り部５２を通過した空気の一部が絞り部５２の下流側で渦７１を形成する。なお、絞り部５２を通過する空気の流速は、例えば８０～１００ｍ／ｓに設定されることが好ましい。これにより、絞り部５２を通過した空気の一部が絞り部５２の下流側で、燃料と空気とを当該燃料が過多となる状態で混合させるのに適した強さの渦７１を形成することができる。ここで、渦７１が請求項に記載の第１の渦に相当する。
【0025】
燃料供給管４２の先端には、ノズル５３が設けられている。ノズル５３は請求項に記載の燃料噴出部に相当する。ノズル５３は、燃料供給管４２の先端面４２ｂから、燃焼室２１に向けて延出されている。ノズル５３は、本体部６１と、管状部６２とを有する。本体部６１は、燃料供給管４２の先端面４２ｂ側に燃料を噴出する噴出孔６３を複数有している。複数の噴出孔６３は、中心軸（Ｌ２）方向を中心として、所定の角度間隔を空けて複数設けられている。
【0026】
（バーナ４０内での空気及び燃料の混合から、燃焼までの流れの説明）
次に、バーナ４０内での空気及び燃料の混合から、燃焼までの流れについて、主に図３を参照して説明する。ガスタービンの駆動に伴って、燃焼器１０には、空気や燃料が供給される。燃焼器１０に供給される空気は、燃焼器１０の内筒２０と外筒３０との間に設けられた供給空間３１に流入する。供給空間３１に流入した空気は、空気供給管４１の上端部に設けた流入口４１ａから当該空気供給管４１の内部に流入する。空気供給管４１の内部に流入した空気は、空気供給管４１と燃料供給管４２との間の流路５１を、燃焼室２１に向けて流れる。
次に、バーナ４０内での空気及び燃料の混合から、燃焼までの流れについて、主に図３を参照して説明する。ガスタービンの駆動に伴って、燃焼器１０には、空気や燃料が供給される。燃焼器１０に供給される空気は、燃焼器１０の内筒２０と外筒３０との間に設けられた供給空間３１に流入する。供給空間３１に流入した空気は、空気供給管４１の上端部に設けた流入口４１ａから当該空気供給管４１の内部に流入する。空気供給管４１の内部に流入した空気は、空気供給管４１と燃料供給管４２との間の流路５１を、燃焼室２１に向けて流れる。
【0027】
上述したように、燃料供給管４２は、その先端部に絞り形成部４２ａを有している。したがって、空気供給管４１と燃料供給管４２との間の流路５１には、空気供給管４１の内壁面と、燃料供給管４２の絞り形成部４２ａにより、絞り部５２が形成されている。
【0028】
燃焼室２１に向けて流れる空気が絞り部５２を通過するとき、空気の流速が変化する。例えば、空気供給管４１の内壁面４１ｂの近傍を流れる空気は、そのまま、空気供給管４１の内壁面４１ｂの近傍を流れる。一方、燃料供給管４２の絞り形成部４２ａに沿って流れる空気は、絞り部５２を通過すると、燃料供給管４２の絞り形成部４２ａの下流側で、空気供給管４１の中心軸Ｌ２方向側に向けた渦７１を形成する。
【0029】
一方、燃焼器１０に供給される燃料（水素などの燃焼速度が速いガス）は、燃料供給管４２を流れた後、ノズル５３に到達する。そして、ノズル５３に到達した燃料は、ノズル５３に設けた噴出孔６３から、燃料供給管４２の先端面４２ｂに向けて、すなわち、空気供給管４１の上流側に向けて噴出される。上述したように、空気供給管４１の内部では、絞り部５２を通過する空気によって、燃料供給管４２の絞り形成部４２ａの下流側に渦７１が形成される。したがって、燃料供給管４２の絞り形成部４２ａの先端面４２ｂに向けて噴出される燃料の一部は、渦７１によって、空気と急速混合（予混合）される。なお、絞り部５２を通過して渦７１を形成する空気と当該渦７１に向けて噴出される燃料とは、空気に対する燃料の当量比が１以上の状態で、すなわち、燃料過多の状態で混合される。なお、燃料過多の状態で混合される混合気は、一部が完全に混合（予混合）されるが、噴出される燃料が全て完全に混合されずに燃焼室２１に向けて流れる過程で空気と拡散混合される。
【0030】
ガスタービンが駆動すると、パイロットバーナによって点火される。したがって、バーナ４０から燃焼室２１へと供給される混合気は、拡散部５６の近傍の領域７６において燃焼される（一次燃焼）。すなわち、一次燃焼では、バーナ４０の内部における空気と燃料との予混合により生成された混合気の燃焼（予混合燃焼）と、燃焼室２１へと流れる空気と燃料との拡散混合により生成される混合気の燃焼（拡散燃焼）とが同時に行われる。上述したように、バーナ４０の内部における空気と燃料との予混合により生成された混合気は、燃料過多の状態である。したがって、一次燃焼の一部である予混合燃焼では、混合気に含まれる空気濃度に応じた燃料のみが燃焼されて、未燃焼の燃料は、一次燃焼により生成されるガスや水蒸気とともに、燃焼室２１の内部へと流れる。
【0031】
ところで、絞り部５２を通過した空気のうち、空気供給管４１の内壁面４１ｂに沿って流れる空気は、燃焼室２１へと流れ込んだときに燃焼室２１の内部に拡散される。このとき、燃焼室２１では、渦７１によって混合された空気と燃料との混合気が燃焼室２１に流れ込んでおり燃焼室２１の内部で燃焼されている。したがって、空気供給管４１の流路５１から燃焼室２１の内部に拡散された空気は、燃焼室２１の内部で拡散した後、混合気が一次燃焼する領域７６に向けて流れる。その結果、燃焼室２１の内部において、渦７２が生成される。なお、渦７２は、例えば空気供給管４１の内径以上の大きさとなる。なお、渦７２は、請求項に記載の第２の渦に相当する。燃焼室２１への空気の流入により渦７２が形成されると、一次燃焼において未燃焼の燃料は、混合気の燃焼により生成される水蒸気とともに、渦７２により再び空気と急速混合される。この急速混合された混合気は、一次燃焼により発生する火炎により、一次燃焼が行われる領域７６よりも下方となる領域７７で燃焼される（二次燃焼）。この二次燃焼により、一次燃焼において未燃焼となる燃料が燃焼される。そして、二次燃焼によって生成されるガスは、一次燃焼によって生成されるガスとともに、内筒２０（図１参照）の下方へと流れて、不図示のタービンを回転させる。
【0032】
一次燃焼が行われる領域７６では、温度が上昇して、混合気に含まれる空気が化学反応して窒素化合物ＮＯｘを生成する。しかしながら、混合気に含まれる空気のほとんどが燃料の燃焼に使用されるため、空気が化学反応することによる窒素化合物ＮＯｘの生成量は抑制される。
【0033】
また、二次燃焼では、燃料の燃焼により二次燃焼が行われる領域７７における温度が上昇するが、一次燃焼によって生成される水蒸気が気化することで、二次燃焼が行われる領域７７において、温度が過度に上昇することを防止している。したがって、二次燃焼において、混合気に含まれる空気が化学反応しにくくなり、窒素化合物ＮＯｘの生成量は抑制される。なおかつ、渦７２により再び空気と急速混合されることで、高温の燃焼ガスが希釈され、高温によるサーマル窒素化合物ＮＯｘの生成過程を止める。例えば、二次燃焼により生成されたガスは高温のままになると、高温によるサーマル窒素化合物ＮＯｘは生成し続ける。したがって、燃焼室２１の全域で生成される窒素化合物ＮＯｘの生成量は抑制される。
【0034】
（燃料供給管４２の絞り形成部４２ａの外径や、ノズル５３の管状部６２の外径について）
上述したバーナ４０の構成において、絞り部５２を通過した空気により、絞り部５２の下流側に渦７１を生成して、空気と燃料とは、例えば空気に対する燃料の当量比が燃料過多、すなわち、当量比が１以上となるように混合される。図２に示すように、空気供給管４１の内径Ｄ１、燃料供給管４２の絞り形成部４２ａの外径の最大値Ｄ２、ノズル５３の管状部６２の外径Ｄ３は、以下の（１）式、（２）式を満足することが好ましい。
上述したバーナ４０の構成において、絞り部５２を通過した空気により、絞り部５２の下流側に渦７１を生成して、空気と燃料とは、例えば空気に対する燃料の当量比が燃料過多、すなわち、当量比が１以上となるように混合される。図２に示すように、空気供給管４１の内径Ｄ１、燃料供給管４２の絞り形成部４２ａの外径の最大値Ｄ２、ノズル５３の管状部６２の外径Ｄ３は、以下の（１）式、（２）式を満足することが好ましい。
【0035】
Ｄ２／Ｄ１＝０．７５～０．９・・・（１）
Ｄ３／Ｄ１＝０．０５～０．２・・・（２）
Ｄ３／Ｄ１＝０．０５～０．２・・・（２）
【0036】
また、燃焼室２１内に流れ込む空気を拡散して、混合気が燃焼される領域７６に空気が流れることで生成される渦７２の大きさを空気供給管４１の内径の１倍以上とするためには、拡散部５６における半径Ｒ１は、空気供給管４１の内径Ｄ１に対して、以下の（３）式を満足することが好ましい。
【0037】
Ｒ１／Ｄ１≧０．２・・・（３）
【0038】
さらに、燃焼室２１に送り込まれる混合気を燃焼させる際に、バーナ４０の内部での燃焼を防止する、すなわち、逆火の発生を防止するために、ノズル５３の先端から燃焼室２１までの距離Ｈ１は、空気供給管４１の内径Ｄ１に対して、以下の（４）式を満足することが好ましい。
【0039】
Ｈ１／Ｄ１＝０．１５～０．４５・・・（４）
【0040】
（実験）
最後に、上記構成の燃焼器において、燃料を燃焼室２１で燃焼させたときの燃焼室２１内の温度分布や、生成される窒素化合物ＮＯｘの分布について説明する。図４に示すように、燃焼室２１の内部で燃料を燃焼させると、図３に示す一次燃焼が行われる領域７６や、二次燃焼が行われる領域７７において高温となるものの局地的に高温となる領域が少ないことが分かった。また、図５に示すように、燃焼室２１の内部において、二次燃焼が行われる領域７７では窒素化合物ＮＯｘの濃度は高くなるが、燃焼室２１における窒素化合物ＮＯｘの濃度は全体的に少なくなることが分かった。したがって、本発明における燃焼器１０を用いた燃焼室２１内での燃焼において、窒素化合物ＮＯｘの発生を抑えることができることが分かった。
最後に、上記構成の燃焼器において、燃料を燃焼室２１で燃焼させたときの燃焼室２１内の温度分布や、生成される窒素化合物ＮＯｘの分布について説明する。図４に示すように、燃焼室２１の内部で燃料を燃焼させると、図３に示す一次燃焼が行われる領域７６や、二次燃焼が行われる領域７７において高温となるものの局地的に高温となる領域が少ないことが分かった。また、図５に示すように、燃焼室２１の内部において、二次燃焼が行われる領域７７では窒素化合物ＮＯｘの濃度は高くなるが、燃焼室２１における窒素化合物ＮＯｘの濃度は全体的に少なくなることが分かった。したがって、本発明における燃焼器１０を用いた燃焼室２１内での燃焼において、窒素化合物ＮＯｘの発生を抑えることができることが分かった。
【0041】
本実施の形態において、空気供給管４１の内壁面４１ｂとの間で絞り部５２を形成するため、燃料供給管４２に絞り形成部４２ａを設けているが、絞り形成部４２ａの形状は、図２に示すように、円錐形状からなる絞り形成部４２ａに限定されるものではない。例えば、図６に示すように、例えば、燃料供給管８０の先端に、燃料供給管８０の外径よりも大きい外径を有する円板状のフランジ部８１を設け、このフランジ部８１を絞り形成部として機能させることも可能である。
【0042】
また、本発明の実施の形態において、燃料供給管４２の先端に設けられるノズル５３の形状の詳細については説明を省略しているが、燃料を燃料供給管４２の先端面４２ｂに向けて噴出できれば、図２に示すノズル５３の本体部６１の形状に限定する必要はない。図７に示すように、例えば、燃料供給管４２の先端面４２ｂに対峙し、噴出孔８２が形成される面８３を斜面とした本体部８４を有するノズル８５としてもよい。
【0043】
（効果のまとめ）
上述したように、バーナ４０によれば、燃料及び空気の混合気を燃焼室２１に送り込むバーナ４０であって、空気を燃焼室２１に向けて供給する流路５１を有する空気供給管４１と、空気供給管４１の流路５１に挿入されて、燃料の供給を行う燃料供給管４２と、燃料供給管４２の先端部に設けられて、空気供給管４１の内壁面４１ｂとの間で流路５１を絞る絞り部５２を形成する絞り形成部４２ａと、流路５１の上流側に向けて燃料を噴出する噴出孔６３を有する本体部６１と、燃料供給管４２にて供給される燃料を本体部６１に送る管状部６２と、を含み、本体部６１が燃焼室２１の近傍に配置されるノズル５３と、空気供給管４１と燃焼室２１との接続部分に設けられて、流路５１から燃焼室２１に流入する空気を燃焼室２１内で拡散させる拡散部５６と、を有することを特徴とする。
上述したように、バーナ４０によれば、燃料及び空気の混合気を燃焼室２１に送り込むバーナ４０であって、空気を燃焼室２１に向けて供給する流路５１を有する空気供給管４１と、空気供給管４１の流路５１に挿入されて、燃料の供給を行う燃料供給管４２と、燃料供給管４２の先端部に設けられて、空気供給管４１の内壁面４１ｂとの間で流路５１を絞る絞り部５２を形成する絞り形成部４２ａと、流路５１の上流側に向けて燃料を噴出する噴出孔６３を有する本体部６１と、燃料供給管４２にて供給される燃料を本体部６１に送る管状部６２と、を含み、本体部６１が燃焼室２１の近傍に配置されるノズル５３と、空気供給管４１と燃焼室２１との接続部分に設けられて、流路５１から燃焼室２１に流入する空気を燃焼室２１内で拡散させる拡散部５６と、を有することを特徴とする。
【0044】
これによれば、燃料が過多となる状態で予混合された混合気と、燃焼室２１に向けて流れる燃料が空気と拡散混合された混合気とが燃焼室２１の内部に送り込まれて、当該混合気が一次燃焼される。この一次燃焼では、混合気に含まれる空気は、ほとんどが燃焼により使用され、一次燃焼による温度上昇に伴った化学反応により生成される窒素化合物ＮＯｘの生成量が低減される。この一次燃焼においては、混合気に含まれる燃料の一部は未燃となるが、未燃となる燃料は、一次燃焼時に生成される水蒸気とともに流れて燃焼室２１の内部で拡散される空気と混合されて二次燃焼される。この二次燃焼では、水蒸気を含んだ混合気を燃焼するため、燃料の燃焼することでの温度上昇が抑制される。その結果、二次燃焼に伴なった化学反応による窒素化合物ＮＯｘの生成が抑制される。なおかつ、渦７２により再び空気と急速混合されることで、高温の燃焼ガスが希釈され、高温によるサーマル窒素化合物ＮＯｘの生成過程を止める。したがって、燃焼室２１の内部において燃料を燃焼させたときに生成される窒素化合物ＮＯｘの総生成量が低減される。
【0045】
また、バーナ４０では、燃焼室２１の内部で拡散された空気と、一次燃焼において未燃焼となる燃料とが混合された混合気を、一次燃焼により生成される火炎を利用して二次燃焼を行うものであるから、例えばドライ燃焼方式の燃焼器で用いられるように、追い炊き燃焼用のバーナや、二次燃焼時に必要となる空気を供給する空気噴射ノズルなどの構成を、内筒２０の下流側に配置する必要がなく、燃焼器１０の全体の構成を簡素化することができ、また、燃焼器１０を小型化できるという利点がある。また、空気噴射ノズルを用いた場合には、一次燃焼領域から流れる未燃焼の燃料と空気とを急速混合できない領域が発生する。しかしながら、バーナ４０では、燃焼室２１の内部に流れ込む空気によって燃焼室２１の内部に渦７２を発生させ、当該渦７２により一次燃焼時に未燃焼となる燃料と空気とを、確実に、急速混合させることが可能となる。
【0046】
また、燃料供給管４２に設けられるノズル５３は、燃料を空気供給管４１の流路５１に対して、空気供給管４１の上流側に噴出して、絞り部５２を通過した空気により生成される渦によって空気と混合される。従来の予混合管では、当該予混合管の上流側で燃料及び空気の混合を行うため、燃焼室２１における燃焼による火炎がバーナ４０の内部に入り込んで、バーナ４０の上流側まで到達する、所謂、逆火が発生する。しかしながら、本発明のバーナでは、空気供給管４１の内部を流れる空気を利用して、バーナ４０の下流側で燃料と混合させるので、燃焼室２１における燃焼による火炎がバーナ４０の内部に入り込んで、バーナ４０の上流側まで到達する、所謂、逆火の発生を防止することができる。
【0047】
また、空気供給管４１の内径をＤ１、絞り形成部４２ａの外径の最大値をＤ２、管状部６２の外径をＤ３としたとき、空気供給管４１の内径Ｄ１に対する、絞り形成部４２ａの外径Ｄ２の比率は０．７５から０．９に設定され、空気供給管４１の内径Ｄ１に対する、管状部６２の外径Ｄ３の比率は０．０５から０．２に設定されるものである。
【0048】
例えば、空気供給管４１の内径Ｄ１に対する、絞り形成部４２ａの外径Ｄ２の比率は０．７５未満となる場合、絞り部５２の下流側に生成される渦７１によって、空気と燃料とが混合されると、混合時の空気が少なくなり、一次燃焼時に未燃焼となる燃料が多く発生する。また、空気が燃焼室２１の内部に流れ込んだときに、燃焼室２１の内部で生成される渦７２において、一次燃焼により未燃となる燃料と急速混合されなくなる。その結果、燃焼室２１における二次燃焼における燃焼温度が上昇してしまうので、二次燃焼に伴なった窒素化合物ＮＯｘの発生量が増加する。
【0049】
一方、空気供給管４１の内径Ｄ１に対する、絞り形成部４２ａの外径Ｄ２の比率を０．７５から０．９に設定することで、一次燃焼時に未燃焼となる燃料の発生を抑え、また、一次燃焼により未燃となる燃料と空気とを急速混合させることが可能となる。その結果、二次燃焼に伴なった窒素化合物ＮＯｘの発生量を抑制することが可能となる。
【0050】
また、空気供給管４１の内径をＤ１、本体部６１から燃焼室２１までの距離をＨ１としたとき、空気供給管４１の内径Ｄ１に対する、本体部６１から燃焼室２１までの距離Ｈ１の比率は０．１５から０．４５に設定されるものである。
【0051】
これによれば、燃料が過多の状態で空気と混合された混合気を燃焼室２１の内部にすぐに送り込むことができる。これにより、燃焼室２１における混合気の燃焼による火炎がバーナ４０の内部に入り込んで、バーナ４０の内部で混合気を燃焼させる、所謂、逆火の発生を防止することができる。
【0052】
また、拡散部５６は、空気供給管４１と燃焼室２１との接続部分に設けた円弧状の曲面であり、空気供給管４１の内径をＤ１、拡散部５６の半径をＲ１としたとき、空気供給管４１の内径Ｄ１に対する、拡散部５６の半径Ｒ１の比率は０．２以上に設定されるものである。
【0053】
これによれば、燃焼室２１に流れ込む空気は、燃焼室２１の内部で拡散される。このとき、空気供給管４１の内径Ｄ１に対する、拡散部５６の半径Ｒ１の比率が０．２未満となる時、燃焼室２１の内部では、燃焼室２１に流れ込む空気は、燃焼室２１の内部で渦７２を生成することはない。したがって、燃焼室２１での一次燃焼により発生する高熱の燃焼ガスは、そのまま燃焼室２１の下流側に流れる。その結果、高熱のガスの影響を受けて、燃焼室２１の内部の空気が化学反応して、窒素化合物ＮＯｘが生成され続ける。一方、本発明では、空気供給管４１の内径Ｄ１に対する、拡散部５６の半径Ｒ１の比率を０．２以上とすることで、燃焼室２１に流れ込む空気によって燃焼室２１の内部に渦７２を生成する。この渦７２の生成により、一次燃焼時に未燃焼となる燃料及び一次燃焼により生成される水蒸気が空気と急速混合され、また、この急速混合により、燃焼室２１での一次燃焼により発生する高熱の燃焼ガスは希釈され、高温によるサーマル窒素化合物ＮＯｘの生成過程を止める。
【0054】
また、燃焼器１０は、上記に記載のバーナ４０と、バーナ４０から送り込まれる混合気を燃焼させる燃焼室２１を内部に有する内筒２０と、内筒２０の外側に配置されるとともに、内筒２０との間にバーナ４０に空気を供給する空間３１を形成する外筒３０と、を備えたことを特徴とする。
【0055】
これによれば、燃料が過多となる混合気が燃焼室２１の内部に送り込まれて、当該混合気が一次燃焼される。この一次燃焼では、混合気に含まれる空気は、ほとんどが燃焼により使用され、一次燃焼による温度上昇に伴った化学反応により生成される窒素化合物ＮＯｘの生成量が低減される。この一次燃焼においては、混合気に含まれる燃料の一部は未燃となるが、未燃となる燃料は、一次燃焼時に生成される水蒸気とともに流れて燃焼室２１の内部で拡散される空気と混合されて二次燃焼される。この二次燃焼では、水蒸気を含んだ混合気を燃焼するため、燃料の燃焼することでの温度上昇が抑制される。なおかつ、渦７２により再び空気と急速混合されることで、高温の燃焼ガスが希釈され、高温によるサーマル窒素化合物ＮＯｘの生成過程を止める。その結果、二次燃焼に伴なった化学反応による窒素化合物ＮＯｘの生成が抑制される。したがって、燃焼室２１の内部において燃料を燃焼させたときに生成される窒素化合物ＮＯｘの総生成量が低減される。
【0056】
また、上述したように、燃焼方法として、バーナ４０を構成する空気供給管４１の内部に流れ込まれる空気により、空気供給管４１の内部に渦７１を生成する工程と、空気供給管４１の内部に挿入された燃料供給管４２により供給される燃料を、燃料供給管４２の先端に設けたノズル５３を用いて、空気供給管４１の上流側に向けて噴出させる工程と、空気供給管４１の内部に流れ込む空気と、ノズル５３から噴出される燃料と、を、渦７１により、当該燃料が燃料過多となる状態に混合する工程と、渦７１により混合される空気と燃料との混合気を、燃焼室２１の内部で一次燃焼させる工程と、空気供給管４１と燃焼室２１との接続部分に設けられた拡散部５６により、空気供給管４１から燃焼室２１に送り込まれる空気を燃焼室２１の内部で拡散させて、燃焼室２１の内部に渦７２を生成する工程と、一次燃焼により未燃焼となる燃料と、燃焼室２１に送り込まれる空気とを、渦７２により混合する工程と、渦７２により混合された燃料と空気との混合気を燃焼室２１の内部で二次燃焼させる工程と、を有することを特徴とする。
【0057】
これによれば、燃料が過多となる混合気が燃焼室２１の内部に送り込まれて、当該混合気が一次燃焼される。この一次燃焼では、混合気に含まれる空気は、ほとんどが燃焼により使用され、一次燃焼による温度上昇に伴った化学反応により生成される窒素化合物ＮＯｘの生成量が低減される。この一次燃焼においては、混合気に含まれる燃料の一部は未燃となるが、未燃となる燃料は、一次燃焼時に生成される水蒸気とともに流れて燃焼室２１の内部で拡散される空気と混合されて二次燃焼される。この二次燃焼では、水蒸気を含んだ混合気を燃焼するため、燃料の燃焼することでの温度上昇が抑制される。その結果、二次燃焼に伴なった化学反応による窒素化合物ＮＯｘの生成が抑制される。なおかつ、渦７２により再び空気と急速混合されることで、高温の燃焼ガスが希釈され、高温によるサーマル窒素化合物ＮＯｘの生成過程を止める。したがって、燃焼室２１の内部において燃料を燃焼させたときに生成される窒素化合物ＮＯｘの総生成量が低減される。
【符号の説明】
【0058】
１０…燃焼器
２０…内筒
３０…外筒
４０…バーナ
４１…空気供給管
４２…燃料供給管
４２ａ…絞り形成部
５３…ノズル
６１…本体部
６２…管状部
６３…噴出孔
７１…渦
７２…渦
７６…一次燃焼が行われる領域
７７…二次燃焼が行われる領域
２０…内筒
３０…外筒
４０…バーナ
４１…空気供給管
４２…燃料供給管
４２ａ…絞り形成部
５３…ノズル
６１…本体部
６２…管状部
６３…噴出孔
７１…渦
７２…渦
７６…一次燃焼が行われる領域
７７…二次燃焼が行われる領域
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】