8.2 燃焼制御技術の開発

8.2.1 背景

　水素利用技術の一つとして、画期的な高効率化が期待できる水素燃焼タービンのうち、特に燃焼制御技術の開発について必要な調査研究および基礎実験を行い、要素技術開発およびパイロットプラント開発のために必要な基礎技術を確立する必要がある。このため、平成５年度は、水素酸素燃焼反応解析や水素・酸素燃焼器の基本方式の調査を行った。その結果、燃焼安定性に優れ、かつ量論比燃焼が可能な水素・酸素燃焼器用バーナ開発の重要性を示した。

8.2.2 目的

　平成６年度は、水素・酸素燃焼器用バーナの最適構造を明らかにするため小型バーナを用いた燃焼試験により、水蒸気等の不活性ガス中での水素・酸素の基本的な燃焼特性を明らかにするとともに、燃焼器壁面冷却および希釈構造等に関する調査、検討を行った。

8.2.3 水素酸素燃焼器のバーナ基礎実験

1. 水素酸素燃焼器用の燃料噴射器基本形状の燃焼安定性への影響を検討するため、３種類の噴射方式（衝突型、同軸型、0₂旋回型）について、大気圧下で燃焼試験を行った（図8-2-1）。
   　その結果、安定燃焼限界は、0₂濃度60％以上では0₂旋回型が最も良く、以下同軸型、衝突型の順であった。0₂濃度60％未満では３方式ともほぼ同等の安定燃焼限界であった（図8-2-2）。

2. 水素酸素燃焼器の構成要素の１つである、パイロットバーナ（同軸型（中心：酸素、周囲：H₂））の安定燃焼条件の把握を目的として燃焼実験を行った（図8-2-3）。その結果、水素流量を一定とし、酸素流量を変化させ、当量比が2.0〜0.9の間で変化させ、いずれの状態でも火炎が安定であることを確認するとともに０₂旋回の有無による火炎形状の観察を行った（図8-2-4）。

3. バーナ方式として、多孔噴射方式（水素：多孔噴射、酸化剤：酸素＋蒸気混合器（O₂：21％）を用いて、安定燃焼範囲と、燃焼排ガス中の酸素および水素濃度の特性を求めた（図8-2-5）。その結果、安定燃焼範囲については、1. 酸素濃度21％の時の吹消え当量比は、0.1であること（図8-2-6）2. 蒸気温度を200℃から350℃に変化させても吹消当量比はあまり変化しないことが明らかとなった（図8-2-7）。また燃焼器性能については、排ガス中の0₂およびH₂濃度が最も少ない当量比は1.08付近であることが明らかとなった（図8-2-8）。

8.2.4 燃焼器壁面冷却構造および希釈構造の調査検討

　燃焼器壁面冷却構造および水蒸気による希釈構造を調査検討した。その結果、燃焼器の冷却は、外側対流冷却、内面フィルム冷却および内面ＴＢＣを併用すること、また尾筒では外側対流冷却および内面ＴＢＣにより、設計目標の壁面温度に冷却できる見通しを得た。また、希釈構造についてはＣＦＤによる燃焼器内部の流動状況の検討を行った。その結果、各空気孔から流入する蒸気が燃焼器の中心軸上で衝突し、それぞれ上流側、下流側に分岐する様子が観察できた。特に、一次空気は、燃焼器の中心軸で衝突し、一部はノズル側へ流れ、保炎に必要な循環流領域を形成していることがわかった。

8.2.5 今後の展開

　平成６年度に引き続き、バーナ基礎試験による基礎データの蓄積、冷却構造および希釈構造の詳細検討を行い、これらの検討を基に、水素燃焼タービン用燃焼器の概念設計を行う。