JP2002061839A - ガスタービン用燃料噴射装置 - Google Patents
ガスタービン用燃料噴射装置Info
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Abstract
せ、安定な火炎を形成して窒素酸化物の低減を図ること
ができるガスタービン用燃料噴射装置を提供すること。 【解決手段】 燃焼用空気を旋回させて供給する旋回空
気供給手段23のスワラ24と、このスワラ24で供給
される旋回空気流内に燃料ガスを噴射する燃料噴射手段
28の燃料噴射弁29と、この噴射された燃料と旋回空
気流とを急速かつ均一に混合する急速混合手段26のス
ワラ27を備えており、旋回空気流と燃料ガスを短い混
合距離で均一に混合し、旋回流により燃焼ガスの流れに
遠心力が生じて中心部に形成される低圧部によって燃焼
ガスの流れの遅い部分を形成し、燃焼器の先端からも戻
るような再循環流を生じさせ、これによって急速予混合
管21の先端部近傍に火炎をとどめ、安定した燃焼を確
保するようにしている。これにより、パイロットバーナ
からの窒素酸化物の発生分がなく、より一層の窒素酸化
物の低減を図ることができるようになる。
Description
燃料噴射装置に関し、燃料と空気を短い混合距離で均一
に混合させ、安定な火炎を形成して窒素酸化物の低減を
図るようにしたものである。
気と燃料を燃焼器で燃焼させ、発生する高温・高圧の燃
焼ガスをタービン中で膨張させることによって外部に出
力を取り出し、発電機、プロペラ、車両、機械の駆動な
どに用いられ、高温・高圧の燃焼ガスほど大きな出力を
得ることができる。
仕事をした燃焼ガスは廃熱回収などを行った後、排ガス
として大気中に排出されるため、大気汚染の問題があ
り、特に高温燃焼にともなって発生する窒素酸化物の排
出が問題となっており、燃焼温度が高いほど窒素酸化物
の発生量が増大する。
れる窒素酸化物は、燃焼温度を低くすることによって低
減することができることから、低NOxバーナ,多段燃
焼,排ガス循環燃焼,水噴射等の種々の方法が提案され
ている。
燃焼方法の一つに、予混合燃焼法とよばれるものがあ
り、噴射された燃料と空気を予め蒸発混合して均一で希
薄な混合燃料ガス(混合気)を作り、これを燃焼器に送
って燃焼させることで、燃焼温度を低くした燃焼を可能
として窒素酸化物の低減を図るようにしており、混合燃
料ガスが希薄なほど窒素酸化物の低減を図ることができ
る。
る燃料噴射装置としては、例えば図6および図7に示す
ように、燃焼器11の上流側に予蒸発予混合管12を設
け、これら予蒸発予混合管12の中間部に旋回空気流を
形成するスワラ(旋回羽根)13を設ける一方、このス
ワラ13の上流側に取り付けた燃料噴射弁14、あるい
はスワラ13の下流側に配置した噴射孔15から灯油等
の液体燃料や天然ガス等の気体燃料を噴射するように
し、旋回空気流と噴射された燃料とを蒸発混合させて空
気過剰で均一な混合燃料ガスを形成し、この混合燃料ガ
スを燃焼器11内に供給して燃焼させ、高温高圧の燃焼
ガスを発生するようにしている。
うな予混合燃焼法によるガスタービン用の燃料噴射装置
では、予蒸発予混合管12によりある程度の混合距離を
とることができれば比較的容易に均一な混合が可能であ
り、混合燃料ガスを希薄にすることによって窒素酸化物
の発生を抑えることができるものの、燃料の濃度が低い
ため安定した火炎を得て燃焼を継続することができる範
囲が狭く、実用上窒素酸化物の低減化には限界がある。
装置10では、予蒸発予混合管12を複数本円周上に配
置し、その中心部に常時火炎を発生するパイロット噴射
弁を備えたパイロットバーナを設けて燃料濃度を高める
ことによって燃焼を安定させることが行われているが、
このパイロットバーナによる燃焼によっても同様に窒素
酸化物が生成され、その窒素酸化物の発生量が全発生量
の1/3〜1/2程度と多いことから、予蒸発予混合燃
焼法による窒素酸化物の低減効果が大幅に疎外されてし
まうという問題がある。
2の混合距離を長くする必要があることから、この部分
に可燃性の混合ガスを多く存在させることになり、火炎
の安定性を欠くという問題がある。
に鑑みてなされたもので、燃料と空気を短い混合距離で
均一に混合させ、安定な火炎を形成して窒素酸化物の低
減を図ることができるガスタービン用燃料噴射装置を提
供しようとするものである。
発明の請求項1記載のガスタービン用燃料噴射装置は、
燃焼用空気を旋回させて供給する旋回空気供給手段と、
この旋回空気供給手段で供給される旋回空気流内に燃料
ガスを噴射する燃料噴射手段と、この燃料噴射手段から
噴射された燃料と前記旋回空気供給手段からの旋回空気
流とを急速かつ均一に混合する急速混合手段を備えるこ
とを特徴とするものである。
ば、燃焼用空気を旋回させて供給する旋回空気供給手段
と、この旋回空気供給手段で供給される旋回空気流内に
燃料ガスを噴射する燃料噴射手段と、この燃料噴射手段
から噴射された燃料と前記旋回空気供給手段からの旋回
空気流とを急速かつ均一に混合する急速混合手段を備え
ており、旋回空気流と急速混合手段とで短い混合距離で
均一に混合でき、旋回流により燃焼ガスの流れに遠心力
が生じて中心部に形成される低圧部によって燃焼ガスの
流れの遅い部分を形成し、燃焼器の先端からも戻るよう
な再循環流を生じさせ、これによって予蒸発予混合管の
先端部近傍に火炎をとどめ、安定した燃焼を確保するよ
うにしている。
酸化物の発生分がなくなるとともに、より希薄な混合燃
料ガスでの燃焼を可能として、より一層の窒素酸化物の
低減を図ることができるようになる。
ビン用燃料噴射装置は、請求項1記載の構成に加え、前
記旋回空気供給手段と前記急速混合手段を2重に設けた
旋回羽根で構成したことを特徴とするものである。
ば、旋回空気供給手段と前記急速混合手段を2重に設け
た旋回羽根で構成するようにしており、2重に設けた旋
回羽根で旋回空気流と旋回空気流の間に乱れの強い境界
層部分が形成できるようになり、この部分に燃料を噴射
するようにして混合距離を短くしても短時間で均一な混
合を確保できるようにしている。
ービン用燃料噴射装置は、請求項1または2記載の構成
に加え、前記燃料噴射手段を前記旋回空気供給手段と前
記急速混合手段との間に設けたことを特徴とするもので
ある。
ば、燃料噴射手段を旋回空気供給手段と急速混合手段と
の間に設けるようにしており、旋回空気供給手段と急速
混合手段による乱れの強い部分への燃料の噴射が可能と
なり、混合距離を短くしても短時間で均一な混合を確保
できるようにしている。
ビン用燃料噴射装置は、請求項1〜3のいずれかに記載
の構成に加え、前記燃料噴射手段の噴射出口部を燃料の
流れを加速して噴射可能に絞ったことを特徴とするもの
である。
ば、燃料噴射手段の噴射出口部を絞るようにしており、
燃料の流れを加速して噴射することで、一層急速な混合
ができるようになる。
ービン用燃料噴射装置は、請求項1記載の構成に加え、
前記急速混合手段を、前記旋回空気供給手段の下流側に
設けた縦渦発生部で構成したことを特徴とするものであ
る。
ば、急速混合手段を、旋回空気供給手段の下流側に設け
た縦渦発生部で構成するようにしており、旋回空気流と
縦渦とによって乱れの大きな部分を形成でき、混合距離
を短くしても短時間で均一な混合を確保できるようにし
ている。
ビン用燃料噴射装置は、請求項1記載の構成に加え、前
記急速混合手段を、前記燃料噴射手段からの燃料を前記
旋回空気供給手段の下流側から上流側に噴射する噴射出
口部で構成したことを特徴とするものである。
ば、急速混合手段を、燃料噴射手段からの燃料を旋回空
気供給手段の下流側から上流側に噴射する噴射出口部で
構成するようにしており、旋回空気流に向かって燃料を
噴射するようにして旋回空気流と燃料との間で大きな流
れの乱れを形成し、混合距離を短くしても短時間で均一
な混合を確保できるようにしている。
いて図面に基づき詳細に説明する。図1は、この発明の
ガスタービン用燃料噴射装置の一実施の形態にかかる縦
断面図である。
大径円筒状の燃焼部21の一端部に設けられ、この燃焼
部21に小径の急速予混合管22が複数本、図示例では
1本の急速予混合管22のみを示したが、円周上に等間
隔に配置されて、燃焼部21内と連通するようになって
おり、これまでの予蒸発予混合管に比べ、その予備混合
に利用される部分の長さが1/4程度に短くしてある。
気供給手段23を構成する旋回羽根としてのスワラ24
が設けられ、高温圧縮空気が供給され、旋回空気流を発
生させるようになっている。
は、旋回空気供給手段23による旋回空気流に乱れの強
い境界層部25を形成するため、急速混合手段26とし
て旋回羽根で構成したスワラ27が設けてあり、高温圧
縮空気が供給され、旋回空気供給手段23を構成する外
周のスワラ24と旋回羽根の角度を変えたり、旋回方向
が逆向きの旋回羽根とするなどで旋回空気流を発生さ
せ、この旋回流によって旋回空気供給手段23による旋
回空気流に乱れの強い境界層部25を形成できるように
してある。
ワラ27との間に燃料噴射手段28を構成する燃料噴射
弁29が配置され、円筒状の燃料流路30の先端部に多
数の孔が形成された噴射出口部31が設けてある。
る燃料が旋回空気流の乱れの強い境界層部25に噴射さ
れるようにするとともに、噴射出口部31を多数の小孔
として絞ってあり、燃料の噴射速度を高め加速して噴射
できるようにしてある。
0では、点火用に図示しないイグナイタが設けてある
が、火炎保持用のパイロットバーナは必要がなく設置し
ていない。
射装置20では、急速予混合管22の旋回空気供給手段
23のスワラ24と中心部の急速混合手段26のスワラ
27との間の燃料噴射手段28の燃料噴射弁29から天
然ガス等の気体燃料が噴射されると同時に、その内外周
の2つのスワラ24,27を介して急速予混合用の高温
圧縮空気が供給されると、2重のスワラ24,27によ
り旋回吸気流に乱れの強い境界層部25が形成された部
分に燃料が加速させて噴射され、燃料が高温圧縮空気の
旋回空気流と混合し、均一で希薄な混合燃料ガスが形成
される。
均一で希薄な混合燃料ガスが急速予混合管22の先端部
から燃焼部21内に供給されて希薄混合燃焼が行なわれ
る。なお、起動時の点火は、図示しないイグナイタ等に
よって行われる。
による火炎は、急速予混合管22から噴射される混合燃
料ガスの供給速度(図1での左側から右側への速度)と
噴射された混合燃料ガスの先端からの燃焼速度(図1で
の右側から左側への速度)とが釣り合った位置に存在す
ることになるが、このガスタービン用燃料噴射装置20
では、噴射される混合燃料ガスにスワラ24からの旋回
空気流によって遠心力が加わり、外周側に拡がるととも
に、中心部に低圧部が生じてこの部分の流れが遅くなっ
て中心側に戻るような流れが発生し、再循環領域が形成
され、これらにより、混合燃料ガスの供給速度と混合燃
料ガスの燃焼速度との釣り合う位置が急速予混合管22
の先端近傍となって火炎が安定して存在することにな
る。
た火炎を火種として均一で希薄な混合燃料ガスであって
も燃焼部21内で安定して希薄混合燃焼を行うことがで
きる。
装置20では、パイロットバーナを設けること無く希薄
な混合燃料ガスでも安定した燃焼が可能となり、従来の
パイロットバーナで生成される全排出量の1/3〜1/
2程度の窒素酸化物を減少することができるとともに、
より希薄な混合燃料ガスでも安定した火炎により着火さ
れて安定燃焼が可能となり、より一層の窒素酸化物の生
成の抑制を図ることができる。
20によれば、旋回空気供給手段23のスワラ24によ
る旋回空気流に急速混合手段26のスワラ27の旋回空
気を衝突させることで乱れの強い境界層部25を形成す
ることができ、この境界層部25に向けて燃料噴射手段
28の燃料噴射弁29から燃料を噴射するようにしたの
で、短い混合距離で燃料ガスと旋回吸気流とを急速かつ
均一に混合することができ、燃焼部21の後方の急速予
混合管22に可燃性の混合ガスを多く存在させることが
ない。
射装置20を用いた場合の窒素酸化物の低減効果を示し
たものが図2中の黒丸であり、同一条件で燃料噴射位置
を変えたもので、図中の白丸は燃料ガスを旋回空気流の
下流の急速予混合管22の外周部(図1中のA部)から
噴射したものである。
ン用燃料噴射装置20によれば、急速に均一な希薄混合
ガスが形成され、窒素酸化物の発生が抑制されることが
分かる。
装置の他の一実施の形態について図3により説明する
が、既に説明した上記実施の形態と同一部分には同一記
号を記し説明は省略する。
急速混合手段と燃料噴射手段が上記の実施の形態と異な
っている。
は、旋回空気供給手段23のスワラ24の後部内周に放
射状に突き出して急速混合手段41を構成する縦渦発生
部42が形成され、スワラ24の内周より突出する角部
によって縦渦43を形成するようにしてあり、この縦渦
43によってスワラ24による旋回空気流に強い乱れを
生じさせることができるようにしてある。
を生じさせた部分に燃料を噴射するための燃料噴射手段
44は、急速予混合管22の中心部に燃料流路30が形
成され、この燃料流路30に連通して縦渦発生部42の
先端面に噴射出口部45が形成してあり、燃料ガスを旋
回空気流の下流で斜め後方外側に噴射するようになって
いる。
射装置40によれば、旋回空気供給手段23のスワラ2
4の後部に放射状に突き出した急速混合手段41の縦渦
発生部42によって縦渦43を形成し、この縦渦43に
よってスワラ24による旋回空気流に強い乱れを生じさ
せることができ、この旋回空気流の強い乱れに燃料噴射
手段44の噴射出口部45から燃料ガスを噴射するよう
にしているので、短い混合距離で急速に燃料ガスと旋回
空気流を均一に混合することができ、窒素酸化物を低減
することができるとともに、可燃性ガスの存在領域を少
なくできる等既に説明した実施の形態と同一の効果を奏
する。
示すように、スワラ24の後部外周に縦渦発生部42a
を設け、この縦渦発生部42aの先端面に燃料噴射手段
44の噴射出口部45aを水平方向後方に向けて噴射す
るように形成しても良く、上記各実施の形態と同様の効
果を奏する。
について図5により説明するが、既に説明した上記各実
施の形態と同一部分には同一記号を記し説明は省略す
る。このガスタービン用燃料噴射装置50は、急速混合
手段と燃料噴射手段が上記の実施の形態と異なってお
り、急速混合手段と燃料噴射手段とを兼用するようにな
っている。
は、急速予混合管22の中心部に燃料噴射手段51を構
成する燃料流路52が形成され、この燃料流路52に連
通して噴射出口部53が形成され、この噴射出口部53
によって旋回空気供給手段23のスワラ24による旋回
空気流の下流から斜め前方外側に向けて燃料ガスを噴射
するようになっており、燃料ガスをスワラ24に衝突さ
せるように逆向きに噴射することで急速混合手段と兼用
され、燃料ガスで旋回空気流を乱すと同時に、燃料ガス
と旋回空気流とを急速に混合するようにしてある。
0によっても短い混合距離で急速に燃料ガスと旋回空気
流を均一に混合することができ、窒素酸化物を低減する
ことができるとともに、可燃性ガスの存在領域を少なく
できる等既に説明した各実施の形態と同一の効果を奏す
る。
数本の急速予混合管を円周上に等間隔に配置して設ける
場合(図示例では、1本のみを示す)で説明したが、さ
らに中心部にも設けるようにしたり、複数本に替え1本
の急速予混合管のみで構成するようにしても良い。
たように、この発明の請求項1記載のガスタービン用燃
料噴射装置によれば、燃焼用空気を旋回させて供給する
旋回空気供給手段と、この旋回空気供給手段で供給され
る旋回空気流内に燃料ガスを噴射する燃料噴射手段と、
この燃料噴射手段から噴射された燃料と前記旋回空気供
給手段からの旋回空気流とを急速かつ均一に混合する急
速混合手段を備えているので、旋回空気流と急速混合手
段とで短い混合距離で均一に混合でき、旋回流により燃
焼ガスの流れに遠心力が生じて中心部に形成される低圧
部によって燃焼ガスの流れの遅い部分を形成し、燃焼器
の先端からも戻るような再循環流を生じさせ、これによ
って急速予混合管の先端部近傍に火炎をとどめ、安定し
た燃焼を確保することができる。
酸化物の発生分がなくなるとともに、より希薄な混合燃
料ガスでの燃焼を可能として、より一層の窒素酸化物の
低減を図ることができる。
ビン用燃料噴射装置によれば、旋回空気供給手段と前記
急速混合手段を2重に設けた旋回羽根で構成するように
したので、2重に設けた旋回羽根で旋回空気流と旋回空
気流の間に乱れの強い境界層部分を形成することがで
き、この部分に燃料を噴射するようにして混合距離を短
くしても短時間で均一な混合を確保することができる。
ービン用燃料噴射装置によれば、燃料噴射手段を旋回空
気供給手段と急速混合手段との間に設けるようにしたの
で、旋回空気供給手段と急速混合手段による乱れの強い
部分への燃料の噴射が可能となり、混合距離を短くして
も短時間で均一な混合を確保することができる。
ビン用燃料噴射装置によれば、燃料噴射手段の噴射出口
部を絞るようにしたので、燃料の流れを加速して噴射す
ることができ、一層急速で均一な混合ができる。
ービン用燃料噴射装置によれば、急速混合手段を、旋回
空気供給手段の下流側に設けた縦渦発生部で構成するよ
うにしたので、旋回空気流と縦渦とによって乱れの大き
な部分を形成でき、混合距離を短くしても短時間で均一
な混合を確保することができる。
ビン用燃料噴射装置によれば、急速混合手段を、燃料噴
射手段からの燃料を旋回空気供給手段の下流側から上流
側に噴射する噴射出口部で構成するようにしたので、旋
回空気流に向かって燃料を噴射するようにして旋回空気
流と燃料との間で大きな流れの乱れを形成し、混合距離
を短くしても短時間で均一な混合を確保することができ
る。
された希薄混合ガスを形成でき、窒素酸化物の発生を低
減することができる。
形態にかかる縦断面図である。
形態にかかる窒素酸化物の低減効果の説明図である。
施の形態にかかる縦断面図および図(a)中のB−B断
面図である。
の一実施の形態にかかる縦断面図および図(a)中のB
−B断面図である。
施の形態にかかる縦断面図および説明図である。
断面図である。
断面図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 燃焼用空気を旋回させて供給する旋回空
気供給手段と、この旋回空気供給手段で供給される旋回
空気流内に燃料ガスを噴射する燃料噴射手段と、この燃
料噴射手段から噴射された燃料と前記旋回空気供給手段
からの旋回空気流とを急速かつ均一に混合する急速混合
手段を備えることを特徴とするガスタービン用燃料噴射
装置。 - 【請求項2】 前記旋回空気供給手段と前記急速混合手
段を2重に設けた旋回羽根で構成したことを特徴とする
請求項1記載のガスタービン用燃料噴射装置。 - 【請求項3】 前記燃料噴射手段を前記旋回空気供給手
段と前記急速混合手段との間に設けたことを特徴とする
請求項1または2記載のガスタービン用燃料噴射装置。 - 【請求項4】 前記燃料噴射手段の噴射出口部を燃料の
流れを加速して噴射可能に絞ったことを特徴とする請求
項1〜3のいずれかに記載のガスタービン用燃料噴射装
置。 - 【請求項5】 前記急速混合手段を、前記旋回空気供給
手段の下流側に設けた縦渦発生部で構成したことを特徴
とする請求項1記載のガスタービン用燃料噴射装置。 - 【請求項6】 前記急速混合手段を、前記燃料噴射手段
からの燃料を前記旋回空気供給手段の下流側から上流側
に噴射する噴射出口部で構成したことを特徴とする請求
項1記載のガスタービン用燃料噴射装置。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2000253676A JP2002061839A (ja) | 2000-08-24 | 2000-08-24 | ガスタービン用燃料噴射装置 |
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