JP2002257343A - ガスタービンエンジン用の液体燃料焚き低ｎｏｘ燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】液体燃料の全てを確実に空気と均一に混合させ
ることにより、所要の空燃比の予混合気を作ることがで
きるガスタービンエンジン用の液体燃料焚き低ＮＯ_X 燃
焼器を提供する。 【解決手段】ガスタービンエンジンの燃焼器２における
燃焼領域Ｓ１の上流側に、燃焼用空気ＣＡと液体燃料Ｍ
Ｆとを混合させて予混合気を作る予混合室１７を形成す
る。予混合室１７に液体燃料ＭＦを噴射する燃料噴射装
置１９を、予混合室１７内に出口２０ｂを持つ噴射チュ
ーブ２０と、この噴射チューブ２０内にその入口２０ａ
から液体燃料ＭＦを噴射する燃料噴射弁２１とにより構
成する。噴射チューブ２０の入口２０ａと燃料噴射弁２
１との間に、噴射チューブ２０内に空気ＣＡを流入させ
る隙間２７を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、予混合室で液体燃
料を予め空気と混合させて予混合気を作り、この予混合
気を下流の燃焼室で燃焼させるようにしたガスタービン
エンジン用の液体燃料焚き低ＮＯ_X 燃焼器に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】近年、ガスタービンエンジンにおいて
は、排ガス組成に関して厳しい環境基準が設けられてお
り、特にＮＯ_X （窒素酸化物）の排出量の低減が望まれ
ている。この低ＮＯ_X 化の手段として、燃焼室内に水や
蒸気を噴射して燃焼火炎温度を低下させる方法が一般的
に採用されてきたが、この方法では、エンジン熱効率の
低下、悪い水質によるタービンなどの腐食に伴うエンジ
ン寿命の低下、さらには水質を良くするための前処理に
要する設備および維持管理費の高騰などの種々の欠点が
あった。このような水や蒸気を用いないでＮＯ_X を低減
する方法として、予蒸発・希薄予混合燃焼方式が有効で
あることがよく知られている。

【０００３】図４は、上述の予蒸発・希薄予混合燃焼方
式を採用した従来の予混合型燃焼器の一例を示す縦断面
図である（例えば特開平9-303776号公報参照）。この燃
焼器５０では、その中心軸上に配置されたパイロットノ
ズル５１からパイロット液体燃料ＰＦを噴射し、その周
囲から燃焼用空気ＣＡを供給して燃焼させる。他方、前
記パイロットノズル５１の外周には、環状の予混合室５
２が形成されており、その上流の環状通路内にラジアル
・スワーラ５３が装着されている。このスワーラ５３を
通って旋回流を付与されながら予混合室５２内に供給さ
れる空気流ＣＡ中に、低ＮＯ_X 化に適した一定の空燃比
（燃料と空気の混合比）となるようにメインノズル５４
からメイン液体燃料ＭＦを噴射することにより、液体燃
料ＭＦの蒸発・混合を行ったのち、この予混合気を燃焼
室Ｃ内に供給して、前記パイロットノズル５１から噴射
したパイロット液体燃料ＰＦによる燃焼炎によって燃焼
させる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記予混合型燃焼器５
０では、液体燃料ＭＦの液滴を十分に蒸発させることで
空気ＣＡと均一に混合させることが、低ＮＯ_X 化を達成
するための重要なポイントとなる。しかしながら、前記
構成とした予混合型燃焼器では、液体燃料ＭＦと空気Ｃ
Ａとの混合過程において、メインノズル５４から予混合
室５２内に噴射された液体燃料ＭＦが、蒸発が完了する
前に予混合室５２の壁面５２ａに衝突してそのまま付着
し、壁面５２ａに液膜５７を形成してしまう。このよう
な液膜５７が形成されるのは、液体燃料ＭＦがメインノ
ズル５４から微粒化するために一定の噴射角度に拡げて
噴射されるために、その噴射された液体燃料ＭＦ中に蒸
発するまでに時間を要する比較的大きな粒の液滴が存在
すると、この液滴が、蒸発する以前に壁面５２ａに衝突
してしまうからである。

【０００５】前記液膜５７となった液体燃料ＭＦは、予
蒸発されないことから、空気ＣＡと十分に混合されない
状態で燃焼室Ｃ内の燃焼領域に向け流出してしまい、予
混合室５２の出口で拡散燃焼する。このように、前記燃
焼器５０では、液体燃料ＭＦの全てを完全に予蒸発させ
ることができないので、液体燃料ＭＦと空気ＣＡとの均
一な混合が行われず、その結果、ＮＯ_X の発生量を十分
に抑制することができない。

【０００６】本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされ
たもので、液体燃料の全てを確実に予蒸発させて空気と
均一に混合させることにより、所要の空燃比の予混合気
を作ることができるガスタービンエンジン用の液体燃料
焚き低ＮＯ_X 燃焼器を提供することを目的とするもので
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の構成に係るガスタービンエンジン用の液体
燃料焚き低ＮＯ_X 燃焼器は、液体燃料を噴射する燃料噴
射装置と、燃焼領域の上流側に形成されて、前記燃料噴
射装置から噴射された液体燃料と燃焼用空気とを混合さ
せて予混合気を作る予混合室とを備えており、前記燃料
噴射装置が、前記予混合室内に出口を持つ噴射チューブ
と、この噴射チューブ内にその入口から前記液体燃料を
噴射する燃料噴射弁とを有し、前記噴射チューブの入口
と前記燃料噴射弁との間に前記噴射チューブ内に空気を
流入させる隙間が形成されている。

【０００８】この構成によれば、噴射チューブ内には燃
料噴射弁との隙間から空気が流入し、この流入した空気
は液体燃料に対しこれの周囲を包み込んで拡がりを制限
するため、微粒化のために大きな第１噴射角度で燃料噴
射弁から噴射された液体燃料は、噴射チューブ内で小さ
な第２噴射角度に狭められて、噴射チューブの出口から
予混合室内に噴出されるので、予混合室内をこれの壁面
に衝突することなく通過して燃焼室内に送給される。ま
た、液体燃料のうちの大きな第１噴射角度で噴射チュー
ブ内に入った液滴は噴射チューブの内壁面に衝突して液
膜を形成するが、この液膜は、噴射チューブの内壁に沿
いながら流れて噴射チューブの出口から流出した時点
で、予混合室内に流入する高速の空気が吹き付けられる
ことにより、微粒化される。これらにより、予混合室内
に流入した液体燃料は、その全てが完全に蒸発した状態
で空気と混合して、ＮＯ_X の低減に適した所要の空燃比
の予混合気となって燃焼室に送られるから、ＮＯ_X を所
要値に低減することができる。

【０００９】本発明の好ましい実施形態では、前記噴射
チューブの出口が、前記予混合室内に突出している。こ
の構成によれば、噴射チューブの出口を予混合室の内壁
面上に突出させないで開口させる場合と比較して、噴射
チューブ出口で空気の大きな流速が得られるので、噴射
チューブの内壁面に形成された液膜が、噴射チューブの
内壁に沿いながら流れて噴射チューブの出口から流出し
た時点で高速流の空気を吹き付けて効果的に霧化するこ
とができ、噴射チューブから予混合室内に流入した液体
燃料の全てを確実に微粒化して蒸発させることができ
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明
の液体燃料焚き低ＮＯ_X 燃焼器が適用されるガスタージ
ンエンジンを示した概略構成図である。このガスタービ
ンエンジンは、圧縮機１、燃焼器２およびタービン３を
主構成要素としている。燃焼器２は、圧縮機１から供給
される圧縮空気に燃料を供給して燃焼させ、それにより
発生する高温高圧の燃焼ガスをタービン３に供給する。
圧縮機１は回転軸５を介してタービン３に連結されて、
このタービン３によって駆動される。前記タービン３は
減速機４を介して発電機のような負荷７を回転駆動す
る。燃焼器２には、燃料ポンプ８から送給される液体燃
料が、燃料制御装置９を介して供給される。

【００１１】図２は、本発明の第１実施形態に係る液体
燃料焚き低ＮＯ_X 燃焼器２の要部を示す縦断面図であ
る。この燃焼器２は、燃焼室Ｃを形成する内筒１０と、
この内筒１０の外周を覆うハウジング１１とを有し、内
筒１０とハウジング１１との間に空気通路１２が形成さ
れている。この燃焼器２は、図１のタービン３にこれの
径方向外方に突出して設けられたものであって、図１の
圧縮機１から供給された燃焼用の圧縮空気ＣＡが前記空
気通路１２を燃焼器２の先端側に向かって流れたのち
に、内筒１０内で燃焼ガスＧとなって燃焼器２の基端側
に向かって流れ、図示しないトランジション・ダクトを
通って図１のタービン３に導入される。

【００１２】燃焼器２の頂部中央部には、パイロット液
体燃料ＰＦを噴射するパイロットノズル１３が設けら
れ、このパイロットノズル１３の外周にパイロット空気
通路１４が設けられている。パイロット空気通路１４の
外周には環状の予混合室１７が配設されており、この予
混合室１７は、前記内筒１０の径方向外方に向いて前記
空気通路１２の空気導入口２２に臨む環状の空気流入口
１７ａを有している。この環状の空気流入口１７ａに
は、空気通路１２から流入する燃焼用空気ＣＡに旋回流
を付与するためのラジアル・スワーラ１８が装着されて
いる。予混合室１７の出口１７ｂは、内筒１０の軸方
向、つまり、燃焼器２の軸方向に向いており、したがっ
て、予混合室７は軸心を含む縦断面でＬ字形を呈してい
る。

【００１３】予混合室１７の頂部における前記スワーラ
１８の下流側には、予混合室１７内に予混合用のメイン
液体燃料ＭＦを噴射する複数の燃料噴射装置１９が周方
向に等間隔の配置で設けられている。この燃料噴射装置
１９は、予混合室１７内に出口２０ｂを持つ噴射チュー
ブ２０と、この噴射チューブ２０内にその入口２０ａか
らメイン液体燃料ＭＦを噴射する燃料噴射弁２１とによ
り構成されている。

【００１４】前記燃料噴射弁２１は、噴射チューブ２０
の入口２０ａから若干離れて、入口２０ａとの間に隙間
２７を有する配置で設けられており、この隙間２７から
空気ＣＡが噴射チューブ２０内に流入するようになって
いる。また、噴射チューブ２０は、これの出口２０ｂを
予混合室１７内に突出させた配置で設けられているが、
この噴射チューブ２０の予混合室１７内への突出量ｄ
は、ラジアル・スワーラ１８の通路幅（軸方向幅）Ｗの
１／５以上で、且つ１／２以下に設定されている。前記
パイロットノズル１３からは始動時および通常運転時の
全てにわたってパイロット液体燃料ＰＦが噴射され、前
記各燃料噴射弁２１からは通常運転時のみ液体燃料ＭＦ
が噴射されるが、これら液体燃料ＰＦ，ＭＦの噴射量な
どの制御は図１の燃料制御装置９によって行われる。

【００１５】つぎに、この第１実施形態の動作を説明す
る。図１の圧縮機１から供給される燃焼用の圧縮空気Ｃ
Ａは、図２の空気通路１２を経て、その一部が内筒１０
の周壁に設けられた燃焼用および希釈用の空気孔（図示
せず）から燃焼室Ｃ内に流入し、他の一部が空気通路１
２から空気導入口２２およびパイロット空気通路１４を
経て燃焼室Ｃ内へ入り、残りがラジアル・スワーラ１８
を経て予混合室１７内へ流入する。パイロット空気通路
１４から燃焼室Ｃ内に吹き込まれる空気ＣＡ中に、パイ
ロットノズル１３から噴射されて微粒化したパイロット
液体燃料ＰＦが混入されて霧化し、これが燃焼して拡散
燃焼領域Ｓ１が形成される。

【００１６】他方、各燃料噴射弁２１からは、メイン液
体燃料ＭＦが、微粒化を促進するために大きな第１噴射
角度αの範囲内で噴射チューブ２０の内方に噴射され、
この噴射チューブ２０を通って予混合室１７内に向け噴
射される。このとき、噴射チューブ２０には、これの内
部に噴射された液体燃料ＭＦによって生じる負圧で空気
ＣＡが燃料噴射弁２１との隙間２７から流入し、この流
入した空気ＣＡは液体燃料ＭＦに対しこれの周囲を包み
込んで拡がりを制限する。そのため、液体燃料ＭＦは、
小さな第２噴射角度βに狭められて噴射チューブ２０の
出口２０ｂから予混合室１７内に噴出されるので、予混
合室１７内をこれの内側の両周壁面１７ｄに衝突するこ
となく通過して、燃焼室Ｃ内に送給される。

【００１７】また、液体燃料ＭＦのうちの大きな噴射角
度で噴射チューブ２０内に入った液滴は噴射チューブ２
０の内壁面に衝突して液膜を形成するが、この液膜は、
噴射チューブ２０の内壁に沿いながら流れて噴射チュー
ブ２０の出口２０ｂから流出した時点で、ラジアル・ス
ワーラ１８によって旋回流を付与されながら高速で流動
する空気ＣＡが吹き付けられることにより、微粒化され
る。すなわち、噴射チューブ２０の予混合室１７内への
突出量ｄは、上述したようにラジアル・スワーラ１８の
通路幅Ｗの１／５以上で、且つ１／２以下に設定されて
いるから、前記液膜は、噴射チューブ２０の出口２０ｂ
から出た時点で高速旋回流の空気ＣＡが吹き付けられる
ことによって効果的に霧化されるから、その全てが確実
に微粒化される。

【００１８】噴射チューブ２０の前記突出量ｄを１／５
以下に設定した場合、出口２０ｂが予混合室１７の頂部
の内壁面１７ｅに近づくために、噴射チューブ２０の出
口２０ｂにおいて液体燃料ＭＦに吹き付けられる空気Ｃ
Ａの流速が小さくなってしまい、一方、突出量ｄを１／
２以上に設定した場合、空気ＣＡが噴射チューブ２０に
当たって流速低下が生じるとともに、噴射チューブ２０
の出口２０ｂから流出した液体燃料ＭＦに空気ＣＡが十
分当たらなくなる。そのため、何れの場合にも液体燃料
ＭＦを霧化させる効果が小さくなる。

【００１９】上述したように、液体燃料ＭＦは予混合室
１７の内壁面１７ｄに衝突することのない第２噴射角度
βに制限されて予混合室１７内に噴射される。しかも、
噴射チューブ２０の内壁面に衝突した液滴によって形成
された液膜が、噴射チューブ２０の出口２０ｂを出た時
点で高速旋回流の空気ＣＡによって微粒化される。した
がって、予混合室１７内に流入した液体燃料ＭＦは、そ
の全てが確実に蒸発して空気ＣＡと混合し、ＮＯ_X の低
減に適した所定の空燃比の予混合気となって燃焼室Ｃに
送られ、拡散燃焼領域Ｓ１の燃焼炎によって燃焼し、拡
散燃焼領域Ｓ１の外側から下流側にかけて拡がる希薄予
混合燃焼領域Ｓ２を形成する。したがって、この燃焼器
２はＮＯ_X を効果的に低減することができる。

【００２０】なお、第２噴射角度βは、縦断面におい
て、噴射チューブ２０の出口２０ｂの左右の内周縁と予
混合室１７の出口１７ｂの左右の内周縁とを結ぶ２つの
直線Ｌ１，Ｌ２がなす角度以下であれば、予混合室１７
の内壁面１７ｄに液体燃料ＭＦが付着するおそれがなく
なる。ただし、前記角度を若干越えてもよく、その場
合、液体燃料ＭＦは内壁面１７ｄにわすかに接触するだ
けなので、内壁面１７ｄ上での液膜の形成を抑制でき
る。

【００２１】図３は、本発明の第２実施形態に係る液体
燃料焚き低ＮＯ_X 燃焼器２Ａの要部を示す縦断面図であ
り、同図において、図２と同一若しくは相当するものに
は同一の符号を付して、詳しい説明を省略する。この燃
焼器２Ａでは、予混合室１７が、上端部に空気流入口１
７ａを有する直管形状になっており、その空気流入口１
７ａが内筒１０の上方の空気導入口２２に対向するよう
に、上端部が内筒１０の径方向外方に向けて傾斜してい
る。前記空気流入口１７ａには、第１実施形態のラジア
ル・スワーラ１８に代えて、軸流スワーラ２３が設けら
れている。

【００２２】また、燃料噴射弁２１と共に燃料噴射装置
１９を構成する噴射チューブ２４は、予混合室１７に対
しこれの空気流に対して小さな交差角度で液体燃料ＭＦ
を噴射できる相対位置に配置して設けられている。噴射
チューブ２４の入口２４ａと燃料噴射弁２１との間に隙
間２７が設けられているのは、第１実施形態と同様であ
るが、軸流スワーラ２３の通路幅Ｗに対し、第１実施形
態と同様の突出量ｄに設定して予混合室１７内に突出さ
れた噴射チューブ２４の出口２４ｂは、予混合室１７内
の空気流との交差角度が小さくなるように斜めにカット
された形状になっている。前記突出量ｄは、出口２４ｂ
の最大突出量である。

【００２３】この燃焼器２Ａでは、第１実施形態で説明
したのと同様の効果を得られるのに加えて、燃料噴射弁
２１から噴射されて噴射チューブ２４を通過したのちに
予混合室１７内に流入した液体燃料ＭＦは、軸流スワー
ラ２３を通過して旋回流を付与された空気ＣＡによって
加速されることにより、一層迅速に微粒化されて、燃焼
室Ｃ内に噴霧されることになる。

【００２４】前記第１および第２の実施形態では、燃料
噴射弁２１および噴射チューブ２０，２４からなる燃料
噴射装置１９が、図４の従来のメインチューブ５４より
も数多く設けられている。これにより、各燃料噴射弁２
１は、個々に分担する液体燃料ＭＦの噴射流量が少なく
なるので、液体燃料ＭＦをより一層微粒化して噴射する
ことができ、従来のメインチューブ５４のように比較的
粒の大きな液滴を噴出することが殆ど無くなる。液体燃
料ＭＦは、小さく微粒化されて予混合室１７内に噴射さ
れることにより、短時間で蒸発して空気ＣＡと十分混合
するので、一層好ましい空燃比の予混合気とすることが
できる。

【００２５】

【発明の効果】以上のように、本発明のガスタービンエ
ンジン用の液体燃料焚き低ＮＯ_X 燃焼器によれば、予混
合室内に流入した液体燃料は、その全てが確実に蒸発し
た状態で空気と混合し、ＮＯ_X の低減に適した所要の空
燃比の予混合気となって燃焼室に送られるから、ＮＯ_X
を効果的に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液体燃料焚き低ＮＯ_X 燃焼器が適用さ
れるガスタージンエンジンを示した概略構成図である。

【図２】本発明の第１実施形態に係る液体燃料焚き低Ｎ
Ｏ_X 燃焼器の要部を示す縦断面図である。

【図３】本発明の第２実施形態に係る液体燃料焚き低Ｎ
Ｏ_X 燃焼器の要部を示す縦断面図である。

【図４】従来の予混合型燃焼器の構成を示す縦断面図で
ある。

【符号の説明】

２，２，２Ａ…燃焼器、１７…予混合室、１７ｄ…内壁
面、１９…燃料噴射装置、２０，２４…噴射チューブ、
２０ａ，２４ａ…噴射チューブの入口、２０ｂ，２４ｂ
…噴射チューブの出口、２１…燃料噴射弁、２７…隙
間、ＣＡ…燃焼用空気、Ｇ…燃焼ガス、ＭＦ…液体燃
料、Ｓ１，Ｓ２…燃焼領域。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 梶田 眞市 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工業 株式会社明石工場内 (72)発明者 鴨頭 義人 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工業 株式会社明石工場内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体燃料を噴射する燃料噴射装置と、 燃焼領域の上流側に形成されて、前記燃料噴射装置から
   噴射された液体燃料と燃焼用空気とを混合させて予混合
   気を作る予混合室とを備え、 前記燃料噴射装置が、前記予混合室内に出口を持つ噴射
   チューブと、この噴射チューブ内にその入口から前記液
   体燃料を噴射する燃料噴射弁とを有し、 前記噴射チューブの入口と前記燃料噴射弁との間に前記
   噴射チューブ内に空気を流入させる隙間が形成されてい
   る液体燃料焚き低ＮＯ_X 燃焼器。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記噴射チューブの
   出口は、前記予混合室内に突出している液体燃料焚き低
   ＮＯ_X 燃焼器。