JP2002323221A - 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

ガスタービンエンジン用の液体燃料焚き低nox燃焼器

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JP2002323221A JP2001127324A JP2001127324A JP2002323221A JP 2002323221 A JP2002323221 A JP 2002323221A JP 2001127324 A JP2001127324 A JP 2001127324A JP 2001127324 A JP2001127324 A JP 2001127324A JP 2002323221 A JP2002323221 A JP 2002323221A
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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NOX
焼器を提供する。 【解決手段】燃焼領域S1,S2の上流側に形成され
て、液体燃料MFと空気CAとを混合させて予混合気を
作る予混合室17と、予混合室17に液体燃料MFを噴
射する燃料噴射装置24と、予混合室17に空気CA1
を予混合室17の軸心回りに旋回させながら導入して液
体燃料MFと混合させる第1の空気入口18と、第1の
空気入口18の下流側で予混合室17の外周壁17bに
形成されて、予混合室17に空気CA2を導入する環状
の第2の空気入口19とを設ける。

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NOX 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NOX (窒素酸化物)の排出量の低減が望まれ
ている。この低NOX 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NOX 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NOX 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NOX 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が微粒化す
るために一定の噴射角度に拡げてメインノズル54から
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、蒸発する以前に空気の旋回流によ
る遠心力によって壁面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の出口で拡散火炎として燃焼する。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、NOX 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NOX 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NOX 燃焼器は、燃焼領域の上流側に形成さ
れて、液体燃料と空気とを混合させて予混合気を作る予
混合室と、前記予混合室に前記液体燃料を噴射する燃料
噴射装置と、前記予混合室に前記空気を予混合室の軸心
回りに旋回させながら導入して前記液体燃料と混合させ
る第1の空気入口と、前記第1の空気入口の下流側で前
記予混合室の外周壁に形成されて、予混合室に空気を導
入する環状の第2の空気入口とが設けられている。
【0008】この構成によれば、燃料噴射装置から予混
合室に噴射された液体燃料は、予混合室内に流入した時
点で、第1の空気入口から予混合室の軸心回りに旋回し
ながら予混合室に導入された空気により微粒化されて、
その大部分が蒸発して空気と混合し、予混合気となる。
この予混合気中に含まれている未蒸発の燃料液滴は旋回
流の空気による遠心力によって予混合室の外周壁に向か
って流動するが、その外周壁の内面に衝突する前に第2
の空気入口から予混合室に導入された空気によって予混
合室の中央部分に吹き戻されたのち、上流側からの予混
合気および第2の空気入口からの空気と混合されて、そ
の全てが蒸発する。これにより、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均
一に混合して、NOX の低減に適した所要の空燃比の希
釈予混合気となって燃焼室に送られるから、NOX の発
生を大幅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、前記予混
合室に入る空気の60〜80%が前記第1の空気入口か
ら導入され、残部が前記第2の空気入口から導入される
ように設定されている。この構成によれば、予混合室内
に噴射される液体燃料は、上流側の第1の空気入口から
入る60%以上の空気と十分に混合して確実に微粒化し
た予混合気とすることができ、この予混合気中に残存す
る燃料液滴は、下流側の第2の空気入口から予混合室に
入る20〜40%の空気によって、外周壁の内面(予混
合室壁面)に付着することなく、液体燃料の全てを蒸発
させることができる。
【0010】本発明の他の好ましい実施形態では、前記
第1および第2の空気入口に空気を旋回させるスワーラ
が設けられ、前記第1の空気入口のスワーラによる旋回
力の方が前記第2のスワーラの旋回力よりも強く設定さ
れている。この構成によれば、第1の空気入口のスワー
ラからの強い旋回流の空気により液体燃料を短時間で蒸
発させて空気と十分混合することができる。他方、下流
側の第2の空気入口のスワーラの旋回力を弱くすること
で、燃焼ガスの燃焼領域に入る旋回流の旋回強度を適正
にすることにより、燃焼領域の火炎を安定化できる。
【0011】
【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NOX 燃焼器が適用されるガスタービ
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。液体燃料と
しては主に灯油または軽油が用いられる。
【0012】図2は、本発明の第1実施形態に係る液体
燃料焚き低NOX 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。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。
【0013】図2の燃焼器2の頂部中心部には、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1
4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に臨む第1の空気入
口18と、この第1の空気入口18の下流側でこれと同
様に内筒10の径方向外方に向き、かつ圧縮空気CAを
径方向内方に流入させる第2の空気入口19とを有して
いる。
【0014】前記両空気入口18,19は、共に、予混
合室17と同心の環状形状になっているとともに、第1
および第2のスワーラ20,21がそれぞれ装着されて
いる。したがって、両空気入口18,19は、各々に備
えた第1および第2のラジアルスワーラ20,21によ
り、空気通路12から空気導入口22を介して流入する
燃焼用空気CAを予混合室17の軸心回りに旋回させな
がら予混合室17内に、予混合室17の径方向内方へ向
かって、軸心方向から見て斜めに導入する。前記第1の
空気入口18は、後述する燃料噴射装置24の燃料噴射
弁28から予混合室17内に噴射されるメイン液体燃料
MFに対し、第1のスワーラ20で旋回流を付与した空
気CAを混合させるよう導入できる位置に配設されてい
る。第2の空気入口19は、第1の空気入口18からの
流入空気CAと液体燃料MFとを混合した予混合気の旋
回領域に臨むように予混合室17の外周壁17bに設け
られており、その外周壁17bにおける配設箇所は、前
記予混合気中に含まれる液体燃料MFの未蒸発の燃料液
滴が旋回流による遠心力で外周壁17bに衝突すること
が予測される位置に設定されている。
【0015】また、予混合室17に入る空気CAの60
〜80%は第1の空気入口18から導入され、残りの空
気CAが第2の空気入口19から導入されるように設定
されている。さらに、第1の空気入口18の第1のスワ
ーラ20による空気CAの旋回力は第2の空気入口19
の第2のスワーラ21による旋回力よりも強く設定され
ている。ここで、旋回力は、空気CAに旋回成分を付与
する能力であり、旋回力の強い方が、スワーラ下流にお
ける空気流の速度の周方向成分が大きくなる。前記旋回
力はスワーラ20,21の羽根の角度によって適宜設定
される。予混合室17の出口23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17は軸心を含む縦断面でF字形を呈して
いる。
【0016】予混合室17の頂部における前記第1のス
ワーラ20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24
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24は、予混合室17内に出口27bを持つ噴射
チューブ27と、この噴射チューブ27内にその入口2
7aからメイン液体燃料MFを噴射する燃料噴射弁28
とにより構成されている。
【0017】前記燃料噴射弁28は、噴射チューブ27
の入口27aから若干離れて、入口27aとの間に隙間
29を有する配置で設けられており、この隙間29から
空気CAが噴射チューブ27内に流入するようになって
いる。また、噴射チューブ27は、これの出口27b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27の予混合室17内への突出量d
は、第1のスワーラ20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からは始動時のみ又は始動時を含む通
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28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。
【0018】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、他の一部がパイロット
空気通路14を経て燃焼室C内へ入り、残りが第1およ
び第2のスワーラ20,21をそれぞれ経て予混合室1
7内へ流入する。パイロットノズル13から燃焼室C内
に噴射されたパイロット液体燃料PFが燃焼して拡散燃
焼領域S1が形成される。
【0019】他方、メイン燃料噴射弁28からは、メイ
ン液体燃料MFが、微粒化を促進するために比較的大き
な噴射角度の範囲内で噴射チューブ27の内方に噴射さ
れ、この噴射チューブ27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27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28との隙間29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、小さな噴射角度に狭められて噴射チューブ27の出
口27bから予混合室17内に噴出されるので、予混合
室17の外周壁17bおよび内周壁に向けて噴射される
量が、図4のタイプの燃焼器に比較して少なくなる。
【0020】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27内に入った液滴は噴射チューブ2
7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27の内壁に沿いながら流れて噴射チュー
ブ27の出口27bから流出した時点で、第1のスワー
ラ20によって旋回流を付与されながら高速で流動する
空気CA1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27の予混合室17内への
突出量dは、上述したように第1のスワーラ20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27の出口27bから
出た時点で高速旋回流に臨むことになるので、空気CA
1が強く吹き付けられることによって効果的に霧化され
る。
【0021】噴射チューブ27の前記突出量dを1/5
以下に設定した場合、出口27bが予混合室17の頂部
の内壁面17aに近づくために、噴射チューブ27の出
口27bにおいて液体燃料MFに吹き付けられる空気C
A1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CA1が噴射チューブ2
7に当たって流速低下が生じるとともに、噴射チューブ
27の出口27bから流出した液体燃料MFに空気CA
1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。
【0022】噴射チューブ27の出口27bから流出し
た液膜による液滴および液体燃料MFは、予混合室17
内に流入した時点で第1のスワーラ20からの高速旋回
流の空気CA1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および液滴は、そ
の大部分が蒸発して空気CA1と混合し、予混合気とな
る。しかしながら、この予混合気中に未蒸発の小さな粒
の燃料液滴が残存している場合がある。
【0023】前記予混合気中に残存している燃料液滴
は、第1のスワーラ20を通った高速旋回流の空気CA
1による遠心力によって予混合室17の外周壁17bに
向かって流動するが、その外周壁17bにおける燃料液
滴の衝突が予測される箇所には第2のスワーラ21から
空気が導入される。そのため、前記燃料液滴は、予混合
室17の外周壁17bの内面に衝突する前に第2のスワ
ーラ21からの旋回流の空気CA2によって予混合室1
7の中心部分に吹き戻されたのち、上流側からの前記予
混合気および第2のスワーラ21からの旋回流の空気C
A2と均一に混合されて、NOX の低減に適した所定の
空燃比の希釈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S
1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NOX
効果的に低減することができる。
【0024】また、この燃焼器2では、上述したように
予混合室17に入る空気CAの60〜80%が上流側の
第1の空気入口18から導入され、残部が下流側の第2
の空気入口19から導入されるように設定されている。
第1の空気入口18から入る空気が60%未満では、液
体燃料MFの蒸発および混合が不十分となる。第1の空
気入口18から入る空気が80%を越えると、第2の空
気入口19から流入する空気CAが不足して予混合気中
に残存する燃料液滴が外周壁17bの内面に付着するこ
とを防止できない。
【0025】さらに、前記燃焼器2では、上述したよう
に第1のスワーラ20による空気の旋回力を第2のスワ
ーラ21の旋回力よりも強く設定しているので、第1の
スワーラ20からの強い高速旋回流の空気CA1により
液体燃料MFが短時間で空気CA1と十分混合すること
ができる。混合気が強い旋回流のままで予混合室17か
ら円筒10内に入ると、遠心力が大きいために、円筒1
0の周壁に向かって矢印Jで示すように流れる。その結
果、拡散燃焼領域S1の圧力が下がって、拡散燃焼領域
S1への戻りKが強くなる。そこで、下流側の第2のス
ワーラ21の旋回力を第1のスワーラ20よりも弱くし
ておくことにより、内筒10内に入る混合気の旋回を適
正にして、燃焼ガスGの拡散燃焼領域S1への戻り速度
を小さくし、これによって、拡散燃焼領域S1の頭部、
つまりパイロットノズル13の先端部の焼損を防止でき
るとともに、拡散燃焼領域S1の火炎を安定化できる。
【0026】なお、前記実施形態では、第2の空気入口
19から予混合室17に流入する空気CA2に第2のス
ワーラ21で旋回を付与する場合を例示して説明した
が、上述の説明から明らかなように、第2の空気入口1
9から予混合室17内に流入する空気CA2は、第1の
空気入口18からの高速旋回流の空気CA1により生成
された予混合気中になおも残存する燃料液滴を予混合室
17の外周壁17bへの衝突を防止するものであるか
ら、特に旋回は要件でなく、第2のスワーラ21を割愛
してもよい。
【0027】図3は、本発明の第2実施形態に係る液体
燃料焚き低NOX 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、上端部に第1の空気入
口18を有する傾斜した環状である。第2の空気入口1
9は、第1の空気入口18からの流入空気CA1と液体
燃料MFとの予混合気の旋回領域に臨む位置において、
予混合室17の軸心に対し小さな交差角度で予混合室1
7の出口23に向いた配置で予混合室17の外周壁17
bに設けられており、その外周壁17bにおける配設箇
所は、予混合室17に流入した液体燃料MFが衝突しよ
うとする位置に設定されている。前記両空気入口18,
19には、第1および第2のスワーラ30,31が設け
られている。
【0028】また、燃料噴射弁28と共に燃料噴射装置
24を構成する噴射チューブ32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32の入口32aと燃料噴射弁28との間に隙
間29が設けられているのは、第1実施形態と同様であ
るが、第1のスワーラ30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32の出口32bは、予混合室17
内の空気流CA1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32bの最大突出量である。
【0029】この燃焼器2Aでは、燃料噴射弁28から
噴射されて予混合室17内に流入した液体燃料MFは、
第1のスワーラ30を通過して旋回流を付与された空気
CA1と混合される。そののち、その予混合気中になお
も残存する未蒸発の燃料液滴は、第2のスワーラ31を
通過して旋回流を付与された空気CA2によって、外周
壁17bの内面に付着することなく、燃焼室C内に流入
する。
【0030】なお、本発明は、図4に示したタイプの予
混合型燃焼器にも適用することができる。すなわち、図
4の予混合室52の外壁面52におけるメインノズル5
4から予混合室52内に流入したメイン液体燃料MFが
衝突しようとする箇所Pに、予混合室52内に空気を導
入する環状の第2の空気入口を設ければ、前記第1実施
形態と同様の効果を得ることができる。
【0031】また、本発明はマルチバーナタイプの燃焼
器にも適用することができる。すなわち、燃焼器の頭部
における中心部に設けられたパイロットバーナーの周囲
に、前記実施形態で示した燃料噴射装置24と第1およ
び第2の空気入口18,19とを備えた予混合室17
を、パイロットバーナと同心状に複数(例えば4〜8
個)配設すれば、前記実施形態と同様の効果を得ること
ができる。
【0032】
【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NOX 燃焼器によれば、予混
合室内に流入した液体燃料は、その全てが確実に空気と
混合し、NOX 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、NOX 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NOX 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
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
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】 2,2A…燃焼器、17…予混合室、17b…外周壁、
18…第1の空気入口、19…第2の空気入口、20,
21,30,31…スワーラ、24…燃料噴射装置、C
A,CA1,CA2…空気、MF…液体燃料、S1,S
2…燃焼領域。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 燃焼領域の上流側に形成されて、液体燃
    料と空気とを混合させて予混合気を作る予混合室と、 前記予混合室に前記液体燃料を噴射する燃料噴射装置
    と、 前記予混合室に前記空気を予混合室の軸心回りに旋回さ
    せながら導入して前記液体燃料と混合させる第1の空気
    入口と、 前記第1の空気入口の下流側で前記予混合室の外周壁に
    形成されて、予混合室に径方向内方に空気を導入する環
    状の第2の空気入口とが設けられているガスタービンエ
    ンジン用の液体燃料焚き低NOX 燃焼器。
  2. 【請求項2】 請求項1において、 前記予混合室に入る空気の60〜80%が前記第1の空
    気入口から導入され、残部が前記第2の空気入口から導
    入されるように設定されているガスタービンエンジン用
    の液体燃料焚き低NOX 燃焼器。
  3. 【請求項3】 請求項1または2において、 前記第1および第2の空気入口に、空気を旋回させるス
    ワーラが設けられ、前記第1の空気入口のスワーラによ
    る旋回力の方が前記第2のスワーラの旋回力よりも強く
    設定されているガスタービンエンジン用の液体燃料焚き
    低NOX 燃焼器。
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