JP2004101081A

JP2004101081A - 燃料ノズル

Info

Publication number: JP2004101081A
Application number: JP2002264147A
Authority: JP
Inventors: Keishiro Saito; 斉藤　圭司郎
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-09-10
Filing date: 2002-09-10
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【課題】油燃料の微粒化を促進することにより、燃料液滴の燃焼器壁面への衝突を防止し、均一な予混合気を形成することでＮＯｘの生成を抑制したガスタービンの燃焼器における油用燃料ノズルを提供する。
【解決手段】メインスワラ８は、メインバーナ６の内周壁面より内方へ延びるスワラベーン８ａと、これのハブ側に設けられたスワラハブリング８ｂとより成る。メインノズル４の外周面には、スワラハブリング８ｂの内周面と相対するように、燃料の噴出孔４ａが開けられている。噴出孔４ａから放射状に噴出した燃料は、スワラハブリング８ｂの内周面に衝突し、フィルム状となって下流側へと噴射される。これにより燃料の微粒化が促進され、メインバーナ６内部での燃料噴流の半径方向の速度成分が消滅し、メインバーナ６の内周壁面に燃料が衝突することが防止される。また均一予混合気の形成でＮＯｘの生成も抑制される。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンの燃焼器における燃料ノズルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のガスタービン燃焼器の概要について説明する。図６は、従来よりのガスタービン燃焼器の概略構成を模式的に示す縦断面図である。ガスタービン燃焼器は、同図に示すように、燃料と燃焼用空気とを混合させる機構を備えた内筒２を有しており、内筒２の軸心位置には、パイロットコーン５に連通したパイロットノズル３が配置されている。パイロットノズル３の周辺には、予混合器であるメインバーナ６に連通したメインノズル４が配設されており、また内筒２はその後端で燃焼室としての内部空間を備えた尾筒１２に連絡している。
【０００３】
加えて、パイロットノズル３先端付近外周でパイロットコーン５との間には、パイロットスワラ７が配設されており、またメインノズル４先端付近外周でメインバーナ６との間には、メインスワラ８が配設されている。概ね以上のようにして、燃焼器１が構成されている。そして、図示しない燃料供給管から供給された燃料は、メインノズル４からメインバーナ６内に噴射され、予め空気と混合した予混合気として尾筒１２に供給され、尾筒１２内でパイロットノズル３により生成したパイロット火炎（拡散火炎）により着火されて、尾筒１２内に予混合火炎を生成する。なお、同図の各矢印は、ノズルから燃料が噴出する様子を示している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような従来の油焚きガスタービン燃焼器では、予混合ノズル（メインノズル）での燃料の微粒化が不十分であることがあり、蒸発特性の悪い油燃料を使用した場合に、蒸発しきれなかった燃料の液滴が燃焼器内周壁面に付着し、ここで壁面燃焼を発生して、燃焼器の焼損を招く上に、微粒化が悪いことにより局所の燃焼温度が上がり、ＮＯｘ上昇をも招いていた。
【０００５】
例えば図６で示した構造では、上側のメインノズル４より噴射された燃料噴流が、矢印で示すように、遠心力で一度メインバーナ６内の旋回流によりその内周壁面に衝突し、ここで跳ね返った燃料流が更に内筒２内周壁面に衝突して、壁面燃焼を起こしている。また、蒸発しきれない油滴表面上で高温燃焼し、そこで大量のＮＯｘが生成される。本発明は、このような問題点に鑑み、油燃料の微粒化を促進するとともに、燃料液滴の燃焼器壁面への衝突を防止した、ガスタービンの燃焼器における燃料ノズルを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、内筒の軸心位置に配置されたパイロットノズルと、該パイロットノズルの周辺に配設され外周に予混合器を備えたメインノズルとを有し、そのメインノズルから予混合気として前記内筒に噴射された油燃料が、その内筒内で前記パイロットノズルにより生成した拡散火炎により着火されて、その内筒内に予混合火炎を生成するようにした燃焼器に設けられる燃料ノズルにおいて、前記予混合器内に配設したメインスワラのハブ側に位置するスワラハブリングの内周面に、前記メインノズルの外周面に開けられた噴出孔から噴出する油燃料を衝突させるようにしたことを特徴とする。
【０００７】
或いは、内筒の軸心位置に配置されたパイロットノズルと、そのパイロットノズルの周辺に配設され外周に予混合器を備えたメインノズルとを有し、そのメインノズルから予混合気として前記内筒に噴射された油燃料が、その内筒内で前記パイロットノズルにより生成した拡散火炎により着火されて、その内筒内に予混合火炎を生成するようにした燃焼器に設けられる燃料ノズルにおいて、前記予混合器内に配設したメインスワラの下流側にバッフルリングを設置し、そのバッフルリングの内周面に、前記メインノズルの外周面に開けられた噴出孔から噴出する油燃料を衝突させるようにしたことを特徴とする。
【０００８】
また、前記バッフルリングを同心で少なくとも二重に設けたことを特徴とする。また、前記メインスワラにより生成された空気旋回流の旋回方向とは逆方向の速度成分を持つように、前記噴出孔から油燃料を噴出させるようにしたことを特徴とする。
【０００９】
その他、内筒の軸心位置に配置されたパイロットノズルと、そのパイロットノズルの周辺に配設され外周に予混合器を備えたメインノズルとを有し、そのメインノズルから予混合気として前記内筒に噴射された油燃料が、その内筒内で前記パイロットノズルにより生成した拡散火炎により着火されて、その内筒内に予混合火炎を生成するようにした燃焼器に設けられる燃料ノズルにおいて、前記メインノズルに渦巻き噴射弁を設けることにより、そのメインノズルから燃料が螺旋状に旋回しながら噴出するようにしたことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の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、本発明の第１の実施形態に係る燃料ノズルの構成を模式的に示す縦断面図である。本実施形態では、同図に示すように、メインスワラ８は、メインバーナ６の内周壁面より内方へ延びるスワラベーン８ａと、これのハブ側に設けられたスワラハブリング８ｂとより成る。そして、メインノズル４の外周面には、スワラハブリング８ｂの内周面と相対するように、燃料の噴出孔４ａが開けられている。なお、メインノズル４の外周面とスワラハブリング８ｂ内周面との隙間は、例えば２〜７ｍｍ程度としている。ちなみに従来は、この部分に燃料の噴出孔を設けていないので、隙間は１ｍｍ程度以下となっている。
【００１１】
さて、噴出孔４ａから矢印Ａで示すように放射状に噴出した燃料は、スワラハブリング８ｂの内周面に衝突し、これによりフィルムアトマイジングが図られる。即ち、ｆで示すようにフィルム状となって微粒化し、矢印ａで示すように下流側へと噴射される。このような構成とすることにより、燃料の微粒化が促進されるとともに、メインバーナ６内部での燃料噴流の半径方向の速度成分が消滅し、メインバーナ６の内周壁面に燃料が衝突するのを防止することができる。
【００１２】
図２は、本発明の第２の実施形態に係る燃料ノズルの構成を模式的に示す縦断面図である。本実施形態では、上述したスワラハブリング８ｂを利用する代わりに、同図に示すように、メインスワラ８の下流側でメインノズル４の周囲に、バッフルリング９を別途設置している。そして、メインノズル４の外周面には、バッフルリング９の内周面と相対するように、燃料の噴出孔４ａが開けられている。これにより、上記第１の実施形態と同様の効果が得られるようにしている。なお、バッフルリング９は、メインバーナ６内周壁面或いはメインノズル４外周面より延びる図示しない支持棒等により支持される。或いは、バッフルリング９をスワラベーン８ａの下流側面に取り付けるようにしても良い。
【００１３】
さて、噴出孔４ａから矢印Ａで示すように放射状に噴出した燃料は、バッフルリング９の内周面に衝突し、これによりフィルムアトマイジングが図られる。即ち、ｆで示すようにフィルム状となって微粒化し、矢印ａで示すように下流側へと噴射される。このような構成とすることにより、燃料の微粒化が促進されるとともに、メインバーナ６内部での燃料噴流の半径方向の速度成分が消滅し、メインバーナ６の内周壁面に燃料が衝突するのを防止することができる。
【００１４】
図３は、本発明の第３の実施形態に係る燃料ノズルの構成を模式的に示す縦断面図である。本実施形態では、上述したバッフルリングを同心で多重に配設した構成としている。具体的には、図２で示したバッフルリング９に加えて、その外側でやや上流側に、同心にバッフルリング１０を配置している。勿論、三重以上となるように配設しても良い。
【００１５】
そして、メインノズル４の外周面には、バッフルリング９，１０の各内周面と相対するように、それぞれ燃料の噴出孔４ａ，４ｂが開けられている。　　これにより、半径方向に適切に燃料を分布させるようにしている。なお、バッフルリング９，１０は、メインバーナ６内周壁面或いはメインノズル４外周面より延びる図示しない支持棒等により支持される。或いは、バッフルリング９，１０をスワラベーン８ａの下流側面に取り付けるようにしても良い。但しこの場合は、噴出孔４ｂからの燃料がバッフルリング１０までスムーズに到達するように、バッフルリング９に切り欠きを設ける等の工夫が必要である。
【００１６】
さて、噴出孔４ａから矢印Ａで示すように放射状に噴出した燃料は、バッフルリング９の内周面に衝突し、これによりフィルムアトマイジングが図られる。即ち、ｆａで示すようにフィルム状となって微粒化し、矢印ａで示すように下流側へと噴射される。一方、噴出孔４ｂから矢印Ｂで示すように放射状に噴出した燃料は、バッフルリング１０の内周面に衝突し、これによりフィルムアトマイジングが図られる。即ち、ｆｂで示すようにフィルム状となって微粒化し、矢印ｂで示すように下流側へと噴射される。
【００１７】
このような構成とすることにより、燃料の微粒化が促進されるとともに、メインバーナ６内部での燃料噴流の半径方向の速度成分が消滅し、メインバーナ６の内周壁面に燃料が衝突するのを防止することができる。さらに、メインバーナ６内部での半径方向の燃料分布がより均一化される。
【００１８】
図４は、本発明の第４の実施形態に係る燃料ノズルの構成を模式的に示す図であり、同図（ａ）は縦断面図、同図（ｂ）は下流側から見た図である。本実施形態ではまず、上記第２の実施形態と同様にして、同図（ａ）に示すように、メインスワラ８の下流側でメインノズル４の周囲に、バッフルリング９を別途設置している。そして、メインノズル４の外周面には、バッフルリング９の内周面と相対するように、燃料の噴出孔４ａが開けられている。
【００１９】
さて、噴出孔４ａから矢印Ａで示すように放射状に噴出した燃料は、バッフルリング９の内周面に衝突し、これによりフィルムアトマイジングが図られる。即ち、ｆで示すようにフィルム状となって微粒化し、矢印ａで示すように下流側へと噴射される。このような構成とすることにより、燃料の微粒化が促進されるとともに、メインバーナ６内部での燃料噴流の半径方向の速度成分が消滅し、メインバーナ６の内周壁面に燃料が衝突するのを防止することができる。
【００２０】
さらに、本実施形態では、同図（ｂ）に示すように、スワラベーン８ａにより生成された空気旋回流の旋回方向（矢印Ｃで示す）とは逆方向の速度成分を持つように、燃料を矢印Ａで示すように噴出孔４ａから斜めに噴出させる構成としている。これにより、噴出した燃料に対して空気旋回流のせん断力が強く働くので、燃料の微粒化が促進される。
【００２１】
なお、燃料が噴出孔４ａから噴出するときのメインノズル４外周方向に対する角度は、燃料の微粒化に最も効果的となる値を選ぶようにすれば良い。また、本実施形態における、空気旋回流の旋回方向とは逆方向となるように燃料を斜めに噴出させる構成は、第２の実施形態の構成に限らず第１の実施形態の構成や第３の実施形態の構成とも組み合わせることが可能である。
【００２２】
図５は、本発明の第５の実施形態に係る燃料ノズルの構成を模式的に示す図であり、同図（ａ）は縦断面図、同図（ｂ）はそのＥ−Ｅ断面図である。本実施形態では、同図（ａ）に示すように、メインノズル４の先端付近に渦巻き噴射弁１１を設けた構成としている。メインノズル４内を通ってここに導入された燃料は、矢印Ｄで示すように螺旋状に旋回しながら噴出孔４ａより噴出する。
【００２３】
具体的には、同図（ｂ）に示すように、渦巻き噴射弁１１の円形部１１ａに対して円周の接線方向に、導入口１１ｂより燃料が導入され、矢印Ｄで示すように螺旋状に旋回する。これが上述したように噴出孔４ａより噴出する。このような構成とすることにより、燃料の微粒化が促進される。なお、本実施形態の構成は、上記第１〜第４の実施形態の構成とそれぞれ組み合わせることが可能である。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、油燃料の微粒化を促進するとともに、燃料液滴の燃焼器壁面への衝突を防止した、ガスタービンの燃焼器における燃料ノズルを提供することができる。またこれにより、燃焼ガスの低ＮＯｘ化も図ることができる。また図５に示す渦巻き噴射型ノズルの下流に円錐体を設置することにより、フラッシュバックの防止が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料ノズルの構成を模式的に示す図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る燃料ノズルの構成を模式的に示す図。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る燃料ノズルの構成を模式的に示す図。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る燃料ノズルの構成を模式的に示す図。
【図５】本発明の第５の実施形態に係る燃料ノズルの構成を模式的に示す図。
【図６】従来よりのガスタービン燃焼器の概略構成を模式的に示す図。
【符号の説明】
１　　燃焼器
２　　内筒
３　　パイロットノズル
４　　メインノズル
５　　パイロットコーン
６　　メインバーナ
７　　パイロットスワラ
８　　メインスワラ
９，１０　　バッフルリング
１１　　渦巻き噴射弁
１２　　尾筒

Claims

内筒の軸心位置に配置されたパイロットノズルと、該パイロットノズルの周辺に配設され外周に予混合器を備えたメインノズルとを有し、該メインノズルから予混合気として前記内筒に噴射された燃料が、該内筒内で前記パイロットノズルにより生成した拡散火炎により着火されて、該内筒内に予混合火炎を生成するようにした燃焼器に設けられる燃料ノズルにおいて、
前記予混合器内に配設したメインスワラのハブ側に位置するスワラハブリングの内周面に、前記メインノズルの外周面に開けられた噴出孔から噴出する燃料を衝突させるようにしたことを特徴とする燃料ノズル。
内筒の軸心位置に配置されたパイロットノズルと、該パイロットノズルの周辺に配設され外周に予混合器を備えたメインノズルとを有し、該メインノズルから予混合気として前記内筒に噴射された燃料が、該内筒内で前記パイロットノズルにより生成した拡散火炎により着火されて、該内筒内に予混合火炎を生成するようにした燃焼器に設けられる燃料ノズルにおいて、
前記予混合器内に配設したメインスワラの下流側にバッフルリングを設置し、該バッフルリングの内周面に、前記メインノズルの外周面に開けられた噴出孔から噴出する燃料を衝突させるようにしたことを特徴とする燃料ノズル。
前記バッフルリングを同心で少なくとも二重に設けたことを特徴とする請求項２に記載の燃料ノズル。
前記メインスワラにより生成された空気旋回流の旋回方向とは逆方向の速度成分を持つように、前記噴出孔から燃料を噴出させるようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の燃料ノズル。
内筒の軸心位置に配置されたパイロットノズルと、該パイロットノズルの周辺に配設され外周に予混合器を備えたメインノズルとを有し、該メインノズルから予混合気として前記内筒に噴射された燃料が、該内筒内で前記パイロットノズルにより生成した拡散火炎により着火されて、該内筒内に予混合火炎を生成するようにした燃焼器に設けられる燃料ノズルにおいて、
前記メインノズルに渦巻き噴射弁を設けることにより、該メインノズルから燃料が螺旋状に旋回しながら噴出するようにしたことを特徴とする燃料ノズル。