JP2007046886A - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】デュアル燃料焚き低ＮＯx 燃焼器におけるパイロットノズルにエアブラスト方式を採用して、ガスタービンの低負荷運転時等におけるスモークの発生を抑制する。
【解決手段】ガス燃料と液体燃料を同時に又は選択的に噴射することが可能なパイロットノズル１０と、該パイロットノズルの周囲に配されてガス燃料と液体燃料を同時に又は選択的に噴射することが可能な複数のメインノズルとを有するデュアル燃料焚き低ＮＯx 燃焼器を備えたガスタービンにおいて、前記パイロットノズルは、ガス燃料を噴射するガスノズル部１３と、液体燃料を噴射する液体ノズル部１４とを有すると共に、前記液体ノズル部にはエアブラスト方式を採用し、かつエアブラスト用のエアとして燃焼用エアを用い、当該燃焼用エアを液体ノズル部で形成される液膜にぶつけその速度差を利用して液体燃料を微粒化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンのデュアル燃料焚き低ＮＯx 燃焼器に関する。

近年、ガスタービンにおいては、燃焼器等に種々改良を施して低ＮＯx 化を図りつつガスタービンの高温化（タービン入口温度上昇）による高効率化を図っている。

例えば図４に示すように、ガスタービンの燃焼器100 においては、燃焼器内筒101 の中心部に設けられたパイロットノズル102 及びその周囲に複数設けられたメインノズル103 から噴射された燃料Ｆと、圧縮機104 から吐出され燃焼器内筒101 の上流側に導入された圧縮空気ＰＡとが混合され、次いで燃焼器内筒101 の下流側もしくは燃焼器尾筒105 の上流側の燃焼域で燃焼させ、高温・高圧の燃焼ガスＣＧとして静翼106 及び動翼107 を具えたタービンに導入する。タービンではこの燃焼ガスＣＧを膨張させることにより駆動力とし、圧縮機104 を駆動すると共に余剰の駆動力を外部へ出力するようにしている。

また、燃焼器内筒101 に導入される圧縮空気ＰＡと燃料Ｆとの比率（燃空比）はガスタービンの運転状態（すなわち投入される燃料量）に応じて最適な値となるよう制御する必要があるが、この目的のため圧縮空気ＰＡの全部を燃焼器100 の燃焼部へ導入せず、一部をバイパスさせて車室108 から燃焼器尾筒105 へ流入させる構成としている。このために設けられるのがバイパス弁109 であり、圧縮空気ＰＡの一部が、車室108 内に設けたバイパス管110 の開口部から燃焼器尾筒105 内に流入・供給される。

このような燃焼器100においては、燃焼器内筒101 の上流側を第１段燃焼領域に、その下流側を第２段燃焼領域にそれぞれ区分けされ、第１段燃焼領域にパイロットノズル102より比較的少量の燃料を噴射し、高温の燃焼ガスを生成させ、この燃焼ガスを火炎(火種)にして第２段燃焼領域にメインノズル103 より多量の希薄予混合燃料を噴射することで、局所的高温の燃焼ガスの発生を防止してＮＯx の発生が低く抑えられるのである（例えば特許文献１参照）。

また、このような燃焼器100 として、ガス燃料と液体燃料を同時に又は選択的に噴射することが可能なパイロットノズル102 と、該パイロットノズル102 の周囲に配されてガス燃料と液体燃料を同時に又は選択的に噴射することが可能な複数のメインノズル103 とを有する所謂デュアル燃料焚き低ＮＯx 燃焼器が知られている。

例えば図５に示すように、パイロットノズル102 に例をとってみると、当該パイロットノズル102 は、ノズル本体111 の中心部に設けられて液体燃料を噴射する圧力噴霧式の液体ノズル部112 と該液体ノズル部112 を同芯的に包囲して斜め外方にガス燃料を噴射する複数のガスノズル部113 とを有する。

このようなデュアル燃料焚き低ＮＯx 燃焼器においては、パイロットノズル102 において、燃料の多用化，併用化を図ることにより燃焼の安定性に優れた拡散燃焼を実現するとともに、メインノズル103 において、燃料の多用化を図ることにより、拡散燃焼でのパイロット用燃料を減らしてＮＯx 濃度のほとんどすくない予混合燃焼を実現することができるのである（例えば特許文献２参照）。

特開２０００−１３０７５６号公報 特開平９−２６４５３６号公報

しかしながら、上述したようなデュアル燃料焚き低ＮＯx 燃焼器にあっては、パイロットノズル102 において、液体燃料を噴射する液体ノズル部112 が圧力噴霧式のノズルを用いているため、ガスタービンの低負荷運転時等に、燃焼安定性を確保するために、パイロット比(メインノズル103 から噴射される液体燃料量に対するパイロットノズル102 から噴射される液体燃料量の比)の高い運転を行うと、スモーク（黒煙）が発生し、公害となるという問題点があった。

本発明の目的は、デュアル燃料焚き低ＮＯx 燃焼器におけるパイロットノズルにエアブラスト方式を採用して、ガスタービンの低負荷運転時等におけるスモークの発生を抑制することにある。

上記目的を達成するために、本発明のガスタービン燃焼器は、ガス燃料と液体燃料を同時に又は選択的に噴射することが可能なパイロットノズルと、該パイロットノズルの周囲に配されてガス燃料と液体燃料を同時に又は選択的に噴射することが可能な複数のメインノズルとを有するデュアル燃料焚き低ＮＯx 燃焼器を備えたガスタービンにおいて、
前記パイロットノズルは、ガス燃料を噴射するガスノズル部と、液体燃料を噴射する液体ノズル部とを有すると共に、前記液体ノズル部にはエアブラスト方式を採用し、かつエアブラスト用のエアとして燃焼用エアを用い、当該燃焼用エアを液体ノズル部で形成される液膜にぶつけその速度差を利用して液体燃料を微粒化することを特徴とする。

また、前記液体ノズル部は、液体燃料を環状の液膜状態で噴射すべく環状に形成されると共に、環状の液膜状態で噴射された液体燃料の膜内面に沿ってエアブラストを生起する第１エアブラストノズル部と、同液体燃料の膜外面に沿ってエアブラストを生起する第２エアブラストノズル部とをさらに有することを特徴とする。

また、少なくとも前記第１エアブラストノズル部に燃焼用エアを供給するエア通路は、パイロットノズルの周方向へ複数に分岐され、同じくパイロットノズルの周方向へ複数に分岐されてガスノズル部にガス燃料を供給するガス通路及び／又は液体ノズル部に液体燃料を供給する液体通路とパイロットノズルの周方向へ交互に配設されることを特徴とする。

また、前記エア通路は、第１エアブラストノズル部においてスワールが生起されるべく、パイロットノズルの半径線に対して角度を有して配設されることを特徴とする。

また、前記第２エアブラストノズル部は、エアブラストが環状に生起されるべく環状に形成されることを特徴とする。

また、前記第２エアブラストノズル部は、その内部にスワラーが配設されることを特徴とする。

また、前記液体ノズル部は、エアブラストが環状に生起されるべく環状に形成されたエアブラストノズル部の内部に配設されたスワラーの内部に設けられることを特徴とする。

また、前記液体ノズル部は、エアブラストノズル部に生起されたエアブラストの外側に沿って液体燃料が噴射するように指向されることを特徴とする。

また、前記エアブラストノズル部に燃焼用エアを供給するエア通路は、パイロットノズルの周方向へ複数に分岐され、同じくパイロットノズルの周方向へ複数に分岐されてガスノズル部にガス燃料を供給するガス通路とパイロットノズルの周方向へ交互に配設されることを特徴とする。

また、前記第１エアブラストノズル部は、パイロットノズルの中心部に設けられ、該第１エアブラストノズル部には同パイロットノズルのほぼ中心部を貫通するエア通路を通してタービン車室内の燃焼用エアが外部配管を介して供給されることを特徴とする。

また、前記第１エアブラストノズル部は、その内部にスワラーが配設されることを特徴とする。

本発明によれば、デュアル燃料焚き低ＮＯx 燃焼器におけるパイロットノズルにエアブラスト方式を効果的に採用して、ガスタービンの低負荷運転時等においてパイロット比の高い運転を行いつつ液体燃料の微粒化を促進してスモークの発生を抑制することができる。

以下、本発明に係るガスタービン燃焼器を実施例により図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１を示すパイロットノズルの要部断面図である。
図１に示すように、ガスタービンにおけるデュアル燃料焚き低ＮＯx 燃焼器のパイロットノズル１０は、棒状のノズル本体１１が筒状のノズルカバー１２に被嵌されてなる。
ノズル本体１１には、ＬＮＧ等のガス（気体）燃料を噴射するガスノズル部１３と、軽油，灯油等の液体燃料を噴射する液体ノズル部１４とを有すると共に、前記液体ノズル部１４にエアブラスト方式を採用し、かつエアブラスト用のエアとして燃焼用エア（加圧エア）を用い、当該燃焼用エアを液体ノズル部１４で形成される液膜にぶつけその速度差（剪断力が働く）を利用して液体燃料を微粒化するようになっている。

前記ガスノズル部１３は、ノズル本体１１の先端外周部にノズルカバー１２を貫通して複数設けられ、ノズル本体１１の斜め外方に向けてガス燃料を噴射するようになっている。

前記液体ノズル部１４は、液体燃料を環状の液膜状態で噴射すべく前部側が先細の環状に形成されると共に、環状の液膜状態で噴射された液体燃料の膜内面に沿ってエアブラスト（激しい送風気流）を生起する第１エアブラストノズル部１５ａと、同液体燃料の膜外面に沿ってエアブラストを生起する第２エアブラストノズル部１５ｂとをさらに有する。

前記第１エアブラストノズル部１５ａは、ノズル本体１１の中心部に横長の空洞部として形成されると共に、この第１エアブラストノズル部１５ａに加圧エアを供給するエア通路１６は、ノズル本体１１の周方向へ複数に分岐され、同じくノズル本体１１の周方向へ複数に分岐されてガスノズル部１３にガス燃料を供給するガス通路１７及び／又は液体ノズル部１４に液体燃料を供給する液体通路１８とノズル本体１１の周方向へ交互に配設される。また、前記エア通路１６は、その導入側端部がノズル本体１１の中間部外周に開口されると共に、第１エアブラストノズル部１５ａにおいてスワールが生起されるべく、ノズル本体１１の半径線に対して角度を有して配設される。

前記第２エアブラストノズル部１５ｂは、エアブラストが先細の環状に生起されるべく前部側が先細の環状に形成される。図中１９は、ノズル本体１１の先端に嵌着されるノズルキャップで、内面が先細のテーパ面に形成されている。また、この第２エアブラストノズル部１５ｂに加圧エアを供給するエア通路（エア導入孔）２０は、ノズル本体１１の外周部に複数分岐されて形成され、その導入側端部がノズル本体１１の中間部外周に開口されている。また、前記第２エアブラストノズル部１５ｂは、そのストレート部分の内部に羽根状のスワラー２１が周方向に複数配設されている。

前記液体ノズル部１４は、前半部分が先細の環状に形成された前段液体ノズル部１４ａとストレートな環状に形成された後段液体ノズル部１４ｂとに分割され、両者間がノズル本体１１の周方向に複数設けたスワールポート１４ｃで連通されている。また、前段液体ノズル部１４ａの内部にはスワール生起用のステップ１４ｄがリブ状に形成されている。

デュアル燃料焚き低ＮＯx 燃焼器のその他の構成は、図４と同様なので、図４を参照して重複する説明は省略する。

このように構成されるため、ガスタービンの運転時において、デュアル燃料焚き低ＮＯx 燃焼器の燃料としてガス燃料が用いられている場合、パイロットノズル１０においては、図示しないガス燃料供給源からのガス燃料がノズル本体１１の周方向に複数分岐されたガス通路１７を通りその各々の先端に設けたガスノズル部１３より斜め外方に向けて噴射される。

一方、ガス燃料と同時又は選択的に液体燃料が用いられている場合は、図示しない液体燃料供給源からの液体燃料がノズル本体１１の周方向に複数分岐された液体通路１８を通って環状に形成された液体ノズル部１４に供給される。ここから液体燃料は、スワールポート１４ｃ及びステップ１４ｄでスワールを生起されつつ前段液体ノズル部１４ａにおける先細の環状部より環状の液膜状態で噴射される。

同時に、図示しない加圧エア供給源（ガスタービンの圧縮機吐出エア）からの加圧エアがノズル本体１１の周方向に複数分岐されたエア通路１６を通って第１エアブラストノズル部１５ａに供給されると共に、同じくエア通路２０を通って第２エアブラストノズル部１５ｂに供給される。第１エアブラストノズル部１５ａに供給された加圧エアは、エア通路１６の傾きによりスワールが生起されつつ外部に噴射され、液体ノズル部１４から環状の液膜状態で噴射された液体燃料の膜内面に沿ったエアブラストとなる。第２エアブラストノズル部１５ｂに供給された加圧エアは、スワラー２１によりスワールが生起されつつ外部に噴射され、液体ノズル部１４から環状の液膜状態で噴射された液体燃料の膜外面に沿ったエアブラストとなる。

このように、液体ノズル部１４から環状の液膜状態で噴射された液体燃料の膜内，外両面に沿ってエアブラストが生起されるため、液体燃料の微粒化及び蒸発等が促進され、良好な燃焼状態が得られる。これにより、ガスタービンの低負荷運転時等に、燃焼安定性を確保するために、パイロット比の高い運転を行っても、スモーク（黒煙）の発生を低く抑えることができる。

そして、本実施例では、ノズル本体１１の中心部に横長の空洞部として形成された第１エアブラストノズル部１５ａに加圧エアを供給するエア通路１６は、ノズル本体１１の周方向へ複数に分岐され、同じくノズル本体１１の周方向へ複数に分岐されてガスノズル部１３にガス燃料を供給するガス通路１７及び／又は液体ノズル部１４に液体燃料を供給する液体通路１８とノズル本体１１の周方向へ交互に配設するようにしたので、ノズル本体１１における通路構造の煩雑化を効果的に回避することができる。換言すれば、エアブラスト方式を採用したパイロットノズル１０を容易にかつ安価に製作することができる。

図２は本発明の実施例２を示すパイロットノズルの要部断面図である。
本実施例は、実施例１における第１エアブラストノズル部１５ａを廃止して、実施例１における第２エアブラストノズル部１５ｂに相当する環状のエアブラストノズル部１５Ａのみ設けると共に、該エアブラストノズル部１５Ａに設けたベーン状の各スワラー２１に、ポート状に形成されて環状の前段液体ノズル部１４ａに通じる液体ノズル部１４Ａの先端を開口した例である。その他の構成は実施例１と同様であるので、図１と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。

本実施例によれば、液体ノズル部１４Ａから噴射された液体燃料は、エアブラストノズル部１５Ａの外側の周壁面に沿った液膜を形成し、この液膜の内側にエアブラストノズル部１５Ａによるエアブラストが生起され、液体燃料の微粒化が促進される。

これにより、実施例１と同様の作用効果が得られる一方、実施例１における第１エアブラストノズル部１５ａを廃止したので、ノズル本体１１における通路及びノズル構造が実施例１に比べより簡略化できるという利点が得られる。

図３は本発明の実施例３を示すパイロットノズルの要部断面図である。
本実施例は、実施例１における第１エアブラストノズル部１５ａに加圧エアを供給するエア通路１６を、ノズル本体１１の中心部を貫通する一本のエア通路１６Ａとして形成すると共に該エア通路１６Ａに外部配管を接続して、タービン車室内の加圧エアを第１エアブラストノズル部１５ａに供給するようにした例である（図４の車室１０８に形成されて外部配管が接続される加圧エア取出口３０参照）。また、第１エアブラストノズル部１５にスワラー２８が内装される。その他の構成は実施例１と同様であるので、図１と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。

本実施例によれば、液体ノズル部１４から噴射された液体燃料は、サンドイッチ状に生起されるエアブラストにより微粒化が促進され、実施例１と同様の作用効果が得られる一方、一本のエア通路１６Ａにより、ノズル本体１１における通路構造が実施例１に比べより簡略化できるという利点が得られる。

尚、本発明は上記各実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、スワラーの構造変更やノズル部の形状変更等各種変更が可能であることはいうまでもない。

本発明の実施例１を示すパイロットノズルの要部断面図である。 本発明の実施例２を示すパイロットノズルの要部断面図である。 本発明の実施例３を示すパイロットノズルの要部断面図である。 従来のガスタービン燃焼器周りの断面図である。 従来のパイロットノズルの要部断面図である。

符号の説明

１０ パイロットノズル
１１ ノズル本体
１２ ノズルカバー
１３ ガスノズル部
１４ 液体ノズル部
１４Ａ 液体ノズル部
１４ａ 前段液体ノズル部
１４ｂ 後段液体ノズル部
１４ｃ スワールポート
１４ｄ ステップ
１５Ａ エアブラストノズル部
１５ａ 第１エアブラストノズル部
１５ｂ 第２エアブラストノズル部
１６ エア通路
１６Ａ エア通路
１７ ガス通路
１８ 液体通路
１９ ノズルキャップ
２０ エア通路
２１ スワラー
２８ スワラー
３０ 加圧エア取出口

Claims (11)

1. ガス燃料と液体燃料を同時に又は選択的に噴射することが可能なパイロットノズルと、該パイロットノズルの周囲に配されてガス燃料と液体燃料を同時に又は選択的に噴射することが可能な複数のメインノズルとを有するデュアル燃料焚き低ＮＯx 燃焼器を備えたガスタービンにおいて、
   前記パイロットノズルは、ガス燃料を噴射するガスノズル部と、液体燃料を噴射する液体ノズル部とを有すると共に、前記液体ノズル部にはエアブラスト方式を採用し、かつエアブラスト用のエアとして燃焼用エアを用い、当該燃焼用エアを液体ノズル部で形成される液膜にぶつけその速度差を利用して液体燃料を微粒化することを特徴とするガスタービン燃焼器。
2. 前記液体ノズル部は、液体燃料を環状の液膜状態で噴射すべく環状に形成されると共に、環状の液膜状態で噴射された液体燃料の膜内面に沿ってエアブラストを生起する第１エアブラストノズル部と、同液体燃料の膜外面に沿ってエアブラストを生起する第２エアブラストノズル部とをさらに有することを特徴とする請求項１に記載のガスタービン燃焼器。
3. 少なくとも前記第１エアブラストノズル部に燃焼用エアを供給するエア通路は、パイロットノズルの周方向へ複数に分岐され、同じくパイロットノズルの周方向へ複数に分岐されてガスノズル部にガス燃料を供給するガス通路及び／又は液体ノズル部に液体燃料を供給する液体通路とパイロットノズルの周方向へ交互に配設されることを特徴とする請求項２に記載のガスタービン燃焼器。
4. 前記エア通路は、第１エアブラストノズル部においてスワールが生起されるべく、パイロットノズルの半径線に対して角度を有して配設されることを特徴とする請求項３に記載のガスタービン燃焼器。
5. 前記第２エアブラストノズル部は、エアブラストが環状に生起されるべく環状に形成されることを特徴とする請求項２に記載のガスタービン燃焼器。
6. 前記第２エアブラストノズル部は、その内部にスワラーが配設されることを特徴とする請求項５に記載のガスタービン燃焼器。
7. 前記液体ノズル部は、エアブラストが環状に生起されるべく環状に形成されたエアブラストノズル部の内部に配設されたスワラーの内部に設けられることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン燃焼器。
8. 前記液体ノズル部は、エアブラストノズル部に生起されたエアブラストの外側に沿って液体燃料が噴射するように指向されることを特徴とする請求項７に記載のガスタービン燃焼器。
9. 前記エアブラストノズル部に燃焼用エアを供給するエア通路は、パイロットノズルの周方向へ複数に分岐され、同じくパイロットノズルの周方向へ複数に分岐されてガスノズル部にガス燃料を供給するガス通路とパイロットノズルの周方向へ交互に配設されることを特徴とする請求項７に記載のガスタービン燃焼器。
10. 前記第１エアブラストノズル部は、パイロットノズルの中心部に設けられ、該第１エアブラストノズル部には同パイロットノズルのほぼ中心部を貫通するエア通路を通してタービン車室内の燃焼用エアが外部配管を介して供給されることを特徴とする請求項２に記載のガスタービン燃焼器。
11. 前記第１エアブラストノズル部は、その内部にスワラーが配設されることを特徴とする請求項１０に記載のガスタービン燃焼器。

Images