JP2007132548A - 予混合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高沸点物質を燃料とした場合、燃料の微粒化を促進でき、予混合管の出口付近に炭化物が堆積しにくい予混合装置を提供する。
【解決手段】エアブラストノズル２６よりも出口側にある予混合管４０の壁部を、出口を有する外筒３１の大径の入口に内筒２９の小径の出口を所定間隔をおき挿入してなる２重壁部として構成し、内筒の内面と前記エアブラストノズルの間に、内筒の内面を通る流れを形成する内側スワラー３５を設け、内筒の外面と外筒の内面の間に、内筒の外面を通る流れを形成する外側スワラー３０を設ける。エアブラストノズルで微粒化した燃料が一旦内筒で液化し、膜状になり、両スワラーにより再度微粒化される。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体燃料を燃焼するガスタービン燃焼器などに用いることができる予混合装置に係り、特に液体燃料の炭化物が予混合管の出口付近で炭化堆積することを防止する技術に関するものである。

本発明の従来技術として、下記特許文献１に示すガスタービン燃焼器の予混合装置がある。この予混合装置では、出口側に向けて断面積が減少する予混合管と、前記予混合管の入口付近に配置された燃料ノズルと、前記予混合管の入口付近において前記燃料ノズルの周囲に配置されて空気に互いに逆方向の旋回を与える少なくとも２つのスワラーを有するものである。この構造によれば、予混合管の中心付近に速度の遅い領域が生じないため、燃焼室内からの逆火を防止できる。

図３は以上のスワール機能を備えた従来の予混合装置１の一例を示す。この予混合装置１は、上部中心に配置されたエアブラストノズル２と、エアブラストノズル２の周囲にスワラー３を介して上部側が同心配置され、かつ下部を燃焼筒５に開口させた予混合管４とを備えている。

前記エアブラストノズル２は、中心軸６の先端部周囲にスワラー７を介して配置された第１の壁体８と、第１の壁体８の外周に第２のスワラー９を介して同心配置された第２の壁体１０と、前記第１の壁体８の上部に接続された燃料供給管１１からなり、前記第２の壁体１０の外周に前記スワラー３を介して前記予混合管４を結合したものである。

第１の壁体８には、図の一部に拡大しても示すように、前記燃料供給管１１に連通する内部通路８ａが形成され、壁体８の内周部にはこの内部通路８ａに連通するスリット８ｂが周方向に開口され、燃料供給管１１から供給された液体燃料はスリット８ｂを通じてその内側の中心軸６側に向けて噴射されるようになっている。

前記予混合管４は下部側に向けて小径化しているとともに、最小径位置から順次その径を拡大し、前記燃焼筒５との接続部を最大径とする断面積に形成されている。

前記第１の壁体８の内面は、プレフィルマーとしての機能を備えている。すなわち、スリット８ｂから噴射された液体燃料は壁体８の内面に付着し、該内面上で薄膜に伸ばされて前記各スワラー３，７，９からの矢印で示す流れによって微粒化し、予混合管４の出口側より火炎となって燃焼筒５内に噴出する。
特開２００３−１９４３３７号公報

ところで、この種のガスタービン用燃焼器に用いる液体燃料としては、一般に灯油（沸点２６０℃）ないし軽油（沸点３５０℃）が用いられているが、さらにＡ重油（沸点３８５℃）などの高沸点燃料も使用可能であり、このＡ重油は安価であるため経済的な面で好ましい。

ところが、Ａ重油のような高沸点燃料を用いた場合には、一旦微粒化された液体燃料が、約３２０℃程度とある程度温度が高い場合には、前記第１の壁体８に付着した薄膜状の燃料は蒸発しきれずに液状のまま、図の破線で示すごとく前記壁体８の下部を伝わり落ちて予混合管４の内面の出口付近にまで到達して付着し、その一部が予混合管４の最も温度の高い火炎吹出し口付近の内面に炭化物Ｃとなって付着堆積することがある。

なお炭化物Ｃとしては、燃料の炭素成分そのものに加え、燃料中に残留する炭素分などが考えられる。因みに残留炭素分の一般的数値は、灯油０％Ｗｔ、軽油０．０１％Ｗｔ，Ａ重油０．３％Ｗｔと、圧倒的にＡ重油の含有量が高い。

炭化物Ｃが堆積すると、予混合管４の出口側断面形状が変化し、流れが乱れたり、不規則になる可能性があるほか、ある程度成長した炭化物塊の落下などにより、ガスタービンの回転部品に機械的損傷を与えたり、下流側の狭い隙間を塞いだりするおそれがあった。 このような欠点を解消する手段としては、特にＡ重油のような高沸点燃料を用いる場合、予混合装置１内での滞留時間を長くし、その間に再微粒化、蒸発を促進すれば良い。

このためには予混合管４の軸方向の寸法（長さ）を長くすれば良いのであるが、単に長くしただけでは、やはり蒸発しきれない液体が内壁を伝って滴下し、予混合管４の出口付近に堆積することには変りがない。また、スペース上の問題も生ずる。

そこで本発明は以上の課題を解決するものであり、前記Ａ重油などのような高沸点物質を燃料として用いた場合において、該燃料の微粒化を促進でき、また予混合管の出口付近における炭化物の堆積を防止して炭化物堆積に伴う前述の不具合を解消できるようにした予混合装置を提供することを目的としている。

請求項１に記載された予混合装置は、
一端側が火炎の出口とされた筒型の予混合管と、
前記予混合管の他端に設けられて前記予混合管内に液体燃料を供給する燃料供給手段と、
前記予混合管内に設けられて付着した液体燃料が膜状に引き伸ばされる壁体と前記壁体に付着した液体燃料を微粒化するスワラーを有するエアブラストノズルと、
を備えた予混合装置において、
前記エアブラストノズルよりも前記出口側にある前記予混合管の壁部を、前記出口を有する外筒の大径の入口に内筒の小径の出口を所定間隔をおき挿入してなる２重壁部として構成し、前記予混合管内における前記内筒の出口を、前記エアブラストノズルから来る微粒化された液体燃料をその内面に付着させて再度微粒化するための第２の壁体とし、内筒の内面と前記エアブラストノズルの間に、前記第２の壁体の内面を通る流れを形成する内側スワラーを設け、
内筒の外面と外筒の内面の間に、前記第２の壁体の外面を通る流れを形成する外側スワラーを設けたことを特徴としている。

請求項２に記載された予混合装置は、請求項１記載の予混合装置において、
前記予混合管の前記外筒の入口の内径は出口の内径よりも大きく、前記外筒の内面は円錐台の周面状に形成されており、
前記予混合管の前記内筒の出口の内径は前記外筒の前記出口とほぼ同程度であり、筒型の軸方向に関する前記内筒の出口と前記外筒の内面との間隔は、筒型の半径方向に関する前記内筒の出口と前記外筒の内面との間隔よりも大きくなるように設定されたことを特徴としている。

以上の構成を有する請求項１記載の予混合装置によれば、エアブラストノズルの壁体で微粒化された液体燃料の中でも比較的粒子が大きいものが、第２のフィルマー機能を有する第２の壁体の内面に再付着してこの部分で液膜状となり、さらに壁体の下縁で壁体の内外面に沿って流れる２つのスワラーからの旋回流により再微粒化するとともに、従来に比べて実質的に長い滞留時間により蒸発も促進される。しかも、予混合管を単管構造で長くするものではないので、スペース的な問題が生じることもない。
したがって本発明は、Ａ重油の他、高融点物質を含む液体燃料について好適に使用できるとともに、かかる液体燃料を用いる予混合装置において出口に燃料炭化物が堆積するのを防止できる。

また、請求項２記載の予混合装置によれば、第２の壁体の外側に設けたスワラーからの流れは、減速することなく予混合管内に流入でき、第２の壁体の内側に設けたスワラーからの流れとともに、第２の壁体に形成された液体燃料の膜を確実かつ効率的に微粒化することができる。

以下本発明の最良の実施の形態につき添付図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る予混合装置を備えたガスタービン燃焼器の全体構成を示す断面図、図２は同予混合装置を示す拡大断面図である。

図１においてガスタービン燃焼器２０は、頂部が閉塞され、下部開口が図示しないガスタービンの給気側に連通された大略円筒形状の燃焼筒２１と、燃焼筒２１の頂部中心位置に配置され、その下部開口を燃焼筒２１内に向けた予混合装置２２と、前記燃焼筒２１の頂部及び外周を包囲するとともに、下部開口が図示しないターボ圧縮機で発生する圧縮空気取入口に連通した空気取入用の筒体２３と、筒体２３の頂部を貫通して前記予混合装置２２の上部に接続・連通した液体燃料供給管２４を備えている。

図２において、前記予混合装置２２は、前記燃料供給管２４の先端に配置されたエアブラストノズル２６と、予混合管４０からなるものであり、予混合管４０は、エアブラストノズル２６の周囲にスワラー２８を介して同心状に配置された第２のフィルマー機能を備えた内筒２９と、内筒２９の一段低い位置における外周に、その上部をスワラー３０を介して同心配置され、かつ下部周縁を前記燃焼筒２１にフランジ結合した外筒３１とを備えている。

前記内筒２９の下端は前記外筒３１の入口から内部に突出量ｈ分だけ挿入されて突出しており、またその内径は前記外筒３１の出口（予混合管４０の出口）付近の最小断面径にほぼ等しい。

前記エアブラストノズル２６は、その上部中心に配置された中心軸３２の先端部周囲にスワラー３３を介して配置されたリング状の第１の壁体３４と、第１の壁体３４の外周に第２のスワラー３５を介して同心配置された壁体３６とからなる組立体であり、前記第１の壁体３４の内面が第１のフィルマーとして機能するもので第１の壁体３４内には燃料供給管２４に接続連通する内部通路３４ａが形成され、かつ内周部にはこの内部通路３４ａに連通するスリット３４ｂが周方向に開口されている。

以上の構成において、低沸点液体燃料を用いた場合には、前記スリット３４ｂを通じて噴出する液体燃料は、第１の壁体３４の内面に付着して液膜となって流下し、壁体３４の下端で各スワラー３３，３５及びスワラー２８，３０からの空気の旋回流を与えられて混合しつつ微粒化し、外筒３１の出口である予混合管４０の下部開口より火炎となって燃焼筒２１内に噴出する。

これに対し、Ａ重油などの高沸点液体燃料を用いた場合には、微粒化しきれずに第１の壁体３４の下端から一部液滴となって滴下する。この液滴は旋回流による遠心力により前記第２のフィルマー機能を備えた内筒２９の内面に接触し、液滴となって、その内面で流下して液膜となる。また、一旦微粒化された燃料の中でも比較的粒子が大きいものは、内筒２９の内面に接触して液滴となって同様に液膜となる。そして、この液膜は、内筒２９の内面側のスワラー２８及び外面側のスワラー３０によって生じた旋回流により再微粒化され、外筒３１の下部開口より火炎となって燃焼筒２１内に噴出する。

また、内筒２９に対する接触により、液滴が気流に運ばれて直接出口に至る場合に比べて予混合装置２２内での滞留時間が長くなり、この滞留延長の間に蒸発も促進され、結果的に高沸点液体燃料であっても完全燃焼が可能となるのである。

なお組合せる外筒３１と内筒２９の寸法設定については、前記外筒３１内への内筒２９の突出量ｈは、第２のフィルマーの位置を決める数値として次のように定めればよい。すなわち、内筒２９の出口の位置に関しては、エアブラストノズル２６の第１のフィルマーで微粒化した液滴の内、比較的径の大きい粒子がぶつかって再付着する位置からこれが液体として流下しつつ薄膜化できるだけの距離的余裕をとる必要がある。

また、外筒３１の入口の内径は出口の内径よりも大きく、外筒３１の内面は逆円錐台の周面状に形成されており、下に向けて内径が縮小していく状態である。さらに、前記内筒２９の出口の内径は前記外筒３１の前記出口とほぼ同程度であり、筒型の軸方向に関する前記内筒の出口と前記外筒３１の内面との間隔は、筒型の半径方向に関する前記内筒２９の出口と前記外筒３１の内面との間隔よりも大きくなるように設定されている。

このような構造であれば、内筒２９の外側に設けたスワラー３０からの流れは、減速することなく外筒３１内に流入でき、内筒２９の内側に設けたスワラー２８からの流れとともに、内筒２９の内面に形成された液体燃料の膜を確実かつ効率的に微粒化することができる。

本発明に係る予混合装置を備えたタービン燃焼器の全体構成を示す断面図である。 同予混合装置を示す断面図である。 従来の予混合装置の一部拡大部分を含む断面図である。

符号の説明

２０ タービン燃焼器
２１ 燃焼筒
２２ 予混合装置
２４ 液体燃料供給管
２６ エアブラストノズル
２８，３０ スワラー
２９ 第２のフィルマー機能を有する壁体である内筒
３１ 外筒
３４ｂ スリット（噴射口）
３３，３５ 第１、第２のスワラー
３４ フィルマー機能を備えた壁体
４０ 予混合管

Claims (2)

1. 一端側が火炎の出口とされた筒型の予混合管と、
   前記予混合管の他端に設けられて前記予混合管内に液体燃料を供給する燃料供給手段と前記予混合管内に設けられて付着した液体燃料が膜状に引き伸ばされる壁体と前記壁体に付着した液体燃料を微粒化するスワラーを有するエアブラストノズルと、
   を備えた予混合装置において、
   前記エアブラストノズルよりも前記出口側にある前記予混合管の壁部を、前記出口を有する外筒の大径の入口に内筒の小径の出口を所定間隔をおき挿入してなる２重壁部として構成し、前記予混合管内における前記内筒の出口を、前記エアブラストノズルから来る微粒化された液体燃料をその内面に付着させて再度微粒化するための第２の壁体とし、
   内筒の内面と前記エアブラストノズルの間に、前記第２の壁体の内面を通る流れを形成する内側スワラーを設け、
   内筒の外面と外筒の内面の間に、前記第２の壁体の外面を通る流れを形成する外側スワラーを設けたことを特徴とする予混合装置。
2. 前記予混合管の前記外筒の入口の内径は出口の内径よりも大きく、前記外筒の内面は円錐台の周面状に形成されており、
   前記予混合管の前記内筒の出口の内径は前記外筒の前記出口とほぼ同程度であり、筒型の軸方向に関する前記内筒の出口と前記外筒の内面との間隔は、筒型の半径方向に関する前記内筒の出口と前記外筒の内面との間隔よりも大きくなるように設定されたことを特徴とする請求項１記載の予混合装置。

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