JP2010101514A - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料の微粒化により完全燃焼を促進して燃焼効率を向上させる。
【解決手段】燃料噴射装置１は、環状の燃料通路１０と、接線方向に沿って燃料通路に燃料を供給する供給通路１１と、燃料を噴射する環状のノズル部１４と、燃料通路に供給された燃料をノズル部に導くために燃料通路において燃料の旋回方向に対して鋭角で交差するように燃料通路とノズル部を周方向の複数箇所で連通する供給孔１７と、ノズル部の近傍に設けられてノズル部が噴射する燃料を微粒化する第１〜第３スワラ８，１８，２０を備える。燃料は燃料通路で周方向に分散され、ノズル部から筋のない均一な液膜として吐出され、スワラで微粒化される。完全燃焼が促進され燃焼効率が向上する。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体燃料を微粒化して噴射することができる燃料噴射装置に係り、特に良好に均一化された液膜を形成することにより完全燃焼を促進して高い燃焼効率を達成することができる燃料噴射装置に関する。本発明の燃料噴射装置は、ガスタービン燃焼器やボイラー等に適用することができる。

図５は、液体燃料を微粒化して噴射する気流微粒化式の燃料噴射装置の一構造例を示す断面図である。この燃料噴射装置ｌ００は、ガスタービンの燃焼器１０１の頂部に取り付けられている。燃料噴射装置１００の中央にはパイロットノズル１０２が配置されている。このパイロットノズル１０２は、燃焼筒１０７を収納している外筒１０５の頂部に取り付けられたフランジ１０６の下面に基部材１０３を介して取り付けられている。そして、このパイロットノズルｌ０２は、基部材１０３の中心に上下方向に沿って形成されたパイロット燃料通路１０４に連通しており、さらに前記フランジｌ０６の上面に設けられた供給口ｌ０８を介して外部の図示しない供給元からパイロット燃料を供給されるように構成されている。

このパイロットノズル１０２を取り囲むように、基部材１０３の下面には円筒状のメインノズル部材１０９が取り付けられている。このメインノズル部材１０９の開口した下端部の内面には、周方向に所定間隔で複数のノズル孔１１０が形成されている。これらのノズル孔１１０はキリ孔状であり、メインノズル部材１０９の内部に周状に形成された空洞部ｌｌｌにそれぞれ連通している。この空洞部１１１は、メインノズル部材１０９の壁体内に上下方向に形成された複数本の連絡通路１１２に連通しており、さらに各連絡通路１１２は、基部材１０３の下面に形成された周状の溜まり部１１３に連通している。そして、この溜まり部１１３には、図示しない燃料管を介してメイン用の燃料が供給されるように構成されている。

この燃料噴射装置１００は、メインノズル部材１０９の外周面に周状のスワラ１１４が配置されており、メインノズル部材１０９の各ノズル孔ｌｌ０から噴射された燃料を旋回する気流によって微粒化し、均一な液膜を形成するように構成されている。

従って、溜まり部１１３に供給されたメイン用の燃料は、連絡通路１１２を経て空洞部１１１に送られた後、各ノズル孔１１０から噴射され、スワラ１１４が生起した旋回流によって微粒化されて燃焼器１０７内で燃焼に供されるものとされている。

前述した従来の燃料噴射装置１００によれば、周方向に沿って等間隔で開口した複数のキリ孔状のノズル孔１１０から燃料を吐出させることにより、燃料は広がった略円錐状の液膜を形成し、これにより完全燃焼が促進されて燃焼効率が高まるものとされていたが、実際にはそのような効果を得ることができなかった。

すなわち、前述した従来の燃料噴射装置１００のような気流微粒化式の燃料噴射装置では、均一な液膜を形成することは液体燃料の微粒化特性にとって重要なポイントであるが、実際にはキリ孔状のノズル孔１１０から吐出した燃料は、図６の写真に示すように筋状となってしまい、均等な液膜を形成することができず、完全燃焼を促進して燃焼効率を高めるという目的を達成することはできなかった。

前述した従来の燃料噴射装置１００において均等な液膜を形成するために、ノズル孔１１０の数を増やす手法も考えられるが、構造が複雑化され、高価なものとなってしまうために採用することができない。

本発明は、以上の課題を解決するものであり、気流微粒化式の燃料噴射装置において吐出した燃料により筋のない均一な液膜を形成し、完全燃焼を促進して燃焼効率を向上させることを目的としている。

請求項１に記載された燃料噴射装置は、
燃料が所定の向きで旋回するように供給される環状の燃料通路と、前記燃料通路の接線方向に沿って前記燃料通路に燃料を供給する供給通路と、前記燃料通路に供給された燃料を噴射する環状のノズル部と、前記燃料通路に供給された燃料を前記ノズル部に導くために前記燃料通路において燃料が旋回する向きに対して鋭角をもって交差するように前記燃料通路と前記ノズル部を周方向の複数箇所で連通する複数の供給孔と、前記ノズル部の近傍に設けられて前記ノズル部から噴射される燃料を微粒化する少なくとも一つのスワラを備えることを特徴としている。

請求項２に記載された燃料噴射装置は、請求項１記載の燃料噴射装置において、
燃料を供給するためのチューブ配管を前記供給通路に接続することにより、前記供給通路に燃料を導くように構成したことを特徴としている。

請求項３に記載された燃料噴射装置は、請求項２に記載の燃料噴射装置において、
前記ノズル部が、ノズルを構成する所定寸法の隙間をおいて同心円状に配置された一対の周状のフィルマー部材から構成されたことを特徴としている。

請求項１に記載された燃料噴射装置によれば、燃料は、供給通路から環状の燃料通路内に接線方向に沿って供給され、燃料通路内で周方向に旋回することにより周方向に均一な分布となる。そして、燃料は、旋回方向に対して鋭角で交差する複数の供給孔によってさらに均一化されながら環状のノズル部に導かれ、ノズル部から噴射されて均一な液膜を形成し、スワラによって微粒化される。このため、燃料の完全燃焼が促進され、燃焼効率が向上する。

請求項２に記載された燃料噴射装置によれば、請求項１記載の燃料噴射装置において、燃料の供給元と環状の供給通路とをチューブ配管で接続する構造を採用したので、例えばブロック状の部材の内部に燃料経路を切削する等して作り込んだ複雑でコスト高の構造をとる必要がなくなり、安価な構造で燃料を環状の供給通路に導くことができる。

請求項３に記載された燃料噴射装置によれば、請求項２記載の燃料噴射装置において、前記ノズル部を、間隔をおいて同心円状に配置した一対のフィルマー部材で構成し、両部材の隙間をノズルとしたので、周方向に均一に配分された燃料で円錐形の均一な液膜を確実に生成することができる。

以下本発明の最良の実施の形態につき、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１〜図４は本発明の実施形態を示し、図１は本実施形態の燃料噴射装置を備えたガスタービン燃焼器の縦断面図、図２は本実施形態の燃料噴射装置の拡大縦断面図、図３（ａ）は図２のＡ−Ａ切断線における横断面図、図３（ｂ）は同図（ａ）の燃料通路の部分拡大図、図４は本実施形態の燃料噴射装置において噴射された燃料が均一な液膜となった燃料噴射状態を写真で示す図である。

本実施形態の燃料噴射装置１は、適用対象の一例であるガスタービン燃焼器２に取り付けられている。まず、このガスタービン燃焼器２の構造を説明する。
図１において、３は略円筒形状のケーシングである。その内部には、図示しないコンプレッサからの圧縮空気が下方から上方向けて供給される。このケーシング３の内部には略円筒形状の燃焼筒４が設置されている。燃焼筒４の上端部には燃料噴射装置１が下向きに取り付けられている。この燃料噴射装置１は、フランジ５が取り付けられたケーシング３の頂部を経て外部から液体燃料を供給されるようになっており、供給された燃料を後述するノズル部とスワラによって微粒化し、ケーシング３内に供給された前記圧縮空気と混合して燃焼筒４の内部での燃焼に供する。一方、燃焼筒４の上部には、燃料噴射装置１の周囲に火炎保持用のスワラ６が設けられており、燃焼筒４内に燃焼ガスの流れを生成して火炎が安定的に保持されるようになっている、以上の構成により、燃焼筒４内で生成された高温の燃焼ガスは、燃焼筒４の外にある図示しない出力タービンに導かれて主軸の駆動に供せられる。

前述したガスタービン燃焼器２に設けられた本例の燃料噴射装置１について、図２及び図３を参照して説明する。この燃料噴射装置１は全体として円筒状で同心円構造の各種部材等から構成される装置であり、その最も外側の位置には、下端部が内方に窄められた最も大径の第１環状部材７が設けられている。

第１環状部材７の内側には、噴射された燃料を微粒化する円周状の第１スワラ８が設けられている。

第１スワラ８の内側には、燃料噴射構造を内蔵した第２環状部材９が設けられている。この第２環状部材９の上部には、環状の空洞である燃料通路１０が形成されており、ここに供給された燃料が所定の向きで旋回して周方向に適宜分散されるようになっている。

また、この燃料通路ｌ０には、その周形状の接線方向に沿って燃料が送り込まれる供給通路１１が形成されており、この供給通路１１にはチューブ配管１２が接続されている。チューブ配管１２は、前記ケーシング３の頂部を閉止しているフランジ５を貫通して設けられた燃料経路１３に接続されており、ケーシング３の外にある図示しない燃料供給元から燃料が送り込まれるようになっている。

また、第２環状部材９の下部には、環状に連続したノズル部１４が形成されている。このノズル部１４は、外側のフィルマー部材１５と、内側のプレフィルマー部材１６によって形成されている。フィルマー部材１５は、外側に配置されて下端部が内方に窄められた周状大径の部材である。プレフィルマー部材１６は、フィルマー部材１５よりも所定間隔をおいて内側に配置された周状小径の部材であり、その上下方向の寸法はフィルマー部材１５よりも短く、その下端部はフィルマー部材１５の下端部よりも上方に位置している。フィルマー部材１５とプレフィルマー部材１６の隙間及び形状は、噴射された燃料が均一な円錐状の液膜を形成するのに適した所定寸法に設定されている。

そして、第２環状部材９の内部において、燃料通路１０とノズル部１４とは、複数の供給孔１７によって連通されている。これら供給孔１７は、上方にある燃料通路１０に供給された燃料を下方にあるノズル部１４に導くための孔であって、燃料通路ｌ０において燃料が旋回する向きに対して鋭角をもって交差するように燃料通路１０とノズル部１４を周方向の複数箇所で連通している。

すなわち、これらの供給孔１７は、特に図３（ａ）に示す平面視においては概ね燃料通路１０（及びその下にあるノズル部１４）の周方向に沿って全周にわたり設けられ、上方の燃料通路ｌ０と図示しない下方のノズル部１４を斜めに連通しており、これによって燃料通路１０内で均一に分布した燃料を、周方向について旋回速度を与えてノズル部１４に送り込み、燃料をさらに分散した状態としてノズル部１４から吐出するように構成されている。なお、本例の供給孔１７は、一例ではあるが燃料通路１０又はノズル部１４の１周（３６０°）について２４箇所に形成されている。

第２環状部材９の内側には、噴射された燃料を微粒化する円周状の第２スワラ１８が設けられている。第２スワラ１８の旋回方向は第１スワラ８と反対向きである。

第２スワラ１８の内側には第３環状部材１９が設けられている。第３環状部材１９は、下端部が内方に窄められた周状の部材であり、第２環状部材９のプレフィルマー部材１６よりも上下方向の寸法が短く、その下端部はプレフィルマー部材１６の下端部よりも上方に位置している。

第３環状部材１９の内側には、噴射された燃料を微粒化する円周状の第３スワラ２０が設けられている。第３スワラ２０の旋回方向は第２スワラ１８と反対向き、すなわち第１スワラ８と同じ向きとなっている。

第３スワラ２０の内部である本燃料噴射装置１の中心位置には、下端部が半球形状であり、全体として円柱形のパイロットノズル２１が設けられている。パイロットノズル２１の半球形状の下端部は、内側に窄められた第３環状部材１９の下端部の内面と略平行な位置関係にあり、第３環状部材１９の下端部よりもやや下方に突出している。パイロットノズル２１の上端部は、前記ケーシング３の頂部の開口を閉止しているフランジ５を貫通して固定されており、ケーシング３の外にある図示しない燃料供給元に接続連通されている。

次に、本例のガスタービン燃焼器２における燃料噴射装置１の作用効果を説明する。
本例のガスタービン燃焼器２の運転時には、図示しないターボ圧縮機から圧縮空気がケ一シング３内に送り込まれており、圧縮空気は燃焼筒４の頂部に設けられた燃料噴射装置１の第１乃至第３スワラ８，１８，２０、燃料噴射装置１の外側に設けられた火炎保持用のスワラ６、そして燃焼筒４の周壁に形成された多数の吸気孔４ａから燃焼筒４内に供給される。起動時には燃料噴射装置１のパイロットノズル２１から燃料が噴射されて空気と混合され、この混合気に図示しない点火装置が点火して燃焼が始まる。

燃料噴射装置１の燃料通路ｌ０では、燃料が供給通路ｌｌから接線方向に沿って送り込まれるので、燃料は燃料通路ｌ０内の周方向に均一に分布する。さらに燃料は、燃料通路１０の周方向に均一な分布で形成された供給孔１７を通ることにより、所要の旋回速度を与えられてノズル部１４内に送られ、さらに均一な分布となって環状のノズル部１４からフィルマー部材１５及びプレフィルマー部材１６を経て吹き出され、図４に示すような筋のない均一な円錐形のカーテンのような液膜を形成する。そして、環状のノズル部１４は内側及び外側が周状の第１乃至第３スワラ８，１８，２０に囲まれているので、ノズル部１４から均一に吹き出された燃料は、第１乃至第３スワラ８，１８，２０からの空気流により微細化されて均一な混合気となり、燃焼筒４内に吹き出される。このため、燃料の完全燃焼が促進され、燃焼効率が向上する。

また本実施形態によれば、燃料の供給元と、環状の燃料通路１０への供給通路ｌｌとを、任意の経路を自由に選択して配管できるチューブ配管１２で接続する簡単な低コストの構造を採用した。図５に示した従来の燃料噴射装置１では、円筒状のメインノズル部材１０９に形成したノズル孔１１０の空洞部１１１や、空洞部ｌｌ１に連通する上下方向の運絡通路ｌｌ２や、さらに基部材１０３の下面に形成された周状の溜まり部１１３のように、ブロック状の部材の内部に燃料経路となる空洞部分を作り込む必要があり、複雑な構造のために製造コストが嵩んでいたが、本実施形態によればそのような不都合はなく、安価な構造で燃料を環状の燃料通路ｌ０に導くことができる。

なお、本実施形態によれば、環状の燃料通路ｌ０に接線方向に連通する供給通路１１を設け、この供給通路１１にチューブ配管１２を接続することにより、燃料通路１０とチューブ配管１２を連通させていたが、環状の燃料通路１０に対し、チューブ配管１２を接線方向に直接接続・連通させてもよい。

以上説明した実施形態では、本発明の燃料噴射装置１が適用される対象の一例としてガスタービン燃焼器２を挙げたが、本発明の燃料噴射装置１は液体燃料を微粒化して燃焼に供することが好ましいその他のあらゆる装置・機器等に適用可能であり、例えばボイラーの燃焼装置等に適用することもできる。

図１は本実施形態の燃料噴射装置を備えたガスタービン燃焼器の縦断面図である。 図２は本実施形態の燃料噴射装置の拡大縦断面図である。 図３（ａ）は図２のＡ−Ａ切断線における横断面図、図３（ｂ）は同図（ａ）の燃料通路１０の部分拡大図である。 図４は本実施形態の燃料噴射装置において噴射された燃料が均一な液膜となった燃料噴射状態を写真で示す図である。 図５は従来の燃料噴射装置が設けられたガスタービン燃焼器の頂部付近の拡大縦断面図である。 図６は従来の燃料噴射装置における燃料噴射状態を写真で示す図である。

符号の説明

１…燃料噴射装置
８…第１スワラ
１０…燃料通路
１１…供給通路
１２…チューブ配管
１４…ノズル部
１５…フィルマー部材
１６…プレフィルマー部材
１７…供給孔
１８…第２スワラ
２０…第３スワラ

Claims (3)

1. 燃料が所定の向きで旋回するように供給される環状の燃料通路と、前記燃料通路の接線方向に沿って前記燃料通路に燃料を供給する供給通路と、前記燃料通路に供給された燃料を噴射する環状のノズル部と、前記燃料通路に供給された燃料を前記ノズル部に導くために前記燃料通路において燃料が旋回する向きに対して鋭角をもって交差するように前記燃料通路と前記ノズル部を周方向の複数箇所で連通する複数の供給孔と、前記ノズル部の近傍に設けられて前記ノズル部から噴射される燃料を微粒化する少なくとも一つのスワラを備えることを特徴とする燃料噴射装置。
2. 燃料を供給するためのチューブ配管を前記供給通路に接続することにより、前記供給通路に燃料を導くように構成したことを特徴とする請求項１記載の燃料噴射装置。
3. 前記ノズル部が、ノズルを構成する所定寸法の隙間をおいて同心円状に配置された一対の周状のフィルマー部材から構成されたことを特徴とする請求項２記載の燃料噴射装置。