JP2011226772A - 同心環状のオイル噴射ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン用の空気／燃料プレミキサを提供する。
【解決手段】プレミキサ１０が設けられ、これは流体２５用流路２２がそれを貫通して画定される混合室２１を画定する周壁２０と、混合室２１内の流路２２に配置され、流路２２に沿った流体の主な流れ方向に関連して画定される後端９１を含み、オイル燃料１０１を受ける燃料経路１００を画定するように形成された環状分離板７０を含むノズルと、後端９１に配置され、各々の燃料噴射装置が燃料経路１００と流体連通され、少なくともオイル燃料１０１を流路２２内に噴射するように構成されており、オイル燃料１０１は流路に沿って流れる流体との相互作用によって、噴射と同時に、又は噴射のほぼ直後に実質的に霧化される燃料噴射装置の環状配列とを含む。
【選択図】図２

Description

本発明はガスタービンに関し、特にガスタービン用の空気／燃料プレミキサに関する。

一般的に、ガスタービンエンジンは、圧縮空気と燃料を混合し、燃焼器内でこれを点火して機械的エネルギ又は電力を生成するための燃焼ガスを生成する。従来の炭化水素燃料を燃焼させるガスタービンによって発生する典型的な大気汚染物質は、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び未燃炭化水素である。ＮＯｘの生成率は、燃焼室に送られる混合物の局部的なピーク燃料空気比と相関する。汚染物放出を低減するため、燃料と空気は均質で希薄な混合物になるように燃焼前に予混合される。

米国特許第７００７４７７号

使用される燃料は天然ガス、合成ガス、オイル又はこれらの組み合わせであることが多い。オイルを使用する場合は、予混合された天燃ガスを燃焼させるために、一般に使用される乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）型のノズルなどのノズルの中心体を通して、オイルチップが挿入される。このような構成の欠点は、ＮＯｘ排出量を低く抑えるために、排出量が比較的多い拡散火炎として燃焼するオイル、又は蒸気などの希釈材を追加する必要があることである。従って、ガスと同じ通路を通してオイルを噴射させる努力がなされてきたが、オイルとガスの噴射装置の穴の必要サイズが異なるため問題が生ずることが明らかになっている。更に、羽根パックからの噴射では羽根に沿ってオイルが汚損する恐れがある。

本発明の一態様によれば、プレミキサが設けられ、これは流体用流路がそれを貫通して画定される混合室を画定する周壁と、混合室内の流路内に配置され、流路に沿った流体の主な流れ方向に関連して画定される後端を含み、オイル燃料を受ける燃料経路を画定するように形成された環状分離板を含むノズルと、後端に配置され、各々の燃料噴射装置が燃料経路と流体連通され、少なくともオイル燃料を流路内に噴射するように形成されており、オイル燃料は流路に沿って流れる流体との相互作用によって、噴射と同時に、又は噴射のほぼ直後に実質的に霧化される燃料噴射装置の環状配列とを含む。

本発明の別の態様によれば、プレミキサが設けられ、これは流体用流路がそれを貫通して画定される混合室を画定する周壁と、混合室内に配置され、流路を分離板内の周壁と分離板との間にそれぞれ画定された内側と外側の流路に分割する環状分離板であって、流路に沿った流体の主な流れ方向に関連して画定される後端を含み、オイル燃料を受ける燃料経路を画定するように形成された環状分離板を含むノズルと、後端に配置され、各々が燃料経路と流体連通され、少なくともオイル燃料を内側と外側の流路内に噴射するように構成された燃料噴射装置の環状配列とを含み、オイル燃料は流路に沿って流れる流体との相互作用によって、噴射と同時に、又は噴射のほぼ直後に実質的に霧化される。

本発明の更に別の態様によれば、プレミキサが設けられ、これは流体用流路がそれを貫通して画定される混合室を画定する周壁と、少なくとも一部が周壁内に配置された中心体と、周壁から径方向内側に、及び中心体から径方向外側にそれぞれ延びる第１及び第２の旋回羽根と、第１及び第２の旋回羽根との間の径方向に配置され、これらの旋回羽根から下流側に延びる環状分離板であって、流路に沿った流体の主な流れ方向に関連して画定される後端を含み、オイル燃料を受ける燃料経路を画定するように構成された環状分離板を含むノズルと、後端に配置され、各々が燃料経路と流体連通され、少なくともオイル燃料を流路内に噴射するように構成された燃料噴射装置の環状配列とを含み、オイル燃料は流路に沿って流れる流体との相互作用によって、噴射と同時に、又は噴射のほぼ直後に実質的に霧化される。

上記及びその他の利点並びに特徴は、図面を参照した以下の説明からより明確になろう。

本発明とみなされる主題は、明細書の末尾の特許請求の範囲で詳細に示され、明確に請求される。本発明の上記及びその他の特徴並びに利点は、添付図面を参照した以下の詳細な説明から明らかである。

プレミキサの軸方向概略図である。 図１のプレミキサの側断面図である。 図１のプレミキサのノズルの例示的部分の拡大図である。

図面を参照して、利点及び特徴と共に本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１〜３を参照すると、燃焼器１１のプレミキサ１０が設けられる。プレミキサ１０は周壁２０を含み、これが混合室２１を画定し、この周壁を貫通して圧縮空気又は空気／燃料混合物などの流体２５用の流路２２が画定されている。プレミキサ１０は、少なくとも一部が周壁２０内に配置された中心体３０と、第１及び第２の旋回羽根４０、５０と、ノズル６０とを更に含む。

第１の旋回羽根４０は複数あり、周壁２０から径方向内側に延びる。第２の旋回羽根５０も複数あり、中心体３０から径方向外側に延びる。第１及び第２の旋回羽根４０及び５０は、同じ方向又は逆方向に渦動を加えるために傾斜又は湾曲しても良く、又は渦動効果なしで構造的に支持するために、比較的平坦に流路２２に対する軸方向寸法に沿って配列されても良い。

ノズル６０は環状のリング形状の板として形成された環状分離板７０を含む。分離板７０は混合室２１内に配置され、流路２２を内側の流路７１と外側の流路７２とに分離する。従って、内側の流路７１は、分離板７０の内向きの面８０によって区切られた環状領域内に画定される。同様に、外側の流路７２は、分離板７０の外向きの面８１と周壁２０の内向きの面８２とによって区切られた、周壁２０と分離板７０との間の環状領域内に画定される。代替実施形態では、ノズル６０は直径が異なる複数の環状分離板７０を含んでも良い。各分離板７０の形状も、例えばリング形状のものから正弦曲線やその他適切な形状まで、様々である。

分離板７０は、前端９０と後端９１を含み、これらは内側の流路７１と外側の流路７２とに沿った流体２５の主な流れ方向に関連して配列され、画定される。前端９０と後端９１は、内向きの面８０と外向きの面８１の対向する接合部で形成される。分離板７０は、ディーゼル燃料などのオイル燃料１０１の供給を受ける燃料経路１００を内部に画定するように形成される。分離板７０は更に、後端９１で環状に離散した分離板燃料噴射装置１２０の環状配列１１０を画定するように形成されている。

分離板燃料噴射装置１２０は、各々が燃料経路１００と流体連通し、少なくともオイル燃料１０１及び／又はその他の必要な燃料及び／又は希釈材を、少なくとも内側と外側の流路７１、７２の間のせん断層に噴射するように構成されており、オイル燃料１０１は、流路７１及び７２に沿って流れる流体２５との相互作用によって、噴射と同時に、又は噴射のほぼ直後に実質的に霧化される。

すなわち、噴射と同時に、又は噴射のほぼ直後に、少なくともオイル燃料１０１は分離板燃料噴射装置１２０から噴出又は流出し、流路７１及び７２に沿って移動する流体２５と即座に相互作用する。噴射されたオイル燃料１０１は、高い液体燃料噴霧圧力によって微細な小滴の噴霧が形成され、これらが少なくともせん断層で高度な乱流混合によって流体２５と相互作用する。液体燃料の霧化とオイル燃料１０１の噴霧／空気との相互作用が、分離板７０と第１及び第２の旋回羽根４０、５０との下流の自由せん断層内部で生ずるので、さもなければオイル燃料１０１の汚損を生ずるかもしれない、流体２５が高い特性温度を有している場合でも、オイル燃料１０１が分離板７０に沿って汚損することが防止される。霧化を補助するため、蒸気、窒素、及び／又は天然ガスなどのオイル燃料１０１と一緒にその他の流体を噴射することもできよう。

天然ガス又は合成ガスなどの噴射燃料を流路２２に噴射するための追加の燃料噴射装置１３０を画定するために、第１及び第２の旋回羽根４０及び５０を形成する。分離板燃料噴射装置１２０と同時に、又は順次にこれらの追加の燃料噴射装置１３０を動作させる。例えば、追加の燃料噴射装置１３０と分離板燃料噴射装置１２０の両方が合成ガスを流路２２に噴射する場合、これらは同時に動作する。しかし裏返して言えば、分離板燃料噴射装置１２０がオイル燃料１０１を流路２２に噴射する場合も、追加の燃料噴射装置１３０は必ずしも不動作である必要はない。

中心体３０は、オイル燃料１０１の詰まりを防止するため、後端に拡散用先端部１４０を含んでも良く、又は短くしても良い。中心体３０が拡散用先端部１４０を含む場合は、分離板燃料噴射装置１２０を中心体３０の後端１４１の軸方向近傍に、又はその下流側に配置する。実施形態によれば、燃料、空気及び／又は不活性ガスの少なくとも１つを追加で噴射するための通路１４２又は複数の通路１４２を内部に画定するように、拡散用先端部１４０及び後端１４１を形成する。

図１に示すように、分離板の後端９１に画定されたオリフィス１５０として、分離板燃料噴射装置１２０を形成しても良い。別の実施形態では、図３に示すように、分離板燃料噴射装置１２０は、オイル燃料１０１の所定の噴射パターンを生成するように構成された燃料用先端部１６０を含む。噴射装置は様々な形状の単なるオリフィスで良く、又は、噴射サイズをより広くし、小滴のサイズをより小さくし易くできる「シンプレックス」噴射装置などの圧力渦巻き噴霧器でも良い。

分離板７０の後端９１は、ほぼ均一な軸方向位置で終端しても良い。代替実施形態では、後端９１は、分離板燃料噴射装置１２０を波形先端部１７１に配置した波形形状１７０のものである。これらの波形先端部１７１は、流路２２と同一直線上にあっても良く、或いはこれに対して斜めに傾斜していても良い。更に別の実施形態では、分離板燃料噴射装置１２０は、後端９１から軸方向に引っ込んでいる。

本発明を限られた実施形態のみに関連して詳細に記載したが、本発明は開示されたこれらの実施形態に限定されないことは容易に理解されよう。むしろ、これまでに記載していないが本発明の趣旨及び範囲に適合する変形、代替、置き換え又は同等の構成を組み込むように本発明を修正できる。また、本発明の様々な実施形態を記載したが、本発明の態様は記載の実施形態の幾つかだけを含んでも良いことを理解されたい。従って、本発明は、上記の記載によって限定されるものと見なされるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。

１０ プレミキサ
１１ 燃焼器
２０ 周壁
２１ 混合室
２２ 流路
２５ 流体
３０ 中心体
４０ 第１の旋回羽根
５０ 第２の旋回羽根
６０ ノズル
７０ 分離板
７１ 内側の流路
７２ 外側の流路
８０ 分離板の内向きの面
８１ 外向きの面
８２ 周壁の内向きの面
９０ 前端
９１ 後端
１００ 燃料経路
１０１ オイル燃料
１１０ 環状配列
１２０ 分離板燃料噴射装置
１３０ 追加の燃料噴射装置
１４０ 拡散用先端部
１４１ 後端
１４２ 通路
１５０ オリフィス
１６０ 燃料用先端部
１７０ 波形形状
１７１ 波形先端部

Claims (10)

1. プレミキサ（１０）であって、
   流体（２５）用流路（２２）がそれを貫通して画定される混合室（２１）を画定する周壁（２０）と、
   前記混合室内の前記流路（２２）内に配置され、前記流路（２２）に沿った流体の主な流れ方向に関連して画定される後端（９１）を含み、オイル燃料（１０１）を受ける燃料経路（１００）を画定するように形成された環状分離板（７０）を含むノズル（６０）と、
   前記後端（９１）に配置され、各々の燃料噴射装置が前記燃料経路（１００）と流体連通され、少なくとも前記オイル燃料（１０１）を前記流路（２２）内に噴射するように構成されており、前記オイル燃料（１０１）は前記流路（２２）に沿って流れる前記流体（２５）との相互作用によって、噴射と同時に、又は噴射のほぼ直後に実質的に霧化される燃料噴射装置（１２０）の環状配列（１１０）とを含むプレミキサ。
2. 前記燃料噴射装置（１２０）は、追加の燃料及び／又は希釈材を前記流路（２２）内に噴射する、請求項１に記載のプレミキサ（１０）。
3. 前記分離板（７０）の前記後端（９１）は波形であり、前記燃料噴射装置（１２０）は波形先端部（１７１）に配置される、請求項１に記載のプレミキサ（１０）。
4. 前記波形先端部（１７１）は前記流路（２２）に対して斜めに傾斜する、請求項３に記載のプレミキサ（１０）。
5. 前記燃料噴射装置（１２０）は前記分離板（７０）の前記後端（９１）から軸方向に引っ込んでいる、請求項１に記載のプレミキサ（１０）。
6. プレミキサ（１０）であって、
   流体（２５）用流路（２２）がそれを貫通して画定される混合室（２１）を画定する周壁（２０）と、
   少なくとも一部が前記周壁（２０）内に配置された中心体（３０）と、
   前記周壁（２０）から径方向内側に、及び前記中心体（３０）から径方向外側にそれぞれ延びる第１及び第２の旋回羽根（４０、５０）と、
   前記第１及び第２の旋回羽根（４０、５０）との間の径方向に配置され、前記旋回羽根から下流側に延びる環状分離板（７０）であって、前記流路（２２）に沿った流体の主な流れ方向に関連して画定される後端（９１）を含み、オイル燃料（１０１）を受ける燃料経路（１００）を内部に画定するように構成された環状分離板（７０）を含むノズル（６０）と、
   前記後端（９１）に配置され、各々が前記燃料経路（１００）と流体連通され、少なくとも前記オイル燃料（１０１）を前記流路（２２）内に噴射するように構成された燃料噴射装置（１２０）の環状配列（１１０）とを含み、前記オイル燃料（１０１）は前記流路（２２）に沿って流れる前記流体（２５）との相互作用によって、噴射と同時に、又は噴射のほぼ直後に実質的に霧化される、プレミキサ（１０）。
7. 前記第１及び第２の旋回羽根（４０、５０）は燃料を前記流路（２２）に噴射する追加の燃料噴射装置（１３０）を画定するように形成され、前記追加の燃料噴射装置（１３０）は、前記分離板燃料噴射装置（１２０）が前記オイル燃料を前記流路に噴射する場合は不動作である、請求項６に記載のプレミキサ（１０）。
8. 前記中心体（３０）の後端（１４１）は、燃料、空気及び／又は不活性ガスの少なくとも１つを前記流路に噴射するための通路（１４２）を画定するように形成される、請求項６に記載のプレミキサ（１０）。
9. 前記分離板燃料噴射装置（１２０）は、前記中心体（３０）の後端（１４１）の軸方向近傍に、又は下流側に位置する、請求項８に記載のプレミキサ（１０）。
10. 前記第１及び第２の旋回羽根（４０、５０）は、前記流路に沿って同一方向又は逆方向の一方に流れる流体に渦動を加えるように成形され、又は傾斜する、請求項１１に記載のプレミキサ（１０）。