JP2016070551A - 燃料噴射ノズル、燃料噴射モジュール、及びガスタービン - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料ガスと空気とを予め混合して燃焼室内に噴射する燃料噴射ノズルであって、逆火への耐性が高い燃料噴射ノズルを提供する。【解決手段】燃料噴射ノズル31は、燃料103と空気102を混合して混合気を生成する予混合流路34と、予混合流路34の下流に位置し、混合気を燃焼室26に噴射する噴射口33と、を備えている。噴射口33は、スリット状であって、その幅が消炎距離の2倍よりも小さくなるように形成されている。【選択図】図4

Description

本発明は、燃料噴射ノズルに関する。
環境保護の観点から、ガスタービンから排出される窒素酸化物(NOx)の低減が望まれている。NOxの排出量を低減する方法の一つとして、予め燃料と空気を混合して混合気を生成し、その混合気を燃料噴射ノズルから噴射して燃焼させる方法(予混合燃焼方式)がある。この方法によれば、混合気における燃料の割合が極力低くなるように制御することで、燃焼室内で低くかつ均一な温度分布が得られ、燃焼温度の上昇を抑えることができる。その結果、燃焼温度の上昇に起因するNOx(サーマルNOx)の発生を抑えることができる(特許文献1参照)。
特開2010−216668号公報
ただし、燃料噴射ノズル内で燃料に圧縮空気を予め多量に混合すると、燃焼室の火炎が燃料噴射ノズルに伝播する「逆火」が発生し、燃料噴射ノズルが焼損するおそれがある。特に、燃料として水素ガスなどの反応性が高いものを使用する場合には、逆火が発生しやすい。
本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、燃料ガスと空気とを予め混合して燃焼室内に噴射する燃料噴射ノズルであって、逆火への耐性が高い燃料噴射ノズルを提供することを目的としている。
本発明のある形態に係る燃料噴射ノズルは、燃料と空気を混合して混合気を生成する予混合流路と、前記予混合流路の下流に位置し、前記混合気を燃焼室に噴射する噴射口と、を備え、前記噴射口は、スリット状であって、その幅が消炎距離の2倍よりも小さくなるように形成されている。かかる構成によれば、予混合燃焼方式を採用することでNOxの発生量を低減することができ、また、噴射口の幅が消炎距離の2倍よりも小さいことから、火炎が噴射口を越えて燃料噴射ノズル内に伝播することはなく、逆火が発生し難い。
また、上記の燃料噴射ノズルにおいて、前記予混合流路は、下流側ほど流路断面積が小さくなるように形成されていてもよい。かかる構成によれば、予混合流路の下流端部に位置する噴射口の流路断面積を小さくすることができるため、燃料噴射ノズルにおける燃料の噴射速度を向上させて、逆火を一層発生し難くすることができる。また、流路断面積が小さくなることで、予混合流路内の予混合が促進される。これにより、混合気における燃料の割合のばらつきが抑えられ、より均一な燃焼を行うことができる。
また、上記の燃料噴射ノズルにおいて、前記予混合流路は、前記燃料と空気を混合し、前記燃料の割合が第1燃料割合となる混合気を生成する第1混合部と、前記第1混合部で生成した混合気と空気を混合し、前記燃料の割合が前記第1燃料割合よりも小さい第2燃料割合となる混合気を生成する第2混合部と、を有するようにしてもよい。かかる構成によれば、第1燃料割合を一定以上高くすることにより、第1混合部に火炎が伝播しにくくなる。そのため、逆火が発生しても、その影響を抑えることができる。
また、上記の燃料噴射ノズルにおいて、前記第1燃料割合は、可燃範囲の上限値よりも15vol%低い値以上であってもよい。かかる構成によれば、逆火の影響を実質的に抑えることができる。
また、上記の燃料噴射ノズルにおいて、前記予混合流路は、前記第1混合部と前記第2混合部の境界部分に位置し、直径が前記消炎距離の2倍よりも小さい貫通孔が形成された防炎プレートを有していてもよい。かかる構成によれば、火炎が燃料噴射ノズル内に伝播したとしても、火炎が防炎プレートを越えて第1混合部に至ることはなく、逆火による影響を抑えることができる。
本発明のある形態に係る燃料噴射モジュールは、上記のうちいずれかの燃料噴射ノズルを複数備えるとともに、前記複数の燃料噴射ノズルに燃料を供給する燃料供給部を備え、前記燃料供給部は下流側で分岐して前記燃料噴射ノズルの夫々に燃料を供給するように構成されている。かかる構成によれば、燃料が多点で噴射されることによって、各燃料噴射位置における火炎が小さくなり、その結果、より逆火が発生するリスクを低減できるとともに燃焼を安定させることができる。
本発明のある形態に係るガスタービンは、上記のうちいずれかの燃料噴射ノズル又は上記の燃料噴射モジュールを備える。
以上のとおり、上記の燃料噴射ノズルによれば、燃料噴射ノズル内で燃料と空気とを多量に予混合して燃焼室に噴射しても逆火の発生を抑えることができる。
図1は、ガスタービンの概略構成図である。 図2は、燃焼器の端部を拡大した断面図である。 図3は、図2に示すIII−III矢視断面図である。 図4は、燃料噴射ノズルの断面図である。 図5は、燃料噴射ノズルの正面図である。 図6は、混合気の燃料割合と燃焼速度の関係を示した図である。 図7は、変形例に係る燃料噴射ノズルの断面図である。 図8は、燃料噴射器による混合気の噴射方法を示した図である。
以下、本発明の実施形態について図を参照しながら説明する。以下では、全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同じ符号を付して、重複する説明は省略する。
<ガスタービンの構成>
まず、ガスタービン100の全体構成について説明する。図1は、ガスタービン100の概略構成図である。本実施形態に係るガスタービン100は、発電機101を駆動する発電用のガスタービンである。ガスタービン100は、圧縮器10と、燃焼器11と、燃料供給装置12と、タービン13とを備えている。
燃焼器11には、圧縮器10から圧縮された空気102が供給されるとともに、燃料供給装置12からは燃料103が供給される。本実施形態では、水素ガスを含有する反応性(燃焼速度)の高い燃料103を使用する。この水素ガス含有の燃料103には、石油精製工場や石油化学工場で発生する水素ガス含有の副生ガスなどの他、純粋な水素ガスも含まれる。燃焼器11内では、燃料103と空気102が燃焼し、これによって生じた高温高圧の燃焼ガス104がタービン13へ供給される。タービン13は燃焼ガス104のエネルギによって回転し、圧縮器10を介して発電機101を駆動する。
<燃焼器の構成>
次に、燃焼器11についてさらに説明する。図2は燃焼器11の端部を拡大した断面図である。図2に示すように、燃焼器11は、ハウジング20と、燃焼筒21と、燃料噴射器22と、を備えている。
ハウジング20は、燃焼器11の外郭を形成する部材である。ハウジング20は、円筒状の外管部材24と、外管部材24の一方側(紙面左側)の端部に設けられた円盤状のエンドカバー25を有している。
燃焼筒21はハウジング20の内部に収容されており、燃焼筒21の内部には燃焼室26が形成されている。燃料噴射器22は、燃料筒21の端部に位置している。燃焼筒21とハウジング20の間には、環状の空気流路27が形成されており、圧縮器10から供給された空気102は、この空気流路27を通り、燃料噴射器22に向かって(紙面左側に向かって)流れる。尚、本実施形態の燃焼器11は、空気102と燃焼ガス104が逆方向に流れる逆流缶型であるが、逆流缶型以外の構造を採用してもよい。
燃料噴射器22は、空気流路27を通った空気102と、燃料供給部28を介して燃料供給装置12から供給された燃料103とを取り込むことができるよう構成されている。そして、燃焼噴射器22は、取り込んだ空気102と燃料103とを混合して混合気を生成し、その混合気を燃焼室26に噴射する。燃焼室26では、混合気が燃焼して燃焼ガス104が生成される。生成された燃焼ガス104は、紙面右側に向かって流れ、タービン13(図1参照)に供給される。本実施形態では、混合気における燃料103の割合が極力低くなるように制御しており、これにより燃焼室26内で低くかつ均一な温度分布が得られる。その結果、燃焼温度が抑えられ、NOxの発生量を低減することができる。
図3は、図2におけるIII−III矢視断面図である。図3に示すように、燃料噴射器22は、複数の燃料噴射モジュール30を備えている。各燃料噴射モジュール30は、正面視において(燃焼室26から見て)六角形の形状を有しており、それぞれ7つの燃料噴射ノズル31を有している。本実施形態の燃料噴射器22では、中央に1つの燃料噴射モジュール30が配置されており、その周りに6つの燃料噴射モジュール30が配置されており、さらにその周りに12の燃料噴射モジュール30が配置されている。また、図2に示すように、各燃料噴射モジュール30は燃料供給部28と複数の燃料噴射ノズル31を有している。燃料供給部28は下流側で分岐し、燃料噴射モジュール30の各燃料噴射ノズル31に個別に連結されている。この構成により、燃料供給装置12から供給された燃料103は燃料噴射モジュール30ごとに分配され、各燃料噴射モジュール30において燃料供給部28から各燃料噴射ノズル31に燃料が供給される。
<燃料噴射ノズルの構成>
次に、燃料噴射モジュール30を構成する燃料噴射ノズル31について詳しく説明する。図4は燃料噴射ノズル31の断面図である。また、図5は、燃料噴射ノズル31の正面図(燃焼室26から見た図)である。図4及び図5に示すように、燃料噴射ノズル31は、外側部材51と、内側部材52と、中間部材53と、を備えている。
外側部材51は、燃料噴射ノズル31のうち半径方向外側の部分にあたる部材であり、円筒状に形成されている。外側部材51は、上流側部分では同じ内径を維持し、上流側部分から軸方向中央付近に向かって徐々に内径が小さくなり、さらに軸方向中央付近から下流側端部に向かって徐々に内径が大きくなるように形成されている。
内側部材52は、外側部材51との間に隙間が生じるように、外側部材51の内部に配置されている。内側部材52は、外側部材51と軸方向寸法が同じであり、また、上流側部分を除き略中実筒状の形状を有している。内側部材52は、上流側部分では同じ外径を維持し、上流側部分から軸方向中央付近に向かって徐々に外径が小さくなり、さらに軸方向中央付近から下流側端部に向かって徐々に外径が大きくなるように形成されている。また、内側部材52の上流側部分は円筒状に形成されており、内部に燃料取入部54が形成されている。
中間部材53は、円筒状の形状を有しており、外側部材51と内側部材52との間に形成された隙間のうち、外側部材51及び内側部材52の軸方向中央付近よりも下流側の部分に配置されている。中間部材53は、厚みが一定であり、上流側部分は同じ外径を維持し、軸方向中央付近から下流側端部に向かって徐々に外径が小さくなるように形成されている。
内側部材52と中間部材53の間には環状の第1混合部35が形成されており、外側部材51と内側部材52の間であって軸方向中央付近よりも下流側の部分では環状の第2混合部36が形成されている。なお、第2混合部36は、下流ほど流路断面が小さくなるように形成されている。この第1混合部35と第2混合部36とによって予混合流路34が構成されている。また、外側部材51と内側部材52の間の下流側端部には環状の噴射口33が形成されている。さらに、外側部材51と中間部材53の間には環状の空気供給流路41が形成されている。上記の各流路等についての詳しい説明は以下のとおりである。
噴射口33は、予混合流路34の下流に位置し、混合気を燃焼室26に噴射する部分である。図5に示すように、噴射口33は、円環状に形成されているとともに、スリット状に形成されている。そして、噴射口33は、その幅(スリットが延びる方向に対して垂直な方向の寸法)が消炎距離以上であって消炎距離の2倍より小さくなるように形成されている。この「消炎距離」とは、火炎が金属部品に近づくことができる最小距離をいう。火炎が消炎距離よりも金属部品に近づくと、金属部品に熱が奪われて燃焼が維持できなくなって消炎する。
消炎距離には、平板消炎距離と円環消炎距離が含まれる。「平板消炎距離」とは2枚の平板間での消炎距離をいい、「円管消炎距離」とは円管内での消炎距離をいう。平板消炎距離は、およそ円管消炎距離の0.7倍に等しい。消炎距離は、燃料の成分、周囲の圧力、及び周囲の温度を含む使用条件の他、燃料吹き出し口の幾何学的な形状によっても異なる。なお、常温・大気圧下の水素の平板消炎距離は0.6mm程度と言われている。そのため、水素ガスを燃料103として使用する場合には、上記の例でいうと、噴射口33はその幅が0.6mm以上であって1.2mmより小さくなるように形成される。
本実施形態の燃料噴射ノズル31は金属製であり、上記のとおり、噴射口33の幅が消炎距離の2倍より小さい。そのため、噴射口33に侵入しようとする火炎は、噴射口33を挟んで対向する金属製の両部分の少なくとも一方との距離が消炎距離よりも小さくなる。その結果、噴射口33に侵入しようとする火炎は消炎し、燃料噴射ノズル31内に火炎が伝播することはなく、逆火が発生することはない。
なお、噴射口33の幅を小さくすると、混合気の流路断面積が小さくなることから混合気の噴射速度が上昇する。この噴射速度の上昇も、逆火の防止に有効である。これに対し、本実施形態のように水素ガス含有の燃料103を使用する場合には、燃料103の燃焼速度が天然ガスの場合よりも大きいことから、混合気の噴射速度が大きくとも火炎が遠くにまで及びにくく、燃焼が不安定になりにくい。
また、本実施形態の噴射口33は円環状に形成されているが、スリット状であれば他の形状であってもよい。例えば、噴射口33は、直線を交差させたような形状であってもよく、複数の直線を平行に並べたような形状であってもよく、円と直線を合わせたような形状であってもよい。なお、噴射口33は多数の貫通孔によって形成してもよいが、貫通孔を連続させたに等しいスリット状に形成した方が、噴射口33の面積(すなわち混合気の流路断面積)が小さくなり過ぎず、安定した燃焼を行うことができる。
続いて、予混合流路34について説明する。予混合流路34は、燃料103と空気102を混合して混合気を生成する流路である。図4に示すように、予混合流路34は、円筒状に形成されており、第1混合部35と、第2混合部36とを有している。本実施形態では、燃料103と空気102を混合するにあたり、第1混合部35で1回目の混合を行い、第2混合部36で2回目の混合を行っている。つまり、本実施形態では、二段階で燃料103と空気102の混合を行っている。
第1混合部35は、予混合流路34の上流部分にあたる。第1混合部35は、燃料103と空気102を混合して、燃料割合が比較的高い(燃料リッチな)混合気を生成する。燃料噴射ノズル31の噴射口33とは反対側の面(図4の紙面左側の面)には、燃料供給部28(図2参照)に連結される燃料取入口37と、この燃料取入口37を囲む環状の第1空気取入口38が形成されている。第1混合部35には、燃料取入口37から取り入れた燃料103が燃料取入部54及び燃料供給通路40を介して供給されるとともに、第1空気取入口38から取り入れた空気102も供給される。そして、第1混合部35に供給された燃料103と空気102は、第1混合部35内で混合されながら第2混合部36に向かって流れる。
第2混合部36は、予混合流路34の下流部分にあたる。第2混合部36は、第1混合部35で生成された混合気と空気102を混合して、燃料割合が比較的低い(燃料リーンな)混合気を生成する。燃料噴射ノズル31の噴射口33とは反対側の面には、第1空気取入口38を囲む環状の第2空気取入口39が形成されている。第2混合部36には、第1混合部35から混合気が供給されるとともに、第2空気取入口39から取り入れた空気102が空気供給通路41を介して供給される。そして、第2混合部36に供給された混合気と空気102は、第2混合部36内で混合されながら噴射口33に向かって流れる。
ここで、図6は、燃料103が水素ガスである場合における、混合気の燃料割合(混合気全体に対する燃料の体積割合;vol%)と燃焼速度(cm/s)の関係を示した図である。図6において、横軸が燃料割合であり、縦軸が燃焼速度である。なお、図6は、燃料103が水素ガスである場合を示しているが、燃料103が水素ガス以外であっても同じような傾向となる。ここで、混合気を燃焼させることができる燃料割合の範囲(一般に「可燃範囲(又は燃焼範囲)」と呼ばれている)が存在し、この可燃範囲は燃料103の成分に応じて定まる。燃料103が水素ガスである場合には、可燃範囲の下限値は4vol%であり、上限値は75vol%である。さらに、図6に示すように、燃料103が水素ガスである場合には、燃料割合が約40vol%のときに燃焼速度がピークとなる。
本実施形態では、第1混合部35で生成される混合気の燃料割合(以下、「第1燃料割合」と称す)は、可燃範囲の上限値よりも高くなるように設定される。燃料103が水素ガスであれば、前述のとおり可燃範囲の上限値が75vol%であるから、第1燃料割合は75vol%よりも高くなるように設定される。かかる構成によれば、火炎が燃料噴射ノズル31内に侵入したとしても、その火炎が第1混合部35に伝播することはなく、確実に逆火を防ぐことができる。ただし、第1燃料割合は、可燃範囲の上限値よりも15vol%低い値以上に設定しても良い。上記の例でいえば、第1燃料割合は、可燃範囲の上限値である75vol%よりも15vol%低い60vol%以上に設定してもよい。このように設定すれば、実質的に逆火を防ぐことができる。
また、第2混合部36で生成される混合気の燃料割合(以下、「第2燃料割合」と称す)は、可燃範囲の下限値以上、かつ燃焼速度がピークとなる燃料割合以下となるように設定される。ただし、NOxの発生量を考慮すると、第2燃料割合の上限値は低い方が望ましい。上記のように、燃料103が水素ガスの場合、可燃範囲の下限値は4vol%であり、燃焼速度がピークとなるのは約40vol%である。そこで、燃料103が水素ガスの場合であれば、エンジンの運転状況によっても異なるが、例えば、第2燃料割合を4〜15vol%に設定する。このように、第2燃料割合、すなわち燃焼室26に噴射される混合気の燃料割合を低くかつ均一にすることで、燃焼温度が抑えられ、NOxの発生量を低減することができる。
また、逆火への対策としては、上述したものの他、図7に示すように、第1混合部35と第2混合部36の境界部分に防炎プレート42を設けてもよい。この防炎プレート42には、多数の貫通孔43が形成されており、各貫通孔43は、直径が円管消炎距離以上であって円管消炎距離の2倍以下となるように形成されている。このような防炎プレート42を設けることにより、混合気は貫通孔43を通過するものの、火炎は防炎プレート42を越えて第1混合部35に伝播することはない。そのため、図4に示す場合に比べてより確実に逆火の影響を低減することができる。
<燃料の噴射方法>
次に、燃料噴射器22による燃料103の噴射方法について説明する。本実施形態では、ガスタービン100の運転状況に応じて、燃料103(混合気)を噴射する燃料噴射モジュール30(燃料噴射ノズル31)の数を変更している。前述のとおり、本実施形態では、燃料噴射モジュール30ごとに燃料103を供給することができるため、燃料103を噴射する燃料噴射モジュール30の数(燃料噴射ノズル31の数)を変更することができる。図8は、図3に対応する図であって、破線で描かれている燃料噴射モジュール30は燃料103を噴射しないことを示しており、実線で描かれている燃料噴射モジュール30は燃料103を噴射することを示している。
ガスタービン100の起動時においては、図8の(a)で示すように、1つの燃料噴射モジュール30から燃料103を噴射する。本実施形態では、中央に位置する燃料噴射モジュール30のみから燃料103が噴射されるが、中央以外の部分に位置する燃料噴射モジュール30のみから燃料103を噴射してもよい。例えば、点火栓に最も近い燃料噴射モジュール30のみから燃料を噴射してもよい。
ガスタービン100の起動後から、ガスタービン100が定常回転数に至るまでは、図8の(b)で示すように、中央に位置する燃料噴射モジュール30とこれを囲む燃料噴射モジュール30から燃料103を噴射する。つまり、燃料噴射器22の(燃料噴射ノズル31全体での)燃料噴射量が増えるのに伴って、燃料103を噴射する燃料噴射モジュール30の数を増やす。
ガスタービン100が定常回転数に至った後においては、ガスタービン100の負荷に応じて燃料103を噴射する燃料噴射モジュール30の数を変更する。つまり、ガスタービン100の負荷が大きくなるに従って、図8の(c)、(d)に示す順で、燃料103を噴射する燃料噴射モジュール30の数を増やす。なお、燃料103を噴射する燃料噴射モジュール30の数は、1つずつ増やしてもよく、複数ずつ増やしてもよい。
上記のとおり、本実施形態によれば、燃料噴射ノズル31全体での燃料噴射量が大きく変化したとしても、その変化に応じて燃料103を噴射する燃料噴射ノズル31の数を変えるため、燃料噴射ノズル31個々での燃料噴射量は大きく変化しない。そのため、各燃料噴射ノズル31において、第1混合部35及び第2混合部36で生成する混合気の燃料割合を、前述した第1燃料割合及び第2燃料割合に維持することができる。
以上が本実施形態の説明である。なお、以上では、燃料噴射器22(燃料噴射ノズル31)が燃焼筒21の端部に設けられる場合について説明したが、燃料筒21の他の位置に設けてもよい。例えば、燃料噴射モジュール30の1つを燃焼筒21の軸方向中央付近に設け、その燃焼噴射モジュール30をいわゆる追焚きバーナーとして使用してもよい。
また、以上では、燃料噴射ノズル31(燃料噴射モジュール30)が、ガスタービン100に使用される場合について説明したが、上述した燃料噴射ノズル31(燃料噴射モジュール30)はガスタービンに限らすボイラや吸収式冷凍機等に使用してもよい。また、以上では、燃料103に水素ガスが含有されている場合について説明したが、上述した燃料噴射ノズル31は水素ガスが含まれない燃料にも使用することができる。
本発明に係る燃料噴射ノズルによれば、NOxの発生量を抑え、かつ、逆火の発生を抑えることができる。よって、燃料噴射ノズルの技術分野において有益である。
26 燃焼室
30 燃料噴射モジュール
31 燃料噴射ノズル
33 噴射口
34 予混合流路
35 第1混合部
36 第2混合部
42 防炎プレート
43 貫通孔
100 ガスタービン
102 空気
103 燃料

Claims (7)

  1. 燃料と空気を混合して混合気を生成する予混合流路と、
    前記予混合流路の下流に位置し、前記混合気を燃焼室に噴射する噴射口と、を備え、
    前記噴射口は、スリット状であって、その幅が消炎距離の2倍よりも小さくなるように形成されている、燃料噴射ノズル。
  2. 前記予混合流路は、下流側ほど流路断面積が小さくなるように形成されている、請求項1に記載の燃料噴射ノズル。
  3. 前記予混合流路は、
    前記燃料と空気を混合し、前記燃料の割合が第1燃料割合となる混合気を生成する第1混合部と、
    前記第1混合部で生成した混合気と空気を混合し、前記燃料の割合が前記第1燃料割合よりも小さい第2燃料割合となる混合気を生成する第2混合部と、を有する、請求項1又は2に記載の燃料噴射ノズル。
  4. 前記第1燃料割合は、可燃範囲の上限値よりも15vol%低い値以上である、請求項3に記載の燃料噴射ノズル。
  5. 前記予混合流路は、前記第1混合部と前記第2混合部の境界部分に位置し、直径が前記消炎距離の2倍よりも小さい貫通孔が形成された防炎プレートを有する、請求項3又は4に記載の燃料噴射ノズル。
  6. 請求項1乃至5のうちいずれか一の項に記載の燃料噴射ノズルを複数備えるとともに、
    前記複数の燃料噴射ノズルに燃料を供給する燃料供給部を備え、
    前記燃料供給部は下流側で分岐して前記燃料噴射ノズルの夫々に燃料を供給するように構成されている、燃料噴射モジュール。
  7. 請求項1乃至5のうちいずれか一の項に記載の燃料噴射ノズル又は請求項6に記載の燃料噴射モジュールを備えるガスタービン。
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