JP2018059654A - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効果的に低ＮＯｘ化を図ることができる予混合方式の燃料噴射装置において、予混合通路への逆火現象の発生を効果的に防止する。【解決手段】燃料（Ｆ）と空気（Ａ）を予混合して噴射する、ガスタービンエンジン（ＧＴ）の燃焼器（３）に用いられる燃料噴射装置（１１）において、燃料（Ｆ）と空気（Ａ）を予混合する円環状の予混合通路（３１）を設け、前記予混合通路（３１）を、少なくとも燃料（Ｆ）と空気（Ａ）との合流位置から最下流端にかけて、下流側に向かって先細りとなるテーパ状に形成する。【選択図】図３

Description

本発明は、主として、ガスタービンエンジンの燃焼器に用いられる燃料噴射装置に関する。

ガスタービンエンジンにおいては、環境保全への配慮から、燃焼により排出される排ガスの組成に関して厳しい環境基準が設けられており、窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）などの有害物質を低減することが求められている。そこで、近年では、ＮＯｘ発生量を効果的に低減させる予混合燃焼方式を採り入れた燃焼方式、例えば、希薄予混合燃焼方式と拡散燃焼方式とを組み合わせた複合燃焼方式が提案されている（特許文献１）。

予混合燃焼方式では、空気と燃料とを予め混合して燃料濃度を均一化した希薄な予混合気として燃焼させるので、局所的に火炎温度が高温となる領域の発生が抑制され、かつ全体的にも火炎温度を低くできることから、ＮＯｘ発生量を効果的に低減できる。

特開平８−２１０６４１号公報

しかし、予混合燃焼方式では、一般に、希薄な燃料による燃焼を保持するために、燃焼室内に強い旋回流を生じさせて逆流領域を形成することによって保炎を行うので、燃焼室で発生した火炎が予混合通路に伝播する逆火現象が生じやすい。

本発明の目的は、効果的に低ＮＯｘ化を図ることができる予混合方式の燃料噴射装置において、予混合通路への逆火現象の発生を効果的に防止することにある。

前記目的を達成するために、本発明に係るガスタービンの燃料噴射装置は、燃料と空気を予混合して噴射する、ガスタービンエンジンの燃焼器に用いられる燃料噴射装置であって、燃料と空気を予混合する円環状の予混合通路を備え、前記予混合通路は、少なくとも燃料と空気との合流位置から最下流端にかけて、下流側に向かって先細りとなるテーパ状に形成されている。

この構成によれば、予混合通路を下流側に向かって先細りとなるテーパ状に形成することにより、予混合通路の通路面積が下流側に向かって漸減するから、予混合気は予混合通路の全域に渡って加速され、最下流部で最高流速となる。したがって、燃焼室内から予混合通路内への逆火を効果的に防止することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料噴射装置において、さらに、円錐台形状の外形を有し、前記予混合通路に燃料を供給する燃料供給ブロックと、前記燃料供給ブロックの外周形状に沿った内周形状を有して、前記燃料供給ブロックを覆う外筒とを備え、前記燃料供給ブロックと前記外筒との間に前記予混合通路が形成されていてもよい。この構成によれば、簡易な構造によってテーパ状の予混合通路を形成し、上述した加速流の生成による逆火防止を実現できる。

本発明の一実施形態に係る燃料噴射装置において、前記予混合通路に空気を供給する、周方向に複数配置された空気供給孔の周方向位置と、前記予混合通路に燃料を供給する、周方向に複数配置された前記燃料供給孔の周方向位置とが一致していてもよい。この構成によれば、スワーラのような旋回流発生機構を具備しない予混合通路において、燃料と空気の周方向導入位置を合わせて効率的に空気に燃料を（または燃料に空気を）衝突させることにより、効果的に予混合を促進することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料噴射装置において、前記空気供給孔および前記燃料供給孔の少なくとも一方が、軸心方向に複数列に配置されていてもよい。この構成によれば、複数の空気供給孔または燃料供給孔を複数の列に分けて配置することにより、適切な数の孔を確保しながら、孔径の設計の自由度をも確保することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料噴射装置において、前記燃料供給孔が軸心方向に平行に延びていてもよい。この構成によれば、燃料が予混合通路へ流入するときに燃料流の速度低下が抑制される。その結果、予混合気の速度低下も抑制され、効果的に逆火を防止できる。

本発明の一実施形態に係る燃料噴射装置において、さらに、前記予混合通路の予混合気を旋回流として噴射する、周方向に傾斜した複数の第１予混合気噴射孔と、前記予混合通路の予混合気を、前記第１予混合気噴射孔よりも内径側から直進流として噴射する、周方向に等間隔に配置され、内径側へ同一角度で傾斜した複数の第２予混合気噴射孔とを有していてもよい。この構成によれば、燃料噴射装置内に予混合気の軸心方向流を噴射するための貯留室を設けることなく、第２予混合気噴射孔からの複数の直進流を合流させることによって軸心方向流を形成することができる。これにより、予混合通路を流れる予混合気加速流の速度を低下させることなく、軸心方向流によって燃焼室内における燃料分布の均一化を図ることができるとともに、より効果的に逆火を防止できる。さらに、第１予混合気噴射孔とは別に、これよりも内径側に位置する第２予混合気噴射孔を設けたことによって、燃焼室の火炎に曝される燃料噴射装置の先端部を効果的に冷却することができる。

本発明に係る混合器は、２種類の流体を混合する混合器であって、前記２種類の流体を混合する円環状の混合通路を備え、前記混合通路は、少なくとも燃料と空気との合流位置から最下流端にかけて、下流側に向かって先細りとなるテーパ状に形成されている。この構成によれば、混合通路を下流側に向かって先細りとなるテーパ状に形成することにより、混合通路の通路面積が下流側に向かって漸減するから、混合流体は混合通路の全域に渡って加速され、最下流部で最高流速となる。したがって、混合器から排出された混合流体が混合通路内へ逆流することを効果的に防止することができる。

本発明に係るガスタービンの燃料噴射装置によれば、効果的に低ＮＯｘ化を図ることができる予混合方式の燃料噴射装置において、予混合通路への逆火現象を防止することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る燃料噴射装置を適用したガスタービンエンジンを示す概略図である。 本発明の一実施形態に係る燃料噴射装置を備える燃焼器の一例を示す縦断面図である。 図２の燃料噴射装置を拡大して示す縦断面図である。 図３のIV−IV線断面図である。 図３の燃料噴射装置の燃料噴射ノズルを示す正面図である。 図５のVI−VI線断面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に、本発明の一実施形態に係る燃料噴射装置が適用されるガスタービンエンジン（以下、単にガスタービンと称する。）ＧＴの概略構成を示す。ガスタービンＧＴは、外部から導入した空気を圧縮機１で圧縮して圧縮空気Ａとして燃焼器３に導き、燃焼器３内で燃料Ｆを圧縮空気Ａとともに燃焼させ、得られた高温高圧の燃焼ガスＧによりタービン５を駆動する。タービン５は、回転軸Ｒを介して圧縮機１を駆動するとともに、発電機のような負荷Ｌを駆動する。

図２に示すように、燃焼器３の頭部（最上流部）に燃料噴射装置１１が設けられている。燃焼器３は単缶型であり、その軸心Ｃが回転軸Ｒ（図１）と直交する垂直面内に位置するように立設されている。燃料噴射装置１１は燃焼器３の軸心Ｃ上に配置されたパイロット型燃料噴射装置として設けられている。燃焼器３の筒状のハウジング１３の内側に、燃焼室１５を形成する燃焼筒１７が配置されている。燃焼筒１７の外周側には圧縮機１（図１）で圧縮された空気Ａを燃料噴射装置１１に導入する空気導入通路１９が形成されている。燃焼筒１７の前方には、燃焼筒１７と同心状に配置された筒状壁２１が連結されている。筒状壁２１に形成された空気導入口２３を介して、筒状壁２１の内方空間である空気導入室２５へ空気Ａが導入され、さらに空気導入室２５から燃料噴射装置１１へ空気Ａが導入される。なお、燃料噴射装置１１が設置される燃焼器のタイプは単缶型に限定されず、例えば、アニュラー型であってもよい。また、図示の例では燃焼器がパイロット型燃料噴射装置のみを備えているが、燃焼器の構成はこれに限定されず、例えば、パイロット型燃料噴射装置を取り囲むメイン燃料噴射装置を備えていてもよい。

図３に示す本実施形態に係る燃料噴射装置１１は、予混合方式の燃料噴射装置であり、燃料Ｆと空気Ａを予混合する円環状の予混合通路３１を備えている。図示の例では、予混合通路３１は、その下流側部分が下流側に向かって先細りとなるテーパ状に形成されている。

より具体的には、燃料噴射装置１１は、当該燃料噴射装置１１の外部からの燃料Ｆを供給する燃料供給路を形成する燃料供給管３３と、燃料供給管３３から供給された燃料Ｆを空気Ａと予混合し、この予混合によって生成した予混合気Ｍ１を燃焼室１５へ噴射する燃料噴射ノズル３５と、燃料供給管３３と燃料噴射ノズル３５とを接続し、かつこれら燃料供給管３３および燃料噴射ノズル３５を燃焼器３（図２）に支持するサポート盤３７とを備えている。

燃料噴射ノズル３５は、前記予混合通路３１と、空気Ａを予混合通路３１へ供給する空気供給孔３９と、燃料Ｆを予混合通路３１へ供給する燃料供給孔４１とを備えている。図示の例では、燃料噴射ノズル３５は、円錐台形状の外形を有し、予混合通路３１に燃料Ｆを供給する燃料供給ブロック４３と、燃料供給ブロック４３の外周形状に沿った内周形状を有して、前記燃料供給ブロック４３を覆う外筒４５とを備えている。なお、同図には、これら燃料供給管３３，燃料噴射ノズル３５（燃料供給ブロック４３および外筒４５）およびサポート盤３７を単一物として形成した例を示したが、これらの全部材または一部の部材を別体に形成して嵌合等により連結してもよい。

燃料供給ブロック４３は、上流側に位置し、中空のほぼ円筒状に形成されたブロック基部４３ａと、ブロック基部４３ａの下流側に位置し、円錐台形状の外形を有するブロック胴部４３ｂとからなる。中空のブロック基部４３ａの内方空間は、燃料供給管３３に連通しており、燃料供給路の一部となる燃料供給室４７を形成している。外筒４５は、下流側に位置し、ほぼ円筒状に形成された外筒基部４５ａと、外筒基部４５ａの下流側に位置し、燃料供給ブロック４３のブロック胴部４３ｂの外周形状に沿ったテーパ状の内周形状を有する外筒胴部４５ｂと、外筒胴部４５ｂの下流側、つまり外筒４５全体の最下流部に位置する外筒先端部４５ｃとからなる。燃料供給ブロック４３と外筒４５とは隙間を介して同心状に配置されており、燃料供給ブロック４３と外筒４５との間の空間が予混合通路３１を形成している。したがって、予混合通路３１のうち、ブロック胴部４３ｂと外筒胴部４５ｂとの間の空間が、下流側に向かって先細りとなるテーパ状通路部３１ａとして形成されている。また、予混合通路３１のうち、テーパ状通路部３１ａの上流側に位置する、ブロック基部４３ａと外筒基部４５ａとの間の空間は、縦断面視で軸心方向に平行に延びる、筒状通路部３１ｂとして形成されている。

外筒４５の外筒基部４５ａに、複数の空気供給孔３９が設けられている。各空気供給孔３９は、外筒基部４５ａの周壁を径方向に貫通する貫通孔として設けられている。本実施形態では、１６個の空気供給孔３９が軸心方向に複数列（この例では２列）に配置されている。図４に示すように、この例では各列において複数の空気供給孔３９は外筒４５の周方向に等間隔に配置されており、かつ、軸心方向に隣接する列間で、一方の列の空気供給孔３９が他方の列の空気供給孔３９の中間の周方向位置となるように（つまり、いわゆる千鳥状に）配置されている。

なお、複数の空気供給孔３９を、同一の軸心方向位置の１列のみに並べて配置してもよいが、複数の空気供給孔３９を複数の列に分けて配置することにより、適切な数の孔を確保しながら、孔径の設計の自由度をも確保することができる。複数の空気供給孔３９は３列以上に分けて配置されていてもよい。

一方、図３に示すように、燃料供給ブロック４３のブロック胴部４３ｂに、予混合通路３１に燃料Ｆを供給する複数（この例では１６）の燃料供給孔４１が設けられている。本実施形態では、複数の燃料供給孔４１がブロック胴部４３ｂの側面の同一軸心方向位置に開口するように設けられている。より具体的には、図示の例では、複数の燃料供給孔４１は予混合通路３１のテーパ状通路部３１ａの途中に開口している。各燃料供給孔４１は、ブロック胴部４３ｂを軸心方向に貫通する貫通孔として設けられている。燃料供給孔４１によって、円筒状のブロック基部４３ａの内方空間とブロック胴部４３ｂの外方空間（予混合通路３１）とが連通している。

なお、必要に応じて、燃料供給孔４１も、空気供給孔３９と同様、軸心方向に複数列に配置してもよい。複数の燃料供給孔４１を複数の列に分けて配置することにより、適切な数の孔を確保しながら、孔径の設計の自由度をも確保することができる。

本実施形態では、図４に示すように、空気供給孔３９の数と燃料供給孔４１の数は同一であり、かつ、空気供給孔３９の周方向位置と、燃料供給孔４１の周方向位置とが一致している。本実施形態のように、空気供給孔３９と燃料供給孔４１の一方または両方が複数列に配置されている場合、複数列に渡って配置された複数の空気Ａ燃料供給孔４１，燃料供給孔４１の全体として周方向位置が一致するように配置する。空気供給孔３９と燃料供給孔４１の周方向位置を必ずしも一致させなくてよいが、両噴射孔の周方向位置を一致させた場合は、スワーラのような旋回流発生機構を設けない本実施形態の予混合通路３１において、燃料Ｆと空気Ａの周方向導入位置を合わせて効率的に空気Ａに燃料Ｆを（または燃料Ｆに空気Ａを）衝突させることができるので、予混合が効果的に促進される。

図３に示すように、各燃料供給孔４１は、軸心方向に平行に延びている。燃料供給孔４１は、軸心方向に対して傾斜した方向に延びていてもよいが、燃料供給孔４１が軸心方向と大きく異なる角度で流入する場合、燃料と空気の混合はより一層促進されるものの，着火時などの燃料流量が多く、空気流量が少ない場合において、非燃焼側への燃料の逆流が懸念される。本実施形態では図３に示すように、各燃料供給孔４１を軸心方向に平行に配設することによって、燃料の非燃焼側への逆流が抑制される。また、予混合気の速度低下も抑制され、効果的に逆火を防止できる。

本実施形態では、空気供給孔３９よりも下流側の位置において燃料供給孔４１から燃料Ｆが予混合通路３１に噴射されるが、空気供給孔３９よりも上流側において燃料供給孔４１から燃料Ｆが予混合通路３１に噴射されるように構成されていてもよい。

燃料噴射装置１１の燃料噴射ノズル３５には、さらに、予混合通路３１の予混合気Ｍ１を燃焼室１５へ噴射する複数（この例では１６個）の第１予混合気噴射孔５１および複数（この例では４個）の第２予混合気噴射孔５３が設けられている。具体的には、これら予混合気噴射孔５１，５３は、燃料噴射ノズル３５の円盤状の外筒先端部４５ｃを、上流側（予混合通路３１側）から下流側（燃焼室１５側）へ貫通する貫通孔として設けられている。複数の第１予混合気噴射孔５１は、外筒先端部４５ｃにおける予混合通路３１とほぼ同一の径方向位置において、図５に示すように周方向に並べて配置されている。複数の第２予混合気噴射孔５３は、外筒先端部４５ｃにおいて、軸心Ｃを中心とする（つまり燃料噴射装置１１と同心状の）周方向に等間隔に並べて配置されており、予混合通路３１を通過した予混合気Ｍ１を、第１予混合気噴射孔５１よりも内径側から直進流として噴射する。

より具体的には、図６に示すように、各第１予混合気噴射孔５１は、同一の周方向に傾斜するように形成されている。すなわち、各第１予混合気噴射孔５１の出口５１ａは、入口５１ｂに対して周方向に傾斜した（偏位した）位置に配置されている。複数の周方向に並ぶ第１予混合気噴射孔５１が周方向に同一角度で傾斜しているので、図３に示すように、これら第１予混合気噴射孔５１から噴射された予混合気Ｍ２は、全体として、燃焼室１５の軸心回りに旋回する旋回流を形成する。

一方、各第２予混合気噴射孔５３は、予混合通路３１とほぼ同一の径方向位置から、下流側へ向かって内径側に同一角度で傾斜した、直線状に延びる貫通孔として形成されている。すなわち、各第２予混合気噴射孔５３の出口５３ａは、入口５３ｂに対して内径側に傾斜した（偏位した）位置に配置されている。したがって、第１予混合気噴射孔５１の燃焼室１５への開口である上記出口５１ａよりも内径側に、第２予混合気噴射孔５３の燃焼室１５への開口である上記出口５３ａが位置している。複数の第２予混合気噴射孔５３は周方向に等間隔に配置されているから、上記のように形成された各第２予混合気噴射孔５３から燃焼室１５へ噴射された予混合気Ｍ３の直進流は、燃焼室１５内における軸心Ｃ上で合流し、軸心Ｃに沿った軸心方向流を形成する。

このような構造を有する第２予混合気噴射孔５３を設けたことにより、第２予混合気噴射孔５３からの複数の直進流を合流させることによって軸心方向流を形成することができる。燃料噴射装置１の内径部から予混合気の軸心方向流を噴射するための構造としては、例えば、予混合通路３１の内径側に予混合気の貯留室を設けて予混合通路３１からの予混合気を貯留し、この貯留室から燃焼室へ軸心方向に延びる噴射孔を介して予混合気を噴射することが考えられる。このような構造とは異なり、本実施形態では、予混合通路３１の予混合気を直接燃焼室１５へ導く第２予混合噴射５３を設けているので、貯留室において予混合通路３１を流れる予混合気Ｍ１の加速流の速度を低下させることなく、軸心方向流によって燃焼室１５内における燃料Ｆ分布の均一化を図ることができるとともに、より効果的に逆火を防止できる。さらに、第１予混合気噴射孔５１とは別に、これよりも内径側に位置する第２予混合気噴射孔５３を設けたことによって、燃焼室１５内の火炎に曝される燃料噴射装置１１の先端部（燃料噴射ノズル３５の円盤状の外筒先端部４５ｃ）を、第２予混合気噴射孔５３を通過する予混合気Ｍ３によって冷却することができる。もっとも、第２予混合気噴射孔５３は省略してもよい。

なお、第１予混合気噴射孔５１の径および第２予混合気噴射孔５３の径は、特に限定されず、任意に設定してよいが、燃焼室１５における火炎の形成に主として寄与するのは第１予混合気噴射孔５１から噴射された予混合気Ｍ２の旋回流であるから、複数の第１予混合気噴射孔５１の総流路面積は複数の第２予混合気噴射孔５３の総流路面積よりも大きいことが好ましい。同じ理由から、第１予混合気噴射孔５１の径は第２予混合気噴射孔５３の径よりも大きいことが好ましい。第１予混合気噴射孔５１の数および第２予混合気噴射孔５３の数も、図示の例に限定されず、任意に設定してよいが、上述の理由から、第１予混合気噴射孔５１の数は第２予混合気噴射孔５３の数よりも多いことが好ましい。

以上説明した各実施形態に係る燃料噴射装置１１によれば、予混合通路３１を下流側に向かって先細りとなるテーパ状に形成することにより、予混合通路３１の通路面積が下流側に向かって漸減するから、予混合気Ｍ１は下流側に向かって常に加速され、最下流部で最高流速となる。これにより、燃焼室１５内から予混合通路３１への逆火を効果的に防止することができる。

なお、本実施形態に係る燃料噴射装置１１では、予混合通路３１の一部である下流部分のみをテーパ状に形成し、このテーパ状通路部３１ａの上流から空気Ａを導入するとともに、テーパ状通路部３１ａの途中から燃料Ｆを噴射する構造としたが、予混合通路３１における少なくとも燃料Ｆと空気Ａとの合流位置から最下流端までの部分がテーパ状に形成されていれば、テーパ状通路部３１ａと空気供給孔３９および燃料供給孔４１との位置関係はこの例に限定されない。例えば、燃料Ｆと空気Ａとの合流位置から最下流端までの部分のみをテーパ状に形成してもよく、予混合通路３１の全体をテーパ状に形成してもよい。

なお、本発明に係る燃料噴射装置１１は、ガスタービンＧＴの燃焼器３に使用するのみならず、広く２種類の流体を混合する混合器として使用することも可能である。その場合、上記予混合通路３１は、２種類の流体を混合する円環状の混合通路として機能する。なお、燃料噴射装置１１の上記実施形態の説明で用いた「予混合」とは、空気Ａと燃料Ｆとを、燃焼室１５に噴射する前に、燃料噴射装置１１内において予め行われる「混合」を指す、ガスタービンエンジン分野において慣用的に用いられている用語である。したがって、本発明を混合器に適用する場合には、上記実施形態の説明において用いた「予混合」（各構成要素の名称に付された「予混合」を含む）は「混合」に置き換えられる。本発明に係る混合器によれば、混合器から排出された混合流体が混合通路内へ逆流することを効果的に防止することができる。

以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

３ 燃焼器
１１ 燃料噴射装置
３１ 予混合通路
３１ａ テーパ状通路部
３９ 空気供給孔
４１ 燃料供給孔
４３ 燃料噴射ブロック
４５ 外筒
５１ 第１予混合気噴射孔
５３ 第２予混合気噴射孔
Ａ 空気
ＧＴ ガスタービンエンジン
Ｆ 燃料

Claims (7)

1. 燃料と空気を予混合して噴射する、ガスタービンエンジンの燃焼器に用いられる燃料噴射装置であって、
   燃料と空気を予混合する円環状の予混合通路を備え、
   前記予混合通路は、少なくとも燃料と空気との合流位置から最下流端にかけて、下流側に向かって先細りとなるテーパ状に形成されている、
   燃料噴射装置。
2. 請求項１に記載の燃料噴射装置において、さらに、
   円錐台形状の外形を有し、前記予混合通路に燃料を供給する燃料供給ブロックと、
   前記燃料供給ブロックの外周形状に沿った内周形状を有して、前記燃料供給ブロックを覆う外筒と、
   を備え、
   前記燃料供給ブロックと前記外筒との間に前記予混合通路が形成されている、
   燃料噴射装置。
3. 請求項１または２に記載の燃料噴射装置において、前記予混合通路に空気を供給する、周方向に複数配置された空気供給孔の周方向位置と、前記予混合通路に燃料を供給する、周方向に複数配置された前記燃料供給孔の周方向位置とが一致している燃料噴射装置。
4. 請求項３に記載の燃料噴射装置において、前記空気供給孔および前記燃料供給孔の少なくとも一方が、軸心方向に複数列に配置されている燃料噴射装置。
5. 請求項２から４のいずれか一項に記載の燃料噴射装置において、前記燃料供給孔が軸心方向に平行に延びている燃料噴射装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料噴射装置において、さらに、前記予混合通路の予混合気を旋回流として噴射する、周方向に傾斜した複数の第１予混合気噴射孔と、前記予混合通路の予混合気を前記第１予混合気噴射孔よりも内径側から直進流として噴射する、周方向に等間隔に配置され、内径側へ同一角度で傾斜した複数の第２予混合気噴射孔とを有する燃料噴射装置。
7. ２種類の流体を混合する混合器であって、
   前記２種類の流体を混合する円環状の混合通路を備え、
   前記混合通路は、少なくとも燃料と空気との合流位置から最下流端にかけて、下流側に向かって先細りとなるテーパ状に形成されている、
   混合器。

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